JP2005333703A - 永久磁石回転モータ - Google Patents

Abstract

【課題】 トルクの高密度化を維持して、しかもコギングトルクを従来よりも大幅に低減できる永久磁石回転モータを提供する。
【解決手段】 ロータに使用する複数の永久磁石１３の一対の端面１３ａ，１３ａは、ステータコア２の中心と円弧面１３ｃとを通って径方向に延びる仮想平面ＰＳと実質的に平行である。永久磁石１３の円弧面１３ｃの極弧率Ψ_１と永久磁石１３の磁極面１３ｂの極弧率Ψ_２とが、Ｐ／２Ｎ≦Ψ_２−Ψ_１≦１．３８×Ｐ／２Ｎの関係を満たすように、円弧面１３ｃの周方向の長さと傾斜面１３ｄの傾斜状態を定める。
【選択図】 図２

Description

一般に、移動磁界を発生する電機子と、移動磁界と作用して電磁力を発生させる永久磁石からなる界磁とで構成されている永久磁石回転モータが知られている。しかしながら、このように永久磁石を使用するモータにおいては、無負荷時において脈動（コギングトルク）を含むトルク及び推力が発生する。このようなコギングトルクは、円滑な回転または往復動を阻害し、振動や速度変動の原因となる。従来より、コギングトルクを低減する手法として、ステータやロータに斜め溝のスロット（以下、スキューという）を形成したり、扇形の内面の円弧の中心と外面の円弧の中心とが異なる永久磁石（以下、偏心形永久磁石という）を用いることが提案されている。しかしながら、スキューを形成すると、トルクが低下したり、モータの生産性が低下する。また、偏心形永久磁石を用いると、磁束密度を高くできず、高トルク密度化を図ることができない。そこで、特開平１１−１４６５８４号公報（特許文献１）では、複数の永久磁石のそれぞれの周方向両側に位置して周方向に対向する一対の端面が、ロータの径方向に延びるように形成されている永久磁石回転モータにおいて、複数の永久磁石のそれぞれの磁極面を、周方向の中央部に位置する円弧面と、該円弧面の周方向両側に位置して円弧面から離れるに従って磁極部の磁極面から離れるように傾斜する一対の傾斜面とを備えるように構成して、高トルク密度化とコギングトルクの低減化とを図っている。

特開平１１−１４６５８４号公報

特許文献１に記載の従来の永久磁石回転モータでは、傾斜面部分の開き角Ａｍと、ステータの磁極部の開き角Ａｓとの関係を（１／１０）Ａｓ＜Ａｍ＜（１／４）Ａｓとすることによりコギングトルクを低減している。しかしながら、永久磁石の周方向の両端面を傾斜させたタイプの永久磁石を用いて、しかもＡｍとＡｓとの関係を上記のように定めるだけでは、トルクは比較的高く維持できるものの、コギングトルクを低減することには限界があった。

本発明の目的は、トルクの高密度化を維持して、しかもコギングトルクを従来よりも大幅に低減できる永久磁石回転モータを提供することにある。

永久磁石回転モータは、ステータとロータとを具備している。ステータは、周方向に等間隔に配置されたＮ（Ｎは２以上の正の整数）個の磁極部とＮ個のスロットとを有するステータコアとＮ個の磁極部に巻装された励磁巻線とを有している。ロータは、ロータコアまたはロータシャフトの表面に周方向に等間隔に配置されたＰ個の永久磁石を有して、ステータに対して回転する。これら永久磁石は、ステータの磁極部とロータコアまたはロータシャフトの径方向に対向する磁極面している。そして、複数の永久磁石のそれぞれの磁極面は、周方向の中央部に磁極部の磁極面との間の径方向間隙寸法が一定になる円弧面と、円弧面の周方向両側に位置して円弧面から離れるに従って磁極部の磁極面から離れるように傾斜する一対の傾斜面とを備えている。Ｐ個の永久磁石は、それぞれ周方向両側に位置して周方向に対向する一対の端面を有している。この一対の端面は、ステータコアの中心と円弧面の中央部とを通って径方向に延びる仮想平面と実質的に平行になる。本発明においては、永久磁石の円弧面の極弧率Ψ_１と永久磁石の磁極面の極弧率Ψ_２とが、Ｐ／２Ｎ≦Ψ_２−Ψ_１≦１．３８×Ｐ／２Ｎの関係を満たすように、円弧面の周方向の長さと傾斜面の傾斜状態を定める。なお本願明細書において、極弧率Ψ_１とは、永久磁石の円弧面の開き角（円弧面の周方向の一端と他端との間の角度）θ１（図２参照）を、全周角度（３６０°）を永久磁石の数Ｐで割った角度２π／Ｐで割った値（θ１÷２π／Ｐ）である。また、極弧率Ψ_２とは、永久磁石の磁極面の開き角θ２（図２参照）を、全周角度（３６０°）を永久磁石の数Ｐで割った角度２π／Ｐで割った値（θ２÷２π／Ｐ）である。本発明のように、Ψ_２−Ψ_１の範囲を定めると、トルクは多少低下するものの、従来の構造を採用する場合と比べてコキングトルクを大きく低減することができる。

複数の永久磁石は仮想平面が延びる方向と平行に磁化配向するのが好ましい。このようにすれば、永久磁石から放出されるギャップ内の磁束密度分布が正弦波に近くなり、ロータが回転することにより、巻線端子間に発生する誘起電圧波形は、正弦波に近くなることから、トルクリップルを潜在的に低減できる。

Ｐ／２Ｎ＝１／３となるように、Ｎ及びＰの数を定めた場合、上記極弧率Ψ_１と極弧率Ψ_２とは、１／３≦Ψ_２−Ψ_１≦０．４６の関係を満たすことになる。このような関係を満たすモータに本発明を適用した場合は、特に、トルクを高めて、コギングトルクを低減できる効果が高い。この場合、極弧率Ψ_１と極弧率Ψ_２とが、０．３７１≦Ψ_２−Ψ_１≦０．３９３の関係を満たすように定めれば、コギングトルクをさらに大幅に低減することができる。

なお、本発明のモータの傾斜面部分の開き角Ａｍは、従来技術（特開平１１−１４６５８４号公報）のＡｍの範囲に含まれるものではない。以下、その理由を説明する。スロットのオープニングの角度をｗｓとすると、ステータの磁極部の開き角Ａｓは、Ａｓ＝（３６０／Ｎ）−ｗｓとなる。例えば、永久磁石数Ｐが８、スロット数Ｎが１２においては、スロットのオープニングの角度ｗｓは、０°〜３０°の範囲となるため、Ａｓの範囲は、３０°〜０°となる。ここで、従来技術のＡｍとＡｓとの関係式（１／１０）Ａｓ＜Ａｍ＜（１／４）ＡｓにあてはめてＡｍの範囲を求めると、Ａｍの範囲は、０°＜Ａｍ＜７．５°となる。

これに対して、本発明のＰ／２Ｎ≦Ψ_２−Ψ_１≦１．３８×Ｐ／２Ｎの関係式にＰ＝８、Ｎ＝１２の場合を当てはめると、１／３≦Ψ_２−Ψ_１≦０．４６［式（１）］となるのが分かる。ここで、永久磁石の円弧面の開き角をθ１とし、永久磁石の磁極面の開き角をθ２とすると、Ａｍ＝（１／２）×（θ２−θ１）であり、これを極弧率で表すと、Ａｍ＝（１／２）×（Ψ_２−Ψ_１）×（３６０°／Ｐ）となる。したがって、Ψ_２−Ψ_１＝２×Ａｍ×Ｐ×（１／３６０°）となる。ここにＰ＝８を当てはめると、Ψ_２−Ψ_１＝Ａｍ×（２／４５）［式（２）］となる。ここで、（１）式に（２）式を当てはめると、本発明のモータのＡｍは、７．５°≦Ａｍ≦１０．３５°の範囲となる。したがって、本発明のモータのＡｍ（７．５°≦Ａｍ≦１０．３５°）は、特許公報１に記載の技術のＡｍの範囲（０°＜Ａｍ＜７．５°）に含まれることはない。

永久磁石の磁極面に形成される傾斜面が平面である場合には、ステータコアの中心と円弧面の中央部とを通って径方向に延びる仮想平面と、永久磁石の磁極面に形成される傾斜面の延長面とは、（７０°−９０°／Ｐ）〜（８０°−９０°／Ｐ）で交差するようにするように傾斜面の角度を定めるのが好ましい。この角度が（７０°−９０°／Ｐ）を下回るとトルクが低下する。またこの角度が、（８０°−９０°／Ｐ）を上回るとコギングトルクを十分に低減できない。

また永久磁石の磁極面は、仮想平面を中心して面対称に形成するのが好ましい。このようにすれば、ロータの回転方向にかかわらず、コギングトルクを大幅に低減できる。

本発明の具体的な永久磁石回転モータでは、ステータは、周方向に等しい間隔をあけて配置された１２個の磁極部及び１２個のスロットを有するステータコアと、１２個の磁極部に巻装された３相の励磁巻線とを有している。また、ロータは、ロータコアまたはロータシャフトの表面に周方向に等しい間隔をあけて配置された８個の永久磁石を有する。各永久磁石の磁極面は、ステータの磁極部とロータコアまたはロータシャフトの径方向に対向する磁極面を有する８個の永久磁石を有しており、ステータに対して回転する。そして、１２個の磁極部のそれぞれの磁極面は、ステータコアの中心を中心とする仮想円筒面上に位置するようにそれぞれ形成されている。また８個の永久磁石のそれぞれの磁極面は、円弧面と一対の傾斜面とを有する。円弧面は、周方向の中央部に磁極部の磁極面との間の径方向間隙寸法が一定になる形状を有している。また一対の傾斜面は、円弧面の周方向両側に位置して円弧面から離れるに従って磁極部の磁極面から離れるように傾斜する形状を有している。８個の永久磁石のそれぞれは、周方向両側に位置して周方向に対向する一対の端面を有している。この一対の端面は、ステータコアの中心と円弧面の中央部とを通って径方向に延びる仮想平面と実質的に平行になるようにそれぞれ形成されている。この場合においては、永久磁石の円弧面の極弧率Ψ_１と永久磁石の磁極面の極弧率Ψ_２とは、１／３≦Ψ_２−Ψ_１≦０．４６の関係を満たすように、円弧面の周方向の長さと傾斜面の傾斜状態を定めるのが好ましい。

本発明によれば、永久磁石の周方向の一対の端面を、ステータコアの中心と円弧面の中央部とを通って径方向に延びる仮想平面と実質的に平行になるように形成された永久磁石回転モータにおいて、トルクを大きく低下させることなく、コギングトルクを大幅に低減することができる永久磁石回転モータを得ることができる。

以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は、本発明の一実施の形態を説明するために用いる永久磁石回転モータのステータ１とロータ３の構成と関係を概略的に示す図である。なお図１においては、図示を簡略化するために、ステータ１には励磁巻線を図示していない。図２は、図１の永久磁石回転モータのロータ３の構成を概略的に示す図である。なお図２には、後述する仮想円筒面ＰＣを図示してある。図１に示すように、ステータ１は、ステータコア２と図示しない励磁巻線とを有している。ステータコア２は、筒状のヨーク５とヨーク５の内周からステータコアの中心Ｃに向かって突出するＮ個（本例では１２個）の磁極部７とを有している。１２個の磁極部７は、図示しない励磁巻線が巻装される磁極本体部７ｂを有しており、その先端部に磁極面７ａを有している。１２個の磁極部７の磁極面７ａは、それぞれステータコア２の中心Ｃを中心とする仮想円筒面ＰＣ（図２参照）上に位置するように形成されている。これにより、ステータコア２は、それぞれの隣接する２つの磁極部７の間に周方向に等間隔に配置されたＮ個（本例では１２個）のスロット９を有することになる。

ロータ３は、図２に示すように、円柱状のロータコア１１と該ロータコア１１の表面に周方向に等しい間隔をあけて配置されたＰ個（本例では８個）の永久磁石１３とを有している。複数の永久磁石１３は、それぞれ周方向両側に位置して周方向に対向する一対の端面１３ａ，１３ａと、磁極面１３ｂとを有している。後に詳しく説明するように、磁極面１３ｂは、円弧面１３ｃと一対の傾斜面１３ｄとから構成されている。ロータ３は、永久磁石１３の磁極面１３ｂがステータコア２の磁極部７の磁極面７ａと対向するようにステータ１内に配置されている。

複数の永久磁石１３の一対の端面１３ａ，１３ａは、ステータコア２の中心Ｃと円弧面１３ｃの中心を通って径方向に延びる仮想平面ＰＳと実質的に平行になるようにそれぞれ形成されている。そして、複数の永久磁石１３は、仮想平面ＰＳが延びる方向と平行に着磁されている。複数の永久磁石１３のそれぞれの磁極面１３ｂは、ステータコア２の磁極部７の磁極面７ａとロータコア１１の径方向に対向している。磁極面１３ｂを構成する円弧面１３ｃと一対の傾斜面１３ｄとは、円弧面１３ｃ中心を通る仮想平面ＰＳを中心にして面対称になるように形成されいる。円弧面１３ｃは、磁極面１３ｂの周方向の中央部に位置している。ステータコア２の磁極部７の磁極面７ａと円弧面１３ｃとの間の径方向間隙寸法は一定である。一対の傾斜面１３ｄ，１３ｄは、円弧面１３ｃの周方向両側に位置して円弧面１３ｃから離れるに従ってステータコア２の磁極部７の磁極面７ａ（仮想円筒面ＰＣ）から離れるように傾斜している。言い換えるならば、仮想平面ＰＳから離れるに従って、磁極面７ａから離れるように傾斜している。なおこの実施の形態では、一対の傾斜面１３ｄ，１３ｄは、直線的に傾斜する又は傾斜角度が一定になる平面から構成されている。実施の形態の仮想平面ＰＳと傾斜面１３ｃが含まれる仮想傾斜面との間の角度θは、６３°である。この角度は、（７０°−９０°／Ｐ）〜（８０°−９０°／Ｐ）の範囲に入るようにするのが好ましい。したがって、本例では、５８．７５°〜６８．７５°の範囲に入るようにするのが好ましい。

本発明では、永久磁石１３の円弧面１３ｃの極弧率Ψ_１と永久磁石１３の磁極面１３ｂの極弧率Ψ_２とが、Ｐ／２Ｎ≦Ψ_２−Ψ_１≦１．３８×Ｐ／２Ｎの関係を満たすように、円弧面１３ｃの周方向の長さと傾斜面１３ｄの傾斜状態が定められている。ここで、極弧率Ψ_１は、永久磁石１３の円弧面１３ｃの開き角θ１を、全周角度２π（３６０°）を永久磁石の数Ｐ（８）で割った角度２π／Ｐ（４５°）で割った値（θ１／４５）である。また、極弧率Ψ_２は、永久磁石１３の磁極面１３ｂの開き角θ２を、全周角度２π（３６０°）を永久磁石の数Ｐ（８）で割った角度２π／Ｐ（４５°）で割った値（θ２／４５）である。

次に、ステータ１の磁極部７の磁極面７ａの開き角Ａｓ（図１参照）を種々に変えたモータを形成し、各モータのΨ_２−Ψ_１とコギングトルクとの関係を調べた。図３は、その測定結果を示している。図３において、Ａｓが３０°のモータとは、スロット９の開口部が無いモータである。図３から、Ａｓが３０°より小さいモータにおいては、Ψ_２−Ψ_１がＰ／２Ｎ〜１．３８×Ｐ／２Ｎの範囲、即ち、１／３（０．３３３）〜０．４６（Ｐ＝８、Ｎ＝１２）の範囲でコギングトルクが低下するのが分かる。特にΨ_２−Ψ_１が、０．３７１〜０．３９３の範囲で大幅にコギングトルクが低下するのが分かる。なお、傾斜面１３ｃの開き角Ａｍ（図２参照）で見ると、７．５°〜１０．３５°の範囲でコギングトルクが低下し、８．５９５°近傍でコギングトルクが大幅に低下するのが分かる。このように、Ｐ＝８、Ｎ＝１２においては、本実施の形態のモータのＡｍは、従来技術のＡｍの範囲（０°＜Ａｍ＜７．５°）に含まれることはない。

図４は、図３で用意した各モータのΨ_２−Ψ_１とトルクとの関係を示している。図４からわかるように、Ψ_２−Ψ_１が大きくなるにつれて、トルクは低下する。しかしながらΨ_２−Ψ_１が１／３（０．３３３）〜０．４６の範囲、特に、０．３７１〜０．３９３の範囲では、トルクの低下は、それほど大きくならないのが分かる。したがって本実施の形態によれば、トルクを大幅に低下させることなく、コギングトルクを従来よりも大幅に低下させることができる。

上記実施の形態では、ステータの磁極部の数を１２個とし、ロータの永久磁石の数を８個としたが、本発明はこの組み合わせに限定されるものではない。

本発明の一実施の形態を説明するために用いる永久磁石回転モータのステータ及びロータの構成を概略的に示す図である。 図１のロータの構成を拡大して示す概略図である。 試験に用いたモータのΨ_２−Ψ_１とコギングトルクとの関係を示す図である。 試験に用いたモータのΨ_２−Ψ_１とトルクとの関係を示す図である。

符号の説明

１ ステータ
３ ロータ
７ 磁極部
９ スロット
１１ ロータコア
１３ 永久磁石
１３ａ 端面
１３ｂ 永久磁石の磁極面
１３ｃ 円弧面
１３ｄ 傾斜面
ＰＳ 仮想平面

Claims (8)

1. 周方向に等しい間隔をあけて配置されたＮ（Ｎは２以上の正の整数）個の磁極部及びＮ個のスロットを有するステータコアと、前記Ｎ個の磁極部に巻装された励磁巻線とを有するステータと、
   ロータコアまたはロータシャフトの表面に周方向に等しい間隔をあけて配置され、前記磁極部と前記ロータコアまたはロータシャフトの径方向に対向する磁極面を有するＰ個の永久磁石を有して、前記ステータに対して回転するロータとを具備し、
   前記Ｎ個の磁極部のそれぞれの磁極面は、前記ステータコアの中心を中心とする仮想円筒面上に位置するように形成され、
   前記複数の永久磁石のそれぞれの磁極面は、前記周方向の中央部に前記磁極部の前記磁極面との間の径方向間隙寸法が一定になる円弧面と、前記円弧面の前記周方向両側に位置して前記円弧面から離れるに従って前記磁極部の前記磁極面から離れるように傾斜する一対の傾斜面とを備えている永久磁石回転モータにおいて、
   前記複数の永久磁石のそれぞれの前記周方向両側に位置して前記周方向に対向する一対の端面が、前記ステータコアの前記中心と前記円弧面の中央部とを通って前記径方向に延びる仮想平面と実質的に平行になるようにそれぞれ形成されており、
   前記永久磁石の前記円弧面の極弧率Ψ_１と前記永久磁石の前記磁極面の極弧率Ψ_２とが、Ｐ／２Ｎ≦Ψ_２−Ψ_１≦１．３８×Ｐ／２Ｎの関係を満たすように、前記円弧面の前記周方向の長さと前記傾斜面の傾斜状態が定められていることを特徴とする永久磁石回転モータ。
2. 前記複数の永久磁石は前記仮想平面が延びる方向と平行に磁化配向されている請求項１に記載の永久磁石回転モータ。
3. 前記極弧率Ψ_１と前記極弧率Ψ_２とが、１／３≦Ψ_２−Ψ_１≦０．４６の関係を満たすように前記Ｎ及びＰの数が定められていることを特徴とする請求項１または２に記載の永久磁石回転モータ。
4. 前記極弧率Ψ_１と前記極弧率Ψ_２とが、０．３７１≦Ψ_２−Ψ_１≦０．３９３の関係を満たすように定められていることを特徴とする請求項３に記載の永久磁石回転モータ。
5. 前記傾斜面は、平面である請求項１に記載の永久磁石回転モータ。
6. 前記仮想平面と前記傾斜面が含まれる仮想傾斜面とは、（７０°−９０°／Ｐ）〜（８０°−９０°／Ｐ）で交差する請求項５に記載の永久磁石回転モータ。
7. 前記永久磁石の前記磁極面は、前記仮想平面を中心して面対称に形成されている請求項１乃至６に記載の永久磁石回転モータ。
8. 周方向に等しい間隔をあけて配置された１２個の磁極部及び１２個のスロットを有するステータコアと、前記１２個の磁極部に巻装された３相の励磁巻線とを有するステータと、
   ロータコアまたはロータシャフトの表面に周方向に等しい間隔をあけて配置され、前記磁極部と前記ロータコアまたはロータシャフトの径方向に対向する磁極面を有する８個の永久磁石を有して、前記ステータに対して回転するロータとを具備し、
   前記１２個の磁極部のそれぞれの磁極面は、前記ステータコアの中心を中心とする仮想円筒面上に位置するように形成され、
   前記８個の永久磁石のそれぞれの磁極面は、前記周方向の中央部に前記磁極部の前記磁極面との間の径方向間隙寸法が一定になる円弧面と、前記円弧面の前記周方向両側に位置して前記円弧面から離れるに従って前記磁極部の前記磁極面から離れるように傾斜する一対の傾斜面とを備えており、
   前記８個の永久磁石のそれぞれは、前記周方向両側に位置して前記周方向に対向する一対の端面を有している永久磁石回転モータにおいて、
   前記一対の端面が前記ステータコアの前記中心と前記円弧面の中央部とを通って前記径方向に延びる仮想平面と実質的に平行になるようにそれぞれ形成されており、
   前記永久磁石の前記円弧面の極弧率Ψ_１と前記永久磁石の前記磁極面の極弧率Ψ_２とが、１／３≦Ψ_２−Ψ_１≦０．４６の関係を満たすように、前記円弧面の前記周方向の長さと前記傾斜面の傾斜状態が定められていることを特徴とする永久磁石回転モータ。

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