(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】P2023082880
(43)【公開日】2023-06-15
(54)【発明の名称】埋込磁石形同期電動機の回転子
(51)【国際特許分類】
H02K 1/276 20220101AFI20230608BHJP
【ＦＩ】
H02K1/276
【審査請求】未請求
【請求項の数】9
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021196863
(22)【出願日】2021-12-03
(71)【出願人】
【識別番号】000180025
【氏名又は名称】山洋電気株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001416
【氏名又は名称】弁理士法人信栄事務所
(72)【発明者】
【氏名】堀内 学
(72)【発明者】
【氏名】川岸 功二郎
(72)【発明者】
【氏名】三澤 康司
【テーマコード（参考）】
5H622
【Ｆターム（参考）】
5H622AA02
5H622CA02
5H622CA05
5H622CA10
5H622CB02
5H622CB03
5H622CB05
(57)【要約】
【課題】トルクリップルが抑制された埋込磁石形同期電動機の回転子を提供する。
【解決手段】埋込磁石形同期電動機の回転子３であって、複数の極を備え、複数の極の各々は、複数の磁石３ａ～３ｅ、３ｆ～３ｊを有する。複数の磁石３ａ～３ｅ、３ｆ～３ｊは、それぞれ磁極中心Ｍ１、Ｍ２から離れるにしたがって各々の磁石に起因する起磁力が弱まるように設けられている。
【選択図】図５
【解決手段】埋込磁石形同期電動機の回転子３であって、複数の極を備え、複数の極の各々は、複数の磁石３ａ～３ｅ、３ｆ～３ｊを有する。複数の磁石３ａ～３ｅ、３ｆ～３ｊは、それぞれ磁極中心Ｍ１、Ｍ２から離れるにしたがって各々の磁石に起因する起磁力が弱まるように設けられている。
【選択図】図５
【特許請求の範囲】
【請求項1】
埋込磁石形同期電動機の回転子であって、
複数の極を備え、
前記複数の極の各々は、複数の磁石を有し、
前記複数の磁石は、磁極中心から離れるにしたがって各々の磁石に起因する起磁力が弱まるように設けられている。
複数の極を備え、
前記複数の極の各々は、複数の磁石を有し、
前記複数の磁石は、磁極中心から離れるにしたがって各々の磁石に起因する起磁力が弱まるように設けられている。
【請求項2】
前記磁極中心から離れるにしたがって、前記複数の磁石は回転中心に向かって径方向の内側にずれていくように配列されている、
請求項１に記載の回転子。
請求項１に記載の回転子。
【請求項3】
前記磁極中心から最も遠い磁石において、前記磁極中心から遠い端部の外周側に径方向に延びるフラックスバリアが設けられている、
請求項２に記載の回転子。
請求項２に記載の回転子。
【請求項4】
前記磁極中心から離れるにしたがって、前記複数の磁石の大きさが小さくなっている、
請求項１に記載の回転子。
請求項１に記載の回転子。
【請求項5】
前記磁極中心から離れるにしたがって、回転中心から前記複数の磁石の各々の中心点を通って径方向に延びる仮想線と前記複数の磁石の長手方向の中心線とのなす角度が大きくなっている、
請求項１に記載の回転子。
請求項１に記載の回転子。
【請求項6】
前記磁極中心から最も遠い磁石において、前記磁極中心から遠い端部の外周側に径方向に延びるフラックスバリアが設けられている、
請求項５に記載の回転子。
請求項５に記載の回転子。
【請求項7】
前記回転子は，1極当たり偶数個の磁石を有し，
前記磁極中心に最も近い２つの磁石の各々は，前記磁極中心に近い一方の端部と前記磁極中心から遠い他方の端部を有し、
前記他方の端部における回転中心からの径方向寸法が、前記一方の端部における回転中心からの径方向寸法よりも小さい、
請求項１に記載の回転子。
前記磁極中心に最も近い２つの磁石の各々は，前記磁極中心に近い一方の端部と前記磁極中心から遠い他方の端部を有し、
前記他方の端部における回転中心からの径方向寸法が、前記一方の端部における回転中心からの径方向寸法よりも小さい、
請求項１に記載の回転子。
【請求項8】
前記回転子は、1極当たり偶数個の磁石を有し、
前記磁極中心に最も近い２つの磁石の各々は，前記磁極中心に近い一方の端部と前記磁極中心から遠い他方の端部を有し、
前記他方の端部の大きさは前記一方の端部の大きさよりも小さい、
請求項１に記載の回転子。
前記磁極中心に最も近い２つの磁石の各々は，前記磁極中心に近い一方の端部と前記磁極中心から遠い他方の端部を有し、
前記他方の端部の大きさは前記一方の端部の大きさよりも小さい、
請求項１に記載の回転子。
【請求項9】
前記磁極中心から離れるにしたがって、磁力の弱い材質または組成の磁石が設けられている、請求項１に記載の回転子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、埋込磁石形同期電動機の回転子に関する。
【背景技術】
【0002】
例えば、非特許文献１に、磁極の中心から円弧上にスリット穴を設けて、その中に永久磁石を埋め込んだ、埋込磁石形同期電動機の回転子が開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0003】
【非特許文献1】多層スリット構造を採用した永久磁石内挿リラクタンスモータ，日本機械工業連合会，平成２１年度省エネルギー技術報告
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
非特許文献１に開示されている回転子は、多層スリットが配置されて複数の永久磁石が埋め込まれていることから、回転子の小型化、高効率化が実現されている。
しかしながら、非特許文献１に開示されている回転子では、エアギャップにおいて回転に伴う起磁力が大きく変化する。具体的には、回転子の回転に伴い、起磁力が最大値から最小値まで瞬間的に変化する傾向がある。つまり、非特許文献１に記載の回転子では、起磁力が方形波のように変化する傾向がある。
本発明者は、方形波等の角形波形のような起磁力の変化に高調波成分が多く含まれることから、大きなトルクリップルが発生していることに着目した。つまり、トルクリップルが抑制された磁石の配列を検討すれば、効率が向上するなど電動機の性能をより高めることができると考えた。
しかしながら、非特許文献１に開示されている回転子では、エアギャップにおいて回転に伴う起磁力が大きく変化する。具体的には、回転子の回転に伴い、起磁力が最大値から最小値まで瞬間的に変化する傾向がある。つまり、非特許文献１に記載の回転子では、起磁力が方形波のように変化する傾向がある。
本発明者は、方形波等の角形波形のような起磁力の変化に高調波成分が多く含まれることから、大きなトルクリップルが発生していることに着目した。つまり、トルクリップルが抑制された磁石の配列を検討すれば、効率が向上するなど電動機の性能をより高めることができると考えた。
【0005】
本発明は、トルクリップルが抑制された埋込磁石形同期電動機の回転子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明の一側面に係る埋込磁石形同期電動機の回転子は、
複数の極を備え、
前記複数の極の各々は、複数の磁石を有し、
前記複数の磁石は、磁極中心から離れるにしたがって各々の磁石に起因する起磁力が弱まるように設けられている。
複数の極を備え、
前記複数の極の各々は、複数の磁石を有し、
前記複数の磁石は、磁極中心から離れるにしたがって各々の磁石に起因する起磁力が弱まるように設けられている。
【発明の効果】
【0007】
本発明によれば、磁石の起磁力を変化させることにより、磁束密度の高調波が抑制され、コギングトルクを小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】第１実施形態に係る埋込磁石形同期電動機の水平方向断面図である。
【図2】参考例に係る埋込磁石形同期電動機の回転子の水平方向断面図である。
【図5】第１実施形態に係る埋込磁石形同期電動機の回転子の水平方向断面図である。
【図8】第２実施形態に係る埋込磁石形同期電動機の回転子の水平方向断面図である。
【図11】第３実施形態に係る埋込磁石形同期電動機の回転子の水平方向断面図である。
【図15】第４実施形態に係る埋込磁石形同期電動機の回転子の水平方向断面図である。
【図19】第１実施形態の変形例１に係る埋込磁石形同期電動機の回転子の水平方向断面図である。
【図20】第１実施形態の変形例２に係る埋込磁石形同期電動機の回転子の水平方向断面図である。
【図21】第２実施形態の変形例に係る埋込磁石形同期電動機の回転子の水平方向断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。尚、実施形態の説明において既に説明された部材と同一の参照番号を有する部材については、説明の便宜上、その説明は省略する。また、本図面に示された各部材の寸法は、説明の便宜上、実際の各部材の寸法とは異なる場合がある。
【0010】
図１は、本発明の第１実施形態に係る埋込磁石形同期電動機１００の概略図である。
図１に示すように、埋込磁石形同期電動機１００は、円筒状のハウジング１に固定された固定子２と、固定子２に対して相対的に回転可能な回転子３と、を備えている。
図１に示すように、埋込磁石形同期電動機１００は、円筒状のハウジング１に固定された固定子２と、固定子２に対して相対的に回転可能な回転子３と、を備えている。
【0011】
固定子２は、回転軸方向に複数の電磁鋼板が積層されて形成されたリング形状のステータコア２１を備えている。ステータコア２１は、内周面側に複数のステータコイル２２を有している。複数のステータコイル２２は、環状に配置されており、外部から交流電流が印加される構成となっている。
【0012】
回転子３は、回転軸方向に複数の電磁鋼板が積層されて形成されたロータコア３１を備えている。ロータコア３１は円筒状に形成されており、その径方向中央部には、シャフト取付孔３１ａが形成されている。シャフト取付孔３１ａには図示しない駆動シャフトが固定され、駆動シャフトはハウジング１によって回転可能に支承されている。
【0013】
回転子３は、ロータコア３１に１０個のロータ磁石３ａ～３ｊを有する。ロータ磁石３ａ～３ｊは、永久磁石で構成されており、ロータコア３１のスロット内部に埋め込まれている。ロータ磁石３ａ～３ｊがスロット内部に埋め込まれていることで、ロータ磁石３ａ～３ｊが強固に固定されている。ロータ磁石３ａ～３ｅ、３ｆ～３ｊは、それぞれ極性の異なる１極を構成している。
【0014】
本実施形態に係る埋込磁石型同期電動機１００の詳細を参考例に係る埋め込み磁石型同期電動機と比較しながら説明するために、図２～４を用いて、参考例に係る埋込磁石形同期電動機の回転子について説明する。
図２は、参考例に係る埋込磁石形同期電動機の回転子２０３の水平方向断面図である。図２に示すように、回転子２０３は、回転軸方向に複数の電磁鋼板が積層されて形成されたロータコア２３１を備え、ロータコア２３１に１０個のロータ磁石２０３ａ～２０３ｊを有する。ロータ磁石２０３ａ～２０３ｊは、永久磁石で構成されており、ロータコア２３１のスリット内部に埋め込まれている。
ロータ磁石２０３ａ～２０３ｊは、それぞれ円柱状に形成されており、大きさ、材質または組成が略同一である。また、ロータ磁石２０３ａ～２０３ｊは、回転中心Ｏを中心とした円周Ｃ上に、当該円周Ｃの各接線Ｌに沿って等間隔に配置されている。したがって、それぞれのロータ磁石２０３ａ～２０３ｊに起因するステータコイルに対する起磁力は略同一である。
図２は、参考例に係る埋込磁石形同期電動機の回転子２０３の水平方向断面図である。図２に示すように、回転子２０３は、回転軸方向に複数の電磁鋼板が積層されて形成されたロータコア２３１を備え、ロータコア２３１に１０個のロータ磁石２０３ａ～２０３ｊを有する。ロータ磁石２０３ａ～２０３ｊは、永久磁石で構成されており、ロータコア２３１のスリット内部に埋め込まれている。
ロータ磁石２０３ａ～２０３ｊは、それぞれ円柱状に形成されており、大きさ、材質または組成が略同一である。また、ロータ磁石２０３ａ～２０３ｊは、回転中心Ｏを中心とした円周Ｃ上に、当該円周Ｃの各接線Ｌに沿って等間隔に配置されている。したがって、それぞれのロータ磁石２０３ａ～２０３ｊに起因するステータコイルに対する起磁力は略同一である。
【0015】
図３は、図２の回転子２０３における磁束密度波形を示す図であり、図４は、図２の回転子２０３におけるコギングトルク波形を示す図である。
図３に示すように、参考例に係る埋込磁石形同期電動機の回転子２０３における磁束密度波形は、台形波、矩形波、または方形波など角形波形と類似している。
図３に示すように、参考例に係る埋込磁石形同期電動機の回転子２０３における磁束密度波形は、台形波、矩形波、または方形波など角形波形と類似している。
【0016】
一般的に、ステータコイルに発生する磁束密度のうち、正弦波からなる基本波成分のみが電動機の回転駆動力となることが知られている。また、固定子と回転子の間にあるエアギャップにおいて、磁束密度に基本波成分以外の成分が含まれていると、トルクリプルや損失として電動機の性能を悪化させる要因となり得ることが知られている。
ここで発明者は、ステータコイルに発生する磁束密度のうち、正弦波からなる基本波成分のみが電動機の回転駆動力となることに着目した。また、固定子と回転子の間にあるエアギャップにおいて、磁束密度に基本波成分以外の高調波成分が含まれていると、トルクリプルや損失として電動機の性能を悪化させる要因となり得る。
図３に示す磁束密度波形は、角形波形と類似しているため、基本波成分以外の高調波成分が含まれていることになる。したがって、図４に示すように無負荷時のトルクリプルであるコギングトルクＴ０が大きくなり、電動機の性能を悪化させる要因となり得る。
［第１実施形態］
ここで発明者は、ステータコイルに発生する磁束密度のうち、正弦波からなる基本波成分のみが電動機の回転駆動力となることに着目した。また、固定子と回転子の間にあるエアギャップにおいて、磁束密度に基本波成分以外の高調波成分が含まれていると、トルクリプルや損失として電動機の性能を悪化させる要因となり得る。
図３に示す磁束密度波形は、角形波形と類似しているため、基本波成分以外の高調波成分が含まれていることになる。したがって、図４に示すように無負荷時のトルクリプルであるコギングトルクＴ０が大きくなり、電動機の性能を悪化させる要因となり得る。
［第１実施形態］
【0017】
以下、図５～７を用いて、第１実施形態の埋込磁石形同期電動機の回転子について詳細に説明する。
図５は、第１実施形態の埋込磁石形同期電動機１００の回転子３の水平方向断面図である。
図５に示すように、ロータ磁石３ａ～３ｅは、磁極中心Ｍ１から離れるにしたがって、回転中心Ｏに向かって径方向の内側にずれていくように配列されている。つまり、ロータ磁石３ａ～３ｅは、回転中心Ｏを中心とした楕円周Ｃ’上に、当該楕円周Ｃ’の各接線Ｌ’に沿って配置されている。また、磁極中心Ｍ１から最も遠いロータ磁石３ａ、３ｅにおける回転中心Ｏからの径方向寸法Ｄ２が、磁極中心Ｍ１に最も近いロータ磁石３ｃにおける回転中心Ｏからの径方向寸法Ｄ１よりも小さくなるように配列されている。そのため、それぞれのロータ磁石３ａ～３ｅに起因するステータコイル２２に対する起磁力は、磁極中心Ｍ１から離れるにしたがって弱まっていく。つまり、ステータコイル２２に対する起磁力は、ロータ磁石３ｃが最も強く、ロータ磁石３ａ、３ｅが最も弱い。
図５は、第１実施形態の埋込磁石形同期電動機１００の回転子３の水平方向断面図である。
図５に示すように、ロータ磁石３ａ～３ｅは、磁極中心Ｍ１から離れるにしたがって、回転中心Ｏに向かって径方向の内側にずれていくように配列されている。つまり、ロータ磁石３ａ～３ｅは、回転中心Ｏを中心とした楕円周Ｃ’上に、当該楕円周Ｃ’の各接線Ｌ’に沿って配置されている。また、磁極中心Ｍ１から最も遠いロータ磁石３ａ、３ｅにおける回転中心Ｏからの径方向寸法Ｄ２が、磁極中心Ｍ１に最も近いロータ磁石３ｃにおける回転中心Ｏからの径方向寸法Ｄ１よりも小さくなるように配列されている。そのため、それぞれのロータ磁石３ａ～３ｅに起因するステータコイル２２に対する起磁力は、磁極中心Ｍ１から離れるにしたがって弱まっていく。つまり、ステータコイル２２に対する起磁力は、ロータ磁石３ｃが最も強く、ロータ磁石３ａ、３ｅが最も弱い。
【0018】
同様に、ロータ磁石３ｆ～３ｊも、磁極中心Ｍ２から離れるにしたがって、回転中心Ｏに向かって径方向の内側にずれていくように配列されている。そのため、それぞれのロータ磁石３ｆ～３ｊに起因するステータコイル２２に対する起磁力は、磁極中心Ｍ２から離れるにしたがって弱まっていく。つまり、ステータコイル２２に対する起磁力は、ロータ磁石３ｈが最も強く、ロータ磁石３ｆ、３ｊが最も弱い。
【0019】
なお、ロータ磁石３ａ～３ｊがそれぞれ円柱状に形成されており、大きさ、材質または組成が略同一である点は、図２に示す参考例に係る埋込磁石形同期電動機のロータ磁石２０３ａ～２０３ｊと共通である。
【0020】
図６は、図５の回転子における磁束密度波形を示す図である。図７は、図５の回転子におけるコギングトルク波形を示す図である。
図６に示すように、第１実施形態の埋込磁石形同期電動機の回転子３における磁束密度波形は、図３に示す参考例に係る埋込磁石形同期電動機の回転子２０３における磁束密度波形と比較して、正弦波からなる基本波成分に類似している。言い換えれば、第１実施形態の磁束密度波形は、基本波成分以外の高調波成分が低減されている。
これにより、第１実施形態では、図７に示すようにコギングトルクＴ１を低減し、効率が向上するなど電動機の性能を改善することできる。
［第２実施形態］
図６に示すように、第１実施形態の埋込磁石形同期電動機の回転子３における磁束密度波形は、図３に示す参考例に係る埋込磁石形同期電動機の回転子２０３における磁束密度波形と比較して、正弦波からなる基本波成分に類似している。言い換えれば、第１実施形態の磁束密度波形は、基本波成分以外の高調波成分が低減されている。
これにより、第１実施形態では、図７に示すようにコギングトルクＴ１を低減し、効率が向上するなど電動機の性能を改善することできる。
［第２実施形態］
【0021】
以下、図８～１０を用いて、第２実施形態の埋込磁石形同期電動機の回転子について詳細に説明する。
図８は、第２実施形態の埋込磁石形同期電動機の回転子３の水平方向断面図である。
図８に示すように、ロータ磁石３ａ～３ｅは、磁極中心Ｍ１から離れるにしたがって、径方向の幅Ｗが小さくなる。つまり、磁極中心Ｍ１に最も近いロータ磁石３ｃの径方向の幅Ｗ１が最も大きく、磁極中心Ｍ１から最も遠いロータ磁石３ａ、３ｅの径方向の幅Ｗ２が最も小さい。そのため、それぞれのロータ磁石３ａ～３ｅに起因するステータコイル２２に対する起磁力は、磁極中心Ｍ１から離れるにしたがって弱まっていく。つまり、ステータコイル２２に対する起磁力は、ロータ磁石３ｃが最も強く、ロータ磁石３ａ、３ｅが最も弱い。
図８は、第２実施形態の埋込磁石形同期電動機の回転子３の水平方向断面図である。
図８に示すように、ロータ磁石３ａ～３ｅは、磁極中心Ｍ１から離れるにしたがって、径方向の幅Ｗが小さくなる。つまり、磁極中心Ｍ１に最も近いロータ磁石３ｃの径方向の幅Ｗ１が最も大きく、磁極中心Ｍ１から最も遠いロータ磁石３ａ、３ｅの径方向の幅Ｗ２が最も小さい。そのため、それぞれのロータ磁石３ａ～３ｅに起因するステータコイル２２に対する起磁力は、磁極中心Ｍ１から離れるにしたがって弱まっていく。つまり、ステータコイル２２に対する起磁力は、ロータ磁石３ｃが最も強く、ロータ磁石３ａ、３ｅが最も弱い。
【0022】
同様に、ロータ磁石３ｆ～３ｊも、磁極中心Ｍ２から離れるにしたがって、径方向の幅Ｗが小さくなる。そのため、それぞれのロータ磁石３ｆ～３ｊに起因するステータコイル２２に対する起磁力は、磁極中心Ｍ２から離れるにしたがって弱まっていく。つまり、ロータ磁石３ｈの起磁力が最も強く、ロータ磁石３ｆ、３ｊの起磁力が最も弱い。
【0023】
なお、ロータ磁石３ａ～３ｊがそれぞれ円柱状に形成されており、材質または組成が略同一である点、及び、回転中心Ｏを中心とした円周Ｃ上に、当該円周Ｃの各接線Ｌに沿って等間隔に配置されている点は、図２に示す参考例に係る埋込磁石形同期電動機のロータ磁石２０３ａ～２０３ｊと共通である。
【0024】
第２実施形態では、ロータ磁石３ａ～３ｅ、３ｆ～３ｊが、それぞれ磁極中心Ｍ１、Ｍ２から離れるにしたがって、径方向の幅Ｗが小さくなる構成であったが、本発明はこれに限られない。ロータ磁石３ａ～３ｅ、３ｆ～３ｊが、それぞれ磁極中心Ｍ１、Ｍ２から離れるにしたがって、磁力の弱い材質または組成からなる構成であってもよい。例えば、磁極中心Ｍ１に最も近いロータ磁石３ｃ、及び、磁極中心Ｍ２に最も近いロータ磁石３ｈを磁力の強いネオジウム磁石として、磁極中心Ｍ１から最も遠いロータ磁石３ａ、３ｅ、及び、磁極中心Ｍ２から最も遠いロータ磁石３ｆ、３ｊを磁力の弱いフェライト磁石としてもよい。
【0025】
図９は、図８の回転子における磁束密度波形を示す図である。図１０は、図８の回転子におけるコギングトルク波形を示す図である。
図９に示すように、第２実施形態の埋込磁石形同期電動機の回転子３における磁束密度波形は、図３に示す参考例に係る埋込磁石形同期電動機の回転子２０３における磁束密度波形と比較して、正弦波からなる基本波成分に類似している。言い換えれば、第２実施形態の磁束密度波形は、基本波成分以外の高調波成分が低減されている。
これにより、第２実施形態では、図１０に示すようにコギングトルクＴ２が低減され、効率が向上するなど電動機の性能を改善することできる。
［第３実施形態］
図９に示すように、第２実施形態の埋込磁石形同期電動機の回転子３における磁束密度波形は、図３に示す参考例に係る埋込磁石形同期電動機の回転子２０３における磁束密度波形と比較して、正弦波からなる基本波成分に類似している。言い換えれば、第２実施形態の磁束密度波形は、基本波成分以外の高調波成分が低減されている。
これにより、第２実施形態では、図１０に示すようにコギングトルクＴ２が低減され、効率が向上するなど電動機の性能を改善することできる。
［第３実施形態］
【0026】
以下、図１１～１４を用いて、第３実施形態の埋込磁石形同期電動機の回転子について詳細に説明する。
図１１は、第３実施形態の埋込磁石形同期電動機の回転子３の水平方向断面図である。図１２は、図１１の部分拡大図である。
図１１に示すように、ロータ磁石３ａ～３ｅは、回転中心Ｏを中心とした円周Ｃ上に配列されている。また、ロータ磁石３ａ～３ｅは、磁極中心Ｍ１から離れるにしたがって、ロータ磁石３ａ～３ｅの各々の回転中心Ｏから中心点Ｐを通って径方向に延びる仮想線ＩＬと長手方向の中心線ＭＬとのなす角度θが大きくなる。ここで、中心点Ｐとはロータ磁石３ａ～３ｅの各々の中心を意味する。また、角度θとは、２直線が交わることによって形成される２種類の角度のうち大きい方を意味する。そのため、それぞれのロータ磁石３ａ～３ｅに起因するステータコイル２２に対する起磁力は、磁極中心Ｍ１から離れるにしたがって弱まっていく。つまり、ステータコイル２２に対する起磁力は、ロータ磁石３ｃが最も強く、ロータ磁石３ａ、３ｅが最も弱い。
図１１は、第３実施形態の埋込磁石形同期電動機の回転子３の水平方向断面図である。図１２は、図１１の部分拡大図である。
図１１に示すように、ロータ磁石３ａ～３ｅは、回転中心Ｏを中心とした円周Ｃ上に配列されている。また、ロータ磁石３ａ～３ｅは、磁極中心Ｍ１から離れるにしたがって、ロータ磁石３ａ～３ｅの各々の回転中心Ｏから中心点Ｐを通って径方向に延びる仮想線ＩＬと長手方向の中心線ＭＬとのなす角度θが大きくなる。ここで、中心点Ｐとはロータ磁石３ａ～３ｅの各々の中心を意味する。また、角度θとは、２直線が交わることによって形成される２種類の角度のうち大きい方を意味する。そのため、それぞれのロータ磁石３ａ～３ｅに起因するステータコイル２２に対する起磁力は、磁極中心Ｍ１から離れるにしたがって弱まっていく。つまり、ステータコイル２２に対する起磁力は、ロータ磁石３ｃが最も強く、ロータ磁石３ａ、３ｅが最も弱い。
【0027】
本実施形態では、図１２に示すように、磁極中心Ｍ１に最も近いロータ磁石３ｃを除いた隣接する２つのロータ磁石が、各々の接線方向を基準に互いに反対方向（図１２の矢印方向）に回転されている。また、ロータ磁石３ａ～３ｅの各々の角度θは、磁極中心Ｍ１から離れるにしたがって大きくなっていく。具体的には、磁極中心Ｍ１に最も近いロータ磁石３ｃにおいては、仮想線ＩＬ１と中心線ＭＬ１がなす角度θ１は９０度である。ロータ磁石３ｃの次に磁極中心Ｍ１に近いロータ磁石３ｂにおいては、その接線方向に対して時計方向に回転して角度θ２をなしている。磁極中心Ｍ１から最も遠いロータ磁石３ａにおいては、その接線方向に対して反時計方向に回転して角度θ３をなしている。ロータ磁石３ａの角度θ３とロータ磁石３ｂの角度θ２は互いに向き合い、角度θは、θ１、θ２、θ３の順に大きくなる。
【0028】
同様に、ロータ磁石３ｆ～３ｊも、磁極中心Ｍ２から離れるにしたがって、ロータ磁石３ｆ～３ｊの各々の角度θが大きくなる。そのため、それぞれのロータ磁石３ｆ～３ｊに起因するステータコイル２２に対する起磁力は、磁極中心Ｍ２から離れるにしたがって弱まっていく。つまり、ロータ磁石３ｈの起磁力が最も強く、ロータ磁石３ｆ、３ｊの起磁力が最も弱い。
【0029】
なお、ロータ磁石３ａ～３ｊがそれぞれ円柱状に形成されており、大きさ、材質または組成が略同一である点、及び、回転中心Ｏを中心とした円周Ｃ上に等間隔に配置されている点は、図２に示す参考例に係る埋込磁石形同期電動機のロータ磁石２０３ａ～２０３ｊと共通である。
なお、図示した例では、各々のロータ磁石の回転方向が互い違いに反転した例を説明したが、本発明はこれに限られない。各々のロータ磁石の回転方向が同一方向であってもよいし、ランダムであってもよい。
なお、図示した例では、各々のロータ磁石の回転方向が互い違いに反転した例を説明したが、本発明はこれに限られない。各々のロータ磁石の回転方向が同一方向であってもよいし、ランダムであってもよい。
【0030】
図１３は、図１１の回転子における磁束密度波形を示す図である。図１４は、図１１の回転子におけるコギングトルク波形を示す図である。
図１３に示すように、第３実施形態の埋込磁石形同期電動機の回転子３における磁束密度波形は、図３に示す参考例に係る埋込磁石形同期電動機の回転子２０３における磁束密度波形と比較して、正弦波からなる基本波成分に類似している。言い換えれば、第３実施形態の磁束密度波形は、基本波成分以外の高調波成分が低減されている。
これにより、第３実施形態では、図１４に示すようにコギングトルクＴ３が低減され、効率が向上するなど電動機の性能を改善することできる。
［第４実施形態］
図１３に示すように、第３実施形態の埋込磁石形同期電動機の回転子３における磁束密度波形は、図３に示す参考例に係る埋込磁石形同期電動機の回転子２０３における磁束密度波形と比較して、正弦波からなる基本波成分に類似している。言い換えれば、第３実施形態の磁束密度波形は、基本波成分以外の高調波成分が低減されている。
これにより、第３実施形態では、図１４に示すようにコギングトルクＴ３が低減され、効率が向上するなど電動機の性能を改善することできる。
［第４実施形態］
【0031】
以下、図１５～１８を用いて、第４実施形態の埋込磁石形同期電動機の回転子について詳細に説明する。第４実施形態は、第１実施形態と第３実施形態を組み合わせた構成である。
図１５は、第４実施形態の埋込磁石形同期電動機の回転子３の水平方向断面図である。図１６は、図１５の部分拡大図である。
図１５に示すように、ロータ磁石３ａ～３ｅは、回転中心Ｏを中心とした楕円周Ｃ’上に配列されている。また、ロータ磁石３ａ～３ｅは、磁極中心Ｍ１から離れるにしたがって、ロータ磁石３ａ～３ｅの各々の回転中心Ｏから中心点Ｐを通って径方向に延びる仮想線ＩＬと長手方向の中心線ＭＬ’とのなす角度θ’が大きくなる。ここで、中心点Ｐとはロータ磁石３ａ～３ｅの各々の中心を意味する。また、角度θ’とは、２直線が交わることによって形成される２種類の角度のうち大きい方を意味する。そのため、それぞれのロータ磁石３ａ～３ｅに起因するステータコイル２２に対する起磁力は、磁極中心Ｍ１から離れるにしたがって弱まっていく。つまり、ステータコイル２２に対する起磁力は、ロータ磁石３ｃが最も強く、ロータ磁石３ａ、３ｅが最も弱い。
図１５は、第４実施形態の埋込磁石形同期電動機の回転子３の水平方向断面図である。図１６は、図１５の部分拡大図である。
図１５に示すように、ロータ磁石３ａ～３ｅは、回転中心Ｏを中心とした楕円周Ｃ’上に配列されている。また、ロータ磁石３ａ～３ｅは、磁極中心Ｍ１から離れるにしたがって、ロータ磁石３ａ～３ｅの各々の回転中心Ｏから中心点Ｐを通って径方向に延びる仮想線ＩＬと長手方向の中心線ＭＬ’とのなす角度θ’が大きくなる。ここで、中心点Ｐとはロータ磁石３ａ～３ｅの各々の中心を意味する。また、角度θ’とは、２直線が交わることによって形成される２種類の角度のうち大きい方を意味する。そのため、それぞれのロータ磁石３ａ～３ｅに起因するステータコイル２２に対する起磁力は、磁極中心Ｍ１から離れるにしたがって弱まっていく。つまり、ステータコイル２２に対する起磁力は、ロータ磁石３ｃが最も強く、ロータ磁石３ａ、３ｅが最も弱い。
【0032】
本実施形態では、第３実施形態と同様に、磁極中心Ｍ１に最も近いロータ磁石３ｃを除いた隣接する２つのロータ磁石が、各々の接線方向を基準に互いに反対方向（図１６の矢印方向）に回転されている。また、ロータ磁石３ａ～３ｅの各々の角度θ’は、磁極中心Ｍ１から離れるにしたがって大きくなっていく。そのため、図１６に示すように、ロータ磁石３ａの角度θ’３とロータ磁石３ｂの角度θ’２は互いに向き合い、角度θ’は、θ’１、θ’２、θ’３の順に大きくなる。
【0033】
同様に、ロータ磁石３ｆ～３ｊも、磁極中心Ｍ２から離れるにしたがって、ロータ磁石３ｆ～３ｊの各々の角度θ’が大きくなる。そのため、それぞれのロータ磁石３ｆ～３ｊに起因するステータコイル２２に対する起磁力は、磁極中心Ｍ２から離れるにしたがって弱まっていく。つまり、ロータ磁石３ｈの起磁力が最も強く、ロータ磁石３ｆ、３ｊの起磁力が最も弱い。
【0034】
なお、ロータ磁石３ａ～３ｊがそれぞれ円柱状に形成されており、大きさ、材質または組成が略同一である点、及び、等間隔に配置されている点は、図２に示す参考例に係る埋込磁石形同期電動機のロータ磁石２０３ａ～２０３ｊと共通である。
なお、図示した例では、各々のロータ磁石の回転方向が互い違いに反転した例を説明したが、本発明はこれに限られない。各々のロータ磁石の回転方向が同一方向であってもよいし、ランダムであってもよい。
なお、図示した例では、各々のロータ磁石の回転方向が互い違いに反転した例を説明したが、本発明はこれに限られない。各々のロータ磁石の回転方向が同一方向であってもよいし、ランダムであってもよい。
【0035】
図１７は、図１５の回転子における磁束密度波形を示す図である。図１８は、図１５の回転子におけるコギングトルク波形を示す図である。
図１７に示すように、第４実施形態の埋込磁石形同期電動機の回転子３における磁束密度波形は、図３に示す参考例に係る埋込磁石形同期電動機の回転子２０３における磁束密度波形と比較して、正弦波からなる基本波成分に類似している。言い換えれば、第４実施形態の磁束密度波形は、基本波成分以外の高調波成分が低減されている。
これにより、第４実施形態では、図１８に示すようにコギングトルクＴ４が低減され、効率が向上するなど電動機の性能を改善することできる。これは、図７に示す第１実施形態におけるコギングトルクＴ１、図１０に示す第２実施形態におけるコギングトルクＴ２、図１４に示す第３実施形態におけるコギングトルクＴ３と比較して、最もコギングトルクが低減され、電動機の性能を大幅に改善することができる。
図１７に示すように、第４実施形態の埋込磁石形同期電動機の回転子３における磁束密度波形は、図３に示す参考例に係る埋込磁石形同期電動機の回転子２０３における磁束密度波形と比較して、正弦波からなる基本波成分に類似している。言い換えれば、第４実施形態の磁束密度波形は、基本波成分以外の高調波成分が低減されている。
これにより、第４実施形態では、図１８に示すようにコギングトルクＴ４が低減され、効率が向上するなど電動機の性能を改善することできる。これは、図７に示す第１実施形態におけるコギングトルクＴ１、図１０に示す第２実施形態におけるコギングトルクＴ２、図１４に示す第３実施形態におけるコギングトルクＴ３と比較して、最もコギングトルクが低減され、電動機の性能を大幅に改善することができる。
【0036】
なお、上述した第４実施形態は、第１実施形態と第３実施形態を組み合わせ構成であるが、第１実施形態、第２実施形態、または、第１実施形態、第２実施形態、第３実施形態の全てを組み合わせた構成であってもよい。
［他の実施形態］
［他の実施形態］
【0037】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、以下のようにも変形することができる。
図１９は、第１実施形態の変形例１の埋込磁石形同期電動機１００の回転子３の水平方向断面図である。
図１９に示すように、ロータ磁石３ａ～３ｅのうち磁極中心Ｍ１から最も遠いロータ磁石３ａ、３ｅにおいて、磁極中心Ｍ１から遠い端部Ｅの外周側に径方向に延びるフラックスバリア３２が設けられている。フラックスバリア３２は、ロータ磁石３ａ～３ｅのｑ軸磁束を遮るためにロータコア３１に形成された空間である。
図１９に示すように、ロータ磁石３ａ～３ｅは、磁極中心Ｍ１から離れるにしたがって、回転中心Ｏに向かって径方向の内側にずれていくように配列されている場合、ロータ磁石３ａ～３ｅのｑ軸磁束は、回転子外径と径方向の内側に位置するロータ磁石３ａ、３ｅとの間に漏れて流れ込み、リラクタンストルクが低下する懸念がある。そこで、回転子外径と径方向の内側に位置するロータ磁石３ａ、３ｅとの間の領域に、フラックスバリア３１が設けられている。フラックスバリア３１によって、この領域を通ろうとする磁束が遮られるので、ｑ軸磁束が弱まることがなく、リラクタンストルクの低下を抑制できる。
図１９は、第１実施形態の変形例１の埋込磁石形同期電動機１００の回転子３の水平方向断面図である。
図１９に示すように、ロータ磁石３ａ～３ｅのうち磁極中心Ｍ１から最も遠いロータ磁石３ａ、３ｅにおいて、磁極中心Ｍ１から遠い端部Ｅの外周側に径方向に延びるフラックスバリア３２が設けられている。フラックスバリア３２は、ロータ磁石３ａ～３ｅのｑ軸磁束を遮るためにロータコア３１に形成された空間である。
図１９に示すように、ロータ磁石３ａ～３ｅは、磁極中心Ｍ１から離れるにしたがって、回転中心Ｏに向かって径方向の内側にずれていくように配列されている場合、ロータ磁石３ａ～３ｅのｑ軸磁束は、回転子外径と径方向の内側に位置するロータ磁石３ａ、３ｅとの間に漏れて流れ込み、リラクタンストルクが低下する懸念がある。そこで、回転子外径と径方向の内側に位置するロータ磁石３ａ、３ｅとの間の領域に、フラックスバリア３１が設けられている。フラックスバリア３１によって、この領域を通ろうとする磁束が遮られるので、ｑ軸磁束が弱まることがなく、リラクタンストルクの低下を抑制できる。
【0038】
なお、ロータ磁石３ｆ～３ｊのうち磁極中心Ｍ２から最も遠いロータ磁石３ｆ、３ｊにおいても、磁極中心Ｍ２から遠い端部Ｅの外周側に径方向に延びるフラックスバリア３２が設けられている。
なお、図１９では、フラックスバリア３２はロータ磁石３ａ、３ｅの挿入穴の一部とつながった構造となっているが、両者は分離されていてもよい。
なお、図１９では、フラックスバリア３２はロータ磁石３ａ、３ｅの挿入穴の一部とつながった構造となっているが、両者は分離されていてもよい。
【0039】
図２０は、第１実施形態の変形例２の埋込磁石形同期電動機１００の回転子３の水平方向断面図である。
図２０に示すように、回転子３は、ロータコア３１に４個のロータ磁石３ａ～３ｄを有する。ロータ磁石３ａ～３ｂ、３ｃ～３ｄは、それぞれ極性の異なる１極を構成している。
ロータ磁石３ａ～３ｂは、それぞれ磁極中心Ｍ１に近い一方の端部Ｅ１と磁極中心Ｍ１から遠い他方の端部Ｅ２を有する。また、ロータ磁石３ａ～３ｂは、他方の端部Ｅ２における回転中心Ｏからの径方向寸法Ｄ４が、一方の端部Ｅ１における回転中心Ｏからの径方向寸法Ｄ３よりも小さくなるように配列されている。つまり、ロータ磁石３ａ～３ｂは、回転中心Ｏを中心とした楕円周Ｃ’上に、当該楕円周Ｃ’の接線Ｌ’に沿って配置されている。そのため、それぞれのロータ磁石３ａ～３ｂ内部でのステータコイル２２に対する起磁力は、磁極中心Ｍ１から離れるにしたがって弱まっていく。つまり、ステータコイル２２に対する起磁力は、磁極中心Ｍ１に近い一方の端部Ｅ１が最も強く、磁極中心Ｍ１から遠い他方の端部Ｅ２が最も弱い。
図２０に示すように、回転子３は、ロータコア３１に４個のロータ磁石３ａ～３ｄを有する。ロータ磁石３ａ～３ｂ、３ｃ～３ｄは、それぞれ極性の異なる１極を構成している。
ロータ磁石３ａ～３ｂは、それぞれ磁極中心Ｍ１に近い一方の端部Ｅ１と磁極中心Ｍ１から遠い他方の端部Ｅ２を有する。また、ロータ磁石３ａ～３ｂは、他方の端部Ｅ２における回転中心Ｏからの径方向寸法Ｄ４が、一方の端部Ｅ１における回転中心Ｏからの径方向寸法Ｄ３よりも小さくなるように配列されている。つまり、ロータ磁石３ａ～３ｂは、回転中心Ｏを中心とした楕円周Ｃ’上に、当該楕円周Ｃ’の接線Ｌ’に沿って配置されている。そのため、それぞれのロータ磁石３ａ～３ｂ内部でのステータコイル２２に対する起磁力は、磁極中心Ｍ１から離れるにしたがって弱まっていく。つまり、ステータコイル２２に対する起磁力は、磁極中心Ｍ１に近い一方の端部Ｅ１が最も強く、磁極中心Ｍ１から遠い他方の端部Ｅ２が最も弱い。
【0040】
同様に、ロータ磁石３ｃ～３ｄも、他方の端部Ｅ２における回転中心Ｏからの径方向寸法Ｄ４が、一方の端部Ｅ１における回転中心Ｏからの径方向寸法Ｄ３よりも小さくなるように配列されている。そのため、ステータコイル２２に対する起磁力は、磁極中心Ｍ２に近い一方の端部Ｅ１が最も強く、磁極中心Ｍ２から遠い他方の端部Ｅ２が最も弱い。
【0041】
図２１は、第２実施形態の変形例の埋込磁石形同期電動機１００の回転子３の水平方向断面図である。
図２１に示すように、回転子３は、ロータコア３１に４個のロータ磁石３ａ～３ｄを有する。ロータ磁石３ａ～３ｂ、３ｃ～３ｄは、それぞれ極性の異なる１極を構成している。
ロータ磁石３ａ～３ｂは、それぞれ磁極中心Ｍ１に近い一方の端部Ｅ１と磁極中心Ｍ１から遠い他方の端部Ｅ２を有する。また、ロータ磁石３ａ～３ｂは、他方の端部Ｅ２の径方向の幅Ｗ４が、一方の端部Ｅ１の径方向の幅Ｗ３よりも小さい。そのため、ステータコイル２２に対する起磁力は、磁極中心Ｍ１から遠い他方の端部Ｅ２が、磁極中心Ｍ１に近い一方の端部Ｅ１よりも弱い。
図２１に示すように、回転子３は、ロータコア３１に４個のロータ磁石３ａ～３ｄを有する。ロータ磁石３ａ～３ｂ、３ｃ～３ｄは、それぞれ極性の異なる１極を構成している。
ロータ磁石３ａ～３ｂは、それぞれ磁極中心Ｍ１に近い一方の端部Ｅ１と磁極中心Ｍ１から遠い他方の端部Ｅ２を有する。また、ロータ磁石３ａ～３ｂは、他方の端部Ｅ２の径方向の幅Ｗ４が、一方の端部Ｅ１の径方向の幅Ｗ３よりも小さい。そのため、ステータコイル２２に対する起磁力は、磁極中心Ｍ１から遠い他方の端部Ｅ２が、磁極中心Ｍ１に近い一方の端部Ｅ１よりも弱い。
【0042】
同様に、ロータ磁石３ｃ～３ｄも、他方の端部Ｅ２の径方向の幅Ｗ４が、一方の端部Ｅ１の径方向の幅Ｗ３よりも小さい。そのため、ステータコイル２２に対する起磁力は、磁極中心Ｍ２に近い一方の端部Ｅ１が最も強く、磁極中心Ｍ２からから遠い他方の端部Ｅ２が、磁極中心Ｍ２に近い一方の端部Ｅ１よりも弱い。
【0043】
以上、本発明の実施形態について説明をしたが、本発明の技術的範囲が本実施形態の説明によって限定的に解釈されるべきではないのは言うまでもない。本実施形態は単なる一例であって、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内において、様々な実施形態の変更が可能であることが当業者によって理解されるところである。本発明の技術的範囲は特許請求の範囲に記載された発明の範囲及びその均等の範囲に基づいて定められるべきである。
【符号の説明】
【0044】
１００ 埋込磁石形同期電動機
１ ハウジング
２ 固定子
３、２０３ 回転子
２１ ステータコア
２２ ステータコイル
３１、２３１ ロータコア
３１ａ、２３１ａ シャフト取付孔
３２ フラックスバリア
３ａ～３ｊ、２０３ａ～２０３ｊ ロータ磁石
Ｏ 回転中心
Ｃ 円周
Ｃ’ 楕円周
Ｌ、Ｌ’ 接線
Ｍ１、Ｍ２ 磁極中心
ＭＬ、ＭＬ’ 中心線
Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４ 幅
θ、θ’ 角度
Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４ コギングトルク
１ ハウジング
２ 固定子
３、２０３ 回転子
２１ ステータコア
２２ ステータコイル
３１、２３１ ロータコア
３１ａ、２３１ａ シャフト取付孔
３２ フラックスバリア
３ａ～３ｊ、２０３ａ～２０３ｊ ロータ磁石
Ｏ 回転中心
Ｃ 円周
Ｃ’ 楕円周
Ｌ、Ｌ’ 接線
Ｍ１、Ｍ２ 磁極中心
ＭＬ、ＭＬ’ 中心線
Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４ 幅
θ、θ’ 角度
Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４ コギングトルク
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】