JPH08205437A - 同期電動機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 永久磁石を用いた同期型三相モータで突極を
設けリラクタンストルクを利用するものにおいて、回転
に伴い突極を通過する磁束の密度が急激に変化すること
を防止する。 【構成】 永久磁石５１と突極７１との隣接部位におい
て、永久磁石５１の内周側端部を所定の曲率半径で丸め
ると共に、突極７１の外周側端部を所定の曲率で丸め
る。この結果、突極７１を通過する磁束は、永久磁石５
１の角を周り込み易くなり、他方突極７１の回転方向後
ろ側を通過する磁束の密度の変化は小さくなる。従っ
て、突極７１における磁束密度の急激な変化が防止さ
れ、磁束密度の急変に伴うエネルギロスの発生、延いて
は発熱を抑制することができる。突極の外周側端部を丸
める代わりに、透磁率の低い部材で構成しても良い。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、回転子の外周に設けら
れた永久磁石間に突極を備えた同期電動機に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の同期電動機（同期型モー
タ）としては、例えば特開昭６０−１２１９４９号公報
に示されるように、回転子の外周に等間隔に永久磁石を
設け、その中間に突極を設けた永久磁石型モータが知ら
れている。これは、回転子外周に設けられた永久磁石の
間に突極を設けて電機子電流による横軸（ｄ軸）方向の
磁束が回転子鉄心内を通り易くし、縦軸（ｑ軸）のイン
ダクタンスＬｑをｄ軸のインダクタンスＬｄより大きく
して、リラクタンストルク（反作用トルク）を有効利用
しようとするものである。

【０００３】こうした従来例では、永久磁石と突極とが
分離独立した形状となっているものも見られるが、永久
磁石による磁束を強め、他方突極によるリラクタンスト
ルクを有効利用しようとすると、図７に示すように、突
極Ｑと永久磁石との間に間隙が存在しない形態に構成さ
れることも多い。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、こうした突
極を設けたモータでは、回転に伴う突極とステータ側の
ティースとの相対的な位置変化により突極とステータ間
の磁束の流れ易さが変化するため、突極Ｑの回転方向後
ろ側（図７部位Ｈ）を通過する永久磁石による磁束Ｍｇ
と突極による磁束Ｍｑの合成磁束が大きく変化するとい
う問題があった。この点をグラフにしたのが、図８であ
る。図８は、突極中心を０度として、機械角で±１５度
の範囲で存在する突極内部の磁束密度の分布をプロット
したグラフである。「■」は、突極Ｑがティースとティ
ースの間に位置する状態（図１参照）での磁束密度を、
「●」はこの状態から機械角で３度回転した状態の磁束
密度を示す。以下、同様に、「◆」「△（グラフは塗り
つぶし）」「□」「○」と、それぞれ更に３度ずつ回転
した状態での突極Ｑ内部の磁束密度の分布を示してい
る。「○」のグラフは、突極Ｑが一つのティースに丁度
正対する位置に至った状態でのものである。図示するよ
うに、突極Ｑの回転方向前側Ａでは、回転に伴う磁束密
度の変化は小さいが、回転方向後ろ側Ｂでは、磁束密度
が急激に変化していることが了解される。

【０００５】こうした磁束の密度変化を可視的に示した
のが、図９である。図示するように、この例では電気角
０度の場合に突極を通っていた磁束が２９本であったの
に対して、電気角３０度（突極Ｑはティースに正対して
いる状態となる）では、磁束は３４本に増え、急激な磁
束密度の変化が生じていることが分かる。更に、ロータ
が回転すれば、磁束密度は急減する。こうした磁束の急
激な変化は、トルクリップルや渦電流によるエネルギロ
スを生じ、場合によってはエネルギロスによる発熱に起
因する永久磁石の消磁という問題を招致する。

【０００６】本発明は、永久磁石と突極間の磁束変化に
伴うこうした問題を解決することを目的としてなされ、
次の構成を採った。

【０００７】

【課題を解決するための手段及び作用】第１請求項に記
載された本発明の同期電動機は、回転子の外周に複数個
の永久磁石を備え、該永久磁石の間を突極として構成し
た同期電動機であって、前記突極の少なくとも前記回転
子の回転方向に対する後ろ側端部を、透磁率の低い部材
により構成したことを要旨とする。

【０００８】従って、この同期電動機は、ステータ側の
ティースから見て突極から永久磁石に移る部分の磁束密
度の変化が低減され、特に一方向の回転が優先されるよ
うな使用形態では、単純な構成により磁束密度の変化の
低減に伴う種々の利点を享受することができる。

【０００９】請求項２記載の同期電動機は、突極の少な
くとも前記回転子の回転方向に対する後ろ側端部を透磁
率の低い部材により構成する一形態として、突極自体の
形状の特定したものであり、後ろ側端部の形状を回転方
向に対する前側端部と比較して、所定形状だけ突出が低
減された形状としたことを要旨とする。突出されていた
ない部分は、結局空気の透磁率となるから、請求項２の
同期電動機の構成は、請求項１と同一の作用を果たす。

【００１０】請求項３の同期電動機は、回転子の外周に
複数個の永久磁石を備え、該永久磁石の間を突極として
構成した同期電動機であって、突極の回転方向に対する
両端部を、透磁率の低い部材により構成したことを要旨
とする。この同期電動機は、永久磁石間が突極として構
成されているものの、突極の端部が透磁率の低い部材と
されているので、ティース側から見た場合、永久磁石か
ら突極に移る部分の磁束密度の変化は低減される。

【００１１】請求項４記載の同期電動機は、請求項３に
おける突極の透磁率の低い部分が、突極の回転方向に対
する両端部を、所定の曲率で丸められた形状とすること
で実現したものである。この形状は、磁束の回り込みを
しやすくし、永久磁石と突極の境目における磁束密度の
変化を低減する。

【００１２】請求項５記載の同期電動機は、請求項４の
突極の端部の曲率の最大半径を、突極に隣接する永久磁
石の端面と前記回転子の外周線とに内接する円弧の最大
半径として定めたものである。突極端部の曲率半径は、
大きくし過ぎれば、必要な磁束が得られずトルク性能が
ダウンするという関係により、その上限を定めることは
重要である。

【００１３】請求項６の同期電動機は、回転子の外周に
複数個の永久磁石を備え、該永久磁石の間を突極として
構成した同期電動機であって、永久磁石の突極に接する
内周側端部を、所定の形状に丸めたことを要旨とする。
永久磁石の内周側端部を丸めると、突極を通る磁束が回
り込み易くなり、トルク性能のために必要な磁束密度の
確保が容易となる。

【００１４】請求項７記載の同期電動機は、請求項６に
おける永久磁石の内周側端部の曲率半径ｒを、該永久磁
石の厚みＤに対して Ｄ／１０≦ｒ≦Ｄ／２ の範囲としたものである。永久磁石端部の曲率半径は、
大きくし過ぎれば、必要な磁束密度が得られず、小さす
ぎれば磁束密度の変化に伴う発熱が大きくなるという関
係により、この適正な範囲を定めることは重要である。

【００１５】

【実施例】以上説明した本発明の構成・作用を一層明ら
かにするために、以下本発明の好適な実施例について説
明する。図１は、本発明の一実施例としての回転子５０
の形状を示す平面図、図２は、この回転子５０を組み込
んだ同期型三相モータ４０の構造を示す断面図である。

【００１６】まず、図２を用いて、同期型三相モータ４
０の全体構造について説明する。この同期型三相モータ
４０は、固定子３０と回転子５０とこれらを収納するケ
ース６０とからなる。回転子５０は、外周に永久磁石５
１ないし５４が貼付されており、その軸中心に設けられ
た中空の回転軸５５を、ケース６０に設けられた軸受６
１，６２により回転自在に軸支している。

【００１７】回転子５０は、無方向性電磁鋼板を打ち抜
いて成形したロータ５７を複数枚積層したものである。
このロータ５７は、図１に示すように、その外周の４箇
所に、９０度ずつ隔たって突極７１ないし７４が設けら
れている。突極７１ないし７４は、ロータ５７に一体に
構成しても良いし、図３に示すように、別部材により構
成しても差し支えない。ロータ５７には、４箇所、組立
用のピン５９を挿入する孔が設けられており、このピン
５９により位置決めしつつ積層した後、積層体の前後に
エンドプレート５７Ａ，５７Ｂを配置する。この状態で
ピン５９の端部をエンドプレート５７Ａ，５７Ｂに溶接
またはかしめることで、積層したロータ５７を固定す
る。ロータ５７の中心部は回転軸５５が圧入されるよう
に抜かれており、更に周り止め用のキー溝５８が設けら
れているので、回転軸５５のキー溝にキー５６を打ち込
んだ状態で回転軸５５を、積層されたロータ５７に挿入
する。こうして回転子５０が組み立てられる。

【００１８】回転子５０を形成した後、回転子５０の外
周面に、所定厚さの永久磁石５１ないし５４を軸方向に
亘って貼付する。この永久磁石５１ないし５４は、厚み
方向に磁化されている。この永久磁石５１ないし５４
は、回転子５０を固定子３０に組み付けると、隣接する
永久磁石およびロータ５７，ステータ２０を貫く磁路Ｍ
ｇを形成する（図１参照）。突極７１ないし７４と永久
磁石５１なし５４との位置関係については、詳しく後述
する。

【００１９】固定子３０を構成するステータ２０は、ロ
ータ５７と同じく無方向性電磁鋼板の薄板を打ち抜くこ
とで形成されており、図１に示すように、計１２個のテ
ィース２２を備える。また、ステータ２０の外周には、
固定用の溶接を行なうための切欠３４が８箇所、周り止
めのキーを挿入するキー溝３６が４箇所、各々設けられ
ている。固定子３０は、板状のステータ２０を、治具を
利用して位置決めしつつ積層し、その状態で外周に設け
られた切欠３４を溶接することで固定される。この状態
で、ティース２２間に形成されたスロット２４に、固定
子３０に回転磁界を発生させるコイル３２を巻回する。

【００２０】こうして固定子３０を組み立てた後、ケー
ス６０に設けられたキー溝と、固定子３０の外周のキー
溝とを一致させ、ここに周り止めのキーを介装させつ
つ、ケース６０に固定子３０を組み付ける。更に回転子
５０をケース６０の軸受６１，６２により回転自在に組
み付けることにより、この同期型三相モータ４０は完成
する。

【００２１】固定子３０の固定子コイル３２に回転磁界
を発生するよう励磁電流を流すと、これにより隣接する
突極およびロータ５７，ステータ２０を貫く磁路Ｍｑが
形成される。尚、上述した永久磁石５２により形成され
る磁束が回転子５０を径方向に貫く軸をｄ軸と呼び、固
定子３０の固定子コイル３２により形成される磁束が回
転子５０を径方向に貫く軸をｑ軸と呼ぶ。この実施例
（極数４）では、両軸は電気的には、９０度の角度をな
している。

【００２２】永久磁石５１ないし５４の間は、突極７１
ないし７４として構成されている。本実施例では、この
突極７１ないし７４の形状および永久磁石５１ないし５
４の内周側側端部の形状に特徴が存在するが、その点に
ついては、後で詳述する。

【００２３】この同期型三相モータ４０のＵ相，Ｖ相，
Ｗ相のコイルは、図３に示すように、コントローラ９０
により制御されるモータドライバ８０に接続されてお
り、このモータドライバ８０から各相に位相が１２０度
ずつ異なる所定周波数の交流電圧を加えることにより、
その周波数に対応した回転数で、同期型三相モータ４０
の回転子５０は回転する。

【００２４】次に、発明に対応した実施例の特徴である
突極７１ないし７４と永久磁石５１ないし５４との隣接
部分の形状について説明する。図５は、永久磁石５１と
突極７１との隣接部分の形状を部分拡大図とともに示す
説明図である。図示するように、永久磁石５１は、ロー
タ５７の外周に沿った形状となっているが、その両端
は、永久磁石５１の磁束密度を端面においても確保する
ために、薄くせず、全体として同じ厚みを保つ形状とさ
れている。即ち、永久磁石５１の周方向両端面５１ａ，
５１ｂは、ほぼ並行となっている。その上で、内周側端
部隅が所定の曲率半径で丸められている。

【００２５】永久磁石５１のこの内周側端部の丸みは、
図５の拡大図に示すように、曲率半径ｒ２となってい
る。ここで、曲率半径ｒ２が大きすぎると（図中破線Ｂ
ｒ２）、永久磁石５１端部での磁束密度が低下し、得ら
れるトクルが低下してしまう。他方この曲率半径ｒ２が
小さすぎると、突極７１を通過する磁束Ｍｑが永久磁石
５１の端部を回り込み難いことから、突極７１が対向す
るティース２２を通り過ぎる際の磁束密度の変化が大き
くなる。磁束密度の急激な変化は、永久磁石５１端部で
のエネルギ消費、即ち発熱を招致し、温度上昇を大きく
するから、永久磁石５１の消磁に至るマージン（余裕
度）を小さくしてしまう。必要なトルクを確保しつつ温
度上昇が許容範囲内に入っている曲率半径ｒ２の範囲を
実験により求めた。温度上昇を１０℃／分以内とする曲
率半径ｒ２の範囲は、永久磁石５１の厚みをＤとして、
経験的に Ｄ／１０≦ｒ２≦Ｄ／２ であった。

【００２６】永久磁石５１ないし５４の内周側端面を丸
めるとともに、実施例では、この永久磁石に隣接する部
位の突極７１ないし７４の外周側端面も、所定の曲率半
径で丸めている。この場合の曲率半径ｒ１が小さすぎれ
ば（例えば、図示破線Ｂｒ１）、ステータ３０のティー
ス２２を、突極が横切る際の磁束密度の変化が大きくな
ってしまい、渦電流が増大して発熱が大きくなることは
もとより、トルクリップルも増大する。他方、この曲率
半径ｒ１が大きすぎれば、突極を通過する磁路Ｍｑの磁
束密度が低下し、リラクタンストルクが十分に得られな
くなって、トルク性能が低下する。

【００２７】この実施例では、突極の外周側端部の丸み
は、図５の拡大図に示すように、突極７１の外周と永久
磁石５１の側端面５１ａとがなす角度２θの２等分線上
を円弧の中心とし、突極７１の外周と永久磁石の側端面
５１ａとに内接する円弧のうち、最小の曲率半径がｒ１
１、最大の曲率半径がｒ１３のものとして定められてい
る。最小の半径ｒ１１は、円弧が永久磁石５１の内周側
端部の円みの終端ｂに接する円弧の半径｜ｂｈ｜であ
り、最大の半径ｒ１３は、永久磁石５１の側端面５１ａ
を丸めることなくそのまま永久磁石５１の内周まで延出
した交点ａと突極７１の外周とに接する円弧の半径｜ａ
ｆ｜である。なお、点ｂから突極の外周線までの半径方
向の距離（即ち、図５における距離ｇｄ）を半径ｒ１２
とするような円弧も許容される。

【００２８】図５では図示の複雑さを避けて、曲率半径
ｒ１２やｒ１３の円弧は永久磁石５１の側端面５１ａと
接しないように描いたが、曲率半径ｒ１２やｒ１３を採
用する場合には、永久磁石５１の円周方向の幅を大きく
するか、突極７１の円周方向の幅を大きくして、永久磁
石５１と突極７１とが互いに接するものとすることが望
ましい。

【００２９】以上説明した本実施例の同期型三相モータ
４０では、永久磁石５１ないし５４の間に突極７１ない
し７４が設けられており、その隣接部分の端面が、永久
磁石５１ないし５４にあっては内周側端面が丸められて
おり、突極７１ないし７４にあっては外周側端面が丸め
られている。しかも、その丸み（曲率半径ｒ１およびｒ
２）は、回転子５０が回転し、突極７１ないし７４が固
定子３０のティース２２を通過する際の磁束密度の変化
が小さく、かつ永久磁石５１ないし５４による磁路Ｍｇ
の磁束および突極７１ないし７４を通過する磁路Ｍｑの
磁束の密度を低下させないよう選択されている。この結
果、磁束密度の変化に伴うエネルギロス、延いては突極
７１ないし７４および永久磁石５１ないし５４の隣接部
位における温度上昇を低減することができ、永久磁石５
１ないし５４の温度上昇を、消磁することのない範囲に
収める上でのマージンも十分に確保することができる。

【００３０】なお、上記実施例にように、突極７１ない
し７４の角を丸めておくと、これらを製造する際のプレ
ス等の型も応力の集中を免れ、製造が容易となるという
利点がある。永久磁石５１ないし５４も製造が容易とな
る。

【００３１】次に、本発明の第２実施例について説明す
る。第２実施例の同期型三相モータは、第１実施例の同
期型三相モータ４０と回転子１５０の構成を除き同一の
構成を有する。第２実施例の同期型三相モータの回転子
１５０の構成を図６に示す。図示するように、この回転
子１５０は、第１実施例と同一形状の永久磁石５１ない
し５４を備え、その間に存在する突極の形状のみ異な
る。この突極１７１ないし１７４は、回転子１５０の回
転方向（図中矢印Ｘ方向）に対して後ろ側の約半分（図
中Ｂ部）が、前側の約半分（図中Ａ部）と較べて、突出
量が小さい形状とされている。即ち、Ａ部と較べてＢ部
は、突極としての本来の形状からは削り取られた形状と
なっている。なお、突極１７３および１７４は図６には
示されていないが、突極１７１，１７２と同様の形態で
存在する。

【００３２】この形状では、突極１７１ないし１７４の
Ｂ部は、Ａ部と較べると透磁率が低くなっており、ここ
を通過する磁束密度は低くなっている。突極１７１ない
し１７４がティース２２を通過する際、図７，図８を用
いて説明したように、通常の突極では、回転に伴い磁束
密度は急激に低下するが、予めＢ部をカットして透磁率
を下げておくと、Ｂ部を通過する磁束の密度は最初から
低くなっているので、磁束密度の変化は小さく抑えられ
る。従って、第１実施例と同様、磁束密度の変化に伴う
エネルギロス、延いては突極１７１ないし１７４および
永久磁石５１ないし５４の隣接部位における温度上昇を
低減することができ、永久磁石５１ないし５４の消磁の
マージンも十分に確保することができる。

【００３３】なお、第２実施例では、突極において、回
転方向に対して後ろ側に当たる部位Ｂを削っているた
め、この同期型三相モータは、基本的には回転方向が一
方向仕様のものである。逆方向に回転した場合には、磁
束密度の変化の低減やトルクリップルの低減が図れない
可能性があるが、電気自動車の駆動用モータ等に利用し
た場合、基本性能に関わる使用は、一方向（前進方向）
への回転で足りるから、こうした仕様の場合には、単純
な構成で大きな効果を引き出すことができる。

【００３４】以上本発明のいくつかの実施例について説
明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるも
のではなく、例えば極対数６，８，１０・・・等の構成
を備えた同期電動機としての構成や、第１実施例におい
て突極を丸める代わりに、あるいは第２実施例において
突極の後ろ側を削除する代わりに透磁率の低い部材を配
設した構成など、本発明の要旨を逸脱しない範囲内にお
いて、種々なる態様で実施し得ることは勿論である。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように本発明の請求項１な
いし７記載の同期電動機は、隣接する永久磁石と突極に
おける回転子の回転に伴う磁束密度の変化を低減するこ
とができるという優れた効果を奏する。従って、磁束密
度の変化に伴うエネルギロス、延いては突極および永久
磁石の隣接部位における温度上昇を低減することがで
き、永久磁石の消磁のマージンも十分に確保することが
できる。この結果、トルクリップルの低減、エネルギロ
スの低減に伴う効率の改善などを図ることも可能であ
る。

【００３６】加えて、請求項６および７記載の同期電動
機は、永久磁石の内周側端部を所定形状に丸めているの
で、突極を通る磁束が回り込み易くなり、トクル性能を
十分に確保することができるという利点を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である同期型三相モータ４０
の構造を示す平面図である。

【図２】実施例の回転子５０を組み込んだ同期型三相モ
ータ４０の構造を示す断面図である。

【図３】同期型三相モータ４０の他の突極７１ないし７
４の構成例を示す平面図である。

【図４】同期型三相モータ４０を駆動するモータドライ
バ８０およびコントローラ９０を示すブロック図であ
る。

【図５】第１実施例における永久磁石５１と突極７１と
の隣接部位の形状を示す説明図である。

【図６】第２実施例の突極１７１の形状を示す説明図で
ある。

【図７】従来技術における同期型三相モータの永久磁
石，突極，ティースの関係を示す説明図である。

【図８】従来技術における突極内部の磁束密度の変化の
様子を示すグラフである。

【図９】回転子の回転に伴う突極内部の磁束密度の変化
の様子を可視的に示す説明図である。

【符号の説明】

２０…ステータ ２２…ティース ２４…スロット ３０…ステータ ３０…固定子 ３２…固定子コイル ３４…切欠 ３６…キー溝 ４０…同期型三相モータ ５０…回転子 ５１ないし５４…永久磁石 ５１ａ，５１ｂ…側端面 ５５…回転軸 ５７…ロータ ５７Ａ，５７Ｂ…エンドプレート ５８…キー溝 ５９…ピン ６０…ケース ６１，６２…軸受 ７１ないし７４…突極 ８０…モータドライバ ９０…コントローラ １５０…回転子 １７１ないし１７４…突極

フロントページの続き (72)発明者 山田 英治 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 三浦 徹也 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 荒川 俊史 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 稲熊 幸雄 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転子の外周に複数個の永久磁石を備
   え、該永久磁石の間を突極として構成した同期電動機で
   あって、 前記突極の少なくとも前記回転子の回転方向に対する後
   ろ側端部を、透磁率の低い部材により構成した同期電動
   機。
2. 【請求項２】 請求項１記載の同期電動機であって、 前記突極の少なくとも前記回転子の回転方向に対する後
   ろ側端部は、前記回転方向に対する前側端部と比較し
   て、所定形状だけ突出が低減された形状である同期電動
   機。
3. 【請求項３】 回転子の外周に複数個の永久磁石を備
   え、該永久磁石の間を突極として構成した同期電動機で
   あって、 前記突極の回転方向に対する両端部を、透磁率の低い部
   材により構成した同期電動機。
4. 【請求項４】 請求項３記載の同期電動機であって、 前記突極の回転方向に対する両端部は、所定の曲率で丸
   められた形状である同期電動機。
5. 【請求項５】 請求項４記載の同期電動機であって、 前記曲率の最大半径は、該突極に隣接する永久磁石の端
   面と前記回転子の外周線とに内接する円弧の最大半径と
   して定められた同期電動機。
6. 【請求項６】 回転子の外周に複数個の永久磁石を備
   え、該永久磁石の間を突極とした構成した同期電動機で
   あって、 前記永久磁石の前記突極に接する内周側端部は、所定の
   形状に丸められた同期電動機。
7. 【請求項７】 請求項６記載の同期電動機であって、 前記永久磁石の内周側端部の曲率半径ｒは、該永久磁石
   の厚みＤに対して Ｄ／１０≦ｒ≦Ｄ／２ の範囲である同期電動機。