JP2010063281A

JP2010063281A - 永久磁石式同期モータ

Info

Publication number: JP2010063281A
Application number: JP2008226900A
Authority: JP
Inventors: Toshinori Tanaka; 敏則田中; Shinichi Yamaguchi; 信一山口
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-09-04
Filing date: 2008-09-04
Publication date: 2010-03-18

Abstract

【課題】本発明は、コギングトルクをより低減することができる永久磁石式同期モータを得ることを目的とするものである。
【解決手段】永久磁石式同期モータは、円筒状のステータ１と、ステータ１内に設けられステータ１に対して回転されるロータ２とを有している。ステータ１は、円筒状のステータコア３と、ステータコア３の内周面に固定された複数個のコイル４とを有している。ステータコア３の内周面には、複数のステータ突起３ａと複数のステータ凹部３ｂとが設けられている。ステータ凹部３ｂは、ステータコア３の周方向に等間隔で配置されている。また、ステータ凹部３ｂは、隣接するステータ突起３ａの中間で、隣接するコイル４間に設けられており、コイル４間の空間を通してロータ２に臨んでいる。
【選択図】図１

Description

この発明は、永久磁石式同期モータに係り、特にそのコギングトルクの抑制に関するものである。

永久磁石式同期モータにおいて、コギングトルクとは、巻線無通電状態で外部駆動にてロータ磁石（回転子）を回転させたときに、ロータ磁石とステータコア（固定子鉄心）のティースとの間で発生するトルク脈動成分である。また、トルクリップルは、巻線に通電して駆動したときに、同様にステータコアとティースとの間で発生するトルク脈動成分である。

一般に、コギングトルクとしては、ロータの機械的な１回転につき、ステータのスロット数と永久磁石の磁極数との最小公倍数の脈動が発生する。また、コギングトルクの大きさは、脈動数に反比例する。これに対して、量産で生産される従来のモータにおいては、ステータのスロット数と永久磁石の磁極数との最小公倍数を大きくしたり、永久磁石にスキューを設けたりすることでコギングトルクを低減している。

ここで、ステータに空芯コイルが用いられ、ロータに永久磁石が設けられているモータ、いわゆるスロットレスモータでは、ステータにティースを設けなければ、コギングトルクは理論上発生しない。しかし、空芯コイルを固定するためにはなんらかの突起が必要であり、またコイルの中心にティースとなる突起を設けることでモータ特性が向上するため、スロットレスモータであっても、ティースとなる突起がステータに設けられており、このためコギングトルクが発生してしまう。このため、従来のスロットレスモータでは、突起の形状などを工夫することで、コギングトルクの低減を図っている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−１８７３４４号公報

上記のような従来のモータでは、ステータのスロット数と永久磁石の磁極数との最小公倍数を大きくするために、スロット数と極数とを大きくすると、極数が大きいことによりインバータのキャリア周波数が高くなり、インバータのコスト増加となる。また、ステータ径の小さなモータでは、ステータのスロット数が大きいと工作性が低下する。さらに、永久磁石にスキューを設けることは、モータ特性を低減させてしまう。さらにまた、従来のスロットレスモータにおいて、突起の形状を工夫するだけでは、コギングトルクを十分には低減できなかった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、コギングトルクをより低減することができる永久磁石式同期モータを得ることを目的とする。

この発明に係る永久磁石式同期モータは、円筒状のステータコアと、ステータコアの内周面に固定された複数個のコイルとを有するステータ、及び複数個の永久磁石を有し、ステータ内に回転可能に設けられたロータを備え、ステータコアの内周面には、各コイルに対応して複数のステータ突起が設けられているとともに、ステータ突起間に位置する複数のステータ凹部が設けられている。

この発明の永久磁石式同期モータは、ステータコアの内周面のステータ突起間にステータ凹部を設けたので、ステータ突起によるコギングトルクをステータ凹部によるコギングトルクで打ち消すことができ、結果的にコギングトルクをより低減することができる。

以下、この発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による永久磁石式同期モータの軸方向に垂直な断面を示す断面図、図２は図１のステータの一部を拡大して示す断面図、図３は図１のステータコアの一部を示す斜視図である。

図において、永久磁石式同期モータは、円筒状のステータ１と、ステータ１内に設けられステータ１に対して回転されるロータ２とを有している。ステータ１は、円筒状のステータコア３と、ステータコア３の内周面に固定された複数個（ここでは６個）のコイル４とを有している。ロータ２は、円筒状のロータコア５と、ロータコア５の外周面に固定された複数個（ここでは４極）の永久磁石６とを有している。

ステータコア３は、例えば粉体鉄心であり、一体型のコアとして製作されている。ステータコア３の内周面には、複数のステータ突起（主極）３ａと複数のステータ凹部３ｂとが設けられている。

ステータ突起３ａは、ステータコア３の周方向に等間隔で設けられている。また、ステータ突起３ａは、コイル４の中心に配置されている。即ち、ステータ突起３ａの数は、コイル４の個数と同じである。各ステータ突起３ａは、長手方向がステータコア３の軸方向に平行な直方体状である。

ステータ凹部３ｂは、ステータコア３の周方向に等間隔で配置されている。また、ステータ凹部３ｂは、隣接するステータ突起３ａの中間で、隣接するコイル４間に設けられており、コイル４間の空間を通してロータ２に臨んでいる。さらに、ステータ凹部３ｂの断面形状は、矩形である。さらにまた、ステータ凹部３ｂのロータ２側から見た正面形状は、長辺がステータコア３の軸方向に平行な長方形である。

また、ステータコア３の軸方向へのステータ突起３ａの長さ寸法Ｌ１とステータ凹部３ｂの長さ寸法Ｌ２とは同じである（Ｌ１＝Ｌ２）。さらに、ステータコア３の内周面からのステータ突起３ａの突出量は、ステータ１の内周面からステータ凹部３ｂの底面までの深さよりも小さい。さらにまた、ステータ凹部３ｂの幅寸法は、ステータ突起３ａの幅寸法よりも小さい。

図４は図１の永久磁石式同期モータにおけるコギングトルクを示すグラフである。従来のように、ステータコア３の内周面にステータ突起３ａのみを設けた場合、図４の１点鎖線に示すような波形のコギングトルクが発生する。ステータ突起３ａによるコギングトルクの大きさは、ステータ突起３ａの大きさによって異なる。

また、ステータ突起３ａを設けずに、ステータ凹部３ｂのみをステータコア３の内周面に設けた場合、図４の２点鎖線に示すような波形のコギングトルクが発生する。ステータ凹部３ｂによるコギングトルクは、ステータ突起３ａによるコギングトルクとは逆位相である。また、ステータ凹部３ｂによるコギングトルクの大きさは、ステータ凹部３ｂの幅、深さ、及びステータコア３の材料等によって異なる。

このようなことから、ステータ突起３ａを設けたことによって発生するコギングトルクの大きさを、磁界解析などで予め把握しておき、それに応じてステータ凹部３ｂの幅や深さを変化させることにより、ステータ突起３ａによるコギングトルクとは逆位相で振幅がほぼ同じとなるコギングトルクを、ステータ凹部３ｂにより発生させ、ステータ突起３ａによるコギングトルクをステータ凹部３ｂによるコギングトルクで打ち消させる（相殺させる）ことができる。これにより、図４の実線に示すように、トータルのコギングトルクを０又は０に近い値とすることができる。

また、図５は図１のステータコア３にコイル４を装着する様子を示す分解斜視図である。コイル４は、その中心部にステータ突起３ａを挿入するようにしてステータコア３の内周面に装着される。ステータ突起３ａがない状態では、コイル４を設置する基準となる物がないため、コイル４を等間隔に配置することが困難になる。しかし、ステータ突起３ａが設けられているので、コイル４を容易に等間隔に配置することができる。また、コイル４の中心にステータ突起３ａを設けることで、モータ特性を向上させることができる。

実施の形態２．
次に、図６はこの発明の実施の形態２による永久磁石式同期モータのステータコア３の一部を示す斜視図である。この例では、ステータコア３の軸方向へのステータ凹部３ｂの長さ寸法Ｌ２がステータ突起３ａの長さ寸法Ｌ１よりも小さい（Ｌ１＞Ｌ２）。他の構成は、実施の形態１と同様である。

図７は実施の形態２の永久磁石式同期モータにおけるコギングトルクを示すグラフである。ステータ突起３ａを設けたことにより発生するコギングトルクが図７の１点鎖線であるのに対して、ステータ突起３ａと同じ長さのステータ凹部３ｂを設けると、図７の破線に示すように、逆位相のコギングトルクの振幅が大き過ぎてしまう場合がある。このように、ステータ凹部３ｂによる影響が大きいモータにおいては、ステータ凹部３ｂの長さＬ２をステータ突起３ａの長さＬ１よりも短くすることで、逆位相のコギングトルクの振幅を、図７の２点鎖線に示すように、ステータ突起３ａによるコギングトルクの振幅と同等にすることができる。これにより、コギングトルクをより確実に低減することができる。

実施の形態３．
次に、図８はこの発明の実施の形態３による永久磁石式同期モータのステータコア３の一部を示す斜視図である。この例では、ステータコア３の軸方向へのステータ凹部３ｂの長さ寸法Ｌ２がステータ突起３ａの長さ寸法Ｌ１よりも大きい（Ｌ１＜Ｌ２）。他の構成は、実施の形態１と同様である。

図９は実施の形態３の永久磁石式同期モータにおけるコギングトルクを示すグラフである。ステータ突起３ａを設けたことにより発生するコギングトルクが図９の１点鎖線であるのに対して、ステータ突起３ａと同じ長さのステータ凹部３ｂを設けると、図９の破線に示すように、逆位相のコギングトルクの振幅が小さ過ぎてしまう場合がある。このように、ステータ凹部３ｂによる影響が小さいモータにおいては、ステータ凹部３ｂの長さＬ２をステータ突起３ａの長さＬ１よりも長くすることで、逆位相のコギングトルクの振幅を、図９の２点鎖線に示すように、ステータ突起３ａによるコギングトルクの振幅と同等にすることができる。これにより、コギングトルクをより確実に低減することができる。

また、逆位相のコギングトルクの振幅を大きくするために、ステータ凹部３ｂの深さを深くすると、ステータコア３の厚さが部分的に薄くなり、機械的な強度が弱くなるとともに、磁気飽和が顕著になる。これに対して、ステータ凹部３ｂの長さＬ２を長くすれば、ステータ凹部３ｂの深さが浅くても、逆位相のコギングトルクの振幅を大きくすることができる。

実施の形態４．
次に、図１０はこの発明の実施の形態４による永久磁石式同期モータのステータコア３の一部を示す斜視図である。この例では、ステータ凹部３ｂは、ステータコア３の軸方向の全長に渡って設けられている。他の構成は、実施の形態１と同様である。

このような構成によれば、ステータ凹部３ｂをステータコア３に後加工でも容易に設けることができる。

実施の形態５．
次に、図１１はこの発明の実施の形態５による永久磁石式同期モータのステータコア３の断面図である。この例では、ステータ凹部３ｂの断面形状が半円形となっている。他の構成は、実施の形態１と同様である。

このように、ステータ凹部３ｂの断面形状を変化させることにより、ステータ凹部３ｂにより発生するコギングトルクの振幅も変化する。従って、ステータ突起３ａを設けたことにより発生するコギングトルクに合わせて、ステータ凹部３ｂの断面形状を決めることで、コギングトルクをより確実に低減することができる。

実施の形態６．
次に、図１２はこの発明の実施の形態６による永久磁石式同期モータのステータコア３の断面図である。この例では、ステータ凹部３ｂの断面形状が三角形となっている。他の構成は、実施の形態１と同様である。

このように、ステータ凹部３ｂの断面形状を三角形としてもよく、ステータ凹部３ｂにより発生するコギングトルクの振幅を変化させることができる。

なお、実施の形態５、６のようなステータ凹部３ｂの断面形状は、実施の形態２〜４に示したステータ凹部３ｂにも適用できる。

実施の形態７．
次に、図１３はこの発明の実施の形態７による永久磁石式同期モータの軸方向に垂直な断面を示す断面図、図１４は図１３のステータ１の一部を示す斜視図である。実施の形態１〜６では、コイル４の中央部にステータ突起３ａを差し込むことで、コイル４をステータコア３に固定した。これに対して、実施の形態７では、コイル４の両脇を挟み込むようにしてステータ突起３ａを配置することにより、コイル４がステータ突起３ａ間に保持され固定される。

また、ステータ凹部３ｂは、隣接するステータ突起３ａの中間で、コイル４の中央部の空間に臨むように配置されている。他の構成は、実施の形態１と同様である。

ここで、ステータコア３を一体型のコアとして製作した場合、分割して製作した場合よりも内径精度が良くなり、コギングトルクも低くなる。しかし、実施の形態１〜６に示したような一体型のステータコア３では、ステータ突起３ａをコイル４の中央部に差し込む必要があるため、工作性が低下する。

これに対して、実施の形態７では、コイル４の両側にステータ突起３ａを設けたので、例えば図１５に示すように、円筒状のステータコア３の軸方向一端部からステータ突起３ａ間にコイル４を滑り込ませることができ、工作性を向上させることができる。

なお、実施の形態７のようなステータ突起３ａの配置は、実施の形態２〜６に示したようなステータ凹部３ｂと組み合わせて実施してもよい。

実施の形態８．
次に、図１６はこの発明の実施の形態８による永久磁石式同期モータの軸方向に垂直な断面を示す断面図、図１７は図１６のステータコア３を分割した状態を示す断面図である。実施の形態１〜７では、一体型のステータコア３を用いたが、実施の形態８では、ステータコア３は、ステータコア３の周方向に分割された断面円弧状の複数の分割コア７を円筒状に組み合わせることにより構成されている。分割コア７は、溶接、又はステータフレーム（図示せず）に焼き嵌めすることによって、円筒状に結合される。

ステータ突起３ａは、分割コア７のロータ２に対向する面の中央部に設けられている。また、ステータ凹部３ｂは、互いに隣接する分割コア７の接合部に設けられている。他の構成は、実施の形態１と同様である。

このような永久磁石式同期モータでは、ステータ突起３ａをコイル４に差し込んでコイル４を分割コア７に装着してから、分割コア７を組み合わせてステータコア３を構成することができる。このため、径の小さなモータであっても、ステータコア３の内周面に容易にコイル４を装着することができる。

実施の形態９．
次に、図１８はこの発明の実施の形態９による永久磁石式同期モータの軸方向に垂直な断面を示す断面図、図１９は図１８のステータコア３を構成する関節型コアを示す構成図である。実施の形態９では、ステータコア３は、図１９に示すような関節型コアを円筒状に折り曲げて両端部を溶接することにより構成されている。

関節型コアは、断面円弧状の複数の分割コア７を１列に並べ、隣接する分割コア７同士を回動可能に連結することにより帯状に構成されている。また、関節型コアの隣接する分割コア７同士は、かしめダボ部８により、ステータコア３の軸方向に平行な回動中心を中心として回動可能に連結されている。分割コア７が積層鉄心で構成される場合、分割コア７の連結部では、隣接する分割コア７の鉄心片が交互に積層され、かしめダボ部８が設けられている。他の構成は、実施の形態１と同様である。

このような永久磁石式同期モータでは、関節型コアの状態で全てのコイル４の巻線作業を連続で行うことができるので、巻線工程の自動化を容易にするとともに、整列巻線を可能とすることができる。これにより、巻線工程の量産性を向上させ、かつ巻線の性能を向上させることができる。

なお、実施の形態８、９のような分割構造のステータコア３に、実施の形態２〜６に示したようなステータ凹部３ｂを適用してもよい。

実施の形態１０．
次に、図２０はこの発明の実施の形態１０による永久磁石式同期モータの軸方向に垂直な断面を示す断面図である。実施の形態１〜９では、ステータコア３とステータ突起３ａとを一体で構成したが、実施の形態１０では、ステータ突起３ａは、ステータコア３とは別部材で構成され、ステータコア３の内周面に固定されている。ステータコア３の内周面には、ステータ突起３ａを挿入するステータ突起挿入穴３ｃが設けられている。他の構成は、実施の形態１と同様である。

このような永久磁石式同期モータでは、ステータ突起３ａにコイル４を装着した後に、例えば図２１に示すように、ステータ突起３ａをステータコア３に装着し固定することができる。このため、工作性を向上させることができ、径の小さなモータであっても、ステータコア３の内周面に容易にコイル４を装着することができる。

なお、実施の形態１０のようなステータ突起３ａを別部材とする構造は、実施の形態１〜９にも適用できる。
また、極数とスロット数との組み合わせは上記の例に限定されるものでない。
さらに、ステータコア３をフレームに固定する場合、フレームの外形は円環状でなくてもよく、例えば四角形など、ステータコア３の周方向に厚み分布がある形状であってもよい。

この発明の実施の形態１による永久磁石式同期モータの軸方向に垂直な断面を示す断面図である。図１のステータの一部を拡大して示す断面図である。図１のステータコアの一部を示す斜視図である。図１の永久磁石式同期モータにおけるコギングトルクを示すグラフである。図１のステータコアにコイルを装着する様子を示す分解斜視図である。この発明の実施の形態２による永久磁石式同期モータのステータコアの一部を示す斜視図である。実施の形態２の永久磁石式同期モータにおけるコギングトルクを示すグラフである。この発明の実施の形態３による永久磁石式同期モータのステータコアの一部を示す斜視図である。実施の形態３の永久磁石式同期モータにおけるコギングトルクを示すグラフである。この発明の実施の形態４による永久磁石式同期モータのステータコアの一部を示す斜視図である。この発明の実施の形態５による永久磁石式同期モータのステータコアの断面図である。この発明の実施の形態６による永久磁石式同期モータのステータコアの断面図である。この発明の実施の形態７による永久磁石式同期モータの軸方向に垂直な断面を示す断面図である。図１３のステータの一部を示す斜視図である。図１３のステータコアにコイルを装着する様子を示す斜視図である。この発明の実施の形態８による永久磁石式同期モータの軸方向に垂直な断面を示す断面図である。図１６のステータコアを分割した状態を示す断面図である。この発明の実施の形態９による永久磁石式同期モータの軸方向に垂直な断面を示す断面図である。図１８のステータコアを構成する関節型コアを示す構成図である。この発明の実施の形態１０による永久磁石式同期モータの軸方向に垂直な断面を示す断面図である。図２０のコイルが装着されたステータ突起をステータコアに装着する様子を示す説明図である。

符号の説明

１ステータ、２ロータ、３ステータコア、３ａステータ突起、３ｂステータ凹部、４コイル、６永久磁石、７分割コア。

Claims

円筒状のステータコアと、上記ステータコアの内周面に固定された複数個のコイルとを有するステータ、及び
複数個の永久磁石を有し、上記ステータ内に回転可能に設けられたロータ
を備え、
上記ステータコアの内周面には、上記各コイルに対応して複数のステータ突起が設けられているとともに、上記ステータ突起間に位置する複数のステータ凹部が設けられていることを特徴とする永久磁石式同期モータ。
上記ステータコアの軸方向への上記ステータ突起の長さと上記ステータ凹部の長さとが異なっていることを特徴とする請求項１記載の永久磁石式同期モータ。
上記コイルは、上記ステータコアの周方向に互いに隣接する上記ステータ突起間に固定されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の永久磁石式同期モータ。
上記ステータコアは、上記ステータコアの周方向に分割された複数の分割コアを円筒状に組み合わせることにより構成されていることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の永久磁石式同期モータ。
上記ステータコアは、隣接する上記分割コア同士を回動可能に連結した帯状の関節型コアを円筒状に折り曲げることにより構成されていることを特徴とする請求項４記載の永久磁石式同期モータ。
上記ステータ突起は、上記ステータコアとは別部材で構成され、上記ステータコアの内周面に固定されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の永久磁石式同期モータ。