JP4568941B2 - 永久磁石ロータ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、永久磁石をロータコア内部に埋設することにより、逆突極性または順突極性を持たせ、マグネットトルクのみならず、リラクタンストルクをも利用することにより、高い効率を実現できる永久磁石ロータの構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ロータコア内部に永久磁石を埋設したモータにおいては、一般的に、振動・騒音が増加する傾向にあり、特に磁力の強い希土類磁石を用いた場合は、コギングトルクの低減等の対策が必要であった。
【０００３】
コギングトルクの低減の一例として、図１７に、筆者らが発明した特願平１０−２３５２８９号公報に記載の永久磁石ロータの分解斜視図を、図１８に、同横断面図を示す。
【０００４】
打ち抜かれた電磁鋼鈑からなる略円形のロータコアシートを積層してなるロータコア１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ，１１０ｄ内部に永久磁石１１１を埋設し、この永久磁石の端面に接するように長穴部１１３ａ，１１３ｂ，１１３ｃ，１１３ｄ，１１６ａ，１１６ｂ，１１６ｃ，１１６ｄを設けた４極の永久磁石ロータである。ロータ回転方向がＲであるとき、ロータ磁極のロータ回転前進側の長穴部１１３ａ，１１３ｂ，１１３ｃ，１１３ｄの磁極境界（９０°等間隔に配置されている）からの角度をθｊとしたとき、θｊが４通りの値を取り、ステータスロット数が１２（＝４×３）であり、分布巻のとき、θｊ＝３．７５°、１１．２５°、１８．７５°、２６．２５°であり、０°、９０°、１８０°、２７０°ずつ回転させたロータコアを、それぞれ積厚の略１／４倍ずつ積層してなる。また、ｊ番目のロータ回転前進側にある長穴部の、ロータ回転前進側に隣接するロータ磁極の、ロータ回転後進側の長穴部１１６ａ，１１６ｂ，１１６ｃ，１１６ｄの磁極境界からの角度をθ’ｊとしたとき、θ’ｊ＝２６．２５°、１８．７５°、１１．２５°、３．７５°であり、θｊ＋θ’ｊ＝３０°となっている。これにより、ロータを積層したとき、１極当たりの永久磁石を積厚方向に分割することなく、ある磁極のロータ回転前進側または後進側の長穴の形状は積厚方向に４通りのコアが並ぶことになる。
【０００５】
ステータが１２スロットの場合、コギングトルクはロータの極数４とステータのスロット数１２の最小公倍数である１２回、１回転に脈動する。従って、３０°に１回の脈動となる。そこで、ロータの磁束がステータに向かって流れてくる、ロータ回転前進側の長穴部１１３ａ，１１３ｂ，１１３ｃ，１１３ｄのロータ磁極中心に向かった端部とステータティースとの位置関係を、積厚方向に４通りとすることにより、コギングトルクを１回転４８（＝１２×４）回の脈動とし、コギングトルクの値を低減し、振動・騒音を低減した。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
以上のような従来の永久磁石ロータにおいては、振動・騒音を低減するためにスキューを施したのと同等の効果が得られるが、ステータに電流を流して着磁を行う場合、特に最も大きな長穴１１３ｄ，１１６ｂが、着磁電流による磁束がロータ内部に流れ込むのを妨害し、限られた磁化力を十分に活用して着磁することが困難であった。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために本発明は、ステータティース先端に補助溝をティース１本当たりｎｓ個設け、ロータ磁極のロータ回転前進側の長穴部の、磁極境界からの角度をθｉとしたとき、軸方向にＮ種類のθｉの大きさの異なるロータコアシートを積層し、ロータ磁極数Ｐ、ステータスロット数３Ｐのとき、θｉ＝θｏ＋１２０・ｉ／｛Ｐ・Ｎ・（１＋ｎｓ）｝（ただし、θｏは０≦θｉ≦（６０／Ｐ）となる範囲の定数、ｉ＝１，２，…、Ｎ）とし、θｉを小さくし、着磁電流による磁束がロータ内部に入りやすく、十分に着磁されるようにしたものである。具体的には、つぎのとおりである。
【０００８】
第１の発明は、打ち抜かれた電磁鋼鈑からなる略円形ロータコアシートを積層してなるロータコア内部に永久磁石を埋設し、この永久磁石の端面、正極面の端部、あるいは負極面の端部に接するように長穴部を設けた永久磁石ロータであり、ロータ磁極のロータ回転前進側の長穴部の、磁極境界からの角度をθｉとしたとき、θｉの大きさの異なるロータコアシートＮ種類からなり、それぞれ略同一積厚で形成され、ロータ磁極数がＰ、ステータスロット数が３Ｐであり、ステータティース先端に、ティース１本当たりｎｓ個の補助溝を、スロットオープンに対し、略等間隔に設けたとき、θｉ＝θｏ＋１２０・ｉ／｛Ｐ・Ｎ・（１＋ｎｓ）｝（ただし、θｏは０≦θｉ≦（６０／Ｐ）となる範囲の定数、ｉ＝１，２，…、Ｎ）である永久磁石ロータであり、擬似的にスキューを施すことにより振動・騒音を低減し、着磁性が良好であり、高いモータ効率を実現することができる。
【０００９】
第２の発明は、打ち抜かれた電磁鋼鈑からなる略円形ロータコアシートを積層してなるロータコア内部に永久磁石を埋設し、この永久磁石の端面、正極面の端部、あるいは負極面の端部に接するように長穴部を設けた永久磁石ロータであり、ロータ磁極のロータ回転前進側の長穴部の、磁極境界からの角度をθｊとしたとき、１枚のロータコアシート内の各磁極において、θｊがＰ／ｎ通りの値を取り、それぞれの値が周期的にｎ回繰り返され、ロータ磁極数がＰ、ステータスロット数が３Ｐであり、ステータティース先端に、ティース１本当たりｎｓ個の補助溝を、スロットオープンに対し、略等間隔に設けたとき、θｊ＝θｏ＋１２０・ｊ・ｎ／｛Ｐ2・（１＋ｎｓ）｝（ただし、θｏは０≦θｊ≦（６０／Ｐ）となる範囲の定数、ｊ＝１，２，…，Ｐ／ｎ、ｎはＰ／２以下の自然数）であり、３６０・ｊ／Ｐ度回転させたロータコアを、それぞれロータの積厚の略ｎ／Ｐ倍ずつ積層してなる永久磁石ロータであり、１種類のロータコアによって擬似的にスキューを施すことにより振動・騒音を低減し、着磁性が良好であり、高いモータ効率を実現することができる。
【００１０】
第３の発明は、打ち抜かれた電磁鋼鈑からなる略円形ロータコアシートを積層してなるロータコア内部に永久磁石を埋設し、この永久磁石の端面、正極面の端部、あるいは負極面の端部に近接した位置のロータ外周に切り欠き部を設けた永久磁石ロータであり、ロータ磁極のロータ回転前進側の切り欠き端部の、磁極境界からの角度をθｉとしたとき、θｉの大きさの異なるロータコアシートＮ種類からなり、それぞれ略同一積厚で形成され、ロータ磁極数がＰ、ステータスロット数が３Ｐであり、ステータティース先端に、ティース１本当たりｎｓ個の補助溝を、スロットオープンに対し、略等間隔に設けたとき、θｉ＝θｏ＋１２０・ｉ／｛Ｐ・Ｎ・（１＋ｎｓ）｝（ただし、θｏは０≦θｉ≦（６０／Ｐ）となる範囲の定数、ｉ＝１，２，…、Ｎ）である永久磁石ロータであり、擬似的にスキューを施すことにより振動・騒音を低減し、着磁性が良好であり、高いモータ効率を実現することができる。
【００１１】
第４の発明は、打ち抜かれた電磁鋼鈑からなる略円形ロータコアシートを積層してなるロータコア内部に永久磁石を埋設し、この永久磁石の端面、正極面の端部、あるいは負極面の端部に近接した位置のロータ外周に切り欠き部を設けた永久磁石ロータであり、ロータ磁極のロータ回転前進側の切り欠き端部の、磁極境界からの角度をθｊとしたとき、１枚のロータコアシート内の各磁極において、θｊがＰ／ｎ通りの値を取り、それぞれの値が周期的にｎ回繰り返され、ロータ磁極数がＰ、ステータスロット数が３Ｐであり、ステータティース先端に、ティース１本当たりｎｓ個の補助溝を、スロットオープンに対し、略等間隔に設けたとき、θｊ＝θｏ＋１２０・ｊ・ｎ／｛Ｐ2・（１＋ｎｓ）｝（ただし、θｏは０≦θｊ≦（６０／Ｐ）となる範囲の定数、ｊ＝１，２，…，Ｐ／ｎ、ｎはＰ／２以下の自然数）であり、３６０・ｊ／Ｐ度回転させたロータコアを、それぞれロータの積厚の略ｎ／Ｐ倍ずつ積層してなる永久磁石ロータであり、１種類のロータコアによって擬似的にスキューを施すことにより振動・騒音を低減し、着磁性が良好であり、高いモータ効率を実現することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、発明の実施の形態について図を用いて説明する。
【００１３】
（実施の形態１）
図１は、第一の実施の形態における永久磁石ロータの分解斜視図を示す。図２は、第一の実施の形態における永久磁石ロータの横断面図を示す。図３は、第一の実施の形態における永久磁石ロータの横断面図を示す。
【００１４】
打ち抜かれた電磁鋼板からなる略円形のロータコアシートを積層してなるロータコア１０ａ，１０ｂ内部に永久磁石１１（図１においては、便宜上４個のうち１個のみ示した）を埋設し、この永久磁石端面に接するように長穴部１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄを設けた４極の永久磁石ロータ１である。長穴部１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄは、永久磁石端面から、ロータ外周に沿って、磁極中心に向かって円周方向に延びている。ロータ回転方向がＲであるとき、ロータ磁極のロータ回転前進側の長穴部１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄの磁極境界（通常、９０°等間隔、隣接する磁極中心の中間に位置する）からの角度をθｊとしたとき、θｊが２通りの値を取り、ステータスロット数が２４（＝４×６）であり、分布巻の時、θｊ＝θｏ＋６０・ｊ・ｎ／（Ｐ2）の、θｏ＝３．７５、ｎ＝２、Ｐ＝４を代入し、θ１＝１１．２５°，θ２＝１８．７５°である。このとき、θｊ≦９０／４を満たしている。また、ｊ番目のロータ回転前進側にある長穴部の、ロータ回転前進側に隣接する磁極の、ロータ回転後進側の長穴部１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄの磁極境界からの角度をθ’ｊとしたとき、θｊ＋θ’ｊ＝１２０／４＝３０となるように、θ’１＝１８．７５°、θ’２＝１１．２５°であり、θ１＝θ’２、θ２＝θ’１となっており、θｊの平均値とθ’ｊの平均値が等しくなっている。
【００１５】
このロータコアシートを積層したロータコアを１０ａ、反時計方向に９０°回転させたロータコアを１０ｂとすると、ロータコア１０ａとロータコア１０ｂは、ほぼ同一積厚ずつ積層されている。
【００１６】
永久磁石１１は、１磁極の角度のほぼ全体にわたって配されており、長穴部１３ａ，１３ｂ，１６ａ，１６ｂは、永久磁石の両端部から、磁極中心に向かって円周方向に延設されている。永久磁石による磁束量をさらに増加させるため、希土類磁石を用いると好適である。
【００１７】
永久磁石１１ａから出た磁束は、回転方向Ｒに向かって、積厚方向の両端部それぞれ積厚Ｌｒ／４の範囲では、長穴部１３ａに沿ってステータティースにわたる。同様に、積厚方向の中央部の積厚Ｌｒ／２の範囲では、長穴部１３ｄに沿ってステータティースにわたる。長穴部１３ａと長穴部１３ｄは、機械角７．５°の差があるため、１５°間隔に配置されたステータティースの半分である。本構成により、コギングトルクの脈動が７．５°毎となり、コギングトルクの値が低減され、また、誘起電圧波形も正弦波に近くなる。すなわち、運転時の振動・騒音が低減される。
【００１８】
このとき、ロータコアの積厚と、永久磁石の長さの精度のばらつきにより、通常、（ロータコアの積厚）＞（永久磁石のロータ積厚方向の長さ）となるように設計する。このとき、積厚方向の両端部それぞれ積厚Ｌｒ／４の範囲から出る磁束は、両端合わせても、積厚方向の中央部の積厚Ｌｒ／２の範囲から出る磁束より少なくなる。従って、積厚方向の両端部、ロータコア１０ａの積厚をそれぞれＬｒ／４＋Δ／２、積厚方向の中央部、ロータコア１０ｂの積厚をＬｒ／２−Δとすると良い。なお、Δは正の微小な値を取り、（ロータコアの積厚）―（永久磁石のロータ積厚方向の長さ）程度、または、家庭用のエアコンや冷蔵庫に使用される１００Ｗ〜１ｋＷ程度の出力のモータの場合では０．５ｍｍ〜２．５ｍｍ程度とすると良い。
【００１９】
また、ロータコアの積厚をＬｒとすると、積厚方向の中心Ｓｃに対し、ロータコア１０ａ，１０ｂの配置が対称となっている。これにより、積厚方向にかかる力は、積厚方向の両側で相殺されるため、積厚方向の力による軸方向振動が防止できる。
【００２０】
次に本発明の永久磁石ロータの着磁方法について説明する。
【００２１】
図４は、ステータの巻線状態を説明する平面図である。図５は、ステータ巻線の結線と、着磁時の結線を示す図である。図６は、本発明における永久磁石ロータの着磁時の電流と磁束の流れを示す横断面図である。図７は、ステータと、ロータの全積厚の磁極の配置の様子を示す図である。図７において、ステータは便宜上展開し直線状に示したが、通常は環状にし、左端と右端を接続してなる。ロータは、ロータ外周部を左右に展開し、紙面の上下方向は、積厚方向となっている。図７において、斜線部は、磁極境界線（一点鎖線）を含む長穴部を示し、実際は、長穴部とロータ外周部の間にはロータコアの薄肉部１４が存在するが、薄肉部１４は省略し、直接長穴部を示している。
【００２２】
ステータ２０は、略円環状のヨーク２１ｙとヨーク２１ｙの内径側に突出した複数のティース２１ｔからなるステータコア２１に、３相巻線２２ｕ，２２ｖ，２２ｗを施し、スター結線されている。各相の巻線、例えばｕ相の巻線２２ｕは、４連となっているが、それらは、それぞれ直列、並列、どちらでも良い。
【００２３】
ステータ２０の内部にロータ１を組み込み、２相間、本実施の形態の場合、ｕ−ｖ相間にパルス状の着磁電流ｉｐを流してロータ１を着磁する。図５において、着磁電源は直流電源２３で示しているが、実際は、コンデンサに蓄えられた電荷であり、スイッチ２４を接続することにより、瞬間的に大電流が巻線２２ｕ，２２ｖに流れ、ロータ１の永久磁石１１を着磁する。このとき、磁束が発生するティースは１極当たり３本分、すなわち、θｍ＝４５°の範囲であり、この範囲内に、長穴部１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄが存在しなければ良い。もしも、θｍの範囲内に長穴部があったとすれば、長穴部とロータ外周との間にある薄肉部１４を磁束が短絡し、十分な磁束が永久磁石を流れず、着磁不完全を発生させる可能性がある。従って、それぞれの長穴部１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄの角度θｊ及びθ’ｊは（９０−４５）／２＝２２．５°（＝９０／Ｐ）以下である必要がある。本実施の形態の場合、θｊ、θ’ｊは、１８．７５°か１１．２５°のどちらかの値を取るため、２２．５°以下であり、ステータに発生した磁束が長穴部に邪魔されることなく、効率的に永久磁石１１を着磁させるために使用することができる。
【００２４】
上記構成及び着磁方法を用いることにより、１種類のロータコアシートにて、積厚方向に磁石を分割することなく擬似的にスキューを施すことができ、ステータ着磁によっても十分に着磁をすることが可能である。
【００２５】
（実施の形態２）
図８は、第二の実施の形態における永久磁石ロータの分解斜視図を示す。図９は、第二の実施の形態における永久磁石ロータの横断面図を示す。図１０は、第二の実施の形態における永久磁石ロータの横断面図を示す。
【００２６】
打ち抜かれた電磁鋼板からなる略円形のロータコアシートを積層してなるロータコア３０ａ，３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ内部に永久磁石３１（図８においては、便宜上４個のうち１個のみ示した）を埋設し、この永久磁石端面に接するように長穴部３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄ，３６ａ，３６ｂ，３６ｃ、３６ｄを設けた４極の永久磁石ロータ２である。長穴部３３ｂ，３３ｃ，３３ｄ，３６ａ，３６ｂ，３６ｄは、永久磁石端面から、ロータ外周に沿って、磁極中心に向かって円周方向に延びている。長穴部３３ａ，３６ｃは、磁極境界からの角度をθｊが小さいため、永久磁石端面からロータ外周に沿って、磁極中心に向かって円周方向に延びてはいない。ロータ回転方向がＲであるとき、ロータ磁極のロータ回転前進側の長穴部３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄの磁極境界（通常、９０°等間隔、隣接する磁極中心の中間に位置する）からの角度をθｊとしたとき、θｊが４通りの値を取り、ステータスロット数が１２（＝４×３）であり、ステータティース先端の中央部に補助溝が１個設けられており、分布巻の時、θｊ＝θｏ＋１２０・ｊ・ｎ／｛（Ｐ2）・（１＋ｎｓ）｝の、θｏ＝０、ｎ＝１、Ｐ＝４、ｎｓ＝１を代入し、θ１＝３．７５°，θ２＝７．５°、θ３＝１１．２５°、θ４＝１５°である。このとき、θｊ≦６０／４を満たしている。θｊの値の配置は特に問わないが、本実施の形態においては、反時計方向に、θ１、θ３、θ４、θ２の順に配置している。また、ｊ番目のロータ回転前進側にある長穴部の、ロータ回転前進側に隣接する磁極の、ロータ回転後進側の長穴部３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，３６ｄの磁極境界からの角度をθ’ｊとしたとき、θｊ＋θ’ｊ＝１２０／４＝３０となるようにしたときθ’１、θ’ｊ＞６０／４となるため、全てのｊにおいて、θ’ｊ≦６０／４となり、θｊ＋θ’ｊが一定となるようためには、θ’１＝１５°、θ’２＝１１．２５°、θ’３＝７．５°、θ’４＝３．７５°であり、θｊの平均値とθ’ｊの平均値が等しくなっている。
【００２７】
このロータコアシートを積層したロータコアを３０ａ、反時計方向に９０°回転させたロータコアを３０ｂ、１８０°回転させたロータコアを３０ｃ、２７０°回転させたロータコアを３０ｄとすると、ロータコア３０ａ、ロータコア３０ｂ、ロータコア３０ｃ、ロータコア３０ｄは、ほぼ同一積厚ずつ積層されている。
【００２８】
永久磁石３１ａから出た磁束は、回転方向Ｒに向かって、積厚方向の上端部の積厚Ｌｒ／４の範囲では、長穴部１３ａに沿ってステータティースにわたる。同様に、積厚方向の上端部の積厚Ｌｒ／４から下の積厚Ｌｒ／４の範囲では、長穴部３３ｄに沿ってステータティースにわたる。同様に、その下の積厚Ｌｒ／４の範囲では長穴部３３ｃに沿って、さらにその下の積厚Ｌｒ／４の範囲では、長穴部３３ｂに沿ってステータティースにわたる。４種類の長穴部３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄは、互いに機械角３．７５°の差があり、コギングトルクの脈動１周期（１５°）の１／４である。本構成により、コギングトルクの脈動が３．７５°毎となり、コギングトルクの値が低減され、また、誘起電圧波形も正弦波に近くなる。すなわち、運転時の振動・騒音が低減される。また、１２スロットとした場合において、補助溝を設けることにより、θｊの変化範囲を小さくすることができるため、θｊの最大値も小さくすることができ、着磁性が良好である。補助溝４６は、スロットオープン４５と同じ幅であれば、擬似的にスロットオープンが２４個あることになり、コギングトルクの周波数が補助溝のない場合の２倍となる。
【００２９】
このとき、ロータコアの積厚と、永久磁石の長さの精度のばらつきにより、通常、（ロータコアの積厚）＞（永久磁石のロータ積厚方向の長さ）となるように設計する。このとき、積厚方向の両端部のうちいずれかの積厚Ｌｒ／４の範囲から出る磁束は、積厚方向の中央部の積厚Ｌｒ／４の範囲から出る磁束より少なくなる。従って、積厚方向の両端部、ロータコア３０ａ及びロータコア３０ｄの積厚をそれぞれＬｒ／４＋Δ／２、積厚方向の中央部、ロータコア３０ｂ及びロータコア３０ｃの積厚をＬｒ／４−Δ／２とすると良い。なお、Δは正の微小な値を取り、（ロータコアの積厚）―（永久磁石のロータ積厚方向の長さ）程度、または、家庭用のエアコンや冷蔵庫に使用される１００Ｗ〜１ｋＷ程度の出力のモータの場合では０．５ｍｍ〜２．５ｍｍ程度とすると良い。
【００３０】
次に本発明の永久磁石ロータの着磁方法について説明する。
【００３１】
図１１は、ステータの巻線状態を説明する平面図である。図１２は、本発明における永久磁石ロータの着磁時の電流と磁束の流れを示す横断面図である。図１３は、ステータとロータの全積厚の磁極の配置の様子を示す図である。図１３において、ステータは便宜上展開し直線状に示したが、通常は環状にし、左端と右端を接続してなる。ロータは、ロータ外周部を左右に展開し、紙面の上下方向は積厚方向となっている。図７において、斜線部は磁極境界線（一点鎖線）を含む長穴部を示し、実際は長穴部とロータ外周部の間にはロータコアの薄肉部３４が存在するが、薄肉部３４は省略し直接長穴部を示している。
【００３２】
ステータ４０ａ，４０ｂは、略円環状のヨーク４１ｙとヨーク４１ｙの内径側に突出した複数のティース４１ｔからなるステータコア４１に、３相巻線４２ｕ，４２ｖ，４２ｗまたは４３ｕ，４３ｖ，４３ｗを施し、スター結線されている。各相の巻線、例えばｕ相の巻線４２ｕまたは４３ｕは、２連となっているが、それらは、それぞれ直列、並列、どちらでも良い。また、各相の巻線順序は、図１１（ａ）に示すステータ４０ａのように、ｕ相、ｖ相、ｗ相の順に挿入しても良いが、図１１（ｂ）に示すステータ４０ｂのように、各層の巻線４３ｕ，４３ｖ，４３ｗのうち、互いに１２０°毎に配置された１連分を先に挿入し、残りを後から挿入すれば、コイルエンドの大きさを小さくすることが可能である。
【００３３】
ステータ４０の内部にロータ２を組み込み、２相間、本実施の形態の場合、ｕ−ｖ相間にパルス状の着磁電流ｉｐを流してロータ２を着磁する。着磁時の結線図は、実施の形態１と同様であるので省略する。このとき、磁束が発生するティースは１極当たり２本分、すなわち、θｍ＝３０°の範囲であり、この範囲内に、長穴部３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄ，３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，３６ｄが存在しなければ良い。もし、θｍの範囲内に長穴部があったとすれば、長穴部とロータ外周との間にある薄肉部３４を磁束が短絡し、十分な磁束が永久磁石を流れず、着磁不完全を発生させる可能性がある。従って、それぞれの長穴部３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄ，３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，３６ｄの角度θｊ及びθ’ｊは（９０−３０）／２＝１５．°（＝６０／Ｐ）以下である必要がある。本実施の形態の場合、θｊ、θ’ｊは、最大でも１５°以下であり、ステータに発生した磁束が長穴部に邪魔されることなく、効率的に永久磁石３１を着磁させるために使用することができる。
【００３４】
なお、θｊ及びθ’ｊは（６０／Ｐ）°以下であることが望ましいが、スロットオープンが大きい場合には、スロットオープンの中心に対する角度をΔθｓとすると、θｊ及びθ’ｊは、（６０／Ｐ＋Δθｓ／２）°以下であれば良い。
【００３５】
上記構成及び着磁方法を用いることにより、１種類のロータコアシートにて、積厚方向に磁石を分割することなく擬似的にスキューを施すことができ、ステータ着磁によっても十分に着磁をすることが可能である。
【００３６】
（実施の形態３）
図１４は、第三の実施の形態における永久磁石ロータの分解斜視図を示す。図１５は、第三の実施の形態における永久磁石ロータの横断面図を示す。図１６は、本発明における永久磁石ロータの着磁時の電流と磁束の流れを示す横断面図である。
【００３７】
打ち抜かれた電磁鋼板からなる略円形のロータコアシートを積層してなるロータコア５０ａ，５０ｂ，５０ｃ，５０ｄ内部に永久磁石５１（図１４においては、便宜上４個のうち１個のみ示した）を埋設し、ロータコア５０ａ，５０ｂ，５０ｃ，５０ｄの外周部のロータ磁極境界付近に、切り欠き部５３ａ，５３ｂ，５３ｃ，５３ｄを設けてなる。ロータ回転方向がＲであるとき、各切り欠き部において、ロータ磁極のロータ回転前進側の磁極境界（通常、９０°等間隔、隣接する磁極中心の中間に位置する）からの角度をθｉとしたとき、θｉが各ロータコア毎に異なり、４通りの値を取り、ステータスロット数が１２（＝４×３）であり、ステータティース先端の中央部に補助溝が１個設けられており、分布巻の時、θｉ＝θｏ＋１２０・ｉ／｛Ｐ・Ｎ・（１＋ｎｓ）｝の、θｏ＝０、Ｎ＝４、Ｐ＝４、ｎｓ＝１を代入し、θ１＝３．７５°，θ２＝７．５°、θ３＝１１．２５°、θ４＝１５°である。このとき、θｉ≦６０／４を満たしている。θｉの値の配置は特に問わないが、本実施の形態においては、積厚方向に上から、θ１、θ２、θ３、θ４の順に配置している。θｉの値は、積厚方向に、次第に増加、または次第に減少するように配置すると、異なるロータコア間に発生する積厚方向の磁束の漏れが最小となり、好適である。また、ｉ番目のロータコアの切り欠き部の、ロータ磁極のロータ回転後進側の磁極境界からの角度をθ’ｉとしたとき、全てのｉに対して、θｉ＋θ’ｉがほぼ一定、かつ、θｉの平均値とθ’ｉの平均とを等しくすれば、θ’１＝１５°、θ’２＝１１．２５°、θ’３＝７．５°、θ’４＝３．７５°となる。
【００３８】
本構成によれば、θｉ，θ’ｉ≦６０／４となる範囲にて、θｉ＋θ’ｉが１２０／Ｐに最も近い値となる。
【００３９】
このように、永久磁石埋設用穴等は同じ形状で、切り欠き部のみ異なる４種類のロータコア５０ａ，５０ｂ，５０ｃ，５０ｄは、ほぼ同一積厚ずつ積層されている。
【００４０】
コギングトルクを低減する作用及び着磁方法については、第二の実施の形態と同様であり省略する。
【００４１】
本構成により、着磁時において、ステータに発生した磁束が切り欠き部に邪魔されることなく、効率的に永久磁石５１を着磁させるために使用することができる。また、ロータコアシートの種類は複数用意する必要があるが、積厚方向に磁石を分割することなく擬似的にスキューを施すことができ、ステータ着磁によっても十分に着磁をすることが可能である。
【００４２】
本構成を用いたロータを、本発明における着磁方法にて着磁した場合、同様のロータを、ｕ相からｖ相、ｗ相に着磁電流を流す方法にて着磁した場合に比べて、着磁率が１０％以上向上させることができた。
【００４３】
なお、上記の実施の形態においては、４極の永久磁石ロータであり、主として平板状の永久磁石を半径方向に１層だけ埋設したものについて説明したが、極数、ロータコアや永久磁石の形状、ステータの形状等は、これらに限定されることなく種々の変形が可能であり、これらを発明の範囲から排除するものではない。
【００４４】
【発明の効果】
以上のように、第１の発明によれば、ロータ磁極間の磁束の漏れを低減させつつ、半径方向にアンバランスを発生させることなく擬似スキューを施すことが可能であり、振動・騒音を低減できると共に、着磁性の優れた永久磁石ロータを提供する。
【００４５】
第２の発明によれば、ロータ磁極間の磁束の漏れを低減させつつ、１種類のロータコアシートで半径方向にアンバランスを発生させることなく擬似スキューを施すことが可能であり、振動・騒音を低減できると共に、着磁性の優れた永久磁石ロータを提供する。
【００４６】
第３の発明によれば、減磁耐力を向上させつつ、半径方向にアンバランスを発生させることなく擬似スキューを施すことが可能であり、振動・騒音を低減できると共に、着磁性の優れた永久磁石ロータを提供する。
【００４７】
第４の発明によれば、減磁耐力を向上させつつ、１種類のロータコアシートで半径方向にアンバランスを発生させることなく擬似スキューを施すことが可能であり、振動・騒音を低減できると共に、着磁性の優れた永久磁石ロータを提供する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第一の実施の形態における永久磁石ロータの分解斜視図
【図２】 第一の実施の形態における永久磁石ロータの横断面図
【図３】 第一の実施の形態における永久磁石ロータの横断面図
【図４】 ステータの巻線状態を説明する平面図
【図５】 ステータ巻線の結線と、着磁時の結線を示す図
【図６】 本発明における永久磁石ロータの着磁時の電流と磁束の流れを示す横断面図
【図７】 ステータと、ロータの全積厚の磁極の配置の様子を示す図
【図８】 第二の実施の形態における永久磁石ロータの分解斜視図
【図９】 第二の実施の形態における永久磁石ロータの横断面図
【図１０】 第二の実施の形態における永久磁石ロータの横断面図
【図１１】 ステータの巻線状態を説明する平面図
【図１２】 本発明における永久磁石ロータの着磁時の電流と磁束の流れを示す横断面図
【図１３】 ステータとロータの全積厚の磁極の配置の様子を示す図
【図１４】 第三の実施の形態における永久磁石ロータの分解斜視図
【図１５】 第三の実施の形態における永久磁石ロータの横断面図
【図１６】 本発明における永久磁石ロータの着磁時の電流と磁束の流れを示す横断面図
【図１７】 従来例の永久磁石ロータの分解斜視図
【図１８】 従来例の永久磁石ロータの横断面図
【符号の説明】
１ ロータ
１０ａ，１０ｂ ロータコア
１１ 永久磁石
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ 長穴部
１４ 薄肉部
１９ 磁極面
２０ ステータ
２１ ステータコア
２２ｕ，２２ｖ，２２ｗ 巻線
【発明の属する技術分野】
本発明は、永久磁石をロータコア内部に埋設することにより、逆突極性または順突極性を持たせ、マグネットトルクのみならず、リラクタンストルクをも利用することにより、高い効率を実現できる永久磁石ロータの構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ロータコア内部に永久磁石を埋設したモータにおいては、一般的に、振動・騒音が増加する傾向にあり、特に磁力の強い希土類磁石を用いた場合は、コギングトルクの低減等の対策が必要であった。
【０００３】
コギングトルクの低減の一例として、図１７に、筆者らが発明した特願平１０−２３５２８９号公報に記載の永久磁石ロータの分解斜視図を、図１８に、同横断面図を示す。
【０００４】
打ち抜かれた電磁鋼鈑からなる略円形のロータコアシートを積層してなるロータコア１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ，１１０ｄ内部に永久磁石１１１を埋設し、この永久磁石の端面に接するように長穴部１１３ａ，１１３ｂ，１１３ｃ，１１３ｄ，１１６ａ，１１６ｂ，１１６ｃ，１１６ｄを設けた４極の永久磁石ロータである。ロータ回転方向がＲであるとき、ロータ磁極のロータ回転前進側の長穴部１１３ａ，１１３ｂ，１１３ｃ，１１３ｄの磁極境界（９０°等間隔に配置されている）からの角度をθｊとしたとき、θｊが４通りの値を取り、ステータスロット数が１２（＝４×３）であり、分布巻のとき、θｊ＝３．７５°、１１．２５°、１８．７５°、２６．２５°であり、０°、９０°、１８０°、２７０°ずつ回転させたロータコアを、それぞれ積厚の略１／４倍ずつ積層してなる。また、ｊ番目のロータ回転前進側にある長穴部の、ロータ回転前進側に隣接するロータ磁極の、ロータ回転後進側の長穴部１１６ａ，１１６ｂ，１１６ｃ，１１６ｄの磁極境界からの角度をθ’ｊとしたとき、θ’ｊ＝２６．２５°、１８．７５°、１１．２５°、３．７５°であり、θｊ＋θ’ｊ＝３０°となっている。これにより、ロータを積層したとき、１極当たりの永久磁石を積厚方向に分割することなく、ある磁極のロータ回転前進側または後進側の長穴の形状は積厚方向に４通りのコアが並ぶことになる。
【０００５】
ステータが１２スロットの場合、コギングトルクはロータの極数４とステータのスロット数１２の最小公倍数である１２回、１回転に脈動する。従って、３０°に１回の脈動となる。そこで、ロータの磁束がステータに向かって流れてくる、ロータ回転前進側の長穴部１１３ａ，１１３ｂ，１１３ｃ，１１３ｄのロータ磁極中心に向かった端部とステータティースとの位置関係を、積厚方向に４通りとすることにより、コギングトルクを１回転４８（＝１２×４）回の脈動とし、コギングトルクの値を低減し、振動・騒音を低減した。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
以上のような従来の永久磁石ロータにおいては、振動・騒音を低減するためにスキューを施したのと同等の効果が得られるが、ステータに電流を流して着磁を行う場合、特に最も大きな長穴１１３ｄ，１１６ｂが、着磁電流による磁束がロータ内部に流れ込むのを妨害し、限られた磁化力を十分に活用して着磁することが困難であった。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために本発明は、ステータティース先端に補助溝をティース１本当たりｎｓ個設け、ロータ磁極のロータ回転前進側の長穴部の、磁極境界からの角度をθｉとしたとき、軸方向にＮ種類のθｉの大きさの異なるロータコアシートを積層し、ロータ磁極数Ｐ、ステータスロット数３Ｐのとき、θｉ＝θｏ＋１２０・ｉ／｛Ｐ・Ｎ・（１＋ｎｓ）｝（ただし、θｏは０≦θｉ≦（６０／Ｐ）となる範囲の定数、ｉ＝１，２，…、Ｎ）とし、θｉを小さくし、着磁電流による磁束がロータ内部に入りやすく、十分に着磁されるようにしたものである。具体的には、つぎのとおりである。
【０００８】
第１の発明は、打ち抜かれた電磁鋼鈑からなる略円形ロータコアシートを積層してなるロータコア内部に永久磁石を埋設し、この永久磁石の端面、正極面の端部、あるいは負極面の端部に接するように長穴部を設けた永久磁石ロータであり、ロータ磁極のロータ回転前進側の長穴部の、磁極境界からの角度をθｉとしたとき、θｉの大きさの異なるロータコアシートＮ種類からなり、それぞれ略同一積厚で形成され、ロータ磁極数がＰ、ステータスロット数が３Ｐであり、ステータティース先端に、ティース１本当たりｎｓ個の補助溝を、スロットオープンに対し、略等間隔に設けたとき、θｉ＝θｏ＋１２０・ｉ／｛Ｐ・Ｎ・（１＋ｎｓ）｝（ただし、θｏは０≦θｉ≦（６０／Ｐ）となる範囲の定数、ｉ＝１，２，…、Ｎ）である永久磁石ロータであり、擬似的にスキューを施すことにより振動・騒音を低減し、着磁性が良好であり、高いモータ効率を実現することができる。
【０００９】
第２の発明は、打ち抜かれた電磁鋼鈑からなる略円形ロータコアシートを積層してなるロータコア内部に永久磁石を埋設し、この永久磁石の端面、正極面の端部、あるいは負極面の端部に接するように長穴部を設けた永久磁石ロータであり、ロータ磁極のロータ回転前進側の長穴部の、磁極境界からの角度をθｊとしたとき、１枚のロータコアシート内の各磁極において、θｊがＰ／ｎ通りの値を取り、それぞれの値が周期的にｎ回繰り返され、ロータ磁極数がＰ、ステータスロット数が３Ｐであり、ステータティース先端に、ティース１本当たりｎｓ個の補助溝を、スロットオープンに対し、略等間隔に設けたとき、θｊ＝θｏ＋１２０・ｊ・ｎ／｛Ｐ2・（１＋ｎｓ）｝（ただし、θｏは０≦θｊ≦（６０／Ｐ）となる範囲の定数、ｊ＝１，２，…，Ｐ／ｎ、ｎはＰ／２以下の自然数）であり、３６０・ｊ／Ｐ度回転させたロータコアを、それぞれロータの積厚の略ｎ／Ｐ倍ずつ積層してなる永久磁石ロータであり、１種類のロータコアによって擬似的にスキューを施すことにより振動・騒音を低減し、着磁性が良好であり、高いモータ効率を実現することができる。
【００１０】
第３の発明は、打ち抜かれた電磁鋼鈑からなる略円形ロータコアシートを積層してなるロータコア内部に永久磁石を埋設し、この永久磁石の端面、正極面の端部、あるいは負極面の端部に近接した位置のロータ外周に切り欠き部を設けた永久磁石ロータであり、ロータ磁極のロータ回転前進側の切り欠き端部の、磁極境界からの角度をθｉとしたとき、θｉの大きさの異なるロータコアシートＮ種類からなり、それぞれ略同一積厚で形成され、ロータ磁極数がＰ、ステータスロット数が３Ｐであり、ステータティース先端に、ティース１本当たりｎｓ個の補助溝を、スロットオープンに対し、略等間隔に設けたとき、θｉ＝θｏ＋１２０・ｉ／｛Ｐ・Ｎ・（１＋ｎｓ）｝（ただし、θｏは０≦θｉ≦（６０／Ｐ）となる範囲の定数、ｉ＝１，２，…、Ｎ）である永久磁石ロータであり、擬似的にスキューを施すことにより振動・騒音を低減し、着磁性が良好であり、高いモータ効率を実現することができる。
【００１１】
第４の発明は、打ち抜かれた電磁鋼鈑からなる略円形ロータコアシートを積層してなるロータコア内部に永久磁石を埋設し、この永久磁石の端面、正極面の端部、あるいは負極面の端部に近接した位置のロータ外周に切り欠き部を設けた永久磁石ロータであり、ロータ磁極のロータ回転前進側の切り欠き端部の、磁極境界からの角度をθｊとしたとき、１枚のロータコアシート内の各磁極において、θｊがＰ／ｎ通りの値を取り、それぞれの値が周期的にｎ回繰り返され、ロータ磁極数がＰ、ステータスロット数が３Ｐであり、ステータティース先端に、ティース１本当たりｎｓ個の補助溝を、スロットオープンに対し、略等間隔に設けたとき、θｊ＝θｏ＋１２０・ｊ・ｎ／｛Ｐ2・（１＋ｎｓ）｝（ただし、θｏは０≦θｊ≦（６０／Ｐ）となる範囲の定数、ｊ＝１，２，…，Ｐ／ｎ、ｎはＰ／２以下の自然数）であり、３６０・ｊ／Ｐ度回転させたロータコアを、それぞれロータの積厚の略ｎ／Ｐ倍ずつ積層してなる永久磁石ロータであり、１種類のロータコアによって擬似的にスキューを施すことにより振動・騒音を低減し、着磁性が良好であり、高いモータ効率を実現することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、発明の実施の形態について図を用いて説明する。
【００１３】
（実施の形態１）
図１は、第一の実施の形態における永久磁石ロータの分解斜視図を示す。図２は、第一の実施の形態における永久磁石ロータの横断面図を示す。図３は、第一の実施の形態における永久磁石ロータの横断面図を示す。
【００１４】
打ち抜かれた電磁鋼板からなる略円形のロータコアシートを積層してなるロータコア１０ａ，１０ｂ内部に永久磁石１１（図１においては、便宜上４個のうち１個のみ示した）を埋設し、この永久磁石端面に接するように長穴部１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄを設けた４極の永久磁石ロータ１である。長穴部１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄは、永久磁石端面から、ロータ外周に沿って、磁極中心に向かって円周方向に延びている。ロータ回転方向がＲであるとき、ロータ磁極のロータ回転前進側の長穴部１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄの磁極境界（通常、９０°等間隔、隣接する磁極中心の中間に位置する）からの角度をθｊとしたとき、θｊが２通りの値を取り、ステータスロット数が２４（＝４×６）であり、分布巻の時、θｊ＝θｏ＋６０・ｊ・ｎ／（Ｐ2）の、θｏ＝３．７５、ｎ＝２、Ｐ＝４を代入し、θ１＝１１．２５°，θ２＝１８．７５°である。このとき、θｊ≦９０／４を満たしている。また、ｊ番目のロータ回転前進側にある長穴部の、ロータ回転前進側に隣接する磁極の、ロータ回転後進側の長穴部１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄの磁極境界からの角度をθ’ｊとしたとき、θｊ＋θ’ｊ＝１２０／４＝３０となるように、θ’１＝１８．７５°、θ’２＝１１．２５°であり、θ１＝θ’２、θ２＝θ’１となっており、θｊの平均値とθ’ｊの平均値が等しくなっている。
【００１５】
このロータコアシートを積層したロータコアを１０ａ、反時計方向に９０°回転させたロータコアを１０ｂとすると、ロータコア１０ａとロータコア１０ｂは、ほぼ同一積厚ずつ積層されている。
【００１６】
永久磁石１１は、１磁極の角度のほぼ全体にわたって配されており、長穴部１３ａ，１３ｂ，１６ａ，１６ｂは、永久磁石の両端部から、磁極中心に向かって円周方向に延設されている。永久磁石による磁束量をさらに増加させるため、希土類磁石を用いると好適である。
【００１７】
永久磁石１１ａから出た磁束は、回転方向Ｒに向かって、積厚方向の両端部それぞれ積厚Ｌｒ／４の範囲では、長穴部１３ａに沿ってステータティースにわたる。同様に、積厚方向の中央部の積厚Ｌｒ／２の範囲では、長穴部１３ｄに沿ってステータティースにわたる。長穴部１３ａと長穴部１３ｄは、機械角７．５°の差があるため、１５°間隔に配置されたステータティースの半分である。本構成により、コギングトルクの脈動が７．５°毎となり、コギングトルクの値が低減され、また、誘起電圧波形も正弦波に近くなる。すなわち、運転時の振動・騒音が低減される。
【００１８】
このとき、ロータコアの積厚と、永久磁石の長さの精度のばらつきにより、通常、（ロータコアの積厚）＞（永久磁石のロータ積厚方向の長さ）となるように設計する。このとき、積厚方向の両端部それぞれ積厚Ｌｒ／４の範囲から出る磁束は、両端合わせても、積厚方向の中央部の積厚Ｌｒ／２の範囲から出る磁束より少なくなる。従って、積厚方向の両端部、ロータコア１０ａの積厚をそれぞれＬｒ／４＋Δ／２、積厚方向の中央部、ロータコア１０ｂの積厚をＬｒ／２−Δとすると良い。なお、Δは正の微小な値を取り、（ロータコアの積厚）―（永久磁石のロータ積厚方向の長さ）程度、または、家庭用のエアコンや冷蔵庫に使用される１００Ｗ〜１ｋＷ程度の出力のモータの場合では０．５ｍｍ〜２．５ｍｍ程度とすると良い。
【００１９】
また、ロータコアの積厚をＬｒとすると、積厚方向の中心Ｓｃに対し、ロータコア１０ａ，１０ｂの配置が対称となっている。これにより、積厚方向にかかる力は、積厚方向の両側で相殺されるため、積厚方向の力による軸方向振動が防止できる。
【００２０】
次に本発明の永久磁石ロータの着磁方法について説明する。
【００２１】
図４は、ステータの巻線状態を説明する平面図である。図５は、ステータ巻線の結線と、着磁時の結線を示す図である。図６は、本発明における永久磁石ロータの着磁時の電流と磁束の流れを示す横断面図である。図７は、ステータと、ロータの全積厚の磁極の配置の様子を示す図である。図７において、ステータは便宜上展開し直線状に示したが、通常は環状にし、左端と右端を接続してなる。ロータは、ロータ外周部を左右に展開し、紙面の上下方向は、積厚方向となっている。図７において、斜線部は、磁極境界線（一点鎖線）を含む長穴部を示し、実際は、長穴部とロータ外周部の間にはロータコアの薄肉部１４が存在するが、薄肉部１４は省略し、直接長穴部を示している。
【００２２】
ステータ２０は、略円環状のヨーク２１ｙとヨーク２１ｙの内径側に突出した複数のティース２１ｔからなるステータコア２１に、３相巻線２２ｕ，２２ｖ，２２ｗを施し、スター結線されている。各相の巻線、例えばｕ相の巻線２２ｕは、４連となっているが、それらは、それぞれ直列、並列、どちらでも良い。
【００２３】
ステータ２０の内部にロータ１を組み込み、２相間、本実施の形態の場合、ｕ−ｖ相間にパルス状の着磁電流ｉｐを流してロータ１を着磁する。図５において、着磁電源は直流電源２３で示しているが、実際は、コンデンサに蓄えられた電荷であり、スイッチ２４を接続することにより、瞬間的に大電流が巻線２２ｕ，２２ｖに流れ、ロータ１の永久磁石１１を着磁する。このとき、磁束が発生するティースは１極当たり３本分、すなわち、θｍ＝４５°の範囲であり、この範囲内に、長穴部１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄが存在しなければ良い。もしも、θｍの範囲内に長穴部があったとすれば、長穴部とロータ外周との間にある薄肉部１４を磁束が短絡し、十分な磁束が永久磁石を流れず、着磁不完全を発生させる可能性がある。従って、それぞれの長穴部１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄの角度θｊ及びθ’ｊは（９０−４５）／２＝２２．５°（＝９０／Ｐ）以下である必要がある。本実施の形態の場合、θｊ、θ’ｊは、１８．７５°か１１．２５°のどちらかの値を取るため、２２．５°以下であり、ステータに発生した磁束が長穴部に邪魔されることなく、効率的に永久磁石１１を着磁させるために使用することができる。
【００２４】
上記構成及び着磁方法を用いることにより、１種類のロータコアシートにて、積厚方向に磁石を分割することなく擬似的にスキューを施すことができ、ステータ着磁によっても十分に着磁をすることが可能である。
【００２５】
（実施の形態２）
図８は、第二の実施の形態における永久磁石ロータの分解斜視図を示す。図９は、第二の実施の形態における永久磁石ロータの横断面図を示す。図１０は、第二の実施の形態における永久磁石ロータの横断面図を示す。
【００２６】
打ち抜かれた電磁鋼板からなる略円形のロータコアシートを積層してなるロータコア３０ａ，３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ内部に永久磁石３１（図８においては、便宜上４個のうち１個のみ示した）を埋設し、この永久磁石端面に接するように長穴部３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄ，３６ａ，３６ｂ，３６ｃ、３６ｄを設けた４極の永久磁石ロータ２である。長穴部３３ｂ，３３ｃ，３３ｄ，３６ａ，３６ｂ，３６ｄは、永久磁石端面から、ロータ外周に沿って、磁極中心に向かって円周方向に延びている。長穴部３３ａ，３６ｃは、磁極境界からの角度をθｊが小さいため、永久磁石端面からロータ外周に沿って、磁極中心に向かって円周方向に延びてはいない。ロータ回転方向がＲであるとき、ロータ磁極のロータ回転前進側の長穴部３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄの磁極境界（通常、９０°等間隔、隣接する磁極中心の中間に位置する）からの角度をθｊとしたとき、θｊが４通りの値を取り、ステータスロット数が１２（＝４×３）であり、ステータティース先端の中央部に補助溝が１個設けられており、分布巻の時、θｊ＝θｏ＋１２０・ｊ・ｎ／｛（Ｐ2）・（１＋ｎｓ）｝の、θｏ＝０、ｎ＝１、Ｐ＝４、ｎｓ＝１を代入し、θ１＝３．７５°，θ２＝７．５°、θ３＝１１．２５°、θ４＝１５°である。このとき、θｊ≦６０／４を満たしている。θｊの値の配置は特に問わないが、本実施の形態においては、反時計方向に、θ１、θ３、θ４、θ２の順に配置している。また、ｊ番目のロータ回転前進側にある長穴部の、ロータ回転前進側に隣接する磁極の、ロータ回転後進側の長穴部３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，３６ｄの磁極境界からの角度をθ’ｊとしたとき、θｊ＋θ’ｊ＝１２０／４＝３０となるようにしたときθ’１、θ’ｊ＞６０／４となるため、全てのｊにおいて、θ’ｊ≦６０／４となり、θｊ＋θ’ｊが一定となるようためには、θ’１＝１５°、θ’２＝１１．２５°、θ’３＝７．５°、θ’４＝３．７５°であり、θｊの平均値とθ’ｊの平均値が等しくなっている。
【００２７】
このロータコアシートを積層したロータコアを３０ａ、反時計方向に９０°回転させたロータコアを３０ｂ、１８０°回転させたロータコアを３０ｃ、２７０°回転させたロータコアを３０ｄとすると、ロータコア３０ａ、ロータコア３０ｂ、ロータコア３０ｃ、ロータコア３０ｄは、ほぼ同一積厚ずつ積層されている。
【００２８】
永久磁石３１ａから出た磁束は、回転方向Ｒに向かって、積厚方向の上端部の積厚Ｌｒ／４の範囲では、長穴部１３ａに沿ってステータティースにわたる。同様に、積厚方向の上端部の積厚Ｌｒ／４から下の積厚Ｌｒ／４の範囲では、長穴部３３ｄに沿ってステータティースにわたる。同様に、その下の積厚Ｌｒ／４の範囲では長穴部３３ｃに沿って、さらにその下の積厚Ｌｒ／４の範囲では、長穴部３３ｂに沿ってステータティースにわたる。４種類の長穴部３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄは、互いに機械角３．７５°の差があり、コギングトルクの脈動１周期（１５°）の１／４である。本構成により、コギングトルクの脈動が３．７５°毎となり、コギングトルクの値が低減され、また、誘起電圧波形も正弦波に近くなる。すなわち、運転時の振動・騒音が低減される。また、１２スロットとした場合において、補助溝を設けることにより、θｊの変化範囲を小さくすることができるため、θｊの最大値も小さくすることができ、着磁性が良好である。補助溝４６は、スロットオープン４５と同じ幅であれば、擬似的にスロットオープンが２４個あることになり、コギングトルクの周波数が補助溝のない場合の２倍となる。
【００２９】
このとき、ロータコアの積厚と、永久磁石の長さの精度のばらつきにより、通常、（ロータコアの積厚）＞（永久磁石のロータ積厚方向の長さ）となるように設計する。このとき、積厚方向の両端部のうちいずれかの積厚Ｌｒ／４の範囲から出る磁束は、積厚方向の中央部の積厚Ｌｒ／４の範囲から出る磁束より少なくなる。従って、積厚方向の両端部、ロータコア３０ａ及びロータコア３０ｄの積厚をそれぞれＬｒ／４＋Δ／２、積厚方向の中央部、ロータコア３０ｂ及びロータコア３０ｃの積厚をＬｒ／４−Δ／２とすると良い。なお、Δは正の微小な値を取り、（ロータコアの積厚）―（永久磁石のロータ積厚方向の長さ）程度、または、家庭用のエアコンや冷蔵庫に使用される１００Ｗ〜１ｋＷ程度の出力のモータの場合では０．５ｍｍ〜２．５ｍｍ程度とすると良い。
【００３０】
次に本発明の永久磁石ロータの着磁方法について説明する。
【００３１】
図１１は、ステータの巻線状態を説明する平面図である。図１２は、本発明における永久磁石ロータの着磁時の電流と磁束の流れを示す横断面図である。図１３は、ステータとロータの全積厚の磁極の配置の様子を示す図である。図１３において、ステータは便宜上展開し直線状に示したが、通常は環状にし、左端と右端を接続してなる。ロータは、ロータ外周部を左右に展開し、紙面の上下方向は積厚方向となっている。図７において、斜線部は磁極境界線（一点鎖線）を含む長穴部を示し、実際は長穴部とロータ外周部の間にはロータコアの薄肉部３４が存在するが、薄肉部３４は省略し直接長穴部を示している。
【００３２】
ステータ４０ａ，４０ｂは、略円環状のヨーク４１ｙとヨーク４１ｙの内径側に突出した複数のティース４１ｔからなるステータコア４１に、３相巻線４２ｕ，４２ｖ，４２ｗまたは４３ｕ，４３ｖ，４３ｗを施し、スター結線されている。各相の巻線、例えばｕ相の巻線４２ｕまたは４３ｕは、２連となっているが、それらは、それぞれ直列、並列、どちらでも良い。また、各相の巻線順序は、図１１（ａ）に示すステータ４０ａのように、ｕ相、ｖ相、ｗ相の順に挿入しても良いが、図１１（ｂ）に示すステータ４０ｂのように、各層の巻線４３ｕ，４３ｖ，４３ｗのうち、互いに１２０°毎に配置された１連分を先に挿入し、残りを後から挿入すれば、コイルエンドの大きさを小さくすることが可能である。
【００３３】
ステータ４０の内部にロータ２を組み込み、２相間、本実施の形態の場合、ｕ−ｖ相間にパルス状の着磁電流ｉｐを流してロータ２を着磁する。着磁時の結線図は、実施の形態１と同様であるので省略する。このとき、磁束が発生するティースは１極当たり２本分、すなわち、θｍ＝３０°の範囲であり、この範囲内に、長穴部３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄ，３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，３６ｄが存在しなければ良い。もし、θｍの範囲内に長穴部があったとすれば、長穴部とロータ外周との間にある薄肉部３４を磁束が短絡し、十分な磁束が永久磁石を流れず、着磁不完全を発生させる可能性がある。従って、それぞれの長穴部３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄ，３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，３６ｄの角度θｊ及びθ’ｊは（９０−３０）／２＝１５．°（＝６０／Ｐ）以下である必要がある。本実施の形態の場合、θｊ、θ’ｊは、最大でも１５°以下であり、ステータに発生した磁束が長穴部に邪魔されることなく、効率的に永久磁石３１を着磁させるために使用することができる。
【００３４】
なお、θｊ及びθ’ｊは（６０／Ｐ）°以下であることが望ましいが、スロットオープンが大きい場合には、スロットオープンの中心に対する角度をΔθｓとすると、θｊ及びθ’ｊは、（６０／Ｐ＋Δθｓ／２）°以下であれば良い。
【００３５】
上記構成及び着磁方法を用いることにより、１種類のロータコアシートにて、積厚方向に磁石を分割することなく擬似的にスキューを施すことができ、ステータ着磁によっても十分に着磁をすることが可能である。
【００３６】
（実施の形態３）
図１４は、第三の実施の形態における永久磁石ロータの分解斜視図を示す。図１５は、第三の実施の形態における永久磁石ロータの横断面図を示す。図１６は、本発明における永久磁石ロータの着磁時の電流と磁束の流れを示す横断面図である。
【００３７】
打ち抜かれた電磁鋼板からなる略円形のロータコアシートを積層してなるロータコア５０ａ，５０ｂ，５０ｃ，５０ｄ内部に永久磁石５１（図１４においては、便宜上４個のうち１個のみ示した）を埋設し、ロータコア５０ａ，５０ｂ，５０ｃ，５０ｄの外周部のロータ磁極境界付近に、切り欠き部５３ａ，５３ｂ，５３ｃ，５３ｄを設けてなる。ロータ回転方向がＲであるとき、各切り欠き部において、ロータ磁極のロータ回転前進側の磁極境界（通常、９０°等間隔、隣接する磁極中心の中間に位置する）からの角度をθｉとしたとき、θｉが各ロータコア毎に異なり、４通りの値を取り、ステータスロット数が１２（＝４×３）であり、ステータティース先端の中央部に補助溝が１個設けられており、分布巻の時、θｉ＝θｏ＋１２０・ｉ／｛Ｐ・Ｎ・（１＋ｎｓ）｝の、θｏ＝０、Ｎ＝４、Ｐ＝４、ｎｓ＝１を代入し、θ１＝３．７５°，θ２＝７．５°、θ３＝１１．２５°、θ４＝１５°である。このとき、θｉ≦６０／４を満たしている。θｉの値の配置は特に問わないが、本実施の形態においては、積厚方向に上から、θ１、θ２、θ３、θ４の順に配置している。θｉの値は、積厚方向に、次第に増加、または次第に減少するように配置すると、異なるロータコア間に発生する積厚方向の磁束の漏れが最小となり、好適である。また、ｉ番目のロータコアの切り欠き部の、ロータ磁極のロータ回転後進側の磁極境界からの角度をθ’ｉとしたとき、全てのｉに対して、θｉ＋θ’ｉがほぼ一定、かつ、θｉの平均値とθ’ｉの平均とを等しくすれば、θ’１＝１５°、θ’２＝１１．２５°、θ’３＝７．５°、θ’４＝３．７５°となる。
【００３８】
本構成によれば、θｉ，θ’ｉ≦６０／４となる範囲にて、θｉ＋θ’ｉが１２０／Ｐに最も近い値となる。
【００３９】
このように、永久磁石埋設用穴等は同じ形状で、切り欠き部のみ異なる４種類のロータコア５０ａ，５０ｂ，５０ｃ，５０ｄは、ほぼ同一積厚ずつ積層されている。
【００４０】
コギングトルクを低減する作用及び着磁方法については、第二の実施の形態と同様であり省略する。
【００４１】
本構成により、着磁時において、ステータに発生した磁束が切り欠き部に邪魔されることなく、効率的に永久磁石５１を着磁させるために使用することができる。また、ロータコアシートの種類は複数用意する必要があるが、積厚方向に磁石を分割することなく擬似的にスキューを施すことができ、ステータ着磁によっても十分に着磁をすることが可能である。
【００４２】
本構成を用いたロータを、本発明における着磁方法にて着磁した場合、同様のロータを、ｕ相からｖ相、ｗ相に着磁電流を流す方法にて着磁した場合に比べて、着磁率が１０％以上向上させることができた。
【００４３】
なお、上記の実施の形態においては、４極の永久磁石ロータであり、主として平板状の永久磁石を半径方向に１層だけ埋設したものについて説明したが、極数、ロータコアや永久磁石の形状、ステータの形状等は、これらに限定されることなく種々の変形が可能であり、これらを発明の範囲から排除するものではない。
【００４４】
【発明の効果】
以上のように、第１の発明によれば、ロータ磁極間の磁束の漏れを低減させつつ、半径方向にアンバランスを発生させることなく擬似スキューを施すことが可能であり、振動・騒音を低減できると共に、着磁性の優れた永久磁石ロータを提供する。
【００４５】
第２の発明によれば、ロータ磁極間の磁束の漏れを低減させつつ、１種類のロータコアシートで半径方向にアンバランスを発生させることなく擬似スキューを施すことが可能であり、振動・騒音を低減できると共に、着磁性の優れた永久磁石ロータを提供する。
【００４６】
第３の発明によれば、減磁耐力を向上させつつ、半径方向にアンバランスを発生させることなく擬似スキューを施すことが可能であり、振動・騒音を低減できると共に、着磁性の優れた永久磁石ロータを提供する。
【００４７】
第４の発明によれば、減磁耐力を向上させつつ、１種類のロータコアシートで半径方向にアンバランスを発生させることなく擬似スキューを施すことが可能であり、振動・騒音を低減できると共に、着磁性の優れた永久磁石ロータを提供する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第一の実施の形態における永久磁石ロータの分解斜視図
【図２】 第一の実施の形態における永久磁石ロータの横断面図
【図３】 第一の実施の形態における永久磁石ロータの横断面図
【図４】 ステータの巻線状態を説明する平面図
【図５】 ステータ巻線の結線と、着磁時の結線を示す図
【図６】 本発明における永久磁石ロータの着磁時の電流と磁束の流れを示す横断面図
【図７】 ステータと、ロータの全積厚の磁極の配置の様子を示す図
【図８】 第二の実施の形態における永久磁石ロータの分解斜視図
【図９】 第二の実施の形態における永久磁石ロータの横断面図
【図１０】 第二の実施の形態における永久磁石ロータの横断面図
【図１１】 ステータの巻線状態を説明する平面図
【図１２】 本発明における永久磁石ロータの着磁時の電流と磁束の流れを示す横断面図
【図１３】 ステータとロータの全積厚の磁極の配置の様子を示す図
【図１４】 第三の実施の形態における永久磁石ロータの分解斜視図
【図１５】 第三の実施の形態における永久磁石ロータの横断面図
【図１６】 本発明における永久磁石ロータの着磁時の電流と磁束の流れを示す横断面図
【図１７】 従来例の永久磁石ロータの分解斜視図
【図１８】 従来例の永久磁石ロータの横断面図
【符号の説明】
１ ロータ
１０ａ，１０ｂ ロータコア
１１ 永久磁石
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ 長穴部
１４ 薄肉部
１９ 磁極面
２０ ステータ
２１ ステータコア
２２ｕ，２２ｖ，２２ｗ 巻線
Claims (4)
- 打ち抜かれた電磁鋼鈑からなる略円形ロータコアシートを積層してなるロータコア内部に永久磁石を埋設し、この永久磁石の端面、正極面の端部、あるいは負極面の端部に接するように長穴部を設けた永久磁石ロータであり、ロータ磁極のロータ回転前進側の長穴部の、磁極境界からの角度をθｉとしたとき、θｉの大きさの異なるロータコアシートＮ種類からなり、それぞれ略同一積厚で形成され、ロータ磁極数がＰ、ステータスロット数が３Ｐであり、ステータティース先端に、ティース１本当たりｎｓ個の補助溝を、スロットオープンに対し、略等間隔に設けたとき、θｉ＝θｏ＋１２０・ｉ／｛Ｐ・Ｎ・（１＋ｎｓ）｝（ただし、θｏは０≦θｉ≦（６０／Ｐ）となる範囲の定数、ｉ＝１，２，…、Ｎ）である永久磁石ロータ。
- 打ち抜かれた電磁鋼鈑からなる略円形ロータコアシートを積層してなるロータコア内部に永久磁石を埋設し、この永久磁石の端面、正極面の端部、あるいは負極面の端部に接するように長穴部を設けた永久磁石ロータであり、ロータ磁極のロータ回転前進側の長穴部の、磁極境界からの角度をθｊとしたとき、１枚のロータコアシート内の各磁極において、θｊがＰ／ｎ通りの値を取り、それぞれの値が周期的にｎ回繰り返され、ロータ磁極数がＰ、ステータスロット数が３Ｐであり、ステータティース先端に、ティース１本当たりｎｓ個の補助溝を、スロットオープンに対し、略等間隔に設けたとき、θｊ＝θｏ＋１２０・ｊ・ｎ／｛Ｐ2・（１＋ｎｓ）｝（ただし、θｏは０≦θｊ≦（６０／Ｐ）となる範囲の定数、ｊ＝１，２，…，Ｐ／ｎ、ｎはＰ／２以下の自然数）であり、３６０・ｊ／Ｐ度回転させたロータコアを、それぞれロータの積厚の略ｎ／Ｐ倍ずつ積層してなる永久磁石ロータ。
- 打ち抜かれた電磁鋼鈑からなる略円形ロータコアシートを積層してなるロータコア内部に永久磁石を埋設し、この永久磁石の端面、正極面の端部、あるいは負極面の端部に近接した位置のロータ外周に切り欠き部を設けた永久磁石ロータであり、ロータ磁極のロータ回転前進側の切り欠き端部の、磁極境界からの角度をθｉとしたとき、θｉの大きさの異なるロータコアシートＮ種類からなり、それぞれ略同一積厚で形成され、ロータ磁極数がＰ、ステータスロット数が３Ｐであり、ステータティース先端に、ティース１本当たりｎｓ個の補助溝を、スロットオープンに対し、略等間隔に設けたとき、θｉ＝θｏ＋１２０・ｉ／｛Ｐ・Ｎ・（１＋ｎｓ）｝（ただし、θｏは０≦θｉ≦（６０／Ｐ）となる範囲の定数、ｉ＝１，２，…、Ｎ）である永久磁石ロータ。
- 打ち抜かれた電磁鋼鈑からなる略円形ロータコアシートを積層してなるロータコア内部に永久磁石を埋設し、この永久磁石の端面、正極面の端部、あるいは負極面の端部に近接した位置のロータ外周に切り欠き部を設けた永久磁石ロータであり、ロータ磁極のロータ回転前進側の切り欠き端部の、磁極境界からの角度をθｊとしたとき、１枚のロータコアシート内の各磁極において、θｊがＰ／ｎ通りの値を取り、それぞれの値が周期的にｎ回繰り返され、ロータ磁極数がＰ、ステータスロット数が３Ｐであり、ステータティース先端に、ティース１本当たりｎｓ個の補助溝を、スロットオープンに対し、略等間隔に設けたとき、θｊ＝θｏ＋１２０・ｊ・ｎ／｛Ｐ2・（１＋ｎｓ）｝（ただし、θｏは０≦θｊ≦（６０／Ｐ）となる範囲の定数、ｊ＝１，２，…，Ｐ／ｎ、ｎはＰ／２以下の自然数）であり、３６０・ｊ／Ｐ度回転させたロータコアを、それぞれロータの積厚の略ｎ／Ｐ倍ずつ積層してなる永久磁石ロータ。
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