埋込磁石同期モータのロータ
【課題】フェライト磁石を用いて高効率、高トルクの埋込磁石同期モータのロータを提供する。
【解決手段】駆動軸に直結されて略円形状断面を有するロータハブ（２４）の磁性体の外側部に円環状のフェライト磁石（２６）が配置され、独立した磁性鋼板積層コア（２７）が間隔を有して隣接どうし逆極性のフェライト磁石の各磁極に密着される。磁気飽和が生じにくい厚さにされた磁性鋼板積層コアの両端部の中心軸に近い方向に偏った下部に穿設された貫通孔（２８）にピン（２９）が挿入され、ロータハブを挟む側面固定板に太めのピンが支持されて固定される。側面固定板をロータハブ端面に設けられた軸方向突出部（４４）に嵌合して磁性鋼板積層コアの位置を精度よく決め、磁性鋼板積層コアで生じるトルクを側面固定板を介してロータハブに伝達させる。ロータ全体は、焼きばめリングを軸方向突出部に焼きばめすることで固定される。
【解決手段】駆動軸に直結されて略円形状断面を有するロータハブ（２４）の磁性体の外側部に円環状のフェライト磁石（２６）が配置され、独立した磁性鋼板積層コア（２７）が間隔を有して隣接どうし逆極性のフェライト磁石の各磁極に密着される。磁気飽和が生じにくい厚さにされた磁性鋼板積層コアの両端部の中心軸に近い方向に偏った下部に穿設された貫通孔（２８）にピン（２９）が挿入され、ロータハブを挟む側面固定板に太めのピンが支持されて固定される。側面固定板をロータハブ端面に設けられた軸方向突出部（４４）に嵌合して磁性鋼板積層コアの位置を精度よく決め、磁性鋼板積層コアで生じるトルクを側面固定板を介してロータハブに伝達させる。ロータ全体は、焼きばめリングを軸方向突出部に焼きばめすることで固定される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主として自動車などに用いられる埋込磁石同期モータのロータに関する。
【背景技術】
【０００２】
埋込磁石同期モータは、積層磁性鋼板に永久磁石を埋め込むことで、鉄損が少なく、永久磁石の飛散を防ぐ構成にされ、一般にマグネットトルクのほかにリラクタンストルクで駆動される高効率で可変速範囲の広いモータである。
【０００３】
先行技術文献の非特許文献１では、自動車用に実用化された埋込磁石同期モータの基本断面が示されている。本図面中の図７で示す。永久磁石１の端部における積層磁性鋼板２の継鉄部３を磁束で飽和させるために、有効磁束の減少が生じる。所定のマグネットトルクを得るためには、磁束の減少を補うため、永久磁石１の量を増やすことになる。永久磁石１の質量が大きくなるほど積層磁性鋼板２の継鉄部３の幅を大きくして強度を上げる必要があり、磁束の漏洩量も相対的に大きくなる。
【０００４】
積層磁性鋼板２の隣接する突極部４の間の磁束経路が急角度で曲げられて長く、相対的に磁気抵抗が大きくなる。ステータ（固定子）５の巻線に流れる大きい電流で、幅が限定される突極部４が磁気飽和に近づくとさらに磁気抵抗が大きくなる。結果、ｑ軸インダクタンスが小さくなり、ｄ軸インダクタンスはほとんど変わらず、２つのインダクタンスの差が小さくなることでリラクタンストルクは小さくなる。また、鉄損が大きくなる。
【０００５】
永久磁石１の埋め込みが浅いため、ステータ５での高い周波数で変動する磁束の影響を強く受け、固有抵抗が小さい希土類の永久磁石１における渦電流損が大きい分だけモータ効率が落ち、永久磁石１での温度が上昇する。近接するステータ５の銅損や鉄損による永久磁石１での温度上昇の要因も加わるため、熱減磁を起こしにくい組成の永久磁石１を用いる必要がある。また、高い温度の下で、ステータ５からの強い減磁界で減磁されないために、抗磁力（保持力）が大きく、余裕のある厚さの永久磁石１を使用しなければならない。モータの大出力駆動時にはロータにおいて温度上昇が大きく、高い温度で抗磁力が小さくなるネオジム磁石は、ステータからの減磁界による不可逆的な熱減磁が問題になる。
【０００６】
ロータの各磁極は、周方向に永久磁石１が積層磁性鋼板２に埋め込まれた部分と、積層磁性鋼板２から突出した突極部４の部分に区分される。永久磁石１が埋め込まれた部分の幅を広くすると、マグネットトルクは増えるがリラクタンストルクを大きくできない。逆の区分にすると、マグネットトルクが小さくなる。結果、マグネットトルクとリラクタンストルクを同時に最大化することは難しい。また、残留磁束の小さいフェライト磁石ではマグネットトルクはより小さくなる。
【０００７】
ロータの各磁極においては、埋め込まれた永久磁石１に対向して継鉄部３を除く飽和されてない部分が永久磁石の実効磁極面積になり、磁極外周部に較べて半分余の面積で、磁極全体面を実効磁極面積にする場合に較べてその分パーミアンス係数は小さく、磁気回路の抵抗は大きく、永久磁石１からの総磁束は少なくなる。ステータ５のティースの磁束密度も部分的に大きくなり、鉄損が増大する。
【０００８】
また、ロータの各磁極で、突極部４は磁極外周部に較べて４０パーセントほどが実効磁極面積になり、その分磁気回路抵抗は大きく、ステータの巻線電流の起磁力で生じる総磁束は少なくなる。
【０００９】
１４０００ｒｐｍのような高速回転においては遠心力が非常に大きくなり、図６の従来の埋込磁石同期モータでは永久磁石１と直上の磁性鋼板を遠心力に抗して保持するために、永久磁石１近傍の継鉄部３の幅を大きくする必要があり、結果として磁束漏洩が大きくなり、マグネットトルクが小さくなる。永久磁石１の量を増やすと、さらに継鉄部３の幅を増やす必要が生じて磁束漏洩が増えていく悪循環に落ち込む可能性がある。
【００１０】
埋込磁石同期モータの小型、高効率化には、希土類元素であるネオジウム（Ｎｄ）やディスプロシウム（Ｄｙ）を用いたネオジム（Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ）磁石が用いられていた。モータ性能の観点とは別に、希土類元素の資源量や入手、および価格の問題が指摘されている。
【００１１】
本発明の埋込磁石同期モータのロータと類似な構成を有する従来例が、先行技術文献の特許文献１において、ジェネレータあるいはマグネットトルクのみで駆動される永久磁石モータのロータを対象に、開示されている。本図面中の図８と、図９にそれぞれのロータ構成を示す。図８では、磁性体のロータハブ７の複数の凹部８に位置決めされる永久磁石９の径方向外側に、径方向内側の凹部１０を永久磁石９に合わせる積層磁性鋼板１１が配置される。独立した積層磁性鋼板１１は、径方向のほぼ中間の位置に等間隔に貫通した４個のピン１２でロータハブ７の両側を挟む固定板１３の孔１４に支持され、固定板１３はロータハブ７に固定される。本発明の埋込磁石同期モータと異なり、リラクタンストルクを大きく発生させるために積層磁性鋼板１１の断面積を大きくして磁気飽和を緩和することや、乱れがない磁束経路を確保するためにピン１２の位置を適正化することなどをほとんど考慮しないで済む。
【００１２】
リラクタンストルクを大きくするには、積層磁性鋼板１１での周方向の磁束経路の磁気抵抗を小さくし、磁気飽和を起こさせないでｑ軸インダクタンスを大きくする必要があるが、積層磁性鋼板１１の径方向の厚さは薄く、周方向の磁束経路を妨げる径方向のほぼ中間の位置にピン１２が貫通している。ロータの高速回転時には、積層磁性鋼板１１や永久磁石９を遠心力に抗して強固に支持するため、両側の固定板１３の外周部１５と孔１４との幅を大きくし、ピン１２の径を大きくして強固にする必要があるが、４個のピン１２の径は小さく、特に強固にされていない。
【００１３】
磁性体のピン１２と積層磁性鋼板１１の間に非磁性層が形成され、周方向の磁束経路を乱し、磁気抵抗を大きくする要因になる。ステータでの電流によって高い周波数で変動する磁束が磁性体のピン１２を流れる場合には、積層磁性鋼板１１に流れる場合に較べ、単位体積当たりの渦電流損やヒステリシス損などの鉄損が大幅に大きくなる。積層磁性鋼板１１の断面積が小さく、永久磁石９やステータからの磁束量が大きいほど、またピン１２が太い径にされるほど、磁性体のピン１２における鉄損は顕著になる。磁気抵抗や鉄損の増大は、大きいリラクタンストルクとモータ効率の向上を意図する埋込磁石同期モータでは問題になる。
【００１４】
図９示されるロータでは、積層磁性鋼板１６が、図８の積層磁性鋼板１１に較べて径方向に厚く、断面積が大きくなっている。また、３箇所のピン１７が周方向の磁束経路を妨げる位置にあり、独立した積層磁性鋼板１６の周方向の両端部１８、１９近傍から出入する磁束の流れを妨げ、ｑ軸インダクタンスが相対的に小さくなり、リラクタンストルクを低下させる。鉄損においても、図８場合と同様の問題を有す。結果、埋込磁石同期モータとしての効率が悪くなる。また、ピン１７の径が小さく、ピン１７を固定する固定板２０の孔２１の位置が外周に非常に近く、高速回転で生じる積層磁性鋼板１６や永久磁石２２を遠心力に耐えて保持する強度はほとんど考慮されていない。
【００１５】
図８から図９で示される独立した積層磁性鋼板をロータに固定するピンやボルトの径は大きくなく、ロータが６０００ｒｐｍ以上の高速回転する場合に、磁性鋼板積層コアや永久磁石を遠心力に抗してロータに保持することが困難になる。
【００１６】
先の非特許文献１を図７で示した積層磁性鋼板２の外周部近傍に埋め込む永久磁石１の形状と配置を換えたものを示す事例として、特許文献３の図面中の図１５から図１８で示される構成がある。永久磁石に用いられるネオジム磁石の構成を各磁極にＶ形状配置し、継鉄部をＶ形状の底部と両端の３箇所に形成し、磁束総量、熱減磁、強度などの改良を図るものであるが、磁極の外周部がリラクタンストルクとマグネットトルクに寄与する部分に区分化されている状態はほとんど変わらない。
【００１７】
マグネットトルクに寄与する実効磁極面積は、Ｖ形状配置された永久磁石に対向する部分の両端の継鉄部以外の部分である。また、リラクタンストルクに寄与する実効磁極面積は各磁極に配置されたV形状の永久磁石の間の突出部であり、永久磁石と継鉄の占める領域が大きいほど実効磁極面積は小さくなる。V形状の永久磁石の直上の磁性鋼板の部分は位置、断面積、および永久磁石による大きい磁石密度ゆえリラクタンストルクに寄与する磁束の流れを期待できず、リラクタンストルクに寄与する実効磁極面積の増大にほとんどつながらない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【特許文献１】米国特許第５８９４１８３号公報
【００１９】
【特許文献２】米国特許第４３９３３２０号公報
【００２０】
【特許文献３】特開２００５−１０２４６０号公報
【非特許文献】
【００２１】
【非特許文献１】ＴＯＹＯＴＡ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｖｏｌ．４９ Ｎｏ．２ Ｄｅｃ．１９９９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
従来例での積層された磁性鋼板は、本背景技術の文中で積層磁性鋼板と表されたが、本発明の埋込磁石同期モータのロータにおいては、磁性鋼板積層コアと記述される。
【００２３】
解決されるべき課題は、ロータの永久磁石の上に配置される独立した磁性鋼板積層コアの径方向の厚さと、磁性鋼板積層コアを積層方向に貫通するピンの配置を選択することで、磁気飽和に余裕を有す短く乱されない磁束経路を得る。各磁極の周方向の両端部間を周方向に低い磁気抵抗にし、各磁極での実効磁極面積を大きくすることで、ｑ軸インダクタンスが大きくなり、永久磁石の中心に対向する方向のｄ軸インダクタンスは小さいまま、大きいリラクタンストルクを得て、高トルクで高効率の埋込磁石同期モータにする。
【００２４】
また、残留磁束密度（Ｂｒ）がネオジム磁石より３分の１ほどに小さいフェライト磁石を用いて、実効磁極面積を大きくし、パーミアンス係数を大きく、また磁束漏洩を少なくすることで比較的大きいマグネットトルクを得る。
【００２５】
また、ロータの高速回転時に、独立した磁性鋼板積層コアと永久磁石が遠心力で飛散しない強度を、ピンの太さ、磁性鋼板積層コアにおけるピンを貫通させる孔の位置、およびピンを支持する側面固定板から得て、側面固定板をロータハブの両端面からの軸方向突出部に嵌合することで磁性鋼板積層コアの位置を確定し、位置精度を確保し、安定したトルク伝達を可能にする。
【００２６】
また、熱容量の小さい焼きばめリングをロータハブの軸方向突出部で焼きばめして側面固定板に当てることで、磁性鋼板積層コアとフェライト磁石からなるロータ全体を固定する。板材からなるファンの固定も容易にする。
【００２７】
側面固定板を複数の非磁性金属板を重ねて形成することで、プレス抜き精度と強度を向上し、ロータとステータ間の磁気ギャップを小さく、高回転速度での遠心力に耐えるようにする。
【００２８】
磁性鋼板積層コアに貫通するピンの径と位置によってフェライト磁石の磁束がロータ磁極面に至るまでの磁性鋼板積層コアの部分で飽和させないで、遠心力に耐え、回転モーメントを小さくする磁性鋼板積層コアの形状にする。
【課題を解決するための手段】
【００２９】
主に自動車用など比較的大きい形状の場合、従来における埋込磁石同期モータの課題を解決するために、本発明の埋込磁石同期モータのロータにおいて、以下の手段をとる。
【００３０】
本発明の埋込磁石同期モータのロータは、大きいリラクタンストルクを得て、高効率のモータにすることを目的としているため、ステータの電流による磁性鋼板積層コア中での周方向の磁束経路を乱さず、磁気飽和に至らなくすることで、磁気抵抗を少なくし、結果、ｑ軸インダクタンスを大きくでき、大きいリアクタンストルクと低鉄損を得ることが単なるジェネレータ、およびマグネットトルクのみで駆動する永久磁石モータの場合と異なる。
【００３１】
結果的に質量が大きくなる磁性鋼板積層コアを、ロータ径が比較的大きく高速回転する条件下で、遠心力に耐えて支持するために、より強度を大きくする必要性が生じることも図７と図８で示される従来例と異なる。
【００３２】
小型で高トルク、高効率の従来の埋込磁石同期モータは、熱減磁対策にディスプロシウムを添加した複数のネオジム磁石を用いていたが、円環状のフェライト磁石を用いて、隣接する磁極を逆極性に着磁することで複数の磁石を配列する。
【００３３】
請求項１に係わる発明では、磁性鋼板積層コアの周方向端部におけるロータの中心軸方向の偏った２箇所に貫通孔が穿設され、ピンが挿入される。磁性鋼板積層コアは、リラクタンストルクを大きくするために、径方向に厚く、断面積を大きくして磁気飽和を生じにくくし、磁性鋼板積層コア中の磁束経路を妨げない位置にピンを配置することで、磁気抵抗を小さくする。ｑ軸インダクタンスが大きくなり、インダクタンストルクを大きくすると同時に、鉄損を小さくする。
【００３４】
磁性体のピンは、積層された磁性鋼板に較べ、高い周波数の磁束変化において、鉄損、特に渦電流損が大きいため、ステータの電流による磁束変化の影響がより小さく、ｑ軸磁束の流れを妨げにくい
磁性鋼板積層コアの周方向端部におけるロータの中心軸方向に偏った２箇所に配置される。ピンが非磁性体で作られても、大きい渦電流損が生じない同様の位置に配置される必要がある。
【００３５】
マグネットトルクに寄与する永久磁石に円環状のフェライト磁石を用いて、等間隔に隣接して逆極性に着磁することで複数の磁石を配置し、径方向内側の面が断面円弧状の磁性鋼板積層コアを円環状のフェライト磁石の径方向外側の面に各磁極に密着させる。円環状のフェライト磁石の内側の面は、磁性体で形成されるロータハブの外周面に近接して対向される。
【００３６】
請求項２に係わる発明では、磁性鋼板積層コアの周方向端部におけるロータの中心軸に近い部分が円弧状の断面形状にされる。円弧はピンの中心と近似した位置に中心を有する。ピンで磁性鋼板積層コアを支持する強度を保ちながら、永久磁石の磁束漏洩を少なくする。
【００３７】
請求項３に係わる発明では、略円環状の側面固定板内側の複数箇所に円弧状の凹部が形成され、ロータハブの軸方向端面から近似した円弧状の軸方向突出部に嵌合される。円弧状の凹部と軸方向突出部の円弧状の外側部を合わせることで、磁性鋼板積層コアの径方向の位置が決められ、円弧状凹部の径方向端部と軸方向突出部の径方向端部を合わせることで、磁性鋼板積層コアの回転方向の位置が決められる。互いの径方向端部が合わされることで、磁性鋼板積層コアで生じるトルクが、側面固定板を介してロータハブに伝達される。
【００３８】
請求項４に係わる発明では、磁性鋼板積層コアを軸方向両側から挟む側面固定板の固定に、熱容量の少ない焼きばめリングを用いる。軸方向突出部に焼きばめリングを焼きばめすることで、ロータハブに嵌合された側面固定板を軸方向外側から固定する。
【００３９】
請求項５に係わる発明では、ロータハブの軸方向突出部の形状に近似する開口部を内側に有する板材で構成されたファンが側面固定板と焼きばめリングの間に配置され、固定される。ファンはロータ回転時に空気冷却を行う。
【００４０】
請求項６に係わる発明では、側面固定板が複数の非磁性体の金属板を複数枚重ねて形成される。プレス打ち抜きの精度と、強度を確保する。
【００４１】
請求項７に係わる発明では、側面固定板とフェライト磁石の円環状の側部を接着固定してフェライト磁石を安定させる。
【００４２】
請求項８に係わる発明では、積層磁性鋼板にロータ回転時の遠心力に耐える強度を持たせ、質量を小さくし、フェライト磁石からの磁束を飽和させない構成にする。磁性鋼板積層コアの周方向端部において、径方向外側部近傍が周方向に突出され、２箇所のピンの中心を通る径に交わる３箇所の磁性鋼板積層コアの幅を、磁石からの磁束を飽和させずに通し、強度を確保できる範囲で小さくする。
【発明の効果】
【００４３】
磁性鋼板積層コアにｑ軸磁束が最短で流れやすくし、各磁極に対応する円弧状断面の外側部の全面を共通にマグネットトルクとリラクタンストルクに寄与する実効磁極面積にすることで、それぞれのトルクを最大化する埋込磁石同期モータの構成にできる。
【００４４】
円環状のフェライト磁石を用いて、ネオジム磁石をロータ外周面近傍に配置する従来の埋込磁石同期モータにトルク、効率で同等レベル以上の性能を有する新しい埋込磁石同期モータが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の埋込磁石同期モータのロータの実施例１を、磁性体構成部の正面図で示す。
【図２】実施例１のロータの磁性体構成部を分解斜視図で示す。
【図３】実施例１のロータを全体構成図で示す。
【図４】実施例１のロータを斜視図で示す。
【図５】実施例２の埋込磁石同期モータのロータを斜視図で示す。
【図６】実施例３の埋込磁石同期モータのロータを斜視図で示す。
【図７】従来のロータを示す。
【図８】従来のロータを示す。
【図９】従来のロータを示す。
【発明を実施するための形態】
【００４６】
独立した磁性鋼板積層コアと円環状のフェライト磁石を用いたロータ構成にする。
【実施例１】
【００４７】
本発明の埋込磁石同期モータのロータの実施例１を図１から図４までの構成で記述する。図１は、ロータ２３の磁性体構成部を正面図で示す。鋳鉄、または鋳鋼で形成される円筒状のロータハブ２４の外側部に、隣接どうし逆極性に磁極２５が等間隔に着磁されて複数の永久磁石が形成された円環状のフェライト磁石２６が配置される。断面円弧状の径方向内側の面を有する磁性鋼板積層コア２７が磁極２５に密着される。
【００４８】
磁性鋼板積層コア２７は、０．２７ミリメートルから０．３５ミリメートルの厚さの磁性鋼板を複数枚重ね、周方向端部においてロータ２３の中心軸方向の偏った位置に穿設された貫通孔２８に、ピン２９が挿入されて固定される。ピン２９の表面に薄い絶縁層を形成して、磁性鋼板積層コア２７の貫通孔２８の内側で電気的に短絡させず、大きいループの渦電流が生じないようにするとよい。
【００４９】
磁性鋼板積層コア２７の周方向端部における中心軸に近い部分３０が円弧状の断面形状にされ、ピン２９の中心と近似する位置に円弧の中心が配置される。ピン２９の外側に、ほぼ同じ幅の円弧状の磁性鋼板積層コア２７の一部分が形成される。円弧状にされることで隣接する磁性鋼板積層コア２７と３５の間隔が一部において狭くなっても、磁性鋼板積層コア２７とステータ３４で形成される磁気ギャップが狭く面積が広いため、フェライト磁石２６の磁極２５から生じる磁束の漏洩を相対的に少なくすることができる。
【００５０】
磁性鋼板積層コア２７は径方向内側の面３１が断面円弧形状に形成され、円環状のフェライト磁石２６の径方向外側の面のそれぞれの磁極２５に接着などで密着して配置される。フェライト磁石２６の径方向内側の面３２は、円筒状のロータハブ２４の外側部３３に近接して対向される。磁性鋼板積層コア２７を貫通して固定するピン２９は、非磁性体で略円環状の図示されてない側面固定板で固定支持され、側面固定板を介してロータハブ２４に機械的に連結される。
【００５１】
フェライト磁石２６の磁極２５からの磁束がステータ３４に流入してステータ３４の巻線に流れる電流磁界との相互作用で生じるマグネットトルクに加え、ｑ軸方向とｄ軸方向のインダクタンスの差に比例するリラクタンストルクを利用することができる。リラクタンストルクを大きくするためには、ｄ軸方向インダクタンＬｄを小さくできる変化幅はあまりないので、ｑ軸インダクタンスＬｑをできるだけ大きくする必要がある。
【００５２】
ステータ３４の巻線に流れる電流で生じる磁束が磁性鋼板積層コア２７を通過する経路がｄ−ｑ変換軸上で示される。円弧状の実線の矢印はｑ軸磁束経路である。ｑ軸磁束経路は、磁性鋼板積層コア２７の内を周方向に磁気抵抗が低く、磁束が非常に通り易いためｑ軸インダクタンスＬｑが大きい。電気角で９０度ずれたｄ軸磁束経路は、隣接する磁性鋼板積層コア２７と３２間の空間や、透磁率がほぼ空気に等しいフェライト磁石２６を通るため磁気抵抗が高くて磁束が通りにくく、ｄ軸インダクタンスＬｄが小さくなる。結果、Ｌｑ／Ｌｄが大きい突極性が生じる。
【００５３】
円環状のフェライト磁石２６を挟み、磁性体のロータハブ２４、独立した磁性鋼板積層コア２７、磁性鋼板が積層されたステータ３４、および隣接する磁性鋼板積層コア３５と３６で磁気回路が構成されている。そのうち、鋳鋼や鋳鉄で形成された磁性体のロータハブ２４の外側部においては、高い周波数で大きく変動する磁束が通ると鉄損が大きくなるが、本発明のベースになる埋込磁石同期モータにおいては、フェライト磁石２６の磁極２５に密着される磁性鋼板積層コア２７は径方向に厚くされ、フェライト磁石２６は深く埋め込まれるため、フェライト磁石２６の径方向内側の面に近接するロータハブ２４においては、ステータ３４の巻線に流れる電流で生じる高い周波数の磁束変化の影響が緩和され、渦電流損やヒステリシス損などの鉄損は少ない。
【００５４】
磁性鋼板積層コア２７を径方向に厚くして断面積を大きくし、フェライト磁石２６からの磁束やステータ３４の巻線に流れる電流によって生じる磁束で磁性鋼板積層コア２７を磁気飽和させないようにする。磁性鋼板は０．２７から０．３５ミリメートルに薄くされ、磁性鋼板の相対的に高い固有抵抗で、高い周波数の磁束変化による磁性鋼板積層コア２７中での渦電流損が少なくされる。また、磁性鋼板積層コア２７が隣接する磁性鋼板積層コア３５、３６と互いに独立していることから、磁性鋼板積層コア２７に方向性磁性鋼板を用いて磁化容易方向を周方向に合わせることができ、磁性鋼板積層コア２７の周方向の飽和磁束密度は大きくなり、磁束が周方向に通りやすくなる。結果、大きいステータ電流まで磁性鋼板積層コア２７は磁気飽和することなく、周方向の磁束変化によるヒステリシス損が少なく、磁気抵抗が低くされる。周方向の磁束経路の中心は、磁性鋼板積層コア２７の周方向端部どうしの間で急激に曲がらず経路も短いため、周方向の磁気抵抗は小さい。当然ながら磁束は、磁性鋼板積層コア２７の中に広がって流れる。
【００５５】
さらに、鉄損（渦電流損とヒステリシス損）を少なくし、周方向の磁束経路の磁気抵抗を小さくするために、磁性鋼板積層コア２７の周方向端部におけるロータ２３の中心軸方向に偏った位置の２箇所で穿設された貫通孔２８に、径の太いピ２９が挿入される。ピン２９は鉄を主体とした磁性体からなり、高い周波数で大きく変動する磁束がピン２９を通ると、鉄損が大きく、特に周波数が高くなるほど渦電流損が大きくなる。ピン２９と磁性鋼板積層コア２７との電気的絶縁によって境界には非磁性層が形成され、周方向の磁束経路はピン２９の存在によって乱され、磁気抵抗が大きくなる。ピン２９の磁気的な影響を少なくするため、ピン２９はロータハブ２４の周方向端部の中心軸方向に偏った位置の２箇所に配置される。
【００５６】
磁性体のピン２９に交流変化する磁束が通ることで鉄損が生じることは、鉄損が少ない磁性鋼板積層コア２７に較べて磁気抵抗が大きいことを意味する。磁性鋼板積層コア２に磁束が流れやすく、磁気飽和に至らない磁束密度においては、ピンに通る磁束は相対的に少なくなる。
【００５７】
円環状のフェライト磁石２６の磁極２５からの磁束は磁性鋼板積層コア２７を通り、磁性鋼板積層コア２７の外周面全体とステータ３４の間の狭い磁気ギャップを介してステータ３４に入る。ステータ３４を通った磁束は、隣接する磁性鋼板積層コア３５と３６の外周面全体とステータ３４の間の磁気ギャップを介して磁性鋼板積層コア３５と３６を通り、フェライト磁石２６のそれぞれの磁極３７と３８に至る経路を経る。磁気ギャップを形成する実効磁極面積は磁性鋼板積層コア２７の外周面全体と等しい。従来の埋込磁石同期モータのように、ネオジム磁石がロータの外周面近傍に埋め込まれてマグネットトルクとリラクタンストルクの領域にロータの外周部が区分化された構成で永久磁石の磁束を通す磁気回路の実効磁極面積をロータの外周部で最大化できない事例に比較して有利である。パーミアンス係数が大きく、磁気回路の磁気抵抗が低減することにより残留磁束密度の小さいフェライト磁石２６でも相対的に総磁束量を大きくすることができる。結果、大きいマグネットトルクを得ることができる。
【００５８】
ステータ３４の駆動電流で生じる磁束が磁性鋼板積層コア２７の中を流れる場合、磁性鋼板積層コア２７とステータ３４の間の磁気ギャップの実効磁極面積は、磁性鋼板積層コア２７の外周面全体をとりえる。実際にはステータ３４の複数のティース３９に流れる磁束密度に偏りがあるため、実効磁極面積は磁性鋼板積層コア２７の外周面全体より少し小さいものになる。リラクタンストルクに寄与する実効磁極面積が大きくなると磁気回路の磁気抵抗が小さくなり、ステータ３４の駆動電流で生じる総磁束量が大きくなることでリラクタンストルクが大きくなる。従来例の埋込磁石同期モータの事例のように、リラクタンストルクとマグネットトルクに寄与できる磁極面積がロータ外周部で区分化されてリラクタンストルクに寄与する実効磁極面積が小さい場合に較べ、リラクタンストルクを相対的に大きくできる。
【００５９】
本発明の埋込磁石同期モータのロータ２３に用いるフェライト磁石２６は、磁性鋼板積層コア２７に密着して接着と磁気吸着で固定される。また、フェライト磁石２６は円環状に適当な厚みに形成されることで、ロータ２３の回転時の遠心力で生じる周方向の張力に耐える機械強度を確保する。ロータ２３の中心軸に回転対称の形状と配置にされるため、ロータ２３が回転する時に磁性鋼板積層コア２７、３５、３６にはフェライト磁石２６からの遠心力は加わらない。
【００６０】
複数の磁性鋼板積層コア２７、３５、３６と一致する位置に隣接どうしで異なる極性の磁極２５、３７、３８が形成され、複数の磁石がそれぞれの磁性鋼板積層コア２７、３５、３６に密着して配置されることになる。フェライト磁石２６はネオジム磁石に較べて残留磁束密度と抗磁力（保磁力）が小さく、熱減磁対策したネオジム磁石の残留磁束密度の約２．８分の１、同磁石の抗磁力の４分の１以下である。小さい残留磁束密度のフェライト磁石２６用いてマグネットトルクを大きくするには、実効磁極面積の増大による相対的に低い磁気抵抗と、パーミアンス係数が大きいことによる磁束総量の増大で対応する。
【００６１】
また、小さい抗磁力（保磁力）のフェライト磁石２６でステータから加わる減磁界で不可逆減磁されないために、３０ほどの大きいパーミアンス係数で対応する。フェライト磁石２６の厚さが１０ミリメートルで構成し、隣接する磁性鋼板積層コア２７と３５、および磁性鋼板積層コア２７と３６の間の磁気抵抗を、フェライト磁石２６を挟む磁性鋼板積層コア２７とロータハブ２４の間の磁気抵抗を２倍したものより数分の１に小さくする。制御されたモータ駆動時にステータ３４から加わる減磁界は、磁性鋼板積層コア２７における周方向成分が多く、径方向成分が少ない。結果、フェライト磁石２６に加わる減磁界は小さい。
【００６２】
制御されてない状態で、ステータ３４の外周面の全体に対向する複数のティース３９からフェライト磁石２６の厚さ方向に電源電圧前後の電圧による減磁界が加わった場合でも減磁されないように、磁性鋼板積層コア２７の外周面全体から加わる磁界を磁性鋼板積層コア２７の周方向の両端部から隣接する磁性鋼板積層コア３５と３６に分岐させる。フェライト磁石２６に加わる減磁界は、隣接する磁性鋼板積層コア２７と３５、および磁性鋼板積層コア２７と３６の間の磁気抵抗に対して、磁性鋼板積層コア２７の中心軸に近い部分の曲面におけるフェライト磁石２６の厚みの２倍にした磁気抵抗の比によって決まる。双方の磁気抵抗の比は１対１０ほどになる。フェライト磁石２６は低い温度になるほど抗磁力が小さくなる。モータ駆動時には周辺温度が上昇する。低温減磁を起こさないように考慮すべき条件は、極端に冷えた状態で始動時に過大な減磁界を加えないことである。フェライト磁石２６の抗磁力の温度変化を小さくするためにコバルトなどを添加する方法があるが、本発明の埋込磁石同期モータのロータの構成では、無添加のフェライト磁石でも対応できる。
【００６３】
フェライト磁石２６は、ロータ２３がステータ３４に組み込まれた状態でステータ３４から磁性鋼板積層コア２７と磁性鋼板積層コア３５、３６から異なる磁界を加えることで着磁される。フェライト磁石２６がステータ３４からの減磁界で減磁されない構成を前提に、着磁条件を選択する必要がある。フェライト磁石２６の抗磁力は相対的に小さいため、着磁する磁界強度、フェライト磁石２６の厚さ、および磁性鋼板積層コア２７の両端部と隣接する磁性鋼板積層コア３５と３６との間隔を選択することで着磁することができる。ピン２９、４０を磁性体を用いることで着磁が容易になる。
【００６４】
磁性鋼板積層コア２７の中心軸方向内側に偏って、ロータ２３の中心軸から同じ距離の２箇所に配置されたピン２９、４０の中心を通る径と交わる磁性鋼板積層コア２７の３箇所の周方向の幅を加算した全長を小さくすることで、磁性鋼板積層コア２７の質量を削減する。加算した全長が、フェライト磁石２６の磁気ヒステリシス曲線（Ｂ−Ｈ曲線）における残留磁束密度Ｂｒ（Ｈ＝０での）と磁性鋼板積層コア２７の径方向の最大磁束密度Ｂｍの比Ｂｒ／Ｂｍにフェライト磁石２６の磁性鋼板積層コア２７と密着する周方向の長さを乗じた値と近似して大きい値にすることで磁気飽和を生じさせず、フェライト磁石２６からの磁束経路を妨げないようにする。また、加算した幅の積層された磁性鋼板の部分の抗張力で磁性鋼板積層コア２７が遠心力、さらには振動などが加わることで破壊されなくする必要がある。
【００６５】
磁性鋼板積層コア２７の周方向端部における径方向外周部の近傍４１が周方向に突出され、フェライト磁石２６からの磁束がピン２９、４０の周囲の磁性鋼板内を経て外周部に至るようにする。同時に、ピン２９、４０の径を大きくして隣接する磁性鋼板積層コア３５、３６と一部で近接させても磁束の漏洩を大きくせず、磁性鋼板積層コア２７の慣性モーメントを小さくする。
【００６６】
６０００ｒｐｍ以上の回転数を求める場合、逆起電圧で電源への制約が生じないように行う弱め界磁制御による電力ロスが大きくなる。円環状のフェライト磁石２６を用いた本発明の埋込磁石同期モータでは、マグネットトルクに寄与するフェライト磁石２６からの総磁束量が相対的に少ないため、逆起電力の抑制で高回転でも電力ロスをある程度少なくできる。
【００６７】
図２は、実施例１の磁性体構成部を分解斜視図で示す。図２（ａ）は、ピン４２、４３が貫通固定された磁性鋼板積層コア３６を一部分離して示す。内側から磁性体のロータハブ２４、円環状のフェライト磁石２６、磁性鋼板積層コア３５、２７、３６が配置される。図２（ｂ）は、図２（ａ）でロータ２３の内側に配置されたロータハブ２４と円環状のフェライト磁石２６を個別に示す。ロータハブ２４は全体として円筒状に形成され、軸方向端面に複数の円弧状の軸方向突出部４４が形成される。ロータハブ２４は鋳鋼や鋳鉄で形成され、軸方向突出部４４の外周部４５は後加工で径の寸法精度を確保するとよい。円環状のフェライト磁石２６においても、研削や研磨で外周面の外径の寸法精度を得るのがよい。
【００６８】
複数の独立した磁性鋼板積層コア３５、２７、３６は、プレスで外形と貫通孔が打ち抜かれた磁性鋼板を積層し、ピン２９、４０、４２、４３を貫通孔に挿入、配置して構成される。また、磁性鋼板積層コア３５、２７、３６は、磁化容易方向をロータ２３の周方向に一致させた方向性磁性鋼板を積層して構成されると鉄損を少なく、磁気飽和を緩和することができる。
【００６９】
磁性鋼板積層コア３５、２７、３６の中心軸に近い内側の面は円弧状の断面形状にされ、円環状のフェライト磁石２６の外周部に接着固定される。接着層の厚さが均一に薄くされることでロータ回転時に作用する剥離力に耐えることができ、円環状のフェライト磁石２６が中心軸から偏ることで生じる遠心力による振動を低減することができる。
【００７０】
図３は、実施例１のロータを全体構成図で示す。側面固定板４６は非磁性体の金属板を複数枚重ねて形成される。磁性鋼板積層コア２７を貫通するピン２９、４０を挿入し、磁性鋼板積層コア４６に固定するための固定孔４７、４８が各磁極と対応する位置ごとに２箇所ずつ同心円上に穿設される。側面固定板４６の中心軸方向の内側には円弧状の凹部４９が複数形成され、径方向端部５０が円弧状の凹部４９から連続する。円弧状の凹部４９は、ロータハブ２４の軸方向突出部４４の円弧状の外側部４５に嵌合され、径方向端部５０はロータハブ２４の径方向端部５１に当てられる。磁性鋼板積層コア２７で生じるトルクが、側面固定板４６を介し、当接する径方向端部５０でロータハブ２４に伝達される。ロータハブ２４の中心には駆動シャフトに連結される開口孔５２が形成される。
【００７１】
ロータハブ２４の複数の円弧状の軸方向突出部４４の外側部４５に嵌合されることで、ピン２９、４０が貫通された磁性鋼板積層コア２７が径方向に位置が決められる。また、側面固定板４６の円弧状の凹部４９から連続する径方向端部５０が軸方向突出部４４の径方向端部５１に嵌合されることで、磁性鋼板積層コア２７が周方向に位置が決められる。
【００７２】
磁性鋼板積層コア２７は、円環状のフェライト磁石２６の外周部に接着され、フェライト磁石２６の着磁後の吸着力と相まって回転に耐える強度でフェライト磁石と一体化される。また、フェライト磁石２６の円環状の端面を側面固定板４６に接着することでフェライト磁石２６の回転に対する強度を上げてもよい。
【００７３】
ロータ２３の回転時に、独立した磁性鋼板積層コア２７が遠心力で飛散しない強度を、ピン２９、４０の径の太さ、磁性鋼板積層コア２７におけるピン２９、４０を貫通させる孔の位置、およびピン２９、４０を支持する側面固定板４６の厚さ、および固定孔４７、４８の位置と径から得る。側面固定板４６で支持されるピン２９、４０は、ロータ径が１５０ミリメートルで、磁性鋼板積層コア２７の積層厚が５０ミリメートルの場合には、クロム鋼で直径１５ミリメートル程の太さにされる。ロータ２３の回転で生じる遠心力は、磁性鋼板積層コア２７と側面固定板４６の固定孔４７、４８の嵌め合い部でピン２９、４０に応力が集中し、フレティング現象で金属疲労破壊を引き起こしやすい。ロータ２３の軸方向の反対側にも、当然ながら同形状の側面固定板５３が配置され、磁性鋼板積層コア２７のピン２９、４０が貫通して支持される。
【００７４】
破壊に至るのを防ぐには、ピン２９、４０の径に余裕を持たせることである。ピン２９、４０を固定孔４７、４８に貫通して支持する。側面固定板４６、５３の外側からピン２９、４０をボルトにしてナットで締め付ける場合に較べ、同じ径のピン２９、４０を用いて非ナット止めにした場合の方が大きい遠心力に耐えることができる。
【００７５】
側面固定板４６は、磁性鋼板積層コア２７を貫通するピン２９、４０を固定孔４７、４８で支持する。ロータ２３の回転時に生じる磁性鋼板積層コア２７とピン２９、４０の遠心力を側面固定板４６の強度で耐える。側面固定板４６を厚くするには、ロータ２３の軸方向の幅と重量に制約があり、側面固定板４６の外側部５４と固定孔４７、４８の内周部の間隔を大きくして強度を確保する必要がある。結果、ピン２９、４０を磁性鋼板積層コア２７に配置する貫通孔は、中心軸方向に偏った位置に穿設されることになる。
【００７６】
側面固定板４６は、磁性鋼板積層コア２７の積層厚が大きくなるほど厚くする必要がある。非磁性体の金属を用いた場合、単一の板で側面固定板４６を構成する場合に較べて複数の金属板を重ねて一体化する方が、結晶のすべりによるき烈の発生と進展を分散化して金属疲労による破壊を抑制することができる。また、側面固定板４６における孔径や中心位置の精度が要求される貫通孔４７、４８や円弧状の凹部４９の形状をプレスで打ち抜いて形成するために、１ミリメートル厚ほどの比較的薄い金属板を用いて複層にする必要がある。
【００７７】
磁性鋼板積層コア３５、２７、３６は個々独立しているため、方向性磁性鋼板を用いて磁化容易方向を周方向に最適化することで磁性鋼板積層コア３５、２７、３６の磁気特性を磁気抵抗や鉄損の少ないものにできる。小寸法の外形であり、磁性鋼板の圧延方向に長い形状の方向を揃えることができるため、方向による寸法変化を前もって考慮して磁性鋼板を精度よく打ち抜くことができる。したがって、プレス打ち抜き性や強度は、磁気特性や方向によるプレス打ち抜き精度をほとんど考慮せずに選択される。
【００７８】
焼きばめリング５５、５６がロータハブ２４の軸方向突出部４４と反対側の軸方向突出部に焼きばめされることで、側面固定板４６、５３の軸方向の外側からロータ２３全体を固定する。焼きばめリング５５、５６は熱容量が比較的小さく、高温で焼きばめされても熱容量が大きい側面固定板４６、５３を介すため、熱による接着剤の劣化が抑えられる。焼きばめリング５５、５６の大きさも相対的に小さいため、収縮時に軸方向突出部４４に加わる外力が限られて、軸方向突出部４４の径方向強度を損なうことがない。
【００７９】
図４は、実施例１のロータ２３を斜視図で示す。図３で示された全体構成図をまとめて組み合わせたロータ２３を示すものである。開口孔５２に挿入されるシャフトがロータ２３の回転を支持し、軸方向突出部４４の端面に軸受けベアリングが当てられる構成にできる。
【００８０】
ハイブリッド自動車に用いられている特許文献３で示される従来の埋込磁石同期モータ、V字配置にネオジム磁石がロータ外周部近傍に埋め込まれてロータ外周部がマグネットトルクとリラクタンストルクに３５対５５（磁気飽和部分の１０を除く）ほどの領域に区分されたモータ、に較べると、本発明の埋込磁石同期モータのロータ２３を用いてトルクを同等以上できる。ロータ径が１５０ミリメートル、磁性鋼板の積層厚が５０ミリメートル、磁気ギャップが０．５ミリメートルの同じ構成で、平均的にマグネットトルクが３５パーセントほど小さく、リラクタンストルクが約５０パーセント大きく、全体のトルクを１５パーセントほど大きくできる。磁気ギャップを０．６ミリメートルに２０パーセント大きくすると鉄損などのロスが少ないことを前提に同等のトルクを得ることができる。
【００８１】
側面固定板４６、５３が付加されることで、ロータ２３の慣性モーメントが増大する。独立した磁性鋼板積層コア３６と隣接する磁性鋼板積層コアの間に間隔が形成されること、比重（密度）４．８の円環状のフェライト磁石を用いることを考慮しても２５パーセントほどの慣性モーメントの増大が生じる。したがってモータ性能を従来の埋込磁石同期モータと同等程度にするには磁気ギャップを同じにする必要がある。
【実施例２】
【００８２】
図５は、本発明の埋込磁石同期モータのロータの実施例２を示す。実施例１と対応する部分は同じ符号で示される。側面固定板４６と焼きばめリング５５の間にファン５７が配置される。ファン５７は板材で外縁部が折り曲げられて形成され、内側に軸方向突出部４４の形状に近似する開口部を有する。開口部が軸方向突出部４４に案内され、側面固定板４６に当てられて、軸方向外側から焼きばめリング５５で固定される。軸方向の反対側においても、同様な構成でファン５８が側面固定板５３と焼きばめリング５６（図３で示される）の間に配置される。
【００８３】
ファン５７と５８は、図示されてないステータの巻き線コイルで生じる熱を拡散して冷却する。また、ロータ２３とステータ３４（図１で示される）間の磁気ギャップ、およびステータ３４のティース３９（図１で示される）先端の隙間近傍で、ロータ２３の回転方向とファン５７、５８の角度で生じるファン５７で生じる正圧と、他方のファン５８で生じる負圧の圧力差による軸方向の空気流動でロータ２３を冷却する。本発明の埋込磁石同期モータのロータ２３の内部の鉄損で発生する熱を少なくできても、大電流においてはステータ２３の鉄損や銅損で生じる熱の放射、およびロータ２３で生じる熱発生も無視できず、強制空冷で温度上昇を抑える必要がある。
【００８４】
フェライト磁石は温度が高くなると、ネオジム磁石と反対に抗磁力（保持力）は大きくなる。しかし、残留磁束密度の低下が生じ、マグネットトルクの低下の原因になる。モータ駆動中のフェライト磁石における温度上昇を抑制するためにファン５７、５８が配置される必要がある。
【実施例３】
【００８５】
図６は、本発明の埋込磁石同期モータのロータの実施例３を示す。ロータハブ５９とシャフト６０が鋳鋼などで一体化された構成が図６（ａ）である。他の部分は実施例１の埋込磁石同期モータのロータ２３と同じである。シャフト６０の中心軸と、ロータハブ５９の側面固定板６１が嵌合される軸方向突出部６２の円弧状外周部の中心を一致させるのが容易になる。側面固定板６１に形成された複数の固定孔６３の中心の中心軸からの位置精度を得ることができる。結果、複数の磁性鋼板積層コア６４の円弧状断面の外周部を中心軸から精度敵に均一距離に保つことができ、ステータとの磁気ギャップの間隔を小さくしやすい。
【００８６】
図６（ｂ）は、ロータハブ５９とシャフト６０が一体化された構成を斜視図で示す。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
本発明の埋込磁石同期モータのロータで構成される動力用モータをハイブリッド自動車や電気自動車に用いると、フェライト磁石を用いてもトルクと効率を向上できる。
【符号の説明】
【００８８】
２９、４０、４２、４３ ピン
２４、５９ ロータハブ
４６、５３、６１ 側面固定板
２５、２６、３８ 磁極
２６ フェライト磁石
２７、３５、３６、６４ 磁性鋼板積層コア
２３ ロータ
３４ ステータ
４７、４８、６３ 固定孔
３９ ティース
４４、６２ 軸方向突出部
４９ 円弧状の凹部
５２ 開口孔
５５、５６ 焼きばめリング
５７、５８ ファン
６０ シャフト
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主として自動車などに用いられる埋込磁石同期モータのロータに関する。
【背景技術】
【０００２】
埋込磁石同期モータは、積層磁性鋼板に永久磁石を埋め込むことで、鉄損が少なく、永久磁石の飛散を防ぐ構成にされ、一般にマグネットトルクのほかにリラクタンストルクで駆動される高効率で可変速範囲の広いモータである。
【０００３】
先行技術文献の非特許文献１では、自動車用に実用化された埋込磁石同期モータの基本断面が示されている。本図面中の図７で示す。永久磁石１の端部における積層磁性鋼板２の継鉄部３を磁束で飽和させるために、有効磁束の減少が生じる。所定のマグネットトルクを得るためには、磁束の減少を補うため、永久磁石１の量を増やすことになる。永久磁石１の質量が大きくなるほど積層磁性鋼板２の継鉄部３の幅を大きくして強度を上げる必要があり、磁束の漏洩量も相対的に大きくなる。
【０００４】
積層磁性鋼板２の隣接する突極部４の間の磁束経路が急角度で曲げられて長く、相対的に磁気抵抗が大きくなる。ステータ（固定子）５の巻線に流れる大きい電流で、幅が限定される突極部４が磁気飽和に近づくとさらに磁気抵抗が大きくなる。結果、ｑ軸インダクタンスが小さくなり、ｄ軸インダクタンスはほとんど変わらず、２つのインダクタンスの差が小さくなることでリラクタンストルクは小さくなる。また、鉄損が大きくなる。
【０００５】
永久磁石１の埋め込みが浅いため、ステータ５での高い周波数で変動する磁束の影響を強く受け、固有抵抗が小さい希土類の永久磁石１における渦電流損が大きい分だけモータ効率が落ち、永久磁石１での温度が上昇する。近接するステータ５の銅損や鉄損による永久磁石１での温度上昇の要因も加わるため、熱減磁を起こしにくい組成の永久磁石１を用いる必要がある。また、高い温度の下で、ステータ５からの強い減磁界で減磁されないために、抗磁力（保持力）が大きく、余裕のある厚さの永久磁石１を使用しなければならない。モータの大出力駆動時にはロータにおいて温度上昇が大きく、高い温度で抗磁力が小さくなるネオジム磁石は、ステータからの減磁界による不可逆的な熱減磁が問題になる。
【０００６】
ロータの各磁極は、周方向に永久磁石１が積層磁性鋼板２に埋め込まれた部分と、積層磁性鋼板２から突出した突極部４の部分に区分される。永久磁石１が埋め込まれた部分の幅を広くすると、マグネットトルクは増えるがリラクタンストルクを大きくできない。逆の区分にすると、マグネットトルクが小さくなる。結果、マグネットトルクとリラクタンストルクを同時に最大化することは難しい。また、残留磁束の小さいフェライト磁石ではマグネットトルクはより小さくなる。
【０００７】
ロータの各磁極においては、埋め込まれた永久磁石１に対向して継鉄部３を除く飽和されてない部分が永久磁石の実効磁極面積になり、磁極外周部に較べて半分余の面積で、磁極全体面を実効磁極面積にする場合に較べてその分パーミアンス係数は小さく、磁気回路の抵抗は大きく、永久磁石１からの総磁束は少なくなる。ステータ５のティースの磁束密度も部分的に大きくなり、鉄損が増大する。
【０００８】
また、ロータの各磁極で、突極部４は磁極外周部に較べて４０パーセントほどが実効磁極面積になり、その分磁気回路抵抗は大きく、ステータの巻線電流の起磁力で生じる総磁束は少なくなる。
【０００９】
１４０００ｒｐｍのような高速回転においては遠心力が非常に大きくなり、図６の従来の埋込磁石同期モータでは永久磁石１と直上の磁性鋼板を遠心力に抗して保持するために、永久磁石１近傍の継鉄部３の幅を大きくする必要があり、結果として磁束漏洩が大きくなり、マグネットトルクが小さくなる。永久磁石１の量を増やすと、さらに継鉄部３の幅を増やす必要が生じて磁束漏洩が増えていく悪循環に落ち込む可能性がある。
【００１０】
埋込磁石同期モータの小型、高効率化には、希土類元素であるネオジウム（Ｎｄ）やディスプロシウム（Ｄｙ）を用いたネオジム（Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ）磁石が用いられていた。モータ性能の観点とは別に、希土類元素の資源量や入手、および価格の問題が指摘されている。
【００１１】
本発明の埋込磁石同期モータのロータと類似な構成を有する従来例が、先行技術文献の特許文献１において、ジェネレータあるいはマグネットトルクのみで駆動される永久磁石モータのロータを対象に、開示されている。本図面中の図８と、図９にそれぞれのロータ構成を示す。図８では、磁性体のロータハブ７の複数の凹部８に位置決めされる永久磁石９の径方向外側に、径方向内側の凹部１０を永久磁石９に合わせる積層磁性鋼板１１が配置される。独立した積層磁性鋼板１１は、径方向のほぼ中間の位置に等間隔に貫通した４個のピン１２でロータハブ７の両側を挟む固定板１３の孔１４に支持され、固定板１３はロータハブ７に固定される。本発明の埋込磁石同期モータと異なり、リラクタンストルクを大きく発生させるために積層磁性鋼板１１の断面積を大きくして磁気飽和を緩和することや、乱れがない磁束経路を確保するためにピン１２の位置を適正化することなどをほとんど考慮しないで済む。
【００１２】
リラクタンストルクを大きくするには、積層磁性鋼板１１での周方向の磁束経路の磁気抵抗を小さくし、磁気飽和を起こさせないでｑ軸インダクタンスを大きくする必要があるが、積層磁性鋼板１１の径方向の厚さは薄く、周方向の磁束経路を妨げる径方向のほぼ中間の位置にピン１２が貫通している。ロータの高速回転時には、積層磁性鋼板１１や永久磁石９を遠心力に抗して強固に支持するため、両側の固定板１３の外周部１５と孔１４との幅を大きくし、ピン１２の径を大きくして強固にする必要があるが、４個のピン１２の径は小さく、特に強固にされていない。
【００１３】
磁性体のピン１２と積層磁性鋼板１１の間に非磁性層が形成され、周方向の磁束経路を乱し、磁気抵抗を大きくする要因になる。ステータでの電流によって高い周波数で変動する磁束が磁性体のピン１２を流れる場合には、積層磁性鋼板１１に流れる場合に較べ、単位体積当たりの渦電流損やヒステリシス損などの鉄損が大幅に大きくなる。積層磁性鋼板１１の断面積が小さく、永久磁石９やステータからの磁束量が大きいほど、またピン１２が太い径にされるほど、磁性体のピン１２における鉄損は顕著になる。磁気抵抗や鉄損の増大は、大きいリラクタンストルクとモータ効率の向上を意図する埋込磁石同期モータでは問題になる。
【００１４】
図９示されるロータでは、積層磁性鋼板１６が、図８の積層磁性鋼板１１に較べて径方向に厚く、断面積が大きくなっている。また、３箇所のピン１７が周方向の磁束経路を妨げる位置にあり、独立した積層磁性鋼板１６の周方向の両端部１８、１９近傍から出入する磁束の流れを妨げ、ｑ軸インダクタンスが相対的に小さくなり、リラクタンストルクを低下させる。鉄損においても、図８場合と同様の問題を有す。結果、埋込磁石同期モータとしての効率が悪くなる。また、ピン１７の径が小さく、ピン１７を固定する固定板２０の孔２１の位置が外周に非常に近く、高速回転で生じる積層磁性鋼板１６や永久磁石２２を遠心力に耐えて保持する強度はほとんど考慮されていない。
【００１５】
図８から図９で示される独立した積層磁性鋼板をロータに固定するピンやボルトの径は大きくなく、ロータが６０００ｒｐｍ以上の高速回転する場合に、磁性鋼板積層コアや永久磁石を遠心力に抗してロータに保持することが困難になる。
【００１６】
先の非特許文献１を図７で示した積層磁性鋼板２の外周部近傍に埋め込む永久磁石１の形状と配置を換えたものを示す事例として、特許文献３の図面中の図１５から図１８で示される構成がある。永久磁石に用いられるネオジム磁石の構成を各磁極にＶ形状配置し、継鉄部をＶ形状の底部と両端の３箇所に形成し、磁束総量、熱減磁、強度などの改良を図るものであるが、磁極の外周部がリラクタンストルクとマグネットトルクに寄与する部分に区分化されている状態はほとんど変わらない。
【００１７】
マグネットトルクに寄与する実効磁極面積は、Ｖ形状配置された永久磁石に対向する部分の両端の継鉄部以外の部分である。また、リラクタンストルクに寄与する実効磁極面積は各磁極に配置されたV形状の永久磁石の間の突出部であり、永久磁石と継鉄の占める領域が大きいほど実効磁極面積は小さくなる。V形状の永久磁石の直上の磁性鋼板の部分は位置、断面積、および永久磁石による大きい磁石密度ゆえリラクタンストルクに寄与する磁束の流れを期待できず、リラクタンストルクに寄与する実効磁極面積の増大にほとんどつながらない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【特許文献１】米国特許第５８９４１８３号公報
【００１９】
【特許文献２】米国特許第４３９３３２０号公報
【００２０】
【特許文献３】特開２００５−１０２４６０号公報
【非特許文献】
【００２１】
【非特許文献１】ＴＯＹＯＴＡ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｖｏｌ．４９ Ｎｏ．２ Ｄｅｃ．１９９９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
従来例での積層された磁性鋼板は、本背景技術の文中で積層磁性鋼板と表されたが、本発明の埋込磁石同期モータのロータにおいては、磁性鋼板積層コアと記述される。
【００２３】
解決されるべき課題は、ロータの永久磁石の上に配置される独立した磁性鋼板積層コアの径方向の厚さと、磁性鋼板積層コアを積層方向に貫通するピンの配置を選択することで、磁気飽和に余裕を有す短く乱されない磁束経路を得る。各磁極の周方向の両端部間を周方向に低い磁気抵抗にし、各磁極での実効磁極面積を大きくすることで、ｑ軸インダクタンスが大きくなり、永久磁石の中心に対向する方向のｄ軸インダクタンスは小さいまま、大きいリラクタンストルクを得て、高トルクで高効率の埋込磁石同期モータにする。
【００２４】
また、残留磁束密度（Ｂｒ）がネオジム磁石より３分の１ほどに小さいフェライト磁石を用いて、実効磁極面積を大きくし、パーミアンス係数を大きく、また磁束漏洩を少なくすることで比較的大きいマグネットトルクを得る。
【００２５】
また、ロータの高速回転時に、独立した磁性鋼板積層コアと永久磁石が遠心力で飛散しない強度を、ピンの太さ、磁性鋼板積層コアにおけるピンを貫通させる孔の位置、およびピンを支持する側面固定板から得て、側面固定板をロータハブの両端面からの軸方向突出部に嵌合することで磁性鋼板積層コアの位置を確定し、位置精度を確保し、安定したトルク伝達を可能にする。
【００２６】
また、熱容量の小さい焼きばめリングをロータハブの軸方向突出部で焼きばめして側面固定板に当てることで、磁性鋼板積層コアとフェライト磁石からなるロータ全体を固定する。板材からなるファンの固定も容易にする。
【００２７】
側面固定板を複数の非磁性金属板を重ねて形成することで、プレス抜き精度と強度を向上し、ロータとステータ間の磁気ギャップを小さく、高回転速度での遠心力に耐えるようにする。
【００２８】
磁性鋼板積層コアに貫通するピンの径と位置によってフェライト磁石の磁束がロータ磁極面に至るまでの磁性鋼板積層コアの部分で飽和させないで、遠心力に耐え、回転モーメントを小さくする磁性鋼板積層コアの形状にする。
【課題を解決するための手段】
【００２９】
主に自動車用など比較的大きい形状の場合、従来における埋込磁石同期モータの課題を解決するために、本発明の埋込磁石同期モータのロータにおいて、以下の手段をとる。
【００３０】
本発明の埋込磁石同期モータのロータは、大きいリラクタンストルクを得て、高効率のモータにすることを目的としているため、ステータの電流による磁性鋼板積層コア中での周方向の磁束経路を乱さず、磁気飽和に至らなくすることで、磁気抵抗を少なくし、結果、ｑ軸インダクタンスを大きくでき、大きいリアクタンストルクと低鉄損を得ることが単なるジェネレータ、およびマグネットトルクのみで駆動する永久磁石モータの場合と異なる。
【００３１】
結果的に質量が大きくなる磁性鋼板積層コアを、ロータ径が比較的大きく高速回転する条件下で、遠心力に耐えて支持するために、より強度を大きくする必要性が生じることも図７と図８で示される従来例と異なる。
【００３２】
小型で高トルク、高効率の従来の埋込磁石同期モータは、熱減磁対策にディスプロシウムを添加した複数のネオジム磁石を用いていたが、円環状のフェライト磁石を用いて、隣接する磁極を逆極性に着磁することで複数の磁石を配列する。
【００３３】
請求項１に係わる発明では、磁性鋼板積層コアの周方向端部におけるロータの中心軸方向の偏った２箇所に貫通孔が穿設され、ピンが挿入される。磁性鋼板積層コアは、リラクタンストルクを大きくするために、径方向に厚く、断面積を大きくして磁気飽和を生じにくくし、磁性鋼板積層コア中の磁束経路を妨げない位置にピンを配置することで、磁気抵抗を小さくする。ｑ軸インダクタンスが大きくなり、インダクタンストルクを大きくすると同時に、鉄損を小さくする。
【００３４】
磁性体のピンは、積層された磁性鋼板に較べ、高い周波数の磁束変化において、鉄損、特に渦電流損が大きいため、ステータの電流による磁束変化の影響がより小さく、ｑ軸磁束の流れを妨げにくい
磁性鋼板積層コアの周方向端部におけるロータの中心軸方向に偏った２箇所に配置される。ピンが非磁性体で作られても、大きい渦電流損が生じない同様の位置に配置される必要がある。
【００３５】
マグネットトルクに寄与する永久磁石に円環状のフェライト磁石を用いて、等間隔に隣接して逆極性に着磁することで複数の磁石を配置し、径方向内側の面が断面円弧状の磁性鋼板積層コアを円環状のフェライト磁石の径方向外側の面に各磁極に密着させる。円環状のフェライト磁石の内側の面は、磁性体で形成されるロータハブの外周面に近接して対向される。
【００３６】
請求項２に係わる発明では、磁性鋼板積層コアの周方向端部におけるロータの中心軸に近い部分が円弧状の断面形状にされる。円弧はピンの中心と近似した位置に中心を有する。ピンで磁性鋼板積層コアを支持する強度を保ちながら、永久磁石の磁束漏洩を少なくする。
【００３７】
請求項３に係わる発明では、略円環状の側面固定板内側の複数箇所に円弧状の凹部が形成され、ロータハブの軸方向端面から近似した円弧状の軸方向突出部に嵌合される。円弧状の凹部と軸方向突出部の円弧状の外側部を合わせることで、磁性鋼板積層コアの径方向の位置が決められ、円弧状凹部の径方向端部と軸方向突出部の径方向端部を合わせることで、磁性鋼板積層コアの回転方向の位置が決められる。互いの径方向端部が合わされることで、磁性鋼板積層コアで生じるトルクが、側面固定板を介してロータハブに伝達される。
【００３８】
請求項４に係わる発明では、磁性鋼板積層コアを軸方向両側から挟む側面固定板の固定に、熱容量の少ない焼きばめリングを用いる。軸方向突出部に焼きばめリングを焼きばめすることで、ロータハブに嵌合された側面固定板を軸方向外側から固定する。
【００３９】
請求項５に係わる発明では、ロータハブの軸方向突出部の形状に近似する開口部を内側に有する板材で構成されたファンが側面固定板と焼きばめリングの間に配置され、固定される。ファンはロータ回転時に空気冷却を行う。
【００４０】
請求項６に係わる発明では、側面固定板が複数の非磁性体の金属板を複数枚重ねて形成される。プレス打ち抜きの精度と、強度を確保する。
【００４１】
請求項７に係わる発明では、側面固定板とフェライト磁石の円環状の側部を接着固定してフェライト磁石を安定させる。
【００４２】
請求項８に係わる発明では、積層磁性鋼板にロータ回転時の遠心力に耐える強度を持たせ、質量を小さくし、フェライト磁石からの磁束を飽和させない構成にする。磁性鋼板積層コアの周方向端部において、径方向外側部近傍が周方向に突出され、２箇所のピンの中心を通る径に交わる３箇所の磁性鋼板積層コアの幅を、磁石からの磁束を飽和させずに通し、強度を確保できる範囲で小さくする。
【発明の効果】
【００４３】
磁性鋼板積層コアにｑ軸磁束が最短で流れやすくし、各磁極に対応する円弧状断面の外側部の全面を共通にマグネットトルクとリラクタンストルクに寄与する実効磁極面積にすることで、それぞれのトルクを最大化する埋込磁石同期モータの構成にできる。
【００４４】
円環状のフェライト磁石を用いて、ネオジム磁石をロータ外周面近傍に配置する従来の埋込磁石同期モータにトルク、効率で同等レベル以上の性能を有する新しい埋込磁石同期モータが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の埋込磁石同期モータのロータの実施例１を、磁性体構成部の正面図で示す。
【図２】実施例１のロータの磁性体構成部を分解斜視図で示す。
【図３】実施例１のロータを全体構成図で示す。
【図４】実施例１のロータを斜視図で示す。
【図５】実施例２の埋込磁石同期モータのロータを斜視図で示す。
【図６】実施例３の埋込磁石同期モータのロータを斜視図で示す。
【図７】従来のロータを示す。
【図８】従来のロータを示す。
【図９】従来のロータを示す。
【発明を実施するための形態】
【００４６】
独立した磁性鋼板積層コアと円環状のフェライト磁石を用いたロータ構成にする。
【実施例１】
【００４７】
本発明の埋込磁石同期モータのロータの実施例１を図１から図４までの構成で記述する。図１は、ロータ２３の磁性体構成部を正面図で示す。鋳鉄、または鋳鋼で形成される円筒状のロータハブ２４の外側部に、隣接どうし逆極性に磁極２５が等間隔に着磁されて複数の永久磁石が形成された円環状のフェライト磁石２６が配置される。断面円弧状の径方向内側の面を有する磁性鋼板積層コア２７が磁極２５に密着される。
【００４８】
磁性鋼板積層コア２７は、０．２７ミリメートルから０．３５ミリメートルの厚さの磁性鋼板を複数枚重ね、周方向端部においてロータ２３の中心軸方向の偏った位置に穿設された貫通孔２８に、ピン２９が挿入されて固定される。ピン２９の表面に薄い絶縁層を形成して、磁性鋼板積層コア２７の貫通孔２８の内側で電気的に短絡させず、大きいループの渦電流が生じないようにするとよい。
【００４９】
磁性鋼板積層コア２７の周方向端部における中心軸に近い部分３０が円弧状の断面形状にされ、ピン２９の中心と近似する位置に円弧の中心が配置される。ピン２９の外側に、ほぼ同じ幅の円弧状の磁性鋼板積層コア２７の一部分が形成される。円弧状にされることで隣接する磁性鋼板積層コア２７と３５の間隔が一部において狭くなっても、磁性鋼板積層コア２７とステータ３４で形成される磁気ギャップが狭く面積が広いため、フェライト磁石２６の磁極２５から生じる磁束の漏洩を相対的に少なくすることができる。
【００５０】
磁性鋼板積層コア２７は径方向内側の面３１が断面円弧形状に形成され、円環状のフェライト磁石２６の径方向外側の面のそれぞれの磁極２５に接着などで密着して配置される。フェライト磁石２６の径方向内側の面３２は、円筒状のロータハブ２４の外側部３３に近接して対向される。磁性鋼板積層コア２７を貫通して固定するピン２９は、非磁性体で略円環状の図示されてない側面固定板で固定支持され、側面固定板を介してロータハブ２４に機械的に連結される。
【００５１】
フェライト磁石２６の磁極２５からの磁束がステータ３４に流入してステータ３４の巻線に流れる電流磁界との相互作用で生じるマグネットトルクに加え、ｑ軸方向とｄ軸方向のインダクタンスの差に比例するリラクタンストルクを利用することができる。リラクタンストルクを大きくするためには、ｄ軸方向インダクタンＬｄを小さくできる変化幅はあまりないので、ｑ軸インダクタンスＬｑをできるだけ大きくする必要がある。
【００５２】
ステータ３４の巻線に流れる電流で生じる磁束が磁性鋼板積層コア２７を通過する経路がｄ−ｑ変換軸上で示される。円弧状の実線の矢印はｑ軸磁束経路である。ｑ軸磁束経路は、磁性鋼板積層コア２７の内を周方向に磁気抵抗が低く、磁束が非常に通り易いためｑ軸インダクタンスＬｑが大きい。電気角で９０度ずれたｄ軸磁束経路は、隣接する磁性鋼板積層コア２７と３２間の空間や、透磁率がほぼ空気に等しいフェライト磁石２６を通るため磁気抵抗が高くて磁束が通りにくく、ｄ軸インダクタンスＬｄが小さくなる。結果、Ｌｑ／Ｌｄが大きい突極性が生じる。
【００５３】
円環状のフェライト磁石２６を挟み、磁性体のロータハブ２４、独立した磁性鋼板積層コア２７、磁性鋼板が積層されたステータ３４、および隣接する磁性鋼板積層コア３５と３６で磁気回路が構成されている。そのうち、鋳鋼や鋳鉄で形成された磁性体のロータハブ２４の外側部においては、高い周波数で大きく変動する磁束が通ると鉄損が大きくなるが、本発明のベースになる埋込磁石同期モータにおいては、フェライト磁石２６の磁極２５に密着される磁性鋼板積層コア２７は径方向に厚くされ、フェライト磁石２６は深く埋め込まれるため、フェライト磁石２６の径方向内側の面に近接するロータハブ２４においては、ステータ３４の巻線に流れる電流で生じる高い周波数の磁束変化の影響が緩和され、渦電流損やヒステリシス損などの鉄損は少ない。
【００５４】
磁性鋼板積層コア２７を径方向に厚くして断面積を大きくし、フェライト磁石２６からの磁束やステータ３４の巻線に流れる電流によって生じる磁束で磁性鋼板積層コア２７を磁気飽和させないようにする。磁性鋼板は０．２７から０．３５ミリメートルに薄くされ、磁性鋼板の相対的に高い固有抵抗で、高い周波数の磁束変化による磁性鋼板積層コア２７中での渦電流損が少なくされる。また、磁性鋼板積層コア２７が隣接する磁性鋼板積層コア３５、３６と互いに独立していることから、磁性鋼板積層コア２７に方向性磁性鋼板を用いて磁化容易方向を周方向に合わせることができ、磁性鋼板積層コア２７の周方向の飽和磁束密度は大きくなり、磁束が周方向に通りやすくなる。結果、大きいステータ電流まで磁性鋼板積層コア２７は磁気飽和することなく、周方向の磁束変化によるヒステリシス損が少なく、磁気抵抗が低くされる。周方向の磁束経路の中心は、磁性鋼板積層コア２７の周方向端部どうしの間で急激に曲がらず経路も短いため、周方向の磁気抵抗は小さい。当然ながら磁束は、磁性鋼板積層コア２７の中に広がって流れる。
【００５５】
さらに、鉄損（渦電流損とヒステリシス損）を少なくし、周方向の磁束経路の磁気抵抗を小さくするために、磁性鋼板積層コア２７の周方向端部におけるロータ２３の中心軸方向に偏った位置の２箇所で穿設された貫通孔２８に、径の太いピ２９が挿入される。ピン２９は鉄を主体とした磁性体からなり、高い周波数で大きく変動する磁束がピン２９を通ると、鉄損が大きく、特に周波数が高くなるほど渦電流損が大きくなる。ピン２９と磁性鋼板積層コア２７との電気的絶縁によって境界には非磁性層が形成され、周方向の磁束経路はピン２９の存在によって乱され、磁気抵抗が大きくなる。ピン２９の磁気的な影響を少なくするため、ピン２９はロータハブ２４の周方向端部の中心軸方向に偏った位置の２箇所に配置される。
【００５６】
磁性体のピン２９に交流変化する磁束が通ることで鉄損が生じることは、鉄損が少ない磁性鋼板積層コア２７に較べて磁気抵抗が大きいことを意味する。磁性鋼板積層コア２に磁束が流れやすく、磁気飽和に至らない磁束密度においては、ピンに通る磁束は相対的に少なくなる。
【００５７】
円環状のフェライト磁石２６の磁極２５からの磁束は磁性鋼板積層コア２７を通り、磁性鋼板積層コア２７の外周面全体とステータ３４の間の狭い磁気ギャップを介してステータ３４に入る。ステータ３４を通った磁束は、隣接する磁性鋼板積層コア３５と３６の外周面全体とステータ３４の間の磁気ギャップを介して磁性鋼板積層コア３５と３６を通り、フェライト磁石２６のそれぞれの磁極３７と３８に至る経路を経る。磁気ギャップを形成する実効磁極面積は磁性鋼板積層コア２７の外周面全体と等しい。従来の埋込磁石同期モータのように、ネオジム磁石がロータの外周面近傍に埋め込まれてマグネットトルクとリラクタンストルクの領域にロータの外周部が区分化された構成で永久磁石の磁束を通す磁気回路の実効磁極面積をロータの外周部で最大化できない事例に比較して有利である。パーミアンス係数が大きく、磁気回路の磁気抵抗が低減することにより残留磁束密度の小さいフェライト磁石２６でも相対的に総磁束量を大きくすることができる。結果、大きいマグネットトルクを得ることができる。
【００５８】
ステータ３４の駆動電流で生じる磁束が磁性鋼板積層コア２７の中を流れる場合、磁性鋼板積層コア２７とステータ３４の間の磁気ギャップの実効磁極面積は、磁性鋼板積層コア２７の外周面全体をとりえる。実際にはステータ３４の複数のティース３９に流れる磁束密度に偏りがあるため、実効磁極面積は磁性鋼板積層コア２７の外周面全体より少し小さいものになる。リラクタンストルクに寄与する実効磁極面積が大きくなると磁気回路の磁気抵抗が小さくなり、ステータ３４の駆動電流で生じる総磁束量が大きくなることでリラクタンストルクが大きくなる。従来例の埋込磁石同期モータの事例のように、リラクタンストルクとマグネットトルクに寄与できる磁極面積がロータ外周部で区分化されてリラクタンストルクに寄与する実効磁極面積が小さい場合に較べ、リラクタンストルクを相対的に大きくできる。
【００５９】
本発明の埋込磁石同期モータのロータ２３に用いるフェライト磁石２６は、磁性鋼板積層コア２７に密着して接着と磁気吸着で固定される。また、フェライト磁石２６は円環状に適当な厚みに形成されることで、ロータ２３の回転時の遠心力で生じる周方向の張力に耐える機械強度を確保する。ロータ２３の中心軸に回転対称の形状と配置にされるため、ロータ２３が回転する時に磁性鋼板積層コア２７、３５、３６にはフェライト磁石２６からの遠心力は加わらない。
【００６０】
複数の磁性鋼板積層コア２７、３５、３６と一致する位置に隣接どうしで異なる極性の磁極２５、３７、３８が形成され、複数の磁石がそれぞれの磁性鋼板積層コア２７、３５、３６に密着して配置されることになる。フェライト磁石２６はネオジム磁石に較べて残留磁束密度と抗磁力（保磁力）が小さく、熱減磁対策したネオジム磁石の残留磁束密度の約２．８分の１、同磁石の抗磁力の４分の１以下である。小さい残留磁束密度のフェライト磁石２６用いてマグネットトルクを大きくするには、実効磁極面積の増大による相対的に低い磁気抵抗と、パーミアンス係数が大きいことによる磁束総量の増大で対応する。
【００６１】
また、小さい抗磁力（保磁力）のフェライト磁石２６でステータから加わる減磁界で不可逆減磁されないために、３０ほどの大きいパーミアンス係数で対応する。フェライト磁石２６の厚さが１０ミリメートルで構成し、隣接する磁性鋼板積層コア２７と３５、および磁性鋼板積層コア２７と３６の間の磁気抵抗を、フェライト磁石２６を挟む磁性鋼板積層コア２７とロータハブ２４の間の磁気抵抗を２倍したものより数分の１に小さくする。制御されたモータ駆動時にステータ３４から加わる減磁界は、磁性鋼板積層コア２７における周方向成分が多く、径方向成分が少ない。結果、フェライト磁石２６に加わる減磁界は小さい。
【００６２】
制御されてない状態で、ステータ３４の外周面の全体に対向する複数のティース３９からフェライト磁石２６の厚さ方向に電源電圧前後の電圧による減磁界が加わった場合でも減磁されないように、磁性鋼板積層コア２７の外周面全体から加わる磁界を磁性鋼板積層コア２７の周方向の両端部から隣接する磁性鋼板積層コア３５と３６に分岐させる。フェライト磁石２６に加わる減磁界は、隣接する磁性鋼板積層コア２７と３５、および磁性鋼板積層コア２７と３６の間の磁気抵抗に対して、磁性鋼板積層コア２７の中心軸に近い部分の曲面におけるフェライト磁石２６の厚みの２倍にした磁気抵抗の比によって決まる。双方の磁気抵抗の比は１対１０ほどになる。フェライト磁石２６は低い温度になるほど抗磁力が小さくなる。モータ駆動時には周辺温度が上昇する。低温減磁を起こさないように考慮すべき条件は、極端に冷えた状態で始動時に過大な減磁界を加えないことである。フェライト磁石２６の抗磁力の温度変化を小さくするためにコバルトなどを添加する方法があるが、本発明の埋込磁石同期モータのロータの構成では、無添加のフェライト磁石でも対応できる。
【００６３】
フェライト磁石２６は、ロータ２３がステータ３４に組み込まれた状態でステータ３４から磁性鋼板積層コア２７と磁性鋼板積層コア３５、３６から異なる磁界を加えることで着磁される。フェライト磁石２６がステータ３４からの減磁界で減磁されない構成を前提に、着磁条件を選択する必要がある。フェライト磁石２６の抗磁力は相対的に小さいため、着磁する磁界強度、フェライト磁石２６の厚さ、および磁性鋼板積層コア２７の両端部と隣接する磁性鋼板積層コア３５と３６との間隔を選択することで着磁することができる。ピン２９、４０を磁性体を用いることで着磁が容易になる。
【００６４】
磁性鋼板積層コア２７の中心軸方向内側に偏って、ロータ２３の中心軸から同じ距離の２箇所に配置されたピン２９、４０の中心を通る径と交わる磁性鋼板積層コア２７の３箇所の周方向の幅を加算した全長を小さくすることで、磁性鋼板積層コア２７の質量を削減する。加算した全長が、フェライト磁石２６の磁気ヒステリシス曲線（Ｂ−Ｈ曲線）における残留磁束密度Ｂｒ（Ｈ＝０での）と磁性鋼板積層コア２７の径方向の最大磁束密度Ｂｍの比Ｂｒ／Ｂｍにフェライト磁石２６の磁性鋼板積層コア２７と密着する周方向の長さを乗じた値と近似して大きい値にすることで磁気飽和を生じさせず、フェライト磁石２６からの磁束経路を妨げないようにする。また、加算した幅の積層された磁性鋼板の部分の抗張力で磁性鋼板積層コア２７が遠心力、さらには振動などが加わることで破壊されなくする必要がある。
【００６５】
磁性鋼板積層コア２７の周方向端部における径方向外周部の近傍４１が周方向に突出され、フェライト磁石２６からの磁束がピン２９、４０の周囲の磁性鋼板内を経て外周部に至るようにする。同時に、ピン２９、４０の径を大きくして隣接する磁性鋼板積層コア３５、３６と一部で近接させても磁束の漏洩を大きくせず、磁性鋼板積層コア２７の慣性モーメントを小さくする。
【００６６】
６０００ｒｐｍ以上の回転数を求める場合、逆起電圧で電源への制約が生じないように行う弱め界磁制御による電力ロスが大きくなる。円環状のフェライト磁石２６を用いた本発明の埋込磁石同期モータでは、マグネットトルクに寄与するフェライト磁石２６からの総磁束量が相対的に少ないため、逆起電力の抑制で高回転でも電力ロスをある程度少なくできる。
【００６７】
図２は、実施例１の磁性体構成部を分解斜視図で示す。図２（ａ）は、ピン４２、４３が貫通固定された磁性鋼板積層コア３６を一部分離して示す。内側から磁性体のロータハブ２４、円環状のフェライト磁石２６、磁性鋼板積層コア３５、２７、３６が配置される。図２（ｂ）は、図２（ａ）でロータ２３の内側に配置されたロータハブ２４と円環状のフェライト磁石２６を個別に示す。ロータハブ２４は全体として円筒状に形成され、軸方向端面に複数の円弧状の軸方向突出部４４が形成される。ロータハブ２４は鋳鋼や鋳鉄で形成され、軸方向突出部４４の外周部４５は後加工で径の寸法精度を確保するとよい。円環状のフェライト磁石２６においても、研削や研磨で外周面の外径の寸法精度を得るのがよい。
【００６８】
複数の独立した磁性鋼板積層コア３５、２７、３６は、プレスで外形と貫通孔が打ち抜かれた磁性鋼板を積層し、ピン２９、４０、４２、４３を貫通孔に挿入、配置して構成される。また、磁性鋼板積層コア３５、２７、３６は、磁化容易方向をロータ２３の周方向に一致させた方向性磁性鋼板を積層して構成されると鉄損を少なく、磁気飽和を緩和することができる。
【００６９】
磁性鋼板積層コア３５、２７、３６の中心軸に近い内側の面は円弧状の断面形状にされ、円環状のフェライト磁石２６の外周部に接着固定される。接着層の厚さが均一に薄くされることでロータ回転時に作用する剥離力に耐えることができ、円環状のフェライト磁石２６が中心軸から偏ることで生じる遠心力による振動を低減することができる。
【００７０】
図３は、実施例１のロータを全体構成図で示す。側面固定板４６は非磁性体の金属板を複数枚重ねて形成される。磁性鋼板積層コア２７を貫通するピン２９、４０を挿入し、磁性鋼板積層コア４６に固定するための固定孔４７、４８が各磁極と対応する位置ごとに２箇所ずつ同心円上に穿設される。側面固定板４６の中心軸方向の内側には円弧状の凹部４９が複数形成され、径方向端部５０が円弧状の凹部４９から連続する。円弧状の凹部４９は、ロータハブ２４の軸方向突出部４４の円弧状の外側部４５に嵌合され、径方向端部５０はロータハブ２４の径方向端部５１に当てられる。磁性鋼板積層コア２７で生じるトルクが、側面固定板４６を介し、当接する径方向端部５０でロータハブ２４に伝達される。ロータハブ２４の中心には駆動シャフトに連結される開口孔５２が形成される。
【００７１】
ロータハブ２４の複数の円弧状の軸方向突出部４４の外側部４５に嵌合されることで、ピン２９、４０が貫通された磁性鋼板積層コア２７が径方向に位置が決められる。また、側面固定板４６の円弧状の凹部４９から連続する径方向端部５０が軸方向突出部４４の径方向端部５１に嵌合されることで、磁性鋼板積層コア２７が周方向に位置が決められる。
【００７２】
磁性鋼板積層コア２７は、円環状のフェライト磁石２６の外周部に接着され、フェライト磁石２６の着磁後の吸着力と相まって回転に耐える強度でフェライト磁石と一体化される。また、フェライト磁石２６の円環状の端面を側面固定板４６に接着することでフェライト磁石２６の回転に対する強度を上げてもよい。
【００７３】
ロータ２３の回転時に、独立した磁性鋼板積層コア２７が遠心力で飛散しない強度を、ピン２９、４０の径の太さ、磁性鋼板積層コア２７におけるピン２９、４０を貫通させる孔の位置、およびピン２９、４０を支持する側面固定板４６の厚さ、および固定孔４７、４８の位置と径から得る。側面固定板４６で支持されるピン２９、４０は、ロータ径が１５０ミリメートルで、磁性鋼板積層コア２７の積層厚が５０ミリメートルの場合には、クロム鋼で直径１５ミリメートル程の太さにされる。ロータ２３の回転で生じる遠心力は、磁性鋼板積層コア２７と側面固定板４６の固定孔４７、４８の嵌め合い部でピン２９、４０に応力が集中し、フレティング現象で金属疲労破壊を引き起こしやすい。ロータ２３の軸方向の反対側にも、当然ながら同形状の側面固定板５３が配置され、磁性鋼板積層コア２７のピン２９、４０が貫通して支持される。
【００７４】
破壊に至るのを防ぐには、ピン２９、４０の径に余裕を持たせることである。ピン２９、４０を固定孔４７、４８に貫通して支持する。側面固定板４６、５３の外側からピン２９、４０をボルトにしてナットで締め付ける場合に較べ、同じ径のピン２９、４０を用いて非ナット止めにした場合の方が大きい遠心力に耐えることができる。
【００７５】
側面固定板４６は、磁性鋼板積層コア２７を貫通するピン２９、４０を固定孔４７、４８で支持する。ロータ２３の回転時に生じる磁性鋼板積層コア２７とピン２９、４０の遠心力を側面固定板４６の強度で耐える。側面固定板４６を厚くするには、ロータ２３の軸方向の幅と重量に制約があり、側面固定板４６の外側部５４と固定孔４７、４８の内周部の間隔を大きくして強度を確保する必要がある。結果、ピン２９、４０を磁性鋼板積層コア２７に配置する貫通孔は、中心軸方向に偏った位置に穿設されることになる。
【００７６】
側面固定板４６は、磁性鋼板積層コア２７の積層厚が大きくなるほど厚くする必要がある。非磁性体の金属を用いた場合、単一の板で側面固定板４６を構成する場合に較べて複数の金属板を重ねて一体化する方が、結晶のすべりによるき烈の発生と進展を分散化して金属疲労による破壊を抑制することができる。また、側面固定板４６における孔径や中心位置の精度が要求される貫通孔４７、４８や円弧状の凹部４９の形状をプレスで打ち抜いて形成するために、１ミリメートル厚ほどの比較的薄い金属板を用いて複層にする必要がある。
【００７７】
磁性鋼板積層コア３５、２７、３６は個々独立しているため、方向性磁性鋼板を用いて磁化容易方向を周方向に最適化することで磁性鋼板積層コア３５、２７、３６の磁気特性を磁気抵抗や鉄損の少ないものにできる。小寸法の外形であり、磁性鋼板の圧延方向に長い形状の方向を揃えることができるため、方向による寸法変化を前もって考慮して磁性鋼板を精度よく打ち抜くことができる。したがって、プレス打ち抜き性や強度は、磁気特性や方向によるプレス打ち抜き精度をほとんど考慮せずに選択される。
【００７８】
焼きばめリング５５、５６がロータハブ２４の軸方向突出部４４と反対側の軸方向突出部に焼きばめされることで、側面固定板４６、５３の軸方向の外側からロータ２３全体を固定する。焼きばめリング５５、５６は熱容量が比較的小さく、高温で焼きばめされても熱容量が大きい側面固定板４６、５３を介すため、熱による接着剤の劣化が抑えられる。焼きばめリング５５、５６の大きさも相対的に小さいため、収縮時に軸方向突出部４４に加わる外力が限られて、軸方向突出部４４の径方向強度を損なうことがない。
【００７９】
図４は、実施例１のロータ２３を斜視図で示す。図３で示された全体構成図をまとめて組み合わせたロータ２３を示すものである。開口孔５２に挿入されるシャフトがロータ２３の回転を支持し、軸方向突出部４４の端面に軸受けベアリングが当てられる構成にできる。
【００８０】
ハイブリッド自動車に用いられている特許文献３で示される従来の埋込磁石同期モータ、V字配置にネオジム磁石がロータ外周部近傍に埋め込まれてロータ外周部がマグネットトルクとリラクタンストルクに３５対５５（磁気飽和部分の１０を除く）ほどの領域に区分されたモータ、に較べると、本発明の埋込磁石同期モータのロータ２３を用いてトルクを同等以上できる。ロータ径が１５０ミリメートル、磁性鋼板の積層厚が５０ミリメートル、磁気ギャップが０．５ミリメートルの同じ構成で、平均的にマグネットトルクが３５パーセントほど小さく、リラクタンストルクが約５０パーセント大きく、全体のトルクを１５パーセントほど大きくできる。磁気ギャップを０．６ミリメートルに２０パーセント大きくすると鉄損などのロスが少ないことを前提に同等のトルクを得ることができる。
【００８１】
側面固定板４６、５３が付加されることで、ロータ２３の慣性モーメントが増大する。独立した磁性鋼板積層コア３６と隣接する磁性鋼板積層コアの間に間隔が形成されること、比重（密度）４．８の円環状のフェライト磁石を用いることを考慮しても２５パーセントほどの慣性モーメントの増大が生じる。したがってモータ性能を従来の埋込磁石同期モータと同等程度にするには磁気ギャップを同じにする必要がある。
【実施例２】
【００８２】
図５は、本発明の埋込磁石同期モータのロータの実施例２を示す。実施例１と対応する部分は同じ符号で示される。側面固定板４６と焼きばめリング５５の間にファン５７が配置される。ファン５７は板材で外縁部が折り曲げられて形成され、内側に軸方向突出部４４の形状に近似する開口部を有する。開口部が軸方向突出部４４に案内され、側面固定板４６に当てられて、軸方向外側から焼きばめリング５５で固定される。軸方向の反対側においても、同様な構成でファン５８が側面固定板５３と焼きばめリング５６（図３で示される）の間に配置される。
【００８３】
ファン５７と５８は、図示されてないステータの巻き線コイルで生じる熱を拡散して冷却する。また、ロータ２３とステータ３４（図１で示される）間の磁気ギャップ、およびステータ３４のティース３９（図１で示される）先端の隙間近傍で、ロータ２３の回転方向とファン５７、５８の角度で生じるファン５７で生じる正圧と、他方のファン５８で生じる負圧の圧力差による軸方向の空気流動でロータ２３を冷却する。本発明の埋込磁石同期モータのロータ２３の内部の鉄損で発生する熱を少なくできても、大電流においてはステータ２３の鉄損や銅損で生じる熱の放射、およびロータ２３で生じる熱発生も無視できず、強制空冷で温度上昇を抑える必要がある。
【００８４】
フェライト磁石は温度が高くなると、ネオジム磁石と反対に抗磁力（保持力）は大きくなる。しかし、残留磁束密度の低下が生じ、マグネットトルクの低下の原因になる。モータ駆動中のフェライト磁石における温度上昇を抑制するためにファン５７、５８が配置される必要がある。
【実施例３】
【００８５】
図６は、本発明の埋込磁石同期モータのロータの実施例３を示す。ロータハブ５９とシャフト６０が鋳鋼などで一体化された構成が図６（ａ）である。他の部分は実施例１の埋込磁石同期モータのロータ２３と同じである。シャフト６０の中心軸と、ロータハブ５９の側面固定板６１が嵌合される軸方向突出部６２の円弧状外周部の中心を一致させるのが容易になる。側面固定板６１に形成された複数の固定孔６３の中心の中心軸からの位置精度を得ることができる。結果、複数の磁性鋼板積層コア６４の円弧状断面の外周部を中心軸から精度敵に均一距離に保つことができ、ステータとの磁気ギャップの間隔を小さくしやすい。
【００８６】
図６（ｂ）は、ロータハブ５９とシャフト６０が一体化された構成を斜視図で示す。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
本発明の埋込磁石同期モータのロータで構成される動力用モータをハイブリッド自動車や電気自動車に用いると、フェライト磁石を用いてもトルクと効率を向上できる。
【符号の説明】
【００８８】
２９、４０、４２、４３ ピン
２４、５９ ロータハブ
４６、５３、６１ 側面固定板
２５、２６、３８ 磁極
２６ フェライト磁石
２７、３５、３６、６４ 磁性鋼板積層コア
２３ ロータ
３４ ステータ
４７、４８、６３ 固定孔
３９ ティース
４４、６２ 軸方向突出部
４９ 円弧状の凹部
５２ 開口孔
５５、５６ 焼きばめリング
５７、５８ ファン
６０ シャフト
【特許請求の範囲】
【請求項１】
略円形状断面を有するロータハブの磁性体の外側部に、複数の永久磁石が隣接どうし逆極性で等間隔に配置され、円弧状断面の径方向外側部を有する複数の磁性鋼板積層コアが、隣接どうし間隔を有して該永久磁石の径方向外側の面に重ねられ、該磁性鋼板積層コアの積層方向に貫通して設けられたピンが略環状の側面固定板の固定孔に支持され、該側面固定板が前記ロータハブに固定される埋込磁石同期モータにおいて、該ピンが挿入される貫通孔が、前記磁性鋼板積層コアの周方向端部におけるロータの中心軸方向の偏った２箇所に穿設されて、複数の前記永久磁石が円環状のフェライト磁石に隣接する磁極が逆極性にされることにより形成され、前記磁性鋼板積層コアの断面円弧形状を有する径方向内側の面が該フェライト磁石の径方向外側の面に密着された構成を有する埋込磁石同期モータのロータ。
【請求項２】
前記磁性鋼板積層コアの周方向端部におけるロータの中心軸に近い部分が円弧状の断面形状にされる請求項１に記載の埋込磁石同期モータのロータ。
【請求項３】
円弧状凹部を内側の複数箇所に有する前記側面固定板が、前記ロータハブの軸方向端面における複数の円弧状の軸方向突出部に該円弧状凹部を合わせて嵌合される請求項１、請求項２のいずれかに記載の埋込磁石同期モータのロータ。
【請求項４】
複数の円弧状の前記軸方向突出部において、焼きばめリングで前記側面固定板を軸方向外側から固定する請求項３に記載の埋込磁石同期モータのロータ。
【請求項５】
前記軸方向突出部の形状に近似する開口部を内側に有する板材で構成されたファンが、前記側面固定板と前記焼きばめリングの間に配置される請求項４に記載の埋込磁石同期モータのロータ。
【請求項６】
前記側面固定板が非磁性体の金属板を複数枚重ねて形成される請求項１に記載の埋込磁石同期モータのロータ。
【請求項７】
前記側面固定板が、円環状の前記フェライト磁石に接着される請求項１に記載の埋込磁石同期モータのロータ。
【請求項８】
前記磁性鋼板積層コアの周方向端部における径方向外側部の近傍が周方向に突出され、ロータの中心軸から同じ距離の２箇所に配置された前記ピンの中心を通る径と交わる前記磁性鋼板積層コアの３箇所の周方向の幅を加算した全長が、前記フェライト磁石の残留磁束密度Ｂｒと前記磁性鋼板積層コアの径方向の最大磁束密度Ｂｍの比Ｂｒ／Ｂｍに前記フェライト磁石の各磁極の周方向の長さを乗じた値に近似される請求項１、請求項２のいずれかに記載の埋込磁石同期モータのロータ。
【請求項１】
略円形状断面を有するロータハブの磁性体の外側部に、複数の永久磁石が隣接どうし逆極性で等間隔に配置され、円弧状断面の径方向外側部を有する複数の磁性鋼板積層コアが、隣接どうし間隔を有して該永久磁石の径方向外側の面に重ねられ、該磁性鋼板積層コアの積層方向に貫通して設けられたピンが略環状の側面固定板の固定孔に支持され、該側面固定板が前記ロータハブに固定される埋込磁石同期モータにおいて、該ピンが挿入される貫通孔が、前記磁性鋼板積層コアの周方向端部におけるロータの中心軸方向の偏った２箇所に穿設されて、複数の前記永久磁石が円環状のフェライト磁石に隣接する磁極が逆極性にされることにより形成され、前記磁性鋼板積層コアの断面円弧形状を有する径方向内側の面が該フェライト磁石の径方向外側の面に密着された構成を有する埋込磁石同期モータのロータ。
【請求項２】
前記磁性鋼板積層コアの周方向端部におけるロータの中心軸に近い部分が円弧状の断面形状にされる請求項１に記載の埋込磁石同期モータのロータ。
【請求項３】
円弧状凹部を内側の複数箇所に有する前記側面固定板が、前記ロータハブの軸方向端面における複数の円弧状の軸方向突出部に該円弧状凹部を合わせて嵌合される請求項１、請求項２のいずれかに記載の埋込磁石同期モータのロータ。
【請求項４】
複数の円弧状の前記軸方向突出部において、焼きばめリングで前記側面固定板を軸方向外側から固定する請求項３に記載の埋込磁石同期モータのロータ。
【請求項５】
前記軸方向突出部の形状に近似する開口部を内側に有する板材で構成されたファンが、前記側面固定板と前記焼きばめリングの間に配置される請求項４に記載の埋込磁石同期モータのロータ。
【請求項６】
前記側面固定板が非磁性体の金属板を複数枚重ねて形成される請求項１に記載の埋込磁石同期モータのロータ。
【請求項７】
前記側面固定板が、円環状の前記フェライト磁石に接着される請求項１に記載の埋込磁石同期モータのロータ。
【請求項８】
前記磁性鋼板積層コアの周方向端部における径方向外側部の近傍が周方向に突出され、ロータの中心軸から同じ距離の２箇所に配置された前記ピンの中心を通る径と交わる前記磁性鋼板積層コアの３箇所の周方向の幅を加算した全長が、前記フェライト磁石の残留磁束密度Ｂｒと前記磁性鋼板積層コアの径方向の最大磁束密度Ｂｍの比Ｂｒ／Ｂｍに前記フェライト磁石の各磁極の周方向の長さを乗じた値に近似される請求項１、請求項２のいずれかに記載の埋込磁石同期モータのロータ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−１７２４３２（Ｐ２０１１−１７２４３２Ａ）
【公開日】平成２３年９月１日（２０１１．９．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−３５７８２（Ｐ２０１０−３５７８２）
【出願日】平成２２年２月２２日（２０１０．２．２２）
【出願人】（５９７０２６６８５）エーシーイーテック有限会社 (8)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月１日（２０１１．９．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年２月２２日（２０１０．２．２２）
【出願人】（５９７０２６６８５）エーシーイーテック有限会社 (8)
【Ｆターム（参考）】
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