JP3708855B2 - Synchronous motor with built-in permanent magnet - Google Patents

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JP3708855B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロータコアに複数の永久磁石を内蔵し、隣り合う永久磁石の間にそれぞれ磁気的な突極部を有するロータコアを備えた永久磁石内蔵型同期モータに関するものであり、特にロータの磁気的な突極部に起因して発生するリラクタンストルクと永久磁石によるトルクを利用する永久磁石内蔵型同期モータに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
特開平8−205499公報には、ロータコアの外周面上に装着した複数の永久磁石磁極間のコアに磁気的な突極部を設け、これら突極部の位置を周方向にずらすことによりトルク脈動の発生を抑制した同期モータが開示されている。この同期モータでは、ロータの回転方向が一方向に限定されている。
【0003】
また特開平8−256455号公報には、リラクタンス同期モータのロータの磁気的な突極部の磁極幅を変更したり、一部の対の磁気的な突極部の位置を周方向にずらすことにより、リラクタンス同期モータの脈動トルクの発生を抑制する技術が開示されている。
【0004】
そして特開平11−18328号公報に開示された従来の永久磁石内蔵型同期モータでは、永久磁石磁極間コアの開角をθとし、永久磁石磁極間コアの幅に対応するティースの各端面のうち最も離れた二つの端面の先端と、回転軸中心とを結ぶ2本の直線が成す角度の最小値をθminと永久磁石磁極間コアの幅に対応するティースにおけるティースヘッドの各端部のうち最も離れた二つの端部と、回転軸中心とを結ぶ2本の直線が成す角度の最大値をθmaxとしたときに、
θmin≦θ≦θmax
となるように永久磁石磁極間コアの幅を設定して、コギングトルクの発生を抑制している。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
従来の永久磁石内蔵型同期モータでは、永久磁石磁極間コアの開角θはティースの数と型状寸法から決定されるθmin≦θ≦θmaxとしている。しかし、ステータの毎極毎相スロット数qに応じて、それぞれの永久磁石磁極間におけるトルク発生のタイミングが異なるため、この従来技術では、コギングトルクやトルク脈動を十分に抑制することができない。
【0006】
本発明の目的は、従来よりもコギングトルクと通電時のトルク脈動を共に抑制することができる永久磁石内蔵型同期モータを提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ステータコアの複数の磁極部に1相以上の巻線を施してなるステータと、極対数がp(但しpは1以上の正の整数)で、シャフトに固定されたロータコアの内部に周方向に間隔を開けて2p個の永久磁石が内蔵され、該2p個の永久磁石により前記ロータコアの外周に2p個の永久磁石磁極部が形成され且つ前記永久磁石磁極部を間に挟むように2p個の磁気的な突極部が形成されているロータとを具備する永久磁石内蔵型同期モータを改良の対象とする。なおここで1個の永久磁石とは、物理的に1個の永久磁石の場合だけでなく、複数の永久磁石によって構成されて磁気的に1個の永久磁石とみなすことができる場合を含むものである。
【0008】
本発明では、2p個の永久磁石磁極部を、周方向に1個置きに等間隔に位置する第1のグループのp個の永久磁石磁極部と周方向に1個置きに等間隔に位置する第2のグループのp個の永久磁石磁極部とから構成する。また2p個の磁気的な突極部も、周方向に1個置きに等間隔に位置する第1のグループのp個の磁気的な突極部と周方向に1個置きに等間隔に位置する第2のグループのp個の磁気的な突極部とから構成する。そして第1のグループのp個の磁気的な突極部の開角α1を、第2のグループのp個の磁気的な突極部の開角α2よりも小さくする。その上で開角α1及び開角α2を、下記の式を満たすように定める。
【0009】
α2−α1≒2β−(2n−1)τs
ここにnは自然数であり、βはシャフトの中心から隣接する2つの磁気的な突極部の中心を通る2本の突極部仮想中心線(CL1,CL2)間の角度であり、τsはステータコアのスロットピッチ[単位はrad]である。なおロータコアの永久磁石磁極部の外周面部分の輪郭形状は、円弧または楕円の円弧により構成してもよい。
【0010】
上記のように第1のグループのp個の磁気的な突極部の開角α1と第2のグループのp個の磁気的な突極部の開角α2の寸法を定めると、第1及び第2のグループの2p個の磁気的な突極部の開角を一定にした従来の同期モータと比べて、トルク脈動を抑制して、トルクリップルを大幅に小さくできる。
【0011】
この場合において、第1のグループのp個の磁気的な突極部の磁極面の曲率半径R1を、第2のグループのp個の磁気的な突極部の磁極面の曲率半径R2よりも小さくすると、曲率半径R1とR2とを同じにした場合と比べて、トルクリップルを小さくすることができる。なおトルクを大きくするためには、曲率半径R1及びR2は、それぞれ隣接する永久磁石磁極部の磁極面の端部の曲率半径よりも大きく、しかもR1<R2となる値を選定するのが望ましい。但しトルクの大きさを犠牲にして、トルクリップルをより小さくするためには、曲率半径R1及びR2をそれぞれ隣接する永久磁石磁極部の磁極面の端部の曲率半径よりも小さくしてもよいのは勿論である。
【0012】
この場合において、隣接する2つの永久磁石磁極部と隣接する2つの永久磁石磁極部間に位置する磁気的な突極部によって形成されるロータコアの外周面部分形状が、シャフトの中心から隣接する2つの永久磁石磁極部の間に位置する磁気的な突極部の中心を通る突極部仮想中心線(CL1,CL2)を中心にして線対称になり、且つロータコアの外周面形状を周方向に360°/pの角度範囲の外周面部分形状がすべて等しくなるp等配形状になるように、2p個の永久磁石磁極部及び2p個の磁気的な突極部の形状を定めるのが好ましい。このようにすると、磁気的な突極部の開角を異ならせた場合でも、周方向の磁気的なバランスは釣り合いがとれているため、各相の電圧不平衡やロータ偏心力は生じない。
【0013】
そして永久磁石磁極部の磁極面を円弧面または楕円の円弧面によって形成する場合には、永久磁石磁極部の磁極面とステータコアの複数の磁極部の磁極面との間に形成されるギャップの寸法δdを、下記の式を満たすまたはほぼ満たすように定められるのが好ましい。
【0014】
δd=δd0/cos[p(θm−θdm)]
ここに、δd0はギャップの寸法の最小値であり、θmはシャフトの中心から隣接する2つの永久磁石磁極部の間に位置する磁気的な突極部の中心を通る2つの突極部仮想中心線(CL1,CL2)の中心を通る仮想中心線CL3から開角α1を有する磁気的な突極部側への角度である。そしてθdmはギャップの寸法が最小値になる仮想線PL3から仮想中心線CL3までの角度である。
【0015】
上記式において、θdm=0°とした場合のギャップは、いわゆる一般的なcosecギャップを形成するものであり、このようなギャップ構成を採用すると、モータの回転方向を問わず、ギャップ中の永久磁石からの磁束密度分布を正弦波に近づけることができ、コギングトルクを抑制することができる。
【0016】
ここでコギングトルクを最小にするためのθdmは後述する角度ψ1及びψ2を用いるとθdm≒(ψ2−ψ1)/2の式によって定まる。しかしギャップ中の永久磁石からの磁束密度分布が正弦波から大きく崩れている場合には、(1/6)×x×τs≦θdm≦(1/2)×x×τsの範囲で、コギングトルクが最小となる値が存在する。ここでxはθdm≒(ψ2−ψ1)/2≒(1/4)×x×τsと近似したときに、θdmが(ψ2−ψ1)/2の値に最も近くなる自然数である。
【0017】
更に上記の条件を満たした上で、仮想中心線(CL3)とシャフトの中心から永久磁石磁極部の磁極面の周方向の両端を通る2本の仮想線(PL1,PL2)のうち開角α2を有する磁気的な突極部側に位置する仮想線(PL1)との間の角度ψ1と、仮想中心線(CL3)とシャフトの中心から永久磁石磁極部の磁極面の周方向の両端を通る2本の仮想線(PL1,PL2)のうち開角α1を有する磁気的な突極部側に位置する仮想線(PL2)との間の角度ψ2とが、下記の条件式を満たすようにする。
【0018】
ψ2>ψ1
ψ2−ψ1≒0.5(2m−1)τs−(180°/p)
ψ2+ψ1≒u・τs
α1+α2≦(360°/p)−2(ψ2+ψ1)
ここに、m及びuは任意の自然数である。この条件を満たすようにすると、コギングトルクを最小の値に近づけることができる上、トルクリップルも抑制することができる。
【0019】
なお前述のギャップの寸法δdが、いわゆるcosecギャップを形成しないモータにおいても、上記の角度ψ2,ψ1と開角α1,α2との関係を成立させるようにすると、コギングトルク及びトルクリップルを小さくすることができる。
【0020】
そして更にα1及びα2並びにψ2及びψ1を、下記の式を満たすようにすると、コギングトルクを最小の値に近づけることができて、しかもトルクリップルも最小の値に近づけることができる。
【0021】
(180°/2p)+(α1/2)−ψ2≒(1/4)(2v1−1)τs
(180°/2p)+(α2/2)−ψ1≒(1/4)(2v2−1)τs
ここにv1及びv2は任意の自然数である。
【0022】
なおロータコアに永久磁石の周方向の両側に空隙により第1及び第2の非磁性部を形成する場合において、第1の非磁性部は開角がα1の磁気的な突極部側に位置し、第2の非磁性部は開角がα2の磁気的な突極部側に位置するものとしたときに、第1及び第2の非磁性部の形状は、横断面積が同じかまたは第2の非磁性部の横断面形状が第1の非磁性部の横断面形状よりも大きくなるようにするのが好ましい。このような非磁性部を設けると、永久磁石からの磁束の漏れ(短絡)を抑制できることと、永久磁石の減磁を防止できる。しかしながら本発明では開角α1及びα2を異ならせているため、永久磁石の磁束の漏れ易さや永久磁石減磁のし易さは、永久磁石の周方向の両端で異なってくる。すなわちα1<α2の場合には、α2側の永久磁石の端部からの磁束の漏れがα1側の永久磁石の端部からの磁束の漏れより大きくなる。そのため、α2側の永久磁石の端部における減磁量がα1側の永久磁石の端部における減磁量よりも大きくなる。このような観点から、α2側の永久磁石の端部からの磁束の漏れとその部分における減磁を積極的に抑制するために、第2の非磁性部の横断面積を第1の非磁性部の横断面積よりも大きくしている。
【0023】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。図1は、本発明の永久磁石内蔵型同期モータの一実施の形態のステータとロータの構成を示す図である。図1において、符号1で示した部材は、珪素鋼板を積層して構成された環状のヨーク2と、この環状のヨークの内周側に周方向に所定の間隔を開けて配置された磁極部を構成する複数のティース3と、隣接する2つのティース3の間に形成されたスロット4と、これらのティース3に3相の巻線が順次巻装されて形成された図示しない巻線部とを備えてなるステータである。ヨーク2とティース3とによりステータコアが構成されている。
【0024】
この例のステータ1は、スロット数Nsが48で、極対数pが4で、相数が3であるため、毎極毎相スロット数qは、q=48/(2×4×3)=2となる。そしてスロットピッチτsがτs=7.5°である。
【0025】
また符号5で示した部材は、ロータである。このロータ5は、シャフト6に固定されたロータコア7の内部に周方向に間隔を開けて配置された8つの永久磁石8…を内蔵しており、しかも隣り合う2つの永久磁石8の間にそれぞれ磁気的な突極部9…及び10…を有している。ロータコア7の外周部には、磁気的な突極部9…及び10…を明確に形成するために、径方向と軸線方向に延びる複数の溝が11…が形成されている。永久磁石8の径方向外側に位置するロータコア7の外周面部分が8つの永久磁石磁極部12を構成している。なおロータコア7も、ステータコアと同様に珪素鋼板を積層して構成されており、永久磁石8…が内蔵される部分に永久磁石を挿入する貫通孔を有している。永久磁石8は、横断面形状が矩形状をなすものである。
【0026】
この例では、8個の永久磁石磁極部12…及び8個の磁気的な突極部9…及び10…の形状は、隣接する2つの永久磁石磁極部と隣接する2つの永久磁石磁極部間に位置する磁気的な突極部によって形成されるロータコア7の外周面部分形状が、シャフト6の中心から隣接する2つの永久磁石磁極部の間に位置する磁気的な突極部の中心を通る突極部仮想中心線CL1,CL2を中心にして線対称になり、しかもロータコア7の外周面形状が周方向に90°の角度範囲の外周面部分形状がすべて等しくなる4等配形状になるように定められている。
【0027】
8個の磁気的な突極部は、周方向に1個置きに等間隔に位置する第1のグループの4個の磁気的な突極部9…と周方向に1個置きに等間隔に位置する第2のグループの4個の磁気的な突極部10…とから構成されている。そして第1のグループの4個の磁気的な突極部9…の開角α1は、第2のグループの4個の磁気的な突極部10…の開角α2よりも小さい。この例では、ステータコア7のスロットピッチが7.5°であり、スロットオープニングが2.1°であるから、開角α2は15°であり、開角α1は7.5°である。なおこの場合の開角α2の好ましい範囲は、12.9°≦α2≦17.1°の値であり、開角α1の好ましい範囲は5.4°≦α1≦9.6°の値である。
【0028】
なお開角α1及び開角α2の関係を一般的に式で表せば、両者は下記の式(1)を満たすように定めればよい。
【0029】
α2−α1≒(2β)−(2n−1)τs ・・・(1)
ここに、nは自然数であり、βはシャフトの中心から隣接する2つの磁気的な突極部の中心を通る2本の突極部仮想中心線(CL1,CL2)間の角度であり、τsは前記ステータコアのスロットピッチである。本実施の形態では、n=6である。この式を満たせば、トルクリップルを従来よりも大幅に低減できる。
【0030】
図2は、本発明の第2の実施の形態の永久磁石内蔵型同期モータで用いるロータの構成を示す図である。この実施の形態が、図1の実施の形態と異なるのは、ロータコア7に永久磁石8…の周方向の両側に形成した空隙によって一対の非磁性部13を設けた点である。4つの磁気的な突極部9・・・および4つの磁気的な突極部10・・・のそれぞれの開角α1及びα2は、図1の実施の形態と同様にして定められている。溝11の開角は、角度βd−α1で求めることができ、この例では1.875°である。なお角度βdは、βd≒(1/2)(2n−1)τsにより定まる。ここでもnは任意の自然数である。
【0031】
図3は、請求項9の発明に対応する第3の実施の形態の永久磁石内蔵型同期モータのロータの構成を示す図である。この実施の形態が、図2の実施の形態と異なるのは、溝11…の開角(周方向の開口寸法)を図2の実施の形態の溝11の開角よりも大きくして、永久磁石磁極12の周方向の長さ寸法を小さくした点である。その他の構造は図2の実施の形態と同じである。この実施の形態では、溝11の開角(βf−α1)を3.75°にしている。ここでβfは、βf≒(1/4)(2n−1)τsにより定まる。ここでもnは任意の自然数である。
【0032】
図4は、図1乃至図3の実施の形態について、トルクリップル含有率を測定したデータである。図4において、Aは8つの磁気的な突極部の開角を一定の値(8.75°)にした従来の永久磁石内蔵型同期モータのトルクリップル含有率である。そして図4のB,C及びDが、図1乃至図3の永久磁石内蔵型同期モータのトルクリップル含有率を示している。この図から、本発明の実施の形態によれば、トルクリップルを大幅に低減できることが分かる。
【0033】
図5は本発明の永久磁石内蔵型同期モータの第4の実施の形態のロータの構成を示す図である。ステータコア側の構成は図1の実施の形態と同じである。図4においては、図1に示した実施の形態と同様の部分に図1に付した符号と同じ符号を付してある。この実施の形態では、8個(2p個)の永久磁石磁極部12a…及び12b…を、周方向に1個置きに等間隔に位置する第1のグループの4個(p個)の永久磁石磁極部12a…と周方向に1個置きに等間隔に位置する第2のグループの4個(p個)の永久磁石磁極部12b…とから構成されている。また8個(2p個)の磁気的な突極部9…及び10…も、周方向に1個置きに等間隔に位置する第1のグループの4個(p個)の磁気的な突極部9…と周方向に1個置きに等間隔に位置する第2のグループの4個(p個)の磁気的な突極部10…とから構成されている。そして第1のグループの4個の磁気的な突極部9…の開角α1を、第2のグループの4個の磁気的な突極部10…の開角α2よりも小さくしている。この実施の形態でも、開角α1及び開角α2は、上記(1)式を満たしている。
【0034】
具体的には、ステータコアのスロットピッチが、7.5°であり、スロットオープニングが2.1°であるから、開角α2は12.9°≦α2≦17.1°の値が好ましく、また開角α1は5.4°≦α1≦9.6°の値で好ましい。この例では、α2を16°とし、α1を6.5°にしている。
【0035】
またこの例では、隣接する2つの永久磁石磁極部12a及び12bと隣接する2つの永久磁石磁極部12a及び12b間に位置する磁気的な突極部9又は10によって形成されるロータコア7の外周面部分形状が、シャフト6の中心から隣接する2つの永久磁石磁極部12a及び12bの間に位置する磁気的な突極部9又は10の中心を通る突極部仮想中心線CL1,CL2を中心にして線対称になり、且つロータコア7の外周面形状を周方向に90°(360°/p)の角度範囲の外周面部分形状がすべて等しくなる4等配形状(p等配形状)になるように、8個の永久磁石磁極部12a…及び12b…及び8個の磁気的な突極部9…及び10…の形状を定めている。このようにすると、磁気的な突極部9…及び10…の開角α1及びα2を異ならせた場合でも、周方向の磁気的なバランスは釣り合いがとれているため、各相の電圧不平衡やロータ偏心力は生じない。
【0036】
またこの例では、永久磁石磁極部12a…及び12b…の磁極面とステータコアの複数の磁極部の磁極面との間に形成されるギャップの寸法δdが、下記(2)の式を満たしていわゆるcosecギャップになるようにように定められている。
【0037】
δd=δd0/cos[p(θm−θdm)] ・・・(2)
ここに、δd0はギャップの寸法の最小値であり、θmはシャフトの中心から隣接する2つの永久磁石磁極部の間に位置する磁気的な突極部の中心を通る2つの突極部仮想中心線(CL1,CL2)の中心を通る仮想中心線CL3から開角α1を有する磁気的な突極部側への角度であり、θdmはギャップの寸法が最小値になる仮想線PL3から仮想中心線CL3までの角度である。
【0038】
ここでコギングトルクを最小にするためのθdmは後述する角度ψ1及びψ2を用いるとθdm≒(ψ2−ψ1)/2の式によって定まる。しかしギャップ中の永久磁石からの磁束密度分布が正弦波から大きく崩れている場合には、(1/6)×x×τs≦θdm≦(1/2)×x×τsの範囲で、コギングトルクが最小となる値が存在する。ここでxはθdm≒(ψ2−ψ1)/2≒(1/4)×x×τsと近似したときに、θdmが(ψ2−ψ1)/2の値に最も近くなる自然数である。
【0039】
永久磁石磁極部12a及び12bの磁極面の形状は、上記式により定まる値に近い値になるように円弧または楕円の弧により定められている。
【0040】
またこの例では、開角α1の磁気的な突極部9の曲率半径R1を、開角α2の磁気的な突極部の曲率半径R2よりも小さくしている。第1のグループのp個の磁気的な突極部の磁極面の曲率半径R1を、第2のグループのp個の磁気的な突極部の磁極面の曲率半径R2よりも小さくすると、曲率半径R1とR2とを同じにした場合と比べて、トルクリップルを小さくすることができる。なおトルクを大きくするためには、曲率半径R1及びR2は、それぞれ隣接する永久磁石磁極部の磁極面の端部の曲率半径よりも大きく、しかもR1<R2となる値を選定するのが望ましい。図6は、この曲率半径を変えた場合における効果を確認するために、Model1からModel3を図示の条件で作ってトルクリップル含有率を測定した結果を示している。この測定結果から判るように、R1<R2にした
Model3の場合において、トルクリップル含有率が最も小さくなることが判る。
【0041】
上記式において、θdm=0°とした場合のギャップは、いわゆる一般的なcosecギャップを形成するものであり、このようなギャップ構成を採用すると、モータの回転方向を問わず、ギャップ中の永久磁石からの磁束密度分布を正弦波に近づけることができ、コギングトルクを抑制することができる。更にθdmを1/6スロットピッチ〜1/2スロットピッチの範囲の値とした場合には、ギャップ中の永久磁石からの正弦波磁束分布を正弦波状に維持した状態で、飛躍的にコギングトルクを抑制することができる。ちなみに図5の実施例では、θmを2°に設定している。
【0042】
またこの実施の形態では、仮想中心線CL3とシャフト6の中心から永久磁石磁極部12aまたは12bの磁極面の周方向の両端を通る2本の仮想線PL1及びPL2のうち開角α2を有する磁気的な突極部10側に位置する仮想線PL1との間の角度ψ1と、仮想中心線CL3とシャフト6の中心から永久磁石磁極部12aまたは12bの磁極面の周方向の両端を通る2本の仮想線PL1及びPL2のうち開角α1を有する磁気的な突極部9側に位置する仮想線PL2との間の角度ψ2とが、下記の条件式(3)乃至(6)を満たすようになっている。
【0043】
ψ2>ψ1 ・・・(3)
ψ2−ψ1≒0.5(2m−1)τs−(180°/p) ・・・(4)
ψ2+ψ1≒u・τs ・・・(5)
α1+α2≦(360°/p)−2(ψ2+ψ1) ・・・(6)
ここに、pは極対数、m及びuは任意の自然数である。この条件を満たすようにすると、コギングトルクを最小の値に近づけることができる。
【0044】
具体的には、この例において、角度ψ1は11.025°≦ψ1≦15.225°の範囲の値が好ましく、また角度ψ2は14.775°≦ψ2≦18.975°の範囲の値で、しかも角度ψ1及び角度ψ2は、1.65°≦ψ2−ψ1≦5.85°及び27.9°≦ψ2+ψ1≦32.1°の関係を満たすものが好ましい。
【0045】
この例では、角度ψ1を13.125°とし、角度ψ2を16.875°としている。この角度は、τs=7.5°、p=4、m=7、u=4として、上記(4)式及び(5)式にこれらの値を代入すると、
ψ2−ψ1≒0.5(2m−1)τs−(180°/p) ・・・(4)
ψ2+ψ1≒u・τs ・・・(5)
ψ2−ψ1=0.5(2m−1)τs−(180°/p)=0.5×(2×7−1)×7.5−(180/4)=3.75°
ψ2+ψ1=u・τs=4×7.5=30°
となり、この二つの式からψ1=13.125°とψ2=16.875°が求まる。
【0046】
またこの角度ψ1及びψ2の値に基づいて、コギングトルクを最小にするためのθdm及びθdmの最適値範囲を求めると、θdm=(ψ2−ψ1)/2=(16.875−13.125)/2=1.875°となる。よってθdm=1.875°でコギングトルクを最小にすることができる。ここで前述のθdm≒(ψ2−ψ1)/2≒(1/4)×x×τsの式を満たすxを求めると、(1/4)×x×τs=1.875を満たすxは1となる。
【0047】
したがってθdmの範囲を求める前述の(1/6)×x×τs≦θdm≦(1/2)×x×τsの式に、x=1とτs=7.5°とを入れると、1.25°≦θdm≦3.75°が、θdmの最適値範囲として定まる。
【0048】
また図7に示すように、溝11a及び11bの周方向の幅(開度)を2.25°と1.5°に設定している。またこの例では、図7に示すように、ロータコア7に形成する1つの永久磁石に対する第1及び第2の非磁性部13a及び13bの形状を異ならせている。
【0049】
この実施の形態において、α1及びα2並びにψ2及びψ1を、下記の式(7)式及び(8)式を満たすようにすると、トルクリップルを最小の値に近づけることができる。
【0050】
(180°/2p)+(α1/2)−ψ2=(1/4)(2v1−1)τs …(8)
(180°/2p)+(α2/2)−ψ1=(1/4)(2v2−1)τs …(9)
ここにv1及びv2は任意の自然数である。
【0051】
この例では上記(8)及び(9)の条件を満たすように各部の角度を設定している。
【0052】
トルクリップルを最小にする各部の角度の条件は、上記(3)式、(4)式、(5)式及び(6)式の連立方程式を解くことにより得られる。図8は、8極48スロットで分布巻の同期モータにおいて、コギングトルクを最小にするψ2とψ1とmとの関係を示す図である。縦軸はψ2であり、横軸はψ1である。図8においては、丸印の点が選択したmとuとの値によって定まるトルクリップルが最小になる条件点である。
【0053】
図9は、上記(1),(8)及び(9)式から得たα1とα2とnとの関係を示している。本発明を実施する場合には、この関係を満たすようにα1とα2の関係を定めれば、トルクリップルを最小にすることができる。
【0054】
【発明の効果】
本発明によれば、コギングトルクが抑制できて、しかもトルク脈動を抑制できる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の永久磁石内蔵型同期モータの第1の実施の形態の構成を概念的に示す図である。
【図2】 本発明の永久磁石内蔵型同期モータの第2の実施の形態の永久磁石内蔵型同期モータで用いるロータの構成を示す図である。
【図3】 本発明の永久磁石内蔵型同期モータの第3の実施の形態の永久磁石内蔵型同期モータで用いるロータの構成を示す図である。
【図4】 図1乃至図3の実施の形態について、トルクリップル含有率を測定したデータである。
【図5】 本発明の永久磁石内蔵型同期モータの第4の実施の形態の構成を概念的に示す図である。
【図6】 曲率半径R1とR2とを変えた場合におけるトルクリップルの低減効果を示す図である。
【図7】 図5の実施の形態の部分拡大図である。
【図8】 8極48スロットで分布巻の同期モータにおいて、コギングトルクを最小にするψ2とψ1とχの関係を示す図である。
【図9】 (1),(8)及び(9)式から得たトルクリップルを最小にするα1とα2の関係を示している。
【符号の説明】
1 ステータ
2 ヨーク
3 ティース(磁極部)
4 スロット
5 ロータ
6 シャフト
7 ロータコア
8 永久磁石
9,10 磁気的な突極部
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a synchronous motor with a built-in permanent magnet, in which a plurality of permanent magnets are built in a rotor core, and a rotor core having a magnetic salient pole portion between adjacent permanent magnets. The present invention relates to a synchronous motor with a built-in permanent magnet that uses a reluctance torque generated due to a salient pole portion and a torque generated by a permanent magnet.
[0002]
[Prior art]
In JP-A-8-205499, torque pulsation is provided by providing magnetic salient poles on the core between a plurality of permanent magnet magnetic poles mounted on the outer peripheral surface of a rotor core and shifting the positions of these salient poles in the circumferential direction. A synchronous motor that suppresses the occurrence of is disclosed. In this synchronous motor, the rotation direction of the rotor is limited to one direction.
[0003]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-256455 discloses changing the magnetic pole width of the magnetic salient pole part of the rotor of the reluctance synchronous motor or shifting the positions of some pairs of magnetic salient pole parts in the circumferential direction. Thus, a technique for suppressing generation of pulsating torque of a reluctance synchronous motor is disclosed.
[0004]
In the conventional synchronous motor with a built-in permanent magnet disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-18328, the opening angle of the core between the permanent magnet magnetic poles is θ, and each of the end faces of the teeth corresponding to the width of the core between the permanent magnet magnetic poles The minimum value of the angle formed by two straight lines connecting the tip of the two most distant end faces and the rotation axis center is θmin and the most of each end of the tooth head in the tooth corresponding to the width of the core between the permanent magnet poles. When θmax is the maximum value of the angle formed by two straight lines connecting two separated ends and the rotation axis center,
θmin ≦ θ ≦ θmax
Thus, the width of the core between the permanent magnet magnetic poles is set so as to suppress the cogging torque.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional permanent magnet built-in type synchronous motor, the opening angle θ of the core between the permanent magnet poles is set to θmin ≦ θ ≦ θmax determined from the number of teeth and the mold size. However, since the timing of torque generation between the permanent magnet magnetic poles differs according to the number of slots per phase per pole of the stator, this conventional technology cannot sufficiently suppress cogging torque and torque pulsation.
[0006]
An object of the present invention is to provide a permanent motor with a built-in permanent magnet that can suppress both cogging torque and torque pulsation during energization.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The present invention provides a stator in which a plurality of magnetic pole portions of a stator core are wound with one or more windings, and the number of pole pairs is p (where p is a positive integer of 1 or more), and the rotor core is fixed to a shaft. 2p permanent magnets are incorporated at intervals in the circumferential direction, 2p permanent magnet magnetic pole portions are formed on the outer periphery of the rotor core by the 2p permanent magnets, and the permanent magnet magnetic pole portions are sandwiched therebetween. A synchronous motor with a built-in permanent magnet including a rotor on which 2p magnetic salient poles are formed is an object of improvement. Here, one permanent magnet includes not only physically one permanent magnet but also a case where it is constituted by a plurality of permanent magnets and can be regarded magnetically as one permanent magnet. .
[0008]
In the present invention, 2p permanent magnet magnetic pole portions are arranged at equal intervals with the first permanent group p permanent magnet magnetic pole portions arranged at equal intervals in the circumferential direction. A second group of p permanent magnet magnetic pole portions is used. In addition, 2p magnetic salient pole portions are also arranged at equal intervals every other piece in the circumferential direction with p magnetic salient pole portions of the first group located at equal intervals in the circumferential direction. A second group of p magnetic salient poles. The opening angle α1 of the p magnetic salient pole portions of the first group is made smaller than the opening angle α2 of the p magnetic salient pole portions of the second group. Then, the opening angle α1 and the opening angle α2 are determined so as to satisfy the following expression.
[0009]
α2−α1≈2β− (2n−1) τs
Here, n is a natural number, β is an angle between two salient pole virtual center lines (CL1, CL2) passing through the centers of two magnetic salient poles adjacent from the center of the shaft, and τs is The slot pitch of the stator core [unit is rad]. The contour shape of the outer peripheral surface portion of the permanent magnet magnetic pole portion of the rotor core may be constituted by an arc or an elliptical arc.
[0010]
As described above, when the opening angle α1 of the p magnetic salient pole portions of the first group and the opening angle α2 of the p magnetic salient pole portions of the second group are determined, Compared with the conventional synchronous motor in which the opening angle of the 2p magnetic salient pole portions of the second group is constant, the torque pulsation can be suppressed and the torque ripple can be greatly reduced.
[0011]
In this case, the curvature radius R1 of the magnetic pole faces of the p magnetic salient pole portions of the first group is larger than the curvature radius R2 of the magnetic pole faces of the p magnetic salient pole portions of the second group. If it is made smaller, the torque ripple can be made smaller than when the radii of curvature R1 and R2 are made the same. In order to increase the torque, it is desirable that the curvature radii R1 and R2 are larger than the curvature radii of the end portions of the magnetic pole surfaces of the adjacent permanent magnet magnetic pole portions and that R1 <R2. However, in order to reduce the torque ripple at the expense of the magnitude of the torque, the curvature radii R1 and R2 may be smaller than the curvature radii of the end portions of the magnetic pole surfaces of the adjacent permanent magnet magnetic pole portions. Of course.
[0012]
In this case, the outer peripheral surface portion shape of the rotor core formed by the two adjacent permanent magnet magnetic pole portions and the magnetic salient pole portion positioned between the two adjacent permanent magnet magnetic pole portions is adjacent to the center of the shaft 2. It is symmetrical about the salient pole virtual center line (CL1, CL2) passing through the center of the magnetic salient pole located between the two permanent magnet magnetic poles, and the outer peripheral shape of the rotor core is circumferential. It is preferable to define the shapes of the 2p permanent magnet magnetic pole portions and the 2p magnetic salient pole portions so that the outer peripheral surface partial shapes in the angle range of 360 ° / p are all equal to each other. In this way, even when the opening angle of the magnetic salient pole is varied, the magnetic balance in the circumferential direction is balanced, so that no voltage imbalance or rotor eccentric force occurs in each phase.
[0013]
When the magnetic pole surface of the permanent magnet magnetic pole portion is formed by an arc surface or an elliptical arc surface, the dimension of the gap formed between the magnetic pole surface of the permanent magnet magnetic pole portion and the magnetic pole surfaces of the plurality of magnetic pole portions of the stator core It is preferable that δd is determined so as to satisfy or substantially satisfy the following expression.
[0014]
δd = δd0 / cos [p (θm−θdm)]
Here, δd0 is the minimum value of the gap dimension, and θm is two salient pole virtual centers passing through the center of the magnetic salient pole located between the two permanent magnet magnetic poles adjacent from the center of the shaft. This is an angle from the virtual center line CL3 passing through the center of the line (CL1, CL2) to the magnetic salient pole portion side having the opening angle α1. Θdm is an angle from the imaginary line PL3 to the imaginary center line CL3 at which the gap dimension is the minimum value.
[0015]
In the above formula, the gap when θdm = 0 ° forms a so-called general cosec gap. If such a gap configuration is adopted, the permanent magnet in the gap is used regardless of the rotation direction of the motor. Can be made close to a sine wave, and cogging torque can be suppressed.
[0016]
Here, θdm for minimizing the cogging torque is determined by the equation θdm≈ (ψ2-ψ1) / 2 when angles ψ1 and ψ2 described later are used. However, when the magnetic flux density distribution from the permanent magnets in the gap is greatly broken from the sine wave, the cogging torque is in the range of (1/6) × x × τs ≦ θdm ≦ (1/2) × xx × τs. There is a value that minimizes. Here, x is a natural number that makes θdm closest to the value of (ψ2−ψ1) / 2 when approximated as θdm≈ (ψ2−ψ1) / 2≈ (1/4) × x × τs.
[0017]
Furthermore, after satisfying the above conditions, the opening angle α2 of the virtual center line (CL3) and two virtual lines (PL1, PL2) passing from the center of the shaft to both ends in the circumferential direction of the magnetic pole surface of the permanent magnet magnetic pole portion. An angle ψ1 between an imaginary line (PL1) located on the magnetic salient pole part side having a diameter, and a virtual center line (CL3) passing through both ends in the circumferential direction of the magnetic pole surface of the permanent magnet magnetic pole part from the center of the shaft. The angle ψ2 between the two virtual lines (PL1, PL2) and the virtual line (PL2) located on the magnetic salient pole portion side having the open angle α1 satisfies the following conditional expression. .
[0018]
ψ2> ψ1
ψ2-ψ1 ≒ 0.5 (2m-1) τs- (180 ° / p)
ψ2 + ψ1 ≒ u ・ τs
α1 + α2 ≦ (360 ° / p) −2 (ψ2 + ψ1)
Here, m and u are arbitrary natural numbers. If this condition is satisfied, the cogging torque can be brought close to the minimum value, and torque ripple can also be suppressed.
[0019]
Even in a motor in which the gap dimension δd described above does not form a so-called cosec gap, the cogging torque and the torque ripple can be reduced by satisfying the relationship between the angles ψ2, ψ1 and the open angles α1, α2. Can do.
[0020]
Further, if α1 and α2 and ψ2 and ψ1 satisfy the following expression, the cogging torque can be brought close to the minimum value, and the torque ripple can also be brought close to the minimum value.
[0021]
(180 ° / 2p) + (α1 / 2) −ψ2≈ (1/4) (2v1-1) τs
(180 ° / 2p) + (α2 / 2) −ψ1≈ (1/4) (2v2-1) τs
Here, v1 and v2 are arbitrary natural numbers.
[0022]
When the first and second nonmagnetic portions are formed on the rotor core by air gaps on both sides in the circumferential direction of the permanent magnet, the first nonmagnetic portion is located on the side of the magnetic salient pole portion having an opening angle α1. When the second nonmagnetic portion is located on the side of the magnetic salient pole portion having an opening angle α2, the first and second nonmagnetic portions have the same cross-sectional area or second shape. It is preferable that the cross-sectional shape of the non-magnetic portion is larger than the cross-sectional shape of the first non-magnetic portion. Providing such a nonmagnetic portion can suppress leakage (short circuit) of magnetic flux from the permanent magnet and prevent demagnetization of the permanent magnet. However, since the opening angles α1 and α2 are made different in the present invention, the easiness of leakage of the magnetic flux of the permanent magnet and the easiness of demagnetization of the permanent magnet are different at both ends in the circumferential direction of the permanent magnet. That is, when α1 <α2, the leakage of magnetic flux from the end of the permanent magnet on the α2 side is larger than the leakage of magnetic flux from the end of the permanent magnet on the α1 side. Therefore, the amount of demagnetization at the end of the α2 side permanent magnet is larger than the amount of demagnetization at the end of the α1 side permanent magnet. From such a viewpoint, in order to positively suppress leakage of magnetic flux from the end of the permanent magnet on the α2 side and demagnetization at that portion, the cross-sectional area of the second nonmagnetic portion is set to the first nonmagnetic portion. It is larger than the cross-sectional area.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a stator and a rotor according to an embodiment of a synchronous motor with a built-in permanent magnet of the present invention. In FIG. 1, a member denoted by reference numeral 1 includes an annular yoke 2 formed by laminating silicon steel plates, and a magnetic pole portion disposed at a predetermined interval in the circumferential direction on the inner peripheral side of the annular yoke. A plurality of teeth 3, a slot 4 formed between two adjacent teeth 3, and a winding portion (not shown) formed by sequentially winding three-phase windings around these teeth 3. It is a stator provided with. The yoke 2 and the teeth 3 constitute a stator core.
[0024]
In the stator 1 of this example, the number of slots Ns is 48, the number of pole pairs p is 4, and the number of phases is 3, so the number of slots per phase per pole q is q = 48 / (2 × 4 × 3) = 2. The slot pitch τs is τs = 7.5 °.
[0025]
Moreover, the member shown with the code | symbol 5 is a rotor. The rotor 5 incorporates eight permanent magnets 8 arranged at intervals in the circumferential direction inside a rotor core 7 fixed to the shaft 6, and each of them is between two adjacent permanent magnets 8. It has magnetic salient poles 9... 10. A plurality of grooves 11 extending in the radial direction and the axial direction are formed on the outer peripheral portion of the rotor core 7 in order to clearly form the magnetic salient pole portions 9. The outer peripheral surface portion of the rotor core 7 located on the radially outer side of the permanent magnet 8 constitutes eight permanent magnet magnetic pole portions 12. The rotor core 7 is also configured by laminating silicon steel plates in the same manner as the stator core, and has a through hole into which a permanent magnet is inserted in a portion where the permanent magnets 8 are built. The permanent magnet 8 has a rectangular cross-sectional shape.
[0026]
In this example, the shape of the eight permanent magnet magnetic pole portions 12... And the eight magnetic salient pole portions 9... And 10 ... is between two adjacent permanent magnet magnetic pole portions and two adjacent permanent magnet magnetic pole portions. The shape of the outer peripheral surface portion of the rotor core 7 formed by the magnetic salient pole portion located at the center passes through the center of the magnetic salient pole portion located between the two permanent magnet magnetic pole portions adjacent from the center of the shaft 6. The salient pole virtual center lines CL1 and CL2 are centered about the line, and the outer peripheral surface shape of the rotor core 7 has a quadrangular shape in which all the outer peripheral surface portion shapes in the angular range of 90 ° are equal in the circumferential direction. It is stipulated in.
[0027]
Eight magnetic salient poles are arranged at equal intervals every other piece in the circumferential direction with four magnetic salient poles 9 of the first group located at equal intervals in the circumferential direction. It consists of four magnetic salient poles 10 of the second group located. The opening angle α1 of the four magnetic salient pole portions 9 of the first group is smaller than the opening angle α2 of the four magnetic salient pole portions 10 of the second group. In this example, since the slot pitch of the stator core 7 is 7.5 ° and the slot opening is 2.1 °, the opening angle α2 is 15 ° and the opening angle α1 is 7.5 °. In this case, a preferable range of the opening angle α2 is a value of 12.9 ° ≦ α2 ≦ 17.1 °, and a preferable range of the opening angle α1 is a value of 5.4 ° ≦ α1 ≦ 9.6 °. .
[0028]
If the relationship between the opening angle α1 and the opening angle α2 is generally expressed by an equation, both may be determined so as to satisfy the following equation (1).
[0029]
α2−α1≈ (2β) − (2n−1) τs (1)
Here, n is a natural number, β is an angle between two salient pole virtual center lines (CL1, CL2) passing through the centers of two magnetic salient poles adjacent from the center of the shaft, and τs Is the slot pitch of the stator core. In the present embodiment, n = 6. If this equation is satisfied, the torque ripple can be greatly reduced as compared with the conventional case.
[0030]
FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a rotor used in a synchronous motor with a built-in permanent magnet according to a second embodiment of the present invention. This embodiment differs from the embodiment of FIG. 1 in that a pair of nonmagnetic portions 13 are provided in the rotor core 7 by gaps formed on both sides in the circumferential direction of the permanent magnets 8. Open angles α1 and α2 of the four magnetic salient pole portions 9... And the four magnetic salient pole portions 10... Are determined in the same manner as in the embodiment of FIG. The opening angle of the groove 11 can be obtained by an angle βd−α1, and is 1.875 ° in this example. The angle βd is determined by βd≈ (1/2) (2n−1) τs. Here, n is an arbitrary natural number.
[0031]
FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a rotor of a synchronous motor with a built-in permanent magnet according to a third embodiment corresponding to the ninth aspect of the invention. This embodiment differs from the embodiment of FIG. 2 in that the opening angle (circumferential opening dimension) of the grooves 11 is larger than the opening angle of the grooves 11 of the embodiment of FIG. The length of the magnet magnetic pole 12 in the circumferential direction is reduced. The other structure is the same as that of the embodiment of FIG. In this embodiment, the opening angle (βf−α1) of the groove 11 is 3.75 °. Here, βf is determined by βf≈ (1/4) (2n−1) τs. Here, n is an arbitrary natural number.
[0032]
FIG. 4 is data obtained by measuring the torque ripple content rate for the embodiment of FIGS. 1 to 3. In FIG. 4, A is a torque ripple content rate of a conventional permanent magnet built-in type synchronous motor in which the open angles of the eight magnetic salient pole portions are set to a constant value (8.75 °). 4B, 4C, and 4D show torque ripple contents of the permanent magnet built-in type synchronous motor of FIGS. From this figure, it can be seen that the torque ripple can be greatly reduced according to the embodiment of the present invention.
[0033]
FIG. 5 is a diagram showing a configuration of a rotor according to a fourth embodiment of a synchronous motor with a built-in permanent magnet of the present invention. The configuration on the stator core side is the same as that of the embodiment of FIG. 4, the same reference numerals as those in FIG. 1 are attached to the same parts as those in the embodiment shown in FIG. In this embodiment, eight (2p) permanent magnet magnetic pole portions 12a..., 12b..., And four (p) permanent magnets in the first group are arranged at equal intervals every other circumferential direction. .. And a second group of four (p) permanent magnet magnetic pole portions 12b... Which are located at equal intervals in the circumferential direction. Also, the eight (2p) magnetic salient poles 9 ... and 10 ... are also four (p) magnetic salient poles of the first group located at equal intervals in the circumferential direction. .. And a second group of four (p pieces) magnetic salient pole portions 10... Located at equal intervals in the circumferential direction. The opening angle α1 of the four magnetic salient pole portions 9 of the first group is made smaller than the opening angle α2 of the four magnetic salient pole portions 10 of the second group. Also in this embodiment, the opening angle α1 and the opening angle α2 satisfy the above equation (1).
[0034]
Specifically, since the slot pitch of the stator core is 7.5 ° and the slot opening is 2.1 °, the opening angle α2 is preferably 12.9 ° ≦ α2 ≦ 17.1 °, The opening angle α1 is preferably a value of 5.4 ° ≦ α1 ≦ 9.6 °. In this example, α2 is 16 ° and α1 is 6.5 °.
[0035]
In this example, the outer peripheral surface of the rotor core 7 formed by the magnetic salient pole portions 9 or 10 located between the two adjacent permanent magnet magnetic pole portions 12a and 12b and the two adjacent permanent magnet magnetic pole portions 12a and 12b. The partial shape is centered on salient pole virtual center lines CL1 and CL2 passing through the center of the magnetic salient pole part 9 or 10 located between the two permanent magnet magnetic pole parts 12a and 12b adjacent from the center of the shaft 6. So that the outer peripheral surface shape of the rotor core 7 becomes a four-equal shape (p uniform shape) in which the outer peripheral surface partial shapes in the angular range of 90 ° (360 ° / p) are all equal in the circumferential direction. Further, the shapes of the eight permanent magnet magnetic pole portions 12a ... and 12b ... and the eight magnetic salient pole portions 9 ... and 10 ... are defined. In this way, even when the opening angles α1 and α2 of the magnetic salient poles 9... 10 are different, the circumferential magnetic balance is balanced, and thus the voltage imbalance of each phase. And rotor eccentric force does not occur.
[0036]
In this example, the dimension δd of the gap formed between the magnetic pole surfaces of the permanent magnet magnetic pole portions 12a... And 12b... And the magnetic pole surfaces of the plurality of magnetic pole portions of the stator core satisfies the following equation (2). It is determined to be a cosec gap.
[0037]
δd = δd0 / cos [p (θm−θdm)] (2)
Here, δd0 is the minimum value of the gap dimension, and θm is two salient pole virtual centers passing through the center of the magnetic salient pole located between the two permanent magnet magnetic poles adjacent from the center of the shaft. Is an angle from the virtual center line CL3 passing through the center of the line (CL1, CL2) to the magnetic salient pole portion side having the opening angle α1, and θdm is the virtual center line from the virtual line PL3 where the gap dimension is the minimum value The angle is up to CL3.
[0038]
Here, θdm for minimizing the cogging torque is determined by the equation θdm≈ (ψ2-ψ1) / 2 when angles ψ1 and ψ2 described later are used. However, when the magnetic flux density distribution from the permanent magnets in the gap is greatly broken from the sine wave, the cogging torque is in the range of (1/6) × x × τs ≦ θdm ≦ (1/2) × xx × τs. There is a value that minimizes. Here, x is a natural number that makes θdm closest to the value of (ψ2−ψ1) / 2 when approximated as θdm≈ (ψ2−ψ1) / 2≈ (1/4) × x × τs.
[0039]
The shapes of the magnetic pole surfaces of the permanent magnet magnetic pole portions 12a and 12b are determined by arcs or elliptical arcs so as to be close to values determined by the above formula.
[0040]
Further, in this example, the radius of curvature R1 of the magnetic salient pole portion 9 with the open angle α1 is made smaller than the radius of curvature R2 of the magnetic salient pole portion with the open angle α2. If the radius of curvature R1 of the magnetic pole faces of the p magnetic salient pole portions of the first group is smaller than the radius of curvature R2 of the magnetic pole faces of the p magnetic salient pole portions of the second group, the curvature Compared to the case where the radii R1 and R2 are the same, the torque ripple can be reduced. In order to increase the torque, it is desirable that the curvature radii R1 and R2 are larger than the curvature radii of the end portions of the magnetic pole surfaces of the adjacent permanent magnet magnetic pole portions and that R1 <R2. FIG. 6 shows the result of measuring the torque ripple content by making Model 1 to Model 3 under the conditions shown in order to confirm the effect when the radius of curvature is changed. As can be seen from the measurement results, R1 <R2.
It can be seen that the torque ripple content is the smallest in the case of Model 3.
[0041]
In the above formula, the gap when θdm = 0 ° forms a so-called general cosec gap. If such a gap configuration is adopted, the permanent magnet in the gap is used regardless of the rotation direction of the motor. Can be made close to a sine wave, and cogging torque can be suppressed. Further, when θdm is set to a value in the range of 1/6 slot pitch to 1/2 slot pitch, the cogging torque is dramatically increased while maintaining the sinusoidal magnetic flux distribution from the permanent magnet in the gap in a sine wave shape. Can be suppressed. Incidentally, in the embodiment of FIG. 5, θm is set to 2 °.
[0042]
In this embodiment, the magnetic field having the open angle α2 of the two virtual lines PL1 and PL2 passing from the center of the virtual center line CL3 and the shaft 6 to both ends of the magnetic pole surface of the permanent magnet magnetic pole portion 12a or 12b in the circumferential direction. The angle ψ1 between the imaginary line PL1 located on the side of the salient pole 10 and the two passing through both ends in the circumferential direction of the magnetic pole surface of the permanent magnet magnetic pole part 12a or 12b from the center of the virtual center line CL3 and the shaft 6 The angle ψ2 between the virtual lines PL1 and PL2 and the virtual line PL2 located on the magnetic salient pole portion 9 side having the opening angle α1 satisfies the following conditional expressions (3) to (6). It has become.
[0043]
ψ2> ψ1 (3)
ψ2−ψ1≈0.5 (2m−1) τs− (180 ° / p) (4)
ψ2 + ψ1 ≒ u · τs (5)
α1 + α2 ≦ (360 ° / p) −2 (ψ2 + ψ1) (6)
Here, p is the number of pole pairs, and m and u are arbitrary natural numbers. If this condition is satisfied, the cogging torque can be brought close to the minimum value.
[0044]
Specifically, in this example, the angle ψ1 is preferably a value in the range of 11.0525 ° ≦ ψ1 ≦ 15.225 °, and the angle ψ2 is a value in the range of 14.775 ° ≦ ψ2 ≦ 18.975 °. Moreover, it is preferable that the angle ψ1 and the angle ψ2 satisfy the relationship of 1.65 ° ≦ ψ2-ψ1 ≦ 5.85 ° and 27.9 ° ≦ ψ2 + ψ1 ≦ 32.1 °.
[0045]
In this example, the angle ψ1 is 13.125 °, and the angle ψ2 is 16.875 °. Assuming that this angle is τs = 7.5 °, p = 4, m = 7, u = 4, and substituting these values into the above equations (4) and (5),
ψ2−ψ1≈0.5 (2m−1) τs− (180 ° / p) (4)
ψ2 + ψ1 ≒ u · τs (5)
φ2−φ1 = 0.5 (2m−1) τs− (180 ° / p) = 0.5 × (2 × 7-1) × 7.5− (180/4) = 3.75 °
ψ2 + ψ1 = u · τs = 4 × 7.5 = 30 °
From these two equations, ψ1 = 13.125 ° and ψ2 = 16.875 ° are obtained.
[0046]
Further, when the optimum range of θdm and θdm for minimizing the cogging torque is obtained based on the values of the angles ψ1 and ψ2, θdm = (ψ2-ψ1) / 2 = (16.875-13.125) /2=1.875°. Therefore, the cogging torque can be minimized at θdm = 1.875 °. Here, when x satisfying the formula θdm≈ (ψ2−ψ1) / 2≈ (1/4) × x × τs is obtained, x satisfying (1/4) × x × τs = 1.875 is 1. It becomes.
[0047]
Therefore, if x = 1 and τs = 7.5 ° are added to the above-described equation (1/6) × x × τs ≦ θdm ≦ (1/2) × xxτs for obtaining the range of θdm, 25 ° ≦ θdm ≦ 3.75 ° is determined as the optimum value range of θdm.
[0048]
As shown in FIG. 7, the circumferential widths (openings) of the grooves 11a and 11b are set to 2.25 ° and 1.5 °. Moreover, in this example, as shown in FIG. 7, the shape of the 1st and 2nd nonmagnetic parts 13a and 13b with respect to one permanent magnet formed in the rotor core 7 is varied.
[0049]
In this embodiment, when α1 and α2 and ψ2 and ψ1 satisfy the following equations (7) and (8), the torque ripple can be brought close to the minimum value.
[0050]
(180 ° / 2p) + (α1 / 2) -ψ2 = (¼) (2v1-1) τs (8)
(180 ° / 2p) + (α2 / 2) −ψ1 = (1/4) (2v2-1) τs (9)
Here, v1 and v2 are arbitrary natural numbers.
[0051]
In this example, the angle of each part is set so as to satisfy the conditions (8) and (9).
[0052]
The condition of the angle of each part that minimizes the torque ripple can be obtained by solving the simultaneous equations of the above expressions (3), (4), (5), and (6). FIG. 8 is a diagram showing the relationship between ψ2, ψ1, and m that minimizes the cogging torque in an 8-pole 48-slot distributed winding synchronous motor. The vertical axis is ψ2, and the horizontal axis is ψ1. In FIG. 8, the circled points are the condition points at which the torque ripple determined by the selected values of m and u is minimized.
[0053]
FIG. 9 shows the relationship between α1, α2 and n obtained from the above equations (1), (8) and (9). When practicing the present invention, the torque ripple can be minimized if the relationship between α1 and α2 is determined so as to satisfy this relationship.
[0054]
【The invention's effect】
According to the present invention, there is an advantage that cogging torque can be suppressed and torque pulsation can be suppressed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram conceptually showing the structure of a first embodiment of a synchronous motor with a built-in permanent magnet of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a rotor used in a permanent magnet built-in type synchronous motor according to a second embodiment of the permanent magnet built-in type synchronous motor of the present invention.
FIG. 3 is a view showing a configuration of a rotor used in a permanent magnet built-in type synchronous motor according to a third embodiment of the permanent magnet built-in type synchronous motor of the present invention;
4 is data obtained by measuring a torque ripple content rate in the embodiment of FIGS. 1 to 3. FIG.
FIG. 5 is a diagram conceptually showing the structure of a fourth embodiment of a synchronous motor with a built-in permanent magnet of the present invention.
FIG. 6 is a diagram illustrating a torque ripple reduction effect when the curvature radii R1 and R2 are changed.
7 is a partially enlarged view of the embodiment of FIG.
FIG. 8 is a diagram showing the relationship between ψ2, ψ1, and χ that minimizes the cogging torque in an 8-pole 48-slot distributed winding synchronous motor.
FIG. 9 shows the relationship between α1 and α2 that minimizes torque ripple obtained from equations (1), (8), and (9).
[Explanation of symbols]
1 Stator
2 York
3 Teeth (magnetic pole)
4 slots
5 Rotor
6 Shaft
7 Rotor core
8 Permanent magnet
9, 10 Magnetic salient pole

Claims (11)

ステータコアの複数の磁極部に1相以上の巻線を施してなるステータと、
極対数がp(但しpは1以上の正の整数)で、シャフトに固定されたロータコアの内部に周方向に間隔を開けて2p個の永久磁石が内蔵され、該2p個の永久磁石により前記ロータコアの外周に2p個の永久磁石磁極部が形成され且つ前記永久磁石磁極部を間に挟むように2p個の磁気的な突極部が形成されているロータとを具備する永久磁石内蔵型同期モータであって、
前記2p個の磁気的な突極部は、前記周方向に1個置きに等間隔に位置する第1のグループのp個の磁気的な突極部と前記周方向に1個置きに等間隔に位置する第2のグループのp個の磁気的な突極部とから構成され、
前記第1のグループのp個の磁気的な突極部の開角α1は、前記第2のグループのp個の磁気的な突極部の開角α2よりも小さく、
前記開角α1及び開角α2は、下記の式を満たすように定められていることを特徴とし、
α2−α1≒2β−(2n−1)τs
ここにnは自然数であり、βは前記シャフトの中心から隣接する2つの前記磁気的な突極部の中心を通る2本の突極部仮想中心線(CL1,CL2)間の角度であり、τsは前記ステータコアのスロットピッチであることを特徴とする永久磁石内蔵型同期モータ。
A stator formed by winding one or more phases on a plurality of magnetic pole portions of the stator core;
The number of pole pairs is p (where p is a positive integer equal to or greater than 1), and 2p permanent magnets are built in the rotor core fixed to the shaft at intervals in the circumferential direction. Synchronous type with built-in permanent magnet comprising a rotor having 2p permanent magnet magnetic pole portions formed on the outer periphery of the rotor core and 2p magnetic salient pole portions formed so as to sandwich the permanent magnet magnetic pole portions therebetween A motor,
The 2p magnetic salient poles are equally spaced apart from the first group of p magnetic salient poles located at equal intervals in the circumferential direction. A second group of p magnetic salient poles located at
An opening angle α1 of the p magnetic salient pole portions of the first group is smaller than an opening angle α2 of the p magnetic salient pole portions of the second group,
The opening angle α1 and the opening angle α2 are determined so as to satisfy the following formula:
α2−α1≈2β− (2n−1) τs
Here, n is a natural number, β is an angle between two salient pole virtual center lines (CL1, CL2) passing through the centers of the two magnetic salient poles adjacent from the center of the shaft, τs is a slot pitch of the stator core, and is a permanent magnet built-in type synchronous motor.
前記第1のグループのp個の磁気的な突極部の磁極面の曲率半径R1が、前記第2のグループのp個の磁気的な突極部の磁極面の曲率半径R2よりも小さいことを特徴とする請求項1に記載の永久磁石内蔵型同期モータ。The curvature radius R1 of the magnetic pole faces of the p magnetic salient pole portions of the first group is smaller than the curvature radius R2 of the magnetic pole faces of the p magnetic salient pole portions of the second group. The synchronous motor with a built-in permanent magnet according to claim 1. 前記2p個の永久磁石磁極部及び前記2p個の磁気的な突極部の形状は、
隣接する2つの永久磁石磁極部と前記隣接する2つの永久磁石磁極部間に位置する前記磁気的な突極部とによって形成される前記ロータコアの外周面部分形状が、前記シャフトの中心から前記隣接する2つの永久磁石磁極部の間に位置する前記磁気的な突極部の中心を通る前記突極部仮想中心線(CL1,CL2)を中心にして線対称になり、
且つ前記ロータコアの外周面形状が周方向に360°/pの角度範囲の外周面部分形状がすべて等しくなるp等配形状になるように定められている請求項1または2に記載の永久磁石内蔵型同期モータ。
The shapes of the 2p permanent magnet magnetic pole portions and the 2p magnetic salient pole portions are:
An outer peripheral surface portion shape of the rotor core formed by two adjacent permanent magnet magnetic pole portions and the magnetic salient pole portion positioned between the two adjacent permanent magnet magnetic pole portions is formed adjacent to the shaft from the center. Are symmetrical with respect to the salient pole virtual center line (CL1, CL2) passing through the center of the magnetic salient pole located between the two permanent magnet magnetic poles.
3. The built-in permanent magnet according to claim 1, wherein the outer peripheral surface shape of the rotor core is determined to be a p-equal shape in which the outer peripheral surface partial shapes in the angular range of 360 ° / p are all equal in the circumferential direction. Type synchronous motor.
前記永久磁石磁極部の磁極面は、円弧面または楕円の円弧面によって形成されており、
前記永久磁石磁極部の前記磁極面と前記ステータコアの前記複数の磁極部の磁極面との間に形成されるギャップの寸法δdが、下記の式を満たすまたはほぼ満たすように定められることを特徴とし、
δd=δd0/cos[p(θm−θdm)]
ここに、δd0は前記ギャップの寸法の最小値であり、前記θmは前記シャフトの中心から前記隣接する2つの永久磁石磁極部の間に位置する前記磁気的な突極部の中心を通る2つの前記突極部仮想中心線(CL1,CL2)の中心を通る仮想中心線(CL3)から前記開角α1を有する前記磁気的な突極部側への角度であり、前記θdmは前記ギャップの寸法が最小値になる仮想線(PL3)から前記仮想中心線(CL3)までの角度である請求項2に記載の永久磁石内蔵型同期モータ。
The magnetic pole surface of the permanent magnet magnetic pole portion is formed by an arc surface or an elliptical arc surface,
A dimension δd of a gap formed between the magnetic pole surface of the permanent magnet magnetic pole portion and the magnetic pole surfaces of the plurality of magnetic pole portions of the stator core is determined so as to satisfy or substantially satisfy the following expression: ,
δd = δd0 / cos [p (θm−θdm)]
Here, δd0 is the minimum value of the gap dimension, and θm is two values passing through the center of the magnetic salient pole portion located between the two adjacent permanent magnet magnetic pole portions from the center of the shaft. The angle from the virtual center line (CL3) passing through the center of the salient pole portion virtual center line (CL1, CL2) to the magnetic salient pole portion side having the opening angle α1, and θdm is the dimension of the gap The synchronous motor with a built-in permanent magnet according to claim 2, wherein the angle is an angle from an imaginary line (PL3) at which the minimum value is reached to the imaginary center line (CL3).
仮想中心線(CL3)と前記シャフトの中心から前記永久磁石磁極部の磁極面の周方向の両端を通る前記2本の仮想線(PL1,PL2)のうち前記開角α2を有する前記磁気的な突極部側に位置する仮想線(PL1)との間の角度ψ1と、仮想中心線(CL3)と前記シャフトの中心から前記永久磁石磁極部の磁極面の周方向の両端を通る前記2本の仮想線(PL1,PL2)のうち前記開角α1を有する前記磁気的な突極部側に位置する仮想線(PL2)との間の角度ψ2とが、下記の条件式を満たし、
ψ2>ψ1
ψ2−ψ1≒0.5(2m−1)τs−(180°/p)
ψ2+ψ1≒u・τs
α1+α2≦(360°/p)−2(ψ2+ψ1)
ここに、m及びuは任意の自然数である請求項2,3または4に記載の永久磁石内蔵型同期モータ。
Of the two virtual lines (PL1, PL2) passing through the virtual center line (CL3) and both ends of the magnetic pole surface of the permanent magnet magnetic pole part from the center of the shaft in the circumferential direction, the magnetic angle having the opening angle α2 The angle ψ1 between the imaginary line (PL1) located on the salient pole part side and the two passing through both ends in the circumferential direction of the magnetic pole face of the permanent magnet magnetic pole part from the virtual center line (CL3) and the center of the shaft The angle ψ2 between the virtual line (PL1, PL2) and the virtual line (PL2) located on the magnetic salient pole side having the opening angle α1 satisfies the following conditional expression:
ψ2> ψ1
ψ2-ψ1 ≒ 0.5 (2m-1) τs- (180 ° / p)
ψ2 + ψ1 ≒ u ・ τs
α1 + α2 ≦ (360 ° / p) −2 (ψ2 + ψ1)
5. The permanent magnet built-in type synchronous motor according to claim 2, 3 or 4, wherein m and u are arbitrary natural numbers.
前記α1及びα2並びに前記ψ2及びψ1が、更に下記の式を満たし、
(180°/2p)+(α1/2)−ψ2≒(1/4)(2v1−1)τs
(180°/2p)+(α2/2)−ψ1≒(1/4)(2v2−1)τs
ここにv1及びv2は任意の自然数である請求項5に記載の永久磁石内蔵型同期モータ。
The α1 and α2 and the ψ2 and ψ1 further satisfy the following equation:
(180 ° / 2p) + (α1 / 2) −ψ2≈ (1/4) (2v1-1) τs
(180 ° / 2p) + (α2 / 2) −ψ1≈ (1/4) (2v2-1) τs
6. The permanent magnet built-in type synchronous motor according to claim 5, wherein v1 and v2 are arbitrary natural numbers.
前記ロータコアには前記永久磁石の前記周方向の両側に空隙により第1及び第2の非磁性部が形成されており、
前記第1の非磁性部は前記開角がα1の前記磁気的な突極部側に位置し、前記第2の非磁性部は前記開角がα2の前記磁気的な突極部側に位置し、
前記第1及び第2の非磁性部の形状は、横断面積が同じかまたは前記第2の非磁性部の横断面形状が前記第1の非磁性部の横断面形状よりも大きくなるように異なっていることを特徴とする請求項1,2,3,4,5または6に記載の永久磁石内蔵型同期モータ。
The rotor core has first and second nonmagnetic portions formed by air gaps on both sides in the circumferential direction of the permanent magnet,
The first non-magnetic portion is located on the side of the magnetic salient pole with the opening angle α1, and the second non-magnetic portion is located on the side of the magnetic salient pole with the opening angle α2. And
The shapes of the first and second nonmagnetic portions are different so that the cross-sectional area is the same or the cross-sectional shape of the second nonmagnetic portion is larger than the cross-sectional shape of the first nonmagnetic portion. The synchronous motor with a built-in permanent magnet according to claim 1, 2, 3, 4, 5 or 6.
ステータコアの複数の磁極部に3相の巻線を施してなるステータと、
極対数が4で、シャフトに固定されたロータコアの内部に周方向に間隔を開けて8個の永久磁石が内蔵され、該8個の永久磁石により前記ロータコアの外周に8個の永久磁石磁極部が形成され且つ前記永久磁石磁極部を間に挟むように8個の磁気的な突極部が形成されているロータとを具備する永久磁石内蔵型同期モータであって、
前記8個の永久磁石磁極部は、前記周方向に1個置きに等間隔に位置する第1のグループの4個の永久磁石磁極部と前記周方向に1個置きに等間隔に位置する第2のグループの4個の永久磁石磁極部とから構成され、
前記8個の磁気的な突極部は、前記周方向に1個置きに等間隔に位置する第1のグループの4個の磁気的な突極部と前記周方向に1個置きに等間隔に位置する第2のグループの4個の磁気的な突極部とから構成され、
前記第1のグループの4個の磁気的な突極部の開角α1は、前記第2のグループの4個の磁気的な突極部の開角α2よりも小さく、
前記ステータコアのスロットピッチが、7.5°でスロットオープニングが2.1°のときに、前記開角α2は12.9°≦α2≦17.1°の値であり、前記開角α1は5.4°≦α1≦9.6°の値であることを特徴とする永久磁石内蔵型同期モータ。
A stator formed by three-phase windings on a plurality of magnetic pole portions of the stator core;
The number of pole pairs is four, and eight permanent magnets are built in the rotor core fixed to the shaft at intervals in the circumferential direction. The eight permanent magnets provide eight permanent magnet magnetic pole portions on the outer periphery of the rotor core. And a permanent motor with a built-in permanent magnet comprising a rotor having eight magnetic salient pole portions formed so as to sandwich the permanent magnet magnetic pole portion therebetween,
The eight permanent magnet magnetic pole portions are arranged at equal intervals in every other circumferential direction and every other permanent magnet magnetic pole portion of the first group located at equal intervals in the circumferential direction. It consists of four permanent magnet magnetic pole parts of two groups,
The eight magnetic salient poles are equally spaced apart from each other in the circumferential direction with the four magnetic salient poles of the first group located at equal intervals in the circumferential direction. A second group of four magnetic salient poles located at
The opening angle α1 of the four magnetic salient pole portions of the first group is smaller than the opening angle α2 of the four magnetic salient pole portions of the second group,
When the slot pitch of the stator core is 7.5 ° and the slot opening is 2.1 °, the opening angle α2 is a value of 12.9 ° ≦ α2 ≦ 17.1 °, and the opening angle α1 is 5 A synchronous motor with a built-in permanent magnet, which has a value of .4 ° ≦ α1 ≦ 9.6 °.
前記8個の永久磁石磁極部及び前記8個の磁気的な突極部の形状は、
隣接する2つの永久磁石磁極部と前記隣接する2つの永久磁石磁極部間に位置する前記磁気的な突極部によって形成される前記ロータコアの外周面部分形状が、前記シャフトの中心から前記隣接する2つの永久磁石磁極部の間に位置する前記磁気的な突極部の中心を通る突極部仮想中心線(CL1,CL2)を中心にして線対称になり、
且つ前記ロータコアの外周面形状が周方向に90°の角度範囲の外周面部分形状がすべて等しくなる4等配形状になるように定められている請求項8に記載の永久磁石内蔵型同期モータ。
The shapes of the eight permanent magnet magnetic pole portions and the eight magnetic salient pole portions are as follows:
The shape of the outer peripheral surface portion of the rotor core formed by the two adjacent permanent magnet magnetic pole portions and the magnetic salient pole portion positioned between the two adjacent permanent magnet magnetic pole portions is adjacent to the center of the shaft. Axisymmetrical center line (CL1, CL2) passing through the center of the magnetic salient pole part located between the two permanent magnet magnetic pole parts is symmetric with respect to the center.
9. The permanent magnet built-in type synchronous motor according to claim 8, wherein the outer peripheral surface shape of the rotor core is determined to be a four-equal shape in which the outer peripheral surface partial shapes in an angular range of 90 ° in the circumferential direction are all equal.
前記シャフトの中心から隣接する2つの前記突極部仮想中心線の中心を通る仮想中心線(CL3)と前記シャフトの中心から前記永久磁石磁極部の磁極面の周方向の両端を通る前記2本の仮想線(PL1,PL2)のうち前記開角α2を有する前記磁気的な突極部側に位置する仮想線(PL1)との間の角度ψ1が11.025°≦ψ1≦15.225°の範囲の値であり、
前記仮想中心線(CL3)と前記シャフトの中心から前記永久磁石磁極部の磁極面の周方向の両端を通る前記2本の仮想線(PL1,PL2)のうち前記開角α1を有する前記磁気的な突極部側に位置する仮想線(PL2)との間の角度ψ2が、14.775°≦ψ2≦18.975の範囲の値であり、
しかも前記角度ψ1及び前記角度ψ2は、1.65°≦ψ2−ψ1≦5.85°及び27.9°≦ψ2+ψ1≦32.1°の関係を満たすものである請求項9に記載の永久磁石内蔵型同期モータ。
A virtual center line (CL3) passing through the centers of the two salient pole virtual center lines adjacent from the center of the shaft, and the two passing through both ends in the circumferential direction of the magnetic pole surface of the permanent magnet magnetic pole part from the center of the shaft. The angle ψ1 between the imaginary line (PL1, PL2) and the imaginary line (PL1) located on the side of the magnetic salient pole having the opening angle α2 is 11.025 ° ≦ ψ1 ≦ 15.225 °. Value in the range of
Of the two virtual lines (PL1, PL2) passing through the virtual center line (CL3) and both ends of the magnetic pole surface of the permanent magnet magnetic pole portion from the center of the shaft in the circumferential direction, the magnetic angle having the opening angle α1. The angle ψ2 between the imaginary line (PL2) located on the side of the salient pole is a value in the range of 14.775 ° ≦ ψ2 ≦ 18.975,
10. The permanent magnet according to claim 9, wherein the angle ψ1 and the angle ψ2 satisfy a relationship of 1.65 ° ≦ ψ2-ψ1 ≦ 5.85 ° and 27.9 ° ≦ ψ2 + ψ1 ≦ 32.1 °. Built-in synchronous motor.
前記永久磁石磁極部の磁極面は、円弧面または楕円の円弧面によって形成されており、
前記永久磁石磁極部の前記磁極面と前記ステータコアの前記複数の磁極部の磁極面との間に形成されるギャップの寸法δdが、下記の式を満たすまたはほぼ満たすように定められることを特徴とし、
δd=δd0/cos[p(θm−θdm)]
ここに、δd0は前記ギャップの寸法の最小値であり、前記θmは前記シャフトの中心から前記隣接する2つの永久磁石磁極部の間に位置する前記磁気的な突極部の中心を通る2つの前記突極部仮想中心線(CL1,CL2)の中心を通る仮想中心線(CL3)から前記開角α1を有する前記磁気的な突極部側への角度であり、前記θdmが1.25°≦θdm≦3.75°の範囲の値である請求項10に記載の永久磁石内蔵型同期モータ。
The magnetic pole surface of the permanent magnet magnetic pole portion is formed by an arc surface or an elliptical arc surface,
A dimension δd of a gap formed between the magnetic pole surface of the permanent magnet magnetic pole portion and the magnetic pole surfaces of the plurality of magnetic pole portions of the stator core is determined so as to satisfy or substantially satisfy the following expression: ,
δd = δd0 / cos [p (θm−θdm)]
Here, δd0 is the minimum value of the gap dimension, and θm is two values passing through the center of the magnetic salient pole portion located between the two adjacent permanent magnet magnetic pole portions from the center of the shaft. The angle from the virtual center line (CL3) passing through the center of the salient pole virtual center line (CL1, CL2) to the magnetic salient pole side having the opening angle α1, and the θdm is 1.25 ° The synchronous motor with a built-in permanent magnet according to claim 10, wherein the value is in a range of ≦ θdm ≦ 3.75 °.
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