(57)【要約】【課題】永久磁石モータの出力トルクの増大とトルク変動の低減を図る。【解決手段】本発明の永久磁石モータ（１０）は、隣り合う異極の界磁永久磁石磁極（２１）の磁極間隔を電気角１８０°としたときに、隣接する同相の電機子コイルから発生する２つの逆起電圧の位相差を電気角でＳＰとし、電機子の全域にわたって突極磁極（３１）が均等に分布されるときに同相の隣接する電機子コイルのそれぞれから発生する２つの逆起電圧の位相差を電気角でＥＶとし、互いに隣接する同相の複数の電機子コイルそれぞれから発生する全ての逆起電圧の位相差がないときにおけるその逆起電圧の位相差を電気角でＰＰとすると、位相差ＳＰは同相を成す複数の電機子コイルにおいて全て等しく、かつ、位相差ＳＰの上限値と下限値の何れか一方を電気角ＥＶ、他方を電気角ＰＰとなるように調整されている。【選択図】      図１
2004289919.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
全域にわたって等間隔に配設された複数の界磁永久磁石磁極を有する永久磁石界磁と、突極磁極を有し同相の電機子巻線が前記突極磁極に隣り合うように巻装される複数の電機子コイルを具備する電機子とを備える永久磁石モータであって、
隣り合う異極の前記界磁永久磁石磁極の磁極間隔を電気角１８０°としたときに、
隣接する同相の前記電機子コイルそれぞれから発生する２つの逆起電圧の位相差を電気角でＳＰとし、
前記電機子の全域にわたって前記突極磁極の先端部及び電機子コイルが均等に分布されるときに同相の隣接する前記電機子コイルのそれぞれから発生する２つの逆起電圧の位相差を電気角でＥＶとし、
互いに隣接する同相の複数の前記電機子コイルそれぞれから発生する全ての逆起電圧の位相差がないときにおける、その逆起電圧の位相差を電気角でＰＰとすると、
前記位相差ＳＰは同相を成す複数の電機子コイルにおいて全て等しく、かつ、前記位相差ＳＰの上限値と下限値の何れか一方を電気角ＥＶ、他方を電気角ＰＰとしたときに、前記位相差ＳＰの値が前記電気角ＥＶと前記電気角ＰＰの間になるように前記位相差ＳＰの値が調節された、永久磁石モータ。
【請求項２】
界磁永久磁石磁極数をＰ、突極磁極数をＳ、巻線相数を３、ａを１以上の整数としたとき、Ｐ＝Ｓ±１、Ｓ＝３・（２ａ＋１）の関係を満たす、請求項１に記載の永久磁石モータ。
【請求項３】
前記位相差ＳＰの上限値又は下限値は電気角０°である、請求項２に記載の永久磁石モータ。
【請求項４】
前記逆起電圧の高調波成分同士が相互に打ち消しあうように構成された、請求項１乃至請求項３のうち何れか１項に記載の永久磁石モータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は永久磁石モータに関し、特に、トルクの高出力化とトルク変動の低減を図るための改良技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
減速機構を用いずに負荷を直接駆動するダイレクトドライブモータ（ＤＤモータ）は、バックラッシュ、ロストモーションのない高精度な位置決めが可能であるため、ＮＣ工作機などのインデックステーブル、搬送装置、組み立て装置のロボットアームなどの各種の用途に用いられている。例えば、インデックス用途に使用されるＤＤモータの場合、低速から高速までのトルク変動ができるだけ小さいものが望ましい。また、ＤＤモータは負荷に直接接続されるため、減速機構と併用するブラシレスＤＣモータと比較するとトルク変動の許容値はより小さめに設定する必要がある。このような要求に応えるため、ＤＤモータの技術分野においては、モータ容積の小型化に加えて、トルクの高出力化とトルク変動の低減を図るための試みが検討されている。
【０００３】
例えば、特許第２７４３９１８号公報（特許文献１）には、永久磁石磁極数と突極磁極数の最小公倍数をできるだけ大きくすることで、トルクの高出力化とコギングトルクの低減を図る技術が開示されている。また、特開平８−１２６２７９号公報（特許文献２）には、ブラシレスＤＣモータの磁石形状をモータ軸方向にスキューすることでトルクリップルを低減する技術が開示されている。さらに、特開２０００−５０５４４号公報（特許文献３）では、永久磁石モータを構成するロータの突極間隔を一部ずらすことにより、逆起電力の高調波成分を減少させてトルクリップルを低減する技術が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】
特許第２７４３９１８号公報
【特許文献２】
特開平８−１２６２７９号公報
【特許文献３】
特開２０００−５０５４４号公報
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述の特許文献１の技術では、永久磁石磁極数と突極磁極数の最適な組み合わせを選ぶことによりトルクを高出力化し、かつ、コギングトルクを低減することができるというものであったが、突極磁極に巻回された電機子コイルに誘起される逆起電力の高調波成分によって発生する負荷時のトルク変動（電流通電時のトルクリップル）については触れられていない。
【０００５】
また、上述の特許文献２の技術では、磁束分布をできるだけ正弦波状に近づけることができ、トルク変動の低減に好適であるが、磁束分布の基本波成分（１次成分）まで同時に下げてしまうため、トルクの高出力化を実現できない。また、巻線電流に意図的に高調波成分を重畳させることで、磁束分布の高調波成分を打ち消す手法も考えられるが、出力トルクに寄与しない無駄な電流を流すこととなり、モータの銅損と発熱を大きくする。負荷に直接接続するＤＤモータではモータの発熱はできるだけ抑える必要がある。
【０００６】
さらに、上述の特許文献３の技術では、５次、７次、１１次、１３次等の高調波成分のうち何れか一成分しか除去できず、さらに基本波成分をも同時に低減してしまうため、トルクリップルの低減と引き換えに出力トルクの低下を余儀なくされている。
【０００７】
そこで、本発明は永久磁石モータの出力トルクの増大とトルク変動の低減を図ることを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明の永久磁石モータは、全域にわたって等間隔に配設された複数の界磁永久磁石磁極を有する永久磁石界磁と、突極磁極を有し同相の電機子巻線が前記突極磁極に隣り合うように巻装される複数の電機子コイルを具備する電機子とを備える永久磁石モータであって、隣り合う異極の前記界磁永久磁石磁極の磁極間隔を電気角１８０°としたときに、隣接する同相の前記電機子コイルそれぞれから発生する２つの逆起電圧の位相差を電気角でＳＰとし、前記電機子の全域にわたって前記突極磁極の先端部及び電機子コイルが均等に分布されるときに同相の隣接する前記電機子コイルのそれぞれから発生する２つの逆起電圧の位相差を電気角でＥＶとし、互いに隣接する同相の複数の前記電機子コイルそれぞれから発生する全ての逆起電圧の位相差がないときにおける、その逆起電圧の位相差を電気角でＰＰとすると、前記位相差ＳＰは同相を成す複数の電機子コイルにおいて全て等しく、かつ、前記位相差ＳＰの上限値と下限値の何れか一方を電気角ＥＶ、他方を電気角ＰＰとしたときに、前記位相差ＳＰの値が前記電気角ＥＶと前記電気角ＰＰの間になるように前記位相差ＳＰの値が調節されたものである。
【０００９】
かかる構成により、高調波成分の相殺によりトルク変動を効率よく低減できるとともに、基本波成分を増大させて高出力トルクを得ることができるため、永久磁石モータの出力トルクの増大とトルク変動の低減を図ることができる。
【００１０】
本発明の好適な形態において、界磁永久磁石磁極数をＰ、突極磁極数をＳ、巻線相数を３、ａを１以上の整数としたとき、Ｐ＝Ｓ±１、Ｓ＝３・（２ａ＋１）の関係を満たすように構成する。各相あたりの突極磁極数を奇数とすることで、出力トルクの増大を図ることができる。
【００１１】
本発明の好適な形態において、前記位相差ＳＰの上限値又は下限値は電気角０°である。位相差ＳＰの上限値又は下限値を電気角０°に設定することで、出力トルクの増大とトルクリップルの低減を図ることができる。
【００１２】
本発明の好適な形態において、前記逆起電圧の高調波成分同士が相互に打ち消しあうように構成する。高調波成分はトルクリップル発生の要因となるため、これらを相殺することで効率よくトルクリップルの低減を図ることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
［発明の実施形態１］
以下、各図を参照して本発明の第１実施形態について説明する。
【００１４】
図１は永久磁石モータ１０の断面構造図である。同図に示すように、環状の固定子（ステータ）３０の全周には突極磁極（スロット）３１が外歯状に凸設されている。突極磁極３１は左右対称となるような断面略Ｔ字状の形状を成しており、固定子３０の基部から外歯状に延出する突極首部３１ａと、突極首部３１ａの至端に位置する突極先端部３１ｂを具備している。固定子３０の円周方向に配設されている全ての突極磁極３１は略同形状を成している。また、回転子（ロータ）２０は中空環状の磁性体から成るバックヨーク２２と、バックヨーク２２の内周に固定されて成る複数（２２個）の永久磁石磁極２１を具備している。永久磁石磁極２１は突極磁極３１と対向するように、Ｎ極とＳ極とを交互に替えて均等な配置分布で着磁されている。永久磁石磁極２１としては、図示した例の他に、Ｎ極とＳ極を対にしたセグメント磁石やリング状の界磁永久磁石を利用することで、バックヨーク２２への貼着誤差を低減するのが好ましい。同図において、固定子２０の中心をＯとしたとき、線分ＯＡと線分ＯＢの間隔ＭＰは隣接する永久磁石磁極２１同士の間隔ＭＰを示しており、その間隔ＭＰは回転子全周にわたって一定である。この間隔ＭＰは機械角３６０°／２２＝１６．３６°であり、電気角１８０°に相当する。
【００１５】
本実施形態においては、巻線相数はＵ相、Ｖ相、Ｗ相から成る３相構成となっている。また、界磁永久磁石磁極数をＰ、突極磁極数をＳ、ａを１以上の整数としたとき、Ｐ＝Ｓ±１、Ｓ＝３・（２ａ＋１）としている。同図に示す例では、（Ｐ，Ｓ）＝（２２，２１）となる場合を図示しているが、本実施形態はこれに限らず、例えば、（Ｐ，Ｓ）＝（２０，２１）、（１４，１５）、（１６，１５）、…、（２６，２７）、（２８，２７）、…、（４４，４５）、（４６，４５）などの組み合わせも好適である。固定子３０の円周方向に配設されている突極磁極３１は、各相につき７本を有する構成となっている（ａ＝３）。
【００１６】
尚、本実施形態ではＰ＝Ｓ±１とする構成を例示するが、本発明はこれに限られるものではなく、Ｐ＝Ｓ±２、Ｓ±３、…、Ｓ±ｋ（ｋは２以上の整数）となる組み合わせでもよい。
【００１７】
固定子３０の円周方向に配設されている各相の突極磁極３１は、同相の突極磁極３１同士が隣接して配列するように構成されている。例えば、Ｕ１〜Ｕ７は相互に隣接して連続的に配設されるＵ相の突極磁極３１を、Ｖ１〜Ｖ７は相互に隣接して連続的に配設されるＶ相の突極磁極３１を、Ｗ１〜Ｗ７は相互に隣接して連続的に配設されるＷ相の突極磁極３１をそれぞれ示している。同相の隣接する突極磁極３１は互いに逆極となるように、各々の突極磁極３１には電機子コイル（図示せず）が集中巻回される。
【００１８】
図３はＵ１〜Ｕ７、Ｖ１〜Ｖ７、Ｗ１〜Ｗ７の突極磁極３１に巻装される電機子コイルの結線図である。ここでは、Ｕ１〜Ｕ７、Ｖ１〜Ｖ７、Ｗ１〜Ｗ７の全ての電機子コイルの巻回方向を同一とし、隣接する同相の電機子コイルの電流方向を逆向きにすることによって、隣接する突極磁極３１の極性を異極としている。例えば、Ｕ相を例にとって説明すると、Ｕ１の巻回始端を起点として、Ｕ１の巻回終端とＵ２の巻回終端を結線する。同様にして、Ｕ２の巻回始端とＵ３の巻回始端を結線する。以下同様にしてＵ１〜Ｕ７まで直列に結線していき、Ｕ７の巻回終端を中性点とする。Ｖ相のＶ１〜Ｖ７までの電機子コイルと、Ｗ相のＷ１〜Ｗ７までの電機子コイルについても同様に結線することにより、３相Ｙ結線を成している。
【００１９】
図４は電機子コイルの他の結線例を示す結線図である。Ｕ１〜Ｕ７、Ｖ１〜Ｖ７、Ｗ１〜Ｗ７の全ての電機子コイルの巻回方向を同一とし、隣接する同相の電機子コイルの電流方向を逆向きにすることによって、隣接する突極磁極３１の極性を異極としている。例えば、Ｕ相を例にとって説明すると、Ｕ１〜Ｕ７は全て並列接続されており、Ｕ１の巻回始端と、Ｕ２の巻回終端と、…、Ｕ７の巻回始端とが結線される一方で、Ｕ１の巻回終端と、Ｕ２の巻回始端と、…、Ｕ７の巻回終端とが結線されている。Ｖ相のＶ１〜Ｖ７までの電機子コイルと、Ｗ相のＷ１〜Ｗ７までの電機子コイルについても同様に結線されることにより、３相Ｙ結線を成している。
【００２０】
尚、隣接する突極磁極３１の極性を異極にできるように電機子コイルを結線できるものであれば、上述の結線例（図３、図４）に限られるものではない。例えば、隣接する電機子コイルの巻回方向を逆向きとすることにより、極性が異極となるように構成してもよい。さらに、結線方法についても、例えば、上述した直列の結線方法（図３）と並列の結線方法（図４）を適宜組み合わせることも可能である。
【００２１】
ここで、図１の説明に戻る。同図において、線分ＯＣと線分ＯＤはそれぞれ隣接する同相の突極磁極３１の先端部３１ｂの中心部と固定子中心Ｏを通る線分を示しており、その間隔ＡＰは各相において一定である。つまり、Ｕ１〜Ｕ７で示される突極磁極３１の間隔ＡＰは全て同一である。Ｖ１〜Ｖ７、Ｗ１〜Ｗ７で示される突極磁極３１においても同様である。線分ＯＧはＵ相とＷ相の境界線、線分ＯＨはＵ相とＶ相の境界線、線分ＯＩはＶ相とＷ相の境界線をそれぞれ示している。各相の突極磁極群の占有面積は均等であるため、線分ＯＧと線分ＯＨのなす角度と、線分ＯＨと線分ＯＩのなす角度と、線分ＯＩと線分ＯＧのなす角度はそれぞれ１２０°である。
【００２２】
また、上述の間隔ＭＰを基準に電気角１８０°を定めた場合、同相をなす突極磁極３１同士の間隔ＡＰの電気角は下式により換算することができる。
間隔ＡＰの電気角＝間隔ＮＶの電気角×（１＋α／１００）［ｅ−ｄｅｇ］…（１）
間隔ＮＶの電気角＝｛３６０×（Ｐ／２）／Ｓ｝［ｅ−ｄｅｇ］…（２）
ここで、間隔ＮＶとは固定子３０の円周方向に沿って全て（本実施形態では２１個）の突極磁極３１と電機子コイルを均等に配列したと仮定したときの突極磁極３１同士の間隔である。間隔ＮＶの理解を容易にするために、図２を参照しながら従来の永久磁石モータ８０の構成を説明する。同図に示すように（Ｐ，Ｓ）＝（２２，２１）としたときの従来の永久磁石モータ８０は、固定子８１と、回転子８５を備えて構成されている。固定子８１は円周方向に沿って均等に配列された２１個の突極磁極８２を備えている。回転子８５は磁性体から成る中空環状のバックヨーク８３と、バックヨーク８３の内周に固定されて成る２２個の永久磁石磁極８４を具備している。永久磁石磁極８４は突極磁極８２と対向するように均等な配置分布で着磁され、Ｎ極とＳ極とを交互に替えている。Ｕ１〜Ｕ７、Ｖ１〜Ｖ７、Ｗ１〜Ｗ７はそれぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相の突極磁極８２を示している。
【００２３】
同図において、線分ＯＡと線分ＯＢの間隔ＭＰは隣接する永久磁石磁極８４同士の間隔を示しており、その間隔ＭＰは回転子全周にわたって一定である。この間隔ＭＰは機械角３６０°／２２＝１６．３６°であり、電気角１８０°に相当する。線分ＯＣと線分ＯＤはそれぞれ隣接する同相の突極磁極８２の中心部と固定子中心Ｏを通る線分を示しており、その間隔ＮＶは全周において一定である。このように、電機子の全域にわたって突極磁極８２の先端部及び電機子コイル（図示せず）が均等に間隔ＮＶで分布されている状態においては、同相の隣接する電機子コイルのそれぞれから発生する２つの逆起電圧の位相差を電気角でＥＶとすると、同相の隣接する同士が逆極性となるようにされているので、ＥＶは同相の複数の電機子コイルにおいて全て等しい。参考として、上述の間隔ＭＰを基準に電気角１８０°を定めた場合、間隔ＮＶの電気角は（２）式においてＰ＝２２，Ｓ＝２１を代入することにより、１８８．５７°に換算できる。
【００２４】
上述の（１）式から明らかなように、α＜０のときでは間隔ＡＰは間隔ＮＶよりも若干狭くなっており、α＞０のときでは間隔ＡＰは間隔ＮＶよりも若干広くなっている。本明細書では、説明の便宜上、同式のαを「スロット不等配率」と称し、百分率で表すものとする。スロット不等配率αを用いると、間隔ＮＶに対する間隔ＡＰの広狭の割合を定量的に評価できる。α＜０のときには、線分ＯＥと線分ＯＦで示すＵ相とＶ相の間隔ＷＰは間隔ＡＰよりも広い間隔となる。間隔ＷＰを広げることによって、新たに形成された室内空間を電機子コイルの配線スペースや、サーマルセンサなどのセンサスペースとして利用することができる。また、所望の出力トルクを得るための電気装荷、磁気装荷を犠牲にすることなく、モータ内に配線スペースやセンサスペースを設けることができるため、小型・高出力が要求されるＤＤモータに好適である。
【００２５】
尚、Ｖ相とＷ相の間の間隔（Ｖ７とＷ１の間の間隔）と、Ｗ相とＵ相の間の間隔（Ｗ７とＵ１の間の間隔）も間隔ＷＰに等しい。一方、α＞０のときには、間隔ＷＰは間隔ＡＰよりも狭い間隔となる。
【００２６】
ここで、ＳＰを「隣接する同相の電機子コイルそれぞれから発生する２つの逆起電圧の位相差（電気角）」と定義する。本実施形態では、同相の隣接する突極磁極３１の先端部３１ｂの中心の間隔ＡＰに対応する、それぞれの電機子コイルから発生する２つの逆起電圧の位相差（電気角）がＳＰとなる。また、ＰＰを「互いに隣接する同相の複数の電機子コイルそれぞれから発生する全ての逆起電圧の位相差がないときにおける、その逆起電圧の位相差（電気角）」と定義する。特に、本実施形態では、間隔ＡＰを間隔ＭＰに等しくした場合の、互いに隣接する同相の複数の電機子コイルそれぞれから発生する全ての逆起電圧の位相差（電気角）がＰＰとなり、電気角ＰＰは０°に等しい。前述した通り、位相差ＥＶは「電機子の全域にわたって突極磁極の先端部及び電機子コイルが均等に分布されるときに同相の隣接する電機子コイルのそれぞれから発生する２つの逆起電圧の位相差（電気角）」と定義できる。
【００２７】
原理の詳細については後述するが、トルクリップルの低減と出力トルクの向上を両立させるためには、同相の隣接する電機子コイルから発生する２つの逆起電圧の位相差ＳＰを電気角ＥＶから電気角ＰＰへ近づく方向へ調整すればよい。このことを本明細書では「不等配にする」と称することがある。本実施形態においては、同相の突極磁極３１の先端部３１ｂの中心部の配列ピッチＡＰを、間隔ＮＶから間隔ＭＰへ近づける方向に調整すればよい。上述の（１）式及び（２）式に対応して位相差ＳＰ、ＥＶの式を記述すると下式のようになる。（２）式において「−１８０」とあるのは、同相の隣接する突極磁極３１が逆極となっているためである。
位相差ＳＰの電気角＝位相差ＥＶの電気角×（１＋α／１００）［ｅ−ｄｅｇ］…（３）
位相差ＥＶの電気角＝｛３６０×（Ｐ／２）／Ｓ−１８０｝［ｅ−ｄｅｇ］…（２）
図５は（Ｐ，Ｓ）＝（２２，２１）として巻線電流を一定とし、スロット不等配率αを変えたときのモータの出力トルクとトルクリップルをシミュレーションした結果である。丸のドットをプロットした曲線はモータの出力トルクを表しており、四角のドットをプロットした曲線はトルクリップルを表している。同図に示すように、α＜０とすると、−４．５％までにかけて出力トルクは増加する一方でトルクリップルは極小値を有するような変化を示すことがわかる。α＝−４．５％付近では位相差ＳＰは位相差ＰＰに限りなく近づくため、位相差ＳＰを電気角に換算すると０°に近い値となる。この状態では、同相を成す電機子コイル群の全てが界磁磁極変化に対して位相差をもたなくなり、トルク出力が理論上最大となる。但し、同時にトルクリップルも最大となるため、−４．５％＜α＜０％となる範囲Ａ１に調整するのが望ましい。ここで、範囲Ａ１の下限値−４．５％＝｛（３６０／２２）／（３６０／２１）−１｝×１００％である。
【００２８】
より詳細には、−３．５％＜α＜０％となる範囲Ａ２では、突極磁極８２を固定子全周に沿って均等に配設する従来の永久磁石モータ８０と比較してトルクリップルを低減しつつ、出力トルクを増加できるため、さらに好ましい。α＝−２％付近ではトルクリップルは最小値を示しており、出力トルクも増加しているため、スロット不等配率αの最も好ましい範囲である。一方、α＞０の場合でも、出力トルクは低下するものの、トルクリップルを低減できる範囲が存在することがわかる。特に、１％＜α＜３．５％となる範囲Ａ３が好ましく、１．５％＜α＜２．５％となる範囲Ａ４がより好ましく、α＝２％近傍が特に好ましい。
【００２９】
図６は（Ｐ，Ｓ）＝（２０，２１）としてスロット不等配率αを変えたときのモータの出力トルクとトルクリップルをシミュレーションした結果である。図５と比較すると、出力トルク曲線とトルクリップル曲線がほぼ左右反転した特性を確認できる。図６より、α＞０とする場合には、０％＜α＜５％となる範囲Ｂ１において出力トルクが増加するとともに、トルクリップルが低下するため好ましい。ここで、範囲Ｂ１の上限値５％＝｛（３６０／２０）／（３６０／２１）−１｝×１００％である。さらに、０％＜α＜４％となる範囲Ｂ２がさらに好ましく、α＝２．５％付近（２％＜α＜３％）がより好ましい。一方、α＜０とする場合でも、−４％＜α＜−１％となる範囲Ｂ３が好ましく、−３％＜α＜−１．５％となる範囲Ｂ４がより好ましく、α＝−２％近傍が特に好ましい。
【００３０】
但し、これらの具体的な数値はあくまでも（Ｐ，Ｓ）＝（２２，２１）、或いは（Ｐ，Ｓ）＝（２０，２１）とした場合の結果であって、本発明の範囲を限定するものではない。
【００３１】
次に、スロット不等配率αを所望の範囲に設定すると、出力トルクを増加しつつ、トルクリップルを低減できる理由について説明する。位相差ＳＰを電気角ＰＰに近づける方向に調節すると、同相の電機子コイルが巻装される突極群のそれぞれから発生する逆起電圧の位相差が小さくなり、一つの相あたりの逆起電圧の総和が、それぞれが位相差をもつ場合と比べて大きくできる。これは即ち、相当たりの出力トルクの増大を意味し、結果的にスロット不等配率αを調節することにより、３相全てからの出力トルクを増大できることとなる。電機子コイルに誘起される逆起電力の高調波成分は全てトルクリップルとなって影響を及ぼすため、これらの成分はできるだけ小さいことが望ましい。
【００３２】
図７は（Ｐ，Ｓ）＝（２２，２１）として電機子コイルに誘起される逆起電力の５次成分をα＝０％、−０．５％、−１％、−２％、−３％としてシミュレーションした結果である。αの値を小さくすることで、５次成分が増加していることが確認できる。同じく図８は電機子コイルに誘起される逆起電力の７次成分をα＝０％、−０．５％、−１％、−２％、−２．５％としてシミュレーションした結果である。αの値を小さくすることで、７次成分が増加していることが確認できる。これらのシミュレーション結果から、αを０から−３％まで変化させると、５次成分の位相は変化せずに振幅が大きくなる。一方、７次成分については、αを０から−２．５％まで変化させると、振幅はやはり大きくなっている。しかし、５次成分の場合と異なり、−０．５％＜α＜−１％の範囲で７次成分の位相が反転していることが確認できる。
【００３３】
図９はスロット不等配率α＝０％としたときのＵ相、Ｖ相、Ｗ相のそれぞれの５次成分と７次成分のみを合成した出力トルク変動、及びこれら全てを合成した結果（合成トルク変動）のシミュレーション結果を示している。図１０はα＝−２％としたときのＵ相、Ｖ相、Ｗ相のそれぞれの５次成分と７次成分のみを合成した出力トルク変動、及びこれら全てを合成した結果（合成トルク変動）のシミュレーション結果を示している。これらの結果から、α＝０％とα＝−２％を比較すると、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の個々では、むしろα＝−２％の方がトルク変動が大きいにもかかわらず、３相を合成すると、その合成トルク変動は相互に打ち消しあって、減少することが確認できる。このように、本発明によれば、基本成分を減少させることなく、高調波成分同士（ここでは、５次成分と７次成分）を相殺できるため、トルクリップルの減少を実現できる。
【００３４】
尚、永久磁石界磁がＮ極とＳ極の２種類が等間隔で配置される永久磁石モータでは、理論上、偶数次成分は発生しない。３次成分は電機子コイルをＹ結線しているため問題とならない。９次以降の高調波奇数成分は逆起電力が小さいため、問題とならない。従って、主に、５次成分と７次成分を共に相殺することがトルクリップルの低減に効果的である。
【００３５】
以上、説明したように、本実施形態によれば、隣り合う異極の界磁永久磁石磁極２１の磁極間隔を電気角１８０°としたときに、隣接する同相の電機子コイルそれぞれから発生する２つの逆起電圧の位相差を電気角でＳＰとし、電機子の全域にわたって突極磁極３１及び電機子コイルが均等に分布されるときに同相の隣接する電機子コイルのそれぞれから発生する２つの逆起電圧の位相差を電気角でＥＶとし、互いに隣接する同相の複数の電機子コイルそれぞれから発生する全ての逆起電圧の位相差がないときにおける、その逆起電圧の位相差を電気角でＰＰとすると、位相差ＳＰは同相を成す複数の電機子コイルにおいて全て等しく、かつ、位相差ＳＰの上限値と下限値の何れか一方を電気角ＥＶ、他方を電気角ＰＰとしたときに、位相差ＳＰの値が電気角ＥＶと電気角ＰＰの間になるように位相差ＳＰの値を調整したため、出力トルクの増大とトルクリップルの低下を実現できる。
【００３６】
また、例えば、（Ｐ，Ｓ）＝（２２，２１）ではα＜０とし、（Ｐ，Ｓ）＝（２０，２１）ではα＞０とする場合、所望の出力トルクを得るための電気装荷を下げることができ、モータの発熱を抑えることができる。この点を詳述すると、図５でスロット不等配率α＝０％、すなわち等配の場合の出力トルクは１２．２５Ｎｍである。この場合にスロット不等配率α＝−２％とすると、同じ電流では１２．７Ｎｍの出力トルクが得られる。今、所望出力トルクが１２．２５Ｎｍであるとするならば、スロット不等配率α＝−２％の場合、巻線電流は３．５％減らせることになる（１−１２．２５／１２．７＝０．０３５）。出力トルクは巻線電流に比例し、銅損による発熱は巻線電流に比例するので、上記の場合、等配の場合に比べ、発熱を３．５％減らせるので使用定格を向上できる。同様に図６の場合では、スロット不等配率α＝２．５％の場合、等配の場合に比べ、所望出力トルクを１１．１Ｎｍとすると、発熱量を３．５％減らせるので使用定格を向上できる。また、本実施形態では、界磁永久磁石の形状にスキューを設けるなどの複雑な構成を採用しなくても簡単な構成で効率よく出力トルクの増大とトルクリップルの低減を図ることができるため、高性能なモータを低コストで実現できる。
【００３７】
本実施形態においては、突極磁極の３１の電機子コイルが巻回される部分の中心（突極首部３１ａ）と、永久磁石磁極２１に対向する突極先端部３１ｂの中心とが一致しているが、本発明はこれに限られるものではなく、後述する第２実施形態で説明するように、突極磁極の３１の電機子コイルが巻回される部分の中心（突極首部３１ａ）を均等に分散させる一方で、永久磁石磁極２１に対向する突極先端部３１ｂの形状を周期的に変化させることで、互いに隣接する同相の電機子コイルが巻回される突極群のそれぞれから発生する逆起電圧の位相差を上述のように調整することも可能である。
【００３８】
また、上記の説明では固定子に対して回転子が回転するタイプの永久磁石モータを示したが、本発明は固定子に対して可動子が直線的に可動するように構成されたリニアモータについても応用することができる。リニアモータの場合には、永久磁石界磁と電機子の何れか一方を固定子、他方を可動子として突極磁極間隔を不等間隔とすればよい。尚、上述の間隔ＭＰ、ＡＰ、ＮＶ、ＷＰは円周方向の間隔を意味していたが、本発明をリニアモータに応用する場合は、これらの間隔ＭＰ、ＡＰ、ＮＶ、ＷＰは直線方向の間隔を意味することになる。
［発明の実施形態２］
次に、図１１を参照して本発明の第２実施形態について説明する。
【００３９】
本実施形態では、界磁永久磁石磁極数をＰ＝２２、突極磁極数をＳ＝２１とする例を説明する。但し、固定子の磁束分布を不等間隔とする手法が第１実施形態と相違するため、この点を中心に説明する。
【００４０】
永久磁石モータ５０は環状の固定子（ステータ）７０と中空環状の回転子（ロータ）６０から構成されている。固定子７０の全周には突極磁極（スロット）７１が外歯状に凸設されている。突極磁極７１は断面略Ｔ字状の形状を成しており、固定子７０の基部から外歯状に延出する突極首部７１ａと、突極首部７１ａの至端に位置する突極先端部７１ｂを具備している。Ｕ１〜Ｕ７、Ｖ１〜Ｖ７、Ｗ１〜Ｗ７はそれぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相の電機子コイル（図示せず）が集中巻回される突極磁極７１を示している。Ｕ１〜Ｕ７、Ｖ１〜Ｖ７、Ｗ１〜Ｗ７の電機子コイルは、図３又は図４に示すように、隣接する突極磁極７１が異極となるように結線されている。計２１個の突極磁極７１は突極首部７１ａの形状を同一としつつ、突極先端部７１ｂの形状がその配列位置に応じて周期的に変化するように構成されている。
【００４１】
例えば、Ｕ１で示される突極磁極７１の突極先端部７１ｂは突極首部７１ａに対して時計回りの方向へ最大のずれ量で偏移した状態に形成されている。Ｕ２〜Ｕ３では突極首部７１ａに対する突極先端部７１ｂの時計回りの方向へのずれ量が次第に小さくなるように形成されている。Ｕ４で示される突極磁極７１ではこのずれ量が０となっており、突極磁極７１は左右対称の形状を成している。Ｕ５〜Ｕ６で示される突極磁極７１では突極首部７１ａに対する突極先端部７１ｂの反時計回りの方向へのずれ量が次第に大きくなるように形成されており、Ｕ７で示される突極磁極７１では反時計回りの方向へのずれ量が最大となっている。Ｖ１〜Ｖ７、Ｗ１〜Ｗ７で示される突極磁極７１においても同様に突極首部７１ａに対する突極先端部７１ｂのずれが周期的に変化するように形成されている。
【００４２】
回転子６０は磁性体から成る中空環状のバックヨーク６２と、バックヨーク６２の内周に固定されて成る２２個の永久磁石磁極６１を具備している。永久磁石磁極６１は突極磁極７１と対向するように異極同士が隣接するようにＮ極とＳ極とを交互に替えて均等な配置分布で着磁されている。図１１において、固定子７０の中心をＯとしたとき、線分ＯＡと線分ＯＢの間隔ＭＰは隣接する永久磁石磁極６１同士の間隔ＭＰを示しており、その間隔ＭＰは回転子全周にわたって一定である。この間隔ＭＰの機械角は３６０°／２２＝１６．３６°であり、電気角１８０°に相当する。
【００４３】
線分ＯＥと線分ＯＦはそれぞれ隣接する同相の突極先端部７１ｂの中心部と固定子中心Ｏを通る線分を示しており、その間隔ＡＰは各相において一定である。つまり、Ｕ１〜Ｕ７で示される隣接する突極磁極７１の間隔ＡＰは全て同一である。Ｖ１〜Ｖ７、Ｗ１〜Ｗ７で示される突極磁極７１においても同様である。間隔ＡＰの電気角は（１）式で換算することができる。さらに、線分ＯＣと線分ＯＤはそれぞれ隣接する同相の突極首部７１ａの中心部と固定子中心Ｏを通る線分を示しており、その間隔ＮＶは各相において一定である。上述の間隔ＭＰを基準に電気角１８０°を定めた場合、間隔ＮＶの電気角は（２）式で換算することができる。
【００４４】
線分ＯＧはＵ相とＷ相の境界線、線分ＯＨはＵ相とＶ相の境界線、線分ＯＩはＶ相とＷ相の境界線をそれぞれ示している。各相の突極磁極群の占有面積は均等であるため、線分ＯＧと線分ＯＨのなす角度と、線分ＯＨと線分ＯＩのなす角度と、線分ＯＩと線分ＯＧのなす角度はそれぞれ１２０°である。
【００４５】
このように、本実形態によれば、突極磁極７１の形状を周期的に変化させることによって、突極首部７１ａを固定子７０の全周に沿って均等に配列しつつも固定子７０の磁束分布を不等間隔とすることができる。間隔ＡＰのスロット不等配率αの好適な範囲は上述の第１実施形態と同様である。
【００４６】
尚、上述の各実施形態においては、永久磁石モータとしてアウタロータ式のモータを例示したが、インナロータ式のモータでもよい。
【００４７】
【発明の効果】
本発明によれば、高調波成分の相殺によりトルク変動を効率よく低減できるとともに、基本波成分を増大させて高出力トルクを得ることができるため、永久磁石モータの出力トルクの増大とトルク変動の低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の永久磁石モータの断面図である。
【図２】比較例の永久磁石モータの断面図である。
【図３】電機子コイルの結線図である。
【図４】電機子コイルの結線図である。
【図５】出力トルクとトルクリップルのシミュレーショングラフである。
【図６】出力トルクとトルクリップルのシミュレーショングラフである。
【図７】電機子コイルに誘起される逆起電力の５次成分である。
【図８】電機子コイルに誘起される逆起電力の７次成分である。
【図９】５次成分と７次成分を合成出力である（α＝０％）。
【図１０】５次成分と７次成分を合成出力である（α＝−２％）。
【図１１】第２実施形態の永久磁石モータの断面図である。
【符号の説明】
１０，５０…永久磁石モータ
２０，６０…回転子（永久磁石界磁）
２１，６１…永久磁石磁極
３０，７０…固定子（電機子）
３１，７１…突極磁極
【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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