JP2011097754A - 永久磁石埋込型電動機及び送風機 - Google Patents

Abstract

【課題】高速回転時の遠心力に対する強度を確保すると共に、位置センサレス１２０度通電方式で制御可能な、高効率、安価で高速回転が可能な永久磁石埋込型電動機及びその永久磁石埋込型電動機を用いた送風機を提供する。
【解決手段】 この発明に係る永久磁石埋込型電動機１００は、回転子９０が、薄板の電磁鋼板を複数枚積層して構成される回転子鉄心４と、回転子鉄心４の外周縁に沿って設けられ、全体が略コの字状で、周方向両端が内側に屈曲した円弧状の非磁性体部９を有する複数の磁石挿入孔５と、磁石挿入孔５に埋め込まれる複数の永久磁石６と、永久磁石６の外周側に配置される回転子鉄心４の一部に設けられ、空気層からなるスリット７と、を備え、非磁性体部９は、永久磁石６の外周側表面よりも内側に配置するように構成され、かつ永久磁石６の内周側表面よりも内径側に延びるように形成されるものである。
【選択図】図１

Description

この発明は、主に送風機等に使用され、高速回転を行う永久磁石埋込型電動機に関する。また、その永久磁石埋込型電動機を搭載した送風機に関する。

永久磁石埋込型電動機では、磁極間の漏れ磁束を低減するために、回転子の磁極間外周部の磁路を狭くする設計方法が従来より用いられている。この際、高速に回転する電動機では、遠心力による機械的強度が課題となる。

従来、永久磁石式リラクタンス型回転電機の組立時の永久磁石の挿入を容易にするとともに、製造の機械化を可能とし、また永久磁石を固定する接着剤が劣化した場合においても、永久磁石の飛散及び回転子の破損の恐れをなくし、高出力化、高効率化、高速化、及び高信頼性を図るため、永久磁石埋め込み穴に永久磁石位置決め用突起を設けることにより、永久磁石を支持するようにした。また回転子鉄心内の薄肉部の形状を最適化することにより、永久磁石より発生する磁束の漏れを低減し、かつ応力の集中する薄肉部の強度を確保した永久磁石リラクタンス型回転電機が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

またロータ（回転子）の機械的強度の確保と、漏れ磁束の抑制との両立を図るため、ロータは複数の磁極を有し、各磁極に対応する位置にスロットが形成されたヨークと、各スロットに挿入された永久磁石とを備えてなり、ヨークは、スロットの両端部にブリッジを有し、ブリッジの厚さが、ロータの回転中心側から外周へ向けて連続的または段階的に減少しているモータ（電動機）が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００１−３３９９１９号公報 特開平９−２２４３３８号公報

しかしながら、上記特許文献１の永久磁石式リラクタンス型回転電機は、高速回転時には永久磁石の外周側の空気穴と回転子鉄心外周間の薄肉部に大きな応力集中が生じるため、薄肉部の径方向厚さを遠心力に耐えるように大きく設計する必要があり、その場合、極間の磁束漏れが大きくなり回転電機の特性が低下する課題があった。

また、上記特許文献２のモータは、回転子の回転速度が毎分１万ｒｐｍ（回転数／分）を超えるような高速回転では十分な機械的強度が得られない場合がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、高速回転時の遠心力に対する強度を確保すると共に、位置センサレス１２０度通電方式で制御可能な、高効率、安価で高速回転が可能な永久磁石埋込型電動機及びその永久磁石埋込型電動機を用いた送風機を提供する。

この発明に係る永久磁石埋込型電動機は、固定子鉄心に巻線を施した固定子の内側に空隙を介して回転子が配置され、回転子の回転位置を位置センサで検出しない位置センサレス１２０度通電方式で制御される永久磁石埋込型電動機において、
回転子は、
薄板の電磁鋼板を複数枚積層して構成される回転子鉄心と、
回転子鉄心の外周縁に沿って設けられ、全体が略コの字状で、周方向両端が内側に屈曲した円弧状の非磁性体部を有する複数の磁石挿入孔と、
磁石挿入孔に埋め込まれる複数の永久磁石と、
永久磁石の外周側に配置される回転子鉄心の一部に設けられ、非磁性体層からなるスリットと、を備え、
非磁性体部は、永久磁石の外周側表面よりも内側に配置するように構成され、かつ永久磁石の内周側表面よりも内径側に延びるように形成されるものである。

この発明に係る永久磁石埋込型電動機は、磁石挿入孔を全体が略コの字状で、周方向両端が内側に屈曲した円弧状の非磁性体部を有する構成とし、かつ永久磁石の外周側に非磁性体層からなるスリットを配置することで、高速回転時の遠心力に対する応力を緩和させると共に、位置センサレス１２０度通電方式で高速運転を実現できるという効果がある。

実施の形態１を示す図で、永久磁石埋込型電動機１００の横断面図。 図１の部分拡大図。 実施の形態１を示す図で、固定子８０の横断面図。 実施の形態１を示す図で、固定子鉄心１の平面図。 図４の部分拡大図。 実施の形態１を示す図で、回転子９０の横断面図。 実施の形態１を示す図で、回転子鉄心４の平面図。 実施の形態１を示す図で、回転子鉄心４の極間部付近の拡大図。 図６の部分拡大図。 実施の形態１を示す図で、変形例１の永久磁石埋込型電動機２００の横断面図。 実施の形態１を示す図で、変形例１の回転子１９０の横断面図。 実施の形態１を示す図で、変形例１の回転子鉄心１０４の平面図。 図１２の部分拡大図。 実施の形態１を示す図で、回転子鉄心１０４の極間部付近の拡大図。 実施の形態１を示す図で、変形例２の永久磁石埋込型電動機３００の横断面図。 図１５の部分拡大図。 実施の形態１を示す図で、変形例２の回転子２９０の横断面図。 実施の形態１を示す図で、変形例２の回転子鉄心２０４の平面図。 実施の形態１を示す図で、回転子鉄心２０４の極間部付近の拡大図。 実施の形態１を示す図で、変形例３の永久磁石埋込型電動機４００の横断面図。 実施の形態１を示す図で、変形例３の回転子３９０の横断面図。 実施の形態１を示す図で、変形例３の回転子鉄心３０４の平面図。 実施の形態１を示す図で、回転子鉄心３０４のスリット３０７付近の拡大図。 図２３の拡大図。 実施の形態１を示す図で、スリット３０７の拡大図。 実施の形態１を示す図で、回転子鉄心３０４の極間部付近の拡大図。 比較のために示す図で、第四円弧部４５４の半径を大きくした回転子鉄心４０４の極間部付近の拡大図。

実施の形態１．
図１乃至図２６は実施の形態１を示す図で、図１は永久磁石埋込型電動機１００の横断面図、図２は図１の部分拡大図、図３は固定子８０の横断面図、図４は固定子鉄心１の平面図、図５は図４の部分拡大図、図６は回転子９０の横断面図、図７は回転子鉄心４の平面図、図８は回転子鉄心４の極間部付近の拡大図、図９は図６の部分拡大図、図１０は変形例１の永久磁石埋込型電動機２００の横断面図、図１１は変形例１の回転子１９０の横断面図、図１２は変形例１の回転子鉄心１０４の平面図、図１３は図１２の部分拡大図、図１４は回転子鉄心１０４の極間部付近の拡大図、図１５は変形例２の永久磁石埋込型電動機３００の横断面図、図１６は図１５の部分拡大図、図１７は変形例２の回転子２９０の横断面図、図１８は変形例２の回転子鉄心２０４の平面図、図１９は回転子鉄心２０４の極間部付近の拡大図、図２０は変形例３の永久磁石埋込型電動機４００の横断面図、図２１は変形例３の回転子３９０の横断面図、図２２は変形例３の回転子鉄心３０４の平面図、図２３は回転子鉄心３０４のスリット３０７付近の拡大図、図２４は図２３の拡大図、図２５はスリット３０７の拡大図、図２６は回転子鉄心３０４の極間部付近の拡大図。

図２７は比較のために示す図で、第四円弧部４５４の半径を大きくした回転子鉄心４０４の極間部付近の拡大図である。

図１乃至図９により、永久磁石埋込型電動機１００の構成を説明する。

図１に示すように、永久磁石埋込型電動機１００は、少なくとも固定子８０と回転子９０とを備える。

永久磁石埋込型電動機１００を、以下、単にモータまたは電動機と呼ぶ場合もある。

図３に示すように、固定子８０は、少なくとも、固定子鉄心１と、巻線３と、図示しない絶縁材（スロットセル等）とを備える。

固定子鉄心１は、全体の断面形状がドーナッツ状で、外周側に断面形状がリング状のコアバック２３が形成されている。このコアバック２３から、内側に放射状に１２個の歯部２１が周方向に略等間隔に設けられている（図４参照）。

歯部２１の周方向の幅は、径方向に略均一である。即ち、歯部２１は、固定子鉄心１の内周側に向かって略平行の形状を有している。歯部２１の内径側の先端部２１ａは、両サイドが周方向に広がるような円弧状をなしている（図４、図５参照）。ただし円弧状でなくてもよく、例えば直線状でも良い。

隣接する二つの歯部２１と、コアバック２３の一部とで囲まれる空間をスロット２２と呼ぶ。歯部２１の数が１２個であるから、スロット２２の数も１２個である。

歯部２１の周方向の幅は径方向に略均一であるから、スロット２２の周方向の幅は内側から外側に向かって徐々に大きくなる（図４、図５参照）。

スロット２２の内周側（回転子９０側）は、開口している。このスロット２２の内周側（回転子９０側）の開口している部分を、スロット開口部２２ａと呼ぶ（図５参照）。

巻線３は、このスロット開口部２２ａからスロット２２内に挿入される。

各々のスロット２２の内部には、スロットセルなどの絶縁材（図示せず）を介して、三相４極の分布巻方式で巻かれた巻線３が施されている。巻線３には、銅線の外側に絶縁被膜が施されたマグネットワイヤなどが用いられる。

固定子鉄心１は、薄板の電磁鋼板（例えば０．１〜１．０ｍｍ程度の板厚の無方向性電磁鋼板（鋼板の特定方向に偏って磁気特性を示さないよう、各結晶の結晶軸方向をできる限りランダムに配置させたもの））を所定の形状に金型で打ち抜き、所定の枚数（複数枚）積層して構成される。

固定子８０の内径側に空隙２５（図２参照）を介して配置される回転子９０は、少なくとも回転子鉄心４、永久磁石６、出力軸６０とを備える。４個の永久磁石６を、周方向の極性が交互に異なるように配置して、４極の回転子９０を構成する（図６参照）。

回転子鉄心４も、固定子鉄心１と同様に薄板の電磁鋼板（例えば０．１〜１．０ｍｍ程度の板厚の無方向性電磁鋼板）を所定の形状に金型で打ち抜き、所定の枚数（複数枚）積層して構成される。

回転子鉄心４は、固定子鉄心１と同じ材料の電磁鋼板を使用しても良いし、別の材料の電磁鋼板を使用しても良い。例えば、固定子鉄心１の電磁鋼板の厚さを、回転子鉄心４の電磁鋼板の厚さより薄い材料に設定しても良い。これにより、固定子鉄心１の鉄損が低減して、高効率な永久磁石埋込型電動機１００を得ることができる。

回転子鉄心４には、外周縁に沿って４個の磁石挿入孔５が周方向に略等間隔に設けられる（図７参照）。４個の磁石挿入孔５には平板状の４枚の永久磁石６が、極性が交互に逆になるように挿入され、４極の回転子９０を構成している（図６参照）。

固定子８０と回転子９０との間の空隙２５は、例えば、径方向寸法が０．２〜２．０ｍｍ程度である（図２参照）。

図６乃至図８により、永久磁石埋込型電動機１００の回転子９０および回転子鉄心４について、さらに詳細に説明する。

回転子鉄心４には、平板状の永久磁石６を埋め込むための磁石挿入孔５が、外周縁に沿って周方向に略等間隔に設けられている（図７参照）。

また、回転子鉄心４の略中心部に、出力軸６０が嵌合する軸孔１０が形成されている（図７参照）。

本実施の形態では、４ヶ所の磁石挿入孔５に、４枚の平板状の永久磁石６が挿入されている（図６参照）。永久磁石６は、ネオジウム系の希土類永久磁石を使用することが望ましいが、他の材質（例えばフェライト）の永久磁石６を用いても良い。

永久磁石６は、磁石挿入孔５の両端部付近に形成された永久磁石止め部５１で周方向の位置が決められる（図８参照）。

回転子鉄心４を構成する薄板の電磁鋼板の積層方法については、抜きカシメやリベットで固定しても良いし、接着剤を用いて固定しても良い。

磁石挿入孔５は全体が略コの字状であり、磁石挿入孔５の両端は、出力軸６０側に屈曲している。両端の屈曲した部分には、永久磁石６は存在せず、空気層などの非磁性体部９を構成している（図６参照）。

永久磁石６の周方向端部に隣接して形成される非磁性体部９は、回転子鉄心４を構成する電磁鋼板に比べて透磁率が低いため、磁束が通りにくく、磁束の通る磁路（漏れ磁束）を制御する役割を有している。

隣接する永久磁石６の間の漏れ磁束が増加すると、回転子９０の磁束が固定子８０に流れにくくなり、永久磁石埋込型電動機１００の特性が低下することがあった。つまり漏れ磁束の増加に伴い、電動機に流す電流を多くする必要があるため、その結果、電動機の損失が増加し、効率が低下するという課題がある。

本実施の形態では、回転子９０は永久磁石埋込型であり、磁石挿入孔５の周方向端部に形成される非磁性体部９の端部形状は第三円弧部５３（図８参照）となるように構成する。第三円弧部５３は、磁石挿入孔５の外周側端面の直線部５ａに接する接円１１の一部である（図８参照）。

非磁性体部９は、永久磁石６の外周側表面よりも出力軸６０側に屈曲するように配置されると共に、永久磁石６の内周側表面よりも出力軸６０側に屈曲するように配置させる（図６参照）。

なお磁石挿入孔５の外周側端面の直線部５ａの長さを一定として、第三円弧部５３の半径を変化させると、第三円弧部５３の半径が大きくなるにつれて、隣接する磁石挿入孔５の間の極間薄肉部１２（図８参照）の周方向幅が狭くなることになる。

後述するが、第三円弧部５３の半径を大きくすることで遠心力に対する強度が向上するが、最小限の磁石挿入孔５の間の極間薄肉部１２の周方向幅が確保させる範囲に設定する必要がある。

磁石挿入孔５の間の極間薄肉部１２の最小限の周方向幅は、一般的に回転子鉄心４を構成する電磁鋼板の一枚の厚さ（０．１〜１．０ｍｍ程度）である。回転子９０が高速回転すると上記の極間薄肉部１２にも、永久磁石６および磁石挿入孔５の外側の鉄心（回転子鉄心４の一部）に作用する遠心力が加わるため、遠心力に耐える強度を確保する必要がある。

ここでは非磁性体部９は空気層の場合について説明したが、非磁性体部９に接着剤を入れて永久磁石６を固定する方法や、樹脂を注入（充填）する方法を採用することで、遠心力に対する強度を向上させることが可能であり、信頼性の高い永久磁石埋込型電動機１００を得ることができる。

また本実施の形態では、図８に示すように、回転子鉄心４の外周形状において、ｑ軸近傍の一部に、円弧形状の切欠部８を設けている。すなわち、回転子鉄心４の最外周部を構成する第一円弧部４１に対して、第一円弧部４１の中心（出力軸６０の中心と一致）と同じ中心を有する第二円弧部４２により、切欠部８が構成される。

円弧形状の切欠部８の中心線（径方向）は、略極間の中心線もしくはｑ軸と一致している。

第二円弧部４２の半径は、第一円弧部４１の半径よりも小さい。

切欠部８を設けることで、隣接する永久磁石６の間の漏れ磁束を抑制することができるため、電動機の損失を低減させた高効率な永久磁石埋込型電動機１００を得ることができる。

また本実施の形態では、永久磁石６の外周側表面の外側に配置される回転子鉄心４にスリット７を設けている。スリット７の内部は、空間（空気層）等の非磁性体層である（図７，８参照）。

スリット７は、永久磁石６の周方向端面６ａのそれぞれの近傍に設けられる。スリット７と磁石挿入孔５との間に、スリット内周薄肉部１３（回転子鉄心４の一部）が形成される。またスリット７と第一円弧部４１との間に、スリット外周薄肉部７３（図９参照）が形成される。

永久磁石６の外周側で、永久磁石６の周方向端面６ａのそれぞれの近傍にスリット７を設けることにより、隣接する永久磁石６の間の漏れ磁束が更に低減する。そのため、スリット７がない場合に比べて、永久磁石６で生成された磁束のうちの固定子８０に鎖交する磁束が増加することで、より高効率な永久磁石埋込型電動機１００を得ることができる。

図８により切欠部８の位置について説明する。点Ａ１、Ａ２、Ｂ１を以下のように定義する。
（１）第一円弧部４１の線上に存在し、第一円弧部４１と磁石挿入孔５（第三円弧部５３）の距離が最も近い点（最近接点）をＡ１；
（２）第三円弧部５３の線上に存在し、第一円弧部４１と第三円弧部５３の最近接点をＡ２；
（３）切欠部８と第一円弧部４１との交点をＢ１。

このようにした場合、Ａ１よりもＢ１の方がｑ軸側に近い位置になるように、切欠部８を設けている。

前述の通り、磁石挿入孔５の端部に第三円弧部５３（図８参照）を設けることで、高速回転する回転子９０の遠心力に対する強度を確保している。高速回転により回転子鉄心４に働く応力は、Ａ１およびＡ２近傍で最も大きくなる傾向がある。

本実施の形態では、Ｂ１をＡ１よりもｑ軸側に配置することで、遠心力に対する強度を確保した、信頼性の高い永久磁石埋込型電動機１００を得ることができる。

ここで、図８では切欠部８の端部はエッジ（角部）となっているが、金型で打ち抜く場合には、適切な円弧形状（丸取り）を設けることで、金型の劣化を抑制することができると共に、信頼性の高い永久磁石埋込型電動機１００を得ることができる。

また切欠部８とスリット７との別の効果について説明する。図１および図６に示すように、一般的に永久磁石６の直交する方向（磁束の流れる方向）をｄ軸と定義される。ｄ軸から電気角で９０度ずれた位置（すなわち本実施の形態では４極であるため、機械角で４５度ずれた位置）をｑ軸と定義される。

スリット７を設けることで、ｑ軸方向の磁気抵抗を大きくすることができ、ｑ軸インダクタンスを小さくすることができる。またｑ軸近傍に切欠部８を設けることで、切欠部８では回転子９０と固定子８０との空隙２５が大きくなるため、ｑ軸インダクタンスを小さくすることができる。

本実施の形態の永久磁石埋込型電動機１００は、回転子９０の回転位置を位置センサで検出しない位置センサレス１２０度通電方式で制御されている。位置センサレス１２０度通電方式で制御する場合、回転子９０の回転に伴い、固定子８０の巻線３に誘起される電圧（誘起電圧）を検出して、回転子９０の位置を検出している。すなわち、１２０度の通電区間に対して、３０度の非通電区間では、巻線３の端子間に誘起電圧が現れ、その誘起電圧のゼロクロスポイントから回転子９０の回転位置を検出することができる。

１２０度の通電区間では、駆動回路（インバータ、図示せず）から固定子８０の巻線３に電流が流れており、３０度の非通電区間で電流を転流させる必要がある。

ｑ軸インダクタンスが大きい場合、巻線３に流れる電流を速やかに減少させることができず、３０度の非通電区間で転流できなくなることがあり、誘起電圧のゼロクロスポイントを検出できず、回転位置を検出できなくなる場合があった。

ｑ軸インダクタンスを小さくする方法としては、巻線３の巻数を減らすことで実現することは可能であるが、巻線３の巻数を減らすと、同一トルクを出力する場合、巻線３に流す電流を大きくする必要がある。

巻線３に発生する銅損は、巻線３の抵抗と流れる電流の二乗との積に比例するため、電流が大きくなると、銅損が増加し、電動機効率が低下すると共に駆動回路の損失が増加する課題がある。

本実施の形態では、切欠部８とスリット７とを設けることにより、巻線３に流れる電流を増加させることなく、ｑ軸インダクタンスを小さくすることができるため、巻線３に流れる電流を速やかに転流させることができ、位置センサレス１２０度通電方式でも安定して制御可能であり、かつ高効率な永久磁石埋込型電動機１００を得ることができる。

一般的に、位置センサレス１２０度通電方式の駆動回路は比較的安価で構成することが可能であるため、安価な制御装置を得ることができる。

次に、変形例１の永久磁石埋込型電動機２００について、図１０乃至図１４を参照しながら説明する。

図１０に示す変形例１の永久磁石埋込型電動機２００は、図１に示す永久磁石埋込型電動機１００と比べると、回転子１９０が異なる。固定子８０は、共通であるので、説明は省略する。

図１１に示す変形例１の回転子１９０は、図６の回転子９０と比べると、スリット１０７の構成が異なる。図１１に示すように、変形例１の回転子１９０は、永久磁石１０６の外周側にスリット１０７を一極当たり５本設けている。

即ち、略磁極中心線上に位置する一つのスリット１０７ａ、スリット１０７ａの両側に配設される二つのスリット１０７ｂ、二つのスリット１０７ｂのそれぞれのｑ軸側に配設される二つのスリット１０７ｃが一磁極に設けられる。

一つのスリット１０７ａ、二つのスリット１０７ｂ、二つのスリット１０７ｃは、それらの中心線の回転子１９０の外側への延長線が、回転子１９０の外側の点Ｘで交わるように、二つのスリット１０７ｂ、二つのスリット１０７ｃは、磁極中心線側に傾斜している。回転子１９０の外側の点Ｘは、例えば、略磁極中心線上に位置する（図１２参照）。

スリット１０７ａ、スリット１０７ｂ、及びスリット１０７ｃと回転子鉄心１０４の外周（第一円弧部１４１）との間のスリット外周薄肉部１７３は、略均一である（図１３参照）。

また、スリット１０７ａ、スリット１０７ｂ、及びスリット１０７ｃと磁石挿入孔１０５の外周側端面の直線部１０５ａとの間のスリット内周薄肉部１１３は、略均一である。

但し、スリット外周薄肉部１７３、スリット内周薄肉部１１３は、均一でなくてもよい。

従って、各スリット１０７ａ、スリット１０７ｂ、及びスリット１０７ｃの長さ（略径方向）は、スリット１０７ａ＞スリット１０７ｂ＞スリット１０７ｃである。

但し、各スリット１０７ａ、スリット１０７ｂ、及びスリット１０７ｃの長さ（略径方向）は、必ずしもスリット１０７ａ＞スリット１０７ｂ＞スリット１０７ｃの関係を満たす必要はない。

図６の回転子９０と比べると、スリット１０７の本数が増加しており、またスリット１０７の内部は空洞（空気層）となっている。そのため、永久磁石１０６の外周側に配置される回転子鉄心１０４の重量が軽くなる。永久磁石１０６の外周側に配置される回転子鉄心１０４が軽量になることで、回転子１９０が同じ回転数で運転される場合、遠心力が低くなり、遠心力に対する応力も低くなる（図１１参照）。

遠心力に対する応力が低いため、第三円弧部１５３（図１４参照）の半径を大きくして、極間薄肉部１１２（図１４参照）の径方向の寸法を小さくしても遠心力に対する応力を確保することができる。極間薄肉部１１２（図１４参照）の径方向の寸法が小さくなることで、漏れ磁束を低減することができ、より高効率な永久磁石埋込型電動機２００を得ることができる。

一方、極間薄肉部１１２（図１４参照）の厚さ寸法を図６の回転子９０と同じに設定した場合、スリット本数を増やした回転子１９０は、スリット本数が少ない回転子９０と比較して、永久磁石１０６の外周側に配置される回転子鉄心１０４が軽量になることで、更に高い回転数で運転しても遠心力に対する応力は同等となる。

回転数が高いということは、電動機出力が高くなることを意味し、高出力な永久磁石埋込型電動機２００を得ることができる。また本電動機を送風機に使用した場合は、高回転な送風機を得ることができるため、風量の高い送風機を得ることができる。

尚、変形例１の回転子１９０の回転子鉄心１０４の、切欠部１０８、非磁性体部１０９、軸孔１１０は、回転子９０の回転子鉄心４の、切欠部８、非磁性体部９、軸孔１０と同じものである。

次に、変形例２の永久磁石埋込型電動機３００について、図１５乃至図１９を参照しながら説明する。

図１５に示す変形例２の永久磁石埋込型電動機３００は、図１に示す永久磁石埋込型電動機１００と比べると、回転子２９０が異なる。固定子８０は、共通であるので、説明は省略する。

図１７に示す変形例２の回転子２９０は、図６に示す回転子９０と比べると、回転子鉄心２０４が異なる。

図１８に示す変形例２の回転子鉄心２０４は、図７に示す回転子鉄心４と比べると、切欠部２０８の構成が異なる。

図１８に示す変形例２の回転子鉄心２０４は、図１８、図１９に示すように、切欠部２０８は回転子鉄心２０４の外周である第一円弧部２４１に対して内径側（軸孔２１０側）に数段（図１８、図１９では三段）凸形状となるように構成されている。図１８、図１９の三段の切欠部２０８は、一例であり、何段でもよい。

極間の外周薄肉部の遠心力に対する応力は、第三円弧部２５３と第一円弧部２４１が最も近づく点（最近接点、図１９では点Ａ１と点Ａ２）の近傍で最も大きくなり、ｑ軸に近づくにつれて応力は低下する傾向にある。つまりｑ軸に近いところは、切欠部２０８を内径側に拡大しても遠心力に対する応力は変わらない。

一方、ｑ軸インダクタンスの観点からは、ｑ軸上における固定子８０と回転子２９０との空隙２２５（図１６参照）が広がることになるため、ｑ軸インダクタンスをより小さくすることが可能である。ｑ軸インダクタンスを小さくすることで、位置センサレス１２０度通電方式で制御を行った場合でも、安定して制御することができる。

尚、変形例２の回転子２９０の回転子鉄心２０４の、磁石挿入孔２０５、永久磁石２０６、スリット２０７、非磁性体部２０９、極間薄肉部２１２、出力軸２６０は、回転子９０の回転子鉄心４の、磁石挿入孔５、永久磁石６、スリット７、非磁性体部９、極間薄肉部１２、出力軸６０と同じものである。

次に、図２０乃至図２６により、変形例３の永久磁石埋込型電動機４００について説明する。

図２０に示す変形例３の永久磁石埋込型電動機４００は、図１に示す永久磁石埋込型電動機１００と比べると、回転子３９０が異なる。固定子８０は、共通であるので、説明は省略する。

図２１に示す変形例３の回転子３９０は、図６に示す回転子９０と比べると、回転子鉄心３０４が異なる。

図２２に示す変形例３の回転子鉄心３０４は、図７に示す回転子鉄心４と比べると、スリット３０７の構成が異なる。

変形例３の回転子鉄心３０４のスリット３０７は、スリット３０７の半径方向外周部に構成される回転子鉄心３０４の薄肉部であるスリット外周薄肉部３７３の半径方向幅寸法において、ｄ軸に近い側に対して、ｑ軸に近い側の幅を大きくしたものである。

図２３、図２４に示すように、スリット３０７の半径方向外周部に形成されるスリット外周薄肉部３７３の半径方向幅寸法は、ｑ軸側がｄ軸側よりも大きい。

即ち、回転子鉄心３０４の外周（第一円弧部３４１）とスリット３０７とのｄ軸側に近い側の径方向幅寸法をＷｄ、回転子鉄心３０４の外周（第一円弧部３４１）とスリット３０７とのｑ軸側に近い側の径方向幅寸法をＷｑとすると、
Ｗｑ＞Ｗｄ
の関係がある。

回転子鉄心３０４の高速回転による遠心力は、スリット外周薄肉部３７３において、ｑ軸に近い側で大きな応力を発生することになる。

スリット外周薄肉部３７３の半径方向幅寸法を均一に大きくすることで遠心力に対する応力を抑制することが可能であるが、ｑ軸インダクタンスが増加してしまうため、位置センサレス１２０度通電方式で安定して制御することが困難になる。

ここでは、ｄ軸に近い側の半径方向幅寸法Ｗｄを、ｑ軸側に近い側の径方向幅寸法Ｗｑより小さくすることで、ｑ軸インダクタンスの増加を抑制することができる。それにより、位置センサレス１２０度通電方式でも安定して制御可能な永久磁石埋込型電動機４００を得ることができる。

スリット３０７を金型で打ち抜く場合、金型の劣化を抑制するために、スリット３０７の各頂点には適当な丸取り（Ｒ形状）を設ける必要がある。本実施の形態では、スリット３０７の外周側頂点において、ｄ軸に近い側の丸取３７１の半径Ｒ１に対して、ｑ軸に近い側の丸取３７２の半径Ｒ２を大きく設定している（図２５参照）。

前述の通り、遠心力によりスリット外周薄肉部３７３に働く応力はｑ軸に近い側（丸取３７２側）の方が大きくなるが、本実施の形態では、丸取３７２の半径Ｒ２を丸取３７１の半径Ｒ１より大きくすることで、遠心力に対する応力を抑制した、信頼性の高い永久磁石埋込型電動機４００を得ることができる。

また図２６の回転子鉄心３０４の極間部（ｑ軸）近傍の拡大図において、磁石挿入孔３０５の半径方向外周側は直線部３０５ａと第三円弧部３５３からなり、第三円弧部３５３は直線部３０５ａに接する接円３１１の一部であり、各々は点Ｅを交点としている。

第三円弧部３５３を直線部３０５ａの接円とすることで、各々が滑らかに接続（連結）されているため、遠心力に対する応力を抑制することができる。

また第三円弧部３５３は、第四円弧部３５４と点Ｄで接しており、点Ｄが交点である。隣接する磁石挿入孔３０５の距離が最も近づく点（最近接点）を点Ｃとした場合、点Ｃに対して、点Ｄを軸孔３１０に近づけるように構成している（図１１参照）。

回転子３９０が高速で回転する場合、隣接する磁石挿入孔３０５の間に形成される極間薄肉部３１２に遠心力に対する応力が発生し、極間薄肉部３１２の周方向幅寸法を小さくしすぎると、最悪の場合、高速回転時に回転子３９０が破壊する可能性がある。

また第三円弧部３５３と第四円弧部３５４の交点Ｄを、回転子鉄心３０４の外周側に近づけると、点Ｄにより大きな応力が発生するが（図２７の比較例を参照）、本実施の形態では、点Ｃ（極間薄肉部４１２）に対して、点Ｄを内径側（軸孔３１０に近い側）に設けることで、遠心力に対する応力を緩和させた、信頼性の高い永久磁石埋込型電動機４００を得ることができる。

尚、変形例３の回転子３９０の回転子鉄心３０４の、永久磁石３０６、切欠部３０８、非磁性体部３０９は、回転子９０の回転子鉄心４の、永久磁石６、切欠部８、非磁性体部９と同じものである。

また、比較例の回転子鉄心４０４の、磁石挿入孔４０５、直線部４０５ａ、スリット４０７、極間薄肉部４１２、第三円弧部４５３は、回転子９０の回転子鉄心４の、磁石挿入孔５、直線部５ａ、スリット７、極間薄肉部１２、第三円弧部５３と同じものである。

上述の実施の形態では、例えば永久磁石埋込型電動機１００は、永久磁石６の外周側表面の外側に配置される回転子鉄心４にスリット７を設けたものを示したが、スリット７はなくてもよい。他の変形例についても同様である。

本実施の形態の永久磁石埋込型電動機１００〜４００を、送風機に搭載することにより、高性能な送風機が得られる。その場合、送風機の羽根が永久磁石埋込型電動機１００〜４００の回転子に固定される。

本発明の活用例として、送風機に用いられる永久磁石埋込型電動機がある。

１ 固定子鉄心、３ 巻線、４ 回転子鉄心、５ 磁石挿入孔、５ａ 直線部、６ 永久磁石、６ａ 周方向端面、７ スリット、８ 切欠部、９ 非磁性体部、１０ 軸孔、１１ 接円、１２ 極間薄肉部、１３ スリット内周薄肉部、２１ 歯部、２１ａ 先端部、２２ スロット、２２ａ スロット開口部、２３ コアバック、２５ 空隙、４１ 第一円弧部、４２ 第二円弧部、５１ 永久磁石止め部、５３ 第三円弧部、６０ 出力軸、７３ スリット外周薄肉部、８０ 固定子、９０ 回転子、１００ 永久磁石埋込型電動機、１０４ 回転子鉄心、１０５ 磁石挿入孔、１０５ａ 直線部、１０６ 永久磁石、１０７ スリット、１０７ａ スリット、１０７ｂ スリット、１０７ｃ スリット、１０８ 切欠部、１０９ 非磁性体部、１１０ 軸孔、１１２ 極間薄肉部、１１３ スリット内周薄肉部、１４１ 第一円弧部、１５３ 第三円弧部、１６０ 出力軸、１７３ スリット外周薄肉部、１９０ 回転子、２００ 永久磁石埋込型電動機、２０４ 回転子鉄心、２０５ 磁石挿入孔、２０６ 永久磁石、２０７ スリット、２０８ 切欠部、２０９ 非磁性体部、２１０ 軸孔、２１２ 極間薄肉部、２２５ 空隙、２４１ 第一円弧部、２５３ 第三円弧部、２６０ 出力軸、２９０ 回転子、３００ 永久磁石埋込型電動機、３０４ 回転子鉄心、３０５ 磁石挿入孔、３０５ａ 直線部、３０６ 永久磁石、３０７ スリット、３０８ 切欠部、３０９ 非磁性体部、３１０ 軸孔、３１１ 接円、３１２ 極間薄肉部、３５３ 第三円弧部、３５４ 第四円弧部、３６０ 出力軸、３７１ 丸取、３７２ 丸取、３７３ スリット外周薄肉部、３９０ 回転子、４００ 永久磁石埋込型電動機、４０４ 回転子鉄心、４０５ 磁石挿入孔、４０５ａ 直線部、４０７ スリット、４１２ 極間薄肉部、４５３ 第三円弧部、４５４ 第四円弧部。

Claims (7)

1. 固定子鉄心に巻線を施した固定子の内側に空隙を介して回転子が配置され、前記回転子の回転位置を位置センサで検出しない位置センサレス１２０度通電方式で制御される永久磁石埋込型電動機において、
   前記回転子は、
   薄板の電磁鋼板を複数枚積層して構成される回転子鉄心と、
   前記回転子鉄心の外周縁に沿って設けられ、全体が略コの字状で、周方向両端が内側に屈曲した円弧状の非磁性体部を有する複数の磁石挿入孔と、
   前記磁石挿入孔に埋め込まれる複数の永久磁石と、
   前記永久磁石の外周側に配置される前記回転子鉄心の一部に設けられ、非磁性体層からなるスリットと、を備え、
   前記非磁性体部は、前記永久磁石の外周側表面よりも内側に配置するように構成され、かつ前記永久磁石の内周側表面よりも内径側に延びるように形成されることを特徴とする永久磁石埋込型電動機。
2. 前記スリットを、少なくとも前記永久磁石の両端部近傍に設けたことを特徴とする請求項１記載の永久磁石埋込型電動機。
3. 前記スリットの外周側に形成される前記回転子鉄心のスリット外周薄肉部の径方向幅寸法を、ｄ軸側の径方向幅寸法よりｑ軸側の径方向幅寸法を大きくしたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の永久磁石埋込型電動機。
4. 固定子鉄心に巻線を施した固定子の内側に空隙を介して回転子が配置され、前記回転子の回転位置を位置センサで検出しない位置センサレス１２０度通電方式で制御される永久磁石埋込型電動機において、
   前記回転子は、
   薄板の電磁鋼板を複数枚積層して構成される回転子鉄心と、
   前記回転子鉄心の外周縁に沿って設けられ、全体が略コの字状で、周方向両端が内側に屈曲した円弧状の非磁性体部を有する複数の磁石挿入孔と、
   前記磁石挿入孔に埋め込まれる複数の永久磁石と、を備え、
   前記非磁性体部は、前記永久磁石の外周側表面よりも内側に配置するように構成され、かつ前記永久磁石の内周側表面よりも内径側に延びるように形成されることを特徴とする永久磁石埋込型電動機。
5. 前記回転子鉄心のｑ軸近傍の外周縁に、内側に凸形状の切欠部を設けたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の永久磁石埋込型電動機。
6. 前記切欠部を、ｑ軸上で内側に最も凸形状となるように設けたことを特徴とする請求項５記載の永久磁石埋込型電動機。
7. 少なくとも請求項１乃至６のいずれかに記載の永久磁石埋込型電動機と、前記永久磁石埋込型電動機の前記回転子に固定される羽根と、を備えたことを特徴とする送風機。

Images