JP6083640B2 - 永久磁石埋込型モータ - Google Patents

Description

本発明は回転子に磁極を作るための永久磁石が埋め込まれた永久磁石埋込型モータに関する。

永久磁石埋込型モータを以下ＩＰＭ（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）モータと記す。ＩＰＭモータは、回転磁界を発生する固定子と磁極を作るための複数個の永久磁石が埋め込まれた回転子とを備えている。前記固定子には、制御指令に従いまた回転子の磁極位置に対応して作られた交流電流が供給され、前記交流電流に基づいて回転磁界が発生する。回転子には埋め込まれた複数個の前記永久磁石により磁極が作られ、前記回転磁界と前記磁極との磁気的な作用により、前記回転磁界に基づく回転トルクが前記回転子に発生し、前記回転子が回転する。

前記ＩＰＭモータは高性能モータとして注目されており、小型モータの分野から電気自動車用モータなどの分野、さらに大型モータの分野など、幅広い分野で今後ますます使用が増大すると思われる。ＩＰＭモータはその使用分野の拡大に伴い色々な特性改善が望まれており、トルク脈動の低減に関しても特性の改善が望まれる。ＩＰＭモータは色々な長所を備えているが、トルク脈動の原因となるコギングトルクが生じやすい課題を有している。ＩＰＭモータのコギングトルクの低減に関する技術は、例えば特開２０１２−６０７９９号公報（特許文献１）に開示されている。

特開２０１２−６０７９９号公報

特許文献１では、ＩＰＭモータのコギングトルクの低減のために、回転子における永久磁石挿入孔に対して直角に延びると共に、磁極に対して対称に配置されるスリット４２やスリット４３を設けて、コギングトルクの低減を図ることが記載されている。しかし、さらにコギングトルクを低減させることが望まれている。

本発明の目的は、コギングトルクがより改善可能なＩＰＭモータを提供することである。

前記課題を解決する第１のＩＰＭモータは、固定子鉄心に巻回された複数個の固定子巻線を有し、回転磁界を発生する固定子と、複数個の磁極を作るための複数個の主永久磁石が回転子鉄心に埋め込まれ、回転トルクを発生して回転する回転子と、を有し、前記回転子は、前記主永久磁石を前記回転子鉄心に埋め込むことにより、前記各主永久磁石より前記固定子側に位置する前記回転子鉄心にそれぞれ磁極片を形成し、前記回転子鉄心に埋め込まれた複数個の前記主永久磁石の前記固定子側の極性が、前記回転子の回転方向に沿って磁極毎に交互に変化しており、前記磁極片には、さらに磁束を前記磁極片の中央部に集めるための複数個の補助永久磁石が埋め込まれ、前記複数個の補助永久磁石はそれぞれ前記主永久磁石から前記固定子方向に延びる形状を成しており、前記複数個の補助永久磁石は、前記磁極片の回転方向に於ける中心に対して左右の方向に分けて設けられ、前記複数個の補助永久磁石が設けられることにより前記主永久磁石は、前記複数個の補助永久磁石に挟まれた前記主永久磁石の中央部と、前記複数個の補助永久磁石の外側に位置する端部である前記複数個の補助永久磁石の左側および右側の補助永久磁石より隣接する磁極側に位置する前記主永久磁石の端部と、に分けられ、前記左右に設けられた補助永久磁石の隣接する磁極側の面が、前記補助永久磁石により分けられた前記主永久磁石の前記端部の固定子側の面に対して、異なる極性に磁化されており、前記左右に設けられた補助永久磁石は、回転方向に於ける前記磁極片の中央部側の面の極性が、前記磁極片の極性と同じになるように磁化されており、これにより前記主永久磁石の前記端部の磁束が前記左右の補助永久磁石を介することにより前記磁極片の中央部を通る磁気回路が形成される、ことを特徴とする。

前記課題を解決する第２のＩＰＭモータは、固定子鉄心に巻回された複数個の固定子巻線を有し、回転磁界を発生する固定子と、複数個の磁極を作るための複数個の主永久磁石が回転子鉄心に埋め込まれ、回転トルクを発生して回転する回転子と、を有し、前記回転子は、前記主永久磁石を前記回転子鉄心に埋め込むことにより、前記各主永久磁石より前記固定子側に位置する前記回転子鉄心にそれぞれ磁極片を形成し、前記回転子鉄心に埋め込まれた複数個の前記主永久磁石の前記固定子側の極性が、前記回転子の回転方向に沿って磁極毎に交互に変化しており、前記磁極片には、さらに磁束を磁極片の中央部に集めるための複数個の補助永久磁石が埋め込まれ、前記複数個の補助永久磁石はそれぞれ前記主永久磁石から前記固定子の方向に延びる形状を成しており、前記複数個の補助永久磁石は前記磁極片の回転方向に於ける中心に対して左右の位置に分けて設けられ、前記複数個の補助永久磁石を設けることにより前記磁極片は、前記複数個の補助永久磁石に挟まれた前記磁極片の中央部と、前記複数個の補助永久磁石の外側の部分である前記複数個の補助永久磁石の左側および右側の補助永久磁石より隣接する磁極側にそれぞれ位置する前記磁極片の端部と、に分けられ、前記複数個の補助永久磁石の隣接する磁極側の面がそれぞれ、前記補助永久磁石の隣接する磁極側の前記磁極片の前記端部の磁束が前記補助永久磁石を通る方向の極性に磁化されおり、これにより前記主永久磁石の前記端部の磁束が前記左右の補助永久磁石を介することにより前記磁極片の中央部を通る磁気回路が形成される、ことを特徴とする。

前記課題を解決する第３のＩＰＭモータは、前記第１あるいは前記第２に記載のＩＰＭモータにおいて、前記磁極片と隣接する前記磁極片との間に、磁束の漏れを低減するためのブリッジ部が形成され、前記磁極片の中央部を挟んで両側にそれぞれ配置された前記補助永久磁石の間の距離Ｌ1が、一方の前記補助永久磁石と前記一方の補助永久磁石の側の前記主永久磁石の端との間の距離Ｌ２、あるいは他方の前記補助永久磁石と前記他方の補助永久磁石の側の前記主永久磁石の端との間の距離Ｌ３、よりも長い、ことを特徴とする。

前記課題を解決する第４のＩＰＭモータは、前記第１乃至前記第３のＩＰＭモータの内の一において、前記補助永久磁石の保持力が、前記磁極を作るための前記主永久磁石の保持力より小さい、ことを特徴とする。

前記課題を解決する第５のＩＰＭモータは、前記第４のＩＰＭモータにおいて、前記補助永久磁石の保持力が、前記磁極を作るための前記主永久磁石の保持力に対して０．７５倍から０．８５倍の範囲にある、ことを特徴とする。

前記課題を解決する第６のＩＰＭモータは、前記第１乃至前記第３のＩＰＭモータの内の一において、前記補助永久磁石の保持力が、前記磁極を作るための前記主永久磁石の保持力より大きい、ことを特徴とする。

前記課題を解決する第７のＩＰＭモータは、前記第１乃至前記第６のＩＰＭモータの内の一において、前記磁極を構成する前記磁極片と隣接する前記磁極片との間に、リラクタンストルクを発生するための補助磁極が形成されている、ことを特徴とする。

前記課題を解決する第８のＩＰＭモータは、前記第１乃至前記第７の内の一に記載のＩＰＭモータにおいて、前記固定子は、前記回転子に回転トルクを発生するための固定子巻線の他に、前記固定子に対する前記回転子の位置や傾斜を制御するための制御巻線を有し、前記回転子を磁気的に支持する、ことを特徴とする。

本発明によれば、コギングトルクがより改善されたＩＰＭモータを提供することができる。なお、発明を実施するための形態（以下実施例と記す）における具体的な効果などについては、実施例の説明の中で述べることとする。

本発明の一実施例であるＩＰＭモータの構造を説明するためのＩＰＭモータの正面図である。 図１に示すＩＰＭモータのＡ−Ａ断面図である。 ＩＰＭモータの回転子の回転軸に垂直な断面を示す断面図である。 本発明の作用を説明するための要部拡大図であり、図４（Ａ）は図１に示すＩＰＭモータの磁極片の磁束の状態を説明する説明図であり、図４（Ｂ）は図４（Ａ）において補助磁石が無い場合の磁極片の磁束の状態を説明する説明図である。 回転子の固定子側表面における回転角方向の磁束密度の変化を示すグラフである。 主永久磁石の保持力に対する補助磁石の保持力の割合を変えた場合のコギングトルクの状態を示す特性図である。 従来構造に基づく回転トルク変動の解析結果を示す特性図である。 本発明に係るＩＰＭモータの回転トルク変動の解析結果を示す特性図である。 他の実施例であるＩＰＭモータの回転子の回転軸に垂直な断面を示す断面図である。 他の実施例の回転子の動作を説明する説明図である。

〔ＩＰＭモータ１の構造について〕
図１は本発明の一実施例であるＩＰＭモータ１の構造を説明するための正面図であり、図２は図１に示すＩＰＭモータ１のＡ−Ａ断面の構造を示す断面図である。図１および図２を用いて本発明の一実施例であるＩＰＭモータ１の構造および動作、効果を説明する。この実施例は内転型モータの例であり、積層鋼板で形成された固定子１００の内側に前記固定子同様の積層鋼板で形成された回転子１５０が設けられている。また本実施例では、回転子１５０は、回転シャフトを備え前記回転シャフトを機械的に支持する構造のモータではなく、磁気力により回転子１５０を回転可能に支持する構成を備えている。
しかし、本発明は回転子１５０が機械的軸受けにより支持されるモータに適用しても、同様な効果が期待できる。すなわち本発明の基本的な作用や動作は機械的軸受けを有するモータであっても同じである。回転子１５０を機械的な軸受けにより支持するモータや磁気的に支持するモータのどちらにも本発明が適用できるが、これらを代表して回転子１５０を磁気的に支持する構造のモータを用いて説明する。

〔固定子１００の構造について〕
固定子１００は、回転子１５０の外周に等間隔に配置された１２個のティース１１０を有している。各ティース１１０およびティース１１０をつなぐ固定子コアー１０２は、それぞれ積層鋼板を打ち抜いて作られており、各ティース１１０に固定子巻線１２０が巻回されている。本実施例のＩＰＭモータは３相１２スロットのモータであり、回転子１５０は４極である。もちろんこれらスロット数や回転子１５０の磁極数は一例であり、これに限られるものではない。またこの実施例では固定子巻線１２０は集中巻であるが、分布巻でも本発明を適用することができ、同様に大きな効果を得ることができる。本発明の基本的な原理や作用および効果は集中巻であっても分布巻であっても同じであり、これらを代表して集中巻の例で以下説明する。

固定子１００は回転子１５０に回転トルクを発生させるだけでなく、固定子１００に対して回転子１５０の回転軸（以下Ｚ軸）や径方向軸（以下Ｘ軸）が所定の位置や所定の角度となるように磁束を発生する。このため固定子１００は、回転子１５０の外周面にエアーギャップを介して対向するティース１１０だけでなく、回転子１５０のＺ軸方向の各側面とエアーギャップを介して対向する補助ティース１１２や補助ティース１１４を有している。

固定子１００は固定子巻線１２０や径方向制御巻線１３２、回転軸方向制御巻線１３４、傾斜制御巻線１３６を有している。固定子巻線１２０は回転磁界を発生して回転子１５０に回転トルクを発生し、径方向制御巻線１３２はＺ軸の位置が径方向であるＸ軸方向において所定の位置となるように制御する。また回転軸方向制御巻線１３４は、回転子１５０がＺ軸方向において所定の位置となるように制御する。さらに傾斜制御巻線１３６は、回転子１５０の固定子１００に対する傾きが所定の傾きとなるように、つまり回転子１５０の回転軸であるＺ軸がティース１１０の中心でしかもティース１１０の内側開口の中心軸と一致するように、回転子１５０のＺ軸の傾きを制御する。

なお、回転軸方向制御巻線１３４と傾斜制御巻線１３６の配置を径方向において逆にしても良い。さらに、固定子巻線１２０や径方向制御巻線１３２、回転軸方向制御巻線１３４、傾斜制御巻線１３６が作る磁束を一つの巻線で発生させても良い。例えば径方向制御巻線１３２の位置に共通の巻線を設け、固定子巻線１２０や径方向制御巻線１３２、回転軸方向制御巻線１３４、傾斜制御巻線１３６供給する電流を重ねあわせた電流を前記共通の巻線に供給することにより、同じような制御を行うことができる。もちろん固定子巻線１２０や回転軸方向制御巻線１３４、傾斜制御巻線１３６の巻線位置が変わるので、巻線位置の変更による電流値の調整が必要となるが、基本的な制御概念は同じである。

回転子１５０を磁気的に支持し、機械的な軸受けを不要にすることにより、モータの体積をさらに小さくすることが可能となる。また機械部分のメンテナンスが不要となる効果がある。例えば体内に埋め込まれる人工心臓用ポンプモータでは機械部分の磨耗等のメンテナンスが不要となり医療用装置として非常に有利となる。
一方、回転子１５０を磁気力ではなく機械的な軸受けで保持する場合には、補助ティース１１４は不要であり、さらに径方向制御巻線１３２や回転軸方向制御巻線１３４、傾斜制御巻線１３６も不要となるため固定子構造は簡単になるが軸受けの磨耗を考慮しなければならず、機械的寿命或いは機械部品のメンテナンスを考慮する必要がある。

〔回転子１５０の構造および磁極の構造について〕
図３は、回転子１５０を図２に示すＺ軸に垂直な面で切った状態の断面図である。回転子１５０は４極の構造であり、各磁極を磁極Ａや磁極Ｂ、磁極Ｃ、磁極Ｄで示す。磁極は、回転子鉄心１５２に貫通して埋め込まれた長方形状の４個の主永久磁石１６２により形成される。図３においてのみ特別に４個の主永久磁石１６２を主永久磁石１６２Ａ、主永久磁石１６２Ｂ、主永久磁石１６２Ｃ、主永久磁石１６２Ｄ、として記載する。これら主永久磁石１６２は基本動作が同じであり、他の図では主永久磁石１６２Ａ〜主永久磁石１６２Ｄをそれぞれ単に主永久磁石１６２として記載する。磁極Ａや磁極Ｃではこれらの磁極を形成するための主永久磁石１６２Ａや主永久磁石１６２Ｃは、固定子１００の側である外周側がＮ極で回転子１５０の中心側がＳとなるように磁化されている。また磁極Ｂや磁極Ｄではこれらを形成するための主永久磁石１６２Ｂや主永久磁石１６２Ｄは、逆方向である固定子側すなわち外周側がＳ極で、回転子１５０の中心側がＮ極となるように磁化されている。すなわち回転子１５０の回転方向に於いて、磁極毎に埋設されている主永久磁石１６２の磁化方向が反転するように主永久磁石１６２が磁化されている。回転子１５０の磁極が４極より多くなった場合も同様であり、回転子１５０の回転方向に於いて、磁極毎に主永久磁石１６２の磁化方向が反転するように主永久磁石１６２が磁化されている。

磁極Ａ〜磁極Ｄの各主永久磁石１６２の外周側の回転子鉄心１５２はそれぞれ磁極片１８４として作用し、これら磁極片１８４を介して磁束が出入りする。例えば主永久磁石１６２Ａに基づく磁束は磁極Ａの磁極片１８４から出て、固定子に導かれ、固定子１００の内部を通り、固定子１００から磁極Ｂあるいは磁極Ｄの磁極片１８４に導かれ主永久磁石１６２Ｂや主永久磁石１６２Ｄを介して主永久磁石１６２Ａに戻る。この磁束と固定子１００に設けられた固定子巻線１２０を流れる電流との作用により力が発生し、回転トルクとして回転子１５０に作用し、回転子１５０が回転する。主永久磁石１６２Ｃに付いても同じであり、磁極Ｃの磁極片１８４から固定子１００の固定子巻線１２０に磁束が導かれ、磁極Ｂあるいは磁極Ｄの磁極片１８４には固定子１００から磁束が導かれ、主永久磁石１６２Ｂや主永久磁石１６２Ｄを介して主永久磁石１６２Ｃに磁束が戻る。磁極が多くなっても上述した磁束の流れは、同じであり、磁極Ａの磁極片１８４から固定子に導かれた磁束は、固定子を通り回転子１５０の両隣の磁極、図３の場合は磁極Ｂと磁極Ｄの磁極片１８４に戻る。上記説明は主永久磁石１６２が発生する磁束と固定子巻線１２０を流れる電流により発生する力で回転子１５０の回転トルクを説明したが、固定子巻線１２０を流れる電流が作る固定子１００の回転磁界と回転子１５０の主永久磁石１６２との磁気的関係で回転トルクが回転子１５０に発生すると考えても良い。

〔回転子１５０の漏れ磁束の低減構造について〕
隣同士の磁極片１８４の間で磁束が漏れて、固定子に導かれない磁束（以下漏れ磁束と記す）が生じる場合、漏れ磁束は回転トルクの発生に寄与しない。このため、隣同士の磁極片１８４の間の漏れ磁束を抑制することが望ましい。本実施例では、隣同士の磁極片１８４の間にはそれぞれ端部磁石１７４が設けられている。端部磁石１７４は漏れ磁束を低減するように、端部磁石１７４の磁石面が向いている磁極と同じ極性に磁化されている。磁極Ａと磁極Ｂとの間の端部磁石１７４で説明すると、端部磁石１７４の磁極Ａ側の面が磁極Ａと同じＮ極となり、端部磁石１７４の磁極Ｂ側の面が磁極Ｂと同じＳ極となるように、端部磁石１７４は磁化されている。このことにより、磁極Ａの磁極片１８４から磁極Ｂの磁極片１８４への漏れ磁束が大幅に低減される。このような磁化方法に従って全ての端部磁石１７４が磁化されている。なお本実施例は、端部磁石１７４として永久磁石を使用した、漏れ磁束を極めて少なくする理想的な構成を示している。端部磁石１７４の代わりに非磁性体を配置しても漏れ磁束を低減することができる。また、非磁性体の代わりに空隙にしても良い。以下非磁性体を使用した場合の前記非磁性体を空気の場合だけでなく総称して磁気空隙と記す。

端部磁石１７４の外周側には、前記磁極片間をつなぐブリッジ部１８６がそれぞれ回転子鉄心成形時に打ち抜きによって設けられている。このブリッジ部１８６は回転子１５０が回転すると各磁極の主永久磁石１６２や磁極片１８４、その他後述する補助磁石１７２に遠心力が発生し、この遠心力に耐える機械的な構造をとっている。すなわち最高回転速度で発生する上述の遠心力に対して十分耐えられる形状を成している。なお、ブリッジ部１８６を介して磁束が漏えいするが、ブリッジ部１８６が作る磁気回路の断面積が限られているため、ブリッジ部１８６は磁気的に飽和状態となり、漏えい磁束量は少ない。このためブリッジ部１８６が存在しても、回転トルクが大きく減少するようなことは生じない。図３に示す全てのブリッジ部１８６に対して上記説明が成り立ち、さらに回転子１５０の極数が増えた場合に、各磁極間にブリッジ部１８６がそれぞれ設けられるが、これらブリッジ部１８６の全てに対して上記説明が成り立つ。

〔回転子１５０のコギングトルクの低減について〕
固定子１００の各巻線にまったく電流が供給されていない固定子１００の非励磁状態での磁気吸引力に基づくトルク、すなわちコギングトルクについて次に説明する。コギングトルクはトルク脈動の要因となる。本実施例ではコギングトルクを低減するために各磁極片１８４に補助磁石１７２が設けられている。補助磁石１７２を用いてコギングトルクを低減する構成は、図３の構造に限定されるものではなく、補助磁石１７２の位置や補助磁石１７２の形状、さらに補助磁石１７２の数などに付いて色々考えられるが、代表的な例として図３に示す、２個の補助磁石１７２を使用した例を説明する。この補助磁石１７２は磁極片１８４から固定子１００に入り込む磁束の分布あるいは固定子１００から磁極片１８４に戻る磁束の分布を理想的な分布に近づける作用をする。望ましい磁束の分布は、ブリッジ部１８６の近傍の磁束密度がゼロとなり、回転方向に於ける磁極片１８４の中央すなわち電気角の９０度の位置の磁束密度が最も高くなる、正弦波の状態である。なお磁極Ａや磁極Ｃにおける電気角の９０度の位置を軸線Ｃで示している。

今仮に従来技術である磁極片１８４に補助磁石１７２が無い状態と仮定する。この場合例えば磁極Ａの磁極片１８４の磁束は、図４（Ａ）に示す如く隣接する他の磁極の影響を受ける。隣接する他の磁極ＢやＤがそれぞれ逆極性であるため、磁極Ａの中央部の磁束が減少し、磁極Ｂや磁極Ｄに近い方の磁束密度が増大する傾向となる。

図５は、固定子の突極構造を無視して単に均一な鉄心と仮定して、回転子１５０の各磁極において、固定子１００側表面の回転方向に沿った電気角あるいは機械角における磁束密度の変化を示したグラフである。特性Ａは、補助磁石１７２が無いと仮定した従来の構造における磁束密度の変化を示す。この特性Ａでは、隣接する磁極の逆極性の影響を受け、電気角２０度や１６０度の付近に磁束密度の頂点であるピークＧやピークＦが生じる。一方電気角の９０度付近では、中央部磁束密度Ｅとして示した如く、前記２つの頂点の間で最も低い磁束密度を示す。このように従来構造では、電気角２０度や１６０度の付近に磁束密度のピークが表れ、さらにグラフの中央部磁束密度ＥがピークＧ７やピークＦの間において最も磁束密度が低くなっている、特性Ａの磁束密度の状態は、理想である正弦波の状態とは程遠く、大きなコギングトルクを発生する。

図５の特性Ａに示す如く、電気角２０度や１６０の付近に磁束密度のピークであるピークＧ７やピークＦが表れ、一方電気角９０度付近の磁束密度が低くなる原因は、上述した如く隣接する逆極性の磁極の影響である。具体的に説明すると、図４（Ａ）に示す如く、主永久磁石１６２が発生した磁束がそのまま固定子１００に導かれるのではなく、磁束２０８や磁束２１０として示す如く、主永久磁石１６２が作る磁束が、両側に隣接する他磁極の方にそれぞれ引かれ漏洩するためである。

各磁極片１８４に設けた補助磁石１７２は、図４（Ａ）に示す漏洩しようとする磁束２１０や磁束２０８を逆に磁極片１８４の中央部に、磁極Ａや磁極Ｃでは軸線Ｃの方向に、磁束を集めようとする作用をする。図４（Ｂ）はこの様子を模式的に示している。補助磁石１７２は、主永久磁石１６２から外周側に延びるように配置されている。この実施例では主永久磁石１６２に垂直に配置されている、しかし垂直に限るものではない。磁極Ａを例として説明すると、補助磁石１７２は２つの面１７２Ａと１７２Ｂを有していて、磁極片１８４の中央の方を向いている面１７２Ａは、補助磁石１７２が置かれている磁極と同じ極性に磁化されている。また隣接する他の磁極の方を向いている面１７２Ｂは隣接する他の磁極と同じ極性に磁化されている。磁極片１８４に設けられた２つの補助磁石１７２が上記のように磁化されていることにより、磁極片１８４の中央部の磁束が隣接する磁極の方に片寄るのを阻止し、図４（Ｂ）の磁束２０２で示す如く磁極片１８４の中央部に磁束を集める作用をする。また隣接する磁極の方の磁束を図４（Ｂ）の磁束２０４で示す如く、磁極片１８４の中央側に引き寄せる作用をする。

図５の特性Ｂは、２つの補助磁石１７２を設けた図３の実施例における磁極片１８４外周面の磁束密度の状態を示す。電気角２０度および１６０度の部分に生じたピークがピークＫやピークＪで示す如く減少している。一方磁極片１８４の中央部である電気角９０度付近の磁束密度が、中央磁束密度Ｅから中央磁束密度Ｈに大きくなっている。特性Ａで示す磁束密度の状態に対して特性Ｂで示す磁束密度の状態の方が大幅に改善されており、コギングトルクの低減に大きく貢献する。

〔補助磁石１７２の配置に付いて〕
２個の補助磁石１７２の配置は、図３に示す如く、各磁極片１８４の回転方向の中央すなわち電気角９０度に対して略対象の位置になるようにしている。代表して磁極Ａに付いて具体的に説明する。磁極片１８４の回転方向の中央すなわち電気角９０度の位置に軸線Ｃを記載した。２個の補助磁石１７２は主永久磁石１６２に対して垂直でしかも軸線ＣからＬ１／２離れ、軸線Ｃに対して対称の位置に設けられている。

なお２個の補助磁石１７２は主永久磁石１６２に対して垂直に構成しなくても良く、主永久磁石１６２から固定子に向かって伸びている成分があれば、磁極片１８４の磁束密度を改善する作用をする。すなわち、磁極片１８４の回転角における中央部分の磁束が隣接する他の磁極に引かれるのを抑制する効果がある。また磁極片１８４における両端側、すなわち隣接する他の磁極に近い位置の磁束を中央すなわち軸線Ｃの方向に集める効果がある。図４（Ｂ）の磁束２０４の如く補助磁石１７２より他磁極側の部分の磁束を中央の方に集める作用をする。

また図３において、２個の補助磁石１７２間の距離をＬ１とし、磁極Ｂに近い方の補助磁石１７２と主永久磁石１６２の磁極Ｂ側の端部との距離をＬ２とし、磁極Dに近い方の補助磁石１７２と主永久磁石１６２の磁極D側の端部との距離をＬ３とした場合、距離Ｌ１は距離Ｌ２や距離Ｌ３より大きい。また距離Ｌ２と距離Ｌ３は略等しい。このような配置とすることで、図５に示す特性ＡのピークＦおよびピークＧを、特性ＢのピークＪやピークＫの如く低く抑えることができる。また特性Ａの中央部磁束密度Ｅを、特性Ｂの中央部磁束密度Ｈで示す如く、高くすることができる。特性ＡのピークＦおよびピークＧを低く抑えるためには２個の補助磁石１７２を隣接する他の磁極に接近させ、距離Ｌ１を距離Ｌ２や距離Ｌ３より大幅に、例えば２倍程度に大きくすることが望ましい。特性ＡのピークＦおよびピークＧを、特性ＢのピークＪやピークＫの如く低く抑えることで、コギングトルクを大幅に改善することができる。また特性Ａの中央部磁束密度Ｅを、特性Ｂの中央部磁束密度Ｈで示す如く高くすることで、コギングトルクを大幅に改善することができる。

〔補助磁石１７２として永久磁石を使用したことによる効果について〕
本実施例では補助磁石１７２として永久磁石を使用している。このことにより前述の如くコギングトルクを大幅に改善することができる。図４（Ｂ）で説明すると、２個の補助磁石１７２が有する起磁力が主永久磁石１６２の磁束を助ける方向の磁束を発生し、磁極片１８４の中央部分の磁束密度を高くする作用をしている。この作用はコギングトルクの改善に大きく貢献しているがそれだけでなく、この磁束は回転トルクを発生する磁束として作用するので、本実施例のモータが発生する回転トルクの増大に大きく貢献している。今Ｎ極である磁極Ａで具体的に説明したが、図３の磁極Ｂや磁極Ｄで示すＳ極の磁極であっても同様であり、磁極片１８４の回転角における中央部の磁束密度を増大してコギングトルクを改善する作用に加え、モータが発生する回転トルクを増大する効果を奏する。

〔補助磁石１７２と主永久磁石１６２の保持力にいて〕
主永久磁石１６２はモータに回転トルクを与えるための永久磁石である。一方補助磁石１７２は回転子１５０の磁極の外周面、すなわち固定子のティース１１０に対向する面の回転方向の磁束の分布を改善するための永久磁石である。この考えから主永久磁石１６２の保持力より補助磁石１７２の保持力を小さくすることが１つの考え方である。なお、シミュレーションなどによる解析結果では、主永久磁石１６２の保持力に対して補助磁石１７２の保持力を０．７〜０．９程度とすることでコギングトルクを大幅に低減できるとの結果がえられた。

積層された固定子鉄心で作られた１２個のティース１１０が回転子１５０の外周に等間隔に配置された状態で、図３に示す構造の回転子を回転させた場合のコギングトルクの状態をシミュレーションした結果を図６に示す。図６は１つのティース１１０におけるコギングトルクの状態を表しており、各ティース１１０に対して略同様のシミュレーション結果である。図６のグラフは、横軸が各ティース１１０に対応した機械角を表し、縦軸はコギングトルクを表している。グラフG１は、図３に記載された各磁極に設けられている２つの補助磁石１７２が全く無い場合のコギングトルクを示す。グラフG２〜グラフG６は、本発明の実施例である図３に示す構造の回転子１５０を回転させた場合のグラフである。グラフG２〜グラフG６では、２つの補助磁石１７２が無い場合のグラフG１に対してコギングトルクが大きく改善されている。

グラフG２〜グラフG６は、主永久磁石１６２の保持力に対する補助磁石１７２の保持力を変えた場合のコギングトルクの大きさをシミュレーションにより求めた結果である。グラフG２は主永久磁石１６２の保持力に対する補助磁石１７２の保持力が０．５倍の状態のコギングトルクの大きさを表す。グラフG３は主永久磁石１６２の保持力に対する補助磁石１７２の保持力が０．７５倍の状態のコギングトルクの大きさ、グラフG４は主永久磁石１６２の保持力に対する補助磁石１７２の保持力が０．８倍の状態のコギングトルクの大きさ、グラフG５は主永久磁石１６２の保持力に対する補助磁石１７２の保持力が０．８５倍の状態のコギングトルクの大きさ、グラフG６は主永久磁石１６２の保持力に対する補助磁石１７２の保持力が１．０倍の状態のコギングトルクの大きさ、すなわち同じ保持力の状態のコギングトルクの大きさ、をそれぞれ表している。

２つの補助磁石１７２が無い場合のグラフG１では、機械角の５度と２５度においてコギングトルクの大きなピークが存在する。一方グラフG２〜グラフG６では、機械角の５度と２５度におけるコギングトルクのピークが大きく改善されている。このように、磁極片１８４に補助磁石１７２を設けることにより、図３に示すように回転子１５０の各磁極の磁束密度の状態が改善され、図６に示すように固定子の各突極すなわちティース１１０に対するコギングトルクの大きさが大きく改善される。

図７は、図１に示すＩＰＭモータ１において、補助磁石１７２が無い状態の回転子を使用した場合の回転トルクの変動状態を表す。グラフG１は図６に示すグラフG１と同じグラフであり、固定子巻線１２０に電流を供給していない状態のトルク変動、すなわちコギングトルクを示す。一方G１２は、固定子巻線１２０に２（Ａ）の電流を供給した場合のトルク変動を示す。ＩＰＭモータ１をスムーズに始動するには回転トルクがすべての機械角において常に正であることが望ましく、特に人工心臓用ポンプモータでは、３０〔ｍＮ・ｍ〕より大きいトルクがすべての機械角において常に得られることが望ましい。グラフG１２に示すグラフは、２（Ａ）の電流を固定子巻線１２０に供給している状態の回転トルクの変動を示す。機械角５度付近で回転トルクが負の状態であり、また機械角０度〜機械角１０の間は３０〔ｍＮ・ｍ〕の大きさの回転トルクを発生することが困難である。上述のとおり、機械角５度付近で回転トルクが負であり、この角度付近でモータを始動させようとしても全く回転トルクが得られない。このため指導することが困難である。さらに３０〔ｍＮ・ｍ〕の大きさの回転トルクが得られない範囲が大きく、滑らかな回転が不可能である。

図８は、図３に記載の補助磁石１７２を備える本発明が適用された回転子１５０を使用した場合のトルク変動であり、図８に示すグラフＧ６は、図６のグラフＧ６と同じである。図８に示すグラフＧ６は図１に記載の固定子巻線１２０に供給される電流がゼロ（Ａ）の状態のトルク変動すなわちコギングトルクを表し、一方グラフＧ１６は固定子巻線１２０に２（Ａ）の電流を供給した場合のトルク変動である。上述したとおり、図８に示すグラフＧ６はコギングトルクが小さく、グラフＧ１６は全ての機械角において正の回転トルクが正の状態で、しかも機械角１５度付近を除いて３０〔ｍＮ・ｍ〕の大きさの回転トルクが発生している。また機械角１５度付近であっても３０〔ｍＮ・ｍ〕に近い回転トルクが発生している。このためどの機械角においてもスムーズにモータが始動でき、しかも安定した大きな回転トルクが得られ、滑らかな回転が得られる。

〔端部磁石１７４の作用および効果について〕
端部磁石１７４の作用については既に簡単に説明したが、図４（Ｂ）に基づいてここで再び説明する。端部磁石１７４の磁極Ａ側の面は、磁極Ａと同じ極性に磁化されている。一方端部磁石１７４の磁極Ｂ側の面あるいは磁極Ｄ側の面は磁極Ｂあるいは磁極Ｄの極性と同じ極性に磁化されている。この構成により隣接する磁極間の漏れ磁束を大幅に低減できる。また、ブリッジ部１８６は主永久磁石１６２の漏れ磁束ではなく、端部磁石１７４の磁束で十分に飽和状態となるため、主永久磁石１６２の磁束はブリッジ部１８６を通らない。このようなことから漏れ磁束が大幅に低減され、回転トルクの発生に寄与する磁束が効率よくトルク発生に利用される。さらに端部磁石１７４の起磁力自身が回転トルクを発生する方向に作用する。

さらに磁極間にそれぞれ端部磁石１７４として永久磁石を配置し、各端部磁石１７４の磁化方向が上述の方向であるため、各磁極の外周面の磁束の分布状態を改善でき、コギングトルクの低減にも効果がある。これらのことから、端部磁石１７４を設けることで漏れ磁束の低減効果に加え、さらに回転トルクの増大やコギングトルクの低減の効果が得られる。

なお、端部磁石１７４の代わりに非磁性体で構成される空隙を設けてもよい。この空隙により隣接する磁極間の磁束の漏れをある程度低減することができる。しかし本実施例では前記空隙の代わりに端部磁石１７４を設けているので、隣接する磁極間の磁束の漏れをさらに低減できる。さらに、上述したコギングトルクの低減や回転トルクの増大の効果がある。以上のことから端部磁石１７４を使用することで大きな効果を得ている。

〔他の実施例について〕
比較的小型のモータではリラクタンストルクを利用しなくても、回転子１５０に埋設された永久磁石に基づくトルクで十分な回転トルクを作り出すことができる。一方自動車の駆動用モータあるいはより大きなモータでは、大きな回転トルクが必要であり、このため多くの永久磁石を必要とする。モータに使用する永久磁石にはネオジムを始めとし、温度特性の改善などの理由からの色々なレアメタルを使用することとなる。このような理由から永久磁石の使用量をできるだけ抑制することが好ましく、永久磁石に基づくトルク以外にリラクタンストルクを利用して永久磁石の使用量を抑えることか行われている。本願発明はリラクタンストルクを利用したモータにも適用できる。リラクタンストルクを利用したモータへの本発明の適用例を図９および図１０を用いて説明する。なお図１０は図９の部分拡大図である。

図３に記載の実施例では各磁極間には端部磁石１７４が配置され、固定子１００で発生した磁束を通す磁気通路が上述の実施例には存在しなかった。言い換えると永久磁石の磁気抵抗は真空の磁気抵抗に近く非常に大きい値を有している。このため端部磁石１７４の部分は固定子１００が発生する時速を通すことができなかった。さらに磁極片１８４においても補助磁石１７２が存在するため、固定子１００で発生した磁束を通す磁気通路がほとんど存在しなかった。このため図３に記載の実施例ではリラクタンストルクがほとんど発生しなかった。
他の実施例である、図９や図１０に示す回転子１５０の断面図では、隣接する磁極間に固定子１００の固定子巻線１２０が発生する磁束を通す磁気通路が設けられている。このため図１０に示す磁束２１４が各磁極間を通り、各磁極間に補助磁極１９２が形成される。これら補助磁極１９２を通る固定子１００の固定子巻線１２０が発生する磁束２１４の磁気回路は回転子鉄心で構成されており、磁気抵抗が非常に小さい。一方磁束２１４が通る磁気回路に対して電気角で９０度の位相を持つ磁気回路、例えば磁束２１２が通る磁気回路は、磁極Ａを作る主永久磁石１６２と磁極Ｂを作る主永久磁石１６２の２個の永久磁石を横切ることとなる。このため固定子１００の固定子巻線１２０が発生する磁束に対しては非常に大きな磁気抵抗を有することとなる。磁束２１４が通る磁気回路と磁束２１２が通る磁気回路の磁気抵抗の差が非常に大きく、このためリラクタンストルクが発生する。このリラクタンストルクと、回転子１５０の磁極を作る主永久磁石１６２および補助磁石１７２により発生する磁石トルクの合成により、図９および図１０に示す回転子１５０の回転トルクが生じる。図９や図１０に示す補助磁石１７２は、図３および図４を使用して説明した作用および効果と同じであり、コギングトルクの低減大きな効果を奏し、また回転トルクに増大にも大きく貢献する。図９や図１０に示す他の実施例は、上述のとおりリラクタンストルクを利用するモータに、本発明を適用した例である。

図９や図１０に示す他の実施例では、端部磁石１７４の代わりに磁気空隙１７６を有している。磁気空隙１７６は空気が存在する空隙であっても良いし、樹脂などの非磁性体を有していても良い。磁気空隙１７６は非磁性体で作られているため磁気抵抗が大きく、漏えい磁束を低減できる。また磁気空隙１７６と回転子外周との間にはブリッジ部１８８が設けられており、回転子１５０の高速回転時の、主永久磁石１６２や補助磁石１７２、磁極片１８４などに発生する遠心力に対して十分に耐えられる構造となっている。一方漏れ磁束に対しては、ブリッジ部１８６と同様磁気飽和し、漏えい磁束を低減する。なお、すべての前記ブリッジ部に符号を付すと煩雑と成る為、代表して一部のブリッジ部にのみ符号１８６を付しているが、全磁気空隙１７６の外周側には全て前述のブリッジ部１８８が存在し、漏れ磁束を低減している。なお、全磁気空隙１７６の部分にそれぞれ図３および図４に示す永久磁石を設けても良い。但し図３および図４との違いは隣接する磁極間にそれぞれ配置される２つの磁気空隙１７６の位置に代わりにそれぞれ永久磁石が配置され、２つの永久磁石の間にリラクタンストルクを発生するための補助磁極１９２か存在することである。

１…ＩＰＭモータ、１００…固定子、１０２…固定子コアー、１１０…ティース、１１４…補助ティース、１２０…固定子巻線、１３４…回転軸方向制御巻線、１３６…傾斜制御巻線、１５０…回転子、１５２…回転子鉄心、１６２…主永久磁石、１７２…補助磁石、１７４…端部磁石、１７６…磁気空隙、１８４…磁極片、１８６…ブリッジ部、１８８…ブリッジ部、１９２…補助磁極、２０２…磁束、２０４…磁束、２０８…磁束、２１２…磁束、２１４…磁束。

Claims (8)

1. 固定子鉄心に巻回された複数個の固定子巻線を有し、回転磁界を発生する固定子と、
   複数個の磁極を作るための複数個の主永久磁石が回転子鉄心に埋め込まれ、回転トルクを発生して回転する回転子と、を有し、
   前記回転子は、前記主永久磁石を前記回転子鉄心に埋め込むことにより、前記各主永久磁石より前記固定子側に位置する前記回転子鉄心にそれぞれ磁極片を形成し、
   前記回転子鉄心に埋め込まれた複数個の前記主永久磁石の前記固定子側の極性が、前記回転子の回転方向に沿って磁極毎に交互に変化しており、
   前記磁極片には、さらに磁束を前記磁極片の中央部に集めるための複数個の補助永久磁石が埋め込まれ、前記複数個の補助永久磁石はそれぞれ前記主永久磁石から前記固定子方向に延びる形状を成しており、
   前記複数個の補助永久磁石は、前記磁極片の回転方向に於ける中心に対して左右の方向に分けて設けられ、
   前記複数個の補助永久磁石が設けられることにより前記主永久磁石は、前記複数個の補助永久磁石に挟まれた前記主永久磁石の中央部と、前記複数個の補助永久磁石の外側に位置する端部である前記複数個の補助永久磁石の左側および右側の補助永久磁石より隣接する磁極側に位置する前記主永久磁石の端部と、に分けられ、
   前記左右に設けられた補助永久磁石の隣接する磁極側の面が、前記補助永久磁石により分けられた前記主永久磁石の前記端部の固定子側の面に対して、異なる極性に磁化されており、
   前記左右に設けられた補助永久磁石は、回転方向に於ける前記磁極片の中央部側の面の極性が、前記磁極片の極性と同じになるように磁化されており、これにより前記主永久磁石の前記端部の磁束が前記左右の補助永久磁石を介することにより前記磁極片の中央部を通る磁気回路が形成される、
   ことを特徴とする永久磁石埋込型モータ。
2. 固定子鉄心に巻回された複数個の固定子巻線を有し、回転磁界を発生する固定子と、
   複数個の磁極を作るための複数個の主永久磁石が回転子鉄心に埋め込まれ、回転トルクを発生して回転する回転子と、を有し、
   前記回転子は、前記主永久磁石を前記回転子鉄心に埋め込むことにより、前記各主永久磁石より前記固定子側に位置する前記回転子鉄心にそれぞれ磁極片を形成し、
   前記回転子鉄心に埋め込まれた複数個の前記主永久磁石の前記固定子側の極性が、前記回転子の回転方向に沿って磁極毎に交互に変化しており、
   前記磁極片には、さらに磁束を磁極片の中央部に集めるための複数個の補助永久磁石が埋め込まれ、前記複数個の補助永久磁石はそれぞれ前記主永久磁石から前記固定子の方向に延びる形状を成しており、
   前記複数個の補助永久磁石は前記磁極片の回転方向に於ける中心に対して左右の位置に分けて設けられ、
   前記複数個の補助永久磁石を設けることにより前記磁極片は、前記複数個の補助永久磁石に挟まれた前記磁極片の中央部と、前記複数個の補助永久磁石の外側の部分である前記複数個の補助永久磁石の左側および右側の補助永久磁石より隣接する磁極側にそれぞれ位置する前記磁極片の端部と、に分けられ、
   前記複数個の補助永久磁石の隣接する磁極側の面がそれぞれ、前記補助永久磁石の隣接する磁極側の前記磁極片の前記端部の磁束が前記補助永久磁石を通る方向の極性に磁化されおり、これにより前記主永久磁石の前記端部の磁束が前記左右の補助永久磁石を介することにより前記磁極片の中央部を通る磁気回路が形成される、
   ことを特徴とする永久磁石埋込型モータ。
3. 請求項１あるいは請求項２に記載の永久磁石埋込型モータにおいて、前記磁極片と隣接する前記磁極片との間に、磁束の漏れを低減するためのブリッジ部が形成され、前記磁極片の中央部を挟んで両側にそれぞれ配置された前記補助永久磁石の間の距離Ｌ1が、一方の前記補助永久磁石と前記一方の補助永久磁石の側の前記主永久磁石の端との間の距離Ｌ２、あるいは他方の前記補助永久磁石と前記他方の補助永久磁石の側の前記主永久磁石の端との間の距離Ｌ３、よりも長い、ことを特徴とする永久磁石埋込型モータ。
4. 請求項１乃至請求項３の内の一に記載の永久磁石埋込型モータにおいて、前記補助永久磁石の保持力が、前記磁極を作るための前記主永久磁石の保持力より小さい、ことを特徴とする永久磁石埋込型モータ。
5. 請求項４に記載の永久磁石埋込型モータにおいて、前記補助永久磁石の保持力が、前記磁極を作るための前記主永久磁石の保持力に対して０．７５倍から０．８５倍の範囲にある、ことを特徴とする永久磁石埋込型モータ。
6. 請求項１乃至請求項３の内の一に記載の永久磁石埋込型モータにおいて、前記補助永久磁石の保持力が、前記磁極を作るための前記主永久磁石の保持力より大きい、ことを特徴とする永久磁石埋込型モータ。
7. 請求項１乃至請求項６の内の一に記載の永久磁石埋込型モータにおいて、
   前記磁極を構成する前記磁極片と隣接する前記磁極片との間に、リラクタンストルクを発生するための補助磁極が形成されている、ことを特徴とする永久磁石埋込型モータ。
8. 請求項１乃至請求項７の内の一に記載の永久磁石埋込型モータにおいて、
   前記固定子は、前記回転子に回転トルクを発生するための固定子巻線の他に、前記固定子に対する前記回転子の位置や傾斜を制御するための制御巻線を有し、前記回転子を磁気的に支持する、ことを特徴とする永久磁石埋込型モータ。

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