(57)【要約】【課題】  ロータ外形が双曲線余弦や正割関数について、トルクの増加率が高くコギングトルクが小さくなるロータ構成、特に永久磁石の配置構成を提案すること。【解決手段】  電動機は、双曲線余弦あるいは正割関数で表わされる形状をロータ外形に持つ同期電動機においてトルクを増加させるものであり、その構成としてロータコアの１極当たりに複数の磁石を設ける。複数の磁石の配置の第１は、１極当たり２枚の磁石を含み、当該磁石の配列をロータコアの中心を頂点とするＶ字形状とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータ内部に永久磁石を埋め込み、双曲線余弦で表わされる形状をロータ外形に持つ永久磁石内部埋め込み型電動機において、ロータコアの１極当たりに複数の磁石を設けることを特徴とする同期電動機。
【請求項２】
前記磁石は、１極当たり２枚の磁石を含み、当該磁石の配列をロータコアの中心を頂点とするＶ字形状とすることを特徴とする請求項１に記載の同期電動機。
【請求項３】
前記磁石は、１極当たり３枚の磁石を含み、２枚の磁石をロータコアの中心側を頂点とするＶ字形状に配置し、他の磁石を前記Ｖ字形状に配置される２枚の磁石が対向する間隙にロータの径方向と垂直な方向に配置することを特徴とする請求項１に記載の同期電動機。
【請求項４】
前記他の磁石を前記間隙においてロータの外周側に配置することを特徴とする請求項３に記載の同期電動機。
【請求項５】
前記他の磁石を前記間隙においてロータの内周側に配置することを特徴とする請求項３に記載の同期電動機。
【請求項６】
ロータ内部に永久磁石を埋め込み、正割関数で表わされる形状をロータ外形に持つ永久磁石内部埋め込み型電動機において、ロータコアの１極当たりに複数の磁石を設けることを特徴とする同期電動機。
【請求項７】
前記磁石は、１極当たり２枚の磁石を含み、当該磁石の配列をロータコアの中心を頂点とするＶ字形状とすることを特徴とする請求項６に記載の同期電動機。
【請求項８】
前記磁石は、１極当たり３枚の磁石を含み、２枚の磁石をロータコアの中心側を頂点とするＶ字形状に配置し、他の磁石を前記Ｖ字形状に配置される２枚の磁石が対向する間隙にロータの径方向と垂直な方向に配置することを特徴とする請求項６に記載の同期電動機。
【請求項９】
前記他の磁石を前記間隙においてロータの外周側に配置することを特徴とする請求項８に記載の同期電動機。
【請求項１０】
前記他の磁石を前記間隙においてロータの内周側に配置することを特徴とする請求項８に記載の同期電動機。
【請求項１１】
ロータとステータの最小ギャップと最大ギャップの関係が以下の式
（ロータとステータの最大ギャップ）／（ロータとステータの最大ギャップ＋磁石厚さ）
≧√２＊（ロータとステータの最小ギャップ）／（ロータとステータの最小ギャップ＋磁石厚さ）を満たすようにロータとステータの最大ギャップを定めたことを特徴とする請求項１乃至１０の何れかに記載の同期電動機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、同期電動機に関し、特に同期電動機のロータ構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
同期電動機において、発生トルクはロータの各極の外形中央部の形状とステータとのギャップで定まる。このギャップが小さいほどトルクは大きくなる。一方、同期電動機のインダクタンスは、ロータの各極の外形側部の形状とステータとのギャップで定まる。このギャップが大きいほどインダクタンスは小さくなる。
【０００３】
インダクタンスが小さくなると、高速回転時での逆起電力が小さくなり、高速回転時のトルク（出力）が増大する。また、インダクタンスが小さくなる分、エネルギー消費も減少する。なお、ロータの各極の外形側部とは、ロータの極部の外形形状における円周方向の終端部と頂点部との間の領域である。
【０００４】
したがって、同期電動機において、トルクを大きくし、インダクタンスを減少させてエネルギー効率を高めるには、ロータの各極の外形側部の形状とステータとのギャップを小さくし、他方、ロータの各極の外形側部の形状とステータとのギャップを大きくすることが求められる。
【０００５】
このようなトルクとインダクタンスの関係を改善する同期電動機として、ロータの１極分の外形形状を双曲線余弦の曲線を主体として形状とし、低速時のトルクと高速時のトルクの両方を高く設定できるものが提案されている（特許文献１参照）。また、ロータ外形に正割関数（余弦関数cosの逆数）を適用したモータも提案されている。
【０００６】
図８は、ロータの各極の外形形状を双曲線余弦の曲線を主体として形状とした構成例である。  
ロータコア１０１は複数の極を有し、中心を同一とするシャフト１０３に取り付けられる。ロータコア１０１が備える各極の外形形状１０２は双曲線余弦の形状に形成される。各極には、半径方向に対して垂直な方向に一枚ずつ磁石１０４が配置される。また、ロータコア１０１の各極の磁石間には、コアを薄く形成した部分（狭小部）１０５が設けられる。狭小部１０５は、極毎に設けた磁石１０４を支えている。  
ロータに設けられた磁石による磁束は、前記した各極の磁石間の狭小部を漏れ磁束で飽和し、その余剰分がステータ側に向かう有効磁束となる。
【０００７】
図９は、漏れ磁束と有効磁束とを説明するための図である。図９において、磁石１０４から発生した磁束は、隣接する磁石との間の狭小部１０５を流れる磁束と、ステータ側に流れる磁束とに分かれる。狭小部１０５を流れる磁束はトルクに寄与しない漏れ磁束１０７となり、ステータ側に流れる磁束はトルクに寄与する有効磁束１０６となる。  
狭小部の漏れ磁束を少なくすることによって、ステータ側に向かう有効磁束を増やすことができる。狭小部の漏れ磁束を少なくするためには、この狭小部を細く形成する必要がある。
【０００８】
しかしながら、回転によってロータには遠心力が発生する。主に磁石と磁石より外側のコア部の遠心力は、狭小部に加わってロータを破損させるおそれがある。そのため、ロータ強度の観点からは、この狭小部を厚く形成することが求められる。
【０００９】
したがって、トルクを増大させるには、狭小部は有効磁束の点からは細く形成することが求められ、一方、ロータ強度の点からは厚く形成することが求められるというように相反する要求を満足することが求められている。
【００１０】
そこで、トルクを増加させる場合、狭小部の厚さをそのままにして、磁石の厚さを厚くする方法がある。図１０は磁石の厚さを厚くする構成を説明するための図である。図１０において、ロータコア１０１の狭小部の厚さをそのままにしたまま、磁石１０４′の厚さを厚くし、磁束を増やす。この構成によれば、磁束の増加は狭小部分の漏れ磁束を増加させずに有効磁束を増加させ、トルクの増加に寄与させることができる。
【００１１】
しかしながら、この構成は、磁石体積の増加の割にはトルクは増加しない。トルクの増加率の観点から、磁石の厚さを単に増加させるよりもさらに効率良くトルクを増加させる構成が求められている。
【００１２】
外形形状が円形のロータにおいて、１極当たり複数個の永久磁石を設けることによって、ｄ軸とｑ軸のインダクタンス差を大きくしてリラクタンストルクを増大する電動機も提案されている（特許文献２，３参照）。
【００１３】
【特許文献１】特開２００２−１０５４１号公報
【特許文献２】特開平１１−２４３６５３号公報
【特許文献３】特開２００１−０９５１８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上記の特許文献２，３で示した電動機は、１極当たり複数個の永久磁石を設け、その永久磁石をＶ形状に配置した構成が示されている。この永久磁石の配置は、外形が円形のロータによるものであり、ロータ外形が双曲線余弦や正割関数のものについては適用されていない。
そこで、本発明は、ロータ外形が双曲線余弦や正割関数について、トルクの増加率が高くなるロータ構成、特に永久磁石の配置構成を提案することを目的とする。
また、コギングトルクを小さくすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の電動機は、双曲線余弦あるいは正割関数で表わされる形状をロータ外形に持つ同期電動機においてトルクを増加させるものであり、その構成としてロータコアの１極当たりに複数の磁石を設ける。
複数の磁石の配置の第１は、１極当たり２枚の磁石を含み、当該磁石の配列をロータコアの中心を頂点とするＶ字形状とする。
【００１６】
また、複数の磁石の配置の第２は、１極当たり３枚の磁石を含み、２枚の磁石をロータコアの中心側を頂点とするＶ字形状に配置し、他の磁石を前記Ｖ字形状に配置される２枚の磁石が対向する間隙にロータの径方向と垂直な方向に配置する。
他の磁石は、２つの磁石で挟まれる間隙においてロータの外周側あるいは内周側に配置する構成とする。
また、ロータとステータの最小ギャップと最大ギャップの関係が、
（ロータとステータの最大ギャップ）／（ロータとステータの最大ギャップ＋磁石厚さ）
≧√２＊（ロータとステータの最小ギャップ）／（ロータとステータの最小ギャップ＋磁石厚さ）
を満たすようにロータとステータの最大ギャップを定める。これによって、コギングトルクを低減することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、ロータ外形が双曲線余弦や正割関数であるロータにおいて、トルクの増加率を高くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について、図を参照しながら詳細に説明する。
図１は本発明の電動機の概略構成を説明するための図であり、ロータシャフト３に対して垂直な断面を示している。
【００１９】
ロータコア１はシャフト３に固着され、磁石４がコア内に埋め込まれて取り付けられている。ロータの１極分の外形形状２は、双曲線余弦あるいは正割関数で表わされる形状である。この双曲線余弦あるいは正割関数で形成される１極分あるいは１極の一部の外形形状が極数分連接されたロータの外形形状を形成している。
【００２０】
図１は、双曲線余弦で表わされる形状の一例である。双曲線余弦で表わされる形状部分は、１極分とするほか、１極分の一部分とすることもできる。１極分の一部分とする場合には、極の頂点部分とその側面部分を含む中央付近を双曲線余弦とし、隣接する極との接続部分である終端部分は双曲線余弦以外の曲線で形成する。
【００２１】
ロータの１極分の外形形状を表す双曲線余弦の一般式は以下の式で表すことができる。
Ｒ＝Ａ−Ｂ・cosh（Ｃθ）＝Ａ−Ｂ・（ｅＣθ＋ｅ−Ｃθ）／２
上記式において、Ｒは原点までの距離、２θは１極分の角度を表す回転角度である。Ａは原点から同期電動機のステータ内周面までの距離（ステータ内周面の内径）に基づいて決められる値、Ｂはギャップに基づいて決められる値で、ロータ１極分の頂点（１極分の中間点）とステータ内周面の距離（ギャップ）に基づいて決められる値、Ｃは双曲線余弦の屈曲度を決める値である。
【００２２】
双曲線余弦の曲線で１極分の外形形状を構成することによって、インダクタンスは低下する。これにより、インダクタンスが同じならば、発生トルクは増大する。
図１に示す構成例では、１極当たり２個の磁石４ａ，４ｂを含む。２つの磁石４ａ，４ｂは、頂点をシャフト３側とするＶ字形状に配置される。対向する２つの磁石４ａ，４ｂは同じ磁極とし、隣接する極の磁石はそれぞれ異なる磁極とする。例えば、ある極において外周面側をＮ極とし内周面側をＳ極としたとき、隣接する極の磁石の外周面側をＳ極とし内周面側をＮ極とする。
【００２３】
ロータコア１の隣接する極の磁石間において、磁石４ａ，４ｂの外周面側の端部と外周部分との間には狭小部５が設けられる。また、磁石４ａ，４ｂの内周面側の端部間は、狭小部６が設けられる。
【００２４】
ロータコア１には、磁石４ａ，４ｂを埋め込むために穴あるいは凹部が形成されるが、これらの穴や凹部に狭小部５，６を設けることによって、ロータコア１の強度を遠心力に耐えるに十分なものとする。
【００２５】
磁石４ａ，４ｂが発生する磁束は狭小部５，６において漏れ磁束となるが、磁石４ａ，４ｂをＶ字形状に配置することによって、双曲線余弦あるいは正割関数の形状のロータ外形形状において、ステータ側への磁束を増し、発生するトルクを増やすことができる。
【００２６】
例えば、同じ磁石体積において、厚みを増した１枚の磁石による構成例（前記図１０に示した構成例）と、２枚の磁石をＶ字状形状に配列した構成例とで発生トルクを解析すると、図１０に示した構成例のトルクＴ１はＴ１＝（１＋ａ）Ｔで表すことができ、図１に示す構成例のトルクＴ２はＴ２＝（１＋２ａ）Ｔで表すことができる。
【００２７】
つまり、２枚の磁石をＶ字状形状に配列した構成例とすることによって、磁石の厚みを増やす構成例と比較してトルクの増幅率を２倍とすることができる。
また、双曲線余弦の形状から発生する磁束が滑らかであるため、コギングトルクも外形円弧に比べて小さくなる。
このとき、ロータとステータの最小ギャップと最大ギャップとの関係は、以下の式を満たすように設定する。
（ロータとステータの最大ギャップ）／（ロータとステータの最大ギャップ＋磁石厚さ）
≧√２＊（ロータとステータの最小ギャップ）／（ロータとステータの最小ギャップ＋磁石厚さ）
ここで、図２は、ロータとステータの最大ギャップ、ロータとステータの最小ギャップ、磁石厚さ、及びステータ内径の関係を示している。ロータの外形形状が双曲線余弦や正割関数の形状である場合には、ステータ内径とロータの外形とのギャップの間隔が、角度によって変化し、コギングトルクが変化する。
上記式の関係は、コギングトルクの実験により求めることができる。
以下の表は、コギングトルクの実験の各パラメータ及び結果と計算値を示している。
【００２８】
【表１】
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上記した実験結果から、計算値とコギングトルク（Ｎｍ）の関係を回帰分析すると、
コギングトルク∝（ステータ内径）２＊｛（最小ギャップ＋磁石厚さ）２＊（最大ギャップ＋磁石厚さ）２／（（最小ギャップ）２＊（最大ギャップ）２）｝
の関係が得られ、相関があることが分かる。図３はこの関係を示している。
上記に相関関係から、ロータ外形に双曲線余弦、正割関数を用いるロータにおいて、外形が円弧（最小ギャップ＝最大ギャップ）のロータに対して、コギングトルクを半分以下にするには、
（ステータ内径）２＊｛（最小ギャップ＋磁石厚さ）２＊（最大ギャップ＋磁石厚さ）２｝／｛（最小ギャップ）２＊（最大ギャップ）２｝
≦１／２＊（ステータ内径）２＊｛（最小ギャップ＋磁石厚さ）４／（最小ギャップ）４｝
の式から
｛最大ギャップ／（最大ギャップ＋磁石厚さ）｝２≧２＊｛最小ギャップ／（最小ギャップ＋磁石厚さ）｝２
の式が得られ、これを整理して
（ロータとステータの最大ギャップ）／（最大ギャップ＋磁石厚さ）
≧√２＊（ロータとステータの最小ギャップ）／（最小ギャップ＋磁石厚さ）
の関係式が得られる。
【００２９】
ロータ外形に正割関数（余弦関数cosの逆数）を適用した場合においても、同様にトルクを増大させることができ、ロータ外形から発生する磁束が正弦波状であるため、コギングトルクを小さくすることができる。図４はロータ外形に正割関数（余弦関数cosの逆数）を適用した場合の一例である。具体的には、ロータの１極分の外形形状を表す正割関数（余弦関数cosの逆数）の一般式は以下の式で表すことができる。
Ｒ＝Ａ−Ｂ／cos（Ｃθ）
上式において、Ｒは原点までの距離、２θは１極分の角度を表す回転角度、Ａは原点から同期電動機のステータ内周面までの距離（ステータ内周面の内径）に基づいて決められる値、Ｂはギャップに基づいて決められる値で、ロータ１極分の頂点（１極分の中間点）とステータ内周面の距離（ギャップ）に基づいて決められる値、Ｃは正割関数（余弦関数cosの逆数）の屈曲度を決める値である。
なお、ロータ外形に円弧を適用した場合が従来例である。表１に示すようにコギングトルクは大きな値になっている。ロータ外形側狭小部で発生する磁束が悪さをしていることが原因である。図５はロータ外形を円弧とした場合の一例である。
【００３０】
図６は第２の構成例を説明するための図である。第２の構成例は、１極当たり３個の磁石４ａ，４ｂ，４ｃを含む。３つの磁石４ａ，４ｂ，４ｃの内、２つの磁石４ａ，４ｂは、第１の構成例と同様に、頂点をシャフト３側とするＶ字形状に配置され、対向する２つの磁石４ａ，４ｂは同じ磁極とし、隣接する極の磁石はそれぞれ異なる磁極とする。例えば、ある極において外周面側をＮ極とし内周面側をＳ極としたとき、隣接する極の磁石の外周面側をＳ極とし内周面側をＮ極とする。
【００３１】
ロータコア１の隣接する極の磁石間において、磁石４ａ，４ｂの端部間の内、外周面側の端部間に磁石４ｃを配置する。磁石４ｃの磁極配置は、磁石４ａ，４ｂの磁極配置と同方向とする。例えば、ある極において、磁石４ａ，４ｂの外周面側をＮ極とし内周面側をＳ極としたとき、この磁石４ａと磁石４ｂとの間に配置する磁石４ｃの磁極配置においても、外周面側をＮ極とし内周面側をＳ極とする。
この極と隣接する極では、前記したように、磁石４ａ，４ｂ，４ｃの磁極配置は、外周面側をＳ極とし内周面側をＮ極とする。
【００３２】
第２の構成例では、第１の構成例が備える狭小部５，６に加えて狭小部７を備える。狭小部７は、磁石４ａ及び磁石４ｂの外周面側の端部と磁石４ｃの両端部との間に形成され、ロータコア１に形成された磁石４ａ，４ｂ，４ｃを埋め込むための穴あるいは凹部によって低下したロータコア１の強度を遠心力に耐えるに十分なものとする。
【００３３】
磁石４ａ，４ｂに発生する磁束は、磁石４ｃとの間の狭小部７において漏れ磁束が流れるが、磁石４ａ，４ｂをＶ字形状に配置し、その間に磁石４ｃを配置することによって、各磁石が発生する磁束は、双曲線余弦あるいは正割関数の形状部分を通ってステータ側に流れる。双曲線余弦あるいは正割関数の形状のロータ外形形状において、ステータ側への磁束を増し、発生するトルクを増やすことができる。
【００３４】
図７は第３の構成例を説明するための図である。第３の構成例は、１極当たり３個の磁石４ａ，４ｂ，４ｃを含む。３つの磁石４ａ，４ｂ，４ｃの内、２つの磁石４ａ，４ｂは、第１の構成例と同様に、頂点をシャフト３側とするＶ字形状に配置され、対向する２つの磁石４ａ，４ｂは同じ磁極とし、隣接する極の磁石はそれぞれ異なる磁極とする。例えば、ある極において外周面側をＮ極とし内周面側をＳ極としたとき、隣接する極の磁石の外周面側をＳ極とし内周面側をＮ極とする。
【００３５】
ロータコア１の隣接する極の磁石間において、磁石４ａ，４ｂの端部間の内、内周面側の端部間に磁石４ｃを配置する。磁石４ｃの磁極配置は、磁石４ａ，４ｂの磁極配置と同方向とする。例えば、ある極において、磁石４ａ，４ｂの外周面側をＮ極とし内周面側をＳ極としたとき、この磁石４ａと磁石４ｂとの間に配置する磁石４ｃの磁極配置においても、外周面側をＮ極とし内周面側をＳ極とする。
この極と隣接する極では、前記したように、磁石４ａ，４ｂ，４ｃの磁極配置は、外周面側をＳ極とし内周面側をＮ極とする。
【００３６】
第３の構成例では、第１の構成例が備える狭小部５，６に加えて狭小部８を備える。狭小部８は、磁石４ａ及び磁石４ｂの外周面側の端部と磁石４ｃの両端部との間に形成され、ロータコア１に形成された磁石４ａ，４ｂ，４ｃを埋め込むための穴あるいは凹部によって低下したロータコア１の強度を遠心力に耐えるに十分なものとする。
【００３７】
磁石４ｃは、磁石４ａ，４ｂよりも内周面側に配置することにより、磁石４ａ，４ｂに発生する磁束は磁石４ｃとの間の狭小部８において漏れ磁束は流れない。磁石４ａ，４ｂをＶ字形状に配置し、その間に磁石４ｃを配置することによって、各磁石が発生する磁束は、双曲線余弦あるいは正割関数の形状部分を通ってステータ側に流れる。これによって、双曲線余弦あるいは正割関数の形状のロータ外形形状において、ステータ側への磁束を増し、発生するトルクを増やすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の電動機の概略構成を説明するための図である。
【図２】ロータとステータの最大ギャップ、ロータとステータの最小ギャップ、磁石厚さ、及びステータ内径の関係を示す図である。
【図３】コギングトルクの相関を示す図である。
【図４】ロータ外形を正割関数（余弦関数cosの逆数）とした場合の例である。
【図５】ロータ外形を円弧とした場合の例である。
【図６】本発明の電動機の第２の構成例を説明するための図である。
【図７】本発明の電動機の第３の構成例を説明するための図である。
【図８】ロータの各極の外形形状を双曲線余弦の曲線を主体として形状とした構成例である。
【図９】漏れ磁束と有効磁束とを説明するための図である。
【図１０】磁石の厚さを厚くする構成を説明するための図である。
【符号の説明】
【００３９】
１  ロータコア
２  外形形状
３  シャフト
４，４ａ，４ｂ，４ｃ  磁石
５，６，７，８  狭小部
１０１  ロータコア
１０２  外形形状
１０３  シャフト
１０４、１０４′  磁石
１０５  狭小部
１０６  有効磁束
１０７  漏れ磁束
【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】
2006014457.tif 000009
【図７】
2006014457.tif 000010
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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