(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内側に凸である円弧形状の永久磁石をロータ内部に一極あたり半径方向に２層以上に分割して配置し、２層以上に分割して配置した永久磁石の間および最外層の永久磁石のロータ外周側のロータコア部に磁路を形成させてリラクタンストルクを有効利用できるようにした永久磁石モータにおいて、ロータに形成した永久磁石用打ち抜き穴内に前記永久磁石を配置し、かつ、それぞれの極において、ある層を基準とし、その層と他の層の永久磁石用打ち抜き穴のロータ表面に面した部分の同一の側が、それぞれ
θ＝３６０／Ｎｓ×（ｎ＋ｉ／Ｎｍ）
０＜θ＜３６０／（２Ｐ）
（ただし、Ｎｓはステータスロット数、Ｎｍは一極あたりの永久磁石の層数、Ｐは極数、ｉは１からＮｍ−１までの整数、ｎは任意の整数である。）で決定される角度θだけずれた位置にあることを特徴とする永久磁石モータ。
【請求項２】
それぞれの極において、ロータ外周側に位置する永久磁石の円弧中心が、ロータ内周側に位置する永久磁石の円弧中心よりロータ内周側にある請求項１記載の永久磁石モータ。
【請求項３】
永久磁石が希土類磁石である請求項１記載の永久磁石モータ。
【請求項４】
内側に凸である円弧形状の永久磁石をロータ内部に一極あたり半径方向に２層以上に分割して配置し、２層以上に分割して配置した永久磁石の間および最外層の永久磁石のロータ外周側のロータコア部に磁路を形成させてリラクタンストルクを有効利用できるようにした永久磁石モータにおいて、ロータに形成した永久磁石用打ち抜き穴内に前記永久磁石を配置し、かつ、ある極を基準とし、その極と他の極の最外層に位置する永久磁石用打ち抜き穴のロータ表面に面した部分の同一の側が、相互の極間で、
δ＝３６０／Ｎｓ×（ｎ＋ｊ／Ｐ）
３６０（ｋ／Ｎｓ−１／Ｐ）＜δ＜３６０（ｋ／Ｎｓ＋１／Ｐ）
（ただし、Ｎｓはステータスロット数、Ｐは極数、ｊは１からＰ−１までの整数、ｋはｊに対して１対１に対応して１からＰ−１までの間で選択される整数、ｎは任意の整数である。）で決定された角度δだけずれた位置にあることを特徴とする永久磁石モータ。
【請求項５】
永久磁石が内側に凸である円弧形状である請求項４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、永久磁石によるトルクのみならず、リラクタンストルクをも有効利用し、高効率を実現させる永久磁石モータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、少なくとも複数個の永久磁石を有する永久磁石モータにおいて、永久磁石をロータ内部に一極あたり半径方向に二層以上に分割して配置することにより、リラクタンストルクを有効に利用し、高効率を実現する永久磁石モータがあった。図９〜１１は、筆者らが発明した永久磁石モータである。ロータコア１０１は、鉄などの高透磁率材、または電磁鋼板など打ち抜いてなるロータコアシートを積層したものからなる。このロータコア１０１には、永久磁石用打ち抜き穴１０２および１０３があり、それぞれ永久磁石１０４および１０５が一極あたり半径方向に二層以上分割されて埋設されている。このようなロータ１０６は、永久磁石１０４および１０５を埋設したロータコア１０１を、両側に端板１０７を設けるとともに、リベットピン１０８などで保持している。ステータ１０９は、ヨーク１１０と、このヨーク１１０に保持された複数のティース１１１を有する。ティース１１１間にあるスロット１１２には巻線１１３が施されている。巻線１１３にはスイッチ回路などにより制御された電流が流れ、ステータ１０９内部に回転磁界を発生させ、これによってロータ１０６が回転磁界によりシャフト１１４を中心に回転する。
【０００３】
永久磁石は一極あたり二層以上あるため、永久磁石１０４および１０５の間の磁路Ｐａ１、永久磁石１０５のロータ外周側のロータコア部の磁路Ｐａ２などの磁路ができる。この磁路があるため、電流の位相を進めることにより、永久磁石によるトルクと併せて、リラクタンストルクをも利用できる。リラクタンストルクは電流位相を電気角で４５゜進めると最大となるため、総合トルクは、電流位相が進み方向で、電気角で０゜と４５゜の間で最大となる。従って、入力低減が図れ、効率が向上する。
【０００４】
また、ロータコア内部に永久磁石を埋設するため、磁石飛散防止管が不要であり、磁石飛散防止管内部に発生する渦電流による損失がなく、ロータ１０６とステータ１０９の間の機械的エアギャップを小さくできるなどにより、一層の高効率化が図れる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来例は以下のような欠点を有していた。
【０００６】
永久磁石の配置によっては、磁路Ｐａ１およびＰａ２が、ステータティースとの位置関係によって塞がれ、磁束が流れにくくなる。また、それぞれの極同士で、永久磁石とステータティースの位置関係が一致すると、ロータの位置によっては、磁束が流れやすいときと、磁束が流れにくいときができる。図１１に、ロータを微小角度回転させたときの、永久磁石１０５とステータ１０９のティース１１１の位置関係を示す。この位置関係は、どの極も同一であるので、一極分だけ図に示す。（ａ）→（ｂ）→（ｃ）→（ｄ）と、３．７５゜ずつ反時計方向に回転し、再び（ａ）の位置関係に戻る。これにより、１５゜毎にコギングが発生する。永久磁石１０４表面から出た磁束は、一部磁路Ｐａ１を通ってそのままステータティースに移り、残りは永久磁石１０５を通り、ステータティースに移る。ロータが回転しているとき、ロータ磁束はロータ回転方向に引き寄せられるため、永久磁石１０４，１０５のロータ外周側の回転方向前進側の端１０４ａおよび１０５ａとティース１１１との位置関係が全て一致するとき、すなわち、ティース１１１の間隔の倍数と一致するとき、コギングトルクおよびトルクリップルが増加する。
【０００７】
図９の場合、θ＝１５゜であり、ステータ１０９のティース１１１の間隔と一致する。
【０００８】
従って、表面に永久磁石を配置した永久磁石モータと比較して、振動，騒音が大きくなるという欠点を有していた。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明は、内側に凸である円弧形状の永久磁石をロータ内部に一極あたり半径方向に２層以上に分割して配置し、２層以上に分割して配置した永久磁石の間および最外層の永久磁石のロータ外周側のロータコア部に磁路を形成させてリラクタンストルクを有効利用できるようにした永久磁石モータにおいて、ロータに形成した永久磁石用打ち抜き穴内に前記永久磁石を配置し、かつ、それぞれの極において、ある層を基準とし、その層と他の層の永久磁石用打ち抜き穴のロータ表面に面した部分の同一の側が、それぞれ
θ＝３６０／Ｎｓ×（ｎ＋ｉ／Ｎｍ）
０＜θ＜３６０／（２Ｐ）
（ただし、Ｎｓはステータスロット数、Ｎｍは一極あたりの永久磁石の層数、Ｐは極数、ｉは１からＮｍ−１までの整数、ｎは任意の整数である。）で決定される角度θだけずれた位置に設定したものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
請求項１記載の発明は、内側に凸である円弧形状の永久磁石をロータ内部に一極あたり半径方向に２層以上に分割して配置し、２層以上に分割して配置した永久磁石の間および最外層の永久磁石のロータ外周側のロータコア部に磁路を形成させてリラクタンストルクを有効利用できるようにした永久磁石モータにおいて、ロータに形成した永久磁石用打ち抜き穴内に前記永久磁石を配置し、かつ、それぞれの極において、ある層を基準とし、その層と他の層の永久磁石用打ち抜き穴のロータ表面に面した部分の同一の側が、それぞれ
θ＝３６０／Ｎｓ×（ｎ＋ｉ／Ｎｍ）
０＜θ＜３６０／（２Ｐ）
（ただし、Ｎｓはステータスロット数、Ｎｍは一極あたりの永久磁石の層数、Ｐは極数、ｉは１からＮｍ−１までの整数、ｎは任意の整数である。）で決定される角度θだけずれた位置に設定したものである。
【００１１】
上記構成により、各極において、永久磁石用打ち抜き穴のロータ表面に面した部分の同一の側と、ステータティースとの関係がそれぞれの層によって異なるため、例えば永久磁石が一極あたり２層に分割された永久磁石モータにおいては、ステータティースとの関係が逆位相になり、コギングトルクが低減される。
【００１２】
また永久磁石は内側に凸である円弧形状とし永久磁石表面積を大きくとれるようにするとともに、かつロータ表面の磁極中心部に磁束が集中するようにして、より高いトルクを得たものである。
【００１３】
またそれぞれの極において、ロータ外周側に位置する永久磁石の円弧中心が、ロータ内周側に位置する永久磁石の円弧中心よりロータ内周側にあるようにしてロータ外周側に位置する永久磁石の表面積を大きくとり、ロータ表面の磁極中心部に磁束が集中するようにしているため、より高いトルクが得られる。
【００１４】
また永久磁石を希土類磁石として高トルク，高出力化を可能としたものであり、また、少ない磁石量で大きな磁束量を実現できるため、永久磁石用打ち抜き穴の形状に自由度ができ、θの値の選択の幅を広げることができる。
【００１５】
さらに内側に凸である円弧形状の永久磁石をロータ内部に一極あたり半径方向に２層以上に分割して配置し、２層以上に分割して配置した永久磁石の間および最外層の永久磁石のロータ外周側のロータコア部に磁路を形成させてリラクタンストルクを有効利用できるようにした永久磁石モータにおいて、ロータに形成した永久磁石用打ち抜き穴内に前記永久磁石を配置し、かつ、ある極を基準とし、その極と他の極の最外層に位置する永久磁石用打ち抜き穴のロータ表面に面した部分の同一の側が、相互の極間で、
δ＝３６０／Ｎｓ×（ｎ＋ｊ／Ｐ）
３６０（ｋ／Ｎｓ−１／Ｐ）＜δ＜３６０（ｋ／Ｎｓ＋１／Ｐ）
（ただし、Ｎｓはステータスロット数、Ｐは極数、ｊは１からＰ−１までの整数、ｋはｊに対して１対１に対応して１からＰ−１までの間で選択される整数、ｎは任意の整数である。）で決定された角度δだけずれた位置に設定したものである。
【００１６】
上記構成により、各層において、永久磁石用打ち抜き穴のロータ表面に面した部分の同一の側と、ステータティースとの関係がそれぞれの極によって異なるため、例えば４極永久磁石モータにおいては、ステータティースとの関係が各９０゜ずつずれて４通り存在するため、トルク脈動が平均化され、コギングトルクが低減される。
【００１７】
【実施例】
以下、本発明の実施例について詳しく説明する。
【００１８】
（実施例１）
本発明の一実施例について、図１〜図３を参照しながら説明する。
【００１９】
図１において、ロータ１のロータコア２は、鉄などの高透磁率材、または電磁鋼板など打ち抜いてなるロータコアシートを積層したものからなる。ロータコア２には、永久磁石用打ち抜き穴３および４があり、前記打ち抜き穴に、僅かな隙間を持って、それぞれ永久磁石５および６が一極あたり半径方向に二層以上分割されて埋設されている。ロータ１は、永久磁石５および６を埋設したロータコア２の両側に端板（図示せず）を設けるなどし、リベットピン（図示せず）などで保持している。ステータ７は、ヨーク８とこのヨーク８に保持された複数のティース９からなる。ティース９間にあるスロット１０には、巻線１１が施されている。巻線１１にはスイッチ回路などにより制御された電流が流れてステータ７内部に回転磁界を発生させ、これによりロータ１は、シャフト（図示せず）を中心に回転する。
【００２０】
永久磁石は一極あたり二層以上あるため、永久磁石５および６の間の磁路Ｐａ１、永久磁石６のロータ外周側のロータコア部の磁路Ｐａ２などの磁路ができる。この磁路があるため、電流の位相を進めることにより、永久磁石によるトルクと併せて、リラクタンストルクをも利用できる。リラクタンストルクは電流位相４５゜進めると最大となるため、総合トルクは、０゜と４５゜の間で最大となる。従って、入力低減が図れ、効率が向上する。また、永久磁石がロータ内周側に凸である円弧形状であるので、ロータ表面の極中心部に磁束が集中し、高いトルクを発生させることができる。
【００２１】
さらに、各極において、永久磁石のロータ表面に面した部分の同一の側５ａ，６ａの間の角度θは、Ｎｓ＝２４、ｎ＝１、ｉ＝１、Ｎｍ＝２としてθ＝３６０／Ｎｓ×（ｎ＋ｉ／Ｎｍ）にあてはめて計算した結果、２２．５゜となる。
【００２２】
図２に、ロータを微小回転させたときの、永久磁石５および６とティース９ａ，９ｂ，９ｃとの位置関係を示す。（ａ）においては、永久磁石５は、ティース９ｂと９ｃの中間にあり、永久磁石６は、ティース９ａとほぼ対向する位置に存在する。（ｂ）においては、永久磁石５とティース９ｃとの位置関係は、永久磁石６とティース９ａとの位置関係と逆位相にあり、吸引力の働く方向が互いに反対であるので、全体として吸引力、すなわち回転むらは少なくなる。また、（ｃ）においては、（ａ）の位置と同様であり、（ｄ）においては、（ｂ）の位置と同様である。従って、従来の永久磁石モータに比べ、回転むらは減少し、コギングトルクは約１／２に低減された。図３は、従来品のコギングトルク波形および本実施例における永久磁石モータのコギングトルク波形を示している。
【００２３】
なお、Ｐ＝４、Ｎｓ＝２４、Ｎｍ＝２のときのθのとりうる値を（表１）に示す。
磁石の厚みなどを考慮し、（表１）の中から構成上とりうる任意の値を採用可能である。同様にＰ＝４、Ｎｓ＝２４、Ｎｍ＝３のときのθのとりうる値を（表２）に示した。各層においてそれぞれ（表２）の各行の任意の値を選択すればよい。同様にして、Ｐ＝２、Ｎｓ＝１２、Ｎｍ＝３のときのθのとりうる値を（表３）に、Ｐ＝６、Ｎｓ＝１８、Ｎｍ＝４のときのθのとりうる値を（表４）に示す。
【００２４】
【表１】
0003914293.tif 000002
【００２５】
【表２】
0003914293.tif 000003
【００２６】
【表３】
0003914293.tif 000004
【００２７】
【表４】
0003914293.tif 000005
【００２８】
（参考例）
本発明の参考例を図４を用いて説明する。
【００２９】
図４に示す構成の作用は実施例１と同様であるので省略する。本参考例においては、永久磁石用打ち抜き穴２３および２４の一部に永久磁石２５および２６が埋設されている。永久磁石の両側は空気層または樹脂などの非磁性体を充填してなる。このとき、各極において、永久磁石のロータ表面に面した部分の同一の側２５ａ，２６ａの間の角度θは、Ｎｓ＝２４、ｎ＝１、ｉ＝１、Ｎｍ＝２としてθ＝３６０／Ｎｓ×（ｎ＋ｉ／Ｎｍ）にあてはめて計算した結果、２２．５゜となる。
【００３０】
本参考例においては、永久磁石は円弧形状となっていない。これは、希土類磁石を用いた場合、永久磁石の量を低減でき、また板状の製造容易な形状とすることにより、コスト低減をはかることができる。また、少ない磁石量で大きな磁束量を実現できるため、永久磁石用打ち抜き穴の形状に自由度ができ、請求項１記載のθの値の選択の幅が広がる。
【００３１】
（実施例２）
本発明の他の実施例を図５を用いて説明する。
【００３２】
図５において構成の作用は実施例１と同様であるので省略する。本実施例においては、それぞれの極において、ロータ外周側に位置する永久磁石６の円弧中心が、ロータ内周側に位置する永久磁石５の円弧中心よりロータ内周側にある。これにより、ロータ外周側に位置する永久磁石の表面積を大きくとり、ロータ表面の磁極中心部に磁束が集中するため、より高いトルクが得られる。また、ロータ外周側の永久磁石４２とロータコア表面の間に囲まれた空間を大きくとることができ、当該位置にリベットピン用穴１２を設けることができる。本構成により、永久磁石穴端面とロータ表面の間の鋼板部の強度を補強することができる。
【００３３】
（実施例３）
本発明の他の実施例を図６〜図８を用いて説明する。
【００３４】
構成は実施例１と同様であるので省略する。
ある極を基準とし、その極と他の極のロータ外周側に位置する永久磁石６Ａ，６Ｂ，６Ｃ，６Ｄの、ロータ表面に面した部分の同一の側６Ａ’，６Ｂ’，６Ｃ’，６Ｄ’が、相互の極間で、
δ＝３６０／Ｎｓ×（ｎ＋ｊ／Ｐ）
３６０（ｋ／Ｎｓ−１／Ｐ）＜δ＜３６０（ｋ／Ｎｓ＋１／Ｐ）
で決定される角度δだけずれた位置に設定したものである。
【００３５】
ただし、Ｎｓはステータスロット数、Ｐは極数、ｊは１からＰ−１までの整数、ｋはｊに対して１対１に対応して１からＰ−１までの間で選択される整数、ｎは任意の整数とする。
【００３６】
本実施例において、δ＝３６０／Ｎｓ×（ｎ＋ｊ／Ｐ）にあてはめて計算した結果は以下のとおりである。
【００３７】
δ１＝１５×（５＋２／４）＝８２．５
δ２＝１５×（１１＋３／４）＝１７６．２５
δ３＝１５×（１７＋１／４）＝２５８．７５
なお、ｊ／Ｐのｊの順番については、任意である。
【００３８】
図７に、あるロータの位置における、それぞれの極のロータ外周側に位置する永久磁石のロータ表面に面した部分の拡大図を示す。（ａ）は永久磁石６Ｄとティース９ｄとの位置関係を示している。（ｂ）は永久磁石６Ｂとティース９ｂとの位置関係を示している。（ｃ）は永久磁石６Ｃとティース９ｃとの位置関係を示している。（ｄ）は永久磁石６Ａとティース９ａとの位置関係を示している。あるロータの位置に置いて、それぞれの極のロータ外周側に位置する永久磁石のロータ表面に面した部分と、ステータティースとの位置関係は全て異なる。ロータが３．７５゜回転すると、それぞれの極のロータ外周側に位置する永久磁石のロータ表面に面した部分と、ステータティースとの位置関係が、図７に示すそれと同様になる。従って、３．７５゜毎に同一の位置関係が表れるため、コギングトルクやトルクリップルが低減される。図８は、従来の永久磁石モータのコギングトルク波形と、本実施例における永久磁石モータのコギングトルク波形を示すグラフである。従来の永久磁石モータのコギングに比べ、約１／２に低減された。
【００３９】
なお、本実施例において、ロータ外周側に位置する永久磁石用打ち抜き穴のロータ表面に面した部分の同一の側の角度について規定したが、ロータ内周側に位置する永久磁石用打ち抜き穴についても、同様に規定することにより、同様な効果が得られる。
【００４０】
なお、Ｐ＝４、Ｎｓ＝２４のときのΔδ＝δ−３６０ｋ／Ｐのとりうる値を（表５）に示す。ただし、ｋの値はｊの値に対応して１からＰ−１までの値をとる。各極においてそれぞれ（表５）の各行の任意の値を選択すればよい。同磁石の厚みなどを考慮し、（表５）の中から構成上とりうる任意の値の組合せを採用可能である。同様にして、Ｐ＝２、Ｎｓ＝１２のときのδのとりうる値を（表６）に、Ｐ＝６、Ｎｓ＝１８のときのδのとりうる値を（表７）に示す。
【００４１】
【表５】
0003914293.tif 000006
【００４２】
【表６】
0003914293.tif 000007
【００４３】
【表７】
0003914293.tif 000008
【００４４】
なお、これらの実施例に示したものは、本発明の一例にすぎず、モータの極数や永久磁石の層数や形状など、本発明の趣旨に応じて種種の変形が可能であり、これらを本発明から除外するものではない。
【００４５】
【発明の効果】
上記説明から明らかなように、請求項１記載の発明によれば、コギングトルクが低減され、振動騒音の少ない永久磁石モータを提供することができる。。
【００４６】
また永久磁石表面積が大きくとれ、かつロータ表面の磁極中心部に磁束が集中するため、高いトルクが得られ、高効率の永久磁石モータが提供できる。
【００４７】
請求項２記載の発明によれば、ロータ外周側に位置する永久磁石の表面積を大きくとり、ロータ表面の磁極中心部に磁束が集中するため、より高いトルクが得られ、高効率の永久磁石モータが提供できる。
【００４８】
請求項３記載の発明によれば、高出力化が可能であり、また、永久磁石用打ち抜き穴の形状に自由度ができ、請求項１記載のθの値の選択の幅が広がる。
【００４９】
請求項４記載の発明によれば、トルク脈動が平均化され、コギングトルクが低減されるため、振動騒音の少ない永久磁石モータを提供することができる。
【００５０】
また高いトルクが得られ、高効率の永久磁石モータが提供できる。
【００５１】
請求項５記載の発明によれば、高出力化が可能であり、また、永久磁石用打ち抜き穴の形状に自由度ができ、請求項４記載のδの値の選択の幅が広がる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施例における永久磁石モータを示す断面図
【図２】  永久磁石モータのロータを微小角度回転させたときの部分拡大断面図
【図３】  永久磁石モータのコギングトルク波形と従来の永久磁石モータのコギングトルク波形図
【図４】  本発明の参考例における永久磁石モータを示す断面図
【図５】  本発明の他の実施例における永久磁石モータを示す断面図
【図６】  本発明のさらに他の実施例における永久磁石モータを示す断面図
【図７】  本発明のさらに他の実施例における永久磁石モータを示す部分拡大断面図
【図８】  永久磁石モータのコギングトルク波形と従来の永久磁石モータのコギングトルク波形図
【図９】  従来の永久磁石モータを示す断面図
【図１０】  従来の永久磁石モータを示す分解斜視図
【図１１】  従来の永久磁石モータのロータを微小角度回転させたときの部分拡大断面図
【符号の説明】
１  ロータ
３，４  永久磁石用打ち抜き穴
５，６  永久磁石
【図１】
0003914293.tif 000009
【図２】
0003914293.tif 000010
【図３】
0003914293.tif 000011
【図４】
0003914293.tif 000012
【図５】
0003914293.tif 000013
【図６】
0003914293.tif 000014
【図７】
0003914293.tif 000015
【図８】
0003914293.tif 000016
【図９】
0003914293.tif 000017
【図１０】
0003914293.tif 000018
【図１１】
0003914293.tif 000019