JP2005354798A

JP2005354798A - 電動機

Info

Publication number: JP2005354798A
Application number: JP2004172232A
Authority: JP
Inventors: Yoshifumi Fukuda; 好史福田; Satoshi Tsukamoto; 聡塚本; Yusuke Kikuchi; 祐介菊地
Original assignee: Fujitsu General Ltd
Current assignee: Fujitsu General Ltd
Priority date: 2004-06-10
Filing date: 2004-06-10
Publication date: 2005-12-22

Abstract

【課題】出力トルクの増加とコギングトルクの低減とを実用的に満足させ、かつ、組立性のよい回転子を備えた電動機を提供する。
【解決手段】円筒状の回転子８の内部に板状の永久磁石３１を埋込状に設け、回転子８の中心を軸方向に貫通する回転軸１を備え、永久磁石３１の周方向の端部に、永久磁石装着位置から回転子外周に向かって延びる空間からなる非磁性部３２を設ける。また、各永久磁石３１の外側に位置する磁性体部３３の外端部同士を連結し、かつ非磁性部３２の外側に位置する磁性体からなるブリッジ部３４を設け、非磁性部３２同士の間に位置して半径方向に延びる、磁性体からなる補強リブ部３５を設ける。そして、非磁性部３２と対応する回転子８の外周面に切欠溝３７を設け、この切欠溝３７の底辺中央から補強リブ部３５を回転子８の外周方向に延出した突起２を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転子の形状に係わり、より詳細には、インナーロータ型の回転子鉄心の形状を特定し、トルクを改善した電動機に関する。

従来、インナーロータ型の電動機は一例として図５に示すように固定子の内周部に回転子を備えた構造であり、環状の固定子７１は、固定子鉄心７１ｃと６組の固定子コイル７３ｕ，７３ｖ，７３ｗ及び７４ｕ，７４ｖ，７４ｗとにより構成されている。固定子鉄心７１ｃは略環状をなしており、この固定子鉄心７１ｃの内周面側には開孔部７１ｂを有する半閉形スロット７１ａが、１２個等間隔となるように円周状に形成されている。

そして、この半閉形スロット７１ａには、６組の固定子コイル７３ｕ，７３ｖ，７３ｗ及び７４ｕ，７４ｖ，７４ｗをそれぞれ所定の半閉形スロット７１ａに巻回収納されて配置している。これら各固定子コイル７３ｕ乃至７４ｗには、三相の直流励磁電流が夫々供給されるように構成されている。

また、固定子７１の同心円内周部には、固定子７１の内周面との間に若干の空隙部分８０を均一となるように回転子８２が配置されている。この回転子８２は、図６においても示しているように、略円環状の薄板状の珪素鋼板を多数積層してなる回転子鉄心８２ｃと、この回転子鉄心８２ｃの中心位置に嵌着されている回転軸８５、及びフェライト製の４つの界磁用永久磁石８６，８７，８８及び８９により構成されている。

界磁用永久磁石８６乃至８９は、ほぼ正方形状をなし、直交する位置で、かつ中心位置において回転軸８５を包囲するように配置固定されている。これら４本の界磁用永久磁石８６乃至８９のうち、互いに対向している位置に配置された一対の界磁用永久磁石８６及び８８は、回転子８２の外周面がＮ極となるように着磁されており、もう一方の対をなす界磁用永久磁石８７及び８９は、逆にＳ極に着磁されている。

界磁用永久磁石８６の半径方向外周側の面と、上記空隙部分８０とに挟まれた回転子鉄心２ｃ部分においては、上述のように固定子コイル１相分の通電区間が１２０度の場合、電気角にして３０度乃至１５０度に相当する部分、機械角にすると１５度乃至７５度に相当する中心角が６０度の部分に円弧状の突起部分６ａを形成している。

界磁用永久磁石８７，８８及び８９についてもそれぞれの半径方向外周側には、突起部分８６ａと同様、１極分の電気角にして３０度乃至１５０度に相当する部分、機械角にして１５度乃至７５度に相当する中心角６０度の部分に円弧状の突起部分８７ａ，８８ａ及び８９ａが夫々形成されている。つまり、機械角にして７５度乃至１０５度，１６５度乃至１９５度，２５５度乃至２８５度，３４５度乃至１５度に相当する部分に切り欠きからなる空隙部分８０を設けた構成である。これら突起部分８６ａ乃至８９ａは、固定子コイル７３ｕ乃至７４ｗに通電した場合、１相分の通電角に相当する電気角の位置、つまり電気角にして１２０度に相当する位置に設けられている。

このように切り欠きからなる空隙部分８０を設けた回転子の構造となっているため、固定子コイル８３ｕ乃至８４ｗに通電した場合、空隙部分８０における磁束分布は磁気的に突状となっていて、この部分の磁束密度は強められるようになり、１極分の磁束密度は１極分の電気角にして３０度〜１５０度に相当する位置の磁束は多くなるので、１相分におけるトルクも大きくなり、従って、３相分の合成トルクも大きくなるようにした構造である（例えば、特許文献１参照。）。

しかしながら、図６の回転子形状では、個々の永久磁石の両端が近接して配置され、また、永久磁石の両端に磁束の短絡を防止する手段がないため、隣接する永久磁石に漏れ磁束が発生するという問題点がある。これを解決する従来技術としては、図７に示す回転子の構造が開示されている。

図７の回転子は、ブラシレスＤＣモータなどの永久磁石モータに適用される回転子であり、ほぼ円筒状の回転子１の内部に板状の永久磁石９２を埋込状に設けている。なお、９６は回転子９１の中心を軸方向に貫通する回転軸部材である。
そして、各永久磁石９２の周方向の端部に、永久磁石９２の厚み（永久磁石９２の半径方向の長さ）よりも大きい周方向長さを有し、かつ永久磁石装着位置から回転子外周に向かって延びる空間からなる扇状の非磁性部９３を設けている。

また、各永久磁石９２の外側に位置する磁性体部９１ａの外端部どうしを連結し、かつ非磁性部９３の外側に位置する、磁性体からなるブリッジ部９４を設けているとともに、非磁性部９３どうしの間に位置して半径方向に延びる、磁性体からなる補強リブ部９５を設けている。

このような構造は、個々の永久磁石の両端に磁束の短絡を防止することにより、永久磁石９２に起因する磁束の流れを磁性体部９１ａに集中させるものである（例えば、特許文献２参照。）。

しかしながら、図７の回転子形状では、個々の永久磁石の両端に磁束の短絡を防止する非磁性部が設けられているが、ブリッジ部から対向する固定子を介して隣接する磁性体部に漏れ磁束が発生し、この漏れ磁束によりコギングトルクが増加し、結果的に騒音が増加するという問題があった。

ところで、図７のように非磁性部９３を備えた回転子のトルクを改善する構造として図８に示す構造がある。この構造は図７のブリッジ部９４を切断して除去することにより、リラクタンストルクを減少させることなく主磁束量を増加させる構造となっている（例えば、特許文献３参照。）。

しかしながら、図８の構造では、内側鉄心部６１と外側鉄心部６２とが分割された構造であるため、次のような組立上の欠点を有している。つまり、磁石６５を従来のように圧入できないため、磁石６５の位置決めに手間がかかる。また、内側鉄心部６１と外側鉄心部６２とは、これらの鉄心の両端に備えられた端板（図示せず）で挟持され、鉄心と端板とを回転軸方向から挿通するカシメピン７、８で固定されている。従って、このカシメピン７、８が挿通する孔やカシメピン自体の寸法誤差や組立の誤差により、組上がった回転子の真円性が保てない場合があり、組立性が悪いという問題があった。
また、図６や図７の回転子の例からわかるように、一般的に電動機では出力トルクの増加とコギングトルクの低減とは相反する関係にあり、両者を実用的に満足させることは困難であった。

特開平５−２３６６８８号公報（第３−４頁、図１）

特開２００２−４４８８８号公報（第５頁、図１）

特開平１０−１６４７８４号公報（第３頁、図１）

本発明は以上述べた問題点を解決し、出力トルクの増加とコギングトルクの低減とを実用的に満足させ、かつ、組立性のよい回転子を備えた電動機を提供することを目的とする。

本発明は上述の課題を解決するため、固定子と、同固定子内周面と隙間を隔てて対向し、鉄心内部に複数個の永久磁石が配設され、同永久磁石の周方向の端部に連続させて、表面近傍まで延びる非磁性部を備えた回転子とで構成されてなる電動機において、
前記非磁性部に対応する前記回転子の外周面に、磁束漏れを軽減する切欠溝を設け、同切欠溝の底辺中央から外周方向に向かって、出力トルクを増加させる突起を設ける。

本発明による電動機によれば、
請求項１に係わる発明は、非磁性部に対応する回転子の外周面に、磁束漏れを軽減する切欠溝を設け、同切欠溝の底辺中央から外周方向に向かって、出力トルクを増加させる突起を設けることにより、出力トルクの増加とコギングトルクの低減とを実用的に満足させることができる。また、出力トルク値を向上させるために磁性鋼板を分割する必要がないため、回転子の組立性を損ねることがない。

以下、本発明の実施の形態を、添付図面に基づいた実施例として詳細に説明する。なお、背景技術で説明したブリッジ部は、隣接する磁性体部の外端部どうしを連結する橋絡部であるが、理解を容易とするため以下の実施例においても、この橋絡部をブリッジ部と呼称する。

図１は本発明による電動機に備えられる回転子８の軸方向から見た断面図である。
この回転子８は薄い磁性鋼板を積層して６極の回転子鉄心が形成されており、ほぼ円筒状の回転子８の内部に板状の永久磁石３１を埋込状に設けている。また、回転子８の中心を軸方向に貫通する回転軸１が備えられている。
そして、長方形の各永久磁石３１の周方向の端部に、永久磁石装着位置から回転子外周に向かって延びる空間からなる非磁性部３２を設けている。

また、各永久磁石３１の外側に位置する磁性体部３３の外端部同士を連結し、かつ非磁性部３２の外側に位置する磁性体からなるブリッジ部３４を設けているとともに、非磁性部３２同士の間に位置して半径方向に延びる、磁性体からなる補強リブ部３５を設けている。なお、磁性体部３３やブリッジ部３４、補強リブ部３５は、磁性鋼板を回転子８の形状にプレス成形する際、同時に打ち抜かれて形成される。さらに、磁性体部３３のほぼ中心には孔３６が備えられており、積層された鋼板を固定するリベットが挿通される構造となっている。

背景技術の項で説明したように、このような回転子形状では隣接する永久磁石３１が近接している場合に、永久磁石どうしが直接磁束漏れを引き起こすが、本発明では隣接する永久磁石３１を出来るだけ離間した構造となっている。
また、従来の回転子形状では、個々の永久磁石３１の両端に磁束の短絡を防止する非磁性部３２が設けられているが、磁性体からなるブリッジ部３４から対向する固定子（図示せず）を介して漏れ磁束が発生し、この漏れ磁束によるコギングトルクが増加するという問題があった。

このため本発明では、図１に示すように非磁性部３２と対応する回転子８の外周面に切欠溝３７を設けることにより、固定子内周面とブリッジ部３４との隙間を広げて磁束漏れを軽減させ、コギングトルクによる騒音を低減させている。
この切欠溝３７を設けることにより、固定子を介しての漏れ磁束を軽減させると共に、結果的に磁性体部３３に形成される円弧状の突極部３３ａにより、永久磁石３１から発生する磁力をこの突極部３３ａに集中させて電動機の効率を高める構造としている。

この切欠溝３７の位置は、回転子８の外周面に形成される円弧状の突極部３３ａの外周幅を規定する回転中心からの角度である突極角により決定される。つまり、突極角が３８°で磁極数が６極の場合は、（３６０°−３８°×６極）÷６極で規定され、２２°の角度で、３８°の突極角である突極部３３ａと交互に配置される。
そして、この切欠溝３７の内周側の鋼板には、前述した補強リブ部３５を挟持する配置で非磁性部３２が設けられており、切欠溝３７と非磁性部３２との間の鋼板がブリッジ部３４となっている。

そして、本発明では、この切欠溝３７の底辺中央から突起を延出、つまり、補強リブ部３５を回転子８の外周方向に延出した突起２を設けたことが特徴である。この突起２の高さは突極部３３ａの高さと同じであり、また、突起２の先端は回転子８の外周と対応するように円弧状に形成されている。なお、突起２の幅をＷと定義する。

この突起２は、磁極の中心軸をｄ軸として電気角で９０°ずれた軸をｑ軸とした場合のｑ軸インダクタンスを増やし、リラクタンス成分を増やすことができるため、結果的に電動機の出力トルクを向上させることができる。ただし、背景技術の項で説明したように、コギングトルクをできるだけ増加させないことが必要となる。

種々の実験の結果、この突起２の幅Ｗとコギングトルクと電動機の出力トルクとの間には一定の関係があり、突起２の幅Ｗを特定の範囲の寸法に設定することにより、コギングトルクをできるだけ増加させないで電動機の出力トルクを向上できることが判明した。

この突起２による出力トルクの向上の効果を確認するため、突起２の幅Ｗを変化させた以下の６つの形状の回転子を作成し、これらと１種類の固定子とを組み合わせて電動機を構成し、それぞれの回転子を別の駆動手段を用いて回転させ、固定子の巻線に発生する誘起電圧と、コギングトルク値と出力トルク値とを測定した。

図１は前述した本発明による回転子の構造であり、この突起２の幅Ｗ（単位はｍｍ）をそれぞれ、突起なし（ｗ＝０）、ｗ＝１．５、ｗ＝２．０、ｗ＝２．５、ｗ＝３．０、ｗ＝３．５、とした６つの回転子を作成した。
またいずれの回転子も、最大直径は６８．８ｍｍであり、回転軸部分の孔径は２６ｍｍ、突極部３３ａの円周方向の角度である突極角は３８．０°となっている、また、回転子の切欠溝３７の深さ（突極部の高さ）はそれぞれ１．４ｍｍである。

なお、図１に示すように、少なくともブリッジ部３４（橋絡部）の厚さ寸法（非磁性部３２と切欠溝３７との間）ａよりも回転子の切欠溝３７の深さ寸法ｂ（最大の深さ）が大きくなるように回転子の構造を決定する。これは、磁性体からなるブリッジ部３４の磁束の大きさが、円周方向の長さが一定とすると、その幅に比例して大きくなるため、この影響を低減させるためには、固定子（図示せず）の内周面との距離、つまり、切欠溝３７の深さ寸法ｂをブリッジ部３４の厚さ寸法に比例して広げなければならないからである。
本実施例では、ブリッジ部３４の厚さ寸法ａを０．５ｍｍに、切欠溝３７の深さ寸法ｂを１．４ｍｍとし、ブリッジ部に対して、ほぼ３倍の切欠溝深さ寸法にした。

図２は突起２の幅Ｗが異なる６つの回転子の測定結果であり、（Ａ）は突起幅毎の誘起電圧とコギングトルク値と出力トルク値を表した表であり、（Ｂ）は図２（Ａ）をグラフ化したものである。
図２（Ａ）では、横方向の項目に突起幅を、縦方向に誘起電圧（１相分）で最大値（Ｖ）と実効値（Ｖｒｍｓ）とを、また、誘起電圧（２相間）で最大値（Ｖ）と実効値（Ｖｒｍｓ）とを、さらに、コギングトルク値（Ｎｍ）と出力トルク値（Ｎｍ）とをそれぞれ測定項目としており、結果を表の各対応欄に記載している。
なお、誘起電圧は１相分の巻線のみの測定でもよいが、実際の回転状況と対応させるため、２相間の巻線誘起電圧も合わせて測定した。

図２（Ｂ）のグラフでは、左の縦方向を出力トルク値（Ｎｍ）としており、右の縦方向をコギングトルク値（Ｎｍ）とし、横方向を各回転子の突起幅（ｍｍ）として表している。ここで「突起なし」は、比較の基準となる回転子構造を示している。

回転子の特性としては、誘起電圧と出力トルク値とが高く、かつ、コギングトルク値が低いことが理想的であるが、現実的には出力トルク値とコギングトルク値とは比例する傾向にある。従って現実的な設計としては、出力トルク値ができるだけ高く、かつ、コギングトルク値が出来るだけ小さい回転子形状を選択することになる。

このため本発明では、「突起なし」よりも十分に高い出力トルク値であり、かつコギングトルク値が大幅に増加しない形状を効果があると判断する。
図２（Ｂ）のグラフにおいて、「突起なし」の場合よりも、突起がある（ｗ＝１．５〜ｗ＝３．５）構造の方が出力トルク値において高い値を示している。ただし、ｗ＝３．０よりも突起幅が広くなると、出力トルク値が減少する一方でコギングトルク値が増加し、現実的な許容範囲ではなくなる。従って、突起幅ｗ＝１．５〜ｗ＝３．０が出力トルク値の増加に寄与し、かつ、コギングトルク値が大幅に増加しない範囲であることが判明した。

さらに、図２（Ａ）には、出力トルク値とコギングトルク値とを両立させた場合において、その効果を客観的に判断するため、コギングトルク値に対する出力トルク値の割合である単位トルク値を記載している。この単位トルク値は出力トルク値をコギングトルク値で除算することで求められ、例えば「突起なし」の場合は、単位トルク値＝１０．０６０÷０．１５７＝６４．０８であり、これが比較の基準となる。同様にして他の突起幅の場合を計算し、対応する表の欄に記載する。この単位トルク値は値が大きいほど効果が大きいことを示している。

図２（Ａ）の単位トルク値において、「突起なし」の場合（６４．０８）よりも大きい値を示すのは、突起幅ｗ＝１．５の場合（６４．２８）、ｗ＝２．０の場合（６４．４５）であり、突起幅がこの範囲にある場合は、コギングトルク値の増加割合よりも、出力トルク値の増加割合が高いことを示しており、非常に効果が高いことを示している。また、突起幅が２．０ｍｍの場合が最も効果が高いことが読み取れる。

以上のように、回転子の外周に磁極に対応して切欠溝を設け、この切欠溝の中央に突起を設けることにより、出力トルク値を向上させることができる。また、回転子を構成する磁性鋼板は図６の従来構造のように複数に分割されないため、出力トルク値を向上させても組立性を損ねることがない。また、突起の幅を１．５ｍｍ〜３．０ｍｍの範囲とすることにより、出力トルク値を向上させると共に、かつ、コギングトルク値の増加を抑制することが出来る。また、突起幅が２．０ｍｍの場合が、出力トルク値とコギングトルク値とを両立させた場合に最も効果が高くなる。

図３は本発明による突起（Ｗ＝２ｍｍ）を備えた回転子に用いられる電磁鋼板の詳細寸法（単位はミリメートル）を示す図であり、図３（Ａ）は平面図、図３（Ｂ）は図３（Ａ）でのＡ部詳細拡大図である。
なお、この電磁鋼板は板厚０．３５ｍｍの珪素鋼板で形成され、この電磁鋼板を用いた回転子を密閉型圧縮機の電動機として用いるため、図３（Ａ）に示すように、内周側に６個の冷媒循環用の孔が設けられており、回転子を冷媒で冷却するようになっている。

図４は図３で示した電磁鋼板を用いて作成した回転子を示す説明図であり、図４（Ａ）は側断面図であり、図４（Ｂ）は正面（回転軸方向）から見た説明図である。
この回転子は積層された電磁鋼板をステンレスからなる端板で両側から挟持し、リベットを挿通させて、カシメ加工により固定した構造となっている。なお、一方の側面にはバランサが備えられており、圧縮機に使用した場合に回転の負荷に対してバランスを取るようになっている。なお、単位は全てミリメートルである。

なお、図３及び図４に示した構造（バランサを除く）は、図２で示すデータを採取した構造と寸法であり、突起の幅のみを変化させてデータを採取した。
また、この回転子に使用する永久磁石は、６９ｍｍ×２０ｍｍで板厚が２．８ｍｍの希土類磁石であり、図４（Ｃ）に示す特性を備えている。

本発明による電動機の回転子の実施例を示す断面図である。測定結果のデータであり、（Ａ）は表として表したものであり、（Ｂ）はこのデータをグラフ化したものである。本発明による電磁鋼板の詳細寸法を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は図３（Ａ）でのＡ部詳細拡大図である。本発明による回転子を示す説明図であり、（Ａ）は側断面図であり、（Ｂ）は正面（回転軸方向）から見た説明図、（Ｃ）は磁石の特性表である。従来の電動機を示す断面図である。従来の電動機の回転子を示す断面図である。従来の他の回転子を示す断面図である。突起部を備えた従来の回転子を示す断面図である。

符号の説明

１回転軸
２突起
８回転子
３１永久磁石
３１各永久磁石
３２非磁性部
３３磁性体部
３３ａ突極部
３４ブリッジ部
３５補強リブ部
３６孔
３７切欠溝

Claims

固定子と、同固定子内周面と隙間を隔てて対向し、鉄心内部に複数個の永久磁石が配設され、同永久磁石の周方向の端部に連続させて、表面近傍まで延びる非磁性部を備えた回転子とで構成されてなる電動機において、
前記非磁性部に対応する前記回転子の外周面に、磁束漏れを軽減する切欠溝を設け、同切欠溝の底辺中央から外周方向に向かって、出力トルクを増加させる突起を設けてなることを特徴とする電動機。