JPH1094201A - 電動機の回転子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 軸４に垂直な断面形状が一方に凸面他方に凹
面を有する磁石２ａ，３ａを各極毎に前記凸面側を軸４
に向けて鉄心１ａの反軸側から軸側へわたって多重に埋
め込んで構成する電動機の回転子において、電動機の振
動や騒音を少なくするとともに、品質及び特性を向上さ
せる。 【構成】 前記凸面と凹面の両端部が鉄心１ａの外周部
に近接するように磁石２ａ，３ａを配置するとともに、
磁石２ａ，３ａの端部と鉄心１ａの外周部との間に介在
する鉄心部分の幅を反軸側に配置した磁石２ａに対応す
る幅よりも軸側に配置した磁石３ａに対応する幅を順次
広く構成する。

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（ＩＰＭ）の回転子に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】上記電動機の回転子として、図４に示す
構成のものが知られており、例えば電気学会回転機研究
会資料ＲＭ−９６−２２に開示されている。図４に示す
回転子は回転軸４に垂直な断面を示しており、この軸４
は円柱状の積層鉄心１ｂの中心に設けた軸孔に嵌入され
ている。また鉄心１ｂには軸４と平行に磁石と略相似形
の複数の収容孔が設けられており、この収容孔に磁石２
ｂ，３ｂ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２ｂ，３ｂは、図示する軸４に垂直な
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１ｂに埋め込まれている。界磁を形成する各極は
反軸側磁石２ｂと軸側磁石３ｂの２重の磁石によって１
極が構成され、各磁石の中央を磁極中心として着磁され
て構成されている。

【０００４】上記回転子は、三相巻線を有する固定子内
に所定の空隙を介して対向するよう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。このように構成されるＩＰＭの場合、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。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】図４に示したようなＩ
ＰＭの回転子においては、図５に拡大して示すように、
磁石２ｂ，３ｂの略Ｃ字形断面の凸面と凹面の端部と鉄
心１ｂの外周部との間に介在する鉄心部分（以下ブリッ
ジ部と称す）６ｂ，７ｂの幅Ｔ１，Ｔ２は非常に薄く形
成されている。これは、このブリッジ部６ｂを磁気飽和
させることによってＩＰＭのｄ軸インダクタンスとｑ軸
インダクタンスの比、即ち突極比を大きくしてリラクタ
ンストルクを有効に活用するためである。ところが反軸
側磁石２ｂに対応するブリッジ部６ｂの幅Ｔ１と軸側磁
石３ｂに対応するブリッジ部７ｂの幅Ｔ２との関係につ
いては従来何等考慮されておらず、一般に、図５に磁石
端部を延長した破線で示されるようにＴ１とＴ２は概略
同一寸法に形成されている。

【０００６】このような回転子が回転を行う場合、ブリ
ッジ部６ｂに対しては反軸側磁石２ｂを含めてこれより
反軸側部分に加わる遠心力によって応力が働き、一方ブ
リッジ部７ｂに対しては軸側磁石３ｂを含めてこれより
反軸側部分に加わる遠心力によって応力が働くことにな
る。従って反軸側磁石２ｂに対応するブリッジ部６ｂよ
りも軸側磁石３ｂに対応するブリッジ部７ｂの方がはる
かに大きな応力を受けるため、ブリッジ部７ｂが遠心力
によって変形して回転子における軸側磁石３ｂより反軸
側部分が回転子の所定外径よりも膨れてしまい、振動、
騒音が発生したり固定子と接触して回転不能となる恐れ
がある。

【０００７】これを回避するためにブリッジ部６ｂ及び
７ｂの幅Ｔ１及びＴ２を共に広く形成すると、ブリッジ
部６ｂの幅Ｔ１については必要以上の幅となってしま
い、この部分の磁気飽和が不十分となり、ＩＰＭの突極
比が小さくなってリラクタンストルク分が減少して電動
機効率が悪化する欠点があった。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、軸に垂直な断
面形状が略Ｃ字形または略Ｖ字形等一方に凸面他方に凹
面を有する磁石を各極毎に前記凸面側を前記軸に向けて
鉄心の反軸側から軸側へわたって多重に埋め込んで構成
する電動機の回転子において、前記凸面と凹面の両端部
が前記鉄心の外周部に近接するように前記磁石を配置す
るとともに、前記磁石の端部と前記鉄心の外周部との間
に介在する鉄心部分の幅を反軸側に配置した磁石に対応
する幅よりも軸側に配置した磁石に対応する幅を順次広
くして構成するものである。

【０００９】また、軸に垂直な断面において、径方向に
隣接する反軸側磁石と軸側磁石のそれぞれの端部と前記
鉄心の外周部との間に介在する鉄心部分の幅寸法をそれ
ぞれＴ１，Ｔ２とし、この鉄心部分と軸心とを結ぶ線が
磁極中心線となす角をそれぞれα１，α２とし、前記反
軸側磁石を含めてこれより反軸側部分の全質量と軸心か
らその重心までの距離とをそれぞれＭ１，Ｒ１、前記軸
側磁石を含めてこれより反軸側部分の全質量と軸心から
その重心までの距離とをそれぞれＭ２，Ｒ２としたと
き、前記Ｔ２をＴ１×（Ｍ２Ｒ２ｓｉｎα２）／（Ｍ１
Ｒ１ｓｉｎα１）以上とするものである。

【００１０】

【作用】図３に示す回転子の模式図において、１は鉄
心、２は反軸側磁石、３は軸側磁石、Ｏは軸心、８は磁
石２及び３の磁極中心線をそれぞれ示している。図３
（ａ）における斜線部は反軸側磁石２の軸心側円弧より
反軸側部分を示しており、この部分の質量をＭ１としそ
の重心Ｐ１までの半径をＲ１とする。また幅寸法がＴ１
なる反軸側磁石２に対応するブリッジ部６と軸心Ｏとを
結ぶ線が磁極中心線８となす角度の最大をα１とする。
即ちブリッジ部に作用する遠心力による応力を考えると
き、ブリッジ部の幅寸法が最も狭い箇所で且つ磁極中心
線８から最も離れた地点が条件的に厳しいものとなるた
め、該地点と軸心Ｏとを結ぶ線をもって角度α１を定義
する。これは後述する角度α２についても同様である。

【００１１】上記条件において重心Ｐ１に作用する遠心
力Ｆ１は、角速度をωとすると、

【数１】 で表される。この遠心力Ｆ１によってブリッジ部６の幅
Ｔ１なる部分の断面に加わる力Ｆｔ１は、

【数２】 となり、回転子の軸方向長をＬとすると、応力σ１は、

【数３】 で表される。

【００１２】図３（ｂ）における斜線部は軸側磁石３の
軸心側円弧より反軸側部分を示しており、この部分の質
量をＭ２としその重心Ｐ２までの半径をＲ２とする。ま
た幅寸法がＴ２なる軸側磁石３に対応するブリッジ部７
と軸心Ｏとを結ぶ線が磁極中心線８となす角度の最大を
α２とする。この状態において重心Ｐ２に作用する遠心
力Ｆ２は、

【数４】 となる。ここでＦ２は、図３（ｂ）の斜線部から図３
（ａ）の斜線部を除いた部分に作用する遠心力に数１の
遠心力Ｆ１を加えたものであるから、Ｆ２＞Ｆ１の関係
が成立する。この遠心力Ｆ２によってブリッジ部７の幅
Ｔ２なる部分の断面に加わる力Ｆｔ２は、

【数５】 となり、従って応力σ２は、

【数６】 で表される。即ち、ブリッジ部６及び磁石２と磁石３と
の間に介在する鉄心部分が十分に強固であれば、ブリッ
ジ部７にはσ２なる応力が加わることになる。

【００１３】従って、ブリッジ部６の幅Ｔ１は、数３に
おけるσ１の値が降伏応力内にとどまるように設定する
必要がある。よって、

【数７】 なる関係が成立する。同様にブリッジ部７の幅Ｔ２は、
数６におけるσ２の値が降伏応力内にとどまるように設
定する必要があり、前述のＦ２＞Ｆ１の関係及びα２＞
α１の関係より必然的にＦｔ２＞Ｆｔ１であるため、ブ
リッジ部６の幅Ｔ１よりも広くなる。即ち、

【数８】 となるように設定すればよい。

【００１４】

【実施例】図１は本発明の実施例を示し、回転軸４に垂
直な断面を示している。この軸４は円柱状の鉄心１ａの
中心に設けた軸孔に嵌入されており、回転子が固定子と
所定の空隙を介して対向するように回転子を支持してい
る。また鉄心１ａには軸４と平行に磁石と略相似形の複
数の収容孔が設けられており、この収容孔には反軸側磁
石２ａと軸側磁石３ａ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。

【００１５】鉄心１ａは、所定形状に打ち抜いた薄鉄板
を軸方向に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
等によって固定されている。磁石２ａ，３ａはフェライ
ト磁石または希土類磁石よりなり、図示する軸４に垂直
な断面において略Ｃ字形をなし、その凸面側を軸４に向
けて鉄心１ａに埋め込まれている。界磁を形成する各極
は反軸側磁石２ａと軸側磁石３ａの２重の磁石によって
１極が構成され、各磁石の中央を磁極中心として着磁さ
れるものであり、図示の回転子の場合４極の界磁を形成
している。５は鉄心１ａを軸方向に貫通するカシメピン
であり、これにより軸方向両端部に端板等が固定されて
磁石２ａ，３ａに蓋がなされるようになっている。

【００１６】図１に示した回転子においては、図２に拡
大して示すように、磁石２ａ，３ａの略Ｃ字形断面の端
部と鉄心１ａの外周部との間のブリッジ部６ａ，７ａの
幅Ｔ１，Ｔ２は、磁石３ａの端部を延長して示す破線に
より明らかなように、反軸側磁石２ａに対応する幅Ｔ１
よりも軸側磁石３ａに対応する幅Ｔ２が大きく形成され
ている。即ち、Ｔ１は磁石による磁束によってブリッジ
部６ａが磁気飽和するように極力薄くするとともに、遠
心力に伴う応力に十分耐えられるように数７に従って十
分な強度を持たせて形成するものである。一方Ｔ２はブ
リッジ部７ａが遠心力に伴う応力に十分耐えられるよう
に構成する必要上、Ｔ１と比較した場合は数８に従っ
て、Ｔ１×（Ｍ２Ｒ２ｓｉｎα２）／（Ｍ１Ｒ１ｓｉｎ
α１）以上となるように構成するものである。

【００１７】図１に示したような回転子が回転を行う場
合、ブリッジ部６ａに対しては反軸側磁石２ａを含めて
これより反軸側部分に加わる遠心力による応力が働き、
一方ブリッジ部７ａに対しては軸側磁石３ａを含めてこ
れより反軸側部分に加わる遠心力による応力が働くこと
になるが、上記のようにＴ１よりもＴ２が大きく形成さ
れているためにブリッジ部７ａが遠心力によって変形し
て磁石３ａより反軸側部分が回転子の所定外径よりも膨
れたりすることがない。

【００１８】またＴ１を必要以上大きくすることがない
ので、ブリッジ部６ａを十分に磁気飽和させて突極比を
大きくでき、リラクタンストルクを有効に活用すること
ができて電動機効率を向上させ得るものである。尚、本
発明の採用によって軸側磁石３ａのブリッジ部７ａの幅
Ｔ２が広くなるが、軸側磁石３ａは反軸側磁石２ａと比
べ面積及び体格が大きいため磁束量が多く、ブリッジ部
７ａは容易に磁気飽和するために特性上の支障は生じな
い。またブリッジ部の幅が広くなることによってリラク
タンストルクに寄与する固定子磁束の流出入がスムーズ
となる効果があり、この面からも電動機の特性を向上さ
せ得るものである。

【００１９】以上の実施例においては回転子の界磁各極
を２重の磁石２ａ，３ａによって構成する例を示した
が、３重の磁石等さらに多重の構成としてもよいことは
勿論である。その場合は、径方向に隣接する反軸側磁石
と軸側磁石のそれぞれのブリッジ部の幅寸法をそれぞれ
Ｔ１，Ｔ２として、これらを上記の寸法関係に構成すれ
ばよい。また実施例に示した回転子と異なる磁石形状と
して、軸４に垂直な断面において略Ｖ字形をなすような
磁石形状を採用した場合においても、本発明の構成は同
様に適用可能である。

【００２０】

【発明の効果】本発明によれば、回転子のブリッジ部が
遠心力によって変形して所定外径より膨れるようなこと
がなくなり、振動や騒音の少ない電動機が構成できる。
同時に、回転子が固定子と接触して回転不能となったり
する恐れもなく、品質に優れた電動機とすることができ
る。またブリッジ部が変形し難くするために、降伏応力
を高める目的で硬度の高い高価な鉄心材料等を用いる必
要がなく、低廉な回転子が構成できる特長がある。また
突極比が大きくできたり、固定子磁束の流出入がスムー
ズになったりすることによってリラクタンストルクを有
効に活用することができ、電動機の特性を向上させるこ
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回転子の平面断面図。

【図２】図１の要部拡大図。

【図３】遠心力とブリッジ部に加わる応力を説明する回
転子平面断面の模式図。

【図４】従来例を示す回転子の平面断面図。

【図５】図４の要部拡大図。

【符号の説明】

１，１ａ，１ｂ 鉄心 ２，２ａ，２ｂ，３，３ａ，３ｂ 磁石 ４ 軸 ５ カシメピン ６，６ａ，６ｂ，７，７ａ，７ｂ ブリッジ部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 軸に垂直な断面形状が略Ｃ字形または略
   Ｖ字形等一方に凸面他方に凹面を有する磁石を各極毎に
   前記凸面側を前記軸に向けて鉄心の反軸側から軸側へわ
   たって多重に埋め込んで構成する電動機の回転子におい
   て、前記凸面と凹面の両端部が前記鉄心の外周部に近接
   するように前記磁石を配置するとともに、前記磁石の端
   部と前記鉄心の外周部との間に介在する鉄心部分の幅を
   反軸側に配置した磁石に対応する幅よりも軸側に配置し
   た磁石に対応する幅を順次広くしたことを特徴とする電
   動機の回転子。
2. 【請求項２】 軸に垂直な断面において、径方向に隣接
   する反軸側磁石と軸側磁石のそれぞれの端部と前記鉄心
   の外周部との間に介在する鉄心部分の幅寸法をそれぞれ
   Ｔ１，Ｔ２とし、この鉄心部分と軸心とを結ぶ線が磁極
   中心線となす角をそれぞれα１，α２とし、前記反軸側
   磁石を含めてこれより反軸側部分の全質量と軸心からそ
   の重心までの距離とをそれぞれＭ１，Ｒ１、前記軸側磁
   石を含めてこれより反軸側部分の全質量と軸心からその
   重心までの距離とをそれぞれＭ２，Ｒ２としたとき、前
   記Ｔ２をＴ１×（Ｍ２Ｒ２ｓｉｎα２）／（Ｍ１Ｒ１ｓ
   ｉｎα１）以上としたことを特徴とする請求項１記載の
   電動機の回転子。