(57)【要約】【課題】回転電機のトルクリップルを低減することを課題とする。【解決手段】異なる複数の磁極数に相当する永久磁石の磁束をその表面に合算して発生させる磁束発生部材を備えたロータ１３と、複数の磁極数に対応した複数の電流磁界を合算し、かつロータ１３を回転させる電流を与えるステータ１２とを有する回転電機において、ロータ１３の一極対を構成するＮ極とＳ極のギャップ磁束密度の磁極幅が異なるように永久磁石１３１Ｎ，１３１Ｓを配置して構成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
異なる複数の磁極数に相当する磁石の磁束をその表面に合算して発生させる磁束発生部材を備えた回転子と、前記複数の磁極数に対応した複数の電流磁界を合算し、かつ前記回転子を回転させる電流を与える固定子とを有する回転電機において、
前記回転子の一極対を構成するＮ極とＳ極のギャップ磁束密度の磁極幅が異なるように前記磁石を配置した
ことを特徴とする回転電機。
【請求項２】
Ｎ極、Ｓ極のギャップ磁束密度の磁極幅をＷ１，Ｗ２とし、磁束密度の大きさをＢ１，Ｂ２とすると、Ｗ１＞Ｗ２かつＢ１＜Ｂ２である
ことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
【請求項３】
０［Ｔ］のギャップ磁束密度を基準として、磁極幅と磁束密度の大きさで囲まれる面積をＮ極側とＳ極側で等しくする
ことを特徴とする請求項１または２に記載の回転電機。
【請求項４】
Ｎ極とＳ極の磁極中心間距離と前記回転子の極節距離が等しい
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の回転電機。
【請求項５】
Ｎ極とＳ極の磁極中心間距離と前記回転子の極節距離が異なる
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の回転電機。
【請求項６】
Ｎ極とＳ極の磁極幅の比と磁極中心間距離を設定する際に、トルクリップルの変化幅が極小値と極大値の間であり、かつトルクの変化幅が極小値と極大値の間である
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の回転電機。
【請求項７】
０［Ｔ］のギャップ磁束密度を基準として、磁極幅と磁束密度の大きさで囲まれる面積がＮ極側とＳ極側で異なる
ことを特徴とする請求項１または２に記載の回転電機。
【請求項８】
Ｎ極とＳ極の前記磁石は、異なる厚さの永久磁石で構成されている
ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の回転電機。
【請求項９】
Ｎ極とＳ極のいずれか一方または双方の前記磁石は、Ｖ字状に配置された永久磁石で構成されている
ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の回転電機。
【請求項１０】
Ｎ極とＳ極の前記磁石は、異なる特性を有する永久磁石で構成されている
ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の回転電機。
【請求項１１】
Ｎ極とＳ極の前記磁石のうち、動作点がクニック点に近い方の磁石は他方の磁石よりも保持力の高い永久磁石で構成されている
ことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の回転電機。
【請求項１２】
Ｎ極とＳ極の前記磁石のうち、動作点の磁束密度が高い方の磁石は他方の磁石よりも熱減磁の小さい永久磁石で構成されている
ことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、異なる複数の磁極数に相当する磁石磁束を発生する回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の技術としては、例えば以下に示す文献に記載されたものが知られている（特許文献１参照）。この文献には、Ｎ極とＳ極の磁石を等間隔に配置せずに、すなわちＮ極とＳ極の磁石を不等間隔に配置することで、単位磁石当たりのトルクを向上し、かつ磁石の配置間隔を適切に設定することで、トルクの最大化を図った発明が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１５１２３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、Ｎ極とＳ極の磁石を等間隔に配置しない構成を採用することで、磁石の配置間隔が不均一となり、モータのトルクリップルが大きくなるといった不具合を招いていた。
【０００５】
そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、トルクリップルを低減した回転電機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明の課題を解決する手段は、異なる複数の磁極数に相当する磁石の磁束をその表面に合算して発生させる磁束発生部材を備えた回転子の一極対を構成するＮ極とＳ極のギャップ磁束密度の磁極幅が異なるように、回転電機の磁石を配置したことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、回転子の一極対を構成するＮ極とＳ極のギャップ磁束密度の磁極幅が異なるようにしたので、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】
【０００８】
【図１】本発明の実施例１に係る回転電機の構成を示す図である。
【図２】永久磁石の他の構成を示す図である。
【図３】永久磁石の他の構成を示す図である。
【図４】電気角１周期分のギャップ磁束密度波形を示す図である。
【図５】従来の回転電機の構成を示す図である。
【図６】基本波１周期分のリニアモデルを示す図である。
【図７】極中心と磁石中心のずれ量とトルクとの関係を示す図である。
【図８】極中心と磁石中心のずれ量とトルクリップル率との関係を示す図である。
【図９】基本波１周期分のギャップ磁束密度パターンモデルを示す図である。
【図１０】磁極中心間距離／極節長とトルクリップル率との関係を示す図である。
【図１１】磁極中心間距離／極節長とトルク比との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を用いて本発明を実施するための実施例を説明する。
【実施例１】
【００１０】
図１は本発明の実施例１に係る回転電機の構成を示す断面図である。図１に示す実施例１の回転電機は、埋め込み磁石型の回転子（ロータ）を備えた同期型の電動機として機能し、シャフト１１を中心に固定子（ステータ）１２とロータ１３が同軸上に配置されている。
【００１１】
ステータ１２は、２４個のステータティース１２１から構成され、これらのステータティース１２１には、それぞれコイル１２２が集中的に巻かれている。この巻線は、３個おきに配置されている８個が１セットとなっており、直列あるいは並列に接続され、その一方が中性点として他の相の一方と接続され、他方は図示しないインバータの内部で、電源ラインのＰ側・Ｎ側にスイッチング素子を介して接続されている。このインバータは、３相の電動機を制御する構成となっている。なお、コイルは集中巻に限らず分布巻でも適用可能である。
【００１２】
ロータ１３は、この実施例では８極対と１６極対の２種類の極対数を備えるものとなっている。また、Ｎ極の永久磁石１３１Ｎは平板状であり、Ｓ極の永久磁石１３１ＳはＶ字形状で配置してある。なお、図１ではＳ極の永久磁石１３１ＳはＶ字形状で構成してあるが、この形状に限定されることはない。
【００１３】
永久磁石は、例えば図２（１／８モデルを示す）に示すように、磁石の厚さの異なる永久磁石によって構成してもよく、例えばＮ極とＳ極の磁石幅比が１：２、厚さ比が２：１の場合は、幅と厚さをそれぞれ両者の最大公約数の大きさで分割することによって磁石の最小単位を揃えることができ、磁石コストを低減することができる。
【００１４】
また、永久磁石は、図３（１／８モデルを示す）に示すように、電気的特性が異なる永久磁石によって構成してもよく、例えばＮ極をアルニコ磁石、Ｓ極をネオジ系磁石によって構成してもよい。
【００１５】
なお、要求される磁石特性とコストの兼ね合いから、上記以外にも様々な特性の磁石の組み合わせが考えられる。
【００１６】
次に、図４を参照して図１に示す構成の回転電機の動作を説明する。
【００１７】
図４は、図１において８極対を構成する磁石磁束の電気角１周期分に相当するＡ〜Ａ’の区間のギャップ磁束密度波形を示す図である。図４において、Ｎ極側はＳ極側と比べて磁極幅が広いが、磁束密度の大きさは小さい。これは、Ｓ極側の磁石をＶ字磁石で構成しているためである。この実施例では、Ｎ極とＳ極の磁石量は同じであるため、図４の横軸の０［Ｔ］と磁束密度で囲まれるＮ極側の面積（Ｓ（Ｎ））とＳ極側の面積Ｓ（Ｓ）は等しくなる。
【００１８】
このような磁束密度波形をフーリエ変換すると、８極対と１６極対とに対応する磁石磁束が基本波と二次高調波のスペクトルとして表れることがわかる。したがって、この磁束に対応した複合電流をステータ１２のコイル１２２に通電することによって、８極対と１６極対のそれぞれの磁石のトルクを合算したトルクを得ることができる。また、後述するが、Ｎ極とＳ極の磁極幅と磁束密度の大きさを変えることにより、磁石磁束の基本波と二次高調波の磁束割合を変えることが可能となる。
【００１９】
次に、先の背景技術の欄で触れた従来技術と本実施例とを対比することで、従来の技術に対する本実施例の有利な効果を説明する。
【００２０】
先ず、図５に本実施例と対比する従来技術を採用した回転電機の断面構成を示す。図５に示すような回転電機では、極（節）中心と磁石中心とのずれ量によってトルク比が変化し、磁石幅に応じた最適なずれ量が存在した。図６（ａ）、（ｂ）にこの回転電機の基本波１周期分のリニアモデルを示し、図７に極中心と磁石中心のずれ量とトルク比の関係を示す。ここで、基本波の極中心までの距離をＫとし、磁石幅中心までの距離をＫｍとすると、ずれ量（％）は（Ｋ−Ｋｍ）／Ｋで表される。
【００２１】
図７に示すトルク比は、ギャップ磁束密度波形をフーリエ変換し、基本波と二次高調波磁束の振幅を抽出し、次式（１）を用いて磁石トルクを算出した後、各磁石幅に関してずれ量ゼロのトルク値で規格化している。なお、基本波ならびに二次高調波の各電流成分は、電流実効値を固定するため、次式（２）、（３）を用いて磁束成分の割合に基づいて算出している。
【００２２】
【数１】
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【数２】
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【数３】
2010183655.tif 000005
ここで、Ｔ：トルク［Ｎｍ］、ｐ１：基本波極対数、ｐ２：二次高調波極対数、Ψ１：基本波無負荷磁束［Ｗｂ］、Ψ２：二次高調波無負荷磁束［Ｗｂ］、Ｉ１：基本波電流［Ａ］、Ｉ２：二次高調波電流［Ａ］、ｋ：比例定数とする。
【００２３】
次に、図７に示す関係を有する場合のずれ量とリップル率の関係を図８に示す。図８において、リップル率は平均トルクに対するトルクの振動成分の振幅値の割合である。トルクの振動成分は、基本波の磁束成分と二次高調波の電流成分との積と、二次高調波の磁束成分と基本波の電流成分との積の和から求められる。図８からわかるように、トルクの向上とトルクリップルはトレードオフの関係にある。これは、トルク比が大きい領域は基本波と二次高調波との磁束が同じ割合になるので、振動成分の項が大きくなるためであると考えられる。
【００２４】
次に、先に触れた従来の回転電機において最適な磁石配置の一つであるモデルＡとほぼ等しい磁石量とした場合の本実施例の効果を説明する。
【００２５】
図９に基本波磁束１周期分におけるギャップ磁束密度のパターンモデルを示す。Ｗ１とＷ２、Ｐ１とＰ２は、Ｎ極とＳ極の磁極幅、磁極ずれ量を示している。ここでは、理解を容易にするために磁極の強さを「１」と「−Ｗ２／Ｗ１」とし、横軸の０［Ｔ］で囲まれるＮ極側とＳ極側の面積を等しい条件で説明する。また、等間隔に磁石を配置した場合の磁極中心間距離を極節長さとしている。
【００２６】
図１０と図１１にＷ１：Ｗ２＝３：２の場合における、トルクリップル率とトルク比を示す。トルク比は図７に示すモデルＡのトルクで規格化している。図１０ならびに図１１を参照すると、本実施例で採用したように磁石を配置することで、トルクは従来とほぼ同等であるのに対してトルクリップル率は低減されていることがわかる。また、トルクリップル率とトルク比の間にはトレードオフの関係があるので、いずれを優先させるかは要求される仕様に応じて磁極中心間距離を適宜選択することで決められる。
【００２７】
なお、上記図９〜図１１に示す例は一例であり、Ｗ１とＷ２が３：２以外でも同じことが言える。また、Ｎ極とＳ極の永久磁石のうち、磁石厚さが薄い、永久磁石外部から与えられる磁界が強い方の永久磁石を保持力の高いものとしたり、熱減磁の小さい永久磁石で構成することで、減磁を抑制することが可能である。
【００２８】
以上説明したように、上記実施例において、ロータに永久磁石を等間隔に配置せず、すなわち不均一に配置することで、異なる複数の磁極数に相当する磁石磁束をその表面に合算して発生させる磁束発生部材をロータに設け、この複数の磁極数に対応した複数の電流磁界を合算し、かつロータを回転させることができるように電流を与えられるコイルをステータに設けることで、ロータの一極対を構成するＮ極とＳ極のギャップ磁束密度の磁極幅が異なるようにしたので、永久磁石を等間隔に配置した一般的な永久磁石モータに対して磁石量を低減できる効果を損なうことなく、トルクリップルを低減することができる。
【００２９】
Ｎ極とＳ極のギャップ磁束密度の磁極幅をＷ１，Ｗ２とし、磁束密度の大きさをＢ１，Ｂ２とすると、Ｗ１＞Ｗ２かつＢ１＜Ｂ２とすることで、磁石量あたりのトルクを大きくすることが可能となる。また、一極対を構成するＮ極，Ｓ極の総磁束量に大きな差がないため、容易に磁気回路を構成することが可能となる。
【００３０】
ギャップ磁束密度０［Ｔ］を基準として、磁極幅と磁束密度の大きさで囲まれる面積をＮ極とＳ極で等しくする（Ｗ１×Ｂ１＝Ｗ２×Ｂ２）ことで、Ｎ極とＳ極の磁石量を等しくすることができる。一方、ギャップ磁束密度０［Ｔ］を基準として、磁極幅と磁束密度の大きさで囲まれる面積がＮ極とＳ極で異なる（Ｗ１×Ｂ１≠Ｗ２×Ｂ２）ように設定することで、Ｎ極とＳ極の磁束量のバランスが異なり、磁束量が少ない極に見かけ上の磁極が発生し、磁石量を低減することができる。
【００３１】
Ｎ極とＳ極の磁極中心間距離とロータの極節距離とを等しくすることで、トルクリップルを最小にすることができる。一方、Ｎ極とＳ極の磁極中心間距離とロータの極節距離とを異なるように設定することで、平均トルクを増加することができる。
【００３２】
Ｎ極とＳ極の磁極幅Ｗ１，Ｗ２の比と磁極中心間距離を選択する際に、トルクリップルを極小値と極大値の間に設定し、かつトルクの変化を極小値と極大値の間で設定することで、トルクリップルの減少率およびトルクの要求値に応じて磁石配置の選択幅を広げることができる。
【００３３】
Ｎ極とＳ極の永久磁石を異なる厚さに設定することで、Ｎ極とＳ極の各磁石厚さ及び磁石幅を両者の最大公約数の大きさで分割することによって磁石の最小単位を等しくすることが可能となり、磁石のコストを低減することができる。
【００３４】
Ｎ極とＳ極のいずれか一方または両方の永久磁石をＶ字状に配置することで、狭い磁極幅で高磁束密度のギャップ磁束密度波形を得ることができる。
【００３５】
Ｎ極とＳ極の永久磁石を異なる特性を有する磁石によって構成することで、ギャップ磁束密度波形を制御する選択肢を広げることが可能となる。また、例えばアルニコやフェライト系磁石を用いることによって、ネオジ系磁石を用いる場合に比べて磁石のコストを低減することができる。
【００３６】
Ｎ極とＳ極の永久磁石のうち、動作点がクニック点に近い方の永久磁石を他方の永久磁石に比べて保持力の高い永久磁石とすることで、例えば保持力が高い材料で常に強い磁界がかかる方の永久磁石を構成し、減磁を抑制することができる。
【００３７】
Ｎ極とＳ極の永久磁石のうち、動作点の磁束密度が高い方の永久磁石を他方の永久磁石に比べて熱減磁の小さい永久磁石とすることで、例えば常に強い磁界がかかり、渦電流による発熱が生じた場合でも熱減磁を低減することができる。
【符号の説明】
【００３８】
１１…シャフト
１２…ステータ
１３…ロータ
１２１…ステータティース
１２２…コイル
１３１Ｎ，１３１Ｓ…永久磁石
【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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