JP5752273B2

JP5752273B2 - 電動機

Info

Publication number: JP5752273B2
Application number: JP2013551077A
Authority: JP
Inventors: 松岡　篤; 篤松岡; 馬場　和彦; 和彦馬場
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-12-27
Filing date: 2011-12-27
Publication date: 2015-07-22
Anticipated expiration: 2031-12-27
Also published as: WO2013098940A1; US20150028708A1; EP2800244A4; US9362791B2; JPWO2013098940A1; EP2800244A1; CN104011973A; CN104011973B; EP2800244B1

Description

本発明は、電動機に関するものである。

従来より、回転子鉄心の外周面に複数の焼結磁石を円周方向へ等間隔に配置して成る回転子を内蔵した電動機が知られている。例えば、下記特許文献１に示される電動機では、電動機内部（固定子鉄心および回転子）の磁気回路内の磁気抵抗を下げるため、回転子内部のバックヨークとして鉄などの軟磁性材料（高透磁率材料）が用いられている。

また、下記特許文献２に示される回転子には、永久磁石の粉末と樹脂とを混練したリング状のボンド磁石が磁極として用いられている。この永久磁石の粉末には異方性のものが用いられ、リング状磁石は、製造時に外部から極異方の磁場をかけることによって、その磁化方向が極異方性の配向（以下「極異方配向」）となっている。このようにリング状磁石の磁化方向を極異方配向にすることによって、リング磁石の磁束が磁極中央に集中し、磁気特性の低いボンド磁石を用いた場合でも高磁力化を図ることができる。また、極異方配向にすることによって、リング状磁石の内周側にバックヨークを設ける必要がなくなる。従って、回転子の加工コストの低減化と軽量化を両立させることが可能である。なお、リング状磁石は焼結磁石でも製造可能であり、焼結磁石はボンド磁石よりも磁石の密度が高くなるため、ボンド磁石よりも高い磁力が得られる。

特開平１１−８９１４１号公報（図１など）特開昭６３−２６５５５３号公報（図１など）

しかしながら、上記特許文献１に示される従来の回転子には、バックヨークとして鉄などの比重の大きい軟磁性材料が用いられているため、回転子の重量が大きくなり効率が低下するという問題があった。また、この回転子では、円筒状のバックヨークの外周面に複数の永久磁石を配置する必要があるため、この外周面へ永久磁石を設置する際、固定位置の精度を確保するなどの措置が必要となり、加工コストが高くなりやすいという問題があった。また、上記特許文献２に示される従来の回転子は、ボンド磁石の磁石密度が低いため、得られる磁力が焼結磁石と比較すると低くなるという問題があった。なお、リング状磁石を焼結磁石で製造した場合、極異方配向の影響によって、磁石が焼結する段階で磁石に歪みや割れが生じやすく、十分な配向を行うことができず、磁石粉末の磁気特性を活かした磁石を得ることができない。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、回転子の内部にバックヨークを配置することなく高磁力化を図ることが可能な電動機を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、回転子を固定子の内径側に配置して成る電動機であって、前記回転子の磁極を構成する磁石は、回転軸の外周に設けられた環状のフェライトボンド磁石と、前記フェライトボンド磁石の外周側に配置される複数の焼結フェライト磁石とから成り、前記フェライトボンド磁石の外周面には、周方向に沿って同一円周上に等ピッチで形成され回転軸側へ突となる湾曲凹部が、磁極と同じ数だけ形成され、前記各焼結フェライト磁石は、前記各湾曲凹部に配置され、固定子側の面が固定子側へ湾曲凸状に形成され、回転軸側の面が回転軸側へ湾曲凸状に形成されると共に前記湾曲凹部の形状と略相似に形成され、円周方向に対する中央部の厚みが端部の厚みより大きく形成され、磁極が前記各湾曲凹部に交互に現出して隣接する湾曲凹部の一方から他方に磁気が抜けるように極異方配向されていることを特徴とする。

この発明によれば、回転子の内部にバックヨークを配置することなく高磁力化を図ることができるという効果を奏する。

図１は、本発明の実施の形態にかかる電動機の断面図である。図２は、図１に示される回転子の構造を示す断面図である。図３は、図２に示す回転子の磁石の磁化向き、磁束の流れを示す断面図である。図４は、従来の回転子の第１の構造を示す断面図である。図５は、従来の回転子の第２の構造を示す断面図である。図６は、従来の電動機で発生する誘起電圧と本発明の実施の形態にかかる電動機で発生する誘起電圧との比率を示す図である。

以下に、本発明にかかる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．
図１は、本発明の実施の形態にかかる電動機の断面図であり、図２は、図１に示される回転子１００の構造を示す断面図であり、図３は、図２に示す回転子１００の磁石の磁化向き、磁束の流れを示す断面図である。

図１において、本発明の実施の形態にかかる電動機は、固定子１０および回転子１００を有して構成されている。固定子１０は円環状の鉄心であり、その内部には、円周方向（回転子１００の回転方向）に等角ピッチで形成された複数のティース１１と、各ティース１１に巻回され外部からの電圧が印加される巻線（図示せず）とが設けられている。ティース１１に巻回される巻線は、集中巻であってもよいし分布巻きであってもよい。分布巻の場合、固定子１０の巻線によって生じる磁束が均一に分布するようになり、振動および騒音をより一層低減することが可能である。固定子１０の内径側には回転子１００が回転可能に配設され、回転子１００の外周面とティース１１との間には空隙５が形成されている。

図２に示される回転子１００は、主たる構成として、回転エネルギーを伝達するための回転軸４と、この回転軸４の外周部に設けられたフェライトボンド磁石１（以下単に「磁石１」と称する）と、磁石１の外周側にて設けられた焼結フェライト磁石２（以下単に「磁石２」と称する）とを有して構成されている。なお、回転軸４と磁石１との間には、磁石１と同様にフェライトボンド磁石が設けられている。

磁石１は、環状に形成され回転軸４の外周部に設けられている。磁石１の外周面には、周方向に沿って同一円周上に等ピッチで形成され回転軸４側へ凸となる湾曲凹部１ａが磁極３（Ｎ極、Ｓ極）と同じ数だけ形成されている。図２に示される回転子１００には、一例として、磁石１と磁石２とから成る８つの磁極３が形成されている。

各湾曲凹部１ａは、磁石２の内径側面２ａ２とほぼ等しい形状に形成され、これらの湾曲凹部１ａには磁石２が配設される。各湾曲凹部１ａに磁石２が配設されることによって、隣接する磁石２の間（極間２０）には磁石１が介在し、この磁石１の外周部１ｂは、外径側面２ａ１と略同一円周上に形成されている。なお、図２に示される磁石１の外周部１ｂは、磁石の割れなどを防止するため、回転子中心から外径側面２ａ１までの半径で形成される円弧面よりも半径方向内側に設けられている。

磁石１は、磁石２よりも磁気特性の低い磁石を用いることが望ましい。ある程度の磁気特性は必要であるが、磁石の性能よりも、図２に示すような特徴のある形状（湾曲凹部１ａ）を実現可能な材料であることが望ましく、成形が容易なフェライトのボンド磁石が望ましい。

磁石２は、磁石１の湾曲凹部１ａにそれぞれ配置され、固定子側の面（外径側面２ａ１）が固定子側へ湾曲凸状に形成され、回転軸側の面（内径側面２ａ２）が回転軸側へ湾曲凸状に形成されていると共に湾曲凹部１ａの形状と略相似に形成されている。また、磁石２は、円周方向に対する中央部の厚みが端部の厚みより大きく形成されている。すなわち、磁石２は、中央部から両端部に向かってその厚みが徐々に薄くなるように形成され、その断面が所謂レンズ状に形成されている。

磁石２の外径側面２ａ１は、その円弧中心が固定子１０の内径面（ティース１１の内径面）の円弧中心と略同一となるように形成されている。すなわち、磁石２は、外径側面２ａ１の円周方向中央部から回転子中心までの長さＬ１と、外径側面２ａ１の円周方向端部から回転子中心までの長さＬ２とが略等しくなるように形成されている。そのため、磁石２の中央部とティース１１との間の隙間（空隙５）は、磁石２の端部とティース１１との間の隙間と略等しくなる。換言すれば、回転子中心から外径側面２ａ１までの半径で形成される円弧面とティース１１の内径面との間には、一定幅の空隙５が形成される。

磁石２の材料には、磁石１よりも磁気特性の高い材料を用いることが望ましい。例えば、磁石２として、高性能な希土類磁石を用いることも可能である。ただし、磁石２は、図２に示すように回転軸側と固定子側が各々凸状に形成されているため、磁石の体積が大きくなる。そのため、磁石２として高価な希土類磁石を用いた場合、回転子１００の製造コストが高くなるだけでなく、成形の困難性により磁石の形状が限られてしまう。従って、磁石２には、安価、かつ、成形が容易なフェライトの焼結磁石を用いることが望ましい。

図３において、磁石１は、湾曲凹部１ａに磁極（Ｎ極Ｓ極）が現れるように極異方配向となるように構成されている。また、各磁石２は、その磁化配向の焦点が、回転子１００の中心と磁石２の中央部とを結ぶ線上、かつ、回転子１００の外側（固定子１０側）になるように着磁されている。すなわち、磁石２は、逆方向のラジアル配向で着磁されている。

本実施の形態にかかる回転子１００は、磁石１が極間２０に介在しているため、磁石１の磁化配向が極異方配向となるように形成した場合、磁石２の外径側面２ａ１から流入した磁束が図３に示されるような経路で再び磁石２の外径側面２ａ１から流出する。例えば図３の上側に示される磁石２の外径側面２ａ１から流入した磁束は、この磁石２と接する湾曲凹部１ａの極間側面から磁石１内に流入し、図３の下側に示される磁石２と接する湾曲凹部１ａの極間側面からこの磁石２内に流入して外径側面２ａ１から流出する。ただし、磁石２の外径側面２ａ１から流入した磁束は、回転子１００の中心側には殆ど流れない。すなわち、回転子１００に流入した磁束は、回転子１００の内部にもれてこない。

このように、本実施の形態にかかる回転子１００は、磁石１が極間２０に介在し、かつ、磁石１の磁化配向が極異方配向となるように着磁されているため、回転子内部の外周側付近に磁路が形成されて、磁極３の中心付近（磁石２の半径方向中央部）に磁束が集中する。従って、本実施の形態にかかる回転子１００は、回転子１００の内部に磁束の経路となる鉄心（バックヨーク）を配置しなくとも高磁力な回転子１００を得ることができ、バックヨークを用いた従来の回転子に比して軽量化を図ることが可能である。

なお、回転子１００の内部にバックヨークを設けない場合、通常ではこのバックヨーク以外の空隙（回転子内部の空間）が広くなるため、この空隙が磁気回路上の磁気抵抗となり、永久磁石（磁石２）から発生する磁束が低下する。しかしながら、本実施の形態にかかる回転子１００では、回転子内部の磁束の経路中（図３参照）に、磁石１と磁石２とが直列に配置される形となるため、磁石２の磁束に磁石１の磁束を足し合わせた磁束が回転子１００から発生する。すなわち、磁石２の磁力が磁石１の磁力で補われるため、より磁力の大きい回転子１００を実現可能である。また、本実施の形態にかかる磁石２は、固定子側の面が固定子側へ湾曲凸状に形成され、かつ、回転軸側の面が回転軸側へ湾曲凸状に形成されているため、磁石２の半径方向中心部が厚肉となり強い磁力が得られる。

また、本実施の形態にかかる磁石２の外径側面２ａ１は、その円弧中心が固定子１０の内径面の円弧中心と略同一となるように形成されている。そのため、磁石２の外径側面２ａ１の円弧中心が固定子１０の内径面の円弧中心と異なるように形成されている場合に比べて、磁石２と固定子１０との間の空隙５が狭くなり、固定子１０に鎖交する有効磁束量が増加する。すなわち、回転子１００からの多くの磁束が固定子１０の巻線に鎖交し、電動機の高性能化を図ることが可能である。

図４は、従来の回転子の第１の構造を示す断面図であり、図５は、従来の回転子の第２の構造を示す断面図である。図６は、従来の電動機で発生する誘起電圧と本発明の実施の形態にかかる電動機で発生する誘起電圧との比率を示す図である。

図４に示される回転子Ａは、回転軸３１と、回転軸３１の外周部に設けられたリング磁石３０とを有して構成されている。リング磁石３０は、磁化方向が極異方配向となるように着磁されている。

図６のＡ１は、リング磁石３０の材料としてフェライトのボンド磁石を用いた回転子Ａを内蔵する電動機の誘起電圧を表している。以下、この回転子を「回転子Ａ１」と称する。また、図６のＡ２は、リング磁石３０の材料としてフェライトの焼結磁石を用いた回転子Ａを内蔵する電動機の誘起電圧を表している。以下、この回転子を「回転子Ａ２」と称する。

図５に示される回転子Ｂは、回転軸４１と、回転軸４１の外周部に設けられたリング状のバックヨーク４０と、バックヨーク４０の外周面に設けられた永久磁石４２とを有して構成されている。永久磁石４２は、フェライトの焼結磁石であり、外径側面および内径側面が共に固定子１０側へ湾曲凸状に形成され、断面が所謂瓦形状を成す。なお、回転軸４１とバックヨーク４０との間には、バックヨーク４０と同様の材料が設けられているものとする。

図５に示される各永久磁石４２は、その外径面の円弧半径がバックヨーク４０の外周面の円弧半径よりも小さく形成されている。より具体的に説明すると、本実施の形態にかかる磁石２は、その外径面の円弧中心が固定子１０の内径面の円弧中心と略同一となるように形成されている。一方、図５に示される永久磁石４２は、その外径面の円弧中心が固定子１０の内径面の円弧中心と異なるように形成されている。そして、隣接する永久磁石４２の間（極間４４）には、隙間が設けられている。そのため、回転子Ｂの直径は、磁極４３の半径方向中心部（磁極４３の中心）で最大となり、極間４４で最小となっている。

図６のＢ１は、図５に示される回転子Ｂを内蔵する電動機の誘起電圧を表している。以下、この回転子を「回転子Ｂ１」と称する。一方、図６のＢ２は、図５に示される永久磁石４２の形状を変更した永久磁石が用いられた回転子Ｂを内蔵する電動機の誘起電圧を表している。以下、この回転子を「回転子Ｂ２」と称する。この回転子Ｂ２は、永久磁石４２の外径面の円弧中心が固定子１０の内径面の円弧中心と略同一となるように形成され、かつ、回転子中心から永久磁石外径面までの半径で形成される円弧面が凹凸のない円状に形成されている。なお、永久磁石４２は、磁化方向が平行配向となるように形成されているものとする。

図６のＣ１、Ｃ２は、図２に示される回転子１００を内蔵した電動機の誘起電圧を表している。この回転子１００には、磁石１としてフェライトのボンド磁石が用いられ、磁石２としてフェライトの焼結磁石が用いられているものとする。

Ｃ１は、磁石１の磁化配向が極異方配向、かつ、磁石２の磁化配向が平行配向の回転子１００を内蔵した電動機の誘起電圧である。以下、この回転子を「回転子Ｃ１」と称する。Ｃ２は、磁石１の磁化配向が極異方配向、かつ、磁石２の磁化配向が逆方向のラジアル配向の回転子（図３に示される回転子１００）を内蔵した電動機の誘起電圧である。以下、この回転子を「回転子Ｃ２」と称する。

なお、上記の各回転子の永久磁石には、同じ特性の磁石材料が用いられ、同様に焼結磁石は、同じ磁気特性の材料が用いられ、ボンド磁石には、同じ磁気特性の材料が用いられている。また、焼結磁石の厚みは、回転子Ｂ１、Ｂ２、Ｃ１、Ｃ２で各々同一としている。ただし、上記特許文献２の課題で説明したように、回転子Ａ２の焼結磁石のリング磁石３０は、十分な配向を行うことができないため、磁気特性を落とした特性に設定されているものとする。

図６には、回転子Ａ１を用いた電動機の誘起電圧を１００として、この誘起電圧に対する回転子Ａ２〜Ｃ２を用いた電動機の誘起電圧の比率が示されている。これらの誘起電圧は、電磁界解析を用いて算出されたものである。図６によれば、バックヨーク４０を有する焼結磁石の回転子Ｂ１では、ボンド磁石のリング磁石３０を有する回転子Ａ１よりも大きな誘起電圧が得られることがわかる。さらに、バックヨーク４０を有する焼結磁石の回転子Ｂ２では、永久磁石４２の外周面と固定子１０との間の空隙が回転子Ｂ１を用いた場合の空隙より狭くなるため、固定子１０に鎖交する有効磁束量が増加し、回転子Ｂ１よりも大きな誘起電圧が得られる。これに対して、回転子Ｃ１では、回転子Ｂ１、Ｂ２と同等の誘起電圧が得られる。さらに、回転子Ｃ２では、回転子Ｂ１、Ｂ２以上の誘起電圧を得ることが可能である。

なお、駆動回路を内蔵する同期電動機（図示せず）では、その電動機内の回転子に電導率の高い軟磁性材料が用いられている場合、駆動回路で発生した高周波電流（軸電流）が固定子鉄心、回転子、および回転軸を経由して転がり軸受けに流れやすくなり、軸受の電食（放電）の要因となりやすい。本実施の形態にかかる回転子１００は、軟磁性材料を用いる必要が無いため、軸電流の流れる要因を減らすことが可能である。なお、この効果は、回転子Ａのリング磁石３０を極異方配向とした場合の効果と同等であるが、本実施の形態にかかる回転子１００は、回転子Ａよりも高磁力化が可能である。

以上に説明したように、本実施の形態にかかる電動機は、回転子１００を固定子１０の内径側に配置して成る電動機であって、回転子１００の磁極３を構成する磁石が、回転軸４の外周に設けられた環状のフェライトボンド磁石１と、フェライトボンド磁石１の外周側に配置される複数の焼結フェライト磁石２とから成り、フェライトボンド磁石１の外周面には、周方向に沿って同一円周上に等ピッチで形成され回転軸側へ突となる湾曲凹部１ａが磁極３と同じ数だけ形成され、各焼結フェライト磁石２は、各湾曲凹部１ａに配置され、固定子側の面（外径側面２ａ１）が固定子側へ湾曲凸状に形成され、回転軸側の面（内径側面２ａ２）が回転軸側へ湾曲凸状に形成されると共に湾曲凹部１ａの形状と略相似に形成され、円周方向に対する中央部の厚みが端部の厚みより大きく形成され、磁極（Ｎ極、Ｓ極）が各湾曲凹部１ａに交互に現出して隣接する湾曲凹部１ａの一方から他方に磁気が抜けるように極異方配向されているので、磁石２の半径方向中心部が厚肉となり強い磁力が得られると共に、回転子内部の外周側付近に磁路が形成されるため磁極３の中心付近に磁束が集中する。従って、回転子１００の内部にバックヨークを配置しなくとも高磁力な回転子１００を得ることができると共に、バックヨークを用いた従来の回転子に比して軽量化を図ることが可能である。

また、本実施の形態にかかる焼結フェライト磁石２の外径側面２ａ１は、その円弧中心が固定子１０の内径面の円弧中心と略同一となるように形成されているので、外径側面２ａ１の円弧中心が固定子１０の内径面の円弧中心と異なるように形成されている場合（図５の永久磁石４２を参照）に比べて、磁石２と固定子１０との間の空隙５が狭くなり、固定子１０に鎖交する有効磁束量が増加し、電動機の高性能化を図ることが可能である。

また、本実施の形態にかかる焼結フェライト磁石２は、磁化配向の焦点が、回転子１００の中心と磁石２の中央部とを結ぶ線上、かつ、回転子１００の外側になるように着磁されているので、この磁化配向（ラジアル配向）とフェライトボンド磁石１の極異方配向とが組み合わされ、回転子１００の磁石全体が極異方配向の磁石に近い構造となる。従って、磁極中心に磁束が集められて磁極中心の磁束密度が高まり、回転子１００の更なる高磁力化を図ることが可能となる。

なお、本発明の実施の形態にかかる電動機は、本発明の内容の一例を示すものであり、更なる別の公知技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは無論である。

以上のように、本発明は、電動機に適用可能であり、特に、回転子の内部にバックヨークを配置することなく高磁力化を図ることができる発明として有用である。

１フェライトボンド磁石
１ａ湾曲凹部
１ｂ外周部
２焼結フェライト磁石
２ａ１外径側面
２ａ２内径側面
３、４３磁極
４、３１、４１回転軸
５空隙
１０固定子
１１ティース
２０、４４極間
３０リング磁石
４０バックヨーク
４２永久磁石
１００、Ａ、Ｂ回転子

Claims

固定子の内径側に配置された回転子の磁極を構成する磁石は、回転軸の外周に設けられた環状の第１の磁石と、前記第１の磁石の外周側に配置され前記第１の磁石よりも磁気特性の高い複数の第２の磁石とから成り、
前記第１の磁石の外周面には、周方向に等ピッチで形成された凹部が、磁極と同じ数だけ形成され、
前記各第２の磁石は、
前記各凹部に配置され、円周方向に対する中央部の厚みが端部の厚みより大きく形成され、
前記第１の磁石は、
磁極が前記各凹部に交互に現出して隣接する凹部の一方から他方に磁気が抜けるように極異方配向されている電動機。
前記第２の磁石の外径側面は、その円弧中心が前記固定子の内径面の円弧中心と同一となるように形成されている請求項１に記載の電動機。
前記第２の磁石は、磁化配向の焦点が、前記回転子の中心と磁石の中央部とを結ぶ線上、かつ、前記回転子の外側になるように着磁されている請求項１または２に記載の電動機。
前記第１の磁石の凹部が回転軸側へ突となる湾曲形状である請求項１から３の何れか１項に記載の電動機。
前記第１の磁石がフェライトボンド磁石であり、前記第２の磁石が焼結フェライトである請求項１から４の何れか１項に記載の電動機。