JPWO2004064225A1 - 永久磁石型電動機 - Google Patents

Abstract

永久磁石型電動機１は、永久磁石３１が固定された回転子とを備え、回転子２０は、回転子磁極部２４の外周形状が、周方向中央部にて回転子鉄心２１の中心からの距離が最も長くなり、極間部にて前記回転子鉄心の中心からの距離が最も短くなると共に、回転子磁極部２４の端面が円弧を成すように形成されており、永久磁石３１の外側面と回転子磁極部２４の端面とにより形成される被覆厚さｔｃをほぼ一定とし、永久磁石３１の磁石厚さｔｍとすると、ｔｃ／ｔｍ≦０．２５を満たすものである。

Description

本発明は、永久磁石を有する永久磁石型電動機におけるコギングトルク、トルクリニアリティー特性の改良に関する。

従来の永久磁石型電動機を実開昭６２−１１９１７５号公報によって説明する。かかる永久磁石型電動機（以下、「磁石表面型電動機」という）は、回転軸の外周部に固定された複数の永久磁石と、該永久磁石の間にスペーサと、該永久磁石の表面を半径方向に押圧する非磁性体から成る押圧部材とを備えた回転子を有するものである。
かかる磁石表面型電動機よれば、回転子の表面に磁石が固定されているので、トルクと電流の直線性を示すトルクリニアリティー特性が優れている。したがって、高負荷時、少ない電流で大きいトルクを得ることができるので、制御性が優れるものである。
しかしながら、上記磁石表面型電動機は永久磁石を固定する押圧部材などを要するので、構造が複雑になっていた。
そこで、上記課題を解決するために、永久磁石埋込型電動機が特開２０００−１９７２９２号公報に開示されている。
該公報に開示された技術によれば、永久磁石埋め込型電動機は、回転子鉄心の円周方向に回転子の極数分等間隔に設けられ鉄心周方向を長辺とし鉄心径方向を短辺として軸方向に貫通する矩形の磁石用孔を有し、前記磁石用孔のそれぞれに磁極面を鉄心径方向として互いに隣接する磁極が異なるように永久磁石を装着し、前記永久磁石のそれぞれの外周側磁極面に形成される回転子磁極部の外周形状が、周方向中央部にて鉄心中心よりの距離が最も大きくなり、極間部にて鉄心中心よりの距離が最も小さくなるような各回転子磁極部毎の円弧状をなしているものである。
かかる永久磁石埋込型電動機によれば、固定子鉄心に永久磁石が埋め込まれているので、永久磁石を固定する押圧部材が不要になるものである。
しかしながら、上記特開２０００−１９７２９２号公報に記載の永久磁石埋込型電動機では、回転子鉄心外周部の厚さを規定していないので、空隙磁束密度の高調波成分に起因して無通電時に発生するトルク変動となるコギングトルクがやや大きく、トルクリニアリティーが向上できないという課題があった。
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、コギングトルクを低減すると共に、トルクリニアリティー向上する永久磁石型電動機を提供することを目的とする。

第１の発明に係る永久磁石型電動機は、固定子巻線を有する固定子と、回転子鉄心の極数分設けられると共に、軸方向に穿設された複数の磁石用孔を有し、隣接する磁極が交互に異なるように永久磁石が固定された回転子とを備え、前記回転子は、前記永久磁石のそれぞれの外周側磁極面に形成される回転子磁極部の外周形状が、周方向中央部にて前記回転子鉄心の中心からの距離が最も長くなり、第１の前記永久磁石と第２の前記永久磁石との間に形成される極間部にて前記回転子鉄心の中心からの距離が最も短くなると共に、前記回転子磁極部の端面が円弧を成すように形成されており、前記磁石用孔の外側が前記円弧とほぼ同一で、略弓形状に穿設されており、前記永久磁石の外側面と前記回転子磁極部の端面とにより形成される被覆厚さｔｃをほぼ一定とし、前記永久磁石の厚さを磁石厚さｔｍとすると、ｔｃ／ｔｍ≦０．２５を満たす、ことを特徴とするものである。
かかる永久磁石型電動機によれば、従来の永久磁石埋込型電動機に比較してコギングトルクが少なくなりトルクリニアリティーが向上するという効果がある。
第２の発明に係る永久磁石型電動機は、０．１４３≦ｔｃ／ｔｍ≦０．１７４を満たすことを特徴とするものである。
かかる永久磁石型電動機によれば、より一層コギングトルクが減少するという効果がある。
第３の発明に係る永久磁石型電動機は、回転子の外側面が回転子鉄心の中心から最大となる直径を回転子最大直径Ｄｒ、回転子磁極部の外側面より形成される円弧の半径を回転子円弧半径Ｒｐとすると、０．２３≦Ｒｐ／Ｄｒ≦０．３２を満たす、ことを特徴とするものである。
かかる永久磁石型電動機によれば、回転子における永久磁石のＮ（Ｓ）極からＳ（Ｎ）極への磁束波形が理想の正弦波に近くなるので、コギングトルクが減少するという効果がある。
第４の発明に係る永久磁石型電動機は、前記永久磁石の厚さに対応する前記磁石用孔の幅を孔幅ｔｈ、前記磁石用孔の両端に略半円面を設け、該半円面の半径を孔端部半径Ｒｈとすると、０．４５≦Ｒｈ／ｔｈ≦０．５を満たす、ことを特徴とものである。
かかる永久磁石型電動機によれば、回転子に設けられた磁石用孔の角部の応力集中が緩和されるので、回転子を高速回転し得るという効果がある。
第５の発明に係る永久磁石型電動機は、ｎを１以上の正の整数とし、前記回転子の極数を２ｎ、前記固定子の突極の数を３ｎとする、ことを特徴とするものである。
かかる永久磁石型電動機によれば、例えば回転子にスキューを形成すると、コギングトルクをより低減できるという効果がある。

第１図は本発明の一実施例による永久磁石型電動機の横断面図である。
第２図は、第１図に示す永久磁石型電動機の回転子の横断面図である。
第３図は、第１図に示す永久磁石型電動機の回転子から固定子への磁束の流れを示す部分拡大横断面図である。
第４図は、第１図に示す永久磁石型電動機と従来の磁石埋め込型電動機との各部の数値、特性の比較図である。
第５図は、回転子磁極部の被覆厚さｔｃ、永久磁石の磁石厚さｔｍとした場合のｔｃ／ｔｍとトルクリニアリティーの関係を解析した特性図である。
第６図は、回転子磁極部の被覆厚さｔｃ、永久磁石の磁石厚さｔｍとした場合のｔｃ／ｔｍとコギングトルクの関係を解析した特性図である。
第７図は、回転子最大直径Ｄｒ、回転子円弧半径Ｒｐとした場合のＲｐ／Ｄｒとコギングトルクとの関係を磁界解析した特性図である。
第８図は、本発明の他の実施例による回転子の端部の部分拡大横断面図である。
第９図は、磁石用孔の孔幅ｔｈ、磁石用孔の孔曲Ｒｈの孔比Ｒｈ／ｔｈと磁石用孔の両端角部の応力相対値について解析した特性図である。

本発明の一実施例を第１図乃至第３図によって説明する。第１図は本発明の一実施例による永久磁石型電動機の横断面図、第２図は第１図に示す永久磁石型電動機の回転子の横断面図、第３図は、第１図に示す永久磁石型電動機の回転子から固定子への磁束の流れを示す部分拡大横断面図である。
第１図及び第２図において、永久磁石型動機１は、薄い電磁鋼板を打ち抜いて該電磁鋼板を積層した固定子鉄心１１から成ると共に、１２個の突極１１ｔに巻回された固定子巻線１３を有する固定子１０と、永久磁石３１を有すると共に、８極の回転子２０とを備え、ｎを１以上の正の整数とし、回転子２０の極数を２ｎ、固定子１０の突極１１ｔの数を３ｎと成るように形成されており、固定子１０と回転子２０との間に空隙ｇが形成されていて、固定子巻線１３を通電すると、回転磁界により回転子２０を回転するように構成されている。
回転子２０は磁極と同数の花弁を有する菊花紋章形で、厚さｔｒ（図示せず）が０．３５（ｍｍ）の電磁銅板を所定の形状に打ち抜いて積層した回転子鉄心２１から成り、軸方向で永久磁石３１の内側方向の中心に孔２１ｙが穿設されており、軸方向に断面略弓形状で永久磁石３１を径合して固定するための磁石用孔２１ｅが８個穿設されており、互いに隣接する第１の永久磁石３１と第２の永久磁石３１との間に形成される極間部２１ａを有すると共に、第１の永久磁石３１と第２の永久磁石３１との磁極が異なるように配置されて永久磁石３１の固定子１０の方向、すなわち、永久磁石３１の外側方向に回転子磁極部２４が形成されている。
回転子磁極部２４は、外側面２４ｃ（外周形状）が周方向中央部にて回転子鉄心２１の中心よりの距離が最も長くなり、永久磁石３１の極間部２１ａにて回転子鉄心２１の中心よりの距離が最も短くなるような、各回転子磁極部２４が円弧状を成すように形成されていいて、永久磁石３１の外側面から回転子磁極部２４の外側面２４ｃまでの距離となる被覆厚さｔｃをほぼ一定で、打ち抜き製作を考慮して可能な限り被覆厚さｔｃが薄くなるように形成されている。
永久磁石３１は断面略弓形状で、回転子２０の径方向に磁石厚さｔｍを有している。
上記のように構成された永久磁石型電動機１によれば、回転子２０の回転子磁極部２４が電磁鋼板で形成されているので、第３図に示すように永久磁石３１からの磁束Φは、回転子磁極部２４を通って漏れることになる。しかしながら、回転子２０の回転子磁極部２４の被覆厚さｔｃが薄く形成されているので、該回転子磁極部２４の磁気抵抗が極めて大きく成り、永久磁石３１から回転子磁極部２４を通って漏れる磁束を小さくなる。したがって、回転子磁極部２４の磁束が飽和状態に近づくので、固定子１０の回転磁界により生じる磁束が回転子２０の回転子磁極部２４を通りにくくなるので、トルクリニアリティーを向上することができるものである。
永久磁石型電動機１は、具体例として第１図及び第４図に示すように回転子２０の直径が変化しているので、回転子２０の外側面２４ｃの直径が最大になる回転子最大直径Ｄｒ＝１０７（ｍｍ）、回転子磁極部２４の外側面２４ｃにより形成された円弧の半径となる回転子円弧半径Ｒｐ＝２９．１（ｍｍ）、回転子直径比Ｒｐ／Ｄｒ＝０．２７２、回転子磁極部２４の先端部における永久磁石３１を覆う一定値の被覆厚さｔｃ＝０．５（ｍｍ）、永久磁石３１の半径方向における磁石厚さｔｍ＝３（ｍｍ）、磁石厚さ比ｔｃ／ｔｍ＝０．１６となるように形成されている。かかる永久磁石型電動機１によれば、コキングトルク相対値１．０、トルクリニアリティー相対値１．０５９の特性が得られる。
これに対して従来の永久磁石埋込型電動機では、回転子磁極部の被覆厚さｔｃが変化しているので、最大の被覆厚さｔｃ＝５（ｍｍ）、永久磁石３１の磁石厚さｔｍ、回転子最大直径Ｄｒ、回転子円弧半径Ｒｐ、回転子直径比Ｒｐ／Ｄｒを永久磁石型電動機１と同一とした場合、コキングトルクの相対値３．２６７、トルクリニアリティーの相対値０．６４９７となる。したがって、永久磁石型電動機１のコキングトルク、トルクリニアリティーの特性が従来の永久磁石埋込型電動機に比較して改善されている。
＜トルクリニアリティー＞
まず、第５図によって回転子磁極部２４の被覆厚さｔｃ、永久磁石３１の磁石厚さｔｍとトルクリニアリティーの関係を説明する。第４図は磁石厚さ比ｔｃ／ｔｍとトルクリニアリティーの関係を解析した特性図である。
第４図に示すようにトルクリニアリティーを大きくするには、磁石厚さ比ｔｃ／ｔｍを小さくしなければならないことが理解できる。磁石厚さ比ｔｃ／ｔｍを小さくすると、磁石厚さｔｍに対して相対的に回転子磁極部２４の被覆厚さｔｃが小さくなるので、回転子２０の回転子磁極部２４の磁束が飽和状態に近づくことになる。よって、回転子２０から固定子１０へ流れる磁束の漏れが減少するので、トルクリニアリティーが大きくできるのである。
＜コギングトルク＞
（１）磁石厚さ比ｔｃ／ｔｍ
次に、回転子最大直径Ｄｒ、回転子円弧半径Ｒｐとコギングトルクとの関係を第６図によって説明する。第６図は回転子磁極部の被覆厚さｔｃ、永久磁石の磁石厚さｔｍとした場合の磁石厚さ比ｔｃ／ｔｍとコギングトルクの関係を解析した特性図である。
第６図において、一点鎖線で従来の永久磁石埋込型電動機を示しており、永久磁石型電動機１のコギングトルクは、該永久磁石埋込型電動機のコギングトルクよりも低くするには磁石厚さ比ｔｃ／ｔｍがｔｃ／ｔｍ≦０．２５の範囲において設定すればよいことが理解できる。
コギングトルクの相対値は、磁石厚さ比ｔｃ／ｔｍが０．１５８付近にて回転子磁極部２４における磁束が飽和するので、極小となり、磁石厚さ比ｔｃ／ｔｍが０．１５８を越えると、大きくなる。これは、永久磁石３１の磁石厚さｔｍに対して回転子磁極部２４の被覆厚さｔｃが相対的に大きいなるに連れて永久磁石３１から回転子磁極部２４への磁束の漏れが大きくなるからである。
コギングトルクの相対値は、磁石厚さ比ｔｃ／ｔｍが０．１５８未満で、増加する。これは、磁石厚さｔｍに対して被覆厚さｔｃが相対的に小さくなるに連れて、永久磁石３１から回転子磁極部２４への磁束の漏れが小さくなるものの、永久磁石３１から固定子鉄心１１へ通る磁束が増加するので、大きくなる。
上記のように永久磁石型電動機１のコギングトルクは、磁石厚さ比ｔｃ／ｔｍが０．１５８付近で極小となり、磁石厚さ比ｔｃ／ｔｍが０．１５８を越えるに連れて大きくなり、磁石厚さ比ｔｃ／ｔｍが０．１５８よりも小さくなるに連れて増加する。
永久磁石型電動機１の磁石厚さ比ｔｃ／ｔｍ＝０．１５８として製作しても、磁石厚さｔｃおよび被覆厚さｔｍに寸法許容差が生じる。これを５％とすると、ｔｃ／ｔｍの最小値は０．１５８×０．９５／１．０５＝０．１４３となる。
一方、磁石厚さ比ｔｃ／ｔｍの最大値は０．１５８×１．０５／０．９５＝０．１７４となる。
したがって、磁石厚さ比ｔｃ／ｔｍを０．１４３≦ｔｃ／ｔｍ≦０．１７４の範囲に設定することによって、コギングトルクをより一層低減することができる。
さらに、永久磁石型電動機１が従来の永久磁石埋込型電動機のコギングトルク相対値の略半分の特性を得るには、磁石厚さ比ｔｃ／ｔｍを０．１２≦ｔｃ／ｔｍ≦０．２の範囲に設定することになる。
（２）回転子直径比Ｒｐ／Ｄｒ
次に、第７図に示す回転子２０の最外周面までの回転子外側直径Ｄｒ、回転子磁極部２４の曲面までの回転子円弧半径をＲｐとした場合の鉄心回転子直径比Ｒｐ／Ｄｒとコギングトルクとの関係を磁界解析した特性図によって説明する。
第７図において、永久磁石電動機１のコギングトルクは、回転子直径比Ｒｐ／Ｄｒが０．２９付近では、回転子磁極部２４における永久磁石３１のＮ（Ｓ）極からＳ（Ｎ）極への磁束波形が理想の正弦波に近くなるので、極小となる。
コギングトルクは、回転子直径比Ｒｐ／Ｄｒが０．２９を越えると、回転子２０の直径Ｄｒに対して回転子円弧半径Ｒｐが相対的に大きくなるに連れて、永久磁石３１のＮ（Ｓ）極からＳ（Ｎ）極への切換え部分における磁束変化の円滑が阻害される、すなわち、理想の正弦波形から遠ざかるので、増加し、鉄心回転子直径比Ｒｐ／Ｄｒが０．２９未満では、回転子最大直径Ｄｒに対して、回転子円弧半径Ｒｐが相対的に大きくなるに連れて増加する。
従来の磁石埋込型回転子のコギングトルク相対は回転子直径比Ｒｐ／Ｄｒを０．２７２の一定とすると、０．１６となる。
したがって、本実施例による永久磁石型電動機１のコギングトルクを、従来の磁石埋込型回転子のコギングトルク以下にするには回転子直径比Ｒｐ／Ｄｒが０．２３≦Ｒｐ／Ｄｒ≦０．３２の範囲に設定すればよい。
さらに、永久磁石型電動機１が従来の永久磁石埋込型電動機のコギングトルク相対値の略半分の特性を得るには、回転子直径比Ｒｐ／Ｄｒを０．２５５≦Ｒｐ／Ｄｒ≦０．３０３の範囲に設定することになる。
上記のように回転子最大直径Ｄｒ、回転子円弧半径Ｒｐを０．２３≦Ｒｐ／Ｄｒ≦０．３２の範囲に設定、また、回転子磁極部２４の被覆厚さｔｃを一定とし、永久磁石３１の磁石厚さｔｍを２．５（ｍｍ）、磁石厚さ比ｔｃ／ｔｍを０．１２５≦ｔｃ／ｔｍ≦０．１９０の範囲に設定することにより従来の永久磁石埋込型電動機に比較してトルクリニアリティーを向上できると共に、コギングトルクを低減できる。
さらに、磁石厚さ比ｔｃ／ｔｍを０．１４３≦ｔｃ／ｔｍ≦０．１７４の範囲に設定することによって、コギングトルクをより一層低減することができる。
また、回転子２０の極数を２ｎ、固定子１０の突極１２の数を３ｎと成るように構成したのは、回転子２０にスキューを形成した際に永久磁石型電動機１のコギングトルクをより一層低下できる。

本発明による他の実施例を第８図によって説明する。第８図は、本発明の他の実施例による回転子の端部の部分拡大横断面図である。
永久磁石型電動機のコギングトルク、トルクリニアリティー以外の重要な特性として最大回転速度がある。最大回転速度を上昇すると、電動機によって駆動される機械を高速で動作することができるので、生産性を向上できるからである。
しかしながら、第８図に示すように回転子２０に磁石用孔２２を設け、永久磁石３１を磁石用孔２２に挿入して接着剤等により固定する永久磁石型電動機では、最大回転速度を上昇すると、磁石用孔２２の両端角部に応力が集中して永久磁石３１の固定に悪影響が生じるおそれがある。
そこで、上記課題を解決するために、第８図に示すように回転子２０の軸方向に穿設された略弓形状の穿設された永久磁石を装着するための磁石用孔２２に曲部を設けて応力の集中を減少することが考えられる。
該磁石用孔２２には、回転子２０の半径方向の長さとなる幅となる孔幅ｔｈとし、磁石用孔２２の両端角部に略半円面を設け、該半円面の半径を孔端部半径Ｒｈとした場合、孔幅ｔｈ＝２．６（ｍｍ）、孔端部半径Ｒｈ＝１．３（ｍｍ）とし、孔比Ｒｈ／ｔｈ＝０．５と設定している。
次に、第９図に示す孔比Ｒｈ／ｔｈと磁石用孔２２の両端角部の応力相対値を解析した特性図を用いて説明する。
第９図より、孔比Ｒｈ／ｔｈ＝０．５にて磁石用孔２２の両端角部の応力相対値は最小となり、０．４≦Ｒｈ／ｔｈでは磁石用孔２２の両端角部の応力相対値は１．０から１．２と実使用上問題ないレベルとなる。
以上のように幅ｔｈ、孔端部半径Ｒｈとした場合、０．４≦Ｒｈ／ｔｈの範囲に設定することにより、回転子２０が回転時に遠心力によって生じる磁石用孔２２の両端角部に発生する応力集中を低減することができる。

以上のように、本発明に係る永久磁石型電動機は、例えば同期型電動機に用いるのに適している。

【０００３】
端面とにより形成される被覆厚さｔｃをほぼ一定とし、全体が略弓形状に形成された前記永久磁石の厚さを磁石厚さｔｍとすると、ｔｃ／ｔｍ≦０．２５を満たす、ことを特徴とするものである。
かかる永久磁石型電動機によれば、従来の永久磁石埋込型電動機に比較してコギングトルクが少なくなりトルクリニアリティーが向上するという効果がある。
第２の発明に係る永久磁石型電動機は、０．１４３≦ｔｃ／ｔｍ≦０．１７４を満たすことを特徴とするものである。
かかる永久磁石型電動機によれば、より一層コギングトルクが減少するという効果がある。
第３の発明に係る永久磁石型電動機は、回転子の外側面が回転子鉄心の中心から最大となる直径を回転子最大直径Ｄｒ、回転子磁極部の外側面より形成される円弧の半径を回転子円弧半径Ｒｐとすると、０．２３≦Ｒｐ／Ｄｒ≦０．３２を満たす、ことを特徴とするものである。
かかる永久磁石型電動機によれば、回転子における永久磁石のＮ（Ｓ）極からＳ（Ｎ）極への磁束波形が理想の正弦波に近くなるので、コギングトルクが減少するという効果がある。
第４の発明に係る永久磁石型電動機は、前記永久磁石の厚さに対応する前記磁石用孔の幅を孔幅ｔｈ、前記磁石用孔の両端に略半円面を設け、該半円面の半径を孔端部半径Ｒｈとすると、０．４５≦Ｒｈ／ｔｈ≦０．５を満たす、ことを特徴とものである。
かかる永久磁石型電動機によれば、回転子に設けられた磁石用孔の角部の応力集中が緩和されるので、回転子を高速回転し得るという効果がある。
第５の発明に係る永久磁石型電動機は、ｎを１以上の正の整数とし、前記回転子の極数を２ｎ、前記固定子の突極の数を３ｎとする、ことを

Claims (5)

1. 固定子巻線を有する固定子と、
   回転子鉄心の極数分設けられると共に、軸方向に穿設された複数の磁石用孔を有し、隣接する磁極が交互に異なるように永久磁石が固定された回転子とを備え、
   前記回転子は、前記永久磁石のそれぞれの外周側磁極面に形成される回転子磁極部の外周形状が、周方向中央部にて前記回転子鉄心の中心からの距離が最も長くなり、第１の前記永久磁石と第２の前記永久磁石との間に形成される極間部にて前記回転子鉄心の中心からの距離が最も短くなると共に、前記回転子磁極部の端面が円弧を成すように形成されており、
   前記磁石用孔の外側が前記円弧とほぼ同一で、略弓形状に穿設されており、
   前記永久磁石の外側面と前記回転子磁極部の端面とにより形成される被覆厚さｔｃをほぼ一定とし、前記永久磁石の厚さを磁石厚さｔｍとすると、
   ｔｃ／ｔｍ≦０．２５を満たす、
   ことを特徴とする永久磁石型電動機。
2. ０．１４３≦ｔｃ／ｔｍ≦０．１７４を満たすことを
   特徴とする請求の範囲１に記載の永久磁石型電動機。
3. 前記回転子の外側面が前記回転子鉄心の中心から最大となる直径を回転子最大直径Ｄｒ、前記回転子磁極部の外側面より形成される円弧の半径を回転子円弧半径Ｒｐとすると、
   ０．２３≦Ｒｐ／Ｄｒ≦０．３２を満たす、
   ことを特徴とする請求の範囲１又は２に記載の永久磁石型電動機。
4. 前記永久磁石の厚さに対応する前記磁石用孔の幅を孔幅ｔｈ、前記磁石用孔の両端に略半円面を設け、該半円面の半径を孔端部半径Ｒｈとすると、
   ０．４５≦Ｒｈ／ｔｈ≦０．５を満たす、
   ことを特徴とする請求の範囲１から３の何れかに記載の永久磁石型電動機。
5. ｎを１以上の正の整数とし、前記回転子の極数を２ｎ、前記固定子の突極の数を３ｎとする、
   ことを特徴とする請求の範囲１から４の何れかに記載の永久磁石型電動機。

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