JPWO2019167160A1 - 永久磁石型モータ - Google Patents

Abstract

永久磁石型モータ（１）は、永久磁石（２５）が埋設されたロータコア（２３）の界磁極（４０）を有するロータ（２２）を備え、界磁極（４０）は、ロータ（２２）のシャフト（２４）を中心とする円弧よりも小さい半径を有しており、界磁極（４０）には複数のスリット（４１）が形成されており、複数のスリット（４１）は、複数のスリット（４１）間に位置する第１の中心線（４２ａ）と隣り合う複数のスリット（４１）間に位置する第２の中心線（４２ｂ）との間隔が、ロータコア（２３）の外周側に向かうにしたがって拡大するように配置されており、界磁極（４０）の複数のスリット（４１）のうち、界磁極（４０）の中心位置に配置された第１スリット（４１ａ）および第１スリット（４１ａ）の両側に配置された第２および第３スリット（４１ｂ、４１ｃ）が永久磁石（２５）の周方向の幅の２０％以内に配置されたものである。

Description

本願は、永久磁石型モータに関するものである。

従来、永久磁石型モータのロータにおいては、永久磁石の減磁耐力を改善するために、ＩＰＭ（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）モータのロータコア表面にそれぞれの隣接間隔がほぼ等しく並ぶスリットが設けられている（例えば、特許文献１参照）。
また、従来のモータの磁石埋め込み型ロータには、トルクリップルを改善するために、ＩＰＭモータのロータコア表面に回転方向の一方に傾いたスリットが設けられている（例えば、特許文献２参照）。

前述のような従来のＩＰＭモータは、主に、減磁耐性またはトルクリップルの改善を図ることを目的としたものである。減磁耐性の改善であれば、特許文献１に開示されたようにロータ表面にスリットを設ける複雑な構造にする必要はなく、保磁力の高い永久磁石を適用すれば良い。また、トルクリップルの改善であれば、特許文献２に開示されたような真円のロータ外形を有する構造はトルクリップルが悪化する形状であるので適していない。
一般に、ＩＰＭは、表面磁石構造（ＳＰＭ：Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）よりも減磁耐力があり、リラクタンストルクを活用できるので、電流量を増加してトルク密度を増すことで、小型で高出力のモータを実現できる。

特開２００６−０８１３３６号公報 特開２００６−０１４４５０号公報

このとき、ＩＰＭでは、ＳＰＭとは異なり、ステータ内径に対向する面が透磁率の高いロータコアとなるので、磁極表面を周方向に横断する磁束が大きくなり、エアギャップの磁束密度がＳＰＭと比べ、局所的に過大となりやすい。
従来の永久磁石型モータにおいては、エアギャップの局所的な磁束密度の増加により、磁束密度の２乗に比例する電磁加振力が作用し、ステータを変形させようとするので、モータの振動騒音が悪化するという問題点があった。モータ電流の低減またはエアギャップの拡大は、トルク密度を低下させるので、ＳＰＭに対する小型高出力化のメリットが相殺されてしまうこととなる。

本願は、上述のような課題を解決するための技術を開示するものであり、ＩＰＭの利点である小型高出力化を確保しつつ、モータの振動騒音の悪化を抑制できる永久磁石型モータを提供することを目的とする。

本願に開示される永久磁石型モータは、ステータと、前記ステータの内側に対向して配置され、永久磁石が埋設されたロータコアの界磁極を有するロータと、を備え、前記界磁極は、前記ロータのシャフトを中心とする円弧よりも小さい半径を有しており、前記界磁極には複数のスリットが形成されており、前記複数のスリットは、複数の前記スリット間に位置する第１の中心線と隣り合う複数の前記スリット間に位置する第２の中心線との間隔が、前記ロータコアの外周側に向かうにしたがって拡大するように配置されており、前記界磁極の前記複数のスリットのうち、前記界磁極の中心位置に配置された第１スリットおよび前記第１スリットの両側に配置された第２および第３スリットが前記永久磁石の周方向の幅の２０％以内に配置されたものである。

本願に開示される永久磁石型モータによれば、ＩＰＭの利点である小型高出力化を確保しつつ、モータの振動騒音の悪化を抑制できる永久磁石型モータが得られる。

実施の形態１による永久磁石型モータの軸方向断面図である。 実施の形態１による永久磁石型モータのロータの正面図である。 実施の形態１による永久磁石型モータのロータの正面図である。 実施の形態１による永久磁石型モータのロータの正面図である。 実施の形態１による永久磁石型モータのロータの正面図である。 実施の形態１による永久磁石型モータのロータの正面図である。 比較例による永久磁石型モータの正面図である。 比較例による永久磁石型モータの正面図である。 比較例による永久磁石型モータの正面図である。 界磁極にスリットを設けた際の電磁加振力とトルクの変化を示す図である。 界磁極にスリットを設けた際の電磁加振力とトルクの変化を示す図である。 界磁極にスリットを設けた際の電磁加振力とトルクの変化を示す図である。 実施の形態１による永久磁石型モータのロータの正面図である。 図６Ａ〜図６Ｃにより得られた解析値について、縦軸を電磁加振力、横軸をトルクリップル値としてプロットした図である。 図８にプロットしたデータから第１スリットに対して隣接する第２、第３スリットが永久磁石の周方向の幅に対して２０％より大きくなる位置に配置されたデータを分離して再プロットした図である。 図８にプロットしたデータから第１スリットに対して隣接する第２、第３スリットが永久磁石の周方向の幅に対して２０％以内の位置に配置されたデータを分離して再プロットした図である。

以下、図面に基づいて実施の形態１について説明する。
なお、各図面中において、同一符号は同一あるいは相当のものであることを示す。
実施の形態１．
図１は、実施の形態１による永久磁石型モータの軸方向断面図である。実施の形態１による永久磁石型モータは、例えば、電動パワーステアリングシステム等に用いられている。
図１に示すように、永久磁石型モータ（以下、単にモータという）１は、内部に複数の永久磁石２５が埋設されたロータコア２３を有し回転自在に支持されたロータ２２と、ロータ２２の外側にエアギャップ５０を介して設けられたステータ１２とを備えている。また、ステータ１２は、ステータコア３と固定子巻線５とを備えている。

ステータコア３は、例えば板状の電磁鋼板を積層して形成され、樹脂製のインシュレータ４を介して３相の固定子巻線５が巻回されている。各相の固定子巻線５は、樹脂製のターミナルホルダ６に収められた巻線ターミナル７によってΔ結線されている。さらに、各相の巻線ターミナル７には、リード線２と接続するための接続ターミナル８が取り付けられている。接続ターミナル８は、接続ターミナルベース部９に取り付けられており、接続ターミナルベース部９の内部には接続ターミナル８にリード線２を取り付けるためのナット１０が収納されている。

ステータコア３は、鉄製のフレーム１１に圧入され、モータ１のステータ１２をなしている。フレーム１１の一方の端部には底部があり、底部の中央部には、ロータ２２の一端を支持するためのリアベアリング２６を収納するリアベアリングボックス部１３が形成されている。フレーム１１の他方の端部は開口しており、モータ１のハウジング１７と連結するためのインロー部１４が形成されている。フレーム１１のインロー部１４の外周には、モータ１のハウジング１７にステータ１２をねじ止めするためのねじ止め部を有するフランジ部１５が形成されている。モータ１のハウジング１７とステータ１２のフランジ部１５の間には、防水のためのＯリング状のフレームグロメット１６が設けられている。

モータ１のハウジング１７は、アルミ合金のダイキャスト成形によって形成され、中央部にはロータ２２の一端を支持するためのフロントベアリング２７を収納するフロントベアリングボックス１８が形成されている。また、ハウジング１７のフロントベアリングボックス１８の近傍には、ロータ２２の回転角度を検出するための回転センサであるレゾルバ１９を取り付けるための、レゾルバ取り付け部２０が形成されている。ハウジング１７のステータ１２を取り付ける側と反対側の端部には、モータ１を相手側機器に取り付けるための取り付けインロー部２１が設けられている。

ロータ２２は、鉄製のシャフト２４に取り付けられた電磁鋼板を積層して形成されたロータコア２３を備えている。そして、シャフト２４の両端は、リアベアリング２６およびフロントベアリング２７によって回転自在に支持されている。シャフト２４のフロント側端部には、相手側機器と連結するためのカップリングであるボス２８が取り付けられている。

図２Ａおよび図２Ｂは、実施の形態１による永久磁石型モータのロータの正面図である。また、図２Ｂは、図２Ａの拡大図である。図２Ａおよび図２Ｂに示すように、ロータ２２のロータコア２３には、周方向に沿って複数の永久磁石２５が埋設されている。複数の永久磁石２５は、ロータコア２３内に周方向に沿って等間隔に配置された複数の永久磁石取り付孔４７に収容固定されており、永久磁石２５の両側には空隙部４５が形成されている。なお、図２Ａおよび図２Ｂは、ロータ２２を中心として図示したものである。よって、ロータ２２の外周にエアギャップ５０を介して設けられたステータ１２については、図示を省略している。ステータ１２は、複数のティース４８と複数のスロット（図示なし）を有するステータコア３とティース４８に巻回されてスロットに収納された電機子巻線（図示なし）とを有するものである。

実施の形態１においては、ロータコア２３が、シャフト２４を中心とする真円ではなく、花丸状の形状を有しており、永久磁石２５が埋設されたロータコア２３の界磁極４０には、複数のスリット４１が形成されている。界磁極４０は、ロータ２２の内側に取り付けられたシャフト２４を中心とする円弧よりも小さい半径を有している。また、複数のスリット４１のうち、界磁極４０の中心にある中央スリットＢは、長軸方向（長手方向）がロータコア２３の径方向または花丸形状の界磁極４０の外周の径方向に向かって配置されている。

また、スリット４１とスリット４１との間は、界磁極４０のロータコア２３であり、両側のスリット４１の中心線４２は外周側に行くほど広がっていくように設定されている。つまり、複数のスリット４１間の第１の中心線４２ａと隣り合う複数のスリット４１間の第２の中心線４２ｂとの間隔が、ロータ２２の外周側に向かうにしたがって徐々に拡大するように複数のスリット４１は設けられている。スリット４１は、界磁極４０（＝１磁極部）あたり、例えば７本配置されている。また、スリット４１は、界磁極４０の中央に配置された中央スリットＢを挟んで、軸対称に奇数本配置されており、スリット４１の長さは、軸対称で同じ長さとなっている。永久磁石２５は、周方向の幅が半径方向の幅より長い、平板型の磁石形状となっている。

また、接続部４４は、スリット４１が入って分割された界磁極４０を一体とするために設けられている。スリット４１で分断された界磁極４０は、接続部４４により一体化されている。接続部４４は、接続部（界磁極上側）４４ａまたは接続部（界磁極下側）４４ｂにより構成されている。
また、図２Ｃ〜図２Ｅは、実施の形態１による他の実施例である永久磁石型モータのロータの正面図である。図２Ｃにおいては、永久磁石２５の形状が曲線状となっているが、永久磁石２５と永久磁石取り付孔の形状を除いたその他の構造は図２Ａの構造と同じである。
さらにまた、図２Ｄは、ブリッジ部４３に対向するロータコア２３の形状が真円形状４６となっているが、その形状を除いたその他の構造は、図２Ａの構造と同じである。
また、図２Ｅは、スリット４１の形状が台形形状となっているが、スリット４１の形状を除いたその他の構造は、図２Ａの構造と同じである。

図３〜図５は、比較例による永久磁石型モータの正面図である。図３〜図５においては、ロータ２２の外側にエアギャップ５０を介して設けられたステータ１２のティース４８を図示している。図３においては、ロータ２２の外形が真円形状４６であるために、トルクリップルが大きくなってしまう。また、図４では、ロータコア２３にスリット４１が設けられていないため、ロータコア２３の界磁極４０を横切る磁束４９が流れ、エアギャップ５０の領域Ａの磁束密度が増加してしまう。また、図５は、スリット４１の間隔がロータコア２３の外周側に行くほど小さくなっており、スリット４１によるエアギャップ５０の磁束密度の分散効果がなくなってしまう。

一方、実施の形態１においては、特に、低次の電磁加振力モードが小さく振動騒音が大きくなりやすい、例えば全周で２次のモードが生じる１０極１２スロット、１４極１２スロット、１４極１８スロット等の極スロットで特に顕著な効果を発揮できる。
スリット４１のうち一本は界磁極４０の中心にある。界磁極４０の中心は、横切る磁束４９に対して、最も、界磁極４０の断面積が大きく磁束４９が流れやすい場所であり、スリット４１による磁束４９の遮断効果が得られる。

また、界磁極４０に形成されるスリット４１の本数は、例えば、Φ４０〜Φ５０程度の１０極１２スロットの場合では、界磁極４０（＝１磁極部）あたり５本〜７本が望ましい。その理由は、界磁極４０内での磁気が飽和するまでスリット４１を多数本入れてしまうと、振動騒音の抑制効果は得られやすいが、スリット４１が磁気抵抗となってトルクが落ちてしまうためである。また、界磁極４０の周方向の幅、スリット幅およびスリット間隔（ロータコア２３の電磁鋼板の板厚程度は必要である）を考慮すると、スリット４１の作製におけるプレス等の打ち抜きにおいて、５本〜７本よりも多く形成することが難しいなどの理由による。

図６Ａ〜図６Ｃは、界磁極にスリットを設けた際の構造の電磁加振力とトルクの変化量および界磁極にスリットを設けない構造（集合Ｂ）の電磁加振力とトルクの変化量をプロットした図である。図６Ａ〜図６Ｃにおいて、左側には、電磁加振力とトルクの変化量をプロットしたグラフを示し、右側には、界磁極にスリットを設けない集合Ｂの形状の正面図を示す。また、図７は、実施の形態１による永久磁石型モータのロータの正面図である。

より具体的に説明すると、図６Ａ〜図６Ｃは、図７に示す１０極１２スロットのモータ１において、スリット４１を５本もしくは７本配置し、かつ、スリット４１の位置（各スリット距離Ｌ）と角度θを変化させて、ステータコア３またはフレーム１１の振動騒音の原因となる電磁加振力の主成分である２次成分（楕円に変形させる成分）が最小となるように電磁界解析の最適設計ツールで設計した仕様の集合Ａと、スリット設計の基準としたスリット４１を界磁極４０に配置しない仕様の集合Ｂをプロットしたものである。

図６Ａ〜図６Ｃにおいて、縦軸は電磁加振力の変化率を示し、横軸はトルク変化量を示す。縦軸は、スリット４１の無い集合Ｂの電磁加振力値を１００とし、スリット設計で電磁加振力が１００に対してどれだけのレベルに低減できたかをパーセント（％）で示している。また、横軸は、スリット４１の無い集合Ｂのトルク量を０として、スリット設計でトルク量がどれだけ変化するのかを示している。
また、スリット設計の基準とした仕様の集合Ｂは、界磁極４０の円弧の半径を変えて、ロータ２２の形状が真円に近い形状から略花丸形状までをいくつか選択し、以下で述べる傾向が集合Ｂの設計に関わらず普遍性を有するものであることを示す根拠とする。具体的には、図６Ａの右側に示す集合Ｂの形状は、例えば界磁極４０の円弧の半径が小さい花丸形状のロータ２２に相当する。また、図６Ｃの右側に示す集合Ｂの形状は、例えば界磁極４０の円弧の半径が大きい真円に近い形状のロータ２２に相当する。また、図６Ｂの右側に示す集合Ｂの形状は、図６Ａの右側に示す集合Ｂの形状と図６Ｃの右側に示す集合Ｂの形状の中間の界磁極４０の円弧の半径を有するロータ２２に相当する。

図６Ａ〜図６Ｃは、図６Ａ〜図６Ｃに示す集合Ｂと、集合Ｂのそれぞれからスリット設計した集合Ａを結ぶトルク−電磁加振力の曲線Ｃを最小二乗法で指数関数でプロットしたものである。曲線Ｃは、いずれも７１％に漸近する曲線であり、スリット設計により最大７１％レベルまで大幅に電磁加振力を低減できることを示している。また、基準とした集合Ｂから７１％までの収束速度を示す指標である一般的な時定数に相当する電磁加振力８１％以下とすれば、集合Ａは、スリット設計で十分に電磁加振力が小さい値に収束できたということができる。

図８は、図６Ａ〜図６Ｃの各仕様により得られた解析値について、縦軸を電磁加振力とし、横軸をトルクリップル値としてプロットした図である。図８において、集合Ｂに示す三角、菱形、四角形のプロット形状は、図６Ａ〜図６Ｃの右側に示した界磁極４０にスリットを設けない集合Ｂのいずれかの形状であるが、ここでは特にプロット形状と集合Ｂの形状の対応関係は特定していない。また集合Ａについても同様である。

図８に示すように、界磁極４０にスリット４１を設けない集合Ｂに対して、集合Ａはトルクリップルが改善にも逆に悪化にもなる集合であることが分かる。スリット設計により基準とする集合Ｂよりもトルクリップルが悪化しては電磁加振力とトルクリップルが両立せず、フレーム振動と軸振動による振動騒音が抑制できないため、集合Ｂよりもトルクリップルが同等以下になる仕様が電磁加振力とトルクリップルを両立する顕著な効果が得られる仕様であることは言うまでもない。さらに、その点に注目すると、プロットされたデータは、電磁加振力値がやや大きい集合Ａ１と集合Ａ２に分かれていることが明確である。

図９は、図７に示すロータ２２において、第１スリット４１ａに対して隣接する第２スリット４１ｂ、第３スリット４１ｃが永久磁石２５の周方向の磁石幅Ｗに対して２０％より大きくなる位置に配置されたものを図８にプロットしたデータから分離して再プロットした図である。また、図１０は、図７に示すロータ２２において、第１スリット４１ａに対して隣接する第２スリット４１ｂ、第３スリット４１ｃが永久磁石２５の周方向の磁石幅Ｗに対して２０％以内の位置に配置されたものを図８にプロットしたデータから分離して再プロットした図である。

ここで、図７に示すロータ２２において、第１スリット４１ａに対して隣接する第２スリット４１ｂ、第３スリット４１ｃを永久磁石２５の周方向の磁石幅Ｗに対して２０％より大きくなる位置にそれぞれ配置するように距離Ｌをそれぞれ設定したものを図９に、２０％以内の位置に配置されるように距離Ｌをそれぞれ設定したものを図１０にそれぞれ分離して再プロットすると、図８が磁石幅Ｗに対する第２スリット４１ｂ、第３スリット４１ｃの配置に依存することが明らかである。
つまり、実施の形態１によれば、電磁加振力とトルクリップルを両立させることに着目することで、区別されていない集合Ａ１と集合Ａ２を初めて区別することができ、より電磁加振力を低減できる仕様を選択できることが可能となる。

実施の形態１によれば、永久磁石２５の周方向の磁石幅Ｗに対して２０％をしきい値として、界磁極４０の中心位置に配置された第１スリット４１ａおよび第１スリット４１ａの両側に配置された第２スリット４１ｂおよび第３スリット４１ｃを永久磁石２５の周方向の幅の２０％以内に配置することで、トルクリップルを低減すると共に、電磁加振力を小さくするロータ２２形状とすることができる。その結果、実施の形態１によるモータ１は、振動騒音の悪化を低減することができる。
また、複数のスリット４１は、スリットの無いロータコアを基準とした場合に対して、空間次数が２以上の最小次数で主成分となる電磁加振力が８１％以下に低減するよう配置されている。さらにまた、複数のスリット４１は、スリットの無いロータコアを基準とした場合に対して、トルクリップルがスリットの無いロータコアのトルクリップル以下となる状態に配置されている。
なお、各実施の形態を組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。

１ モータ、２ リード線、３ ステータコア、４ インシュレータ、５ 固定子巻線、６ ターミナルホルダ、７ 巻線ターミナル、８ 接続ターミナル、９ 接続ターミナルベース部、１０ ナット、１１ フレーム、１２ ステータ、１３ リアベアリングボックス部、１４ インロー部、１５ フランジ部、１６ フレームグロメット、１７ ハウジング、１８ フロントベアリングボックス、１９ レゾルバ、２０ レゾルバ取り付け部、２１ 取り付けインロー部、２２ ロータ、２３ ロータコア、２４ シャフト、２５ 永久磁石、２６ リアベアリング、２７ フロントベアリング、２８ ボス、４０ 界磁極、４１ スリット、４１ａ 第１スリット、４１ｂ 第２スリット、４１ｃ 第３スリット、４２ 中心線、４２ａ 第１の中心線、４２ｂ 第２の中心線、４３ ブリッジ部、４４ 接続部、４４ａ 接続部（界磁極上側）、４４ｂ 接続部（界磁極下側）、４５ 空隙部、４６ 真円形状、４７ 永久磁石取り付孔、４８ ティース、４９ 磁束、５０ エアギャップ

Claims (5)

1. ステータと、
   前記ステータの内側に対向して配置され、永久磁石が埋設されたロータコアの界磁極を有するロータと、を備え、
   前記界磁極は、前記ロータのシャフトを中心とする円弧よりも小さい半径を有しており、
   前記界磁極には複数のスリットが形成されており、前記複数のスリットは、複数の前記スリット間に位置する第１の中心線と隣り合う複数の前記スリット間に位置する第２の中心線との間隔が、前記ロータコアの外周側に向かうにしたがって拡大するように配置されており、
   前記界磁極の前記複数のスリットのうち、前記界磁極の中心位置に配置された第１スリットおよび前記第１スリットの両側に配置された第２および第３スリットが前記永久磁石の周方向の幅の２０％以内に配置されたことを特徴とする永久磁石型モータ。
2. 前記第２および第３スリットは、前記第１スリットに対して軸対称に配置されたことを特徴とする請求項１に記載の永久磁石型モータ。
3. 前記ロータの外形は、花丸状の形状を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の永久磁石型モータ。
4. 前記複数のスリットは、スリットの無い前記ロータコアを基準とした場合に対して、空間次数が２以上の最小次数で主成分となる電磁加振力が８１％以下に低減するよう配置されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の永久磁石型モータ。
5. 前記複数のスリットは、スリットの無い前記ロータコアを基準とした場合に対して、トルクリップルがスリットの無い前記ロータコアのトルクリップル以下となる状態に配置されたことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の永久磁石型モータ。

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