(57)【要約】【課題】  ギャップ間磁束分布をより正弦波に近づけることにより高効率の永久磁石モータを提供する。【解決手段】  ロータコア１０１と、ロータコア１０１の外周面に一定間隔ごとに配設された複数の永久磁石１０２と、永久磁石１０２上にロータコア１０１と分離された磁石上磁性体１０４とを備えた永久磁石モータにおいて、磁石上磁性体１０４の外周面の形状が、その円弧中心が永久磁石１０２の中心とロータコア１０１の中心を結ぶ直線上にある複数段の円弧、例えば中心部円弧及び端部円弧の二段の円弧で構成され、中心部円弧の半径Ｒ１と端部円弧の半径Ｒ２は、０．８≦Ｒ２／Ｒ１≦０．８５の関係を満たすように設定されている。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータコアと、上記ロータコアの外周面に一定間隔ごとに配設された複数の永久磁石と、上記永久磁石上に上記ロータコアと分離された磁石上磁性体とを備えた永久磁石モータにおいて、上記磁石上磁性体の外周面の形状が、その円弧中心が上記永久磁石の中心と上記ロータコアの中心を結ぶ直線上にある複数段の円弧からなることを特徴とする永久磁石モータ。
【請求項２】
上記磁石上磁性体間の距離が磁石配置ピッチの２０％以下であることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石モータ。
【請求項３】
上記磁石上磁性体の外周部の形状は、中心部円弧及び端部円弧の二段の円弧で構成され、上記中心部円弧の半径Ｒ１と上記端部円弧の半径Ｒ２は、０．８≦Ｒ２／Ｒ１≦０．８５の関係を満たすことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の永久磁石モータ。
【請求項４】
上記磁石上磁性体の外周部の形状は、中心部円弧、中間部円弧及び端部円弧の三段の円弧で構成され、上記中心部円弧の半径Ｒ１、上記中間部円弧の半径Ｒ２及び上記端部円弧の半径Ｒ３は、Ｒ１＞Ｒ２＞Ｒ３の関係、並びに、０．８５≦Ｒ２／Ｒ１≦０．９５、０．７≦Ｒ３／Ｒ１≦０．８の関係を満たすことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の永久磁石モータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ロータコアの外周面に永久磁石を備え、永久磁石上にロータコアと分離した磁石上磁性体を配置した永久磁石モータの構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、回転軸の外周に円周方向に取り付けられた複数の板状の永久磁石と、永久磁石上に取り付けられて磁極を構成する積層磁性板と、積層磁性板と交互に円周方向に配置されて、積層磁性板を回転軸に固定する非磁性材料とを備えた永久磁石発電機の回転子があった。そして、積層磁性板の円周方向の外端部を、徐々に肉薄となるような傾斜部とすることにより、磁束分布を正弦波に近づけて、電圧波形くるい率を低減していた（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開平６−３１９２３８号公報（請求項１、実施例３、図７）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のような回転子を取り付けた永久磁石モータにおいて、ギャップ間磁束の周方向分布を正弦波に近づけるように形状を改良しているが不十分である。その結果、磁束の高調波成分が多いためモータ効率の低下を招いている。
【０００５】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、ギャップ間磁束分布をより正弦波に近づけることにでより高効率の永久磁石モータを提供することを目的にしている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係る永久磁石モータは、ロータコアと、ロータコアの外周面に一定間隔ごとに配設された複数の永久磁石と、永久磁石上にロータコアと分離された磁石上磁性体とを備えた永久磁石モータにおいて、磁石上磁性体の外周面の形状が、その円弧中心が永久磁石の中心とロータコアの中心を結ぶ直線上にある複数段の円弧からなることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
この発明に係る永久磁石モータによれば、ギャップ間磁束の周方向分布が正弦波に近くなり高調波が小さくなることにより損失が減少するため、モータ効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図に基づいて説明する。
【０００９】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による永久磁石モータを示す断面図である。図１において、回転軸１００に取り付けられたロータコア１０１の外周には、永久磁石１０２が円周方向に１２個配設されている。各永久磁石１０２の外周側には、磁石上磁性体１０４が配設されている。ステータ１０３には９個のティース１０６が配設され、各ティース１０６にはコイル１０５が巻かれている。コイル１０３の電源は３相であり、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相は図１のように配置され、２極３スロットの構成としている。
【００１０】
磁石上磁性体１０４の外周部の形状は、中心部円弧１０７と、中心部円弧１０７の両端の端部円弧１０８とで構成されている。中心部円弧１０７は半径５５ｍｍ、中心角２６．６°、端部円弧１０８は半径３６ｍｍ、中心角４１．８°である。また、それぞれの円弧中心は永久磁石１０４の円周方向中心とロータの回転中心を結ぶ直線上にあり、中心部円弧１０７の中心はロータ中心から２９．１ｍｍのポイント、端部円弧１０８の中心はロータ中心から４８．９ｍｍのポイントにある。
【００１１】
図２は、中心部円弧半径Ｒ１が４３ｍｍと４５ｍｍの場合で、端部円弧半径Ｒ２を最適化した場合の高調波鉄損を示す。端部円弧半径Ｒ２はそれぞれ３５ｍｍ、３４ｍｍである。図２の縦軸は、磁石上磁性体１０４の外周部がロータ半径に等しい半径を持つ円弧ひとつの場合の高調波鉄損で規格化してある。図２をみると４５ｍｍのほうが損失が大きいことがわかる。実際に効率を計算してみると、９２．２％、９１．９％と０．３％だけ４３ｍｍのほうが効率が高いという結果が得られた。これより、中心部円弧半径Ｒ１を固定して端部円弧半径Ｒ２で最適化するよりも、中心部円弧半径Ｒ１も併せて最適化するほうがより好ましいことがわかる。
【００１２】
図３は、中心部円弧半径Ｒ１を４３ｍｍとした場合で、端部円弧半径Ｒ２を変えた場合の高調波鉄損の比較図を示す。図３の縦軸は、図２と同様に磁石上磁性体１０４の外周部がロータ半径に等しい半径を持つ円弧ひとつの場合の高調波鉄損で規格化してある。端部円弧半径Ｒ２が３５ｍｍの場合が一番優れており、４３ｍｍ（同一半径）、４７ｍｍ（中心部円弧半径より大きい場合）よりも高調波鉄損が小さいことがわかる。
【００１３】
図４は、高調波鉄損が低減できる中心部円弧半径Ｒ１と端部円弧半径Ｒ２の最適の関係を示す図である。図４に示すように中心部円弧半径Ｒ１と端部円弧半径Ｒ２の最適半径を検討した結果、０．８≦Ｒ２／Ｒ１≦０．８５の関係がある場合に効果的であることが判明した。
【００１４】
以上のように本実施の形態によれば、磁石上磁性体１０４の外周面の形状が、その円弧中心が永久磁石の中心とロータコアの中心を結ぶ直線上にある複数段の円弧からなるようにしているので、ギャップ間磁束の周方向分布が正弦波に近くなり高調波が小さくなることにより損失が減少するため、モータ効率を向上させることができる。
【００１５】
また、磁石上磁性体１０４の外周部の形状は中心部円弧及び端部円弧の二段の円弧で構成され、中心部円弧半径Ｒ１と端部円弧半径Ｒ２は、０．８≦Ｒ２／Ｒ１≦０．８５の関係を満たすようにすることにより、ギャップ間磁束の周方向分布がより正弦波に近くなり、高調波が小さくなることにより損失が減少する効果がある。
【００１６】
実施の形態２．
図５は、この発明の実施の形態２による永久磁石モータを示す図であり、ロータの一部分のみを示している。図５には示していないが、図１と同様なロータコア１０１、ステータ１０３を備えている。また、ロータコア１０１の外周に配設されている永久磁石１０２の磁石ピッチθｐが３０°であり、永久磁石１０２の外周に配設されている磁性体１０４間の距離θｄが３°である。この場合、θｄ／θｐ＜１／５の関係をみたしている。
【００１７】
図６は、磁石上磁性体１０４の外周形状を最適化した場合について、ｋ＝磁石上磁性体間距離（θｄ）／磁石ピッチ（θｐ）をパラメータとしてギャップ間磁束の１／４周期分の波形を示す。パラメータｋが大きいと端部で大きく落ち込んでいるが、ｋが０．２以下と小さいとほとんど正弦波と変わらないことがわかる。
【００１８】
図７は各パラメータｋの場合の周波数成分を示す。縦軸は基本波成分で規格化してある。図７によってもパラメータｋが０．２以下の場合は二次以上の高調波成分が基本波成分の０．２％以下になっていることがわかる。
【００１９】
以上のように本実施の形態によれば、磁石上磁性体間の距離が磁石配置ピッチの２０％以下としているので、ギャップ間磁束分布が磁石間で落ち込むことなしに正弦波に近くなり、高調波成分が小さくなるため損失が減り、モータ効率が向上する。
【００２０】
実施の形態３．
図８は、この発明の実施の形態３による永久磁石モータを示す図であり、ロータの一部分のみを示している。図８には示していないが、図１と同様なロータコア１０１、ステータ１０３を備えている。また、ロータコア１０１の外周に配設されている永久磁石１０２の磁石ピッチθｐが３０°であり、永久磁石１０２の外周に配設されている磁性体８０４間の距離θｄが３°である。この場合、θｄ／θｐ＜１／５の関係をみたしている。
【００２１】
さらに、本実施の形態において、磁石上磁性体８０４の外周形状は、最適化された半径を持つ三段の円弧からなり、それぞれ中心部円弧８０７（角度θＲ１）、中間部円弧８０８（角度θＲ２）、端部円弧８０９（角度θＲ３）とする。なお、それぞれの円弧中心は永久磁石１０４の中心とロータの中心を結ぶ直線上にある。
【００２２】
図９は、一段円弧、二段円弧、三段円弧で最適化した場合の高調波鉄損の比較を示す図である。一段円弧よりも二段円弧、二段円弧よりも三段円弧のほうが高調波鉄損が小さいことがわかる。これより、３段円弧のほうが正弦波に近づいているといえる。
【００２３】
図１０は三段円弧（中心部側から順にＲ１、Ｒ２、Ｒ３）で、Ｒ１＞Ｒ２＞Ｒ３の場合（４７ｍｍ，４３ｍｍ，３５ｍｍ）、Ｒ１＜Ｒ２＜Ｒ３の場合（４３ｍｍ，４５ｍｍ，４８ｍｍ）、Ｒ１＜Ｒ２＞Ｒ３の場合（４３ｍｍ，４５ｍｍ，４２ｍｍ）、Ｒ１＞Ｒ２＜Ｒ３（４７ｍｍ，４３ｍｍ，４５ｍｍ）の高調波鉄損を示す。これより三段円弧の場合、Ｒ１＞Ｒ２＞Ｒ３の場合が一番高調波鉄損が小さく優れていることがわかる。
【００２４】
図１１は、高調波鉄損が低減できる中心部円弧半径Ｒ１、中間部円弧半径Ｒ２、端部円弧半径Ｒ３の最適の関係を示す図である。図１１に示すように、中心部円弧半径Ｒ１、中間部円弧半径Ｒ２、端部円弧半径Ｒ３の最適半径を検討した結果、０．８５≦Ｒ２／Ｒ１≦０．９５、０．７≦Ｒ３／Ｒ１≦０．８の関係がある場合に効果的であることが判明した。
【００２５】
以上のように本実施の形態によれば、磁石上磁性体８０４の外周部の形状を、中心部円弧、中間部円弧及び端部円弧の三段の円弧で構成し、中心部円弧半径Ｒ１、中間部円弧半径Ｒ２及び端部円弧の半径Ｒ３を、Ｒ１＞Ｒ２＞Ｒ３の関係、並びに、０．８５≦Ｒ２／Ｒ１≦０．９５、０．７≦Ｒ３／Ｒ１≦０．８の関係を満たすように設定したので、ギャップ間磁束分布がより正弦波に近くなり、高調波成分が小さくなるため損失が減り、モータ効率が向上する。
【００２６】
なお、上記実施の形態の説明において、例えば図１に示すように、２極３スロットの構造の永久磁石モータを例に挙げて説明したが、その他の構造の永久磁石モータに適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】この発明の実施の形態１による永久磁石モータを示す断面図である。
【図２】この発明の実施の形態１において、中心部円弧半径Ｒ１が４３ｍｍと４５ｍｍの場合で、端部円弧半径Ｒ２を最適化した場合の高調波鉄損を示す図である。
【図３】この発明の実施の形態１において、中心部円弧半径Ｒ１を４３ｍｍとした場合で、端部円弧半径Ｒ２を変えた場合の高調波鉄損を示す比較図である。
【図４】この発明の実施の形態１において、高調波鉄損が低減できる中心部円弧半径Ｒ１と端部円弧半径Ｒ２の最適の関係を示す図である。
【図５】この発明の実施の形態２による永久磁石モータのロータの一部分を示す断面図である。
【図６】この発明の実施の形態２において、磁石上磁性体の外周形状を最適化した場合について、ｋ＝磁石上磁性体間距離／磁石ピッチをパラメータとしてギャップ間磁束の１／４周期分の波形を示す図である。
【図７】この発明の実施の形態２において、各パラメータｋ（＝磁石上磁性体間距離／磁石ピッチ）の周波数成分を示す図である。
【図８】この発明の実施の形態３による永久磁石モータのロータの一部分を示す断面図である。
【図９】この発明において、一段円弧、二段円弧、三段円弧で最適化した場合の高調波鉄損の比較を示す図である。
【図１０】この発明の実施の形態３において、三段円弧（中心部側から順にＲ１、Ｒ２、Ｒ３）で、Ｒ１＞Ｒ２＞Ｒ３の場合、Ｒ１＜Ｒ２＜Ｒ３の場合、Ｒ１＜Ｒ２＞Ｒ３の場合、Ｒ１＞Ｒ２＜Ｒ３の場合の高調波鉄損を示す図である。
【図１１】この発明の実施の形態３において、高調波鉄損が低減できる中心部円弧半径Ｒ１、中間部円弧半径Ｒ２、端部円弧半径Ｒ３の最適の関係を示す図である。
【符号の説明】
【００２８】
１００  回転軸、１０１  ロータコア、１０２  永久磁石、１０３  ステータ、
１０４，８０４  磁石上磁性体、１０５  コイル、１０６  ティース、
１０７，８０７  中心部円弧、８０８  中間部円弧、１０８，８０９  端部円弧。
【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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【図１０】
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【図１１】
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