JP4844570B2

JP4844570B2 - 永久磁石型モータ

Info

Publication number: JP4844570B2
Application number: JP2008007040A
Authority: JP
Inventors: 和彦馬場; 勇人吉野; 芳雄滝田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-01-16
Filing date: 2008-01-16
Publication date: 2011-12-28
Anticipated expiration: 2025-02-10
Also published as: JP2008104353A

Description

この発明は、永久磁石を回転子内部に配置した永久磁石型モータの回転子の構造に関し、特に高効率に適した回転子に関するものである。

従来の永久磁石付ロータは、高透磁率材からなるロータ本体に、ロータ半径方向に１極当り２層以上に間隔を置いて配設された複数組の永久磁石を埋設して、層関係にある永久磁石の間隔を、ロータの回転方向の少なくとも前進側に位置する端部側の間隔が他の部分の間隔に対し幅広になるようにしている。

そして、このように永久磁石の間隔を幅広に設けているので、ステータに流す電流を、リラクタンストルクやマグネットトルクが大きくなるように電流の位相をずらしてロータ回転数に応じた周波数の交流電流が供給されるものである（例えば、特許文献１参照。）。

また、別の従来の電動機のロータは、ｄ軸とｑ軸のなす角度が電気角で９０°未満となるように永久磁石をｑ軸に近付けて配置し、さらに永久磁石とフラックスバリアとを対にして、１対の永久磁石とフラックスバリアをロータコアの中心に向かってハの字形状に配置する構成としている。

そして、マグネットトルクの最大となる電流位相がリラクタンストルクの最大となる電流位相の方にずれて、マグネットトルクの最大点とリラクタンストルクの最大点とが近付くため合計トルクが向上するものである（例えば、特許文献２参照。）。

また、さらに別の従来の永久磁石形同期回転電機のロータは、薄肉の円盤状の電磁鋼板を積層したロータコアの内部に界磁となる永久磁石を埋設し、ロータコアの各極間に、洩れ磁束防止用の抜き穴を設け、この抜き穴間に長方形の永久磁石挿入穴を円周方向に対し所定の傾斜角で斜めに施し、これに着磁した永久磁石を挿入した構成で、総磁束量が増し、電流の位相制御を行うことでリラクタンストルクを増大できるとともに、リラクタンスに方向性が生じ、回転方向が決まっている場合は、起動・変速が楽になるものである（例えば、特許文献３参照。）。

特開平８−３３６２４６号公報（第３−４頁、第１図）特開２０００−２８７３９３号公報（第３−４頁、第１−２図）特開平８−３３２４６号公報（第３頁、第１図）

上述のように構成された従来のモータは、共にマグネットトルクのピークとリラクタンストルクのピークの位相差を近づける効果はあるものの、コストと性能効率の両立という点では、十分な構造とは言えなかった。例えば、従来の永久磁石付ロータは、磁石挿入孔内の全領域に永久磁石を配置しているため、高効率にはなるがコストが高くなっていた。また、他の従来の電動機ロータでは、フラックスバリアの断面積を多きく構成する必要がある都合上、永久磁石を小さくせざるお得ず、マグネットトルクの低下を招き、十分な性能効率が得られなかった。また、さらに別の従来の永久磁石形同期回転電機ロータでも同様に、永久磁石量の不足から高トルク化、高効率化に不向きな構造であった。

そして、永久磁石型モータの主要材料である電磁鋼板、巻線、永久磁石のうち、永久磁石が最も高価であり、一般的に永久磁石型モータに占める永久磁石のコストは、３０〜５０％と大きな比率を占めている。そのため、低コストで高効率を両立した磁石型モータを得るためには、永久磁石の使用量を極力削減しつつ、高トルクを生み出す構造が求められる。

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、モータのコストの大半を占める永久磁石のコストを極力抑えつつ、高効率な永久磁石型モータを得ることを目的としている。

この発明に係る永久磁石型モータは、積層鉄心からなり、周方向に配置されたスロットと、隣接するスロットの間に形成されたティースと、前記スロットに収容されたコイルとからなる固定子と、前記ティースの内周部に空隙を介して対向し、Ｎ極とＳ極が交互に着磁された永久磁石を配置した回転子からなる永久磁石型モータにおいて、前記回転子の回転子鉄心内部に設けた磁石挿入孔と、前記磁石挿入孔内の挿入される永久磁石の両端部より回転子鉄心端部の周方向へ前記永久磁石と略同じ半径方向幅で回転子鉄心外周部に沿って滑らかに湾曲して延びた空間部とを備え、前記磁石挿入孔内の空間部と回転子鉄心外周部の間に設けた外周ブリッジ部の寸法を回転子の磁極中心に向かうにつれて滑らかに大きくなるように構成したものである。

この発明に係る永久磁石型モータは、積層鉄心からなり、周方向に配置されたスロットと、隣接するスロットの間に形成されたティースと、前記スロットに収容されたコイルとからなる固定子と、前記ティースの内周部に空隙を介して対向し、Ｎ極とＳ極が交互に着磁された永久磁石を配置した回転子からなる永久磁石型モータにおいて、前記回転子の回転子鉄心内部に設けた磁石挿入孔と、前記磁石挿入孔内の挿入される永久磁石の両端部より回転子鉄心端部の周方向へ前記永久磁石と略同じ半径方向幅で回転子鉄心外周部に沿って滑らかに湾曲して延びた空間部とを備え、前記磁石挿入孔内の空間部と回転子鉄心外周部の間に設けた外周ブリッジ部の寸法を回転子の磁極中心に向かうにつれて滑らかに大きくなるように構成したので、磁束の変化を滑らかにすることにより、鉄損を抑制することが可能であり、鉄損を抑制した分を永久磁石の使用量の削減に振り向けることで、コストを抑制した高効率な永及磁石型モータを得ることができる。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による永久磁石型モータの断面図である。図において、１は周方向に配置された内周面に軸方向に延びる９個のスロット２が設けられている円筒状の固定子鉄心であり、厚み０．３５〜０．５ｍｍ程度の薄い電磁鋼板を一枚一枚打ち抜いて所定の枚数を積層することで構成されている。そして、隣接するスロット２の間にはティース部３が形成されている。このティース部３は、外径側から内径側にかけて略並行の形状を有しており、内径側の先端部になるにつれ、その両サイドが周方向に広がる傘状の構造となっている。

また、隣接するティース部３の先端部の間には、０．５〜４mm程度のスロットオープニングを設けることで、固定子５および回転子から発する磁束が隣接するティース部３間同士でショートして出力の低下を招くのを防止している。４はティース部３に銅線を直接巻き付けた集中巻のコイルであり、３相Ｙ結線、または３相Δ結線が施されている。５は固定子鉄心１及びコイル４を有する固定子である。

固定子５の軸線上に配置され、固定子５に対して回転可能な回転子軸６に固定されている回転子９と、前記固定子５との間には、０．３mm〜１mm程度の空隙１０が設けられ、回転子軸６を中心に回転可能な構成となっている。回転子鉄心７は、固定子と同様に電磁鋼板を一枚一枚打ち抜いて積層した構成で、リベット１１などで固定することで電磁鋼板がばらばらにならないよう保持されている。

回転子鉄心７の内部には、磁石挿入孔１５が配置されている。磁石挿入孔１５は、同一極内に並列に２個設けられ２層構造に形成され、回転子鉄心７の外周側に設けた磁石挿入孔１５ａとこの磁石挿入孔１５ａの内周部に設けた長さが異なる磁石挿入孔１５ｂによって構成している。図１では、外周側に設けた磁石挿入孔１５ａより内周部に設けた磁石挿入孔１５ｂの方が長い挿入孔として設けられている。それぞれの磁石挿入孔１５ａ、１５ｂの内部には、平板形状のネオジウム、鉄、ボロンを主成分とする焼結希土類永久磁石８ａ、８ｂが埋め込まれた構造となっている。

また、この回転子軸６を中心として半径方向に２層構造に形成した磁石挿入孔１５の内、回転子鉄心７の外周側に設けた磁石挿入孔１５ａに埋め込む永久磁石８ａの周方向長さを前記磁石挿入孔１５ａの周方向長さに対して２／３以下に小さくなるようにするとともに、前記永久磁石８ａを磁石挿入孔１５ａの回転子回転方向側に偏らせて配置されている。そして、回転子の周方向に隣接する磁石挿入孔１５の間には極間ブリッジ部１２が設けられ、磁石挿入孔１５ａの両端部と回転子鉄心外周部の間に設けられた外周ブリッジ部１３と結合されて一体構造をなしている。

以上のように回転子鉄心７の外周側に埋め込んだ永久磁石８ａの周方向長さを設けられた磁石挿入孔１５ａより小さくなるように構成するとともに、永久磁石を回転子の回転方向側に偏らせて配置することにより、図２に示すように、マグネットトルク（図中の点線表示）のピークとリラクタンストルク（図中の一点鎖線表示）のピークの位相を電気角で３５度前後にまで近づけることができ、マグネットトルクとリラクタンストルクの和である合成トルク（図中の実線表示）を向上し、高効率でコストを抑えた永久磁石型モータを実現することができる。

なお、固定子巻線が集中巻の場合を例に述べたが、固定子巻線を分布巻としても同様な効果が得られる。また、永久磁石８の材質として焼結希土類磁石を例に述べたが、その他に如何なる永久磁石であっても同様な効果が得られる。また、永久磁石の配向方向については、如何なる配向方向であっても効果は得られるが、特に、配向方向を回転方向側に傾けることにより、マグネットトルクのピークの位相を進み位相側へシフトさせる効果があり、更なる高効率となる効果が得られる。

また、上述の２層構造に形成した磁石挿入孔と外周側の永久磁石８ａを回転方向側に偏らせて配置するとともに、回転子鉄心内部に設けた磁石挿入孔１５ａ、１５ｂの形状として、図３に示すように内周部に設けた磁石挿入孔１５ｂの反回転方向側の端部だけを回転子鉄心の外周側に屈曲させた非対称形状の構造や、図４に示すように外周側に設けた磁石挿入孔１５ａと内周部に設けた磁石挿入孔１５ｂの間隔を回転方向側に広くした非対称形状の構造や、さらには、図５に示すように磁石挿入孔１５の形状を軸中心に向けて凸形状となるへの字の非対称形状とすること、つまり磁極の中心がその極の寸法中心（図５中の１／２＊Ａのライン）よりも回転方向にずれていることで、リラクタンストルクのピークの位相を遅れ位相側へシフトさせる効果があり、マグネットトルクのピークとリラクタンストルクのピークの位相差を２５度前後にまで近づけることができ、より一層高効率な永久磁石型モータを得ることができる。

さらには、図６で示すように、回転子鉄心７の外周側に設けた磁石挿入孔１５ａに埋め込んだ永久磁石８ａを回転方向側の第１永久磁石８ａ１と反回転方向側の第２永久磁石８ａ２に分割して配置し、回転方向側に配置した第１永久磁石８ａ１の残留磁束密度に対し、反回転方向側に配置した第２永久磁石８ａ２の残留磁束密度を小さくなるように構成することで、マグネットトルクを向上でき、モータの高トルク化、及び高効率化を実現できるとともに、反回転方向側に残留磁束密度の小さい比較的安価な第２永久磁石８ａ２を使用することでコストアップを抑制することができる。

実施の形態２．
図７は本発明の実施の形態２における永久磁石型モータの回転子の断面図を、図８に図７の回転子極間部の部分拡大図を示す。ここで、固定子側は実施の形態１で説明した固定子と同じため、その説明は省略し、以下回転子の構成について説明する。
図中、７は回転子鉄心であり、回転子鉄心７の内部には、磁石挿入孔１５が配置され、Ｎ極とＳ極が交互に着磁された永久磁石８が埋め込まれた構成となっている。隣接する磁石挿入孔１５の間には極間ブリッジ部１２が設けられ、磁石挿入孔１５の両端部に設けられた外周ブリッジ部１３と結合されて一体構造をなしている。

また、磁石挿入孔１５の両端部形状はその内部に挿入される永久磁石の端部より回転子鉄心外周部に沿って滑らかに湾曲した湾曲空間部１４を有しており、前記磁石挿入孔１５の両端部の湾曲空間部１４と回転子鉄心外周部の間に設けた外周ブリッジ部１３の寸法を回転子の磁極中心に向かうにつれ滑らかに大きくなるように構成されている。本例の要部拡大図を示す図８では、磁石挿入孔の最端部に対向する外周ブリッジ部１３の寸法をＷ１、前記湾曲空間部終点に対向する外周ブリッジ部１３の寸法をＷ２とした場合、Ｗ１＝０．５ｍｍに対し、Ｗ２＝２ｍｍとなるように構成されている。

以上のように、永久磁石型モータの回転子を構成することで、磁束の変化を正弦波状に滑らかにすることができ、鉄損を抑制することが可能である。また、鉄損を抑制した分を永久磁石の使用量削減に振り向けることができ、モーターコストを極力抑制しつつ、高効率な永久磁石型モータを得ることができる。

なお、図７、８では湾曲空間部１４を除く磁石挿入孔の断面形状を長方形として構成したが、この形状に限るものではなく、例えば、図９で示すような回転子の軸側に凸となる円弧形状や、図１０で示すような回転子の軸側に凸となるＶ字形状など、どのような形状であっても同様な効果を得ることができる。また、この実施例では固定子巻線が集中巻の場合を例に述べたが、固定子巻線を分布巻としても同様な効果が得られる。また、永久磁石８として、希土類磁石を例に述べたが、その他かに如何なる永久磁石であっても同様な効果が得られる。また、永久磁石の配向方向についても、平行配向やラジアル配向など、如何なる配向であっても同様な効果が得られることは言うまでもない。

実施の形態３．
図１１は本発明の実施の形態３における永久磁石型モータの回転子の断面図である。回転子鉄心７の内部に配設された磁石挿入孔１５は、同一極内に並列に２個設けられ２層構造に形成され、回転子鉄心外周側に設けた磁石挿入孔１５ａと、この磁石挿入孔１５ａの内周部に設けた磁石挿入孔１５ｂによって構成されている。それぞれの磁石挿入孔１５ａ、１５ｂの内部には、Ｎ極とＳ極とが交互になるように着磁されたネオジウム、鉄、ボロンを主成分とする平板状の焼結希土類永久磁石８ａ、８ｂが埋め込まれた構造となっている。

そして、隣接する磁石挿入孔１５ａ、１５ｂの間には極間ブリッジ部１２が設けられ、磁石挿入孔１５ａの両端部と回転子鉄心外周部の間に設けられた外周ブリッジ部１３と結合されて一体構造をなしている。また、磁石挿入孔１５ａ、１５ｂの内、回転子鉄心７の外周部とＮ極とＳ極の極間部に隣接する磁石挿入孔１５ａの両端部形状は回転子鉄心外周部に沿って滑らかに湾曲した湾曲空間部１４を有しており、前記磁石挿入孔１５両端部の湾曲空間部１４と回転子鉄心外周部の間に設けた外周ブリッジ部１３の寸法を回転子の磁極中心に向かうにつれ滑らかに大きくなるように構成されている。具体的には、磁石挿入孔の最端部に対向する外周ブリッジ部１３の寸法をＷ１、前記湾曲部終点に対向する外周ブリッジ部１３の寸法をＷ２とした場合、Ｗ１に対しＷ２の寸法を１．５倍以上となるように構成されている。

以上のように永久磁石型モータの回転子を構成することで、磁束の変化を滑らかにすることができ、鉄損を抑制できるとともに、マグネットトルクとリラクタンストルクの位相を近づけることにより、合成トルクを向上し、高効率な永久磁石型モータを実現できる。

なお、本実施の形態では、上記湾曲空間部１４を除く磁石挿入孔の断面形状を長方形になるように構成したが、この形状に限るものではなく、図１２で示すように回転子の軸側に凸となる円弧状の磁石挿入孔１５ｂの両端に湾曲空間部を設けた形状や、図１３で示すように回転子の軸側に凸となるＶ字形状の磁石挿入孔１５ｂの両端に湾曲空間部を設けた形状や、また図示しないが、円弧状と長方形形状の組合せ、Ｖ字形状と長方形形状の組合せ、非対称形状との組合せなど、どのような形状であっても同様な効果を得ることができる。

また、本実施例では固定子巻線が集中巻の場合を例に説明したが、固定子巻線を分布巻としても同様な効果が得られる。また、永久磁石８として、希土類磁石を例に説明したが、その他に如何なる永久磁石であっても同様な効果が得られる。また、永久磁石の配向方向についても、平行配向、ラジアル配向など、如何なる配向方向であっても同様な効果が得られることは言うまでもない。

本発明の実施の形態１に係る永久磁石型モータの断面図である。本発明の実施の形態１に係る永久磁石型モータの位相角に対するトルク特性図である。本発明の実施の形態１に係る回転子の断面図である。本発明の実施の形態１に係る回転子の断面図である。本発明の実施の形態１に係る回転子の断面図である。本発明の実施の形態１に係る回転子の断面図である。本発明の実施の形態２に係る永久磁石型モータの回転子の断面図である。図７の回転子断面の要部拡大図である。本発明の実施の形態２に係る他の回転子の断面図である。本発明の実施の形態２に係るさらに他の回転子の断面図である。本発明の実施の形態３に係る永久磁石型モータの回転子の断面面である。本発明の実施の形態３に係る他の回転子の断面図である。本発明の実施の形態３に係るさらに他の回転子の断面図である。

符号の説明

１固定子鉄心、２スロット、３ティース、４コイル、５固定子、６回転子軸、７回転子鉄心、８永久磁石、９回転子、１０空隙、１１リベット、１２極間ブリッジ部、１３外周ブリッジ部、１４湾曲空間部、１５磁石挿入孔。

Claims

積層鉄心からなり、周方向に配置されたスロットと、隣接するスロットの間に形成されたティースと、前記スロットに収容されたコイルとからなる固定子と、前記ティースの内周部に空隙を介して対向し、Ｎ極とＳ極が交互に着磁された永久磁石を配置した回転子からなる永久磁石型モータにおいて、前記回転子の回転子鉄心内部に設けた磁石挿入孔と、前記磁石挿入孔内の挿入される永久磁石の両端部より回転子鉄心端部の周方向へ前記永久磁石と略同じ半径方向幅で回転子鉄心外周部に沿って滑らかに湾曲して延びた空間部とを備え、前記磁石挿入孔内の空間部と回転子鉄心外周部の間に設けた外周ブリッジ部の寸法を回転子の磁極中心に向かうにつれて滑らかに大きくなるように構成したことを特徴とする永久磁石型モータ。
前記回転子鉄心の外周ブリッジ部に面した磁石挿入孔の領域を非磁性部とし、前記非磁性部以外の領域に永久磁石を配置したことを特徴とする請求項１記載の永久磁石型モータ。
前記磁石挿入孔を前記回転子の回転子鉄心内部に１極あたりに複数並べて多層構造としたこを特徴とする請求項１または請求項２記載の永久磁石型モータ。