JP4797431B2

JP4797431B2 - 永久磁石型モータ

Info

Publication number: JP4797431B2
Application number: JP2005134447A
Authority: JP
Inventors: 正嗣中野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-05-02
Filing date: 2005-05-02
Publication date: 2011-10-19
Anticipated expiration: 2025-05-02
Also published as: JP2006311777A

Description

この発明は、永久磁石を用いた永久磁石型モータに係わり、特にコギングトルクの低減、モータのトルクや出力の向上、単位磁石量当りのトルクや出力の向上に関するものである。

永久磁石型モータには複数の磁極に着磁された永久磁石がよく用いられる。この永久磁石が発生する磁束はモータの特性を大きく左右するため非常に重要である。
磁束波波形に高調波が含まれるとコギングトルクやトルクリップルが増大し、振動や音の原因になる場合がある。また、表面磁束密度が小さいとモータの出力やトルクが低下してしまう。
これらの課題に対して、配向が磁石外側の一点に集中するようにして、モータのコギングトルクが小さくなるようにした例（例えば、特許文献１参照）や、多極異方性として表面磁束密度の高い円筒磁石を得る例（例えば、特許文献２参照）が知られている。

特開平７−３９０９０号公報特公平８−２８２９３号公報

しかしながら、従来の構成のものでは、磁石の形状が円筒形であるために十分にコギングトルクを低減することができない。また、出力やトルクについても十分向上することができないという問題点があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、モータのコギングトルクを低減できて出力やトルクについても向上できる永久磁石型モータを提供することを目的とする。

この発明に係る永久磁石型モータにおいては、コアと電機子巻線からなる固定子、及びシャフトと多極に着磁されたリング状の永久磁石からなる回転子を備えたものにおいて、
永久磁石の磁場配向が磁極毎に異方性を有する構成とし、隣接する磁極間における磁石の厚さが磁極中心のそれと比して小さい構成とし、永久磁石の形状は、永久磁石の固定子が対向する面から固定子の回転子に対向する面までの距離の逆数が周方向の角度位置に対して正弦波状に変化するような形状としたものである。

この発明によれば、永久磁石の磁束を効率的に利用することができるので、モータにおける単位磁石量当りのトルクあるいは出力が向上するという効果がある。

実施の形態１.
この発明の実施の形態１について説明する。
図１はこの発明の実施の形態１における永久磁石型モータの磁石の断面形状と磁場配向について示した図である。また、図２は従来の永久磁石型モータの磁石形状と磁場配向を示した図である。
図２は、８極に着磁された永久磁石であり、円筒形状をしている。すなわち、磁石の外周の形状は円である。また、磁石内部の磁場配向は磁極毎に異方性を有する構成となっている。このように、磁極毎に異方性を有する磁石では磁束を磁極中心付近に集めることで磁束密度を高くすることができる。しかしながら、隣り合う磁極の間の磁石はモータのトルクにあまり寄与しないため、この部分の磁石は無駄になっていると言える。すなわち、このままの構成では単位磁石量当りのトルクあるいは出力としては不利となるという課題があった。
一方、図１は８極に着磁された永久磁石で、磁石内部の磁場配向は磁極毎に異方性を有する構成となっている。さらに、図示するように、隣り合う磁極の間にあるトルクにあまり寄与していない部分の磁石を除去する構成としている。すなわち、隣接する磁極間における磁石の厚さＨ２が磁極中心の磁石の厚さＨ１と比して小さい構成としている。このような構成（Ｈ１＞Ｈ２）とすることによって、単位磁石量当りのトルクあるいは出力が向上すると考えられる。
図３はこの発明の実施の形態１における永久磁石型モータを示す断面図である。この永久磁石型モータは、コア１と電機子巻線２からなる固定子３、及びシャフト４と多極に着磁された永久磁石５からなる回転子６から構成される。この発明による永久磁石型モータの永久磁石と従来の永久磁石を用いて、単位磁石量当りのトルクを比較したのが図４である。図４の縦軸は単位磁石量当りのトルクを示すが、従来例を１００％として示している。従来例では、隣り合う磁極の間の磁石はモータのトルクにあまり寄与しないため、この部分の磁石は無駄になっているために、単位磁石量当りのトルクが低いのに対して、この発明では単位磁石量当りのトルクが向上している。
したがって、この発明によれば、単位磁石量当りのトルクが向上するという効果が得られる。すなわち、磁石のコストを低減できる効果がある。
なお、この実施の形態１では回転子が固定子の内側にあるモータの例を示したが、回転子が固定子の外側にあるモータであってもよいことは言うまでもない。また、固定子はコアを有する構成としたが、コアレスモータであっても同様の効果が得られるということは言うまでもない。

実施の形態２．
この実施の形態２では、永久磁石の形状について述べる。図１では隣り合う磁極の間にあるトルクにあまり寄与していない部分の磁石を除去する構成としたが、除去した部分の形状が直線的に変化している例を示した。トルクにあまり寄与していない部分の磁石を除去することで単位磁石量当りのトルクを向上することができたが、コギングトルクも考慮すると、さらに適切な形状が考えられる。
図５に示すように、永久磁石の固定子に対向する面の形状を周方向の角度位置の関数として表す。例えば回転子の回転中心から固定子に対向する永久磁石の表面までの距離をR（θ）とする。
コギングトルクを低減するには空隙磁束密度の高調波成分を低減すればよい。すなわち、正弦波状の磁束を発生させるようにすればよい。そこで、永久磁石５の固定子に対向する面と回転子の回転中心までの距離が周方向の角度位置に対して略正弦波状に変化するような形状とした。これを数式で表現すると、回転子の回転中心から固定子に対向する永久磁石５の表面までの距離Ｒは

と表される。
ただし、式（１）においてθ：位置（角度）、Ｄ：固定子内径（直径）、ｇ：最小空隙長、Ａ：正の定数、Ｐ：極数である。
ここで式（１）を簡単に説明しておく、θが変化するとＲ（θ）は
D/2-g-2A ≦ R（θ）≦ D/2-g
の範囲で正弦波状に変化する。すなわち、D/2-g-Aを中心に振幅Ａで正弦波状に変化している。永久磁石と固定子間の空隙長が最小となるときがＲ（θ）＝ D/2-gのときで、空隙長が最大となるのはＲ（θ）＝ D/2-g-2Aのときとなる。これは実施の形態１で述べたように、隣接する磁極間における磁石の厚さが磁極中心のそれと比して小さい構成としていることに他ならない。さらに、磁石の厚さを正弦波状に変化させているのである。
図６にＲ（θ）の例を図示する。横軸は周方向角度θであり、縦軸にＲ（θ）を示している。Ｄ＝１００[mm]、ｇ＝２[mm]、Ａ＝２mm、Ｐ＝４とした例である。永久磁石５の固定子に対向する面と回転子の回転中心までの距離が正弦波状に変化していることが確認できる。
式（１）で表される形状の例を図７と図８に示す。これらは形状が異なるが、式（１）のパラメータが異なるのみで、いずれの形状も式（１）で表現できる。
この実施の形態２で示した磁石形状で、磁極毎に異方性を有する永久磁石を用いて単位磁石量当りのトルクを求めて従来例と比較したものを図９に示す。モータの電流条件は同一とし、発生するトルクを単位磁石量当りに換算している。また、従来例を１００％として示している。図９から従来例よりも、単位磁石量当りのトルクが向上し、磁石のコストを低減できることが分かる。また、コギングトルクについても同様に比較を行ったものを図１０に示す。上記で述べた形状としたことにより、図１０から従来例よりもコギングトルクが大幅に低減できていることが分かる。

実施の形態３．
次に、実施の形態３においては、実施の形態２とは別の磁石形状を考える。回転子の永久磁石表面と固定子コアの間のパーミアンスを周方向角度位置で略正弦波状に変化させても、空隙磁束密度が正弦波状に近づくのでコギングトルクが低減できると考えられる。パーミアンスは空隙長の逆数に比例することを考慮すると上記を数式で表現すれば、次式のようになる。

ただし、θ：位置（角度）、D：固定子内径、A、B：正の定数（A＜B）、P：極数である。
ここで式（２）について簡単に説明しておく、式（２）を変形すると

となるが、式（３）の左辺は永久磁石と固定子間の空隙長である。一方、永久磁石と固定子間のパーミアンスは永久磁石と固定子間の空隙長の逆数に比例する。したがって、永久磁石と固定子間のパーミアンスはＢ＋ＡcosＰθに比例する。これはパーミアンスが正弦波状に変化することを示している。よって、式（２）に従う磁石形状とすることによって、永久磁石表面と固定子コアの間のパーミアンスを周方向角度位置で正弦波状に変化させることができるのである。
図１１にＲ（θ）を図示する。横軸は周方向角度θであり、縦軸にＲ（θ）を示している。Ｄ＝１００[mm]、Ａ＝０．６[1/mm]、Ｂ＝１．１[1/mm]、Ｐ＝４とした例である。
式（２）で表される形状の例を図１２、図１３に示す。いずれも、式（２）で表現できるがパラメータが異なっている。
この磁石形状において単位磁石量当りのトルクを求めて従来例と比較したものを図１４に示す。従来例よりも、単位磁石量当りのトルクが向上し、磁石のコストを低減できることが分かる。また、コギングトルクについても同様に比較を行ったものを図１５に示す。図１５から従来例よりもコギングトルクが大幅に低減できていることが分かる。

実施の形態４．
次に、この実施の形態４では磁場配向について述べる。
図1６に示すように、各磁極の中心と回転中心を結ぶ直線上に焦点Ｆを設け、磁極内の各位置における配向方向は、その位置から焦点Ｆへ向かうベクトルの向きに一致するようにした。また、永久磁石５の形状は、隣接する磁極間の磁石厚みを磁極中心部分のそれと比して小さくなるようにしている。
ここで、回転中心から焦点Ｆへの距離をＲＦとし、回転中心から磁石の外半径をＲＯとする。これらの比ＲＦ／ＲＯを変化させて、一定電流条件の下でトルクを求めたのが図１７である。横軸はＲＦ／ＲＯを示し、縦軸はトルクを従来例が１であるとして示している。トルクが５％以上向上するには１．１≦ＲＦ/ＲＯとすればよく、７．５％以上向上するには１．１５≦ＲＦ/ＲＯ≦２．５とすればよい。したがって、ＲＦ/ＲＯは１．１≦ＲＦ/ＲＯとするのが好ましく、より好ましくは１．１５≦ＲＦ/ＲＯ≦２．５とするのがよいことが分かる。
さらに、従来例と比較すると図１４、１５に示すのと同様に、単位磁石量当りのトルクが向上し、コギングトルクが低減できることが確認できた。
上記の磁場配向にしたことにより、永久磁石が発生する磁束が集中するため、トルクが向上する。また、磁石の形状は、隣接する磁極間の磁石厚みを磁極中心部分のそれと比して小さくなるようにしているので、磁束を効率的に利用することができ、モータにおける単位磁石量当りのトルクあるいは出力が向上するという効果がある。
ここでは、１０極に着磁された永久磁石の例を示したが、極数はこれに限らず、任意であっても同様の効果が得られるということは言うまでもない。

実施の形態５．
この実施の形態５では別の磁場配向について述べる。
図１８に示すように、各磁極の中心と回転中心を結ぶ直線に接する円に描き、その円の中心Ｏを中心とする円に磁場配向が沿うようにしている。このような磁場配向にしたことにより、磁石が発生する磁束が集中するためにトルクが向上する。電流条件同一のもとで従来例と比較すると図１４、１５に示すのと同様に、単位磁石量当りのトルクが向上することが確認できた。また、コギングトルクが低減できることが確認できた。
上記の磁場配向にしたことにより、永久磁石が発生する磁束が集中するため、トルクが向上する。また、磁石の形状は、隣接する磁極間の磁石厚みを磁極中心部分のそれと比して小さくなるようにしているので、磁束を効率的に利用することができ、モータにおける単位磁石量当りのトルクあるいは出力が向上するという効果がある。
ここでは、１０極に着磁された磁石の例を示したが、極数はこれに限らず、任意であっても同様の効果が得られるということは言うまでもない。

この発明の実施の形態１における永久磁石型モータの磁石の断面形状と磁場配向について示した図である。従来の永久磁石型モータの磁石形状と磁場配向を示した図である。この発明の実施の形態１における永久磁石型モータを示す断面図である。この発明の実施の形態１における単位磁石量当りのトルクを比較した図である。この発明の実施の形態２における永久磁石型モータの磁石の形状を説明する図である。この発明の実施の形態２における永久磁石型モータの磁石の形状を説明する図である。この発明の実施の形態２における永久磁石型モータの磁石形状例を示す図である。この発明の実施の形態２における永久磁石型モータの磁石形状例を示す図である。この発明の実施の形態２における単位磁石量当りのトルクを比較した図である。この発明の実施の形態２における永久磁石型モータのコギングトルクを比較した図である。この発明の実施の形態３における永久磁石型モータの磁石の形状を説明する図である。この発明の実施の形態３における永久磁石型モータの磁石形状例を示す図である。この発明の実施の形態３における永久磁石型モータの磁石形状例を示す図である。この発明の実施の形態３における単位磁石量当りのトルクを比較した図である。この発明の実施の形態３における永久磁石型モータのコギングトルクを比較した図である。この発明の実施の形態４における永久磁石型モータの磁石の磁場配向について説明する図である。この発明の実施の形態４における永久磁石型モータのトルク特性を示す図である。この発明の実施の形態５における永久磁石型モータの磁石の磁場配向について説明する図である。

符号の説明

１コア
２電機子巻線
３固定子
４シャフト
５永久磁石
６回転子

Claims

コアと電機子巻線からなる固定子、及びシャフトと多極に着磁されたリング状の永久磁石からなる回転子を備えた永久磁石型モータにおいて、
永久磁石の磁場配向が磁極毎に異方性を有する構成とし、隣接する磁極間における磁石の厚さが磁極中心のそれと比して小さい構成とし、永久磁石の形状は、永久磁石の固定子が対向する面から固定子の回転子に対向する面までの距離の逆数が周方向の角度位置に対して正弦波状に変化するような形状としたことを特徴とする永久磁石型モータ。
永久磁石の形状は、回転子の回転中心から固定子に対向する永久磁石の表面までの距離Ｒが

で表されることを特徴とする請求項１記載の永久磁石型モータ。
ただし、θ：位置（角度）、Ｄ：固定子内径、Ａ、Ｂ：正の定数（Ａ＜Ｂ）、Ｐ：極数とする。
磁極毎の磁場配向は、磁極内の各位置における磁場配向の方向が、その位置から磁石の外側における一点に向かうベクトルの向きに一致するような方向としたことを特徴とする請求項１に記載の永久磁石型モータ。
磁場配向の焦点と回転子の回転中心の距離をＲＦとし、回転中心から磁石の外半径をＲＯとしたとき、これらの比ＲＦ/ＲＯが
１．１≦ＲＦ/ＲＯ
であることを特徴とする請求項３記載の永久磁石型モータ。
磁極毎の磁場配向は、磁極内の各位置における磁場配向の方向が、磁石の外側の一点を中心とする円に沿うようにしたことを特徴とする請求項１記載の永久磁石型モータ。