JP5042184B2

JP5042184B2 - 同期電動機の回転子及び同期電動機の回転子の製造方法

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Publication number: JP5042184B2
Application number: JP2008250619A
Authority: JP
Inventors: 篤松岡; 和彦馬場; 仁川口
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-09-29
Filing date: 2008-09-29
Publication date: 2012-10-03
Anticipated expiration: 2028-09-29
Also published as: JP2010081776A

Description

この発明は、永久磁石を用いる同期電動機の回転子に関する。また、同期電動機の回転子の製造方法に関する。

鉄心内に永久磁石を配置する回転子を用いた同期電動機は、回転子外周の磁性体部分を用いたリラクタンストルクを用いることで、電動機を高トルク化することが可能である。反面、内部に配置された永久磁石より発生する磁束の向きが外周の磁性体部分で容易に変化する。そのため、運転中に回転子の磁極と固定子のティースとの位置関係によって磁束の向きが急に変化することがある。それにより、同期電動機より発生する騒音・振動が大きくなることがある。

この課題に対して、以下に示す技術がの提案がなされている。即ち、積層回転子鉄心内に永久磁石片を有する電動機の永久磁石回転子を、簡易な構成でコギングトルク低減を図ったものにするために、永久磁石片開口部で形成する直方体部に挿入する永久磁石片を２種の永久磁石材とし、中央部主材の軸方向にスキューする中央部主材と、その両側の略直方体部を補充する形状で、かつ中央部主材より磁束密度の低い副材の永久磁石片から構成する永久磁石回転子が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、永久磁石の体積当たりの電動機効率を高めることを目的として、歯部は固定子に備えられており、回転子と空隙を挟んで対向する。回転子は永久磁石埋設用孔が穿たれた軟磁性体を備えており、回転軸の回りに回転可能である。軟磁性体には回転軸に沿って永久磁石埋設用孔が穿たれている。永久磁石埋設用孔には永久磁石が埋設される。永久磁石の磁極面は回転軸に垂直な法線を有しており、円形を呈する回転子が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

また、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、この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、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永久磁石電動機が提案されている（例えば、特許文献３参照）。

さらに、永久磁石を回転子表面に配置した形態の回転子で、電動機の振動・騒音を抑える手段として、永久磁石の形状を略八角形とする回転子が提案されている。（例えば、特許文献４参照）。
特開平１０−１７４３２４号公報特開２００６−１４３８９号公報特開２００５−９４９６８号公報特開平４−２６３３８号公報

しかしながら、上記特許文献１及び特許文献２のように、永久磁石を回転軸に対して傾斜した形状としたり、円形にするのは、以下に示す課題がある。例えば、永久磁石を回転子の表面に配置して、固定子と直接対向させる場合には、大きな効果が得られるが、磁性体内部に配置する場合には、永久磁石表面の磁性体の内部で磁束の向きが変化しやすいことから、永久磁石の形状を工夫したことによる効果は、永久磁石を回転子表面に配置した場合に比べると小さくなる。

また、上記特許文献３に記載されている技術の場合、回転子表面の磁性体内の磁束の向きの変化をスリット孔によってある程度制限してしまうことで、同期電動機の振動・騒音を抑える効果を得ることができる。しかし、スリット孔によって、リラクタンストルクが発生しにくくなり、永久磁石を回転子磁性体内部に配置する回転子の特徴を利用できなくなるという課題がある。

また、上記特許文献４に記載されている技術の場合、回転子表面に永久磁石を配置するためには、永久磁石の形状を円弧状とする必要があり、永久磁石の加工にコストがかかる。樹脂に磁粉を混練したボンドマグネットの場合、金型による成形が可能であるため比較的加工が容易となるが、磁粉の密度が下がるため焼結された永久磁石と比較すると特性が劣る。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされるもので、振動・騒音を低減することができる同期電動機の回転子及び同期電動機の回転子の製造方法を提供することを目的とする。

この発明に係る同期電動機の回転子は、
軟磁性粉末を含む材料で形成され、バックヨークの機能を有する第１の磁性体部材と、
前記第１の磁性体部材の外側に配置される永久磁石と、
前記永久磁石の外周部に配置され、軟磁性粉末を含む材料で構成される第２の磁性体部材とを備え、
前記第２の磁性体部材は、前記永久磁石の構成する磁極の中心付近で面積が大きく、磁極間付近で面積が小さくなる形状としたことを特徴とする。

この発明に係る同期電動機の回転子は、第２の磁性体部材は、永久磁石の構成する磁極の中心付近で面積が大きく、磁極間付近で面積が小さくなる形状としたことにより、固定子に鎖交する磁束の変化が緩やかになり、トルク脈動を抑え、同期電動機の振動・騒音を抑えることができる。

実施の形態１．
図１乃至図７は実施の形態１を示す図で、図１は同期電動機の回転子１００の斜視図、図２は図１の非磁性部４を除いた状態を示す斜視図（（ａ）は図１の非磁性部４を取り除いた状態、（ｂ）は磁性体部材（第１の磁性体部材２、第２の磁性体部材３）を成形によって製造する際、あらかじめ金型に非磁性部４に相当する部分を形成しておき、永久磁石１のみをインサートしておくのみで製造が可能な形態）、図３は図１の回転子を構成する部材を分離した状態の斜視図、図４は変形例の組み立て方法による同期電動機の回転子１００を構成する部材を分離して示す斜視図（（ａ）は永久磁石１と非磁性部４とを組み立てる前の状態、（ｂ）は永久磁石１と非磁性部４とを組み立てた状態）、図５は変形例の同期電動機の回転子１００を構成する永久磁石１（ａ）と非磁性部４を除いた状態（ｂ）の斜視図、図６及び図７は図１に示す同期電動機の回転子１００を用いた同期電動機の誘起電圧波形およびコギングトルク波形を示したものである。

図１、図２により、同期電動機の回転子１００の構成を説明する。尚、以下の説明において、同期電動機の回転子１００を単に「回転子」と呼ぶ場合もある。同期電動機の回転子１００は、軟磁性粉末を含む材料で形成され、バックヨークの機能を有する第１の磁性体部材２と、第１の磁性体部材２の外周部に配置される平板状の永久磁石１と、永久磁石１の外周部に配置され、軟磁性粉末を含む材料で構成される第２の磁性体部材３と、永久磁石１の外周部に配置される第２の磁性体部材３の間を埋める非磁性部４とを備える。

軟磁性粉末を含む材料で形成され、バックヨークの機能を有する第１の磁性体部材２と、永久磁石１の外周部に配置され、軟磁性粉末を含む材料で構成される第２の磁性体部材３とにより、回転子鉄心が構成される。

永久磁石１は、回転子鉄心内部の外周部付近に配置されることになる。

バックヨークの機能を有する第１の磁性体部材２の中心部に、中心部に回転軸が嵌合する回転軸嵌合孔５を備える。

本実施の形態で使用する永久磁石１は、平板形状の長方形である。ここでは、例えば、４枚の永久磁石１を使用している。永久磁石１は、焼結の永久磁石を用いる。

図２（ａ）は、図１の非磁性部４を取り除いた状態の同期電動機の回転子１００を示している。これからわかるように、外周部の第２の磁性体部材３は、軸方向両端近傍で、各１磁極の永久磁石１の外側部分の四隅（両端）を切り欠いたような形状となっている。第２の磁性体部材３は、１磁極に対して略八角形を形成している。

別の表現をすると、第２の磁性体部材３は、軸方向中央付近で体積が大きく、軸方向両端に向かうにつれて体積が徐々に小さくなっている。

このため、永久磁石１の外周部には、四隅に略三角形状の非磁性部４が存在する。

上記のように第２の磁性体部材３を形成することによって、各１磁極を構成する永久磁石１の外周面に対向する外周の第２の磁性体部材３は、磁極の中心付近で面積が大きく、磁極間付近で面積が小さくなる形状となる。

同期電動機の回転子１００の外周の非磁性部４は、必ずしも何かの非磁性の材料で満たす必要は無く、回転子の強度や、回転時の風損等の影響を考慮する必要が無ければ、何も存在しない状態であっても良い。

同期電動機の回転子１００が回転するとき、固定子のティース（図示せず）に対向する外周部の磁性体の面積は、全体が磁性体である回転子の場合には、回転子の回転角に比例して、徐々に増加する。

これに対して、非磁性部４を有する同期電動機の回転子１００では、回転子の回転角に対して、初めは固定子のティースに対向する第２の磁性体部材３の面積の増加が少なく、徐々に面積の増加が大きくなっていく。

回転子表面の全面に磁性体が存在する場合、永久磁石１より発生する磁束は、外周の磁性体の中で容易に方向を変えてしまう。そのため、回転子の回転中に外周の磁性体の一部が固定子のティースに対向し始めると、固定子のスロット開口部（図示せず）より磁気抵抗の少ない対向部分に磁束が急に集中するため、対向を始めたティースに流入する磁束が急に増加する。この磁束の急な変化が固定子の巻線に生じる誘起電圧に歪みが生じて同期電動機のトルク脈動が大きくなり、振動・騒音の要因となる。

本実施の形態による同期電動機の回転子１００は、回転子が回転するときに、外周の第２の磁性体部材３が固定子のティースに対向する面積がはじめは小さく、磁極中心に向かって回転が進むに従って徐々に面積の増加量が大きくなる。

従って、固定子のティースに急に磁束が流入することが抑制されて、巻線に生じる誘起電圧の歪みが少なくなり、トルク脈動を抑えて、振動・騒音の少ない同期電動機が得られる。

通常、永久磁石１を回転子内部に配置する回転子の場合、電磁鋼板を積層した回転子鉄心を用いることが多く、図１（図ａ１）に示す回転子のような外周の第２の磁性体部材３を構成するためには電磁鋼板を打ち抜く形状を、積層する電磁鋼板ごとに徐々に変化させることで、図１に示すような同期電動機の回転子１００を実現しなくてはいけない。

しかし、この場合は、打ち抜く電磁鋼板の種類が多くなるため、大規模な金型、プレス設備が必要となる。

これに対して、本実施の形態に示す同期電動機の回転子１００は、軟磁性粉末を含む材料を金型を用いて成形することで、第２の磁性体部材３の形状を自由に形成できる。

この場合、軟磁性粉末を含む材料は、磁性体の密度が低くなるため、電磁鋼板を積層して構成した鉄心に比べると、回転子より生じる磁束量は少なくなる。しかし、磁粉の密度の低い前述の樹脂に磁粉を混練したボンドマグネットを表面に配置する回転子と比較すると、焼結の永久磁石１を利用する分、より高い磁力を得ることができる。

例えば、本実施の形態の回転子を製造する場合、図３に示すように、回転子を構成する部材として、バックヨークの機能を持つ第１の磁性体部材２、平板の永久磁石１、永久磁石１の外周に配置する第２の磁性体部材３をそれぞれ加工し組み立てることで、回転子を構成することができる。

図３の夫々の部材（第１の磁性体部材２、永久磁石１、第２の磁性体部材３）を組み立てると、図２（ａ）に示すような形状の回転子が形成される。

回転子の強度や、回転時の風損等の影響を考慮する必要が無ければ前述の夫々の部材（第１の磁性体部材２、永久磁石１、第２の磁性体部材３）を接着によって固定すればよい。

また、非磁性の樹脂材料を用いて、一体に成形することで各部材（第１の磁性体部材２、永久磁石１、第２の磁性体部材３）の固定と非磁性部４の形成を行うことでも、回転子を製造することができる。

このとき、回転子に用いる磁性体部材（第１の磁性体部材２、第２の磁性体部材３）は、軟磁性粉を含む樹脂材料を射出成型によって製造しても良いし、各々に分割されていることから、より磁性体の密度が高くなる軟磁性粉を圧縮して、焼結・焼成した鉄心を用いてもよい。

また、バックヨークの機能を有する第１の磁性体部材２は、比較的形状が単純にすることができるため、この部分のみを電磁鋼板を積層して構成することも可能である。

また、図４（ａ）、図４（ｂ）に示すように、予め平板形状の永久磁石１と回転子外周の非磁性部４とを組み立てておき、軟磁性粉末を含んだ材料で一体に成形することによっても、第１の磁性体部材２及び第２の磁性体部材３が成形されて、図１に示す回転子を製造することも可能である。

また、本実施の形態に示す回転子の形状の場合、非磁性部４が回転軸方向の両端に存在するため、磁性体部材（第１の磁性体部材２、第２の磁性体部材３）を成形によって製造する際、あらかじめ金型に非磁性部４に相当する部分を形成しておけば、永久磁石１のみをインサートしておくのみで、図２（ｂ）に示すような形態の回転子の製造も可能である。

本実施の形態による同期電動機の回転子１００は、永久磁石１の表面に第２の磁性体部材３が存在するため、リラクタンストルクの利用が可能であり、これによって、同期電動機のトルク向上が可能である。

また、永久磁石１の形状を単純な平板形状とすることができるため、永久磁石１の加工コストが抑えられ、磁気特性の高い焼結の希土類磁石を利用する際にもコストの上昇を抑えられる。

回転子外周の非磁性部４においては、永久磁石１の非磁性部４に対向する部分は、磁気抵抗が大きく、表面に第２の磁性体部材３を有する部分に比べると、発生する磁束が少なくなる。このため、コストパフォーマンスの観点からは、必ずしも最適では無い場合がある。

この場合、図５（ａ）に示すように、永久磁石１の形状を第２の磁性体部材３と同様の形状として、非磁性部４に対する面積を減らすことにより、磁束量全体は減少するが、永久磁石１の使用量に対しては、磁束を有効に引き出すことができ、コストパフォーマンスの良い回転子を得ることができる。

図５（ｂ）は、図５（ａ）に示す永久磁石１を用いる場合の、図２（ｂ）相当図である。磁性体部材（第１の磁性体部材２、第２の磁性体部材３）を成形によって製造する際、あらかじめ金型に非磁性部４に相当する部分を形成しておけば、図５（ａ）に示す永久磁石１のみをインサートしておくのみで、図５（ｂ）に示すような形態の回転子の製造も可能である。

図６は、図１に示す同期電動機の回転子１００を用いた同期電動機の誘起電圧波形を示したものである。比較のため、非磁性部４を持たない同期電動機の回転子１００を用いた同期電動機の誘起電圧波形も同時に示している。

図６に示すように、回転子外周に非磁性部４を持たない回転子を用いたときの誘起電圧に比べると、回転子外周に非磁性部４を持つ同期電動機の回転子１００を用いた同期電動機の誘起電圧は、波形の歪みが少なくなっていることがわかる。

また、図７は、図１に示す同期電動機の回転子１００を用いた同期電動機のコギングトルクの波形を示す。比較のため、非磁性部４を持たない同期電動機の回転子１００を用いた同期電動機のコギングトルクの波形も同時に示している。これより、図１に示す、非磁性部４を持つ同期電動機の回転子１００を用いた同期電動機のコギングトルクの波形は、非磁性部４を持たない同期電動機の回転子１００を用いた同期電動機のコギングトルクの波形よりも小さくなっていることがわかる。

以上のように、この実施の形態によれば、外周部の第２の磁性体部材３が、軸方向両端近傍で、各１磁極の永久磁石１の外側部分の四隅を切り欠いたような形状で、１磁極に対して略八角形を形成している構成とすることにより、回転子が回転するときに、外周の第２の磁性体部材３が固定子のティースに対向する面積がはじめは小さく、磁極中心に向かって回転が進むに従って徐々に面積の増加量が大きくなるので、固定子のティースに急に磁束が流入することが抑制されて、巻線に生じる誘起電圧の歪みが少なくなり、トルク脈動を抑えて、振動・騒音の少ない同期電動機が得られる。

また、永久磁石１の形状を第２の磁性体部材３と同様の形状として、非磁性部４に対する面積を減らすことにより、磁束量全体は減少するが、永久磁石１の使用量に対しては、磁束を有効に引き出すことができ、コストパフォーマンスの良い回転子を得ることができる。

また、また、永久磁石１の形状を単純な平板形状とすることができるため、永久磁石１の加工コストが抑えられ、磁気特性の高い焼結の希土類磁石を利用する際にもコストの上昇を抑えられる。

実施の形態２．
図８乃至図１１は実施の形態２を示す図で、図８は同期電動機の回転子１００の斜視図、図９は図８の非磁性部４を除いた状態を示す斜視図（（ａ）は図８の非磁性部４を取り除いた状態、（ｂ）は磁性体部材（第１の磁性体部材２、第２の磁性体部材３）を成形によって製造する際、あらかじめ金型に非磁性部４に相当する部分を形成しておき、永久磁石１のみをインサートしておくのみで製造が可能な形態）、図１０は図８の同期電動機の回転子１００を構成する部材を分離した状態の斜視図、図１１は変形例の組み立て方法による同期電動機の回転子１００を構成する部材を分離して示す斜視図（（ａ）は永久磁石１と非磁性部４とを組み立てる前の状態、（ｂ）は永久磁石１と非磁性部４とを組み立てた状態）である。

図８、図９により、同期電動機の回転子１００の構成を説明する。同期電動機の回転子１００は、軟磁性粉末を含む材料で形成され、バックヨークの機能を有する第１の磁性体部材２と、平板状の永久磁石１と、永久磁石１の外周部に配置され、軟磁性粉末を含む材料で構成される第２の磁性体部材３と、永久磁石１の外周部に配置される第２の磁性体部材３の間を埋める非磁性部４を備える。

本実施の形態に示す永久磁石１は、平板形状の長方形である。

また、第１の磁性体部材２は、中心部に回転軸が嵌合する回転軸嵌合孔５を備える。

図９（ａ）は、図８の非磁性部４を取り除いた状態を示している。これから見てわかるように、外周部の第２の磁性体部材３は、軸方向両端で、各１磁極の永久磁石１の外側部分の１隅を切り欠いたような形状となっている。このとき、第２の磁性体部材３の切り欠く部分は、軸方向両端で周方向の位置が異なり、第２の磁性体部材３の切り欠く前の二つの対角線のうちの一つの対角線（右上から左下）上にある２隅を切欠いている。但し、他の一つの対角線（左上から右下）上にある２隅を切欠いてもよい。

従って、第２の磁性体部材３は、１磁極に対して変則的な略六角形を形成しており、軸方向にみると、永久磁石１の外周部の第２の磁性体部材３はスキューがかかったような形状となっている。

このため、永久磁石１の外周部には、略三角形状の非磁性部４が永久磁石１の一つの対角線（右上から左下）上に存在する。

上記のように第２の磁性体部材３を形成することによって、各１磁極を構成する永久磁石１の外周面に対向する第２の磁性体部材３は、磁極の中心付近で面積が大きく、磁極間付近で面積が小さくなる形状となる。

回転子外周の非磁性部４は、必ずしも何かの非磁性の材料で満たす必要は無く、回転子の強度や、回転時の風損等の影響を考慮する必要が無ければ、何も存在しない状態であっても良い。

同期電動機の回転子１００が回転するとき、固定子のティース（図示せず）に対向する外周部の第２の磁性体部材３の面積は、全体が磁性体である回転子の場合には、回転子の回転角に比例して、徐々に増加する。

これに対して、非磁性部４を有する同期電動機の回転子１００では、回転子の回転角に対して、初めは固定子のティースに対向する外周の第２の磁性体部材３の面積の増加が少なく、徐々に面積の増加が大きくなっていく。

回転子表面の全面に外周の磁性体がある場合、永久磁石より発生する磁束は、外周の磁性体の中で容易に方向を変えてしまう。そのため、回転子の回転中に外周の磁性体の一部が固定子のティースに対向し始めると、固定子のスロット開口部（図示せず）のより磁気抵抗の少ない対向部分に磁束が急に集中するため、対向をはじめたティースに流入する磁束が急に増加する。この磁束の急な変化が固定子の巻線に生じる誘起電圧に歪みが生じて同期電動機のトルク脈動が大きくなり、振動・騒音の要因となる。

本実施の形態による同期電動機の回転子１００は、回転子が回転するときに、外周の第２の磁性体部材３が固定子のティースに対向する面積がはじめは小さく、磁極中心に向かって回転が進むに従って徐々に面積の増加量が大きくなる。従って、ティースに急に磁束が流入することが抑制されて、巻線に生じる誘起電圧の歪みが少なくなり、トルク脈動を抑えて、振動・騒音の少ない同期電動機が得られる。

通常、永久磁石１を回転子内部に配置する回転子の場合、電磁鋼板を積層した回転子鉄心を用いることが多く、図８（図ｂ１）に示す回転子のような外周の第２の磁性体部材３を構成するためには電磁鋼板を打ち抜く形状を、積層する電磁鋼板ごとに徐々に変化させることで、図８（図ｂ１）に示すような同期電動機の回転子１００を実現しなくてはいけない。

これに対して、本実施の形態に示す同期電動機の回転子１００は、軟磁性粉末を含む材料を金型により成形することで、第２の磁性体部材３の形状を自由に形成できる。

例えば、本実施の形態の同期電動機の回転子１００を製造する場合、図１０に示すように、回転子を構成する部材として、バックヨークの機能を持つ第１の磁性体部材２、平板形状の永久磁石１、永久磁石１の外周に配置する第２の磁性体部材３をそれぞれ加工し組み立てることで、回転子を構成することができる。図１０の部材を組み立てると、図９（ａ）に示すような形状の回転子が形成される。

回転子の強度や、回転時の風損等の影響を考慮する必要が無ければ前述の部材（第１の磁性体部材２、永久磁石１、第２の磁性体部材３）を接着によって固定すればよい。

また、図１１（ａ）、図１１（ｂ）に示すように、予め平板形状の永久磁石１と回転子外周の非磁性部４とを組み立てておき、軟磁性粉末を含んだ材料で一体に成形することによっても、第１の磁性体部材２及び第２の磁性体部材３が成形されて、図８に示す回転子を製造することも可能である。

回転子外周の非磁性部４においては、永久磁石１の非磁性部４に対向する部分は、磁気抵抗が大きく、表面に磁性体である第２の磁性体部材３を有する部分に比べると、発生する磁束が少なくなる。このため、コストパフォーマンスの観点からは、必ずしも最適では無い場合がある。

この場合、実施の形態１の図５と同様に、永久磁石１の形状を第２の磁性体部材と同様の形状として、非磁性部４に対する面積を減らすことにより、磁束量全体は減少するが、永久磁石の使用量に対しては、磁束を有効に引き出すことができ、コストパフォーマンスの良い回転子を得ることができる。

以上のように、この実施の形態によれば、外周部の第２の磁性体部材３は、軸方向両端で各１磁極の永久磁石１の外側部分の１隅を切り欠いたような形状で、１磁極に対して変則的な略六角形を形成し、永久磁石１の外周部には、略三角形状の非磁性部４が永久磁石１の対角線上に存在する。このように第２の磁性体部材３を形成することによって、各１磁極を構成する永久磁石１の外周面に対向する第２の磁性体部材３は、磁極の中心付近で面積が大きく、磁極間付近で面積が小さくなる形状となる。回転子が回転するときに、外周の第２の磁性体部材３が固定子のティースに対向する面積がはじめは小さく、磁極中心に向かって回転が進むに従って徐々に面積の増加量が大きくなる。従って、ティースに急に磁束が流入することが抑制されて、巻線に生じる誘起電圧の歪みが少なくなり、トルク脈動を抑えて、振動・騒音の少ない同期電動機が得られる。

また、本実施の形態による同期電動機の回転子１００は、永久磁石１の表面に第２の磁性体部材３が存在するため、リラクタンストルクの利用が可能であり、これによって、同期電動機のトルク向上が可能である。

また、永久磁石１の形状を第２の磁性体部材と同様の形状として、非磁性部４に対する面積を減らすことにより、磁束量全体は減少するが、永久磁石の使用量に対しては、磁束を有効に引き出すことができ、コストパフォーマンスの良い回転子を得ることができる。

実施の形態３．
図１２乃至図１６は実施の形態３を示す図で、図１２は同期電動機の回転子１００の斜視図、図１３は図１２の非磁性部４を除いた状態を示す斜視図、図１４は図１２の同期電動機の回転子１００を構成する部材を分離した状態の斜視図、図１５は変形例の組み立て方法による同期電動機の回転子１００を構成する部材を分離して示す斜視図（（ａ）は永久磁石１と非磁性部４とを組み立てる前の状態、（ｂ）は永久磁石１と非磁性部４とを組み立てた状態）、図１６は図１２の変形例の同期電動機の回転子１００の斜視図（（ａ）は組み立て前、（ｂ）は組み立て後）である。

図１２、図１３により、同期電動機の回転子１００の構成を説明する。同期電動機の回転子１００は、軟磁性粉末を含む材料で形成され、バックヨークの機能を有する第１の磁性体部材２と、平板形状の永久磁石１と、永久磁石１の外周部に配置される軟磁性粉末を含む材料で構成される第２の磁性体部材３と、永久磁石１の外周部に配置される第２の磁性体部材３の間を満たす非磁性部４を備える。

本実施の形態に示す永久磁石１は、平板形状の長方形である。ここでは、例えば、４枚の永久磁石１を使用している。永久磁石１は、焼結の永久磁石を用いる。

図１３は、図１２の非磁性部４を取り除いた状態の回転子を示している。これから見てわかるように、外周部の第２の磁性体部材３は、軸方向中央付近で、各１磁極の永久磁石１の外側部分の両側を切り抜いたような形状となっている。

第２の磁性体部材は、軸方向両端で体積が大きく、軸方向中央に向かうにつれて体積が徐々に小さくなる構成である。

このため、永久磁石１の外周部には、略三角形状の非磁性部４が永久磁石１の軸方向中央付近の両側付近に存在することなり、磁極間で見ると略菱形の非磁性部４が存在する。

同期電動機の回転子１００が回転するとき、固定子のティースに対向する外周部の磁性体の面積は、全体が磁性体である回転子の場合には、回転子の回転角に比例して、徐々に増加する。

回転子表面の全面に外周の磁性体がある場合、永久磁石１より発生する磁束は、外周の磁性体の中で容易に方向を変えてしまう。そのため、回転子の回転中に外周の磁性体の一部が固定子のティースに対向し始めると、固定子のスロット開口部のより磁気抵抗の少ない対向部分に磁束が急に集中するため、対向をはじめたティースに流入する磁束が急に増加する。この磁束の急な変化が固定子の巻線に生じる誘起電圧に歪みが生じて同期電動機のトルク脈動が大きくなり、振動・騒音の要因となる。

通常、永久磁石１を回転子内部に配置する回転子の場合、電磁鋼板を積層した回転子鉄心を用いることが多く、図１２（図ｃ１）に示す回転子のような外周の第２の磁性体部材３を構成するためには電磁鋼板を打ち抜く形状を、積層する電磁鋼板ごとに徐々に変化させることで、図１２（図ｃ１）に示すような同期電動機の回転子を実現しなくてはいけない。

例えば、本の実施の形態に示す回転子を製造する場合、図１４に示すように、回転子を構成する部材として、バックヨークの機能を持つ第１の磁性体部材２、平板形状の永久磁石１、永久磁石１の外周に配置する第２の磁性体部材３をそれぞれ加工し組み立てることで、回転子を構成することができる。図１４の部材を組み立てると、図１３に示すような形状の回転子が形成される。

また、図１５（ａ）、図１５（ｂ）に示すように、予め平板形状の永久磁石１と回転子外周の非磁性部４とを組み立てておき、軟磁性粉末を含んだ材料で一体に成形することによっても、第１の磁性体部材２及び第２の磁性体部材３が成形されて、図１２に示す回転子を製造することも可能である。

本実施の形態に示す回転子では、非磁性部４が回転子の軸方向中央部に存在するため、あらかじめ樹脂等の非磁性材料で非磁性部４を構成する部材を製造し、永久磁石１とともにインサート成型することで図１２に示す回転子の製造が容易になる。

この場合、図１６に示すように、永久磁石１の形状を外周の第２の磁性体部材３と同様の形状として、非磁性部４に対する面積を減らすことにより、磁束量全体は減少するが、永久磁石１の使用量に対しては、磁束を有効に引き出すことができ、コストパフォーマンスの良い回転子を得ることができる。この場合、１磁極を構成する永久磁石１は、軸方向の中心付近にくびれを持った形状となるため、上下に２分割した形状のものを用いることで簡単な形状とすることができる。

以上のように、この実施の形態によれば、外周部の第２の磁性体部材３は、外周部の第２の磁性体部材３は、軸方向中央付近で、各１磁極の永久磁石１の外側部分の両側を切り抜いたような形状で、永久磁石１の外周部には、略三角形状の非磁性部４が永久磁石１の軸方向中央付近の両側付近に存在することなり、磁極間で見ると略菱形の非磁性部４が存在する。このように第２の磁性体部材３を形成することによって、各１磁極を構成する永久磁石１の外周面に対向する第２の磁性体部材３は、磁極の中心付近で面積が大きく、磁極間付近で面積が小さくなる形状となる。回転子が回転するときに、外周の第２の磁性体部材３が固定子のティースに対向する面積がはじめは小さく、磁極中心に向かって回転が進むに従って徐々に面積の増加量が大きくなる。従って、ティースに急に磁束が流入することが抑制されて、巻線に生じる誘起電圧の歪みが少なくなり、トルク脈動を抑えて、振動・騒音の少ない同期電動機が得られる。

実施の形態４．
図１７乃至図２１２２は実施の形態４を示す図で、図１７は同期電動機の回転子１００の斜視図、図１８は図１７の非磁性部４を除いた状態を示す斜視図、図１９は図１７（図ｄ１）の回転子を構成する部材を分離した状態の斜視図、図２０は変形例の組み立て方法による同期電動機の回転子１００を構成する部材を分離して示す斜視図（（ａ）は永久磁石１と非磁性部４とを組み立てる前の状態、（ｂ）は永久磁石１と非磁性部４とを組み立てた状態）、図２１は図１９の変形例の同期電動機の回転子１００の斜視図、図２２は図２０の変形例の同期電動機の回転子１００の斜視図である。

図１７、図１８により、同期電動機の回転子１００の構成を説明する。同期電動機の回転子１００は、軟磁性粉末を含む材料で形成され、バックヨークの機能を有する第１の磁性体部材２と、平板形状の永久磁石１と、永久磁石１の外周部に配置される軟磁性粉末を含む材料で構成される第２の磁性体部材３と、永久磁石１の外周部に配置される第２の磁性体部材３の間を満たす非磁性部４とを備える。

図１８は、図１７の非磁性部４を取り除いた状態の回転子を示しており、これから見てわかるように、外周部の第２の磁性体部材３は、軸方向中央付近で、各１磁極の永久磁石１に対向する周方向端部付近の両側を切り抜いたような形状となっている。

第２の磁性体部材３の切り抜いた部分は、周方向の両側で軸方向の位置が異なる。図１８の正面視で、第２の磁性体部材３の右側の切り抜いた部分は、軸方向中央より下にあり、第２の磁性体部材３の左側の切り抜いた部分は、軸方向中央より上にある。

そして、夫々の第２の磁性体部材３の切り抜いた部分は、略三角形状（直角三角形）であり、夫々の長辺が、第２の磁性体部材３の略対角線上に位置する関係になっている。

このため、永久磁石１の外周部には、略三角形状の非磁性部４が永久磁石１の周方向両側の軸方向中央の上下に存在することなる。

本実施の形態による同期電動機の回転子１００は、回転子が回転するときに、第２の磁性体部材３が固定子のティースに対向する面積がはじめは小さく、磁極中心に向かって回転が進むに従って徐々に面積の増加量が大きくなる。従って、ティースに急に磁束が流入することが抑制されて、巻線に生じる誘起電圧の歪みが少なくなり、トルク脈動を抑えて、振動・騒音の少ない同期電動機が得られる。

通常、永久磁石１を回転子内部に配置する回転子の場合、電磁鋼板を積層した回転子鉄心を用いることが多く、図１７に示す回転子のような外周の第２の磁性体部材３を構成するためには電磁鋼板を打ち抜く形状を、積層する電磁鋼板ごとに徐々に変化させることで図１７に示すような同期電動機の回転子１００を実現しなくてはいけない。

本実施の形態に示す回転子では、非磁性部４が回転子の軸方向中央部よりに存在するため、あらかじめ樹脂等の非磁性材料で非磁性部４を構成する部材を製造し、永久磁石１とともにインサート成型することで図１７に示す回転子の製造が容易になる。

例えば、本実施の形態に示す回転子を製造する場合、図１９に示すように、回転子を構成する部材として、バックヨークの機能を持つ第１の磁性体部材２、平板形状の永久磁石１、永久磁石１の外周に配置する第２の磁性体部材３をそれぞれ加工し組み立てることで、回転子を構成することができる。図１９の部材を組み立てると、図１８に示すような形状の回転子が形成される。

また、図２０（ａ）、図２０（ｂ）に示すように、予め平板形状の永久磁石１と回転子外周の非磁性部４とを組み立てておき、軟磁性粉末を含んだ材料で一体に成形することによっても、第１の磁性体部材２及び第２の磁性体部材３が成形されて、図１７に示す回転子を製造することも可能である。

本実施の形態による同期電動機の回転子１００は、永久磁石１の表面に外周の磁性体が存在するため、リラクタンストルクの利用が可能であり、これによって、同期電動機のトルク向上が可能である。

この場合、図２１、図２２に示すように、永久磁石１の形状を外周の第２の磁性体部材３と同様の形状として、非磁性部４に対する面積を減らすことにより、磁束量全体は減少するが、永久磁石１の使用量に対しては、磁束を有効に引き出すことができ、コストパフォーマンスの良い回転子を得ることができる。

この場合、１磁極を構成する永久磁石は、軸方向の中心付近にくびれを持った形状となるため、上下に２分割した形状のものを用いることで簡単な形状とすることができる。

以上のように、この実施の形態によれば、外周部の第２の磁性体部材３は、外周部の第２の磁性体部材３は、第２の磁性体部材３は、軸方向中央付近で、各１磁極の永久磁石１に対向する周方向端部付近の両側を切り抜いたような形状で、第２の磁性体部材３の切り抜いた部分は、周方向の両側で軸方向の位置が異なる。第２の磁性体部材３の右側の切り抜いた部分は、軸方向中央より下にあり、第２の磁性体部材３の左側の切り抜いた部分は、軸方向中央より上にある。夫々の第２の磁性体部材３の切り抜いた部分は、略三角形状（直角三角形）であり、夫々の長辺が、第２の磁性体部材３の略対角線上に位置する関係になっている。このため、永久磁石１の外周部には、略三角形状の非磁性部４が永久磁石１の周方向両側の軸方向中央の上下に存在する。このように第２の磁性体部材３を形成することによって、各１磁極を構成する永久磁石１の外周面に対向する第２の磁性体部材３は、磁極の中心付近で面積が大きく、磁極間付近で面積が小さくなる形状となる。回転子が回転するときに、外周の第２の磁性体部材３が固定子のティースに対向する面積がはじめは小さく、磁極中心に向かって回転が進むに従って徐々に面積の増加量が大きくなる。従って、ティースに急に磁束が流入することが抑制されて、巻線に生じる誘起電圧の歪みが少なくなり、トルク脈動を抑えて、振動・騒音の少ない同期電動機が得られる。

本発明の活用例として、送風機に用いられる同期電動機への適用が可能である。

実施の形態１を示す図で、同期電動機の回転子１００の斜視図。実施の形態１を示す図で、図１の非磁性部４を除いた状態を示す斜視図（（ａ）は図１の非磁性部４を取り除いた状態、（ｂ）は磁性体部材（第１の磁性体部材２、第２の磁性体部材３）を成形によって製造する際、あらかじめ金型に非磁性部４に相当する部分を形成しておき、永久磁石１のみをインサートしておくのみで製造が可能な形態）。実施の形態１を示す図で、図１の回転子を構成する部材を分離した状態の斜視図。実施の形態１を示す図で、変形例の組み立て方法による同期電動機の回転子１００を構成する部材を分離して示す斜視図（（ａ）は永久磁石１と非磁性部４とを組み立てる前の状態、（ｂ）は永久磁石１と非磁性部４とを組み立てた状態）。実施の形態１を示す図で、変形例の同期電動機の回転子１００を構成する永久磁石１（ａ）と非磁性部４を除いた状態（ｂ）の斜視図。実施の形態１を示す図で、図１に示す同期電動機の回転子１００を用いた同期電動機の誘起電圧波形を示す図。実施の形態１を示す図で、図１に示す同期電動機の回転子１００を用いた同期電動機のコギングトルク波形を示す図。実施の形態２を示す図で、同期電動機の回転子１００の斜視図。実施の形態２を示す図で、図８の非磁性部４を除いた状態を示す斜視図（（ａ）は図８の非磁性部４を取り除いた状態、（ｂ）は磁性体部材（第１の磁性体部材２、第２の磁性体部材３）を成形によって製造する際、あらかじめ金型に非磁性部４に相当する部分を形成しておき、永久磁石１のみをインサートしておくのみで製造が可能な形態）。実施の形態２を示す図で、図８の同期電動機の回転子１００を構成する部材を分離した状態の斜視図。実施の形態２を示す図で、変形例の組み立て方法による同期電動機の回転子１００を構成する部材を分離して示す斜視図（（ａ）は永久磁石１と非磁性部４とを組み立てる前の状態、（ｂ）は永久磁石１と非磁性部４とを組み立てた状態）。実施の形態３を示す図で、同期電動機の回転子１００の斜視図。実施の形態３を示す図で、図１２の非磁性部４を除いた状態を示す斜視図。実施の形態３を示す図で、図１２の同期電動機の回転子１００を構成する部材を分離した状態の斜視図。実施の形態３を示す図で、変形例の組み立て方法による同期電動機の回転子１００を構成する部材を分離して示す斜視図（（ａ）は永久磁石１と非磁性部４とを組み立てる前の状態、（ｂ）は永久磁石１と非磁性部４とを組み立てた状態）。実施の形態３を示す図で、図１２の変形例の同期電動機の回転子１００の斜視図（（ａ）は組み立て前、（ｂ）は組み立て後）。実施の形態４を示す図で、同期電動機の回転子１００の斜視図。実施の形態４を示す図で、図１７の非磁性部４を除いた状態を示す斜視図。実施の形態４を示す図で、図１７の回転子を構成する部材を分離した状態の斜視図。実施の形態４を示す図で、変形例の組み立て方法による同期電動機の回転子１００を構成する部材を分離して示す斜視図（（ａ）は永久磁石１と非磁性部４とを組み立てる前の状態、（ｂ）は永久磁石１と非磁性部４とを組み立てた状態）。実施の形態４を示す図で、図１９の変形例の同期電動機の回転子１００の斜視図。実施の形態４を示す図で、図２０の変形例の同期電動機の回転子１００の斜視図。

符号の説明

１永久磁石、２第１の磁性体部材、３第２の磁性体部材、４非磁性部、１００同期電動機の回転子。

Claims

軟磁性粉末を含む材料で形成され、バックヨークの機能を有する第１の磁性体部材と、
前記第１の磁性体部材の外側において、周方向に複数配置され、磁極を形成する永久磁石であって、２つの辺が軸と平行になるように配置される長方形で平板状の永久磁石と、
前記永久磁石の外周部に配置され、軟磁性粉末を含む材料で構成される第２の磁性体部材とを備え、
前記第２の磁性体部材は、前記永久磁石の前記周方向の中心で軸方向の幅が広く、前記永久磁石の前記周方向の端部で軸方向の幅が狭くなる形状であって、軸方向中央付近と軸方向両端との一方から他方へ向かうにつれて前記周方向の幅が徐々に狭くなる形状である
ことを特徴とする同期電動機の回転子。
前記第２の磁性体部材は、軸方向中央付近で前記周方向の幅が広く、軸方向両端に向かうにつれて前記周方向の幅が徐々に狭くなる
ことを特徴とする請求項１記載の同期電動機の回転子。
前記第２の磁性体部材は、軸方向中央付近から軸方向両端に向かうにつれて前記永久磁石の前記周方向の中心付近だけが残るように前記周方向の幅が徐々に狭くなる
ことを特徴とする請求項２記載の同期電動機の回転子。
前記第２の磁性体部材は、軸方向中央付近から軸方向両端に向かうにつれて前記永久磁石の前記周方向の中心から周方向の一方の前記端部側だけが残るように前記周方向の幅が徐々に狭くなり、且つ残る周方向位置が軸方向両端において異なる
ことを特徴とする請求項２記載の同期電動機の回転子。
前記第２の磁性体部材は、軸方向両端で前記周方向の幅が広く、軸方向中央に向かうにつれて前記周方向の幅が徐々に狭くなる
ことを特徴とする請求項１記載の同期電動機の回転子。
前記第２の磁性体部材は、軸方向両端から軸方向中央付近に向かうにつれて前記永久磁石の前記周方向の中心付近だけが残るように前記周方向の幅が徐々に狭くなる
ことを特徴とする請求項５記載の同期電動機の回転子。
前記第２の磁性体部材は、軸方向両端から軸方向中央付近に向かうにつれて前記永久磁石の前記周方向の中心から周方向の一方の前記端部側だけが残るように前記周方向の幅が徐々に狭くなり、且つ残る周方向位置が軸方向中央において異なる
ことを特徴とする請求項５記載の同期電動機の回転子。
前記永久磁石の形状を、前記第２の磁性体部材の形状に合わせる
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の同期電動機の回転子。
前記永久磁石の外周部に配置される前記第２の磁性体部材の間を埋める非磁性部を備えた
ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の同期電動機の回転子。
前記請求項１乃至９のいずれかに記載の同期電動機の回転子の製造方法であって、
前記第１の磁性体部材と、前記永久磁石と、前記第２の磁性体部材とを接着によって固着して回転子を構成する
ことを特徴とする同期電動機の回転子の製造方法。
前記請求項１乃至９のいずれかに記載の同期電動機の回転子の製造方法であって、
前記第１の磁性体部材と、前記永久磁石と、前記第２の磁性体部材とを非磁性材料によって一体に成形して回転子を構成すること
を特徴とする同期電動機の回転子の製造方法。