特開 2015-233368 永久磁石式電動機

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2015-233368(P2015-233368A)

(43)【公開日】2015年12月24日

(54)【発明の名称】永久磁石式電動機

(51)【国際特許分類】

   H02K 1/22 20060101AFI20151201BHJP

   H02K 1/27 20060101ALI20151201BHJP

【ＦＩ】

   H02K1/22 A

   H02K1/27 501K

   H02K1/27 501M

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】7

(21)【出願番号】特願2014-118797(P2014-118797)

(22)【出願日】2014年6月9日

(71)【出願人】

【識別番号】000005234

【氏名又は名称】富士電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105854

【弁理士】

【氏名又は名称】廣瀬 一

(74)【代理人】

【識別番号】100103850

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 秀▲てつ▼

(72)【発明者】

【氏名】大口 英樹

【テーマコード（参考）】

5H601

5H622

【Ｆターム（参考）】

5H601AA22

5H601CC15

5H601DD01

5H601DD11

5H601DD21

5H601FF17

5H601GA24

5H622AA02

5H622CA02

5H622CB05

(57)【要約】

【課題】製造コストの低減化を図りながらコギングトルクを低減することができる永久磁石式電動機を提供する。
【解決手段】回転子コア１０の回転中心Ｃａと磁極９の一対の前記永久磁石１２，１２の間の円周方向中央部とを結ぶ線をｄ軸とし、周方向に隣り合う磁極同士の間に延在して前記ｄ軸に電気角で直交する軸をｑ軸とすると、回転子コアの外周形状は、ｄ軸上の外径寸法が最も大きく、ｑ軸上の外径寸法が最も小さい円弧形状の外周面を有する形状とされているとともに、ｄ軸上の回転子コアの半径Ｒと、ｄ軸上の前記回転子コアの外周面から前記磁極を形成する一対の前記永久磁石の内周側頂点までの埋込深さＬｕとの関係をＬｕ／Ｒで表すと、０．１６≦Ｌｕ／Ｒ≦０．２０５の範囲に設定している。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

内周面に複数の固定子スロットが形成され、これらスロットの間に設けられた複数のティースに励磁コイルが巻装されている固定子と、
この固定子の前記内周面に外周がギャップを設けて対向している回転子と、を備え、
前記回転子は、回転子コアの軸方向に貫通して形成された複数の回転子スロットと、これら複数の回転子スロットに周方向に隣り合う磁極が異極性となるように挿入した複数の板状の永久磁石と、を有し、
前記磁極は、一対の前記永久磁石を前記回転子コアの回転中心に向かってＶ字状に配置して構成し、
前記回転子コアの回転中心と前記磁極の一対の前記永久磁石の間の円周方向中央部とを結ぶ線をｄ軸とし、周方向に隣り合う前記磁極同士の間に延在して前記ｄ軸に電気角で直交する軸をｑ軸とすると、
前記回転子コアの外周形状は、前記ｄ軸上の外径寸法が最も大きく、前記ｑ軸上の外径寸法が最も小さい円弧形状の外周面を有する形状とされているとともに、
前記ｄ軸上の前記回転子コアの半径Ｒと、前記ｄ軸上の前記回転子コアの外周面から前記磁極を形成する一対の前記永久磁石の内周側頂点までの埋込深さＬｕとの関係をＬｕ／Ｒで表すと、
０．１６≦Ｌｕ／Ｒ≦０．２０５
の範囲に設定したことを特徴とする永久磁石式電動機。

【請求項2】

前記ｄ軸上の前記回転子コアの半径Ｒと、前記永久磁石の板厚Ｌｍとの関係をＬｍ／Ｒで表すと、
０．０３５≦Ｌｍ／Ｒ≦０．０７８
の範囲に設定したことを特徴とする請求項１記載の永久磁石式電動機。

【請求項3】

前記ｄ軸上の前記回転子コアの半径Ｒと、前記回転子コアの円弧形状の外周面を形成している曲率半径Ｒｙとの関係をＲｙ／Ｒで表すと、
０．７０≦Ｒｙ／Ｒ≦０．８５
の範囲に設定したことを特徴とする請求項１又は２記載の永久磁石式電動機。

【請求項4】

前記回転子コアの１極分の角度θ１と、Ｖ字状に配置した前記一対の永久磁石の内側開き角度θcとの関係をθc／θ１で表すと、
２．４９≦ θc／θ１≦ ２．８６
の範囲に設定したことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の永久磁石式電動機。

【請求項5】

磁極数を６とし、前記固定子スロットの数を５４としたことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載の永久磁石式電動機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、永久磁石式電動機に関する。

【背景技術】

【0002】

永久磁石式電動機は、コギングトルクと呼ばれる一種のトルク脈動が発生する。永久磁石式電動機においてコギングトルクが大きい場合には、制御性能の悪化や騒音が発生するなどの問題が生じる。
コギングトルクは、回転子の回転によって磁気エネルギーが変化することで発生する。すなわち、回転子の位置によって磁気抵抗が変化するので、回転子の回転により磁気抵抗の変化が少なくなるようにすれば、コギングトルクを低減できる。

【0003】

コギングトルクを低減する方法として、例えば特許文献１のように回転子コアにスキューを施す技術、特許文献２のように固定子コアにスキューを施す技術が知られている。
特許文献１は、複数の板状回転子コアを回転方向に所定の角度だけずらして積層することで回転子を構成する。
また、特許文献２は、複数の板状固定子コアを複数積層することで固定子コアを形成する。これら複数の板状固定子コアに形成したスロットに環状コイルを装着し、隣接する各板状固定子コアが周方向に徐々にずれるように捩りを与えて固定子を構成する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開平１０−８００７９号公報

【特許文献2】特開２０１２−１９６０３３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかし、特許文献１及び特許文献２は、回転子コアや固定子コアにスキューを施すことでコギングトルクの低減化を図ることができるものの、複数の板状回転子コア、複数の板状固定子コアを高精度にずらして積層する作業が必要となり、製造コストの面で問題がある。
そこで、本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、製造コストの低減化を図りながらコギングトルクを低減させ、高精度の制御を行うことができる永久磁石式電動機を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る永久磁石式電動機は、内周面に複数の固定子スロットが形成され、これらスロットの間に設けられた複数のティースに励磁コイルが巻装されている固定子と、この固定子の上記内周面に外周がギャップを設けて対向している回転子と、を備えている。そして、上記回転子は、回転子コアの軸方向に貫通して形成された複数の回転子スロットと、これら複数の回転子スロットに周方向に隣り合う磁極が異極性となるように挿入した複数の板状の永久磁石とを有している。上記磁極は、一対の上記永久磁石を前記回転子コアの回転中心に向かってＶ字状に配置して構成し、上記回転子コアの回転中心と上記磁極の一対の上記永久磁石の間の円周方向中央部とを結ぶ線をｄ軸とし、周方向に隣り合う上記磁極同士の間に延在して上記ｄ軸に電気角で直交する軸をｑ軸とすると、上記回転子コアの外周形状は、上記ｄ軸上の外径寸法が最も大きく、上記ｑ軸上の外径寸法が最も小さい円弧形状の外周面を有する形状とされているとともに、上記ｄ軸上の上記回転子コアの半径Ｒと、上記ｄ軸上の上記回転子コアの外周面から上記磁極を形成する一対の上記永久磁石の内周側頂点までの埋込深さＬｕとの関係をＬｕ／Ｒで表すと、０．１６≦Ｌｕ／Ｒ≦０．２０５の範囲に設定している。

【発明の効果】

【0007】

本発明に係る永久磁石式電動機によれば、ｄ軸上の回転子コアの半径Ｒと、ｄ軸上の回転子コアの外周面から磁極を形成する一対の永久磁石の内周側頂点までの埋込深さＬｕとの関係をＬｕ／Ｒで表すと、０．１６≦Ｌｕ／Ｒ≦０．２０５の範囲に設定したことで、回転子コア及び固定子コアにスキューを施さずに製造コストの低減化を図りながらコギングトルクを低減させることができるとともに、高精度の制御を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本発明に係る第１実施形態の永久磁石式電動機を示す半断面図である。

【図2】第１実施形態の永久磁石式電動機において回転子コアの１極分の構造を示している。

【図3】第１実施形態の回転子コアを構成する部位のパラメータを示す図である。

【図4】第１半径Ｒ及び埋込深さＬｕの比Ｌｕ／Ｒとコギングトルク比との関係を示す特性線図である。

【図5】第１半径Ｒ及び永久磁石の板厚Ｌｍの比Ｌｍ／Ｒとコギングトルク比との関係を示す特性線図である。

【図6】第１半径Ｒ及び曲率半径Ｒｙの比Ｒｙ／Ｒとコギングトルク比との関係を示す特性線図である。

【図7】１極分の角度θ１及び永久磁石の内側開き角度θcの比θc／θとコギングトルク比との関係を示す特性線図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、この発明を実施するための形態（以下、実施形態という。）を、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明に係る第１実施形態の永久磁石式電動機１を示すものであり、固定子２と、この固定子２の内周側に所定のエアギャップを設けて対向している回転子３と、を備えており、回転子３は、回転軸４に支持されて回転自在に配置されている。

【0010】

固定子２は、複数枚の固定子用鋼板を積層してなる中空円筒形状の固定子コア５と、この固定子コア５の内周面に円周方向に等間隔に形成され、軸方向に貫通している複数の固定子スロット６と、これら固定子スロット６の間に設けられた複数のティース７と、を備えており、各ティース７には励磁コイル８が巻装されている。
ここで、図１の第１実施形態の永久磁石式電動機１は、固定子コア５の内周面に５４個の回転子スロット６が形成され、５４個のティース７が形成されている。

【0011】

回転子４は、６つの磁極９を有する積層鉄心で形成される回転子コア１０と、この回転子コア１０の軸方向に貫通して形成された１２個の回転子スロット１１と、これら回転子スロット１１内に周方向に隣り合う磁極９が異極性となるように挿入した永久磁石１２と、を備えている。ここで、永久磁石１２は希土類磁石で構成されている。
各磁極９は、一対の前記永久磁石１２，１２を回転軸４の回転中心に向かって凸となるＶ字形状に配置した構成を有する。

【0012】

図２は、６つの磁極９を有する回転子コア１０のうち１極分の構造を示すものである。
回転軸４の回転中心Ｃａと１極分の一対の永久磁石１２，１２の間の円周方向中央部とを結ぶ線をｄ軸とし、周方向に隣り合う磁極９，９の間に延在してｄ軸に電気角で直交する軸をｑ軸とすると、１極分の回転子コア１０の外周面は、ｄ軸上の回転中心Ｃａから外周までの第１半径Ｒが最も大きく、ｑ軸上の回転中心Ｃａから外周までの第２半径Ｒ１が最も小さくなるような円弧形状を有している（Ｒ１＜Ｒ）。また、他の磁極も同様に各々のｄ軸及ｑ軸に対応して円弧形状を有しているので、この回転子コア１０は、極数と同じ６個の円弧形状の外周を有している。

【0013】

なお、本発明のｄ軸上の回転子コアの半径Ｒが、第１実施形態の第１半径Ｒに対応している。
ここで、コギングトルクの振幅の２倍を定格トルクで除した値を、コギングトルク比と称するが、このコギングトルク比を１％以下に設定した永久磁石式電動機１は、高精度の位置決め制御など制御性能を向上させることができる。
そこで、本発明者は、第１実施形態の６極用５４スロットの永久磁石式電動機１の回転子コア１０を構成する部位のパラメータを変更して電磁界解析を行い、図４から図７で示す結果を得た。

【0014】

回転子コア１０を構成する部位のパラメータとしては、図３に示すように、ｄ軸上の回転中心Ｃａから外周までの第１半径Ｒ、ｄ軸上の回転子コア１０の外周面から１極分を構成する一対の永久磁石１２，１２の内周側頂点までの埋込深さＬｕ、各永久磁石１２の板厚Ｌｍ、回転子コア１０の円弧形状の外周面を形成しているｄ軸上の符号Ｃｂを円中心とした曲率半径Ｒｙ、回転子コア１０の１極分の角度θ１、Ｖ字状に配置した一対の２つの永久磁石１２，１２の内側開き角度θcがある。なお、各永久磁石１２の幅をＬｗとし、この幅Ｌｗと第１半径Ｒとの関係をＬｗ／Ｒとすると、０．３４≦Ｌｗ／Ｒ≦０．４５の範囲に設定している。

【0015】

そして、第１半径Ｒと埋込深さＬｕとの関係をＬｕ／Ｒで表すと、コギングトルク比との関係は図４に示すようになる。この図４から、Ｌｕ／Ｒを下記（１）式の範囲（図４の最適範囲）に設定することで、コギングトルク比を１％以下とすることができ、Ｌｕ／Ｒ＝０．１８４のときにコギングトルク比が最も低くなる。
０．１６≦Ｌｕ／Ｒ≦０．２０５ ……（１）

【0016】

また、第１半径Ｒと永久磁石１２の板厚Ｌｍとの関係をＬｍ／Ｒで表すと、コギングトルク比との関係は図５に示すようになる。この図５から、Ｌｍ／Ｒを下記（２）式の範囲（図５の最適範囲）に設定することで、コギングトルク比を１％以下とすることができ、Ｌｍ／Ｒ＝０．０５５のときにコギングトルク比が最も低くなる。
０．０３５≦Ｌｍ／Ｒ≦０．０７８ ……（２）

【0017】

また、第１半径Ｒと回転子コア１０の円弧形状の外周面を形成している曲率半径Ｒｙとの関係をＲｙ／Ｒで表すと、コギングトルク比との関係は図６に示すようになる。この図６から、Ｒｙ／Ｒを下記（３）式の範囲（図６の最適範囲）に設定することで、コギングトルク比を１％以下とすることができ、Ｒｙ／Ｒ＝０．８１２のときにコギングトルク比が最も低くなる。
０．７０≦Ｒｙ／Ｒ≦０．８５ ……（３）

【0018】

さらに、回転子コア１０の１極分の角度θ１（＝６０°）とＶ字状に配置した一対の２つの永久磁石１２，１２の内側開き角度θcとの関係をθc／θ１で表すと、コギングトルク比との関係は図７に示すようになる。この図７から、θc／θ１を下記（４）式の範囲（図７の最適範囲）に設定することで、コギングトルク比を１％以下とすることができ、θc／θ１＝２．８０のときにコギングトルク比が最も低くなる。
２．４９≦θc／θ１≦２．８６ ……（４）

【0019】

したがって、第１実施形態の６極用５４スロットの永久磁石式電動機１は、（１）式〜（４）式の関係式のうち、少なくとも一つ以上の関係式となるように、回転子コア１０を構成する部位を設定することで、コギングトルク比が１％以下とされて高精度の位置決め制御など制御性能を向上させることができる。
また、第１実施形態の永久磁石式電動機１は、極数と同数の円弧形状の外周面を有する回転子コア１０を形成することでコギングトルクを低減させており、積層部材を高精度にずらして積層することで回転子コアや固定子コアにスキューを施している従来装置と比較して、製造コストの低減化を図ることができる。
なお、上述した第１実施形態は、回転子３の磁極９の数を６極とし、固定子２の固定子スロット６を５４個とした永久磁石式電動機１について説明した。しかしながら、上記構成に限定されるものではなく、回転子３の磁極数及び固定子２の固定子スロット６の数は任意に設定することができる。

【符号の説明】

【0020】

１…永久磁石式電動機、２…固定子、３…回転子、４…回転軸、５…固定子コア、６…固定子スロット、７…ティース、８…励磁コイル、９…磁極、１０…回転子コア、１１…回転子スロット、１２…永久磁石、Ｃａ…回転中心、Ｒ…第１半径、Ｒ１…第２半径、Ｌｕ…埋込深さ、Ｌｍ…永久磁石の板厚、Ｒｙ…曲率半径、θ１…１極分の角度、θc…内側開き角度

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】