JPH06339238A - 永久磁石形モータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 永久磁石形モータにおいて、固定子と回転子
との間の空隙中の磁束密度分布を極力高調波成分の少な
いものにできて、コギングトルクの低減を図り、ひいて
は振動や騒音を少なくする。 【構成】 回転子２４に組み込まれる各永久磁石２８を
断面が弧状となるように形成すると共に、これら各永久
磁石２８を回転子鉄心２６に凸部２８ａ側が内側を向く
ように配置する。また、永久磁石２８はこれの各部の磁
束Ｂが一点に集中するように着磁し、その永久磁石２８
の磁気中心Ｃから永久磁石２８の平均弧状線Ｄまでの距
離Ｌと、永久磁石２８の平均半径Ｒとの関係を、０．４
×Ｒ≦Ｌ≦０．９×Ｒとなるように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、回転子鉄心の内部に複
数個の永久磁石を組み込んで構成される回転子を備えた
永久磁石形モータに関する。

【０００２】

【従来の技術】永久磁石形モータにおいては、最近、高
トルク化及び高効率化を図ったものとして、図５に示す
構成のモータが開発されている。このものは次のような
構成となっている。

【０００３】すなわち、固定子１は、環状をなす固定子
鉄心２に形成された１２個のスロット３に、Ｕ相の固定
子巻線１Ｕ，２Ｕ、及びＶ相の固定子巻線１Ｖ，２Ｖ、
並びにＷ相の固定子巻線１Ｗ，２Ｗを挿入配置して構成
されている。固定子鉄心２の内周部には、各スロット３
に対応して開口部３ａが形成されている。

【０００４】これに対し、回転子４は、図６にも示すよ
うに、回転軸５に回転子鉄心６を嵌合固着し、この回転
子鉄心６に形成された収納部７に、断面が円弧状をなす
４個の永久磁石８を軸方向から挿入して組み込むことに
よって構成されていて、固定子１の内部に固定子鉄心２
の内周部と所定の空隙９を存する状態で回転可能に配設
されている。各永久磁石８は、凸部８ａ側が外側（空隙
９側）を向くように配置されており、また、４個の永久
磁石８は、図５及び図６においてＮ極とＳ極とが交互に
なるように着磁されている。

【０００５】図７及び図８は永久磁石の磁気異方性（磁
気の配列方向）を示したものである。このうち図７は回
転子４の中心Ａと永久磁石８の各部の磁束Ｂの中心（磁
気中心）とが同一となる周知のラジアル異方性のものを
示し、図８は永久磁石８の磁気中心が無限遠である磁極
軸方向異方性のものを示しており、これらの異方性は用
途などに応じて選択されて使用される。

【０００６】一方、図９はモータ駆動用として用いられ
る、いわゆるインバータ電源が示されている。この図９
において、直流電源１０にはスイッチング主回路１１が
接続されている。このスイッチング主回路１１は、６個
のトランジスタ１２及び還流ダイオード１３が３相ブリ
ッジ接続されて構成されている。このスイッチング主回
路１１において、３相の各アーム部１１Ｕ，１１Ｖ，１
１Ｗが有するトランジスタ１２の共通接続点は、それぞ
れ対応するモータへの出力線Ｕ，Ｖ，Ｗに接続されてい
る。これら出力線Ｕ，Ｖ，Ｗは、上記固定子１の各相の
固定子巻線１Ｕ，２Ｕ、及び１Ｖ，２Ｖ、並びに１Ｗ，
２Ｗに接続されている。

【０００７】制御回路１４は、スイッチング主回路１１
の各トランジスタ１２を制御することにより、固定子巻
線１Ｕ，２Ｕ、及び１Ｖ，２Ｖ、並びに１Ｗ，２Ｗの隣
接する２相分の固定子巻線に対応して、例えば１２０度
（電気角）ずつ位相をずらして通電する、つまり周知の
１２０度（電気角）通電するように構成されている。ま
た、この制御回路１４は出力線Ｕ，Ｖ，Ｗにも接続され
ており、回転子４の回転により固定子巻線１Ｕ，２Ｕ、
１Ｖ，２Ｖ、１Ｗ，２Ｗに誘起される誘起電圧を検出し
て、その回転子４の回転位置に応じたモータ駆動信号が
得られるようになっている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記したよ
うな従来構成のものでは、次のような問題点がある。◎ （１）回転子４における１極分の永久磁石８による空隙
９の磁束密度は例えば図１０に示すように略台形状の分
布となり、こうした空隙９の磁束には第３次、第５次、
第７次などの高調波成分が含まれている。これらの高調
波を少なくする回転子鉄心６の形状は限定され、設計の
自由度が低くなり用途が限定されるため、一般的に高調
波を少なくすることは容易ではなく、通常、空隙９中に
は多くの高調波成分を含んでいる。

【０００９】（２）これらの高調波成分によって多くの
エネルギー成分が空隙９中に存在するようになる。この
ようなエネルギー成分と、固定子鉄心２におけるスロッ
ト３の開口部３ａとの相互作用により、コギングトルク
が発生する。

【００１０】（３）このコギングトルクは、モータの発
生トルクに重畳することになるが、有効な駆動トルクと
しては作用せず、回転子４に振動を与えるトルクとなる
ため、この振動がモータのフレームやモータが駆動する
機器に伝わって振動や騒音の原因となる。

【００１１】本発明は上記事情に鑑みてなされたもので
あり、その目的は、固定子と回転子との間の空隙中の磁
束密度分布を極力高調波成分の少ないものにできて、コ
ギングトルクの低減を図り、ひいては振動や騒音の少な
い永久磁石形モータを提供するにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、複数相の固定
子巻線を有する固定子と、回転子鉄心の内部に複数個の
永久磁石を組み込んで構成され、前記固定子の内部に固
定子と所定の空隙を存する状態で回転可能に配設される
回転子とを備え、前記固定子巻線に順次通電することに
より前記回転子を回転駆動させる永久磁石形モータにお
いて、前記回転子の各永久磁石を断面が弧状となるよう
に形成すると共に、これら各永久磁石を前記回転子鉄心
に凸部側が内側を向くように配置し、かつ永久磁石はこ
れの各部の磁束が一点に集中するように着磁し、その永
久磁石の磁気中心から永久磁石の平均弧状線までの距離
Ｌと、永久磁石の平均半径Ｒとの関係を、０．４×Ｒ≦
Ｌ≦０．９×Ｒとしたところに特徴を有する。

【００１３】

【作用】上記した手段によれば、回転子の各永久磁石を
断面が弧状となるように形成すると共に、これら各永久
磁石を回転子鉄心に凸部側が内側を向くように配置し、
かつ永久磁石はこれの各部の磁束が一点に集中するよう
に着磁し、その永久磁石の磁気中心から永久磁石の平均
弧状線までの距離Ｌと、永久磁石の平均半径Ｒとの関係
を、０．４×Ｒ≦Ｌ≦０．９×Ｒとしたことにより、後
述する実験結果（Ｌ／Ｒと空隙中の第３次高調波磁束密
度の含有率との関係）から明らかなように、固定子と回
転子との間の空隙中の磁束密度としては、特に第３次高
調波成分が少ないものになり、これに伴いコギングトル
クを減少させることができる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明を三相４極の永久磁石形モータ
に適用した第１実施例につき図１ないし図３を参照して
説明する。まず図２において、固定子２１は、従来構成
と同一であり、環状をなす固定子鉄心２２に形成された
１２個のスロット２３に、Ｕ相の固定子巻線１Ｕ，２
Ｕ、及びＶ相の固定子巻線１Ｖ，２Ｖ、並びにＷ相の固
定子巻線１Ｗ，２Ｗを挿入配置して構成されている。固
定子鉄心２２の内周部には、各スロット２３に対応して
開口部２３ａが形成されている。

【００１５】これに対して、回転子２４は、回転軸２５
に回転子鉄心２６を嵌合固着し、この回転子鉄心２６に
形成された収納部２７に、断面が弧状この場合円弧状を
なすフェライト製の４個の永久磁石２８を軸方向から挿
入して組み込むことによって構成されていて、固定子２
１の内部に固定子鉄心２２の内周部と所定の空隙２９を
存する状態で回転可能に配設されている。なお、回転子
鉄心２６は、収納部２７形成用の孔が形成されたけい素
鋼板を多数枚積層して構成されている。

【００１６】上記各永久磁石２８は、凸部２８ａ側が内
側を向くように配置されており、また、４個の永久磁石
２８は、図２においてＮ極とＳ極とが交互になるように
着磁されている。また、各永久磁石２８は、図１に示す
ように、各部の磁束Ｂが一点、すなわち磁気中心Ｃに集
中するように着磁されている。そして、この永久磁石２
８の磁気中心Ｃから永久磁石２８の平均弧状線Ｄまでの
距離をＬ、永久磁石２８の平均半径をＲとするときに、
これら距離Ｌ及び平均半径Ｒを、０．４×Ｒ≦Ｌ≦０．
９×Ｒの関係が成立するように設定している。

【００１７】このように構成されたモータは、従来と同
様にインバータ電源（図９参照）により給電されるよう
になっており、固定子巻線１Ｕ，２Ｕ、及び１Ｖ，２
Ｖ、並びに１Ｗ，２Ｗの隣接する２相分の固定子巻線に
対応して、例えば１２０度（電気角）ずつ位相をずらし
て通電する、つまり１２０度（電気角）通電することに
より、固定子２１による回転磁界が発生し、これに伴う
磁気的な吸引力及び反発力により回転子２４が回転され
る。

【００１８】ここで、図３には、上記回転子２４におけ
る永久磁石２８において、磁気中心Ｃから平均弧状線Ｄ
までの距離Ｌと平均半径Ｒとの比であるＬ／Ｒと、空隙
２９中の第３次高調波磁束密度の含有率（空隙中の基本
波磁束密度に対する）との関係の実験結果を示してい
る。なお、第３次高調波磁束密度の含有率のマイナス領
域は、基本波に対して位相が逆であることを示す。

【００１９】この図３から明らかなように、Ｌ／Ｒの値
が０．４〜０．９の範囲内にあるときに、高調波の主体
をなす第３次高調波の磁束密度の含有率を小さくできる
ことがわかる。これにより、Ｌ／Ｒの値を０．４〜０．
９の範囲内に設定すること、すなわち、ＬとＲとを、
０．４×Ｒ≦Ｌ≦０．９×Ｒの関係が成立するように設
定することで、空隙２９中の磁束密度としては、高調波
成分が少ないものとなる。すなわち、空隙２９中の磁束
密度は正弦波に極力近いものとなるので、コギングトル
クを減少させることができる。

【００２０】このように、空隙２９中の磁束密度の高調
波成分を極力減少させて、空隙２９中の磁束密度ができ
るだけ正弦波状に分布する構成とすることにより、空隙
２９中の高調波エネルギーも少なくなり、固定子鉄心２
２におけるスロット２３の開口部２３ａとの相互作用に
よるエネルギー変動も少なくなるから、コギングトルク
が減少し、ひいてはモータの振動や騒音を抑えることが
できる。

【００２１】図４は本発明の第２実施例を示すものであ
る。この第２実施例では、回転子２４の永久磁石３０と
して、断面が蒲鉾状をなす弧状に形成したものであり、
このような永久磁石３０を凸部３０ａ側が内側となるよ
うに配置している。

【００２２】この場合も、永久磁石３０の磁気中心Ｃ
と、平均弧状線Ｄと、平均半径Ｒとを設定し、磁気中心
Ｃから平均弧状線Ｄまでの距離Ｌと、平均半径Ｒとの関
係を第１実施例のように設定することで、同様な効果を
得ることができる。

【００２３】なお、本発明は、永久磁石の個数（極数）
は４極以外でもよく、また、固定子のスロット数も１２
個以外でもよい。さらに、永久磁石は、フェライト以外
でもよく、また、弧状であれば楕円の一部であってもよ
いなど、本発明は要旨を逸脱しない範囲内で種々変形し
て実施できる。

【００２４】

【発明の効果】本発明の永久磁石形モータによれば、回
転子の各永久磁石を断面が弧状となるように形成すると
共に、これら各永久磁石を回転子鉄心に凸部側が内側を
向くように配置し、かつ永久磁石はこれの各部の磁束が
一点に集中するように着磁し、その永久磁石の磁気中心
から永久磁石の平均弧状線までの距離Ｌと、永久磁石の
平均半径Ｒとの関係を、０．４×Ｒ≦Ｌ≦０．９×Ｒと
したことにより、固定子と回転子との間の空隙中の磁束
密度としては高調波成分が少ないものにでき、これに伴
いコギングトルクを減少させることができ、ひいては振
動や騒音を少なくできるという優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示すもので、要部の寸法
関係を示す図

【図２】モータの断面図

【図３】Ｌ／Ｒと、第３高調波磁束密度の含有率との関
係を示す図

【図４】本発明の第２実施例を示す回転子の側面図

【図５】従来構成を示す図２相当図

【図６】回転子の側面図

【図７】永久磁石の磁気の配列がラジアル異方性の場合
を示す説明図

【図８】永久磁石の磁気の配列が磁極軸方向異方性の場
合を示す説明図

【図９】電気的構成図

【図１０】空隙磁束密度の分布を示す図

【符号の説明】

１Ｕ，２Ｕ、１Ｖ，２Ｖ、１Ｗ，２Ｗはそれぞれ固定子
巻線、２１は固定子、２４は回転子、２６は回転子鉄
心、２８は永久磁石、２８ａは凸部、２９は空隙、３０
は永久磁石、３０ａは凸部である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数相の固定子巻線を有する固定子と、
   回転子鉄心の内部に複数個の永久磁石を組み込んで構成
   され、前記固定子の内部に固定子と所定の空隙を存する
   状態で回転可能に配設される回転子とを備え、前記固定
   子巻線に順次通電することにより前記回転子を回転駆動
   させる永久磁石形モータにおいて、 前記回転子の各永久磁石を断面が弧状となるように形成
   すると共に、これら各永久磁石を前記回転子鉄心に凸部
   側が内側を向くように配置し、かつ永久磁石はこれの各
   部の磁束が一点に集中するように着磁し、その永久磁石
   の磁気中心から永久磁石の平均弧状線までの距離Ｌと、
   永久磁石の平均半径Ｒとの関係を、 ０．４×Ｒ≦Ｌ≦０．９×Ｒ としたことを特徴とする永久磁石形モータ。