JP5183601B2 - 同期電動機の回転子及び同期電動機 - Google Patents

Description

この発明は、回転子に永久磁石を有する同期電動機の回転子、及びその同期電動機の回転子を用いる同期電動機に関する。

一般的な同期電動機（以下、単にモータ、電動機と呼ぶ場合もある）の多くは、固定子のスロット数（ティースの数と同じ）と回転子の極数との比が３：２である。これに対し、固定子に巻線を集中的に巻回するティースの数が１２（巻線を収納するスロット数が１２）で、回転子の永久磁石の磁極数（回転子の極数）が１０の同期電動機（１２スロット１０極の同期電動機と定義する）は、一般的な固定子のスロット数と回転子の極数との比が３：２である同期電動機と比較すると、巻線係数が大きくとれることから、同体格のモータであっても同一電流に対して出力を大きく取ることができる。

言い換えれば、同一トルクを出力するために必要な電流が小さくなるため、より効率の良いモータを得ることができる。

この固定子のスロット数と回転子の極数との組合せについては、より効率の良い同期電動機が得られる組合せが提案されている。

例えば、構成が簡単でコギングトルクが小さく、比較的大出力の永久磁石界磁形ブラシレスモータ（同期電動機）を提供するために、永久磁石界磁の永久磁石磁極数Ｐと固定子の突極磁極数Ｍの関係を、(２／３)Ｍ＜Ｐ＜(４／３)Ｍ 、かつ、Ｍ＝６ｎ、かつ、Ｐ＜６ｎ−２またはＰ＞６ｎ＋２ （但しｎは２以上の整数）に設定することにより、コギングトルクと巻線係数の両面で改善する、すなわち、巻線係数を向上（出力を向上）させつつ、コギングトルクの大きさを低減するものであり、かつ、モータの中心に対して機械的に１８０度近くなる位置の突極磁極に巻回した電機子巻線を同相に選べるので、空隙の不平衡の影響を少なくして、モータの振動を小さくする永久磁石界磁形ブラシレスモータ（同期電動機）が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、回転子に永久磁石を有する同期電動機に特有のコギングトルクは、固定子のスロット数と回転子の磁極数の最小公倍数の脈動数で発生する。前述の１２スロット１０極の同期電動機ではその脈動数が６０と多くなり、コギングトルクのエネルギーが分散され振幅が小さくなり、低騒音な同期電動機の実現が可能である。

電動機より発生する振動・騒音の要因に電動機の出力するトルクに脈動（リップル）があり、永久磁石を用いた同期電動機の場合、誘起電圧に歪みがその要因となる。これに対して、回転子の表面に配置する永久磁石の肉厚を正弦波状に変化させることにより、回転子表面の磁束密度分布波形を正弦波状にすることによって誘起電圧の歪みを抑える永久磁石形モータ（同期電動機）が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開平１０−２４３６２１号公報 特開平１０−２３４１４８号公報

しかしながら、上記特許文献１の記載において電動機の固定子のスロット数と回転子の磁極数の組合せに関して、巻線係数が大きくなる組合せと、コギングトルクが小さくなる組合せに関しては述べられているが、トルクリップルの要因の一つとなる誘起電圧の歪みとスロット数，極数の組合せに関する記述は無い。

また、上記特許文献２に記載されているように、回転子表面の磁束密度の分布を正弦波状にするために、例えば、回転子表面に配置するマグネットの形状を、磁極の中心部分の肉厚を厚くして、磁極間に向かって徐々に厚みを薄くしてゆく形状を取ることがある。この場合、回転子と固定子とを組み合わせた時の回転子と固定子との間の空隙における磁束密度の最大値、言い換えると、正弦波状に分布させた磁束密度の振幅は、マグネットの厚みによって決まる。このため、磁束密度を大きくとるためには、マグネットの厚みを大きくする必要があり、マグネットの使用量が増加するという課題がある。

また、より正弦波状にするためには磁極間のマグネットの肉厚を薄くしなければならなくなり、リングマグネットの強度がその部分で大きく低下する。一般にこのようなマグネットは、磁性体のバックヨーク（継鉄）を内部に配置することが多く、使用環境の温度変化によって、バックヨークとマグネットとの膨張率が大きく異なる場合には、マグネットに応力がかかり、前述の薄肉部より割れが生じることがある。

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、振動・騒音を増加させることなく、出力及び効率を向上させることができる同期電動機の回転子及びその同期電動機の回転子を用いる同期電動機を提供する。

この発明に係る電動機は、３相１２ｎスロット１０ｎ極（ｎは自然数）の同期電動機の回転子において、
回転子表面の磁束密度分布が、磁極中心付近が平坦で、この平坦部から極間に向かって磁束密度が小さくなる波形であり、
磁極中心付近の平坦部の周方向幅を、電気角で４５°〜１２５°とするものである。

この発明に係る同期電動機は、３相１２ｎスロット１０ｎ極（ｎは自然数）の同期電動機の回転子において、回転子表面の磁束密度分布が、磁極中心付近が平坦で、この平坦部から極間に向かって磁束密度が小さくなる波形であり、磁極中心付近の平坦部の周方向幅を、電気角で４５°〜１２５°とする構成にしたので、磁束密度の最大値が同じであっても、トルクを発生させるのに必要な１次の周波数成分を多く含ませることができ、同期電動機の高トルク化、高効率化が可能となる。また、１２ｎスロット１０ｎ極の組合せを持つ同期電動機においては、回転子表面の磁束密度分布波形の歪みが誘起電圧に重畳されにくいという特徴をもつため、余計なトルクの脈動が発生せず、振動・騒音を増加させない。

実施の形態１を示す図で、１２スロット１０極の同期電動機１００の横断面図。 実施の形態１を示す図で、同期電動機１００の固定子巻線の結線図。 実施の形態１を示す図で、同期電動機１００の固定子巻線の結線方法を示す展開図。 実施の形態１を示す図で、同期電動機１００の回転子２００の横断面図。 実施の形態１を示す図で、回転子２００の永久磁石２１０の着磁状態を示す図。 実施の形態１を示す図で、図５の回転子２００の表面磁束密度分布波形の一例を示す図。 実施の形態１を示す図で、図５の回転子２００を用いた１２スロット１０極の同期電動機１００の誘起電圧波形と、１２スロット８極の同期電動機５００の誘起電圧波形とを比較した図。 実施の形態１を示す図で、回転子表面磁束密度分布の磁極中心の平坦部角度と誘起電圧歪み率との関係について、１２スロット８極の同期電動機５００と、１２スロット１０極の同期電動機１００とを比較した結果を示す図。 実施の形態１を示す図で、図８の１２スロット１０極のみ表記した図。 実施の形態１を示す図で、回転子表面磁束密度分布の磁極中心の平坦部角度と回転子表面磁束波形と誘起電圧に含まれる１次成分との関係を示すもので、１２スロット８極と１２スロット１０極とを比較した図。 実施の形態１を示す図で、回転子表面磁束密度分布波形の磁極中心の平坦部角度と、表面磁束密度分布波形の振幅（波高値）と１次成分の振幅の比との関係を示す図。 実施の形態１を示す図で、回転子表面磁束密度分布波形の磁極中心の平坦部角度と、回転子表面磁束密度の高調波成分との関係を示す図。 実施の形態１を示す図で、回転子表面磁束波形に含まれる５次高調波成分と誘起電圧に含まれる５次高調波成分との関係を示す図。 実施の形態１を示す図で、回転子表面磁束波形に含まれる７次高調波成分と誘起電圧に含まれる７次高調波成分との関係を示す図。 比較のために示す図で、１２スロット８極の同期電動機５００の横断面図。 比較のために示す図で、１２スロット８極の同期電動機５００の固定子巻線の結線図。 比較のために示す図で、１２スロット８極の同期電動機５００の固定子巻線の結線方法を示す展開図。 比較のために示す図で、１２スロット８極の同期電動機５００の回転子６００の横断面図。 実施の形態２を示す図で、回転子３００の断面図。 実施の形態２を示す図で、回転子３００の永久磁石３１０の着磁状態を示す図。 実施の形態２を示す図で、変形例の回転子４００の断面図。 実施の形態２を示す図で、変形例の回転子４００の永久磁石４１０の着磁状態を示す図。

実施の形態１．
図１乃至図１４は実施の形態１を示す図で、図１は１２スロット１０極の同期電動機１００の横断面図、図２は同期電動機１００の固定子巻線の結線図、図３は同期電動機１００の固定子巻線の結線方法を示す展開図、図４は同期電動機１００の回転子２００の横断面図、図５は回転子２００の永久磁石２１０の着磁状態を示す図、図６は図５の回転子２００の表面磁束密度分布波形の一例を示す図、図７は図５の回転子２００を用いた１２スロット１０極の同期電動機１００の誘起電圧波形と、１２スロット８極の同期電動機５００の誘起電圧波形とを比較した図、図８は回転子表面磁束密度分布の磁極中心の平坦部角度と誘起電圧歪み率との関係について、１２スロット８極の同期電動機５００と、１２スロット１０極の同期電動機１００とを比較した結果を示す図、図９は図８の１２スロット１０極のみ表記した図、図１０は回転子表面磁束密度分布の磁極中心の平坦部角度と回転子表面磁束波形と誘起電圧に含まれる１次成分との関係を示すもので、１２スロット８極と１２スロット１０極とを比較した図、図１１は回転子表面磁束密度分布波形の磁極中心の平坦部角度と、表面磁束密度分布波形の振幅（波高値）と１次成分の振幅の比との関係を示す図、図１２は回転子表面磁束密度分布波形の磁極中心の平坦部角度と、回転子表面磁束密度の高調波成分との関係を示す図、図１３は回転子表面磁束波形に含まれる５次高調波成分と誘起電圧に含まれる５次高調波成分との関係を示す図、図１４は回転子表面磁束波形に含まれる７次高調波成分と誘起電圧に含まれる７次高調波成分との関係を示す図である。

図１５乃至図１８は比較のために示す図で、図１５は１２スロット８極の同期電動機５００の横断面図、図１６は１２スロット８極の同期電動機５００の固定子巻線の結線図、図１７は１２スロット８極の同期電動機５００の固定子巻線の結線方法を示す展開図、図１８は１２スロット８極の同期電動機５００の回転子６００の横断面図である。

図１に示す同期電動機１００は、集中巻きの１２スロット１０極の電動機である。

図１５に比較のために示す同期電動機５００は、同じく集中巻きの１２スロット８極の電動機である。

同期電動機１００等を、単に電動機と呼ぶ場合もある。

両者（同期電動機１００、同期電動機５００）は、回転子の磁極の数が異なる。同期電動機１００の回転子２００は、永久磁石２１０を１０個有し、磁極の数は１０極である（図４参照）。それに対し、同期電動機５００の回転子６００は、永久磁石６１０を８個有し、磁極の数は８極である（図１８参照）。

回転子２００等を、単に回転子と呼ぶ場合もある。

両者（同期電動機１００、同期電動機５００）は、回転子の磁極の数の他に、固定子の電機子巻線の配置が異なっている。

１２スロット８極の同期電動機５００は、一般的な３相の電機子巻線を固定子のティースに集中的に巻回するもので、巻線の数（ティースの数と同じで、１２個）と回転子の磁極の数（８極）の比が、３：２となる電動機である。

この固定子の巻線の配置は、各相の巻線をＵ相，Ｖ相，Ｗ相の順番に並べて配置し、それぞれに１２０°位相のずれた交流の電流を流すことにより、同期電動機５００を駆動する。

図１５〜図１７を参照しながら、詳しく説明する。固定子は、１２スロットであるから、スロット（巻線が収納される空間をスロットと呼ぶ）の間に形成されるティースも１２個である。

ここで、仮に、Ｕ１＋コイル（電源に接続されるＵ端子が接続されるコイル）が、巻回されるティースを＃１とし、反時計方向に順番に、＃１，＃２・・・・・＃１２とする（図１５参照）。

各相の巻線は直列に接続され、中性点Ｎによって３相の星形の結線を構成している。即ち、Ｕ相のＵ１＋コイル、Ｕ２＋コイル、Ｕ３＋コイル、Ｕ４＋コイルは、直列に接続される。Ｕ１＋コイルは、電源に接続されるＵ端子に接続される。Ｕ４＋コイルは、中性点Ｎに接続される。

また、Ｖ相のＶ１＋コイル、Ｖ２＋コイル、Ｖ３＋コイル、Ｖ４＋コイルは、直列に接続される。Ｖ１＋コイルは、電源に接続されるＶ端子に接続される。Ｖ４＋コイルは、中性点Ｎに接続される。

さらに、Ｗ相のＷ１＋コイル、Ｗ２＋コイル、Ｗ３＋コイル、Ｗ４＋コイルは、直列に接続される。Ｗ１＋コイルは、電源に接続されるＶ端子に接続される。Ｗ４＋コイルは、中性点Ｎに接続される。

Ｕ１＋の「＋」は、コイルの巻方向を表す。例えば、図１７の展開図で、＃１ティースに巻回されるＵ１＋コイルは、ティースの先端（図１７参照）側から見て、時計方向に巻かれる。もし＃１ティースに巻回されるＵ１コイルが、反時計方向に巻かれるのであれば、Ｕ１−コイルと呼ぶことにする。

図１７の固定子巻線の結線方法を示す展開図により、１２スロット８極の同期電動機５００の固定子巻線の配置と結線方法を説明する。

図１７で右端の＃１ティースには、Ｕ相の電源端子（Ｕ端子）が接続されるＵ１＋コイルが、ティースの先端側から見て、時計方向に巻かれる。

Ｕ相のＵ２＋コイルは、＃１ティースから二つのティース（＃２ティース、＃３ティース）を飛ばした＃４ティースに、ティースの先端側から見て、時計方向に巻かれる。

Ｕ１＋コイルとＵ２＋コイルとの間のマグネットワイヤをＵ相の渡り線と呼ぶ。

Ｕ相のＵ３＋コイルは、＃４ティースから二つのティース（＃５ティース、＃６ティース）を飛ばした＃７ティースに、ティースの先端側から見て、時計方向に巻かれる。

Ｕ２＋コイルとＵ３＋コイルとの間のマグネッワイヤもＵ相の渡り線と呼ぶ。

Ｕ相のＵ４＋コイルは、＃７ティースから二つのティース（＃８ティース、＃９ティース）を飛ばした＃１０ティースに、ティースの先端側から見て、時計方向に巻かれる。

Ｕ３＋コイルとＵ４＋コイルとの間のマグネッワイヤもＵ相の渡り線と呼ぶ。

Ｕ相のＵ４＋コイルの巻終わりは、中性点Ｎに接続される。

図１７で右端から２番目の＃２ティースには、Ｖ相の電源端子（Ｖ端子）が接続されるＶ１＋コイルが、ティースの先端側から見て、時計方向に巻かれる。

Ｖ相のＶ２＋コイルは、＃２ティースから二つのティース（＃３ティース、＃４ティース）を飛ばした＃５ティースに、ティースの先端側から見て、時計方向に巻かれる。

Ｖ１＋コイルとＶ２＋コイルとの間のマグネットワイヤをＶ相の渡り線と呼ぶ。

Ｖ相のＶ３＋コイルは、＃５ティースから二つのティース（＃６ティース、＃７ティース）を飛ばした＃８ティースに、ティースの先端側から見て、時計方向に巻かれる。

Ｖ２＋コイルとＶ３＋コイルとの間のマグネッワイヤもＶ相の渡り線と呼ぶ。

Ｖ相のＶ４＋コイルは、＃８ティースから二つのティース（＃９ティース、＃１０ティース）を飛ばした＃１１ティースに、ティースの先端側から見て、時計方向に巻かれる。

Ｖ３＋コイルとＶ４＋コイルとの間のマグネッワイヤもＶ相の渡り線と呼ぶ。

Ｖ相のＶ４＋コイルの巻終わりは、中性点Ｎに接続される。

図１７で右端から３番目の＃３ティースには、Ｗ相の電源端子（Ｗ端子）が接続されるＷ１＋コイルが、ティースの先端側から見て、時計方向に巻かれる。

Ｗ相のＷ２＋コイルは、＃３ティースから二つのティース（＃４ティース、＃５ティース）を飛ばした＃６ティースに、ティースの先端側から見て、時計方向に巻かれる。

Ｗ１＋コイルとＷ２＋コイルとの間のマグネットワイヤをＷ相の渡り線と呼ぶ。

Ｗ相のＷ３＋コイルは、＃６ティースから二つのティース（＃７ティース、＃８ティース）を飛ばした＃９ティースに、ティースの先端側から見て、時計方向に巻かれる。

Ｗ２＋コイルとＷ３＋コイルとの間のマグネッワイヤもＷ相の渡り線と呼ぶ。

Ｗ相のＷ４＋コイルは、＃９ティースから二つのティース（＃１０ティース、＃１１ティース）を飛ばした＃１２ティースに、ティースの先端側から見て、時計方向に巻かれる。

Ｗ３＋コイルとＷ４＋コイルとの間のマグネッワイヤもＷ相の渡り線と呼ぶ。

Ｗ相のＷ４＋コイルの巻終わりは、中性点Ｎに接続される。

１２スロット８極の同期電動機５００の固定子巻線は、例えば、以上のような配置と結線方法で形成される。

これに対して、１２スロット１０極の同期電動機１００では、各ティースに巻線を集中的に巻回する点は同じであるが、各相の巻線の配置が異なり、各相四つあるコイル（巻線）を二個一組で並べて配置する（例えば、図１のＵ１＋コイルとＵ２−コイル）。

また、一組の隣り合うコイル（例えば、図１のＵ１＋コイルとＵ２−コイル）は、巻かれる向きが逆になっており、電流が通電されたときにはお互い異なる極を構成する（例えば、図１のＵ１＋コイルとＵ２−コイル）。

図２に示すように、各相のコイルは直列に接続され、中性点Ｎによって３相の星形の結線を構成している。即ち、Ｕ相のＵ１＋コイル、Ｕ２−コイル、Ｕ３−コイル、Ｕ４＋コイルは、直列に接続される。Ｕ１＋コイルは、電源に接続されるＵ端子に接続される。Ｕ４＋コイルは、中性点Ｎに接続される。

また、Ｖ相のＶ１−コイル、Ｖ２＋コイル、Ｖ３＋コイル、Ｖ４−コイルは、直列に接続される。Ｖ１−コイルは、電源に接続されるＶ端子に接続される。Ｖ４−コイルは、中性点Ｎに接続される。

さらに、Ｗ相のＷ１＋コイル、Ｗ２−コイル、Ｗ３−コイル、Ｗ４＋コイルは、直列に接続される。Ｗ１＋コイルは、電源に接続されるＶ端子に接続される。Ｗ４＋コイルは、中性点Ｎに接続される。

既に述べたように、Ｕ１＋の「＋」、Ｕ２−の「−」は、コイルの巻方向を表している。例えば、「＋」が時計方向であれば、「−」は反時計方向であることを意味する。コイルの巻方向は、電源端子から中性点への巻方向とする。

ここでも、仮に、Ｕ１＋コイル（電源に接続されるＵ端子が接続されるコイル）が、巻回されるティースを＃１とし、反時計方向に順番に、＃１，＃２・・・・・＃１２とする（図１参照）。

図３の１２スロット１０極の同期電動機１００の固定子巻線の結線方法を示す展開図により、同期電動機１００の固定子巻線の配置及び結線方法を詳細に説明する。

図３で右端の＃１ティースには、Ｕ相の電源端子（Ｕ端子）が接続されるＵ１＋コイルが、ティースの先端側から見て、時計方向に巻かれる。

Ｕ相のＵ２−コイルは、＃１ティースの隣の＃２ティースに、ティースの先端側から見て、反時計方向に巻かれる。

Ｕ１＋コイルとＵ２−コイルとの間のマグネットワイヤをＵ相の渡り線と呼ぶ。

Ｕ相のＵ３−コイルは、＃２ティースから四つのティース（＃３ティース、＃４ティース、＃５ティース、＃６ティース）を飛ばした＃７ティースに、ティースの先端側から見て、反時計方向に巻かれる。

Ｕ２−コイルとＵ３−コイルとの間のマグネッワイヤもＵ相の渡り線と呼ぶ。

Ｕ相のＵ４＋コイルは、＃７ティースの隣の＃８ティースに、ティースの先端側から見て、時計方向に巻かれる。

Ｕ３−コイルとＵ４＋コイルとの間のマグネッワイヤもＵ相の渡り線と呼ぶ。

Ｕ相のＵ４＋コイルの巻終わりは、中性点Ｎに接続される。

図３で右端から３番目の＃３ティースには、Ｖ相の電源端子（Ｖ端子）が接続されるＶ１−コイルが、ティースの先端側から見て、反時計方向に巻かれる。

Ｖ相のＶ２＋コイルは、＃３ティースの隣の＃４ティースに、ティースの先端側から見て、時計方向に巻かれる。

Ｖ１−コイルとＶ２＋コイルとの間のマグネットワイヤをＶ相の渡り線と呼ぶ。

Ｖ相のＶ３＋コイルは、＃４ティースから四つのティース（＃５ティース、＃６ティース、＃７ティース、＃８ティース）を飛ばした＃９ティースに、ティースの先端側から見て、時計方向に巻かれる。

Ｖ２＋コイルとＶ３＋コイルとの間のマグネッワイヤもＶ相の渡り線と呼ぶ。

Ｖ相のＶ４−コイルは、＃９ティースの隣の＃１０ティースに、ティースの先端側から見て、反時計方向に巻かれる。

Ｖ３＋コイルとＶ４−コイルとの間のマグネッワイヤもＶ相の渡り線と呼ぶ。

Ｖ相のＶ４−コイルの巻終わりは、中性点Ｎに接続される。

図３で右端から５番目の＃５ティースには、Ｗ相の電源端子（Ｗ端子）が接続されるＷ１＋コイルが、ティースの先端側から見て、時計方向に巻かれる。

Ｗ相のＷ２−コイルは、＃５ティースの隣の＃６ティースに、ティースの先端側から見て、反時計方向に巻かれる。

Ｗ１＋コイルとＷ２−コイルとの間のマグネットワイヤをＷ相の渡り線と呼ぶ。

Ｗ相のＷ３−コイルは、＃６ティースから四つのティース（＃７ティース、＃８ティース、＃９ティース、＃１０ティース）を飛ばした＃１１ティースに、ティースの先端側から見て、反時計方向に巻かれる。
かれる。

Ｗ２−コイルとＷ３−コイルとの間のマグネッワイヤもＷ相の渡り線と呼ぶ。

Ｗ相のＷ４＋コイルは、＃１１ティースの隣の＃１２ティースに、ティースの先端側から見て、時計方向に巻かれる。

Ｗ３−コイルとＷ４＋コイルとの間のマグネッワイヤもＷ相の渡り線と呼ぶ。

Ｗ相のＷ４＋コイルの巻終わりは、中性点Ｎに接続される。

１２スロット１０極の同期電動機１００の固定子巻線は、例えば、以上のような配置と結線方法で形成される。

本実施の形態における同期電動機１００の回転子２００の形状は、例えば、図４に示すとおりである。１０極の磁極を構成する永久磁石２１０が回転子表面に配置されたものである。

永久磁石２１０は、バックヨーク２３０の表面に、例えば接着等により固定される。

この例では、永久磁石２１０の形状は、径方向に均一の肉厚となっている。永久磁石２１０の形状は、円筒状であっても、瓦状（円弧状）の複数枚の永久磁石を用いた構成であっても良い。

尚、以下の説明では、一般論の場合は、単に「永久磁石」と呼び、符号はつけない。

尚、１２スロット８極の同期電動機１００の回転子６００の形状は、例えば、図１８に示すとおりである。

図４に示す回転子２００は、本実施の形態の特徴を最も表しやすい形状であるため、一つの代表例として取り上げたものであり、本発明の特徴を実現できる形態であれば、これに限定されるものではない。

本実施の形態の効果を示すため、図４の回転子２００の永久磁石２１０の特性として、図５に示すような着磁状態を想定する。

即ち、１磁極を構成する永久磁石２１０の着磁状態を、回転子２００の回転軸２２０（図４参照）に対して、放射状に着磁されたラジアル着磁とし、磁極中心付近を完全着磁状態、隣り合う磁極との境界（極間）に対しては直線状に着磁量を変化させる（減少させる）ものとし、着磁の状態を台形波状に設定している。

このような着磁状態（台形波状）に設定した永久磁石２１０を表面に配置した回転子２００の表面磁束密度分布波形は、図６に示すようになる。

これは、同期電動機１００に組み込まれた状態を模擬したもので、同期電動機１００の固定子の内径と同等の円筒状の空間内部に空隙を介して回転子２００を設置した際の空隙における磁束密度分布の電磁界解析により求めたものである。

図６に示すように、永久磁石２１０を台形波状に着磁状態を設定しているため、表面磁束密度は磁極中心付近が平坦になっている。

永久磁石２１０の着磁状態は台形波状であるが、外側の磁性体（固定子鉄心）との間の空隙における磁束密度分布波形は、若干なめらかになり、台形の角が取れたような波形となる。

図６に示す磁束密度分布波形は、磁束密度の最大値（波高値）の９５％までの値をとる部分の幅を、「平坦部」と定義すると、平坦部が約１２０°となる例である。

図７は、図５の着磁状態の永久磁石を持つ回転子を同期電動機に組み込んだ時の誘起電圧を示すもので、１２スロット１０極の同期電動機１００と、１２スロット８極の同期電動機５００とを比較している。１２スロット１０極の同期電動機１００、１２スロット８極の同期電動機５００のいずれも永久磁石の着磁状態は、台形波状である。

回転子の表面磁束密度分布が台形波状で、正弦波と比較すると歪みが大きいため、誘起電圧にも歪みが生じやすく、１２スロット８極の同期電動機５００では誘起電圧の波形に歪みが生じて台形波状に近い波形となっている。

これに対して、１２スロット１０極の同期電動機１００の場合は、正弦波に近い波形となっている。このことから、１２スロット１０極の同期電動機１００は、回転子表面の磁束密度分布に歪みを多く含んでいても、誘起電圧に歪みが表れにくいと言う特徴をもっており、トルクリップルの少ない低振動・低騒音な同期電動機１００であることがわかる。

回転子表面磁束密度分布の磁極中心の平坦部角度と誘起電圧歪み率との関係について、１２スロット８極の同期電動機５００と、１２スロット１０極の同期電動機１００とを比較した結果を図８に示す。平坦部の幅を狭くしていくことで、誘起電圧の歪みが減少する傾向が見られるが、１２スロット８極の同期電動機５００に比べて１２スロット１０極の同期電動機１００は歪み率が低くなっている。

誘起電圧歪み率は、総合高調波歪み率（ＴＨＤ（Ｔｏｔａｌ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ））のことである。

図９に１２スロット１０極の同期電動機１００の特性のみを示す。この特性から、磁極中心付近の平坦部の幅（平坦部角度）を１２５°以下とすることで、誘起電圧歪み率を１％未満にできる。

図１０に、回転子表面磁束密度分布の磁極中心の平坦部の幅（図６参照）をパラメータとして、誘起電圧の１次成分について、１２スロット８極の同期電動機５００と、１２スロット１０極の同期電動機１００とを比較したものを示す。平坦部の幅を小さくしていくと、誘起電圧に含まれる１次成分が小さくなっていくことがわかる。

同じ平坦部の幅である場合、１２スロット８極の同期電動機５００よりも、１２スロット１０極の同期電動機１００の方が誘起電圧により大きい１次成分を含んでおり、同一電流に対して、１２スロット１０極の方がより大きなトルクを出力することができる。

言い換えれば、同一のトルクを出力するのに必要な電流が少なくなる分、１２スロット１０極の同期電動機１００は銅損が少ない電動機であるといえる。

図１１は、回転子表面磁束密度分布波形の磁極中心の平坦部角度（図６参照）と、表面磁束密度分布波形の振幅（波高値）と１次成分の振幅の比との関係を示したものである。縦軸には、表面磁束密度分布波形の振幅（波高値）と１次成分の振幅の比を示す値をとっており、この値が大きいほど、波形に含まれる１次成分が大きいことを示している。

図１１の横軸は表面磁束密度波形の平坦部角度［ｄｅｇ］である。

図１１より、表面磁束密度波形の平坦部角度（幅）が４５°（電気角）以上であれば、表面磁束密度分布波形の振幅よりも大きな１次成分を含んでいることとなる。

回転子の表面磁束密度の大きさは、永久磁石の厚みで決まるため、本実施の形態で扱う回転子２００の永久磁石２１０（図５参照）のように厚みが一定であれば、平坦部角度（幅）の大小によらず振幅は一定であるため、平坦部角度（幅）が４５°以上であれば同じ厚みの永久磁石を用いてもより大きな１次成分が得られ、誘起電圧にもより大きい１次成分を含むことができ、よりトルクの大きな、あるいは効率の良い同期電動機１００を実現できる。

図１２は回転子の表面磁束密度分布波形に含まれる高調波成分と波形の平坦部角度との関係を示しているが、回転子の表面磁束密度分布波形は、台形波状の波形であり、これに含まれる高調波成分は、３次成分が多く、次いで５次，７次，９次成分が多く含まれる。

磁束密度分布波形の平坦部角度（幅）が小さくなるに従って、波形は正弦波に近くになって行くため、含まれる高調波成分は減っていく。

図１１と合わせていえば、平坦部角度（幅）を広くすれば、そこに含まれる１次成分は大きくなるが、それにあわせて３次，５次，７次，９次などの高調波成分も増加する。３次，９次などの３の奇数倍の高調波成分は、３相の巻線の中で互いに相殺されて誘起電圧に含まれることは無いが、その他の高調波は、誘起電圧に現れて波形の歪みの要因となる。

図１３は、回転子の表面磁束密度分布波形に含まれる５次成分と誘起電圧に含まれる５次成分の関係を示したものである。１２スロット８極の同期電動機５００においては、回転子６００の表面磁束密度分布波形に含まれる５次成分の割合とほぼ同じ割合で、５次成分が誘起電圧の波形に含まれているのに対して、１２スロット１０極の同期電動機１００では表面磁束密度分布波形に含まれる５次成分の割合に対して、誘起電圧に生じる５次成分の割合が非常に小さい。

図１４は、回転子の表面磁束密度分布波形に含まれる７次成分と誘起電圧に含まれる７次成分の関係を示したものである。１２スロット８極の同期電動機５００においては、回転子６００の表面磁束密度分布波形に含まれる７次成分の割合以上に、７次成分が誘起電圧の波形に含まれている。これに対して１２スロット１０極の同期電動機１００では、表面磁束密度分布波形に含まれる７次成分の割合に対して、誘起電圧に生じる７次成分の割合は、図１３に示した５次成分に関する特性と比較すると大きいものの、影響は小さい。

この特性が、１２スロット１０極の同期電動機１００で回転子２００の表面磁束密度の歪みが大きくても誘起電圧波形の歪みが少ないことを示すものであり、巻線係数の観点から、１２スロット８極よりも同一電流で出力できるトルクが大きい１２スロット１０極の同期電動機１００において、回転子２００の表面磁束密度分布の波形を台形波状として、磁極中心部の平坦部の幅を４５°以上とすることで、巻線係数の違いで得られる利点以上に、大きなトルクを出力可能となり、さらに磁極中心の平坦部の幅を１２５°以下とすることで、誘起電圧の歪みを小さく抑えることができる。

実施の形態２．
図１９乃至図２２は実施の形態２を示す図で、図１９は回転子３００の断面図、図２０は回転子３００の永久磁石３１０の着磁状態を示す図、図２１は変形例の回転子４００の断面図、図２２は変形例の回転子４００の永久磁石４１０の着磁状態を示す図である。

図１９に示す同期電動機の回転子３００は、回転子表面に永久磁石３１０を配置した形態であり、永久磁石３１０の内側は、永久磁石のバックヨーク３３０となる磁性体で構成される。尚、回転子３００の略中央部に、回転軸３２０を有する。

図１９に示す回転子３００では、１磁極を構成する永久磁石３１０の形状が磁極の中央付近は均一の肉厚で、磁極間付近の肉厚は、磁極の中央付近より肉厚が小さくなっている（図２０参照）。

永久磁石３１０は、外周が円形状である。そして、永久磁石３１０の内周の磁極間付近を凹形状とすることで、磁極間付近の肉厚が小さくなっている。

永久磁石３１０の肉厚が均一である部分は、表面の磁束密度分布は一定である。

磁極両端（極間）において、永久磁石３１０の肉厚が薄くなることで、その部分の回転子表面の磁束密度は低くなる。

そのため、図１９に示す回転子３００のような永久磁石３１０の形状にすることでも、回転子表面の磁束密度分布を磁極中心付近が平らな台形波状の分布波形を実現することができる。

図１９に示す回転子３００は、回転子表面の磁束密度分布波形を、永久磁石３１０の厚みで形成しており、永久磁石３１０各部の着磁状態は、ほぼ完全着磁とすることができる。そのため、電機子（固定子）側の磁束による不可逆減磁が生じにくく、同期電動機の特性の低下を抑えることができる。

図１９に示す回転子３００のように、永久磁石３１０の形状をリング形状とする場合、バックヨーク３３０外周の形状と永久磁石３１０の内径形状をあわせる必要がある。別部品を接着等により組立、固定をするのは、作業性が悪くなることがある。この場合、永久磁石３１０を比較的形状の自由度が高いボンド磁石とすることで加工性を向上することができる。

また、永久磁石３１０をバックヨーク３３０と一体成形を行うことによっても、生産性を改善することが可能である。

また、バックヨーク３３０を電磁鋼板等の鋼材で構成する場合、ボンド磁石との線膨張係数の違いから、使用環境の温度変化によって、永久磁石３１０に割れを生じる可能性があるため、磁極間の肉厚を薄くすることが困難となる。

高価な希土類の永久磁石を用いる場合、磁石肉厚を薄くして、使用量を減らす場合が多く、使用環境の変化に対しては、さらに厳しい条件となる。

これに対して、バックヨーク３３０を磁性粉末（磁性材料の一例）を混合した樹脂材料で構成して、互いの線膨張係数を近づけることで、永久磁石３１０の割れを防止することが可能となる。

図２１、図２２により変形例の回転子４００について説明する。変形例の回転子４００も、回転子表面に永久磁石４１０を配しており、内部には磁性体のバックヨーク４３０を配置する。そして、回転子４００の略略中央部に、回転軸３２０を有する。

１磁極を構成する永久磁石４１０の形状は、磁極中心付近は均一の磁石肉厚で円弧形状である。

永久磁石４１０は、磁極間に近づくにつれて肉厚が薄くなり、回転子外周が小さくなる、言い換えれば、回転子外周に窪みを持った形状となっている（磁極毎に別々の永久磁石で構成する場合は、両側をカットした形状となる）。

磁極の中央付近は、永久磁石４１０の肉厚、空隙が均一であるため、回転子表面の磁束密度は同一である。

磁極間に近づくと、永久磁石４１０の肉厚は薄く、空隙（電機子（固定子）と回転子との間の空間）が広くなり、表面の磁束密度は徐々に減少してゆく。これによって、回転子４００の表面磁束密度分布の波形は、磁極中央付近は平らで、台形波のような形状となる。

即ち、永久磁石３１０は、内周が円形状である。そして、永久磁石３１０の外周の磁極間付近を凹形状とすることで、磁極間付近の肉厚が小さくなっている。

この形状場合、バックヨーク４３０の外周形状および、永久磁石４１０の内周形状は円となるため、比較的加工性、組立性が良い。

以上、１２スロット１０極の同期電動機について説明したが、１２スロット１０極も含めて１２ｎスロット１０ｎ極（ｎは自然数）のものが、本実施の形態の対象となる。

本発明の活用例として、送風機に用いられる同期電動機への適用が可能である。

１００ 同期電動機、２００ 回転子、２１０ 永久磁石、２２０ 回転軸、２３０ バックヨーク、３００ 回転子、３１０ 永久磁石、３２０ 回転軸、３３０ バックヨーク、４００ 回転子、４１０ 永久磁石、４２０ 回転軸、４３０ バックヨーク、５００ 同期電動機、６００ 回転子、６１０ 永久磁石。

Claims (10)

1. ３相１２ｎスロット１０ｎ極（ｎは自然数）の同期電動機の回転子において、
   回転子表面の磁束密度分布が、磁極中心付近が平坦で、この平坦部から極間に向かって磁束密度が小さくなる波形であり、
   前記磁極中心付近の平坦部の周方向幅を、電気角で４５°〜１２５°とし、
   前記磁極中心付近の平坦部の周方向幅を、電気角で４５°以上とすることにより、回転子表面の磁束密度分布波形の振幅よりも、誘起電圧に含まれる１次成分の振幅を大きくし、
   前記磁極中心付近の平坦部の周方向幅を、電気角で１２５°以下とすることにより、誘起電圧歪み率を１％未満にすることを特徴とする同期電動機の回転子。
2. 永久磁石を前記回転子表面に配置し、前記永久磁石の肉厚は磁極全体で略均一であり、着磁により前記回転子表面の磁束密度分布を、磁極中心付近が平坦で極間に向かって磁束密度が小さくなる波形にすることを特徴とする請求項１記載の同期電動機の回転子。
3. 永久磁石を回転子表面に配置し、前記永久磁石の肉厚が磁極の中心付近で均一であり、隣り合う磁極の境界付近の肉厚が磁極中心付近よりも薄くなっていることを特徴とする請求項１記載の同期電動機の回転子。
4. 前記永久磁石は、外周が円形状で、内周の磁極間付近が凹形状に構成されることを特徴とする請求項３記載の同期電動機の回転子。
5. 前記永久磁石は、内周が円形状で、外周の磁極間付近が凹形状に構成されることを特徴とする請求項３記載の同期電動機の回転子。
6. 前記永久磁石に、希土類の永久磁石を用いることを特徴とする請求項２乃至５のいずれかに記載の同期電動機の回転子。
7. 前記永久磁石に、ボンド磁石を用いることを特徴とする請求項２乃至５のいずれかに記載の同期電動機の回転子。
8. 前記永久磁石が表面に設けられるバックヨークを備え、前記バックヨークを磁性材料を含む樹脂材料で構成することを特徴とする請求項２乃至７のいずれかに記載の同期電動機の回転子。
9. 前記永久磁石を、前記バックヨークと一体成形により構成することを特徴とする請求項８記載の同期電動機の回転子。
10. 請求項１乃至９のいずれかに記載の同期電動機の回転子を用いることを特徴とする同期電動機。

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