JP2010004677A - モータ - Google Patents

Abstract

【課題】従来よりも騒音を低減することが出来ると共に高い安定性を確保することが出来るモータを提供することを目的とする。
【解決手段】モータが、外周に沿って複数の永久磁石が円弧状に埋設された円筒形のロータと、当該ロータの外周面に対向する複数の極歯を有するステータと、前記ロータに固定された回転軸と、当該回転軸を回転自在に支持する軸受とを具備するモータであって、前記永久磁石の一方の端と第１の極歯とが最接近するタイミングと、他方の端と第２の極歯とが最接近するタイミングが重ならない。
【選択図】図３

Description

本発明は、モータに関する。

近年、地球環境に配慮し、エネルギーを効率良く利用する為に、エンジンと共にモータを搭載したハイブリッド自動車の普及が目覚しい。そして、現在、このようなハイブリッド自動車に搭載するモータとして永久磁石同期モータが採用されている。この永久磁石同期モータとは、永久磁石が埋め込まれたロータと、電機子巻線が巻き回されたティースを含むステータから構成され、ロータに埋め込まれた永久磁石の磁極位置に応じて電機子巻線に電流が流れることによってトルクの制御が行われるモータである。そして、ハイブリッド自動車に搭載される永久磁石式同期モータは、ハイブリッド自動車の乗客に快適な乗車環境を提供する為に、さらなる騒音及び振動の低減が求められている。

そして、このような永久磁石同期モータの一例として、下記特許文献１には、トルクリプルを低減する為に回転子を異形な花弁形状にすることなく、また鉄心をスキューしないため工数の増加もなく容易に低振動、低騒音、小型、高出力及び高効率を実現する永久磁石同期モータが開示されている。
この永久磁石同期モータは、環状のヨークと周方向間隔をおいて放射状に複数のティースが形成されている固定子と、この固定子と僅かな空隙を介して対向し、回転自在に保持された回転子鉄心に埋設された永久磁石にて界磁を発生する回転子とを具備し、回転子を回転子中心側に凸となる逆円弧形状と平板形状の磁石を交互に配置した第１の回転子と逆円弧形状の磁石を配置した第２の回転子とを軸方向に積層することによって構成している。
特開２００８−５６３７号公報

ところで、上記従来技術では、ロータにその回転中心側に対して凸になる複数の永久磁石をロータの外周に沿って配置することによって、トルクリプルの低減が図られている。しかしながら、このような左右対称の凸形に形成された永久磁石を搭載した永久磁石同期モータでは、ステータの形状によって大きなコギングトルク及びトルクリプルが発生してしまう。例えば、永久磁石に対向しているティースが永久磁石の中心に対して左右同数になるようにステータに配置されている場合に、永久磁石とティースとの間で生じる磁気吸引力と磁気反発力とのピークが重なってしまう。そして、この磁気吸引力と磁気反発力とのピークが重なってしまうことが、永久磁石同期モータに大きなコギングトルク及びトルクリプルを生じさせる原因になっている。そして、上記従来技術では、この大きなコギングトルク及びトルクリプルによって、大きな騒音及び振動による不安定化を招いている。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、従来よりも騒音を低減することが出来ると共に高い安定性を確保することが出来るモータを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、永久磁石同期モータに係る第１の解決手段として、外周に沿って複数の永久磁石が円弧状に埋設された円筒形のロータと、当該ロータの外周面に対向する複数の極歯を有するステータと、前記ロータに固定された回転軸と、当該回転軸を回転自在に支持する軸受とを具備するモータであって、
前記永久磁石の一方の端と第１の極歯とが最接近するタイミングと、他方の端と第２の極歯とが最接近するタイミングが重ならないという手段を採用する。

本発明では、永久磁石同期モータに係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記永久磁石は、Ｖ字形状をしており、一方の端と第１の極歯とが最接近するタイミングと、他方の端と第２の極歯とが最接近するタイミングが重ならないようにＶ字形状の角度が調整されているという手段を採用する。

本発明では、永久磁石同期モータに係る第３の解決手段として、前記永久磁石は、一方の端と第１の極歯とが最接近するタイミングと、他方の端と第２の極歯とが最接近するタイミングが重ならないように長さが調整されているという手段を採用する。

本発明によれば、モータが、外周に沿って複数の永久磁石が円弧状に埋設された円筒形のロータと、当該ロータの外周面に対向する複数の極歯を有するステータと、前記ロータに固定された回転軸と、当該回転軸を回転自在に支持する軸受とを具備するモータであって、前記永久磁石の一方の端と第１の極歯とが最接近するタイミングと、他方の端と第２の極歯とが最接近するタイミングが重ならないことによって、磁気吸引力のピークと磁気反発力のピークが重ならないようになっている為、コギングトルク及びトルクリプルの振幅を小さくすることが出来る。その為、このモータでは、従来よりも騒音を低減することが出来ると共に高い安定性を確保することが出来る。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。本実施形態は、モータの１つである永久磁石同期モータに関する。図１は、本実施形態に係る永久磁石同期モータＡによって構成される永久磁石同期モータ制御装置の機能構成を示す機能ブロック図であり、図２は、本実施形態に係る永久磁石同期モータＡの回転中心軸Ｐに直交する横断面図である。
図１に示すように、永久磁石同期モータ制御装置は、永久磁石同期モータＡ、直流電源Ｂ、インバータＣ、誘導起電力（ＥＭＦ：electromotive force）検出器Ｄ及びモータ制御部Ｅから構成されている。

永久磁石同期モータＡは、図２に示すように、ロータ１、ステータ２、回転軸３及びケーシング４から構成されている。
ロータ１は、円筒状のロータコア１ａと４枚の永久磁石１ｂとによって構成されている。そして、ロータコア１ａは、中空円盤形状の鋼鈑を複数枚積層した積層鋼板であり、その中心軸上に設けられた貫通孔に回転軸３が圧入・固定されている。

図３は、本実施形態に係る永久磁石同期モータＡの永久磁石１ｂを示すロータ１及びステータ２の横断面の拡大図である。この図３を参照して、ロータ１における永久磁石１ｂ及びステータ２について、詳細に説明する。
永久磁石１ｂは、左右対称の長さを有するＶ字形状に形成されており、ロータコア１ａの外周側にＮ極の極性を持つ永久磁石１ｂとＳ極の極性を持つ永久磁石１ｂとがそれぞれ２枚ずつ、Ｖ字形状の先端部を回転軸３側に向けると共にロータコア１ａの外周に沿って埋設されている。

具体的には、ロータコア１ａの外周側にＮ極の極性を向けた永久磁石１ｂとＳ極の極性を向けた永久磁石１ｂとが交互に並ぶように埋設されている。ロータ１は、この永久磁石１ｂとティース２ａ-２との間に発生する磁気吸引力と磁気反発力によって、回転軸３の回転中心Ｐを中心に回転する。

また、この永久磁石１ｂでは、その左端とティース２ａ‐２との磁気吸引力のピークと、その右端とティース２ａ‐２との磁気反発力のピークが重ならないようにする為に、その左端が極性のティース２ａ‐２に最も接近したときにその右端が磁気反発力を発生させる同じ極性のティース２ａ‐２に最も接近しないようにＶ字形状の角度が設定されている。なお、永久磁石１ｂのＶ字形状の角度については、詳細を後述する。

そして、図３に示すように、ロータコア１ａには、永久磁石１ｂ同士による磁束の短絡を防ぐことを主目的として、各永久磁石１ｂの両端に台形状の一対の空気層１ｃが設けられている。
空気層１ｃの空気は低い透磁率を有する、すなわち非磁性体である為、各永久磁石１ｂの両端に空気層１ｃを設けることによって、永久磁石１ｂからティース２ａ-２の方向には向かわずに隣の永久磁石１ｂまたは各永久磁石１ｂとの間を通過してロータコア１ａの内部方向へ向かうに向かってしまう磁束、すなわち漏れ磁束の発生を防ぐことが出来る。なお、永久磁石同期モータＡのロータ１は、左に回転する。

ステータ２は、略円筒形状のステータコア２ａと当該ステータコア２ａに巻回された巻線２ｂとから構成されている。
ステータコア２ａは、複数の金属製のコアプレートが積層されて構成されており、円環状に形成されたヨーク２ａ‐１から内周側に突設されたティース２ａ‐２を等角度間隔に備えている。そして、このティース２ａ‐２の先端部は、全体として略円管状の内周面を形成している。

巻線２ｂは、ティース２ａ‐２に複数巻き回されており、モールド剤がティース２ａ‐２に対する巻線２ｂの位置を固定している。また、この巻線２ｂは、Ｕ相巻線、Ｖ相巻線及びＷ相巻線の３相の巻線から構成されており、インバータＣから供給される３相に応じたモータ駆動信号によって磁極の向きが切り替わる。このような構成のステータ２は、内周面が所定の隙間を介してロータ１の外周面に対向している。

回転軸３は、円柱状部材であって、複数の径を有して多段状に形成されたものである。この回転軸３の最大径を有する部位にロータコア１ａが固定されており、この最大径を有する部位を挟むように両側に一対の軸受（図示略）が圧入・固定されている。この軸受は、ボールベアリングであり、内輪が回転軸３に固定され、外輪がケーシング４に固定されて、回転軸３を回転自在に支持している。

ケーシング４は、回転中心軸Ｐを中心とする略円筒状に形成されており、内部空間にステータ２と上記一対の軸受によって回転中心軸Ｐが回転中心となるように回転自在に支持されたロータ１とを収容する。具体的に、ケーシング４は、回転中心軸Ｐを軸心とする円筒壁部と、この円筒壁部の両端に配置されると共に回転中心軸Ｐを中心とする略円形の一対の端壁部と、端壁部の中心近傍に各々設けられ、上記軸受が各々固定される一対の軸受取付部と，回転軸３の各端部が挿通される開口部を備えている。

そして、上記円筒壁部及上記各端壁部によって囲まれた空間に略円筒状のステータ２を、またこのステータ２の内側かつ上記一対の軸受取付部の間にロータ１を収容する。また、上記軸受取付部には、軸受の外輪が固定されている。このようなケーシング４において、円筒壁部内には、外部から供給される冷却水の流路（冷却流路４ａ）がステータ２の外周に沿って形成されている。

直流電源Ｂは、１つあるいは複数のバッテリを直列接続したものであり、所定の直流電源電圧をインバータＣへ出力する。
インバータＣは、モータ制御部Ｅから供給されるインバータ制御信号に基づいて直流電源Ｂから供給される直流電圧をスイッチングすることによって、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相からなる３相のモータ駆動信号を生成して永久磁石同期モータＡに供給する。
誘導起電力検出部Ｄは、永久磁石同期モータＡのＵ相から出力される誘導起電力を検出するものであり、検出した誘導起電力をモータ制御部Ｅへ出力する。

モータ制御部Ｅは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）から構成される内部メモリ並びに上記インバータＣ及び誘導起電力検出部Ｄと信号の入出力をそれぞれ行うインタフェース回路等から構成されており、上記ＲＯＭに記憶された制御プログラム及び誘導起電力検出部Ｄが検出した誘導起電力に基づいてインバータＣへインバータ制御信号を出力することによって、永久磁石同期モータＡの動作を制御する。

次に、このように構成された永久磁石同期モータＡの動作について詳しく説明する。
まず、モータ制御部Ｅは、永久磁石同期モータ起動指示を受け付けると、インバータ制御信号を出力することによってインバータＣにモータ駆動信号を永久磁石同期モータＡへ出力させる。
永久磁石同期モータＡでは、インバータＣから供給されるモータ駆動信号を巻線２ｂが受け取ると、ステータコア２ａ、巻線２ｂ及び永久磁石１ｂによって磁気回路が形成され、ロータ１が回転を開始する。

この際、誘導起電力検出部Ｄは、ロータ１の回転によって、巻線２ｂのＵ相巻線に発生する誘導起電力を検出し、検出した誘導起電力をモータ制御部Ｅへ出力する。
モータ制御部Ｅは、誘導起電力検出部Ｄから永久磁石同期モータＡの巻線２ｂのＵ相巻線に発生した誘導起電力が入力されると、その誘導起電力の波形に基づいてロータ１の回転位置を判定し、判定したロータ１の回転位置に応じたインバータ制御信号をインバータＣへ出力することによって、インバータＣにロータ１の回転位置に応じたＵ相、Ｖ相及びＷ相の各モータ駆動信号を永久磁石同期モータＡへ出力させる。

このような上記動作において、永久磁石同期モータＡに発生するコギングトルク及びトルクリプルについて、図４及び図５を参照して、詳細に説明する。
図４は、左端が異なる磁極のティースに最接近するときに右端が同じ磁極のティースに最接近するようにＶ字形状の角度が設定された永久磁石を搭載した永久磁石同期モータにおける磁気吸引力及び磁気吸反発力を示すベクトル、コギングトルクの波形及びトルクリプルの波形を示す図であり、図５は、本実施形態に係る永久磁石同期モータＡにおける磁気吸引力及び磁気吸反発力を示すベクトル、コギングトルクの波形及びトルクリプルの波形を示す図である。

なお、図４の（ａ）は、左端が異なる磁極のティースに最接近するときに右端が同じ磁極のティースに最接近するようにＶ字形状の角度が設定された永久磁石を搭載した永久磁石同期モータの磁気吸引力ベクトル及び磁気吸反発力ベクトルを示し、図４の（ｂ）はこの永久磁石同期モータのコギングトルクの波形を示し、図４の（ｃ）はこの永久磁石同期モータのトルクリプルの波形を示す。また、図５の（ａ）は、永久磁石同期モータＡの磁気吸引力ベクトル及び磁気吸反発力ベクトルを示し、図５の（ｂ）は、永久磁石同期モータＡのコギングトルクの波形を示し、図５の（ｃ）は、永久磁石同期モータＡのトルクリプルの波形を示す。

永久磁石同期モータでは、ロータに埋設された永久磁石の位置に応じてモータ制御部の制御の下、巻線にモータ駆動信号が供給されることによって各ティースの磁極がＮ極またはＳ極になるように制御される。そして、左端が異なる磁極のティースに最接近するときに右端が同じ磁極のティースに最接近するようにＶ字形状の角度が設定された永久磁石が埋設されたロータを搭載する永久磁石同期モータでは、ロータの左回転に応じてモータ制御部が、永久磁石がロータの外周側にＮ極である場合に、図４の（ａ）に示すように左側のティースがＳ極になるようにインバータを制御し、右側のティースがＮ極になるようにインバータを制御する。

そして、図４の（ａ）のように永久磁石の左端がＳ極のティースに最も接近した位置にあると共に右端がＮ極のティースに最も接近した位置にある場合に、永久磁石の左端に発生する磁気吸引力と永久磁石の右端に発生する磁気反発力が最大になる。そして、磁気吸引力と磁気反発力のピークが重なる、すなわち磁気吸引力における回転力と磁気反発力による回転力のピークが重なる為に、図４の（ｂ）に示すコギングトルクの波形及び図４の（ｃ）に示すトルクリプルの波形は、振幅の差が大きなものになってしまう。

しかしながら、永久磁石同期モータＡでは、ロータ１の外周側がＮ極である永久磁石１ｂの左端のＳ極のス２ａ‐２に最も接近した位置にあるタイミングと、永久磁石１ｂの右端が右側のＮ極のティース２ａ‐２に最も接近した位置になるタイミングが重ならないように、永久磁石１ｂのＶ字形状の角度が設定されている為、磁気吸引力と磁気反発力のピークが重ならない、すなわち磁気吸引力における回転力のピークと磁気反発力の回転力のピークが重ならない。その為に、図５の（ｂ）に示すコギングトルクの波形及び図５の（ｃ）に示すトルクリプルの波形における振幅の差は、図４の（ａ）のコギングトルクと図４の（ａ）のトルクリプルと比較して小さくなる。

以上のように、本実施形態に係る永久磁石同期モータＡでは、ロータ１に埋設された永久磁石１ｂのＶ字形状の角度を小さくすることによって、ロータ１の外周側がＮ極である永久磁石１ｂの左端とＳ極のス２ａ‐２とが最接近するタイミングと、永久磁石１ｂの右端とＮ極のティース２ａ‐２とが最接近するタイミングが重ならないようになっている、すなわち磁気吸引力のピークと磁気反発力のピークが重ならないようになっている為、コギングトルク及びトルクリプルの振幅を小さくすることが出来る。その為、この永久磁石同期モータでは、従来よりも騒音を低減することが出来ると共に高い安定性を確保することが出来る。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく、例えば以下のような変形が考えられる。
（１）上記実施形態では、永久磁石１ｂのＶ字形状の角度を小さくすることによって、ロータ１の外周側がＮ極である永久磁石１ｂの左端とＳ極のティース２ａ‐２とが最接近するタイミングと、永久磁石１ｂの右端とＮ極のティース２ａ‐２とが最接近するタイミングとが重ならないようになっているが、本発明はこれに限定されない。
例えば、Ｖ字形状の永久磁石の左右の長さを短くすることによって、永久磁石１ｂの左端とＳ極のティース２ａ‐２の最接近と、永久磁石１ｂの右端とＮ極のティース２ａ‐２の最接近とが重ならないようにしてもよい。また、永久磁石１ｂのＶ形状の角度を調整すると共にＶ字形状の左右の長さを調整するようにしてもよい。

本発明の一実施形態に係る永久磁石同期モータＡによって構成される永久磁石同期モータ制御装置の機能構成を示す機能ブロック図である。 本発明の一実施形態に係る永久磁石同期モータＡの回転中心軸Ｐに直交する横断面図である。 本発明の一実施形態に係る永久磁石同期モータＡの永久磁石１ｂを示すロータ１及びステータ２の横断面の拡大図。 左端が異なる磁極のティースに最接近するときに右端が同じ磁極のティースに最接近するようにＶ字形状の角度が設定された永久磁石を搭載した永久磁石同期モータにおける磁気吸引力及び磁気吸反発力を示すベクトル、コギングトルクの波形及びトルクリプルの波形を示す図である。 本発明の一実施形態に係る永久磁石同期モータＡにおける磁気吸引力及び磁気吸反発力を示すベクトル、コギングトルクの波形及びトルクリプルの波形を示す図である。

符号の説明

Ａ…永久磁石同期モータ、Ｂ…直流電源、Ｃ…インバータ、Ｄ…誘導起電力検出部、Ｅ…モータ制御部、１…ロータ、１ａ…ロータコア、１ｂ…永久磁石、１ｃ…空気層、２…ステータ、２ａ…ステータコア、２ａ‐１…ヨーク、２ａ‐２…ティース、２ｂ…巻線、３…回転軸、４…ケーシング、４ａ…冷却流路

Claims (3)

1. 外周に沿って複数の永久磁石が円弧状に埋設された円筒形のロータと、当該ロータの外周面に対向する複数の極歯を有するステータと、前記ロータに固定された回転軸と、当該回転軸を回転自在に支持する軸受とを具備するモータであって、
   前記永久磁石の一方の端と第１の極歯とが最接近するタイミングと、他方の端と第２の極歯とが最接近するタイミングが重ならないことを特徴とするモータ。
2. 前記永久磁石は、Ｖ字形状をしており、一方の端と第１の極歯とが最接近するタイミングと、他方の端と第２の極歯とが最接近するタイミングが重ならないようにＶ字形状の角度が調整されていることを特徴とする請求項１に記載のモータ。
3. 前記永久磁石は、一方の端と第１の極歯とが最接近するタイミングと、他方の端と第２の極歯とが最接近するタイミングが重ならないように長さが調整されていることを特徴とする請求項１または２に記載のモータ。
   

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