(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータコアの複数の磁極部に１相以上の巻線を施してなるステータと、
極対数がｐ（但しｐは１以上の正の整数）で、シャフトに固定されたロータコアの内部に周方向に間隔を開けて２ｐ個の永久磁石が内蔵され、該２ｐ個の永久磁石により前記ロータコアの外周に２ｐ個の永久磁石磁極部が形成され且つ前記永久磁石磁極部を間に挟むように２ｐ個の磁気的な突極部が形成されているロータとを具備する永久磁石内蔵型同期モータであって、
前記２ｐ個の磁気的な突極部は、前記周方向に１個置きに等間隔に位置する第１のグループのｐ個の磁気的な突極部と前記周方向に１個置きに等間隔に位置する第２のグループのｐ個の磁気的な突極部とから構成され、
前記第１のグループのｐ個の磁気的な突極部の開角α１は、前記第２のグループのｐ個の磁気的な突極部の開角α２よりも小さく、
前記開角α１及び開角α２は、下記の式を満たすように定められていることを特徴とし、
α２−α１≒２β−（２ｎ−１）τｓ
ここにｎは自然数であり、βは前記シャフトの中心から隣接する２つの前記磁気的な突極部の中心を通る２本の突極部仮想中心線（ＣＬ１,ＣＬ２）間の角度であり、τｓは前記ステータコアのスロットピッチであることを特徴とする永久磁石内蔵型同期モータ。
【請求項２】
前記第１のグループのｐ個の磁気的な突極部の磁極面の曲率半径Ｒ1が、前記第２のグループのｐ個の磁気的な突極部の磁極面の曲率半径Ｒ２よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の永久磁石内蔵型同期モータ。
【請求項３】
前記２ｐ個の永久磁石磁極部及び前記２ｐ個の磁気的な突極部の形状は、
隣接する２つの永久磁石磁極部と前記隣接する２つの永久磁石磁極部間に位置する前記磁気的な突極部とによって形成される前記ロータコアの外周面部分形状が、前記シャフトの中心から前記隣接する２つの永久磁石磁極部の間に位置する前記磁気的な突極部の中心を通る前記突極部仮想中心線（ＣＬ１,ＣＬ２）を中心にして線対称になり、
且つ前記ロータコアの外周面形状が周方向に３６０°／ｐの角度範囲の外周面部分形状がすべて等しくなるｐ等配形状になるように定められている請求項１または２に記載の永久磁石内蔵型同期モータ。
【請求項４】
前記永久磁石磁極部の磁極面は、円弧面または楕円の円弧面によって形成されており、
前記永久磁石磁極部の前記磁極面と前記ステータコアの前記複数の磁極部の磁極面との間に形成されるギャップの寸法δｄが、下記の式を満たすまたはほぼ満たすように定められることを特徴とし、
δｄ＝δｄ０／ｃｏｓ［ｐ（θｍ−θｄｍ）］
ここに、δｄ０は前記ギャップの寸法の最小値であり、前記θｍは前記シャフトの中心から前記隣接する２つの永久磁石磁極部の間に位置する前記磁気的な突極部の中心を通る２つの前記突極部仮想中心線（ＣＬ１，ＣＬ２）の中心を通る仮想中心線（ＣＬ３）から前記開角α１を有する前記磁気的な突極部側への角度であり、前記θｄｍは前記ギャップの寸法が最小値になる仮想線（ＰＬ３）から前記仮想中心線（ＣＬ３）までの角度である請求項２に記載の永久磁石内蔵型同期モータ。
【請求項５】
仮想中心線（ＣＬ３）と前記シャフトの中心から前記永久磁石磁極部の磁極面の周方向の両端を通る前記２本の仮想線（ＰＬ１，ＰＬ２）のうち前記開角α２を有する前記磁気的な突極部側に位置する仮想線（ＰＬ１）との間の角度ψ１と、仮想中心線（ＣＬ３）と前記シャフトの中心から前記永久磁石磁極部の磁極面の周方向の両端を通る前記２本の仮想線（ＰＬ１，ＰＬ２）のうち前記開角α１を有する前記磁気的な突極部側に位置する仮想線（ＰＬ２）との間の角度ψ２とが、下記の条件式を満たし、
ψ２＞ψ１
ψ２−ψ１≒０．５（２ｍ−１）τｓ−（１８０°／ｐ）
ψ２＋ψ１≒ｕ・τｓ
α１＋α２≦（３６０°／ｐ）−２（ψ２＋ψ１）
ここに、ｍ及びｕは任意の自然数である請求項２，３または４に記載の永久磁石内蔵型同期モータ。
【請求項６】
前記α１及びα２並びに前記ψ２及びψ１が、更に下記の式を満たし、
（１８０°／２ｐ）＋（α１／２）−ψ２≒（１／４）（２ｖ１−１）τｓ
（１８０°／２ｐ）＋（α２／２）−ψ１≒（１／４）（２ｖ２−１）τｓ
ここにｖ１及びｖ２は任意の自然数である請求項５に記載の永久磁石内蔵型同期モータ。
【請求項７】
前記ロータコアには前記永久磁石の前記周方向の両側に空隙により第１及び第２の非磁性部が形成されており、
前記第１の非磁性部は前記開角がα１の前記磁気的な突極部側に位置し、前記第２の非磁性部は前記開角がα２の前記磁気的な突極部側に位置し、
前記第１及び第２の非磁性部の形状は、横断面積が同じかまたは前記第２の非磁性部の横断面形状が前記第１の非磁性部の横断面形状よりも大きくなるように異なっていることを特徴とする請求項１，２，３，４，５または６に記載の永久磁石内蔵型同期モータ。
【請求項８】
ステータコアの複数の磁極部に３相の巻線を施してなるステータと、
極対数が４で、シャフトに固定されたロータコアの内部に周方向に間隔を開けて８個の永久磁石が内蔵され、該８個の永久磁石により前記ロータコアの外周に８個の永久磁石磁極部が形成され且つ前記永久磁石磁極部を間に挟むように８個の磁気的な突極部が形成されているロータとを具備する永久磁石内蔵型同期モータであって、
前記８個の永久磁石磁極部は、前記周方向に１個置きに等間隔に位置する第１のグループの４個の永久磁石磁極部と前記周方向に１個置きに等間隔に位置する第２のグループの４個の永久磁石磁極部とから構成され、
前記８個の磁気的な突極部は、前記周方向に１個置きに等間隔に位置する第１のグループの４個の磁気的な突極部と前記周方向に１個置きに等間隔に位置する第２のグループの４個の磁気的な突極部とから構成され、
前記第１のグループの４個の磁気的な突極部の開角α１は、前記第２のグループの４個の磁気的な突極部の開角α２よりも小さく、
前記ステータコアのスロットピッチが、７．５°でスロットオープニングが２．１°のときに、前記開角α２は１２．９°≦α２≦１７．１°の値であり、前記開角α１は５．４°≦α１≦９．６°の値であることを特徴とする永久磁石内蔵型同期モータ。
【請求項９】
前記８個の永久磁石磁極部及び前記８個の磁気的な突極部の形状は、
隣接する２つの永久磁石磁極部と前記隣接する２つの永久磁石磁極部間に位置する前記磁気的な突極部によって形成される前記ロータコアの外周面部分形状が、前記シャフトの中心から前記隣接する２つの永久磁石磁極部の間に位置する前記磁気的な突極部の中心を通る突極部仮想中心線（ＣＬ１,ＣＬ２）を中心にして線対称になり、
且つ前記ロータコアの外周面形状が周方向に９０°の角度範囲の外周面部分形状がすべて等しくなる４等配形状になるように定められている請求項８に記載の永久磁石内蔵型同期モータ。
【請求項１０】
前記シャフトの中心から隣接する２つの前記突極部仮想中心線の中心を通る仮想中心線（ＣＬ３）と前記シャフトの中心から前記永久磁石磁極部の磁極面の周方向の両端を通る前記２本の仮想線（ＰＬ１，ＰＬ２）のうち前記開角α２を有する前記磁気的な突極部側に位置する仮想線（ＰＬ１）との間の角度ψ１が１１．０２５°≦ψ１≦１５．２２５°の範囲の値であり、
前記仮想中心線（ＣＬ３）と前記シャフトの中心から前記永久磁石磁極部の磁極面の周方向の両端を通る前記２本の仮想線（ＰＬ１，ＰＬ２）のうち前記開角α１を有する前記磁気的な突極部側に位置する仮想線（ＰＬ２）との間の角度ψ２が、１４．７７５°≦ψ２≦１８．９７５の範囲の値であり、
しかも前記角度ψ１及び前記角度ψ２は、１．６５°≦ψ２−ψ１≦５．８５°及び２７．９°≦ψ２＋ψ１≦３２．１°の関係を満たすものである請求項９に記載の永久磁石内蔵型同期モータ。
【請求項１１】
前記永久磁石磁極部の磁極面は、円弧面または楕円の円弧面によって形成されており、
前記永久磁石磁極部の前記磁極面と前記ステータコアの前記複数の磁極部の磁極面との間に形成されるギャップの寸法δｄが、下記の式を満たすまたはほぼ満たすように定められることを特徴とし、
δｄ＝δｄ０／ｃｏｓ［ｐ（θｍ−θｄｍ）］
ここに、δｄ０は前記ギャップの寸法の最小値であり、前記θｍは前記シャフトの中心から前記隣接する２つの永久磁石磁極部の間に位置する前記磁気的な突極部の中心を通る２つの前記突極部仮想中心線（ＣＬ１，ＣＬ２）の中心を通る仮想中心線（ＣＬ３）から前記開角α１を有する前記磁気的な突極部側への角度であり、前記θｄｍが１．２５°≦θｄｍ≦３．７５°の範囲の値である請求項１０に記載の永久磁石内蔵型同期モータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロータコアに複数の永久磁石を内蔵し、隣り合う永久磁石の間にそれぞれ磁気的な突極部を有するロータコアを備えた永久磁石内蔵型同期モータに関するものであり、特にロータの磁気的な突極部に起因して発生するリラクタンストルクと永久磁石によるトルクを利用する永久磁石内蔵型同期モータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
特開平８−２０５４９９公報には、ロータコアの外周面上に装着した複数の永久磁石磁極間のコアに磁気的な突極部を設け、これら突極部の位置を周方向にずらすことによりトルク脈動の発生を抑制した同期モータが開示されている。この同期モータでは、ロータの回転方向が一方向に限定されている。
【０００３】
また特開平８−２５６４５５号公報には、リラクタンス同期モータのロータの磁気的な突極部の磁極幅を変更したり、一部の対の磁気的な突極部の位置を周方向にずらすことにより、リラクタンス同期モータの脈動トルクの発生を抑制する技術が開示されている。
【０００４】
そして特開平１１−１８３２８号公報に開示された従来の永久磁石内蔵型同期モータでは、永久磁石磁極間コアの開角をθとし、永久磁石磁極間コアの幅に対応するティースの各端面のうち最も離れた二つの端面の先端と、回転軸中心とを結ぶ２本の直線が成す角度の最小値をθｍｉｎと永久磁石磁極間コアの幅に対応するティースにおけるティースヘッドの各端部のうち最も離れた二つの端部と、回転軸中心とを結ぶ２本の直線が成す角度の最大値をθｍａｘとしたときに、
θｍｉｎ≦θ≦θｍａｘ
となるように永久磁石磁極間コアの幅を設定して、コギングトルクの発生を抑制している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の永久磁石内蔵型同期モータでは、永久磁石磁極間コアの開角θはティースの数と型状寸法から決定されるθｍｉｎ≦θ≦θｍａｘとしている。しかし、ステータの毎極毎相スロット数ｑに応じて、それぞれの永久磁石磁極間におけるトルク発生のタイミングが異なるため、この従来技術では、コギングトルクやトルク脈動を十分に抑制することができない。
【０００６】
本発明の目的は、従来よりもコギングトルクと通電時のトルク脈動を共に抑制することができる永久磁石内蔵型同期モータを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ステータコアの複数の磁極部に１相以上の巻線を施してなるステータと、極対数がｐ（但しｐは１以上の正の整数）で、シャフトに固定されたロータコアの内部に周方向に間隔を開けて２ｐ個の永久磁石が内蔵され、該２ｐ個の永久磁石により前記ロータコアの外周に２ｐ個の永久磁石磁極部が形成され且つ前記永久磁石磁極部を間に挟むように２ｐ個の磁気的な突極部が形成されているロータとを具備する永久磁石内蔵型同期モータを改良の対象とする。なおここで1個の永久磁石とは、物理的に１個の永久磁石の場合だけでなく、複数の永久磁石によって構成されて磁気的に1個の永久磁石とみなすことができる場合を含むものである。
【０００８】
本発明では、２ｐ個の永久磁石磁極部を、周方向に１個置きに等間隔に位置する第１のグループのｐ個の永久磁石磁極部と周方向に１個置きに等間隔に位置する第２のグループのｐ個の永久磁石磁極部とから構成する。また２ｐ個の磁気的な突極部も、周方向に１個置きに等間隔に位置する第１のグループのｐ個の磁気的な突極部と周方向に１個置きに等間隔に位置する第２のグループのｐ個の磁気的な突極部とから構成する。そして第１のグループのｐ個の磁気的な突極部の開角α1を、第２のグループのｐ個の磁気的な突極部の開角α2よりも小さくする。その上で開角α1及び開角α2を、下記の式を満たすように定める。
【０００９】
α２−α１≒２β−（２ｎ−１）τｓ
ここにｎは自然数であり、βはシャフトの中心から隣接する２つの磁気的な突極部の中心を通る２本の突極部仮想中心線（ＣＬ１,ＣＬ２）間の角度であり、τｓはステータコアのスロットピッチ［単位はｒａｄ］である。なおロータコアの永久磁石磁極部の外周面部分の輪郭形状は、円弧または楕円の円弧により構成してもよい。
【００１０】
上記のように第１のグループのｐ個の磁気的な突極部の開角α１と第２のグループのｐ個の磁気的な突極部の開角α２の寸法を定めると、第１及び第２のグループの２ｐ個の磁気的な突極部の開角を一定にした従来の同期モータと比べて、トルク脈動を抑制して、トルクリップルを大幅に小さくできる。
【００１１】
この場合において、第１のグループのｐ個の磁気的な突極部の磁極面の曲率半径Ｒ1を、第２のグループのｐ個の磁気的な突極部の磁極面の曲率半径Ｒ２よりも小さくすると、曲率半径Ｒ１とＲ２とを同じにした場合と比べて、トルクリップルを小さくすることができる。なおトルクを大きくするためには、曲率半径Ｒ１及びＲ２は、それぞれ隣接する永久磁石磁極部の磁極面の端部の曲率半径よりも大きく、しかもＲ１＜Ｒ２となる値を選定するのが望ましい。但しトルクの大きさを犠牲にして、トルクリップルをより小さくするためには、曲率半径Ｒ１及びＲ２をそれぞれ隣接する永久磁石磁極部の磁極面の端部の曲率半径よりも小さくしてもよいのは勿論である。
【００１２】
この場合において、隣接する２つの永久磁石磁極部と隣接する２つの永久磁石磁極部間に位置する磁気的な突極部によって形成されるロータコアの外周面部分形状が、シャフトの中心から隣接する２つの永久磁石磁極部の間に位置する磁気的な突極部の中心を通る突極部仮想中心線（ＣＬ１,ＣＬ２）を中心にして線対称になり、且つロータコアの外周面形状を周方向に３６０°／ｐの角度範囲の外周面部分形状がすべて等しくなるｐ等配形状になるように、２ｐ個の永久磁石磁極部及び２ｐ個の磁気的な突極部の形状を定めるのが好ましい。このようにすると、磁気的な突極部の開角を異ならせた場合でも、周方向の磁気的なバランスは釣り合いがとれているため、各相の電圧不平衡やロータ偏心力は生じない。
【００１３】
そして永久磁石磁極部の磁極面を円弧面または楕円の円弧面によって形成する場合には、永久磁石磁極部の磁極面とステータコアの複数の磁極部の磁極面との間に形成されるギャップの寸法δｄを、下記の式を満たすまたはほぼ満たすように定められるのが好ましい。
【００１４】
δｄ＝δｄ０／ｃｏｓ［ｐ（θｍ−θｄｍ）］
ここに、δｄ０はギャップの寸法の最小値であり、θｍはシャフトの中心から隣接する２つの永久磁石磁極部の間に位置する磁気的な突極部の中心を通る２つの突極部仮想中心線（ＣＬ１，ＣＬ２）の中心を通る仮想中心線ＣＬ３から開角α１を有する磁気的な突極部側への角度である。そしてθｄｍはギャップの寸法が最小値になる仮想線ＰＬ３から仮想中心線ＣＬ３までの角度である。
【００１５】
上記式において、θｄｍ＝０°とした場合のギャップは、いわゆる一般的なｃｏｓｅｃギャップを形成するものであり、このようなギャップ構成を採用すると、モータの回転方向を問わず、ギャップ中の永久磁石からの磁束密度分布を正弦波に近づけることができ、コギングトルクを抑制することができる。
【００１６】
ここでコギングトルクを最小にするためのθｄｍは後述する角度ψ１及びψ２を用いるとθｄｍ≒（ψ２−ψ１）／２の式によって定まる。しかしギャップ中の永久磁石からの磁束密度分布が正弦波から大きく崩れている場合には、（１／６）×ｘ×τｓ≦θｄｍ≦（１／２）×ｘ×τｓの範囲で、コギングトルクが最小となる値が存在する。ここでｘはθｄｍ≒（ψ２−ψ１）／２≒（１／４）×ｘ×τｓと近似したときに、θｄｍが（ψ２−ψ１）／２の値に最も近くなる自然数である。
【００１７】
更に上記の条件を満たした上で、仮想中心線（ＣＬ３）とシャフトの中心から永久磁石磁極部の磁極面の周方向の両端を通る２本の仮想線（ＰＬ１，ＰＬ２）のうち開角α２を有する磁気的な突極部側に位置する仮想線（ＰＬ１）との間の角度ψ１と、仮想中心線（ＣＬ３）とシャフトの中心から永久磁石磁極部の磁極面の周方向の両端を通る２本の仮想線（ＰＬ１，ＰＬ２）のうち開角α１を有する磁気的な突極部側に位置する仮想線（ＰＬ２）との間の角度ψ２とが、下記の条件式を満たすようにする。
【００１８】
ψ２＞ψ１
ψ２−ψ１≒０．５（２ｍ−１）τｓ−（１８０°／ｐ）
ψ２＋ψ１≒ｕ・τｓ
α１＋α２≦（３６０°／ｐ）−２（ψ２＋ψ１）
ここに、ｍ及びｕは任意の自然数である。この条件を満たすようにすると、コギングトルクを最小の値に近づけることができる上、トルクリップルも抑制することができる。
【００１９】
なお前述のギャップの寸法δｄが、いわゆるｃｏｓｅｃギャップを形成しないモータにおいても、上記の角度ψ２，ψ１と開角α１，α２との関係を成立させるようにすると、コギングトルク及びトルクリップルを小さくすることができる。
【００２０】
そして更にα１及びα２並びにψ２及びψ１を、下記の式を満たすようにすると、コギングトルクを最小の値に近づけることができて、しかもトルクリップルも最小の値に近づけることができる。
【００２１】
（１８０°／２ｐ）＋（α１／２）−ψ２≒（１／４）（２ｖ１−１）τｓ
（１８０°／２ｐ）＋（α２／２）−ψ１≒（１／４）（２ｖ２−１）τｓ
ここにｖ１及びｖ２は任意の自然数である。
【００２２】
なおロータコアに永久磁石の周方向の両側に空隙により第１及び第２の非磁性部を形成する場合において、第１の非磁性部は開角がα１の磁気的な突極部側に位置し、第２の非磁性部は開角がα２の磁気的な突極部側に位置するものとしたときに、第１及び第２の非磁性部の形状は、横断面積が同じかまたは第２の非磁性部の横断面形状が第１の非磁性部の横断面形状よりも大きくなるようにするのが好ましい。このような非磁性部を設けると、永久磁石からの磁束の漏れ（短絡）を抑制できることと、永久磁石の減磁を防止できる。しかしながら本発明では開角α１及びα２を異ならせているため、永久磁石の磁束の漏れ易さや永久磁石減磁のし易さは、永久磁石の周方向の両端で異なってくる。すなわちα１＜α２の場合には、α２側の永久磁石の端部からの磁束の漏れがα１側の永久磁石の端部からの磁束の漏れより大きくなる。そのため、α２側の永久磁石の端部における減磁量がα１側の永久磁石の端部における減磁量よりも大きくなる。このような観点から、α２側の永久磁石の端部からの磁束の漏れとその部分における減磁を積極的に抑制するために、第２の非磁性部の横断面積を第1の非磁性部の横断面積よりも大きくしている。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。図１は、本発明の永久磁石内蔵型同期モータの一実施の形態のステータとロータの構成を示す図である。図１において、符号１で示した部材は、珪素鋼板を積層して構成された環状のヨーク２と、この環状のヨークの内周側に周方向に所定の間隔を開けて配置された磁極部を構成する複数のティース３と、隣接する２つのティース３の間に形成されたスロット４と、これらのティース３に３相の巻線が順次巻装されて形成された図示しない巻線部とを備えてなるステータである。ヨーク２とティース３とによりステータコアが構成されている。
【００２４】
この例のステータ１は、スロット数Ｎｓが４８で、極対数ｐが４で、相数が３であるため、毎極毎相スロット数ｑは、ｑ＝４８／（２×４×３）＝２となる。そしてスロットピッチτｓがτｓ＝７．５°である。
【００２５】
また符号５で示した部材は、ロータである。このロータ５は、シャフト６に固定されたロータコア７の内部に周方向に間隔を開けて配置された８つの永久磁石８…を内蔵しており、しかも隣り合う２つの永久磁石８の間にそれぞれ磁気的な突極部９…及び１０…を有している。ロータコア７の外周部には、磁気的な突極部９…及び１０…を明確に形成するために、径方向と軸線方向に延びる複数の溝が１１…が形成されている。永久磁石８の径方向外側に位置するロータコア７の外周面部分が８つの永久磁石磁極部１２を構成している。なおロータコア７も、ステータコアと同様に珪素鋼板を積層して構成されており、永久磁石８…が内蔵される部分に永久磁石を挿入する貫通孔を有している。永久磁石８は、横断面形状が矩形状をなすものである。
【００２６】
この例では、８個の永久磁石磁極部１２…及び８個の磁気的な突極部９…及び１０…の形状は、隣接する２つの永久磁石磁極部と隣接する２つの永久磁石磁極部間に位置する磁気的な突極部によって形成されるロータコア７の外周面部分形状が、シャフト６の中心から隣接する２つの永久磁石磁極部の間に位置する磁気的な突極部の中心を通る突極部仮想中心線ＣＬ１,ＣＬ２を中心にして線対称になり、しかもロータコア７の外周面形状が周方向に９０°の角度範囲の外周面部分形状がすべて等しくなる４等配形状になるように定められている。
【００２７】
８個の磁気的な突極部は、周方向に１個置きに等間隔に位置する第１のグループの４個の磁気的な突極部９…と周方向に１個置きに等間隔に位置する第２のグループの４個の磁気的な突極部１０…とから構成されている。そして第１のグループの４個の磁気的な突極部９…の開角α１は、第２のグループの４個の磁気的な突極部１０…の開角α２よりも小さい。この例では、ステータコア７のスロットピッチが７．５°であり、スロットオープニングが２．１°であるから、開角α２は１５°であり、開角α１は７．５°である。なおこの場合の開角α２の好ましい範囲は、１２．９°≦α２≦１７．１°の値であり、開角α１の好ましい範囲は５．４°≦α１≦９．６°の値である。
【００２８】
なお開角α1及び開角α2の関係を一般的に式で表せば、両者は下記の式（１）を満たすように定めればよい。
【００２９】
α２−α１≒（２β）−（２ｎ−１）τｓ    ・・・（１）
ここに、ｎは自然数であり、βはシャフトの中心から隣接する２つの磁気的な突極部の中心を通る２本の突極部仮想中心線（ＣＬ１,ＣＬ２）間の角度であり、τｓは前記ステータコアのスロットピッチである。本実施の形態では、ｎ＝６である。この式を満たせば、トルクリップルを従来よりも大幅に低減できる。
【００３０】
図２は、本発明の第２の実施の形態の永久磁石内蔵型同期モータで用いるロータの構成を示す図である。この実施の形態が、図１の実施の形態と異なるのは、ロータコア７に永久磁石８…の周方向の両側に形成した空隙によって一対の非磁性部１３を設けた点である。４つの磁気的な突極部９・・・および４つの磁気的な突極部１０・・・のそれぞれの開角α１及びα２は、図１の実施の形態と同様にして定められている。溝１１の開角は、角度βｄ−α１で求めることができ、この例では１．８７５°である。なお角度βｄは、βｄ≒（１／２）（２ｎ−１）τｓにより定まる。ここでもｎは任意の自然数である。
【００３１】
図３は、請求項９の発明に対応する第３の実施の形態の永久磁石内蔵型同期モータのロータの構成を示す図である。この実施の形態が、図２の実施の形態と異なるのは、溝１１…の開角（周方向の開口寸法）を図２の実施の形態の溝１１の開角よりも大きくして、永久磁石磁極１２の周方向の長さ寸法を小さくした点である。その他の構造は図２の実施の形態と同じである。この実施の形態では、溝１１の開角（βｆ−α1）を３．７５°にしている。ここでβｆは、βｆ≒（１／４）（２ｎ−１）τｓにより定まる。ここでもｎは任意の自然数である。
【００３２】
図４は、図１乃至図３の実施の形態について、トルクリップル含有率を測定したデータである。図４において、Ａは８つの磁気的な突極部の開角を一定の値（８．７５°）にした従来の永久磁石内蔵型同期モータのトルクリップル含有率である。そして図４のＢ，Ｃ及びＤが、図１乃至図３の永久磁石内蔵型同期モータのトルクリップル含有率を示している。この図から、本発明の実施の形態によれば、トルクリップルを大幅に低減できることが分かる。
【００３３】
図５は本発明の永久磁石内蔵型同期モータの第４の実施の形態のロータの構成を示す図である。ステータコア側の構成は図１の実施の形態と同じである。図４においては、図１に示した実施の形態と同様の部分に図１に付した符号と同じ符号を付してある。この実施の形態では、８個（２ｐ個）の永久磁石磁極部１２ａ…及び１２ｂ…を、周方向に１個置きに等間隔に位置する第１のグループの４個（ｐ個）の永久磁石磁極部１２ａ…と周方向に１個置きに等間隔に位置する第２のグループの４個（ｐ個）の永久磁石磁極部１２ｂ…とから構成されている。また８個（２ｐ個）の磁気的な突極部９…及び１０…も、周方向に１個置きに等間隔に位置する第１のグループの４個（ｐ個）の磁気的な突極部９…と周方向に１個置きに等間隔に位置する第２のグループの４個（ｐ個）の磁気的な突極部１０…とから構成されている。そして第１のグループの４個の磁気的な突極部９…の開角α１を、第２のグループの４個の磁気的な突極部１０…の開角α２よりも小さくしている。この実施の形態でも、開角α１及び開角α２は、上記（１）式を満たしている。
【００３４】
具体的には、ステータコアのスロットピッチが、７．５°であり、スロットオープニングが２．１°であるから、開角α２は１２．９°≦α２≦１７．１°の値が好ましく、また開角α１は５．４°≦α１≦９．６°の値で好ましい。この例では、α２を１６°とし、α１を６．５°にしている。
【００３５】
またこの例では、隣接する２つの永久磁石磁極部１２ａ及び１２ｂと隣接する２つの永久磁石磁極部１２ａ及び１２ｂ間に位置する磁気的な突極部９又は１０によって形成されるロータコア７の外周面部分形状が、シャフト６の中心から隣接する２つの永久磁石磁極部１２ａ及び１２ｂの間に位置する磁気的な突極部９又は１０の中心を通る突極部仮想中心線ＣＬ１,ＣＬ２を中心にして線対称になり、且つロータコア７の外周面形状を周方向に９０°（３６０°／ｐ）の角度範囲の外周面部分形状がすべて等しくなる４等配形状（ｐ等配形状）になるように、８個の永久磁石磁極部１２ａ…及び１２ｂ…及び８個の磁気的な突極部９…及び１０…の形状を定めている。このようにすると、磁気的な突極部９…及び１０…の開角α1及びα2を異ならせた場合でも、周方向の磁気的なバランスは釣り合いがとれているため、各相の電圧不平衡やロータ偏心力は生じない。
【００３６】
またこの例では、永久磁石磁極部１２ａ…及び１２ｂ…の磁極面とステータコアの複数の磁極部の磁極面との間に形成されるギャップの寸法δｄが、下記（２）の式を満たしていわゆるｃｏｓｅｃギャップになるようにように定められている。
【００３７】
δｄ＝δｄ０／ｃｏｓ［ｐ（θｍ−θｄｍ）］     ・・・（２）
ここに、δｄ０はギャップの寸法の最小値であり、θｍはシャフトの中心から隣接する２つの永久磁石磁極部の間に位置する磁気的な突極部の中心を通る２つの突極部仮想中心線（ＣＬ１，ＣＬ２）の中心を通る仮想中心線ＣＬ３から開角α１を有する磁気的な突極部側への角度であり、θｄｍはギャップの寸法が最小値になる仮想線ＰＬ３から仮想中心線ＣＬ３までの角度である。
【００３８】
ここでコギングトルクを最小にするためのθｄｍは後述する角度ψ１及びψ２を用いるとθｄｍ≒（ψ２−ψ１）／２の式によって定まる。しかしギャップ中の永久磁石からの磁束密度分布が正弦波から大きく崩れている場合には、（１／６）×ｘ×τｓ≦θｄｍ≦（１／２）×ｘ×τｓの範囲で、コギングトルクが最小となる値が存在する。ここでｘはθｄｍ≒（ψ２−ψ１）／２≒（１／４）×ｘ×τｓと近似したときに、θｄｍが（ψ２−ψ１）／２の値に最も近くなる自然数である。
【００３９】
永久磁石磁極部１２ａ及び１２ｂの磁極面の形状は、上記式により定まる値に近い値になるように円弧または楕円の弧により定められている。
【００４０】
またこの例では、開角α１の磁気的な突極部９の曲率半径Ｒ１を、開角α２の磁気的な突極部の曲率半径Ｒ２よりも小さくしている。第１のグループのｐ個の磁気的な突極部の磁極面の曲率半径Ｒ1を、第２のグループのｐ個の磁気的な突極部の磁極面の曲率半径Ｒ２よりも小さくすると、曲率半径Ｒ１とＲ２とを同じにした場合と比べて、トルクリップルを小さくすることができる。なおトルクを大きくするためには、曲率半径Ｒ１及びＲ２は、それぞれ隣接する永久磁石磁極部の磁極面の端部の曲率半径よりも大きく、しかもＲ１＜Ｒ２となる値を選定するのが望ましい。図６は、この曲率半径を変えた場合における効果を確認するために、Ｍｏｄｅｌ１からＭｏｄｅｌ３を図示の条件で作ってトルクリップル含有率を測定した結果を示している。この測定結果から判るように、Ｒ１＜Ｒ２にした
Ｍｏｄｅｌ３の場合において、トルクリップル含有率が最も小さくなることが判る。
【００４１】
上記式において、θｄｍ＝０°とした場合のギャップは、いわゆる一般的なｃｏｓｅｃギャップを形成するものであり、このようなギャップ構成を採用すると、モータの回転方向を問わず、ギャップ中の永久磁石からの磁束密度分布を正弦波に近づけることができ、コギングトルクを抑制することができる。更にθｄｍを１／６スロットピッチ〜１／２スロットピッチの範囲の値とした場合には、ギャップ中の永久磁石からの正弦波磁束分布を正弦波状に維持した状態で、飛躍的にコギングトルクを抑制することができる。ちなみに図５の実施例では、θｍを２°に設定している。
【００４２】
またこの実施の形態では、仮想中心線ＣＬ３とシャフト６の中心から永久磁石磁極部１２ａまたは１２ｂの磁極面の周方向の両端を通る２本の仮想線ＰＬ１及びＰＬ２のうち開角α２を有する磁気的な突極部１０側に位置する仮想線ＰＬ１との間の角度ψ１と、仮想中心線ＣＬ３とシャフト６の中心から永久磁石磁極部１２ａまたは１２ｂの磁極面の周方向の両端を通る２本の仮想線ＰＬ１及びＰＬ２のうち開角α１を有する磁気的な突極部９側に位置する仮想線ＰＬ２との間の角度ψ２とが、下記の条件式（３）乃至（６）を満たすようになっている。
【００４３】
ψ２＞ψ１                                            ・・・（３）
ψ２−ψ１≒０．５（２ｍ−１）τｓ−（１８０°／ｐ）  ・・・（４）
ψ２＋ψ１≒ｕ・τｓ                                  ・・・（５）
α１＋α２≦（３６０°／ｐ）−２（ψ２＋ψ１）        ・・・（６）
ここに、ｐは極対数、ｍ及びｕは任意の自然数である。この条件を満たすようにすると、コギングトルクを最小の値に近づけることができる。
【００４４】
具体的には、この例において、角度ψ１は１１．０２５°≦ψ１≦１５．２２５°の範囲の値が好ましく、また角度ψ２は１４．７７５°≦ψ２≦１８．９７５°の範囲の値で、しかも角度ψ１及び角度ψ２は、１．６５°≦ψ２−ψ１≦５．８５°及び２７．９°≦ψ２＋ψ１≦３２．１°の関係を満たすものが好ましい。
【００４５】
この例では、角度ψ１を１３．１２５°とし、角度ψ２を１６．８７５°としている。この角度は、τｓ＝７．５°、ｐ＝４、ｍ＝７、ｕ＝４として、上記（４）式及び（５）式にこれらの値を代入すると、
ψ２−ψ１≒０．５（２ｍ−１）τｓ−（１８０°／ｐ）  ・・・（４）
ψ２＋ψ１≒ｕ・τｓ                                  ・・・（５）
ψ２−ψ１＝０．５（２ｍ−１）τｓ−（１８０°／ｐ）＝０．５×（２×７−１）×７．５−（１８０／４）＝３．７５°
ψ２＋ψ１＝ｕ・τｓ＝４×７．５＝３０°
となり、この二つの式からψ１＝１３．１２５°とψ２＝１６．８７５°が求まる。
【００４６】
またこの角度ψ１及びψ２の値に基づいて、コギングトルクを最小にするためのθｄｍ及びθｄｍの最適値範囲を求めると、θｄｍ＝（ψ２−ψ１）／２＝（１６．８７５−１３．１２５）／２＝１．８７５°となる。よってθｄｍ＝１．８７５°でコギングトルクを最小にすることができる。ここで前述のθｄｍ≒（ψ２−ψ１）／２≒（１／４）×ｘ×τｓの式を満たすｘを求めると、（１／４）×ｘ×τｓ＝１．８７５を満たすｘは１となる。
【００４７】
したがってθｄｍの範囲を求める前述の（１／６）×ｘ×τｓ≦θｄｍ≦（１／２）×ｘ×τｓの式に、ｘ＝１とτｓ＝７．５°とを入れると、１．２５°≦θｄｍ≦３．７５°が、θｄｍの最適値範囲として定まる。
【００４８】
また図７に示すように、溝１１ａ及び１１ｂの周方向の幅（開度）を２．２５°と１．５°に設定している。またこの例では、図７に示すように、ロータコア７に形成する１つの永久磁石に対する第１及び第２の非磁性部１３ａ及び１３ｂの形状を異ならせている。
【００４９】
この実施の形態において、α１及びα２並びにψ２及びψ１を、下記の式（７）式及び（８）式を満たすようにすると、トルクリップルを最小の値に近づけることができる。
【００５０】
（180°／２ｐ）＋（α1／２）−ψ2＝（１／４）（２ｖ1−１）τｓ  …（８）
（180°／２ｐ）＋（α2／２）−ψ1＝（１／４）（２ｖ2−１）τｓ  …（９）
ここにｖ１及びｖ２は任意の自然数である。
【００５１】
この例では上記（８）及び（９）の条件を満たすように各部の角度を設定している。
【００５２】
トルクリップルを最小にする各部の角度の条件は、上記（３）式、（４）式、（５）式及び（６）式の連立方程式を解くことにより得られる。図８は、８極４８スロットで分布巻の同期モータにおいて、コギングトルクを最小にするψ２とψ１とｍとの関係を示す図である。縦軸はψ２であり、横軸はψ１である。図８においては、丸印の点が選択したｍとｕとの値によって定まるトルクリップルが最小になる条件点である。
【００５３】
図９は、上記（１），（８）及び（９）式から得たα１とα２とｎとの関係を示している。本発明を実施する場合には、この関係を満たすようにα１とα２の関係を定めれば、トルクリップルを最小にすることができる。
【００５４】
【発明の効果】
本発明によれば、コギングトルクが抑制できて、しかもトルク脈動を抑制できる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の永久磁石内蔵型同期モータの第1の実施の形態の構成を概念的に示す図である。
【図２】  本発明の永久磁石内蔵型同期モータの第２の実施の形態の永久磁石内蔵型同期モータで用いるロータの構成を示す図である。
【図３】  本発明の永久磁石内蔵型同期モータの第３の実施の形態の永久磁石内蔵型同期モータで用いるロータの構成を示す図である。
【図４】  図１乃至図３の実施の形態について、トルクリップル含有率を測定したデータである。
【図５】  本発明の永久磁石内蔵型同期モータの第４の実施の形態の構成を概念的に示す図である。
【図６】  曲率半径Ｒ１とＲ２とを変えた場合におけるトルクリップルの低減効果を示す図である。
【図７】  図５の実施の形態の部分拡大図である。
【図８】  ８極４８スロットで分布巻の同期モータにおいて、コギングトルクを最小にするψ２とψ１とχの関係を示す図である。
【図９】  （１），（８）及び（９）式から得たトルクリップルを最小にするα１とα２の関係を示している。
【符号の説明】
１  ステータ
２  ヨーク
３  ティース（磁極部）
４  スロット
５  ロータ
６  シャフト
７  ロータコア
８  永久磁石
９，１０  磁気的な突極部
【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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