JP5985358B2 - 永久磁石式同期モータ - Google Patents

Description

本発明は、駆動用原動機となる永久磁石式同期モータに関する。

駆動用原動機となり、発電機となり得る永久磁石式同期モータは、特許文献１に開示されるように、鋼板を全体として柱状に積層した回転子鉄心と、この回転子鉄心中にその軸心を中心とする略正多角形の各辺に対応する部位に形成された永久磁石収容孔と、前記永久磁石収納孔にそれぞれ挿入された永久磁石と、前記永久磁石収容孔の外周部鉄心に形成され、径方向に細長く、かつ、前記永久磁石収容孔に沿って離隔配置された４個以上のスリット孔とを備えている（請求項１）。

そして、前記４個以上のスリット孔は、径方向外側端のピッチを略等しくし、径方向内側端のピッチを永久磁石の中央部を大きくし、中央部から端部に離れるに従って小さく形成されており、また、スリット孔のピッチを略等しくして互いに平行に形成するものもある。ＩＩＩＶ
また、特許文献２に開示されるように、ロータの外周部の形状を、永久磁石を挿入したスロットの径外側の磁極部を磁極中心を境にして周方向に次第に径小となる曲面の円弧膨出状に形成し、この円弧膨出状磁極部間を凹部で繋いで、ティースとの間隙を変化させるようにしている。

特開２００５−０９４９６８号公報 特開２０１２−１５１９７０号公報

前記特許文献１の技術は、回転子鉄心の外形が円形であるので、多数本のスリット孔で磁束を細かく制御して、モータ電圧波形を微細に調整し、高調波磁束を減少させて、コギングトルクの減少により振動を抑制しているが、磁極中心でその両側より磁束が多くなるためモータ電圧波形の頂が高くなり、また、磁束を細かく制御してもモータ電圧波形の大きな歪みを減少させることは困難であり、１個の永久磁石に対して多数本のスリット孔を細かく製作しなくてはならなく、製作が困難になっている。

また前記特許文献２の技術は、ロータの外周部の円弧膨出状磁極部と凹部とによって、ロータとステータとの間のエアギャップにおける磁束密度分布を適正にすることが可能になるが、磁束が制御されていないため、モータ電圧波形の頂が高く、また、モータ電圧波形の大きな歪みを減少することも困難になっている。
本発明は、このような従来技術の問題点を解決できるようにした永久磁石式同期モータを提供することを目的とする。

本発明は、ロータの外周形状及び磁極部のスリットによる異なる幅の磁路形状を最適に設定することにより、モータ電圧波形の大きな歪みを減少して波形整形できるようにした永久磁石式同期モータを提供することを目的とする。

本発明における課題解決のための具体的手段は、次の通りである。
第１に、コイル３を集中巻きした円筒状ステータ４と、外周部に周方向等間隔に永久磁石５を配置したロータ６とを備えており、前記ロータ６の外周部には、永久磁石を挿入したスロット７と、このスロット７の径外側で外周面が磁極中心ｄを境にして周方向に次第に径小となる曲面の円弧膨出状磁極部８と、この磁極部８間を繋ぐ略三日月状凹部９とが形成されており、
前記各磁極部８には、永久磁石５の磁極面Ｇと直交する方向に長いスリット１０が磁極中心ｄを境にして対称状に複数本平行に形成されていて、中心側スリット１０ｓ間に磁束が通る中央磁路１２が形成され、中心側スリット１０ｓとその両側の側部スリット１０ｅとの間に磁束が通る側部磁路１３が形成され、両側部スリット１０ｅより磁極部８の端部側に磁束が通る端部磁路１４が形成されており、
前記ステータ４のモータ電圧の波形の頂Ａを、ロータ６の外周部形状を円弧膨出状磁極部８と略三日月状凹部９とを形成することにより頂高さを低く抑え、磁極部８に複数本のスリット１０を形成することにより頂高さを低く抑えるとともに時間方向の幅を広げ、中央磁路１２の幅を側部磁路１３の幅より広く形成することにより頂高さを高くするとともに時間方向の幅を更に広げており、
側部磁路１３から側部スリット１０ｅを介在して端部磁路１４を形成しかつ端部磁路１４に隣接して凹部９を形成することにより、モータ電圧波形の頂Ａから裾野Ｂへスムーズな傾斜面Ｅに形成し、
前記ステータ４は、コイル３が巻き付けられるティース４ａを周方向に間隔をおいて有し、前記ティース４ａは、ステータ４の外周部から径内方向に突出する本体部と、この本体部の先端部から周方向両側に延びるつば部とを有し、
前記永久磁石５の磁極中心ｄがティース４ａの中心と一致した状態において、該一致した状態における永久磁石５に対応する磁極部８に設けられた全てのスリット１０が、該一致した状態におけるティース４ａの本体部の幅内に位置していることを特徴とする。

第２に、前記スリット１０は各磁極部８に２本の中心側スリット１０ｓと２本以上の側部スリット１０ｅとが形成され、前記モータ電圧波形の裾野Ｂにおける頂Ａ側の部分を、側部スリット１０ｅと端部磁路１４と磁極部８の円弧面とを形成することにより裾野Ｂの高さを低く抑えていることを特徴とする。
第３に、前記ロータ６の円弧膨出状磁極部８と略三日月状凹部９とで形成される外周面とステータ４の内周面との間に形成されるエアギャップＨにおける磁束密度分布を略正弦波形に設定していることを特徴とする。

第４に、前記永久磁石５及びスロット７は、各磁極部８の磁極中心ｄを境にして、小磁石５ａ及び小スロット７ａを２個対称配置していることを特徴とする。
第５に、前記中央磁路１２と側部磁路１３と前記スリット１０との幅の寸法比を、６：５：２に設定していることを特徴とする。
第６に、前記凹部９は、磁極部８の外周面の端部からロータ径内方向に傾斜した前後側壁９ｆ、９ｒと、この前後側壁９ｆ、９ｒを繋ぐ底壁９ｃとを有し、前記底壁９ｃは永久磁石５の磁極面Ｇよりロータ中心側に位置していることを特徴とする。

本発明によれば、同期モータのモータ電圧波形の大きな歪みを減少して理想的な波形に整形でき、トルクリプルを抑えることができる。
即ち、請求項１に係る発明は、ロータ６の外周部に円弧膨出状磁極部８と略三日月状凹部９とを形成し、磁極部８に、磁極中心ｄから順次、中央磁路１２、中心側スリット１０ｓ、側部磁路１３、側部スリット１０ｅ、端部磁路１４を形成し、ステータ４のモータ電圧の波形の頂Ａを、磁極部８と凹部９のロータ外周形状により頂高さを低く抑え、複数本の平行なスリット１０で頂高さを低く抑えかつ時間方向の幅を広げ、中央磁路１２の幅を側部磁路１３の幅より広く形成して頂高さを高くしかつ時間方向の幅を更に広げ、側部磁路１３、側部スリット１０ｅ、端部磁路１４及び凹部９を形成して頂Ａから裾野Ｂへスムーズな傾斜面Ｅに形成しているので、モータ電圧波形の大きな歪みを減少して、理想の正弦波形に近づくように波形整形でき、トルクリプルを抑えることができる。

請求項２に係る発明は、モータ電圧波形の裾野Ｂにおける頂Ａ側の部分を、側部スリット１０ｅと端部磁路１４と磁極部８の円弧面とを形成することにより裾野Ｂの高さを低く抑えているので、波形の裾野Ｂも理想の正弦波形に近づけることができる。
請求項３に係る発明は、エアギャップＨにおける磁束密度分布を略正弦波形に設定しているので、モータ電圧波形の波形整形を容易にできる。

請求項４に係る発明は、永久磁石５及びスロット７は、各磁極部８の磁極中心ｄを境にして、小磁石５ａ及び小スロット７ａを２個対称配置しているので、永久磁石５の磁極中心ｄにおける磁束を減少させることができる。
請求項５に係る発明は、中央磁路１２と側部磁路１３との幅比は１２対８〜１１に設定されているので、モータ電圧波形の頂Ａの高さを適正に抑えることができる。

請求項６に係る発明は、凹部９を前後側壁９ｆ、９ｒとそれを繋ぐ底壁９ｃとで形成して、底壁９ｃを永久磁石５の磁極面Ｇよりロータ中心側に位置させることにより、モータ電圧波形の正負の裾野Ｂの繋ぎ部分をスムーズに整形できる。

本発明の実施の形態を示す要部の拡大断面正面図である。 同全体断面平面図である。 磁力線を示す説明図である。 モータ電圧波形特性を示す説明図である。 トルク特性を示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１〜５に示す永久磁石式同期モータ１は、集中巻き方式の永久磁石埋込型同期電動機（ＩＰＭＳＭ）であり、モータジェネレータにも使用可能な電動機である。
永久磁石式同期モータ１は、コイル（巻線）３を集中巻きした円筒状ステータ４と、外周部に周方向等間隔に永久磁石５を配置したロータ６と、このロータ６をキー１６を介して取り付けたモータ軸１７とを備えている。

図１、２において、ステータ４は、薄い電極鋼板を複数枚積層した固定子鉄心に周方向２０度間隔をおいてティース４ａを形成し、このティース４ａに固定子コイル３を所定の巻き数で直接巻き付けて集中巻きにしたものであり、円筒形状になっている。
ロータ６は、例えば、薄いけい素鋼板を複数枚積層した回転子鉄心の外周部に周方向３０度間隔をおいてスロット７を形成し、そのスロット７内に永久磁石５を埋設している。永久磁石５は外周側の磁極面ＧがＳ極になるものとＮ極になるものとがロータ６の周方向に交互に配置されている。

このロータ６の外周部には、スロット７の径外側で外周面が磁極中心（ｄ軸）ｄを境にして周方向に次第に径小となる曲面の円弧膨出状磁極部８と、この磁極部８間を繋ぐ略三日月状（略台形状）の凹部９とが形成されている。
前記凹部９は、磁極部８の外周面の端部からロータ径内方向に傾斜した前後側壁９ｆ、９ｒと、この前後側壁９ｆ、９ｒを繋ぐ底壁９ｃとが形成され、ロータ径方向において前記底壁９ｃは永久磁石５の磁極面Ｇよりロータ中心側に位置されている。凹部９はｑ軸を中心に周方向対称形状である。

ロータ６の外周面は、磁極部８の磁極中心ｄがステータ４のティース４ａの内周面に最も近く、磁極中心ｄから周方向に離れるに従ってティース４ａの内周面から遠のき、凹部９で最も離れている。
これにより、ロータ６の外周面とティース４ａの内周面との間の磁極間距離が、ロータ６の周方向にスムーズ（正弦波的）に変化するようになっている。即ち、ロータ６の円弧膨出状磁極部８と略三日月状凹部９とで形成される外周面とステータ４の内周面との間に形成されるエアギャップＨにおける磁束密度分布を略正弦波形に設定している。

永久磁石５及びスロット７はそれぞれ１本づつでもよいが、実施形態では、各磁極部８の磁極中心ｄを境にして、小磁石５ａ及び小スロット７ａを２個対称配置しており、２本の小スロット７ａは分離形成されていて、その間は鋼板が存在し、磁束が通れるようになっている。
前記各磁極部８には、永久磁石５の磁極面Ｇと直交する方向に長いスリット１０が磁極中心ｄを境にして対称状に４本形成されていて、２本の中心側スリット１０ｓ及び２本の側部スリット１０ｅは磁極中心ｄと平行に形成されている。

中心側スリット１０ｓ間には磁束が通る１本の中央磁路１２が形成され、中心側スリット１０ｓとその両側の側部スリット１０ｅとの間には磁束が通る２本の側部磁路１３が形成され、両側部スリット１０ｅより磁極部８の端部側には磁束が通る２本の端部磁路１４が形成されている。
前記中央磁路１２は側部磁路１３より幅広に形成されており、中央磁路１２、側部磁路１３及びスリット１０の幅の寸法比は、例えば、６：５：２になっており、中央磁路１２及び側部磁路１３の幅は磁束飽和を生じない寸法に設定されている。

なお、前記中央磁路１２、側部磁路１３及びスリット１０の幅の寸法比は、１２：８〜１１：２〜５に設定することができる。
磁極部８が円弧膨出状であり、各スリット１０は磁極部８の円弧外周面から一定距離離
れているので、中心側スリット１０ｓは側部スリット１０ｅより長くなっている。この各スリット１０は磁極面Ｇの真上に横磁場を通さないので、永久磁石５の磁極面Ｇから出てくる磁束を、中央磁路１２及び側部磁路１３内で横流れのないように案内し、ティース４ａの内周面に垂直入射させることができる。この磁束がティース４ａの内周面に垂直入射することは、モータ電圧波形の高調波成分が減少することになる。

側部磁路１３から磁極部８までの間は、側部スリット１０ｅを介在して端部磁路１４を形成しており、端部磁路１４に隣接して凹部９が形成されており、側部磁路１３、側部スリット１０ｅ、端部磁路１４及び凹部９を形成することにより、モータ電圧波形の頂Ａから裾野Ｂへスムーズな傾斜面Ｅに形成することになり、次の波形の谷にスムーズに連続することができる。

なお、同期モータ１のモータ電圧の波形は、１周期中の山周期と谷周期とが対称形状であり、山周期側の形状のみ説明に用いる。
同期モータ１は３相交流をコイル３に流すことによりティース４ａに磁場を発生し、ロータ６の永久磁石５と吸引力を発生してロータ６を回転する。その際の磁力線の流れは図３に示される。

図３において、永久磁石５の磁極面Ｇから出る磁力線は、磁極部８内で中心側スリット１０ｓ及び側部スリット１０ｅによって流れ方向が案内されて、磁極部８の円弧周面に至り、磁極部８からティース４ａの内周面に垂直入射される。
永久磁石５の磁極中心ｄがティース４ａの中心と一致した時が吸引力最大の状態であり、中央磁路１２より幅狭の側部磁路１３はスリット１０で磁束が絞られて密度が高くなっており、中央磁路１２は幅広であることにより、磁束が余り絞られなく、磁束密度が低くなっており、結果的に中央磁路１２と側部磁路１３は磁束本数に大差がない。なお、２つの小磁石５ａの境目は中央磁路１２に対応している。

図４に示すステータ４のモータ電圧波形及び図５に示す出力トルクにおいて、２点鎖線波Ｉは、ロータ外周に円弧膨出状磁極部及び凹部が存在しない円形の集中巻き永久磁石式同期モータの電圧基準の波形であり、長点線波ＩＩは、ロータ外周円弧膨出状磁極部及び凹部を有するがスリットを形成していないもの、短点線波ＩＩＩは、円弧膨出状磁極部に４本のスリットを形成したもの、実線波ＩＶは、前記図１、２の実施形態で示したもの、をそれぞれ示しており、１点鎖線Ｖは、理想のモータ電圧正弦波形を示している。

図４及び図５において、２点鎖線波Ｉは、波形の頂Ａが理想正弦波形Ｖより高く突出し、集中巻きＩＰＭ特有の大きく歪んだ電圧波形（半周期で３コブ）を生じている。即ち、波形の頂Ａと裾野Ｂとの間に２つの谷Ｃと２つの小山Ｄとが生じ、トルク３０Ｎｍを基準にして上下に略等しい振幅を生じている。
長点線波ＩＩでは２点鎖線波Ｉに比べて、波形の頂Ａの高さは低くなり、谷Ｃの深さは余り変化ないが、小山Ｄは低くなっており、ロータ６の外周部形状を円弧膨出状磁極部８と略三日月状凹部９とを形成することにより頂Ａの高さが低く抑えられ、電圧波形のピークが緩和され、電圧波形正弦率はやや高く（８６％→８８％）なり、トルク３０Ｎｍを基準にした上下振幅が小さくなっており、トルクリプルが大きく低減（１８％→９％）することになる。

ｑ軸方向のロータ外周部を大きくカットして凹部９を形成した場合、エアギャップＨの磁束密度分布が正弦波形に近づくことによって、永久磁石貼付型同期モータ（ＳＰＭ）のように電圧波形の正弦率の向上とトルクリプルの改善に寄与する。その場合、トルクリプルの改善は大きいものの、正弦率の向上効果は小さい。
短点線波ＩＩＩでは長点線波ＩＩに比べて、波形の頂Ａの高さが大幅に低くなり、理想正弦波形Ｖより低い谷Ｃは存在するが、谷Ｃと小山Ｄの区別がつかなくなっており、頂Ａの高さを低く抑えるとともに時間方向の幅が若干広げられており、磁極部８に複数本のスリット１０を形成することにより、長点線波ＩＩより更に正弦率は向上（８８％→９５％）するものの、トルク３０Ｎｍを基準にした上振幅は２点鎖線波Ｉと略同じであるが、下振幅は２点鎖線波Ｉよりも大きくなっており、トルクリプルが悪化（９％→２３％）している。

従って、ロータ６のｄ軸と平行に複数本のスリット１０を設けた場合、永久磁石５から出た磁束が回転方向のステータ４のティース４ａに渡る際、磁束がスムーズに回転方向のティース４ａに渡るようになるために、正弦率が向上する。しかし、複数本のスリット１０と等分配置している場合は、永久磁石５から出た磁束が回転方向のステータ４のティース４ａに渡る際、スリット１０に遮られてトルク低下につながり、トルクリプルを増大させる場合がある。

実線波ＩＶでは短点線波ＩＩＩに比べて、頂Ａがかさ上げされて理想正弦波形Ｖに近づき、頂Ａの下部の時間方向の幅が広がって谷Ｃと小山Ｄとがなくなり、中央磁路１２の幅を側部磁路１３の幅より広く形成することにより、短点線波ＩＩＩより正弦率を向上しつつ（９５％→９８％）、トルクリプルが大きく低減（２３％→７％）することになる。
前記実施形態の同期モータ１の電圧波形ＩＶは、理想的な正弦波形に近くなると同時に、トルク３０Ｎｍを基準にした上振幅は多少存在するものの、下振幅は解消し、トルクリプルも最小に抑えられている。

複数本のスリット１０を等分配置から中央で広い不等配置にしたことにより、永久磁石５から出た磁束が回転方向のステータ４のティース４ａに渡る際に、中心側スリット１０ｓ間での磁束遮りが減少し、中央磁路１２での磁束流れがスムーズになり、トルクリプルが低減され、トルク低下が防止される。
前述の如く、同期モータ１のモータ電圧波形が理想の正弦波形に近くなると、モータ制御が容易になり、高調波に起因するモータ損失が減少し、モータ効率が向上する。また、波形の頂Ａが低くなって、電圧ピーク値が減少するため、基底速度が上昇してモータの高速化が可能になり、波形の頂Ａから裾野Ｂにかけて凹凸が無くなることにより、コギングトルクあるいはトルクリプルがスムーズになる。

なお、本発明は前記実施形態における各部材の形状及びそれぞれの前後・左右・上下の位置関係は、図１〜５に示すように構成することが最良である。しかし、前記実施形態に限定されるものではなく、部材の形状、構成等を種々変形したり、組み合わせを変更したりすることもできる。
例えば、同期モータ１は、１２極１８スロットに限られず、その他の複数極複数スロットのものでもよい。

また、磁極部８は中心側スリット１０ｓと端部磁路１４との間に２本以上の側部スリット１０ｅを有してもよく、２本以上の側部磁路１３は同一幅又は不同幅に形成できる。
また、中心側スリット１０ｓ及び側部スリット１０ｅは、線形、長円形、長楕円形、円形、多角形等に形成することができる。
永久磁石５は、1個の磁石の磁極面Ｇを磁極部８の円弧外周と同様な円弧面に形成したもの、２個の小磁石５ａを磁極中心ｄに対して傾斜配置したもの、等を使用してもよい。

１ 同期モータ
３ コイル
４ ステータ
４ａ ティース
５ 永久磁石
５ａ 小磁石
６ ロータ
７ スロット
７ａ 小スロット
８ 磁極部
９ 凹部
９ｃ 底壁
９ｆ 前側壁
９ｒ 後側壁
１０ スリット
１０ｅ 側部スリット
１０ｓ 中心側スリット
１２ 中央磁路
１３ 側部磁路
１４ 端部磁路
Ａ 頂
Ｂ 裾野
ｄ 磁極中心（ｄ軸）
Ｅ 傾斜面
Ｇ 磁極面
Ｈ エアギャップ
ｑ ｑ軸

Claims (6)

1. コイル（３）を集中巻きした円筒状ステータ（４）と、外周部に周方向等間隔に永久磁石（５）を配置したロータ（６）とを備えており、前記ロータ（６）の外周部には、永久磁石を挿入したスロット（７）と、このスロット（７）の径外側で外周面が磁極中心（ｄ）を境にして周方向に次第に径小となる曲面の円弧膨出状磁極部（８）と、この磁極部（８）間を繋ぐ略三日月状凹部（９）とが形成されており、
   前記各磁極部（８）には、永久磁石（５）の磁極面（Ｇ）と直交する方向に長いスリット（１０）が磁極中心（ｄ）を境にして対称状に複数本平行に形成されていて、中心側スリット（１０ｓ）間に磁束が通る中央磁路（１２）が形成され、中心側スリット（１０ｓ）とその両側の側部スリット（１０ｅ）との間に磁束が通る側部磁路（１３）が形成され、両側部スリット（１０ｅ）より磁極部（８）の端部側に磁束が通る端部磁路（１４）が形成されており、
   前記ステータ（４）のモータ電圧の波形の頂（Ａ）を、ロータ（６）の外周部形状を円弧膨出状磁極部（８）と略三日月状凹部（９）とを形成することにより頂高さを低く抑え、磁極部（８）に複数本のスリット（１０）を形成することにより頂高さを低く抑えるとともに時間方向の幅を広げ、中央磁路（１２）の幅を側部磁路（１３）の幅より広く形成することにより頂高さを高くするとともに時間方向の幅を更に広げており、
   側部磁路（１３）から側部スリット（１０ｅ）を介在して端部磁路（１４）を形成しかつ端部磁路（１４）に隣接して凹部（９）を形成することにより、モータ電圧波形の頂（Ａ）から裾野（Ｂ）へスムーズな傾斜面（Ｅ）に形成し、
   前記ステータ（４）は、コイル（３）が巻き付けられるティース（４ａ）を周方向に間隔をおいて有し、前記ティース（４ａ）は、ステータ（４）の外周部から径内方向に突出する本体部と、この本体部の先端部から周方向両側に延びるつば部とを有し、
   前記永久磁石（５）の磁極中心（ｄ）がティース（４ａ）の中心と一致した状態において、該一致した状態における永久磁石（５）に対応する磁極部（８）に設けられた全てのスリット（１０）が、該一致した状態におけるティース（４ａ）の本体部の幅内に位置していることを特徴とする永久磁石式同期モータ。
2. 前記スリット（１０）は各磁極部（８）に２本の中心側スリット（１０ｓ）と２本以上の側部スリット（１０ｅ）とが形成され、前記モータ電圧波形の裾野（Ｂ）における頂（Ａ）側の部分を、側部スリット（１０ｅ）と端部磁路（１４）と磁極部（８）の円弧面とを形成することにより裾野（Ｂ）の高さを低く抑えていることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石式同期モータ。
3. 前記ロータ（６）の円弧膨出状磁極部（８）と略三日月状凹部（９）とで形成される外周面とステータ（４）の内周面との間に形成されるエアギャップ（Ｈ）における磁束密度分布を略正弦波形に設定していることを特徴とする請求項１又は２に記載の永久磁石式同期モータ。
4. 前記永久磁石（５）及びスロット（７）は、各磁極部（８）の磁極中心（ｄ）を境にして、小磁石（５ａ）及び小スロット（７ａ）を２個対称配置していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の永久磁石式同期モータ。
5. 前記中央磁路（１２）と前記側部磁路（１３）と前記スリット（１０）との幅の寸法比を、６：５：２に設定していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の永久磁石式同期モータ。
6. 前記凹部（９）は、磁極部（８）の外周面の端部からロータ径内方向に傾斜した前後側壁（９ｆ、９ｒ）と、この前後側壁（９ｆ、９ｒ）を繋ぐ底壁（９ｃ）とを有し、前記底壁（９ｃ）は永久磁石（５）の磁極面（Ｇ）よりロータ中心側に位置していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の永久磁石式同期モータ。