JP2006254622A - 永久磁石型電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石埋め込み型電動機において、固定子鉄心や回転子鉄心のどちらか一方をスキューしても、出力を低下させることなく低振動、低出力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、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する回転子とを備えた電動機において、前記の固定子と回転子共に同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１５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ことにより振動・騒音を抑制するために、固定子を周方向にスキューする構造や、または軸方向に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する構造がとられている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−３０８２８７号公報

しかしながら、上記従来の構成のように、回転子鉄心に永久磁石を埋設した電動機では、永久磁石が発生する磁束の方向においては磁路が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路が回転子の鉄心の部分のみ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大きな差が生じるため、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。

そこで、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、固定子鉄心を周方向にスキューしたり、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、これらの構成では、固定子と回転子の相対位置が変化するために、出力トルクが最大となる電流位相からずれた位相にて駆動される部分が生じ、出力の低下を生じていた。また、回転子を軸方向に分割すると、異なる回転子ブロックの境界面において軸方向の磁束の漏れが生じるので出力がさらに低下し、磁束分布も階段状に変化するのでトルク脈動を低減するには限界があった。

本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、固定子のスキューと同方向に回転子をスキューさせることにより大きな電磁加振力が発生する位置を機械的に分散し、出力を低下させることなく低振動・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する回転子とを備えた電動機において、前記の固定子と回転子共に同方向にスキューされたものである。

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、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する回転子とを備えた電動機において、前記の固定子が周方向にスキューされており、回転子に埋設された永久磁石が軸方向に複数段に分割されており、この軸方向に分割された回転子ブロックを固定子と同じ方向となる周方向にずらして積層することにより回転子のスキューを構成したものである。

また、固定子のスキュー角を機械角でθｓとすると、θｓが６０／P≦θｓ（Pは極対数）となるものである。

また、固定子のスキュー角をθｓ、回転子のスキュー角をθｒとすると−６０／Ｐ≦（θｓ―θｒ）≦６０／Ｐとなるものである。

また、固定子の少なくとも一部がスキューされているものである。

さらに、回転子の少なくとも一部がスキューされているものである。
上記手段によって、電磁力が最大となる位置が機械的に周方向に分散されるため、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、固定子が周方向にスキューされており、回転子も固定子と同方向にスキューされることによって、大きな電磁加振力が発生する位置を機械的に周方向に分散させることができる。また、固定子と回転子が同方向にずれているため、相対的な位置はどの断面においても等しくなる。したがって、出力を低下させることなく、運転時の騒音や振動を低減できる。
請求項２記載の発明によれば、軸方向に平行に埋設された永久磁石を軸方向に複数段に分割し、これら回転子ブロックを固定子と同方向の周方向にずらして積層して回転子スキューを構成することによって、低騒音・低振動の効果を有する電動機の回転子を容易に製造することができる。

請求項３記載の発明によれば、スキューのない電動機と比較して電磁力の最大値を大幅に低減することができるので、効果的に電動機の低振動・低騒音化を実現することができる。

請求項４記載の発明によれば、スキューのない電動機と比較して出力の低下を５％以下に抑えた低振動・低騒音な電動機を得ることができる。

請求項５記載の発明によれば、固定子の少なくとも一部にスキューが施されることによって、低振動・低騒音の電動機の固定子が容易に製造できる。

請求項６記載の発明によれば、回転子の少なくとも一部にスキューが施されることによって、低振動・低騒音の電動機の回転子が容易に製造できる。

請求項７から請求項９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
生する回転子とを備えた電動機において、前記の固定子と回転子共に同方向にスキューされているものである。

このような構成により、大きな電磁加振力が発生する位置を機械的に周方向に分散させることができるので、運転時の騒音や振動を低減できる。

以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。

（実施例１）
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２と巻線用溝であるスロット３となる周方向間隔をおいて放射状に複数のティース４が形成されている固定子１と、前記固定子１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６に埋設された永久磁石７にて界磁を発生する回転子５を有する。固定子１と回転子５は同方向にスキューされている。

電動機を駆動する場合、固定子のティース部に巻回された巻線が通電され、これによって生じる磁界と、回転子鉄心に埋設された永久磁石から発生する磁界が吸引または反発する力を生じ、この電磁力の周方向成分が回転子を回転させる力すなわちトルクとなる。ここで発生する電磁力の半径方向成分はトルクには寄与せず、これが振動や騒音の原因のひとつと考えられる。

固定子も回転子もスキューされていない電動機では、固定子に対して大きな電磁力が発生する部分が回転軸に垂直などの断面においても同じ部分にあるので、図２（ａ）に示すように力が回転軸と平行にかかることになる。この力によって固定子には半径方向に歪が生じ、軸に垂直な断面から見た場合に楕円または略多角形状に変形する円環モードの振動が発生じやすい状態となり、振動・騒音が大きくなる。

本発明の第一の実施例の電動機においては、固定子の大きな電磁力がかかる部分がスキューに伴って分散され、固定子の大きな電磁力がかかる位置が図２（ｂ）に示すように回転軸と平行にはならなので、円環モードの歪が生じにくくなり、固定子の振動は低減される。図３は固定子の内径位置に生じる電磁力の半径方向成分の分布を示し、横軸は固定子内径の位置、縦軸は固定子内径に働く電磁力の半径方向成分を示している。電磁力の半径方向成分の分布を見ると、固定子と回転子共にスキューすることにより力の変動が大幅に抑えられることがわかる。また、固定子と回転子は同方向にスキューをしているので、固定子と回転子の相対位置はどの断面においてもほぼ等価である。したがって、回転軸に垂直な断面で見ると電気的特性はどの断面においても一様であるので、固定子、回転子ともスキューされていない電動機と同じトルク特性を示し、出力が低下することはない。

このような理由により固定子と回転子を同方向にスキューした電動機では、出力を低下させることなく低振動・低騒音化が可能になる。

この実施例においては、回転子に埋設された永久磁石の形状が平板なものについて示しているが、これに限ったものではなく、図４に示すような周方向に複数に分割されたものや図５に示すような円弧状のもの、永久磁石が半径方向に複数埋設されている等の永久磁石の磁束を高めたものにおいても有効であり、同様の効果が得られる。また、回転子鉄心の外形についても円筒形状に限らず、図６に示すような外周が異なる曲率をもつ複数の円弧で構成されていたり、外周に凹部が設けられているような、磁極間の磁束の変化を緩やかにすることにより低振動・低騒音化を図った形状についても、さらに振動や騒音を低減することが可能となる。電動機の極数やスロット数についても、ここであげた例に限らず
、あらゆる極数において適用できる。

（実施例２）
本発明の請求項２に記載の電動機は、図７に示す様に環状のヨーク２と巻線用溝であるスロット３となる周方向間隔をおいて放射状に複数のティース４が形成されている固定子１と、前記固定子１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６に埋設された永久磁石７にて界磁を発生する回転子５で構成されている。前記固定子は周方向にスキューされている。回転子は軸方向に複数ブロック８に分割され、その回転子ブロックが固定子と同じ方向となる周方向にずらして積層されることによりスキューが構成されている。

ここで、図８に示すように片方の軸端に配置された永久磁石の中心（磁極の中心かつ軸方向長さの中心）と、もう一方の軸端に配置された永久磁石の中心とを結んだ直線が回転子の端面と交差する点を軸と垂直な断面に投影し、それら2点と回転の中心点からなる角を等価的に回転子のスキュー角θｒとする。

一例として回転子が軸方向に2分割されている場合について説明する。上記電動機において、分割した回転子ブロック１、２に対応する部分を電動機１、電動機２とする。電動機１と電動機２における回転子と固定子の相対位置関係はほぼ等しいので、電動機１と電動機２の電気的特性は同一とみなせる。電動機１のみに着目すると回転子は永久磁石が回転軸と平行に配置された一般的な回転子であり、固定子のみスキューが施されていることになる。したがって、固定子と回転子共にスキューが施されていない場合と比較すると電磁力はわずかに減少しているが、電動機１に対するスキュー角は固定子のスキュー角θｓより小さいので十分に低減されず、電動機１が発生する半径方向の電磁力の分布は図９に示すような特性になる。一方、電動機２が発生する電磁力も図９に示す電動機１の場合と同様であるが、これを周方向にずらして積層することにより、電磁力が最も高い位置が電動機１と電動機２では周方向にずれる。これによって、固定子には軸断面形状が楕円または略多角形になる円環モードの振動が生じにくくなり、電動機駆動時の騒音や振動を抑制することができる。また、固定子と回転子のどちらか一方のみをスキューする場合に比べて、固定子と回転子の相対位置の変化の幅は小さい、すなわち、電気的なスキュー角は小さくなるので、軸方向の漏れ磁束も抑制され、出力の低下もわずかに抑えられる。
ここでは、回転子ブロックが軸方向に２分割された場合について示したが、図１０に示すように３つ以上の複数段に分割されているものにおいては、軸に垂直な断面で見た場合の固定子と回転子の相対位置のずれが小さくなるので、駆動時の電流位相のずれも小さくなり、出力トルクをほとんど低下させることなく低振動・低騒音の効果が得られる。

（実施例３）
本発明の請求項３に記載の電動機は、固定子のスキュー角θｓが機械角で６０／P≦θｓ（Pは極対数）の範囲に存在する。図１１に固定子のスキュー角（電気角）に対する電磁力の半径方向成分の最大値の変化を示しているように、スキューのない電動機に比べてスキュー角が電気角で６０°付近で急激に電磁力が減少する。そして、６０°以上スキューすることによって、さらに電磁力を低減することができ、電磁力の分布の半周期に相当する電気角１８０°で最小となる。固定子の形状や巻線の方法によっては、スキュー角を大きくするのが困難な場合があるが、そのような電動機においても、固定子のスキュー角θｓを機械角で６０／P≦θｓ度に設定することにより、効果的に電動機の振動や騒音を低減することができる。

（実施例４）
本発明の請求項４記載の電動機は、固定子のスキュー角θｓ、回転子のスキュー角θｒが−６０／Ｐ≦（θｓ―θｒ）≦６０／Pを満たす。固定子に生じる電磁力の分布は固定
子のスキュー角に大きく依存するものであり、固定子のスキュー角と回転子のスキュー角が等しくなくても、低振動・低騒音の効果は得られる。しかし、固定子と回転子のスキュー角の差が大きくなると、固定子と回転子の相対位置のずれが大きくなってしまうので、それにともなって電流位相も最大トルクを発生する位相からずれてしまい出力は低下する。そこで、図１２に固定子のスキュー角θｓと回転子のスキュー角θｒの差に対する平均トルクの変化を示す。出力トルクの低下が電動機の効率低下に大きく影響しない範囲として、トルクの低減率が固定子と回転子ともにスキューされていない電動機と比較して５%以下になるように目標値を設定すると、図１２に示すように固定子と回転子のスキュー角の差を−６０／Ｐ≦（θｓ―θｒ）≦６０／Pにすればよい。

（実施例５）
本発明の請求項５記載の固定子は、図１３に示すように固定子の少なくとも一部分にスキューが施されており、スキューが複数の部分で構成されている場合は、各々のスキュー角が一様に限ったものではない。固定子をスキューする場合、ティースに巻線を巻回しなければならないために、軸方向に一様なスキューを施すことが困難な場合がある。これは、固定子鉄心の径や軸方向長さ、スロット数などにも起因するものであるが、このような場合においても固定子の巻線が通電されることによって生じる磁界が任意の軸垂直断面において周方向にずれた位置に存在していればスキューと同じ効果が得られるので、電動機の低振動・低騒音化が可能となる。

このように、上記発明により低振動・低騒音な電動機の固定子を容易に作成することができる。

（実施例６）
本発明の請求項６記載の固定子は、図１４に示すように回転子の少なくとも一部分にスキューが施されている。永久磁石の磁極の中心が周方向にずれた位置が少なくとも一箇所存在すると、磁極の分布が回転軸に対して平行ではなくなるので、等価的にスキューの効果が得られる。また、図１４に示すようにスキュー磁石と回転軸に並行な磁石の両方またはどちらか一方のみで回転子のスキューが構成されていてもよい。
このように、上記発明により、低振動・低騒音な電動機の回転子を容易に作成することができる。

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。

（ａ）は本発明の第1の実施例の固定子を示す斜視図、（ｂ）は本発明の第１の実施例の回転子を示す斜視図 （ａ）は固定子内径の電磁力がかかる位置を示すスキューのない固定子の断面図、（ｂ）はスキューのある固定子の断面図 固定子の位置に対する電磁力特性を示す図 本発明の第１の実施例の他の例の回転子を示す斜視図 同他の例の回転子を示す斜視図 同他の例の回転子を示す斜視図 本発明の第２の実施例の回転子を示す斜視図 回転子のスキュー角を説明する図 固定子の位置に対する電磁力特性を示す図 本発明の第２の実施例の他の例の回転子を示す斜視図 スキュー角に対する電磁力特性を示す図 スキュー角に対するトルク特性を示す図 本発明の第５の実施例の固定子を示す斜視図 本発明の第６の実施例の回転子を示す斜視図 （ａ）は従来の電動機の固定子を示す斜視図、（ｂ）従来の電動機の回転子を示す斜視図

符号の説明

１ 固定子
２ ヨーク
３ スロット
４ ティース
５ 回転子
６ 回転子鉄心
７ 永久磁石
８ 回転子ブロック

Claims (9)

1. 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する回転子とを備えた電動機において、前記の固定子と回転子共に同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。
2. 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する回転子とを備えた電動機において、前記の固定子が周方向にスキューされており、回転子に埋設された永久磁石が軸方向に複数段に分割されており、この軸方向に分割された回転子ブロックを固定子と同じ方向となる周方向にずらして積層することにより回転子のスキューを構成することを特徴とする永久磁石電動機。
3. 固定子のスキュー角をθｓとすると、θｓが機械角で６０／P≦θｓ（Pは極対数）であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の永久磁石電動機。
4. 固定子のスキュー角をθｓ、回転子のスキュー角θｒとすると−６０／Ｐ≦（θｓ―θｒ）≦６０／P（スキュー角は機械角）を満たすことを特徴とする請求項１から請求項３記載の永久磁石電動機。
5. 固定子の少なくとも一部がスキューされていることを特徴とする請求項１から請求項４記載の永久磁石電動機
6. 回転子の少なくとも一部がスキューされ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。
7. 請求項１から請求項６記載の電動機を搭載した密閉型圧縮機。
8. 請求項７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。
9. 請求項８記載の冷凍サイクルで構成された空気調和機。
   
   

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