JPH104643A - 磁石回転子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 円柱状の鉄心１ａの中央に軸孔９を備えると
ともに、この軸孔と平行に複数の収容孔２ａを備え、こ
の収容孔に板状の磁石３ａを挿入して構成する磁石回転
子において、制御装置の構成に関係なく駆動可能な汎用
性を持たせるとともに、特性を向上し且つその品質を維
持する。 【構成】 収容孔２ａは鉄心１ａの外径を形成する円弧
に対して弦状に形成された孔縁を有し、この収容孔２ａ
には前記弦状の孔縁の長さに満たない長さに形成された
磁石３ａが挿入されている。

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を装着した内転
型回転子に関し、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インテリアル・パーマネントマ
グネット・モータ（以下ＩＰＭと称す）の回転子に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】ＩＰＭの回転子として、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第３８５頁〜３８８頁（論文
番号３０６）に開示されている。この回転子は、円柱状
の鉄心１１に軸孔９と、この軸孔９と平行に複数の収容
孔１２を設け、この収容孔１２に板状の磁石１３を挿入
して構成されている。

【０００３】磁石１３は、極方向に平行に磁気配向させ
た例えばＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石等の希土類磁石であり、
隣接するものが互いに異極となるように着磁されたもの
であり、図７の場合４極の界磁を形成している。また、
図中１４は磁束短絡防止部であり、収容孔１２に連なる
空間によって形成したり、必要に応じてこの空間に非磁
性材料を挿入したりすることにより、各磁石１３の極間
部が磁気的に短絡して磁石による磁束量が減少するのを
防止するようになっている。

【０００４】上記回転子は、三相巻線を有する固定子内
に配置されて永久磁石型の同期電動機を構成し、インバ
ータを介して固定子巻線を励磁することによって回転を
行うようになっている。このようなＩＰＭの場合、逆突
極性を特徴としているため、低速域においては、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
束トルクの双方の最大トルクポイントで駆動するいわゆ
る最大トルク制御を行い、一方高速域においては、主磁
束トルクをリラクタンストルクにて補ういわゆる進み位
相制御を行うのが有効であり、前述の圧縮機等の駆動に
用いられている。

【０００５】即ち、一般にＩＰＭのトルクＴは、主磁束
トルクをＴ１、リラクタンストルクをＴ２とすると、 Ｔ＝Ｔ１＋Ｔ２ ……（１） であり、磁石による磁束量をΦ、ｑ軸電流をＩｑ、ｄ軸
電流をＩｄ、ｑ軸インダクタンスをＬｑ、ｄ軸インダク
タンスをＬｄとすれば、 Ｔ１＝Φ・Ｉｑ ……（２） Ｔ２＝（Ｌｄ−Ｌｑ）Ｉｄ・Ｉｑ ……（３） で表される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】図７に示すようなＩＰ
Ｍの回転子においては、磁石１３が鉄心１１の中央部寄
りに埋め込まれる形となっており、これは、磁石とエア
ギャップ間に介在する鉄心部分を積極的に活用すること
により、リラクタンストルク成分の占める割合を大きく
設定した制御を行うためである。従ってこのような回転
子を用いたＩＰＭに対しては、前述の（２）式及び
（３）式にて説明したｑ軸電流Ｉｑの成分が少なく、ｄ
軸電流Ｉｄの成分が多くなるように構成されたインバー
タ（以下Ｉｄ成分主体のインバータと称す）が使用され
る。

【０００７】ところが、このようなインバータを構成す
るためにはマイクロコンピュータや電流センサ等の部品
が高価なものとなるため、コスト的なメリットからＩｑ
の成分が多く、Ｉｄの成分が少なくなるように構成され
た低廉なインバータ（以下Ｉｑ成分主体のインバータと
称す）の需要も多いのが実状である。このようなＩｑ成
分主体のインバータによって図７の回転子を駆動するこ
とは、ＩＰＭの特性悪化あるいは駆動不能の状態をまね
くことになる。換言すれば、図７に示すような従来の回
転子は非常に汎用性に乏しい構造となっていた。

【０００８】また、ＩＰＭの回転子を製作する場合、磁
石１３を予め着磁しておくと、その強力な磁力のために
回転予の組立の作業性が著しく悪化してしまうため、一
般に、鉄心１１にすべての磁石を装着した後、回転子の
外側に配置させた固定子巻線または専用の着磁巻線に着
磁電流を通電することにより、すべての磁石を所定の極
数に同時着磁するようになっている。

【０００９】この場合、図７に示す回転子について説明
すると、図８に示すように、磁石１３の磁気配向は実線
矢印１５で示すように極の方向に平行に形成されている
のに対し、着磁磁束は破線矢印１６で示すように着磁磁
界の極間部近傍に相当する磁石両端部において、磁気配
向１５に対してかなり傾斜した流れを形成する。この現
象は磁石１３が鉄心１１の中央部寄りに埋め込まれるほ
ど顕著となり、この結果、磁石両端部の着磁が不十分と
なって完成時の磁石の磁力が低下してＩＰＭの特性が悪
化することになる。また、回転子の有する磁力の品質が
安定しないため、ｑ軸インダクタンスＬｑ及びｄ軸イン
ダクタンスＬｄの値がばらついてインバータとのマッチ
ングが悪くなり、ＩＰＭの特性のばらつきが極端に大き
くなってしまう欠点がある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、円柱状の鉄心
の中央に軸孔を備えるとともに、この軸孔と平行に複数
の収容孔を備え、この収容孔に板状の磁石を挿入して構
成する磁石回転子に関する。軸方向に垂直な断面におい
て、前記収容孔は前記鉄心の外径を形成する円弧に対し
て弦状に形成された孔縁を有しており、この収容孔には
前記弦状の孔縁の長さに満たない長さに形成された磁石
が挿入されて構成される。

【００１１】

【作用】磁束短絡防止部を含めた収容孔が各極で直線状
に配置されることにより、磁石が鉄心の外周部寄りに埋
め込まれる形となり、磁石による磁束量を増加させるこ
とができる。また磁石の長さを変更することにより、鉄
心形状をそのままにした状態で主磁束トルク成分とリラ
クタンストルク成分の割合の変更が容易に行い得るよう
になる。さらに磁石両端部における着磁磁束の傾斜を緩
やかなものとすることができる。

【００１２】

【実施例】本発明の回転子を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の第１の実施例を示し、回転子の軸方向に
垂直な断面を表している。この回転子は、軸孔９に嵌入
される軸によって支持されて、ケーシング等に固定され
た電動機固定子の内側に配置され、鉄心１ａの外周部が
固定子鉄心の内周部との間に所定の空隙を介して対向す
るように構成される。鉄心１ａは所定形状に打ち抜いた
０．３５ｍｍ，０．５０ｍｍ等の板厚の薄鉄板を多数積
層して形成されており、各薄鉄板に設けた打ち出し突起
による凹凸部を軸方向に隣接する薄鉄板相互で嵌合させ
て固定する周知のカシメクランプ手段７によって固定さ
れて構成されている。

【００１３】この鉄心１ａには軸孔９と平行に軸方向に
貫通する複数の収容孔２ａが設けてあり、この収容孔２
ａには板状の磁石３ａがすきまばめあるいは圧入等によ
って挿入され、しかる後、鉄心１ａを軸方向に貫通する
複数のカシメピン８によって軸方向両端部に端板を固定
して蓋がなされて回転子が構成されるようになってい
る。磁石３ａは、極方向に平行に磁気配向させた例えば
Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石等の希土類磁石であり、隣接する
ものが互いに異極となるように着磁され、実施例の場合
４極の界磁を形成している。

【００１４】収容孔２ａは、図２に拡大して示すよう
に、鉄心１ａの外径を形成する円弧に対して弦状に形成
された孔縁６ａと６ｃ、及び６ｂと６ｄによって形成さ
れている。この直線状の孔縁６ａと６ｃの間、及び６ｂ
と６ｄの間には孔幅を狭める方向に突出した突起部５が
設けられており、この突起部５によって位置決めされる
ことによって、孔縁の直線部の長さに満たない長さに形
成された磁石３ａが収容孔２ａの中央部に挿入されてい
る。この結果、収容孔２ａの両端部には磁束短絡防止部
である空間４が孔縁６ｃ，６ｄによって形成され、各磁
石３ａの極間部が磁気的に短絡して磁石による磁束量が
減少するのが防止されるようになっている。

【００１５】このように各極の収容孔２ａを直線状に設
け、この収容孔に孔縁６ａと６ｃまたは６ｂと６ｄの長
さに満たない長さに形成された磁石３ａを収容すること
により、各極の極間部に磁束短絡防止部４を設けること
ができ、同時に磁石３ａは鉄心１ａの外周部寄りに埋め
込まれる形となる。従って前述の（２）式における磁束
量Φを増加させ、主磁束トルクＴ１を増加させることが
でき、Ｉｑ成分主体のインバータによって問題なく駆動
可能な構成となっている。勿論、Ｉｄ成分主体のインバ
ータによっても支障なく駆動可能である。

【００１６】Ｉｄ成分主体のインバータによって駆動す
る場合、ＩＰＭの効率を一層向上させるためには、
（３）式におけるリラクタンストルクＴ２を大きくする
必要があり、最も効果的な構成は（Ｌｄ−Ｌｑ）の絶対
値を大きくするのがよい。従ってこの場合は図５に示す
ような構成として対処することができる。図５に示す回
転子の鉄心１ａは、図１及び図２の実施例に示した鉄心
と同一のものであり、収容孔２ａには図１及び図２の磁
石３ａより短く形成した磁石３ｂが収容されている。こ
の場合、磁石３ｂは磁極の中央に位置するように非磁性
のスペーサ１０ｂによって位置決めされている。図５の
回転子のように構成することにより、回転子の磁石によ
る磁束量Φが減少するため、鉄心１ａを通過する固定子
磁束が増加してリラクタンストルク成分を大きくするこ
とができる。この構成における長所は、鉄心１ａの型を
変更することなく磁石型の変更のみで対処できる点であ
る。

【００１７】また図１に示した回転子は、前述したよう
に磁石３ａが鉄心１ａの外周部寄りに埋め込まれている
ため、回転子の外側に配置させた固定子巻線または専用
の着磁巻線に着磁電流を通電して着磁する際、図６に示
すように、着磁磁束１６は着磁磁界の極間部近傍に相当
する磁石３ａの両端部において、磁石３ａの磁気配向の
方向に対する傾斜が緩やかとなる。これは磁石３ａが図
６に破線で示す従来の磁石１３の位置より外側に配置さ
れることにより、着磁巻線の磁極に近接するためであ
り、この結果、磁石３ａの両端部においてほぼ配向方向
に沿った十分な着磁が達成される。

【００１８】図３は本発明の別の実施例を示している。
図３における回転子は、収容孔２ｂの中央部の孔縁６
ａ，６ｂに対して両端部の孔縁６ｅ，６ｆを孔幅を狭め
る方向に段付きに形成したものであり、段付き部分によ
って磁石３ａの位置決めを行うものである。磁束短絡防
止部４の幅が機能上支障のない程度に得られれば、この
構成によっても図２に示した回転子同様の作用、効果が
得られる。また図５に示したような短い磁石３ｂを用い
る場合についても、図５の回転子同様に構成し得ること
は容易に類推できる。

【００１９】図４は本発明のさらに別の実施例を示して
おり、図２に示した回転子の収容孔２ａにおける突起部
５を取り除いた形状の孔縁６ｇ、６ｈにより収容孔２ｃ
を形成したものである。この場合は磁束短絡防止部４に
非磁性スペーサ１０ａを挿入することにより、図２同様
の磁石３ａを磁極の中央に位置決めして装着することが
でき、これによる作用、効果も同様のものが得られる。
また図５に示したような短い磁石３ｂを用いる場合につ
いては、非磁性スペーサ１０ａの長さを調節することに
より対処し得るものである。

【００２０】

【発明の効果】本発明によれば、Ｉｄ成分主体のインバ
ータのみならず、Ｉｑ成分主体のインバータによっても
問題なく駆動可能な汎用性に優れた回転子が得られ、低
廉な制御装置が利用可能となるものである。またＩＰＭ
の効率を追求する場合は、鉄心型を変更することなく磁
石型のみの変更によって、各インバータに最も適した構
成の回転子を容易に形成できる特長がある。

【００２１】さらに、磁石に対して十分な着磁がなされ
ることから、完成時における磁力不足やばらつきがなく
なって品質的に安定し、またｑ軸インダクタンス及びｄ
軸インダクタンスの値が安定してインバータとのマッチ
ングが良好となり、これらの結果ＩＰＭの特性向上及び
その品質維持が達成できるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す回転子の平面断面
図。

【図２】図１の要部拡大図。

【図３】本発明の第２の実施例を示す回転子の要部拡大
平面断面図。

【図４】本発明の第３の実施例を示す回転子の要部拡大
平面断面図。

【図５】本発明の第４の実施例を示す回転子の要部拡大
平面断面図。

【図６】着磁時の磁束流を示す説明図。

【図７】従来例を示す回転子の平面断面図。

【図８】磁石の磁気配向と着磁磁束の関係を示す説明
図。

【符号の説明】

１ａ，１ｂ，１ｃ，１１ 鉄心 ２ａ，２ｂ，２ｃ，１２ 収容孔 ３ａ，３ｂ，１３ 磁石 ４，１４ 磁束短絡防止部 ５ 突起部 ６ａ〜６ｈ 孔縁 ７ カシメクランプ手段 ８ カシメピン ９ 軸孔 １０ａ，１０ｂ 非磁性スペーサ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 円柱状の鉄心の中央に軸孔を備えるとと
   もに、この軸孔と平行に複数の収容孔を備え、この収容
   孔に板状の磁石を挿入して構成する磁石回転子におい
   て、前記収容孔の軸方向に垂直な断面は前記鉄心の外径
   を形成する円弧に対して弦状に形成された孔縁を有し、
   この収容孔には前記弦状の孔縁の長さに満たない長さに
   形成された磁石が挿入されていることを特徴とする磁石
   回転子。