JP2007215397A - 電動機及びこれを搭載した機器 - Google Patents

Abstract

【課題】従来のモータでは、外側ロータと内側ロータとからなるロータを搭載することで、出力トルクを大きくすることができるが、磁石が表面に貼り付けられることから、接着剤などの部品点数が増加し、さらに、磁石が円弧状となるため、磁石の加工コストが増加し、コストアップの原因となっていた。
【解決手段】永久磁石をロータコアに埋め込み、内側永久磁石と外側永久磁石を長方形形状とすることで、磁石の加工コストを低減し、さらに、リラクタンストルクを補助的に活用することによって、モータのコストを低減することが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動機およびこれを搭載した機器に関し、特に、電動機のロータの構成に関する。

図４は、従来の外側ロータと内側ロータとからなるロータを有するトロイダル方式のブラシレス電動機であり、ステータ１１０と内側ロータ１２０と外側ロータ１３０から構成されている。

ステータ１１０は、ステータコア１１１と巻線１１５よりなる。ステータコア１１１は、ステータヨーク１１４と、このステータヨーク１１４に設けられた外側ティース１１２と内側ティース１１３とからなり、外側ティース１１２の間には外側スロット１１６が、内側ティース１１３の間には内側スロット１１７が、それぞれ構成されている。

ステータヨーク１１４にはトロイダル方式の複数の３相巻線１１５が施されている。この巻線１１５は集中巻線方式でステータヨーク１１４に巻回され、外側スロット１１６と内側スロット１１７に収納され、スターまたはデルタ結線される。

内側ロータ１２０はシャフト１２３に直結され、ステータ１１０の内側に回転自在に保持される。内側ロータ１２０は、更にロータヨーク１２１と永久磁石１２２とを有する。また、外側ロータ１３０は、同様にシャフト１２３に直結され、ステータ１１０の外側に回転自在に保持される。外側ロータ１３０は、更にロータヨーク１３１と永久磁石１３２とを有する。

内側ロータ１２０および外側ロータ１３０は、巻線１１５に流れる電流による磁界によって回転する。尚、図４は、ロータコア１２１および１３１の表面に永久磁石１２２および永久磁石１３２をそれぞれ設けた、表面磁石型ロータを示している。このようなトロイダル電動機の構成は、例えば特許文献１に開示されている。
特開２００１−３７１３３号公報

この従来の電動機によれば、外側ロータと内側ロータとからなるロータを搭載することで、出力トルクを大きくすることができるが、磁石が表面に貼り付けられることから、接着剤などの部品点数が増加し、さらに、磁石が円弧状となるため、磁石の加工コストが増加し、コストアップの原因となっていた。また電動機が高速で回転するときに、遠心力で磁石が脱落することがある等の信頼性面での課題も有していた。

本発明の電動機は次の構成を有する。環状のステータヨークと、このステータヨークから外側に向かって突出した複数の外側ティースと、この外側ティースと同数でステータヨークから内側に向かって突出した複数の内側ティースとを有するステータコアと、ステータコアに巻回された複数の巻線とを備えたステータと、外側ティースに空隙を介して対向した外側ロータと内側ティースに空隙を介して対向した内側ロータとからなるロータを含む。

ステータコアは、外側ティースの間に構成された外側スロットと、内側ティースの間に構成された内側スロットとを有し、巻線は、外側スロットと内側スロットの間のステータヨークに巻回され、３相スターまたはデルタ状に結線されたトロイダル巻線であり、外側ロータは、外側永久磁石挿入孔を有する外側ロータヨークに外側永久磁石を収納して構成され、内側ロータは、内側永久磁石挿入孔を有する内側ロータヨークに内側永久磁石を収納して構成される。ここで、外側永久磁石と内側永久磁石とは、断面がともに長方形形状である。

この構成による本発明の電動機は、小型、大トルク、高効率、及び低コストの電動機が実現できる。

このように、本発明は、環状のステータヨークと、前記ステータヨークから径方向外側に向かって突出した複数の外側ティースと、前記外側ティースと同数で前記ステータヨークから径方向内側に向かって突出した複数の内側ティースとを有するステータコアと、前記ステータコアに巻回された複数の巻線とを備えたステータと、
前記外側ティースに空隙を介して対向した外側ロータと前記内側ティースに空隙を介して対向した内側ロータとからなるロータを含み、
前記ステータコアは、前記外側ティースの間に構成された外側スロットと、前記内側ティースの間に構成された内側スロットとを有し、
前記巻線は、前記外側スロットと前記内側スロットの間の前記ステータヨークに巻回され、３相スターまたはデルタ状に結線されたトロイダル巻線であり、
前記外側ロータは、外側永久磁石挿入孔を有する外側ロータヨークに外側永久磁石を収納して構成され、前記内側ロータは、内側永久磁石挿入孔を有する内側ロータヨークに内側永久磁石を収納して構成され、
前記外側永久磁石と前記内側永久磁石とは、断面がともに長方形形状の電動機である。

また、本発明は、上記発明において、前記外側永久磁石と前記内側永久磁石とは、それぞれ前記外側永久磁石挿入孔と前記内側永久磁石挿入孔とに接着剤で固定される。

また、本発明は、上記発明において、前記外側永久磁石と前記内側永久磁石とは、断面の径方向長さが同一である。

また、本発明は、上記発明において、前記外側永久磁石の断面の周方向長さは、前記内側永久磁石の断面の周方向長より長い。

また、本発明は、上記発明において、前記巻線は、整列巻である。

また、本発明は、上記発明において、前記外側永久磁石と前記内側永久磁石とは、断面形状が同一である。

また、本発明は、上記発明において、前記外側永久磁石と前記内側永久磁石とは、材質が異なる。

また、本発明は、上述のいずれかの構成を備えた電動機を搭載した機器である。

永久磁石をロータコアに埋め込み、内側永久磁石と外側永久磁石を長方形形状とすることで、磁石の加工コストを低減し、さらに、リラクタンストルクを補助的に活用する構成が図れ、電動機の特性向上が可能であり、また電動機のコストを低減することが可能となる。

また、内側永久磁石と外側永久磁石を同寸法とすることで、磁石の金型を統一することができ、電動機のコストを低減することが可能となる。

また、内側永久磁石と外側永久磁石の少なくとも1つの寸法が異なることで、永久磁石磁束を有効に活用することが可能となり、同一出力では、電動機の小型化をすることができるため、電動機のコストを低減することが可能となる。

また、内側永久磁石と外側永久磁石の材質が異なることで、永久磁石磁束を有効に活用することが可能となり、同一出力では、電動機の小型化をすることができるため、電動機のコストを低減することが可能となる。

以下本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における電動機の径方向の断面図である。本実施の形態の電動機は、ステータ１０と、このステータ１０の内径側に対向する内側ロータ２０と、外径側に対向する外側ロータ３０とで構成される。

ステータ１０を構成するステータコア１１は、略環状のステータヨーク１４と、このステータヨーク１４から外周方向に突出した外側ティース１２と、外側ティース１２と同数でステータヨーク１４から内周方向に突出した内側ティース１３とから成る。各々の外側ティース１２の間には外側スロット１６が、各々の内側ティース１３の間には内側スロット１７が、それぞれ構成されている。そして、３相スターもしくはデルタ状に結線されトロイダル巻線形式による複数の巻線１５が、外側スロット１６と内側スロット１７の間のステータヨーク１４に集中巻線方式で巻回されている。なお、この巻線１５は、全スロットに収納されているが、図１においては１カ所以外省略している。

外側ティース１２に対向して所定のエアギャップを介して外側ロータ３０が配設されている。同様に、内側ティース１３に対向して所定のエアギャップを介して内側ロータ２０が配設されている。

外側ロータ３０は、電磁鋼板が積層された外側ロータヨーク３１に永久磁石挿入孔３４を有しており、そこに永久磁石３２が収納されて外側磁極部を構成している。同様に、内側ロータ２０は、電磁鋼板が積層された内側ロータヨーク２１に永久磁石挿入孔２４を有しており、そこに永久磁石２２が収納されて内側磁極部を構成している。言い換えれば、この外側磁極部は、外側ロータヨーク３１の複数の外側永久磁石挿入孔３４の各々に外側永久磁石３２を収納して構成される。同様に、内側磁極部は、内側ロータヨーク２１の複数の内側永久磁石挿入孔２４の各々に内側永久磁石２２を収納して構成される。

外側ロータ３０は、外側ロータフレーム（図示しない）に圧入、焼きばめ、一体成形、接着等の手段で結合されている。同様に、内側ロータ２０は内側ロータフレーム（図示しない）に圧入、焼きばめ、もしくは接着等の手段で結合されている。そして、内側ロータフレームと外側ロータフレームは、着脱可能に構成されている。しかし通常はこれら内側ロータフレームと外側ロータフレームは、シャフト（図示しない）に連結されて、巻線１５に所定の通電を行うことにより、一体に回転する。または、内側ロータフレームと外側ロータフレームとが一体に構成された主ロータフレーム（図示しない）が構成され、この主ロータフレームに、外側ロータヨーク３１及び内側ロータヨーク２１が圧入、焼きばめ、一体成形、接着等の手段で結合されている。主ロータフレームは、シャフト（図示しない）に連結されて、巻線１５に所定の通電を行うことにより、一体に回転する。

ここで前述の通り、外側ロータ３０と内側ロータ２０は、それぞれ永久磁石挿入孔３４、２４を備え、そこに外側永久磁石３２，内側永久磁石２２が収納されている。外側永久磁石挿入孔３４と内側永久磁石挿入孔２４とは同数であり、いずれも断面が台形形状とし、隣接する永久磁石挿入孔との間のロータヨークは均一厚さになるようにする。そして、周方向の長さは、外側永久磁石挿入孔３４の方が内側永久磁石挿入孔２４より長く、径方向の長さは同一に構成されている。外側永久磁石挿入孔３４に外側永久磁石３２が挿入され、内側永久磁石挿入孔２４に内側永久磁石２２が挿入され、いずれも接着固定される。永久磁石の形状は、いずれも断面が長方形であり、周方向の長さは、外側永久磁石３２の方が内側永久磁石２２より長く、径方向の長さは同一に構成されている。

永久磁石の着磁極性は、外側永久磁石３２、内側永久磁石２２共にＮ極、Ｓ極が交互に配置される。外側スロット１６の巻線に流れる電流で外側ロータ３０にトルクが発生し、内側スロット１７の巻線に流れる電流で内側ロータ２０にトルクが発生するので、同一電流で大トルクが得られる。更に、永久磁石埋め込み構造とすることにより、リラクタンストルクも付加されるので、小型、大トルク、高効率の電動機が実現できる。また、巻線１５を集中巻き構造とすることにより、各スロットにおける巻線占積率が向上し、コイルエンド部が小さくできるので、更なる効率の向上に寄与できる。

更に、本実施の形態においては、外側永久磁石３２と内側永久磁石２２とを共に長方形形状とすることで、従来の永久磁石埋め込み構造における円弧形磁石と異なり、磁石の加工コストを大幅に削減することができる。これにより小型、大トルク、高効率に加えて、低コスト化を実現することができる。

（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２における電動機の径方向の断面図である。本実施の形態の電動機は、実施の形態１の電動機と同様に、ステータ１０と、このステータ１０の内径側に対向する内側ロータ２０と、外径側に対向する外側ロータ３０とで構成される。実施の形態１とは、永久磁石の形状が異なるのみであり、同一の構成要素については同一の参照符号を付し説明を省略する。

本実施の形態では、外側永久磁石３２Ａと内側永久磁石２２Ａとを同一形状とし、周方向長さと径方向長さとを共に等しくしている。従って、永久磁石成型時の金型を統一することが可能となり、コストを低減することができる。なお外側永久磁石挿入孔３４と内側永久磁石挿入孔２４とは、実施の形態１と同様に、外側永久磁石挿入孔３４の方が内側永久磁石挿入孔２４より長くしている。従って、外側永久磁石挿入孔３４は、永久磁石３２Ａの周方向両側において隙間が大きくなり、磁石挿入時に治具等で位置決めして接着する。外側永久磁石挿入孔３４は、外側永久磁石３２Ａの周方向長さにフィットするように短くしても良い。

また、外側永久磁石３２Ａと内側永久磁石２２Ａとを異なった材質とすることができる。例えば、外側永久磁石３２Ａとして希土類系磁石を、内側永久磁石２２Ａとしてフェライト系磁石を使用する。これにより外側ロータ３０と内側ロータ２０との永久磁石磁束バランスを調整することが可能となり、永久磁石磁束を有効に活用することで、同一出力では、電動機の小型化を実現して更なるコストを低減することが可能となる。

（実施の形態３）
図３は本発明の実施の形態３における機器の概略説明図である。図３において、機器６１は、筐体６２と、その筐体６２に搭載される電動機６７と、その電動機６７を駆動するための駆動器６５と、その駆動器６５に給電するための電源６８と、電動機６７を動力源として駆動される機構部等の負荷６９とを含んでいる。

ここで、電動機６７と駆動器６５から電動機駆動装置６３を構成している。機器６１は、電源６８から駆動器６５を介して電動機６７が駆動される。電動機６７の出力軸を介して負荷６９に回転トルクが伝達される。電動機６７には、上記実施の形態１及び実施の形態２の電動機が適用できる。

機器６１としては、小型でスペースに制限があり、高出力が求められる電動機を必要とする家電製品や電装品に有効である。

本発明は、家電製品や電装品など、小型でスペースに制限があり、かつ高出力で高効率、低コストが求められる電動機に有用である。

本発明の実施の形態１における電動機の径方向の断面図 本発明の実施の形態２における電動機の径方向の断面図 本発明の実施の形態３における機器の概略説明図 従来の電動機の径方向の断面図

符号の説明

１０ ステータ
１１ ステータコア
１２ 外側ティース
１３ 内側ティース
１４ ステータヨーク
１５ 巻線
１６ 外側スロット
１７ 内側スロット
２０ 内側ロータ
２１ 内側ロータヨーク
２２，２２Ａ 内側永久磁石
２４ 内側永久磁石の挿入孔
３０ 外側ロータ
３１ 外側ロータヨーク
３２，３２Ａ 外側永久磁石
３４ 外側永久磁石の挿入孔
６１ 機器
６７ 電動機

Claims (8)

1. 環状のステータヨークと、前記ステータヨークから径方向外側に向かって突出した複数の外側ティースと、前記外側ティースと同数で前記ステータヨークから径方向内側に向かって突出した複数の内側ティースとを有するステータコアと、前記ステータコアに巻回された複数の巻線とを備えたステータと、
   前記外側ティースに空隙を介して対向した外側ロータと前記内側ティースに空隙を介して対向した内側ロータとからなるロータを含み、
   前記ステータコアは、前記外側ティースの間に構成された外側スロットと、前記内側ティースの間に構成された内側スロットとを有し、
   前記巻線は、前記外側スロットと前記内側スロットの間の前記ステータヨークに巻回され、３相スターまたはデルタ状に結線されたトロイダル巻線であり、
   前記外側ロータは、外側永久磁石挿入孔を有する外側ロータヨークに外側永久磁石を収納して構成され、前記内側ロータは、内側永久磁石挿入孔を有する内側ロータヨークに内側永久磁石を収納して構成され、
   前記外側永久磁石と前記内側永久磁石とは、断面がともに長方形形状である電動機。
2. 前記外側永久磁石と前記内側永久磁石とは、それぞれ前記外側永久磁石挿入孔と前記内側永久磁石挿入孔とに接着剤で固定される請求項１記載の電動機。
3. 前記外側永久磁石と前記内側永久磁石とは、断面の径方向長さが同一である請求項１記載の電動機。
4. 前記外側永久磁石の断面の周方向長さは、前記内側永久磁石の断面の周方向長より長い請求項１記載の電動機。
5. 前記巻線は、整列巻である請求項１記載の電動機。
6. 前記外側永久磁石と前記内側永久磁石とは、断面形状が同一である請求項１記載の電動機。
7. 前記外側永久磁石と前記内側永久磁石とは、材質が異なる請求項１記載の電動機。
8. 請求項１から請求項７のいずれかに記載の電動機を搭載した機器。

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