JP2014110759A - 可変磁束モータ - Google Patents

Abstract

【課題】 構造がより簡単であることから、製造コストを削減することができ、磁束量を集中させ易いことから、性能向上を図ることのできる新規な構造の可変磁束モータを提供すること。
【解決手段】 ロータと前記ロータの内側に配設されるステータとを備える可変磁束モータにおいて、前記ロータは、ロータハウジングと、前記ロータハウジングの内側壁面に取り付けられる複数の単位ロータコア及びマグネットからなり、前記単位ロータコアは、マグネットと交互に配設されており、前記ステータは、ステータコアベース及び前記ステータコアベースの外周面に放射状に等間隔にて形成された複数のティースからなり、前記ティースの末端の両側にはティースイヤが形成されていることを特徴とする可変磁束モータ。
【選択図】 図１

Description

本発明は、モータに係り、さらに詳しくは、ロータに適用されているマグネット中の一部を減磁または着磁させることにより、全体のモータの可変速運転が可能であり、磁束量を集中させて高効率が得られる新規な構造のモータに関する。

一般に、モータの可変速運転と高効率を両立させるために種々の構造及び形状を有するモータが提案されている。その代表例として、可変磁束メモリモータ（Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｆｌｕｘ Ｍｅｍｏｒｙ Ｍｏｔｏｒ：ＶＦＭＭ）（例えば、下記の非特許文献１参照、以下、「先行技術１」と称する。）と、日本特開２００９−１１２４５４号公報に開示されているタイプのモータ（例えは、下記の特許文献１参照、以下、「先行技術２」と称する。）が挙げられる。

先行技術１のＶＦＭＭモータの回転子は、基本的に、スポークタイプのＢＬＤＣモータとほとんど同様である。このモータは、固定子の磁束発生軸であるｄ軸に負のｄ軸電流を流すと、永久磁石の厚さの違いによって永久磁石の幅が狭い部分から永久磁石が減磁されるようなモータである。このような原理に基づいて永久磁石を減磁及び着磁させて可変磁束運転を行うことになる。

先行技術２のモータの場合に、回転子の形態は、基本的に、突極集中捲 構造の外転型ＢＬＤＣモータとほとんど同様である。このモータの特徴は、保磁力が異なる２種の磁石をロータコアに埋め込むが、埋め込むときに異なる極を形成するように周方向に交互に配置されている。すなわち、ロータコアには第１磁石と第２磁石の埋め込みのための孔を形成しなければならず、且つ、ロータコアの内側部に突出部を形成しなければならないため、ロータコアの構造が複雑であり、しかも、製造コストが高騰するという問題点がある。特に、第１マグネットとしてネオジム（Ｎｄ）マグネットを用いるが、これもまた製造コストの高騰の要因となっている。

そこで、本発明者らは、上述の問題点を解消するために、ロータは変形されたスポークタイプの構造を有し、且つ、固定子は突極集中捲構造を有するように変形された新規な構造を提案することにより、磁束量を集中させることができ、しかも、性能向上及び製造コストの削減を両立させることのできる可変磁束モータを開発するに至った。

日本特開２００９−１１２４５４号公報

「有限要素法とＰｒｅｉｓａｃｈモデルを用いた可変磁束メモリモータの永久磁石減磁特性の解析（Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｄｅｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ａ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｆｌｕｘ Ｍｅｍｏｒｙ Ｍｏｔｏｒ Ｕｓｉｎｇ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｒｅｉｓａｃｈ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ ＦＥＭ）」、２００７年度大韓電気学会夏季学術大会論文集２００７．７．１８−２０，ｐｐ．１００３−１００４

本発明の目的は、新規な構造の可変磁束モータを提供することである。

本発明の前記目的及び他の目的は、後述する本発明によって達成可能である。

本発明に係る可変磁束モータは、ロータと前記ロータの内側に配設されるステータとを備える可変磁束モータにおいて、前記ロータは、ロータハウジングと、前記ロータハウジングの内側壁面に取り付けられる複数の単位ロータコア及びマグネットからなり、前記単位ロータコアは、マグネットと交互に配設されており、
前記ステータは、ステータコアベース及び前記ステータコアベースの外周面に放射状に等間隔にて形成された複数のティースからなり、前記ティースの末端の両側にはティースイヤが形成されていることを特徴とする。

本発明において、前記マグネットは、第１マグネット及び第２マグネットからなり、
前記第２マグネットは、
前記単位ロータコアのうち向かい合う一対の単位ロータコアの両側に配設されるマグネット及び前記一対の単位ロータコアを結ぶ線と直交する線が遭遇する一対の単位ロータコアの両側に配設されるマグネットであり、
前記第１マグネットは、第２マグネットを除く残りのマグネットであり、前記第２マグネットは、その両側の両単位ロータコアとなす空間の一部のみを占めているような構造を有する。

本発明において、前記第１マグネットは、フェライトマグネットであり、前記第２マグネットは、アルニコマグネットであることが好ましい。

本発明において、前記第２マグネットの隣り合う単位ロータの間の空間のうち前記第２マグネットが占める空間以外の空間にはスペーサが充填されることが好ましい。

本発明において、前記第２マグネットは、その両側の両単位ロータコアが形成する空間を横切る幅を有することにより、前記両単位ロータコアと接する形状を有することが好ましい。

本発明によれば、構造がより簡単であることから、製造コストを削減することができ、磁束量を集中させ易いことから、性能向上を図ることのできる新規な構造の可変磁束モータが得られる。

本発明に係る可変磁束モータの構造を示す平面図である。 本発明に係る可変磁束モータのロータ構造を示す斜視図である。 本発明に係る可変磁束モータのロータに用いられる単位ロータコアを示す斜視図である。 本発明に係る可変磁束モータのステータを示す斜視図である。 本発明に係る可変磁束モータのステータを示す平面図である。 本発明に係る可変磁束モータの磁束変化を説明するための概念図である。 本発明の実施形態に係る可変磁束モータの無負荷運転時における着磁状態の逆起電力を示すグラフである。 本発明の実施形態に係る可変磁束モータの無負荷運転時における減磁状態の逆起電力を示すグラフである。 本発明の実施形態に係る可変磁束モータの低速運転時におけるトルク特性を示すグラフである。 本発明の実施形態に係る可変磁束モータの高速運転時におけるトルク特性を示すグラフである。

以下、添付図面に基づき、本発明に係る可変磁束モータについて詳細に説明する。

図１は、本発明に係る可変磁束モータの構造を示す平面図であり、図２は、本発明に係る可変磁束モータのロータ１の構造を示す斜視図である。

図１に示すように、本発明に係る可変磁束モータは、ロータ１と、ステータ２とからなる。

本発明において、ロータ１は、ステータ２の外周面に配設される多数の単位ロータコア１０と、第１マグネット１１と、第２マグネット１２及びスペーサ１４を備え、図２に示すように、単位ロータコア１０と、第１マグネット１１と、第２マグネット１２を取り囲んでいるスペーサ１４は、ロータハウジング１３の内側壁面に配設されたアウタケース１５の内側壁面に配設される。

本発明において、ステータ２は、ステータコアベース２１と、このステータコアベース２１の外周面に放射状に形成されている多数のティース２２とからなる。

コイル３は、ステータ１のティース２２に巻き付けられており、隣り合う二つのティース２２の間に形成されるスロットにある程度の空間を占めている。

本発明においては、可変磁束モータとして、図１及び図２に示すように、２４極１８スロットのモデルを例にとって説明しているが、必ずしもこれに限定されるものではなく、必要に応じて、極数及びスロット数を変更してもよい。

２４極１８スロットのモータの場合に、図１に示すように、２４個の単位ロータコア１０が２４個のマグネット１１、１２と交互に配設されている。２４個のマグネットのうち１６個は第１マグネット１１であり、８つは第２マグネット１２である。すなわち、４つの第１マグネット１１の一方の側には２つの第２マグネット１２が設けられているような構造である。図１に示すように、隣り合うマグネットの間には単位ロータコア１０が配設され、第２マグネット１２としては、ロータの１２時方向、３時方向、６時方向及び９時方向に２つずつ合計で８つを用いる。すなわち、隣り合う第２マグネット１２の間に配設される単位ロータコア１０と向かい合う個所の単位ロータコアの両側に第２マグネットが設けられ（図１におけるＡ部参照）、これらの向かい合う両単位ロータコアを結ぶ線と直交する線が遭遇する２つの単位ロータコアの両側にそれぞれ第２マグネットが設けられる（図１におけるＢ部参照）。したがって、合計で８つの第２マグネット１２が適用される。

第２マグネット１２の内周方向及び外周方向にはスペーサ１４が配設されている。第１マグネット１１の場合に、隣り合う単位ロータコア１０の間の空間を全て占めているが、第２マグネット１２は、隣り合う単位ロータコア１０の間の空間の一部を占めており、その残りの空間はスペーサ１４が占めている。スペーサ１４として絶縁性物質を用い、好ましくは、絶縁性プラスチック樹脂を用いる。さらに好ましくは、スペーサ１４は、アウタケース１５と一体にプラスチック樹脂モールディングによって製造される。一方、第２マグネット１２の両端は、図１及び図２に示すように、その両側の両単位ロータコア１０と当接するように隣り合う単位ロータコア１０が形成する空間を横切る幅を有することが好ましい。

アウタケース１５は、単位ロータコア１０と、第１マグネット１１及びスペーサ１４がなす円形の外周面に接するように形成され、ロータハウジング１３の内側面に配設される。好ましくは、アウタケース１５は、絶縁性プラスチック材質で形成する。このアウタケース１５は必須の構成要素ではなく、必要に応じて省略してもよい。

本発明において、第１マグネット１１はフェライトマグネットであり、第２マグネット１２はアルニコマグネットである。これらの２種類の磁石が有する保磁力の違いを用いて、モータの回転特性を制御することができる。すなわち、着磁電流及び減磁電流を用いて第２マグネット１２の磁束量を調節することにより、モータの出力、トルク、回転数特性などを必要に応じて制御してもよい。

図３は、本発明に係る可変磁束モータのロータ１に用いられる単位ロータコア１０を示す斜視図である。

図３に示すように、本発明の単位ロータコア１は、その両側面にマグネットが取り付けられる構造を有し、多数のマグネットと単位ロータコア１０が反復的に取り付けられて全体的に円形状を呈することになる。隣り合うマグネットへの取り付けのために、単位ロータコア１０の両側面に溶接線１０ａを形成してもよい。この溶接線１０ａに沿ってレーザ溶接を行うことにより、マグネットと単位ロータコアとの結束が行われる。もちろん、取り付け方法はこのようなレーザ溶接に何ら限定されるものではなく、種々の取り付け方法が採用可能である。例えば、かしめや圧着、その他の溶接方法が採用可能である。

図４は、本発明に係る可変磁束モータのステータ２を示す斜視図であり、図５は、本発明に係る可変磁束モータのステータ２を示す平面図である。

図４及び図５に示すように、本発明に係るステータ２は、円形のステータコアベース２１と、このステータコアベース２１の外周面に放射状に等間隔にて形成されているティース２２とからなる。このティース２２の末端の両側にはティースイヤ２３が形成されている。このステータ２は、一般に、バラバラのコア鋼板を繰り返し積み重ねて形成する。ステータコアベース２１の内周面には複数のベース溶接溝２１ａが形成されているが、これらのベース溶接溝２１ａに沿ってレーザ溶接を行うことにより、多数枚のコア鋼板が上手に固定される。もちろん、レーザ溶接以外のかしめなどの方法を適用してもよい。

隣り合う両ティース２２の間に形成された空間は、スロット２５を形成する。ティース２２にはコイルが巻き付けられる。コイルを巻き付ける前に、ティース２２とコイル３とを電気的に絶縁させるためにインシュレータ（図示せず）でティース２２を包み込んでもよい。ティースの末端部の外周面には、内側にやや窪んだティース溝部２２ａが形成されており、ティースの末端両側のティースイヤ２３にも同様に、内側にやや窪んだティースイヤ溝部２３ａが形成されている。このようなティース溝部２２ａ及びティースイヤ溝部２３ａは、磁束量が集中して発生しうるコギングトルクを低減する役割を果たす。

ティース溝部２３ａにはティース溶接溝２２ｂが形成されているが、このティース溶接溝２２ｂは、上述のベース溶接溝２１ａと同様に、溶接などの方法によりバラバラのステータコアを互いに結合する役割を果たす。

図６は、本発明に係る可変磁束モータの磁束変化を説明するための概念図である。

図６を参照すると、図６において、ステータのＡ部をアルニコ磁石である第２マグネット１２の間のｄ軸の位置に整列させ、着磁電流を流して第２マグネットを着磁させる。逆に、減磁させる場合には、着磁時と同様に、ｄ軸位置を整列した後、起磁力の方向とは逆方向に負（−）のｄ軸電流を流して第２マグネットを減磁させればよい。

実施例
本発明に係る可変磁束モータの減磁特性を解析するために、有限要素解析（Ｆｉｎｉｔｅ ＥｌｅｍｅｎｔＡｎａｌｙｓｉｓ：ＦＥＡ）法を採用した。２４極１８スロット型のモータを作製し、種々の解析条件下でＦＥＡを採用した。

先ず、無負荷運転を行い、４５ｒｐｍにてアルニコマグネットの完全着磁時における逆起電力を測定し、４５ｒｐｍにてアルニコマグネットを減磁させた状態で運転して逆起電力を測定した。測定結果を図７及び図８に示す。図７は、アルニコマグネットの完全着磁時の結果であり、図８は、減磁時の結果である。

図７及び図８に示すように、完全着磁時及び減磁時における逆起電力を比較して可変磁束が可能であるか否かを予測した。その結果、完全着磁時における逆起電力は９．９Ｖであり、且つ、減磁時における逆起電力は７．７Ｖであり、約２２％の可変磁束が可能であることが分かる。

次いで、低速運転時における運転特性を解析するために、４７ｒｐｍ及び１２５０ｒｐｍにて運転したときのトルクを予測した。図９に低速運転時におけるトルク特性を示す。１２５０ｒｐｍの高速運転時におけるトルク特性は図１０に示す。低速運転時の平均トルクは２５．２Ｎｍであり、高速運転時の平均トルクは４．１８Ｎｍであることが分かる。

上述した本発明の具体的な説明及び実施形態は本発明を例示するための説明に過ぎず、本発明の範囲を定めるためのものではないことに注意すべきである。本発明の範囲は下記の特許請求の範囲によって定められるものであり、この範囲内における単純な変形や変更はいずれも本発明の範囲に属するものと理解さるべきである。

１：ロータ
２：ステータ
３：コイル
１０：単位ロータコア
１１：第１マグネット
１２：第２マグネット
１３：ロータハウジング
１４：スペーサ
１５：アウタケース
２１：ステータコアベース
２１ａ：ベース溶接溝
２２：ティース
２２ａ：ティース溝部
２２ｂ：ティース溶接溝
２３：ティースイヤ
２３ａ：ティースイヤ溝部
２５：スロット

Claims (5)

1. ロータと前記ロータの内側に配設されるステータとを備える可変磁束モータにおいて、
   前記ロータは、ロータハウジングと、前記ロータハウジングの内側壁面に取り付けられる複数の単位ロータコア及びマグネットからなり、前記単位ロータコアは、マグネットと交互に配設されており、
   前記ステータは、ステータコアベース及び前記ステータコアベースの外径面に放射状に等間隔にて形成された複数のティースからなり、前記ティースの末端の両側にはティースイヤが形成されていることを特徴とする可変磁束モータ。
2. 前記マグネットは、第１マグネット及び第２マグネットからなり、
   前記第２マグネットは、
   前記単位ロータコアのうち向かい合う一対の単位ロータコアの両側に配設されるマグネット及び前記一対の単位ロータコアを結ぶ線と直交する線が遭遇する一対の単位ロータコアの両側に配設されるマグネットであり、
   前記第１マグネットは、第２マグネットを除く残りのマグネットであり、前記第２マグネットは、その両側の両単位ロータコアとなす空間の一部のみを占めていることを特徴とする請求項１に記載の可変磁束モータ。
3. 前記第１マグネットは、フェライトマグネットであり、前記第２マグネットは、アルニコマグネットであることを特徴とする請求項２に記載の可変磁束モータ。
4. 前記第２マグネットの隣り合う単位ロータの間の空間のうち前記第２マグネットが占める空間以外の空間にはスペーサが充填されることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の可変磁束モータ。
5. 前記第２マグネットは、その両側の両単位ロータコアが形成する空間を横切る幅を有することにより、前記両単位ロータコアと接する形状を有することを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の可変磁束モータ。