WO2022113181A1 - 永久磁石同期モータ - Google Patents

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WO2022113181A1
WO2022113181A1 PCT/JP2020/043729 JP2020043729W WO2022113181A1 WO 2022113181 A1 WO2022113181 A1 WO 2022113181A1 JP 2020043729 W JP2020043729 W JP 2020043729W WO 2022113181 A1 WO2022113181 A1 WO 2022113181A1
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WO
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permanent magnet
synchronous motor
magnet synchronous
recess
protrusions
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PCT/JP2020/043729
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English (en)
French (fr)
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研太 元吉
悠希 西村
迪 廣谷
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三菱電機株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/27—Rotor cores with permanent magnets
    • H02K1/2706—Inner rotors
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    • H02K1/2706—Inner rotors
    • H02K1/272—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis
    • H02K1/274—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets
    • H02K1/2753—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets the rotor consisting of magnets or groups of magnets arranged with alternating polarity
    • H02K1/278—Surface mounted magnets; Inset magnets
    • H02K1/2781—Magnets shaped to vary the mechanical air gap between the magnets and the stator
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/64—Electric machine technologies in electromobility

Definitions

  • This application relates to a permanent magnet synchronous motor.
  • the following prior art documents are available as a technique for increasing the d-axis inductance Ld and performing effective weakening magnetic flux control with a small d-axis current Id.
  • the d-axis inductance Ld is increased and weakened by forming protrusions protruding in the radial direction from the rotor core so as to fit into a plurality of permanent magnets arranged on the surface of the rotor core, and the field control is effectively functioned to achieve high rotation.
  • the torque output at the time is improved.
  • a concave portion is provided in the central portion of the permanent magnet, and the protrusion that fits in this portion protrudes from the rotor core. Since the concave portion of the permanent magnet has a rectangular shape, the outer diameter of the permanent magnet is an arc, so that the corner portion of the concave portion has a thin magnet thickness.
  • permanent magnets such as Nd—Fe—B-based neodymium magnets, undergo irreversible demagnetization in which the residual magnetic flux density decreases when exposed to a demagnetizing field from a stator or a high temperature environment.
  • the thickness of the concave corner portion and the arc of the outer diameter of the magnet becomes thin, irreversible demagnetization is easy, and the torque output is lowered.
  • This application has been made to solve the above-mentioned problems, and it is possible to suppress the deterioration of torque characteristics due to irreversible demagnetization, and it is also possible to improve the torque output at high rotation and high speed.
  • the purpose is to obtain a permanent magnet synchronous motor.
  • the permanent magnet synchronous motor disclosed in the present application is a rotor having a rotor core made of a magnetic material and a plurality of permanent magnets attached to the surface of the rotor core. Alternatively, it has a plurality of protrusions, and the permanent magnet has one or a plurality of recesses so that the protrusions fit, and the shortest distance between the outermost part of the recess and the outer diameter arc portion of the permanent magnet is set.
  • L1 the outermost tangent of the permanent magnet recess and the parallel line parallel to the radiation from the center of the rotor shaft toward the center of the permanent magnet as the starting point for switching from the attachment surface of the permanent magnet and the rotor core to the recess.
  • the recess has a recess where L2 ⁇ L1.
  • the permanent magnet synchronous motor of the present application it is possible to suppress the deterioration of the torque characteristics, and it is also possible to improve the torque output at high rotation speed and high speed.
  • FIG. FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view of the vicinity of the permanent magnet in the cross section on the plane perpendicular to the shaft of the permanent magnet synchronous motor according to the first embodiment.
  • FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view of the vicinity of the permanent magnet in the cross section on the plane perpendicular to the shaft of the permanent magnet synchronous motor of the prior art, which is a contrast with the first embodiment. It is a figure which compared the speed-torque characteristic by the presence or absence of a protrusion / recess of a permanent magnet synchronous motor.
  • FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view of the vicinity of the permanent magnet in the cross section on the plane perpendicular to the shaft of the permanent magnet synchronous motor according to the second embodiment. It is a figure which compared the demagnetization rate distribution of the permanent magnet synchronous motor which concerns on Embodiment 2 and the permanent magnet synchronous motor which becomes the contrast. It is a figure which compared the induced voltage before demagnetization of the permanent magnet synchronous motor which concerns on Embodiment 2 and the permanent magnet synchronous motor which becomes the contrast. It is a figure which compared the induced voltage decrease rate after demagnetization of the permanent magnet synchronous motor which concerns on Embodiment 2 and the permanent magnet synchronous motor which becomes the contrast.
  • FIG. 1 It is a partially enlarged sectional view which showed the modification 1 of the permanent magnet synchronous motor which concerns on Embodiment 2.
  • FIG. 2 is a partially enlarged sectional view which showed the modification 2 of the permanent magnet synchronous motor which concerns on Embodiment 2.
  • FIG. 2 is a partially enlarged view which showed the modification 3 of the permanent magnet synchronous motor which concerns on Embodiment 2.
  • FIG. 4 is a partially enlarged view which showed the modification 4 of the permanent magnet synchronous motor which concerns on Embodiment 2.
  • FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view of the vicinity of the permanent magnet in the cross section on the plane perpendicular to the shaft of the permanent magnet synchronous motor according to the third embodiment. It is a figure which compared the demagnetization rate distribution of the permanent magnet synchronous motor which concerns on Embodiment 3 and the permanent magnet synchronous motor which becomes the contrast. It is a figure which compared the induced voltage before demagnetization of the permanent magnet synchronous motor which concerns on Embodiment 3 and the permanent magnet synchronous motor which becomes the contrast. It is a figure which compared the induced voltage decrease rate after demagnetization of the permanent magnet synchronous motor which concerns on Embodiment 3 and the permanent magnet synchronous motor which becomes the contrast.
  • FIG. 1 It is a partially enlarged sectional view which showed the modification 1 of the permanent magnet synchronous motor which concerns on Embodiment 3.
  • FIG. 2 It is a partially enlarged sectional view which showed the modification 2 of the permanent magnet synchronous motor which concerns on Embodiment 3.
  • FIG. It is a partially enlarged sectional view which showed the modification 3 of the permanent magnet synchronous motor which concerns on Embodiment 3.
  • FIG. It is a partially enlarged sectional view which showed the modification 4 of the permanent magnet synchronous motor which concerns on Embodiment 3.
  • FIG. It is a partially enlarged sectional view which showed the modification 5 of the permanent magnet synchronous motor which concerns on Embodiment 3.
  • FIG. 1 It is a partially enlarged sectional view which showed the modification 2 of the permanent magnet synchronous motor which concerns on Embodiment 3.
  • FIG. It is a partially enlarged sectional view which showed the
  • FIG. 1 It is sectional drawing which showed the other example of the rotor in the permanent magnet synchronous motor which concerns on Embodiment 4.
  • FIG. 2 It is sectional drawing which showed the other example of the rotor in the permanent magnet synchronous motor which concerns on Embodiment 4.
  • FIG. 1 It is sectional drawing which showed the other example of the rotor in the permanent magnet synchronous motor which concerns on Embodiment 4.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration in which the permanent magnet synchronous motor 100 according to the present embodiment is cut perpendicular to the axial direction.
  • the direction along the axis of the rotor 20 in the permanent magnet synchronous motor 100 is defined as the axial direction.
  • the direction along the radius of the rotor 20 is defined as the radial direction.
  • the direction along the rotation direction of the rotor 20, that is, the direction along the circumference about the axis of the rotor 20 in the above cross section is defined as the circumferential direction.
  • the permanent magnet synchronous motor 100 has a stator 10 and a rotor 20 rotatably provided with respect to the stator 10.
  • the stator 10 is provided so as to surround the outer periphery of the rotor 20 via a gap 15 that serves as a magnetic gap.
  • the stator 10 has a stator core 11 and a plurality of coils 14.
  • the stator core 11 has a core back 12 formed on an annulus, and a plurality of teeth 13 protruding from the core back 12 toward the inner peripheral side.
  • the plurality of coils 14 are wound around the plurality of teeth 13, respectively.
  • 12 teeth 13 and 12 coils 14 are provided.
  • the core back 12 is configured by connecting a plurality of core blocks each formed on an arc on an annulus, but the core back 12 may be integrally formed. Further, the core back 12 and each tooth 13 may be formed separately.
  • the rotor 20 is a surface-side magnet type motor (SPM) in which a rotor core 21 and a plurality of permanent magnets 22 are arranged in the circumferential direction on the surface of the rotor core 21.
  • the permanent magnets 22 are arranged so that the magnetizing directions are different so that if one of the permanent magnets 22 adjacent in the circumferential direction has an N pole on the outer diameter side, the other has an S pole. That is, the permanent magnets are arranged so that the polarities of the surfaces of the adjacent permanent magnets facing the stator are different.
  • FIG. 1 is a so-called permanent magnet synchronous motor having 8 poles and 12 slots, in which the number of teeth 13 and the number of coils 14 is 12 and the number of permanent magnets 22 is 8.
  • the combination of the numbers of the teeth 13 and the coils 14 is not limited to this. Further, although the number of teeth 13 and the number of coils 14 are the same, they may be different.
  • the rotor core 21 has, for example, a configuration in which a plurality of core plates are laminated in the axial direction.
  • the rotor core 21 has a shaft 23 penetrating in the axial direction.
  • the rotor core 21 has a protrusion 24 protruding in the radial direction, and the permanent magnet 22 has a recess 25 into which the protrusion 24 fits.
  • the protrusion 24 and the recess 25 will be described in detail with reference to FIG.
  • FIG. 2 is an enlarged view of a portion surrounded by the broken line circle E in FIG.
  • a radiation RL extending radially from the center of the axis toward the center of the permanent magnet 22 is defined.
  • the surface where the rotor core 21 and the permanent magnet 22 are in contact with each other is designated as the sticking surface AS, the point where the sticking surface AS and the concave portion 25 change is set as the starting point SP, and the line parallel to the radiation RL is referred to as the parallel line PL.
  • a line in contact with the outermost portion of the recess 25 and perpendicular to the radiation RL is referred to as a tangent line TL.
  • the point where the tangent line TL and the parallel line PL intersect is defined as the intersection point A.
  • the concave portion 25 has a shape such that L1 ⁇ L2, and in FIGS. 1 and 2, the concave portion corner portion has an arc shape.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a configuration in which a conventional permanent magnet synchronous motor for comparison with the permanent magnet synchronous motor 100 according to the first embodiment is cut perpendicular to the axial direction.
  • the stator is not shown.
  • FIG. 3 it is assumed that the configuration without explanation is the same as that in FIG.
  • the protrusion 240 of the rotor core 21 and the recess 250 of the permanent magnet 22 have a rectangular shape, and the relationship is L1> L2.
  • the permanent magnet synchronous motor cannot output the torque T by generating a terminal voltage Vt that exceeds the motor input voltage Vi.
  • Vt ⁇ (Vd 2 + Vq 2 ) ...
  • Vd RId + ⁇ LqIq ...
  • Vq RIq + ⁇ m + ⁇ LdId ...
  • Vd and Vq are dq-axis voltage
  • R is phase resistance
  • Id and Iq are dq-axis current
  • ⁇ m magnet magnetic flux
  • Ld and Lq are dq-axis inductance
  • ⁇ is angular velocity
  • f is frequency
  • N is per minute.
  • the number of revolutions and pn of are pole pairs.
  • weakening magnetic flux control that suppresses an increase in terminal voltage.
  • This weakening magnetic flux control is a control method in which the d-axis current Id is energized in the direction of weakening the magnet magnetic flux ⁇ m, but when the d-axis inductance Ld is small, it is necessary to flow a large d-axis current Id.
  • Iinv the current supplied from the inverter to the motor
  • the torque T output by the SPM type permanent magnet synchronous motor is generally as shown in the following equation (6).
  • T Pn ⁇ mIq ... (6) Therefore, when the d-axis current Id increases, the q-axis current Iq for outputting the torque T decreases, and the torque output decreases. Therefore, in order to increase the torque T at high rotation, it is necessary to effectively obtain the weakening magnetic flux control with a small d-axis current Id, and it is necessary to increase the d-axis inductance Ld. Therefore, the d-axis inductance Ld can be improved by adopting the structure shown in FIG. In FIG.
  • the horizontal axis is the speed (rotational speed), and the vertical axis is the torque output, which is called a speed-torque characteristic. As shown in FIG. 4, it can be seen that the torque output at a high rotation speed (high speed) is increased by applying the protrusion 24 and the recess 25.
  • the permanent magnet has a phenomenon called irreversible demagnetization in which the residual magnetic flux density Br of the permanent magnet decreases due to the temperature rise of the permanent magnet or the demagnetizing field in which a magnetic field is applied from the stator in the direction opposite to the magnetizing direction.
  • the ease of this irreversible demagnetization is related to the coercive force of the permanent magnet and the permeance coefficient Pc determined by the magnetic circuit.
  • the permeance coefficient Pc depends on the magnetizing direction thickness and the magnetoresistance of the magnet.
  • the permit coefficient Pc is as follows when the magnetic gap between the stator and the rotor is Hm and the magnetic gap between the stator and the rotor is gm in a magnetic circuit such as a permanent magnet synchronous motor where the magnetic gap between the stator and the rotor is narrow. It can be approximated by the equation (7). Pc ⁇ Hm / gm ... (7)
  • FIG. 5 shows the result of calculating the demagnetized state of the permanent magnet 22 by magnetic field analysis.
  • 5 (a) shows L1> L2
  • FIG. 5 (c) shows the demagnetization rate distribution in the case of L1 ⁇ L2.
  • the dark part indicates that the demagnetization rate is high, and the light part indicates that the demagnetization rate is low.
  • the recess 25 of the permanent magnet 22 has an arc shape so that the shortest distance L2 between the outer diameter of the permanent magnet 22 and the recess 25 is L1 ⁇ L2.
  • FIG. 5 shows the induced voltage reduction rate before and after demagnetization in the shape shown in FIG. 5, and is standardized with the induced voltage reduction rate of L1> L2 being 1.0.
  • the rate of decrease in the induced voltage is smaller than that of the prior art L1> L2.
  • it leads to a decrease in the induced voltage that is, a decrease in the magnet magnetic flux ⁇ m, which is nothing but a decrease in the torque T described above, and a decrease in torque in the low speed range.
  • the speed-torque characteristic shown in FIG. 4 does not change, and the effect of improving the output can be similarly obtained.
  • FIG. 7 is a partially enlarged view of the modified form 1 of the permanent magnet synchronous motor according to the first embodiment.
  • the only difference between FIGS. 1 and 7 is that the outermost shape of the concave portion 25 of the permanent magnet 22 is an arc or is flat and has rounded corners. , There is no difference in the obtained effect.
  • FIG. 8 is also a partially enlarged view of the modified form 2 of the permanent magnet synchronous motor according to the first embodiment.
  • FIG. 8 is different from FIGS. 1 and 7 in that the corner portion of the recess 25 of the permanent magnet 22 is formed diagonally, but the effect obtained in this shape is also different from the structure shown in FIG. There is no.
  • the surfaces of the protrusion 24 of the rotor core 21 and the recess 25 of the permanent magnet 22 shown in the first embodiment are in contact with each other, all the surfaces may not be in contact with each other, and only one surface is in contact with the protrusion 24. You may be in contact. From a manufacturing point of view, it is desirable that the size of the recess 25 of the permanent magnet 22 is larger than the protrusion 24 of the rotor core 21 in order to prevent crossing or chipping of the permanent magnet during manufacturing. Further, considering the increase in torque ripple and cogging torque due to the influence of the attachment deviation of the permanent magnet 22, it is possible to minimize the deviation of the attachment position by shifting to a certain surface.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view in which the permanent magnet synchronous motor according to the second embodiment is cut perpendicularly to the axial direction, and the vicinity of the permanent magnet 22 is enlarged in the same manner as in FIG. Although not shown in FIG. 9, it is composed of a stator 10 and a rotor 20 as in FIG. 1.
  • the permanent magnet synchronous motor according to the present embodiment is different from the permanent magnet synchronous motor according to the first embodiment in the following points.
  • the concave portion of the permanent magnet 22 has three portions of the concave portion 251a, the concave portion 251b, and the concave portion 251c, and the protrusion protruding in the radial direction from the rotor core 21 has three protrusions 241a, the protrusion 241b, and the protrusion 241c. ing.
  • the recess 251a located in the central portion of the permanent magnet 22 and the protrusion 241a are located on the outermost diameter side.
  • the rotor core has an odd number of protrusions per pole, and has a protrusion aggregate having a plurality of protrusions as a set of protrusions.
  • the shortest distance L2 from the outer diameter arc portion is formed in L1 ⁇ L2.
  • the shortest distance L1 in the first embodiment is the shortest distance between the outermost portion of the recess 251a of the permanent magnet 22 and the outer diameter arc of the permanent magnet 22. Further, as shown in FIG. 9, the shortest distance L2 referred to in the first embodiment is the tangent line TL in contact with the outermost portion of the recess 251a of the permanent magnet 22, the sticking surface AS and the recess 251b of the permanent magnet 22, or the recess 251b.
  • the recess 251b and the recess 251c have the same dimensions, but they do not necessarily have the same dimensions. However, from the viewpoint of reducing torque ripple, cogging torque, etc., it is desirable that the dimensions are the same.
  • FIG. 10 is a diagram showing the demagnetization rate distribution of the permanent magnet 22 according to the second embodiment and the demagnetization rate distribution of the prior art for comparison.
  • FIG. 10A shows L1> L2
  • FIG. 10B shows the demagnetization rate distribution in the case of the second embodiment.
  • the dark part indicates that the demagnetization rate is high, and the light part indicates that the demagnetization rate is low.
  • FIG. 10 it can be seen that in the second embodiment as well, the distribution with a high demagnetization rate is narrowed as in the first embodiment.
  • FIGS. 11 and 12 are diagrams showing the form of L1> L2 as in the prior art, the induced voltage before demagnetization and the induced voltage decrease rate after demagnetization in the second embodiment.
  • each figure is a diagram standardized with the induced voltage and the induced voltage decrease rate of the prior art as 1.
  • the induced voltage of the second embodiment is larger than that of the prior art, and the rate of decrease of the induced voltage due to demagnetization is smaller than that of the prior art.
  • FIG. 13 and 14 are partially enlarged views of the modified form 1 and the modified form 2 of the permanent magnet synchronous motor according to the second embodiment, and are different from FIG. 9 in the following points.
  • the protrusions 241a to 241c of the rotor core 21 and the recesses 251a to 251c of the permanent magnet 22 have different shapes, and the permanent magnets 22 are not completely fitted between the protrusions 241a and the protrusions 241b, or between the protrusions 241a and the protrusions 241c.
  • the void in FIG. 14 is larger than the void in FIG.
  • Nd-Fe-B type magnets used for permanent magnets are expensive because they use heavy rare earths.
  • the amount of permanent magnet 22 used can be reduced and the cost can be reduced.
  • the processing of permanent magnets can be facilitated, and the cost for processing can be reduced.
  • the induced voltage is slightly reduced by the configuration as shown in FIGS. 13 and 14, there is no problem because the same effect as that of the second embodiment can be obtained.
  • FIG. 15 is a partially enlarged view of the modified form 3 of FIG. 9 showing the second embodiment, except that the protrusions 241a to 241c and the recesses 251a to 251c are rectangular and different in shape. It has the same configuration as. Therefore, there is no problem because the same effect as that of the second embodiment can be obtained.
  • FIGS. 9 and 13 to 17 are partially enlarged views of the modified forms 4 and 5 which are modified examples of FIGS. 13 and 14 shown as the modified forms of the second embodiment.
  • 13 and 14 have the same configuration except that the protrusions 241a to 241c and the recesses 251a to 251c have rectangular shapes and are different from each other. Therefore, it is possible to obtain the same effect as that of the second embodiment, and there is no problem.
  • the permanent magnets shown in FIGS. 9 and 13 to 17 have a shape having three protrusions, but there is no problem even if the number of protrusions is an odd number of 3 or more. ..
  • FIG. 18 is an enlarged view of the vicinity of the permanent magnet of the rotor of the permanent magnet synchronous motor according to the third embodiment, and is a cross-sectional view cut perpendicular to the axial direction of the shaft.
  • FIG. 18 differs from the first embodiment in the following points.
  • the number of protrusions protruding from the rotor core 21 is two, and the number of recesses of the permanent magnet 22 is also two.
  • the shortest distance L1 is the shortest distance between the outermost portion of the recess 252a or the recess 252b of the permanent magnet 22 and the outer diameter arc of the permanent magnet, and unlike the first and second embodiments, it is not near the center of the permanent magnet. Further, the shortest distance L2 is defined below.
  • a tangent TL that is in contact with the outermost portion of the recess 252a or the recess 252b of the permanent magnet is defined.
  • the rotor core has an even number of protrusions per pole, and has a protrusion aggregate having a plurality of protrusions as a set of protrusions.
  • the shortest distance L2 between the permanent magnet and the outer diameter arc portion of the permanent magnet is formed in L1 ⁇ L2.
  • FIG. 19 is a diagram showing the demagnetization rate distribution of the permanent magnet 22 according to the third embodiment and the demagnetization rate distribution of the prior art for comparison.
  • FIG. 19A shows L1> L2
  • FIG. 19B shows the demagnetization rate distribution in the case of the second embodiment.
  • the dark part indicates that the demagnetization rate is high, and the light part indicates that the demagnetization rate is low.
  • FIG. 19 it can be seen that in the third embodiment as well, the distribution with a high demagnetization rate is narrowed as in the first and second embodiments.
  • FIG. 20 is a result of standardizing the induced voltage of L1> L2, which is the prior art, as 1, and comparing it with the induced voltage of the present embodiment.
  • FIG. 21 is a diagram in which the induced voltage reduction rate of L1> L2, which is the prior art, is standardized as 1, and compared with the induced voltage reduction rate of the present embodiment.
  • the induced voltage is improved by the present embodiment.
  • the rate of decrease in the induced voltage is decreasing. This is due to the effect of eliminating the magnet recess near the center of the magnet, and the fundamental wave of the gap magnetic flux density of the magnet that contributes to the torque generated between the stator 10 and the rotor 20 has increased. Therefore, it is possible to increase the torque in the low speed range, and it is also possible to suppress the decrease in the magnet magnetic flux due to the irreversible demagnetization generated by the demagnetizing field at high temperature. That is, it is possible to suppress a decrease in torque at high temperatures.
  • FIG. 22 is a partially enlarged view of the modified form 1 of the permanent magnet synchronous motor according to the third embodiment, and is different from FIG. 18 in the following points.
  • FIG. 22 is different in that the permanent magnet 22 sandwiched between the two protrusions 242a and 242b does not extend to the rotor core 21 but is halfway.
  • the reason for adopting this embodiment is that if the circumferential width of the portion sandwiched between the protrusions 242a and 242b is narrow, the magnet may be cracked or chipped, and may not be manufactured. Therefore, in consideration of production possibility, it is desirable that the bottom surface of the permanent magnet 22 has a structure located on the outer diameter side rather than the outer peripheral side.
  • the protrusions and recesses are centered in the circumferential direction of the permanent magnet 22.
  • It is a shape that is a mirror object as a base axis.
  • the shape configuration of the protrusions and recesses by the mirror surface object is the same in other embodiments such as the first embodiment and the second embodiment, and the mirror surface object is based on the radiation RL in each embodiment. It has become.
  • the outermost shape of the portion forming the shortest distance L2 in the concave portion is an arc shape
  • the modified form 5 of FIG. 26 has an arc shape.
  • the shape of the portion forming the shortest distance L2 is formed diagonally. Also in these modified forms, the effect of the third embodiment can be obtained in the same manner.
  • FIG. 27 is a cross-sectional view showing a configuration in which the rotor portion of the permanent magnet synchronous motor according to the fourth embodiment is cut perpendicular to the axial direction of the shaft.
  • the basic configuration is the same as that of the first to third embodiments, and differs in the following points.
  • a slit 26 is provided in the rotor core 21 of the rotor. By arranging the slit 26, it is possible to reduce the q-axis inductance Lq in the permanent magnet synchronous motor.
  • FIGS. 28 and 29 corresponds to the configuration of FIG. 2
  • FIG. 28 corresponds to the configuration of FIG. 9
  • FIG. 29 corresponds to the configuration of FIG. 27 to 29 are examples of slit arrangements. It is not limited to these as long as the slit is arranged so that the magnetic resistance becomes large with respect to the q-axis magnetic flux ⁇ q in the permanent magnet synchronous motor. Further, although two slits are arranged per pole in FIGS. 27 to 29, there is no problem even if more slits are arranged.
  • stator 10 stator, 11 stator core, 12 core back, 14 coil, 20 rotor, 21 rotor core, 22 permanent magnet, 23 shaft, 24,241a, 241b, 241c, 242a, 242b protrusion, 25,251a, 251b, 251c, 252a, 252b Recess

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Abstract

永久磁石（２２）はロータコア（２１）に設けた突起（２４）が嵌るように凹部（２５）を有しており、凹部（２５）の最外部と永久磁石（２２）の外径円弧部との最短距離をＬ１と定義し、永久磁石（２２）の凹部（２５）の最外部の接線と、永久磁石（２２）とロータコア（２１）の貼付面から凹部（２５）への切り替えとなる始点として、ロータ（２０）のシャフト（２３）の中心から、永久磁石（２２）に中心に向かう放射線に平行な平行線との交点を通過する永久磁石（２２）の凹部（２５）と永久磁石（２２）の外径円弧部との距離をＬ２と定義したときに、Ｌ２≧Ｌ１となる凹部を有している。

Description

永久磁石同期モータ
　本願は、永久磁石同期モータに関するものである。
　工作機械の産業関連、電気自動車に用いられる車載関連、空調機の圧縮機などに用いられる永久磁石同期モータにおいては、トルクを出力するにはモータが発生する端子電圧を入力電圧以下にする必要がある。
　一般的に、表面磁石型の永久磁石同期モータが発生するトルクＴは、
ｑ軸電流Ｉｑが必要であるからｑ軸電流Ｉｑの減少はトルク低下につながる。このため、高回転または高速時に大トルクを出力するには、小さなｄ軸電流Ｉｄで効果的な弱め磁束制御を行う必要がある。これを行うためにｄ軸インダクタンスＬｄを大きくし、小さなｄ軸電流Ｉｄで効果的な弱め磁束制御を行う技術として以下の先行技術文献がある。
　本先行技術では、ロータコア表面に配置された複数の永久磁石に嵌るように、ロータコアから径方向に突出した突起を形成することでｄ軸インダクタンスＬｄを大きくし弱め界磁制御を効果的に機能させ高回転時のトルク出力を改善している。
特開２００９－１３１０７０号公報
　しかしながら、先行技術では、永久磁石の中央部において凹部を設けており、この部分に嵌る突起がロータコアから突出している。永久磁石の凹部は矩形型をしているので、永久磁石の外径形状は円弧となっているので、凹部の角部は磁石厚が薄くなる。一般的に、永久磁石、例えば、Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ系のネオジム磁石等は、ステータからの反磁界あるいは、高温環境にさらされることにより、残留磁束密度が低下する不可逆減磁が発生する。先行技術では、前述したように凹部角部と磁石外径の円弧との厚みが薄くなり、不可逆減磁し易く、トルク出力が低下する問題がある。
　本願は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、不可逆減磁によるトルク特性の低下を抑制することが可能となり、また、高回転、高速時のトルク出力向上も可能となる永久磁石同期モータを得ることを目的とする。
　本願に開示される永久磁石同期モータは、磁性体から構成されるロータコアと、ロータコア表面に張り付けられた複数の永久磁石を有するロータにおいて、ロータコアは、ステータに向かって径方向に突出した１つ、または、複数の突起を有しており、永久磁石は突起が嵌るように１つ、または、複数の凹部を有しており、凹部の最外部と永久磁石の外径円弧部との最短距離をＬ１と定義し、永久磁石の凹部最外部の接線と、永久磁石とロータコアの貼付面から凹部への切り替えとなる始点として、ロータのシャフト中心から、永久磁石に中心に向かう放射線に平行な平行線との交点を通過する永久磁石の凹部と永久磁石の外径円弧部との距離をＬ２と定義したときに、Ｌ２≧Ｌ１となる凹部を有している。
　本願の永久磁石同期モータによれば、トルク特性の低下を抑制することが可能となり、また、高回転、高速時のトルク出力向上も可能となる。
実施の形態１に係る永久磁石同期モータのシャフトに垂直な面における断面図である。 実施の形態１に係る永久磁石同期モータのシャフトに垂直な面における断面の永久磁石付近を拡大した断面図である。 実施の形態１の対比となる先行技術の永久磁石同期モータのシャフトに垂直な面における断面の永久磁石付近を拡大した断面図である。 永久磁石同期モータの突起／凹部の有無による速度―トルク特性を比較した図である。 実施の形態１に係る永久磁石同期モータと、対比となる永久磁石同期モータの永久磁石の減磁率分布を比較した図である。 実施の形態１に係る永久磁石同期モータと、対比となる永久磁石同期モータの減磁後の誘起電圧の低下率を比較した図である。 実施の形態１に係る永久磁石同期モータの変形形態１を示した部分拡大断面図である。 実施の形態１に係る永久磁石同期モータの変形形態２を示した部分拡大断面図である。 実施の形態２に係る永久磁石同期モータのシャフトに垂直な面における断面の永久磁石付近を拡大した断面図である。 実施の形態２に係る永久磁石同期モータと、対比となる永久磁石同期モータの減磁率分布を比較した図である。 実施の形態２に係る永久磁石同期モータと、対比となる永久磁石同期モータの減磁前の誘起電圧を比較した図である。 実施の形態２に係る永久磁石同期モータと、対比となる永久磁石同期モータの減磁後の誘起電圧低下率を比較した図である。 実施の形態２に係る永久磁石同期モータの変形形態１を示した部分拡大断面図である。 実施の形態２に係る永久磁石同期モータの変形形態２を示した部分拡大断面図である。 実施の形態２に係る永久磁石同期モータの変形形態３を示した部分拡大図である。 実施の形態２に係る永久磁石同期モータの変形形態４を示した部分拡大図である。 実施の形態２に係る永久磁石同期モータの変形形態５を示した部分拡大断面図である。 実施の形態３に係る永久磁石同期モータのシャフトに垂直な面における断面の永久磁石付近を拡大した断面図である。 実施の形態３に係る永久磁石同期モータと、対比となる永久磁石同期モータの減磁率分布を比較した図である。 実施の形態３に係る永久磁石同期モータと、対比となる永久磁石同期モータの減磁前の誘起電圧を比較した図である。 実施の形態３に係る永久磁石同期モータと、対比となる永久磁石同期モータの減磁後の誘起電圧低下率を比較した図である。 実施の形態３に係る永久磁石同期モータの変形形態１を示した部分拡大断面図である。 実施の形態３に係る永久磁石同期モータの変形形態２を示した部分拡大断面図である。 実施の形態３に係る永久磁石同期モータの変形形態３を示した部分拡大断面図である。 実施の形態３に係る永久磁石同期モータの変形形態４を示した部分拡大断面図である。 実施の形態３に係る永久磁石同期モータの変形形態５を示した部分拡大断面図である。 実施の形態４に係る永久磁石同期モータにおけるロータの一例を示した断面図である。 実施の形態４に係る永久磁石同期モータにおけるロータの他の例を示した断面図である。 実施の形態４に係る永久磁石同期モータにおけるロータの他の例を示した断面図である。
実施の形態１．
　実施の形態１に係る永久磁石同期モータについて説明する。図１は、本実施の形態に係る永久磁石同期モータ１００を軸方向と垂直に切断した構成を示す断面図である。ここで、永久磁石同期モータ１００におけるロータ２０の軸心に沿う方向を軸方向とする。軸方向に垂直なロータ２０の断面において、ロータ２０の半径に沿う方向を径方向とする。ロータ２０の回転方向に沿う方向、すなわち、上記断面においてロータ２０の軸心を中心とした円周に沿う方向を周方向とする。
　図１に示すように、永久磁石同期モータ１００は、ステータ１０と、ステータ１０に対して回転自在に設けられたロータ２０と、を有している。ステータ１０は、磁気的ギャップとなる空隙１５を介してロータ２０の外周を囲むように設けられている。ステータ１０は、ステータコア１１と、複数のコイル１４と、を有している。ステータコア１１は、円環上に形成されたコアバック１２と、コアバック１２から内周側に向かって突出した複数のティース１３と、を有している。
　複数のコイル１４は、複数のティース１３にそれぞれ巻き付けられている。図１に示す構成では、１２個のティース１３と１２個のコイル１４とが設けられている。本実施の形態では、それぞれ円弧上に形成された複数のコアブロックが円環上に連結されることによりコアバック１２が構成されているが、コアバック１２は一体に形成されていてもよい。また、コアバック１２と各ティース１３とが分離して形成されていてもよい。
　ロータ２０は、ロータコア２１と、ロータコア２１の表面に複数の永久磁石２２が周方向に配置された表面側磁石型モータ（ＳＰＭ）である。永久磁石２２は、周方向に隣接する永久磁石２２の一方の外径側極性がＮ極であれば、他方はＳ極となるように着磁方向が異なるように配置されている。即ち、永久磁石は、隣接する永久磁石同士のステータと対向する面の極性が異極となるように配置されている。
　ここで、図１は、ティース１３の数とコイル１４の数が１２個、永久磁石２２の数が８個である、いわゆる、８極１２スロットの永久磁石同期モータであるが、永久磁石２２と、ティース１３、コイル１４の数の組み合わせはこれに限らなくてもよい。また、ティース１３の数とコイル１４の数は同数となっているが、これが異なっていてもよい。
　ロータコア２１は、例えば、複数のコア板が軸方向に積層された構成を有している。ロータコア２１には、軸方向に貫通したシャフト２３を有する。ロータコア２１は、径方向に突出した突起２４を有し、永久磁石２２は、突起２４が嵌る凹部２５を有する。突起２４と、凹部２５について図２を用いて詳細に説明する。
図２は、図１の破線円Ｅで囲んだ部分の拡大図である。軸中心から径方向に永久磁石２２の中央に向かって伸びる放射線ＲＬを定義する。ロータコア２１と、永久磁石２２とが、接する面を貼付面ＡＳとし、この貼付面ＡＳと凹部２５へ変化する点を始点ＳＰとして、放射線ＲＬに平行な線を平行線ＰＬとする。また、凹部２５の最外部に接し、放射線ＲＬに垂直な線を接線ＴＬとする。この接線ＴＬと平行線ＰＬが交差する点を交点Ａと定義する。永久磁石２２の凹部２５の最外部から永久磁石２２の外径円弧までの最短距離をＬ１とし、交点Ａを通過し、永久磁石２２の外径円弧と凹部２５の最短距離をＬ２としたときに、凹部２５は、Ｌ１≦Ｌ２となる形状を有しており、図１、２においては、凹部角部が円弧形状となっている。
　図３は、本実施の形態１に係る永久磁石同期モータ１００と比較するための従来の永久磁石同期モータを軸方向と垂直に切断した構成を示す断面図である。ここで、ステータについては、図示を省略している。図３において、説明のない構成については図１と同様であるとする。図３において、ロータコア２１の突起２４０と、永久磁石２２の凹部２５０は矩形型となっており、Ｌ１＞Ｌ２の関係となっている。
　次に、本実施の形態の効果について説明をする。
　永久磁石同期モータは、モータ入力電圧Ｖｉを越える端子電圧Ｖｔを発生してトルクＴを出力することができない。一般的に、回転数が上がると次式（１）～（４）で示す式に従って端子電圧Ｖｔが増大する。

　Ｖｔ＝√（Ｖｄ２＋Ｖｑ２）・・・（１）
　Ｖｄ＝ＲＩｄ＋ωＬｑＩｑ・・・（２）
　Ｖｑ＝ＲＩｑ＋ωΦｍ＋ωＬｄＩｄ・・・（３）
　ω＝２πｆ＝２π（Ｎ／６０）ｐｎ・・・（４）

　ここで、Ｖｄ、Ｖｑはｄｑ軸電圧、Ｒは相抵抗、Ｉｄ、Ｉｑはｄｑ軸電流、Φｍは磁石磁束、Ｌｄ、Ｌｑはｄｑ軸インダクタンス、ωは角速度、ｆは周波数、Ｎは１分間当たりの回転数、ｐｎは極対数である。永久磁石同期モータでは、高回転におけるトルク出力を増大させる制御方式として、端子電圧増大を抑制する、所謂、弱め磁束制御がある。この弱め磁束制御は磁石磁束Φｍを弱める方向にｄ軸電流Ｉｄを通電する制御方式であるが、ｄ軸インダクタンスＬｄが小さい場合、大きなｄ軸電流Ｉｄを流す必要がある。しかしながら、モータに通電することができる電流には上限があり、インバータからモータに供給する電流をＩｉｎｖとすると、次式（５）となる。

　√３×Ｉｉｎｖ＝√（Ｉｄ２＋Ｉｑ２）・・・（５）
　ＳＰＭ型の永久磁石同期モータが出力するトルクＴは、一般的に次式（６）のように、

Ｔ＝ＰｎΦｍＩｑ・・・（６）

であるから、ｄ軸電流Ｉｄが増大するとトルクＴを出力するためのｑ軸電流Ｉｑが減少しトルク出力が低下する。従って、高回転でのトルクＴを大きくするには少ないｄ軸電流Ｉｄで弱め磁束制御を効果的に得る必要があり、ｄ軸インダクタンスＬｄを増大する必要がある。このために、図３に示す構造とすることでｄ軸インダクタンスＬｄを向上することができる。図４は、横軸を速度（回転数）、縦軸をトルク出力とした速度‐トルク特性と呼ばれるものである。図４に示すように、突起２４、および、凹部２５を適用することにより、高回転数（高速度）でのトルク出力が増大していることが分かる。
　しかしながら、このように、永久磁石２２の凹部２５０の形状が矩形型をしていた場合、回転機のような永久磁石２２の外径形状が円弧となっている場合、凹部２５０の角部において、永久磁石２２の外径との距離が極端に短くなる。永久磁石には、永久磁石の温度上昇あるいは、着磁方向と反対方向にステータから磁界が加わる反磁界によって永久磁石の残留磁束密度Ｂｒが低下する不可逆減磁と呼ばれる現象がある。この不可逆減磁の容易さは、永久磁石の保磁力と、磁気回路で決定されるパーミアンス係数Ｐｃが関係している。パーミアンス係数Ｐｃは、磁石の着磁方向厚さと磁気抵抗に依存する。パーミアンス係数Ｐｃは、永久磁石同期モータのようなステータとロータの磁気的ギャップが狭い磁気回路において、永久磁石の着磁方向厚さをＨｍ、ステータとロータの磁気的ギャップをｇｍとしたときに次式（７）で近似することができる。

　Ｐｃ≒Ｈｍ／ｇｍ・・・（７）
　図５は、永久磁石２２の減磁状態を磁界解析によって計算した結果である。図５（ａ）はＬ１＞Ｌ２、図５（ｂ）はＬ１＝Ｌ２、図５（ｃ）はＬ１＜Ｌ２の場合における減磁率分布を示している。濃い部分は減磁率が高く、淡い部分は減磁率が低いことを表示している。図３に示すような永久磁石２２外径と凹部２５０間の最短距離Ｌ２が狭くなるような場合、図５（ａ）に示すように広い範囲で減磁が進む。
　本実施の形態１では、図１、２に示すように、永久磁石２２の外径と凹部２５の最短距離Ｌ２がＬ１≦Ｌ２となるように永久磁石２２の凹部２５を円弧形状としている。
　図５に示すように、Ｌ２を長くすることにより減磁が抑制されていることが分かる。また、図６は、図５に示した形状における減磁前後の誘起電圧低下率を示したものであり、Ｌ１＞Ｌ２の誘起電圧低下率を１．０として規格化したものである。図６に示すように、誘起電圧の低下率が先行技術であるＬ１＞Ｌ２と比較して小さくなっていることが分かる。ここで、誘起電圧の低下、つまり、磁石磁束Φｍの低下につながるものであり、前述したトルクＴが低下することに他ならず、低速域のトルク低下することとなる。また、実施の形態１によると図４に示した速度―トルク特性は変わることなく出力向上の効果を同様に得ることが可能となる。
　図７は、実施の形態１に係る永久磁石同期モータの変形形態１における部分拡大図である。図１と図７で異なる点は、永久磁石２２の凹部２５の最外部形状が円弧であるか、フラットとなっており角部に丸みを有しているかであるのみであり、本形状においても、得られる効果に差異はない。また、図８についても、実施の形態１に係る永久磁石同期モータの変形形態２における部分拡大図である。図８は、永久磁石２２の凹部２５の角部が斜めに形成されていることが図１、図７と異なる点であるが、この形状においても得られる効果は図１に示した構造と相違はない。
　また、本実施の形態１で示したロータコア２１の突起２４と、永久磁石２２の凹部２５は、全ての面が接しているが、全ての面は接しておらずともよく、ある１面のみが接していてもよい。製造上の観点からは、交差あるいは、製造時の永久磁石の欠け等を防止するのであれば、永久磁石２２の凹部２５の寸法は、ロータコア２１の突起２４よりも大きいことが望ましい。また、永久磁石２２の取り付けずれの影響によるトルクリップル、コギングトルクの増加を考慮すると、ある面に片寄することで、取付位置のずれを最小化することが可能である。
　実施の形態２．
　実施の形態２に係る永久磁石同期モータについて説明する。図９は、本実施の形態２に係る永久磁石同期モータを軸方向と垂直に切断し、図２と同様に永久磁石２２の近傍を拡大した断面図である。図９には、図示していないが図１と同様にステータ１０、ロータ２０によって構成されている。
　図９において、本実施の形態に係る永久磁石同期モータは、実施の形態１に係る永久磁石同期モータと、以下の点で異なる。
　永久磁石２２の凹部は、凹部２５１ａ、凹部２５１ｂ、凹部２５１ｃの３か所を有しており、ロータコア２１から径方向に突出する突起は、突起２４１ａ、突起２４１ｂ、突起２４１ｃの３つを有している。
　また、本実施の形態２において、図９に示すように、永久磁石２２の中央部に位置する凹部２５１ａ、および、突起２４１ａが最も外径側に位置している。
　ロータコアは１極当たり奇数個の突起を有し、複数の突起を１組の突起とする突起集合体を有し、突起集合体の周方向外側において、凹部は周方向外側の凹部と永久磁石の外径円弧部との間の最短距離Ｌ２がＬ１≦Ｌ２に形成されている。
　実施の形態１で言うところの最短距離Ｌ１は、永久磁石２２の凹部２５１ａの最外部と、永久磁石２２の外径円弧との最短距離となる。また、実施の形態１で言うところの最短距離Ｌ２は、図９に示すように、永久磁石２２の凹部２５１ａの最外部に接する接線ＴＬと、永久磁石２２の貼付面ＡＳと凹部２５１ｂ、または、凹部２５１ｃに切り替わる周方向最外部の点を始点ＳＰとして、ロータ２０のシャフト中心から永久磁石２２の中央に向かって伸びる放射線ＲＬに平行な平行線ＰＬとの交点Ａを通り、凹部２５１ｂ、または、２５１ｃと、永久磁石２２の外径円弧との最短距離となる。
　ここで、図９において、凹部２５１ｂ、凹部２５１ｃは同じ寸法となっているが、必ずしも、同じ寸法である必要はない。しかしながら、トルクリップル、コギングトルク等を低減する観点から考慮すると、同じ寸法である方が望ましい。
　次に、実施の形態２の効果について説明する。
　図１０は、本実施の形態２に係る永久磁石２２の減磁率分布と、比較となる先行技術の減磁率分布を示した図である。図１０（ａ）はＬ１＞Ｌ２、図１０（ｂ）は実施の形態２の場合における減磁率分布を示している。濃い部分は減磁率が高く、淡い部分は減磁率が低いことを表示している。図１０に示すように、実施の形態２においても実施の形態１と同様に減磁率高い分布が狭くなっていることが分かる。また、図１１、図１２は、先行技術のようなＬ１＞Ｌ２の形態と本実施の形態２における減磁前の誘起電圧と減磁後の誘起電圧低下率を示した図である。ここで、各図は先行技術の誘起電圧と誘起電圧低下率を１として規格化した図である。
　図１１、図１２に示すように、本実施の形態２の誘起電圧が、先行技術に対して大きく、減磁によって低下する誘起電圧低下率は、先行技術に対して小さいことが分かる。
　以上のことから、永久磁石２２に複数の凹部、および、ロータコア２１に複数の突起を有する図９の形態とすることにより先行技術と比較してモータの特性低下を抑制することが可能となる。また、速度―トルク特性の高速域の出力増大効果は、突起を有しているため図４同様に得ることが可能である。
図１３、図１４は、実施の形態２に係る永久磁石同期モータの変形形態１、変形形態２における部分拡大図であり、以下の点で図９と異なる。
　ロータコア２１の突起２４１ａ～２４１ｃと、永久磁石２２の凹部 ２５１ａ～２５１ｃは、形状が異なり、突起２４１ａと突起２４１ｂ、または、突起２４１ａと突起２４１ｃの間に永久磁石２２が全て嵌っていなく、空隙を有している。図１４における空隙は、図１３における空隙より大きくなっている。一般的に、永久磁石に使用されるＮｄ－Ｆｅ－Ｂ系の磁石は重希土類を使用しているため、高価である。このような構成にすることで、永久磁石２２の使用量を削減し、コスト低減が可能となる。また、永久磁石の加工を容易にすることもでき、加工のための費用を削減することができる。
　図１３、図１４のように構成することで、誘起電圧は多少低下するものの、実施の形態２と同様の効果を得られるため問題ない。
　図１５は、実施の形態２を示す図９の変形形態３における部分拡大図であり、突起２４１ａ～２４１ｃ、及び、凹部２５１ａ～２５１ｃの形状が矩形状となって異なる以外は、実施の形態２と同じ構成となっている。このため、実施の形態２と同様の効果を得ることができるため問題ない。
図１６、図１７は実施の形態２の変形形態として示した図１３、図１４の変形例である変形形態４、変形形態５における部分拡大図である。図１３、図１４とは、突起２４１ａ～２４１ｃ、凹部２５１ａ～２５１ｃの形状が矩形状となって異なる以外は、同様の構成となっている。このため、実施の形態２と同様の効果を得ることが可能であり、問題ない。
　本実施の形態２として図９、図１３～図１７に示した永久磁石は、３つの突起を有した形状となっているが、突起の数は３以上の奇数で構成されていても問題ない。
　実施の形態３．
　実施の形態３に係る永久磁石同期モータについて説明する。図１８は、本実施の形態３に係る永久磁石同期モータのロータの永久磁石付近を拡大した図で、シャフトの軸方向と垂直に切断した断面図である。
　図１８において、実施の形態１と以下の点で異なる。ロータコア２１から突出する突起の数は２個であり、永久磁石２２の凹部も２個である。最短距離Ｌ１は、永久磁石２２の凹部２５２ａ、または、凹部２５２ｂの最外部と、永久磁石外径円弧との最短距離であり、実施の形態１、２と異なり、永久磁石の中央付近ではない。また、最短距離Ｌ２は、以下で定義される。永久磁石の凹部２５２ａ、または、凹部２５２ｂの最外部に接する接線ＴＬを定義する。ロータコア２１と永久磁石２２の貼付面ＡＳから永久磁石の凹部２５２ａ、または、凹部２５２ｂへの切り替え点を始点ＳＰとして、ロータ２０の軸中心から永久磁石２２の中央に向かって伸びる放射線ＲＬに平行な平行線ＰＬを定義したときに、最短距離Ｌ２は、接線ＴＬと平行線ＰＬが交差する交点を通過し、永久磁石２２の凹部２５２ａ、または、凹部２５２ｂと永久磁石２２の外径円弧部との最短距離をＬ２とする。Ｌ１とＬ２の関係は、実施の形態１、２と同様にＬ１≦Ｌ２である。
　このように、ロータコアは１極当たり偶数個の突起を有し、複数の突起を１組の突起とする突起集合体を有し、突起集合体の周方向外側において、凹部は周方向外側の凹部と永久磁石の外径円弧部との間の最短距離Ｌ２がＬ１≦Ｌ２に形成されている。
　次に、本実施の形態３の効果について説明する。
　図１９は、本実施の形態３に係る永久磁石２２の減磁率分布と、比較となる先行技術の減磁率分布を示した図である。図１９（ａ）はＬ１＞Ｌ２、図１９（ｂ）は実施の形態２の場合における減磁率分布を示している。濃い部分は減磁率が高く、淡い部分は減磁率が低いことを表示している。図１９に示すように、実施の形態３においても実施の形態１、２と同様に減磁率高い分布が狭くなっていることが分かる。図２０は、先行技術であるＬ１＞Ｌ２の誘起電圧を１として規格化し、本実施の形態の誘起電圧と比較した結果である。また、図２１は、先行技術であるＬ１＞Ｌ２の誘起電圧低下率を１として規格化して、本実施の形態の誘起電圧低下率と比較した図である。
　図２０に示すように、本実施の形態とすることで、誘起電圧が向上していることが分かる。また、図２１に示すように、誘起電圧低下率は、低下率が減少していることが分かる。これは、磁石中央付近の磁石凹部を無くすことによる効果であり、ステータ１０とロータ２０の間に発生するトルクに寄与する磁石のギャップ磁束密度の基本波が増大したためである。このため、低速域のトルクを増大することが可能となるとともに、高温時の反磁界によって発生する不可逆減磁による磁石磁束の低下も抑制することが可能となる。つまり、高温下におけるトルク低下を抑制することが可能となる。
　図２２は、本実施の形態３に係る永久磁石同期モータの変形形態１における部分拡大図であり、図１８と以下の点で異なる。
　図２２は、２個の突起２４２ａ、突起２４２ｂに挟まれた永久磁石２２がロータコア２１まで伸びておらず途中までとなっている点が異なる。本形態とする理由としては、突起２４２ａ、突起２４２ｂに挟まれた部分の周方向幅が狭い場合、磁石の割れあるいは欠けが発生する可能性がある他、製造できない可能性がある。このため、生産可能性を考えた場合、永久磁石２２の底面が外周側よりも外径側に位置する構造となる方が望ましい。この構成においても図１８に示した本実施の形態３と同様の効果を得ることが可能である。
　また、図２３に示したように、突起２４２ａ、突起２４２ｂに挟まれたロータコアが外径側に位置する変形形態２も考えられる。本変形形態２においても、実施の形態３の効果を同様に得ることが可能である。
　図２４～図２６は、本実施の形態３に係る永久磁石同期モータの変形形態３、変形形態４、変形形態５における部分拡大図であり、突起および凹部は、永久磁石２２の周方向中央を基軸として鏡面対象となっている形状である。なお、このような突起および凹部における鏡面対象による形状構成は、実施の形態１、実施の形態２等、その他の実施の形態でも同様であって、各実施の形態における放射線ＲＬを基軸として鏡面対象となっている。
　また、図２４の変形形態３および図２５の変形形態４は、凹部において、最短距離Ｌ２を形成する部分の形状は最外部形状が円弧形状となっており、また、図２６の変形形態５は、凹部において、最短距離Ｌ２を形成する部分の形状は斜めに形成されている。これらの変形形態においても、実施の形態３の効果を同様に得ることができる。
　実施の形態４．
　実施の形態４に係る永久磁石同期モータについて説明する。図２７は、本実施の形態４に係る永久磁石同期モータにおけるロータ部分をシャフトの軸方向と垂直に切断した構成を示す断面図である。基本的な構成は、実施の形態１～３と同様であり、以下の点で異なる。
　本実施の形態では、図２７に示したようにロータのロータコア２１にスリット２６が設けられている。本スリット２６を配置することにより、永久磁石同期モータにおけるｑ軸インダクタンスＬｑを低減することが可能となる。従って、前述の式（１）～式（４）に記載のωＬｑＩｑを低下させることができ、ｄ軸電圧Ｖｄの低減および端子電圧Ｖｔの低減につながる。つまり、電圧飽和を緩和することにつながり速度―トルク特性を増大することが可能となる。
　図２８、図２９も同様にスリット２６が配置されている。なお、図２７は図２の構成に対応し、図２８は図９の構成に対応し、図２９は図１８の構成に対応している。
　図２７～図２９はスリット配置の一例である。永久磁石同期モータにおけるｑ軸磁束Φｑに対して磁気抵抗が大きくなるようにスリットを配置するものであれば、これらに限定されない。また、図２７～図２９においてスリットは１極当たり２本配置されているが、それ以上配置されていても問題ない。
　本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
　従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
　１０　ステータ、１１　ステータコア、１２　コアバック、１４　コイル、２０　ロータ、２１　ロータコア、２２　永久磁石、２３　シャフト、２４，２４１ａ，２４１ｂ，２４１ｃ，２４２ａ，２４２ｂ　突起、２５，２５１ａ，２５１ｂ，２５１ｃ，２５２ａ，２５２ｂ　凹部

Claims (11)

  1.  ステータと、前記ステータと空隙を介して配置されるロータから構成される永久磁石同期モータであって、
    前記ロータは、磁性体によって構成されたロータコアを有し、前記ロータコアの表面には複数の永久磁石が配置され、前記永久磁石の形状は、前記ステータと対向する面の形状が円弧形状となっており、
    前記ロータコアには、前記ステータのステータコアに向かって径方向に突出した１つ以上の突起を有し、前記永久磁石は、前記突起が嵌る凹部を有しており、
    前記凹部の最外部と、前記永久磁石の外径円弧部との最短距離をＬ１、
    前記凹部の最外部の接線と、前記永久磁石と前記ロータコアの貼付面から前記永久磁石の凹部への切り替えとなる点を始点として、前記ロータのシャフト中心から前記永久磁石の中心に向かう放射線に平行な平行線との交点を通過し、前記凹部と前記外径円弧部との最短距離Ｌ２としたときに、
    Ｌ１≦Ｌ２となる前記凹部を有する前記永久磁石を備えたことを特徴とする永久磁石同期モータ。
  2.  前記凹部と前記突起の少なくとも１面が接していることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石同期モータ。
  3. 　前記凹部において、最短距離Ｌ２を形成する部分の形状は、最外部形状が円弧形状となっていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の永久磁石同期モータ。
  4. 　前記凹部において、最短距離Ｌ２を形成する部分の形状は、斜めに形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の永久磁石同期モータ。
  5. 　前記ロータコアは１極当たり複数個の突起を有し、複数の前記突起を１組の突起とする突起集合体を有し、前記突起集合体の周方向外側において、前記凹部は周方向外側の前記凹部と前記永久磁石の外径円弧部との間の最短距離Ｌ２がＬ１≦Ｌ２に形成されていることを特徴とする請求項１から請求項４の何れか１項に記載の永久磁石同期モータ。
  6. 　前記凹部の数は、３以上の奇数であることを特徴とする請求項１から請求項５の何れか１項に記載の永久磁石同期モータ。
  7. 　前記凹部の数は、２以上の偶数であることを特徴とする請求項１から請求項５の何れか１項に記載の永久磁石同期モータ
  8.   前記突起の数は、３以上の奇数であることを特徴とする請求項６または請求項７に記載の永久磁石同期モータ。
  9.  前記突起の数は、２以上の偶数であることを特徴とする請求項７に記載の永久磁石同期モータ。
  10. 前記複数の凹部および前記複数の突起は、前記永久磁石の周方向中央を基軸として、鏡面対象であることを特徴とする請求項６から請求項９の何れか１項に記載の永久磁石同期モータ。
  11. 　前記ロータには、永久磁石同期モータにおけるｑ軸磁束Φｑに対して磁気抵抗が増大するようにスリットを設けたことを特徴とする請求項１から請求項１０の何れか１項に記載の永久磁石同期モータ。
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