JP3028669B2

JP3028669B2 - ブラシレスｄｃモータ

Info

Publication number: JP3028669B2
Application number: JP4033249A
Authority: JP
Inventors: 和伸大山; 昭雄山際
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 1992-02-20
Filing date: 1992-02-20
Publication date: 2000-04-04
Anticipated expiration: 2015-04-04
Also published as: JPH05236687A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は電機子鉄心に電機子巻
線を巻回してなる電機子と回転子鉄心に永久磁石を埋込
んでなる回転子とを含むブラシレスＤＣモータに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来から圧縮機等の駆動源として、電気
的制御が容易であること等の利点に着目してモータが採
用されている。また、モータには種々の種類のものがあ
るが、現状では、三相交流電源を用いて回転磁界を簡単
に得ることができ、整流子を不要にできること、および
堅牢、低価格、取扱いの簡便さ等の利点に着目して三相
誘導電動機が最も一般的に用いられている。しかし、誘
導電動機は、電機子鉄心に電機子巻線を巻回しているだ
けでなく、回転子鉄心にも回転子巻線を巻回しており、
運転時には回転子巻線にも電流が流れるので、機械損が
存在しないと仮定した場合であっても、回転子巻線に電
流が流れることに起因する二次銅損分だけ出力が入力よ
りも減少し、余り効率を高めることができない。

【０００３】この点に着目して、回転子鉄心に回転子巻
線を巻回する代わりに、回転子鉄心に永久磁石を装着し
て二次銅損を０にし、高い運転効率を達成できるブラシ
レスＤＣモータが提案されている。このブラシレスＤＣ
モータは、回転子鉄心の外周に少なくとも１対の永久磁
石を設けた構成のもの（以下、表面磁石構造と称す
る）、および回転子鉄心の内部に少なくとも１対の永久
磁石を埋込んだ構成のもの（以下、埋込磁石構造と称す
る）に大別される。

【０００４】そして、表面磁石構造のものは回転子鉄心
の表面に単に永久磁石を装着しているだけであるから、
回転子を高速回転させると永久磁石が剥離する可能性が
高く、余り高速回転させることができない。これに対し
て埋込磁石構造のものは回転子鉄心の内部に永久磁石を
埋込んでいるので永久磁石の剥離を阻止でき、表面磁石
構造のものよりも高速回転に対処できる。また、永久磁
石を埋込むことによりインダクタンスを大きくでき、イ
ンダクタンスに起因するトルク成分を大きくできるので
あるから、高トルク負荷の駆動に適している。したがっ
て、高速回転を行なわせる必要があるとともに高トルク
負荷の駆動を行なわせる必要がある用途には埋込磁石構
造のブラシレスＤＣモータを採用することになる。

【０００５】また、上記何れの構造のものにおいても、
電機子のスロットの影響を受けてスロットリプルが発生
するので（図１３参照）、スロットリプルを低減するた
めに電機子鉄心をスキューさせる方法が知られている
が、電機子鉄心スロットのが斜めになり、自動巻線作業
が困難になる等の不都合があるので、回転子鉄心をスキ
ューさせる方法が提案されている（特開昭６３−１４０
６４５号公報参照）。

【０００６】図１１（Ａ）（Ｂ）は回転子鉄心をスキュ
ーさせる方法を説明する概略図であり、半径方向を向く
ように３対の永久磁石８２が回転子鉄心８１に埋込まれ
ているとともに、回転子鉄心８１を軸方向に複数個に分
割し、各分割部分８１ａが順次所定角度ずつ回転させた
状態で回転軸に圧入され、一体化されている。尚、８３
は永久磁石８２の延長線上に位置する、磁束の短絡を防
止するための空隙である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記回転子鉄心のスキ
ュー構造を採用する場合には、隣合う分割部分８１ａの
空隙８３同士が全長範囲において少なくとも一部がオー
バーラップしなくなれば回転子鉄心同士が部分的に接触
するので、接触部を通して磁束の短絡が発生してしまう
（図１２参照）。したがって、隣合う分割部分８１ａの
空隙８３同士が全長範囲において少なくとも一部がオー
バーラップするように回転角度を設定しなければならな
い｛図１１（Ｂ）参照｝。この結果、１つの分割部分８
１ａ当りのスキュー角度を余り大きく設定できないこと
になるので、電気的に３６０°だけスキューさせるのに
必要な分割部分８１ａの数が著しく多くなり、回転子の
構成が複雑化し、製造が困難になるとともにコストアッ
プを招いてしまうという不都合がある。具体的には、ス
ロット数をＳとすれば、分割部分８１ａの数ｎは次式を
満足しなければならない。（３６０／Ｓ）×ｋ＝αｎ但し、ｋは１スロットの角度に対するスキュー角の割合
を示す定数、αは１つの分割部分当りのスキュー角度で
ある。

【０００８】このような不都合を解消し、１つの分割部
分当りのスキュー角度を大きくするために永久磁石８２
の厚みを厚くすることが考えられるが、永久磁石８２が
大きくなることに伴なうコストアップを招くのみなら
ず、トルク低下等の性能低下を招いてしまうという新た
な不都合を生じてしまうことになる。尚、以上には永久
磁石８２を半径方向に埋込んでなる回転子を例にとって
説明したが、永久磁石を半径方向と直角な方向に埋込ん
でなる回転子であれば、空隙の幅が一層狭くなるので、
上記不都合が一層顕著になってしまう。

【０００９】

【発明の目的】この発明は上記の問題点に鑑みてなされ
たものであり、１つの分割部分当りのスキュー角度を大
きくでき、回転子の構成を簡素化できるとともに製造作
業を簡素化できる埋込磁石構造のブラシレスＤＣモータ
を提供することを目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの、請求項１のブラシレスＤＣモータは、回転子鉄心
の所定位置に半径方向と直角な方向を向く所定厚みの永
久磁石が設けられているとともに、各永久磁石の端面位
置から回転子鉄心の外周寄り所定位置まで延びて磁束の
短絡を防止する空隙が形成されてあるとともに、空隙の
幅が永久磁石の厚みよりも大きく設定されてあり、さら
に、回転子鉄心が軸方向に複数の部分に分割されている
とともに、空隙が全長範囲にわたって少なくとも一部が
オーバーラップするように隣合う分割部を相対的に回転
された状態で位置決めしてあるものである。

【００１１】請求項２のブラシレスＤＣモータは、空隙
の一方の端縁が永久磁石の端面の外端縁に連続している
とともに、他方の端縁が永久磁石の端面の内端縁よりも
内方の所定位置に連続している。請求項３のブラシレス
ＤＣモータは、空隙の一方の端縁が隣合う１対の永久磁
石の一方の対応する端面の外端縁に連続しているととも
に、他方の端縁が他方の永久磁石の対応する端面の外端
縁に連続している。

【００１２】請求項４のブラシレスＤＣモータは、空隙
が回転子鉄心の半径方向に直線的に延びる形状である。
請求項５のブラシレスＤＣモータは、空隙の幅が回転子
鉄心の半径方向に漸拡している。

【００１３】

【作用】請求項１のブラシレスＤＣモータであれば、回
転子鉄心の所定位置に形成された磁束の短絡を防止する
空隙の幅を広くしているので、磁束の短絡を生じさせな
い限界スキュー角度を大きくでき、この結果、回転子鉄
心の分割数を少なくできるので、回転子の構成を簡素化
できるとともに、製造を容易化できる。また、空隙の幅
を広くしていても、永久磁石の厚みを増加させていない
のであるから、コストアップ、性能低下等の不都合を確
実に防止できる。

【００１４】請求項２のブラシレスＤＣモータであれ
ば、空隙の幅を広くするに当って、電機子との間で磁束
の流れを達成する回転子鉄心部分の表面積を減少させて
いないのであるから、ブラシレスＤＣモータとしての性
能の劣化を確実に防止できる。請求項３のブラシレスＤ
Ｃモータであれば、各永久磁石の端面に対応させて空隙
を形成する場合と比較して空隙の幅を大幅に広くでき、
限界スキュー角度を著しく大きくできるので、回転子鉄
心の分割数を大幅に少なくでき、著しい構成の簡素化を
達成できる。

【００１５】請求項４のブラシレスＤＣモータであれ
ば、回転子鉄心における磁束の流れが空隙により乱され
るという不都合を防止してブラシレスＤＣモータとして
良好な性能を発揮させることができる。請求項５のブラ
シレスＤＣモータであれば、空隙の幅を外周側に向かっ
て漸拡させているのであるから、１分割部分当りのスキ
ュー角度を大きくできる。

【００１６】

【実施例】以下、実施例を示す添付図面によって詳細に
説明する。図５はこの発明のブラシレスＤＣモータの一
実施例を示す縦断面図、図２は回転子の構成を示す斜視
図、図１は回転子の構成を示す縦断面図である。ブラシ
レスＤＣモータは図５に示すように、ほぼ円筒状の電機
子鉄心の内面に形成した複数のスロットに電機子巻線を
巻回してなる電機子１と、電機子１の内径よりもやや小
さい外径の回転子鉄心２ａの内部に少なくとも１対（図
示した実施例においては２対）の永久磁石２ｂを埋設し
てなる回転子２とを有している。

【００１７】図１，図２に示す回転子２は、回転子２の
半径方向と直角な方向に永久磁石２ｂを埋設してあり、
隣合う永久磁石２ｂにより発生される磁束の短絡を防止
するために、永久磁石２ｂの端部から回転子鉄心２ａ外
端近傍まで半径方向に延びる磁束短絡防止用の空隙２ｃ
を形成してある。そして、回転子２が軸方向に複数個の
分割部分２１に分割されているとともに、各分割部分２
１が隣合う分割部分２１に対して所定のスキュー角度だ
け回転された状態になっている。尚、空隙２ｃの内部に
非磁性体からなる接着性の充填材を充填してあり、空隙
２ｃの外方に残存する部分が磁束短絡部２ｅである。ま
た、回転子鉄心２ａはケイ素鋼板等を積層して構成され
るのであるから、必要に応じて図示しないピン、ボルト
等を貫通させて全体を強固に一体化する。さらに、ピ
ン、ボルト等に代えて、またはピン、ボルト等に加え
て、回転子鉄心２ａの外径とほぼ等しい内径の非磁性体
からなる管体（たとえばＳＵＳ管）を用い、管体に回転
子鉄心２ａを挿通してもよい。

【００１８】尚、接着性の充填材としては、エポキシ系
接着剤、アクリル系接着剤に代表される接着剤のみを用
いることが可能であるほか、この接着剤に対して、接着
強度を低下させることなく固化させることができる固形
物を混入してなるものを用いることが可能である。そし
て、上記空隙２ｃが比較的狭幅の場合には接着剤のみを
用いることが好ましく、空隙２ｃが比較的広幅の場合に
は接着剤に固形物を混入してなるものを用いて固化所要
時間の大幅に増加を防止することが好ましい。また、上
記永久磁石２ｂとしてはフェライト磁石を用いることが
可能であるが、希土類磁石を用いることが好ましい。

【００１９】一般的に、ｒ１：回転子の半径ｔ１：磁束短絡部の厚み α：１つの分割部分当りのスキュー角度Ｌｍ：永久磁石の厚みＬｇ：空隙の幅とすれば、従来のブラシレスＤＣモータにおいてはＬｇ＝Ｌｍ／２^1/2 である。一方、空隙をオーバーラップさせる条件は、（ｒ１−ｔ１）ｔａｎα＜Ｌｇ α＜ｔａｎ^-1｛Ｌｇ／（ｒ１−ｔ１）｝となる。ここで、スキュー角度αを大きくするために
は、（１）空隙の幅Ｌｇを大きくする。

【００２０】（２）回転子の半径ｒ１を小さくする。（３）磁束短絡部の厚みｔ１を大きくする。等の方法が考えられるが、（２）（３）の方法はブラシ
レスＤＣモータの性能の低下を招いてしまう。したがっ
て、この発明においては（１）の方法を採用している。
さらに詳細に説明すると、図３にも示すように、上記空
隙２ｃは、一方の端縁が永久磁石２ｂの端面の外端縁に
連続しているとともに、他方の端縁が永久磁石２ｂの端
面．内端縁よりも内方の所定位置に連続するように従来
のブラシレスＤＣモータと比較して幅広に形成され、電
機子１との間で磁束の流れを形成する回転子鉄心部分が
狭幅になることを防止している。そして、回転子２の軸
に対する各分割部分２１の相対位置は、図４に示すよう
に、何れかの分割部分２１の空隙２ｃの全長範囲が隣合
う分割部分２１の空隙２ｃの全長範囲に対して量の多少
を問わず必ずオーバーラップするように設定されてい
る。具体的には、永久磁石２ｂの厚みをＬｍ、対向する
１対の空隙２ｃの外端間の距離をＬｇａ、対向する１対
の空隙２ｃの内端間の距離をＬｇｂとすれば、２Ｌｍ／
２^1/2＜（Ｌｇａ−Ｌｇｂ）となり、ブラシレスＤＣモ
ータの特性を損なうことなく空隙２ｃの幅を広くでき
る。好ましくは、空隙２ｃの最も外端部同士が僅かにオ
ーバーラップするように（上式を満足する上限値となる
ように）相対位置を設定することが好ましく、１つの分
割部分２１のスキュー角度αを最大にできる。

【００２１】上記の構成のブラシレスＤＣモータであれ
ば、従来のブラシレスＤＣモータと比較してスキュー角
度αを大きく設定できるのであるから、回転子２の分割
数を少なくでき、構成の簡素化および製造の容易化を達
成できる。そして、空隙２ｃの幅を大きく設定している
が、電機子１との間で磁束の流れが形成される部分の大
きさは従来のブラシレスＤＣモータの場合と同じである
から性能の劣化を防止できる。また、従来のブラシレス
ＤＣモータと同じ分割数に設定した場合には、隣合う分
割部分２１の空隙２ｃ同士のオーバーラップ範囲を大き
くできるのであるから、ブラシレスＤＣモータの高性能
化を達成できる。

【００２２】図６は回転子２を５分割してスキュー角度
αを３．７５°に設定した場合の各分割部分２１の状態
を示す図であり、回転子２を５つの分割部分２１に分割
してそれぞれスキュー角度を設定するだけで、全体とし
て１５°のスキューを達成できている。図７は、以上の
ようにしてスキューをかけた回転子２を組込んだブラシ
レスＤＣモータにおける、回転子の位置に対応するギャ
ップ磁束密度の変化を示す図であり、スロットリップル
が大幅に低減されていることが分る。また、電磁騒音も
大幅に低減できる。

【００２３】

【実施例２】図８はこの発明のブラシレスＤＣモータの
他の実施例に組込まれる回転子の構成を示す概略図であ
り、上記実施例と異なる点は、所定距離を隔てて各永久
磁石毎に形成されていた空隙に代えて、両者を一体化し
た形状の空隙２ｃを形成した点のみである。

【００２４】したがって、この実施例の場合には、２Ｌ
ｍ／２^1/2＜Ｌｇ（但し、Ｌｇはこの実施例における空
隙２ｃの幅）を満足するように空隙２ｃの幅を広くでき
る。即ち、実施例１の場合と比較してスキュー角度αを
一層大きくでき、回転子２の分割数を一層少なくでき
る。

【００２５】

【実施例３】図９はこの発明のブラシレスＤＣモータの
さらに他の実施例に組み込まれる回転子の構成を示す概
略図であり、図１の実施例と異なる点は、空隙２ｃの幅
を半径方向に漸拡させ、空隙２ｃの両端縁を回転子鉄心
２ａの遠心方向とほぼ一致させた点のみである。

【００２６】したがって、この実施例の場合には、図１
の実施例において各分割部分２１毎にスキューを施した
場合に最初にオーバーラップが解消される空隙部分（空
隙の最も外方端縁部）を幅広に形成していることに起因
して１分割部分当りのスキュー角度を大きくでき（図９
中破線参照）、ひいては回転子２の分割数を減少させる
ことができる。

【００２７】

【実施例４】図１０はこの発明のブラシレスＤＣモータ
のさらに他の実施例に組み込まれる回転子の構成を示す
概略図であり、図８の実施例と異なる点は、空隙２ｃの
幅を半径方向に漸拡させ、空隙２ｃの両端縁を回転子鉄
心２ａの遠心方向とほぼ一致させた点のみである。

【００２８】したがって、この実施例の場合には、図８
の実施例において各分割部分２１毎にスキューを施した
場合に最初にオーバーラップが解消される空隙部分（空
隙の最も外方端縁部）を幅広に形成していることに起因
して１分割部分当りのスキュー角度を大きくでき（図１
０中破線参照）、ひいては回転子２の分割数を減少させ
ることができる。

【００２９】

【発明の効果】以上のように請求項１の発明は、１分割
当りのスキュー角度を大きくでき、回転子の分割数を少
なくできるので、回転子の構成を簡素化できるとともに
製造作業を簡素化できるという特有の効果を奏する。請
求項２の発明は、請求項１の効果に加え、電機子との間
で磁束の流れが形成される範囲の減少を防止できるの
で、ブラシレスＤＣモータの特性劣化を確実に防止でき
るという特有の効果を奏する。

【００３０】請求項３の発明は、スキュー角度を大きく
でき、回転子の分割数を少なくできるので、回転子の構
成を簡素化できるとともに製造作業を簡素化でき、しか
も、電機子との間で磁束の流れが形成される範囲の減少
を防止できるので、ブラシレスＤＣモータの特性劣化を
確実に防止できるという特有の効果を奏する。請求項４
の発明は、空隙により磁束の流れが乱されることを防止
できるので、ブラシレスＤＣモータの特性劣化を確実に
防止できるという特有の効果を奏する。

【００３１】請求項５の発明は、空隙の幅を半径方向に
漸拡させているので、１分割部分当りのスキュー角度を
一層大きくできるという特有の効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明のブラシレスＤＣモータの一実施例に
おける回転子の構成を示す縦断面図である。

【図２】この発明のブラシレスＤＣモータの一実施例に
おける回転子を示す斜視図である。

【図３】回転子の要部を示す拡大図である。

【図４】隣合う分割部分間のスキュー角度を説明する概
略図である。

【図５】この発明のブラシレスＤＣモータの一実施例を
概略的に示す縦断面図である。

【図６】回転子を５分割して１分割当りのスキュー角度
を３．７５°に設定した場合の各分割部分の状態を示す
図である。

【図７】回転子の回転位置に対応するスロットリップル
を示す図である。

【図８】この発明のブラシレスＤＣモータの他の実施例
における回転子の構成を示す縦断面図である。

【図９】この発明のブラシレスＤＣモータのさらに他の
実施例における回転子の構成を示す縦断面図である。

【図１０】この発明のブラシレスＤＣモータのさらに他
の実施例における回転子の構成を示す縦断面図である。

【図１１】回転子のスキュー方法を説明する図である。

【図１２】スキュー角度が大きすぎる場合の不都合を説
明する図である。

【図１３】回転子、電機子の何れにもスキューを施さな
い場合のスロットリップルを説明する図である。

【符号の説明】

１電機子２回転子２ａ回転子鉄心２
ｂ永久磁石２ｃ空隙２１分割部分

フロントページの続き (56)参考文献特開昭63−140645（ＪＰ，Ａ) 特開昭56−107768（ＪＰ，Ａ) 実開昭53−141443（ＪＰ，Ｕ) 国際公開89／2183（ＷＯ，Ａ１) 米国特許4139790（ＵＳ，Ａ) 米国特許5097166（ＵＳ，Ａ) 西独国特許出願公開2014342（ＤＥ, Ａ１) 森本純司、外５名、「埋込磁石構造ＰＭモータに適した制御法」、電気学会研究会資料（半導体電力変換研究会）、社団法人電気学会、平成４年１月31日、ＳＰＣ−92−５、Ｐ．45−53 Ｔ．Ｍ．Ｊａｈｎｓ、外２名、「ＩｎｔｅｒｉｏｒＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔＳｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓＭｏｔｏｒｓｆｏｒＡｄｊｕｓｔａｂｌｅ−ｓｐｅｅｄＤｒｉｖｅｓ」、ＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅＲｅｃｏｒｄＩＥＥＥＩｎｄｕｓｔｒｙＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓＳｏｃｉｅｔｙ（ＩＥＥＥ−ＩＡＳ−1985 ＡｎｎｕａｌＭｅｅｔｉｎｇ）、米国、ＩＥＥＥＩｎｄｕｓｔｒｙＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓＳｏｃｉｅｔｙ、昭和60年10月６日、Ｐ．814−823 ＲｉｃｈＳｃｈｉｆｅｒｌ、外１名、「ＰｏｗｅｒＣａｐａｂｉｌｉｔｙｏｆＳａｌｉｅｎｔＰｏｌｅＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔＳｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓＭｏｔｏｒｓｉｎＶａｒｉａｂｌｅＳｐｅｅｄＤｒｉｖｅ」、ＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅＲｅｃｏｒｄｏｆｔｈｅ 1988 ＩＥＥＥＩｎｄｕｓｔｒｙＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓＳｏｃｉｅｔｙＡｎｎｕａｌＭｅｅｔｉｎｇ、米国、ＩＥＥＥＩｎｄｕｓｔｒｙＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓＳｏｃｉｅｔｙ、昭和63 年10月２日、Ｐ．23−31 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02K 1/27 501 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】電機子鉄心に電機子巻線を巻回してなる
電機子（１）と回転子鉄心（２ａ）に永久磁石（２ｂ）
を埋込んでなる回転子（２）とを含むブラシレスＤＣモ
ータであって、回転子鉄心（２ａ）の所定位置に半径方
向と直角な方向を向く所定厚みの永久磁石（２ｂ）が設
けられているとともに、各永久磁石（２ｂ）の端面位置
から回転子鉄心（２ａ）の外周寄り所定位置まで延びて
磁束の短絡を防止する空隙（２ｃ）が形成されてあると
ともに、空隙（２ｃ）の幅が永久磁石（２ｂ）の厚みよ
りも大きく設定されてあり、さらに、回転子鉄心が軸方
向に複数の部分に分割されているとともに、空隙（２
ｃ）が全長範囲にわたって少なくとも一部がオーバーラ
ップするように隣合う分割部（２１）を相対的に回転さ
れた状態で位置決めしてあることを特徴とするブラシレ
スＤＣモータ。
【請求項２】空隙（２ｃ）の一方の端縁が永久磁石
（２ｂ）の端面の外端縁に連続しているとともに、他方
の端縁が永久磁石（２ｂ）の端面の内端縁よりも内方の
所定位置に連続している請求項１に記載のブラシレスＤ
Ｃモータ。
【請求項３】空隙（２ｃ）の一方の端縁が隣合う１対
の永久磁石（２ｂ）の一方の対応する端面の外端縁に連
続しているとともに、他方の端縁が他方の永久磁石（２
ｂ）の対応する端面の外端縁に連続している請求項１に
記載のブラシレスＤＣモータ。
【請求項４】空隙（２ｃ）が回転子鉄心（２ａ）の半
径方向に直線的に延びる形状である請求項１から請求項
３の何れかに記載のブラシレスＤＣモータ。
【請求項５】空隙（２ｃ）の幅が回転子鉄心（２ａ）
の半径方向に漸拡している請求項４に記載のブラシレス
ＤＣモータ。