JP5483582B2 - モータ - Google Patents

Description

本発明は、コンシクエントポール型構造を採用したロータを有するモータに関するものである。

従来、モータにおいて、ロータコアの周方向に一方の磁極のマグネットが複数埋め込まれてマグネット磁極部が形成されるとともに、各マグネット磁極部間にはロータコアに形成されたコア磁極部がそれぞれマグネット磁極部との各境界部に軸方向から見て一定面積の空隙を以て配置され、コア磁極部を他方の磁極として機能させる所謂コンシクエントポール型構造のロータを有するものが知られている（例えば特許文献１参照）。このようなモータでは、性能の低下を小さく抑えつつもロータのマグネットを半数に減らすことが可能となるため、省資源や低コスト等の点で有利である。

特開平４−７１３４２号公報

ところで、特許文献１のようなコンシクエントポール型構造のロータは、磁束の強制力（誘導）のあるマグネットと、磁束の強制力のないコア磁極部とが混在する磁極にて構成されているため、磁気的にアンバランスが生じ易く、このことが例えばコギングトルクの発生による振動増加等の回転性能の悪化に繋がっている。そこで、例えば特許文献１のロータでは、マグネット磁極部の外周面に軸方向に沿った溝を形成することでマグネット磁極部内での磁束の偏りを抑制し、コギングトルクの低減を図っているが、マグネット磁極部の溝の位置をどのように設定すればより効果的に低振動化できるか等の詳細な構成は明確化されていなかった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、低振動化を図り、回転性能を向上することができる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、請求項１に記載の発明は、ロータコアの周方向に一方の磁極のマグネットが複数埋め込まれてマグネット磁極部が形成されるとともに、各マグネット磁極部間には前記ロータコアに形成されたコア磁極部がそれぞれマグネット磁極部との各境界部に軸方向から見て一定面積の空隙を以て配置され、前記コア磁極部を他方の磁極として機能させるように構成されたロータと、周方向等間隔に設けられ前記ロータと径方向に対向する複数のティースとその各ティースに装着された巻線とを有するステータとを備えたモータであって、前記マグネット磁極部における前記ティースとの対向面には、周方向に対向する一対の側面部を有する補助溝が凹設され、前記マグネット磁極部の開角度を「Ｍ（°）」、前記空隙の開角度を「Ｇ（°）」、前記ティースの個数を「Ｌ（個）」として、前記マグネット磁極部の周方向中心線から前記補助溝における前記周方向中心線側の側面部までの角度Ｄが、「Ｄ＝Ｍ／２＋Ｇ−ａ×３６０（°）／Ｌ」（但しａは自然数）を満たすように構成されたことを特徴とする。

この発明では、ティースの先端部の周方向一端がコア磁極部の周方向一端と径方向に重なるときに、そのコア磁極部の隣のマグネット磁極部の補助溝の側面部が、前記ティースから周方向に順に数えてａ個目のティースの周方向一端と径方向に重なる。このとき、補助溝で生じるコギングトルクがコア磁極部の周方向一端で生じるコギングトルクを小さく抑えるキャンセル成分となるため、モータ全体で生じるコギングトルクの低減が可能となり、ロータの回転性能を向上させることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のモータにおいて、前記補助溝は、前記マグネット磁極部の周方向中心線に対して線対称になるように周方向に一対並設されたことを特徴とする。

この発明では、補助溝がマグネット磁極部の両隣のコア磁極部にそれぞれ対応して一対設けられるため、コギングトルクのより一層の低減が可能となる。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載のモータにおいて、前記ステータの巻線が分布巻で構成されていることを特徴とする。

この発明では、巻線が分布巻で構成されたステータを有するモータにおいてコギングトルクの低減が可能となり、ロータの回転性能を向上させることができる。

従って、上記記載の発明によれば、低振動化を図り、回転性能を向上することができる。

（ａ）本実施形態のモータの概略構成図、（ｂ）同図（ａ）の一部拡大図、（ｃ）セグメント導体の一部斜視図。 （ａ）ロータが回転角Ｒ１の状態のモータの模式図、（ｂ）ロータが回転角Ｒ２の状態のモータの模式図。 ロータの回転角とコギングトルクとの関係を示す特性図。 開角度Ａ，Ｂとトルクとの関係を示す特性図。 開角度Ａ，Ｂとトルクリップルとの関係を示す特性図。 開角度Ａ，Ｂとコギングトルクとの関係を示す特性図。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１（ａ）に示すように、本実施形態のインナロータ型のモータ１は、略円環状のステータ２の内側にロータ３が配置されて構成されている。

ステータ２は、円筒部１１と円筒部１１から径方向内側に延びて周方向に複数（本実施形態では６０個）設けられるティース１２とを有するステータコア４を備える。尚、ステータコア４は、透磁率の高い金属製の板状部材よりなる積層部材が軸方向に積層されて構成されている。ステータコア４の各ティース１２間には、ロータ３を回転させる磁界を発生させるためのセグメント巻線１３が挿入されるスロットＳが形成されている。スロットＳは、軸方向から見て断面が径方向に沿った長方形であり、スロットＳの個数は、ティース１２の個数と同数（本実施形態では６０個）となっている。尚、ティース１２とセグメント巻線１３との間には、図示しないインシュレータが介在されている。

ステータ２のセグメント巻線１３は、断面四角形状であり、多相（本実施形態では３相）の分布巻とされている。セグメント巻線１３は、ティース１２間のスロットＳを軸方向（紙面直交方向）に貫通するようにスロットＳ内に配置されるスロット挿入部１４ａと、スロットＳから軸方向に突出するスロット突出部１４ｂと、折り曲げ部１４ｃとを有する複数のセグメント導体１４（図１（ｃ）参照）を相毎に有している。そして、その相毎の各セグメント導体１４は、径方向に隣り合うスロット突出部１４ｂ（スロットＳから突出するスロット挿入部１４ａの端部）同士で溶着により電気的に接続されて周方向に連続する導線として構成される。尚、各セグメント導体１４は、導体板が折り曲げ加工されてなり、略Ｕ字状に形成されており、Ｕ字の平行直線部に相当する一対のスロット挿入部１４ａは、周方向に複数（６個）のティース１２を跨いで離間した２つのスロットＳ内にそれぞれ配置されるようになっている。

ロータ３は、図１（ａ）（ｂ）に示すように、回転軸２１の外周面に外嵌された略円環状のロータコア２２を有する。そして、ロータコア２２の外周部の周方向に（７２°間隔に）Ｎ極のマグネット２３が５個埋め込まれてマグネット磁極部２４が形成されている。つまり、マグネット磁極部２４は、マグネット２３と、そのマグネット２３の外周側に位置するロータコア２２部分（外周部２５）とを有している。

本実施形態のロータコア２２に埋め込まれるマグネット２３は、略直方体形状に形成され、ロータ３の軸方向から見て長手方向が径方向の直交方向に沿って配置されている。各マグネット磁極部２４間には、ロータコア２２に一体形成されたコア磁極部２６がそれぞれマグネット磁極部２４との各境界部に軸方向から見て一定面積の空隙２７を以て配置されている。尚、空隙２７の外周側には、マグネット磁極部２４の外周部２５とコア磁極部２６とを繋ぐ連結部２８が形成されている。そして、外周部２５、コア磁極部２６及び連結部２８の連続する各外周面によって、ロータ３の外周面が形成されている。

マグネット磁極部２４及び空隙２７は、マグネット磁極部２４の周方向中心線Ｑに対して線対称となるように形成されている。また、各空隙２７は一定の面積とされるとともに、ロータコア２２の軸方向の全体に渡って（一定面積が維持されたまま）形成されている。各マグネット磁極部２４及びコア磁極部２６は等角度（３６°）間隔に交互に配置され、ロータ３は、Ｎ極のマグネット磁極部２４に対してコア磁極部２６をＳ極として機能させる１０磁極の所謂コンシクエントポール型にて構成されている。尚、ロータ３の極対数はマグネット２３と同数であり、本実施形態では極対数は「５」となっている。尚、セグメント導体１４がティース１２を跨ぐ本数は、（スロット数／磁極数）により決定されるようになっている。

尚、本実施形態のステータ２は、ロータ３のマグネット２３の個数（極対数）を「ｐ」（但しｐは２以上の整数）、セグメント巻線１３の相数を「ｍ」として、ティース１２の個数「Ｌ」が、「Ｌ＝２×ｐ×ｍ×ｎ（個）」（但し「ｎ」は自然数）となるように構成されている。そして、本実施形態では、この数式に基づいて、ティース１２の個数「Ｌ」は、Ｌ＝２×５（マグネット２３の個数）×３（相数）×２＝６０（個）に設定されている。

マグネット磁極部２４の外周部２５の外周面（ティース１２との対向面）には、マグネット磁極部２４の周方向中心線Ｑに対して線対称となる位置に設けられた一対の補助溝３１，３２が形成されている。補助溝３１，３２は互いに同形状をなし、周方向に対向する一対の側面部３１ａ，３１ｂ（側面部３２ａ，３２ｂ）を有している。尚、補助溝３１，３２の側面部のうち、内側（周方向中心線Ｑ側）のものを側面部３１ａ，３２ａとし、外側（マグネット磁極部２４の周方向端部側）のものを側面部３１ｂ，３２ｂとしている。また、各補助溝３１，３２は軸方向に直線状に延びている。

ここで、マグネット磁極部２４の外周面におけるロータ３の軸線Ｃを中心とする開角度を「Ｍ（°）」、空隙２７の軸線Ｃを中心とする開角度を「Ｇ（°）」、ティース１２の個数を「Ｌ（個）」として、補助溝３１，３２の位置角度Ｄ（マグネット磁極部２４の周方向中心線Ｑから補助溝３１，３２の側面部３１ａ，３２ａまでの角度Ｄ）は、「Ｄ＝Ｍ／２＋Ｇ−ａ×３６０（°）／Ｌ」（但しａは自然数）となるように設定されている（図２参照）。尚、空隙２７の開角度Ｇは、空隙２７の最も外周側の部分の開角度（即ち、連結部２８の外周面の開角度）としている（図１（ｂ）参照）。上記数式中の「３６０（°）／Ｌ」は、ティース１２の周方向一方の端部間の軸線Ｃを中心とする角度を示している。

補助溝３１，３２の位置角度Ｄが上記のように設定されることにより、図２（ａ）に示すように、任意のティース１２（図２（ａ）中、右端のティース１２ｂ）の先端部１２ａの周方向一端１２ｘがコア磁極部２６の周方向一端２６ｘと径方向に重なるときに、そのコア磁極部２６と回転方向側で隣り合うマグネット磁極部２４の補助溝３１の側面部３１ａが、ティース１２ｂから周方向（左側）に順に数えてａ個目（図２の例では３個目）のティース１２（図２（ａ）中、ティース１２ｃ）の周方向一端１２ｘと径方向に重なるようになっている。また同様に、図２（ｂ）に示すように、任意のティース１２（図２（ａ）中、左端のティース１２ｄ）の先端部１２ａの周方向他端１２ｙがコア磁極部２６の周方向他端２６ｙと径方向に重なるときに、そのコア磁極部２６と反回転方向側で隣り合うマグネット磁極部２４の補助溝３２の側面部３２ａが、ティース１２ｄから周方向（左側）に順に数えて３個目のティース１２ｅの周方向他端１２ｙと径方向に重なるようになっている。尚、上記した「径方向に重なる」とは、それぞれが径方向の一直線上に位置するということを表している。

ここで、ロータ３の回転時におけるコギングトルク波形を図３に示す。図３中の破線の波形は、コギングトルクの主成分の波形（マグネット磁極部２４に補助溝３１，３２が形成されていない構成におけるコギングトルク波形）であり、１点鎖線の波形は、補助溝３１，３２により生じるコギングトルク波形である。そして、実線の波形は、本実施形態のモータ１にて生じるコギングトルクの波形であり、コギングトルクの主成分の波形（破線の波形）と補助溝３１，３２により生じるコギングトルク波形（１点鎖線の波形）とを合成したものである。

この図３における回転角Ｒ１は、図２（ａ）に示す状態でのロータ３の回転角である。この回転角Ｒ１では、コア磁極部２６の周方向一端２６ｘとティース１２ｂの周方向一端１２ｘとが径方向に重なるため、この径方向に重なる部分に磁束が集中し易くなり、その結果、コギングトルクの主成分はマイナス側に大きくなっている。このとき、補助溝３１の側面部３１ａは、ティース１２ｃの周方向一端１２ｘと径方向に重なるため、この径方向に重なる部分に磁束が集中し易くなり、その結果、補助溝３１，３２により生じるコギングトルクはプラスのピークとなっている。これにより、回転角Ｒ１でのコギングトルクの主成分及び補助溝３１，３２により生じるコギングトルクは、互いに打ち消し合うようになっており（図３の実線の波形を参照）、ロータ３の回転時に生じるコギングトルクが低減されるようになっている。

また、図３における回転角Ｒ２は、図２（ｂ）に示す状態でのロータ３の回転角である。この回転角Ｒ２においても上記した回転角Ｒ１と同様に、コギングトルクの主成分及び補助溝３１，３２により生じるコギングトルクは、互いに打ち消し合うようになっており、ロータ３の回転時に生じるコギングトルクが低減されるようになっている。また、図３に示すように、コギングトルクの主成分と補助溝３１，３２により生じるコギングトルクとは、ロータ３の回転角によらず逆位相（プラスマイナスが逆）であり、補助溝３１，３２により生じるコギングトルクは、ロータ３の回転角によらずコギングトルクの主成分に対するキャンセル成分となっている。そのため、モータ１全体で生じるコギングトルクの低減が可能となり、ロータ３の回転性能が向上されるようになっている。

また、上記数式中のａの最も適切な値は次の考えにより求められ、ａをその値に設定すれば最も効果的にコギングトルクを減少させることができるようになっている。セグメント導体１４がティース１２を跨ぐ本数は、前述したように（スロット数／磁極数）であり、その半分となる位置に補助溝３１，３２を配置すれば、コギングトルクを小さく抑えるキャンセル成分（補助溝３１，３２により生じるコギングトルク）が周方向にバランスよく配置され、より効果的である。故に、ａは、ティース１２の個数（スロット数）を「Ｌ」、ロータ３の磁極数を「Ｅ」として、「ａ＝Ｌ／（Ｅ×２）」の式で求めるのが好ましく、上記実施形態では、ａ＝６０／（１０×２）＝３のときにコギングトルクを効果的に減少させることができるようになっている。

尚、本実施形態において、マグネット磁極部２４の周方向中心線Ｑからそのマグネット磁極部２４の周方向端部２４ａまでの軸線Ｃを中心とする開角度Ａと、マグネット磁極部２４の周方向中心線Ｑからそのマグネット磁極部２４の周方向端部２４ａと空隙２７を介して対向するコア磁極部２６の周方向端部２６ａまでの開角度Ｂ（開角度Ａ，Ｂともに図１（ｂ）参照）を変化させたときのトルク、トルクリップル及びコギングトルクをそれぞれ図４、図５及び図６に示す。尚、開角度Ａは、換言すれば、マグネット磁極部２４の周方向中心線Ｑから空隙２７のマグネット磁極部２４側の端までの開角度であり、開角度Ｂは周方向中心線Ｑから空隙２７のコア磁極部２６側の端までの開角度である。また、開角度Ａは、前述のマグネット磁極部２４の開角度Ｍの半分と等しく、開角度Ｂは、開角度Ａに空隙２７の開角度Ｇを足し合わせた角度と等しい。

図４では、開角度Ａ，Ｂを変化させたときのトルクが示され、Ａ＝１５．３、且つＢ＝１９としたときのトルクを１００％としている。この図４から、開角度Ａが１５．３≦Ａ≦１６．１の範囲内であり、開角度Ｂが１９．０≦Ｂ≦３１．０の範囲内ではトルクが比較的安定する良好な範囲であり、更に、開角度Ａが同じく１５．３≦Ａ≦１６．１の範囲内であり、開角度Ｂが２１．０≦Ｂ≦２５．０の範囲内ではトルクが最大で１０５％程度にまで増大するより良好な範囲であることがいえる。

図５では、開角度Ａ，Ｂを変化させたときのトルクが示され、Ａ＝１５．３、且つＢ＝１９としたときのトルクリップルを１００％としている。この図５から、開角度Ａが１５．３≦Ａ≦１８．７の範囲内であり、開角度Ｂが２３．０≦Ｂ≦２７．０の範囲内ではトルクリップルを低減できる良好な範囲であり、開角度Ａが１７．８≦Ａ≦１８．７の範囲内の場合には、開角度Ｂが２６．０≦Ｂ≦２７．５の範囲内でトルクリップルを更に低減できるより良好な範囲であることがいえる。

図６では、開角度Ａ，Ｂを変化させたときのトルクが示され、Ａ＝１５．３、且つＢ＝１９としたときのコギングトルクを１００％としている。この図６から、開角度Ａが１５．３≦Ａ≦１８．７の範囲内であり、開角度Ｂが１９．０≦Ｂ≦２７．５の範囲内ではコギングトルクが比較的安定して低い良好な範囲であり、更に、開角度Ａが同じく１５．３≦Ａ≦１８．７の範囲内であり、開角度Ｂが２６．０≦Ｂ≦２７．０の範囲内ではコギングトルクを１００％以下に低減できるより良好な範囲であることがいえる。また、開角度Ａが１５．３≦Ａ≦１７．０の範囲内の場合には、開角度Ｂが２１．５≦Ｂ≦２３．０の範囲内においてもコギングトルクを１００％以下にまで低減できるより良好な範囲であることがいえる。

以上のことを考慮して、トルクを向上しつつ又はトルクの低減を抑えつつ、トルクリップル及びコギングトルクを低減できる範囲内の値に開角度Ａ，Ｂを設定することが望ましい。具体的には、開角度Ａを１５．３≦Ａ≦１８．７の範囲内に、開角度Ｂを２３．０≦Ｂ≦２７．０の範囲内にそれぞれ設定すれば、トルクを安定させつつも、トルクリップル及びコギングトルクを安定して低減させることができるようになっている。更に、開角度Ａを１７．８≦Ａ≦１８．７の範囲内に、開角度Ｂを２６．０≦Ｂ≦２７．０の範囲内にそれぞれ設定すれば、トルクを安定させつつも、トルクリップル及びコギングトルクをより低減させることができるようになっている。

次に、本実施形態の特徴的な作用効果を記載する。
（１）マグネット磁極部２４の外周面には、周方向に対向する一対の側面部３１ａ，３１ｂ（側面部３２ａ，３２ｂ）を有する補助溝３１，３２が凹設され、マグネット磁極部２４の開角度を「Ｍ（°）」、空隙２７の開角度を「Ｇ（°）」、ティース１２の個数を「Ｌ（個）」として、マグネット磁極部２４の周方向中心線Ｑから補助溝３１，３２における周方向中心線Ｑ側の側面部までの角度Ｄが、「Ｄ＝Ｍ／２＋Ｇ−ａ×３６０（°）／Ｌ」（但しａは自然数）を満たすように構成される。このため、例えばティース１２ｂの先端部１２ａの周方向一端１２ｘがコア磁極部２６の周方向一端２６ｘと径方向に重なるときに、そのコア磁極部２６の隣のマグネット磁極部２４の補助溝３１の側面部３１ａが、ティース１２ｂから周方向に順に数えてａ個目のティース１２ｃの周方向一端１２ｘと径方向に重なる。このとき、補助溝３１，３２で生じるコギングトルクがコア磁極部２６の周方向一端２６ｘで生じるコギングトルクを小さく抑えるキャンセル成分となるため、モータ１全体で生じるコギングトルクの低減が可能となり、ロータ３の回転性能を向上させることができる。

（２）補助溝３１，３２は、マグネット磁極部２４の周方向中心線Ｑに対して線対称になるように周方向に一対並設される。即ち、補助溝３１，３２がマグネット磁極部２４の両隣のコア磁極部２６にそれぞれ対応して一対設けられるため、コギングトルクのより一層の低減が可能となる。

尚、本発明の実施形態は、以下のように変更してもよい。
・上記実施形態では、ａ＝３としたが、これに特に限定されるものではなく、ａを３以外の値としてもよい。

・上記実施形態では、マグネット磁極部２４に一対の補助溝３１，３２を形成したが、
これ以外に例えば、補助溝を１つとしてもよい。
・上記実施形態のロータ３において、マグネット２３の形状や、マグネット磁極部２４の外周部２５、コア磁極部２６及び連結部２８を含むロータコア２２の形状を適宜変更してもよい。例えば、連結部２８がない構成としてもよい。

・上記実施形態では、マグネット２３をＮ極とし、コア磁極部２６をＳ極として機能させるように構成したが、反対にマグネット２３をＳ極とし、コア磁極部２６をＮ極として機能させるように構成してもよい。

・上記実施形態では、マグネット磁極部２４とコア磁極部２６をそれぞれ５つで構成した１０磁極のロータ３に適用したが、ロータ３の磁極数を適宜変更してもよい。これに伴い、ステータ２側の磁極数（スロット数）も適宜変更する。

・上記実施形態についての数値範囲は、状況等に応じて適宜変更してもよい。
・上記実施形態では、ステータ２の巻線がセグメント巻線１３で構成されたが、特にこれに限定されるものではなく、連続線をティース１２に巻回する構成としてもよい。

・上記実施形態では、インナロータ型のモータ１に適用したが、アウタロータ型のモータに適用してもよい。
次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想を以下に追記する。

（イ）請求項１〜３のいずれか１項に記載のモータにおいて、前記マグネット磁極部の周方向中心線からそのマグネット磁極部の周方向端部までの開角度Ａが１５．３≦Ａ≦１８．７の範囲内に設定され、前記マグネット磁極部の周方向中心線からそのマグネット磁極部の周方向端部と前記空隙を介して対向する前記コア磁極部の周方向端部までの開角度Ｂが２３．０≦Ｂ≦２７．０の範囲内に設定されていることを特徴とするモータ。同構成によれば、トルクを安定させつつも、トルクリップル及びコギングトルクを安定して低減させることができる。

（ロ）付記（イ）に記載のモータにおいて、前記開角度Ａが１７．８≦Ａ≦１８．７の範囲内に設定され、前記開角度Ｂが２６．０≦Ｂ≦２７．０の範囲内に設定されていることを特徴とするモータ。同構成によれば、トルクリップル及びコギングトルクをより低減させることができる。

１…モータ、２…ステータ、３…ロータ、１２…ティース、２２…ロータコア、２３…マグネット、２４…マグネット磁極部、２６…コア磁極部、２７…空隙、３１，３２…補助溝、３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂ…側面部、Ｇ…空隙の開角度、Ｍ…マグネット磁極部の開角度、Ｑ…マグネット磁極部の周方向中心線。

Claims (3)

1. ロータコアの周方向に一方の磁極のマグネットが複数埋め込まれてマグネット磁極部が形成されるとともに、各マグネット磁極部間には前記ロータコアに形成されたコア磁極部がそれぞれマグネット磁極部との各境界部に軸方向から見て一定面積の空隙を以て配置され、前記コア磁極部を他方の磁極として機能させるように構成されたロータと、
   周方向等間隔に設けられ前記ロータと径方向に対向する複数のティースとその各ティースに装着された巻線とを有するステータと
   を備えたモータであって、
   前記マグネット磁極部における前記ティースとの対向面には、周方向に対向する一対の側面部を有する補助溝が凹設され、
   前記マグネット磁極部の開角度を「Ｍ（°）」、前記空隙の開角度を「Ｇ（°）」、前記ティースの個数を「Ｌ（個）」として、
   前記マグネット磁極部の周方向中心線から前記補助溝における前記周方向中心線側の側面部までの角度Ｄが、
   「Ｄ＝Ｍ／２＋Ｇ−ａ×３６０（°）／Ｌ」（但しａは自然数）
   を満たすように構成されたことを特徴とするモータ。
2. 請求項１に記載のモータにおいて、
   前記補助溝は、前記マグネット磁極部の周方向中心線に対して線対称になるように周方向に一対並設されたことを特徴とするモータ。
3. 請求項１又は２に記載のモータにおいて、
   前記ステータの巻線が分布巻で構成されていることを特徴とするモータ。

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