(57)【要約】【課題】  段スキュー角度に理論角を採用した場合よりもコギングトルクを効率よく低減し、トルクリップルをも低減できる永久磁石式回転電機を提供する。【解決手段】  回転子鉄心３１周面に、軸方向に４段の永久磁石３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄを設けた回転子３０と、回転子３０を回転させる回転磁界を発生する固定子巻線を固定子鉄心の内周に有する固定子とを備え、永久磁石３２ａと永久磁石３２ｂとの間及び永久磁石３２ｃと永久磁石３２ｄとの間に、下限値を３０゜より大きな値とし、上限値を５２゜とする段スキュー角θｅ１（電気角）を設けた永久磁石式回転電機とする。【選択図】        図１
2004180491.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転子鉄心の外周面に軸方向に４段の永久磁石を設け、上記永久磁石の上側２段及び下側２段それぞれの段の間に上記回転子鉄心の周方向に段スキュー角θｅ１（電気角）を設け、上記上側２段と下側２段との間に段スキュー角θｅ２（電気角）を設けた回転子と、該回転子を内部に配置し、該回転子を回転させる回転磁界を発生する固定子巻線を設けた円筒形状の固定子鉄心を有する固定子とを備え、
上記段スキュー角θｅ１の下限値を、下記式（１）で求められる理論角θｓ（電気角）より大きな値とし、
上記段スキュー角θｅ１の上限値を、上記理論角θｓの約１．７倍とした、
ことを特徴とする永久磁石式回転電機。
（１８０×回転子磁極数／固定子磁極数と回転子磁極数の最小公倍数）／２  （電気角度）
…（１）
【請求項２】
回転子鉄心の外周面に軸方向に４段の永久磁石を設け、上記永久磁石の上側２段及び下側２段それぞれの段の間に上記回転子鉄心の周方向に段スキュー角θｅ２（電気角）を設け、上記上側２段と下側２段との間に段スキュー角θｅ１（電気角）を設けた回転子と、該回転子を内部に配置し、該回転子を回転させる回転磁界を発生する固定子巻線を設けた円筒形状の固定子鉄心を有する固定子とを備え、
上記段スキュー角θｅ１の下限値を、下記式（２）で求められる理論角θｓ（電気角）より大きな値とし、
上記段スキュー角θｅ１の上限値を上記理論角θｓの約１．２倍以下とした、
ことを特徴とする永久磁石式回転電機。
（１８０×回転子磁極数／固定子磁極数と回転子磁極数の最小公倍数）／２  （電気角度）
…（２）
【請求項３】
上記回転子の磁極数と上記固定子の磁極数との比が２：３の回転電機であって、上記段スキュー角θｅ１の下限値を理論角３０゜よりも大きな値とし、上記段スキュー角θｅ１の上限値を約５２゜としたことを特徴とする請求項１記載の永久磁石式回転電機。
【請求項４】
上記回転子の磁極数と上記固定子の磁極数との比が２：３の回転電機であって、上記段スキュー角θｅ１の下限値を約３６゜とし、上記段スキュー角θｅ１の上限値を約４４゜としたことを特徴とする請求項１記載の永久磁石式回転電機。
【請求項５】
上記回転子の磁極数と上記固定子の磁極数との比が２：３の回転電機であって、上記段スキュー角θｅ１の下限値を理論角３０゜よりも大きな値とし、上記段スキュー角θｅ１の上限値を約３５゜としたことを特徴とする請求項２記載の永久磁石式回転電機。
【請求項６】
上記段スキュー角θｅ２を上記理論角θｓの１／２としたことを特徴とする請求項１または２記載の永久磁石式回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電動モータ等の永久磁石式回転電機に関し、特に、コギングトルクの低減を図るようにした永久磁石式回転電機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
永久磁石式回転電機の一般的な構成においては、固定子の中に回転子が配置されている。固定子は、円筒形状をなす固定子鉄心の内周に複数個の固定子巻線を設けて複数個の磁極を形成している。回転子は、固定子の中心を回転軸心として回転できるように回転子鉄心が配設され、回転子鉄心の表面、あるいは内部に永久磁石が設けられ、永久磁石はＮ極とＳ極が交互に並ぶように配置されている。この回転電機では、固定子巻線に適宜通電し、回転磁界を形成することにより、回転子が回転軸心回りに回転する。
【０００３】
上述のような永久磁石式回転電機にあっては、コギングトルクと称される回転トルク変動が発生する。コギングトルクは、振動や騒音を発生するばかりでなく、回転電機の制御性能を低下させる要因となる。
【０００４】
従来、コギングトルクを低減するために、永久磁石を回転子鉄心の軸方向に複数段配列し、回転子鉄心の円周方向にずらすことによって、スキューの効果をもたらす工夫がなされており、複数個の永久磁石が回転子鉄心の軸方向の位置によって周方向の位置がずれるように、すなわち、スキュー角θｍの角度（以下、段スキュー角という）で固定子鉄心表面にならぶようにしている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
段スキュー角θｍ（機械角）は、理論的に求められる角度（以下、理論角という）を用いている。コギングトルクが最小となる理論角（機械角）は、（３６０／固定子磁極数と回転子磁極数の最小公倍数）／軸方向永久磁石の段数によって決定される（例えば、特許文献２参照）。
【０００６】
例えば、回転電機の固定子磁極数が１２、回転子磁極数が８、永久磁石の段数が４であり上側２段間及び下側２段間の各々の部分にてコギングトルクを低減する場合には、各々の段スキュー角θｍは７．５゜（＝３６０／２４／２，電気角θｅでは３０゜（電気角度＝機械角度×極数／２の関係式より算出される））となる。
【０００７】
しかしながら、段スキュー角θｍを上記のように理論的に決定し、実際の回転電機に適用した場合、コギングトルクの低減はまだ不十分であると考えられる。その理由は、段スキューを採用したことによって軸方向漏洩磁束が発生するが、この漏洩磁束による磁気飽和の影響が考慮されていないからである。コギングトルクの原因となる漏洩磁束は、永久磁石の段部、回転子鉄心内部での漏洩磁束等もあるが、固定子鉄心内部における漏洩磁束がコギングトルクの主たる原因となっている。
【０００８】
【特許文献１】実開昭６１−１７８７６号公報（第４−第６頁、第１−第６図）
【特許文献２】特開２０００−３０８２８６号公報（第３−第４頁、図２、図３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述のように、従来の段スキューを採用した回転電機では、段スキュー角度に理論角を採用しているために、コギングトルクを十分に低減できていないという問題があった。
【００１０】
この発明は、上記のような問題を解決するものであり、段スキュー角度に理論角を採用した場合よりもコギングトルクを効率よく低減し、併せてトルクリップルをも低減することができる永久磁石式回転電機を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明に係る永久磁石式回転電機は、回転子鉄心の外周面に軸方向に４段の永久磁石を設け、上記永久磁石の上側２段及び下側２段それぞれの段の間に上記回転子鉄心の周方向に段スキュー角θｅ１（電気角）を設け、上記上側２段と下側２段との間に段スキュー角θｅ２（電気角）を設けた回転子と、該回転子を内部に配置し、該回転子を回転させる回転磁界を発生する固定子巻線を設けた円筒形状の固定子鉄心を有する固定子とを備え、
上記段スキュー角θｅ１の下限値を、下記式（１）で求められる理論角θｓ（電気角）より大きな値とし、
上記段スキュー角θｅ１の上限値を、上記理論角θｓの約１．７倍としたものである。
（１８０×回転子磁極数／固定子磁極数と回転子磁極数の最小公倍数）／２  （電気角度）
…（１）
【００１２】
また、回転子鉄心の外周面に軸方向に４段の永久磁石を設け、上記永久磁石の上側２段及び下側２段それぞれの段の間に上記回転子鉄心の周方向に段スキュー角θｅ２（電気角）を設け、上記上側２段と下側２段との間に段スキュー角θｅ１（電気角）を設けた回転子と、該回転子を内部に配置し、該回転子を回転させる回転磁界を発生する固定子巻線を設けた円筒形状の固定子鉄心を有する固定子とを備え、
上記段スキュー角θｅ１の下限値を、下記式（２）で求められる理論角θｓ（電気角）より大きな値とし、
上記段スキュー角θｅ１の上限値を上記理論角θｓの約１．２倍以下とした、
ことを特徴とする永久磁石式回転電機。
（１８０×回転子磁極数／固定子磁極数と回転子磁極数の最小公倍数）／２  （電気角度）
…（２）
【発明の効果】
【００１３】
上記発明に係る永久磁石式回転電機の構成によれば、段スキュー角θｅ１を理論角θｓとした場合よりも低く、またはそれ以下にコギングトルク基本波成分を低減し、かつ、トルクリップル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】
【００１４】
以下に、図面に基づき、この発明に係る永久磁石式回転電機の好適な実施の形態を詳細に説明する。
【００１５】
実施の形態１．
図１、図２及び図３は、この発明の実施の形態１を示す斜視図及び断面図である。図１に示したように、回転子３０は、回転子鉄心３１外周面に上側の永久磁石３２ａ及び永久磁石３２ｂと下側の永久磁石３２ｃ及び永久磁石３２ｄが貼り付けられ、上側２段及び下側２段それぞれの段スキュー角と上側２段と下側２段との間の段スキュー角を考慮した４段構造になっており、各段は、Ｎ極とＳ極が交互に並ぶように配置されている。
【００１６】
図２に示したように、上側の永久磁石３２ａと永久磁石３２ｂとの間及び下側の永久磁石３２ｃと永久磁石３２ｄとの間はそれぞれ、円周方向にずらして段スキュー角θｅ１（電気角）を設け、上側の永久磁石３２ａ及び永久磁石３２ｂと下側の永久磁石３２ｃ及び永久磁石３２ｄとの間は、円周方向にずらして段スキュー角θｅ２（電気角）を設けている。段スキュー角θｅ１（電気角度）は、（１８０×回転子磁極数／固定子磁極数と回転子磁極数の最小公倍数）／軸方向永久磁石の段数（この場合、上側２段間と下側２段間の各々の部分にてコギングトルクを低減するため、軸方向永久磁石の段数は２となる）の式で求められる理論角θｓよりも大きく、理論角θｓの約１．７倍以下の範囲としている。また、段スキュー角θｅ２は理論角θｓの１／２としている。前述のように、段スキュー角θｅ１を機械角で表わした式は、電気角度＝機械角度×局数／２の関係式より、（３６０／固定子磁極数と回転子磁極数の最小公倍数）／軸方向永久磁石の段数である。
【００１７】
固定子２０は、図３に示したように、円筒形状をなす固定子鉄心２１の内周に複数個の固定子巻線２２を設けて複数個の磁極を形成している。回転子３０は、固定子２０の中心を回転軸心として回転できるように回転子鉄心３１が配設され、固定子巻線２２に適宜通電し、回転磁界を形成することにより、回転子３０が回転軸心回りに回転する。
【００１８】
図１、図２及び図３においては、回転子磁極数が８、固定子磁極数が１２、永久磁石段数が２段（上側２段、下側２段）であるので、段スキュー角θｅ１を、３０゜（理論角θｓ）よりも大きく、約５２゜（理論角θｓの約１．７倍）以下の範囲としている。また、段スキュー角θｅ２は、１５゜（理論角θｓの１／２）としている。
【００１９】
段スキュー角θｅ１は、理論角θｓよりも大きく、理論角θｓの約１．７倍以下の範囲とすることによって、段スキュー角θｅ１を理論角θｓとした場合よりも効率的にコギングトルクの基本波成分（６ｆ成分）を低減することができ、併せてトルクリップルも低減することができる。
【００２０】
また、段スキュー角θｅ２を理論角θｓの１／２とすることによって、コギングトルクの第２次高調波成分を低減することができる。
【００２１】
以下、コギングトルク及びトルクリップルと段スキュー角θｅ１、θｅ２との関係を説明し、この実施の形態において、コギングトルク及びトルクリップルを低減することができることを示す。
【００２２】
図４及び図５は、回転子及び回転電機（回転子磁極数が８、固定子磁極数が１２、永久磁石段数が２）について、３次元磁界解析を実施した結果を示すものである。
【００２３】
図４は、コギングトルク基本波成分に関する結果、図５は、コギングトルク第２次高調波に関する結果であり、それぞれ、段スキューなしの場合のコギングトルクに対する段スキューを施した場合のコギングトルクの比であるコギングトルク比と段スキュー角（電気角）θｅ１との関係を、固定子鉄心２０の磁気特性が理想的な場合（磁気特性Ａ）、加工工作の過程で磁気特性が劣化している場合（磁気特性Ｂ）、加工工作によってさらに磁気特性が劣化した場合（磁気特性Ｃ）について示している。
【００２４】
図６は、解析に使用した固定子鉄心２０の磁気特性Ａ、Ｂ及びＣ（ＢＨ特性の関係）を示している。同図における磁束密度比は、磁気特性Ａの材料の飽和磁束密度を基準値として、この基準値との比を表している。磁気特性Ａはカタログ値相当の磁気特性であり、加工の影響がない場合を示しており、磁気特性Ｂは実機状態に相当し、磁化力Ｈ＝１０００Ａ／ｍ近辺における磁束密度比が磁気特性Ａと比較して２０％程度低下した特性のものであり、また、磁気特性Ｃは磁化力Ｈ＝１０００Ａ／ｍ近辺における磁束密度比が磁気特性Ａと比較して４０％程度低下した特性のものである。
【００２５】
図４から、コギングトルク基本波成分については、固定子鉄心の磁気特性が磁気特性Ａから順次、磁気特性Ｂ、磁気特性Ｃと劣化するに伴い、コギングトルク比が最小となる段スキュー角θｅ１が大きくなっていることが分かる（これは、前述のように、段スキューを採用した場合、固定子鉄心内部に軸方向漏洩磁束が発生するためである）。すなわち、固定子鉄心の磁気特性が劣化するに伴い、コギングトルクが最小となる段スキュー角θｅ１は理論角３０゜よりも大きくなっている。従って、磁気特性Ｂにおいては、段スキュー角θｅ１を理論角３０゜とした場合、（１）の点におけるコギングトルク比（約０．１８）になるのに対して、理論角３０゜を越え、（１）の点におけるコギングトルク比（０．１８）以下となる段スキュー角θｅ１の最大値（（２）の点における段スキュー角θｅ１（約３７゜））以下とすることによって、コギングトルクの基本波成分を理論角３０゜とした場合よりも低く、またはそれ以下に低減することができる。また、磁気特性Ｃにおいても同様に、（３）の点におけるコギングトルク比（約０．２３）以下となる段スキュー角θｅ１の最大値（（４）の点における段スキュー角θｅ１＝約４３゜）以下とすることによって、コギングトルクの基本波成分を理論角３０゜とした場合よりも低く、またはそれ以下に低減することができる。
【００２６】
また、図５から、コギングトルク第２次高調波成分に関しては、段スキュー角θｅ２が理論角θｓの１／２または３／２（電気角１５゜、電気角４５゜）である時に、コギングトルク比が最小となることが分かる。これは、コギングトルク第２次高調波成分は、軸方向漏洩磁束の影響（磁気飽和の影響）を受けにくいことによるものであり、コギングトルク第２次高調波成分の低減には段スキュー角θｅ２を理論角θｓの１／２または３／２とするのがよいと考えられる。
【００２７】
一方、通電時のトルクリップルと段スキュー角との関係は、一般に、スキュー係数と称される巻線係数を用いて検討する。回転電機における第ν次高調波成分に対するスキュー係数κｓｖは次式（３）で与えられる。但し、γはスキュー角である。
【００２８】
κｓｖ＝ｓｉｎ（νγ／２）／（νγ／２）    …（３）
【００２９】
ここで、段スキュー角をγｄとすると、γｄ＝γ／２であるから、段スキューを採用した場合のスキュー係数κｄｓｖは次式（４）で与えられる。
【００３０】
κｄｓｖ＝ｓｉｎ（νγｄ）／（νγｄ）      …（４）
【００３１】
また、永久磁石式回転電機のトルクリップルは、電源周波数の６倍の成分（以下６ｆ成分という）が支配的となる。一般に、トルクリップル６ｆ成分は５次及び７次の高調波成分に起因して発生する。
【００３２】
図７は、上記式（３）より算出される段スキュー角γｄに対する５次及び７次のスキュー係数を示す図である。トルクリップル６ｆ成分に対する５次及び７次高調波成分の影響度合は、近似的に次数の２乗の逆数に関係すると考えられ、５次成分の影響度合は１／５２＝０．０４、７次成分の影響度合は１／７２＝０．０２と考えられる。
【００３３】
図８は、図７のスキュー係数と５次及び７次成分のトルクリップル６ｆ成分に関する影響度合を考慮した段スキュー角に対するトルクリップル６ｆ成分係数を示す図である。同図より、トルクリップル６ｆ成分係数は、段スキュー角γｄが３０゜を越えると、３０゜におけるトルクリップル６ｆ成分係数より小さな値になる。従って、段スキュー角γｄを、コギングトルク基本波成分に対する理論角θｓである３０゜以上とすることによって、トルクリップル６ｆ成分を低減することができると考えられる。
【００３４】
以上は、上側２段または下側２段の構造について、３次元磁界解析を行った結果を示している。段スキュー角θｅ２は、磁気飽和の影響がないので、理論角θｓの１／２または３／２とすればよい。しかし、段スキュー角θｅ１は、磁気飽和の影響があり、この実施の形態においては、上側２段と下側２段の４段構造になっているので、磁気飽和の影響度合が上記３次元磁界解析とは異なることが考えられる。
【００３５】
図９は、上側２段と下側２段の４段構造について、段スキュー角θｅ１を変化させた場合のコギングトルク基本波成分を、実機によって実測した結果を示す図であり、段スキュー角θｅ１に対するコギングトルク比（段スキュー角θｅ１＝０のコギングトルクを基準とした）を示している。なお、実機は、回転子磁極数を８、固定子磁極数を１２としている。
【００３６】
図９に示されているように、段スキュー角θｅ１が理論角３０゜の時のコギングトルク比は０．２８である。コギングトルク比を０．２８より小さく、あるいは０．２８以下とするためには、段スキュー角θｅ１を３０゜より大きく、約５２゜（理論角３０゜の約１．７倍）以下とすればよい。すなわち、段スキュー角θｅ１を理論角θｓよりも大きく、理論角θｓの約１．７倍以下とすればよいと推察される。
【００３７】
また、コギングトルク比を０．２８の１／２程度としたい場合には、段スキュー角θｅ１を３６゜以上、４４゜以下、すなわち、理論角θｓの約１．２倍以上、約１．４７倍以下とすればよいことが分かる。
【００３８】
実施の形態２．
上記実施の形態１では、上側２段の永久磁石及び下側２段の永久磁石それぞれに、段スキュー角θｅ１を設けてコギングトルクの基本波成分及びトルクリップルを低減し、上側２段の永久磁石と下側２段の永久磁石との間に段スキュー角θｅ２を設けてコギングトルクの第２次高調波成分を低減するようにした。
【００３９】
この実施の形態では、上側２段の永久磁石及び下側２段の永久磁石それぞれに、段スキュー角θｅ２を設けてコギングトルクの第２次高調波成分を低減し、上側２段の永久磁石と下側２段の永久磁石との間に段スキュー角θｅ１を設けてコギングトルクの基本波成分及びトルクリップルを低減するものである。
【００４０】
図１０は、上側２段の永久磁石及び下側２段の永久磁石それぞれに、段スキュー角θｅ２を設け、上側２段の永久磁石と下側２段の永久磁石との間に段スキュー角θｅ１を設けた場合の段スキュー角θｅ１とコギングトルク基本は成分のコギングトルク比との関係を実機で実測した結果を示す図である。なお、実機は、回転子磁極数を８、固定子磁極数を１２としている。
【００４１】
図１０に示されているように、段スキュー角θｅ１が理論角３０゜の時のコギングトルク比は０．１５である。コギングトルク比を０．１５より小さく、あるいは０．１５以下とするためには、段スキュー角θｅ１を３０゜より大きく、約３５゜（理論角３０゜の約１．２倍）以下とすればよい。すなわち、段スキュー角θｅ１を理論角θｓよりも大きく、理論角θｓの約１．２倍以下とすればよいと推察される。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】この発明に係る永久磁石式回転電機の実施の形態１を示す斜視図である。
【図２】この発明に係る永久磁石式回転電機の実施の形態１を示す断面図である。
【図３】この発明に係る永久磁石式回転電機の実施の形態１を示す平面図である。
【図４】図１〜図３の上側２段の部分または下側２段のみをモデル化（２段）した回転子及び回転電機について、３次元磁界解析を実施して得られたコギングトルク基本波成分の結果を示す図である。
【図５】図１〜図３の上側２段の部分または下側２段のみをモデル化（２段）した回転子及び回転電機について、３次元磁界解析を実施して得られたコギングトルク高調波成分の結果を示す図である。
【図６】３次元解析に用いた回転子鉄心の磁気特性を示す図である。
【図７】段スキュー角に対する５次及び７次のスキュー係数を示す図である。
【図８】段スキュー角に対するトルクリップル６ｆ成分係数を示す図である。
【図９】実施の形態１の永久磁石式回転電機の実機による実測結果を示す図である。
【図１０】実施の形態２の永久磁石式回転電機の実機による実測結果を示す図である。
【符号の説明】
【００４３】
２０  固定子、２１  固定子鉄心、２２  固定子巻線、３０  回転子、
３１  回転子鉄心、３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ  永久磁石。
【図１】
2004180491.tif 000003
【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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