JP2018110508A - モータ回転子及びその形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、モータ回転子を提供する。
【解決手段】偶数個の突起部を有する本体であって、突起部の横断面の外輪郭線が、ｒ＝ｋ×ｓｉｎ（（ｎ／ｄ）×θ）（ただし、ｋは、突起部の外縁と本体の中心との最大直線距離であり、ｎは、突起部の数に対応するパラメータであり、ｄは、外輪郭線の曲率に対応するパラメータである）という関係式に対応する曲線の外周の少なくとも一部に一致する本体と、本体の中に設けられる少なくとも一つの磁石と、を含むモータ回転子。
【選択図】図３

Description

本発明は、モータ回転子及びその形成方法に関する。

モータは、電気エネルギーを機械的エネルギーに変換させ、更に機械的エネルギーで運動エネルギーを発生させて、その他の装置の電気設備を駆動させるためのものである。ほとんどの電気モータは、磁界とコイル電流によって、モータでエネルギーを発生させる。

モータは、固定子と回転子を含み、回転子の回転数と提供される交流電力の周波数とが同じであれば、同期モータと呼ばれる。同期モータの回転子には、電磁石又は永久磁石を含んでもよく、永久磁石を含むものが永久磁石式同期モータと呼ばれる。同期モータの固定子による磁界が回転子の磁界の異極を吸引し、固定子による磁界がある速度で回転するので、回転子は、固定子磁界の回転数に従って、それと同様の速度で回転することになる。

モータの各特性を更に向上させるために、関連分野の当業者はいずれも開発に工夫を凝らしている。どのようにして好ましい特性を有するモータを提供できるかが、現在重要な研究開発課題の一つであり、現在関連分野の改善において直面する目標にもなっている。

本発明の一技術的態様は、モータ回転子と外部固定子との間の対応するエアギャップの磁束密度分布における二次以上の高調波の成分を低減させ、設計フローを簡略化するように、モータ回転子及びその形成方法を提供することにある。

本発明の一実施形態によれば、モータ回転子は、偶数個の突起部を有する本体であって、突起部の横断面の外輪郭線が、ｒ＝ｋ×ｓｉｎ（（ｎ／ｄ）×θ）（ただし、ｋは、突起部の外縁と本体の中心との最大直線距離であり、ｎは、突起部の数に対応するパラメータであり、ｄは、外輪郭線の曲率に対応するパラメータである）という関係式に対応する曲線の外周の少なくとも一部に一致する本体と、本体の中に設けられる少なくとも一つの磁石と、を含む。

本発明の一つ又は複数の実施形態においては、外輪郭線の形状は、関係式に対応する曲線の外周の全体に一致する。

本発明の一つ又は複数の実施形態においては、本体は、突起部の間にそれぞれ位置する偶数個の接続部を更に有し、接続部の横断面の外輪郭線が関係式に対応する曲線の外周に一致しない。

本発明の一つ又は複数の実施形態においては、ｎが偶数である場合、ｄが奇数であり、ｎが奇数である場合、ｄが偶数である。

本発明の一つ又は複数の実施形態においては、ｎ／ｄが整数ではない。

本発明の一つ又は複数の実施形態においては、磁石の数が偶数である。

本発明の一つ又は複数の実施形態においては、磁石が永久磁石である。

本発明の別の実施形態によれば、モータ回転子の形成方法は、以下の工程を含む。先ず、ｒ＝ｋ×ｓｉｎ（（ｎ／ｄ）×θ）という関係式を提供する。ただし、（ｒ，θ）は、極座標系の座標であり、ｋ、ｎ及びｄは、調整可能なパラメータであり、ｋは、関係式に対応する曲線の外周と座標原点との最大直線距離であり、ｎは、関係式に対応する曲線の外周の少なくとも一つの突起部分の数に対応し、ｄは、関係式に対応する曲線の外周における突起部分の曲率に対応し、ｎは自然数であり、ｄは自然数である。次に、ｋ、ｎ及びｄを決めることにより、第１の曲線を発生させる。最後に、第１のモータ回転子の本体における偶数個の突起部の横断面の外輪郭線を、第１の曲線の外周の少なくとも一部に一致させる。

本発明の一つ又は複数の実施形態においては、ｋ、ｎ及びｄを決める工程において、ｎが突起部の数に対応する。

本発明の一つ又は複数の実施形態においては、モータ回転子の形成方法は、以下の工程を更に含む。ｋの値を変化させることにより、第２の曲線を発生させる。次に、第２のモータ回転子の本体における偶数個の突起部の横断面の外輪郭線を、第２の曲線の外周の少なくとも一部に一致させる。

モータ回転子を実際に適用する際に、磁石がモータ回転子と外部固定子との間のエアギャップまで磁界を発生させることにより、エアギャップにおいて対応する磁束密度分布を発生させる。理論的には、磁束密度分布は、正弦分布を呈し、誘導される誘導起電力も正弦分布を呈するが、実際には、磁束密度分布は、通常、一次と二次以上の高調波を含むことがあるので、誘導起電力は、一次と二次以上の高調波を含むこともあり、二次以上の高調波は、例えば、振動等の特定のモータの用途で許容できない影響を発生させてしまう恐れがある。関係式自身がバラ曲線関数であるため、モータ回転子の本体における偶数個の突起部の横断面の外輪郭線を、曲線の外周の少なくとも一部に一致させることにより、エアギャップの形状を正弦曲線の変化に一致させることができる。実験によれば、磁束密度分布における二次以上の高調波の成分を効果的に低減できることが明らかである。

更に言えば、モータ回転子の本体における偶数個の突起部の横断面の外輪郭線が、関係式に対応する曲線の外周の少なくとも一部に一致するので、モータ回転子の形状を設計する時に、ｋ、ｎ及びｄを決めると、直ちに全ての突起部の横断面の外輪郭線を得ることができる。したがって、突起部毎の形状に対して微調整設計を行ってから、全ての突起部の横断面の外輪郭線を寄せ集めて、輪郭線全体を得る必要がない。それにより、モータ回転子の設計時間を効果的に短縮できる。

本発明の一実施形態によるモータ回転子の形成方法を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態による関係式を示す模式図である。 本発明の一実施形態によるモータ回転子を示す断面模式図である。 従来のモータ回転子と図３のモータ回転子の対応するエアギャップの磁束密度−角度を示す図である。 従来のモータ回転子と図３のモータ回転子の誘導起電力−時間を示す図である。 従来のモータ回転子の誘導起電力の成分の割合−高調波の次数を示す図である。 図３のモータ回転子の誘導起電力の成分の割合−高調波の次数を示す図である。 本発明の別の実施形態によるモータ回転子の形成方法を示すフローチャートである。 本発明の別の実施形態によるモータ回転子を示す断面模式図である。

以下に、図面で本発明の複数の実施形態を開示するが、明瞭に説明するために、多くの実務上の細部は、以下の説明において併せて説明する。しかしながら、了解すべきなのは、これらの実務上の細部は、本発明を制限するためのものではない。即ち、本発明の実施形態の一部において、これらの実務上の細部は必ずしも必要ではない。又、図面を簡略化するために、幾つかの従来慣用の構造と素子は、図面において簡単で模式的に作図されるものである。

図１は、本発明の一実施形態によるモータ回転子１００の形成方法を示すフローチャートである。図２は、本発明の一実施形態による関係式を示す模式図である。モータ回転子１００の設計フローを簡略化するために、本発明の異なる実施形態は、モータ回転子１００の形成方法を提供する。

まず、図１と図２に示されるように、工程１０では、ｒ＝ｋ×ｓｉｎ（（ｎ／ｄ）×θ）という関係式を提供する。

具体的には、この関係式は、バラ曲線（Ｒｏｓｅ Ｃｕｒｖｅ）であり、（ｒ，θ）は、極座標系の座標であり、ｋ、ｎ及びｄは、調整可能なパラメータであり、ｋは、関係式に対応する曲線の外周と座標原点との最大直線距離であり、ｎは、関係式に対応する曲線の外周における突起部分の数に対応し、ｄは、関係式に対応する曲線の外周における突起部分の曲率に対応し、ｎは自然数であり、ｄは自然数である。

一般的には、関係式に対応する曲線の外周における突起部分の数は、２ｎである。例として、本実施形態において、ｎは、５に等しく、関係式に対応する曲線の外周における突起部分の数は、１０である。

工程２０では、ｋ、ｎ及びｄを決めることにより、曲線９０１を発生させる。

図３は、本発明の一実施形態によるモータ回転子１００を示す断面模式図である。図１、図２及び図３に示されるように、工程３０では、モータ回転子１００の本体１１０の偶数個の突起部１１１の横断面の外輪郭線１１１ｅを曲線９０１の外周の全体に一致させる。

具体的には、モータ回転子１００は、少なくとも一つの磁石１２０を含む。磁石１２０は、本体１１０に設けられる。モータ回転子１００が実際に適用される際に、磁石１２０がモータ回転子１００と外部固定子との間のエアギャップまで磁界を発生させることがあり、エアギャップにおいて対応する磁束密度分布を発生させる。理論的には、磁束密度分布は、正弦分布を呈し、誘導される誘導起電力も、正弦分布を呈する。しかし、実際には、磁束密度分布は、通常、一次と二次以上の高調波を含むことがあるので、誘導起電力は、一次と二次以上の高調波を含むこともある。二次以上の高調波は、例えば、振動等の特定モータの用途で許容できない影響を発生させてしまう恐れがある。関係式自身がバラ曲線関数であるので、モータ回転子１００の本体１１０の偶数個の突起部１１１の横断面の外輪郭線１１１ｅを、曲線９０１の外周の全体に一致させることにより、エアギャップの形状を正弦曲線の変化に一致させることができる。実験によれば、磁束密度分布における二次以上の高調波の成分を効果的に低減できることが明らかである。

更に言えば、モータ回転子１００の本体１１０の偶数個の突起部１１１の横断面の外輪郭線１１１ｅが、曲線９０１の外周の全体に一致するので、モータ回転子１００の形状を設計する時に、ｋ、ｎ及びｄを決めると、直ちに全ての突起部１１１の横断面の外輪郭線１１１ｅを得ることができる。したがって、突起部１１１毎の形状に対して微調整設計を行ってから、全ての突起部１１１の横断面の外輪郭線１１１ｅを寄せ集めて、輪郭線全体を得る必要がない。したがって、モータ回転子１００の設計時間を効果的に短縮することができる。

具体的には、ｋ、ｎ及びｄを決める工程において、ｎは、突起部１１１の数に対応する。ほとんどの特定の適用においては、突起部１１１の数が既知のものであるので、これらの特定の適用において、直ちにｎの値（関係式に対応する曲線の外周における突起部分の数が２ｎである。）を決めることができる。一例として、本実施形態においては、突起部１１１の数が１０であるので、ｎが５に等しいことを直ちに決めることができる。更に言えば、モータ回転子１００のサイズはほぼ予め決められたものであるので、ｋの値（ｋは、関係式に対応する曲線の外周と座標原点との最大直線距離である。）を決めることができる。ｋ、ｎが何れも既に決められた後に、特定の分野におけるモータ回転子１００の所要の特性に基づいてｄの値を調整することができる。

ｋ、ｎ及びｄを決める工程において、関係式は、ただ単一の関数だけであり、且つ、三つのパラメータしか有しないので、前記の条件によって制限された後に、基本的にｄの値を調整するだけで、所望の突起部１１１の横断面の外輪郭線１１１ｅを得ることができる。それで、モータ回転子１００の設計時間を効果的に短縮できる。

磁石１２０は、Ｎ極とＳ極という二つの極を有するので、磁石１２０による磁界が突起部１１１経由で出入りできるように、突起部１１１の数を偶数にしなければならない。関係式の特性に基づいて、突起部１１１の数を偶数にする（即ち、関係式に対応する曲線の外周における突起部分の数が偶数である）ように、ｎ／ｄを整数にしていない。

具体的には、ｎが偶数である場合、ｄが奇数であり、ｎが奇数である場合、ｄが偶数である。このように、関係式の形状は、所望のモータ回転子１００の形状に一致するように設計することができる。了解すべきなのは、以上に挙げられたｎ、ｄの条件制限はただ例示のみであり、本発明を制限するためのものではなく、当業者は実際の需要に応じて、ｎ、ｄの条件制限を柔軟に選択すべきである。

工程４０では、ｋの値を変化させることにより、別の曲線（未図示）を発生させる。

工程５０では、別のモータ回転子（未図示）の本体における偶数個の突起部の横断面の外輪郭線を、別の曲線の外周の全体に一致させることである。

モータ回転子を設計する時に、通常、特定の用途（例えば、ブロア用のモータ）において、異なるサイズの複数のモータ回転子を設計する。工程１０、２０、３０において、既にモータ回転子１００を形成しているので、関係式におけるｋの値を変化させるだけで、特定の用途における異なるサイズの複数のモータ回転子を設計することができる。

図３に示されるように、本発明の一の実施形態によれば、本体１１０と少なくとも一つの磁石１２０とを含むモータ回転子１００を提供する。本体１１０は、偶数個の突起部１１１を有し、突起部１１１の横断面の外輪郭線１１１ｅは、ｒ＝ｋ×ｓｉｎ（（ｎ／ｄ）×θ）という関係式に対応する曲線の外周の少なくとも一部に一致し、ただし、ｋは、突起部１１１の外縁と本体１１０中心との最大直線距離であり、ｎは、突起部１１１の数に対応するパラメータであり、ｄは、外輪郭線１１１ｅの曲率に対応するパラメータである。磁石１２０は、本体１１０の中に設けられる。

具体的には、外輪郭線１１１ｅの形状は、関係式に対応する曲線の外周の全体に一致する。了解すべきなのは、以上に挙げられた突起部１１１の具体的な実施形態は、単なる例示であり、本発明を制限するためのものではなく、当業者は、実際の需要に応じて、突起部１１１の具体的な実施形態を柔軟に選択すべきである。

具体的には、磁石１２０は、数が偶数であり、且つ、永久磁石である。了解すべきなのは、以上に挙げられた磁石１２０の具体的な実施形態は、単なる例示であり、本発明を制限するためのものではなく、当業者は、実際の需要に応じて、磁石１２０の具体的な実施形態を柔軟に選択すべきである。

図４は、従来のモータ回転子と図３のモータ回転子１００の対応するエアギャップの磁束密度−角度を示す図である。図４に示されるように、曲線２００は、従来のモータ回転子の対応するエアギャップの磁束密度と角度との関係を表し、曲線３００は、モータ回転子１００の対応するエアギャップの磁束密度と角度との関係を表し、角度は、モータ回転子の中心が十二時の方向に向けて延伸する基準線８００と、測定位置とモータ回転子の中心との連結線との間の夾角（又は、機械角と呼ばれる）を表す角度である。曲線２００と曲線３００から、モータ回転子１００により対応するエアギャップの磁束密度分布を正弦波に一層近接させることができることが認められる。

図５は、従来のモータ回転子と図３のモータ回転子１００の誘導起電力−時間を示す図である。図５に示されるように、曲線４００は、従来のモータ回転子の誘導起電力と時間との関係を表し、曲線５００は、モータ回転子１００の誘導起電力と時間との関係を表す。曲線４００と曲線５００から、モータ回転子１００で誘導起電力を正弦波に一層近接させることができることが認められる。

図６は、従来のモータ回転子の誘導起電力の成分の割合−高調波の次数を示す図である。図７は、図３のモータ回転子１００の誘導起電力の成分の割合−高調波の次数を示す図である。図６と図７に示されるように、モータ回転子１００により誘導起電力における二次以上の高調波成分を効果的に低減することができることは確実である。

図８は、本発明の別の実施形態によるモータ回転子１０１の形成方法を示すフローチャートである。図９は、本発明の別の実施形態によるモータ回転子１０１を示す断面模式図である。本実施形態に係るモータ回転子１０１の形成方法は、図１のモータ回転子１００の形成方法とほぼ同じであり、以下、主にその相違点を紹介する。

図８と図９に示されるように、工程１０と工程２０を完了した後に、工程３１を行う。工程３１では、モータ回転子１０１の本体１１０の偶数個の突起部１１１の横断面の外輪郭線１１１ｅを曲線９０１（図２参照）の外周の一部に一致させる。本体１１０は、突起部１１１の間にそれぞれ位置する偶数個の接続部１１２を更に有する。接続部１１２の横断面の外輪郭線１１２ｅは、関係式に対応する曲線の外周に一致しない。

具体的には、接続部１１２の横断面の外輪郭線１１２ｅは、任意の直線又は曲線（図９では外輪郭線１１２ｅが直線である）であってもよい。了解すべきなのは、以上に挙げられた接続部１１２の具体的な実施形態は、ただ例示だけであり、本発明を制限するためのものではなく、当業者は、実際の需要に応じて、接続部１１２の具体的な実施形態を柔軟に選択すべきである。

磁石１２０による磁界が主に突起部１１１を介して出入りするので、接続部１１２が関係式に対応する曲線の外周に一致しなくても、モータ回転子１０１と外部固定子との間のエアギャップの磁束密度分布は、ほぼ影響を受けることがない。それで、接続部１１２の横断面の外輪郭線１１２ｅは、実際の適用における他の考慮に基づいてその形状を決めてよい。

工程４０を完了した後に、工程５１を行う。工程３１と同様に、工程５１では、別のモータ回転子（未図示）の本体における偶数個の突起部の横断面の外輪郭線を別の曲線の外周の一部に一致させる。

モータ回転子１００、１０１が実際に適用される時に、磁石１２０はモータ回転子１００、１０１と外部固定子との間のエアギャップまで磁界を発生させるので、エアギャップにおいて対応する磁束密度分布を発生させる。理論的には、磁束密度分布は、正弦分布を呈し、誘導される誘導起電力も、正弦分布を呈する。しかし、実際には、磁束密度分布は、通常、一次と二次以上の高調波を含むことがあるので、誘導起電力は、一次と二次以上の高調波を含むこともある。二次以上の高調波は、例えば、振動等の特定モータの用途で許容できない影響を発生させてしまう恐れがある。関係式自身は、バラ曲線関数であるので、モータ回転子１００、１０１の本体１１０の偶数個の突起部１１１の横断面の外輪郭線１１１ｅを、曲線９０１の外周の少なくとも一部に一致させることにより、エアギャップの形状を正弦曲線の変化に一致させることができる。実験によれば、磁束密度分布における二次以上の高調波の成分を効果的に低減できることが明らかである。

更に言えば、モータ回転子１００、１０１の本体１１０の偶数個の突起部１１１の横断面の外輪郭線１１１ｅが曲線９０１の外周の少なくとも一部に一致するので、モータ回転子１００、１０１の形状を設計する時に、ｋ、ｎ及びｄを決めると、直ちに全ての突起部１１１の横断面の外輪郭線１１１ｅを得ることができる。したがって、突起部１１１毎の形状に対して微調設計を行ってから、全ての突起部１１１の横断面の外輪郭線１１１ｅを寄せ集めて、輪郭線全体を得る必要がない。それで、モータ回転子１００の設計時間を効果的に短縮できる。

本発明は、実施形態として上記の通り開示したが、これは本発明を限定するものではない。当業者は、本発明の精神と範囲から逸脱しない限り、各種の変更や修正を加えることができる。従って、本発明の保護範囲は、特許請求の範囲で指定した内容を基準とするものである。

１０、２０、３０、３１、４０、５０、５１ 工程
１００、１０１ モータ回転子
１１０ 本体
１１１ 突起部
１１１ｅ 外輪郭線
１１２ 接続部
１１２ｅ 外輪郭線
１２０ 磁石
２００ 従来のモータ回転子の対応するエアギャップの磁束密度−角度曲線
３００ モータ回転子の対応するエアギャップの磁束密度−角度曲線
４００ 従来のモータ回転子の誘導起電力−時間曲線
５００ モータ回転子の誘導起電力−時間曲線
８００ 測定基準線
９０１ 関係式に対応する曲線

本発明の一実施形態によれば、モータ回転子は、偶数個の突起部を有する本体であって、突起部の横断面の外輪郭線が、ｒ＝ｋ×ｓｉｎ（（ｎ／ｄ）×θ）（ただし、（ｒ，θ）は、極座標系の座標であり、ｋは、突起部の外縁と本体の中心との最大直線距離であり、ｎは、突起部の数に対応するパラメータであり、ｄは、外輪郭線の曲率に対応するパラメータである）という関係式に対応する曲線の外周の少なくとも一部に一致する本体と、本体の中に設けられる少なくとも一つの磁石と、を含む。

Claims (10)

1. 偶数個の突起部を有する本体であって、前記突起部は、横断面の外輪郭線が、ｒ＝ｋ×ｓｉｎ（（ｎ／ｄ）×θ）（ただし、ｋは、前記突起部の外縁と前記本体の中心との最大直線距離であり、ｎは、前記突起部の数に対応するパラメータであり、ｄは、前記外輪郭線の曲率に対応するパラメータである）という関係式に対応する曲線の外周の少なくとも一部に一致する前記本体と、
   前記本体の中に設けられる少なくとも一つの磁石と、
   を含むモータ回転子。
2. 前記外輪郭線の形状は、前記関係式に対応する曲線の前記外周の全体に一致する請求項１に記載のモータ回転子。
3. 前記本体は、前記突起部の間にそれぞれ位置する偶数個の接続部を更に有し、前記接続部の横断面の外輪郭線が前記関係式に対応する曲線の前記外周に一致しない請求項１に記載のモータ回転子。
4. ｎが偶数である場合、ｄは奇数であり、ｎが奇数である場合、ｄは偶数である請求項１に記載のモータ回転子。
5. ｎ／ｄは整数ではない請求項１に記載のモータ回転子。
6. 前記磁石は数が偶数である請求項１に記載のモータ回転子。
7. 前記磁石は永久磁石である請求項１に記載のモータ回転子。
8. ｒ＝ｋ×ｓｉｎ（（ｎ／ｄ）×θ）という関係式を提供する（ただし、（ｒ，θ）は、極座標系の座標であり、ｋ、ｎ及びｄは、調整可能なパラメータであり、ｋは、前記関係式に対応する曲線の外周と座標原点との最大直線距離であり、ｎは、前記関係式に対応する曲線の前記外周の少なくとも一つの突起部分の数に対応し、ｄは、前記関係式に対応する曲線の前記外周の前記突起部分の曲率に対応し、ｎは自然数であり、ｄは自然数である）ことと、
   ｋ、ｎ及びｄを決めることにより、第１の曲線を発生させることと、
   第１のモータ回転子の本体における偶数個の突起部の横断面の外輪郭線を、前記第１の曲線の外周の少なくとも一部に一致させることと、
   を含むモータ回転子の形成方法。
9. ｋ、ｎ及びｄを決める工程において、ｎは、前記突起部の数に対応する請求項８に記載のモータ回転子の形成方法。
10. ｋの値を変化させることにより、第２の曲線を発生させることと、
    第２のモータ回転子の本体における偶数個の突起部の横断面の外輪郭線を、前記第２の曲線の外周の少なくとも一部に一致させることと、
    を更に含む請求項８に記載のモータ回転子の形成方法。

Images