JP2006109699A - 永久磁石内蔵型同期モータ - Google Patents

Abstract

【課題】 従来よりもコギングトルクと通電時のトルク脈動を共に抑制することができる永久磁石内蔵型同期モータを提供する。
【解決手段】 シャフト６の中心から２つの磁気的な突極部９，９の間に位置するロータコア７の外周面部分とステータコア３の磁極部の磁極面との間に形成されるギャップの寸法δｄを、δｄ＝δｄ0／ｃｏｓ（ｐθｄ）を満たすように定められる。δｄ0は、シャフトの中心と外周面部分の両端を通る２本の仮想線ＰＬ１及びＰＬ２の中心を通る仮想中心線ＰＬ０に沿うギャップの寸法［単位はｍ］であり、θｄは仮想中心線ＰＬ０と２本の仮想線ＰＬ１及びＰＬ２との間の角度である。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ロータコアに複数の永久磁石を内蔵し、隣り合う永久磁石の間にそれぞれ磁気的な突極部を有するロータコアを備えた永久磁石内蔵型同期モータに関するものであり、特にロータの磁気的な突極部に起因して発生するリラクタンストルクと永久磁石によるトルクを利用する永久磁石内蔵型同期モータに関するものである。

特開平１１−１８３２８号公報に開示された従来の永久磁石内蔵型同期モータでは、永久磁石磁極間コアの開角をθとし、永久磁石磁極間コアの幅に対応するティースの各端面のうち最も離れた二つの端面の先端と、回転軸中心とを結ぶ２本の直線が成す角度の最小値をθｍｉｎと永久磁石磁極間コアの幅に対応するティースにおけるティースヘッドの各端部のうち最も離れた二つの端部と、回転軸中心とを結ぶ２本の直線が成す角度の最大値をθｍａｘとしたときに、
θｍｉｎ≦θ≦θｍａｘ
となるように永久磁石磁極間コアの幅を設定して、コギングトルクの発生を抑制している。

また特開平８−２０５４９９号公報には、永久磁石磁極間のコアに突極部を設けた同期モータが開示されている。この同期モータでは、ロータの回転方向が一方向に決定されていて、突極部を変位させてトルク脈動の発生を抑制している。
特開平１１−１８３２８号公報 特開平８−２０５４９９号公報

前者のモータでは、永久磁石磁極間コアの開角θはティースの数と型状寸法から決定されるθｍｉｎ≦θ≦θｍａｘとしている。しかし、ステータの毎極毎相スロット数ｑに応じて、それぞれの永久磁石磁極間におけるトルク発生のタイミングが異なるため、この従来技術では、コギングトルクやトルク脈動を十分に抑制することができない。

また後者のモータでは、永久磁石磁極の突極部をロータ回転方向で決定される方向に変位する必要があるために、ロータが自由に正転逆転を繰り返すことができず、十分にトルク脈動を抑制しているとは言えない。

本発明の目的は、従来よりもコギングトルクと通電時のトルク脈動を共に抑制することができる永久磁石内蔵型同期モータを提供することにある。

本発明は、ステータコアの複数の磁極部に１相以上の巻線を施してなるステータと、極対数がｐ（但しｐは１以上の正の整数）で、シャフトに固定されたロータコアの内部に周方向に間隔を開けて複数個の永久磁石が内蔵され、該複数個の永久磁石によりロータコアの外周に複数の永久磁石磁極部が形成され且つ永久磁石磁極部を間に挟むように複数の磁気的な突極部が形成されているロータとを具備する永久磁石内蔵型同期モータを改良の対象とする。ロータの外周面に永久磁石磁極部がＮ極とＳ極の１つずつが現れている場合には、極対数ｐは１である。

本発明では、隣接する２つの磁気的な突極部の間に位置するロータコアの外周面部分とステータコアの複数の磁極部の磁極面との間に形成されるギャップの寸法δｄが、下記の式を満たすように定める。

δｄ＝δｄ0／ｃｏｓ（ｐθｄ）
ここに、δｄ0はシャフトの中心から前記外周面部分の周方向の両端を通る２本の仮想線の中心を通る仮想中心線に沿う前記ギャップの寸法であり、θｄは仮想中心線と仮想線との間の角度である。

なお隣接する２つの磁気的な突極部の間に位置するロータコアの外周面部分の輪郭形状を円弧または楕円の弧により構成してもよい。その場合でも、上記式により定まる値に近い値になるように円弧または楕円の弧の大きさを定めるのが好ましい。

上記式を満たすギャップは、いわゆるｃｏｓｅｃギャップを形成するものであり、このようなギャップ構成を採用すると、モータの回転方向を問わず、ギャップ中の永久磁石からの磁束密度分布を正弦波に近づけることができ、コギングトルクを抑制することができる。

またステータコアの毎極毎相スロット数ｑが１以上の整数の場合、磁気的な突極部の２つの周方向の端部とシャフトの中心とを通る２本の仮想線間の角度として定義される磁気的な突極部の開角αが、α≒ｎ・τｓを満たすようにする。ここで「毎極毎相スロット数ｑ」は、スロットの数をＮs、極対数をｐ、相数をｍとした場合、ｑ＝Ｎs/(２×ｐ×ｍ）として求めることができる。

そしてステータコアの毎極毎相スロット数ｑが１以上の分数の場合には、磁気的な突極部の開角αをα≒（ｎ／２）τｓの式を満たすように定める。ここに、ｎは自然数であり、τｓはステータコアのスロットピッチ［単位はｒａｄ］である。このようにすると、トルク脈動を十分に抑制することができる。

またシャフトの中心から１つの前記外周面部分の周方向の両端部をそれぞれ通る２本の仮想線間の角度φpと、磁気的な突極部の２つの周方向の端部とシャフトの中心とを通る２本の仮想線間の角度を磁気的な突極部の開角αとは、下記の式を満たすように定めるのが好ましい。

（１８０／ｐ＋α−φp）／τｓ≒２ｎ−１
ここに、τｓはステータコアのスロットピッチであり、ｎは自然数である。ただし、α＞０、φｐ＞０、α＋φｐ≦１８０／ｐとなるようにαとφｐを選定することで、トルク脈動を十分に抑制することができる。

なお前述のギャップの寸法δｄが、いわゆるｃｏｓｅｃギャップを形成しないモータにおいても、上記の角度φpと開角αとの関係を成立させるように角度φpと開角αとを定めると、トルク脈動を十分に抑制することができる。

本発明によれば、コギングトルクが抑制でき、しかもトルク脈動を抑制できる利点がある。

以下図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。図１は、本発明の永久磁石内蔵型同期モータの一実施の形態のステータとロータの構成を示す図である。図１において、符号１で示した部材は、珪素鋼板を積層して構成された環状のヨーク２と、この環状のヨークの内周側に周方向に所定の間隔を開けて配置された磁極部を構成する複数のティース３と、隣接する２つのティース３の間に形成されたスロット４と、これらのティース３に３相の巻線が順次巻装されて形成された図示しない巻線部とを備えてなるステータである。ヨーク２とティース３とによりステータコアが構成されている。

また符号５で示した部材は、ロータである。このロータ５は、シャフト６に固定されたロータコア７の内部に周方向に間隔を開けて配置された２つの永久磁石８を内蔵しており、しかも隣り合う２つの永久磁石８の間にそれぞれ磁気的な突極部９を有している。ロータコア７も、ステータコアと同様に珪素鋼板を積層して構成されており、永久磁石８が内蔵される部分に永久磁石を挿入する貫通孔を有している。永久磁石８は、横断面形状が円弧状をなすものである。この例のステータ１は、スロット数Ｎsが９で、極対数が１で、相数が３であるため、毎極毎相スロット数ｑは、ｑ＝９／（２×１×３）＝１．５となる。そしてスロットピッチτｓがτｓ＝４０°、極対数ｐがｐ＝１である。

図２には、ロータ１の部分を拡大して示したものである。この例では、シャフト６の中心から隣接する２つの磁気的な突極部９の間に位置するロータコア７の外周面部分８の周方向の両端部をそれぞれ通る２本の仮想線ＰＬ１及びＰＬ２の間に位置するロータコア７の外周面部分８とステータコアの複数の磁極部すなわちティース３の磁極面との間に形成されるギャップの寸法δｄが、下記（１）式を満たすように外周面部分（この例の場合には永久磁石磁極部１０の外面）の形状が定められる。

δｄ＝δｄ0／ｃｏｓ（ｐθｄ） ・・・（１）
ここに、δｄ0は２本の仮想線ＰＬ１及びＰＬ２の中心を通る仮想中心線ＰＬ０に沿うギャップの寸法であり、θｄは仮想中心線ＰＬ０と２本の仮想線ＰＬ１及びＰＬ２との間の角度である。

この例では、ステータコアの毎極毎相スロット数ｑが１．５の分数であり、隣り合う２つの永久磁石８，８の間に形成される磁気的な突極部９の２つの周方向の端部とシャフトの中心とを通る２本の仮想線ＰＬ１とＰＬ２´との間の角度として定義される磁気的な突極部９の開角αが、下記（２）式を満たすように定められる。

α≒（ｎ／２）τｓ ・・・（２）
ここに、ｎは自然数であり、τｓはステータコアのスロットピッチである。この実施の形態では、ｎを２として、τｓを４０°としているため、開角αは約４０°になる。この開角αを２０°，４０°，６０°，８０°，‥・近傍とした場合、トルク脈動を十分に抑制できる。

図３には本実施例におけるαとトルク脈動との関係を示す。αが２０°，４０°，６０°，８０°でトルク脈動が極小となっている様子がわかる。なお、実質的には（２）式の示す範囲はスロットオープニングに関係し、この例におけるスロットオープニング（スロット４の内周側に開口する開口部の周方向に沿う幅寸法）ｗはｗ＝４．５°であるので、（ｎ／２）・τｓ−２．２５°≦α≦（ｎ／２）・τｓ＋２．２５°においてトルク脈動極小値が存在する。

なおこの例において、磁気的な突極部の間の外周面部分の輪郭形状を、円弧または楕円の弧により構成して、上記式により定まる値に近い値になるように円弧または楕円の弧の大きさを定めてもよい。

図４は、本発明の磁石内蔵型同期モータの第２の実施の形態の構成を示している。図５は、この第２の実施の形態で用いるロータの構造を示す拡大図である。図４及び図５において、図１及び図２に示した第１の実施の形態の構成部材と同様の構成部材には、図１及び図２に付した符号と同じ符号を付して説明を省略する。この実施の形態の同期モータは、ステータの毎極毎相スロット数ｑがｑ＝２、スロットピッチτｓがτｓ＝７．５°、極対数ｐがｐ＝４の磁石内蔵型同期モータを示す。この実施のモータは、ｑが１以上の整数の場合に該当する。この実施の形態では、第１の実施の形態と異なって、直方体状の永久磁石８の周方向の両脇に永久磁石８からの磁束の回り込みを防止する空気やアルミ等からなる非磁性部１１が設けてある。この場合、永久磁石磁極部１０を構成するロータコアの角度φｐは、ほぼロータ外周面に近い２つの非磁性部１１内側角部間の角度になる。少なくとも永久磁石磁極部１０を構成するロータコア７の外周面部分は、第１の実施の形態と同様に、上記（１）式を満たすようにいわゆるｃｏｓｅｃギャップを形成し得る形状にするのが好ましい。この例では、隣接する２つの突極部９間の外周面部分が上記（１）式を満たすようにいわゆるｃｏｓｅｃギャップを形成し得る形状になっている。

この実施の形態のようにステータコアの毎極毎相スロット数ｑが１以上の整数の場合、隣り合う２つの前記永久磁石の間に形成される前記磁気的な突極部の２つの周方向の端部とシャフトの中心とを通る２本の仮想線間の角度として定義される磁気的な突極部９の開角αは、下記の（３）式を満たすように定める。

α≒ｎ・τｓ ・・・（３）
この関係式から、αを求めると、αは７．５°，１５°，２２．５°‥‥の近傍の値にするのが好ましく、このような値であれば、トルク脈動を抑制できる。図６にはこの例におけるαとトルク脈動の関係を示す。図６から、αが７°及び１４．５°でトルク脈動が極小となることがわかり、（３）式で求められる７．５°及び１５°より若干ずれた位置にトルク脈動極小値が存在する。この様に、実質的にはスロットオープニングｗの範囲内、つまり（ｎ・τｓ）−ｗ／２≦α≦（ｎ・τｓ）＋ｗ／２においてトルク脈動極小値が存在する。なおこの本実施例におけるスロットオープニングはｗ＝２．１°である。

第３の実施の形態として、図７に極対数ｐ＝４の永久磁石内蔵型同期モータのロータの構造を示す。図７において、図１及び図２に示した第１の実施の形態の構成部材と同様の構成部材には、図１及び図２に示した符号と同じ符号を付して説明を省略する。図７に示す実施の形態では、直方体状の永久磁石８をロータコア７に埋設している。しかし永久磁石８の周方向の両側に非磁性部は設けていない。この例でも永久磁石磁極部１０を構成するロータコア７の外周面部分は、いわゆるｃｏｓｅｃギャップを形成するようにその形状が定められている。

この例では、永久磁石磁極部１０の角度即ち開角φｐは、ほぼ永久磁石８の周方向外側で径方向外側に位置する２つの角部とシャフト６の中心とを結ぶ仮想線ＰＬ１，ＰＬ２間の角度である。また突極部９の開角αは、隣接する２つの永久磁石の周方向外側で径方向内側に位置する角部とシャフト６の中心との間を通る仮想線ＰＬ３，ＰＬ４間の角度である。この例では、角度φｐと開角αとは、下記（４）式を満たすように定められている。

（１８０／ｐ＋α−φp）／τｓ≒２ｎ−１ ・・・（４）
ここに、τｓは前記ステータコアのスロットピッチであり、ｎは自然数である。ただし、α＞０、φｐ＞０、α＋φｐ≦１８０／ｐとなるようにαとφｐを選定している。この関係を満たすようにしてもにトルク脈動を十分に抑制することができる。

この例では、永久磁石磁極部１０の角度φｐと突極部９の開角αとが、上記（４）式即ち（１８０／ｐ＋α−φp）／τｓ≒２ｎ−１を満たしている。図７の例では、この（４）式の左辺が１，３，５，７，‥‥の値に近い値になるように、角度α，角度φpを定めれば、トルク脈動を抑制できる。図８は、この例において前述の（４）式の左辺の値とトルク脈動の関係を示している。図８から分かるように、（４）式の左辺の値が３と５付近でトルク脈動が極小となっている様子がわかる。なお、実質的には（４）式の示す範囲はスロットオープニングに関係し、この場合、ｗ＝２．１°，τｓ＝７．５°であるので、（４）式の左辺は±ｗ／τｓ，（＝０．２８）の範囲、つまり次式においてトルク脈動が極小となる。

（2n−１）−0.28≦(１／τｓ)・(１８０／ｐ＋α−φｐ)≦（2n−１）＋0.28
・・・（５）
なお上記（４）式の関係は、第１の実施の形態において必須の要件とするギャップの寸法をいわゆるｃｏｓｅｃギャップにしない場合にも適用することができ、その場合においても、この関係を満たすことにより、トルク脈動が極小となる。

本発明の永久磁石内蔵型同期モータの第１の実施の形態の構成を概念的に示す図である。 図１の実施の形態で用いるロータの構成を概念的に示す図である。 図１の実施の形態の突極部の開角とトルク脈動の変化との関係を示す図である。 本発明の永久磁石内蔵型同期モータの第２の実施の形態の構成を概念的に示す図である。 図４の実施の形態で用いるロータの構成を概念的に示す図である。 図４の実施の形態の突極部の開角とトルク脈動の変化との関係を示す図である。 本発明の第３の実施の形態で用いるロータの構成を示す概念図である。 図７のロータを用いた場合にトルク脈動と（１８０／ｐ＋α−φｐ）／τｓとの関係を示す図である。

符号の説明

１ ステータ
２ ヨーク
３ ティース（磁極部）
４ スロット
５ ロータ
６ シャフト
７ ロータコア
８ 永久磁石
９ 突極部
１０ 永久磁石磁極部
１１ 非磁性部

Claims (1)

1. ステータコアの複数の磁極部に１相以上の巻線を施してなるステータと、
   極対数がｐ（但しｐは１以上の正の整数）で、シャフトに固定されたロータコアの内部に周方向に間隔を開けて複数個の永久磁石が内蔵され、該複数個の永久磁石により前記ロータコアの外周に複数の永久磁石磁極部が形成され且つ前記永久磁石磁極部を間に挟むように複数の磁気的な突極部が形成されているロータとを具備する永久磁石内蔵型同期モータであって、
   前記シャフトの中心から１つの前記外周面部分の周方向の両端部をそれぞれ通る２本の仮想線間の角度φpと前記磁気的な突極部の２つの周方向の端部と前記シャフトの中心とを通る２本の仮想線間の角度として定義される前記磁気的な突極部の開角αとが、下記の式を満たすように定められていることを特徴とし、
   （１８０／ｐ＋α−φp）／τｓ≒２ｎ−１
   ここに、τｓは前記ステータコアのスロットピッチであり、ｎは自然数であり、α＞０、φｐ＞０、α＋φｐ≦１８０／ｐである永久磁石内蔵型同期モータ。

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