JP2010029061A - 電気モータ - Google Patents

Abstract

【課題】磁石界磁極と誘起界磁極との間の逆ＥＭＦの不平衡を減少させる永久磁石ＤＣモータを提供する。
【解決手段】電気モータは、ハウジングと、ハウジングに回転可能に設置された回転子と、ハウジングの内面に固定された同じ極性のｎ個の永久磁石とを有する。回転子は、半径方向に延びる複数の歯を有する巻線型電機子である。ハウジングは、ｎ個の内部突出部分を含み、永久磁石及び内部突出部分は、回転子の周りを周囲方向に交互に配列される。磁石は、ハウジング及び回転子を経て２ｎ個の磁気回路を発生し、ｎは１より大きな整数である。永久磁石と回転子との間に形成される第１エアギャップの少なくとも一部分のサイズは、内部突出部分と回転子との間に形成される第２エアギャップの少なくとも一部分のサイズより大きい。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気モータの分野に係り、より詳細には、永久磁石ＤＣモータに係る。

永久磁石ＤＣモータは、構造が簡単で、電磁特性の信頼性が高く且つ保守が容易であるという利点があるために、オフィスオートメーション、家庭用機器及び自動車電気部品のような分野で広く使用されている。

図８を参照すれば、慣習的な永久磁石ＤＣモータは、通常、モータ固定子の鉄殻又はハウジングの内部に対称的に固定された４つの永久磁石１０１〜１０４を使用して、４つの界磁極を発生し、従って、永久磁石の数は、界磁極の数に等しく、且つ２つの直列の磁石によって各磁気回路が形成される。固定子の外側から見ると、隣接する磁石の配向は、互いに逆である。しかしながら、この慣習的な回転子構成は、サイズの小さい低電力モータには適していない。残留磁気の高い希土類磁石を使用するときには、薄い永久磁石で、低電力モータの磁気要件を満足することができる。しかしながら、薄い磁石、特に、壁厚みが２ｍｍ未満の磁石は、非常に繊細で、製造及び組立中にダメージを受け易い。組立時にダメージを受けるのを回避するために磁石を厚くすると、磁石材料の利用率が低くなり、無駄が生じる。各等価磁気回路では２つの磁石断片が直列であり、磁界も強いので、固定子ハウジングが飽和される。換言すれば、磁石材料が浪費される。更に、逆の磁極をもつ隣接磁石は、磁石をハウジングに組み立てるプロセスを複雑にする。

米国特許第４，２９６，３４３号は、２つの磁石とハウジングの２つの内方に突出する極片とを使用して４つの界磁極を生成する電気モータを開示している。しかしながら、磁石と電機子との間のエアギャップのサイズは、内方に突出する極片と電機子との間に形成されるエアギャップのサイズに等しい。それにより磁石片とハウジング極との間に生じる界磁分布が非均一になる。

上述した問題を解決するために、本発明は、ハウジングと、このハウジングに回転可能に装着された回転子と、ハウジングの内面に固定された同じ極性のｎ個の永久磁石とを備えたモータを提供する。ハウジングは、ｎ個の内部突出部分を含む。永久磁石及び内部突出部分は、回転子の周りを周囲方向に交互に配列される。磁石は、ハウジング及び回転子を経て２ｎ個の磁気回路を発生し、ｎは１より大きな整数である。永久磁石と回転子との間に形成される第１エアギャップの少なくとも一部分のサイズは、内部突出部分と回転子との間に形成される第２エアギャップの少なくとも一部分のサイズより大きい。これは、磁石の界磁極と誘起される界磁極との間の逆ＥＭＦの不平衡を減少させる。

好ましくは、第１エアギャップは、一定の巾を有し、そして第２エアギャップは、一定の巾を有する。

或いは又、第１エアギャップは、一定の巾を有し、そして第２エアギャップは、変化する巾を有し、第１エアギャップのサイズは、第２エアギャップの最小サイズより大きい。

或いは又、第１エアギャップは、変化する巾を有し、そして第２エアギャップは、一定の巾を有し、第１エアギャップの最大サイズは、第２エアギャップのサイズより大きい。

或いは又、第１エアギャップは、変化する巾を有し、そして第２エアギャップは、変化する巾を有し、第１エアギャップの最大サイズは、第２エアギャップの最大サイズより大きい。

好ましくは、永久磁石と回転子との間に形成される第１エアギャップのサイズは、０．４ｍｍないし０．８ｍｍの範囲であり、そして内部突出部分と回転子との間に形成される第２エアギャップのサイズは、０．４ｍｍないし０．６ｍｍである。

より好ましくは、永久磁石と回転子との間に形成される第１エアギャップのサイズは、０．４ｍｍないし０．７ｍｍの範囲であり、そして内部突出部分と回転子との間に形成される第２エアギャップのサイズは、０．４ｍｍないし０．４６ｍｍである。

好ましくは、モータは、永久磁石ＤＣモータである。

好ましくは、ｎが２に等しく、２つの永久磁石は、２つの永久磁石に２つの磁石界磁極を、及び２つの内部突出部分に２つの誘起界磁極を各々形成する。

好ましくは、永久磁石の周囲巾は、ラジアンで測定して、内部突出部分の周囲巾より大きい。

好ましくは、永久磁石の内面は回転子を向き、永久磁石の外面は、ハウジングの内面に固定され、そして各永久磁石の内面及び外面は、非同心的である。

好ましくは、各永久磁石の中間部の厚みは、その周囲端部の厚みより大きく、中間部と回転子との間のエアギャップは、端部と回転子との間のエアギャップより小さい。

好ましくは、ハウジングの厚みは均一であり、そしてハウジングの内部突出部分は、ハウジングの対応部分をスタンピングするか又はハウジングの半径方向内方に引っ張ることにより形成される。

好ましくは、回転子は、複数の半径方向に延びる歯を有しその周りに電機子巻線が巻かれる巻線型電機子である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を一例として説明する。図示されたコンポーネント及び特徴部の大きさは、一般的に、便宜上及び表現を明瞭にするために選択されたものであり、必ずしも正しいスケールで描かれていない。

本発明の第１の実施形態によるモータの断面図である。 図１のモータの磁束分布及び磁界密度分布を示す。 図１のモータの電機子の１つのコイルと、従来のモータの電機子の１つのコイルとに対して２つの逆ＥＭＦ波を各々示す。 図３の逆ＥＭＦ波のＦＦＴである。 図１と同様であるが、第２の実施形態によるモータの断面図である。 図１と同様であるが、第３の実施形態によるモータの断面図である。 図１と同様であるが、第４の実施形態によるモータの断面図である。 従来のモータの断面図である。

解決されるべき技術的な問題、本発明の技術的な解決策及び有利な効果は、添付図面を参照した好ましい実施形態の以下の詳細な説明から最も良く理解されよう。ここに述べる特定の実施形態は、本発明を説明するための単なる例に過ぎず、本発明をそれに限定するものではないことを理解されたい。

図１及び２に示すように、本発明の好ましい第１の実施形態によるＤＣモータは、ハウジング２０と、ハウジング２０に回転可能に装着された回転子４０と、ハウジング２０の内面に直径方向に固定され且つハウジング２０と回転子４０との間に配置された一対の永久磁石６０とを有している。

ハウジング２０は、導磁性材料で形成され、実質的に円筒形である。周囲方向において磁石６０と磁石６０との間のハウジング２０の２つの部分は、半径方向内方に突出して、２つの内部突出部分２２を形成する。この内部突出部分２２は、ハウジング２０の対応部分をスタンピングするか又は内方に引っ張ることにより形成することができる。

回転子４０は、シャフト４４に固定される。回転子４０は、モータの軸方向に沿って積層された複数のラミネーションを含む巻線型電機子である。回転子は、モータの半径方向に延びる複数の歯４２を備えている。歯４２には巻線（図示せず）が巻かれる。

好ましくは、磁石６０は、希土類材料で形成される。永久磁石６０の内面は、回転子４０の歯４２を向き、そしてその外面は、ハウジング２０の内面に固定される。２つの永久磁石６０及び２つの内部突出部分２２は、回転子４０の周囲に交互に配置される。回転子の半径方向に沿って、磁石６０の内面と回転子４０の外面との間に形成されるエアギャップは、第１エアギャップ３０として定義され、そしてハウジング２０の内部突出部分２２の内面と回転子４０の外面との間に形成されるエアギャップは、第２エアギャップ３２として定義される。

２つの磁石６０は、４つの界磁極、例えば、２つの永久磁石６０における２つの磁石界磁極Ｎと、２つの内部突出部分２２における２つの誘起界磁極Ｓとを形成する。各磁石界磁極Ｎ及び各誘起界磁極Ｓが協働して、回転子４０を通過する磁気回路を形成する。従って、各磁気回路には永久磁石の１つの片だけが直列となり、その結果、磁石が完全に使用されると共に、磁気回路の飽和の問題が回避され、又は少なくとも著しく減少される。

磁石の界磁極と誘起界磁極との間の逆ＥＭＦの不平衡を減少するために、第１エアギャップ３０の少なくとも一部分のサイズは、第２エアギャップ３２の少なくとも一部分のサイズより大きくされる。本発明におけるエアギャップのサイズは、回転子の半径方向に測定されたエアギャップの巾を意味することに注意されたい。又、エアギャップは、一定でもよいし変化してもよい。一定とは、半径方向に測定したエアギャップの巾が一定であることを意味する。変化するとは、エアギャップの巾が、周囲方向に、好ましくは滑らかに（本質的にはそうでない）変化することを意味する。

図１の第１の実施形態では、第１エアギャップ３０及び第２エアギャップ３２が変化するエアギャップである。図５は、第１の実施形態に類似しているが、第１エアギャップ３０及び第２エアギャップ３２が一定のエアギャップである第２の実施形態を示している。図６は、第１の実施形態に類似しているが、第１エアギャップ３０が一定のエアギャップでありそして第２エアギャップが変化するエアギャップである第３の実施形態を示している。図７が、第１の実施形態に類似しているが、第１エアギャップ３０が変化するエアギャップでありそして第２エアギャップ３２が一定のエアギャップである第４の実施形態を示している。

特に、エアギャップ３０が一定で且つエアギャップ３２が一定であるときには、エアギャップ３０のサイズは、エアギャップ３２のサイズより大きくなければならない。エアギャップ３０が一定で且つエアギャップ３２が変化するときには、エアギャップ３０のサイズがエアギャップ３２の最小サイズより大きくなければならない。好ましくは、エアギャップ３０のサイズは、エアギャップ３２の最大サイズ以上である。エアギャップ３０が変化し且つエアギャップ３２が一定であるときには、エアギャップ３０の最大サイズがエアギャップ３２のサイズより大きくなければならない。エアギャップ３０及びエアギャップ３２の両方が変化するときには、エアギャップ３０の最大サイズが、エアギャップ３２の最小サイズより大きくなければならない。好ましくは、エアギャップ３０の最大サイズがエアギャップ３２の最大サイズより大きい。例えば、エアギャップ３０のサイズは、０．４ｍｍないし０．８ｍｍの範囲であり、そしてエアギャップ３２のサイズは、０．４ｍｍないし０．６ｍｍの範囲である。１つの好ましい実施形態では、エアギャップ３０のサイズは、０．４ｍｍないし０．７ｍｍの範囲であり、そしてエアギャップ３２のサイズは、０．４ｍｍないし０．４６ｍｍの範囲であり、即ちエアギャップ３０の最大サイズは、エアギャップ３２の最大サイズより大きく、且つエアギャップ３０の最小サイズは、エアギャップ３２の最小サイズに等しい。

図１に示す第１の実施形態に戻ると、好ましくは、磁石６０の内面及び外面は、非同心的な弧である。永久磁石６０の中間部分は、２つの周囲端部よりも厚く、中間部と電機子４０との間のエアギャップが、端部と電機子４０との間のエアギャップより小さくなるようにする。好ましくは、磁石６０の厚みが中間部から端部へと徐々に減少され、磁石６０と電機子４０との間のエアギャップが中間部から端部へと徐々に広くなるようにする。

好ましくは、逆ＥＭＦの不平衡を更に減少するために、各磁石６０により抱かれる角度αは、各内部突出部分２２により抱かれる角度βより大きい。即ち、磁石極の周囲の広がり又は巾は、好ましくは、誘起極のものより大きい。

図３は、エアギャップ３０の少なくとも一部分のサイズがエアギャップ３２の少なくとも一部分のサイズより大きい図１の第１実施形態によるモータの電機子の１つのコイルと、エアギャップ３０及び３２のサイズが一定で且つ互いに等しい米国特許第４，２９６，３４３号による従来モータの電機子の１つのコイルとに対して２つの逆ＥＭＦ波を各々示している。図４は、図３の逆ＥＭＦ波のＦＦＴ(高速フーリエ変換)である。

図３を参照すれば、図３の破線は、従来のモータの電機子の１つのコイルに対する波を表し、そして実線は、第１の実施形態の電機子の１つのコイルに対する波を表す。第１の実施形態のモータにおける逆ＥＭＦの不平衡は、従来のモータに比して減少されたことが明らかであり、これは、第１の実施形態のモータに対応する逆ＥＭＦ波のＦＦＴにおける偶数次数の高調波成分が従来のモータに比して少ないことを示す図４のＦＦＴを見ることにより確認できる。図４において、格子縞のカラムは、従来のモータを表し、一方、斜線縞のカラムは、第１の実施形態のモータを表す。

本発明の前記実施形態において、従来のモータに比して、同じ極性をもつ永久磁石片の半分の数を使用するだけで、同じ数の界磁極を得ることができ、固定子の組立プロセスを簡単化する。更に、希土類磁石の材料利用比が高められ、比較的大きな厚みで磁石を形成することができ、これは、磁石を製造してハウジングへ組み立てる間に磁石が折れるおそれを低減する。各磁石の磁界の配向が同じであるから、磁石を組み立てて磁化するプロセスが簡単化される。エアギャップ３０の少なくとも一部分のサイズは、エアギャップ３２の少なくとも一部分のサイズより大きく、その結果、磁石の界磁極と誘起界磁極との間の逆ＥＭＦの不平衡が減少される。磁石の巾は、ラジアンで測定して、内部突出部分の巾より大きく、これも、磁石の界磁極と誘起界磁極との間の逆ＥＭＦの不平衡を減少する上で有益である。

本発明は、１つ以上の好ましい実施形態を参照して説明したが、当業者であれば、種々の変更がなされ得ることが明らかであろう。それ故、本発明の範囲は、特許請求の範囲によって決定されるものとする。

本発明の説明及び特許請求の範囲において、動詞「備える(comprise)」、「含む(include)」、「収容する(contain)」及び「有する(have)」並びにその変化は、各々、そこに述べたアイテムの存在を特定するために包括的な意味で使用され、付加的なアイテムの存在を除外するものではない。

２０：ハウジング
２２：内部突出部分
３０、３２：エアギャップ
４０：回転子
４２：歯
４４：シャフト
６０：永久磁石

Claims (14)

1. ハウジングと、このハウジングに回転可能に装着された回転子と、ハウジングの内面に固定された同じ極性のｎ個の永久磁石とを備え、前記ハウジングは、ｎ個の内部突出部分を含み、前記永久磁石及び内部突出部分は、回転子の周りを周囲方向に交互に配列され、前記磁石は、前記ハウジング及び回転子を経て２ｎ個の磁気回路を発生し、ｎは１より大きな整数であり、前記永久磁石と回転子との間に形成される第１エアギャップの少なくとも一部分のサイズは、前記内部突出部分と回転子との間に形成される第２エアギャップの少なくとも一部分のサイズより大きくされた、電気モータ。
2. 前記第１エアギャップは、一定の巾を有し、前記第２エアギャップは、一定の巾を有する、請求項１に記載のモータ。
3. 前記第１エアギャップは、一定の巾を有し、前記第２エアギャップは、変化する巾を有し、前記第１エアギャップのサイズは、前記第２エアギャップの最小サイズより大きい、請求項１に記載のモータ。
4. 前記第１エアギャップは、変化する巾を有し、前記第２エアギャップは、一定の巾を有し、前記第１エアギャップの最大サイズは、前記第２エアギャップのサイズより大きい、請求項１に記載のモータ。
5. 前記第１エアギャップは、変化する巾を有し、前記第２エアギャップは、変化する巾を有し、前記第１エアギャップの最大サイズは、前記第２エアギャップの最大サイズより大きい、請求項１に記載のモータ。
6. 前記永久磁石と回転子との間に形成される第１エアギャップのサイズは、０．４ｍｍないし０．８ｍｍの範囲であり、前記内部突出部分と回転子との間に形成される第２エアギャップのサイズは、０．４ｍｍないし０．６ｍｍである、請求項５に記載のモータ。
7. 前記永久磁石と回転子との間に形成される第１エアギャップのサイズは、０．４ｍｍないし０．７ｍｍの範囲であり、前記内部突出部分と回転子との間に形成される第２エアギャップのサイズは、０．４ｍｍないし０．４６ｍｍである、請求項５に記載のモータ。
8. 前記モータは永久磁石ＤＣモータである、請求項１から７のいずれかに記載のモータ。
9. ｎが２に等しく、２つの永久磁石は、２つの永久磁石に２つの磁石界磁極を、及び２つの内部突出部分に２つの誘起界磁極を各々形成する、請求項１から８のいずれかに記載のモータ。
10. 前記永久磁石の周囲巾は、ラジアンで測定して、前記内部突出部分の周囲巾より大きい、請求項１から９のいずれかに記載のモータ。
11. 前記永久磁石の内面は回転子を向き、前記永久磁石の外面は、前記ハウジングの内面に固定され、そして各永久磁石の内面及び外面は、非同心的である、請求項１から１０のいずれかに記載のモータ。
12. 各永久磁石の中間部の厚みは、その周囲端部の厚みより大きく、その中間部と回転子との間のエアギャップは、その端部と回転子との間のエアギャップより小さい、請求項１１に記載のモータ。
13. 前記ハウジングの厚みは均一であり、前記ハウジングの内部突出部分は、前記ハウジングの対応部分をスタンピングするか又は前記ハウジングの半径方向内方に引っ張ることにより形成される、請求項１から１２のいずれかに記載のモータ。
14. 前記回転子は、複数の半径方向に延びる歯を有しその周りに電機子巻線が巻かれる巻線型電機子である、請求項１から１３のいずれかに記載のモータ。

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