(57)【要約】【課題】生産性及び平均トルクを悪化させることなく、トルク脈動を低減する永久磁石モータの回転子を提供する。【解決手段】極数に相当する数の、回転軸と平行な方向に貫通する永久磁石挿入穴片２２ａが配設され、各永久磁石挿入穴片２２ａの間にある各磁極の円周面に、ｄ軸と回転軸中心とを通る仮想平面ｆを対称面としたときに非対称な配置となる複数の溝２２ｂ，２２ｃ，２２ｄが設けられた第１回転子コア２２と、第１回転子コア２２を軸方向に表裏反転した形状であり、互いの永久磁石挿入穴片２２ａ，２３ａが、円周方向においてそれぞれ同じ位置にあり、回転軸と平行な方向に連通することで、永久磁石挿入穴２４をそれぞれ形成するように、第１回転子コア２２に対して積み重ねられた第２回転子コア２３と、各永久磁石挿入穴２４にそれぞれ配設された永久磁石１４とを備えることで、トルク脈動を低減する永久磁石モータの回転子を提供することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円周方向に磁化された永久磁石が円周面に沿ってスポーク配置された、永久磁石モータの回転子であって、
少なくとも極数に相当する数の、回転軸と平行な方向に貫通する永久磁石挿入穴片が配設され、各前記永久磁石挿入穴片の間にある各磁極の円周面に、ｄ軸と回転軸中心とを通る仮想平面を対称面としたときに非対称な配置となる溝が設けられた第１回転子コアと、
前記第１回転子コアを軸方向に表裏反転した形状であり、互いの各前記永久磁石挿入穴片が、円周方向においてそれぞれ同じ位置にあり、前記回転軸と平行な方向に連通することで、前記永久磁石を埋め込むことが可能な永久磁石挿入穴をそれぞれ形成するように、前記第１回転子コアに対して積み重ねられた第２回転子コアと、
各前記永久磁石挿入穴にそれぞれ配設される前記永久磁石と
を備える
ことを特徴とする永久磁石モータの回転子。
【請求項２】
前記溝は、各前記磁極に対し、前記仮想平面から円周方向片側のみに１つ以上配設されるもの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の回転子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、永久磁石モータの回転子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、小型・高出力モータの代表格として、永久磁石形同期回転電機（永久磁石モータ）の中でも、特に、埋込磁石式の永久磁石形同期回転電機（以下、ＩＰＭモータ）が広く知られている。このＩＰＭモータは、回転子において、リラクタンストルクとマグネットトルクとを発生させる磁束を磁極に通すために、主として希土類磁石による永久磁石が挿入される。
【０００３】
図４は、従来のＩＰＭモータを説明する概略図であり、図４（ａ）は、従来のＩＰＭモータに備わる回転子の斜視図を、図４（ｂ）は、従来のＩＰＭモータの正面図を、それぞれ表している。なお、図４（ａ）（ｂ）では、一例として極数が８つである８極ＩＰＭモータを表しており、当該図中のＮ，Ｓは、それぞれ永久磁石のＮ極、Ｓ極を表している。また、当該図中に示すように、一般的に、ｄ軸は、それぞれの永久磁石１４同士の間にある回転子コア１１の磁極の円周方向の中心を通っており、ｑ軸は、ｄ軸に電気角で直交する軸となり、図４（ｂ）では永久磁石と回転子コアのそれぞれが円周方向に等間隔に配置されている。
【０００４】
図４（ａ）（ｂ）に示すように、従来のＩＰＭモータは、固定子コア１０、回転子１１及びシャフト１２を備える。
【０００５】
上記固定子コア１０は、回転子１１の外周に、回転子１１に対して所定のギャップを有して配設される。また、固定子コア１０には固定子巻線（図示略）が配設される。
【０００６】
上記回転子１１は、回転子コア１３及び永久磁石１４を備え、シャフト１２を回転軸として回転可能となっている。
【０００７】
上記回転子コア１３は中空円盤形の薄板を軸方向に積層したものであり、極数に相当する数（ここでは８つ）の、矩形の穴である永久磁石挿入穴１３ａが配設されている。
【０００８】
上記永久磁石１４は、回転子コア１３の円周方向に磁化され、永久磁石挿入穴１３ａのそれぞれに挿入される矩形の磁石である。
【０００９】
すなわち、従来の回転子１１は、回転子コア１３の円周面に沿って、少なくとも極数に相当する数の永久磁石挿入穴１３ａが配設され、各永久磁石挿入穴１３ａに、それぞれ回転子コア１３の円周方向に磁化された永久磁石１４を挿入したものである。
【００１０】
なお、回転子コア１３の円周方向に磁化された永久磁石１４が、回転子コア１３の円周面と回転軸中心とを結ぶ仮想直線上で放射状に配設される永久磁石挿入穴１３ａに挿入した配置構造のことを、スポーク配置という。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特許４４４９０３５号公報
【特許文献２】特開２０１１−８３１８８号公報
【特許文献３】特開２００４−１７３４９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上述の図４（ａ）（ｂ）に示すような、永久磁石１４をスポーク配置した回転子１１では、隣接する永久磁石１４間のギャップの磁束密度が台形波となることから、高調波を多く含み、種々の永久磁石モータの中でもトルク脈動（ｐｅａｋ ｔｏ ｐｅａｋ）が比較的大きいという課題がある。そして、このトルク脈動は、永久磁石モータの運転時における騒音や振動の原因となる。
【００１３】
そこで、トルク脈動やコギングトルクを低減するために、固定子コア１０又は回転子コア１３にスキューを施す対策が、一般的に採用されている。
【００１４】
しかしながら、上述の対策では、トルク脈動を低減するのと同時に、平均トルクを下げてしまう。さらに、固定子コア１０にスキューを施した場合には、固定子巻線の挿入の自動化が困難となり、回転子コア１３にスキューを施した場合には、永久磁石１４の挿入が困難、又は、組み立て工程が増えるといった問題が生じる。
【００１５】
そのため、上記特許文献１〜３には、スキューを施さずにトルク脈動を低減する方法が提案されている。
【００１６】
上記特許文献１には、径方向に磁化された永久磁石を極数に相当する数だけ回転子コア表面付近に配置する回転子において、回転子コアの表面に、１極あたり対称となる円弧又は複数の溝を設け、トルク脈動を低減する方法が提案されている。しかしながら、当該方法には、トルク脈動が大きな永久磁石をスポーク配置した回転子については記載されておらず、永久磁石をスポーク配置した回転子に適用すると、回転子コアの円弧又は複数の溝により、ｑ軸の磁束が減少し、回転子コアに働くリラクタンストルクが大幅に減少してしまう課題がある。
【００１７】
上記特許文献２では、上記特許文献１と略同等の回転子において、永久磁石の磁極の外側に、１極あたり非対称な配置となる溝を設け、回転子コアのみを反転させて軸方向に複数積み重ねることで、トルク脈動を低減する方法が記載されている。しかしながら、特許文献１と同様に、永久磁石をスポーク配置した回転子については記載されておらず、永久磁石の磁極の円周方向外側に溝を設ける必要があるため、トルク脈動が大きな永久磁石をスポーク配置した回転子には適用できない。
【００１８】
上記特許文献３では、永久磁石をスポーク配置した回転子において、回転子コアの磁石挿入スロットの外周近傍に、スロット幅を拡大した領域を有することで、コギングトルクを排除又は低減する方法が記載されている。しかしながら、固定子巻線に電流を流したときのトルク脈動については記載されておらず、スロット幅を拡大しすぎると、特許文献１と同様に、ｑ軸の磁束が減少し、回転子コアに働くリラクタンストルクが大幅に減少してしまう課題がある。
【００１９】
そこで本発明は、生産性及び平均トルクを悪化させることなく、トルク脈動を効果的に低減する永久磁石モータの回転子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記課題を解決する第１の発明に係る永久磁石モータの回転子は、
円周方向に磁化された永久磁石が円周面に沿ってスポーク配置された、永久磁石モータの回転子であって、
少なくとも極数に相当する数の、回転軸と平行な方向に貫通する永久磁石挿入穴片が配設され、各前記永久磁石挿入穴片の間にある各磁極の円周面に、ｄ軸と回転軸中心とを通る仮想平面を対称面としたときに非対称な配置となる溝が設けられた第１回転子コアと、
前記第１回転子コアを軸方向に表裏反転した形状であり、互いの各前記永久磁石挿入穴片が、円周方向においてそれぞれ同じ位置にあり、前記回転軸と平行な方向に連通することで、前記永久磁石を埋め込むことが可能な永久磁石挿入穴をそれぞれ形成するように、前記第１回転子コアに対して積み重ねられた第２回転子コアと、
各前記永久磁石挿入穴にそれぞれ配設された前記永久磁石と
を備える
ことを特徴とする。
【００２１】
上記課題を解決する第２の発明に係る永久磁石モータの回転子は、
上記第１の発明に係る永久磁石モータの回転子において、
前記溝は、各前記磁極に対し、前記仮想平面から円周方向片側のみに１つ以上配設されるものであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
上記第１の発明に係る永久磁石モータの回転子によれば、少なくとも極数に相当する数の、回転軸と平行な方向に貫通する永久磁石挿入穴片が配設され、各永久磁石挿入穴片の間にある各磁極の円周面に、ｄ軸と回転軸中心とを通る仮想平面を対称面としたときに非対称な配置となる溝が設けられた第１回転子コアと、第１回転子コアを軸方向に表裏反転した形状であり、互いの各永久磁石挿入穴片が、円周方向においてそれぞれ同じ位置にあり、回転軸と平行な方向に連通することで、永久磁石挿入穴をそれぞれ形成するように、第１回転子コアに対して積み重ねられた第２回転子コアと、各永久磁石挿入穴にそれぞれ配設された永久磁石とを備えるので、生産性や平均トルクを悪化させることなく、トルク脈動を効果的に低減することができる。
【００２３】
上記第２の発明に係る永久磁石モータの回転子によれば、上述の溝が、各磁極に対し、上述の仮想平面から円周方向片側のみに１つ以上配設されるので、さらに、生産性や平均トルクを悪化させることなく、トルク脈動を効果的に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施例１におけるＩＰＭモータの回転子を説明する概略図である。（ａ）は、本発明の実施例１におけるＩＰＭモータの回転子の斜視図を、（ｂ）は、第１回転子コアの一部の正面図を、（ｃ）は、第２回転子コアの一部の正面図を、それぞれ表している。
【図２】有限要素法による磁界解析を用いて算出した、本発明の実施例１におけるＩＰＭモータの回転子と従来のＩＰＭモータの回転子の、電気角０ｄｅｇ．〜３６０ｄｅｇ．におけるトルクの波形を示すグラフである。
【図３】本発明の実施例１におけるＩＰＭモータの回転子と従来のＩＰＭモータの回転子の、電気角０ｄｅｇ．〜３６０ｄｅｇ．における平均トルクとトルク振幅のｐｅａｋ ｔｏ ｐｅａｋを示すグラフである。
【図４】従来のＩＰＭモータの一例を説明する概略図である。（ａ）は、従来のＩＰＭモータの回転子の斜視図を、（ｂ）は、従来のＩＰＭモータの正面図を、それぞれ表している。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明に係る永久磁石モータの回転子を、実施例により図面を用いて説明する。
【００２６】
［実施例１］
図１は、本実施例におけるＩＰＭモータの回転子を説明する概略図であり、図１（ａ）は、本実施例におけるＩＰＭモータの回転子の斜視図を、図１（ｂ）は、第１回転子コアの一部を拡大した正面図を、図１（ｃ）は、第２回転子コアの一部を拡大した正面図を、それぞれ表している。なお、当該図では、一例として極数が８つである８極ＩＰＭモータを表しており、当該図中のＮ，Ｓは、それぞれ永久磁石のＮ極、Ｓ極を表している。
【００２７】
図１（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように、本実施例における回転子２１は、第１回転子コア２２、第２回転子コア２３及び永久磁石１４を備える。以下、既に説明した従来のＩＰＭモータと同様の構成部分についての説明は一部省略する。
【００２８】
上記第１回転子コア２２は、図１（ａ）（ｂ）に示すように、中空円盤形の薄板を、従来の回転子コアの半分程度の厚みとなるように、軸方向に積層したものであり、永久磁石１４をスポーク配置するため、極数に相当する数（ここでは８つ）の、回転軸と平行な方向に貫通する矩形の穴である永久磁石挿入穴片２２ａが配設される。
【００２９】
また、第１回転子コア２２は、円周面において、各永久磁石挿入穴片２２ａの間の各磁極に、非対称な配置となる複数の溝が配設されている。ここでの「非対称」とは、ｄ軸と回転軸中心とを通る仮想平面ｆを対称面としたときに非対称、ということである。さらに、この溝は、各磁極に対し、仮想平面ｆから円周方向片側のみに１つ以上配設されることが望ましい。
【００３０】
一例として、図１（ａ）（ｂ）では、１極あたり、第１溝２２ｂ、第２溝２２ｃ及び第３溝２２ｄの３つが配設された状態が示されている。そして、ｄ軸を電気角０ｄｅｇ．としたとき、電気角２５ｄｅｇ．〜７０ｄｅｇ．（８極ＩＰＭモータの場合は、機械角６．２５ｄｅｇ．〜１７．５ｄｅｇ．）の範囲に３つの溝２２ｂ，２２ｃ，２２ｄを設けている。
【００３１】
上記第２回転子コア２３は、第１回転子コア２２を反転した形状である。すなわち、図１（ａ）（ｃ）に示す第２回転子コア２３の永久磁石挿入穴片２３ａは、図１（ａ）（ｃ）に示す第１回転子コア２２の永久磁石挿入穴片２２ａに相当し、同様に、第２回転子コア２３の第１溝２３ｂは、第１回転子コア２２の第１溝２２ｂに相当し、第２回転子コア２３の第２溝２３ｃは、第１回転子コア２２の第２溝２２ｃに相当し、第２回転子コア２３の第３溝２３ｄは、第１回転子コア２２の第３溝２２ｄに相当する。
【００３２】
さらに、第２回転子コア２３は、第１回転子コア２２に対して、互いの各永久磁石挿入穴片２２ａ，２３ａが、円周方向においてそれぞれ同じ位置にあり、回転軸と平行な方向に連通することで、永久磁石挿入穴２４をそれぞれ形成するように、積み重ねられる。
【００３３】
上記永久磁石１４は、回転子２１の円周方向に磁化され、各永久磁石挿入穴２４にそれぞれ配設される。
【００３４】
トルク脈動は、固定子巻線に流す電流、及び、回転子２１と固定子コア１０のスロットの位置関係による回転子と固定子とのギャップ間の磁束により変化する。そして、回転子２１の表面に溝（上述の溝２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ、あるいは、溝２３ｂ，２３ｃ，２３ｄ）を設けることで、回転子と固定子とのギャップ間の距離を変えることと同等の効果が得られる。このギャップ間の距離を拡大することは、磁気的に見た場合非常に大きな抵抗である。よって、溝の位置や数を適切に選ぶことで、ギャップ間の磁気抵抗を所期の値に設定しトルク脈動の位相を任意に変更することが可能である。
【００３５】
また、上述において、溝（上述の溝２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ、あるいは、溝２３ｂ，２３ｃ，２３ｄ）は、それぞれの磁極に対し、仮想平面ｆから円周方向片側の部分のみに１つ以上配設されることが望ましいと説明したが、これは、上述のように配設することで、ｑ軸の磁束が通る磁路の磁気抵抗の（溝の配設による）増大を防ぐことができ、リラクタンストルクの減少を抑えることができるためである。これにより、リラクタンストルクの減少を略半分に抑えることができ、平均トルクの減少を抑えることができる。
【００３６】
本実施例では、回転子２１全体のトルクが、第１回転子コア２２のトルクと第２回転子コア２３のトルクとを合算した値となる。上述のように、仮想平面ｆから円周方向片側のみに複数の溝を配設した第１回転子コア２２と、同構造を反転させた第２回転子コア２３とを積み重ねることで、リラクタンストルクの減少を略半分に抑えることができ、平均トルクの減少を抑えることができる。
【００３７】
また、本実施例では、上述のように、第１回転子コア２２において、ｄ軸を電気角０ｄｅｇ．としたとき、電気角２５ｄｅｇ．〜７０ｄｅｇ．（８極ＩＰＭモータの場合は、機械角６．２５ｄｅｇ．〜１７．５ｄｅｇ．）の範囲に３つの溝２２ｂ，２２ｃ，２２ｄを設け、第２回転子コア２３は、第１回転子コア２２とを反転させたものとすることで、第１回転子コア２２と第２回転子コア２３に働くトルク脈動の波形の位相を略１８０ｄｅｇ．反転させることができ、トルク脈動を第１回転子コア２２と第２回転子コア２３で打ち消して、回転子全体のトルク脈動を大幅に低減することを可能とする。
【００３８】
本実施例では、平均トルクは落とさずに、第１回転子コア２２と第２回転子コア２３のトルク脈動の位相が略１８０ｄｅｇ．反転するように、電気角２５ｄｅｇ．〜７０ｄｅｇ．の範囲に３つの溝を設けたが、ＩＰＭモータの大きさや極数、永久磁石の磁気特性に合わせて、溝の位置や数を適切に選ぶ必要がある。
【００３９】
図２は、有限要素法による磁界解析を用いて算出した、本実施例における回転子と従来の回転子の、電気角０ｄｅｇ．〜３６０ｄｅｇ．におけるトルクの波形を示すグラフであり、横軸を電気角、縦軸をトルク（ｐｕ単位系）としている。また、図３は、本実施例における回転子２１と従来の回転子１１の、電気角０ｄｅｇ．〜３６０ｄｅｇ．における平均トルク及びトルク振幅のｐｅａｋ ｔｏ ｐｅａｋを示すグラフであり、縦軸を平均トルクとトルク振幅のｐｅａｋ ｔｏ ｐｅａｋの値（共にｐｕ単位系）としている。
【００４０】
図２に示すように、従来の回転子１１（図４参照）ではトルク脈動が顕著に表れている。対して、本実施例における回転子２１（図１参照）は、第１回転子コア２２と第２回転子コア２３に働くトルクの波形の位相が、略１８０ｄｅｇ．反転しており、２つのトルクを合算した回転子全体のトルクとしては、トルク脈動が抑えられる。
【００４１】
図２の結果から、図３に示すように、従来の回転子１１のトルク脈動（ｐｅａｋ ｔｏ ｐｅａｋ）が０．３７であるのに対し、本実施例における回転子２１のトルク脈動（ｐｅａｋ ｔｏ ｐｅａｋ）は０．０８であり、７８．５％の低減を実現可能であることがわかる。一方、従来の回転子１１の平均トルクは１．００であるのに対し、本実施例における回転子２１の平均トルクは０．９９であり、僅か１％の減少に留まっている。よって、本実施例における回転子２１は、従来の回転子１１と総合的に比較して、永久磁石をスポーク配置としながら平均トルクの減少を抑制しつつトルク脈動のみを低減できるので高性能であるといえる。
【００４２】
また、本実施例における回転子２１を、従来の回転子１１の固定子コア１０にスキューを施した場合と比較しても、平均トルクの減少は小さく、固定子巻線の自動挿入化が容易という利点がある。
【００４３】
さらに、本実施例における回転子２１を、従来の回転子１１の回転子コア１０にスキューを施した場合と比較しても、平均トルクの減少は小さく、永久磁石１４を挿入する永久磁石挿入穴２４（永久磁石挿入穴片２２ａ，２３ａ）が全て軸方向を向いているため、永久磁石１４の挿入が容易という利点がある。
【００４４】
また、本実施例では、第１回転子コア２２と第２回転子コア２３が、同一構造であるため、第１回転子コア２２と第２回転子コア２３を打ち抜き加工するための金型が、１種類のみで良く、生産性が良い。
【００４５】
なお、上述では、第１回転子コア２２と第２回転子コア２３を１組で構成した回転子で説明したが、第１回転子コア２２と第２回転子コア２３を交互に複数組で構成した回転子の場合も同様の効果を得ることができる。
【００４６】
以上、本発明の実施例１に係る回転子について説明したが、換言すれば本発明の実施例１に係る回転子は、円周方向に磁化された永久磁石１４が円周面に沿ってスポーク配置された、永久磁石モータの回転子であって、少なくとも極数に相当する数の、回転軸と平行な方向に貫通する永久磁石挿入穴片２２ａが配設され、各永久磁石挿入穴片２２ａの間にある各磁極の円周面に、ｄ軸と回転軸中心とを通る仮想平面ｆを対称面としたときに非対称な配置となる溝２２ｂ，２２ｃ，２２ｄが設けられた第１回転子コア２２と、第１回転子コア２２を軸方向に表裏反転した形状であり、互いの永久磁石挿入穴片２２ａ，２３ａが、円周方向においてそれぞれ同じ位置にあり、回転軸と平行な方向に連通することで、永久磁石１４を埋め込むことが可能な永久磁石挿入穴２４をそれぞれ形成するように、第１回転子コア２２に対して積み重ねられた第２回転子コア２３と、各永久磁石挿入穴２４にそれぞれ配設された永久磁石１４とを備えるものである。
【００４７】
これにより、本発明の実施例１に係る回転子は、トルク脈動が大きな永久磁石がスポーク配置された永久磁石モータの回転子であるが、生産性及び平均トルクを悪化させることなく、トルク脈動を効果的に低減することができる。
【００４８】
また、本発明の実施例１に係る回転子は、溝（上述の溝２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ、あるいは、溝２３ｂ，２３ｃ，２３ｄ）が、各磁極に対し、仮想平面ｆから円周方向片側のみに１つ以上配設されるものとしてもよい。
【００４９】
これにより、本発明の実施例１に係る回転子は、トルク脈動が大きな永久磁石がスポーク配置された永久磁石モータの回転子であるが、さらに、生産性及び平均トルクを悪化させることなく、トルク脈動を効果的に低減することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明は、永久磁石モータの回転子として好適である。
【符号の説明】
【００５１】
１０  固定子コア
１１  （従来の）回転子
１２  シャフト
１３  （従来の）回転子コア
１３ａ  （従来の）永久磁石挿入穴
１４  永久磁石
２１  （本発明の実施例１に係る永久磁石モータの）回転子
２２  第１回転子コア
２２ａ  （第１回転子コアの）永久磁石挿入穴片
２２ｂ  （第１回転子コアの）第１溝
２２ｃ  （第１回転子コアの）第２溝
２２ｄ  （第１回転子コアの）第３溝
２３  第２回転子コア
２３ａ  第２回転子コアの永久磁石挿入穴片
２３ｂ  （第２回転子コアの）第１溝
２３ｃ  （第２回転子コアの）第２溝
２３ｄ  （第２回転子コアの）第３溝
２４  永久磁石挿入穴
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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