(57)【要約】【課題】  永久磁石を埋設した永久磁石同期機において、トルク向上及び効率向上を可能にすることである。【解決手段】  永久磁石を有する回転子と、ティースを有するとともに前記回転子の外周方向に空隙を介して配置される固定子と、を備え、前記回転子は、前記ティースとの間の空隙が第１距離となる第１外周部と、前記ティースとの間の空隙が前記第１距離よりも大きな第２距離となる第２外周部と、を形成し、前記第２外周部は、回転軸中心から径方向に対して、前記永久磁石の端部と対向する位置に形成され、前記ティースの幅に対応する回転軸中心の角度は、θｓと定義され、前記永久磁石の前記開口に対応する回転軸中心の角度は、θｐと定義され、前記回転子の前記第１外周部に対応する回転軸中心の角度は、θaと定義され、θｓ＞θｐ＞θaの関係となる永久磁石電動機。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ネオジウム磁石よりも保持力の小さい特性を有する永久磁石を有する回転子と、
ティースを有するとともに前記回転子の外周方向に空隙を介して配置される固定子と、を備え、
前記回転子の回転軸方向の垂直方向の断面において、前記永久磁石は、当該永久磁石の断面形状が前記固定子の配置された側に向かって開口する凹部を形成するように構成され、
前記回転子は、前記ティースとの間の空隙が第１距離となる第１外周部と、前記ティースとの間の空隙が前記第１距離よりも大きな第２距離となる第２外周部と、を形成し、
前記第２外周部は、回転軸中心から径方向に対して、前記永久磁石の端部と対向する位置に形成され、
前記ティースの幅に対応する回転軸中心の角度θｓ、前記永久磁石の前記開口に対応する回転軸中心の角度θｐ、前記回転子の前記第１外周部に対応する回転軸中心の角度θa、θｓ≧θｐ＞θaの関係とした永久磁石電動機。
【請求項２】
請求項１に記載の永久磁石電動機であって、
前記永久磁石は、フェライト磁石である永久磁石電動機。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のいずれかの永久磁石電動機であって、
前記固定子は、第１ティースと、当該第１ティースと隣り合う第２ティースを有し、
前記永久磁石の厚さは、前記第１ティースの端部と前記第２ティースの端部との間の距離よりも大きい永久磁石電動機。
【請求項４】
請求項１ないし３に記載のいずれかの永久磁石電動機であって、
θaは、電気角で80°≧θa≧50°又は160°≧θa≧135°の関係となる永久磁石電動機。
【請求項５】
請求項１ないし４に記載のいずれかの永久磁石電動機であって、
前記回転子は、前記第１外周部と前記第２外周部を繋ぐ空隙切換部を形成し、
前記空隙切換部は、前記第１外周部と前記第２外周部との間に段差形状を有するように形成される永久磁石電動機。
【請求項６】
請求項１ないし５に記載のいずれかの永久磁石電動機であって、
θｓは、電気角で90°＜θｔ＜120°の関係となる永久磁石電動機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は永久磁石同期機、特に永久磁石を埋設した永久磁石同期機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
永久磁石同期機では、回転子に永久磁石を埋設するインテリアーパーネントマグネット（Interior Permanent Magnet、以下ＩＰＭ）構造が広く採用されている。IPMでは、磁石トルクに加えリラクタンストルクの活用が可能となるが、さらなるトルク増大を図るためには回転子ギャップ対向面の磁石磁束発生区間を増加することが有効となる。
【０００３】
特許文献１では、磁束発生区間を調整するためにU字状永久磁石の外周部に、突出する磁極部を有する構成としている。特許文献１によれば、q軸領域に対し，d軸領域を突出させることで,磁石端部からの漏れ磁束を低減し，更に磁極部に磁束を集中させることでトルクの増加を図ることができる。
【０００４】
ＩＰＭ構造の永久磁石同期機では，誘導起電力波形が回転子形状によって台形波状や正弦波状に変化する。台形波状の誘導起電力を持つ永久磁石モータを駆動する場合，トルク脈動の増加や，騒音が増えるほか，極対数によって高次成分を含んだ電流が通電されることにより鉄損が増加し，効率が低下するという問題が発生する。
【０００５】
特に，フェライト磁石の保持力はネオジウム磁石の約１／３であるため、磁石厚を増大し保持力の低下分をカバーする必要がある。ただし、これによって回転子のギャップ対向面の極間部分が磁束無発生区間となる。このため，特許文献１のような磁石配置を調整する方法では、誘導起電力波形の形状が一意に決定できないという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開2002-136011
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の課題は、フェライト磁石を適用した永久磁石同期機およびこれを用いた駆動システムにおいて、低振動・低騒音化を図るとともに鉄損を低減し，効率向上を可能にすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る永久磁石電動機は、永久磁石を有する回転子と、ティースを有するとともに前記回転子の外周方向に空隙を介して配置される固定子と、を備え、前記回転子は、前記ティースとの間の空隙が第１距離となる第１外周部と、前記ティースとの間の空隙が前記第１距離よりも大きな第２距離となる第２外周部と、を形成し、前記第２外周部は、回転軸中心から径方向に対して、前記永久磁石の端部と対向する位置に形成され、前記ティースの幅に対応する回転軸中心の角度は、θｓと定義され、前記永久磁石の前記開口に対応する回転軸中心の角度は、θｐと定義され、前記回転子の前記第１外周部に対応する回転軸中心の角度は、θaと定義され、θｓ≧θｐ＞θaの関係となる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば低騒音・低振動化、鉄損の低減および効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】永久磁石電動機１００の分解斜視図である。
【図２】永久磁石電動機１００の斜視図である。
【図３】図２に示された永久磁石電動機１００を平面Ａで切断、矢印方向から見た断面図である。
【図４】図３の部分Ｂの拡大断面図である。
【図５】第２外周部２２を形成する方法の他の実施形態を示す拡大断面図である。
【図６】永久磁石３によるギャップの磁束密度分布Bpm(xr)を示す。
【図７】集中巻２極３スロット系列を対象とする場合における一相コイルに鎖交する磁束量を説明するための模式図である。
【図８】第１外周部２１に対する５次成分と７次成分の構成率を示す図である。
【図９（ａ）】θa＝69°における誘導起電力波形を示す図である。
【図９（ｂ）】θa＝123°における誘導起電力波形を示す図である。
【図１０】周波数に対する鉄損を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の一実施例について図面を参照して説明する。以下の説明では、同一の構成要素には同一の記号を付してある。それらの名称および機能は同じであり、重複説明は避ける。また、以下の説明では内転型回転子を対象としているが、本発明の効果は内転型回転子に限定されるものではなく、同様の構成を有する外転型回転子にも適用可能である。
【実施例】
【００１２】
図１は、永久磁石電動機１００の分解斜視図である。図２は、永久磁石電動機１００の斜視図である。図３は、図２に示された永久磁石電動機１００を平面Ａで切断、矢印方向から見た断面図である。
【００１３】
回転子１は、軸５と、永久磁石３ａないし３ｆと、回転子鉄心２と、から構成される。軸５は、回転子鉄心２の軸挿入孔６に挿入される。永久磁石３ａないし３ｆは、回転子鉄心２の磁石収容孔４ａないし４ｆに挿入される。
【００１４】
固定子１０は、中央部に回転子１を収納する空間を形成し、その空間を囲むようにティース１２ａないし１２ｉを有する。ティース１２ａないし１２ｉには、それぞれ巻線（不図示）が巻かれる。本実施形態は、複数極を構成するよう配備された永久磁石３で構成される内転型の回転子１を有する永久磁石同期機に係るものである。
【００１５】
図４は、図３の部分Ｂの拡大断面図である。図４において説示する部分Ｂは、本実施形態の極の構成の一例を示したものであり、他の極についても同様の構成である。
【００１６】
回転子鉄心２は、磁石収容孔４ａを形成する。磁石収容孔４ａは、固定子１０の配置された側に向かって開口する凹部が形成される。回転子鉄心２は、軸方向に積み重ねた積層鋼板で構成しても良いし、圧粉磁心などで構成しても良いし、アモルファス金属などで構成しても良い。
【００１７】
磁石収容孔４ａに収納される永久磁石３ａは、１極につき周方向に屈曲部３０及び屈曲部３１を形成する。永久磁石３ａは、屈曲部３０を始端として、永久磁石３ａの磁化方向３３に対して垂直方向に沿って、極の端部３４側に伸びるように形成される。また永久磁石３ａは、屈曲部３１を始端として、永久磁石３ａの磁化方向３５に対して垂直方向に沿って、極の端部３６側に伸びるように形成される。
【００１８】
永久磁石３ａは、３カ所以上の屈曲部を形成するように構成してもよく、Ｕ字形としてもよく，また二枚の磁石からなるＶ字形状としてもよい。ここで説示した磁石形状とすることで、磁石磁束の発生面の表面積を大きくするとともに，永久磁石３の径方向外周部の鉄心断面積２０が大きくなるのでリラクタンストルクを積極的に活用することが可能となる。
【００１９】
また、永久磁石３は１極につき周方向に分割されることなく一体で構成しても良いし、複数個を周方向に分割して配置しても良い。また、軸方向に複数個を分割して構成しても良いし、分割することなく一体で構成しても良い。
【００２０】
永久磁石３には、フェライト磁石のような保持力、残留磁束密度が比較的低い永久磁石を使用する。しかしながら、本実施例はフェライト磁石のように，保持力が400kA/mのものに限定しているが、SmFeN(保持力が800kA/m)や、ネオジムボンド磁石(保磁力600kA/m)としてもよい。つまりネオジウム磁石よりも保持力の小さい特性を有する永久磁石を用いると、本実施形態の作用効果を有する。
【００２１】
回転子１は、ティース１２ａとの間の空隙が第１距離４１となる第１外周部２１を形成する。また回転子１は、ティース１２ａとの間の空隙が第１距離４１よりも大きな第２距離４２となる第２外周部２２を形成する。第２外周部２２は、回転軸中心から径方向に対して、永久磁石３の端部３４及び３６と対向する位置に形成される。
【００２２】
ここで、ティース１２ａの幅に対応する回転軸中心の角度は、θｓと定義される。永久磁石３の開口に対応する回転軸中心の角度は、θｐと定義される。ここでθｐの両端は、永久磁石３の磁束が切換る箇所と定義される。具体的には、端部３４及び３６は永久磁石３の他の面よりも磁束が極めて小さいので、θｐの両端は永久磁石３の各面の磁束の大きさによって決められる。
【００２３】
第１外周部２１の幅に対応する回転軸中心の角度は、θaと定義される。ティース１２ａ、永久磁石３の開口及び第１外周部２１は、θｓ≧θｐ＞θaの関係となるように形成される。
【００２４】
ここで、回転子１０が回転することによって、永久磁石電動機１００に生じる誘導起電力波形は、正弦波状に近い形状であれば、低振動・低騒音化，また鉄損を低減し効率向上を図ることができる。一方、本実施形態のように、保持力がネオジウム磁石に比較してフェライト磁石を、回転子１０に用いた場合、所望の磁束を発生させるためには肉厚のフェライト磁石を用いる必要がある。
【００２５】
しかしながら、肉厚のフェライト磁石を用いると、回転子１０に急激な磁束の変化を生じさせるおそれがあり、誘導起電力波形が正弦波状に近い形状になり難くなる。具体的には、図４に示される永久磁石３の端部３４及び３６は、磁束はほぼ発生しない。つまり、肉厚のフェライト磁石を用いることにより、永久磁石３の端部３４及び３６から鉄心断面積２０への磁束変化は急激になり、誘導起電力波形が正弦波状に近い形状になり難くなる。
【００２６】
一方、回転子１０とティース１２ａとの間に存在する空気の透磁率は、回転子鉄心２の透磁率よりも小さい。そこで本実施形態の回転子１は、ティース１２ａとの間の空隙が第１距離４１よりも大きな第２距離４２となる第２外周部２２を形成する。これにより、磁束の変化が、永久磁石３の端部３４、第２外周部２２、第１外周部２１の順に、徐々に大きくなるので、磁束の変化は滑らかになり、誘導起電力波形が正弦波状に近い形状になり易くなる。その結果、永久磁石電動機１００は、低振動・低騒音化，また鉄損を低減し効率向上を図ることができる。
【００２７】
なお図４に示される本実施形態においては、ティース１２ａの幅に対応する回転軸中心の角度θｓは、永久磁石３の開口に対応する回転軸中心の角度θｐよりも大きい形状を示しているが、θｓとθｐが等しい場合にも、本実施形態と同様の作用効果が生じる。
【００２８】
図４に示されるように、回転子鉄心２は、第１外周部２１と第２外周部２２を繋ぐ第１空隙切換部５１及び第２空隙切換部５２を形成する。これら第１空隙切換部５１及び第２空隙切換部５２は、第１外周部２１が第２外周部２２よりもティース１２ａに近づくように、段差形状を形成する。つまり第２外周部２２が回転子鉄心２の断面形状において円形状を形成し、一方、第１外周部２１は、この円形状から突出する突出部として形成される。
【００２９】
別の形成方法が、図５に示される。第１外周部２１が回転子鉄心２の断面形状において円形状を形成し、一方、第２外周部２２は、この円形状から一部５３及び５４が削られることにより形成される。
【００３０】
回転子鉄心２が前述のように構成されることによる作用及び効果を以下に説示する。
【００３１】
以下に、誘導起電力の5次，7次成分の理論式を導出し、本実施形態の作用及び効果が得られる原理を説明する。
【００３２】
まず、永久磁石３によるギャップの磁束密度分布Bpm(xr)は図６のようになる。ここで、xrは回転子外周部の周方向位置（電気角、deg.）である。このとき、Bpm(xr)の空間ν次成分は次式で表される。
【００３３】
2014204561.tif 000003
(1)
回転子が角速度ω1で回転しているとき、固定子座標xsと回転子座標xrとの関係は
2014204561.tif 000004
(2)
なので、固定子座標系から見た永久磁石３によるギャップの磁束密度分布Bpm(xs)は以下となる。
【００３４】
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(3)
式(3)において、永久磁石３によるギャップ磁束密度分布の空間次数νと、時間次数μは同等となるため、両者ともμで表している。
【００３５】
次に、集中巻２極３スロット系列を対象とする場合、一相コイルに鎖交する磁束量の時間μ次成分Φc,μは、図７に示すように-θt/2 〜θt/2の積分区間から求められる。
【００３６】
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(4)
ここで、l：コア軸長
したがって、磁石磁束による誘導起電力波形μ次成分uc,μは次式となる。
【００３７】
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(5)
ここで、Nc：1コイルターン数
以上より、基本波成分に対するμ次成分の振幅比kμは次式となる。
【００３８】
2014204561.tif 000008
(6)
集中巻では、θtは最大で120°（電気角）なので、このときのθa とkμの関係を求めると図８のようになる。
【００３９】
式(6)より、5次成分、7次成分の理論上の最大値はそれぞれ0.200，0.143であるので、この平均値0.171に対して、5次成分と7次成分の和が下回るような構成とすることで、誘導起電力波形を正弦波状に近づけることが可能となる。図１０に示すように、鉄損は周波数により大きく値が異なることから、例えば基本波周波数100Hzでは鉄損が約2.6Wなのに対し、基本波の5次、7次である500Hz、700Hzの鉄損はそれぞれ約33W、55Wと，10倍以上になっている。このため、構成率が低い5次、7次成分を低減することで高効率化が実現される。図１０から，基本波周波数が50Hz以上であれば5次（250Hz)、7次成分（350Hz)による鉄損の増加が顕著であり，この運転条件で駆動する永久磁石同期機において大きな効果を発揮する。
【００４０】
図８より、誘導起電力波形を正弦波状にするにはθaを電気角で80 °≧θa≧50°又は160 °≧θa≧135°とするのが好適であることがわかる。前記以外のθaを採用した場合においても、5次，7次成分の和を小さくすることは可能であるが、例えば、θa=10°の場合は式(6)より明らかなように、基本波成分が著しく低下するため不適と言える。
【００４１】
なお、図８はθt＝120°の場合を示しているが、θt=90°の場合であっても誘導起電力の値が小さくなるだけで、5次、７次成分を小さくするθaの条件は変わらない。ただし、θtを小さくすると基本波成分が低下するため、θｔは90°＜θｔ＜120°の範囲とし、120°に近いほうが望ましい。
【００４２】
図９（ａ）に本実施形態を適用した場合のθa＝69°における誘導起電力波形と、図９（ｂ）にθa＝123°における波形とを示す。図９（ａ）より、θa＝69°とすることで、正弦波状の誘導起電力波形を生成できることがわかる。これにより、肉厚のフェライト磁石を適用した場合でもまた低振動・低騒音化，また鉄損を低減し効率向上を図ることができる。
【００４３】
なお、本実施例では集中巻２極３スロット系を対象としたが、集中巻４極３スロット系などの分数スロットに対しても、式(6)に示すsin第2項の値が異なるだけで、80°≧θa≧50°又は160 °≧θa≧135°とすることで、同様にして正弦波状の誘導起電力波形を生成できる。また、分布巻に対しても、式(6)に示すsin第2項の値が異なるだけで、80 °≧θa≧50°又は160 °≧θa≧135°とすることで同様にして正弦波状の誘導起電力波形を生成できる。
【００４４】
本実施形態により、磁石磁束による誘導起電力の5次，7次成分を低減することができる，すなわちフェライト磁石を適用した場合でも正弦波形状の誘導起電力波形が得られるので、低騒音・低振動を図りつつ，鉄損低減，効率向上を実現できる。
【００４５】
なお、固定子鉄心１１は、ティース１２ａと、このティース１２ａと隣り合うティース１２ｂを有し、永久磁石３の厚さ３７はティース１２ａの端部とティース１２ｂの端部との間の距離１４よりも大きく形成されている。このような構成に対して、第１外周部２１及び第２外周部２２を形成することにより、正弦波形状の誘導起電力波形が得られることの効果が大きくなる。
【００４６】
なお、本実施形態では、80°≧θa≧50°又は160°≧θa≧135°とすることで高調波5次，７次成分を含む正弦波状の誘導起電力波形を生成できる。この5次、7次成分の影響により、インバータから永久磁石同期機に通電される電流波形にも高調波5次，７次成分が低減できるため、120°通電制御のみならず、150°通電や180°通電制御においても、低振動・低騒音化とともに鉄損低減による効率向上を図ることができる。
【符号の説明】
【００４７】
１…回転子，２…回転子鉄心，３ａないし３ｆ…永久磁石，４ａないし４ｆ…永久磁石挿入孔，５…軸、６…軸挿入孔、１０…固定子，１１…固定子鉄心，１２ａないし１２ｉ…ティース，２０…鉄心断面積、２１…第１外周部、２２…第２外周部、３０…屈曲部、３１…屈曲部、３３…磁化方向、３４…端部、３５…磁化方向、３６…端部、４１…第１距離、４２…第２距離、５１…第１空隙切換部、５２…第２空隙切換部、５３…一部、５４…一部、１００…永久磁石電動機
【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】
2014204561.tif 000015
【図８】
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【図９（ａ）】
2014204561.tif 000017
【図９（ｂ）】
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【図１０】
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