JP2011229395A - 永久磁石型電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】フラックスバリアを備えるロータにおいて、トルクを向上させることのできる磁石構造を有する永久磁石型電動機を提供する。
【解決手段】外周に設けられたステータとステータの内周に同軸状に設けられたロータとから構成され、ロータ１が、回転軸に垂直な断面において、ロータの外表面近傍に、外周に沿って極数分の外周フラックスバリアを配置し、外周フラックスバリア間に２本の磁路１、２を確保するようｑ軸と平行に２つのフラックスバリア６、７を配置し、各フラックスバリアの内径側の端部からＶ字状に２つの第２の永久磁石４、５を配置した構成を有する永久磁石型電動機において、２つのフラックスバリア６、７間の磁路１の幅をｗ１とし、フラックスバリア６（７）と外周フラックスバリアの端部８、９との間の磁路２の幅をｗ２としたとき、ｗ１≧ｗ２の関係を満たすようフラックスバリアを配置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、外周に設けられたステータと、ステータの内周に同軸状に設けられた永久磁石を所定の位置に配置してなるロータと、から構成された永久磁石型電動機に関するものである。

永久磁石型同期電動機に発生するトルクＴは、一般に次式で表される。
Ｔ＝Ｐｎ｛φａ・ｉｑ＋（Ｌｑ−Ｌｄ）ｉｄ・ｉｑ｝ （Ｐｎ：極対数）
従って、トルク向上には、磁石による鎖交磁束φａを上げることでマグネットトルクＰｎ・φａ・ｉｑを稼ぐか、ｑ軸インダクタンスＬｑを上げ（もしくはｄ軸インダクタンスＬｄを下げ）、リラクタンストルクＰｎ（Ｌｑ−Ｌｄ）ｉｄ・ｉｑを稼ぐことが重要である。

特に、自動車駆動用などに用いられるモータは、高回転かつ高トルクが求められる。しかし、単純に永久磁石を増やし、マグネットトルクを稼ごうとすると、電機子コイルに鎖交する磁束が増えてしまい、高速回転時に誘起される電圧が制限を越えてしまうという弊害がある。従って、高回転かつ高トルクなモータでは、マグネットトルクに加えリラクタンストルクを有効に活用することが求められる。そのため、コア設計時には磁石量を確保しつつ、Ｌｑを上げるためｑ軸の磁路を太くできるような磁石配置が求められている。

従来、上述した要求に応えるため、外周に設けられたステータとステータの内周に同軸状に設けられたロータとから構成され、ロータが、コアの回転軸に垂直な断面において、ロータの外表面近傍に、外周に沿って第１の永久磁石を極数分隣り合う第１の永久磁石同士が異極になるよう配置し、第１の永久磁石間に２本の磁路１、２を確保するようｑ軸と平行に２つのフラックスバリアを配置し、各フラックスバリアの内径側の端部からＶ字状に２つの第２の永久磁石を配置した構成を有する永久磁石型電動機が知られている（特許文献１参照）。

特開平１０−５１９８４号公報

上述した永久磁石型電動機では、ロータの形状において、ロータの本体を構成するコアの外周の極ピッチ長さをｐとしたとき、ｑ軸磁束が円滑に流れるよう磁路２の幅ｗ２をｐ／２０〜ｐ／８とする構造となっていたため、以下のような問題が発生していた。

（１）マグネットトルクを稼ぎ、かつＬｄを下げるため、一般的に表面の磁石幅はできるだけ大きくとるのが望ましい。そのため、必然的に確保できる磁路１と２の幅ｗ１＋ｗ２は限られてしまう。従って、上述した従来の永久磁石型電動機のように磁路２の幅ｗ２を所定の範囲に確保しようとすると、本来、ｑ軸磁路上にあり、磁路２よりもＬｑに対する感度が高い磁路１の幅が狭くなるため、限られた磁路を有効に使えず、得られるリラクタンストルクが小さくなってしまう。

（２）（１）と同様に磁路２の幅ｗ２を確保しようとして磁路１を狭くし過ぎると、磁路１の狭窄部１１０の強度が不足し、トルク急変時のせん断力や遠心力に耐えられない。

本発明は、フラックスバリアを備えるロータにおいて、トルクを向上させることのできる磁石構造を有する永久磁石型電動機を提供することを目的とする。

本発明の永久磁石型電動機は、フラックスバリアを備える永久磁石型電動機において、２つのフラックスバリア間の磁路１の幅をｗ１とし、フラックスバリアと外周フラックスバリアの端部との間の磁路２の幅をｗ２としたとき、ｗ１≧ｗ２ の関係を満たすようフラックスバリアを配置したことを特徴とする。

本発明によれば、ｗ１≧ｗ２の関係を満たすようフラックスバリアを配置することで、リラクタンストルクを大きくすることができ、その結果、高トルク、高回転駆動が可能となる。

本発明の永久磁石型電動機の一例の構成を示す図である。 本発明におけるｄ、ｑ軸磁束分布の一例を示す図である。 本発明におけるｄ、ｑ軸磁束分布の他の例を示す図である。 本発明における磁路１の幅ｗ１と鎖交磁束との関係を示すグラフである。 本発明における磁路１の幅ｗ１とφｄ−φｑの変化量との関係を示すグラフである。 本発明の永久磁石型電動機における好適な一例の構成を説明するための図である。 図６の一部分を拡大して示す図である。 本発明の永久磁石型電動機における好適な他の例の構成を説明するための図である。 本発明の永久磁石型電動機における好適なさらに他の例の構成を説明するための図である。 本発明の永久磁石型電動機における好適なさらに他の例の構成を説明するための図である。 本発明の永久磁石型電動機における好適なさらに他の例の構成を説明するための図である。 本発明の永久磁石型電動機における好適なさらに他の例の構成を説明するための図である。 本発明の永久磁石型電動機における好適なさらに他の例の構成を説明するための図である。 本発明の永久磁石型電動機における好適なさらに他の例の構成を説明するための図である。 本発明の永久磁石型電動機における好適なさらに他の例の構成を説明するための図である。 本発明の永久磁石型電動機における好適なさらに他の例の構成を説明するための図である。 本発明の永久磁石型電動機における好適なさらに他の例の構成を説明するための図である。 本発明の永久磁石型電動機における好適なさらに他の例の構成を説明するための図である。 本発明の永久磁石型電動機における好適なさらに他の例の構成を説明するための図である。

以下に、この発明の実施の形態を、図面に基づき詳細に説明する。
図１は本発明の永久磁石型電動機の一例の構成を示す図である。図１は電動機を構成するロータにおける回転軸に垂直な断面を示している。図１に示す例において、外周に設けられたステータ（図示せず）とステータの内周に同軸状に設けられたロータ１とから構成され、ロータ１が、回転軸に垂直な断面において、ロータ１の外表面近傍に、外周に沿って第１の永久磁石３を極数分隣り合う第１の永久磁石３同士が異極になるよう配置し、第１の永久磁石３間に２本の磁路１、２を確保するようｑ軸と平行に２つのフラックスバリア６、７を配置し、各フラックスバリア６、７の内径側の端部からＶ字状に２つの第２の永久磁石４、５を配置している。なお、２はロータ１の本体となるコアである。

なお、８、９は第１の永久磁石３を包含する外周フラックスバリアの両端部である。ここで、フラックスバリア６〜９は通常空隙からなるエアギャップが採用される。上述した構成の電動機においては、ステータから発生される回転磁界により、ロータ１にマグネットトルク及びリラクタンストルクを発生させて、ロータを回転させ、ロータ１の中心に設けたシャフト（図示せず）を介して回転力を外部に伝達している。

本発明の特徴は、上述した構成において、２つのフラックスバリア６、７間の磁路１の幅をｗ１とし、フラックスバリア６（７）と第１の永久磁石３の端部（ここでは端部のフラックスバリア８（９））との間の磁路２の幅をｗ２としたとき（ここで幅とはロータ外周近傍部の各磁路の幅をいう）、ｗ１≧ｗ２の関係を満たすようフラックスバリア６〜９を配置した点にある。このように構成することで、リラクタンストルクを大きくすることができ、その結果、高トルク、高回転駆動が可能となる。また、その際、外周フラックスバリアが第１の永久磁石３を包含し、隣り合う第１の永久磁石３同士が異極になるよう配置することで、上記高トルク、高回転駆動が可能となる効果をより一層発揮することができ、好ましい態様となる。以下、その効果について説明する。

まず、ステータの作るｄ軸磁束、ｑ軸磁束の高調波分を無視し、基本波のみを考えると、ギャップ部のｄ、ｑ軸磁束分布はそれぞれ図２、図３のように表される（ただし、ｑ軸磁束については磁気飽和を考慮し、山を削っている）。図２及び図３において、矢印に示すように磁束は磁路１、２の入り口からロータに入ってコイルに鎖交すると仮定し、漏れ分を無視した場合、ｄ軸、ｑ軸磁束の量はそれぞれ図の斜線部面積となる。ここで、表面磁石部（第１の永久磁石３）の幅、フラックスバリア６〜９の幅を一定としたとき、磁路１と２の幅の和ｗ１＋ｗ２は一定となる。この条件のもと、ｗ１を変えたときのｄ、ｑ軸鎖交磁束φｄ、φｑ（図２、３の斜線部面積）の差φｑ−φｄは図４のようになる。リラクタンストルクは、ＬｑとＬｄの差に比例するため、φｑ−φｄが大きいほど、リラクタンストルクは大きくなると考えることができる。従って、図４より、ｗ２よりもｗ１を広げることで、表面の磁石幅を変えることなくリラクタンストルクをより有効に稼げることが分かる。また、図５に、φｑ−φｄの変化量ｄ（φｑ−φｄ）／ｄｗ１を示す。図５より、ｗ１＞ｗ２となる領域で、φｑ−φｄが急激に大きくなる、すなわち、リラクタンストルクが大きくなることがわかる。

また、図１に示す例では、上述した効果に加えて、ｗ１≧ｗ２とすることで、磁路２の狭窄部１１に比べ遠心力やトルク急変時のせん断力が大きくかかる磁路１の狭窄部１０の強度を上げることができ、高トルク、高回転駆動が可能となる。

図６〜図１９はそれぞれ本発明の永久磁石型電動機における好適な一例の構成を説明するための図である。図６〜図１９に示す例において、図１に示す例と同一の部材には同一の符号を付し、その説明を省略する。

本発明の好適な一例として、図６及び図６の一部を拡大して示す図７に示す例では、フラックスバリア６、７の端部からＶ字状に配置した第２の永久磁石４、５の内径側の頂点部に、遠心力を受けるためのブリッジ部２１を設けている。ブリッジ部２１は、第２の永久磁石４、５の内径側の端部に設けたフラックスバリア２２、２３の間に配置されている。また、フラックスバリア２２、２３を配置する際、その形状を考慮することで、ブリッジ部２１の角部にＲをつけている。なお、ブリッジ部２１は磁石磁束短絡防止のため、出力性能的には細い方が望ましい。また、２４はロータ１を積層する際に用いる位置決め穴である。本例では、コア２の強度を向上することができ、耐遠心力性能が向上し、高回転まで駆動させることが可能となる。

図８に示す例では、第２の永久磁石４、５の内径側の端部にフラックスバリア２５を設け、２つのブリッジ部２１−１、２１−２を配置している。このように構成することで、上述した効果に加えて、ブリッジ部２１を２つのブリッジ部２１−１、２１−２に分けることで、コア２の強度をより強くすることができる。なお、ここではブリッジ部を２つに分割したが、分割数は２以上であれば同様のあるいはそれ以上の効果を得ることができる。また、図９に示す例では、図８に示すフラックスバリア２５の代わりに位置決め穴２４を利用している。このように構成することで、今までｑ軸磁路上にあった位置決め穴をなくすことができ、磁束の通りがよくなるため、出力増が見込める。

図１０に示す例では、フラックスバリア６、７内に補助磁石３１、３２を設けている。このように構成することで、上述した効果に加えて、磁石量を増やすことができ、その結果、出力増加を達成することができる。

本発明の好適な他の例として、図１１に示す例では、第１の永久磁石３と第２の永久磁石４、５との間に第３の永久磁石４１、４２をＶ字形状に配置し、フラックスバリアと第１の永久磁石の端部との間の磁路２の幅をｗ２を、フラックスバリア６（７）と第３の永久磁石４１（４２）との間の磁路３の幅を示すｗ３と第３の永久磁石４１（４２）と第１の永久磁石３との間の磁路４の幅を示すｗ４とから構成し、ｗ１≧ｗ３、および、ｗ１≧ｗ４の関係を満たすよう第３の磁石４１、４２を配置している。このように構成することで、上述した効果に加えて、磁石の層数を増やすことによるトルクリプル低減、騒音低減を達成でき、その結果、出力増大を達成することができる。

本発明の好適なさらに他の例として、図１２〜１４に示す例では、第１の永久磁石３及び第２の永久磁石４、５として弓形磁石を用いている。そして、図１２に示す例では、第１の永久磁石３としての弓形磁石及び第２の永久磁石４、５としての弓形磁石とも外径側が凹形状となるように配置している。一方、図１３及び図１４に示す例では、第１の永久磁石３としての弓形磁石を内径側が凹形状となるよう配置するとともに、第２の永久磁石４、５としての弓形磁石を外径側が凹形状となるよう配置している。図１３と図１４の相違点は、図１３に示す例では弓形の第１の永久磁石３がコア２の表面近傍に埋設して設けられているのに対し、図１４に示す例では弓形の第１の永久磁石３がコア２の表面に露出して設けられている点である。

このように構成することで、弓形磁石を第１の永久磁石３及び第２の永久磁石４、５とも外径側が凹形状となるように配置した図１２に示す場合は、上述した効果に加えて、ｑ軸磁路を円弧状にすることができるため、磁路を太くしやすく、Ｌｑの増加を見込むことができる。また、弓形にすることで平板よりも磁石表面積を増やすことが出来、マグネットトルクを増加することができる。さらに、磁石の内側のｑ軸磁路１を広くすることが出来、リラクタンストルクを増やすことができる。また、弓形磁石を第１の永久磁石３を内径側が凹形状となるよう配置するとともに第２の永久磁石４、５を外径側が凹形状となるよう配置した図１３及び図１４の場合は、上述した効果に加えて、ロータ１の表面（近く）に弓形の第１の永久磁石３を配置することで、Ｌｄを下げることが出来、リラクタンストルクを向上させることができる。また、ロータ磁束の分布が正弦波に近くなり、高調波成分が減るため、トルクリプル低減、騒音低減、誘起電圧ピーク値低減による出力増を望むことができる。

本発明の好適なさらに他の例として、図１５、図１６に示す例では、第１の永久磁石３としてＶ字形状に配置した２つの永久磁石３−１、３−２を用いている。そして、図１５に示す例では、２つの永久磁石３−１、３−２を外径側が凹形状となるようにＶ字形状に配置している。一方、図１６に示す例では、２つの永久磁石３−１、３−２を内径側が凹形状となるようにＶ字形状に配置している。

このように構成することで、２つの永久磁石３−１、３−２を外径側が凹形状となるようにＶ字形状に配置した図１５に示す場合は、上述した効果に加えて、磁石表面積を増やすことが出来、マグネットトルクを増加させることができる。また、Ｖ字形状に配置した２つの永久磁石３−１、３−２の内側のｑ軸磁路１を広くすることが出来、リラクタンストルクを増加させることができる。また、２つの永久磁石３−１、３−２を内径側が凹形状となるようにＶ字形状に配置した図１６に示す場合は、上述した効果に加えて、Ｌｄを下げることが出来、リラクタンストルクを向上させることができる。また、ロータ磁束の分布が正弦波に近くなり、高調波成分が減るため、トルクリプル低減、騒音低減、誘起電圧ピーク値低減による出力増を望むことができる。

本発明の好適なさらに他の例として、図１７、図１８に示す例では、第１の永久磁石３として、または、第１の永久磁石３及び第２の永久磁石４、５として、断面形状が片側凸形状のかまぼこ形の永久磁石を用いている。そして、図１７に示す例では、第１の永久磁石３のみをかまぼこ形の永久磁石とし、図１８に示す例では、第１の永久磁石３及び第２の永久磁石４、５ともにかまぼこ形の永久磁石としている。このように構成することで、いずれの場合も上述した効果に加えて、ロータ磁束の分布が正弦波に近くなり、高調波成分が減るため、トルクリプル低減、騒音低減、誘起電圧ピーク値低減による出力増が望める。

本発明の好適なさらに他の例として、図１９に示す例では、ロータの外周近傍において、第１の永久磁石３を用いずに外周フラックスバリア５１のみ設けた構成としている。本例では、使用する磁石量を減らすことが出来、コスト低減を達成することができる。また、第１の永久磁石３を設けない構成であるため、ロータの奥にのみ永久磁石が埋設されている構成となり、減磁しにくくなる。

本発明の永久磁石型電動機によれば、ロータの外表面近傍に、外周に沿って極数分の外周フラックスバリアを配置し、外周フラックスバリア間に２本の磁路１、２を確保するようｑ軸を介して２つのフラックスバリアを配置し、各フラックスバリアの内径側の端部からＶ字状に２つの第２の永久磁石を配置した構成を有する永久磁石型電動機において、２つのフラックスバリア間の磁路１の幅をｗ１とし、フラックスバリアと外周フラックスバリアの端部との間の磁路２の幅をｗ２としたとき（ここで幅とはロータ外周近傍部の各磁路の幅をいう）、ｗ１≧ｗ２の関係を満たすようフラックスバリアを配置することで、フラックスバリアを備えるロータにおいて、トルクを向上させることのできる磁石構造として好適に利用することができる。

１…ロータ
２…コア
３、３−１、３−２…第１の永久磁石
４、５…第２の永久磁石
６、７、２２、２３…フラックスバリア
８、９…外周フラックスバリアの端部
１０、１１…狭窄部
２１、２１−１、２１−２…ブリッジ部
２４…位置決め部
３１、３２…補助磁石
４１、４２…第２の永久磁石
５１…外周フラックスバリア

Claims (6)

1. 外周に設けられたステータと、
   前記ステータの内周に同軸状に設けられたロータとから構成され、
   前記ロータが、回転軸に垂直な断面において、前記ロータの外表面近傍に、外周に沿って極数分の外周フラックスバリアを配置し、
   前記外周フラックスバリア間に２本の磁路１，２を確保するように、ｑ軸を介して２つのフラックスバリアを対向するように配置し、
   各フラックスバリアの内径側の端部と鈍角を構成するように接する第２の永久磁石を各極に２つ配置し、
   配置された当該２つの第２の永久磁石が、ロータの内径方向にＶ字状に構成された永久磁石型電動機において、
   ２つのフラックスバリア間の磁路１の幅をｗ１とし、前記フラックスバリアと前記外周フラックスバリアの端部との間の磁路２の幅をｗ２としたとき（ここで幅とはロータ外周近傍部の各磁路の幅をいう）、
   ｗ１≧ｗ２
   の関係を満たすようフラックスバリアを配置したことを特徴とする永久磁石型電動機。
2. 前記外周フラックスバリアが第１の永久磁石を包含し、隣り合う第１の永久磁石同士が異極になるよう配置したことを特徴とする請求項１に記載の永久磁石型電動機。
3. 前記フラックスバリアの端部からＶ字状に配置した第２の永久磁石の内径側の頂点部に、遠心力を受けるためのブリッジ部を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の永久磁石型電動機。
4. 前記ブリッジ部の角部にＲをつけたことを特徴とする請求項３に記載の永久磁石型電動機。
5. 前記フラックスバリア内に補助磁石を設けたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の永久磁石型電動機。
6. 前記外周フラックスバリアと前記第２の永久磁石との間に第３の永久磁石を配置し、
   前記フラックスバリアと前記外周フラックスバリアの端部との間の磁路２の幅ｗ２を、前記フラックスバリアと前記第３の永久磁石との間の磁路３の幅を示すｗ３と前記第３の永久磁石と前記外周フラックスバリアとの間の磁路４の幅を示すｗ４とから構成し、
   ｗ１≧ｗ３、および、ｗ１≧ｗ４
   の関係を満たすよう前記第３の永久磁石を配置したことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の永久磁石型電動機。

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