JP4631361B2

JP4631361B2 - 埋め込み磁石型ロータとその製造方法、およびその埋め込み磁石型ロータを用いたモータ

Info

Publication number: JP4631361B2
Application number: JP2004258039A
Authority: JP
Inventors: 健一定廣; 昌義石田
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2004-09-06
Filing date: 2004-09-06
Publication date: 2011-02-16
Anticipated expiration: 2024-09-06
Also published as: JP2006074957A

Description

本発明は、各種の産業用途や民生用途に使用されるモータに取付けられる低鉄損の埋め込み磁石型ロータとその製造方法、およびその埋め込み磁石型ロータを用いることによって効率を高めたモータに関するものである。

一般にモータは同期モータと誘導モータに大別される。モータに取付けられる回転子（いわゆるロータ）の構造は、モータの種類に応じて異なる。同期モータのロータは、内部に永久磁石を埋め込んだロータ（以下、埋め込み磁石型ロータという）や表面に永久磁石を貼り付けたロータ（以下、表面磁石型ロータという）等がある。

表面磁石型ロータは、回転中に永久磁石が剥離してロータの回転が不安定になるおそれがあり、さらに剥離した永久磁石が飛散すると重大な設備故障の原因になる。したがってガラス繊維入りテープやステンレス管等を用いて永久磁石を固定し、永久磁石の剥離を防止する必要がある。

一方、埋め込み磁石型ロータは、非特許文献１に開示されているように、永久磁石がロータの内部に配置される。したがって永久磁石の剥離は起こらず、高速かつ安定した回転が得られる。しかも永久磁石を固定するためのガラス繊維入りテープやステンレス管等を使用する必要がないので、固定子（いわゆるステータ）とロータとの間隔（以下、ギャップという）を縮小でき、モータの効率を高めることができる。

さらに埋め込み磁石型ロータでは、ガラス繊維入りテープやステンレス管等を使用しない故に、ロータの鉄心がギャップ側に露出する。そのため、埋め込まれた永久磁石の中央部における垂直方向（いわゆるｄ軸）と、永久磁石同士の隙間の中央部における垂直方向（いわゆるｑ軸）とのインダクタンスに差が生じる。このようなインダクタンスの差に起因してリラクタンストルクが発生する。したがって埋め込み磁石型ロータは、永久磁石によって発生するトルクに加えて、リラクタンストルクを活用することによって、モータの効率を高めることができる。

しかしながら、埋め込み磁石型ロータは、ロータ内の磁束分布が複雑で、しかも磁束の変動が大きいので、ロータの鉄損が増大する。
「埋込磁石同期モータの設計と制御」オーム社 2001

本発明は上記のような問題を解消し、低鉄損の埋め込み磁石型ロータとその製造方法、およびその埋め込み磁石型ロータを用いることによって効率を高めたモータを提供することを目的とする。

本発明者らは、埋め込み磁石型ロータにて鉄損が発生する原因を調査した。その結果、ロータに埋め込まれた永久磁石とギャップ側に露出する面（すなわちステータに対向する面）との間で渦電流が生じて、鉄損が発生することを見出した。さらに、該当の部位に塑性歪を付与することによって、渦電流を低減できることが判明した。本発明は、これらの知見に基づいてなされたものである。

すなわち本発明は、モータに配設されるロータの内部に永久磁石を埋め込んだ埋め込み磁石型ロータであって、該ロータが薄鋼板を前記ロータの形状に打ち抜き加工した鉄心を積層したものであり、該鉄心における前記永久磁石の埋め込み位置とステータに対向する面との間で且つ前記永久磁石の埋め込み位置から離隔した領域に渦電流を低減する凹部を設けて下記の(1)式で算出される0.1〜３％の塑性歪を有する変形領域を備えたことを特徴とする埋め込み磁石型ロータである。
記
塑性歪（％）＝ 100×ｈ／ｔ・・・ (1)
ｈ：凹部の深さ（mm）
ｔ：鉄心の厚さ（mm）

また本発明は、モータに配設されるロータの内部に永久磁石を埋め込んだ埋め込み磁石型ロータの製造方法において、薄鋼板をロータの形状に打ち抜き加工し、ロータの内部に設けられた永久磁石の埋め込み位置とステータに対向する面との間で且つ前記永久磁石の埋め込み位置から離隔した領域に渦電流を低減する凹部を設けて下記の(1)式で算出される0.1〜３％の塑性歪を付与して鉄心とし、次いで前記鉄心を積層して、埋め込み位置に前記永久磁石を埋め込むことを特徴とする埋め込み磁石型ロータの製造方法である。
記
塑性歪（％）＝ 100×ｈ／ｔ・・・ (1)
ｈ：凹部の深さ（mm）
ｔ：鉄心の厚さ（mm）

また本発明は、上記した埋め込み磁石型ロータと、埋め込み磁石型ロータの周囲に配設されたステータとを有するモータである。

本発明によれば、埋め込み磁石型ロータの鉄損を低減することができる。したがって、本発明の埋め込み磁石型ロータを用いることによって、モータの効率を高めることができる。

図１は、本発明の埋め込み磁石型ロータの例を模式的に示す平面図である。この埋め込み磁石型ロータ１を製造するにあたって、まず打ち抜き加工を行ない、薄鋼板（たとえば電磁鋼板等）を鉄心２の形状に加工する。次いで、永久磁石３の埋め込み位置とステータに対向する面との間に塑性歪を有する変形領域５を設ける。なお、図１にはステータを図示していないが、ステータがロータの外側に配設されることは言うまでもない。

変形領域５には、鉄心２にプレス加工を行なって、図２に示すような凹部を設けることによって塑性歪を付与することができる。その塑性歪は下記の (1)式で算出される値である。

塑性歪（％）＝ 100×ｈ／ｔ・・・ (1)
ｈ：凹部の深さ（mm）
ｔ：鉄心の厚さ（mm）
本発明者らは、変形領域５に付与する塑性歪の量を種々変化させて実験を行ない、塑性歪とモータの効率との関係を調査した。モータは容量 750Ｗで、ロータ極数12，ステータスロット数24である。材料はＪＩＳ規格35A360とした。その結果は図３に示す通りである。なお、モータの効率は下記の (2)式で算出される値である。

モータの効率（％）＝ 100×Ｐ_out／Ｐ_in ・・・ (2)
Ｐ_out：機械出力
Ｐ_in ：電気入力
図３から明らかなように、塑性歪が 0.1〜３％の範囲内でモータの効率が向上している。塑性歪が 0.1％未満では、渦電流防止効果が不十分なので、鉄損が増大し、モータの効率が低下する。一方、塑性歪が３％を超えると、歪によってヒステリシス損が増大し、モータの効率が低下する。したがって、変形領域５に付与する塑性歪は 0.1〜３％の範囲内を満足する必要がある。

このようにして鉄心２に、 0.1〜３％の塑性歪を有する変形領域５を設けた後、鉄心２を積層し、さらに埋め込み位置に永久磁石３を埋め込むことによって、低鉄損の埋め込み磁石型ロータ１を製造できる。さらに、この埋め込み磁石型ロータ１をモータに取り付けることによって、モータの効率が向上する。

なお変形領域５は、永久磁石３の埋め込み位置とステータに対向する面との間に設けるものであるが、ステータに対向する面に近付けて設けることが望ましい。

また図１には、永久磁石３を４個配置する例を示したが、本発明では、鉄心２に埋め込む永久磁石３の個数は限定しない。ただし、高速回転が要求される用途に使用する場合は、永久磁石３の個数は少ない方が望ましい。一方、円滑な回転が要求される用途に使用する場合は、永久磁石３の個数は多い方が望ましい。

つまり鉄心２に埋め込む永久磁石３の個数は、埋め込み磁石型ロータ１を取り付けたモータの用途や永久磁石３の寸法等に応じて、適宜設定すれば良い。ただし、Ｎ極とＳ極の組み合わせを１対にして配置しなければならないので、永久磁石３の個数が偶数であることは言うまでもない。

［実施例１］
厚さ0.35mmの電磁鋼板（ＪＩＳ規格35A300相当）をステータとロータの形状に打ち抜いて、容量 500Ｗのモータ（12スロット，４極）を２台製作した。そのうちの１台のロータは、図１に示すように、永久磁石３を４個配置し、さらに永久磁石３の埋め込み位置とステータに対向する面との間に塑性歪を有する変形領域５を４ケ所設けた埋め込み磁石型ロータ１とした。変形領域５は、図２に示すように、プレス加工を行ない凹部を設けることによって 0.8％の塑性歪を付与した。その塑性歪の量は (1)式で算出される値である。これを発明例とする。

一方、他の１台は比較例として、変形領域５を設けず、永久磁石３を４個配置して埋め込み磁石型ロータとした。

発明例と比較例のモータを出力 500Ｗで稼動させ、モータの効率を調査した。その結果は、表１に示す通りである。なお、モータの効率は (2)式で算出した値である。表１から明らかなように、発明例のモータの効率は94.6％であったのに対して、比較例のモータの効率は93.4％であり、発明例の方が高効率であった。

［実施例２］
厚さ0.50mmの電磁鋼板（ＪＩＳ規格50A470相当）をステータとロータの形状に打ち抜いて、容量３ｋＷのモータ（12スロット，８極）を２台製作した。そのうちの１台のロータは、永久磁石３を８個配置し、さらに永久磁石３の埋め込み位置とステータに対向する面との間に塑性歪を有する変形領域５を８ケ所設けた埋め込み磁石型ロータ１とした。変形領域５は、図２に示すように、プレス加工を行ない凹部を設けることによって 2.5％の塑性歪を付与した。その塑性歪の量は (1)式で算出される値である。これを発明例とする。

一方、他の１台は比較例として、変形領域５を設けず、永久磁石３を８個配置して埋め込み磁石型ロータとした。

発明例と比較例のモータを出力３ｋＷで稼動させ、モータの効率を調査した。その結果は、表２に示す通りである。なお、モータの効率は (2)式で算出した値である。表２から明らかなように、発明例のモータの効率は95.2％であったのに対して、比較例のモータの効率は94.1％であり、発明例の方が高効率であった。

本発明の埋め込み磁石型ロータの例を模式的に示す平面図である。本発明の埋め込み磁石型ロータの変形領域を模式的に示す断面図である。変形領域に付与する塑性歪とモータの効率との関係を示すグラフである。

符号の説明

１埋め込み磁石型ロータ
２鉄心
３永久磁石
４回転シャフト
５変形領域

Claims

モータに配設されるロータの内部に永久磁石を埋め込んだ埋め込み磁石型ロータであって、該ロータが薄鋼板を前記ロータの形状に打ち抜き加工した鉄心を積層したものであり、該鉄心における前記永久磁石の埋め込み位置とステータに対向する面との間で且つ前記永久磁石の埋め込み位置から離隔した領域に渦電流を低減する凹部を設けて下記の(1)式で算出される0.1〜３％の塑性歪を有する変形領域を備えたことを特徴とする埋め込み磁石型ロータ。
記
塑性歪（％）＝ 100×ｈ／ｔ・・・ (1)
ｈ：凹部の深さ（mm）
ｔ：鉄心の厚さ（mm）
モータに配設されるロータの内部に永久磁石を埋め込んだ埋め込み磁石型ロータの製造方法において、薄鋼板を前記ロータの形状に打ち抜き加工し、前記ロータの内部に設けられた前記永久磁石の埋め込み位置とステータに対向する面との間で且つ前記永久磁石の埋め込み位置から離隔した領域に渦電流を低減する凹部を設けて下記の(1)式で算出される0.1〜３％の塑性歪を付与して鉄心とし、次いで前記鉄心を積層して、埋め込み位置に前記永久磁石を埋め込むことを特徴とする埋め込み磁石型ロータの製造方法。
記
塑性歪（％）＝ 100×ｈ／ｔ・・・ (1)
ｈ：凹部の深さ（mm）
ｔ：鉄心の厚さ（mm）
請求項１に記載の埋め込み磁石型ロータと、前記埋め込み磁石型ロータの周囲に配設されたステータとを有することを特徴とするモータ。