JP2002165394A - 永久磁石内蔵型同期モータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【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】 ２ｐ個の磁気的な突極部９…及び１０…
を、ロータコア７の周方向に１個置きに等間隔に位置す
る第１のグループのｐ個の磁気的な突極部９…と周方向
に１個置きに等間隔に位置する第２のグループのｐ個の
磁気的な突極部１０…とから構成する。第１のグループ
のｐ個の磁気的な突極部９…の開角α１を、前記第２の
グループのｐ個の磁気的な突極部１０…の開角α２より
も小さくする。そして開角α１及び開角α２を、α２−
α１≒２β−（２ｎ−１）τｓの式を満たすように定め
る。ｎは自然数であり、βはシャフトの中心から隣接す
る２つの磁気的な突極部の中心を通る２本の突極部仮想
中心線（ＣＬ１，ＣＬ２）間の角度であり、τｓはステ
ータコアのスロットピッチである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】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。

【０００２】

【従来の技術】特開平８−２０５４９９公報には、ロー
タコアの外周面上に装着した複数の永久磁石磁極間のコ
アに磁気的な突極部を設け、これら突極部の位置を周方
向にずらすことによりトルク脈動の発生を抑制した同期
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限定されている。

【０００３】また特開平８−２５６４５５号公報には、
リラクタンス同期モータのロータの磁気的な突極部の磁
極幅を変更したり、一部の対の磁気的な突極部の位置を
周方向にずらすことにより、リラクタンス同期モータの
脈動トルクの発生を抑制する技術が開示されている。

【０００４】そして特開平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。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】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θはティー
スの数と型状寸法から決定されるθｍｉｎ≦θ≦θｍａ
ｘ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。

【０００６】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。

【０００７】

【課題を解決するための手段】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２ｐ個の永久磁石が内蔵され、該２ｐ個の永久磁石
により前記ロータコアの外周に２ｐ個の永久磁石磁極部
が形成され且つ前記永久磁石磁極部を間に挟むように２
ｐ個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。な
おここで1個の永久磁石とは、物理的に１個の永久磁石
の場合だけでなく、複数の永久磁石によって構成されて
磁気的に1個の永久磁石とみなすことができる場合を含
むものである。

【０００８】本発明では、２ｐ個の永久磁石磁極部を、
周方向に１個置きに等間隔に位置する第１のグループの
ｐ個の永久磁石磁極部と周方向に１個置きに等間隔に位
置する第２のグループのｐ個の永久磁石磁極部とから構
成する。また２ｐ個の磁気的な突極部も、周方向に１個
置きに等間隔に位置する第１のグループのｐ個の磁気的
な突極部と周方向に１個置きに等間隔に位置する第２の
グループのｐ個の磁気的な突極部とから構成する。そし
て第１のグループのｐ個の磁気的な突極部の開角α1
を、第２のグループのｐ個の磁気的な突極部の開角α2
よりも小さくする。その上で開角α1及び開角α2を、下
記の式を満たすように定める。

【０００９】α２−α１≒２β−（２ｎ−１）τｓ ここにｎは自然数であり、βはシャフトの中心から隣接
する２つの磁気的な突極部の中心を通る２本の突極部仮
想中心線（ＣＬ１,ＣＬ２）間の角度であり、τｓはス
テータコアのスロットピッチ［単位はｒａｄ］である。
なおロータコアの永久磁石磁極部の外周面部分の輪郭形
状は、円弧または楕円の円弧により構成してもよい。

【００１０】上記のように第１のグループのｐ個の磁気
的な突極部の開角α１と第２のグループのｐ個の磁気的
な突極部の開角α２の寸法を定めると、第１及び第２の
グループの２ｐ個の磁気的な突極部の開角を一定にした
従来の同期モータと比べて、トルク脈動を抑制して、ト
ルクリップルを大幅に小さくできる。

【００１１】この場合において、第１のグループのｐ個
の磁気的な突極部の磁極面の曲率半径Ｒ1を、第２のグ
ループのｐ個の磁気的な突極部の磁極面の曲率半径Ｒ２
よりも小さくすると、曲率半径Ｒ１とＲ２とを同じにし
た場合と比べて、トルクリップルを小さくすることがで
きる。なおトルクを大きくするためには、曲率半径Ｒ１
及びＲ２は、それぞれ隣接する永久磁石磁極部の磁極面
の端部の曲率半径よりも大きく、しかもＲ１＜Ｒ２とな
る値を選定するのが望ましい。但しトルクの大きさを犠
牲にして、トルクリップルをより小さくするためには、
曲率半径Ｒ１及びＲ２をそれぞれ隣接する永久磁石磁極
部の磁極面の端部の曲率半径よりも小さくしてもよいの
は勿論である。

【００１２】この場合において、隣接する２つの永久磁
石磁極部と隣接する２つの永久磁石磁極部間に位置する
磁気的な突極部によって形成されるロータコアの外周面
部分形状が、シャフトの中心から隣接する２つの永久磁
石磁極部の間に位置する磁気的な突極部の中心を通る突
極部仮想中心線（ＣＬ１,ＣＬ２）を中心にして線対称
になり、且つロータコアの外周面形状を周方向に３６０
°／ｐの角度範囲の外周面部分形状がすべて等しくなる
ｐ等配形状になるように、２ｐ個の永久磁石磁極部及び
２ｐ個の磁気的な突極部の形状を定めるのが好ましい。
このようにすると、磁気的な突極部の開角を異ならせた
場合でも、周方向の磁気的なバランスは釣り合いがとれ
ているため、各相の電圧不平衡やロータ偏心力は生じな
い。

【００１３】そして永久磁石磁極部の磁極面を円弧面ま
たは楕円の円弧面によって形成する場合には、永久磁石
磁極部の磁極面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を、下記の式を
満たすまたはほぼ満たすように定められるのが好まし
い。

【００１４】 δｄ＝δｄ０／ｃｏｓ［ｐ（θｍ−θｄｍ）］ ここに、δｄ０はギャップの寸法の最小値であり、θｍ
はシャフトの中心から隣接する２つの永久磁石磁極部の
間に位置する磁気的な突極部の中心を通る２つの突極部
仮想中心線（ＣＬ１，ＣＬ２）の中心を通る仮想中心線
ＣＬ３から開角α１を有する磁気的な突極部側への角度
である。そしてθｄｍはギャップの寸法が最小値になる
仮想線ＰＬ３から仮想中心線ＣＬ３までの角度である。

【００１５】上記式において、θｄｍ＝０°とした場合
のギャップは、いわゆる一般的な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。

【００１６】ここでコギングトルクを最小にするための
θｄｍは後述する角度ψ１及びψ２を用いるとθｄｍ≒
（ψ２−ψ１）／２の式によって定まる。しかしギャッ
プ中の永久磁石からの磁束密度分布が正弦波から大きく
崩れている場合には、（１／６）×ｘ×τｓ≦θｄｍ≦
（１／２）×ｘ×τｓの範囲で、コギングトルクが最小
となる値が存在する。ここでｘはθｄｍ≒（ψ２−ψ
１）／２≒（１／４）×ｘ×τｓと近似したときに、θ
ｄｍが（ψ２−ψ１）／２の値に最も近くなる自然数で
ある。

【００１７】更に上記の条件を満たした上で、仮想中心
線（ＣＬ３）とシャフトの中心から永久磁石磁極部の磁
極面の周方向の両端を通る２本の仮想線（ＰＬ１，ＰＬ
２）のうち開角α２を有する磁気的な突極部側に位置す
る仮想線（ＰＬ１）との間の角度ψ１と、仮想中心線
（ＣＬ３）とシャフトの中心から永久磁石磁極部の磁極
面の周方向の両端を通る２本の仮想線（ＰＬ１，ＰＬ
２）のうち開角α１を有する磁気的な突極部側に位置す
る仮想線（ＰＬ２）との間の角度ψ２とが、下記の条件
式を満たすようにする。

【００１８】 ψ２＞ψ１ ψ２−ψ１≒０．５（２ｍ−１）τｓ−（１８０°／ｐ） ψ２＋ψ１≒ｕ・τｓ α１＋α２≦（３６０°／ｐ）−２（ψ２＋ψ１） ここに、ｍ及びｕは任意の自然数である。この条件を満
たすようにすると、コギングトルクを最小の値に近づけ
ることができる上、トルクリップルも抑制することがで
きる。

【００１９】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ψ２，ψ１と開角α１，α２との関係を成立
させるようにすると、コギングトルク及びトルクリップ
ルを小さくすることができる。

【００２０】そして更にα１及びα２並びにψ２及びψ
１を、下記の式を満たすようにすると、コギングトルク
を最小の値に近づけることができて、しかもトルクリッ
プルも最小の値に近づけることができる。

【００２１】 （１８０°／２ｐ）＋（α１／２）−ψ２≒（１／４）（２ｖ１−１）τｓ （１８０°／２ｐ）＋（α２／２）−ψ１≒（１／４）（２ｖ２−１）τｓ ここにｖ１及びｖ２は任意の自然数である。

【００２２】なおロータコアに永久磁石の周方向の両側
に空隙により第１及び第２の非磁性部を形成する場合に
おいて、第１の非磁性部は開角がα１の磁気的な突極部
側に位置し、第２の非磁性部は開角がα２の磁気的な突
極部側に位置するものとしたときに、第１及び第２の非
磁性部の形状は、横断面積が同じかまたは第２の非磁性
部の横断面形状が第１の非磁性部の横断面形状よりも大
きくなるようにするのが好ましい。このような非磁性部
を設けると、永久磁石からの磁束の漏れ（短絡）を抑制
できることと、永久磁石の減磁を防止できる。しかしな
がら本発明では開角α１及びα２を異ならせているた
め、永久磁石の磁束の漏れ易さや永久磁石減磁のし易さ
は、永久磁石の周方向の両端で異なってくる。すなわち
α１＜α２の場合には、α２側の永久磁石の端部からの
磁束の漏れがα１側の永久磁石の端部からの磁束の漏れ
より大きくなる。そのため、α２側の永久磁石の端部に
おける減磁量がα１側の永久磁石の端部における減磁量
よりも大きくなる。このような観点から、α２側の永久
磁石の端部からの磁束の漏れとその部分における減磁を
積極的に抑制するために、第２の非磁性部の横断面積を
第1の非磁性部の横断面積よりも大きくしている。

【００２３】

【発明の実施の形態】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。

【００２４】この例のステータ１は、スロット数Ｎｓが
４８で、極対数ｐが４で、相数が３であるため、毎極毎
相スロット数ｑは、ｑ＝４８／（２×４×３）＝２とな
る。そしてスロットピッチτｓがτｓ＝７．５°であ
る。

【００２５】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８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…及び１０…を
有している。ロータコア７の外周部には、磁気的な突極
部９…及び１０…を明確に形成するために、径方向と軸
線方向に延びる複数の溝が１１…が形成されている。永
久磁石８の径方向外側に位置するロータコア７の外周面
部分が８つの永久磁石磁極部１２を構成している。なお
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、横断面形状が矩形状をなすものである。

【００２６】この例では、８個の永久磁石磁極部１２…
及び８個の磁気的な突極部９…及び１０…の形状は、隣
接する２つの永久磁石磁極部と隣接する２つの永久磁石
磁極部間に位置する磁気的な突極部によって形成される
ロータコア７の外周面部分形状が、シャフト６の中心か
ら隣接する２つの永久磁石磁極部の間に位置する磁気的
な突極部の中心を通る突極部仮想中心線ＣＬ１,ＣＬ２
を中心にして線対称になり、しかもロータコア７の外周
面形状が周方向に９０°の角度範囲の外周面部分形状が
すべて等しくなる４等配形状になるように定められてい
る。

【００２７】８個の磁気的な突極部は、周方向に１個置
きに等間隔に位置する第１のグループの４個の磁気的な
突極部９…と周方向に１個置きに等間隔に位置する第２
のグループの４個の磁気的な突極部１０…とから構成さ
れている。そして第１のグループの４個の磁気的な突極
部９…の開角α１は、第２のグループの４個の磁気的な
突極部１０…の開角α２よりも小さい。この例では、ス
テータコア７のスロットピッチが７．５°であり、スロ
ットオープニングが２．１°であるから、開角α２は１
５°であり、開角α１は７．５°である。なおこの場合
の開角α２の好ましい範囲は、１２．９°≦α２≦１
７．１°の値であり、開角α１の好ましい範囲は５．４
°≦α１≦９．６°の値である。

【００２８】なお開角α1及び開角α2の関係を一般的に
式で表せば、両者は下記の式（１）を満たすように定め
ればよい。

【００２９】 α２−α１≒（２β）−（２ｎ−１）τｓ ・・・（１） ここに、ｎは自然数であり、βはシャフトの中心から隣
接する２つの磁気的な突極部の中心を通る２本の突極部
仮想中心線（ＣＬ１,ＣＬ２）間の角度であり、τｓは
前記ステータコアのスロットピッチである。本実施の形
態では、ｎ＝６である。この式を満たせば、トルクリッ
プルを従来よりも大幅に低減できる。

【００３０】図２は、本発明の第２の実施の形態の永久
磁石内蔵型同期モータで用いるロータの構成を示す図で
ある。この実施の形態が、図１の実施の形態と異なるの
は、ロータコア７に永久磁石８…の周方向の両側に形成
した空隙によって一対の非磁性部１３を設けた点であ
る。４つの磁気的な突極部９・・・および４つの磁気的
な突極部１０・・・のそれぞれの開角α１及びα２は、
図１の実施の形態と同様にして定められている。溝１１
の開角は、角度βｄ−α１で求めることができ、この例
では１．８７５°である。なお角度βｄは、βｄ≒（１
／２）（２ｎ−１）τｓにより定まる。ここでもｎは任
意の自然数である。

【００３１】図３は、請求項９の発明に対応する第３の
実施の形態の永久磁石内蔵型同期モータのロータの構成
を示す図である。この実施の形態が、図２の実施の形態
と異なるのは、溝１１…の開角（周方向の開口寸法）を
図２の実施の形態の溝１１の開角よりも大きくして、永
久磁石磁極１２の周方向の長さ寸法を小さくした点であ
る。その他の構造は図２の実施の形態と同じである。こ
の実施の形態では、溝１１の開角（βｆ−α1）を３．
７５°にしている。ここでβｆは、βｆ≒（１／４）
（２ｎ−１）τｓにより定まる。ここでもｎは任意の自
然数である。

【００３２】図４は、図１乃至図３の実施の形態につい
て、トルクリップル含有率を測定したデータである。図
４において、Ａは８つの磁気的な突極部の開角を一定の
値（８．７５°）にした従来の永久磁石内蔵型同期モー
タのトルクリップル含有率である。そして図４のＢ，Ｃ
及びＤが、図１乃至図３の永久磁石内蔵型同期モータの
トルクリップル含有率を示している。この図から、本発
明の実施の形態によれば、トルクリップルを大幅に低減
できることが分かる。

【００３３】図５は本発明の永久磁石内蔵型同期モータ
の第４の実施の形態のロータの構成を示す図である。ス
テータコア側の構成は図１の実施の形態と同じである。
図４においては、図１に示した実施の形態と同様の部分
に図１に付した符号と同じ符号を付してある。この実施
の形態では、８個（２ｐ個）の永久磁石磁極部１２ａ…
及び１２ｂ…を、周方向に１個置きに等間隔に位置する
第１のグループの４個（ｐ個）の永久磁石磁極部１２ａ
…と周方向に１個置きに等間隔に位置する第２のグルー
プの４個（ｐ個）の永久磁石磁極部１２ｂ…とから構成
されている。また８個（２ｐ個）の磁気的な突極部９…
及び１０…も、周方向に１個置きに等間隔に位置する第
１のグループの４個（ｐ個）の磁気的な突極部９…と周
方向に１個置きに等間隔に位置する第２のグループの４
個（ｐ個）の磁気的な突極部１０…とから構成されてい
る。そして第１のグループの４個の磁気的な突極部９…
の開角α１を、第２のグループの４個の磁気的な突極部
１０…の開角α２よりも小さくしている。この実施の形
態でも、開角α１及び開角α２は、上記（１）式を満た
している。

【００３４】具体的には、ステータコアのスロットピッ
チが、７．５°であり、スロットオープニングが２．１
°であるから、開角α２は１２．９°≦α２≦１７．１
°の値が好ましく、また開角α１は５．４°≦α１≦
９．６°の値で好ましい。この例では、α２を１６°と
し、α１を６．５°にしている。

【００３５】またこの例では、隣接する２つの永久磁石
磁極部１２ａ及び１２ｂと隣接する２つの永久磁石磁極
部１２ａ及び１２ｂ間に位置する磁気的な突極部９又は
１０によって形成されるロータコア７の外周面部分形状
が、シャフト６の中心から隣接する２つの永久磁石磁極
部１２ａ及び１２ｂの間に位置する磁気的な突極部９又
は１０の中心を通る突極部仮想中心線ＣＬ１,ＣＬ２を
中心にして線対称になり、且つロータコア７の外周面形
状を周方向に９０°（３６０°／ｐ）の角度範囲の外周
面部分形状がすべて等しくなる４等配形状（ｐ等配形
状）になるように、８個の永久磁石磁極部１２ａ…及び
１２ｂ…及び８個の磁気的な突極部９…及び１０…の形
状を定めている。このようにすると、磁気的な突極部９
…及び１０…の開角α1及びα2を異ならせた場合でも、
周方向の磁気的なバランスは釣り合いがとれているた
め、各相の電圧不平衡やロータ偏心力は生じない。

【００３６】またこの例では、永久磁石磁極部１２ａ…
及び１２ｂ…の磁極面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
（２）の式を満たしていわゆるｃｏｓｅｃギャップにな
るようにように定められている。

【００３７】 δｄ＝δｄ０／ｃｏｓ［ｐ（θｍ−θｄｍ）］ ・・・（２） ここに、δｄ０はギャップの寸法の最小値であり、θｍ
はシャフトの中心から隣接する２つの永久磁石磁極部の
間に位置する磁気的な突極部の中心を通る２つの突極部
仮想中心線（ＣＬ１，ＣＬ２）の中心を通る仮想中心線
ＣＬ３から開角α１を有する磁気的な突極部側への角度
であり、θｄｍはギャップの寸法が最小値になる仮想線
ＰＬ３から仮想中心線ＣＬ３までの角度である。

【００３８】ここでコギングトルクを最小にするための
θｄｍは後述する角度ψ１及びψ２を用いるとθｄｍ≒
（ψ２−ψ１）／２の式によって定まる。しかしギャッ
プ中の永久磁石からの磁束密度分布が正弦波から大きく
崩れている場合には、（１／６）×ｘ×τｓ≦θｄｍ≦
（１／２）×ｘ×τｓの範囲で、コギングトルクが最小
となる値が存在する。ここでｘはθｄｍ≒（ψ２−ψ
１）／２≒（１／４）×ｘ×τｓと近似したときに、θ
ｄｍが（ψ２−ψ１）／２の値に最も近くなる自然数で
ある。

【００３９】永久磁石磁極部１２ａ及び１２ｂの磁極面
の形状は、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により定められている。

【００４０】またこの例では、開角α１の磁気的な突極
部９の曲率半径Ｒ１を、開角α２の磁気的な突極部の曲
率半径Ｒ２よりも小さくしている。第１のグループのｐ
個の磁気的な突極部の磁極面の曲率半径Ｒ1を、第２の
グループのｐ個の磁気的な突極部の磁極面の曲率半径Ｒ
２よりも小さくすると、曲率半径Ｒ１とＲ２とを同じに
した場合と比べて、トルクリップルを小さくすることが
できる。なおトルクを大きくするためには、曲率半径Ｒ
１及びＲ２は、それぞれ隣接する永久磁石磁極部の磁極
面の端部の曲率半径よりも大きく、しかもＲ１＜Ｒ２と
なる値を選定するのが望ましい。図６は、この曲率半径
を変えた場合における効果を確認するために、Ｍｏｄｅ
ｌ１からＭｏｄｅｌ３を図示の条件で作ってトルクリッ
プル含有率を測定した結果を示している。この測定結果
から判るように、Ｒ１＜Ｒ２にしたＭｏｄｅｌ３の場合
において、トルクリップル含有率が最も小さくなること
が判る。

【００４１】上記式において、θｄｍ＝０°とした場合
のギャップは、いわゆる一般的な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。更にθｄｍを
１／６スロットピッチ〜１／２スロットピッチの範囲の
値とした場合には、ギャップ中の永久磁石からの正弦波
磁束分布を正弦波状に維持した状態で、飛躍的にコギン
グトルクを抑制することができる。ちなみに図５の実施
例では、θｍを２°に設定している。

【００４２】またこの実施の形態では、仮想中心線ＣＬ
３とシャフト６の中心から永久磁石磁極部１２ａまたは
１２ｂの磁極面の周方向の両端を通る２本の仮想線ＰＬ
１及びＰＬ２のうち開角α２を有する磁気的な突極部１
０側に位置する仮想線ＰＬ１との間の角度ψ１と、仮想
中心線ＣＬ３とシャフト６の中心から永久磁石磁極部１
２ａまたは１２ｂの磁極面の周方向の両端を通る２本の
仮想線ＰＬ１及びＰＬ２のうち開角α１を有する磁気的
な突極部９側に位置する仮想線ＰＬ２との間の角度ψ２
とが、下記の条件式（３）乃至（６）を満たすようにな
っている。

【００４３】 ψ２＞ψ１ ・・・（３） ψ２−ψ１≒０．５（２ｍ−１）τｓ−（１８０°／ｐ） ・・・（４） ψ２＋ψ１≒ｕ・τｓ ・・・（５） α１＋α２≦（３６０°／ｐ）−２（ψ２＋ψ１） ・・・（６） ここに、ｐは極対数、ｍ及びｕは任意の自然数である。
この条件を満たすようにすると、コギングトルクを最小
の値に近づけることができる。

【００４４】具体的には、この例において、角度ψ１は
１１．０２５°≦ψ１≦１５．２２５°の範囲の値が好
ましく、また角度ψ２は１４．７７５°≦ψ２≦１８．
９７５°の範囲の値で、しかも角度ψ１及び角度ψ２
は、１．６５°≦ψ２−ψ１≦５．８５°及び２７．９
°≦ψ２＋ψ１≦３２．１°の関係を満たすものが好ま
しい。

【００４５】この例では、角度ψ１を１３．１２５°と
し、角度ψ２を１６．８７５°としている。この角度
は、τｓ＝７．５°、ｐ＝４、ｍ＝７、ｕ＝４として、
上記（４）式及び（５）式にこれらの値を代入すると、 ψ２−ψ１≒０．５（２ｍ−１）τｓ−（１８０°／ｐ） ・・・（４） ψ２＋ψ１≒ｕ・τｓ ・・・（５） ψ２−ψ１＝０．５（２ｍ−１）τｓ−（１８０°／ｐ）＝０．５×（２×７ −１）×７．５−（１８０／４）＝３．７５° ψ２＋ψ１＝ｕ・τｓ＝４×７．５＝３０° となり、この二つの式からψ１＝１３．１２５°とψ２
＝１６．８７５°が求まる。

【００４６】またこの角度ψ１及びψ２の値に基づい
て、コギングトルクを最小にするためのθｄｍ及びθｄ
ｍの最適値範囲を求めると、θｄｍ＝（ψ２−ψ１）／
２＝（１６．８７５−１３．１２５）／２＝１．８７５
°となる。よってθｄｍ＝１．８７５°でコギングトル
クを最小にすることができる。ここで前述のθｄｍ≒
（ψ２−ψ１）／２≒（１／４）×ｘ×τｓの式を満た
すｘを求めると、（１／４）×ｘ×τｓ＝１．８７５を
満たすｘは１となる。

【００４７】したがってθｄｍの範囲を求める前述の
（１／６）×ｘ×τｓ≦θｄｍ≦（１／２）×ｘ×τｓ
の式に、ｘ＝１とτｓ＝７．５°とを入れると、１．２
５°≦θｄｍ≦３．７５°が、θｄｍの最適値範囲とし
て定まる。

【００４８】また図７に示すように、溝１１ａ及び１１
ｂの周方向の幅（開度）を２．２５°と１．５°に設定
している。またこの例では、図７に示すように、ロータ
コア７に形成する１つの永久磁石に対する第１及び第２
の非磁性部１３ａ及び１３ｂの形状を異ならせている。

【００４９】この実施の形態において、α１及びα２並
びにψ２及びψ１を、下記の式（７）式及び（８）式を
満たすようにすると、トルクリップルを最小の値に近づ
けることができる。

【００５０】 （180°／２ｐ）＋（α1／２）−ψ2＝（１／４）（２ｖ1−１）τｓ …（８） （180°／２ｐ）＋（α2／２）−ψ1＝（１／４）（２ｖ2−１）τｓ …（９） ここにｖ１及びｖ２は任意の自然数である。

【００５１】この例では上記（８）及び（９）の条件を
満たすように各部の角度を設定している。

【００５２】トルクリップルを最小にする各部の角度の
条件は、上記（３）式、（４）式、（５）式及び（６）
式の連立方程式を解くことにより得られる。図８は、８
極４８スロットで分布巻の同期モータにおいて、コギン
グトルクを最小にするψ２とψ１とｍとの関係を示す図
である。縦軸はψ２であり、横軸はψ１である。図８に
おいては、丸印の点が選択したｍとｕとの値によって定
まるトルクリップルが最小になる条件点である。

【００５３】図９は、上記（１），（８）及び（９）式
から得たα１とα２とｎとの関係を示している。本発明
を実施する場合には、この関係を満たすようにα１とα
２の関係を定めれば、トルクリップルを最小にすること
ができる。

【００５４】

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

【図面の簡単な説明】

【図１】 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２】 本発明の永久磁石内蔵型同期モータの第２の
実施の形態の永久磁石内蔵型同期モータで用いるロータ
の構成を示す図である。

【図３】 本発明の永久磁石内蔵型同期モータの第３の
実施の形態の永久磁石内蔵型同期モータで用いるロータ
の構成を示す図である。

【図４】 図１乃至図３の実施の形態について、トルク
リップル含有率を測定したデータである。

【図５】 本発明の永久磁石内蔵型同期モータの第４の
実施の形態の構成を概念的に示す図である。

【図６】 曲率半径Ｒ１とＲ２とを変えた場合における
トルクリップルの低減効果を示す図である。

【図７】 図５の実施の形態の部分拡大図である。

【図８】 ８極４８スロットで分布巻の同期モータにお
いて、コギングトルクを最小にするψ２とψ１とχの関
係を示す図である。

【図９】 （１），（８）及び（９）式から得たトルク
リップルを最小にするα１とα２の関係を示している。

【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 ９，１０ 磁気的な突極部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松下 学 東京都豊島区北大塚一丁目15番１号 山洋 電気株式会社内 Ｆターム(参考） 5H002 AA01 AB07 AE07 AE08 5H621 AA02 BB07 HH01 HH04 JK02 JK03 5H622 AA02 CA02 CA07 CA14 CB01 CB05 PP03 PP10 PP19

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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
   ２ｐ個の永久磁石が内蔵され、該２ｐ個の永久磁石によ
   り前記ロータコアの外周に２ｐ個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２ｐ個
   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２ｐ個の磁気的な突極部は、前記周方向に１個置き
   に等間隔に位置する第１のグループのｐ個の磁気的な突
   極部と前記周方向に１個置きに等間隔に位置する第２の
   グループのｐ個の磁気的な突極部とから構成され、 前記第１のグループのｐ個の磁気的な突極部の開角α１
   は、前記第２のグループのｐ個の磁気的な突極部の開角
   α２よりも小さく、 前記開角α１及び開角α２は、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、 α２−α１≒２β−（２ｎ−１）τｓ ここにｎは自然数であり、βは前記シャフトの中心から
   隣接する２つの前記磁気的な突極部の中心を通る２本の
   突極部仮想中心線（ＣＬ１,ＣＬ２）間の角度であり、
   τｓは前記ステータコアのスロットピッチであることを
   特徴とする永久磁石内蔵型同期モータ。
2. 【請求項２】 前記第１のグループのｐ個の磁気的な突
   極部の磁極面の曲率半径Ｒ1が、前記第２のグループの
   ｐ個の磁気的な突極部の磁極面の曲率半径Ｒ２よりも小
   さいことを特徴とする請求項１に記載の永久磁石内蔵型
   同期モータ。
3. 【請求項３】 前記２ｐ個の永久磁石磁極部及び前記２
   ｐ個の磁気的な突極部の形状は、 隣接する２つの永久磁石磁極部と前記隣接する２つの永
   久磁石磁極部間に位置する前記磁気的な突極部とによっ
   て形成される前記ロータコアの外周面部分形状が、前記
   シャフトの中心から前記隣接する２つの永久磁石磁極部
   の間に位置する前記磁気的な突極部の中心を通る前記突
   極部仮想中心線（ＣＬ１,ＣＬ２）を中心にして線対称
   になり、 且つ前記ロータコアの外周面形状が周方向に３６０°／
   ｐの角度範囲の外周面部分形状がすべて等しくなるｐ等
   配形状になるように定められている請求項１または２に
   記載の永久磁石内蔵型同期モータ。
4. 【請求項４】 前記永久磁石磁極部の磁極面は、円弧面
   または楕円の円弧面によって形成されており、 前記永久磁石磁極部の前記磁極面と前記ステータコアの
   前記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、下記の式を満たすまたはほぼ満たすよう
   に定められることを特徴とし、 δｄ＝δｄ０／ｃｏｓ［ｐ（θｍ−θｄｍ）］ ここに、δｄ０は前記ギャップの寸法の最小値であり、
   前記θｍは前記シャフトの中心から前記隣接する２つの
   永久磁石磁極部の間に位置する前記磁気的な突極部の中
   心を通る２つの前記突極部仮想中心線（ＣＬ１，ＣＬ
   ２）の中心を通る仮想中心線（ＣＬ３）から前記開角α
   １を有する前記磁気的な突極部側への角度であり、前記
   θｄｍは前記ギャップの寸法が最小値になる仮想線（Ｐ
   Ｌ３）から前記仮想中心線（ＣＬ３）までの角度である
   請求項２に記載の永久磁石内蔵型同期モータ。
5. 【請求項５】 仮想中心線（ＣＬ３）と前記シャフトの
   中心から前記永久磁石磁極部の磁極面の周方向の両端を
   通る前記２本の仮想線（ＰＬ１，ＰＬ２）のうち前記開
   角α２を有する前記磁気的な突極部側に位置する仮想線
   （ＰＬ１）との間の角度ψ１と、仮想中心線（ＣＬ３）
   と前記シャフトの中心から前記永久磁石磁極部の磁極面
   の周方向の両端を通る前記２本の仮想線（ＰＬ１，ＰＬ
   ２）のうち前記開角α１を有する前記磁気的な突極部側
   に位置する仮想線（ＰＬ２）との間の角度ψ２とが、下
   記の条件式を満たし、 ψ２＞ψ１ ψ２−ψ１≒０．５（２ｍ−１）τｓ−（１８０°／
   ｐ） ψ２＋ψ１≒ｕ・τｓ α１＋α２≦（３６０°／ｐ）−２（ψ２＋ψ１） ここに、ｍ及びｕは任意の自然数である請求項２，３ま
   たは４に記載の永久磁石内蔵型同期モータ。
6. 【請求項６】 前記α１及びα２並びに前記ψ２及びψ
   １が、更に下記の式を満たし、 （１８０°／２ｐ）＋（α１／２）−ψ２≒（１／４）（２ｖ１−１）τｓ （１８０°／２ｐ）＋（α２／２）−ψ１≒（１／４）（２ｖ２−１）τｓ ここにｖ１及びｖ２は任意の自然数である請求項５に記
   載の永久磁石内蔵型同期モータ。
7. 【請求項７】 前記ロータコアには前記永久磁石の前記
   周方向の両側に空隙により第１及び第２の非磁性部が形
   成されており、 前記第１の非磁性部は前記開角がα１の前記磁気的な突
   極部側に位置し、前記第２の非磁性部は前記開角がα２
   の前記磁気的な突極部側に位置し、 前記第１及び第２の非磁性部の形状は、横断面積が同じ
   かまたは前記第２の非磁性部の横断面形状が前記第１の
   非磁性部の横断面形状よりも大きくなるように異なって
   いることを特徴とする請求項１，２，３，４，５または
   ６に記載の永久磁石内蔵型同期モータ。
8. 【請求項８】 ステータコアの複数の磁極部に３相の巻
   線を施してなるステータと、 極対数が４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８個の永久磁石が内蔵され、該
   ８個の永久磁石により前記ロータコアの外周に８個の永
   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８個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８個の永久磁石磁極部は、前記周方向に１個置きに
   等間隔に位置する第１のグループの４個の永久磁石磁極
   部と前記周方向に１個置きに等間隔に位置する第２のグ
   ループの４個の永久磁石磁極部とから構成され、 前記８個の磁気的な突極部は、前記周方向に１個置きに
   等間隔に位置する第１のグループの４個の磁気的な突極
   部と前記周方向に１個置きに等間隔に位置する第２のグ
   ループの４個の磁気的な突極部とから構成され、 前記第１のグループの４個の磁気的な突極部の開角α１
   は、前記第２のグループの４個の磁気的な突極部の開角
   α２よりも小さく、 前記ステータコアのスロットピッチが、７．５°でスロ
   ットオープニングが２．１°のときに、前記開角α２は
   １２．９°≦α２≦１７．１°の値であり、前記開角α
   １は５．４°≦α１≦９．６°の値であることを特徴と
   する永久磁石内蔵型同期モータ。
9. 【請求項９】 前記８個の永久磁石磁極部及び前記８個
   の磁気的な突極部の形状は、 隣接する２つの永久磁石磁極部と前記隣接する２つの永
   久磁石磁極部間に位置する前記磁気的な突極部によって
   形成される前記ロータコアの外周面部分形状が、前記シ
   ャフトの中心から前記隣接する２つの永久磁石磁極部の
   間に位置する前記磁気的な突極部の中心を通る突極部仮
   想中心線（ＣＬ１,ＣＬ２）を中心にして線対称にな
   り、 且つ前記ロータコアの外周面形状が周方向に９０°の角
   度範囲の外周面部分形状がすべて等しくなる４等配形状
   になるように定められている請求項８に記載の永久磁石
   内蔵型同期モータ。
10. 【請求項１０】 前記シャフトの中心から隣接する２つ
    の前記突極部仮想中心線の中心を通る仮想中心線（ＣＬ
    ３）と前記シャフトの中心から前記永久磁石磁極部の磁
    極面の周方向の両端を通る前記２本の仮想線（ＰＬ１，
    ＰＬ２）のうち前記開角α２を有する前記磁気的な突極
    部側に位置する仮想線（ＰＬ１）との間の角度ψ１が１
    １．０２５°≦ψ１≦１５．２２５°の範囲の値であ
    り、 前記仮想中心線（ＣＬ３）と前記シャフトの中心から前
    記永久磁石磁極部の磁極面の周方向の両端を通る前記２
    本の仮想線（ＰＬ１，ＰＬ２）のうち前記開角α１を有
    する前記磁気的な突極部側に位置する仮想線（ＰＬ２）
    との間の角度ψ２が、１４．７７５°≦ψ２≦１８．９
    ７５の範囲の値であり、 しかも前記角度ψ１及び前記角度ψ２は、１．６５°≦
    ψ２−ψ１≦５．８５°及び２７．９°≦ψ２＋ψ１≦
    ３２．１°の関係を満たすものである請求項９に記載の
    永久磁石内蔵型同期モータ。
11. 【請求項１１】 前記永久磁石磁極部の磁極面は、円弧
    面または楕円の円弧面によって形成されており、 前記永久磁石磁極部の前記磁極面と前記ステータコアの
    前記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、下記の式を満たすまたはほぼ満たすよう
    に定められることを特徴とし、 δｄ＝δｄ０／ｃｏｓ［ｐ（θｍ−θｄｍ）］ ここに、δｄ０は前記ギャップの寸法の最小値であり、
    前記θｍは前記シャフトの中心から前記隣接する２つの
    永久磁石磁極部の間に位置する前記磁気的な突極部の中
    心を通る２つの前記突極部仮想中心線（ＣＬ１，ＣＬ
    ２）の中心を通る仮想中心線（ＣＬ３）から前記開角α
    １を有する前記磁気的な突極部側への角度であり、前記
    θｄｍが１．２５°≦θｄｍ≦３．７５°の範囲の値で
    ある請求項１０に記載の永久磁石内蔵型同期モータ。