JP2007020350A - Magnets-embedded type motor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は磁石埋込型モータに関する。 The present invention relates to a magnet embedded motor.
ブラシレスのモータとして、ロータの表面に永久磁石を配置した表面磁石型モータ(SPMモータと称す)に代えて、このSPMモータよりも出力特性(トルク特性および加速性)および効率(トルク変換効率)が良い長所を有する磁石埋込型モータ(IPMモータと称す)が空気調和機の圧縮機や工作機械などにおいて用いられており、電動自転車用モータとしても用いることが検討されている。このIPMモータは、ロータの内部に永久磁石を埋め込む配置としたもので、マグネットトルクに加えて、リラクタンストルクを発生できる性質を有することで、上記長所を発揮できる構成とされている。 As a brushless motor, instead of a surface magnet type motor (referred to as SPM motor) in which permanent magnets are arranged on the surface of the rotor, output characteristics (torque characteristics and acceleration) and efficiency (torque conversion efficiency) are more effective than this SPM motor. A magnet-embedded motor (referred to as an IPM motor) having a good advantage is used in an air conditioner compressor, a machine tool, and the like, and is also considered to be used as an electric bicycle motor. This IPM motor has a configuration in which a permanent magnet is embedded in the rotor, and has a property capable of generating a reluctance torque in addition to a magnet torque, so that the above advantages can be exhibited.
このIPMモータのロータの構造は、図9(a)に示すように、板状磁性部材(鉄心)を積層したロータコア1に、永久磁石2を埋め込む挿入孔3を形成し、この挿入孔3に永久磁石2を挿入して埋め込んだ構造である。ここで、永久磁石2を埋め込む挿入孔3の断面形状(モータの軸心に対して直交する面の断面形状)は、永久磁石2の断面形状と同じ形状とされている(例えば、特許文献1等)。
As shown in FIG. 9A, the structure of the rotor of this IPM motor is such that an
ところで、ロータコア1をなす鉄心は永久磁石2や空気と比べて極めて高い透磁率を有する。また、永久磁石2はそのロータの外周寄りに位置する面の部分と内周寄りに位置する面の部分とで反対の磁極を有し、また、隣り合う永久磁石2の磁極も異なるように配置されている。したがって、上記のように挿入孔3の形状が永久磁石2の断面形状と同じであると、図9(b)に拡大して示すように、永久磁石2同士が隣接する永久磁石2間のロータコア1の部分(隣接部と称す)1aで磁気通路が形成されてしまって磁束(磁力線)Φが漏洩し、永久磁石2の外周側部分からの磁束Φが効率的にステータ側に流れず、効率が低下するという課題があった。
Incidentally, the iron core forming the
これに対処する手法として、図10に示すように、ロータコア1の隣接部1aにおける挿入孔3のロータ周方向に対する両端部箇所に、挿入孔3に続いて、永久磁石2の厚み方向全幅にわたって空間となるように空間部4を設けることが提案されている(例えば、特許文献2、3等)。
As a technique for coping with this, as shown in FIG. 10, a space is formed across the entire width of the
この構成によれば、永久磁石2が埋め込まれる挿入孔3に続いて空間部4が設けられるので、この空間部4によりロータコア1の隣接部1aにおいて磁気通路が形成されなくなって磁束(磁力線)Φの漏洩を防止でき、永久磁石2の外周側部分からの磁束Φが効率的にステータ側に流れて、効率を向上できる。
しかしながら、図10に示すように、ロータコア1の隣接部1aにおいて挿入孔3に続いて空間部4を設けると、磁束(磁力線)Φの漏洩を防止できて効率を向上できるものの、空間部4が永久磁石2の厚み方向全幅にわたって形成されているため、ロータの回転時に永久磁石2が、図10におけるc方向にずれてしまい、ロータとステータとの間に生じる磁気回路の磁気抵抗がばらつき、磁石トルクの変動によるトルクリップルが大きくなる等の不具合を招いてしまう。
However, as shown in FIG. 10, if the
このような不具合を防止する手法としては、前記空間部4に非磁性体と接着剤とを混ぜた充填材を充填することが提案されており(例えば、特許文献3等)、この構成によれば、ロータの回転時でも永久磁石2がずれることを防止できる。しかし、この場合には、非磁性体と接着剤との混合作業や、充填材の充填作業など、多くの手間や時間がかかってしまうとともに、接着剤が硬化するまで、永久磁石を良好な位置に保持しなければならず、この際の位置決めが不良であると、トルクリップルが大きくなる。
As a technique for preventing such a problem, it has been proposed to fill the
本発明は上記不具合などを解決するもので、永久磁石からの磁束がロータコアにおける永久磁石間の箇所などに漏洩することを最小限に抑えることができながら、ロータの回転時に永久磁石が周方向にずれてしまうことを確実かつ容易に防止することができる磁石埋込型モータを提供することを目的とするものである。 The present invention solves the above-mentioned problems and the like, and it is possible to minimize leakage of magnetic flux from the permanent magnet to a location between the permanent magnets in the rotor core. It is an object of the present invention to provide a magnet-embedded motor that can reliably and easily prevent deviation.
上記課題を解決するために本発明の磁石埋込型モータは、永久磁石を挿入して埋め込む複数の挿入孔をロータコアの外周よりも径方向内側に形成し、前記挿入孔の周方向端部に、挿入孔の外周部から永久磁石の磁極境界部よりも径方向内側の位置まで永久磁石の各端部から空隙をなすように形成された空間部と、この空間部の径方向内側箇所から挿入孔の内周部までの間の少なくとも一部に形成されて、永久磁石を保持する保持壁面部とを設けたことを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, an embedded magnet motor according to the present invention has a plurality of insertion holes that are inserted and embedded with permanent magnets radially inward from the outer periphery of the rotor core, and is formed at a circumferential end of the insertion hole. A space part formed so as to form a gap from each end of the permanent magnet from the outer peripheral part of the insertion hole to a position radially inward of the magnetic pole boundary part of the permanent magnet, and inserted from the radially inner part of the space part A holding wall surface portion that is formed in at least a part of the hole up to the inner peripheral portion and holds the permanent magnet is provided.
より具体的には、保持壁面部は、空間部の径方向内側箇所から挿入孔の内周部までにわたって形成され、永久磁石のロータ半径方向に沿って延びる辺の、磁極境界部よりも径方向内側の部分に当接して、永久磁石をロータ回転方向の両側から保持するように構成する。 More specifically, the holding wall surface portion is formed from the radially inner portion of the space portion to the inner peripheral portion of the insertion hole, and is more radial than the magnetic pole boundary portion on the side extending along the rotor radial direction of the permanent magnet. The permanent magnet is configured to be held from both sides in the rotor rotation direction in contact with the inner portion.
この構成により、挿入孔の周方向端部に、挿入孔の外周部から永久磁石の磁極境界部よりも径方向内側の位置まで空間部が形成されているので、この空間部によりロータコアの永久磁石間における、磁極境界部を含めてこの磁極境界部より径方向外側の部分において磁気通路が形成されなくなる。これにより、ロータコアの永久磁石間への磁束の漏洩を防止でき、永久磁石の外周部からの磁束が良好にステータ側に流れて、良好な効率を維持できる。また、挿入孔の周方向端部における空間部の径方向内側箇所から挿入孔の内周部までの間の少なくとも一部に保持壁面部が形成されているので、永久磁石が前記保持壁面部によりロータ回転方向に対して良好に保持され、ロータの回転時でも永久磁石が回転方向にずれることを防止できる。 With this configuration, a space is formed at the circumferential end of the insertion hole from the outer periphery of the insertion hole to a position radially inward from the magnetic pole boundary of the permanent magnet. A magnetic path is not formed in a portion radially outside the magnetic pole boundary portion including the magnetic pole boundary portion. Thereby, the leakage of the magnetic flux between the permanent magnets of the rotor core can be prevented, and the magnetic flux from the outer peripheral portion of the permanent magnet can flow favorably to the stator side, and good efficiency can be maintained. Further, since the holding wall surface portion is formed at least at a part between the radially inner portion of the space portion at the circumferential end portion of the insertion hole and the inner peripheral portion of the insertion hole, the permanent magnet is formed by the holding wall surface portion. It is held well with respect to the rotor rotation direction, and the permanent magnet can be prevented from shifting in the rotation direction even when the rotor rotates.
また、本発明は、永久磁石の表面部から磁極境界部までの寸法をa、空間部における永久磁石の磁極境界部の周方向端部からの磁極境界線に沿った空隙寸法をbと設定した場合に、b/a≧1であることを特徴とする。 In the present invention, the dimension from the surface part of the permanent magnet to the magnetic pole boundary part is set as a, and the gap dimension along the magnetic pole boundary line from the circumferential end of the magnetic pole boundary part of the permanent magnet in the space part is set as b. In some cases, b / a ≧ 1.
この構成により、永久磁石の磁極境界部の周方向端部での空間部の空隙寸法が大きいので、この空間部が設けられている箇所でのロータコアの永久磁石間の磁束の漏洩を極めて良好に防止することができる。 With this configuration, since the gap size of the space portion at the circumferential end of the magnetic pole boundary portion of the permanent magnet is large, the leakage of magnetic flux between the permanent magnets of the rotor core at the location where this space portion is provided is extremely good. Can be prevented.
以上のように本発明によれば、挿入孔の周方向端部に、挿入孔の外周部から永久磁石の磁極の境界部よりも径方向内側の位置まで永久磁石の端部から空隙をなすように形成された空間部と、この空間部の径方向内側箇所から挿入孔の内周部までの間の少なくとも一部に形成されて、永久磁石を保持する保持壁面部とを設けたので、前記空間部により磁束の漏洩を防止できて、磁石埋込型モータ(IPMモータ)としての良好な効率を維持することができると同時に、ロータの回転時でも永久磁石が回転方向にずれることを防止できて、磁石トルクの変動によるトルクリップルが生じることを防止でき、良好な出力特性を得ることができる。しかも、前記空間部に接着剤を含む充填材を充填しなくても、永久磁石がロータの回転方向にずれることを防止できるので、充填材の充填作業などを行わなくて済み、これに係る手間や時間を省くできるとともに、接着剤硬化時の位置決め不良によるトルクリップルの発生も防止でき、信頼性も向上する。 As described above, according to the present invention, a gap is formed at the circumferential end of the insertion hole from the end of the permanent magnet from the outer periphery of the insertion hole to the position radially inward from the boundary of the magnetic pole of the permanent magnet. And the holding wall surface portion that holds the permanent magnet is provided at least in part between the radially inner portion of the space portion and the inner peripheral portion of the insertion hole. The space can prevent magnetic flux leakage and maintain good efficiency as a magnet-embedded motor (IPM motor). At the same time, the permanent magnet can be prevented from shifting in the rotational direction even when the rotor is rotating. Thus, it is possible to prevent the occurrence of torque ripple due to fluctuations in magnet torque, and to obtain good output characteristics. In addition, the permanent magnet can be prevented from shifting in the rotational direction of the rotor without filling the space with a filler containing an adhesive, so that it is not necessary to perform a filling operation of the filler. And time can be saved, and torque ripple can be prevented from occurring due to poor positioning when the adhesive is hardened, improving reliability.
また、永久磁石の表面部から磁極境界部までの寸法をa、空間部における永久磁石の磁極境界部の周方向端部からの磁極境界線に沿った空隙寸法をbと設定した場合に、b/a≧1となるように空間部を形成することで、ロータコアの永久磁石間の磁束の漏洩を極めて良好に防止することができる。 Further, when the dimension from the surface part of the permanent magnet to the magnetic pole boundary part is set to a, and the gap dimension along the magnetic pole boundary line from the circumferential end of the magnetic pole boundary part of the permanent magnet in the space part is set to b, b By forming the space portion so that / a ≧ 1, leakage of magnetic flux between the permanent magnets of the rotor core can be prevented extremely well.
以下、本発明の実施の形態に係る磁石埋込型モータについて、図面を参照しながら説明する。
図1および図2は本発明の実施の形態に係る磁石埋込型モータの概略的な断面図で、図1はモータの回転軸心に沿った面で切断した部分断面外観図、図2は、図1におけるII−II線で切断した断面図である。図3(a),(b)は、同磁石埋込型モータのロータの正面図(モータの軸心方向から見た図)および部分切欠側面図である。
Hereinafter, a magnet-embedded motor according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
1 and 2 are schematic cross-sectional views of a magnet-embedded motor according to an embodiment of the present invention. FIG. 1 is a partial cross-sectional external view taken along a plane along the rotation axis of the motor. FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line II-II in FIG. FIGS. 3A and 3B are a front view (a view seen from the axial direction of the motor) and a partially cutaway side view of the rotor of the magnet-embedded motor.
図1および図2に示すように、本発明の実施の形態に係るブラシレスDCモータでもある磁石埋込型モータは、固定配置されたステータ10の内側に、回転するロータ20を配置した構成とされている。ステータ10は、板状磁性部材(鉄心)を積層した複数(この実施の形態では12)のステータコア11にそれぞれステータコイル12(図1参照)が巻かれて構成されている。また、磁石埋込型モータには、回転軸心方向に対してロータ20に対向するようにホール素子などからなる位置検出センサ13が複数設けられ、この位置検出センサ13によりロータ20の位置(位相)を検出するようになっている。なお、図1における15は磁石埋込型モータの回転軸である。
As shown in FIGS. 1 and 2, the embedded magnet motor that is also a brushless DC motor according to the embodiment of the present invention has a configuration in which a rotating
図3、図4(a),(b)(図4(a)においては、理解しやすいように、一部の挿入孔23にのみ永久磁石22が埋め込まれている場合を示しているが、実際には、全ての挿入孔23に永久磁石22が埋め込まれている)に示すように、ロータ20は、板状磁性部材(鉄心)を積層したロータコア21に、永久磁石22を埋め込む挿入孔23を形成し、この挿入孔23に永久磁石22を挿入して埋め込んだ構造である。
3, 4 (a), (b) (FIG. 4 (a) shows a case where the
ここで、挿入孔23には、モータ軸心方向に見て、永久磁石22の断面形状(この実施の形態では径方向に薄肉で、略回転方向に長い、扁平な長方形状)とほぼ同形状の磁石挿入部23aと、この磁石挿入部23aの両端部(周方向に対して両端となる箇所)に臨む箇所に、磁石挿入部23aと続いてそれぞれ形成された空間部23bと、永久磁石22を保持する保持壁面部23cとが設けられている。そして、空間部23bは、挿入孔23の外周部から永久磁石22の磁極境界部22aよりも径方向内側の位置まで形成されており、この空間部23bにより永久磁石22の端部から略ロータ回転方向に対して空隙をなすように配置されている。また、この空間部23bの径方向内側箇所から挿入孔23の内周部までの間が保持壁面部23cとされ、この保持壁面部23cが、永久磁石22のロータ半径方向に沿って延びる辺の、磁極境界部22aよりも径方向内側の部分に当接して、永久磁石22をロータ回転方向の両側から保持するように構成されている。
Here, the
なお、図5に示すように、この実施の形態においては、空間部23bが形成されている箇所は、概略的に、永久磁石22の磁極境界部22aに対応する箇所が永久磁石22の端部から最も離れる円弧形状とされている。
As shown in FIG. 5, in this embodiment, the portion where the
また、永久磁石22の表面部22bから磁極境界部22aまでの寸法(すなわち、永久磁石22の半径方向寸法の半分の幅)をa、空間部23bにおける永久磁石22の磁極境界部22aの周方向端部から磁極境界部22aのラインに沿った空隙寸法をbと設定した場合に、b/a≧1となる形状に空間部23bが形成されている。
Further, a dimension from the
また、図6(a),(b)に示すように、この実施の形態においては、磁石挿入部23における内周寄りの辺23fの一部に僅かに外径方向に突出する突起部23dが形成され(この実施の形態では、ロータコア21を形成する板状磁性部材に同形状に突起部23dが形成されて積層され、モータ軸心方向に対して突起部23dが繋がるように形成されている)、これにより、磁石挿入部23に永久磁石22が挿入された際に、磁石挿入部23における内周寄りの辺23fに対してはその突起部23dの突出距離t分、永久磁石22との間に隙間を生じてその磁力が少なめにしか作用しないようになっている一方、磁石挿入部23における外周寄りの辺23eには永久磁石22が隙間無く接し、その永久磁石22の磁力により、ロータコア21における前記外周寄りの辺23eの箇所に密着して固定されるように構成されている。
Further, as shown in FIGS. 6A and 6B, in this embodiment, a
上記構成によれば、周方向に沿う挿入孔23の両端部に、挿入孔23の外周部から永久磁石22の磁極境界部22aよりも径方向内側の位置まで空間部23bが形成されているので、図7に示すように、この空間部23bにより、ロータコア21の永久磁石22間における磁極境界部22aを含めてこの磁極境界部22aより径方向外側の部分において磁気通路が形成されなくなって、ロータコア21の永久磁石間の箇所(隣接部と称す)21aへの磁束Φの漏洩を防止できる。したがって、永久磁石22の外周側部分からの磁束Φが効率的にステータ10側に流れて、良好な効率を維持できる。
According to the above configuration, the
また、この場合に、永久磁石22の表面部22bから磁極境界部22aまでの寸法をa、空間部23bにおける永久磁石22の磁極境界部22aの周方向端部から磁極境界部22aのラインに沿った空隙寸法をbと設定した場合に、b/a≧1となる形状に空間部23bを形成しているので、この空間部23bが設けられている箇所でのロータコア21の永久磁石間の隣接部21aでの磁束の漏洩を極めて良好に防止することができる。
In this case, the dimension from the
つまり、永久磁石22のN極とS極とを分離する磁極境界部(磁極中立帯部分)22aの近傍では、空間部23bの空隙寸法bは、永久磁石22から発せられる総磁束の有効度合いに大きく影響するため、この空隙寸法Lとして適正な値を選ぶことが重要である。
That is, in the vicinity of the magnetic pole boundary portion (magnetic pole neutral zone portion) 22 a that separates the N pole and the S pole of the
ここで、図8は、前記b/aの値(空隙寸法比率と称す)を横軸にとり、有効磁束量の度合いを縦軸にとった場合の特性を示している。実際には、ロータ20を外部から回転駆動させることにより、ロータ20と対となるステータ10におけるステータコア11のステータコイル12に、誘起されて発生する電圧「誘起電圧」を測定して図8に示す相関データを得た。なお、誘起電圧比率は、前記空隙寸法bが、永久磁石22の表面部22bから磁極境界部22aまでの寸法aに比べて、大幅に大きいときの誘起電圧の値(いわゆる飽和値)を1として表現している。
Here, FIG. 8 shows characteristics when the horizontal axis represents the value of b / a (referred to as the gap size ratio) and the vertical axis represents the degree of effective magnetic flux. Actually, by rotating the
図8に示すように、b/a≧1となる形状に空間部23bを形成することで、空間部23bが設けられている箇所でのロータコア21の永久磁石間の隣接部21aでの磁束の漏洩を極めて良好に防止できることがわかる。
As shown in FIG. 8, by forming the
また、挿入孔23の両端部における空間部23bの径方向内側箇所から挿入孔23の内周部までの間に保持壁面部23cが形成されているので、永久磁石22が保持壁面部23cによりロータ回転方向に対して良好に保持され、ロータ20の回転時でも永久磁石22が回転方向にずれることを防止できる。
Further, since the holding
この結果、磁石埋込型モータ(IPMモータ)としての良好な効率を維持することができると同時に、ロータ20の回転時でも永久磁石22が回転方向にずれることを防止できて、磁石トルクの変動によるトルクリップルが生じることを防止でき、良好な出力特性を得ることができる。
As a result, good efficiency as an embedded magnet motor (IPM motor) can be maintained, and at the same time, the
また、従来のように空間部に接着剤を含む充填材を充填しなくても、永久磁石22が略ロータ回転方向にずれることを防止できるので、充填材の充填作業などを行わなくて済んで、これに係る手間や時間を省くことができるとともに、接着剤硬化時の位置決め不良によるトルクリップルの発生も防止でき、これによっても磁石埋込型モータとしての信頼性も向上する。
Further, since the
なお、上記の実施の形態では、挿入孔23の両端部分における空間部23bの径方向内側箇所から挿入孔23の内周部までの間の全ての領域に保持壁面部23cが形成されている場合を述べたが、これに限るものではなく、挿入孔23の両端部分における空間部23bの径方向内側箇所から挿入孔23の内周部までの間の一部の領域だけに保持壁面部23cを形成しても、永久磁石22が略ロータ回転方向にずれることを防止できる。しかし、良好に永久磁石22の位置決めを行って保持するためには、できるだけ、保持壁面部23cの面積が大きいことが望ましい。
In the above-described embodiment, when the holding
また、上記の実施の形態では、永久磁石22として断面長方形状のものを用いた場合を述べ、この場合には、永久磁石22として安価なものを用いることができるとともに、挿入孔23の形状も比較的単純な形状となって、製造コストの増加を最小限に抑えることができる利点がある。しかし、これに限るものではなく、例えば、永久磁石22として断面円弧形状のものを用いる場合でも、上記空間部23bや保持壁面部23cの構成を適用することは可能である。
In the above embodiment, the case where a
さらに、上記の実施の形態では、挿入孔23の周方向両端部に空間部23bを設けた場合を述べ、これにより、ロータコア21の全ての永久磁石間の隣接部21aでの磁束Φの漏洩を防止できるため、極めて良好な効率を維持できる利点を有するが、これに限るものではなく、挿入孔23の周方向の一方のみの端部に空間部23bを設けてもよく、この場合でも、空間部23bを全く設けない場合と比較すると、ロータコア21の永久磁石間の隣接部21aにおける空間部23bを設けた箇所での磁束Φの漏洩を防止できるため、良好な効率を維持できる効果がある。
Furthermore, in the above embodiment, the case where the
本発明は、空気調和機の圧縮機や工作機械、さらには電動自転車用モータとしての磁石埋込型モータに最適であるが、その他の用途に用いられる磁石埋込型モータにも適用可能である。 The present invention is most suitable for an air conditioner compressor and machine tool, and also an embedded magnet motor as a motor for an electric bicycle, but can also be applied to an embedded magnet motor used for other purposes. .
10 ステータ
11 ステータコア
12 ステータコイル
13 位置検出センサ
15 回転軸
20 ロータ
21 ロータコア
21a 隣接部
22 永久磁石
22a 磁極境界部
23 挿入孔
23a 磁石挿入部
23b 空間部
23c 保持壁面部
23d 突起部
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