JP2015226466A - 電気モータ - Google Patents

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ジャオ ジアン
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Guo Wei Sun
ウェイ スン グオ
リ ヨン
Lee Yon
リ ヨン
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ワン ヨン
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ジアン ジャオ ホン
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Abstract

【課題】鉄損が低く、従って効率を高めたモータを提供する。
【解決手段】電気モータが、巻線形のステータと、外側ロータとを有する。ステータのコアは、外側環状部分及び内側環状部分を有する。外側環状部分からは、歯部分が半径方向外向きに延びる。外側環状部分と内側環状部分は、接続アームによって相互接続される。接続アームの幅は、歯部分の幅よりも小さい。隣接する歯部分の根元間の距離L3に対する歯高L1の比率は、1.0〜1.3である。歯幅T3のL3に対する比率は、0.8〜1.0である。歯長T1のL3に対する比率は、0.5〜0.6である。ステータコアの外径Dに対するT3の比率は、0.07〜0.1である。
【選択図】図6

Description

本発明は、電気モータに関し、特に外側ロータを有するブラシレスモータに関する。
電気モータは、ステータと、このステータに対して回転可能なロータとを有する。外側ロータモータでは、ロータがステータの周囲に配置される。ブラシレスDCモータでは、ロータが、1又はそれ以上の永久磁石によって形成又は生成された磁極を有する一方で、ステータは、ステータの磁極を形成する巻線を有する。ステータコアは、ステータ巻線の取り付け及び位置決めを行ってステータに磁束路を提供するための重要な要素である。通常、ステータコアは、ケイ素鋼から成る積み重なったコア積層体によって形成される。
ステータコアは、モータの作動中に磁束に対する磁気抵抗を有するので、ステータコアを通る磁束は熱を発する。また、動作中にはステータコア自体が導体であるため、磁力線と直交する平面内に誘電電位が生じる。この誘電電位は、ステータコアの横断面に渦電流を生じ、これによりステータコアが熱を生じてモータの渦電流損失を引き起こす。ステータコアには、ヒステリシス損失と渦電流損失が生じ、これらはまとめてモータの鉄損と呼ばれる。積層体を使用することで渦電流損失は減少するが、これらは依然として有意な場合がある。
図1に示すように、伝統的なステータコアを形成するためのコア積層体100は、環状部分130と、この環状部分130から半径方向外向き延びる複数の歯部分150と、各歯部分150の遠位端に配置された先端部170とを含む。各歯部分150は、歯部分の(歯部分150が環状部分130に接続する)根元から先端部170まで、大きな高さ、すなわち長い距離で伸長する。これによって磁路が長くなり、従って磁気抵抗が大きくなる。コア積層体100によって形成されたステータコアを通る磁束は大量の熱を発し、従ってモータの鉄損が大きくなって効率が低下する。
モータ効率を高めるには、鉄損が減少するようにステータコアを改善する必要がある。鉄損を減少させるための典型的な方法は、低鉄損のケイ素鋼を使用することである。しかしながら、低鉄損のケイ素鋼はコストが高く、ひいてはモータの全体的なコストが高くなる。
従って、鉄損が低く、従って効率を高めたモータに対する要望がある。
従って、本発明は、その1つの態様において、ステータと、ステータに対して回転可能なロータとを備えた電気モータであって、ステータは、ステータコアと、ステータコアの周囲に巻かれたステータ巻線と、ステータ巻線からステータコアを絶縁するための巻線ブラケットとを有し、ロータは、外側ハウジングと、外側ハウジングの内面に固定されてステータコア及びステータ巻線の外側を取り囲む複数の永久磁極とを有し、ステータコアは、外側環状部分と、内側環状部分と、外側環状部分から半径方向外向きに延びる複数の歯部分と、外側環状部分と内側環状部分とを相互接続する複数の接続アームと、各歯部分の遠位端に配置された先端部とを有し、モータの円周方向における接続アームの幅が、この円周方向における歯部分の幅よりも小さい電気モータを提供する。
巻線ブラケットは、オーバーモールド工程によってステータコアの外面を覆って形成されることが好ましい。
外側環状部分の外面は、複数の平面区分を有し、歯部分の側面は、対応する平面区分と実質的に垂直であることが好ましい。
ロータの外側ハウジングの端壁は、複数の換気孔を定め、ステータコアの接続アームのうちの隣接する接続アーム間に換気スロットが定められ、換気スロットは、換気孔と流体連通することが好ましい。
歯部分の各々の幅をT3とし、各歯部分の高さをL1とし、隣接する歯部分の根元間の円周方向距離をL3として、L1のL3に対する比率が1.0〜1.3であり、T3のL3に対する比率が0.8〜1.0であることが好ましい。
外側環状部分の半径方向幅をT1として、T1のL3に対する比率が0.5〜0.6であることが好ましい。
ステータコアの外径をDとして、T3のDに対する比率が0.07〜0.1であることが好ましい。
永久磁極の外面は、中間部が凸状になった外弧面であり、永久磁極の内面は、中間部が凹状になった湾曲面であり、この湾曲面は、円弧面区分と2つの平面区分とを含み、円弧面区分は、2つの平面区分間に接続されて湾曲面の全体を形成し、外弧面は、0.7〜0.96の極弧角αを有し、外弧面の極弧角αに対する円弧面区分の円弧角βの比率は、0.15〜0.35であることが好ましい。
円弧面区分と対応する平面区分とを接続する地点を通る円弧面区分の半径方向の線と、平面区分との間に形成される角度θは、85度〜95度であることが好ましい。
各永久磁極とステータコアの対応する先端部との間の間隙の最大値の最小値に対する比率は3〜7であることが好ましい。
外側環状部分の半径方向幅T1は6.2mmであり、各歯部分の歯幅T3は9mmであり、各歯部分の高さL1は12.8mmであり、隣接する歯部分の根元間の円周方向距離L3は10.3mmであることが好ましい。
第2の態様によれば、本発明は、電気モータのための磁心であって、コア積層体の積み重ねによって形成され、コア積層体の各々は、外側環状部分と、内側環状部分と、外側環状部分から半径方向外向きに延びる複数の歯部分と、外側環状部分と内側環状部分とを相互接続する複数の接続アームと、各歯部分の遠位端に配置された先端部とを有し、モータの円周方向における接続アームの幅は、前記円周方向における歯部分の幅よりも小さく、外側環状部分の半径方向幅をT1とし、各歯部分の歯幅をT3とし、各歯部分の高さをL1とし、各2つの隣接する歯部分の根元間の円周方向距離をL3として、L1のL3に対する比率が1.0〜1.3であり、T3のL3に対する比率が0.8〜1.0であり、T1のL3に対する比率が0.5〜0.6である磁心を提供する。
コア積層体の外径をDとして、T3のDに対する比率が0.07〜0.1であることが好ましい。
外側環状部分の外面は、複数の平面区分を含み、歯部分の側面は、外側環状部分の外面と実質的に垂直であることが好ましい。
外側環状部分の半径方向幅T1は6.2mmであり、各歯部分の歯幅T3は9mmであり、各歯部分の高さL1は12.8mmであり、隣接する歯部分の根元間の円周方向距離L3は10.3mmであることが好ましい。
本発明のモータでは、ステータコアの構造を、内側環状部分、接続アーム、外側環状部分、歯部分及び先端部を含むように修正することによってモータ効率が向上する。磁心では、歯部分の高さが減少することによって磁路が短縮され、従って磁気抵抗が減少する。具体的には、各2つの隣接する歯部分の根元間の円周方向距離L3に対する磁心のコア積層体の歯高L1の比率を1.0〜1.3に設定し、各歯部分の歯幅T3と、各2つの隣接する歯部分の根元間の円周方向距離L3との比率を0.8〜1.0に設定し、各2つの隣接する歯部分の根元間の円周方向距離L3に対する環状部分の半径方向幅T1の比率を0.5〜0.6に設定し、コア積層体の外径Dに対する各歯部分の歯幅の比率を0.07〜0.1に設定し、これによってステータコアの磁気抵抗が効果的に減少し、結果的にモータの鉄損が減少してモータ効率が向上する。
以下、添付図面の図を参照しながら、本発明の好ましい実施形態をほんの一例として説明する。図では、複数の図に出現する同一の構造、要素又は部品には、一般にこれらが出現する全ての図において同じ参照番号を付している。一般に、図に示す構成要素及び特徴部の寸法は、表現の便宜上明瞭にするために選択したものであり、必ずしも縮尺通りではない。以下、各図を列挙する。
既知のステータコアのコア積層体を示す図である。 本発明の1つの実施形態によるモータの斜視図である。 図2のモータの長手方向断面図である。 図2のモータの断面図である。 図2のモータのステータを示す図である。 1つの実施形態によるステータコアを示す図である。 別の実施形態によるステータコアを示す図である。 1つの実施形態による磁心を示す図である。 別の実施形態による磁心を示す図である。 本発明のステータコアのコア積層体に関する寸法比率値を示す図である。 1つの実施形態によるステータコアのコア積層体と、既知のコア積層体とに関する寸法比率値の比較を示すチャートである。 本発明によるステータコアを採用したモータと、既知のステータコアを採用したモータの効率の比較を示すチャートである。 1つの実施形態による、ロータの永久磁極の斜視図である。 図13の永久磁極の上面図である。 モータの永久磁極及びステータコアの拡大した部分的上面図である。
図2〜図4に、本発明の好ましい実施形態によるモータを示す。このモータは、ステータ2と、このステータ2に対して回転可能なロータ4とを含む。ロータ4は、外側ハウジング42と、外側ハウジング42の内面に固定された複数の永久磁極44とを含む。ステータ2は、ステータコア22と、ステータコア22の周囲に巻かれたステータ巻線24と、ステータ巻線24からステータコア22を絶縁するための絶縁巻線ブラケット26とを含む。永久磁極44は、ステータコア22及びステータ巻線24の外側を取り囲む。
図5〜図7も参照すると、本発明のモータのステータコアは、改善された構造を有する。ステータコア22は、外側環状部分又はリング221と、内側環状部分223又はリングと、外側環状部分221から半径方向外向きに延びる複数の歯部分225と、外側環状部分221と内側環状部分223とを接続する複数の接続アーム227と、各歯部分225の遠位端に配置された先端部229とを含む。モータの円周方向における接続アーム227の幅は、歯部分225の円周方向幅よりも小さく、各先端部229は、対応する歯部分225の遠位端においてモータの円周方向に延びる。
巻線ブラケット26は、オーバーモールド工程によってステータコア22の外面を覆って形成されるが、ステータコア22の先端部229の、ロータ4の永久磁極44と直面する表面は覆わない。図5では、巻線ブラケットによって覆われた下層の歯部分を示すために、ステータ巻線の1つのコイルを省略している。
ロータの外側ハウジング42の端壁は、複数の換気孔422を定める。ステータコア22の隣接する接続アーム227間には、換気孔422と流体連通する換気スロット228が定められる。この配置は、モータの内部からの熱放散を容易にする。
図6を参照すると、本発明の1つの実施形態では、ステータコア22の外側環状部分221の外面が、内側環状部分223と同心状の複数の円弧面区分を含む。歯部分225は、外側環状部分221の外面から半径方向外向きに延びる。
図7を参照すると、別の実施形態では、ステータコア22の外側環状部分221’の外面が、複数の平面区分を含む。歯部分225の側面は、外側環状部分221’の外面と実質的に垂直であり、歯部分225の側面と外側環状部分221’の外面との間の角度は、85度〜100度とすることができる。
ステータコア22は外径Dを有し、外側環状部分221は半径方向幅T1を有し、各歯部分225は歯幅T3を有し、各歯部分225は高さL1、すなわち(歯部分225が外側環状部分221に接続する)歯の根元から先端部229までの距離L1を有し、隣接する歯部分225の根元は、これらの間の円周方向分離距離L3を有する。L1のL3に対する比率は、1.0〜1.3である。T3のL3に対する比率は、0.8〜1.0である。T1のL3に対する比率は、0.5〜0.6である。T3のDに対する比率は、0.07〜0.1である。
本発明は、モータのための磁心をさらに提供する。この磁心は、ステータコアとして使用することができる。
本発明の磁心は、積み重なったコア積層体によって形成される。図8に、1つの実施形態によるコア積層体1を示す。コア積層体1は、外側環状部分11と、内側環状部分13と、外側環状部分11から半径方向外向きに延びる複数の歯部分15と、外側環状部分11と内側環状部分13とを接続する複数の接続アーム17と、歯部分15の遠位端に配置された先端部19とを含む。コア積層体1の円周方向における接続アーム17の幅は、歯部分15の円周方向幅よりも小さく、先端部19は、対応する歯部分15の遠位端においてコア積層体の円周方向に延びる。
図10も参照すると、コア積層体1は外径Dを有し、外側環状部分11は半径方向幅T1を有し、各歯部分15は歯幅T3を有し、各歯部分15は高さL1、すなわち(歯部分15が外側環状部分11に接続する)根元から先端部19までの距離L1を有し、各2つの隣接する歯部分15の根元は、これらの間の円周方向距離L3を有する。L1のL3に対する比率は1.0〜1.3であり、より大きな比率が好ましい。T3のL3に対する比率は0.8〜1.0であり、中程度の比率が好ましい。T1のL3に対する比率は0.5〜0.6であり、中程度の比率が好ましい。T3のDに対する比率は0.07〜0.1であり、より大きな比率が好ましい。
この実施形態では、外側環状部分11の外面が、内側環状部分13と同心状の複数の円弧面区分を含む。歯部分15は、外側環状部分11の外面から半径方向外向きに延びる。
図9に、別の実施形態によるコア積層体1を示す。この実施形態のコア積層体1は、外側環状部分11’の外面が複数の平面区分を含む点で上記の実施形態と異なる。歯部分15の側面は、外側環状部分11’の外面と実質的に垂直であり、歯部分15の側面と外側環状部分11’の外面との間の角度は、85度〜100度とすることができる。
図11を参照すると、本発明の磁心をステータコアとして使用するモータでは、コア積層体1の外側環状部分11の半径方向幅T1が6.2mmであり、各歯部分15の歯幅T3が9mmであり、各歯部分15の高さL1が12.8mmであり、隣接する歯部分15の根元間の円周方向距離L3が10.3mmである。L1のL3に対する比率は1.25であり、T3のL3に対する比率は0.88であり、T1のL3に対する比率は0.6である。
既知のステータコアを使用する同様のモータでは、コア積層体100の環状部分130の半径方向幅T1が5.7mmであり、各歯部分150の歯幅T3が8mmであり、各歯部分150の高さL1が15.5mmであり、隣接する歯部分150の根元間の円周方向距離L3が9.3mmである。L1のL3に対する比率は、本発明の1.0〜1.3を上回る1.67であり、T3のL3に対する比率は0.86であり、T1のL3に対する比率は、本発明の0.5〜0.6を上回る0.62である。本発明のコア積層体1は、既知のコア積層体100と比べ、歯部分15の歯幅T3、外側環状部分11の半径方向幅T1、及び隣接する歯部分15の根元間の円周方向距離L3を増加させ、歯部分15の高さL1を減少させることによって実現される。磁気回路を最適化した新たなコア積層体1では、既知のコア積層体100と比べて磁路が短縮され、これによってモータの磁気抵抗及び鉄損が減少し、従ってモータの効率が向上する。
図12を参照すると、実験によって検証されるように、同じロータ、同じステータ巻線の線径及び巻数を有するモータでは、本発明の磁心を有するモータの平均効率が82.11%であり、既知の磁心を有するモータの平均効率が78.76%である。従って、本発明の磁心を使用することにより、モータの効率が3.35%向上する。
コア積層体1は、磁気伝導能力が良好なケイ素鋼板又はニッケル−鉄軟質磁気合金板を打ち抜くことによって形成することができる。或いは、このコア積層体は、その他の磁気伝導性材料によって形成することもできる。
要約すれば、本発明のモータでは、ステータコアの構造を、内側環状部分、接続アーム、外側環状部分、歯部分及び先端部を含むように修正することによってモータ効率が向上する。磁心では、歯部分の高さが減少することによって磁路が短縮され、従って磁気抵抗が減少する。具体的には、隣接する歯部分の根元間の円周方向距離L3に対する磁心のコア積層体の歯高L1の比率を1.0〜1.3とし、各歯部分の歯幅T3と、各2つの隣接する歯部分の根元間の円周方向距離L3との比率を0.8〜1.0とし、隣接する歯部分の根元間の円周方向距離L3に対する環状部分の半径方向幅T1の比率を0.5〜0.6とし、コア積層体の外径Dに対する各歯部分の歯幅の比率を0.07〜0.1とすることによってステータコアの磁気抵抗が効果的に減少し、結果的にモータの鉄損が減少してモータ効率が向上する。
本発明によるモータの磁心は、巻線形ロータにおいて使用することもできると理解されたい。
図13〜図15を参照して分かるように、本発明の永久磁極44は最適化することもできる。具体的には、永久磁極44は、中間部が凸状になった円弧状の外面442を有する。永久磁極44は、円弧面区分444及び2つの平面区分446を含む、中間部が凹状になった湾曲した内面を有する。円弧面区分444は、2つの平面区分446間に接続されて湾曲面全体を形成する。円弧状の外面442は、0.7〜0.96の極弧角αを有し、円弧状の外面442の極弧角αに対する円弧面区分444の円弧角βの比率は、0.15〜0.35である。
具体的には、永久磁極44の内面(すなわち円弧面区分444)の円弧と、永久磁極44の外面(すなわち円弧状の外面442)の円弧とは同心状である。各平面区分446は、1つの対応する円弧面区分444の平面区分446に接続する端部における半径に対して、85度〜95度の角度θを成す。また、永久磁極44の外面442と内面は、永久磁極44の2つの各両端部において、円弧状の移行面448によって相互接続される。具体的には、永久磁極44は、中間部から両側部に向かって徐々に減少する厚みを有する。
各永久磁極44の内面と、ステータコアの対応する歯部分225の先端部229の外面との間には、空隙が形成される。空隙の最小値δminに対する空隙の最大値δmaxの比率は3〜7であり、好ましくは5である。従って、永久磁極44とステータコア22の対応する歯部分225との間に形成される空隙は均一でなく、これによってモータの動作中におけるコギングトルク、従ってノイズが減少する。
本出願の明細書及び特許請求の範囲では、記述する項目又は特徴の存在を明示する一方でさらなる項目又は特徴の存在を排除しないように、「備える、含む、有する(comprise、include、contain及びhave)」という動詞、並びにその派生形の各々を包括的な意味で使用している。
明確化のために別個の実施形態の文脈で説明した本発明のいくつかの特徴は、単一の実施形態において組み合わせて提供することもできると理解されたい。これとは逆に、簡潔さを期すために単一の実施形態の文脈で説明した本発明の様々な特徴を別個に、又はいずれかの好適な下位の組み合わせで提供することもできる。
上述した実施形態はほんの一例にすぎず、当業者には、添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の範囲から逸脱することなく、他の様々な修正が明らかである。
22 ステータコア
221 外側環状部分
223 内側環状部分
225 歯部分
227 接続アーム
228 換気スロット
229 先端部

Claims (15)

  1. ステータと、前記ステータに対して回転可能なロータとを備えた電気モータであって、
    前記ステータは、ステータコアと、前記ステータコアの周囲に巻かれたステータ巻線と、前記ステータ巻線から前記ステータコアを絶縁するための巻線ブラケットとを有し、
    前記ロータは、外側ハウジングと、前記外側ハウジングの内面に固定されて前記ステータコア及び前記ステータ巻線の外側を取り囲む複数の永久磁極とを有し、
    前記ステータコアは、外側環状部分と、内側環状部分と、前記外側環状部分から半径方向外向きに延びる複数の歯部分と、前記外側環状部分と前記内側環状部分とを相互接続する複数の接続アームと、前記歯部分の各々の遠位端に配置された先端部とを有し、前記モータの円周方向における前記接続アームの幅は、前記円周方向における前記歯部分の幅よりも小さい、
    ことを特徴とする電気モータ。
  2. 前記巻線ブラケットは、オーバーモールド工程によって前記ステータコアの外面を覆って形成される、
    ことを特徴とする請求項1に記載のモータ。
  3. 前記外側環状部分の外面は、複数の平面区分を有し、前記歯部分の側面は、対応する前記平面区分と実質的に垂直である、
    ことを特徴とする請求項1又は2に記載のモータ。
  4. 前記ロータの前記外側ハウジングの端壁は、複数の換気孔を定め、前記ステータコアの前記接続アームのうちの隣接する接続アーム間に換気スロットが定められ、前記換気スロットは、前記換気孔と流体連通する、
    ことを特徴とする請求項1、2又は3に記載のモータ。
  5. 前記歯部分の各々の幅をT3とし、前記歯部分の各々の高さをL1とし、隣接する前記歯部分の根元間の円周方向距離をL3として、L1のL3に対する比率が1.0〜1.3であり、T3のL3に対する比率が0.8〜1.0である、
    ことを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載のモータ。
  6. 前記外側環状部分の半径方向幅をT1として、T1のL3に対する比率が0.5〜0.6である、
    ことを特徴とする請求項5に記載のモータ。
  7. 前記ステータコアの外径をDとして、T3のDに対する比率が0.07〜0.1である、
    ことを特徴とする請求項5又は6に記載のモータ。
  8. 前記永久磁極の外面は、中間部が凸状になった外弧面であり、前記永久磁極の内面は、中間部が凹状になった湾曲面であり、前記湾曲面は、円弧面区分と2つの平面区分とを含み、前記円弧面区分は、前記2つの平面区分間に接続されて前記湾曲面の全体を形成し、前記外弧面は、0.7〜0.96の極弧角αを有し、前記外弧面の前記極弧角αに対する前記円弧面区分の円弧角βの比率は、0.15〜0.35である、
    ことを特徴とする請求項1から7のいずれか1項に記載のモータ。
  9. 前記円弧面区分と対応する平面区分とを接続する地点を通る前記円弧面区分の半径方向の線と、前記平面区分との間に形成される角度θは、85度〜95度である、
    ことを特徴とする請求項8に記載のモータ。
  10. 前記永久磁極の各々と前記ステータコアの対応する前記先端部との間の間隙の最大値の最小値に対する比率は3〜7である、
    ことを特徴とする請求項8又は9に記載のモータ。
  11. 前記外側環状部分の前記半径方向幅T1は6.2mmであり、前記歯部分の各々の前記幅T3は9mmであり、前記歯部分の各々の前記高さL1は12.8mmであり、前記隣接する歯部分の前記根元間の前記円周方向距離L3は10.3mmである、
    ことを特徴とする請求項1から10のいずれか1項に記載のモータ。
  12. 電気モータのための磁心であって、前記磁心は、コア積層体の積み重ねによって形成され、前記コア積層体の各々は、外側環状部分と、内側環状部分と、前記外側環状部分から半径方向外向きに延びる複数の歯部分と、前記外側環状部分と前記内側環状部分とを相互接続する複数の接続アームと、前記歯部分の各々の遠位端に配置された先端部とを有し、前記モータの円周方向における前記接続アームの各々の幅は、前記円周方向における前記歯部分の各々の幅よりも小さく、前記外側環状部分の半径方向幅をT1とし、前記歯部分の各々の幅をT3とし、前記歯部分の各々の高さをL1とし、隣接する前記歯部分の根元間の円周方向距離をL3として、L1のL3に対する比率が1.0〜1.3であり、T3のL3に対する比率が0.8〜1.0であり、T1のL3に対する比率が0.5〜0.6である、
    ことを特徴とする磁心。
  13. 前記コア積層体の外径をDとして、T3のDに対する比率が0.07〜0.1である、
    ことを特徴とする請求項12に記載の磁心。
  14. 前記外側環状部分の外面は、複数の平面区分を含み、前記歯部分の側面は、前記外側環状部分の前記外面と実質的に垂直である、
    ことを特徴とする請求項12又は13に記載の磁心。
  15. 前記外側環状部分の前記半径方向幅T1は6.2mmであり、前記歯部分の各々の前記幅T3は9mmであり、前記歯部分の各々の前記高さL1は12.8mmであり、隣接する前記歯部分の前記根元間の前記円周方向距離L3は10.3mmである、
    ことを特徴とする請求項12、13又は14に記載の磁心。
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