JP2021035116A - モータ - Google Patents

Abstract

【課題】 平均トルクの向上と、トルクリップルの低減とを同時に実現することができる永久磁石埋め込み型のモータを提供する。【解決手段】 第１の領域３１２１ａの周方向の長さＬａと、第２の領域３１２１ｂの周方向の長さＬｂが、それぞれ、永久磁石の周方向の長さＬｄの０．５６／９．９（≒６／１００）倍以上２．０８／９．９（≒２０／１００）倍以下になり、且つ、板厚ｔｂが、軟磁性体板の薄肉部３１２ａ以外の領域の板厚ｔａの４／７（＝０．２０／０．３５）倍以上５／７（＝０．２５／０．３５）倍以下になるように薄肉部３１２ａ〜３１２ｊをロータコア３１０に形成する。【選択図】 図１

Description

本発明は、モータに関し、特に、永久磁石が埋め込まれたロータを有するモータに用いて好適なものである。

近年、モータの小型化の要望が一段と増しており、モータの出力密度（コアの大きさ（外径寸法）に対するモータの出力の比）を大きくすることが求められている。モータの出力密度を向上させることは、モータのトルク特性を改善することと等価である。

そこで、特許文献１では、永久磁石埋め込み型のモータに対し、高トルク密度化、高出力密度化、および小型化を実現することを目的とする技術が開示されている。特許文献１では、ロータコアの磁束保持用の開口部の端部コーナに沿って鉤状をなす領域を高硬度部とし、高硬度部をロータコアの他の領域よりも高硬度にすることが記載されている。

特許文献１では、高硬度部の圧縮率を５〜２５［％］とし、高硬度部の硬度をロータコアの他の領域よりもビッカース硬度で１．３〜２．３倍にする。また、特許文献１には、モータの発生トルクに起因する有効磁束量の代替指標として回転誘起電圧の大きさを評価することにより、ロータコアの本体部の周方向に沿った側の磁石スロット縁の部分で永久磁石とオーバーラップする長さＬ２を、永久磁石の周方向の長さの０以上１／６以下の間に設定することが開示されている。

特許第５８５５７９２号公報

しかしながら、モータの平均トルクを大きくすることに加えて、トルクリップルを低減する必要がある場合がある。例えば、モータの位置制御を高精度に行うためには、トルクリップルを低減する必要がある。

特許文献１に記載の技術では、モータの平均トルクの向上と、磁束の高調波に起因する鉄損の低減とに着目して、ロータコアの一部の領域を硬くするようにしているが、トルクリップルを低減させることは考慮されていない。このため、特許文献１に記載の技術では、モータの平均トルク向上と、トルクリップルの低減とを同時に実現することが容易ではないという問題点がある。

本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、平均トルクの向上と、トルクリップルの低減とを同時に実現することができる永久磁石埋め込み型のモータを提供することを目的とする。

本発明のモータは、軸方向に貫通し、周方向に間隔を有して配置される複数の貫通孔を有するロータコアと、前記複数の貫通孔のそれぞれに配置された複数の永久磁石と、を有するロータと、内周面が前記ロータコアの外周面と間隔を有して対向し、且つ、前記ロータと略同軸となるように配置されたステータコアを有するステータと、を有するモータであって、前記ロータコアは、板面同士が対向するように積み重ねられた複数の軟磁性体板を有し、前記ロータコアは、複数の薄肉部を有し、前記薄肉部が形成されている領域には、前記貫通孔よりも外周側の領域であって、前記貫通孔の周方向の端部寄りの領域があり、前記薄肉部の内周側の端の領域には、前記永久磁石の外周側の面が配置されている領域があり、前記薄肉部における前記軟磁性体板の板厚は、前記薄肉部以外の前記軟磁性体板の板厚の４／７倍以上５／７倍以下であり、前記薄肉部の内周側の端の領域のうち、前記永久磁石の外周側の面が配置されている領域の周方向の長さは、当該永久磁石の周方向の長さの６／１００倍以上２０／１００倍以下であり、前記ロータコアの外周面の領域のうち、前記薄肉部が形成されている領域に空隙部が形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、平均トルクの向上と、トルクリップルの低減とを同時に実現することができる永久磁石埋め込み型のモータを提供することができる。

モータの構成の一例を示す図である。 ロータコアの領域のうち、永久磁石が収容される領域を拡大して示す図である。 ロータコアの領域のうち、薄肉部が形成される領域の一例を示す図である。 薄肉部の構成の一例を示す図である。 ロータコアの外周面の様子の一例を示す図である。 モータの平均トルクとトルクリップルの解析結果の一例を示す図である。 トルクと時間との関係のグラフと、当該グラフから得られる最大トルク、最小トルク、およびトルクリップルを示す図である。 トルクと機械角の関係を示すグラフと、当該グラフから得られる正のトルク、負のトルク、およびトルク合計を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態を説明する。尚、各図において、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸は、各図における向きの関係を示すものであり、その原点は、各図に示す位置に限定されない。また、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の表記において、○の中に●が付されているものは、紙面の奥側から手前側に向かう方向を示し、○の中に×が付されているものは、紙面の手前側から奥側に向かう方向を示す。

＜モータ１００の概略＞
図１は、モータ１００の構成の一例を示す図である。図１は、モータ１００を、その軸の方向（Ｚ軸方向）から見た図である。図１において、モータ１００は、ステータ２００と、ロータ３００とを有する。尚、図１等では、表記の都合上、モータ１００が有する構成の一部を省略し、また、モータ１００が有する構成を必要に応じて簡略化して示す。また、以下の説明では、モータ１００の軸方向、モータ１００の径方向、およびモータ１００の周方向を、必要に応じて、それぞれ、軸方向、径方向、周方向と略称する。

ステータ２００は、ステータコア２１０を有する。ステータコア２１０は、複数のティース部２２０ａ〜２２０ｌと、ヨーク部２３０とを有する。ヨーク部２３０は、周方向に配置される概ね中空円筒形状の部分である。複数のティース部２２０ａ〜２２０ｌは、ヨーク部２３０の内周面からモータ１００の軸Ｏの方向に向かって、径方向に延設される部分であり、周方向において略等間隔で配置される。ステータコア２１０は、図１に示す平面形状を有する軟磁性体板（電磁鋼板等）を積み重ねて一体とすることにより構成される。ステータコア２１０の軸は、モータ１００の軸Ｏと略同軸になる。ステータ２００は、ステータコア２１０の他に、ティース部２２０ａ〜２２０ｌに対して巻き回されるコイル等を有するが、図１では、その図示を省略している。尚、ステータ２００は、公知の技術で実現することができる。

ロータ３００は、ロータコア３１０と、複数の永久磁石３２０ａ〜３２０ｊとを有する。ロータコア３１０は、その外周面が、ティース部２２０ａ〜２２０ｌの先端面と間隔を有して相互に対向し、且つ、その軸がモータ１００の軸Ｏと略同軸になるように配置される。ロータコア３１０は、概ね中空円筒形状を有する。ロータコア３１０の中心に形成される中空の部分には、シャフトが配置される。ベアリング等を介してシャフトとロータコア３１０とが相互に接続される。シャフトの回転に伴いロータコア３１０も回転する。

ロータコア３１０には、その外周面寄りの領域に、軸方向において貫通する複数の貫通孔３１１ａ〜３１１ｊが形成される。これら複数の貫通孔３１１ａ〜３１１ｊには、永久磁石３２０ａ〜３２０ｊが１つずつ収容（埋設）される。従って、複数の貫通孔３１１ａ〜３１１ｊのそれぞれは、永久磁石３２０ａ〜３２０ｊの１つを収容することができる大きさおよび形状を有する。また、複数の貫通孔３１１ａ〜３１１ｊは、周方向において、略等間隔で配置される。従って、永久磁石３２０ａ〜３２０ｊも、周方向において、略等間隔で配置される。また、本実施形態では、複数の貫通孔３１１ａ〜３１１ｊの形状および大きさは、略同じであるものとする。また、永久磁石３２０ａ〜３２０ｊの形状および大きさも、略同じであるものとする。永久磁石３２０ａ〜３２０ｊの材質も同じものであるものとする。

本実施形態では、永久磁石３２０ａ〜３２０ｊは、直方体形状を有する。また、永久磁石３２０ａ〜３２０ｊの材質は、Nd-Fe-B系希土類磁石である。
図１に示すように、永久磁石３２０ａ〜３２０ｊが収容された状態で、永久磁石３２０ａ〜３２０ｊの周方向の端面の少なくとも一部の領域が、ロータコア３１０と間隔を有するようにしている。即ち、永久磁石３２０ａ〜３２０ｊの周方向の端面の少なくとも一部の領域と、ロータコア３１０との間に空隙部が形成されるようにしている。

ロータコア３１０は、同一の形状および大きさの軟磁性体板（電磁鋼板等）を積み重ねて一体とすることにより構成される。ロータコア３１０には、薄肉部３１２ａ〜３１２ｊが形成される。薄肉部３１２ａ〜３１２ｊは、ロータコア３１０を構成する軟磁性体板の一部の領域の板厚を他の領域よりも薄くすることにより形成される。薄肉部３１２ａ〜３１２ｊは、貫通孔３１１ａ〜３１１ｊよりも外周側（モータ１００の外側）の領域であって、貫通孔３１１ａ〜３１１ｊの周方向の端部寄りの領域を含む領域に形成される。また、薄肉部３１２ａ〜３１２ｊの内周側の端（モータ１００の軸Ｏ側）の領域には、永久磁石３２０ａ〜３２０ｊの外周側の面（外周面）が配置される領域がある。即ち、薄肉部３１２ａ〜３１２ｊが占める空間の境界に位置する仮想面のうち内周側に位置する面（内周面）には、永久磁石３２０ａ〜３２０ｊの外周側の面（外周面）と対向（重複）する領域がある。

＜薄肉部３１２ａ〜３１２ｊの構成＞
以下、このような薄肉部３１２ａ〜３１２ｊが形成される領域の具体例を説明する。
図２は、図１に示すロータコア３１０の領域のうち、永久磁石３２０ａ、３２０ｂが収容される領域を拡大して示す図である。前述したように、永久磁石３２０ａ、３２０ｂは、それぞれ、貫通孔３１１ａ、３１１ｂの内部に収容（埋設）される。ここで、周方向において相互に隣り合う２つの貫通孔を第１の貫通孔および第２の貫通孔とする。図２に示す例では、第１の貫通孔は貫通孔３１１ａであり、第２の貫通孔は貫通孔３１１ｂである。

図１に示す例において、貫通孔３１１ａ、３１１ｂ以外の、周方向において相互に隣り合う２つの貫通孔「３１１ｂ、３１１ｃ」、「３１１ｃ、３１１ｄ」、「３１１ｄ、３１１ｅ」、「３１１ｅ、３１１ｆ」、「３１１ｆ、３１１ｇ」、「３１１ｇ、３１１ｈ」、「３１１ｈ、３１１ｉ」、「３１１ｉ、３１１ｊ」、「３１１ｊ、３１１ａ」の組み合わせでは、「」内の前者が第１の貫通孔であり、後者が第２の貫通孔になる。

これら第１の貫通孔および第２の貫通孔のそれぞれ（全て）に対して以下に説明する薄肉部３１２ａ〜３１２ｊが形成される。以下では、貫通孔３１１ａ、３１１ｂを例に挙げて、薄肉部３１２ａが形成される領域の一例を説明する（その他の薄肉部３１２ｂ〜３１２ｊは、薄肉部３１２ａと形成される位置が異なるだけであるので、それらの詳細な説明を省略する）。尚、以下の説明では、必要に応じて、貫通孔３１１ａを第１の貫通孔３１１ａと称し、貫通孔３１１ｂを第２の貫通孔３１１ｂと称する。

図３は、ロータコア３１０の領域のうち、薄肉部３１２ａが形成される領域の一例を示す図である。図３において、薄肉部３１２ａは、第１の領域３１２１ａ、第２の領域３１２２ａ、第３の領域３１２３ａ、第４の領域３１２４ａ、第５の領域３１２５ａ、および第６の領域３１２６ａに形成される。

第１の領域３１２１ａは、第１の貫通孔３１１ａよりも外周側の領域のうち、第２の貫通孔３１１ｂ寄りの領域である。第１の領域３１２１ａの内周側の端の領域には第１の貫通孔３１１ａに配置される永久磁石３２０ａの外周面が配置される。本実施形態で示す例では、薄肉部３１２ａの内周側の端の領域のうち、永久磁石３２０ａの外周側の面が配置される領域は、第１の領域３１２１ａの内周側の端の領域になる。
第２の領域３１２２ａは、第２の貫通孔３１１ｂよりも外周側の領域のうち、第１の貫通孔３１１ａ寄りの領域である。第２の領域３１２２ａの内周側の端の領域には第２の貫通孔３１１ｂに配置される永久磁石３２０ｂの外周面が配置される。本実施形態で示す例では、薄肉部３１２ａの内周側の端の領域のうち、永久磁石３２０ｂの外周側の面が配置される領域は、第２の領域３１２２ａの内周側の端の領域になる。

第３の領域３１２３ａは、第１の領域３１２１ａに続く第２の貫通孔３１１ｂ寄りの領域であって、第１の貫通孔３１１ａよりも外周側の領域である。
第４の領域３１２４ａは、第２の領域３１２２ａに続く第１の貫通孔３１１ａ寄りの領域であって、第２の貫通孔３１１ｂよりも外周側の領域である。
第５の領域３１２５ａは、第３の領域３１２３ａと第４の領域３１２４ａとの間の領域であって、第３の領域３１２３ａおよび第４の領域３１２４ａに続く領域である。
第１の領域３１２１ａ、第２の領域３１２２ａ、第３の領域３１２３ａ、第４の領域３１２４ａ、および第５の領域３１２５ａの周方向の端部が向く方向は、径方向から大きくずれていなければ特に限定されない。第１の領域３１２１ａ、第２の領域３１２２ａ、第３の領域３１２３ａ、第４の領域３１２４ａ、および第５の領域３１２５ａの周方向の端部が向く方向は、径方向と略平行な方向の他、例えば、第１の領域３１２１ａおよび第２の領域３１２２ａの周方向の端部が、永久磁石３２０ａ、３２０ｂの周方向の端部と略平行になるようにしてもよい。

第６の領域３１２６ａは、第５の領域３１２５ａに続く領域であって、第５の領域３１２５ａからモータ１００の軸Ｏに向かう方向に延設される領域である。本実施形態では、第５の領域３１２５ａに続く領域であって、第５の領域３１２５ａからモータ１００の軸Ｏに向かう方向に延設される領域の一部の領域を、第６の領域３１２６ａとする場合を例に挙げて示す。ただし、第５の領域３１２５ａに続く領域であって、第５の領域３１２５ａからモータ１００の軸Ｏに向かう方向に延設される領域の全部の領域を、第６の領域としてもよい。

図４は、薄肉部３１２ａの構成の一例を示す図である。図４（ａ）は、薄肉部３１２ａを、軸方向（Ｚ軸方向）から見た図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）のＩ−Ｉ断面図であり、図４（ｃ）は、図４（ａ）のII−II断面図である。図４に示すように、薄肉部３１２ａの領域は、他の領域よりも板厚が薄くなっている。図４（ｂ）および図４（ｃ）では、軟磁性体板の薄肉部３１２ａ以外の領域の板厚をｔａで示し、薄肉部３１２ａの板厚をｔｂで示し、薄肉部３１２ａの凹み量（凹みの深さ）をｔｃで示す。この場合、薄肉部３１２ａの板厚は、ｔａ−ｔｃになる。尚、特許文献１には、圧縮率の定義がなされていないが、その下限値が５［％］であることから、軟磁性体板の薄肉部３１２ａ以外の領域の板厚ｔａに対する、薄肉部３１２ａの凹み量（凹みの深さ）ｔｃの比を百分率で表したもの（圧縮率＝（ｔｃ／ｔａ）×１００）であると考えられる。

以上のような薄肉部３１２ａは、プレス加工により形成することができる。プレス加工により、薄肉部３１２ａにより板厚が薄くなった領域には圧縮の残留応力（圧縮歪）が付与される（薄肉部３１２ａにより板厚が薄くなった領域の方が軟磁性体板の他の領域よりも圧縮の残留応力（圧縮歪）が大きくなる）。従って、薄肉部３１２ａにより板厚が薄くなった領域の磁気抵抗を高めることができる。ただし、必ずしもこのようにする必要はない。例えば、切削加工により薄肉部３１２ａを形成してもよい。尚、プレス加工により薄肉部３１２ａが形成される場合には、薄肉部３１２ａの表面には切削痕は形成されない。これに対し、切削加工により薄肉部が形成される場合には、当該薄肉部の表面に切削痕が形成される。また、切削加工により薄肉部が形成される場合には、当該薄肉部の領域とその他の領域とで、圧縮の残留応力（圧縮歪）の大きさは変わらない（略同じである）。

前述したように、周方向において相互に隣り合う２つの貫通孔３１１ｂ〜３１１ｃ、３１１ｃ〜３１１ｄ、３１１ｄ〜３１１ｅ、３１１ｅ〜３１１ｆ、３１１ｆ〜３１１ｇ、３１１ｇ〜３１１ｈ、３１１ｈ〜３１１ｉ、３１１ｉ〜３１１ｊ、３１１ｊ〜３１１ａについても、薄肉部３１２ａと同じように薄肉部３１２ｂ、３１２ｃ、３１２ｄ、３１２ｅ、３１２ｆ、３１２ｇ、３１２ｈ、３１２ｉ、３１２ｊが形成される。これら複数の薄肉部３１２ａ〜３１２ｊの形状および大きさは略同じである。従って、周方向においてこれら複数の薄肉部３１２ａ〜３１２ｊが略等間隔で形成される。

以上のようにして複数の薄肉部３１２ａ〜３１２ｊが形成されるように加工された軟磁性体板として同じ形状および大きさを有する複数の軟磁性体板を用意する。そして、当該複数の軟磁性体板を積み重ねて一体とすることによりロータコア３１０を形成する。
図５は、ロータコア３１０の外周面の様子の一例を示す図である。図５（ａ）は、ロータコア３１０の外周面の全体の様子の一例を示し、図５（ｂ）は、図５（ａ）に示す複数の軟磁性体板の１枚を拡大して示す図である。

図５（ａ）に示すように、本実施形態では、凹みが形成されている面を同じ側（Ｚ軸の正の方向側）にし、板厚が薄くなっている領域の面内方向の位置（Ｘ座標およびＹ座標）が略同じなるように、複数の軟磁性体板を積み重ねて一体とすることによりロータコア３１０を形成する。これにより、軸方向（Ｚ軸方向）で隣り合う位置にある２つの軟磁性体板の間の、薄肉部３１２ａ〜３１２ｊが形成される領域に、空隙部が形成される。図５（ｂ）は、図５（ａ）に示す複数の軟磁性体板のうちの１枚を拡大して示す。図５（ｂ）において、Ｚ軸の正の方向側においてＸ軸方向に並ぶ矩形で示す領域３１３ａ〜３１３ｅがそれぞれ空隙部になる。このような空隙部を形成することにより、当該空隙部における磁気抵抗を高めることができる。前述したように本実施形態では、ロータコア３１０を構成する全ての軟磁性体板は同じ形状を有する。このため、図５（ａ）に示すように、ロータコア３１０が構成された状態において、ロータコア３１０を構成する全ての軟磁性体板に空隙部が形成される。

＜Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ１、Ｌｃ２の定義＞
次に、薄肉部３１２ａ〜３１２ｊの形状を規定する寸法について説明する。ここでは、薄肉部３１２ａを例に挙げて、薄肉部３１２ａ〜３１２ｊの形状を規定する寸法について説明する。
図２および図３において、第１の領域３１２１ａの内周側の端の領域の周方向の長さをＬａとする。第２の領域３１２１ｂの内周側の端の領域の周方向の長さをＬｂとする。第５の領域３１２５ａの径方向の中心位置における径方向の長さをＬｃ１とし、第６の領域３１２６ａの径方向の中心位置における径方向の長さをＬｃ２とし、それらの和をＬｃ（＝Ｌｃ１＋Ｌｃ２）とする。また、図２では、永久磁石３２０ａ、３２０ｂの周方向の長さをＬｄと表記している。

前述したように本実施形態では、薄肉部３１２ａ〜３１２ｊの形状および大きさは略同じである。従って、全ての薄肉部３１２ａ〜３１２ｊについて、前述した長さＬａ、Ｌｂ、Ｌｃ（Ｌｃ１、Ｌｃ２）は同じ長さになる（薄肉部３１２ａ〜３１２ｊの長さＬａは同じであり、薄肉部３１２ａ〜３１２ｊの長さＬｂは同じであり、薄肉部３１２ａ〜３１２ｊの長さＬｃ。Ｌｃ１、Ｌｃ２は同じである）。

＜特許文献１の問題点＞
前述したように特許文献１に記載の技術では、高硬度部を形成することを特徴としている。具体的に特許文献１に記載の技術では、圧縮率が５〜２５［％］となるように磁性体板を圧縮加工し、高硬度部の硬度をロータコアの他の領域よりもビッカース硬度で１．３〜２．３倍にする。
そして、特許文献１に記載の技術では、磁石引張降伏荷重上昇率と圧縮率との関係から、圧縮率を５〜２５［％］の範囲に規定している。この磁石引張降伏荷重上昇率と圧縮率との関係では、圧縮率が１５［％］付近で、圧縮率の増加に伴い磁石引張降伏荷重上昇率が減少することが示されている。

また、回転誘起電圧上昇率と圧縮率との関係と、磁石引張降伏荷重上昇率と圧縮率との関係とのそれぞれにおいて、圧縮率が５〜２５［％］の範囲であれば、回転誘起電圧上昇率および磁石引張降伏荷重上昇率が適正であることを確認して、長さＬ１（永久磁石の端縁に沿った方向における磁石スロット間内での長さ）の範囲と、長さＬ２（ロータコアの本体部の周方向に沿った側の磁石スロット縁の部分で永久磁石とオーバーラップする長さ）の範囲とを規定している。

また、特許文献１に記載の技術では、高硬度部の硬度を、一般部の硬度に対し、ビッカース硬度で１．３〜２．３倍（高硬度部の硬さを２５０〜３９０［Ｈｖ］）の範囲とし、高硬度部の硬度の上下限値を設定している。
以上のことから、特許文献１に記載の技術において、圧縮率を２５［％］を超えて設定すると、特許文献１に記載の目的に反する結果になる虞がある。

また、特許文献１に記載の技術では、圧縮率が１４［％］である場合、長さＬ２（ロータコアの本体部の周方向に沿った側の磁石スロット縁の部分で永久磁石とオーバーラップする長さ）が、永久磁石の周方向の長さの１／６倍を上回ると、モータの発生トルクの代替指標となる回転誘導電圧上昇率が低下する傾向になる結果が示されている。従って、特許文献１に記載の技術では、長さＬ２を、永久磁石の周方向の長さの１／６倍を上回るようにすると、特許文献１に記載の目的に反する結果になる虞がある。

そして、特許文献１に記載の技術では、モータ１００のトルクリップルを考慮していない。更に、特許文献１に記載の技術では、モータ１００のトルクを直接の評価対象としていない。

＜調査結果＞
これに対し、本発明者は、薄肉部３１２ａ〜３１２ｊの形状および大きさを異ならせることにより、モータ１００の平均トルクおよびトルクリップルがどのように変化するのかを、電磁場解析を行うことにより調査した。
具体的に、薄肉部３１２ａの板厚ｔｂ（図４（ｂ）および図４（ｃ）を参照）を異ならせることにより、薄肉部３１２ａ〜３１２ｊの形状および大きさを異ならせた。また、長さＬａ、Ｌｂ、Ｌｃ（Ｌｃ１、Ｌｃ２）を異ならせることにより、薄肉部３１２ａ〜３１２ｊの形状および大きさを異ならせた。その結果、本発明者は、トルクリップルを考慮すると、薄肉部３１２ａ〜３１２ｊの形状および大きさの範囲は、従来の知見からでは類推できない範囲になるということを見出した。以下、調査結果の一例を説明する。

＜＜解析条件＞＞
電磁場解析を行った際の条件の一例は、以下の通りである。
ステータコア２１０の内径：φ４０．０［ｍｍ］
ステータコア２１０の外径：φ７７．０［ｍｍ］
ロータコア３１０の内径：φ２０．０［ｍｍ］
ロータコア３１０の外径：φ３９．５［ｍｍ］
ロータコア３１０の薄肉部３１２ａ〜３１２ｊの形成方法：プレス加工（圧縮加工）
ステータコア２１０およびロータコア３１０の積厚（軸方向の長さ）：４５［ｍｍ］
ステータ２００およびロータ３００間のギャップ：０．２５［ｍｍ］
ステータコア２１０、ロータコア３１０を構成する軟磁性体板の材質・板厚：３５Ａ３００・０．３５［ｍｍ］
モータ１００の極数：１０
ステータ２００のスロット数：１２
ステータコイル１つ当たりの巻回数：７３
永久磁石３２０ａ〜３２０ｊの残留磁束密度：１．３９５［Ｔ］
永久磁石３２０ａ〜３２０ｊの周方向の長さＬｄ：９．９［ｍｍ］
励磁電流の実効値：１２［Ａ］
励磁方式（励磁周波数）：正弦波励磁（２５０［Ｈｚ］）
回転方向：反時計回り（図１、図２の白抜きの矢印線の方向）

以上の条件で、第１の領域３１２１ａの周方向の長さＬａ、第２の領域３１２１ｂの周方向の長さＬｂ、および第６の領域３１２６ａの径方向の長さＬｃ２（図２、図３を参照）と、薄肉部３１２ａ〜３１２ｊの板厚ｔｂ（図４を参照）とを異ならせた場合のそれぞれにおける平均トルク［Ｎ・ｍ］とトルクリップル［Ｎ・ｍ］とを電磁場解析により求めた。

＜＜解析結果＞＞
図６は、平面形状（長さＬａ、Ｌｂ、Ｌｃ）および板厚ｔｂを異ならせた各条件１〜９の薄肉部３１２ａ〜３１２ｊを有するモータ１００の平均トルク（図６（ａ））とトルクリップル（図６（ｂ））の解析結果の一例を表形式で示す図である。図６（ａ）および図６（ｂ）には、各条件１〜９における薄肉部の平面形状（長さＬａ、Ｌｂ、Ｌｃ）および板厚ｔｂを併せて示す。
尚、条件１〜９における第５の領域３１２５ａの径方向の中心位置における径方向の長さＬｃ１は、同じである。よって、第５の領域３１２５ａの径方向の中心位置における径方向の長さＬｃ１と第６の領域３１２６ａの径方向の中心位置における径方向の長さＬｃ２との和Ｌｃを変更することは、長さＬｃ２を変更することと等価である。

図６（ａ）および図６（ｂ）において、基準は、薄肉部を形成しない場合の解析結果であることを示す。即ち、平均トルクが基準の欄に示す値よりも大きくなっていれば、薄肉部を形成することにより平均トルクが大きくなることを示し、そうでなければ、薄肉部を形成することにより平均トルクが小さくなることを示す。

また、トルクリップルが基準の欄に示す値よりも小さくなっていれば、薄肉部を形成することによりトルクリップルが小さくなることを示し、そうでなければ、薄肉部を形成することによりトルクリップルが大きくなることを示す。図６（ｂ）において、トルクリップルが基準の欄に示す値よりも小さくなっている欄の背景を白とし、トルクリップルが基準の欄に示す値よりも大きくなっている欄の背景をグレーとしている。

図６（ａ）に示すように、平均トルクについては、何れの条件であっても、薄肉部を形成することにより平均トルクは大きくなる（基準の欄に示す７．１７７［Ｎ・ｍ］よりも大きい値になる）ことが分かる。
これに対し、図６（ｂ）に示すように、トルクリップルについては、薄肉部３１２ａ〜３１２ｊを形成することにより（薄肉部を形成しない場合に比べて）小さくなる場合と大きくなる場合とがある。即ち、トルクリップルの低減が可能な薄肉部の形状および大きさの範囲に制約があることが分かる。
以上のように、薄肉部３１２ａ〜３１２ｊの形状および大きさは、平均トルクよりもトルクリップルに大きく影響を与えることが分かる。このことは、特許文献１からでは得られない知見である。

そして、図６（ｂ）の条件１および条件２より、第１の領域３１２１ａの周方向の長さＬａと、第２の領域３１２１ｂの周方向の長さＬｂとが「０」、「０．４」であると、トルクリップルは、薄肉部を形成しない場合（基準）よりも大きくなることが分かる。そして、条件３〜７より、薄肉部３１２ａ〜３１２ｊの板厚ｔｂの範囲が０．２０［ｍｍ］以上０．２５［ｍｍ］以下の範囲では、第１の領域３１２１ａの周方向の長さＬａと、第２の領域３１２１ｂの周方向の長さＬｂが「０．５６」以上「２．０８」以下の範囲において、トルクリップルは、薄肉部を形成しない場合（基準）の値以下になることが分かる。ここで、条件３に示す値は、トルクリップルが、薄肉部を形成しない場合（基準）の値以下になる条件を探索するために、他の条件の値から線形補間を行うことにより得られた推定値である。

そして、薄肉部３１２ａ〜３１２ｊの板厚ｔｂの範囲が０．２０［ｍｍ］以上０．２５［ｍｍ］以下の範囲では、第１の領域３１２１ａの周方向の長さＬａと、第２の領域３１２１ｂの周方向の長さＬｂが、条件３〜条件５に示す値よりも大きくなり、条件６〜条件７に示す値に変更されると、トルクリップルは条件３〜条件５の場合に比べて減少することが分かる。また、条件６〜条件７では、平均トルクも条件３〜条件５に比べて大きいことが分かる。よって、平均トルクおよびトルクリップルを総合的に考慮すると、条件６〜条件７の方が、条件３〜条件５よりも好ましいことが分かる。更に、条件６の場合においてトルクリップルが最低になるため、トルクリップルの低減を重視する場合には、条件６が最も好ましいことが分かる。また、トルクリップルが基準の値よりも小さい条件２〜７では、条件７の場合において平均トルクが最大になるため、平均トルクの向上を重視する場合には、条件７が最も好ましいことが分かる。ここで、条件７に示す値は、トルクリップルが、薄肉部を形成しない場合（基準）の値以下になる条件を探索するために、他の条件の値から線形補間を行うことにより得られた推定値である。

また、薄肉部３１２ａ〜３１２ｊの板厚ｔｂの範囲が０．２０［ｍｍ］以上０．２５［ｍｍ］以下の範囲であっても、第１の領域３１２１ａの周方向の長さＬａと、第２の領域３１２１ｂの周方向の長さＬｂが、条件７に示す値よりも更に大きくなり、条件８〜条件９に示す値に変更されると、トルクリップルは、薄肉部を形成しない場合（基準）よりも大きくなることがあることが分かる。

以上のように、第１の領域３１２１ａの周方向の長さＬａと、第２の領域３１２１ｂの周方向の長さＬｂの範囲が、条件３〜条件７に示す範囲であり、且つ、薄肉部３１２ａ〜３１２ｊの板厚ｔｂの範囲が０．２０［ｍｍ］以上０．２５［ｍｍ］以下の範囲である場合、トルクリップルは、薄肉部を形成しない場合（基準）よりも小さくなる。

また、薄肉部３１２ａ〜３１２ｊの板厚ｔｂの範囲が０．２０［ｍｍ］以上０．２５［ｍｍ］以下の範囲である場合、第１の領域３１２１ａの周方向の長さＬａと、第２の領域３１２１ｂの周方向の長さＬｂの範囲が、条件６〜条件７に示す範囲であれば、トルクリップルは、より小さくなると共に平均トルクは、より大きくなる。

また、第１の領域３１２１ａの周方向の長さＬａと、第２の領域３１２１ｂの周方向の長さＬｂの範囲が、条件３〜条件７に示す範囲である場合、薄肉部３１２ａ〜３１２ｊの板厚ｔｂの範囲が０．２０［ｍｍ］およびその近傍の値であれば、トルクリップルは、より小さくなる。
そして、第１の領域３１２１ａの周方向の長さＬａと、第２の領域３１２１ｂの周方向の長さＬｂが条件６に示す値およびその近傍の値であり、且つ、薄肉部３１２ａ〜３１２ｊの板厚ｔｂの範囲が０．２０［ｍｍ］およびその近傍の値である場合に、トルクリップルは、最も小さくなる。

ところで、条件４と条件５とを比較すると、第６の領域３１２６ａを長くすることによって、平均トルクは大きくなるものの、トルクリップルも大きくなる。
このことから、第６の領域３１２６ａを有するように薄肉部３１２ａ〜３１２ｊを形成してもよいが、第６の領域３１２６ａの長さの、平均トルクおよびトルクリップルへの寄与は大きくない。従って、第６の領域３１２６ａは、必ずしも形成する必要がないことが分かる。

また、本発明者らの知見によると、電気機器の鉄心に使用される軟磁性体板の一般的な板厚の範囲内（０．２［ｍｍ］〜０．５［ｍｍ］）では、薄肉部の板厚ｔｂが大きすぎると、薄肉部により形成される空隙部が小さくなると共に、薄肉部に付与される圧縮の残留応力（圧縮歪）が小さくなり、磁気特性を劣化させることができない虞がある。一方、薄肉部の板厚ｔｂが小さすぎると、硬さおよび強度を確保することができなくなる虞がある。このような観点から、本実施形態では、薄肉部３１２ａ〜３１２ｊの板厚ｔｂの範囲を０．２０［ｍｍ］以上０．２５［ｍｍ］以下とした。

ここで、トルクリップルについてのより詳細な解析結果を示す。
図７は、基準（薄肉部を形成しない条件）、条件５、条件６、条件８におけるトルクと時間との関係を示すグラフと（図７（ａ））、当該グラフから得られる最大トルク、最小トルク、およびトルクリップル（図７（ｂ））を示す図である。図７は、薄肉部３１２ａ〜３１２ｊの板厚ｔｂが０．２［ｍｍ］における値である。

前述したように、条件５と条件６とを比較すると、第１の領域３１２１ａの周方向の長さＬａと、第２の領域３１２１ｂの周方向の長さＬｂとを長くすることにより、平均トルクおよびトルクリップルが改善することが分かる。ただし、条件６と条件８とを比較すると、第１の領域３１２１ａの周方向の長さＬａと、第２の領域３１２１ｂの周方向の長さＬｂとを長くし過ぎると、逆に、平均トルクが小さくなり、トルクリップルが大きくなることが分かる。

図８は、条件６および条件８におけるトルクと機械角の関係を示すグラフ（図８（ａ））と、当該グラフから得られる正のトルク、負のトルク、およびトルク合計（図８（ｂ））を示す図である。図８は、薄肉部３１２ａ〜３１２ｊの板厚ｔｂが０．２［ｍｍ］における値である。ここでは、トルクがマクスウェル応力であるものとした。図８（ｂ）において、正のトルクは、図８（ａ）において、正の値を示すトルクの積算値であり、負のトルクは、図８（ｂ）において、負の値を示すトルクの積算値であり、トルク合計は、正のトルクと負のトルクとの和である。

図８（ａ）および図８（ｂ）に示すように、第１の領域３１２１ａの周方向の長さＬａと、第２の領域３１２１ｂの周方向の長さＬｂとを大きくし過ぎると、モータ１００の回転方向に対して正のトルクが減少し、回転方向に対して負のトルクが増加していることが分かる。即ち、第１の領域３１２１ａの周方向の長さＬａと、第２の領域３１２１ｂの周方向の長さＬｂとを大きくし過ぎると、モータ１００の回転方向に対する力を生じさせるトルク（正のトルク）が減少し、モータ１００の回転方向と反対方向に対する力を生じさせるトルク（負のトルク）が増加する。このことから、条件８では条件６に比べ、トルクリップルが増加すると考えられる。
以上のように、トルクリップルが増加するのは、モータ１００の回転方向に対する力を生じさせるトルク（正のトルク）が減少し、モータ１００の回転方向と反対方向に対する力を生じさせるトルク（負のトルク）が増加することに起因すると考えられる。

＜Ｌａ／Ｌｄ、Ｌｂ／Ｌｄ、ｔｂ／ｔａの好ましい範囲＞
以下の説明では、軟磁性体板の薄肉部３１２ａ以外の領域の板厚ｔａを、必要に応じて、未加工領域の板厚ｔａと称する。また、第１の貫通孔３１２１ａに配置される永久磁石３２０ａの周方向の長さＬｄ、第２の貫通孔３１２２ａに配置される永久磁石３２０ｂの周方向の長さＬｄを、必要に応じて、永久磁石の周方向の長さＬｄと称する。

そして、図６に示した条件３〜７の結果を踏まえると、前述した調査結果より、薄肉部３１２ａ〜３１２ｊの板厚ｔｂが、未加工領域の板厚ｔａの４／７（＝０．２０／０．３５）倍以上５／７（＝０．２５／０．３５）倍以下であり、且つ、第１の領域３１２１ａの周方向の長さＬａ、第２の領域３１２１ｂの周方向の長さＬｂが、それぞれ、永久磁石の周方向の長さＬｄの０．５６／９．９（≒６／１００）倍以上２．０８／９．９（≒２０／１００）倍以下である場合に、基準（薄肉部を形成しない場合）に比べて、平均トルクおよびトルクリップルを改善することができると言える。

即ち、以下の（１ａ）式と、以下の（２ａ）式および（３ａ）式（または（２ａ´）式および（３ａ´）式）とが満足すると、基準（薄肉部を形成しない場合）に比べて、平均トルクおよびトルクリップルを改善することができると言える。
４／７≦ｔｂ／ｔａ≦５／７ ・・・（１ａ）
０．５６／９．９≦Ｌａ／Ｌｄ≦２．０８／９．９ ・・・（２ａ）
０．５６／９．９≦Ｌｂ／Ｌｄ≦２．０８／９．９ ・・・（３ａ）
６／１００≦Ｌａ／Ｌｄ≦２０／１００ ・・・（２ａ´）
６／１００≦Ｌｂ／Ｌｄ≦２０／１００ ・・・（３ａ´）

ここで、「（＝０．５６／９．９≒６／１００）」および「（＝２．０８／９．９≒２０／１００）」としているのは、実用上、寸法を決定する際の計算を容易にするためであり、このような近似をしても、平均トルクおよびトルクリップルに大きな変化はないと考えられるためである（このことは、以下の説明においても同じである）。

また、図６に示した条件６〜７の結果を踏まえると、薄肉部３１２ａ〜３１２ｊの板厚ｔｂが、未加工領域の板厚ｔａの４／７（＝０．２０／０．３５）倍以上５／７（＝０．２５／０．３５）倍以下であり、且つ、第１の領域３１２１ａの周方向の長さＬａ、第２の領域３１２１ｂの周方向の長さＬｂが、それぞれ、永久磁石の周方向の長さＬｄの略２０／１００（≒１．９／９．９、≒２．０８／９．９）倍である場合に、平均トルクおよびトルクリップルをより改善することができると言える。

即ち、以下の（１ｂ）式と、以下の（２ｂ）式および（３ｂ）式とが満足すると、基準（薄肉部を形成しない場合）に比べて、平均トルクおよびトルクリップルをより改善することができると言える。
４／７≦ｔｂ／ｔａ≦５／７ ・・・（１ｂ）
２０／１００≒Ｌａ／Ｌｄ ・・・（２ｂ）
２０／１００≒Ｌｂ／Ｌｄ ・・・（３ｂ）

また、前述した説明において、「薄肉部３１２ａ〜３１２ｊの板厚ｔｂが、未加工領域の板厚ｔａの４／７（＝０．２０／０．３５）倍以上５／７（＝０．２５／０．３５）倍以下」の範囲を、「薄肉部３１２ａ〜３１２ｊの板厚ｔｂが、未加工領域の板厚ｔａの略４／７（＝０．２０／０．３５）倍」に限定することにより、平均トルクおよびトルクリップルをより改善することができると言える。よって、薄肉部３１２ａ〜３１２ｊの板厚ｔｂが、未加工領域の板厚ｔａの略４／７（＝０．２０／０．３５）倍であり、且つ、第１の領域３１２１ａの周方向の長さＬａ、第２の領域３１２１ｂの周方向の長さＬｂが、それぞれ、永久磁石の周方向の長さＬｄの略２０／１００倍である場合に、平均トルクおよびトルクリップルをより一層改善することができると言える。

即ち、（１ａ）式および（１ｂ）式に代えて、以下の（４）式を採用することにより、（１ａ）式および（１ｂ）式の（４）式以外の範囲を採用した場合よりも、平均トルクおよびトルクリップルを改善することができると言える。
４／７≒ｔｂ／ｔａ ・・・（４）

＜まとめ＞
以上のように本実施形態では、薄肉部３１２ａ〜３１２ｊの板厚ｔｂが、未加工領域の板厚ｔａの４／７（＝０．２０／０．３５）倍以上５／７（＝０．２５／０．３５）倍以下であり、且つ、第１の領域３１２１ａの周方向の長さＬａ、第２の領域３１２１ｂの周方向の長さＬｂが、それぞれ、永久磁石の周方向の長さＬｄの０．５６／９．９（≒６／１００）倍以上２．０８／９．９（≒２０／１００）倍以下になるように薄肉部３１２ａ〜３１２ｊをロータコア３１０に形成する。したがって、薄肉部３１２ａ〜３１２ｊにより形成される空隙部を大きくすることができ、この領域の磁気特性を大きく劣化させることができ、磁束を通りにくくすることができる。また、モータ１００の回転方向に働く力を生じさせるトルクを増加させ、モータ１００の回転方向と反対方向に働く力を生じさせるトルクを減少させることができる。よって、平均トルクの向上と、トルクリップルの低減とを同時に実現することができる永久磁石埋め込み型のモータ１００を提供することができる。

尚、以上説明した本発明の実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

１００：モータ、２００：ステータ、２１０：ステータコア、３００：ロータ、３１０：ロータコア、３１１ａ〜３１１ｊ：貫通孔、３１２１ａ：第１の領域、３１２２ａ：第２の領域、３１２３ａ：第３の領域、３１２４ａ：第４の領域、３１２５ａ：第５の領域、３１２６ａ：第６の領域、３２０ａ〜３２０ｊ：永久磁石

Claims (5)

1. 軸方向に貫通し、周方向に間隔を有して配置される複数の貫通孔を有するロータコアと、前記複数の貫通孔のそれぞれに配置された複数の永久磁石と、を有するロータと、内周面が前記ロータコアの外周面と間隔を有して対向し、且つ、前記ロータと略同軸となるように配置されたステータコアを有するステータと、を有するモータであって、
   前記ロータコアは、板面同士が対向するように積み重ねられた複数の軟磁性体板を有し、
   前記ロータコアは、複数の薄肉部を有し、
   前記薄肉部が形成されている領域には、前記貫通孔よりも外周側の領域であって、前記貫通孔の周方向の端部寄りの領域があり、
   前記薄肉部の内周側の端の領域には、前記永久磁石の外周側の面が配置されている領域があり、
   前記薄肉部における前記軟磁性体板の板厚は、前記薄肉部以外の前記軟磁性体板の板厚の４／７倍以上５／７倍以下であり、
   前記薄肉部の内周側の端の領域のうち、前記永久磁石の外周側の面が配置されている領域の周方向の長さは、当該永久磁石の周方向の長さの６／１００倍以上２０／１００倍以下であり、
   前記ロータコアの外周面の領域のうち、前記薄肉部が形成されている領域に空隙部が形成されていることを特徴とするモータ。
2. 前記薄肉部における前記軟磁性体板の板厚は、前記薄肉部以外の前記軟磁性体板の板厚の略４／７倍であることを特徴とする請求項１に記載のモータ。
3. 前記薄肉部の内周側の端の領域のうち、前記永久磁石の外周側の面が配置されている領域の周方向の長さは、当該永久磁石の周方向の長さの略２０／１００倍であることを特徴とする請求項１または２に記載のモータ。
4. 前記薄肉部は、前記ロータコアの領域のうち、少なくとも第１の領域、第２の領域、第３の領域、第４の領域、および第５の領域に形成され、
   周方向において相互に隣り合う位置にある２つの前記貫通孔を第１の貫通孔および第２の貫通孔とした場合に、
   前記第１の領域は、前記第１の貫通孔よりも外周側の領域のうち、前記第２の貫通孔寄りの領域であり、前記第１の領域の内周側の端の領域には、前記第１の貫通孔に配置される前記永久磁石の外周面が配置されており、
   前記第２の領域は、前記第２の貫通孔よりも外周側の領域のうち、前記第１の貫通孔寄りの領域であり、前記第２の領域の内周側の端の領域には、前記第２の貫通孔に配置される前記永久磁石の外周面が配置されており、
   前記第３の領域は、前記第１の領域に続く前記第２の貫通孔寄りの領域であって、前記第１の貫通孔よりも外周側の領域であり、
   前記第４の領域は、前記第２の領域に続く前記第１の貫通孔寄りの領域であって、前記第２の貫通孔よりも外周側の領域であり、
   前記第５の領域は、前記第３の領域と前記第４の領域との間の領域であって、前記第３の領域および前記第４の領域に続く領域であり、
   前記薄肉部の内周側の端の領域のうち、前記永久磁石の外周側の面が配置されている領域は、前記第１の領域の内周側の端の領域および前記第２の領域の内周側の端の領域であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のモータ。
5. 前記薄肉部は、前記ロータコアの領域のうち、第６の領域に更に形成され、
   前記第６の領域は、前記第５の領域に続く領域であって、前記第５の領域から前記モータの軸に向かう方向に延設される領域であることを特徴とする請求項４に記載のモータ。

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