JP2023071284A - 永久磁石電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石から発生した磁束の漏洩を減少させることによって、ステータコイルとの鎖交磁束を増加させ、電動機の出力トルクを増大させる。【解決手段】永久磁石電動機１は、複数の永久磁石３１が設けられたロータ３と、ティース５３とステータ側スロット５５が設けられてコイル５７が配置されたステータ５とを備え、ステータのコイルの極対数がＰａ、ステータのティース数がＮｓ、ロータの極対数がＰｒである場合にＰａ=｜Ｎｓ－Ｐｒ｜の関係が成立する。永久磁石３１は、ロータ３を構成するロータコア３５の外周面に配置され、永久磁石３１の着磁の極性は、ロータコア３５の外周面側で同一であり、ロータコア３５の周方向に隣接する永久磁石３１の間には、真空の透磁率よりも高い透磁率を有する磁性部材が配置され、永久磁石３１のロータコアの周方向における端部の着磁方向が、永久磁石３１の磁極中心方向へ傾斜している。【選択図】図１

Description

本発明は、永久磁石電動機に関する。

従来では、ＰＭ型のバーニアモータとして、特許文献１が開示されている。特許文献１に開示されたバーニアモータでは、ロータコアの外周面に等間隔にスロットを形成して永久磁石を配置し、永久磁石の間にはロータコアの材質となる鉄等の軟磁性材が配置され、所謂、コンシクエントポール型のロータを形成していた。

特開２０１３－２０７８５７号公報

しかしながら、上述した従来のバーニアモータでは、永久磁石から発生した磁束がステータティースを介して漏洩していたので、ステータコイルとの鎖交磁束が減少してモータの出力トルクを増大させることができないという問題点があった。

そこで、本発明は上記実情に鑑みて提案されたものであり、永久磁石から発生した磁束の漏洩を減少させることによって、ステータコイルとの鎖交磁束を増加させ、電動機の出力トルクを増大させることのできる永久磁石電動機を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明の一態様に係る永久磁石電動機は、ステータのコイルの極対数がＰａ、ステータのティース数がＮｓ、ロータの極対数がＰｒである場合にＰａ=｜Ｎｓ－Ｐｒ｜の関係が成立する。複数の永久磁石は、ロータを構成するロータコアの外周面に配置され、複数の永久磁石の着磁の極性は、ロータコアの外周面側で同一であり、ロータコアの周方向に隣接する永久磁石の間には、真空の透磁率よりも高い透磁率を有する磁性部材が配置される。そして、永久磁石のロータコアの周方向における端部の着磁方向が、永久磁石の磁極中心方向へ傾斜している。

本発明によれば、永久磁石から発生した磁束の漏洩を減少させることによって、ステータコイルとの鎖交磁束を増加させ、電動機の出力トルクを増大させることができる。

図１は、第１実施形態に係る永久磁石電動機の構造を示す断面図である。 図２は、第１実施形態に係る永久磁石電動機に備えられた永久磁石の拡大断面図である。 図３は、従来の電動機における磁束線の流れを有限要素法解析によって算出した結果を示す図である。 図４は、第１実施形態に係る永久磁石電動機における磁束線の流れを有限要素法解析によって算出した結果を示す図である。 図５は、第１実施形態に係る永久磁石電動機における着磁方向がロータコアの接線方向との間になす角度と出力トルクとの間の関係を示す図である。 図６は、第２実施形態に係る永久磁石電動機に備えられた永久磁石の拡大断面図である。

［第１実施形態］
以下、本発明を適用した第１実施形態について図面を参照して説明する。図面の記載において同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

図１は、本実施形態に係る永久磁石電動機の構造を示す断面図である。図１に示すように、永久磁石電動機１は、ロータ３とステータ５を備えている。ここで、永久磁石電動機１は、ステータ５のコイルの極対数がＰａ、ステータ５のティース数がＮｓ、ロータ３の極対数がＰｒである場合に、Ｐａ=｜Ｎｓ－Ｐｒ｜の関係が成立しており、バーニア型のモータである。

ロータ３は、ステータ５の内側に配置されており、複数の永久磁石３１を備え、回転軸３３に固定された円柱状のロータコア３５から構成されている。ロータコア３５の外周面には、周方向に一定の間隔でロータ側スロット３７が形成され、ロータ側スロット３７内に永久磁石３１が接着材で固定されている。

そして、隣接する永久磁石３１の間には、突極部３９が配置されている。突極部３９は、ロータ側スロット３７の凹部を形成することによって、凸状に形成された部分である。したがって、突極部３９は、ロータコア３５の材質で形成されているので、例えば鉄で形成されており、真空の透磁率よりも高い透磁率を有する磁性部材で形成されている。すなわち、軟磁性材で形成されている。

このような構成により、永久磁石３１の外周面側をＮ極とした場合には、突極部３９はＳ極となり、ロータコア３５の外周面にＮ極とＳ極が交互に形成されるので、ロータ３はコンシクエントポール型のロータとなる。ただし、Ｎ極とＳ極は逆の極性であってもよい。

ステータ５は、円筒状のステータコア５１から構成され、ティース５３とステータ側スロット５５を備え、ステータ側スロット５５にコイル５７が配置されている。ステータコア５１の内周面には一定の間隔で複数のティース５３が形成され、隣接するティース５３の間にステータ側スロット５５が配置されている。ティース５３には、周方向に巻線が巻回されて、ステータ側スロット５５にコイル５７が配置されている。

次に、図２を参照して、永久磁石３１の詳細な構造を説明する。図２は、永久磁石３１の拡大断面図である。永久磁石３１は、ロータコア３５の外周面に配置され、複数の永久磁石３１の着磁の極性は、ロータコア３５の外周面側で同一である。すなわち、永久磁石３１の外周面側の極性は、すべてＮ極またはＳ極となっている。

また、永久磁石３１のロータコア３５の周方向における端部の着磁方向は、永久磁石３１の磁極中心方向へ傾斜している。図２に示すように、永久磁石３１は、ロータコア３５の周方向に分割された複数の磁石４０、４２で構成され、磁石４０と両側の磁石４２の間は、接着剤などによって固定されている。複数の磁石のうち、ロータコア３５の周方向の中心に位置する磁石４０の着磁方向は、矢印Ａ１で示すようにロータコア３５の径方向であり、外側を向いている。

一方、ロータコア３５の周方向の端部に位置する磁石４２の着磁方向は、矢印Ａ２で示すように永久磁石３１の磁極中心方向へ傾斜している。すなわち、端部に位置する磁石４２では、極中心軸４４の方向に、着磁方向が角度θだけ傾斜している。極中心軸４４は、回転軸３３の中心から径方向へ向かって磁極中心を通る線であり、角度θは、永久磁石３１のロータコア３５の周方向における端部の着磁方向がロータコア３５の接線方向との間に成す角度である。ロータコア３５の接線方向を示す線４６は、ロータコア３５の外周面における接線を移動させたものであり、極中心軸４４と直交している。

このように、本実施形態では、永久磁石３１のロータコア３５の周方向における端部の着磁方向を、磁極中心方向へ傾斜させることにより、永久磁石３１から発生した磁束の漏洩を減少させることができる。

ここで、図３、４を参照して、本実施形態に係る永久磁石電動機１による磁束の漏洩を減少させる効果を説明する。図３は、従来のコンシクエントポール型のモータの無負荷時におけるモータ内の磁束線の流れを有限要素法解析によって算出した結果を示す図である。図中の閉曲線は磁束線を示している。一方、図４は、本実施形態に係る永久磁石電動機１の無負荷時におけるモータ内の磁束線の流れを有限要素法解析によって算出した結果を示す図である。

図３に示すように、従来のコンシクエントポール型のモータでは、ロータ６０が永久磁石６２を備え、隣接する永久磁石６２の間に、鉄等で形成された突極部６４が配置されている。従来では、図３の丸印の部分に示したように、突極部６４を通る磁束線のうちの多くがティース６６でロータ６０側に戻り、漏洩している。そのため、ステータ６８内を通る磁束線の数が少なくなっていることが分かる。したがって、従来では、漏洩磁束によりステータ６８へ流れる磁束が減少するので、ステータ６８に設けられたコイル７０との鎖交磁束が減少し、モータの出力トルクを増大させることができなかった。

これに対して、本実施形態に係る永久磁石電動機１では、図４の丸印の部分に示したように、突極部３９を通る磁束線の多くがロータ３側に漏洩して戻ることなく、ステータ５に流れている。そのため、ステータ５内を通る磁束線の数が多くなっていることが分かる。したがって、本実施形態に係る永久磁石電動機１では、漏洩磁束を減少させてステータ５へ流れる磁束が増加するので、ステータ５に設けられているコイル５７との鎖交磁束が増加し、電動機の出力トルクを増大させることができる。

また、図２に示すように、永久磁石３１のロータコア３５の周方向における幅Ｌ１は、突極部３９のロータコア３５の周方向における幅Ｌ２よりも大きくなっている。突極部３９は、磁性部材で形成されており、一般にモータで使用される電磁鋼板で形成されている場合には、永久磁石３１の残留磁化に対して、突極部３９の飽和磁束密度は高くなる。そのため、突極部３９のロータコア３５の周方向における幅Ｌ２を、永久磁石３１のロータコア３５の周方向における幅Ｌ１よりも小さくすることが可能である。これにより、永久磁石３１のロータコア３５の周方向における幅Ｌ１を大きくできるので、永久磁石３１の表面積が増加し、コイル５７との鎖交磁束を増加させることができる。

一方、永久磁石３１のロータコア３５の周方向における幅Ｌ１を、突極部３９のロータコア３５の周方向における幅Ｌ２よりも大きくすると、磁性部材を介して漏洩磁束が増加し、鎖交磁束数の増加を抑制してしまうことが考えられる。しかし、本実施形態に係る永久磁石電動機１では、永久磁石３１のロータコア３５の周方向における端部の着磁方向を磁極中心方向へ傾斜させているので、漏洩磁束を大幅に低減することができる。そのため、永久磁石３１の表面積を増加させてコイル５７との鎖交磁束を増加させる効果を十分に発揮することができる。尚、着磁方向を傾斜させた永久磁石３１の磁石４２の部分は、永久磁石３１の全体に対して限定的なので、この部分の磁束量が低減することによる影響は十分に少ない。

次に、図５を参照して、図２に示す角度θと永久磁石電動機１の出力トルクとの間の関係を説明する。角度θは、図２に示すように、磁石４２の着磁方向とロータコア３５の接線方向との間の成す角度である。したがって、角度θが９０度のときには、着磁方向が接線方向と直交し、従来のモータと同様に、磁石４２の着磁方向は磁極中心方向へ傾斜せずにロータコア３５の径方向になる。

図５に示すように、角度θが９０度の場合には、磁石４２の着磁方向が傾斜していない状態なので、出力トルクは最小となる。そして、磁石４２の着磁方向を徐々に傾斜させて、角度θを９０度から減少させると、永久磁石電動機１の出力トルクは、角度θが減少するのにしたがって増加していく。すなわち、磁石４２の着磁方向を傾斜させるのにしたがって、永久磁石電動機１の出力トルクは増加する。その結果、永久磁石電動機１の出力トルクは、角度θが１０度のときに最大となり、３０度以上では十分に出力トルクが増大していることが分かる。

［第１実施形態の効果］
以上、詳細に説明したように、本実施形態に係る永久磁石電動機１では、永久磁石３１のロータコア３５の周方向における端部の着磁方向が、永久磁石３１の磁極中心方向へ傾斜している。これにより、永久磁石３１から発生した磁束の漏洩を減少させることができるので、ステータコイルとの鎖交磁束を増加させ、電動機の出力トルクを増大させることができる。

また、本実施形態に係る永久磁石電動機１では、永久磁石３１がロータコア３５の周方向に分割された複数の磁石４０、４２で構成され、複数の磁石のうち、ロータコアの周方向の中心に位置する磁石４０の着磁方向はロータコア３５の径方向である。一方、ロータコア３５の周方向の端部に位置する磁石４２の着磁方向は永久磁石の磁極中心方向へ傾斜している。これにより、複数の磁石を用いて、永久磁石３１のロータコア３５の周方向における端部の着磁方向を、永久磁石３１の磁極中心方向へ傾斜させることができる。したがって、永久磁石３１から発生した磁束の漏洩を減少させることができるので、ステータコイルとの鎖交磁束を増加させ、電動機の出力トルクを増大させることができる。

さらに、本実施形態に係る永久磁石電動機１では、永久磁石３１のロータコア３５の周方向における端部の着磁方向がロータコア３５の接線方向との間に成す角度を、３０度以下とする。これにより、電動機の出力トルクを最大限に大きくすることができる。

また、本実施形態に係る永久磁石電動機１では、永久磁石３１のロータコア３５の周方向における幅を、永久磁石３１の間に配置された磁性部材のロータコア３５の周方向における幅よりも大きくする。これにより、永久磁石３１の表面積を増加させることができるので、ステータコイルとの鎖交磁束を増加させ、電動機の出力トルクを増大させることができる。

［第２実施形態］
以下、本発明を適用した第２実施形態について図面を参照して説明する。図面の記載において同一部分には同一符号を付して、詳細な説明は省略する。

本実施形態に係る永久磁石電動機１では、永久磁石３１を複数の磁石を組み合わせて形成するのではなく、１つの磁石で形成したことが第１実施形態と相違している。

図６に示すように、永久磁石３１は、矢印Ａ３で示す着磁方向が永久磁石３１の磁極中心方向へ傾斜している。そして、矢印Ａ３で示す着磁方向がロータコア３５の接線方向との間に成す角度θは、永久磁石３１のロータコア３５の周方向における端部から磁極中心へ向かうにしたがって増加している。すなわち、矢印Ａ３で示す着磁方向は、周方向の端部では角度θが小さいので大きく傾斜しているが、磁極中心へ向かうにしたがって角度θが増加するので、磁極中心付近では、着磁方向がロータコア３５の径方向であり、外側を向いている。

図６に示すような永久磁石３１を用いることにより、１つの磁石で、永久磁石３１の磁極中心付近では着磁方向をロータコア３５の径方向に向け、ロータコア３５の周方向における端部では着磁方向を磁極中心方向へ傾斜させることができる。

図６に示すような永久磁石３１は、磁気異方性が任意に制御可能であり、磁化容易軸が図６の矢印Ａ３で示すようになっている磁石を用いて着磁すれば、作成することができる。

［第２実施形態の効果］
以上、詳細に説明したように、本実施形態に係る永久磁石電動機１では、永久磁石３１の着磁方向とロータコア３５の接線方向との間に成す角度が、永久磁石３１のロータコア３５の周方向における端部から磁極中心へ向かうにしたがって増加する。これにより、１つの磁石で、永久磁石３１の磁極中心付近では着磁方向をロータコア３５の径方向に向け、ロータコア３５の周方向における端部では着磁方向を磁極中心方向へ傾斜させることができる。したがって、製造コストを軽減できるとともに、漏洩磁束を減少させることができるので、ステータコイルとの鎖交磁束を増加させ、電動機の出力トルクを増大させることができる。

なお、上述の実施形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施形態以外の形態であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計などに応じて種々の変更が可能であることは勿論である。

１ 永久磁石電動機
３、６０ ロータ
５、６８ ステータ
３１、６２ 永久磁石
３３ 回転軸
３５ ロータコア
３７ ロータ側スロット
３９、６４ 突極部
４０、４２ 磁石
４４ 極中心軸
４６ 接線方向を示す線
５１ ステータコア
５３、６６ ティース
５５ ステータ側スロット
５７、７０ コイル

Claims (5)

1. 複数の永久磁石が設けられたロータと、ティースとスロットが設けられて前記スロットにコイルが配置されたステータとを備え、前記ステータのコイルの極対数がＰａ、前記ステータのティース数がＮｓ、前記ロータの極対数がＰｒである場合にＰａ=｜Ｎｓ－Ｐｒ｜の関係が成立する永久磁石電動機であって、
   前記複数の永久磁石は、前記ロータを構成するロータコアの外周面に配置され、前記複数の永久磁石の着磁の極性は、前記ロータコアの外周面側で同一であり、
   前記ロータコアの周方向に隣接する前記永久磁石の間には、真空の透磁率よりも高い透磁率を有する磁性部材が配置され、
   前記永久磁石の前記ロータコアの周方向における端部の着磁方向が、前記永久磁石の磁極中心方向へ傾斜している永久磁石電動機。
2. 前記永久磁石は、前記ロータコアの周方向に分割された複数の磁石で構成され、
   前記複数の磁石のうち、前記ロータコアの周方向の中心に位置する磁石の着磁方向は前記ロータコアの径方向であり、
   前記ロータコアの周方向の端部に位置する磁石の着磁方向は前記永久磁石の磁極中心方向へ傾斜している請求項１に記載の永久磁石電動機。
3. 前記永久磁石は、着磁方向が前記永久磁石の磁極中心方向へ傾斜しており、前記着磁方向が前記ロータコアの接線方向との間に成す角度は、前記永久磁石の前記ロータコアの周方向における端部から磁極中心へ向かうにしたがって増加する請求項１に記載の永久磁石電動機。
4. 前記永久磁石の前記ロータコアの周方向における端部の着磁方向が前記ロータコアの接線方向との間に成す角度は、３０度以下である請求項１～３のいずれか１項に記載の永久磁石電動機。
5. 前記永久磁石の前記ロータコアの周方向における幅は、前記永久磁石の間に配置された前記磁性部材の前記ロータコアの周方向における幅よりも大きい請求項１～４のいずれか１項に記載の永久磁石電動機。

Images