JP2005124289A - 永久磁石式モータおよび永久磁石式回転子 - Google Patents

Abstract

【課題】 磁石の量を増大させることなく出力トルクを増大することができ、コギングトルクの発生やトルクリップルを低減することができる永久磁石式モータ及び永久磁石式ロータを提供する。
【解決手段】 ロータ１０の各磁石部１２は径方向中心側に同一極を向けて貼着される。突極部１３ａを介して互いに隣り合う磁石部１２ａ、１２ｂからなる第１ユニット１５と、磁石部１２ｃを介して互いに隣り合う突極部１３ｂ、１３ｃからなる第２ユニット１６とが交互に配列される。それぞれのユニット１５、１６における磁石部１２と突極部１３とは、少なくともいずれかが周方向の長さを異なるように形成され、第１ユニット１５の突極部１３と、第２ユニット１６の磁石部１２とは、周方向の長さが等しくなるように形成されている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、可動子に磁石部と突極部とが交互に配列されている永久磁石式モータおよびロータに磁石部と突極部とが交互に配列されている永久磁石式回転子に関するものである。

従来、例えば、特許文献１には、ハイブリッド車両等に搭載されるモータとして、界磁用永久磁石を中心軸方向に同一極を向けて粘着して磁石部とし、その永久磁石間に凸状の突極部を同数設けて、円周方向内面にＮ極、Ｓ極を交互に発生させる磁気回路を形成するものが提案されている。これにより、磁石の数の減少や低コスト化、生産性の向上を図っている。

また、特許文献２には、磁石部と突極部の周方向のそれぞれの長さをステータの３スロットピッチの長さに設定して、突極部を磁石部よりも回転方向後方に配置する構造にするものが提案されている。これにより、トルクリップル（トルク変動）や磁石部の量、逆起電力をそれぞれ低減する一方で、リラクタンストルクの増加や、磁石部の温度上昇の低減を図っている。

特許文献３には、単極着磁されたｎ個の磁石を、コイルに対向する全ての磁極が同一となるようにヨークに等間隔に配置して磁石部とし、互いに隣り合う磁石部の間のｎ個の突極部が前記磁石部とは反対の磁極に磁化されることで、全体として２ｎ個の磁極が形成される構成としたものが提案されている。これにより、交互に磁極の異なる磁石を配置する場合に比べて磁石の量を半分に低減し、トルクリップルの低減を図っている。
特開平５−３１６６７３号公報 特許第３２８４２７号公報 特開平１０−１７８７５２号公報

しかしながら、従来の技術においては、磁石部と突極部とが、周方向に等しい長さでロータヨークに等間隔に配列されている。また、磁石部と突極部とが、それぞれの径方向内側の端面を段差の無い均一な面を形成するように配列しており、磁石と突極部の高さが同一であったため、次のような問題がある。

すなわち、磁石部や突極部にはティースが対向配置されているが、磁石部とティースとの間の磁気抵抗と、突極部とティースとの間の磁気抵抗とが、それぞれ異なる大きさになるため、磁石部と突極部で発生するトルクに差が生じてしまう。このため、コギングトルクの発生につながるとともに、トルクリップルの原因となる。従って、コギングトルクの発生やトルクリップルを低減させるために、突極部の形状を、周方向の長さで規制したり、突極部の端部のエッジを削る作業が必要となるため、ロータ形状が複雑化してしまいその分コストが増大してしまうという問題がある。

さらに、互いに周方向の長さが等しい磁石部と突極部とを交互に配列した場合には、前記磁石部の周方向中央部は周方向端部に比べて出力トルクに対して寄与率が低くなる。従って、従来においては、磁気抵抗が高くなる割には出力トルクを増大することができず、モータの性能向上の妨げとなるという問題がある。
これに対して、出力トルクを増大させるために磁石の量を増やすことも考えられるが、磁石の量を増やすとコストが増大してしまい、さらに逆起電力や逆磁束の増大を伴いため、好ましくない。

従って本発明は、磁石の量を増大させることなく出力トルクを増大することができ、コギングトルクの発生やトルクリップルを低減することができる永久磁石式モータおよび永久磁石式ロータを提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、固定子とこれに対向する位置に配置される可動子（例えば、実施の形態におけるロータ１０）とを備え、該可動子には固定子と対向する面に磁石部（例えば、実施の形態における磁石部１２）と突極部（例えば、実施の形態における突極部１３、２３）とが交互に配列されているモータにおいて、各磁石部は前記対向する面に同一極を向けて貼着され、突極部を介して互いに隣り合う磁石部からなる第１ユニット（例えば、実施の形態における第１ユニット１５）と、磁石部を介して互いに隣り合う突極部からなる第２ユニット（例えば、実施の形態における第２ユニット１６）とが交互に配列され、それぞれのユニットにおける磁石部と突極部とは、少なくともいずれかが周方向の長さを異なるように形成され（例えば、実施の形態における長さＬ２）、第１ユニットの突極部（例えば、実施の形態における突極部１３ａ）と、第２ユニットの磁石部（例えば、実施の形態における磁石部１２ｃ）とは、周方向の長さが等しくなるように形成されていることを特徴とする。

この発明によれば、各磁石部は径方向中心側に同一極を向けて貼着されるため、各磁石部に隣り合う突極部が、磁石からの磁束との同一極による反発作用により、磁石とは反対側の極に着磁され、さらに、第１ユニット及び第２ユニットにおける磁石部と突極部とは、少なくともいずれかが周方向の長さを異なるように構成されており、このような構成では、前記第１ユニットは隣り合う磁石部の間に突極部が介在しているが、前記第１ユニットを磁石全体で構成した場合に比べ、第２ユニットの両端部分に保持されるトルク発生に有効な磁束量は同等に発生する。また、前記第２ユニットは隣り合う突極部の間に磁石部が介在しているため、第１ユニット全体を磁石部とする一方で第２ユニット全体を突極部とした場合に比べて、第２ユニットの両端部分に保持されるトルク発生に有効な磁束量を前記介在する磁石部により増加させることができる。
したがって、この発明によれば、磁石の使用量を互いに磁極の異なる磁石を配列する場合に比べて略半分の量に抑制できるとともに、前記異なる磁石を配列する場合とほぼ同等のトルクを出力することができる。また、周方向の長さの等しい磁石部と突極部とを交互に配列する場合に比べて発生トルクの増加を図ることができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載のものであって、前記第１ユニットの周方向長さをＬｕ１、前記第１ユニットの突極部の周方向長さをＬｔとしたとき、該突極部の周方向長さＬｔを、０＜Ｌｔ＜（１／３）Ｌｕ１、とし、前記第２ユニットの周方向長さをＬｕ２、前記第２ユニットの磁石部の周方向長さをＬｍとしたとき、該磁石部の周方向長さＬｍを、０＜Ｌｍ＝Ｌｔ＜（１／３）Ｌｕ２、とすることを特徴とする。
この発明によれば、前記第１ユニットの突極部の周方向長さＬｔを、０＜Ｌｔ＜（１／３）Ｌｕ１とし、前記第２ユニットの磁石部の周方向長さＬｍを、０＜Ｌｍ＝Ｌｔ＜（１／３）Ｌｕ２とすることで、第１ユニットの磁石部と第２ユニットの磁石部の周方向長さが均一になることが避けられるので、第２ユニットの両端部分に保持される有効な磁束量を前記介在する磁石部により増加させることができる。

請求項３に係る発明は、ロータ鉄心の外周または内周に磁石部と突極部とが交互に配列されている永久磁石式回転子において、各磁石部は径方向中心側に同一極を向けて貼着され、突極部を介して互いに隣り合う磁石部からなる第１ユニットと、磁石部を介して互いに隣り合う突極部からなる第２ユニットとが交互に配列され、それぞれのユニットにおける磁石部と突極部とは、少なくともいずれかが周方向の長さを異なるように形成され、第１ユニットの突極部と、第２ユニットの磁石部とは、周方向の長さが等しくなるように形成されていることを特徴とする。

この発明においても、各磁石部は径方向中心側に同一極を向けて貼着されるため、各磁石部に隣り合う突極部が、磁石からの磁束との同一極による反発作用により、磁石とは反対側の極に着磁され、さらに、第１ユニット及び第２ユニットにおける磁石部と突極部とは、少なくともいずれかが周方向の長さを異なるように構成されており、このような構成では、前記第１ユニットは隣り合う磁石部の間に突極部が介在しているが、前記第１ユニットを磁石全体で構成した場合に比べて、第２ユニットの両端部分に保持されるトルク発生に有効な磁束量は同等に発生する。また、前記第２ユニットは隣り合う突極部の間に磁石部が介在しているため、第１ユニット全体を磁石部とする一方で第２ユニット全体を突極部とした場合に比べて、第２ユニットの両端部分に保持されるトルク発生に有効な磁束量を前記介在する磁石部により増加させることができる。
したがって、この発明によれば、磁石の使用量を互いに磁極の異なる磁石を配列する場合に比べて略半分の量に抑制できるとともに、前記異なる磁石を配列する場合とほぼ同等のトルクを出力することができる。また、周方向の長さの等しい磁石部と突極部とを交互に配列する場合に比べて発生トルクの増加を図ることができる。

請求項４に係る発明は、請求項３に記載のものであって、前記第１ユニットの周方向長さをＬｕ１、前記第１ユニットの突極部の周方向長さをＬｔとしたとき、該突極部の周方向長さＬｔを、０＜Ｌｔ＜（１／３）Ｌｕ１、とし、前記第２ユニットの周方向長さをＬｕ２、前記第２ユニットの磁石部の周方向長さをＬｍとしたとき、該磁石部の周方向長さＬｍを、０＜Ｌｍ＝Ｌｔ＜（１／３）Ｌｕ２、とすることを特徴とする。
この発明によれば、前記第１ユニットの突極部の周方向長さＬｔを、０＜Ｌｔ＜（１／３）Ｌｕ１とし、前記第２ユニットの磁石部の周方向長さＬｍを、０＜Ｌｍ＝Ｌｔ＜（１／３）Ｌｕ２とすることで、第１ユニットの磁石部と第２ユニットの磁石部の周方向長さが均一になることが避けられるので、第２ユニットの両端部分に保持される有効な磁束量を前記介在する磁石部により増加させることができる。

請求項５に係る発明は、請求項３または請求項４に記載のものであって、前記突極部は前記磁石部よりも径方向の高さを低く形成していることを特徴とする。
この発明によれば、前記突極部や前記磁石部に対向するステータのティースに対して、前記突極部と前記ティースとの間のエアギャップを、前記磁石部と前記ティースとの間のエアギャップよりも増大させることができるため、前記突極部間に介在する磁石の厚さ分だけ増加したトルクを、前記増大したエアギャップによって減少させることができ、トルクリップルを低減することができる。
また、前記磁石部での逆磁束を低減することができるので、トルクリップルをさらに低減することができる。

請求項６に係る発明は、請求項３から請求項５のいずれかに記載のものであって、前記磁石部と前記突極部の間には、前記ロータ鉄心とこれに対向するティース（例えば、実施の形態におけるティース２１）とのエアギャップの大きさよりも深い溝（例えば、実施の形態における溝４１）が形成されていることを特徴とする。
この発明によれば、前記溝により前記磁石部と前記突極部との間に空隙を形成することで、前記磁石部と前記突極部との間で磁束の漏洩を遮断することができるため、その分トルクを発生させるための有効磁束量を増やすことができる。

請求項１、請求項３に記載した発明によれば、磁石の使用量を互いに磁極の異なる磁石を配列する場合に比べて略半分の量に抑制できるとともに、前記異なる磁石を配列する場合とほぼ同等のトルクを出力することができる。加えて、各磁石部をトルク発生に有効利用することができ、出力トルクを増大させることが可能となり、モータの性能を向上させることが可能である。
請求項２、請求項４に記載した発明によれば、第１ユニットの磁石部と第２ユニットの磁石部の周方向長さが均一になることが避けられるので、第２ユニットの両端部分に保持される有効な磁束量が前記介在する磁石部により増加させることができる。

請求項５に記載した発明によれば、前記突極部間に介在する磁石の厚さ分だけ増加したトルクを、前記増大したエアギャップによって減少させることができ、前記磁石部での逆磁束を低減することができるので、トルクリップルを低減することができる。
請求項６に記載した発明によれば、前記磁石部と前記突極部との間で磁束の漏洩を遮断することができるため、その分トルクを発生させるための有効磁束量を増やすことができる。

以下、本発明の実施の形態における永久磁石式モータ及び永久磁石式ロータを図面と共に説明する。この永久磁石式ロータはブラシレスモータに適用される外転式ロータである。
図１は本発明の第１の実施の形態におけるモータが備える永久磁石式ロータの要部断面図である。また、図２は図１に示す永久磁石式ロータの展開図である。図１に示すように、ロータ１０は、断面略円環状に形成されるロータヨーク１１と、該ロータヨーク１１の内周側に所定間隔で貼付される永久磁石部１２と、該磁石部１２間に形成される突極部１３とを備えて構成される。

ロータヨーク１１および突極部１３は軟磁性の電磁鋼板を軸方向（紙面に直交する方向）に積層されて構成されている。各電磁鋼板は、その本体部分を略円環状に形成され、その本体部から径方向内側に矩形状に突出する凸部が周方向等間隔に設けられている。このような電磁鋼板を積層することで、略円筒状のロータヨーク１１と、該ロータヨーク１１から径方向内側に突出する突極部１３が形成される。また、各突極部１３の間には、断面矩形状の界磁用永久磁石を収容するための凹部１４が形成され、該凹部１４に貼着された磁石が磁石部１２となる。このとき、各磁石部１２の磁石は径方向中心側に同一極を向けて貼着される。

また、ロータヨーク１１の径方向中心側には、突極部１３ａを介して互いに隣り合う磁石部１２ａ、１２ｂからなる第１ユニット１５と、磁石部１２ｃを介して互いに隣り合う突極部１３ｂ、１３ｃからなる第２ユニット１６とが交互に配列されている。
また、図２に示すように、第１ユニット１５と第２ユニット１６とは、それぞれの対応する各部材（磁石部１２ａと突極部１３ｂ、突極部１３ａと磁石部１２ｃ、磁石部１２ｃと突極部１３ｃ）のそれぞれの周方向の長さＬ１〜Ｌ３と、全体の周方向の長さＬが等しくなるように設定されている。
換言すれば、第１ユニット１５全体を磁石部とし、第２ユニット１６全体を突極部とした場合のそれぞれ周方向中心側の一部分（この場合は長さＬ２）を互いに置き換えたものとなっている（図３の矢印Ａ参照）。

そして、各ユニット１５、１６の周方向中央側に配置される部材（突極部１３ａと磁石部１２ｃ）の周方向の長さＬ２は、他の部材の周方向の長さＬ１、Ｌ３に対して異なる長さになるように設定されている。より具体的には、周方向の長さＬ２が、
式（１）：０＜Ｌ２＜（１／３）Ｌ
となるように設定されている。

次に本発明の磁気回路構造について説明する。図３は図２に示す永久磁石式ロータにおける磁力線の様子を示す説明図である。磁石部１２の径方向内側の面の磁束は、径方向外側（ロータヨーク１１側）から径方向内側に向かい流れるため、磁石部１２はＮ極となる。また、突極部１３の径方向内側の面の磁束は、隣接する界磁用磁石からの磁束との同一極による反発作用により、径方向外側から径方向内側に向かい流れるため、向かい突極部１３に流れる。よって突極部１３はＳ極を発生する。この結果、ロータは円周方向内面にＮ極Ｓ極が交互に発生することとなる。従って、同一方向に着磁した磁石部１２により、周方向に交互に磁極の異なる磁石部１２を着磁した場合と同様の磁気回路を構成することが可能となる。これにより、磁石の使用量を互いに磁極の異なる磁石を配列する場合に比べて略半分の量に抑制できるとともに、前記異なる磁石を配列する場合とほぼ同等のトルクを出力することができる。

加えて、第１ユニット１５は隣り合う磁石部１２ａ、１２ｂの間に突極部１３ａが介在しているため、前記第１ユニット１５を磁石全体で構成した場合と同等の磁束を前記第２ユニット１６に発生させることができる。また、第２ユニット１６は隣り合う突極部１３ｂ、１３ｃの間に磁石部１２ｃが介在しているため、第２ユニット１６に発生する磁束を磁石部１２ｃによりさらに増加させることができる。従って、第１ユニット１５全体を磁石部１２とする一方で第２ユニット１６全体を突極部１３とした場合に比べて、磁石の量を増加させることなく発生する磁束の量を増加させることができる。このため、各磁石部１２をトルク発生に有効利用することができ、出力トルクを増大させることが可能となり、モータの性能を向上させることが可能である。

図４は本発明の第２の実施の形態における永久磁石式ロータ２０の展開図である。以下の説明において、上述の実施の形態と同様の部材については、同一の番号を付してその説明を適宜省略する。
同図に示すように、本実施の形態においては、突極部２３は磁石部１２よりも径方向の高さを低く形成している点が上述の実施の形態と異なっている。このようにすると、突極部２３や磁石部１２に対向するステータのティース２１に対して、前記突極部２３と前記ティース２１との間のエアギャップｇ２を、前記磁石部１２と前記ティース２１との間のエアギャップｇ１よりも増大させることができるため、前記突極部２３間に介在する磁石の厚さ分だけ増加したトルクを、前記増大したエアギャップｇ２によって減少させることができ、トルクリップルを低減することができる。また、前記磁石部１２での逆磁束を低減することができるので、トルクリップルをさらに低減することができる。なお、図４や以下に示す図５、図６には、説明を簡単にするため、各ティース２１の全体概形のみを示している。

図５は本発明の第３の実施の形態における永久磁石式ロータ３０の展開図である。同図に示したように、本実施の形態においては、第１ユニット１５の突極部１３の径方向の高さを磁石部１２の高さと等しくするとともに、第２ユニット１６の突極部２３の径方向の高さを磁石部１２の高さよりも低く形成している点が上述の実施の形態と異なっている。このようにすると、前述の実施の形態と同様にトルクリップルを低減することができるとともに、第１ユニット１５に保持される磁石部１２の位置決め精度を高めることができ、突極部１３の剛性を高めることができる。

図６は本発明の第４の実施の形態における永久磁石式ロータ４０の展開図である。同図に示したように、本実施の形態においては、第３の実施の形態における前記磁石部１２と前記突極部２３の間に溝４１が形成されており、この溝４１の深さｇ３は前記ロータ表面とこれに対向するティース２１とのエアギャップの大きさｇ１よりも深くなるように形成されている点が上述の実施の形態と異なっている。このようにすると、前記溝４１により前記磁石部１２と前記突極部２３との間に空隙を形成することで、前記磁石部１２と前記突極部２３との間で磁束の漏洩を遮断することができるため、その分トルクを発生させるための有効磁束量を増やすことができる。

図７は本発明の第５の実施の形態における永久磁石式ロータ５０の展開図である。同図に示したように、本実施の形態においては、第２の実施の形態における前記磁石部１２と前記突極部２３の間に、第５の実施の形態における溝４１が形成されている。このようにすると、前記溝４１により有効磁束量を増やすことができるとともに、突極部２３のエアギャップの増大によりトルクリップルをさらに低減することができる。

なお、本発明の内容は上述した実施の形態のみに限られるものではないことはもちろんであり、例えば、外転型ロータに限らず内転型ロータにも適用することができる。また、本発明における永久磁石式モータは、ハイブリッド車両のみならずリニアモータカーなどの車両にも搭載することができる。

本発明の第１の実施の形態における永久磁石式モータが備える永久磁石式ロータの要部断面図である。 図１に示す永久磁石式ロータの展開図である。 図２に示す永久磁石式ロータにおける磁力線の様子を示す説明図である。 本発明の第２の実施の形態における永久磁石式ロータの展開図である。 本発明の第３の実施の形態における永久磁石式ロータの展開図である。 本発明の第４の実施の形態における永久磁石式ロータの展開図である。 本発明の第５の実施の形態における永久磁石式ロータの展開図である。

符号の説明

１０、２０、３０、４０、５０ ロータ
１２ 磁石部
１３、２３ 突極部
１５、２５ 第１ユニット
１６、２６ 第２ユニット
２１ ティース
４１ 溝

Claims (6)

1. 固定子とこれに対向する位置に配置される可動子とを備え、
   該可動子には固定子と対向する面に磁石部と突極部とが交互に配列されているモータにおいて、
   各磁石部は前記対向する面に同一極を向けて貼着され、
   突極部を介して互いに隣り合う磁石部からなる第１ユニットと、
   磁石部を介して互いに隣り合う突極部からなる第２ユニットとが交互に配列され、
   それぞれのユニットにおける磁石部と突極部とは、少なくともいずれかが周方向の長さを異なるように形成され、
   第１ユニットの突極部と、第２ユニットの磁石部とは、周方向の長さが等しくなるように形成されていることを特徴とする永久磁石式モータ。
2. 前記第１ユニットの周方向長さをＬｕ１、前記第１ユニットの突極部の周方向長さをＬｔとしたとき、該突極部の周方向長さＬｔを、０＜Ｌｔ＜（１／３）Ｌｕ１、とし、
   前記第２ユニットの周方向長さをＬｕ２、前記第２ユニットの磁石部の周方向長さをＬｍとしたとき、該磁石部の周方向長さＬｍを、０＜Ｌｍ＝Ｌｔ＜（１／３）Ｌｕ２、とすることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石式モータ。
3. ロータ鉄心の外周または内周に磁石部と突極部とが交互に配列されている永久磁石式回転子において、
   各磁石部は径方向中心側に同一極を向けて貼着され、
   突極部を介して互いに隣り合う磁石部からなる第１ユニットと、
   磁石部を介して互いに隣り合う突極部からなる第２ユニットとが交互に配列され、
   それぞれのユニットにおける磁石部と突極部とは、少なくともいずれかが周方向の長さを異なるように形成され、
   第１ユニットの突極部と、第２ユニットの磁石部とは、周方向の長さが等しくなるように形成されていることを特徴とする永久磁石式回転子。
4. 前記第１ユニットの周方向長さをＬｕ１、前記第１ユニットの突極部の周方向長さをＬｔとしたとき、該突極部の周方向長さＬｔを、０＜Ｌｔ＜（１／３）Ｌｕ１、とし、
   前記第２ユニットの周方向長さをＬｕ２、前記第２ユニットの磁石部の周方向長さをＬｍとしたとき、該磁石部の周方向長さＬｍを、０＜Ｌｍ＝Ｌｔ＜（１／３）Ｌｕ２、とすることを特徴とする請求項３に記載の永久磁石式回転子。
5. 前記突極部は前記磁石部よりも径方向の高さを低く形成していることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の永久磁石式回転子。
6. 前記磁石部と前記突極部の間には、前記ロータ鉄心とこれに対向するティースとのエアギャップの大きさよりも深い溝が形成されていることを特徴とする請求項３から請求項５のいずれかに記載の永久磁石式回転子。
   

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