JP2005168077A - 電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】
簡易な構成で回転子の動釣合いの修正が可能な電動機技術の提供。
【解決手段】
回転子鉄心内で、永久磁石の位置よりも回転中心軸側の内径位置であって異なる角度位置に、動釣合い調節用の調節穴を設ける。
【選択図】 図２

Description

本発明は、永久磁石を回転子鉄心に固定した回転子を備える電動機に係り、特に、該回転子の動釣合い技術に関する。

本発明に関連した従来技術としては、例えば特開平１０−３１１３７５号公報（特許文献１）や特開平１１−２８９６９９号公報（特許文献２）に記載されたものがある。特開平１０−３１１３７５号公報には、構成要素の各々に悪影響を与えることなく、回転体構造全体としてのバランスを修正することができる回転体構造を得るために、ロータに取付けられたバランスリングに周上等配されたタップ穴のいくつかに六角穴付き止めねじを螺合させてロータのバランスを修正するとした技術が記載され、特開平１１−２８９６９９号公報には、電動機の回転子のバランス調整のために、回転子として、積層鉄心に内挿した永久磁石と、該永久磁石と同じ半径位置の該積層鉄心部の軸方向両端との間に段差部を設け、該段差部にバランスパテを固着させるとした技術が記載されている。

特開平１０−３１１３７５号公報

特開平１１−２８９６９９号公報

例えば、上記従来技術のうち、特開平１０−３１１３７５号公報記載の技術では、回転子の回転バランス（動釣合い）修正用のタップ穴を設けるためのバランスリングが必要であるし、また、特開平１１−２８９６９９号公報記載の技術では、上記段差部を設けるために、軸方向の永久磁石の長さ寸法よりも積層鉄心の積み上げ高さを高くする必要がある。このため、これら公報記載の技術はいずれも、寸法増大や部品数増大、またはコスト増大などを招くおそれがある。
本発明の課題点は、上記従来技術の状況に鑑み、電動機において、回転子寸法や部品数などを増大させることなく、また、磁気回路特性を劣化させることなく、回転子の動釣合いの調節（修正）を精度良く行えるようにすることである。
本発明の目的は、上記課題点を解決し、簡易な構成により回転安定性を確保可能な電動機を提供することにある。

上記課題点を解決するために、本発明では、電動機において、回転子鉄心内の、永久磁石位置よりも回転中心軸側の内径位置における周方向に、複数の動釣合い用の調節穴を設ける。

本発明によれば、簡易な構成により、電動機における回転子の動釣合いの修正が可能となる。

以下、本発明を実施するための最良の形態につき、図面を用いて説明する。
図１〜図７は、本発明の第１の実施形態の説明図である。図１は、本発明の第１の実施形態としての電動機の構成例を示す図、図２は、図１の電動機の回転子の構成例を示す図、図３は、図１の電動機のＡ−Ａ'断面の構成を示す図、図４、図５は、動釣合い用の調節穴を回転子鉄心に設けた場合の電動機内の磁力線分布のシミュレーション結果を示す図、図６は、動釣合い用の調節穴を設けない場合の同磁力線分布のシミュレーション結果を示す図、図７は、調節穴寸法の電動機性能への影響を示す図である。本第１の実施形態の電動機は、インバータ電源で駆動される永久磁石形同期電動機であるとする。

図１の電動機構成において、回転子の回転子鉄心内であって永久磁石の位置よりも回転中心軸側の位置に動釣合い（回転バランス）を調節するための調節穴を設けてある。該調節穴は、永久磁石位置よりも内径側の適切な位置に、適切な寸法のものを設ける。該調節穴の寸法及び位置は、電動機の磁気回路特性が損われない条件のものを、電動機の無負荷特性のシミュレーション結果から求める。シミュレーションは、例えば汎用電磁場解析ソフトを使用し二次元磁界解析を行う。

図１において、１は固定子鉄心、２は回転子鉄心、３は永久磁石、４は、動釣合いを調節（修正）するための調節穴、７は固定子巻線、８は軸受、９は出力軸、１０は、電動機を保護しかつ電気部から発生した熱を逃がすためのフレーム、１１は電動機を冷却するファン、１２はファンを保護するファンカバー、１３は、電動機を駆動させるためのコントローラ（図示なし）の接続端子（図示なし）を格納する端子箱である。固定子は、固定子鉄心１と固定子巻線７から成る。回転子鉄心２は、複数の磁性板が回転中心軸方向に積層されて成り、該複数の磁性板のうち該回転中心軸方向の両端側に配されるものに、上記調節穴が設けられる。また、上記シミュレーションは、図１の電動機のＡ−Ａ'断面で行うとする。

図２は、上記図１の電動機の固定子の構造例を示す。
図２において、３ａ〜３ｈは、回転子鉄心２の外周面に固定された複数の永久磁石、４ａ〜４ｒは、回転子鉄心２に設けられた動釣合い調節用の円形状の調節穴、ｄは、調節穴４ａ〜４ｒの穴径（穴直径）、△ｒは、各調節穴と上記永久磁石との間の回転子半径方向の距離、△ｗは、隣接する調節穴間の距離、Ｄは、回転中心軸ｃをはさみその両側に配された永久磁石相互間（３ａ〜３ｅ間、３ｂ〜３ｆ間、３ｃ〜３ｇ間、３ｄ〜３ｈ間）の距離（内壁間距離）である。本第１の実施形態においては、調節穴４ａ〜４ｒは、それぞれが円形状とされ、少なくとも永久磁石３ａ〜３ｈの位置よりも回転中心軸ｃ側の内径位置であって同心円上の異なる角度位置に、該回転中心軸ｃに対し軸対象となるように等角度（または等距離）間隔で設けられる。調節穴４ａ〜４ｒは、回転子の回転中心軸方向の両端側に配される積層磁性板の平面内に形成される。これら調節穴４ａ〜４ｒは、これらが設けられただけでは不釣合い量が多くて動釣合い値が所定範囲にならない場合には、該調節穴４ａ〜４ｒのうちの一部のものにバランス用部材を挿入して固定するなどし、動釣合い値が所定範囲の値となるように調節（修正）する。

図３は、図１の電動機のＡ−Ａ'断面の構成を示す図である。
図３において、１は固定子鉄心、２は回転子鉄心、３ａ〜３ｈは、回転子鉄心２の外周面上に固定された永久磁石、４ａ〜４ｒは、回転子鉄心に設けられた動釣合い調節用の調節穴、５は固定子鉄心１のヨーク部、６ａ〜６ｍは固定子鉄心１の歯部、７ａ〜７ｍはそれぞれ、歯部６ａ〜６ｍに絶縁物を介して巻かれた固定子巻線、９は出力軸である。

上記調節穴４ａ〜４ｒの条件（位置、大きさ）を決定するためのシミュレーションでは、電動機の磁気回路特性が劣化しない条件を求める。シミュレーションにあたっては、回転子鉄心２及び固定子鉄心１は強磁性体、回転子鉄心２内に設けた調節穴の物性値は空気の物性値と同じであるとする。動釣合いは、回転子が回転状態にあるときのモーメント（質量×回転中心軸ｃからの距離）によって評価されるため、動釣合いは回転子半径が大きいほど調節量は小さくてすむ。従って、回転子の動釣合いを精度良く調節するためには、なるべく回転子鉄心２の外周近傍及び永久磁石３ａ〜３ｈの内壁近くに、少なくとも永久磁石数よりも多い複数個の調節穴を設ける必要がある。一般に、永久磁石３ａ〜３ｈの磁力線分布はそれぞれの永久磁石の内壁中央部で磁力線密度が疎になるため、調節穴は永久磁石の該内壁中央部だけに配するのが望ましいが、例えば本実施形態のように８個の永久磁石３ａ〜３ｈを用いた構成において、回転子鉄心２上の、永久磁石３ａ〜３ｈそれぞれの内壁中央部に対応した位置だけに計８個の調節穴を設けた場合には、調節穴相互の間隔が開き過ぎてしまい、精度の良い動釣合い調節が困難となる。この点を改善できるように、本実施形態では、合計１６個の調節穴を等角度間隔で設け、各永久磁石の内壁中央部に対応した位置の他、互いに隣接する永久磁石間にも調節穴を配するようにし、これをシミュレーションの前提条件にしている。また、シミュレーションでは、配置する調節穴の中心位置を予め永久磁石内壁に近づけた位置（永久磁石内壁間の距離Ｄ＝９２．６×１０^−３ｍに対し、調節穴の中心位置の直径を７６．６×１０^−３ｍにした位置）に固定し、調節穴の穴径ｄをパラメータとしている。シミュレーションでは、電動機を無負荷運転状態とするため、その回転子を所定の回転速度で回転させるものとする。

上記調節穴４ａ〜４ｒの穴径ｄが変化することにより、永久磁石の内壁から調節穴までの距離△ｒ及び隣接調節穴間の間隔△ｗが変化するため、磁気回路特性の点から、回転子鉄心２内における磁力線分布を制御する必要がある。

図４は、回転子鉄心２に動釣合い調節用の調節穴を設けない場合の永久磁石による磁力線分布のシミュレーション結果を示す図である。
図４において、１４は磁力線を示す。該磁力線１４に沿って磁束が回転子鉄心２及び固定子鉄心１の内部を通る。シミュレーションの結果、各永久磁石３の内壁中央部では回転子鉄心２の磁力線の間隔が疎になり磁束密度が低くなる。

図５は、調節穴４ａ〜４ｒの穴径（直径）ｄを１４×１０^−３ｍとした場合の固定子鉄心１及び回転子鉄心２の内部における磁力線分布のシミュレーション結果である。本シミュレーションでは、永久磁石の内壁から調節穴までの距離△ｒを約１×１０^−３ｍ、調節穴の間隔△ｗを約０.９６×１０^−３ｍとしている。本図５では、回転子鉄心に設けた各調節穴の穴径を永久磁石内壁間の距離Ｄに対し相対的に大きくしてあるため、永久磁石の内壁から調節穴までの距離△ｒと、隣接する調節穴間の間隔△ｗが狭くなっている。このため、本図５の構成では、調節穴を設けない場合に比べ、これら調節穴の周縁部における磁力線密度が高くなり、該周縁部に磁束が集中している状態となる。

図６は、各調節穴の穴径（直径）ｄを約１０×１０^−３ｍとした場合の磁力線分布のシミュレーション結果である。本シミュレーションでは、永久磁石の内壁から調節穴までの距離△ｒを約３.０×１０^−３ｍ、調整穴の間隔△ｗを約４.９４×１０^−３ｍとしている。本図６の構成の場合は、上記図５の構成に比べ、永久磁石の内壁から調節穴までの距離も長く、隣接する調節穴間の間隔も広いため、該図５の構成に比べ、これら調節穴の周縁部における磁力線分布は疎となり、磁力線密度は低くなる。

電動機の磁気回路特性は、一般に、回転子の永久磁石が発生する界磁磁束に基づく回転磁界によって、固定子の巻線に誘起される誘起電圧により評価することができる。一般に、電動機が発生する回転トルクＴは、発生する力ｆ（Ｎ）と回転中心からの距離ｒ（ｍ）の積で求められる。また、Ｋ_ｔをトルク定数、Φを永久磁石による界磁磁束（Ｗｂ）、Ｉを電流（Ａ）とするとき、回転トルクＴは、Ｔ＝Ｋ_ｔ×Φ×Ｉで表される。さらに、界磁磁束Φが、回転角速度ωで固定子巻線にが鎖交するとき、固定子巻線には、ｅ＝−ｎ×ｄΦ／ｄｔの逆起電力（以下、誘起電圧という）が発生する。ここで、ｎは巻数、ｔは時間（ｓ）である。界磁磁束による誘起電圧が高い場合は、所定のトルクを発生させるために要する電流値が低くてすむため、固定子巻線に発生する銅損も小さく、電動機効率の低下が抑えられる。これに対し、界磁磁束による誘起電圧が低い場合は、所定のトルクを発生させるために要する電流値が増大することになり、この結果、固定子巻線に発生する銅損が増加して電動機効率を低下させる。すなわち、電動機の磁気回路特性は、誘起電圧レベルにより評価可能である。

図７は、調節穴寸法の電動機性能への影響を示す図であって、回転子鉄心内の各調節穴の穴径と固定子巻線に誘起される誘起電圧の関係を示す。誘起電圧値は、調節穴の穴径がゼロの場合すなわち調節穴を設けない場合の電圧値を１００％とし、これに対する相対値で示す。

図７の誘起電圧特性の結果、調節穴の穴径ｄがゼロから約１０×１０^−３ｍの範囲では誘起電圧は１００％のレベルが維持され、減少は認められないが、調節穴の穴径ｄが約１０×１０^−３ｍより増大するに従い、誘起電圧は徐々に低下し、穴径ｄが約１４×１０^−３ｍのときには、穴径ｄがゼロの場合に比べて約１６％低下し約８４％となる。これは、上記図６に示したように、回転子鉄心内において、調節穴と永久磁石の内壁との間の部分と、隣接する調節穴間の部分とに磁束が集中するため、これらの部分で局部的に回転子鉄心が飽和し磁気抵抗が増大する結果、回転子表面で発生する磁束量が低下して固定子巻線に鎖交する磁束量が減るためであると考えられる。上記誘起電圧１００％レベルを維持可能な限界である調節穴の穴径ｄ＝１０×１０^−３ｍのとき、永久磁石の内壁から調節穴までの距離△ｒと永久磁石内壁間距離Ｄとの比△ｒ／Ｄは、３.２％（０．０３２）であり、隣接する調節穴間の間隔△ｗと永久磁石内壁間距離Ｄとの比△ｗ／Ｄは、５.３％（０．０５３）である。この結果、調節穴は、△ｒ／Ｄ＞３.２％、△ｗ／Ｄ＞５.３％を満たすように設ければ、電動機の磁気回路特性は損われないと考えられる。

上記本発明の第１の実施形態によれば、電動機の磁気回路特性を劣化させずに、動釣合い用の複数の調節穴を回転子鉄心２内に設けることができる。寸法や部品数などを増大させることなく、回転子の動釣合いの修正を精度良く行える。また、該動釣合いの作業が容易である。

図８及び図９は本発明の電動機の第２の実施形態の説明図である。図８は電動機の回転子の構成例を示す図、図９は、図８の回転子に設ける調節穴の寸法が電動機の磁気回路特性に与える影響を示す図である。
本第２の実施形態では、回転子の永久磁石の数は４個とし、動釣合い用の調節穴数は、上記第１の実施形態の場合と同様、精度の良い動釣合いを可能にするために合計１６個としている。合計１６個の調節穴の一部は、永久磁石による磁力線分布が疎となる各永久磁石の内壁中央部に対応する位置や、互いに隣接する永久磁石間に対応する位置に設ける。該１６個の調節穴は、それぞれを互いに等角度間隔で配する。

図８において、２'は回転子鉄心、３ａ'〜３ｄ'は永久磁石、４ａ'〜４ｒ'は調節穴である。他の符号は、上記第１の実施形態の場合と同様である。調節穴４ａ'〜４ｒ'は回転子鉄心２'内において、回転軸方向の両端部側に設ける。本第２の実施形態についてもシミュレーションを行った結果、永久磁石の内壁から調節穴までの距離△ｒと永久磁石内壁間距離Ｄとの比△ｒ／Ｄが３.６％を超え、かつ、隣接する調節穴間の間隔△ｗと永久磁石内壁間距離Ｄとの比△ｗ／Ｄが５.２％を超えるとき、電動機の磁気回路特性は、調節穴を設けない場合と同じレベルの特性を維持することができ、調節穴を設けることで損われずにすむという結果を得た。

図９は、図８の回転子に設ける調節穴の穴径と固定子巻線に発生する誘起電圧との関係を示す特性図である。該特性から、調節穴径ｄが約４．３×１０^−３ｍ以下の場合には、調節穴を設けない場合と同じレベルの磁気回路特性を維持することができるが、調節穴径ｄが上記約４．３×１０^−３ｍを超えると徐々に誘起電圧が低下し、５．３×１０^−３ｍの場合には、調節穴のない場合に比べ約８％低下する。調節穴径ｄが上記約４．３×１０^−３ｍのとき、永久磁石の内壁から調節穴までの距離△ｒと永久磁石内壁間の距離Ｄとの比△ｒ／Ｄは約３.６％（０．０３６）であり、隣接する調節穴間の間隔△ｗと永久磁石内壁間の距離Ｄとの比△ｗ／Ｄは約５.２％（０．０５２）である。この結果、調節穴を、△ｒ／Ｄ＞３.６％、△ｗ／Ｄ＞５.２％を満たすように設ければ、電動機の磁気回路特性の劣化は回避されると考えられる。

上記本発明の第２の実施形態によっても、電動機の磁気回路特性を劣化させずに、動釣合い用の複数の調節穴を回転子鉄心２'内に設けることができる。寸法や部品数などを増大させることなく、回転子の動釣合いの修正を精度良く行える。

なお、上記第１、第２の実施形態では、上記複数の調節穴４ａ〜４ｒまたは４ａ'〜４ｒ'を回転子鉄心２または２'内において、回転軸方向の両端部側に設けるとしたが、一方の端部側だけに設けるようにしてもよいし、または一方の端部側から他方の端部側に貫通させて設けてもよい。また、調節穴の形状は円形状に限定されず、他の形状であってもよい。さらに、複数の調節穴は１つの同心円上に配しない構成であってもよい。また、上記各実施形態では、回転子内において永久磁石は、回転子鉄心の外周面部に固定される場合の構成を挙げたが、本発明はこれに限定されず、例えば永久磁石が回転子鉄心内部に埋め込まれる構成などであってもよい。さらに、永久磁石はその磁極面を回転軸方向に向けて配し、平面対向型の電動機を構成するようにしてもよい。

本発明の第１の実施形態としての電動機の構成例を示す図である。 図１の電動機の回転子の構成例を示す図である。 図１の電動機のＡ−Ａ'断面構成を示す図である。 動釣合い用調節穴を設けない場合のシミュレーション結果を示す図である。 動釣合い用調節穴を設けた場合のシミュレーション結果を示す図である。 他の動釣合い用調節穴を設けた場合のシミュレーション結果を示す図である。 第１の実施形態において調節穴寸法の電動機性能への影響を示す図である。 本発明の第２の実施形態を示す図である。 第２の実施形態における調節穴寸法の電動機性能への影響を示す図である。

符号の説明

１…固定子鉄心、
２、２'…回転子鉄心、
３、３ａ〜３ｈ、３ａ'〜３ｄ'…永久磁石、
４、４ａ〜４ｒ、４ａ'〜４ｒ'…調節穴、
５…ヨーク部、
６、６ａ〜６ｍ…歯部、
７、７ａ〜７ｍ…固定子巻線、
８…軸受、
９…出力軸、
１０…フレーム、
１１…ファン、
１２…ファンカバー、
１３…端子箱。

Claims (7)

1. 回転子鉄心に永久磁石が固定された回転子を備える電動機であって、
   上記回転子鉄心の、上記永久磁石の位置よりも回転中心軸側の内径位置であって異なる角度位置に、動釣合い用の調節穴を設けた構成を特徴とする電動機。
2. 上記永久磁石は上記回転子鉄心の外周面部に固定され、上記複数の調節穴は上記回転中心軸に対し軸対象の位置に設けられる請求項１に記載の電動機。
3. 上記各調節穴と上記永久磁石との間の回転子半径方向の距離を△ｒ、上記回転中心軸をはさみ両側に配された永久磁石間の距離をＤとするとき、上記複数の調節穴は、△ｒ／Ｄ＞０．０３２を満たす範囲に設けられる請求項１に記載の電動機。
4. 隣接する調節穴間の距離を△ｗ、上記回転中心軸をはさみ両側に配された永久磁石相互間の距離をＤとするとき、上記複数の調節穴は、△ｗ／Ｄ＞０．０５２を満たすように設けられる請求項１に記載の電動機。
5. 上記調節穴は、直径が約１０×１０^−３ｍ以下の円形状である請求項１から４のいずれかに記載の電動機。
6. 上記永久磁石は複数個の永久磁石から成り、上記調節穴は、上記永久磁石１個あたり複数個設けられ、永久磁石毎にその内壁中央部に対応した位置と他の位置とに設けられる請求項１から５のいずれかに記載の電動機。
7. 上記回転子鉄心は、複数の磁性板が上記回転中心軸方向に積層されて成り、該複数の磁性板のうち該回転中心軸方向の両端側に配されるものに、上記調節穴が設けられる構成である請求項１から６のいずれかに記載の電動機。

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