JP7085685B2 - コンシクエントポールモータ - Google Patents

Description

本願は、２０１８年７月１７日に出願された出願番号が「２０１８１０７８４３７８．３」であって発明の名称が「コンシクエントポールモータ」である中国特許出願の優先権を主張し、その全ての内容を本願に組み込む。
本発明はモータ技術分野に関し、特にはコンシクエントポールモータに関する。

従来の永久磁石モータは、例えば８つの永久磁石を持つ８極永久磁石モータは、ロータの中心の周りに永久磁石が周方向において配置されており、且つ、隣接する永久磁石は互いに異なる磁化方向を持っている。一方、コンシクエントポール同期モータは、４つの永久磁石を持っており、同じく周方向において均一に配置される。その中、隣接する永久磁石の磁化方向の長さが同一であり、永久磁石挿入孔は永久磁石の磁極と称される。このようなモータは、２つの永久磁石挿入孔の間にある軟質磁性材料が永久磁石の磁極により磁化されて永久磁石の磁極と反対な極性を持つため、コンシクエントポール永久磁石モータと呼ばれるようになった。このようなモータを用いることによって永久磁石の使用量を大幅に低減することができる。

しかしながら、従来のコンシクエントポールモータにおいては、１対の磁極間で発生する磁力線は１枚の永久磁石のみを通過する。従来のコンシクエントポールモータにおける一枚の永久磁石の厚さは一般モータにおける１枚の永久磁石より厚いが、一般モータにおいては磁気回路が２枚の永久磁石を通過するため、コンシクエントポールモータのｄ軸磁路における永久磁石の厚さはやはり一般モータのｄ軸磁路における永久磁石の等価厚さより薄い。その結果、コンシクエントポールモータは、ｄ軸磁路リラクタンスが小さくてｄ軸インダクタンスが大きいため、ｑ軸とｄ軸とのインダクタンスの差が小さく、したがってリラクタンストルクが小さくて、電磁トルクの向上が制約されている。

本発明は、従来のコンシクエントポールモータにおけるリラクタンストルクが小さくて電磁トルクの向上が難しい課題を解決するために、コンシクエントポールモータを提供する。

課題を解決するための手段及び発明の効果

以上の目的を達成するために、本発明は以下の技術案を提案する。コンシクエントポールモータであって、ロータと、前記ロータを取り囲むように配置されるステータと、を備える。前記ロータは、前記ロータの周方向に沿って均一な間隔で配置される複数の永久磁石の磁極を含む。前記ステータの内側周縁においては、周方向に沿って複数のステータティースが設けられる。前記ロータの永久磁石の磁極は、前記ロータの半径方向に沿って外側から内側に向けて順次配置される第１の永久磁石挿入孔と第２の永久磁石挿入孔を備える。前記第１の永久磁石挿入孔の中に第１層の永久磁石が配置され、前記第２の永久磁石挿入孔の中に第２層の永久磁石が配置される。

本発明により提供されるコンシクエントポールモータは、複数層に配置される永久磁石を用いることによって、モータのリラクタンストルクを向上させて、モータの電磁トルクを向上させることができる。

さらに、本発明の前述実施例によるコンシクエントポールモータは、以下通りの付加的技術特徴を有することができる。

本発明の一実施例において、前記ステータティースの数はｚであり、前記永久磁石の磁極の数はｐである。ここで、各前記永久磁石の磁極の第１の永久磁石挿入孔は、前記ステータの内側周縁の第１の領域に対応する。前記第１の領域におけるステータティースの数はｚ／４ｐ＋１である。

以上の技術案を採用することによって、第１層の永久磁石において発生するマグネットトルクがより大きくなるとともに、第１の永久磁石挿入孔と第２の永久磁石挿入孔との間の磁束通路におけるｑ軸磁路のインダクタンスがより大きくなって、リラクタンストルクが向上する。

本発明の一実施例において、前記ステータティースの数はｚであり、前記永久磁石の磁極の数はｐである。ここで、各前記永久磁石の磁極の第２の永久磁石挿入孔は、前記ステータの内側周縁の第２の領域に対応する。前記第２の領域におけるステータティースの数はｚ／２ｐ＋２である。

以上の技術案を採用することによって、電磁トルクをより一層向上させることができる。

本発明の一実施例において、前記ステータティースの前記ロータに近接する先端の両側には突起部が設けられる。前記第２の永久磁石挿入孔の一側は、第２の領域の一側におけるステータティースの外側の突起部に対応し、前記第２の永久磁石挿入孔の他側は、第２の領域の他側におけるステータティースの外側の突起部に対応する。

以上の技術案を採用することによって、電磁トルクを最大化することができる。

本発明の一実施例において、前記第１層の永久磁石の厚さはｔ１であり、前記第２層の永久磁石の厚さはｔ２である。ここで、１．３＜ｔ１／ｔ２＜１．７である。

以上の技術案を採用することによって、耐減磁性能を満たす前提で、最も少ない永久磁石によって最も大きい電磁トルクを提供することができる。

本発明の一実施例において、前記ロータの軸線に垂直な断面において、前記第１の永久磁石挿入孔の断面及び前記第２の永久磁石挿入孔の断面はいずれも、順次連結する第１のセグメント、第２のセグメント及び第３のセグメントを含む。前記第１のセグメントと前記第３のセグメントとは、前記第２のセグメントの中心線に関して対称になる。さらに、前記第１の永久磁石挿入孔の第２のセグメントの中心線は、前記第２の永久磁石挿入孔の第２のセグメントの中心線と重なり、且つ前記ロータの軸線と交わる。前記第１の永久磁石挿入孔の第２のセグメントの中には前記第１層の永久磁石が装着され、前記第１の永久磁石挿入孔の第１のセグメント及び第３のセグメントの中には磁気絶縁材料が装着され、前記第２の永久磁石挿入孔の第２のセグメントの中には前記第２層の永久磁石が装着され、前記第２の永久磁石挿入孔の第１のセグメント及び第３のセグメントの中には磁気絶縁材料が装着される。

以上の技術案を採用することによって、永久磁石の等価厚さを維持しながら永久磁石の使用量を減らすことができる。

本発明の一実施例において、前記第１層の永久磁石の厚さはｔ１であり、前記第２層の永久磁石の厚さはｔ２であり、前記第２の永久磁石挿入孔の第１のセグメントの前記ロータの外側周縁に近接する端部と、前記第２の永久磁石挿入孔の第３のセグメントの前記ロータの外側周縁に近接する端部との間の距離はｗ２である。ここで、４＜ｗ２／（ｔ１＋ｔ２）＜８である。

以上の技術案を採用することによって、永久磁石の等価磁束通過面積と等価厚さとの比率を妥当に維持しながら、永久磁石を十分利用してコストを低減することができる。

本発明の一実施例において、前記第１の永久磁石挿入孔の第１のセグメント及び第３のセグメントのそれぞれと、前記ロータの外側周縁との間の最小距離はｔ３である。前記第２の永久磁石挿入孔の第１のセグメント及び第３のセグメントのそれぞれと、ロータの外側周縁との間の最小距離はｔ４である。ここで、ｔ３≧ｔ４である。

以上の技術案を採用することによって、モータにおける１枚の板の耐減磁性能を向上させることができる。

本発明の一実施例において、前記第１層の永久磁石の中心と前記ロータの外側周縁との間の最小距離はｔｍ１である。前記第１の永久磁石挿入孔の第１のセグメントの前記ロータの外側周縁に近接する端部と、前記第１の永久磁石挿入孔の第３のセグメントの前記ロータの外側周縁に近接する端部との間の距離はｗ１である。前記第２の永久磁石挿入孔の第１のセグメントの前記ロータの外側周縁に近接する端部と、前記第２の永久磁石挿入孔の第３のセグメントの前記ロータの外側周縁に近接する端部との間の距離はｗ２である。ここで、（２×ｔｍ１）／（ｗ２－ｗ１）＝（０．５～１）である。

以上の技術案を採用することによって、マグネットトルク及びリラクタンストルクの割合を妥当にして、合成トルクを向上させることができる。

本発明の一実施例において、前記第１の永久磁石挿入孔の第１のセグメントの前記ロータの外側周縁に近接する端部と、前記第１の永久磁石挿入孔の第３のセグメントの前記ロータの外側周縁に近接する端部との間の距離はｗ１である。前記第２の永久磁石挿入孔の第１のセグメントの前記ロータの外側周縁に近接する端部と、前記第２の永久磁石挿入孔の第３のセグメントの前記ロータの外側周縁に近接する端部との間の距離はｗ２である。ここで、１．１５＜ｗ２／ｗ１＜２．１である。

以上の技術案においては、ｗ１とｗ２の大きさを関連付けることによって、電磁トルクにおいてマグネットトルク及びリラクタンストルクが占める割合を妥当にして、合成トルクを向上させることができる。

本発明の一実施例において、隣接する２つの第２の永久磁石挿入孔のうち、１つの第２の永久磁石挿入孔の第１のセグメントは、他の１つの第２の永久磁石挿入孔の第３のセグメントと隣接する。１つの第２の永久磁石挿入孔の第１のセグメントの前記ロータの外側周縁に近接する端部と、他の１つの第２の永久磁石挿入孔の第３のセグメントの前記ロータの外側周縁に近接する端部との間の距離はｗ３である。前記第２層の永久磁石の幅はｗｍ２である。ここで、１．８＜ｗｍ２／ｗ３＜２．７である。

以上の技術案を採用することによって、電磁トルクを最大化するとともに、局部的な磁気飽和により発生する余計な鉄損を小さく抑えることができる。

本発明の一実施例において、前記第１層の永久磁石は低残留磁束密度且つ低保磁力の永久磁石であり、前記第２層の永久磁石は高残留磁束密度且つ高保磁力の永久磁石である。

以上の技術案を採用することによって、モータ性能及び耐減磁性能を保障しながら、コストを最大限に削減することができる。

本発明の一実施例において、前記第１層の永久磁石及び／又は第２層の永久磁石は、複数枚の永久磁石から構成される。

以上の技術案においては、複数枚の永久磁石を利用することによって、永久磁石の加工及び装着に当たる困難さを抑えることができる。

本発明の一実施例において、前記ロータの軸線に垂直な断面において、前記第１層の永久磁石の断面はＶ字型又はＵ字型になる。

以上の技術案を採用することによって、永久磁石の磁束通過面積を増やすことができる。

本発明の一実施例において、前記ロータの軸線に垂直な断面において、前記第２層の永久磁石の断面は一字型又はＶ字型になる。

以上の技術案を採用することによって、永久磁石の磁束通過面積を増やすことができる。

以上の付加的な実施態様による効果は、以下の説明によって明らかになるか、又は本発明が実施される際に明らかになる。

本発明の実施例に係るコンシクエントポールモータの構造模式図である。 図１におけるＡ部分の拡大図である。 本発明の実施例に係るロータの構造模式図である。 本発明の実施例に係るロータのｄ軸及びｑ軸における磁路の模式図である。 第１の永久磁石挿入孔に属するステータティースが電磁トルクに与える影響を示すグラフである。 電磁トルク、トルク波動がｗｍ２／ｗ３に従って変化する状態を示すグラフである。 本発明の実施例に係るコンシクエントポールモータと従来技術におけるモータとの、ｑ軸インダクタンスの比較グラフである。 本発明の実施例に係るコンシクエントポールモータと従来技術におけるモータとの、電磁トルク－電流角度の変化を示す比較グラフである。 本発明の実施例に係るコンシクエントポールモータと従来技術におけるモータとの、トルクの比較グラフである。

以下、図面を参照しながら本発明の原理及び特徴について説明を行う。ここで挙げられる実施例は本発明を解釈するためのものに過ぎず、本発明の範囲を制限するものにならない。

図面１－３に示すように、本実施例はコンシクエントポールモータを提供する。当該コンシクエントポールモータは、ロータ１と、前記ロータ１を取り囲むように配置されるステータ２と、を備える。前記ロータ１は、前記ロータ１の周方向に沿って均一な間隔で配置される複数の永久磁石の磁極を含む。前記ステータ２の内側周縁においては、周方向に沿って複数のステータティース１１が設けられる。

本実施例においては、まず、ロータ１の永久磁石の磁極に対して改善を行う。図１及び図３に示すように、前記ロータ１の永久磁石の磁極は、前記ロータ１の半径方向に沿って外側から内側に向けて設置される第１の永久磁石挿入孔３及び第２の永久磁石挿入孔４を含む。ここで、前記第１の永久磁石挿入孔３と前記ロータ１の外縁との間の距離は、前記第２の永久磁石挿入孔４と前記ロータ１の外縁との間の距離より小さい。磁束通路１０は第１の永久磁石挿入孔３と第２の永久磁石挿入孔４との間にある。前記第１の永久磁石挿入孔３の中には第１層の永久磁石８が配置されており、前記第２の永久磁石挿入孔４の中には第２層の永久磁石９が配置されている。このような構造においては、複数層に配置される永久磁石によって、モータのリラクタンストルクが向上し、したがってモータの電磁トルクを向上させることができる。

詳しく説明すると、永久磁石を複数層に配置することによって、モータのｑ軸インダクタンスを大幅に向上させることができる。例えば、図４に示すモータのｑ軸磁路を参照すると、本実施例に係るコンシクエントポールモータは３つの明確な磁力線通路を提供するため、ｑ軸磁力線がより通過しやすくなって、ｑ軸リラクタンスにおけるリラクタンスが小さくなって、ｑ軸インダクタンスが大きくなる。一般のコンシクエントポールモータと違ってｄ軸磁路が通過する永久磁石が１層ではなく２層になるが、永久磁石の使用量が変化していないため、永久磁石の等価厚さもほとんど変わらず、ｄ軸磁路のインダクタンスもほとんど変わらない。加えて、本実施例では、層間において磁束通路１０を形成することによって、ｑ軸磁路のリラクタンスを大幅に低減させ、ｑ軸インダクタンスを向上させることができるため、横軸と縦軸の磁路インダクタンスの差が大きくなって、リラクタンストルクの利用率がより高くなる。図７は、本実施例に係るコンシクエントポールモータと従来技術におけるモータとの、ｑ軸インダクタンスの比較グラフである。グラフから分かるように、本実施例に係るコンシクエントポールモータを用いることによって、モータのｑ軸インダクタンスを大幅に向上させることができる。

以下、本実施例に係るロータ１の構造についてより詳しく説明する。

図３に示すように、前記ロータ１の軸線に垂直な断面において、前記第１の永久磁石挿入孔３の断面及び前記第２の永久磁石挿入孔４の断面はいずれも、順次に連結する第１のセグメント５、第２のセグメント６及び第３のセグメント７を含む。前記第１のセグメント５と前記第３のセグメント７とは、前記第２のセグメント６の中線に関して対称である。前記第１の永久磁石挿入孔３の第２のセグメント６の中線は、前記第２の永久磁石挿入孔４の第２のセグメント６の中線と重なり、且つ前記ロータ１の軸線と交わる。第１のセグメント５及び第３のセグメント７は、ロータ１の外側周縁に延在するような形状特徴を有する。

具体的に、本実施例に係る前記第１の永久磁石挿入孔３の第２のセグメント６の中には前記第１層の永久磁石８が装着されており、前記第１の永久磁石挿入孔３の第１のセグメント５及び第３のセグメント７の中には磁気絶縁材料が装着されている。前記第２の永久磁石挿入孔４の第２のセグメント６の中には前記第２層の永久磁石９が装着されており、前記第２の永久磁石挿入孔４の第１のセグメント５及び第３のセグメント７の中には磁気絶縁材料が装着されている。なお、磁気絶縁材料はすなわち磁気を遮断する材料である。ｄ軸磁路が１層の永久磁石しか通過しない一般のコンシクエントポールモータと比べて、本実施例においてはｄ軸磁路が２層の永久磁石を通過するが、第１のセグメント５及び第３のセグメント７の中に磁気絶縁材料を装着することによって、永久磁石の使用量を変えなくてもよく、永久磁石の等価厚さもほとんど変わらないため、ｄ軸磁路のインダクタンスがほとんど変わらない。それに、層間において磁束通路１０を形成することによって、ｑ軸磁路のリラクタンスを大幅に低減させ、ｑ軸インダクタンスを向上させることができるため、横軸と縦軸の磁路インダクタンスの差が大きくなって、リラクタンストルクの利用率がより高くなる。

好ましくは、本実施例において、前記第１層の永久磁石８の厚さはｔ１であり、前記第２層の永久磁石９の厚さはｔ２であり、ここで、１．３＜ｔ１／ｔ２＜１．７である。このような構造を採用する理由は以下の通りである。

外部からの減磁磁界が第１層の永久磁石８に直接作用するため、永久磁石は厚ければ厚いほど耐減磁性能が強くなる。よって、第１層の永久磁石８を厚く設置すると、耐減磁性能を効果的に向上させることができる。ただし、ｔ１の厚さが既に一定の範囲を超えた場合、その厚さを更に増やしても、耐減磁性能の向上はあいまいになり、逆に永久磁石のコストが急激に上がってしまう。永久磁石のコストを抑えるために第２層の永久磁石９の厚さｔ２を減らすと、耐減磁性能への影響は大きくないが、永久磁石の動作点が落ちてしまって電磁トルクが急激に降下してしまう。

以上に鑑みて、発明者は大量の実験を行って、１．３＜ｔ１／ｔ２＜１．７であるときにｔ１とｔ２の比率が妥当になることを証明できた。耐減磁性能を満たす前提で、最も少ない永久磁石を利用して最も高い電磁トルクを得ることができる。

より好ましくは、本実施例は、永久磁石の磁極の幅と２層の永久磁石の等価厚さとの比率に対して規定する。図３に示すように、前記第１層の永久磁石８の厚さはｔ１であり、前記第２層の永久磁石９の厚さはｔ２である。前記第２の永久磁石挿入孔の第１のセグメント５の前記ロータ１の外側周縁に近接する端部と、前記第２の永久磁石挿入孔の第３のセグメント７の前記ロータ１の外側周縁に近接する端部との間の距離はｗ２である。ここで、４＜ｗ２／（ｔ１＋ｔ２）＜８である。

詳しく説明すると、ｗ２は永久磁石の磁極の幅を表し、（ｔ１＋ｔ２）は２層の永久磁石の等価厚さを表し、ｗ２／（ｔ１＋ｔ２）は本発明によるロータ１における永久磁石の細長比を表す。細長比を大きくする場合、永久磁石の磁束通過面積が大きくなって、より多くの磁力線が発生して、電磁トルクが向上する。ただし、等価厚さが小さくなると、永久磁石全体の耐減磁性能が弱くなる。一方、細長比を小さくする場合には逆の効果が発生する。そこで、発明者は大量の実験を行い、ｗ２をｔ１、ｔ２と関連付けることによって、４＜ｗ２／（ｔ１＋ｔ２）＜８であるときに永久磁石の等価磁束通過面積と等価厚さとの比率が妥当になることを証明できた。こうすると、永久磁石を十分に利用するとともにコストを低減することができる。

さらに、図３に示すように、本実施例において、前記第１の永久磁石挿入孔３の第１のセグメント５及び第３のセグメント７のそれぞれと、前記ロータ１の外側周縁との間の最小距離はｔ３である。前記第２の永久磁石挿入孔４の第１のセグメント５及び第３のセグメント７のそれぞれと、ロータ１の外側周縁との間の最小距離はｔ４である。ここで、ｔ３≧ｔ４である。

以上の構造によると、第１の永久磁石挿入孔３の第１のセグメント５及び第３のセグメント７のそれぞれと、ロータ１の外側周縁との間で、幅がｔ３であるブリッジが形成される。第２の永久磁石挿入孔４の第１のセグメント５及び第３のセグメント７のそれぞれと、ロータ１の外側周縁との間で、幅がｔ４であるブリッジが形成される。なお、ｔ３はｔ４に等しいか又はｔ４より大きい。このように配置することによって、第１層の永久磁石８の端部における漏れ磁束を減らしてマグネットトルクを小さくするとともに、アーマチュアの磁力線がブリッジをより通りやすくなってリラクタンストルクが大きくなるため、総電磁トルクを維持することができる。第２層の永久磁石９と比べて、第１層の永久磁石８においては不可逆の減磁がより発生しやすく、モータの性能に影響を与えてしまう。よって、第１層の永久磁石８の端部における漏れ磁束を増やすことによって、モータにおける１枚の板の耐減磁性能を向上させることができる。

さらに、図３に示すように、本実施例において、前記第１層の永久磁石８の中心と、前記ロータ１の外側周縁との間の最小距離はｔｍ１である。前記第１の永久磁石挿入孔の第１のセグメント５の前記ロータ１の外側周縁に近接する端部と、前記第１の永久磁石挿入孔の第３のセグメント７の前記ロータ１の外側周縁に近接する端部との間の距離はｗ１である。前記第２の永久磁石挿入孔の第１のセグメント５の前記ロータ１の外側周縁に近接する端部と、前記第２の永久磁石挿入孔の第３のセグメント７の前記ロータ１の外側周縁に近接する端部との間の距離はｗ２である。ここで、（２×ｔｍ１）／（ｗ２－ｗ１）＝（０．５～１）である。

発明者は以上の構造に基づいて大量の実験を行った結果、この範囲内であればマグネットトルク及びリラクタンストルクの割合が妥当になって合成トルクが最大になることを証明できた。磁束通路１０における磁力線は、アーマチュア磁力線、第２層の永久磁石９による磁力線及び第１層の永久磁石８による磁力線を含む。よって、磁束通路１０上に分布する磁力線がより多い。研究結果によると、磁束通路１０の幅はおおよそ（ｗ２－ｗ１）／２と表わすことができる。２ｔｍ１／（ｗ２－ｗ１）＜０．５である場合、磁束通路１０における磁力線の分布はまばらになるが、第１の永久磁石挿入孔３の外側における磁力線の分布が密になって局部的な磁気飽和が発生するため、第１層の永久磁石８によるマグネットトルクが低下する。また、通常状態において、磁束通路１０における磁力線は第１の永久磁石挿入孔３の外側における磁力線より多い。２ｔｍ１／（ｗ２－ｗ１）＞１である場合、磁束通路１０における磁気飽和度が高く、リラクタンストルクが低下する。

さらに、図３に示すように、本実施例において、前記第１の永久磁石挿入孔の第１のセグメント５の前記ロータ１の外側周縁に近接する端部と、前記第１の永久磁石挿入孔の第３のセグメント７の前記ロータ１の外側周縁に近接する端部との間の距離はｗ１である。前記第２の永久磁石挿入孔の第１のセグメント５の前記ロータ１の外側周縁に近接する端部と、前記第２の永久磁石挿入孔の第３のセグメント７の前記ロータ１の外側周縁に近接する端部との間の距離はｗ２である。ここで、１．１５＜ｗ２／ｗ１＜２．１である。

発明者が以上の構造を設計した理由は以下の通りである。ｗ１を大きくすると、磁束通路１０が狭くなって、モータのｑ軸インダクタンスの増加量が小さくなるため、リラクタンストルクの向上には不利である。一方、ｗ１を小さくすると、永久磁石の磁束通過面積が小さくなって、電磁トルクに含まれるマグネットトルクが低下する。加えて、一定の範囲を超過した後、磁束通路１０が更に広くなっても、リラクタンストルクは明らかな向上をしない。よって、ｗ１とｗ２の大きさを関連付けることによって、電磁トルクにおけるマグネットトルク及びリラクタンストルクの割合が妥当になるようにして、合成トルクを最大にすることができる。

さらに、図３に示すように、本実施例において、隣接する２つの第２の永久磁石挿入孔４のうちの１つの第１のセグメント５は他の１つの第３のセグメント７と隣接する。１つの第２の永久磁石挿入孔の第１のセグメント５の前記ロータ１の外側周縁に近接する端部と、他の１つの第２の永久磁石挿入孔の第３のセグメント７の前記ロータ１の外側周縁に近接する端部との間の距離はｗ３である。前記第２層の永久磁石９の幅はｗｍ２である。ここで、１．８＜ｗｍ２／ｗ３＜２．７である。

詳しく説明すると、ｗ３はコンシクエントポールの幅を表す。永久磁石の磁極において、第１層の永久磁石８による磁力線はコンシクエントポールを通過しないため、コンシクエントポールにおける磁力線はすべて第２層の永久磁石９により発生されるものである。つまり、本発明に係る２層式の永久磁石構造を有するコンシクエントポールモータは、１層式の永久磁石構造と比べて、コンシクエントポールの幅をより狭く設計することができ、したがって永久磁石を配置するための面積をより広く確保することができる。しかしながら、永久磁石の磁極が大きすぎると、コンシクエントポールの面積が小さすぎるようになって磁気飽和が発生することを発明者が気付いた。それで、発明者は大量の実験を行った結果、１．８＜ｗｍ２／ｗ３＜２．７にすると、コンシクエントポールにおける磁力線の分布が均一になって電磁トルクを最大化するとともに、局部的な磁気飽和により招来される余計な鉄損を低減させることができることを証明できた。図６に示すように、ｗｍ２／ｗ３が電磁トルクに与える影響をより直感的に表現することができる。

好ましくは、本実施例において、前記第１層の永久磁石８は低残留磁束密度及び低保磁力を有する永久磁石であり、前記第２層の永久磁石９は高残留磁束密度及び高保磁力を有する永久磁石である。なお、「低残留磁束密度」、「高残留磁束密度」、「低保磁力」及び「高保磁力」はいずれも当業者が周知する一般的技術用語である。残留磁束密度が０．５テスラであり且つ保磁力が３００ｋＡ／ｍであるフェライト永久磁石材料はすなわち低保磁力及び低残留磁束密度を有する材料であると考えられており、残留磁束密度が１．２テスラであり且つ保磁力が１０００ｋＡ／ｍである希土永久磁石材料はすなわち高保磁力、高残留磁束密度材料であると考えられている。第２層の永久磁石９として高残留磁束密度且つ高保磁力の永久磁石材料を用いることによって、モータの性能及び耐減磁性能を保障しながら、コストを最大限に低減させることができる。

さらに、本実施例においては、第１層の永久磁石８及び第２層の永久磁石９の構造形式に対しても改善を行う。例えば、前記第１層の永久磁石８及び第２層の永久磁石９はいずれも複数枚の永久磁石により構成されることができる。複数枚の永久磁石を利用することによって、永久磁石の加工及び装着に当たる困難さを抑えることができる。

もう１つの例として、永久磁石の磁束通過面積を増やすために、前記ロータ１の軸線に垂直な断面において、前記第１層の永久磁石８の断面をＶ字型又はＵ字型に設計して、前記第２層の永久磁石９の断面を一字型又はＶ字型に設計することができる。

以上の構造に基づいて、発明者はさらに、各層の永久磁石の幅とティース部の位置との関係が電磁トルクの大きさに影響を与えることを気付いた。そこで、発明者は永久磁石の幅及びステータ２のティース部の位置に対して改善を行った。

詳しく説明すると、本実施例によるステータティース１１の数をｚに設定し、前記永久磁石の磁極の数をｐに設定する。ここで、各前記永久磁石の磁極における第１の永久磁石挿入孔３は、前記ステータ２の内側周縁の第１の領域に対応する。前記第１の領域に属するステータティース１１の数はｚ／４ｐ＋１である。なお、「前記永久磁石の磁極における第１の永久磁石挿入孔３は、前記ステータ２の内側周縁の第１の領域に対応する」において、第１の領域とは、第１の永久磁石挿入孔３の互いに対向する両辺の、ステータ２に向けて延びる延長線と、ステータ２の内側周縁とにより囲まれる領域である。当該領域内のステータティース１１の数はｚ／４ｐ＋１である。

通常の場合にステータ２からロータ１に入る磁力線は図２に示す通りである。４８スロット８極のモータを例とすると、ｚ／４ｐ＋１＝４である。つまり、第１層の永久磁石８の挿入孔の幅に対応する領域範囲の中には４つのステータティース１１がある。図２には磁極を半分しか示しておらず、他の半分は磁極の中心線（すなわち図面中のｄ軸）に関して示された半分と対称する。この領域範囲にあるティース部の半分は、図２による１＃及び２＃であり、その磁力線の方向は矢印の通りである。１＃のみが第１層の永久磁石８の挿入孔に属する場合、すなわち２＃、３＃及び４＃が磁束通路１０に対向する場合、磁束通路１０における磁力線の数が増える。第１層の永久磁石８の挿入孔が短くなるから磁束通路１０の入口（すなわち第１層の永久磁石８の挿入孔の第３のセグメント７と第２層の永久磁石９の挿入孔の第３のセグメント７との間）は広くなるが、磁束通路１０の中間セグメント（すなわち第１層の永久磁石８の第２のセグメント６と第２層の永久磁石９の第２のセグメント６との間）は広くならず、且つこの部分の磁束通路１０の飽和度が高いため、ｑ軸インダクタンスの向上は明らかではなく、電磁トルクの向上も明らかではない。また、第１層の磁束通路１０の幅が狭くなると、第１層の永久磁石８により発生される磁力線が少なくなって、第１層の永久磁石８によるマグネットトルクが急激に少なくなるため、合成する電磁トルクは逆に降下する。それとともに、第１層の永久磁石８の両端における漏れ磁束の割合が増えて、永久磁石の利用率が降下する。

３つのティース部１＃、２＃及び３＃が第１の永久磁石挿入孔３に属する場合、第１層の永久磁石８の面積が大きくなって、第１層の永久磁石８により発生するトルクが大きくなる。しかし、磁束通路１０の入口は狭くなるため、磁束通路１０に入る磁力線が少なくなって、ｑ軸インダクタンスが低下して、電磁トルクが低下する。

発明者は実験を通じて以下の内容を判明できた。第１層の永久磁石８の挿入孔に対応するステータティース１１の数がｚ／４ｐ＋１であるとき、第１層の永久磁石８がより大きいマグネットトルクを発生するとともに、ｑ軸磁路（磁束通路１０を含む）がより大きいインダクタンスを発生し、したがってリラクタンストルクが向上する。なお、ティース数が電磁トルク成分に与える影響は図５に示す通りである。

さらに、図２に示すように、本実施例において、いずれの前記永久磁石の磁極の第２の永久磁石挿入孔４も、前記ステータ２の内側周縁の第２の領域に対応する。図面から分かるように、第２の領域は上述の第１の領域を含む。前記第２の領域に属するステータティース１１の数はｚ／２ｐ＋２である。好ましくは、前記ステータティース１１の前記ロータ１に近接する端部の両側には突起部１２が設けられ、前記第２の永久磁石挿入孔４の一側は第２の領域の一側にあるステータティース１１の外側の突起部１２に対応し、前記第２の永久磁石挿入孔４の他側は第２の領域の他側にあるステータティース１１の外側の突起部１２に対応する。ここで、「対応する」とは、永久磁石挿入孔の両側（具体的に、両側とは上述の第１のセグメント及び第３のセグメントである）のステータに向けて延びると、延長部分がステータティースの突起部と交わることができることを指す。

半分の第２層の永久磁石９に属するステータティース１１は図２に示すように１＃～４＃を含む。第２層の永久磁石９の挿入孔は、４＃ティースの外側の突起部１２の位置に合わせられており、その上の磁力線の方向は矢印の通りである。他の半分はｄ軸に関して示された半分と対称する。ｑ軸は一般のモータにおける隣接する磁極の境界線であって、その両側が異なる磁極になる。しかし、本発明においては、永久磁石の磁極がｑ軸を超えるように設計している。その理由は、ｑ軸の両側にあるステータティース１１の３＃のティース中心における磁力線分布と、ステータティース１１の４＃のティース中心における磁力線分布とは、互いに平行になり、いずれも永久磁石の磁極のロータ１による磁力線と共同で正のトルクを発生することができる。しかし、ティース４＃の外側の突起部１２からの磁力線はコンシクエントポールの方に向かうため、永久磁石の磁極とこのような磁力線と作用したら、負のトルクが発生してしまって、電磁トルクが低下してしまう。永久磁石の磁極に対応するアーマチュア磁力線を最大限に向上させるとともに負のトルクを発生させないよう、本発明においては、第２層の永久磁石９の挿入孔の第３のセグメント７とティース４＃の外側の突起部１２との位置を合わせるように設計することによって、電磁トルクを最大化する。

さらに、図８に示すように、本実施例に係るコンシクエントポールモータにおける電磁トルク－電流角度の変化は、従来技術より顕著に優れている。また、図９に示すように、本実施例に係るコンシクエントポールモータのトルクも従来技術より顕著に優れている。

なお、本発明についての説明において、用語の「内」、「外」、「半径方向」、「周方向」、「軸方向」などにより指示される方向又は位置関係は、図面により示される方向又は位置関係であり、本発明の説明の便宜上に使用する用語に過ぎず、対応する装置が必ず特定の方向を有するか、又は必ず特定の方向に従って構造又は操作されることを指示／暗示するための用語ではないため、本発明に対する制限になると理解されてはいけない。

他に、用語の「第１」、「第２」は説明の便宜上に使用する用語に過ぎず、重要性を指示／暗示する用語として理解されてはいけなく、指示される技術特徴の数として理解されてもいけない。つまり、「第１」、「第２」により限定されている特徴は、１つ又は複数の当該特徴を有することができる。本発明の説明において、別途で明確且つ具体的に限定されていなければ、「複数」の意味は２つ以上である。

本発明において、別途で明確に規定又は限定されていなければ、用語の「装着」、「連結」、「接続」などは広義的に理解されるべきである。例えば、固定的連結であってもよく、分解可能な連結であってもよく、一体化であってもよい。当業者であれば、具体的な状況に応じて、これらの用語の本発明における具体的な意味を理解することができる。

なお、以上で本発明の実施例を示して説明を行ったが、以上の実施例は例示的なものに過ぎず、本発明に対する制限ではない。当業者であれば、本発明の保護範囲内で以上の実施例に基づいてを変化、変更、置換、変形を実施することができる。

図面における符号により示される部品のリストは以下の通りである。
１ ロータ
２ ステータ
３ 第１の永久磁石挿入孔
４ 第２の永久磁石挿入孔
５ 第１のセグメント
６ 第２のセグメント
７ 第３のセグメント
８ 第１層の永久磁石
９ 第２層の永久磁石
１０ 磁束通路
１１ ステータティース
１２ 突起部

Claims (13)

1. コンシクエントポールモータであって、
   ロータと、前記ロータを取り囲むように配置されるステータと、を備え、
   前記ロータは、前記ロータの周方向に沿って均一な間隔で配置される複数の永久磁石の磁極を含み、
   前記ステータの内側周縁においては、周方向に沿って複数のステータティースが設けられ、
   前記ロータの永久磁石の磁極は、前記ロータの半径方向に沿って外側から内側に向けて順次配置される第１の永久磁石挿入孔と第２の永久磁石挿入孔を備え、
   前記第１の永久磁石挿入孔の中に第１層の永久磁石が配置され、前記第２の永久磁石挿入孔の中に第２層の永久磁石が配置され、
   前記ステータティースの数はｚであり、前記永久磁石の磁極の数はｐであり、
   前記永久磁石の磁極の第２の永久磁石挿入孔は、前記ステータの内側周縁の第２の領域に対応し、前記第２の領域におけるステータティースの数はｚ／２ｐ＋２であり、
   前記ステータティースの前記ロータに近接する先端の両側には突起部が設けられ、前記第２の永久磁石挿入孔の一側は、第２の領域の一側におけるステータティースの外側の突起部に対応し、前記第２の永久磁石挿入孔の他側は、第２の領域の他側におけるステータティースの外側の突起部に対応する
   ことを特徴とするコンシクエントポールモータ。
2. 前記永久磁石の磁極の第１の永久磁石挿入孔は、前記ステータの内側周縁の第１の領域に対応し、
   前記第１の領域におけるステータティースの数はｚ／４ｐ＋１である
   ことを特徴とする請求項１に記載のコンシクエントポールモータ。
3. 前記第１層の永久磁石の厚さはｔ１であり、
   前記第２層の永久磁石の厚さはｔ２であり、
   １．３＜ｔ１／ｔ２＜１．７である
   ことを特徴とする請求項１に記載のコンシクエントポールモータ。
4. 前記ロータの軸線に垂直な断面において、前記第１の永久磁石挿入孔の断面及び前記第２の永久磁石挿入孔の断面はいずれも、順次連結する第１のセグメント、第２のセグメント及び第３のセグメントを含み、
   前記第１のセグメントと前記第３のセグメントとは、前記第２のセグメントの中心線に関して対称になり、
   前記第１の永久磁石挿入孔の第２のセグメントの中心線と前記第２の永久磁石挿入孔の第２のセグメントの中心線とは重なり、且つ前記ロータの軸線と交わり、
   前記第１の永久磁石挿入孔の第２のセグメントの中には前記第１層の永久磁石が装着され、前記第１の永久磁石挿入孔の第１のセグメント及び第３のセグメントの中には磁気絶縁材料が装着され、前記第２の永久磁石挿入孔の第２のセグメントの中には前記第２層の永久磁石が装着され、前記第２の永久磁石挿入孔の第１のセグメント及び第３のセグメントの中には磁気絶縁材料が装着される
   ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載のコンシクエントポールモータ。
5. 前記第１層の永久磁石の厚さはｔ１であり、前記第２層の永久磁石の厚さはｔ２であり、
   前記第２の永久磁石挿入孔の第１のセグメントの前記ロータの外側周縁に近接する端部と、前記第２の永久磁石挿入孔の第３のセグメントの前記ロータの外側周縁に近接する端部との間の距離はｗ２であり、
   ４＜ｗ２／（ｔ１＋ｔ２）＜８である
   ことを特徴とする請求項４に記載のコンシクエントポールモータ。
6. 前記第１の永久磁石挿入孔の第１のセグメント及び第３のセグメントのそれぞれと、前記ロータの外側周縁との間の最小距離はｔ３であり、
   前記第２の永久磁石挿入孔の第１のセグメント及び第３のセグメントのそれぞれと、前記ロータの外側周縁との間の最小距離はｔ４であり、
   ｔ３≧ｔ４である
   ことを特徴とする請求項４に記載のコンシクエントポールモータ。
7. 前記第１層の永久磁石の中心と前記ロータの外側周縁との間の最小距離はｔｍ１であり、
   前記第１の永久磁石挿入孔の第１のセグメントの前記ロータの外側周縁に近接する端部と、前記第１の永久磁石挿入孔の第３のセグメントの前記ロータの外側周縁に近接する端部との間の距離はｗ１であり、
   前記第２の永久磁石挿入孔の第１のセグメントの前記ロータの外側周縁に近接する端部と、前記第２の永久磁石挿入孔の第３のセグメントの前記ロータの外側周縁に近接する端部との間の距離はｗ２であり、
   （２×ｔｍ１）／（ｗ２－ｗ１）＝（０．５～１）である
   ことを特徴とする請求項４に記載のコンシクエントポールモータ。
8. 前記第１の永久磁石挿入孔の第１のセグメントの前記ロータの外側周縁に近接する端部と、前記第１の永久磁石挿入孔の第３のセグメントの前記ロータの外側周縁に近接する端部との間の距離はｗ１であり、
   前記第２の永久磁石挿入孔の第１のセグメントの前記ロータの外側周縁に近接する端部と、前記第２の永久磁石挿入孔の第３のセグメントの前記ロータの外側周縁に近接する端部との間の距離はｗ２であり、
   １．１５＜ｗ２／ｗ１＜２．１である
   ことを特徴とする請求項４に記載のコンシクエントポールモータ。
9. 隣接する２つの第２の永久磁石挿入孔のうち、
   １つの第２の永久磁石挿入孔の第１のセグメントは、他の１つの第２の永久磁石挿入孔の第３のセグメントと隣接し、
   １つの第２の永久磁石挿入孔の第１のセグメントの前記ロータの外側周縁に近接する端部と、他の１つの第２の永久磁石挿入孔の第３のセグメントの前記ロータの外側周縁に近接する端部との間の距離はｗ３であり、
   前記第２層の永久磁石の幅はｗｍ２であり、
   １．８＜ｗｍ２／ｗ３＜２．７である
   ことを特徴とする請求項４に記載のコンシクエントポールモータ。
10. 前記第１層の永久磁石は低残留磁束密度且つ低保磁力の永久磁石であり、
    前記第２層の永久磁石は高残留磁束密度且つ高保磁力の永久磁石である
    ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載のコンシクエントポールモータ。
11. 前記第１層の永久磁石及び／又は第２層の永久磁石は、複数枚の永磁磁石から構成される
    ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載のコンシクエントポールモータ。
12. 前記ロータの軸線に垂直な断面において、前記第１層の永久磁石の断面はＶ字型又はＵ字型になる
    ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載のコンシクエントポールモータ。
13. 前記ロータの軸線に垂直な断面において、前記第２層の永久磁石の断面は一字型又はＶ字型になる
    ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載のコンシクエントポールモータ。

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