JP4248984B2 - 永久磁石電動機 - Google Patents

Description

本発明は、回転子鉄心の内部に複数の永久磁石を埋め込んで構成された回転子を有する永久磁石電動機に関する。

回転子鉄心に永久磁石を埋設することによって、減磁耐力に優れ、効率を高めた永久磁石電動機が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。図１１はこの永久磁石電動機の回転子を、その回転軸が挿入される前における回転軸挿入方向から見た端部の側面図である。図１１において、回転子２は外形形状が円形の鋼板を全体として柱状に積層してなる回転子鉄心２ａと、図示を省略した回転軸とで構成されている。回転子鉄心２ａは外周に近い略正八角形の各辺に対応する部位に永久磁石収容孔５が形成され、これらの永久磁石収容孔５にそれぞれ永久磁石４が埋め込まれている。これらの永久磁石４はＮ極とＳ極とが交互になるように着磁されている。各永久磁石収容孔５の外側の外周部鉄心３には径方向に細長く、永久磁石収容孔５に沿って複数のスリット孔６が相互に離隔して設けられている。そして、この回転子鉄心２ａの中心部に回転軸を挿入するための回転軸孔８を備えている。
特開平１１−１８７５９７号公報

上述した従来の永久磁石電動機の回転子鉄心２ａに設けられたスリット孔６は等間隔に配置され、これによって、永久磁石４の磁束を径方向に導出、入させると共に、固定子巻線電流によって生じた磁束（以下、電機子反作用磁束と称する）が外周部鉄心３の周方向に周り込まないようにしている。

しかしながら、複数のスリット孔６を等間隔に配置した場合、永久磁石４による周方向の磁束分布が台形状になる。このため、固定子と回転子の幾何学的位置関係によって生じるコギングトルクが大きくなり、振動が大きくなるという問題があった。

また、固定子巻線に誘起される電圧は高調波を多く含んだ歪み波形となり、騒音の増大を招くほか、鉄損の増大による効率低下をもたらすという問題もあった。

さらに、固定子に３相正弦波交流を供給して駆動する場合、トルクとして有効に寄与するのは基本波成分のみで、高調波成分はトルクリップルとなることから、このトルクリップルによって振動や騒音が増大するという問題があった。

本発明は、上記の事情を考慮してなされたもので、電機子反作用磁束を軽減すると共に、外周部鉄心の磁束分布を改善することにより、騒音や振動の少ない高効率な永久磁石電動機を提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、
鋼板を全体として柱状に積層した回転子鉄心と、この回転子鉄心中にその軸心を中心とする略正多角形の各辺に対応する部位に形成された永久磁石収容孔と、永久磁石収納孔にそれぞれ挿入された永久磁石と、永久磁石収容孔の外周部鉄心に形成され、径方向に細長く、かつ、永久磁石収容孔に沿って離隔配置された４個以上のスリット孔とを備えてなる永久磁石電動機において、
スリット孔の径方向外側端のピッチを略等しくし、径方向内側端のピッチを永久磁石の中央部を大きくし、中央部から端部に離れるに従って小さくした、
ことを特徴とするものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の永久磁石電動機において、永久磁石の各辺部を正弦波の底辺に対応させ、スリット孔の径方向内側端のピッチを、正弦波の高さに比例させたことを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項２に記載の永久磁石電動機において、ｎを正の整数として、回転子の磁極数が２ｎ個で、それぞれ導線が集中巻きされてなる固定子の歯数が３ｎ個であり、永久磁石の各辺部を中央方向に縮めた部位に正弦波の底辺を対応させたことを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１に記載の永久磁石電動機において、スリット孔の径方向外側端と回転子鉄心の外周との間の鉄心幅を、永久磁石の中央部に対応する部位を、両側部よりも大きくしたことを特徴とする。

請求項５に係る発明は、請求項１に記載の永久磁石電動機において、永久磁石収容孔の径方向外側端とスリット孔の径方向内側端との間の鉄心幅、並びに、スリット孔の径方向内側端と回転子鉄心の外側との間の鉄心幅を、それぞれ鋼板の厚みの１乃至３倍としたことを特徴とする。

本発明によれば、電機子反作用磁束が軽減され、さらに、外部鉄心の磁束分布も改善されるため、騒音や振動の少ない高効率の永久磁石電動機が提供される。

以下、本発明を図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係る永久磁石電動機の第１の実施形態として、回転軸が挿入される前における回転軸挿入方向から見た回転子の端部の側面図である。図中、従来装置を示す図１１と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。ここで、回転子２は外形形状が円形の鋼板を全体として柱状に積層してなる回転子鉄心２Ａと、図示を省略した回転軸とで構成されている。

回転子鉄心２Ａは外周に近い略正四角形の各辺に対応する部位に永久磁石収容孔５が形成され、これらの永久磁石収容孔５にそれぞれ永久磁石４が埋め込まれている。各永久磁石収容孔５の外側の外周部鉄心３には径方向に細長く、永久磁石収容孔５に沿って複数の、例えば、１０個のスリット孔６が相互に離隔して設けられている。そして、この回転子鉄心２Ａの中心部に回転軸を挿入するための回転軸孔８が設けられ、その周囲に通しボルト用孔９が設けられている。

この実施形態は、スリット孔６の径方向外側端のピッチが回転子鉄心２Ａの外周に沿って略等しくされ、径方向内側端のピッチが永久磁石４の中央部において大きくされ、中央部から端部に離れるに従って小さくされたものである。

スリット孔６を上記のように配置することによって、スリット孔６間の磁極鉄心を通る永久磁石４の磁束は永久磁石４に近いスリット孔６の端部のピッチに略比例することから、外周部鉄心３を通る永久磁石４の磁束分布は周方向で見てその中央部分が最も大きく、永久磁石４の中央部から端部に行くに従って小さくなる。このため、トルクを発生する有効磁束が増大すると共に、磁束が台形状に分布する場合と比較して高調波磁束が減少して鉄損も減少し、また、コギングトルクの減少により振動を抑制することができる。

かくして、第１の実施形態によれば、複数のスリット孔により電機子反作用磁束を軽減させ、外部鉄心の磁束分布の改善により、騒音や振動が少なく、高効率の永久磁石電動機が提供される。

図２は本発明に係る永久磁石電動機の第２の実施形態として、回転軸が挿入される前における回転軸挿入方向から見た回転子の端部の側面図である。図中、第１の実施形態を示す図１と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。ここに示した回転子鉄心２Ｂは永久磁石収容孔５に沿って１２個のスリット孔６が相互に離隔して設けられている。この場合、スリット孔６の径方向外側端のピッチが回転子鉄心２Ｂの外周に沿って略等しくされ、径方向内側端のピッチが、永久磁石４の各辺部を正弦波の底辺に対応させ、スリット孔の径方向内側端のピッチを、正弦波の高さに比例させたものである。

図３はこの回転子鉄心２Ｂの永久磁石４の外周部鉄心３に形成されるスリット孔６の径方向内側端のピッチを詳細に説明するための部分拡大図であり、永久磁石４の長手方向の中央部のピッチをＰ１とし、中央部から端部に行くに従って順次に小さくなるようにピッチＰ２，Ｐ３，…，Ｐ６，Ｐ７を決定したものである。これらのピッチＰ１〜Ｐ７は、図４に示すように、電気角の１８０度区間に対応させた正弦波（半波）の底辺を永久磁石４の長さＷに対応させ、この正弦波を電気角方向に１５等分し、等分された中央部の高さをＰ１とし、その外側の高さを順次にＰ２，Ｐ３，…，Ｐ６，Ｐ７としたとき、これらの高さＰ１〜Ｐ７に比例するように、スリット孔６の径方向内側端のピッチＰ１〜Ｐ７を決定したものである。これによって、Ｐ１＞Ｐ２＞Ｐ３＞Ｐ４＞Ｐ５＞Ｐ１＞Ｐ７の関係を持たせると共に、これらのピッチＰ１〜Ｐ７に比例した磁束が通ることから正弦波に近似した磁束分布が得られる。

かくして、第２の実施形態によれば、複数のスリット孔により電機子反作用磁束を軽減させ、外部鉄心の磁束分布のより一層の改善により、騒音や振動が少なく、高効率の永久磁石電動機が提供される。

図５は本発明に係る永久磁石電動機の第３の実施形態として、回転子及び固定子の端部の側面図であり、特に、回転子２として図３に示す回転子鉄心２Ｂに類似した回転子鉄心２Ｃを用いたものである。この場合、ｎを正の整数である、例えば、２として、回転子２の磁極数が２ｎ（＝４）個で、それぞれ導線７が集中巻きされてなる固定子１の歯数が３ｎ（＝６）個であり、永久磁石４の各辺部を中央方向に縮めた部位に、図４に示す正弦波の底辺を対応させて、スリット孔６の径方向内側端のピッチＰ１〜Ｐ７を決定したものである。

回転子２の磁極数と固定子１の歯数との間で、２ｎ：３ｎの関係があるとすれば、回転子２の磁極の角度ピッチに比べて、固定子１の歯の角度ピッチが小さくなるため、固定子１の各相の歯が回転子２の１極分の全磁束を受けることができなくなる。

図６はこのような不具合を解消するための説明図であり、永久磁石４の全長Ｗを正弦波の底辺にそのまま対応させないで、永久磁石４の両端から所定の寸法だけ内側に縮めた部分に、図４で示したと同様な面積を持つ正弦波を定め、これを等分して得られる高さＰ１〜Ｐ７に比例するように、スリット孔６の径方向内側端のピッチＰ１〜Ｐ７を決定して、回転子鉄心２Ｃを構成する。これによって、図７に示したように、第２の実施形態では波線の曲線Ｐに示した磁束分布が、第３の実施形態では実線の曲線Ｑに示すように立ち上がりが急になり中央部の磁束が強められ、より正弦波に近い磁束分布に変えることができる。これによって、第２の実施形態よりも誘起電圧波形が改善され、電動機の効率を一層高めることができる。

かくして、第３の実施形態によれば、複数のスリット孔により電機子反作用磁束を軽減させ、外部鉄心の磁束分布のより一層の改善により、騒音や振動が少なく、高効率の永久磁石電動機が提供される。

図８は本発明に係る永久磁石電動機の第４の実施形態として、回転軸挿入方向から見た回転子の端部の部分拡大側面図である。図中、図３と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。ここに示した、回転子鉄心２Ｄはスリット孔６の径方向外側端と回転子鉄心２Ｄの外周との間の鉄心幅を、永久磁石の中央部に対応する部位のみを、例えば、ｄ２のように大きくし、中央部から離れた部位は、例えば、ｄ１のように小さくしたものである。以下にその理由を説明する。

スリット孔６の径方向外側端と回転子鉄心の外周との間の鉄心幅を全て等しくすると、図９に示すように、磁束の大きい中央部において、誘起電圧波形に振幅の小さな振動、すなわち、波打ちが現れることがある。これは、磁束の強さに対して、スリット孔６の径方向外側端と回転子鉄心の外周との間の鉄心幅が狭すぎるために磁気抵抗が大きくなっているためと考えられる。この実施形態に係る回転子鉄心２Ｄは磁束分布の波打ちが顕著に現れる磁極の中心付近のみ、スリット孔６の径方向外側端と回転子鉄心２Ｄの外周との間の鉄心幅ｄ２を、これ以外の部位の鉄心幅ｄ１より大きくすることにより、スリット孔６による磁束分布制御の効果を損なうことなく誘起電圧の波打ちを防止している。

かくして、第４の実施形態によれば、複数のスリット孔により電機子反作用磁束を軽減させ、外部鉄心の磁束分布のより一層の改善により、騒音や振動が少なく、高効率の永久磁石電動機が提供される。

図１０は上述した永久磁石電動機を駆動する駆動回路である。ここで、交流電源１０からの交流をコンバータ１１で直流に変換し、その直流出力を可変周波数出力のインバータ１２で任意周波数の交流に再変換して永久磁石電動機１３（以下、電動機１３と称する）に供給する。電動機１３の端子電圧に基づいて位置検出部１４により電動機１３の回転子位置を検出し、それを位置信号として制御部１５に送出する。制御部１５は、位置信号を用いて、インバータ１２の出力周波数が電動機１３の回転周波数と同期するようにインバータ１２を制御する。なお、電動機１３は実質的に３相同期電動機であって、それに対応してインバータ１２も３相ブリッジ型に構成され、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相の正側アームはＵ＋，Ｖ＋，Ｗ＋で示され、負側アームはＵ−，Ｖ−，Ｗ−で示されている。図示の回路構成により、直流式の無整流子電動機が構成されている。なお、電動機回転子位置を電動機端子電圧に基づいて検出する方式はセンサレス方式または間接式位置検出方式と言われるものである。

電動機１３の各相巻線には、周知のごとく各瞬時には、いずれか一つの相の正側アームと他の一つの相の負側アームとが対をなしてオン動作し、他の各アームはオフ状態にある。オンすべきアームを３相間で順次切り換えることによってインバータ１２から所望の３相出力が電動機１３に与えられる。これによって、固定子に３相正弦波交流を供給して駆動することができる。

なお、永久磁石収容孔５の径方向外側端とスリット孔６の径方向内側端との間の鉄心幅、並びに、スリット孔６の径方向外側端と回転子鉄心の外周との間の鉄心幅は、周方向に磁束が周り込むことを防ぐという観点からすればできるだけ狭い方が望ましいが、鋼板の打ち抜きにある程度余裕があることが望ましく、また、前述した波打ちを減少させるためには、電磁鋼板の板厚の１乃至３倍とすることが適切である。

なおまた、上記実施形態では、回転子鉄心中にその軸心を中心とする正四角形の各辺に対応する部位に永久磁石を埋め込んだ構成のものについて説明したが、本発明はこれに適用を限定されるものではなく、回転子鉄心中にその軸心を中心とする略正多角形の各辺に対応する部位にそれぞれ永久磁石を埋め込んで回転子を構成する殆どの永久磁石電動機に適用することができる。

また、上記の各実施形態では外周部鉄心３に１０個又は１２個のスリット孔６を備えるものについて説明したが、４個以上のスリット孔６を備えるものであれば、これらの全てに本発明を適用することができる。

本発明に係る永久磁石電動機の第１の実施形態として、回転軸が挿入される前における回転軸挿入方向から見た回転子の端部の側面図。 本発明に係る永久磁石電動機の第２の実施形態として、回転軸が挿入される前における回転軸挿入方向から見た回転子の端部の側面図。 図２に示した回転子鉄心の外周部鉄心に形成されるスリット孔の径方向内側端のピッチを詳細に説明するための部分拡大図。 図２に示した回転子鉄心の外周部鉄心に形成されるスリット孔の径方向内側端のピッチを決定するための波形図。 本発明に係る永久磁石電動機の第３の実施形態として、回転子及び固定子の端部の側面図。 図５に示した回転子鉄心の外周部鉄心に形成されるスリット孔の径方向内側端のピッチを決定するための波形図。 図５に示した回転子鉄心に発生する磁束分布図。 本発明に係る永久磁石電動機の第４の実施形態として、回転軸挿入方向から見た回転子の端部の部分拡大側面図。 図８に示す第４の実施形態の動作を説明するための誘起電圧波形図。 各実施形態に係る永久磁石電動機を駆動する駆動回路図。 従来の永久磁石電動機の回転子を、その回転軸が挿入される前における回転軸挿入方向から見た端部の側面図。

符号の説明

１ 固定子
２ 回転子
２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ 回転子鉄心
３ 外周部鉄心
４ 永久磁石
５ 永久磁石収容孔
６ スリット孔
７ 導線
８ 回転軸孔
９ 通しボルト用孔
１０ 交流電源
１１ コンバータ
１２ インバータ
１３ 永久磁石電動機
１４ 位置検出部
１５ 制御部

Claims (5)

1. 鋼板を全体として柱状に積層した回転子鉄心と、この回転子鉄心中にその軸心を中心とする略正多角形の各辺に対応する部位に形成された永久磁石収容孔と、前記永久磁石収納孔にそれぞれ挿入された永久磁石と、前記永久磁石収容孔の外周部鉄心に形成され、径方向に細長く、かつ、前記永久磁石収容孔に沿って離隔配置された４個以上のスリット孔とを備えてなる永久磁石電動機において、
   前記スリット孔の径方向外側端のピッチを略等しくし、径方向内側端のピッチを前記永久磁石の中央部を大きくし、中央部から端部に離れるに従って小さくした、
   ことを特徴とする永久磁石電動機。
2. 前記永久磁石の各辺部を正弦波の底辺に対応させ、前記スリット孔の径方向内側端のピッチを、前記正弦波の高さに比例させたことを特徴とする請求項１に記載の永久磁石電動機。
3. ｎを正の整数として、回転子の磁極数が２ｎ個で、それぞれ導線が集中巻きされてなる固定子の歯数が３ｎ個であり、前記永久磁石の各辺部を中央方向に縮めた部位に前記正弦波の底辺を対応させたことを特徴とする請求項２に記載の永久磁石電動機。
4. 前記スリット孔の径方向外側端と前記回転子鉄心の外周との間の鉄心幅を、前記永久磁石の中央部に対応する部位を、両側部よりも大きくしたことを特徴とする請求項１に記載の永久磁石電動機。
5. 前記永久磁石収容孔の径方向外側端と前記スリット孔の径方向内側端との間の鉄心幅、並びに、前記スリット孔の径方向外側端と前記回転子鉄心の外周との間の鉄心幅を、それぞれ前記鋼板の厚みの１乃至３倍としたことを特徴とする請求項１に記載の永久磁石電動機。

Images