JP4680442B2 - モータの回転子 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気自動車などの移動体に使用される永久磁石型同期モータ（ＰＭモータ）などのモータの回転子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の永久磁石型同期モータとしては、回転子（ロータ）に磁気的な突極性を持たせ、これによりリラクタンストルクを有効利用するものが知られ、回転子の構造により埋込み磁石型と表面磁石型とがある。
埋込み磁石型は、回転子の内部に永久磁石を埋め込んだ構造で、リラクタンストルクを併用した永久磁石型同期モータとなる。
【０００３】
一方、表面磁石型は、回転子１を例えば図１０に示すように構成するものである。この回転子１は、強磁性体からなるコア２からなり、このコア２の外周表面に所定間隔をおいて永久磁石３をそれぞれ貼り付けるとともに、永久磁石３と永久磁石３との間に、突部４を設けるようにしたものである。表面磁石型は、その回転子１の突部４によって発生するリラクタンストルクを利用した永久磁石型同期モータである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、埋込み磁石型では、回転子のコアの内部に永久磁石を埋め込むため、永久磁石に磁束のコア内での短絡が発生する。
一方、表面磁石型では、短絡磁束は殆ど発生せず、永久磁石の磁束を有効に使用できるため、永久磁石の使用量を削減できる。
【０００５】
しかし、表面磁石型では、その磁石と対向する固定子側の巻線の誘起電圧波形が高調波を多く含むため、モータのトルク変動（トルクリプル）が大きくなり、その結果、回転子の振動やその振動による騒音の原因になっていた。
そこで、本発明の第１目的は、上記の点に鑑み、リラクタンストルクを併用した永久磁石型同期モータにおいて、誘起電圧波形の改善によりトルク変動を改善するとともに、マグネットトルクの向上を図ることに貢献できる、モータの回転子を提供することにある。
【０００６】
また、本発明の第２目的は、リラクタンストルクを併用した永久磁石型同期モータの力率の向上に貢献できる、モータの回転子を提供することにある。
【０００７】
上記課題を解決し、本発明の目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、以下のように構成した。
すなわち、本発明は、永久磁石型同期モータに設けられた固定子に対応して使用される回転子であって、前記回転子は強磁性体のコアを備え、前記コアの外周面の周方向に等間隔に所定個数の第１の永久磁石がそれぞれ取り付けられ、前記第１の永久磁石は、前記固定子側と対向する側の極性がＳ極とＮ極とが交互になるように配列され、前記第１の永久磁石の前記固定子と対向する部分は前記コアの外周面から外側に露出され、前記コアは、前記第１の永久磁石の両端近傍から前記コアの内側に向かうとともに前記第１の永久磁石に沿って延びる円弧状の溝がそれぞれ形成され、前記各溝内には前記第１の永久磁石に対応する前記第２の永久磁石が収容され、前記第２の永久磁石は対応する前記第１の永久磁石の配列と同一に配列され、前記溝の外端部と前記第１の永久磁石の端部との間の前記コアの周方向の距離は、前記回転子の回転方向の前側において後側よりも大きくし、その結果、前記溝に収容された前記第２の永久磁石は、前記回転子の回転方向において所定角度θだけ前記第１の永久磁石の配置位置からずらされており、前記第２の永久磁石の両端は、前記コアの外周面から外側に露出されており、さらに、前記第２の永久磁石は２つの永久磁石を含み、前記２つの永久磁石の双方は前記溝内に収容されるとともに、前記２つの永久磁石の対向する端部同士が隣接されている。
【０００８】
このように本発明では、回転子を構成する永久磁石を、コアの表面側に設けた第１の永久磁石と、そのコアの内部に埋め込んだ第２の永久磁石とに分散するようにした。
このため、本発明によれば、永久磁石の使用総量を従来の表面磁石型の回転子と同一にした場合に、固定子との間に発生する磁束分布密度が従来よりも改善されて誘起電圧波形が改善されるためにモータのトルク変動を改善でき、かつ電機子鎖交磁束が増加するためにマグネットトルクも向上する。
【００１１】
また、このような構成からなる本発明の特徴について以下に説明する。
図１０に示すような従来の回転子では、リラクタンストルクを利用するため、電機子磁束が大きくなる。このため、モータの力率が低下する。この力率を改善するためには電機子磁束を抑える必要があるが、トルクを低下させてしまう。
【００１２】
そこで、このような不都合を解消するために、本発明では上記のような構造とした。
【００１３】
このような構造にすると、マグネットトルクを殆ど変化させることがない上に、リラクタンストルクがわずかに低下するもののそのピーク位相（進角）を小さくできるので、その合成トルク（マグネットトルク＋リラクタンストルク）のピーク値を殆ど低下させることがない。
さらに、電機子磁束が低下する上にその位相も変化するので、誘起電圧と電流の位相差が小さくなり、モータの力率が向上する。そのため、モータの最大出力を増大させることができ、特に電源としてバッテリを用いた低電圧のアプリケーションに有効である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
本発明のモータの回転子の第１実施形態の構成について、図１を参照して説明する。
この第１実施形態に係る回転子は、永久磁石型同期モータに適用されるものであって、その永久磁石型同期モータの所定の固定子（図示せず）に対応して使用されるものである。
【００１５】
回転子１１は、図１に示すように、強磁性体のコア１２からなり、このコア１２は例えば薄い珪素鋼板からなる積層鋼板１３を積層して所定の厚さを有するものである。このコア１２の外周面の周方向には、所定個数（この例では４個）の永久磁石１４が所定間隔を置いて取り付けられている。
さらに具体的には、コア１２の外周面の周方向に例えば４個の凹部１５が設けられ、この各凹部１５内に永久磁石１４がそれぞれ収容され固定されている。その各永久磁石１４の配列は、図１に示すように、その表面側（図示しない固定子と対向する側）の極性がＳ極とＮ極とが交互に配置されるようになっている。
【００１６】
コア１２内であって、各永久磁石１４とコア１２の中心との間には、図１に示すように、各永久磁石１４に対応する円弧状の永久磁石１６、１６がそれぞれ埋め込まれている。この円弧状の永久磁石１６、１６の各配列は、図１に示すように、対応する永久磁石１４、１４の配列と同一になるようにした。
さらに具体的には、コア１２は、各永久磁石１４の両端から等距離だけ離れた各位置から各永久磁石１４にほぼ沿う方向に、円弧状の溝１７、１７がそれぞれ形成されている。その円弧状の各溝１７、１７内には、円弧状の永久磁石１６、１６がそれぞれ収容され固定されている。
【００１７】
コア１２の中心の厚さ方向には、図示しない回転軸を取り付けるための取り付け孔１８が設けられている。
なお、図１に示す回転子１１では、そのコア１２内に埋め込まれる永久磁石１６、１６を１層として構成したものである。しかし、これに代えてそのコア１２内に、永久磁石１６、１６に相当する永久磁石を２層また３層のように多層とするようにしても良い。
【００１８】
次に、このように構成される第１実施形態の回転子を所定の永久磁石型同期モータに使用した場合には、そのモータのトルクＴは、次の（１）式により与えられる。
Ｔ＝Ｐn ×Φa ×ｉq ＋Ｐn(Ｌd −Ｌq ）×ｉd ×ｉq ・・・・（１）
ここで、（１）式において、第１項がマグネットトルクを表し、第２項がリラクタンストルクを表す。
【００１９】
また、（１）式において、Ｐn は永久磁石１４の極対数である。また、Φa は、Φa ＝√３／２×Φf （√３／２は、３／２の平方根を意味し、Φf は永久磁石による電機子鎖交磁束の最大値である）である。さらに、Ｌd 、Ｌq は、ｄ軸とｑ軸の各インダクタンスである。また、ｉd 、ｉq は、電機子電流のｄ軸とｑ軸の各成分である。
【００２０】
次に、第１実施形態の回転子と、図１０に示す従来の回転子とを、所定の永久磁石型同期モータに適用して各種の比較試験を実施したので、その試験結果について説明する。なお、この試験では、第１実施形態の回転子１１の永久磁石１４、１６の使用総量と、図１０に示す従来の回転子１の永久磁石３の使用総量とを同一としている。
【００２１】
図２は、電機子鎖交磁束の基本波形の比較例を示し、曲線Ａが従来の回転子の場合であり、曲線Ｂが第１実施形態の回転子の場合である。
両者を比較すると、第１実施形態の回転子の方が従来の回転子よりも約１０％大きくなっている。これは、（１）式においてΦa が約１０％増加することになるので、（１）式における第１項のマグネットトルクが約１０％向上する。
【００２２】
図３は、第１実施形態の回転子１１の場合の他に、回転子内に埋め込む永久磁石を２層、３層とした場合の電機子鎖交磁束の比較例を示す。この比較例によれば、回転子内に埋め込む永久磁石を２層、３層と増加すると、その増加に伴って電機子鎖交磁束が増加し、よってマグネットトルクも増加することがわかる。
図４は、モータの固定子側の巻線に誘起される相誘起電圧の波形の比較例である。
【００２３】
この比較例によれば、従来の表面磁石型の回転子の場合には、相誘起電圧は実線で示すように、高調波がのって階段状になっている。トルクの波形は、その誘起電圧とモータに供給される正弦波電流との積で表されるので、従来の回転子の場合には大きなトルク変動が発生する。
これに対して、第１実施形態の回転子の場合には、一点鎖線で示すように、相誘起電圧の波形が改善されるので、トルク変動も改善される。このトルク変動の改善度は、回転子における埋め込み磁石の層数が増加するほど改善され、その層数とトルク変動（トルクリプル）の減少の程度を図５に示す。
【００２４】
なお、上記の第１実施形態の回転子１１は、モータがインナーロータ型の場合である。しかし、その回転子１１のように、コアの表面側に設けた永久磁石１４と、そのコアの内部に埋め込んだ永久磁石１６とに分散するという考え方を、モータがアウターロータ型の場合においてその回転子に適用するようにしても良い。
【００２５】
次に、本発明のモータの回転子の第２実施形態の構成について、図６を参照して説明する。
図１０に示す従来の回転子１では、突部４によって発生するリラクタンストルクを利用するため、電機子磁束が大きくなる。このため、モータの力率が低下する。この力率を改善するためには電機子磁束を抑える必要があるが、トルクを低下させてしまうという不都合がある。
【００２６】
そこで、このような不都合を解消するために、図６に示すような第２実施形態に係る回転子２１を考案した。
すなわち、この回転子２１は、強磁性体のコア２２からなり、このコア２２は例えば薄い珪素鋼板からなる積層鋼板２３を積層して所定の厚さを有するものである。このコア２２の外周面の周方向には、所定個数（この例では４個）の円弧状の永久磁石２４が所定間隔を置いて取り付けられている。さらに、コア２２の外周面の各永久磁石２４の両隣には、リラクタンストルク発生用の突部２５を設けるようにした。
【００２７】
さらに具体的には、コア２２の外周面の周方向に、所定個数（この例では４個）の凹部２６が所定間隔を置いて形成されるとともに、その凹部２６と凹部２６との間に円弧状の突部２５が形成されるようにした。その凹部２６内に永久磁石２４を収容されて固定されている。その各永久磁石２４の配列は、図６に示すように、その表面側の極性がＳ極とＮ極とが交互に配置されるようにした。
【００２８】
さらに、各突部２５は、コア２２の回転方向の各先端側を図６に示すように傾斜状に切り欠き、その各突部２５が傾斜部と円弧部とから形成されるようにした。従って、各突部２５は形状自体は同一であるが、図６に示すように、コア２２上では左右で非対称に配置されたものとなる。
次に、以上の構成からなる第２実施形態の回転子と、図１０に示す従来の回転子とを、所定の永久磁石型同期モータに適用して各種の比較試験を実施したので、その試験結果について説明する。なお、この試験では、第２実施形態の回転子２１の永久磁石２４の使用総量と、図１０に示す従来の回転子１の永久磁石３の使用総量とを同一としている。
【００２９】
図７は、モータの相誘起電圧のマグネット成分の基本波成分、その相誘起電圧の電機子成分の基本波成分、それらの合成相誘起電圧の基本波成分、およびモータに流れる相電流の比較例を示す。
これについて検討すると、まず相誘起電圧のマグネット成分は、第２実施形態の回転子と従来の回転子のいずれの場合であっても、図７の実線Ａに示すようにほぼ同一となる。
【００３０】
これに対して、相誘起電圧の電機子成分は、第２実施形態の回転子の場合には実線Ｂ１に示すようになり、点線Ｂ２で示す従来の回転子の場合に比べてその全体が図示のようにシフトする。従って、合成相誘起電圧は、第２実施形態の回転子の場合には実線Ｃ１に示すようになり、点線Ｃ２で示す従来の回転子の場合に比べてその全体が図示のようにシフトする。
【００３１】
この結果、モータの合成相誘起電圧とモータに流れる相電流との位相差を比較すると、第２実施形態の回転子の場合にはθ１となり、θ２で示す従来の回転子の場合に比べて小さくなる。
図８は、モータのマグネットトルク、モータのリラクタンストルク、それらの合成トルク、およびモータの力率の比較例を示す。
【００３２】
これについて検討すると、まずマグネットトルクは、第２実施形態の回転子と従来の回転子のいずれの場合も、図８の実線Ａに示すようにほぼ同一となる。
これに対して、リラクタンストルクは、第２実施形態の回転子の場合には実線Ｂ１に示すようになり、点線Ｂ２で示す従来の回転子の場合と比べて、その全体が電流位相の負側にシフトする。
【００３３】
従って、マグネットトルクとリラクタンストルクの合成トルクは、第２実施形態の回転子の場合には実線Ｃ１に示すようになり、従来の回転子の場合には点線Ｃ２に示すようになる。このため、その最大値は変わらないが、リラクタンストルクの場合と同様に、全体として電流位相の負側にシフトする。
しかし、上記のようにモータの合成相誘起電圧とモータに流れる相電流の位相差が従来よりも小さくなる。このため、モータの力率は、第２実施形態の回転子の場合には図８の実線Ｄ１に示すようになり、点線Ｄ２で示す従来の回転子の場合と比べて改善される。
【００３４】
なお、上記の第２実施形態の回転子２１は、モータがインナーロータ型の場合である。しかし、その回転子２１のようにリラクタンストルクの発生にかかる突部２５を切欠くという考え方を、モータがアウターロータ型の場合においてその回転子に適用するようにしても良い。
次に、本発明のモータの回転子の第３実施形態の構成について、図９を参照して説明する。
【００３５】
上記の第２実施形態の回転子１１では、リラクタンストルクを利用するため、電機子磁束が大きくなる。このため、モータの力率が低下する。この力率を改善するためには電機子磁束を抑える必要があるが、トルクを低下させてしまうという不都合がある。
そこで、このような不都合を解消するために、図９に示すような第３実施形態に係る回転子３１を考案した。
【００３６】
この第３実施形態に係る回転子３１は、図９に示すように、図１に示す回転子１１の構成を基本とし、コア１２内に埋め込む円弧状の各永久磁石３６、３６の埋め込み位置を、回転子３１の回転方向に所定角度θだけずらすようにしたものである。
すなわち、回転子３１は、コア１２内であって、各永久磁石１４とコア１２の中心との間に、図９に示すように、各永久磁石１４に対応する円弧状の永久磁石３６、３６をそれぞれ埋め込むようにし、その各永久磁石３６、３６の各埋め込み位置を、全体的に回転子３１の回転方向に所定角度θだけずらすようにしたものである。
【００３７】
さらに具体的には、コア１２は、各永久磁石１４の両端から各永久磁石１４に沿う方向に、円弧状の溝３７、３７をそれぞれ形成している。しかし、その各溝３７、３７の各入り口の各位置が、各永久磁石１４の両端から等距離ではなく、回転子３１の回転方向の前方側がその後方側よりも大きくするようにした。そして、その円弧状の各溝３７、３７内には、円弧状の永久磁石３６、３６がそれぞれ収容され固定されている。
【００３８】
なお、他の部分の構成は、第１実施形態の回転子１１と同様であるので、同一構成要素には同一符号を付してその説明は省略する。
以上のような構成による第３実施形態によれば、第２実施形態と同様にその特性を改善することができる。
すなわち、第３実施形態によれば、マグネットトルクを殆ど変化させることがない上に、リラクタンストルクがわずかに低下するもののそのピーク位相を小さくできるので、その合成トルクのピーク値を殆ど低下させることがない（図８参照）。
【００３９】
さらに、電機子磁束が低下する上にその位相も変化するので、相誘起電圧と相電流の位相差が小さくなり、モータの力率を向上させることができる（図７および図８参照）。
なお、上記の第３実施形態の回転子３１は、モータがインナーロータ型の場合である。しかし、その回転子３１のように、各永久磁石３６、３６の埋め込み位置を、回転子３１の回転方向に所定角度θだけずらすという考え方を、モータがアウターロータ型の場合においてその回転子に適用するようにしても良い。
【００４０】
次に、本発明のモータの回転子の第４実施形態の構成について、図１１を参照して説明する。
上記の第３実施形態では、図９に示すように、回転子３１を、コア１２の表面側に永久磁石１４を設けるとともに、そのコア１２に内部に埋め込んだ永久磁石３６が一層の場合について説明したが、第４実施形態では以下のように構成するようにした。
【００４１】
すなわち、第４実施形態の回転子４１は、図１１に示すように、コア１２の表面側の永久磁石１４を省略するとともに、コア１２の内部に永久磁石３６Ａ、３６Ｂを、それぞれ埋め込んで多層（この場合には２層）となるようにした。そして、その永久磁石３６Ａ、３６Ｂのうち、内側の永久磁石３６Ｂの埋め込み位置を、図示のように回転方向に対して角度θだけずらすようにした。
【００４２】
以上述べたように、本発明によれば、永久磁石の使用総量を従来の表面磁石型の回転子と同一にした場合には、固定子との間に発生する磁束分布密度が従来よりも改善されて誘起電圧波形が改善されるためにモータのトルク変動を改善でき、かつ電機子鎖交磁束が増加するためにマグネットトルクも向上する、モータの回転子を提供できる。
【００４３】
また、本発明によれば、リラクタンストルクを併用したＰＭモータの効率の向上に貢献できる、回転子を提供できる上に、トルク変動の改善、マグネットトルクの向上、力率の向上の効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のモータの回転子の第１実施形態の構成を示し、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）はその側面図である。
【図２】電機子鎖交磁束の比較例を示す図である。
【図３】埋め込み磁石の層数と電機子鎖交磁束の比較例を示す図である。
【図４】相誘起電圧の波形の比較例を示す図である。
【図５】埋め込み磁石の層数とトルクリプルの比較例を示す図である。
【図６】本発明のモータの回転子の第２実施形態の構成を示し、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）はその側面図である。
【図７】モータの誘起電圧のマグネット成分、その誘起電圧の電機子成分、それらの合成誘起電圧、およびモータに流れる電流の比較例を示す図である
【図８】モータのマグネットトルク、モータのリラクタンストルク、それらの合成トルク、およびモータの力率の比較例を示す図である。
【図９】本発明のモータの回転子の第３実施形態の構成を示し、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）はその側面図である。
【図１０】従来のモータの回転子の構成を示し、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）はその側面図である。
【図１１】本発明のモータの回転子の第４実施形態の構成を示す平面図である。
【符号の説明】
１１、２１、３１ 回転子
１２、２２ コア
１４ 永久磁石
１５ 凹部
１６ 円弧状の永久磁石
１７ 溝
２４ 永久磁石
２５ 突部
２６ 凹部
３６ 円弧状の永久磁石

Claims (1)

1. 永久磁石型同期モータに設けられた固定子に対応して使用される回転子であって、
   前記回転子は強磁性体のコアを備え、前記コアの外周面の周方向に等間隔に所定個数の第１の永久磁石がそれぞれ取り付けられ、前記第１の永久磁石は、前記固定子側と対向する側の極性がＳ極とＮ極とが交互になるように配列され、前記第１の永久磁石の前記固定子と対向する部分は前記コアの外周面から外側に露出され、
   前記コアは、前記第１の永久磁石の両端近傍から前記コアの内側に向かうとともに前記第１の永久磁石に沿って延びる円弧状の溝がそれぞれ形成され、前記各溝内には前記第１の永久磁石に対応する前記第２の永久磁石が収容され、前記第２の永久磁石は対応する前記第１の永久磁石の配列と同一に配列され、
   前記溝の外端部と前記第１の永久磁石の端部との間の前記コアの周方向の距離は、前記回転子の回転方向の前側において後側よりも大きくし、その結果、前記溝に収容された前記第２の永久磁石は、前記回転子の回転方向において所定角度θだけ前記第１の永久磁石の配置位置からずらされており、
   前記第２の永久磁石の両端は、前記コアの外周面から外側に露出されており、
   さらに、前記第２の永久磁石は２つの永久磁石を含み、前記２つの永久磁石の双方は前記溝内に収容されるとともに、前記２つの永久磁石の対向する端部同士が隣接されていることを特徴とするモータの回転子。

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