JPH07212994A - 永久磁石形モータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 空隙磁束密度における高調波成分を極力少な
くすることができてコギングトルクを低減させる。 【構成】 回転子２０における永久磁石２５の１磁極
を、磁気配向２６が磁極軸線３０と平行な磁極軸平行配
向部２７と、この磁極軸平行配向部２７の両側に設けら
れ磁気配向２６が固定子１５側の焦点３１に集束する磁
極軸非平行配向部２８，２９とにより構成する。磁極軸
平行配向部２７により空隙磁束密度の基本波成分を生成
し、磁極軸非平行配向部２８，２９により磁束の発散を
防止することができるようになり、結果的に空隙磁束密
度における高調波成分を極力少なくすることができて、
コギングトルクを低減できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、永久磁石を界磁手段と
して有する回転子を備えた永久磁石形モータに関する。

【０００２】

【従来の技術】インナーロータ形のコア付き永久磁石形
モータに発生するコギングトルクは、誘起電圧つまり永
久磁石の起磁力のパラメータによって支配される。起磁
力の分布は、回転子の永久磁石と固定子鉄心との間の空
隙に発生する空隙磁束密度分布に比例する。よって、こ
の空隙磁束密度分布によりコギングトルクが支配される
ともいえる。また、この空隙磁束密度分布は周期的なた
め、磁極ピッチの２倍の機械角を基本周期とする周波数
成分の合成としてとらえることができる。

【０００３】しかして、永久磁石形モータにおける回転
子の従来構成を図１１に示す。同図において、回転子１
は、回転軸２と、この回転軸２の外周部に設けられた回
転子鉄心３と、この回転子鉄心３の外周部に環状に配置
された断面が円弧状をなす複数個の永久磁石４とから構
成されている。そして、各永久磁石４は、各部の磁気配
向５が、回転子１の中心（回転軸２の中心）と永久磁石
４の周方向中央部とを結ぶ磁極軸線６と平行となるよう
に設定されていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来構成のものでは、回転子と固定子との間の空隙部
の磁束密度は基本波以外の高調波成分を比較的多く含む
ため、コギングトルクが大きく、モータとしての振動や
騒音が大きいという問題点があった。

【０００５】そこで、本発明の目的は、回転子と固定子
との間の空隙部の磁束密度における高調波成分を極力少
なくすることができてコギングトルクを低減でき、これ
に伴い振動や騒音を小さくできる永久磁石形モータを提
供するにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、固定子の内側
に回転可能に設けられ、略円筒状をなし周方向に複数極
に着磁された永久磁石または断面が略円弧状をなして複
数個が環状に配置された永久磁石を界磁手段として有す
る回転子を備えた永久磁石形モータにおいて、前記永久
磁石の１磁極は、１磁極内における周方向の中央部に設
けられ磁気配向が回転子の回転中心と磁極の周方向中央
部とを結ぶ磁極軸線と平行な磁極軸平行配向部と、この
磁極軸平行配向部の両側に設けられ磁気配向が固定子側
の磁極軸線に指向する磁極軸非平行配向部とを有する構
成としたところに特徴を有するものである（請求項
１）。

【０００７】上記構成において、磁極軸平行配向部は、
１磁極の角度領域に対して２０％〜４０％の角度領域に
設定することが好ましい（請求項２）。また、磁極軸非
平行配向部の磁気配向は、固定子側の焦点に集束する配
向とすることが好ましい（請求項３）。さらに、磁極軸
平行配向部の両側に存する各磁極軸非平行配向部の磁気
配向は、固定子側の同一の焦点に集束する配向としたり
（請求項４）、或いは磁極軸線上の同一の焦点に集束す
る配向としたりすることができる（請求項５）。また、
１磁極は、磁極軸平行配向部を有する永久磁石と、磁極
軸非平行配向部を有する複数個の永久磁石とから構成す
ることもできる（請求項６）。

【０００８】

【作用】上記した手段によれば、１磁極のうちの磁極軸
平行配向部により空隙磁束密度の基本波成分を生成し、
この磁極軸平行配向部の両側に存する磁極軸非平行配向
部により磁束の発散を防止することができるようにな
り、結果的に空隙磁束密度における高調波成分を極力少
なくすることができるようになる。

【０００９】この場合、実験結果（図７参照）からわか
るように、磁極軸平行配向部を、１磁極の角度領域に対
して２０％〜４０％の角度領域に設定することにより、
特に第３次高調波の比率を極力少なくすることができ
る。

【００１０】一方、１磁極を、磁極軸平行配向部を有す
る永久磁石と、磁極軸非平行配向部を有する複数個の永
久磁石とから構成した場合には、各永久磁石の磁気配向
の設定が比較的容易にできる利点がある。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の第１実施例について図１ない
し図８を参照して説明する。まず、モータの全体構成を
示す図２において、モータの外殻を構成するモータフレ
ーム１１は、２個のフレーム１２、１３をボルト１４に
より連結して構成されていて、このモータフレーム１１
の内側に固定子１５が設けられている。固定子１５は、
環状をなし多数のスロット１６を有した固定子鉄心１７
（図３参照）と、スロット１６に巻装された複数の固定
子巻線１８とから構成されている。

【００１２】固定子１５の内側には、固定子鉄心１７の
内周面との間に所定の空隙１９を存する状態で回転子２
０が回転可能に配設されている。この回転子２０は、上
記フレーム１２，１３に軸受２１、２２を介して回転自
在に支承された回転軸２３と、この回転軸２３の外周部
に設けられた回転子鉄心２４と、この回転子鉄心２４の
外周部に環状に配置された界磁手段としての４個のフェ
ライト製の永久磁石２５とから構成されており、各永久
磁石２５の外面が空隙１９に臨んでいる。各永久磁石２
５は、断面が円弧状をなし、１個に１極分着磁されてい
て、隣どうしが逆極となるように配置されている（図３
参照）。

【００１３】そして、各永久磁石２５は、図１に示すよ
うに、磁気配向２６により周方向の中央部に存する磁極
軸平行配向部２７と、この磁極軸平行配向部２７の左右
両側に存する磁極軸非平行配向部２８，２９との３つの
部分に分けられる構成となっている。図１において、磁
極軸平行配向部２７と、磁極軸非平行配向部２８，２９
との境界部を、便宜上破線で示している。

【００１４】このうち、磁極軸平行配向部２７の磁気配
向２６は、回転子２０の回転中心である回転軸２３の中
心Ｏと磁極の周方向中央部である永久磁石２５の周方向
中央部とを結ぶ磁極軸線３０（Ｏ−Ｓを結ぶ直線）と平
行となっている。

【００１５】これに対して、左右の磁極軸非平行配向部
２８，２９の各磁気配向２６は、固定子１５側の磁極軸
線３０に指向、本実施例では固定子１５側の磁極軸線３
０上に存する同一の焦点３１に集束する配向となってい
る。

【００１６】なお、図１中、永久磁石２５の外周面と内
周面との中間の線を平均弧状線３２、この平均弧状線３
２と上記磁極軸線３０との交点をｒ、永久磁石２５の平
均半径をＲ、回転軸２３の中心Ｏから焦点３１までの距
離を焦点距離Ｐとしたときに、焦点距離Ｐは平均半径Ｒ
よりも大きく設定されている（Ｐ＞Ｒ）。

【００１７】また、１磁極の永久磁石２５の角度領域を
θ、磁極軸平行配向部２７の角度領域をθｏとしたとき
に、本実施例では、θｏ＝θ／３に設定している。すな
わち、磁極軸平行配向部２７の角度領域θｏは、１磁極
の永久磁石２５の角度領域θに対して約３３．３％に設
定されている。

【００１８】図４は１極分の永久磁石２５による磁界の
状態を示したものである。この図４では、固定子鉄心の
スロット形状による影響を省くように、永久磁石２５を
スロットのない平滑固定子鉄心３３と対向させた状態を
示している。この図４において、永久磁石２５内部の磁
力線３４は、図１に示した磁気配向２６に沿っているこ
とがわかる。

【００１９】図５には、１極分の空隙磁束密度の径方向
の分布を従来例と共に示している。この図５において、
本実施例における磁束密度の分布は、両側部において小
さくなっていて、隣接極側への漏れ磁束が極力少なくな
っており、中央部に集中していることがわかる。

【００２０】また、図６は磁束密度スペクトル（次数ご
との磁束密度）を示したものであり、この図６におい
て、本実施例の場合（磁極軸平行配向部２７の比率が３
３．３％）には、従来例の場合（磁極軸平行配向部の比
率が１００％）に比べて、３次以上の高調波を大きく減
少させていることがわかる。

【００２１】ところで、この種のモータにおいてコギン
グトルクを低減させる場合、空隙磁束密度の分布として
は各スペクトル成分が小さい分布となることが望まし
い。しかし、基本波成分（１次成分）はモータ駆動トル
クを発生させるために必要であるため、基本波成分を除
くと一番低次の第３次高調波成分の絶対値を小さくする
ことが望ましい。本実施例は、この理想的な磁束密度分
布に近づける手法の一つである。

【００２２】図７は、図６のうち第３次高調波成分のみ
の絶対値の従来例に対する比率と、磁極軸平行配向部の
比率との関係を示したものである。この図７において、
磁極軸平行配向部の比率が約２０〜４０％の範囲が、第
３次高調波の絶対値を最も小さくできることがわかる。
ここで、磁極軸平行配向部の比率（横軸）が「０」側
（左側）程トルクが小さく、逆に右側程トルクが大きく
なる傾向があるため、トルクを考慮した場合には、磁極
軸平行配向部の比率が約３０〜３５％の範囲とすること
がさらに好ましいということができる。

【００２３】図８には本実施例と従来例とで発生するコ
ギングトルク波形を示している。ただし、この図８は、
各角度におけるコギングトルクの瞬時値を従来例のピー
ク−ピーク値（Ｐ−Ｐ値と称する）で除し正規化してい
る。この図８から明らかなように、本実施例によれば、
従来例に対してコギングトルクを小さくできることがわ
かる。

【００２４】上記したように、本実施例によれば、次の
ような効果を得ることができる。各永久磁石２５の１磁
極を、磁気配向２６が磁極軸線３０と平行な磁極軸平行
配向部２７と、この磁極軸平行配向部２７の両側に設け
られ磁気配向２６が固定子１５側の焦点３１に集束する
ように配向する磁極軸非平行配向部２８，２９とにより
構成したので、磁極軸平行配向部２７により空隙磁束密
度の基本波成分を生成し、この磁極軸平行配向部２７の
両側に存する磁極軸非平行配向部２８，２９により磁束
の発散を防止することができるようになり、結果的に空
隙磁束密度における高調波成分を極力少なくすることが
できて、コギングトルクを低減できる。これに伴い、回
転むらを小さくできると共に、振動や騒音を小さくでき
る。

【００２５】図９は本発明の第２実施例を示したもので
あり、上記した第１実施例とは次の点が異なっている。
すなわち、１極分の永久磁石２５のうち、磁極軸平行配
向部２７の両側に存する磁極軸非平行配向部３５，３６
の磁気配向２６は、固定子１５側において個々の焦点３
５ａ，３６ａに集束する配向となっている。斯様な第２
実施例においても、第１実施例と同様な作用効果を得る
ことができる。

【００２６】また、図１０は本発明の第３実施例を示し
たものであり、上記した第１実施例及び第２実施例とは
次の点が異なっている。すなわち、第１実施例及び第２
実施例では１磁極は１つの永久磁石２５により構成して
いたが、この第３実施例では、１磁極は、磁極軸平行配
向部２７を有する永久磁石３７と、磁極軸非平行配向部
２８を有する永久磁石３８及び磁極軸非平行配向部２９
を有する永久磁石３９との３個の永久磁石から構成して
いる。

【００２７】斯様な第３実施例によれば、第１実施例と
同様な作用効果に加えて次のような利点がある。すなわ
ち、この場合、一つの永久磁石３７，３８，３９に磁気
配向２６がそれぞれ１種類であるから、各永久磁石３
７，３８，３９の磁気配向２６の設定が比較的容易にで
きる。

【００２８】なお、本発明は上記しかつ図面に示した各
実施例にのみ限られず、例えば磁極軸非平行配向部とし
ては、磁気配向が固定子１４側の磁極軸線３０に指向す
れば、焦点に集束せずに、互いに平行であっても良い。
また、磁極軸非平行配向部は、磁極軸平行配向部の両側
に１個ずつに限られず、２個或いは３個ずつあっても良
い。

【００２９】さらに、永久磁石は、第１及び第２の実施
例では１磁極ごとに４個に分かれていたが、本発明は、
複数極ごともしくは全体として一つの永久磁石で構成し
た場合でも適用できる。また、固定子鉄心１７のスロッ
ト数や、永久磁石の磁極数も実施例以外の場合でも同様
に適用することができる。

【００３０】

【発明の効果】以上の記述にて明らかなように、本発明
によれば、回転子における永久磁石の１磁極を、磁気配
向が磁極軸線と平行な磁極軸平行配向部と、この磁極軸
平行配向部の両側に設けられ磁気配向が固定子１５側の
磁極軸線に指向する磁極軸非平行配向部とにより構成し
たので、磁極軸平行配向部により空隙磁束密度の基本波
成分を生成し、この磁極軸平行配向部の両側に存する磁
極軸非平行配向部により磁束の発散を防止することがで
きるようになり、結果的に空隙磁束密度における高調波
成分を極力少なくすることができて、コギングトルクを
低減できる。これに伴い、回転むらを小さくできると共
に、振動や騒音を小さくできる。

【００３１】また、磁極軸平行配向部を、１磁極の角度
領域に対して２０％〜４０％の角度領域に設定すること
により、特に第３次高調波の比率を極力少なくすること
ができる。

【００３２】さらに、１磁極を、磁極軸平行配向部を有
する永久磁石と、磁極軸非平行配向部を有する複数個の
永久磁石とから構成した場合には、各永久磁石の磁気配
向の設定が比較的容易にできる利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示すもので、永久磁石の
磁気配向状態を示す図

【図２】モータ全体の縦断側面図

【図３】要部の横断平面図

【図４】回転子を平滑固定子鉄心の内側に配置した状態
の磁界を示す図

【図５】空隙磁束密度分布を示す図

【図６】磁束密度スペクトル（次数ごとの磁束密度）を
示す図

【図７】磁束密度における第３次高調波成分の比率を示
す図

【図８】コギングトルク波形を示す図

【図９】本発明の第２実施例を示すもので、１磁極分の
磁気配向状態を示す図

【図１０】本発明の第３実施例を示す図９相当図

【図１１】従来例を示す図１相当図

【符号の説明】

１５は固定子、１９は空隙、２０は回転子、２５は永久
磁石（界磁手段）、２６は磁気配向、２７は磁極軸平行
配向部、２８，２９は磁極軸非平行配向部、３０は磁極
軸線、３１は焦点、３５，３６は磁極軸非平行配向部、
３５ａ，３６ａは焦点、３７，３８，３９はそれぞれ永
久磁石である。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固定子の内側に回転可能に設けられ、略
   円筒状をなし周方向に複数極に着磁された永久磁石また
   は断面が略円弧状をなして複数個が環状に配置された永
   久磁石を界磁手段として有する回転子を備えた永久磁石
   形モータにおいて、 前記永久磁石の１磁極は、１磁極内における周方向の中
   央部に設けられ磁気配向が回転子の回転中心と磁極の周
   方向中央部とを結ぶ磁極軸線と平行な磁極軸平行配向部
   と、この磁極軸平行配向部の両側に設けられ磁気配向が
   固定子側の磁極軸線に指向する磁極軸非平行配向部とを
   有する構成であることを特徴とする永久磁石形モータ。
2. 【請求項２】 磁極軸平行配向部は、１磁極の角度領域
   に対して２０％〜４０％の角度領域に設定されているこ
   とを特徴とする請求項１記載の永久磁石形モータ。
3. 【請求項３】 磁極軸非平行配向部の磁気配向は、固定
   子側の焦点に集束する配向であることを特徴とする請求
   項１記載の永久磁石形モータ。
4. 【請求項４】 磁極軸平行配向部の両側に存する各磁極
   軸非平行配向部の磁気配向は、固定子側の同一の焦点に
   集束する配向であることを特徴とする請求項１記載の永
   久磁石形モータ。
5. 【請求項５】 磁極軸平行配向部の両側に存する各磁極
   軸非平行配向部の磁気配向は、磁極軸線上の同一の焦点
   に集束する配向であることを特徴とする請求項１記載の
   永久磁石形モータ。
6. 【請求項６】 １磁極は、磁極軸平行配向部を有する永
   久磁石と、磁極軸非平行配向部を有する複数個の永久磁
   石とから構成されていることを特徴とする請求項１〜６
   のいずれかに記載の永久磁石形モータ。