JPH11299150A - 永久磁石形電動機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 固定子鉄心に複数相の巻線を備えた固定子の
内側に、回転子鉄心に複数個の永久磁石を装着した回転
子を対向配置し、インバータを介して前記巻線に通電す
ることにより前記回転子を回転駆動するように構成した
永久磁石形電動機において、主磁束トルク成分を大きす
るとともに、リラクタンストルク成分も兼ね備えた構成
として電動機のトルクを大きく向上させる。 【構成】 回転子鉄心１ａは外周部が多角形をなす複数
の辺によって形成されるとともに、前記多角形の各頂点
に放射状の突起１８を備え、また永久磁石２ａは回転子
鉄心１ａの辺に当接する直線部と、外周部を形成する円
弧部とを備えた略蒲鉾形に形成され、永久磁石２ａの外
周部には円筒状の非磁性スリーブ３を嵌着する。

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（以下、磁石と
称す）を装着した内転型回転子を有する同期電動機に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】上記電動機として、図５及び図６に示す
構成のものが知られている。図中１１ｂは、一般に表面
磁石構造（以下ＳＰＭと称す）と称される回転子であ
り、例えば特開平５−１５０９２号公報等に開示される
構成のものである。この回転子は、厚肉円筒状の回転子
鉄心１ｂの外周部に瓦状の磁石２ｂを複数配置し、この
磁石２ｂの外周部に薄肉の金属スリーブ３を嵌着し、一
方磁石２ｂの軸方向両端には端板４，５を装着して構成
されている。

【０００３】回転子鉄心１ｂは、珪素鋼板を打ち抜いた
薄鉄板を多数積層することによって形成されており、外
周部に磁石２ｂの相互間の隙間へ突出して磁石２ｂの周
方向の位置決めを行う突起８を備えている。磁石２ｂは
主にフェライト系磁石が用いられ、鉄心１ｂの外周部に
等配状に装着され、１個の磁石が１極を形成するように
周方向に隣接するものが互いに異極に着磁されている。

【０００４】金属スリーブ３は、磁石２ｂの外周を覆っ
て密閉するとともに、回転時の遠心力によって磁石２ｂ
が飛散や移動を生じないための保護部材であり、引張強
度及び耐食性に優れることが要求され、同時に磁石の磁
束の漏洩が生じないように非磁性体であることも要求さ
れる。従って一般にはＳＵＳ３０４等の非磁性ステンレ
ス材が使用され、焼きばめ等のしまりばめ手段によって
嵌着されている。端板４，５は、磁石２ｂの軸方向両端
部を覆って密閉するものであり、黄銅等の非磁性の円形
板が使用され、鉄心１ｂを軸方向に貫通する複数のカシ
メピン７によって取り付けられている。

【０００５】上記回転子１１ｂは、中心部に嵌入された
軸６によって支持されて、固定子１２の鉄心１３の内周
部との間に所定のエアギャップ１０を介して対向するよ
うに配置されて永久磁石形電動機を構成するものであ
る。固定子鉄心１３は、回転子鉄心１ｂと同様に薄鉄板
を多数積層することによって形成されており、内周部に
複数のティース１４とこのティース間にスロット１５を
備え、このスロット１５には絶縁材を介して三相巻線１
６が装着されている。この巻線１６にはインバータを介
して三相台形波１２０゜通電がなされ、回転子１１ｂを
回転駆動するようになっている。

【０００６】また、図５及び図６に示した電動機におい
ては、回転子１１ｂに代えて、図７に示すような回転子
１１ｃを用いることができる。図７に示す回転子は、埋
込磁石構造（以下ＩＰＭと称す）の例を示しており、例
えば特開平９−２４７８８０号公報等に開示される構成
のものを示している。この構成の場合は、鉄心１ｃに設
けた磁石を収容するための複数の収容孔９に、この収容
孔９と略相似形の磁石２ｃを挿入して構成するものであ
り、磁石が回転子鉄心の内部に収容されることを特徴と
している。従って、通電巻線の電流とこれに鎖交する磁
石の磁束とによって得られる主磁束トルク以外に、回転
子位置による磁気抵抗の相違によって得られるリラクタ
ンストルクが利用できる特長を備えている。

【０００７】即ち、一般にこのような電動機のトルク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） となる。図５及び図７において、磁石の磁極中心と回転
軸心を結んだ方向をｄ軸とし、このｄ軸に対する電気角
９０゜位相をｑ軸とし、磁石による磁束量をΦ、ｄ軸電
流をＩｄ、ｑ軸電流をＩｑ、ｄ軸インダクタンスをＬ
ｄ，ｑ軸インダクタンスをＬｑとすれば、 Ｔ１＝Φ・Ｉｑ …（２） Ｔ２＝（Ｌｄ−Ｌｑ）Ｉｄ−Ｉｑ …（３） で表される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】図５に示したＳＰＭの
回転子の場合、ほぼＬｄ＝Ｌｑとなって非突極性である
ため、リラクタンストルクＴ２の成分がほとんど存在し
ない。代わりに、磁石による磁束量Φの漏洩が比較的少
ないために、主磁束トルクＴ１が大きいことが特長であ
る。ところが、一般に空調機等の電動機制御において
は、インバータのリンク電源として交流商用電源を倍電
圧整流したものが使用されている。この結果、デュティ
幅の狭い電圧によって電動機が駆動されることになり、
固定子巻線に印加される電圧に含まれる時間高調波成分
によって金属スリーブ３に多大な渦電流が発生し、この
渦電流による損失によって電動機効率が低下してしま
う。

【０００９】一方、図７に示したＩＰＭの回転子１１ｃ
の場合は、Ｌｄ＜Ｌｑとなって電動機は逆突極機とな
る。これは磁石２ｃの円周方向相互間に介在する鉄心部
分１７によってｑ軸インダクタンスＬｑが大きくなるた
めである。従ってリラクタンストルクＴ２の成分が存在
するため、このリラクタンストルクを活用することがで
きる。ところが、上記鉄心部分１７及び磁石外周部の鉄
心部分２１の存在によって磁石２ｃのＮ極とＳ極が短絡
するために、磁石による磁束量Φの漏洩が大きくなって
主磁束トルクＴ１が大きく減少する。この結果、電動機
トルクＴは画期的には向上せず、電動機効率の向上にも
限界がある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の永久磁石形電動
機は、回転軸に垂直な断面において、回転子鉄心は外周
部が多角形をなす複数の辺によって形成されるととも
に、前記多角形の各頂点に放射状の突起を備え、また磁
石は前記回転子鉄心の辺に当接する直線部と、外周部を
形成する円弧部とを備えた略蒲鉾形に形成され、前記磁
石の外周部には円筒状の非磁性スリーブが嵌着されてい
ることを特徴とするものである。

【００１１】また本発明においては、前記磁石の外周部
の曲率を前記スリーブの内径の曲率より大きく形成する
ものである。

【００１２】さらに本発明においては、インバータを介
して固定子の巻線に印加される電圧が、ＰＡＭ波、もし
くは交流商用電源を全波整流したリンク電源を用いたＰ
ＷＭ波、もしくは交流商用電源を全波整流した後に昇圧
チョッパ回路を用いた能動形の力率改善回路を介したリ
ンク電源を用いたＰＷＭ波、もしくは前記各波の複合さ
れたものであることを特徴とする。

【００１３】

【作用】回転子鉄心を形成する多角形の各コーナー部分
が回転子の外周部に向けて突出するとともに、この部分
に放射状の突起を備えているため、ｑ軸インダクタンス
が大きくなって突極比Ｌｑ／Ｌｄが大きくなる。

【００１４】また、回転子鉄心の外周部の辺上に磁石を
装着したとき、磁石の研削精度のばらつきにかかわらず
磁石の外周部が所定の円内に収まるため、スリーブとの
はめあいの設定が容易となる。

【００１５】

【実施例】本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
図１に示す回転子１１ａにおいて、１ａは回転子鉄心で
あり、珪素鋼板を所定形状に打ち抜いた薄鉄板を軸方向
に多数積層し、薄鉄板相互を切り起こし突起によってか
しめる周知のクランプ手段等によって固定して形成され
ている。回転子鉄心１ａの外周部は正方形をなす４つの
辺によって形成され、この正方形の各頂点部分には放射
状の突起１８が一体に形成されている。また中央には軸
６が嵌入され、鉄心内を軸方向に貫通する４個のカシメ
ピン７によって、回転子の軸方向両端部に端板を固定し
ている。

【００１６】磁石２ａは、回転子鉄心１ａの外周部の辺
に当接する内側の直線部と、スリーブ３が嵌着される外
側の円弧部とを備えた略蒲鉾形断面に形成されており、
突起１８によって位置決めされて回転子鉄心１ａの外周
部に等配状に配置される。この磁石２ａはフェライト系
磁石等が使用され、１個の磁石が１極を形成するように
周方向に隣接するものが互いに異極となるように着磁さ
れて界磁が形成される。蒲鉾形状は、ラジアル方向の厚
みが大きいために、磁束量が大きくできるとともに、減
磁耐力に優れるといった特長を有している。

【００１７】スリーブ３は、磁石２ａの外周を覆って回
転時の遠心力から磁石２ａを保護しており、引張強度及
び耐食性に優れ且つ非磁性体であることから、ＳＵＳ３
０４等のステンレス管が使用されている。このスリーブ
３は、磁石２ａの外周円弧面に焼きばめ等のしまりばめ
手段によって嵌着されている。

【００１８】このように構成された回転子１１ａは、軸
６によって支持されて、図５及び図６の例と同様、エア
ギャップを介して固定子内周部と対向するように配置さ
れて永久磁石形電動機を構成する。この様子を図２に拡
大して示す。スリーブ３が非磁性体であることから、個
々の磁石２ａにおけるＮ極とＳ極の磁束短絡は微量であ
り、磁石による磁束量Φが大きくなって（２）式に示し
た主磁束トルクＴ１が大きく構成される。

【００１９】一方、固定子の巻線１６に通電することに
より、エアギャップ１０を介して固定子磁束２０が回転
子へ流出入するが、回転子鉄心１ａを形成する４角形の
各コーナー部分１９が各極の中央部と比べて回転子外周
部に向けて突出した形状となっているため、図５に示し
た円弧状の鉄心外周を有する回転子と異なり、Ｌｄ＜Ｌ
ｑとなって逆突極機となっている。さらに上記コーナー
部分１９には放射状の突起１８を備えているため、固定
子磁束２０が効率よく誘導されてｑ軸インダクタンスが
大きくなって突極比Ｌｑ／Ｌｄが大きくなる。この結
果、リラクタンストルクを活用することができ、（３）
式に示したＴ２が大きく構成される。

【００２０】このように図２に示す電動機は主磁束トル
クＴ１が大きく、且つリラクタンストルクＴ２も兼ね備
えているため、これらが加算されたトルクＴを大きくで
きる特長を有している。従って従来と同一トルクにて比
較すれば、電動機の銅損が減少して電動機効率を大きく
向上させることができる。

【００２１】但し上記電動機においては、図５の例で説
明したように、スリーブ３に発生する渦電流損失が電動
機効率を低下させるために、飛躍的な効率改善にまで至
らないという課題が存在する。そこで、さらに本発明に
おいては、インバータを介して固定子巻線１６に印加さ
れる電圧を、ＰＡＭ波、もしくは交流商用電源を全波整
流したリンク電源を用いたＰＷＭ波、もしくは交流商用
電源を全波整流した後に昇圧チョッパ回路を用いた能動
形の力率改善回路を介したリンク電源を用いたＰＷＭ
波、もしくは前記各波の複合されたもので構成する。こ
の結果、従来の倍電圧整流したリンク電圧と比較して、
デュティ幅の広い電圧によって電動機が駆動されること
になり、固定子巻線１６に印加される電圧に含まれる時
間高調波成分が格段に減少し、これによる渦電流損が減
少して上記電動機の構成上の特徴を生かしたさらなる高
効率の電動機とすることができる。

【００２２】また図１に示した回転子１１ａにおいて
は、蒲鉾形状の磁石２ａの製造上の問題から、磁石２ａ
の外周部にスリーブ３を嵌着する際に以下に述べるよう
な障害が発生する。

【００２３】周知のように、フェライトやネオジウム系
希土類等の磁石は、電動機に使用するに際して、最終工
程で研削による寸法調整を施して形成されている。即
ち、蒲鉾形状の磁石の場合、回転子鉄心に当接する内周
側の直線部と、スリーブに嵌着される外周側の円弧部と
は、先ず一方が研削されて、しかる後その研削面を基準
にして他方が研削されるようになっている。図４におい
て、実線で示す磁石Ｍ１の研削済みの外周側の円弧部を
基準として内周側の直線部を研削する場合、この研削型
内で磁石Ｍ１が角度Ａ傾いて破線で示すＭ２のような状
態となると、研削ラインＬによって磁石が研削されて、
格子状のハッチングにて示されるような磁石形状に仕上
がることになる。この仕上がった磁石は、ラインＬを回
転子鉄心の外周部の辺に当接させて配置されるため、軸
心に中心を有する設計上の理想半径Ｒ１によって外周部
が形成されるべきところ、この外周部から突出する部分
Ｂが生じることになる。

【００２４】上記のような傾きを有した磁石の外周部に
スリーブをしまりばめによって嵌着しようとする場合、
突出部分Ｂによって嵌着不能となるケースが多発する。
このことを見込んで予めスリーブの内径を大きく設計す
ると、傾きを有しない正常な研削状態で磁石が仕上がる
場合もあるので、そのような場合にはスリーブの嵌合が
緩くなってしまい、スリーブ及び磁石がしっかりと固定
できなくなってしまう問題が発生する。

【００２５】上記問題点に鑑み、本発明においては、図
３に示すような磁石２ｄを採用する。図３において、Ｒ
１は軸心に中心を有する磁石外周部の設計上の理想円弧
の半径であり、スリーブ内径が嵌着される円弧面であ
る。磁石２ｄの外周部の円弧面の半径Ｒ２は、上記半径
Ｒ１よりも曲率が大きく形成されている。この結果、磁
石２ｄの理想円弧面とスリーブ内周部とは磁石２ｄの中
央部分で当接し、両端部において離間することになる。
従って、図４に示したように研削ラインＬが傾いて研削
された場合であっても、ラインＬを回転子鉄心の外周部
の辺に当接させて配置したとき、理想外周Ｒ１から磁石
２ｄが突出することがない。尚、この磁石２ｄの外周部
の円弧面は、全外周を同一曲率で形成する必要はなく、
適宜部分的に曲率を変更して形成しても構わない。

【００２６】また上記図３に示す構成の特徴として、前
述のように磁石２ｄの円弧面とスリーブ内径の円弧面と
の当接部分が減少するため、この当接部分のしめしろが
多少大きくなっても焼きばめや圧入に支障が生じること
がない。このため磁石やスリーブの仕上げ寸法の公差が
緩和されるといった特長も有している。

【００２７】

【発明の効果】本発明によれば、磁石の外周部が非磁性
体となっているため、磁石による磁束量が大きくなって
主磁束トルク成分が大きく構成され、同時に回転子鉄心
を形成する多角形の各コーナー部分が回転子の外周部に
向けて突出するとともに、この部分に放射状の突起を備
えているため、ｑ軸インダクタンスが大きくなってリラ
クタンストルク成分も兼ね備えたものとなる。従って、
電動機のトルクを大きくすることができ、同一トルク基
準で比較すれば、電動機の銅損が減少して電動機効率を
大きく向上させることができる。

【００２８】また、磁石の外周部の曲率をスリーブの内
径の曲率よりも大きくしたことにより、回転子鉄心の外
周部の辺上に磁石を装着したとき、磁石の研削精度のば
らつきにかかわらず磁石の外周部が所定の円内に収まっ
てスリーブとのはめあいの不良がなく、また仕上げ寸法
の公差が緩和されてはめあいの設定が容易となる。

【００２９】さらに本発明においては、インバータを介
して固定子巻線に印加される電圧を、ＰＡＭ波、もしく
は交流商用電源を全波整流したリンク電源を用いたＰＷ
Ｍ波、もしくは交流商用電源を全波整流した後に昇圧チ
ョッパ回路を用いた能動形の力率改善回路を介したリン
ク電源を用いたＰＷＭ波、もしくは前記各波の複合され
たもので構成することにより、デュティ幅の広い時間高
調波成分の少ない電圧によって電動機が駆動されること
になり、渦電流損が減少してさらなる高効率の電動機と
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回転子の平面断
面図。

【図２】図１の回転子を備えた電動機の要部を拡大して
示す平面断面図。

【図３】本発明における永久磁石の平面説明図。

【図４】永久磁石の研削加工の例を示す説明図。

【図５】従来例を示す電動機の平面断面図。

【図６】図５の電動機の正面断面図。

【図７】別の従来例を示す電動機の回転子の平面断面
図。

【符号の説明】 １ａ，１ｂ，１ｃ…回転子鉄心、２ａ，２ｂ，２ｃ，２
ｄ…永久磁石、３…スリーブ、６…軸、１０…エアギャ
ップ、１１ａ，１１ｂ，１１ｃ…回転子、１２…固定
子、１３…固定子鉄心、１６…巻線、１８…突起。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐藤 光彦 名古屋市瑞穂区新開町11−９ シティコー ポ新開405 (72)発明者 金子 清一 三重県桑名郡木曽岬町栄68−４

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固定子鉄心に複数相の巻線を備えた固定
   子の内側に、回転子鉄心に複数個の永久磁石を装着した
   回転子を対向配置し、インバータを介して前記巻線に通
   電することにより前記回転子を回転駆動するように構成
   した永久磁石形電動機において、回転軸に垂直な断面に
   おいて、前記回転子鉄心は外周部が多角形をなす複数の
   辺によって形成されるとともに、前記多角形の各頂点に
   放射状の突起を備え、また前記永久磁石は前記回転子鉄
   心の辺に当接する直線部と、外周部を形成する円弧部と
   を備えた略蒲鉾形に形成され、前記永久磁石の外周部に
   は円筒状の非磁性スリーブが嵌着されていることを特徴
   とする永久磁石形電動機。
2. 【請求項２】 前記永久磁石の外周部の曲率を前記スリ
   ーブの内径の曲率より大きくしたことを特徴とする請求
   項１記載の永久磁石形電動機。
3. 【請求項３】 前記インバータを介して前記巻線に印加
   される電圧が、ＰＡＭ波、もしくは交流商用電源を全波
   整流したリンク電源を用いたＰＷＭ波、もしくは交流商
   用電源を全波整流した後に昇圧チョッパ回路を用いた能
   動形の力率改善回路を介したリンク電源を用いたＰＷＭ
   波、もしくは前記各波の複合されたものであることを特
   徴とする請求項１または２記載の永久磁石形電動機。