JP2006254621A

JP2006254621A - 永久磁石型電動機

Info

Publication number: JP2006254621A
Application number: JP2005069090A
Authority: JP
Inventors: Shizuka Yokote; 静横手; Norisada Nishiyama; 典禎西山; Hiroshi Murakami; 浩村上; Yoshitaka Tsunoda; 吉隆角田; Naoaki Morino; 修明森野
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-03-11
Filing date: 2005-03-11
Publication date: 2006-09-21

Abstract

【課題】永久磁石埋め込み型電動機において、トルク脈動を低減するために回転子鉄心を軸方向に分割してそれらを周方向にずらして積層しても、出力を低下させることなく低振動、低騒音化するのは困難であった。
【解決手段】環状のヨークと巻線用溝となる周方向間隔をおいて放射状に複数のティースが形成されている固定子と、前記固定子と僅かな空隙を介して対向し、回転自在に保持され、回転子鉄心に埋設された永久磁石にて界磁を発生し、回転子鉄心の磁極間に近接する部分の回転子と固定子間の空隙が広くなっている回転子とを備えた電動機において、回転子鉄心の永久磁石より外周側に位置する固定子との空隙が狭い部分が周方向にスキューされている。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転子鉄心に永久磁石が埋設された埋め込み磁石型電動機に関するものである。

従来の電動機は、図５に示すように構成されている。これは、固定子とそれに半径方向に対向する回転自在に支持された回転子から構成されている。この固定子鉄心は巻線が施されるティースと、ティースをつなぐ略環状のヨークから形成されている。ティースの先端には、対向する回転子との空隙に沿って周方向に突出したティース先端突出部が形成されている。回転子には界磁を発生させる永久磁石が回転子鉄心の半径方向に複数枚埋設されている。

コギングトルクやトルク脈動を低減するために、軸方向に２つに分割された回転子ブロックが周方向にずらして積層されている。（例えば、特許文献１参照）
特開２０００−３０８２８７号公報

上記従来の構成のように、回転子鉄心に永久磁石を埋設すると、永久磁石が発生する磁束の方向では永久磁石を横切るために磁気抵抗が高くなり、それに対して電気角で９０度の方向においては磁束が回転子の鉄心の部分を通過するので磁気抵抗が低くなる。このように、回転子に永久磁石を埋設した構造のものでは、回転子と固定子の相対位置によって磁気抵抗に差が生じるため、コギングトルクや電動機駆動時のトルク脈動が増加する傾向にある。それにより、電動機としての振動や騒音が悪化する。

また、回転子と固定子の相対位置による磁気抵抗の変化を少なくするために、回転子を軸方向に分割し、これを周方向にずらして積層するという手段がとられている。しかし、回転子を軸方向に分割すると、軸方向に対して磁束分布が階段状に変化するので、コギングトルクを低減するには限界があった。また、磁束分布をなだらかにするために回転子の分割数を増加すると、それぞれの段の境界部で生じる軸方向の磁束の漏れが多くなり、電動機の出力が低下してしまう。

本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、回転子の回転位置による磁気抵抗の変化を少なくすることによって、コギングトルクやトルク脈動を低減した、低振動・低騒音な電動機を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために本発明は、環状のヨークと巻線用溝となる周方向間隔をおいて放射状に複数のティースが形成されている固定子と、前記固定子と僅かな空隙を介して対向し、回転自在に保持され、薄板状の電磁鋼板を軸方向に積層した回転子鉄心に埋設された永久磁石にて界磁を発生し、回転子鉄心の磁極間に近接する部分の回転子と固定子間の空隙が広く、永久磁石の外周側に位置する回転子鉄心には磁極間の空隙よりも狭い部分が存在する回転子とを備えた電動機において、前記の永久磁石の外周側に位置する回転子鉄心の固定子との空隙の狭い部分を周方向にスキューしたものである。

また、回転子鉄心の永久磁石より外側に位置する固定子との空隙の狭い部分が周方向にスキューされており、前記スキュー角度が固定子のスロットの１ピッチに相当する角度のものである。

また、回転子鉄心の永久磁石より外周側に位置する固定子との空隙の狭い部分が周方向にスキューされており、前記スキュー角度がトルク脈動の任意の次数の一周期に相当する角度のものである。

また、環状のヨークと巻線用溝となる周方向間隔をおいて放射状に複数のティースが形成されている固定子と、前記固定子と僅かな空隙を介して対向し、回転自在に保持され、回転子鉄心に埋設された永久磁石にて界磁を発生し、回転子鉄心の磁極間に近接する部分の回転子と固定子間の空隙が広くなっており、永久磁石の外周側に位置する回転子鉄心には磁極間の空隙よりも狭い部分が存在する回転子とを備えた多相全波駆動の電動機において、回転子鉄心の永久磁石より外周側に位置する固定子との空隙の狭い部分が周方向にスキューされており、そのスキュー角度が３６０／（Φ×２）×２／ｐ度（Φは駆動相数、ｐは回転子の極数）のものである。

また、環状のヨークと巻線用溝となる周方向間隔をおいて放射状に複数のティースが形成されている固定子と、前記固定子と僅かな空隙を介して対向し、回転自在に保持され、回転子鉄心に埋設された永久磁石にて界磁を発生し、回転子鉄心の磁極間に近接する部分の回転子と固定子間の空隙が広くなっており、永久磁石の外周側に位置する回転子鉄心には磁極間の空隙よりも狭い部分が存在する回転子とを備えた多相半波駆動の電動機において、回転子鉄心の永久磁石より外周側に位置する固定子との空隙が狭い部分が周方向にスキューされており、そのスキュー角度が３６０／Φ×２／ｐ度（Φは駆動相数、ｐは回転子の極数）のものである。

また、回転子鉄心が軸方向に複数に分割され、それらが周方向にずらして軸方向に積層されている埋め込み磁石型電動機において、回転子鉄心の永久磁石より外周側に位置する固定子との空隙の狭い部分を周方向にスキューしているものである。

さらに、回転子鉄心が軸方向からみて同形状の電磁鋼板を複数枚積層した部分を有し、回転子鉄心に施されたスキューが階段状に構成されているものである。

上記手段によって、回転子から発生する磁束の分布が周方向に分散されるため、コギングトルクやトルク脈動が低減できる。その結果、電動機駆動時の騒音や振動を抑制することができる。

請求項１記載の発明によれば、回転子鉄心の永久磁石より外周側の固定子との空隙の狭い部分を周方向にスキューすることにより、永久磁石から発生する磁束を周方向に分散させることができる。したがって、軸方向に永久磁石を分割することなく容易な工法にて、コギングトルクや駆動時のトルク脈動が低減され、運転時の騒音や振動を低減できる。

また、請求項２記載の発明によれば、回転子と固定子の相対的な位置が軸に垂直などの断面においても一致する場所がないように一様に分散されているため、コギングトルクを低減することができる。

また、請求項３記載の発明によれば、電動機の騒音や振動のうち、所望の高調波成分について有効に低減することができる。

また、請求項４記載の発明によれば、多相全波駆動される電動機において、トルク脈動が加振源となって生じる振動への影響が最も大きい、高調波の最小次数成分を効率良く低減することができるので、多相全波で駆動される電動機を低振動、低騒音化できる。

また、請求項５記載の発明によれば、多相半波駆動される電動機において、トルク脈動の振幅が最も大きい高調波である最小次数成分を効率良く低減することができるので、多相半波で駆動される電動機を低振動、低騒音化できる。

また、請求項６記載の発明によれば、回転子が軸方向に複数ブロックに分割されており、それらが周方向にずらして積層されている場合、回転子鉄心の永久磁石より外周側の固定子との空隙の狭い部分を周方向にスキューすることにより、各ブロック間で生じる磁束の不連続な変化を緩和することができるので、回転子の分割数が少なくても磁束分布をなだらかにすることが可能であり、回転子ブロックの間で生じる軸方向の漏洩磁束を抑制することができ、低振動・低騒音化に加えて電動機が高出力化できる。

また、請求項７記載の発明によれば、軸方向からみて同形状の電磁鋼板を複数枚積層した部分を有するので、回転子を構成する電磁鋼板の種類が削減でき、回転子が容易に作製できる。

請求項８から請求項１０記載の発明によれば、家電機器や自動車を低騒音化・低振動化できる。

本発明は、環状のヨークと巻線用溝となる周方向間隔をおいて放射状に複数のティースが形成されている固定子と、前記固定子と僅かな空隙を介して対向し、回転自在に保持され、薄板状の電磁鋼板を軸方向に積層した回転子鉄心に埋設された永久磁石にて界磁を発生し、回転子鉄心の磁極間に近接する部分の回転子と固定子間の空隙が広くなっており、永久磁石の外周側に位置する回転子鉄心には磁極間の空隙よりも狭い部分が存在する回転子とを備えた電動機において、前記の永久磁石の外周側に位置する回転子鉄心の固定子との空隙の狭い部分が周方向にスキューされているものである。

また、回転子鉄心の永久磁石より外側に位置する固定子との空隙が狭い部分が周方向にスキューされており、前記スキュー角度が固定子のティースの１ピッチに相当する角度のものである。

また、回転子鉄心の永久磁石より外周側に位置する固定子との空隙が狭い部分が周方向にスキューされており、前記スキュー角度がトルク脈動の任意の次数の一周期に相当する角度のものである。

また、回転子鉄心が軸方向に複数に分割され、それらが周方向にずらして軸方向に積層されている埋め込み磁石型電動機において、回転子鉄心の永久磁石より外周側に位置する固定子との空隙が狭い部分が周方向にスキューしているものである。

このような構成により、回転子の永久磁石から発生する磁束を周方向に分散させることができるので、コギングトルクやトルク脈動を低減することができる。

本発明のより具体的な実施の形態について図面を参照して説明する。

本発明の請求項１に記載の電動機は、図１に示す様に環状のヨーク１と巻線用溝であるスロット２となる周方向間隔をおいて放射状に複数のティース３が形成されている固定子４と、前記固定子４と僅かな空隙を介して対向し、回転自在に保持され、薄板状の電磁鋼板を軸方向に積層した回転子鉄心５に埋設された永久磁石６にて界磁を発生する。回転子７は回転子鉄心の磁極間に近接する部分の回転子と固定子間の空隙が広く、永久磁石の外周側には磁極間の空隙よりも狭い部分８が存在する。上記電動機において、回転子鉄心の永久磁石より外周側に位置する固定子との空隙が狭い部分８を周方向にスキューしていることを特徴とする。
回転子鉄心の固定子との空隙が狭い部分の位置が周方向に異なる回転子について、固定子と回転子間の空隙磁束密度分布を図２に示す。ここで、永久磁石の磁極中心をａ、固定子との空隙が最も狭い回転子の位置または固定子との空隙が最も狭い部分の回転子鉄心の中心位置をｂとする。図２にはａとｂのなす角（回転方向を正とする）が、永久磁石の磁極に対して電気角で−１５°、０°、＋１５°の３種類についてあらわしている。このように磁束密度が極値をとる中心位置（磁束分布の中心）が回転子の空隙が最も狭い位置と等しい位置へと変化することがわかる。これより、回転子鉄心の永久磁石より外周側の鉄心部を周方向にスキューさせることによって、固定子と回転子間の空隙磁束密度分布も分散される。したがって、ある任意の回転位置において磁気抵抗が軸方向に対して一致することなく周方向に分散されるので、固定子と回転子間に生じる吸引力が分散され、コギングトルクやトルク脈動が減少する。

本発明の請求項２に記載の電動機は、回転子鉄心のスキュー角度９を固定子の１スロットピッチに相当する角度としたものである。

ここで、コギングトルクとは回転子と固定子の磁気吸引力の周方向成分である。固定子には巻線が挿入されるスロット２とティース３を有している。一例として回転子の永久磁石による磁束の中心となる位置を基準として考えると、スロットに対向する位置では磁気抵抗が高くなり、ティースに対向する位置では磁気抵抗が低くなる。したがって、回転子の磁極の中心は固定子のティースに引き付けられる方向の力を受ける。

回転子鉄心のスキュー角度を１スロットピッチに相当する角度とすることにより、回転子の磁極の中心がスロットとティース両方のすべての位置に対向することになる。それにより、軸方向に対して回転子の任意の位置の磁気抵抗が一様に分散されるので、コギングトルクが低減される。

本発明の請求項３に記載の電動機は、低減させたい振動または騒音の次数成分をＷとした場合、回転子鉄心のスキュー角度９をＷ次成分の１周期に相当する３６０／Ｗ度としたものである。これにより、Ｗ次成分のトルク脈動が低減できるので、Ｗ次成分の振動・騒音を有効に低減することができる。

本発明の請求項４に記載の電動機は、多相全波駆動の電動機において、回転子鉄心の永久磁石より外周側に位置する固定子との空隙が狭い部分が周方向にスキューされており、そのスキュー角度が３６０／（Φ×２）×２／ｐ度（Φは駆動相数、ｐは回転子の極数）のものである。３相全波駆動の電動機では一般的に電気角で６０°周期トルク脈動が発生する。このトルク脈動はトルク波形歪みの基本次数である場合が多い。したがって、３６０／（Φ×２）×２／ｐ度（Φは駆動相数、ｐは回転子の極数）を１周期とする高調波を打ち消すようなスキュー角を施すことにより、この次数の高調波を低減するとができ、電動機の騒音や振動に対する性能が大幅に改善される。

同様に、５相全波で駆動される電動機においては電気角で３６０°／（５相×２）＝３６°周期のトルク脈動が主な高調波となる。

本発明の請求項５に記載の電動機は、多相半波駆動の電動機において、回転子鉄心の永久磁石より外周側に位置する固定子との空隙が狭い部分が周方向にスキューされており、そのスキュー角度が３６０／Φ×２／ｐ度（Φは駆動相数、ｐは回転子の極数）のものである。３相半波駆動の電動機では一般的に電気角で１２０°周期のトルク脈動が発生する。このトルク脈動はトルク波形歪みの基本次数である場合が多く、この次数の高調波を低減すると、電動機の騒音や振動に対する性能が大幅に改善される。

本発明の請求項６に記載の電動機は図３に示す様に、回転子鉄心が軸方向に複数に分割され、その回転子ブロックが周方向にスキューして積層されている電動機において、回転子鉄心５の永久磁石６より外周側に位置する固定子との空隙が狭い部分８が半径方向にスキューされている。従来例に示したような、軸に垂直な断面から見た回転子鉄心の形状が等しい回転子ブロックを積層して構成された回転子では、永久磁石の位置が各回転子ブロックにより半径方向にずらして積層されているので、永久磁石による磁束が半径方向にずらされて、回転子との吸引力を分散させる効果はある。しかし、回転子ブロック間で磁束の変化が大きく不連続になるため、ここでの磁束歪がトルク脈動の原因となってしまう。そこで、回転子鉄心の形状を周方向にスキューさせ、回転子ブロックの境界部分でなだらかに変化するような形状とすることにより、軸方向に対して、連続的に磁束密度の最大位置を変化させることができるので、コギングトルクやトルク脈動が低減し、電動機を低振動、低騒音化できる。

本発明の請求項７に記載の電動機は、図４に示す様に回転子鉄心５が軸方向からみて同形状の電磁鋼板を複数枚積層した部分を有し、回転子鉄心に施されたスキューが階段状に構成されている。このような構成にすることにより、回転子を構成する電磁鋼板の種類が削減されるので、磁束の分布を分散させることによるコギングトルクやトルク脈動の低減効果を有する回転子を、簡易な設備で、かつ少ない工数で容易に製造することができる。

上記の構成において、コギングトルクや駆動時のトルク脈動を低減することにより、運転時の騒音や振動を抑制することができる。また、近年、家電機器や自動車等に搭載される空気調和機に対して、低騒音・低振動の要求が高まってきていることより、本発明の電動機をこれらの機器に適用することにより、騒音や振動の低い家電機器、自動車が実現できる。

本発明の電動機は、低振動、低騒音な動力源として有用である。

本発明の第１の実施例の電動機、（ａ）断面図、（ｂ）斜視図空隙磁束密度分布を示す図本発明の第６の実施例の回転子を示す斜視図本発明の第７の実施例の回転子を示す斜視図従来例の電動機、（ａ）電動機を示す斜視図、（ｂ）回転子を示す斜視図

符号の説明

１ヨーク
２スロット
３ティース
４固定子
５回転子鉄心
６永久磁石
７回転子
８固定子との空隙が狭い部分
９スキュー角度

Claims

環状のヨークと巻線用溝となる周方向間隔をおいて放射状に複数のティースが形成されている固定子と、前記固定子と僅かな空隙を介して対向し、回転自在に保持され、薄板状の電磁鋼板を軸方向に積層した回転子鉄心に埋設された永久磁石にて界磁を発生し、回転子鉄心の磁極間に近接する部分の回転子と固定子間の空隙が広く、永久磁石の外周側に位置する回転子鉄心には磁極間の空隙よりも狭い部分が存在する回転子とを備えた電動機において、前記の永久磁石の外周側に位置する回転子鉄心の固定子との空隙の狭い部分が周方向にスキューされていることを特徴とする永久磁石電動機。
回転子鉄心の永久磁石より外側に位置する固定子との空隙が狭い部分が周方向にスキューされており、前記スキュー角度が固定子のスロットの１ピッチに相当する角度であることを特徴とする請求項１記載の永久磁石電動機。
回転子鉄心の永久磁石より外周側に位置する固定子との空隙が狭い部分が周方向にスキューされており、前記スキュー角度がトルク脈動の任意の次数の一周期に相当する角度であることを特徴とする請求項１記載の永久磁石電動機。
環状のヨークと巻線用溝となる周方向間隔をおいて放射状に複数のティースが形成されている固定子と、前記固定子と僅かな空隙を介して対向し、回転自在に保持され、回転子鉄心に埋設された永久磁石にて界磁を発生し、回転子鉄心の磁極間に近接する部分の回転子と固定子間の空隙が広く、永久磁石の外周側に位置する回転子鉄心には磁極間の空隙よりも狭い部分が存在する回転子とを備えた多相全波駆動の電動機において、回転子鉄心の永久磁石より外周側に位置する固定子との空隙が狭い部分が周方向にスキューされており、そのスキュー角度が機械角で３６０／（Φ×２）×２／ｐ度（Φは駆動相数、ｐは回転子の極数）であることを特徴とする請求項１記載の永久磁石電動機。
環状のヨークと巻線用溝となる周方向間隔をおいて放射状に複数のティースが形成されている固定子と、前記固定子と僅かな空隙を介して対向し、回転自在に保持され、回転子鉄心に埋設された永久磁石にて界磁を発生し、回転子鉄心の磁極間に近接する部分の回転子と固定子間の空隙が広く、永久磁石の外周側に位置する回転子鉄心には磁極間の空隙よりも狭い部分が存在する回転子とを備えた多相半波駆動の電動機において、回転子鉄心の永久磁石より外周側に位置する固定子との空隙が狭い部分が周方向にスキューされており、そのスキュー角度が機械角で３６０／Φ×２／ｐ度（Φは駆動相数、ｐは回転子の極数）であることを特徴とする請求項１記載の永久磁石電動機。
回転子鉄心が軸方向に複数に分割され、それらが周方向にずらして軸方向に積層されている埋め込み磁石型電動機において、回転子鉄心の永久磁石より外周側に位置する固定子との空隙が狭い部分が周方向にスキューしていることを特徴とする請求項１から請求項５記載の永久磁石電動機。
回転子鉄心が軸方向からみて同形状の電磁鋼板を複数枚積層した部分を有し、回転子鉄心に施されたスキューが階段状に構成されていることを特徴とする請求項１から請求項６記載の永久磁石電動機。
請求項１から請求項７記載の電動機を搭載した密閉型圧縮機。
請求項８記載の密閉型圧縮機を用いたことを特徴とする冷凍サイクル。
請求項９記載の冷凍サイクルで構成された空気調和機。