JP2013118788A - ブラシレスモータ - Google Patents

Abstract

【課題】ＩＰＭブラシレスモータにおいて、トルクリップルの抑制を図る。
【解決手段】ロータコア１１と、直方体形状を有する複数のマグネット１２とを有している。マグネット１２は、中心から半径方向に延びる基準線Ｓとその側面１２ａの両端間の中心点Ｃとが直交するようにロータコア１１の外周部分に埋め込まれている。ロータコア１１は、マグネット１２の各端部の部分に、一対のフラックスバリア３０と、これらフラックスバリア３０の間の部分に、線対称に配置された一対のスリット４０とを有している。スリット４０は、外端４０ａが内端４０ｂよりも基準線Ｓから離れるように傾斜しており、分割線Ｄで中心点Ｃと端Ｅとの間を１１等分した場合に、内端４０ｂが基準線Ｓから端Ｅに向かって８本目の分割線Ｄより外側に位置している。
【選択図】 図４

Description

本発明は、埋込磁石型のブラシレスモータに関し、その中でも特にロータに形成されたスリットの構造に関する。

ブラシレスモータには、ロータへの磁石の取り付け方の違いから表面磁石型（ＳＰＭ）と埋込磁石型（ＩＰＭ）とがある。ＳＰＭモータでは、ロータの外周表面に磁石が貼り付けられており、ＩＰＭモータでは、ロータの内部に磁石が埋設されている。

ＩＰＭモータは、ＳＰＭモータと比べて、磁石がロータから剥がれるおそれがなく、リラクタンストルクを積極的に利用できる等の利点がある。ＩＰＭモータは、例えば、エアコンや冷蔵庫などに使用される圧縮機の駆動源として用いられている。

ＩＰＭモータでは、磁気特性を改良するために、ロータに埋設された永久磁石の外周側に複数のスリットが形成される場合がある。これら複数のスリットについては様々な形状や配置が提案されている。

例えば、特許文献１には、複数のスリットをモータの回転方向や反回転方向に傾斜させたＩＰＭモータや、複数のスリットが磁極の中心線側に傾斜して形成されているＩＰＭモータが開示されている。

特に、特許文献１では、磁極のスリットの傾斜方向を回転方向と反回転方向とに交互に変えるなど、隣り合う磁極のトルクの位相をずらすことが提案されており、そうすることで、トルクの高調波成分が相殺され、トルクリップルの低減が図れることが開示されている。

特開２０１１−７８２８３号公報

特許文献１の方法では、隣り合う磁極間でスリットの形状や配置を非対称状にするなど、スリットの構造が複雑で、扱い難い難点がある。

そこで、本発明の目的は、簡素な構造のスリットでも効果的にトルクリップルの低減が図れるブラシレスモータを提供することにある。

本発明に係るブラシレスモータは、埋込磁石型のブラシレスモータであり、回転軸を中心に回転するシャフトと、前記シャフトに中心を合わせて固定された円柱状のロータと、前記ロータの周囲に間隙を介して配置されたステータとを備える。前記ロータは、ロータコアと、直方体形状を有する複数のマグネットとを有している。前記複数のマグネットが、前記回転軸の方向から見て、中心から半径方向に延びる基準線と当該マグネットの側面の両端間の中心点とが直交するように、前記ロータコアの外周部分に等間隔で埋め込まれている。

前記ロータコアは、前記マグネットの前記側面の各端部から半径方向外側に拡がって、前記回転軸方向に貫通する一対のフラックスバリアと、前記一対のフラックスバリアの間の部分に、前記基準線に対して線対称に配置され、前記回転軸方向に貫通する一対のスリットとを有している。

そして、前記回転軸の方向から見て、前記スリットは、半径方向外側に位置する外端が半径方向内側に位置する内端よりも前記基準線から離れて位置するように傾斜している。更に、前記基準線と平行な分割線で、前記中心点と前記端との間を１１等分した場合に、前記スリットの前記内端が、当該基準線から当該端に向かって８本目の当該分割線より外側に位置している。

このように、マグネットの端部近くの所定範囲にスリットを位置させれば、簡素な構造のスリットであっても、トルクリップルを効果的に抑制することができる。

特に、前記スリットの前記側面からの傾斜角度は、８０°以下に設定するのが好ましい。

そうすれば、よりいっそうトルクリップルを効果的に抑制することができる。

例えば、前記ロータコアには、前記一対のスリットのみが形成されていればよいが、前記ロータコアに、前記基準線上に配置され、前記回転軸方向に貫通する中央スリットが更に形成されていてもよい。また、前記ロータコアにおける前記中央スリットと前記一対のスリットとの間の部分に、前記基準線に対して線対称状に配置された一群の補助スリットが更に形成されていてもよい。

本発明のブラシレスモータによれば、トルクリップルを効果的に抑制することができ、生産性の向上も図ることができる。

実施形態のモータを示す概略斜視図である。 モータの概略断面図である。 図２におけるＩ−Ｉ線から見た概略断面図である。 図３の要部を拡大して示した概略図である。 スリットの傾斜角度とトルクリップルとの関係を表したグラフである。 スリットの傾斜を説明するための図である。 スリットの形成位置とトルクリップルとの関係を表したグラフである。 変形例のモータを示す概略図である。 変形例のモータを示す概略図である。 変形例のモータを示す概略図である。 （ａ）、（ｂ）は、スリットの変形例を示す概略図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。ただし、以下の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物あるいはその用途を制限するものではない。

（モータの全体構成）
図１〜図３に、本実施形態のモータ１を示す。このモータ１は、インナーロータ型のブラシレスモータであり、例えば冷蔵庫等のコンプレッサの駆動源として用いられる。モータ１は、シャフト２やモータケース３、ロータ４、ステータ５、配電部材７などで構成されている。

図２に示すように、シャフト２はモータケース３にベアリング６を介して支持されており、回転軸Ａを中心に回転する。シャフト２の中間部分には、外観が円柱形状をしたロータ４がシャフト２と回転の中心を合わせた状態で固定されている。

ロータ４は、ロータコア１１や複数（本実施形態では６個）のマグネット１２などで構成されている。ロータコア１１は、円板状の複数の金属板を回転軸Ａの方向（回転軸Ａが延びている方向）に積層することにより、円柱状に形成されている。このモータ１は、いわゆる埋込磁石型のモータであり（ＩＰＭモータ）、各マグネット１２はロータコア１１の外周部分に埋設されている。

図３にその横断面を示すように、各マグネット１２は、いずれも同形同寸法であり、直方体形状を有している。具体的には、図４に示すように、各マグネット１２は、細長い平板形状をしており、長方形をした一対の側面１２ａと、これら側面１２ａに連なる一対の長手端面１２ｂ及び一対の短手端面１２ｃとを有している。これらマグネット１２は、短手端面１２ｃを回転軸Ａの方向に向けた状態で、周方向に等間隔でＳ極とＮ極とが交互に並ぶように配置されている。ロータ４の細部構造については後述する。

モータケース３の内側には、外観が円筒形状をしたステータ５が取り付けられている。ステータ５の内周面は、僅かな間隙を隔ててロータ４の外周面と対向している。

ステータ５は、ステータコア２１やコイル２２などで構成されている。ステータコア２１は、円環状のベース部２１ａと、ベース部２１ａの内周面から中心方向に放射状に突出した複数（本実施形態では９個）のティース部２１ｂとを有している。これらティース部２１ｂのそれぞれに、絶縁性のインシュレータ（図示せず）を介してワイヤを巻き付けることにより、複数（本実施形態では９個）のコイル２２が形成されている。

モータケース３の内部には、接続端子等で構成された配電部材７が設置されている。モータ１に対して図外の電源から供給される電流は、この配電部材７を通じて各コイル２２に所定のタイミングで供給される。それにより、ロータ４の各マグネット１２と、ステータ５の各コイル２２との間の磁界が変動してトルクが発生し、シャフト２が回転する。このモータ１は、正転及び逆転のいずれも可能であり、供給電流の制御方法に従って回転する。

シャフト２が回転する際、ロータ４とステータ５の間で磁力が変動して、トルクリップル（脈動）が発生する。このトルクリップルを効果的に抑制するために、このモータ１のロータコア１１には、スリット４０が形成されている。特に、生産性の向上等も踏まえて、簡素な構成で効率よくトルクリップルが抑制できるように、スリット４０の位置や角度が工夫されている。

（ロータの細部構成）
図４に、回転軸Ａの方向から見た、マグネット１２が埋設されているロータコア１１の外周部分を示す。６箇所あるいずれの外周部分もその構成は同じである。マグネット１２やスリット４０の位置、角度等の条件については、本図を用いて説明する。

マグネット１２は、ロータコア１１の外周縁の近傍に、その側面１２ａを半径方向に向けた状態でロータコア１１に埋設されている。詳しくは、中心（回転軸Ａ）から半径方向に延びる仮想の基準線Ｓが、マグネット１２の側面１２ａの両端間の中心点Ｃを通るように引いたとき、その基準線Ｓが側面１２ａと直交するように設定されている。

マグネット１２の両端が位置するロータコア１１の部分には、磁束の短絡を防止するために、一対のフラックスバリア３０，３０が形成されている。詳しくは、マグネット１２の側面１２ａの各端部、具体的には、半径方向外側に面する側面１２ａが長手端面１２ｂと連なっている各端部が位置する部分に、フラックスバリア３０として、回転軸Ａの方向にロータコア１１を貫通する長孔が形成されている。

フラックスバリア３０は、各端部から半径方向外側に拡がる横断面を有している。詳しくは、その横断面は、マグネット１２の半径方向外側に面する側面１２ａの端の周囲（側面１２ａと長手端面１２ｂとの間の角の部分）を含んでロータコア１１の外周面の近傍まで拡がる略扇形状ないし略正方形状をしている。

そして、マグネット１２よりも半径方向外側のロータコア１１の外周部分であって、これらフラックスバリア３０の間の部分に、フラックスバリア３０と同様に、回転軸Ａの方向に貫通する２つのスリット４０，４０が形成されている。これらスリット４０の位置及び形状は、基準線Ｓに対して線対称になっている。

各スリット４０は、概ね半径方向に延びた細長い略長方形の横断面を有している。スリット４０の半径方向外側に位置する端部（外端４０ａともいう）は、スリット４０の半径方向内側に位置する端部（内端４０ｂともいう）よりも基準線Ｓから離れて位置するように傾斜している。

このモータ１では、各スリット４０の外端４０ａは、それぞれが対向しているロータコア１１の外周縁の部分と略平行であり、各スリット４０の内端４０ｂは、マグネット１２の側面１２ａと略平行である。

各スリット４０のマグネット１２の側面１２ａからの傾斜角度θは、８０°以下に設定されている。

具体的には、図４に示すように、各スリット４０の長軸ｍ（スリット４０の幅中心を通る線）が、マグネット１２の側面１２ａ（同図では、側面１２ａと平行な基準線ｎを用いている）と交わる角度が８０°以下となるように設定されている。このように、各スリット４０の傾斜角度θを設定することで、トルクリップルを抑制することができる。

図５に、スリット４０の傾斜角度θとトルクリップルとの関係を調べるために行った試験結果（グラフ）を示す。縦軸はトルクリップルの大きさを表している。横軸はスリット４０の傾斜角度θを表している。破線は、比較対象として、スリット４０が形成されていない場合の試験結果を表している。

なお、試験では、図６に矢印で示すように、スリット４０がマグネット１２の側面１２ａに対して直交した状態（傾斜角度θ＝９０°）からスリット４０を傾斜させて、所定の角度でトルクリップルを測定した。傾斜角度θ以外はいずれも条件は同じである。

図５に示したように、傾斜角度θが小さくなるに従ってトルクリップルは小さくなることが確認された。特に、スリット４０が形成されていない場合と比較した場合、およそ８０°以下でトルクリップルが小さくなることが確認された。ただし、傾斜角度θをあまり小さくすると、スリット４０の外端４０ａがフラックスバリア３０と接触するため、傾斜角度θは２０°以上が好ましい。

従って、各スリット４０の傾斜角度θを８０°以下に設定すれば、トルクリップルの抑制を抑制することができる。

そして、各スリット４０は、フラックスバリア３０の近傍に配置されている。

具体的には、図４に示したように、基準線Ｓと平行な仮想の分割線Ｄ_１〜Ｄ_１０で、マグネット１２の側面１２ａにおける中心点Ｃと端Ｅとの間を１１等分したとする。そうした場合に、スリット４０の内端４０ｂが、基準線Ｓから端Ｅに向かって８本目の分割線Ｄ_８より外側に位置するように配置されている。

換言すれば、マグネット１２の半分の長さをＬとした場合、マグネット１２の長手端部１２ｂから３／１１×Ｌの長さだけ中心点Ｃ側に寄った点を通る分割線Ｄ_８よりも長手端部１２ｂ側にスリット４０の内端４０ｂが位置するように配置されている。このように、各スリット４０の形成位置を設定することで、トルクリップルを抑制することができる。

図７に、スリット４０の形成位置とトルクリップルとの関係を調べるために行った試験結果（グラフ）を示す。縦軸はトルクリップルの大きさを表している。横軸はスリット４０の内端４０ｂの位置であり、図４に示した分割線Ｄ_１〜Ｄ_１０のマグネット１２の端Ｅ（長手端部１２ｂ）からの距離で表している。破線は、比較対象として、スリット４０が形成されていない場合の試験結果を表している。なお、試験条件は、スリット４０の形成位置以外はいずれも同じである。

図７に示したように、スリット４０がマグネット１２の端Ｅ側に近づくに従って、トルクリップルが小さくなることが確認された。特に、スリット４０が形成されていない場合と比較した場合、およそ端Ｅから３／１１×Ｌの位置（基準線Ｓから端に向かって８本目の分割線Ｄ_８の位置）より端Ｅ側でトルクリップルが小さくなることが確認された。

ただし、スリット４０をあまり端Ｅ側に形成すると、フラックスバリア３０と接触するため、端Ｅから１／１１×Ｌの位置（基準線Ｓから端Ｅに向かって１０本目の分割線Ｄ_１０の位置）より中心点Ｃ側にスリット４０を形成するのが好ましい。

傾斜角度θと形成位置の双方を考慮した場合には、特に、傾斜角度θは４０°〜８０°で、形成位置はマグネット１２の端から１／１１×Ｌ〜３／１１×Ｌの範囲とするのが好ましい。

（変形例）
図８〜図１０に、実施形態の変形例を示す。上述した実施形態に示したように、２つのスリット４０，４０が所定位置に配置され、所定角度で形成されていれば、トルクリップルを抑制する効果を得ることができる。

しかし、モータ特性の改良等により、スリット４０を更に形成したい場合がある。そのような場合には、図８等に示すように、基準線Ｓに対して線対称となる位置に、回転軸Ａの方向に貫通して各スリット４０を形成することができる。

具体的には、スリット４０を３つにする場合は、図８に示すように、追加するスリット４０（中央スリット５１）は、基準線Ｓ上に配置する。更に、スリット４０を増やす場合は、図９や図１０に示すように、追加するスリット４０（補助スリット５２）は、２つずつ増やしていく。この場合、補助スリット５２は、中央スリット５１と両端のスリット４０との間の部分に、位置及び傾斜角度θが均等になるように配置する。

そうすれば、所定形態の一対のスリット４０によって得られるトルクリップルの抑制効果を妨げることなく、スリットの数を増やすことができる。しかも、スリット４０が対称状になっているので、生産性に優れる利点があるし、いずれの回転方向に対しても安定したモータ特性を発揮させることができる。

なお、本発明にかかるブラシレスモータは、上述した実施形態に限定されず、それ以外の種々の構成をも包含する。

例えば、実施形態で示したスリット４０の断面形状は一例に過ぎない。スリット４０の断面形状は、図１１の（ａ）に示すように長方形であってもよいし、図１１の（ｂ）に示すように長円形であってもよい。

１ モータ
２ シャフト
４ ロータ
５ ステータ
１１ ロータコア
１２ マグネット
１２ａ 側面
１２ｂ 長手端面
３０ フラックスバリア
４０ スリット
４０ａ 外端
４０ｂ 内端
Ａ 回転軸
Ｓ 基準線
Ｃ 中心点
Ｄ 分割線

Claims (5)

1. 回転軸を中心に回転するシャフトと、
   前記シャフトに中心を合わせて固定された円柱状のロータと、
   前記ロータの周囲に間隙を介して配置されたステータと、
   を備え、
   前記ロータは、
   ロータコアと、
   直方体形状を有する複数のマグネットと、
   を有し、
   前記複数のマグネットが、前記回転軸の方向から見て、中心から半径方向に延びる基準線と当該マグネットの側面の両端間の中心点とが直交するように、前記ロータコアの外周部分に等間隔で埋め込まれている、埋込磁石型のブラシレスモータであって、
   前記ロータコアは、
   前記マグネットの前記側面の各端部から半径方向外側に拡がって、前記回転軸方向に貫通する一対のフラックスバリアと、
   前記一対のフラックスバリアの間の部分に、前記基準線に対して線対称に配置され、前記回転軸方向に貫通する一対のスリットと、
   を有し、
   前記回転軸の方向から見て、
   前記スリットは、半径方向外側に位置する外端が半径方向内側に位置する内端よりも前記基準線から離れて位置するように傾斜しており、
   前記基準線と平行な分割線で、前記中心点と前記端との間を１１等分した場合に、前記スリットの前記内端が、当該基準線から当該端に向かって８本目の当該分割線より外側に位置しているブラシレスモータ。
2. 請求項１に記載のブラシレスモータにおいて、
   前記スリットの前記側面からの傾斜角度が、８０°以下に設定されているブラシレスモータ。
3. 請求項１又は請求項２に記載のブラシレスモータにおいて、
   前記ロータコアに、前記一対のスリットのみが形成されているブラシレスモータ。
4. 請求項１又は請求項２に記載のブラシレスモータにおいて、
   前記ロータコアに、前記基準線上に配置され、前記回転軸方向に貫通する中央スリットが更に形成されているブラシレスモータ。
5. 請求項４に記載のブラシレスモータにおいて、
   前記ロータコアにおける前記中央スリットと前記一対のスリットとの間の部分に、前記基準線に対して線対称状に配置された一群の補助スリットが更に形成されているブラシレスモータ。

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