JP2000050543A - 永久磁石埋め込みモータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 特に移動電源により駆動されるモータにおい
て、生産性良好に、かつ減磁耐力に優れ、小型で高効率
の永久磁石モータを提供する。 【解決手段】 鉄などの高透磁率材または積層された電
磁鋼板からなる略円筒状のロータコア内部にロータ内周
側に凸の永久磁石を、１極あたり半径方向に２層に埋設
された４極の永久磁石埋め込みモータであって、ステー
タは６のティースを有し、各ティースに集中巻方式の巻
線が施されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、小型化を実現した
永久磁石埋め込みモータの構造、およびそれを用いた機
器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、永久磁石埋め込みモータは、磁束
の利用効率および電機子電流による磁束のバランスなど
を考えて、分布巻線が採用されていた。

【０００３】分布巻線は、巻線ピッチがフルピッチに近
くでき、ステータに広範囲かつバランスよく磁極を形成
することが可能であった。図８は、従来の永久磁石埋め
込みモータ（特開平８−３３１７８３号公報）の断面図
である。ロータ３は積層された電磁鋼板からなるロータ
コア７に、ロータ半径方向に１極当たり２層に間隔をお
いて配置された４組の永久磁石１、２を埋設してなり、
各組の永久磁石１、２はＳ極、Ｎ極が交互となるように
隣接して配置され、かつ２層関係にある永久磁石１、２
はその外周側の極性が同一となるように隣接して配置さ
れている。永久磁石１、２はいずれもロータ内周側に凸
の円弧形状に形成され、２層関係にある外周側の永久磁
石１と内周側の永久磁石２とは略同心円状に並行するよ
うに配置され、両者の間隔は略一定となっている。上記
のように構成されたロータ３は、ステータ５側の各ティ
ース６間に施された巻線９群に流れる電流によって生ず
る回転磁界と永久磁石１、２の磁界との関係により発生
するマグネットトルクおよび、前記回転磁界による磁路
がロータ３の表面側や内外永久磁石１、２の間隔部分に
形成されることにより発生するリラクタンストルクとの
合成で図のＲの方向に回転している。上記構成により、
リラクタンストルクを有効に利用することができ、高い
効率を実現することができる。

【０００４】このような永久磁石埋め込みモータにおい
て、小型化にするために、ティース部への巻線を集中巻
きで行い、高密度に巻線を行うことで永久磁石埋め込み
モータの小型化を可能にしたものが考えられている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、永久磁石埋め
込みモータにおいて、ティースの巻線が集中巻きである
と、３相１２０°通電である場合、隣合うティースの磁
極が反対磁極となってしまい、また、１本のティースに
１極１相分の巻線が集中しているため、磁化力が分布巻
と比較して２倍以上となり、隣合うティース間で磁束が
流れ、この磁束により埋め込んだ永久磁石が減磁してし
まう。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本願発明は、複数のティ
ースと、このティースをつなぐヨークとからなるステー
タコアと、前記ティースに集中巻方式で施した巻線と、
端部が外周付近まで延びたスリット部を備えた逆突極性
あるいは順突極性を有するロータコアとから成り、前記
スリット部に永久磁石を埋め込み、ロータコア外周と前
記永久磁石の端部の間に非磁性部を設けたことを特徴と
する永久磁石埋め込みモータであり、非磁性部に減磁界
による磁束が通るため、永久磁石の端部で生じる減磁を
抑えることができる。特に減磁しやすい箇所はロータコ
ア外周に近接したスリット部であるので、ティース部か
らの磁束は永久磁石に及びにくいため減磁は生じにく
い。

【０００７】

【発明の実施の形態】本願発明は、複数のティースと、
このティースをつなぐヨークとからなるステータコア
と、前記ティースに集中巻方式で施した巻線と、端部が
外周付近まで延びたスリット部を備えた突極性を有する
ロータコアとから成り、前記スリット部に永久磁石を埋
め込み、ロータコア外周と前記永久磁石の端部の間に非
磁性部を設けたことを特徴とする永久磁石埋め込みモー
タであり、永久磁石が減磁しやすい箇所である永久磁石
の端部には非磁性部を配設している。永久磁石端部とロ
ータ外周端との間に遮壁を設けることで、隣合うティー
ス間に漏れる磁束は、非磁性部を通過するため、永久磁
石にかかる減磁界が緩和される。

【０００８】また、スリット部の形状がロータ中心に凸
であるとよい。また、永久磁石が希土類磁石であっても
よい。また、ロータ磁極数が４極であり磁気吸引力のバ
ランスが取れ、鉄損の少ない効率の高いモータを提供で
きる。

【０００９】また、この永久磁石埋め込みモータを設置
スペースの限定された電動自動車用エアコンのコンプレ
ッサに用いることにより、電気使用量の少なく、かつ小
型のコンプレッサを提供することができる。

【００１０】また、この永久磁石埋め込みモータを駆動
用動力、または補助動力として搭載した電動自転車であ
り、小型軽量で、かつ１充電走行距離の長い電動自転車
を提供することができる。

【００１１】

【実施例】（実施例１）本願実施例の永久磁石埋め込み
モータは、ロータ１３とステータ１５とからなる。ステ
ータ１５は複数のティース１８及び、ティース１８をつ
なぐヨーク１７からなるステータコア１６と、ティース
１８に施された集中巻方式の巻線１９とからなる。ロー
タ１３は積層された電磁鋼板からなるロータコア１４
に、ロータ半径方向に１極当たり２層に間隔をおいて配
置された４組の永久磁石１１、１２を埋設してなり、各
組の永久磁石１１、１２はＳ極、Ｎ極が交互となるよう
に隣接して配置され、かつ２層関係にある永久磁石１
１、１２はその外周側の極性が同一となるように隣接し
て配置されている。なお、ここで用いる永久磁石は磁石
の形状を円弧状とするため、成形が容易なフェライト磁
石を用いている。この時の永久磁石１１、１２はロータ
１３外周部付近まで伸びたスリット部内に埋め込まれ、
スロット部の端部（スロット部の最もロータ外周に近接
する位置）は空隙４０を有した構成になっている。この
時の空隙４０はスロット部の端部のみに空隙４０を設け
る構成としたものであり、側面部はロータコアを構成す
る電磁鋼板に接し、永久磁石からの磁束が流れやすいよ
うにしている。永久磁石１１、１２はいずれもロータ内
周側に凸の円弧形状に形成され、２層関係にある外周側
の永久磁石１１と内周側の永久磁石１２とは略同心円状
に並行するように配置され、両者の間隔は略一定となっ
ている。ロータの両端面には端板（図示せず）などを配
し、リベットピン２０などによりとめている。

【００１２】上記のように構成されたロータ１３は、ス
テータ１５側の各ティース１８間に施された巻線１９群
に流れる電流によって生ずる回転磁界と永久磁石１１、
１２の磁界との関係により発生するマグネットトルクお
よび、前記回転磁界による磁路がロータ１３の表面側Ｐ
ａ１や内外永久磁石１１、１２の間隔部分Ｐａ２や極間
Ｐａ３に形成されることにより発生するリラクタンスト
ルクとの合成で図のＲの方向に回転している。この時の
リラクタンストルクはマグネットトルクの補助として利
用しているので、通常、マグネットトルクはリラクタン
ストルクより大である。

【００１３】集中巻なので、磁束の有効利用率が分布巻
と比較して約１０％低下するため、集中巻では、分布巻
と比較し、約１０％巻回数を増やす必要がある。しかし
ながら、コイルエンド高さが分布巻の約４０％となり、
コイルの渡り１９ａの長さも、分布巻では４極において
はステータ中央部の円周の４分の１であったが、ティー
ス１個分の幅となるため、巻線抵抗も大幅に低減する。
従って、特に設置スペースが限定されるため、積厚を小
さくした用途においては、大幅に銅損が低減され、効率
が向上する。

【００１４】本実施例は、永久磁石が減磁しやすい箇所
である永久磁石の端部には非磁性部である空隙４０を配
置している。このように、永久磁石端部とロータ外周と
の間に空隙４０を設けることで、この空隙４０はロータ
の隣接する磁極間の短絡磁路の遮壁となし、隣合うティ
ースに流れる磁束は、空隙４０を通過するため、永久磁
石にかかる減磁界が緩和される。なお、空隙４０の替わ
りに樹脂材料のような非磁性体を埋め込んでもよい。

【００１５】従来のマグネットトルクとリラクタンスト
ルクとを利用して駆動する永久磁石埋め込みモータは、
リラクタンストルクを有効に利用するために、永久磁石
端部をロータ外周に近接させ、ティースからの磁束が永
久磁石の側面に沿って流れ易いような構成としている。

【００１６】さらに、図２のように、ステータコアがテ
ィースごとに分割され、其のティースに巻線を施した
後、圧入や溶接等により組み合わせてステータを構成す
ることにより、巻線が容易で、高密度巻線が可能とな
る。これにより、ステータスロットオープン幅に関係な
く太線を使うことができ、大幅な巻線抵抗低減となる。

【００１７】同一誘起電圧を実現するために、１相当た
りの巻回数を分布巻と比べ約１０％増やし、巻線径を約
３％大きい導線を用いた場合、巻線の線間抵抗は、分布
巻に比べ、約５分の３となった。

【００１８】また、コアの積厚がステータ外径の半分程
度のモータにおいて、コイルエンドも含めたモータの長
さが、分布巻と比べ、約２５％小さくなった。モータの
小型化は、積厚の小さいモータほど顕著である。なお、
ティース数：磁極数は３：２が好適である。

【００１９】本実施例の永久磁石埋め込みモータは、永
久磁石１１、１２とロータ１３の外周との間に非磁性部
を備えることにより、隣合うティース間に大量に流れる
減磁界による磁束が永久磁石端部に流れるのを防止する
ことができる。更に、非磁性部を設けることで永久磁石
はロータ外周から離れ、隣合うティース間に流れる磁束
の影響を抑えることができる。なお、非磁性部は永久磁
石とロータ外周の間に位置しており、永久磁石をロータ
外周付近まで伸ばさなくても、永久磁石がロータ外周付
近まで伸びたロータと同じ突極比を有する。

【００２０】つまり、本願実施例である永久磁石の端部
に非磁性部を設けたものと、従来例である永久磁石がロ
ータ外周まで伸びたものとを比較すると、従来のモータ
は、永久磁石の端部で減磁の影響を受け、初期出荷時か
ら使用を繰り返すにつれて磁束量が減っていくので、永
久磁石のトルク調整が困難である。一方、本実施例では
永久磁石の端部に非磁性部を設けることで、減磁の影響
を受けず、永久磁石は一定の磁束を発生し安定したトル
クを出力する。

【００２１】（実施例２）図３は、本願実施例２におけ
る永久磁石埋め込みモータの断面図である。ロータ２３
は積層された電磁鋼板からなるロータコア２４に、ロー
タ半径方向と垂直に、４組の板状の永久磁石２１を埋設
してなり、各組の永久磁石２１はＳ極、Ｎ極が交互とな
るように隣接して配置されている。永久磁石２１の磁極
面の端部には、隣合うティース間で流れる磁束による減
磁を抑えるため非磁性層２２が設けられている。永久磁
石には、Ｂｒが１．１〜１．４Ｔ（テスラ）程度の希土
類磁石が用いられている。上記のように構成されたロー
タ２３は、ステータ１５側の各ティース１８間に施され
た巻線１９群に流れる電流によって生ずる回転磁界と永
久磁石１１の磁界との関係により発生するマグネットト
ルクおよび、前記回転磁界による磁路がロータ１３の表
面側Ｐａ４や極間Ｐａ５に形成されることにより発生す
るリラクタンストルクとの合成で図のＲの方向に回転し
ている。

【００２２】希土類磁石を用いているため、磁束量が多
く、フェライト磁石に比べ、積厚が２０〜６０％小さく
できる。さらに集中巻方式の巻線により、コイルエンド
高さが小さくなるため、軸方向に小さいモータが実現で
きる。永久磁石は板状であるので安価である。

【００２３】図４は、同一ロータを用い、同一誘起電
圧、同一コア磁束密度を実現するように設計された分布
巻ステータを用いたモータと、本実施例におけるモータ
の、同一トルク時の、回転速度とモータ効率の関係を示
している。また、図５は、同様に、回転速度と、鉄損お
よび銅損の関係を示している。実施例２におけるモータ
は、効率において分布巻と比べ、０．５〜２％向上して
おり、低速回転時ほど効率差が大きい。同一トルクの場
合、銅損が回転速度によらずほぼ一定であるが、鉄損は
ほぼ回転速度に比例して増加する。従って、鉄損の割合
の小さい低速回転時ほど効率差が大きくなる。なお、極
数に比例し、同一回転速度を実現させるための電源周波
数が大きくなる。一方、鉄損は、渦電流損が周波数の２
乗、ヒステリシス損が周波数の１乗に比例するため、本
実施例においては、６極以上とすると、鉄損の増加が、
銅損の減少を上回るため、効率は低下する。一方、２極
では、電流によってステータに発生するＮ極とＳ極のな
す電気角が１２０°および２４０°であるため、ロータ
に働く吸引力がＮ極とＳ極の隣接する方向に偏る。した
がって、ロータの偏心が激しくなる。４極の場合は、Ｎ
極とＳ極は２極対あり、２対のＮ極、Ｓ極どうしがバラ
ンスを取り合っている。したがって、効率、音・振動な
どを考えると、４極が最もよい。また、永久磁石形状を
円弧状などとすれば、さらに多くの磁束を発生させるこ
とができ、さらなる小型化が可能である。

【００２４】（実施例３）図６は、本実施例１における
永久磁石埋め込みモータを搭載したコンプレッサの断面
図である。

【００２５】ロータ内周側に凸の円弧形状の永久磁石１
１，１２を１極当たり半径方向に２層にロータコア１４
内部に埋め込み、永久磁石１１，１２とロータ１３の外
周の間に空隙部を備えるロータ１３と、集中巻方式の巻
線を施されたステータ１５がコンプレッサのシェル３０
内部に搭載されている。

【００２６】モータの構成および作用は実施例１と同様
であり省略する。集中巻方式とした場合、特にセンサレ
ス駆動が必要とされるコンプレッサのような密封形ブラ
シレスモータの場合、起動時に大電流が流れ、ロータに
大きな減磁界がかかる可能性がある。したがって、永久
磁石をロータコア内部に埋め込むことで、永久磁石に減
磁界がかからないようにすることができる。

【００２７】さらに、コイルエンドを含めたモータの長
さが小さくなり、かつ効率が高いため、特に使用電力や
格納場所の限られた電動自動車用エアコンコンプレッサ
に最適である。

【００２８】希土類磁石を用いれば、さらに積厚の低減
が図れ、さらに小型となる。 （実施例４）図７は、実施例２における永久磁石埋め込
みモータを搭載した電動自転車の駆動ユニットの断面図
である。

【００２９】モータの構成および作用は実施例２と同様
であり省略する。モータのシャフト４の回転が、ギア３
１を介して出力軸３２に伝わる。出力軸３２は自転車の
ペダル（図示せず）に連結される。電動アシスト自転車
であれば、踏力に応じてトルクが発生する。したがっ
て、大きなトルクが必要とされ、回転速度も２０００〜
５０００ｒ／ｍｉｎ程度であり、使用するモータは、出
力の大きい永久磁石埋め込みモータで、４極が最適であ
る。また、自転車であるので、薄形で軽量であることが
求められる。さらに、１充電による走行距離を長くする
ために、効率が高くなければならない。上記理由から、
電動自転車駆動用モータには、本発明における永久磁石
埋め込みモータが最適である。また、漕ぎ出し時や、上
り坂に差しかかって急に大きなアシスト量が働く場合に
減磁界が永久磁石にかかるのを防止するために、永久磁
石を埋め込むことは有効である。

【００３０】尚、本発明は、上記実施例に限定されるも
のではなく、モータの形状や仕様、また機器とモータの
組み合わせなどは、本発明の趣旨に応じて種種の変形が
可能であり、これらを本発明の範囲から排除するもので
はない。

【００３１】

【発明の効果】上記説明から明らかなように、請求項１
記載の発明によれば、永久磁石の端部で生じる減磁を抑
えることができ、安定した駆動トルクを出力することが
できる。

【００３２】請求項２記載の発明によれば、永久磁石の
Ｂｒが高いため、少ない磁石量で多くの磁束量を発生さ
せ、さらに、永久磁石をロータコア内部に埋め込むこと
により、永久磁石内部の渦電流を大幅に低減することが
できるため、小型で高効率のモータを提供することがで
きる。特に移動電源により駆動されるモータとして好適
である。

【００３３】請求項３記載の発明によれば、巻線が容易
で、整列巻により占積率が向上するため、効率が高く、
軸方向長さの小さいモータを生産性良好に製造すること
ができる。

【００３４】請求項４記載の発明によれば、磁気吸引力
のバランスが取れ、かつ鉄損の少なく効率の高いモータ
を提供することができる。

【００３５】請求項５記載の発明によれば、電気の使用
量の少なく、かつ小型のコンプレッサを提供することが
できる。

【００３６】請求項６記載の発明によれば、小型軽量
で、かつ１充電走行距離の長い電動自転車を提供するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例１に示す永久磁石埋め込みモータの断
面図

【図２】同永久磁石埋め込みモータのステータの組立図

【図３】本実施例２に示す永久磁石埋め込みモータの断
面図

【図４】回転速度とモータ効率の関係を示す図

【図５】回転速度と、鉄損および銅損の関係を示す図

【図６】本実施例３に示す電動自動車用エアコンのコン
プレッサの断面図

【図７】本実施例３に示す電動自転車駆動ユニットの断
面図

【図８】従来の永久磁石埋め込みモータの断面図

【符号の説明】

１１，１２ 永久磁石 １３ ロータ １４ ロータコア １５ ステータ １６ ステータコア １７ ヨーク １８ ティース １９ 巻線 １９ａ コイルエンド ２０ リベットピン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０２Ｋ 21/16 Ｈ０２Ｋ 21/16 Ｍ (72)発明者 山本 敏夫 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Ｆターム(参考） 3H003 AA05 AB04 AC03 AD01 CF04 CF05 3H029 AA04 AA13 AB03 BB00 CC07 CC38 5H621 AA03 BB07 GA01 GA04 GB06 HH03 5H622 AA03 AA04 CA02 CA07 CA10 CA13 CB04 CB05 DD02 PP03 PP11

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数のティースと、このティースをつな
   ぐヨークとからなるステータコアと、前記ティースに集
   中巻方式で施した巻線と、端部が外周付近まで延びたス
   リット部を備えた突極性を有するロータコアとから成
   り、前記スリット部に永久磁石を埋め込み、ロータコア
   外周と前記永久磁石の端部の間に非磁性部を設けたこと
   を特徴とする永久磁石埋め込みモータ。
2. 【請求項２】 スリット部の形状がロータ中心に凸であ
   る永久磁石埋め込みモータ。
3. 【請求項３】 永久磁石が希土類磁石である請求項１記
   載の永久磁石埋め込みモータ。
4. 【請求項４】 ロータ磁極数が４極である請求項１記載
   の永久磁石埋め込みモータ。
5. 【請求項５】 請求項１記載の永久磁石埋め込みモータ
   を搭載した、電動自動車用エアコンのコンプレッサ。
6. 【請求項６】 請求項１記載の永久磁石埋め込みモータ
   を駆動用として搭載した電動自転車。