JP2016100979A

JP2016100979A - モータ

Info

Publication number: JP2016100979A
Application number: JP2014235925A
Authority: JP
Inventors: 樋口　大輔; Daisuke Higuchi; 大輔樋口
Original assignee: Nidec Sankyo Corp
Current assignee: Nidec Sankyo Corp
Priority date: 2014-11-20
Filing date: 2014-11-20
Publication date: 2016-05-30
Anticipated expiration: 2034-11-20
Also published as: JP6484009B2; CN105634167A

Abstract

【課題】ステータコアの突極においてコイル線が巻回されている胴部の無励磁状態での磁束密度を高めた場合でも、コギングを抑制することができるとともに、適正な逆起電力を得ることのできるモータを提供すること。【解決手段】モータ１は、コイル線が巻回された突極２１が周方向に複数形成されたステータコアと、周方向に複数の磁極６２０が形成された円筒状の永久磁石６２を備えたロータとを有している。ｎを１以上の整数としたとき、磁極６２０の数は２×ｎであり、突極２１の数は３×ｎである。突極２１において、コイル線が巻回されている胴部２３は、無励磁状態で磁束密度が１．０Ｔ以上、さらには１．３Ｔ以上であり、飽和磁束密度の９０％以上である。永久磁石６２は、電気角で６５°から７５°のスキュー角θをもって磁極６２０が形成されている。【選択図】図２

Description

本発明は、スキュー角をもって磁極が形成された永久磁石を備えたモータに関するものである。

モータにおいては、永久磁石とステータコアとの磁気的吸引力が回転角度に依存して細かく脈動するコギングが発生する。かかるコギングは、振動や騒音、さらには、制御性能の低下の原因となる。そこで、永久磁石の磁極をスキューをもって形成することによりコギングを抑制することが提案されている。その際、コギングの基本波は、ロータの１回転当たり、永久磁石の磁極数とステータコアのスロットの数の最小公倍数だけ発生するため、コギングの基本波を打ち消すには、スキュー角を電気角で６０°に設定するのが一般的である。例えば、永久磁石の磁極数が８で、ステータコアのスロット数（突極数）が１２である場合、ロータの１回転当たり、コギングの基本波は２４回発生するため、スキュー角を機械角で１５°（電気角で６０°）に設定すれば、コギングの基本波を打ち消すことができる。

一方、ｎを１以上の整数としたとき、永久磁石の磁極数が２×ｎ、ステータコアの突極の数が３×ｎである場合、スキュー角を機械角で、（７６°／ｎ）×０．８から（７６°／ｎ）×１．２とした構成、すなわち、スキュー角を電気角で６０．８°から９１．２°とした構成が提案されている（特許文献１参照）。

特開平５−１６８１８１号公報

ここに、本願発明者は、モータの小型化や偏平化にともなって設計的な自由度が低下していることから、ステータコアの突極においてコイル線が巻回されている胴部の幅を狭くしてコイル線の巻回スペースを広げること等を検討している。しかしながら、突極の胴部の幅を狭くすると、無励磁状態における磁束密度が高くなる結果、コギングトルクが増大し、永久磁石において、電気角で６０°のスキュー角をもって磁極を形成してもコギングトルクが大きいという問題点がある。一方、特許文献１に記載されたスキュー角の範囲（電気角で６０．８°から９１．２°の範囲）では、コギングトルクを抑制するのが困難な場合や、逆起電力の低下や逆起電力の波形の歪の増大等が発生してしまう。

以上の問題点に鑑みて、本発明の課題は、ステータコアの突極においてコイル線が巻回されている胴部の無励磁状態での磁束密度を高めた場合でも、コギングを抑制することができるとともに、適正な逆起電力を得ることのできるモータを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係るモータは、コイル線が巻回された突極が周方向に複数形成されたステータコアと、周方向に複数の磁極が形成された円筒状の永久磁石を備えたロータと、を有するモータにおいて、ｎを１以上の整数としたとき、前記磁極の数が２×ｎであり、前記突極の数が３×ｎであり、前記突極において、前記コイル線が巻回されている胴部は、前記コイル線に通電しない無励磁状態で磁束密度が飽和磁束密度の９０％以上であり、前記永久磁石は、電気角で６５°から７５°のスキュー角をもって前
記磁極が形成されていることを特徴とする。

本発明では、突極においてコイル線が巻回されている胴部は、無励磁状態での磁束密度が飽和磁束密度の９０％以上まで高くしてあるが、永久磁石はスキューをもって磁極が形成されている。また、スキュー角が電気角で６５°から７５°であるため、突極においてコイル線が巻回されている部分の無励磁状態での磁束密度を高めた場合でも、コギングを抑制することができるとともに、適正な逆起電力を得ることができる。

本発明において、前記胴部は、前記コイル線に通電しない無励磁状態で磁気飽和している構成を採用することができる。

本発明は、前記胴部の無励磁状態における磁束密度が１．０Ｔ以上である場合、さらには、前記胴部の無励磁状態における磁束密度が１．３Ｔ以上である場合に適用すると効果的である。

本発明において、前記ステータコアのモータ軸線方向の寸法は、前記永久磁石のモータ軸線方向の寸法より長いことが好ましい。

本発明を適用したモータの一態様を模式的に示す説明図である。本発明を適用したモータの要部を示す説明図である。定格が５０Ｗのモータにおいて、スキュー角を変化させた場合のコギングトルク等の変化を示すグラフである。定格が５０Ｗのモータにおいて、スキュー角を変化させた場合のコギングの測定結果を示す説明図である。定格が１００Ｗのモータにおいて、スキュー角を変化させた場合のコギングトルク等の変化を示すグラフである。定格が１００Ｗのモータにおいて、スキュー角を変化させた場合のコギングの測定結果を示す説明図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。

（モータの全体構成）
図１は、本発明を適用したモータの一態様を模式的に示す説明図である。図２は、本発明を適用したモータの要部を示す説明図であり、図２（ａ）、（ｂ）は、ステータコアの突極の説明図、および永久磁石の説明図である。なお、図１（ａ）では、永久磁石の磁極数が４であるが、図２（ｂ）では、スキューの様子が分かりやすいように、磁極数が８の永久磁石を示してある。

図１に示すように、モータ１では、円筒状のモータケース１０の内周側にステータ２が固定されている。ステータ２は、突極２１が周方向に複数形成されたステータコア２０と、突極２１にインシュレータ２７を介して巻回されたコイル線２８とを有している。ステ
ータコア２０は、磁性板を複数枚積層した構造を有しており、モータケース１０に保持された円環部２２と、円環部２２の周方向の複数個所から径方向内側に突出した突極２１とを備えている。また、突極２１は、円環部２２から径方向内側に突出した胴部２３と、胴部２３の径方向内側端部で周方向に延在する内周側フランジ部２４とを有している。

モータケース１０には、モータ軸線方向Ｌで離間する位置にボールベアリング４、５が保持されており、ボールベアリング４、５によってロータ６が回転可能に支持されている。ロータ６は、モータ軸線方向Ｌに延在する回転軸６１と、回転軸６１の外周面に固定された円筒状の永久磁石６２とを備えており、回転軸６１がボールベアリング４、５によって支持されている。永久磁石６２の外周面６３は、突極２１の内周側フランジ部２４に径方向内側で対向している。

このようにして、モータ１は、インナーロータタイプのブラシレスモータとして構成されており、モータ１を駆動する際、Ｕ、Ｖ、Ｗの各相のコイル線２８にＵ、Ｖ、Ｗの各相の正弦波形状のモータ電流が各々、給電される。

ここで、ステータコア２０は、図２（ａ）に示す分割コア２５を周方向に複数配置することにより構成される場合があり、この場合、分割コア２５は、突極２１の径方向外側端部で周方向に延在する外周側フランジ部２６を有している。従って、分割コア２５を周方向に複数配置した際、周方向で隣り合う分割コア２５の外周側フランジ部２６同士が接することにより円環部２２が構成される。

また、図２（ｂ）に示すように、永久磁石６２は、周方向に複数の磁極６２０が形成されており、複数の磁極６２０では、Ｎ極とＳ極とが交互に配置されている。ここで、永久磁石は、スキュー角θのスキューをもって複数の磁極６２０が形成されている。スキュー角θは、一つの磁極６２０とこれに隣接する磁極６２０との境界線６２５の軸方向両端部の周方向への広がり角度のことである。従って、スキュー角θを一定とすれば、永久磁石６２のモータ軸線方向Ｌの長さＬ６２が長い場合には、磁極６２０と磁極６２０との境界線６２５の傾斜が小さくなり、長さＬ６２が短い場合には、境界線６２５の傾斜は大きくなる。なお、永久磁石６２は、モータ軸線方向Ｌで一体に構成される場合がある他、モータ軸線方向Ｌで複数に分割されている場合もあるが、いずれの場合も、境界線６２５は直線的に延在する。

（詳細構成）
このように構成したモータ１において、ｎを１以上の整数としたとき、磁極６２０の数は２×ｎであり、突極２１の数は３×ｎである。従って、例えば、磁極６２０の数が４の場合、突極２１の数は６であり、磁極６２０の数が６の場合、突極２１の数は９であり、磁極６２０の数が８の場合、突極２１の数は１２である。また、図１に示すように、ステータコア２０のモータ軸線方向Ｌの寸法Ｌ２０は、永久磁石６２のモータ軸線方向Ｌの寸法Ｌ６２より長い。

本形態のモータ１では、突極２１においてコイル線２８が巻回されている胴部２３の幅Ｗ０を狭くし、コイル線２８の巻回スペース等が広く確保されている。その結果、突極２１の胴部２３は、コイル線２８に通電しない無励磁状態で、磁束密度が１．０Ｔ以上、さらには、１．３Ｔ以上であり、磁気飽和している状態、または略磁気飽和している状態にある。より具体的には、突極２１の胴部２３は、無励磁状態で、磁束密度が飽和磁束密度の９０％以上である。

ここで、本形態のモータ１において、永久磁石６２は、後述する理由から、電気角で６５°から７５°のスキュー角θをもって磁極６２０が形成されている。このため、突極２
１の胴部２３の無励磁状態での磁束密度を、略磁気飽和している状態、さらには完全に磁気飽和している状態まで高めた場合でも、コギングを抑制することができるとともに、適正な逆起電力を得ることができる。

（評価結果１）
本例では、定格が５０Ｗのモータ１において、スキュー角θを変化させた場合のコギングトルクや逆起電力への影響を検討し、その結果を図３および図４に示す。

図３は、定格が５０Ｗのモータ１において、スキュー角θを変化させた場合のコギングトルク等の変化を示すグラフであり、図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、スキュー角θとコギングトルクとの関係を示すグラフ、スキュー角θと逆起電力との関係を示すグラフ、およびスキュー角θと逆起電力の歪量との関係を示すグラフである。図４は、定格が５０Ｗのモータ１において、スキュー角θを変化させた場合のコギングの測定結果を示す説明図であり、図４（ａ）、（ｂ）は、スキュー角θを電気角で７０°に設定した実施例のコギングを示す説明図、およびスキュー角θを電気角で６０°に設定した参考例のコギングを示す説明図である。なお、逆起電力の歪量とは、正弦波に対する歪率である。逆起電圧が正弦波の場合にコギングトルクが小さくなり、歪量が大きくなるとコギングトルクも大きくなる傾向にある。従って、逆起電圧の歪率はなるべく小さいことが望ましい。

図３（ａ）に示すように、スキュー角θを６０°に設定した場合、コギングトルクが大きいのに対して、スキュー角θを６０°より大きくするに伴って、コギングトルクが小さくなる。そして、スキュー角θが８５°の場合、コギングトルクが最小となって、８５°を超えると、コギングトルクが増大する。従って、図４（ｂ）に示すように、スキュー角θを６０°に設定した場合には、コギングが大きいのに対して、図４（ａ）に示すように、スキュー角θを７０°に設定した場合には、コギングが小さい。

また、図３（ｂ）に示すように、スキュー角θを６０°から大きくするに伴って、逆起電力は小さくなっていく。また、図３（ｃ）に示すように、スキュー角θを６０°から大きくするに伴って、逆起電力の歪量は、７５°を超えると、急速に増大する。

従って、コギングトルク、逆起電力、および逆起電力の歪量を全て考慮すると、スキュー角θを６５°から７５°の範囲（図３に矢印Ｇで示す範囲）に設定することが好ましく、かかる範囲であれば、突極２１の胴部２３の無励磁状態での磁束密度を、略磁気飽和している状態、さらには完全に磁気飽和している状態まで高めた場合でも、コギングを抑制することができるとともに、適正な逆起電力を得ることができる。これに対して、スキュー角θを６５°未満にすると、コギングが大きく、スキュー角θが７５°を超えると、逆起電力が低下するとともに、逆起電力の歪量が増大してしまう。ここで、逆起電力が小さくなると、モータ１を駆動した際の回転トルクが低下するので、好ましくない。

（評価結果２）
図５は、定格が１００Ｗのモータ１において、スキュー角θを変化させた場合のコギングトルク等の変化を示すグラフであり、図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、スキュー角θとコギングトルクとの関係を示すグラフ、スキュー角θと逆起電力との関係を示すグラフ、およびスキュー角θと逆起電力の歪量との関係を示すグラフである。図６は、定格が１００Ｗのモータ１において、スキュー角θを変化させた場合のコギングの測定結果を示す説明図であり、図６（ａ）、（ｂ）は、スキュー角θを電気角で６８°に設定した実施例のコギングを示す説明図、およびスキュー角θを電気角で６０°に設定した参考例のコギングを示す説明図である。

図５（ａ）に示すように、スキュー角θを６０°に設定した場合、コギングトルクがや
や大きいのに対して、スキュー角θを６０°より大きくするに伴って、コギングトルクが小さくなる。そして、スキュー角θが約７０°の場合、コギングトルクが最小となって、７５°を超えると、コギングトルクが急激に増大する。従って、図６（ｂ）に示すように、スキュー角θを６０°に設定した場合には、コギングが大きいのに対して、図６（ａ）に示すように、スキュー角θを６８°に設定した場合には、コギングが小さい。

また、図５（ｂ）に示すように、スキュー角θを６０°から大きくするに伴って、逆起電力は小さくなっていく。また、図５（ｃ）に示すように、スキュー角θを６０°に設定した場合、逆起電力の歪量が大きいのに対して、スキュー角θを６０°より大きくするに伴って、逆起電力の歪量が小さくなる。そして、スキュー角θが約７０°の場合、逆起電力の歪量が最小となって、７５°を超えると、逆起電力の歪量が急激に増大する。

従って、コギングトルク、逆起電力、および逆起電力の歪量を全て考慮すると、スキュー角θを６５°から７５°の範囲（図５に矢印Ｇで示す範囲）に設定することが好ましく、かかる範囲であれば、突極２１の胴部２３の無励磁状態での磁束密度を、略磁気飽和している状態、さらには完全に磁気飽和している状態まで高めた場合でも、コギングを抑制することができるとともに、適正な逆起電力を得ることができる。これに対して、スキュー角θを６５°未満にすると、コギングが大きく、スキュー角θが７５°を超えると、逆起電力が低下するとともに、逆起電力の歪量が増大してしまう。

（他の実施の形態）
以上、インナーロータタイプのブラシレスモータ（モータ１）を説明してきたが、本発明はこれに限られたものではなく、アウターロータタイプのブラシレスモータにも適用可能である。また、上記実施の形態では、ステータコア２０のモータ軸線方向Ｌの寸法Ｌ２０が永久磁石６２のモータ軸線方向Ｌの寸法Ｌ６２より長い構成であったが、ステータコア２０のモータ軸線方向Ｌの寸法Ｌ２０が永久磁石６２のモータ軸線方向Ｌの寸法Ｌ６２より短いモータに本発明を適用してもよい。

１・・モータ、２・・ステータ、４、５・・ボールベアリング、６・・ロータ、１０・・モータケース、２０・・ステータコア、２１・・突極、２２・・円環部、２３・・胴部、２４・・内周側フランジ部、２５・・分割コア、２６・・外周側フランジ部、２７・・インシュレータ、２８・・コイル線、６１・・回転軸、６２・・永久磁石、６２０・・磁極、６２５・・境界線、Ｌ・・モータ軸線方向、Ｗ０・・胴部の幅、θ・・スキュー角

Claims

コイル線が巻回された突極が周方向に複数形成されたステータコアと、
周方向に複数の磁極が形成された円筒状の永久磁石を備えたロータと、
を有するモータにおいて、
ｎを１以上の整数としたとき、前記磁極の数が２×ｎであり、前記突極の数が３×ｎであり、
前記突極において、前記コイル線が巻回されている胴部は、前記コイル線に通電しない無励磁状態で磁束密度が飽和磁束密度の９０％以上であり、
前記永久磁石は、電気角で６５°から７５°のスキュー角をもって前記磁極が形成されていることを特徴とするモータ。
前記胴部は、前記コイル線に通電しない無励磁状態で磁気飽和していることを特徴とする請求項１に記載のモータ。
前記胴部の無励磁状態における磁束密度が１．０Ｔ以上であることを特徴とする請求項１または２に記載のモータ。
前記胴部の無励磁状態における磁束密度が１．３Ｔ以上であることを特徴とする請求項３に記載のモータ。
前記ステータコアのモータ軸線方向の寸法は、前記永久磁石のモータ軸線方向の寸法より長いことを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載のモータ。