(57)【要約】【課題】磁束変動の抑制を図りつつインダクタンスの確保を図ることのできる永久磁石形電動機を提供する。【解決手段】回転方向に形成された磁極部３に永久磁石５が埋設されたロータ１を有する永久磁石形電動機でり、ロータ１の各磁極部３にロータ１の回転方向前方側と回転方向後方側とにそれぞれ巻方向が逆向きのコイル６、７が設けられている。各コイル６、７はこれを通過する鎖交磁束の変化を妨げる向きに生じる電流が互いに反対方向に流れるように直列的に結線されている。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転方向に形成された磁極部に永久磁石が埋設されたロータを有する永久磁石形電動機において、
前記ロータの各磁極部に前記ロータの回転方向前方側と回転方向後方側とにそれぞれ巻方向が逆向きのコイルが設けられ、該各コイルは、鎖交磁束の変化に基づき一方のコイルに生じた電流が、鎖交磁束の変化に基づき他方のコイルに生じた電流に対して反対向きに流れるように直列的に結線されていることを特徴とする永久磁石形電動機。
【請求項２】
前記各コイルよりも半径方向外側に磁極部の外周面が存在することを特徴とする請求項１に記載の永久磁石形電動機。
【請求項３】
前記各コイルの交差箇所又は結線部が前記ロータ軸端部側に位置していることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石形電動機。
【請求項４】
前記磁極部に埋設された永久磁石が回転方向前方側と回転方向後方側の板状分割磁極とから構成され、各板状分割磁極を包囲するようにしてその板状分割磁極の外周面に前記コイルがそれぞれ巻回されていることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石形電動機。
【請求項５】
前記各コイルが巻回された分割磁石が樹脂を用いて封止されていることを特徴とする請求項４に記載の永久磁石形電動機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、永久磁石形電動機の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、永久磁石形電動機には、ロータにその回転軸の軸回り方向に交互に極性が互いに異なるようにして永久磁石を埋設すると共に、そのロータの外周部に永久磁石を包囲するようにしてかご型導体を配置する構成のものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
この従来の永久磁石形電動機によれば、ロータの回転に伴って生じる磁束の変化を妨げる方向に、かご型導体に電流が流れるので、かご型導体よりも内側のロータの部分に生じる磁束変動が抑制され、その結果、永久磁石の渦電流損失、ロータの鉄損が低減される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特公昭５９−２３１７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、この種の永久磁石形電動機によれば、ＰＷＭ制御による高周波成分の磁束がロータを通ることができないので、高周波成分による逆起電力が固定子コイルに発生せず、固定子コイルのインダクタンスが低くなり、その結果、固定子コイルに流れる電流が増大し続け、ＰＷＭ制御による高調波の電流が大きくなって、かご型導体が設けられていない通常の永久磁石形電動機では、抑制されるはずのＰＷＭ制御による高周波成分の磁束に起因する高周波電流が大きくなるという問題がある。
本発明は、上記事情に鑑みて為されたもので、ロータに生じる磁束変動の抑制を図りつつインダクタンスの確保を図ることのできる永久磁石形電動機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、永久磁石が埋設されたロータの各磁極部の回転方向前方側と回転方向後方側とにそれぞれ巻方向が逆向きのコイルを設け、各コイルを通過する鎖交磁束の変化を妨げる向きに生じる電流が互いに反対向きとなるように各コイルを直列的に結線したことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、ロータの回転方向前方側と回転方向後方側とに巻線の方向が逆向きとなるようにコイルを設けて各コイルを直列に接続したので、各コイルに生じる鎖交磁束は結果としてゼロとなり、固定子コイルが磁極部に正対したときのインダクタンスを確保することによって、ＰＷＭ制御による高調波の電流の増大を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は現在主流の従来の集中巻のかご型導体が設けられていない通常の永久磁石形電動機に生じる磁束変動の一例を示すグラフである。
【図２】図２は本発明の実施例１に係わる永久磁石形電動機のロータの構成を示す外観図である。
【図３】図３はＤ軸磁束の流れを示す説明図である。
【図４】図４はＱ軸磁束の流れを示す説明図である。
【図５】図５は磁極部のコイル種類毎のインダクタンスを比較して示すグラフである。
【図６】図６は図５に示すインダクタンスに基づき算出した磁極部のコイル種類毎のＰＷＭ高調波電流の振幅を比較して示すグラフである。
【図７】図７は磁極部にコイルを配置していない通常の永久磁石電動機の場合の永久磁石の渦電流損失と、本発明の実施例に係わるコイルを磁極部に配置した場合の渦電流損失とを比較して示すグラフである。
【図８】図８は板状永久磁石に対するコイルの配置位置関係を示す説明図である。
【図９】図９は板状永久磁石を回転方向中央で２分割して２個の板状分割磁石をＶ字形状に配設して、各磁極部に埋設する構成としたロータの部分拡大斜視図である。
【図１０】図１０は本発明に係わるロータの製作方法の一例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【実施例】
【０００８】
図２は本発明に係わる永久磁石形電動機の円柱体形状のロータ１の外観構成を示す斜視図である。このロータ１は円盤状の鋼板を回転軸方向に積層して形成されている。
このロータ１は、その中央部にコアヨーク部としてのロータコア部２を有し、その半径方向外周部に、その周回り方向にコアバックヨーク部としての複数の磁極部３を有する。磁極部３は、そのロータ１の周回り方向に等角度間隔に形成されている。互いに隣接する各磁極部３の間は回転軸方向に長く延びる空隙部４となっており、各磁極部３はその空隙部４によって磁極の境界が規定されている。
【０００９】
この各磁極部３には、埋設穴が形成されており、板状永久磁石５がその埋設穴にそれぞれ埋設されている。この板状永久磁石５は、回転方向に互いに隣接する磁石の磁極Ｎ又は磁極Ｓが固定子（図示を略す）に対して互いに逆極性となるようにして配置されている。
【００１０】
この磁極部３には、ロータ１の回転方向前方側と回転方向後方側とにそれぞれ巻方向が逆向きのコイル６、７がそれぞれ設けられている。各コイル６、７は図２に示すようにこれを通過する鎖交磁束Φの変化を妨げる向きに生じる起電力に基づく電流ｉが互いに反対向きとなるように直列的に結線されている。このコイル６とコイル７とはその交差箇所Ｑが、このコイル６とコイル７とを貫通する磁束に対して対称形を呈するようにロータ１の回転方向中央位置でかつロータ１の回転軸方向中央位置に位置している。
【００１１】
このロータ１について、固定子コイルによる鎖交磁束をロータ１の磁極部３に固定子の磁極部が正対したときのＤ磁束と、ロータ１の磁極間である空隙部４に固定子の磁極部が正対したときのＱ磁束とについて見ると、図３に示すように、固定子コイルからのＤ軸磁束Φは磁極部３を正面から貫通し、固定子コイルからのＱ軸磁束Φは、図４に示すように空隙部４から回転子コア部２を通って、隣接する空隙部４に向かって流れる磁束と、磁極部３の外周面部３ａを通る磁束とになり、コイル６、７に対してほとんど鎖交することがない。
【００１２】
コイル６、７は、ロータ１の回転方向前方側と回転方向後方側とでそれぞれ巻方向が逆向きとなっているので、図３に示すように、電流ｉ１の流れる向きと電流ｉ２の向きとは磁束の変化する方向に対して互いに逆向きであり、コイル６、７を貫通する鎖交磁束Φは「０」と等価である。従って、固定子コイルからの磁束はコイル６、７によって抑制されることはなく、ロータコア部２を通って隣接する磁極部３に向かうので、Ｄ軸インダクタンスが確保される。
【００１３】
一方、Ｑ軸磁束Φは、図４に示すように、外周面部３ａを主として通って各磁極部３の間の互いに隣接する空隙部４の一方から他方の空隙部４に向かってコイル６、７をほとんど貫通することなく流れるので、Ｑ軸インダクタンスも確保される。なお、一部の固定子コイルからの磁束Φ’はコイル６、７を貫通するので、その分、固定子コイルからの磁束が抑制される。
【００１４】
図５は磁極部３のコイル種類毎のインダクタンスの一例を示すグラフである。その図５において、（ａ）は磁極部３にコイルを配置していない通常の集中巻の永久磁石形電動機の場合のＤ軸インダクタンスＬDとＱ軸インダクタンスＬQとを示し、（ｂ）は磁極部３に本発明の実施例に係わるコイル６、７を配置した永久磁石形電動機の場合のＤ軸インダクタンスＬDとＱ軸インダクタンスＬQとを示し、（ｃ）は磁極部３に単一ループのコイルを配置した永久磁石形電動機の場合のＤ軸インダクタンスＬDとＱ軸インダクタンスＬQとを示し、（ｄ）は磁極部３にかご型導体を配置した永久磁石形電動機の場合のＤ軸インダクタンスＬDとＱ軸インダクタンスＬQとを示している。この図５から明らかなように、かご型導体を配置した永久磁石形電動機の場合のＤ軸インダクタンスＬD、Ｑ軸インダクタンスＬQは、図５の（ｄ）に示すように非常に小さいのに対して、本発明の実施例に係わるコイル６、７を磁極部３に配置した永久磁石形電動機の場合のＤ軸インダクタンスＬD、Ｑ軸インダクタンスＬQは、図５（ｂ）に示すように、図５（ａ）に示す磁極部３にコイルを配置していない通常の永久磁石形電動機の場合のＤ軸インダクタンスＬDとＱ軸インダクタンスＬQと同等のインダクタンスが確保されている。また、本発明の実施例に係わるコイル６、７を磁極部３に配置した永久磁石形電動機の場合のＤ軸インダクタンスＬDは、図５（ｃ）に示す磁極部３に単一のループコイルを配置した永久磁石形電動機の場合のＤ軸インダクタンスＬDと較べてＤ軸インダクタンスＬDがはるかに改善されている。なお、この図５で、（ｍＨ）はインダクタンスの単位を示している。
【００１５】
図６は図５に示すインダクタンスに基づき算出した磁極部３のコイル種類毎のＰＷＭ高調波電流（リップル電流）の振幅を比較して示している。この図６には、固定子コイルに直流電圧Ｖｄｃ＝３００Ｖを加え、周波数ｆｃ＝１０ＫＨｚに設定した時のＰＷＭ高調波電流の最大振幅がＤ軸磁束と、Ｑ軸磁束とに分けて別々に示されている。
【００１６】
その図６において、（ａ）は磁極部３にコイルを配置していない通常の集中巻永久磁石電動機の場合のＰＷＭ高調波電流の振幅、（ｂ）は磁極部３に本発明の実施例に係わるコイル６、７を配置した永久磁石形電動機の場合のＰＷＭ高調波電流の振幅、（ｃ）は磁極部３に単一ループのコイルを配置した永久磁石形電動機の場合のＰＷＭ高調波電流の振幅、（ｄ）は磁極部３にかご型導体を配置した永久磁石形電動機の場合のＰＷＭ高調波電流の振幅を示している。
【００１７】
この図６から明らかなように、本発明の実施例に係わるコイル６、７を磁極部３に配置した場合のＰＷＭ高調波電流の振幅は、Ｄ軸磁束については、図６（ｂ）に示すように、図６（ｃ）に示す磁極部３に単一ループのコイルを配置した場合のＰＷＭ高調波電流の振幅、図６（ｄ）に示す磁極部３にかご型導体を配置した場合のＰＷＭ高調波電流の振幅に対して、７０％程度低減されており、ＰＷＭ高調波電流の増大が抑制されている。この本発明の実施例に係わるコイル６、７を磁極部３に配置した場合のＰＷＭ高調波電流の振幅は、図６（ａ）に示す磁極部３にコイルを配置していない通常の集中巻永久磁石形電動機の場合のＰＷＭ高調波電流の振幅とほぼ同等である。
【００１８】
図７は磁極部３にコイルを配置していない通常の永久磁石電動機の場合の永久磁石の渦電流損失と、本発明の実施例に係わるコイル６、７を磁極部３に配置した場合の渦電流損失とを比較して示している。
その図７において、横軸は電流進角β（deg）、縦軸は渦電流損失（Ｗ）であり、符号（ａ）は磁極部３にコイルを配置していない通常の電動機の場合の永久磁石の渦電流損失カーブを示し、符号（ｂ）は本発明の実施例に係わるコイル６、７を磁極部３に配置した場合の渦電流損失カーブを示している。なお、この渦電流損失カーブは、ロータの回転数が４０００（ｒｐｍ）、定格電流が２８３Ａｒｍｓの条件で測定した時に得られた値である。
【００１９】
この図７から明らかなように、本発明の実施例に係わるコイル６、７を磁極部３に配置した場合の永久磁石の渦電流損失は、図７の（ｂ）に示すように、図７の（ａ）に示す磁極部３にコイルを配置していない通常の集中巻永久磁石電動機の場合の永久磁石の渦電流損失に対して、電流進角βに対するばらつきはあるものの約１２％ないし約２２％程度の低減効果が得られている。
【００２０】
すなわち、本発明の実施例によれば、ロータの回転方向前方側と回転方向後方側とに巻線の方向が逆向きとなるようにコイル６、７を設けて、鎖交磁束の変化に基づき一方の各コイル６（７）に生じた電流が、鎖交磁束の変化に基づき他方のコイル７（６）に生じた電流に対して反対向きに流れるように直列に各コイル６、７を接続したので、逆位相の磁束変動を抑制でき、従って、板状永久磁石５に生じる渦電流損失、ロータ１の鉄損を低減できる。
つまり、現在主流の集中巻のかご型導体が設けられていない通常の永久磁石形電動機では、図１に示すように、同一の磁極部に着目すると、ロータの回転方向前方部と回転方向後方部とにおいて逆位相の磁束変動が生じている。従って、ロータの回転方向前方部と回転方向後方部とにそれぞれコイルを配置し、かつ、各コイルに流れる電流の方向が反対方向となるように各コイルを直列に結線すると、各コイルには磁束変動を妨げる方向の電流が逆方向にそれぞれ流れることになり、逆位相の磁束変動を抑制でき、永久磁石に生じる渦電流損失、ロータの低減を図ることができる。
また、回転方向前方側に配置のコイルと回転方向後方側に配置のコイルとで流れる電流が反対向きになるので、各コイルに生じる鎖交磁束は結果としてゼロとなり、従って、固定子コイルが磁極部に正対したときのＤ軸インダクタンスが確保され、ＰＷＭ制御による高調波の電流の増大を抑制できる。
【００２１】
更に、各コイル６、７よりも半径方向外側に磁極部３の外周面を設けたので、Ｑ軸インダクタンスを確保でき、このＱ軸インダクタンスの確保により、集中巻固定子の各コイルの正面に一の磁極部３とこの一の磁極部３に隣接する磁極部３の中間位置（Ｑ軸）である空隙４が正対した場合のＰＷＭ高調波電流も抑制できる。
【００２２】
（実施例２）
図８は板状永久磁石５に対するコイル６、７の配置位置関係を示す説明図である。図８（ａ）は板状永久磁石５の半径方向外側の磁極面よりも外側でかつ板状永久磁石５に隣接して又はその近傍にコイル６、７を配置したものである。このコイル６、７は単一巻でも複数巻であっても良い。図８（ｂ）は板状永久磁石５の半径方向内側の磁極面よりも内側でかつ板状永久磁石５に隣接して又はその近傍にコイル６、７を配置したものである。図８（ｃ）は板状永久磁石５を回転方向中央で２分割して、板状分割磁石５ａと板状分割磁石５ｂとから構成し、板状分割磁石５ａの外周面にコイル６を巻回して板状分割磁石５ａとコイル６とを一体化すると共に、板状分割磁石５ｂの周面にコイル７を巻回して板状分割磁石５ｂとコイル７とを一体化して磁極部３に埋設する構成としたものである。
なお、板状永久磁石の外周面にコイル６、７を巻回して、一体化を図る構成とすると、コイル６、７と板状永久磁石とをコンパクトにまとめることができ、スペース効率を確保できる。
【００２３】
コイル６、７の端末６ａ、７ａは、このコイル６、７を通過する鎖交磁束の変化を妨げる向きに生じる起電力に基づく電流ｉ１、ｉ２が互いに反対向きとなるように直列的に結線されている。その端末６ａ、７ａの結線位置は、各磁極部３について回転方向中央位置でかつ回転軸方向一側の端部とされている。結線部が各磁極部３について回転方向中央位置でかつ回転軸方向一側の端部に設けられているので、コイル６、コイル７を対称に配置することができ、かつ、鎖交磁束の乱れを実質的に回避することができる。また、端末６ａ、７ａの結線部又は交差箇所がロータ１の回転軸の軸端部側に設けられているので、結線部又は交差点が埋設穴への板状永久磁石５の埋設の際の邪魔とならず、スペース効率の向上を図ることができる。
なお、板状分割磁石５ａ、５ｂの構成を採用する場合、強度を確保するため、板状分割磁石間にロータコア部２のブリッジ部を設けても良い。
【００２４】
（実施例３）
図９は板状永久磁石５を回転方向中央で２分割して板状分割磁石５ａと板状分割磁石５ｂとから構成し、板状分割磁石５ａと板状分割磁石５ｂとをＶ字形状に配設して、各磁極部３に埋設する構成としたものである。コイル６とコイル７とは、半径方向内側の磁極面よりも外側でかつ板状分割磁石５ａ、５ｂに隣接して又はその近傍にコイル６、７を配置したものである。
この実施例では、コイル６とコイル７とを、半径方向内側の磁極面よりも外側でかつ分割磁石５ａ、５ｂに隣接して又はその近傍に配置する構成としているが、コイル６とコイル７とを、半径方向内側の磁極面よりも内側でかつ分割磁石５ａ、５ｂに隣接して又はその近傍に配置する構成、板状分割磁石５ａの周面にコイル６を巻回して板状分割磁石５ａとコイル６とを一体化すると共に、板状分割磁石５ｂの周面にコイル７を巻回して板状分割磁石５ｂとコイル７とを一体化して磁極部３に埋設する構成を採用することもできる。
【００２５】
（実施例４）
図１０は本発明の実施例に係わる板状永久磁石５へのコイルの組み付け方法の一例を示す説明図である。この図１０は板状分割磁石５ａ、５ｂへのコイルの組み付け方法を示している。
まず、板状分割磁石５ａ（５ｂ）と空芯コイル６ａ’（７ａ’）とを（ａ）に示すように準備する。ついで、板状分割磁石５ａ（５ｂ）の外周面が（ｂ）に示すように空芯コイル６ａ’（７ａ’）に包囲されるようにして、板状分割磁石５ａ（５ｂ）を空芯コイル６ａ’（７ａ’）に嵌合する。
次に、空芯コイル６ａ’（７ａ’）の端末６ａ”（７ａ”）が露呈するようにして、板状分割磁石５ａ（５ｂ）と空芯コイル６ａ’（７ａ’）とを（ｃ）に示すように樹脂８により封止して、樹脂封止板状分割磁石９を形成する。これらの樹脂封止板状分割磁石９を２個準備して、（ｄ）に示すように同一の磁極が半径方向外側又は内側を向くようにして、樹脂封止板状分割磁石９を磁極部３に埋設し、鎖交磁束に基づく電流ｉ１、ｉ２の流れる方向が逆方向となるように端末６ａ”、７ａ”を結線する。
【００２６】
この実施例によれば、永久磁石とコイルとが樹脂封止されかつ一体化されているので、ロータ１の絶縁性、強度、組み立て性が向上する。また、樹脂封止板状分割磁石９を各磁極部３に形成された埋設穴に設置する構成としたので、寸法精度を確保しやすくなり、ロータ１内での樹脂封止板状分割磁石９のガタツキの防止も容易となる。
【符号の説明】
【００２７】
１…ロータ
２…ロータコア部
３…磁極部
４…空隙部
５…板状永久磁石
６、７…コイル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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