JP2009011011A - 永久磁石式リラクタンスモータの回転子 - Google Patents

Abstract

【課題】回転子に形成する貫通孔の形成角度を工夫することにより、トルクを増大させる。
【解決手段】永久磁石式リラクタンスモータ１の回転子２０には、Ｖの字状に永久磁石２３ａ，２３ｂが配置されると共に、貫通孔２４が形成される。このとき、貫通孔２４の辺のうち永久磁石側の辺と、永久磁石２３ａ，２３ｂの辺のうち貫通孔側の辺との間の距離が、内周側から外周側に向かうに従い漸増するように、貫通孔を形成している。つまり、磁石開き角度αよりも、貫通孔開き角度βの方を大きくしている。このため、磁気飽和の発生を防止して磁石トルクを大きくできると共に、ｄ軸インダクタンスＬｄを一定にしつつｑ軸インダクタンスＬｑを大きくしてリラクタンストルクを大きくすることができる。この結果、総合トルクを大きくすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、永久磁石式リラクタンスモータの回転子に関し、回転子の軽量化と冷却性能向上のために回転子に形成する貫通孔の面積をなるべく広く取りつつ、大きなトルクを発生することができるように工夫したものである。

永久磁石式リラクタンスモータでは、回転子に永久磁石を挿入・埋設して磁極を作ると共に、回転子の周方向に関して、磁気抵抗が小さく磁束が通り易い磁気的凸部（ｄ軸と称する）と、磁気抵抗が大きく磁束が通り難い磁気的凹部（ｑ軸と称する）を交互に形成している。

このような回転子を、固定子巻線が施された固定子内に配置することにより、固定子と回転子との間の空隙磁束は、磁気的凸部（ｄ軸）で高く、磁気的凹部（ｑ軸）で低くなり、この磁束密度の変化によってリラクタンストルクが発生する。
更に、永久磁石と固定子の磁極との間の磁気吸引力及び磁気反発力によってもトルクが発生する（例えば特許文献１，２参照）。

なお、このような永久磁石式リラクタンスモータは、回転子に永久磁石を挿入・埋設するため、ＩＰＭ（internal permanent magnet）形モータとも呼ばれている。

このような永久磁石式リラクタンスモータにおいては、回転子の軽量化と冷却性能の向上のために、回転子に対して、周方向の複数箇所に、その軸方向に伸びる貫通孔を形成することがある（例えば特許文献２参照）。

このように貫通孔を形成することにより、貫通孔を形成した分だけ重量を削減して軽量にすることができ、回転子の慣性モーメント（ＧＤ²）を小さくして制御性を向上させることができる。
更に、貫通孔に液体や気体の冷却媒体を流通させることにより、冷却性能を向上させることができる。

ここで図８を参照して、回転子に貫通孔を形成した永久磁石式リラクタンスモータを説明する。
図８に示すように、永久磁石式リラクタンスモータ１００は、固定子（図示省略）内に回転子１２０を配置して構成されている。

回転子１２０では、回転子鉄心１２１に磁石挿入孔１２２ａ，１２２ｂが形成され、この磁石挿入孔１２２ａ，１２２ｂに永久磁石１２３ａ，１２３ｂが挿入・固定されている。

更に詳述すると、回転子鉄心１２１には、その周方向の複数箇所（本例では８箇所）に、２本で１セットとなっている磁石挿入孔１２２ａ，１２２ｂが軸方向に貫通して形成されている。各磁石挿入孔１２２ａ，１２２ｂの断面形状は長方形となっている。しかも、磁石挿入孔１２２ａと磁石挿入孔１２２ｂは、半径方向に沿い外周側に向かうに従い、両者の対向距離が順次増大するように配置されている。したがって、磁石挿入孔１２２ａ，１２２ｂは、回転子鉄心１２１の端面から見て、「Ｖの字状」の配置になっている。

そして、各磁石挿入孔１２２ａ，１２２ｂには、それぞれ、断面形状が長方形となっている永久磁石１２３ａ，１２３ｂが挿入されて固定されている。このため、永久磁石１２３ａと永久磁石１２３ｂは、半径方向に沿い外周側に向かうに従い、両者の対向距離が順次増大するように配置されている。したがって、永久磁石１２３ａ，１２３ｂは、回転子鉄心１２１の端面から見て、「Ｖの字状」の配置になっている。

ここにおいて、「Ｖの字状」に配置されている永久磁石１２３ａと永久磁石１２３ｂとでなす角度を、「磁石開き角度α」と定義する。つまり、磁石開き角度αは、回転子鉄心１２１の端面から見て、断面形状が長方形となっている永久磁石１２３ａの長辺（外周側の長辺）と、断面形状が長方形となっている永久磁石１２３ｂの長辺（外周側の長辺）とでなす角度をいう。

このようにして、セットとなっている永久磁石１２３ａ，１２３ｂが回転子１２０の周方向に沿い等間隔に配置されることとなり、永久磁石１２３ａ，１２３ｂが配置されている部分が、磁気抵抗の大きい磁気的凹部（ｑ軸）となる。また、セットとなっている永久磁石１２３ａ，１２３ｂと、その隣でセットとなっている永久磁石１２３ａ，１２３ｂとの間の部分が、磁気抵抗の小さい磁気的凸部（ｄ軸）となる。

回転子鉄心１２１には、永久磁石１２３ａ，１２３ｂが配置されている位置よりも内周側の部分に、複数の貫通孔１２４が周方向に並んで形成され、この貫通孔１２４の形成位置よりも更に内周側部分に、複数の貫通孔１２５が周方向に並んで形成されている。
各貫通孔１２４は、回転子鉄心１２１の軸方向に貫通して形成されており、回転子鉄心１２１の周方向に沿い等間隔に配置されている。同様に、各貫通孔１２５は、回転子鉄心１２１の軸方向に貫通して形成されており、回転子鉄心１２１の周方向に沿い等間隔に配置されている。

このとき、回転子鉄心１２１の端面からみて、貫通孔１２４の辺のうち永久磁石１２３ａ、１２３ｂ側の辺と、永久磁石１２３ａ、１２３ｂの辺のうち貫通孔１２４側の辺は、平行となっている。

ここで、回転子鉄心１２１の端面から見て、任意の貫通孔１２４の辺のうち永久磁石１２３ａ側の辺と、この任意の貫通孔１２４に隣接する貫通孔１２４の辺のうち永久磁石１２３ｂ側の辺とでなす角度を「貫通孔開き角度β」と定義する。

上述したように、従来では、回転子鉄心１２１の端面からみて、貫通孔１２４の辺のうち永久磁石１２３ａ、１２３ｂ側の辺と永久磁石１２３ａ、１２３ｂの辺のうち貫通孔１２４側の辺が平行となっているため、磁石開き角度α＝貫通孔開き角度βとなっていた。例えば、α＝β＝１３５°となっていた。

貫通孔１２４，１２５は、回転子鉄心１２１のうち、永久磁石１２３ａ，１２３ｂが配置されている位置よりも内周側の部分に形成されているため、回転子鉄心１２１を流れる磁束に対しての悪影響は少ない。

このように貫通孔１２４，１２５を形成することにより、貫通孔１２４，１２５を形成した分だけ重量を削減して軽量にすることができ、回転子１２０の慣性モーメント（ＧＤ²）を小さくして制御性を向上させることができる。
更に、貫通孔１２４，１２５に液体や気体の冷却媒体を流通させることにより、冷却性能を向上させることができる。

特開2000-197287 特開2005-184957

ところで、従来では図８に示すように、回転子鉄心１２１の端面からみて、貫通孔１２４の辺のうち永久磁石１２３ａ、１２３ｂ側の辺と永久磁石１２３ａ、１２３ｂの辺のうち貫通孔１２４側の辺が平行となっていた、即ち、磁石開き角度α＝貫通孔開き角度βとなっていたため、貫通孔１２４と永久磁石１２３ａ，１２３ｂとの間隔が狭くなってしまい、この部分での磁束密度が高くなり、磁気飽和していた。

このような磁気飽和が発生すると、磁石トルクが減少するという問題があった。
また磁気飽和が発生するとそれ以上は磁束が通らなくなるので、インダクタンスＬ（特にｑ軸インダクタンスＬｑ）の値が飽和してしまい、これによりリラクタンストルクの値が制限されてしまうという問題もあった。

この現象を、磁束解析図である図９〜図１１を基に示す。
図９〜図１１は永久磁石式リラクタンスモータ１００の一部を抜き出して、その部分の磁束の状態を点線で示したものであり、図９は磁石磁束、図１０はｄ軸電流による磁束、図１１はｑ軸電流による磁束を示している。

図９及び図１１から分かるように、永久磁石１２３ａ，１２３ｂと貫通孔１２４との間の部分（両図において、領域Ａの部分）において、磁束密度が高くなっており、磁気飽和が発生していることが分かる。
しかも、図９から分かるように、永久磁石１２３ａ，１２３ｂと貫通孔１２４との間の部分のうち、特に、外周側部分において、磁気飽和が発生することが分かる。

なお、単に磁気飽和を解消するには、貫通孔１２４の辺のうち永久磁石１２３ａ、１２３ｂ側の辺と、永久磁石１２３ａ、１２３ｂの辺のうち貫通孔１２４側の辺とを平行としたまま、即ち、磁石開き角度α＝貫通孔開き角度βとしたままで、永久磁石１２３ａ，１２３ｂと貫通孔１２４との間の間隔を広げればよい。
しかし、このようにした場合には、貫通孔１２４の開口面積（回転子の端面側から見た面積）が狭くなり、貫通孔１２４を形成することにより、軽量化及び冷却性能向上を果たそうとした当初の目的に反してしまう。

本発明は、上記従来技術に鑑み、回転子に挿入した永久磁石と、回転子に形成した貫通孔との間の部分における磁気飽和を解消して発生トルクの大きい永久磁石式リラクタンスモータを提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の構成は、回転子鉄心の周方向の複数箇所に、断面形状が長方形となっている２本で１セットとなっている磁石挿入孔が軸方向に貫通して形成されており、しかも、セットとなっている磁石挿入孔の相互の対向距離は半径方向に沿い外側に向かうに従い順次増大しており、
更に、前記磁石挿入孔に断面形状が長方形となっている永久磁石が挿入・固定されると共に、
前記回転子鉄心には、前記永久磁石が挿入・固定されている位置よりも内周側の部分に、軸方向に貫通している複数の貫通孔が周方向に並んで形成されている、
永久磁石式リラクタンスモータの回転子において、
前記貫通孔の辺のうち前記永久磁石側の辺と、前記永久磁石の辺のうち前記貫通孔側の辺との間の距離が、内周側から外周側に向かうに従い漸増するように、前記貫通孔を形成していることを特徴とする。

また本発明の構成は、前記貫通孔の辺のうち前記永久磁石側の辺と、前記永久磁石の辺のうち前記貫通孔側の辺との間の距離が、内周側から外周側に向かうに従い漸増する漸増割合は、内周側部分よりも外周側部分が大きいことを特徴とする。

本発明では、貫通孔の辺のうち永久磁石側の辺と、永久磁石の辺のうち貫通孔側の辺との間の距離が、内周側から外周側に向かうに従い漸増するように、貫通孔を形成している。つまり、貫通孔と永久磁石との間の距離を、外周側になる程広くしている。このため、磁気飽和の発生を防止して磁石トルクを大きくできると共に、ｄ軸インダクタンスＬｄを一定にしつつｑ軸インダクタンスＬｑを大きくしてリラクタンストルクを大きくすることができる。この結果、総合トルクを大きくすることができる。

以下に本発明を実施するための最良の形態を、実施例に基づき詳細に説明する。

図１に示すように、本発明の実施例１に係る永久磁石式リラクタンスモータ１は、固定子（図示省略）内に回転子２０を配置して構成されている。

回転子２０では、回転子鉄心２１に磁石挿入孔２２ａ，２２ｂが形成され、この磁石挿入孔２２ａ，２２ｂに永久磁石２３ａ，２３ｂが挿入・固定されている。

更に詳述すると、回転子鉄心２１には、その周方向の複数箇所（本例では８箇所）に、２本で１セットとなっている磁石挿入孔２２ａ，２２ｂが軸方向に貫通して形成されている。各磁石挿入孔２２ａ，２２ｂの断面形状は長方形となっている。しかも、磁石挿入孔２２ａと磁石挿入孔２２ｂは、半径方向に沿い外周側に向かうに従い、両者の対向距離が順次増大するように配置されている。したがって、磁石挿入孔２２ａ，２２ｂは、回転子鉄心２１の端面から見て、「Ｖの字状」の配置になっている。

そして、各磁石挿入孔２２ａ，２２ｂには、それぞれ、断面形状が長方形となっている永久磁石２３ａ，２３ｂが挿入されて固定されている。このため、永久磁石２３ａと永久磁石２３ｂは、半径方向に沿い外周側に向かうに従い、両者の対向距離が順次増大するように配置されている。したがって、永久磁石２３ａ，２３ｂは、回転子鉄心２１の端面から見て、「Ｖの字状」の配置になっている。
なお磁石挿入孔２２ａ，２２ｂ及び永久磁石２３ａ，２３ｂの「断面形状が長方形」とは、回転軸に直交する面（半径方向に沿う面）で切断した断面形状が、長方形になっていることを意味する。

ここにおいて、「Ｖの字状」に配置されている永久磁石２３ａと永久磁石２３ｂとでなす角度を、「磁石開き角度α」と定義する。つまり、磁石開き角度αは、回転子鉄心２１の端面から見て、断面形状が長方形となっている永久磁石２３ａの長辺（外周側の長辺）と、断面形状が長方形となっている永久磁石２３ｂの長辺（外周側の長辺）とでなす角度をいう。

このようにして、セットとなっている永久磁石２３ａ，２３ｂが回転子２０の周方向に沿い等間隔に配置されることとなり、永久磁石２３ａ，２３ｂが配置されている部分が、磁気抵抗の大きい磁気的凹部（ｑ軸）となる。また、セットとなっている永久磁石２３ａ，２３ｂと、その隣でセットとなっている永久磁石２３ａ，２３ｂとの間の部分が、磁気抵抗の小さい磁気的凸部（ｄ軸）となる。

回転子鉄心２１には、永久磁石２３ａ，２３ｂが配置されている位置よりも内周側の部分に、各永久磁石２３ａ，２３ｂに対応して、複数（８個）の貫通孔２４が周方向に並んで形成され、この貫通孔２４の形成位置よりも更に内周側部分に、複数の貫通孔２５が周方向に並んで形成されている。
各貫通孔２４は、回転子鉄心２１の軸方向に貫通して形成されており、回転子鉄心２１の周方向に沿い等間隔に配置されている。同様に、各貫通孔２５は、回転子鉄心２１の軸方向に貫通して形成されており、回転子鉄心２１の周方向に沿い等間隔に配置されている。

このとき、回転子鉄心２１の端面からみて、貫通孔２４の辺のうち永久磁石２３ａ、２３ｂ側の辺と、永久磁石２３ａ、２３ｂの辺のうち貫通孔２４側の辺との間の距離が、内周側から外周側に向かうに従い漸増するように、貫通孔２４を形成している。

ここで、回転子鉄心２１の端面から見て、任意の貫通孔２４の辺のうち永久磁石２３ａ側の辺と、この任意の貫通孔２４に隣接する貫通孔２４の辺のうち永久磁石２３ｂ側の辺とでなす角度を「貫通孔開き角度β」と定義する。

上述したように、回転子鉄心２１の端面からみて、貫通孔２４の辺のうち永久磁石２３ａ、２３ｂ側の辺と、永久磁石２３ａ、２３ｂの辺のうち貫通孔２４側の辺との間の距離が、内周側から外周側に向かうに従い漸増しているため、磁石開き角度α＜貫通孔開き角度βとなっている。例えば、α１３５°、β＝１５０°となっている。

貫通孔２４，２５は、回転子鉄心２１のうち、永久磁石２３ａ，２３ｂが配置されている位置よりも内周側の部分に形成されているため、回転子鉄心２１を流れる磁束に対しての悪影響は少ない。

このように貫通孔２４，２５を形成することにより、貫通孔２４，２５を形成した分だけ重量を削減して軽量にすることができ、回転子２０の慣性モーメント（ＧＤ²）を小さくして制御性を向上させることができる。
更に、貫通孔２４，２５に液体や気体の冷却媒体を流通させることにより、冷却性能を向上させることができる。

永久磁石式リラクタンスモータ１が発生するトルクＴは、一般的には次式（１）にて表される。
T = P_nΦ_mｉ_q + P_n(L_d−L_q)ｉ_dｉ_q ・・・・（１）
但し、各符号は下記の意味を示す。
T：トルク
P_n：極数
Φ_m：永久磁石の磁束
ｉ_q：q軸電流
ｉ_d：d軸電流
L_q：q軸インダクタンス
L_d：d軸インダクタンス

トルクＴを表す上記式（１）の右辺において、第１項が磁石トルク、第２項がリラクタンストルクを表している。
磁石トルクを大きくするには、磁石磁束を大きくすればよいことが分かる。
また、リラクタンストルクを大きくするには、ｄ軸のインダクタンスＬｄを小さくしてｑ軸インダクタンスＬｑを大きくすること、換言すると、突極比（Ｌｑ／Ｌｄ）を大きくすればよいことが分かる。

本実施例１では、回転子鉄心２１の端面からみて、貫通孔２４の辺のうち永久磁石２３ａ、２３ｂ側の辺と、永久磁石２３ａ、２３ｂの辺のうち貫通孔２４側の辺との間の距離を、内周側から外周側に向かうに従い漸増させているため、換言すると、貫通孔開き角度β（１５０°）を、磁石開き角度α（１３５°）よりも大きくしているため、永久磁石２３ａ，２３ｂと貫通孔２４との間隔が広くなっている（特に外周側において広くなっている）。

この結果、永久磁石２３ａ，２３ｂと貫通孔２４との間の部分において、磁気飽和の発生を防止できると共に、ｑ軸磁束を減少させてｑ軸インダクタンスＬｑを増加させることができる。よって、磁気飽和の防止により磁石トルクが増加し、またｑ軸インダクタンスＬｑの増加により、リラクタンストルクを増加でき、永久磁石式リラクタンスモータ１の総合トルクが増加する。

また、実施例１では貫通孔開き角度βを大きくしたため、磁石開き角度α＝貫通孔開き角度βとしたままで永久磁石と貫通孔との間の間隔を単純に広げたものに比べて、貫通孔２４の開口面積（回転子の端面側から見た面積）を広く取ることができ、貫通孔２４を形成することにより軽量化及び冷却性能向上を果たそうとした当初の目的を達成することができる。

次に、貫通孔開き角度β（１５０°）を、磁石開き角度α（１３５°）よりも大きくしたことにより、
（１）永久磁石２３ａ，２３ｂと貫通孔２４との間の部分において、磁気飽和の発生を防止できると共に、
（２）ｑ軸磁束を減少させてｑ軸インダクタンスＬｑを増加させることができたことを、磁束解析図である図２〜図４を基に示す。

図２〜図４は永久磁石式リラクタンスモータ１の一部を抜き出して、その部分の磁束の状態を点線で示したものであり、図２は磁石磁束、図３はｄ軸電流による磁束、図４はｑ軸電流による磁束を示している。

図２及び図４から分かるように、永久磁石２３ａ，２３ｂと貫通孔２４との間の部分（両図において、領域Ａの部分）において、磁石開き角度α＜貫通孔開き角度βとしたため、領域Ａの幅が広くなって磁束密度が低くなった結果、磁気飽和がなくなり、これにより、磁石トルクを増大させることができることが分かる。

また、永久磁石２３ａ，２３ｂと貫通孔２４との間の部分（領域Ａの部分）において、磁石開き角度α＜貫通孔開き角度βとして領域Ａの幅を広くしたため、図３に示すようにｄ軸電流による磁束の磁束密度を維持しつつ（つまり、ｄ軸インダクタンスＬｄを一定にしつつ）、図４に示すようにｑ軸電流による磁束の磁束密度を小さくできる（つまり、ｑ軸インダクタンスＬｑを大きくすることができる）。
このように、ｄ軸インダクタンスＬｄとｑ軸インダクタンスＬｑとの差を大きくして、突極比（Ｌｑ／Ｌｄ）を大きくできるため、リラクタンストルクを大きくすることができることが分かる。

表１は、永久磁石式リラクタンスモータにおいて、
（１）磁石開き角度αを１３５°として、貫通孔を形成しないものと、
（２）磁石開き角度αを１３５°として、貫通孔開き角度βを１５０°とした実施例１と、
（３）磁石開き角度αを１３５°として、貫通孔開き角度βを１３５°とした従来の物、
の、起磁力相差各に対するトルクを示したものである。

表１の結果からも、貫通孔開き角度βを１５０°とした実施例１は、貫通孔開き角度βを１３５°とした従来技術に対して、磁石トルク、リラクタンストルク、総合トルクが、大きいことが分かる。

次に本発明の実施例２に係る永久磁石式リラクタンスモータ１を、図５〜図７を参照して説明する。
なお、図５〜図７は永久磁石式リラクタンスモータ１の一部を抜き出して、その部分の磁束の状態を点線で示したものであり、図５は磁石磁束、図６はｄ軸電流による磁束、図７はｑ軸電流による磁束を示している。

実施例２では、実施例１における貫通孔２４の山の部分（外周側部分）をカットした形状の、貫通孔２４ａを形成している。
即ち、回転子鉄心２１の端面からみて、貫通孔２４ａの辺のうち永久磁石２３ａ、２３ｂ側の辺と、永久磁石２３ａ、２３ｂの辺のうち貫通孔２４ａ側の辺との間の距離が、内周側から外周側に向かうに従い漸増しているが、この漸増割合が、内周側部分よりも外周側部分が大きくなっている。
つまり、内周側部分では、貫通孔開き角度がβとなっているが、外周側では貫通孔開き角度はβよりも大きなγになっている。

このように実施例２では、永久磁石２３ａ，２３ｂと貫通孔２４との間の距離が、特に外周側で広くなっているため、図５〜図７に示すように、永久磁石２３ａ，２３ｂと貫通孔２４との間の部分のうち、特に、外周側部分において、磁束密度が低くなる。
このため、磁気飽和の発生を確実に防止して、磁石トルクを大きくすることができる。

本発明の実施例１に係る永久磁石式リラクタンスモータを示す構成図。 実施例１の磁石磁束を示す磁束解析図。 実施例１のｄ軸電流による磁束を示す磁束解析図。 実施例１のｑ軸電流による磁束を示す磁束解析図。 実施例２の磁石磁束を示す磁束解析図。 実施例２のｄ軸電流による磁束を示す磁束解析図。 実施例２のｑ軸電流による磁束を示す磁束解析図。 従来の永久磁石式リラクタンスモータを示す構成図。 従来の永久磁石式リラクタンスモータの磁石磁束を示す磁束解析図。 従来の永久磁石式リラクタンスモータのｄ軸電流による磁束を示す磁束解析図。 従来の永久磁石式リラクタンスモータのｑ軸電流による磁束を示す磁束解析図。

符号の説明

１ 永久磁石式リラクタンスモータ
２０ 回転子
２１ 回転子鉄心
２２ａ，２２ｂ 磁石挿入孔
２３ａ，２３ｂ 永久磁石
２４，２５ 貫通孔
α 磁石開き角度
β，γ 貫通孔開き角度

Claims (2)

1. 回転子鉄心の周方向の複数箇所に、断面形状が長方形となっている２本で１セットとなっている磁石挿入孔が軸方向に貫通して形成されており、しかも、セットとなっている磁石挿入孔の相互の対向距離は半径方向に沿い外側に向かうに従い順次増大しており、
   更に、前記磁石挿入孔に断面形状が長方形となっている永久磁石が挿入・固定されると共に、
   前記回転子鉄心には、前記永久磁石が挿入・固定されている位置よりも内周側の部分に、軸方向に貫通している複数の貫通孔が周方向に並んで形成されている、
   永久磁石式リラクタンスモータの回転子において、
   前記貫通孔の辺のうち前記永久磁石側の辺と、前記永久磁石の辺のうち前記貫通孔側の辺との間の距離が、内周側から外周側に向かうに従い漸増するように、前記貫通孔を形成していることを特徴とする永久磁石式リラクタンスモータの回転子。
2. 前記貫通孔の辺のうち前記永久磁石側の辺と、前記永久磁石の辺のうち前記貫通孔側の辺との間の距離が、内周側から外周側に向かうに従い漸増する漸増割合は、内周側部分よりも外周側部分が大きいことを特徴とする請求項１の永久磁石式リラクタンスモータの回転子。

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