(57)【要約】    【課題】  本発明は、軸方向の振動を低減させることで全体としての振動及び騒音を低減できる永久磁石式同期電動機を提供することにある。    【解決手段】  本発明は、永久磁石１３を装着した回転子鉄心１２の軸方向寸法Ｌｒと固定子鉄心５の内径側の軸方向寸法Ｌｓとに差をもたせると共に、前記固定子鉄心５と回転子鉄心１２のうち軸方向寸法が短い方を長い方の軸方向寸法内に設置したのである。  このように構成することにより、両鉄心間の磁気中心の軸方向のずれにより発生する磁気吸引力を小さく抑えることができ、回転方向によって変化する磁気吸引力が引き起こす軸方向の振動及び騒音を低減できるのである。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転子とこの回転子に対して周方向の隙間を介して対向配置された固定子とを備え、前記回転子は軸支された回転軸上に固定された回転子鉄心とこの固定子鉄心に装着された永久磁石を有し、前記固定子は前記回転子に対して対向配置された固定子鉄心とこの固定子鉄心に装着された固定子巻線を有し、かつ運転時に軸方向に推力が作用する永久磁石式同期電動機において、前記回転子鉄心の軸方向寸法を、前記固定子鉄心の内径側における軸方向寸法よりも短く形成すると共に、前記回転子鉄心を、前記固定子鉄心の内径側の軸方向寸法内に設置したことを特徴とする永久磁石式同期電動機。
【請求項２】
前記固定子鉄心は、外径側の軸方向寸法より内径側の軸方向寸法が長く形成されていることを特徴とする請求項１記載の永久磁石式同期電動機。
【請求項３】
前記固定子鉄心の内径側の軸方向寸法は、前記固定子鉄心の軸方向寸法と、前記固定子鉄心の内径側の軸方向端部に設置した補助鉄心の軸方向寸法を加えた寸法であることを特徴とする請求項１記載の永久磁石式同期電動機。
【請求項４】
前記固定子鉄心の内径側の軸方向寸法は、前記回転子鉄心の軸方向寸法よりも短く形成されていることを特徴とする請求項３記載の永久磁石式同期電動機。
【請求項５】
回転子とこの回転子に対して周方向の隙間を介して対向配置された固定子とを備え、前記回転子は軸支された回転軸上に固定された回転子鉄心とこの固定子鉄心に装着された永久磁石を有し、前記固定子は前記回転子に対して対向配置された固定子鉄心とこの固定子鉄心に装着された固定子巻線を有し、かつ運転時に軸方向に推力が作用する永久磁石式同期電動機において、前記固定子鉄心の内径側の軸方向寸法と前記回転子鉄心の軸方向寸法とに差をもたせると共に、前記固定子鉄心と回転子鉄心のうち軸方向寸法が短い方の鉄心を長い方の鉄心の軸方向寸法内に設置したことを特徴とする永久磁石式同期電動機。
【請求項６】
前記回転子鉄心の軸方向寸法は、前記固定子鉄心の内径側の軸方向寸法の２倍以上に形成されていることを特徴とする請求項５記載の永久磁石式同期電動機。
【請求項７】
前記固定子鉄心の内径側の軸方向寸法は、前記固定子鉄心の軸方向寸法と、前記固定子鉄心の内径側の軸方向端部に設置した補助鉄心の軸方向寸法を加えた寸法であることを特徴とする請求項５記載の永久磁石式同期電動機。
【請求項８】
前記固定子鉄心の軸方向寸法は、前記回転子鉄心の軸方向寸法よりも短く形成されていることを特徴とする請求項５記載の永久磁石式同期電動機。
【請求項９】
永久磁石を装着した回転子鉄心と、この回転子鉄心に対し周方向の隙間を介して対向配置された固定子鉄心とを備え、前記固定子鉄心の内径側の軸方向寸法と前記回転子鉄心の軸方向寸法が異なる寸法を有し、前記固定子鉄心と回転子鉄心との機械的中心又は磁気的中心にずれを有する永久磁石式同期電動機を駆動するに際し、正弦波電流を通電して駆動するようにしたことを特徴とする永久磁石式同期電動機の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は永久磁石式同期電動機及びその駆動方法に係り、特に、電子機器を冷却するファン用電動機やディスク駆動用電動機等、運転時に軸方向の推力が作用する小形の電動機に好適な永久磁石式同期電動機及びその駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、小形電動機の振動や騒音を低減させるために、従来から色々な対策が講じられている。例えば、特許文献１に開示された対策は、固定子全体を絶縁樹脂でモールドして固定子鉄心から発生する電磁振動の伝達を少なくしており、また特許文献２に開示された対策は、軸受周辺の組立精度を上げて軸振動の発生を抑えて電動機としての振動及び騒音を低減するものである。
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−２３１１９２号公報
【０００４】
【特許文献２】特開平８−７０５５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記従来の技術によれば、ある程度の振動及び騒音を低減することができる。しかし、電動機がさらに小形で高出力化を要求されると、振動及び騒音も比例して大きくなり、特に、回転子に永久磁石を備えた永久磁石式同期電動機においては、さらなる振動及び騒音の低減が必須となっていた。
【０００６】
本発明の目的は、軸方向の振動を低減させることで全体としての振動及び騒音を低減できる永久磁石式同期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】
【０００７】
本発明は上記目的を達成するために、固定子鉄心の内径側の軸方向寸法と永久磁石を装着した回転子鉄心の軸方向寸法とに差をもたせると共に、前記固定子鉄心と回転子鉄心のうち軸方向寸法が短い方の鉄心を長い方の鉄心の軸方向寸法内に設置したのである。
【０００８】
このように、固定子鉄心と回転子鉄心の軸方向寸法に差をもたせたことにより、両鉄心間に磁気中心のずれにより発生する磁気吸引力を小さく抑えることができ、その結果、回転方向によって変化する磁気吸引力によって引き起こされる軸方向の振動及び騒音を低減することができるのである。
【発明の効果】
【０００９】
以上説明したように本発明によれば回転子の軸方向の振動を抑制して全体としての振動及び騒音を低減した永久磁石式同期電動機を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明による一実施の形態を図１に示すファンに基づいて説明する。
【００１１】
このファンは、固定子２と回転子３とを備えた永久磁石式同期電動機１と、前記回転子３に固定された通風翼４とから構成されている。
【００１２】
前記固定子２は、磁性薄鋼板を積層して構成した固定子鉄心５と、この固定子鉄心５に絶縁ボビン６を介して巻装された固定子巻線７と、前記固定子鉄心５の内径側の軸方向両側に設けられた補助鉄心８Ａ，８Ｂとを備えている。そして、このように構成された固定子１は、有底筒体状の第１のハウジング９Ａ内に収納され、前記固定子鉄心５の外径側を周知の固定手段で第１のハウジング９Ａに固定することにより固定している。この第１のハウジング９Ａの開口側にはほぼ同形状の第２のハウジング９Ｂを固定している。
【００１３】
前記回転子３は、前記第１のハウジング９Ａ及び第２のハウジング９Ｂに支持させた軸受１０Ａ，１０Ｂに回転自在に支持された回転軸１１と、この回転軸１１上に固定された回転子鉄心１２と、この回転子鉄心１２に装着された複数の永久磁石１３とを備えている。
【００１４】
そして、前記通風翼４は、第２のハウジング９Ｂを貫通した回転軸１１に周知の固定手段によって固定されている。
【００１５】
さらに、第２のハウジング９Ｂ内には、電動機制御基板１４が配置され、固定子２等の固定部に支持されている。
【００１６】
また、第２のハウジング９Ｂに支持された軸受１０Ｂは、推力バネ１５によって前記回転軸１１を前記第１のハウジング９Ａの軸受１０Ａ側に押圧している。
【００１７】
ところで、図２に示すように、前記回転子鉄心１２の軸方向の寸法Ｌｒは、前記固定子鉄心５の内径側の軸方向寸法Ｌｓよりも僅かに短く形成されており、この軸方向寸法Ｌｓ内に前記回転子鉄心１２が位置するようにしている。尚、前記固定子鉄心５の内径側の軸方向寸法Ｌｓは、固定子鉄心５の積層寸法（軸方向寸法）Ｌｃに、前記補助鉄心８Ａ，８Ｂの軸方向寸法を加えた寸法であり、固定子鉄心５の積層寸法Ｌｃは、前記回転子鉄心１２の軸方向の寸法Ｌｒよりも短く形成されている。
【００１８】
上記構成において、永久磁石式同期電動機１が回転すると、回転軸１１に固定された通風翼４も回転し、図１に矢印で示すように、送風を開始する。このとき、回転軸１１には、通風翼４による送風方向とは反対方向に推力が作用し、回転軸１１を図中下方の軸受１０Ａ側に押付ける。
【００１９】
通常、第１及び第２のハウジング９Ａ，９Ｂは、薄鋼板をプレス等により形成しているために、前記回転軸１１に作用する推力によって第１及び第２のハウジング９Ａ，９Ｂは撓み、固定子鉄心５と回転子鉄心１２間の磁気中心を軸方向にΔＬ寸法ずらすことになる。
【００２０】
以下、この固定子鉄心５と回転子鉄心１２間の磁気中心のずれΔＬ寸法による出力トルクや軸方向の推力の変化を、有限要素法に基づく解析法（以下ＦＥＭと称する）によって、解析した結果を説明する。
【００２１】
図３は、ＦＥＭに用いるモデルの仕様を示すもので、図３（Ａ）は、固定子鉄心５と回転子鉄心１２との磁気中心がΔＬ寸法として０．３mm軸方向にずれた状態を示し、固定子鉄心５には、磁性薄鋼板を２０mm積層した一般的な３相１２スロット構造を用いた。回転子３は、軸方向の寸法が４０mmの回転子鉄心１２の表面に同じ長さの永久磁石１３を装着して８極に正弦波着磁されたものとしてモデル化した。
【００２２】
このような固定子鉄心５と回転子鉄心１２を図３（Ｂ）に示すように、メッシュ分割してモデル化し、これに入力する電流として図３（Ｃ）に示す１８０度正弦波電流、１２０度方形波電流、１２０度通電実測波形に近いもの、の３種類の電流を検討した。
【００２３】
図４は、図３に示すＦＥＭ解析結果を示すもので、図４（Ａ）は、永久磁石式同期電動機１の出力トルクの結果であり、横軸は回転子３の回転角度を示し、縦軸は出力トルクを示す。さらに、回転角度９０度で、回転子３の１周期（１極対）分の回転を示す。
【００２４】
図４（Ａ）によれば、１８０度正弦波電流による駆動時には出力トルクの脈動はほとんどなく、１２０度方形波電流による駆動と１２０度通電実測波形による駆動時に出力トルクに脈動が発生している。その脈動の周期は、１２０度方形波電流による駆動では１２次（１回転当たり４８回）、１２０度通電実測波形による駆動時では６次（１回転当たり２４回）である。
【００２５】
これらの脈動は、固定子鉄心５のスロット数と回転子３の磁極数との関係で発生するコギングトルクと電流波形によるトルク脈動との重ね合わせで発生する。１８０度正弦波電流による駆動の場合には、誘起電圧と位相を合わせた正弦波で駆動するために、電流と電圧を掛けた値に比例するトルクは常に一定となり脈動は発生しない。したがって、上記構成の永久磁石式同期電動機１を駆動するに際し、正弦波電流を通電して駆動することが望ましい。
【００２６】
図４（Ｂ）及び図４（Ｃ）は、回転子３に作用する軸方向推力の解析結果を示し、図４（Ｂ）は固定子鉄心５と回転子鉄心１２の磁気中心にずれがない場合の軸方向推力を示す。図４（Ｂ）から明らかなように、固定子鉄心５と回転子鉄心１２の磁気中心にずれがない場合には、軸方向の推力及び推力の変動はほぼゼロであり、このことから、軸方向に磁気中心のずれがない場合には、軸方向の推力はゼロで、軸方向の振動もないと云える。
【００２７】
図４（Ｃ）は、固定子鉄心５と回転子鉄心１２の磁気中心が軸方向に０．３mmずれた場合の軸方向の推力の解析結果を示し、この解析結果から、１８０度正弦波電流による駆動時には軸方向の推力が発生するが、推力変動はなく一定であることがわかる。また、１２０度方形波電流による駆動及び１２０度通電実測波形による駆動では、出力トルクの脈動と同様に、６次、１２次の推力変動が発生している。したがって、磁気中心が軸方向にずれた場合には、電流波形の乱れとスロット数と磁極数との関係による軸方向推力に変動が発生すると云える。
【００２８】
そこで、上記解析結果に基づく軸方向の推力変動が何に起因するのかをＦＥＭを用いた計算でパラメータサーベイした。その結果として、磁気中心の軸方向のずれ量との関係を図５に、回転子鉄心軸長との関係を図６に示す。
【００２９】
図５（Ａ）は、磁気中心の軸方向のずれ量と出力トルク平均値との関係を示したもので、回転子鉄心軸長を一定とした場合、出力トルクは磁気中心の軸方向のずれ量によらず一定であることは判明した。図５（Ｂ）は、磁気中心の軸方向のずれ量と軸方向推力との関係を示したもので、軸方向推力が磁気中心の軸方向のずれ量に比例して増加することが判明した。また、図５（Ｃ）は、磁気中心の軸方向のずれ量と軸方向の推力変動幅（ｐ−ｐ値）との関係を示したもので、この推力変動幅も磁気中心の軸方向のずれ量に比例して増加することが判った。
【００３０】
したがって、軸方向の推力変動は、磁気中心の軸方向のずれが原因で発生していることが判る。
【００３１】
一方、図６の条件は、永久磁石の残留磁束密度が一定、磁気中心の軸方向のずれ量が０．３mm、固定子鉄心の軸方向の寸法が２２mm、入力電流波形は実測波形とした。図６（Ａ）は、回転子鉄心軸長と出力トルク平均値との関係を示したもので、出力トルクは、回転子鉄心軸長が長くなるにつれて増加する傾向にあり、このモデルでは回転子鉄心軸長が３５mm程度で出力トルクが飽和する結果となった。図６(Ｂ)は、回転子鉄心軸長と軸方向推力との関係を示したもので、軸方向推力は、図６（Ａ）の出力の飽和に関係なく、回転子鉄心軸長が固定子鉄心軸長の２２mmを超えると増大し、その後、回転子鉄心軸長が延びてもほとんど変化しない結果となった。また、図６(Ｃ)は、回転子鉄心軸長と軸方向の推力変動幅（ｐ−ｐ値）との関係を示したもので、この推力変動幅は、固定子鉄心軸長よりも回転子鉄心軸長が短い場合に小さく、固定子鉄心軸長より回転子鉄心軸長が大きくなった場合に大きくなることが判った。また、さらに回転子鉄心軸長を固定子鉄心軸長の２倍以上に延長させて行くと、回転子鉄心軸長が固定子鉄心軸長以下のときの推力変動幅と同じ程度に推力変動幅が小さくなることが判った。
【００３２】
以上から、図１に示すようなファンのように、通風翼４の回転によって作用する軸方向推力により固定子鉄心５と回転子鉄心１２間の磁気中心がずれる永久磁石式同期電動機１、あるいは組立誤差や着磁誤差によって固定子鉄心５と回転子鉄心１２間の磁気中心がずれている永久磁石式同期電動機１においては、固定子鉄心５の軸方向寸法と回転子鉄心１２の軸方向寸法の関係を特定の関係、即ち、回転子鉄心軸長が固定子鉄心軸長以下、又は回転子鉄心軸長を固定子鉄心軸長の２倍以上に保つことにより、固定子鉄心５と回転子鉄心１２間の磁気中心がずれても軸方向の推力の変動を小さくして軸方向の振動や騒音を低減させることができることが判る。
【００３３】
図７は、固定子鉄心５の軸方向寸法と回転子鉄心１２の軸方向寸法を特定の関係にした一例を示すもので、図７（Ａ）は、固定子鉄心５の軸方向寸法Ｌｃよりも回転子鉄心１２の軸方向寸法Ｌｒが短い場合を示し、この場合、図６(Ｂ)及び図６(Ｃ)の結果の通り、回転子鉄心軸長（回転子鉄心の軸方向寸法）が固定子鉄心軸長（固定子鉄心の軸方向寸法）より少しでも小さい場合、軸方向の推力及びその推力変動幅を共に小さくすることができる。
【００３４】
また、図７(Ｂ)は、固定子鉄心５の軸方向寸法Ｌｃよりも回転子鉄心１２の軸方向寸法Ｌｒが長い場合を示し、この場合、図６(Ｃ)の結果の回転子鉄心軸長Ｌｒが固定子鉄心軸長Ｌｃより２倍以上長いことによる結果の通り、軸方向の推力は発生するが、その推力の変動幅が最大変動幅の約１０％以下に小さくすることができる。
【００３５】
ところで、図７において、固定子鉄心５の内径側には補助鉄心が設けられていないので、固定子鉄心５自体の内径側の軸方向寸法Ｌｃと回転子鉄心１２の軸方向寸法Ｌｒとの関係を図７（Ａ）及び図７（Ｂ）のようにしたが、補助鉄心を設けた場合には、固定子鉄心５自体の内径側の軸方向寸法Ｌｃに補助鉄心の長さを加えた寸法と回転子鉄心１２の軸方向寸法Ｌｒとの関係を図７（Ａ）及び図７（Ｂ）のように設定する必要があることは云うまでもない。
【００３６】
図８〜図１１は、軸方向の推力及びその変動幅を小さくするための具体的構成を示す。
【００３７】
図８は、固定子鉄心５の内径側に形成した隣接スロット間の鉄心歯部と同形状をした磁性材からなる補助鉄心８Ａ，８Ｂを、固定子鉄心５の軸方向両側に設置したものである。永久磁石式同期電動機の出力トルクは、回転子鉄心１２の軸方向寸法Ｌｒよりも短い固定子鉄心５の軸方向寸法Ｌｃ分で十分に確保できるが、軸方向の推力とその変動幅を小さくするために、固定子鉄心５の軸方向寸法Ｌｃ分に補助鉄心８Ａ，８Ｂの軸方向寸法分を加えた固定子軸方向寸法Ｌｓを、回転子鉄心１２の軸方向寸法Ｌｒより長くし、図７（Ａ）と同様の軸方向推力の低減を狙ったのである。これら補助鉄心８Ａ，８Ｂの材料は周知の磁性材料で形成されるものであり、特に限定されるものではない。
【００３８】
図９は、固定子鉄心５の内径側に設置される補助鉄心１６Ａ，１６Ｂの形状を簡略化してリング状に形成したもので、固定子鉄心５の歯部５Ｔに対向する軸方向の両側に配置し、磁気吸引力による軸方向の推力を緩和するようにしたのである。この補助鉄心１６Ａ，１６Ｂについても周知の磁性材料で形成されるものであり、特に限定されるものではない。
【００３９】
図１０は、固定子鉄心５のスロット５Ｓに装着される二つ割りの絶縁ボビン６Ａ，６Ｂに、固定子鉄心５の歯歩５Ｔと同形状の補助鉄心１７Ａ，１７Ｂを支持させて図８と同様な効果を得ようとするものである。この補助鉄心１７Ａ，１７Ｂについても周知の磁性材料で形成されるものであり、特に限定されるものではない。
【００４０】
図１１は、固定子鉄心５自体を磁性粉を圧縮成形したり磁性粉を焼結して、固定子鉄心５のコアバック側の軸方向寸法Ｌｃｂよりも内径側の歯部５Ｔの軸方向寸法Ｌｃｔを長くして補助鉄心と一体化したもので、図８と同様な効果を得ようとするものである。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明による永久磁石式同期電動機を適用したファンを示す縦断側面図。
【図２】本発明による永久磁石式同期電動機の固定子鉄心と回転子鉄心の軸方向寸法の関係を示す説明図。
【図３】図１に適用した永久磁石式同期電動機の有限要素法の説明図で、図３（Ａ）は固定子鉄心と回転子鉄心との磁気中心のずれを示す説明図、図３（Ｂ）は図２のメッシュ分割図、図３（Ｃ）は電動機入力相電流とコイル電流との関係を示す説明図である。
【図４】図３による永久磁石式同期電動機の有限要素法の解析結果の説明図で、図４（Ａ）は電動機の出力トルクとの関係を示す説明図、図４（Ｂ）は固定子鉄心と回転子鉄心との磁気中心が一致しているときの軸方向の推力を示す説明図、図４（Ｃ）は固定子鉄心と回転子鉄心との磁気中心がずれているときの軸方向の推力を示す説明図である。
【図５】固定子鉄心と回転子鉄心との磁気中心の軸方向のずれ量との関係を示す説明図で、図５（Ａ）は出力トルク平均値との関係を示す説明図、図５（Ｂ）は回転子に作用する軸方向推力との関係を示す説明図、図５（Ｃ）は回転子に作用する軸方向推力変動幅との関係を示す説明図である。
【図６】回転子鉄心軸長との関係を示す説明図で、図６（Ａ）は出力トルク平均値との関係を示す説明図、図６（Ｂ）は回転子に作用する軸方向推力との関係を示す説明図、図６（Ｃ）は回転子に作用する軸方向推力変動幅との関係を示す説明図である。
【図７】固定子鉄心の軸方向寸法と回転子鉄心の軸方向寸法との関係を示す説明図で、図７（Ａ）は固定子鉄心の軸方向寸法よりも回転子鉄心の軸方向寸法が短い場合を示す説明図、図７（Ｂ）は固定子鉄心の軸方向寸法よりも回転子鉄心の軸方向寸法ｒが長い場合を示す説明図である。
【図８】固定子鉄心内径側の軸方向に設置した補助鉄心の第１の施工例を示す要部断面図。
【図９】固定子鉄心内径側の軸方向に設置した補助鉄心の第２の施工例を示す要部断面図。
【図１０】固定子鉄心内径側の軸方向に設置した補助鉄心の第３の施工例を示す要部断面図。
【図１１】固定子鉄心内径側の軸方向に設置した補助鉄心の第４の施工例を示す要部断面図。
【符号の説明】
【００４２】
１…永久磁石式同期電動機、２…固定子、３…回転子、４…通風翼、５…固定子鉄心、６…絶縁ボビン、７…固定子巻線、８Ａ，８Ｂ，１６Ａ，１６Ｂ，１７Ａ，１７Ｂ…補助鉄心、１１…回転軸、１２…回転子鉄心、１３…永久磁石。
【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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【図１１】
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