(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼板によって形成されたロータ（３）の内部に周方向へ間隔をおいて複数の磁極（４Ａ〜４Ｄ）を埋設して形成し、ステータ（５）により形成される回転磁界に追従して前記ロータを回転駆動する同期回転電機において、前記ロータの一部に、磁気抵抗の分布を前記各磁極（４Ａ〜４Ｄ）の主磁束方向軸（ｄｍ）に対して非対称とするような空隙（３３）を設け、リラクタンストルクが最大を示す位相角（θ）を変化させたことを特徴とする同期回転電機。
【請求項２】
前記空隙（３３）は、前記主磁束方向軸（ｄｍ）を中心にロータ周方向へ偏在して複数形成されていることを特徴とする請求項１に記載の同期回転電機。
【請求項３】
前記複数の空隙（３３）のそれぞれは、前記各磁極（４Ａ〜４Ｄ）の主磁束（φ）の方向に沿った長孔状断面をなして形成されていることを特徴とする請求項２に記載の同期回転電機。
【請求項４】
前記主磁束方向軸（ｄｍ）に対して、前記磁気抵抗が最大を示す方向の軸（ｄｒ）のなす位相角（θ）が電気角で４５°となるように、前記空隙（３３）を分布させたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の同期回転電機。
【請求項５】
前記空隙（３３）は、前記主磁束方向軸（ｄｍ）より前記ロータ（３）の回転方向のみに設けられていることを特徴とする請求項１に記載の同期回転電機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は同期回転電機に関し、特にそのトルク発生効率を向上させて小型軽量化を実現した同期回転電機の構造改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４には同期回転電機の破断縦断面図を示し、図５にはその横断面図を示す。図において、筒状のハウジング１は両開口がエンドフレーム１１、１２で閉鎖されており、この閉鎖空間の中心に回転軸２が配設されている。回転軸２は両端を、各エンドフレーム１１、１２の中心に設けたベアリングにより回転自在に支持されている。
【０００３】
回転軸２の中央外周には電磁鋼板を積層して円柱形としたロータ３が固定され、このロータ３には内部に、周方向へ等しい間隔をおいて４つの板状永久磁石４Ａ〜４Ｄが埋設されている。各永久磁石４Ａ〜４Ｄは断面長手方向をロータ周方向へ向けて位置し、外周側の各面が交互に異なる磁極となっている。各永久磁石４Ａ〜４Ｄの両端には、ロータ３の外周方向へ長方形状に延びて漏れ磁束を制限する貫通孔４１が形成されている。なお、ロータ３は、その両端面に接するように回転軸２外周に打ち込まれた端板３１、３２に貫通ボルトを締結して固定されている。
【０００４】
上記ロータ３の外周と小間隙をなして、リング状のステータ５がハウジング１の内周に固定されており、ステータコア５１の内周に等間隔で形成したスロット内に三相のステータコイル５２が公知の構造で巻回されている。このステータコイル５２に図略のインバータ回路から所定周波数の三相交流電流を供給することにより回転磁界が生じ、この回転磁界に同期してロータ３（および回転軸２）が回転する。
【０００５】
このような構造の回転電機のトルク特性を図６に示し、図は永久磁石の主磁束方向ｄｍに対するステータ電流の位相角（電気角）δを横軸にとったものである。ここで、回転電機の総合トルクＴｔは、主磁束によるトルクＴｍとリラクタンストルクＴｒの和となる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図より明らかなように、主磁束トルクＴｍは位相角δが０°で最大になるのに対して、リラクタンストルクＴｒは４５°で最大となり、このため両者の和である総合トルクＴｔは位相角δが３０°付近で最大となる。
したがって、回転電機の最大トルクを引き出すためには、位相角δの値を精密に検出するためのレゾルバやエンコーダ等の回転センサが必要であるとともに、比較的複雑な制御を要する。その上、総合トルクＴｔの最大値は主磁束トルクＴｍの最大値とリラクタンストルクＴｒの最大値の和よりも小さな値になるという問題がある。
【０００７】
なお、例えば特開平７−１４３６９４号公報には、ロータの外周に突極を形成してリラクタンストルクが最大となる位相角δを変更可能としたものが示されているが、これによると、主磁束φが大幅に減少するため、発生トルクが減殺されるおそれがある。本発明は上記課題を解決するもので、ロータの外周形状に変更を加えることなく、安価かつ簡単な制御で効率的なトルク発生を可能とした同期回転電機を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明では、ロータ（３）の一部に、磁気抵抗の分布を各磁極（４Ａ〜４Ｄ）の主磁束方向軸（ｄｍ）に対して非対称とするような空隙（３３）を設ける。この空隙によって、リラクタンストルクが最大を示す位相角（θ）が変化する。このため、主磁束方向軸に対するステータ電流の位相角（δ）を適当に選択することにより従来に比して大きな出力トルクを得ることができる。
【０００９】
請求項２に記載の発明では、空隙（３３）は、主磁束方向軸（ｄｍ）を中心にロータ周方向へ偏在して複数形成されている。空隙の偏在量を変更することによりリラクタンストルクが最大を示す位相角（θ）を調整することができる。請求項３に記載の発明では、複数の空隙（３３）のそれぞれは、各磁極（４Ａ〜４Ｄ）の主磁束（φ）の方向に沿った長孔状断面をなして形成されている。長孔状の空隙は磁極の主磁束方向に沿って形成されているから、主磁束の抵抗とはならず、主磁束を弱めることはない。
【００１０】
請求項４に記載の発明では、主磁束方向軸（ｄｍ）に対して、磁気抵抗が最大を示す方向の軸（ｄｒ）のなす位相角（θ）が電気角で４５°となるように、空隙（３３）を分布させる。上記位相角（θ）を４５°にすると、リラクタンストルク（Ｔｒ）は主磁束トルクＴｍと同様にステータ電流の位相角δが０°で最大を示し、総合トルクＴｔはステータ電流の大きさに影響されない。したがって、精度の高いロータ位置の検出や、ステータ電流と位相角δのマップ等を必要とすることなく、簡易かつ安価な制御で、最大の出力トルクを得ることができる。また、請求項５に記載の発明では、請求項１に記載の発明において、空隙（３３）は、主磁束方向軸（ｄｍ）よりロータ（３）の回転方向のみに設けられる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１には同期回転電機の横断面図を示し、ロータ３とその周囲に位置するステータの構造は既に説明した従来のものと同一で、同一部分には同一符号を付する。以下は従来との相違点のみを説明する。
【００１２】
図において、板状の各永久磁石４Ａ〜４Ｄは断面長手方向を周方向へ向けて、周方向の４か所に等間隔で貫通埋設されている。このうち、永久磁石４Ａ〜４Ｄの主磁束φの経路を矢印で示す。図中ｄｍは永久磁石４Ａの中央を通るこれに垂直な軸で、このｄｍ軸に沿う方向が主磁束方向（最も磁束密度の高い方向）となっている。
【００１３】
図示のロータ３内には、上記ｄｍ軸より、ロータ回転方向にある貫通孔４１に至るまでの外周領域に、ロータ３の両端面（紙面の垂直方向にある面）へ開口する長孔状の貫通空隙３３が間隔をおいて複数形成されており、これら貫通空隙３３の長手方向は主磁束φの経路に沿ったものとなっている。これら貫通空隙３３は、ロータ３を構成する各電磁鋼板にプレスで長孔を打ち抜き、積層することにより形成される。貫通空隙３３の幅は主磁束φを弱めないためには小さくするのが良く、このような貫通空隙３３は、他の各永久磁石４Ｂ〜４Ｄについても同様に形成されている。
【００１４】
なお、図のｑｍ軸は磁束密度が最小となる方向の軸であり、ｄｍ軸に対して電気角が９０°となる方向の軸である。図の回転電機は４極であるから、ｑｍ軸の機械的角度は４５°である。また、ｄｒ軸は磁気抵抗が最大となる方向の軸、ｑｒは磁気抵抗が最小となる方向の軸である。
ここで、従来技術で既に説明した、ｄｍ軸に対するステータ電流の位相角をδとすると、主磁束トルクＴｍは数式１で表される。
【００１５】
【数１】
Ｔｍ＝Ｐｎ（φａ×Ｉａ×ｃｏｓδ）
ここで、Ｐｎは極対数、φａ＝√３／２φ（φは１極当たりの磁束量）、Ｉａはステータ線電流である。
また、リラクタンストルクＴｒは数式２で表される。
【００１６】
【数２】
Ｔｒ＝Ｐｎ｛１／２（Ｌｑｒ−Ｌｄｒ）×Ｉａ２  ×ｓｉｎ２（δ＋θ）｝
ここで、Ｌｄｒはｄｒ方向のインダクタンス、Ｌｑｒはｑｒ方向のインダクタンス  である。
位相角θは上記貫通空隙３３の分布を変更すると、これに応じて変化する。例えば、貫通空隙３３をｄｍ軸から離れた貫通孔４１に近い領域にのみ形成すると位相角θは小さくなり、反対に、貫通空隙３３をｄｍ軸を越えた広い領域に形成すると位相角θは大きくなる。したがって、位相角θが４５°に近づくように貫通空隙３３の形成領域を変更して、各位相角θにおける位相角δを適当に選択すると、同一のステータ線電流Ｉａに対して従来よりも大きな総合トルクＴｔを得ることができる。
【００１７】
特に位相角θを４５°にすると、リラクタンストルクＴｒは位相角δに対して図２のような変化を示し、この場合は、主磁束トルクφと同様に位相角δは０°の時にその最大値を示す。総合トルクＴｔは主磁束トルクＴｍとリラクタンストルクＴｒの和であるから、結局、δ＝０（°）で総合トルクＴｔは両トルクＴｍ、Ｔｒの最大値の和となって、同一ステータ線電流Ｉａに対して最も大きなトルクを得ることができる。
【００１８】
これは、同一トルクを得るのであれば回転電機の小型軽量化が可能であることを意味する。また、ステータ線電流Ｉａの値に無関係にδ＝０で最大トルクが得られるから、高効率駆動のために線電流Ｉａとδのマップ等を作成する必要がないから制御が簡易であるとともに、δの値を精密に検出するためのエンコーダやレゾルバ等の高価な回転センサを必要としないからコストダウンも実現される。
【００１９】
さらに、δ＝０で駆動できるから、主磁束の分布への影響が最小限となり、電圧波形の歪みが少ないので、センサレス駆動においてロータ位置の検出を精度良く行うことができる。また、弱め界磁による減磁も生じない。
なお、貫通空隙３３は上記のように最大トルクを得るのに寄与するとともに、漏れ磁束φｌ（図１）は貫通空隙３３を横切って通るから、その低減にも寄与する。
（第２実施形態）
図３において、ロータ２内に周方向等間隔で４か所に埋設された永久磁石４Ａ〜４Ｄは、その断面長手方向がロータ２の径方向に向いている。各永久磁石４Ａ〜４Ｄは周方向で対向する側面が互いに同極に着磁されており、この場合の主磁束方向は隣り合う永久磁石４Ａ〜４Ｄの対称軸ｄｍに沿った方向となっている。本実施形態では、このｄｍ軸より、ロータ回転方向にある永久磁石４Ｂに至るまでのロータ内に、複数の長孔状の貫通空隙３３が形成され、これら貫通空隙３３の長手方向は、矢印で示す主磁束の経路に沿ったものとなっている。このような貫通空隙は他の永久磁石４Ｂ〜４Ｄにも同様に形成されている。
【００２０】
このような構造によっても、上記第１実施形態と同様の効果が得られる。
（他の実施形態）
なお、上記第２実施形態において、漏れ磁束を低減するために、回転軸２の周囲と永久磁石４Ａ〜４Ｄの長手方向の端部に間隙４２が設けられているが、ロータ強度を上げるために、これら間隙４２にアルミダイキャスト材を流し込むと良い。
【００２１】
また、この時、貫通空隙３３にもアルミダイキャスト材を流し込めば、ロータ強度は更に向上する。このことは、上記第１実施形態においても同様である。
上記各実施形態では、磁極を永久磁石により形成したが、電磁コイルにより形成しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態における、同期回転電機の横断面図である。
【図２】本発明の第１実施形態における、同期回転電機のトルク特性を示す図である。
【図３】本発明の第２実施形態における、同期回転電機の横断面図である。
【図４】従来の同期回転電機の破断縦断面図である。
【図５】従来の同期回転電機の横断面図で、図４のＶ  −Ｖ  線に沿った断面図である。
【図６】従来の同期回転電機のトルク特性を示す図である。
【符号の説明】
３…ロータ、３３…貫通空隙、４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ…永久磁石、
５…ステータ、ｄｍ…主磁束方向軸、ｄｒ…磁気抵抗が最大を示す方向の軸、
θ…位相角。
【図１】
0003598625.tif 000002
【図２】
0003598625.tif 000003
【図３】
0003598625.tif 000004
【図４】
0003598625.tif 000005
【図５】
0003598625.tif 000006
【図６】
0003598625.tif 000007