JP3282427B2

JP3282427B2 - 永久磁石モータ

Info

Publication number: JP3282427B2
Application number: JP01461495A
Authority: JP
Inventors: 徹也三浦; 康己川端
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1994-04-13
Filing date: 1995-01-31
Publication date: 2002-05-13
Anticipated expiration: 2017-05-13
Also published as: US5631512A; JPH07336919A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ロータに複数の永久磁
石を配置し、この永久磁石と交互に配置される突極を有
する形式の永久磁石モータに関し、特に前記永久磁石と
突極の配置とこれらの寸法に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在、ロータに永久磁石を備え、ステー
タにより発生した回転磁界により前記のロータを回転さ
せる永久磁石モータが多方面にわたり使用されている。
この永久磁石モータは、ロータに巻線を有する誘導モー
タなどに比して、単位体積当たりの磁束密度を大きくす
ることができ、よって、モータの外形を小型にすること
ができるという特徴がある。

【０００３】しかし、永久磁石に用いられる硬磁性材料
は一般に高価であり、この使用量を減少させたいという
要望がある。そこで、図９に示す断面を有するロータ１
が用いられることがある。ロータ１には、軟磁性材料よ
りなるロータ本体２の外周に４つの永久磁石３が設けら
れている。また、これらの永久磁石３の間には、ロータ
本体２と一体となった突極４が設けられている。これら
突極４は、ロータと同一の軟磁性材料よりなる。永久磁
石３と突極４の半径方向の厚さは等しく、ロータ１の円
周方向に交互に配置され、よってロータ１の外形は円筒
状となっている。

【０００４】このようなロータ１を有するモータは、永
久磁石３がステータの発生する回転磁界に引かれること
によるトルクと、突極４が前記の回転磁界に引かれるト
ルクの双方が発生する。したがって、突極を設けず、円
筒形のロータの外周に永久磁石を配置したロータに比し
てより大きなトルクを発生することができる。

【０００５】一方、永久磁石モータは、永久磁石が回転
することによってステータのコイル内に逆起電力が生じ
る。これは、図９のように突極４を有するモータでも、
突極がないモータでも現れる現象である。この逆起電力
はモータの回転数の上昇に伴って増大する。そして、こ
の逆起電力が電源電圧に等しくなると、これ以上回転を
上昇させることができなくなる。そこで、永久磁石モー
タでこれ以上の高回転を得るために、ステータに前記永
久磁石の磁界を打ち消す磁界を発生させる制御が行われ
ている。この制御は一般的に弱め界磁制御と呼ばれてい
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】前述の永久磁石におい
て、その回転トルクを増加させるには、永久磁石の使用
量を増やして磁束を強める方法が考えられる。しかしな
がら、前述のように永久磁石の材料となる硬磁性材料
は、一般的に高価であり、この使用量を増加させるとモ
ータのコストが上昇するという問題があった。また、磁
束を強くすると前述の逆起電力の電圧が増加し、弱め界
磁制御を行わない場合の回転数の上限が低下してしまう
という問題がある。また、弱め界磁制御を行った場合に
は、この制御範囲が広くなり、消費される電力が増大す
るという問題があった。さらに、弱め界磁制御中に制御
回路に異常が生じ界磁制御が中断した場合、逆起電力の
電圧が電源回路の耐電圧を越えて、回路を損傷する場合
があるという問題があった。一般的な１極当たり３スロ
ットを有する３相モータの場合、永久磁石と突極の円周
方向の円弧長は、それぞれステータのスロットのピッチ
のほぼ２倍と１倍に対応する長さとなっている。

【０００７】本発明は前述の問題点を解決するためにな
されたものであり、ロータの永久磁石の使用量を抑え、
弱め界磁制御を行わない場合の上限回転数を高くするこ
とができる永久磁石モータを提供することを目的とす
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前述の目的を達成するた
めに、本発明にかかる永久磁石モータは、当該モータに
備えられた複数の永久磁石が、前記ロータ円周方向に永
久磁石の円弧長と等しい円弧長の間隔をもって配列さ
れ、前記永久磁石の間の少なくとも一部に、軟磁性材料
からなり、前記永久磁石の径方向の厚さと実質的に等し
い径方向の厚さを有する突極を有している。

【０００９】また、本発明にかかる他の永久磁石モータ
は、ロータ円周方向に永久磁石と交互に配置され、永久
磁石の円周方向の円弧長である電気角π／２と実質的に
等しい円周方向の円弧長を有する軟磁性材料からなる突
極を有している。

【００１０】また、本発明にかかるさらに他の永久磁石
モータは、ロータ円周方向に前記永久磁石と交互に配置
された軟磁性材料からなる突極を有し、これらの永久磁
石および突極の円周方向の円弧長がステータのスロット
ピッチの３の整数倍のスロット数に実質的に対応する長
さのものである。

【００１１】また、本発明にかかるさらに他の永久磁石
モータは、前記ロータ円周方向に永久磁石の円弧長と実
質的に等しい円弧長の間隔をもって配列された複数の永
久磁石と、前記永久磁石の間のロータ回転方向の後方
に、前方の前記永久磁石と所定の間隙をもって配置さ
れ、前記永久磁石の径方向の厚さと実質的に等しい径方
向の厚さを有し、軟磁性材料からなる突極と有してい
る。

【００１２】

【作用】本発明は以上のような構成を有しており、永久
磁石の円弧長と永久磁石の間隔の円弧長を等しくし、永
久磁石の間隙の少なくとも一部に突極を設けたことによ
って、発生トルクを確保しつつ、永久磁石の使用量を減
少させることができ、また逆起電力も低減させることが
できる。

【００１３】また、永久磁石と突極の円周方向の長さを
等しくすることにより、発生するトルクに対する永久磁
石によるトルクの割合を減じることができる。即ち、永
久磁石の使用量を減少させ、また発生する逆起電力も低
減させることができる。

【００１４】また、永久磁石と突極の円弧長をステータ
のスロットピッチの３の整数倍に対応する長さとするこ
とで、永久磁石の円周方向の両端部とステータのスロッ
トの端部をほぼ対向する位置に配置できるので、永久磁
石の端部がスロットの端部付近を通過する際に生じる回
転トルクの変動を減少させることができる。

【００１５】さらに、永久磁石の間のロータ回転方向前
方を避けて、後方に突極を設けることによって、突極内
の磁束変動を減少させることができ、トルクリップルの
低減、および永久磁石の温度上昇を抑えることができ
る。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の好適の実施例を図面にしたが
って説明する。

【００１７】図１には、本発明の原理の説明図が示され
ている。図１は、モータ断面の上部が示されており、ロ
ータ１０は図１に示したロータと同様の構成を有してい
る。すなわち、ロータ１０はロータ本体１２とその周上
に交互に配置された永久磁石１４と突極１６を含んでい
る。ロータ１０全体としては円筒形状を呈し、側面はほ
ぼ面一となっており段差はない。ロータ１０の周上に円
弧状に配置された永久磁石１４がロータの回転中心Ｏを
見込む角度はα₀であり、またこの永久磁石１４のロー
タ半径方向厚さはｔ_mである。また、突極１６がロータ
中心Ｏを見込む角度はβ₀である。

【００１８】ロータ１０の周囲には、複数のスロット１
８を有するステータ２０が配置されている。このスロッ
ト１８の先端とロータ１０の間隙はｔ_gである。また、
図中には永久磁石の中心を貫く仮想軸であるｄ軸、およ
び突極の中心を貫く仮想軸であるｑ軸が示されている。

【００１９】このようなモータに発生するモータトルク
Ｔは次式で表される。

【００２０】

【数１】式（１）の第１項は永久磁石が回転磁界と作用して発生
するトルクであり、第２項が突極部分と永久磁石部分の
インダクタンスの差により生じるリラクタンストルクで
ある。電流量を一定とした場合にモータトルクＴを増加
させるためには、ロータ全体の磁石磁束（ｐΦ_m）を増
加させれば良いことが分かるが、これを行えば前述のよ
うに逆起電力が増加して、弱め界磁制御が必要となる回
転数が低下するなどの問題が生じる。また、磁石磁束Φ
_mを増加させるためには磁石を大きくすることや、より
強い磁性を示す硬磁性体材料を選定することになるが、
これはコスト増をまねく。したがって、第２項のリラク
タンストルクを増加することが必要となる。

【００２１】リラクタンストルクを増加するためには
（Ｌ_q−Ｌ_d）を増加させる必要がある。インダクタン
スはステータとロータの軟磁性材のギャップに反比例す
る。すなわち、ｄ軸のインダクタンスＬ_dは永久磁石の
厚さとロータとステータの間隙の和（ｔ_m＋ｔ_g）に反
比例し、またｑ軸のインダクタンスＬ_qは間隙ｔ_gに反
比例する。したがって、永久磁石の厚さｔ_mの増加によ
り（Ｌ_q−Ｌ_d）が増加することが分かるが、これも永
久磁石材料の増加をまねきコスト増につながる。

【００２２】そこで、永久磁石１４部分（ｄ軸）で生じ
る磁束Φ_dと突極１６部分（ｑ軸）とで生じる磁束Φ_q
の差に着目する。すなわち、この磁束Φ_d，Φ_qは各々
インダクタンスＬ_d，Ｌ_qに比例するから、これらの磁
束の差（Φ_q−Φ_d）が大きいほど（Ｌ_q−Ｌ_d）も大
きくなることに着目する。以下、これを詳細に説明す
る。

【００２３】図２には、図１に示されたロータ１０の展
開図が示され、電気角で幅αの永久磁石１４と、電気角
で幅βの突極１６が設けられている。ここでα＋β＝π
である。ステータ２０に位相がπ／２ずれたｄ軸電流Ｉ
_dとｑ軸電流Ｉ_qを流したときに生じる起磁力が各々ｄ
軸起磁力Ｆ_dとｑ軸起磁力Ｆ_qである。この起磁力によ
って発生する磁束が前述の磁束Φ_d，Φ_qに相当する。
リアクタンスは電流を流したときの磁束の発生し易さを
示す係数であり、式で示すと（２）式になる。

【数２】ここでｄ軸電流Ｉ_dとｑ軸電流Ｉ_qの振幅が等しけれ
ば、磁束の差（Φ_q−Φ_d）が大きいほど（Ｌ_q−
Ｌ_d）も大きくなる。ここで、電気角θの微小部分ｄθ
の起磁力をＦ_d（θ），Ｆ_q（θ）とし、磁石部分の磁
気抵抗をＲ_md、突極部分の磁気抵抗をＲ_mqとすれば、式
（３），（４）となる。

【００２４】

【数３】起磁力Ｆ_d，Ｆ_qを

【数４】として、式（３），（４）を解くと式（５），（６）と
なる。

【００２５】

【数５】そして、磁束の差（Φ_q−Φ_d）は式（７）となる。

【００２６】

【数６】この式（７）を最大にするαはπ／２である。したがっ
て、βもπ／２であり、永久磁石の幅と突極の幅は等し
くすることにより、最大のリラクタンストルクを得るこ
とができる。

【００２７】ところで、永久磁石モータは回転時の磁極
と永久磁石との位置関係により、コイル電流とは無関係
に出力トルクが変動し、いわゆるコギングトルクが発生
する。このコギングトルクを減少させる方法として、特
開平２−２０２３２９号公報には、永久磁石の円弧長を
ステータのスロットのピッチのほぼ整数倍の長さにする
モータが示されている。具体的には、ステータを１磁極
当たり３スロットの構成とし、永久磁石の円弧長をほぼ
２スロット、突極部分をほぼ１スロットとすることで、
スロット長の整数倍の円弧長にするという条件を満足し
ている。

【００２８】しかしながら、前述のように、リラクタン
ストルクを最大とするためには、永久磁石と突極の円弧
長の比を１：１にすることが望ましい。このために、図
３に示す本実施例においては、１磁極当たりのスロット
数を６スロットし、永久磁石および突極の円弧長を各々
３スロットとしている。図３に示される本実施例は４極
モータが示されており、永久磁石１４と突極１６が交互
に４個ずつ配置されている。各々の永久磁石１４と突極
１６は、ロータ１０の円周の１／８の円弧長を有してい
る。ステータ２０にはスロット１８が２４個設けられて
おり、１磁極当たりのスロット数は６個となっている。
よって、３スロットピッチが、前記永久磁石の円弧長お
よび突極１６の円弧長に相当する。以上、図３に示すモ
ータの構成によれば、永久磁石１４と突極１６のの各々
の円弧長さを等しくして、かつスロットピッチのほぼ整
数倍とすることができる。したがって、式（１）の第２
項のリラクタンストルクを最大にすることができ、相対
的に第１項の磁石によるトルクの割合を減少させること
ができる。

【００２９】したがって、逆起電力を相対的に減少させ
ることができ、よって弱め界磁制御の必要な回転数を引
き上げることができる。また、弱め界磁制御中に制御回
路に異常を来たした場合にも、逆起電力が小さいため
に、制御回路に加わる電圧を減少させることができる。

【００３０】以上、１磁極が６スロットにより構成さ
れ、永久磁石および突極の円弧長がほぼ３スロットピッ
チの場合を記したが、この整数倍のスロット数、すなわ
ち１磁極当たり６ｎスロット、永久磁石および突極の円
弧長が３ｎスロットピッチである場合も同様の効果を奏
する。

【００３１】図４は、前述の図３に示される実施例の突
極１６内部の各所における磁束密度の変動のシュミレー
ション結果を示すグラフである。グラフから、突極１６
の回転方向前方にて磁束密度の変動が大きくなっている
ことが読み取れる。したがって、この突極１６の前方部
分においてヒステリシス損失が大きく、これによって発
熱も大きくなる。この発熱は突極前方の永久磁石１４に
近いところで発生するため、永久磁石１４の温度が上昇
する。一般的に、永久磁石は温度が上昇すると、その磁
性を失う傾向があり、高温になることによって一度磁力
が低下すると、通常温度に戻しても、磁力が元に戻らな
い。したがって、永久磁石の近傍で発熱が起こること
は、避けることが望ましい。また、磁束密度の変動が大
きいことによって、トルクリップルが発生し、発生する
トルクが十分に平滑なものとならない場合もある。

【００３２】図５および図６に示す実施例は、前述の磁
束密度変動に考慮し、突極の磁束密度変動の大きい部
分、すなわちロータ回転方向の前方部分には突極を設け
ず、後方部分に突極を設けたものである。図３に示す実
施例と同様の構成については同一の符号を付し、説明は
省略する。

【００３３】図５は、ロータ回転方向後方に永久磁石１
４と等しい厚さの部分２２ａを有する突極２２を有する
永久磁石モータが示されている。前方部分においては、
断面略三角形の斜面部分２２ｂが設けられ、部分２２ａ
の突出面と前方の永久磁石の底面部分を滑らかに繋いで
いる。この場合、永久磁石１４の位置決めは、部分２２
ａと斜面部分２２ｂに挟持されることによってなされる
ので、確実に行われる。

【００３４】図６は、ロータ回転方向後方に永久磁石１
４と等しい厚さの突極２４を有し、前方部分は永久磁石
１４と等しい厚さの空隙２６が設けられている永久磁石
モータが示されている。

【００３５】図５および図６に示される実施例は、図３
に示す実施例に対して磁束密度の変動の大きな部分が削
除された形状となっている。したがって、発熱量および
トルクリップルを減少させることが可能となっている。
また、本出願人による特願平５−３０７３１２号によれ
ば、突極はロータ回転方向後方部分がより発生トルクに
寄与することが示されており、図５および図６に示され
る実施例においても、後方部分に突極を配置しているの
で、突極によるトルク増加の効果を大きく損なうことが
ない。

【００３６】図７には、図６に示された実施例におい
て、突極２６を永久磁石１４の間の後方半分に配置した
場合の突極２６の形状と、突極２６内部の磁束密度変動
のシュミレーションの結果のグラフが示されている。こ
の結果によれば、突極各部の磁束密度変動の総和が図４
に示すグラフに対して減少していることから、全体の発
熱量が減少していることが分かる。さらに、磁束密度変
動が最も大きい部分が永久磁石１４から離れることによ
っても、永久磁石１４の温度上昇を抑えることが可能で
ある。

【００３７】また、図８には、図３に示す実施例と図６
に示す実施例の場合の発生トルクのグラフがそれぞれ曲
線Ａ、曲線Ｂによって示されている。図３の実施例のト
ルク曲線Ａに対して、図６の実施例のトルク曲線Ｂはト
ルクの変動幅（トルクリップる）が小さいことが分か
る。

【００３８】以上のように、永久磁石１４の間の全てに
わたって突極を設けるのではなく一部に設けることによ
って、発熱を少なくし、トルクリップルを小さくするこ
とができる。特に、ロータ回転方向の後方に突極を設け
た場合、突極を設けたことによるトルク増加を大きく損
なうことなく、前記の効果を得ることができる。

【００３９】以上の実施例の説明においては、突極を後
方半分に設けた場合について主に説明したが、突極の大
きさ形状については、実際に必要なモータの性能、すな
わち発生トルクや、発生トルクの平滑性、さらにはモー
タの冷却性能から要求される発熱量の限界などから個々
の場合に応じて検討される必要がある。たとえば、十分
な冷却が可能で、トルクの平滑性に関してはさほど厳し
い要求がない場合には、図３に示す実施例のように大き
く採ることも可能である。また、モータの発熱量が大き
く、設置場所が高温になり、十分な冷却性能が期待でき
ない場合は、突極を小さく、しかも後方に寄せて配置す
ることが好ましい。

【００４０】

【発明の効果】以上、本発明によれば、永久磁石と突極
の円周方向の長さを等しくすることにより、さらに、永
久磁石と突極の円弧長をステータのスロットの３の整数
倍のピッチにほぼ対応する長さとすることで、回転トル
クの変動を減少させることができる。

【００４１】以上、本発明によれば、永久磁石の円弧長
と永久磁石の間隔の円弧長を等しくし、永久磁石の間隙
の少なくとも一部に突極を設けたことによって、発生ト
ルクを確保しつつ、永久磁石の使用量を減少させること
ができ、また逆起電力も低減させることができる。

【００４２】また、永久磁石と突極の円周方向の長さを
等しくすることにより、突極部分で発生するトルク（リ
ラクタンストルク）を増加させ、発生する全トルクに対
する磁石によるトルクの割合を減じることができる。し
たがって、永久磁石の使用量を減少させ、また発生する
逆起電力も低減させることができる。

【００４３】また、永久磁石と突極の円弧長をステータ
のスロットピッチの３の整数倍にほぼ対応する長さとす
ることで、永久磁石の端部がスロットの端部付近を通過
する際に生じる回転トルクの変動を減少させることがで
きる。

【００４４】さらに、永久磁石の間のロータ回転方向前
方を避けて、後方に突極を設けることによって、突極内
の磁束変動を減少させることができ、トルクリップルの
低減、および永久磁石の温度上昇を抑えることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理を説明するための図であり、特
にモータの断面図である。

【図２】本発明の原理を説明するための図であり、特
にロータを展開し、界磁と併記した図である。

【図３】本実施例の永久磁石モータの断面図である。

【図４】図３に示す実施例の突極の各部における磁束
密度変動を示す図である。

【図５】本発明にかかる他の実施例を示す図である。

【図６】本発明にかかるさらに他の実施例を示す図で
ある。

【図７】図６に示す実施例の突極の各部における磁束
密度変動を示す図である。

【図８】図３および図６に示す実施例の各々のトルク
変動を示す図である。

【図９】永久磁石モータのロータの断面図であって、
特に突極を有するロータの断面を示す図である。

【符号の説明】

１０ロータ、１４永久磁石、１６，２２，２４突
極、１８スロット、２０ステータ。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ロータに複数の永久磁石を配置し、前記
ロータ周囲に所定の間隙を持って配置されたステータに
より回転磁界を発生させ、前記ロータを回転させる永久
磁石モータであって、前記複数の永久磁石は、前記ロータ円周方向に永久磁石
の円弧長と実質的に等しい円弧長の間隔をもって配列さ
れ、前記永久磁石の間の少なくとも一部に、軟磁性材料
からなり、前記永久磁石の径方向の厚さと実質的に等し
い径方向の厚さを有する突極を有することを特徴とする
永久磁石モータ。
【請求項２】ロータに複数の永久磁石を配置し、前記
ロータ周囲に所定の間隙を持って配置されたステータに
より回転磁界を発生させ、前記ロータを回転させる永久
磁石モータであって、前記ロータは、ロータ円周方向に前記永久磁石と交互に
配置された軟磁性材料からなる突極を有し、前記永久磁
石と前記突極のそれぞれの円周方向の円弧長は、実質的
に電気角でπ／２であることを特徴とする永久磁石モー
タ。
【請求項３】ロータに複数の永久磁石を配置し、前記
ロータ周囲に所定の間隙を持って配置されたステータに
より回転磁界を発生させ、前記ロータを回転させる永久
磁石モータであって、前記ロータは、ロータ円周方向に前記永久磁石と交互に
配置された軟磁性材料からなる突極を有し、前記永久磁
石と前記突極のそれぞれの円周方向の円弧長を前記ステ
ータのスロットピッチの３の整数倍のスロット数に実質
的に対応する長さとしたことを特徴とする永久磁石モー
タ。
【請求項４】ロータに複数の永久磁石を配置し、前記
ロータ周囲に所定の間隙を持って配置されたステータに
より回転磁界を発生させ、前記ロータを回転させる永久
磁石モータであって、前記複数の永久磁石は、前記ロータ円周方向に永久磁石
の円弧長と実質的に等しい円弧長の間隔をもって配列さ
れ、前記永久磁石の間のロータ回転方向の後方に、前方の前
記永久磁石と所定の間隙をもって配置され、前記永久磁
石の径方向の厚さと実質的に等しい径方向の厚さを有
し、軟磁性材料からなる突極、を有することを特徴とする永久磁石モータ。