JP2011188579A - 永久磁石同期機 - Google Patents

Abstract

【課題】希土類磁石を用いた場合において、トルクを減少させることなく高速運転範囲を拡大できる永久磁石同期機の構造を提供する。
【解決手段】２ｎ個（但し、ｎ＝自然数）の極を円周状に配置した回転子１と、空隙を介して回転子に対向して配置されて回転磁束を発生する固定子１００とを備えた永久磁石同期電動機において、回転子は、その各極を構成する鉄心内に少なくとも１つ以上の希土類を主成分とする永久磁石２を埋設して界磁極を構成する回転子であり、永久磁石の厚みＴｐが前記回転子のコアの厚みＴｃに対し、Ｔｐ＜Ｔｃ／３となるように構成すると共に、回転子の、互いに隣接し、かつ、異なる磁極の永久磁石間における鉄心部に、非磁性体で構成される複数のスリットを設けた。
【選択図】図３

Description

本発明は永久磁石同期機に関し、特に、ネオジウム磁石に代表される希土類磁石を利用した永久磁石同期機に関する。

永久磁石同期電動機を高速回転させる場合、回転数に比例してインダクタンスの電圧降下が大きくなるため、入力電圧不足とならない範囲で回転数の上限が制限される。高速回転域の拡大を目的として、以下の特許文献１（特に、その図４）に示されるように、回転子に埋設された永久磁石外側の外周鉄心部および永久磁石内側のバックヨーク部にスリットを設けることで、インダクタンスを低減する技術が既に知られている。

一方、ネオジウム磁石をはじめとする希土類磁石では残留磁束密度が１Ｔ以上となり、回転子にスリットを設けることで磁気飽和を招きやすい。また、希土類磁石は、フェライト磁石に対し保持力が数倍と大きいため、磁石を薄肉化することが可能となるが、磁石部分の磁気抵抗は依然大きく、永久磁石外側の外周鉄心部と比較すると、バックヨーク部分に流れる磁束は少ない。このため、以下の特許文献２に示すように、バックヨーク部分にはスリットを施さず、永久磁石外側の外周鉄心部のみにスリットを施すことで、磁束の流れを調整すると共に、インダクタンスを低減する技術が既に知られている。

特開2002-84690号公報 特開2004-336999号公報

しかし、上述した特許文献１に示される構成では、永久磁石の径方向長さが回転子鉄心の半径方向長さよりも大きく、磁気抵抗が極めて大きい。このような肉厚の永久磁石を用いた構成は、フェライト磁石の減磁耐力の向上策と考えられる。なお、当該構成においては、電機子磁束のほとんどが回転子の外周鉄心部を流れるので、外周鉄心部に設けたスリットはインダクタンス低減に寄与するものの、バックヨーク部分に設けたスリットの効果は小さい。一方で、バックヨーク部分にスリットを設けることで、磁性体で構成される磁路が減少するため、磁気飽和が起こり易くなる。これによって、永久磁石の発生磁束が減少し、トルクが減少するといった問題がある。なお、この問題に関し、上記特許文献1では触れられていないが、これは、フェライト磁石を用いた場合、永久磁石の残留磁束密度が０．５Ｔ程度であることから、バックヨーク部分に多少のスリットを設けても顕著な磁気飽和は発生しないためと考えられる。

上述したように、永久磁石同期電動機において高速回転域の拡大を図るためには、インダクタンスを低減する方法が有効であるが、しかし、ネオジウム磁石をはじめとする希土類磁石を用いた場合には、インダクタンス低減を目的として回転子にスリットを設けることで、磁気飽和が起こり易くなり、これによって永久磁石の発生磁束の低下、更には、トルクの低下を招いてしまうという課題があった。

そこで、本発明の目的は、上記従来技術における課題に鑑みて達成されたものであり、より具体的には、特に、ネオジウム磁石をはじめとする希土類磁石を用いた場合において、トルクを減少させることなく、その高速運転範囲を拡大することが出来る永久磁石同期機を提供することである。

本発明によれば、上述した目的を達成するため、２ｎ個（但し、ｎ＝自然数）の極を円周状に配置した回転子と、空隙を介して前記回転子に対向して配置され、回転磁束を発生する固定子とを備えた永久磁石同期電動機であって、前記回転子は、その各極を構成する鉄心内に少なくとも１つ以上の希土類を主成分とする永久磁石を埋設して界磁極を構成する回転子であり、前記永久磁石の厚みＴｐが前記回転子のコアの厚みＴｃに対し、Ｔｐ＜Ｔｃ／３となるように構成すると共に、前記回転子の、互いに隣接し、かつ、異なる磁極の永久磁石間における鉄心部に、非磁性体で構成される複数のスリットを設けた永久磁石同期電動機が提供される。

また、本発明では、前記に記載した永久磁石同期電動機において、前記スリットは、前記互いに隣接し、かつ、磁極の異なる永久磁石間を、直線又は円弧で結ぶ形状とし、かつ、前記スリットの直線部分の長さまたは円弧部分の長さが、前記永久磁石の径方向厚さの最大値よりも大きいことが好ましく、又は、前記希土類を主成分とする永久磁石は、ネオジウム磁石で構成することが好ましい。また、前記永久磁石の磁極中心付近に位置するスリットの幅を、前記永久磁石の磁極端部付近に位置するスリットの幅よりも大きくすることが好ましく、又は、前記永久磁石の磁極中心付近に位置する隣り合うスリットの間の距離を、前記永久磁石の磁極端部付近に位置する隣り合うスリットの間の距離よりも小さくすることが好ましい。更に、前記永久磁石の磁化方向に対して垂直な面のうち、前記スリットで結ばれる側に位置する面の周方向幅であって、磁極１極を構成する少なくとも１つ以上の前記永久磁石の周方向幅の合計値Ｗpmと、前記直線状または円弧状に伸びるスリットにおいてスリットの伸び方向に対して垂直となる方向の幅の磁極１極あたりの合計値Ｗslとの比が、0.11＜Ｗsl/Ｗpm＜0.31となるように構成ことが好ましい。

更に、本発明では、前記永久磁石同期電動機は、内転型の永久磁石同期電動機であっても、又は、外転型の永久磁石同期電動機であってもよく、そして、前記永久磁石同期電動機は、スライド駆動機構を介して電動機の回転運動をスライドの昇降運動に変換しつつプレス成形可能に形成されたプレス機械において、回転運動を行う前記電動機として、又は、射出成形機における動力発生部に使用することも可能である。

以上の本発明によれば、特に、ネオジウム磁石をはじめとする希土類磁石を用いた場合において、トルクを減少させることなく、その高速運転範囲を拡大することが可能な永久磁石同期機を提供するという、実用的にも優れた効果を発揮する。

本発明の基礎となる永久磁石同期電動機における磁束の永久磁石同期電動機における磁束の挙動・現象について説明する図である。 上記図１の永久磁石同期電動機における磁束Φと磁石厚みＴｐとの関係を示す図である。 本発明の実施例１になる永久磁石同期電動機の回転子の径方向断面図。 本発明の実施例１による永久磁石同期電動機の径方向断面における磁束線の模式図。 図１に示す永久磁石幅と回転子バックヨークに設けたスリット幅を説明するための回転子の径方向断面図。 本実施例によるスリット幅と無負荷誘導起電力、トルク、およびインダクタンスの関係図。 本発明の第１の実施例に係る他の永久磁石同期電動機の回転子の径方向断面図。 本発明の第２の実施例による永久磁石同期電動機の回転子の径方向断面図。 本発明の第３の実施例による他の永久磁石同期電動機の回転子の径方向断面図。 本発明の第４の実施例による自己始動型永久磁石同期電動機の回転子の径方向構成図。 本発明の第４の実施例によるスリット幅と無負荷誘導起電力、トルク、およびインダクタンスの関係図。 本発明の第５の実施例による永久磁石同期電動機の回転子の径方向断面図。 本発明の第５の実施例によるスリット幅を説明するためのスリット形状。 本発明の第６の実施例による永久磁石同期電動機の回転子1極分の径方向断面図。 本発明を外転型の永久磁石同期電動機に適用した場合の電動機の径方向の一部拡大断面図である。

以下、本発明の実施例について、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。しかしながら、それに先立ち、まず、本発明の基礎となる永久磁石同期電動機における磁束の挙動・現象について、添付の図１を用いて説明する。

即ち、上述した特許文献１に開示される構成において、特に、肉厚の永久磁石に代え、薄肉化したネオジウム磁石をはじめとする希土類磁石を用いた場合には、電機子磁束のほとんどが回転子の鉄心の外周部を流れるので、外周鉄心部に設けたスリットはインダクタンス低減に寄与するものの、バックヨーク部分に設けたスリットの効果は小さくなることについて、以下に説明する。

まず、添付の図１に示すように、４極機において、磁極1極当りを透過する電機子磁束を考える。ここで、永久磁石が発生する磁束の透過方向を一般に「ｄ軸」と呼び、これに対し、電気角で９０°（４極機では機械角で４５°）進み位置にある軸を「ｑ軸」と呼ぶ。

なお、ここでは、説明の簡単のため、電機子磁束が図のａ点からｂ点に透過する場合を考える。電機子磁束は、経路１及び経路２を経てｂ点に透過するが、永久磁石の厚みＴｐが大きくなる程、経路２を透過する磁束が減少する。このことを、以下にて説明する。

まず、経路１の磁気抵抗Ｒ１は、次式で表される。

ここで、μ_Fe：鉄の比透磁率、μ₀：真空の透磁率、l_Fe：回転子コアの軸長である。

同様に、経路２の磁気抵抗Ｒ２は、次式で表される。ただし、経路２では、コア部分に対して永久磁石部分の磁気抵抗が十分大きいことから、当該コア部分は無視する。また、永久磁石の比透磁率は１とした。

ａ点からｂ点に至る起磁力消費をΔFとすると、経路１を透過する磁束Φ１、及び、経路２を透過する磁束Φ２は、それぞれ、次式で表される。

上記の［数４］及び［数５］から明らかなように、Φ１は磁石厚みＴｐに比例し、他方、Φ２はＴｐに反比例する。これらの［数４］と［数５］で表されるΦ１とΦ２が交差するときのＴｐの値は、次式にて表される。

ここで、μ_Feは、磁気飽和が顕著になる程、減少するが、経路１のコアが磁気飽和状態にある、即ち、磁束密度が１．６Ｔ程度であると仮定しても、μ_Feは４００〜８００程度であり、依然大きく、上記［数６］の根号内の第２項は無視できる。したがって、［数６］は以下のように近似できる。

したがって、Φ１とΦ２は、添付の図２のように示され、即ち、磁束Φ２はＴｐ＞Ｔｃ／３の範囲において僅少となることが分かる。

以上の結論として、下記のことが言える。
（ｉ）フェライト磁石を用いた場合には、コアの厚みＴｃに対して、永久磁石の厚みＴｐがＴｃ／３よりも大となる構成が多く、この場合には、電機子磁束のほとんどが回転子の外周鉄心部を透過する。そのため、バックヨークに設けたスリットの効果が小さい。

（ｉｉ）ネオジム磁石を用いた場合には、コアの厚みＴｃに対し、永久磁石の厚みＴｐを小さくできるため、電機子磁束のうちバックヨークを透過する成分が増加し、バックヨークに設けたスリットの効果が高くなる。

そこで、本発明では、上記の発明者による検討の結果に基づき、永久磁石として、ネオジウム磁石をはじめとする希土類磁石を用い、かつ、永久磁石の厚みＴｐがＴｃ／３より小さく（Ｔｐ＜Ｔｃ／３）、即ち、薄肉化して、バックヨークに設けたスリットの効果を高める。

図３は、本発明の第１の実施例による永久磁石同期電動機の回転子の径方向断面図である。また、図４は、本発明の第１の実施例による永久磁石同期電動機の径方向断面における磁束線の模式図を、図５は、上記図３に示す永久磁石幅と回転子バックヨークに設けたスリット幅を説明するための回転子の径方向断面図を、図６は、本実施例によるスリット幅Ｗ_ｓｌ／Ｗ_ｐｍと無負荷誘導起電力Ｅ_ｏ、トルクＭ_ｐ、及び、ｑ軸インダクタンスＬ_ｑの関係を示す。

この図３において、回転子１は積層鋼板によって構成されており、シャフト孔７に挿入される出力軸を介して外部に動力を伝達する。回転子１の内部には、磁石挿入孔３に埋設した永久磁石２が４極となるよう配置されており、かつ、コアの厚みＴｃに対し、永久磁石の厚みＴｐがＴｃ／３より小さく（Ｔｐ＜Ｔｃ／３）なっている。永久磁石２の外周鉄心部８には非磁性体で構成されるスリット４が設けられており、これにより、磁束の流れを調整すると共に、インダクタンスを低減する効果がある。これに加え、更に、永久磁石２の内周側バックヨーク９にも非磁性体で構成されるスリット６を設けることで、インダクタンスの更なる低減を図っている。

なお、上記のスリット６は、上記の図３に示すように、磁極間を結ぶ連続的な円弧となるようにしても良く、又は、丸穴や方形穴を連ねることで構成しても良い。また、スリット６にエポキシ等の樹脂を埋め込む構成としても良く、この場合にも、埋め込んだ樹脂は磁気的な特性に影響を与えることなく、むしろ、積層鋼板から構成される回転子の強度を向上することができる。

なお、永久磁石２は希土類を主成分とする焼結磁石であり、上記の図３では、１極当たり一枚の永久磁石で構成しているが、複数枚に分割した永久磁石を軸方向又は周方向に配置してもよい。また、焼結磁石の他に、ボンド磁石で形成することも可能である。また、永久磁石２は径方向の断面形状が長方形となっているが、磁極中央部に厚みをもたせたカマボコ状でもよい。また、１極当たり少なくとも２枚以上の永久磁石を、磁極中央部から磁極端部に向かってＶ字状に配置する構成でもよく、又は、「ハ」の字状に配置する構成でもよい。

ここで、希土類磁石を用いた永久磁石同期電動機の従来技術では、スリット６を設けることでインダクタンスは低減できるものの、しかしながら、それにより磁路が減少するため、永久磁石の発生磁束が低下し、その結果、トルクまでもが低下してしまうと考えられていた。これに対し、本発明では、コアの厚みＴｃに対して永久磁石の厚みＴｐがＴｃ／３より小さく（Ｔｐ＜Ｔｃ／３）なるように設定してスリット６を設けることで、トルクを低下させること無く、インダクタンスの低減が可能となる。

図４は、第１の実施例による永久磁石同期電動機の径方向断面における磁束線の模式図である。固定子１００はティース部１１０を有し、内周側の空隙を介して、永久磁石２で構成される回転子１が回転可能に配置されている。永久磁石２が発生する磁束３１は、実線で示すように、回転子を透過するときはｄ軸とほぼ並行になり、固定子のバックヨークを透過するときは円弧状の軌跡となる。他方、電機子磁束３２は、点線で示すように、回転子を透過するときはｑ軸と並行となり、固定子のバックヨークを透過するときは円弧状の軌跡となる。そして、永久磁石同期電動機を駆動する場合、固定子バックヨーク部１０１とティース部１０２において、永久磁石磁束３１と電機子磁束３２とが重畳するため、当該部分の磁気飽和が顕著となる。このため、電機子電流の増加に伴い、本来は電流に比例するはずのトルク（磁石トルク）が増加し難くなるという問題がある。この問題の解決には、ｑ軸インダクタンスを低減し、電機子磁束３２を低減することで、固定子バックヨーク部１０１とティース部１０２における磁気飽和を緩和する方法が有効である。

すなわち、上記図３に示すように、コアの厚みＴｃに対する永久磁石の厚みＴｐをＴｃ／３より小さく（Ｔｐ＜Ｔｃ／３）なるようにすると共に、スリット６を設けることで、永久磁石磁束の低下をあまり伴うことなく、磁気飽和の緩和を達成することが可能となる。

なお、フェライト磁石を用いた永久磁石同期電動機においては、先述したように永久磁石の残留磁束密度が０．５Ｔ程度であることから、永久磁石磁束３１と電機子磁束３２とが重畳した場合でも、磁気飽和は発生し難い。従って、スリット６を設けても、永久磁石磁束の低下を招くだけとなり、結果としてトルクが低下してしまう。

以上のように、本発明によれば、トルクの低下を招くことなく、インダクタンスを低減でき、高速回転域を拡大できるほか、鉄損の低減が可能となり効率を向上できる。また、インダクタンスの低減により、電気的時定数（∝インダクタンス）が小さくなるので、過渡応答性が良くなる。また、電磁加振力を低減できるため、騒音・振動を低減することができる。また、電機子電流が増加した場合においても、電流とトルクがほぼ線形の関係となるので、制御応答性に優れ、特に、サーボ機械等への適用が容易となる。また、回転子の質量が減少するため、イナーシャが小さくなる。この結果、急加減速への対応が容易となるほか、機械的時定数（∝イナーシャ）が小さくなり、モータを加速させる際のエネルギー投入を抑制することが可能となる。

添付の図５及び図６には、本発明による効果を、より有効に得るための詳細な構成を示す。なお、この図５において、上記図３と同一構成要素には同一符号を付け、その説明の重複は避ける。

図５において、磁極１極当たり４本設けられたスリット６を、それぞれ、一本ずつ６a、６b、６c、６dと定義し、各スリットの伸び方向に対して垂直となる方向の幅を、それぞれ、Ｗsl１、Ｗsl２、Ｗsl３、Ｗsl４と定義している。また、永久磁石２の磁化方向に対して垂直な面のうち、スリット６で結ばれる側（内周又はバックヨーク側）に位置する面５の周方向幅を、Ｗpmと定義している。そして、磁極１極当たりにおいて、スリット６a〜６dの幅の合計値がＷslで表されるとき、図５の構成に関しては、以下の式が成り立つ。

ここで、Ｗsl１〜Ｗsl４の値は同一であってもよいし、異なっていてもよい。また、スリットの本数は４本以下であってもよいし、４本以上であってもよく、Ｗslは磁極１極当たりのスリット幅の合計値とする。

また、上記の図５において、Ｗpmは永久磁石２の一枚分の周方向幅と一致しているが、磁極１極を構成する永久磁石が複数枚の磁石からなるときは、各永久磁石における面５の周方向幅の合計値をＷpmとする。

図６は、前述したＷslとＷpmとの比「Ｗsl／Ｗpm」を変化させた場合における、無負荷誘導起電力Ｅ0、出力トルクＭp、およびｑ軸インダクタンスＬqの変化を示したものである。ただし、Ｗsl／Ｗpm＝０の場合はスリット６が全く設けられていない状態を表す。これから、0＜Ｗsl／Ｗpm＜0.2の範囲においては、Ｗsl／Ｗpmの増加に伴い、無負荷誘導起電力Ｅ0は低下するのに対し、出力トルクＭpはほとんど低下しない。この結果から、スリット６を設けることで、永久磁石磁束は低下するものの、しかしながら、磁気飽和が緩和され、結果としてトルクの低下をカバーしている（補っている）ことがわかる。Ｗsl／Ｗpm＝0.31で出力トルクＭpはクニック点を迎えること、Ｗsl／Ｗpm＞0.11でｑ軸インダクタンスＬqの低減効果が得られることから、0.11＜Ｗsl/Ｗpm＜0.31となるように構成することで、本発明による効果をより有効に得ることができる。

図７は、上述した第１の実施例の変形例になる永久磁石同期電動機の回転子の径方向断面図である。この図７においても、上記図３と同一構成要素には同一符号を付け、その説明の重複は避ける。

この図７の構成が上記図３と異なる点は、永久磁石２を８極となるよう配置していることである。なお、この変形例では、鉄心の外周部８にはスリットは設けられていないが、しかしながら、上記と同様、当該スリットを鉄心の外周部８に設けてもよい。

以上のように、本発明は、４極機に限定されることなく、その他、６極機や８極機、並びに、それ以上（即ち、２ｎ極（但し、ｎ＝自然数）の多極機に対しても適用することができ、上述した図７に示すような構成とすることで、トルクの低下を招くことなく、インダクタンスを低減でき、高速回転域を拡大できるほか、鉄損の低減が可能となり効率を向上できる。また、インダクタンスの低減により、電気的時定数が小さくなるので、過渡応答性が良くなる。また、電磁加振力を低減できるため、騒音・振動を低減することができる。また、電機子電流が増加した場合においても、電流とトルクがほぼ線形の関係となるので、制御応答性に優れ、サーボ機械等への適用が容易になる。また、回転子の質量が減少するため、イナーシャが小さくなる。この結果、急加減速への対応が容易となるほか、機械的時定数が小さくなり、モータを加速させる際のエネルギー投入を抑制することが可能となる。

さらに、上記図６にも示したように、特に、前述したＷslとＷpmとの比「Ｗsl／Ｗpm」を0.11＜Ｗsl/Ｗpm＜0.31となるように構成することで、本発明による効果をより有効に得ることが可能となる。

次に、図８は、本発明の第２の実施例になる永久磁石同期電動機の回転子の径方向断面図である。この図８においても、上記図３と同一の構成要素には同一符号を付け、説明の重複を避ける。

なお、この図８に示す構成が上記図１に示すそれと異なる点は、永久磁石２を６極となるよう配置していること、１極当たり４本設けたスリット６a〜６dのうち、磁極の中央付近に位置するスリット６b、６cの幅を、磁極の端部付近に位置するスリット６a、６dよりも大きくしたことである。なお、図示の例では、外周鉄心部８にはスリットを設けていないが、しかしながら、本発明はこれに限定されることなく、外周鉄心部８にもスリットを設けてもよい。なお、上述したように、磁極中央付近のスリット幅を大きくすることで、インダクタンスの低減効果をより大きくすることができる。また、この実施例２も、６極機に限られることなく、４極機や８極機、並びに、それ以上の多極機においても、同様な構成とすることで同様の効果を得ることができることは明らかであろう。

図９は、本発明の第３の実施例になる永久磁石同期電動機の回転子の径方向断面図である。この図７においても、上記図３と同一の構成要素には同一符号を付し、説明の重複は避ける。

この図９に示す実施例３の構成が上記図１に示すそれと異なる点は、１極当たりに、スリットを６本設けていること、スリット６a〜６fのうち、磁極の中央付近に位置する隣り合うスリット６e、６fの間の距離を、磁極の端部付近に位置する隣り合うスリット６a、６bの間の距離、又は、スリット６c、６dの間の距離よりも小さくしたことである。このような構成とすることで、インダクタンスの低減効果をより大きくすることができる。また、この実施例３も、４極機に限られることなく、６極機や８極機、ならびにそれ以上の多極機においても、同様の構成とすることで同様の効果を得ることができることは明らかであろう。

図１０は、本発明の第４の実施例になる自己始動型永久磁石同期電動機の回転子の径方向断面図である。この図８においても、上記図３と同一の構成要素には同一符号を付け、説明の重複は避ける。

なお、この実施例４に示す構成が上記図１のそれと異なる点は、鉄心の外周部８に複数の始動用導体バー１０が設けられていること、永久磁石２を２極となるよう配置していること、磁極１極が４枚の円弧状磁石で構成されていること、スリット６で結ばれる側に位置する面５が円弧状になっていること、そして、スリット６が直線状に７本設けられていることである。

なお、各極を構成する永久磁石２は、図示のように、例えば、４枚、又は、４枚以下あるいは４枚以上でもよく、その断面形状も、図示の円弧状に限られず、その他、台形状や方形状であっても構成可能である。また、配置方法は、必ずしも、円弧状に限るものではなく、その他、例えば、一文字状や「ハ」の字状、又は「Ｖ」字状であってもよい。

以上のように、本発明によれば、上述した自己始動型永久磁石同期電動機を、特に、インバータ駆動する場合においても、トルクの低下を招くことなく、インダクタンスを低減でき、高速回転域を拡大できるほか、鉄損の低減が可能となり、効率を向上できる。また、インダクタンスの低減により、電気的時定数が小さくなるので、過渡応答性が良くなる。また、電磁加振力を低減できるため、騒音・振動を低減することができる。また、電機子電流が増加した場合においても、電流とトルクがほぼ線形の関係となるので、制御応答性に優れ、サーボ機械等への適用が容易になる。また、回転子の質量が減少するため、イナーシャが小さくなる。その結果、急加減速への対応が容易となるほか、機械的時定数が小さくなり、モータを加速させる際のエネルギー投入を抑制することが可能となる。

さらに、自己始動型永久磁石同期電動機はインバータを介さず、系統直入れで駆動することも可能であり、そのような場合においては、電圧及び周波数が一定となる。そして、本発明によれば、インダクタンスを低減できるため、このような一定電圧下においては、印加電流を増加することができ、最大トルクを増加させることが可能となる。

ここで、上述した構成において、磁極１極当たりのスリット幅の合計値をＷslとし、磁極１極当たりの永久磁石内周側の周方向幅の合計値をＷpmとする。上記図８におけるＷpmは、次式で表される。

図１１は、ＷslとＷpmとの比「Ｗsl／Ｗpm」を変化させた場合における、無負荷誘導起電力Ｅ0、出力トルクＭp、およびｑ軸インダクタンスＬqの変化を表したものである。即ち、0＜Ｗsl／Ｗpm＜0.2の範囲において、Ｗsl／Ｗpmの増加に伴い無負荷誘導起電力Ｅ0は低下するのに対し、出力トルクＭpはほとんど低下しない。この結果から、本実施例においても、スリット６を設けることで永久磁石磁束は低下するものの、磁気飽和が緩和され、結果としてトルクの低下をカバーして（補って）いることがわかる。また、Ｗsl／Ｗpm＝0.31で出力トルクＭpはクニック点を迎えること、Ｗsl／Ｗpm＞0でｑ軸インダクタンスＬqの低減効果が得られることから、実施例１と同様に、本実施例においても0.11＜Ｗsl/Ｗpm＜0.31となるように構成することで、本発明による効果をより有効に得ることができる。

また、本発明の上記実施例は、上述した４極や２極のものに限られず、その他、６極や８極、並びに、それ以上の多極で構成される自己始動型永久磁石同期電動機に対して適用しても、上記に示したような構成とすることで、上記と同様の効果を得ることができる。

図１２は、本発明の第５の実施例になる永久磁石同期電動機の回転子の径方向断面図である。この図１２においても、上記図３と同一構成要素には同一符号を付け、説明の重複は避ける。

この図１２に示す構成が上記図３のそれと異なる点は、１極当たり４本設けたスリット６a〜６dにおいて、いずれのスリットにおいても、スリット幅が不均一な構成となっていることである。例えば、スリット６aは、図１３に示すように、多数の異なるスリット幅Ｗsl１(1)、Ｗsl１(2)…、Ｗsl１(n)を有するため、スリット６aが磁極間に伸びる方向を微小長さに分割した上で、以下のような積分平均により、当該スリットの幅Ｗsl１を定義する。

スリット６bの幅Ｗsl２、スリット６cの幅Ｗsl３、スリット６dの幅Ｗsl４に関しても、上記と同様に定義することで、スリット６a〜６dの幅の合計値Ｗslは上述した式、［数８］と同様に表すことができる。

図１４は、本発明の第６の実施例になる永久磁石同期電動機の回転子の1極分の径方向断面図である。この図１４においても、上記図３と同一構成要素には同一符号を付け、説明の重複は避ける。

この図１２の構成が上記図３のそれと異なる点は、永久磁石２の外周鉄心部８の面積が小さく、かつ、そこには非磁性体で構成されるスリット４が設けられていないことである。このような構成においては、外周鉄心部８を透過する電機子磁束は減少し、バックヨーク部分を流れる磁束が増加するため、スリット６を設けることによるインダクタンスの低減効果が大きくなる。また、インダクタンスの低減により、電気的時定数が小さくなるので、過渡応答性が良くなる。また、電磁加振力を低減できるため、騒音・振動を低減することができる。したがって、高速回転域を拡大できるほか、鉄損の低減が可能となり効率を向上できる。また、電機子電流が増加した場合においても、電流とトルクがほぼ線形の関係となるので、制御応答性に優れ、サーボ機械等への適用が容易になる。また、回転子の質量が減少するため、イナーシャが小さくなる。この結果、急加減速への対応が容易となるほか、機械的時定数が小さくなり、モータを加速させる際のエネルギー投入を抑制することが可能となる。

さらに、上記の図６にも示したように、ＷslとＷpmとの比「Ｗsl／Ｗpm」を0.11＜Ｗsl/Ｗpm＜0.31となるように構成することで、本発明による効果をより有効に得ることが可能となる。

なお、上述した実施例では、本発明を、電動機の外側に固定子を設け、その内側に配置した回転子が回転する、所謂、内転型の永久磁石同期電動機に適用した例について説明したが、しかしながら、本発明はこれに限定されず、例えば、内側に固定子を配置し、その外周に設けた回転子とする外転型の永久磁石同期電動機に適用することも可能である。添付の図１５には、本発明を採用した外転型の永久磁石同期電動機の外周部分を拡大して示しており、この図１５においても、上記図３と同一構成要素には同一符号を付け、説明の重複は避ける。

なお、この図１５に示す外転型の永久磁石同期電動機においても、上記の実施例と同様に、回転子側の構造において、コアの厚みＴｃに対する永久磁石の厚みＴｐをＴｃ／３より小さく（Ｔｐ＜Ｔｃ／３）なるようにすると共に、スリット４、６を設けることで、永久磁石磁束の低下をあまり伴うことなく、磁気飽和の緩和を達成することが可能となり、上述と同様の効果が得られる。更には、ＷslとＷpmとの比「Ｗsl／Ｗpm」を0.11＜Ｗsl/Ｗpm＜0.31となるように構成することで、本発明による効果をより有効に得ることができる。また、スリットの本数や形状、更には、その幅や永久磁石の幅に対する比などについても、上述したと同様に採用することによれば、やはり、同様の効果が得られることは、当業者であれば明らかであろう。

１…回転子，２…永久磁石，３…永久磁石挿入孔，４…永久磁石外側の外周鉄心部のスリット，５…永久磁石の磁化方向に対して垂直な面のうちバックヨークスリット６で結ばれる側に位置する面，６…バックヨークスリット，７…シャフト，８…永久磁石外側の外周鉄心部，９…バックヨーク，１０…始動用導体バー，３１…永久磁石の発生磁束，３２…電機子磁束，１００…固定子，１０１…固定子バックヨークの磁気飽和部分，１０２…固定子ティースの磁気飽和部分，１１０…固定子ティース，１１１…固定子コイル，１１２…固定子バックヨーク。

Claims (10)

1. ２ｎ個（但し、ｎ＝自然数）の極を円周状に配置した回転子と、
   空隙を介して前記回転子に対向して配置され、回転磁束を発生する固定子とを備えた永久磁石同期電動機であって、
   前記回転子は、その各極を構成する鉄心内に少なくとも１つ以上の希土類を主成分とする永久磁石を埋設して界磁極を構成する回転子であり、
   前記永久磁石の厚みＴｐが前記回転子のコアの厚みＴｃに対し、Ｔｐ＜Ｔｃ／３となるように構成すると共に、
   前記回転子の、互いに隣接し、かつ、異なる磁極の永久磁石間における鉄心部に、非磁性体で構成される複数のスリットを設けたことを特徴とする永久磁石同期電動機。
2. 前記請求項１に記載した永久磁石同期電動機において、
   前記スリットは、前記互いに隣接し、かつ、磁極の異なる永久磁石間を、直線又は円弧で結ぶ形状とし、かつ、前記スリットの直線部分の長さまたは円弧部分の長さが、前記永久磁石の径方向厚さの最大値よりも大きいことを特徴とする永久磁石同期電動機。
3. 前記請求項１に記載した永久磁石同期電動機において、
   前記希土類を主成分とする永久磁石は、ネオジウム磁石で構成することを特徴とする永久磁石同期電動機。
4. 前記請求項１に記載した永久磁石同期電動機において、
   前記永久磁石の磁極中心付近に位置するスリットの幅を、前記永久磁石の磁極端部付近に位置するスリットの幅よりも大きくすることを特徴とする永久磁石同期電動機。
5. 前記請求項１に記載した永久磁石同期電動機において、
   前記永久磁石の磁極中心付近に位置する隣り合うスリットの間の距離を、前記永久磁石の磁極端部付近に位置する隣り合うスリットの間の距離よりも小さくすることを特徴とする永久磁石同期電動機。
6. 前記請求項１に記載した永久磁石同期電動機において、
   前記永久磁石の磁化方向に対して垂直な面のうち、前記スリットで結ばれる側に位置する面の周方向幅であって、磁極１極を構成する少なくとも１つ以上の前記永久磁石の周方向幅の合計値Ｗpmと、前記直線状または円弧状に伸びるスリットにおいてスリットの伸び方向に対して垂直となる方向の幅の磁極１極あたりの合計値Ｗslとの比が、0.11＜Ｗsl/Ｗpm＜0.31となるように構成したことを特徴とする永久磁石同期電動機。
7. 前記請求項１に記載した永久磁石同期電動機は、内転型の永久磁石同期電動機であることを特徴とする永久磁石同期電動機。
8. 前記請求項１に記載した永久磁石同期電動機は、外転型の永久磁石同期電動機であることを特徴とする永久磁石同期電動機。
9. 前記請求項１に記載した永久磁石同期電動機を、スライド駆動機構を介して電動機の回転運動をスライドの昇降運動に変換しつつプレス成形可能に形成されたプレス機械において、回転運動を行う前記電動機としたことを特徴とする永久磁石同期電動機。
10. 前記請求項１に記載した永久磁石同期電動機を、射出成形機における動力発生部に使用することを特徴とする永久磁石同期電動機。

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