(57)【要約】【課題】モータ出力を低下することなく、また、コストアップを強いられことなく、所定の切欠き部を形成することができる同期電動機を提供する。【解決手段】異なる複数の磁極数に相当する磁石磁束を、複合磁束として、その表面に合算して発生させる磁束発生部材を持つ回転子と、この複数の磁極数に対応した複数の磁界を合算した電流磁界を与える固定子とを備えた同期電動機において、前記回転子のコアの内、前記複合磁束が疎である箇所に切欠き部３１ａ、３１ｂを設けた。【選択図】図８
2007252079.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
異なる複数の磁極数に相当する磁石磁束を、複合磁束として、その表面に合算して発生させる磁束発生部材を持つ回転子と、この複数の磁極数に対応した複数の磁界を合算した電流磁界を与える固定子とを備えた同期電動機において、前記回転子のコアの内、前記複合磁束が疎である箇所に切欠き部を設けたことを特徴とする同期電動機。
【請求項２】
前記複合磁束が疎である箇所が、前記複数の磁極数に相当する磁石磁束が相互に打ち消し合う箇所であることを特徴とする請求項１記載の同期電動機。
【請求項３】
前記切欠き部として、冷却媒体を流す冷却通路を形成したことを特徴とする請求項１記載の同期電動機。
【請求項４】
冷却媒体を、軸、エンドプレート、冷却通路の順路で送通させることを特徴とする請求項３記載の同期電動機。
【請求項５】
冷却通路の外周側、磁石寄り部分に溝を設けたことを特徴とする請求項３記載の同期電動機。
【請求項６】
磁石間に介在する翼状部に凹部あるいは凸部を設け、磁石のそれらの凹凸部と対向する位置に凸部あるいは凹部を設けて、翼状部の凹部を磁石の凸部あるいは翼状部の凸部と磁石の凹部とを嵌め合わせることを特徴とする請求項３記載の同期電動機。
【請求項７】
前記切欠き部として、回転子の軸とコア材との固定機構を形成したことを特徴とする請求項１記載の同期電動機。
【請求項８】
前記切欠き部として、積層鋼板で構成されたコア材の積層鋼板の位置決め機構を形成したことを特徴とする請求項１記載の同期電動機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、異なる複数の磁極数に相当する磁石磁束を、複合磁束として、その表面に合算して発生させる磁束発生部材を持つ回転子と、この複数の磁極数に対応した複数の磁界を合算した電流磁界を与える固定子とを備えた同期電動機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、同期電動機の回転子構造の中で磁力を使わない機構として、例えば、表面磁石型モータの回転子構造がある（例えば、特許文献１参照）。このような表面磁石型モータにおいて、永久磁石を回転子に固定するために、回転子のを構成するコア部材に切欠き部を設けて磁石を外れないよう支持する構造も知られている。あるいは、回転子を構成するコア部材に放射状の穴をあけて、回転子の軸に通した冷媒を遠心力を利用して放出して回転子を冷却する回転子構造も知られている。さらには、回転子を構成するコア部材にキー溝を設けたり、コア部材の積層鋼板を積み上げるために、非常に小さい凹みを積層鋼板製のコア部材の外周部に設ける構造も知られている。
【０００３】
【特許文献１】特階２００４−２３８６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述した各構造では、種々の形状の切欠き部を回転子のコア部材に設ける必要があるが、そのような切欠き部を設けることがモータ出力に大きな影響のある磁束の通過経路に影響を及ぼしてしまう場合がある問題があった。あるいは、それを避けるために必要以上に大きなコア形状とすると、すくなからずコストアップを強いられるという問題もあった。
【０００５】
本発明の目的は上述した問題点を解消して、モータ出力を低下することなく、また、コストアップを強いられことなく、所定の切欠き部を形成することができる同期電動機を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の同期電動機は、異なる複数の磁極数に相当する磁石磁束を、複合磁束として、その表面に合算して発生させる磁束発生部材を持つ回転子と、この複数の磁極数に対応した複数の磁界を合算した電流磁界を与える固定子とを備えた同期電動機において、前記回転子のコアの内、前記複合磁束が疎である箇所に切欠き部を設けたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明では、回転子のコアの内、複合磁束が疎である箇所に切欠き部を設けたことで、回転子のコアの内モータ出力に影響のない部分に切欠き部が存在することとなるため、モータ出力を低下することなく、切欠き部を形成することができる同期電動機を得ることができる。
【０００８】
なお、本発明の同期電動機の好適例としては、複合磁束が疎である箇所が、複数の磁極数に相当する磁石磁束が相互に打ち消し合う箇所であることがある。このように構成することで、複合電流によって複数の磁極数の磁石の動作をする回転子を駆動する同期電動機において、複合磁束が疎である箇所を特定でき、本発明をより効果的に実行することができる。
【０００９】
また、本発明の同期電動機の好適例としては、切欠き部として、冷却媒体を流す冷却通路を形成したことがある。このように構成することで、同期電動機の出力を低下することなく、冷却通路を設けることが出来る。
【００１０】
さらに、本発明の同期電動機の好適例としては、冷却媒体を、軸、エンドプレート、冷却通路の順路で送通させることがある。このように構成することで、常に大径方向に冷却媒体を流すことになり、冷却媒体を送通させるための動力損失を非常に小さくすることができる。
【００１１】
さらにまた、本発明の同期電動機の好適例としては、冷却通路の外周側、磁石寄り部分に溝を設けたことがある。このように構成することで、軸から供給された冷却媒体が、一度溝に貯まるため、均一に冷却媒体を流入させることができる。
【００１２】
また、本発明の同期電動機の好適例としては、磁石間に介在する翼状部に凹部あるいは凸部を設け、磁石のそれらの凹凸部と対向する位置に凸部あるいは凹部を設けて、翼状部の凹部を磁石の凸部あるいは翼状部の凸部と磁石の凹部とを嵌め合わせることがある。このように構成することで、より大きな遠心力に抗して磁石を保持することが可能となる。
【００１３】
さらに、本発明の同期電動機の好適例としては、切欠き部として、回転子の軸とコア材との固定機構を形成したことがある。このように構成することで、同期電動機の出力を低下することなく、固定機構を設けることが出来る。
【００１４】
さらにまた、本発明の同期電動機の好適例としては、切欠き部として、積層鋼板で構成されたコア材の積層鋼板の位置決め機構を形成したことがある。このように構成することで、同期電動機の出力を低下することなく、位置決め機構を設けることが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に、この発明の実施の形態を、図面に基づき詳細に説明する。
本発明の対象となる同期電動機は、異なる複数の磁極数に相当する磁石磁束を、複合磁束として、その表面に合算して発生させる磁束発生部材を持つ回転子と、この複数の磁極数に対応した複数の磁界を合算した電流磁界を与える固定子とを備えた同期電動機の構成を有している。以下、まず、図１〜図４および図５〜図７を参照して、本発明の対象となる同期電動機について説明する。
【００１６】
図１〜図４はそれぞれ本発明の対象となる同期電動機における回転子の一例を説明するための図である。
【００１７】
図１は全体図を、図２は軸断面図を、それぞれ示している。図１および図２に示す例において、回転子の軸部１に積層鋼板４が両側のサイドプレート１ａ、１ｂに支持されて組み付けられている。図３はサイドプレート１ａを取り除いた回転子全体図ある。
【００１８】
図３〜図７はそれぞれ本発明の対象となる同期電動機における回転子の他の例を説明するための図である。
【００１９】
図４は、本発明の同期電動機の構成を示す断面図である。まず構成を説明する。１１は固定子であり、１８個の分割されたコア１２から構成され、１８個の分割されたコア１２には、それぞれ巻線１３が集中的に巻かれている。この巻線は、６個おきに配置されている３個が１セット（トータル６セット）となっており、直列、あるいは並列に接続され、その一方が中性点として他の相の一方と接続され、他方は図示しないインバータの内部で、電源ラインのＰ側・Ｎ側にスイッチング素子を介して接続されている。このインバータは６相を制御する構成となっている。なお、この固定子は分割されたコアで記述されているが、分割されないコアでも同様の動作ができること、或いはスロットレス型モータでも本発明を適用することが可能である。また、巻線は集中巻に限らず分布巻でも適用可能である。
【００２０】
１４は回転子であり、この実施例では、回転子１４は、Ｎ極の３つ磁石Ｎ１〜Ｎ３、Ｓ極の６つの磁石Ｓ１〜Ｓ６を含み、これらの磁石は３極対と６極対の２種類の極対数を備える２組の磁石として機能する。この場合の２組の磁石は、概念的なものであり、部材が明確に分離されているものではなく、固定子の巻線に供給される複合電流を構成する１つの電流に対して、３極対の磁石のセットとして振る舞う磁石の組が１つあり、複合電流を構成するもう１つの電流に対して、６極対の磁石のセットとして振る舞う磁石の組が１つあることを意味するものであり、各磁石Ｓ１〜Ｓ６、Ｎ１〜３が同時に双方の組の磁石として機能するものである。この詳細については図２を参照して説明する。以降、作図や説明の便宜上、回転子の磁石をＮ極、Ｓ極として図示・説明するが、Ｎ−Ｓ極の構成・配置を逆に置き換えても発明の作用・効果は同様であることに留意されたい。さらに、Ｎ極、Ｓ極の磁石は、磁力線の向きが半径方向となるように、着磁方向をそれぞれ半径方向（反対向きで）にした磁石を、Ｎ極を外側（固定子側）、Ｓ極を外側（固定子側）に配置したものである。この実施例では磁石は着磁方向を半径方向に配置したものを用いてあるが、この配置には限定されず、磁力線がほぼ半径方向に向いていれば問題なく、例えばＶ字型の磁石配置であってもよい。
【００２１】
図５は上述した構成の回転子生成説明図であり、図５の（Ａ）は、２回転子構造のモータの回転子であり、内側回転子が３極対、外側回転子が６極対の磁石を備える。この磁石を内側の回転子の表層に２層に配置したのが図５の（Ｂ）である。配置の際に、若干の位相調整をしているがその詳細は後述する。図５（Ｂ）を見ると、回転子１４Ａは着磁方向の異なる２種類の磁石（Ｎ極、Ｓ極）が幾つかの位置で互いに接している。周知のように着磁方向の異なる磁石を張り合わせた場合、双方の磁力が同じであれば磁石が無い物と等価である。
【００２２】
そこで、径方向に見て異なる着磁の磁石が張り合わせてある部分から磁石を排除したのが図５（Ｃ）であり、この回転子１４にはＮ極の磁石Ｎ１〜Ｎ３，Ｓ極の磁石Ｓ１〜Ｓ６が含まれる。この結果、周囲に曲線で示したような、３極対と６極対の複合磁束ＣＦを発生する回転子１４が完成する。なお、内側回転子と外側回転子とを一体にした構成である図５（Ｂ）の構成でもモータは機能する。つまり、回転子１４Ａは、インナーロータの第１の回転子とアウターロータの第２の回転子とを一体化した構成の回転子である。本発明は、さらに、このような構成に改良を加えた、不要な磁石を除去した図５（Ｃ）の構成を対象とするものであり、削除した磁石分の慣性の低減によるトルクの向上、モータの軽量化、削除した磁石の分の経費節減などの効果がある。
【００２３】
なお、図５（Ｃ）では、不要な磁石を除去した領域は空間となっており、空気がその領域を占めているが、この空気が占める領域は磁束を通さない機能を果たしている。即ち、磁石を除去したこの領域には、鉄などの磁束を通し易い素材以外の部材を置く必要があるが、通常は空間（空気）でこと足りる。もちろん、当該領域には空気以外の磁束を通しにくい部材が設置されていいてもかまわない。図６は、３極対と６極対の回転子を駆動させるための正弦波（振幅１）の各電流、およびこれらを複合させた複合電流の一例としての各波形を示す。
【００２４】
上述した構成をとることで、図１〜図６に示した構成の同期電動機の回転子は、異なる複数の磁極数に相当する磁石磁束を、複合磁束として、その表面に合算して発生させる磁束発生部材を持つ回転子となる。
【００２５】
次に、図４〜図６に示した例における、複合磁束が疎となる部分について説明する。図７は図４に示す同期電動機において、回転子と固定子との関係を展開した状態で示す磁場解析結果である。本発明が対象とする複合電流で駆動する同期電動機は、固定子１１のコイル１３に流す電流を通常１つの正弦波波形とするところを正弦波を２つ以上複合して流すことが特徴である。そのため、回転子の磁石配置は従来と異なる。その結果回転子に流れる磁束の状態は図７に示すように多く粗密な分布が発生する。
【００２６】
通常従来の電動機では磁束を多く流すことで電磁力を発生する、つまりトルクを発生させる構造であるので、積層鋼板に磁束が”疎”な部分を極力発生させないようにするのが常であった。本発明は、この磁束が”疎”な部分に着目して達成されたものであり、従来磁束の通り道であったために無理な形状やコスト増を発生させていた切欠き部をこの部分に配置することを特徴としている。磁束の疎の部分としては、例えば２つの極対数を合算したときに、両者の磁束が打ち消しあっている箇所が挙げられる。つまり、この部分は磁束がゼロ近くになる部分であり、磁束の疎の部分となる。
【００２７】
以下、上述した構成の同期電動機の回転子構造において、複合磁束の疎となる部分に種々の構成の切欠き部を設けた実施例について説明する。
【００２８】
＜第１実施例：切欠き部が爪部の場合＞
図８は本発明の同期電動機の回転子構造における第１実施例を示す図である。図８に示す例では、図１〜図６に示す構成の同期電動機の回転子を対象とし、その複合磁束が疎となる積層鋼板４の部分に切欠き部としての爪部３１ａ、３１ｂを設けている。爪部３１ａ、３１ｂは、ここでは図示していない回転子の軸部に設けた溝にはまり、回転子の積層鋼板４に発生したトルクの元となる電磁力を回転子の軸部に伝達する重要な働きをする。そのため、爪部３１ａ、３１ｂには多大な力が発生し、それによる応力の緩和のため、爪部３１の根本部分には逃げ加工を施す。この逃げＲ形状が大きいほど応力緩和を期待できるが、図９に示すように大きな逃げＲを設けても、上述したように本同期電動機はトルク性能を低下することがほとんど無い。
【００２９】
＜第２実施例：切欠き部が冷却用油路の場合＞
図９は本発明の同期電動機の回転子構造における第２実施例を示す図である。図９に示す例では、図４〜図７に示す構成の同期電動機の回転子を対象とし、回転子の軸部１の中心部に設けた軸方向の油路４０に対して、その複合磁束が疎となる回転子の軸部１および積層鋼板４の各々に、切欠き部としての半径方向の油路４１ａと油路４１ｂを設けている。回転子の軸部１と積層鋼板４との間に設けた溝４２は、回転子の軸部１の油路４１ａと積層鋼板４の油路４１ｂとをつなぐ溝である。上述したように、油路４１ｂを積層鋼板４において磁束が疎となる部分に設けられているため、従来の電動機であればトルク出力が低下するのであるが、本発明では積層鋼板４において磁束がほとんど通らない部分に油路４１ｂを設けているので、ほぼ従来通りのトルク性能を得ることが出来る上、回転時の磁束の変化による発熱を効率的に冷却することができる。
【００３０】
＜第３実施例：切欠き部がキーの場合＞
図１０は本発明の同期発電機の回転子構造における第３実施例を示す図である。図１０に示す例では、図４〜図７に示す構成の同期電動機の回転子を対象とし、その複合磁束が疎となる積層鋼板４の部分に切欠き部としてのキー５１を設けている。キー５１は積層鋼板４と回転子の軸部１との回転方向の固定を行っている。
【００３１】
＜第４実施例：切欠き部が位置決め用切欠きの場合＞
図１１は本発明の同期電動機の回転子構造における第４実施例を示す図である。図１１に示す例では、図４〜図７に示す構成の同期電動機の回転子を対象とし、その複合磁束が疎となる積層鋼板４の外周部分に、切欠き部としての位置決め用切欠き５５ａ、５５ｂ、５５ｃを設けている。これらの位置決め用切欠き５５ａ、５５ｂ、５５ｃは、それぞれ、積層鋼板４を電磁鋼板を積み重ねて構成する場合に、電磁鋼板同士の位置決めを行うためのものである。
【００３２】
＜第５実施例：切欠き部が翼状部の場合＞
図１２〜図１８はそれぞれ本発明の同期電動機の回転子構造における第５実施例を示す図である。図１２〜図１８に示す例は、いずれも、図４〜図７に示す表面磁石型同期電動機（ＳＰＭモータ）の回転子を対象としている。図１２〜図１８に示す例において、回転子の永久磁石６１、６２の間に、永久磁石６１、６２内側の鉄心材料６３から、磁束を遮断するフラックスバリア６４（本例では空間：冷媒の通路となる）を設けた翼状部６５を延長して介在させている。この翼状部６５は、本発明の複合磁束が疎の部分に対応し、翼状部６５内のフラックスバリア６４をなす空間を冷却媒体の通路として使用している。図１２〜図１８に示す例においても、上述した例と同様に、磁束がほとんど通らない部分に翼状部６５を設けているので、ほぼ従来通りのトルク性能を得ることが出来る上に、回転時の磁束の変化による発熱を効率的に冷却することができる。以下、図１２〜図１８の各例について、それぞれの例特有の構成および効果について説明する。
【００３３】
図１２および図１３は、それぞれ、本発明のＳＰＭ型同期電動機における第５実施例に係る回転子断面構造の一例を示す図である。図１２および図１３に示す例では、回転子表面の磁石６１、６２間に、空隙フラックスバリア６４を備えた翼状部６５を、回転子の鉄心材料６３から延長させている。そのため、翼状部６５を設ける際の上述したトルクへの悪影響を解消できる効果に加えて、ＳＰＭとしての基本性能を損なわずに、簡単に磁石６１、６２の位置決めを行うことができ、また、磁石６１、６２の固定強度を上げることができる。また、翼状部６５の磁石６１、６２と接触する部位に凸部６６を、磁石６１、６２の凸部６６と対応する位置に凹部６７を、それぞれ設け、凸部６７に凸部６６を嵌合させて構成することにより、さらに固定強度を上げることができる。なお、図１２に示す例と図１３に示す例との相違点は、図１２では翼状部６５の半径方向の長さを磁石６１、６２の長さと同じとし、フラックスバリア６４を２層構造としているのに対し、図１３では翼状部６５の半径方向の長さを磁石６１、６２の長さの半分とし、フラックスバリア６４を１層構造とした点である。
【００３４】
図１４（ａ）、（ｂ）および図１５（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、翼状部６５のフラックスバリア６４を冷媒の送通経路とする例を説明するための図である。図１４（ａ）、（ｂ）に示す例では、矢印で示すように、冷媒として使用する潤滑油は、回転子の軸部１から、手前側のエンドプレート６８の内側に設けられた空隙を通って、空隙フラックスバリア６４に供給される。図１５（ａ）、（ｂ）に示す例では、矢印で示すように、冷媒として使用する潤滑油は、回転子の軸部１の中心部を手前側から奥側、軸部１の半径方向の通路、軸部１の外周部を奥側から手前側に送通し、手前側のエンドプレート６８の内側に設けられた空隙を通って、空隙フラックスバリア６４に供給される。いずれの例においても、潤滑油は小径側から大径側へ（半径方向に中心部から外周部へ）と流れるため、遠心力により、小さな動力損失で、潤滑油を効果的に送通することができる。
【００３５】
図１６（ａ）、（ｂ）および図１７はそれぞれエンドプレートの構成を説明するための図である。図１６（ａ）、（ｂ）および図１７に示す例において、エンドプレート６８の内側空隙の外周部に、遠心力によって冷却媒体としての潤滑油が押し付けられて溜まる、桶状の溝６９が設けられている。潤滑油が、軸部１やその他の冷却媒体の送通経路となる軸冷却構造からエンドプレート６８に偏って流入した場合でも、一度この桶状の溝６９に溜まるため、空隙フラックスバリア６４に均一に冷却媒体としての潤滑油を供給することができる。一方、図１９に示す例では、桶状の溝６９の、大きな磁石６２の両隣の近接するフラックスバリア６４に対応する部分に切欠き部７０を設けており、大きな磁石６２に近接するフラックスバリア６４に、より多くの潤滑油が供給される。
【００３６】
図１８はフラックスバリアの構成を説明するための図である。図１８に示す例では、フラックスバリア６４の外周部の磁石６１、６２寄りの翼状部６５の部分に溝７１を設けており、遠心力によって外周部に押し付けられて流れる潤滑油が、より多く磁石６１、６２の近傍を流れるようになっている。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明の同期電動機によれば、回転子のコアの内、複合磁束が疎である箇所に切欠き部を設けたことで、回転子のコアの内モータ出力に影響のない部分に切欠き部が存在することとなるため、モータ出力を低下することなく、また、コストアップを強いられことなく、所定の切欠き部を形成することが必要な同期電動機に、本発明を好適に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の対象となる同期電動機における回転子の一例を説明するための全体図である。
【図２】本発明の対象となる同期電動機における回転子の一例を説明するための軸断面図である。
【図３】本発明の対象となる同期電動機における回転子の一例を説明するためのサイドプレートを取り除いた全体図である。
【図４】本発明の同期電動機の他の例の構成を示す断面図である。
【図５】（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ図４に示す同期電動機における回転子生成説明図である。
【図６】３極対と６極対の回転子を駆動させるための正弦波（振幅１）の各電流、およびこれらを複合させた複合電流の一例としての各波形を示すグラフである。
【図７】図４に示す同期電動機において、回転子と固定子との関係を展開した状態で示す磁場解析結果を説明するための図である。
【図８】本発明の同期電動機の回転子構造における第１実施例を示す図である。
【図９】本発明の同期電動機の回転子構造における第２実施例を示す図である。
【図１０】本発明の同期電動機の回転子構造における第３実施例を示す図である。
【図１１】本発明の同期電動機の回転子構造における第４実施例を示す図である。
【図１２】本発明の同期電動機の回転子構造における第５実施例の一例を示す図である。
【図１３】本発明の同期電動機の回転子構造における第５実施例の他の例を示す図である。
【図１４】（ａ）、（ｂ）はそれぞれ本発明の同期電動機の回転子構造における第５実施例の流路構造の一例を示す図である。
【図１５】（ａ）、（ｂ）はそれぞれ本発明の同期電動機の回転子構造における第５実施例の流路構造の他の例を示す図である。
【図１６】（ａ）、（ｂ）はそれぞれ本発明の同期電動機の回転子構造における第５実施例のエンドプレートの一例を示す図である。
【図１７】本発明の同期電動機の回転子構造における第５実施例のエンドプレートの他の例を示す図である。
【図１８】本発明の同期電動機の回転子構造における第５実施例の翼状部の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００３９】
１  軸部
１ａ、１ｂ  サイドプレート
４  積層鋼板
１１  固定子
１２  コア
１３  巻線
１４、１４Ａ  回転子
３１ａ、３１ｂ  爪部
４０、４１ａ、４１ｂ  油路
４２、７１  溝
５１  キー
５５ａ、５５ｂ、５５ｃ  位置決め用切欠き
６１、６２  永久磁石
６３  鉄心材料
６４  フラックスバリア
６５  翼状部
６６  凸部
６７  凹部
６８  エンドプレート
６９  桶状の溝
７０  切欠き部
【図１】
2007252079.tif 000003
【図２】
2007252079.tif 000004
【図３】
2007252079.tif 000005
【図４】
2007252079.tif 000006
【図５】
2007252079.tif 000007
【図６】
2007252079.tif 000008
【図７】
2007252079.tif 000009
【図８】
2007252079.tif 000010
【図９】
2007252079.tif 000011
【図１０】
2007252079.tif 000012
【図１１】
2007252079.tif 000013
【図１２】
2007252079.tif 000014
【図１３】
2007252079.tif 000015
【図１４】
2007252079.tif 000016
【図１５】
2007252079.tif 000017
【図１６】
2007252079.tif 000018
【図１７】
2007252079.tif 000019
【図１８】
2007252079.tif 000020