JPH1051984A - 永久磁石同期電動機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 減磁耐力を低下させずに大きなマグネットト
ルクを得、かつ大きなリラクタンストルクも得て高トル
クを実現し、かつ低コストで製作する。 【解決手段】 ロータ１の各極毎に、一対の平板状の永
久磁石３ａ、３ｂをＶ字状に組み合わせた第１の永久磁
石３を配設するとともに、平板状の永久磁石からなる第
２の永久磁石４をロータコア２の外周部に配設し、Ｖ字
状の第１の永久磁石３にて鎖交磁束を増大して大きなマ
グネットトルクを得、かつ第２の永久磁石４にて減磁耐
力の低下を防止し、また第１と第２の永久磁石３、４の
間のｑ軸磁束通路７にて大きなリラクタンストルクを得
て高トルクの同期電動機を実現し、しかもロータコア２
に埋設される永久磁石を全て平板状の永久磁石３ａ、３
ｂ、４で構成することにより低コストで製作できるよう
にした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回転磁界を形成す
るステータと、強磁性体から成るロータコアの内部に界
磁用の永久磁石を埋め込んだロータを備えた永久磁石同
期電動機に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の埋め込み磁石構造の永久磁石同期
電動機としては、図５〜図７に示すようなものが知られ
ている。図５〜図７において、１１はロータ、１２は珪
素鋼板を積層して構成されたロータコア、１３（１３
ａ、１３ｂ、１３ｃ）はロータコア１２に各極数毎に埋
め込まれた永久磁石、１４は回転軸が固定される軸穴で
ある。また、１５は珪素鋼板を積層して構成されたステ
ータで、ロータ１１との間に０．５ｍｍ程度のギャップ
を保って周囲を取り囲むように配設されている。ステー
タ１５の内周部には複数のスロット１６が等間隔おきに
形成され、ステータ巻線（図示せず）が挿入され、これ
らステータ巻線に電流を流すことにより回転磁界を形成
するように構成されている。１７はｄ軸磁束通路、１８
はｑ軸磁束通路である。

【０００３】図５においては、永久磁石１３として平板
状永久磁石１３ａがロータ１１の外周部にその外周にほ
ぼ沿うように配設されている。図６においては、ロータ
１１の軸芯側に突出するようにロータ外周と逆方向に湾
曲する円弧状の永久磁石１３ｂが配設されている。ま
た、図７においては、Ｖ字状の永久磁石１３ｃがそのＶ
字の頂点をロータコアの軸芯側に向けて配設されてい
る。

【０００４】また、上記２種類の磁束通路１７、１８に
ついて考えてみると、ｑ軸磁束通路１８は、ロータコア
の鉄の部分を通るため磁束が非常に通り易いが、ｄ軸磁
束通路１７は透磁率がほぼ空気に等しい永久磁石１３の
部分を通るため、磁束が通り難くなっている。したがっ
て、ｑ軸インダクタンスＬｑがｄ軸インダクタンスＬｄ
に対して大きくなり、ロータに突極性が生じ、界磁用永
久磁石によるマグネットトルクに加えてｑ軸、ｄ軸方向
のインダクタンスの差を利用するリラクタンストルクを
利用することができる。

【０００５】なお、この永久磁石同期モータの出力トル
クＴは、（１）〜（３）式により与えられる。

【０００６】 Ｔ ＝Ｔｍ＋Ｔｒ ・・・・（１） Ｔｍ＝ＰφＩcos β ・・・・（２） Ｔｒ＝０．５Ｐ（Ｌｑ−Ｌｄ）Ｉ² sin ２β ・・（３） ここで、Ｔｍはマグネットトルク、Ｔｒはリラクタンス
トルク、Ｐは極対数、φは界磁用永久磁石による鎖交磁
束、Ｉは電流、βはｑ軸電流を基準とした電流Ｉの位
相、Ｌｑはｑ軸インダクタンス、Ｌｄはｄ軸インダクタ
ンスである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図５に
示すような構成では、平板状の永久磁石１３ａのステー
タ側に対向する面の表面積が限られるため、永久磁石１
３ａによる鎖交磁束を大きくできず、また永久磁石１３
ａとロータコア外周との間のＡ部の面積も小さくｑ軸磁
束通路幅が狭いためにｑ軸インダクタンスが小さく、リ
ラクタンストルクが十分に得られないという問題があ
る。

【０００８】そこで、図６、図７に示す電動機では、円
弧状やＶ字状の永久磁石１３ｂ、１３ｃを用いることに
よって、ステータ側に対向する面の表面積を大きくして
鎖交磁束が増大し、大きなマグネットトルクが得られる
ようにし、またＡ部面積も大きくなることによってｑ軸
インダクタンスが大きくなり、リラクタンストルクも得
られるようにしているが、その場合に同一の磁石量で円
弧状やＶ字状の永久磁石１３ｂ、１３ｃを構成すると、
ステータ側に対向する面の表面積が増加する分、永久磁
石１３ｂ、１３ｃの厚さが薄くなるため、鎖交磁束は大
きくなってもこれら永久磁石１３ｂ、１３ｃに対してス
テータ側からｄ軸方向に作用する減磁界に対する耐久性
が弱くなり、永久磁石１３ｂ、１３ｃが減磁し、発生ト
ルクが低下して行くという問題があり、実現が不可能で
ある。かくして、減磁耐力を確保するために永久磁石１
３ｂ、１３ｃの厚さを厚くせざるを得ず、その結果磁石
量が増大するとともにステータ側に対向する面の表面積
がその分小さくなり、鎖交磁束の増大・マグネットトル
クの向上効果を十分に発揮できない。

【０００９】また、図６に示す円弧状の永久磁石１３ｂ
や図７に示す一体成形されたＶ字状の永久磁石１３ｃ
は、その形状が複雑であるため、磁石の製作コストが高
くなり、コスト高になるという問題もある。

【００１０】本発明は、鎖交磁束を増大して大きなマグ
ネットトルクが得られながら減磁耐力が低下せず、また
大きなリラクタンストルクも得られて高トルクの同期電
動機を実現でき、しかも低コストで製作できる永久磁石
同期電動機を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の永久磁石同期電
動機は、回転磁界を形成するステータと強磁性体から成
るロータコアの内部に永久磁石を埋め込んだロータとを
備えた永久磁石同期電動機において、ロータの各極毎
に、一対の平板状の永久磁石をＶ字状に組み合わせた第
１の永久磁石をＶ字の頂点をロータコアの軸芯側に向け
て埋設するとともに、平板状の永久磁石からなる第２の
永久磁石をロータコアの外周部にその外周にほぼ沿うよ
うに埋設したもので、Ｖ字状の第１の永久磁石にてその
ステータに対向する表面積を大きくし、鎖交磁束を増大
して大きなマグネットトルクを得、かつロータコアの外
周部に配設した平板状の第２の永久磁石にて減磁耐力の
低下を防止し、また第１と第２の永久磁石の間に形成さ
れるｑ軸磁束通路にてｑ軸インダクタンスが増大すると
ともに、第２の永久磁石がロータコアの外周にほぼ沿う
ことによりｄ軸方向の電流による磁束の発生量が減少
し、ｄ軸インダクタンスが減少することにより大きなリ
ラクタンストルクを得て高トルクの同期電動機を実現
し、しかも第１と第２の永久磁石を全て平板状の永久磁
石で構成することにより、低コストで製作できるように
している。

【００１２】なお、円弧状やＶ字状の複数の永久磁石を
略平行に埋設した構成のロータが、例えば実開平６−６
６２７７号公報等で知られているが、上記第２の永久磁
石のようにロータコアの外周にほぼ沿うものではないの
で、ｄ軸方向の電流による磁束の発生量を減少させ、ｄ
軸インダクタンスを減少させてリラクタンストルクを向
上させる効果が十分に発揮されず、また永久磁石の端部
の厚さが薄くなっているので、減磁の恐れがあるという
問題があり、また形状も複雑であるのでコスト高になる
という問題がある。さらに、永久磁石の両端とロータ外
周との間からの磁束の回り込みを防止する手段が講じら
れていないので、トルク低下を来すという問題がある。

【００１３】これに対して本発明では、ロータコアに、
第１の永久磁石のコータコア外周側の両端及び第２の永
久磁石の両端からそれぞれロータコア外周近傍に達する
第１と第２の切欠を形成して第１と第２の永久磁石の間
を通るｑ軸磁束通路を第１と第２の切欠にてロータコア
の外周に臨ませることにより、平板状の永久磁石を用い
ながら、第１と第２の切欠にてｄ軸磁束の回り込みがブ
ロックされ、それによりｄ軸インダクタンスＬｄが小さ
くなり、ｑ軸インダクタンスＬｑとの差が大きくなって
リラクタンストルクが向上する。

【００１４】また、第１と第２の永久磁石の間を通るｑ
軸磁束通路のロータ外周近傍部での幅を、ロータコア外
周での極ピッチ長さをｐとして、ｐ／２０〜ｐ／８に設
定することにより、ステータのスロット間のティースを
通過したほぼ全磁束が円滑にｑ軸磁束通路に円滑に流れ
込むため、ｑ軸インダクタンスが向上してリラクタンス
トルクが向上する。

【００１５】

【発明の実施の形態】

（第１の実施形態）以下、本発明の第１の実施形態につ
いて、図１と図３、図４を参照して説明する。

【００１６】図１において、１はロータであり、珪素鋼
板を積層して構成されたロータコア２、ロータコア２内
に各極毎に埋設されたＶ字状の第１の永久磁石３と平板
状の第２の永久磁石４にて構成されている。第１の永久
磁石３は、一対の平板状の永久磁石３ａ、３ｂをＶ字状
に組み合わせて構成され、そのＶ字の頂点をロータコア
２の軸芯側に向けて埋設されている。第２の永久磁石４
は、ロータコア２の外周部にその外周にほぼ沿うように
埋設されている。５は回転軸が固定される軸穴である。
１０は珪素鋼板を積層して構成されたステータで、ロー
タ１との間に０．５ｍｍ程度のギャップを保って周囲を
取り囲むように配設されている。ステータ１０の内周部
には２７個のスロット１０ａが等間隔おきに形成され、
ステータ巻線（図示せず）が挿入され、２７個のスロッ
ト１０ａが等間隔置きに形成され、ステータ巻線（図示
せず）が配設され、これらステータ巻線に電流を流すこ
とにより回転磁界を形成するように構成されている。

【００１７】永久磁石同期電動機は、このロータ１の軸
穴５に挿通固定した回転軸（図示せず）を回転自在に支
持するとともに、ロータ１の外周を取り囲むように配設
されたステータ１０のスロット１０ａに配設されたのス
テータ巻線に電流を流して回転磁界を形成し、ロータ１
を回転駆動するように構成されている。

【００１８】ステータ巻線に流れる電流による磁束がロ
ータ１内部を通り抜ける通路には、第１と第２の永久磁
石３、４を貫通して通り抜けるｄ軸方向の磁束通路６
と、主として第１の永久磁石３と第２の永久磁石４との
間を通ってｄ軸と電気角が直交する方向にコータコア２
を通り抜けるｑ軸方向の磁束通路７とがある。

【００１９】８は、第１の永久磁石３のコータコア２外
周側の両端からロータコア２の外周近傍に達する第１の
切欠、９は第２の永久磁石４の両端からロータコア２の
外周近傍に達する第２の切欠であり、これら第１と第２
の切欠８、９にて第１と第２の永久磁石３、４の間を通
るｑ軸磁束通路７をロータコア２の外周に臨ませてい
る。これらの切欠８、９の内部は空気でよいが、ロータ
１の強度確保のために樹脂や非磁性体の金属を充填して
も構わない。

【００２０】そして、ロータコア２の半径をｒ、Ｖ字状
の第１の永久磁石３のＶ字の頂点までの半径距離をｌと
して、ｌ／ｒを変化させたときの鎖交磁束の変化は、図
３に示すように、ｌ／ｒが小さくなり、第１の永久磁石
３の表面積が増加するのに伴って鎖交磁束が徐々に増加
しており、ｌ／ｒが０．４〜０．８のときに大きな鎖交
磁束が得られることが分かる。すなわち、０．４＜ｌ／
ｒ＜０．８に設定することにより、鎖交磁束を向上して
マグネットトルクを向上することができる。なお、図３
においてｌ／ｒが０．５〜０．４より小さくなると鎖交
磁束が低下しているが、これは磁石量を一定量にしてい
るので、ｌ／ｒが０．５〜０．４より小さくなると第１
の永久磁石３の厚さが薄くなり、発生磁束量そのものが
低下することによる効果の方が大きくなるためである。
図１の図示例では、ｌ／ｒを最大の鎖交磁束が得られる
０．４〜０．５に設定している。

【００２１】また、第１と第２の永久磁石３、４の間を
通るｑ軸磁束通路７のロータ外周近傍部での幅ｓは、２
７個のスロット１０ａを形成したステータ１０における
ティース幅をｗとして、０．７５ｗ＜ｓ＜１．２５ｗに
設定している。即ち、ほぼティース幅ｗと等しい幅に設
定している。図４に、ｑ軸磁束通路７の幅ｓを変化させ
た時のｑ軸インダクタンスＬｑとｄ軸インダクタンスＬ
ｄの差、（Ｌｑ−Ｌｄ）とトルクの変化を示す。図４か
ら明らかなように、幅ｓを変化させた時に、（Ｌｑ−Ｌ
ｄ）はｓ＝ｗの時に最大になるとともにそれから離れる
に従って逓減し、トルクは０．７５ｗ〜１．２５ｗの範
囲を外れると著しく低下することが分かる。これは、幅
ｓを上記のように０．７５ｗ＜ｓ＜１．２５ｗに設定す
ると、ステータのティースを通過したほぼ全磁束が円滑
にｑ軸磁束通路７に円滑に流れ込むことにより、リラク
タンストルクが向上するためであると考えられる。

【００２２】なお、上記説明では２７スロットのステー
タ１０の場合にそのティース幅ｗによってｑ軸磁束通路
７の幅ｓを規定したが、ステータのスロット数が２７以
外の場合でもｑ軸磁束通路７の幅ｓを上記幅に設定する
ことにより同様にリラクタンストルクが向上するため、
これをロータコア外周での極ピッチ長ｐをパラメータに
して設定すると、ｐ／２０〜ｐ／８となる。かくして、
スロット数にほぼ関係なく、ｑ軸磁束通路７の幅ｓを、
ｐ／２０〜ｐ／８に設定することによりリラクタンスト
ルクが向上し、最大トルクを得ることができる。

【００２３】（第２の実施形態）次に、本発明の第２の
実施形態について、図２を参照して説明する。なお、上
記第１の実施形態と同一の構成要素については同一参照
符号を付して説明を省略する。

【００２４】本実施形態では、Ｖ字状の第１の永久磁石
３のＶ字の頂点までの半径距離ｌを、ロータコア２の半
径ｒとしてほぼｌ＝０．６ｒに設定しており、それに伴
って一対の平板状の永久磁石３ａ、３ｂの開き角が大き
くなっている。また、その状態でｑ軸磁束通路７を確保
するため、第１の切欠８は第１の永久磁石３の両端から
ロータコア２の外周近傍に向けて半径方向に長く形成さ
れている。

【００２５】本実施形態においても、第１の実施形態よ
り多少性能は劣るがほぼ同様の効果が発揮される。

【００２６】

【発明の効果】本発明の永久磁石同期電動機によれば、
以上の説明から明らかなように、Ｖ字状の第１の永久磁
石を埋め込んでいるので、ステータに対向する表面積が
大きくなって鎖交磁束を増大でき、その結果大きなマグ
ネットトルクが得られ、かつ減磁界が第１の永久磁石に
向けて流れるロータコアの外周部に透磁率が低く、磁気
抵抗の大きい永久磁石を配設しているので、第１の永久
磁石の表面積を大きくしたことによる減磁耐力の低下を
防止でき、また第１と第２の永久磁石の間にｑ軸磁束通
路が形成されるのでｑ軸インダクタンスが増大するとと
もに、第２の永久磁石がロータコアの外周にほぼ沿って
いてｄ軸方向の電流による磁束の発生量が減少し、ｄ軸
インダクタンスが減少するので、大きなリラクタンスト
ルクが得られ、高トルクの同期電動機を実現することが
でき、しかも第１と第２の永久磁石を全て平板状の永久
磁石で構成しているので、低コストにて製作することが
できる。

【００２７】また、ロータコアに、第１の永久磁石のコ
ータコア外周側の両端及び第２の永久磁石の両端からそ
れぞれロータコア外周近傍に達する第１と第２の切欠を
形成すると、第１と第２の永久磁石の間を通るｑ軸磁束
通路を第１と第２の切欠にてロータコアの外周に臨ませ
ることができ、平板状の永久磁石を用いながらｄ軸磁束
の回り込みをブロックしてｄ軸インダクタンスを小さく
し、リラクタンストルクを向上できる。

【００２８】また、第１と第２の永久磁石の間を通るｑ
軸磁束通路のロータ外周近傍部での幅を、ロータコア外
周での極ピッチ長さをｐとして、ｐ／２０〜ｐ／８に設
定すると、ステータのスロット間のティースを通過した
ほぼ全磁束が円滑にｑ軸磁束通路に円滑に流れ込むた
め、ｑ軸インダクタンスが向上してリラクタンストルク
を向上できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の永久磁石同期電動機の第１の実施形態
の概略構成を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）はロータの
拡大断面図である。

【図２】本発明の永久磁石同期電動機の第２の実施形態
の概略構成を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）はロータの
拡大断面図である。

【図３】Ｖ字状永久磁石の頂点までの半径距離とロータ
半径の比と鎖交磁束量の関係を示すグラフである。

【図４】ｑ軸磁束通路のロータ外周部での幅と、ｑ軸イ
ンダクタンスとｄ軸インダクタンスの差及びトルクとの
関係を示すグラフである。

【図５】第１の従来例の永久磁石同期電動機の概略構成
を示す断面図である。

【図６】第２の従来例の永久磁石同期電動機の概略構成
を示す断面図である。

【図７】第３の従来例の永久磁石同期電動機の概略構成
を示す断面図である。

【符号の説明】

１ ロータ ２ ロータコア ３ Ｖ字状の第１の永久磁石 ３ａ 平板状の永久磁石 ３ｂ 平板状の永久磁石 ４ 平板状の第２の永久磁石 ７ ｑ軸磁束通路 ８ 第１の切欠 ９ 第２の切欠

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転磁界を形成するステータと強磁性体
   から成るロータコアの内部に永久磁石を埋め込んだロー
   タとを備えた永久磁石同期電動機において、ロータの各
   極毎に、一対の平板状の永久磁石をＶ字状に組み合わせ
   た第１の永久磁石をＶ字の頂点をロータコアの軸芯側に
   向けて埋設するとともに、平板状の永久磁石からなる第
   ２の永久磁石をロータコアの外周部にその外周にほぼ沿
   うように埋設したことを特徴とする永久磁石同期電動
   機。
2. 【請求項２】 ロータコアに、第１の永久磁石のコータ
   コア外周側の両端及び第２の永久磁石の両端からそれぞ
   れロータコア外周近傍に達する第１と第２の切欠を形成
   し、第１と第２の永久磁石の間を通るｑ軸磁束通路を第
   １と第２の切欠にてロータコアの外周に臨ませたことを
   特徴とする請求項１記載の永久磁石同期電動機。
3. 【請求項３】 第１と第２の永久磁石の間を通るｑ軸磁
   束通路のロータ外周近傍部での幅を、ロータコア外周で
   の極ピッチ長さをｐとして、ｐ／２０〜ｐ／８に設定し
   たことを特徴とする請求項１又は２記載の永久磁石同期
   電動機。