(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
環状に等配した複数の永久磁石を界磁手段とする回転子を備えたインナーロータ型の永久磁石形モータにおいて、
前記永久磁石の横断面は、
内周縁が、半径Ｒ３、中心角Ｔ１の第１円弧で形成され、
外周縁が、第２円弧と、該第２円弧の一端に接合する第３円弧と、前記第２円弧の他端に接合する第４円弧とで形成されており、
前記第２円弧は、前記第１円弧と同一の中心と、前記半径Ｒ３より大きな半径Ｒ１と、前記中心角Ｔ１よりも小さな中心角Ｔ２とを有し、
前記第３円弧は、前記第２円弧の一端と該第２円弧の中心とを結ぶ線分上、又は、前記線分を前記第２円弧の中心を支点として０°〜１０°だけ前記第２円弧の他端側に向かって回転させた場合の当該線分上に位置する中心と、前記半径Ｒ１より小さい半径Ｒ２とを有し、
前記第４円弧は、前記第２円弧の他端と該第２円弧の中心とを結ぶ線分上、又は、前記線分を前記第２円弧の中心を支点として０°〜１０°だけ前記第２円弧の前記一端側に向かって回転させた場合の当該線分上に位置する中心と、前記半径Ｒ２とを有することを特徴とする永久磁石形モータ。
【請求項２】
環状に等配した複数の永久磁石を界磁手段とする回転子を備えたアウターロータ型の永久磁石形モータにおいて、
前記永久磁石の横断面は、
外周縁が、半径Ｒ３、中心角Ｔ１の第１円弧で形成され、
内周縁が、第２円弧と、該第２円弧の一端に接合する第３円弧と、前記第２円弧の他端に接合する第４円弧とで形成されており、
前記第２円弧は、前記第１円弧と同一の中心と、前記半径Ｒ３より小さな半径Ｒ１と、前記中心角Ｔ１よりも小さな中心角Ｔ２とを有し、
前記第３円弧は、前記第２円弧の一端と該第２円弧の中心とを結ぶ直線上、又は、前記直線を前記第２円弧の中心を支点として０°〜１０°だけ前記第２円弧の他端側に向かって回転させた場合の当該直線上であって、前記第２円弧より外方に位置する中心を有し、
前記第４円弧は、前記第２円弧の他端と該第２円弧の中心とを結ぶ直線上、又は、前記直線を前記第２円弧の中心を支点として０°〜１０°だけ前記第２円弧の前記一端側に向かって回転させた場合の当該直線上であって、前記第２円弧より外方に位置する中心を有することを特徴とする永久磁石形モータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、永久磁石形モータに関し、特に、コギングトルクを低減し且つモータ出力の低減を抑え得る永久磁石を具備するモータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
永久磁石形モータは、周知のように、回転軸と、該回転軸に取り付けれた回転子鉄心と、該回転子鉄心の外周面に環状に等配された界磁手段としての複数の永久磁石とを具備する回転子を備えている。また、所定の空隙を介して前記回転子を取り囲むように配設され、固定子鉄心と巻線とを具備する固定子を備えている。このように、回転子の外方に固定子が配設された構成を有するモータをインナーロータ型と称する。また、永久磁石形モータには、回転子鉄心の内周面に環状に等配された複数の永久磁石を具備する回転子と、当該回転子の内方に配設された固定子とを有するアウターロータ型も知られている。
【０００３】
ここで、永久磁石形モータに発生するコギングトルク（固定子と回転子との間に発生する磁気吸引力に基づくトルクの回転角に対する変化）、すなわち所謂トルクむらは、回転子を構成する各永久磁石と、固定子を構成する固定子鉄心との間に発生する空隙磁束密度分布に影響されることが知られている。斯かるコギングトルクは、モータの振動や騒音を生じさせる要因となるという点で問題とされている。
【０００４】
図３は、従来の永久磁石形モータ（インナーロータ型）に使用されている第１従来例に係る永久磁石の横断面図である。図３に示すように、第１従来例の永久磁石２は、内周縁２１及び外周縁２２が、同一の中心Ａを有する円弧で形成されている。従って、外周縁２２を形成する円弧の半径をＲ１、内周縁２１を形成する円弧の半径をＲ２とすれば、永久磁石２の径方向の厚さは、一定の値であるＲ１−Ｒ２となる。斯かる永久磁石２は、内周縁２１及び外周縁２２が同心の円弧とされているため、製造が容易であるという利点を有する。
【０００５】
しかし、図３に示す第１従来例の永久磁石２における磁束密度分布は、方形波に近い波形となり、高調波成分が含まれることから、斯かる永久磁石２を使用した永久磁石形モータのコギングトルクが大きくなるという問題がある。
【０００６】
図４は、上記第１従来例の永久磁石２を使用した場合に発生するコギングトルクを抑制するべく改良を施した、第２従来例に係る永久磁石の横断面図である。図４に示すように、第２従来例の永久磁石３は、第１従来例の永久磁石と異なり、径方向の厚さが中央部から端部に向かって小さくなるように形成されている。具体的には、内周縁３１を形成する半径Ｒ２の円弧の中心Ａに対し、外周縁３２を形成する半径Ｒ１の円弧の中心Ｂが、永久磁石３の中心線Ｌに沿って外周方向に所定量（Ｗ）だけシフトして位置するように形成されている。斯かる永久磁石３における磁束密度分布は、正弦波に近づき、高調波成分が減少することになるため、コギングトルクをある程度低減することができるという利点を有する。
【０００７】
しかし、永久磁石３は、径方向の厚さが中央部から端部に向かって単調に小さくなるように形成されていることにより、コギングトルクの低減のみならず、モータ出力も低減されるという問題がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、斯かる従来技術における問題点を解決するべくなされたもので、コギングトルクを低減し且つモータ出力の低減を抑え得る永久磁石形モータを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
斯かる課題を解決するべく、本発明は、環状に等配した複数の永久磁石を界磁手段とする回転子を備えたインナーロータ型の永久磁石形モータにおいて、前記永久磁石の横断面は、内周縁が、半径Ｒ３、中心角Ｔ１の第１円弧で形成され、外周縁が、第２円弧と、該第２円弧の一端に接合する第３円弧と、前記第２円弧の他端に接合する第４円弧とで形成されており、前記第２円弧は、前記第１円弧と同一の中心と、前記半径Ｒ３より大きな半径Ｒ１と、前記中心角Ｔ１よりも小さな中心角Ｔ２とを有し、前記第３円弧は、前記第２円弧の一端と該第２円弧の中心とを結ぶ線分上、又は、前記線分を前記第２円弧の中心を支点として０°〜１０°だけ前記第２円弧の他端側に向かって回転させた場合の当該線分上に位置する中心と、前記半径Ｒ１より小さい半径Ｒ２とを有し、前記第４円弧は、前記第２円弧の他端と該第２円弧の中心とを結ぶ線分上、又は、前記線分を前記第２円弧の中心を支点として０°〜１０°だけ前記第２円弧の前記一端側に向かって回転させた場合の当該線分上に位置する中心と、前記半径Ｒ２とを有することを特徴とする永久磁石形モータを提供するものである。
【００１０】
斯かる発明によれば、インナーロータ型モータが提供され、中心角Ｔ２の範囲、すなわち第１円弧と第２円弧で区画される領域では、永久磁石の径方向の厚さは一定の値であるＲ１−Ｒ３となり、モータ出力の低減を抑制することができる。一方、中心角Ｔ２を越える範囲、すなわち第１円弧と第３円弧及び第１円弧と第４円弧で区画される領域では、径方向の厚さが端部に向かって小さくなり、コギングトルクを低減することができる。従って、永久磁石全体としてみれば、コギングトルクを低減し且つモータ出力の低減を抑えることが可能である。
【００１１】
また、前記課題を解決するべく、本発明は、環状に等配した複数の永久磁石を界磁手段とする回転子を備えたアウターロータ型の永久磁石形モータにおいて、前記永久磁石の横断面は、外周縁が、半径Ｒ３、中心角Ｔ１の第１円弧で形成され、内周縁が、第２円弧と、該第２円弧の一端に接合する第３円弧と、前記第２円弧の他端に接合する第４円弧とで形成されており、前記第２円弧は、前記第１円弧と同一の中心と、前記半径Ｒ３より小さな半径Ｒ１と、前記中心角Ｔ１よりも小さな中心角Ｔ２とを有し、前記第３円弧は、前記第２円弧の一端と該第２円弧の中心とを結ぶ直線上、又は、前記直線を前記第２円弧の中心を支点として０°〜１０°だけ前記第２円弧の他端側に向かって回転させた場合の当該直線上であって、前記第２円弧より外方に位置する中心を有し、前記第４円弧は、前記第２円弧の他端と該第２円弧の中心とを結ぶ直線上、又は、前記直線を前記第２円弧の中心を支点として０°〜１０°だけ前記第２円弧の前記一端側に向かって回転させた場合の当該直線上であって、前記第２円弧より外方に位置する中心を有することを特徴とする永久磁石形モータを提供するものである。
【００１２】
斯かる発明によれば、アウターロータ型モータが提供され、前記インナーロータ型と同様に、中心角Ｔ２の範囲、すなわち第１円弧と第２円弧で区画される領域では、永久磁石の径方向の厚さは一定の値であるＲ１−Ｒ３となり、モータ出力の低減を抑制することができる。一方、中心角Ｔ２を越える範囲、すなわち第１円弧と第３円弧及び第１円弧と第４円弧で区画される領域では、径方向の厚さが端部に向かって小さくなり、コギングトルクを低減することができる。従って、永久磁石全体としてみれば、コギングトルクを低減し且つモータ出力の低減を抑えることが可能である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
以下、添付図面を参照しつつ、本発明の第１の実施形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係るインナーロータ型の永久磁石形モータの横断面図である。図１に示すように、本実施形態の永久磁石形モータ１０は、回転軸２０と、回転軸２０に取り付けれた回転子鉄心３０と、回転子鉄心３０の外周面に環状に等配された界磁手段としての４個の永久磁石１とを具備する回転子を備えている。また、所定の空隙を介して前記回転子を取り囲むように配設され、固定子鉄心４０と巻線５０とを具備する固定子を備えている。
【００１４】
図２は、図１に示す永久磁石１を詳細に示す横断面図である。本実施形態の永久磁石１は、内周縁１１が、半径Ｒ３、中心角Ｔ１の第１円弧１１１で形成され、外周縁１２が、第２円弧１２１と、第２円弧１２１の一端に接合する第３円弧１２２と、第２円弧１２１の他端に接合する第４円弧１２３とで形成されている。
【００１５】
第２円弧１２１は、第１円弧１１１と同一の中心Ａと、前記半径Ｒ３より大きな半径Ｒ１と、前記中心角Ｔ１よりも小さな中心角Ｔ２とを有している。また、第３円弧１２２は、第２円弧１２１の一端と第２円弧１２１の中心Ａとを結ぶ線分上に位置する中心Ｂと、前記半径Ｒ１より小さい半径Ｒ２とを有している。第４円弧１２３は、第２円弧１２１の他端と第２円弧１２１の中心Ａとを結ぶ線分上に位置する中心Ｃと、前記半径Ｒ２とを有する。
【００１６】
本実施形態の永久磁石形モータ１０は、永久磁石１の中心角Ｔ１が略９０°とされており、４個の永久磁石１が環状に等配されて回転子を構成しているが、本発明はこれに限るものではない。すなわち、中心角Ｔ１＞中心角Ｔ２を満足する限りにおいて、種々の中心角Ｔ１とすることができ、中心角Ｔ１に応じて６個、８個等の永久磁石を環状に等配して回転子を構成すればよい。また、これ以外の構成についても、図１に示すものに限らず、形状、極数、スロット数等について種々の形態をとることが可能である。
【００１７】
永久磁石１の構成は以上のようであるので、中心角Ｔ２の範囲、すなわち第１円弧１１１と第２円弧１２１で区画される領域（ハッチングを施した領域）では、永久磁石１の径方向の厚さは一定の値であるＲ１−Ｒ３となり、モータ出力の低減を抑制することができる。一方、中心角Ｔ２を越える範囲、すなわち第１円弧１１１と第３円弧１２２及び第１円弧１１１と第４円弧１２３で区画される領域では、径方向の厚さが端部に向かって小さくなり、コギングトルクを低減することができる。従って、永久磁石全体としてみれば、コギングトルクを低減し且つモータ出力の低減を抑えることが可能である。
【００１８】
図５は、本実施形態に係る永久磁石形モータと従来の永久磁石形モータとのコギングトルクを２次元磁界解析により算出した結果を示す。ここで、図中（ａ）は、本実施形態に係る永久磁石形モータのコギングトルクの解析結果を示す。解析に際しては、図２に示す永久磁石１をフェライト焼結（最大エネルギー積ＢＨmax＝４ｋＪ／ｍ3）とし、中心角Ｔ１＝９０°、中心角Ｔ２＝４５°、半径Ｒ１＝２７ｍｍ、半径Ｒ２＝１４ｍｍ、半径Ｒ３＝１７．５５ｍｍ、固定子鉄心３０との間の最大空隙長１．７５ｍｍ及び最小空隙長０．５ｍｍとして計算した。また、図中（ｂ）は、前述した第１従来例に係る永久磁石２を使用した永久磁石形モータのコギングトルクの解析結果である。解析に際しては、（ａ）と同様に、図３に示す永久磁石２をフェライト焼結とし、中心角Ｔ１＝９０°、半径Ｒ１＝２７ｍｍ、半径Ｒ２＝１７．５５ｍｍ及び空隙長０．５ｍｍとして計算した。さらに、図中（ｃ）は、前述した第２従来例に係る永久磁石３を使用した永久磁石形モータのコギングトルクの解析結果である。解析に際しては、（ａ）と同様に、図４に示す永久磁石３をフェライト焼結とし、中心角Ｔ１＝９０°、半径Ｒ１＝１９ｍｍ、半径Ｒ２＝１７．５５ｍｍ、シフト量Ｗ＝８ｍｍ、最大空隙長３ｍｍ及び最小空隙長０．５ｍｍとして計算した。
【００１９】
図５に示すように、本実施形態に係る永久磁石形モータ（図５の(a)）は、回転子１回転当たりの平均又は最大コギングトルクでみれば、従来の永久磁石形モータ（図５の(b)、(c)）に比べてコギングトルクが低下することが分かる。なお、図６は、以上のようにして算出した本実施形態、従来例１及び従来例２についての最大コギングトルクを整理した結果を、図７は、従来例１を基準とした最大コギングトルクの減衰率をそれぞれ示す。
【００２０】
図８は、永久磁石に関し上記コギングトルクの算出と同様の条件として、本実施形態、従来例１及び従来例２についての誘起電圧（実効値）を算出した結果を示す。なお、誘起電圧の算出に際し、回転子の回転速度や固定子に関する諸条件について、本発明、従来例１及び従来例２を全て同一の条件とした。また、図９は、図８に示す従来例１を基準として誘起電圧の減衰率を整理した結果を示す。図９に示すように、本発明に係る永久磁石形モータは、従来例１のモータに比べると誘起電圧が若干減衰するものの、従来例２のモータほどではなく、従って、モータ出力の低減を抑制できるといえる。
【００２１】
次に、図１０に示すように、図２に示す永久磁石１における第３円弧１２２の中心Ｂと、第４円弧１２３の中心Ｃとを、第２円弧の中心Ａを支点として、それぞれ内側に２．５°、５°、７．５°及び１０°だけ回転させた形状とした場合における、永久磁石形モータのコギングトルク及び誘起電圧を２次元磁界解析により算出した。なお、解析に際し、半径Ｒ２等の諸条件は、前述した図５等に示す結果が得られた解析の場合と同一とした。
【００２２】
図１１は、以上のようにして算出した本実施形態の各回転角度、従来例１及び従来例２についての最大コギングトルクを、図１２は、従来例１を基準とした最大コギングトルクの減衰率をそれぞれ示す。図１１及び図１２に示すように、中心Ｂ及び中心Ｃの回転角度を増加させるにしたがって、コギングトルクの減衰率は低下するものの、１０°までの回転角度であれば、少なくとも従来例１に比べてコギングトルクが低下することが分かる。
【００２３】
また、図１３は、本実施形態の各回転角度、従来例１及び従来例２についての誘起電圧（実効値）を算出した結果を、図１４は、従来例１を基準とした誘起電圧の減衰率を整理した結果をそれぞれ示す。図１３及び図１４に示すように、中心Ｂ及び中心Ｃの回転角度を増加させるにしたがって、誘起電圧は減衰するものの、１０°までの回転角度であれば、従来例２よりも減衰を抑制することができ、従って、モータ出力の低減を抑制できるといえる。
【００２４】
以上に説明したように、第３円弧１２２の中心Ｂと、第４円弧１２３の中心Ｃの回転角度が０°〜１０°の範囲内にあれば、コギングトルクを低減し且つモータ出力の低減を抑えるという本発明の課題を解決することが可能である。
【００２５】
（実施形態２）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
図１５は、本発明の第２の実施形態に係るアウターロータ型の永久磁石形モータの横断面図である。図１５に示すように、本実施形態の永久磁石形モータ１０’は、回転軸２０’と、回転子鉄心３０’と、回転子鉄心３０’の内周面に環状に等配された界磁手段としての８個の永久磁石１’とを具備する回転子を備えている。また、所定の空隙を介して前記回転子の内方に配設され、固定子鉄心４０’と巻線５０’とを具備する固定子を備えている。
【００２６】
図１６は、図１５に示す永久磁石１’を詳細に示す横断面図である。本実施形態の永久磁石１’は、外周縁１１’が、半径Ｒ３、中心角Ｔ１の第１円弧１１１’で形成され、内周縁１２’が、第２円弧１２１’と、第２円弧１２１’の一端に接合する第３円弧１２２’と、第２円弧１２１’の他端に接合する第４円弧１２３’とで形成されている。
【００２７】
第２円弧１２１’は、第１円弧１１１’と同一の中心Ａと、前記半径Ｒ３より小さな半径Ｒ１と、前記中心角Ｔ１よりも小さな中心角Ｔ２とを有している。また、第３円弧１２２’は、第２円弧１２１’の一端と第２円弧１２１’の中心Ａとを結ぶ直線上であって、第２円弧１２１’より外方に位置する中心Ｂを有している。第４円弧１２３’は、第２円弧１２１’の他端と第２円弧１２１’の中心Ａとを結ぶ直線上であって、第２円弧１２１’より外方に位置する中心Ｃを有する。
【００２８】
本実施形態の永久磁石１’の構成は以上のようであるので、第１の実施形態と同様に、中心角Ｔ２の範囲、すなわち第１円弧１１１’と第２円弧１２１’で区画される領域（ハッチングを施した領域）では、永久磁石１’の径方向の厚さは一定の値であるＲ１−Ｒ３となり、モータ出力の低減を抑制することができる。一方、中心角Ｔ２を越える範囲、すなわち第１円弧１１１’と第３円弧１２２’及び第１円弧１１１’と第４円弧１２３’で区画される領域では、径方向の厚さが端部に向かって小さくなり、コギングトルクを低減することができる。従って、永久磁石全体としてみれば、コギングトルクを低減し且つモータ出力の低減を抑えることが可能である。
【００２９】
本実施形態に係るアウターロータ型の永久磁石形モータについても、コギングトルク及び誘起電圧を２次元磁界解析により算出したが、第１の実施形態について得られた図５〜図１４に示す結果と同様の結果が得られ、本発明の有効性を確認することができた。
【００３０】
なお、永久磁石１’の中心角Ｔ１を種々の値とすることができる点、つまり、永久磁石の１’の配置個数を種々に変更できる点や、第３円弧１２２’の中心Ｂと第４円弧１２３’の中心Ｃの回転角度を０°〜１０°の範囲内で変更できる点、その他モータの形状、極数、スロット数等を種々の形態とすることができる点は、第１の実施の形態の場合と同様である。
【００３１】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明に係る永久磁石形モータによれば、中心角Ｔ２の範囲、すなわち第１円弧と第２円弧で区画される領域では、永久磁石の径方向の厚さは一定の値であるＲ１−Ｒ３となり、モータ出力の低減を抑制することができる。一方、中心角Ｔ２を越える範囲、すなわち第１円弧と第３円弧及び第１円弧と第４円弧で区画される領域では、径方向の厚さが端部に向かって小さくなり、コギングトルクを低減することができる。従って、永久磁石全体としてみれば、コギングトルクを低減し且つモータ出力の低減を抑え得るという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は、本発明の一実施形態に係る永久磁石形モータの横断面図である。
【図２】  図２は、図１に示す永久磁石を詳細に示す横断面図である。
【図３】  図３は、従来の永久磁石形モータに使用されている第１従来例に係る永久磁石の横断面図である。
【図４】  図４は、第２従来例に係る永久磁石の横断面図である。
【図５】  図５は、本発明に係る永久磁石形モータと従来の永久磁石形モータとのコギングトルクを比較した結果を示す。
【図６】  図６は、図５に示すコギングトルクの最大値を整理した結果を示す。
【図７】  図７は、図６に示す従来例１を基準とした最大コギングトルクの減衰率を示す。
【図８】  図８は、本発明に係る永久磁石形モータと従来の永久磁石形モータとの誘起電圧を比較した結果を示す。
【図９】  図９は、図８に示す従来例１を基準として誘起電圧の減衰率を整理した結果を示す。
【図１０】  図１０は、図２に示す永久磁石における第３円弧と第４円弧の中心を回転させた場合の形状の変化を示す説明図である。
【図１１】  図１１は、図１０に示す各回転角度におけるコギングトルクの最大値を従来例と比較して整理した結果を示す。
【図１２】  図１２は、図１１に示す従来例１を基準とした最大コギングトルクの減衰率を示す。
【図１３】  図１３は、図１０に示す各回転角度における誘起電圧を従来例と比較した結果を示す。
【図１４】  図１４は、図１３に示す従来例１を基準として誘起電圧の減衰率を整理した結果を示す。
【図１５】  図１５は、本発明の第２の実施形態に係る永久磁石形モータの横断面図である。
【図１６】  図１６は、図１５に示す永久磁石を詳細に示す横断面図である。
【符号の説明】
１      永久磁石
１１    内周縁
１２    外周縁
１１１  第１円弧
１２１  第２円弧
１２２  第３円弧
１２３  第４円弧
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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