JP2011147288A - 同期電動機の回転子 - Google Patents

Abstract

【課題】低騒音、高出力、高効率、低コストの同期電動機を実現するための同期電動機の回転子を提供する。
【解決手段】この発明に係る同期電動機の回転子は、回転子表面に配置され、極異方の配向あるいは着磁がなされた、磁気特性の高い材料である希土類（ＳｍＦｅＮ）のプラスチックマグネット（希土類磁石の粉末を含有した樹脂材料）の永久磁石を備え、永久磁石の背面に非磁性の部材を配置するものであり、永久磁石の径方向の厚みをＤ、前記回転子の磁極幅をＷとすると、Ｄ／Ｗ≧０．３の関係を満たすことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

この発明は、回転子に永久磁石を有する同期電動機の回転子に関する。

家庭用電気製品の送風機に用いられる同期電動機には、電動機の軽量、低コスト、静音の観点から、回転子にプラスチックマグネットのリングマグネットを用いることが多い。中でも、リングマグネットの製造時に外部より極異方の磁場を印加する極配向のマグネットを用いることが多い。これは、固定子鉄心から見て、マグネットの背面にバックヨークとなる鉄心を配置する必要が無くなるため、部品点数の削減ができ、同時に軽量化も可能であるからである。

また、極異方の配向によって、回転子表面の磁束密度分布波形が正弦波状になるため、同期電動機の振動・騒音の要因となる、誘起電圧の歪みやコギングトルクの発生を抑えることができる。

これらの同期電動機に多く用いられるマグネットは、フェライトであることが多く、高出力化、高効率化、小形化が要求される用途に対しては、マグネットの性能が不足している。

これに対して、より性能の高い希土類マグネットを材料とするプラスチックマグネットを用いることで、高出力化、高効率化、小形化を図る可能である。しかし、これらの材料（希土類マグネット）は、高価であるため、前述とは逆に薄肉のマグネットを磁性体の鉄心表面に貼り付ける形態を取る場合が多い。この場合は、部品点数の増加、重量の増加に加えて、金属材料と樹脂材料との接着に関して、十分な信頼性を確保する必要もある。また、薄肉のリングマグネットを用いる際には、マグネット配向をラジアル配向とすることが多く、これによってコギングトルクの増大、同期電動機の誘起電圧の歪みによるトルクリップルの増大など、振動・騒音の悪化の要因となる。

これに対して、希土類のプラスチックマグネットをリング状にしたものに対して、磁極の切り替わる付近（極間）にラジアル配向とは異なる極異方に近い配向を行う技術が提案されている。

即ち、中空円筒状の異方性ボンド磁石を配向処理する方法において、金型を用いて異方性ボンド磁石を成形するにあたり、金型の円柱状のキャビティの中心軸に高透磁率物体から成る円柱状のコアを設け、このコアの外周部に円筒状に形成されるキャビティに異方性ボンド磁石原料を充填し、中心軸に垂直な断面上のキャビティにおいて、磁極周期の主たる区間においては向きが外周の法線方向となるように配向磁場を付与することで、着磁後の異方性ボンド磁石の法線方向の表面磁束密度の大きさが等しい分布を発生させ、一方、磁極の向きが変化する遷移区間においては配向磁場を接線方向に漸次反転させることで、着磁後の異方性ボンド磁石の法線方向の法線方向の表面磁束密度の絶対値が電気角の増加に対して漸減、漸増させた分布となるように配向磁場を発生させて、異方性ボンド磁石を配向処理させることを特徴とするモータ用異方性ボンド磁石の配向処理方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、中空円筒状の異方性ボンド磁石において、異方性ボンド磁石の軸に垂直な断面における法線方向の表面磁束密度は、磁極周期の主たる区間においては法線方向の表面磁束密度の大きさが等しく、磁極の向きが変化する遷移区間においては法線方向の表面磁束密度の絶対値が電気角の増加に対して漸減、漸増させた分布としたことを特徴とするモータ用ボンド磁石が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

これらによれば、コギングトルクの低減を図ることができ、高磁力のマグネットを用いても同期電動機の振動・騒音の増加を抑えることができるとしている。

また、極異方性リング磁石において、磁化方向が磁極位置では法線方向、隣接する磁極の中間位置では接線方向であるとともに、磁極位置とそれに隣接する中間位置との間を等角度ピッチの要素に分割したときに、隣接する要素の磁化方向が一定の角度差を有するようにすることで、回転子表面の磁束密度分布をより正弦波に近づけるという方法が提案されている（例えば、特許文献３参照）。

特開２００４−２３０８５号公報 特開２００４−５６８３５号公報 特開２００５−４４８２０号公報

しかしながら、上記特許文献１、２の記載のモータ用異方性ボンド磁石を用いるモータにおいては、回転子のコギングトルクを低減することが可能であるものの、回転子鉄心のバックヨークが必要であり、製造コスト、接着等に対する信頼性の確保など課題は多い。

同期電動機の振動・騒音を抑えるためには、回転子表面の磁束密度分布を滑らかにすることが効果が大きく、極異方の配向あるいは着磁を行ったマグネットを用いることが有効な手段では有る。しかし、前述のように、希土類マグネットは、高価な材料であるから、製品コストを抑えるためには、求められる性能に適した形状、使用量とすることが必要である。

上記特許文献３においては、リング形状の永久磁石の内径寸法をある値以上とする様な記述が有る。言い換えると、リング状の永久磁石の厚みは有る値以上は表面磁束密度が飽和するため、それ以下とすることが望ましいとしているが、永久磁石背面にバックヨークを用いない場合、永久磁石の厚みを薄くしすぎると、永久磁石の内部で極異方の配向が十分に形成されなくなるため、永久磁石の磁気特性を十分に利用できない。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、低騒音、高出力、高効率、低コストの同期電動機を実現するための回転子を提供することを目的とする。

この発明に係る同期電動機の回転子は、回転子表面に配置され、極異方の配向あるいは着磁がなされた希土類の永久磁石を備え、永久磁石の背面に非磁性の部材を配置するものであり、
永久磁石の径方向の厚みをＤ、前記回転子の磁極幅をＷとすると、
Ｄ／Ｗ≧０．３
の関係を満たすことを特徴とする。

この発明に係る同期電動機の回転子は、永久磁石の寸法を最適化することによって、必要最低限の材料を使用して、低騒音、高効率、低コストな同期電動機の回転子の実現化が可能となる。

実施の形態１を示す図で、同期電動機の回転子１００の断面図。 図１の一部を拡大した図。 実施の形態１を示す図で、回転子１００の外周に一定の空隙３０を設けて磁性体２００を配置した状態の電磁界解析結果を示す図。 実施の形態１を示す図で、図３の電磁界解析結果より得られた空隙磁束密度分布波形を示す図。 実施の形態１を示す図で、マグネット厚みと回転子１００の磁極数を変更した場合の空隙磁束密度を電磁界解析により求めた結果を表で示す図。 実施の形態１を示す図で、マグネット厚みと回転子１００の磁極数を変更した場合の空隙磁束密度を電磁界解析により求めた結果をグラフで示す図。 実施の形態１を示す図で、磁極数の異なる回転子のマグネット厚みを変化させたときのマグネット厚み／磁極幅を表で示す図。 実施の形態１を示す図で、マグネット厚み／磁極幅と空隙磁束密度との関係をグラフで示す図。

実施の形態１．
図１乃至図８は実施の形態１を示す図で、図１は同期電動機の回転子１００の断面図、図２は図１の一部を拡大した図、図３は回転子１００の外周に一定の空隙３０を設けて磁性体２００を配置した状態の電磁界解析結果を示す図、図４は図３の電磁界解析結果より得られた空隙磁束密度分布波形を示す図、図５はマグネット厚みと回転子１００の磁極数を変更した場合の空隙磁束密度を電磁界解析により求めた結果を表で示す図、図６はマグネット厚みと回転子１００の磁極数を変更した場合の空隙磁束密度を電磁界解析により求めた結果をグラフで示す図、図７は磁極数の異なる回転子のマグネット厚みを変化させたときのマグネット厚み／磁極幅を表で示す図、図８はマグネット厚み／磁極幅と空隙磁束密度との関係をグラフで示す図である。

図１に示す本実施の形態の同期電動機の回転子１００は、磁力の高いマグネット１０（永久磁石）から構成されている。このマグネット１０は、極異方の配向あるいは着磁がなされており、マグネット１０内部の磁束は、回転子１００の表面から入り、そのほとんどはマグネット１０の内径側に抜けることなく再び回転子１００の表面へと出て行く。このため、本実施の形態の回転子１００は、マグネット１０の内側に磁路となる鉄心等の磁性体のバックヨークの必要性が少ない。

マグネット１０を、単にマグネットと呼ぶ場合もある。

図１の破線は、マグネット内部の磁束を示している。その磁束は、Ｎ極からＳ極へ向く。

図１に示す回転子１００は、例えば、空気調和機に搭載される送風機用の同期電動機に用いるものである。

マグネット１０には、例えば、磁気特性の高い材料である希土類（ＳｍＦｅＮ）のプラスチックマグネット（希土類磁石の粉末を含有した樹脂材料）を用いている。

回転子１００の直径は、例えば、４９ｍｍである。

マグネット１０は、リングマグネットで、その厚みＤ（図２参照）は、例えば、４．３５ｍｍである。

リングマグネットのマグネット１０で構成される回転子１００の極数は、例えば、１２極である。但し、回転子１００の極数は、１２極に限定されるものではない。

図１に示す回転子１００の製造方法を簡単に説明する。本実施の形態の回転子１００は、射出成形によって製造される。射出成形の際には、金型の内部において、極異方の磁場を印加することで極配向の施されたマグネット１０が成形される。

回転子１００の表面の磁束密度分布を求めるため、図３に示すように、回転子１００の外周に径方向の寸法が一定の空隙３０（ギャップ）を設けて磁性体２００（鉄心）を配置した状態で電磁界解析を行った。尚、空隙３０の寸法（径方向）は、０．４ｍｍとした。また、マグネット２０の内側は、非磁性体４０（例えば、空気）になっている。

電磁界解析において、マグネット１０の残留磁束密度Ｂｒを０．５７Ｔとした。ここで、単位Ｔはテスラで、１テスラは、「磁束の方向に垂直な面の１平方メートルにつき１ウェーバの磁束密度」と定義される。

図３には、電磁界解析で得られた磁束線図も同時に記載しており、マグネット１０の極配向の様子がわかる。

このときの回転子１００と外周の磁性体２００との間の空隙３０の磁束密度分布波形を図４に示す。図４において、横軸は空隙３０における周方向の角度（電気角）［ｄｅｇ］、縦軸は空隙３０の磁束密度［Ｔ］（図４では、空隙磁束密度［Ｔ］と表記）である。従って、図４は、略一磁極分の空隙３０の磁束密度分布波形を示している。

マグネット１０が極異方の配向となっているため、空隙３０の磁束密度分布波形は、正弦波状になっている。

また、このときの磁束密度の最大値は、略０．５９Ｔとなっている。

例えば、ラジアル配向のリングマグネット（以下、単にマグネット）の場合、厚みＤが４．３５ｍｍ、空隙３０が０．４ｍｍで、マグネットの内側に鉄心を配置したとしても、空隙３０の部分の磁気抵抗によって空隙３０の磁束密度は、略０．５３Ｔ程度となり、マグネットの残留磁束密度Ｂｒ（０．５７Ｔ）よりも大きくなることはない。

これに対して、本実施の形態の回転子１００では、マグネット１０に用いる材料（希土類（ＳｍＦｅＮ）のプラスチックマグネット）の残留磁束密度Ｂｒ（０．５７Ｔ）以上の数値が得られている（図４参照）。

本実施の形態の回転子１００について、マグネット１０の厚みと回転子１００の磁極数を変更した場合の空隙磁束密度を電磁界解析により求めた。その結果を、図５（表）、図６（グラフ）に示す。マグネット１０の厚みとの磁極数を変更する場合、マグネット１０（回転子１００）の外径を一定とする。マグネット１０の厚みＤは、２．００、２．４０、２．８０、３．２０、４．３５、５．５０ｍｍの６種類とした。

本実施の形態の回転子１００は、１２極で、外径が４９ｍｍであるから、磁極幅Ｗ（図２参照）は、１２．８ｍｍとなる。マグネット１０（回転子１００）の外径を一定であるから、磁極幅Ｗは、磁極数に反比例する。

図５、図６より、空隙磁束密度は、マグネット１０の厚みＤを薄くすることで小さくなり、厚くすることで大きくなることなる。また、回転子１００の磁極数が多い方が、空隙磁束密度が高くなっていることもわかる。

図５、図６に示す電磁界解析の結果より、マグネット１０の厚みを磁極の幅で割った数値を各解析結果毎に求め、図７に表にまとめて示す。また、横軸にマグネット厚み/磁極幅をとり、空隙磁束密度を縦軸にしてグラフ化したものを図８に示す。これより、空隙磁束密度は、マグネット厚み/磁極幅に対して、概ね一つの曲線上に乗る特性を示していることがわかる。

また、図８を参照すると、マグネット厚み/磁極幅（Ｄ／Ｗ）の値が０．３以上であれば、極異方の希土類リングマグネット単体で、材料の残留磁束密度Ｂｒ（０．５７Ｔ）の値以上の空隙磁束密度が得られ、通常マグネット（永久磁石）の内側に配置する鉄心等の磁性体のバックヨークを用いる必要がない。

これによって、例えば、一般に金属材料を用いるバックヨークと、プラスチックマグネットとの接着などの工程が不要となり、回転子１００の部品点数を減らすこともできると同時にヒートショックなどによるマグネット（永久磁石）の破損も防ぐことができる。また、回転子１００の軽量化も可能である。

本発明の活用例として、送風機に用いられる同期電動機への適用が可能である。

１０ マグネット、１００ 回転子。

Claims (2)

1. 回転子表面に配置され、極異方の配向あるいは着磁がなされた希土類の永久磁石を備え、永久磁石の背面に非磁性の部材を配置するものであり、
   前記永久磁石の径方向の厚みをＤ、前記回転子の磁極幅をＷとすると、
   Ｄ／Ｗ≧０．３
   の関係を満たすことを特徴とする同期電動機の回転子。
2. 前記永久磁石は、希土類磁石の粉末を含有した樹脂材料で、リング状であることを特徴とする請求項１記載の同期電動機の回転子。

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