JP5332171B2 - 永久磁石モータ - Google Patents

Description

この発明は、回転子に永久磁石を装着した永久磁石モータにおいて、前記永久磁石からの磁束を可変にすることで、当該モータ回転子の回転速度を低速から高速まで効率的に制御可能にするモータに関するものである。

モータはその内周上に磁極を配置した固定子と、その内側に、軸の周りに回転可能に取り付けられ、その周方向に永久磁石が装着された回転子とで構成されている。この固定子はコア部とこのコア部から内側に突出したティースと呼ばれる部分にコイルを巻き回し、このコイルに通電することにより、ティースの固定子内側方向先端部が磁極として働く。モータはこの固定子磁極からの磁束と回転子に装着された永久磁石からの磁束とにより生じる固定子磁極と回転子の永久磁石との間に働く磁力によって、回転子がその軸の周りに回転する。ここで、回転子の回転数が上昇すると、回転子の永久磁石による磁束が固定子磁極を構成するコイル内を通過し、この通過する磁束の時間変化が増加するため、それに伴い固定子磁極を構成するコイルに誘起電圧が発生するとともに回転数と共に誘起電圧が増加する。

この誘起電圧は、固定子磁極を構成するコイルに印加する端子電圧とは逆極性となるため、回転子の回転数増加に伴い、上記コイルの実質的な端子電圧は減少し、回転数が所定の値以上には増加しなくなる。このような現象を改善する方法として、いわゆる、弱め磁束（界磁）制御と呼ばれる方法がある。

特許文献１に弱め磁束制御の例が開示されている。特許文献１によれば高保磁力と低保磁力磁石とを回転子軸方向に分けて配置し、高速回転時にはｄ軸成分の磁界により低保磁力磁石を減磁し、弱め磁束制御を行っている。低保磁力の永久磁石は高保磁力の永久磁石に比べて外部磁界による磁束の変化が著しくなるという特性を有する。特許文献１に記載の弱め磁束制御ではこの特性を利用して低保磁力の永久磁石の磁束を可変とすることにより永久磁石全体としての磁束を可変にして回転子回転数が増大することに伴い生じる回転数低減効果を改善するというものである。

特開２００５−３０４２０４

上記のように保磁力の異なる永久磁石を回転子軸方向に分割して装着した場合、着磁されている高保磁力の磁石と着磁・脱磁可変の低保磁力の磁石が軸方向に階層をなしていることから、軸方向に短いモータは作製しづらく、このような方法の採用には不向きである。また、回転子を複数個連結することから、同軸度の精度確保が困難となり振動等の原因になりやすい。さらに、回転子の軸方向に依存して発生するトルクが異なるので、回転子にねじれが発生し、モータ特性劣化につながる。

この発明は以上のような問題点を解消するためになされたもので、軸方向ねじれが改善され、軸方向に短い回転子にも対応が可能で、同軸度の精度確保が容易な弱め磁束制御に対応した磁束可変型永久磁石モータを得ることを目的とする。

この発明に関わる永久磁石モータは、円周上に配置された複数の磁極を有する固定子と、回転軸方向に所定の長さを有する永久磁石を回転軸周方向に複数配置して形成された複数の磁極を有する回転子とを備えた永久磁石モータにおいて、回転子の各磁極を形成する永久磁石は、保磁力の異なる少なくとも２種類の永久磁石を、それぞれの永久磁石による磁束の向きが同じになるように回転子の周方向に配置した１の永久磁石群からなり、１の永久磁石群を構成する少なくとも２種類の永久磁石は、その相互間に緩衝体を介して隣接配置され、１の永久磁石群を構成する永久磁石のうち最も低保磁力の永久磁石を１の永久磁石群の中で回転子回転方向に対して後方一番端に配置し、１の永久磁石群のうち回転子回転方向に対して後方一番端に配置された低保磁力の永久磁石に対して、固定子側とは反対側の磁極面に対向して空隙もしくは非磁性体からなる非磁性体領域を設け、１の永久磁石群を構成する永久磁石のうち低保磁力の永久磁石と異なる他の永久磁石に対して、固定子側とは反対側の磁極表面に磁性体を設けるものである。

この発明によれば、軸方向に短いモータでも弱め磁束制御を容易に行うことができ、軸方向ねじれが改善され、軸方向に一体の回転子で構成できるので振動等の少ない安定したモータを得ることができるとともに、モータ回転による振動で磁石同士が擦れ合い、磨耗または割れなどの破損が生じることを防止することができる。

実施の形態１
図１に本発明の実施の形態１による永久磁石モータの回転軸に直交する方向の断面図を示す。図１において、１は固定子、２は回転子、３は回転子２の回転軸、４は固定子１を構成する固定子コア、４１は固定子コア４の一部で磁極部を構成するティース、５はティース４１に巻き回された固定子巻線で、通電されることによりティース４１の先端部で磁極を形成する。６は回転子コア、７、８は回転子コア６に取り付けられた永久磁石で、そのうち７は高保磁力磁石（例えばネオジウム磁石）、８は低保磁力磁石（例えばアルニコ磁石）で、９は両磁石間に設けられた緩衝体である。緩衝体９は通常、緩衝材で構成されているが、空隙でもかまわない。１０は緩衝体９を介して配置された高保磁力磁石７と低保磁力磁石８とで構成された永久磁石群である。固定子１は固定子コア４とその内周に配置された複数のティース４１とこれに巻き回された固定子巻線５とを有し、固定子巻線５に通電することによりティース４１の先端部が磁極を形成する。一方、回転子２は回転子コア６と、この回転子コア６の中心を通る回転子の回転軸３と永久磁石群１０とを有している。ここで、永久磁石群１０は回転子コア６の周方向に回転軸に対して軸対称に埋め込まれており、１の永久磁石群１０が回転子２の１磁極を形成している。永久磁石を回転子コアに埋め込んで回転子を形成していることからこのような回転子は埋め込み磁石型回転子と呼ばれている。なお、高保磁力磁石７、および低保磁力磁石８に付されている「高」「低」についてはここでは両者の相対的な保磁力の大小を意味するものとするがより詳細については後述する。

図２に、回転子２の斜視図の１例を示す。番号は図１と共通で、６に示す円柱が回転子コア６を示す。回転軸３は図示されていないが、図の円柱の中心軸が回転軸３になる。永久磁石群１０を構成する高保磁力磁石７、低保磁力磁石８及び緩衝体９は図示するように同じ断面形状、配置関係を保持して回転軸３の軸方向に延在している。

次に、この永久磁石群１０の特性について説明する。
図３は磁石材料による保磁力の違いの例を示すものである。磁石材料としてネオジウム系磁石とアルニコ系磁石を例示した。ネオジウム系磁石は高保磁力磁石７として、アルニコ系磁石は低保磁力磁石８として使用される。図において横軸は外部磁場の大きさすなわち保磁力を示し、縦軸は保磁力に対する永久磁石の磁束密度を示す。いずれの磁石についてもヒステリシス特性を示すものとなっている点で類似の形状を示すが、各ヒステリシス曲線の横軸幅は大きく異なり、ネオジウム系磁石では磁束密度が急激に低下する保磁力は１０００ｋＡ／ｍを大幅に上回るのに対し、アルニコ系磁石ではその保磁力は５０〜１００ｋＡ／ｍしかない。このため低保磁力磁石８は高保磁力磁石７に比べて外部磁場の影響で減磁され易い。すなわち、低保磁力磁石８では高保磁力磁石７に比べて小さい外部磁場でも減磁が生じるため、外部磁場強度を所定の値にすることにより高保磁力磁石７の磁束を一定に保ったまま、低保磁力磁石８の磁束を低減することが可能となる。更に外部磁場強度を変えることにより、図３のヒステリシス曲線の示されているように低保磁力磁石８の磁束の向きを逆転させることも可能である。

このように高保磁力磁石７および低保磁力磁石８の保磁力の違いを利用して、両磁石の磁束を合計した磁束密度、すなわち回転子２の磁極を構成する永久磁石群１０の磁束を外部磁場により可変にすることができる。なお、上記外部磁場は本願発明では固定子２の磁極の磁束によるものとなり、ｄ軸電流を変化させることにより変えることができる。高保磁力磁石７および低保磁力磁石８としてどのような材料の磁石を選択するかという点については、両者の保磁力の差異が大きいものを選ぶのが弱め磁束制御という観点から便宜である。なお、一度減磁した低保磁力磁石８は、高速域から低速域に移る際に、減磁の時とは逆方向のｄ軸成分の磁界を発生させて着磁することにより、図３に示すようなヒステリシスループを描きながら元の磁力に戻ることになる。

低保磁力磁石８に対する弱め磁束制御を実践するためには、永久磁石による磁束（界磁磁束）とは逆方向に回転子２に反作用によるｄ軸成分の磁界を与えるようにｄ軸電流、すなわち固定子１ティースに巻き回したコイルへの通電電流の位相を進めて制御する（以下では磁界の位相進み制御と呼ぶこととする。）。なお、ｄ軸成分の磁界とは固定子磁極からの磁界を指す。

このように磁界の位相進み制御を行うことにより、回転子２の永久磁石群１０を構成する永久磁石のうち、回転子の回転方向後ろ側ほどｄ軸成分の磁界が大きく作用することとなるため弱め磁束制御の対象となる磁石、すなわち低保磁力磁石８を高保磁力磁石７の回転方向後ろ側に配置するほうが弱め磁束の効果を大きくすることができる。

ここで、高保磁力磁石７と低保磁力磁石８との間に配置されている緩衝体９の効果について説明する。この緩衝体９が存在せず、高保磁力磁石７と低保磁力磁石８とが直接隣接配置されていた場合、モータ回転による振動で磁石同士が擦れ合い、磨耗または割れなどの破損が生じる。これを防止するために両磁石の間に緩衝体９を配置している。

以上の構成を有する永久磁石モータであれば、低速回転時には高保磁力磁石７と低保磁力磁石８の磁束を合わせたｄ軸方向（回転子２の磁石の磁極方向）の磁力で高トルクを出力でき、また、高速回転時には、固定子１により発生させたｄ軸成分の磁界により、低保磁力磁石８を減磁し、高保磁力磁石７の磁界を主に使用することにより回転子２の磁極を構成する永久磁石群１０の磁界を低減することができる。これにより、回転子２の回転に起因して固定子巻線５に発生する誘起電圧の上昇を抑制する弱め磁束制御を行うことができる。この永久磁石群１０の磁束変化は回転子２の周方向に対して軸対称に起こることになるため回転特性に悪影響を与えることはなく、また従来方式で問題とされていた軸方向に対して磁気特性の変化はないため軸方向でのねじれの問題も生じない。

この実施の形態では、説明の便宜上図１に示すような同じ大きさの矩形板状の永久磁石を用いた４極の回転子２を用いて説明したが、高保磁力磁石７と低保磁力磁石８の大きさ・形は、同じであっても、異なっていてもよい。例えば大きさを変えることで、永久磁石群１０の磁束の一定成分と可変成分の比率を変えることができる。また、極数も図１に記載のものに限定されることはなく、極数によらず同様の効果を奏することができる。なお、形状についての効果は後述する。

実施の形態２
本実施の形態に係る発明を図４に示す。図４に示す発明は回転子２の１磁極を構成する永久磁石群１０が、１個の高保磁力磁石７と、これをはさむ形で配置された２個の低保磁力磁石８の計３個で構成されているものである。

回転子２の回転方向後ろ側に低保磁力磁石８を配置する理由は、弱め界磁制御を行う際ｄ軸成分の磁界を進み制御させることにあることは実施の形態１で既に説明したとおりで、その進み制御した磁界は回転方向後ろ側の磁石に大きく作用する。したがって、位相の変化が少なくても減磁しやすいことから、弱め界磁制御も容易になる。

このように１永久磁石群１０を構成する永久磁石は、回転子の回転方向に対して後方に低保磁力磁石８を配置することにより、低保磁力磁石８が最も固定子１からの磁界の影響を受けやすくなる。一方、電動機によってはその回転子２の回転方向が正転、逆転のどちらにも対応するものがある。この場合には高保磁力磁石７の周方向両側に低保磁力磁石８を配置すれば正逆回転ともに弱め磁束制御を効果的に実施することができる。なお、ここでは永久磁石群１０を構成する永久磁石の数を３個として説明したが、これにこだわらない。３個以上であっても差し支えない。少なくとも両端に低保磁力磁石８を配置すれば同様の効果を奏することができる。なお、両端の低保磁力磁石８は必ずしも同一材料・磁性特性のものである必要はない。異なる特性のものにした場合は、回転方向により弱め磁束制御の効果が異なるものとなるが、回転方向により回転数条件が異なる場合などへの適用には問題がない。

実施の形態３
本実施の形態に係る発明を図５に示す。図５に示す発明は、上記ｄ軸成分の磁界の影響を受けやすい位置である、高保磁力磁石７に対して回転子２の回転方向後方に配置した低保磁力磁石８について、固定子１側の面とは反対側の面を回転方向前方、すなわち他の永久磁石が緩衝体９を介して隣接する側の端より回転方向後方に向かって徐々に薄くした構造にしたものである。

前述したとおり、回転方向後方ほど永久磁石から見たｄ軸成分の磁界変動が大きいので、減磁効果も大きくなる。この場合低保磁力磁石８は急激に減磁され、低保磁力磁石８からの磁束は急激に減少する。この急激な磁束変化を緩和するための発明が本実施の形態に係る発明である。すなわち、低保磁力磁石８のうちｄ軸成分による磁束変化の大きな箇所からの磁束を端部に行くに従って減らしている。図５ではその手段として低保磁力磁石８の径方向厚さを回転方向の後方にいくに従って薄くすることで磁束変化を緩和させている。

このように、周方向外側から減磁・着磁を緩やかに行うことができ、急激な磁束変化を抑えることができるので、急激な磁束変化に起因する振動や騒音の低減につながる。なお、低保磁力磁石８の厚さを低減するためには階段状に厚さを変えても同様の効果を奏することができる。

実施の形態４
本実施の形態に係る発明を図６、図７に示す。図６、図７に示す発明は、いずれも上記低保磁力磁石８の磁束が通過する面において、低保磁力磁石８の表面に空隙もしくは非磁性体１１（以下では非磁性体１１と略称する。）を設けた構造にしたものである。

この構造によれば、低保磁力磁石８は自身の逆磁界により、弱め磁束制御を行った時の減磁効果が増強され、速やかな減磁が可能となる。磁石は空気中に配置されている場合や周囲を非磁性体で囲まれている場合には、周囲との間の磁気抵抗が大きくなり閉磁路を構成しにくくなる。そのためこのような配置状況下ではその磁石内で磁束をループしようとしてその磁石内に逆磁界が発生する。この逆磁界はその磁石の磁力を弱める力として磁石に作用するので前述の弱め磁束制御による減磁効果を増強することになる。磁性体（例えば鉄）が磁石の磁極表面にあり閉磁路を構成している場合、このような逆磁界は発生しにくいので、非磁性体１１を磁石表面に配置することにより、逆磁界を利用して低保磁力磁石８の速やかな減磁が可能となる。ただし、非磁性体１１は低保磁力磁石８の固定子１とは反対側の面に配置する必要がある。それは、固定子１側の面に非磁性体１１を配置すると、低保磁力磁石８に対して固定子１の磁極からの磁束が到達しにくくなるため、弱め磁束制御自体が困難になるからであり、また逆磁界発生要因自体をなくすことにもなるからである。

非磁性体１１の断面形状は上記の趣旨からは必ずしも図６、図７に示すような三角形に限る必要はないが、図示するような三角形状にした場合は、回転子回転方向に対して低保磁力磁石８の後方に向かってこれに隣接する非磁性体厚みが増加し、当該部分の磁気抵抗が大きくなる。そうすると、これに対応した磁石部分に発生する逆磁界も大きくなることから、磁石の端に行くほど減磁増強効果が大きくなる。すでに説明したように回転子回転方向に対して低保磁力磁石８の後方ほど減磁効果が著しいが、図示する形状の非磁性体１１を配置することによりその傾向を一層強めることになる。このように、非磁性体１１の断面形状に応じてその減磁効果の位置依存性を調整することができる。一方で、実施の形態３において図５を使って説明したとおり、低保磁力磁石８の断面形状により弱め磁束制御時の急激な磁束変化を緩和することもできるので、図６、図７に示すように低保磁力磁石８の断面形状と非磁性体１１の断面形状の組み合わせにより弱め磁束制御の応答性、磁束変化プロファイルをコントロールすることができる。この効果により低速回転から高速回転へのモータの回転制御の応答性が改善されると共に回転数の制御が滑らかになり、急激な磁束変化に起因する振動や騒音の低減につながる。

なお、図７に示した例では低保磁力磁石８と非磁性体１０とを合わせた断面形状は高保磁力磁石７の断面形状と同じにしてある。これは弱め磁束制御について上記効果を狙うと共に回転子２への永久磁石埋設用穴を加工するときの便宜を考慮したものでもある。

本願に係る発明は電気自動車や電車など高速回転が必要となる機器に採用される電動機に幅広く利用することができる。

本発明の実施の形態１に係る永久磁石モータの断面図である。 本発明の実施の形態１に係る永久磁石モータ回転子の斜視図である。 本発明の実施の形態１に係る磁石材料による保磁力の違いの例を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る永久磁石モータの断面図である。 本発明の実施の形態３に係る永久磁石モータの断面図である。 本発明の実施の形態４の１例に係る永久磁石モータの断面図である。 本発明の実施の形態４の他の例に係る永久磁石モータの断面図である。

符号の説明

１ 固定子、２ 回転子、３ 回転子の回転軸、４ 固定子コア、５ 固定子巻線、６ 回転子コア、７ 高保磁力磁石、８ 低保磁力磁石、９ 緩衝体、１０ 永久磁石群、 １１ 空隙もしくは非磁性体（非磁性体と略称）、４１ ティース

Claims (5)

1. 円周上に配置された複数の磁極を有する固定子と、
   回転軸方向に所定の長さを有する永久磁石を前記回転軸周方向に複数配置して形成された複数の磁極を有する回転子とを備えた永久磁石モータにおいて、
   前記回転子の各磁極を形成する前記永久磁石は、保磁力の異なる少なくとも２種類の永久磁石を、前記それぞれの永久磁石による磁束の向きが同じになるように前記回転子の周方向に配置した１の永久磁石群からなり、
   前記１の永久磁石群を構成する少なくとも２種類の永久磁石は、その相互間に緩衝体を介して隣接配置され、
   前記１の永久磁石群を構成する永久磁石のうち最も低保磁力の永久磁石を前記１の永久磁石群の中で前記回転子回転方向に対して後方一番端に配置し、
   前記１の永久磁石群のうち回転子回転方向に対して後方一番端に配置された低保磁力の永久磁石に対して、固定子側とは反対側の磁極面に対向して空隙もしくは非磁性体からなる非磁性体領域を設け、
   前記１の永久磁石群を構成する永久磁石のうち前記低保磁力の永久磁石と異なる他の永久磁石に対して、固定子側とは反対側の磁極表面に磁性体を設けることを特徴とする永久磁石モータ。
2. 前記１の永久磁石群は３以上の永久磁石で構成され、前記永久磁石群を構成する永久磁石の両端の永久磁石を前記低保磁力の永久磁石としたことを特徴とする請求項１に記載の永久磁石モータ。
3. 前記永久磁石群のうち回転子回転方向に対して後方一番端に配置された前記低保磁力の永久磁石は、前記回転子の回転の径方向にとった前記低保磁力の永久磁石の厚みを、前記永久磁石群の中の前記他の永久磁石が隣接配置された端部から、その反対側の端部に向かって、徐々に薄くしたものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の永久磁石モータ。
4. 前記非磁性体領域は、前記回転子の回転の径方向にとった前記非磁性体領域の厚みを、前記低保磁力の永久磁石の前記他の永久磁石が隣接配置された端部から、その反対の端部に向かって、徐々に厚くしたものであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の永久磁石モータ。
5. 前記低保磁力の永久磁石と前記非磁性体領域とを合わせた断面形状は前記他の永久磁石の断面形状と同じであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の永久磁石モータ。

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