JP2005033941A

JP2005033941A - 永久磁石モータの固定子鉄心及び永久磁石モータ

Info

Publication number: JP2005033941A
Application number: JP2003271872A
Authority: JP
Inventors: Minoru Awazu; 稔粟津; Isamu Nitta; 勇新田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2003-07-08
Filing date: 2003-07-08
Publication date: 2005-02-03
Also published as: KR20050006040A; KR100723329B1

Abstract

【課題】回転時に発生する誘起電圧を低下させること無くコギングトルクの低減化をより効果的に図ることができる永久磁石形モータの固定子鉄心を提供する。
【解決手段】固定子鉄心１２を構成するティースヘッド５ａの回転子永久磁石１３と対向する側の面形状を、周方向の中央部５ｂが回転子の回転中心を中心とする円弧状で且つ両端部５ｃ，５ｄが前記円弧の両端に夫々接する接線を成すように形成し、ティースヘッド５ａと回転子永久磁石１３とのエアギャップ長を、周方向の中央Ｇ１に対する両端Ｇ２の比率が略「２」となるように設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数個のティースを回転軸に対して放射状に配置して回転時に発生する誘起電圧を低下させること無くコギングトルクの低減化を図るようにした永久磁石形モータの固定子鉄心及び永久磁石形モータに関する。

永久磁石形モータの固定子鉄心について、回転時に発生する誘起電圧を低下させること無くコギングトルクの低減化を図ることを目的とした従来技術として、例えば特許文献１に開示されているものがある。
この技術は、外転型のモータにおいて、ティースヘッドの回転子永久磁石と対向する側の面の形状を、周方向の中央部については回転子の回転中心を中心とする円弧状に形成し、その周方向中央部から周方向の両端部に向かうに従って滑らかに回転子永久磁石から遠ざかる形状としたものである。
特願平９−３４４６４６号公報

ところで、ティースヘッドの面形状を上記のように形成する場合、ティースヘッドの両端部が回転子永久磁石に近付くように、即ち両者間の空隙が小さくなるようにすれば、回転子に対して作用する有効磁束量は多くなり発生する誘起電圧は大きくなるが、その一方でコギングトルク及びトルクリップルも大きくなる。また、ティースヘッドの両端部が回転子永久磁石から遠ざかるように、即ち両者間の空隙が大きくなるようにすれば、コギングトルク及びトルクリップルは小さくなるが有効磁束量も小さくなるため、発生する誘起電圧も小さくなる。

即ち、ティースヘッドの両端部と回転子永久磁石との空隙長をどのように設定するかについては、誘起電圧レベルの確保とコギングトルク及びトルクリップルの抑制との間にトレードオフとなる関係がある。従って、前記空隙長については、両者の関係が最適となるように設定すべきであるが、特許文献１にはその開示が無い。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、回転時に発生する誘起電圧を低下させること無くコギングトルクの低減化をより効果的に図ることができる永久磁石形モータの固定子鉄心及び永久磁石形モータを提供することにある。

請求項１記載の永久磁石形モータの固定子鉄心は、複数個のティースを回転軸に対して放射状に配置し、
前記ティースの先端部におけるティースヘッドの回転子永久磁石と対向する側の面形状を前記永久磁石側に凸とすると共に、
前記ティースヘッドと回転子永久磁石との空隙長を、周方向の中央に対する両端の比率が１．４〜２．４の範囲となるように設定する。

即ち、本発明の発明者等は、前記空隙長の比率を変化させた場合に、誘起電圧とコギングトルクとの発生状態をシミュレーションした。その結果、周方向の中央に対する両端の比率を１．４〜２．４の範囲に設定すると、両者のバランスが程良い状態になることを明らかにした。
また、請求項２に記載したように、ティースヘッドの回転子永久磁石と対向する側の面形状を前記永久磁石側に凸とすると共に、空隙長の比率を１．６〜２．２の範囲に設定し、更に、請求項３に記載したように、空隙長の比率を１．８〜２．０の範囲に設定すれば、誘起電圧とコギングトルクとの発生バランスがより最適となることが判った。

請求項４記載の永久磁石形モータの固定子鉄心は、複数個のティースを回転軸に対して放射状に配置してなり、
前記ティースの先端部におけるティースヘッドの回転子永久磁石と対向する側の面形状は、周方向の中央部が回転子の回転中心を中心とする円弧状で且つ両端部が前記円弧の両端に夫々接する接線を成すように形成すると共に、
前記ティースヘッドと回転子永久磁石との空隙長は、周方向の中央に対する両端の比率が１．６〜２．６の範囲となるように設定する。

即ち、ティースヘッドの面形状において、円弧状をなす中央部に連なる両端部を、前記円弧の両端に夫々接する接線を成すように形成すると、中央部から両端部にかけての空隙長の変化がより緩やかになるので、空隙長を調整するのにより有利となる。
そして、この場合も、請求項５に記載したように、空隙長の比率を１．８〜２．４の範囲に設定し、更に、請求項６に記載したように、前記空隙長の比率を２．０〜２．２の範囲に設定すれば、誘起電圧とコギングトルクとの発生バランスがより最適となる。

請求項１記載の永久磁石形モータの固定子鉄心によれば、複数個のティースを回転軸に対して放射状に配置し、ティースヘッドの回転子永久磁石と対向する側の面形状を永久磁石側に凸とすると共に、ティースヘッドと回転子永久磁石との空隙長を、周方向の中央に対する両端の比率が１．４〜２．４の範囲となるように設定した。従って、前記固定子鉄心を備えて構成されるモータが回転する場合における誘起電圧とコギングトルクとの発生状態のバランスを最適化することができ、モータの効率低下を極力防止した上で、振動や騒音の発生を抑制することが可能となる。

請求項４記載の永久磁石形モータの固定子鉄心によれば、複数個のティースを回転軸に対して放射状に配置し、ティースヘッドの回転子永久磁石と対向する側の面形状を、周方向の中央部が回転子の回転中心を中心とする円弧状で且つ両端部が円弧の両端に夫々接する接線を成すように形成し、ティースヘッドと回転子永久磁石との空隙長を、周方向の中央に対する両端の比率が１．６〜２．６の範囲となるように設定した。従って、請求項１と同様の効果が得られると共に、中央部から両端部にかけての空隙長の変化がより緩やかになり、空隙長の調整をより容易に行なうことができる。

（第１実施例）
以下、本発明を外転形の永久磁石形モータに適用した場合の第１実施例について図１乃至図４を参照して説明する。まず、図４には、外転形の永久磁石形モータ１の縦断面図が示されている。この図４において、固定子鉄心２は、ケイ素鋼板を打ち抜いたリング状のものを多数枚積層して構成されたもので、これの中央部には軸受３を装着するための円形の孔４が形成され、外周部には、図３に示すように、この場合１２個のティース５が周方向に設けられている。

ティース５には、それぞれ電機子巻線７が巻装されており、ティース５の先端部におけるティースヘッド５ａは、電機子巻線７から径方向外側へ突出している。そして、固定子鉄心２と各電機子巻線７により、固定子８が構成されている。
これに対して、回転子１０は、上記軸受３に回転自在に支承された回転軸１１と、この回転軸１１の上端部に固着された回転子ヨーク１２と、この回転子ヨーク１２の筒部１２ａの内周面に設けられた円筒状をなす回転子永久磁石１３とから構成されていて、この回転子永久磁石１３が、固定子鉄心２におけるティース５のティースヘッド５ａに対してエアギャップ（空隙）を介して径方向から対向するように配置されている。

ここで、図１（ａ）又は図２に示すように、ティース５のティースヘッド５ａにおける回転子永久磁石１３と対向する側の面の形状は、中央部となる５ｂが、回転子１０の回転中心Ｏ１を中心とする半径がｒ１の円弧状に形成されている。従って、ティースヘッド５ａの中央部５ｂと回転子永久磁石１３との間のエアギャップ長Ｇ１は、周方向において同じである。

そして、中央部５ｂの両側に連なる端部５ｃ，５ｄにおける回転子永久磁石１３側の面の形状は、中央部５ｂを成す円弧の端点に対して接線をなすように形成している。尚、これらは面形状を２次元的に表現したものであるが、３次元的に表現すれば、中央部５ｂの面形状は円筒面をなしているので、端部５ｃ，５ｄの面形状は、その円筒面端に対して軸方向に直線で接する接平面を成していることになる。

また、図２に示すように、端部５ｃ，中央部５ｂ，端部５ｄの周方向配置比率は略１:２:１となるように形成している。この場合、ティースヘッド５ａにおける回転子永久磁石１３と対向する側の面形状は、中央部５ｂから両端部５ｃ，５ｄに夫々向かうに従って滑らかに回転子永久磁石１３から遠ざかる形状となっており、ティースヘッド５ａと回転子永久磁石１３との間のエアギャップ長は、両端部５ｃ，５ｄの夫々の端に向かうに従って次第に大きくなる。そして、端部５ｃの左端と端部５ｄの右端では回転子永久磁石１３に対するエアギャップ長Ｇ２が最大となるが、エアギャップ長Ｇ１，Ｇ２の比は１：２となるように設定されている。

図１（ｂ）には、横軸にエアギャップ長の比Ｇ２／Ｇ１をとり、縦軸に永久磁石モータ１の回転時に発生する誘起電圧とコギングトルクとの比を取って示すものである。即ち、前述したように、ティースヘッド５ａの両端部５ｃ，５ｄが回転子永久磁石１３に近付けば発生する誘起電圧は大きくなるが、その一方でコギングトルク，トルクリップルも大きくなり、両端部５ｃ，５ｄが回転子永久磁石１３から遠ざかれば、コギングトルク，トルクリップルは小さくなるが発生する誘起電圧も小さくなる。

従って、コギングトルクを極力小さく、誘起電圧を極力大きくするための指標として比（誘起電圧）／（コギングトルク）を用い、エアギャップ長の比Ｇ２／Ｇ１を変化させた場合に、（誘起電圧）／（コギングトルク）の変化をシミュレーションによって求めた。その結果、比Ｇ２／Ｇ１が略「２」となる場合に、
（誘起電圧）／（コギングトルク）は略最大を示すことが判った。

以上のように本実施例によれば、固定子鉄心２を構成するティースヘッド５ａの回転子永久磁石１３と対向する側の面形状を、周方向の中央部５ｂが回転子の回転中心を中心とする円弧状で且つ両端部５ｃ，５ｄが前記円弧の両端に夫々接する接線を成すように形成し、ティースヘッド５ａと回転子永久磁石１３とのエアギャップ長を、周方向の中央Ｇ１に対する両端Ｇ２の比率が略「２」となるように設定した。従って、永久磁石モータ１の回転時に発生する誘起電圧を極力大きくすると共に、コギングトルク，トルクリップルを極力小さくするように両者をバランスさせることができ、モータの効率低下を極力防止した上で、振動や騒音の発生を抑制することが可能となる。

そして、ティースヘッド５ａの両端部５ｃ，５ｄを、中央部５ｂに連なる接平面を成すように形成することで、中央部５ｂから両端部５ｃ，５ｄにかけての空隙長の変化がより緩やかになり、空隙長を調整するのにより有利となる。

（第２実施例）
図５は本発明の第２実施例を示すものであり、第１実施例と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、以下異なる部分についてのみ説明する。第２実施例では、ティース１５のティースヘッド１５ａの形状が、ティースヘッド５ａとは若干異なっている。

即ち、図５（ａ）に示すように、ティースヘッド１５ａが回転子永久磁石１３と対向する側の面の形状は全て円弧、３次元的に表現すれば、回転子永久磁石１３側に凸となる円筒面をなしている。この場合も第１実施例と同様に、ティースヘッド１５ａの面形状は、中央から両端に夫々向かうに従って滑らかに回転子永久磁石１３から遠ざかる形状となっており、エアギャップ長は、両端に向かうに従って次第に大きくなる。そして、両端におけるエアギャップ長Ｇ２’は最大となるが、中央におけるエアギャップ長Ｇ１’との比は１０：１９となるように設定されている。

図５（ｂ）は、図１（ｂ）相当図である。この場合も、第１実施例と同様に、その結果、比Ｇ２’／Ｇ１’が略１０：１９になると、（誘起電圧）／（コギングトルク）は略最大を示すことが判った。
以上のように第２実施例によれば、ティースヘッド１５ａが回転子永久磁石１３と対向する側の面形状を回転子永久磁石１３側に凸となる円筒面として、中央におけるエアギャップ長Ｇ１’と両端におけるエアギャップ長Ｇ２’との比が１０：１９となるように設定した。従って、第１実施例と略同様の効果が得られる。

（第３実施例）
図６は本発明の第３実施例を示したものである。第３実施例では、本発明を内転形の永久磁石形モータ２０に適用したものである。固定子における固定子鉄心１６には、内周部側に８個のティース１７が設けられている。この固定子鉄心１６の中心部に、回転子永久磁石１８を備えた回転子１９が回転可能に配設されている。そして、ティース１７のティースヘッド１７ａにおける回転子永久磁石１８と対向する側の面の形状は、それぞれ固定子鉄心１６の外周方向にずれた位置を中心とする円弧状（円筒面）に形成されている。

従って、ティース１７のティースヘッド１７ａにおける回転子永久磁石１８と対向する側の面の形状は、周方向の中央から両端に向かうに従って滑らかに回転子永久磁石１８から遠ざかる形状となっており、ティース１７のティースヘッド１７ａと回転子永久磁石１８との間のエアギャップ長は、周方向の中央におけるギャップ長をＧ３とし、両端におけるギャップ長をＧ４とすると、
Ｇ４／Ｇ３＝２となるように設定されている。

以上のように構成された第３実施例によれば、本発明を内転形の永久磁石形モータに適用した場合も、第２施例と同様の効果が得られる。
本発明は上記し且つ図面に記載した実施例にのみ限定されるものではなく、以下のような変形または拡張が可能である。
第１実施例において、ティースヘッドと回転子永久磁石とのエアギャップ長比Ｇ２／Ｇ１は「２」とするものに限らない。例えば、エアギャップ長比を２．０〜２．２の範囲や、１．８〜２．４の範囲、或いは１．６〜２．６の範囲に設定した場合でも、有利な効果を得ることは可能である。

また、第２実施例において、ティースヘッドと回転子永久磁石とのエアギャップ長比Ｇ２／Ｇ１は１０：１９とするものに限らない。例えば、エアギャップ長比を１．８〜２．０の範囲や、１．６〜２．２の範囲、或いは１．４〜２．４の範囲に設定した場合でも、有利な効果を得ることは可能である。

本発明を外転形の永久磁石形モータに適用した場合の第１実施例であり、（ａ）はティースヘッドと回転子永久磁石との部分を拡大して示す図、（ｂ）は、エアギャップ長比Ｇ２／Ｇ１と、永久磁石モータの回転時に発生する誘起電圧とコギングトルクとの比を取って示す図ティースヘッド部分を拡大して示す図固定子鉄心の平面図永久磁石形モータの縦断面図本発明の第２実施例を示す図１相当図本発明を外転形の永久磁石形モータに適用した場合の第３実施例を示す図３相当図

符号の説明

図面中、１は永久磁石モータ、２は固定子鉄心、５はティース、５ａはティースヘッド、５ｂは中央部、５ｃ，５ｄは端部、１３は回転子永久磁石、１５はティース、１５ａはティースヘッド、１６は固定子鉄心、１７はティース、１７ａはティースヘッド、１８は回転子永久磁石、２０は永久磁石モータを示す。

Claims

複数個のティースを回転軸に対して放射状に配置してなり、
前記ティースの先端部におけるティースヘッドの回転子永久磁石と対向する側の面形状を前記永久磁石側に凸とすると共に、
前記ティースヘッドと回転子永久磁石との空隙長は、周方向の中央に対する両端の比率が１．４〜２．４の範囲となるように設定されていることを特徴とする永久磁石形モータの固定子鉄心。
ティースヘッドの回転子永久磁石と対向する側の面形状を前記永久磁石側に凸とすると共に、
空隙長は、周方向の中央に対する両端の比率が１．６〜２．２の範囲に設定されていることを特徴とする請求項１記載の永久磁石形モータの固定子鉄心。
空隙長は、周方向の中央に対する両端の比率が１．８〜２．０の範囲に設定されていることを特徴とする請求項２記載の永久磁石形モータの固定子鉄心。
複数個のティースを回転軸に対して放射状に配置してなり、
前記ティースの先端部におけるティースヘッドの回転子永久磁石と対向する側の面形状は、周方向の中央部が回転子の回転中心を中心とする円弧状で且つ両端部が前記円弧の両端に夫々接する接線を成し、
前記ティースヘッドと回転子永久磁石との空隙長は、周方向の中央に対する両端の比率が１．６〜２．６の範囲となるように設定されていることを特徴とする永久磁石形モータの固定子鉄心。
空隙長は、周方向の中央に対する両端の比率が１．８〜２．４の範囲に設定されていることを特徴とする請求項４記載の永久磁石形モータの固定子鉄心。
空隙長は、周方向の中央に対する両端の比率が２．０〜２．２の範囲に設定されていることを特徴とする請求項５載の永久磁石形モータの固定子鉄心。
請求項１乃至６の何れかに記載の固定子鉄心を備えた永久磁石形モータ。