(57)【要約】【課題】  モータ出力の低下を抑えつつ、コギングトルクやトルクリップルを低減できる永久磁石型モータを提供すること。【解決手段】  環状に配置した複数の永久磁石５を界磁手段とする回転子３を備えた永久磁石型モータ１において、永久磁石５の横断面は、内周縁５１が、曲率中心Ｏ１、曲率半径Ｒ１の第１円弧で形成され、外周縁５２が、曲率中心Ｏ２、曲率半径Ｒ２の第２円弧５２１と、同第２円弧５２１の一端に接合する曲率中心Ｏ３、曲率半径Ｒ３の第３円弧５２２と、第２円弧５２１の他端に接合する曲率中心Ｏ４、曲率半径Ｒ４の第４円弧５２３とで形成されている。そして、前記各曲率中心は、それぞれ異なる位置に配置される。【選択図】 図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
環状のヨーク部と同ヨーク部から放射状に延びるティース部とを有するステータコアと、同ステータコアに巻装される巻線とを有するステータと、環状に配置した複数の永久磁石を有するロータとを備える永久磁石型モータにおいて、
前記永久磁石の横断面は、曲率中心をＯ１、曲率半径をＲ１とする第１円弧からなる内周縁と、
曲率中心をＯ２、曲率半径をＲ２とする第２円弧と、曲率中心をＯ３、曲率半径をＲ３とし、前記第２円弧の一端に接合される第３円弧と、曲率中心をＯ４、曲率半径をＲ４とし、前記第２円弧の他端に接合される第４円弧とからなる外周縁とを有し、
前記第２円弧の中点をＡ、一端をＣ，他端をＣ´として、前記曲率中心Ｏ１と前記中点Ａとを結ぶ線分を線分ＡＯ１としたとき、前記曲率中心Ｏ２は、前記線分ＡＯ１上に配置され、
前記曲率中心Ｏ２と前記第２円弧一端Ｃとを結ぶ線分を線分ＣＯ２としたとき、前記曲率中心Ｏ３は、前記線分ＣＯ２上に配置され、
前記曲率中心Ｏ２と前記第２円弧他端Ｃ´とを結ぶ線分を線分Ｃ´Ｏ２としたとき、前記曲率中心Ｏ４は、前記線分Ｃ´Ｏ２上に配置され、
前記曲率半径Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４と前記線分ＡＯ１の長さは、下記式［数１］を満たすことを特徴とする永久磁石型モータ。
（数１）
ＡＯ１＞Ｒ２＞Ｒ３＝Ｒ４
【請求項２】
請求項１に記載の永久磁石型モータにおいて、
前記線分ＡＯ１の長さと前記曲率半径Ｒ２の比は、下記式［数２］を満たすことを特徴とする永久磁石型モータ
（数２）
０．６３≦（Ｒ２/ＡＯ１）≦０．８
【請求項３】
請求項２に記載の永久磁石型モータにおいて、
前記曲率半径Ｒ２と前記曲率半径Ｒ３の長さの比は、下記式［数３］を満たすことを特徴とする永久磁石型モータ
（数３）
０．５６≦（Ｒ３/Ｒ２）≦０．８１
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばルームエアコン、温水暖房器などの送風ファンを駆動する、永久磁石型モータに関し、特に、コギングトルクやトルクリップルを低減し、且つモータのトルク低下を抑え得る永久磁石を具備するモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、シャフトと、このシャフトに固定されたロータコアと、該ロータコアの外周面に環状に等配された界磁手段としての複数の永久磁石とを具備するロータと、ステータコアと、このステータコアに巻回される巻線とを具備するステータとを備える永久磁石型モータが知られている。
【０００３】
ここで、永久磁石型モータに発生するコギングトルク（ステータとロータとの間に発生する磁気吸引力に基づくトルクの回転角に対する変化）、及びトルクリップル（トルク脈動）は、ロータを構成する各永久磁石と、ステータを構成するステータコアとの間に発生する空隙磁束密度分布に影響されることが知られている。斯かるコギングトルクやトルクリップルは、モータの振動や騒音を生じさせる要因となるという点で問題とされている。
【０００４】
この問題に対しては、図５に示す永久磁石５によりコギングトルクを低減する永久磁石型モータが知られている（特許文献１）。図５は、特許文献１に記載された永久磁石型モータに使用されている永久磁石５の横断面図である。図５に示すように、永久磁石５は、内周縁５１が第１円弧５１１で形成され、外周縁５２が、第２円弧５２１と、該第２円弧の一端Ｃに接合する第３円弧５２２と、前記第２円弧５２１の他端Ｃ´に接合する第４円弧５２３とで形成されている。
【０００５】
この永久磁石５を用いた永久磁石型モータ（図示略）の場合、前記第２円弧５２１は、前記第１円弧５１１と同一の中心Ｏ１を有する円弧で形成されているので、前記第１円弧５１１と第２円弧５２１で区画される領域Ｚ１（斜線部）で永久磁石５の径方向の厚さを一定にでき、モータの出力低下を抑制できる。一方、前記第１円弧５１１と第３円弧５２２及び前記第１円弧５１１と第４円弧５２３で区画される領域Ｚ２、Ｚ３では、径方向の厚さが端部に向かって小さくなり、コギングトルクをある程度低減することができる。
【０００６】
しかし、この永久磁石５では、前記領域Ｚ１での永久磁石５の径方向の厚さが一定であるのに対し、前記領域Ｚ２、Ｚ３では、径方向の厚さが外周縁５２の両端Ｂ、Ｂ´に向かって突然小さくなるため、コギングトルクやトルクリップルを低減しきれていないという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−８４６９５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、かかる従来技術における問題点を解決するべくなされたもので、モータのトルク低下を抑えつつ、コギングトルクやトルクリップルを低減した永久磁石型モータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の永久磁石型電動機は、環状のヨーク部と同ヨーク部から放射状に延びるティース部とを有するステータコアと、同ステータコアに巻装される巻線とを有するステータと、環状に配置した複数の永久磁石を有するロータとを備える永久磁石型モータであって、前記永久磁石の横断面は、曲率中心をＯ１、曲率半径をＲ１とする第１円弧からなる内周縁と、曲率中心をＯ２、曲率半径をＲ２とする第２円弧と、曲率中心をＯ３、曲率半径をＲ３とし、前記第２円弧の一端に接合される第３円弧と、曲率中心をＯ４、曲率半径をＲ４とし、前記第２円弧の他端に接合される第４円弧とからなる外周縁とを有し、前記第２円弧の中点をＡ、一端をＣ，他端をＣ´として、前記曲率中心Ｏ１と前記中点Ａとを結ぶ線分を線分ＡＯ１としたとき、前記曲率中心Ｏ２は、前記線分ＡＯ１上に配置され、前記曲率中心Ｏ２と前記第２円弧一端Ｃとを結ぶ線分を線分ＣＯ２としたとき、前記曲率中心Ｏ３は、前記線分ＣＯ２上に配置され、前記曲率中心Ｏ２と前記第２円弧他端Ｃ´とを結ぶ線分を線分Ｃ´Ｏ２としたとき、前記曲率中心Ｏ４は、前記線分Ｃ´Ｏ２上に配置され、前記曲率半径Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４と前記線分ＡＯ１の長さは、下記式［数１］を満たすことを特徴としている。
（数１）
ＡＯ１＞Ｒ２＞Ｒ３＝Ｒ４
【００１０】
請求項２に記載の永久磁石型電動機は、請求項１に記載の永久磁石型モータであって、前記線分ＡＯ１の長さと前記曲率半径Ｒ２の比は、下記式［数２］を満たすことを特徴としている。
（数２）
０．６３≦（Ｒ２/ＡＯ１）≦０．８
【００１１】
請求項３に記載の永久磁石型電動機は、請求項２に記載の永久磁石型モータであって、前記曲率半径Ｒ２と前記曲率半径Ｒ３の長さの比は、下記式［数３］を満たすことを特徴としている。
（数３）
０．５６≦（Ｒ３/Ｒ２）≦０．８１
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、モータのトルク低下を抑えつつ、コギングトルクやトルクリップルを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の永久磁石形モータの横断面図である。
【図２】本発明の永久磁石の横断面図である。
【図３】コギングトルク及びトルクリップルの低減率と曲率半径Ｒ２との関係を表すグラフである。
【図４】コギングトルク及びトルクリップルの低減率と曲率半径Ｒ２と曲率半径Ｒ３との関係を表す表である。
【図５】従来の永久磁石の横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
次に、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明に係る永久磁石型モータ１の横断面図である。図１に示すように、本発明の永久磁石型モータ１は、シャフト６と、このシャフト６に固定されたロータコア３１と、このロータコア３１の外周面に環状に等配された界磁手段としての８個の永久磁石５とを具備するロータ３を備えている。また、所定の空隙を介して前記ロータ３を取り囲むように配設され、環状のヨーク部２１１と同ヨーク部２１１から放射状に延びるティース部２１２を有するステータコア２１と、このステータコア２１に巻装される巻線４とを有するステータ２を備えている。
【００１５】
図２は、図１に示す永久磁石５を詳細に示す横断面図である。この永久磁石５は、図５に示す従来の永久磁石５と同様に、内周縁５１と外周縁５２と、これらを結ぶ側周縁５３とを有する。前記内周縁５１は、曲率中心をＯ１、曲率半径をＲ１とする第１円弧５１１で構成されている。一方、前記外周縁５２は、前記第１円弧の曲率中心Ｏ１とは異なる曲率半径Ｏ２と、曲率半径Ｒ２を有する第２円弧５２１と、この第２円弧５２１の一端Ｃに接合し、曲率中心をＯ３、曲率半径をＲ３とする第３円弧５２２と、第２円弧５２１の他端Ｃ´に接合し、曲率中心をＯ４、曲率半径をＲ４とする第４円弧５２３とで構成されている。
【００１６】
前記第１円弧５１１の中点をＭ、前記第２円弧５２１の中点をＡとしたとき、図２に示すように、前記曲率中心Ｏ１、Ｏ２及び前記中点Ｍ、Ａは、前記中点Ａと前記曲率中心Ｏ１とを結ぶ線分ＡＯ１上に、一直線に並ぶように配置されている。そして、前記第２円弧５２１の曲率半径Ｒ２は前記線分ＡＯ１の長さよりも小さくなる。また、前記第３円弧５２２の曲率中心 Ｏ３は、前記第２円弧５２１の一端Ｃと前記曲率中心Ｏ２とを結ぶ線分上ＣＯ２上にあるため、前記第２円弧５２１と第３円弧５２２の境目は角張らず、連続的に変化する滑らかな外周縁５２となる。また、前記第３円弧５２３の曲率半径Ｒ３は前記第２円弧５２１の曲率半径Ｒ２よりも小さくなる。
【００１７】
同様に、前記第４円弧５２３の曲率中心 Ｏ４は、前記第２円弧５２１の他端Ｃ´と前記曲率中心Ｏ２とを結ぶ線分上Ｃ´Ｏ２上にあるため、前記第２円弧５２１と第４円弧５２３の境目も角張らず、連続的に変化する滑らかな外周縁５２となる。また、前記第４円弧５２３の曲率半径Ｒ４は前記第２円弧５２１の曲率半径Ｒ２よりも小さくなる。
【００１８】
なお、本発明の永久磁石５の横断面は、図２に記載されているように、線分ＡＯ１を中心線として対称な形状である。従って、前記第３円弧と前記第４円弧のそれぞれの曲率半径Ｒ３とＲ４は等しい長さとなる。
【００１９】
本発明の永久磁石５の構成は上記した通り、前記第２円弧５２１の曲率中心Ｏ２が、前記線分ＡＯ１上にあるため、前記第２円弧５２１の曲率半径Ｒ２は前記線分ＡＯ１の長さよりも小さくなる。従って、前記第１円弧５１１と前記第２円弧５２１で区画される領域Ｚ１では、永久磁石５の径方向の厚さは、前記第２円弧中点Ａで最大となり、前記第２円弧の一端Ｃ（又は他端Ｃ´）に向かうに連れて、漸次薄くなる。
【００２０】
そして、前記第１円弧５１１と前記第３円弧５２２で区画される領域Ｚ２、及び前記第１円弧５１１と前記第４円弧５２３で区画される領域Ｚ３でも、前記曲率半径Ｒ３及びＲ４が前記曲率半径Ｒ２よりも小さくなるため、本発明の永久磁石５の径方向の厚さは、前記領域Ｚ１に続き前記領域Ｚ２、Ｚ３でも、外周縁一端Ｂ及び外周縁他端Ｂ´に向かうに連れて、さらに薄くなる。
【００２１】
このように、本発明に係る永久磁石５の径方向の厚さは、前記領域Ｚ１に続き前記領域Ｚ２、Ｚ３でも漸次薄くなるので、コギングトルクやトルクリップルを低減することが可能となる。
【００２２】
図３は、図１に示す本発明の永久磁石５において、前記線分ＡＯ１の長さを固定して、前記第２円弧５２１の曲率半径Ｒ２を小さくしていったときに、前記永久磁石型モータ１のトルク、コギングトルク、及びトルクリップルがどの程度低減するかを磁界解析により算出した結果を表すグラフである。なお、比較対象は、図５に示す従来の永久磁石５を用いた永久磁石型モータ１のトルク、コギングトルク、及びトルクリップルである。
【００２３】
ここで、前記第２円弧５２１の曲率半径Ｒ２を小さくしていくとき、本発明の永久磁石５の種類や配向方向、前記第２円弧５２１の中点Ａと前記外周縁両端Ｂ、Ｂ´の位置、中心角Ｔ１の大きさ、及び第２円弧の端部Ｃ、Ｃ´がＯ１に対してなす角度Ｔ２の大きさは不変とした。従って、前記曲率半径Ｒ２の大きさが決まれば、それに応じて前記第３円弧及び前記第４円弧の曲率中心Ｏ３、Ｏ４の位置、及び曲率半径Ｒ３、Ｒ４の大きさが決まる。具体的には、前記曲率中心Ｏ３の位置は、前記曲率中心Ｏ２と前記第２円弧の一端Ｃとを結ぶ線分ＣＯ２上であって、前記曲率中心Ｏ３と前記第２円弧の一端Ｃまでの長さと、前記曲率中心Ｏ３と前記外周縁一端Ｂまでの長さとが同じになる位置とする。第４円弧の曲率中心Ｏ４と曲率半径Ｒ４も同様である。
【００２４】
図４は、図１に示す本発明の永久磁石５において、前記第２円弧５２１の曲率半径Ｒ２を小さくしていったときの、同Ｒ２に対応する前記第３円弧５２２の曲率半径Ｒ３との比（Ｒ３/Ｒ２）、前記永久磁石型モータ１のコギングトルクとトルクリップルの低減率、及びトルクの低下率を磁界解析により算出した結果を表す表である。なお、比較対象は、図５に示す従来の永久磁石５を用いた永久磁石型モータ１のトルク、コギングトルク、及びトルクリップルである。
【００２５】
なお、上記磁界解析では、本発明の永久磁石５を、フェライト焼結で、着磁方向を平行配向とし、前記第１円弧の曲率半径Ｒ１＝２９．２５ｍｍ、前記線分ＡＯ１＝３５．２５ｍｍ、前記線分ＢＯ１＝３３．４９ｍｍ、前記永久磁石５の中心角Ｔ１＝４３°（機械角）、前記角度Ｔ２＝１０．７５°（機械角）、ステータコア３０との最小空隙長０．５ｍｍとした。
【００２６】
図３によると、前記線分ＡＯ１の長さと前記曲率半径Ｒ２との差が大きくなるほど、トルク低下率は大きくなっていく傾向があることがわかる。具体的には、前記線分ＡＯ１の長さと前記曲率半径Ｒ２との比（Ｒ２/ＡＯ１）が０．８以上であれば、トルクは低下しない。前記曲率半径Ｒ２をさらに小さくしていくと、０．７２のときにトルクは１％低下し、０．６３のときにトルクは２％、０．５５のときにトルクは３％低下する。これは、前記曲率半径Ｒ２が小さくなるほど、前記永久磁石５の径方向の厚さが小さくなるため、トルクが低下するものである。
【００２７】
また、図４によれば、ある範囲までは、前記曲率半径Ｒ２と前記曲率半径Ｒ３の比（Ｒ３/Ｒ２）が大きくなるほど、コギングトルク及びトルクリップルの低減率は高くなることがわかる。特に、前記曲率半径Ｒ２と前記曲率半径Ｒ３の比（Ｒ３/Ｒ２）が０．５６までは、トルクがほとんど低下しないにも関わらず、コギングトルクやトルクリップルは最大で４０％以上低減することが分かる。そして、前記曲率半径Ｒ２と前記曲率半径Ｒ３の比（Ｒ３/Ｒ２）が０．６６のとき、トルクは１％低下するものの、コギングトルクとトルクリップルの低減率は、共に６０％以上という最大値を示す。
【００２８】
前記曲率半径Ｒ２と前記曲率半径Ｒ３との比（Ｒ３/Ｒ２）が大きくなるということは、前記曲率半径Ｒ２が小さくなる一方、前記曲率半径Ｒ３が大きくなることを表す。前記曲率半径Ｒ２が小さくなると、前記線分ＡＯ１の長さと前記曲率半径Ｒ２との差が大きくなり、前記領域Ｚ１の両端（前記第２円弧の両端Ｃ、Ｃ´）にかけて永久磁石５の厚みの減少割合が大きくなる。一方、前記曲率半径Ｒ３が大きくなると、前記領域Ｚ２の一端（前記外周縁の一端Ｂ）にかけて永久磁石５の厚みの減少割合が小さくなる。このようにして、前記領域Ｚ１での永久磁石５の厚みの減少割合が大きくなる一方で、前記領域Ｚ２での永久磁石５の厚みの減少割合が小さくなることで、永久磁石５の表面磁束波形が正弦波状に近づいていき、図５に示す従来の永久磁石５と比較してコギングトルク及びトルクリップルが低減する。
【００２９】
しかし、Ｒ３/Ｒ２が大きくなって、０．６６を超えて０．８１になると、コギングトルク及びトルクリップルは増加し、図５に示す従来の永久磁石５と比較した場合のコギングトルク及びトルクリップルの低減率は小さくなっていく。これは、前記曲率半径Ｒ２と前記曲率半径Ｒ３との比（Ｒ３/Ｒ２）が０．６６を超えて１．０に近づいていくと、前記外周縁５２が単一の円弧により構成される形状に近づいていき、本発明の永久磁石５の表面磁束波形が正弦波状から遠ざかるためである。
【００３０】
以上の通り、前記曲率半径Ｒ２を小さくしていき、前記線分ＡＯ１の長さとの比（Ｒ２/ＡＯ１）を０．６３以上、０．８以下とすると共に、前記曲率半径Ｒ２と前記曲率半径Ｒ３との比（Ｒ３/Ｒ２）を０．５６以上、０．８１以下とする場合には、トルクをほとんど低下させずに、コギングトルクを最大で４０％以上低減することができる。そして、同範囲内であれば、騒音と効率のバランスが良い永久磁石型モータを得ることができる。
【００３１】
なお、本発明の永久磁石型モータ１は、永久磁石５の中心角Ｔ１が略４３°とされており、８個の永久磁石５が環状に等配されてロータを構成しているが、本発明はこれに限るものではない。すなわち、永久磁石の中心角Ｔ１に応じて、６個、１０個等の永久磁石を環状に等配してロータを構成することが可能である。また、これ以外の構成（スロット数等）についても適宜変更可能である。
【符号の説明】
【００３２】
１  永久磁石型モータ
２  ステータ
２１  ステータコア
２１１  ヨーク部
２１２  ティース部
３  ロータ
３１  ロータコア
４  巻線
５ 永久磁石
５１ 内周縁
５１１ 第１円弧
５２ 外周縁
５２１ 第２円弧
５２２ 第３円弧
５２３ 第４円弧
５３、５３´  側周縁
６  シャフト
Ａ  第２円弧の中点
Ｂ  外周縁一端
Ｂ´  外周縁他端
Ｃ  第２円弧一端
Ｃ´  第２円弧他端
Ｍ  第１円弧の中点
Ｏ１  第１円弧の曲率中心
Ｏ２  第２円弧の曲率中心
Ｏ３  第３円弧の曲率中心
Ｏ４  第４円弧の曲率中心
Ｒ１  第１円弧の曲率半径
Ｒ２  第２円弧の曲率半径
Ｒ３  第３円弧の曲率半径
Ｒ４  第４円弧の曲率半径
Ｔ１  永久磁石の中心角
Ｔ２  第２円弧の両端Ｃ，Ｃ´と第１円弧の曲率中心Ｏ１との成す角度
【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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