(57)【要約】  複数の磁極を有する永久磁石を備えた回転子３０Ａと、回転子に対向する先端部を備えた複数の歯部を有する固定子２０Ａを備え、回転子３０Ａは、回転軸方向に向かって磁極の境界が変化する変化部を含むスキュー構造を有し、固定子２０Ａの複数の歯部の先端部のそれぞれは、変化部の回転軸方向中心に対向する位置をその略回転軸方向中心として、回転軸方向の一部分に選択的に延設された補助溝２４Ａを有し、補助溝２４Ａの回転軸方向に延長した部分には補助溝が設けられていない。
2009084151.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転子鉄心の周方向に複数の磁極を有する永久磁石を備えた回転子と、
上記回転子に対向する先端部を備えた複数の歯部を有する固定子を備えた回転電機であって、
上記回転子は、回転軸方向に向かって上記磁極の境界が変化する変化部を含むスキュー構造を有し、
上記固定子の上記複数の歯部の先端部のそれぞれは、上記変化部の回転軸方向中心に対向する位置をその略回転軸方向中心として、回転軸方向の一部分に選択的に延設された補助溝を有し、上記補助溝の回転軸方向に延長した部分には補助溝が設けられていない回転電機。
【請求項２】
上記補助溝の回転軸方向に延長した部分には、上記補助溝より幅の狭い第２の補助溝が設けられている請求項１に記載の回転電機。
【請求項３】
上記補助溝の回転軸方向における長さと、上記補助溝の回転軸方向に延長した部分の長さの比が、コギングトルクの第２高調波成分を低減するように設定されている請求項１に記載の回転電機。
【請求項４】
上記変化部は、上記複数の永久磁石の配置または構造が回転軸方向において変化する部分を含む請求項１に記載の回転電機。
【請求項５】
上記変化部は、上記回転子鉄心の配置または構造が回転軸方向において変化する部分を含む請求項１に記載の回転電機。
【請求項６】
上記変化部は、上記回転子の磁極の境界が回転軸方向において不連続に変化する部分を含む請求項１に記載の回転電機。
【請求項７】
上記変化部は、上記回転子の磁極の境界が回転軸方向において連続的に変化する部分を含む請求項１に記載の回転電機。
【請求項８】
上記変化部において上記磁極の境界が回転軸方向において不連続に変化するとき、上記不連続に変化する部分の数をｋ、上記回転子が有する磁極の数をｍ、上記固定子が有する上記複数の歯部の数をｎとするとき、上記スキュー構造のスキュー角θが［｛３６０／（ｍとｎとの最小公倍数）｝／（ｋ＋１）］以上である請求項６に記載の回転電機。
【請求項９】
上記変化部の数が２以上である請求項１に記載の回転電機。
【請求項１０】
上記回転子が有する磁極の数ｍと、上記固定子が有する上記複数の歯部の数ｎとの比が２：３である請求項１に記載の回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、永久磁石を備える回転電機に関し、特にスキュー構造を有する回転子を備える回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１８に従来の一般的な回転電機（「永久磁石式同期電動機」または「永久磁石型モータ」と呼ぶ）の回転軸に直交する方向における模式的な断面図を示す。【０００３】
図１８に示すように、回転電機は固定子７０と回転子８０とを有し、回転子８０は固定子７０の内側に配置されている。【０００４】
固定子７０は、固定子鉄心７１と固定子巻線７６とを有している。固定子鉄心７１は、例えば複数の電磁鋼板を回転軸方向に積層したものや圧粉鉄心から形成されている。固定子鉄心７１は回転子８０に対向する先端部を備える複数の歯部７２を有しており、歯部７２に巻線７６が巻かれており、歯部７２が磁極となる。【０００５】
回転子８０は、回転子鉄心８１と複数の永久磁石８２とを有している。図１８の永久磁石８２は、回転子鉄心８１の内部に埋設されている。この他、セグメント状の永久磁石やリング状の永久磁石が回転子鉄心に貼り付けられた構成も知られている。回転電機は、固定子７０が作る回転磁界と回転子８０の永久磁石８２が作る起磁力の相互作用により回転軸９０を中心に回転トルクを発生させる。【０００６】
永久磁石を用いた回転電機は、小型で高トルクを発生させるというメリットがある反面、永久磁石８２の磁束と固定子７０の歯部７２との相互作用によって、脈動トルクが発生するという問題がある。特に、無負荷時の脈動トルクはコギングトルクと呼ばれており、位置決め精度や振動騒音等の原因となることがある。永久磁石を回転子内部に埋設した磁石埋め込み型の回転電機では、特にコギングトルクが大きいという問題がある。【０００７】
そこで、コギングトルクを低減するために、スキュー構造を有する回転子を用いる、あるいは、固定子の歯部に補助溝を設けるなどの技術が開発されている。本出願人は、特許文献１に、固定子の歯部に回転軸方向に延びる補助溝を設け、補助溝の幅を回転軸方向において変化させることによってコギングトルクを低減できることを開示している。特許文献１には、上記補助溝を有する固定子とスキュー構造を有する回転子とを組み合わせた構成が開示されている。
また、擬似スキュー構造の回転子を用いる技術が例えば特許文献２に開示されている。【０００８】
【特許文献１】特開２００６−２３０１１６号公報
【特許文献２】特開２００１−２３１１９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、本発明者が、補助溝を有する固定子とスキュー構造を有する回転子とを組み合わせた構成について詳細に検討したところ、後に詳述するように、従来例に開示されている構成では、コギングトルクを十分に低減できないことが分かった。【００１０】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、その主な目的は、スキュー構造を有する回転子を備えた回転電機のコギングトルクを低減することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の回転電機は、回転子鉄心の周方向に複数の磁極を有する永久磁石を備えた回転子と、上記回転子に対向する先端部を備えた複数の歯部を有する固定子を備えた回転電機であって、上記回転子は、回転軸方向に向かって上記磁極の境界が変化する変化部を含むスキュー構造を有し、上記固定子の上記複数の歯部の先端部のそれぞれは、上記変化部の回転軸方向中心に対向する位置をその略回転軸方向中心として、回転軸方向の一部分に選択的に延設された補助溝を有し、上記補助溝の回転軸方向に延長した部分には補助溝が設けられていないものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によると、スキュー構造を有する回転子を用いた回転電機のコギングトルクを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態１による回転電機の固定子の模式的な斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態１による回転電機の回転子の模式的な斜視図である。
【図３】本発明の実施の形態１による回転電機の固定子の部分拡大斜視図である。
【図４】本発明の実施例と参考例によるコギングトルク波形の３次元シミュレーション結果を示すグラフである。
【図５】補助溝無し鉄心の軸方向長さＡと補助溝有り鉄心の軸方向長さＢの比（積層比）を変化させた場合のコギングトルクの基本波成分の大きさについてのシミュレーション結果を示すグラフである。
【図６】補助溝無し鉄心の軸方向長さＡと補助溝有り鉄心の軸方向長さＢの比（積層比）を変化させた場合のコギングトルクの第２高調波成分の大きさについてのシミュレーション結果を示すグラフである。
【図７】補助溝無し鉄心の軸方向長さＡと補助溝有り鉄心の軸方向長さＢの比（積層比）を変化させた場合のコギングトルクＯｖｅｒａｌｌの大きさについてのシミュレーション結果を示すグラフである。
【図８】本発明の実施の形態２による回転電機の固定子の模式的な斜視図である。
【図９】本発明の実施の形態２による回転電機の回転子の模式的な斜視図である。
【図１０】本発明の実施の形態２による回転電機の固定子の部分拡大斜視図である。
【図１１】本発明の実施の形態３による回転電機の固定子の模式的な斜視図である。
【図１２】本発明の実施の形態４による回転電機の回転子の模式的な斜視図である。
【図１３】本発明の実施の形態５による回転電機の回転子の模式的な斜視図である。
【図１４】本発明の実施の形態５による回転電機の回転子の模式的な斜視図である。
【図１５】本発明の実施の形態６による回転電機の回転子の模式的な斜視図である。
【図１６】本発明の実施例と比較する参考例の回転電機の固定子の模式的な斜視図である。
【図１７】本発明の実施例と比較する参考例の回転電機の固定子の拡大図である。
【図１８】従来の回転電機の回転軸に直交する方向における模式的な断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態による回転電機を詳細に説明する。なお、本発明の実施形態は、以下に例示する実施の形態に限定されるものではない。【００１５】
実施の形態１．
本発明による実施の形態１の回転電機は、図１に模式的な斜視図を示す固定子２０Ａと図２に模式的な斜視図を示す回転子３０Ａとを有し、固定子２０Ａの内側に回転子３０Ａが回転自在に配置される。図３（ａ）は固定子２０Ａのうち３個の歯部を有する部分のみを拡大した斜視図を示し、図３（ｂ）は図３（ａ）の変形例を示す。なお、図１および図３では巻線を省略している。【００１６】
図１に示すように、固定子２０Ａは、その内側に配置される回転子３０Ａに対向する先端部２３Ａを有する１２個の歯部２２Ａを備えている。各歯部２２Ａの先端部２３Ａは、回転軸方向の一部分に選択的に配置された、回転軸方向に延びる少なくとも１つの補助溝２４Ａを有している。なお、補助溝２４Ａの構成については後ほど詳述する。また、本例の固定子２０Ａは複数の電磁鋼板を回転軸方向に積層することにより形成されているが、圧粉鉄心等から形成しても良い。【００１７】
図２に示すように、回転子３０Ａは、その外周付近に複数個の永久磁石３２Ａが埋め込まれた回転子鉄心３１Ａ１および３１Ａ２を上下２段に積み重ねることにより構成している。回転子鉄心３１Ａ１および３１Ａ２のそれぞれには、回転周方向にＮ極、Ｓ極と交互になるように８個の永久磁石３２Ａが埋設されており、この回転子３０Ａの磁極数は８である。なお、回転子鉄心３１Ａ１および３１Ａ２は、それぞれ積層された電磁鋼板等により形成されているが、圧粉鉄心等から形成されていても良い。【００１８】
回転子鉄心３１Ａ１および３１Ａ２は、図２に示すように回転子周方向に所定角度θずらして配置されている。このように、回転子鉄心３１Ａ１および３１Ａ２に取り付けられている磁石３２Ａの配置が、回転軸方向において不連続となる構造を、本明細書において「段スキュー構造」と呼ぶ。そして、回転子３０Ａの段スキュー構造は、固定子鉄心３１Ａ１に設けられた磁石３２Ａの磁極の境界と、固定子鉄心３１Ａ２に設けられた磁石３２Ａの磁極の境界との間で所定角度（以下、段スキュー角と呼ぶ）θずれる不連続な変化部３３Ａを有することになる。【００１９】
固定子２０Ａの歯部２２Ａの先端部２３Ａに設けられた補助溝２４Ａの回転軸方向の位置は、図２に示した回転子３０Ａの段スキュー構造に対応している。回転子３０Ａは、回転軸方向において磁極の境界が不連続に変化する変化部３３Ａを有しており、補助溝２４Ａは、変化部３３Ａの回転軸方向中心に対向する位置を、その略回転軸方向中心として、回転軸方向の一部分に選択的に設けられている。また、上記補助溝２４Ａを回転軸方向に延長したその他の部分には、補助溝は形成されていない。【００２０】
本例の回転電機の回転子３０Ａが有する磁極の数ｍは８であり、固定子２０Ａが有する歯部２２Ａの数ｎは１２である。このとき、段スキュー構造の段スキュー角θ（図２参照）は、θ＝［｛３６０°／２４（ｍとｎとの最小公倍数）｝／２（永久磁石の段数）］の理論式から７．５°となり、段スキュー角θを７．５°に設定している。段スキュー構造を有する回転電機のスキュー角は、上記のように理論的に求められた７．５°に限られないが、[３６０°／２４（ｍとｎとの最小公倍数）]／２である７．５°以上であることが好ましい。これは段スキュー構造を有する回転電機において回転軸方向の漏洩磁束を十分に低減できない場合にはスキュー角度は理論角度より大きくなることを考慮したものである。この点について、発明者らは段スキュー角θｅの下限値を上記理論式で求められる理論角θｓより大きな値とし、段スキュー角θｅの上限値を、段スキューが施されていない場合のコギングトルクに対する段スキューを施した場合のコギングトルクの比で表わされるコギングトルク比と段スキュー角θｅとの関係から、固定子鉄心の磁束密度−磁化力特性に応じて、理論角θｓにおけるコギングトルク比を求め、該求めたコギングトルク比以下である範囲の段スキュー角θｅの最大値とすることを提案している（特開２００４−１５９４９２号公報参照）。【００２１】
図３（ａ）および（ｂ）を参照して、固定子２０Ａの補助溝２４Ａの構成をさらに詳細に説明する。【００２２】
図３（ａ）に示すように、歯部２２Ａの先端部２３Ａには、１歯部当たり周方向に２本の補助溝２４Ａが形成されている。さらに詳しくは、隣接する２つのスロット開口部２５Ａの中心間を周方向に３等分するように、各先端部２３Ａに２本の補助溝２４Ａが形成されている。このように補助溝２４Ａを２本設けたのは、コギングトルクの基本波成分の２倍の脈動成分であるコギングトルクの第２高調波成分を低減するものである。【００２３】
また、補助溝２４Ａは、回転子３０Ａの変化部３３Ａの軸方向中心（境界）に対向する位置が、その回転軸方向の略中心となるように配置される。設計上は、段スキュー構造の２つの段の境界に対向する位置がその回転軸軸方向の中心となるように補助溝２４Ａを設けるが、組み立て上のずれは許容される。補助溝２４Ａを設けると、補助溝２４Ａにおけるギャップが広くなり磁気抵抗が増大する。その結果、段スキュー構造に起因して発生する回転軸方向の漏洩磁束を低減することが可能となり、段スキュー構造によるコギングトルクの基本波成分低減効果を十分に発揮させることができる。【００２４】
さらに、コギングトルクの第２高調波成分に関しては、補助溝２４Ａの回転軸方向長さを最適化することで低減させることができる。ここでは、補助溝無し鉄心の回転軸方向の長さＡと補助溝有り鉄心の回転軸方向の長さＢの比を１．０：１．３としている。図３（ａ）に示したように、ここで例示する補助溝２４Ａは、回転軸方向の中心に対称に形成されている。【００２５】
なお、図３（ａ）に示した固定子２０Ａは、段スキュー構造の変化部（図２の変化部３３Ａ）の回転軸方向中心に対向する位置を、その略回転軸方向中心として、回転軸方向の一部分に選択的に配置された、回転軸方向に延びる補助溝２４Ａのみを有し、回転軸方向におけるその他の部分には補助溝が設けられていない。しかし、図３（ｂ）に示すように、回転軸方向におけるその他の部分に補助溝２４Ａよりも幅の狭い補助溝２４Ａｓを設けても良い。但し、幅の狭い補助溝２４Ａｓを設けると得られるトルクが減少するので、図３（ａ）の構造が好ましい。【００２６】
次に、本発明による実施例（図１、図２及び図３（ａ））と図１６及び図１７に示す参考例との比較を行い、本発明の実施例によるコギングトルク低減効果について説明する。【００２７】
ここで比較する本発明の実施例は、図１に示す固定子２０Ａの内側に図２に示す回転子３０Ａを配置した回転電機であり、固定子２０Ａには図３（ａ）に示す補助溝２４Ａが回転軸方向の中央部に配置されている。そして、補助溝無し鉄心の軸方向長さＡと補助溝有り鉄心の軸方向長さＢの比を１．０：１．０としている。一方、参考例の回転電機は、図１６及び図１７に示す固定子鉄心７１の内側に図２に示す回転子３０Ａを配置したものである。図１６は参考例の固定子鉄心７１の斜視図を示し、図１７は固定子鉄心７１の拡大図を示す。図１６及び図１７に示すように、参考例の固定子鉄心７１では、補助溝７４が歯部７２の先端部の回転軸方向の上下端部に配置され、中央部には補助溝が配置されていない。また、補助溝無し鉄心の軸方向長さＡと補助溝有り鉄心の軸方向長さＢの比を１．０：１．０としている。【００２８】
３次元磁界解析によりシミュレーションを行い、本発明の実施例の回転電機と参考例の回転電機によるコギングトルク波形を算出した結果を図４に示す。図４の横軸は電気角度、縦軸はコギングトルク比を示す。但し、縦軸のコギングトルク比は参考例の回転電機のコギングトルク振幅値を基準としている。図４において、実線が本発明の実施例のコギングトルク比、点線が参考例のコギングトルク比を示し、本発明の構造を適用することでコギングトルクを大幅に低減できていることが分かる。【００２９】
次に、本発明の実施例と参考例について更に詳細検討を行うべく、補助溝無し鉄心の軸方向長さＡと補助溝有り鉄心の軸方向長さＢの比（以下、「積層比」と呼ぶ。）とコギングトルクとの関係について３次元シミュレーションを行った。なお、参考例では、補助溝有り鉄心の軸方向長さＢを軸方向上下端部に割り振って配置しており、本発明の実施例では、軸方向中央部に配置していることが大きな違いである。【００３０】
本発明の実施例と参考例において、補助溝有無の固定子鉄心の積層比を変化させた場合の解析結果を図５、図６、図７に示す。図５は、補助溝無し鉄心の積層を１．０とした場合の補助溝有り鉄心の積層比率と、コギングトルクの基本波成分との関係を示す図である。図６は、補助溝無し鉄心の積層を１．０とした場合の補助溝有り鉄心の積層比率と、コギングトルクの第２高調波成分との関係を示す図である。図７は、補助溝無し鉄心の積層を１．０とした場合の補助溝有り鉄心の積層比率と、コギングトルクのＯｖｅｒａｌｌ成分（最大値‐最小値）を示したものである。なお、図５〜図７についても図４と同様、縦軸は参考例のコギングトルク振幅値を基準とした場合の比率を示した。【００３１】
図５より、本発明の実施例を適用することにより、コギングトルクの基本波成分を十分に低減できていることが分かる。これは、段スキュー構造の変化部（図２の変化部３３Ａ）の回転軸方向中心に対向する部分に補助溝２４Ａを設けたことで、段スキュー構造によって発生する回転軸方向の漏洩磁束を低減できているためと考えられる。一方、参考例では、段スキュー構造の影響で固定子内部に発生する軸方向漏洩磁束を低減することができないため、積層比を変化させたとしてもコギングトルクの基本波成分が低減できていないことが分かる。従って、コギングトルクの基本波成分を低減するためには、図１および図３に示した固定子２０Ａのように、段スキュー構造の変化部の回転軸方向中心に対向する位置を、その略回転軸方向中心として、固定子歯部２２Ａの先端部２３Ａに補助溝を設けることが有効であることが分かる。【００３２】
一方、コギングトルクの第２高調波成分に関しては、図６から分かるように、固定子鉄心の積層比を変化させることで極小化が可能である。すなわち、補助溝無し鉄心の軸方向長さＡと補助溝有り鉄心の軸方向長さＢの比（積層比）を最適化すれば、コギングトルクの第２高調波成分の低減は可能である。図６から、本発明の実施例では、積層比Ａ：Ｂを１：１．５とすればコギングトルクの第２高調波成分の低減が可能であることが分かる。【００３３】
また、図７のコギングトルクＯｖｅｒａｌｌ値に関しては、コギングトルクの基本波成分とコギングトルクの第２高調波成分のベクトル和で決定されるため、積層比Ａ：Ｂは１：１．３程度が最適であると考えられる。【００３４】
また、参考例のように補助溝７４を歯部７２の先端部の回転軸方向の端部に配置した場合には、回転軸方向の端部における漏れ磁束量が大きくなり、トルク低下を招くこととなる。これに対し、図３（ａ）に示したように、補助溝２４Ａを回転軸方向の中央部にのみ設け、端部を含むそれ以外の部分には補助溝を形成しない構成を採用すれば、回転軸方向端部での漏れ磁束を低減することが可能となり、高いトルク出力を得ることができる。【００３５】
実施の形態２．
次に、本発明による実施の形態２の回転電機について図８〜図１０を参照して説明する。【００３６】
実施の形態２の回転電機は、図８に模式的な斜視図を示す固定子２０Ｂと、図９に模式的な斜視図を示す回転子３０Ｂとを有し、固定子２０Ｂの内側に回転子３０Ｂが回転自在に配置される。図１０は、固定子２０Ｂのうち３個の歯部を有する部分のみを拡大した斜視図を示す。なお、図８および図１０では巻線を省略している。【００３７】
本実施の形態では、回転子３０Ｂは、回転軸方向に３分割された３段スキュー構造を有しており、２つの変化部３３Ｂ１および３３Ｂ２を有している。なお、３段スキュー構造の段スキュー角度θは、先に説明したθ＝［｛３６０°／２４（ｍとｎとの最小公倍数）｝／２（永久磁石の段数）］の理論式から５°となり、段スキュー角θを５°に設定している。【００３８】
図１０に示すように、固定子鉄心２２Ｂには、段スキュー構造の変化部３３Ｂ１および３３Ｂ２のそれぞれの回転軸方向中心に対向する位置を、その略回転軸方向中心として、固定子歯部２２Ｂの先端部２３Ｂに補助溝２４Ｂ１および２４Ｂ２が形成されている。本実施の形態においても、先の実施の形態と同様に補助溝２４Ｂ１および２４Ｂ２を設けたことにより、回転軸方向における漏洩磁束が低減され、コギングトルクの基本波成分が低減される。【００３９】
もちろん、上記の例に限定されず、３段以上の複数段スキュー構造を採用しても、同様に回転子段スキュー構造における変化部の回転軸方向中心に対向する位置を、その略回転軸方向中心として、固定子の歯部先端部に補助溝を設けることでコギングトルクを低減することができる。一般に、段スキュー構造の段数が大きいほど、コギングトルクを低減する効果が増大する。【００４０】
上述したように、段スキュー構造を採用することによるコギングトルクの低減効果を最大限に引き出すためには、回転子段スキュー構造の変化部の回転軸方向中心に対向する位置を回転軸方向中心として固定子歯部先端部に補助溝を設けることによって、固定子鉄心内部に発生する回転軸方向の漏洩磁束を低減することが有効である。この固定子鉄心内部に発生する回転軸方向の漏洩磁束は、強力な磁石を用いた回転電機（高磁気装荷）である場合に顕在化するので、本発明が特に好適に用いられる。例えば、歯部の磁束密度が１Ｔ（テスラ）以上の高磁束密度を利用する回転電機に本発明は特に好適に用いられる。ここでシミュレーションに用いた回転電機の歯部の磁束密度は約１．２Ｔを想定した。【００４１】
実施の形態３．
本発明による回転電機の固定子（固定子鉄心）の構造は、特に上記実施の形態に限定されず、例えば、分割鉄心構造または薄肉連結鉄心構造を有するものなど、公知の種々のものを用いることができる。【００４２】
例えば、図１に示す固定子２０Ａに代えて、図１１に示す歯部２２Ｃ毎に分割されている鉄心２１Ｃを有する固定子２０Ｃを用いることもできる。図１１に示す固定子２０Ｃは、先端部２３Ｃを有する歯部２２Ｃとコアバック部２６Ｃを有する鉄心２１Ｃを複数個（本例の場合１２個）備え、これら複数個の鉄心２１Ｃを隣り合うコアバック部２６Ｃが当接するように環状に配置されている。ただし、補助溝２４Ｃは図１の補助溝２４Ａと同じ様に設けられている。また、図示はしないが、同じく歯部ごとに分割されている鉄心を環状に配置した固定子において、コアバック部の一部が連結されているものに適用しても良い。【００４３】
コアバック部の一部が連結された固定子鉄心を用いる回転電機（例えば特開平１１−２２０８４４号公報（特許第３３０７８８８号）あるいは特開２０００−２０１４５８号公報（特許第３２７９２７９号）参照）では、コアバック部の磁気特性が低下するので、回転軸方向における漏洩磁束が発生する。従って、補助溝を設けることによって回転軸方向の漏洩磁束を低減させ、コギングトルクの低減を図ることができる。【００４４】
また、固定子鉄心として圧粉鉄心を用いた場合にも回転軸方向の漏洩磁束が発生するので、補助溝を設けることによって回転軸方向の漏洩磁束を低減させ、コギングトルクの低減を図ることができる。【００４５】
実施の形態４．
上記の実施の形態では、磁石埋め込み型の回転電機について説明したが、図１２に示す回転子３０Ｃのように、鉄心３１Ｃの外周表面に複数の磁石３２Ｃ１および３２Ｃ２を貼り付けたものを利用することもできる。回転子３０Ｃは、第１段目の磁石３２Ｃ１の周方向における配置と第２段目の磁石３２Ｃ１の周方向における配置との位相がずれており、不連続なスキュー構造を有している。図１２に示す回転子３０Ｃを用いても、先の実施の形態と同様の効果を得ることができる。【００４６】
実施の形態５．
上記実施の形態では段スキュー構造を有する回転子の場合を例示したが、本発明の実施の形態はこれに限らず、斜めスキュー構造を有する回転子の場合にも適用することができる。【００４７】
例えば、図１３に示す回転子３０Ｄのように、磁石３２Ｄに直線状の斜めスキュー構造を持たせた場合でも本発明を適用することができる。図１３の回転子３０Ｄは、回転子鉄心３１Ｄの外周にリング状の磁石３２Ｄが装着され、磁石３２Ｄは回転子周方向にＮ極及びＳ極が交互に形成され、Ｎ極及びＳ極の境界が回転軸方向に直線状に斜めに形成されている。このような斜めスキュー構造を有する回転子３０Ｄでは、磁石３２Ｄの回転軸方向の各部位で回転軸方向の漏洩磁束が発生するが、漏洩磁束の発生量は回転軸方向の中央部が最も大きい。従って、回転子３０Ｄと組み合わせて用いられる固定子としては、図１および図３に示した固定子２０Ａのように、回転軸方向の中央に補助溝２４Ａを有する固定子を用いることによって、上記実施の形態と同様の効果を得ることができる。すなわち、斜めスキュー構造を採用した場合、磁石３２Ｄの回転子方向全長が回転子の変化部に対応し、変化部の回転軸方向中心は磁石３２Ｄの回転軸方向の中心ということなる。【００４８】
斜めスキュー構造を有する回転電機の理論スキュー角は、回転子が有する磁極の数をｍ、固定子が有する歯部の数をｎとするとき、スキュー角θ＝[３６０／（ｍとｎとの最小公倍数）]／（ｋ＋１）の式において、ｋ＝０として求められる。なお、斜めスキュー構造を有する回転電機のスキュー角を、上記理論値を基準としてそれよりも所定角度大きく設定する場合も所定角度小さく設定する場合もあるが、どちらの場合でも本発明を適用することができる。【００４９】
さらに、図１４に示す回転子３０Ｅのように、斜めスキュー構造と段スキュー構造とを組み合わせたスキュー構造を有しても良い。この場合は、磁石３２Ｅ１と磁石３２Ｅ２との境界が段スキュー構造の変化部（境界）に対応するので、図１および図３に示した固定子２０Ａのように、回転軸方向の中央に補助溝２４Ａを有する固定子を用いることによって、上記と同様の効果を得ることができる。さらに、各磁石３２Ｅ１および３２Ｅ２が斜めスキュー構造を有しているので、これらの回転軸方向の中心に対応する位置を軸方向中心とする補助溝をさらに形成してもよい。【００５０】
実施の形態６．
上記実施の形態では段スキュー構造又は斜めスキュー構造を有する回転子の場合を例示したが、本発明の実施の形態はこれに限らず、図１５に示すようないわゆる擬似スキュー構造の回転子に適用することもできる。図１５に示す回転子３０Ｆは、複数段の鉄心３１Ｆ１〜３１Ｆ４から回転子鉄心３１Ｆが形成され、各鉄心３１Ｆ１〜３１Ｆ４の内部に１枚の磁石３２Ｆが埋設されている。各磁石３２Ｆの構造および配置は回転軸方向に一定である。各鉄心３１Ｆ１〜３１Ｆ４の外周の磁極境界付近に切欠き３１ａが設けられ、この切欠き３１ａが複数段の鉄心３１Ｆ１〜３１Ｆ４毎に所定角度ずらされて形成されている。すなわち、鉄心３１Ｆ１〜３１Ｆ４に設けた切欠き３１ａによってスキュー構造を持たせ、回転子３０Ｆは３１Ｆ１〜３１Ｆ４までの分割鉄心によって４段のいわゆる疑似スキュー構造を有している。従って、固定子としては、各段の境界に対応する位置を回転軸方向中心とする３つの補助溝を形成したものを用いることによって、上記実施の形態と同様の効果を得ることができる。【００５１】
但し、擬似的な段スキュー構造では、通電時に発生するトルクリップルは低減できないという問題があるので、磁石の構造または配置によってスキュー構造を形成することが好ましい。【００５２】
上記の説明においては、固定子の１つの歯部当たり、周方向に２個の補助溝を設けた構成を例示したが、周方向に設ける補助溝の個数はコギングトルクの第２高調波成分を低減するように決定すれば良い。補助溝の個数、周方向の位置等については、例えば特許文献１に記載されている。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
この発明は、例えばサーボモータ等の永久磁石式回転電機全般に適用できる。
【図１】
2009084151.tif 000003
【図２】
2009084151.tif 000004
【図３】
2009084151.tif 000005
【図４】
2009084151.tif 000006
【図５】
2009084151.tif 000007
【図６】
2009084151.tif 000008
【図７】
2009084151.tif 000009
【図８】
2009084151.tif 000010
【図９】
2009084151.tif 000011
【図１０】
2009084151.tif 000012
【図１１】
2009084151.tif 000013
【図１２】
2009084151.tif 000014
【図１３】
2009084151.tif 000015
【図１４】
2009084151.tif 000016
【図１５】
2009084151.tif 000017
【図１６】
2009084151.tif 000018
【図１７】
2009084151.tif 000019
【図１８】
2009084151.tif 000020
【手続補正書】
【提出日】平成22年5月26日(2010.5.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転子鉄心、および上記回転子鉄心の回転周方向にＮ極及びＳ極の磁極が交互になるようにかつ上記回転子鉄心の回転軸方向に複数段になるように配置される永久磁石を具備し、上記磁極の配置が上記複数段の永久磁石間で上記回転周方向に変化するように設置されることにより上記回転軸方向に上記磁極の配置が変化する変化部を備えた回転子と、
上記回転子を囲むように対向する複数の歯部、および上記複数の歯部のそれぞれの先端部に上記変化部に対向する位置をその略回転軸方向中心として回転軸方向の一部分に選択的に設けられた補助溝を有する固定子と、
を備えた回転電機。
【請求項２】
上記回転子は、上記磁極が上記複数段の永久磁石間で上記回転周方向に所定角度ずらして配置されることにより上記回転軸方向に上記磁極の配置が変化する変化部を備えた請求項１に記載の回転電機。
【請求項３】
上記回転子は、上記各段の永久磁石の磁極の境界がそれぞれ回転軸方向に直線状に斜めに形成されるとともに、上記磁極の境界の回転軸方向の斜めの角度が上記複数段の永久磁石間において異なるように配置されることにより上記回転軸方向に上記磁極の配置が変化する変化部を備えた請求項１に記載の回転電機。
【請求項４】
上記補助溝の上記回転軸方向に延長した部分には、上記補助溝より幅の狭い第２の補助溝が設けられている請求項１に記載の回転電機。
【請求項５】
上記補助溝の回転軸方向の長さと、上記補助溝の回転軸方向に延長した上記補助溝のない部分の長さとの比が、コギングトルクの第２高調波成分を低減するように設定されている請求項１に記載の回転電機。
【請求項６】
上記各段の永久磁石は、それぞれ上記回転子鉄心に埋め込まれて配置されている請求項１に記載の回転電機。
【請求項７】
上記各段の永久磁石は、それぞれ上記回転子鉄心の外周部に貼り付けられている請求項１に記載の回転電機。
【請求項８】
上記変化部の数をｋ、上記回転子が有する磁極の数をｍ、上記固定子が有する上記複数の歯部の数をｎとするとき、上記所定角が［｛３６０／（ｍとｎとの最小公倍数）｝／（ｋ＋１）］以上である請求項２に記載の回転電機。
【請求項９】
上記回転子が有する磁極の数ｍと、上記固定子が有する上記複数の歯部の数ｎとの比が２：３である請求項１に記載の回転電機。
【請求項１０】
複数段の鉄心のそれぞれ内部にＮ極及びＳ極の磁極が交互になるように永久磁石が埋設されるとともに、上記各段の鉄心の上記磁極が変化する外周部に切欠きが設けられ、上記切欠きは上記鉄心間で回転周方向に所定角度ずらして形成された回転子鉄心を備えた回転子と、
上記回転子を囲むように対向する複数の歯部、および上記複数の歯部のそれぞれの先端部に上記鉄心間に対向する位置をその略回転軸方向中心として回転軸方向の一部分に選択的に設けられた補助溝を有する固定子と、
を備えた回転電機。
【請求項１１】
回転子鉄心、および上記回転子鉄心の回転周方向にＮ極及びＳ極が交互になるように永久磁石を具備し、上記磁極の境界が回転軸方向に直線状に斜めに形成された回転子と、
上記回転子を囲むように対向する複数の歯部、および上記複数の歯部のそれぞれの先端部に上記回転子の軸方向の中央部に対向する位置をその略回転軸方向中心として回転軸方向の一部分に選択的に設けられた補助溝を有する固定子と、
を備えた回転電機。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
回転子鉄心３１Ａ１および３１Ａ２は、図２に示すように回転子周方向に所定角度θずらして配置されている。このように、回転子鉄心３１Ａ１および３１Ａ２に取り付けられている磁石３２Ａの配置が、回転軸方向において不連続となる構造を、本明細書において「段スキュー構造」と呼ぶ。そして、回転子３０Ａの段スキュー構造は、回転子鉄心３１Ａ１に設けられた磁石３２Ａの磁極の境界と、回転子鉄心３１Ａ２に設けられた磁石３２Ａの磁極の境界との間で所定角度（以下、段スキュー角と呼ぶ）θずれる不連続な変化部３３Ａを有することになる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２３】
また、補助溝２４Ａは、回転子３０Ａの変化部３３Ａの軸方向中心（境界）に対向する位置が、その回転軸方向の略中心となるように配置される。設計上は、段スキュー構造の２つの段の境界に対向する位置がその回転軸軸方向の中心となるように補助溝２４Ａを設けるが、組み立て上のずれは許容される。補助溝２４Ａを設けると、補助溝２４Ａにおける固定子２０Ａと回転子３０Ａとの間のギャップが広くなり磁気抵抗が増大する。その結果、段スキュー構造に起因して発生する回転軸方向の漏洩磁束を低減することが可能となり、段スキュー構造によるコギングトルクの基本波成分低減効果を十分に発揮させることができる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３７】
本実施の形態では、回転子３０Ｂは、回転軸方向に３分割された３段スキュー構造を有しており、２つの変化部３３Ｂ１および３３Ｂ２を有している。なお、３段スキュー構造の段スキュー角度θは、先に説明したθ＝［｛３６０°／２４（ｍとｎとの最小公倍数）｝／３（永久磁石の段数）］の理論式から５°となり、段スキュー角θを５°に設定している。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４５】
実施の形態４．
上記の実施の形態では、磁石埋め込み型の回転電機について説明したが、図１２に示す回転子３０Ｃのように、鉄心３１Ｃの外周表面に複数の磁石３２Ｃ１および３２Ｃ２を貼り付けたものを利用することもできる。回転子３０Ｃは、第１段目の磁石３２Ｃ１の周方向における配置と第２段目の磁石３２Ｃ２の周方向における配置との位相がずれており、不連続なスキュー構造を有している。図１２に示す回転子３０Ｃを用いても、先の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４７】
例えば、図１３に示す回転子３０Ｄのように、磁石３２Ｄに直線状の斜めスキュー構造を持たせた場合でも本発明を適用することができる。図１３の回転子３０Ｄは、回転子鉄心３１Ｄの外周にリング状の磁石３２Ｄが装着され、磁石３２Ｄは回転子周方向にＮ極及びＳ極が交互に形成され、Ｎ極及びＳ極の境界が回転軸方向に直線状に斜めに形成されている。このような斜めスキュー構造を有する回転子３０Ｄでは、磁石３２Ｄの回転軸方向の各部位で回転軸方向の漏洩磁束が発生するが、漏洩磁束の発生量は回転軸方向の中央部が最も大きい。従って、回転子３０Ｄと組み合わせて用いられる固定子としては、図１および図３に示した固定子２０Ａのように、回転軸方向の中央に補助溝２４Ａを有する固定子を用いることによって、上記実施の形態と同様の効果を得ることができる。すなわち、斜めスキュー構造を採用した場合、磁石３２Ｄの回転軸方向全長が回転子の変化部に対応し、変化部の回転軸方向中心は磁石３２Ｄの回転軸方向の中心ということなる。
【国際調査報告】
2009084151.tif 000021
2009084151.tif 000022