JP2012217250A - 回転子および永久磁石電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】誘起電圧波形のゼロクロス点を正確に検出して、回転子の回転制御を正確に行うことが可能な回転子および永久磁石電動機を得ること。
【解決手段】磁石埋め込み孔の周方向両端部に形成された磁束短絡防止用のフラックスバリア１２と、磁石埋め込み孔の外周側に形成された外周部鉄心１５と、外周部鉄心１５の両端のフラックスバリア１２から周方向内側へ、外周部鉄心１５の板厚に相当する幅の磁性部からなる磁路ｄを介して、径方向に細長い形状のスリット２０がフラックスバリア１２と平行に形成されている。外周部鉄心１５の両端近傍に形成されたスリット２０の周方向内側には、さらに所定幅の磁路を介して径方向に長いスリットが１つ以上形成されていても良い。
【選択図】図２

Description

本発明は、回転子およびその回転子を用いた永久磁石電動機に関する。

従来、回転子鉄心に永久磁石が所定間隔で埋め込まれて形成され、各永久磁石の両端部付近にフラックスバリアが設けられた磁石埋め込み型の回転子を用いた永久磁石電動機があった。例えば、永久磁石の固定子側の表面に接触させて複数の外周部鉄心が配設され、各外周部鉄心には、各永久磁石と固定子に挟まれた領域に、各外周部鉄心を回転子の軸方向に貫通する一対の貫通孔が開設されている。一対の貫通孔は、各永久磁石と固定子の間に発生する磁力線の磁気的中心線を挟んで両側に対称に開設され、夫々が細長いスリット形状を有すると共に、固定子に向かって互いの間隔が狭まってハの字状をしている永久磁石モータが開示されている（特許文献１参照）。

また、上記以外にも、スリットの形状を周方向に細長い複数個のスリットを備えた永久磁石埋込型モータの回転子（特許文献２参照）、あるいは、永久磁石収容孔の外周部鉄心に形成され、径方向に細長く、かつ、永久磁石収容孔に沿って離隔配置された４個以上のスリット孔を備えた永久磁石電動機などが開示されている（特許文献３参照）。

特開平１１−４６４６４号公報 特開２００８−１８７７７８号公報 特許第４２４８９８４号公報

上記特許文献１〜３に記載された従来例において、電動機の回転制御を行う場合は、誘起電圧波形の誘起電圧が「０Ｖ」となるゼロクロス点を検出し、これを基準として固定子側に通電している電流の流れを切り替えることにより、ステータ側に回転磁界を発生させ、その回転磁界に追従するように回転子を回転させることができる。しかしながら、上記特許文献１〜３にあっては、電流の切換ポイントであるゼロクロス点において、誘起電圧波形が寝てしまうため、ゼロクロス点での誤検出が起こり易く、電動機を正確に回転制御することができなくなるという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、誘起電圧波形のゼロクロス点を正確に検出可能とし、検出されたゼロクロス点に基づいて固定子側に通電する電流の流れを切り替えて、回転子の回転制御を正確に行うことが可能な回転子および永久磁石電動機を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、磁性体により円柱状に形成され、板状の永久磁石が埋め込まれる磁石埋め込み孔が環状に所定間隔で形成された回転子であって、前記磁石埋め込み孔に埋め込まれた永久磁石と、前記磁石埋め込み孔の周方向両端部に形成された磁束短絡防止用の非磁性部と、前記磁石埋め込み孔の外周側に形成された外周部鉄心と、前記外周部鉄心の両端の前記非磁性部から周方向内側へ、前記外周部鉄心の板厚に相当する幅の磁性部からなる磁路を介して、径方向に細長い形状の貫通孔が前記非磁性部と平行に形成されたスリットと、を備えたことを特徴とする。

また、本発明は、前記スリットから径方向外側の磁路の幅をｄ’とした場合に、ｄ’が前記磁性部の板厚に相当する幅で形成されていることが好ましい。

また、本発明は、前記スリットの径方向の長さをＬｓとし、前記非磁性部の径方向外側端部までの径方向の長さをＬｆとした場合に、Ｌｓ＞Ｌｆ／２の関係にあることが好ましい。

また、本発明は、前記回転子と、前記回転子が内部に配置され、環状のヨーク部から内方に延びるティース部のティース先端面が、前記回転子の前記磁極部又は前記極間部の少なくとも１つと同一距離を隔てて対向する集中巻の固定子と、を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、誘起電圧波形のゼロクロス点を正確に検出することができ、検出されたゼロクロス点に基づいて固定子側に通電する電流の流れを切り替えることで、回転子の回転制御を正確に行うことが可能な回転子および永久磁石電動機を得られるという効果を奏する。

図１は、本発明の実施例１にかかる回転子の構成を示す平面図である。 図２は、図１の回転子の外周部鉄心部分の拡大図である。 図３は、図１の回転子の回転時における誘起電圧波形図である。 図４は、実施例１の回転子が永久磁石電動機の固定子内で回転する際にゼロクロス点における誘起電圧波形の立ち上がりを正確に検出できる原理を説明する図である。 図５は、本発明の実施例２にかかる回転子の構成を示す平面図である。 図６は、図５の回転子の外周部鉄心部分の拡大図である。 図７は、図５の回転子の回転時における誘起電圧波形図である。 図８は、実施例２の回転子と比較する比較例の回転子の平面図である。 図９は、図８の回転子の外周部鉄心部分の拡大図である。 図１０は、図８の回転子の回転時における誘起電圧波形図である。

以下に、本発明にかかる回転子および永久磁石電動機の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の実施例１にかかる回転子の構成を示す平面図であり、図２は、図１の回転子の外周部鉄心部分の拡大図であり、図３は、図１の回転子の回転時における誘起電圧波形図であり、図４は、実施例１の回転子が永久磁石電動機の固定子内で回転する際にゼロクロス点における誘起電圧波形の立ち上がりを正確に検出できる原理を説明する図である。

図１に示すように、実施例１の回転子１０は、薄い珪素鋼板（磁性体）を多数積層して円柱状に形成され、この回転子１０の中心には、回転子軸２６が挿通されて固定される。回転子１０に対して複数の貫通孔を打ち抜いてスリットを形成する場合には、スリットの周りに少なくとも磁性体（珪素鋼板）の板厚程度の幅の磁路を残して打ち抜き加工するのが加工限界である。それ以上細い磁路を残して打ち抜くと磁路が傾いてしまうので、鋼板の積層が困難となる。

６枚の板状の永久磁石１４は、回転子軸２６を中心とする６角形の各辺を成すように、回転子１０の外周寄りに、環状に所定間隔で形成された磁石埋め込み孔に埋め込まれて形成されている。そして、回転子１０の磁石埋め込み孔の周方向両端部には、磁束の短絡を防止するための非磁性部としてのフラックスバリア１２が、回転子１０の外周に向かって形成されている。磁石埋め込み孔の永久磁石１４とフラックスバリア１２とで囲まれた回転子１０の外周側は、外周部鉄心１５であり、その中央が磁極部２２で、両端のフラックスバリア１２同士が隣接する部分が極間部２４となる。実施例１の回転子１０の特徴的な構成は、この外周部鉄心１５の両端のフラックスバリア１２の周方向内側近傍に、径方向に細長い形状の貫通孔を打ち抜いて、スリット２０を形成した点にある。

図２に示すように、実施例１の回転子１０の外周部鉄心１５の構造は、外周部鉄心１５の両端に設けられたフラックスバリア１２から周方向内側へ、外周部鉄心１５の板厚に相当する幅の磁性部からなる磁路幅ｄを介して、径方向に細長い形状の貫通孔を打ち抜いてフラックスバリア１２と平行となるようにスリット２０が形成されている。

実施例１の回転子１０は、外周部鉄心１５の両端のフラックスバリア１２の周方向内側に、通常の打ち抜き加工の限界である外周部鉄心１５の板厚に相当する細い磁路幅ｄを残し、打ち抜き加工によりフラックスバリア１２の内側近傍にスリット２０を形成したため、磁路幅ｄの磁性部が磁気飽和を起こしやすくなり、磁路幅ｄを通り抜ける磁束の量を少なくすることができる。

このように構成された回転子１０を回転させた場合の誘起電圧波形は、図３に示すように、ゼロクロス点Ｂ近傍における波形が正弦波状になり、誘起電圧波形と電気角を表す横軸とが一点で交差するため、ゼロクロス点を誤検出することがなくなり、ゼロクロス点を正確に検出できることが実験により確かめられている。

その原理としては、図４に示すように、実施例１の回転子１０が永久磁石電動機の固定子３６内で矢印Ｃ方向に回転する際に、回転子１０が図４の位置から矢印Ｃ方向に回転していくと、外周部鉄心１５の磁極部２２と固定子３６のティース部３２とが対向する位置まではティース部３２に流れ込む磁束量が増加していく。磁極部２２とティース部３２とが対向する位置でティース部３２に流れ込む磁束量が最大となり、その後、回転子がさらに矢印Ｃ方向に回転していくと、外周部鉄心１５の磁極部２２と、固定子３６のティース部３２のティース先端面４０とが重なる面積が少なくなるに従ってティース部３２に流れ込む磁束量が減少する。

これをティース部３２に流れ込む磁束の変化量（すなわち、誘起電圧）として考えると、ティース部３２に流れ込む磁束量が最大となる点が誘起電圧がプラスからマイナスに転じる点（ゼロクロス点）に相当する。具体的には、回転子１０が回転するのに伴って、極間部２４のフラックスバリア１２の近傍に形成されたスリット２０がスロット３８を境に次のティース部３２２へ移動していくとき、磁極部２２からティース部３２１に向かっていた磁束のうち、ティース部３２２へ最初に移動する磁束は、フラックスバリア１２とスリット２０との間の磁路幅ｄを通る磁束となる。この磁路幅ｄは、加工限界まで細くしたため、通り抜ける磁束量が少なくなる。スリット２０の磁路幅ｄを通る磁束は、磁束量が少ないことから、磁極部２２からティース部３２１に向かっていた磁束が徐々にティース部３２２へ向かうようになる。その結果、ティース部３２１に流れ込む磁束量が増加から減少へ転じる際の磁束の変化量（ゼロクロス点Ｂ近傍の起動電圧波形）が正弦波状となり、正確にゼロクロス点の検出が行えるようになるものと考えられる。

なお、スリット２０の外周側には、磁路幅ｄ’の磁路が設けられており、この磁路幅ｄ’は、スリット２０を外周側に近づけることのできる限界値、すなわち、打ち抜きの限界である板厚程度とすることが好ましい。この磁路幅ｄ’を大きくしてしまうと、外周部鉄心１５を流れる磁束の一部が磁路幅ｄ’を介して磁路幅ｄ側へ流れ込んでしまい、磁路幅ｄを流れる磁束の量が増えるのと同様となってしまうためである。さらに、スリット２０の径方向長さＬｓは、少なくとも隣接するフラックスバリア１２の径方向長さＬｆの半分以上であことが好ましい。Ｌｓが径方向に短くなると、スリット２０を径方向にまたいで固定子へ流れ込む磁束が発生するおそれがあり、スリット２０により磁束の流れを規制する効果が得られなくなるおそれがあるためである。

これに対し、フラックスバリア１２とスリット２０との間の磁路幅ｅを磁路幅ｄの２倍とした図８〜図１０に示す比較例の詳細については、後述するが、図１０のゼロクロス点Ｇを見るとわかるように、磁路幅ｅを磁路幅ｄよりも広くして磁路幅ｅを通る磁束量が増えている。磁路幅ｅを通る磁束は、磁束量が多いことから、磁極部２２からティース部３２１に向かっていた磁束を徐々にティース部３２２へ向かうようにすることができない。その結果、ティース部３２１に流れ込む磁束の量が増加から減少へ転じる際の磁束の変化量（ゼロクロス点Ｇ近傍の誘起電圧波形）が正弦波状とならず、正確にゼロクロス点の検出が行えない。実施例１の回転子１０と比較例の回転子１３とは、スリットの数や配置が異なるため、類似した回転子構造を持つ実施例２の回転子との中で詳細に比較検討することにする。

図５は、本発明の実施例２にかかる回転子の構成を示す平面図であり、図６は、図５の回転子の外周部鉄心部分の拡大図であり、図７は、図５の回転子の回転時における誘起電圧波形図である。

実施例２にかかる回転子１１は、図５に示すように、実施例１のスリット２０に加えて、その周方向内側に所定の磁路を介して、新たに２つのスリット１８および１６を両側に形成したものである。スリット２０の構成については、実施例１で説明したため、重複説明を省略する。

スリット１８は、図６に示すように、スリット２０の周方向内側から磁路幅ｃだけ離れて、径方向に長く形成されている。また、スリット１６は、スリット１８の周方向内側から磁路幅ｂだけ離れて、径方向に長く形成されている。スリット２０の作用は、実施例１で説明したように、ゼロクロス点を正確に検出できるようにするため、ゼロクロス点近傍における誘起電圧波形を正弦波状にするものである。そして、実施例２では、スリット２０に加えてスリット１８および１６を追加することにより、ゼロクロス点近傍だけでなく、全電気角で誘起電圧波形をより滑らかな正弦波に近づけるため、外周部鉄心１５の磁極部２２中央に磁束を集中させ、両端の極間部２４に行くに従って磁束を通り難くして、磁束の量を少なくするように配置する。

例えば、図６に示すように、磁路の幅でスリットの位置を規定する場合は、外周部鉄心１５の磁極部２２中央の一定領域は、スリットの無い磁性部のみで形成され、外周部鉄心１５の磁極部２２寄りの第１スリットとしてのスリット１６の間を磁路幅ａとし、スリット１６と第２スリットとしてのスリット１８の間を磁路幅ｂとし、第３スリットとしてのスリット２０とフラックスバリア１２の間を磁路幅ｄとした場合に、ａ＞ｂ＋ｃ＞ｄの関係にあるように規定する。また、スリット１６の磁路幅ａ側を通過する磁束の一部が磁路幅ｂ’を通って、磁路幅ｂの磁束と合流することを考慮した場合は、ａ＞ｂ＋ｂ’＋ｃ＞ｄの関係にあるように規定することもできる。

さらに、各スリットの位置については、磁路を通過する磁束によって規定することも可能である。例えば、磁路幅ａを通る磁束量を第１磁束量とし、スリット１６とスリット１８との間の磁路幅ｂ，ｂ’，ｃを通る磁束量を第２磁束量とし、スリット２０とフラックスバリア１２との間の磁路幅ｄを通る磁束量を第３磁束量とした場合に、第１磁束量＞第２磁束量＞第３磁束量の関係にあるように磁路幅を規定しても良い。

このように、実施例２における回転子２は、外周部鉄心１５の磁極部２２中央に磁束を集中させ、両端の極間部２４に行くに従って磁束を通り難くし、磁束の量を少なくするように磁路幅を調整することにより、図７に示すように、図３よりも正弦波に近づけることが可能となったため、高調波成分とコギングトルクを低減できることから、回転子１１の回転時における振動や騒音を低減することができると共に、鉄損による効率低下を改善することができる。

また、実施例２における回転子２は、実施例１と同様のスリット２０が形成されているため、図７に示すように、ゼロクロス点Ｅにおける誘起電圧波形を立たせることができるようになり、誤検出することなくゼロクロス点を正確に検出することができるので、永久磁石電動機の回転制御を正確に行うことができる。

［実施例２と比較例との比較］
以下では、本実施例２における回転子の効果を検証するため、実施例２のスリット１６およびスリット１８の位置を変えずにスリット２０とフラックスバリア１２との間の磁路幅ｄを２倍の磁路幅ｅに変更した比較例を作成し、その効果を比較することにする。

実施例２の回転子と比較する比較例の回転子の平面図であり、図９は、図８の回転子の外周部鉄心部分の拡大図であり、図１０は、図８の回転子の回転時における誘起電圧波形図である。

実施例２の比較例として作成した回転子１３は、図８に示すように、フラックスバリア１２に隣接したスリット２１との磁路幅ｄを２倍の磁路幅ｅに変更したものであり、それ以外の構成については、実施例２の回転子１１と同じであるため、重複説明を省略する。

スリット２１の形状は、図９の拡大図に示すように、図６のスリット２０と同じであるが、比較例の磁路幅ｅは実施例２の磁路幅ｄの２倍の幅になっている。このため、比較例の回転子１３を永久磁石電動機の固定子に組み込んで回転させると、実施例２の磁路幅ｄを通り抜ける磁束量よりも磁路幅ｅを通り抜ける磁束量の方が多くなる。これにより、例えば図４に示すように、固定子に対する回転子の位置関係において、実施例２のスリット２０の磁路幅ｄを通り抜けた磁束が流れ込むティース部３２が、スロット３８を境にしてティース部３２１から次のティース部３２２へ切り替わる場合と、比較例のスリット２１の磁路幅ｅを通り抜けた磁束が流れ込むティース部３２が、スロット３８を境にしてティース部３２１から次のティース部３２２へ切り替わる場合とを比べると、磁路幅ｅを通る磁束は、磁束量が多いことから、磁極部２２からティース部３２１に向かっていた磁束を徐々にティース部３２２へ向かうようにすることができない。その結果、実施例２の場合よりも比較例の方がゼロクロス点近傍における誘起電圧波形が正弦波状にならない。具体的には、図１０に示すゼロクロス点Ｇ近傍における誘起電圧波形が正弦波状とならないのに対して、図７に示すゼロクロス点Ｅ近傍における誘起電圧波形の方が正弦波状になり、正確なゼロクロス点を検出できることがわかる。

このように、実施例２と比較例との回転子の構成の違いは、スリット２０あるいは２１とフラックスバリア１２との磁路幅の違いだけであるため、このスリット２０あるいは２１とフラックスバリア１２との磁路幅がゼロクロス点における誘起電圧波形の傾きに影響していることは明らかである。

以上のように構成された実施例１および実施例２にかかる回転子は、永久磁石電動機の固定子内に組み込まれ、１８０度正弦波通電で駆動する場合に、誘起電圧の高調波成分を低減することで、トルクリップルが低減され、回転時における振動や騒音を低減すると共に、鉄損の低減効果により高い効率の永久磁石電動機とすることができる。また、１２０度矩形波通電で駆動する場合は、誘起電圧の高調波成分を低減することで、ゼロクロスポイントの検知が容易になり、誤検知を抑制することができる永久磁石電動機とすることができる。

以上のように、本発明にかかる電動機は、正確な回転制御を行うことが可能なコンプレッサー用のモータ等に用いる回転子および永久磁石電動機として有用である。

１０、１１、１３ 回転子
１２ フラックスバリア（非磁性部）
１４ 永久磁石
１５ 外周部鉄心
１６、１８、２０、２１ スリット
２２ 磁極部
２４ 極間部
２６ 回転子軸
３２ ティース部
３４ ヨーク部
３６ 固定子
３８ スロット
４０ ティース先端面
ａ、ｂ、ｂ‘、ｃ、ｄ、ｅ 磁路幅

Claims (4)

1. 磁性体により円柱状に形成され、板状の永久磁石が埋め込まれる磁石埋め込み孔が環状に所定間隔で形成された回転子であって、
   前記磁石埋め込み孔に埋め込まれた永久磁石と、
   前記磁石埋め込み孔の周方向両端部に形成された磁束短絡防止用の非磁性部と、
   前記磁石埋め込み孔の外周側に形成された外周部鉄心と、
   前記外周部鉄心の両端の前記非磁性部から周方向内側へ、前記外周部鉄心の板厚に相当する幅の磁性部からなる磁路を介して、径方向に細長い形状の貫通孔が前記非磁性部と平行に形成されたスリットと、
   を備えたことを特徴とする回転子。
2. 前記スリットから径方向外側の磁路の幅をｄ’とした場合に、ｄ’が前記磁性部の板厚に相当する幅で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の回転子。
3. 前記スリットの径方向の長さをＬｓとし、前記非磁性部の径方向外側端部までの径方向の長さをＬｆとした場合に、次式（１）の関係にあることを特徴とする請求項１または２に記載の回転子。
   Ｌｓ＞Ｌｆ／２ ……（１）
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の回転子と、
   前記回転子が内部に配置され、環状のヨーク部から内方に延びるティース部のティース先端面が、前記回転子の前記磁極部又は前記極間部の少なくとも１つと同一距離を隔てて対向する集中巻の固定子と、
   を備えていることを特徴とする永久磁石電動機。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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