JP2010246197A - Magnetic pole core and dc motor using the same - Google Patents

Magnetic pole core and dc motor using the same Download PDF

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Nobuaki Nakamura
展明 中村
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce torque ripple including cogging torque and current torque ripples, by superimposing not only the third-order or fifth-order harmonic components as well as required optional higher harmonic components more simply by devising the shape of a magnetic pole core. <P>SOLUTION: An electrical angle A between two magnetic poles equivalent to an electrical angle of 360° is θ, a mechanical angle B, which corresponds to the third-order harmonics to be superimposed to obtain a magnetic field intensity distribution superimposed on fundamental wave components, is set to θ/3, and the mechanical angle B is made equal to the open angle of a core being an angle made by both outer ends of a vane part. The order of harmonics to be superimposed is an odd number N of five or more, a mechanical angle C corresponding to the Nth-order harmonics is set to θ/N, and a radial distance from the axis of the core is shortened as it goes outward in its circumferential direction from the position of the mechanical angle C on the peripheral plane of the arm part. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、3次高調波とか5次高調波成分だけでなく、必要とする任意の高次高調波成分を重畳することによりトルクリップルを低減することを可能にした磁極コア及び磁極コアを用いた直流電動機に関する。   The present invention uses a magnetic pole core and a magnetic pole core that enable torque ripple to be reduced by superimposing not only the third harmonic or fifth harmonic component but also any desired higher harmonic component. The present invention relates to a direct current motor.

従来より、光ディスクまたは光磁気ディスク等のディスク回転駆動装置等に用いられるモータとして、ノイズを発生しないで、長時間にわたって安定した運転が続けられるブラシレスモータが用いられているが、ブラシレスモータが発生するトルクには、回転角度により周期的に変動するトルクリップルが生じる。   Conventionally, as a motor used for a disk rotation drive device such as an optical disk or a magneto-optical disk, a brushless motor that can be stably operated for a long time without generating noise has been used. However, a brushless motor is generated. Torque ripples that vary periodically depending on the rotation angle occur in the torque.

モータ出力軸での回転角に対する出力トルクの変化をトルクリップルと呼び、回転ムラや振動、騒音の発生要因になるので小さいことが望ましい。このトルクリップルには、コギングトルクと電機子電流が流れたときに現れる電流トルクリップルの両者が合成されてトルクリップルとして現れる。   The change in output torque with respect to the rotation angle at the motor output shaft is referred to as torque ripple, and it is desirable that it be small because it causes rotation unevenness, vibration, and noise. In this torque ripple, both the cogging torque and the current torque ripple that appears when the armature current flows are combined and appear as torque ripple.

ブラシレスモータの典型的な通電方式である3相120度通電をした場合、13.4%p-pのトルクリップルが発生する。このトルクリップルを減らすために、電機子鎖交磁束を、基本波の正弦波に対して5次の高調波を重畳してゆがませると、合成トルクのリップルを小さくすることが知られている(非特許文献1第93頁参照)。図7は、非特許文献1に開示のトルクリップル補正法を説明する図である。図示のように、基本波の振幅を100%としたとき、振幅7.2%の5次高調波を重畳させると、トルクリップルは理論値13.4%から2.5%に減少する。この5次高調波の重畳は、基本波成分が着磁された磁界強度分布を有するマグネットに対して、5次高調波成分を重ねて着磁することにより行われる。   When a three-phase 120-degree energization that is a typical energization method of a brushless motor is performed, a torque ripple of 13.4% p-p occurs. In order to reduce this torque ripple, it is known that when the armature flux linkage is distorted by superimposing a fifth harmonic on the sine wave of the fundamental wave, the resultant torque ripple is reduced. (See Non-Patent Document 1, page 93). FIG. 7 is a diagram for explaining the torque ripple correction method disclosed in Non-Patent Document 1. As shown in the figure, when the amplitude of the fundamental wave is set to 100%, the torque ripple is reduced from the theoretical value of 13.4% to 2.5% when the fifth harmonic having the amplitude of 7.2% is superimposed. The superposition of the fifth harmonic is performed by superimposing the fifth harmonic component on a magnet having a magnetic field intensity distribution in which the fundamental wave component is magnetized.

しかし、マグネット材質が、例えばフェライトであれば、上述のように高調波を重ね合わせるような着磁方法も可能であるが、例えば、高性能な(最大エネルギー積等)希土類磁石として知られているNd-Fe-B系のマグネット材質(ネオジウムNdマグネット)が使用される場合、このような重乗着磁方法を用いることができない。   However, if the magnet material is, for example, ferrite, a magnetizing method in which harmonics are superimposed as described above is possible, but for example, it is known as a high-performance (maximum energy product etc.) rare earth magnet. When an Nd—Fe—B based magnet material (neodymium Nd magnet) is used, such a heavy magnetization method cannot be used.

特許文献1は、非特許文献1と同様な重乗着磁方法を開示するが、特許文献1は、マグネットの正弦波状の磁界強度分布に5次高調波成分だけでなく、さらに、3次高調波成分を重畳して着磁する。これによって、回転ムラを低減することができる。   Patent Document 1 discloses a multi-layer magnetization method similar to Non-Patent Document 1, but Patent Document 1 discloses not only the fifth harmonic component but also the third harmonic in the sinusoidal magnetic field strength distribution of the magnet. The wave component is superimposed and magnetized. Thereby, rotation unevenness can be reduced.

さらに、特許文献2は、3次高調波成分を得るために、1極につき1.5周期分の正弦波状の凹凸を形成する技術を開示する。特許文献2は、上述と同様な重畳着磁方法も開示するが、また、環状のマグネットの内周面を凹凸形状にすることにより、基本波成分及び3次高調波成分を有する誘起電圧を得る技術を開示する。しかし、このようなマグネットの内周面形状の加工によって、5次以上の高次の高調波成分に対応するには、その形状が複雑となり過ぎるために、事実上不可能である。   Furthermore, Patent Document 2 discloses a technique for forming sinusoidal irregularities for 1.5 periods per pole in order to obtain a third harmonic component. Patent Document 2 discloses a superposition magnetization method similar to that described above, but also obtains an induced voltage having a fundamental wave component and a third harmonic component by making the inner peripheral surface of the annular magnet uneven. Disclose technology. However, the machining of the shape of the inner peripheral surface of such a magnet makes it practically impossible to cope with higher harmonic components of the fifth or higher order because the shape becomes too complicated.

以上、非特許文献1,特許文献1,及び特許文献2を参照して説明した従来技術は、いずれも、マグネット着磁或いはマグネット形状を工夫することにより、基本波成分だけでなく、3次高調波及び5次高調波成分を有する磁界強度分布を得ようとするものである。これによって、トルクリップルを低減することができるが、上述のように、ネオジウムNdマグネットに対応することができないとか、或いは、より高次の高調波成分に対応するためにはマグネット形状が複雑になり過ぎるという問題がある。また、磁束変化に対してコアの磁束を積分する効果が少なく、ラジアルギャップ型ブラシレスモータではコギングの変化が大きくなる欠点がある。   As described above, all of the conventional techniques described with reference to Non-Patent Document 1, Patent Document 1, and Patent Document 2 are not only fundamental wave components but also third harmonics by devising magnet magnetization or magnet shape. A magnetic field intensity distribution having a wave and a fifth harmonic component is to be obtained. As a result, torque ripple can be reduced. However, as described above, the magnet shape becomes complicated in order to cope with neodymium Nd magnets or to cope with higher harmonic components. There is a problem of passing. Further, the effect of integrating the magnetic flux of the core with respect to the magnetic flux change is small, and the radial gap type brushless motor has a drawback that the change of cogging becomes large.

これに対して、特許文献3は、コギングトルクを低減するためのステータ磁極コア形状を開示する。ブラシレスモータは、インナーロータタイプであれ、アウターロータタイプであれ、マグネットが回転するロータ側に設けられる一方、磁極コア及びその上に巻回される巻線はステータ側に設けられるのが通常であるが、特許文献3は、このステータ磁極コアの形状を工夫するものである。   In contrast, Patent Document 3 discloses a stator magnetic pole core shape for reducing cogging torque. The brushless motor, whether an inner rotor type or an outer rotor type, is usually provided on the rotor side where the magnet rotates, while the magnetic pole core and the winding wound on it are usually provided on the stator side. However, Patent Document 3 devises the shape of the stator magnetic pole core.

図8(A)は、特許文献3に開示のブラシレスモータの径方向断面図であり、(B)は、(A)に示す羽根部の1個を拡大して示す図である。図において、ステータ磁極コアは、円環状ヨークと、該ヨークに径方向に配置した12個のアーム部と、アーム部の先端から左右に張り出した羽根部からなる。互いに隣接するアーム部間には、スロットが形成され、ここにステータ巻線(図示省略)が巻回される。   FIG. 8A is a radial sectional view of the brushless motor disclosed in Patent Document 3, and FIG. 8B is an enlarged view of one of the blade portions shown in FIG. In the figure, the stator magnetic pole core is composed of an annular yoke, twelve arm portions arranged in the radial direction on the yoke, and a blade portion projecting left and right from the tip of the arm portion. A slot is formed between adjacent arm portions, and a stator winding (not shown) is wound around the slot.

図8(B)に詳細を示す羽根部は、シャフトの軸心を中心とする円弧状に構成された中央円弧部と、その両側の平坦斜面部で構成される。これによって、中央円弧部の磁束密度は略フラットで、平坦斜面部では、端に向うに従って、ロータマグネットとの間の空隙が徐々に大きくなるので、磁束密度もなだらかに変化する。このため、磁場エネルギーの変化分が小さくコギングトルクを低減することが可能になる。   The blade portion shown in detail in FIG. 8B is composed of a central arc portion that is formed in an arc shape centered on the shaft center of the shaft, and flat slope portions on both sides thereof. As a result, the magnetic flux density of the central arc portion is substantially flat, and the gap between the rotor magnet and the rotor magnet gradually increases toward the end on the flat slope portion, so that the magnetic flux density also changes gently. For this reason, the change in magnetic field energy is small, and the cogging torque can be reduced.

しかし、単に、空隙を徐々に変化させるのみでは、コギングトルク及びトルクリップルを低減するためには不十分である。このため、特許文献3は、マグネット極数Pと、ステータ磁極数MとをP:M=6n−2:6n(但し、nは2以上の整数)の関係としている。このため、P:M=8:6、12:9、16:12等の関係を有する基本的なブラシレスモータには適用することができない。   However, simply changing the gap gradually is not sufficient to reduce cogging torque and torque ripple. For this reason, in Patent Document 3, the number of magnet poles P and the number of stator magnetic poles M have a relationship of P: M = 6n-2: 6n (where n is an integer of 2 or more). For this reason, it cannot be applied to a basic brushless motor having a relationship of P: M = 8: 6, 12: 9, 16:12, or the like.

特許第3738984号公報Japanese Patent No. 3738984 特許第3372047号公報Japanese Patent No. 3372747 特開2000−209829号公報JP 2000-209829 A

萩野弘司著、「ブラシレスDCモータの使い方」 オーム社、2003年7月10日発行、pp92−94Koji Kanno, “How to use a brushless DC motor” Ohmsha, July 10, 2003, pp92-94

上述したように、ロータ側で、マグネット着磁或いはマグネット形状を工夫することにより、基本波成分だけでなく、3次高調波及び5次高調波成分を有する磁界強度分布を得ることによって、トルクリップルを低減する技術が公知である。また、ステータ側で、空隙を徐々に変化させるようにステータ磁極コアの形状を工夫することにより、コギングトルク及びトルクリップルを低減する技術が公知である。従来、基本波成分に重畳される高調波成分として、3次高調波成分又は5次高調波成分(或いはその両方)は用いられているものの、より高次の高調波が用いられていないのは、その重畳手段に基づく制限によるものである。より簡易な重畳手段が見つかるならば、3次高調波及び5次高調波成分だけでなく、7次高調波成分、さらにはそれ以上の高次高調波成分を重畳することにより、トルクリップルはより低減させることができる。   As described above, by devising magnet magnetization or magnet shape on the rotor side, torque ripple can be obtained by obtaining magnetic field intensity distribution having not only fundamental wave components but also third harmonic components and fifth harmonic components. A technique for reducing the above is well known. Further, a technique for reducing cogging torque and torque ripple by devising the shape of the stator magnetic pole core so as to gradually change the air gap on the stator side is known. Conventionally, the third harmonic component and / or the fifth harmonic component (or both) are used as the harmonic component superimposed on the fundamental wave component, but the higher harmonics are not used. This is due to limitations based on the superimposing means. If a simpler superimposing means is found, the torque ripple can be increased by superimposing not only the third harmonic component and the fifth harmonic component, but also the seventh harmonic component or even higher harmonic components. Can be reduced.

本発明は、磁極コア形状を工夫することにより、より簡易に、3次高調波とか5次高調波成分だけでなく、必要とする任意の高次高調波成分を重畳することにより、コギングトルクと電流トルクリップルの両者を含むトルクリップルを低減することを目的としている。これによって、ロータマグネットとして、フェライトマグネットに限らず、例えば、高性能マグネットとして知られているネオジウムNdマグネットを使用しつつ、トルクリップルを低減することが可能になる。   By devising the magnetic pole core shape, the present invention more easily simplifies the cogging torque by superimposing not only the 3rd harmonic or 5th harmonic component, but also any desired higher harmonic component. The object is to reduce torque ripple including both current torque ripple. As a result, the torque ripple can be reduced while using, for example, a neodymium Nd magnet known as a high-performance magnet as the rotor magnet.

本発明の磁極コアは、所定の磁界を発生する電機子とこの電機子と所定の空隙を介して対向配置されるマグネットを備える直流電動機において、電機子を構成しコア軸心を中心として放射状に伸びる複数のアーム部とこのアーム部の先端に形成されマグネットに対向する羽根部とからなる。羽根部は空隙が周方向に沿って略一定である第1部分とこの第1部分の両側に位置し、空隙が周方向に沿って第1部分から離れるにつれて広がる一対の第2部分とで形成される。コア軸心と第1部分の空隙に対向する端面における周方向の両端部とのなす角度をC、コア軸心と第2部分の空隙に対向する端面における周方向の両端部とのなす角度をBとし、電気角で360°に相当する機械角をθとし、5以上の奇数をNとして、B=θ/3、C=θ/Nとする。   A magnetic pole core according to the present invention is a DC motor including an armature that generates a predetermined magnetic field and a magnet that is disposed to face the armature via a predetermined gap, and configures the armature and radiates about the core axis. It consists of a plurality of extending arm portions and a blade portion formed at the tip of the arm portion and facing the magnet. The vane portion is formed by a first portion in which the gap is substantially constant along the circumferential direction and a pair of second portions that are located on both sides of the first portion and that widen as the gap moves away from the first portion in the circumferential direction. Is done. C represents the angle formed between the core axis and both ends in the circumferential direction on the end surface facing the gap of the first portion, and C represents the angle formed between the core axis and both ends in the circumferential direction on the end surface opposed to the gap of the second portion. Let B be a mechanical angle corresponding to an electrical angle of 360 °, θ, N an odd number of 5 or more, and B = θ / 3 and C = θ / N.

また、本発明の直流電動機の磁極コアは、中央ヨーク部から径方向に放射状に伸びるアーム部と、アーム部先端から周方向両側に伸びる羽根部とを有する。空隙を介してマグネットに臨む羽根部の外周面に、羽根部中心に対して対称位置に所定角度をなす折曲点対を設定し、該折曲点対間に位置する中央部外周面を、シャフト軸心を中心とする円弧形状にして、マグネットとの間の空隙を一定間隔とし、かつ、該折曲点対のそれぞれから周方向外側においては、マグネットから遠ざかるようにテーパー状に折り曲げた形状にする。電気角360°に相当する2磁極間の機械角Aをθとして、基本波成分に重乗した磁界強度分布を得るために重乗する3次高調波に対応する機械角Bを、θ/3に設定して、この機械角Bを、シャフト軸心と羽根部両外端を結ぶ線のなす角度であるコア開角に一致させる。基本波成分に重乗した磁界強度分布を得るために重乗する高次高調波の次数を5以上の奇数Nとして、N次高調波に対応する機械角Cは、θ/Nに設定して、この機械角Cを、折曲点対の所定角度に一致させる。   In addition, the magnetic pole core of the DC motor of the present invention includes an arm portion that extends radially from the central yoke portion and blade portions that extend from the tip of the arm portion to both sides in the circumferential direction. On the outer peripheral surface of the blade part facing the magnet through the air gap, a pair of bending points forming a predetermined angle at a symmetrical position with respect to the center of the blade part is set, and the central part outer peripheral surface located between the pair of bending points is A circular arc shape centered on the shaft axis, with a gap between the magnets at a constant interval, and a shape that is bent in a taper shape so that it is away from the magnet on the outer side in the circumferential direction from each of the bending point pairs To. The mechanical angle B corresponding to the third harmonic to be multiplied to obtain the magnetic field intensity distribution superimposed on the fundamental wave component is defined as θ / 3, where θ is the mechanical angle A between the two magnetic poles corresponding to an electrical angle of 360 °. The mechanical angle B is set to coincide with the core opening angle, which is an angle formed by a line connecting the shaft axis and both outer ends of the blade portion. In order to obtain the magnetic field strength distribution superimposed on the fundamental wave component, the order of the higher harmonics to be superimposed is an odd number N of 5 or more, and the mechanical angle C corresponding to the Nth harmonic is set to θ / N. The mechanical angle C is made to coincide with a predetermined angle of the bending point pair.

重乗する高調波の数に対応させて複数対の折曲点対を設定し、最も次数の高い高調波に対応する折曲点対間の中央部外周面を円弧形状にし、高調波の次数が低くなるに従い、その折曲点対をより周方向外側において、かつ、マグネットからより遠ざかるようにテーパー状により大きな角度で折り曲げた形状にする。   Multiple pairs of bending points are set according to the number of harmonics to be superimposed, and the outer peripheral surface of the central part between the pair of bending points corresponding to the highest order harmonic is formed into an arc shape, and the harmonic order As the height decreases, the bending point pair is bent at a larger angle on the outer side in the circumferential direction and at a larger angle so as to be further away from the magnet.

本発明によれば、磁極コア形状を工夫することにより、より簡易に、3次高調波とか5次高調波成分だけでなく、必要とする任意の高次高調波成分を重畳することにより、モータの駆動や構成および極数等の関係によらず、コギングトルクと電流トルクリップルの両者を含むトルクリップルを低減することができる。本発明は、トルクリップルの隙間に高次の高調波が重なり合い、トルクリップルは各隙間を埋めることになり、合成のトルクで発生したトルクリップルは更に低減する。高次の複数の高調波を重ねることにより、DC変化(直流変化)により近くなる。   According to the present invention, by devising the shape of the magnetic pole core, the motor can be more easily superimposed by superimposing not only the third harmonic component or the fifth harmonic component but also any desired higher harmonic component. The torque ripple including both the cogging torque and the current torque ripple can be reduced regardless of the drive, configuration, number of poles, and the like. In the present invention, high-order harmonics overlap in the gap of the torque ripple, and the torque ripple fills each gap, and the torque ripple generated by the combined torque is further reduced. By superposing a plurality of higher-order harmonics, it becomes closer to a DC change (direct current change).

本発明を具体化したステータ磁極コアを組み込んだブラシレスモータの第1の例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the 1st example of the brushless motor incorporating the stator magnetic pole core which actualized this invention. (A)は、図1に例示のステータ磁極コアとロータマグネットの配置関係を示す図であり、(B)は、(A)中のX部を拡大して示す図であり、(C)は、折曲角度を説明するためにその羽根部を取り出して示す図である。(A) is a figure which shows the arrangement | positioning relationship of the stator magnetic pole core illustrated in FIG. 1, and a rotor magnet, (B) is a figure which expands and shows the X section in (A), (C) It is a figure which takes out and shows the blade | wing part in order to demonstrate a bending angle. 図2とは異なる別の例を示す図であり、(A)は、図1に例示のステータ磁極コアとロータマグネットの配置関係を示す図であり、(B)は、(A)中のX部を拡大して示す図である。FIG. 3 is a diagram showing another example different from FIG. 2, (A) is a diagram showing the positional relationship between the stator magnetic pole core and the rotor magnet illustrated in FIG. 1, and (B) is an X in (A). It is a figure which expands and shows a part. コギングリップルの測定結果を示す波形図である。It is a wave form diagram which shows the measurement result of a cogging ripple. 高調波トルクリップルの測定結果を示す波形図である。It is a wave form diagram which shows the measurement result of a harmonic torque ripple. コア形状による13次高調波重畳後の磁束波形を示すグラフである。It is a graph which shows the magnetic flux waveform after the 13th harmonic addition by a core shape. 非特許文献1に開示のトルクリップル補正法を説明する図である。It is a figure explaining the torque ripple correction method disclosed in Non-Patent Document 1. (A)は、特許文献3に開示のブラシレスモータの径方向断面図であり、(B)は、(A)に示す羽根部の1個を拡大して示す図である。(A) is radial direction sectional drawing of the brushless motor disclosed by patent document 3, (B) is a figure which expands and shows one of the blade | wing parts shown to (A).

以下、例示に基づき、本発明を説明する。図1は、本発明を具体化したステータ磁極コアを組み込んだブラシレスモータの第1の例を示す断面図である。図示のブラシレスモータは、3相16極(ロータマグネット極数)、12ステータ磁極(スロット)を有するアウターロータタイプのブラシレスモータとして例示したが、3相分の角度を、2相とすることにより2相についても適用可能であり、また、ブラシレスモータの基本構成であるマグネット極数Pと、ステータ磁極数MとをP:M=8:6、12:9、16:12とする基本的な構成を含むすべてのブラシレスモータに適用可能である。さらに、本発明は、ブラシモータだけでなく、有ブラシ直流電動機を含む全ての直流電動機に適用することができる。有ブラシ直流電動機もまた、コギングトルク及びトルクリップルを低減することが求められている。   Hereinafter, the present invention will be described based on examples. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a first example of a brushless motor incorporating a stator magnetic pole core embodying the present invention. The illustrated brushless motor is illustrated as an outer rotor type brushless motor having three-phase 16 poles (the number of rotor magnet poles) and 12 stator magnetic poles (slots). The basic configuration is applicable to the phase, and the basic configuration of the brushless motor is that the number of magnet poles P and the number of stator poles M are P: M = 8: 6, 12: 9, 16:12. It is applicable to all brushless motors including Furthermore, the present invention can be applied not only to brush motors but also to all DC motors including brushed DC motors. Brushed DC motors are also required to reduce cogging torque and torque ripple.

図1において、ブラシレスモータの固定側には、金属製の取付板に取り付けられると共に軸受が内部に備えられた軸受ホルダ、及び該軸受ホルダの外周側において巻線を巻回したステータ磁極コア(積層コア)が配置されている。図示の例において、この巻線を巻回したステータ磁極コアの固定は、取付板に固定された軸受ホルダの外周に対して行われる。軸受ホルダの中には中空円筒形状の含油軸受が備えられると共に、その中央底部には、中空の含油軸受に挿入されるシャフトの先端部を支持するスラスト受け、及びシャフト先端側に形成した溝に嵌合した抜け止めワッシャを収容している。   In FIG. 1, on the fixed side of the brushless motor, a bearing holder that is attached to a metal mounting plate and has a bearing therein, and a stator magnetic core that is wound around the outer periphery of the bearing holder (stacked) Core) is arranged. In the illustrated example, the stator magnetic pole core around which the winding is wound is fixed to the outer periphery of the bearing holder fixed to the mounting plate. The bearing holder is provided with a hollow cylindrical oil-impregnated bearing, and at the center bottom thereof is a thrust receiver that supports the tip of the shaft inserted into the hollow oil-impregnated bearing, and a groove formed on the shaft tip side. Contains a fitted retaining washer.

また、回転側は、中央でシャフトに固着されたロータケースと、これに取り付けられたロータマグネットとからなっている。このロータマグネットは、ステータ磁極コアに対して径方向の外側から空隙を介して臨むように、円筒状を有している。例示のブラシレスモータは、電子整流回路を備えている。電子整流回路は、ホール素子を用いてロータの回転角度位置を検知して、その検知信号に基づき、複数の巻線のそれぞれに流す電流を制御するものであるが、それ自体は周知である。さらに、例示のモータは、CDチェンジャー等のディスク回転駆動装置に応用した例を示しており、ロータケース上端には、光ディスク等が載置され、さらにその上からマグネットを用いたクランパーにより固定される(図示省略)。また、ロータケースを取付板側に引き付けておくために吸引マグネットが備えられる。なお、本発明の特徴とする磁極コアを有ブラシ直流電動機に適用した場合、この磁極コアは回転側に位置する点で、図1に例示のブラシレスモータとは相違することになる。但し、いずれの直流モータも、所定の磁界を発生する電機子(界磁マグネットと相互作用させトルク(回転力)を得るための磁界を発生させるもの)とこの電機子と所定の空隙を介して対向配置される(界磁)マグネットを備えている。   The rotation side is composed of a rotor case fixed to the shaft at the center and a rotor magnet attached to the rotor case. The rotor magnet has a cylindrical shape so as to face the stator magnetic pole core from the outside in the radial direction through a gap. The illustrated brushless motor includes an electronic rectifier circuit. The electronic rectifier circuit detects the rotational angle position of the rotor using a Hall element, and controls the current flowing through each of the plurality of windings based on the detection signal. Furthermore, the illustrated motor shows an example applied to a disk rotation drive device such as a CD changer. An optical disk or the like is placed on the upper end of the rotor case, and is further fixed by a clamper using a magnet from above. (Not shown). An attraction magnet is provided to attract the rotor case to the mounting plate side. When the magnetic pole core, which is a feature of the present invention, is applied to a brushed DC motor, the magnetic pole core is different from the brushless motor illustrated in FIG. 1 in that the magnetic core is located on the rotating side. However, any DC motor has an armature that generates a predetermined magnetic field (which generates a magnetic field for interacting with a field magnet to obtain torque (rotational force)) and this armature through a predetermined gap. Oppositely disposed (field) magnets are provided.

図2(A)は、図1に例示のステータ磁極コアとロータマグネットの配置関係を示す図であり、(B)は、(A)中のX部を拡大して示す図であり、(C)は、折曲角度を説明するためにその羽根部を取り出して示す図である。ステータ磁極コアは、円環状の中央ヨーク部と、該中央ヨーク部から径方向に放射状に伸びるアーム部と、アーム部先端から周方向両側に伸びる羽根部とから成っている。アーム部間には、アーム数(磁極数)と同数のスロットが形成され、ここに巻線がなされる。ロータマグネットは、所定の径方向厚みを有する円筒形状であり、その外周側及び内周側は、シャフト軸心を中心とする同心円上にある。羽根部の外周面は、マグネット内周面から所定間隔(空隙)を開けるように形成している。X部拡大図である図2(B)に示すように、個々の羽根部の形状は、シャフト軸心から径方向に伸びる中心線に対して対称である。シャフト軸心は、コア軸心に一致する。2つずつ対になった7次折曲点対及び5次折曲点対が、空隙に対向する羽根部端面において、中心線を対称として位置している。2つの7次折曲点対の間に位置するアーム部の外周面は、シャフト軸心を中心とする円弧の上にあり、これを図中において、中央円弧部と表示している。この円弧部において、ロータマグネットとの間の空隙は、一定間隔である。この7次折曲点対のそれぞれにおいて、羽根部外周面は、ロータマグネットから遠ざかるように、言い換えると、羽根部を薄くするように、テーパー状に折り曲げた(角度α1)形状にしている。これによって、7次折曲点を周方向外側に過ぎると、ロータマグネットとの間の間隔(距離)は、直線的に増加する。即ち、コア軸心との間の径方向距離は短くなる。そして、周方向の両側においてそれぞれ、5次折曲点に至る。この5次折曲点では、角度α1よりも大きな角度α2で、羽根部外周面は、テーパー状に折り曲げた形状にしている。これによって、5次折曲点を周方向外側に過ぎると、ロータマグネットとの間の間隔(距離)は、さらに大きな割合で、羽根部外端まで直線的に増加し、逆に、コア軸心との間の径方向距離は短くなる。   2A is a diagram showing the arrangement relationship between the stator magnetic pole core and the rotor magnet illustrated in FIG. 1, and FIG. 2B is an enlarged view of an X portion in FIG. ) Is a view showing the blade portion taken out for explaining the bending angle. The stator magnetic pole core includes an annular central yoke portion, an arm portion extending radially from the central yoke portion, and a blade portion extending in the circumferential direction from the tip of the arm portion. Between the arm portions, as many slots as the number of arms (the number of magnetic poles) are formed, and windings are formed here. The rotor magnet has a cylindrical shape having a predetermined radial thickness, and the outer peripheral side and the inner peripheral side thereof are on concentric circles centering on the shaft axis. The outer peripheral surface of the blade portion is formed so as to open a predetermined interval (gap) from the inner peripheral surface of the magnet. As shown in FIG. 2B, which is an enlarged view of the portion X, the shape of each blade portion is symmetric with respect to a center line extending in the radial direction from the shaft axis. The shaft axis coincides with the core axis. A pair of seventh and fifth bending points, which are paired in pairs, are located symmetrically with respect to the center line on the end face of the blade facing the gap. The outer peripheral surface of the arm part located between two 7th-order bending point pairs is on an arc centered on the shaft axis, and this is indicated as a central arc part in the figure. In this arc part, the space | gap between rotor magnets is a fixed space | interval. In each of the seventh bending point pairs, the outer peripheral surface of the blade portion is formed into a shape that is bent in a taper shape (angle α1) so as to be away from the rotor magnet, in other words, the blade portion is thinned. As a result, when the seventh bending point is passed outward in the circumferential direction, the distance (distance) between the rotor magnet and the rotor magnet increases linearly. That is, the radial distance from the core axis is shortened. And it reaches the fifth bending point on both sides in the circumferential direction. At the fifth-order bending point, the blade portion outer peripheral surface is bent into a taper shape at an angle α2 larger than the angle α1. As a result, when the fifth bending point is passed to the outer side in the circumferential direction, the distance (distance) between the rotor magnet and the rotor magnet increases linearly to the outer end of the blade portion at a larger rate, and conversely, the core axis The radial distance between is reduced.

図示のステータ磁極は、12極として例示しているので、図示のように、電気角360°に相当する2磁極間の機械角Aをθとすると、θ=60°の機械角となる。この60°の機械角Aが、基本波成分に相当する。3次高調波に対応する機械角は、60°(θ)/3=20°(B)となるが、この角度Bを、シャフト軸心と(空隙に対向する羽根部端面における)羽根部両外端を結ぶ線のなす角度であるコア開角に一致させる。また5次高調波に対応する機械角は、60°(θ)/5=12°(C)、7次高調波に対応する機械角は、60°(θ)/7=8.57°(D)となるが、これをそれぞれ上記の5次折曲点、7次折曲点に対応させる。これによって、3次高調波、5次高調波、7次高調波をそれぞれ連続したコア形状にすることにより、高調波を重畳したコアが成立する。さらに、より高次の例えば、13次の高調波を重畳する場合は、13次高調波に対応するより小さな機械角60°/13=4.6°の位置に、13次折曲点を設定してその位置からマグネットから遠ざかるようにテーパー状に折り曲げた形状にする。   Since the illustrated stator magnetic pole is exemplified as 12 poles, as shown in the figure, when the mechanical angle A between two magnetic poles corresponding to an electrical angle of 360 ° is θ, the mechanical angle is θ = 60 °. This mechanical angle A of 60 ° corresponds to the fundamental wave component. The mechanical angle corresponding to the third harmonic is 60 ° (θ) / 3 = 20 ° (B), and this angle B is determined between the shaft axis and the blade part (at the blade end face facing the air gap). It is made to correspond to the core opening angle which is an angle formed by a line connecting the outer ends. The mechanical angle corresponding to the fifth harmonic is 60 ° (θ) / 5 = 12 ° (C), and the mechanical angle corresponding to the seventh harmonic is 60 ° (θ) /7=8.57° (D). These correspond to the fifth and seventh bending points, respectively. As a result, the third harmonic, the fifth harmonic, and the seventh harmonic are formed into a continuous core shape, thereby forming a core on which harmonics are superimposed. Furthermore, when superimposing higher-order, for example, 13th-order harmonics, set the 13th-order bending point at a smaller mechanical angle of 60 ° / 13 = 4.6 ° corresponding to the 13th-order harmonics. The taper is bent away from the magnet from that position.

アーム部からの磁束は、アーム部先端で羽根部の両方向に分岐することを考慮すれば、アーム部幅Eとして、羽根部の幅WはW=1/2*Eの関係とするのが適切である。さらに、羽根部の先端側厚みW1(図2(C))は、中央部の厚みWの半分程度が、磁気的な飽和の限界となる。この幅W1の角度換算から、α2は30°以下にすることが望ましい。また、コギングおよびトルクリップルを低減させつつ、逆起電力Ecは一定の最大エネルギーを出すような工夫が必要である。逆起電力Ec変化は、磁束変化を表す。これは、トルクおよび無負荷回転数に影響する。このため、磁気抵抗は、羽根部中心から端部まで一定の割合で変化するのが望ましい。それ故に、折曲角度α1は5°〜15°、α2はα1+(5°〜15°)程度が望ましい。なお、折曲角度α1、α2は、それぞれ、アーム部外周面中心における接線とのなす角度としている。   Considering that the magnetic flux from the arm part branches in both directions of the blade part at the tip of the arm part, it is appropriate that the width W of the blade part is W = 1/2 * E as the arm part width E. It is. Furthermore, the tip side thickness W1 (FIG. 2C) of the blade portion is about half the thickness W of the central portion, which is the limit of magnetic saturation. From the angle conversion of the width W1, α2 is desirably 30 ° or less. Further, the counter electromotive force Ec needs to be devised so as to give a certain maximum energy while reducing cogging and torque ripple. The back electromotive force Ec change represents a change in magnetic flux. This affects the torque and unloaded rotational speed. For this reason, it is desirable that the magnetic resistance changes at a constant rate from the center of the blade portion to the end portion. Therefore, the bending angle α1 is desirably about 5 ° to 15 °, and α2 is desirably about α1 + (5 ° to 15 °). The bending angles α1 and α2 are angles formed with the tangent at the center of the outer peripheral surface of the arm part.

図3は、図2(B)に例示の羽根部とは異なる別の例を示す図である。図2(B)とは、羽根部外周面の形状のみを異にしている。図3に例示のステータ磁極コアは、5次折曲点のみを設定している。X部拡大図である図3(B)に示す中央円弧部は、5次折曲点間の間のアーム部外周面に相当する。この中央円弧部は、シャフト軸心(コア軸心)を中心とする円弧の上にある。この円弧部において、ロータマグネットとの間の空隙は、一定間隔である。この両方の5次折曲点のそれぞれにおいて、羽根部外周面は、ロータマグネットから遠ざかるように(コア軸心に近づくように)テーパー状に折り曲げた(角度α)形状にしている。これによって、5次折曲点を周方向外側に過ぎると、ロータマグネットとの間の間隔(距離)は、羽根部外端まで直線的に増加する。   FIG. 3 is a diagram illustrating another example different from the blade portion illustrated in FIG. It differs from FIG. 2B only in the shape of the outer peripheral surface of the blade portion. In the stator magnetic pole core illustrated in FIG. 3, only the fifth-order bending point is set. The central arc portion shown in FIG. 3B, which is an enlarged view of the X portion, corresponds to the outer peripheral surface of the arm portion between the fifth bending points. The central arc portion is on an arc centered on the shaft axis (core axis). In this arc part, the space | gap between rotor magnets is a fixed space | interval. In each of both of these fifth-order bending points, the outer peripheral surface of the blade portion is formed into a tapered shape (angle α) so as to be away from the rotor magnet (approaching the core axis). Accordingly, when the fifth bending point is passed to the outer side in the circumferential direction, the distance (distance) between the rotor magnet and the rotor magnet increases linearly to the outer end of the blade part.

図3においても、図2と同様に、ステータ磁極を12極として、2極間(電気角で360°)をθ(A)とすると、θ=60°の機械角Aとなる。この60°の機械角Aが、基本波成分に相当する。3次高調波に対応する機械角Bは、60°(θ)/3=20°となるが、この角度Bを、コア開角(シャフト軸心と羽根部両外端を結ぶ線のなす角度)に一致させる。また5次高調波に対応する機械角Cは、60°(θ)/5=12°、となるが、これを5次折曲点に対応させる。これによって、3次高調波、5次高調波をそれぞれ連続したコア形状にすることにより、高調波を重畳したコアが成立する。また、上述の例と同様な理由で、折曲角度αは5°〜30°程度が望ましい。   In FIG. 3, as in FIG. 2, if the stator magnetic pole is 12 poles and the distance between the two poles (360 ° in electrical angle) is θ (A), the mechanical angle A is θ = 60 °. This mechanical angle A of 60 ° corresponds to the fundamental wave component. The mechanical angle B corresponding to the third harmonic is 60 ° (θ) / 3 = 20 °, and this angle B is defined as the core opening angle (the angle formed by the line connecting the shaft axis and the outer ends of the blades). ) To match. The mechanical angle C corresponding to the fifth harmonic is 60 ° (θ) / 5 = 12 °, and this is made to correspond to the fifth bending point. As a result, a core in which harmonics are superimposed is established by making the core shape in which the third harmonic and the fifth harmonic are continuous. For the same reason as in the above example, the folding angle α is preferably about 5 ° to 30 °.

本発明は、各高調波の次数(奇数次:2n+1、n:自然数)を機械角度に換算し、その換算角度において、磁気抵抗(空隙距離)を変化させることにより、対応した高調波成分を導入する。モータの極数とコア外形の寸法によるが、効果的な次数は2n+1=3〜21次が現実的である。高調波の組み合わせは、単独でも複数組みあわせでも可能である。なお、磁束分布は、フーリエ級数の奇関数により表すことができるので、量産時の高調波の次数のばらつきは、奇数関数に変換される。例えば、6次高調波なら5次または7次の近いほうに変換される。   The present invention converts the order of each harmonic (odd order: 2n + 1, n: natural number) into a mechanical angle, and changes the magnetoresistance (gap distance) at the converted angle, thereby corresponding harmonic components. Is introduced. Depending on the number of poles of the motor and the dimensions of the core outer shape, the effective order is 2n + 1 = 3 to 21st. A combination of harmonics can be used alone or in combination. Since the magnetic flux distribution can be represented by an odd function of the Fourier series, the variation in the order of harmonics during mass production is converted to an odd function. For example, the 6th harmonic is converted to the 5th or 7th order closer.

図1及び図2に示したステータ磁極コアを有するブラシレスモータを製作して、種々の特性を測定したが、いずれの特性も良好なものであった。
(1)コギングリップル
図4は、コギングリップルの測定結果を示す波形図である。横軸は、時間を表している。コギングリップルKpp:0.196g・cmに抑えられていることが分かる。
(2)トルクリップル
図5は、高調波トルクリップルの測定結果を示す波形図である。モータが一回転する間のトルクを縦軸に示している。トルクリップルは、0.47mNmに抑えられていることが分かる。
(3)騒音測定結果
騒音測定結果及び逆起電力Ec測定結果も、また、良好なものであった。本発明は、部分的な磁気抵抗変化を利用するが、部分的な高調波の磁束は積分され正弦波となる。これによって、本発明によれば、正弦波逆起電力Ecによるピュアトーン(純粋な音)を実現することができ、これによって、低騒音化(38.80dB)を達成することができた。
A brushless motor having the stator magnetic pole core shown in FIGS. 1 and 2 was manufactured, and various characteristics were measured. All the characteristics were good.
(1) Cogging ripple FIG. 4 is a waveform diagram showing the measurement result of cogging ripple. The horizontal axis represents time. It can be seen that the cogging ripple is suppressed to Kpp: 0.196 g · cm.
(2) Torque Ripple FIG. 5 is a waveform diagram showing measurement results of harmonic torque ripple. The vertical axis represents the torque during one rotation of the motor. It can be seen that the torque ripple is suppressed to 0.47 mNm.
(3) Noise measurement results The noise measurement results and the back electromotive force Ec measurement results were also good. Although the present invention utilizes partial magnetoresistance changes, the partial harmonic flux is integrated into a sine wave. As a result, according to the present invention, a pure tone (pure sound) by the sine wave back electromotive force Ec can be realized, and thereby a low noise (38.80 dB) can be achieved.

図6は、コア形状による13次高調波重畳後の磁束波形を示すグラフである。3次高調波をコア開角により、そして、13次高調波を、コア形状により導入したブラシレスモータの磁束波形を示している。なお、13次高調波重畳後の磁束波形は、見易くする目的で、グラフ中において上方にずらせて表示している。実施例1に比較して、磁束波形がより正弦波化することにより、リップル改善が見られる。
FIG. 6 is a graph showing the magnetic flux waveform after superposition of the 13th harmonic due to the core shape. The magnetic flux waveform of the brushless motor in which the third harmonic is introduced by the core opening angle and the thirteenth harmonic is introduced by the core shape is shown. In addition, the magnetic flux waveform after superimposing the 13th harmonic is shifted upward in the graph for the purpose of easy viewing. Compared with the first embodiment, ripples are improved by making the magnetic flux waveform more sinusoidal.

Claims (9)

所定の磁界を発生する電機子とこの電機子と所定の空隙を介して対向配置されるマグネットを備える直流電動機において、前記電機子を構成しコア軸心を中心として放射状に伸びる複数のアーム部とこのアーム部の先端に形成され前記マグネットに対向する羽根部とからなる磁極コアであって、
前記羽根部は前記空隙が周方向に沿って略一定である第1部分とこの第1部分の両側に位置し、前記空隙が周方向に沿って前記第1部分から離れるにつれて広がる一対の第2部分とで形成され、
前記コア軸心と前記第1部分の前記空隙に対向する端面における周方向の両端部とのなす角度をC、前記コア軸心と前記第2部分の前記空隙に対向する端面における周方向の両端部とのなす角度をBとし、
電気角で360°に相当する機械角をθとし、5以上の奇数をNとして、
B=θ/3、C=θ/Nとすることを特徴とする磁極コア。
In a DC motor including an armature that generates a predetermined magnetic field and a magnet that is disposed to face the armature via a predetermined gap, a plurality of arm portions that configure the armature and extend radially about a core axis; A magnetic pole core formed at the tip of the arm portion and composed of a blade portion facing the magnet,
The blade portion is positioned on both sides of the first portion where the gap is substantially constant along the circumferential direction, and a pair of second widening as the gap moves away from the first portion along the circumferential direction. Formed with parts,
An angle formed between the core axis and the both ends in the circumferential direction of the end surface of the first portion facing the gap is C, and both ends in the circumferential direction of the core shaft and the end surface of the second portion facing the gap. The angle formed by the part is B,
The mechanical angle corresponding to 360 ° in electrical angle is θ, and the odd number of 5 or more is N.
A magnetic pole core, wherein B = θ / 3 and C = θ / N.
前記第1部分の外周面を円弧形状にした請求項1に記載の磁極コア。 The magnetic pole core according to claim 1, wherein an outer peripheral surface of the first portion is formed in an arc shape. 前記角度Bは、基本波成分に重乗した磁界強度分布を得るために重乗する3次高調波に対応し、かつ、前記角度Cは、基本波成分に重乗した磁界強度分布を得るために重乗するN次高調波に対応する請求項2に記載の磁極コア。 The angle B corresponds to the third harmonic that is multiplied to obtain the magnetic field strength distribution superimposed on the fundamental wave component, and the angle C is obtained to obtain the magnetic field strength distribution superimposed on the fundamental wave component. The magnetic pole core according to claim 2, which corresponds to an Nth-order harmonic wave that overlaps with. 前記重乗する高調波次数Nは、5から21である請求項3に記載の磁極コア。 The magnetic pole core according to claim 3, wherein the harmonic order N to be multiplied is 5 to 21. 前記N次高調波に対応する機械角の位置で、前記アーム部の外周面を折り曲げた形状にし、かつ、その折り曲げ角度を、アーム部外周面中心における接線とのなす角度として5°〜30°とした請求項3に記載の磁極コア。 The outer peripheral surface of the arm portion is bent at a mechanical angle position corresponding to the Nth harmonic, and the bending angle is 5 ° to 30 ° as an angle formed with the tangent at the center of the outer peripheral surface of the arm portion. The magnetic pole core according to claim 3. 請求項1に記載の磁極コアを用いた直流電動機。 A DC motor using the magnetic pole core according to claim 1. 巻線を巻回した磁極コアに対して、空隙を介して臨むように配置したマグネットを有する直流電動機において、
前記磁極コアは、中央ヨーク部から径方向に放射状に伸びるアーム部と、アーム部先端から周方向両側に伸びる羽根部とを有し、
空隙を介して前記マグネットに臨む前記羽根部の外周面に、羽根部中心に対して対称位置に所定角度をなす折曲点対を設定し、該折曲点対間に位置する中央部外周面を、シャフト軸心を中心とする円弧形状にして、前記マグネットとの間の空隙を一定間隔とし、かつ、該折曲点対のそれぞれから周方向外側においては、前記マグネットから遠ざかるようにテーパー状に折り曲げた形状にし、
電気角360°に相当する2磁極間の機械角Aをθとして、基本波成分に重乗した磁界強度分布を得るために重乗する3次高調波に対応する機械角Bを、θ/3に設定して、この機械角Bを、シャフト軸心と羽根部両外端を結ぶ線のなす角度であるコア開角に一致させ、かつ、
基本波成分に重乗した磁界強度分布を得るために重乗する高次高調波の次数を5以上の奇数Nとして、N次高調波に対応する機械角Cは、θ/Nに設定して、この機械角Cを、前記折曲点対の所定角度に一致させたことから成る直流電動機。
In a DC motor having a magnet arranged so as to face through a gap with respect to a magnetic pole core wound with a winding,
The magnetic pole core has an arm portion extending radially from the central yoke portion in a radial direction, and a blade portion extending from the tip of the arm portion to both sides in the circumferential direction,
On the outer peripheral surface of the blade portion facing the magnet through a gap, a bending point pair having a predetermined angle is set at a symmetrical position with respect to the center of the blade portion, and the outer peripheral surface of the central portion located between the pair of bending points Is formed into an arc shape centered on the shaft axis, the gap between the magnets is set at a constant interval, and the outer circumferential direction from each of the bending point pairs is tapered so as to be away from the magnet. Into a bent shape,
The mechanical angle B corresponding to the third harmonic to be multiplied to obtain the magnetic field intensity distribution superimposed on the fundamental wave component is defined as θ / 3, where θ is the mechanical angle A between the two magnetic poles corresponding to an electrical angle of 360 °. And set this mechanical angle B to coincide with the core opening angle, which is the angle formed by the line connecting the shaft axis and both outer ends of the blade part, and
In order to obtain the magnetic field strength distribution superimposed on the fundamental wave component, the order of the higher harmonics to be superimposed is an odd number N of 5 or more, and the mechanical angle C corresponding to the Nth harmonic is set to θ / N. A DC motor comprising the mechanical angle C matched with a predetermined angle of the bending point pair.
重乗する高調波の数に対応させて複数対の折曲点対を設定し、最も次数の高い高調波に対応する折曲点対間の中央部外周面を円弧形状にし、高調波の次数が低くなるに従い、その折曲点対をより周方向外側において、かつ、前記マグネットからより遠ざかるようにテーパー状により大きな角度で折り曲げた形状にした請求項7に記載の直流電動機。 Multiple pairs of bending points are set according to the number of harmonics to be superimposed, and the outer peripheral surface of the central part between the pair of bending points corresponding to the highest order harmonic is formed into an arc shape, and the harmonic order The DC motor according to claim 7, wherein the bending point pair is bent at a larger angle in a tapered shape so as to be further away from the magnet as the bending point pair is further away from the magnet. 7次高調波及び5次高調波に対応させてそれぞれ第1及び第2の折曲点対を設定し、第1の折曲点対間の中央部外周面を円弧形状にし、第2の折曲点対を第1の折曲点より周方向外側にして、かつ、前記マグネットからより遠ざかるようにテーパー状により大きな角度で折り曲げた形状にした請求項7に記載の直流電動機。
First and second bending point pairs are set corresponding to the seventh harmonic and the fifth harmonic, respectively, and the outer peripheral surface of the central portion between the first bending point pairs is formed into an arc shape, and the second folding point is set. 8. The DC motor according to claim 7, wherein the bending point pair is formed so as to be circumferentially outward from the first bending point and bent at a larger angle with a taper so as to be further away from the magnet.
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