(57)【要約】【課題】従来のＩＳＭ方式の永久磁石型モータの課題を克服し、簡便な構造で、より小型な高効率モータを実現できる回転子を低コストで提供する。【解決手段】回転子１０は、回転子鉄心１１と、回転子鉄心１１に埋設された複数の永久磁石１３と、回転子鉄心１１の外周面を覆う、導電性材料から形成された筒体１５とを備える。回転子鉄心１１には、永久磁石１３の表面から回転子鉄心１１の外周面に向かって延びる複数のスリット１２が形成されている。【選択図】図２
2012152073.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久磁石式同期モータの回転子であって、
回転子鉄心と、
前記回転子鉄心に埋設された複数の永久磁石と、
前記回転子鉄心の外周面を覆う、導電性材料から形成された筒体とを備え、
前記回転子鉄心には、前記永久磁石の表面から前記回転子鉄心の外周面に向かって延びる複数のスリットが形成されていることを特徴とする回転子。
【請求項２】
前記筒体の軸方向の長さは、前記回転子鉄心の軸方向の長さよりも長く、前記筒体は、前記回転子鉄心の両端部から突出した突出部を有すること特徴とする請求項２に記載の回転子。
【請求項３】
前記筒体の前記突出部には、前記回転子の動的不釣合いを修正するための減肉部が形成されていることを特徴とする請求項２に記載の回転子。
【請求項４】
前記筒体は、銅または銅合金から形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の回転子。
【請求項５】
前記回転子鉄心の外周面は円筒形状であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の回転子。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の回転子と、
回転磁界を発生させる固定子とを備えたことを特徴とする永久磁石式同期モータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、永久磁石式同期モータの回転子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、各国においてモータの高効率化を要求する規制が強化されようとしている。従来、ポンプやファン等を駆動するモータとしては、一般に、堅牢かつ安価な誘導電動機が使用されてきた。しかしながら、誘導電動機を高効率化しようとすると、性能のよい高価な電磁鋼板が必要となり、またモータ体格を従来よりも２倍近く大きくすることが必要となる。このため、誘導電動機の高効率化には、コストアップが避けられないと共にモータの大型化が避けられない。
【０００３】
一方、誘導電動機よりも一般に高効率が実現できるモータとして、永久磁石式同期モータがある。しかしながら、この永久磁石式同期モータは、商用電源での自起動ができず、インバータ装置を併用しなくてはならない。このため、永久磁石式同期モータは、従来の誘導電動機に比べるとかなり高価なものとなっている。
【０００４】
そこで、自起動が可能な永久磁石式モータとして、モータの回転子に誘導電動機のかご形導体と永久磁石を併設した所謂ＩＳＭ方式（誘導同期方式）のモータが近年注目されている。このＩＳＭ方式モータの回転子としては、様々な構造のものが提案されている。図４に、ＩＳＭ方式モータの回転子の一例を示す。図４に示すように、ＩＳＭ方式モータの回転子は、誘導電動機に使用されるかご形導体５０と、永久磁石式モータに使用される永久磁石５１とが回転子鉄心５２に埋設された構造を有している。
【０００５】
しかしながら、これまで提案されてきたＩＳＭ方式モータの回転子のほとんどが、従来の誘導電動機のかご形導体の内側に永久磁石を配置した構造のものであることから、従来の誘導電動機に比べてもあまり小型化することができなかった。また、ＩＳＭ方式モータの製造方法は、従来の誘導電動機の製造工程に加えて、永久磁石を配置する工程がさらに必要になるので、上記誘導電動機を高効率化する場合と同様のコストがかかり、これまでにあまり実用化が進んでいない。
【０００６】
図５にＩＳＭ方式モータの発生トルクのグラフを示す。図５に示すように、ＩＳＭ方式のモータには、かご形導体による誘導トルクと永久磁石による同期トルクとが混在している。この２つのトルクは交差することは無く、起動時は誘導トルクのみにて回転子を加速し、運転時には永久磁石による同期トルクのみで回転子を回転させる。これら誘導トルクと同期トルクとを滑らかに繋げるためには、図５に示すように、これら２つのトルク以外の第３のトルク、即ち同期引き入れトルクが必要である。また、同期速度でモータを駆動するためには、同期引き入れトルクは負荷トルクよりも大きくなければならない。
【０００７】
大きな同期引き入れトルクを発生させるためには、回転子鉄心と固定子の回転磁界との間に生じるリラクタンストルクを大きくすればよいことが知られている。即ち回転子の内部に埋設された永久磁石の磁極中心を通るｄ軸と磁極間を通るｑ軸（図４参照）との間のインダクタンスの変化を大きくすることで前記リラクタンストルクを大きくすることができる。しかしながら、図４に示す従来のＩＳＭ方式の回転子では、固定子に対向する回転子の外周面の近傍にかご形導体が配置されているので、前記リラクタンストルクが小さくなってしまう。その結果、回転子を確実に同期速度に引き入れることが困難であり、また同期運転中に容易に同期外れを起こし易いという欠点があった。
【０００８】
また、同期トルクを発生する永久磁石は、かご形導体の内側に配置しなくてはならず、永久磁石が発生した磁束は回転子内部で漏れ磁束を生じ易い。このため、十分な同期トルクを得るためには漏れ磁束を考慮して回転子の体格を決定せざるを得ないという欠点もあった。これらの理由から、従来のＩＳＭ方式は、永久磁石型モータでありながら従来の誘導電動機と比べてあまり小型化することができず、永久磁石が必要である分、高コストとなっていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００１−８６６７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
よって本発明の目的は、従来のＩＳＭ方式の永久磁石型モータの課題を克服し、簡便な構造で、より小型な高効率モータを実現できる回転子を低コストで提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述した目的を達成するために、本発明の一態様は、永久磁石式同期モータの回転子であって、回転子鉄心と、前記回転子鉄心に埋設された複数の永久磁石と、前記回転子鉄心の外周面を覆う、導電性材料から形成された筒体とを備え、前記回転子鉄心には、前記永久磁石の表面から前記回転子鉄心の外周面に向かって延びる複数のスリットが形成されていることを特徴とする。
【００１２】
本発明の好ましい態様は、前記筒体の軸方向の長さは、前記回転子鉄心の軸方向の長さよりも長く、前記筒体は、前記回転子鉄心の両端部から突出した突出部を有すること特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記筒体の前記突出部には、前記回転子の動的不釣合いを修正するための減肉部が形成されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記筒体は、銅または銅合金から形成されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記回転子鉄心の外周面は円筒形状であることを特徴とする。
【００１３】
本発明の他の態様は、上記回転子と、回転磁界を発生させる固定子とを備えたことを特徴とする永久磁石式同期モータである。
【発明の効果】
【００１４】
導電性材料から構成される筒体は、誘導電動機のかご形導体として機能する。この筒体は回転子鉄心の外周面を覆うように配置されるので、回転子鉄心に埋設される従来のかご形導体に比べて構造が簡単である。しかも、かご形導体が回転子鉄心に存在しないので、永久磁石を回転子鉄心の外周面に近づけて配置することができる。これにより、永久磁石が発生した磁束のほとんどは回転子鉄心の内部で漏れること無く固定子鉄心へ向かうことができ、回転子の体格を従来のＩＳＭ方式よりも小型にすることができる。さらに、回転子鉄心に形成された複数のスリットは、永久磁石から固定子に向かう磁力線に配向性を与えることができるので、磁力線のゆらぎを抑制して筒体での渦電流の発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係る回転子を備えた永久磁石式同期モータの断面図を示す図である。
【図２】図１に示す回転子および固定子の断面図を示す図である。
【図３Ａ】スリットが形成されていない回転子鉄心を通る磁力線を示す図である。
【図３Ｂ】スリットが形成された回転子鉄心を通る磁力線を示す図である。
【図４】従来のＩＳＭ方式モータの回転子の一例を示す図である。
【図５】従来のＩＳＭ方式モータの発生トルクを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る回転子を備えた永久磁石式同期モータの断面図を示す図であり、図２は図１に示す回転子および固定子の断面図を示す図である。図１に示すように、モータは、軸１と、軸１に固定された回転子１０と、回転子１０を囲むように配置された固定子２０とを備えている。
【００１７】
固定子２０はモータケーシング２の内周面に固定されている。モータケーシング２の開口端部は、ブラケット３によって閉じられており、ブラケット３はボルト４によりモータケーシング２に固定されている。回転子１０、固定子２０、および軸１は、モータケーシング２およびブラケット３によって囲まれており、軸１の一部がブラケット３から突出している。
【００１８】
モータケーシング２およびブラケット３には、それぞれ軸受５，６が配置されており、これら軸受５，６により軸１が回転自在に支持されている。固定子２０は、複数の歯２１ａを有する固定子鉄心２１と、それぞれの歯２１ａに巻かれた固定子巻線２２とを有している。固定子鉄心２１の歯２１ａは、回転子１０を囲むように配置されている。固定子巻線２２にはリード線７を介して電力が供給される。
【００１９】
回転子１０は、軸１に固定された回転子鉄心１１と、回転子鉄心１１に埋設された複数の永久磁石１３と、回転子鉄心１１を覆う筒体１５とを備えている。図２に示す例では、４つの永久磁石１３が設けられている。回転子鉄心１１は電磁鋼板から構成されている。回転子鉄心１１には、軸方向に延びる複数のスロット（長孔）が形成されており、これらスロットに永久磁石１３が挿入されている。これら永久磁石１３は、Ｎ極とＳ極が交互に外側を向くように配列されている。本実施形態の永久磁石式回転子１０においては、ｄ軸（磁極中心軸）およびｑ軸（磁極間軸）のインダクタンスの差を大きくする目的と、安価な形状の磁石を使用する目的から、平板形状でかつ板厚方向に着磁した永久磁石１３が使用されている。
【００２０】
回転子鉄心１１は円筒形状の外周面を有しており、この外周面の横断面形状は円形となっている。回転子鉄心１１の外周面は筒体１５によって覆われている。すなわち、回転子鉄心１１は筒体１５内に嵌め込まれており、回転子鉄心１１の外周面と筒体１５の内周面とは密着している。筒体１５は、導電性材料から形成されている。筒体１５は、回転子鉄心１１と固定子２０との間の径方向の隙間内に位置しており、固定子２０と筒体１５とは非接触となっている。
【００２１】
筒体１５は、回転子１０が自起動を可能とするために設けられている。すなわち、固定子２０が発生する回転磁界により筒体１５内には誘導電流が流れ、この誘導電流により形成される磁極と回転磁界との間に電磁力が発生する。この電磁力は起動トルクとして回転子１０に作用し、これにより回転子１０は自起動することができる。
【００２２】
筒体１５は、回転子鉄心１１と固定子２０との間の隙間内に位置しているため、できるだけ薄肉であることが好ましい。また、同期引き入れ時のすべりをできるだけ小さくするためには、２次抵抗をできるだけ小さくする必要がある。このような観点から、筒体１５は、銅または銅合金などの導電性が良好な材料から形成されることが好ましい。
【００２３】
図２に示すように、回転子鉄心１１には、各永久磁石１３の磁極表面（外側表面）から回転子鉄心１１の外周面に向かって延びる複数のスリット（長孔）１２が形成されている。これらスリット１２は、永久磁石１３の外側表面に沿って等間隔に配列されている。
【００２４】
筒体１５はモータが商用電源で自起動するために必要であるが、モータが同期運転に入った後は必要の無い要素である。同期運転時においては、回転子１０は固定子鉄心２１と固定子巻線２２による正弦波状の回転磁界に引かれて回転する。固定子鉄心２１の内周面と回転子１０の外周面との間には、いわゆるエアギャップが形成されている。永久磁石１３から発生する磁力線は、回転子鉄心１１、筒体１５、およびエアギャップを経て固定子鉄心２１に到達する。しかしながら、固定子鉄心２１の内周面は、複数の歯２１ａの端面から構成されており、歯２１ａと歯２１ａの間には周方向の隙間が形成されている。このような周方向の隙間が存在するため、回転子１０の回転に伴い、磁力線の向きがある程度断続的に変化する。
【００２５】
図３Ａは、スリット１２が形成されていない回転子鉄心１１を通る磁力線を示す図である。平板形状の永久磁石１３は回転子鉄心１１に埋設されているため、永久磁石１３の磁極表面と回転子鉄心１１の外周面（筒体１５の内周面）との間には三日月形状の部分が存在する。この三日月形状の部分は、回転子鉄心１１の材料である電磁鋼板から形成されている。電磁鋼板には特に配向性はないので、この三日月形状の部分を通る磁力線は回転子１０の外部の磁気抵抗に応じて自由にその向きを変える。
【００２６】
図３Ａに示すように、歯２１ａと歯２１ａの間には周方向の隙間が形成されているので、回転子１０の回転に伴って、回転子鉄心１１の前記三日月形状の部分を通る磁力線には、ゆらぎが生じる。磁力線がゆらぐとき（すなわち、磁力線の向きが変わるとき）、磁力線が筒体１５の内部を移動するため、筒体１５には渦電流が生じる。同期運転時に筒体１５に発生する渦電流を小さくするためには、隣接する歯間での磁力線のゆらぎをできるだけ小さくする必要がある。
【００２７】
図３Ｂは、スリット１２が形成された回転子鉄心１１を通る磁力線を示す図である。図３Ｂに示すように、複数のスリット１２が回転子鉄心１１に形成されている場合、磁力線はスリット１２の間を通ることになるので、磁力線にはある程度配向性が付与される。したがって、磁力線のゆらぎが小さくなる。このように、永久磁石１３の外側にスリット１２を形成することにより、永久磁石１３の表面から回転子鉄心１１の外周面に向かう磁力線のゆらぎを抑制することができる。その結果、永久磁石式同期モータが同期運転に入った後、筒体１５に渦電流が発生することが抑制され、効率の良い運転を行うことができる。
【００２８】
図１に示すように、筒体１５の軸方向の長さは、回転子鉄心１１の軸方向の長さよりも長くなっている。すなわち、筒体１５の両端部が回転子鉄心１１の両端部から突出して突出部１５ａ，１５ａを形成するように、筒体１５の内部に回転子鉄心１１が嵌め込まれている。これは、筒体１５に流れる２次電流を軸方向に揃えるために、筒体１５の突出部１５ａ，１５ａに誘導電動機のエンドリングの役割を持たせるためである。
【００２９】
永久磁石１３は回転子鉄心１１の外周面の近傍に配置することができる。したがって、ｄ軸とｑ軸とのインダクタンスの差を大きくすることができ、大きなリラクタンストルクを得ることができ、同期引き入れトルクを大きくすることができる。また、永久磁石１３が発生した磁束のほとんどは回転子鉄心１１の内部で漏れること無く固定子鉄心２１へ向かうことができるので、回転子１０の体格を従来のＩＳＭ方式よりも小型にすることができる。即ち、本構造の回転子１０を採用するモータは、従来の誘導電動機よりも小さくすることができる。さらに、従来のかご形導体も不要であることから、従来の誘導電動機と比べても同等のコストで高効率モータを実現することが可能になる。
【００３０】
回転子１０を高速で回転させるためには、回転子１０の動的不釣合いを修正する必要がある。上述した薄肉の筒体１５は、回転子１０の最外周部に位置し、かつ銅或いは銅合金などの比重が大きい材料から構成されているので、回転子１０の動的不釣合いを解消するためのバランス調整部材として機能させることができる。すなわち、回転子鉄心１１の両端部から突出した筒体１５の突出部１５ａ，１５ａの適切な位置に、孔、凹部、切り欠きなどの減肉部を形成することにより、回転子１０の動的不釣合いを修正することができる。このように、筒体１５の突出部の一部を除去することで、低コストで動的不釣合いを修正することができる。
【００３１】
回転子鉄心１１の外周面が円筒形状であるので、筒体１５の形状を歪ますことなく、回転子鉄心１１を筒体１５に嵌入することができる。また、回転子１０が液体中で回転するモータであっても、回転子１０の回転抵抗を小さくすることができる。さらに、円筒形状の筒体１５は、起動時の誘導トルクを発生するときに、パーミアンスが均一になるので脈動トルクを発生しにくいという利点がある。
【００３２】
以上述べた実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうることである。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲とすべきである。
【符号の説明】
【００３３】
１      軸
２      モータケーシング
３      ブラケット
１０      回転子
１１      回転子鉄心
１２      スリット
１３      永久磁石
１５      筒体
２０      固定子
２１      固定子鉄心
２１ａ    歯
２３      固定子巻線
【図１】
2012152073.tif 000003
【図２】
2012152073.tif 000004
【図３Ａ】
2012152073.tif 000005
【図３Ｂ】
2012152073.tif 000006
【図４】
2012152073.tif 000007
【図５】
2012152073.tif 000008