JP3777839B2 - 永久磁石埋込モータ - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はマグネットトルクとリラクタンストルクのいずれも利用する永久磁石埋込モータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、省エネルギーの観点から小型・高効率・高出力なモータとして、永久磁石をロータ表面に貼り付ける表面磁石モータに代わり、永久磁石をロータ内部に埋め込んで、マグネットトルクに加えてリラクタンストルクを利用する永久磁石埋込モータが注目されている。このようなモータとして、従来から鉄などの高透磁率材からなるロータ本体に永久磁石を埋設したロータを使用したリラクタンストルクモータが知られている。
【０００３】
従来の永久磁石埋込式のリラクタンストルクモータは、高透磁率材の鉄心あるいは積層珪素鋼板で構成されたロータコアの内部に、ロータ中心側に凸の円弧形状に形成された永久磁石を埋め込んでロータを構成している。４極モータの場合、４本の永久磁石がＮ極、Ｓ極交互となるように、円周方向に配設されている。この様な構成にすることで、永久磁石の中心とロータ中心とを結ぶ方向であるｄ軸方向のインダクタンスＬｄと、ｄ軸に対し電気角で９０度回転した方向であるｑ軸方向のインダクタンスＬｑに差が生じ、永久磁石によるマグネットトルクに加えて、リラクタンストルクも発生するようになる。このリラクタンストルクを効率的に利用することでこの種のモータの効率は改善される。
【０００４】
上記従来の永久磁石埋込モータにおいては、ある程度有効にリラクタンストルクを利用することができるが、ｑ軸方向の磁束の流れが永久磁石の端面部にじゃまされてロータ内部に入り込むことができなかった。
【０００５】
このような問題に対し、特開平８−３３１７８３号公報には、２層構造の永久磁石付ロータが示されている。この埋込磁石は、ロータ半径方向に１極当り２層に間隔を置いて配置された４組の永久磁石が埋め込まれており、各組の永久磁石は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はその外周側の極性が同一となるように構成されている。
【０００６】
リラクタンストルクモータにおいて、リラクタンストルク発生のために最も有効な磁束は、一つのティースから他のティースに流れる磁束の内、外周側の永久磁石の背面を通過する磁束の密度が大であるほど、リラクタンストルクの発生量を大とすることができる。ところが特開平８−３３１７８３号に開示される発明において、磁気的空隙となる永久磁石の端面が相当の幅をもってティースに向き合うので、磁路がこの部分において極端に折り曲げられ、磁路上の磁気抵抗が大きくなり、磁路上の磁束密度が低下してリラクタンストルクを十分に取り出すことができないという問題点がある。
【０００７】
このような問題に対し、永久磁石をロータ半径方向に間隔をおいて２層以上に分割した各永久磁石の両端部をロータ表面に対し近接する位置で先端を細めることにより、リラクタンストルクに作用する磁路の磁束密度を高く維持することができることが特開平８−３３６２４７号公報に開示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このように、永久磁石埋込モータのリラクタンストルクを効率的に利用するには、埋込磁石からの磁束密度を大きくする工夫がなされてきたが、未だ不十分であり、リラクタンストルクを十分に引き出していない。特に、数ワットクラス以下の小型モータに適用することは極めて困難であった。
【０００９】
従って、本願発明は上述した問題を解決することを目的とし、永久磁石埋込モータの永久磁石からの磁束密度を大きくすることで、リラクタンストルクをさらに向上し、モータの高トルク化、または省電力型のモータを実現し、さらには超小型化を可能とするリラクタンストルクモータを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、埋込磁石からの磁束密度を向上するためには、２層以上に分割した永久磁石を同極を向かい合わせて埋込、そのときに得られる磁束の反発を積極的に利用することで、磁束密度を最大にすることができることを見いだし本発明を完成するに至った。
【００１１】
すなわち、本発明の永久磁石埋設モータは、ロータ本体にロータ円周方向にＳ極、Ｎ極が交互となるように複数の永久磁石を埋設して、ステータの回転磁界と永久磁石の磁界との作用で発生するマグネットトルクと、該回転磁界による磁路がロータ本体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トルクを利用する永久磁石埋込モータにおいて、
該永久磁石はロータ半径方向に間隔をおいて２層以上からなり、
ロータ半径方向の磁極は互いに同極が対向するように埋設されていることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の永久磁石埋設モータに使用する２層の永久磁石は異なる磁気特性を有することが好ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の永久磁石埋設型モータにおいて、該永久磁石はロータ半径方向に間隔をおいて２層以上からなり、ロータ半径方向の磁極は、互いに同極が対向するように埋設されていることを特徴としている。このような構成とする事により、永久磁石の２層構造から出る磁力線は、図１に示すような形となり、結果として、永久磁石の端部からでる磁束は、異極を対向させた図２に示す場合に比べると比較にならないほど大きくなる。図１に示す本発明の場合、２層の磁石のそれぞれから出る磁力線は、ほとんどがその端部から出るのに対して、図２に示す従来技術では、磁力線のほとんどは端部より出ないからである。本発明において、この端部から出る磁力線の磁束密度を最大にすることが可能となる。
【００１４】
ロータ部に埋め込まれる永久磁石は、永久磁石の端部から出る磁力線がロータの表面に対しほぼ直角になるように配置されることが、マグネットトルクとリラクタンストルクの総和を大きくするために必要である。従って、２層以上で構成される永久磁石の形状はそのことを考慮して、円弧状、半円弧状等に仕上げることが好ましい。
【００１５】
しかし、２層の永久磁石を上記したような円弧状等にするよりも平板状の永久磁石を２層にした方が加工が容易である。このような加工容易性を考慮し、平板状あるいは扁平な円弧状の永久磁石を使用する場合、ロータ部に半径方向に２層以上に埋め込まれる永久磁石のうち、内周側の永久磁石の磁化は外周側の磁石の磁力よりより少なくとも５％以上大きくすることが好ましい。それは、異なる磁化の永久磁石を２層にすることにより磁力線が曲げられ、ロータ表面に対して磁力線がより直角に出るようになり、その結果、磁束のより効率的利用が可能となるからである。このような組み合わせを実現するには、内側の磁石の厚みを外側の磁石のそれより大きくすること、埋込磁石をボンド磁石とする場合には、内側のボンド磁石の磁性材料の密度を外側のそれより大きくすること、あるいは内側を外側よりも磁化の大きな永久磁石とすることなどにより達成できる。
【００１６】
本発明の特徴は、上記したとおりであり、ロータがステータの内部にあるインナータイプであっても、ロータがステータの外側に位置するアウターロータ型でも適用可能である。
【００１７】
【実施例】
［実施例１］
本発明を回転軸方向に直角の断面図を基に説明する。図３にステータにより囲まれて、その内部にロータを配置する構造（インナーロータ）を示す。ロータ２は、高透磁率材からなるロータコアに、Ｎ極、Ｓ極が交互となるように配置された４組の永久磁石１ａ、１ｂを埋め込み、ロータ軸５に固着することによって構成されている。各永久磁石１ａ、１ｂは、ロータ中心側に凸の円弧形状に形成され、夫々の永久磁石の両端部はロータ外周に近接する位置まで伸びている。そして内周側の永久磁石１ａと外周側の永久磁石１ｂとの間隔は、ほぼ一定幅となっていて、この間隔部分にはロータの高透磁率材が挟まれている。そして、永久磁石１ａ、１ｂは同極が互いに対向するように埋め込まれている。
【００１８】
永久磁石１ａ及び１ｂはロータの半径方向にＳ極、Ｎ極が発現するように着磁されており、しかも４組の１ａ及び１ｂの埋込磁石は、Ｓ極どうし、Ｎ極どうしが対向するように埋設されている。
【００１９】
ステータ３は、所定本数のティース４を備え、各ティース間にはステータ巻線（図示省略）が配されて構成されている。前記ステータ巻線に交流電流が与えられることで回転磁束が発生し、この回転磁束により、ロータ２にはマグネットトルク及びリラクタンストルクが作用し、ロータ２は回転駆動される。
【００２０】
この様な構成にすれば、埋込磁石からの磁束密度が最大となり、またマグネット量も従来の１層タイプと同量程度にするため、リラクタンストルクが最大限利用されることとなる。その結果、同一電流でモータを運転させた場合、マグネットトルクもリラクタンストルクも最大限利用できる最適なモータ構成とすることが可能となる。
【００２１】
上記実施例では、各永久磁石１ａ、１ｂをロータ中心側に凸の円弧形状に形成しているが、これらを他の形状、たとえばロータ中心側に凸の∪形状などに形成することができる。又、上述したように、ロータ部に半径方向に２層以上に埋め込まれる永久磁石のうち、内周側の永久磁石の磁化は外周側の磁石の磁力よりより少なくとも５％以上大きくすることにより、扁平な円弧状あるいは平板状の永久磁石を使用することが出きる。また、この実施例では各永久磁石１ａ、１ｂはその端部に至るまですべてを永久磁石で構成しているが、端部を空隙部（空気層）や合成樹脂充填層で構成してもよい。
【００２２】
永久磁石１ａ、１ｂはともに、射出成形グレードの樹脂磁石を使用した。１ａは、磁性粉末として異方性のＳｍ−Ｆｅ−Ｎ系磁性材料を使用し、樹脂にはナイロン１２を使用し、磁性粉末の配合量が９１ｗｔ％である。１ｂは、磁性粉末としてＮｄ系ＭＱＰ−Ｂを使用し、樹脂にはナイロン１２を使用し、磁性粉末の配合量が９１ｗｔ％である。
【００２３】
［実施例２］
本実施例において、内部にステータを有し、その周りにロータを配置する場合の構造（アウターロータ）のモータに適用した例を示す。その構造を回転軸方向に直角の断面図を基に説明する。
【００２４】
ロータ２は、高透磁率材からなるロータコアに、Ｎ極、Ｓ極が交互となるように配置された４組の永久磁石１ａ、１ｂが埋め込まれている。１極あたりの永久磁石は、ロータ半径方向に２分割され、外周側の永久磁石１ａと内周側の永久磁石１ｂとで構成されている。各永久磁石１ａ、１ｂは、ロータ中心側に凹の円弧形状に形成され、夫々の永久磁石の両端部はロータ外周に近接する位置まで伸びている。
【００２５】
永久磁石１ａ及び１ｂはロータの半径方向にＳ極、Ｎ極が発現するように着磁されており、４組の１ａ及び１ｂの埋込磁石は、Ｓ極どうし、Ｎ極どうしが対向するように埋設されている。
【００２６】
ステータ３は、所定本数のティース４を備え、各ティース間にはステータ巻線（図示省略）が配されて構成されている。前記ステータ巻線に交流電流が与えられることで回転磁束が発生し、この回転磁束により、ロータ２にはマグネットトルク及びリラクタンストルクが作用し、ロータ２は回転駆動される。
【００２７】
この様な構成にすれば、埋込磁石からの磁束密度が最大となり、またマグネット量も従来の１層タイプと同量程度にするため、リラクタンストルクが最大限利用されることとなる。その結果、同一電流でモータを運転させた場合、マグネットトルクもリラクタンストルクも最大限利用できる最適なモータ構成とすることが可能となる。
【００２８】
上記実施例では、各永久磁石１ａ、１ｂをロータ中心側に凹の円弧形状に形成しているが、これらを他の形状、たとえばロータ中心側に凹の∪形状、あるいは平板状などに形成することができる。又上記実施例では各永久磁石１ａ、１ｂはその端部に至るまですべてを永久磁石で構成しているが、端部を空隙部（空気層）や合成樹脂充填層で構成してもよい。
【００２９】
永久磁石１ａ、１ｂはともに、射出成形グレードの樹脂磁石を使用した。１ａは、磁性粉末として異方性のＳｍ−Ｆｅ−Ｎ系磁性材料を使用し、樹脂にはナイロン１２を使用し、磁性粉末の配合量が９１ｗｔ％である。１ｂは、磁性粉末としてＮｄ系ＭＱＰ−Ｂを使用し、樹脂にはナイロン１２を使用し、磁性粉末の配合量が９１ｗｔ％である。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によれば、従来の永久磁石を１層に構成した永久磁石埋込モータに比較して、リラクタンストルクを大きくとることができ、マグネットトルクとリラクタンストルクの足しあわせで発生する総合トルクが最大になると共に、高トルク・高出力の省電力型のモータを実現し、また、超小型化を可能とするリラクタンストルクモータを提供することが可能である。さらに、コキングの発生を抑えることができる
【図面の簡単な説明】
【図１】同極が対向している二層の永久磁石からでる磁力線を示す模式図。
【図２】異極が対向している二層永久磁石からでる磁力線を示す模式図。
【図３】本発明の永久磁石埋込モータの一つの実施例を示す断面図
【図４】本発明の永久磁石埋込モータの一つの実施例を示す断面図
【符号の説明】
１ａ・・・ 永久磁石
１ｂ・・・ 永久磁石
２・・・・ ロータ
３・・・・ ステータ
４・・・・ ティース
５・・・・ ロータ軸

Claims (2)

1. ロータと該ロータの内周または外周に配されるステータと、
   前記ロータ内に埋没された円弧状の複数の永久磁石と、を有する永久磁石埋込モータにおいて、
   前記永久磁石は、互いに間隔をおく２層が、同極を向かい合わせられてなり、前記２層の両端部は、該両端部から出る磁力線が前記ロータ表面に対してほぼ垂直になるように、前記ロータ外周に近接する位置まで伸びるように配置されていることを特徴とする永久磁石埋込モータ。
2. 前記２層は、異なる磁気特性を有することを特徴とする請求項１に記載の永久磁石埋込モータ。

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