(57)【要約】【課題】  永久磁石に発生する渦電流による渦電流損を軽減するとともに、鉄心の磁束密度分布を改善して、永久磁石内の発熱に伴う減磁を防ぐことができ、また、希土類磁石の使用を少なくすることができる永久磁石モータを提供する。【解決手段】  永久磁石モータ１は、固定子１７と回転子１０とを含んで構成される。回転子１０は、１つの鉄心１６と、４つの磁石ユニット１５とを含む。各磁石ユニット１５は、それぞれ複数の磁石１１と複数の空隙部１２とを含む。複数の磁石１１は、該複数の磁石１１の配列方向の中央部から両端部に近づくに従って、配列方向の磁石１１の幅が狭くなるように形成される。複数の磁石１１の配列方向の空隙部１２の幅は、予め定める固定長の幅、たとえば距離Ｋ１である。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動磁界を生じさせる複数の電機子巻線が周方向に設けられ、これらの電機子巻線によって貫通孔が形成される固定子と、前記貫通孔の中心軸線に一致する回転軸線まわりに回転自在に前記貫通孔に設けられる鉄心、および該鉄心内に該鉄心の前記回転軸線に関して軸対称に設けられる板状の複数の磁石ユニットを含む回転子とを含む永久磁石モータであって、
各磁石ユニットは、前記回転軸線に平行に配列される複数の磁石であって、磁石間に複数の空隙部を設けて配列される複数の磁石を含み、
各磁石ユニットの複数の磁石は、該複数の磁石が配列される配列方向の中央部から両端部に近づくに従って、配列方向の幅が狭くなるように形成されることを特徴とする永久磁石モータ。
【請求項２】
前記空隙部の配列方向の幅は、予め定める固定長の幅であることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石モータ。
【請求項３】
前記磁石ユニットによる磁束密度のうち最も強い磁束密度の位置が磁石ユニットの配列方向の中央部になるように前記複数の磁石を配置することを特徴とする請求項１または２に記載の永久磁石モータ。
【請求項４】
前記鉄心の回転軸線方向の磁石の長さは、前記配列方向の磁石の長さよりも長いことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の永久磁石モータ。
【請求項５】
前記磁石ユニットは、配列方向の両端部にも空隙部が設けられることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の永久磁石モータ。
【請求項６】
移動磁界を生じさせる複数の電機子巻線が周方向に設けられ、これらの電機子巻線によって貫通孔が形成される固定子と、前記貫通孔の中心軸線に一致する回転軸線まわりに回転自在に前記貫通孔に設けられる鉄心、および該鉄心内に該鉄心の前記回転軸線に関して軸対称に設けられる板状の複数の磁石ユニットを含む回転子とを含む永久磁石モータであって、
各磁石ユニットは、前記回転軸線に平行に配列される複数の磁石であって、磁石間に複数の空隙部を設けて配列される複数の磁石を含み、
各磁石ユニットの複数の磁石は、該複数の磁石が配列される配列方向の中央部から両端部に近づくに従って、空隙部の配列方向の幅が広くなるように配置されることを特徴とする永久磁石モータ。
【請求項７】
前記磁石の配列方向の幅は、予め定める第２の固定長の幅であることを特徴とする請求項６に記載の永久磁石モータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、永久磁石が設けられる回転子を有する永久磁石モータに関する。
【背景技術】
【０００２】
昨今、永久磁石を回転子（以下「ロータ」ともいう）内部に埋め込んだ埋込磁石同期モータ（Interior  Permanent  Magnet  Synchronous  Motor：略称「ＩＰＭＳＭ」）は、マグネットトルクのほかに、リアクタンストルクも利用することができるので、高効率で可変速範囲の広いモータとして、コンプレッサ、スピンドル、および電気自動車用モータなどの用途に活用されている。
【０００３】
一般的に、モータ効率を向上するために、鎖交磁束を大きくすることによってマグネットトルクを大きくするが、インバータの容量が制限されるときには、同一電流で運転することができる範囲は小さくなる。したがって、埋込磁石同期モータを小型化して、鉄損の低減を図ることが必要である。永久磁石として、保磁力の大きい希土類磁石を使用することによって小型化が可能であるが、希土類磁石は、固有抵抗が小さいために渦電流を発生しやすいという欠点がある。この対策として、永久磁石をロータコアの内部に埋設することによって、永久磁石内部の磁束密度の変化を緩和して、渦電流の発生を抑制し、磁石の発熱や鉄損の増加による効率低下を緩和することが行われている。
【０００４】
さらなる渦電流の低減のために、永久磁石を複数に分割し、それぞれ板状の永久磁石と絶縁層とを軸方向に交互に積層することによって、渦電流の発生を抑制し、さらに損失を少なくしている永久磁石型モータがある（たとえば特許文献１参照）。
【０００５】
また、永久磁石が埋め込まれる永久磁石収納孔の外側の外周部鉄心に形成されるスリット孔を、径方向外側端のピッチを略等しくし、径方向内側のピッチを、中央部を大きくし、端部に離れるに従って小さくすることによって、磁束密度分布を改善し、騒音や振動の少ない高効率な永久磁石モータとしている永久磁石電動機がある。ここで径方向とは、回転子の半径方向を指す（たとえば特許文献２参照）。
【０００６】
また、永久磁石を１磁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することによって、磁束密度分布の高調波の低減を図っている永久磁石形電動機がある（たとえば特許文献３参照）。
【０００７】
永久磁石を回転子の周囲に配置する表面磁石型（Surface Permanent  Magnet：略称「ＳＰＭ」）構造においては、分割された同じ極性の永久磁石の幅が、Ｗｉ×ｓｉｎθ（Ｗｉ：１磁極分の幅、θ：電気角）となるように、分割された永久磁石を等分配置することによって、磁束密度の分布（以下「磁束分布」ともいう）を空間的に正弦波となるようにし、コギングトルクやトルクリップルを小さくし、また、ブロック磁石を使用することによって低コスト化を図っている永久磁石形同期電動機がある（たとえば特許文献４参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−３５４８９９号公報
【特許文献２】特開２００５−９４９６８号公報
【特許文献３】特開２００８−６７５６１号公報
【特許文献４】実開昭６２−１２２４６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
第１，３，４の従来技術は、永久磁石の分割配置によって、渦電流を減らし、発熱を低減することができる。しかしながら、最大のトルクを発生することができるような磁束分布については改善が十分ではなく、希土類磁石を使用する場合、コギングトルクの改善が不十分であるため振動が減らない。したがって、第２の従来技術のように、複数のスリット孔を新たに設けて、鉄心の磁束分布を改善する必要がある。しかし、スリット孔を複数設けるので、磁束密度が減って磁束ロスが生じる。また、最適な磁束分布を形成するためには、複雑なスリット孔形状とする必要があり、その設計および製造の負担が大きい。
【００１０】
希土類磁石の素材であるネオジウム（Ｎｄ）、鉄（Ｆｅ）およびホウ素（Ｂ）系ネオジウム合金などは、供給不足であり、また、保磁力向上のために添加されるディスプロシウムなどの値段の高騰や輸出規制拡大も懸念されている。したがって、これらの希土類磁石の使用を少なくすることができる高性能モータの開発が必要とされている。
【００１１】
本発明の目的は、永久磁石に発生する渦電流による渦電流損を軽減するとともに、鉄心の磁束密度分布を改善して、永久磁石内の発熱に伴う減磁を防ぐことができ、また、希土類磁石の使用を少なくすることができる永久磁石モータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、移動磁界を生じさせる複数の電機子巻線が周方向に設けられ、これらの電機子巻線によって貫通孔が形成される固定子と、前記貫通孔の中心軸線に一致する回転軸線まわりに回転自在に前記貫通孔に設けられる鉄心、および該鉄心内に該鉄心の前記回転軸線に関して軸対称に設けられる板状の複数の磁石ユニットを含む回転子とを含む永久磁石モータであって、
各磁石ユニットは、前記回転軸線に平行に配列される複数の磁石であって、磁石間に複数の空隙部を設けて配列される複数の磁石を含み、
各磁石ユニットの複数の磁石は、該複数の磁石が配列される配列方向の中央部から両端部に近づくに従って、配列方向の幅が狭くなるように形成されることを特徴とする永久磁石モータである。
【００１３】
また本発明は、前記空隙部の配列方向の幅は、予め定める固定長の幅であることを特徴とする。
【００１４】
また本発明は、前記磁石ユニットによる磁束密度のうち最も強い磁束密度の位置が磁石ユニットの配列方向の中央部になるように前記複数の磁石を配置することを特徴とする。
【００１５】
また本発明は、前記鉄心の回転軸線方向の磁石の長さは、前記配列方向の磁石の長さよりも長いことを特徴とする。
【００１６】
また本発明は、前記磁石ユニットは、配列方向の両端部にも空隙部が設けられることを特徴とする。
【００１７】
また本発明は、移動磁界を生じさせる複数の電機子巻線が周方向に設けられ、これらの電機子巻線によって貫通孔が形成される固定子と、前記貫通孔の中心軸線に一致する回転軸線まわりに回転自在に前記貫通孔に設けられる鉄心、および該鉄心内に該鉄心の前記回転軸線に関して軸対称に設けられる板状の複数の磁石ユニットを含む回転子とを含む永久磁石モータであって、
各磁石ユニットは、前記回転軸線に平行に配列される複数の磁石であって、磁石間に複数の空隙部を設けて配列される複数の磁石を含み、
各磁石ユニットの複数の磁石は、該複数の磁石が配列される配列方向の中央部から両端部に近づくに従って、空隙部の配列方向の幅が広くなるように配置されることを特徴とする永久磁石モータである。
また本発明は、前記磁石の配列方向の幅は、予め定める第２の固定長の幅である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、永久磁石モータは、移動磁界を生じさせる複数の電機子巻線が周方向に設けられ、これらの電機子巻線によって貫通孔が形成される固定子と、前記貫通孔の中心軸線に一致する回転軸線まわりに回転自在に前記貫通孔に設けられる鉄心、および該鉄心内に該鉄心の前記回転軸線に関して軸対称に設けられる板状の複数の磁石ユニットを含む回転子とを含む。各磁石ユニットは、前記回転軸線に平行に配列される複数の磁石であって、磁石間に複数の空隙部を設けて配列される複数の磁石を含む。そして、各磁石ユニットの複数の磁石は、該複数の磁石が配列される配列方向の中央部から両端部に近づくに従って、配列方向の幅が狭くなるように形成される。したがって、永久磁石に発生する渦電流による渦電流損を軽減するとともに、鉄心の磁束密度分布を改善して、永久磁石内の発熱に伴う減磁を防ぐことができる。さらに、複数の磁石からなる磁石ユニットで、１つの永久磁石と同等の磁束分布を保つことができ、騒音や振動の少ない高効率な永久磁石モータを実現することができる。また、空隙部が設けられるので、永久磁石として使用する希土類磁石の量を減らすことができ、省レアアースに有効である。
【００１９】
また本発明によれば、前記空隙部の配列方向の幅は、予め定める固定長の幅であるので、磁石の幅を調整するだけで、磁束ユニットによる磁束分布を変化させることができる。
【００２０】
また本発明によれば、前記磁石ユニットによる磁束密度のうち最も強い磁束密度の位置が磁石ユニットの配列方向の中央部になるように前記複数の磁石を配置する。したがって、磁石ユニットによる磁束分布を容易に正弦波状に近づけることができる。
【００２１】
また本発明によれば、前記鉄心の回転軸線方向の磁石の長さは、前記配列方向の磁石の長さよりも長いので、磁石の磁気抵抗を小さくすることができ、磁石ユニットの磁束強度を大きくすることができる。
【００２２】
また本発明によれば、前記磁石ユニットは、配列方向の両端部にも空隙部が設けられるので、磁石ユニットの両端部の磁束をほぼ０とすることができ、磁束分布をより正弦波状に近づけることができる。
【００２３】
また本発明によれば、永久磁石モータは、移動磁界を生じさせる複数の電機子巻線が周方向に設けられ、これらの電機子巻線によって貫通孔が形成される固定子と、前記貫通孔の中心軸線に一致する回転軸線まわりに回転自在に前記貫通孔に設けられる鉄心、および該鉄心内に該鉄心の前記回転軸線に関して軸対称に設けられる板状の複数の磁石ユニットを含む回転子とを含む。各磁石ユニットは、前記回転軸線に平行に配列される複数の磁石であって、磁石間に複数の空隙部を設けて配列される複数の磁石を含む。そして、各磁石ユニットの複数の磁石は、該複数の磁石が配列される配列方向の中央部から両端部に近づくに従って、空隙部の配列方向の幅が広くなるように配置される。したがって、永久磁石に発生する渦電流による渦電流損を軽減するとともに、鉄心の磁束密度分布を改善して、永久磁石内の発熱に伴う減磁を防ぐことができる。さらに、複数の磁石からなる磁石ユニットで、１つの永久磁石と同等の磁束強度を保つことができ、騒音や振動の少ない高効率な永久磁石モータを実現することができる。また、空隙部が設けられるので、永久磁石として使用する希土類磁石の量を減らすことができ、省レアアースに有効である。
【００２４】
また本発明によれば、前記磁石の配列方向の幅は、予め定める第２の固定長の幅であるので、磁石の大きさが同じであるので、磁石の種類を減らすことができ、製造コストを削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１の実施形態である永久磁石モータ１の側面図である。
【図２】回転子１０の側面図である。
【図３】磁石ユニット１５の構成を示す図である。
【図４】回転子１０の電気角と誘起電圧との関係を示す図である。
【図５】磁石１１の着磁方向２０を示す図である。
【図６】永久磁石８０を分割したときの渦電流２１を示す図である。
【図７】第１の従来技術による回転子９１の一例を示す図である。
【図８】第２の従来技術による回転子９２の一例を示す図である。
【図９】磁石ユニット１５による磁束２２の一例を示す図である。
【図１０】第１の従来技術の永久磁石９１１による磁束２３の一例を示す図である。
【図１１】回転子１０の回転角による誘起電圧波形を示すグラフである。
【図１２】第１の従来技術の回転子９１の回転角による誘起電圧波形を示すグラフである。
【図１３】固定子１７の電機子巻線１８に入力する電流の電流波形を示す図である。
【図１４】本発明の第２の実施形態である永久磁石モータの回転子１０ａの側面図である。
【図１５】磁石ユニット１５ａの構成を示す図である。
【図１６】回転子１０ａの電気角と誘起電圧との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
図１は、本発明の第１の実施形態である永久磁石モータ１の側面図である。図２は、回転子１０の側面図である。図１，２に示した側面図は、永久磁石モータ１および回転子１０を、回転子１０の回転軸方向の一端から見た図である。永久磁石モータ１は、固定子１７と、回転子１０とを含んで構成される。固定子１７は、移動磁界を生じさせる複数の電機子巻線１８が周方向に設けられ、これらの電機子巻線１８によって回転子１０が回転自在に収容される貫通孔１９が形成される。
【００２７】
回転子１０は、固定子１７の貫通孔１９の中心軸線を中心として回転自在に貫通孔１９に収容される。回転子１０は、１つの鉄心１６と、複数、たとえば４つの磁石ユニット１５とを含む。鉄心１６は、磁束を通し易い金属から構成される。磁束とは、磁場中の各点にはたらく力の様子を示す磁束線の集まりのことである。鉄心１６は、非磁性体である。鉄心１６の中心軸線は、貫通孔１９の中心軸線と一致するように配置される。鉄心１６には、貫通孔である回転軸孔１３が形成され、図示しない回転軸が挿入される。回転軸孔１３の中心軸線（以下「回転軸線」ともいう）は、鉄心１６の中心軸線に一致するように配置される。回転軸孔１３に挿入される回転軸は、固定子１７によって回転自在に保持される。鉄心１６には、回転軸孔１３の周囲に４つのボルト孔１４が設けられる。ボルト孔１４は、回転子１０を構成する複数枚の電磁鋼板を固定するためのボルト孔である。
【００２８】
磁石ユニット１５は、平板状である。４つの磁石ユニット１５は、それぞれ回転軸孔１３の中心軸線に平行に、中心軸線方向の一端から見て、正方形を形成するように、鉄心１６内に埋め込まれる。すなわち、４つの磁石ユニット１５は、鉄心１６内に設けられる。４つの磁石ユニット１５によって形成される正方形の各頂点は、鉄心１６の外周縁に近接する。１つの磁石ユニット１５は、１つの磁極に相当し、磁石ユニット１５が４つであれば、回転子１０は、４つの磁極を有することになる。
【００２９】
各磁石ユニット１５は、それぞれ複数の磁石１１と複数の空隙部１２とを含む。磁石１１は、希土類の素材からなる永久磁石である。空隙部１２は、空気などの気体からなる空間である。磁石ユニット１５内の複数の磁石１１の磁化方向は、同一方向である。
【００３０】
１つの磁石ユニット１５によって生成される磁束の方向の軸をｄ軸、ｄ軸と電気的および磁気的に直交する軸をｑ軸とする。ｄ軸は、鉄心１６の中心軸線に直交し、かつ平板状の磁石ユニット１５と直交する軸である。４つの磁石ユニット１５のｄ軸は、それぞれ９０度ずつずれた方向である。
【００３１】
電機子巻線１８のｄ軸インダクタンスをＬｄとし、電機子巻線１８のｑ軸インダクタンスをＬｑとしたとき、ｄ軸インダクタンスＬｄとｑ軸インダクタンスＬｑとは、Ｌｄ＜Ｌｑの関係にある逆突極性を示す。逆突極性とは、界磁巻線形とは逆の突極性のことである。ｄ軸方向の磁束の磁路にはエアギャップと同じ磁気抵抗の大きな磁石が存在し、磁束は通りにくいが、ｑ軸方向の磁束は鉄心を通ることができるため、磁気抵抗は小さくなるので、Ｌｄ＜Ｌｑの関係となり、逆突極性は、界磁巻線形とは逆の突極性を示す。
【００３２】
図３は、磁石ユニット１５の構成を示す図である。複数の磁石１１は、それぞれ隣接する磁石１１と、空隙部１２によって離反している。すなわち、複数の磁石１１は、平板状の磁石ユニット１５の平面の方向で、回転軸孔１３の中心軸線を中心とする円に接する直線方向（以下、「配列方向」という）に、空隙部１２を介して隣接して平板状に配列される。また、磁石ユニット１５の配列方向の両端部に、空隙部１２がそれぞれ設けられる。
【００３３】
複数の磁石１１は、磁石ユニット１５内の配列方向の中央部に配置される磁石１１の幅が広く、磁石ユニット１５の両端部に近づくに従って、磁石１１の幅が狭くなるように形成される。すなわち、複数の磁石１１は、該複数の磁石１１の配列方向の中央部から両端部に近づくに従って、磁石１１の配列方向の幅が狭くなるように形成される。図３に示した例では、磁石１１の幅を、磁石ユニット１５の配列方向の左側からＨ０，Ｈ１，・・・，Ｈ８とすると、Ｈ４＞Ｈ３＞Ｈ２＞Ｈ１＞Ｈ０、およびＨ４＞Ｈ５＞Ｈ６＞Ｈ７＞Ｈ８である。また、Ｈ０＝Ｈ８、Ｈ１＝Ｈ７、Ｈ２＝Ｈ６、およびＨ３＝Ｈ５である。
空隙部１２の配列方向の幅は、予め定める固定長の幅、たとえば距離Ｋ１である。
【００３４】
磁束密度の変化は、回転子１０（以下「ロータ」ともいう）内の磁石ユニット１５の数と、ロータの外周の外側に設けられる固定子１７（以下「ステータ」ともいう）のスロット数、つまり電機子巻線１８の数との組み合わせによって決まる。たとえば、磁石ユニット１５の数が「４」で、スロット数が「６」である場合、ロータが１回転する間に、磁束が１２箇所で変化する。すなわち、磁束密度の変化は、回転子１０が回転するとき、回転子１０内の磁石の磁束と、固定子１７の電機子巻線１８の電流との間の変化点の位置で変化する。永久磁石モータ１が４極６スロットの場合、１２点でその変化が生じる。
【００３５】
すなわち、ロータが１回転する間に、３６０度÷１２箇所＝３０度単位に磁束の変化点がある。この場合、１つの磁石ユニット１５を３０度で分割した数が、最低の分割数となる。その３０度を基準に、さらに等分に細かく分割すれば、さらに滑らかな磁束密度の分布を得ることができる。磁束密度の分布（以下「磁束分布」ともいう）とは、磁石ユニット１５を取り巻く磁束の分布のさまのことである。
【００３６】
磁石１１の幅については、同じ極性の永久磁石の幅が、Ｗｉ×ｓｉｎθ（Ｗｉ：１磁極分の幅、θ：電気角）となるように、磁石片を配置することによって、磁束分布を空間的に正弦波状となるようにする。「Ｗｉ：１極分の幅」とは、分割されて空隙部１２が形成される前の永久磁石の幅、つまり磁石ユニット１５の幅である。「θ：電気角」とは、回転子１０が３６０°回転するときの駆動波形の１周期分の角度である。「磁石片」とは、１つの磁石１１のことである。
【００３７】
空隙部１２の幅は、必要な磁束と、磁気損失の程度とに応じて決定すべきであり、具体的には、磁界解析シミュレーションにて、磁束および磁気損失を検証した上で、決めていく必要がある。必要な磁束とは、永久磁石モータ１に接続される外部負荷、たとえば圧縮機を駆動するのに必要な磁束のことである。磁気損失とは、多くは回転子１０の磁石と固定子１７と間における磁束分布の損失のことである。磁石１１の幅Ｈと空隙部１２の幅である距離Ｋ１との関係においては、少なくとも、磁石１１の幅Ｈ＞空隙部１２の幅である距離Ｋ１の関係が必要である。
【００３８】
磁束密度の分布波形の変化は、図４に示す誘起電圧に比例した分布波形となる。磁束密度の分布波形の変化は、負荷トルクの変動によって、リップル変動が発生し、波形に歪が生じる場合がある。
【００３９】
図４は、回転子１０の電気角と誘起電圧との関係を示す図である。横軸は電気角（度）であり、縦軸は誘起電圧（Ｖ）である。電気角は、駆動電圧に対するモータ電流の位相差のことである。誘起電圧は、磁束の変化によって生じる電圧のことであり、永久磁石モータ１を外から回した際にＵＶＷ相間に生じる電圧のことである。誘起電圧は、磁束の大きさに比例する。誘起電圧「Ｈ０’」〜「Ｈ８’」は、それぞれ幅「Ｈ０」〜「Ｈ８」の磁石１１の中心の位置に生じる誘起電圧である。電気角が０度および１８０度のとき誘起電圧は０Ｖであり、電気角が９０度のとき誘起電圧はＨ４’Ｖである。誘起電圧は、電気角が０度から９０度までの間で上昇し、電気角が９０度から１８０度までの間で減少している。
【００４０】
複数の磁石１１の幅および複数の空隙部１２の幅である距離Ｋ１を、上述したように形成することによって、１つの磁石ユニット１５によって形成される鉄心１６を通る磁束は、磁石１１のピッチ配置に略比例する。ピッチ配置は、磁石１１の幅Ｈ０〜Ｈ８のことである。すなわち、１つの磁石ユニット１５によって形成される鉄心１６を通る磁束は、磁石１１の幅Ｈに比例することから、１つの磁石ユニット１５の磁束分布は、配列方向の中央部付近で最も大きく、中央部から両端部に近づくに従って小さくなる。したがって、ピッチ配置を調整することによって、磁石ユニット１５の磁束分布を、中央部で最も大きく両端部に近づくに従って小さくなる正弦波状に近づけることができる。
【００４１】
このときに、電機子巻線１８に入力する電流は、電流の大きさが正弦波状に変化するように、入力することが好ましい。電流の大きさを正弦波状に変化させることによって、回転子１０にトルクを発生させる有効磁束が大きくなると同時に、１つの平板の永久磁石を配置する場合に比較して、高調波成分の磁束が減少して鉄損も減少する。矩形波と比較して、正弦波状にすることによって、電流を滑らかに変化させることができ、波形リップルが発生しにくくなるので、高調波成分が減少する。高調波成分の磁束が減少して鉄損が減少することによって、コギングトルクが減少して、振動を抑制することができる。鉄損が減少するということは、磁気によるエネルギー損失が減るということであり、有効な磁束分布を得ることができる。そのことでコギングトルクが減少し、振動抑制に繋がる。振動は、回転子１０の回転方向の振動、つまり回転速度の変動、および中心軸線に直交する径方向の振動である。
【００４２】
また、各磁石１１の幅を小さくすることによって、磁石１１内部に発生する渦電流を少なくすることができ、損失を低減するとともに、発熱による減磁を防ぐことができる。１つの磁石ユニット１５に含まれる複数の磁石は、１つの永久磁石を分断したものである必要はないが、磁束分布を均一にし易いという観点から、１つの永久磁石を分断したもののほうが好ましい。
【００４３】
上述した第１の実施形態では、空隙部１２を気体からなる空間としたが、これに限定されるものではない。たとえば、電気的な絶縁性を高めるために、絶縁層材料であるエポキシ樹脂あるいはシリコン樹脂などを空隙部１２に充填してもよい。このような絶縁層材料を空隙部１２に充填することによって、渦電流をより減らすことが可能となる。
【００４４】
また、磁束分布の強度を向上させる観点から、空隙部１２に、希土類磁石ではなく、フェライト磁石を配置してもよい。フェライト磁石の比抵抗の値は、１０４Ω・ｍ以上であり、希土類磁石の比抵抗の値１０Ω・ｍ程度と比較し、１００分の１の渦電流しか流れない。フェライト磁石を空隙部１２に配置することによって、各磁石ユニット１５全体に発生する渦電流を減少させながら、各磁石ユニット１５の磁束分布を全体的に向上させることができる。すなわち、磁束密度の大きさを全体的に大きくすることができる。結果的に、同じ磁束から最大のトルクを発生させることができる。
【００４５】
図５は、磁石１１の着磁方向２０を示す図である。各磁石１１は、磁石１１の配列方向の長さをａとし、それと直交する回転軸方向の長さをｂとすると、ａ＞ｂの関係になるような大きさである。すなわち、配列方向の長さａは、回転軸方向の長さｂよりも長い長さである。
【００４６】
一般的に、磁石の磁気抵抗Ｒは、平均磁路長さに比例し、透磁率μと断面積Ｓに反比例するので、次式で表される。
磁気抵抗Ｒ＝平均磁路長さ／(透磁率μ×断面積Ｓ)
【００４７】
ここで、平均磁路長さは、磁石１１の長さｂに対応し、断面積Ｓは、磁石１１の長さａに対応する。よって長さａを長さｂより長くすることによって、磁気抵抗を小さくし、着磁方向２０に、より強い磁束で分布させることができる。したがって、配列方向の長さａが回転軸方向の長さｂよりも長い磁石１１を磁石ユニット１５内で配置することによって、磁石ユニット１５の磁束強度は大きくすることができる。着磁方向２０は、軸の中心から回転子１０の周方向に向かう方向である。
【００４８】
図６は、永久磁石８０を分割したときの渦電流２１を示す図である。永久磁石８０は、配列方向および回転軸方向に分割された複数個の磁石８１からなる。永久磁石８０を磁石ユニット１５の代わりに用いたとき、回転子１０が回転すると、各磁石８１に渦電流２１が発生する。
【００４９】
希土類のような導電率が大きい永久磁石を１つの磁石のままで配置した場合は、磁石の大きさに応じた大きな渦電流が発生する。大きな渦電流が発生すると、モータの効率を下げ、さらには磁石による発熱が発生することによって、磁石が減磁するという現象が起きる。図６に示したように、永久磁石８０を分割することによって、各磁石８１内部に発生する渦電流２１を小さいループにすることができる。モータの効率とは、入力電力に対する出力電力の比のことである。渦電流２１を小さいループにすることによって永久磁石８０の発熱も小さくすることが可能となる。
【００５０】
図７は、第１の従来技術による回転子９１の一例を示す図である。第１の従来技術は、たとえば特許文献２に記載される技術である。回転子９１は、外周に近い略正方形の各辺に対応する位置に、平板の永久磁石９１１を収容する永久磁石収容孔９１５が設けられる。回転子９１には、鉄心９１６の外周縁と永久磁石収容孔９１５との間に、複数のスリット孔９１２が設けられている。図７に示したように、平板の永久磁石９１１として、特に、希土類の磁石を使用する場合、磁束を配列方向に正弦波状に分布させるためには、回転子９１の形状や使用する永久磁石９１１の特性に適したスリット孔９１２を複数設けるなどして、磁束分布の改善を行う必要がある。
【００５１】
図８は、第２の従来技術による回転子９２の一例を示す図である。回転子９２は、回転軸孔９２３の中心軸線に直交する平面で切断した形状がＶ字形状または円弧状である永久磁石９２１を、開口する部分がステータ、つまり固定子１７に臨むように配置することによって、配列方向の磁束密度の分布を改善している。
【００５２】
しかしながら、第１，２の従来技術のように、複雑なスリット孔を設けたり、永久磁石をＶ字形状や円弧状に形成して、永久磁石を配置するには、設計の手間や永久磁石の製造の工数が複雑になる。また、これらの従来技術だけでは、希土類磁石の特性である渦電流による発熱および損失を十分に防ぐことができない。
【００５３】
図９は、磁石ユニット１５による磁束２２の一例を示す図である。磁石ユニット１５に直交し、回転子１０の外側に延びる磁束２２は、図６に示した磁石１１の着磁方向２０、つまりｄ軸方向である。また、磁束２２は、鉄心１６に、第１の従来技術のようなスリット孔などの障害がないことから、着磁方向２０に沿って真っ直ぐに延びる。したがって、各磁石１１による磁束２２は、ロスのない状態で配列方向に分布させることができる。さらに、複数の磁石１１および複数の空隙部１２の幅と配置とによって、磁石ユニット１５によって形成される磁束分布を、容易に正弦波状に近づけることができる。
【００５４】
図１０は、第１の従来技術の永久磁石９１１による磁束２３の一例を示す図である。永久磁石９１１による磁束２３は、平板の永久磁石９１１によって形成される磁束分布を、スリット孔９１２を形成して配置することによって改善している。しかしながら、スリット孔９１２を形成した場合、永久磁石９１１の磁束２３は、スリット孔９１２によって無理に曲げられてしまう。したがって、第１の従来技術では、磁束２３にショートループ２４が発生してしまう。ショートループ２４とは、トルクに貢献しない磁束のロスが生じているループのことである。
【００５５】
磁束２３にショートループ２４が発生するために、本来モータ駆動に寄与すべきであった磁束がモータ駆動に寄与できなくなり、寄与できなくなった磁束分が磁束ロスとなってしまう。したがって、モータの効率が悪化することになる。
【００５６】
磁石ユニット１５の磁石１１を、上述した幅および配置としたことによる駆動波形の改善の効果を確認するために、磁界解析シミュレーションプログラムを用いて検証を行った。磁界解析シミュレーションプログラムには、ＪＳＯＬ社のＪＭＡＧＳｔｕｄｉｏ９．１を使用し、回転子１０および固定子１７の特性は、電磁鋼板のＢＨカーブ特性を用い、磁石１１の保持力は、９３５０００［Ａ/ｍ］の条件でシミュレーションを実施した。磁石ユニット１５は、磁束分布が正弦波状になるようにした長さの９個の磁石１１を、配列方向に一直線上に配置した。シミュレーション結果を図１１，図１２に示す。駆動波形とは、図１１，図１２に示す電圧、つまり誘起電圧の波形のことである。
【００５７】
図１１は、回転子１０の回転角による誘起電圧波形を示すグラフである。図１２は、第１の従来技術の回転子９１の回転角による誘起電圧波形を示すグラフである。図１３は、固定子１７の電機子巻線１８に入力する電流の電流波形を示す図である。横軸は、いずれも回転角度（ｄｅｇ）であり、縦軸は、図１１，１２が電圧（Ｖ）であり、図１３が電流（Ａ）である。図１１では、波形３１２がＵ相であり、波形３１３がＶ相であり、波形３１４がＷ相である。図１２では、波形３２２がＵ相であり、波形３２３がＶ相であり、波形３２４がＷ相である。
【００５８】
図１３は、図１１，図１２に示した誘起電圧波形を求めるために、固定子１７の電機子巻線１８に入力する電流の電流波形を示す。図１３には、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の３相の電流波形が、回転角度に応じて示されている。回転角度は、回転子１０の回転角度である。波形３３２がＵ相であり、波形３３３がＶ相であり、波形３３４がＷ相である。各位相の電流波形は、いずれも正弦波の波形である。電流波形の周期が１８０度であるので、回転角度も、１周期が１８０度で、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相はそれぞれ６０度ずつずれている。図４に示したの電気角の１８０度が、回転角度の９０度に対応する。
【００５９】
図１１は、図１３に示した電流波形の電流を固定子１７の電機子巻線１８に入力して、回転子１０を回転させる場合に出力される誘起電圧波形である。図１２は、図１３に示した電流波形の電流を固定子１７の電機子巻線１８に入力して、第１の従来技術の回転子９１を回転させる場合に出力される誘起電圧波形である。
【００６０】
図１１，図１２に示した誘起電圧波形のうちのＵ相の波形について、波形３１１の部分と波形３２１の部分とを比較した場合、波形３１１は波形３２１に見られるような波形の乱れが少ないことが分かる。これは、第１の従来技術では、スリット孔９１２の形成および配置による磁束分布の乱れ、および磁束２３のショートループ２４による磁束ロスに起因するリップルが生じているが、回転子１０では、このリップルが改善されているということができる。
【００６１】
理想的な誘起電圧波形は、図１３に示した入力電流波形にある位相差θを持って出力される相似形の波形といえる。すなわち、入力電流波形と誘起電圧波形との位相差が「ある位相差θ」である。したがって、図１０に示した本発明による回転子１０についてのシミュレーション結果では、図１２に示した第１の従来技術についてのシミュレーション結果よりも、リップルが少なく、理想的な誘起電圧波形に近い波形になっている。
【００６２】
特許文献３に記載される第３の従来技術では、永久磁石を１磁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としている。分割磁石構成とすることによって、磁束密度分布の高調波成分の低減を図っている。第３の従来技術では、分割した磁石は、中心部の磁石の両端側の対称な位置に、それぞれ同じ大きさ、および同じ長さを有する磁石を配置することを特徴としている。第３の従来技術における磁石の配置は、電気角度に対する分割配置となっており、回転子の表面に、磁石を分割配置する表面磁石型構造となっている。磁石を回転子の表面に配置する配置構造で、高速回転を行う場合、磁石が割れたり、剥がれたりする欠点がある。磁石の分割によって、さらに磁石の強度が弱まるため、磁石が割れたり、剥がれたりする危険性が増大し、信頼性に欠けるところがある。
【００６３】
特許文献４に記載される第４の従来技術では、回転子の表面に磁石を分割配置する表面磁石型構造においても、磁石を分割して配置することによって、磁束を正弦波状に改善している。しかし、本発明に係る回転子１０のように、埋込磁石型構造での高速回転の実現と、磁石１１の形状および磁石１１の幅の長短によって発生するリラクタンス力とを実現することは、第４の従来技術のように、回転子の表面に磁石を配置している構造では実現することはできず、モータの効率を最大限に引き出すことは不可能である。また、表面磁石型構造で、高速回転を行う場合、第３の従来技術と同様に、磁石が割れたり、剥がれたりする欠点がある。磁石の分割によって、さらに磁石の強度が弱まるため、磁石が割れたり、剥がれたりする危険性が増大し、信頼性に欠けるところがある。また、回転子の形状に制約を受けるため、磁石配置の自由度に劣るところがある。
【００６４】
本願の第１の実施形態では、磁石ユニット１５の中央と磁界の中心とが重なるようにし、磁石１１の幅が磁石ユニット１５の中心部は広く、両端部に近づくに従って狭くなっている複数の磁石１１と、同じ長さの複数の空隙部１２とを交互に配置することによって、複雑なスリット孔９１２を設置することや、Ｖ字型あるいは円弧状の磁石を配置することなく、正弦波状の磁束分布を得ることができる。磁石１１を適切な大きさで、かつ適切な位置に配置することによって、使用する磁石１１の量を減らすことが可能となり、資源を有効に利用しながら、高効率モータを実現することができる。磁石１１を回転子１０内に設ける、つまり埋め込むことによって、分割することによる磁石１１の剥がれなどの危険性を回避して、高速回転が可能な、高効率モータを実現することができる。さらに、回転子１０の形状に制約を受けることなく、磁石１１の配置を設計することができるので、設計自由度を増すことができる。
【００６５】
図１４は、本発明の第２の実施形態である永久磁石モータの回転子１０ａの側面図である。図１５は、磁石ユニット１５ａの構成を示す図である。回転子１０ａは、図２に示した回転子１０の磁石ユニット１５の代わりに、磁石ユニット１５ａを用いる。回転子１０ａの構成要素のうち、回転子１０と同じ構成要素については、同じ参照符を付して、重複を避けるために説明は省略する。
【００６６】
回転子１０ａは、複数、たとえば４つの磁石ユニット１５ａを含む。各磁石ユニット１５ａは、それぞれ複数の磁石１１ａと複数の空隙部１２ａとを含む。磁石ユニット１５ａと、図２に示した磁石ユニット１５との相違点は、磁石１１ａおよび空隙部１２ａのそれぞれの長さおよび配置が、磁石１１および空隙部１２と異なることである。
【００６７】
磁石１１ａは、希土類の素材からなる永久磁石である。空隙部１２ａは、空気などの気体からなる空間である。複数の磁石１１ａは、それぞれ隣接する磁石１１ａと、空隙部１２ａによって離反している。また、磁石ユニット１５ａの配列方向の両端部に、空隙部１２ａがそれぞれ設けられる。すなわち、複数の磁石１１ａは、回転軸孔１３の中心軸線を中心とする円に接する直線方向、つまり配列方向に、空隙部１２ａを介して隣接して平板状に配列される。
【００６８】
複数の磁石１１ａは、磁石ユニット１５ａの中央と、磁石ユニット１５ａによる磁界の中心とが重なるように配置される。そして、空隙部１２ａの幅を、磁石ユニット１５ａの中心部では狭く、両端部に近づくに従って広くする。図１５に示した例では、隣接する磁石１１ａ間にある空隙部１２ａの幅を、磁石ユニット１５の左側からＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ５，Ｄ６，Ｄ７とすると、Ｄ１＞Ｄ２＞Ｄ３、およびＤ７＞Ｄ６＞Ｄ５であり、Ｄ１＝Ｄ７、Ｄ２＝Ｄ６およびＤ３＝Ｄ５である。また、複数の磁石１１ａの配列方向の幅は、予め定める第２の固定長の幅、たとえば距離Ｍ１である。
【００６９】
磁石１１ａの幅および空隙部１２ａの幅の決定方法は、第１の実施形態の場合と同様に、分割数を決定し、磁石１１ａの幅を一定にして、磁束分布が正弦波状になるように、空隙部１２ａの幅を決定する。空隙部１２ａの幅も、正弦波状の磁束分布を形成する観点から、式Ｗｉ×ｓｉｎθを用いて計算する。空隙部１２ａの幅を大きくする場合、磁束密度強度は、低下する方向であり、必要な磁束が得られるように、シミュレーションによって検証して、最適な幅を決定する必要がある。そのとき、少なくとも磁石１１ａの幅Ｍ＞空隙部１２ａの幅Ｄ１の関係が必要である。
【００７０】
磁束密度の分布波形は、図１６に示す誘起電圧に比例した分布波形となる。磁束密度の分布波形は、負荷トルクの変動によって、リップル変動が発生し、磁束密度の分布波形に歪が生じる場合がある。
【００７１】
図１６は、回転子１０ａの電気角と誘起電圧との関係を示す図である。横軸は電気角（度）であり、縦軸は誘起電圧（Ｖ）である。電気角が０度および１８０度のとき誘起電圧は０Ｖであり、電気角が９０度のとき誘起電圧はＤ４’Ｖである。誘起電圧は、電気角が０度から９０度までの間で上昇し、電気角が９０度から１８０度までの間で減少している。誘起電圧「Ｄ０’」〜「Ｄ３’」，「Ｄ５’」〜「Ｄ８’」は、それぞれ幅「Ｄ０」〜「Ｄ３」，「Ｄ５」〜「Ｄ８」の空隙部１２の中心の位置に生じる誘起電圧である。誘起電圧「Ｄ４’」は、幅方向の中心にある磁石１１の中心の位置に生じる誘起電圧である。
【００７２】
複数の磁石１１ａの幅および複数の空隙部１２の幅ａを、上述したように形成することによって、鉄心１６を通る磁石ユニット１５ａの配列方向の磁束分布の傾きは、空隙部１２ａのピッチ配置に略比例することから、磁石ユニット１５ａの磁束分布は、磁石ユニット１５ａの中央部が最も大きく、中央部から両端部に近づくに従って小さくなる。ピッチ配置を調整することによって、磁石ユニット１５ａの磁束分布を、中央部で最も大きく両端部に近づくに従って小さくなる正弦波状にすることができる。
【００７３】
このときに、電機子巻線１８に入力する電流は、電流の大きさが正弦波状に変化するように、入力することが好ましい。電流の大きさを正弦波状に変化させることによって、回転子１０ａにトルクを発生させる有効磁束が大きくなると同時に、１つの平板の永久磁石を配置する場合に比較して、高調波成分の磁束が減少して鉄損も減少する。高調波成分の磁束が減少して鉄損も減少することによって、コギングトルクが減少して、振動を抑制することができる。
【００７４】
また、各磁石１１の幅を小さくすることによって、磁石１１ａ内部に発生する渦電流を少なくすることができ、損失を低減するとともに、発熱による減磁を防ぐことができる。
【００７５】
矢印Ａ１〜Ａ３，Ａ４〜Ａ８は、磁石ユニット１５の両端の位置、幅「Ｄ１’」〜「Ｄ３’」，「Ｄ５’」〜「Ｄ７’」の空隙部１２の幅方向の中心の位置、および幅方向の中心にある磁石１１の中心の位置での誘起電圧の値のうち、それぞれ隣接する位置の誘起電圧の値を結んだ線である。矢印Ａ１〜Ａ３，Ａ４〜Ａ８の長さに比例するように、各空隙部１２の幅が決定される。誘起電圧の変化が大きいところでは、矢印の長さが大きくなり、誘起電圧の変化が小さいところでは、矢印の長さが小さくなる。
【００７６】
第１の実施形態では、空隙部１２の幅を固定し、第２の実施形態では、磁石１１の幅を固定したが、磁石１１の幅を、中央部を広くし、両端部に近づくに従って狭くするとともに、空隙部１２の幅を、中央部を狭くし、両端部に近づくに従って広くすることも可能である。磁石１１の幅および空隙部１２の幅をどれぐらいの値にするかは、シミュレーションによって検証して決定する必要がある。
【００７７】
このように、永久磁石モータは、移動磁界を生じさせる複数の電機子巻線１８が周方向に設けられ、これらの電機子巻線１８によって貫通孔１９が形成される固定子１７と、前記貫通孔１９の中心軸線に一致する回転軸線まわりに回転自在に貫通孔１９に設けられる鉄心１６、および該鉄心１６内に該鉄心１６の前記回転軸線に関して軸対称に設けられる板状の複数の磁石ユニット１５を含む回転子１０とを含む。各磁石ユニット１５は、前記回転軸線に平行に配列される複数の磁石１１であって、磁石１１間に複数の空隙部１２を設けて配列される複数の磁石１１を含む。そして、各磁石ユニット１５の複数の磁石１１は、該複数の磁石１１が配列される配列方向の中央部から両端部に近づくに従って、配列方向の幅が狭くなるように形成される。したがって、永久磁石に発生する渦電流による渦電流損を軽減するとともに、鉄心１６の磁束密度分布を改善して、永久磁石内の発熱に伴う減磁を防ぐことができる。さらに、複数の磁石１１からなる磁石ユニット１５で、１つの永久磁石と同等の磁束強度を保つことができ、騒音や振動の少ない高効率な永久磁石モータを実現することができる。また、空隙部１２が設けられるので、永久磁石として使用する希土類磁石の量を減らすことができ、省レアアースに有効である。
【００７８】
さらに、空隙部１２の配列方向の幅は、予め定める固定長の幅、たとえば距離Ｋ１であるので、磁石１１の幅を調整するだけで、磁束ユニットによる磁束分布を変化させることができる。
【００７９】
さらに、磁石ユニット１５による磁束密度のうち最も強い磁束密度の位置が磁石ユニット１５の配列方向の中央部になるように前記複数の磁石１１を配置する。したがって、磁石ユニット１５による磁束分布を容易に正弦波状に近づけることができる。
【００８０】
さらに、前記鉄心の回転軸線方向の磁石１１の長さは、前記配列方向の磁石１１の長さよりも長いので、磁石１１の磁気抵抗を小さくすることができ、磁石ユニット１５の磁束強度を大きくすることができる。
【００８１】
さらに、磁石ユニット１５は、配列方向の両端部にも空隙部１２が設けられるので、磁石ユニット１５の両端部の磁束をほぼ０とすることができ、磁束分布をより正弦波状に近づけることができる。
【００８２】
さらに、永久磁石モータは、移動磁界を生じさせる複数の電機子巻線１８が周方向に設けられ、これらの電機子巻線１８によって貫通孔１９が形成される固定子１７と、前記貫通孔１９の中心軸線に一致する回転軸線まわりに回転自在に貫通孔１９に設けられる鉄心１６、および該鉄心１６内に該鉄心１６の前記回転軸線に関して軸対称に設けられる板状の複数の磁石ユニット１５ａを含む回転子１０ａとを含む。各磁石ユニット１５ａは、前記回転軸線に平行に配列される複数の磁石１１ａであって、磁石間１１ａに複数の空隙部１２ａを設けて配列される複数の磁石１１ａを含む。そして、各磁石ユニット１５ａの複数の磁石１１ａは、該複数の磁石１１ａが配列される配列方向の中央部から両端部に近づくに従って、空隙部１２ａの配列方向の幅が広くなるように配置される。したがって、永久磁石に発生する渦電流による渦電流損を軽減するとともに、鉄心１６の磁束密度分布を改善して、永久磁石内の発熱に伴う減磁を防ぐことができる。さらに、複数の磁石１１ａからなる磁石ユニット１５ａで、１つの永久磁石と同等の磁束強度を保つことができ、騒音や振動の少ない高効率な永久磁石モータを実現することができる。また、空隙部１２ａが設けられるので、永久磁石として使用する希土類磁石の量を減らすことができ、省レアアースに有効である。
【００８３】
さらに、磁石１１ａの配列方向の幅は、予め定める第２の固定長の幅、たとえば距離Ｍ１であるので、磁石１１ａの大きさが同じであるので、磁石１１ａの種類を減らすことができ、製造コストを削減することができる。
【符号の説明】
【００８４】
１  永久磁石モータ
１０  回転子
１１  磁石
１２  空隙部
１３  回転軸孔
１４  ボルト孔
１５  磁石ユニット
１６  鉄心
１７  固定子
１８  電機子巻線
１９  貫通孔
２０  着磁方向
２１  渦電流
【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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