JP2010088296A

JP2010088296A - 均一なエアギャップ及び不均一なエアギャップを持ったローブのあるローターを備えたモーター

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Publication number: JP2010088296A
Application number: JP2009230514A
Authority: JP
Inventors: Gary E Horst; ゲイリー・イー・ホースト
Original assignee: Emerson Electric Co
Current assignee: Emerson Electric Co
Priority date: 2008-10-02
Filing date: 2009-10-02
Publication date: 2010-04-15
Anticipated expiration: 2029-10-02
Also published as: MX2009009628A; CN101714805B; JP2012228174A; JP5385076B2; KR20100038045A; CN101714805A; US7939982B2; US20100084937A1; KR101069097B1

Abstract

【課題】均一なエアギャップを提供する第１の外側面セグメントと、不均一なエアギャップを提供する第２の外側面セグメントと、を含むローターを有するモーターを提供する。
【解決手段】ローターは中央の縦方向の軸を中心とする第１の半径を有するアークによって画定された複数の第１の外側面セグメントと、中央の縦方向の軸を中心とする第１の半径を有するアーク以外のラインによって画定された複数の第２の外側面セグメントと、を含む外側面輪郭を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、一般に、電気モーターに関する。特に、本発明は、可変のエアギャップを提供するセグメントを形成し、ローターがステーターの円筒状開口内に受け入れられるときに均一なエアギャップを提供するセグメントを形成する外側面輪郭を有する内部の永久磁石回転子の配置に関する。

様々なローター型を用いる内部の永久磁石(IPM)ローターは、当該技術分野で知られている。例えば、特許文献１に示されるような一つの先行技術デザインにおいて、ローターは、不連続で接触しない外側面輪郭を形成する歯状体（teeth）を有する。かかるデザインは有用であるが、より広い速度範囲にわたってより一定のパワーを提供するローターの必要性がある。さらに、適切に平衡の保たれた特性を提供するローターを持ったモーターの必要性がある。

米国特許第5,701,064号公報

一つの実施態様において、本発明に係るローターは、均一なエアギャップを提供する第１の外側面セグメントと、不均一なエアギャップを提供する第２の外側面セグメントと、を含んでいる。

別の実施態様において、ローターは、中央の縦方向の（longitudinal）軸を中心とする（center on）第１の半径を有するアークによって規定された複数の第１の外側面セグメントと、中央の縦方向の軸を中心とする第１の半径を有するアーク以外のラインによって規定された複数の第２の外側面セグメントと、を備える外側面輪郭を有する。

さらに別の実施態様において、モーターは、上述したようなローターを含む。さらに別の実施態様において、かかるモーターを製造するための方法が提供される。

あるいは、本発明は様々な他の方法及び装置を含んでいてもよい。

他の目的及び特徴は、以下に明白になるとともに指摘されるであろう。

この概要は、以下の詳細な説明においてさらに説明される単純化された形態で概念の選択を導入するために提供される。この概要は、特許請求の範囲に記載された主題の重要な特徴又は基本的な特徴を同定しようとするものではなく、また、特許請求の範囲に記載された主題の範囲を決定する目的で使用しようとするものではない。

本発明の一つの実施態様に係る、ステーターに受け入れられたローブのあるローターを含むモーターの回転軸に直交する部分断面図である。中央領域において幅広のアーク形のフェライト磁石を受け入れるための４つのスロットを有する本発明の一つの実施態様に係るローターの回転軸に直交する断面図である。本発明のローターの一つの実施態様の斜視図である。外側面輪郭が中央の縦方向の軸を中心とする第１の半径R1を有するアークによって規定された複数の第１の外側面セグメントと、中央の縦方向の軸以外のものを中心とする第２の半径R2を有するアークによって規定された複数の第２の外側面セグメントと、を含むことを特徴とする、本発明のローターの一つの実施態様の平面図であり、第１の半径R1を図示する。外側面輪郭が中央の縦方向の軸を中心とする第１の半径R1を有するアークによって規定された複数の第１の外側面セグメントと、中央の縦方向の軸以外のものを中心とする第２の半径R2を有するアークによって規定された複数の第２の外側面セグメントと、を含むことを特徴とする、本発明のローターの一つの実施態様の平面図であり、第２の半径R2を図示する。４つのセクターを図示する図４及び５の実施態様の部分拡大図である。

対応する参照符号は、図面の全体にわたって対応部位を示す。

図１及び２を参照する。本発明のモーター100の一つの実施態様は、巻線（windings）105を有するステーター104内に位置決めされたローブのある（lobed）ローター102を含む断面で図示される。ローブのある（lobed）ローター102は、コアの中央の縦方向の軸Aの周りを（about）円筒状（円形状）開口内でコアが回転するためにステーター104の内側面によって規定された円筒状（円形状）開口内に受け入れられるように構成されたコアを形成する。

ローター102は、中央の縦方向の軸Aの周りを回転する中央シャフト106によって支持される。一つの実施態様において、ローター102は、シャフトと平行に延在する２つのセット（slot）の対向したスロット107及び108を有する鋼(あるいは他の材料)のコアを備える。スロット107及び108は、各々、フェライト磁石のような磁石110を受け入れるように構成される。ステーター104は、制御回路116に接続された巻線105を用いて設定される。制御回路116は、ローター102を中央シャフト106の周りを回転させる巻線105にエネルギーを与える。

各磁石110は、アーク形のフェライト磁石110を含む。コア(例えば中央の縦方向の軸Aに直交する平面で切り取られた（taken）断面)の断面に示されるように、各磁石110は、半径方向の（radial）内側面118(例えば軸Aに面する凸面)と、半径方向の（radial）外側面120(例えば軸Aからそれている凹面)と、を含む。各磁石110は、半径方向の内側面118と半径方向の外側面120との間にある中央領域122と、中央領域122の対向側にあって半径方向の内側面118と半径方向の外側面120との間にある２つの端部領域124と、をさらに含む。図２を参照すること。図２に示された実施態様において、中央領域122は、端部領域124より半径の（radial）方向に広がっている。

一つの実施態様において、図１及び２のローターは、ラミネーションの積み重ねから作られた、ローターの鉄心に埋め込まれた永久磁石を持ったIPMモーターにおいて用いられる。各ラミネーションは、中央の縦方向（長手方向）の軸Aから半径方向の外側に離間した切欠（cutout）スロット（slot）107，108を含む。ラミネーションは、ローターの鉄心を形成するために積み重ねられる。また、磁石110は、スロット（slot）107，108内に位置決めされる。

本発明に係るローブのあるローター102は、低減されたコギング（cogging）トルク及びより正弦波の（sinusoidal）逆の（back）起電力（electro motive force）(EMF)を一般に提供することによって円筒状のローターに対して利点を提供する。これは、中央の縦方向（長手方向）の軸Aに直交する平面で切り取られた（taken）コアの断面に示されるように外側の連続表面輪郭126によって達成される。外側の連続表面輪郭126は、第１の外側面セグメント128とステーターの内部の円筒状の表面(図２の破線（dashed line）14）との間の均一なエアギャップを提供するために、中央の縦方向の軸Aを中心とした第１のアーク130，130Aによって規定された複数の第１の外側面セグメント128，128Aを含む。ローター102は、半径方向の（radial）寸法が異なる不均一なエアギャップを提供するように構成された複数の第２の外側面セグメント132，132Aを有する。半径方向の（radial）寸法は、第２の外側面セグメント132、132Aと、ステーター104の内部の円筒状の表面と、によって画定される。第１セグメント及び第２セグメントは隣接している（contiguous）。

均一なエアギャップは、それぞれ、空隙幅W2を有する。空隙幅W2は、エアギャップの全長に沿って(例えば、セグメント128，128Aに沿って)実質的に一定のままである。対照的に、不均一なエアギャップは、それぞれ、空隙幅W1を有する。空隙幅W1は、W2の空隙幅からW2よりも大きな空隙幅までエアギャップの長さに沿って(例えばセグメント132，132Aに沿って)変化する。図２に示されるように、第２の外側面セグメント132，132Aの不均一な空隙幅は、セグメント132，132Aの中間部での空隙幅W1からセグメント128，128AでのW2の空隙幅まで次第に小さくなる（taper）(例えば減少する)。一つの実施態様において、空隙幅W2は、セグメント132，132Aの中間部での空隙幅W1の半分である(例えば、W2=W1/2である)。このように、W2を差し引いたW1は、セグメント128，128A内での均一なエアギャップの一定の空隙幅W2と実質的に等しい(例えばW1-W2=W2である)。

ステーター104の円筒状開口が360°/Mの歯ピッチを有する半径方向内側に突出する複数の（M個の）歯状体150によって規定されると、一つの実施態様において考えられる。ローター102の第１の外側面セグメント128，128Aの各々は、第１のコアセクター152，152Aを画定する。第１のコアセクター152，152Aは、歯ピッチのN.P倍（N.P times）に等しい第１のセクター角度154，154Aを有する。ここで、Nが整数であり、P=4，5あるいは6である(例えば、第１のセクター角度=(360°/M)xN.P)。

例えば、36本の歯状体(M=36)を有するとともにP=5とするステーター104に対して、Nは1，2，3あるいは4であろう。その結果、他のセクター角度が考えられるが、N.Pは1.5，2.5，3.5あるいは4.5であり、第１のセクター角度は、約（about）15°，約25°，約35°，あるいは約45°であろう。

別の実施例として、M=36の歯状体を有するとともに、P=4、5あるいは6である図１のステーター104と組み合わせた図２の４つの磁石のローター102に対して、第１のセクター角度154，154Aは、約14°乃至約16°(N=1)、約24°乃至約26°(N=2)、約34°乃至約36°(N=3)、あるいは約44°乃至約46°(N=4)であろう。図２の実施態様において、ローター102の第２の外側面セグメント132，132Aの各々は、90°から歯ピッチのN.P倍を差し引いた角度(例えば、第２のセクター角度=90°- (360°/M) × N.P)である第２のセクター角度158を有する第２のコアセクター156，156Aを規定する。例えば、図２に示されるように、N=4でありP=5であるM=36の歯状体を有するステーターに対して、第１のセクター角度154は約45°として図示され、また、第２のセクター角度158が45°として図示される。この実施態様において、W1に対する典型的な値は、約0.030インチ(0.762mm)乃至約0.042インチ(1.067mm)であろう。また、W2に対する典型的な値は、約0.015インチ(0.381mm)乃至約0.021インチ(0.533mm)であろう。

一定パワーの広い速度範囲にわたる所望の性能を得るために、本願明細書に記述されたこれらのローター及びモーターの構成は、ネオジム磁石（neo magnet）(例えばネオジム鉄のホウ素)あるいはネオジム及びフェライト磁石（neo and ferrite magnet）を用いるローターと比較して、ローター102の周囲（circumference）に沿ってよりバランスのとれた磁気特性を提供することによってより良い解決策を提供する。更に、上記のように、エアギャップを変化させることだけを提供して、均一なエアギャップW2を提供するための第１の外側面セグメント128，128Aと、不均一なエアギャップを提供する(例えば、W1の最大まで変化させる)ための第２の外側面セグメント132，132Aとを組み合わせるローブのある（lobed）ローターは、より低いインダクタンス比Lmax/Lmin（それほど望ましくない）を提供する。更に、ローブの無い（without lobed）円筒状ローターは、高いコギング（cogging）及び／又は逆起電力波形（back EMF waveform）において高調波（harmonics）に帰着する。また、本発明に係るローブのあるローター102の低いコギング及び低減された高調波と比較して、それはそれほど望ましくない。また、モーターのアセンブリーの間に多重磁石（multiple magnet）を扱うことが高価であるので、多層（multiple layers）の磁石を持ったローターは、磁石110を持ったローブのあるローター102よりも高価である。

図２の実施態様のローター構造は、中央領域122において厚みが厚くなっている４個の個別の（discrete）フェライト・アーク・磁石を用いる。また、当該磁石はスロット（slot）の中にある。スロット（slot）は、本願明細書に記載されているように、より低いコギング、より高いインダクタンス率Lmax/Lmin、及び性能を最適化するための磁石強度のバランスを発現する（develop）ために最適化される。

一般に、本発明を使用するモーターは、実質的に正弦波の逆起電力（back EMF）を持っている。しかし、フェライト及び／又はネオジムの磁石を用いた当該技術分野で既知のモーターは、調和したリッチな逆起電力を有する。本発明を使用するモーターは、一般に、当該技術分野で既知のモーターよりも低い最小のインダクタンスを持っている。また、最小のインダクタンスに対する最大のインダクタンスの比率は、一般に高い。それは磁気抵抗（reluctance）トルクの寄与を改善する。ローターにおけるトータルの空隙がより少ないので、本発明を使用するモーターは、当該技術分野で既知のモーターより高速でもノイズの生成が少ない。

本発明を使用するモーターを製造することは、一般に、当該技術分野で既知のモーターよりもそれほど高価ではない。それらのコスト削減、騒音低減、及び電気ノイズ低減のために、本発明に係るモーターは、好ましくは、水平型洗濯機、皿洗い機及び衣類乾燥機のような消費財に適用される。

図３乃至６の実施態様において、図１及び２に代わるより単純なものは、４つの磁石を用いる代わりに２つの個別のフェライト磁石を用いることにより達成される。このように、本発明はラミネーションの製造の間にパンチするためにより単純なローター内部を提供する。

一つの実施態様において、第１のコアセクター152の２倍の第２のコアセクター156がある。例えば、図３乃至６に示されるように、各々が25°である４つの第１のコアセクター152があり、各々が32.5°である８つの第２のコアセクター156があり、合計の角度が360°である。

図３乃至６は、アークが不均一なエアギャップを画定するコアの中央の縦方向の軸Aを中心としない第２のアーク160C，160Dによって画定された２つの第２の外側面セグメント132C，132Dを有する電気モーターのローター102を図示する。特に、第２のアーク160C，160Dは、それぞれ、ポイントB及びCを中心とする第２の半径R2を有する。第２の半径R2は、第１の半径R1より小さい。一つの実施態様において、第１のアーク130の第１の半径R1と第２のアーク160C，160Dの第２の半径R2との間の差は、D1であり、約0.087インチ(2.21mm)であるか（or）、約0.075インチ乃至約0.099インチ(すなわち約1.91mm乃至約2.51mm)である。

実施例として、図４乃至６に示されるように、M=36の歯状体を有してP=5及びN=2である図１のステーターと組み合わされた２つの磁石ローター102に対して、第１のセクター角度154は25°である。また、この実施態様において、第２のセクター156は、90°から歯ピッチのN.5倍を差し引いた角度(例えば、第２のセクターのトータル角度=90° - (360°/M) × N.5)を画定する。すなわち、90°-25°=65°である。この特別な実施例において、第１のセクター角度154は25°であり、第２のセクター角度158A，158Bは、それぞれ32.5°である。本実施態様において、R1=1.521インチ(38.6237mm)であり、R2=1.436インチ(36.4744mm)であり、W1=0.035インチ(0.889mm)であり、W2=0.0175インチ(0.445mm)である。また、最も幅広のエアギャップは、ポイントDである。ポイントAとDとの距離が1.50インチ(38.10mm)である。R1=1.521インチ(38.6237mm)で、R1でのエアギャップとDでのエアギャップとの差は、DでのエアギャップがR1でのエアギャップよりも0.021インチ(0.52mm)大きいだろうということである。

特に図４及び５に示されるように、一つの実施態様において、磁石の端部領域124が第２のコアセクター156内にあり、磁石の中央領域122が第１のコアセクター152で位置決めされると考えられる。この配置は、磁力線の平衡を保ち、その結果としてコギングを縮小する傾向がある。２つの第２のコアセクター156を有する図４及び５の特定の実施態様において、磁石の端部領域124は、両方の第２のコアセクター156内に位置している。また、端部領域124が第２のコアセクター156の一つだけに位置するか、あるいは、代わりに、端部領域124が第１のコアセクター及び第２のコアセクターの両方に位置してもよいと考えられる。この配置において、W3=0.057インチ(1.45mm)でありR3=1.379インチ(35.02mm)であるように、磁石用のスロット（slot）107，108が設けられる。

図４を参照する。各磁石110は、半径R4によって規定された半径方向の内側面118(例えば軸Aに面する凸面)と、R5<R4である半径R5によって規定された半径方向の外側面120(例えば、軸Aから見て外方に向いている凹面)と、を有するアーク形状の磁石を備える。各磁石110は、半径方向の内側面118と半径方向の外側面120との間にある中央領域122と、中央領域122の対向側にあって半径方向の内側面118と半径方向の外側面120との間にある２つの端部領域124と、をさらに備える。図２を参照すること。図２に示された実施態様において、中央領域122は、端領域124よりも半径方向に幅広である。したがって、半径R4とR5は同じ中心点を有しない。図４で示された実施態様において、中央領域122は、端部領域124と半径方向に同じ幅を有している。したがって、半径R4とR5は、同じ中心点を有する。図４に示された実施態様において、R5=1.60インチ(40.55mm)であり、R4=2.14インチ(54.35mm)であると考えられる。

さらに別の実施態様において、本発明は、
円形開口を有するステーター104を設けるステップと、
コアの中央の縦方向の軸Aの周りをステーター開口において回転可能なコアを備えるローター102を設けるステップと、
中央の縦方向の軸から半径方向の外側に離間したスロット107，108をコアに設けるステップと、
スロットに磁石110を位置決めするステップと、
を備えるローター102及びステーター104を含むIPMモーター100の製造方法を提供する。

コアは、中央の縦方向の軸Aと直交する平面で切り取られたコアの断面で観察されるような外側面輪郭を有するように製造される。外側面輪郭126は、第１の外側面セグメントと円形のステーター開口を規定するステーター104のそれぞれの歯状体150の部分との間での均一なエアギャップを提供するために、中央の縦方向の軸Aを中心としたアーク130上で湾曲した複数の第１の外側面セグメント128，128A，138，138Aと、第２の外側面セグメントと円形のステーター開口を規定するステーター104のそれぞれの歯状体150の部分との間での不均一なエアギャップを提供するように構成された複数の第２の外側面セグメント132，132A，140，140Aを備えるように製造される。均一なエアギャップのそれぞれは、エアギャップの全長に沿って実質的に一定のままである空隙幅W2を有するように製造される。また、不均一なエアギャップのそれぞれは、エアギャップの長さに沿って変化する空隙幅W1を有するように製造される。

上述の実施態様的な側面は、本発明から逸脱することなく、多数の方法で組み合わされてもよいものと考えられる。

また、上記説明は、ステーターに巻線を有してローターに永久磁石を有するモーターや、ローターに巻線を有してステーターに永久磁石を有するモーターのような他のモーター構成にも適用可能である。磁石の配置及び空隙の考察は、上述したローター設計のものに類似している。

詳細な説明は、IPMモーターのローターについて言及しているが、当業者は、電気モーターが、発電機として構成されてもよいことを知っている。

本発明について詳細に説明しているが、添付した請求項に係る本発明の範囲から逸脱せずに修正及び変更が可能であることは明白であろう。

本願明細書において図示及び説明された方法の実行又は遂行の順序（order）は、別段の定めがない限り、本質的でない。すなわち、別段の定めがない限り、方法の要素がいずれかの順序で行なわれて、方法が本願明細書に開示されたものより多いか少ない要素を含んでいてもよいと発明者によって考えられる。例えば、別の要素が本発明の様々な実施態様の範囲内の前後で、特定の要素を実施するか又は遂行することと考えられる。

本発明の要素あるいはそれらの好ましい実施態様を導入するとき、「一つ」及び「前記」という冠詞は、一つ以上の要素が存在することを意味することを意図している。「備える」、「含む」及び「有する」という用語は、包括的であるとともにリストされた要素以外の追加的な要素が存在してもよいことを意味することを意図している。

上記のことを考慮して、本発明のいくつかの目的が達成されるとともに、他の有利な結果が達成されることが理解されるであろう。

本発明の範囲から逸脱せずに、上記の製品や方法において様々な変更をなすことができるので、上記説明に含まれて添付図面に示される全ての内容（matter）が例示として解釈されるべきであり限定的な意味で解釈されるべきではないことを目的としている。

１００ IPMモーター
１０２ローター（回転子）
１０４ステーター
１０７スロット
１０８スロット
１１０磁石
１１６制御回路
１１８内側面
１２０外側面
１２２中央領域
１２４端部領域
１２８第１の外側面セグメント
１３２第２の外側面セグメント
１５０歯状体
１５２第１のコアセクター
１５６第２のコアセクター

Claims

円形開口を有するステーターと、
コアの中央の縦方向の軸の周りを前記ステーター開口において回転可能なコアを含むローターと、
前記中央の縦方向の軸に直交する面で切り取られたコアの断面で観察されるような外側面輪郭を有する前記コアと、
前記中央の縦方向の軸に直交する面で切り取られたコアの断面で観察されるような輪郭を有する前記外側面と、
前記中央の縦方向の軸を中心とする第１の半径を有するアークによって画定された複数の第１の外側面セグメントと、前記中央の縦方向の軸を中心とする第１の半径を有するアーク以外のラインによって画定された複数の第２の外側面セグメントと、を備える前記外側面輪郭と、
前記中央の縦方向の軸から半径方向の外側に離間したコアにあるスロットと、
スロットにある磁石と、
を備えることを特徴とする電気モーター。
前記第１の外側面セグメントと前記ステーターの円形開口を画定するステーターのそれぞれの部分との間で均一なエアギャップを提供するように、前記複数の第１の外側面セグメントが、前記中央の縦方向の軸を中心とするアークで湾曲するとともに、前記第２の外側面セグメントと前記ステーターの円形開口を画定するステーターのそれぞれの部分との間で不均一なエアギャップを提供するように、前記複数の第２の外側面セグメントが構成され、
均一なエアギャップのそれぞれが、エアギャップの全長に沿って実質的に一定のままである空隙幅を有し、
不均一なエアギャップのそれぞれが、エアギャップの長さに沿って変化する空隙幅を有することを特徴とする、請求項１に記載の電気モーター。
前記第２の外側面セグメントは、コアの前記中央の縦方向の軸を中心としない第２のアークによって画定され、第２のアークのそれぞれは、第１のアークのそれぞれの半径よりも大きな半径を有し、第１のアークの半径と第２のアークの半径との間の差が、約0.075インチ乃至約0.099インチ(すなわち、約1.91mm乃至約2.51mm)であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の電気モーター。
複数の第１の外側面セグメントが第１対の正反対の第１の外側面セグメントを含み、複数の第２の外側面セグメントが第１対の正反対の第２の外側面セグメントを含み、複数の第１の外側面セグメントが第２対の正反対の第１の外側面セグメントを含み、複数の第２の外側面セグメントが第２対の正反対の第２の外側面セグメントを含むことを特徴とする、請求項１、２又は３のいずれか一つに記載の電気モーター。
前記ステーターの円形開口は、360°/Mの歯ピッチを有する複数（M個）の半径方向内部に突出する歯状体によって画定され、第１の外側面セグメントのそれぞれは、歯ピッチのN.P倍のセクター角度を有する第１のコアセクターを規定する（ここで、Nが整数でありPが3、4あるいは5である）ことを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか一つに記載の電気モーター。
ステーターが３６個の歯状体を有し、セクター角度が、約14°乃至約16°、約24°乃至約26°、約34°乃至約36°、あるいは約44°乃至約46°であることを特徴とする、請求項５に記載の電気モーター。
磁石の端部領域が、第１のコアセクター内と第２のコアセクター内とに位置し、磁石の中央領域が、第１のコアセクター内に位置することを特徴とする、請求項５に記載の電気モーター。
コアが各スロットに一つの磁石を備えた２つのスロットを有するか、コアが各スロットに一つの磁石を備えた４つのスロットを有することを特徴とする、請求項１乃至７のいずれか一つに記載の電気モーター。
前記中央の縦方向の軸に直交する面で切り取られたコアの断面において観察されるような磁石のそれぞれは、半径方向の内側面と、半径方向の外側面と、半径方向の内側面及び半径方向の外側面の間にある中央領域と、半径方向の内側面及び半径方向の外側面の間にあって前記中間領域の反対側にある２つの端部領域と、を備え、前記中間領域は前記端部領域より半径方向に幅広であることを特徴とする、請求項８に記載の電気モーター。
不均一なエアギャップのそれぞれは、最大の空隙幅W1から最小の空隙幅W2まで隙間の端部方向に次第に小さくなり、W2を差し引いたW1は、前記均一なエアギャップの一定の空隙幅と実質的に等しいことを特徴とする、請求項１乃至９のいずれか一つに記載の電気モーター。