JP2005505224A - 電動モータ、特に電子的に整流される直流モータ - Google Patents

Abstract

本発明は、電動モータ、特に、ステータとロータを有する電気的に整流される直流モータに関する。ステータとロータは、電動モータの長軸に対して同軸上に配置される。前記ステータは、複数の電気的なステータ極歯と複数の位相巻線を有する。前記ロータは、位相巻線と協働する少なくとも一対の磁気極を持つ永久磁石を有する。位相巻線および／または永久磁石は、電動モータの方向に複数の軸部に分割され、各軸部は、電動モータの長軸に対して互いにずれている。各位相の相対位置ずれが本発明により削減され、これにより、トルクリップルが減少され、トルクギャップが避けられる。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念に基づく電動モータ、特に電子的に整流される直流モータに関するものである。
【０００２】
本発明は、永久磁石を備えるブラシレス電動モータの分野を対象とするものであり、特に、インナーロータ型モータまたはアウターロータ型モータとして設計されている直流モータの分野を対象とするものである。インナーロータ型モータは、ロータシャフトと、ロータシャフトに配置された１つまたは複数の永久磁石とを含むロータモジュールを有するとともに、たとえば薄板で構成される、相巻線を備えるステータを有するステータモジュールを備えている。ロータモジュールは同軸、同心的にステータモジュールに挿入される。アウターロータ型モータでは、ロータユニットがステータを同心的に包囲する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００３】
図１は、ケース４を備え、その中にステータモジュール８と、ロータモジュール６と、ロータモジュール６を回転可能に支持するための軸受１６、１８とが収容されている、インナーロータ型モータの原理的な構造を模式的に示している。ステータモジュール８はステータ薄板５５と相巻線６０を含んでおり、ロータモジュール６を中に挿入可能な内部空間を取り囲んでいる。ロータモジュールのための軸受１６、１８は、たとえばモータケース４のフランジ２４や端面キャップ２０に組み込むことができる。
【０００４】
図２は、ステータモジュールと、ステータモジュールで同心的に包囲されたロータモジュールとを備える、一例としての２相直流モータの断面図を模式的に示している。ステータモジュールは、４つの極歯５３と４つのステータ溝５４とを有するステータ薄板５２で模式的に図示されており、２相直流モータの２つの相巻線６２、６４は極歯５３へ均等に配分された状態で巻きつけられている。極歯はハンマーとも呼ばれる。極歯の数は、ハンマーの数によって、ないしはステータモジュールのステータ溝の数によって決まる。ロータモジュールは、磁極対４２、４４を備える永久磁石１４によって模式的に図示されている。
【０００５】
図示した実施形態では、図２に示すように、第１の位相と第２の位相の巻線６２、６４がそれぞれ互いに向かい合っている。原則として、位相の幾何学的なオフセットは、３６０°を位相数で電気的に割ったものに等しく、したがってこの実施形態では３６０°（電気角）÷２＝１８０°（電気角）に等しい。したがって、１つの位相に属する巻線６２、６４の数は、ステータ溝の数を位相の数で除算したものに等しい。
【０００６】
図２に示す実施形態の直流モータの位相は、通電が一定である場合、図３に示すようなトルクを生成する。
【０００７】
図３に示すように、２相直流モータでは、位相１の通電によっても位相２の通電によってもトルクを生成できないロータ位置がある。この状況を図３では「クリティカルポイント」で表現している。２相直流モータから出されるトルクＴは０と最大値Ｔｍａｘの間で変動し、このような変動は「トルクリプル」あるいは通電時のトルク波形と呼ばれる。
【０００８】
図４は、６つの極歯５６と、これに応じて６つのステータ溝５７とを有するとともに、この中に同軸に配置され、２つの磁極対４６、４８をもつ永久磁石１４を備えるロータモジュールを有している、ステータモジュールを備える３相直流モータの模式的な断面図を示している。直流モータの３つの位相に応じて、第１、第２、および第３の３つの巻線６６、６７、６８が互いにオフセットされた状態で、ステータ薄板５５の溝５７に入っている。位相１つあたりの巻線の数は、溝の数（６）を巻線の数（３）で割ったものに等しく、したがって２個である。図５は、３相の直流モータで生成される帰属のトルクの推移を示している。
【０００９】
図５に示すように、３つの位相の幾何学的なオフセットは、３６０°（電気角）÷位相数＝１２０°（電気角）である。このように３相の直流モータではトルクの欠損が生じることがなく、トルクは最小および最大のトルク値Ｔｍａｘ、Ｔｍｉｎの間で変動するが、それによってやはりある程度のトルク波形が生じてしまう。さらに図５は、特定のロータ位置（Δｔ１０、Δｔ２０、Δｔ３０）では個々の位相がトルクを生成しないことも示している。
【００１０】
米国特許明細書第５，９７３，４２６号は、互いに１２０°だけ（周方向にずらされた）３つの軸方向の区域に永久磁石が分割されている３相電動モータを記載している。同明細書に記載されている構成の目的は、効率が高くて構造が小型なモータを提供することにある。この明細書はトルク波形やトルク欠損の問題には取り組んでいない。
【００１１】
国際公開第９９／５７７９５号は、１つの共通のシャフトに、互いに独立して作業能力がある２つのモータを備えているモータ機構を記載している。このような構成の目的は、励磁回路に障害が起こってもモータの動作を維持できるようにすることにある。
【００１２】
従来技術では、トルク波形の問題を低減するため、およびコギングトルクを解消するために、極が斜めに磁化されている永久磁石をロータに設けて、個々の位相の間の急激な切換を回避することが提案されている。しかしロータ極の斜めの磁化（スキュー）は、軸方向の力割合を生成するためにトルクの損失を生んでしまう。
【００１３】
本発明の課題は、トルク波形を減らし、個々の位相のトルク欠損を解消できるように構成された電動モータ、特に電気整流式の直流モータを提供することである。この課題は、請求項１の構成要件を備える電動モータによって解決される。
【００１４】
本発明による電動モータは、電動モータの長軸に対して同軸に配置されたステータとロータを有している。ステータは複数の電気的なステータ極歯と複数の相巻線を含んでおり、ロータは、相巻線に割り当てられた少なくとも１つの磁極対を備える永久磁石を含んでいる。本発明によれば、相巻線および永久磁石の少なくとも一方が電動モータの回転軸または長軸の方向で複数の軸方向区域に分割され、これらの区域が電動モータの長軸を中心として相互に（周方向にずらす）ことによって、個々の位相の相互の角度位置が解消される。つまり本発明の第１の好適な実施形態では、モータの相巻線がステータの円周方向でステータ極に配分されるのではなく、モータが、それぞれ１つの相巻線だけを支持し、軸方向で相前後して配置された複数の積層または「スタック」から構成される。本発明の別の実施形態では、永久磁石が電動モータの長軸の方向で複数の軸方向区域に分割されており、永久磁石の各々の区域は少なくとも１つの磁極対を有しており、個々の区域はモータの長軸を中心として相互に（周方向にずらされている）。このように、個々のモータ位相の角度位置の幾何学的なオフセットは、それぞれ１つの位相に対応する複数の軸方向のステータ区域にステータを分割し、これらのステータ区域または「スタック」を互いに（周方向にずらす）ことによって得ることができ、もしくは、複数の軸方向の永久磁石区域にロータの永久磁石を分割し、これらの永久磁石区域を互いに（周方向にずらし）、すなわちそれぞれの区域の磁極を互いに（周方向にずらす）ことによって得ることができる。
【００１５】
本発明によれば、ステータの軸方向区域の数が相巻線の数と等しいことが意図され、それにより、各々のステータ区域がそれぞれ１つの相巻線を有することになる。ステータは、２相直流モータか３相直流モータかに応じて、２つまたは３つの軸方向区域を含んでいるのが好ましい。格別に少ないトルク波形を得るためには、ステータの各区域がそれぞれほぼ１８０°（電気角）÷（位相の数）だけ相互に回転しているのが望ましい。ステータの代わりに永久磁石が複数の軸方向区域に分割されている場合にも同様のことがいえる。
【００１６】
本発明の１つの好適な実施形態では、できるだけ均等なトルク推移を得るために、溝の数または電気的なステータ極歯の数が、磁極の数と等しい。
【００１７】
個々の相巻線を複数の軸方向区域に分割することは、各位相の完全な電気的分離が可能なので、巻線を通って流れる電流の相互の影響によって相互インダクタンスや漏れインダクタンスが発生せず、モータが全体として故障しにくくなるという追加的な利点を有している。相巻線を適当に制御し、トルクを規定する位相を適当に選択することによって、実質的に平滑なトルク推移を得ることが可能である。
【００１８】
次に、図面と関連する好適な実施形態を参照しながら、本発明について詳しく説明する。
【００１９】
図１は、従来技術のインナーロータ型構造による電子的に整流される直流モータの構造を原理的に示している。このモータはロータモジュール６とステータモジュール８を含んでいる。ロータモジュール６は、鉄等の軟磁性材料からなる保磁リング１２を支持するロータシャフト１０を有している。保磁リング１２の上に、切片状または環状の永久磁石１４が装着されている。シャフト１０は軸受１６、１８で回転可能に支持されている。ここではロータシャフト１０と保磁リング１２と１つまたは複数の永久磁石１４とで図示されているロータモジュール６は、相巻線６０を備え、多数のステータ薄板５５からなる積層鉄心で図示されているステータモジュール８の内部に位置している。ステータはフランジ２４と結合されており、ロータモジュール６はフランジ２４では軸受１８によって支持され、端面キャップ２０では軸受１６によって支持されている。フランジ２４と閉止キャップ２０はモータケース４と結合されている。フランジ２４は、直流モータを孔３２によってシャーシなどに取り付ける役目も果たす。図１は、従来技術に基づく直流モータを基本部材とともに示しており、これは本発明の背景を説明するための図である。
【００２０】
すでに説明した図２と図４は、従来技術に基づく電動モータの横断面図を模式的に示しており、図３と図５は、このような電動モータで生成されるトルク推移を示している。
【００２１】
図６は、３つの軸方向のステータ区域７０、７１、７２と、ロータシャフト１０と、ステータ区域７０、７１、７２の内部に配置され、鉄の保磁リングに着座する、同じく軸方向の区域に分割された永久磁石７４とを備える、本発明の直流モータの模式図を示している。永久磁石７４は、本実施形態では、図６に示すように軸方向の区域に分割されていてよく、あるいは、ステータモジュールの軸方向の長さ全体にわたって延びていてもよい。図６では、図を明快にするためにケース、フランジ、軸受は省略している。相巻線７６、７７は単に示唆されている。図７は、図６に類似する図面であるが、２つの位相のための巻線７６、７７、７８が加わっている。図６と図７に図示する本発明のモータの実施形態では、３つのステータ区域７０、７１、７２は電動モータの軸方向で相前後して配置されるとともに、モータの回転軸を中心として相互に所定の角度だけ（周方向にずらして）おり、この（周方向にずらす）大きさは、磁極の数と、個々の位相のトルク推移の所望のオーバーラップとによって決まる。
【００２２】
本発明の好適な実施形態では、個々のステータ区域７０、７１、７２の溝の数は、付属の永久磁石７４の磁極の数に等しい。（周方向にずらす）大きさは、トルクの所望のオーバーラップ（図９、図１０）が生じるように選択される。１つの実施形態では、ステータの区域はほぼＮ＝１８０°（電気角）÷（相巻線の数）だけ相互に（周方向にずらして）いる。
【００２３】
図８は本発明の別の実施形態を示しており、図８には、ロータ磁石８０、８１、８２を備えるロータシャフト１０だけが図示されており、これらは、従来技術に基づくステータモジュール（図８には図示せず）を中に挿入することができるロータモジュールを形成している。図８に示す実施形態では、ロータシャフト１０は、相互に（周方向にずらした）４つの磁極対をそれぞれ有する３つの軸方向の永久磁石区域８０、８１、８２を支持している。図８のロータモジュールは、図６や図７に示すような本発明のステータユニットと組み合わせることができる。後者の場合、軸方向の磁石区域８０、８１、８２、軸方向のステータ区域７０、７１、７２、または両方のモジュールが相互に回転していてよい。軸方向のステータ区域ないし軸方向のロータ区域を本発明に基づいて構成する目的は、生成されるトルク推移に的確な影響を与えて、トルク欠損が解消されてトルク波形が減少するように、個々の位相のトルク曲線をオーバーラップさせることにある。
【００２４】
図９は本発明に基づく２極直流モータのトルク推移を示しており、ここでは、軸方向のステータ区域がそれぞれ４つの溝を有しており、永久磁石が２つの磁極対を有していると想定している。図９に示す実施形態では、ステータ区域およびこれに付属する位相は、個々の位相のトルク推移が、図３と比較してオーバーラップするように相互に（周方向にずれて）いる。図９に示すトルク推移をもつ２極直流モータが、オーバーラップの領域で各位相が切り換わるように制御されれば、結果として、トルクの急落やトルク波形のない、平滑なトルク推移を生成することができる。十分に広いオーバーラップ領域を設ければ、追加的に、モータが作動時に切換時点のわずかなずれに対して影響されないようになる。このことは、単極動作の２相直流モータについて当てはまり、すなわち、常に１つの相巻線だけに通電される場合に当てはまる。双極動作では、位相１と位相２のトルクが加算されることにより、モータのトルクをいっそう高めることができる。この場合、トルク波形は生成されることになるが、トルク推移に欠損部は決して生じない。
【００２５】
図９では、各位相、すなわち位相１と位相２を適宜切り換えないと、位相２の下降部と位相１の上昇部の間にまだトルク欠損が生じることがわかる。この欠損は、本発明による３相直流モータに第３のステータ区域または「スタック」を設けることによって埋めることができる。
【００２６】
図１０は、本発明に基づいて３つの軸方向区域を備える３相直流モータのトルク推移の一例を示している。本例では、各々のステータ区域が６つのステータ溝を有しており、永久磁石が３つの磁極対を有していると想定している。それぞれ１つの位相に対応するステータ区域は、１２０°だけ相互に（周方向にずれて）いる。
【００２７】
図１０に示すトルク推移を生成するには、個々の軸方向のステータ区域、およびこれに伴う位相が正確に１２０°オフセットされ、それにより、個々の位相のトルク曲線のオーバーラップが生じないようにする。個々の位相を切り換えるための切換時点が正確に守られれば、トルク欠損やトルク波形のない平滑なトルク推移が得られる。しかし図１０からわかるように、切換時点に誤差が生じた場合には、わずかなトルク波形が生じることになる。トルク曲線の推移が実際には図１０の図面に正確に対応しておらず、個々の位相の立上りエッジと立下りエッジの急峻さが低いことから、トルク波形が生じる可能性もある。
【００２８】
この問題は、個々の軸方向のステータ区域とこれに伴う位相が１２０°よりも少なく（周方向にずれて）おり、それによって、同じく個々の位相のトルク曲線のオーバーラップが生じるようにすることによって解決することができる。この様子を図１１に示す。３相直流モータの位相を適宜制御し、特に、それぞれオーバーラップ領域で位相を切り換えることにより、トルク欠損のない平滑なトルク推移を生成することができる。個々の位相のオーバーラップに基づき、個々の位相を切り換えるときのわずかな切換時間誤差がトルク推移に影響を及ぼさないことが保証される。
【００２９】
図１１に示すように、位相をずらすことで欠損部が生じるが、個々の相巻線の適当な制御によってこの欠損部を補うことができる。さらに、このような欠損部を別の位相の付加によって埋めることもできる。
【００３０】
以上の説明、特許請求の範囲、および図面に開示している構成要件は、それぞれ単独でも、また任意の組み合わせでも、さまざまな実施形態で本発明を具体化するために有意義であり得る。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】従来技術に基づく直流モータを示す模式的な縦断面図である。
【図２】従来技術に基づく、４つのステータ溝と１つの磁極対を備える２相電動モータを示す模式的な横断面図である。
【図３】図２のモータによって生成されるトルク推移を示す図である。
【図４】従来技術に基づく、６つのステータ溝と２つの磁極対を備える３相電動モータを示す模式的な横断面図である。
【図５】図４のモータによって生成されるトルク推移を示す図である。
【図６】本発明による直流モータを、ケース、フランジ、支持部を除いて示す模式図である。
【図７】図６に類似しているが、３つの位相のための巻線を備えている図である。
【図８】本発明の直流モータの代替的な実施形態のロータモジュールを示す図である。
【図９】本発明による２相直流モータのトルク推移の一例を示す図である。
【図１０】本発明による３相直流モータのトルク推移の一例を示す図である。
【図１１】本発明の別の実施形態に基づく３相直流モータのトルク推移の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００３２】
４ モータケース／ケース
６ ロータモジュール
８ ステータモジュール
１０ ロータシャフト
１２ 保磁リング
１４ 永久磁石
１６、１８ 軸受
２０ 端面キャップ
２４ フランジ
３２ 孔
４２、４４ 磁極対
４６、４８ 磁極対
５２；５５ ステータ薄板
５３ 極歯
５４ ステータ溝
５６ 極歯
５７ ステータ溝
６０、６２、６４、６６、６７、６８ 相巻線
７０、７１、７２ ステータ区域
７４ 永久磁石
７６、７７、７８ 相巻線
８０、８１、８２ 永久磁石区域

Claims (10)

1. 電動モータの長軸に対して同心的に配置されたステータとロータを備える電動モータであって、ステータは複数の電気的なステータ極歯（５３）と複数の相巻線（７６−７８）を有しており、ロータは、相巻線（７６−７８）に割り当てられた少なくとも１つの磁極対（４２−４８）を備える永久磁石（１４；７４）を有している電動モータであって、
   相巻線（７６−７８）および／または永久磁石（１４；７４）が電動モータの長軸の方向で複数の軸方向区域（７０、７１、７２；８０、８１、８２）に分割されており、これらの区域は電動モータの長軸を中心としてそれぞれほぼＮ°だけ周方向にずらされており、Ｎ°≠３６０°÷（位相の数）であり、それによって個々の位相のトルク曲線が互いにオーバーラップすることを特徴とする、電動モータ。
2. ステータが電動モータの長軸の方向で、相巻線（７６−７８）の数に対応する数の軸方向区域（７０、７１、７２）に分割されており、ステータの各々の区域は複数の電気的なステータ極歯（５３）とそれぞれ１つの相巻線（７６−７８）とを含んでいることを特徴とする、請求項１に記載の電動モータ。
3. ステータが２つまたは３つの軸方向区域（７０、７１、７２）に分割されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の電動モータ。
4. ステータの区域（７０、７１、７２）がそれぞれほぼＮ°だけ相互に（周方向にずらされており）、特にＮ°＝１８０°（電気角）÷（位相の数）だけ（周方向にずらされている）ことを特徴とする、請求項２または３に記載の電動モータ。
5. 永久磁石（１４；７４）が電動モータの長軸の方向で、相巻線（７６−７８）の数に対応する数の軸方向区域（８０、８１、８２）に分割されており、永久磁石の各々の区域は同じ数の磁極対を有している、請求項１及至４のいずれか一項に記載の電動モータ。
6. 永久磁石（１４；７４）が２つまたは３つの軸方向区域（８０、８１、８２）に分割されていることを特徴とする、請求項１及至５のいずれか一項に記載の電動モータ。
7. 永久磁石（１４；７４）の区域（８０、８１、８２）が、それぞれ負の磁極と正の磁極がオーバーラップするように相互に（周方向にずらされている）ことを特徴とする、請求項５または６に記載の電動モータ。
8. 電気的なステータ極歯（５３）の数が磁極の数と等しいことを特徴とする、請求項１及至７のいずれか一項に記載の電動モータ。
9. 相巻線を備えるステータの複数の区域および／または永久磁石の複数の区域が、電動モータ長軸の方向で互いに間隔をおいて配置されていることを特徴とする、請求項１及至８のいずれか一項に記載の電動モータ。
10. 電子的に整流される直流モータであることを特徴とする、請求項１及至９のいずれか一項に記載の電動モータ。

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