JPH10290542A - 電動機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 磁石３ａ，３ｂを各極毎に凸面側を回転軸４
に向けて回転子鉄心２ａに多重に埋め込んで構成した回
転子１と、複数のスロット８を有する固定子鉄心６ａに
巻線１０を装着した固定子５とを備えた電動機におい
て、回転子の回転に伴うリラクタンストルクの脈動を緩
やかなものとして、電動機の振動、騒音を低減する。 【構成】 回転子各極における隣接する磁石３ａ，３ｂ
の相互間に介在する鉄心部分の幅を、スロット開口部９
ａの幅よりも大きく構成し、また回転子極間部を挟んで
隣接する磁石３ａの相互間に介在する鉄心部分の幅を、
磁石の磁束によって十分飽和する程度に狭く構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、冷凍機や空調機の圧縮
機駆動用電動機等に代表される永久磁石界磁を有する同
期電動機に関し、特に回転子の鉄心の内部に磁石を埋め
込んで構成するいわゆる埋込磁石構造（ＩＰＭ）の回転
子を備えた電動機に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】上記電動機として、図７に示す構成のも
のが知られており、例えば平成７年電気学会産業応用部
門全国大会講演論文集の論文番号３０６等に開示されて
いる。図７の電動機は、回転軸４に垂直な断面を示して
おり、この軸４は円柱状の回転子鉄心２ｂの中心に設け
た軸孔に嵌入されて回転子１を支持している。また回転
子鉄心２ｂには軸４と平行に磁石の収容孔が複数設けら
れており、この収容孔に磁石３ｅ，３ｆが例えば圧入等
によりそれぞれ挿入されて構成されている。

【０００３】磁石３ｅ，３ｆは、図示する断面において
略Ｃ字形をなし、その凸面側を軸４に向けて鉄心２ｂに
埋め込まれている。界磁を形成する各極は、軸側磁石３
ｅと反軸側磁石３ｆの２重の磁石によって１つの極が形
成されており、図示する例は４極の界磁構成を示してい
る。

【０００４】上記回転子１は、所定のエアギャップ１１
を介して固定子５と対向配置されて永久磁石型の同期電
動機を構成する。固定子５は、固定子鉄心６ｂの外周部
がケーシングに固定されて支持されており、固定子鉄心
６ｂの内周部には、複数の歯部７と、この歯部７間に形
成されてエアギャップ１１へ向けた開口部９ｂを有する
スロット８を備え、このスロット８には絶縁材を介して
例えば三相４極構造に巻装された巻線１０を備えてい
る。そしてインバータを介して固定子５の巻線１０に通
電することによって回転子１が回転を行うようになって
いる。

【０００５】このように構成される電動機の場合、ｑ軸
インダクタンスＬｑとｄ軸インダクタンスＬｄの関係が
Ｌｑ＞Ｌｄなるいわゆる逆突極性を特徴としているた
め、これにより生じるリラクタンストルクと磁石により
生じる主磁束トルクの双方を利用すべく制御駆動される
ようになっている。図７に示したような２重の磁石３
ｅ，３ｆによって各極の界磁を構成した電動機の場合、
軸側磁石３ｅと反軸側磁石３ｆとの間に鉄心部分１２ｂ
が存在するために、この部分がｑ軸磁束の通路となって
ｑ軸インダクタンスＬｑを大きくすることができる。こ
のため突極比Ｌｑ／Ｌｄを大きくして、リラクタンスト
ルクをより積極的に利用する場合に効果的な構造となっ
ている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】図７に示したような従
来の電動機の場合、軸側磁石３ｅと反軸側磁石３ｆとの
間に介在する鉄心部分１２ｂの幅寸法に関しては、特別
な配慮がなされておらず、要否を問わず磁石３ｅ，３ｆ
の幅をなるべく大きくして減磁耐力を大きく設計する都
合上、非常に狭い幅に設定されているのが一般的であ
る。また固定子鉄心６ｂのスロット開口部９ｂは、この
部分を経由して巻線１０を挿入するため、製造性を重視
した幅寸法に設定されている。

【０００７】本発明者らは、この種の電動機の振動、騒
音問題を解析した結果、上記回転子磁石間の鉄心部分１
２ｂと固定子のスロット開口部９ｂとの関係が大きく影
響していることを突き止めた。以下、図８〜１０によっ
てこの現象を説明する。

【０００８】回転子鉄心２ｂと固定子鉄心６ｂが図８の
ような位置関係にあるとき、固定子巻線への通電によっ
て生じる固定子磁束のうち回転子鉄心２ｂの隣接する磁
石３ｅ，３ｆ間の鉄心部分１２ｂへ流出入する磁束は、
１４ｃで示されるような磁路を形成する。即ち、固定子
鉄心６ｂのＮ極内の歯部７ｃからエアギャップ１１を経
由して回転子鉄心２ｂへ入り、磁石間の鉄心部分１２ｂ
を流れて再びエアギャップ１１を経由して固定子鉄心６
ｂのＳ極内の歯部へ戻るように形成される。図示する磁
束１４ｃは回転子鉄心２ｂへの流入磁束を例に挙げてい
るが、流出磁束の場合であっても流路は同様である。

【０００９】次に、回転子が矢印１５で示される方向へ
回転するとき、回転子鉄心２ｂと固定子鉄心６ｂとの位
置関係は図９に示すような状態となる。この状態におい
て、磁石間の鉄心部分１２ｂはスロット開口部９ｂと対
向するため、磁気抵抗が大きいために鉄心部分１２ｂへ
の磁束の流入はほとんどなくなる。そして次に、図１０
に示す位置まで回転子が回転すると、鉄心部分１２ｂへ
は同じＮ極内の隣の歯部７ｄから磁束１４ｄが流入する
ようになる。

【００１０】図８の状態の近辺において、磁石間の鉄心
部分１２ｂは歯部７ｃに対して回転方向へ偏っているた
め、磁束１４ｃの存在による磁気的吸引力の作用によっ
て、回転子は回転方向と逆方向へのリラクタンストルク
を生じることになる。そして図９の状態の近辺において
は、鉄心部分１２ｂへ流入する磁束は一旦とぎれるた
め、この部分にリラクタンストルクは生じない。そして
図１０の状態の近辺においては、鉄心部分１２ｂは歯部
７ｄに対して回転方向の逆方向へ偏っているため、磁束
１４ｄの存在による磁気的吸引力の作用によって、回転
子は回転方向へのリラクタンストルクを生じることにな
る。

【００１１】このような脈動するリラクタンストルク成
分によって電動機の運転に伴う振動、騒音は非常に大き
なものとなっており、凸面側を回転軸に向けた磁石を鉄
心に多重に埋め込んで構成した回転子を有する電動機に
おいて大きな問題となっていた。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、一方が凸面
状、他方が凹面状に形成された磁石を各極毎に前記凸面
側を回転軸に向けて回転子鉄心の軸側から反軸側へわた
って多重に埋め込んで構成した回転子と、この回転子側
に向けて開口した複数のスロットを有する固定子鉄心に
巻線を装着した固定子とを備えた電動機において、下記
構成を特徴としている。

【００１３】第１の発明として、前記回転子各極におけ
る隣接する磁石の相互間に介在する鉄心部分の幅を、ス
ロットの開口部の幅よりも大きく構成するものである。
また第２の発明として、前記回転子の極間部を挟んで隣
接する磁石の相互間に介在する鉄心部分の幅を、磁石の
磁束によって十分飽和する程度に狭く構成するものであ
る。

【００１４】

【作用】上記第１の発明においては、回転子各極におけ
る磁石相互間の鉄心部分へ固定子の歯部を介して流出入
する磁束が、前記磁石相互間の鉄心部分と対向する前記
歯部の移り変わりに際してとぎれることなく、回転子の
回転に伴うリラクタンストルクの変化が緩やかとなる。

【００１５】上記第２の発明においては、回転子極間部
の磁石相互間の鉄心部分へ固定子の歯部を介して流出入
する磁束が少なくなり、前記極間部の鉄心部分と対向す
る前記歯部の移り変わりに際して発生するリラクタンス
トルクの変化が小さなものとなる。

【００１６】

【実施例】図１は本発明の実施例を示す電動機の平面断
面図であり、回転軸４に垂直な断面を示している。回転
子鉄心２ａ及び固定子鉄心６ａは、薄鉄板を打ち抜いて
これを多数積層したものであり、各薄鉄板に設けた切り
起こし突起による凹凸部を軸方向に隣接するもの同士で
嵌合させて固定して構成される。回転子鉄心２ａの中心
には軸４が嵌入され、この軸４と平行に設けられた複数
の収容孔には磁石３ａ，３ｂが例えば圧入等によって挿
着されている。

【００１７】磁石３ａ，３ｂは、異方性フェライト磁石
等より構成されており、略Ｃ字形断面の凸面側を軸４に
向けて、軸側磁石３ａと反軸側磁石３ｂの２重の磁石に
よって１極を形成しており、図示例は４極の界磁構成の
回転子１を例示している。回転子鉄心２ａの磁石収容孔
と磁石３ａ，３ｂとは必ずしも相似形である必要はない
が、磁石による磁束量をより多く得るため、あるいは磁
気抵抗を小さくするためには相似形に近い方が都合がよ
い。

【００１８】上記回転子１とエアギャップ１１を介して
対向する固定子５は、固定子鉄心６ａの複数のスロット
８に例えば三相４極構造に巻装された巻線１０を備えて
いる。この巻線１０はスロット開口部９ａから鉄心内へ
挿入されており、従ってスロット開口部９ａの幅寸法
は、磁気的に適正な範囲であって且つ巻線挿入装置に適
合した寸法に設定されている。

【００１９】図１の電動機の要部を図２に拡大して示
す。４極構造の回転子の各極において、軸側磁石３ａと
反軸側磁石３ｂの相互間には、ｑ軸磁束の通路を形成す
る鉄心部分１２ａが介在している。この同極内の磁石相
互間の鉄心部分１２ａの幅Ｗ１は、固定子鉄心６ａの歯
部７のチップ部相互間に介在するスロット開口部９ａの
幅Ｗ２よりも大きく構成されている。この構成の電動機
の運転に伴い、図３〜５に詳述するような作用が生じる
ことになる。

【００２０】先ず、回転子鉄心２ａと固定子鉄心６ａが
図３のような位置関係にあるとき、固定子巻線への通電
によって生じる固定子磁束のうち回転子鉄心２ａの隣接
する磁石３ａ，３ｂ間の鉄心部分１２ａへ流出入する磁
束は、１４ａで示されるような磁路を形成する。即ち、
固定子鉄心６ａのＮ極内の歯部７ａからエアギャップ１
１を経由して回転子鉄心２ａへ入り、磁石間の鉄心部分
１２ａを流れて再びエアギャップ１１を経由して固定子
鉄心６ａのＳ極内の歯部へ戻るように形成される。

【００２１】図３の状態の近辺において、磁石間の鉄心
部分１２ａは歯部７ａに対して回転方向１５の方向へ偏
っているため、磁束１４ａの存在による磁気的吸引力の
作用によって、回転子は回転方向と逆方向へのリラクタ
ンストルクを生じることになる。しかし鉄心部分１２ａ
の幅が広いため、該逆方向へのリラクタンストルクの値
は小さなものとなる。そして程なく、図４に１４ｂで示
す隣の歯部７ｂからの磁路が生じて、該逆方向のリラク
タンストルクは回転方向のリラクタンストルクによって
相殺されるようになる。

【００２２】そして回転子が矢印１５の方向へ回転して
回転子鉄心２ａと固定子鉄心６ａとの位置関係が図４に
示す近辺となると、鉄心部分１２ａへは歯部７ａと７ｂ
の双方からの磁束１４ａ，１４ｂがスムースに流入する
ことにより、回転逆方向と回転方向の両リラクタンスト
ルクが完全に相殺された状態となる。

【００２３】次に図５に示す位置まで回転子が回転する
場合、鉄心部分１２ａへ流入する歯部７ａからの磁束１
４ａが徐々に減少していくが、この間歯部７ｂからの磁
束１４ｂによる回転方向のリラクタンストルクの相殺を
継続するため、磁束１４ｂによる回転方向のリラクタン
ストルクのみとなる図５の状態へ急激に移行することは
なく、この結果、鉄心部分１２ａと対向する歯部７ａか
ら７ｂへの移り変わりに際して、磁束１４ａと１４ｂの
双方の磁路がとぎれることなく、回転子の回転に伴うリ
ラクタンストルクの変化が緩やかとなる。このことによ
り、リラクタンストルク成分の脈動に起因する電動機の
振動、騒音が大きく低減される。

【００２４】また上記のように、鉄心部分１２ａへ流出
入する固定子からの磁束が常時とぎれることがないた
め、磁石３ａ，３ｂに加わる減磁力が緩和されることに
なる。この結果、減磁耐力に優れた回転子が構成できる
とともに、必要に応じて磁石の厚み等を削減してコスト
ダウンすることも可能となる。

【００２５】次に、本発明における第２の発明の実施例
について説明する。従来例図７〜１０において説明した
同極内の磁石３ｅ，３ｆ相互間の鉄心部分１２ｂとスロ
ット開口部９ｂとの関係によって生じる電動機の振動、
騒音の問題は、同様の原理によって、回転子極間部を挟
んで隣接する磁石３ｅと３ｅ相互間の鉄心部分１３ｂと
スロット開口部９ｂとの関係によっても生じ得る。

【００２６】従って図２の実施例において、極間部の磁
石３ａ相互間の鉄心部分１３ａの幅Ｗ３に関しても、鉄
心部分１２ａと同様、スロット開口部９ａの幅Ｗ２より
も大きく構成すれば振動、騒音の解消に効果がある。し
かし磁石３ａ，３ｂの円弧の半径が小さくなってしま
い、磁石による磁束量が減少して、リラクタンストルク
の増加分以上に主磁束トルクが大幅に削減されてしま
い、これらの合成トルクも減少してしまうため得策では
ない。

【００２７】そこで本発明においては、図２に示すよう
に、極間部の磁石３ａ，３ａ相互間の鉄心部分１３ａの
幅Ｗ３については、この部分が磁石３ａ，３ｂの磁束に
よって十分飽和する程度に狭く構成してある。このよう
に構成することによって、回転子極間部の磁石相互間の
鉄心部分１３ａへ固定子の歯部７を介して流出入する磁
束が少なくなり、鉄心部分１３ａと対向する歯部７の移
り変わりに際して発生するリラクタンストルクの脈動が
小さなものとなる。具体例としては、回転子鉄心２ａの
外径が約φ５５ｍｍ、磁石３ａ、３ｂが約０．４３Ｔの
残留磁束密度を有するフェライト磁石、界磁の極数が４
極で構成した電動機において、上記鉄心部分１３ａの幅
Ｗ３を１．０ｍｍ程度まで狭くすれば所望の効果が得ら
れる。

【００２８】尚、上記鉄心部分１３ａと同様、鉄心部分
１２ａの幅Ｗ１について、この部分が飽和する程度に狭
く構成した場合は、この鉄心部分１２ａを経由して固定
子側へ流出入する磁石３ａと磁石３ｂとの磁束量の差分
の磁束が、磁気的な飽和によって流出入量が激減して主
磁束トルクが減少し、多重の磁石構造とした効果がなく
なってしまうため一般に好ましくない。

【００２９】図６は本発明による回転子の別の実施例を
示しており、回転子鉄心２ｃの略Ｖ字形の収容孔に磁石
３ｃ，３ｄを挿着して構成したものである。このような
Ｖ字形の磁石の場合は、平板状の磁石２個を組み合わせ
て１つのＶ字を形成する場合が多い。軸側磁石３ｃと反
軸側磁石３ｄの相互間にはｑ軸磁束の通路を形成する鉄
心部分１２ｃが介在しており、この鉄心部分１２ｃの幅
は図１に示した電動機同様、固定子鉄心のスロット開口
部の幅よりも大きく構成する。

【００３０】また磁石３ｃを収容する回転子鉄心２ｃの
収容孔を単純なＶ字形状に形成すると、極間部の磁石３
ｃ相互間の鉄心部分１３ｃの幅を十分に狭くできないた
め、図示するような空孔を形成する切り欠き部１６を磁
石３ｃの収容孔の極間部側に設け、回転子鉄心２ｃの外
周部近傍のみ該鉄心部分１３ｃの幅が狭くなるように形
成し、この部分が磁石３ｃ，３ｄの磁束によって十分飽
和するように構成するものである。

【００３１】以上の実施例においては、回転子各極当た
り２重に磁石を配置したものについて示したが、これに
限らず、何重であっても本発明が適用可能なことは勿論
である。また請求項１に係る第１の発明と、請求項２に
係る第２の発明とを同一電動機へ適用した例を示した
が、これら第１の発明と第２の発明とは、それぞれ単独
で適用しても良好な効果が期待されるものである。

【００３２】また、実施例では主として回転子の磁石相
互間の鉄心部分の幅を変更した例によって説明を行った
が、固定子鉄心のスロット開口部の幅寸法についても本
発明の範囲内で適宜調整し得ることは勿論である。尚、
この種の電動機においては通常１２スロットや２４スロ
ットのものが用いられるが、固定子鉄心のスロット数に
関しては、本発明は特に範囲を限定するものではない。

【００３３】また図２の実施例において、回転子の鉄心
部分１２ａ及び１３ａのそれぞれの幅寸法Ｗ１及びＷ３
は、主として回転子鉄心２ａの外周部近傍における寸法
を表している。通常、磁石やこれを収容する回転子鉄心
の収容孔のコーナー部分等にはＣ面取りやＲ面取り等の
カット部が適宜設けられ、また磁石と収容孔との間には
種々の隙間が存在する場合もあるが、図２等の実施例に
おいては、説明が煩雑となるのでこれらを省略した形状
で描いてある。

【００３４】特に収容孔の形状において、回転子鉄心２
ａの外周部近傍の上記カット部が大きな場合は、その分
鉄心部分が増加しているため、幅寸法Ｗ１やＷ３を設定
する上でその影響を適宜考慮するようにする。本発明は
回転子鉄心と固定子鉄心との間の磁束のやり取りに着目
したものであるため、磁石形状よりもむしろこれを収容
する回転子鉄心の収容孔の形状を重視するものである。

【００３５】さらに、上記鉄心形状に着目したとき、本
発明は磁石を埋め込んだ電動機のみならず、マルチフラ
ックスバリア形シンクロナスリラクタンスモータに対し
ても適用できるものである。この場合は、実施例におけ
る磁石を取り除いて空孔としたり、あるいは磁石に代え
て非導電性非磁性材料を埋め込んで構成すればよい。こ
のタイプの電動機に関しては、例えば平成９年電気学会
全国大会講演論文集の論文番号１１５２に記載されてい
る。

【００３６】

【発明の効果】本発明によれば、回転子鉄心の磁石相互
間の鉄心部分と、これと対向する固定子鉄心の歯部との
間のリラクタンストルクの変化が、回転子の回転に伴っ
て緩やかなものとなるため、電動機の振動、騒音を大幅
に低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す電動機の平面断面図。

【図２】図１の要部を説明する拡大図。

【図３】図１の電動機における磁束の流れを示す要部拡
大説明図。

【図４】図１の電動機における磁束の流れを示す要部拡
大説明図。

【図５】図１の電動機における磁束の流れを示す要部拡
大説明図。

【図６】本発明における回転子の別の実施例を示す平面
断面図。

【図７】従来例を示す電動機の平面断面図。

【図８】図７の電動機における磁束の流れを示す要部拡
大説明図。

【図９】図７の電動機における磁束の流れを示す要部拡
大説明図。

【図１０】図７の電動機における磁束の流れを示す要部
拡大説明図。

【符号の説明】

１…回転子、２ａ，２ｂ，２ｃ…回転子鉄心、３ａ，３
ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｆ…磁石、５…固定子、６
ａ，６ｂ…固定子鉄心、７，７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ…
歯部、８…スロット、９ａ，９ｂ…スロット開口部、１
２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１３ａ，１３ｂ，１３ｃ…磁石
相互間の鉄心部分。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 金子 清一 三重県桑名郡木曽岬町栄68−４

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一方が凸面状、他方が凹面状に形成され
   た磁石を各極毎に前記凸面側を回転軸に向けて回転子鉄
   心の軸側から反軸側へわたって多重に埋め込んで構成し
   た回転子と、この回転子側に向けて開口した複数のスロ
   ットを有する固定子鉄心に巻線を装着した固定子とを備
   えた電動機において、前記回転子各極における隣接する
   前記磁石の相互間に介在する鉄心部分の幅を、前記スロ
   ットの開口部の幅よりも大きく構成したことを特徴とす
   る電動機。
2. 【請求項２】 一方が凸面状、他方が凹面状に形成され
   た磁石を各極毎に前記凸面側を回転軸に向けて回転子鉄
   心の軸側から反軸側へわたって多重に埋め込んで構成し
   た回転子と、この回転子側に向けて開口した複数のスロ
   ットを有する固定子鉄心に巻線を装着した固定子とを備
   えた電動機において、前記回転子極間部を挟んで隣接す
   る前記磁石の相互間に介在する鉄心部分の幅を、前記磁
   石の磁束によって十分飽和する程度に狭く構成したこと
   を特徴とする電動機。