JP4491260B2 - ベアリングレスモータ用回転子およびベアリングレスモータ - Google Patents

Description

本発明は、ベアリングレスモータ用回転子およびベアリングレスモータに関する。

近年、機械的軸受に起因する諸問題，またこれらを解決するために用いられている磁気軸受になお残されている問題を解決するためにベアリングレスモータが研究開発されている。ベアリングレスモータはギャップの磁束を意図的に不平衡にしてトルクと支持力を発生させ，電動機と磁気軸受を一体化した電磁機器であり、高速化、長寿命化、オイルレス化などの要望に応えるものである。

様々なモータ形式のベアリングレスモータが提案されている中で，永久磁石型は小型で強力な起磁力を持つ希土類磁石を用いることにより，・小型軽量，・高力率，高効率，・励磁電流なしで支持力を発生可能，などの特長を持っている。

既に表面貼付型や埋込型，Inset型，ディスク型，コンシクエントポール形などのベアリングレスモータが開発されており，ディスク型で小型の液体ポンプに実用化された例もある。

上記ベアリングレスモータのうち、埋込型ベアリングレスモータは永久磁石を回転子鉄心内に埋め込み，突極性を持たせて磁束弱め制御を行うことにより広い速度範囲での可変速運転や，リラクタンストルクを発生して高効率運転が可能になる。また埋込型である故に、高速回転時に磁石の飛散を防ぐためのカバーが必要ないのでギャップ長（ステータ・ロータ間の間隙）を小さくすることができる。このため支持力対電流比を大きくできるなどの特徴がある（例えば、特許文献１参照）。図９に突極付埋込型回転子の例を示す。この回転子１００はリラクタンストルクを得るための突極１０６を備え、無負荷時の支持力を増すために磁石１０２の厚みを薄くしている。また磁石１０２に不可逆減磁が起こるのを避けるため、磁石１０２を一個の磁石ではなく小分けにし、小さな磁石１０２の集合体としている。さらに、磁石１０２間にブリッジ１０４を設けたことで漏れ磁束を発生させ、減磁強度を増している。

しかし上記特許文献で発明者らが既に提案した埋込磁石構造ベアリングレスモータの回転子１００は無負荷時や軽負荷時の支持力を増加するため薄い磁石１０２を使用しているために突極比が小さく，またブリッジ１０４からの漏れ磁束のため界磁磁束が弱くなり、トルクを増加することが難しいといった理由から埋込型ベアリングレスモータの特徴であるリラクタンストルクを有効に活用できず、トルク性能が伸びなかった。すなわち、上記の「広い速度範囲での可変速運転」，「リラクタンストルクを発生して高効率運転が可能」という埋込磁石構造同期モータの特長が生かされていない。
特開２００２−２７２０２８号公報

本発明は上記事実を考慮し、安価で広い速度範囲で効率のよい可変速運転が可能なベアリングレスモータ用回転子およびベアリングレスモータを提供することを課題とする。

請求項１に記載のベアリングレスモータ用回転子は、回転子鉄心の周方向に所定間隔を隔てて形成された複数の突極と、前記回転子鉄心の前記突極間にそれぞれが前記回転子鉄心の略周方向を長手方向として形成された複数の挿入部と、それぞれが前記各挿入部へ挿入される複数の磁極を備えたベアリングレスモータ用回転子において、前記磁極の各々が、直方体状の永久磁石小片を着磁方向が前記挿入部の長手方向に交差する方向を向くように複数個積層して構成した一対の積層部と、前記一対の積層部を連結すると共に着磁方向が前記各積層部の着磁方向と同じ方向を向くように配列された複数の直方体状の永久磁石小片から成る連結部と、から構成され、前記磁極の永久磁石小片の配列は、回転子の平面視において少なくとも径方向外側面が径方向内側へ凹むように、前記連結部が前記積層部より径方向に薄く形成されていることを特徴とする。

上記構成の発明では、磁極中央部の厚みを端部よりも薄くし、かつ端部を厚くすることでベアリングレスモータの軸を支持する支持力が確保されると共に、磁極端部において生ずる不可逆減磁を防ぐことができる。

また、各々の磁極を直方体状の永久磁石小片を着磁方向が同じ方向を向くように積層・配列して構成することで高価な特殊形状磁石を使用せずコストを抑えることができ、且つ周方向の両端部である積層部を略半径方向に厚みを持つように積層することで不可逆減磁を防ぐことができる。

請求項２に記載のベアリングレスモータ用回転子は、前記磁極の永久磁石小片の配列は、回転子の平面視において径方向外側面が径方向内側へ、径方向内側面が径方向外側へ凹むように前記連結部と前記積層部とが略Ｈ字形状を成すことを特徴とする。

上記構成の発明では、ベアリングレスモータの軸を支持する支持力が確保されると共に、回転子の突極を拡大することが可能であるので、リラクタンストルクを増大することが出来る。

請求項３に記載のベアリングレスモータ用回転子は、前記積層部の磁束密度が高くなるように前記各積層部の外側面に着磁方向を前記積層方向と直交する方向として配置された直方体状の永久磁石小片を更に含むことを特徴とする。

上記構成の発明では、積層部の各外側面に永久磁石小片を追加することで起磁力を増大させ、積層部の磁束密度を高くすることができる。

請求項４に記載のベアリングレスモータは、トルク発生用の磁束を発生する巻線と回転子支持用の磁束を発生する巻線とを備えた固定子と、前記固定子内に回転可能に配置され請求項１または請求項２に記載のベアリングレスモータ用回転子と、を備えたことを特徴とする。

上記構成の発明では、安価で広い速度範囲で効率のよい可変速運転が可能なベアリングレスモータとすることができる。

以上説明したように、本発明によれば安価で広い速度範囲で効率のよい可変速運転が可能なベアリングレスモータ用回転子およびベアリングレスモータとできる。

図１には本発明の第１実施形態に係るベアリングレスモータ用回転子が示されている。

回転子１０は磁石１２、突極１４を備えた略円盤状の形状をしており、回転子１０自体は図２に示すような形状の薄板１０ａをモータ軸方向（白矢印方向）に積層した構造となっている。また、複数の回転子１０をモータ軸方向に積層して更にトルクを向上させる構造としてもよい。このとき、リップルを防ぐため回転子１０と隣接する回転子１０ｂとは図１のように回転方向に角度をオフセット（スキュー）させてもよい。

回転子１０には磁石１２が黒矢印の方向に挿入され、回転子１０の磁極を形成している。磁石１２は後述するように略Ｈの字型の断面をしており、半径方向に厚みをもった積層部が円周方向に１対設けられ、１対の積層部を薄い連結部が連結して磁石１２を構成している。積層部の円周方向外側、連結部と接していない側には追加部分が設けられ、磁石全体の起磁力を増している。

図２には本発明の第１実施形態に係るベアリングレスモータ用回転子を構成する薄板の寸法例が示されている。（単位：ｍｍ）数値はあくまでも一例であって、本実施例がこの数値に限定されるわけではない。

図３には本発明の第１実施形態に係るベアリングレスモータ用回転子の磁石の構造が示されている。

磁石１２は周方向両端の積層部１２ａ、２つの１２ａを連結する連結部１２ｂ、１２ａの周方向外側に設けられた追加部分１２ｃから構成されている。図中の黒矢印はＳ極からＮ極へ向かう着磁方向を表している。

図３に示すように磁石１２は直方体形状の磁石片１６が並べられ積層部１２ａ、連結部１２ｂ、追加部分１２ｃを形成しており、周方向の両端部である積層部１２ａは略半径方向に厚みを持つように積層されることで不可逆減磁を防いでいる。また、連結部１２ｂは透磁率の低い磁石の厚みを略半径方向に薄くすることでベアリングレスモータの軸を支える支持力を増している。また、このように磁石１２を小さな磁石片１６に分割することで、モータの効率を低下させる渦電流の発生を抑えることができる。

さらに連結部１２ｂを回転子１０の表面より深い部分に埋め込んだことで図３の距離ｄを大きくとり、発生するリラクタンストルクをより大きくすることができる。追加部分１２ｃには積層部１２ａと直交する方向に着磁した磁石を配置することで起磁力を増加させることができる。

図４には参考例としてベアリングレスモータ用回転子が示されている。

回転子１１は磁極１３、突極１５を備えた略円盤状の形状をしている。磁極１３は回転子１１の外周形状に沿うような略円弧状の磁石であり、円周方向両端部の厚みを大きくする形状となっている。

図４に示す回転子１１は図９の突極付埋込型の回転子１００と比較してブリッジ１０４が存在しない一体形成の磁石を使用しているので漏れ磁束は発生しないが、一体成型の磁石を使用する必要があり、さらに回転子１１の外周面に沿って磁石１３を埋め込んだ構造であるため、リラクタンストルクの向上は期待できない。

図５には本発明の第１実施形態に係るベアリングレスモータ用回転子の突極幅ごとのトルク／電流位相角の関係が示されている。

有限要素法を用いて本発明の第一実施形態に係る回転子１０の突極幅を変化させた際の電流位相角とトルクの関係を解析した結果、図５に示すように突極幅３３°、電流位相角βは−２０°〜−３０°近傍で最大トルクが得られることが明らかになった。ここで電流位相角βはｑ軸方向を０とし、符号のマイナスはｄ軸電流が負、すなわち磁束弱めの意味である。

図６には本発明の第１実施形態に係るベアリングレスモータ用回転子のトルク／電流位相角の関係が示されている。

本発明の第一実施形態に係る回転子１０の突極幅を３３°とし、電流位相角βとトルクの関係を解析した結果、図６に示すように突極幅３３°、電流位相角βは−２５°近傍で最大トルクが得られることが明らかになった。ただし、本実施形態は４極モータであるため、極数が変われば当然、最適な突極幅も異なった数値となる。

図７には本発明の第１実施形態に係るベアリングレスモータ用回転子と図９に示す従来例とのトルクの比較が示されている。

図７は支持電流ｉsd＝８Ａにおいてｑ軸電流ｉmｑを変化させた際のトルクの比較であり、従来型と比較して本実施形態の方が大きなトルクが得られていることが解る。これは回転子１０に従来型のようなブリッジ１０４を設けないことで漏れ磁束がなくなり、界磁磁束が増加したためであると考えられる。

本実施形態の構成では突極比を増加したためマグネットトルクの他にリラクタンストルクを発生し、全体としては最大で従来の突極付埋込型回転子を使用したベアリングレスモータの約１．７２倍のトルクが得られている。

図８には本発明の第１実施形態に係るベアリングレスモータ用回転子と図９に示す従来例との支持力の比較が示されている。

図８はｑ軸電流ｉmｑを変化させた際の支持力の比較であり、従来型と比較して本実施形態はｑ軸電流ｉmｑ＜７Ａで従来型よりも大きな支持力が得られていることが解る。モータの定格電流は７．８Ａである。

ｑ軸電流ｉmｑ＞７Ａの領域では磁極端１２ａの磁石厚を増したことでｑ軸磁束が固定子ヨーク部や一部の固定子の歯に集中し、磁気飽和が生じるため支持力が減少している。しかし定格電流は７．８Ａであること、ｑ軸電流ｉmｑ＝１０Ａにおいても支持力の減少はピーク時に比較して１２％程度であることなどから本実施形態の有用性は明らかである。

以上説明したように、本発明によれば安価で広い速度範囲で効率のよい可変速運転が可能なベアリングレスモータ用回転子およびベアリングレスモータとできる。なお上記実施例は４極モータであるが、本発明は上記実施例以外にも極数の異なるモータなどに応用できることは言うまでもない。

図１は、実施形態１に係る回転子の外観を示す斜視図である。 図２は、実施形態１に係る回転子の構造を示す平面図である。 図３は、実施形態１に係る回転子の構造を示す平面図である。 図４は、参考例の回転子の構造を示す平面図である。 図５は、実施形態１に係る回転子の突極幅とトルクの関係を示す図である。 図６は、実施形態１に係る回転子の電流位相角とトルクの関係を示す図である。 図７は、実施形態１に係る回転子と従来例とのトルクの関係を示す図である。 図８は、実施形態１に係る回転子と従来例との支持力の関係を示す図である。 図９は、従来の回転子の構造を示す平面図である。

１０ 回転子
１２ 磁石
１４ 突極
１６ 磁石片

Claims (4)

1. 回転子鉄心の周方向に所定間隔を隔てて形成された複数の突極と、
   前記回転子鉄心の前記突極間にそれぞれが前記回転子鉄心の略周方向を長手方向として形成された複数の挿入部と、
   それぞれが前記各挿入部へ挿入される複数の磁極を備えたベアリングレスモータ用回転子において、
   前記磁極の各々が、直方体状の永久磁石小片を着磁方向が前記挿入部の長手方向に交差する方向を向くように複数個積層して構成した一対の積層部と、前記一対の積層部を連結すると共に着磁方向が前記各積層部の着磁方向と同じ方向を向くように配列された複数の直方体状の永久磁石小片から成る連結部と、から構成され、
   前記磁極の永久磁石小片の配列は、回転子の平面視において少なくとも径方向外側面が径方向内側へ凹むように、前記連結部が前記積層部より径方向に薄く形成されていることを特徴とするベアリングレスモータ用回転子。
2. 前記磁極の永久磁石小片の配列は、回転子の平面視において径方向外側面が径方向内側へ、径方向内側面が径方向外側へ凹むように、前記連結部と前記積層部とが略Ｈ字形状を成すことを特徴とする請求項１に記載のベアリングレスモータ用回転子。
3. 前記積層部の磁束密度が高くなるように前記各積層部の外側面に着磁方向を前記積層方向と直交する方向として配置された直方体状の永久磁石小片を更に含むことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のベアリングレスモータ用回転子。
4. トルク発生用の磁束を発生する巻線と回転子支持用の磁束を発生する巻線とを備えた固定子と、
   前記固定子内に回転可能に配置された請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のベアリングレスモータ用回転子と、
   を備えたことを特徴とするベアリングレスモータ。

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