JP2823817B2

JP2823817B2 - 永久磁石埋め込みモータ

Info

Publication number: JP2823817B2
Application number: JP7134023A
Authority: JP
Inventors: 幸夫本田; 浩村上; 和成楢崎; 浩伊藤; 正行神藤; 能成浅野; 直之角谷
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1995-05-31
Filing date: 1995-05-31
Publication date: 1998-11-11
Anticipated expiration: 2013-11-11
Also published as: JPH08331783A; SG42409A1

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、永久磁石をロータ内部
に埋め込むことで、マグネットトルクに加えてリラクタ
ンストルクをも利用する永久磁石埋め込みモータに関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、環境問題がクローズアップされて
きており省エネルギーの観点から小型・高効率・高出力
なモータとして、図７に示す従来の表面磁石モータ、す
なわち永久磁石１７をロータ３表面に貼り付けるモータ
に代わって、永久磁石をロータ内部に埋め込んで、マグ
ネットトルクに加えてリラクタンストルクを利用する永
久磁石埋め込みモータが注目されている。

【０００３】図８は従来の永久磁石埋め込みモータを示
す。この永久磁石埋め込みモータは、高透磁率材の鉄心
あるいは積層珪素鋼板で構成されたロータコア３ａの内
部に、ロータ中心側に凸の円弧形状に形成された永久磁
石１７を埋め込んでロータ３を構成している。図８に示
すものは４極モータであって、４本の永久磁石１７がＮ
極、Ｓ極交互となるように、円周方向に配設されてい
る。５はステータ、６はティースである。

【０００４】この様な構成にすることで、永久磁石１７
の中心とロータ中心とを結ぶ方向であるｄ軸方向のイン
ダクタンスＬｄと、ｄ軸に対し電気角で９０度回転した
方向であるｑ軸方向のインダクタンスＬｑに差が生じ、
永久磁石１７によるマグネットトルクに加えて、リラク
タンストルクも発生するようになる。この関係を示した
のが（１）式である。

【０００５】Ｔ＝Ｐｎ｛Ψa*Ｉｑ＋１／２（Ｌｄ−Ｌｑ）＊Ｉｄ＊Ｉｑ｝・・・・・・（１）Ｐｎ：極対数 Ψa ：鎖交磁束Ｌｄ：ｄ軸インダクタンスＬｑ：ｑ軸インダクタンスＩｑ：ｑ軸電流Ｉｄ：ｄ軸電流（１）式は、ｄｑ変換後の電圧方程式を示している。図
７に示す表面磁石モータでは、永久磁石の透磁率が空気
とほぼ等しいため、上式（１）の両インダクタンスＬ
ｄ、Ｌｑはほぼ等しい値となり、（１）式の｛｝内の
第２項に示されるリラクタンストルク分は発生しない。

【０００６】しかし、永久磁石埋め込みモータでは、ｄ
軸方向は永久磁石１７の磁束の発生する方向であり、ｄ
軸方向の磁束の流れ２１は、図８に示すように、透磁率
が空気とほぼ同じ永久磁石部分を２回通過することとな
るため、磁気抵抗が大きくなりｄ軸インダクタンスＬｄ
は極めて小さくなる。一方、ｑ軸方向は永久磁石１７の
側面部方向を向くため、ｑ軸方向の磁束の流れ２２は、
図８に示すように、この磁石側面を通り抜けるため、磁
気抵抗は小さくなり、この結果ｑ軸インダクタンスＬｑ
は大きくなる。そのため、ｄ軸インダクタンスＬｄとｑ
軸インダクタンスＬｑに差が生じ、ｄ軸電流Ｉｄを流す
ことで（１）式の｛｝内の第２項に示されるリラクタ
ンストルクが発生する。

【０００７】この関係を、磁束ベクトル図で示したのが
図９である。マグネットトルクは磁束Ψa に電気的に直
角な方向の電流Ｉｑを掛け合わせることで発生する。同
様にリラクタンストルクはインダクタンスと電流によっ
て発生する磁束ＬｄＩｄ，ＬｑＩｑに各々電気的に直角
な電流Ｉｑ，Ｉｄを掛け合わせることで発生する。前記
マグネットトルクと、このマグネットトルクより小さい
リラクタンストルクとの２つを足しあわせたトルクが総
合トルクＴとなる。

【０００８】この総合トルクＴは、入力する電流位相β
に依存する。図１０は、同じ電流値Ｉo で電流位相βを
変化させた場合の、マグネットトルクとリラクタンスト
ルクおよびそれらを足しあわせた総合トルクの関係を示
したものである。マグネットトルクは電流位相０度で最
大値を示し、電流位相βを進めていくことで小さくなっ
てゆき、９０度で０となる。それに反して、リラクタン
ストルクは電流位相４５度で最大値を示すため、両者を
足しあわせた総合トルクは、電流位相０〜４５度の範囲
のポイントで最大値を示すこととなる。○印は、実験で
確認した結果であるが、（１）式で示される計算値と実
験値が良く一致している。

【０００９】すなわち、同一電流では、永久磁石を埋め
込み構造にしてリラクタンストルクを利用する構造とし
たもののほうが、表面磁石モータに比較してより大きな
トルクを発生することを示している。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の永久磁石埋
め込みモータにおいては、ある程度のリラクタンストル
クを有効に利用することができるが、図８に示すよう
に、ｑ軸方向の磁束の流れ２２が、永久磁石１７の端面
部１７ａにじゃまをされてロータ内部に入り込むことが
できず、ほとんどが永久磁石１７の外周側部分１８を通
るだけとなるため、その磁束量は少なく、ｑ軸インダク
タンスＬｑを大きくすることができないという問題点が
あった。

【００１１】すでに述べたように、両インダクタンスＬ
ｑ、Ｌｄ（Ｌｄは僅小）の差が大きければ大きいほど、
同一電流で発生するリラクタンストルクは大きくなる
が、従来例においてはｑ軸インダクタンスＬｑをそれ程
大きくできず、従って両インダクタンスＬｑ、Ｌｄの差
を大きくできなかった。

【００１２】そして同一量の永久磁石を使用する場合に
は、ｄ軸インダクタンスＬｄは物理的にそれほどの差は
発生しないが、ｑ軸インダクタンスＬｑは埋め込む永久
磁石の形態を工夫することにより、大きくできる可能性
がある。

【００１３】そこで本発明は、ｑ軸インダクタンスＬｑ
を可能な限り大きくする構造を採用することで、ｑ軸イ
ンダクタンスＬｑとｄ軸インダクタンスＬｄの差を可能
な限り大きくし、その結果同一電流で発生するリラクタ
ンストルクを最大限利用することで、高効率で高出力な
永久磁石埋め込みモータを提供することを目的としてい
る。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するため、ロータ内部に永久磁石を埋め込む構造であ
り、マグネットトルクと、このマグネットトルクより小
さいリラクタンストルクとを足しあわせたトルクを利用
する永久磁石埋め込みモータにおいて、１極あたりの永
久磁石をロータ半径方向に２層以上に分割し、前記永久
磁石の夫々の端部がロータ外周に近接する位置まで伸び
るように構成し、前記永久磁石間に磁束の通路を設けた
ことを特徴とする。又本発明は、ロータ内部に永久磁石
を埋め込む構造であり、マグネットトルクと、このマグ
ネットトルクより小さいリラクタンストルクとを足しあ
わせたトルクを利用する永久磁石埋め込みモータにおい
て、１極あたりの永久磁石をロータ半径方向に２分割
し、外周側の永久磁石及び内周側の永久磁石の夫々の端
部がロータ外周に近接する位置まで伸びるように構成
し、外周側の永久磁石と内周側の永久磁石との間に磁束
の通路を設けたことを特徴とする。

【００１５】本発明において、外周側の永久磁石及び内
周側の永久磁石が共にロータ中心側に凸の円弧形状に形
成されていると、好適である。

【００１６】又本発明において、外周側の永久磁石と内
周側の永久磁石との間隔がほば一定幅となっており、更
にその間隔がステータのティース幅の１／３より大きく
設定されていると、好適である。

【００１７】

【作用】本発明は上記構成によって、分割した外周側の
永久磁石と内周側の永久磁石の間に磁束を流す通路がで
きるため、磁気抵抗が小さくなりｑ軸インダクタンスＬ
ｑを非常に大きくすることが可能となる。そのため、同
一電流で発生するリラクタンストルクが、両インダクタ
ンスＬｄ、Ｌｑの差が大きくなった分、より有効に発生
することとなる。

【００１８】図３および図４は、本発明の２層マグネッ
ト構造埋め込みモータと従来の１層マグネット埋め込み
モータとの、ｑ軸方向の磁束の流れ易さを示したもので
ある。永久磁石を１極あたり１個使用する従来構造のモ
ータでは、磁石厚さが大きいため、図４に示すように、
ステータ巻線により発生した磁束１１がロータに入り込
もうとするのを永久磁石１７の端面１７ａがじゃまをし
ている。

【００１９】一方、図３に示すように本発明の２層マグ
ネット埋め込みモータでは、外周側の永久磁石１と内周
側の永久磁石２の間に磁束の通路１０があるため、前記
ステータ巻線により発生した磁束１１は永久磁石にじゃ
まされることなく、この磁束の通路１０を通って反対側
の磁束の出口１２に、スムースに流れている。すなわ
ち、この磁束の流れ易さの違いが、ｑ軸インダクタンス
Ｌｑの大きさと比例し、磁束を良く通す本発明の２層マ
グネット埋め込みモータの方が、前記Ｌｑは大きくな
る。

【００２０】図５、図６は実際にモータが図のＫ方向に
回転している際の磁束の流れと量を示した図である。同
一電流であるにも関わらず、前記インダクタンスＬｑの
違いにより、図５に示す本発明の２層マグネット埋め込
みモータの方が、図６に示す従来構造のモータより多く
の磁束を発生していることが分かる。すなわち、磁束が
大きい分、トルクも多く発生していることとなる。

【００２１】図１１は、マグネット層数と発生トルクの
関係を調査した結果である。定格出力７５０Ｗのモータ
で、一定電流・一定回転数での発生トルクを示してい
る。前述したように、従来の１層マグネット埋め込みモ
ータよりも、２層マグネットの方がｑ軸方向の磁束が内
外周の永久磁石の間を通るため磁気抵抗が小さくなり、
ｑ軸インダクタンスＬｑが大きくなる。一方、ｄ軸イン
ダクタンスＬｄは、磁石使用量が同じためほとんど変化
しない（しかも僅小である。）。その結果、ｑ軸インダ
クタンスＬｑとｄ軸インダクタンスＬｄの差が大きくな
り、同一電流で発生するリラクタンストルクが大きくな
った結果、マグネットトルクと足しあわされた総合トル
クは約１５％大きくなっている。

【００２２】しかし、更に永久磁石を３層、４層と分割
していくと、図１１に示すように、総合トルクはかえっ
て２層よりも低下してくる。

【００２３】図１２はマグネット層数とｑ軸インダクタ
ンスＬｑの関係に関して調査した結果がである。ｑ軸イ
ンダクタンスＬｑは、１層から２層にすることで５０％
程度大きく増加する。

【００２４】しかし、３層、４層とマグネット層数を増
加させていっても、Ｌｑは若干大きくなるが１層から２
層にしたほどの効果は無い。これは、永久磁石を２層に
分割してできたｑ軸方向の磁束の通路が磁気的に飽和し
なければ、それ以上永久磁石を多層にしてもｑ軸インダ
クタンスＬｑは大きくは変化しないことを示している。

【００２５】一方、永久磁石が発生する磁束は、図１３
に１例を示すように２層が最も大きく発生し、それ以外
は小さくなっている。すなわち、マグネット分割数を多
くすれば、ｑ軸方向の磁束が通りやすくなるため、ｑ軸
インダクタンスＬｑは大きくなるが、３層以上では永久
磁石の厚さが薄くなってくるため、永久磁石の動作点が
低くなり発生する磁束量が低減し、マグネット磁束によ
って発生するマグネットトルクとｑ軸インダクタンスＬ
ｑとｄ軸インダクタンスＬｄの差で発生するリラクタン
ストルクの足しあわせで決まる総合発生トルクは、図１
１に示すように２層が最大でそれ以上でもそれ以下でも
低下する。

【００２６】下記に示す（２）式に、磁石の動作点を決
定するパーミアンス係数Ｐの計算式を示す。

【００２７】

【数１】

【００２８】上記パーミアンス係数Ｐは、エアギャップ
長Ｌｇ、エアギャップ断面積Ａｇ、起磁力損失係数Ｋ
ｆ、漏れ係数Ｋｒが等しいとすると、磁石厚さＬｍに比
例し、磁石断面積Ａｍに反比例して変化する。図１４に
永久磁石のＢ−Ｈ（磁束密度−保磁力）カーブの第二象
限を示すが、従来の１層マグネットの動作点はＢ２点の
磁束密度で決定される。これを２層マグネット構造にす
ると、磁石厚さＬｍは小さくなるが、反対に磁石断面積
Ａｍは大きくなるため、差し引き磁石動作点Ｂ１はＢ２
と変わらないか、あるいは若干大きくなる。しかし、３
層以上にすると磁石厚さＬｍが薄くなる影響の方が大き
くなり、磁石動作点はＢ３の点のように小さくなってし
まう。

【００２９】すなわち、永久磁石をロータ内部に埋め込
んで、ｑ軸インダクタンスＬｑとｄ軸インダクタンスＬ
ｄの差を大きくして、リラクタンストルクを利用するモ
ータにおいては、永久磁石を一極あたり２分割して２層
構成にすることが、（１）式に示すマグネットトルクお
よびリラクタンストルクの両方を最大限利用する最適構
造になり、同一電流で発生するトルクが大きくなりモー
タの性能を大幅に向上させることが可能となる。

【００３０】又本発明のように永久磁石を２層構成にす
ると、ステータのティースからロータに入りこむ磁束
が、内外周の永久磁石間に形成される磁束の通路に沿っ
てスムースに流れて他のティースに流出するので、永久
磁石の減磁を防ぐことができる。すなわち従来の表面磁
石モータや従来の一層の永久磁石埋め込みモータにおい
ては、前記ティースからロータに入り込むｑ軸方向の磁
束が、永久磁石に作用しやすく、永久磁束が減磁環境に
さらされる結果となり、減磁耐力に問題があったが、本
発明によればこの問題を解決し、永久磁石の減磁耐力を
向上させることができる。

【００３１】

【実施例】以下本発明の実施例について、図面を参照し
ながら詳細に説明する。

【００３２】図１及び図２に示す本発明の実施例は、４
極の永久磁石埋め込みモータに係るものである。

【００３３】ロータ３は、高透磁率材からなるロータコ
ア３ａに、Ｎ極、Ｓ極が交互となるように配置された４
組の永久磁石１、２を埋め込み、ロータ軸４に固着する
ことによって構成されている。１極あたりの永久磁石
は、ロータ半径方向に２分割され、外周側の永久磁石１
と内周側の永久磁石２とで構成されている。各永久磁石
１、２は、ロータ中心側に凸の円弧形状に形成され、夫
々の両端部１ａ、２ａはロータ外周に近接する位置まで
伸びている。そして外周側の永久磁石１と内周側の永久
磁石２との間隔は、ほぼ一定幅Ｍとなっていて、この間
隔部分にｑ軸方向の磁束が通る通路１０が形成されてい
る。

【００３４】ステータ５は、所定本数のティース６を備
え、各ティース６間にはステータ巻線（図示省略）が配
されて構成されている。前記ステータ巻線に交流電流が
与えられることで回転磁束が発生し、この回転磁束によ
り、ロータ３にはマグネットトルク及びリラクタンスト
ルクが作用し、ロータ３は回転駆動される。

【００３５】外周側の永久磁石１と内周側の永久磁石２
の間の幅Ｍは、永久磁石１、２の起磁力損失を考えれば
できうる限り小さいことが望まれる。しかし、ｑ軸イン
ダクタンスＬｑという観点からは、これを大きくするた
めに磁気飽和しない程度に大きいことが望まれる。

【００３６】そこで本実施例では、ステータ巻線に流れ
る電流により発生する磁束で飽和しない幅とするため、
前記幅Ｍを前記ティース６の幅Ｎの約１／２に設定して
いる。

【００３７】図１５は、前記幅Ｍとｑ軸インダクタンス
Ｌｑの関係を調査した結果である。

【００３８】前記幅Ｍがティース６の幅Ｎの１／３より
小さくなると、ｑ軸インダクタンスＬｑは急激に小さく
なっている。一方、前記幅Ｍがティース６の幅Ｎより大
きくなっても、ｑ軸インダクタンスＬｑはほとんど変化
していない。そこでこの実験結果から、外周側の永久磁
石１と内周側の永久磁石２との間隔、すなわち前記幅Ｍ
はステータ６の幅Ｎの１／３より大きくすれば良いこと
が分かる。

【００３９】内周側の永久磁石２は、発生磁束をできる
だけ大きくするために、磁極ピッチ（４極であれば９０
度）分できるだけ大きく構成し、かつ隣り合う永久磁石
１、１の隙間Ｓは、磁束の漏洩を小さくしてマグネット
トルクをできるだけ有効に使うために可能な限り小さく
すると、好適である。またコストを考えて、１極分の磁
石使用量を同じにするよう内外の永久磁石２、１を振り
分けると、よい。

【００４０】この様な構成にすれば、ｑ軸方向の磁束の
流れる通路１０が、モータ運転時磁気飽和しない程度に
確保されるため、ｑ軸インダクタンスＬｑは最大限大き
くすることが可能となり、またマグネット量も従来の１
層タイプと同量程度にするため、ｄ軸インダクタンスＬ
ｄは１層磁石と同じく小さく構成できる。すなわち、同
一磁石量でｄ軸インダクタンスＬｄは変化せず、ｑ軸イ
ンダクタンスＬｑは１５％以上大きくできるため、ｑ軸
インダクタンスＬｑとｄ軸インダクタンスＬｄの差で発
生するリラクタンストルクが最大限利用されることとな
る。

【００４１】その結果、同一電流でモータを運転させた
場合、マグネットトルクもリラクタンストルクも最大限
利用できる最適なモータ構成とすることが可能となる。

【００４２】上記実施例では、各永久磁石１、２をロー
タ中心側に凸の円弧形状に形成しているが、これらを他
の形状、たとえばロータ中心側に凸の∪形状などに形成
することができる。又上記実施例では各永久磁石１、２
はその端部１ａ、２ａに至るまですべてを永久磁石材で
構成しているが、前記端部１ａ、２ａを空隙部（空気
層）や合成樹脂充填層で構成し残部を永久磁石材で構成
してもよい。

【００４３】

【発明の効果】本発明によれば、従来の永久磁石を１層
に構成したモータに比較して、ｑ軸インダクタンスによ
って発生するリラクタンストルクを大きくとることがで
き、マグネットトルクとリラクタンストルクの足しあわ
せで発生する総合トルクが最大になると共に、減磁耐力
を向上させることが可能な高トルク・高出力モータを提
供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す断面図。

【図２】その一部拡大図。

【図３】上記実施例のｑ軸方向の磁束の流れを示す解析
図。

【図４】従来例のｑ軸方向の磁束の流れを示す解析図。

【図５】上記実施例のモータ回転時の磁束の流れを示す
解析図。

【図６】従来例のモータ回転時の磁束の流れを示す解析
図。

【図７】従来の表面磁石モータを示す断面図。

【図８】従来の一層型永久磁石埋め込みモータを示す断
面図。

【図９】ｄ−ｑ変換した後の磁束ベクトル図。

【図１０】電流位相とマグネットトルク、リラクタンス
トルク、総合トルクの関係を示すグラフ。

【図１１】マグネット層数と発生トルクの関係を示すグ
ラフ。

【図１２】マグネット層数とｑ軸インダクタンスの関係
を示すグラフ。

【図１３】マグネット層数とマグネット磁束の関係を示
すグラフ。

【図１４】永久磁石のＢ−Ｈカーブと磁石動作点の関係
を示すグラフ。

【図１５】内外永久磁石の間隔幅とｑ軸インダクタンス
の関係を示すグラフ。

【符号の説明】

１内周側の永久磁石２外周側の永久磁石３ロータ３ａロータコア５ステータ６ティース１０磁束の通路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者伊藤浩大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者神藤正行大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者浅野能成大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者角谷直之大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (56)参考文献米国特許4924130（ＵＳ，Ａ) 松井信行、外２名，”リラクタンストルクを利用した回転機”，電気学会論文誌Ｄ，社団法人電気学会，平成６年８月，Ｖｏｌ．114−Ｄ，ｐ．824−832 (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H02K 1/27 501

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ロータ内部に永久磁石を埋め込む構造で
あり、マグネットトルクと、このマグネットトルクより
小さいリラクタンストルクとを足しあわせたトルクを利
用する永久磁石埋め込みモータにおいて、１極あたりの
永久磁石をロータ半径方向に２層以上に分割し、前記永
久磁石の夫々の端部がロータ外周に近接する位置まで伸
びるように構成し、前記永久磁石間に磁束の通路を設け
たことを特徴とする永久磁石埋め込みモータ。
【請求項２】ロータ内部に永久磁石を埋め込む構造で
あり、マグネットトルクと、このマグネットトルクより
小さいリラクタンストルクとを足しあわせたトルクを利
用する永久磁石埋め込みモータにおいて、１極あたりの
永久磁石をロータ半径方向に２分割し、外周側の永久磁
石及び内周側の永久磁石の夫々の端部がロータ外周に近
接する位置まで伸びるように構成し、外周側の永久磁石
と内周側の永久磁石との間に磁束の通路を設けたことを
特徴とする永久磁石埋め込みモータ。
【請求項３】外周側の永久磁石及び内周側の永久磁石
が共にロータ中心側に凸の円弧形状に形成されている請
求項２記載の永久磁石埋め込みモータ。
【請求項４】外周側の永久磁石と内周側の永久磁石と
の間隔がほぼ一定幅となっている請求項２又は３記載の
永久磁石埋め込みモータ。
【請求項５】間隔がステータのティース幅の１／３よ
り大きく設定された請求項４記載の永久磁石埋め込みモ
ータ。
【請求項６】永久磁石はその端部に至るまですべての
材質が永久磁石材で構成されている請求項１〜５のいず
れかに記載の永久磁石埋め込みモータ。
【請求項７】永久磁石はその端部が空気層で構成され
残部が永久磁石材で構成されている請求項１〜５のいず
れかに記載の永久磁石埋め込みモータ。
【請求項８】永久磁石はその端部が合成樹脂充填層で
構成され残部が永久磁石材で構成されている請求項１〜
５のいずれかに記載の永久磁石埋め込みモータ。