JP2008199838A - 永久磁石型回転機 - Google Patents

Abstract

【課題】回転子コアの外周に永久磁石を固定してなる回転子と該回転子の外側に前記永久磁石に近接して配置された固定子とを備えた永久磁石型回転機において、固定子の複数のティースの内周端部同士を円周方向に結合する接続部の詳細な形状を改良することにより、コギングトルクの発生量を低減させることが可能な永久磁石型回転機を提供する。
【解決手段】回転子コア１１ａの外周に永久磁石１１ｂを固定してなる回転子１１と、固定子１０とを備えた永久磁石型回転機であって、固定子１０は、環状ヨーク２と、環状ヨーク２から半径方向内側に回転中心Ｚに向けて延設され内周側の楔部１ｚが周方向において互いに結合されて外周にコイル３が巻回されてなる複数のティース１を有し、各ティース１は、楔部１ｚのコイル巻回面１ｙ側を円弧形状１ａに形成し、隣り合う楔部１ｚの円弧形状部１ａを楔部１ｚの内周端近傍で結合して構成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、電動機等に適用され、回転子コアの外周に永久磁石を固定してなる回転子と、該回転子の外側に上記永久磁石に近接して配置された固定子とを備えた永久磁石型回転機のティース部の構造に関する。

図６は、特許文献１（特許第３１０７１７７号公報）に開示されている永久磁石型電動機の回転軸心に直角な断面図である。
図６において、永久磁石型電動機は、回転子コア１１ａの外周に永久磁石１１ｂを固定してなる回転子１１と、該回転子１１の外側に永久磁石１１ｂに近接して配置された固定子１０とを備えている。固定子１０は、環状のヨーク２と、該ヨーク２から半径方向内側にモータ回転中心に向けて延設され外周にコイル３が巻回された複数のティース１とを有しており、これらティース１の内周側は、環状の橋絡部１５によって結合されている。
このような永久磁石型電動機では、コギングトルクと呼ばれている一種のトルク脈動が発生することがよく知られている。永久磁石型電動機においてコギングトルクが大きい場合は、電動機の制御性能を悪化させたり、騒音を発生させたりするといった問題が生じる。このコギングトルクは、エネルギーの変化が大きいと大きくなり、エネルギーの変化が小さいと小さくなるとともに、エネルギーが一定であればゼロとなる。

そのため、上記特許文献１の永久磁石型電動機においては、複数のティース１の内周側を結合する環状の橋絡部１５は、これの平滑面の円周方向長さＳの、ティース１の円周方向ピッチPに対する割合が０．０１〜０．２０の範囲となるように形成されており、電動機内部の磁気エネルギーが回転子１１の位置によって異なるために生ずるコギングトルクを低減せしめている。

特許第３１０７１７７号公報

電動機内部の磁気エネルギーが回転子の位置によって異なるために生ずるコギングトルクは、図６に示されているような特許文献１（特許第３１０７１７７号公報）の永久磁石型電動機において、固定子１０の橋絡部１５の真下に回転子１１が位置するとき、磁束が流れにくいために磁気抵抗が高くなり、エネルギー変化が生ずることにより発生することが知られており、上記特許文献１の他にも、電気学会回転機研究会論文集「RM−０３−１５２」等において、かかるコギングトルクの低減手段が検討、開示されている。

しかしながら、上述した特許文献１の技術においては、ティース１の内周端部同士を円周方向に結合する橋絡部１５を円周方向長さSの平滑部に形成し、この円周方向長さSとティース１の円周方向ピッチPとの関係を、コギングトルクの発生量が小さい範囲（S／P＝０．０１〜０．２０の範囲）に設定しているにとどまり、コギングトルクの発生量を大きく左右すると考えられるティース１の内周端部同士を円周方向に結合する接続部（特許文献１の技術においては橋絡部１５）の詳細な形状については言及していない。

本発明は、このような実状に鑑みてなされたものであって、その目的は、回転子コアの外周に永久磁石を固定してなる回転子と、該回転子の外側に永久磁石に近接して配置された固定子とを備えた永久磁石型回転機において、固定子の複数のティースの内周端部同士を円周方向に結合する接続部の形状を改良することにより、コギングトルクの発生量を低減させることが可能な永久磁石型回転機を提供することにある。

上記従来技術の有する課題を解決するために、請求項１の本発明は、回転子コアの外周に永久磁石を固定してなる回転子と、該回転子の外側に前記永久磁石に近接して配置された固定子とを備えた永久磁石型回転機であって、前記固定子は、環状のヨークと、該ヨークから半径方向内側に回転中心に向けて延設され内周側の楔部が周方向において互いに結合されて外周にコイルが巻回されてなる複数のティースとを有しており、前記各ティースは、前記楔部の前記コイル巻回面側を円弧形状に形成し、隣り合う楔部の前記円弧形状部を前記楔部の内周端近傍で結合して構成されている。
この発明において、好ましくは、前記固定子は、前記円弧形状部を、その曲率中心が前記楔部の先端と前記楔部の根元とを結ぶ直線の垂直２等分線上に位置するように形成している（請求項２）。

また、請求項３の本発明は、前記永久磁石型回転機において、前記固定子は、環状のヨークと、該ヨークから半径方向内側に回転中心に向けて延設され内周側の楔部が周方向において互いに結合されて外周にコイルが巻回されてなる複数のティースとを有しており、前記各ティースは、前記楔部の前記コイル巻回面側を、内周側になるに従い該コイル巻回面間の幅寸法が小さくなるような直線形状面にそれぞれ形成し、互いに対向する前記直線形状面の終端を曲面で結合して構成されている（請求項３）。
この発明において、好ましくは、前記固定子は、前記曲面を円弧面で構成し、該円弧の中心を、前記固定子の中心と隣り合う前記楔部の中心とを結ぶ直線上に位置するように形成している（請求項４）。

また、請求項５の本発明は、前記固定子は、一体形成された前記ヨークと、前記複数のティースを前記楔部において結合してなる一体型のティースコアとにより構成されているとともに、磁極数を２ｎ、スロット数を３ｎ（ｎは正の整数）として前記ティースコアに巻回される前記コイルを集中巻構成としている。

永久磁石型電動機においては、磁石内部の磁気エネルギーはほとんど一定であり、鉄心内部のエネルギーはきわめて小さいため、コギングトルクは、回転子と固定子との間に存在する空隙部のエネルギー変化によって決まることになる。
このコギングトルクについては、各ティースの内周側を結合する橋絡部の真下に回転子が位置するとき、磁束が流れにくいために磁気抵抗が高くなり、エネルギー変化が生じて当該コギングトルクが発生することになる。

然るに本発明によれば、前記各ティースの前記楔部のコイル巻回面側を円弧形状に形成して隣り合う楔部の円弧形状部を前記楔部の内周端で結合して構成し（請求項１）、好ましくは前記円弧形状部を、その曲率中心が前記楔部の先端と前記楔部の根元とを結ぶ直線の垂直２等分線上に位置するように形成し（請求項２）、あるいは前記各ティースは前記楔部のコイル巻回面側を内周側になるに従い該コイル巻回面間の幅寸法が小さくなるような直線形状面にそれぞれ形成し、互いに対向する前記直線形状面の終端を曲面で結合して構成し（請求項３）、好ましくは前記曲面を円弧面で構成し、該円弧の中心を前記固定子の中心と隣り合う前記楔部の中心とを結ぶ直線上に位置するように形成したので（請求項４）、各ティースの前記楔部の内周端側の結合部を滑らかな断面積変化に形成することができる。
従って、本発明によれば、前記楔部の内周端側の結合部を滑らかな断面積変化に形成することにより、前記各ティースの楔部の内周側の真下に回転子が位置するときの磁束の流れが滑らかになって、磁気抵抗が低くなり、磁気飽和の影響を緩和でき、エネルギー変化が緩やかになる。その結果、本発明の永久磁石型回転機においては、コギングトルクを低減させることができる。

以下、図面を参照して本発明の永久磁石型回転機の実施形態について詳細に説明する。

［第1実施形態］
本発明の第1実施形態に係る永久磁石型回転機（電動機）における固定子及び回転子を示す図１において、かかる永久磁石型回転機は、回転子コア１１ａの外周に永久磁石１１ｂを固定してなる回転子１１と、該回転子１１の外側に前記永久磁石１１ｂに近接して配置された固定子１０とを備えている。この固定子１０は、環状のヨーク２と、外周にコイル３が巻回された複数のティース１とを有している。
これら複数のティース１は、円周方向に沿って等間隔に配設され、外周端がヨーク２の内周に固定されており、当該ヨーク２の内周から半径方向内側に回転中心Zに向けてそれぞれ延設されている。

上記各ティース１には、内周側の接続部を構成する楔部１ｚが形成されており、隣り合うティース１同士は、周方向において当該楔部１ｚで互いに結合されている。
また、この第1実施形態においては、楔部１ｚの部分拡大図である図２に示すように、各ティース１は、楔部１ｚのコイル巻回面１ｙ側を円弧形状１ａに形成し、隣り合う楔部１ｚの円弧形状部１ａを該楔部１ｚの内周端で結合している。
さらに、各ティース１は、円弧形状部１ａを、その曲率中心Ｓ１が楔部１ｚの先端Ｐと楔部１ｚの根元Ｑとを結ぶ直線Ｕの垂直２等分線Ｔ上に位置するように形成されている。

［第２実施形態］
図３は、本発明の第２実施形態を示す図２に対応した楔部１ｚの部分拡大図である。
この第２実施形態においては、各ティース１は楔部１ｚのコイル巻回面１ｙ側を、内周側になるに従い隣り合うコイル巻回面１ｙ間の幅寸法が小さくなるような直線形状面１ｂにそれぞれ形成し、互いに対向する直線形状面１ｂの終端を曲面１ｃで結合している。
各ティース１は、曲面１ｃを円弧面で構成し、該円弧の中心Ｓ２を、固定子１０の回転中心Ｚ（図１参照）と隣り合う楔部１ｚの中心、つまりコイル巻回面１ｙ間の中点とを結ぶ直線上に位置するように形成している。

また、上記第１実施形態及び第２実施形態において、固定子１０を、一体形成されたヨーク２と、複数のティース１を楔部１ｚにおいて結合して一体型のティースコアとにより構成し、さらに、磁極数を２ｎ、スロット１３（図１参照）の数を３ｎ（ｎは正の整数）としてティースコアに巻回されるコイル３を集中巻に構成することも可能である。

以上、本発明の永久磁石型回転機においては、第１実施形態のように、各ティース１の楔部１ｚのコイル巻回面１ｙ側を円弧形状１ａに形成して、隣り合う楔部１ｚの円弧形状部１ａを楔部１ｚの内周端で結合して構成し、円弧形状部１ａを、その曲率中心Ｓ１が楔部１ｚの先端Ｐと楔部１ｚの根元Ｑとを結ぶ直線Ｕの垂直２等分線Ｔ上に位置するように形成し、あるいは第２実施形態のように、各ティース１の楔部１ｚのコイル巻回面１ｙ側を、内周側になるに従い隣り合うコイル巻回面１ｙ間の幅寸法が小さくなるような直線形状面１ｂにそれぞれ形成し、互いに対向する直線形状面１ｂの終端を曲面１ｃで結合して構成し、曲面１ｃを円弧面で構成し、該円弧の中心Ｓ２を、固定子１０の回転中心Ｚ（図１参照）と隣り合う楔部１ｚの中心とを結ぶ直線上に位置するように形成したので、各ティース１の楔部１ｚの内周端側の結合部を滑らかな断面積変化に形成することができる。

従って、楔部１ｚの内周端側の結合部を滑らかな断面積変化に形成することにより、各ティース１の楔部１ｚの内周側の真下に回転子１１が位置するときの磁束の流れが滑らかになって、磁気抵抗が低くなり、磁気飽和の影響を緩和でき、エネルギー変化が緩やかになる。これにより、コギングトルクを低減させることができる。

図４は、図２に示す第１実施形態と、上記特許文献１の従来技術との磁界解析によるコギングトルクの解析結果の比較を示している。この解析は、両者ともに６極９スロットについ行った。図４において、Ａ線で示す第1実施形態は、Ｂ線で示す従来技術に対し、コギングトルクが半分程度に低減されていることが確認できる。
また、図５は、図３に示す第２実施形態と、上記特許文献１の従来技術との磁界解析によるコギングトルクの解析結果の比較を示している。この解析は、両者ともに６極９スロットについ行った。図５において、Ａ線で示す第２実施形態は、Ｂ線で示す従来技術に対しコギングトルクが半分程度に低減されていることが確認できる。

以上、本発明の実施の形態につき述べたが、本発明は既述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形及び変更が可能である。

本発明の第1実施形態に係る永久磁石型回転機における固定子及び回転子の回転軸心に直角な部分正面図である。 上記第1実施形態における楔部の部分拡大図である。 本発明の第２実施形態を示す図２に対応した楔部の部分拡大図である。 上記第1実施形態におけるコギングトルク時間変化の比較線図である。 上記第２実施形態におけるコギングトルク時間変化の比較線図である。 従来技術に係る永久磁石型電動機の回転軸心に直角な断面図である。

符号の説明

１ ティース
１ａ 円弧形状部
１ｂ 直線形状面
１ｃ 曲面
１ｙ コイル巻回面
１ｚ 楔部
２ ヨーク
３ コイル
１０ 固定子
１１ 回転子
１１ａ 回転子コア
１１ｂ 永久磁石
１３ スロット
Ｚ 回転中心

Claims (5)

1. 回転子コアの外周に永久磁石を固定してなる回転子と、該回転子の外側に前記永久磁石に近接して配置された固定子とを備えた永久磁石型回転機であって、前記固定子は、環状のヨークと、該ヨークから半径方向内側に回転中心に向けて延設され内周側の楔部が周方向において互いに結合されて外周にコイルが巻回されてなる複数のティースとを有しており、前記各ティースは、前記楔部の前記コイル巻回面側を円弧形状に形成して、隣り合う楔部の前記円弧形状部を前記楔部の内周端近傍で結合して構成されていることを特徴とする永久磁石型回転機。
2. 前記固定子は、前記円弧形状部を、その曲率中心が前記楔部の先端と前記楔部の根元とを結ぶ直線の垂直２等分線上に位置するように形成していることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石型回転機。
3. 回転子コアの外周に永久磁石を固定してなる回転子と、該回転子の外側に前記永久磁石に近接して配置された固定子とを備えた永久磁石型回転機であって、前記固定子は、環状のヨークと、該ヨークから半径方向内側に回転中心に向けて延設され内周側の楔部が周方向において互いに結合されて外周にコイルが巻回されてなる複数のティースとを有しており、前記各ティースは、前記楔部の前記コイル巻回面側を、内周側になるに従い該コイル巻回面間の幅寸法が小さくなるような直線形状面にそれぞれ形成し、互いに対向する前記直線形状面の終端を曲面で結合して構成されていることを特徴とする永久磁石型回転機。
4. 前記固定子は、前記曲面を円弧面で構成し、該円弧の中心を、前記固定子の中心と隣り合う前記楔部の中心とを結ぶ直線上に位置するように形成していることを特徴とする請求項３に記載の永久磁石型回転機。
5. 前記固定子は、一体形成された前記ヨークと、前記複数のティースを前記楔部において結合してなる一体型のティースコアとにより構成されているとともに、磁極数を２ｎ、スロット数を３ｎ（ｎは正の整数）として前記ティースコアに巻回される前記コイルを集中巻構成としていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の永久磁石型回転機。

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