JP2004328818A

JP2004328818A - マグネット型モータ

Info

Publication number: JP2004328818A
Application number: JP2003116225A
Authority: JP
Inventors: Yoshiyuki Shibata; 由之柴田; Shigetoshi Yamaguchi; 茂利山口
Original assignee: Toyoda Koki KK
Current assignee: Toyoda Koki KK
Priority date: 2003-04-21
Filing date: 2003-04-21
Publication date: 2004-11-18

Abstract

【課題】モータ出力を高く維持しつつコギングトルク及びトルクリップルを低減することができるマグネット型モータを提供する。
【解決手段】巻線４を有する円筒状の固定子３と、固定子３と同軸をなして固定子３内に回転可能に設けられ、永久磁石２を有する回転子１とを備えたブラシレスモータにおいて、永久磁石２は、固定子３と対向する対向面２ａのうちの回転方向の中央部である中央対向面２ｃが回転子１の外周面１ａへの貼り付け面２ｂと同軸の円弧面である。この中央対向面２ｃの回転方向の幅Ｗ２は、永久磁石２の幅Ｗ１の５０％である。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ブラシレスモータ、ＤＣモータ等の永久磁石を有するマグネット型モータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、巻線を有する円筒状の固定子と、この固定子と同軸をなして回転可能に設けられ、永久磁石を有する回転子とを備えたブラシレスモータが知られている。永久磁石は、固定子と対向する対向面と、回転子への貼り付け面とを有している。このブラシレスモータでは、巻線に規則的な電流を流すことにより、巻線の磁束と永久磁石の磁束とにより回転子が回転する。この際、永久磁石の対向面全体が貼り付け面と同軸の円弧面であれば、永久磁石の製造は容易であるものの、磁束波形が矩形波状になり、コギングトルク及びトルクリップルによってモータ出力が低下してしまう。
【０００３】
このため、特許文献１記載のブラシレスモータも提案されている。このブラシレスモータでは、図５に示すように、永久磁石９２の貼り付け面９２ｂは回転子９１の外周面と同軸の円弧面であるが、永久磁石９２の対向面９２ａはそのうちの回転方向の中央部である中央対向面９２１ａがそのうちの回転方向の両端部である両端対向面９２２ａより厚い弓状に反った円弧面である。このブラシレスモータでは、回転子９１が回転する際、永久磁石９２の対向面９２ａが弓状に反った曲面であることから、磁束波形を矩形波状から正弦波状に近づけることができ、コギングトルク及びトルクリップルを低減し、モータ出力を低下させないものと考えられる。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−２７５２８５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来のブラシレスモータでは、永久磁石９２の対向面９２ａ全体が中心Ｌ９２周りの半径で形成され、この中心Ｌ９２が貼り付け面９２ｂの中心である回転中心Ｌ９１に対して偏心しており、中央対向面９２１ａの半径が貼り付け面９２ｂの半径より小さくなっている。そのため、このブラシレスモータでは、永久磁石の製造が比較的困難であり、製造コストの高騰化を招来してしまう。
【０００６】
また、モータは通常、固定子９３と回転子９１との間の芯ズレに起因する固定子９３と永久磁石９２との接触を避けるため、ギャップＧ９１として所定の距離を確保しなければならない。このブラシレスモータでは、永久磁石９２の対向面９２ａのうちの中央対抗面９２１ａの中心Ｌ９２が貼り付け面９２ｂの回転中心Ｌ９１に対して偏心していない場合、つまり中央対向面９２１ａと貼り付け面９２ｂとが同軸の円弧面である場合と比べ、中央対向面９２１ａが突出した形状となっている。そのため、ギャップＧ９１を基準に構成した場合、固定子９３と永久磁石９２との間の平均ギャップＧ９２が大きくなり、モータ出力が低下してしまい、同一出力を得るためにモータを大型化せざるを得なくなってしまう。
【０００７】
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、製造コストの高騰化を招来することなく、コギングトルク及びトルクリップルを低減しつつ、モータの大型化を招来せずにモータ出力を高く維持可能なマグネット型モータを提供することを解決すべき課題としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明のマグネット型モータは、巻線及び永久磁石の一方を有する円筒状の固定子と、該固定子と同軸をなして回転可能に設けられ、該巻線及び該永久磁石の他方を有する回転子とを備えたマグネット型モータにおいて、
前記永久磁石は、前記固定子及び前記回転子の一方と対向する対向面のうちの回転方向の中央部である中央対向面が該固定子及び該回転子の他方への貼り付け面と同軸の円弧面であることを特徴とする。
【０００９】
本発明のマグネット型モータでは、永久磁石は、固定子及び回転子の一方と対向する対向面のうちの回転方向の中央部である中央対向面が固定子及び回転子の他方への貼り付け面と同軸の円弧面からなる。すなわち、固定子と対向する対向面のうちの回転方向の中央部である中央対向面は、回転子の貼り付け面と同軸の円弧面からなる。また、回転子と対向する対向面のうちの回転方向の中央部である中央対向面は、固定子の貼り付け面と同軸の円弧面からなる。
【００１０】
そのため、このマグネット型モータでは、上記公報記載のブラシレスモータにおける永久磁石を製造する場合と比較して永久磁石の製造が簡易になり、製造コストの低廉化を実現できる。
【００１１】
また一般に、永久磁石による磁束の合成波をｙ、電気角をθ（ｄｅｇ）、１次係数をＡ_１、３次係数をＡ_３等とすれば、合成波ｙは以下の式で表わされる。
【００１２】
【数１】
ｙ＝Ａ_１ｓｉｎ（θ）＋Ａ_３ｓｉｎ（３θ）＋Ａ_５ｓｉｎ（５θ）＋Ａ_７ｓｉｎ（７θ）＋Ａ_９ｓｉｎ（９θ）＋Ａ_１１ｓｉｎ（１１θ）＋Ａ_１３ｓｉｎ（１３θ）＋…
【００１３】
ここで、Ａ_１ｓｉｎ（θ）が基本波、Ａ_３ｓｉｎ（３θ）が３次成分、Ａ_５ｓｉｎ（５θ）が５次成分（以下、同様。）である。
【００１４】
マグネット型モータにおいては、トルクを低下させることなくコギングトルク及びトルクリップルを低減するために、基本波及び３次成分、５次成分等の高調波について以下のように改善する必要がある。まず、トルクとなるのは基本波であるため、基本波を小さくしないことが必要である。次に、コギングトルク及びトルクリップルを低減するためには、３次成分、５次成分等の高調波をできる限り小さくする必要がある。
【００１５】
このマグネット型モータでは、永久磁石の中央対向面が突出していないことから、回転子と固定子との平均ギャップを極力小さくすることができる。これにより、基本波が小さくなることがないため、磁束密度が低下することを防止してモータ出力を維持し、モータの大型化を避けることができる。
【００１６】
また、このマグネット型モータでは、回転子と対向する対向面のうちの回転方向の中央部である中央対向面のみが、固定子の貼り付け面と同軸の円弧面からなっているため、３次成分、５次成分等の高調波を小さくすることができる。これにより、コギングトルク及びトルクリップルを低減することができる。
【００１７】
したがって、本発明のマグネット型モータによれば、製造コストの高騰化を招来することなく、コギングトルク及びトルクリップルを低減しつつ、モータの大型化を招来せずにモータ出力を高く維持することができる。
【００１８】
なお、本発明のマグネット型モータは、回転子に永久磁石を有するブラシレスモータのほか、固定子に永久磁石を有するＤＣモータ等に適用することができる。また、本発明のマグネット型モータは、回転子が固定子内に設けられている場合と固定子が回転子内に設けられている場合との両方が含まれる。
【００１９】
本発明のマグネット型モータでは、永久磁石の対向面のうちの回転方向の両端部である両端対向面に面取りを施すことができる。また、中央対向面と両端対向面とを同軸の円弧面としてもよい。これらにより、上記数１における３次成分、５次成分等の高調波を小さくすることができ、コギングトルク及びトルクリップルを低減することができる。
【００２０】
また、本発明のマグネット型モータは、巻線を有する円筒状の固定子と、該固定子と同軸をなして該固定子内に回転可能に設けられ、永久磁石を有する回転子とを備え、軸方向から見て、回転中心を原点Ｏとする直交座標（ｘ，ｙ）を仮定した場合、前記中央対向面と該直交座標（ｘ，ｙ）のｘ軸との交点は該原点Ｏから距離Ｒｒｍにあり、前記両端対向面は該原点Ｏから距離ａ（ａ＝Ｒｒｍ−Ｒｍ）だけ偏心した仮想点Ｐから半径Ｒｍをなす円弧面とすることもできる。これによっても、上記数１における３次成分、５次成分等の高調波を小さくすることができ、コギングトルク及びトルクリップルを低減することができる。
【００２１】
その際、原点Ｏ周りでｘ軸となす角度θによる極座標を仮定した場合、円弧面は次式で表わされるものとすることができる。
【００２２】
【数２】
ｒ（θ）＝（Ｒｒｍ−Ｒｍ）ｃｏｓθ＋｛（Ｒｒｍ−Ｒｍ）^２ｃｏｓ^２θ−Ｒｒｍ^２＋２ＲｒｍＲｍ｝^１／２
【００２３】
本発明のマグネット型モータでは、永久磁石の中央対向面の回転方向の長さが貼り付け面の回転方向の長さの３３％以上、５０％以下であることが好ましい。こうであれば、よりトルクを低下させることなくコギングトルク及びトルクリップルを低減することができるからである。
【００２４】
すなわち、発明者らの考察によれば、永久磁石の対向面全体及び貼り付け面が同軸の円弧面である場合、つまり中央対向面の回転方向の長さが貼り付け面の回転方向の長さに占める割合が１００％である場合と、５０％である場合と、３３％である場合とでは、１次係数Ａ_１、３次係数Ａ_３等は例えば以下の表１のようになる。
【００２５】
【表１】

【００２６】
また、中央対向面の回転方向の長さが貼り付け面の回転方向の長さに占める割合が１００％である場合の電気角（ｄｅｇ）と永久磁石による磁束との関係を図６に示し、中央対向面の回転方向の長さが貼り付け面の回転方向の長さに占める割合が３３％である場合の電気角（ｄｅｇ）と永久磁石による磁束との関係を図７に示す。ここで、中央対向面の回転方向の長さが貼り付け面の回転方向の長さに占める割合が１００％である場合の合成波をｙ（１００）、基本波をｙ_１（１００）、３次成分をｙ_３（１００）、５次成分をｙ_５（１００）とする。また、中央対向面の回転方向の長さが貼り付け面の回転方向の長さに占める割合が３３％である場合の合成波をｙ（３３）、基本波をｙ_１（３３）、３次成分をｙ_３（３３）とする。
【００２７】
表１並びに図６及び図７から、中央対向面の回転方向の長さが貼り付け面の回転方向の長さの３３％以上、５０％以下であれば、磁束波形を十分に正弦波状に近づけることができ、コギングトルク及びトルクリップルを低減し、モータ出力を低下させないことがわかる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した実施形態１〜３を図面を参照しつつ説明する。
【００２９】
（実施形態１）
実施形態１のマグネット型モータは、図１に示すように、巻線４を有する円筒状の固定子３と、固定子３と同軸をなして固定子３内に回転可能に設けられ、永久磁石２を有する回転子１とを備えるブラシレスモータに具体化される。固定子３の内周面３ａと回転子１の外周面１ａとは、同じ円弧半径中心Ｌ１をもつ同軸の円弧面である。
【００３０】
永久磁石２は、図２に示すように、固定子３と対向する対向面２ａのうちの回転方向の中央部である中央対向面２ｃが回転子１の外周面１ａへの貼り付け面２ｂと同軸の円弧面である。この中央対向面２ｃの回転方向の幅Ｗ２は、永久磁石２の幅Ｗ１の５０％である。また、永久磁石２の対向面２ａのうちの回転方向の両端部である両端対向面２ｄには面取りが施されている。そして、図１に示すように、回転子１と固定子３とはギャップＧ１を有して対向している。
【００３１】
以上の構成をしたブラシレスモータでは、永久磁石２の中央対向面２ｃと貼り付け面２ｂとが同軸の円弧面からなり、中央対向面２ｃの回転方向の長さＷ２が貼り付け面２ｂの回転方向の長さＷ１の５０％である。そのため、このブラシレスモータでは、上記公報記載のブラシレスモータにおける永久磁石を製造する場合と比較して永久磁石２の製造が簡易になり、製造コストの低廉化を実現できる。
【００３２】
また、このブラシレスモータでは、永久磁石２の中央対向面２ｃが突出していないことから、固定子３と永久磁石２との接触を避けるための距離としてギャップＧ１を設定した場合、固定子３と永久磁石２との間の平均ギャップＧ２を従来の平均ギャップＧ９２と比べて小さくすることができ、磁束密度が低下することを防止してモータ出力を維持し、モータの大型化を避けることができる。また、中央対向面２ｃの回転方向の長さＷ２が貼り付け面２ｂの回転方向の長さＷ１の５０％であり、上記表１より、３次成分、５次成分等の高調波が十分小さくなっているため、コギングトルク及びトルクリップルを低減することができる。
【００３３】
したがって、実施形態１のブラシレスモータによれば、製造コストの高騰化を招来することなく、コギングトルク及びトルクリップルを低減しつつ、モータの大型化を招来せずにモータ出力を高く維持することができる。
【００３４】
（実施形態２）
実施形態２のマグネット型モータも、実施形態１と同様、図１に示すブラシレスモータに具体化される。ただし、回転子１の外周面１ａには、図３に示す永久磁石１２が貼り付けられている。
【００３５】
永久磁石１２は、図３に示すように、固定子３と対向する対向面１２ａのうちの回転方向の中央部である中央対向面１２ｃが回転子１の外周面１ａへの貼り付け面１２ｂと同軸の円弧面である。この中央対向面１２ｃの回転方向の幅Ｗ１２は、永久磁石１２の幅Ｗ１１の５０％である。また、永久磁石１２の対向面１２ａうちの回転方向の両端部である両端対向面１２ｄも貼り付け面１２ｂと同軸の円弧面である。ただし、中央対向面１２ｃの円弧半径の方が両端対向面１２ｄの円弧半径よりも大きくなっている。その他の構成は実施形態１と同様である。したがって、実施形態２のブラシレスモータによっても、製造コストの高騰化を招来することなく、コギングトルク及びトルクリップルを低減しつつ、モータの大型化を招来せずにモータ出力を高く維持することができる。
【００３６】
（実施形態３）
実施形態３のマグネット型モータも、実施形態１と同様、図１に示すブラシレスモータに具体化される。ただし、回転子１の外周面１ａには、図４に示す永久磁石２２が貼り付けられている。
【００３７】
永久磁石２２は、図４に示すように、固定子３と対向する対向面２２ａのうちの回転方向の中央部である中央対向面２２ｃが回転子１の外周面１ａへの貼り付け面２２ｂと同軸の円弧面である。この中央対向面２２ｃの回転方向の幅Ｗ２２は、永久磁石２２の幅Ｗ２１の５０％である。
【００３８】
また、軸方向から見て、回転中心を原点Ｏとする直交座標（ｘ，ｙ）を仮定する。永久磁石２２の中央対向面２２ｃの円弧面の半径をＲｒｍとすると、中央対向面２２ｃと直交座標（ｘ，ｙ）のｘ軸との交点の座標は（Ｒｒｍ，０）である。また、永久磁石２２の両端対向面２２ｄは、原点Ｏから距離ａだけ偏心した仮想点Ｐ（ａ，０）から半径Ｒｍをなす円弧面上にあるものとする。ただし、距離ａと半径Ｒｒｍ、Ｒｍとの関係は数３に示す式で表わされるものとする。
【００３９】
【数３】
ａ＝Ｒｒｍ−Ｒｍ
【００４０】
また、永久磁石２２の両端対向面２２ｄは数４に示す式で表わされる。
【００４１】
【数４】
（ｘ−ａ）^２＋ｙ^２＝Ｒｍ^２
【００４２】
この数４の式を原点Ｏ周りでｘ軸となす角度θによる極座標に変換して、永久磁石２２の両端対向面２２ｄをｒ（θ）で表わすと、数５のようになる。
【００４３】
【数５】
ｒ（θ）＝ａｃｏｓθ＋｛ａ^２ｃｏｓ^２θ−ａ^２＋Ｒｍ^２｝^１／２
【００４４】
この式に数３を代入して、数６に示す式が得られる。
【００４５】
【数６】
ｒ（θ）＝（Ｒｒｍ−Ｒｍ）ｃｏｓθ＋｛（Ｒｒｍ−Ｒｍ）^２ｃｏｓ^２θ−Ｒｒｍ^２＋２ＲｒｍＲｍ｝^１／２
【００４６】
このように、永久磁石２２の両端対向面２２ｄは、Ｒｒｍ、Ｒｍ及びθにより表される。その他の構成は実施形態１と同様である。したがって、実施形態３のブラシレスモータによっても、製造コストの高騰化を招来することなく、コギングトルク及びトルクリップルを低減しつつ、モータの大型化を招来せずにモータ出力を高く維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１のブラシレスモータの一部断面図である。
【図２】実施形態１のブラシレスモータに係り、永久磁石の断面図である。
【図３】実施形態２のブラシレスモータに係り、永久磁石の断面図である。
【図４】実施形態３のブラシレスモータに係り、永久磁石の断面図である。
【図５】従来ののブラシレスモータの一部断面図である。
【図６】中央対向面の長さが貼り付け面の長さに対して１００％である場合の電気角（ｄｅｇ）と永久磁石による磁束との関係を表すグラフである。
【図７】中央対向面の長さが貼り付け面の長さに対して３３％である場合の電気角（ｄｅｇ）と永久磁石による磁束との関係を表すグラフである。
【符号の説明】
１…回転子
３…固定子
４…巻線
２、１２、２２…永久磁石
２ａ、１２ａ、２２ａ…対向面
２ｂ、１２ｂ、２２ｂ…貼り付け面
２ｃ、１２ｃ、２２ｃ…中央対向面
２ｄ、１２ｄ、２２ｄ…両端対向面

Claims

巻線及び永久磁石の一方を有する円筒状の固定子と、該固定子と同軸をなして回転可能に設けられ、該巻線及び該永久磁石の他方を有する回転子とを備えたマグネット型モータにおいて、
前記永久磁石は、前記固定子及び前記回転子の一方と対向する対向面のうちの回転方向の中央部である中央対向面が該固定子及び該回転子の他方への貼り付け面と同軸の円弧面であることを特徴とするマグネット型モータ。
前記永久磁石は、前記対向面のうちの回転方向の両端部である両端対向面に面取りを有することを特徴とする請求項１記載のマグネット型モータ。
前記永久磁石は、前記中央対向面と前記両端対向面とが同軸の円弧面であることを特徴とする請求項１記載のマグネット型モータ。
巻線を有する円筒状の固定子と、該固定子と同軸をなして該固定子内に回転可能に設けられ、永久磁石を有する回転子とを備え、
軸方向から見て、回転中心を原点Ｏとする直交座標（ｘ，ｙ）を仮定した場合、前記中央対向面と該直交座標（ｘ，ｙ）のｘ軸との交点は該原点Ｏから距離Ｒｒｍにあり、前記両端対向面は該原点Ｏから距離ａ（ａ＝Ｒｒｍ−Ｒｍ）だけ偏心した仮想点Ｐから半径Ｒｍをなす円弧面であることを特徴とする請求項１記載のマグネット型モータ。
前記原点Ｏ周りで前記ｘ軸となす角度θによる極座標を仮定した場合、前記円弧面は次式で表わされることを特徴とする請求項４記載のマグネット型モータ。
ｒ（θ）＝（Ｒｒｍ−Ｒｍ）ｃｏｓθ＋｛（Ｒｒｍ−Ｒｍ）^２ｃｏｓ^２θ−Ｒｒｍ^２＋２ＲｒｍＲｍ｝^１／２
前記中央対向面の回転方向の長さが前記貼り付け面の回転方向の長さの３３％以上、５０％以下であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載のマグネット型モータ。