(57)【要約】【課題】コギングトルクリップルを低減することができる同期電動機の回転子を提供する。【解決手段】同期電動機の回転子１は、珪素鋼板を積層して形成されており、磁石挿入孔ＭＳとスリット７との各々を複数有する回転子コア８と、磁石挿入孔ＭＳに挿入され、磁極の向きが径方向である永久磁石３と、を備え、磁石挿入孔ＭＳの外径側であり永久磁石３の辺に沿った方向に間隔をあけてスリット７が形成され、それらの間に磁路Ｚ１〜Ｚ５が形成されている。隣接する磁路の磁束変化を小さくするように、複数の所定磁路Ｚ２，Ｚ３，Ｚ４の永久磁石３を跨いだ反対側に軸方向にあいた孔である空隙部ＡＳが設けられてそれらの磁路の磁気抵抗が調整されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
珪素鋼板を積層して形成されており、磁石挿入孔とスリットとの各々を複数有する回転子コアと、
前記磁石挿入孔に挿入され、磁極の向きが径方向である永久磁石と、を備え、
前記磁石挿入孔の外径側であり前記永久磁石の辺に沿った方向に間隔をあけて前記スリットが形成され、それらの間に磁路が形成された同期電動機の回転子であって、
隣接する前記磁路の磁束変化を小さくするように、１つ又は複数の所定磁路の前記永久磁石を跨いだ反対側に軸方向にあいた孔である空隙部が設けられて当該磁路の磁気抵抗が調整されている、
ことを特徴とする同期電動機の回転子。
【請求項２】
請求項１に記載の同期電動機の回転子であって、
前記空隙部は、前記各磁路を通過する磁束が同じとなるように、１つ又は複数の所定磁路の前記永久磁石を跨いだ反対側に設けられている、
ことを特徴とする同期電動機の回転子。
【請求項３】
請求項１に記載の同期電動機の回転子であって、
前記空隙部は、複数の前記磁路の磁束分布が前記永久磁石の中心の磁路を最大値として正弦波状に変化するように、１つ又は複数の所定磁路の前記永久磁石を跨いだ反対側に設けられている、
ことを特徴とする同期電動機の回転子。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載の同期電動機の回転子であって、
前記空隙部は、前記磁石挿入孔を拡張することで形成されており、前記磁石挿入孔の一部となっている、
ことを特徴とする同期電動機の回転子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転子内に永久磁石が内挿されたＩＰＭ型同期電動機の回転子に関する。
【背景技術】
【０００２】
電動機の回転子の構造には様々なものがある。以下では、その中で内部に複数の磁石挿入孔が配置され、磁石挿入孔に永久磁石が内挿されているＩＰＭ型同期電動機の回転子について説明する。
【０００３】
図２は、従来のＩＰＭ型同期電動機における回転子の一例の断面を示す図である。図２に示すように、回転子１は、複数の珪素鋼板を積層して形成されており、磁石挿入孔ＭＳとスリット７との各々を複数有する回転子コア８と、磁石挿入孔ＭＳに挿入された永久磁石３とを備えている。永久磁石３の極は回転子１の中心から外径の方向へ内向きまたは外向きを向いている。すなわち、永久磁石３の磁極の向きは径方向である。
【０００４】
また、図２で示すように、スリット７は、永久磁石３から発生した磁束の方向と平行であり、このスリット７と永久磁石３から発せられる磁束によって、回転子１にＮ極またはＳ極の磁極が形成される。スリット７は、磁石挿入孔ＭＳの外径側であり永久磁石３の辺に沿った方向に間隔をあけて形成されており、スリット７の間に磁路が形成されている。
【０００５】
回転子１の外側には固定子が存在する。図３は、回転子１及び固定子２の一部を拡大した図である。図３において、固定子２には巻線を挿入するスロット５と、磁束が通過するティース６が存在する。固定子２と回転子１との間の空気層をエアギャップＡＧと呼ぶ。公知の通り、回転子１の磁極の位置にしたがって、スロット５内に巻回された巻線に電流を通電することによってフレミングの左手の法則により回転子１にトルクが発生するのであるが、巻線に電流を通電すると、右ネジの法則により巻線を中心として同心円状に磁束が発生する。この磁束は永久磁石３の磁束方向と直交しており、回転子１のトルク発生の妨げとなるため、回転子１内には永久磁石３の磁束方向と平行、すなわちトルクを発生させる電流による磁束の方向と直行する方向にスリット７が設けられている。
【０００６】
スロット５内の巻線に電流が通電されていない場合に、電動機の軸等に外力等を加えて回転子１を一定速度で回転させた場合、回転子１に発生するトルクには、脈動が現れる。これをコギングトルクリップルと呼ぶが、コギングトルクリップルが発生する原因は、回転子１と固定子２の間に発生する磁気吸引力の変化によって起こることが知られている。ここでの磁気吸引力は、回転子１からエアギャップＡＧを乗り越えて固定子２に入って行く磁束の本数に比例してその大小が決まる。すなわち、磁束の本数が多い部分では大きい磁気吸引力が発生し、磁束の本数が少ない部分では小さい磁気吸引力しか発生しないということになる。
【０００７】
コギングトルクリップルが発生するのは、回転子１の位置によって磁気吸引力が変化しているからであるが、永久磁石３から発生する磁束の本数は常に一定のはずである。磁気吸引力が変化するということは、前述の通り回転子１からエアギャップＡＧを乗り越えて固定子２に入って行く磁束の本数が変化していることになる。永久磁石３から発せられる磁束が一定にも関わらず、固定子２に入って行く磁束の本数が変化するのは、回転子１と固定子２の間の磁気抵抗が変化するからである。磁気抵抗は、エアギャップＡＧの距離や、磁路の長さ、太さ等さまざまな要素から決定されるものであり、固定子２の構造がティース部とオープニング部が交互にやってくる離散的な構造をしている限り、回転子１の位置によって固定子２との間の磁気抵抗が変化することは免れられない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−１４３３３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
図３に示されるような回転子構造で固定子２の巻線に電流を通電しない場合、永久磁石３から発生した磁束は図３中の矢印のような方向に進んで行く。すなわち、図３に示されるように永久磁石３のＮ極が径方向外側を向いている場合、永久磁石３の中心付近では、スリット７を避けつつ真っ直ぐ固定子２に向かって進んで行くが、永久磁石３の両端付近では固定子２に向かって真っ直ぐ進んで行く磁束のほかに、一部は図中φｒで示されるように永久磁石３が入っている磁石挿入孔ＭＳの横を回りこんで永久磁石のＳ極へ入って行く。
【００１０】
図３に示すようにスリット７がＳ１〜Ｓ４までの４本存在する場合の各スリットＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４間および端のスリットＳ１，Ｓ４の外側の磁路をそれぞれＺ１〜Ｚ５と呼ぶことにする。この場合、中央の磁路である磁路Ｚ３には、永久磁石３の中央付近から出た磁束が直接入ってくるものとスリットＳ２，Ｓ３を避けたものとが通過する。また、中央のひとつ隣の磁路Ｚ２では、永久磁石３から出た磁束が直接入ってくるものとスリットＳ１，Ｓ２を避けたものとが通過する。磁路Ｚ４でも同様である。一番端にある磁路Ｚ１では永久磁石３から出た磁束が直接入ってくるものと、スリットＳ１を避けたものとが通過するが、前述の通り磁束の一部が、永久磁石３が入っている磁石挿入孔ＭＳの横を回りこんでＳ極に入って行く。磁路Ｚ５でも同様である。
【００１１】
以上のように永久磁石３から出た磁束が回転子１内を通ってエアギャップＡＧを乗り越えて固定子２に入って行くが、この際、各磁路Ｚ１〜Ｚ５における磁束密度はそれぞれ異なっている。すなわち、磁路Ｚ２、磁路Ｚ３、磁路Ｚ４では永久磁石３から出た磁束が直接もしくはスリット７を避けて通過するが、磁路Ｚ１と磁路Ｚ５では前述の通り一部が回りこんでしまうため、磁路Ｚ２、磁路Ｚ３、磁路Ｚ４に比べると磁束密度は低くなる。また、磁路Ｚ２、磁路Ｚ３、磁路Ｚ４の中でも磁路Ｚ３の磁束密度は、磁路Ｚ２、磁路Ｚ４に比べると若干低くなる。これは、永久磁石３を着磁した際に、両端に比べて中央付近は磁束密度が低くなるためである。以上により、磁路における磁束密度は中央のひとつ隣である磁路Ｚ２及び磁路Ｚ４が最も高く、次に高いのが磁路Ｚ３、最も磁束密度が低いのが磁路Ｚ１と磁路Ｚ５ということになる。
【００１２】
磁路によって磁束密度が異なるということは、回転子１の外形部分でエアギャップＡＧを乗り越えて固定子２に入って行く磁束の本数が場所によって異なるということになり、これは前述の通り磁気吸引力のバラつきにつながるため、コギングトルクリップルの原因になる。特に、上述したような、隣接する磁路Ｚ１及び磁路Ｚ２（磁路Ｚ４及び磁路Ｚ５も同様）において磁束変化が大きい（磁束密度の差が大きい）場合には、コギングトルクリップルが大きくなり得る。
【００１３】
そこで、本発明の目的は、コギングトルクリップルを低減することができるＩＰＭ型同期電動機の回転子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明に係る同期電動機の回転子は、上記の目的を達成するために以下の手段を採った。
【００１５】
本発明に係る同期電動機の回転子は、珪素鋼板を積層して形成されており、磁石挿入孔とスリットとの各々を複数有する回転子コアと、前記磁石挿入孔に挿入され、磁極の向きが径方向である永久磁石と、を備え、前記磁石挿入孔の外径側であり前記永久磁石の辺に沿った方向に間隔をあけて前記スリットが形成され、それらの間に磁路が形成された同期電動機の回転子であって、隣接する前記磁路の磁束変化を小さくするように、１つ又は複数の所定磁路の前記永久磁石を跨いだ反対側に軸方向にあいた孔である空隙部が設けられて当該磁路の磁気抵抗が調整されている、ことを要旨とする。
【００１６】
本発明の一態様では、前記空隙部は、前記各磁路を通過する磁束が同じとなるように、１つ又は複数の所定磁路の前記永久磁石を跨いだ反対側に設けられている、ことが好適である。
【００１７】
本発明の一態様では、前記空隙部は、複数の前記磁路の磁束分布が前記永久磁石の中心の磁路を最大値として正弦波状に変化するように、１つ又は複数の所定磁路の前記永久磁石を跨いだ反対側に設けられている、ことが好適である。
【００１８】
本発明の一態様では、前記空隙部は、前記磁石挿入孔を拡張することで形成されており、前記磁石挿入孔の一部となっている、ことが好適である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、隣接する磁路の磁束変化を小さくするように、１つ又は複数の所定磁路の永久磁石を跨いだ反対側に空隙部が設けられてその（それらの）磁路の磁気抵抗が調整されているため、コギングトルクリップルを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態における回転子及び固定子の一部の例を示す図である。
【図２】従来技術における回転子の例を示す図である。
【図３】従来技術における回転子及び固定子の一部の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１は、本発明の実施形態における回転子１及び固定子２の一部の例を示す図である。図１における回転子１を構成する部分のうち、背景技術において示した図２，３と同一の要素については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００２２】
図１において、永久磁石３が入っている磁石挿入孔ＭＳの内径側に、所定の幅ＷＡと長さＬＡを有する空隙部ＡＳを設ける。この空隙部ＡＳは、永久磁石３に対して所定の磁路の反対側に存在する。空隙部といっても、永久磁石３を挿入する磁石挿入孔ＭＳに段が付いているだけであり、永久磁石３を挿入すると永久磁石３と回転子コア８の間に空隙部ＡＳが存在する形になるものである。すなわち、空隙部ＡＳは、所定磁路の永久磁石３を跨いだ反対側に軸方向にあいた孔であり、磁石挿入孔ＭＳを内径側に拡張することで形成されている。よって、空隙部ＡＳは、磁石挿入孔ＭＳの一部であると言うこともできる。空隙部ＡＳの幅ＷＡは、図１では磁路の幅と同じになっており、長さＬＡは幅ＷＡに比べると小さくなっている。なお、上記のように、本実施形態では、空隙部ＡＳは、磁石挿入孔ＭＳの内径側に段差を設けて構成されているが、空隙部ＡＳは、磁石挿入孔ＭＳから内径側に少しだけ離れた位置に別の孔として設けられてもよい。
【００２３】
一般的に、永久磁石３にはＮ極とＳ極があり、通常Ｎ極から出た磁束はＳ極に入るが、このうちいずれかの極の周囲で磁気抵抗が大きくなった場合、磁束の本数は減少する。例えば、Ｎ極の周囲に空気層を設けてＮ極の周囲のみ磁気抵抗が大きくなると、Ｎ極から発せられる磁束の本数は減少する。起磁力をΦｍ、磁気抵抗をＲｍ、磁束をＮｍとした場合、それらは以下（式１）の関係を有する。
【００２４】
【数１】
2019083604.tif 000003
【００２５】
上記（式１）からもわかる通り、一定の起磁力を持っている永久磁石３に対して磁気抵抗が大きくなると、磁束が減少する。これは、Ｓ極の周囲の磁気抵抗を大きくした場合も同様である。
【００２６】
図１に示されるように永久磁石３の内径側の一部に空隙部ＡＳを設けた場合、空隙部ＡＳがある側とは反対側の極から発せられる磁束は減少する。永久磁石３は一定の幅を持っているものの、それらの幅を細かく分割していくと、多くの棒磁石が並んでいると考えることもでき、それらの棒磁石のうち一方の磁極の内径側が空隙になって磁気抵抗が上がったため、反対の磁極から発せられる磁束が減少した、と捉えることができるため、空隙部ＡＳがある側とは反対側だけは磁束が減少している。本実施形態では、図１に示す複数の磁路Ｚ１〜Ｚ５において、隣接する磁路の磁束変化を小さくするように、複数の所定磁路の永久磁石３を跨いだ反対側に空隙部ＡＳを設けて、それらの磁路の磁気抵抗を調整し、それらの磁路の磁束を調整する。
【００２７】
磁気回路の長さをＬｍ、断面積をＳｍ、該当部分の透磁率をμとした場合、磁気抵抗Ｒｍは、以下（式２）で表すことができる。
【００２８】
【数２】
2019083604.tif 000004
【００２９】
磁路Ｚ１〜Ｚ５のそれぞれの磁気抵抗Ｒｍ１〜Ｒｍ５は、上記（式２）に基づいて算出することができる。空隙部ＡＳが設けられた磁路の磁気抵抗は、空隙部ＡＳの領域の磁気抵抗ＲｍＡＳを含む。空隙部ＡＳの領域の磁気抵抗ＲｍＡＳは、上記（式２）において、磁気回路の長さＬｍとして空隙部ＡＳの長さＬＡ、断面積Ｓｍとして空隙部ＡＳの幅ＷＡと回転子コア８の積層長との積を用いることで，算出することができる。空隙部ＡＳの長さＬＡを大きくすることで、空隙部ＡＳの領域の磁気抵抗ＲｍＡＳが大きくなり、その空隙部ＡＳに対応する磁路の磁気抵抗が大きくなる。
【００３０】
磁路の磁気抵抗が分かれば、永久磁石３が持っている起磁力Φｍはもともと分かっているため、上記（式１）により、磁気抵抗Ｒｍがどれだけ増えると、磁束Ｎｍがどれだけ減少するかを求めることができる。すなわち、空隙部ＡＳの長さＬＡ及び幅ＷＡをどのような値にすれば、磁束Ｎｍがどれだけ減少するかが分かる。
【００３１】
図１に示すように、スリットＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４のそれぞれの幅をＳ１Ｗ，Ｓ２Ｗ，Ｓ３Ｗ，Ｓ４Ｗとし、磁石挿入孔ＭＳの外側のつなぎ部の幅をＴ３とする。また、磁路Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３，Ｚ４，Ｚ５の幅を、それぞれＺ１Ｗ、Ｚ２Ｗ、Ｚ３Ｗ、Ｚ４Ｗ、Ｚ５Ｗとする。この場合、磁路Ｚ１における起磁力Φｍ１は、永久磁石全体の起磁力をΦｍとし、永久磁石３の幅をＭＷとすると、以下（式３）で表すことができる。
【００３２】
【数３】
2019083604.tif 000005
【００３３】
（式３）は、永久磁石表面が均等な起磁力を持っていて、かつ磁路Ｚ１の磁路幅Ｚ１ＷとスリットＳ１の幅Ｓ１Ｗの半分が起磁力に起因し、さらに幅Ｔ３分だけ磁束が逃げて行って起磁力が減少することを表している。
【００３４】
同様に、磁路Ｚ２における起磁力Φｍ２及び磁路Ｚ３における起磁力Φｍ３は、それぞれ以下（式４），（式５）により求めることができる。
【００３５】
【数４】
2019083604.tif 000006
【００３６】
【数５】
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【００３７】
磁路Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３のそれぞれの磁気抵抗Ｒｍ１、Ｒｍ２、Ｒｍ３と、それぞれの上記した起磁力Φｍ１，Φｍ２，Φｍ３とを用いて、（式１）より、それぞれの磁束Ｎｍ１、Ｎｍ２、Ｎｍ３は以下（式６），（式７），（式８）により求めることができる。
【００３８】
【数６】
2019083604.tif 000008
【００３９】
【数７】
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【００４０】
【数８】
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【００４１】
ここで、図１に示すように、磁路Ｚ２には対応する空隙部ＡＳが設けられており、磁路Ｚ２の磁気抵抗Ｒｍ２は、空隙部ＡＳの領域の磁気抵抗Ｒｍ２ＡＳを含んで増加している。磁路Ｚ２の磁気抵抗Ｒｍ２を、空隙部ＡＳの領域の磁気抵抗Ｒｍ２ＡＳと、それ以外の磁気抵抗Ｒｍ２ｉとに分けると、（式７）は以下（式９）で表すことができる。
【００４２】
【数９】
2019083604.tif 000011
【００４３】
また、図１に示すように、磁路Ｚ３にも対応する空隙部ＡＳが設けられており、磁路Ｚ３の磁気抵抗Ｒｍ３は、空隙部ＡＳの領域の磁気抵抗Ｒｍ３ＡＳを含んで増加している。磁路Ｚ３の磁気抵抗Ｒｍ３を、空隙部ＡＳの領域の磁気抵抗Ｒｍ３ＡＳと、それ以外の磁気抵抗Ｒｍ３ｉとに分けると、（式８）は以下（式１０）で表すことができる。
【００４４】
【数１０】
2019083604.tif 000012
【００４５】
なお、磁路Ｚ４にも対応する空隙部ＡＳが設けられており、磁路Ｚ４における起磁力Φｍ４及び磁束Ｎｍ４は、上記した磁路Ｚ２における起磁力Φｍ２及び磁束Ｎｍ２と同様に求めることができる。また、磁路Ｚ５における起磁力Φｍ５及び磁束Ｎｍ５は、上記した磁路Ｚ１における起磁力Φｍ１及び磁束Ｎｍ１と同様に求めることができる。
【００４６】
コギングトルクリップルを低減するためには、隣接する磁路の磁束変化を小さくすることが要求される。そこで、本実施形態では、隣接する磁路の磁束変化が小さくなるように、さらに具体的には、各磁路を通過する磁束が同じとなるように、空隙部ＡＳを設けて磁路の磁気抵抗を調整する。すなわち、各磁路の起磁力による磁束が全て等しくなる（Ｎｍ１＝Ｎｍ２＝Ｎｍ３＝Ｎｍ４＝Ｎｍ５）ように、空隙部ＡＳを設けて磁路の磁気抵抗を調整する。そこで、上記した（式６），（式９），（式１０）に基づいて、Ｎｍ１＝Ｎｍ２＝Ｎｍ３（＝Ｎｍ４＝Ｎｍ５）を満たすように、各磁路に対応する空隙部ＡＳの長さＬＡ及び幅ＷＡを求める。
【００４７】
図１に示す例では、磁路Ｚ１，Ｚ５の磁束Ｎｍ１，Ｎｍ５を基準として、それらに磁路Ｚ２，Ｚ３、Ｚ４の磁束Ｎｍ２，Ｎｍ３，Ｎｍ４を合わせるために、磁路Ｚ２，Ｚ３、Ｚ４の永久磁石３を跨いだ反対側にそれぞれの空隙部ＡＳを設けて、それぞれの磁気抵抗Ｒｍ２，Ｒｍ３，Ｒｍ４を調整している。また、図１に示す例では、空隙部を設けない場合に磁束が最も高くなる磁路Ｚ２，Ｚ４の空隙部ＡＳの長さＬＡを、磁路Ｚ３の空隙部ＡＳの長さＬＡよりも長くして、より磁気抵抗を高くして磁束Ｎｍ２，Ｎｍ４を低減している。
【００４８】
以上説明したように、本実施形態の同期電動機の回転子１は、各磁路を通過する磁束が同じとなるように、複数の所定磁路の永久磁石３を跨いだ反対側に空隙部ＡＳを設けて、それらの磁路の磁気抵抗が調整されている。これにより、隣接する磁路の磁束変化を小さくすることができるため、効果的にコギングトルクリップルを低減することができる。
【００４９】
以上説明した実施形態では、複数の所定磁路の永久磁石３を跨いだ反対側に空隙部ＡＳを設けたが、スリット７の数などに応じて、１つの所定磁路の永久磁石３を跨いだ反対側に空隙部ＡＳを設ける構成であってもよい。
【００５０】
以上説明した実施形態では、磁路の永久磁石３を跨いだ反対側に空隙部ＡＳを設けたが、磁路側（永久磁石３の外径側）に空隙部ＡＳを設ける構成であってもよい。但し、この場合には、空隙部ＡＳとスリット７との間（ブリッジ）の珪素鋼板の幅が細くなり、回転子１が回転した際にそこに遠心力が働いてクラック等が生じる可能性がある。よって、以上説明した実施形態のように、磁路の永久磁石３を跨いだ反対側に空隙部ＡＳを設けることがより好ましい。
【００５１】
以上説明した実施形態では、磁束が全磁路において等しくなるように空隙部ＡＳの長さＬＡ及び幅ＷＡを決定したが、隣接する磁路の磁束変化を小さくすることができれば、その他の実施形態であってもよい。例えば、（式６），（式９），（式１０）に基づいて、磁極中心付近の磁束Ｎｍ３を大きくし、磁極中心から外れた磁束Ｎｍ１とＮｍ５を小さくすることによって、磁路における磁束の分布を磁極中心を最大値として正弦波状に変化させるようにしてもよい。換言すれば、複数の磁路の磁束分布が永久磁石３の中心の磁路を最大値として正弦波状に変化するように、１つ又は複数の所定磁路の永久磁石３を跨いだ反対側に空隙部ＡＳが設けられてその（それらの）磁路の磁気抵抗が調整されてもよい。この構成であっても、複数の磁路における磁束は連続的に変化するので、隣接する磁路の磁束変化は小さくなり、コギングトルクリップルを低減することが可能である。
【００５２】
以上説明した空隙部ＡＳの配置方法はあくまで一例である。空隙部ＡＳの幅ＷＡは、空隙部ＡＳが向かい合う磁路の幅以下であれば、特に限定はない。また、空隙部ＡＳの個数についても特に限定はない。
【符号の説明】
【００５３】
１  回転子、２  固定子、３  永久磁石、４  回転軸、５  スロット、６  ティース、７，Ｓ１〜Ｓ４  スリット、８  回転子コア、ＭＳ  磁石挿入孔、ＡＳ  空隙部、Ｚ１〜Ｚ５  磁路。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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