JP6620097B2 - 永久磁石モータ - Google Patents

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関連出願への相互参照
本願は、「Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｍｏｔｏｒ」と題する２０１３年１２月２５日に出願された中国特許出願第２０１３１０７３７７４５．１号の優先権を主張するものであり、その全文が引用により本明細書に組み込まれる。

本開示は、モータ、より詳細には、永久磁石モータの技術分野に関する。

永久磁石がモータの内部に配置された埋込型永久磁石モータ（ＩＰＭ）に関して、結果的に生じる電磁トルクは、永久磁石トルクとリラクタンストルクを含む。永久磁石トルクは、固定子磁界と相互作用する回転子永久磁界によって発生する。リラクタンストルクは、その直軸インダクタンス及び横軸インダクタンスが異なる回転子鉄心と相互作用する固定子磁界によって発生する。永久磁石が回転子鉄心の表面上に実装された表面実装型永久磁石モータ（ＳＰＭ）に比べて、埋込型永久磁石モータ（ＩＰＭ）は、リラクタンストルクの利用の増加により、高効率化をより容易に達成することができる。

一方、回転子内に永久磁石の複数の層が配置された永久磁石補助型同期リラクタンスモータは、ＩＰＭモータに比べて、直軸インダクタンスと横軸インダクタンスとの差がさらに増加し、リラクタンストルクの利用が大いに増加し、モータの高効率化を実現し、モータのコストが大いに低減する。例えば、特許ＺＬ２０１２１００５６２０４．８は、モータのリラクタンストルクの利用を増加させることができる回転子構造を開示する。

しかしその研究では、モータのリラクタンストルクの利用の増加と共に、結果的に生じる電磁トルクにおけるリラクタンストルクの割合が増加することになり、したがって、モータのトルクリップルが増加し、さらにモータの振動及び音響ノイズの問題が生じることが分かった。特に、モータが高速で動作することができるようにモータの弱め界磁制御が必要とされるときに、リラクタンストルクの割合が大きくなり、問題がより顕著になる。

公開番号ＵＳ２０１０００７９０２６の米国特許出願は、極対あたりの固定子スロットの数が奇数である永久磁石モータを開示し、この場合、回転子永久磁石の角度プロファイルの調整を通じて永久磁石の磁界分布が改善され、これにより、高調波成分が減少し、さらに渦電流損失及びトルクリップルが減少する。この特許出願によれば、改善されるのは主に回転子永久磁石の磁界分布であり、これは永久磁石トルクリップルを減少させる一助となるが、リラクタンストルクリップルを抑制するのに効果的ではない。そのうえ、極対あたりの固定子スロットの数が奇数であるため、これは固定子スロット／極／相の数（固定子スロットの数／極対の数／巻線の相の数／２）が分数であることを意味する。現在の研究は、固定子スロット／極／相の数が分数であるモータの固定子磁界は、固定子スロット／極／相の数が整数であるモータの固定子磁界よりもさらに多くの高調波成分を有し、したがって、前者のモータはリラクタンストルクリップルを減少するのに不利であることを示している。

永久磁石の単一の層を有するモータに比べて、回転子内に永久磁石の複数の層が配置された永久磁石補助型同期リラクタンスモータは、直軸インダクタンスと横軸インダクタンスとの差が増加し、これにより、リラクタンストルクの利用が大いに増加し、より大きい出力トルク及びより高い効率を実現することができるが、リラクタンストルクが固定子と回転子の相対位置の変化に起因してリップルを発生させる傾向があり、これはモータの電磁トルクリップルを増加させ、これにより、モータが振動し、より大きいノイズが発生することになるという主な理由のために、全電磁トルクにおけるリラクタンストルクの割合の増加と共にいくつかの問題が生じることになる。

従来技術では、永久磁石補助型同期リラクタンスモータのトルクリップルを減少させるために通常用いられる方法は、モータの固定子スロットの数と回転子内に配置される永久磁石の層の数を増加させることであるが、この方法は、モータの製造をより複雑にすることになり、トルクリップルの大きさの減少に限りがある。図１に示すように、永久磁石補助型同期リラクタンスモータは、固定子１及び回転子４を備える。固定子は、少なくとも、磁性材料で作製される固定子鉄心２と、固定子巻線３を備え、回転子４は少なくとも回転子鉄心５を備え、回転子鉄心の各回転子極は、複数の永久磁石溝６ａ及び６ｂと、永久磁石溝内に配置される永久磁石７ａ及び７ｂを備える。

従来技術での状況を考慮して、研究では、負荷を有するモータの回転中に、固定子の磁界は常に、モータの回転方向に沿って、図２に示すように回転子の磁界の前側に存在することが分かった。さらに、固定子の磁界の多くは一定の角度範囲内に集中し、回転子の磁力線は、固定子に入って固定子の磁力線につながる前に、永久磁石溝の外側セグメントに隣接して存在する磁束路の端を通る必要がある。回転子が回転するときに、固定子歯に対する回転子の磁束路の相対位置の変化が、磁力線の経路内の磁気抵抗を変化させ、これにより、トルクリップルが発生することになる。回転子の永久磁石溝の端が磁力線の経路を遮るとき、モータの瞬間トルクは平均電磁トルクよりも小さく、磁力線の経路がより長時間遮られると、最小ピークトルク値がより小さくなり、モータのトルクリプルがより大きくなる。

本開示の１つの目的は、永久磁石モータを提供することである。既存の構造を有するモータに比べて、本開示のモータは、そのトルクリップルを劇的に減少させる。上記の目的を実現するための本発明の技術的方案は以下のとおりである。

永久磁石モータが固定子及び回転子を備え、前記固定子が固定子鉄心及び巻線を備え、回転子が回転子鉄心及び永久磁石を備え、回転子の半径方向に、回転子鉄心の各磁極が円弧形永久磁石溝の複数の層を備え、２つの隣接する磁極間にｑ軸磁束路が形成され、永久磁石溝内に永久磁石が配置される。

回転子の２つの隣接する磁極がそれぞれ第１の磁極及び第２の磁極であり、第１の磁極と第２の磁極が反対の極性を有し、第１の磁極内に配置される永久磁石の外端点が第１の外端点であり、前記外端点がｑ軸から離れた方に存在し、第２の磁極内に配置される永久磁石の外端点が第２の外端点であり、前記外端点がｑ軸から離れた方に存在し、回転子の中心に関する第１の外端点と第２の外端点との夾角Ａが８０度の電気角度よりも小さく、この場合、固定子スロットの数はＮであり、回転子極対の数はＰであり、巻線の相の数はｍであり、固定子スロット／極／相の数（Ｎ／２Ｐ／ｍ）は整数である。

実施形態のうちの１つでは、回転子の半径方向に、回転子鉄心の各磁極が円弧形永久磁石溝の２つの層を備え、第１の磁極における永久磁石の外側層の外端点が第１の外端点であり、前記外端点がｑ軸から離れた方に存在し、第２の磁極における永久磁石の外側層の外端点が第２の外端点であり、前記外端点がｑ軸から離れた方に存在する。

さらに、第１の磁極における永久磁石の内側層の外端点が第３の外端点であり、前記外端点がｑ軸から離れた方に存在し、第２の磁極における永久磁石の内側層の外端点が第４の外端点であり、前記外端点がｑ軸から離れた方に存在し、回転子の中心に関する第３の外端点と第４の外端点との夾角Ｂが、回転子の中心に関する１つの固定子歯によって離間される２つの固定子歯部間の内側夾角Ｃよりも小さくなるように構成される。

実施形態のうちの１つでは、回転子の半径方向に、回転子鉄心の各磁極が円弧形永久磁石溝の３つの層を備え、第１の磁極における永久磁石の中間層の外端点が第１の外端点であり、前記外端点がｑ軸から離れた方に存在し、第２の磁極における永久磁石の中間層の外端点が第２の外端点であり、前記外端点がｑ軸から離れた方に存在する。

さらに、第１の磁極の最も内側の層内に配置される永久磁石の外端点が第５の外端点であり、前記外端点がｑ軸から離れた方に存在し、第２の磁極の最も内側の層における永久磁石の外端点が第６の外端点であり、前記外端点がｑ軸から離れた方に存在し、回転子の中心に関する第５の外端点と第６の外端点との夾角Ｂが、回転子の中心に関する１つの固定子歯によって離間される２つの固定子歯部間の内側夾角Ｃよりも小さくなるように構成される。

実施形態のうちの１つでは、モータの固定子スロットの数はＮであり、回転子極対の数はＰであり、固定子スロット／極／相の数（Ｎ／２Ｐ／ｍ）は２であり、夾角Ａは、回転子の中心に関する１つの固定子歯によって離間される２つの固定子歯部間の外側夾角Ｄよりも小さい。

実施形態のうちの１つでは、永久磁石溝内の永久磁石の充填率は、８５％を上回るように構成される。

実施形態のうちの１つでは、永久磁石溝の各２つの隣接する層間に磁束路が形成され、磁束路の一方の端点は１つの固定子歯に正対し、磁束路の他方の端点は１つの固定子スロットに正対する。

実施形態のうちの１つでは、回転子の磁極間の幅Ｓは、固定子スロットのスロット開口部の幅Ｇよりも小さい。

実施形態のうちの１つでは、磁束障壁の幅が不均等となるように構成され、幅は、磁極の中心線からｑ軸に向かう方向に徐々に減少する。

実施形態のうちの１つでは、永久磁石溝の端点はｑ軸の方に偏移される。

実施形態のうちの１つでは、永久磁石溝の内側円弧の端点は、面取り部になるよう切断される。

本開示の有益な効果は以下の通りである。

本開示の永久磁石モータは、回転子内に永久磁石の複数の層が配置された永久磁石補助型同期リラクタンスモータのトルクリップルを抑制し、固定子歯スロットに対する回転子の相対位置の変化に伴う直軸インダクタンスと横軸インダクタンスとの差の変動を減少させることができる。既存の構造を有するモータに比べて、本開示のモータは、そのトルクリップルを劇的に減少させる。

従来技術の永久磁石モータの概略図である。 図１の永久磁石モータが負荷を有する状態で動作するときの磁力線の分布図である。 永久磁石モータの回転子が２層の永久磁石を含む、本発明の一実施形態に係る永久磁石モータを例示する構造的概略図である。 図３の永久磁石モータ及び従来技術の永久磁石モータのインダクタンスの差の変動を例示する比較図である。 図３の永久磁石モータのトルクリップルと従来技術での永久磁石モータのトルクリップルを例示する比較図である。 永久磁石モータの回転子が３層の永久磁石を含む、本発明の別の実施形態に係る永久磁石モータを例示する構造的概略図である。 永久磁石モータが６極モータである、図３の永久磁石モータの別の実装を例示する構造的概略図である。 図３の永久磁石モータの別の実装を例示する概略図である。 本発明の一実施形態に係る永久磁石モータの永久磁石の充填率を例示する概略図である。 モータの永久磁石溝がそれらの外面上で面取りされる、本発明の一実施形態に係る永久磁石モータを例示する概略図である。 本発明の一実施形態に係る永久磁石モータの固定子歯スロットに対する磁束路の相対位置を例示する概略図である。 本発明の一実施形態に係る永久磁石モータの永久磁石溝の端点の偏り位置を例示する概略図である。 磁束障壁が不均等な厚さを有する、本発明の一実施形態に係る永久磁石モータの永久磁石の磁束障壁を例示する概略図である。

本開示の目的、技術的方案、及び利点がより明らかとなり、かつ、よりよく理解されるようにするために、本開示の永久磁石モータを、添付図及び実施形態を参照してより詳細に説明する。本明細書で説明される実施形態は、本発明の範囲を限定するためではなく本発明を単に説明するために用いられることを理解されたい。

図３〜図１３に示すように、本発明の一実施形態では、永久磁石モータは固定子１及び回転子４を含み、固定子１は固定子鉄心２及び巻線３を含み、回転子４は回転子鉄心５及び永久磁石７ａ、７ｂを含む。回転子４の半径方向に、回転子鉄心５の各磁極は、円弧形永久磁石溝の複数の層６ａ、６ｂを備え、２つの隣接する磁極間にｑ軸磁束路が形成され、永久磁石溝６ａ、６ｂ内に永久磁石７ａ、７ｂが配置される。

回転子４の２つの隣接する磁極は、それぞれ反対の極性を有する第１の磁極及び第２の磁極である。第１の磁極内に配置される永久磁石７ａの外端点が第１の外端点であり、前記外端点はｑ軸から離れた方に存在し、第２の磁極内に配置される永久磁石７ｂの外端点が第２の外端点であり、前記外端点はｑ軸から離れた方に存在する。回転子４の中心に関する第１の外端点と第２の外端点との夾角Ａ（外側夾角）は、８０度の電気角度よりも小さく、この場合、固定子スロット９の数（スロットの数）はＮであり、回転子極対の数はＰであり、巻線の相の数はｍであり、固定子スロット／極／相の数（Ｎ／２Ｐ／ｍ）は整数である。永久磁石溝内の永久磁石の充填率は８５％を上回ることが好ましく、全電磁トルクにおけるリラクタンストルクの割合を減少させるために、永久磁石溝内の永久磁石の充填率は８５％を上回るように構成され、これにより、全電磁トルクリップルが減少する。一対の極における永久磁石の外側層の端点間の外側夾角Ａは、磁力線の経路が回転子の永久磁石溝の端点によって遮られる時間が減少して、図４に示すように変動中の直軸インダクタンスと横軸インダクタンスとの最小差が増大するように、８０度の電気角度よりも小さくなるように構成される。その結果、図５に示すように電磁トルクの最小値が効果的に増大し、改善されたモータのトルクリップルの最小トルク値は、従来技術と比べて大いに増大する。好ましくは、図３に示すように、モータの固定子スロットの数はＮであり、回転子極対の数はＰであり、固定子スロット／極／相の数（Ｎ／２Ｐ／ｍ）は２であり、夾角Ａは、回転子４の中心に関する固定子１の１つの固定子歯によって離間される２つの固定子歯部間の外側夾角Ｄよりも小さい。最小トルクの増大においてより良好な効果を達成することができる。

実装のうちの１つとして、回転子４の半径方向に、回転子鉄心５の各磁極は、円弧形永久磁石溝の２つの層を備える。第１の磁極における永久磁石の外側層７ａの外端点が第１の外端点であり、前記外端点はｑ軸から離れた方に存在し、第２の磁極の永久磁石の外側層７ａの外端点が第２の外端点であり、前記外端点はｑ軸から離れた方に存在する。回転子４の中心に関する第１の外端点と第２の外端点との夾角Ａ（外側夾角）は、８０度の電気角度よりも小さい。

さらに、第１の磁極における永久磁石の内側層７ｂの外端点が第３の外端点であり、前記外端点はｑ軸から離れた方に存在し、第２の磁極における永久磁石の内側層７ｂの外端点が第４の外端点であり、前記外端点はｑ軸から離れた方に存在する。回転子の中心に関する第３の外端点と第４の外端点との夾角Ｂは、１つの固定子歯によって離間される２つの固定子歯部間の内側夾角Ｃよりも小さくなるように構成される。永久磁石の内側層の外端点間の夾角Ｂが、１つの固定子歯によって離間される２つの固定子歯部間の内側夾角Ｃよりも小さくなるように構成される構成は、固定子の磁界と回転子の永久磁石の内側層の磁界との夾角の変化によって生じるトルクリップルを回避する。

実装のうちの１つとして、図６に示すように、回転子４の半径方向に、回転子鉄心５の各磁極は、円弧形永久磁石溝の３つの層６ａ、６ｂ、６ｃを備える。第１の磁極における（永久磁石溝６ｂにおける）永久磁石の中間層の外端点が第１の外端点であり、前記外端点はｑ軸から離れた方に存在し、第２の磁極における永久磁石の中間層の外端点が第２の外端点であり、前記外端点はｑ軸から離れた方に存在する。回転子４の中心に関する第１の外端点と第２の外端点との夾角Ａ（外側夾角）は、８０度の電気角度よりも小さい。

さらに、第１の磁極における（永久磁石溝６ｃにおける）永久磁石の最も内側の層の外端点が第５の外端点であり、前記外端点はｑ軸から離れた方に存在し、第２の磁極における（永久磁石溝６ｃにおける）永久磁石の最も内側の層の外端点が第６の外端点であり、前記外端点はｑ軸から離れた方に存在する。回転子４の中心に関する第５の外端点と第６の外端点との夾角Ｂは、１つの固定子歯１１によって離間される２つの固定子歯部間の内側夾角Ｃよりも小さくなるように構成される。回転子の永久磁石層の数が３つの構成では、ｑ軸磁力線の経路は主に、永久磁石の最も外側の層の内側及び永久磁石の層間に存在する磁束路に集中するので、永久磁石の中間層の端点間の外側夾角Ａが８０度の電気角度よりも小さくなるように構成される構成は、トルクリップルにおける最小トルク値を増大させる。

実施形態のうちの１つとして、図８に示すように、回転子の極間の幅Ｓは、固定子スロットのスロット開口部の幅Ｇよりも小さい。回転子の極間の幅Ｓが固定子スロットのスロット開口部の幅Ｇよりも小さい構成は、固定子から回転子の極間の通路に直接進入する磁力線の割合を減少させ、ゆえに、磁力線は最初に、永久磁石間に及び回転方向に沿って回転子の極間の通路の後側に存在する磁束路に進入し、次いで、磁力線は、回転子の極間の通路に進入し、したがって、磁力線の経路全体の全リラクタンスが増加し、固定子歯スロットに対する回転子の相対位置の変化によって生じるリラクタンスの変化は、磁力線の経路全体の全リラクタンスにおいてより低い割合を占める。その結果、インダクタンスの変動が減少し、リラクタンストルクリップルが減少する。

実施形態のうちの１つとして、図１１に示すように、永久磁石溝の２つの隣接する層間に磁束路１０が形成される。磁束路１０の一方の端は固定子歯１１に正対し、磁束路１０の他方の端は固定子スロット９に正対する。永久磁石間の磁束路１０の一方の端が固定子歯に正対し、磁束路１０の他方の端が固定子スロットに正対する構成は、固定子歯スロットに対する回転子の相対位置が変化するときのモータの横軸インダクタンスのリップルを減少させ、モータのリラクタンストルクをより平滑にする。

回転子の永久磁石溝間の内側夾角Ａ又はＢを減少させるために、永久磁石溝の内側円弧の端が切断される。図１０に示すように、永久磁石溝の内側円弧の端は、面取り部８になるよう切断される。

回転子の永久磁石溝間の内側夾角Ａ又はＢを減少させるために、回転子の永久磁石溝の端点は、磁極の境界、すなわちｑ軸の方に偏移されるように構成される。図１２に示すように、永久磁石溝の端点は、図面に示される矢印の方向にｑ軸の方に偏移される。

同様に、磁束障壁の幅は、不均等となり、磁極の中心線から磁極の境界に向かう方向に徐々に減少するように構成され、これにより、回転子の永久磁石溝間の内側夾角Ａ又はＢを減少させる効果を実現する。図１３に示すように、回転子の磁束障壁１２の幅は、不均等であり、磁極の中心線（ｄ軸）からｑ軸に向かう方向に徐々に減少する。

上記の実施形態の永久磁石モータは、回転子内に永久磁石の複数の層が配置された永久磁石補助型同期リラクタンスモータのトルクリップルを抑制することができ、固定子歯スロットに対する回転子の相対位置の変化に伴う直軸インダクタンスと横軸インダクタンスとの差の変動を減少させ、既存の構造を有するモータに比べてそのトルクリップルを劇的に減少させることができる。

上記で説明されるのは本発明のいくつかの実施形態であり、それらは具体的かつ詳細であるが、本発明の範囲を限定することを意図されない。本発明の概念から逸脱することなく種々の修正及び改善を行うことができ、すべてのこれらの修正及び改善は本発明の範囲内であることが当業者によって理解されるであろう。本発明の範囲は、添付の請求項の対象となるものである。

Claims (9)

1. 固定子及び回転子を備え、前記固定子が固定子鉄心及び巻線を備える、永久磁石モータであって、
   前記回転子が回転子鉄心及び永久磁石を備え、前記回転子の半径方向に、前記回転子鉄心の各磁極が円弧形永久磁石溝の２つの層を備え、２つの隣接する磁極間にｑ軸磁束路が形成され、前記永久磁石溝内に前記永久磁石が配置され、
   前記回転子の２つの隣接する磁極がそれぞれ第１の磁極及び第２の磁極であり、前記第１の磁極と前記第２の磁極が反対の極性を有し、前記第１の磁極内の永久磁石の外側層の外端点が第１の外端点であり、前記外端点が前記ｑ軸から離れた方に存在し、前記第２の磁極内の永久磁石の外側層の外端点が第２の外端点であり、前記外端点が前記ｑ軸から離れた方に存在し、
   前記回転子の中心に関する前記第１の外端点と前記第２の外端点との間の夾角Ａが８０度の電気角度よりも小さく、固定子スロットの数がＮであり、回転子極対の数がＰであり、巻線の相の数がｍであり、固定子スロット／極／相の数（Ｎ／２Ｐ／ｍ）が整数であって、 前記第１の磁極における永久磁石の内側層の外端点が第３の外端点であり、前記外端点が前記ｑ軸から離れた方に存在し、前記第２の磁極における永久磁石の内側層の外端点が第４の外端点であり、前記外端点が前記ｑ軸から離れた方に存在し、前記回転子の中心に関する前記第３の外端点と前記第４の外端点との間の夾角Ｂが、前記回転子の中心に関する１つの固定子歯によって離間される２つの固定子歯部間の内側夾角Ｃよりも小さくなるように構成される、
   永久磁石モータ。
2. 固定子および回転子を備え、前記固定子が固定子鉄心及び巻線を備える、永久磁石モータであって、
   前記回転子が回転子鉄心及び永久磁石を備え、
   前記回転子の半径方向に、前記回転子鉄心の各磁極が円弧形永久磁石溝の３つの層を備え、２つの隣接する磁極間にｑ軸磁束路が形成され、前記永久磁石が前記永久磁石溝内に配置され、
   前記回転子の２つの隣接する磁極は、それぞれ第１の磁極および第２の磁極であり、前記第１および第２の磁極は反対の極性を有し、
   前記第１の磁極における永久磁石の中間層の外端点が第１の外端点であり、前記外端点が前記ｑ軸から離れた方に存在し、前記第２の磁極における永久磁石の中間層の外端点が第２の外端点であり、前記外端点が前記ｑ軸から離れた方に存在し、
   前記回転子の中心に関する前記第１の外端点と前記第２の外端点との夾角Ａが８０度の電気角度よりも小さく、ここで、固定子スロットの数はＮであり、回転子極対の数はＰであり、巻線の相の数はｍであり、固定子スロット／極／相の数（Ｎ／２Ｐ／ｍ）は整数であり、
   前記第１の磁極の最も内側の層内に配置される永久磁石の外端点が第５の外端点であり、前記外端点が前記ｑ軸から離れた方に存在し、前記第２の磁極の最も内側の層における永久磁石の外端点が第６の外端点であり、前記外端点が前記ｑ軸から離れた方に存在し、前記回転子の中心に関する前記第５の外端点と前記第６の外端点との夾角Ｂが、前記回転子の中心に関する１つの固定子歯によって離間される２つの固定子歯部間の内側夾角Ｃよりも小さくなるように構成される、
   永久磁石モータ。
3. 前記モータの固定子スロットの数がＮであり、前記回転子極対の数がＰであり、前記固定子スロット／極／相の数（Ｎ／２Ｐ／ｍ）が２であり、前記夾角Ａが、前記回転子の中心に関する１つの固定子歯によって離間される２つの固定子歯部間の外側夾角Ｄよりも小さい、請求項１または請求項２に記載の永久磁石モータ。
4. 前記永久磁石溝内の永久磁石の充填率が８５％を上回るように構成される、請求項１または請求項２に記載の永久磁石モータ。
5. 前記永久磁石溝の各２つの隣接する層間に磁束路が形成され、前記磁束路の一方の端点が１つの固定子歯に正対し、前記磁束路の他方の端点が１つの固定子スロットに正対する、請求項１または請求項２に記載の永久磁石モータ。
6. 前記回転子の磁極間の幅Ｓが、前記固定子スロットのスロット開口部の幅Ｇよりも小さい、請求項１または請求項２に記載の永久磁石モータ。
7. 磁束障壁の幅が不均等となるように構成され、前記幅が前記磁極の中心線から前記ｑ軸に向かう方向に徐々に減少する、請求項１または請求項２に記載の永久磁石モータ。
8. 前記永久磁石溝の端点が前記ｑ軸の方に偏移される、請求項１または請求項２に記載の永久磁石モータ。
9. 前記永久磁石溝の内側円弧の端点が面取り部になるよう切断される、請求項１または請求項２に記載の永久磁石モータ。

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