(57)【要約】【課題】ロータの回転位置によらず磁束をステータコイルと効率よく鎖交させ、逆起電力波形に高周波の波形歪みが発生することを防止することができる永久磁石埋め込み型モータを提供すること。【解決手段】永久磁石埋め込み型モータのロータ１は、永久磁石５に対応して磁性体２の外周面が周方向で等角度間隔に分割された６つの分割外周面Ｒ10と、６つの分割外周面Ｒ10の各間に位置する非磁性部Ｒ3とを備えている。非磁性部Ｒ3は、６つの分割外周面Ｒ10の各間で凹む凹部３として構成されており、そこには空気が存在している。分割外周面Ｒ10は、周方向の中央部に形成された第１の円弧面Ｒ11と、第１の円弧面Ｒ11の両端部に連続して連なる２つの第２の円弧面Ｒ21、Ｒ22とを備え、第２の円弧面Ｒ21、Ｒ22の曲率半径ｒ21は、第１の円弧面Ｒ11の曲率半径ｒ11に比して小さい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
周方向に等間隔に永久磁石が埋設された磁性体を備えたロータと、該ロータの外周側に位置し、前記ロータに向けてコイルが巻回された複数の極歯が等角度間隔で突出するステータとを有する永久磁石埋め込み型モータにおいて、
前記ロータの外周面は、前記永久磁石に対応して前記磁性体の外周面が周方向で等角度間隔に分割された複数の分割外周面と、隣接する前記分割外周面の間に位置する非磁性部とを備え、
前記分割外周面は、周方向の中央部の曲率半径が前記磁性体の仮想外接円の半径以下であり、かつ、両端部が中央部に比して曲率半径が小さくなっていることを特徴とする永久磁石埋め込み型モータ。
【請求項２】
請求項１において、前記分割外周面は、周方向の中央部に形成された第１の円弧面と、該第１の円弧面の両端部に連続して連なる第２の円弧面とを備え、
前記第２の円弧面の曲率半径は、前記第１の円弧面の曲率半径に比して小さいことを特徴とする永久磁石埋め込み型モータ。
【請求項３】
請求項２において、前記第１の円弧面の曲率中心は、前記磁性体の仮想外接円の中心から前記第１の円弧面の周方向の中央位置に向けて前記仮想外接面の半径の１／４倍以下の距離だけずれた位置にあることを特徴とする永久磁石埋め込み型モータ。
【請求項４】
請求項３において、前記分割外周面は、前記第１の円弧面の曲率中心を中心にして（３６０°／ロータ磁極数）の角度範囲に形成されていることを特徴とする永久磁石埋め込み型モータ。
【請求項５】
請求項２ないし４のいずれかにおいて、前記第１の円弧面の円弧角は、（３６０°／ロータ磁極数）の１／３倍以上であることを特徴とする永久磁石埋め込み型モータ。
【請求項６】
請求項２ないし５のいずれかにおいて、前記第２の円弧面の曲率中心は、前記磁性体の仮想外接円の中心から前記第１の円弧面の周方向の中央位置に向かう第１の仮想線と、前記磁性体の仮想外接円の中心から前記第２の円弧面の周方向の中央位置に向かう第２の仮想線とにより挟まれた位置にあることを特徴とする永久磁石埋め込み型モータ。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかにおいて、前記非磁性部は、隣接する前記分割外周面の間で凹む凹部からなることを特徴とする永久磁石埋め込み型モータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁性体の内部に複数の永久磁石が埋設されたロータを備えた永久磁石埋め込み型モータに関するものである。さらに詳しくは、ロータの構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
永久磁石埋め込み型モータのロータにおいては、磁性体に対して周方向の等角度間隔に形成された複数のスリットの各々に永久磁石が埋設される。ここで、永久磁石による磁束がステータコイルと効率よく鎖交させるには、隣接する永久磁石同士による磁束の短絡を防止する必要がある。
【０００３】
そこで、磁性体の外周面のうち、永久磁石が配置された領域の間に切り欠きを設けた構成が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、トルクリップル、コギングトルク、および逆起電力の波形歪みの低減を図るために、ロータに用いた磁性体の外周面をロータの極数に応じた複数の円弧によって形成する構成が採用されている。さらに、磁性体においてスリットに対して、永久磁石が埋め込まれる部分の両端から空隙部分を延ばすとともに、磁性体において空隙部分に対向する部分を直線に近い形状とするために、磁性体においてマグネットと対向する外周部分の曲率半径に比してその両端側で空隙部分に対向する外周部分の曲率半径を大きくすることが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００２−３００７４２号公報
【特許文献２】特開２００４−３２０９８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来のロータの構造を採用しても、ロータの回転位置によっては磁束がステータコイルと効率よく鎖交せず、また、逆起電力波形に高周波の波形歪みが生じてしまうという問題点がある。このため、従来のモータでは、トルクリップル、コギングトルク、高周波電流による損失、およびセンサレス駆動時の磁極位置推定誤差が大きいなどの問題点がある。
【０００６】
以上の問題に鑑みて、本発明の課題は、ロータの回転位置によらず磁束をステータコイルと効率よく鎖交させ、逆起電力波形に高周波の波形歪みが発生することを防止することができる永久磁石埋め込み型モータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明では、周方向に等間隔に永久磁石が埋設された磁性体を備えたロータと、該ロータの外周側に位置し、前記ロータに向けてコイルが巻回された複数の極歯が等角度間隔で突出するステータとを有する永久磁石埋め込み型モータにおいて、前記ロータの外周面は、前記永久磁石に対応して前記磁性体の外周面が周方向で等角度間隔に分割された複数の分割外周面と、隣接する前記分割外周面の間に位置する非磁性部とを備え、前記分割外周面は、周方向の中央部の曲率半径が前記磁性体の仮想外接円の半径以下であり、かつ、両端部が中央部に比して曲率半径が小さくなっていることを特徴とする。
【０００８】
本発明において、前記分割外周面は、周方向の中央部に形成された第１の円弧面と、該第１の円弧面の両端部に連続して連なる第２の円弧面とを備え、前記第２の円弧面の曲率半径は、前記第１の円弧面の曲率半径に比して小さい構成を採用することができる。
【０００９】
本発明において、前記第１の円弧面の曲率中心は、前記磁性体の仮想外接円の中心から前記第１の円弧面の周方向の中央位置に向けて前記仮想外接面の半径の１／４倍以下の距離だけずれた位置にあることが好ましい。このように構成すると、第１の円弧面の曲率半径は、磁性体の仮想外接円の半径よりも小さくでき、容易に第１の円弧面と第２の円弧面とを連続した形状とすることができる。また、第１の円弧面の形状を周方向で対称とすることができる。
【００１０】
本発明において、前記分割外周面は、前記第１の円弧面の曲率中心を中心にして（３６０°／ロータ磁極数）の角度範囲に形成されている構成を採用することができる。
【００１１】
本発明において、前記第１の円弧面の円弧角は、（３６０°／ロータ磁極数）の１／３倍以上であることが好ましい。
【００１２】
本発明において、前記第２の円弧面の曲率中心は、前記磁性体の仮想外接円の中心から前記第１の円弧面の周方向の中央位置に向かう第１の仮想線と、前記磁性体の仮想外接円の中心から前記第２の円弧面の周方向の中央位置に向かう第２の仮想線とにより挟まれた位置にあることが好ましい。このように構成すると、第１の円弧面の曲率半径と第２の円弧面の曲率半径とが相違している場合でも、容易に第１の円弧面と第２の円弧面とを連続した形状とすることができる。
【００１３】
本発明において、前記非磁性部は、隣接する前記分割外周面の間で凹む凹部として構成することが好ましい。このように構成すると、前記非磁性部は凹部内の空気により構成されるので、隣接する永久磁石同士による磁束の短絡を確実に防止することができる。
【００１４】
本発明は、前記ステータにおいて前記コイルが極歯毎に巻回された集中巻き構造の永久磁石埋め込み型モータ、および前記コイルが複数の極歯に巻回された分布巻き構造の永久磁石埋め込み型モータのいずれにも適用することができるが、本発明を集中巻き構造の永久磁石埋め込み型モータに適用すると、集中巻き構造の永久磁石埋め込み型モータの欠点を解消することができる。すなわち、集中巻き構造の永久磁石埋め込み型モータでは、巻線抵抗が小さくなって損失を低減でき、モータ効率が向上する一方、ステータの極歯数が少ないために磁束が極歯に集中する結果、トルクリップル、コギングトルクの増加、逆起電流波形が歪むという欠点があるが、本発明によれば、ロータとステータとの空隙における磁束分布を適正化できるので、上記欠点を解消することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明を適用した永久磁石埋め込み型モータでは、ロータの外周面は、永久磁石に対応して磁性体の外周面が周方向で等角度間隔に分割された複数の分割外周面と、複数の分割外周面の各間に位置する非磁性部とを備え、分割外周面は、周方向の中央部の曲率半径が磁性体の仮想外接円の半径以下であり、かつ、両端部が中央部に比して曲率半径が小さくなっているため、隣接する永久磁石同士による磁束の短絡を防止でき、かつ、ロータとステータとの空隙における磁束分布を適正化できる。それ故、ロータの回転位置によらず磁束をステータコイルと効率よく鎖交させ、逆起電力波形に高周波の波形歪みが発生することを防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に、図面を参照して、本発明を適用した永久磁石埋め込み型モータについて説明する。図１は、本発明に係る永久磁石埋め込み型モータに適用したロータの構成を示す横断面図である。
【００１７】
図１に示すロータ１は、本発明の実施の形態に係る永久磁石埋め込み型モータに用いたものであり、周方向に等間隔に形成された複数のスリット２０の各々に永久磁石５が埋設された磁性体２を備えている。また、本形態の永久磁石埋め込み型モータでは、図示を省略するが、ロータ１の外周側には、ロータ１の外周面に向けてステータコイルが巻回された複数の極歯が等角度間隔で突出するステータが配置されている。ここで、ステータは、ステータコイルが極歯毎に巻回された集中巻き構造を有する場合と、ステータコイルが複数の極歯に巻回された分布巻き構造を有する場合とあるが、本発明はいずれにも適用できる。また、ロータ磁極数は２以上であればいくつでもよいが、図１には、ロータ磁極数が６の場合を例示してある。本形態において、磁性体２は、例えば、複数の珪素鋼板を積層してなり、スリット２０は軸線方向に開口している。永久磁石５は一定厚の板状であり、半径方向にＮ極とＳ極とに着磁され、隣接する永久磁石５の磁極は反転するように配置されている。
【００１８】
本形態において、ロータ１の外周面は、永久磁石５に対応して磁性体２の外周面が周方向で等角度間隔に分割された６つの分割外周面Ｒ10と、６つの分割外周面Ｒ10の各間に位置する非磁性部Ｒ3とを備えている。換言すると、隣接する分割外周面Ｒ10の間には、非磁性部Ｒ3が配置されている。非磁性部Ｒ3は、６つの分割外周面Ｒ10の各間で凹む凹部３として構成されており、そこには空気が存在している。
【００１９】
本形態において、分割外周面Ｒ10は、周方向の中央部の曲率半径が磁性体２の仮想外接円Ｒ0の半径ｒ0以下であり、かつ、両端部が中央部に比して曲率半径が小さくなっている。ここで、中央部とは、後述する第１の円弧面Ｒ11のことである。かかる構成を実現するために、分割外周面Ｒ10は、周方向の中央部に形成された第１の円弧面Ｒ11と、この第１の円弧面Ｒ11の両端部に連続して連なる２つの第２の円弧面Ｒ21、Ｒ22とを備えており、第２の円弧面Ｒ21、Ｒ22の曲率半径ｒ21は、第１の円弧面Ｒ11の曲率半径ｒ11に比して小さい。従って、ロータ１の外周面とステータとの間では、分割外周面Ｒ10の端部にいくほど広い隙間が形成されている。ここで、第１の円弧面Ｒ11は、周方向で第１の円弧面Ｒ11の中点と磁性体２の仮想外接円Ｒ0の中心Ｏ0とを結ぶ線に対して線対称であり、第２の円弧面Ｒ21、Ｒ22は同形であるため、分割外周面Ｒ10は周方向で第１の円弧面Ｒ11の中点と中心Ｏ0とを結ぶ線に対して線対称である。
【００２０】
本形態において、第１の円弧面Ｒ11の曲率中心Ｏ11は、磁性体２の仮想外接円Ｒ0の中心Ｏ0から第１の円弧面Ｒ11の周方向の中央位置に向けて所定の寸法ａだけずれており、第１の円弧面Ｒ11の曲率半径ｒ11は、磁性体２の仮想外接円Ｒ0の半径ｒ0よりも小さい。ここで、寸法ａは、下式
（仮想外接円Ｒ0の半径ｒ0×１／４）≧ａ
を満たしている。すなわち、磁性体２の仮想外接円Ｒ0の中心Ｏ0から第１の円弧面Ｒ11の周方向の中央位置に向かう第１の仮想線を縦軸Ｌvとした場合、第１の円弧面Ｒ11の曲率中心Ｏ11は、この縦軸Ｌv上において、磁性体２の仮想外接円Ｒ0の中心Ｏ0から、磁性体２の仮想外接円Ｒ0の半径ｒ0の１／４倍以下の寸法ａだけずれた位置にある。従って、第１の円弧面Ｒ11の曲率半径ｒ11を磁性体２の仮想外接円Ｒ0の半径ｒ0よりも小さくでき、かつ、容易に第１の円弧面Ｒ11と第２の円弧面Ｒ21、Ｒ22とを連続した形状とすることができる。また、第１の円弧面Ｒ11の形状を周方向で対称とすることができる。
【００２１】
本形態において、分割外周面Ｒ10は、第１の円弧面Ｒ11の曲率中心Ｏ11を中心にして（３６０°／ロータ磁極数）の角度範囲θ10に形成されている。本形態では、ロータ磁極数が６であるため、分割外周面Ｒ10が形成されている角度範囲θ10は、以下の式
角度範囲θ10＝６０°
を満たしている。
【００２２】
また、第１の円弧面Ｒ11の円弧角θ11は、（３６０°／ロータ磁極数）の１／３倍以上に設定されている。すなわち、本形態では、ロータ磁極数が６であるため、第１の円弧面の円弧角θ11は、以下の条件
θ11≧２０°
を満たしている。従って、分割外周面Ｒ10の中央部には、ロータ１の外周面とステータとの隙間が狭い領域が十分な角度範囲で確保されている。
【００２３】
また、第２の円弧面Ｒ21の曲率中心Ｏ21は、仮想外接円Ｒ0の中心Ｏ0から第１の円弧面Ｒ11の周方向の中央位置に向かう第１の仮想線と、仮想外接円Ｒ0の中心Ｏ0から第２の円弧面Ｒ21の周方向の中央位置に向かう第２の仮想線とにより挟まれた位置にあり、この位置を曲率中心Ｏ21にして円弧角θ21をもって第２の円弧面Ｒ21が形成されている。
【００２４】
すなわち、仮想外接円Ｒ0の中心Ｏ0から第１の円弧面Ｒ11の周方向の中央位置に向かう第１の仮想線を縦軸Ｌvとし、この縦軸Ｌvと仮想外接円Ｒ0の中心Ｏ0で直交する第２の仮想線を横軸Ｌhとを座標軸として用いると、第２の円弧面Ｒ21の曲率中心Ｏ21は、縦軸Ｌvに沿って寸法ｂだけ上方に移動し、横軸Ｌhに沿って寸法ｃだけずれた位置にあり、寸法ａ、ｂ、ｃは以下の式
寸法ａ＜寸法ｂ
寸法ｃ＜寸法ｂ
を満たしている。
【００２５】
なお、第２の円弧面Ｒ22は、第２の円弧面Ｒ21と同様に形成されているため、説明を省略する。
【００２６】
凹部３からなる非磁性部Ｒ3は、対向する２つの側面３１、３２と底部３３とを備えた略台形形状を有しており、そのうち、側面３１は、磁性体２の仮想外接円Ｒ0の中心Ｏ0から第１の円弧面Ｒ11の周方向の中央位置に向かう縦軸Ｌvに平行である。このため、凹部３（非磁性部Ｒ3）は、半径方向外側に位置する辺が半径方向内側に位置する辺よりも大きな台形形状を備えている。ここで、側面３１、３２同士が成す角度をθ3とすると、この角度θ3と、第１の円弧面Ｒ11の曲率中心Ｏ11を中心にして分割外周面Ｒ10が形成されている角度範囲θ10とは、以下の条件
角度θ10≦角度θ3
を満たしている。
【００２７】
また、側面３１、３２において、永久磁石５の端部は磁性体２で覆われ、非磁性部Ｒ3で露出していない。すなわち、永久磁石５の横軸Ｌhに沿う方向の長さ寸法をＭhとし、側面３１の縦軸Ｌvからの距離を寸法ｄとしたとき、寸法Ｍh、ｄは下式
寸法ｄ＞寸法Ｍh／２
を満たしている。
【００２８】
また、凹部３（非磁性部Ｒ3）を二等分する線と、縦軸Ｌvに平行な側面３１の延長線との交点Ｏ3（側面３１、３２の延長線同士の交点）は、縦軸Ｌvから横軸Ｌhに沿って寸法ｄだけ移動し、横軸Ｌhから縦軸Ｌvに沿って寸法ｅだけ移動した位置にあり、永久磁石５の内側の面と仮想外接円Ｒ0の中心Ｏ0との距離を寸法ｆとしたとき、これらの寸法ｄ、ｅ、ｆは下式
寸法ｄ＜寸法ｅ
寸法ｅ≦寸法ｆ
を満たしている。
【００２９】
（本形態の主な効果）
図２を参照して本形態の主な効果を説明する。図２（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、本発明を適用した永久磁石埋め込み型モータにおける逆起電力の波形を示すグラフ、および従来の永久磁石埋め込み型モータにおける逆起電力の波形を示すグラフである。
【００３０】
図１を参照して説明したように、本形態の永久磁石埋め込み型モータでは、ロータ１の外周面は、永久磁石５に対応して磁性体２の外周面が周方向で等角度間隔に分割された複数の分割外周面Ｒ10と、複数の分割外周面Ｒ10の各間に位置する非磁性部Ｒ3とを備えている。換言すると、隣接する分割外周面Ｒ10の間には、非磁性部Ｒ3が配置されている。このため、隣接する永久磁石５同士による磁束の短絡を防止できる。また、分割外周面Ｒ10は、周方向の中央部の曲率半径が磁性体の仮想外接円Ｒ0の半径ｒ0以下であり、かつ、両端部が中央部に比して曲率半径が小さくなっており、かかる構成を実現するために、本形態では、分割外周面Ｒ10が、周方向の中央部に形成された第１の円弧面Ｒ11と、この第１の円弧面Ｒ11の両端部に連続して連なる２つの第２の円弧面Ｒ21、Ｒ22とを備え、第１の円弧面Ｒ11および第２の円弧面Ｒ21、Ｒ22の円弧角や曲率半径が上記のように設定されている。このため、ロータ１とステータとの空隙が分割外周面Ｒ10の端部で連続的に拡大しているため、ロータ１とステータとの空隙における磁束分布を適正化できるので、ロータ１の回転位置によらず磁束をステータコイルと効率よく鎖交させ、逆起電力波形に高周波の波形歪みが発生することを防止することができる。
【００３１】
例えば、本形態を適用したロータ１を搭載した永久磁石埋め込み型モータと、従来の構成を適用したロータを搭載した永久磁石埋め込み型モータとにおける逆起電力を測定すると図２（ａ）、（ｂ）に示す結果が得られる。図２（ａ）に示すように、本形態を適用したロータ１を搭載した永久磁石埋め込み型モータでは、逆起電力の波形に生じる歪みが小さいのに対して、図２（ｂ）に示すように、従来の構成を適用したロータを搭載した永久磁石埋め込み型モータでは、逆起電力の波形に生じる歪みが極めて大きい。
【００３２】
また、本形態のロータ１を集中巻き構造の永久磁石埋め込み型モータに適用すると、集中巻き構造の永久磁石埋め込み型モータの欠点を解消することができる。すなわち、集中巻き構造の永久磁石埋め込み型モータでは、巻線抵抗が小さくなって損失を低減でき、モータ効率が向上する一方、ステータの極歯数が少ないために磁束が集中する結果、トルクリップル、コギングトルクの増加、逆起電力波形が歪むという欠点があるが、本形態によれば、ロータ１とステータとの空隙における磁束分布を適正化できるので、上記欠点を解消することができる。
【００３３】
［その他の実施の形態］
上記形態においては、ロータ１の磁極数は６極であったが、本発明では、磁極数は６極に限らない。例えば、磁極数が４極、または８極である構成を採用してもよい。また、上記形態において、１つの分割外周面Ｒ10を３つの円弧面Ｒ11、Ｒ21、Ｒ22により構成したが、分割外周面Ｒ10は、中央から両端部に向かうにしたがって曲率半径が小さくなるように形成されていれば、その他の形状を採用してもよい。ここで、分割外周面Ｒ10を奇数の円弧面により形成すると、逆起電力の波形がシンメトリーになる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明に係る永久磁石埋め込み型モータに適用したロータの構成を示す横断面図である。
【図２】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、本発明を適用した永久磁石埋め込み型モータにおける逆起電力の波形を示すグラフ、および従来の永久磁石埋め込み型モータにおける逆起電力の波形を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３５】
１  ロータ
２  磁性体
５  永久磁石
２０  スリット
Ｏ0  仮想外接円の曲率中心
Ｏ11  第１の円弧面の曲率中心
Ｏ21  第２の円弧面の曲率中心
Ｒ0  仮想外接円
Ｒ10  分割外周面
Ｒ11  第１の円弧面
Ｒ21、Ｒ22  第２の円弧面
【図１】
2007295708.tif 000003
【図２】
2007295708.tif 000004