JP2020522976A - モータ - Google Patents

Abstract

本発明は、ブラシレスモータに関し、本発明の目的は、回転子および固定子の形状設計の最適化により、回転子の位置変化による磁気抵抗の変化率を最小化することで、これによるモータのコギングトルクおよびトルクリップルを大幅に低減し、また、回転子および固定子の材質を考慮した形状設計の最適化により、重量をも低減することができるブラシレスモータを提供することにある。【選択図】図３

Description

本発明は、モータに関し、より詳細には、回転子が固定子の外側で回転し、回転子に永久磁石が備えられたモータに関する。

一般的に、モータは、電流が流れる磁場内で電気エネルギーを機械的なエネルギーに切り替える装置であり、電源の種類、ロータとステータの位置、永久磁石の適用可否など、様々な基準によって分類することができる。

例えば、モータは、電源の種類に応じて、直流（ＤＣ）モータと交流（ＡＣ）モータとに分けられ、直流モータは、またブラシモータとブラシレスモータとに分けられる。

直流モータでブラシ（ｂｒｕｓｈ）が取り付けられたモータは、整流子とブラシとの接触によってコイルに電流を流がすとともに整流させる働きをするが、機械的、電気的なノイズが発生するだけでなく、ブラシが摩耗するという欠点がある。かかる欠点を解消するために、ブラシを使用しないブラシレスモータ（ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ｍｏｔｏｒ）が広く使用されている。ブラシレス直流モータは、直流モータでブラシと整流子（ｃｏｍｍｕｔａｔｏｒ）を取り除き、電子的な整流器具を設置したモータであり、無整流子電動機とも言う。

また、モータは、回転子と固定子の相対的な位置に応じて、インナーロータ型モータとブラシレスモータとに分けることもできる。図１〜図２にはブラシレスモータの一例が図示されている。図１〜図２に図示されているブラシレスモータは、回転子コア１１１の内周面に永久磁石１１２が備えられた回転子１１０と、コイル１２５が巻かれるティース１２１の先端にポールシュー１２２が形成された固定子１２０とを含んで構成される。

一方、モータの回転時には、回転子１１０の位置に応じて磁束が流れることを妨げる磁気抵抗の大きさが異なり、かかる磁気抵抗の差によってトルクの脈動が発生する。このように、永久磁石型モータにおいて、コイルに電源が印加される前に、ロータの回転時に発生するトルクをコギングトルク（ｃｏｇｇｉｎｇ ｔｏｒｑｕｅ）と言うが、これにより、モータが振動と騒音に対して加振源を有することになり、結局、モータ駆動システムであるクーリングファンなどに振動と騒音をもたらすという問題がある。

コギングトルクは、ロータの位置の変化による磁気抵抗の変化率に比例すると知られている。かかるコギングトルクを減少させるために、図１〜図２に図示されている従来技術のティース１２２には、永久磁石１１２と対向する対向面１２３に切欠１２４が形成されている。ティース１２２は、ステータ１２０の磁束がロータ１１０に移動するようにロータコア１１１の周方向に延びて形成されたものであるが、切欠１２４は、ティース１２２の対向面１２３にロータコア１１１の周方向に沿って複数個が形成されている。

しかし、切欠１２４が形成された場合にも、回転角による磁気抵抗の変化率には依然として大きい差があり、それによって騒音と振動を大幅に低減させることができないという問題がある。そのため、モータのコギングトルクの変動幅であるトルクリップルを低減させることで、モータの騒音および振動特性を改善する必要がある。

一方、一般的に、前記固定子１２０は、電磁鋼板（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｓｈｅｅｔ）材質からなる。電磁鋼板とは、一般の鋼板に比べて珪素の含有量が多く、電気的、磁気的性質に優れた鉄鋼からなる板を言う。特に、鋼板の内部の結晶がそれぞれに向かっている無方向性電磁鋼板が、汎用モータ、小型モータなど、一般回転機に広く使用されている。しかしながら、電磁鋼板材質は、永久磁石材質に比べて密度が高く、前記固定子１２０の体積が大きくなるほどモータ自体の重量が増加することになり、これを低減するための設計を導入する必要がある。

コギングトルクおよびトルクリップルの性能を改善するために様々な研究がなされているが、その一例が、韓国特許公開第２０１７‐００４４９３４号（「Ｗタイプの永久磁石の配置を有する回転子およびモータ」、２０１７年０４月２６日、以下、先行文献１）といったものである。先行文献１では、永久磁石をＷ形態になるように配置することで、コギングトルクおよびトルクリップルを改善する構成を開示している。しかしながら、先行文献１でも、コギングトルクおよびトルクリップルを改善する性能を必要とするだけ十分に得ることができず、また、重量の低減について全く考慮していないという限界がある。

韓国特許公開第２０１７‐００４４９３４号（「Ｗタイプの永久磁石の配置を有する回転子およびモータ」、２０１７年０４月２６日）

本発明は、上述のように、従来のモータが有する問題を解決するために導き出されたものであり、本発明の目的は、回転子および固定子の形状設計の最適化により、回転子の位置変化による磁気抵抗の変化率を最小化することで、これによるモータのコギングトルクおよびトルクリップルを大幅に低減することができるブラシレスモータを提供することにある。また、本発明の他の目的は、回転子および固定子の材質を考慮した形状設計の最適化により、重量をも低減することができるブラシレスモータを提供することにある。

上述のような目的を達成するための本発明におけるモータは、回転子コア１１の内周面に配置された複数の永久磁石１２を備えた回転子１０と、固定子コアの周縁方向に沿って配置された複数個のティース２１と前記永久磁石１２と対向する前記ティース２１の先端に形成されたポールシュー２２を備えた固定子２０とを含み、前記回転子１０の回転時に、前記永久磁石１２は、前記ポールシュー２２の中央部の外周面２３との距離が徐々に近くなった後、前記ポールシュー２２の中央部の外周面２３を通過した後、前記ポールシュー２２の中央部の外周面２３との距離が徐々に離れることを特徴とする。この際、前記永久磁石１２の中央部の内周面１３は、所定の曲率を有する曲面状に形成され、前記永久磁石１２の両側端部の内周面１４は、前記中央部から離れるほど、前記ポールシュー２２の外周面との距離が離れるように形成され得る。また、前記ポールシュー２２の両側端部の外周面２４は、前記中央部から離れるほど、前記永久磁石１２の内周面との距離が離れるように形成され得る。

すなわち、本発明におけるモータは、回転子コア１１と前記回転子コア１１の内周面に周縁方向に沿って互いに離隔するように配置された複数個の永久磁石１２を備えた回転子１０と、前記回転子１０の内側に配置され、固定子コアの周縁方向に沿って互いに離隔するように配置された複数個のティース２１と前記永久磁石１２と対向する前記ティース２１の先端に形成されたポールシュー２２を備えた固定子２０とを含み、前記永久磁石１２の中央部の内周面１３は、所定の曲率を有する曲面状に形成され、前記永久磁石１２の両側端部の内周面１４は、前記中央部から離れるほど、前記ポールシュー２２の外周面との距離が離れるように形成されるか、または前記ポールシュー２２の両側端部の外周面２４は、前記中央部から離れるほど、前記永久磁石１２の内周面との距離が離れるように形成され得る。

この際、前記永久磁石１２の両側端部の内周面１４は、平面の形状を有し得る。

この際、前記永久磁石１２の両側端部の内周面１４は、前記永久磁石１２の中央部と両側端部が接する点で、前記永久磁石１２の中央部の内周面１３の接線に対して所定の角度αをなして形成され得る。

この際、前記永久磁石１２の両側端部の内周面１４が、前記永久磁石１２の中央部の内周面１３の接線となす角度αが、９゜≦α≦２０゜の関係を満たすことが好ましい。

また、前記永久磁石１２の両側端部の内周面１４は、同一平面に位置し得る。

この際、前記永久磁石１２の内周面は、前記永久磁石１２の中心線ＣＬを基準として、対称するように形成され得る。

この際、前記回転子１０の回転中心Ｃから前記ポールシュー２２の中心先端までの距離をＤ２とし、前記回転子１０の回転中心Ｃから前記永久磁石１２の両側端部の内周面１４までの距離をＤ１としたとき、Ｄ１＜Ｄ２の関係を満たすことが好ましい。

また、前記回転子１０の回転中心Ｃを基準として、前記永久磁石１２の両側端部の先端間の角度をθ１、前記永久磁石１２の中央部の内周面１３の両側先端間の角度をθ２としたとき、０．６５≦θ２／θ１≦０．６７または０．８４≦θ２／θ１≦０．８６の関係を満たすことが好ましい。

この際、前記回転子１０の回転中心Ｃを基準として、前記ポールシュー２２の両側先端間の角度をθ３としたとき、θ２＜θ３の関係を満たすことが好ましい。

また、前記ポールシュー２２の中央部の外周面２３は、所定の曲率を有する曲面状に形成され得る。

この際、前記回転子１０の回転中心Ｃを基準として、前記ポールシュー２２の中央部の外周面２３の両側先端間の角度をθ４としたとき、０゜≦θ４≦１．５゜の関係を満たすことが好ましい。

また、前記ポールシュー２２の両側端部の外周面２４は、平面の形状を有し得る。

この際、前記ポールシュー２２の両側端部の外周面２４が、前記ポールシュー２２の中央部と両側端部が接する点で、前記ポールシュー２２の中央部の外周面２３の接線となす角度をβとしたとき、７゜≦β≦９゜の関係を満たすことが好ましい。

また、前記永久磁石１２の両側端部の内周面１４は、平面の形状を有し、前記永久磁石１２の両側端部の内周面１４は、前記永久磁石１２の中央部と両側端部が接する点で、前記中央部の内周面の接線に対して所定の角度αをなして形成され、前記ポールシュー２２の両側端部の外周面２４は平面の形状を有し、前記ポールシュー２２の両側端部の外周面２４の先端部は、前記ポールシュー２２の中央部の外周面２３の延長線上から半径方向に所定の距離Ｌ２をなして形成されるが、前記永久磁石１２の両側端部の内周面１４が、前記永久磁石１２の中央部と両側端部が接する点で、前記永久磁石１２の中央部の内周面１３の接線となす角度αと、前記ポールシュー２２の両側端部の外周面２４が、前記ポールシュー２２の中央部と両側端部が接する点で、前記ポールシュー２２の中央部の外周面２３の接線となす角度βが、α＞βの関係を満たすことが好ましい。

本発明におけるモータは、回転子の回転による磁気抵抗の変化を最小化することで、コギングトルクを大幅に低減し、モータの騒音および振動を大幅に低減することができるという効果がある。より具体的には、本発明におけるブラシレスモータは、先ず、永久磁石の内周面の形状において、中心部は円柱状に形成され、且つ両側端部が面取りされた（ｃｈａｍｆｅｒｅｄ）形状からなることで、永久磁石の回転子が一極の端部から次の極に回転する時に磁気抵抗の変化を徐々に減少させてからまた徐々に増加させるようにし、これにより、コギングトルクを大幅に低減する効果を奏することができる。さらに、本発明におけるブラシレスモータは、固定子ポールシューの外周面また両側先端が面取りされた形状を有することで、上述のような効果をより増大し、コギングトルクをより低減する効果を奏することができる。

それだけでなく、本発明におけるブラシレスモータは、電磁鋼板材質からなり、永久磁石よりも相対的に密度が高い固定子ポールシューが面取りされた形状からなるようにすることで、密度の高い材質からなる部品の重量をより効果的に低減し、さらには、究極的にモータ自体の重量を大幅に低減できるという効果も奏することができる。

従来のブラシレスモータを示す断面図である。 図１に図示されているブラシレスモータの部分拡大図である。 本発明の一実施例によるブラシレスモータを示す断面図である。 本発明の一実施例によるブラシレスモータの部分拡大図（回転子の詳細構成）である。 本発明の一実施例によるブラシレスモータの部分拡大図（固定子の詳細構成）である。 本発明の一実施例によるブラシレスモータの部分拡大図（固定子の他の実施例）である。 本発明の一実施例によるブラシレスモータのθ２／θ１によるコギングトルクを示すグラフである。 本発明の一実施例によるブラシレスモータのＬ１によるコギングトルクを示すグラフである。 本発明の一実施例によるブラシレスモータの固定子および回転子の形態および様々な比較例を示す図である。

図３は本発明の一実施例によるブラシレスモータを示す概路図である。先ず、図３を参照して前記ブラシレスモータの基本構成について説明すると、以下のとおりである。

図示されているように、本発明におけるブラシレスモータ１００は、回転子コア１１と前記回転子コア１１の内周面に周縁方向に沿って互いに離隔するように配置された複数個の永久磁石１２を備えた回転子１０と、前記回転子１０の内側に配置され、周縁方向に沿って互いに離隔するように配置された複数個の固定子コア２１と前記永久磁石１２と対向する前記固定子コア２１の先端に形成されたポールシュー２２を備えた固定子２０とを含んで構成される。

回転子１０は、回転自在に形成され、円筒状の回転子コア１１に複数個の永久磁石１２が結合して形成され得る。この際、永久磁石１２は、回転子コア１１の内周面に周縁方向に沿って互いに離隔して配置され得る。また、永久磁石１２は、Ｎ極とＳ極を有し、一つの永久磁石１２の内周面にＮ極が位置するように配置し、隣り合う永久磁石１２の内周面にはＳ極が位置するように配置し、複数個の永久磁石が、周縁方向に沿ってＮ極とＳ極の位置が交互するように配置され得る。

固定子２０は、モータのハウジングなどに固定される部分であり、回転子１０の内側中央の空きスペースに配置され得、永久磁石１２によって囲まれた内側に、永久磁石１２と所定間隔離隔して配置され得る。また、固定子コアの外周面で中心から外側に複数個のティース２１が延長形成され、且つティース２１は、固定子コアの周縁方向に沿って互いに離隔して配置され得る。また、ティース２１の外側端部には、それぞれ、ポールシュー２２が延長形成され、ポールシュー２２は、周縁方向の両端がティース２１から突出した形態に形成され、図３に図示されているように、ティース２１およびポールシュー２２が「Ｔ」字状に形成され得る。また、互いに隣り合うティース２１に形成されて対向するポールシュー２２は、所定間隔離隔して形成され得る。また、ティース２１にはコイル２５が巻かれ得、巻かれるコイル２５は、固定子コアの外周面とポールシュー２２との間に配置され得る。

図３において、回転子１０には、８個の永久磁石１２が備えられており、固定子２０には、１２個のティース２１が備えられている。これは、一例に過ぎず、１０個の永久磁石と１２個のティースが形成されてもよく、必要に応じて個数が変更されてもよい。

以下の数式１のように、磁束Φが変化しない状態で、回転子の回転角度の変化ｄθに対する磁気抵抗の変化ｄＲが減少すると、コギングトルクが減少することが分かる。

従来、図２に図示されているポールシュー１２２は、対向面と永久磁石１１２との距離が一定であるため、永久磁石１１２の区間で磁気抵抗の変化が全くなかったものの、永久磁石１１２のない区間で磁気抵抗が急減することになるため、磁気抵抗の変化率が大きくなるしかない。

本発明では、回転子１０および固定子２０の形状、より具体的には、永久磁石１２およびポールシュー２２の形状を改善することで、上述のようなコギングトルクおよびトルクリップルの問題を改善する。以下では、先ず、永久磁石１２の形状改善設計について説明し、次に、ポールシュー２２の形状改善設計について説明する。

永久磁石の形状改善設計
図４は本発明の一実施例によるブラシレスモータを示す部分拡大図であり、特に、永久磁石１２の形状改善設計の事項について詳細に示している。

図３〜図４に図示されているように、本発明において、前記永久磁石１２の中央部の内周面１３は、所定の曲率を有する曲面状に形成され、前記永久磁石１２の両側端部の内周面１４は、前記中央部から離れるほど、前記ポールシュー２２の外周面との距離が離れるように形成され得る。

これにより、永久磁石１２の中央部から両側端部に向かって磁気抵抗が徐々に減少することになり、永久磁石１２の端部での磁気抵抗と永久磁石１２のない区間での磁気抵抗との差が減少することになる。換言すれば、ポールシュー２２が永久磁石１２のない区間を通過する前に、永久磁石１２の端部で予め磁気抵抗を減少させることになる。したがって、ポールシュー１２の形状に関係なく、全回転区間で磁気抵抗の変化率を減少させることができ、結局、コギングトルクが著しく低減し、モータの振動と騒音を低減することができる。

前記永久磁石１２の両側端部の内周面１４は、平面状に形成され得る。この際、前記永久磁石１２の両側端部の平面である内周面１４は、前記永久磁石の中央部と両側端部が接する点で、前記中央部の内周面の接線に対して所定の角度αをなして形成され得る。これにより、回転子が回転しながら磁気抵抗の変化を徐々に減少させてからまた徐々に増加させる効果を与えることができる。また、図示していないが、永久磁石１２の両側端部の内周面１４は、前記中央部から離れるほど、前記ポールシュー２２の外周面との距離が離れる条件を満たせば、平面状ではなく曲面状に形成されてもよい。

前記永久磁石１２の両側端部の内周面が、前記中央部の内周面の接線となす角度αが、９゜≦α≦２０゜を満たすことが好ましい。角度αが、９゜未満の場合には、磁気抵抗の減少量が小さすぎて、永久磁石１２のない区間での磁気抵抗と比較して大きい差が出、結局、磁気抵抗の変化量が大幅に減少することができなくなる。また、角度αが２０゜超の場合には、永久磁石のない区間での磁気抵抗値との差は小さいものの、永久磁石１２の中央部と両側端部での磁気抵抗に大きい差が出るため、永久磁石１２自体での磁気抵抗の変化量が大きすぎることになる。角度αが、９゜以上で２０゜以下の場合には、永久磁石１２のない区間での磁気抵抗との差も大幅に減少し、永久磁石の中央部と両側端部での磁気抵抗の差も大きくなく、結局、全磁気抵抗の変化率を最小化することができる。

また、前記永久磁石１２の両側端部の内周面１４は、互いに同一の平面に位置することができる。また、前記永久磁石１２の内周面１３、１４は、永久磁石の中心線ＣＬを基準として、対称するように形成され得る。これにより、永久磁石の中心線を基準として磁気抵抗の変化が一定に対称して生じることになり、不規則な磁気抵抗の変化を防止することができる。

図４に図示されているように、前記回転子１０の回転中心Ｃから前記ポールシュー２２の中心先端までの距離をＤ２とし、前記回転子１０の回転中心Ｃから前記永久磁石１２の両側端部の内周面１４までの距離をＤ１とし、前記回転子１０の回転中心Ｃから前記永久磁石１２の中央部の内周面１３までの距離をＤ３としたとき、Ｄ１＜Ｄ２の関係を満たすことが好ましい。

前記永久磁石１２の中央部の内周面１３は、Ｄ３の曲率半径を有する面であり、前記ポールシュー２２は、前記中央部の内周面１３と所定の間隔Ｄ３‐Ｄ２を維持しながら回転する。モータ効率の損失を低減するために、前記間隔Ｄ３‐Ｄ２は、１ｍｍ以下と小さく形成され得る。また、Ｄ１がＤ３に近いほど、前記永久磁石１２の中央部の長さが減少し、両側端部の長さが大きくなり、永久磁石の両側端部と永久磁石のない区間での磁気抵抗の変化量が減少するが、永久磁石の磁力が弱くなるため、モータ性能を減少させる可能性がある。これを解消するために、Ｄ１がＤ２よりも小さくなるように形成することで、前記永久磁石１２の中央部の長さを十分に形成し、モータの性能を維持することができる。

図４に図示されているように、前記回転子１０の回転中心Ｃを基準として、前記永久磁石１２の両側端部の先端間の角度をθ１、前記永久磁石１２の中央部の内周面１３の両側先端間の角度をθ２としたとき、前記永久磁石１２の中央部の内周面１３の両側先端間の角度θ２に応じて前記永久磁石の中央部の長さが変化し、それによってモータのコギングトルクが変化する。

図７にはθ２／θ１によるコギングトルクの変化を示すグラフが図示されている。θ２／θ１値が０．６未満の場合には、上述のとおり、永久磁石１２に対する中央部の長さが減少するため、モータの性能を維持し難くなる。したがって、図５には、θ２／θ１値が０．６以上の場合に、θ２／θ１値によるコギングトルクの変化を繰り返し試験により導き出した結果物が図示されている。

図示されているように、基本的に、θ２／θ１値が増加するほど、コギングトルクが増加する。ただし、θ２／θ１値が約０．６６の区間と約０．８５の区間では、コギングトルクが、隣接した区間に比べて減少することが分かる。したがって、モータの駆動性能を勘案し、且つコギングトルクの減少効果が極大化し得るように、本発明におけるブラシレスモータは、θ２／θ１値が約０．６６または約０．８５であってもよい。

より好ましくは、本発明におけるブラシレスモータのθ２／θ１値は、コギングトルクの減少効率に対してモータの構成性能がより優れた約０．８５と決定され得る。

また、前記回転子１０の回転中心Ｃを基準として、前記ポールシュー２２の両側先端間の角度をθ３としたとき、θ２＜θ３の関係を満たすことが好ましい。前記ポールシュー２２の長さが、少なくとも前記永久磁石１２の中央部をすべてカバーするほど長いときにモータの性能を維持することができるためである。

ポールシューの形状改善設計
図５は本発明の一実施例によるブラシレスモータを示す部分拡大図であり、特に、ポールシュー２２の形状改善設計の事項について詳細に示している。

上述のように、本発明におけるブラシレスモータでは、永久磁石１２の中心部は、円柱状に形成され、且つ両側端部が面取りされた形状からなることで、永久磁石の回転子が一極の端部から次の極に回転する時に、磁気抵抗の変化を徐々に減少させてからまた徐々に増加させるようにする。上述の数式１に示されているように、回転子の回転角度の変化ｄθに対する磁気抵抗の変化ｄＲが減少すると、コギングトルクが減少するという点が知られているところ、前記永久磁石１２の形状の改善により、コギングトルクを確実に低減できることを理論的にも確認することができる。ポールシュー２２の形状の改善もこれと同様の観点で行われる。

すなわち、図５に図示されているように、本発明において、前記ポールシュー２２の両側端部の外周面２４は、前記中央部から離れるほど、前記永久磁石１２の内周面との距離が離れるように形成され得る。

これにより、（永久磁石１２でと同様）回転子が一極の端部から次の極に回転する時に、ポールシュー２２の形状によって磁気抵抗の変化が徐々に減少してからまた徐々に増加する。すなわち、図５のように、ポールシュー２２の両側端部が面取りされた形状からなることで、永久磁石１２の両側端部が面取りされた形状からなることで得られるコギングトルク低減効果を同様に奏することができる。ポールシュー２２が、このように両側端部が面取りされた形状からなる場合、永久磁石１２の内周面が面取りされていない形状からなってもコギングトルク低減効果を奏することができ、永久磁石１２も両側端部が面取りされる場合、コギングトルク低減効果を極大化することができる。

前記ポールシュー２２の中央部の外周面２３は、図５に図示されているように、所定の曲率を有する曲面状に形成され得る。図５に図示されているように、前記回転子１０の回転中心Ｃを基準として、前記ポールシュー２２の中央部の外周面２３の両側先端間の角度をθ４とし、この際、θ４に相当する部分は、所定の長さＬ１をなして形成され得る。もしくは、図６に図示されているように、ポールシュー２２の両側端部が完全に面取りされることで、前記ポールシュー２２の中央部が頂点状に形成されることもできる。すなわち、図５は前記ポールシュー２２の中央部の外周面２３の長さＬ１が０よりも大きい値を有する場合を図示しており、図６は前記ポールシュー２２の中央部の外周面２３の長さＬ１が０の場合、すなわち、実質的には前記ポールシュー２２の中央部が頂点状に形成される場合をそれぞれ図示している。この際、前記ポールシュー２２の中央部の外周面２３の長さＬ１が長いほど面取りされた部分の領域が減少することから磁気抵抗変化量がより急激になるため、コギングトルク低減効果が小さくなり、前記長さＬ１が短いほど、逆にコギングトルク低減効果が大きくなる。

図８はＬ１によるコギングトルクの変化を示すグラフであり、前記長さＬ１が短いほどコギングトルクが小さくなり、前記長さＬ１が長いほどコギングトルクが大きくなる傾向が図８によく示されている。この際、前記ポールシュー２２の中央部の外周面２３の長さＬ１が０ｍｍ≦Ｌ１≦２ｍｍの範囲で、コギングトルクが略０．０６と小さく形成されて、Ｌ１が２ｍｍである点を基点としてコギングトルクが相当大幅に大きくなる傾向を確認することができる。かかる点を考慮すると、前記ポールシュー２２の中央部の外周面２３の長さＬ１が０ｍｍ≦Ｌ１≦２ｍｍの関係を満たすことができる。この際、装置自体の全体的な大きさが変化する場合、Ｌ１の大きさもそれに合わせて変化し得ることを勘案し、前記ポールシュー２２の中央部の外周面２３の規格をθ４と示すことがより好ましい。具体的には、前記ポールシュー２２の中央部の外周面２３の両側先端間の角度θ４が０゜≦θ４≦１．５゜の関係を満たすことが好ましい。

前記ポールシュー２２の両側端部の外周面２４は、平面状に形成され得る。この際、前記ポールシュー２２の両側端部の外周面２４の先端は、前記ポールシュー２２の中央部の外周面２３の延長線上から半径方向に所定の距離Ｌ２をなして形成され得る。これにより、（永久磁石１２の両側端部の内周面１４の形状による現象と同様に）回転子が回転しながら磁気抵抗の変化を徐々に減少させてからまた徐々に増加させる効果を与えることができる。この場合にも、図示してはいないが、ポールシュー２２の両側端部の外周面２４は、前記中央部から離れるほど、前記永久磁石１２の内周面との距離が離れる条件を満たせば、平面状ではなく曲面状に形成されることもできる。

この場合にも、上述と同様、装置自体の全体的な大きさが変化する場合、Ｌ２の大きさもそれに合わせて変化し得ることを勘案し、前記ポールシュー２２の両側端部の外周面２４の規格をある角度で示すことがより好ましい。前記ポールシュー２２の両側端部の外周面２４が、前記ポールシュー２２の中央部と両側端部が接する点で、前記ポールシュー２２の中央部の外周面２３の接線となす角度をβとしたとき、かかる角図βが７゜≦β≦９゜の関係を満たすことが好ましい。

永久磁石およびポールシュー形状連関設計
上述のように、永久磁石１２の両側端部の内周面１４が面取りされた形状を有するか、またはポールシュー２２の両側端部の外周面２４が面取りされた形状を有することで、回転子が一極の端部から次の極に回転する時に、磁気抵抗の変化が徐々に減少してからまた徐々に増加することになり、コギングトルクを効果的に低減することができる。この際、永久磁石１２のみ面取りされた形状を有してもよく、ポールシュー２２のみ面取りされた形状を有してもよく、または永久磁石１２およびポールシュー２２の両方が面取りされた形状を有してもよい。

一方、一般的に作製されるブラシレスモータの場合、永久磁石１２がポールシュー２２に比べて高さが高い反面、（電磁鋼板からなる）ポールシュー２２が、永久磁石１２に比べて密度が大きい。永久磁石１２およびポールシュー２２の材質、高さなどを表にまとめると、以下のとおりである。

前記表に示されているように、性能改善のための２Ｄ断面設計において、断面上で面積が変化することによって重量が影響を受ける程度は、永久磁石に比べて（電磁鋼板からなる）ポールシューの方が大きい。

図９は本発明の一実施例によるブラシレスモータの固定子および回転子の形態および様々な比較例と、各場合に対する重量およびコギングトルクを示す図である。図９の（Ａ）が本発明の一実施例によるブラシレスモータの固定子および回転子の形態として、永久磁石１２およびポールシュー１１の両方とも両側端部が面取りされた形状からなる場合である。この場合も、重量も０．７９１ｇと最も小さく示され、コギングトルクも０．１００Ｎｍと最も小さく示されることは言うまでもない。一方、図９の（Ｂ）はポールシュー１１のみ両側端部が面取りされた形状からなる場合であり、この際、重量は０．７９８ｇ、コギングトルクは０．２２７Ｎｍと示される。図９の（Ｃ）は永久磁石１２のみ両側端部が面取りされた形状からなる場合であり、この際、重量は０．８０２ｇ、コギングトルクは０．１７９Ｎｍと示される。

図９の（Ａ）と同様、永久磁石１２およびポールシュー１１の両方とも両側端部が面取りされた形状からなるようにすることがもちろん最善であるが、両方の一つのみ面取りされるようにすべき場合があり得る。この際、図９の（Ｂ）および図９の（Ｃ）の比較から分かるように、ポールシュー１１のみ両側端部が面取りされた形状からなるようにする場合には、重量低減効果は相対的に大きく示される一方、コギングトルク低減効果は相対的に小さく示される。反対に、永久磁石１２のみ両側端部が面取りされた形状からなるようにする場合には、コギングトルク低減効果は相対的に小さく示される一方、重量低減効果は相対的に大きく示される。

かかる観点から見て、図９の（Ａ）でのように、永久磁石１２およびポールシュー１１の両方とも両側端部が面取りされた形状からなるようにする場合であっても、各部品での面取り程度をどのように決定するかによって重量低減効果およびコギングトルク低減効果が異なり得る。一方、面取り程度が大きくなりすぎる場合、上記で（特に、α範囲に関して）説明したとおり、各部品の中で中央部‐両側端部の間の磁気抵抗変化が大きくなりすぎる問題が生じ得る。かかる観点で、重量低減効果およびコギングトルク低減効果をいずれも適切に向上させ、且つ不要な点で磁気抵抗変化が大きくなりすぎないように最適化する必要がある。

かかる様々な事項を考慮すると、前記永久磁石１２および前記ポールシュー１１の形状は、以下のような相関関係を有することが好ましい。先ず、前記永久磁石１２の両側端部の内周面１４は、平面の形状を有し、前記永久磁石１２の両側端部の内周面１４は、前記永久磁石１２の中央部と両側端部が接する点で、前記中央部の内周面の接線に対して所定の角度αをなして形成されると想定する。また、前記ポールシュー２２の両側端部の外周面２４は、平面の形状を有し、前記ポールシュー２２の両側端部の外周面２４の先端部は、前記ポールシュー２２の中央部の外周面２３の延長線上から半径方向で所定の距離Ｌ２をなして形成されると想定する。この際、前記永久磁石１２の両側端部の内周面１４が、前記永久磁石１２の中央部と両側端部が接する点で、前記永久磁石１２の中央部の内周面１３の接線となす角度αと、前記ポールシュー２２の両側端部の外周面２４が、前記ポールシュー２２の中央部と両側端部が接する点で、前記ポールシュー２２の中央部の外周面２３の接線となす角度βが、α＞βの関係を満たすことが好ましい。

本発明は、上述の実施例に限定されず、適用範囲が様々であることは言うまでもなく、本発明の技術的思想内で当該分野において通常の知識を有する者にとってその変形や改良が可能であることは言うまでもない。

本発明におけるモータは、回転子の回転による磁気抵抗の変化を最小化することで、コギングトルクを大幅に低減し、モータの騒音および振動を大幅に低減することができるという効果がある。また、本発明におけるモータは、密度の高い材質からなる部品の重量をより効果的に低減し、さらには、窮極的にモータ自体の重量を大幅に低減することができるという効果がある。

１０、１１０ 回転子
１１、１１１ 回転子コア
１２、１１２ 永久磁石
１３ 永久磁石の中央部の内周面
１４ 永久磁石の両側端部の内周面
２０、１２０ 固定子
２１、１２１ 固定子ティース
２２、１２２ ポールシュー
２３ ポールシューの中央部の外周面
２４ ポールシューの両側端部の外周面
２５、１２５ コイル
Ｃ 回転子の回転中心
ＣＬ 永久磁石の中心線

本発明は、モータに関し、より詳細には、回転子が固定子の外側で回転し、回転子に永久磁石が備えられたモータに関する。

一般的に、モータは、電流が流れる磁場内で電気エネルギーを機械的なエネルギーに切り替える装置であり、電源の種類、ロータとステータの位置、永久磁石の適用可否など、様々な基準によって分類することができる。

例えば、モータは、電源の種類に応じて、直流（ＤＣ）モータと交流（ＡＣ）モータとに分けられ、直流モータは、またブラシモータとブラシレスモータとに分けられる。

直流モータでブラシ（ｂｒｕｓｈ）が取り付けられたモータは、整流子とブラシとの接触によってコイルに電流を流すとともに整流させる働きをするが、機械的、電気的なノイズを発生するだけでなく、ブラシが摩耗するという欠点がある。かかる欠点を解消するために、ブラシを使用しないブラシレスモータ（ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ｍｏｔｏｒ）が広く使用されている。ブラシレス直流モータは、直流モータでブラシと整流子（ｃｏｍｍｕｔａｔｏｒ）を取り除き、電子的な整流器具を設置したモータであり、無整流子電動機とも言う。

また、モータは、回転子と固定子の相対的な位置に応じて、インナーロータ型モータとブラシレスモータとに分けることもできる。図１〜図２にはブラシレスモータの一例が示されている。図１〜図２に示すブラシレスモータは、回転子コア１１１の内周面に永久磁石１１２が備えられた回転子１１０と、コイル１２５が巻かれるティース１２１の先端にポールシュー１２２が形成された固定子１２０とを含んで構成される。

一方、モータの回転時には、回転子１１０の位置に応じて磁束が移動することを妨げる磁気抵抗の大きさが異なり、かかる磁気抵抗の差によってトルクの脈動が発生する。このように、永久磁石型モータにおいて、コイルに電源が印加される際に、ロータの回転時に発生するトルクをコギングトルク（ｃｏｇｇｉｎｇ ｔｏｒｑｕｅ）と言うが、これにより、モータが振動と騒音に対して加振源を有することになり、結局、モータ駆動システムであるクーリングファンなどに振動と騒音をもたらすという問題がある。

コギングトルクは、ロータの位置の変化による磁気抵抗の変化率に比例することが知られている。かかるコギングトルクを減少させるために、図１〜図２に示す従来技術のティース１２１には、永久磁石１１２と対向する対向面１２３に切欠１２４が形成されている。ティース１２１は、固定子１２０の磁束が回転子１１０に移動するように回転子コア１１１の周方向に延びて形成されたものであるが、切欠１２４は、ティース１２１の対向面１２３に、回転子コア１１１の周方向に沿って複数個が形成されている。

しかし、切欠１２４が形成された場合にも、回転角による磁気抵抗の変化率には依然として大きい差があり、それによって騒音と振動を大幅に低減することができないという問題がある。そのため、モータのコギングトルクの変動幅であるトルクリップルを低減させることにより、モータの騒音および振動特性を改善する必要がある。

一方、一般的に、前記固定子１２０は、電磁鋼板（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｓｈｅｅｔ）材質からなる。電磁鋼板とは、一般の鋼板に比べて珪素の含有量が多く、電気的、磁気的性質に優れた鉄鋼からなる板を言う。特に、鋼板の内部の結晶がそれぞれに向かっている無方向性電磁鋼板が、汎用モータ、小型モータなど、一般回転機に広く使用されている。しかしながら、電磁鋼板材質は、永久磁石材質に比べて密度が高く、前記固定子１２０の体積が大きくなるほどモータ自体の重量が増加することになり、これを低減するための設計を導入する必要がある。

コギングトルクおよびトルクリップルの性能を改善するために様々な研究がなされているが、その一例が、韓国特許公開第２０１７‐００４４９３４号（「Ｗタイプの永久磁石の配置を有する回転子およびモータ」、２０１７年０４月２６日、以下、先行文献１）である。先行文献１では、永久磁石をＷ形態になるように配置することで、コギングトルクおよびトルクリップルを改善する構成を開示している。しかしながら、先行文献１でも、コギングトルクおよびトルクリップルを改善する性能を必要とするだけ十分に得ることができず、また、重量の低減について全く考慮していないという限界がある。

韓国特許公開第２０１７‐００４４９３４号（「Ｗタイプの永久磁石の配置を有する回転子およびモータ」、２０１７年０４月２６日）

本発明は、上述のように、従来のモータが有する問題を解決するために導き出されたものであり、本発明の目的は、回転子および固定子の形状設計の最適化により、回転子の位置変化による磁気抵抗の変化率を最小にすることにより、モータのコギングトルクおよびトルクリップルを大幅に低減することができるブラシレスモータを提供することにある。また、本発明の他の目的は、回転子および固定子の材質を考慮した形状設計の最適化により、重量をも低減することができるブラシレスモータを提供することにある。

上述のような目的を達成するための本発明におけるモータは、回転子コア１１の内周面に配置された複数の永久磁石１２を備えた回転子１０と、固定子コアの周縁方向に沿って配置された複数個のティース２１と前記永久磁石１２と対向する前記ティース２１の先端に形成されたポールシュー２２を備えた固定子２０とを含み、前記回転子１０の回転時に、前記永久磁石１２は、前記ポールシュー２２の中央部の外周面２３との距離が徐々に近くなった後、前記ポールシュー２２の中央部の外周面２３を通過した後、前記ポールシュー２２の中央部の外周面２３との距離が徐々に離れることを特徴とする。この場合、前記永久磁石１２の中央部の内周面１３は、所定の曲率を有する曲面状に形成され、前記永久磁石１２の両側端部の内周面１４は、前記中央部から離れるほど、前記ポールシュー２２の外周面との距離が離れるように形成される。また、前記ポールシュー２２の両側端部の外周面２４は、前記中央部から離れるほど、前記永久磁石１２の内周面との距離が離れるように形成される。

すなわち、本発明におけるモータは、回転子コア１１と前記回転子コア１１の内周面に周縁方向に沿って互いに離隔するように配置された複数個の永久磁石１２を備えた回転子１０と、前記回転子１０の内側に配置され、固定子コアの周縁方向に沿って互いに離隔するように配置された複数個のティース２１と前記永久磁石１２と対向する前記ティース２１の先端に形成されたポールシュー２２を備えた固定子２０とを含み、前記永久磁石１２の中央部の内周面１３は、所定の曲率を有する曲面状に形成され、前記永久磁石１２の両側端部の内周面１４は、前記中央部から離れるほど、前記ポールシュー２２の外周面との距離が離れるように形成されるか、もしくは前記ポールシュー２２の両側端部の外周面２４は、前記中央部から離れるほど、前記永久磁石１２の内周面との距離が離れるように形成される。

この場合、前記永久磁石１２の両側端部の内周面１４は、平面の形状を有する。

この場合、前記永久磁石１２の両側端部の内周面１４は、前記永久磁石１２の中央部と両側端部が接する点で、前記永久磁石１２の中央部の内周面１３の接線に対して所定の角度αをなして形成される。

この場合、前記永久磁石１２の両側端部の内周面１４が、前記永久磁石１２の中央部の内周面１３の接線となす角度αが、９゜≦α≦２０゜の関係を満たすことが好ましい。

また、前記永久磁石１２の両側端部の内周面１４は、同一平面に位置する。

この場合、前記永久磁石１２の内周面は、前記永久磁石１２の中心線ＣＬを基準として、対称になるように形成される。

この場合、前記回転子１０の回転中心Ｃから前記ポールシュー２２の中心先端までの距離をＤ２とし、前記回転子１０の回転中心Ｃから前記永久磁石１２の両側端部の内周面１４までの距離をＤ１としたとき、Ｄ１＜Ｄ２の関係を満たすことが好ましい。

また、前記回転子１０の回転中心Ｃを基準として、前記永久磁石１２の両側端部の先端間の角度をθ１、前記永久磁石１２の中央部の内周面１３の両側先端間の角度をθ２としたとき、０．６５≦θ２／θ１≦０．６７または０．８４≦θ２／θ１≦０．８６の関係を満たすことが好ましい。

この場合、前記回転子１０の回転中心Ｃを基準として、前記ポールシュー２２の両側先端間の角度をθ３としたとき、θ２＜θ３の関係を満たすことが好ましい。

また、前記ポールシュー２２の中央部の外周面２３は、所定の曲率を有する曲面状に形成される。

この場合、前記回転子１０の回転中心Ｃを基準として、前記ポールシュー２２の中央部の外周面２３の両側先端間の角度をθ４としたとき、０゜≦θ４≦１．５゜の関係を満たすことが好ましい。

また、前記ポールシュー２２の両側端部の外周面２４は、平面の形状を有する。

この場合、前記ポールシュー２２の両側端部の外周面２４が、前記ポールシュー２２の中央部と両側端部が接する点で、前記ポールシュー２２の中央部の外周面２３の接線となす角度をβとしたとき、７゜≦β≦９゜の関係を満たすことが好ましい。

また、前記永久磁石１２の両側端部の内周面１４は、平面の形状を有し、前記永久磁石１２の両側端部の内周面１４は、前記永久磁石１２の中央部と両側端部が接する点で、前記中央部の内周面の接線に対して所定の角度αをなして形成され、前記ポールシュー２２の両側端部の外周面２４は平面の形状を有し、前記ポールシュー２２の両側端部の外周面２４の先端部は、前記ポールシュー２２の中央部の外周面２３の延長線上から半径方向に所定の距離Ｌ２をなして形成されるが、前記永久磁石１２の両側端部の内周面１４が、前記永久磁石１２の中央部と両側端部が接する点で、前記永久磁石１２の中央部の内周面１３の接線となす角度αと、前記ポールシュー２２の両側端部の外周面２４が、前記ポールシュー２２の中央部と両側端部が接する点で、前記ポールシュー２２の中央部の外周面２３の接線となす角度βが、α＞βの関係を満たすことが好ましい。

本発明におけるモータは、回転子の回転による磁気抵抗の変化を最小にすることにより、コギングトルクを大幅に低減し、モータの騒音および振動を大幅に低減できるという効果がある。より具体的には、本発明におけるブラシレスモータは、先ず、永久磁石の内周面の形状において、中心部は円柱状に形成され、且つ両側端部が面取りされた（ｃｈａｍｆｅｒｅｄ）形状からなるようにして、永久磁石の回転子が一極の端部から次の極に回転する時に磁気抵抗の変化を徐々に減少させてからまた徐々に増加させるようにし、これにより、コギングトルクを大幅に低減する効果を奏することができる。さらに、本発明におけるブラシレスモータは、固定子ポールシューの外周面また両側先端が面取りされた形状を有することにより、上述のような効果がより増大し、コギングトルクをより低減できる効果を奏することができる。

それだけでなく、本発明におけるブラシレスモータは、電磁鋼板材質からなり、永久磁石よりも相対的に密度が高い固定子ポールシューが面取りされた形状からなるようにして、密度の高い材質からなる部品の重量をより効果的に低減し、さらには、究極的にモータ自体の重量を大幅に低減できるという効果も奏することができる。

従来のブラシレスモータを示す断面図である。 図１に図示されているブラシレスモータの部分拡大図である。 本発明の一実施例によるブラシレスモータを示す断面図である。 本発明の一実施例によるブラシレスモータの部分拡大図（回転子の詳細構成）である。 本発明の一実施例によるブラシレスモータの部分拡大図（固定子の詳細構成）である。 本発明の一実施例によるブラシレスモータの部分拡大図（固定子の他の実施例）である。 本発明の一実施例によるブラシレスモータのθ２／θ１によるコギングトルクを示すグラフである。 本発明の一実施例によるブラシレスモータのＬ１によるコギングトルクを示すグラフである。 本発明の一実施例によるブラシレスモータの固定子および回転子の形態および様々な比較例を示す図である。

図３は本発明の一実施例によるブラシレスモータを示す断面図である。先ず、図３を参照して前記ブラシレスモータの基本構成について説明すると、以下のとおりである。

図に示すように、本発明におけるブラシレスモータ１００は、回転子コア１１と前記回転子コア１１の内周面に周縁方向に沿って互いに離隔するように配置された複数個の永久磁石１２を備えた回転子１０と、前記回転子１０の内側に配置され、周縁方向に沿って互いに離隔するように配置された複数個のティース２１と前記永久磁石１２と対向する前記ティース２１の先端に形成されたポールシュー２２を備えた固定子２０とを含んで構成される。

回転子１０は、回転自在に形成され、円筒状の回転子コア１１に複数個の永久磁石１２が結合して形成される。この場合、永久磁石１２は、回転子コア１１の内周面に周縁方向に沿って互いに離隔して配置される。また、永久磁石１２は、Ｎ極とＳ極を有し、一つの永久磁石１２の内周面にＮ極が位置するように配置し、隣り合う永久磁石１２の内周面にはＳ極が位置するように配置し、複数個の永久磁石が、周縁方向に沿ってＮ極とＳ極の位置が交互するように配置される。

固定子２０は、モータのハウジングなどに固定される部分であり、回転子１０の内側中央の空きスペースに配置され、永久磁石１２によって囲まれた内側に、永久磁石１２と所定間隔離隔して配置される。また、固定子コアの外周面で中心から外側に複数個のティース２１が延長形成され、且つティース２１は、固定子コアの周縁方向に沿って互いに離隔して配置される。また、ティース２１の外側端部には、それぞれ、ポールシュー２２が延長形成され、ポールシュー２２は、周縁方向の両端がティース２１から突出した形態に形成され、図３に図示されているように、ティース２１およびポールシュー２２が「Ｔ」字状に形成される。また、互いに隣り合うティース２１に形成されて対向するポールシュー２２は、所定間隔離隔して形成される。また、ティース２１にはコイル２５が巻かれ、巻かれるコイル２５は、固定子コアの外周面とポールシュー２２との間に配置される。

図３において、回転子１０には、８個の永久磁石１２が備えられており、固定子２０には、１２個のティース２１が備えられている。これは、一例に過ぎず、１０個の永久磁石と１２個のティースが形成されてもよく、必要に応じて個数が変更されてもよい。

以下の数式１のように、磁束Φが変化しない状態で、回転子の回転角度の変化ｄθに対する磁気抵抗の変化ｄＲが減少すると、コギングトルクが減少することが分かる。

従来、図２に示すポールシュー１２２は、対向面と永久磁石１１２との距離が一定であるため、永久磁石１１２の区間で磁気抵抗の変化が全くなかったものの、永久磁石１１２のない区間で磁気抵抗が急減することになるため、磁気抵抗の変化率が大きくなるしかなかった。

本発明では、回転子１０および固定子２０の形状、より具体的には、永久磁石１２およびポールシュー２２の形状を改善することで、上述のようなコギングトルクおよびトルクリップルの問題を改善する。以下では、先ず、永久磁石１２の形状改善設計について説明し、次に、ポールシュー２２の形状改善設計について説明する。

永久磁石の形状改善設計
図４は本発明の一実施例によるブラシレスモータを示す部分拡大図であり、特に、永久磁石１２の形状改善設計の事項について詳細に示している。

図３〜図４に示すように、本発明において、前記永久磁石１２の中央部の内周面１３は、所定の曲率を有する曲面状に形成され、前記永久磁石１２の両側端部の内周面１４は、前記中央部から離れるほど、前記ポールシュー２２の外周面との距離が離れるように形成される。

これにより、永久磁石１２の中央部から両側端部に向かって磁気抵抗が徐々に減少することになり、永久磁石１２の端部での磁気抵抗と永久磁石１２のない区間での磁気抵抗との差が減少することになる。換言すれば、ポールシュー２２が永久磁石１２のない区間を通過する前に、永久磁石１２の端部で予め磁気抵抗を減少させることになる。したがって、ポールシュー２２の形状に関係なく、全回転区間で磁気抵抗の変化率を減少させることができ、結局、コギングトルクが著しく低減し、モータの振動と騒音を低減することができる。

前記永久磁石１２の両側端部の内周面１４は、平面状に形成される。この場合、前記永久磁石１２の両側端部の平面である内周面１４は、前記永久磁石の中央部と両側端部が接する点で、前記中央部の内周面の接線に対して所定の角度αをなして形成される。これにより、回転子が回転しながら磁気抵抗の変化を徐々に減少させてからまた徐々に増加させる効果を与えることができる。また、図示していないが、永久磁石１２の両側端部の内周面１４は、前記中央部から離れるほど、前記ポールシュー２２の外周面との距離が離れる条件を満たせば、平面状ではなく曲面状に形成されてもよい。

前記永久磁石１２の両側端部の内周面が、前記中央部の内周面の接線となす角度αが、９゜≦α≦２０゜を満たすことが好ましい。角度αが、９゜未満の場合には、磁気抵抗の減少量が小さすぎて、永久磁石１２のない区間での磁気抵抗と比較して大きい差が出、結局、磁気抵抗の変化量が大幅に減少することができなくなる。また、角度αが２０゜超の場合には、永久磁石のない区間での磁気抵抗値との差は小さいものの、永久磁石１２の中央部と両側端部での磁気抵抗に大きい差が出るため、永久磁石１２自体での磁気抵抗の変化量が大きすぎることになる。角度αが、９゜以上で２０゜以下の場合には、永久磁石１２のない区間での磁気抵抗との差も大幅に減少し、永久磁石の中央部と両側端部での磁気抵抗の差も大きくなく、結局、全磁気抵抗の変化率を最小にすることができる。

また、前記永久磁石１２の両側端部の内周面１４は、互いに同一の平面に位置することができる。また、前記永久磁石１２の内周面１３、１４は、永久磁石の中心線ＣＬを基準として、対称になるように形成される。これにより、永久磁石の中心線を基準として磁気抵抗の変化が一定で対称に生じることになり、不規則な磁気抵抗の変化を防止することができる。

図４に示すように、前記回転子１０の回転中心Ｃから前記ポールシュー２２の中心先端までの距離をＤ２とし、前記回転子１０の回転中心Ｃから前記永久磁石１２の両側端部の内周面１４までの距離をＤ１とし、前記回転子１０の回転中心Ｃから前記永久磁石１２の中央部の内周面１３までの距離をＤ３としたとき、Ｄ１＜Ｄ２の関係を満たすことが好ましい。

前記永久磁石１２の中央部の内周面１３は、Ｄ３の曲率半径を有する面であり、前記ポールシュー２２は、前記中央部の内周面１３と所定の間隔Ｄ３‐Ｄ２を維持しながら回転する。モータ効率の損失を低減するために、前記間隔Ｄ３‐Ｄ２は、１ｍｍ以下と小さく形成される。また、Ｄ１がＤ３に近いほど、前記永久磁石１２の中央部の長さが減少し、両側端部の長さが大きくなり、永久磁石の両側端部と永久磁石のない区間での磁気抵抗の変化量が減少するが、永久磁石の磁力が弱くなるため、モータ性能を減少させる可能性がある。これを解消するために、Ｄ１がＤ２よりも小さくなるように形成することにより、前記永久磁石１２の中央部の長さを十分に形成し、モータの性能を維持することができる。

図４に示すように、前記回転子１０の回転中心Ｃを基準として、前記永久磁石１２の両側端部の先端間の角度をθ１、前記永久磁石１２の中央部の内周面１３の両側先端間の角度をθ２としたとき、前記永久磁石１２の中央部の内周面１３の両側先端間の角度θ２に応じて前記永久磁石の中央部の長さが変化し、それによってモータのコギングトルクが変化する。

図７にはθ２／θ１によるコギングトルクの変化を示すグラフが示されている。θ２／θ１値が０．６未満の場合には、上述のとおり、永久磁石１２に対する中央部の長さが減少するため、モータの性能を維持し難くなる。したがって、図７には、θ２／θ１値が０．６以上の場合に、θ２／θ１値によるコギングトルクの変化を、繰り返し試験により導き出した結果が示されている。

図に示すように、基本的に、θ２／θ１値が増加するほど、コギングトルクが増加する。ただし、θ２／θ１値が約０．６６の値の点と約０．８５の値の点では、コギングトルクが、隣接した値の点に比べて減少することが分かる。したがって、モータの駆動性能を勘案し、且つコギングトルクの減少効果が極大になるように、本発明におけるブラシレスモータは、θ２／θ１値が約０．６６または約０．８５であってもよい。

より好ましくは、本発明におけるブラシレスモータのθ２／θ１値は、コギングトルクの減少効率に対してモータの構成性能がより優れた約０．８５と決定できる。

また、前記回転子１０の回転中心Ｃを基準として、前記ポールシュー２２の両側先端間の角度をθ３としたとき、θ２＜θ３の関係を満たすことが好ましい。前記ポールシュー２２の長さが、少なくとも前記永久磁石１２の中央部をすべてカバーするほど長いときにモータの性能を維持できるようにするためである。

ポールシューの形状改善設計
図５は本発明の一実施例によるブラシレスモータを示す部分拡大図であり、特に、ポールシュー２２の形状改善設計の事項について詳細に示している。

上述のように、本発明におけるブラシレスモータでは、永久磁石１２の中心部は、円柱状に形成され、且つ両側端部が面取りされた形状にすることにより、永久磁石の回転子が一極の端部から次の極に回転する時に、磁気抵抗の変化を徐々に減少させてからまた徐々に増加させるようにする。上述の数式１に示されているように、回転子の回転角度の変化ｄθに対する磁気抵抗の変化ｄＲが減少すると、コギングトルクが減少するということが知られているので、前記永久磁石１２の形状の改善により、コギングトルクを確実に低減できることを理論的にも確認することができる。ポールシュー２２の形状の改善もこれと同様の観点で行われる。

すなわち、図５に示すように、本発明において、前記ポールシュー２２の両側端部の外周面２４は、前記中央部から離れるほど、前記永久磁石１２の内周面との距離が離れるように形成する。

これにより、（永久磁石１２でと同様）回転子が一極の端部から次の極に回転する時に、ポールシュー２２の形状によって磁気抵抗の変化が徐々に減少してからまた徐々に増加する。すなわち、図５のように、ポールシュー２２の両側端部が面取りされた形状にすることにより、永久磁石１２の両側端部が面取りされた形状にすることで得られるコギングトルク低減効果を同様に奏することができる。ポールシュー２２が、このように両側端部が面取りされた形状からなる場合、永久磁石１２の内周面が面取りされていない形状になってもコギングトルク低減効果を奏することができ、永久磁石１２も両側端部が面取りされる場合に、コギングトルク低減効果を極大にすることができる。

前記ポールシュー２２の中央部の外周面２３は、図５に示すように、所定の曲率を有する曲面状に形成する。図５に示すように、前記回転子１０の回転中心Ｃを基準として、前記ポールシュー２２の中央部の外周面２３の両側先端間の角度をθ４とし、この場合、θ４に相当する部分は、所定の長さＬ１で形成する。もしくは、図６に示すように、ポールシュー２２の両側端部が完全に面取りされることにより、前記ポールシュー２２の中央部が頂点状に形成することもできる。すなわち、図５は前記ポールシュー２２の中央部の外周面２３の長さＬ１が０よりも大きい値を有する場合を示しており、図６は前記ポールシュー２２の中央部の外周面２３の長さＬ１が０の場合、すなわち、実質的には前記ポールシュー２２の中央部が頂点状に形成される場合をそれぞれ示している。この場合、前記ポールシュー２２の中央部の外周面２３の長さＬ１が長いほど面取りされた部分の領域が減少することから磁気抵抗変化量がより急激になるため、コギングトルク低減効果が小さくなり、前記長さＬ１が短いほど、逆にコギングトルク低減効果が大きくなる。

図８はＬ１によるコギングトルクの変化を示すグラフであり、前記長さＬ１が短いほどコギングトルクが小さくなり、前記長さＬ１が長いほどコギングトルクが大きくなる傾向が図８によく示されている。この場合、前記ポールシュー２２の中央部の外周面２３の長さＬ１が０ｍｍ≦Ｌ１≦２ｍｍの範囲で、コギングトルクが略０．０６と小さく形成されていて、Ｌ１が２ｍｍである点を基点としてコギングトルクが相当大幅に大きくなる傾向を確認することができる。かかる点を考慮すると、前記ポールシュー２２の中央部の外周面２３の長さＬ１が０ｍｍ≦Ｌ１≦２ｍｍの関係を満たすことができる。この場合、装置自体の全体的な大きさが変化する場合、Ｌ１の大きさもそれに合わせて変化し得ることを勘案し、前記ポールシュー２２の中央部の外周面２３の規格をθ４で示すことがより好ましい。具体的には、前記ポールシュー２２の中央部の外周面２３の両側先端間の角度θ４が０゜≦θ４≦１．５゜の関係を満たすことが好ましい。

前記ポールシュー２２の両側端部の外周面２４は、平面状に形成できる。この場合、前記ポールシュー２２の両側端部の外周面２４の先端は、前記ポールシュー２２の中央部の外周面２３の延長線上から半径方向に所定の距離Ｌ２をなして形成できる。これにより、（永久磁石１２の両側端部の内周面１４の形状による現象と同様に）回転子が回転しながら磁気抵抗の変化を徐々に減少させてからまた徐々に増加させる効果を与えることができる。この場合にも、図示してはいないが、ポールシュー２２の両側端部の外周面２４は、前記中央部から離れるほど、前記永久磁石１２の内周面との距離が離れる条件を満たせば、平面状ではなく曲面状に形成することもできる。

この場合にも、上述と同様、装置自体の全体的な大きさが変化する場合、Ｌ２の大きさもそれに合わせて変化し得ることを勘案し、前記ポールシュー２２の両側端部の外周面２４の規格をある角度で示すことがより好ましい。前記ポールシュー２２の両側端部の外周面２４が、前記ポールシュー２２の中央部と両側端部が接する点で、前記ポールシュー２２の中央部の外周面２３の接線となす角度をβとしたとき、βが７゜≦β≦９゜の関係を満たすことが好ましい。

永久磁石およびポールシュー形状関連設計
上述のように、永久磁石１２の両側端部の内周面１４が面取りされた形状を有するか、またはポールシュー２２の両側端部の外周面２４が面取りされた形状を有することにより、回転子が一極の端部から次の極に回転する時に、磁気抵抗の変化が徐々に減少してからまた徐々に増加することになり、コギングトルクを効果的に低減することができる。この場合、永久磁石１２のみ面取りされた形状を有してもよく、ポールシュー２２のみ面取りされた形状を有してもよく、または永久磁石１２およびポールシュー２２の両方が面取りされた形状を有してもよい。

一方、一般的に製作されるブラシレスモータの場合、永久磁石１２がポールシュー２２に比べて高さが高い反面、（電磁鋼板からなる）ポールシュー２２が、永久磁石１２に比べて密度が大きい。永久磁石１２およびポールシュー２２の材質、高さなどを表にまとめると、以下のとおりである。

前記表１に示すように、性能改善のための２Ｄ断面設計において、断面上で面積が変化することによって重量が影響を受ける程度は、永久磁石に比べて（電磁鋼板からなる）ポールシューの方が大きい。

図９は本発明の一実施例によるブラシレスモータの固定子および回転子の形態および様々な比較例と、各場合に対する重量およびコギングトルクを示す図である。図９の（Ａ）が本発明の一実施例によるブラシレスモータの固定子および回転子の形態であり、永久磁石１２およびポールシュー２２の両方とも両側端部が面取りされた形状からなる場合である。この場合、重量も０．７９１ｇと最も小さく示され、コギングトルクも０．１００Ｎｍと最も小さく示されることは言うまでもない。一方、図９の（Ｂ）はポールシュー２２のみ両側端部が面取りされた形状からなる場合であり、重量は０．７９８ｇ、コギングトルクは０．２２７Ｎｍと示される。図９の（Ｃ）は永久磁石１２のみ両側端部が面取りされた形状からなる場合であり、重量は０．８０２ｇ、コギングトルクは０．１７９Ｎｍと示される。

図９の（Ａ）と同様、永久磁石１２およびポールシュー２２の両方とも両側端部が面取りされた形状にすることがもちろん最善であるが、両方の一つのみ面取りされるようにすべき場合があり得る。この場合、図９の（Ｂ）および図９の（Ｃ）の比較から分かるように、ポールシュー２２のみ両側端部が面取りされた形状にする場合には、重量低減効果は相対的に大きく示される一方、コギングトルク低減効果は相対的に小さく示される。反対に、永久磁石１２のみ両側端部が面取りされた形状にする場合には、コギングトルク低減効果は相対的に小さく示される一方、重量低減効果は相対的に大きく示される。

かかる観点から見て、図９の（Ａ）のように、永久磁石１２およびポールシュー２２の両方とも両側端部が面取りされた形状からなるようにする場合であっても、各部品での面取り程度をどのように決定するかによって重量低減効果およびコギングトルク低減効果が異なる。一方、面取り程度が大きくなりすぎる場合、上記で（特に、α範囲に関して）説明したとおり、各部品の中で中央部‐両側端部の間の磁気抵抗変化が大きくなりすぎる問題が生じる。かかる観点で、重量低減効果およびコギングトルク低減効果をいずれも適切に向上させ、且つ不要な点で磁気抵抗変化が大きくなりすぎないように最適化する必要がある。

かかる様々な事項を考慮すると、前記永久磁石１２および前記ポールシュー２２の形状は、以下のような相関関係を有することが好ましい。先ず、前記永久磁石１２の両側端部の内周面１４は、平面の形状を有し、前記永久磁石１２の両側端部の内周面１４は、前記永久磁石１２の中央部と両側端部が接する点で、前記中央部の内周面の接線に対して所定の角度αをなして形成されると想定する。また、前記ポールシュー２２の両側端部の外周面２４は、平面の形状を有し、前記ポールシュー２２の両側端部の外周面２４の先端部は、前記ポールシュー２２の中央部の外周面２３の延長線上から半径方向で所定の距離Ｌ２をなして形成されると想定する。この場合、前記永久磁石１２の両側端部の内周面１４が、前記永久磁石１２の中央部と両側端部が接する点で、前記永久磁石１２の中央部の内周面１３の接線となす角度αと、前記ポールシュー２２の両側端部の外周面２４が、前記ポールシュー２２の中央部と両側端部が接する点において、前記ポールシュー２２の中央部の外周面２３の接線となす角度βが、α＞βの関係を満たすことが好ましい。

本発明は、上述の実施例に限定されず、適用範囲が様々であることは言うまでもなく、本発明の技術的思想内で当該分野において通常の知識を有する者にとってその変形や改良が可能であることは言うまでもない。

本発明におけるモータは、回転子の回転による磁気抵抗の変化を最小にすることにより、コギングトルクを大幅に低減し、モータの騒音および振動を大幅に低減できる効果がある。また、本発明におけるモータは、密度の高い材質からなる部品の重量をより効果的に低減し、さらには、窮極的にモータ自体の重量を大幅に低減できるという効果がある。

１０、１１０ 回転子
１１、１１１ 回転子コア
１２、１１２ 永久磁石
１３ 永久磁石の中央部の内周面
１４ 永久磁石の両側端部の内周面
２０、１２０ 固定子
２１、１２１ ティース
２２、１２２ ポールシュー
２３ ポールシューの中央部の外周面
２４ ポールシューの両側端部の外周面
２５、１２５ コイル
Ｃ 回転子の回転中心
ＣＬ 永久磁石の中心線

Claims (16)

1. 回転子コア（１１）の内周面に配置された複数の永久磁石（１２）を備えた回転子（１０）と、
   固定子コアの周縁方向に沿って配置された複数個のティース（２１）と前記永久磁石（１２）と対向する前記ティース（２１）の先端に形成されたポールシュー（２２）を備えた固定子（２０）とを含み、
   前記回転子（１０）の回転時に、前記永久磁石（１２）は、前記ポールシュー（２２）の中央部の外周面（２３）との距離が徐々に近くなった後、前記ポールシュー（２２）の中央部の外周面（２３）を通過した後、前記ポールシュー（２２）の中央部の外周面（２３）との距離が徐々に離れることを特徴とする、モータ。
2. 前記永久磁石（１２）の中央部の内周面（１３）は、所定の曲率を有する曲面状に形成され、前記永久磁石（１２）の両側端部の内周面（１４）は、前記中央部から離れるほど、前記ポールシュー（２２）の外周面との距離が離れるように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. 前記ポールシュー（２２）の両側端部の外周面（２４）は、前記中央部から離れるほど、前記永久磁石（１２）の内周面との距離が離れるように形成されることを特徴とする、請求項２に記載のモータ。
4. 前記永久磁石（１２）の両側端部の内周面（１４）は、平面の形状を有することを特徴とする、請求項２に記載のモータ。
5. 前記永久磁石（１２）の両側端部の内周面（１４）は、前記永久磁石（１２）の中央部と両側端部が接する点で、前記永久磁石（１２）の中央部の内周面（１３）の接線に対して所定の角度（α）をなして形成されることを特徴とする、請求項４に記載のモータ。
6. 前記永久磁石（１２）の両側端部の内周面（１４）が、前記永久磁石（１２）の中央部の内周面（１３）の接線となす角度（α）が、９゜≦α≦２０゜の関係を満たすことを特徴とする、請求項５に記載のモータ。
7. 前記永久磁石（１２）の両側端部の内周面（１４）は、同一平面に位置することを特徴とする、請求項４に記載のモータ。
8. 前記永久磁石（１２）の内周面は、前記永久磁石（１２）の中心線（ＣＬ）を基準として、対称するように形成されることを特徴とする、請求項７に記載のモータ。
9. 前記回転子（１０）の回転中心（Ｃ）から前記ポールシュー（２２）の中心先端までの距離をＤ２とし、前記回転子（１０）の回転中心（Ｃ）から前記永久磁石（１２）の両側端部の内周面（１４）までの距離をＤ１としたとき、Ｄ１＜Ｄ２の関係を満たすことを特徴とする、請求項８に記載のモータ。
10. 前記回転子（１０）の回転中心（Ｃ）を基準として、前記永久磁石（１２）の両側端部の先端間の角度をθ１、前記永久磁石（１２）の中央部の内周面（１３）の両側先端間の角度をθ２としたとき、０．６５≦θ２／θ１≦０．６７または０．８４≦θ２／θ１≦０．８６の関係を満たすことを特徴とする、請求項２に記載のモータ。
11. 前記回転子（１０）の回転中心（Ｃ）を基準として、前記ポールシュー（２２）の両側先端間の角度をθ３としたとき、θ２＜θ３の関係を満たすことを特徴とする、請求項１０に記載のモータ。
12. 前記ポールシュー（２２）の中央部の外周面（２３）は、所定の曲率を有する曲面状に形成されることを特徴とする、請求項３に記載のモータ。
13. 前記回転子（１０）の回転中心（Ｃ）を基準として、前記ポールシュー（２２）の中央部の外周面（２３）の両側先端間の角度をθ４としたとき、０゜≦θ４≦１．５゜の関係を満たすことを特徴とする、請求項１２に記載のモータ。
14. 前記ポールシュー（２２）の両側端部の外周面（２４）は、平面の形状を有することを特徴とする、請求項３に記載のモータ。
15. 前記ポールシュー（２２）の両側端部の外周面（２４）が、前記ポールシュー（２２）の中央部と両側端部が接する点で、前記ポールシュー（２２）の中央部の外周面（２３）の接線となす角度をβとしたとき、７゜≦β≦９゜の関係を満たすことを特徴とする、請求項１４に記載のモータ。
16. 前記永久磁石（１２）の両側端部の内周面（１４）は、平面の形状を有し、前記永久磁石（１２）の両側端部の内周面（１４）は、前記永久磁石（１２）の中央部と両側端部が接する点で、前記中央部の内周面の接線に対して所定の角度（α）をなして形成され、
    前記ポールシュー（２２）の両側端部の外周面（２４）は平面の形状を有し、前記ポールシュー（２２）の両側端部の外周面（２４）の先端部は、前記ポールシュー（２２）の中央部の外周面（２３）の延長線上から半径方向に所定の距離（Ｌ２）をなして形成され、
    前記永久磁石（１２）の両側端部の内周面（１４）が、前記永久磁石（１２）の中央部と両側端部が接する点で、前記永久磁石（１２）の中央部の内周面（１３）の接線となす角度（α）と、前記ポールシュー（２２）の両側端部の外周面（２４）が、前記ポールシュー（２２）の中央部と両側端部が接する点で、前記ポールシュー（２２）の中央部の外周面（２３）の接線となす角度（β）が、α＞βの関係を満たすことを特徴とする、請求項３に記載のモータ。

Images