JP2000166140A - 永久磁石式モータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ｄ軸電流を流すことで、永久磁石による磁束
がｄ軸電流による磁束によって弱められることになり、
リラクタンストルクを併用すると、永久磁石によるトル
クが減少するという課題があった。 【解決手段】 永久磁石が作る磁束を電気角９０°より
ロータの回転方向の前進側に偏るように構成したもので
ある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、永久磁石による
トルク以外にリラクタンストルクを併用し、一定方向に
回転する永久磁石式モータに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、永久磁石式モータの効率向上のた
めに永久磁石によるトルクのみならず、リラクタンスト
ルクを併用した永久磁石式モータが利用されている。図
１１はこの種の永久磁石式モータの軸方向断面図を示す
もので、図１１において、１０１は円環状のステータ鉄
心であり、その内周面にはスロット１０２が等間隔に複
数形成されており、このスロット１０２内にステータ巻
線１０３が巻かれている。この巻線に電流を流すこと
で、空隙部１０４に回転磁界を形成する。

【０００３】ロータはロータ鉄心１０５および複数の永
久磁石１０６〜１０９によって構成され、ステータ鉄心
１０１の内側に空隙部１０４を設けて組み付けられてい
る。この永久磁石１０６〜１０９はその着磁の向きをお
およそ空隙方向（ロータの外部方向）あるいはその反対
方向（ロータの中心方向）に向くようにされており、こ
れが周方向に交互に並ぶことによって極を形成してい
る。以後、空隙側に磁束を出す永久磁石をＮ極、反対向
きに磁束を出す永久磁石をＳ極という。この永久磁石１
０６〜１０９によるトルクは該永久磁石による磁束と上
記ステータ巻線１０３に流れる電流によって形成される
回転磁界の相互作用によって発生する。

【０００４】ここで、永久磁石１０６〜１０９の作る極
の方向（半径方向）をｄ軸１１１、それと磁気的に直交
する方向（直交方向）をｑ軸１１４ａとすると、永久磁
石１０６〜１０９が作る磁束によるトルクが最も大きく
なるのはｄ軸１１１の方向にステータ電流が作る磁束が
なく、ｑ軸１１４ａ方向にのみステータ電流が作る磁束
が発生している場合である。すなわちｄ軸電流を零とし
てｑ軸電流のみを流すことで最もトルクを大きくするこ
とができる。以後、これをｄ軸電流０の制御と呼ぶ。永
久磁石によるトルクを式で表すと次式となる。

【０００５】 Ｔｐ∝ΦＩｑ ・・・（１） ここで、Ｔｐ：永久磁石によるトルク Φ ：永久磁石による鎖交磁束 Ｉｑ：ｑ軸磁束を出すためのｑ軸電流 リラクタンストルクは、ロータ鉄心１０５の突極部１０
５ａ〜１０５ｄを利用して、ステータ巻線１０３の電流
が作る回転磁界との相互作用でトルクを発生するもので
ある。この場合、ｑ軸方向に突極部１０５ａ〜１０５ｄ
があるため、ｑ軸インダクタンスはｄ軸インダクタンス
より大きくなっており、リラクタンストルクは次式で表
される。

【０００６】 Ｔｒ∝（Ｌｑ―Ｌｄ）ＩｄＩｑ ・・・（２） ここで、Ｔｒ：リラクタンストルク Ｌｄ：ｄ軸インダクタンス Ｌｑ：ｑ軸インダクタンス Ｉｄ：ｄ軸磁束を出すためのｄ軸電流

【０００７】上記（２）式より、リラクタンストルクは
ｄ軸電流０の制御では発生しないことがわかる。よっ
て、永久磁石によるトルクとリラクタンストルクを併用
する永久磁石式モータでは、ｄ軸電流を流すことによっ
て、永久磁石によるトルクとリラクタンストルクの和が
最大になるように制御を行っている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従来のリラクタンスト
ルク併用型永久磁石式モータは以上のように構成されて
いるので、ｄ軸電流を流すことで、永久磁石による磁束
がｄ軸電流による磁束によって弱められることになり、
永久磁石による磁束が減少することになる。このため、
リラクタンストルクを併用すると、永久磁石によるトル
クが減少するという課題があった。

【０００９】この発明は上記のような課題を解決するた
めになされたものであり、ｄ軸電流を流すことで永久磁
石による磁束を弱める割合を減少させるか、あるいはｄ
軸電流を流した状態で永久磁石によるトルクを最も大き
くできるリラクタンストルク併用型の永久磁石式モータ
を得ることを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この発明に係る永久磁石
式モータは、永久磁石の作る磁束による空隙磁束密度を
電気角９０゜よりロータの回転方向の前進側に偏るよう
に構成したものである。

【００１１】この発明に係る永久磁石式モータは、永久
磁石の半径方向の厚みを、ロータの回転方向の前進側を
反対の後進側より厚くしたものである。

【００１２】この発明に係る永久磁石式モータは、永久
磁石の半径方向の厚みを、ロータの回転方向の前進側を
反対の後進側より厚くして逆円弧状に形成し、ロータ鉄
心内に埋設したものである。

【００１３】この発明に係る永久磁石式モータは、永久
磁石の半径方向の厚みを、ロータの回転方向の前進側を
反対の後進側より厚く形成し、ロータ鉄心の外周面に固
定したものである。

【００１４】この発明に係る永久磁石式モータは、永久
磁石のロータの軸方向の長さを、ロータの回転方向の前
進側より反対の後進側を長くしたものである。

【００１５】この発明に係る永久磁石式モータは、ロー
タ鉄心に設けた永久磁石を挿入する穴と該穴に組み付け
た永久磁石との間の空間の厚みを、ロータの回転方向の
前進側が反対の後進側より薄く形成したものである。

【００１６】この発明に係る永久磁石式モータは、ステ
ータとロータとの間の空隙を該ロータの回転方向の前進
側が反対の後進側より薄くなるように該空隙の長さを１
極当たり不均一に形成したものである。

【００１７】この発明に係る永久磁石式モータは、ロー
タ鉄心の直径を、各極毎に前進側をその反対の後進側よ
り大きくしたものである。

【００１８】この発明に係る永久磁石式モータは、永久
磁石の着磁方向を、空隙方向に磁束を出す極は物理的な
永久磁石の周方向中心線より前記ロータの回転方向の前
端側にとり、前記ロータの中心方向に磁束を出す極は物
理的な永久磁石の周方向中心線より該ロータの回転方向
の後端側にとったものである。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の一形態に
ついて説明する。 原理説明 まず、この発明の永久磁石式モータの原理を従来の永久
磁石式モータと対比して説明する。図１はこの発明のリ
ラクタンストルクを併用した永久磁石式モータの１極分
の軸方向断面図である。ステータ鉄心１の内周側に複数
のスロット２が設けられ、このスロット２内にステータ
巻線３が巻かれており、空隙部（空隙）４に回転磁界を
発生している。

【００２０】そして、従来の永久磁石式モータでは、図
１１に示すように、ステータ鉄心１０１と空隙部１０４
を挟んで対向するロータ鉄心１０５に永久磁石１０６〜
１０９が埋設されており、Ｎ極／Ｓ極が交互に形成され
ている。この場合、ｄ軸電流０の制御を行えば、ステー
タ巻線１０３から発生する磁束はｑ軸１１４ａの方向と
なる。ただし、ロータの回転方向は１１０の方向とす
る。このとき、ロータ鉄心１０５の突極部１０５ａおよ
び突極部１０５ｂは、ステータ巻線１０３が作る極と対
向していることになり、リラクタンストルクは発生しな
い。

【００２１】これに対し、図１に示すこの発明の永久磁
石式モータでは、永久磁石６の厚みを回転方向１１の前
進側１５を反対の後進側１６より厚くしている。この場
合、永久磁石６が作る磁束の向きは図１１で示された従
来の永久磁石式モータより、電気角９０゜ロータの回転
方向１１の前進側１５に偏ることになる。このため、永
久磁石６が作る磁束による鎖交磁束はロータの回転方向
１１の前進側１５に進んだ位置で最も大きくなる。

【００２２】この場合、永久磁石６によるトルクが最も
大きくなるのは、ｄ軸電流が０の場合ではなく、ｄ軸電
流がある場合となる。この時、ステータ巻線３が作る磁
極は、ロータの突極部１０ａおよび突極部１０ｂより回
転方向１１の前進側１５に偏る。このため、ロータの突
極部１０ａおよび突極部１０ｂからみて、回転方向１１
の前進側１５にステータの磁極が来ることになり、リラ
クタンストルクを用いることができる。すなわち、永久
磁石６によるトルクが最大となる位置でリラクタンスト
ルクを利用することができる。

【００２３】また、このステータ電流の位相をさらに進
ませてリラクタンストルクを利用した場合（ｄ軸電流を
さらに増やした場合）でも、永久磁石６の出す磁束を従
来の永久磁石式モータより弱める割合が小さくなる。こ
れにより、モータの高効率化を推進することができる。

【００２４】上記の内容を、わかりやすく図２を用いて
説明する。図２は永久磁石の１極分が作る空隙磁束密度
分布を概略で表したもので、図１１に示す従来の永久磁
石式モータの構造では、ライン２０１で示したように電
気角９０°付近で空隙磁束密度がピークとなるが、図１
に示したこの発明の永久磁石式モータの構造では、ライ
ン２０２で示したように電気角９０°より回転方向側に
例えば１０°〜４５°程度ずらせて空隙磁束密度のピー
クが生じる。すなわち、永久磁石の作る空隙磁束密度の
ピークがロータの回転方向側にずれることで、上記の効
果を奏することができ、高効率なリラクタンストルク併
用型の永久磁石式モータを構成することができる。

【００２５】なお、永久磁石のロータの半径方向の厚み
に差異を設けたものが、例えば特開平５−３０４７３７
号公報で知られているが、この発明とは目的、効果が異
なり、永久磁石の配置の仕方もこの発明とはまったく反
対である。

【００２６】以下、上記した空隙磁束密度を形成するた
めの各種のロータ構造を具体的に説明する。 実施の形態１．図３は、この発明の実施の形態１による
永久磁石式モータの軸方向断面図である。図３におい
て、１はステータ鉄心であり、このステータ鉄心１の内
周部にはスロット２が等間隔に形成されており、このス
ロット２内にステータ巻線３が巻かれている。この巻線
に電流を流すことで、空隙部４に回転磁界を形成する。
ロータは、ステータ鉄心１の内部に組み込まれており、
ロータ鉄心５および複数の永久磁石６〜９によって構成
されている。

【００２７】この永久磁石６〜９はその着磁の向きをお
およそ空隙方向（Ｎ極）あるいはその反対方向（Ｓ極）
に向くようになっており、これが周方向に交互に並ぶこ
とによって極を形成している。さらに、永久磁石６〜９
は図1の原理図に示すように、ロータの回転方向１１に
対して前進側１５がその反対の後進側１６よりロータの
半径方向に厚く構成されている。

【００２８】また、リラクタンストルクを利用するため
のロータの突極部１０ａ〜１０ｄは永久磁石６〜９間に
形成されている。この場合、永久磁石Ｎ極の１極当たり
の空隙磁束密度分布は、永久磁石の厚みが厚い前進側１
５の磁束密度が大きく、薄い後進側１６の磁東密度が小
さくなり、図２に示すライン２０２の分布となることが
わかる。

【００２９】以上のように、この実施の形態１によれ
ば、永久磁石６〜９の作る空隙磁束密度のピークを、電
気角９０°よりロータの回転方向に形成したことによ
り、永久磁石６〜９によるトルクが最大となる位置でリ
ラクタンストルクを利用することができる。また、この
ステータ電流の位相をさらに進ませてリラクタンストル
クをさらに利用した場合（ｄ軸電流をさらに増やした場
合）でも、永久磁石６〜９の出す磁束を従来のモータ形
式より弱める割合が小さくなる。この効果により、モー
タの高効率化を推進することができる。

【００３０】実施の形態２．図４は、この発明の実施の
形態２による永久磁石式モータのロータの軸方向断面図
である。図４において、実施の形態１と異なる点は、永
久磁石６〜９の形状を略逆円弧状としたもので、この永
久磁石６〜９の厚みは、ロータの回転方向１１の前進側
１５が厚く、反対の後進側１６が薄くなっている。

【００３１】以上のように、この実施の形態２によれ
ば、永久磁石Ｎ極の１極当たりの空隙磁束密度分布は、
永久磁石の厚みが厚い前進側１５が大きく、永久磁石の
厚みが薄い反対の後進側１６が小さくなり、図２に示す
ライン２０２の分布となり、実施の形態１と同様にモー
タの高効率化を推進することができる。

【００３２】実施の形態３．図５は、この発明の実施の
形態３による永久磁石式モータのロータの軸方向断面図
である。図５において、実施の形態１と異なる点は、永
久磁石６〜９がロータ鉄心５の外周面に接着されている
ことであり、この永久磁石６〜９の厚みは、ロータの回
転方向１１の前進側１５が厚く、反対の後進側１６が薄
くなっている。

【００３３】以上のように、この実施の形態３によれ
ば、永久磁石Ｎ極の１極当たりの空隙磁束密度分布は、
磁石の厚みが厚い前進側１５が大きく、永久磁石の厚み
が薄い反対の後進側１６の磁束密度が小さく、図２のラ
イン２０２に示した分布となることにより、実施の形態
１の記載と同様の原理でモータの高効率化を推進するこ
とができる。

【００３４】実施の形態４．図６は、この発明の実施の
形態４による永久磁石式モータのロータの軸方向断面図
である。図６において、永久磁石６〜９を取り付けるた
めにロータ鉄心５に設けられた永久磁石を挿入する穴１
２を、ロータの回転方向１１の前進側１５が径方向に薄
く、反対の後進側１６が厚く形成したもので、この永久
磁石を挿入する穴１２と永久磁石６〜９の隙間（空間）
１３がロータの回転方向１１の前進側１５で薄く、反対
の後進側１６で厚くなっている。

【００３５】以上のように、この実施の形態４によれ
ば、ロータの回転方向１１の前進側１５では反対の後進
側１６と比較して磁気抵抗が小さくなり、その結果、図
２のライン２０２で示した空隙磁束密度分布となり、実
施の形態１記載の原理でモータの高効率化を推進するこ
とができる。

【００３６】実施の形態５.図７は、この発明の実施の
形態５による永久磁石式モータのロータの概念図であ
る。図７において、永久磁石６〜９はロータの軸方向の
長さを、ロータの回転方向１１の前進側１５が反対の後
進側１６より長く形成したものである。

【００３７】以上のように、この実施の形態５によれ
ば、永久磁石６〜９のロータの軸方向長さの差異によ
り、ロータの回転方向１１の前進側１５の空隙磁束密度
が反対の後進側１６より大きくなることにより、図２の
ライン２０２に示す分布となり、実施の形態１記載の原
理でモータの高効率化を推進することができる。

【００３８】実施の形態６．図８は、この発明の実施の
形態６による永久磁石式モータのロータの軸方向断面図
である。図８において、ロータ鉄心５の周囲に永久磁石
６〜９を固定配置し、その永久磁石６〜９の外周面を前
進側が厚く反対の後進側が薄くなるように形成したもの
で、この構成により、ロータの回転方向１１の前進側１
５の空隙長が反対の後進側１６より小さくなっている。

【００３９】以上のように、この実施の形態６によれ
ば、ロータの突極部１０ａ〜１０ｄは空隙長が小さくな
った部分に設置されることにより、ロータの回転方向１
１の前進側１５の磁気抵抗が反対の後進側１６より小さ
くなり、永久磁石６〜９の磁束による空隙磁束密度が図
２のライン２０２の分布となり、実施の形態１記載の原
理でモータの高効率化を推進することができる。

【００４０】実施の形態７．図９は、この発明の実施の
形態７による永久磁石式モータのロータの軸方向断面図
である。図９において、永久磁石６〜９は着磁の向き
を、図１１に示す従来の永久磁石式モータではＮ極が矢
印１８の方向で、Ｓ極が矢印２０の方向であったのに対
し、この実施の形態７ではＮ極はロータの回転方向１１
の矢印１８より前進側１５である矢印１９の方向とし、
Ｓ極は矢印２０より反対の後進側１６である矢印２１の
方向としたものである。

【００４１】以上のように、この実施の形態によれば、
永久磁石６〜９の着磁の向きにより、ロータの回転方向
の前進側１５における永久磁石による空隙磁束密度は、
反対の後進側１６より大きくなり、図２のライン２０２
の分布を達成でき、実施の形態１記載の原理でモータの
高効率化を推進することができる。

【００４２】実施の形態８．図１０は、この発明の実施
の形態８による永久磁石式モータのロータの軸方向断面
図である。図１０においては、前記実施の形態７に示す
方向に着磁された永久磁石６〜９を逆円弧状に配置した
ものであり、従来の着磁の向きがＮ極は矢印１８上に中
心が来る方向で、Ｓ極は矢印２０上に中心が来るラジア
ル配向であったのに対し、この実施の形態８では、Ｎ極
はロータの回転方向１１の矢印１８より前進側１５、た
とえば矢印１９を中心とするラジアル配向とし、Ｓ極は
矢印２０より反対の後進側１６である矢印２１の方向と
したものである。

【００４３】以上のように、実施の形態８によれば、ロ
ータの回転方向の前進側１５における永久磁石による空
隙磁束密度は、反対の後進側１６より大きくなり、図２
のライン２０２の分布を達成でき、実施の形態１記載の
原理でモータの高効率化を推進することができる。な
お、上記の各実施の形態は、ステータの外側にロータが
あるモータや、ステータが集中巻きで構成されたモータ
に適用しても同様の効果を奏する。

【００４４】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、永久
磁石が作る磁束を電気角９０°よりロータの回転方向の
前進側に偏るように構成したので、永久磁石が作る磁束
による鎖交磁束はステータの極をロータの回転方向の前
進側に進んだ位置で最も大きくなる。このため、永久磁
石によるトルクが最も大きくなるのは、ｄ軸電流が０の
場合ではなく、ｄ軸電流がある場合となる。この結果、
ステータ巻線が作る磁極は、ロータの突極部より回転方
向の前進側に偏る。つまり、ロータの突極部からみて、
回転方向の前進側にステータの磁極が来ることになり、
リラクタンストルクを用いることができ、永久磁石によ
るトルクが最大となる位置でリラクタンストルクを利用
することができる。

【００４５】また、このステータ電流の位相をさらに進
ませてリラクタンストルクをさらに利用した場合（ｄ軸
電流をさらに増やした場合）でも、永久磁石の出す磁束
を弱める割合が小さくなる。これにより、モータの高効
率化を推進することができる。ｄ軸電流を流すことで永
久磁石による磁束を弱める割合を減少させるか、あるい
はｄ軸電流を流した状態で永久磁石によるトルクを最も
大きくできるリラクタンストルク併用型の永久磁石式モ
ータを得ることができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の原理を説明する永久磁石式モータ
の１極分の軸方向断面図である。

【図２】 永久磁石が作る磁束による空隙磁束密度の概
念図である。

【図３】 この発明の実施の形態１による永久磁石式モ
ータの軸方向断面図である。

【図４】 この発明の実施の形態２による永久磁石式モ
ータのロータの軸方向断面図である。

【図５】 この発明の実施の形態３による永久磁石式モ
ータのロータの軸方向断面図である。

【図６】 この発明の実施の形態４による永久磁石式モ
ータのロータの軸方向断面図である。

【図７】 この発明の実施の形態５による永久磁石式モ
ータのロータの概念図である。

【図８】 この発明の実施の形態６による永久磁石式モ
ータのロータの軸方向断面図である。

【図９】 この発明の実施の形態７による永久磁石式モ
ータのロータの軸方向断面図である。

【図１０】 この発明の実施の形態８による永久磁石式
モータのロータの軸方向断面図である。

【図１１】 従来の永久磁石式モータのロータの軸方向
断面図である。

【符号の説明】

１ ステータ鉄心、３ ステータ巻線、４ 空隙部（空
隙）、５ ロータ鉄心、６〜９ 永久磁石、１１ ロー
タの回転方向、１２ 永久磁石を挿入する穴、１３ 隙
間（空間）、１５ 前進側、１６ 後進側。

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 円環状のステータ鉄心の内周面に複数相
   のステータ巻線を巻回したステータと、このステータの
   内周面と同心でかつ空隙を介して配置されたロータ鉄心
   に円弧状の界磁用永久磁石を連続して交互にＮ極／Ｓ極
   になるように円周上に配置したロータとを備え、前記永
   久磁石によるトルク以外にリラクタンストルクを利用す
   る永久磁石式モータにおいて、前記永久磁石の作る磁束
   による空隙磁束密度を電気角９０゜よりロータの回転方
   向の前進側に偏るように構成したことを特徴とする永久
   磁石式モータ。
2. 【請求項２】 永久磁石は、半径方向の厚みを、ロータ
   の回転方向の前進側を反対の後進側より厚くしたことを
   特徴とする請求項１記載の永久磁石式モータ。
3. 【請求項３】 永久磁石は、半径方向の厚みを、ロータ
   の回転方向の前進側を反対の後進側より厚くして逆円弧
   状に形成し、ロータ鉄心内に埋設したことを特徴とする
   請求項１記載の永久磁石式モータ。
4. 【請求項４】 永久磁石は、半径方向の厚みを、ロータ
   の回転方向の前進側を反対の後進側より厚く形成し、ロ
   ータ鉄心の外周面に固定した請求項１記載の永久磁石式
   モータ。
5. 【請求項５】 永久磁石は、ロータの軸方向の長さを該
   ロータの回転方向の前進側よりその反対の後進側を短く
   したことを特徴とする請求項１記載の永久磁石式モー
   タ。
6. 【請求項６】 円環状のステータ鉄心の内周面に複数相
   のステータ巻線を巻回したステータと、このステータの
   内周面と同心でかつ空隙を介して配置されたロータ鉄心
   に円弧状の界磁用永久磁石を連続して交互にＮ極／Ｓ極
   になるように円周上に配置したロータとを備え、前記ロ
   ータ鉄心に設けた永久磁石によるトルク以外にリラクタ
   ンストルクを利用する永久磁石式モータにおいて、前記
   ロータ鉄心に設けた永久磁石を挿入する穴と該穴に組み
   付けた永久磁石との間の空間の厚みを、前記ロータの回
   転方向の前進側が反対の後進側より薄く形成したことを
   特徴とする永久磁石式モータ。
7. 【請求項７】 円環状のステータ鉄心の内周面に複数相
   のステータ巻線を巻回したステータと、このステータの
   内周面と同心でかつ空隙を介して配置されたロータ鉄心
   に円弧状の界磁用永久磁石を連続して交互にＮ極／Ｓ極
   になるように円周上に配置したロータとを備え、前記永
   久磁石によるトルク以外にリラクタンストルクを利用す
   る永久磁石式モータにおいて、前記ステータとロータと
   の間の空隙を該ロータの回転方向の前進側が反対の後進
   側より薄くなるように該空隙の長さを１極当たり不均一
   に形成したことを特徴とする永久磁石式モータ。
8. 【請求項８】 ロータ鉄心の直径を、各極毎に前進側を
   その反対の後進側より大きくしたことを特徴とする請求
   項７記載の永久磁石式モータ。
9. 【請求項９】 円環状のステータ鉄心の内周面に複数相
   のステータ巻線を巻回したステータと、このステータの
   内周面と同心でかつ空隙を介して配置されたロータ鉄心
   に円弧状の界磁用永久磁石を連続して交互にＮ極／Ｓ極
   になるように円周上に配置したロータとを備え、前記永
   久磁石によるトルク以外にリラクタンストルクを利用す
   る永久磁石式モータにおいて、前記永久磁石の着磁方向
   を、空隙方向に磁束を出す極は物理的な永久磁石の周方
   向中心線より前記ロータの回転方向の前端側にとり、前
   記ロータの中心方向に磁束を出す極は物理的な永久磁石
   の周方向中心線より該ロータの回転方向の後端側にとっ
   たことを特徴とする永久磁石式モータ。