JP2018137853A - 埋込磁石同期モータ - Google Patents

Abstract

【課題】磁力が大きく異なる希土類磁石とフェライト磁石を非対称に配置することでマグネットトルクとリラクタンストルクの位相差を縮小し、希土類磁石の使用量を半減し、かつ従来の希土類磁石モータと同等のトルクを得る。【解決手段】１極あたりのフェライト磁石６は、回転子３の径方向に間隔を置いて複数の層６１〜６３が配置される。１極あたりの希土類磁石７は、第１希土類磁石７１と第２希土類磁石７２を有し、第１希土類磁石７１は、隣接する磁極同士に係る回転軸５に最も近い第３層６３同士の間に位置し、第１希土類磁石７１を挟む２つの第３層６３の一方には第２希土類磁石７２が径方向外側に配置され、他方にはフラックスバリア８が径方向外側に配置される。フェライト磁石６及び希土類磁石７は、マグネットトルクが最大となる電流位相角とリラクタンストルクが最大となる電流位相角の位相差が４５度よりも小さくなるように着磁される。【選択図】図１

Description

本発明は、回転子の内部に永久磁石が埋め込まれる埋込磁石同期モータに関するものである。

モータは産業機械、電気機器、自動車など様々な分野に応用されており、国内の電力消費量の約６割をモータが占めている。また、近年の地球環境保護や省エネルギー化への関心の高まりから、モータの中でも、高効率モータとして高性能な希土類磁石を用いた永久磁石モータが、多様な分野に適用され、近年急速に普及している。しかし、永久磁石モータの省エネルギー化・高性能化の要となる希土類磁石は特定の国からの供給に依存しているため、価格の高騰や安定供給の面で不安がある。そのため、モータの性能は維持したままで希土類の使用量を削減する、省レアアースモータの開発が望まれている。しかしながら、単純に希土類磁石の使用量を削減するだけではモータの性能が低下してしまうため、構造の工夫が必要である。

埋込磁石同期モータ（ＩＰＭＳＭ：Interior Permanent Magnet Synchronous Motor）はマグネットトルクに加えリラクタンストルクを活用できるため、高トルク化を図ることができる。リラクタンストルクを利用することで、フェライト磁石を用いた場合でも希土類磁石と同等の出力特性・出力密度および効率特性を達成した報告もあるが（非特許文献１及び２参照）、フェライト磁石のみでは希土類磁石モータと同等のトルク密度を出すことは困難である。

また、一般的な埋込磁石同期モータでは、マグネットトルクが最大となる電流位相角とリラクタンストルクが最大となる電流位相角には４５度の位相差が生じるが、磁石を非対称に配置することでトルクの位相をずらし、総合トルクを向上させる検討もなされている（非特許文献３及び４参照）。例えば、特許文献１には、回転子鉄心の表層部に、所定の半径方向深さで所定の回転角度に亘って固定子内周との間の磁気的な距離を隔てる円弧状の磁極間隙部を配置し、２成分のトルクの位相差を縮小する発明が記載されている。

特開２０１３−２３００８０号公報

真田雅之・井上征則・森本茂雄：「フェライト磁石を用いた高性能PMASynRMの構造と特性」、電気学会論文誌、Vol. 13、No. 12、 pp.1401-1407 (2011) 森本茂雄・真田雅之：「省エネモータの原理と設計法〜永久磁石同期モータの基礎から設計・制御まで〜」、科学情報出版株式会社 (2013) 日経Automotive Technology・日経エレクトロニクス：「次世代車載モータ技術2012-2013」、日経BP社 (2012) Wenliang Zhao, Dezhi Chen, Thomas A. Lipo, and Byung-II Kwon : "Performance Improvement of Ferrite-Assisted Synchronous Reluctance Machines Using Asymmetrical Rotor Configurations", IEEE Trans. Magn., Vol. 51, No. 11, Art. ID 8108504 (2015)

しかしながら、特許文献１に記載の発明では、主磁路に大きな磁気抵抗が存在し、主磁束が減少するので、従来の希土類磁石モータと同等のトルクを得るためには、希土類磁石の使用量の大幅な削減が望めない。

そこで、本発明では、磁力が大きく異なる希土類磁石とフェライト磁石を非対称に配置することでマグネットトルクとリラクタンストルクの位相差を縮小し、希土類磁石の使用量を半減し、かつ従来の希土類磁石モータと同等のトルクを得られる埋込磁石同期モータを提供することを課題とする。

前述した目的を達成するための本発明は、回転子鉄心にフェライト磁石及び希土類磁石が埋め込まれることによって、交互に相異なる極性を有する複数の磁極が構成される回転子と、前記回転子の外側にエアギャップを介して配置される固定子と、を有し、１磁極あたりの前記フェライト磁石は、前記回転子の径方向に間隔を置いて複数の層が配置され、前記層は、それぞれ、前記回転子が固定される回転軸の軸方向に直交する軸直交平面による断面が前記回転子の回転中心側に凸の湾曲形状を有し、１磁極あたりの前記希土類磁石は、第１希土類磁石及び第２希土類磁石によって構成され、前記第１希土類磁石は、隣り合う一方の磁極の前記回転軸に最も近い前記層と、他方の磁極の前記回転軸に最も近い前記層とに挟まれる位置に配置され、前記第１希土類磁石を挟む２つの前記層の一方の端部には前記第２希土類磁石が前記径方向外側に配置され、他方の端部にはフラックスバリアが前記径方向外側に配置され、前記フェライト磁石及び前記希土類磁石は、マグネットトルクが最大となる電流位相角とリラクタンストルクが最大となる電流位相角の位相差が４５度よりも小さくなるように着磁されることを特徴とする埋込磁石同期モータである。本発明によって、磁力が大きく異なる希土類磁石とフェライト磁石を非対称に配置することでマグネットトルクとリラクタンストルクの位相差を縮小し、希土類磁石の使用量を半減し、かつ従来の希土類磁石モータと同等のトルクを得られる埋込磁石同期モータを提供することができる。

本発明における前記層は、それぞれ、軸直交平面において前記回転中心から延びる直線を対称軸として線対称の形状を有し、前記固定子と対向する面と、前記回転軸と対向する面とで異なる磁極に着磁され、前記第１希土類磁石は、前記固定子と対向する面と、前記回転軸と対向する面とで異なる磁極に着磁され、前記第２希土類磁石は、前記フラックスバリアと対向する面と、その反対の面とで異なる極性に着磁されるようにしても良い。これによって、埋込磁石同期モータの磁極中心は、フェライト磁石のみの着磁方向と、希土類磁石の着磁方向の中間に位置することになり、マグネットトルクが最大となる電流位相角とリラクタンストルクが最大となる電流位相角の位相差が４５度よりも小さくなり、総合トルクの最大値を大きくすることができる。

また、本発明における前記第１希土類磁石は、前記第１希土類磁石を挟む２つの前記層に連接され、前記第１希土類磁石を挟む２つの前記層の一方には前記第２希土類磁石が連接され、他方には前記フラックスバリアが連接されるようにしても良い。これによって、第１希土類磁石及び第２希土類磁石の端部からの漏れ磁束を減らすことができる。

また、本発明における前記第１希土類磁石の前記固定子と対向する面は、前記第２希土類磁石の前記固定子と対向する面と直交し、前記第１希土類磁石の前記固定子と対向する面は、前記フラックスバリアの前記第２希土類磁石と対向する面と直交するようにしても良い。これによって、第１希土類磁石及び第２希土類磁石からの磁束は、回転子鉄心内に漏れずに鎖交磁束となり、マグネットトルクが増大する。

本発明により、磁力が大きく異なる希土類磁石とフェライト磁石を非対称に配置することでマグネットトルクとリラクタンストルクの位相差を縮小し、希土類磁石の使用量を半減し、かつ従来の希土類磁石モータと同等のトルクを得られる埋込磁石同期モータを提供することができる。

本発明の実施形態に係る埋込磁石同期モータの構造を示す断面図 本発明の実施形態に係る回転子の一部分を示す部分断面図 比較例及び実施例に係る埋込磁石同期モータの形状を示す断面図 比較例及び実施例に係る永久磁石の着磁方向を示す断面図 比較例及び実施例に係る無励磁時の磁束の流れを示す断面図 比較例及び実施例に係るギャップ磁束密度分布を示す図 比較例に係る巻線電流による自足の流れを示す断面図 実施例に係る巻線電流による自足の流れを示す断面図 実施例に係る電流位相とマグネットトルク、リラクタンストルク及び総合トルクとの関係を示す図

以下、図１、図２を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る埋込磁石同期モータ１の構造を示す断面図である。図２は、本発明の実施形態に係る回転子３の一部分を示す部分断面図である。

図１、図２に示すように、埋込磁石同期モータ１は、筐体に固定される固定子２と、固定子２の径方向の内周側にエアギャップ４を介して配置され、回転軸５に固定される回転子３とを備える。回転子３は、回転軸５とともに回動可能である。本発明の実施形態においては、回転子３の回転方向の向きＲは左回り（＝反時計回り）である。図１、図２では、それぞれ、回転軸５の軸方向（＝紙面に垂直な方向）に直交する平面（＝紙面と平行な平面）による埋込磁石同期モータ１、回転子３の一部分の断面を模式的に示している。

以下、回転軸５の軸方向を単に「軸方向」、回転軸５の軸方向に直交する平面を単に「軸直交平面」と表記する。また、固定子２の径方向は回転子３の径方向と同義であり、両者を区別する必要がない場合、単に「径方向」と表記する。

固定子２の固定子鉄心２１は、電磁鋼板を積層してなり、環状のヨーク２２と、ヨーク２２から回転軸５の中心に向けて均等に突出する複数のティース２３と、隣接するティース２３間に形成されるスロット２４とを有する。各スロット２４には、ティース２３間の周囲に巻回される固定子巻線（不図示）が収納される。

回転子３の回転子鉄心３１は、電磁鋼板を積層してなり、磁石挿入孔が設けられる。磁石挿入孔には、複数の磁極を構成する永久磁石が埋め込まれる。本発明の実施形態における磁極数は４極であり、異極性の磁極が交互に配置される。また、本発明の実施形態における永久磁石は、フェライト磁石６と希土類磁石７の２種類によって構成される。希土類磁石７は、例えばネオジム焼結磁石である。従って、回転子３は、回転子鉄心３１にフェライト磁石６及び希土類磁石７が埋め込まれることによって交互に相異なる極性を有する複数の磁極が構成される。フェライト磁石６及び希土類磁石７の配置は全ての磁極において共通である。

本発明の実施の形態におけるフェライト磁石６及び希土類磁石７は、埋込磁石同期モータ１の総合トルクの最大値を大きくするため、マグネットトルクが最大となる電流位相角とリラクタンストルクが最大となる電流位相角の位相差が４５度よりも小さくなるように着磁される。以下では、フェライト磁石６及び希土類磁石７の配置と着磁方向について説明する。

まず、フェライト磁石６の配置について説明する。１磁極あたりのフェライト磁石６は、径方向に間隔を置いて複数の層が配置される。本発明の実施形態では、フェライト磁石６は３層に配置されている。第１層６１が最も回転軸５から遠い層であり、第３層６３が最も回転軸５に近い層である。第１層６１〜第３層６３は、それぞれ、軸直交平面による断面が回転中心Ｏ側に凸の湾曲形状である。言い換えると、第１層６１〜第３層６３の軸直交平面による断面は、曲率中心が径方向外側に位置する逆円弧状である。これは、いわゆる多層の逆円弧形の構造に近い（非特許文献２のｐ１４３参照）。多層の逆円弧形の構造は、永久磁石の表面積が大きくなると同時に、ｑ軸磁路が磁束をスムーズに通す形状になるため、リラクタンストルクが増加する。

第１層６１および第２層６２、第２層および第３層６３は、それぞれほぼ一定の距離だけ離間し、各層間が回転子鉄心３１のｑ軸成分の磁束通路として機能する。

第１層６１〜第３層６３は、いずれも、軸直交平面において回転中心Ｏから延びる直線を対称軸Ｓ１として線対称の形状を有し、固定子２と対向する固定子対向面６１１、６２１、６３１と、回転軸５と対向する回転軸対向面６１２、６２２、６３２とを有する。

第１層６１の軸直交平面における断面形状は、全体が弧状をなし、回転方向の向きＲの前方側に位置する第１端部６１３と、回転方向の向きＲの後方側に位置する第２端部６１４とを有する。第１端部６１３及び第２端部６１４は、回転子３の外周面３２の近傍に位置する。本発明の実施形態では、第１端部６１３及び第２端部６１４が、エアギャップ４に露出しているが、第１端部６１３及び第２端部６１４とエアギャップ４との間に、第１層６１を保持するためのリブが存在しても良い。

第２層６２の軸直交平面における断面形状は、回転中心Ｏ側に凸の湾曲部６２３と、湾曲部６２３の両端に位置する第１矩形部６２４、第２矩形部６２５とを有する。第１矩形部６２４は回転方向の向きＲの前方側の端部であり、第２矩形部６２５は回転方向の向きＲの後方側の端部である。第１矩形部６２４及び第２矩形部６２５は、回転子３の外周面３２の近傍に位置する。本発明の実施形態では、第１矩形部６２４及び第２矩形部６２５が、エアギャップ４に露出しているが、第１矩形部６２４及び第２矩形部６２５とエアギャップ４との間に、第２層６２を保持するためのリブが存在しても良い。

第３層６３の軸直交平面における断面形状は、回転中心Ｏ側に凸の湾曲部６３３と、湾曲部６３３の両端に位置する第１矩形部６３４、第２矩形部６３５とを有する。第１矩形部６３４は回転方向の向きＲの前方側の端部であり、第２矩形部６３５は回転方向の向きＲの後方側の端部である。第３層６３の第１矩形部６３４及び第２矩形部６３５は、回転子３の外周面３２から所定の距離だけ離間している。この離間した部分には、希土類磁石７の一部又はフラックスバリア８を配置する。

次に、希土類磁石７の配置について説明する。１磁極あたりの希土類磁石７は、第１希土類磁石７１および第２希土類磁石７２から構成される。第１希土類磁石７１および第２希土類磁石７２は、いずれも軸直交平面による断面が矩形かつ軸方向に延びる直方体の形状を有する。

第１希土類磁石７１は、隣り合う一方の磁極の第３層６３と、他方の磁極の第３層６３とに挟まれる位置に配置される。本発明の実施形態では、第１希土類磁石７１は、隣り合う一方の磁極の第３層６３の一方の端部（＝第１矩形部６３４又は第２矩形部６３５）と、他方の磁極の第３層６３の一方の端部（＝第１矩形部６３４又は第２矩形部６３５）との間に位置する。第１希土類磁石７１と各第３層６３は、第１希土類磁石７１の端部からの漏れ磁束を減らすために、ほぼ隙間なく連接していることが望ましい。

第１希土類磁石７１を挟む２つの第３層６３の一方には第２希土類磁石７２が径方向外側に配置され、他方にはフラックスバリア８が径方向外側に配置される。フラックスバリア８は、第１希土類磁石７１及び第２希土類磁石７２の漏れ磁束を防ぐためのものであり、軸直交平面による断面がほぼ矩形かつ軸方向に延びるほぼ直方体の形状を有する。

第２希土類磁石７２は、第２希土類磁石７２の端部からの漏れ磁束を減らすために、第３層６３の一方の端部（＝第１矩形部６３４又は第２矩形部６３５）にほぼ隙間なく連接し、回転子３の外周面３２の近傍まで延びることが望ましい。同様に、フラックスバリア８は、第３層６３の一方の端部（＝第１矩形部６３４又は第２矩形部６３５）にほぼ隙間なく連接し、回転子３の外周面３２の近傍まで延びることが望ましい。本発明の実施の形態では、第２希土類磁石７２が隣り合う一方の磁極の第３層６３の第２矩形部６３５に連接し、フラックスバリア８が他方の磁極の第３層６３の第１矩形部６３４に連接する。

第１希土類磁石７１は、固定子２と対向する固定子対向面７１１と、回転軸５と対向する回転軸対向面７１２とを有し、回転中心Ｏから延びる直線を対称軸Ｓ２として線対称となる。対称軸Ｓ１と対称軸Ｓ２とのなす角は４５度である。第２希土類磁石７２は、フラックスバリア８と対向するフラックスバリア対向面７２１と、その反対の面７２２とを有する。第２希土類磁石７２とフラックスバリア８は、対称軸Ｓ２から等距離に配置される。

本発明の実施の形態では、フラックスバリア８は空隙としているが、アルミ充填など回転子鉄心３１の電磁鋼板と比較して磁束を通し難い特性を有するものであれば良い。また、本発明の実施の形態では、第２希土類磁石７２は、一方の端部がエアギャップ４に露出しているが、エアギャップ４との間に第２希土類磁石７２を保持するためのリブが存在しても良い。

次に、永久磁石の着磁方向について説明する。フェライト磁石６の第１層６１〜第３層６３は、固定子対向面６１１、６２１、６３１と、回転軸対向面６１２、６２２、６３２とで異なる極性に着磁されている。すなわち、固定子対向面６１１、６２１、６３１がＮ極であれば、回転軸対向面６１２、６２２、６３２がＳ極であり、固定子対向面６１１、６２１、６３１がＳ極であれば、回転軸対向面６１２、６２２、６３２がＮ極である。フェライト磁石６がこのように着磁されることによって、フェライト磁石６のみによる磁束分布は、対称軸Ｓ１に対して左右対称となるように形成され、フェライト磁石６のみによる着磁方向は対称軸Ｓ１と同じ方向になる。

第１希土類磁石７１は、固定子対向面７１１と回転軸対向面７１２とで異なる極性に着磁されている。すなわち、固定子対向面７１１がＮ極であれば、回転軸対向面７１２がＳ極であり、固定子対向面７１１がＳ極であれば、回転軸対向面７１２がＮ極である。

第２希土類磁石７２は、フラックスバリア対向面７２１と反対の面７２２とで異なる極性に着磁されている。フラックスバリア対向面７２１がＮ極であれば、反対の面７２２がＳ極であり、フラックスバリア対向面７２１がＳ極であれば、反対の面７２２がＮ極である。

第１希土類磁石７１及び第２希土類磁石７２がこのように着磁されることによって、希土類磁石７のみによる磁束分布は、対称軸Ｓ１に対して左右非対称となるように形成され、希土類磁石７のみによる着磁方向は対称軸Ｓ１と異なる方向になる。従って、フェライト磁石６及び希土類磁石７の両方による磁束分布も、対称軸Ｓ１に対して左右非対称となるように形成される。また、本発明の実施形態における埋込磁石同期モータ１の磁極中心は、フェライト磁石６のみの着磁方向（＝対称軸Ｓ１の方向）と、希土類磁石７の着磁方向（≠対称軸Ｓ１の方向）の中間に位置することになる。これによって、マグネットトルクが最大となる電流位相角とリラクタンストルクが最大となる電流位相角の位相差が４５度よりも小さくなり、総合トルクの最大値を大きくすることができる。

特に、本発明の実施の形態では、第１希土類磁石７１の固定子対向面７１１は、第２希土類磁石７２のフラックスバリア対向面７２１と直交する。また、第１希土類磁石７１の固定子対向面７１１は、フラックスバリア８の第２希土類磁石７２と対向する希土類磁石対向面８１と直交する。従って、固定子対向面７１１、フラックスバリア対向面７２１及び希土類磁石対向面８１は、固定子２側が開口する凹部を形成する。これによって、第１希土類磁石７１及び第２希土類磁石７２からの磁束は、回転子鉄心３１内に漏れずに固定子巻線に鎖交する鎖交磁束となり、マグネットトルクが増大する。

本発明の実施形態における埋込磁石同期モータ１によれば、後述する実施例に示す通り、磁力が大きく異なるフェライト磁石６と希土類磁石７を非対称に配置することでマグネットトルクとリラクタンストルクの位相差を縮小し、希土類磁石７の使用量を半減し、かつ従来の希土類磁石モータと同等のトルクを得ることができる。

以下、図３〜図９を参照しながら、本発明の実施例について比較例とともに説明する。

図３（ａ）には比較例に係る埋込磁石同期モータ、図３（ｂ）には実施例に係る埋込磁石同期モータの形状が示されている。図３（ａ）及び図３（ｂ）は、いずれも回転子の回転軸と直交する断面を示している。比較例の永久磁石はネオジム焼結磁石（Neodymium magnet）の１種類であり、その配置は１層の横埋込形の構造（非特許文献２のｐ１４３参照）である。すなわち、図３（ａ）に示すように、回転子の回転軸と直交する断面における永久磁石の形状は、回転子の径方向と直交する方向（＝ほぼ回転方向）に延びる長辺を有する矩形である。また、比較例の永久磁石の端部には、永久磁石の磁束が回転子内部で短絡することを防ぐためのフラックスバリアが設けられている。実施例の永久磁石はネオジム焼結磁石とフェライト磁石（Ferrite magnet）の２種類であり、永久磁石の配置やフラックスバリアの位置については、図１及び図２を参照して説明した通りである。

比較例の回転子に用いられる永久磁石は、残留磁束密度、保磁力がそれぞれ１．３４Ｔ、９８７ｋＡ／ｍのネオジム焼結磁石「ＮＥＯＭＡＸ−４２」である。一方、実施例の回転子に用いられる永久磁石は、ネオジム焼結磁石「ＮＥＯＭＡＸ−４２」と、残留磁束密度、保磁力がそれぞれ０．４６７Ｔ、２６８ｋＡ／ｍのフェライト磁石「ＳＳＲ−４８０Ｒ」の２種類である。

表１には、比較例及び実施例の他の諸元が示されている。その他の諸元は、比較例及び実施例とも同様であり、モータ直径（Stator outer diameter）は１１２ｍｍ、回転子直径（Rotor outer diameter）は５５ｍｍ、ギャップ長（Gap width）は０．５ｍｍ、固定子及び回転子の積厚（Stack length）は６０ｍｍ、コイル（固定子巻線）は磁極ピッチが６、コイルピッチが５の短節巻で、スロットあたり巻回数（Number of winding turns/slot）は３５ターン、交流電流（Current amplitude）は４Ａ、スロット数（Number of slot）は２４、極数（Number of poles）は４極、速度（Speed）は１８００ｒｐｍである。

図４（ａ）には比較例の着磁方向、図４（ｂ）には実施例の着磁方向が示されている。比較例の永久磁石、すなわちネオジム焼結磁石は、４５度、１３５度、２２５度、３１５度の方向に着磁されており、着磁の向きが磁極中心（Center of magnetic pole）となる。これに対して、実施例のフェライト磁石は磁極中心が比較例と同じ方向になるように着磁されているが、ネオジム焼結磁石は、０度、９０度、１８０度、２７０度の方向に着磁されている。これにより実施例の磁極中心はフェライト磁石の着磁方向とネオジム磁石の着磁方向の中間に位置することになる。

ネオジム焼結磁石の体積は、比較例が１３０８６ｍｍ^３、実施例が６０００ｍｍ^３であり、実施例は比較例よりもネオジム焼結磁石の使用量を約５４％削減することができた。尚、実施例はネオジム焼結磁石の使用量が減少するため、マグネットトルクが低下しないようにフェライト磁石を３層に配置している。

比較例と実施例の特性を比較するため、汎用の有限要素法電磁界解析（ＦＥＭ）ソフトである「JMAG-Designer ver.15.1」を用いて、２次元過渡応答解析を行った。

マグネットトルクは永久磁石から発生する磁束に比例するため、無励磁状態の磁束分布について、比較例と実施例の比較を行った。図５（ａ）には比較例の無励磁時の磁束線図が示されている。図４（ａ）に示される着磁方向に磁極中心があり、４極の磁束ループが発生していることが分かる。図５（ｂ）は実施例の無励磁時の磁束線図が示されている。比較例と比べると、磁極中心がずれていることが分かる。

図６（ａ）には比較例のギャップ磁束密度分布（Magnetic flux density）、図６（ｂ）には実施例のギャップ磁束密度分布が示されている。図中には破線で基本波（Fundamental wave）成分の波形が示されている。基本波の振幅は、比較例が０．６８Ｔ、実施例が０．６５Ｔとほぼ同等の値となった。実施例の基本波は、比較例の基本波と比べて機械角（Mechanical angle）で１４度（電気角で２８度）位相がずれている。

ギャップ磁束密度の基本波振幅が比較例と実施例とでほぼ同等であることから、マグネットトルクの最大値も両モータで同程度の値を得ることができると考えられる。また、実施例のマグネットトルクが最大値となる電流位相は、ギャップ磁束密度の位相と同じ角度ずれることになる。

リラクタンストルクは回転子の磁気抵抗（リラクタンス）が回転角度によって変化する突極回転子と巻線電流が作る回転磁界との間に発生するトルクである。そこで、巻線電流による磁束分布から、比較例と実施例の突極構造について比較検討を行った。尚、電流が作る磁束のみを評価するために、磁石を無着磁状態で定格電流を流したときの磁束分布を計算した。

図７（ａ）は、磁石が作る磁束の方向（ｄ軸（d-axis））と同じ方向に磁束を発生させるための電流（ｄ軸電流）を比較例に流したときの磁束の流れである。ｄ軸電流によって発生する磁束の磁路は磁石を通過するように流れているため、磁気抵抗が大きくなり、ｄ軸インダクタンスＬｄは小さくなる。一方、ｄ軸に対して電気的に９０度進んだ方向をｑ軸（q-axis）とすると、巻線にｑ軸電流を流したときの磁束の流れは図７（ｂ）のようになる。ｑ軸電流によって発生する磁束の磁路は磁石を避けるように流れているため、磁気抵抗が小さくなり、ｑ軸インダクタンスＬｑは大きくなる。したがって、比較例はＬｑ＞Ｌｄの突極性をもつ構造となる。

図８（ａ）には比較例と同様のｄ軸電流を流したときの磁束の流れ、図８（ｂ）にはｑ軸電流を流したときの磁束の流れが示されている。比較例と同様に、ｄ軸電流によって発生する磁束の磁路は磁石を通過するように流れているため、Ｌｄは小さくなり、ｑ軸電流によって発生する磁束の磁路は、磁石を避けるように流れているためＬｑは大きくなる。このことから実施例も比較例と同様、Ｌｑ＞Ｌｄの突極性をもつ構造となる。

表２には、比較例及び実施例のｄ軸インダクタンスＬｄ、ｑ軸インダクタンスＬｑおよびＬｄとＬｑの差（Ｌｑ−Ｌｄ）の値が示されている。実施例のＬｄとＬｑの差（Ｌｑ−Ｌｄ）は、比較例よりも１割程度小さい。リラクタンストルクはｄ軸、ｑ軸のインダクタンス差に比例するため、実施例のリラクタンストルクは比較例のリラクタンストルクと比べ１割程度小さい値となると予想される。

次に、比較例と実施例のトルク特性を比較するために、振幅が４Ａの正弦波電流を与えたときのマグネットトルク、リラクタンストルク、総合トルクをＦＥＭにて求めた。電流振幅が一定のとき、トルクは電流位相βによって変化するため、ｑ軸を基準（β＝０）として、電流位相対トルク特性について比較検討した。尚、βが０度のときの電流がｑ軸電流であり、βが−９０度のときの電流がｄ軸電流である。

図９（ａ）には、電流位相（Current phase angle）とマグネットトルク（Torque）の関係が示されている。比較例のマグネットトルクは、βが０度のとき最大となり、値は１．８２Ｎ・ｍである。一方、実施例のマグネットトルクが最大となるのはβが２８度のときであり、値は１．７５Ｎ・ｍである。この位相シフトはギャップ磁束密度の位相と同じ値である。トルクの最大値を比較すると、比較例と実施例のマグネットトルクの比率はギャップ磁束密度の基本振幅の比率とほぼ等しい値となった。

図９（ｂ）には、電流位相とリラクタンストルクの関係が示されている。リラクタンストルクの位相は、比較例と実施例の両者で一致しており、マグネットトルクの２倍の周期で変動していることがわかる。リラクタンストルクが最大となるのはβが４５度のときと−１３５度のときであり、最大値は、比較例が０．３８Ｎ・ｍ、実施例が０．３４Ｎ・ｍである。両者のリラクタンストルクの比率は、Ｌｑ−Ｌｄの比率とほぼ等しい値となった。

図９には、マグネットトルクとリラクタンストルクの和である総合トルクの電流位相特性が示されている。比較例の最大トルクはβが１９度のとき１．９４Ｎ・ｍ、実施例の最大トルクはβが３６度のとき２．０５Ｎ・ｍとなった。実施例のマグネットトルクとリラクタンストルクの最大値は、比較例よりもやや小さい値であるが、マグネットトルクが最大になる電流位相とリラクタンストルクが最大になる電流位相を近づけることで、総合トルクは比較例よりも大きな値を得ることができた。

本実施例では、磁力が異なるフェライト磁石とネオジム焼結磁石の２種類の磁石を用いた非対称配置によるトルクの向上効果を目的とした。本実施例では、磁石から発生するギャップ磁束分布を非対称にすることで、マグネットトルクが最大となる電流位相角を電気角で２８度ずらすことができた。これによりマグネットトルクが最大となる電流位相角が、リラクタンストルクが最大となる電流位相角に近づき総合トルクの最大値が向上した。その結果、ネオジム焼結磁石使用量を約５４％削減し、かつ、総合トルクは比較例の１０５．７％のトルクを達成することができた。

以上、添付図面を参照しながら、本発明に係る埋込磁石同期モータ等の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、本願で開示した技術的思想の範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１………埋込磁石同期モータ
２………固定子
３………回転子
４………エアギャップ
５………固定軸
６………フェライト磁石
７………希土類磁石
８………フラックスバリア
６１………第１層
６２………第２層
６３………第３層
７１………第１希土類磁石
７２………第２希土類磁石

Claims (4)

1. 回転子鉄心にフェライト磁石及び希土類磁石が埋め込まれることによって、交互に相異なる極性を有する複数の磁極が構成される回転子と、
   前記回転子の外側にエアギャップを介して配置される固定子と、
   を有し、
   １磁極あたりの前記フェライト磁石は、前記回転子の径方向に間隔を置いて複数の層が配置され、
   前記層は、それぞれ、前記回転子が固定される回転軸の軸方向に直交する軸直交平面による断面が前記回転子の回転中心側に凸の湾曲形状を有し、
   １磁極あたりの前記希土類磁石は、第１希土類磁石及び第２希土類磁石によって構成され、
   前記第１希土類磁石は、隣り合う一方の磁極の前記回転軸に最も近い前記層と、他方の磁極の前記回転軸に最も近い前記層とに挟まれる位置に配置され、
   前記第１希土類磁石を挟む２つの前記層の一方の端部には前記第２希土類磁石が前記径方向外側に配置され、他方の端部にはフラックスバリアが前記径方向外側に配置され、
   前記フェライト磁石及び前記希土類磁石は、マグネットトルクが最大となる電流位相角とリラクタンストルクが最大となる電流位相角の位相差が４５度よりも小さくなるように着磁される
   ことを特徴とする埋込磁石同期モータ。
2. 前記層は、それぞれ、軸直交平面において前記回転中心から延びる直線を対称軸として線対称の形状を有し、前記固定子と対向する面と、前記回転軸と対向する面とで異なる磁極に着磁され、
   前記第１希土類磁石は、前記固定子と対向する面と、前記回転軸と対向する面とで異なる磁極に着磁され、
   前記第２希土類磁石は、前記フラックスバリアと対向する面と、その反対の面とで異なる極性に着磁される
   ことを特徴とする請求項１に記載の埋込磁石同期モータ。
3. 前記第１希土類磁石は、前記第１希土類磁石を挟む２つの前記層に連接され、
   前記第１希土類磁石を挟む２つの前記層の一方には前記第２希土類磁石が連接され、他方には前記フラックスバリアが連接される
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の埋込磁石同期モータ。
4. 前記第１希土類磁石の前記固定子と対向する面は、前記第２希土類磁石の前記固定子と対向する面と直交し、前記第１希土類磁石の前記固定子と対向する面は、前記フラックスバリアの前記第２希土類磁石と対向する面と直交する
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の埋込磁石同期モータ。