JP2017060274A - 永久磁石回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】希土類を含有するボンド磁石を使用してもコギングトルクの小さな永久磁石回転電機を提供する。
【解決手段】固定子鉄心４に形成された複数のスロット７内にティース５を取り囲むように集中的に巻回された多相の電機子巻線９が施された固定子と、固定子の外周に所定のギャップを介して回転自在に支承されたロータカップ１０と、ロータカップにほぼ等間隔に着磁された永久磁石１２を配置した回転子とを備える。固定子鉄心のティース数をM、永久磁石の数をPとしたとき、P：M＝６ｎ±２：６ｎ（ただしｎは２以上の整数）の関係に形成される。永久磁石に希土類を含有するSmFeNボンド磁石をロータカップの内周側に部分的に配置する構成とするとともに、固定子鉄心の積厚よりSmFeNボンド磁石の磁石長を長くし、SmFeNボンド磁石の内周面に補助溝１３とべべリング１４を形成する。
【選択図】図２

Description

本発明は集中巻固定子を採用した永久磁石回転電機に係わり、特にコギングトルクを低減するために、固定子鉄心のティース数をM、該永久磁石の数をPとしたとき、P：M＝６ｎ±２：６ｎ（ただしｎは２以上の整数）の関係に形成された永久磁石回転電機の改良に関するものである。

集中巻固定子を採用した永久磁石回転電機のコギングトルクは、固定子鉄心のティースの数Mと永久磁石の数Pとの最小公倍数に反比例することはよく知られている。一般的な２極３スロット（３ティースと同じ）系列（４極６スロット、８極１２スロット・・・）では最小公倍数が最小の６（２×３）と小さいためにコギングトルクが大きくなる。この対策として、特許文献１、特許文献２、および特許文献３に示されるように、外転型回転子の内周側の固定子鉄心のティース表面に２個の凹部を設ける方式（特許文献１参照）や４極３スロット系列のアキシャル型ブラシレスモータに対し、３相駆動コイルとアキシャル方向に対抗した永久磁石の表面に２か所の非着磁領域を設ける方式（特許文献２参照）、さらに内転型回転子に形成された永久磁石をボンド磁石で構成し、その外周面に溝部を設ける方式（特許文献３参照）が提案されている。

特平2008-148469号公報 特開昭64-5345号公報 特開2015-146713号公報

特許文献１、特許文献２、および特許文献３記載の従来技術では、２極３スロット系列あるいは４極３スロット系列（３空心コイル）の永久磁石回転電機にあって、ティース頭部あるいは円筒磁石の外周面に補助溝を設けることによってコギングトルクが低減できる。

これに対し、１０極１２スロット、あるいは１４極１２スロット系列では最小公倍数が３０（５×６）、４２（７×６）と大きいためにコギングトルクが小さくなる。しかしながら、上述系列、すなわち固定子鉄心のティース数をM、永久磁石の数をPとしたとき、P：M＝６ｎ±２：６ｎ（ただしｎは２以上の整数）の関係に形成された永久磁石回転電機において、希土類を含有するSmFeNボンド磁石を使用したときにコギングトルクが大きくなり、ひいては振動・騒音が大きくなった。

本発明はこれに鑑みなされたものであり、その目的とするところは、固定子鉄心のティース数をM、永久磁石の数をPとしたとき、P：M＝６ｎ±２：６ｎ（ただしｎは２以上の整数）の関係に形成された永久磁石回転電機において、希土類を含有するボンド磁石を使用してもコギングトルクの小さな永久磁石回転電機を提供することにある。

本発明の第２の目的は上記永久磁石回転電機において、電機子巻線からの漏れ電流を小さくし、かつ信頼性の高い永久磁石回転電機を提供することにある。

上記の目的を解決するために、本発明は、固定子鉄心に形成された複数のスロット内にティースを取り囲むように集中的に巻回された多相（U、V、W相）の電機子巻線が施された固定子と、固定子の外周に所定のギャップを介して回転自在に支承されたロータカップと、ロータカップにほぼ等間隔に着磁された永久磁石を配置した回転子とを備え、固定子鉄心のティース数をM、永久磁石の数をPとしたとき、P：M＝６ｎ±２：６ｎ（ただしｎは２以上の整数）の関係に形成された永久磁石回転電機において、永久磁石に希土類を含有するSmFeNボンド磁石をロータカップの内周側に部分的に配置する構成とするとともに、固定子鉄心の積厚よりSmFeNボンド磁石の磁石長を長くし、SmFeNボンド磁石の内周面に補助溝を形成するとともに、SmFeNボンド磁石の内周側周方向端面にべべリングを施したことを特徴とする。

さらに、固定子鉄心のティースの頭部以外をPBTで射出成形して絶縁するとともに、固定子鉄心のコアバックの全周囲を同じくPBTで射出成形して絶縁したことを特徴とする。

さらに、永久磁石回転電機の電機子巻線において、固定子鉄心のティースに巻回する方向を右回りと左回り、あるいは左回りと右回りとが一対になって各相の電機子巻線を構成し、ティースに右回りあるいは左回りで巻回するときに巻始めをティース内周側として巻終わりをティース外周側とし、隣のティースに左回りあるいは右回りで巻回するときに巻始めをティース外周側として巻終わりをティース内周側となるようにして、電機子巻線の巻始めと巻終わりをともにティース内周側になるようにしたことを特徴とする。

本発明の形態によれば、固定子鉄心に形成された複数のスロット内にティースを取り囲むように集中的に巻回された多相（U、V、W相）の電機子巻線が施された固定子と、固定子の外周に所定のギャップを介して回転自在に支承されたロータカップと、ロータカップの内周面にほぼ等間隔に着磁された永久磁石を配置した回転子とを備え、固定子鉄心のティース数をM、該永久磁石の数をPとしたとき、P：M＝６ｎ±２：６ｎ（ただしｎは２以上の整数）の関係に形成された永久磁石回転電機において、永久磁石に希土類を含有するSmFeNボンド磁石を部分的に配置する構成とするとともに、固定子鉄心の積厚よりSmFeNボンド磁石の磁石長を長くし、SmFeNボンド磁石の内周面に補助溝とべべリングを形成することにより、高出力化とコギングトルクを低減して振動・騒音を低減できる永久磁石回転電機を提供できる。

さらに、固定子鉄心のティースの頭部以外をPBTで射出成形して絶縁するとともに、固定子鉄心のコアバックの全周囲を同じくPBTで射出成形して絶縁することにより、電機子巻線からの漏れ電流を防止して永久磁石回転電機の信頼性を向上できる永久磁石回転電機を提供できる。

さらに、永久磁石回転電機の電機子巻線において、固定子鉄心のティースに巻回する方向を右回りと左回り、あるいは左回りと右回りとが一対になって各相の電機子巻線を構成し、ティースに右回りあるいは左回りで巻回するときに巻始めをティース内周側として巻終わりをティース外周側とし、隣のティースに左回りあるいは右回りで巻回するときに巻始めをティース外周側として巻終わりをティース内周側となるようにして、電機子巻線の巻始めと巻終わりをともにティース内周側になるようにし、スロット内に空中配線が無いようにして永久磁石回転電機の信頼性を向上できる永久磁石回転電機を提供できる。

本発明による永久磁石回転電機の軸方向断面図を示す一実施例である。 図１の永久磁石式回転電機のＡ−Ａ断面図である。 図１の永久磁石の寸法諸言を示す図である 本発明の永久磁石回転電機の補助溝の溝幅とコギングトルクの関係を示す図である。 本発明の永久磁石回転電機の補助溝の高さとコギングトルクの関係を示す図である。 本発明の永久磁石回転電機のべべリング有無とコギングトルクの関係を示す図である。 電機子巻線の巻装展開図を示したものである。

図1〜図７を同時に参照して説明する。

以下、図示した実施例に基づいて説明する。一実施形態として、洗濯乾燥機のモータとして用いられるものとして説明する。図１および図２にはその永久磁石回転電機が示されている。永久磁石回転電機１は、固定子２と回転子３からなる。固定子２はティース５とコアバック６からなる固定子鉄心４とティース５間に形成したスロット７からなり、スロット７の内周面は射出成形で施されたＰＢＴ等の絶縁部材８で覆われている。また、コアバック６の内周面には射出成形で施されたＰＢＴ等の内周絶縁部８Ａがあり、この絶縁部材８は固定子鉄心４の積厚方向端部も覆っている。すなわち、ティース５の頭部以外の固定子鉄心４を絶縁部材８で覆っている。スロット７内には集中巻の電機子巻線９（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相からなる３相巻線）を券装している。内周絶縁部８Ａの内周側は固定部材１５で支持され、シャフト１６と固定部材１５間はベアリング１８、ベアリング１９で支持され、２０はＣリング、２１は波板バネである。２２はモータ単板、２３は積層された固定子鉄心４どうしを連結するカシメである。シャフト１６の端部に設けたローレット１７によりロータカップ１０を支持し、ロータカップ１０の内周面には補助溝１３（１３Ａ、１３Ｂ）とべべリング１４（１４Ａ、１４Ｂ）を施したＳｍＦｅＮボンド磁石１２を接着あるいは樹脂の射出成形によって固定している。ＳｍＦｅＮボンド磁石１２の内周には、ＳｍＦｅＮボンド磁石１２と固定子鉄心４間にギャップ１１を介して固定子２を配置している。言い換えれば、固定子２の外周に所定のギャップ１１を介してロータカップ１０が回転自在に支承されている。

上述した永久磁石回転電機１は、固定子鉄心４に形成された複数のスロット７内にティース５を取り囲むように集中的に巻回された多相（U、V、W相）の電機子巻線９が施された固定子２と、固定子２の外周に所定のギャップ１１を介して回転自在に支承されたロータカップと、ロータカップ１０の内周面にほぼ等間隔に着磁された永久磁石を配置した回転子３とを備え、固定子鉄心４のティース５の数をM、永久磁石１２の数をPとしたとき、P：M＝６ｎ±２：６ｎ（ただしｎは２以上の整数）の関係に形成された永久磁石回転電機において、永久磁石に希土類を含有するSmFeNボンド磁石１２を部分的に配置する構成とするとともに、固定子鉄心４の積厚よりSmFeNボンド磁石１２の磁石長を長くし、SmFeNボンド磁石の内周面に補助溝とべべリングを形成したものである。

すなわち、ｎ＝２のとき、１０極１２スロットの場合に極数とスロット数の最小公倍数が５×６＝３０、コギングトルクの波が３０次となってコギングトルクそのものが大きくなることはない。しかし、小型軽量・高出力化を図るため、永久磁石１２にフェライトボンド磁石から希土類を含有するSmFeNボンド磁石１２を用いた場合に、１０極１２スロットを採用しているにも拘らずコギングトルクが大きくなった。このSmFeNボンド磁石１２を用いた場合に、磁石の寸法諸言とコギングトルクの関係について調べた。

図３は本発明の永久磁石回転電機の磁石周りの寸法諸言を示す図で、図４は補助溝の溝幅とコギングトルクの関係を示す図、図５は補助溝の高さとコギングトルクの関係を示す図、図６はべべリング有無とコギングトルクの関係を示す図である。

図３に示すように、磁石の極間を３等分し、３等分した磁石の内周面に補助溝（凹溝）を設けた場合、溝の幅について示したのが、図４である。溝の高さを0.47ｍｍ一定にして、溝幅（角度で表しているが、角度を1/2したものがほぼ周長（ｍｍ）となる）とコギングトルクの関係を示した場合、溝幅を５.５度以下に設定すればコギングトルクがミニマムになる。それではどこまで溝幅を小さくしても効果があるかというと、溝幅がゼロ度ということは補助溝なしになるので、角度２度以下でコギングトルクが大きくなる傾向にあるので、最適な補助溝の角度は２度から５.５度の範囲内となる。

次に、磁石の極間を３等分し、３等分した磁石の内周面に補助溝（凹溝）を設けた場合、溝の高さについて示したのが、図５である。溝幅２.５度一定にして、溝の高さとコギングトルクの関係を示した場合、溝幅を０．４ｍｍから０．５ｍｍ度以下に設定すればコギングトルクがミニマムになる。

さらに、磁石の極間を３等分し、３等分した磁石の内周面に補助溝（凹溝）を設けた場合、べべリング有無について示したのが、図６である。べべリングというのは、磁石端部での急峻な磁束変化を妨げるために設けられる段落とし形状であり、ステータ積厚３０ｍｍで磁石長さ３３．５ｍｍの場合はべべリングありでコギングトルク４．０１ｍＮｍ、べべリングなしで１５．７ｍＮｍとなる。ステータ積厚３０ｍｍで磁石長さ３０ｍｍの場合はべべリングありでコギングトルク３．４１ｍＮｍ、べべリングなしで１２．７ｍＮｍとなる。

すなわち、図６から言えることは、コギングトルクの低減にべべリングが有効であり、また、ステータ積厚に対して磁石長を短くしていくとコギングトルクが小さくなることを示唆している。本発明では小型軽量で高出力化を目指していることから、高出力化を図るにはステータ積厚に対して磁石長を長くする必要があることから、コギングトルクの低減には補助溝とべべリングが有効である。

さらに、図４、図５から、固定子鉄心の磁極片の径方向最小厚みをH（図２参照）としたとき、補助溝の深さを１H近傍に、補助溝の幅を１Hから２.７５H以内にすればコギングトルクをミニマム化できる。
本発明では永久磁石回転電機の信頼性の向上を第２の目的としている。

図１、図２から、固定子鉄心のティースの頭部以外をPBTで射出成形して絶縁するとともに、固定子鉄心のコアバックの全周囲を同じくPBTで射出成形して絶縁したことにより、永久磁石回転電機１を駆動するためにインバータ（図示せず）から電機子巻線９に電流供給したとき、電機子巻線９に発生する中世点電位によって流れる漏れ電流がなくなるため、ベアリングの電食問題をなくせる効果が得られる。

図７には電機子巻線の巻装展開図を示したものである。図７では、図１および図２と同じ部材には同じ番号をつけてあるので説明を省略する。図７において、本発明の永久磁石回転電機は例えば１０極１２スロットの場合、１２個あるティース５が２ティースずつペアとなって電機子巻線９が施される。すなわち、電機子巻線９のコイルＡは巻始めＡ１のティース下部５aから左回りでティース５に巻装され、ティース上部５ｂで巻終わりとなって隣のティース上部５ｂが巻始めとなり、右回りで巻装され、最後がティース下部５aから巻終わりＡ２になる。ここで、重要なのは巻き落とし方式の巻線機で巻装されるため、隣のティース５に巻かれたコイルが次々に上から巻き落とされるため、隣から巻装された最初のコイルはティース５の最内周に保持されることにより、ティース５間に空中配線が残ることはない。コイルＢは巻始めＢ１からティース５に右回りで巻装され、隣のティース５には左回りで巻線され、巻終わりがＢ２となる。

すなわち、各相のコイルは巻始め、巻終わりともティース５の下部になり、スロット内に空中配線が存在しないので、電磁力などでコイルに損傷を与えることがなく、耐圧が低下することのない永久磁石回転電機を提供できる。

本実施例に係る永久磁石回転電機は、固定子鉄心に形成された複数のスロット内にティースを取り囲むように集中的に巻回された多相（U、V、W相）の電機子巻線が施された固定子と、固定子の外周に所定のギャップを介して回転自在に支承されたロータカップ、回転ロータカップにほぼ等間隔に着磁された永久磁石を配置した回転子とを備え、固定子鉄心のティース数をM、該永久磁石の数をPとしたとき、P：M＝６ｎ±２：６ｎ（ただしｎは２以上の整数）の関係に形成された永久磁石回転電機において、永久磁石に希土類を含有するSmFeNボンド磁石を部分的に配置する構成とするとともに、固定子鉄心の積厚よりSmFeNボンド磁石の磁石長を長くし、SmFeNボンド磁石の内周面に補助溝とべべリングを形成することにより、高出力化とコギングトルクを低減して振動・騒音を低減し、漏れ電流や空中配線のない、信頼性の高い永久磁石回転電機を提供できる。

上述の実施例では、永久磁石回転電機１を洗濯乾燥機に用いた例を説明したが、これに限らず、ポンプや家庭用・産業用機器に使用しても良い。

1…永久磁石回転電機、2…固定子、3…回転子、4…固定子鉄心、5…ティース、5Ａ…ティーステーパ部、6…コアバック、7…スロット、8…絶縁材、8Ａ…内周絶縁部、9…電機子巻線（U相、V相、W相）、10…ロータカップ、11…ギャップ、12…永久磁石、13…補助溝、14…べべリング、15…固定部材、16…シャフト、17…ローレット、18…ベアリングＡ、19…ベアリングＢ、20…Ｃリング、21…スラストバネ、22…モータ単板、23…カシメ

Claims (6)

1. 固定子鉄心に形成された複数のスロット内にティースを取り囲むように集中的に巻回された多相（U、V、W相）の電機子巻線が施された固定子と、
   該固定子の外周に所定のギャップを介して回転自在に支承されたロータカップと、
   該ロータカップの内周面にほぼ等間隔に着磁された永久磁石を配置した回転子と、を備え、
   該固定子鉄心のティース数をM、該永久磁石の数をPとしたとき、P：M＝６ｎ±２：６ｎ（ただしｎは２以上の整数）の関係に形成された永久磁石回転電機において、前記永久磁石をSmFeNボンド磁石にて構成するとともに、該SmFeNボンド磁石の内周面に補助溝を形成したことを特徴とする永久磁石回転電機。
2. 請求項１記載の永久磁石回転電機において、
   前記永久磁石をSmFeNボンド磁石で部分的に円周上に配置して構成するとともに、前記固定子鉄心の積厚より前記SmFeNボンド磁石の磁石長が長いことを特徴とする永久磁石回転電機。
3. 請求項１ないし２項記載の永久磁石回転電機において、
   前記SmFeNボンド磁石の内周面に設けた前記補助溝を極間の３等分の位置に配置し、前記固定子鉄心の磁極片の径方向最小厚みをHとし、該SmFeNボンド磁石の内周面の周長がほぼ０.５ｍｍ／度としたとき、該補助溝の深さをH近傍に、該補助溝の幅を１Hから２.７５H近傍に設定したことを特徴とする永久磁石回転電機。
4. 請求項１ないし３項記載の永久磁石回転電機において、
   前記固定子鉄心の前記ティースの頭部以外をPBTで射出成形して絶縁するとともに、該固定子鉄心のコアバックの全周囲を同じく該PBTで射出成形して絶縁したことを特徴とする永久磁石回転電機。
5. 請求項１ないし４項記載の永久磁石回転電機において、前記SmFeNボンド磁石の内周面にべべリングを施したことを特徴とする永久磁石回転電機。
6. 固定子鉄心に形成された複数のスロット内にティースを取り囲むように集中的に巻回された多相（U、V、W相）の電機子巻線が施された固定子と、
   該固定子の外周に所定のギャップを介して回転自在に支承されたロータカップと、
   該ロータカップの内周面にほぼ等間隔に着磁された永久磁石を配置した回転子と、を備え、該固定子鉄心のティース数をM、該永久磁石の数をPとしたとき、P：M＝６ｎ±２：６ｎ（ただしｎは２以上の整数）の関係に形成された永久磁石回転電機において、
   前記固定子鉄心の前記ティースに巻回する方向を右回りと左回り、あるいは左回りと右回りとが一対になって各相の前記電機子巻線を構成し、該ティースに該右回りあるいは該左回りで巻回するときに巻始めを該ティース内周側として巻終わりを該ティース外周側とし、隣の該ティースに該左回りあるいは該右回りで巻回するときに巻始めを該ティース外周側として巻終わりを該ティース内周側となるようにして、該電機子巻線の巻始めと巻終わりをともに該ティース内周側になるようにしたことを特徴とする永久磁石回転電機。

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