JP4447278B2 - 永久磁石埋め込み型電動機 - Google Patents

Description

本発明は、固定子のスロットに巻線を巻き付けた固定子と、磁石収容孔に収容された永久磁石を有する回転子とを備える永久磁石埋め込み型電動機（以降電動機と称す）に関する。

近年、環境問題等によって低電圧で駆動される電動機を搭載した電動車両の開発がされている。このような電動機には、隣り合う磁極が異極となるように永久磁石を埋め込んだ回転子をインバータ等の駆動装置によって運転している。例えば、車両本体を駆動するための駆動用電動機や、車両に搭載する密閉型電動圧縮機、或いは電動パワ−ステアリング等に使用されている。

この隣り合う磁極が異極となるように永久磁石を埋め込んだ回転子においては、リラクタンストルクとマグネットトルクを両立させることによって電動機の総合トルクＴを向上し、その結果、電動機の効率を向上させることができる。
電動機の総合トルクＴは、次式で表すことができる。
Ｔ＝φ・Ｉｑ＋（Ｌｄ−Ｌｑ）・Ｉｄ・Ｉｑ ・・・・ （１）
この場合、φは磁束量、Ｉｑはｑ軸電流、Ｉｄはｄ軸電流、Ｌｑはｑ軸インダクタンス、Ｌｄはｄ軸インダクタンスを示している。磁束量φが大きくなると総合トルクＴも大きくなり電動機の効率を向上することができる。

このように永久磁石を埋め込んだ回転子は、リラクタンストルクとマグネットトルクとの両方を得ることができ総合トルクを向上し、電動機効率を向上することができるが、電動機の運転に伴いコギングトルク及びトルク脈動に起因する音、振動が発生している。

また、この隣り合う磁極が異極となるように永久磁石を埋め込んだ回転子の磁極間においては磁束が短絡し易い。これらの問題に対しては、例えば特開１１−９８７３１号公報（特許文献１参照）のような回転子が開示されている。この回転子を図７を用いて説明する。図７には回転子２ｄ内部の磁石収容孔８ｄに埋め込まれた永久磁石９ｄの端部に接するように磁束短絡防止用穴１７を回転子２ｄの外周に沿うように円周方向に設け、永久磁石９ｄ両端部の磁束の短絡を防ぎ、永久磁石９ｄの磁束が漏れないようにし、トルクを有効に得ている。また、磁束短絡防止用穴１７の回転子２ｄの円周方向の幅を特定しコギングトルク及びトルク脈動を低減している。

また、別の従来例として特開２００２−３０５８５９号公報（特許文献２参照）の回転子を図８で説明する。図８の回転子２ｅ内に埋め込まれた永久磁石９ｅは、隣り合う磁極が異極となるように磁石収容孔８ｅに埋め込まれ、永久磁石９ｅの端部と回転子２ｅの外周との間に磁束短絡防止用の切り欠き溝１９が設けられている。また、この切り欠き溝１９によって補助磁極部が設けられリラクタンストルクを積極的に利用している。これにより永久磁石９ｅの両端部において磁束の短絡を最小限に抑え、リラクタンストルクを有効に利用している。

特開１１−９８７３１号公報 特開２００２−３０５８５９号公報

しかしながら、図７に示した様に、永久磁石９ｄの端部に接した磁束短絡防止用穴１７を回転子２ｄの外周に沿うように円周方向に細長く設けることで、永久磁石９ｄの両端部の磁束短絡を防ぎ、コギングトルク及びトルク脈動を低減することはできるが、回転子２ｄの外周に近接し、細長い磁束短絡防止用穴１７を設けているため回転子２ｄの強度を保つことができず、電動機運転中に回転子２ｄが膨らみ、図中の点線１８で示した様に回転子２ｄの外周が変形し、最悪の場合は電動機の焼損事故につながる。

また、図８のように、永久磁石９ｅの両端部に隣接させ切り欠き溝１９を設け永久磁石９ｅの両端部における漏れ磁束を最小限に抑えことはできるが、回転子２ｅの外周に磁束が漏れないように大きな切り欠き溝１９を設けているため、例えば装置内に冷媒１６等を有する密閉型電動圧縮機などでは、圧縮機内の冷媒１６を故意に掻き混ぜてしまい冷媒効率が落ちてしまっている。

また、この切り欠き溝１９があることにより回転子２ｅが回転する際の風きり音及び振動等が発生してしまう。この場合、この回転子２ｅの外周に設けた切り欠き溝１９を塞ぎブリッジを形成した場合、固定子歯部を介して主磁極から補助磁極或いは、補助磁極部から主磁極へ磁束が漏れてしまう。仮に、漏れないようにブリッジ部分を細長く回転子２ｅの外周に沿うように形成した場合、先に述べたように電動機運転中に回転子２ｅが膨らみ変形してしまう。

本発明は、補助磁極で得られるリラクタンストルクと、主磁極から得られるマグネットトルクとを両立し、漏れ磁束が極力発生することがなく電動機の効率を向上させると伴に、電動機運転時の回転子の強度を保ち、例えば装置内に冷媒等を有する密閉型電動圧縮機においても冷媒効率を向上させ、音、振動を低減させた電動機とすることを目的としている。

固定子のスロットに巻線を巻き付けた電動機であって、固定子歯部と対向する回転子は、隣り合う磁極が異極となるように円周方向に永久磁石を埋め込んだ磁石収容孔が等配に設けられており、前記磁極が隣り合う磁極間にはリラクタンストルクを十分利用するための補助磁極が設けられた電動機において、
前記磁石収容孔の端部壁と永久磁石との間に第１の空隙が設けられ、磁石収容孔の端部壁と回転子外周との間に第２の空隙を設け、
前記磁極間を挟んで隣り合う前記第１の空隙間の幅は、
前記固定子の歯幅の主幹部分と同じかそれ以上であり、回転子と対向した部分の前記固定子の歯幅の両先端部と同じかそれ以下の幅を有し、
前記第２の空隙幅は、前記第１の空隙幅よりも大きく磁極中心方向に広げた電動機とする。
特に、固定子歯部に直接巻線を巻き付けた集中巻き方式の電動機とし、
例えば、装置内に冷媒等を有する、冷蔵庫用或いはエアコン用の室外機に搭載される密閉型電動圧縮機内の電動機や、
或いは、車両用途として搭載される電動機とすることにより優れた効果を得ることができる。

本発明は、固定子のスロットに巻線を巻き付けた電動機であって、固定子歯部と対向する回転子は、隣り合う磁極が異極となるように円周方向に永久磁石を埋め込んだ磁石収容孔が等配に設けられており、前記磁極が隣り合う磁極間にはリラクタンストルクを十分利用するための補助磁極が設けられた永久磁石埋め込み型電動機において、
前記磁石収容孔の端部壁と永久磁石との間に第１の空隙が設けることにより、補助磁極側、或いは主磁極側からの磁束の漏れを防ぐことができる。また、磁石収容孔の端部壁と回転子外周との間に第２の空隙を設けることにより、固定子歯部を経由するような短絡磁束の流出入を極力低減している。

更に、前記磁極間を挟んで隣り合う第１の空隙間の幅が前記固定子の歯幅の主幹部分と同じかそれ以上であり、回転子と対向した部分の固定子の歯幅の両先端部と同じかそれ以下の幅を有することにより、補助磁極で得られるリラクタンストルクを発生する磁束の流出入する通路を十分確保することができる。また、前記第２の空隙幅は、第１の空隙の幅より回転子外周に沿うように磁極中心方向に大きく広げることによって、回転子の永久磁石から得られるマグネットトルクを発生する磁束を集中させ、固定子歯部を経由するような短絡磁束のない回転子とすることができ、電動機の効率を向上させるとともに、電動機運転時の回転子の強度を保ち、コギングトルク及びトルク脈動に起因する音、振動を低減した電動機とすることができる。

特に、固定子歯部に直接巻線を巻き付けた集中巻き方式とした電動機に用いることによって漏れ磁束を低減し、音、振動を大幅に低減することができる。

また、装置内に冷媒等を有する、冷蔵庫用或いはエアコン用の室外機に搭載される密閉型電動圧縮機内の電動機に用いることによって冷媒等を故意に掻き混ぜてしまい冷媒効率を低下させてしまうこともなくなる。

また、車載用の装置内の電動機とすることによって、音、振動を低減した車両とすることができる。

本発明の実施例について図面を用いて説明する。図１の電動機は、固定子１のスロット３に巻線を巻き付けた電動機であって、前記巻線が３相を形成した電動機である。尚、図中の固定子１のスロット３には、便宜上巻線の記載を省略している。この固定子１の歯部４と対向するように固定子１の内径側に永久磁石９を埋め込んだ永久磁石埋め込み型回転子を有している。この永久磁石埋め込み型回転子には、回転子２の外周に対して弦状に永久磁石９を埋め込む磁石収容孔８が設けられている。この磁石収容孔内８に埋め込まれた永久磁石９は、磁極が交互で異極となるように円周方向に等配に埋め込まれており４極を形成している。また、隣り合う磁極と磁極の間には、補助磁極６が設けられリラクタンストルクを発生する磁束φ１が十分流れる幅を有している。

この回転子２の外周に対して弦状に永久磁石９を埋め込んだ磁石収容孔８の端部壁２０と永久磁石９との間には、第１の空隙１０が設けられている。この第１の空隙１０は、磁石収容孔８より小さな永久磁石９を挿入することによって永久磁石９の両端部に空隙部を形成している。この場合永久磁石９は、磁石収容孔８のほぼ中央に位置するように配置されている。

磁石収容孔８内に永久磁石９を固定する方法としては、図１に示した様に、永久磁石９の端部から回転子２の外周にかけて磁石収容孔８の側壁が先端先細形状１２とすることにより磁石収容孔内８の端部壁２０によって永久磁石９を固定している。また、更に、第１の空隙部１０には樹脂等の絶縁材料で永久磁石９を固定してもよい。

この第１の空隙１０があることにより、図２に示したような補助磁極１４ａと主磁極１５ａとの間に発生する漏れ磁束φ４を低減することができ、図１で示したように第１の空隙１０を設けることにより補助磁極部６で発生するリラクタンストルクと主磁極部７で発生するマグネットトルクとを確実に分けることができる。

次に、図１で説明した電動機において、回転子２の磁極間付近をより詳しく説明するための部分拡大図を図３に示す。磁極間を挟んで隣り合う磁石収容孔８ａ、８ｂには、其々永久磁石９ａ、９ｂが挿入されている。磁石収容孔８ａ、８ｂ内の永久磁石９ａ、９ｂと端部壁２０との間には第１の空隙部１０ａ、１０ｂが設けられている。この永久磁石９ａ、９ｂの端部に設けられた第１の空隙１０ａ、１０ｂ間の距離、幅Ｘ１は、補助磁極６で得られるリラクタンストルクを発生する磁束φ１が十分に流れるように、固定子１の歯幅４の主幹部分Ｙ１と同じかそれ以上であり、回転子２と対向した部分の固定子１の歯幅４の両先端部５と同じかそれ以下の幅とすることによりリラクタンストルクを発生する磁束φ１の磁束の流れを妨げること無くスムーズに流すことができ、主磁極７から得られるマグネットトルクを発生する磁束φ２とを両立し電動機の総合トルクを向上させることができる。その結果、電動機の効率も向上させることができる。

尚、固定子側におけるリラクタンストルクを発生する磁束φ１の磁束通路は、固定子１の歯幅４の主幹部分Ｙ１が支配的となり、固定子１の歯幅４の両先端部５は磁気飽和してしまい有効的な磁束通路とはいえないが、リラクタンストルクを発生する磁束φ１が流れる磁束通路幅を十分確保する場合、回転子２と対向している部分の固定子１の歯幅４の両先端部５も含んだ寸法とした方が効果的である。従って、第１の空隙１０ａ、１０ｂ間の幅Ｘ１は、Ｙ１≦Ｘ１とすればよく、
また、固定子１の歯部４の両先端部５のそれ以上に第１の空隙１０ａ、１０ｂ間の幅Ｘ１を広げてもリラクタンストルクを発生する磁束φ１の磁束通路としてはあまり意味をなさないことになる。

従って、磁極間を挟んで隣り合う磁石収容孔８ａ、８ｂの永久磁石９ａ、９ｂの端部の第１の空隙間１０ａ、１０ｂの幅Ｘ１は、固定子１の歯幅４の主幹部分Ｙ１と同じかそれ以上であり、回転子２と対向した部分の固定子１の歯幅４の両先端部５と同じかそれ以下の幅とすることによりリラクタンストルクを発生する磁束φ１をスムーズに流すことが出き、補助磁極６と主磁極７との間の磁束の漏れを防ぐことができる。また、磁気抵抗が少なくリラクタンストルクを発生する磁束φ１とマグネットトルクを発生する磁束φ２を最大限に利用した電動機とし、電動機効率も向上させることができる。

次に、第２の空隙１１ａ、１１ｂについて説明する。図３に示したように、磁石収容孔８ａ、８ｂの端部壁２０と回転子２の外周との間の第２の空隙１１ａ、１１ｂを設けている。第２の空隙１１ａ、１１ｂを設けることによって、図４に示している様な固定子１の歯部４ｃを介して補助磁極部１４ｂと主磁極部１５ｂとの間に発生する漏れ磁束φ５を低減することができる。この場合、先に説明した様に回転子２内を経由する漏れ磁束φ４は、第１の空隙１３ａ、１３ｂによって低減できることは言うまでもない。

また、第２の空隙１１ａ、１１ｂは、磁極中心方向に大きく伸ばした構造と成っている。この場合、第２の空隙１１ａ、１１ｂの深さは、磁束が固定子１の歯部４を介して補助磁極部６と主磁極部７が短絡し漏れ磁束が発生しない程度の深さとすればよい。

また、例えば装置内に冷媒等を有する密閉型電動圧縮機などでは、圧縮機内の冷媒を回転子２の外周に設けた第２の空隙１１ａ、１１ｂで故意に掻き混ぜ、冷媒の流れを装置内で偏らせてしまい冷媒効率を低下させ、電動機が温度上昇し電動機効率が悪化しない程度の深さとすればよい。

図５には、回転子外周に設けた第２の空隙の深さをＬとし、固定子と回転子との間のギャップをｇとした場合のＬ／ｇと、冷媒抵抗の関係を示したグラフを示している。この場合、冷媒抵抗を考慮するとＬ／ｇ≦０．５を満足する深さとすればよい。

図６は、図３と同様に図１で説明した回転子２の磁極間付近をより詳しく説明するための部分拡大図である。ここでは、第２の空隙部分１１ａ、１１ｂの回転子円周方向の幅Ｚについて説明する。回転子２の第２の空隙１１ａ、１１ｂは、永久磁石９ａ、９ｂが挿入された磁石収容孔８ａ、８ｂの端部壁２０と回転子外周との間に設けられている。ここで回転子外周部分に設けた第２の空隙部分１１ａ、１１ｂの回転子円周方向の幅Ｚは、先に説明したように補助磁極のリラクタンストルクを発生する磁束φ１を確実に得ることができ、固定子１の歯部４を介して補助磁極部６と主磁極部７との間に漏れ磁束が発生しないように磁極中心方向に向い第２の空隙１１ａ、１１ｂを回転子外周に沿って設けている。

具体的には、第２の空隙１１ａ、１１ｂの幅は、回転子２と対向している部分の固定子１の歯幅４の両先端部５のそれ以上とすることによって磁束漏れの少ない回転子２とすることができる。仮に、第２の空隙１１a、１１ｂの幅Zが、固定子１の歯幅４の両先端部５より狭い場合、磁束が固定子１の歯部４もしくは、歯部４の両先端部５を介して漏れてしまうことに成る。従って、歯幅４の両先端部５の幅をＹ２とした場合、Ｙ２≦Ｚとすれば良いことになる。

また、第２の空隙１１a、１１ｂの幅は、磁極間を挟み第１の空隙１０aと１０ｂとによってリラクタンストルクを発生する磁束φ１が支障がなく流れるように確保した幅X１より磁極間側に飛び出ないようにしている。これは、当然ではあるが磁極間を挟み確保したリラクタンストルクを発生する磁束φ１の磁束通路を狭めることになるからである。また、第２の空隙１１ａ、１１ｂの幅を第１の空隙１０ａ、１０ｂの幅より磁極中心方向に大きく広げることにより端部壁２０の強度を維持しながら主磁極７で得られるマグネットトルクを発生する磁束φ２を磁極中心に集中させることができ、インバータ側から見た通電区間に磁束を集中させることができる。この場合、１つの磁極内における第２の空隙１１間の距離としては回転子の軸孔を中心として開角５０度〜７０度（電気角にて）程度にすればよい。

尚、実施形態の第２の空隙１１ａ、１１ｂでは、回転子外周に対して若干の凹形状の空隙としているため、図７で示した様に大きな磁束短絡防止用穴を形成することがないため、回転子２の外周に細長いブリッジを設ける必要がなく強度的にもすぐれた回転子とすることができる。

従って、磁石収容孔８（８ａ、８ｂ）の端部壁２０と永久磁石９（９ａ、９ｂ）との間に第１の空隙１０（１０ａ、１０ｂ）を設けることにより補助磁極６と主磁極７とを確実に分けることができ、其々からの磁束の漏れを防ぐことができる。前記磁極間を挟んで隣り合う第１の空隙同士１０ａ、１０ｂの幅が固定子１の歯幅４の主幹部分Ｙ１と同じかそれ以上であり、回転子２と対向した部分の固定子１の歯幅４の両先端部５と同じかそれ以下の幅とすることによって補助磁極６で得られるリラクタンストルクを発生する磁束φ１をスムーズに流すことができる。

また、磁石収容孔８（８ａ、８ｂ）の端部壁２０と回転子２の外周との間に第２の空隙１１（１１ａ、１１ｂ）を設け、第２の空隙１１（１１ａ、１１ｂ）幅を第１の空隙１０（１０ａ、１０ｂ）の幅より磁極中心方向に大きく広げることにより端部壁２０の強度を維持しながら、固定子１の歯部４を介して補助磁極６と主磁極７との間の漏れ磁束を低減することができる。これによって、補助磁極６で得られるリラクタンストルクを発生する磁束φ１と主磁極７で得られるマグネットトルクを発生する磁束φ２とを両立させることができ電動機の総合トルクを上げることができる。

また第２の空隙１１（１１ａ、１１ｂ）を設けることにより磁束の流れが急激に変わることがなくなるため、コギングトルク及びトルク脈動に起因する音、振動等も低減することができる。また、第２の空隙１１（１１ａ、１１ｂ）は回転子２の外周に大きくて深い切り欠け溝を設ける必要が無いため、例えば装置内に冷媒等を有する密閉型電動圧縮機などの冷媒効率を低下させることもなくなり、切り欠け溝が原因となるような風きり音や振動等を低減することができる。

このような回転子２を、磁束の集中が大きくなる固定子１の歯部４に直接巻線を巻き付けた集中巻き方式の電動機に用いることによって補助磁極６で得られるリラクタンストルクを発生する磁束φ１と主磁極で得られるマグネットトルクを発生する磁束φ２とを確実に両立することができ総合トルクを上げることができる。また、コギングトルク及びトルク脈動も少なく、漏れ磁束が少ない電動機とすることができ、強度的に優れ、音、振動等が少ない電動機とすることができる。
特に、固定子１の歯部４に直接巻線を巻き付けた集中巻方式の電動機においては、固定子１の歯部４に磁束が集中するため、例えば６スロット、９スロット、１２スロットの固定子に用いることによって効果は絶大である。

また、先にも述べたように、装置内に冷媒等を有する、冷蔵庫用或いはエアコン用の室外機に搭載される密閉型電動圧縮機内の電動機とすることにより、回転子２が冷媒を掻き混ぜて圧縮機内に偏らせ冷媒効率を低下させることもなくなり、補助磁極６で得られるリラクタンストルクを発生する磁束φ１と主磁極７で得られるマグネットトルクを発生する磁束φ２とを確実に両立することができ総合トルクを上げることができる。また、コギングトルクやトルク脈動も低減し、漏れ磁束が少なく、風きり音や振動等の少ない電動機とすることができる。

また、電動機をインバータ等によって低電圧で駆動される電動車両に搭載することによって、補助磁極６で得られるリラクタンストルクを発生する磁束φ１と、主磁極７から得られるマグネットトルクを発生する磁束φ２とを両立し、漏れ磁束が極力発生することがなく、電動機の効率を向上させることにより、より省エネの電動車両とすることができる。更に、電動機運転時の回転子２の強度を保ち、音、振動を低減させた静音設計の電動車両とすることができる。例えば、車両本体を駆動する駆動用電動機や、車両搭載用の密閉型電動圧縮機や、電動パワ−ステアリング等に用いる事により優れた効果を得ることができる。

特に、この電動機は、６０Ｖ以下の低電圧で、インバータによって駆動される電動機において、固定子１の歯部４にφ０．８〜φ１．２の線径の巻線を直接巻き付けた集中巻き方式による電動機に用いることによりリラクタンストルクを発生する磁束φ１とマグネットトルクを発生する磁束φ２とがスムーズに流すことができ、総合トルクを上げることができコギングトルクやトルク脈動の少ない電動機とすることができる。

尚、本発明では、回転子２の外周に対して弦状に永久磁石９を磁石収容孔８に埋め込んだ回転子で説明したが、永久磁石の埋め込み形状が、Ｖ字型、凹字型、逆円弧型等でもよく、また、永久磁石を多層に埋め込んだ場合にも同様に適用できる。

本発明の実施形態における電動機の断面図。 第１の空隙がない場合の漏れ磁束φ４を説明する図。 図１で説明した実施形態の第１の空隙部分を説明する部分拡大図。 第１の空隙部のみの場合の漏れ磁束φ５を説明する図。 冷媒抵抗と第２の空隙深さとの関係を示したグラフ。 図１で説明した実施形態の第２の空隙部分を説明する部分拡大図。 従来例の永久磁石埋め込み型回転子の断面図。 別の従来例の永久磁石埋め込み型回転子の断面図。

１・・・固定子、２，２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ・・・回転子、３・・・スロット、４，４ｂ，４ｃ・・・歯幅、５，５ｂ，５ｃ・・・歯部先端部、６，１４ａ、１４ｂ・・・補助磁極、７，１５ａ、１５ｂ・・・主磁極、８，８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ・・・磁石収容孔、９，９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ・・・永久磁石、１０，１０ａ，１０ｂ，１３ａ，１３ｂ・・・第１の空隙部、１１，１１ａ，１１ｂ・・・第２の空隙部、１２・・・先端先細部、１６・・・冷媒、１７・・・磁束短絡防止用穴、１８・・・変形部、１９・・・切り欠き溝、２０・・・端部壁、φ１・・・リラクタンストルクを発生する磁束、φ２・・・マグネットトルクを発生する磁束、φ４，φ５・・・漏れ磁束。

Claims (4)

1. 固定子のスロットに巻線を巻き付けた電動機であって、固定子歯部と対向する回転子は、隣り合う磁極が異極となるように円周方向に永久磁石を埋め込んだ磁石収容孔が等配に設けられており、前記磁極が隣り合う磁極間にはリラクタンストルクを十分利用するための補助磁極が設けられた永久磁石埋め込み型電動機において、
   前記磁石収容孔の端部壁と永久磁石との間に第１の空隙が設けられ、磁石収容孔の端部壁と回転子外周との間に第２の空隙を設け、
   前記磁極間を挟んで隣り合う前記第１の空隙間の幅は、
   前記固定子の歯幅の主幹部分と同じかそれ以上であり、回転子と対向した部分の前記固定子の歯幅の両先端部と同じかそれ以下の幅を有し、
   前記第２の空隙幅は、前記第１の空隙幅よりも大きく磁極中心方向に広げたことを特徴とする永久磁石埋め込み型電動機。
2. 固定子歯部に直接巻線を巻き付けた集中巻き方式としたことを特徴とする請求項１項記載の永久磁石埋め込み型電動機。
3. 装置内に冷媒等を有する、冷蔵庫用或いはエアコン用の室外機に搭載される密閉型電動圧縮機内の電動機としたことを特徴とする請求項１項または請求項２項記載の永久磁石埋め込み型電動機。
4. 車両用途として搭載される電動機としたことを特徴とする請求項１項または請求項２項記載の永久磁石埋め込み型電動機。

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