JP2013093979A - 同期モータ - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石の磁束をできるだけ増加させて出力トルクをより一層増大させることが可能な同期モータを提供する。
【解決手段】モータ１は、第１永久磁石２５が埋設された主ロータコア２３及び第２永久磁石２６が埋設されて主ロータコア２３の軸線方向外側に配置された副ロータコア２４を有するロータ２０と、ステータ１０と、ステータ１０の軸線方向外側に配置された励磁コイル３０と、を備え、第１永久磁石２５及び第２永久磁石２６は主ロータコア２３または副ロータコア２４の軸線方向及び略径方向に沿って延びて径方向内側から径方向外側に向かうに従って互いの周方向の間隔が広がるように周方向に対向配置された対をなす板状磁石で構成され、対をなす第２永久磁石２６の互いの間に対応する領域Ｚ１の断面積が、対をなす第１永久磁石２５の互いの間に対応する領域Ｘの断面積より広い。
【選択図】図１３

Description

本発明は、永久磁石が埋設されたロータを有する同期モータに関する。特に本発明は、ロータの永久磁石による磁束とは別に発生させた磁束を利用してステータコイルの鎖交磁束を適宜増加させるハイブリッド励磁型モータに関する。

永久磁石が埋設されたロータを有する同期モータでは一般的に高速回転域において弱め磁束制御（弱め界磁制御）が適用されている。弱め磁束制御を適用することで、モータは永久磁石による界磁に係る磁束量を抑制することにより高速回転域の駆動範囲拡大を図っている。しかしながら、弱め磁束電流を流す分、効率が低下してしまう。さらに、永久磁石による磁束量を抑制すると出力可能なトルクが低減するという問題があった。

そこで、このような問題を解決すべく、ハイブリッド励磁型と称されるモータが近年開発されている。ハイブリッド励磁型モータはロータの永久磁石による磁束とは別に発生させた磁束を利用してステータコイルの鎖交磁束を適宜増加させて出力トルクを増大させている。ハイブリッド励磁型モータに係る従来技術は特許文献１に開示されている。

特許文献１に記載のハイブリッド励磁型モータはロータの永久磁石による磁束とは別の磁束を発生させるために界磁巻線を備えている。界磁巻線はロータの回転軸方向における端部の外側に配置されている。ステータと径方向において対向するロータ本体部の回転軸方向外側であって、ロータ本体と界磁巻線との間には突出部が設けられている。

特開２０１１−６７０４８号公報

特許文献１に記載された従来のハイブリッド励磁型モータは界磁巻線によって磁束を増加させるため、通常のモータに本来設けられるロータの構成（ロータ本体部）に対して突出部を設けている。しかしながら、突出部は単に界磁巻線による磁路を好適に形成するためだけのものであって、永久磁石の配置等の基本的な構成がロータ本体部と同じである。これにより、界磁巻線により発生する磁束をできるだけ増加させるために、界磁巻線を用いた構成に特別な配慮を施しているとは言えない。したがって、この従来のモータは十分な出力トルクを得ることができない可能性がある。

本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、外部励磁により発生する磁束をできるだけ増加させて出力トルクをより一層増大させることが可能な同期モータを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明の同期モータは、第１永久磁石が埋設された主ロータコア及び第２永久磁石が埋設されて前記主ロータコアの軸線方向外側に配置された副ロータコアを有するロータと、前記ロータの径方向外側に配置されて前記ロータを回転駆動させるための駆動用巻線部を有するステータと、前記ステータの軸線方向外側に配置されて前記ロータと前記ステータとの間に生じる磁束を増加させるための励磁用巻線部と、を備え、前記主ロータコア及び前記副ロータコアはＮ極及び／またはＳ極の磁極が周方向に沿って並置されて構成されるとともに、同じ極性の磁極が軸線方向に沿って揃った状態で配置され、前記第１永久磁石及び前記第２永久磁石は前記主ロータコアまたは前記副ロータコアの軸線方向及び略径方向に沿って延びて周方向に対向するよう配置された対をなす磁石で構成され、前記対をなす磁石は径方向内側から径方向外側に向かうに従って互いの周方向の間隔が広がるように配置され、前記副ロータコアが有する前記対をなす磁石の互いの間に対応する領域の軸線方向と直角をなす断面積が、前記主ロータコアが有する前記対をなす磁石の互いの間に対応する領域の軸線方向と直角をなす断面積より広いこととした。

本発明の構成によれば、外部励磁により発生する磁束をできるだけ増加させて出力トルクをより一層増大させることが可能な同期モータを提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係るモータの軸線方向に平行な断面を示した斜視図である。 図１のモータのステータを分解した状態を示す斜視図である。 図１のモータのロータを分解した状態を示す斜視図である。 図１に示すモータのロータコアの斜視図である。 図４に示すロータコアの主ロータコアの斜視図である。 図４に示すロータコアの副ロータコアの斜視図である。 図１のモータの主ロータコアによる磁束の流れを示す斜視図である。 図１のモータの副ロータコアによる磁束の流れを示す斜視図である。 図１のモータの励磁部による磁束の流れを示す斜視図である。 図５に示す主ロータコアの軸線方向に垂直な部分断面図である。 図６に示す副ロータコアの軸線方向に垂直な部分断面図（比較例１）である。 図６に示す副ロータコアの軸線方向に垂直な部分断面図（比較例２）である。 図６に示す副ロータコアの軸線方向に垂直な部分断面図（実施例１）である。 実施例１、比較例１及び２における磁束量の比較を示す表である。 図６に示す副ロータコアの軸線方向に垂直な部分断面図（実施例２）である。 図６に示す副ロータコアの軸線方向に垂直な部分断面図（実施例３）である。 実施例１〜３における磁束量の比較を示す表である。 本発明の第２の実施形態に係るモータの副ロータコアの軸線方向に垂直な部分断面図である。 本発明の第３の実施形態に係るモータの副ロータコアの軸線方向に垂直な部分断面図である。

以下、本発明の実施形態を図１〜図１９に基づき説明する。

最初に、本発明の第１の実施形態に係るモータについて、図１〜図６を用いてその構造を説明する。図１はモータの軸線方向に平行な断面を示した斜視図、図２はモータのステータを分解した状態を示す斜視図、図３はロータを分解した状態を示す斜視図、図４はロータコアの斜視図、図５は主ロータコアの斜視図、図６は副ロータコアの斜視図である。

モータ１は、図１に示すようにモータケース２及び蓋部３の内側にステータ１０、ロータ２０及び励磁部３０を備えた所謂ハイブリッド励磁型の同期モータである。

モータケース２はモータ１の軸線方向の一方の端部に開口面を有する有底筒状をなしている。蓋部３は円盤形状をなし、モータケース２の開口面を閉鎖するように開口面の箇所に設けられている。蓋部３は不図示のボルトによってモータケース２の開口面の箇所に固定される。

ステータ１０は、図１及び図２に示すように環状をなす磁性材料で構成されてモータケース２の内側に固定配置される固定子である。ステータ１０はステータコア１１を備えている。ステータコア１１は環状をなすステータヨーク１２と、そのステータヨーク１２の内周部分から径方向内側に突出するように延びるステータティース１３とを備えている。

ステータティース１３はモータ１の周方向に、例えば１２個が並べて一周させて配置されている。すなわち、ステータ１０には１２か所のスロット１４が形成されている。ステータティース１３は、例えば複数枚の鋼板を軸線方向に積層して一体として形成されている。

ステータティース１３の外周には電気絶縁部材からなるボビンを構成するインシュレータ１５が装着されている。さらに、インシュレータ１５の外側には軸線方向に沿って電線が巻きつけられた駆動コイル１６（駆動用巻線部）が形成されている。なお、図２では断面部近傍の２か所の駆動コイル１６のみを描画し、周方向に沿ったこれらの間の箇所の駆動コイル１６の描画を省略している。駆動コイル１６にはロータ２０を回転駆動するための電流が流される。

ロータ２０は、図１及び図３に示すように略円柱状をなす磁性材料で構成されてステータ１０の内側に回転自在に配置される回転子である。ロータ２０はシャフト２１と、そのシャフト２１の周面に対して変位不能に固定されたロータコア２２を備えている。シャフト２１はその両端部が２個のベアリング４を介してモータケース２及び蓋部３に支持されている。ロータコア２２は互いの径方向中心に位置するシャフト２１に固定されて軸線方向に並べて配置された略円筒状をなす主ロータコア２３及び副ロータコア２４を備えている。なお、ロータコア２２は軸線方向の全長が、例えば７０ｍｍである。

主ロータコア２３は、図３〜図５に示すようにＮ極及びＳ極の２つの磁極が周方向にそって全周にわたって交互に並置されて構成されている。主ロータコア２３の極数は８となっている。主ロータコア２３の各磁極には第１永久磁石２５が埋設されている。各磁極の第１永久磁石２５は主ロータコア２３の軸線方向及び略径方向に沿って延びて周方向に対向するよう配置された対をなす板状磁石で構成されている。なお、主ロータコア２３は軸線方向の長さが、例えば４２ｍｍである。

副ロータコア２４は、図１及び図４に示すように主ロータコア２３の軸線方向両端部外側の２か所に設けられている。副ロータコア２４は主ロータコア２３と直径が略同じであるとともに主ロータコア２３より軸線方向の長さが短く、例えば１４ｍｍになっている。副ロータコア２４は主ロータコア２３の周方向に沿ったＮ極及びＳ極の２つの磁極の配置に対して周方向に１極分ごとの間隔を設けてＮ極またはＳ極の磁極が周方向に沿って配置されて構成されている。すなわち、副ロータコア２４にはＮ極またはＳ極が電気角にして３６０度ごとの間隔を設けて周方向に沿って配置されている。これにより、副ロータコア２４の極数は４となり、主ロータコア２３と同じ極性の磁極が軸線方向に沿って揃った状態で配置されている。なお、一方の副ロータコア２４にはＮ極の磁極のみが設けられ、他方の副ロータコア２４にはＳ極の磁極のみが設けられている。

副ロータコア２４の各磁極には第２永久磁石２６が埋設されている。各磁極の第２永久磁石２６は主ロータコア２３の第１永久磁石２５と同様に、副ロータコア２４の軸線方向及び略径方向に沿って延びて周方向に対向するよう配置された対をなす板状磁石で構成されている。そして、第２永久磁石２６は軸線方向において第１永久磁石２５とほぼ対応する箇所に配置されている。すなわち、第２永久磁石２６は第１永久磁石２５と軸線方向に沿ってほぼ揃った状態にして配置されている。

励磁部３０は、図１及び図２に示すように環状をなしてステータ１０及びロータ２０の軸線方向両端部外側の２か所に設けられている。各励磁部３０は励磁コイル３１（励磁用巻線部）及び励磁コア３２を備えている。

励磁コイル３１は励磁コア３２の内側に設けられた環状凹部３２ａの内部においてモータ１の周方向に沿って電線が巻きつけられて形成されている。励磁コア３２はモータ１の周方向に沿った略ドーナツ状をなす磁性材料で構成されてステータ１０側から軸線方向外側に向かって窪んだ環状凹部３２ａを備えている。励磁コア３２のステータ１０及びロータ２０側の端面はステータ１０及びロータ２０の軸線方向の端面に近接することにより、環状凹部３２ａの開口面をほぼ閉鎖することになる。そして、励磁コア３２の環状凹部３２ａは励磁コイル３１とともにインシュレータ１５及び駆動コイル１６の軸線方向の端部の箇所を収容している。

続いて、上記構成のモータ１に生じる磁束の流れについて、図７〜図９を用いて説明する。図７は主ロータコア２３による磁束の流れを示す斜視図、図８は副ロータコア２４による磁束の流れを示す斜視図、図９は励磁部３０による磁束の流れを示す斜視図である。

主ロータコア２３による磁束は図７に示す矢印付き折れ線Ａに沿って流れる。例えば、主ロータコア２３による磁束は主ロータコア２３のＮ極を起点とすると、主ロータコア２３とステータコア１１との間のエアギャップ、ステータコア１１、ステータコア１１と主ロータコア２３との間のエアギャップ、主ロータコア２３のＳ極の順に流れる。主ロータコア２３による磁束は軸線方向に対して略垂直をなす面に沿って流れる磁束である。

副ロータコア２４による磁束は図８に示す矢印付き折れ線Ｂに沿って流れる。例えば、副ロータコア２４による磁束は副ロータコア２４のＮ極を起点とすると、副ロータコア２４とステータティース１３との間のエアギャップ、ステータティース１３、続いてステータヨーク１２を軸線方向に斜めに流れ、ステータティース１３と副ロータコア２４との間のエアギャップ、副ロータコア２４のＳ極の順に流れる。副ロータコア２４による磁束は軸線方向に対して略垂直をなす面に沿って流れる磁束である。

励磁部３０による磁束は図９に示す矢印付き折れ線Ｃに沿って流れる。例えば、励磁部３０による磁束は副ロータコア２４の磁極を起点とすると、副ロータコア２４とステータコア１１との間のエアギャップ、ステータコア１１、励磁コア３２、励磁コア３２と副ロータコア２４との間のエアギャップ、副ロータコア２４の磁極の順に流れる。励磁部３０による磁束は軸線方向に対して略平行をなす面に沿って流れる磁束である。

このようにして、ハイブリッド励磁型の同期モータであるモータ１では３次元的に流れる磁束が生じる。

上記構成のモータ１では、ロータ２０の第１永久磁石２５及び第２永久磁石２６から生じる磁束に対して、ステータ１０の駆動コイル１６に適切な電流を流すことによりロータ２０が回転駆動される。

高速回転域の駆動範囲拡大を図るため、第１永久磁石２５及び第２永久磁石２６が埋設されたロータ２０を有するモータ１では弱め磁束制御（弱め界磁制御）が適用されている。高速回転域での効率向上のために、モータ１は第１永久磁石２５及び第２永久磁石２６による界磁に係る磁束量を抑制すると、出力可能なトルクが低減する。そこで、モータ１は励磁部３０で発生させた磁束を利用してステータ１０の駆動コイル１６に鎖交する磁束を適宜増加させて出力トルクを増大させている。

そして、モータ１では外部励磁、すなわち励磁部３０により発生する磁束をできるだけ増加させて出力トルクをより一層増大させるための独特の構成がロータ２０に施されている。

次に、そのロータ２０の詳細な構成について、図１０〜図１７を用いて説明する。図１０は主ロータコア２３の軸線方向に垂直な部分断面図、図１１は副ロータコア２４の軸線方向に垂直な部分断面図（比較例１）、図１２は副ロータコア２４の軸線方向に垂直な部分断面図（比較例２）、図１３は副ロータコア２４の軸線方向に垂直な部分断面図（実施例１）、図１４は実施例１、比較例１及び２における磁束量の比較を示す表である。図１５は副ロータコア２４の軸線方向に垂直な部分断面図（実施例２）、図１６は副ロータコア２４の軸線方向に垂直な部分断面図（実施例３）、図１７は実施例１〜３における磁束量の比較を示す表である。

なお、図１４及び図１７に示した磁束量は市販の電磁界解析ツールを用いて３次元過渡解析を実行した結果である。図中の「磁石による磁束」は駆動用電流がゼロのときのステータ１０の駆動コイル１６に鎖交する磁束の最大値を示している。図中の「励磁による磁束」は励磁部３０の励磁コイル３１への通電電流が直流で３０Ａであるときに発生する磁束を示している。

主ロータコア２３は、図１０に示すように各磁極に埋設された第１永久磁石２５を備えている。前述のように、各磁極の第１永久磁石２５は主ロータコア２３の軸線方向及び略径方向に沿って延びて周方向に対向するよう配置された対をなす板状磁石で構成されている。第１永久磁石２５としての対をなす板状磁石は径方向内側から径方向外側に向かうに従って互いの周方向の間隔が広がるように、すなわち軸線方向から見た平面視においてＶ字形状になるよう配置されている。対をなす第１永久磁石２５の互いの間に対応する箇所には軸線方向から見た平面視において扇形をなす領域Ｘ（網掛け部）が形成されている。

第１永久磁石２５は、例えば径方向の長さが１４ｍｍ、これと直交する幅が４ｍｍの軸線方向から見た平面視において矩形をなしている。第１永久磁石２５の径方向内側には平面視略三角形状をなす空隙２５ａが第１永久磁石２５に隣接して設けられている。対をなす第１永久磁石２５の互いに隣接する空隙２５ａは比較的狭い間隔を設けて対向している。

このような形状をなす主ロータコア２３に対して、比較例１としての副ロータコア２４が図１１に示されている。比較例１は従来のハイブリッド励磁型モータに相当する構成である。

比較例１としての副ロータコア２４は各磁極に埋設された第２永久磁石２６を備えている。前述のように、各磁極の第２永久磁石２６は副ロータコア２４の軸線方向及び略径方向に沿って延びて周方向に対向するよう配置された対をなす板状磁石で構成されている。第２永久磁石２６としての対をなす板状磁石は径方向内側から径方向外側に向かうに従って互いの周方向の間隔が広がるように、すなわち軸線側から見た平面視においてＶ字形状になるよう配置されている。

第２永久磁石２６は径方向の長さが１４ｍｍ、これと直交する幅が４ｍｍの軸線方向から見た平面視において矩形をなす、すなわち主ロータコア２３の第１永久磁石２５と同じ形状をなしている。そして、第２永久磁石２６は軸線方向において第１永久磁石２５と対応する箇所に配置されている。これにより、対をなす第２永久磁石２６の互いの間に対応する箇所に形成された軸線方向から見た平面視において扇形をなす領域Ｙ１（網掛け部）の軸線方向と直角をなす断面積は主ロータコア２３の領域Ｘの断面積と同じである。

そして、図１０に示す主ロータコア２３に対して図１１に示す比較例１の副ロータコア２４を適用した場合の磁束量が図１４に示されている。これによれば、磁石、すなわち第１永久磁石２５及び第２永久磁石２６による磁束が０．０２６５［Ｗｂ］であり、励磁、すなわち励磁部３０による磁束が０．００４５［Ｗｂ］であり、総磁束が０．０３１０［Ｗｂ］である。

次に、比較例２としての副ロータコア２４が図１２に示されている。比較例２の副ロータコア２４の第２永久磁石２６は径方向の長さが１４ｍｍ、これと直交する幅が３ｍｍの軸線方向から見た平面視において矩形をなしている。なお、対をなす第２永久磁石２６の互いの間に対応する箇所に形成された軸線方向から見た平面視において扇形をなす領域Ｙ２（網掛け部）の軸線方向と直角をなす断面積は主ロータコア２３の領域Ｘの断面積とほぼ同じである。すなわち、比較例２の副ロータコア２４は第１永久磁石２５に対して、平面視Ｖ字形状の周方向外縁部において平面視矩形の第２永久磁石２６の幅（図１２に破線で描画した領域）を１ｍｍ小さくしている。

そして、図１０に示す主ロータコア２３に対して図１２に示す比較例２の副ロータコア２４を適用した場合の磁束量が図１４に示されている。これによれば、磁石、すなわち第１永久磁石２５及び第２永久磁石２６による磁束は０．０２６２［Ｗｂ］であり、比較例１に対して１％減少している。励磁、すなわち励磁部３０による磁束は０．００４５［Ｗｂ］であり、比較例１に対する増減が０％である。総磁束は０．０３０７［Ｗｂ］であり、比較例１に対して１％減少している。

次に、実施例１としての副ロータコア２４が図１３に示されている。実施例１の副ロータコア２４の第２永久磁石２６は径方向の長さが１４ｍｍ、これと直交する幅が３ｍｍの軸線方向から見た平面視において矩形をなしている。なお、実施例１の副ロータコア２４は第１永久磁石２５に対して、平面視Ｖ字形状の周方向内縁部において平面視矩形の第２永久磁石２６の幅（図１３に破線で描画した領域）を１ｍｍ小さくしている。これにより、対をなす第２永久磁石２６の互いの間に対応する箇所に形成された軸線方向から見た平面視において扇形をなす領域Ｚ１（網掛け部）の軸線方向と直角をなす断面積は主ロータコア２３の領域Ｘの断面積より広くなっている。

そして、図１０に示す主ロータコア２３に対して図１３に示す実施例１の副ロータコア２４を適用した場合の磁束量が図１４に示されている。これによれば、磁石、すなわち第１永久磁石２５及び第２永久磁石２６による磁束は０．０２５１［Ｗｂ］であり、比較例１に対して約５％減少している。励磁、すなわち励磁部３０による磁束は０．００５９［Ｗｂ］であり、比較例１に対して約３１％増加している。総磁束は０．０３１０［Ｗｂ］であり、比較例１に対する増減が０％である。

実施例１のように、副ロータコア２４が有する対をなす第２永久磁石２６の互いの間に対応する領域Ｚ１の軸線方向と直角をなす断面積を、主ロータコア２４が有する対をなす第１永久磁石２５の互いの間に対応する領域Ｘの軸線方向と直角をなす断面積より広くすることにより、従来のモータ構成を示す比較例１に対して励磁部３０による磁束を大きく増加させることができる。また、従来の比較例１に対して、実施例１の副ロータコア２４の第１永久磁石２５及び第２永久磁石２６による磁束がわずかに減少しているものの、総磁束はほぼ同じである。

次に、実施例２としての副ロータコア２４が図１５に示されている。実施例２の副ロータコア２４の第２永久磁石２６は径方向の長さが１４ｍｍ、これと直交する幅が３ｍｍの軸線方向から見た平面視において矩形をなしている。なお、実施例１において平面視Ｖ字形状に配置した対をなす第２永久磁石２６は、実施例２においてＶ字の頂部を大きく開いた配置にして構成されている。そして、実施例２の第２永久磁石２６は副ロータコア２４の軸中心から延びる半径線Ｒと平行をなすよう配置されている。これにより、対をなす第２永久磁石２６の互いの間に対応する箇所に形成された領域Ｚ２（網掛け部）は軸線方向から見た平面視において略台形をなし、軸線方向と直角をなす断面積が主ロータコア２３の領域Ｘの断面積より広くなっている。さらに、実施例２の領域Ｚ２の軸線方向と直角をなす断面積は実施例１の領域Ｚ１の断面積より広くなっている。

そして、図１０に示す主ロータコア２３に対して図１５に示す実施例２の副ロータコア２４を適用した場合の磁束量が図１７に示されている。これによれば、磁石、すなわち第１永久磁石２５及び第２永久磁石２６による磁束は０．０２０７［Ｗｂ］であり、実施例１に対して約１８％減少している。励磁、すなわち励磁部３０による磁束は０．００７９［Ｗｂ］であり、実施例１に対して約３４％増加している。総磁束は０．０２８６［Ｗｂ］であり、実施例１に対して約８％減少している。

実施例２のように、副ロータコア２４が有する対をなす第２永久磁石２６の互いの間に対応する領域Ｚ２を、実施例１の扇形をなす領域Ｚ１に対して略台形にするとともに軸線方向と直角をなす断面積を広くすることにより、励磁部３０による磁束を大きく増加させることができる。なお、実施例１に対して、実施例２の副ロータコア２４の第１永久磁石２５及び第２永久磁石２６による磁束及び総磁束はやや減少している。

次に、実施例３としての副ロータコア２４が図１６に示されている。実施例３の副ロータコア２４の第２永久磁石２６は径方向の長さが１４ｍｍ、これと直交する幅が３ｍｍの軸線方向から見た平面視において矩形をなしている。そして、実施例１において平面視Ｖ字形状に配置した対をなす第２永久磁石２６は、実施例３においてＶ字の頂部を大きく開いて配置されて互いの間に対応する箇所に形成された領域Ｚ３（網掛け部）は軸線方向から見た平面視において略台形をなしている。なお、機械角において４５度ごとに区分された副ロータコア２４の磁極に関して、第２永久磁石２６は４５度ごとに区分された領域を超えた隣接する領域に突出する形で配置されている。これにより、対をなす第２永久磁石２６の互いの間に対応する箇所に形成された領域Ｚ３の軸線方向と直角をなす断面積は主ロータコア２３の領域Ｘの断面積より広くなっている。さらに、実施例３の領域Ｚ３の軸線方向と直角をなす断面積は実施例１の領域Ｚ１の断面積及び実施例２の領域Ｚ２の断面積より広くなっている。

そして、図１０に示す主ロータコア２３に対して図１６に示す実施例３の副ロータコア２４を適用した場合の磁束量が図１７に示されている。これによれば、磁石、すなわち第１永久磁石２５及び第２永久磁石２６による磁束は０．０１８９［Ｗｂ］であり、実施例１に対して約２５％減少している。励磁、すなわち励磁部３０による磁束は０．００７４［Ｗｂ］であり、実施例１に対して約２５％増加している。総磁束は０．０２６３［Ｗｂ］であり、実施例１に対して約１５％減少している。

実施例３のように、副ロータコア２４が有する対をなす第２永久磁石２６の互いの間に対応する領域Ｚ３を、実施例１の扇形をなす領域Ｚ１に対して略台形にするとともに軸線方向と直角をなす断面積を広くすることにより、励磁部３０による磁束を大きく増加させることができる。なお、実施例１に対して、実施例３の副ロータコア２４の第１永久磁石２５及び第２永久磁石２６による磁束及び総磁束はやや減少している。さらに、実施例２に対して、実施例３の全体的な磁束は減少している。したがって、副ロータコア２４が有する対をなす第２永久磁石２６の互いの間に対応する領域は、第２永久磁石２６が機械角において４５度ごとに区分された副ロータコア２４の磁極の領域を超えて隣接する領域にまで突出しない程度に配置されて形成されることが望ましい。すなわち、対をなす第２永久磁石２６の互いの間に対応する領域の軸線方向と直角をなす断面積は実施例２の領域Ｚ２の断面積がほぼ上限であると言える。

上記実施例１〜３のように、モータ１は対をなす板状磁石で構成された第１永久磁石２５及び第２永久磁石２６の各々が径方向内側から径方向外側に向かうに従って対をなす板状磁石の周方向の間隔が広がるよう（軸線方向から見た平面視Ｖ字形或いは略台形）に配置され、対をなす第２永久磁石２６の互いの間に対応する領域Ｚ１、Ｚ２及びＺ３の軸線方向と直角をなす断面積が、対をなす第１永久磁石２５の互いの間に対応する領域Ｘの軸線方向と直角をなす断面積より広い。これにより、対をなす第２永久磁石２６の互いの間に対応する領域の軸線方向と直角をなす断面積が対をなす第１永久磁石２５の互いの間に対応する領域の軸線方向と直角をなす断面積とほぼ同じ場合と比較して、励磁部３０による磁束を大きく増加させることができる。

そして、実施例１は第２永久磁石２６が第１永久磁石２５と軸線方向に沿ってほぼ揃った状態で配置されているので、第１永久磁石２５及び第２永久磁石２６による磁束や総磁束をほとんど変化させることなく、励磁部３０による磁束を大きく増加させることができる。したがって、励磁部３０を使用していない状態においても、モータ１は効率的な回転性能を発揮する。

なお、実施例２及び３は対をなす第２永久磁石２６の互いの間の領域Ｚ２及びＺ３の断面積が対をなす第１永久磁石２５の互いの間の領域Ｘの断面積より広いものの（さらに実施例１の領域Ｚ１の断面積より広い）、第２永久磁石２６が第１永久磁石２５と軸線方向において対応する箇所からずれて配置されている。これにより、実施例２及び３は第１永久磁石２５及び第２永久磁石２６による磁束や総磁束が実施例１や比較例１より減少しているものの、実施例１よりさらに励磁部３０による磁束を大きく増加させることができる。永久磁石による磁束が低い場合、同じ電圧で動作可能な回転範囲が広がるため有効である。また、永久磁石による磁束が低いと出力可能なトルクが低下するが、励磁部３０を用いることにより所望のタイミングで永久磁石の磁束を適宜増加させることができる。

また、モータ１は主ロータコア２３がＮ極及びＳ極の磁極（８極）が周方向に沿って全周にわたって交互に並置されて構成され、副ロータコア２４は主ロータコア２３の周方向に沿ったＮ極及びＳ極の磁極の配置に対して周方向に１極分ごとの間隔を設けてＮ極またはＳ極の磁極（４極）が周方向に沿って配置されて構成されるとともに、主ロータコア２３と同じ極性の磁極が軸線方向に対応して配置される、すなわち軸線方向に沿って揃った状態で配置されている。これにより、仮に永久磁石がない場合であっても、励磁部３０を用いて発生させた磁束を有効に活用することが可能である。

また、対をなす第１永久磁石２５及び対をなす第２永久磁石２６がともに板状をなしているので、磁束の流れを誘導し易くなる。したがって、励磁部３０による磁束を効果的に増加させることができる。

また、対をなす第１永久磁石２５及び対をなす第２永久磁石２６は主ロータコア２３または副ロータコア２４の軸線方向から見た平面視において矩形をなしているので、対をなす磁石の互いの間に対応する領域の軸線方向と直角をなす断面積を容易に拡大させて確保することができる。したがって、励磁部３０による磁束をより一層効果的に増加させることが可能である。

そして、上記実施形態の構成によれば、外部励磁、すなわち励磁部３０により発生する磁束をできるだけ増加させて出力トルクをより一層増大させることが可能なモータ１を提供することができる。

次に、本発明の第２の実施形態に係るモータの詳細な構成について、図１８を用いて説明する。図１８はモータの副ロータコアの軸線方向に垂直な部分断面図である。なお、この実施形態の基本的な構成は図１〜図１７を用いて説明した前記第１の実施形態と同じであるので、第１の実施形態と共通する構成要素には前と同じ符号を付し、図面の記載及びその説明を省略するものとする。

第２の実施形態に係るモータ１において副ロータコア２４には、図１８に示すように第２永久磁石２７が埋設されている。各磁極の第２永久磁石２７は副ロータコア２４の軸線方向及び略径方向に沿って延びて周方向に対向するよう配置された対をなす板状磁石で構成されている。第２永久磁石２７は軸線方向から見た平面視において円弧状をなしている。なお、主ロータコア２３の第１永久磁石２５も同様の円弧状に形成しても良い。

そして、第２永久磁石２７は軸線方向において第１永久磁石２５とほぼ対応する箇所に配置されている。すなわち、第２永久磁石２７は第１永久磁石２５と軸線方向に沿ってほぼ揃った状態にして配置されている。

このようにして、対をなす第１永久磁石２５や対をなす第２永久磁石２７が主ロータコア２３または副ロータコア２４の軸線方向から見た平面視において円弧状をなしているので、第１の実施形態同様、対をなす磁石の互いの間に対応する領域の軸線方向と直角をなす断面積を容易に拡大させて確保することができる。したがって、励磁部３０による磁束をより一層効果的に増加させることが可能である。

なお、図１８に示した円弧状の対をなす第２永久磁石２７は互いが対向する方向に関して外側に向かって凸となる円弧で構成されているが、内側に向かって凸となる円弧で構成されていても良い。

次に、本発明の第３の実施形態に係るモータの詳細な構成について、図１９を用いて説明する。図１９はモータの副ロータコアの軸線方向に垂直な部分断面図である。なお、この実施形態の基本的な構成は図１〜図１７を用いて説明した前記第１の実施形態と同じであるので、第１の実施形態と共通する構成要素には前と同じ符号を付し、図面の記載及びその説明を省略するものとする。

第３の実施形態に係るモータ１において副ロータコア２４には、図１９に示すように第２永久磁石２８が埋設されている。各磁極の第２永久磁石２８は副ロータコア２４の軸線方向及び略径方向に沿って延びて周方向に対向するよう配置された対をなす板状磁石で構成されている。第２永久磁石２８は軸線方向から見た平面視において扇形の一部を欠いた所謂欠円状をなしている。なお、主ロータコア２３の第１永久磁石２５も同様の欠円状に形成しても良い。

そして、第２永久磁石２８は軸線方向において第１永久磁石２５とほぼ対応する箇所に配置されている。すなわち、第２永久磁石２８は第１永久磁石２５と軸線方向に沿ってほぼ揃った状態にして配置されている。

このようにして、対をなす第１永久磁石２５や対をなす第２永久磁石２８が主ロータコア２３または副ロータコア２４の軸線方向から見た平面視において欠円状をなしているので、第１の実施形態同様、対をなす磁石の互いの間に対応する領域の軸線方向と直角をなす断面積を容易に拡大させて確保することができる。したがって、励磁部３０による磁束をより一層効果的に増加させることが可能である。

なお、図１９に示した欠円状の対をなす第２永久磁石２８は互いが対向する方向に関して外側に向かって凸となる円弧を有する形状であるが、内側に向かって凸となる円弧を有する形状であっても良い。

以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明の範囲はこれに限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えて実施することができる。

例えば、本発明の実施形態で採用したステータ１０のステータティース１３やスロット１４の個数、ロータ２０の主ロータコア２３や副ロータコア２４の磁極の数、第１永久磁石２５及び第２永久磁石２６の寸法は上記数量や寸法に限定されるわけではなく、他の数量や寸法を採用しても構わない。

本発明は、永久磁石が埋設されたロータを有する同期モータ、特に所謂ハイブリッド励磁型モータにおいて利用可能である。

１ モータ（同期モータ）
１０ ステータ
１１ ステータコア
１２ ステータヨーク
１３ ステータティース
１６ 駆動コイル（駆動用巻線部）
２０ ロータ
２１ シャフト
２２ ロータコア
２３ 主ロータコア
２４ 副ロータコア
２５ 第１永久磁石（対をなす磁石）
２６、２７、２８ 第２永久磁石（対をなす磁石）
３０ 励磁部
３１ 励磁コイル（励磁用巻線部）
３２ 励磁コア

Claims (7)

1. 第１永久磁石が埋設された主ロータコア及び第２永久磁石が埋設されて前記主ロータコアの軸線方向外側に配置された副ロータコアを有するロータと、
   前記ロータの径方向外側に配置されて前記ロータを回転駆動させるための駆動用巻線部を有するステータと、
   前記ステータの軸線方向外側に配置されて前記ロータと前記ステータとの間に生じる磁束を増加させるための励磁用巻線部と、を備え、
   前記主ロータコア及び前記副ロータコアはＮ極及び／またはＳ極の磁極が周方向に沿って並置されて構成されるとともに、同じ極性の磁極が軸線方向に沿って揃った状態で配置され、
   前記第１永久磁石及び前記第２永久磁石は前記主ロータコアまたは前記副ロータコアの軸線方向及び略径方向に沿って延びて周方向に対向するよう配置された対をなす磁石で構成され、
   前記対をなす磁石は径方向内側から径方向外側に向かうに従って互いの周方向の間隔が広がるように配置され、
   前記副ロータコアが有する前記対をなす磁石の互いの間に対応する領域の軸線方向と直角をなす断面積が、前記主ロータコアが有する前記対をなす磁石の互いの間に対応する領域の軸線方向と直角をなす断面積より広いことを特徴とする同期モータ。
2. 前記第２永久磁石は前記第１永久磁石と軸線方向に沿ってほぼ揃った状態で配置されていることを特徴とする請求項１に記載の同期モータ。
3. 前記主ロータコアはＮ極及びＳ極の磁極が周方向に沿って全周にわたって交互に並置されて構成され、
   前記副ロータコアは前記主ロータコアの周方向に沿ったＮ極及びＳ極の磁極の配置に対して周方向に少なくとも１極分ごとの間隔を設けてＮ極またはＳ極の磁極が周方向に沿って配置されて構成されるとともに、前記主ロータコアと同じ極性の磁極が軸線方向に沿って揃った状態で配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の同期モータ。
4. 前記対をなす磁石が板状をなすことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の同期モータ。
5. 前記対をなす磁石は前記主ロータコアまたは前記副ロータコアの軸線方向から見た平面視において矩形をなすことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の同期モータ。
6. 前記対をなす磁石は前記主ロータコアまたは前記副ロータコアの軸線方向から見た平面視において円弧状をなすことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の同期モータ。
7. 前記対をなす磁石は前記主ロータコアまたは前記副ロータコアの軸線方向から見た平面視において欠円状をなすことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の同期モータ。

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