JP6060376B2 - 自己始動形永久磁石同期電動機およびそれを搭載した送風装置 - Google Patents

Description

本発明は、主にパイプ用ファンや一般型換気扇などの換気装置や、機器組み込み用の冷却ファンなどを駆動する自己始動形永久磁石同期電動機と送風装置に関するものである。

従来、この種の自己始動形永久磁石同期電動機は、特許文献１に開示された構成のものが知られている。

以下、その自己始動形永久磁石同期電動機について図８〜９を参照しながら説明する。

図８〜９に示すように、自己始動形永久磁石同期電動機１０１は、回転軸１０２と、この回転軸１０２の外周に一体化され回転自在に保持された回転子１０３と、この回転子１０３の外周に、この回転子１０３とは非接触で近接配置して電機子巻線１０４を巻装した固定子１０５により構成される。

また、自己始動形永久磁石同期電動機の回転子１０３は、積層鉄心１０７と始動用かご形導体１１０と、この始動用かご形導体１１０に埋設した永久磁石１１１とで構成されて、回転子磁極を形成している。積層鉄心１０７は、円形状の回転子鉄心を、軸方向に所定の積厚まで積層して形成したものである。始動用かご形導体１１０は、回転子１０３の外径付近に形成した複数の導体バー１０８とこの導体バー１０８の両端に設けたエンドリング１０９とをアルミダイカストで一体成型したものである。永久磁石１１１は、この始動用かご形導体１１０に導体バー１０８より内径側に埋設されている。

また、回転子１０３の回転子鉄心は、回転子１０３の外周付近に導体バー１０８を成形するための複数の回転子スロット１１２と、回転子スロット１１２より内径側に永久磁石１１１を埋設するためのスリット１１３と、回転軸１０２を圧入するための円形の軸孔１１４で構成される。

したがって、回転子１０３の中心には、回転軸１０２を圧入するための円柱形状の軸孔１１４が成形されている。回転子１０３は、回転軸１０２を圧入し一体化することで、回転自在に構成される。

特開２００１−８６６７０号公報

自己始動形永久磁石同期電動機１０１は、始動時には回転子１０３の始動用かご形導体１１０により誘導電動機として動作する。そして、同期速度近くまで加速すると、回転子１０３に埋設した永久磁石１１１の回転子磁極が、電機子巻線１０４で作られる同期速度の回転磁界に引込まれ、同期機として運転される電動機である。

このような従来の自己始動形永久磁石同期電動機１０１は、回転子１０３の始動用かご形導体１１０の抵抗値を小さくすることで、誘導電動機として動作している時の最大トルク時の回転数を高くする。また、最大トルクを大きくすることでスムーズに同期引込する構成となっていた。

しかしながら、自己始動形永久磁石同期電動機１０１の回転子１０３の回転子鉄心は、導体バー１０８を形成するための回転子スロット１１２と、永久磁石１１１を埋設するためのスリット１１３と、回転軸１０２を圧入するための軸孔１１４により構成されている。そのため、回転子１０３の中心に形成された円柱形状の軸孔１１４に回転軸１０２を圧入した時に回転子鉄心が変形する。この回転子鉄心の変形により、始動用かご形導体１１０の応力が高まり、ひずみを生じる。そのため、導体抵抗値が増大することでトルク特性の低下し、同期引込性の低下の原因となる場合がある。

そこで本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、自己始動形永久磁石同期電動機の回転子に回転軸を圧入した時に生じる、回転子鉄心の変形を緩和することで、スムーズな同期引込性を有する自己始動形永久磁石同期電動機を提供することを目的とする。

そして、この目的を達成するために、本発明の自己始動形永久磁石同期電動機は、
回転軸と、
この回転軸の外周に一体化され回転自在に保持された回転子と、
この回転子の外周に、この回転子とは非接触で近接配置した固定子を有し、
前記回転子は、
円形状の回転子鉄心を軸方向に所定の積厚まで積層して形成した円柱形状の積層鉄心と、
回転子外径付近に形成した複数の導体バーと前記導体バーの両端に設けたエンドリングとをアルミダイカストで一体成型した始動用かご形導体と、
この導体バーより内径側に埋設した永久磁石とで構成され、
前記回転子鉄心は、
少なくとも一対の永久磁石を所定の直径に対して線対称に埋設するためのスリットと、
前記回転子鉄心の中心に楕円形状の軸孔を有し、
前記楕円形状の軸孔は、
前記直径と平行に楕円の長径を配置したものであり、
これにより所期の目的を達成するものである。

本発明によれば、回転軸と、この回転軸の外周に一体化され回転自在に保持された回転子と、この回転子の外周に、この回転子とは非接触で近接配置した固定子を有し、前記回転子は、円形状の回転子鉄心を軸方向に所定の積厚まで積層して形成した円柱形状の積層鉄心と、回転子外径付近に形成した複数の導体バーと前記導体バーの両端に設けたエンドリングとをアルミダイカストで一体成型した始動用かご形導体と、この導体バーより内径側に埋設した永久磁石とで構成され、前記回転子鉄心は、少なくとも一対の永久磁石を所定の直径に対して線対称に埋設するためのスリットと、前記回転子鉄心の中心に楕円形状の軸孔を有し、前記楕円形状の軸孔は、前記直径と平行に楕円の長径を配置した自己始動形永久磁石同期電動機の構成とする。

これにより、自己始動形永久磁石同期電動機の回転子に回転軸を圧入した時に生じる、回転子鉄心の変形が緩和される。そのため、始動用かご形導体に生じる応力が低減し、導体抵抗値の増大を抑制することができる。その結果、スムーズな同期引込性を有する自己始動形永久磁石同期電動機が提供できるという効果を得ることできる。

軸流送風機を搭載した換気装置の設置状態を示す断面図 自己始動形永久磁石同期電動機の構成を示す分解斜視図 自己始動形永久磁石同期電動機の回転子の構成を示す分解斜視図 軸流送風機に搭載される自己始動形永久磁石同期電動機の回転数−トルク特性を示すグラフ 従来の自己始動形永久磁石同期電動機の（Ａ）回転子鉄心の平面図、（Ｂ）回転軸を圧入した時に生じる回転子鉄心の変形を示す平面図 本発明の実施の形態１における自己始動形永久磁石同期電動機の（Ａ）回転子鉄心の平面図、（Ｂ）回転軸を圧入した時に生じる回転子鉄心の変形を示す平面図 本発明の実施の形態２における自己始動形永久磁石同期電動機の（Ａ）回転子鉄心の平面図、（Ｂ）回転軸を圧入した時に生じる回転子鉄心の変形を示す平面図 従来の自己始動形永久磁石同期電動機を示す図 従来の自己始動形永久磁石同期電動機の回転子鉄心の平面図

本発明の請求項１記載の自己始動形永久磁石同期電動機は、回転軸と、この回転軸の外周に一体化され回転自在に保持された回転子と、この回転子の外周に、この回転子とは非接触で近接配置した固定子を有し、前記回転子は、円形状の回転子鉄心を軸方向に所定の積厚まで積層して形成した円柱形状の積層鉄心と、回転子外径付近に形成した複数の導体バーと前記導体バーの両端に設けたエンドリングとをアルミダイカストで一体成型した始動用かご形導体と、この導体バーより内径側に埋設した永久磁石とで構成され、前記回転子鉄心は、少なくとも一対の永久磁石を所定の直径に対して線対称に埋設するためのスリットと、前記回転子鉄心の中心に楕円形状の軸孔を有し、前記楕円形状の軸孔は、前記直径と平行に楕円の長径を配置した構成とする。

これにより、自己始動形永久磁石同期電動機の回転子に回転軸を圧入した時に生じる、回転子鉄心の変形が緩和される。そのため、始動用かご形導体に生じる応力が低減し、導体抵抗値の増大を抑制することができる。その結果、スムーズな同期引込性を有する自己始動形永久磁石同期電動機が提供できるという効果を奏する。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１に示すように、軸流送風機１は、自己始動形永久磁石同期電動機２を搭載し、この自己始動形永久磁石同期電動機２の回転軸３に、プロペラファン４を取り付けたものである。換気装置５は、軸流送風機１を内蔵し、軸流送風機１によって室内空気を吸込み口から吸い込んで、建物の壁６を貫通して屋外に排出するものである。

図２に示すように、自己始動形永久磁石同期電動機２は、回転自在に保持された回転子７と固定子９により構成される。回転子７は、炭素鋼鋼材からなる回転軸３の外周に一体化され回転自在に保持されている。固定子９は、この回転子７の外周に、この回転子７とは非接触で近接配置して電機子巻線８を巻装したものである。

図３に示すように、この回転子７は、円柱形状の積層鉄心１１と、始動用かご形導体１４と永久磁石１５とで構成され、回転子磁極を形成している。積層鉄心１１は、電磁鋼板からなる円形状の回転子鉄心１０を、軸方向に所定の積厚まで積層して形成される。始動用かご形導体１４は、回転子７の外径付近に形成した複数の導体バー１２とこの導体バー１２の両端に設けたエンドリング１３とをアルミダイカストで一体成型したものである。永久磁石１５は、希土類磁石等からなり、始動用かご形導体１４に設けた導体バー１２より内径側に埋設されたものである。

ここで、軸流送風機１に搭載される自己始動形永久磁石同期電動機２の特性について説明する。

図４は、自己始動形永久磁石同期電動機２の回転数−トルク特性を示すグラフである。
図４において、横軸は自己始動形永久磁石同期電動機２の回転数を表し、縦軸はそのトルクを表している。始動時には、前記固定子９の電機子巻線８に商用交流電源を印加することで、固定子９の電機子巻線８に電流が流れだす。その電流による起磁力により固定子９の電機子巻線８から回転磁界が発生する。そして、回転子７の始動用かご形導体１４に発生する誘導電流との相互作用によって誘導電動機として回転子７が始動する（図４の領域Ａ）。

一方、回転子７が固定子９の回転磁界の同期速度付近まで加速されると、回転子７の永久磁石１５による回転子磁極が、固定子９の電機子巻線８がつくる同期速度の回転磁界に引き込まれて同期機として運転する（図４の領域Ｂ）。

したがって自己始動形永久磁石同期電動機は、誘導電動機として動作する図４の領域Ａにおいて、最大トルク時の回転数を高く、最大トルク値を大きくすることにより、スムーズに同期引込できることになる。

図４の領域Ａにおいて、所期の回転数−トルク特性を達成するには、始動用かご形導体１４全体の抵抗値を小さくすればよい。すなわち、導体バー１２やエンドリング１３の断面積を大きくすると共に、始動用かご形導体１４をアルミダイカストで成型する時、アルミニウムを十分に充填することにより、始動用かご形導体１４全体の抵抗値が小さくなる。

次に、回転子鉄心１０と、回転子７に回転軸３を圧入した時に生じる回転子鉄心１０の変形について説明する。

図５〜７に、従来の回転子鉄心と回転軸を圧入した時に生じる回転子鉄心の変形を示す。

図５に記載の従来の回転子鉄心１０Ａは、外周付近に導体バー１２を成形するための複数の回転子スロット１６と、回転子スロット１６より内径側に、直径１７に対して線対称に一対の永久磁石１５を埋設するためのスリット１８Ａと、回転軸３を圧入するためのほぼ真円の軸孔１９Ａで構成されている。

図５（Ａ）は、回転軸３を圧入する前の回転子鉄心１０Ａを示し、図５（Ｂ）は、円形状の軸孔１９Ａに回転軸３を圧入した時の回転子鉄心１０Ａの変形を示す。

図５（Ｂ）で示すように、炭素鋼鋼材からなる回転軸３を電磁鋼板からなる回転子鉄心１０Ａの軸孔１９Ａに圧入すると、回転軸３より弾性率の低い回転子鉄心１０Ａは、軸孔１９Ａの破線に示す様に外径方向に一様に変形しようとする。しかしながら、回転子鉄心１０Ａのスリット１８Ａには回転子鉄心１０Ａの弾性率と異なる永久磁石１５が埋設されていることから、図５（Ｂ）の破線に示す様に直径１７方向に変形を生じる。その変形は回転子鉄心１０の外周付近に導体バー１２を成形するための複数の回転子スロット１６にまで及ぶこととなる。そして、回転子鉄心１０より弾性率の低い、回転子スロット１６の内部に成形されたアルミニウムの導体バー１２の応力が高まり、導体バー１２にひずみや変形が生じる。その結果、始動用かご形導体１４全体の抵抗値が大きくなる。

従って、図４の領域Ａにおいて、最大トルク時の回転数が低下し、最大トルクの値が小さくなることから、同期引込性が低下することとなる。

図６は、本発明の実施の形態１における回転子鉄心と回転軸を圧入した時に生じる回転子鉄心の変形を示す。

図６に記載の本発明の実施の形態１における回転子鉄心１０Ｂは、従来の回転子鉄心１０Ａに対して、回転軸３を圧入するための軸孔１９Ｂは楕円形状であり、直径１７上に楕円の長径を配置されている点である。

図６（Ａ）は、回転軸３を圧入する前の回転子鉄心１０Ｂを示し、楕円形状の軸孔１９Ｂに回転軸３を圧入した時の回転子鉄心１０Ｂの変形を示す。

図６（Ｂ）に示すように、炭素鋼鋼材からなる回転軸３を電磁鋼板からなる回転子鉄心１０Ｂの楕円状の軸孔１９Ｂに圧入すると、回転軸３より弾性率の低い回転子鉄心１０が、の軸孔１９Ｂの破線に示す様に外径方向に変形しようとする。そして、楕円形状の軸孔１９Ｂの長径を直径１７に平行に配置していることから、直径１７方向に加わる力が小さく、図５と比較して直径１７方向に変形しにくくなる。すなわち、回転軸３を圧入するために設けた楕円形状の軸孔１９Ｂの長径を、直径１７と平行に配置したことにより、回転軸３の圧入に対する回転子鉄心１０Ｂの変形が緩和されたためである。

上記構成により、アルミニウムからなる始動用かご形導体１４に生じる応力が低減し、
導体抵抗値の増大を抑制することができる。そして、その結果、スムーズな同期引込性を有する自己始動形永久磁石同期電動機を提供することができる。

なお、本実施の形態では、永久磁石１５を埋設するためのスリット１８Ｂの形状を矩形上のもので説明したが、円弧形状等他の形状のものであってもよい。

（実施の形態２）
図７は、本発明の実施の形態２の自己始動形永久磁石同期電動機の回転子鉄心１０Ｃを示す図である。

この図において、実施の形態１（図６に示す回転子鉄心１０Ｂ）と異なるところは、永久磁石１５を埋設するスリット１８Ｃは、所定の直径１７と線対称に略円弧上に４個以上に分割し配置されている点である。

そして、隣接するスリット１８Ｃ同士の間隔は、直径１７にあたる部分に形成される間隔Ｄ１を、他の部分のスリット１８Ｃ同士の間隔Ｄ２よりも大きく取っている。

また、図６と同じ構成要素については同じ符号を用い、その説明を省略する。また、図１の軸流送風機１を搭載した換気装置５および図２の自己始動形永久磁石同期電動機２を示す構成図についても同様のため、その説明を省略する。

この場合、上述のごとく、回転軸３を楕円形状の軸孔１９Ｃに圧入することで回転子鉄心１０Ｃの軸孔１９Ｃに変形を生じる。永久磁石１５を埋設するためのスリット１８Ｃが略円弧上に４分割に配置されている。そのため、永久磁石１５に生じる応力が分散され、また、直径１７方向に生じる変形をより低減することができる。

したがって、回転子７の外周付近に設けたアルミニウムからなる始動用かご形導体１４に生じる応力がより低減し、導体抵抗値の増大をより抑制することができる。その結果、
よりスムーズは同期引込性を有する自己始動形永久磁石同期電動機を提供することができる。

また、本発明の自己始動形永久磁石同期電動機２は、回転子鉄心１０Ｃに設けた回転軸３を圧入するための楕円形状の軸孔１９Ｃの長径を所定の直径１７と平行に配置したことから、回転軸３を軸孔１９Ｃに圧入することで回転子鉄心１０Ｃに生じる変形を低減できる。そして、回転子７の外周付近に設けたアルミニウムからなる始動用かご形導体１４に生じる応力が低減し、導体抵抗値の増大を抑制することができる。したがって、誘導電動機動作時の最大トルク時の回転数を高く、最大トルク値を大きくすることによりスムーズに同期引込できる。

また、間隔Ｄ１を間隔Ｄ２よりも大きく取っているため、直径１７と直交する方向に加わる力はスリット１８Ｃによって妨げられる。一方、直径１７方向に加わる力は、間隔Ｄ１によって外周方向へ逃げることになり、全体の変形が抑えられることになる。

本発明にかかる自己始動形永久磁石同期電動機は、回転子鉄心の中心部に設けた回転軸圧入用の軸孔を楕円形状とすることで、回転軸圧入時の回転子鉄心の変形が緩和され、始動用かご形導体に生じる応力を低減することから、導体抵抗の変化を抑制でき、同期引込性が向上する。そして、パイプ用ファンや一般型換気扇などの換気装置や、機器組み込み用の冷却ファンなどを駆動する自己始動形永久磁石同期電動機と送風装置として有用である。

１ 軸流送風機
２ 自己始動形永久磁石同期電動機
３ 回転軸
４ プロペラファン
５ 換気装置
６ 壁
７ 回転子
８ 電機子巻線
９ 固定子
１０ 回転子鉄心
１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ 回転子鉄心
１１ 積層鉄心
１２ 導体バー
１３ エンドリング
１４ 始動用かご形導体
１５ 永久磁石
１６ 回転子スロット
１７ 直径
１８ スリット
１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ スリット
１９ 軸孔
１９Ａ、１９Ｂ、１９Ｃ 軸孔

Claims (4)

1. 回転軸と、
   この回転軸の外周に一体化され回転自在に保持された回転子と、
   この回転子の外周に、
   この回転子とは非接触で近接配置した固定子を有し、
   前記回転子は、
   円形状の回転子鉄心を軸方向に所定の積厚まで積層して形成した円柱形状の積層鉄心と、
   回転子外径付近に形成した複数の導体バーと前記導体バーの両端に設けたエンドリングとをアルミダイカストで一体成型した始動用かご形導体と、
   この導体バーの内周側に埋設した永久磁石とで構成され、
   前記回転子鉄心は、
   少なくとも一対の永久磁石を所定の直径に対して線対称に埋設するためのスリットと、
   前記回転子鉄心の中心に楕円形状の軸孔を有し、
   前記楕円形状の軸孔は、
   前記直径と平行に楕円の長径を配置した自己始動形永久磁石同期電動機。
2. 前記スリットは、前記直径と線対称に４個以上の偶数個配置した請求項１に記載の自己始動形永久磁石同期電動機。
3. 隣接した前記スリット同士の間隔は、前記直径部分の間隔を他の間隔よりも大きくした請求項２記載の自己始動形永久磁石同期電動機。
4. 請求項１〜３いずれかに記載の自己始動形永久磁石同期電動機を搭載した送風装置。
   

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