JP5490171B2 - 回転子および同期電動機 - Google Patents

Description

本発明は、回転子および同期電動機に関する。

同期電動機の回転子に高磁力な磁石を用いる場合、希土類磁石は、非常に高価な材料であるため、使用量を抑えるために、できるだけ肉厚を薄くした形状で利用することが多い（例えば、下記特許文献１、２参照）。また、送風機用途の電動機の場合、羽根を直接電動機の回転軸に取り付けて使用するため、電動機の出力するトルクに脈動が生じると、羽根を通して騒音の要因となる。このため、リラクタンストルクによるトルク脈動が発生しやすい磁石埋込型（ＩＰＭ：Interior Permanent Magnet）の構造よりも、磁石を回転子表面に配置する構造(ＳＰＭ：Surface Permanent Magnet)を取ることが多い。この場合、回転子は鉄などの軟磁性材料をバックヨークとして用い、回転子表面に薄肉のリング磁石あるいは円弧状の瓦磁石を配置する構造をとるものが一般的である。

電動機の外径が軸方向の寸法よりも大きな、扁平なモータの場合、固定子鉄心の積厚よりも回転子の軸方向長を大きく取ったときに、回転子が固定子鉄心と対向しない部分の磁束が固定に鎖交する量が電動機に特性に与える影響が大きくなる。このため、扁平なモータの場合、固定子鉄心の積厚よりも回転子の永久磁石の軸方向の寸法を大きく取ることが多い。

また、回転子を、軸方向において、複数の異なる構造あるいは磁石材料で構成し、高磁力な希土類の焼結磁石およびフェライトの焼結磁石を用いた回転子がある（例えば、下記特許文献３、４参照）。焼結希土類磁石は、大きな磁石のブロックを焼結した後、このブロックから所定の形状に切り出す製造方法をとることが多いことから、磁石の製造コストを抑えるため、平板形状で利用する場合が多い。このため、同期電動機の回転子で利用する場合には、軟磁性のコアに磁石挿入孔を設けて、回転子内部に永久磁石を配置するＩＰＭの形態を取ることが多い。また、フェライトの焼結磁石も回転周波数が高い用途などでは、遠心力による磁石の飛散を防止するために、同様にＩＰＭの構造をとることが多い。

また、回転子の性能を向上させるため、より磁力の高い希土類磁石を用いることがある。磁力の高い希土類磁石は材料が高価であるため、低磁力の磁石で構成される回転子の一部に希土類磁石を組み込む方法がある（例えば、下記特許文献５、６参照）。

特開２００５−３１２１６６号公報 特開２００９−１４２１４４号公報 特開２００５−３０４２０４号公報 特開２０１０−６８６００号公報 実開平７−３２７８号公報 特開平９−２０５７４６号公報

しかしながら、上記特許文献１、２のように同期電動機の回転子に肉厚を薄くした形状の希土類磁石を利用する場合、軸方向の寸法を固定子鉄心よりも大きくすると、固定子鉄心に対向しない部分は、磁石表面に非磁性の空間（空気）が多く存在することとなり、磁石のパーミアンスが低下して磁石が発生する磁力が低下する。希土類磁石の永久磁石を薄く用いるため、このパーミアンスの低下による磁力の低下はより大きなものとなる。このため、固定子の積厚に対して、回転子軸方向長を長くしても、材料コストの増加に対して効果が小さくなるという問題がある。

また、上記特許文献３、４のように、軸方向において、複数の異なる構造あるいは磁石材料を用いるＩＰＭ構造の回転子の場合、隣り合う磁極の間に鉄心である軟磁性材料が存在するため、この部分を通過して、隣の磁極に短絡する磁束が多く存在する。フェライト焼結磁石の場合は、希土類の焼結磁石と比較すると磁力が低いため、磁極間の磁束の短絡の影響が希土類磁石に比べて大きい。これを固定子鉄心に対向しない回転子軸方向の両端に配置した場合、回転子表面より外側は空気であるため、磁気抵抗が大きく、パーミアンスが低下し、磁石から発生する磁束が低下する。回転子内部の磁極間で短絡する磁束は、固定子鉄心の有無に大きく影響されないため、短絡する磁束量に変化は少なく、結果として磁石より発生する磁束に対して、回転子内部で短絡する磁束量の割合が大きくなり、効果的に磁石の磁力を利用することが難しくなるという問題がある。また、希土類の焼結磁石を用いる場合は、高コストとなるという問題がある。

しかしながら、上記特許文献５のような構成の場合、磁力の高い永久磁石によりステータのバックヨークが磁気飽和を起こして磁束がモータの外部に漏れるのを防ぐ必要があるため、それほど高い磁力を得ることができない。また、上記特許文献６の様な構成とした場合、高磁力の磁石によって周方向の一部の磁力が強くなるため、回転子表面の磁束密度の分布波形が大きく歪んでしまうという問題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、高価な高磁力磁石（希土類磁石等）の使用量を減らしても十分な磁束量を得ることができ、磁束密度の部分的な低下を抑えるこができる同期電動機の回転子を実現できる。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、円環状の固定子鉄心を有する固定子と対向する回転子であって、外周側に配置された高磁力のラジアル配向の第１の永久磁石と前記第１の永久磁石の内周側に配置された軟磁性材料のバックヨークとを備える磁石部と、前記第１の永久磁石より磁力が低く極異方の配向がなされた円環状の第２および第３の永久磁石と、を備え、前記磁石部の軸方向の中心を固定子鉄心に対向する範囲の軸方向の中心としかつ前記磁石部の軸方向の厚さは前記固定子鉄心の軸方向の厚さ以下とし、前記第２および第３の永久磁石を、前記磁石部の軸方向の両端面にそれぞれ接するよう配置することを特徴とする。

本発明によれば、高価な高磁力磁石（希土類磁石等）の使用量を減らしても十分な磁束量を得ることができ、磁束密度の部分的な低下を抑えることができるという効果を奏する。

図１は、実施の形態１の同期電動機の構成例を示す図である。 図２は、実施の形態１の永久磁石と軟磁性材バックヨークの形状例を示す図である。 図３は、第２の永久磁石における極異方配向の一例を示す図である。 図４は、実施の形態１の第１の永久磁石および第２、第３の永久磁石の配置例を示す図である。 図５は、実施の形態１の回転子の誘起電圧と比較例の誘起電圧との比較を示す図である。 図６は、実施の形態２の同期電動機の誘起電圧の波形の一例を示す図である。 図７は、実施の形態３の回転子の磁極の配置例を示す図である。 図８は、実施の形態３の同期電動機の誘起電圧の波形の一例を示す図である。

以下に、本発明にかかる回転子および同期電動機の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明にかかる同期電動機の実施の形態１の構成例を示す図である。図１は、同期電動機の横断面を示しており、固定子７は、円環状の固定子鉄心８を有し、固定子７の内部には、回転子５が回転可能に配置される。固定子７の固定子鉄心８は、回転子５に対して、複数の突起状のティースを有しており、ティース間の空間（スロット）には外部から電流を印加するための巻線６を配置する。巻線６は、各ティース毎に集中的に巻回されている。

回転子５は、永久磁石１（第１の永久磁石）と永久磁石２−１，２−２（第２の永久磁石，第３の永久磁石）との２種類の永久磁石を備えており、軸方向長が固定子７の積厚（固定子鉄心８の積厚）よりも大きくなっている。永久磁石１は、高磁力の永久磁石である。永久磁石１は、例えば、希土類磁石と樹脂を混合したボンド磁石であり、希土類磁石には例えばNdFeBやSmFeNなどの材料が用いられ、樹脂の材料には、ナイロンやＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド），エポキシなどの材料が用いられる。永久磁石２−１，２−２は、永久磁石１と比べて低磁力の永久磁石であり、例えばフェライト磁石と樹脂を混合したボンド磁石が用いられる。これに用いられる樹脂材料は、永久磁石１のものと同様である。

図２は、本実施の形態の永久磁石１と軟磁性材バックヨーク３の形状例を示す図である。回転子５の軸方向の中央部（固定子７（固定子鉄心８）に対向している部分の軸方向中心から両側にそれぞれ一定距離までの部分）は、図２に示すように永久磁石１と軟磁性材バックヨーク３で構成される構造を用いている。永久磁石１は、薄肉リング形状であり、回転子５の回転軸４を中心として放射状に広がる、いわゆるラジアル配向となっている。

永久磁石１は、薄肉の磁石であるため固定子鉄心８と対向しない位置に配置すると、永久磁石１の外側が空気となり、磁気抵抗が高くなりパーミアンスが下がり表面に現れる磁束が大きく低下する。このため、永久磁石１の軸方向寸法を固定子５の軸方向寸法よりも大きくした場合には、永久磁石１の寸法を増やした割には磁束量の増加が少なく、コストパフォーマンスが悪い。したがって、永久磁石１の軸方向寸法を固定子５の軸方向寸法以下としつつ磁束量を増やすことが望ましい。本実施の形態では、永久磁石１の上下に永久磁石２−１，２−２を配置することにより、永久磁石１の軸方向寸法を固定子５の軸方向寸法以下としつつ磁束量を増やしている。

永久磁石２−１，２−２は、それぞれ永久磁石１と同軸のリング形状であり、永久磁石２−１と永久磁石２−２の間に永久磁石１を挟まれるように配置される。図１に示すように、永久磁石２−１，２−２と永久磁石１の外径は略同一である。永久磁石２−１，２−２の径方向の厚さは、永久磁石１の径方向の厚さより厚く、永久磁石２−１，２−２の内側面と回転軸４との間は空洞となっている。

永久磁石２−１，２−２には、回転子５の磁極に合わせた極異方の配向がなされている。図３は、永久磁石２−１，２−２における極異方配向の一例を示す図である。極異方の配向によって、磁極を構成している磁石の肉厚は、寸法上の肉厚（外径−内径）よりも大きくなっており、固定子鉄心８からの距離が遠くても磁石のパーミアンスの低下が小さく、固定子鉄心からの距離が離れた場合においても、磁束量の低下が少ない。極異方の磁石は磁石の厚みが大きくとれるため、固定子鉄心に対向しない回転子の軸方向端部においても比較的大きな磁束を回転子５の表面に発生させることが可能である。

以上のことから、本実施の形態では、回転子５の軸方向中央部には、図２に示すような永久磁石１と軟磁性材バックヨーク３で構成される磁石部を配置し、当該磁石部の軸方向の上下に永久磁石２−１，２−２をそれぞれ配置して、回転子５を構成する。図４は、本実施の形態の永久磁石１および永久磁石２−１，２−２の配置例を示す図である。

このように、本実施の形態では、同期電動機において、磁石のパーミアンスを高く取れる回転子５の軸方向中央付近の固定子鉄心８に対向している部分には、高磁力の永久磁石１を配置し、パーミアンスが低くなりやすい固定子鉄心８に対向しない部分を含む軸方向の端部には低磁力ではあるが極異方の配向をもった永久磁石２−１，２−２を配置するようにした。このため、高価な高磁力の永久磁石の使用量を減らしても十分な磁束量を得ることができ、磁束密度の部分的な低下を抑えることができる。

また、永久磁石１の内側に軟磁性材バックヨーク３の代わりに、永久磁石２−１，２−２と同じ材料で、極配向を行った永久磁石を配置する構成も考えられる。この場合、永久磁石１の背面は、非磁性材料となるため、パーミアンスが低くなり、永久磁石１から発生する磁束量が低下するが、内側に配置する永久磁石の磁力が加わることで、全体の磁束量の低下をおさえることができる。なお、永久磁石１の磁極数が多いとき、永久磁石１の表面の磁極の幅が狭いとき、あるいは、永久磁石１の肉厚を厚く用いる場合ほど、永久磁石１のパーミアンスの低下は小さくなるので、永久磁石１の内側に軟磁性材のバックヨークを配置した場合との差は小さくなる。また、磁極の幅が広くなる、あるいは永久磁石１の厚みを薄くすると、パーミアンスの低下が大きくなり、内側に軟磁性材バックヨーク３を配置した本実施の形態の方が、より大きな磁束を取り出すことができる。

図５は、本実施の形態の回転子の誘起電圧と比較例の誘起電圧との比較を示す図である。図５の横軸は、回転子５の永久磁石１の軸方向長さを示しており、縦軸は同期電動機を構成した際の誘起電圧の値を示す。図５は、固定子鉄心８の積厚を１５ｍｍとした場合の３次元の磁界解析の結果を示したものである。誘起電圧１１，１２は、比較例における３次元の磁界解析を示しており、誘起電圧１３は、本実施の形態の３次元の磁界解析を示している。

誘起電圧１１は、比較例として、軸方向長さが１５ｍｍの永久磁石１で構成される回転子により得られる誘起電圧を示し、誘起電圧１２は、比較例として、軸方向長さが合計１９ｍｍの永久磁石２−１，２−２で構成される回転子により得られる誘起電圧を示している。誘起電圧１３は、永久磁石１と永久磁石２−１，２−２を組み合わせた本実施の形態の回転子５による誘起電圧を示しており、永久磁石１と永久磁石２−１，２−２の合計の厚さを１９ｍｍに固定し、永久磁石１の軸方向長さを変化させた時の誘起電圧を示している。例えば、永久磁石１の軸方向長さを１５ｍｍとすると、永久磁石２−１，２−２の軸方向の長さは、永久磁石の上限に２ｍｍ（（１９−１５）／２［ｍｍ］）ずつの合計４ｍｍとなる。

永久磁石１のみを用いた回転子により得られる誘起電圧１１と、本実施の形態の回転子５により得られる誘起電圧１３と、を両者とも永久磁石１の軸方向長さが１５ｍｍとなる場合で比較する（横軸１５ｍｍの位置で比較）と、本実施の形態の回転子５により得られる誘起電圧１３は、永久磁石２−１，２−２を組み合わせたことにより、誘起電圧１１より大きな誘起電圧が得られている。図５に示す同期電動機の例では、永久磁石１の軸方向長さが１５ｍｍの場合、本実施の形態の回転子５では、永久磁石１のみの回転子より約１０％高い誘起電圧が得られた。

また、永久磁石１と永久磁石２−１，２−２の合計の厚さを１９ｍｍに固定して、永久磁石１の軸方向長さを徐々に小さくしていくと、永久磁石１の軸方向長さの減少に伴い誘起電圧１３は小さくなっていく。そして、図５に示すように、永久磁石１の軸方向長さが、約１１．５ｍｍ付近（永久磁石２−１，２−２の合計の軸方向長さは７．５ｍｍ)で、軸方向長さが１５ｍｍの永久磁石１のみで構成される回転子の誘起電圧１１とほぼ同等の値となる。このことから、本実施の形態の回転子５を用いると、永久磁石１の軸方向長さを１５ｍｍから１１．５ｍｍに縮小することができ、約２５％の削減が可能となる。なお、以上述べた永久磁石１、永久磁石２−１，２−２の軸方向長さは一例であり、永久磁石１、永久磁石２−１，２−２の軸方向長さは上述の例に限定されない。

永久磁石１に用いる希土類磁石と永久磁石２−１，２−２に用いるフェライト磁石の材料単価は、１０倍以上異なっているため、回転子５の軸方向長が長くなり、フェライト磁石の使用量が増加しても、材料コスト全体から見た低減効果は十分大きなものになる。

また、永久磁石１の内部には、軟磁性材バックヨーク３が存在している。永久磁石２−１，２−２を用いずに永久磁石１の軸方向の長さを増やすと軟磁性材バックヨークの体積も増え、回転子の重量が大きくなる。本実施の形態では、永久磁石２−１，２−２と組み合わせて、永久磁石１と同時に軟磁性材バックヨークの体積を減らすことで、回転子の軽量化も可能となる。

実施の形態２．
次に、本発明にかかる実施の形態２の永久磁石２−１，２−２の配向方法について説明する。本実施の形態の同期電動機の構成および回転子５の構成は、実施の形態１と同様である。

永久磁石１は、図２に示すように薄肉のリング磁石であり、ラジアル配向の磁石である。このため、永久磁石１の表面の磁束密度分布は、台形波状になっており、永久磁石１を用いた回転子５を備える同期電動機の誘起電圧の波形は、ピーク付近が平になった台形状の波形になる。

図６は、本実施の形態の同期電動機の誘起電圧の波形の一例を示す図である。図６では、永久磁石１の軸方向長さを１１．５ｍｍとし、永久磁石２−１，２−２の合計の軸方向長さを７．５ｍｍとした場合、永久磁石１により発生する誘起電圧２１と、永久磁石２−１，２−２により発生する誘起電圧２２と、実施の形態１と同様に永久磁石１と永久磁石２−１，２−２を組み合わせた場合の誘起電圧２３と、を示している。

永久磁石１により発生する誘起電圧２１は、上述のように台形状となる。これに対して、永久磁石２−１，２−２により発生する誘起電圧２２が、図６に示しように、例えば略三角波のように、磁極中心で尖った形状となるようにすると、永久磁石１と永久磁石２を組み合わせた回転子５を用いた同期電動機で生じる誘起電圧２３は、永久磁石１のみで発生する誘起電圧の波形よりもピーク付近が少し曲線を持った歪みの少ない波形となる。

これは、永久磁石２-１，２−２の表面磁束密度の分布波形が永久磁石１の表面磁束密度の分布波形と比較すると、より正弦波に近く、両者を組み合わせることで誘起電圧全体に占める永久磁石１の高調波成分の割合を減らすことで得られるものである。

本実施の形態では、永久磁石２−１，２−２の表面磁束密度分布波形のピーク付近を尖らせた略三角波状にして、誘起電圧２２を三角波に近い波形としている。永久磁石２−１，２−２は、成形する際に外部より極異方の磁場をかけて配向するため、この磁場を制御することで、表面磁束密分布の波形が磁極中心でピークを有する三角形状になるように調整することができる。

このように、本実施の形態では、永久磁石２−１，２−２の磁束密度分布波形を略三角形状にするよう永久磁石２−１，２−２を配向するようにした。このため、実施の形態１と同様の効果が得られるとともに、永久磁石１と永久磁石２−１，２−２を組み合わせた回転子５の誘起電圧の波形の歪みを実施の形態１より少なくすることができる。

永久磁石１を用いた回転子の誘起電圧２１、永久磁石２−１，２−２を用いた回転子の誘起電圧２２は、どちらも奇数倍の周波数の成分（高調波成分）を含んでいるが、含まれる周波数成分の位相が異なることで、永久磁石１の波形は台形波状、永久磁石２−１，２−２の波形は三角波状にそれぞれ歪んでいる。永久磁石１の波形に対して、永久磁石２−１，２−２の波形は、含まれる高周波成分の位相がちょうど反転しており、永久磁石１と永久磁石２−１，２−２を組み合わせることで、それぞれに含まれる高周波成分が打ち消し合うため、誘起電圧の歪みをより少なくすることができる。誘起電圧の歪みが小さくなると、同期電動機の運転中のトルク脈動が小さくなるため、同期電動機の振動・騒音を小さくすることができる。

実施の形態３．
図７は、本発明にかかる回転子の実施の形態３の磁極の配置例を示す図である。本実施の形態の同期電動機の構成および回転子５の構成は、実施の形態１と同様である。

本実施の形態では、実施の形態１と同様に、図２に示した永久磁石１（永久磁石１と軟磁性材バックヨーク３で構成される磁石部）と永久磁石２−１，２−２とを組み合わせるが、組み合わせる際に、図７に示すように磁極の位置をそれぞれずらして、スキューをかけたように組み合わせる。

本実施の形態では、永久磁石２−１，２−２の表面磁束密度分布は台形状の波形になっている。永久磁石２−１，２−２は、成形する際に外部より極異方の磁場をかけて配向するため、この磁場を制御することで、表面磁束密度分布の波形が磁極中心のピーク付近がフラットな台形形状になるように調整することができる。また、永久磁石２−１，２−２により発生する誘起電圧の位相が、永久磁石１により発生する誘起電圧の位相とそれぞれ前後にずれるように磁極の位置を調整する。

図８は、本実施の形態の同期電動機の誘起電圧の波形の一例を示す図である。例えば、軸方向長さ１１．５ｍｍの永久磁石１により発生する誘起電圧２１は、図８に示すように台形状である。図８の誘起電圧２４は、軸方向長さ３．７５ｍｍ（永久磁石２−１，２−２合計の軸方向長さ７．５ｍｍ）の永久磁石２−１により発生する誘起電圧であり、誘起電圧２５は、軸方向長さ３．７５ｍｍの永久磁石２−２により発生する誘起電圧である。誘起電圧２１の波形に対して、誘起電圧２４、誘起電圧２５は、位相がそれぞれ前後にずれた台形波状の波形となっている。このような誘起電圧を発生する永久磁石１と永久磁石２−１，２−２を組み合わせた回転子５を用いた同期電動機で生じる誘起電圧２６は、図８に示すように、永久磁石１により発生する誘起電圧の波形よりもピーク付近が少し曲線を持った歪みの少ない波形となる。

永久磁石１および永久磁石２−１，２−２を用いた回転子の誘起電圧は、どちらも奇数倍の周波数の成分（高調波成分）を含んでいるが、合成する誘起電圧の位相をずらすことで、それぞれに含まれる周波数成分が打ち消し合うため、誘起電圧の歪みをより少なくすることができる。

誘起電圧の歪みが小さくなると、同期電動機の運転中のトルク脈動が小さくなるため、同期電動機の振動・騒音を小さくすることができる。

以上のように、本発明にかかる回転子および同期電動機は、コストを押させて大きな磁束を得ることが要求される同期電動機に有用である。

１，２−１，２−２ 永久磁石
３ 軟磁性材バックヨーク
４ 回転軸
５ 回転子
６ 巻線
７ 固定子
８ 固定子鉄心
１１〜１３，２１〜２６ 誘起電圧

Claims (6)

1. 円環状の固定子鉄心を有する固定子と対向する回転子であって、
   外周側に配置された高磁力のラジアル配向の第１の永久磁石と前記第１の永久磁石の内周側に配置された軟磁性材料のバックヨークとを備える磁石部と、
   前記第１の永久磁石より磁力が低く極異方の配向がなされた円環状の第２および第３の永久磁石と、
   を備え、
   前記磁石部の軸方向の中心を固定子鉄心に対向する範囲の軸方向の中心としかつ前記磁石部の軸方向の厚さは前記固定子鉄心の軸方向の厚さ以下とし、
   前記第２および第３の永久磁石を、前記磁石部の軸方向の両端面にそれぞれ接するよう配置することを特徴とする回転子。
2. 前記第２および第３の永久磁石は、前記第２および第３の永久磁石により発生する誘起電圧が略三角形状となるよう配向されることを特徴とする請求項１に記載の回転子。
3. 前記第２および第３の永久磁石は、前記第２および第３の永久磁石により発生する誘起電圧が台形状となるよう配向され、かつ前記第２および第３の永久磁石は、前記第２および第３の永久磁石により発生する誘起電圧の位相が前記第１の永久磁石により発生する誘起電圧の位相と互いに異なる方向にずれるように前記第１の永久磁石とそれぞれ磁極をずらして配置されることを特徴とする請求項１に記載の回転子。
4. 前記第１の永久磁石を希土類磁石で構成することを特徴とする請求項１、２または３に記載の回転子。
5. 前記第２および第３の永久磁石をフェライト磁石で構成することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の回転子。
6. 円環状の固定子鉄心を有する固定子と、
   前記固定子に対向する請求項１〜５のいずれか１つに記載の回転子と、
   を備えることを特徴とする同期電動機。

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