JP2009005568A - 電動機又は発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】
コギングトルクを大幅に低減でき、なおかつコスト増大を抑制できる電動機又は発電機を提供する。
【解決手段】
所定数の磁極が交互に発現する単一物でなる永久磁石群７が、回転軸と一体に回転するヨーク６の外周面又は内周面に等間隔で円環状に所定数配置されたロータ３と、前記ロータ３における前記永久磁石群７の配置面と対向する内周面又は外周面を有し、当該内周面又は外周面に所定数のコイル巻線部４が等間隔で円環状に配置されたステータ２とを備え、前記永久磁石群７内の磁極間で発生するコギングトルクと、前記永久磁石群７間で発生するコギングトルクの１回転あたり脈動数が同数となるように、前記磁極の数、前記永久磁石群７の数及び前記コイル巻線部４の数を設定しておくとともに、前記各コギングトルクの向きを互いに相反させるように、前記永久磁石群７間の隙間寸法Ｈを設定した。
【選択図】図１

Description

この発明は、永久磁石を利用した電動機又は発電機に関するものである。

従来のこの種の電動機Ａ１（又は発電機）としては、例えば図９に示すように、複数極の永久磁石Ａ７が等ピッチで配置されたロータＡ３と、巻線Ａ４２を巻回したティースＡ４１及びスロットＡ５が周方向に交互に配置されたステータＡ２とを有したものが知られている。

このような構造からなる電動機Ａ１において、ロータＡ３の磁極がステータＡ２の磁極を通過するときと磁極間を通過するときとでの磁束変動に起因して、周期的なトルク変動が生じる。このようなトルクの周期的変動をコギングトルクと呼んでいる。
特開平９−１８２３２６

ところで、同図の電動機Ａ１は、低価格化を図るために、複数の永久磁石Ａ７を一体化し、Ｓ極、Ｎ極が交互に表出するように構成したセグメント磁石Ａ６を用いたタイプのものである。しかしながら、セグメント磁石Ａ６を単純に等ピッチで並べただけのこの種の電動機Ａ１では、確かに安価に製造はできるものの、分割数や隙間に関してが配慮されておらず、コギングトルクなどに起因した騒音や振動が大きくなるなどの問題が生じがちである。例えば同図のものは、２極（２つ）の永久磁石Ａ７を有するセグメント磁石Ａ６を、ほとんど隙間を設けず配置するとともに、永久磁石Ａ７の極数が１６、スロット数が３２の構成としたものであるが、各永久磁石Ａ７が、対応するスロットＡ５に一斉に同期して接近、離間する構成であるため、コギングトルクが非常に大きくなって、前述した騒音あるいは振動の一因となる。

そこで、例えば図１０に示すように、永久磁石Ｂ１を１極ごとに分割するとともに、永久磁石Ｂ１の各々を不等ピッチで配設することで、それぞれの永久磁石Ｂ１で発生するコギングトルクの位相をずらし、トータルでのコギングトルク低減を図ったものも知られている（特許文献１参照）。なお、この構成では、ステータＢ２側に永久磁石Ｂ１が設けられ、ロータＢ１側に巻線Ｂ４２（図１０では一箇所だけ示し、その他は省略している）が設けられている。

ところが、このような構成では、永久磁石をそれぞれ１極に分割しているため、永久磁石個々の価格が増大するだけでなく、それぞれの永久磁石を不等ピッチに配設する手間が、等ピッチに配設するのと比べてかなり大きくなり、製造コストの増大をも招くという不具合がある。

本発明は、かかる課題を解決すべくなされたものであって、その主たる目的は、コギングトルクを大幅に低減でき、なおかつコスト増大を抑制できる電動機又は発電機を提供することにある。

すなわち本発明に係る電動機又は発電機は、所定数の磁極が交互に発現する単一物でなる永久磁石群が、回転軸と一体に回転するヨークの外周面又は内周面に等間隔で円環状に所定数配置されたロータと、前記ロータにおける前記永久磁石群の配置面と対向する内周面又は外周面を有し、当該内周面又は外周面に所定数のコイル巻線部が等間隔で円環状に配置されたステータとを備え、前記永久磁石群内の磁極間で発生するコギングトルクと、前記永久磁石群間で発生するコギングトルクの１回転あたり脈動数が同数となるように、前記磁極の数、前記永久磁石群の数及び前記コイル巻線部の数を設定しておくとともに、前記各コギングトルクの向きを互いに相反させるように、前記永久磁石群間の隙間寸法を設定しておくことを特徴とする。なお、ロータとステータの関係は逆でもよい。
かかる構成によれば、各コギングトルクが互いに弱めあうように作用するので、それらコギングトルクを足し合わせた総コギングトルクが低減される。さらに永久磁石の極数、永久磁石群の数、ステータの数、隙間寸法を最適化することで、理想的には前記総コギングトルクがキャンセルされる。また、複数の永久磁石をまとめて一体化した安価な永久磁石群を使用できるだけでなく、それら永久磁石群を等間隔で配置するだけなので、製造工程にも負担がかからない。

各コギングトルクの脈動数を合致させるためには、少なくとも以下の式を満足する必要がある。
ＬＣＭ（Ｐ，Ｓ）＝ＬＣＭ（Ｑ，Ｓ）・・・（１）
ここで、Ｐは永久磁石の極数、Ｓはコイル巻線部の数、Ｑは永久磁石群の数を示す。また、ＬＣＭは最小公倍数を表す。

総コギングトルクを可及的に小さくする、すなわち理想的には０とするには、各コギングトルクの大きさが等しくなるように、前記永久磁石群間の隙間寸法を設定すればよい。

以上に述べた本発明によれば、総コギングトルクの低減化を図れるので、低騒音、低振動の電動機又は発電機を実現できる。また、セグメント磁石と称される安価な永久磁石群を使用できるだけでなく、製造工程にも負担がかからないので、トータルとしてのコスト増大をも抑制することができる。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係る電動機１を軸線方向から見た模式的横断面図であり、符号２はステータ、符号３はロータを示す。ステータ２は、内周面に周方向に等間隔で並べ設けたコイル巻線部４と、コイル巻線部４間に形成されたスロット５とからなる。なお、コイル巻線部４とは、ティース４１に巻線４２を巻いてなるものを指す。一方、ロータ３は、図示しない回転軸周りに回転可能に構成されたものであり、横断面視円環状のバックヨーク６と、そのバックヨーク６の、前記コイル巻線部４に対向する外周面に等間隔で配設された複数の永久磁石群７とからなる。

前記永久磁石群７は、複数の永久磁石７１を連続して一体に形成することで、図２に示すように、所定数の磁極、すなわちＮ極及びＳ極が外周面に、周方向に互い違いに発現するようにした単一物である（なお、この磁極の発現数を永久磁石の数、すなわち極数と言うこととする）。そして、この実施形態では、各永久磁石群７間の隙間寸法Ｈを等しく設定するとともに、図１に示すように、横断面視において、軸線Ｃから前記隙間の中間に向かう仮想ライン及び永久磁石群７中の永久磁石７１の境界に向かう仮想ラインを全て引いたときに、隣り合う仮想ラインのなす角度θが全て等しくなるように構成している。

さらに、この実施形態では、永久磁石７１間で発生するコギングトルク（以下、区別するときは第１コギングトルクとも言う）と、永久磁石群７間で発生するコギングトルク（以下、区別するときは第２コギングトルクとも言う）とのロータ１回転あたりの脈動数が同数となるように、永久磁石７１の総極数、永久磁石群７の数及びスロット５の数をそれぞれ設定するとともに、それらコギングトルクの向きが互いに相反する、すなわち位相が反転するように、永久磁石群７間の隙間寸法Ｈを設定している。

次に、各コギングトルクの脈動数を一致させるための設定方法について詳述する。
永久磁石７１の総極数をＰ、スロット５の数（あるいはコイル巻線部４の数）をＳ、永久磁石群７の数をＱとした場合、第１コギングトルクのロータ１回転あたりの脈動数ｈ１は、以下の式で表される。
ｈ１＝ＬＣＭ（Ｐ，Ｓ） ただしＬＣＭは、最小公倍数を示す。

また、第２コギングトルクのロータ１回転あたりの脈動数ｈ２は、以下の式で表される。
ｈ２＝ＬＣＭ（Ｑ，Ｓ）

したがって、ｈ１＝ｈ２となるように、Ｐ，Ｓ，Ｑを定めればよい。

例えば、ＰとＳとを適宜、先に定めて、Ｑを決定するためには、永久磁石総極数Ｐとスロット数Ｓとの周方向対称数、すなわち最大公約数をｎとして、
Ｑ＝ｎ・ｐ／ＣＤ（ｓ，ｎ）
とすればよい。
ここで、ｓ＝Ｓ／ｎ、ｐ＝Ｐ／ｎ、ＣＤは公約数である。
ただし、Ｐ、Ｓ、Ｑは複数という条件から、Ｐ≧２、Ｓ≧２、Ｑ≧２である必要があり、また、１つの永久磁石群７に含まれる永久磁石７１の数も複数という条件があるので、（Ｐ／Ｑ）≧２である必要がある。

具体的に、例えば、Ｐ＝２４、Ｓ＝３６の場合を考えてみる。この場合、ｎ＝１２、ｐ＝２、ｓ＝３となるから、Ｑは以下のようになる。
Ｑ＝１２×２／ＣＤ（３，１２）＝２４ｏｒ８
ここでＱ＝２４とすると、Ｐ／Ｑ＝１となって前記複数条件に反するので、結局、
Ｑ＝８
となる（図１、図２参照）。つまり、１つの永久磁石群７に３極（３個）の永久磁石７１が含まれるように構成することとなる。

次に、各コギングトルクの向きが互いに相反するように、永久磁石群７間の隙間寸法Ｈを設定する。

図１に示す構成で、永久磁石群７間の隙間寸法Ｈを変化させたときの第２コギングトルクの脈動波形を図３に、また振幅と位相との関係を図４に示す。なお、この図３、図４に係るデータは、シミュレーションで算出することができるし、あるいは実験で求めてもよい。これら図３、図４から明らかなように、位相について言えば、隙間寸法Ｈがαとβとの間において、隙間寸法Ｈが０の時の位相とは反転する。また振幅について言えば、隙間寸法Ｈがαとβとの間のγの時に、隙間寸法Ｈが０のときの振幅と同一になる。

ところで、隙間寸法Ｈが０のときの第２コギングトルクの脈動波形は、第１コギングトルクの脈動波形（図５参照）と等しいから、例えば隙間寸法Ｈをγとすることで、図６に示すように、第１コギングトルクと第２コギングトルクとを完全にキャンセルさせて、理想的には、総コギングトルクを０とすることができる。また、そうでなくとも、少なくとも隙間寸法Ｈをαとβとの間にさえ設定しておけば、図７に示すように、第１コギングトルクと第２コギングトルクとの打ち消し合い効果により、総コギングトルクの低減を図ることができる。

このように、本実施形態に係る電動機１によれば、従来の課題であったコギングトルクを、永久磁石７１の極数、永久磁石群７の数、ステータ５の数、隙間寸法を最適化することでキャンセルでき、低騒音、低振動の電動機１又は発電機を実現できる。また、複数の永久磁石７１をまとめて一体化した安価な永久磁石群７を使用できるだけでなく、それら永久磁石群７を等間隔で配置するだけなので、製造工程にも負担がかからず、トータルとしてのコスト増大を抑制することができるようになる。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
例えば、永久磁石の総極数、スロットの数、永久磁石群の数を、変更しても構わない。変形例として、Ｐ＝２０、Ｓ＝３２の場合を挙げる。この場合、ｎ＝４、ｐ＝５、ｓ＝８となるから
Ｑ＝４×５／ＣＤ（８，４）＝２０ｏｒ１０ｏｒ５
となる。Ｑ＝２０とすると、Ｐ／Ｑ＝１となって複数条件に反するので、結局、
Ｑ＝１０ｏｒ５
となる。一例としてＱ＝１０の時の構成を図８に示す。この場合、１つの永久磁石群７に２極の永久磁石７１が含まれることとなる。

ただし、永久磁石の総極数とスロットの数によっては、本発明を構成することができない場合もある。例えば、８極（Ｐ＝８）で１２スロット（Ｓ＝８）の場合は、１つの永久磁石群に１極の永久磁石のみが含まれる構成とならざるを得ず、前記複数条件に反することとなって、本発明を構成することができない。

また、永久磁石をステータ側に、コイル巻線部（又はスロット）をロータ側に設けてもよいし、電動機のみならず、発電機に適用しても構わない。
その他、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。

上述したように、本発明を適用することにより、コギングトルクを大幅に低減でき、なおかつコスト増大を抑制できる電動機又は発電機の提供が可能になる。

本発明の一実施形態に係る電動機の内部構造を示す模式的横断面図。 図１の部分拡大図。 本実施形態における、隙間寸法を変化させたときの当該隙間によるコギングトルクを示す波形図。 本実施形態における、隙間寸法を変化させたときの、当該隙間によるコギングトルクの振幅と位相の関係を示すグラフ。 本実施形態における、永久磁石によるコギングトルクを示す波形図。 本実施形態における、隙間寸法をγとしたときの、総コギングトルクを示す波形図。 本実施形態における、隙間寸法をαとβの間としたときの、総コギングトルクを示す波形図。 本発明の他の実施形態に係る電動機の内部構造を示す模式的横断面図。 永久磁石がほぼ等ピッチで配置された従来の電動機の内部構造を示す模式的横断面図。 永久磁石が不等ピッチで配置された従来の電動機の内部構造を示す模式的横断面図。

符号の説明

１・・・電動機
２・・・ステータ
３・・・ロータ
４・・・コイル巻線部
７・・・永久磁石群
７１・・・永久磁石
Ｈ・・・隙間寸法

Claims (4)

1. 所定数の磁極が交互に発現する単一物でなる永久磁石群が、回転軸と一体に回転するヨークの外周面又は内周面に等間隔で円環状に所定数配置されたロータと、
   前記ロータにおける前記永久磁石群の配置面と対向する内周面又は外周面を有し、当該内周面又は外周面に所定数のコイル巻線部が等間隔で円環状に配置されたステータと、を備え、
   前記永久磁石群内の磁極間で発生するコギングトルクと、前記永久磁石群間で発生するコギングトルクの１回転あたり脈動数が同数となるように、前記磁極の数、前記永久磁石群の数及び前記コイル巻線部の数を設定しておくとともに、
   前記各コギングトルクの向きを互いに相反させるように、前記永久磁石群間の隙間寸法を設定しておくことを特徴とする電動機又は発電機。
2. 所定数の磁極が交互に発現する単一物でなる永久磁石群が、回転軸と一体に回転するヨークの外周面又は内周面に等間隔で円環状に所定数配置されたステータと、
   前記ステータにおける前記永久磁石群の配置面と対向する内周面又は外周面を有し、当該内周面又は外周面に所定数のコイル巻線部が等間隔で円環状に配置されたロータと、を備え、
   前記永久磁石群内の磁極間で発生するコギングトルクと、前記永久磁石群間で発生するコギングトルクの１回転あたり脈動数が同数となるように、前記磁極の数、前記永久磁石群の数及び前記コイル巻線部の数を設定しておくとともに、
   前記各コギングトルクの向きを互いに相反させるように、前記永久磁石群間の隙間寸法を設定しておくことを特徴とする電動機又は発電機。
3. 永久磁石の極数をＰ、コイル巻線部の数をＳ、永久磁石群の数をＱとしたとき、以下の式（１）が成立するように構成している請求項１又は２記載の電動機又は発電機。
   ＬＣＭ（Ｐ，Ｓ）＝ＬＣＭ（Ｑ，Ｓ）・・・（１）
   ただし、ＬＣＭは最小公倍数を表す。
4. 各コギングトルクの大きさが等しくなるように、前記永久磁石群間の隙間寸法を設定している請求項１、２又は３記載の電動機又は発電機。