JP2002165391A - 同期電動機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ロータとステータとで構成される磁気回路の
磁気抵抗の、ロータの回転位置による変化を抑制した同
期モータを提供する。 【解決手段】 ステータコアのティース部（４ｂ）に巻
線を集中巻してなるステータと、永久磁石（３）を内部
に埋め込んだロータとを有する磁石埋め込み型同期電動
機において、テイース部（４ｂ）の中央付近における磁
気抵抗を、テイース部の他の部位よりも大きくする磁気
抵抗調整手段（８）を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明はロータに永久磁石を
利用した同期電動機（同期モータ）に関し、特に巻線を
ステータコアに集中巻し、永久磁石をロータコア内部に
埋め込んで設置した、集中巻永久磁石埋め込み同期モー
タに関する。

【０００２】

【従来の技術】永久磁石をロータ内部に埋め込んだ永久
磁石埋め込み同期モータは、フレミングの法則によって
生じるマグネットトルクのほか、ロータの磁石のある部
位と磁石の無い部位とのインダクタンスの差によってリ
ラクタンストルクが発生するため、トルクが大きく、高
効率である。さらに、永久磁石による磁束を打ち消す方
向にコイル磁束を作用させる、いわゆる弱め界磁制御に
より、広範な条件での運転が可能であり、高い出力を得
ることもできるので、近年広く利用されている。特に、
ステータコアのティース部にコイルを集中巻したモータ
は、分布巻したモータと比較して、小型化が図れ、また
製造工程が簡素化できることから低コストであるので注
目されている（例えば、特開２０００−６９７１７号公
報）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような従
来の集中巻の永久磁石埋め込み同期モータにあっては、
ロータの回転位置によってロータとステータとで構成さ
れる磁気回路の磁気抵抗が大きく変化するため、ロータ
の内部に埋め込まれた永久磁石内の磁束密度が変動し、
この磁束密度の変化に応じた渦電流が永久磁石内部に発
生し、渦電流が生じるジュール熱による磁石の温度上昇
により、モータのトルクの低下、効率の悪化を招いてい
た。このことは、特に導電性の高い希土類磁石を使用し
ている場合には顕著であった。

【０００４】さらに、この問題は、永久磁石から発生す
る磁束を打ち消す方向にコイル電流を流す、弱め界磁制
御を行った場合に顕著となる。すなわち、永久磁石の位
置に、コイルが作る磁束密度（磁界強度）がロータの回
転位置によって変化するので、前述と同様に、この磁束
密度の変動に応じた渦電流が生じるジュール熱により磁
石が発熱し、トルクの低下や効率の悪化、さらには永久
磁石が減磁してしまうおそれがあった。

【０００５】このような永久磁石内部の渦電流の発生を
抑制するために、導電性の低い磁性体（例えば、フェラ
イトなど）による永久磁石を使用したり、永久磁石を軸
方向に積層するなど、永久磁石の電気抵抗を増大させる
ことが考えられる。しかし、フェライト磁石は、希土類
磁石と比較して、同じ大きさの磁石が生じる磁束密度が
低いため、フェライト磁石を使用して所望のトルク、出
力を発生するためにはモータが大型化してしまう。ま
た、希土類磁石を積層して磁石を構成すると、積層によ
り磁石が弱くなるため、磁石の体積を増加させる必要が
ある。さらに、磁石の製造に積層工程を必要とするの
で、磁石の価格が上昇するという問題があった。

【０００６】本発明は、ロータとステータとで構成され
る磁気回路の磁気抵抗の、ロータの回転位置による変化
を抑制した同期モータを提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】第１の発明は、ステータ
コアのティース部に巻線を集中巻してなるステータと、
永久磁石を内部に埋め込んだロータとを有する磁石埋め
込み型同期電動機において、前記テイース部の中央付近
における磁気抵抗を、前記テイース部の他の部位よりも
大きくする磁気抵抗調整手段を有する。

【０００８】第２の発明は、第１の発明において、前記
磁気抵抗調整手段は、前記ティース部の中央付近に設け
られた穴であることを特徴とする。

【０００９】第３の発明は、第２の発明において、前記
ステータコアは前記ロータの軸方向に電磁鋼板を積層し
て構成されており、前記穴は前記ステータコアを構成す
る電磁鋼板のうち一部の電磁鋼板にのみ設けられている
ことを特徴とする。

【００１０】第４の発明は、第１の発明において、前記
磁気抵抗調整手段は、前記ティース部の中央付近に設け
られた塑性変形部であることを特徴とする。

【００１１】第５の発明は、第４の発明において、前記
ステータコアは前記ロータの軸方向に電磁鋼板を積層し
て構成されており、前記塑性変形部は前記強磁性体に成
形された凸部であることを特徴とする。

【００１２】第６の発明は、第１の発明において、前記
磁気抵抗調整手段は、前記ティース部が前記ロータに対
向する面の前記ティース部の中央付近に対応する位置に
設けられた凹部であることを特徴とする。

【００１３】第７の発明は、第６の発明において、前記
凹部の縁は曲面により構成されていることを特徴とす
る。

【００１４】第８の発明は、第１〜第７の発明におい
て、前記永久磁石は、希土類磁石であることを特徴とす
る。

【００１５】

【発明の作用および効果】第１の発明では、テイース部
の中央付近における磁気抵抗を、テイース部の他の部位
よりも大きくする磁気抵抗調整手段を有するので、ティ
ース部の中央付近の磁気抵抗を大きくすることができ、
弱め界磁状態での、モータの回転に伴う永久磁石の磁束
密度の変化を抑制することができる。

【００１６】第２の発明では、磁気抵抗調整手段として
ティース部の中央付近に穴を設けたので、上記第１の発
明に係る効果の他に、簡単な手段（加工）で磁気抵抗を
大きくすることができる。

【００１７】第３の発明では、ステータコアを構成する
電磁鋼板のうち一部の電磁鋼板にのみ穴を設けたので、
上記第１の発明に係る効果の他に、穴を設けた電磁鋼板
と穴を設けない電磁鋼板との比率を調整して積層するこ
とで磁気抵抗の増大を調整することができる。

【００１８】第４の発明では、磁気抵抗調整手段とし
て、ティース部の中央付近に塑性変形部を設けたので、
上記第１の発明に係る効果の他に、簡単な手段（加工）
で磁気抵抗を大きくすることができできる。また、第２
の発明のような穴では磁気抵抗の増大効果が大きすぎる
ときに、磁気抵抗を適正値に調整することができる。

【００１９】第５の発明では、塑性変形部として、強磁
性体を積層したステータコアに成形された凸部を設けた
ので、上記第４の発明に係る効果の他、積層の際の固定
手段としても利用できる。

【００２０】第６の発明では、磁気抵抗調整手段とし
て、ティース部の中央付近のティース部がロータに対向
する面に凹部を設けたので、ティース部中央付近のステ
ータとロータとの空隙長を部分的に大きくすることによ
り、上記第１の発明に係る効果の他に、簡単な手段（加
工）で磁気抵抗を大きくすることができる。

【００２１】第７の発明では、凹部の縁を曲面により構
成したので、上記第６の発明に係る効果の他に、永久磁
石内に誘起する電圧の高調波成分の発生を抑制すること
ができる。

【００２２】第８の発明では、永久磁石に希土類磁石を
使用したので、上記各発明に係る効果の他に、渦電流を
抑制しつつ、大きなトルクを発生でき、モータを小型化
することができる。

【００２３】

【発明の実施の形態】次に、本発明の第１の実施の形態
について図面を参照して説明する。

【００２４】図１は、本発明の第１の実施の形態の同期
モータの断面図である。

【００２５】ロータコア１は環状の軟磁性体の薄板（例
えば、ケイ素鋼板）を複数枚重ねた積層構造を有してお
り、内部に磁石を設置するための溝２が設けられてい
る。溝２には、モータの半径方向に着磁された永久磁石
３が挿入されており、隣接する永久磁石は磁極の向きが
逆になるように配置されている。本実施の形態では、永
久磁石３−１はステータ側（モータの外側）にＮ極が表
れ、軸側（モータの内側）にＳ極が表れるように配置さ
れている。一方、永久磁石３−１に隣接する永久磁石３
−２は、永久磁石３−１と反対に、ステータ側（モータ
の外側）にＳ極が表れ、軸側（モータの内側）にＮ極が
表れるように配置されている。以上、ロータコア１、溝
２に配置された永久磁石３でモータのロータが構成され
ている。

【００２６】ステータコア片４は、軟磁性体の薄板（例
えば、ケイ素鋼板）を複数枚重ねた積層構造となってい
る。ステータコア片４は外周部のヨーク部４ａと中心部
のティース４ｂからなっている。ステータコア片４のテ
ィース部４ｂにはそれぞれコイル５、６、７が集中巻さ
れている。コイル５、６、７には互いに位相の１２０°
ずつずれた三相交流が流される。ティース４ｂの中央付
近にはステータコア片４を貫通する穴８が設けられてお
り、この穴８によってティース４ｂの中央部の磁気抵抗
が増大するようになっている。

【００２７】こうして構成されたステータコア片４は、
図に示すように複数個環状に並べられ、溶接等により固
定されてモータのステータコアを構成している。そし
て、ステータコアは、ティース４ｂがロータの外周面に
対向して、ロータコア１とステータコアとの間にエアギ
ャップ９が生じるように、ロータの外側にロータと同心
円状に配置されている。

【００２８】なお、本実施形態のロータは６個の磁石を
有し（六つの磁極が生じ）、ステータは９個のティース
（９個のコイル）を有する、６極９スロットの永久磁石
埋め込み型同期モータであるが、本発明は他の磁極数、
スロット数の組み合わせの永久磁石埋め込み型同期モー
タにも適用できる。

【００２９】次に本実施の形態の同期モータの動作につ
いて図２、図３を参照して説明する。図２、図３は、本
発明の第１の実施の形態の同期モータの部分断面図であ
り、矢線により磁束線が示されている。

【００３０】まず、図２によりコイル５、６、７に電流
が流れていない状態を説明する。ロータの磁石３−１の
Ｎ極から出た磁束は、ロータコア１からエアギャップ９
を通り、ステータコア片４のティース４ｂ、ヨーク部４
ａ、隣接するステータコア片４のヨーク部４ａ、ティー
ス４ｂを経た後、隣接する永久磁石３−２のＳ極へと入
る。また、永久磁石３−２のＮ極から出た磁束は、ロー
タコア１内を通って永久磁石３−１のＳ極へ至り、閉じ
た磁気回路をなす。

【００３１】次に、図３によりコイル５、６、７に電流
を流した状態を説明する。図３は弱め界磁状態であり、
永久磁石３−１、３−２が生じる磁束を打ち消す方向に
コイル５、６、７に電流が流れている。

【００３２】弱め界磁状態では、ロータとステータが図
３に示す位置関係にある場合には、コイル６とコイル７
とには、コイル５の電流値に対して、電流値が１／２で
逆向きの電流が流れる。このときコイル５、６、７の作
る磁束は図中（ａ）のようになり、永久磁石３−１、３
−２が作る磁束を打ち消して、全体として磁束を弱める
ことになる。

【００３３】ここで、ティース４ｂに穴８を設けていな
い場合を考えると、永久磁石３−１に作用する弱め界磁
の強さと、永久磁石３−２に作用する弱め界磁の強さは
異なる。なぜなら、永久磁石３−１の正面にはテイース
４ｂがあり、磁束密度が大きく、永久磁石３−１には強
い磁界が弱め界磁として作用する。よって、永久磁石３
−１のＮ極から出た磁束はロータコア１内を通って自身
のＳ極へ戻るループ（ｂ）を構成するので、ロータコア
１内で磁束が閉じる飽和状態となっており、磁気抵抗が
大きくなっている。

【００３４】もう一方の永久磁石３−２においては、永
久磁石３−２のＮ極から出た磁束はロータコア１内を通
って自身のＳ極に戻るループ（ｃ）を構成する。さら
に、永久磁石３−２による磁束を妨げる他の磁束が存在
しないので、永久磁石３−２のＮ極から出た磁束はエア
ギャップ９を介してティース４ｂを通り、Ｓ極へ戻るよ
うなループ（ｄ）を構成する。よって、弱め界磁によっ
ても永久磁石３−２が発生する磁束はあまり減少するこ
とはない。

【００３５】ここでロータは回転駆動されているから、
ロータが６０°回転すると、永久磁石３−１は永久磁石
３−２の位置まで回転して、磁束密度の高いところと磁
束密度の低いところを順に移動していく。そのため、永
久磁石３に加わる磁束密度（永久磁石内部の磁束密度）
は、図４の破線に示すような比較的大きい振幅での変化
を繰り返す。この磁束密度の変化により、永久磁石内部
に渦電流が生じ、この渦電流により永久磁石が発熱す
る。

【００３６】本発明では、ティース４ｂに穴８を設けて
いるので、ティース４ｂの中央付近での磁気抵抗は大き
くなり、永久磁石３−１の位置で永久磁石に作用する磁
束密度は弱くなる。一方、永久磁石３−２について見れ
ばＮ極を出てエアギャップ９を介してテイース４ｂを通
る磁路中に穴８があるため、この磁路における磁気抵抗
が大きくなり穴８を設けない場合と比較して磁石が発生
する磁束が小さくなる。そのため、永久磁石３−１に作
用する弱め界磁の強さは、永久磁石３−２に作用する弱
め界磁の強さに近いものとなる。すなわち、各永久磁石
について発生磁束が大きいところと、発生磁束が小さい
ところとの磁束密度の値の差が小さくなる。このときの
磁束密度の変化を図４の実線で表す。前述した穴８を設
けない場合と比較して、磁束密度の変化の振幅を小さく
することができる。

【００３７】以上説明した第１の実施の形態では、穴６
の左右端部が細くなる形状にしたので、ロータの回転に
伴う磁束密度は急激に変化することがない。

【００３８】また、前述した第１の実施の形態において
は、穴６はステータを貫通する穴であるが、貫通してい
ない穴でもよい。具体的には積層された強磁性体板の一
部に穴８を設けて、ヨーク片４を構成する。

【００３９】さらに、穴６内にはステータを構成する強
磁性体と透磁率が異なる他の物質を充填してもよい。ま
た、当初からステータの内部に透磁率が異なる材質を含
む複合材料で構成してもよい。

【００４０】このように第１の実施の形態では、ステー
タコア片４のティース４ｂの中央付近に穴８を設けたの
で、ティース４ｂの中央付近の磁気抵抗を大きくするこ
とができ、弱め界磁状態での、ロータの回転に伴う永久
磁石の磁束密度の変化の振幅を小さくすることができ
る。よって、永久磁石内部に発生する渦電流を抑制し、
永久磁石の発熱を低減できる。

【００４１】図５は、本発明の第２の実施の形態の同期
モータのステータの構造図である。

【００４２】第２の実施の形態では、第１の実施の形態
でステータコア片４に形成した穴８に代わって、ステー
タコア片４を構成する薄板４ｃの各々に、プレス等で成
形された凸部４ｄを設けている。この凸部４ｄは薄板４
ｃが積み重ねられる際、カシメ機構として作用し、複数
枚の薄板４ｃを固定して積層ステータコア片４を形成す
る。図６に、複数枚の薄板４ｃが積層された状態のステ
ータコア片４の断面（図５のＡ−Ａ断面）を示す。

【００４３】この凸部４ｄはカシメ機構としての他、磁
気抵抗としても作用する。すなわち、磁性体に大きな力
を加え塑性変形させると、その部位の透磁率は低下す
る。凸部４ｄはプレス等により押し出し加工されている
ので、第１の実施の形態における穴８と同様に、磁気抵
抗を増加させる磁気抵抗調整手段として作用する。そし
て、この凸部４ｄをティース４ｂの中央付近に設けるこ
とにより、ティース４ｂの中央付近の磁気抵抗を大きく
することができる。

【００４４】このように第２の実施の形態では、ヨーク
片４のティース４ｂの中央付近に塑性変形部としての凸
部４ｄを設けたので、ティース４ｂの中央付近の磁気抵
抗を大きくすることができ、弱め界磁状態での、ロータ
の回転に伴う永久磁石の磁束密度の変化の振幅を小さく
することができるので、永久磁石内部に発生する渦電流
を抑制し、永久磁石の発熱を低減できる。また、固定用
カシメ機構により磁気抵抗を調整できるので、他の部位
に固定用カシメ機構を形成する必要がなく、製造コスト
を低減することができる。

【００４５】図７は、本発明の第３の実施の形態の同期
モータのステータの断面図である。

【００４６】第３の実施の形態では、第１の実施の形態
でステータコア片４に形成した穴８に代わって、ステー
タコア片４のロータに対向する面に凹部４ｅを設けてい
る。この凹部４ｅは部分的にロータとステータとの間の
エアギャップ９を大きくすることになり、凹部４ｅが設
けられた部位の磁気抵抗は増大するので、凹部４ｅは第
１の実施の形態における穴８と同様に磁気抵抗調整手段
として作用する。そして、この凹部４ｅをティース４ｂ
の中央付近に設けることにより、ティース４ｂの中央付
近の磁気抵抗を大きくすることができる。

【００４７】さらに、凹部４ｅの縁４ｆを滑らかな曲面
で構成している。凹部４ｅの縁に角があると、ロータの
回転に伴う磁気回路中の磁気抵抗が急激に変化するた
め、永久磁石の移動によってコイルに発生する誘起電圧
が高調波成分を多く含むことになる。この誘起電圧に高
調波成分が多く含まれていると電流制御を行う際の制御
性が悪化する。そこで、凹部４ｅの縁４ｆを滑らかな曲
面で構成することによりロータの回転に伴い磁気抵抗を
滑らかに変化させるようにしている。この凹部４ｅの角
部４ｆを滑らかにしたティース４ｂの拡大図を図８に示
す。

【００４８】このように第３の実施の形態では、ステー
タコア片４のティース４ｂの中央付近のロータに対向す
る面に凹部４ｅを設けたので、ティース４ｂの中央付近
の磁気抵抗を大きくすることができ、弱め界磁状態で
の、ロータの回転に伴う永久磁石の磁束密度の変化の振
幅を小さくすることができるので、永久磁石内部に発生
する渦電流を抑制し、永久磁石の発熱を低減できる。ま
た、凹部４ｅの縁４ｆを滑らかな曲面で構成したので、
ロータの回転に伴う磁気抵抗の急激な変化を抑制して、
電流制御性を悪化させることがない。

【図面の簡単な説明】

【図１】 第１の実施の形態の同期モータの断面図であ
る。

【図２】 第１の実施の形態の同期モータの磁束を説明
する図である。

【図３】 第１の実施の形態の同期モータの磁束を説明
する図である。

【図４】 第１の実施の形態の同期モータの磁束密度の
変化を示す図である。

【図５】 第２の実施の形態の同期モータのステータコ
アの構造図である。

【図６】 第２の実施の形態のステータコアの断面図で
ある。

【図７】 第３の実施の形態の同期モータのステータの
断面図である。

【図８】 第３の実施の形態の同期モータのティース部
の拡大図である。

【符号の説明】

１ ロータコア ２ 溝 ３ 永久磁石 ４ ステータコア片 ４ａ ヨーク部 ４ｂ ティース ４ｃ 薄板 ４ｂ 凸部 ４ｅ 凹部 ４ｆ 凹部の縁 ５、６、７ コイル ８ 穴 ９ エアギャップ

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０２Ｋ 1/27 ５０１ Ｈ０２Ｋ 1/27 ５０１Ｋ ５０１Ｍ 21/14 21/14 Ｍ (72)発明者 塚本 雅裕 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産 自動車株式会社内 Ｆターム(参考） 5H002 AA09 AB06 AC06 AC08 AE07 5H621 GA01 GA04 GA14 GA16 HH01 JK02 JK05 5H622 AA03 CA02 CA07 CB05 CB06 DD01 PP10 PP11

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ステータコアのティース部に巻線を集中
   巻してなるステータと、 永久磁石を内部に埋め込んだロータとを有する磁石埋め
   込み型同期電動機において、 前記テイース部の中央付近における磁気抵抗を、前記テ
   イース部の他の部位よりも大きくする磁気抵抗調整手段
   を有することを特徴とする同期電動機。
2. 【請求項２】 前記磁気抵抗調整手段は、前記ティース
   部の中央付近に設けられた穴であることを特徴とする請
   求項１に記載の同期電動機。
3. 【請求項３】 前記ステータコアは前記ロータの軸方向
   に電磁鋼板を積層して構成されており、 前記穴は前記ステータコアを構成する電磁鋼板のうち一
   部の電磁鋼板にのみ設けられていることを特徴とする請
   求項２に記載の同期電動機。
4. 【請求項４】 前記磁気抵抗調整手段は、前記ティース
   部の中央付近に設けられた塑性変形部であることを特徴
   とする請求項１に記載の同期電動機。
5. 【請求項５】 前記ステータコアは前記ロータの軸方向
   に電磁鋼板を積層して構成されており、 前記塑性変形部は前記強磁性体に成形された凸部である
   ことを特徴とする請求項４に記載の同期電動機。
6. 【請求項６】 前記磁気抵抗調整手段は、前記ティース
   部が前記ロータに対向する面の前記ティース部の中央付
   近に対応する位置に設けられた凹部であることを特徴と
   する請求項１に記載の同期電動機。
7. 【請求項７】 前記凹部の縁は曲面により構成されてい
   ることを特徴とする請求項６に記載の同期電動機。
8. 【請求項８】 前記永久磁石は、希土類磁石であること
   を特徴とする請求項１から７のいずれか一つに記載の同
   期電動機。