JPH0739091A

JPH0739091A - 同期機のロータ構造および同期型モータ

Info

Publication number: JPH0739091A
Application number: JP5200241A
Authority: JP
Inventors: Yasumi Kawabata; 康己川端; Eiji Yamada; 英治山田; Tetsuya Miura; 徹也三浦
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1993-07-19
Filing date: 1993-07-19
Publication date: 1995-02-07

Abstract

(57)【要約】【目的】回転子の外周に突極を設けた同期型モータの
リラクタンストルクＴｒを高め、モータの出力トルクを
増加する。【構成】三相同期型モータにおいて、外周に永久磁石
５２を貼付し、永久磁石５２の間に突極７１ないし７４
を設ける。この突極７１の中心に径方向にスリット８１
ないし８４を設け、更にその内周側を周方向に延長す
る。この結果、突極内部のループ状の磁路は形成され難
くなり、ｄ軸インダクタンスＬｄは低下する。一方、ｑ
軸インダクタンスＬｑは高くできるから、その差に比例
するリラクタンストルクＴｒを高くすることができる。【効果】同期型モータの出力トルクが増加すれば、こ
れを搭載した電気自動車などの性能（例えば走行距離、
最高時速など）を向上することも可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、界磁磁石としての永久
磁石を回転子に備える同期型モータや同期発電機などの
同期機のロータ構造およびこのロータ構造を採用した同
期型モータに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の同期機として同期型モー
タを例にとると、同期型モータの回転子は、例えば特公
昭６２−６０９０６号公報に示すように、回転子の表面
もしくは内部に永久磁石を設け、固定子側のスロットに
巻回されたコイルにより回転磁界を発生させ、この相互
作用により回転子を回転している。

【０００３】また、回転子外周に設けられた永久磁石の
間に突極を設けて電機子電流による横軸（ｄ軸）方向の
磁束が回転子鉄心内を通り易くし、縦軸（ｑ軸）のイン
ダクタンスＬｑをｄ軸のインダクタンスＬｄより大きく
して、リラクタンストルク（反作用トルク）を有効利用
しようとする提案もなされている（例えば実開昭６２−
８８４６３号公報）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
突極を有する同期型モータでは、突極の形状や配置など
に関して僅かな検討が加えられているに留まり、リラク
タンストルクを最大限に利用するロータ構造について、
十分な検討がなされているとは言い難かった。従って、
リラクタンストルクを有効利用して、モータの出力トル
クを増大したり、同一トルクにおいてモータ形状を小型
化する余地が、残されていた。

【０００５】尚、こうした点は、同様の構成をとる同期
発電機でも同様であった。本発明は、永久磁石と突極の
関係のみならず、回転子自体の構造を検討し、リラクタ
ンストルクを最大限に利用することを目的とし、次の構
成を採った。

【０００６】

【課題を解決するための手段】回転子に永久磁石を備え
る本発明の第１の同期機のロータ構造は、回転子の外周
に設けられた複数個の永久磁石の間に透磁率の高い第１
の材料からなる突極を設け、この突極を回転子の径方向
に沿って分割する位置に、第１の材料より透磁率の低い
領域を設けたことを特徴とする。

【０００７】この領域は、エアギャップとして設けても
良いし、透磁率の低い他の材質、例えば銅，アルミニウ
ム，ステンレス，合成樹脂等により構成しても良い。他
の材料を用いる場合には、積層されるロータの薄板を固
定する固定部材を兼用することも有用である。

【０００８】突極を径方向に分割する位置に透磁率の低
い領域を設けるのは、突極内部にループ状の磁路が形成
されてｄ軸インダクタンスＬｄが高くなることを妨げる
ためである。従って、この領域は、突極の中心からずれ
た位置に設けられても差し支えないし、透磁率の低い材
料が充填あるいは挿入されているのであれば、突極を３
以上に分割するものであっても差し支えない。また、こ
の領域は、突極内部に留まらず、ロータの更に内周側、
場合によってはロータの最内周の位置まで延出されてい
ることも望ましい。この領域は、スリット状であっても
よいし、内周側ほど幅の広い台形形状としても差し支え
ない。また、回転子内周側の位置においては回転子の周
方向に広がった形状とすることも、各軸インダクタンス
の差を大きくする上で、好適である。

【０００９】本発明の第２の同期機のロータ構造は、回
転子に永久磁石を備え、この回転子の外周に透磁率の高
い第１の材料からなる突極を設け、この突極を、回転子
の径方向に沿って分割する位置に、第１の材料より透磁
率の低い領域を設け、透磁率の低いこの領域に対して、
更に回転子の内周側に、回転子の周方向に磁束を発生さ
せる永久磁石を配置してなる。領域の形状、配置など
は、第１のロータ構造と同様に、種々の態様が有り得
る。

【００１０】また、本発明の同期型モータは、上述した
第１，第２のロータ構造の回転子を備える。

【００１１】

【作用】永久磁石を用いた同期機として、同期電動機、
即ち同期型モータを例として説明すると、同期型モータ
の出力トルクＴは、次式（１）により求められる。Ｔ＝Ｔｍ＋Ｔｒ …（１）ここで、Ｔｍは永久磁石の磁界φｍによるトルクであ
り、Ｔｒはリラクタンストルクである。Ｔｒは、次式
（２）により求められる。Ｔｒ＝Ｐ（Ｌｑ−Ｌｄ）・Ｉｑ・Ｉｄ …（２）ここで、Ｐは永久磁石の極対数、Ｌｑはｑ軸インダクタ
ンス、Ｌｄはｄ軸インダクタンス、Ｉｑ，Ｉｄは、電機
子電流の各軸成分である。この式から、一般に、ｑ軸イ
ンダクタンスＬｑが大きく、ｄ軸インダクタンスＬｄが
小さければ、リラクタンストルクＴｒを大きくできるこ
とが分かる。尚、永久磁石によるトルクＴｍは、Ｔｍ＝φｍ・Ｉｑ …（３）として定まる。

【００１２】翻って、本発明の第１の同期機ロータ構造
によれば、突極を回転子の径方向に沿って分割する位置
に設けられた透磁率の低い領域により、突極内部の小さ
な磁路ができにくくなる。この結果、永久磁石による磁
路のインダクタンス（ｄ軸インダクタンス）が小さくな
り、ｑ軸インダクタンスとｄ軸インダクタンスとの差が
大きくなる。従って、このロータ構造を採用した同期型
モータでは、リラクタンストルクが増大し、モータ全体
の出力トルクも増大する。同期発電機の場合は、同一の
トルクで発電効率が向上する。

【００１３】なお、透磁率の低い領域を、磁路が形成さ
れる部材の最内周まで延長すれば、隣合う永久磁石のＳ
極，Ｎ極が作る磁束の磁路にもこの透磁率の低い領域が
介在することになる。また、透磁率の低い領域の内周側
端部を、ロータの周方向に延長した形状とすれば、突極
内部の小さな磁路は一層形成され難くなる。こうした手
法でも、リラクタンストルクの増大を図ることができ
る。

【００１４】本発明の第２の同期機のロータ構造によれ
ば、ｄ軸方向の磁束は、回転子の最内周側に設けられた
永久磁石から、突極と突極との間、即ち固定子側との間
のギャップを通って固定子側に至る磁路を形成する。こ
の磁路にはエアギャップが介在することになり、加えて
突極内部の小さな磁路はできにくくなる。この結果、永
久磁石による磁路のインダクタンス（ｄ軸インダクタン
ス）は小さくなり、第１のロータ構造と同様の作用をき
たす。

【００１５】

【実施例】以上説明した本発明の構成・作用を一層明ら
かにするために、以下本発明の好適な実施例について説
明する。図１は、本発明の一実施例としての回転子５０
の形状を示す平面図、図２は、この回転子５０を組み込
んだ三相同期モータ４０の構造を示す断面図である。

【００１６】まず、図２を用いて、三相同期モータ４０
の全体構造について説明する。この三相同期モータ４０
は、固定子３０と回転子５０とこれらを収納するケース
６０とからなる。回転子５０は、外周に永久磁石５２が
貼付されており、その軸中心に設けられた回転軸５５
を、ケース６０に設けられた軸受６１，６２により回転
自在に軸支している。

【００１７】回転子５０は、無方向性電磁鋼板を打ち抜
いて成形したロータ５７を複数枚積層したものである。
このロータ５７は、図示するように、直交する位置に４
箇所の突極７１ないし７４を備える。この突極７１ない
し７４は、その中心にスリット８１ないし８４が設けら
れており、更に、そのスリット８１ないし８４の内周側
端部は、ロータ５７の周方向に延長され、周方向スリッ
ト９１ないし９４を形成している。各ロータ５７は、正
確に同じ大きさ、形状に成形されており、スリット８１
ないし８４により位置決めする治具を用いて、回転軸５
５の軸方向にスリット８１ないし８４が揃うように積層
される。積層後回転軸５５を圧入し、積層したロータ５
７を仮止めする。この電磁鋼板を素材とするロータ５７
には、その表面に絶縁層と接着層が形成されており、積
層後所定温度に加熱して接着層を溶融・固定している。

【００１８】こうして回転子５０が形成された後、回転
子５０の外周面であって、突極７１ないし７４の中間位
置には、永久磁石５２が軸方向に亘って貼付される。こ
の永久磁石は、厚み方向に磁化されている。この永久磁
石５２は、回転子５０を固定子３０に組み付けると、隣
接する永久磁石５２およびロータ５７，ステータ２０を
貫く磁路Ｍｄを形成する。

【００１９】固定子３０を構成するステータ２０は、ロ
ータ５７と同じく無方向性電磁鋼板の薄板を打ち抜くこ
とで形成されており、図１に示すように、計１２個のテ
ィース２２を備える。ティース２２間に形成されたスロ
ット２４には、固定子３０に回転磁界を発生させるコイ
ル３２が巻回されている（図２参照）。尚、ステータ２
０の外周には、固定用のボルト３４を通すボルト孔３６
が４箇所設けられている。

【００２０】固定子３０は、板状のステータ２０を積層
し互いに押圧した状態として、接着層を加熱・溶融する
ことで一応固定される。この状態で、コイル３２をティ
ース２２に巻回して固定子３０を完成した後、これをケ
ース６０に組み付け、ボルト孔３６に固定用のボルト３
４を通し、これを締め付けて全体を固定する。更に回転
子５０をケース６０の軸受６１，６２により回転自在に
組み付けることにより、この同期型三相モータは完成す
る。

【００２１】固定子３０の固定子コイル３２に回転磁界
を発生するよう励磁電流を流すと、これにより隣接する
突極およびロータ５７，ステータ２０を貫く磁路Ｍｑが
形成される。尚、上述した永久磁石５２により形成され
る磁束が回転子５０を径方向に貫く軸をｄ軸と呼び、固
定子３０の固定子コイル３２により形成される磁束が回
転子５０を径方向に貫く軸をｑ軸と呼ぶ。この実施例で
は、両軸は４５度の角度をなしている。

【００２２】図１に示すように、本実施例の回転子５０
は、隣接する永久磁石５２の間に設けられた突極７１な
いし７４の中心に、径方向に沿ってスリット８１ないし
８４を備え、更にスリット８１ないし８４の内周側は、
周方向に広がった周方向スリット９１ないし９４となっ
ている。スリットは、磁束にとってはエアギャップであ
り、その透磁率は低い。磁束は、エアギャップであるス
リット８１ないし８４を避けて磁路を形成しようとする
から、永久磁石５２が形成する磁路Ｍｄは、回転子５０
の周方向スリット９１ないし９４の更に内周側を通り、
永久磁石５２に対向するティース２２から、ステータ２
０のヨークの部位を通ったものとなる。２つの永久磁石
５２の間に存在する突極７１ないし７４は、エアギャッ
プとしてのスリット８１ないし８４により径方向に分割
されているから、突極７１ないし７４の内部に小さいル
ープ状の磁路が形成されることはない。このため、ｄ軸
インダクタンスＬｄは、極めて小さくなる。

【００２３】一方、固定子コイル３２への通電により突
極７１ないし７４を通るように形成される磁路Ｍｑは、
周方向スリット９１ないし９４の外周側を通り、突極７
１ないし７４に対向するスロット２４からヨークの部位
を通ったものとなる。この磁路に関するｑ軸インダクタ
ンスＬｑは、ｄ軸インダクタンスＬｄと較べて十分に大
きな値となる。

【００２４】この結果、式（２）に照らすと、（Ｌｑ−
Ｌｄ）が大きくなるから、リラクタンストルクＴｒは大
きくなり、三相同期型モータ４０の出力トルクは、従来
の単純な突極を備えるものと較べて、約５ないし８パー
セント増加した。この結果、同一トルクを得るのであれ
ば、モータ形状を小さくかつ軽量にすることが可能とな
った。このことは、実施例の三相同期モータ４０を搭載
した機器、例えば電気自動車の性能（走行距離、最高時
速など）を向上できることを意味する。更に、モータの
効率が高まり、省エネルギに資すると共に、効率が改善
された分だけ、発熱を抑えることもできる。

【００２５】本実施例では、スリット８１ないし８４の
内周側端部が周方向に延出されているので、突極７１な
いし７４の内部には磁路が形成されにくくなっている。
本実施例の変形例を図３に示す。図３に示すように、ス
リット８１ａないし８４ａにより突極７１ないし７４を
単に径方向に完全に分割すれば、突極７１ないし７４内
部にループ状の磁路は形成され難くなるので、ｄ軸イン
ダクタンスＬｄは小さくなり、リラクタンストルクＴｒ
は大きくできる。もっともこの場合、磁路Ｍｄにエアギ
ャップが存在してしまい、永久磁石５２による磁界φｍ
は小さくなる。そこで、リランクタンストルクＴｒの向
上という利点を、モータ全体のトルクの向上に十分に生
かすことができるように、エアギャップの寸法を調整す
る。

【００２６】突極を分割するスリットを径方向の途中ま
でとした場合、単純なスリット形状と第１実施例のよう
に内周端を周方向に延長した形状とでは、ｄ軸インダク
タンスＬｄの低下に対する効果は異なる。この点を、図
４に、スリット形状と突極内部の磁路の形状との関係と
して示した。エアギャップはロータ５７の電磁鋼板と較
べて透磁率が数桁低いから、エアギャップを通るパスで
は磁路は形成され難く、同図（Ａ）に示す単純な径方向
のスリット８１ｂに較べて、（Ｂ）に示す周方向に延長
されたスリット８１の方が、突極７１内部の磁路が形成
されにくいことが分かる。

【００２７】次に、本発明の第２の実施例について説明
する。図５は、第２実施例の回転子１５０の構成を示す
平面図である。図示するように、この回転子１５０は、
回転軸１５５が軸受６１，６２の部分を除いて断面正方
形の角柱状に形成されており、この各側面に永久磁石１
５２が貼付されている。更に、無方向性電磁鋼板を積層
した特殊形状のロータ組立１１１ないし１１４が、この
４個の永久磁石１５２の側面に固定されている。この実
施例では、永久磁石１５２は、四角柱形状にできるの
で、厚みを十分に確保することができ、ロータ組立１１
１ないし１１４を固定することも容易である。

【００２８】ロータ組立１１１ないし１１４が固定され
て完成した回転子１５０は、第１実施例と同様、固定子
や軸受が組み込まれたケースに回転自在に組み付けら
れ、三相同期型モータが完成する。この回転子１５０
は、図示するように、ロータ組立１１１ないし１１４の
円周方向左右端に設けられた凸部により、９０度ずつ隔
たった位置に突極１７１ないし１７４を構成する。突極
１７１ないし１７４の間の外径の小さな部位は、永久磁
石１５２による磁束に対して、エアギャップ１６１ない
し１６４として働く。

【００２９】各ロータ組立１１１ないし１１４は、円周
方向両サイドの縁がなす角が鈍角である扇型形状になっ
ているので、この突極１７１ないし１７４は、中心部
に、永久磁石１５２に至る略台形形状の大きな空間部１
８１ないし１８４を備えることになる。この空間部１８
１ないし１８４は、磁束にとってはエアギャップであ
り、突極１７１ないし１７４の内部に磁路を形成させな
いように働くから、ロータ組立１１１ないし１１４の外
周とステータとの間のギャップ１６１ないし１６４の存
在と相俟って、ｄ軸インダクタンスＬｄは小さくなる。
一方、ｑ軸インダクタンスＬｑは大きくなり、結果的に
リラクタンストルクＴｒは増大する。

【００３０】以上説明した本実施例では、第１実施例と
同様にリラクタンストルクＴｒを増加してモータの出力
トルクを大きくすることができる。しかも、本実施例で
は、永久磁石１５２は、回転子１５０の内部に配置でき
かつ磁化の方向は径方向に直交する方向なので、その厚
みを大きくし、出力トルクに直接影響する永久磁石によ
る磁界の強度φｍを高くすることが容易である。また、
空間部１８１ないし１８４を大きくとることができ、ｄ
軸インダクタンスＬｄを十分に小さくすることができ
る。

【００３１】尚、本実施例では、ロータ組立１１１ない
し１１４は、永久磁石１５２に固定したが、図６に示す
ように、無方向性電磁鋼板を打ち抜いて一体型のロータ
２０１を形成し、これを積層・固定後、永久磁石２０２
を挿入・固定する構成とすることも差し支えない。この
場合には、全体の強度を容易に確保できる上、回転軸２
０５も通常の軸材を使用することができる。また、空間
部１８１ないし１８４間形状は、実施例のように内周側
に向かって幅が漸増する形状に限定する必要はなく、例
えば図３に示したスリット形状とし、その内周側端部の
更に内側に永久磁石を配置した構造とすることも差し支
えない。

【００３２】以上本発明の実施例について説明したが、
本発明はこうした実施例に何等限定されるものではな
く、例えば１極２もしくは４スロット以上の構成を備え
た同期機としての構成や、同期発電機に適用した構成な
ど、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々な
る態様で実施し得ることは勿論である。

【００３３】本発明の他の実施例として、スリットの部
分に透磁率の低い材料（例えば銅や合成樹脂等）の部材
を挿入，圧入あるいは充填し、積層されたロータ５７を
固定するのに用いた構成や、スリットのないロータを打
ち抜いた後、レーザなどを照射してスリットと同様の形
状に透磁率の低い領域を形成した構成などが可能であ
る。前者の場合には、ロータの固定を容易に行なえると
いう利点がある。一方、後者の場合には、スリットを打
ち抜く必要がないので、製造工程が簡略になり、また、
回転子の強度も向上するという利点がある。スリットが
ないので、積層前のロータの取扱い、更には積層・固定
も容易である。スリットを設けない場合には、回転子の
軸回りの釣合をとるのも容易である。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように本発明の第１，第２
の同期型モータのロータ構造では、ｄ軸インダクタンス
を低減して、ｑ軸インダクタンスとｄ軸インダクタンス
との差の大きな同期型モータを容易に製造することがで
きるという優れた効果を奏する。本発明の第２の同期型
モータのロータ構造では、永久磁石の形状の自由度が高
く、永久磁石の厚みをまして磁界の強度を高めることも
容易である。

【００３５】また、本発明のロータ構造を採用した同期
型モータは、リラクタンストルクが増加し、その出力ト
ルクを大きくすることができる。従って、同一トルクな
ら形状を小さくできる上、モータとしての効率を高め、
省エネルギに資することもできる。また、このモータを
搭載した機器の各種性能の向上を図ることが可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である三相同期型モータの構
造を示す平面図である。

【図２】実施例の回転子５０を組み込んだ三相同期モー
タ４０の構造を示す断面図である。

【図３】第１実施例の変形例を示す説明図である。

【図４】突極内部の磁路について説明する説明図であ
る。

【図５】本発明の第２の実施例を示す回転子１５０の平
面図である。

【図６】第２実施例の変形例を示すロータの平面図であ
る。

【符号の説明】

２０…ステータ２２…ティース２４…スロット３０…固定子３２…固定子コイル３４…ボルト３６…ボルト孔４０…三相同期モータ５０…回転子５２…永久磁石５５…回転軸５７…ロータ６０…ケース６１，６２…軸受７１ないし７４…突極８１ないし８４…スリット９１ないし９４…周方向スリット１１１ないし１１４…ロータ組立１５０…回転子１５２…永久磁石１５５…回転軸１６１ないし１６４…エアギャップ１７１ないし１７４…突極１８１ないし１８４…空間部２０１…ロータ２０２…永久磁石２０５…回転軸Ｌｄ…ｄ軸インダクタンスＬｑ…ｑ軸インダクタンス

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回転子に永久磁石を備える同期機のロー
タ構造において、該回転子の外周に設けられた複数個の永久磁石の間に透
磁率の高い第１の材料からなる突極を設け、該突極を該回転子の径方向に沿って分割する位置に、前
記第１の材料より透磁率の低い領域を設けたことを特徴
とする同期機のロータ構造。
【請求項２】前記領域が、回転子内周側の位置におい
ては回転子の周方向に広がった形状である請求項１記載
の同期機のロータ構造。
【請求項３】前記領域が、回転子の磁路を形成する部
材の最内周の位置まで至る形状である請求項１記載の同
期機のロータ構造。
【請求項４】回転子に永久磁石を備える同期機のロー
タ構造において、該回転子の外周に透磁率の高い第１の材料からなる突極
を設け、該突極を該回転子の径方向に沿って分割する位置に、前
記第１の材料より透磁率の低い領域を設け、該透磁率の低い領域に対して、更に回転子の内周側に、
該回転子の周方向に磁束を発生させる永久磁石を配置し
てなる同期機のロータ構造。
【請求項５】請求項１ないし４記載のロータ構造の回
転子を備えた同期型モータ。