JP2009055750A - Claw pole type pm motor and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は,産業,家電,自動車等の分野で使用される多相PMクローポール型モータに係り,詳しくは外周面にNS極が交互に多極配置されるマグネットを有するロータと,マグネットとエアギャップを介して上下交互に対向する台形形状の爪磁極を有する固定子鉄心と,各固定子鉄心の内部に設けられ,前記爪磁極を磁化するための環状コイルとから構成されるPMクローポール型モータの高出力化に関するものである。 The present invention relates to a multi-phase PM claw pole type motor used in the fields of industry, home appliances, automobiles and the like, and more specifically, a rotor having magnets in which NS poles are alternately arranged on the outer peripheral surface, a magnet and an air PM claw pole type comprising a stator core having trapezoidal claw magnetic poles alternately facing each other through a gap, and an annular coil provided inside each stator core for magnetizing the claw magnetic poles This is related to higher output of the motor.
特許文献1にはPM型ステッピングモータの高トルク化について,高残留磁束密度の希土類マグネットを使用する提案がされている。
一般の回転電機において,巻線の巻装率を上げて磁束の利用率を向上させるために,例
えば、特許文献2に開示されているように,軟磁性鋼板を積層したPMクローポール型の鉄心を備える構造が提案されている。
In general rotating electrical machines, in order to increase the winding rate of windings and improve the utilization rate of magnetic flux, for example, as disclosed in
また,特許文献3には圧粉磁心材を使用したPMクローポール型モータが提案されている。
特許文献1に係わるPM型ステッピングモータの高トルク化では,軟磁性鋼板を折り曲げた爪磁極部に対する考察が不足している。実際には残留磁束密度が高い希土類のマグネットを使用すると,爪磁極等の固定子の厚みが不足して固定子に磁気飽和を生じ,マグネットの磁束を生かすことが出来ない。また,爪磁極の折り曲げ部には折り曲げ加工による磁気歪みが生じ,透磁率が著しく低下し,この部分でも磁気飽和が生じる。PM型ステッピングモータではこのような背景から,残留磁束密度が高い希土類のマグネットを使用したモータは少ない。
With the increase in torque of the PM type stepping motor according to
特許文献2では,固定子の板金プレス加工による磁気歪みの原因で生じる渦電流の増加した薄板を用いた積層構造を採用することにより改善を図っているが,クローポール型の鉄心の爪磁極を,軟磁性鋼板を積層のみで構成しているので,単純な形状の爪磁極しか得ることができず,その結果固定子鉄心の部分的な磁気飽和や,永久磁石と固定子で構成される磁気回路部での漏れ磁束が多く,期待する高効率のモータを得ることができない問題がある。
In
特許文献3では,磁性粉を圧縮成形して形成する圧粉磁心材を使用して,複雑な形状の爪磁極を形成することで,加工磁気歪みと磁気飽和しない形状の爪磁極を形成することが可能であり,残留磁束密度の高い希土類マグネットを使用することで,高出力のPMクローポール型モータの製作が可能である。
In
しかしながら,圧粉磁心材で爪磁極を形成するには成形可能な形状の制約が多い。例えば固定子の外径が小さくなると,爪磁極の径方向厚みも薄くする必要が生じる。しかし磁性粉の圧縮成形での製品強度の限界があり,固定子外径60mm以下では,爪磁極等の厚みが薄くなり成形が難しい。 However, in order to form a claw magnetic pole with a dust core material, there are many restrictions on the shape that can be formed. For example, when the outer diameter of the stator is reduced, the radial thickness of the claw magnetic pole needs to be reduced. However, there is a limit to product strength in compression molding of magnetic powder, and when the outer diameter of the stator is 60 mm or less, the thickness of the claw magnetic poles becomes thin and it is difficult to mold.
本発明の目的は,固定子の外径寸法の制約を受けずに,残留磁束密度の高い希土類マグネットを使用しても,加工磁気歪みと磁気飽和しない爪磁極を形成し,高出力,高効率の多相PMクローポール型モータを安価に提供することにある。 The object of the present invention is to form a claw pole that does not saturate with machining magnetostriction even when a rare earth magnet with a high residual magnetic flux density is used without being restricted by the outer diameter of the stator, and has high output and high efficiency. Is to provide a multi-phase PM claw pole type motor at low cost.
上記目的を達成するために本発明は,磁気特性の優れた軟磁性鋼板を折り曲げ,積層,焼鈍,モールドして固定子を形成する。第一の固定子と第二の固定子を軟磁性鋼板から打ち抜きし,爪磁極部を折り曲げし,加工による磁気歪みを除去するため焼鈍処理を施す。また,残留磁束密度の高い希土類マグネットを使用しても磁気飽和を生じないように爪磁極等に必要な厚みを確保するため積層して固定子を形成する。更に,磁気回路を構成する各部品の接触磁気抵抗を極力低減するために,各部品の接触面積の増加を図る。また,生産性を向上させるため,第一の固定子鉄心と第二の固定子鉄心をモールドして爪磁極の変形や精度確保を容易にする。 In order to achieve the above object, the present invention forms a stator by bending, laminating, annealing and molding a soft magnetic steel sheet having excellent magnetic properties. The first stator and the second stator are punched from the soft magnetic steel plate, the claw pole part is bent, and annealing treatment is performed to remove the magnetic distortion caused by the processing. In addition, a stator is formed by laminating in order to secure a necessary thickness for the claw poles and the like so that magnetic saturation does not occur even when a rare earth magnet having a high residual magnetic flux density is used. Furthermore, the contact area of each component is increased in order to reduce the contact magnetic resistance of each component constituting the magnetic circuit as much as possible. In addition, in order to improve productivity, the first stator core and the second stator core are molded to facilitate deformation of the claw magnetic poles and ensuring accuracy.
本発明によれば,従来の磁気特性が優れた軟磁性鋼板を用いて,残留磁束密度の高い希土類マグネットと組合せが可能となり,下記のような優れた特徴を有するモータを構成できる。
(1)軟磁性鋼板の積層枚数により,磁気飽和の問題が解決され,残留磁束密度の高い希土類マグネットが使用できモータの高出力化が可能となる。
(2)爪磁極部折り曲げによる,加工磁気歪みを除去するため焼鈍処理を施すことで,透磁率を改善できモータの高出力化が可能となる。
(3)焼鈍により爪磁極等は変形しやすくなるが,樹脂成形することで強度と寸法精度が向上して,マグネットと爪磁極のエアギャップが適切に確保出来るためモータの高出力化が可能となる。また,爪磁極の先端長さを,マグネットと対向するものに対して,積層する固定子鉄心の爪磁極の先端部長さを長くすることで,樹脂で爪磁極の押さえを補強し,吸引反発力が生じるマグネット側への変形を抑制することができる。
(4)第一の固定子鉄心と第二の固定子鉄心は,同一形状で構成することが可能で,同一金型での加工が可能でありコスト低減化が図れる。
(6)第一の固定子と第二の固定子における外周側継鉄の外周部とリング状継鉄の接触面積を増加することが可能であり,磁気回路の磁気抵抗値が低減できモータの高出力化が可能となる。
According to the present invention, a conventional soft magnetic steel plate having excellent magnetic characteristics can be combined with a rare earth magnet having a high residual magnetic flux density, and a motor having the following excellent features can be configured.
(1) The magnetic saturation problem is solved by the number of laminated soft magnetic steel sheets, and a rare earth magnet having a high residual magnetic flux density can be used, so that the output of the motor can be increased.
(2) By performing an annealing process to remove the magnetic distortion caused by bending the claw pole part, the permeability can be improved and the motor output can be increased.
(3) Claw magnetic poles are easily deformed by annealing, but resin molding improves the strength and dimensional accuracy, and the air gap between the magnet and claw magnetic pole can be secured appropriately, enabling higher motor output. Become. In addition, the tip length of the claw poles of the laminated stator core is made longer than that of the claw poles facing the magnet, so that the claw pole presser is reinforced with resin and the attractive repulsion force is increased. Deformation to the magnet side can be suppressed.
(4) The first stator core and the second stator core can be configured in the same shape, can be processed with the same mold, and cost can be reduced.
(6) It is possible to increase the contact area between the outer periphery of the outer yoke and the ring yoke in the first stator and the second stator, and the magnetic resistance of the magnetic circuit can be reduced. High output is possible.
以下,図面によって本発明の実施例を説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
本発明による3相PMクローポール型モータにおける第1の実施の形態を図1〜図3に基づいて説明する。
図1は本発明による3相PMクローポール型モータの構造を示すものである。モータは回転子2と,この回転子2に対し周方向の微少隙間を介して同心状に設置された固定子5と,この固定子5を支持する固定子枠7と,この固定子枠7の両端に軸受8A,8Bを介して前記回転軸1を回転自在に支持することで構成されている。
A first embodiment of a three-phase PM claw pole type motor according to the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 1 shows the structure of a three-phase PM claw pole type motor according to the present invention. The motor includes a
前記回転子2は,回転軸1と同心状に形成された回転子鉄心3と,その外周に固定され
多極に着磁されたマグネット4とで構成され,前記固定子5は,固定子鉄心6U,6V,6Wと,これら固定子鉄心6U,6V,6Wに挟持される環状巻線13U,13V,13Wとで構成されている。そして固定子鉄心6U,6V,6Wを固定子枠7で支持し,この固定子枠7の両端部に軸受8A,8Bを介して前記回転軸1を回転自在に支持している。
The
図2は固定子鉄心における一部分の形状の詳細を示すものである。前記固定子鉄心6U,6V,6Wは,第1の固定子鉄心9Aと第2の固定子鉄心9Bとから構成され,これら第1の固定子鉄心9Aと第2の固定子鉄心9Bは,軸方向に延在し前記回転子2と微小隙間をもって対向する爪磁極10と,この爪磁極10から外径側に直角に延在する径方向継鉄部11と,この径方向継鉄部11から前記爪部10と同じ方向に延在する外周側継鉄12とで構成されている。図3は第1の固定子鉄心9Aにおける第2の固定子鉄心9Bを樹脂成形により一体に形成し,21は樹脂充填部であり,13は環状巻線を施した固定子組における一部分の形状の詳細を示すものである。
FIG. 2 shows details of a part of the shape of the stator core. The
図4から図8は固定子組の加工工程を示す図である。図4は薄板の軟磁性鋼板をプレスで打ち抜き,爪磁極部10を折り曲げて形成される1枚の固定子鉄心である。図5は折り曲げられた薄板の軟磁性鋼板を積層する工程である。積層する数は使用されるマグネット4の残留磁束密度によって爪磁極10等の固定子鉄心が磁気飽和を生じないように設定される。軟磁性鋼板はプレス加工,折り曲げ加工により磁気歪みを伴い,透磁率等の磁気特性が大幅に劣化する。この状態でモータに組み込むと大きな鉄損を伴い,効率低下と温度上昇値が高くなり,結果としてモータ出力が低下する。
4 to 8 are diagrams showing the processing steps of the stator assembly. FIG. 4 shows one stator core formed by punching a thin soft magnetic steel plate with a press and bending the claw
この加工磁気歪みを除去するために,800〜900℃の焼鈍炉に投入して焼鈍を実施することで,加工前の磁気特性に復元することが可能である。しかし,焼鈍することで固定子鉄心は硬度が低下し変形しやすくなる。特に,マグネット4と対向する爪磁極10は吸引反発力を受けるため機械的な補強が必要である。
In order to remove this processing magnetostriction, it is possible to restore the magnetic properties before processing by putting in an annealing furnace at 800 to 900 ° C. and performing annealing. However, annealing makes the stator core harder and deforms more easily. In particular, the pawl
図6は請求項2に係わるものである。爪磁極10の補強と第一の固定子鉄心と第二の固定子鉄心との組合せ精度を確保して固定する目的で,第一の固定子鉄心と第二の固定子鉄心を一体に樹脂成形する工程を示す図である。図中の斜線部は樹脂21が充填された部分を示すものである。固定子鉄心は爪磁極部10を除き樹脂で被われる。成形樹脂は熱可塑性の材料を用いれば射出成形することで短時間に成形できる。
FIG. 6 relates to claim 2. Resin molding of the first stator core and the second stator core together for the purpose of securing the claws
図7は樹脂成形により第一の固定子鉄心と第二の固定子鉄心間に絶縁性を有して形成されたスペースにモータ巻線13が装巻されたものである。 In FIG. 7, the motor winding 13 is wound in a space formed by insulation between the first stator core and the second stator core by resin molding.
図8は第一の固定子鉄心と第二の固定子鉄心の外周側継鉄間12にリング状継鉄22を巻き付けた状態を示し,この形状がモータ1相分の固定子組となる。このリング状継鉄22にはモータ巻線の引出線を出すために部分的に切り欠け部が設けられている。
FIG. 8 shows a state in which a ring-shaped
図4から図8は,1相分の固定子組の製作工程を示したが,図6の樹脂成形行程でモータとして必要な相数分の固定子鉄心をモータ軸方向に並べて,一体に樹脂成形し,モータ巻線も同時に相数分装巻することで製作時間を短縮することが可能である。 FIGS. 4 to 8 show the manufacturing process of the stator assembly for one phase. In the resin molding process of FIG. It is possible to reduce the manufacturing time by molding and winding the motor windings for the number of phases at the same time.
図9は図5の爪磁極10における先端部20のプレス加工面拡大図である。図において,爪磁極の先端長さを,マグネットと対向するものから,積層するにつれて固定子鉄心の爪磁極の先端部長さを長くすることで,樹脂で爪磁極の押さえを補強することが出来る。このようにして吸引反発力が生じるマグネット側への変形を抑制することができる。その結果,モータとしての振動も大幅に低減が可能となる。更に変形の抑制効果を上げるには爪磁極10の外周に微少な凹凸を設けることも有効である。
FIG. 9 is an enlarged view of the pressed surface of the
更に高出力のモータに適用するには,図10に示すように固定子鉄心9の爪磁極部10 の先端部はモータ外径方向に折り曲げられ押さえ部26が形成される。モールド時にその押さえ部26の表面が樹脂で被われ,積み重ねられた爪磁極10が,マグネット4との大きな吸引反発力が生じても変形を抑制することが可能となる。
In order to apply to a motor with higher output, as shown in FIG. 10, the tip of the claw
図11はリング状継鉄22の展開図であり,直線状の材料を部分的に打ち抜き,固定子鉄心の外周側継鉄部12に巻き付けながら組み立てるものである。また,リング状継鉄22には凸部27,固定子鉄心の外周側継鉄部12には凹部28が設けられていて,外周側継鉄部12とリング状継鉄22の接触面は凹凸により接触面積を増加して締結され,モータ磁気回路の磁気抵抗が上昇することを抑制出来る。
FIG. 11 is a development view of the ring-shaped
本発明の積層PMクローポール型モータと従来のスロット型ブラシレスDCモータの特性比較を次のような概略仕様で実施した。従来の3相スロット型ブラシレスDCモータは固定子外径寸法がΦ60mmで14個の突極を有し,積層厚み50mmで巻線のコイルエンドを含めて固定子の厚みは60mm程度である。マグネットは残留磁束密度0.65テスラで12極の外径がΦ29mmである。
比較する積層PMクローポール型モータで,マグネットはスロット型モータと同一の外径寸法として,マグネットの磁極数14,爪磁極数も14,固定子組をモータ軸方向に積層して3相モータを構成している。
固定子鉄心材料として,0.5mmの珪素鋼板を4枚積層したものについて,モータの良さを表現するモータ定数を測定して比較した。モータ定数Tmは逆起電力定数Ke,モータ巻線抵抗Rとすると,Tm=Ke/√Rで表すことができる。即ち,モータ銅損と出力トルクの比と同等の評価が可能で,モータ定数は大きいほど良いことになる。
試作の結果,従来のスロット型モータのTm=0.14(VS/√Ω)に対して,積層PMクローポール型モータではTm=0.18(VS/√Ω)が得られた。即ち,積層PMクローポール型モータとすることで,同一のモータ体格でモータ出力が28%増加できた。
A characteristic comparison between the laminated PM claw pole type motor of the present invention and a conventional slot type brushless DC motor was carried out with the following general specifications. A conventional three-phase slot type brushless DC motor has a stator outer diameter of Φ60 mm, 14 salient poles, a laminated thickness of 50 mm, and a stator thickness of about 60 mm including the coil end of the winding. The magnet has a residual magnetic flux density of 0.65 Tesla and an outer diameter of 12 poles of Φ29 mm.
In the laminated PM claw pole type motor to be compared, the magnet has the same outer diameter as that of the slot type motor, the number of magnetic poles of the magnet is 14, the number of claw magnetic poles is 14, and the stator assembly is laminated in the motor axial direction. It is composed.
As the stator core material, four laminated 0.5 mm silicon steel plates were measured and compared with motor constants expressing the goodness of the motor. The motor constant Tm can be expressed as Tm = Ke / √R where the back electromotive force constant Ke and the motor winding resistance R are given. In other words, an evaluation equivalent to the ratio of motor copper loss to output torque is possible, and the larger the motor constant, the better.
As a result of trial manufacture, Tm = 0.18 (VS / √Ω) was obtained with the laminated PM claw pole type motor, compared with Tm = 0.14 (VS / √Ω) of the conventional slot type motor. In other words, by using a laminated PM claw pole type motor, the motor output could be increased by 28% with the same motor size.
本発明によれば,従来の加工技術を発展させることで,磁気特性が優れた軟磁性鋼板を用いて,残留磁束密度の高い希土類マグネットと組合せが可能となり,PMクローポール型モータの高出力化が可能となり,ブラシレスDCモータに適用することで,従来のスロット型モータを小型化,高出力化することが可能となる。なお,実施例では,3相のPMクローポール型モータについて示したが3相だけでなく,2相以上の全ての多相モータに適用することが可能である。 According to the present invention, by developing a conventional processing technology, a soft magnetic steel plate with excellent magnetic properties can be combined with a rare earth magnet having a high residual magnetic flux density, and the output of a PM claw pole motor can be increased. When applied to a brushless DC motor, the conventional slot type motor can be reduced in size and increased in output. In the embodiment, a three-phase PM claw pole type motor is shown, but the present invention can be applied not only to three phases but also to all multiphase motors having two or more phases.
1:モータ軸 2:回転子 3:回転子鉄心 4:マグネット
5:固定子組 6:固定子鉄心 7:固定子枠 8:軸受
9:第一の固定子鉄心 9B:第二の固定子鉄心 10:爪磁極
11:径方向継鉄部 12:外周側継鉄 13:環状巻線
20:爪磁極先端部 21:樹脂充填部 22:リング状継鉄
27:凸部 28:凹部
1: Motor shaft 2: Rotor 3: Rotor core 4: Magnet
5: Stator assembly 6: Stator iron core 7: Stator frame 8: Bearing 9: First stator iron core 9B: Second stator iron core 10: Claw magnetic pole 11: Radial yoke part 12: Outer side joint Iron 13: Annular winding 20: Claw pole tip 21: Resin filling part 22: Ring-shaped yoke 27: Convex part 28: Concave part
Claims (9)
前記複数の爪磁極を周方向に交互に配置して,第一の固定子鉄心における爪磁極の前記爪部の先端と第二の固定子鉄心における爪磁極の前記爪部の先端が、入れ子状になるように配置して固定子鉄心を形成し,前記固定子鉄心の前記爪磁極で環状コイルを挟み込んで固定子組を構成し,該固定子組をモータ軸方向に必要数積層し,前記爪磁極とエアギャップを設けて対向する希土類マグネットを配置する多相PMクローポール型モータにおいて,前記第一の固定子鉄心と第二の固定子鉄心を軟磁性鋼板から打ち抜いて、爪磁極部をほぼ直角に折り曲げて焼鈍処理し、必要な枚数をモータ軸方向に積層して形成することを特徴とするPMクローポール型モータ。 A claw portion extending in the axial direction and having a magnetic pole face facing the rotor with a minute gap, a radial yoke portion extending from the claw portion to the outer diameter side, and the claw portion from the radial yoke portion A first stator core and a second stator core that form a plurality of claw magnetic poles with outer yokes extending in the same direction as
The plurality of claw magnetic poles are alternately arranged in the circumferential direction, and the front end of the claw portion of the claw magnetic pole in the first stator core and the front end of the claw portion of the claw magnetic pole in the second stator core are nested. And forming a stator core by sandwiching an annular coil between the claw magnetic poles of the stator core, and stacking a required number of stator sets in the motor axial direction, In a multi-phase PM claw pole motor in which a claw pole and an air gap are provided and a facing rare earth magnet is disposed, the first stator core and the second stator core are punched out of a soft magnetic steel plate to A PM claw pole type motor characterized in that it is bent at a substantially right angle and annealed, and a required number of sheets are laminated in the motor axial direction.
前記複数の爪磁極を周方向に交互に配置して,第一の固定子鉄心における爪磁極の前記爪部の先端と第二の固定子鉄心における爪磁極の前記爪部の先端が入れ子状になるように配置して固定子鉄心を形成し,前記固定子鉄心の前記爪磁極で環状コイルを挟み込んで固定子組を構成し,該固定子組をモータ軸方向に必要数積層し,前記爪磁極とエアギャップを設けて対向する希土類マグネットを配置する多相PMクローポール型モータにおいて,前記第一の固定子鉄心と第二の固定子鉄心を軟磁性鋼板から打ち抜きし,爪磁極部をほぼ直角に折り曲げし,焼鈍処理後必要な枚数をモータ軸方向に積層し,前記第一の固定子鉄心と第二の固定子鉄心を爪磁極の前記爪部の先端が入れ子状になるように配置して,絶縁性を有する樹脂成形材を充填して,前記第一の固定子鉄心と第二の固定子鉄心を一体に樹脂成形して形成することを特徴とするPMクローポール型モータの製造方法。
A claw portion extending in the axial direction and having a magnetic pole face facing the rotor with a minute gap, a radial yoke portion extending from the claw portion to the outer diameter side, and the claw portion from the radial yoke portion A first stator core and a second stator core that form a plurality of claw magnetic poles with outer yokes extending in the same direction as
The plurality of claw magnetic poles are alternately arranged in the circumferential direction, and the tip of the claw pole of the claw magnetic pole in the first stator core and the tip of the claw pole of the claw magnetic pole in the second stator core are nested. The stator core is formed so as to form a stator assembly by sandwiching an annular coil between the claw magnetic poles of the stator core, and a required number of the stator assemblies are stacked in the motor axial direction. In a multi-phase PM claw pole motor in which a magnetic pole and an air gap are provided and an opposing rare earth magnet is disposed, the first stator core and the second stator core are punched out of a soft magnetic steel plate, and the claw pole part is almost Bend at right angles, and after annealing, stack the required number in the motor axis direction and place the first stator core and second stator core so that the tips of the claw poles are nested. Then, fill it with an insulating resin molding material. The first stator core and the PM claw pole type motor manufacturing method, which comprises forming by resin molding integrally with the second stator core.
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