JP4713348B2

JP4713348B2 - 永久磁石型同期モータ

Info

Publication number: JP4713348B2
Application number: JP2006005707A
Authority: JP
Inventors: 昌志高橋; 巌瀧本
Original assignee: Nidec Sankyo Corp
Current assignee: Nidec Instruments Corp
Priority date: 2006-01-13
Filing date: 2006-01-13
Publication date: 2011-06-29
Anticipated expiration: 2026-01-13
Also published as: CN101001038A; CN101001038B; JP2007189830A

Description

本発明は、永久磁石型同期モータ（以下、モータという）に関するものである。さらに詳しくは、永久磁石型同期モータにおけるコギングトルク低減構造に関するものである。

永久磁石型同期モータは、一般に、半径方向に突出する複数の極歯が間にスロットを挟んで等角度間隔に配置されたステータコア、および極歯に巻回されたコイルを備えたステータと、極歯の先端面に所定の空隙を介して対向する周面にＳ極およびＮ極が周方向で交互に配置された永久磁石を備えたロータとを有している。

このようなモータでは、ステータコアと永久磁石との間に作用する磁気吸引力によりゴギングトルクが発生し、かかるコギングトルクは、回転むらや信号の原因となるため、好ましくない。そこで、極歯の先端面にダミースロットと称せられる補助溝を形成することにより、モータ全体でのコギングトルクを低減することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平１１−１８３２６号公報

しかしながら、特許文献１に記載されているような一体型のステータコアを用いた場合には、コイルを巻回するためのノズルが極歯の間に形成されたスロット内に進入できるように、隣り合う極歯の先端部同士の隙間を広くせざるを得ない。このため、隣り合う極歯の先端部同士の隙間で発生するコギングトルクが大きいので、それを相殺するには、補助溝も大きくする必要がある。その結果、ステータコアの集磁力が低下するという問題点がある。

以上の問題点に鑑みて、本発明の課題は、ステータコアの集磁力の低下を抑えながら、コギングトルクを低減可能なモータを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明では、半径方向に突出する複数の極歯が間にスロットを挟んで等角度間隔に配置されたステータコア、および前記極歯に巻回されたコイルを備えたステータと、前記極歯の先端面に所定の空隙を介して対向する周面にＳ極およびＮ極が周方向で交互に配置された永久磁石を備えたロータとを有する永久磁石型同期モータにおいて、前記ステータコアは、前記極歯を備えた複数の分割コアが周方向に配置されてなり、前記複数の極歯は、先端側で周方向に広がる先端部を備え、当該極歯の先端面には、当該先端面を周方向に等角度に分割する補助溝が形成されており、前記複数の極歯において隣り合う極歯の先端部の間に形成された隙間の周方向の開口幅と、前記補助溝の周方向の開口幅とが略等しく、前記複数の極歯において隣り合う極歯の先端部の間に形成された隙間の開口面積と、前記補助溝の開口面積とが略等しく、前記複数の極歯において隣り合う極歯の先端部の間に形成された隙間において、前記先端部の周方向の端部における半径方向の寸法で規定される奥行き寸法と、前記補助溝の半径方向の奥行き寸法とが略等しく、前記複数の極歯において隣り合う極歯の先端部の間に形成された隙間の内容積と、前記補助溝の内容積とが略等しいことを特徴とする。

本発明では、分割コアを用いたため、分割コアにコイルを巻回した後、分割コアを周方向に配置してステータを構成することができる。このため、コイルを巻回するためのノズルを極歯の先端部同士の隙間に通す必要がないので、極歯の先端部同士の隙間を狭くできる。このため、隣り合う極歯の先端部同士の隙間で発生するコギングトルクを小さくできる。また、極歯の先端面には、この先端面を周方向に等角度に分割する補助溝が形成されているため、モータ全体でのコギングトルクを低減できる。しかも、極歯の先端部同士の隙間が狭い分、補助溝も狭くてよいので、補助溝の形成に起因するステータコアの集磁力の低下を抑えることができる。また、極歯の先端面に補助溝を形成すると、渦電流の発生を抑えることができる。さらに、複数の極歯において隣り合う極歯の先端部の間に形成された隙間と、補助溝とは上記の寸法に形成されているので、隣り合う極歯の先端部同士の隙間で発生するコギングトルクと、補助溝で発生するコギングトルクとを同等にすることができ、それ故、モータ全体でのコギングトルクを低減できる。

本発明において、前記永久磁石は、周方向に配置された複数の分割永久磁石からなることが好ましい。このように構成すると、一体型の永久磁石を用いた場合に比較して、コストの低減を図ることができる。また、分割永久磁石であれば、磁石を着磁する際、ラジアル方向の着磁に限らず、平行着磁などといった異方着磁も容易に行うことができる。それ故、誘起電圧の波形を正弦波に近づけることも容易である。

本発明において、前記複数の分割永久磁石は、周方向で隣り合う分割永久磁石同士が離れた状態に配置されていることが好ましい。このように構成すると、分割永久磁石同士を接することができない場合、または意図的に接しない場合において、分割永久磁石間の間隔を一定の間隔にすることで、磁極が変化する部分を一定にすることができる。

本発明において、前記複数の分割永久磁石は、周方向で隣り合う分割永久磁石同士が接する状態に配置されていることが好ましい。このように構成すると、分割永久磁石を周方向に配置する際の作業を容易かつ効率よく行うことができる。また、分割永久磁石同士を接する状態で配置することで、磁極が変化する部分を一定にすることができる。

本発明において、前記分割永久磁石は、前記極歯の先端面と対向する面が、前記空隙の寸法が周方向の中央で狭く、周方向の両側で広くなる曲率の円弧面からなることが好ましい。前記極歯の先端面と永久磁石との空隙は狭くした方が集磁力や誘起電圧が大きくなる一方、コギングトルクも大きくなるが、このような形状を採用すれば、集磁力や誘起電圧を低減せずにコギングトルクを小さくすることができる。

本発明は、前記ロータが前記ステータの内側に配置されたインナーロータ型のモータに適用できる。なお、本発明は、前記ロータが前記ステータの外側に配置されたアウターロータ型のモータに適用してもよい。

本発明では、ステータに分割コアを用いたため、分割コアにコイルを巻回した後、分割コアを周方向に配置してステータを構成することができる。このため、コイルを巻回するためのノズルを極歯の先端部同士の隙間に通す必要がないので、極歯の先端部同士の隙間を狭くできる。このため、隣り合う極歯の先端部同士の隙間で発生するコギングトルクを小さくできる。また、極歯の先端面には、この先端面を周方向に等角度に分割する補助溝が形成されているため、モータ全体でのコギングトルクを低減できる。しかも、極歯の先端部同士の隙間が狭い分、補助溝も狭くてよいので、補助溝の形成に起因するステータコアの集磁力の低下を抑えることができる。また、極歯の先端面に補助溝を形成すると、渦電流の発生を抑えることができる。さらに、複数の極歯において隣り合う極歯の先端部の間に形成された隙間と、補助溝とは上記の寸法に形成されているので、隣り合う極歯の先端部同士の隙間で発生するコギングトルクと、補助溝で発生するコギングトルクとを同等にすることができ、それ故、モータ全体でのコギングトルクを低減できる。

以下に、図面を参照して、本発明を適用したモータについて説明する。なお、本発明は、インナーロータ型およびアウターロータ型のいずれにも適用できるが、以下、インナーロータ型のモータに本発明を適用した例を説明する。

［実施の形態１］
図１は、本発明を適用したモータの構成を示す断面図である。図２（ａ）、（ｂ）は、本発明を適用したステータコアの構成を示す断面図、および補助溝の構成を示す説明図である。

（全体構成）
図１に示すように、本形態のモータ１は、筒状のモータケース２２と、このモータケース２２内に配置されたステータ３と、このステータ３の内側に配置されたロータ４とを有している。モータケース２２は、モータ中心軸線Ｍ方向における両端側が開口しており、そのうちの一方の開口部を覆うように軸受保持部材２１がモータケース２２に取り付けられ、他方の開口部を覆うように軸受保持部材２３がモータケース２２に取り付けられている。従って、軸受保持部材２１および軸受保持部材２３は、ケース部材としても用いられている。ロータ４は、回転軸４１の外周面に永久磁石４２を備えており、回転軸４１の両端部には、軸受保持部材２１、２３に保持された軸受４３、４４が取り付けられている。

図１および図２（ａ）に示すように、ステータ３は、半径方向内側に突出する複数の極歯３１１が間にスロット３５を挟んで等角度間隔に配置されたステータコア３１と、極歯３１１に対してインシュレータ３３を介して巻回されたコイル３２とを備えており、極歯３１１の先端面３１３は、所定の空隙を介して永久磁石４２の外周面に対向している。ここで、コイル３２は、ラジアル方向の内周側で薄く外周側で厚く巻回されている。

（ステータコアの構成）
このように構成したモータ１において、ステータコア３１は、極歯３１１を備えた複数の分割コア３１０が周方向において等角度間隔に円環状に配置された構成を備えている。本形態において、ステータ３は９極であり、９個の分割コア３１０が４０°間隔に配置されている。これらの複数の分割コア３１０において、各々の極歯３１１は先端側で周方向の両側に延びた先端部３１２を備えており、隣り合う極歯３１１の先端部３１２同士の間には隙間３８が形成されている。但し、本形態では、ステータコア３１に分割コア３１０を用いたため、分割コア３１０にコイル３２を巻回した後、分割コア３１０を周方向に配置してステータ３を構成することができるので、コイル３２を巻回するためのノズルを極歯３１１の先端部３１２同士の隙間３８に通す必要がない。それ故、先端部３１２同士の隙間３８の開口幅を狭くできる。例えば、本形態において、先端部３１２同士が形成する隙間３８の開口幅ｄ１は、０．５ｍｍであり、奥行き寸法ｄ２が０．８ｍｍである。

但し、先端部３１２同士の隙間３８は、狭くてもコギングトルクを発生させるため、本形態では、極歯３１１の先端面３１３には、この先端面３１３を周方向に等角度に分割するスリット状の補助溝３９が形成されている。このような補助溝３９の数は、分割コア３１０のサイズなどに応じて最適な値に設定すればよいが、本形態では、分割コア３１０が４０°の角度θｃを占めているため、極歯３１１の先端面３１３では、２本の補助溝３９が１３．３°の角度間隔で形成されており、極歯３１１の先端面３１３において３つの領
域の角度範囲θａ、θｂはいずれも、１３．３３°である。

（永久磁石の構成）
本形態において、ロータ４では、回転軸４１の周りに配置された永久磁石４２は、等角度間隔に配置された複数の分割永久磁石４２０から構成されている。本形態において、永久磁石４２は、６つの分割永久磁石４２０によって構成されている。

ここで、６つの分割永久磁石４２０は、周方向で隣り合う分割永久磁石４２０同士が接する状態に配置されている。

また、６つの分割永久磁石４２０は、内周面はモータ中心軸線Ｍを中心とする円弧面になっているが、極歯３１１の先端面３１３と対向する外周面は、極歯３１１の先端面３１３との間に形成される空隙の寸法が周方向の中央で狭く、周方向の両側で広くなる曲率の円弧面で構成されている。

（本形態の主な効果）
以上説明したように、本形態では、ステータコア３１に分割コア３１０を用いたため、分割コア３１０にコイル３２を巻回した後、分割コア３１０を周方向に配置してステータ３を構成することができる。このため、コイル３２を巻回するためのノズルを極歯３１１の先端部３１２同士の隙間３８に通す必要がないので、先端部３１２同士の隙間３８を狭くできる。このため、極歯３１１の先端部３１２同士の隙間３８で発生するコギングトルクが小さい。

また、極歯３１１の先端面３１３には、この先端面３１３を周方向に等角度に分割する補助溝３９が形成されているため、モータ全体でのコギングトルクを低減できる。

例えば、図３（ａ）に示すように補助溝３９を等角度間隔に形成した場合と、図３（ｂ）に示すように補助溝３９を形成しない場合、図３（ｃ）に示すように補助溝３９を等角度間隔からずれた位置に形成した場合について、コギングトルクおよび誘起電圧をシミュレーションすると、図３（ｄ）、（ｅ）に示す結果が得られる。図３（ｄ）は、コギングトルクのシミュレーション結果を比較して示すグラフであり、図３（ｅ）は、誘起電圧のシミュレーション結果を比較して示すグラフである。なお、図３（ｄ）、（ｅ）において、図３（ａ）に示すように補助溝３９を等角度間隔に形成した場合の計測結果を実線Ｌａで示し、図３（ｂ）に示すように補助溝３９を形成しない場合の計測結果を実線Ｌｂで示し、図３（ｃ）に示すように補助溝３９を等角度間隔からずれた位置に形成した場合の計測結果を実線Ｌｃで示してある。

図３（ｄ）から分かるように、図３（ａ）に示した本発明に係る構成では、補助溝３９を形成しない場合（図３（ｂ）に示す形状）や補助溝３９を等角度間隔からずれた位置に形成した場合（図３（ｃ）に示す形状）と比較して、コギングトルクを大幅に低減することができる。また、図３（ｅ）に示すように、図３（ａ）に示した構成を採用した場合でも、補助溝３９を形成しない構成（図３（ｂ）に示す形状）や補助溝３９を等角度間隔からずれた位置に形成した構成（図３（ｃ）に示す形状）を採用した場合と比較して誘起電圧が低下することはない。

しかも、本形態によれば、ステータコア３１に分割コア３１０を用いたため、極歯３１１の先端部３１２同士の隙間３８を狭くできる分、補助溝３９も狭くてよいので、補助溝３９の形成に起因するステータコア３１の集磁力の低下を抑えることができる。

さらに、極歯３１１の先端面３１３に補助溝３９を形成すると、集磁する先端面３１３
に形成された凹凸により磁気回路中の空隔が大きくなり、集磁される磁束が局所的に少なくなる。これにより、集磁する先端面３１３の表面で発生する過電流を低減できるため、渦電流の発生を抑えることができる。

ここで、補助溝３９の周方向の開口幅は、隣り合う極歯３１１の先端部３１２の間に形成された隙間３８の周方向の開口幅ｄ１と等しいことが好ましい。また、補助溝３９の径方向の奥行き寸法は、隣り合う極歯３１１の先端部３１２の間に形成された隙間３８の径方向の奥行き寸法ｄ２と等しいことが好ましい。また、補助溝３９の１つ当たりの開口面積は、隣り合う極歯３１１の先端部３１２の間に形成された隙間３８の開口面積と等しいことが好ましく、さらに、補助溝３９の１つ当たりの内容積は、隣り合う極歯３１１の先端部３１２の間に形成された隙間３８の内容積と等しいことが好ましい。このように構成すると、極歯３１１の先端部３１２同士の隙間３８で発生するコギングトルクと、補助溝３９で発生するコギングトルクとを同等にすることができるので、モータ全体でのコギングトルクを低減できる。

また、本形態においては、永久磁石４２として分割永久磁石４２０を用いているため、一体型の永久磁石を用いた場合に比較して、コストの低減を図ることができる。また、分割永久磁石４２０であれば、磁石を着磁する際、ラジアル方向の着磁に限らず、平行着磁などといった異方着磁も容易に行うことができる。それ故、誘起電圧の波形を正弦波に近づけることも容易である。

さらに、本形態において、複数の分割永久磁石４２０は、周方向で隣り合う分割永久磁石４２０同士が接する状態に配置されているので、分割永久磁石４２０を周方向に配置する際の作業を容易かつ効率よく行うことができる。また、分割永久磁石４２０同士を接する状態で配置することで、磁極が変化する部分を一定にすることができる。また、分割永久磁石４２０が接しない場合は、分割永久磁石間の間隔を一定の間隔にすることで、磁極が変化する部分を一定にすることができる。

さらにまた、分割永久磁石４２０は、極歯３１１の先端面３１３と対向する外周面が、極歯３１１の先端面３１３との間に形成する空隙の寸法が周方向の中央で狭く、周方向の両側で広くなる曲率の円弧面からなる。ここで、極歯３１１の先端面３１３と永久磁石４２との空隙は狭くした方が集磁力や誘起電圧が大きくなる一方、コギングトルクも大きくなるが、このような形状を採用すれば、集磁力や誘起電圧を低減せずにコギングトルクを小さくすることができる。

すなわち、極歯３１１の先端面３１３が構成する仮想円の半径を２０ｍｍに固定した場合において、永久磁石４２の外周面が構成する仮想円の半径（ロータ４の半径）を１５．９ｍｍに設定して、分割永久磁石４２０の曲率を以下に示すように変化させた場合における、誘起電圧ｅｍｆ［ｖｐ−ｐ］とコギングトルクＴ［ｍＮｍｐ−ｐ］の値は、以下に示す通りであるが、
分割永久磁石の曲率誘起電圧コギングトルク
１４１３２．２０．９０５
１３１３０．９０．６７２
１２１２９．３０．４８０
１１１２７．３０．３１５
１０１２４．６０．１８３
９１２０．９０．１００
８１１５．８０．０６３
誘起電圧ｅｍｆ［ｖｐ−ｐ］を低減させないために、永久磁石４２の外周面が構成する仮想円の半径ｒ［ｍｍ］（ロータ４の半径）を以下に示すように変化させると、以下の結果
ロータの半径誘起電圧コギングトルク
１５．９１１５．８０．０６３
１６．０１２１．４０．０９２
１６．１１２７．３０．１３９
１６．２１３１．５０．２０９
となる。このように、永久磁石４２の外周面が構成する仮想円の半径（ロータ４の半径）を大きくすれば、誘起電圧の低下を抑えることができるが、永久磁石４２の外周面が構成する仮想円の半径（ロータ４の半径）が大きくなるに伴い、コギングトルクも大きくなる。従って、補助溝３９を設けることにより、誘起電圧の低下を抑え、かつコギングトルクの低減を図ることができる。

［その他の実施の形態］
上記形態においては、極歯３１１に補助溝３９を２つずつ形成する構成を採用したが、分割コア３１０の内径が大きい場合であれば補助溝３９を３つずつ設け、分割コア３１０の内径が小さい場合には、補助溝３９を１つずつ設けてもよい。

また、上記形態においては、隙間３８の幅寸法ｄ１が０．５ｍｍ、奥行き寸法ｄ２が０．８ｍｍであったが、隙間３８の幅寸法ｄ１は、例えば０．４〜１．６ｍｍに設定され、隙間３８の奥行き寸法ｄ２は、例えば０．３〜１．２ｍｍに設定されるので、補助溝３９のサイズについては、隙間３８と開口面積あるいは奥行き寸法が等しくなるように、さらに好ましくは内容積が等しく構成すればよい。

また、上記形態において、分割永久磁石４２０は、相互に連結された状態で回転軸４１に固着した構成を採用したが、分割永久磁石４２０を各々が離れた状態で回転軸４１に固着した構成を採用してもよい。

本発明を適用したモータの構成を示す断面図である。（ａ）、（ｂ）は、本発明を適用したステータコアの構成を示す断面図、および補助溝の構成を示す説明図である。分割コアの構成と、コギングトルクおよび誘起電圧との関係を示す説明図である。

符号の説明

１モータ
３ステータ
４ロータ
３１ステーアコア
３１０分割コア
３１１極歯
３１２先端部
３１３先端面
３８先端部同士の隙間
３９補助溝
４１回転軸
４２永久磁石
４２０分割永久磁石

Claims

半径方向に突出する複数の極歯が間にスロットを挟んで等角度間隔に配置されたステータコア、および前記極歯に巻回されたコイルを備えたステータと、前記極歯の先端面に所定の空隙を介して対向する周面にＳ極およびＮ極が周方向で交互に配置された永久磁石を備えたロータとを有する永久磁石型同期モータにおいて、
前記ステータコアは、前記極歯を備えた複数の分割コアが周方向に配置されてなり、
前記複数の極歯は、先端側で周方向に広がる先端部を備え、
当該極歯の先端面には、当該先端面を周方向に等角度に分割する補助溝が形成されており、
前記複数の極歯において隣り合う極歯の先端部の間に形成された隙間の周方向の開口幅と、前記補助溝の周方向の開口幅とが略等しく、
前記複数の極歯において隣り合う極歯の先端部の間に形成された隙間の開口面積と、前記補助溝の開口面積とが略等しく、
前記複数の極歯において隣り合う極歯の先端部の間に形成された隙間において、前記先端部の周方向の端部における半径方向の寸法で規定される奥行き寸法と、前記補助溝の半径方向の奥行き寸法とが略等しく、
前記複数の極歯において隣り合う極歯の先端部の間に形成された隙間の内容積と、前記補助溝の内容積とが略等しいことを特徴とする永久磁石型同期モータ。
請求項１において、前記永久磁石は、周方向に配置された複数の分割永久磁石からなることを特徴とする永久磁石型同期モータ。
請求項２において、前記複数の分割永久磁石は、周方向で隣り合う分割永久磁石同士が離れた状態に配置されていることを特徴とする永久磁石型同期モータ。
請求項２において、前記複数の分割永久磁石は、周方向で隣り合う分割永久磁石同士が接する状態に配置されていることを特徴とする永久磁石型同期モータ。
請求項２ないし３のいずれかにおいて、前記分割永久磁石は、前記極歯の先端面と対向する面が、前記空隙の寸法が周方向の中央で狭く、周方向の両側で広くなる曲率の円弧面からなることを特徴とする永久磁石型同期モータ。
請求項１ないし５のいずれかにおいて、前記ロータは、前記ステータの内側に配置されていることを特徴とする永久磁石型同期モータ。