JP4755117B2

JP4755117B2 - 永久磁石埋込型モータの回転子及び送風機及び圧縮機

Info

Publication number: JP4755117B2
Application number: JP2007017292A
Authority: JP
Inventors: 浩二矢部; 芳雄滝田; 勇人吉野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2007-01-29
Filing date: 2007-01-29
Publication date: 2011-08-24
Anticipated expiration: 2027-01-29
Also published as: JP2008187778A

Description

この発明は、永久磁石埋込型モータの回転子に関するもので、特に永久磁石挿入穴に沿って設けられるスリット形状に関する。

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ために、回転子鉄心中にその軸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挿入穴と、この磁石挿入穴にそれぞれ挿入された永久磁石と、永久磁石挿入穴の外周部鉄心に形成され、永久磁石挿入穴に沿って離隔配置された４個以上のスリットとを備え、スリット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永久磁石電動機が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−９４９６８号公報

前記特許文献１に記載された永久磁石電動機の回転子のスリットは、モータ特性を向上させる目的で配置されており、誘起電圧の高調波を低減させていた。しかし、誘起電圧の高調波成分が低減しても、スリットの形状が径方向に細長い形状であるため、空気やガス、水等の流体を電動機内部を通過せる場合に、効果的に流体を通す形状になっていない。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、スリットの形状を周方向に細長くすることにより、流体を効果的に回転子内部を通過させ、さらに誘起電圧の高調波、コギングトルクを低減できる永久磁石埋込型モータの回転子及び送風機及び圧縮機を提供することを目的とする。

この発明に係る永久磁石埋込型モータの回転子は、複数枚の電磁鋼板を積層して形成される回転子鉄心と、この回転子鉄心の軸方向に形成され、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る永久磁石挿入穴と、この永久磁石挿入穴に挿入される永久磁石と、永久磁石挿入穴の外周部鉄心に形成され、永久磁石挿入穴に沿って離隔配置される周方向に細長い複数個のスリットと、回転子鉄心の軸方向両端面に、スリットを覆うことなく装着される端板と、を備えたことを特徴とする。

この発明に係る永久磁石埋込型モータの回転子は、回転子鉄心の軸方向両端面に装着される端板がスリットを覆うことなく設けられるので、スリットを流路として有効的に使用することができる。

実施の形態１．
図１乃至３は比較のために示す一般的な永久磁石埋込型モータの回転子を示す図で、図１は打ち抜き後の電磁鋼板１の平面図、図２は回転子２の斜視図、図３は回転子２の断面図である。

図１に示す一般的な永久磁石埋込型モータ（４極）の回転子に使用する打ち抜き後の電磁鋼板１は、電磁鋼板１中にその軸心を中心とする略正四角形（正多角形の一例）の各辺に対応する部位に形成された永久磁石挿入穴１ａと、永久磁石挿入穴１ａの外周部鉄心に形成され、径方向に細長く、かつ、永久磁石挿入穴１ａに沿って離隔配置された複数個（図１では６個）のスリット１ｂとを備える。また、電磁鋼板１の中央部に、シャフト挿入穴１ｃが形成されている。電磁鋼板１の素材は、例えば、板厚０．１〜１．０ｍｍの無方向性電磁鋼板である。

図２により、回転子２の構成を説明する。図１の電磁鋼板１を所定枚数積層して、所定幅の回転子鉄心２ａを形成する。永久磁石挿入穴１ａに、例えば、希土類磁石で構成される永久磁石を挿入後、端板３を回転子鉄心２ａの軸方向両端面に装着し、リベット４で固定する。そして、シャフト挿入穴１ｃに、シャフト５を圧入や焼嵌等により嵌合する。このようにして、回転子２が完成する。

図３は回転子２の断面図である。永久磁石挿入穴１ａに永久磁石６が挿入されている。永久磁石６の中心と、磁極中心が略一致するように、永久磁石６は配置されている。永久磁石挿入穴１ａの外周部鉄心に、スリット１ｂが径方向に細長く、かつ、永久磁石挿入穴１ａに沿って離隔配置されている。図３では、１極あたり６個のスリット１ｂがある。そして、スリット１ｂは、磁極の中心の左右に３個ずつ対称に配置されている。スリット１ｂの径方向外側端と回転子鉄心２ａの外周との間の外側薄肉部１ｄ、及びスリット１ｂの径方向内側端と永久磁石挿入穴１ａとの間の内側薄肉部１ｅは全てのスリット１ｂにおいて均一になっている。

一般的に、スリット１ｂの外側薄肉部１ｄは、磁束の漏れを抑制したり、高調波を低減するために、加工可能な最小の幅により形成されることが多い。一般的に電磁鋼板の厚み（０．１〜１．０ｍｍ）が、加工可能な最小寸法である。また、スリット１ｂの形状は永久磁石６からの磁束をロータ表面まで導く役割もあるため、径方向に細長い形状が多い。しかし、外側薄肉部１ｄが均一であると、外側薄肉部１ｄが磁気飽和し、ギャップ（ステータ（図示せず）と回転子２との間の隙間）の磁束密度波形に高調波が含まれる傾向がある。そのため、ステータ誘起電圧の高調波成分の増加、コギングトルクの悪化へとつながる。

また、送風機やポンプ、圧縮機など流体を使用する用途でモータを使用する際、モータ内部を流体が流れる構造にして使用される場合もある。その際に、流体が流れやすく、モータの冷却効果も高めるため、ロータに流体の流路となる軸方向の穴を設けている。スリット１ｂも流路として使用されるが、径方向に細長い形状であると、回転子の回転方向（周方向）とは異なるため、流路として効率よく使用されていない。

また、図３に示すように、回転子２に端板３が必要な場合、端板３がスリットの全部、または一部分を覆ってしまうため、流路として使用することができない。

図４乃至図１２は実施の形態１を示す図で、図４は電磁鋼板１の永久磁石挿入穴１ａ付近の部分断面図、図５は第１の変形例を示す図、図６は第２の変形例を示す図、図７は第３の変形例を示す図、図８は第４の変形例を示す図で回転子２の永久磁石６付近の断面図、図９は第５の変形例を示す図で回転子２の永久磁石６付近の断面図、図１０は第６の変形例を示す図、図１１は第７の変形例を示す図、図１２は第８の変形例を示す図、図１３は第９の変形例を示す図である。

本実施の形態は、図４に示すように、従来永久磁石挿入穴１ａに沿って径方向に細長く配置していた複数のスリット１ｂを、周方向に細長く配置した点に特徴がある。流体がモータ内部を流れる構造の場合、回転子２のスリット１ｂも流路として使用される。また、流路として使用しない時も、周方向に細長いスリット１ｂによりロータの冷却効果が高くなる。また、周方向に細長いスリット１ｂであっても、誘起電圧の高調波、コギングトルクの低減も可能である。また、端板３によりスリット１ｂが覆われている形状であっても、周方向に細長いスリット１ｂにより誘起電圧の高調波、コギングトルクの低減が可能である。

また、図４に示すように、端板３が存在する場合においても、端板３がスリット１ｂを覆う部分が少なくなるため、スリット１ｂを流路として有効的に使用することができる。また、今回の例（図４）ではスリット１ｂが１極当たり５個であるが、２個以上であれば同様の効果を得ることができる。また、スリット１ｂを３個以上とすることにより、磁極中心部にもスリット１ｂが存在する形状となるため、リラクタンストルクを低減することが可能であり、トルクリプルの低減が可能である。

図５は第１の変形例であり、永久磁石挿入穴１ａに沿って周方向に細長く配置したスリット１ｂと隣のスリット１ｂの間隔を、磁極中心から極間部に向ってｄ１、ｄ２、ｄ３とし、且つｄ１＞ｄ２＞ｄ３としている。誘起電圧は磁束の時間変化により発生しているため、もっとも磁束の変化が激しい部分は極間部となる。つまり、極間部の磁束の流れを調整することにより、もっとも効率よく誘起電圧の高調波成分を低減できることを示している。通常の回転子２では、極間部の磁束密度が大きすぎるため、急激な変化を起こして、誘起電圧の高調波成分の悪化につながっている。そこで、図５のように、磁極中心のスリット１ｂ間の間隔ｄ１を大きくし、磁極中心から遠ざかるに従いスリット１ｂ間の間隔を小さくすると（ｄ１＞ｄ２＞ｄ３）、極間部に流れ込む磁束の量が少なくなり、誘起電圧の高調波低減を行うことが可能となる。

また、極間部の磁束密度の変化が誘起電圧に与える影響が大きいことから、ｄ１＝ｄ２＞ｄ３としても同様の効果を得ることができる。また、ｄ２＞ｄ１＞ｄ３であっても、同様に効果を得ることができる。

図６は第２の変形例であり、永久磁石挿入穴１ａに沿って周方向に細長く配置したスリット１ｂと回転子２外周との隙間の外側薄肉部１ｄを磁極中心から遠くなるに従い、狭くしたことを特徴とする。スリット１ｂと回転子２外周との隙間の外側薄肉部１ｄを磁極中心から遠ざかる順にｔ１、ｔ２、ｔ３とし、且つその寸法をｔ１＞ｔ２＞ｔ３としている。ｔ１＞ｔ２＞ｔ３とすることにより、極間部に向け磁束の変化が徐々に変化する形となり、磁束の変化が滑らかになることにより、誘起電圧の高調波を低減することが可能である。

また、前述したように、誘起電圧の高調波に与える影響は極間部に近づくと影響が大きいため、ｔ１＝ｔ２＞ｔ３としても同様の効果を得ることができる。また、同様の理由からｔ２＞ｔ１＞ｔ３としても誘起電圧の高調波を低減することが可能である。

図７は第３の変形例であり、永久磁石挿入穴１ａに沿って周方向に細長く配置したスリット１ｂの磁極中心から最も遠い（極間部に近い）スリット１ｂの端部を永久磁石挿入穴１ａと連通させている。磁極中心から最も遠いスリット１ｂと永久磁石挿入穴１ａとの間に内側薄肉部１ｅ（図３参照）があると、その部分から極間部へと磁束が流れ込む形状となる。また、この内側薄肉部１ｅは加工可能な最小寸法（一般的に電磁鋼板の厚み０．１〜１．０ｍｍ）よりは小さくすることができない。

図７のように、極間部に最も近いスリット１ｂの端部を永久磁石挿入穴１ａと連通させることにより、極間部に流れ込む磁束は、スリット１ｂとスリット１ｂ間のみとなり、磁束の調整をしやすくなる。また、スリット１ｂと永久磁石挿入穴１ａが一体化するため、金型で同時に抜くことが可能であり、金型費の削減が可能となる。

図８は第４の変形例であり、永久磁石挿入穴１ａに挿入された永久磁石６の幅とスリット１ｂの寸法の関係を示したものである。スリット１ｂにより磁束の量の調整を行い、誘起電圧の高調波成分を低減させているが、永久磁石挿入穴１ａに沿って周方向に細長く配置したスリット１ｂの磁極中心から最も遠い（極間部に近い）スリット１ｂの極間部側端部と、逆側の極間部側端部の距離Ａが挿入された永久磁石６の幅Ｂよりも小さい場合は、永久磁石６から発生する磁束はスリット１ｂの影響を受けずに極間部へと流れ込む。そのため、ＡとＢとの関係をＡ≧Ｂとすることにより、永久磁石６は、スリット１ｂが有効的に作用する部分に収まるため、永久磁石６から発生する磁束が全てスリット１ｂ間を通るため、スリット１ｂの形状により磁束の量の調整をしやすくなる。

図９は第５の変形例であり、永久磁石挿入穴１ａに沿って周方向に細長く配置したスリット１ｂの磁極中心から最も遠い（極間部に近い）スリット１ｂを永久磁石挿入穴１ａと連通させ、連通した部分の最も磁極中心から遠い箇所（極間側）から逆側の同箇所までの寸法をＣとしたとき、Ｃ≧Ｂとなるような形状としている。

前述したように、スリット１ｂよりも磁極中心側に永久磁石６が収まるため、永久磁石６の磁束の量を調整しやすくなり、より誘起電圧の高調波成分を低減することが可能である。

図１０は第６の変形例であり、磁極中心から一番遠いスリット１ｂの外側薄肉部１ｄをなくし、外部と連通（開口）させたことを特徴とする。磁極中心から一番遠いスリット１ｂの外側薄肉部１ｄをなくし、外部と連通させたことにより、極間部に漏れる磁束はスリット１ｂと永久磁石挿入穴１ａとの間の内側薄肉部１ｅのみとなる。そのため、極間部への磁束の漏れが小さくなり、永久磁石６の磁束を有効的に利用できる。また、磁極中心から一番遠いスリット１ｂが外部と連通しているため、金型により打ち抜く際には、同時に加工可能であるため、金型費の低減、加工費の削減が可能である。

図１１は第７の変形例であり、磁極中心から一番遠いスリット１ｂの外側薄肉部１ｄをなくし、外部と連通させ、そのスリット形状を円弧状としたものである。円弧状にすることにより、回転子外周部からステータティース（図示せず）に流れ込む磁束が徐々に変化するようになるため、誘起電圧の高調波が低減する。また、磁極中心から一番遠いスリット１ｂの外側薄肉部１ｄがないので、金型による打ち抜きがしやすく、加工性が向上する。

図１２は第８の変形例であり、１極分の永久磁石挿入穴１ａをＶ字形状とし、周方向に細長いスリット１ｂを設けている。永久磁石挿入穴１ａの形状は、平板形状一枚／極の形状に限らず、Ｖ字形状のような２枚／極の形状であっても、同様な効果を得ることが可能である。

図１３は第９の変形例であり、永久磁石挿入穴１ａをバスタブ形状とした図である。永久磁石挿入穴１ａの形状は、平板形状一枚／極の形状に限らず、３枚／極以上使用した形状（例えばバスタブ形状）であっても、同様の効果を得ることが可能である。

また、永久磁石６に希土類磁石を用いることにより、永久磁石６の小型化が可能であり、スリット形状の自由度が向上し、誘起電圧の高調波低減しやすくなる。

実施の形態２．
実施の形態１の永久磁石埋込型モータの回転子を、送風機用電動機に搭載することにより、騒音や振動が少なく、かつ流体が流れやすい高効率な送風機が得られる。

実施の形態３．
実施の形態１の永久磁石埋込型モータの回転子を、圧縮機用電動機に搭載することにより、騒音や振動が少なく、かつ流体が流れやすい高効率な圧縮機が得られる。

比較のために示す一般的な永久磁石埋込型モータの回転子を示す図で、打ち抜き後の電磁鋼板１の平面図。比較のために示す一般的な永久磁石埋込型モータの回転子を示す図で、回転子２の斜視図。比較のために示す一般的な永久磁石埋込型モータの回転子を示す図で、回転子２の断面図。実施の形態１を示す図で、電磁鋼板１の永久磁石挿入穴１ａ付近の部分断面図。実施の形態１を示す図で、第１の変形例を示す図。実施の形態１を示す図で、第２の変形例を示す図。実施の形態１を示す図で、第３の変形例を示す図。実施の形態１を示す図で、第４の変形例を示す図で回転子２の永久磁石６付近の断面図。実施の形態１を示す図で、第５の変形例を示す図で回転子２の永久磁石６付近の断面図。実施の形態１を示す図で、第６の変形例を示す図。実施の形態１を示す図で、第７の変形例を示す図。実施の形態１を示す図で、第８の変形例を示す図。実施の形態１を示す図で、第９の変形例を示す図。

符号の説明

１電磁鋼板、１ａ永久磁石挿入穴、１ｂスリット、１ｃシャフト挿入穴、１ｄ外側薄肉部、１ｅ内側薄肉部、２回転子、２ａ回転子鉄心、３端板、４リベット、５シャフト。

Claims

複数枚の電磁鋼板を積層して形成される回転子鉄心と、
この回転子鉄心の軸方向に形成され、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る永久磁石挿入穴と、
この永久磁石挿入穴に挿入される永久磁石と、
前記永久磁石挿入穴の外周部鉄心に形成され、前記永久磁石挿入穴に沿って離隔配置される周方向に細長い複数個のスリットと、
前記回転子鉄心の軸方向両端面に前記スリットを覆うことなく装着され、外径が前記回転子鉄心の外径よりも小さい端板と、を備えたことを特徴とする永久磁石埋込型モータの回転子。
前記スリット間の周方向の距離を、磁極中心から極間部に向けて徐々に小さくしたことを特徴とする請求項１記載の永久磁石埋込型モータの回転子。
磁極中心から最も遠い前記スリット間の周方向の距離を、他のスリット間の周方向の距離より小さくしたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の永久磁石埋込型モータの回転子。
前記スリットと、前記回転子鉄心の外周との間に設けられた外側薄肉部の径方向幅を、磁極中心から極間部に向けて徐々に小さくしたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の永久磁石埋込型モータの回転子。
磁極中心から最も遠い前記スリットの前記外側薄肉部の径方向幅を、他の前記スリットの前記外側薄肉部の径方向幅より小さくしたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の永久磁石埋込型モータの回転子。
磁極中心から最も遠い前記スリットを、前記永久磁石挿入穴と連通させたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の永久磁石埋込型モータの回転子。
磁極中心から最も遠い前記スリットの極間部側端部と、逆側の極間部側端部との距離をＡ、前記永久磁石の周方向幅をＢとしたとき、
Ａ≧Ｂ
の関係を満たすことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の永久磁石埋込型モータの回転子。
磁極中心から最も遠い前記スリットを、回転子外周部において外部と連通させたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の永久磁石埋込型モータの回転子。
前記スリットの形状を円弧状としたことを特徴とする請求項８記載の永久磁石埋込型モータの回転子。
１磁極分の前記永久磁石挿入穴をＶ字形状としたことを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の永久磁石埋込型モータの回転子。
１磁極分の前記永久磁石挿入穴をバスタブ形状としたことを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の永久磁石埋込型モータの回転子。
前記永久磁石に希土類磁石を使用したことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載の永久磁石埋込型モータの回転子。
請求項１乃至１１のいずれかに記載の永久磁石埋込型モータの回転子を送風機用電動機に搭載したことを特徴とする送風機。
請求項１乃至１１のいずれかに記載の永久磁石埋込型モータの回転子を圧縮機用電動機に搭載したことを特徴とする圧縮機。