JP2012060709A - 永久磁石型モータ - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で弱め界磁制御時のコイルの発熱を抑制できる永久磁石型モータのステータを提供する。
【解決手段】永久磁石型モータ１０は、永久磁石２６が内部に埋め込まれたロータ１４と、ロータ１４の周囲に設けられた筒状をなし内周部に径方向内方へ突設するティース部が周方向に複数配列されるとともに各ティース部１６にコイル２０が巻回されているステータ１２とを備える。ステータ１２を構成するステータコア１３にはティース部１６の径方向外側の根元部近傍に補助磁石３０が回転可能に設けられている。
【選択図】図２

Description

本発明は、永久磁石型モータのステータに係り、特に、永久磁石が内部に埋め込まれたロータを有する永久磁石型モータのステータに関する。

従来、モータのロータに永久磁石を埋め込んだ永久磁石埋め込み型のロータ（以下、適宜にＩＰＭ(Interior Permanent Magnet)ロータという）が知られている。このようなＩＰＭロータは、筒状をなすスタータ内に回転可能に配置される。そして、ステータ内周部に周方向に配列されたティース部に巻装されているステータコイルに例えば交流電流を流すことによってステータ内に回転界磁が形成され、これによりＩＰＭロータは回転駆動される。

このようなＩＰＭロータを含む永久磁石型モータの最大回転数を上げるためには、ＩＰＭロータの回転によりステータコイルに発生する誘起電圧（逆起電力）を小さくする必要がある。モータが低速度で回転している場合には、永久磁石による界磁によりステータコイルに誘起される電圧は小さいためにモータの回転に及ぼす影響はほとんどない。しかし、モータの回転が上昇して誘起電圧がモータに供給可能な最大電圧に等しくなると、モータへの電流供給が不可能となるために回転数を上げることはできず、モータのロータのトルクは零に低下する。つまり、誘起電圧（逆起電力）がモータ供給最大電圧と等しくなるときのモータの回転数が最高回転数となる。

永久磁石型モータでは、ステータコイルに流す電流が低くても、ロータに設けた永久磁石による界磁を強くすればマグネットトルクの増大によりモータトルクを大きくすることが可能である。ところが、界磁を強くすればモータの最高回転数が低くなるという問題が生じる。近年、希土類磁石の高性能化により、永久磁石型モータに希土類磁石が使用されることが多い。しかし、高性能の希土類磁石を使用すると、低速域では高トルクを得ることができるがモータの最大回転数が極端に低くなるという問題が生じる。

このため、ステータコイルに流れる電流の電気角位相を調整して、ステータ内に形成される界磁を減少させる弱め界磁制御が行われている。この弱め界磁制御により、モータの最高回転数を上げることができる。また、この弱め界磁制御では、マグネットトルクが低下するもののリアクタンストルクが増加することでトータルとしてのモータトルクも高くするができることがある。

これに関連する先行技術文献として特表平８−５０６９５７号公報（特許文献１）には、固定子に永久磁石を設けたリラクタンスモータが記載されている。このリラクタンスモータでは、固定子巻線に電流が流れることによってステータ内部に発生する磁束を永久磁石から出る磁束により弱めることで、回転子の高速回転時に弱め界磁制御を行うことが記載されている。

特表平８−５０６９５７号公報

しかしながら、特許文献１のリラクタンスモータでは、固定子内に固定配置された永久磁石の磁極方向が変化しないため、弱め界磁制御が必要ではない低速回転時には固定子巻線によって励磁される磁極間に発生する磁束を妨げることとなる。そこで特許文献１のリラクタンスモータでは、低速回転時にソレノイド等のアクチュエータを用いてスチールインセントを固定子外側面に接触させてバイパス磁束経路を形成し、永久磁石の磁束を前記バイパス磁束経路へと導くこととしているが、アクチュエータを用いるとモータの構造が複雑になるという問題がある。

本発明の目的は、簡易な構成で弱め界磁制御時のコイル電流を低減して発熱を抑制することができる永久磁石型モータのステータを提供することにある。

本発明に係る永久磁石型モータのステータは、永久磁石が内部に埋め込まれたロータと、前記ロータの周囲に設けられた筒状をなし内周部に径方向内方へ突設するティース部が周方向に複数配列されるとともに各ティース部にコイルが巻回されているステータとを備える永久磁石型モータのステータであって、前記ステータを構成するステータコアには前記ティース部の径方向外側の根元部近傍に補助磁石が回転可能に設けられているものである。

本発明に係る永久磁石型モータのステータにおいて、前記補助磁石は前記ステータの軸方向に延伸する細長い柱状をなし、前記ステータコア内に軸方向に沿って形成された補助磁石穴内に回転可能に設けられていてもよい。

また、本発明に係る永久磁石型モータのステータにおいて、前記補助磁石は、中心部にシャフト穴を有する円筒状に形成され、前記シャフト穴に貫通する回転支軸が前記ステータコアの軸方向両端で支持されていてもよい。

また、本発明に係る永久磁石型モータのステータにおいて、前記補助磁石は、円柱状をなし、前記補助磁石穴に封入された流体によって穴内壁面と非接触状態で支持されることにより回転可能になっていてもよい。

本発明に係る永久磁石型モータのステータでは、ステータのティース部の根元部近傍に補助磁石が回転可能に設けられているため、ステータコイルに流れる電流によってティース部が励磁されることによってステータコアの内部を通る弱め界磁磁束の向きに応じた磁極方向となるよう補助磁石が回転することができる。したがって、ロータの高速回転時には弱め界磁制御時には補助磁石の磁力によって弱め界磁磁束をアシストすることができるので、ステータ内部に永久磁石を設けない場合に比べてより低いコイル電流で同等の弱め界磁磁束を発生することができ、その結果、ステータコイルひいてはモータの発熱を抑制することができる。

このように本発明に係る永久磁石型モータのステータによれば、簡易な構成でステータの弱め界磁磁束を強くすることができ、その結果、コイル電流の低下によって発熱を効果的に抑制することができる。

本発明の一実施形態であるステータを含む永久磁石型モータの軸方向端面を示す図である。 弱め界磁制御時に、補助磁石のＮ極部が径方向内側を向いた状態を示す図である。 弱め界磁制御時に、補助磁石のＳ極部が径方向内側を向いた状態を示す図である。

以下に、本発明に係る実施の形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。この説明において、具体的な形状、材料、数値、方向等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、用途、目的、仕様等にあわせて適宜変更することができる。

以下において、「軸方向」とはロータの回転中心軸に沿う方向をいい、「径方向」とは前記回転中心軸に直交する方向をいい、「周方向」とは前記回転中心軸を中心として直交平面上に描かれる円の円周方向に沿う方向をいう。

図１は、本発明の一実施の形態であるステータを含むモータ１０の軸方向端面を示す。モータ１０は、筒状をなすステータ１２と、ステータ１２の内側に設けられた円柱状のロータ１４とを備える。また、モータ１０は、図示しないケースまたはハウジング内に収容されている。

ステータ１２は、たとえば、打ち抜き加工により円環状に形成された珪素鋼板を軸方向に多数枚積層して一体に連結されてなるステータコア１３によって構成されている。ステータコア１３の内周には、複数（本実施形態では８つ）のティース部１６が周方向に均等間隔で配列され且つ径方向内側に向かってそれぞれ突設されている。そして、隣接する２つのティース部１６間にはスロット部１８が形成されている。これらティース部１６およびスロット部１８は、ステータコア１３と同じ軸方向長さを有して軸方向に延伸している。ティース部１６の径方向内側の先端面１７とロータ１４の外周面との間には、ロータ回転時に両者が緩衝しない程度の狭い隙間が形成されている。

ステータコア１３の各ティース部１６に周囲には、ステータコイル２０がそれぞれ巻装されている。ステータコイル２０は、周方向に隣接するコイル同士が電気的に接続されてもよいし、あるいは、周方向に所定数おき毎のコイル同士が接続されて複数相コイルを構成してもよい。図１中には示されていないが、各ステータコイル２０は、ステータコア１３の軸方向両端面から外側へそれぞれ突出しており、この突出部分がコイルエンド部とも呼ばれる。

また、ステータコア１３は、円環状に連なるヨーク部１５を有する。各ティース部１６は、ヨーク部１５の内周から径方向内方に突設されている。ヨーク部１５においてティース部１６の根元部近傍には、永久磁石からなる補助磁石３０が回転可能に設けられている。

補助磁石３０は、円筒状に形成されており、径方向一方側の半分（点描で示される）がＮ極に着磁され、径方向他方側の半分がＳ極に着磁されている。以下において、補助磁石３０のＮ極に着磁された部分をＮ極部３２といい、Ｓ極に着磁された部分をＳ極部３４という。

補助磁石３０は、ステータ１２の軸方向に延伸する細長い形状をなし、ステータコア１３に貫通形成された円形の補助磁石穴３６内に挿入して配置されている。補助磁石穴３６は、補助磁石３０よりも若干大径に形成されており、補助磁石３０が内部に同心状に配置されたときに穴内周壁と補助磁石３０の外周面との間に隙間が形成されている。

補助磁石３０の中心にはシャフト穴が軸方向に貫通して形成されている。補助磁石３０のシャフト穴には、回転支軸３８が貫通して固定されている。補助磁石３０の軸方向両端から外側へそれぞれ延伸する回転支軸３８の両端部は、ステータコア１３の軸方向両端面に設けた軸受部材（図示せず）によって回転可能に支持されている。これにより、補助磁石３０は、抵抗がほとんど無しに自由に回転できるようになっている。

なお、ステータ１２は一体のステータコア１３から構成されるものとして説明するが、これに限定されず、周方向に複数に分割される分割コアを環状に連ねて締結することによって構成されてもよい。この場合、分割コアは、たとえば圧粉磁心により構成に形成されることができる。また、ステータコイルは、丸線状の導電線を巻回して構成されてよいし、あるいは、帯状平板を巻回してエッジワイズコイルとして形成されもよい。さらに、ステータ１２へのコイルの巻き方は、いわゆる集中巻きである場合に限らず、いわゆる分布巻きであってもよい。

次に、もう１つのモータ構成要素であるロータ１４について説明する。

ロータ１４は、円柱状または円筒状をなすロータコア２２と、ロータコア２２の中心に固定されたロータシャフト２４とを含む。ロータコア２２は、上述したステータコア１３と同様に構成されることができる。すなわち、たとえば、円盤状に打ち抜き加工された珪素鋼板を軸方向に多数枚積層して、かしめ、接着、溶接等の手法によって一体に連結されて構成されている。

ロータコア２２の中心穴を貫通して固定されるロータシャフト２４の軸方向の両端部は、図示しないモータケースに取り付けられた軸受部材によって回転可能にそれぞれ支持されている。図１において、ロータシャフト２４の回転中心軸Ｘが点として示されている。

また、ロータコア２２には、複数の永久磁石２６がコア内部に埋め込まれている。本実施形態のロータ１４では、４つの永久磁石２６がロータコア２２の内部であって外周面近傍の位置で且つ周方向に均等配置で固定されている。永久磁石２６は、軸方向端面が細長い矩形をなす扁平な板状のものである。ロータコア２２の内部には、磁石挿入穴が軸方向に延伸して形成されており、この磁石挿入穴にロータコア２２の軸方向端面から挿入された永久磁石２６が樹脂等によって接着されて穴内の所定位置に固定されている。

このようにロータ１４では、ロータコア２２の内部に永久磁石２６が埋め込まれて固定されているため、高速回転時に遠心力によって永久磁石２６がロータ１４から離脱することがなく、また、磁石挿入穴内に接着等によって固定されているため永久磁石２６がロータコア２２内で軸方向に移動することもない。

上記のような構成からなるステータ１２およびロータ１４を備えるモータ１０では、モータ外部からステータコイル２０にたとえば交流電圧が印加されるとステータコイル２０により励磁されるティース部１６が磁極となって、ステータ１２内に回転磁界が形成されるようになっている。この回転磁界に引き付けられて、ＩＰＭロータ１４が回転駆動されることになる。

続いて、図２，３を参照して弱め界磁制御時の補助磁石３０の動作について説明する。図２は、弱め界磁制御時に補助磁石３０のＮ極部３２が径方向内側を向いた状態を示し、図３は、弱め界磁制御時に補助磁石３０のＳ極部３４が径方向内側に向いた状態を示す。

コイル２０にはモータ外部から電圧印加されることによって弱め界磁電流が流れており、これによりステータコア１３のティース部１６が励磁される。たとえば図２に２つのティース部１６において、下側のティース部１６では、径方向内側の先端部１７がＮ極となり、径方向外側の端部がＳ極となるように励磁されている。これとは逆に、隣接する上側のティース部１６では、径方向内側の先端部１７がＳ極となり、径方向外側の端部がＮ極となるように励磁されている。

このようにティース部１６が励磁されているとき、図２（図３においても同様）中に実線矢印で模式的に示されるように、ステータコア１３の内部には上側のティース部１６の先端部１７からヨーク部１５を通って下側のティース部１６の先端部１７へ向かって弱め界磁磁束４０が発生する。このとき、補助磁石３０は、弱め界磁磁束４０の方向に沿った磁極方向を向くように回転する。すなわち図２に示す例では、先端部１７がＮ極に励磁されている下側のティース部１６の根元部近傍に位置する補助磁石３０はＮ極部３２が径方向内側を向いた状態に回転し、先端部１７がＳ極に励磁されている上側のティース部１６の根元部近傍に位置する補助磁石３０はＳ極部３４が径方向外側に向いた状態に回転する。これにより、弱め界磁磁束４０が補助磁石３０の磁力によってアシストまたは補助されることになる。

つぎに図３を参照すると、図２とは反対の状態が示されている。すなわち、２つのティース部１６において、下側のティース部１６では、径方向内側の先端部１７がＳ極となり、径方向外側の端部がＮ極となるように励磁されている。これとは逆に、隣接する上側のティース部１６では、径方向内側の先端部１７がＮ極となり、径方向外側の端部がＳ極となるように励磁されている。

このようにティース部１６が励磁されているとき、ステータコア１３の内部には下側のティース部１６の先端部１７からヨーク部１５を通って上側のティース部１６の先端部１７へ向かって弱め界磁磁束４０が発生する。このとき、補助磁石３０は、弱め界磁磁束４０の方向に沿った磁極方向を向くように回転する。つまり、先端部１７がＳ極に励磁されている下側のティース部１６の根元部近傍に位置する補助磁石３０はＳ極部３４が径方向内側を向いた状態に回転し、先端部１７がＮ極に励磁されている上側のティース部１６の根元部近傍に位置する補助磁石３０はＮ極部３４が径方向外側に向いた状態に回転する。

上記のように励磁された磁極１６の先端部１７と同じ極性部分が径方向内側に向くように補助磁石３０が回転することによって、弱め界磁磁束４０が補助磁石３０の磁力によりアシストまたは補助されることになる。その結果、弱め界磁制御をコイル電流だけで実行する場合に比べて、コイル２０に流す電流を低下させることができ、その分コイル２０の発熱を抑制することができる。つまり、高速回転時における弱め界磁制御中のモータ１０の発熱を効果的に抑制することができる。

たとえば、直径３ｍｍの補助磁石（Ｂｍ＝１．３（Ｔ））をステータコア１２のティース部１６の根元部近傍に設定した場合、ロータ１４側の横幅３０ｍｍの永久磁石２６の約半分の磁束を相殺することができるため、コイル２０に流す電流は約半分で済み、この場合のジュール熱による発熱は従来の約１／４に抑えられる。

また、本実施形態のステータ１２では、低速回転時等において弱め界磁制御を行わない場合にも、補助磁石３０はステータコア１３内部に発生する磁束方向に沿った向きに全く又はほとんど抵抗なく回転できるため、コイル電流によってステータコア１３内部に発生する磁束を妨げることがない。よって、弱め界磁を行わない制御方式、たとえばＰＷＭ制御方式でモータ１０が駆動されるときにも補助磁石３０が損失を発生させることはない。

本発明に係る永久磁石型モータのステータは、上述した実施形態のものに限定されず、種々の改良または変更が可能である。

たとえば、上記においては補助磁石３０がティース部１６の径方向外側に対応するヨーク部１５内に設けるものとして説明したが、これに限定されるものでなく、周方向に隣接する２つのティース部間に位置するヨーク部内に補助磁石を回転可能に設けてもよい。

また、上記においては補助磁石３０を回転可能に軸支するものとして説明したが、これに限定されるものではなく、抵抗なく回転可能に支持されていればどのような形態で補助磁石を設けてもよい。たとえば、補助磁石を円柱状に形成するとともに補助磁石穴に潤滑性の高い低粘性のオイル等の流体を封入し、これにより補助磁石の外周面と穴内壁面とが非接触状態で補助磁石が回転可能に支持されるようにしてもよい。

１０ 永久磁石型モータ、１２ ステータ、１３ ステータコア、１４ ロータ、１５ ヨーク部、１６ ティース部または磁極、１７ 先端面または先端部、１８ スロット部、２０ ステータコイル、２２ ロータコア、２４ ロータシャフト、２６ 永久磁石、３０ 補助磁石、３２ Ｎ極部、３４ Ｓ極部、３６ 補助磁石穴、３８ 回転支軸、４０ 弱め界磁磁束、Ｘ 回転中心軸。

Claims (4)

1. 永久磁石が内部に埋め込まれたロータと、前記ロータの周囲に設けられた筒状をなし内周部に径方向内方へ突設するティース部が周方向に複数配列されるとともに各ティース部にコイルが巻回されているステータとを備える永久磁石型モータのステータであって、
   前記ステータを構成するステータコアには前記ティース部の径方向外側の根元部近傍に補助磁石が回転可能に設けられている、永久磁石型モータのステータ。
2. 請求項１に記載の永久磁石型モータのステータであって、
   前記補助磁石は前記ステータの軸方向に延伸する細長い柱状をなし、前記ステータコア内に軸方向に沿って形成された補助磁石穴内に回転可能に設けられていることを特徴とする永久磁石型モータのステータ。
3. 請求項２に記載の永久磁石型モータのステータであって、
   前記補助磁石は、中心部にシャフト穴を有する円筒状に形成され、前記シャフト穴に貫通する回転支軸が前記ステータコアの軸方向両端で支持されることにより回転可能になっていることを特徴とする永久磁石型モータのステータ。
4. 請求項２に記載の永久磁石型モータのステータであって、
   前記補助磁石は、円柱状をなし、前記補助磁石穴に封入された流体によって穴内壁面と非接触状態で支持されることにより回転可能になっていることを特徴とする永久磁石型モータのステータ。