JP2002136001A - 永久磁石形モータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 永久磁石形モータにコギングトルクが発生す
ると、回転方向の加振力となり、ロータの軸を伝わり、
ロータの軸に連結されたメカ部や筐体と共振し、振動・
騒音を引き起こすという課題があった。 【解決手段】 Ｎ極とＳ極が交互に着磁された円弧状磁
石を用いた永久磁石形モータにおいて、永久磁石の極中
心に対して、磁石端部のエアギャップ長を大きくなるよ
うに磁石曲率を小さくし、かつステータのティース先端
に疑似スロットを設ける構成とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、冷蔵庫、除湿
機、空気調和機等の圧縮機駆動用に用いられる振動・騒
音の原因となるコギングトルクを抑制した永久磁石形モ
ータに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】コギングトルクとは、突極性を有する永
久磁石形モータに必ず発生する力であり、無通電時にス
テータのティースとロータに配置された永久磁石との間
に作用するロータの位置（回転角）に対する磁気吸引力
の変化によって生ずるトルク脈動である。すなわち、ス
テータとロータ間の磁気抵抗が最小となる位置におい
て、磁気的に最も安定しており、ロータがその位置に静
止しようとする。さらにその位置からロータを回転させ
るためには、磁気吸引力に打ち勝つだけのトルクが必要
となる。しかし、一度ある速度で回転すると、正負のト
ルクが交番する振動トルクとなるために、コギングトル
クの平均値は零となる。

【０００３】コギングトルクが発生すると、速度変動を
生じ、ロータの軸を伝わり振動・騒音の原因となるとと
もに、静止トルクのように作用してモータの始動トルク
を増大させる。それと同時に、ロータの回転によって磁
束が変化し、そのためにヒステリシス損および渦電流損
が存在する場合には、固体摩擦および粘性摩擦のように
作用する。よって、コギングトルクの低減が要求され
る。このコギングトルクは、ステータとロータ間の磁気
抵抗が回転角によって変化するために生じるものであ
り、磁束密度の２乗に比例するマクスウェルの応力に起
因している。この磁気抵抗の変化は、ステータのスロッ
ト空間高調波やロータに配置した永久磁石の磁束の高調
波成分に大きく依存している。したがって、コギングト
ルクを低減するためには、ギャップ部の磁束密度分布を
円周方向に平滑化して、高調波成分を低減するのが望ま
しい。

【０００４】従来から永久磁石形モータのコギングトル
クの抑制方法は種々提案されているが、例えば特開平２
−１１１２３８号公報、実開平５−２５５１号公報、特
開平１１−９８７９２号公報、特開平７−３０８０５７
号公報に開示されているものがある。

【０００５】図６は特開平２−１１１２３８号公報に記
載された従来の永久磁石形モータの構造を示す断面図で
ある。図に示すように、ロータ９の表面に永久磁石８を
固定したタイプの同期電動機において、ロータ９の円周
方向における永久磁石８の両端部のそれぞれとステータ
とのエアギャップ１０の寸法が永久磁石８の中央部にお
けるエアギャップ１０の寸法よりも大きく、永久磁石８
とステータとのエアギャップ１０の寸法が中央部から各
端部へ向かって漸増するように構成されたものである。

【０００６】また、図７は実開平５−２５５１号公報に
記載された従来の永久磁石形モータの構造を示す断面図
である。図に示すように、ロータ９の磁極に対向して開
口する複数のスロット２と、スロット２の間に形成した
ティース３とを設けたステータコア１と、スロット２に
収納されたコイル４とを備えた永久磁石形モータにおい
て、スロット２の数をＮｓとし、ロータ９の磁極数Ｐと
スロット数Ｎｓの最大公約数をｎｍ、１回転当たりのコ
ギングの山数をＮｇとし、ｍ＝Ｎｇ／Ｎｓとした時、テ
ィース３の内の基準ティースから｛（０、１、２・・・
・ｎｍ）×Ｎｓ／ｎｍ｝＋１番目の各ティースにスロッ
トの中心からの角度差Δθがそれぞれ、Δθ＝３６０°
／｛Ｎｓ×ｍ×（ｎｍ＋１）｝となるように疑似スロッ
ト１４をｍ個設けるように構成されたものである。

【０００７】また、図８は特開平１１−９８７９２号公
報に記載された従来の永久磁石形モータの構造を示す断
面図である。図８に示すように、コイル４を巻装したス
テータコア１と、ステータコア１に対向配置された永久
磁石８と、永久磁石８を保持したロータフレームと、ロ
ータフレームの中央に固定されたハウジングと、ハウジ
ング内に保持された球軸受と、球軸受を支持するシャフ
トと、シャフトを固定したステータ基板とを備え、ステ
ータコア１のティース３の先端部のステータコア１の内
周面形状をストレート状となるように構成されたもので
ある。

【０００８】また、図９は特開平７−３０８０５７号公
報に記載された従来の永久磁石形モータの構造を示す断
面図である。図に示すように、積層鉄心からなる中空円
筒状のヨーク部と、ヨーク部の内側に突出する複数のテ
ィース３と、ティース３に巻回したコイル４とからなる
ステータ５と、ティース３の先端部にエアギャップ１０
を介して対向し、かつ円周方向に複数の極性の異なる磁
極を交互に形成した円筒状の永久磁石８からなるロータ
９とを備えた永久磁石形モータにおいて、ティース３の
先端部は円弧状に突出するように形成し、円弧の曲率半
径ｒを、ティース３の幅をＷとしたとき、０．８Ｗから
１．１Ｗの範囲となるように構成されたものである。

【０００９】以上のように、いずれの場合も、モータの
エアギャップ１０の磁束密度分布を平滑化して高調波成
分を低減するように工夫された構造となっている。図１
１、図１４、図１７にコギングトルクの波形を示す。図
１１は、コギング低減の対策が施されていない図１０の
モータ断面で示すように、ステータ５とロータ９共に真
円形状でステータ５のティース３の先端部に疑似スロッ
ト１４がない場合の波形である。

【００１０】図１４は図１３のモータ断面図で示すよう
に、永久磁石８の両端部のそれぞれとステータ５とのエ
アギャップ１０の寸法が永久磁石８の中央部におけるエ
アギャップ１０の寸法よりも大きく、永久磁石８とステ
ータ５とのエアギャップ１０の寸法が中央部から各端部
へ向かって漸増するように構成した場合のコギングトル
クの波形である。

【００１１】図１７は図１６のモータ断面図で示すよう
に、ステータのティース部の先端部に疑似スロット１４
を等間隔に設けた場合のコギングトルクの波形である。
いずれの場合も１２スロット８極の集中巻きモータの例
であり、１回転中に発生するコギングトルクの山の数
は、スロット数と永久磁石の磁極数に依存して決まり、
その数は一般的に、スロット数と永久磁石の磁極数の最
小公倍数となる。したがって今回のように、１２スロッ
ト８極の場合は、１回転中に生じるコギングトルクの山
の数は２４となる。

【００１２】これらのコギングトルク波形の結果から、
図６〜９で示すような構造にすることでコギングトルク
の波高値が約１／３〜２／３低減しているのが分かる。
また、それぞれのコギングトルク波形を周波数分析した
結果を図１２、図１５、図１８に示す。図１２は未対策
品、図１５は永久磁石８の曲率を小さくすることで、永
久磁石８の両端部のエアギャップ１０を大きくした場
合、図１８はステータ５のティース３の先端部に疑似ス
ロット１４を設けた場合の結果である。いずれの場合
も、未対策品に対して２４次の高調波次数成分が１／３
程度に低減しているのが分かる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】従来の永久磁石形モー
タは以上のように構成することで、コギングトルクを低
減している。しかし、コギングトルクを低減していると
はいえ、未だ無視できないレベルであり、このモータを
圧縮機などに組み込んだ場合、ロータの軸を伝わり、圧
縮機の筐体や配管と共振し、振動・騒音を引き起こすと
いう問題点があった。

【００１４】この発明は、以上のような問題点を解決す
るためになされたもので、コギングトルクを更に低減し
て、振動・騒音を抑制することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】この発明に係る永久磁石
形モータは、電磁鋼板を積層して構成され、円周方向に
配置されたスロット、隣接するスロットの間に形成され
たティース、このティースに巻回したコイルを有するス
テータと、ステータのティースの先端部にエアギャップ
を介して対向し、Ｎ極とＳ極が交互に着磁された永久磁
石を配置したロータと、を備えた永久磁石形モータにお
いて、永久磁石の極中心に対して、磁石端部のエアギャ
ップ長が大きくなるように磁石曲率を小さくし、かつス
テータのティースの先端部に疑似スロットを設けたもの
である。

【００１６】また、ステータのティースの先端形状をス
トレート形状としたものである。

【００１７】また、ステータのティースの先端形状を内
径側に凸となる円弧形状としたものである。

【００１８】

【発明の実施の形態】実施の形態１．以下、この発明の
実施の形態１を図面を参照して説明する。図１〜３は実
施の形態１を示す図で、図１は実施の形態１による永久
磁石形モータの構造を示す断面図、図２は永久磁石形モ
ータのコギングトルクの波形を示す図、図３は永久磁石
形モータのコギングトルクの周波数分析結果を示す図で
ある。

【００１９】図において、１は周方向に配置された内周
面に軸方向へ延びる１２個のスロット２が設けられてい
る円筒状のステータコアであり、厚み０．３５ｍｍ程度
の薄い電磁鋼板を一枚一枚打ち抜いて所定の枚数を積層
することで構成されている。隣接するスロット２間には
ティース３が形成されている。ティース３は、外径側か
ら内径側にかけては略平行の形状を有しており、その幅
寸法は、磁気飽和の影響を受けて出力が低下しないよう
に、ティース３中央の磁束密度が１Ｔ程度となるよう磁
界解析などを用いて設計されている。また、先端部にな
るにつれ、両サイドが周方向に広がるような傘状の構造
となっている。この様に、ティース３の先端部を傘状と
することで、ロータに配置された永久磁石の磁力を無駄
なく使用し、トルクを向上できる構造となっている。ま
た、隣接するティース３の先端部の間には、数ミリ程度
のスロットオープニングを設けることで、ロータから発
する磁束が隣接するティース３間同士でショートして出
力の低下を招くのを防止している。

【００２０】４はティース３に所定の巻数を直接巻き付
けて３相Ｙ結線の集中巻線を施したコイルであり、スロ
ットオープニングの隙間から銅線を通した針状のノズル
を挿入し、回転運動させることで、銅線を直接ティース
３に巻き付けることを可能にしている。コイル４のター
ン数や線径などは、要求される回転数やトルク、電圧仕
様、スロット２の断面積に応じて定まり、本実施の形態
の場合は、線径０．５ｍｍ程度の銅線を１００ターン程
度巻き付けている。５はステータコア１及びコイル４を
有するステータである。

【００２１】６はステータ５の軸線上に配置され、ステ
ータ５に対して回転可能なロータ軸、７はロータ軸６に
固定されているロータコアであり、ステータコア１と同
様に電磁鋼板を一枚一枚打ち抜いて積層することで構成
され、リベット１１でかしめることで強度を確保してい
る。

【００２２】また、ロータコア７には、永久磁石８が挿
入できるように永久磁石８の寸法より若干大きめの円弧
状の磁石挿入孔がロータの外周部に沿って設けられてい
る。隣接する磁石挿入孔の間には極間ブリッジ部１２が
設けられ、磁石挿入口の外周部に設けられた外周ブリッ
ジ部１３と結合されて一体構造を有している。それぞれ
のブリッジ部の寸法は、永久磁石の磁束がロータ内部で
ショートして出力が低下するのを防止するため、極力小
さくするのが望ましく、製造上打ち抜き可能で、かつロ
ータ駆動時に作用する遠心力に耐え得る機械強度上許容
される最小の寸法となるように設計されている。

【００２３】本実施の形態の場合は、極間ブリッジ部１
２の寸法を０．５ｍｍ、外周ブリッジ部１３の寸法を電
磁鋼板の板厚と等しい０．３５ｍｍ程度となるように設
計している。ロータコア７の内部には、Ｎ極とＳ極とが
交互になるように着磁された８枚の永久磁石８が埋め込
まれ、外周面に沿って配置されている。また、永久磁石
８は、フェライト又はネオジウムなどを主成分に構成さ
れ、平行またはラジアル方向の磁気異方性を有してい
る。

【００２４】９はロータ軸６、ロータコア７及び永久磁
石８を有するロータであり、このロータ９とステータ５
との間には、０．５ｍｍ程度のエアギャップ１０が設け
られている。エアギャップ１０と対向するステータ５の
ティース３の先端部には、スロットオープニングと概略
等しい幅で、高さが１ｍｍ程度の疑似スロット１４が設
けられ、１つのティースにつき２個、等間隔になるよう
に配置されている。

【００２５】また、永久磁石８は極中心に対して、永久
磁石端部のエアギャップ１０の寸法が大きくなるように
構成されている。エアギャップ１０の寸法は、極中心と
対向する部分の寸法を０．５ｍｍに対し、磁石両端部に
対向する部分の寸法を約２倍の１ｍｍ程度となるように
構成されている。

【００２６】次に、コギングトルクの低減効果を従来の
モータのコギングトルクと対比させながら説明する。図
２は本実施の形態によるモータのロータの角度変化に対
するコギングトルクの波形を示す。コギングトルクの波
形は、静止トルクメータを用いて測定できるが、最近で
はコンピュータ技術の進歩により、有限要素法を用いた
電磁界解析により、短時間で高精度に解析可能となって
いるため、今回は、電磁界解析による手法を用いて算出
した。

【００２７】また、図３に図２のコギングトルクの波形
を周波数分析した結果を示す。本結果より、前述の図１
１、図１４、図１７で示した従来のモータのコギングト
ルクと比較して、コギングトルクのピーク値は１／２〜
１／６のレベルまで低減しているのが分かる。

【００２８】また、コギングトルクの周波数分析結果を
基に２４ｆピークレベルの低減効果を比べると、１／３
〜１／５程度に低減しているのが分かる。これは、疑似
スロット１４を設けることで、スロットの空間高調波が
分散されてコギングトルクの周波数帯域が高次にシフト
する効果に加え、永久磁石の極中心のエアギャップ１０
の寸法に対して磁石両端部のエアギャップ１０の寸法を
大きくすることにより、永久磁石の極間部の磁力の変化
を滑らかにでき、磁力が急峻に変化するのを抑制できる
という効果が重畳されたためである。この２つの構造の
組み合わせにより、それぞれの効果を単独で作用させる
場合と比べて、コギングトルクの低減効果を倍増させる
ことができる。

【００２９】実施の形態２．以下、この発明の実施の形
態２を図面を参照して説明する。図４は実施の形態２を
示す図で、永久磁石形モータの構造を示す断面図であ
る。上記実施の形態１では、コギングトルクを低減する
方法として、内径が真円形状を有するのステータ５のテ
ィース３の先端部に疑似スロット１４を設ける構造につ
いて述べたが、図４に示すように、ステータ５のティー
ス３の先端部の形状をストレート形状として疑似スロッ
ト１４を設ける構造とすることで、更に一層、コギング
トルクを低減することが可能となる。

【００３０】実施の形態３．以下、この発明の実施の形
態３を図面を参照して説明する。図５は実施の形態３を
示す図で、永久磁石形モータの構造を示す断面図であ
る。また、図５に示すように、ステータ５のティース３
の先端部の形状をを内径側に突出する円弧形状として疑
似スロット１４を設ける構造とすることでも、更に一
層、コギングトルクを低減することが可能となる。

【００３１】また、上述の実施の形態では、ステータの
スロット数とロータの磁極数の組み合わせを１２スロッ
ト８極とした場合について説明したが、他の組み合わせ
として、６スロット４極や９スロット６極などのスロッ
ト数と極数の比が３：２の組み合わせや、６スロット８
極や、９スロット１２極などのスロット数と極数の比が
３：４の組み合わせのモータなど、モータが回転駆動可
能な組み合わせであれば、どのような組み合わせであっ
ても、コギングトルクの低減に効果があることは、言う
までもない。

【００３２】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、Ｎ極
とＳ極が交互に着磁された円弧状磁石を用いた永久磁石
形モータにおいて、磁石の極中心に対して、磁石端部の
エアギャップ長を大きくなるように磁石曲率を小さく
し、かつステータのティース先端に疑似スロットを設け
た構成にしたので、スロットの空間高調波が分散されて
コギングトルクの周波数帯域を高次側に分散してシフト
できるという効果に加え、永久磁石の極間部の磁力の変
化を滑らかにでき、磁力が急峻に変化するのを抑制でき
るという効果が重畳されるため、それぞれの効果を単独
で作用させる場合と比べて、より一層コギングトルクを
低減できるという効果が得られる。

【００３３】また、ステータのティースの先端形状をス
トレート形状とすることにより、さらにコギングトルク
を低減できる。

【００３４】また、ステータのティースの先端形状を内
径側に凸となる円弧形状とすことにより、さらにコギン
グトルクを低減できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施の形態１を示す図で、永久磁石形モータ
の構造を示す断面図である。

【図２】 実施の形態１を示す図で、永久磁石形モータ
のコギングトルクの波形を示す図である。

【図３】 実施の形態１を示す図で、永久磁石形モータ
のコギングトルクの周波数分析結果を示す図である。

【図４】 実施の形態２を示す図で、永久磁石形モータ
の構造を示す断面図である。

【図５】 実施の形態３を示す図で、永久磁石形モータ
の構造を示す断面図である。

【図６】 従来の永久磁石形モータの構造を示す断面図
である。

【図７】 従来の永久磁石形モータの構造を示す断面図
である。

【図８】 従来の永久磁石形モータの構造を示す断面図
である。

【図９】 従来の永久磁石形モータの構造を示す断面図
である。

【図１０】 従来の永久磁石形モータの構造を示す断面
図である。

【図１１】 従来の永久磁石形モータのコギングトルク
の波形を示す図である。

【図１２】 従来の永久磁石形モータのコギングトルク
の周波数分析の結果を示す図である。

【図１３】 従来の永久磁石形モータの構造を示す断面
図である。

【図１４】 従来の永久磁石形モータのコギングトルク
の波形を示す図である。

【図１５】 従来の永久磁石形モータのコギングトルク
の周波数分析の結果を示す図である。

【図１６】 従来の永久磁石形モータの構造を示す断面
図である。

【図１７】 従来の永久磁石形モータのコギングトルク
の波形を示す図である。

【図１８】 従来の永久磁石形モータのコギングトルク
の周波数分析の結果を示す図である。

【符号の説明】

１ ステータコア、２ スロット、３ ティース、４
コイル、５ ステータ、６ ロータ軸、７ ロータコ
ア、８ 永久磁石、９ ロータ、１０ エアギャップ、
１１ リベット、１２ 極間ブリッジ部、１３ 外周ブ
リッジ部、１４疑似スロット。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5H002 AA02 AA04 AB06 AE07 5H621 AA02 BB07 BB10 GA04 5H622 AA02 CA02 CA05 CA07 CA10 CB01 PP03 PP09

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電磁鋼板を積層して構成され、円周方向
   に配置されたスロット、隣接するスロットの間に形成さ
   れたティース、このティースに巻回したコイルを有する
   ステータと、前記ステータのティースの先端部にエアギ
   ャップを介して対向し、Ｎ極とＳ極が交互に着磁された
   永久磁石を配置したロータと、を備えた永久磁石形モー
   タにおいて、 前記永久磁石の極中心に対して、磁石端部のエアギャッ
   プ長が大きくなるように磁石曲率を小さくし、かつ前記
   ステータのティースの先端部に疑似スロットを設けたこ
   とを特徴とする永久磁石形モータ。
2. 【請求項２】 前記ステータのティースの先端形状をス
   トレート形状としたことを特徴とする請求項１記載の永
   久磁石形モータ。
3. 【請求項３】 前記ステータのティースの先端形状を内
   径側に凸となる円弧形状としたことを特徴とする請求項
   １記載の永久磁石形モータ。