JP2015226467A - 永久磁石モータ - Google Patents

Abstract

【課題】効率が高くコギングトルクが低いモータを提供する。【解決手段】永久磁石モータが、永久磁極を形成する複数の永久磁石を有する。各永久磁石は、中間部が凸状になった円弧面である外面を有する。磁石の内面は、中間部が凹状になった湾曲面である。この湾曲面は、円弧面区分及び２つの平面区分を有する。円弧面は、０．７〜０．９６の極弧角αを有し、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。磁石の内面形状により、ロータ極とステータコア極との間に不均一な空隙が形成される。これによってコギングトルクが低下し、モータ効率が向上してモータノイズが減少する。【選択図】図７

Description

本発明は、電気モータに関し、特にロータとステータの間に不均一な空隙を有する永久磁石モータに関する。

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、ステータコアの周囲に巻かれてステータの磁極を形成する巻線を有する。通常、ステータコアは、ステータの磁束路をもたらすように、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。

通常、ロータの永久磁極は、円弧状の又は傾斜した磁石によって形成され、これらの磁石とステータコアの歯との間には均一な間隙が形成される。この構成のモータは、コギングトルクが高く、モータ効率が低い。

また、図１３に示すように、伝統的なステータコアのコア積層体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１５０と、各歯１５０の遠位端に配置された先端部１７０とを含む。各歯１５０は、歯の（歯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。

従って、効率が高くコギングトルクが低い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、モータの磁極のための永久磁石であって、外面及び内面を備え、外面は、中間部が凸状になった円弧面であり、内面は、中間部が凹状になった湾曲面であり、湾曲面は、円弧面区分及び２つの平面区分を有し、円弧面区分は、２つの平面区分間に接続されて湾曲面全体を形成し、円弧面は、０．７〜０．９６の極弧角αを有し、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である永久磁石を提供する。

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、対応する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。

外面と内面は、永久磁極の各円周方向端部において円弧状の移行面によって接続されることが好ましい。

永久磁石は、その円周方向端部において同じ厚みを有することが好ましい。

第２の態様において、本発明は、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モータであって、ステータは、複数の歯を有するステータコアと、ステータコアの周囲に巻かれたステータ巻線と、ステータコアからステータ巻線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ロータ極を形成する複数の永久磁石とを有し、永久磁極は、ステータコア及びステータ巻線を取り囲み、永久磁石は、中間部が凸状になった円弧面である外面と、中間部が凹状になった湾曲面である内面とを有し、湾曲面は円弧面区分及び２つの平面区分を有し、円弧面区分は、２つの平面区分間に接続されて湾曲面全体を形成し、円弧面は、０．７〜０．９６の極弧角αを有し、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であり、各永久磁石とステータコアの対応する歯との間の空隙の最大値の最小値に対する比率は３〜７であるモータを提供する。

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、対応する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。

外面と内面は、永久磁極の各円周方向端部において円弧状の移行面によって接続されることが好ましい。

永久磁石は、その円周方向端部において同じ厚みを有することが好ましい。

空隙の最大値の最小値に対する比率は５であることが好ましい。

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。

ロータの外側ハウジングの端壁は、複数の換気孔を有し、ステータコア内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。

永久磁石の内面の円弧と、永久磁石の外面の円弧とは同心状であることが好ましい。

ステータコアは、歯が半径方向外向きに延びる外側環状部分と、内側環状部分と、外側環状部分と内側環状部分とを相互結合する複数の接続アームと、各歯の遠位端に配置された先端部とを有し、接続アームの各々の円周方向幅は、各歯の円周方向幅よりも小さいことが好ましい。

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。

ステータコアの隣接する接続アーム間に換気スロットが定められ、この換気スロットは換気孔と流体連通することが好ましい。

各歯の幅をＴ３とし、各歯の高さをＬ１とし、隣接する歯の根元間の円周方向距離をＬ３として、Ｌ１のＬ３に対する比率は１．０〜１．３であり、Ｔ３のＬ３に対する比率は０．８〜１．０であることが好ましい。

外外側環状部分の半径方向幅をＴ１として、Ｔ１のＬ３に対する比率は０．５〜０．６であり、ステータコアの外径をＤとして、Ｔ３のＤに対する比率は０．０７〜０．１であることが好ましい。

上記に照らして、永久磁石の内面及び外面の形状を、ロータの永久磁極とステータの磁極との間に不均一な空隙が形成されるように修正する。これにより、モータのコギングトルクが低下し、従ってモータ効率が向上してノイズが減少する。また、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、歯及び先端部を含むように修正することによってもモータ効率が上昇する。磁心では、歯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。ステータコアの構造の改善により、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。

１つの実施形態によるモータの斜視図である。 外側ハウジンを省いた図１のモータを示す図である。 モータの断面図である。 モータの永久磁極及びステータコアを示す図である。 図４の部分Ａの拡大図である。 図４の永久磁石の斜視図である。 図６の永久磁石の平面図である。 図４の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。 本発明のステータコアを形成する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、伝統的な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。 本発明による磁心を採用したモータと、伝統的な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。 伝統的なステータコアを示す図である。

図１〜図３を参照すると、本発明の好ましい実施形態によるモータ１は、ステータ１２と、このステータに対して回転可能なロータ１０とを含む。ロータ１０は、外側ハウジング１１と、外側ハウジング１１の内面に固定されてロータの永久磁極を形成する複数の永久磁石３とを含む。ステータ１２は、ステータコア１２１と、ステータコア１２１の周囲に巻かれたステータ巻線１２２と、ステータ巻線１２２からステータコア１２１を絶縁するための巻線ブラケット１２３とを含む。巻線ブラケット１２３は、オーバーモールド工程によってステータコア１２１の外面を覆って形成されるが、ステータコア１２１の歯先端部１２１６の、永久磁極３と直面する表面は覆わない。永久磁極３は、ステータコア１２１及びステータ巻線１２２の外側を取り囲んで配置される。

ロータの外側ハウジング１１の端壁は、複数の換気孔１１１を有する。これに対応して、ステータコア１２１の隣接する接続アーム間には、換気孔１１１と流体連通する換気スロット１２１１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４及び図５に示すように、各永久磁極３の内面と、ステータコア１２１の隣接する歯１２１４の先端部１２１６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、永久磁石３とステータコア１２１の対応する歯１２４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。

具体的には、図６及び図７に示すように、ロータ極の各磁石３は、中間部が凸状になった円弧状の外面３１を有する。磁石の内面は、中間部が凹状になった湾曲面であり、円弧面区分３２及び２つの平面区分３３を含む。円弧面区分３２は、２つの平面区分３３間に接続されて湾曲面全体を形成する。円弧状の外面３１は、０．７〜０．９６の極弧角αを有し、極弧角αに対する円弧面区分３２の円弧角βの比率は、０．１５〜０．３５である。このように構成された永久磁極は、利用可能な間隙の利用率を高め、これによってモータ効率をさらに高めることができる。

具体的には、永久磁石３の内面（すなわち円弧面区分３２）の円弧と、永久磁石３の外面（すなわち円弧状の外面３１）の円弧とは同心状である。各平面区分３３は、１つの対応する円弧面区分３２の平面区分３３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、永久磁石３の外面（すなわち円弧状の外面３１）と内面（すなわち１つの円弧面区分３２と２つの平面区分３３によって形成される湾曲面）は、永久磁石の各円周方向端部において、円弧状の移行面３４によって相互接続される。具体的には、永久磁石３は、中間部から円周方向端部に向かって徐々に減少する厚みを有し、この厚みは両端部において同じであり、これによってモータの着実な動作が容易になる。

図８に示すように、ステータコアは、改善された構造を有する。ステータコア１２１は、外側環状部分１２１２と、内側環状部分１２１３と、外側環状部分１２１２から半径方向外向きに延びる複数の歯１２１４と、外側環状部分１２１２と内側環状部分１２１３とを接続する複数の接続アーム１２１５と、各歯１２１４の遠位端に配置された先端部１２１６とを含む。モータの円周方向における各接続アーム１２１５の幅は、各歯１２１４の幅よりも小さく、各先端部１２１６は、対応する歯１２１４の遠位端においてモータの円周方向に延びる。全ての先端部１２１６の外面は、ロータの中心を中心とする仮想円上に位置することが好ましい。

１つの実施形態では、ステータコア１２１の外側環状部分１２１２の外面が、内側環状部分１２１３と同心状の複数の円弧面区分を含み、外側環状部分１２１２の外面から、歯１２１４が半径方向外向きに延びる。

図９に示すように、別の実施形態では、ステータコア１２１の外側環状部分１２１２’の外面が、複数の平面区分を含む。歯１２１４の側面は、外側環状部分１２１２’の外面と実質的に垂直であり、歯１２１４の側面と外側環状部分１２１２’の外面との間の角度は、８５度〜１００度とすることができる。

外側環状部分１２１２’は半径方向幅Ｔ１を有し、各歯１２１４は歯幅Ｔ３を有し、各歯１２１４は高さＬ１、すなわち（歯１２１４が外側環状部分１２１２に接続する）根元から先端部１２１６までの距離Ｌ１を有し、隣接する歯１２１６の根元は、これらの間の円周方向距離Ｌ３を有する。図１０も参照すると、Ｌ１のＬ３に対する比率は１．０〜１．３に設定され、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に設定され、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に設定され、中程度の比率が好ましい。ステータコア２２は外径Ｄを有し、Ｔ３のＤに対する比率は０．０７〜０．１に設定される。

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、外側環状部分の半径方向幅Ｔ１が６．２ｍｍであり、各歯の幅Ｔ３が９ｍｍであり、各歯の高さＬ１が１２．８ｍｍであり、隣接する歯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。

図１３を参照すると、伝統的なステータコアを使用する同じモータモデルでは、ステータコアのコア積層体１００の環状部分１３０の半径方向幅Ｔ１が５．７ｍｍであり、各歯１５０の幅Ｔ３が８ｍｍであり、各歯１５０の高さＬ１が１５．５ｍｍであり、隣接する歯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は、伝統的なコア積層体１００と比べ、歯１２１４の幅Ｔ３、外側環状部分１２１２の半径方向幅Ｔ１、及び隣接する歯１２１４の根元間の円周方向距離Ｌ３を増加させ、歯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では、伝統的なコア積層体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、同じロータと、同じ線径及び巻数のステータ巻線と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、伝統的な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、永久磁極の内面及び外面の形状が、ロータの永久磁極とステータコアの磁極との間に不均一な空隙が形成されるように修正されている。これにより、モータのコギングトルクが低下し、モータ効率が向上してノイズが減少する。また、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、歯及び先端部を含むように修正することによってもモータ効率が向上する。磁心では、歯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になるように設定し、隣接する歯の根元間の円周方向距離Ｌ３に対する各歯の幅Ｔ３の比率を０．８〜１．０になるように設定し、隣接する歯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になるように設定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。本発明の磁心は、モータのロータにおいて使用することもできると理解されたい。

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。

３ 永久磁石
３１ 円弧状の外面
３２ 円弧面区分
３３ 平面区分
３４ 円弧状の移行面

Claims (13)

1. モータの磁極のための永久磁石であって、外面及び内面を備え、前記外面は、中間部が凸状になった円弧面であり、前記内面は、中間部が凹状になった湾曲面であり、
   前記湾曲面は、円弧面区分及び２つの平面区分を有し、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、前記円弧面は、０．７〜０．９６の極弧角αを有し、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、
   ことを特徴とする永久磁石。
2. 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、前記対応する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１に記載の永久磁石。
3. 前記外面と前記内面は、前記永久磁極の各円周方向端部において円弧状の移行面によって接続される、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の永久磁石。
4. 前記永久磁石は、その円周方向端部において同じ厚みを有する、
   ことを特徴とする請求項１、２又は３に記載の永久磁石。
5. 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、複数の歯を有するステータコアと、前記ステータコアの周囲に巻かれたステータ巻線と、前記ステータコアから前記ステータ巻線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永久磁極を形成する複数の永久磁石とを有し、前記永久磁石は、前記ステータコア及び前記ステータ巻線を取り囲み、
   前記永久磁石は、請求項１から４のいずれか１項に記載の永久磁石であり、前記永久磁石の各々と前記ステータコアの対応する歯との間の空隙の最大値の最小値に対する比率は３〜７である、
   ことを特徴とするモータ。
6. 前記空隙の前記最大値の前記最小値に対する前記比率は５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５又は６に記載のモータ。
8. 前記ロータの前記外側ハウジングの端壁は、複数の換気孔を有し、前記ステータコア内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５、６又は７に記載のモータ。
9. 前記永久磁石の前記内面の円弧と、前記永久磁石の前記外面の円弧とは同心状である、
   ことを特徴とする請求項５から８のいずれか１項に記載のモータ。
10. 前記ステータコアは、前記歯が半径方向外向きに延びる外側環状部分と、内側環状部分と、前記外側環状部分と前記内側環状部分とを相互結合する複数の接続アームと、前記歯の各々の遠位端に配置された先端部とを有し、前記接続アームの各々の円周方向幅は、前記歯の各々の円周方向幅よりも小さい、
    ことを特徴とする請求項５から９のいずれか１項に記載のモータ。
11. 前記外側環状部分の前記外面は、複数の平面区分を有し、前記歯の側面は、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１０に記載のモータ。
12. 前記歯の各々の幅をＴ３とし、前記歯の各々の高さをＬ１とし、隣接する前記歯の根元間の円周方向距離をＬ３として、Ｌ１のＬ３に対する比率は１．０〜１．３であり、Ｔ３のＬ３に対する比率は０．８〜１．０である、
    ことを特徴とする請求項１０又は１１に記載のモータ。
13. 前記外側環状部分の半径方向幅をＴ１として、Ｔ１のＬ３に対する比率は０．５〜０．６であり、前記ステータコアの外径をＤとして、Ｔ３のＤに対する比率は０．０７〜０．１である、
    ことを特徴とする請求項１２に記載のモータ。