JP5830598B2 - 永久磁石モータ - Google Patents

Description

本発明は価格の安い直方体のフェライト磁石を用い、さらにリラクタンストルクを主とした永久磁石モータを対象にして、低トルクリプルでかつ大トルクを発生できる永久磁石モータ構造に関する。

これまで大トルク発生の永久磁石モータにおいては、高性能のネオジム磁石を使用して回転子の表面に磁石を配置するいわゆる表面磁石型のモータ構造で高トルク化と低トルクリプルとの両方を達成できる永久磁石モータが実用化されてきている。しかし、近年のネオジム磁石の価格高騰と入手困難性によって、フェライト磁石を使用した永久磁石モータの研究開発が進められている。フェライト磁石は価格がネオジム磁石に対して１/１０以下と安いのに対して、性能は残留磁束密度、保持力ともネオジム磁石の1/3以下と低い欠点がある。したがって、フェライト磁石使用の永久磁石モータでは、ネオジム磁石モータの発生トルクに近づけるために、永久磁石トルクのほかにリラクタンストルクを利用することが必須となる。いわゆる回転子鉄心の中に永久磁石を埋め込む構造となる。

フェライト磁石を用いた永久磁石モータの開発課題は、
（１）最大トルクを確保するためには1極に占める永久磁石の表面積を大きくして永久磁石によるトルクを最大にする、
（２）リラクタンストルクを十分活用できる構造にする、
（３）永久磁石の保持力が１/３と低いので固定子巻線に電流を流したときに減磁しないように永久磁石の厚さを確保する、
（４）リラクタンストルクの利用は原理的には鉄心を通る高調波磁束が多くなるのでトルクリプルの増加が考えられる。特に最大電流通電、最大トルク時のトルクリプルを低減すること、などがある。

これに近い開示例として、永久磁石を回転子鉄心内に埋め込み、永久磁石トルクとリラクタンストルクとを活用した永久磁石モータ構成が特許文献1に開示されている。

ここで、回転子鉄心内に永久磁石を埋め込む構成で、課題が本発明に最も近い構成を特許文献1の図7に開示されている。以下、その特徴、課題について図９、図１０を用いて説明する。

永久磁石配置は4極で、１極の永久磁石は4個の直方体永久磁石61-64で構成している。そのうち、1個の永久磁石６４はｄ軸の回転子の外周に周方向に長く配置した構成で、残りの3個の永久磁石６１、６２、６３はU字状に図示のように配置される。特許文献１はリラクタンスモータに一部永久磁石を追加配置して特性改善することを目的とした発明で、リラクタンストルクは、q軸に相当する位置でU字状に配置された永久磁石間に構成される中心突極７４に依存する構成である。

一般にリラクタンストルクと永久磁石トルクとを同時に発生する永久磁石モータのトルク式は式1に示される。
τ＝ｐ[ｋｅｉｑ＋（Ｌｄ−Ｌｑ）ｉｄｉｑ] （式１）
ここで、p:極対数、ｋｅ：発電定数、Ｌｄ：d軸インダクタンス、Ｌｑ：q軸インダクタンス、ｉｄ：d軸電流、ｉｑ：q軸電流
上式で、第1項は永久磁石によるトルク成分で、第２項がリラクタンストルク成分を示す。ここで第1項の永久磁石によるトルクは、発電定数ｋｅに比例する。この発電定数ｋｅは、永久磁石の残留磁束密度Brと永久磁石の面積Amとにほぼ比例する。
一方、リラクタンストルクに関しては（Ｌｄ−Ｌｑ）に比例する。
Ｌｄはd軸に一定電流を流した場合の磁束量Φｄに比例し、Ｌｑはｑ軸に一定電流を流した場合の磁束量Φｑに比例する。

特許文献1では、4個の永久磁石61-64の配置による上記の永久磁石トルクと、中心突極７４によるリラクタンストルクを併用できる構造を開示している。永久磁石によるトルクは、永久磁石をＵ字状に配置した永久磁石６１、６２、６３の残留磁束密度と面積に比例し、それに直列の磁気回路を構成する永久磁石６４の残留磁束密度と面積とが加算されて発生する。

一方、リラクタンストルクについて述べると、図９で示したd軸に電流Idを通電した場合、ｄ軸の磁気回路は永久磁石の透磁率が１と小さく、磁石厚さは固定子、回転子間の空隙に比較して厚いので、永久磁石６４をはじめ、永久磁石６１、６２、６３の磁気抵抗が大きくなり、ｄ軸磁束Φｄ１は小さくなる。したがって、ｄ軸磁束Φｄ１に比例するd軸インダクタンスLｄも小さくなる。

一方、図９で示したｑ軸に電流Iｑを通電した場合、ｑ軸の磁気回路は磁極74の鉄の比透磁率が１０００以上と大きいために磁気抵抗が小さく、ｑ軸の磁束Φｑは大きくできる。したがって、ｑ軸磁束Φｑに比例するｑ軸インダクタンスLｑもおおきくなる。以上の原理で（Ｌｄ−Ｌｑ）を大きくでき（符号は反対であるが、Ｉｄがマイナスの符号を持っているために＋となる）、リラクタンストルクを大きく発生することができる。上記の理論によって、永久磁石トルクとリラクタンストルクとを同時に発生できる永久磁石モータを特許文献１では開示している。

また、リラクタンストルクを活用した、いわゆる、埋込回転子構造でコギングトルクを低減した永久磁石モータ構成が特許文献２に開示されている。特許文献２においては、固定子のスロット数Ｎｓを永久磁石の極数Ｐと相数Ｍとで割った値Ｎｓ/Ｐ/Ｍが分数となる、いわゆる分数スロット構成の永久磁石モータであって、特に電流非通電時のコギングトルクを低減できる永久磁石極の幅を規定した構成について開示している。

特許第３２９０３９２号公報 特開２００３―７０１９２号公報

以上、特許文献１によれば、
４個の永久磁石を中心となる突極と突極の間に配置し、さらに中心突極の幅を固定子のスロットの幅に比較して大きくすることで、リラクタンストルクと永久磁石トルクとを活用した構成を示している。しかし、フェライト磁石の低い残留磁束密度の欠点を補うための構造、つまり、永久磁石の表面積を十分に拡大させ、これによって従来のネオジム磁石モータの発生トルクに少しでも近づける永久磁石モータ構成については開示されていない。

特許文献１では、使用する永久磁石としてはネオジム磁石単独、あるいはネオジム磁石とフェライト、およびボンド磁石の併用であるため残留磁束密度が大きいので、前記式１の第１項の永久磁石トルクを大きくするのに、必ずしも永久磁石面積を最大化する必要はない。また、リラクタンスモータの改良であるため、固定子スロットピッチに比較して中心突極７４の幅を十分大きくした構成にしている。これによって、目的とする自動車駆動モータとしては高速領域まで最大出力を維持できる特性を実現している。

しかし、低い残留磁束密度のフェライト磁石を用いた場合の課題である永久磁石トルクの最大化のための構造、つまり、永久磁石の面積を増加させる構造については開示していない。特許文献１で図示されている中心突極７４を大きくした構成では、永久磁石面積の最大化は困難であり、永久磁石トルクを十分大きくすることはできないという課題がある。

また、リラクタンストルクについては、大トルク発生の永久磁石モータではｑ軸に電流Iｑを通電した場合、ｑ軸の磁気回路は固定子側の磁気飽和によりｑ軸の磁束Φｑ１が必ずしも大きくなれない。したがって、Lｑも大きくすることができない。また。ｄ軸の磁気回路については、磁束Φｄ１は前述の理論によって小さくできるが、中心突極７４の幅が大きいために、図９で示した中心突極７４をｄ軸方向に横切る磁束Φｄ２が生じる。Φｄ２の磁路は、中心突極７４を構成する鉄の透磁率が１０００以上と大きく、磁気回路の空隙長は固定子と回転子の隙間と短いために磁気抵抗が小さいので、ｄ軸の磁束Φｄは大きくなる。したがって、（LdーLq）の絶対値を必ずしも大きくすることができず、リラクタンストルクの最大化に課題がある。

また、上記の大きなリラクタンストルクを得るのに逆効果となるｄ軸の磁束Φｄ２の存在は、さらに脈動トルクを起こす原因ともなるため、最大トルク発生時の低トルクリプル化が課題となる。

また、上述の特許文献１，２のいずれにも、永久磁石モータの巻線に電流を通電してリラクタンストルクを発生した状態での永久磁石モータのトルクリプルの低減構成については開示していない。

本発明は、上記従来の永久磁石モータの欠点を克服し、フェライト磁石を用いた永久磁石モータにおいて、永久磁石によるトルクとリラクタンストルクとを最大にすると共に、電流通電時のトルクリプルを最小にできる永久磁石モータ構成を提供するものである。

請求項１の発明は、積層珪素鋼板の中にフェライト永久磁石を収納したP極の埋込型の永久磁石回転子であって、１極に対して、3個からなるU字状の永久磁石と、Ｕ字状永久磁石の外周部に配置された周方向に長い１個の外周部永久磁石とを配置し、これによって永久磁石トルクを発生するとともに、１極に対して、前記Ｕ字状永久磁石と外周部永久磁石との間に形成される２個の突極と、隣り合う極のＵ字状永久磁石間に形成される１個の中心突極とによってリラクタンストルクとを発生する構成の永久磁石回転子と、
分布巻でM相の固定子巻線およびこの固定子巻線を収納するNs個のスロットを持つ積層の固定子鉄心とからなる固定子とを備え、かつ、前記、Ns/M/Pの比が分数となる構成の永久磁石モータにおいて、
前記中心突極の幅をτｃｐ、固定子鉄心のスロットピッチをτｓとしたとき、中心突極の幅τｃｐをスロットピッチτｓより小としたことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載の永久磁石モータにおいて、前記Ｕ字状永久磁石と外周部永久磁石との間に形成された２個の突極の幅をτｂｐとしたとき、τｂｐの幅をスロットピッチτｓより小としたことを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項２に記載の永久磁石モータにおいて、前記中心突極の幅τｃｐと、スロットピッチτｓに対して
０．１＜τｃｐ /τｓ＜１．０
としたことを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項３に記載の永久磁石モータにおいて、前記中心突極の幅τｃｐと、スロットピッチτｓに対して
０．３５＜τｃｐ /τｓ＜０．７
としたことを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項２に項記載の永久磁石モータにおいて、１極に対して、前記Ｕ字状永久磁石と外周部永久磁石との間に構成された突極の幅τｂｐと前記隣中心突極の幅τｃｐとを含めた合計幅τａｐと、スロットピッチτｓに対して
２．１＜τａｐ/τｓ＜３．３５
としたことを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項５に記載の永久磁石モータにおいて、
２．５７＜τａｐ/τｓ＜２．８４
としたことを特徴とする。

請求項１の発明によれば、中心突極の幅τｃｐをスロットピッチτｓより小とすることにより、最大電流通電時の最大トルク発生時に永久磁石トルクとリラクタンストルクの和を最大とし、かつトルクのリプルを低減できる。

請求項２の発明によれば、τｂｐ、τｃｐの幅をスロットピッチτｓより小とすることにより、最大電流通電時の永久磁石とリラクタンストルクの和を最大とし、かつトルクのリプル率を最少にできる永久磁石モータを提供できる。

請求項３の発明によれば、隣り合う極のＵ字状永久磁石間に形成された中心突極の幅をτｃｐと固定子鉄心のスロットピッチをτｓに対して０．１＜τｃｐ/τｓ＜１．０と、することにより、最大電流通電時の永久磁石とリラクタンストルクの和を最大とし、かつトルクのリプル率を低減することができる。

請求項４の発明によれば、隣り合う極のＵ字状永久磁石間に形成された中心突極の幅をτｃｐとしたとき、スロットピッチτｓに対する中心突極の幅τｃｐの値を、
０．３５＜τｃｐ/τｓ＜０．７とすることにより、最大電流通電時の永久磁石とリラクタンストルクの和を最大とし、かつトルクリプルを低減することができる。

請求項５の発明によれば、１極に対して、Ｕ字状永久磁石とＵ字状永久状磁石の外周部に配置された周方向に長い永久磁石との間に構成された突極の幅τｂｐと、隣り合う極のＵ字状永久磁石間に形成された中心突極の幅τｃｐとを含めた合計幅τａｐをスロットピッチτｓに対して２．１＜τａｐ/τｓ＜３．３５とすることにより、最大電流通電時の永久磁石とリラクタンストルクの和を最大とし、かつトルクリプルを低減することができる。

請求項６の発明によれば、τａｐをτｓに対して２．５７＜τａｐ/τｓ＜２．８４とすることにより、最大電流通電時の永久磁石とリラクタンストルクの和を最大とし、かつトルクリプルを一層低減することができる。

本発明の実施例に基づく永久磁石モータの要部断面図を示す。 本発明の実施例に基づく永久磁石モータの全体構成図を示す。 本発明の実施例に基づく永久磁石モータの軸方向断面図を示す。 本発明の永久磁石モータの動作説明原理図を示す。 本発明の永久磁石モータの動作説明原理図を示す。 本発明の実施例に基づく永久磁石モータの中心突極幅τｃｐとスロットピッチτｓに対するトルクリプルとトルクを示す特性図である。 本発明の実施例に基づく永久磁石モータの突極幅τａｐとスロットピッチτｓの比に対するトルクリプルとトルクを示す特性図である。 本発明の実施例に基づく永久磁石モータの中心突極幅τｃｐとスロットピッチτｓの比τｃｐ/τｓに対するコギングトルクを示す特性図である。 従来例の永久磁石モータの動作説明原理図を示す。 従来例の永久磁石モータの動作説明原理図を示す。

以下、本発明の実施例について図に基づいて説明する。
（実施例）
図１に本発明の一実施例に基づく永久磁石モータの要部断面図を示す。
図２に本発明の一実施例に基づく永久磁石モータの全体構成図を示す。
図３に本発明の一実施例に基づく永久磁石モータの軸方向断面図を示す。

図1は図２の２極分を拡大して示したものである。図中、数字のみは部品を、数字の下のアンダーラインは部品の集合体を表す。

図において、永久磁石モータ１は、ステータ（固定子）２とロータ（永久磁石回転子）３とで構成する。ステータ２はステータコア（固定鉄心）４とステータ巻線（固定子巻線）５とから主に構成される。一方、ロータ３は、永久磁石６と積層珪素鋼板のロータコア７と、シャフト８と永久磁石の軸方向の移動を抑える磁石保持部材１０とから構成される。ここで、ステータ２はステータコア４を貫通する固定子ピン１１、エンドブラケット１２によって、両軸端のエンドプレート１３に固定された構成とする。

ロータ３は、ベアリング１５を介してエンドプレート１３に回転可能に支障されている。また、ロータ３の位置を検出する位置検出器のステータ１４Aがエンドプレート１３に、位置検出器のロータ１４Bがシャフト８の軸上に固定され、位置検出器１４を構成している。ここでは、位置検出器１４として、レゾルバの例で示した。

ステータコア４の内周にはステータ巻線５を収納するスロット４１が設けられている。図において、ステータコア４は、例えば０．５ｍｍ厚の電磁積層珪素鋼板からなり、図示のような外周形状で、固定子ピン１１用の孔やステータ巻線５を収納するスロット４1、ロータ３の永久磁石６の磁気回路を構成するステータティース４2、ステータコアバック４3から構成される。その他、外周部には必要によっては冷却用のフィンを一体に成型することも可能である。ステータコア４は積層部材であるが、その外周部を必要に応じて溶接し、機械強度を上げることができる。

本発明実施例では、分布巻でM相の固定子巻線５と、この固定子巻線を収納するNs個のスロットを持つ積層の固定子鉄心とからなる固定子と、Ｐ極の回転子を有し、かつNs/M/Pが分数となる構成の永久磁石モータを対象とする。

ここでは、回転子極数Pとステータスロット数Nsとの比が２：９の構成の永久磁石モータの実施例で説明する。従って、1個のスロットの周方向の幅τｓ（スロットピッチ）は図示の範囲で表され、1極（電気角180度）当たりスロット数4.5個であるため、電気角で40度となる。なお、図１に示すように、スロット４１のピッチとステータティース４2のピッチは「τｓ」と同一である。図４、図５ではステータティース４2のピッチを「τｓ」と示している。

ステータコアのスロット数Ｎｓを３６の例、ロータ３の極数Pは８極の例で示す。また、永久磁石モータ１のステータ巻線５の相数Ｍは一般的に広く使用されている３とする。つまり、毎極毎相のスロット数Ｎｓｐｐ＝Ns/P/Mは３／２で、整数ではなく、分数スロットである。したがって、ステータ２のスロット数３６とロータの極数８はいわゆるスロット数９とロータの極数２のスロットコンビネーションが周方向に４回、繰り返される構造になる。

以下、本発明実施例の対象とする永久磁石モータの回転子構成を説明する。ロータ３は、永久磁石６とロータコア７とで磁気回路を構成する。永久磁石６は製作容易で低価格化である直方体のフェライト磁石を使用する。また、ロータコア７はステータコア４と同様積層の珪素鋼板で製作する。

１極の永久磁石として、積層珪素鋼板内に図示のようにU字状に埋め込まれた３個の直方体のフェライト磁石６１，６２，６３と、このU字状永久磁石の回転子の外周側に周方向に長い直方体のフェライトからなる外周部永久磁石６４との４個で構成する。

これによって回転子表面には、U字状永久磁石（６１，６２，６３）とU形状永久磁石の回転子の外周側に配置された周方向に長い外周部永久磁石６４との間に構成される突極７１、７２と、隣り合う極のU字状永久磁石間に構成される中心突極７４とが構成される。

永久磁石の磁気回路は、この構成で、３個の永久磁石６１，６２，６３から、突極７１、７２を介してステータへ通る磁気回路と、外周部永久磁石６４を介してステータへ通る磁気回路の２つが形成される。

本発明実施例の永久磁石モータ１は以上の構成で、隣り合う極のU字状永久磁石間に構成される中心突極７４の幅をτｃｐとし、ステータコア４のスロット４２のピッチをτｓとしたとき、τｃｐがτｓより小さく（τｃｐ＜τｓ）設定されたことを特徴とする。また、内径側に配置したU字状磁石の一部を形成する永久磁石６２を、半径方向に配置された永久磁石６１、６３より内径側に配置したことを特徴とする。

本発明実施例の効果を示す動作原理図を図４，図５に示す。図４はｄ軸の磁気回路を、図５はｑ軸の磁気回路を示す。ここで、従来例と本発明実施例との差を明確にするために従来例と同じく４極の構成で示す。

本発明明実施例の構成によれば、中心突極の幅τｃｐを小さく設定することによって、U字状永久磁石の半径方向に配置された永久磁石６１、６３は、より中心突極７４に近く配置され、また、永久磁石６２がより内径に近い位置に配置できて、永久磁石６１、６３の半径方向長さを長くすることができる。以上の構成によって、３個の永久磁石、６１，６２，６３の全表面積を大きくすることができる。発電定数Ｋｅは、前述のように永久磁石の残留磁束密度Ｂｒと永久磁石の面積Ａｍに比例して増加するので、式１に示す永久磁石トルクを増加することができる。これによって、ネオジム磁石に対してフェライト磁石の残留磁束密度の低さによるトルク低下を補う効果を大きくしてくれる。

リラクタンストルクについて述べると、図４で示したｄ軸に電流Ｉｄを通電した場合、図９の従来例と同様、ｄ軸の磁気回路は永久磁石の透磁率が１と小さく、磁石厚さは空隙に比較して厚いので永久磁石６４をはじめ、永久磁石６１、６２、６３の磁気抵抗が大きくなり、ｄ軸磁束Φｄ１は小さくなる。したがって、ｄ軸磁束Φｄ１に比例するd軸インダクタンスLｄも小さくなる。

一方、図９の従来例で示した、中心突極７４をｄ軸方向に横切る磁束Φｄ２は、本発明実施例では、中心突極７４の幅τｃｐを狭くしたことによる磁気回路の面積の減少により、磁気抵抗が増加するので、小さくなる。従って、従来例のようにはd軸インダクタンスLｄを大きくすることにはならない利点がある。これによって全体のｄ軸インダクタンスを下げることができる。リラクタンストルク発生に逆効果のある磁束Φｄ２の減少は、リラクタンストルクの増加とともに、リラクタンストルク発生の永久磁石モータでは問題となるトルク脈動の要因をも少なくしてくれる。これによって、低トルクリプル化が達成できる。

図５で示すように、ｑ軸に電流Ｉｑを通電した場合、図１０の従来例と同様に、ｑ軸の磁気回路は磁極７４の鉄の透磁率が１０００以上と大きいために磁気抵抗が小さく、ｑ軸の磁束Φｑは大きくできる。したがって、ｑ軸磁束Φｑに比例するｑ軸インダクタンスLｑも大きくなる。

中心突極７４の幅τｃｐが狭いため磁束Φｑ１は小さくなるが、突極７１、７２間を流れる磁束Φｑ２がその分を補ってくれるため、ｑ軸のインダクタンスＬｑは小さくなることがない。従って、全体的には（Ｌｄ−Ｌｑ）の絶対値が大きくなり、リラクタンストルクを増加させ、トルクリプルを低減する効果がある。ｑ軸磁束（Φｑ１、Φｑ２）は中心突極７４と突極７１、７２間の磁気回路をバランスよく流れ、回転子内の部分的な飽和もなくなり、トルク増加、低トルクリプル化が達成できる。

永久磁石によるトルクと、リラクタンストルクとを併用した永久磁石モータのトルクは前記式1で記載したが、上記の本発明実施例の構成によれば、永久磁石の表面積の増加で発電定数ｋｅを大きくできるので、式1の第1項の永久磁石トルクを増加させる効果がある。また、上記の構成によれば、飽和等によってｑ軸のインダクタンスＬｑは必ずしも大きくできないが、d軸のインダクタンスＬｄに関しては、Ｕ字状永久磁石の外周部に配置された周方向に長い外周部永久磁石６４による磁気回路の分断、中心突極幅τｃｐの短縮による磁束Φｄ２の減少で低減でき、これによってリラクタンストルクを大きくすることができる。

さらに、２個の突極７１、７２の幅τｂｐを大きくすると、磁束Φｄ２のように固定子巻線による磁束が回転子突極を周回する磁束が発生し、トルクに逆効果を与えるおそれがある。本発明実施例では、幅τｂｐも固定子鉄心のスロットピッチτｓより小さくすることで、リラクタンストルク向上に効果がある。

以上のように、構成する突極７１、７２の幅τｂｐ、及び中心突極７４の幅τｃｐをスロットピッチτｓより小さい構成にすることは、固定子巻線に電流を流した場合、回転子内を循環する磁束を小さくすることができる。これは前述のトルク増加、トルクリプル低減のほか、固定子巻線の漏洩インダクタンスを小さくでき、永久磁石モータの力率を向上させる効果もある。力率の向上は電源容量の低減、出力の向上に寄与できる。

図１、図２に戻って、本発明実施例の回転子構成では上記の説明した構成のほか、回転子の各永久磁石の両端に短絡防止の空隙９や、回転子の磁路を構成するロータ磁路７３と磁極片７５（永久磁石６４と回転子外周の間の磁極）とが図示のごとく構成される。またロータ磁路７３と内周側のロータコア間や、突極７１，７４間や、７２，７４間等は細い珪素鋼板でつながるブリッジ部を構成する。

図１中に９スロット、２極構成の巻線配置をあわせて示した。ここで、Ｕ、Ｖ、Ｗは各相に属する巻線を示す。ここで添え字の＋は紙面の背面より表面に電流が流れる方向を、−はその逆の巻線方向を示すものである。図示しないスロットには、図示している９スロット分を３回繰り返し配置し、それらは直列に接続してひとつのインバータで駆動することもできる。大出力のモータにおいては、９スロット分の３相巻線を１台のインバータで駆動し、残りは他の３台のインバータによって駆動するような方式を取ることも可能である。

上記、２極、９スロット構成の分数スロットの利点を以下に示す。

一つの相に属する各ステータ巻線の回転子の極に対する位相がそれぞれ異なっているために、基本波に対する巻線係数の値をあまり下げずに、しかも高調波の影響を効果的に小さくすることができる利点がある。このことは、モータでいえばトルクリプルの少ない永久磁石モータを提供できる。本発明実施例のリラクタンストルクを大きく活用した永久磁石モータ構成では、分数スロット構成の上記利点は、リラクタンストルクの採用によるトルク脈動の増加を軽減してくれるので、不可欠の技術である。分数スロットの採用によって、実用的なレベルまでのトルクリプルの低減が可能になる。これによって、トルクリプルを下げるためのスキュー等の構造をとる必要がなく、製作工数を少なくできる。また、整数スロットで、スキューを施したモータに比較して、トルクを増加することができる利点がある。

一方、以上の極数、スロット数の組み合わせは、上述のようにリラクタンストルク活用の永久磁石モータに対して、トルクリプル増加を低減してくれる可能性もあるが、Ｎｓｐｐが整数となる一般の整数スロットに対して巻線配置が違っている分、異なる高調波の巻線起磁力からなるトルクリプルを低減する配慮が必要である。

上記の構成で、最大トルク４kＮｍ、最大出力１２０kＷクラス、体格では外形Φ４００、ステータコア軸長４００ｍｍの本発明実施例対象の直方体のフェライト磁石を使用した永久磁石モータのトルクとトルクリプルとのシミュレーションの解析を行った。

その結果として、
図６に、永久磁石モータの中心突極幅τｃｐとスロットピッチτｓとの比に対する、トルクリプルｔｐｐとトルクｔａｖを示す。
図７に、永久磁石モータの突極幅τａｐとスロットピッチτｓとの比に対する、トルクリプルｔｐｐとトルクｔａｖを示す。
図８に、永久磁石モータの中心突極幅τｃｐとスロットピッチτｓの比τｃｐ/τｓに対する、コギングトルクｔｃｏｇを示す。図８で縦軸のひとつのトルクｔａｖは、解析内で最大であった値を割って無次元化して示している。縦軸のもうひとつのトルクリプルｔｐｐは、トルクリプルの最大と最小との差をトルクの平均値で除して％で表示したものである。コギングトルクｔｃｏｇも最大に対する比率で示した。

解析対象は、空隙部におけるモータ設計の指標であるアンペアコンダクタ（空隙面の単位周方向長さあたりの巻線と電流の積）が最大電流（最大トルク）時１５００A/cmに達し、トルク/体積が１００Ｎｍ／ｌ(リットル)に相当する大トルク発生の永久磁石モータである。

モータ設計時にはいろいろなパラメータがトルク、トルクリプルに影響を与えることが考慮される。本発明実施例では、特に磁束密度の低いフェライト磁石を用いて、かつリラクタンストルクを十分活用する必要のある永久磁石モータで、中心突極幅τｃｐがトルクおよびトルクリプルに大きな影響を与えることに着目した。図６に永久磁石モータの中心突極幅τｃｐとスロットピッチτｓとの比に対するトルクリプルとトルクを示す。図６におけるτｃｐ/τｓに対する、トルクリプルの変化は、図示のようにτｃｐ/τｓを小さくすることによってトルクが増加する結果を示し、図４、図５で示した本発明実施例の原理が正しいことを証明した。

図６で、従来例ではτｃｐ/τｓが１．５であり、これに対して本発明実施例では、τｃｐ/τｓを１以下にすることでトルクｔａｖが大きく改善できることを示している。また、隣り合う極のＵ字状永久磁石間に形成された中心突極の幅τｃｐと固定子鉄心のスロットピッチτｓに対して
０．１＜τｃｐ/τｓ＜１．０に選択することによって大トルクと低トルクリプルとが同時に達成できることを見出した。

さらに、図６でトルクリプルｔｐｐについて言えば、特にτｃｐ/τｓが０．３５から０．７の範囲にすることにより、トルクリプルを１０％以下に抑えることができ、トルクｔａｖも大きくとれることを見出した。

このように、本発明実施例では中心突極７４の幅τｃｐを小さくすることによって大トルクと低トルクリプルとを同時に達成することができる。

次に、中心突極幅τｃｐと、リラクタンストルク発生の主役であるＵ字状磁石６１、６２，６３と、その外周部に配置される周方向に長さを持つ外周部永久磁石６４との間にできる突極７１、７２と、隣り合う極のＵ字状磁石６１、６３の間にできる中心突極７４とが構成する全体の突極幅τａｐとがトルクおよびトルクリプルに大きく影響することに着目した。

上記の解析は、実際には永久磁石６４の回転子の周方向長さを変えることによって算出したものである。その結果、τａｐ/τsに対して平均トルクｔａｖを大きくできる最適なτａｐ/τsの範囲が存在することが分かった。また、上記の最大平均トルクを与えるτａｐ/τｓと異なる点にトルクリプルが最少となる点が存在することが分かった。

図７に示すように、平均トルクｔａｖが大きくなるτａｐ/τsは、２．１＜τａｐ/τｓ＜３．３５である。この区間では平均トルクｔａｖが、図６でτｃｐ/τｓの区間で出せる平均トルクを上回るトルクを発生することができる。さらに、図７の解析の結果で、特にτａｐ/τsが２．７４のポイントにおいて、トルクリプルが最小になることが分かる。ここでは最小となるトルクリプルは７％まで下げることができる。実用的にトルクリプルは１０％以下で適用可能であり、トルクリプル１０％を確保するため、前記２．７４のポイントを中心に２．５７＜τａｐ/τｓ＜２．８４の条件とするのがベストな範囲となる。

上記各領域では最大トルクとなる点とトルクリプルが最小になる点とが若干異なるが、この範囲ではトルクに対する感度は比較的低く、トルクリプル最小化の範囲を優先してモータ特性の最適な範囲と特定できる。

本発明実施例の対象とする永久磁石型リラクタンスモータでは、磁石幅(磁極片７５の回転子外周幅)／磁極ピッチに最適値があり、出力トルクの観点から磁石幅とリラクタンス磁極幅のバランスで良い、つまり最大化できるところがある。即ち、磁石を大きくすれば磁石トルクは増えるがリラクタンストルクは減り、磁石を小さくすれば磁石トルクは減るがリラクタンストルクは増える。これは、スロットピッチとは無関係であるが、上記のτｃｐ/τｓの選択により、最大トルクを与える磁石幅／磁極ピッチの選択がなされている。

以上の結果の範囲は、突極７１、７２の幅τｂｐが固定子鉄心のスロットピッチτｓより小さい範囲であり、磁束Φｄ２のように固定子巻線による磁束が回転子突極を周回する磁束を遮断する効果が発生してトルク向上、トルクリプル低減に効果があることを示している。

特許文献１記載の永久磁石モータでは、中心突極の幅は少なくとも１極の周方向幅の約１/３以上であり、２極９スロット構成に直せば、２スロットピッチ以上のみを開示していることになる。図７の結果は、上記従来構成では発生トルクが低下することを示している。

本発明実施例の構成により、永久磁石の面積を大きくとることによる永久磁石トルクの最大化と、表面に構成された３個の突極の幅を適正にすることにより、上記中心突極によるｄ軸インダクタンスの増加を抑え、さらに３個の突極幅のバランスの良いリラクタンストルクの発生によって、発生トルクの最大化、トルクリプルの最少化が達成できる。

図８には、永久磁石モータの中心突極幅τｃｐと、スロットピッチτｓの比τｃｐ /τｓに対すコギングトルクを示している。コギングトルクは低速時の位置決め精度や騒音等に影響を与える重要な指標である。回転子磁極とスロット数との比が２：９の構成で、永久磁石を図1のように配置した構成におけるコギングトルクの影響が分かる。コギングトルクは固定子巻線に電流を流さないときに起こるトルクリプルであり、本構成のように回転子磁極とスロット数との比が２：９の構成では1磁極対あたり両者の最小公倍数である１８回の脈動サイクルを持つものである。

このコギングトルクの大きさは、永久磁石６１、６２、６３によって囲まれる回転子の磁極幅（突極７１と突極７２と磁極片７５との和）が大きく影響を与え、さらには、一般には、特殊な上記の分数スロットの固定子スロット数との組み合わせで、特殊な発生形態を示す。図８の結果より、τｃｐ/τｓが０もしくは０．４５のポイントのときに、極小値を有する特性を示すことを見出した。以上の比に選定することによってコギングトルクを最小化することができる。特にτｃｐ/τｓが０．４５の場合には、図示のように脈動トルク（トルクリップル）を小さくし、トルクを大きくできる上に、コギングトルクも小さくできることを見出した。この点は、上記の極幅と永久磁石のピッチとの比で示せばτｃｐ/τｓ＝０の点で０．７７、τｃｐ/τｓ＝０．４５の点で０．６５である。以上の構成によれば、コギングトルクの小さい永久磁石モータを構成できる。

１…永久磁石モータ、２…ステータ（固定子）、３…ロータ（永久磁石回転子）、４…ステータコア（固定鉄心）、４１…スロット、４２…ステータティース、４３…ステータコアバック、５…ステータ巻線（固定子巻線）、６…永久磁石、６１、６２、６３、６４…永久磁石、６１、６２、６３…U字状永久磁石、６４…外周部永久磁石、７…ロータコア、７１、７２…突極、７３…ロータ磁路、７４…中心突極、７５…磁極片、8…シャフト、９…空隙部 １０…磁石保持部材、１１…固定子ピン、１２…エンドブラケット、１３…エンドプレート、１４…位置検出器、１４Ａ…位置検出器のステータ、１４B…位置検出器のロータ、１５…ベアリング、τｓ…スロットピッチ、τｃｐ…中心突極の幅、τｂｐ…Ｕ字状永久磁石と外周部永久磁石との間に形成された２個の突極の幅、τａｐ…突極の幅τｂｐと前記隣中心突極の幅τｃｐとを含めた合計幅。

Claims (5)

1. 積層珪素鋼板の中にフェライト永久磁石を収納したP極の埋込型の永久磁石回転子であって、１極に対して、３個からなるU字状の永久磁石と、Ｕ字状永久磁石の外周部に配置された周方向に長い１個の外周部永久磁石とを配置し、これによって永久磁石トルクを発生するとともに、１極に対して、前記Ｕ字状永久磁石と外周部永久磁石との間に形成される２個の突極と、隣り合う極のＵ字状永久磁石間に形成される１個の中心突極とによってリラクタンストルクとを発生する構成の永久磁石回転子と、
   分布巻でM相の固定子巻線およびこの固定子巻線を収納するNs個のスロットを持つ積層の固定子鉄心とからなる固定子とを備え、かつ、前記、Ns/M/Pの比が分数となる構成の永久磁石モータにおいて、
   前記中心突極の幅をτｃｐ、固定子鉄心のスロットピッチをτｓとしたとき、中心突極の幅τｃｐをスロットピッチτｓより小とし、かつ、前記Ｕ字状永久磁石と外周部永久磁石との間に形成された２個の突極の幅をτｂｐとしたとき、τｂｐの幅をスロットピッチτｓより小としたことを特徴とする永久磁石モータ。
2. 請求項１に記載の永久磁石モータにおいて、
   前記中心突極の幅τｃｐと、スロットピッチτｓに対して０．１＜τｃｐ/τｓ＜１．０としたことを特徴とする永久磁石モータ。
3. 請求項１に記載の永久磁石モータにおいて、
   前記中心突極の幅τｃｐと、スロットピッチτｓに対して０．３５＜τｃｐ/τｓ＜０．７としたことを特徴とする永久磁石モータ。
4. 請求項１に記載の永久磁石モータにおいて、
   １極に対して、前記Ｕ字状永久磁石と外周部永久磁石との間に構成された突極の幅τｂｐと前記中心突極の幅τｃｐとを含めた合計幅τａｐと、スロットピッチτｓに対して２．１＜τａｐ/τｓ＜３．３５としたことを特徴とする永久磁石モータ。
5. 請求項１に記載の永久磁石モータにおいて、
   １極に対して、前記Ｕ字状永久磁石と外周部永久磁石との間に構成された突極の幅τｂｐと前記中心突極の幅τｃｐとを含めた合計幅τａｐと、スロットピッチτｓに対して２．５７＜τａｐ/τｓ＜２．８４としたことを特徴とする永久磁石モータ。

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