JP3681424B2

JP3681424B2 - motor

Info

Publication number: JP3681424B2
Application number: JP00752695A
Authority: JP
Inventors: 浩村上; 和成楢崎; 幸夫本田
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1995-01-20
Filing date: 1995-01-20
Publication date: 2005-08-10
Anticipated expiration: 2020-08-10
Also published as: JPH08205436A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、永久磁石をロータに埋設したモータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、ロータの外周部にロータ半径方向に直交して並べられた複数の永久磁石を埋設した永久磁石付モータが知られている。
【０００３】
例えば、図２に示す４つの永久磁石８はＳ，Ｎ極が交互になるようにロータ３内に埋設されている。そして、ステータ２のコイル１０に交流電流を流して、複数の界磁部６に回転磁界を生じさせることにより、ロータ３内の永久磁石８との間のマグネット吸引力や反発力を利用してロータ３を回転させている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の構成においては、マグネットトルクを主として利用するもので、高速回転時にトルク不足を生じる問題があった。
【０００５】
近年、ロータの磁気的な突極部間に形成される磁路を利用した、リラクタンスモータが注目されている。
【０００６】
一般に図２の永久磁石付モータにおいて、界磁部６の磁束は、鉄などで構成された透磁率が大きいロータ本体３ａに対しては磁束が通りやすく、図のｑ軸方向のインダクタンスＬｑが大きくなる一方、透磁率が小さい永久磁石８などに対してはほとんど通らず、図のｄ方向のインダクタンスＬｄが小さくなる。
【０００７】
リラクタンストルクを利用するモータは、このインダクタンスＬｑ、Ｌｄの差でリラクタンストルクを発生させ、これによって回転力を得るものである。
【０００８】
しかしながら上記従来例では、図２に示すようにロータ３に埋設された複数の永久磁石８の隣接した端部間１８は、図のＬ’で示す間隔しか得られず、磁束は主に図のＰ’で示す磁路のみを通るものである。ここで、磁束は最短距離で結ばれるように磁路を形成するのであるが、図のＰ’で示す領域に流れる磁束には限界がありすぐに飽和してしまい、インダクタンスＬｑをそれ以上大きく取ることができず、リラクタンストルクを十分に活用することができなかった。
【０００９】
本発明は、永久磁石付モータであっても、マグネットトルクと共にリラクタンストルクを有効に利用することができるモータを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するため、回転磁界を与えるアウター側のステータと、高透磁率材からなるロータ本体の外周部に、ロータ半径方向に直交するように複数の永久磁石を周方向に等ピッチで埋設したインナー側のロータとを有し、マグネットトルクと共にリラクタンストルクを利用するモータにおいて、ロータ半径方向に直交する１対の長辺と、これら長辺に直交する１対の短辺とからなる長方形状の永久磁石を仮想したとき、各長方形状の仮想された永久磁石は周方向に重ならないようにロータに配置され、上記各永久磁石は、前記長方形状の仮想された永久磁石のロータ中心側長辺の両端部が切り欠かれた形状に形成されて、各永久磁石の端部間の間隔を、前記長方形状の仮想された永久磁石の端部間の間隔よりも広くしたことを特徴とする。
【００１１】
また永久磁石のロータ中心側長辺の両端と、左側短辺および右側短辺のロータ中心側の端とがそれぞれ直線状の切り欠き線で結ばれ、これら切り欠き線はｑ軸方向に平行であることが好適である。
【００１２】
【作用】
本発明は上記構成によって、次のような作用を営むことができる。すなわち、ステータの界磁部間の磁束は最短距離で結ばれるように磁路を形成するが、ロータ本体表面部の図１にＰ’で示す磁路に流れる磁束には限界がありすぐに飽和してしまう。そこで、隣接する永久磁石の端部間幅を広くすることで、端部間を通過する図１にＰで示す磁路を形成して、ロータ本体内に大量の磁束を通すことが可能となる。
【００１３】
したがって、永久磁石に直交する方向では、永久磁石は低透磁率材であり磁束が通りにくく、図１のｄ方向のインダクタンスＬｄを極めて小さくすることができる一方、永久磁石の端部間を広げられて磁気的な凸極となる方向には、磁束が通り易いため、図のｑ方向のインダクタンスＬｑを大きくすることができる。この結果両インダクタンスＬｄ、Ｌｑの差を大きくでき、リラクタンストルクを有効に利用することができる。
【００１４】
したがって本発明によれば、リラクタンストルクとマグネットトルクの両方を有効に利用できる結果、マグネットトルクあるいはリラクタンストルクのみを利用するモータと比較して、高トルクを発生できるため、モータ効率の向上や小型化などの性能向上が実現できる。
【００１５】
また永久磁石のロータ中心側長辺の両端と、左側短辺および右側短辺のロータ中心側の端とがそれぞれ直線状の切り欠き線で結ばれ、これら切り欠き線はｑ軸方向に平行であるように形成すれば、比較的安価に永久磁石の磁界面を減じることなく、上記端部間を幅広に形成することができる。
【００１６】
【実施例】
以下本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は本発明の実施例を示す断面図である。
【００１７】
インナー側のロータ３の内部には、高透磁率材（鉄材）からなるロータ本体３ａの外周部に半径方向に直交して等ピッチで並べられた４つの永久磁石８をＳ，Ｎ極が交互に配されるように埋設されている。ロータ半径方向に直交する１対の長辺と、これら長辺に直交する１対の短辺とからなる長方形状の永久磁石、すなわち図２に示すような永久磁石を仮想したとき、各長方形状の仮想された永久磁石は周方向に重ならないようにロータに配置され、本実施例の各永久磁石８は、前記長方形状の仮想された永久磁石のロータ中心側長辺の両端部が切り欠かれた形状に形成され、切り欠かれた部分を除いて、前記長方形状の仮想された永久磁石に重なるようにしてロータ３に配置されている。すなわち前記切り欠きにより、図２に示す従来例に比較して、各永久磁石８は、隣接する端部間１８を幅広に拡張するように、ロータ本体３ａに埋設されている。より具体的には、永久磁石８のロータ中心側長辺の両端と、左側短辺および右側短辺のロータ中心側の端とがそれぞれ直線状の切り欠き線で結ばれ、これら切り欠き線はｑ軸方向に平行であるように、前記永久磁石８が形成されている。
【００１８】
一方、アウター側のステータ２には、４つの界磁部６が設けられ、これらのコイル１０に交流電流が与えられて回転磁界が発生する。
【００１９】
ロータ３には、上記界磁部６の磁束が通り易い高透磁率材の鉄材で覆われたロータ本体３ａと、磁束が通りにくい低透磁率材の永久磁石８が存在するので、永久磁石８の中心部に直交するｄ軸方向と、これに電気角で９０度ずれた前記端部間１８の中心を通るｑ軸方向とではインダクタンスＬｄ、Ｌｑが大きく異なるように構成されている。
【００２０】
すなわち、図１に示す端部間１８は図１にＬで示すように幅広であり磁気的な凸極を形成するため、ロータ３の内部には図のＰで示す磁路が形成される。これは、Ｐ’で示す磁路が飽和した際に、さらに磁束を流す磁路を形成するためである。
【００２１】
このような構成においては、図１のｄ軸方向では、界磁部６の磁束が通りにくくインダクタンスＬｄは極めて小さくすることができる一方、ｄ軸と電気角が９０度ずれたｑ軸方向では、磁路を形成し磁束が通り易くインダクタンスＬｑが大きくなり、両インダクタンスＬｄ、Ｌｑの差が大きくなってリラクタンストルクを有効に利用できることとなる。
【００２２】
また、ステータ２における複数の界磁部６によって生ずる回転磁界とロータ３内の永久磁石８との間で生ずるマグネット吸引力や反発力でロータ３を回転させることができ、マグネットトルクを有効に利用できる。
【００２３】
このような、リラクタンストルクとマグネットトルクを利用するモータの特性は、ｄ−ｑ座標軸上に変換された基本電圧方程式（１）式で表現される。また（１）式より、そのトルクＴは（２）式で表される。
【００２４】
【数１】

【００２５】
ただし、Ｖｄ、Ｖｑ：電機子電圧のｄ、ｇ軸成分
Ｒ：界磁巻線１相当りの抵抗
ｐ：微分演算子（ｐ＝ｄ／ｄｔ）
ω：電気角速度
ｉｄ、ｉｑ：ｄ、ｑ軸電流
Ｐｎ：極対数
φａ：マグネット磁束
Ｌｄ、Ｌｑ：ｄ、ｑ軸方向のインダクタンス
すなわち、透磁率の小さい材料である永久磁石８により、ｑ軸インダクタンスＬｑとｄ軸インダクタンスＬｄの値に差が生じて、ＬｄとＬｑで表されるインダクタンス差が大きくなり有効に（２）式の第２項に示すリラクタンストルクを発生する。さらに、（２）式の第１項に示すマグネットトルクが加えられて、両方のトルクによって回転力を得るものである。
【００２６】
なお上記実施例においては、ロータ部３をホール素子やエンコーダなどで予めその回転位置及び回転周波数が検出されていて、ステータ２の界磁部６のコイル１０に流す交流電流の位相は、リラクタンストルクとマグネットトルクとの合成トルクが大きく取れるように、ｑ軸から電気角でθ＝π／８（２２．５度）だけずらした位置でピークとなるように供給されている。
【００２７】
上記実施例では４つの永久磁石８を用いた例を示したが、それ以外の数の多極構成のものであってもかまわない。また、上記実施例においては、電流の位相をθ＝π／８（２２．５度）だけずらして与えたが、θはπ／８である必要はなく、ロータ構造や電流値に応じて調整すれば良い。さらに、上記実施例においては永久磁石８の形状は切欠部９を有する略台形形状としたが、切欠部９は曲線状に切欠かれたものであってもかまわない。すなわち本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば、マグネットトルクのみならずリラクタンストルクをも有効に利用でき、比較的簡単な構成で大きなトルクを出力する永久磁石埋設タイプのモータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す断面図。
【図２】従来例を示す断面図。
【符号の説明】
２ステータ
３ロータ
３ａロータ本体
６界磁部
８永久磁石
９切欠部
１０コイル
１８端部間
ｑｑ軸
ｄｄ軸[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a motor in which a permanent magnet is embedded in a rotor.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, there is known a motor with a permanent magnet in which a plurality of permanent magnets that are arranged orthogonal to the rotor radial direction are embedded in the outer periphery of the rotor.
[0003]
For example, the four permanent magnets 8 shown in FIG. 2 are embedded in the rotor 3 so that the S and N poles are alternated. Then, by passing an alternating current through the coil 10 of the stator 2 and generating a rotating magnetic field in the plurality of field magnet parts 6, the magnet attracting force and repulsive force between the permanent magnets 8 in the rotor 3 are utilized. The rotor 3 is rotated.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In the above conventional configuration, the magnet torque is mainly used, and there is a problem that the torque is insufficient during high-speed rotation.
[0005]
In recent years, a reluctance motor using a magnetic path formed between magnetic salient pole portions of a rotor has attracted attention.
[0006]
In general, in the motor with a permanent magnet of FIG. 2, the magnetic flux of the field portion 6 is easy to pass through the rotor body 3a made of iron or the like and having a high magnetic permeability, and the inductance Lq in the q-axis direction in the figure is large. On the other hand, the permanent magnet 8 having a low magnetic permeability hardly passes, and the inductance Ld in the d direction in the figure becomes small.
[0007]
A motor that uses reluctance torque generates reluctance torque by the difference between the inductances Lq and Ld, thereby obtaining rotational force.
[0008]
However, in the above-described conventional example, as shown in FIG. 2, only the interval indicated by L ′ in the figure is obtained between the adjacent end portions 18 of the plurality of permanent magnets 8 embedded in the rotor 3, and the magnetic flux is mainly shown in the figure. It passes only through the magnetic path indicated by P ′. Here, the magnetic path is formed so that the magnetic flux is connected at the shortest distance, but the magnetic flux flowing in the region indicated by P ′ in the figure has a limit and is saturated immediately, and the inductance Lq is further increased. The reluctance torque could not be fully utilized.
[0009]
An object of the present invention is to provide a motor that can effectively use a reluctance torque together with a magnet torque, even if it is a motor with a permanent magnet.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides a plurality of permanent magnets in the circumferential direction so as to be orthogonal to the rotor radial direction on the outer stator that provides a rotating magnetic field and the outer peripheral portion of the rotor body made of a high permeability material. and a inner side of the rotor which are embedded at equal pitches, the motor utilizing reluctance torque together with magnet torque, and the long sides of the pair which is perpendicular to the rotor radially, the short side of a pair of orthogonal thereto long side When the rectangular permanent magnets made of are assumed to be virtual, each rectangular virtual permanent magnet is arranged on the rotor so as not to overlap in the circumferential direction, and each of the permanent magnets is the same as the rectangular virtual permanent magnet. both end portions of the rotor center long side is formed in the notched shape, the spacing between the ends of each of the permanent magnets, and wider than the distance between the ends of the rectangular virtual is a permanent magnet And it features.
[0011]
In addition , both ends of the long side of the permanent magnet on the rotor center side and the left side short side and the right side short side of the rotor center side are connected by linear notch lines, and these notch lines are parallel to the q-axis direction. it is preferable that there.
[0012]
[Action]
The present invention can perform the following operations by the above-described configuration. That is, a magnetic path is formed so that the magnetic flux between the magnetic field portions of the stator is connected at the shortest distance, but the magnetic flux flowing through the magnetic path indicated by P ′ in FIG. Resulting in. Therefore, by widening the width between the end portions of the adjacent permanent magnets, a magnetic path indicated by P in FIG. 1 passing between the end portions can be formed, and a large amount of magnetic flux can be passed through the rotor body. .
[0013]
Therefore, in the direction perpendicular to the permanent magnet, the permanent magnet is a low permeability material and does not easily pass magnetic flux, and the inductance Ld in the d direction in FIG. 1 can be made extremely small, while the end portions of the permanent magnet can be widened. Therefore, the magnetic flux easily passes in the direction of the magnetic convex pole, so that the inductance Lq in the q direction in the figure can be increased. As a result, the difference between the inductances Ld and Lq can be increased, and the reluctance torque can be used effectively.
[0014]
Therefore, according to the present invention, both the reluctance torque and the magnet torque can be used effectively. As a result, a higher torque can be generated compared to a motor that uses only the magnet torque or the reluctance torque. Performance improvement such as can be realized.
[0015]
In addition , both ends of the long side of the permanent magnet on the rotor center side and the left side short side and the right side short side of the rotor center side are connected by linear notch lines, and these notch lines are parallel to the q-axis direction. If formed as such , the gap between the end portions can be formed wider without reducing the magnetic field surface of the permanent magnet at a relatively low cost.
[0016]
【Example】
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a sectional view showing an embodiment of the present invention.
[0017]
Inside the rotor 3 on the inner side, four permanent magnets 8 arranged at an equal pitch perpendicular to the radial direction on the outer peripheral portion of the rotor body 3a made of a high permeability material (iron material) are alternately arranged in S and N poles. It is buried so that it may be arranged. When a rectangular permanent magnet composed of a pair of long sides orthogonal to the rotor radial direction and a pair of short sides orthogonal to these long sides, ie, a permanent magnet as shown in FIG. The virtual permanent magnets are arranged on the rotor so as not to overlap each other in the circumferential direction, and each permanent magnet 8 of the present embodiment is cut off at both ends of the long side of the rectangular virtual permanent magnet on the rotor center side. Except for the cutout portion, the rotor 3 is arranged on the rotor 3 so as to overlap the rectangular virtual permanent magnet. That is, the permanent magnets 8 are embedded in the rotor body 3a by the notches so as to widen the adjacent end portions 18 wider than in the conventional example shown in FIG . More specifically, both ends of the long side of the permanent magnet 8 on the rotor center side and the left side short side and the right side short side of the rotor center side are connected by straight cut lines, respectively. The permanent magnet 8 is formed so as to be parallel to the q-axis direction.
[0018]
On the other hand, the outer-side stator 2 is provided with four field magnet portions 6, and an alternating current is applied to these coils 10 to generate a rotating magnetic field.
[0019]
The rotor 3 includes a rotor main body 3a covered with a high-permeability iron material that easily passes the magnetic flux of the field portion 6 and a low-permeability material permanent magnet 8 that hardly passes the magnetic flux. The inductances Ld and Lq are greatly different between the d-axis direction orthogonal to the central portion of the first and the q-axis direction passing through the center of the end portion 18 that is shifted by 90 degrees in electrical angle.
[0020]
That is, the end portion 18 shown in FIG. 1 is wide as shown by L in FIG. 1 and forms a magnetic convex pole, so that a magnetic path shown by P in the figure is formed inside the rotor 3. This is to form a magnetic path through which a magnetic flux further flows when the magnetic path indicated by P ′ is saturated.
[0021]
In such a configuration, in the d-axis direction of FIG. 1, the magnetic flux of the field portion 6 is difficult to pass, and the inductance Ld can be made extremely small. On the other hand, in the q-axis direction where the electrical angle is shifted by 90 degrees, A magnetic path is formed, the magnetic flux easily passes through, and the inductance Lq increases, and the difference between both inductances Ld and Lq increases, so that the reluctance torque can be used effectively.
[0022]
Further, the rotor 3 can be rotated by a magnet attractive force or a repulsive force generated between the rotating magnetic field generated by the plurality of field portions 6 in the stator 2 and the permanent magnet 8 in the rotor 3, and the magnet torque is effectively used. it can.
[0023]
The characteristics of the motor using the reluctance torque and the magnet torque are expressed by the basic voltage equation (1) converted on the dq coordinate axis. Further, from the equation (1), the torque T is expressed by the equation (2).
[0024]
[Expression 1]

[0025]
Where Vd, Vq: d and g axis components of armature voltage R: resistance equivalent to field winding 1 p: differential operator (p = d / dt)
ω: electrical angular velocity id, iq: d, q-axis current Pn: number of pole pairs φa: magnet magnetic flux Ld, Lq: d, q-axis direction inductance, that is, q-axis inductance Lq by permanent magnet 8 which is a material with low permeability And d-axis inductance Ld are different, and the inductance difference represented by Ld and Lq is increased, and the reluctance torque shown in the second term of equation (2) is effectively generated. Further, the magnet torque shown in the first term of the equation (2) is applied, and a rotational force is obtained by both torques.
[0026]
In the above embodiment, the rotational position and rotational frequency of the rotor unit 3 are detected in advance by a hall element, an encoder, etc., and the phase of the alternating current flowing through the coil 10 of the field unit 6 of the stator 2 is the reluctance torque. And the magnet torque are supplied so as to have a peak at a position shifted by θ = π / 8 (22.5 degrees) in electrical angle from the q axis.
[0027]
In the above embodiment, an example using four permanent magnets 8 has been shown, but other numbers of multipolar configurations may be used. In the above embodiment, the current phase is shifted by θ = π / 8 (22.5 degrees). However, θ does not have to be π / 8, and is adjusted according to the rotor structure and the current value. Just do it. Furthermore, although the shape of the permanent magnet 8 is a substantially trapezoidal shape having the notch 9 in the above embodiment, the notch 9 may be notched in a curved shape. That is, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made based on the spirit of the present invention, and these are not excluded from the scope of the present invention.
[0028]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, not only a magnet torque but a reluctance torque can be used effectively, and the permanent magnet embedding type motor which outputs a big torque with a comparatively simple structure can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a conventional example.
[Explanation of symbols]
2 Stator 3 Rotor 3a Rotor body 6 Field portion 8 Permanent magnet 9 Notch portion 10 Coil 18 Between ends q q axis d d axis

Claims

An outer side stator that gives a rotating magnetic field, and an inner side rotor in which a plurality of permanent magnets are embedded at equal pitches in the circumferential direction so as to be orthogonal to the rotor radial direction on the outer peripheral portion of the rotor body made of a high permeability material. has, in the motor utilizing reluctance torque together with magnetic torque, when virtual and long sides of the pair which is perpendicular to the rotor radially, a rectangular permanent magnet consisting of a short side of a pair of orthogonal thereto long side The rectangular virtual permanent magnets are arranged on the rotor so as not to overlap each other in the circumferential direction, and each of the permanent magnets is cut out at both ends of the long side of the rectangular virtual permanent magnet on the rotor center side. is formed him shape, a motor the distance between the ends of each permanent magnet, characterized by being wider than the spacing between the ends of the rectangular virtual is a permanent magnet.

Both ends of the long side of the rotor center side of the permanent magnet and the left side short side and right side short side of the rotor center side are connected by linear notch lines, and these notch lines are parallel to the q-axis direction. The motor according to claim 1.