JPH08205499A

JPH08205499A - 同期電動機

Info

Publication number: JPH08205499A
Application number: JP3451495A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Hattori; 宏之服部; Kaoru Kubo; 馨久保; Sumikazu Shiyamoto; 純和社本
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1995-01-30
Filing date: 1995-01-30
Publication date: 1996-08-09

Abstract

(57)【要約】【目的】永久磁石を用いた同期型三相モータで突極を
設けリラクタンストルクを利用するものにおいて、トル
クリップルを低減する。【構成】永久磁石５１ないし５４の間に設けられた突
極７１ないし７４の開角を２０度ないし２８度とし、回
転方向（図中矢印Ａ方向）に対して後方に変位させる。
これにより、出力トルクの落ち込みを招くことなく、ト
ルクリップルを大幅に低減することができる。また、突
極の変位を一つおきに反対方向とすれば、回転子５０の
回転方向によらず、トルクリップルを低減することがで
きる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、回転子の外周に突極を
備えた同期電動機に関し、詳しくは同期電動機の出力ト
ルクの変動を低減する技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の同期電動機（同期型モー
タ）としては、例えば特開昭６０−１２１９４９号公報
に示されるように、回転子の外周に等間隔に永久磁石を
設け、その中間に突極を設けた永久磁石型モータが知ら
れている。これは、回転子外周に設けられた永久磁石の
間に突極を設けて電機子電流による横軸（ｑ軸）方向の
磁束が回転子鉄心内を通り易くし、横軸（ｑ軸）のイン
ダクタンスＬｑをｄ軸のインダクタンスＬｄより大きく
して、リラクタンストルク（反作用トルク）を有効利用
しようとするものである。

【０００３】こうした従来例では、永久磁石と突極とが
分離独立した形状となっているものも見られるが、永久
磁石による磁束を強め、他方突極によるリラクタンスト
ルクを有効利用しようとして、隣接する永久磁石間全体
を突極として構成するものも提案されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、こうした突
極を設けたモータでは、リラクタンストルクにより出力
の改善は見られるものの、出力トルクが変動して、看過
しがたいトルクリップルが発生するという問題があっ
た。図１２は、トルクリップルの一例を示すグラフであ
る。この図は、極対数２、ティース数２４の永久磁石型
三相同期電動機のトルクリップルを示しているが、電気
角で６０度を一周期とするトルクリップルが観察され、
その大きさは出力トルクの約２割程度にも及んでいた。
トルクリップルが発生するのは、界磁を形成する三相コ
イルへの通電が完全な正弦波とはなっておらず、磁束の
分布が高調波を含むからである。また、その周期が電気
角で６０度となるのは、三相コイルでは各コイルへの通
電状態が切り替わると、電気的な関係は丁度６０度進ん
だ状態となるからである。

【０００５】こうしたトルクリップルはモータの回転む
らの原因となり、特に電気自動車の動力源に用いると、
発進時などに振動を生じることがあった。また、坂道発
進時などでは回転子の静止位置によってはトルク不足を
生じて、なめらかな発進ができないことも考えられた。

【０００６】本発明は、同期電動機のトルクリップルの
発生とこれに伴うこうした問題を解決することを目的と
してなされ、次の構成を採った。

【０００７】

【課題を解決するための手段及び作用】第１請求項に記
載された本発明の同期電動機は、回転子に複数個の永久
磁石を備え、該永久磁石の間に突極を設けた同期電動機
であって、突極の少なくとも一部を前記回転子の回転方
向後方に変位して設けたことを要旨とする。

【０００８】トルクリップルの発生原因を解析したとこ
ろ、トルクリップルは、突極とステータとの間に生じる
リラクタンストルクに起因し、主に突極のコーナー部で
発生することが分かった。永久磁石型の同期電動機の磁
束の分布を調べると、磁束は突極の端部に集中してい
る。この磁束がステータ側のティースとのギャップを渡
って磁路を形成するが、回転子の回転に伴って磁束が一
つのティースから次のティースに移動する際、磁束が大
きく変動し、トルクリップルの発生要因となっていた。
なお、トルクリップルの周期は、三相同期型電動機の場
合、電気角で６０度である。

【０００９】そこで、請求項１の同期電動機では、突極
の少なくとも一部を回転子の回転方向後方に変位して設
けることで、トルクの低下を抑制する。

【００１０】請求項２の同期電動機は、回転子に複数個
の永久磁石を備え、該永久磁石の間に突極を設けた同期
電動機であって、前記突極の一部を前記回転子の回転方
向後方に変位して設け、該回転方向後方に変位された突
極以外の突極の少なくとも一部を該回転方向に対する前
方に変位して設けたことを要旨とする。

【００１１】この同期電動機は、回転方向後方に設けら
れた一部の突極が、トルクの低下を抑制する。他方、回
転子の回転方向前方に変位して設けられた一部の突極
は、回転子が逆回転する場合、後方に変位して設けられ
た突極と同様に機能し、トルクの低下を抑制する。この
結果、この同期電動機では、正逆両回転において、トル
クリップルは低減される。

【００１２】請求項５記載の同期電動機は、請求項２の
同期電動機において、突極を一つおきに、前記回転子の
回転方向前方と後方とに変位して設けたしたものであ
る。一つおきに設けることで、正逆いずれの回転方向に
対してもトルクバランスが良好となる。

【００１３】

【実施例】以上説明した本発明の構成・作用を一層明ら
かにするために、以下本発明の好適な実施例について説
明する。図１は、本発明の一実施例としての回転子５０
の形状を示す平面図、図２は、この回転子５０を組み込
んだ同期型三相モータ４０の構造を示す断面図である。

【００１４】まず、図２を用いて、同期型三相モータ４
０の全体構造について説明する。この同期型三相モータ
４０は、固定子３０と回転子５０とこれらを収納するケ
ース６０とからなる。回転子５０は、外周に永久磁石５
１ないし５４が貼付されており、その軸中心に設けられ
た中空の回転軸５５を、ケース６０に設けられた軸受６
１，６２により回転自在に軸支している。

【００１５】回転子５０は、無方向性電磁鋼板を打ち抜
いて成形したロータ５７を複数枚積層したものである。
このロータ５７は、図１に示すように、その外周の４箇
所に、９０度ずつ隔たって、かつ永久磁石５１ないし５
４に対しては片側に寄った位置に、突極７１ないし７４
が設けられている。突極７１ないし７４は、ロータ５７
に一体に構成しても良いし、別部材により構成しても差
し支えない。ロータ５７には、４箇所、組立用のピン５
９を挿入する孔が設けられており、このピン５９により
位置決めしつつ積層した後、積層体の前後にエンドプレ
ート５７Ａ，５７Ｂを配置する。この状態でピン５９の
端部をエンドプレート５７Ａ，５７Ｂに溶接またはかし
めることで、積層したロータ５７を固定する。ロータ５
７の中心部は回転軸５５が圧入されるように抜かれてお
り、更に周り止め用のキー溝５８が設けられているの
で、回転軸５５のキー溝にキー５６を打ち込んだ状態で
回転軸５５を、積層されたロータ５７に挿入する。こう
して回転子５０が組み立てられる。

【００１６】回転子５０を形成した後、回転子５０の外
周面に、所定厚さの永久磁石５１ないし５４を軸方向に
亘って貼付する。この永久磁石５１ないし５４は、厚み
方向に磁化されている。この永久磁石５１ないし５４
は、回転子５０を固定子３０に組み付けると、隣接する
永久磁石およびロータ５７，ステータ２０を貫く磁路Ｍ
ｄを形成する（図１参照）。突極７１ないし７４と永久
磁石５１なし５４との位置関係については、詳しく後述
する。

【００１７】固定子３０を構成するステータ２０は、ロ
ータ５７と同じく無方向性電磁鋼板の薄板を打ち抜くこ
とで形成されており、図１に示すように、計２４個のテ
ィース２２を備える。また、ステータ２０の外周には、
固定用の溶接を行なうための切欠３４が８箇所、周り止
めのキーを挿入するキー溝３６が４箇所、各々設けられ
ている。固定子３０は、板状のステータ２０を、治具を
利用して位置決めしつつ積層し、その状態で外周に設け
られた切欠３４を溶接することで固定される。この状態
で、ティース２２間に形成されたスロット２４に、固定
子３０に回転磁界を発生させるコイル３２を巻回する。

【００１８】こうして固定子３０を組み立てた後、ケー
ス６０に設けられたキー溝と、固定子３０の外周のキー
溝とを一致させ、ここに周り止めのキーを介装させつ
つ、ケース６０に固定子３０を組み付ける。更に回転子
５０をケース６０の軸受６１，６２により回転自在に組
み付けることにより、この同期型三相モータ４０は完成
する。

【００１９】固定子３０の固定子コイル３２に回転磁界
を発生するよう励磁電流を流すと、これにより隣接する
突極およびロータ５７，ステータ２０を貫く磁路Ｍｑが
形成される。尚、上述した永久磁石５２により形成され
る磁束が回転子５０を径方向に貫く軸をｄ軸と呼び、固
定子３０の固定子コイル３２により形成される磁束が回
転子５０を径方向に貫く軸をｑ軸と呼ぶ。

【００２０】この同期型三相モータ４０のＵ相，Ｖ相，
Ｗ相のコイルは、図３に示すように、コントローラ９０
により制御されるモータドライバ８０に接続されてお
り、このモータドライバ８０から各相に位相が１２０度
ずつ異なる所定周波数の交流電圧を加えることにより、
その周波数に対応した回転数で、同期型三相モータ４０
の回転子５０は回転する。

【００２１】次に、発明に対応した実施例の特徴である
突極７１ないし７４の幅（開角）および永久磁石５１な
いし５４に対する突極の位置関係について説明する。図
１に示したように、実施例の同期型三相モータ４０で
は、４個の永久磁石５１なし５４は、機械角で各々９０
度ずつ隔たった位置に設けられており、この永久磁石間
に設けられた突極７１なし７４自体も相互に機械角で各
々９０度ずつ隔たっている。但し、従来の同期モータで
は、突極は、永久磁石間の中央に位置していたが、本実
施例では、図示するように、回転子５０の回転方向（図
示矢印Ａ方向）に対して後方にずれ、突極の後方に位置
する永久磁石の端部に接する位置に配設されている。図
１に示した例では、各突極は永久磁石間の中心から約１
５度ずれている。

【００２２】また、突極７１ないし７４の開角（突極の
幅の中心角）は、図１に示した実施例では、２２．８度
とされている。この場合の同期型三相モータ４０の出力
トルクのリップルの様子を、図４に符号「◇」により示
す。なお、図４には、開角の異なる実施例を併せて示し
ている。即ち、突極７１ないし７４の開角が、２０．８
度のものを図示符号「●」で、２５．８度のものを図示
符号「◆」で、３０．８度のものを図示符号「□」で、
３５．８度のものを図示符号「■」で、各々示してい
る。また、各開角での出力トルクの平均値Ｔａｖと、ト
ルクリップルの大きさ（最大トルクと最小トルクの差）
Ｔｒとを、図５に実線Ｊにより示した。この同期型三相
モータ４０では、突極は電気角で７２０度に４個存在す
るから、突極一つ当たりの電気角は１８０度となる。更
に三相同期モータであることから、突極７１ないし７４
の端部を通過する磁束がティース２２を渡る際の磁束の
状態は、１８０÷３＝６０度毎に同一となる。従って、
トルクリップルの周期は電気角で６０度である。

【００２３】一方、比較例として、突極７１ないし７４
の位置が永久磁石５１ないし５４間の中央である同期型
三相モータのトルクリップルの様子を、他の条件を同一
として、図６に示した。比較例の各開角での出力トルク
の平均値Ｔａｖ２とトルクリップルの大きさＴｒ２は、
図５に破線Ｂで示した。これらの図から明らかなよう
に、突極７１なし７４を、回転子５０の回転方向後方に
変位させると、出力トルクの平均値Ｔａｖは、突極の位
置を回転方向後方に変位させたもの方が突極の開角によ
らず僅かに高くなり、トルクリップルＴｒについては、
開角２０度ないし３２度の範囲では低減された。トルク
リップルＴｒについては、特に突極の開角２０度ないし
２５度の範囲では顕著な改善が見られる。

【００２４】なお、突極７１ないし７４の開角は、図４
では、２０．８度から３５．８度まで変化させている
が、実施例では、隣接する永久磁石５１ないし５４の間
隔が３５．８度なので、突極開角を３５．８度とする
と、実際には突極は、永久磁石間全体に存在することに
なり、突極を回転方向後方に変位させることはできな
い。従って、図４の開角３５．８度のグラフ（図示符号
■）と図６の開角３５．８度のグラフ（図示符号■）と
は、同一となる。また、同様の理由から、開角が大きく
なるにつれて、突極を回転子の回転方向後方に変位させ
得るずれ量は、小さくなる。

【００２５】更に、種々の三相同期モータを試作し、突
極の開角を変えてテストを行なってトルクリップルの少
ない突極開角を検討した。この結果、図７に示すよう
に、固定子３０の隣接するティース２２中心の角度をθ
ｓ、ティース２２間の隙間の角度をθｇ、突極部におけ
るギャップ間隔をＬｇとすると、トルクリップルを抑制
する突極の開角θｔは、次式（１）で与えられるとの知
見を得た。 θｔ＝ｎ（θｓ−θｇ）＋（ｎ＋１）θｇ^a ＋Ｌｇ^b …（１）ここで、ｎは正の整数、ａ，ｂは定数である。実験的
に、実施例の同期型三相モータ４０では、ａ＝１．６
５、ｂ＝０．９５となった。

【００２６】実施例の同期型三相モータ４０では、ティ
ース２２は２４個あり、θｓ＝３６０／２４＝１５［ｄ
ｅｇ］である。また、ティース２２の隙間θｇ＝２．３
５［ｄｅｇ］、Ｌｇ＝２．０［ｍｍ］であった。式
（１）を満足する開角θｔは、ｎ＝１のとき、θｔ＝２
２．８度であった。なお、ｎ＝２以上についても式
（１）に従い、解を求めることができ、トルクリップル
を低減することができるが、この場合には、突極の開角
が隣接する永久磁石間の望ましい幅を越えてしまい、回
転方向後方に配置することもできないので、現実的な解
とはならない。

【００２７】なお、本実施例の同期型三相モータ４０
は、電気自動車の駆動用モータとして用いられるが、電
気自動車では、モータの回転方向は、一方向が大部分で
あり、車両をバックさせる場合に僅かに逆回転するに過
ぎない。従って、一方向（図１矢印Ａ方向）の回転につ
いて出力トルクの向上とトルクリップルの低減を図るこ
とができるのは、電気自動車の駆動用モータとして極め
て大きな利点である。なお、駆動用モータの回転方向を
一方向に限り、車両をバックさせる場合にはギヤの切替
によるものとすれば、本実施例のモータの優れた特性を
最大限に引き出せることは勿論である。従って、本実施
例の同期型三相モータ４０の使用は、電気自動車の駆動
用に限られるものではない。

【００２８】なお、本実施例では、突極７１ないし７４
をすべて回転方向後方に変位させたが、一部の突極のみ
変位するものとしても、トルクリップルの低減という点
では、従来のものより改善される。

【００２９】次に、本発明の第２の実施例について説明
する。第２実施例の同期型三相モータ１４０は、図８に
示すように、第１実施例の同期型三相モータ４０と突極
の配置を除いて同一の構成を有する。この同期型三相モ
ータ１４０は、突極突極１７１ないし１７４のうち、一
つおきの２つの突極１７１，１７３が、他の突極１７
２，１７４とは逆に、回転方向Ａに対して前方に変位し
て設けられている。すなわち、突極１７１ないし１７４
は、周方向において一つおきに反対方向に変位して設け
られているのである。

【００３０】係る構成の同期型三相モータ１４０の出力
特性を図９に示す。図において、パラメータは突極の開
角である。また、このモータ１４０の出力トルクの平均
値ＴａｖとトルクリップルＴｒとを、開角をパラメータ
として示したのが、図１０である。両図に示すように、
突極の開角が２０度ないし２８度の範囲では、トルクリ
ップルＴｒが大きく低減され、出力トルクの低下は僅か
なものに留まっている。従って、突極１７１ないし１７
４を交互に、回転方向前後方向に変位させ、その開角を
２０度ないし２８度とすれば、回転方向の如何をとわ
ず、高出力トルクと低トルクリップルとを実現すること
ができる。係る同期型三相モータ１４０は、電気自動車
の駆動用としてはもちろん、工作機械やその他の用途に
使用することができる。本実施例では突極を交互に前後
方向に変位させており、この構成は、正逆回転における
トルクバランスや回転子５０の釣合からも望ましいもの
となっている。なお、交互に同数の突極を変位させるの
ではなく、複数の突極の一部のみを、外周方向にそれぞ
れ異なる方向に変位しても、トルクリップルの低減とい
う点では、従来のものより改善される。

【００３１】上述した第１，第２実施例を通して、突極
の位置と出力トルクとの関係を一覧にしたのが、図１１
である。図１１のＡ欄は総ての突極を回転方向前方に変
位させたものを、同図Ｂ欄は総ての突極を後方に変位さ
せたものを、同図Ｃ欄は総ての突極を変位させず中央に
配置したものを、同図Ｄ欄は突極を交互に変位させたも
のを、同図Ｅ欄は突極の幅を永久磁石の間隔全体とした
ものを、各々示している。図示するように、回転方向を
一方向に限定すれば、総ての突極を回転方向後方に変位
したもの（図１１Ｂ欄）が、出力トルク，トルクリップ
ル共に最も優れていることが理解される。また、突極を
交互に変位させたもの（同図Ｄ欄）も、出力トルクはや
や低下するものの、トルクリップルは小さくかつ逆転時
にも出力トルクの大きな低下が見られない点で優れてい
ることが理解される。

【００３２】以上本発明のいくつかの実施例について説
明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるも
のではなく、例えば極対数４，６，８，１０・・・等の
構成を備えた同期電動機としての構成や、永久磁石を回
転子の内部に設けた構成など、本発明の要旨を逸脱しな
い範囲内において、種々なる態様で実施し得ることは勿
論である。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように本発明の請求項１な
いし５記載の同期電動機は、出力トルクの変動（リップ
ル）を低減することができ、電動機としての回転むらを
小さくできるという優れた効果を奏する。従って、この
同期電動機を各種の駆動モータとして用いれば、モータ
のトルクリップルに起因する振動や起動時のトルク不足
といった問題を解消することができる。

【００３４】加えて、請求項３ないし５記載の同期電動
機は、一部の突極とのその他の突極の一部とを回転子の
外周において反対方向に変位させているので、回転方向
を問わずトルクリップルを低減することができるという
利点が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例である同期型三相モータ４
０の構造を示す平面図である。

【図２】実施例の回転子５０を組み込んだ同期型三相モ
ータ４０の構造を示す断面図である。

【図３】同期型三相モータ４０を駆動するモータドライ
バ８０およびコントローラ９０を示すブロック図であ
る。

【図４】第１実施例の同期型三相モータ４０の突極の開
角と出力トルクとの関係を示すグラフである。

【図５】突極開角と出力トルクおよびトルクリップルの
関係を示すグラフである。

【図６】比較例として、突極の位置を変位させていない
モータの出力トルクの変動の様子を示すグラフである。

【図７】トルクリップルを低減する突極開角を求める式
を説明する説明図である。

【図８】本発明の第２実施例である同期型三相モータ１
４０の構造を示す平面図である。

【図９】第２実施例の同期型三相モータ１４０の突極の
開角と出力トルクとの関係を示すグラフである。

【図１０】第２実施例における突極開角と出力トルクお
よびトルクリップルの関係を示すグラフである。

【図１１】突極の配置と出力トルクとの関係を一覧にし
て示す説明図である。

【図１２】従来技術におけるトルクリップルの一例を示
すグラフである。

【符号の説明】

２０…ステータ２２…ティース２４…スロット３０…ステータ３０…固定子３２…固定子コイル３４…切欠３６…キー溝４０…同期型三相モータ５０…回転子５１ないし５４…永久磁石５１ａ，５１ｂ…側端面５５…回転軸５７…ロータ５７Ａ，５７Ｂ…エンドプレート５８…キー溝５９…ピン６０…ケース６１，６２…軸受７１ないし７４…突極８０…モータドライバ９０…コントローラ１４０…同期型三相モータ１７１ないし１７４…突極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回転子に複数個の永久磁石を備え、該永
久磁石の間に突極を設けた同期電動機であって、前記突極の少なくとも一部を前記回転子の回転方向後方
に変位して設けた同期電動機。
【請求項２】回転子に複数個の永久磁石を備え、該永
久磁石の間に突極を設けた同期電動機であって、前記突極の一部を前記回転子の回転方向後方に変位して
設け、該回転方向後方に変位された突極以外の突極の少なくと
も一部を該回転方向に対する前方に変位して設けた同期
電動機。
【請求項３】請求項２記載の同期電動機であって、前記突極を一つおきに、前記回転子の回転方向前方と後
方とに変位して設けた同期電動機。