JP2005210795A - 永久磁石モータ - Google Patents

Abstract

【課題】 表面磁石型の永久磁石モータにおいて、永久磁石モータの一次側電機子のインダクタンスを小さくして力率を向上させると共に、二次側コアにおける永久磁石に基づく磁束を有効活用できる構成を得ることを目的とする。
【解決手段】 径方向に突出した複数の磁極ティースを有する第１の鉄心及び上記磁極ティースに装着された一次側巻線を有する一次側電機子２、一次側電機子２の第１の鉄心の中心軸と同軸にある第２の鉄心３及び磁極ティースに面して第２の鉄心３の表面に周方向に所定ピッチで装着された永久磁石４ａ，４ｂを有する二次側コア１を備えた永久磁石モータにおいて、永久磁石４ａ、４ｂそれぞれの周方向略中央において、第２の鉄心３に軸方向に開けられた孔７を設け、第２の鉄心３の径方向において肉厚が薄くなる狭小部を形成した。
【選択図】 図１

Description

この発明は、永久磁石モータに関するものであり、詳細には、永久磁石モータの力率を向上する技術に関するものである。

従来、永久磁石モータにおいて、力率を向上するために、固定子巻線等、一次側巻線のインダクタンスを小さくする努力がなされてきた。

例えば、特許文献１に示されるように、回転子鉄心（二次側）に永久磁石を埋め込んだ埋込磁石型の永久磁石モータにおいて、永久磁石の径方向外側の回転子鉄心表面にスリットを設けて固定子巻線の電流に基づく磁束の磁路における磁気抵抗を大きくし、固定子巻線（一次側）のインダクタンスを小さくしていた。

特開平７−３３６９１７号公報（第４−５頁、図１）

上記特許文献１の発明は、埋込磁石型の永久磁石モータには適用可能であるが、表面磁石型の永久磁石モータには適用できないという問題があった。

また、永久磁石に基づく磁束の磁路中にスリットがあるため、永久磁石に基づく磁束量が、スリットが無い場合にくらべて著しく低下する。すなわち、永久磁石に基づく磁束を有効活用できないという問題があった。

この発明は、上記のような従来の問題を解決するものであり、表面磁石型の永久磁石モータにおいて、永久磁石モータの一次側のインダクタンスを小さくして力率を向上させると共に、二次側における永久磁石に基づく磁束を有効活用できる構成を得ることを目的とするものである。

この発明に係る永久磁石モータは、径方向に突出した複数の磁極ティースが形成された第１の鉄心及び上記磁極ティースに装着された一次側巻線を有する一次側電機子、上記第１の鉄心の中心軸と同軸にある第２の鉄心及び上記磁極ティースに面して上記第２の鉄心の表面に周方向に所定ピッチで装着された永久磁石を有する二次側コアを備えた永久磁石モータにおいて、
上記永久磁石それぞれの周方向略中央において、上記第２の鉄心に軸方向に開けられた孔を設けることにより、上記第２の鉄心の径方向厚さが薄くなる狭小部を形成したものである。

また、直線状に配置した複数の磁極ティースを有する第１の鉄心及び上記磁極ティースに装着した一次巻線を有する一次側電機子、上記第１の鉄心と対向する直線状の第２の鉄心及び上記磁極ティースに面して上記第２の鉄心表面に所定ピッチで装着された永久磁石を有する二次側コアを備えた永久磁石モータにおいて、
上記永久磁石それぞれの周方向略中央において、上記第２の鉄心に軸方向に開けられた孔を設けることにより、上記第２の鉄心の径方向厚さが薄くなる狭小部を形成したものである。

このように構成することにより、一次側の巻線に基づく磁束の磁路の磁気抵抗が大きくなる。このため、一次側巻線に基づく磁束のうち二次側の第２の鉄心を通る割合が減少し、一次側の巻線のインダクタンスが小さくなり、力率が向上する。

また、永久磁石の下部に孔を設けて、永久磁石に基づく磁束の磁路の磁気抵抗とならないようにしているので、永久磁石に基づく磁束を有効に活用できる。

実施の形態１．
図１は、この発明に係る永久磁石モータの実施の形態１を説明するための断面図であり、一例として、一次側電機子２の内側に、４極の二次側コア１を備えた永久磁石モータの構成を示している。

図１に示したように、永久磁石モータの二次側コア１は、第２の鉄心３、第２の鉄心３の表面に設けられた永久磁石４ａ及び４ｂ、及び第２の鉄心３の中心軸上に設けられたシャフト５を備え、永久磁石４ａ及び４ｂの径方向の中心軸方向において、第２の鉄心３に孔７が設けられている。

また、永久磁石４ａ及び４ｂの径方向外側には、一次側電機子２が設けられ、一次側電機子２は径方向内周側に突出した磁極ティース（図示せず）を有する第１の鉄心及び磁気ティースに装着された一次側巻線を有し、第２の鉄心３と同軸上に設けられ、一次側巻線に通電することによって、一次側電機子２または二次側コア１のいずれか一方が回転できるように構成される。

図２及び図３は、表面磁石型モータのｄｑベクトルを示す図である。図中、φは磁束、φmは永久磁石に基づく磁束、Ｌｑはｑ軸インダクタンス、ｉｑはｑ軸電流、Ｖは電圧、Ｒは一次側巻線抵抗である。また、ｃｏｓθが力率である。図３は、図２に比べてｑ軸インダクタンスが小さくなった場合のｄｑベクトル図を示している。図３では、図２の場合に比べてθの値が小さくなり、力率が１に近づいている。このことから、ｑ軸インダクタンスが小さいほど力率が１に近づくことがわかる。

次いで、ｑ軸インダクタンスについて説明する。図４は、永久磁石モータの二次側における磁路を示す図である。まず、ｑ軸の磁路とは、図４中の実線で示した磁路であり、二次側の径方向外側では一次側（図示せず）中を通る。このｑ軸磁路では、次式（１）の磁気回路方程式が成立する。
Γ＝Ｒｍ・Φｑ （１）

上記式（１）において、Γは一次側巻線の起磁力、Ｒｍはｑ軸磁路の磁気抵抗、Φｑはｑ軸の磁束である。一方、Φｑは次式（２）で表される。
Φｑ＝Ｌｑ・ｉｑ （２）

従って、ｑ軸インダクタンスＬｑの算出式は、次式（３）となる。
Ｌｑ＝Γ／（ｉｑ・Ｒｍ） （３）

上記式（３）から、ｑ軸インダクタンスＬｑを小さくするためには、ｑ軸磁路の磁気抵抗Ｒｍを大きくすれば良いと言える。

磁気抵抗を大きくするために、この実施の形態１では、図１に示したように、永久磁石の周方向略中央において、第２の鉄心３に軸方向に開けられた孔７を設け、第２の鉄心３の径方向において第２の鉄心３の肉厚が薄くなる狭小部を形成した。このように構成することによって、ｑ軸磁路の磁気抵抗Ｒｍが大きくなり、ｑ軸インダクタンスＬｑが低減でき、ひいては、力率の向上を実現できるという効果がある。

図５は、永久磁石４より内側において、ｑ軸磁路中の第２の鉄心３の肉厚が薄くなっている狭小部の肉厚寸法を示しており、永久磁石４と孔７との間における狭小部の径方向厚さをＲ１、狭小部の径方向全厚さをＲｃ、全厚さＲｃとＲ１との差をＲ２としている。

図６は、ｑ軸インダクタンスＬｑのＲｃの大きさに対する依存性を示す図である。横軸はＲｃの極ピッチτに対する大きさを示し、縦軸はＲｃが十分に大きい場合を１００％としてｑ軸インダクタンスＬｑを示している。ここで、極ピッチτとは永久磁石４ａの中心と隣り合う永久磁石４ｂの中心との周方向相互距離である。

図６より、Ｒｃ/τが約２５％以下の範囲においてｑ軸インダクタンスが低減していることがわかる。従って、ｑ軸インダクタンスＬｑを低減するためには、Ｒｃ／τを２５％以下とすることが好ましい。

しかしながら、孔７が大きすぎてＲ１が小さい場合、Ｒ１が永久磁石４に基づく磁束Φｍの磁路の磁気抵抗となり、磁束Φｍが小さくなる。Φｍが小さくなると、次式（４）で表されるトルクＴが小さくなるため良くない。
Ｔ＝ｋ・Φｍ・ｉｑ （４）
ここで、kはモータによって決まる定数である。

図７は、永久磁石４ａ及び４ｂに基づく磁束Φｍの、Ｒ１（図５参照）の大きさに対する依存性を示す図である。横軸はＲ１の極ピッチτに対する大きさを示し、縦軸は永久磁石４ａ及び４ｂに基づく磁束Φｍを示し、Ｒ１が十分に大きい場合を１００％として示している。

図７より、Ｒ１／τが約４％以下の領域ではΦｍが低下しており、トルクが低下する。従って、Φｍを低下させないようにするためにはＲ１／τを４％以上にすることが好ましい。

以上の説明から、Ｒ１、Ｒ２およびＲｃの関係が、次式（５）のようになっていることが好ましいことがわかる。
０．０４≦（Ｒ１＋Ｒ２）／τ＝（Ｒｃ／τ）
（但し、Ｒ１／τ≧０．０４） （５）

また、次式（６）のようになっていることが、より好ましいことがわかる。
０．０４≦（Ｒ１＋Ｒ２）／τ＝（Ｒｃ／τ）≦０．２５
（但し、Ｒ１／τ≧０．０４） （６）

実施の形態２．
図８及び図９は、この発明に係る永久磁石モータの実施の形態２を説明するための断面図である。この実施の形態２では、孔７の径方向断面の形状をを陸上競技場のトラック形状に構成した例（図８）、あるいは、孔７を概略三角形に構成した例（図９）を示している。このような構成とした場合でも実施の形態１と同様にｑ軸磁路の磁気抵抗が大きくなり、ｑ軸インダクタンスの低減、ひいては力率向上を実現できる。また、永久磁石４ａ及び４ｂに基づく磁束Φｍが低下しないように構成することができる。このように、孔７の形状は円形に限らず、どのような形状でも良い。

実施の形態３．
図１０は、この発明に係る永久磁石モータの実施の形態３を説明するための断面図である。この実施の形態３では、図５に示したＲ２を０ｍｍとしている。このように、Ｒ２＝０ｍｍとしても、上記式（５）及び（６）の範囲内に構成することができる。このような構成とした場合でも実施の形態１と同様、ｑ軸磁路の磁気抵抗が大きくなり、ｑ軸インダクタンスの低減、ひいては力率向上を実現できる。また、永久磁石４ａ及び４ｂに基づく磁束Φｍが低下しないように構成することができる。このように、孔７の形状は図５に示したＲ１のみを有する形状等種々の形状とすることができる。

実施の形態４．
図１１及び図１２は、この発明に係る永久磁石モータの実施の形態４を説明するための断面図である。この実施の形態４では、孔７の径方向断面形状に凹凸を設けて第２の鉄心３の狭小部（Ｒ２）を複数個形成している。このような構成とした場合でも実施の形態１と同様、ｑ軸磁路の磁気抵抗が大きくなり、ｑ軸インダクタンスの低減、ひいては力率向上を実現できる。また、永久磁石４ａ及び４ｂに基づく磁束Φｍが低下しないように構成することができる。このように、狭小部（Ｒ２）が複数個あってもよい。

実施の形態５．
図１３及び図１４は、この発明に係る永久磁石モータの実施の形態５を説明するための断面図である。この実施の形態５では、孔７を複数に分割して構成している。この場合は、図１４に示したように、Ｒ２はＲ３とＲ４の和となる。このような構成とした場合でも実施の形態１と同様にｑ軸磁路の磁気抵抗が大きくなり、ｑ軸インダクタンス低減、ひいては力率向上を実現できる。また、永久磁石４ａ及び４ｂに基づく磁束Φｍが低下しないように構成することができる。このように、孔７を複数に分割して構成しても良い。

実施の形態６．
図１５は、この発明に係る永久磁石モータの実施の形態６を説明するための断面図である。この実施の形態６では、６極の永久磁石モータの一例を示しており、各極を構成する永久磁石４ａ及び４ｂに対応させて孔７を設けている。このような構成とした場合でも実施の形態１と同様、ｑ軸磁路の磁気抵抗が大きくなり、ｑ軸インダクタンスの低減、ひいては力率向上を実現できる。また、永久磁石４ａ及び４ｂに基づく磁束Φｍが低下しないように構成することができる。このように、モータの極数はどのような数でも良い。

実施の形態７．
図１６は、この発明に係る永久磁石モータの実施の形態７を説明するための断面図である。上記実施の形態１乃至６では、二次側コア１を一次側電機子２の内側に配置する場合を示したが、この実施の形態７では、図１６に示したように、二次側コア１を一次側電機子２の径方向外側に配置している。

また、一次側コア２には径方向外周側に突出した磁極ティース（図示せず）有する一次側の第１の鉄心があり、磁極ティースに一次側巻線が装着され、第１の鉄心は第２の鉄心３と同軸上に設けられている。そして、一次側巻線に通電することによって、一次側電機子２または二次側コア１のいずれか一方が回転できるように構成される。

また、永久磁石４ａ及び４ｂの周方向略中央の径方向の中心軸と反対方向において、第２の鉄心３に孔７が設けられている。

このような構成とした場合でも実施の形態１と同様、ｑ軸磁路の磁気抵抗が大きくなり、ｑ軸インダクタンスの低減、ひいては力率向上を実現できる。また、永久磁石４ａ及び４ｂに基づく磁束Φｍが低下しないように構成することができる。

この実施の形態７において、永久磁石４ａ，４ｂと孔７との間における第２の鉄心３の径方向厚さをＲ１、狭小部の全厚さをＲｃとし、ＲｃとＲ１との差をＲ２としたとき、上記式（５）及び式（６）の範囲にすることによって、上記実施の形態１と同様の効果が得られる。

また、孔７の形状は上記実施の形態２と同様、種々の形状をとり得る。また、上記実施の形態４と同様、孔７に狭小部（Ｒ２）を複数箇所設けても良い。また、上記実施の形態５と同様、孔７を複数個に分割しても良い。

実施の形態８．
図１７は、この発明に係る永久磁石モータの実施の形態８を説明するための断面図である。この実施の形態８は、本発明を永久磁石リニアモータに適用した例である。

この実施の形態８においては、一次側電機子２の巻線を装着した磁極ティースが直線状に配列されており、一次側電機子２と対向するように二次側コア１が配置されている。二次側コア１の第２の鉄心３には、一次側電機子２の磁極ティースに面するように永久磁石４ａ，４ｂが装着されている。

このように構成された永久磁石モータの場合でも、実施の形態１と同様に構成すればｑ軸磁路の磁気抵抗が大きくなり、ｑ軸インダクタンス低減ひいては力率向上を実現できる。また、永久磁石４に基づく磁束Φｍが低下しない。

この実施の形態８において、永久磁石４ａ，４ｂと孔７との間における二次側コア３の径方向厚さをＲ１、狭小部の全厚さをＲｃとし、ＲｃとＲ１との差をＲ２としたとき、上記式（５）及び式（６）の範囲にすることによって、上記実施の形態１と同様の効果が得られる。

また、孔７の形状は上記実施の形態２と同様、種々の形状をとり得る。また、上記実施の形態４と同様、孔７に狭小部（Ｒ２）を複数箇所設けても良い。また、上記実施の形態５と同様、孔７を複数個に分割しても良い。

この発明に係る永久磁石モータは、工作機械の位置決め用サーボモータ、リニアモータ等に用いることができる。

この発明に係る永久磁石モータの実施の形態１を説明するための断面図である。 表面磁石型モータのｄｑベクトルを示す図である。 表面磁石型モータのｄｑベクトルを示す図である。 永久磁石モータの二次側における磁路を示す断面図である。 永久磁石４より内側のｑ軸磁路中の二次側コア３の幅が最も小さい場所の寸法を示す断面図である。 ｑ軸インダクタンスＬｑのＲｃの大きさに対する依存性を示す図である。 永久磁石４ａ及び４ｂに基づく磁束Φｍの、Ｒ１（図５参照）の大きさに対する依存性を示す図である。 この発明に係る永久磁石モータの実施の形態２を説明するための断面図である。 この発明に係る永久磁石モータの実施の形態２を説明するための断面図である。 この発明に係る永久磁石モータの実施の形態３を説明するための断面図である。 この発明に係る永久磁石モータの実施の形態４を説明するための断面図である。 この発明に係る永久磁石モータの実施の形態４を説明するための断面図である。 この発明に係る永久磁石モータの実施の形態５を説明するための断面図である。 この発明に係る永久磁石モータの実施の形態５を説明するための断面図である。 この発明に係る永久磁石モータの実施の形態６を説明するための断面図である この発明に係る永久磁石モータの実施の形態７を説明するための断面図である。 この発明に係る永久磁石モータの実施の形態８を説明するための断面図である。

符号の説明

１ 二次側コア、２ 一次側電機子、３ 第２の鉄心、４ａ，４ｂ 永久磁石、
５ シャフト、７ 孔。

Claims (13)

1. 径方向に突出した複数の磁極ティースが形成された第１の鉄心及び上記磁極ティースに装着された一次側巻線を有する一次側電機子、上記第１の鉄心の中心軸と同軸にある第２の鉄心及び上記磁極ティースに面して上記第２の鉄心の表面に周方向に所定ピッチで装着された永久磁石を有する二次側コアを備えた永久磁石モータにおいて、
   上記永久磁石それぞれの周方向略中央において、上記第２の鉄心に軸方向に開けられた孔を設けることにより、上記第２の鉄心の径方向厚さが薄くなる狭小部を形成したことを特徴とする永久磁石モータ。
2. 上記狭小部の中の上記永久磁石と上記孔との間における厚さをＲ１、上記狭小部の全厚さをＲｃ、上記Ｒｃと上記Ｒ１との差をＲ２、上記永久磁石の装着ピッチをτとしたとき、下記式（Ａ）を満たすことを特徴とする請求項１記載の永久磁石モータ。
   ０．０４≦（Ｒ１＋Ｒ２）／τ＝（Ｒｃ／τ）
   （但し、Ｒ１／τ≧０．０４） （Ａ）
3. 上記狭小部の中の上記永久磁石と上記孔との間における厚さをＲ１、上記狭小部の全厚さをＲｃ、上記Ｒｃと上記Ｒ１との差をＲ２、上記永久磁石の装着ピッチをτとしたとき、下記式（Ｂ）を満たすことを特徴とする請求項１記載の永久磁石モータ。
   ０．０４≦（Ｒ１＋Ｒ２）／τ＝（Ｒｃ／τ）≦０．２５
   （但し、Ｒ１／τ≧０．０４） （Ｂ）
4. 上記第２の鉄心の径方向厚さＲ２を０としたことを特徴とする請求項２または３記載の永久磁石モータ。
5. 直線状に配置した複数の磁極ティースを有する第１の鉄心及び上記磁極ティースに装着した一次巻線を有する一次側電機子、上記第１の鉄心と対向する直線状の第２の鉄心及び上記磁極ティースに面して上記第２の鉄心表面に所定ピッチで装着された永久磁石を有する二次側コアを備えた永久磁石モータにおいて、
   上記永久磁石それぞれの周方向略中央において、上記第２の鉄心に軸方向に開けられた孔を設けることにより、上記第２の鉄心の径方向厚さが薄くなる狭小部を形成したことを特徴とする永久磁石モータ。
6. 上記狭小部の中の上記永久磁石と上記孔との間における厚さをＲ１、上記狭小部の全厚さをＲｃ、上記Ｒｃと上記Ｒ１との差をＲ２、上記永久磁石の装着ピッチをτとしたとき、下記式（Ｃ）を満たすことを特徴とする請求項５記載の永久磁石モータ。
   ０．０４≦（Ｒ１＋Ｒ２）／τ＝（Ｒｃ／τ）
   （但し、Ｒ１／τ≧０．０４） （Ｃ）
7. 上記狭小部の中の上記永久磁石と上記孔との間における厚さをＲ１、上記狭小部の全厚さをＲｃ、上記Ｒｃと上記Ｒ１との差をＲ２、上記永久磁石の装着ピッチをτとしたとき、下記式（Ｄ）を満たすことを特徴とする請求項５記載の永久磁石モータ。
   ０．０４≦（Ｒ１＋Ｒ２）／τ＝（Ｒｃ／τ）≦０．２５
   （但し、Ｒ１／τ≧０．０４） （Ｄ）
8. 上記孔の軸方向と垂直な断面形状は、円形、三角形または陸上競技場のトラック形状であることを特徴とする請求項１または５記載の永久磁石モータ。
9. 上記孔それぞれが複数個に分割されていることを特徴とする請求項１または５記載の永久磁石モータ。
10. 上記一次側電機子が上記二次側コアの径方向外側に配置されていることを特徴とする請求項１記載の永久磁石モータ。
11. 上記孔が上記径方向の中心軸方向に凹んだ複数個の凹部を有することによって、上記狭小部が設けられていることを特徴とする請求項１０記載の永久磁石モータ。
12. 上記二次側コアが上記一次側電機子の径方向外側に配置されていることを特徴とする請求項１記載の永久磁石モータ。
13. 上記孔が上記径方向の中心軸と反対方向に凹んだ複数個の凹部を有することによって、上記狭小部が設けられていることを特徴とする請求項１２記載の永久磁石モータ。

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