JP2008067483A - 順突極モータ - Google Patents

Abstract

【課題】磁束密度分布をなだらかにしてトルクリップルを減少させるとともに、トルク発生に有効な磁束を多く発生させる。
【解決手段】突出した永久磁石１５を有するロータ１６の磁石極１４と、磁石極１４の永久磁石１５と同じ径方向に突出した突極部１２ａを有するロータ１６の鉄心極１１とを軸方向に交互に一体化して配置し、磁石極１４は、同じ径方向の磁極が同じ磁極であるとともに、周方向にＮ極とＳ極を交互に配置する。
【選択図】図１

Description

この発明は、磁石極と鉄心極の突極方向を揃えたＰＭモータである順突極モータに関するものである。

従来、高効率なモータとして永久磁石を用いたモータがあり、その一つに永久磁石をロータコアの内部に埋め込んだＩＰＭ（永久磁石埋め込み）モータがある。図４（ａ）はＩＰＭモータの断面図を示し、１はロータ、２はステータであり、ロータ１においては鉄心３に永久磁石挿入孔４が設けられ、永久磁石挿入孔４には永久磁石５が挿入される。又、ステータ２には複数の歯部６が周設され、歯部６にはステータ巻線７が巻回される。ロータ１においては、磁極の中心がｄ軸、磁極と磁極の中間がｑ軸であり、換言すると、永久磁石５の中心とロータ１の中心とを結ぶ方向がｄ軸方向であり、ｄ軸方向に対して電気角で９０°回転した方向がｑ軸方向である。従って、鉄心３が突極となっているのはｑ軸方向であり、磁束はｑ軸方向に通り易くなっている。このため、ＩＰＭモータを駆動する際には、リラクタンストルクを活用する弱め界磁制御が行われ、起磁力相差角は９０°よりも大きなところで運転される。即ち、図４（ｂ）は起磁力相差角に対する磁石トルク、リラクタンストルク、及び合計トルクの関係を示し、磁石トルクは起磁力相差角が９０°の時点で最大値を示し、９０°を離れると小さくなり、１８０°で零となる。これに対して、リラクタンストルクは起磁力相差角が１３５°の時点で最大値を示す。従って、この両者を加えた合計トルクは起磁力相差角が１１５°付近で最大値を示し、運転範囲は黒丸間の弱め界磁領域となる。上記したＩＰＭモータは、逆突極モータである。

これに対して、順突極モータもあり、これは図５（ａ）に示すように、ロータ８において、磁石極の永久磁石９の中心に鉄心１０の突極部１０ａを配置した構造を持つ。ＩＰＭモータにおいては、図４（ｂ）に示すように永久磁石５に常に弱め磁束が加わるが、順突極モータにおいては、図５（ｂ）に示すように起磁力相差角が９０°より小さい強め界磁領域で最大トルクとなり、運転範囲は黒丸間の強め界磁領域から弱め界磁領域に跨っている。従って、運転中に永久磁石９に弱め磁束が加わる領域は少なく、かつその弱め磁束は突極部１０ａを通るため、永久磁石９に反磁界が加わって減磁する恐れは、ＩＰＭモータに比べて非常に小さいという利点を持つ。このように、順突極モータは減磁の心配が少ないことから、高回転領域で大きな弱め界磁電流を必要とする逆突極モータに比べて、可変速範囲を広く取るモータに向いていると考えられる。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献として、次のものがある。
特開２０００−１５２５３８号公報 特開２００４−９６８６８号公報

上記したように、順突極モータは、可変速範囲を広く取ることができるという利点を持つが、反面、次のような欠点がある。即ち、図６（ａ）のイはＩＰＭ（逆突極）モータのロータ１とステータ２とのギャップにおける磁束密度分布を示し（ロは基本波）、図６（ｂ）のハは順突極モータのロータ８とステータ２とのギャップにおける磁束密度分布を示し（ニは基本波）、順突極モータにおいては、ｄ軸に永久磁石９と突極部１０ａの両方を配置するため、ギャップにおける磁束密度分布が大きく歪んでしまい、トルクリップルを増加させる原因となった。又、順突極モータにおいては、ｄ軸中央に突極部１０ａが配置されているため、永久磁石９の磁束は中央部で小さくなり、トルクに有効な基本波成分は磁石量に比べて大きく取れなかった。

この発明は上記のような課題を解決するために成されたものであり、トルクリップルを減少させることができるとともに、トルク発生に有効な磁束を多く発生させることができる順突極モータを得ることを目的とする。

この発明の請求項１に係る順突極モータは、突出した永久磁石を有するロータの磁石極と、磁石極の永久磁石と同じ径方向に突出した突極部を有するロータの鉄心極とを備え、磁石極と鉄心極とを軸方向に一体化して配置し、かつ磁石極は、同じ径方向の磁極が同じ磁極であるとともに、周方向にＮ極とＳ極を交互に配置したものである。

請求項２に係る順突極モータは、磁石極を軸方向にｎ（ｎ≧２）分割し、これらの磁石極をｎ個もしくはｎ−１個もしくはｎ＋１個の鉄心極と軸方向に交互に配置して一体化したものである。

以上のようにこの発明の請求項１によれば、突出した永久磁石を有するロータの磁石極と、磁石極の永久磁石と同じ径方向に突出した突極部を有するロータの鉄心極とを軸方向に一体化して配置しており、磁石極と鉄心極を軸方向に分けて配置したので、ロータとステータとの間のギャップにおける磁束密度分布は回転方向になだらかとなり、トルクリップルが格段に小さくなる。又、永久磁石をｄ軸の中心に配置できるので、トルク発生に有効な磁束を多く発生させることができる。

又、請求項２によれば、磁石極を軸方向にｎ（ｎ≧２）分割し、これらの磁石極をｎ個もしくはｎ−１個もしくはｎ＋１個の鉄心極と軸方向に交互に配置して一体化しており、磁石極及び鉄心極を軸方向に細かく分割することにより、軸方向の磁場変動を小さく抑えることができ、鉄心の渦電流の発生を抑制することができ、鉄損を小さく抑えることができる。

実施最良形態１
以下、この発明を実施するための最良の形態を図面とともに説明する。図１はこの発明の実施最良形態１による順突極モータのロータ１６の斜視図を示し、図２（ａ），（ｂ）はこのロータ１６の鉄心極部分の断面図及び磁石極部分の断面図を示す。図において、１１はロータ１６の鉄心極であり、鉄心１２の周囲に突極部１２ａが突出して設けられ、中心には回転軸１３が取り付けられる。又、１４はロータ１６の磁石極であり、鉄心１２の周囲に永久磁石１５が突出して設けられるとともに、鉄心１２の中心には回転軸１３が取り付けられる。永久磁石１５と突極部１２ａとは同じ径方向に突出している。鉄心極１１と磁石極１４とは軸方向に交互に配置され、回転軸１３を介して一体化されている。磁石極１４は周方向にＮ極とＳ極が交互に配置され、また磁石極１４を複数設けた場合には、各磁石極１４の同じ径方向の磁極は同じ磁極とする。鉄心１２は積層鋼板により形成する。

実施最良形態１において、鉄心極１１の突極部１２ａと磁石極１４の永久磁石１５とは同じ２次元平面上にはなく、軸方向に分かれて配置されているので、磁石極１４の外周におけるロータ１６とステータ２との間のギャップにおいては、通常のＳＰＭ（表面磁石構造）モータと同様に、磁束密度分布は回転方向になだらかな分布となる。このため、同じ２次元平面内に永久磁石１５と突極部１２ａを配置した場合に比べて、トルクリップルが格段に小さくなる。又、永久磁石１５をｄ軸の中心に配置できるので、トルク発生に有効な磁束を磁石量に比べて大きく発生させることができる。

又、順突極モータの特徴である強め界磁や弱め界磁の制御による磁束は鉄心極１１の突極部１２ａを通り、永久磁石１５には通り難いので、永久磁石１５に反磁界が加わって減磁する恐れは少なくなる。なお、鉄心極１１と磁石極１４の軸方向の長さは、モータの仕様（用途）に応じて決めればよく、大出力用には磁石極１４の長さを長くし、広範囲低出力用には鉄心極１１の長さを長くすればよい。

実施最良形態２
実施最良形態１においては、鉄心極１１と磁石極１４を軸方向に分けて配置したので、ロータ１６とステータ２とのギャップにおける磁束密度分布は回転方向になだらかになったが、軸方向には鉄心極１１の外周と磁石極１４の外周とでは異なる磁束密度分布を持つようになる。、通常、鉄心１２は軸方向に鋼板を積層しているので磁束は通り難く、渦電流の発生は大きな問題にはならないが、上記のように軸方向の磁束密度分布に差が生じると、軸方向の磁場が変動し、積層鋼板面内に渦電流が発生し、鉄損が増加する恐れがある。そこで、実施最良形態２においては、鉄損の増加を回避することを考えた。

図３は実施最良形態２による順突極モータのロータ１７の縦断面図を示し、ロータ１７の磁石極１４は図２（ｂ）と同様に鉄心１２の周囲に永久磁石１５を突出して設け、またロータ１７の鉄心極１１も図２（ａ）に示すように鉄心１２の周囲に突極部１２ａを永久磁石１５と同じ径方向に突出して設け、鉄心極１１と磁石極１４とは軸方向に細かく分割して軸方向に交互に配置して一体化する。もちろん、各磁石極１４は同じ径方向の磁極は同じ磁極であり、周方向にＮ極とＳ極が交互に配置される。

実施最良形態２においては、鉄心極１１と磁石極１４を軸方向に細かく分割して軸方向に交互に配置したので、軸方向の磁場変動を小さく抑えることができ、鉄心１２における渦電流の発生を抑制することができ、鉄損を通常のＩＰＭモータ並みに小さく抑えることができる。その他、実施最良形態１と同様な効果を奏する。

なお、実施最良形態２においては、磁石極１４と鉄心極１１を軸方向に細かく分割して軸方向に交互に配置したが、種々の配置関係があるので、このことを一般的に表現すると、磁石極１４を軸方向にｎ（ｎ≧２）分割し、これらの磁石極１４をｎ個もしくはｎ−１個もしくはｎ＋１個の鉄心極１１と軸方向に交互に配置して一体化したことになる。

この発明の実施最良形態１による順突極モータのロータの斜視図である。 実施最良形態１による順突極モータのロータの鉄心極部分及び磁石極部分の断面図である。 実施最良形態２による順突極モータのロータの縦断面図である。 ＩＰＭモータの断面図及び起磁力相差角とトルクとの関係図である。 順突極モータの断面図及び起磁力相差角とトルクとの関係図である。 ＩＰＭモータ及び順突極モータの磁束密度分布図である。

符号の説明

２…ステータ
１１…鉄心極
１２…鉄心
１２ａ…突極部
１３…回転軸
１４…磁石極
１５…永久磁石
１６，１７…ロータ

Claims (2)

1. 突出した永久磁石を有するロータの磁石極と、磁石極の永久磁石と同じ径方向に突出した突極部を有するロータの鉄心極とを備え、磁石極と鉄心極とを軸方向に一体化して配置し、かつ磁石極は、同じ径方向の磁極が同じ磁極であるとともに、周方向にＮ極とＳ極を交互に配置したことを特徴とする順突極モータ。
2. 磁石極を軸方向にｎ（ｎ≧２）分割し、これらの磁石極をｎ個もしくはｎ−１個もしくはｎ＋１個の鉄心極と軸方向に交互に配置して一体化したことを特徴とする請求項1記載の順突極モータ。

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