JP2023089319A - 回転子及び電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】電動機の効率を低下させることなくコギングトルクを効果的に低減することができる回転子等を提供する。【解決手段】回転子１０は、鉄心１１の磁石挿入穴１１ｂに配置された磁石１２を備え、鉄心１１の最外周形状は、変曲点Ｐｉを介して第１の円弧Ａ１と第２の円弧Ａ２とを含み、第１の円弧Ａ１は、磁石１２の磁極の中心と軸心Ｃとを通る第１の直線Ｌ１が鉄心１１の最外周と交差する第１の点Ｐ１を通る円弧で、第２の円弧Ａ２は、磁石１２の磁極間中心と軸心Ｃとを通る第２の直線Ｌ２が鉄心１１の最外周と交差する第２の点Ｐ２と変曲点Ｐｉとを結ぶ円弧であり、第１の点Ｐ１と軸心Ｃとの距離をｒ１とし、第２の点Ｐ２と軸心Ｃとの距離をｒ２とすると、０．８６０≦ｒ２／ｒ１≦０．９２５の関係を満たし、第１の円弧Ａ１の半径をＲ１とし、第２の円弧Ａ２の半径をＲ２とすると、０．５６≦Ｒ２／Ｒ１≦０．７１の関係を満たす。【選択図】図３

Description

本開示は、回転子及び回転子を備える電動機に関し、特に、鉄心に永久磁石が配置された永久磁石埋め込み型の回転子及びこの回転子を備える電動機に関する。

電動機は、家庭用機器又は産業用機器等の様々な電気機器に用いられている。例えば、電動機は、回転ファンを回転させるために、電気掃除機に搭載される電動送風機に用いられている。

電動機としては、鉄心に複数の永久磁石が埋め込まれた回転子を有するＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）モータが知られている。ＩＰＭモータは、回転子が有する鉄心の永久磁石によるマグネットトルクに加えて、鉄心に生じる磁気抵抗の大きさの凹凸によるリラクタンストルクを得ることができる。このため、小型で高効率のモータを実現することができる。

しかしながら、ＩＰＭモータでは、回転子が有する鉄心に埋め込まれた永久磁石から発生する磁束に起因して回転子の回転位置によって磁気吸引力が異なるため、回転子が回転した際にコギングトルクと呼ばれるトルクの脈動が発生する。

そこで、このようなコギングトルクを低減するために、ＩＰＭモータでは、回転子が有する鉄心の最外周形状を工夫する技術が知られている。例えば、特許文献１には、コギングトルクを低減するとともに誘起電圧の高調波含有率を低減して振動と騒音を抑制するために、回転子が有する鉄心の各磁極の最外周形状を円弧と２つの直線とによって構成した電動機が開示されている。

特開２００６－２３８６６７号公報

しかしながら、従来の電動機の構造では、効率を低下させることなく、コギングトルクを低減することが難しい。例えば、固定子と回転子とのエアギャップを大きくすることでコギングトルクを低減することができるものの、固定子と回転子とのエアギャップを大きくすると電動機の効率が低下する。しかも、固定子と回転子とのエアギャップを大きくすると、電動機が大型化してしまう。

また、近年、電動機の小型化に加えて電動機の高速化が要望されている。しかしながら、回転子の回転数を高めて電動機を単純に高速化すると、振動に対するコギングトルクの影響が大きくなる。この場合、従来の電動機の構造では、電動機単体としてはコギングトルクが低減できたかのように見えるものであっても、電動送風機に電動機を組み込んだときに、コギングトルクの影響を受けて振動が発生し、騒音が生じることがある。

このように、これまでの電動機では、効率を低下させることなく、コギングトルクを十分に低減することが難しい。特に、電動機を小型化及び高速化するには、従来の電動機の構造では、効率を維持してコギングトルクを低減するには限界がある。

本開示は、このような課題を解決するためになされたものであり、電動機の効率を低下させることなくコギングトルクを効果的に低減することができる回転子及び電動機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本開示に係る回転子の一態様は、複数の磁石挿入穴を有する鉄心と、各々が前記複数の磁石挿入穴に配置された複数の磁石と、前記鉄心に固定された回転軸とを備え、前記回転軸の軸心と交差する平面上において、前記複数の磁石の各々の磁極に対応する前記鉄心の最外周形状は、変曲点を介して連続する第１の円弧と第２の円弧とを含み、前記第１の円弧は、前記磁極の中心と前記軸心とを通る第１の直線が前記鉄心の最外周と交差する第１の点を通る円弧であり、前記第２の円弧は、前記複数の磁石のうち隣り合う２つの磁石の磁極間中心と前記軸心とを通る第２の直線が前記鉄心の最外周と交差する第２の点と前記変曲点とを結ぶ円弧であり、前記第１の点と前記軸心との距離をｒ１とし、前記第２の点と前記軸心との距離をｒ２とすると、０．８６０≦ｒ２／ｒ１≦０．９２５の関係を満たし、前記第１の円弧の半径をＲ１とし、前記第２の円弧の半径をＲ２とすると、０．５６≦Ｒ２／Ｒ１≦０．７１の関係を満たす。

また、本開示に係る電動機の一態様は、上記の回転子と、前記回転子に対向して配置され、前記回転子に作用する磁力を発生させる固定子とを備える。

本開示によれば、電動機の効率を低下させることなくコギングトルクを効果的に低減することができる。

実施の形態に係るモータの断面図である。 図１のII－II線における実施の形態に係るモータの断面図である。 実施の形態に係る電動機における回転子の断面図である。 実施の形態に係る電動機におけｒ２／ｒ１とコギングトルクとの関係を示す図である。 実施の形態に係る電動機におけるＲ２／Ｒ１とコギングトルクとの関係を示す図である。 比較例の電動機と実施例の電動機とにおける回転トルクの脈動データを示す図である。 比較例の電動機と実施例の電動機とにおける回転トルクの波形データにおける高次成分データを示す図である。 比較例の電動機と実施例の電動機とにおける電動機の性能データを示す図である。

以下、本開示の実施の形態について説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本開示の一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される、数値、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、並びに、工程及び工程の順序等は、一例であって本開示を限定する主旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本開示の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。なお、各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する。

（実施の形態）
まず、実施の形態に係る電動機１の全体構成について、図１及び図２を用いて説明する。図１及び図２は、実施の形態に係る電動機１の断面図である。図２は、図１のII－II線における断面図である。本実施の形態における電動機１は、例えば、電気掃除機に搭載される電動送風機のファンモータとして用いることができる。

図１及び図２に示すように、電動機１は、回転子１０と、固定子２０とを備える。電動機１は、さらに、第１軸受け３１と、第２軸受け３２と、第１ブラケット４１と、第２ブラケット４２とを備える。

本実施の形態における電動機１は、回転子１０が固定子２０の内側に配置されたインナーロータ型のモータである。つまり、固定子２０は、回転子１０を囲むように配置されている。

回転子１０（ロータ）は、固定子２０とエアギャップを介して配置されている。具体的には、回転子１０の表面と固定子２０の表面との間には微小なエアギャップが存在する。回転子１０は、固定子２０に生じる磁力によって回転する。

回転子１０は、周方向に亘って磁束を生成するＮ極とＳ極とが複数交互に繰り返して存在する構成になっている。これにより、回転子１０は、固定子２０に作用する磁力を発生する。本実施の形態において、回転子１０が発生する磁束の向きは、回転軸１３に含まれる軸心Ｃが延伸する方向（軸心方向）と直交する方向である。つまり、回転子１０が発生する磁束の向きは、ラジアル方向（径方向）である。

回転子１０は、鉄心１１と、磁石１２と、回転軸１３とを有する。本実施の形態において、回転子１０は、永久磁石である磁石１２が鉄心１１に埋め込まれた永久磁石埋め込み型のロータ（ＩＰＭロータ）である。したがって、本実施の形態における電動機１は、ＩＰＭモータである。

鉄心１１は、回転子１０のコアとなる回転子鉄心（ロータコア）である。本実施の形態において、鉄心１１は、複数の鋼板が回転軸１３に含まれる軸心Ｃが延伸する方向（軸心方向）に積層された積層体である。複数の鋼板の各々は、例えば、所定形状に形成された打ち抜き電磁鋼板である。複数の鋼板は、例えばかしめによって互いに固定されている。なお、鉄心１１は、複数の鋼板の積層体に限らず、磁性材料によって構成されたバルク体であってもよい。

磁石１２は、永久磁石である。本実施の形態において、磁石１２は、焼結マグネットからなる永久磁石である。磁石１２は、鉄心１１に埋め込まれている。つまり、電動機１は、鉄心１１に磁石１２が埋め込まれた回転子１０であるＩＰＭロータを有するＩＰＭモータである。鉄心１１には、複数の磁石１２が埋め込まれている。本実施の形態では、４つの磁石１２が鉄心１１に埋め込まれている。

回転軸１３は、長尺状のシャフトであり、例えば金属棒である。回転軸１３は、鉄心１１に固定されている。具体的には、回転軸１３は、軸心Ｃの方向において鉄心１１の両側に延在するように、鉄心１１の中心に設けられた貫通孔１１ａに挿入されて鉄心１１に固定されている。回転軸１３は、例えば鉄心１１の貫通孔１１ａに圧入したり、焼き嵌めしたりすることで鉄心１１に固定されている。

このように構成される回転子１０は、回転軸１３に含まれる軸心Ｃを回転中心として回転する。つまり、回転軸１３は、回転子１０が回転する際の中心となる。なお、回転子１０の詳細については、後述する。

固定子２０（ステータ）は、回転子１０との間にエアギャップを介して回転子１０に対向して配置されている。具体的には、固定子２０は、回転子１０の鉄心１１を囲むように配置されている。

固定子２０は、回転子１０に作用する磁力を発生させる。具体的には、固定子２０は、回転子１０が有する鉄心１１とのエアギャップ面に磁束を生成するように、Ｎ極とＳ極とが複数交互に繰り返して存在する構成になっている。固定子２０は、回転子１０とともに磁気回路を構成している。

本実施の形態において、固定子２０は、鉄心２１と、巻線コイル２２と、インシュレータ２３とを有する。

鉄心２１は、固定子２０のコアとなる固定子鉄心（ステータコア）である。本実施の形態において、鉄心２１は、複数の鋼板が回転軸１３に含まれる軸心Ｃの方向に沿って積層された積層体である。複数の鋼板の各々は、例えば、所定形状に形成された打ち抜き電磁鋼板である。なお、鉄心２１は、複数の鋼板の積層体に限らず、磁性材料によって構成されたバルク体であってもよい。

図２に示すように、鉄心２１には、回転子１０が有する鉄心１１に向かって突出する複数のティース２１ａが設けられている。具体的には、複数のティース２１ａは、回転軸１３に含まれる軸心Ｃに向かって突出するように設けられている。つまり、複数のティース２１ａは、回転軸１３に含まれる軸心Ｃと直交する方向（ラジアル方向）に放射状に延在している。複数のティース２１ａは、隣り合う２つのティース２１ａの間にスロットを形成しながら周方向に等間隔に配置されている。本実施の形態において、鉄心２１は、６つのティース２１ａを有する。つまり、固定子２０のスロット数は６である。

また、各ティース２１ａには、当該ティース２１ａの内周側の先端部から周方向の両側に延伸する延伸部が設けられている。この延伸部は、ティース２１ａの内周側の先端部から突出するように形成されている。隣り合う２つのティース２１ａにおいて、一方のティース２１ａの延伸部と他方のティース２１ａの延伸部との間には、隙間（スロットオープニング）が存在している。

巻線コイル２２は、固定子２０の電機子巻線である固定子コイル（ステータコイル）である。巻線コイル２２は、鉄心２１の複数のティース２１ａに巻き回されている。具体的には、巻線コイル２２は、インシュレータ２３を介して各ティース２１ａに巻き回されている。本実施の形態において、巻線コイル２２は、各ティース２１ａに巻回された集中巻コイルであり、鉄心２１のスロットに収納されている。

巻線コイル２２は、３相同期モータとして回転子１０を回転できるように３相巻線となっている。具体的には、巻線コイル２２は、互いに電気的に１２０度位相が異なる、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の３相それぞれの単位コイルによって構成されている。つまり、各ティース２１ａに巻き回された巻線コイル２２は、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の相単位でそれぞれに通電される３相の交流によって通電駆動される。これにより、各ティース２１ａに固定子２０の主磁束が生成される。つまり、各ティース２１ａは、磁極ティースであり、巻線コイル２２に通電されることで磁力を発生させる電磁石である。

インシュレータ２３は、コイルボビンであり、巻線コイル２２が巻回される枠状の枠体部を有する。具体的には、インシュレータ２３の枠体部は、ティース２１ａの胴体部を囲むように形成されている。インシュレータ２３は、複数のティース２１ａの各々に設けられている。インシュレータ２３は、例えば、絶縁樹脂材料によって一体に形成された樹脂成形品である。

図１に示すように、第１軸受け３１及び第２軸受け３２は、回転軸１３を回転自在に保持するベアリングである。第１軸受け３１は、回転子１０が有する鉄心１１の一方側から突出した部位を支持している。一方、第２軸受け３２は、回転子１０が有する鉄心１１の他方側から突出した部位を支持している。本実施の形態において、第１軸受け３１及び第２軸受け３２は、玉軸受けが用いられているが、スラスト軸受け等の他の軸受けを用いてもよい。

第１ブラケット４１は、第１軸受け３１を保持している。具体的には、第１軸受け３１は、第１ブラケット４１に設けられた凹部に固定されている。第２ブラケット４２は、第２軸受け３２を保持している。具体的には、第２軸受け３２は、第２ブラケット４２に設けられた凹部に固定されている。第１ブラケット４１及び第２ブラケット４２は、例えば金属材料によって構成されている。なお、第１ブラケット４１及び第２ブラケット４２は、樹脂材料によって構成されてもよい。

本実施の形態において、第１ブラケット４１及び第２ブラケット４２は、電動機１の外郭を構成している。具体的には、第１ブラケット４１は、開口部を有するフレーム（筐体）であり、第２ブラケット４２は、第１ブラケット４１の開口部を塞ぐ蓋体である。

なお、第１ブラケット４１には、回転軸１３が貫通しており、回転軸１３の一部は、第１ブラケット４１から外部に突出している。図示しないが、回転軸１３のうち第１ブラケット４１から外部に突出した部分には、回転ファン等の負荷が取り付けられる。つまり、回転軸１３において、第１ブラケット４１から突出した部分は、出力軸である。

図１、図２に示すように、このように構成された電動機１では、固定子２０が有する巻線コイル２２に通電すると、界磁電流が巻線コイル２２に流れて磁界が生成される。これにより、固定子２０から回転子１０に向かう磁束が生成される。具体的には、固定子２０が有する鉄心２１のティース２１ａの各々から回転子１０が有する鉄心１１に向かう磁束が生成される。一方、回転子１０では、鉄心１１に埋め込まれた磁石１２によって固定子２０を通る磁束が生成される。この固定子２０で生成される磁束と回転子１０が有する磁石１２から生じる磁束との相互作用によって生じた磁気力が回転子１０を回転させるトルクとなり、回転子１０が回転する。

次に、本実施の形態に係る電動機１における回転子１０の詳細な構成について、図３を用いて説明する。図３は、実施の形態に係る電動機１における回転子１０の断面図である。なお、図３は、図２における回転子１０の断面を拡大して示している。

上述のように、回転子１０は、鉄心１１と、鉄心１１に埋め込まれた磁石１２と、鉄心１１の貫通孔１１ａに挿入された回転軸１３とを有する。

図３に示すように、鉄心１１は、複数の磁石挿入穴１１ｂを有する。複数の磁石挿入穴１１ｂの各々は、磁石１２が埋め込み配設される磁石埋込穴である。複数の磁石挿入穴１１ｂは、鉄心１１の回転方向に沿って等間隔に設けられている。本実施の形態において、磁石挿入穴１１ｂは４つ設けられている。４つの磁石挿入穴１１ｂは、上面視において上下対称且つ左右対称となるように設けられている。

本実施の形態において、各磁石挿入穴１１ｂは、回転軸１３の長手方向（軸心Ｃの方向）に沿って鉄心１１を貫通する貫通孔である。したがって、各磁石挿入穴１１ｂは、鉄心１１における回転軸１３の長手方向（軸心Ｃの方向）の両端面の各々で開口している。各磁石挿入穴１１ｂの開口形状は、上面視において、スリット状の略矩形状である。なお、回転軸１３の長手方向を法線とする平面で切断したときの各磁石挿入穴１１ｂの任意の断面形状は、開口形状と同じであり、スリット状の略矩形状である。なお、磁石挿入穴１１ｂは、鉄心１１を貫通していなくてもよい。例えば、鉄心１１を構成する複数の鋼板のうちの一方の端部の鋼板に開口を設けなくてもよい。この場合、磁石挿入穴１１ｂとしての開口のない鋼板は、磁石１２が鉄心１１に挿入されたときのストッパとなる。

複数の磁石挿入穴１１ｂの各々には、複数の磁石１２の各々が配置されている。具体的には、各磁石挿入穴１１ｂには、１つの磁石１２が挿入されている。複数の磁石１２は、複数の磁石挿入穴１１ｂと同様に、鉄心１１の周方向に沿って等間隔に配置されている。各磁石１２は、着磁された永久磁石である。複数の磁石１２は、Ｓ極とＮ極との磁極が回転子１０の周方向に交互に存在するように配置されている。つまり、隣り合う２つの磁石１２は、Ｓ極及びＮ極の磁極の向きが逆向きになっている。

本実施の形態では、鉄心１１には４つの磁石挿入穴１１ｂが設けられているので、鉄心１１には４つの磁石１２が挿入されている。したがって、回転子１０の極数は４（極対数は２）である。なお、磁石１２の着磁については、磁石１２を磁石挿入穴１１ｂ内に配置した後に着磁してもよいし、磁石１２を磁石挿入穴１１ｂに挿入する前に予め着磁してもよいが、磁石１２を磁石挿入穴１１ｂに挿入する作業性を考慮すると、磁石１２を磁石挿入穴１１ｂ内に挿入した後に着磁する方がよい。

各磁石１２は、板状である。本実施の形態において、磁石１２は、板状の直方体であり、平面視形状が矩形状である。したがって、回転軸１３の長手方向を法線とする平面で切断したときの磁石１２の断面形状は、長方形である。各磁石１２は、厚み方向が鉄心１１の径方向となるように磁石挿入穴１１ｂに配置されている。

各磁石１２は、各磁石挿入穴１１ｂ内において、鉄心１１の径方向の外側（外周側）寄りに配置されている。具体的には、磁石１２が磁石挿入穴１１ｂ内に配置された状態において、各磁石挿入穴１１ｂにおける径方向の内側の内面と磁石１２との間には隙間（クリアランス）が存在し、且つ、各磁石挿入穴１１ｂにおける径方向の外側の内面と磁石１２とが接している。磁石挿入穴１１ｂ内に挿入された磁石１２は、接着剤によって鉄心１１に固定してもよいし、磁石１２と磁石挿入穴１１ｂとの隙間に詰められる突起を有する固定部材を別途設けることで磁石１２を鉄心１１に固定してもよい。

次に、回転子１０が有する鉄心１１の最外周形状（外縁形状）について詳細に説明する。図３に示すように、本実施の形態における鉄心１１の最外周部分には、隣り合う２つの磁石１２の間の部分が内方に（つまり軸心Ｃに向かう方向に）落ち込むように形成された凹部が存在している。この結果、鉄心１１は、回転軸１３に含まれる軸心Ｃの方向から見たときに、最外周部分における複数の磁石１２の各々の対応する位置が外方に膨出するような花びらのような形状となる。本実施の形態では、４つの磁石１２が鉄心１１に設けられているので、鉄心１１の最外周部分には４つの凹部が形成されており、鉄心１１の最外周部分は、４つの磁石１２の各磁極中心の各々が外側に膨出するように形成されている。

具体的には、図３に示すように、回転軸１３に含まれる軸心Ｃと交差する平面上において、複数の磁石１２の各々の磁極に対応する鉄心１１の最外周形状は、変曲点Ｐｉを介して連続する第１の円弧Ａ１と第２の円弧Ａ２とを含む。変曲点Ｐｉは、第１の円弧Ａ１と第２の円弧Ａ２との接続点であり、第１の円弧Ａ１と第２の円弧Ａ２とは変曲点Ｐｉを介して連続する１つの曲線である。

第１の円弧Ａ１は、磁石１２の磁極の中心と回転軸１３に含まれる軸心Ｃとを通る第１の直線Ｌ１（つまりｄ軸）が鉄心１１の最外周と交差する第１の点Ｐ１を通る円弧である。具体的には、第１の円弧Ａ１は、第１の点Ｐ１を通り、且つ、隣り合う２つの変曲点Ｐｉを結ぶ円弧である。

第２の円弧Ａ２は、複数の磁石１２のうち隣り合う２つの磁石１２の磁極間中心と回転軸１３に含まれる軸心Ｃとを通る第２の直線Ｌ２（つまりｑ軸）が鉄心１１の最外周と交差する第２のＰ２と変曲点Ｐｉとを結ぶ円弧である。

第１の円弧Ａ１の半径と第２の円弧Ａ２の半径とは異なる。したがって、各磁石１２の１磁極分に対応する鉄心１１の最外周形状は、半径が異なる２つの第１の円弧Ａ１と第２の円弧Ａ２とを含む。具体的には、１磁極分に対応する鉄心１１の最外周形状の曲線は、隣り合う２つの第２の点Ｐ２を結ぶ線であって、１つの第１の円弧Ａ１と２つの第２の円弧Ａ２とによって構成されている。

第１の円弧Ａ１の中心は、回転軸１３に含まれる軸心Ｃである。つまり、第１の円弧Ａ１の半径をＲ１とすると、第１の円弧Ａ１は、軸心Ｃを回転中心とする半径Ｒ１の円弧である。したがって、第１の円弧Ａ１は、鉄心１１の最大径をなす円の一部である。

一方、第２の円弧Ａ２の中心は、回転軸１３に含まれる軸心Ｃではなく、軸心Ｃと鉄心１１の最外周（外縁）との間に位置している。第２の円弧Ａ２は、鉄心１１の最大径をなす円の一部を軸心Ｃに向けて凹ませて凹部を形成するための円弧である。つまり、第２の円弧Ａ２を設けることで、鉄心１１の最外周部分の一部を凹ませることができる。

本実施の形態において、第２の円弧Ａ２の中心は、変曲点Ｐｉと回転軸１３に含まれる軸心Ｃとを結ぶ線分上に位置する点Ｏ２である。つまり、第２の円弧Ａ２の半径をＲ２とすると、第２の円弧Ａ２は、点Ｏ２を回転中心とする半径Ｒ２の円弧である。

また、図３に示すように、本実施の形態において、磁石１２は、回転軸１３に含まれる軸心Ｃの方向から見たときに、長尺状の形状を有する。具体的には、磁石１２は、当該磁石１２の幅方向の端縁が磁石１２の長手方向において変曲点Ｐｉを超えて延在するように構成されている。つまり、磁石１２の幅方向の端部と第１の直線Ｌ１との距離は、変曲点Ｐｉと第１の直線Ｌ１との距離よりも長くなっている。

そして、本実施の形態における回転子１０では、第１の点Ｐ１と回転軸１３に含まれる軸心Ｃとの距離である第１の距離をｒ１とし、第２の点Ｐ２と回転軸１３に含まれる軸心Ｃとの距離である第２の距離をｒ２とすると、第１の距離ｒ１と第２の距離ｒ２との比である距離比ｒ２／ｒ１については、０．８６０≦ｒ２／ｒ１≦０．９２５の関係を満たしている。

さらに、本実施の形態における回転子１０では、第１の円弧Ａ１の半径Ｒ１と第２の円弧Ａ２の半径Ｒ２との比である半径比Ｒ２／Ｒ１については、０．５６≦Ｒ２／Ｒ１≦０．７１の関係を満たしている。

ここで、０．８６０≦ｒ２／ｒ１≦０．９２５の関係と０．５６≦Ｒ２／Ｒ１≦０．７１の関係とを満たすことの効果について、図４及び図５を用いて説明する。

図４は、図１～図３に示される構造の回転子を有する電動機におけるｒ２／ｒ１とコギングトルクとの関係を示す図である。また、図５は、図１～図３に示される構造を有する電動機におけるＲ２／Ｒ１とコギングトルクとの関係を示す図である。

ｄ軸についての第１の距離ｒ１とｑ軸についての第２の距離ｒ２との比である距離比ｒ２／ｒ１については、距離比ｒ２／ｒ１を小さくすることで、コギングトルクを低減することができる。しかしながら、距離比ｒ２／ｒ１が小さくなっていくと、第２の点Ｐ２が軸心Ｃに近づいていく（つまり鉄心１１の内方に向かっていく）ため、第２の点Ｐ２で鉄心１１の最外周が軸心Ｃに向かって大きく落ち込むことになり、鉄心１１に磁束が流れにくくなって電動機としての効率が低下していく。このため、距離比ｒ２／ｒ１はあまり小さくしない方がよい。

ここで、コギングトルクと距離比ｒ２／ｒ１との関係については、図４に示すように、距離比ｒ２／ｒ１の値が０．９０付近でコギングトルクが最小となり、その最小点を境にして、距離比ｒ２／ｒ１の値が小さくなるにつれてコギングトルクの値が大きくなるとともに、距離比ｒ２／ｒ１の値が大きくなるにつれてコギングトルクの値が大きくなっていく。

そして、本発明者らの検討結果によれば、距離比ｒ２／ｒ１については、０．８６０≦ｒ２／ｒ１≦０．９２５の関係にすることで、電動機の効率を低下させることなく、コギングトルクの値を４［ｍＮｍ］以下にしてコギングトルクを効果的に低減できることが分かった。

また、第１の円弧Ａ１と第２の円弧Ａ２とについては、第１の円弧Ａ１の半径Ｒ１と第２の円弧Ａ２の半径Ｒ２との比である半径比Ｒ２／Ｒ１の値に応じて、第１の円弧Ａ１と第２の円弧Ａ２との接続点である変曲点Ｐｉの位置が決まる。つまり、半径比Ｒ２／Ｒ１の値に応じて、鉄心１１の外周（外縁）における第１の点Ｐ１と第２の点Ｐ２との間での変曲点Ｐｉの位置が決まる。

具体的には、半径比Ｒ２／Ｒ１の値が０．５未満になると、変曲点Ｐｉが第２の点Ｐ２寄り（つまりｑ軸寄り）に位置することになる。そして、半径比Ｒ２／Ｒ１の値が小さくなるにつれて、変曲点Ｐｉが第２の点Ｐ２に近づいていく。一方、半径比Ｒ２／Ｒ１の値が０．５を超えると、変曲点Ｐｉが第１の点Ｐ１寄り（つまりｄ軸寄り）に位置することになる。そして、半径比Ｒ２／Ｒ１の値が大きくなるにつれて、変曲点Ｐｉが第１の点Ｐ１に近づいていく。

この場合、電動機の効率の観点では、第１の点Ｐ１と第２の点Ｐ２との間で第１の円弧Ａ１と第２の円弧Ａ２とがそれぞれ占める割合は、鉄心１１の最大径をなす円の一部である第１の円弧Ａ１の占める割合が第２の円弧Ａ２が占める割合よりも大きい方がよい。したがって、変曲点Ｐｉは、第１の点Ｐ１と第２の点Ｐ２との間において、第１の点Ｐ１寄り（つまりｄ軸寄り）に位置しているとよい。つまり、半径比Ｒ２／Ｒ１の値は、０．５以上であるとよい。

ここで、コギングトルクと半径比Ｒ２／Ｒ１との関係については、図５に示すように、半径比Ｒ２／Ｒ１の値が０．６４付近においてコギングトルクが最小となり、その最小点を境にして、半径比Ｒ２／Ｒ１の値が小さくなるにつれてコギングトルクの値が大きくなるとともに、半径比Ｒ２／Ｒ１の値が大きくなるにつれてコギングトルクの値が大きくなっていく。

そして、本発明者らの検討結果によれば、半径比Ｒ２／Ｒ１については、０．５６≦Ｒ２／Ｒ１≦０．７１にすることで、電動機の効率を低下させることなく、コギングトルクの値を４［ｍＮｍ］以下にしてコギングトルクを効果的に低減できることが分かった。

次に、比較例の回転子を有する電動機（以下、「比較例」と記載する）と本実施の形態に係る回転子を有する電動機１（以下、「実施例」と記載する）とを比較する検証実験を行ったので、その結果について、図６～図８を用いて説明する。

図６は、比較例と実施例とにおける回転トルクの脈動データ（コギングトルク）を示す図である。図７は、比較例と実施例とにおける回転トルクの波形データにおける高次成分データを示す図である。図８は、比較例と実施例とにおける電動機の性能データを示す図である。

なお、本実験において、比較例及び実施例は、いずれも、４極６スロットであり、図１～図３に示される構造の回転子を有する電動機を用いた。この場合、比較例では、Ｒ１＝９．２０ｍｍ、Ｒ２＝７．００ｍｍ、ｒ１＝９．２０ｍｍ、ｒ２＝８．５９ｍｍ、Ｄ１＝１２．１４ｍｍ、Ｄ２＝９．１０ｍｍ、Ｌ＝６．９３ｍｍとし、実施例では、Ｒ１＝９．２０ｍｍ、Ｒ２＝５．８０ｍｍ、ｒ１＝９．２０ｍｍ、ｒ２＝８．２５ｍｍ、Ｄ１＝１１．６７ｍｍ、Ｄ２＝９．１０ｍｍ、Ｌ＝６．８０ｍｍとした。また、比較例及び実施例を比較するにあたり、モータは以下の条件で回転した。すなわち、コギングトルクを測定する際、比較例及び実施例のいずれにおいても回転子を５ｒｐｍで回転させた。コギングトルク以外の性能を測定する際、比較例及び実施例のいずれにおいても回転子を６，１５０ｒｐｍで回転させた。

その結果、図６に示すように、実施例は、比較例に対して、コギングトルクを大幅に低減できていることが分かった。また、図７に示すように、純粋なトルクリップル成分（１２次）について、実施例は、比較例と比べて１／１０以下にまで低減できていることが分かった。さらに、図８に示すように、電動機の効率については、過負荷部分では実施例の効率が比較例の効率と比べて若干低下したものの、実施例は比較例に対してピーク効率が上昇することが分かった。また、電動機の全体の効率としては、実施例は比較例に対してほぼ維持できており、実施例は比較例に対して効率の低下はほぼ見られなかった。このように、本実験結果によれば、実施例は、比較例に対して、電動機の効率を低下させることなくコギングトルクを効果的に低減できることが分かった。

以上説明したように、本実施の形態に係る回転子１０及び電動機１によれば、第１の点Ｐ１と回転軸１３に含まれる軸心Ｃとの距離である第１の距離ｒ１と、第２の点Ｐ２と回転軸１３に含まれる軸心Ｃとの距離である第２の距離ｒ２とは、０．８６０≦ｒ２／ｒ１≦０．９２５の関係を満たしており、また、第１の円弧Ａ１の半径Ｒ１と第２の円弧Ａ２の半径Ｒ２とは、０．５６≦Ｒ２／Ｒ１≦０．７１の関係を満たしている。

この構成により、電動機１の効率を低下させることなくコギングトルクを効果的に低減することができる。つまり、電動機１の高効率化とコギングトルクの低減化との両立を図ることができる。

したがって、コギングトルクを低減するために回転子１０と固定子２０とのエアギャップを大きくする必要がないので、電動機１が大型化することを抑制できる。つまり、小型の電動機を得ることができる。また、回転子１０を高速回転させたとしてもコギングトルクによる振動を抑制できるので、回転子が高速回転する電動機を電動送風機に組み込んだとしてもコギングトルクによる振動で騒音が生じることを効果的に抑制できる。このように、本実施の形態に係る電動機１によれば、小型化及び高速化したとしても、コギングトルクを十分に低減することができる。

また、本実施の形態に係る回転子１０では、図３に示すように、回転軸１３に含まれる軸心Ｃと交差する平面上において、隣り合う２つの第２の点Ｐ２同士を結ぶ弦の長さをＤ１とし、磁石１２の幅の長さをＤ２とすると、０．７≦Ｄ２／Ｄ１≦０．８の関係を満たしているとよい。この構成により、さらにコギングトルクを低減することができる。

また、本実施の形態に係る回転子１０では、図３に示すように、回転軸１３に含まれる軸心Ｃと交差する平面上において、磁石１２の外側端部と回転軸１３に含まれる軸心Ｃとの距離をＬとすると、０．７≦Ｌ１／ｒ１≦０．８の関係を満たしているとよい。この構成により、電動機１の効率をより一層低下させることなくコギングトルクをさらに効果的に低減することができる。

また、本実施の形態に係る回転子１０では、図３に示すように、第２の円弧Ａ２の中心（点Ｏ２）は、変曲点Ｐｉと回転軸１３に含まれる軸心Ｃとを結ぶ線分上に位置している。この構成により、変曲点Ｐｉにおいて第１の円弧Ａ１と第２の円弧Ａ２とを滑らかに接続することができる。したがって、さらにコギングトルクを低減することができる。

（変形例）
以上、本開示に係る回転子１０及び電動機１について、実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、上記実施の形態に限定されるものではない。

例えば、上記実施の形態において、回転子１０の磁極数は４（つまり、磁石１２の数が４個）であったが、これに限らない。例えば、回転子１０の磁極数は、２ｎ（ｎは自然数）であれば、任意の数を適用できる。同様に、上記実施の形態において、固定子２０のスロット数は６であったが、これに限らない。

また、上記実施の形態において、磁石１２は、焼結マグネットであったが、これに限らない。例えば、磁石１２は、ボンド磁石であってもよい。

また、上記実施の形態にいて、電動機１は、電気掃除機のファンモータに適用する場合について説明したが、これに限らない。例えば、上記実施の形態における電動機１は、エアコン又は冷蔵庫等の電気掃除機以外の家庭用電気機器、又は、自動車用機器やロボット等の産業用電気機器等の種々の電気機器に利用することができる。

本開示の技術は、回転子を備える電動機及び電動機を備える電気機器等に広く利用することができる。

１ 電動機
１０ 回転子
１１ 鉄心
１１ａ 貫通孔
１１ｂ 磁石挿入穴
１２ 磁石
１３ 回転軸
２０ 固定子
２１ 鉄心
２１ａ ティース
２２ 巻線コイル
２３ インシュレータ
３１ 第１軸受け
３２ 第２軸受け
４１ 第１ブラケット
４２ 第２ブラケット
Ａ１ 第１の円弧
Ａ２ 第２の円弧
Ｌ１ 第１の直線
Ｌ２ 第２の直線
Ｐ１ 第１の点
Ｐ２ 第２の点
Ｐｉ 変曲点

Claims (6)

1. 複数の磁石挿入穴を有する鉄心と、
   各々が前記複数の磁石挿入穴に配置された複数の磁石と、
   前記鉄心に固定された回転軸とを備え、
   前記回転軸の軸心と交差する平面上において、
   前記複数の磁石の各々の磁極に対応する前記鉄心の最外周形状は、変曲点を介して連続する第１の円弧と第２の円弧とを含み、
   前記第１の円弧は、前記磁極の中心と前記軸心とを通る第１の直線が前記鉄心の最外周と交差する第１の点を通る円弧であり、
   前記第２の円弧は、前記複数の磁石のうち隣り合う２つの磁石の磁極間中心と前記軸心とを通る第２の直線が前記鉄心の最外周と交差する第２の点と前記変曲点とを結ぶ円弧であり、
   前記第１の点と前記軸心との距離をｒ１とし、前記第２の点と前記軸心との距離をｒ２とすると、０．８６０≦ｒ２／ｒ１≦０．９２５の関係を満たし、
   前記第１の円弧の半径をＲ１とし、前記第２の円弧の半径をＲ２とすると、０．５６≦Ｒ２／Ｒ１≦０．７１の関係を満たす、
   回転子。
2. 前記平面上において、隣り合う２つの前記第２の点同士を結ぶ弦の長さをＤ１とし、前記磁石の幅の長さをＤ２とすると、０．７≦Ｄ２／Ｄ１≦０．８の関係を満たす、
   請求項１に記載の回転子。
3. 前記平面上において、前記磁石の外側端部と前記軸心との距離をＬとすると、０．７≦Ｌ１／ｒ１≦０．８の関係を満たす、
   請求項１又は２に記載の回転子。
4. 前記第２の円弧の中心は、前記変曲点と前記軸心とを結ぶ線分上に位置する、
   請求項１～３のいずれか１項に記載の回転子。
5. 前記磁石の幅方向の端部と前記第１の直線との距離は、前記変曲点と前記第１の直線との距離よりも長い、
   請求項１～４のいずれか１項に記載の回転子。
6. 請求項１～５のいずれか１項に記載の回転子と、
   前記回転子に対向して配置され、前記回転子に作用する磁力を発生させる固定子とを備える、
   電動機。

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