JP7481936B2 - 永久磁石電動機 - Google Patents

Description

本発明は、永久磁石電動機に関する。

従来、ロータと、ロータの外周に対向して回転磁界を形成する内向きのティース部が設けられたステータとを備えた永久磁石電動機が知られている（例えば、特許文献１、２参照）。

特許文献１の永久磁石電動機では、ロータの内部に、その磁極毎に、径方向外方に開いたＶ字形状に配置された一対の第１永久磁石と、これらの径方向外方側端部の間においてロータの外周に沿って配置された第２永久磁石とが設けられる。

各第１永久磁石の径方向外方側端部及び各第２永久磁石の両端部には、第１空隙部及び第２空隙部がそれぞれ設けられる。第１、第２空隙部は、各隣り合う第１空隙部の間及び各隣り合う第１空隙部と第２空隙部の間にそれぞれティース部に通ずる第１磁路及び第２磁路を画成する。

そして、第１磁路の幅ｗ１を第２磁路の幅ｗ２以上（ｗ１≧ｗ２）とすることにより、リラクタンストルクを大きくすることができ、その結果、高トルク、高回転駆動が可能となるとされている。

一方、特許文献２の永久磁石電動機では、ロータの外周部に周方向に沿って電機子巻線の周囲に生じる閉ループの磁束を遮断する磁束遮断部が設けられる。磁束遮断部は、ロータの外周で隣接する永久磁石間に位置し、径方向に延伸する非磁性体部を複数有する。この複数の非磁性体部は、回転子の外周側から内周側に向かって拡がり、その長さがｄ軸からｑ軸に掛けて順に短くなるように配置される。

特開２０１１－２２９３９５号公報 特許第６００２２１７号公報

しかしながら、上記特許文献１の永久磁石電動機では、第１磁路や第２磁路を通してティース部に入る磁力線を介してトルクを生じるが、第１、第２磁路とティース部との関係については何も開示されていない。このため、第１、第２磁路とティース部との関係で、トルク（体格当たりの出力）を改善する余地があると考えられる。

また、上記特許文献２の永久磁石電動機によれば、隣接する永久磁石間の磁路が、複数の非磁性体部によって狭隘になっており、ロータコアに磁気飽和が生じるため、これによる損失が少なくない。このため、永久磁石電動機のトルクを向上させるための改善の余地がある。

本発明の目的は、かかる従来技術の課題に鑑み、永久磁石電動機において体格当たりの出力の向上を図ることにある。

本発明の吸気制御装置は、
ロータと、
前記ロータの外周の複数位置に対向して回転磁界を形成するための複数の内向きのティース部が設けられたステータとを備え、
前記ロータの回転軸線に垂直な断面で見た場合の構成として、前記ロータの内部には、該ロータの磁極毎に、該ロータの径方向外方に開いたＶ字又はＵ字形状に配置された一対の第１永久磁石と、前記ロータの周方向における前記一対の第１永久磁石の前記径方向外方側端部の間において該ロータの外周に沿って配置された第２永久磁石とが設けられ、
前記ロータの内部の各第１永久磁石の前記径方向外方側端部及び各第２永久磁石の両端部には、第１空隙部及び第２空隙部がそれぞれ設けられ、
各隣り合う該第１空隙部の間及び各隣り合う該第１空隙部と該第２空隙部の間にそれぞれ前記ティース部に通ずる第１磁路及び第２磁路が画成される永久磁石電動機であって、
前記第１磁路の前記回転軸線に対する前記ロータの外周部における開き角をαとし、前記第２磁路の該回転軸線に対する該ロータの外周部における開き角をβとし、該第２磁路と前記ティース部を通る磁路とが合一した状態において前記ティース部を通る磁路の周方向で前記第１永久磁石に近い側を回転中心と最短距離でつないだ仮想線をγ１、及び第２永久磁石に近い側を回転中心と最短距離でつないだ仮想線をγ２として該仮想線γ１、γ２の前記回転軸線に対する開き角をγとすると、 α＜βの関係を満たしつつ前記開き角βを前記開き角γに近づけるように、前記第１空隙部と前記仮想線γ１との周方向の間に外周孔部が配備され、且つ前記第２空隙部が前記仮想線γ２に接するまで延在することを特徴とする。

本発明によれば、第２磁路の開き角βが、外周孔部によって、ティース部を通る磁路両側の仮想線γ１、γ２間の開き角γに近付けられた状態となっている。これにより、ティース部が第２磁路に合致する状態での磁気抵抗を可及的に小さくするとともに、ティース部が第２磁路とずれた状態での磁気抵抗を可及的に大きくすることができる。

したがって、ロータの回転方向でのリラクタンストルク（特に、ここでは、磁力線が最短になろうとしてティース部を第２磁路に整列させるように働く力を意味する）を最大化し、永久磁石型電動機の体格当たりの出力の向上を図ることができる。

本発明において、前記ロータの回転軸線に垂直な断面で見た場合の構成として、前記外周孔部は、前記ロータの径方向に細長い形状を有しつつ該細長い部分を前記仮想線γ１に接して前記第２磁路に沿って延在してもよい。

これによれば、径方向に細長い外周孔部によって、ティース部を通る磁路の磁束をティース部に整列させようとして発揮するリラクタンストルクを効率よく利用することができる。

また、本発明において、１つの前記ティース部の磁路が各第２永久磁石の両側の前記第２磁路のうちの一方と実質的に合一したとき、同時に他の１つの前記ティース部の磁路が該両側の第２磁路のうちの他方と実質的に合一するように構成されるのが好ましい。

これによれば、１つのティース部の磁路及び他の１つのティース部の磁路が第２永久磁石の両側の第２磁路に合一したとき、各第２磁路から各ティース部の磁路に向う磁路上に狭隘な部分が無いので、磁束がスムーズに流れて永久磁石電動機のトルクをさらに向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る永久磁石電動機の主要部の断面図である。

以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る永久磁石電動機の主要部をその回転軸線に垂直な断面で見た様子を示す。同図においては、周方向における１／４の部分（２極分）の構成が示されており、他の３／４の部分の構成も同様である。

同図に示すように、この永久磁石電動機１は、ロータ２と、ロータ２の外周の複数位置に対向して回転磁界を形成するための複数の内向きのティース部３が設けられたステータ４とを備える。

ロータ２の回転軸線Ａに垂直な断面で見た場合の構成として、ロータ２の内部には、ロータ２の磁極毎に、ロータ２の径方向外方に開いたＶ字又はＵ字形状に配置された一対の第１永久磁石５と、ロータ２の周方向における該一対の第１永久磁石５の径方向外方側端部の間においてロータ２の外周に沿って配置された第２永久磁石６とが設けられる。

ロータ２の内部の各第１永久磁石５の径方向外方側端部及び各第２永久磁石６の両端部には、第１空隙部（フラックスバリア）７及び第２空隙部（フラックスバリア）８がそれぞれ設けられる。

各隣り合う第１空隙部７の間及び各隣り合う第１空隙部７と第２空隙部８の間にそれぞれティース部３に通ずる第１磁路９及び第２磁路１０が画成される。

ここで、第１磁路９の回転軸線Ａを中心とするロータ２の外周部における開き角をαとし、第２磁路１０の回転軸線Ａを中心とするロータ２の外周部における開き角をβとする。また、ティース部３を通る磁路１１の周方向で第１永久磁石５に近い側を回転中心と最短距離でつないだ仮想線をγ１、及び第２永久磁石６に近い側を回転中心と最短距離でつないだ仮想線をγ２として仮想線γ１、γ２の回転軸線Ａを中心とする開き角をγとする。

そうすると、α＜βの関係を満たしつつ開き角βを開き角γに近づけるように、第１空隙部７と仮想線γ１との周方向の間に外周孔部１２が配備され、かつ第２空隙部８が仮想線γ２に接するまで延在する。なお、この実施形態においては、第２空隙部８は、仮想線γ２と、これに最も近い第２永久磁石６の端部との間で２個の孔に分割されている。

また、ロータ２の回転軸線Ａに垂直な断面で見た場合の構成として、外周孔部１２は、ロータ２の径方向に細長い形状を有しつつ該細長い部分を仮想線γ１に接して第２磁路１０に沿って延在する。

また、永久磁石電動機１は、１つのティース部３の磁路１１が各第２永久磁石６の両側の第２磁路１０のうちの一方と実質的に合一したとき、同時に他の１つのティース部３の磁路１１が該両側の第２磁路１０のうちの他方と実質的に合一するように構成される。図１においては、１つのティース部３の磁路１１ａが一方の第２磁路１０と実質的に合一したとき、同時に他のティース部３の磁路１１ｂが他方の第２磁路１０と実質的に合一している様子が示されている。

この構成において、第２磁路１０の開き角βは、外周孔部１２によってティース部３を通る磁路１１両側の仮想線γ１、γ２間の開き角γに近付けられた状態となっている。このため、永久磁石電動機１は、ロータ２が回転軸線Ａを軸として回転する状況下で、ティース部３が第２磁路１０に合致して整列した状態での磁気抵抗が小さく、かつティース部３が第２磁路１０とずれた状態では磁気抵抗が大きくなるという特性を有することになる。

言い換えれば、外周孔部１２によって、径方向にティース部３を臨む第２磁路１０の周方向の幅が絞られている。すなわち、ティース部３が第２磁路１０に合致して整列した状態ではステータ４のティース部３とロータ２の鉄心部との間の磁路を通る磁力線が直線的かつ最短に通過されるが、ティース部３が第２磁路１０と多少なりともずれた状態ではティース部３とロータ２の鉄心部との間の磁路を通る磁力線が屈曲される。

ところで、ロータ２の回転は、マグネットトルクとリラクタンストルクとによって行われる。マグネットトルクは、ステータ４が形成する回転磁界の極と、ロータ２の第１、第２永久磁石５、６による磁極との吸引力及び反発力によって発生する。

リラクタンストルクは、ロータ２の鉄心部（突極）に対するステータ４の回転磁界による吸引力によって生ずる。すなわち、ステータ４のティース部３とロータ２の鉄心部との間の磁路を通る磁力線が最短になろうとしてティース部３に鉄心部（磁路）を整列させるように働く力によって発生する。

したがって、上述の外周孔部１２による磁気抵抗の特性により、ティース部３に第２磁路１０を整列させるリラクタンストルクが可及的に最大化される。このリラクタンストルクにより、ロータ２は、高いトルクで回転される。

また、このリラクタンストルクは、外周孔部１２がロータ２の径方向に細長い形状を有しつつ仮想線γ１に接して第２磁路１０に沿って延在しているので、より効率よく利用される。

さらに、第２永久磁石６の一方側のティース部３の磁路１１が第２磁路１０と合一したときには、同時に他方側のティース部３の磁路１１も第２磁路１０と合一した状態となる。この場合、周方向で２箇所の第２磁路１０が２つのティース部３にそれぞれ合致して整列した状態では、２つの第２磁路１０から２つのティース部３の磁路１１に向かう各磁路に狭隘な部分が生じないので、第２磁路１０とティース部３の磁路１１との間で磁束が直線的にスムーズに流れる一方、２つのティース部３が各第２磁路１０と多少なりともずれた状態では、当該磁路を通る２群の磁力線が一挙に屈曲され、２つのティース部３に２つの第２磁路１０をそれぞれ整列させるリラクタンストルクが可及的に最大化される。これにより、ロータ２は、さらに高いトルクで回転される。

なお、第２空隙部８として大きなフラックスバリア（孔）を設けると、ロータ２の強度が低下して上限の回転速度が低下し、結果としてトルクの向上は達成できても出力（トルク×回転数）は向上しないと考えられる。この点、第２空隙部８は、上述のように２個の孔に分割されているので、ロータ２の強度を低下させることなく、高いトルクと出力によりロータ２が回転される。

以上のように、本実施形態によれば、第２磁路１０の開き角βが、外周孔部１２によって、ティース部を通る磁路両側の仮想線γ１、γ２間の開き角γに近付けられた状態となっているので、ロータ２の回転方向のリラクタンストルクを最大化し、永久磁石電動機１の体格当たりの出力の向上を図ることができる。

また、外周孔部１２は、ロータ２の径方向に細長い形状を有しつつ仮想線γ１に接して第２磁路１０に沿って延在しているので、リラクタンストルクを効率よく利用することができる。

また、１つのティース部３の磁路１１が各第２永久磁石６の両側の第２磁路１０のうちの一方と合一したとき、同時に他の１つのティース部３の磁路１１が他方の第２磁路１０と合一するように構成したので、磁束がスムーズに流れて永久磁石電動機１のトルクをさらに向上させることができる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されない。例えば、第２空隙部８や外周孔部１２は、格子（メッシュ）状に点在させた大小複数の孔により細分化してもよい。これにより、ロータ２強度低下を防ぎながら、より効果的に永久磁石電動機１のトルクと出力の向上を図ることができる。

１…永久磁石電動機、２…ロータ、３…ティース部、４…ステータ、５…第１永久磁石、６…第２永久磁石、７…第１空隙部、８…第２空隙部、９…第１磁路、１０…第２磁路、１１、１１ａ、１１ｂ…磁路、１２…外周孔部。

Claims (3)

1. ロータと、
   前記ロータの外周の複数位置に対向して回転磁界を形成するための複数の内向きのティース部が設けられたステータとを備え、
   前記ロータの回転軸線に垂直な断面で見た場合の構成として、前記ロータの内部には、該ロータの磁極毎に、該ロータの径方向外方に開いたＶ字又はＵ字形状に配置された一対の第１永久磁石と、前記ロータの周方向における前記一対の第１永久磁石の前記径方向外方側端部の間において該ロータの外周に沿って配置された第２永久磁石とが設けられ、
   前記ロータの内部の各第１永久磁石の前記径方向外方側端部及び各第２永久磁石の両端部には、第１空隙部及び第２空隙部がそれぞれ設けられ、
   各隣り合う該第１空隙部の間及び各隣り合う該第１空隙部と該第２空隙部の間にそれぞれ前記ティース部に通ずる第１磁路及び第２磁路が画成される永久磁石電動機であって、
   前記第１磁路の前記回転軸線に対する前記ロータの外周部における開き角をαとし、前記第２磁路の該回転軸線に対する該ロータの外周部における開き角をβとし、該第２磁路と前記ティース部を通る磁路とが合一した状態において前記ティース部を通る磁路の周方向で前記第１永久磁石に近い側を回転中心と最短距離でつないだ仮想線をγ１、及び前記第２永久磁石に近い側を回転中心と最短距離でつないだ仮想線をγ２として該仮想線γ１、γ２の前記回転軸線に対する開き角をγとすると、
   α＜βの関係を満たしつつ前記開き角βを前記開き角γに近づけるように、前記第１空隙部と前記仮想線γ１との周方向の間に外周孔部が配備され、且つ前記第２空隙部が前記仮想線γ２に接するまで延在することを特徴とする永久磁石電動機。
2. 前記ロータの回転軸線に垂直な断面で見た場合の構成として、前記外周孔部は、前記ロータの径方向に細長い形状を有しつつ該細長い部分を前記仮想線γ１に接して前記第２磁路に沿って延在することを特徴とする請求項１に記載の永久磁石電動機。
3. １つの前記ティース部の磁路が各第２永久磁石の両側の前記第２磁路のうちの一方と実質的に合一したとき、同時に他の１つの前記ティース部の磁路が該両側の第２磁路のうちの他方と実質的に合一するように構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の永久磁石電動機。

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