JP3821185B2 - 永久磁石電動機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コンプレッサ等に用いるインナーロータ型の永久磁石電動機に係り、さらに詳しく言えば、リラクタンストルクの有効利用の向上を図ってトータルトルクを大きくし、しかもロータコアの強度を高めるようにロータコア（回転子）の構成に工夫を施した永久磁石電動機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
永久磁石電動機のインナーロータには、例えば図４に示す構成のものがある。図４において、ステータコア１内の磁石埋込型界磁鉄心（ロータコア）２は、ほぼ断面扇状の永久磁石３を１極当り１個埋設するとともに、円周方向に極数分だけ等間隔に配置し、かつそれら隣接する永久磁石３を異極としている。なお、４はシャフトを通す孔（中心孔）である。
【０００３】
ここに、永久磁石による空隙部（ステータコアの歯と永久磁石との間）の磁束分布が正弦波状になっているものとすると、永久磁石電動機のトルクＴはＴ＝Ｐｎ｛Φａ・Ｉａ・ｃｏｓβ−０．５（Ｌｄ−Ｌｑ）・Ｉ^２・ｓｉｎ２β｝で表される。なお、Ｔは出力トルク、Φａはｄ，ｑ座標軸上の永久磁石による電機子鎖交磁束、Ｌｄ，Ｌｑはｄ，ｑ軸インダクタンス、Ｉａはｄ，ｑ座標軸上の電機子電流の振幅、βはｄ，ｑ座標軸上の電機子電流のｑ軸からの進み角、Ｐｎは極対数である。前記数式において、第１項は永久磁石によるマグネットトルクであり、第２の２項はｄ軸インダクタンスとｑ軸インダクタンスとの差によって生じるリラクタンストルクである。
【０００４】
なお、詳しくは、Ｔ．ＩＥＥ Ｊａｐａｎ，Ｖｏｌ．１１７―Ｄ，Ｎｏ７，１９９７の論文を参照されたい。また、前記論文によると、各極の永久磁石を多層構造とすることにより、リラクタンストルクを有効利用することが記載されている。
【０００５】
例えば、ステータコア１内のロータコアは断面円弧状の永久磁石を１極当り２個配置し、つまり２層構造になっている。これは前述した１極当り１個（１層）の場合と比較して、ｄ軸インダクタンスＬｄが小さく、ｑ軸インダクタンスＬｑが大幅に大きくなり、これにより前記数式におけるパラメータのインダクタンス差（Ｌｄ−Ｌｑ）の値が大きく、結果モータトルクＴが大きくなる。
【０００６】
このように、リラクタンストルクを有効利用すれば、モータトルクＴの増大を図ることができ、１極当りの永久磁石を多層構造にすれば、リラクタンストルクをより有効利用することになる。詳細は、前記論文を参照されたい。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記永久磁石電動機において、ほぼ断面扇状の永久磁石３と中心孔４との距離ｗはロータコア（コアシート）の強度上から最小限の寸法とする必要があり、ロータコア２内にはどうしても磁石のない無駄な領域（図４の実線矢印ａ参照）が生じる。しかも、永久磁石の使用量（磁石量）を多くするために、断面扇状の孤の曲率半径を大きくすると、その無駄な領域が大きくなってしまう。
【０００８】
そのことに伴って、永久磁石３とロータコア１の外周との間の領域（図４の実線矢印ｂ参照）が小さくなり、ｑ軸インダクタンスが小さくなってｄ軸とのインダクタンス差が小さくなるとともに、リラクタンストルクが小さくなり、したがって、モータ効率の向上が図れない。しかも、図４の実施矢印ｂの領域が狭くなれば、かしめ部の形成あるいはリベット通しが困難となり、ロータコア２の強度等に影響を与えることにもなる。
【０００９】
また、前記論文に記載されている多層構造の永久磁石を有するロータコアの場合には、前述したような欠点を解消することができるが、１極当り複数個の永久磁石を使用することから、製造コストが高くなる。したがって、製造面では１極当り１つの永久磁石を使用することが好ましい。
【００１０】
本発明は、前記課題に鑑みなされたものであり、その目的は、１極当り１つの永久磁石を使用し、マグネットトルクおよびリラクタンストルクの有効利用を図るとともに、モータ効率を上げ、しかもロータコアの強度の向上を図ることができるようにした永久磁石電動機を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、ステータコア内に磁石埋込型界磁鉄心（ロータコア）を配置してなる永久磁石電動機において、前記ロータコアの１極当り断面バスタブ曲線形状の永久磁石を１つ用い、前記断面バスタブ曲線形状の底辺部をシャフト挿通用の中心孔に向けて前記永久磁石を前記ロータコアの円周方向に極数分だけ等間隔に埋設し、かつ、前記永久磁石と前記中心孔との間の領域でｑ軸上にかしめ部を形成するとともに、前記永久磁石と前記ロータコアの外周との間の領域でｄ軸上にリベットを挿通してなることを特徴としている。
【００１２】
この場合、請求項２に記載されているように、前記永久磁石の断面バスタブ曲線形状の底辺および両斜辺部を直線的し、その角部を丸め、前記永久磁石の両端部の一方の角側にフラックスバリア用の孔を形成し、他方の角側を所定角度でカットすることが好ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図１ないし図３を参照して詳しく説明する。なお、図中、図４と同一部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
【００１４】
本発明の永久磁石電動機は、１極当り１つの永久磁石の形状を断面曲線状（例えば扇状等）に限定せず、ロータコアを有効的に利用可能な形状とし、つまり隣接する異極の永久磁石の間の距離を接近させ、しかも永久磁石とロータコアの外周との間の領域を広くする形状にすればよいことに着目し、例えば断面形状をバスタブ曲線に沿った形にすることで、隣合う永久磁石同士の間の領域を小さくし、かつ永久磁石とロータコアの外周との間の領域を広くできることに着目したものである。
【００１５】
そのため、図１および図２示すように、この三相四極の永久磁石電動機のロータコア（磁石埋込型界磁鉄心；以下コアと記す）１０は、１極当り１つの断面バスタブ曲線形状の永久磁石（例えばフェライト磁石）１１と、この断面バスタブ曲線形状の底部（凸部）を中心孔４に向けて配置し、この永久磁石１１を円周方向に４つ埋設し、かつ隣接する極の永久磁石１１を異極に埋設している。
【００１６】
なお、永久磁石１１は、断面バスタブ曲線形状であるといっても、永久磁石１１の使用量（磁石量）が、従来の断面扇状の永久磁石３と同程度とするため、その厚さが大きく、つまり変形の断面バスタブ曲線状であるいうことができる。また、図４に示す実線矢印ａに対応する領域を有効利用することができることから、永久磁石の使用量（磁石量）が従来と変わらず、あるいはそれ以上となり、マグネットトルクの有効利用が可能となる。
【００１７】
この場合、永久磁石１１の両斜辺（側辺）は、ほぼ直線であり、かつ隣接する極の永久磁石１１の斜辺同士はほぼ平行であり、つまりその間隔（ｑ軸を含む幅）は所定値（少なくともコアシートの厚さ）である。しかも、その間隔は連続的でステータコア１からの磁束の路（磁路）を確保し、またロータコア１０の内周部と外周部とを連結する働きをする。
【００１８】
永久磁石１１の断面バスタブ曲線形状のうち、底部は直線的で中心孔４に近いが、その距離は従来例で説明したように、必要最小限の値とし、ロータコア１０の強度に配慮を図る。さらに、その底部が直線的であることから、この底部と両斜辺との結合により、ロータコア１０の内周部にはほぼ正方形の領域が現れるため、永久磁石１１と中心孔４との間の領域にはかしめ部１２を形成することができる。
【００１９】
永久磁石１１の断面バスタブ曲線状の内側は凹部となり、永久磁石１１とロータコア１０の外周との間の領域ｃ（図４に示す実線矢印ｂに対応する領域）が広くなっている。したがって、リベット１３を余裕をもって通すことができ、またステータコア１からの磁束の路（磁路）を確保することができるため、インダクタンス差（Ｌｄ−Ｌｑ）の値が大きくなる。また、永久磁石１１の端部（断面バスタブ形状の上部縁）には、フラックスバリア用の孔１４が形成され、磁束の漏洩、短絡を防止している。
【００２０】
ところで、図２に示すように、断面バスタブ曲線状の永久磁石１１の両端部について、一方の角側（永久磁石１１の外側角）にフラックスバリア用の孔１４を形成し、他方の角側（永久磁石１１の内側角）を所定角度（例えばロータコア１０の外周に沿った角度）でカットする（同図の実線矢印ｄ，ｅ参照）。すると、永久磁石１１の厚さ（幅）をより大きくしても、その他方の角がロータコア１０からはみ出さない。したがって、永久磁石１１の使用量（磁石量）をより大きくすることができ、従来と同じあるいはそれ以上のマグネットトルクを得えることができる。
【００２１】
また、永久磁石１１を埋設する孔およびフラックスバリア用の孔は角張っているが、少なくとも永久磁石１１を埋設する周りの角張っている箇所（例えば図２に示すｆないしｍの角）にＲを施すとよい。すなわち、丸めることにより、永久磁石１１の形状も丸まった断面バスタブ曲線形状となり、永久磁石１１を埋設する際の角の欠け等を防止することができるからである。
【００２２】
なお、前記ロータコア１０の製造においては、コアプレス金型を用いて自動プレスで電磁鋼板を打ち抜き、金型内でかしめて一体的に形成するコア積層方式（自動積層方式）を採用する。
【００２３】
このプレス加工工程において、中心孔４、永久磁石１１の埋設孔、かしめ部１２、リベット１３を通す孔およびフラックスバリア用の孔１４を打ち抜き、図３に示すように、自動的にプレスし、コアシート１０ａをかしめながら積層してロータコア１０を形成する。なお、永久磁石１１の埋設孔とフラックスバリア用の孔１４とは一体化した孔である。
【００２４】
しかる後、永久磁石１１の孔に成形した低コストのフェライト磁石を埋設し、かつ永久磁石１１を厚さ方向（ロータコア１０の径方向）に磁気配向し、着磁する。また、図３に示すように、ロータコア１０の両端部に蓋をした後、リベット１４を通してかしめて当該ロータコア１０の製造が終了する。
【００２５】
図１について追加的に説明すると、これは、永久磁石電動機が三相四極モータとした場合であり、２４スロットのステータコア１０にはＵ相、Ｖ相およびＷ相の電機子巻線が施され、外径側の電機子巻線がＵ相、内径側の電機子巻線がＷ相、その中間の電機子巻線がＶ相になっているが、スロット数や電機子巻線数が異なってもよい。
【００２６】
また、前述したロータコア１０をブラシレスＤＣモータに利用し、例えば空気調和機のコンプレッサ等に適用すれば、空気調和機の性能アップ、信頼性の向上が図れる。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に記載の発明によると、ステータコア内にロータコアを配置してなる永久磁石電動機において、前記ロータコアの１極当り断面バスタブ曲線形状の永久磁石を１つ用い、前記断面バスタブ曲線形状の底辺部をシャフト挿通用の中心孔に向けて前記永久磁石を前記ロータコアの円周方向に極数分だけ等間隔に埋設してなるので、断面バスタブ曲線形状によりロータコア内を有効に利用することができるため、永久磁石の使用量（磁石量）を減らすこともなく、またステータコアからの磁束の路（磁路）を確保することにより、マグネットトルクおよびリラクタンストルクを有効利用することができ、ひいてはモータ効率を上げることができるという効果がある。また、前記永久磁石と前記中心孔との間の領域でｑ軸上にかしめ部を形成するとともに、前記永久磁石と前記ロータコアの外周との間の領域でｄ軸上にリベットを挿通するようにしたことにより、かしめ部の形成およびリベット通しに余裕をもつことができ、ロータコアの強度を保つことができるという効果がある。
【００２８】
請求項２に記載の発明によると、請求項１において、前記永久磁石の断面バスタブ曲線形状の底辺および両斜辺部を直線的にし、その角部を丸め、前記永久磁石の両端部の一方の角側にフラックスバリア用の孔を形成し、他方の角側を所定角度でカットしてなるので、請求項１の効果に加え、角の丸めにより永久磁石をロータコアに埋設する際の角の欠け等を防止することができ、またフラックスバリアにより磁束の漏洩、短絡を防止することができる。さらに、一角をカットすることにより、断面バスタブ曲線形状の厚さ（幅）を大きくして永久磁石の使用量（磁石）を多くし、マグネットトルクの増大を図ることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による永久磁石電動機の実施形態を示す概略的な平面図。
【図２】本発明の実施形態に含まれる１極分の永久磁石を示す概略的な平面図。
【図３】本発明の実施形態に含まれるロータコアを示す概略的な断面図。
【 図４】従来の永久磁石電動機を示す概略的な平面図。
【符号の説明】
１ ステータコア
４ 中心孔（シャフト用）
１０ ロータコア（磁石埋込型界磁鉄心）
１１ 永久磁石（ロータコア１０の）
１２ かしめ部
１３ リベット
１４ 孔（フラックスバリア用）

Claims (2)

1. ステータコア内に磁石埋込型界磁鉄心（ロータコア）を配置してなる永久磁石電動機において、
   前記ロータコアの１極当り断面バスタブ曲線形状の永久磁石を１つ用い、前記断面バスタブ曲線形状の底辺部をシャフト挿通用の中心孔に向けて前記永久磁石を前記ロータコアの円周方向に極数分だけ等間隔に埋設し、かつ、前記永久磁石と前記中心孔との間の領域でｑ軸上にかしめ部を形成するとともに、前記永久磁石と前記ロータコアの外周との間の領域でｄ軸上にリベットを挿通してなることを特徴とする永久磁石電動機。
2. 前記永久磁石の断面バスタブ曲線形状の底辺および両斜辺部を直線的にし、その角部を丸め、前記永久磁石の両端部の一方の角側にフラックスバリア用の孔を形成し、他方の角側を所定角度でカットしてなる請求項１に記載の永久磁石電動機。

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