JP2008206351A

JP2008206351A - Ｐｍシンクロナスモータ

Info

Publication number: JP2008206351A
Application number: JP2007041233A
Authority: JP
Inventors: Arata Kusase; 草瀬　　新; Akichika Shichijiyou; 彰哉七條; Hironari Mizuma; 裕也水間
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2007-02-21
Filing date: 2007-02-21
Publication date: 2008-09-04

Abstract

【課題】トルク増大を実現したＰＭシンクロナスモータを提供すること。
【解決手段】ロータの永久磁石により形成されてマグネットトルクを発生する磁石磁極部３０、４０と、低磁気抵抗を有する磁気突極部により構成されて主としてリラクタンストルクを発生する低磁気抵抗部５１、５２との間の角度を従来よりずらせる。その結果、マグネットトルクのトルクピークとリラクタンストルクのトルクピークとを近接させることにより合成トルクのピークを従来のＰＭシンクロナスモータよりも増大することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転電機又はリニアモータなどに適用されるＰＭシンクロナスモータに関し、特にそのロータ構造の改良に関する。

従来のＰＭシンクロナスモータは、マグネットトルクＴｍとリラクタンストルクＴｒとを発生する。これらのトルクを発生するために、ロータは、永久磁石により電気角π毎に形成された磁石磁極部Ｐｍと、電気角π毎に形成された低磁気抵抗部Ｐｒとを表面部に有している。低磁気抵抗部Ｐｒは、磁気突極部とも呼ばれる。周方向に隣接する一対の低磁気抵抗部Ｐｒ間の磁気抵抗は、他部位の磁気抵抗よりも小さく形成されている。磁石磁極部Ｐｍの両側の一対の低磁気抵抗部Ｐｒの周方向中心は、磁石磁極部Ｐｍの周方向中心を基準として対称に配置され、磁石磁極部Ｐｍの周方向中心と低磁気抵抗部Ｐｒの周方向中心とは電気角π／２離れている。

磁気突極部は、ロータを構成する軟磁性体の外周面を電気角πごとに径方向外側へ空間的に突出させる構造により実現できる他、軟磁性の円筒状ステータ内部にフラックスバリアを設けることによっても実現される。表面磁石型のＰＭシンクロナスモータ（ＳＰＭ）と埋め込み磁石型のＰＭシンクロナスモータ（ＩＰＭ）が広く知られている。下記の特許文献１〜４は、ＰＭシンクロナスモータの一例を記載している。

ＰＭシンクロナスモータは、効率に優れるうえマグネットトルクＴｍに加えてリラクタンストルクＴｒを発生できるので体格重量当たりのトルク、出力が大きく、車両用モータたとえばハイブリッド車の走行動力発生用途に採用されている。
特開２０００−６００３８号公報特開２００１−３３９９２２号公報特開２００２−４４９２０号公報特開２００３−３２４８７５号公報

しかしながら、車両用途特に走行動力発生用途ではモータの体格重量はかなり大きくなり、特にハイブリッド車においては通常のエンジン系にそれが加算されるために更なる体格重量の低減が要望されている。この種の体格重量の低減は、車両用途以外に航空機用途など種々の用途において本質的に重要である。

本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、同一体格重量にてトルク、出力の増大が可能なＰＭシンクロナスモータを提供することをその目的としている。

上記課題を解決する本発明は、永久磁石により電気角π毎に形成されてマグネットトルクＴｍを発生する磁石磁極部と、電気角π毎に形成されてリラクタンストルクＴｒを発生する低磁気抵抗部とを表面部に有するロータを備え、周方向に隣接する一対の低磁気抵抗部間の磁気抵抗は他部位の磁気抵抗よりも小さく形成されているＰＭシンクロナスモータにおいて、ロータの磁石磁極部の両側の一対の低磁気抵抗部Ｐｒの周方向中心が、磁石磁極部の周方向中心を基準として非対称に配置されていることをその特徴としている。すなわち、この発明では、磁石磁極部に対して低磁気抵抗部すなわち磁気突極部の周方向中心が周方向へπ／２の位置から更にずれて配置されている。

磁石磁極部により生じるマグネットトルクＴｍの大きさは、ステータ電流又はそれにより形成される回転磁界（電流磁界とも言う）のベクトルと磁石磁極部の周方向中心との間の位相角θが−πから＋πまで変化する間にマグネットトルク波形として知られている波形で変化する。同様に、主として低磁気抵抗部により生じるリラクタンストルクＴｒの大きさは、ステータ電流又はそれにより形成される回転磁界（電流磁界とも言う）のベクトルと低磁気抵抗部の周方向中心との間の位相角が−πから＋πまで変化する間にリラクタンストルク波形として知られている波形で変化する。低磁気抵抗部と磁石磁極部とはある位相角差αだけずれているので、リラクタンストルクＴｒの大きさは、ステータ電流又はそれにより形成される回転磁界（電流磁界とも言う）のベクトルと磁石磁極部の周方向中心との間の位相角θが−π＋αから＋π＋αまで変化する間に上記波形で変化する。

従来においては、マグネットトルク波形のピークが生じる位相角の値（マグネットトルクピーク角度値と呼ぶ）と、リラクタンストルク波形のピークが生じる位相角の値（リラクタンストルクピーク角度値と呼ぶ）とはある位相角差だけずれることが知られている。この両トルク波形のピーク角度値の間の位相角差はシンクロナスリラクタンスモータ固有の値であり、このため両トルク波形の間のピークずれは変更不能であると考えられていた。

しかし、もし両トルク波形のピークを一致させることができれば、ほぼ同一体格同一重量にてトルクアップが可能となるはずである。本発明者らはこの認識に基づいて、リラクタンストルク波形のシフトによりリラクタンストルク波形のピーク角度値をマグネットトルク波形のピーク角度値に従来より近接、更に好適には一致させることを考えた。このリラクタンストルク波形のシフトは、リラクタンストルクを発生させる低磁気抵抗部Ｐｒを磁石磁極部Ｐｍに対して周方向へ変位させることにより実現できるはずである。この観点により、低磁気抵抗部Ｐｒをシフトさせてみたところ、両トルクピークの近接、一致により合成トルクのピーク値の増大が可能なことがモータモデルのシミュレーション演算により判明した。

好適な態様において、各低磁気抵抗部の周方向中心は、それぞれ最も近接する磁石磁極部の周方向中心に対して周方向一方側へ電気角１５°〜７５°だけ変位している。これにより、同一仕様の従来のＰＭシンクロナスモータに比べて合成トルクを増大できることがわかった。

好適な態様において、各低磁気抵抗部Ｐｒの周方向中心は、それぞれ最も近接する磁石磁極部の周方向中心に対して周方向一方側へ４０〜５０°だけ変位している。これにより、同一仕様の従来のＰＭシンクロナスモータに比べて合成トルクを更に増大できることがわかった。

なお、マグネットトルクとリラクタンストルクの合計からなる合成トルク波形は、ステータ電流又は電流磁界のベクトルと磁石磁極部の周方向中心との間の位相角の変化により正トルクとなったり負トルクとなったりする。すなわち、本発明のＰＭシンクロナスモータは従来のＰＭシンクロナスモータと同じく位相角調整により電動機としても発電機としても使用することができる。

その他、本発明のＰＭシンクロナスモータは、従来のＰＭシンクロナスモータと同様、アウターロータモータ方式、インナーロータ方式、リニアモータ方式で実現することができ、ラジアルギャップモータ方式、アキシャルギャップモータ方式により実現することができる。ただし、本件書類では、記載が複雑化するのを回避するため、インナーロータラジアルギャップモータを想定して発明を記述している。

本発明の好適実施形態の原理を図面を参照して説明する。以下の実施形態では、２極表面磁石インナーロータモデルにて説明しているが、ロータ磁極数や公知の種々のロータ形式への変更は自由であることはもちろんである。

（ロータの基本構造）
図１は、この実施形態のＰＭシンクロナスモータのロータの模式径方向断面図を示す。

ロータ１は、回転軸２を中心として周方向電気角π離れた２つの永久磁石３、４を有している。永久磁石３、４は径方向最外径の部分円筒面形状の表面部をそれぞれもち、これら表面部は互いに逆極性に磁化されて磁石磁極部３０、４０となっている。５は回転軸２に嵌着、固定された軟鉄製のロータコアである。ロータコア５は、径方向最外径の部分円筒面形状の表面部を互いに電気角π離れた位置にそれぞれもち、これら表面部は本発明で言う低磁気抵抗部５１、５２となっている。これら磁石磁極部３０、４０及び低磁気抵抗部５１、５２は、ロータ１の外周面のそれぞれ一部を構成しており、ロータ１の外周面の残部はこの実施形態では非磁性体６の部分円筒面形状の表面部により占有されている。このようにして形成されたロータ１の外周面は、図略のステータコアの内周面に小さい電磁ギャップを介して対面している。非磁性体６としては、樹脂や非磁性金属で構成することができるが単なる空間としてもよい。

ロータコア５は、ロータ１の外周面よりほぼ永久磁石３、４の厚さだけ径小の円筒ヨーク部５３と、この円筒ヨーク部５３から互いに電気角π離れて略放射方向へ突出する磁気突極部５４、５５とかなり、積層電磁鋼板あるいは軟鋼ブロックにより形成されている。永久磁石３、４の径方向内側の底面は平坦に形成されており、円筒ヨーク部５３の外周面のうち平坦に面取りされた部分に固定されている。磁気突極部５４は永久磁石３に対して時計回転方向へ僅かな隙間を介して隣接しており、磁気突極部５５は永久磁石４に対して時計回転方向へ僅かな隙間を介して隣接している。

この実施形態の特徴は、低磁気抵抗部５１、５２の周方向中心を径方向へ貫通する軸線であるｒ軸と、永久磁石３、４の周方向中心を径方向へ貫通する軸線であるｍ軸との間の軸ずれ角度θｒｍが、電気角π／２よりも大幅に小さく設定されていることである。好適には軸ずれ角度θｒｍは１５°〜７５°、更に好適には４０〜５０°に設定される。

これに対して、従来のＰＭシンクロナスモータでは、低磁気抵抗部の周方向中心を径方向へ貫通する軸線であるｄ軸と、永久磁石の周方向中心を径方向へ貫通する軸線であるｑ軸との間の軸ずれ角度θｒｍは電気角π／２とされ、永久磁石の周方向中心を基準としてその両側の低磁気抵抗部は線対称配置されていた。

上記構造をもつこの実施例のロータは、従来の低磁気抵抗部線対称直角配置構造をもつロータに比べて、最大トルクすなわちトルクピーク値を増大できるという効果を奏する。これは、永久磁石３、４が発生するマグネットトルク波形のピーク位相角値（電流基準）と、低磁気抵抗部５１、５２が発生するリラクタンストルク波形のピーク位相角値（電流基準）とが近似することになるため、それらの合成トルクであるロータ１のトルクのピークが増加するためである。

（解析）
低磁気抵抗部５１、５２をその両側の永久磁石３、４の一方側に偏らせた場合に生じる上記トルク増加効果についての本発明者の解析を以下に記載する。ただし、図１において。ステータ電流ベクトルｉの方向をｉ軸とする。すなわちｉ軸位置においてステータ電流は最大値ｉｍａｘとなるものとする。

マグネットトルクＴｍは、ステータ電流ベクトルｉのｍ軸成分と磁石磁束Φｍとの積に概略比例するとみなすことができる。これに対して、リラクタンストルクＴｒは、ｒ軸インダクタンスＬｒと、ステータ電流ベクトルｉのｒ軸成分と、ステータ電流ベクトルｉのｒ軸直角成分との積に概略比例するものとみなせる。なお、低磁気抵抗部５１、５２の磁束（電流磁束とも言う）Φｉは、ｒ軸インダクタンスＬｒと、ステータ電流ベクトルｉのｒ軸直角成分との積に概略比例するものとみなすことができ、したがって、リラクタンストルクＴｒは、電流磁束Φｉと、ステータ電流ベクトルｉのｒ軸成分との積に概略比例するものとみなせる。なお、ここで、ｒ軸に直角な軸のインダクタンスは無視できるものとする。このことから、ロータトルク（合成トルク）を増大するには、マグネットトルクＴｍとリラクタンストルクＴｒとの両方を増大することが重要であることがわかる。

マグネットトルクＴｍを増大するには、ステータ電流ベクトルｉの軸であるｉ軸とｍ軸との位相角差を減らすようにすればよいことがわかる。次に、リラクタンストルクＴｒを増大するには、ステータ電流ベクトルｉのｒ軸成分とｒ軸直角成分とをともに増大するように設定すればよく、それにはｒ軸をｉ軸に対してなるべく電気角で４５°ずれるように設定するようにすればよい。結局、電流軸であるｉ軸をｍ軸に一致させてマグネットトルクＴｍを増大し、かつ、ｒ軸とｍ軸との間の軸ずれ角度θｒｍを電気角で４５°とするのが理想的であることがわかる。この場合、リラクタンストルクＴｒを生み出すステータ電流ベクトルｉのｒ軸成分とｒ軸直角（電気角π／２）成分との積が最大となる。

ただし、ｒ軸とｍ軸との間の軸ずれ角度θｒｍを電気角で１５°〜７５°の範囲とすれば、マグネットトルクＴｍとリラクタンストルクＴｒとの合計を従来よりも増大することができる。また、軸ずれ角度θｒｍを電気角で４５°に限定してしまうと、永久磁石３、４の周方向幅や低磁気抵抗部５１、５２の周方向幅に制限が生じ、このため磁石磁束Φｍ及びリラクタンス磁束Φｒ（電流磁束Φｉのｒ軸成分）が小さくなって合成トルク（ロータトルク）が小さくなる場合がある。このため、軸ずれ角度θｒｍを電気角で４０〜５０°の範囲で必要量だけ増やすことも好適である。

更に説明すると、リラクタンストルクＴｒは、電流軸であるｉ軸がｒ軸と一致する位相角、及び、ｉ軸がｒ軸と直角（電気角π／２）となる位相角で０となる。また、マグネットトルクＴｍは、軸ｉ軸がｍ軸と直角（電気角π／２）となる場合に０となる。これは従来と同じである。

これに対して、従来は、ｒ軸とｍ軸とが電気角で直角となっているため、ｉ軸をｍ軸と一致させるとリラクタンストルクＴｒが著しく減少してしまい、それを回避するためｉ軸をｍ軸からずらせるとマグネットトルクＴｍが減少してしまうわけである。この問題は、この実施形態のように、ｒ軸とｍ軸とをπ／２より小さく設定することにより実現することができるわけである。

（シミュレーション結果）
上記検討に基づく種々の実施例ロータ構造（実施ロータとも称する）のトルク波形のシミュレーション結果を以下に記載する。各実施ロータのステータ側の寸法、通電条件は同じとし、各実施ロータの内外径、ロータ長、磁石寸法、磁石特性は等しいとする。各実施ロータはＳＰＭ（表面磁石型）となっている。また、参考のために同一条件にてＩＰＭ（埋め込み磁石型）を作成してそのトルク波形を得た。このＩＰＭのトルク波形の図示は省略するが、その合成トルクピーク値は３６９Ｎｍであった。

（第１群の実施例ロータ）
第１群の実施例ロータのπ／４模式断面図を図２に示す。図２では、永久磁石３、４及び低磁気抵抗部５１、５２の周方向占有幅は１５°とし、更に、永久磁石３、４の周方向反対側に追加の低磁気抵抗部を設けたものである。したがって、この追加の低磁気抵抗部の分だけギャップ（既述した非磁性体６の部分）の周方向幅が減少し、低磁気抵抗部５１、５２の周方向中心がずれることになる。ａは追加の低磁気抵抗部５１、５２の周方向幅である。

図３はａが０ｍｍの場合のトルク波形を示し、図４はａが２ｍｍの場合のトルク波形を示し、図５はａが４ｍｍの場合のトルク波形を示し、図６はａが６ｍｍの場合のトルク波形を示す。ａの増加とともに合成トルクが減少することがわかった。しかし、各実施ロータのトルクピーク値は同一条件のＩＰＭより増大していることがわかった。

（第２群の実施例ロータ）
第２群の実施例ロータのπ／４模式断面図を図７に示す。図７では、永久磁石３、４の周方向占有幅は１５°とし、更に、低磁気抵抗部５１、５２の周方向占有幅を１５°から周方向幅ｂだけ増大したものである。したがって、この低磁気抵抗部の増大した幅ｂだけギャップ（既述した非磁性体６の部分）の周方向幅が減少し、低磁気抵抗部５１、５２の周方向中心がずれることになる。

図８はbがー８ｍｍの場合のトルク波形を示し、図９はｂがー６ｍｍの場合のトルク波形を示し、図１０はｂがー４ｍｍの場合のトルク波形を示し、図１１はｂがー２ｍｍの場合のトルク波形を示し、図１２はｂが０ｍｍの場合のトルク波形を示し、図１３はｂが２ｍｍの場合のトルク波形を示し、図１４はｂが４ｍｍの場合のトルク波形を示し、図１５はｂが６ｍｍの場合のトルク波形を示し、図１６はｂが８ｍｍの場合のトルク波形を示す。低磁気抵抗部５１、５２の周方向幅を減らすと正トルクピークが大きくなるが負トルクピークが低下することがわかった。また、低磁気抵抗部５１、５２の周方向幅を増加すると、図１３、図１４に示すように、ＩＰＭに比べて負トルクピークを減少することなく正トルクピークを増大できることがわかった。

（ロータ構造例）
次に、具体的なロータ構造、特に永久磁石３、４の耐遠心力保持特性を強化したロータ構造を以下に説明する。なお、アウターロータ形式では永久磁石はロータの円筒状のヨークにより支持されるためこの問題はまったく生じない。

図１７は、積層電磁鋼板に軸方向に磁石収容孔５６を貫設し、この磁石収容孔５６に永久磁石３を収容したロータ構図を示す。このとき、ロータコア５のギャップ５７と磁石収容孔５６との間の側壁部５８は耐遠心力特性を確保可能な範囲でできるだけ薄くされる。

図１８は、図１７において、磁石収容孔５６及び永久磁石３を遠心方向外側に向けて先細としたロータ構造を示す。これにより、低磁気抵抗部５１を一方側の磁石磁極部３０に一層偏らせて配置することができる。

図１９は、永久磁石３を径方向に対して斜設したロータ構造を示す。これにより、永久磁石３の磁極面を拡大できるため、磁石磁束量を増大することができる。

図２０は、ロータコア５の外周面に非磁性ステンレス筒を被せることにより、永久磁石３の耐遠心力性能を改善したロータ構造を示す。

図２１は、永久磁石３の径方向内側の面に楔形突起を設け、この楔形突起を磁石収容孔５６の楔形条溝に嵌め込んだロータ構造を示す。なお、永久磁石３は非磁性ステンレス板製のマグネットホルダにより囲覆されている。

図２２は、ロータコア５のギャップ５７（図１７参照）に非磁性金属たとえばアルミニウム棒９を軸方向に挿入したロータ構造を示す。このアルミニウム棒９は、楔形の底部を径方向内側に有しており、ロータコア５に支持されている。また、アルミニウム棒９の径方向外側部分の周方向幅は径方向外側に向かうにつれて増大しており、これにより永久磁石３の遠心力を受けるようになっている。

図２３は、ロータコア５に永久磁石を接着した構造を示す。構造が簡素となる。

図２４は、図１７に示すロータコア構造において、磁石収容孔５６を、径方向外側に開口する磁石収容溝５９としたものである。ロータコア５は、磁石収容孔５６の開口を狭窄する鍔６０を有して永久磁石３の遠心力を受け取る。

図２５は、図２３に示すロータコア構造において、永久磁石３に接する低磁気抵抗部５１の側面のうち径方向外側の部分を切り欠き、更に永久磁石３も切り欠いたものである。これにより永久磁石３の漏れ磁束を減らすことができる。

実施例のＰＭシンクロナスモータのロータの模式径方向断面図である。実施例のロータのトルクシミュレーションに採用したロータモデルを示す模式部分断面図である。トルク波形のシミュレーション結果１を示すトルク波形図である。トルク波形のシミュレーション結果１を示すトルク波形図である。トルク波形のシミュレーション結果１を示すトルク波形図である。トルク波形のシミュレーション結果１を示すトルク波形図である。実施例のロータのトルクシミュレーションに採用したロータモデルを示す模式部分断面図である。トルク波形のシミュレーション結果１を示すトルク波形図である。トルク波形のシミュレーション結果２を示すトルク波形図である。トルク波形のシミュレーション結果３を示すトルク波形図である。トルク波形のシミュレーション結果４を示すトルク波形図である。トルク波形のシミュレーション結果５を示すトルク波形図である。トルク波形のシミュレーション結果６を示すトルク波形図である。トルク波形のシミュレーション結果７を示すトルク波形図である。トルク波形のシミュレーション結果８を示すトルク波形図である。トルク波形のシミュレーション結果９を示すトルク波形図である。ロータ構造例１を示す模式部分径方向断面図である。ロータ構造例２を示す模式部分径方向断面図である。ロータ構造例３を示す模式部分径方向断面図である。ロータ構造例４を示す模式部分径方向断面図である。ロータ構造例５を示す模式部分径方向断面図である。ロータ構造例６を示す模式部分径方向断面図である。ロータ構造例７を示す模式部分径方向断面図である。ロータ構造例８を示す模式部分径方向断面図である。ロータ構造例９を示す模式部分径方向断面図である。

符号の説明

１ロータ
２回転軸
３永久磁石
４永久磁石
５ロータコア
６非磁性体
３０磁石磁極部
４０磁石磁極部
５１低磁気抵抗部
５２低磁気抵抗部
５３円筒ヨーク部
５４磁気突極部
５５磁気突極部

Claims

永久磁石により電気角π毎に形成されてマグネットトルクを発生する磁石磁極部と、電気角π毎に形成されてリラクタンストルクを発生する低磁気抵抗部とを表面部に有するロータを備え、
周方向に隣接する一対の低磁気抵抗部間の磁気抵抗は、他部位の磁気抵抗よりも小さく形成されているＰＭシンクロナスモータにおいて、
磁石磁極部の両側の一対の低磁気抵抗部の周方向中心は、磁石磁極部の周方向中心を基準として非対称に配置されていることを特徴とするＰＭシンクロナスモータ。
請求項１記載のＰＭシンクロナスモータにおいて、
各低磁気抵抗部の周方向中心は、それぞれ最も近接する磁石磁極部の周方向中心に対して周方向一方側へ１５°〜７５°だけ変位しているＰＭシンクロナスモータ。
請求項２記載のＰＭシンクロナスモータにおいて、
各低磁気抵抗部の周方向中心は、それぞれ最も近接する磁石磁極部の周方向中心に対して周方向一方側へ４０〜５０°だけ変位しているＰＭシンクロナスモータ。