(57)【要約】【課題】鉄損を低減する。【解決手段】ロータ１４の周方向に一方の磁極となる磁石１６が間隔をおいて複数配置され、ロータ１４に一体形成され他方の極となる突極４０が磁石１６の間にそれぞれ配置され、ロータ１４の回転時において、ロータ１４に対し半径方向に対向して配置されるステータ２０のティース２４における磁束密度の変動が正弦波状になる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状のロータであって、
ロータの周方向に一方の磁極となる磁石が間隔をおいて複数配置され、
ロータに一体形成され他方の極となる突極が磁石の間にそれぞれ配置され、
ロータの回転時において、ロータに対し半径方向に対向して配置されるステータのティースにおける磁束密度の変動が正弦波状になる、
ロータ。
【請求項２】
請求項１に記載のロータであって、
磁石の周方向の幅θａ、磁石の外周側の磁性体の周方向幅θｂについて、θｂ＞θａの関係があり、
突極の周方向端部における半径方向長さが、突極の中心の半径方向長さに比べて小さい、
ロータ。
【請求項３】
請求項２に記載のロータであって、
突極の周方向の幅θｃについて、θｃ＞θａの関係がある、
ロータ。
【請求項４】
請求項３に記載のロータであって、
θｂ＝＞θｃ＞θａの関係がある、
ロータ。
【請求項５】
請求項２〜４のいずれか１つに記載のロータであって、
磁石の外周側の磁性体の周方向端部と、突極の周方向端部をロータの外周側において連結する、
ロータ。
【請求項６】
請求項２〜５のいずれか１つに記載のロータと、
ロータを取り囲み半径方向で対向するように取り囲むステータを含む可変界磁モータであって、
ステータは、
ステータコアと、
ステータコアに巻回された３相のステータコイルと、
ステータコアの外周または側面に設けられた界磁ヨークと、
界磁ヨークとロータとの間に磁気回路を形成することで、ロータとステータコアとの間の磁束密度を制御可能な界磁コイルと、
を含む、可変界磁モータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁石と突極を周方向において交互に配置したロータおよびこれを用いた可変界磁モータに関する。
【背景技術】
【０００２】
ロータに取り付ける磁石を半数に減らしたハーフマグネット型モータの一例として、コンシクエントポール型モータが知られており、そのロータがコンシクエントポール型ロータと呼ばれる。このコンシクエントポール型ロータでは、ロータコアと一体的に形成された突極と、一方向の磁石が周方向に交互に配置される。また、特許文献１には、コンシクエントポール型ロータを備える可変界磁モータが示されている。可変界磁モータでは、界磁ヨークからロータに向かう磁束を、界磁コイルを用いて制御することで、弱め界磁制御、強め界磁制御などが行える。
【０００３】
特許文献２には、コギングトルクやトルク脈動を抑制するために、突極の外周側の曲率を小さくし、突極の周方向の両端部におけるステータとのギャップを広げることが示されている。また、特許文献３，４では、磁石が設けられた部分の外周の曲率も突極と同様に曲率を小さくして、ロータの外形を花丸形状とすることが示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−４３０９９号公報
【特許文献２】特開２０１０−２４６２３３号公報
【特許文献３】特開２０１２−２４４７８３号公報
【特許文献４】特開２０１４−１３５８８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献２〜４では、コギングトルクやトルク脈動を抑制する。ここで、コンシクエントポール型ロータでは、磁石側の極と、突極側の極とが、磁気的に非対称になる。このため、ティースにおける磁束密度の変動に高調波、特に２次高調波が多くなり鉄損が増加しやすい。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、円筒状のロータであって、ロータの周方向に一方の磁極となる磁石が間隔をおいて複数配置され、ロータに一体形成され他方の極となる突極が磁石の間にそれぞれ配置され、ロータの回転時において、ロータに対し半径方向に対向して配置されるステータのティースにおける磁束密度の変動が正弦波状になる。
【０００７】
また、磁石の周方向の幅θａ、磁石の外周側の磁性体の周方向幅θｂについて、θｂ＞θａの関係があり、突極の周方向端部における半径方向長さが、突極の中心の半径方向長さに比べて小さいとよい。
【０００８】
また、突極の周方向の幅θｃについて、θｃ＞θａの関係があるとよい。
【０００９】
また、θｂ＝＞θｃ＞θａの関係があるとよい。
【００１０】
また、磁石の外周側の磁性体の周方向端部と、突極の周方向端部をロータの外周側において連結するとよい。
【００１１】
また、本発明に係るモータは、上述したようなロータと、ロータを取り囲み半径方向で対向するように取り囲むステータを含む可変界磁モータであって、ステータは、ステータコアと、ステータコアに巻回された３相のステータコイルと、ステータコアの外周または側面に設けられた界磁ヨークと、界磁ヨークとロータとの間に磁気回路を形成することで、ロータとステータとの間の磁束密度を制御可能な界磁コイルと、を含む。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ティースにおける磁束を正弦波形とすることができ、鉄損を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】コンシクエントポール型モータの全体構成を示す図である。
【図２】本実施形態に係るコンシクエントポール型のロータの構成を示す図である。
【図３】比較例のロータの構成を示す図である。
【図４】本実施形態に係るロータについてのシミュレーションによる、ティース２４における磁束密度の変動波形を示す図である。
【図５】比較例のロータについてのシミュレーションによる、ティース２４における磁束密度の変動波形を示す図である。
【図６】図４，５の波形のフーリエ級数展開の結果を示す図である。
【図７】本実施形態と、比較例における、トルク計算結果を示す図である。
【図８】本実施形態と、比較例における、鉄損計算結果を示す図である。
【図９】他の実施形態のモータ（可変界磁型モータ）を示す全体構成図である。
【図１０】本実施形態に係るロータについてのシミュレーションによる、ティース２４における磁束密度の変動波形を示す図である。
【図１１】比較例のロータについてのシミュレーションによる、ティース２４における磁束密度の変動波形を示す図である。
【図１２】図１０，１１の波形のフーリエ級数展開の結果を示す図である。
【図１３】他の実施形態と、比較例における、トルク計算結果を示す図である。
【図１４】他の実施形態と、比較例における、鉄損計算結果を示す図である。
【図１５】さらに他の実施形態のロータ１４の構成を示す図である。
【図１６】さらに他の実施形態のロータ１４の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。なお、本発明は、ここに記載される実施形態に限定されるものではない。
【００１５】
「モータの構成」
図１は、コンシクエントポール型モータ１０の全体構成を示す図である。なお、モータケースは図示を省略している。
【００１６】
シャフト１２は、丸棒状の出力軸であり、シャフト１２の周囲にロータ１４が固定されている。ロータ１４は、電磁鋼板や圧粉磁粉などの磁性体で構成され、全体として円筒状である。この例では、磁極を構成する磁石１６が外周に近い位置に複数配置されている。磁石１６は、永久磁石であり、軸方向に伸びる板状で軸方向に伸びる磁石孔１８に挿入固定されている。後述するように、この例はコンシクエントポール型ロータであり、磁極は、磁石１６によるものと、ロータ１４の磁性体で形成された突極によるものが、周方向に交互に位置して構成される。磁石１６は、すべて同一方向の磁極となっている。
【００１７】
ロータ１４の周囲には、円環状のステータ２０が所定の間隙（ギャップ）を介しロータ１４を取り囲むように配置されている。ステータ２０は、外周側に位置する円環状のステータヨーク２２と、ステータヨーク２２から半径方向内側に伸びる複数のティース２４を含む。ティース２４は周方向に一定の間隔をおいて形成されており、隣接する２つのティース２４の間がスロットになっている。そして、このスロットを利用して、ステータコイル２６がティース２４に巻回される。図においては、ステータコイル２６の軸方向に突出するコイルエンド部分を示してある。この例において、ステータコイル２６は、３相のコイルであり、ここに三相交流電流を流すことでティース２４を磁化させて回転磁界を形成する。なお、ステータヨーク２２とティース２４を合わせてステータコアと呼ぶ。
【００１８】
「ロータの構成」
図２は、本実施形態に係るコンシクエントポール型ロータの構成を示す図である。図２は、１極対分を示している。
【００１９】
この例では、磁石１６は軸方向に伸びる直方体状であり、半径方向の厚みが、周方向の幅に比べ小さい。そして、磁石孔１８は、磁石１６に比べ幅が広く、磁石１６の周方向の両側に空間がある。なお、この空間には、樹脂などが充填されるとよい。そして、磁石１６の半径方向外側には、外側磁性体４２が位置している。この外側磁性体４２は、その周方向の幅が磁石１６に比べ、広くなっている。すなわち、磁石１６の外周端の周方向幅（中心角として）をθａ、外側磁性体４２の外周端の周方向幅（中心角として）θｂとした場合、θｂ＞θａの関係がある。また、外側磁性体４２の外周は、ティース２４の内側端面を結ぶ面に対し、同一のギャップを持って対向するように、曲率が設定されている。なお、外側磁性体４２の周方向両端とロータ１４とは、板状の半径方向磁性体４４で結ばれており、この半径方向磁性体４４が磁石孔１８の周方向側壁を形成している。
【００２０】
また、磁石１６が配置される磁石側の極に周方向に隣接する位置には、突極４０が配置されている。突極４０は、ロータ１４が半径方向外側に突出して一体形成されたものであり、この例では突極４０の周方向の曲率が対向するティース２４の内側端面を結ぶ面および磁石側の極の外側磁性体４２の曲率に比べ、大きくなっている。従って、突極４０の周方向両端部では、ティース２４とのギャップが大きくなっている。言い換えれば、突極４０の周方向両端部の半径が中心部の半径に比べ短くなっている。また、突極４０の外周端の周方向幅（中心角として）をθｃとした場合、θｂ＝＞θｃ＞θａの関係があり、θｃ＞θａの関係があるとよい。
【００２１】
このように、本実施形態のロータでは、磁石側の極について、（ｉ）磁石１６の半径方向外側に、磁石１６の周方向幅よりも大きな外側磁性体４２が配置されており、突極側の極について、（ｉｉ）突極４０の周方向両端部のティース２４とのギャップが大きくなっているという特徴を有する。
【００２２】
図３は、比較例のロータの構成を示す図である。このロータでは、磁石側の極について、（ｉ）外側磁性体４２の周方向の幅が磁石１６の幅とほぼ同一であり、突極側の極について、（ｉｉ）突極４０の外周面の曲率が磁石側の極と同一であり、ティース２４とのギャップが均一になっている。
【００２３】
「作用」
図４は、本実施形態に係るロータ１４についてのシミュレーションによる、ティース２４における磁束密度の変動波形を示す図、図５は比較例のロータ１４についてのシミュレーションによる、ティース２４における磁束密度の変動波形を示す図である。
【００２４】
まず、図５の比較例では、ロータ回転角度０〜４５ｄｅｇのとき、磁石側の極とティース２４が対向し、ロータ回転角度４５〜９０ｄｅｇのとき、突極４０側の極とティースが対向する。磁石１６側の極は、突極４０に対し磁石の周方向の幅が狭いので、磁石１６側の極では磁束が中央部（ロータ回転角度１１．２５−３３．７５ｄｅｇ）に集中し、突極４０側では全体的に分散する。その結果、２次高調波が発生し、基本波に周波数の異なる２次高調波が重畳され、ティースにおける磁束波形は、正弦波形とはかなり異なる。
【００２５】
一方、本実施形態では、外側磁性体４２を配置したことにより、両端部（ロータ回転角度０−１１．２５、３３．７５−４５ｄｅｇ）の磁束密度振幅が増加し、中央部（ロータ回転角度１１．２５−３３．７５ｄｅｇ）の磁束密度振幅が減少する。突極４０の先端のギャップが大きいことで、両端部（４５−６０、７５−９０ｄｅｇ）の磁束密度振幅が減少し、中央部（ロータ回転角度６０−７５ｄｅｇ）の磁束密度振幅が増加する。その結果、ティース２４内の磁束密度の変動が正弦波状になって、高調波成分が低減できる。これによって、鉄損を低減することができる。
【００２６】
なお、図４，５において、磁束波形を実線、基本波を破線、２次高調波を一点鎖線で示した。
【００２７】
図６は、図４，５の波形のフーリエ級数展開の結果を示す図である。このように、本実施形態では、比較例に比べ、高調波成分が低減している。
【００２８】
図７は、本実施形態と、比較例における、トルク計算結果を示す図であり、図８は、本実施形態と、比較例における、鉄損計算結果を示す図である。このように、本実施形態では、比較例に比べ、トルクが約５％増加し鉄損が約３０％低減される。
【００２９】
「可変界磁モータの構成」
図９は、他の実施形態のモータ（可変界磁型モータ）を示す全体構成図である。
【００３０】
ステータヨーク２２には、界磁ヨーク３０が接続されている。この界磁ヨーク３０は、ステータヨーク２２から軸方向両側に伸びる円環状の外壁部３２と、半径方向内側に伸びるドーナツ板状の側壁部３４と、側壁部３４からロータ１４の軸方向端面に向かって伸びる円環状の内壁部３６を含む。また、内壁部３６の先端部がロータ１４の軸方向端面と対向している。このような界磁ヨーク３０を設けることでロータ１４、ステータ２０間に界磁ヨーク３０を介する磁気回路が構成される。そして、内壁部３６と側壁部３４の交差部の内側に界磁コイル３８が配置され、この界磁コイル３８に電流を流すことによって、界磁ヨーク３０が磁化され、弱め界磁、強め界磁などの制御が可能である。従って、逆起電圧や磁石量低減のために、磁石１６の周方向の幅を小さくしても、必要に応じてトルクを補填することができる。
【００３１】
なお、この例では、界磁ヨーク３０をステータヨーク２２の軸方向の両側方から軸方向に伸びるように構成したが、ステータヨーク２２の外周側からステータヨーク２２を取り囲むように構成してもよい。
【００３２】
このように、可変界磁型モータでは、磁石１６による界磁だけでなく界磁コイル３８への界磁電流によって界磁を制御できる。従って、磁石１６の周方向幅を狭くすることができる。そして、本実施形態のロータ構造をとることにより、磁石１６の周方向幅を狭くした場合において、ティース２４における磁束について高調波が増加することを防止することができる。
【００３３】
ここで、図示の例では、界磁ヨーク３０の内壁部３６の中心側は、シャフト１２に軸受け５０を介し回転可能に支持されている。
【００３４】
「作用（可変界磁）」
本実施形態のロータを、図９の可変界磁型モータに適用した場合について説明する。なお、可変界磁型モータの動作については、特許文献１に記載されているので、その説明は省略する。この可変界磁型モータについての実施形態および比較例のロータ１４の断面構成は、図２，３に示す通りであり、変更はない。
【００３５】
実施形態と、比較例のシミュレーションによる、ティースにおける磁束密度の変動波形を図１０，１１に、その波形のフーリエ級数展開の結果を図１２に示す。このように、本実施形態のモータにおいても、上述の実施形態と同様に高調波成分が、比較例に比べ減少し、従ってティース２４における磁束波形がほぼ正弦波となる。
【００３６】
本実施形態と比較例のシミュレーションによる、トルクと鉄損計算結果を図１３，１４に示す。本実施形態では、トルクが同等に保ちつつ、鉄損が約４０％低減できる。
【００３７】
「その他の実施例」
図１５は、さらに他の実施形態のロータ１４の構成を示す図である。この例では、図２における磁石１６の半径方向外側に位置する外側磁性体４２について周方向の延長部分４６を設け、延長部分の先端は突極４０の周方向端部に連結されている。突極４０の周方向両端部は、ティース２４の先端とのギャップが広くなっており、延長部分４６の突極４０側端部は、半径方向内側に曲がって突極４０の周方向端部に連結されている。このように延長部分４６を設けることで、半径方向磁性体４４と突極４０との間の空間の半径方向外側が閉じられることになる。
【００３８】
図１６は、さらに他の実施形態のロータ１４の構成を示す図である。この例では、図１５の例に比べ、半径方向磁性体４４の位置が異なっている。すなわち、半径方向磁性体４４は、磁石１６の周方向両端部に沿って配置されている。従って、半径方向磁性体４４から突極４０の周方向端部までの距離が長く、外側磁性体４２の周方向端部と延長部分４６の両方で取り囲まれる比較的広い空間が形成されている。
【００３９】
図１５，１６に示すように磁石側の外側磁性体４２と突極４０を磁性体の延長部分４６で連結することで、ロータ１４の機械強度を向上でき、上述の実施形態と同様の作用効果が得られる。
【００４０】
なお、図１５，１６では、延長部分４６の突極４０側の先端部の形状について、曲率を以て湾曲形状にしたが、延長部分を直線的に半径方向内側に向けてもよい。
【００４１】
このような変形例においても、同様の作用効果が得られる。
【符号の説明】
【００４２】
１０  モータ、１２  シャフト、１４  ロータ、１６  磁石、１８  磁石孔、２０  ステータ、２２  ステータヨーク、２４  ティース、２６  ステータコイル、３０  界磁ヨーク、３２  外壁部、３４  側壁部、３６  内壁部、３８  界磁コイル、４０  突極、４２  外側磁性体、４４  半径方向磁性体、４６  延長部分、５０  軸受け。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
2020162382.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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