(57)【要約】【課題】  コストの増加なしにギャップ磁束密度分布の高調波を低減し、誘起電圧に含まれる高調波を小さくすると共に、トルクリプルの小さい永久磁石形電動機を提供する。【解決手段】  移動磁界を生じるための巻線を有する電機子１と、電機子１と磁気的空隙Ｇを介して対向配置すると共に、磁性体板を積層した可動子鉄心２に隣り合うもの同士が移動方向に沿って交互に異極性になるように所定の極ピッチで配置してなる複数の永久磁石を有する界磁と、を備えた永久磁石形電動機において、該永久磁石は１極当たり複数個に分割されると共に、磁石の磁化方向が同一方向に揃って配置された分割磁石３、４、５で構成されている。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動磁界を生じるための巻線を有する電機子と、
前記電機子と磁気的空隙を介して対向配置すると共に、磁性体板を積層したコアに隣り合うもの同士が移動方向に沿って交互に異極性になるように所定の極ピッチで配置してなる複数の永久磁石を有する界磁と、
を備えた永久磁石形電動機において、
該永久磁石は１極当たり複数個に分割されると共に、磁石の磁化方向が同一方向に揃って配置された分割磁石で構成されたことを特徴とする永久磁石形電動機。
【請求項２】
前記１極当たり複数個に分割される永久磁石は、異なる残留磁束密度を有する磁石を移動方向に沿って隣り合うように配置したことを特徴とする請求項１記載の永久磁石形電動機。
【請求項３】
前記１極当たり複数個に分割される永久磁石の磁石列の間に、非磁性材または空隙を設けたことを特徴とする請求項１または２記載の永久磁石形電動機。
【請求項４】
前記永久磁石の１極当たりに分割される個数Ｐを、Ｐ＝２ｎ＋１（但し、ｎは正の整数）としたことを特徴とする請求項１または２記載の永久磁石形電動機。
【請求項５】
前記永久磁石の１極当たりに複数分割された分割磁石の中心の磁石を基準にして、該中心磁石の両端側における対象な位置に配置した磁石は、それぞれ同じ大きさの残留磁束密度を有することを特徴とする請求項４に記載の永久磁石形電動機。
【請求項６】
前記永久磁石の１極当たりに複数分割された分割磁石の中心の磁石を基準にして、該中心磁石の両端側における対象な位置に配置した磁石は、移動方向に沿ってそれぞれ同じ長さを有することを特徴とする請求項４に記載の永久磁石形電動機。
【請求項７】
前記永久磁石の１極当たりに分割される個数Ｐを、Ｐ＝２ｎ＋１、非磁性材または空隙の個数Ｓを、Ｓ＝２ｎ＋２（但し、ｎは正の整数）としたときに、前記永久磁石の１極当たりに複数分割された分割磁石の中心の磁石を基準にして、該中心磁石の両端側における対象な位置に配置した非磁性材または空隙は、移動方向に沿ってそれぞれ同じ長さを有することを特徴とする請求項３に記載の永久磁石形電動機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＦＡ機器や半導体製造装置に用いられる電動機のうち、回転形やリニアタイプのＤＣブラシレスモータ、同期モータなど、界磁に永久磁石を用いる永久磁石形電動機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＦＡ機器や半導体製造装置に用いられる電動機のうち、回転形やリニアタイプのＤＣブラシレスモータ、同期モータなど、界磁に永久磁石を用いる永久磁石形電動機が提案されている。以下、回転形の永久磁石形電動機を例にとり説明する。
図１０は、第１従来技術を示す永久磁石形電動機の回転子を示す斜視図である。
図１０において、２０は回転子、２１は回転軸、２２はコア、２３および２４は永久磁石）、２５は非磁性材である。永久磁石形電動機の界磁は、回転軸２１の外周に電磁鋼板を円板状に打ち抜いて積層したコア２２を嵌合すると共に、該コア２２の表面に隣り合うもの同士が回転方向に沿って交互に異極性になるように所定の極ピッチで配置してなる複数の永久磁石２３、２４を有した構成になっており、１個の永久磁石を用いて１極を構成している、なお、永久磁石２３、２４を備えた界磁には、移動磁界を生じるための図示しない巻線を備えた電機子が界磁と磁気的空隙を介して対向配置されている（例えば、特許文献１参照）。
ここで、図１１は第１従来技術における永久磁石とギャップ磁束密度の関係を示した模式図である。図１１において、２６は永久磁石の配置を示す図、２７は磁束密度の分布を示す図、２３は上面をＮ極とする永久磁石、２４は上面をＳ極とする永久磁石、２８は上面をＮ極とする永久磁石２３が発生したギャップ磁束密度、２９は上面をＳ極とする永久磁石２４が発生したギャップ磁束密度、３０は上面をＮ極とする永久磁石２３と上面をＳ極とする永久磁石２４の幅δである。ここでは、隣り合う永久磁石２３、２４の間には非磁性材２５を設けたものとなっている、
【０００３】
次に、第２従来技術について説明する。
図１２は、第２従来技術を示す永久磁石形電動機の正断面図である。
図１２において、３１は回転子、３２は固定子、３３は固定子鉄心、３４はスロット、３５は電機子巻線、３６は回転軸、３７は回転子鉄心、３８は永久磁石、３９は凹部、４０は磁性材である。永久磁石電動機の回転子３１は、回転軸３６に固定された回転子鉄心３７と、回転子鉄心３７の外周面に回転方向に沿って交互に異極性となるように固定された４個の永久磁石３８より構成されている、該永久磁石３８の外周面に凹部３９が設けられており、凹部３９の中に磁性材４０が固定されている。磁性材４０は、磁石３８の中心線ＯＰに対し角度θを隔てＯＱを中心線として配置されおり、１個の永久磁石を用いて１極を構成している（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
次に、第３従来技術について説明する。
図１３は第３従来技術を示す永久磁石形電動機の正断面図、図１４は第３従来技術における分割磁石の磁束線を示す断面図である。
図１３において、４１は永久磁石、４２は電機子、４３は回転軸であり、扇形の永久磁石４１が１極を構成し、各々の隣り合う永久磁石４１は隙間Ｓを隔て回転軸４３の外周表面に固定されている。各々の永久磁石４１の周方向磁化方向は図１４に示すように連続的に変化しており、隣り合う永久磁石の間に非磁性材又は強磁性材を備えることを特徴としている（例えば、特許文献３参照）。
【特許文献１】米国特許第６３８０６５８号（明細書第２−５頁、図１、図２）
【特許文献２】特開２０００−１６６１４１号公報（明細書第４−５頁、図１）
【特許文献３】特開２００３−１９９２７４号公報（明細書第６−７頁、図１、図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の界磁に永久磁石を用いた永久磁石形電動機では、一般的に、界磁と電機子間のギャップ磁束密度分布に高調波を含むものとなり、該永久磁石電動機の端子間の発生誘起電圧に高調波を伴っていた。この誘起電圧の高調波は、トルクリプルの発生の原因となるので、誘起電圧の高調波低減が必要となる。
例えば、特許文献１及び２においては、ギャップ磁束密度分布の高調波成分を低減することが困難であり、また高調波の低減に際しては、基本波である正弦波も同時に小さくなるという問題があった。
また、特許文献３においては、適切な設計により高調波の低減はなされるものの磁化方向が連続的に変化する永久磁石の製作にはコストがかかるという問題があった。
【０００６】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、コストの増加なしにギャップ磁束密度分布の高調波を低減し、誘起電圧に含まれる高調波を小さくすることができると共に、トルクリプルの小さい永久磁石形電動機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】
【０００７】
上記問題を解決するため、本発明は次のように構成したものである。
請求項１に記載の発明は、移動磁界を生じるための巻線を有する電機子と、前記電機子と磁気的空隙を介して対向配置すると共に、磁性体板を積層したコアに隣り合うもの同士が移動方向に沿って交互に異極性になるように所定の極ピッチで配置してなる複数の永久磁石を有する界磁と、を備えた永久磁石形同期電動機において、該永久磁石は１極当たり複数個に分割されると共に、磁石の磁化方向が同一方向に揃って配置された分割磁石で構成されたものである。
請求項２に記載の発明は、請求項１記載の永久磁石形同期電動機において、前記１極当たり複数個に分割される永久磁石は、異なる残留磁束密度を有する磁石を移動方向に沿って隣り合うように配置したものである。
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２記載の永久磁石形同期電動機において、前記１極当たり複数個に分割される永久磁石の磁石列の間に、非磁性材または空隙を設けたものである。
請求項４に記載の発明は、請求項１または２記載の永久磁石形電動機において、前記永久磁石の１極当たりに分割される個数Ｐを、Ｐ＝２ｎ＋１（但し、ｎは正の整数）としたものである。
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の永久磁石形電動機において、前記永久磁石の１極当たりに複数分割された分割磁石の中心の磁石を基準にして、該中心磁石の両端側における対象な位置に配置した磁石は、それぞれ同じ大きさの残留磁束密度を有するものである。
請求項６に記載の発明は、請求項４に記載の永久磁石形電動機において、前記永久磁石の１極当たりに複数分割された分割磁石の中心の磁石を基準にして、該中心磁石の両端側における対象な位置に配置した磁石は、移動方向に沿ってそれぞれ同じ長さを有するものである。
請求項７に記載の発明は、請求項３に記載の永久磁石形電動機において、前記永久磁石の１極当たりに分割される個数Ｐを、Ｐ＝２ｎ＋１、非磁性材または空隙の個数Ｓを、Ｓ＝２ｎ＋２（但し、ｎは正の整数）としたときに、前記永久磁石の１極当たりに複数分割された分割磁石の中心の磁石を基準にして、該中心磁石の両端側における対象な位置に配置した非磁性材または空隙は、移動方向に沿ってそれぞれ同じ長さを有するものである。
【発明の効果】
【０００８】
請求項１に記載の発明によると、該永久磁石を１極当たり複数個に分割して、磁石の磁化方向を同一方向に揃えて配置してなる分割磁石構成したため、各々の永久磁石の磁化方向が連続的に変化するような高価な磁石を用いることによる、磁石コストの増加をまねくことなく、ギャップ磁束密度分布の高調波を低減することができる。
また、請求項２、４、５、６に記載の発明によると、１極当たり複数個に分割される永久磁石を、異なる残留磁束密度を有する磁石を移動方向に沿って隣り合うように配置したため、コストの増加をまねくことなく、ギャップ磁束密度分布の高調波を低減することができる。
また、請求項３、７に記載の発明によると、１極当たり複数個に分割される永久磁石の磁石列の間に、非磁性材または空隙を設けたため、コストの増加をまねくことなく、ギャップ磁束密度分布の高調波を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【実施例１】
【００１０】
図１は本発明の第１実施例を示す回転形の永久磁石形電動機の界磁と電機子を直線状に展開した断面図で、回転形モータをリニアモータに適用した場合にも相当する。
図１において、１は電機子、２は界磁側のコアを構成する可動子鉄心、３、４、５は永久磁石である。Ｇは電機子と界磁磁石間における磁気的空隙である。
本発明が従来技術と異なる点は、永久磁石が１極あたりに複数個に分割される個数Ｐを、Ｐ＝２ｎ＋１（但し、ｎは正の整数）としたものであって、第１実施例では、永久磁石1極あたり永久磁石３、４、５の３個に分割されると共に、磁石の磁化方向が同一方向に揃って配置されたものとなっている。
また、永久磁石の１極当たりに複数分割された分割磁石３、４、５の中心の磁石３を基準にして、該中心磁石３の両端側における対象な位置に配置した磁石４、５は、それぞれ移動方向に沿って同じ長さ、同じ大きさの残留磁束密度を有すると共に、永久磁石４、５は永久磁石３に比較してより小さな残留磁束密度を有している。
このような永久磁石３、４、５を連続的に隣り合うように配置してＳ極を構成し、このＳ極は１極当たり複数個に分割された磁石として可動子鉄心２に固定している。Ｎ極もＳ極と同様な構成であるが、互いに磁石の磁化方向が逆となっている。図１における電気角α１は永久磁石４、５が占める電気角を表している。
図１では、電気角α１＝３０度、永久磁石３の残留磁束密度＝１．１Ｔ、永久磁石４、５の残留磁束密度＝０．５２Ｔとしている。
【００１１】
図２は第１実施例の磁界解析による界磁側磁石の電気角に対するギャップ磁束密度分布を示した図、図３は図２の磁束密度分布の高調波成分含有率を示すグラフである。
図２、図３によると、電機子と界磁磁石間におけるギャップ磁束密度の５次高調波成分と７次高調波成分を除去することができている。これによりギャップ磁束密度の高調波成分が小さくなったので、トルクリプルを低減することができる。
５次高調波成分と７次高調波成分が除去できたのは、電気角α１および永久磁石の残留磁束密度を適切に設定したためである。電気角α１および永久磁石の残留磁束密度はフーリエ展開を用いて決定することができる。
【００１２】
なお、電気角α１および永久磁石の残留磁束密度の設定を変更することにより、除去する高調波成分の組み合わせを変更することができる。
例えば、電気角α１＝４５度、永久磁石１０４、１０５の残留磁束密度の永久磁石１０３に対する比率を０．４１とすれば、永久磁石１０３の残留磁束密度の大きさに関係なく、３次高調波成分と５次高調波成分と１１次高調波成分と１３次高調波成分をなくすことができる。これによりギャップ磁束密度の高調波成分が小さくなるので、トルクリプルを低減することができる。
【実施例２】
【００１３】
図４は本発明の第２実施例を示す回転形の永久磁石形電動機の界磁と電機子を直線状に展開した断面図で、回転形モータをリニアモータに適用した場合にも相当する。
図４において、１は電機子、２は可動子鉄心、６〜１０は永久磁石である。Ｇは磁気的空隙である。
このような構成において、第２実施例では、永久磁石の１極当たりに複数分割された分割磁石６〜１０のうち、その中心の磁石６を基準にして、該中心磁石６の両端側における対象な位置に配置した永久磁石９と１０は同じ長さと同じ大きさの残留磁束密度を持つ磁石であり、また、永久磁石７と８も同じ長さと同じ大きさの残留磁束密度を持つ磁石である。永久磁石７と８、永久磁石９と１０は、それぞれ永久磁石６に対して小さな残留磁束密度を有しており、残留磁束密度が異なっている。
永久磁石９、７、６、８、及び１０は、連続的に移動方向に沿って隣り合うように配置してＳ極を構成すると共に、このＳ極は１極当たり複数個に分割された磁石として可動子鉄心２に固定している。Ｎ極も同様な磁石構成であるが、磁化の向きが逆となっている。図４における電気角α２は永久磁石９、１０が占める電気角を表し、電気角（α３−α２）は永久磁石７、８が占める電気角を表している。
図４では、電気角α２＝３０度、電気角α３＝６０度、永久磁石６の残留磁束密度＝１Ｔ、永久磁石７、８の残留磁束密度＝０．７３Ｔ、永久磁石９、１０の残留磁束密度＝０．２７Ｔとしている。
【００１４】
図５は第２実施例の磁界解析による界磁側磁石の電気角に対するギャップ磁束密度分布を示した図、図６は図５の磁束密度分布の高調波成分含有率を示すグラフである。
図５、図６によると、電機子と界磁磁石間におけるギャップ磁束密度の５次高調波成分と７次高調波成分と３の倍数高調波成分を除去することができている。これによりギャップ磁束密度の高調波成分が小さくなったので、トルクリプルを低減することができる。
５次高調波成分と７次高調波成分が３の倍数高調波成分を除去できたのは、電気角α１および永久磁石の残留磁束密度を適切に設定したためである。電気角α２、α３および永久磁石の残留磁束密度はフーリエ展開を用いて決定することができる。
なお電気角α２、α３および永久磁石の残留磁束密度の設定を変更することにより、除去する高調波成分の組み合わせを変更することができる。
例えば、電気角α２＝１７度、電気角α３＝４１度、永久磁石１０６の残留磁束密度＝１Ｔ、永久磁石１０７、１０８の残留磁束密度＝０．７４Ｔ、永久磁石１０９、１１０の残留磁束密度＝０．１９Ｔとすることにより、５次高調波成分と７次高調波成分と９次高調波成分と１５次高調波成分を除去することができる。
例えば、電気角α２＝１７度、電気角α３＝４１度、永久磁石１０６の残留磁束密度＝１Ｔ、永久磁石１０７、１０８の残留磁束密度＝０．７４Ｔ、永久磁石１０９、１１０の残留磁束密度＝０．１９Ｔとすることにより、５次高調波成分と７次高調波成分と９次高調波成分と１５次高調波成分を除去することができる。さらに１１次高調波成分と１３次高調波成分も矩形波に比べて５０％に低減することができるので、トルクリプルを低減することができる。
【実施例３】
【００１５】
図７は本発明の第３実施例を示す回転形の永久磁石形電動機の界磁と電機子を直線状に展開した断面図で、回転形モータをリニアモータに適用した場合にも相当する。
図７において、１は電機子、２は可動子鉄心、Ｇは磁気的空隙である。また、１１は永久磁石である。１２と１３は同じ長さの永久磁石であり、永久磁石１１と同じ大きさの残留磁束密度を持つ。１４は永久磁石１２、１１、及び１３等の間の空隙である。
このような構成において、第３実施例では、永久磁石の１極当たりに分割される個数Ｐを、Ｐ＝２ｎ＋１、空隙１４または非磁性材の個数Ｓを、Ｓ＝２ｎ＋２（但し、ｎは正の整数）としたものとなっている。そして、１極当たり複数個に分割された磁石を構成する永久磁石１２、１１、及び１３のうち、該分割磁石の中心の磁石１１を基準にして、該中心磁石の両端側における対象な位置に配置するように、磁石列の間に空隙１４または非磁性材が設けられてＳ極を構成し、可動子鉄心２に固定されている。また、該空隙は移動方向に沿ってそれぞれ同じ長さを有するものである。上記構成は、Ｎ極も同様な構成であるが、磁化の向きが逆となっている。
図７における電気角（α５−α４）は永久磁石１２、１３が占める電気角を表し、電気角（１８０−２α６）は永久磁石１１が占める電気角を表している。
図７では、電気角α４＝２３度、電気角α５＝３８度、電気角α６＝４７度としている。
【００１６】
図８は第３実施例の磁界解析による界磁側磁石の電気角に対するギャップ磁束密度分布を示した図、図９は図８の磁束密度分布の高調波成分含有率を示すグラフである。
図８、図９によると、電機子と界磁磁石間におけるギャップ磁束密度の３次高調波成分、５次高調波成分と７次高調波成分を除去することができている。
これによりギャップ磁束密度の高調波成分が小さくなったので、トルクリプルを低減することができる。
３次高調波成分、５次高調波成分および７次高調波成分を除去できたのは、電気角α４、α５および永久磁石の残留磁束密度を適切に設定したためである。電気角α４、α５および永久磁石の残留磁束密度はフーリエ展開を用いて決定することができる。
なお、本構成でも電気角および永久磁石の残留磁束密度の設定を変更することにより、除去する高調波成分の組み合わせを変更することができる。
例えば、電気角α４＝２０度、電気角α５＝３０度、電気角α６＝４０度とすることにより、３の倍数高調波成分をなくすことができる。このためトルクリプルを低減することができる。
【００１７】
このように、移動方向に沿って、該永久磁石を１極当たり複数個に分割して、磁石の磁化方向を同一方向に揃えて配置してなる分割磁石構成しているので、コストの増加なしにギャップ磁束密度分布の高調波を低減し、トルクリプルを低減することができる。
また、これらで説明した実施例は基本的には、回転形モータあるいはリニアモータに適用しても同様な効果が得られる。
【００１８】
なお、本発明は、永久磁石を１極当たり複数個に分割して、磁石の磁化方向を同一方向に揃えて配置してなる分割磁石を構成し、各永久磁石の電気角や残留磁束密度を個別に設定できるので、単に高調波を除去するだけでなく、ある任意の高調波成分のみを残し、所望のギャップ磁束密度波形を発生させることができるので、歪んだギャップ磁束密度とすることも可能である。例えば「特許文献２」の図３に示された誘起電圧波形は１２０度通電形インバータの出力電圧に含まれる５次高調波成分を打消すことができるが、このような誘起電圧波形を発生するように永久磁石の構成を設定することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１実施例を示す回転形の永久磁石形電動機の界磁と電機子を直線状に展開した断面図で、回転形モータをリニアモータに適用した場合にも相当する。
【図２】第１実施例の磁界解析による界磁側磁石の電気角に対するギャップ磁束密度分布を示した図である、
【図３】図２の磁束密度分布の高調波成分含有率を示したグラフである。
【図４】本発明の第２実施例を示す回転形の永久磁石形電動機の界磁と電機子を直線状に展開した断面図で、回転形モータをリニアモータに適用した場合にも相当する。
【図５】第２実施例の磁界解析による界磁側磁石の電気角に対するギャップ磁束密度分布を示した図である。
【図６】図５の磁束密度分布の高調波成分含有率を示したグラフである。
【図７】本発明の第３実施例を示す回転形の永久磁石形電動機の界磁と電機子を直線状に展開した断面図で、回転形モータをリニアモータに適用した場合にも相当する。
【図８】第３実施例の磁界解析による界磁側磁石の電気角に対するギャップ磁束密度分布を示した図である。
【図９】図８の磁束密度分布の高調波成分含有率を示したグラフである。
【図１０】第１従来技術を示す永久磁石形電動機の回転子を示す斜視図である。
【図１１】第１従来技術における永久磁石とギャップ磁束密度の関係を示した模式図である。
【図１２】第２従来技術を示す永久磁石形電動機の正断面図である。
【図１３】第３従来技術を示す永久磁石形電動機の正断面図である。
【図１４】第３従来技術における分割磁石の磁束線を示す断面図である。
【符号の説明】
【００２０】
１  電機子
２  可動子鉄心（コア）
Ｇ  磁気的空隙
３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３  永久磁石
１４  空隙
【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】
2008067561.tif 000013
【図１２】
2008067561.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
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