JP3734889B2 - ブラシレスｄｃモータ - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は冷凍機や空調機の圧縮機駆動用モータ等に代表される永久磁石を装着したインナーロータ型のブラシレスＤＣモータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種のブラシレスＤＣモータの一般的な構成を図１０に示す。この例はステータのスロット数が２４、モータの極数が４の場合を示している。ステータ３０のステータコア３１の内周部には多数のティース３７が存在するとともに、この各ティース間には１〜２４のスロット番号にて示すスロットが設けてあり、このスロットには絶縁物を介して図示しない巻線が装着されている。図１１はこの巻線の構成を示すものであり、図示するように、各スロットには１コイルずつ装着されており、５スロットピッチで同心巻きされた巻線３２によって各相の１つの極を形成するように配置されている。図中実線３３はＵ相巻線、一点鎖線３４はＶ相巻線、破線３５はＷ相巻線をそれぞれ示し、またｕ，ｖ，ｗはそれぞれＵ相，Ｖ相，Ｗ相の口出部であり、３６はＹ結線された中性点を示し、全体で３相４極のステータ巻線が構成されている。
【０００３】
一方、図１０のロータ４０は、ロータコア４１とこのロータコアに等配状に装着された永久磁石４２とで構成され、ステータコア３１の内周部との間に所定のエアギャップ３８を介して対向するようにシャフト４３によって支持されて構成される。４片の永久磁石４２は、フェライト磁石あるいは希土類磁石等が用いられ、１片の永久磁石が１極を形成するように着磁されて界磁を形成するようになっている。
【０００４】
このように構成されたブラシレスＤＣモータにおいて、ステータ巻線３２への通電は、ロータ４０の回転によって発生する各相の中性点３６を基準とする誘起電圧の波形の正負の各々において、ピークを中心とする前後の電気角１２０°区間を通電して有効なトルクを得ている。この様子を図１２に示す。図において破線で示すｕ1 ，ｖ1 ，ｗ1 はロータを回転させた時の誘起電圧波形の例であり、一般的に正弦波状の波形である。また実線で示すｕ2 ，ｖ2 ，ｗ2 は通電電圧波形であり、ＶN は中性点電位を示している。モータを１２０°通電で運転する場合は、各相の誘起電圧波形の正負各々についてピーク近傍を通電領域にする。即ち、誘起電圧が大きいということは、その相の巻線に鎖交する磁束の変化が大きいということであり、磁束の変化が大きい時間領域で各相に電流を流せば効果的にトルクを発生させることができることは周知の事実である。
【０００５】
従って、例えばＵ相においては正方向では区間Ｓ1 とＳ2 、負方向では区間Ｓ4 とＳ5 の各々電気角１２０°区間通電し、同様にＶ相においては正方向では区間Ｓ3 とＳ4 、負方向では区間Ｓ6 とＳ1 、Ｗ相においては正方向では区間Ｓ5 とＳ6 、負方向では区間Ｓ2 とＳ3 といったタイミングで通電を行う。即ち、絶えず３相巻線内の２相が通電されて、所定の極数の極を形成しつつロータの回転角に呼応した回転磁極でもってロータの回転を維持せしめている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来のブラシレスＤＣモータでは図１０に示されるように、そのロータ４０の永久磁石界磁数はステータの極数と同数とされ、円周方向に極数で等分割されたピッチで配されており、従ってそのピッチの機械角ＭP は、磁極数をＰとすると、Ｍp ＝３６０°／Ｐとなり、図１０の４極の界磁の場合Ｍp ＝９０°となっている。
【０００７】
一方、通電によりステータ側の磁極を形成する巻線は、図１１の場合５スロットピッチで同心巻きされているので巻線ピッチの機械角α1 は７５°となっている。図１１の場合における磁極の起磁力分布は、例えばＵ相からＶ相へ向けた通電がなされると図１３に示すようなものとなる。図１３において（ａ）はＵ相巻線による起磁力、（ｂ）はＶ相巻線による起磁力、（ｃ）はそれらの合成起磁力をそれぞれ示している。この場合、ステータ磁極は４極であってそのピッチはロータの磁極ピッチと同じ電気角１８０°（機械角９０°）であるが、その分布波形をみると実際に磁極として有効な領域は電気角１５０°（機械角７５°）のθ1 の範囲となっている。即ち１極を形成しようとする合成起磁力のうち零領域を除く有効磁極θ1 に相当するピッチ角分のみが有効磁束領域であり、実際にはこの巻線の跨り内に位置するステータティースが磁束の流路となっている。
【０００８】
このような合成起磁力の有効磁極のピッチが７５°のステータと対向させて磁極ピッチが機械角９０°のロータを回転させると、ステータ巻線の１相当たり図１４（ａ）のように鎖交磁束が変化し、この相に生じる誘起電圧は同図（ｂ）のようになる。図１４から明らかなように、誘起電圧は、ステータの有効磁束領域に等しい区間α2 でピーク誘起電圧を発生する。ところがこのピーク誘起電圧の区間は電気角で１５０°（機械角７５°）区間あるのに対し、通電区間はピーク誘起電圧区間の前後各々電気角６０°の合計１２０°の区間のみである。従ってその差３０°区間は非有効区間である。
【０００９】
逆に通電区間を外れた前位相での誘起電圧の大きさは、通電を開始してから必要なトルクを導出するに十分な電流を流すための時間がかかり、結果として巻線への印加電圧に対する電流の位相遅れを生じさせて力率を悪化させる。これは、通電を開始してからの電流の立ち上がりにおいては、印加する電圧とその時点での巻線の誘起電圧との差分の電圧がその巻線へ電流を流すための電圧であるので、誘起電圧が大きいということは電流を上昇させるための差電圧が結果として小さくなる。従って電流はゆっくりとした上昇となり、所望のトルクに必要な電流値に達する時間が長くなる結果、印加電圧との位相が遅れるのである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ステータとこの内側にエアギャップを介して対向配置させたロータよりなり、前記ステータは複数のスロットを有するステータコアに３相同心巻きの巻線を装着して構成し、前記ロータはロータコアに等配状に永久磁石界磁を装着して構成し、前記ステータ巻線に３相１２０°通電を行い、ピークの誘起電圧を発生する区間のわずかに前位相で通電を開始することによって前記ロータを回転させるブラシレスＤＣモータにおいて、前記通電によって前記ステータの巻線によって生じる合成起磁力の有効磁極のピッチ角をθ1 、前記スロットのスロットピッチ角をθ2 としたとき、前記永久磁石界磁の前記ステータと対向する回転軸心からの開角をほぼθ1 から（θ1 −θ2 ）の範囲に設定したものである。
【００１１】
【作用】
永久磁石界磁の開角がステータの１極当たりの有効磁束領域とほぼ一致し、これによりステータ巻線への鎖交磁束の変化によって生じる誘起電圧のピーク区間がステータ巻線への通電区間と一致し、この結果永久磁石界磁のすべての領域がトルクに寄与する有効区間となって無駄が生じない。またピークの誘起電圧を発生する区間のわずかに前位相で通電を開始することにより、その相の電流ひいてはトルクが素早く立ち上がるようになる。
【００１２】
【実施例】
図１は本発明の実施例を示すブラシレスＤＣモータの平面断面図であり、図１０に示したもの同様ステータのスロット数が２４、モータの極数が４の場合を示しており、図９と同一または相当部分には同一の符号が付してある。また図１におけるステータ３０の１〜２４のスロットには、図１１に示す巻線が装着されるため、毎相毎極の巻線ピッチの機械角α1 は７５°であり、またスロット数が２４であるためスロットピッチ（＝ティースピッチ）の機械角θ2 は１５°となっている。また、ステータの巻線による起磁力分布は図１３に示すようになっているので、１極を形成しようとする合成起磁力のうち零領域を除く有効磁極のピッチ角θ1 はα1 と同じ機械角７５°（電気角１５０°）となっている。一方、ロータ５０の構成は、図２に示すようにロータコア５１とこのロータコアに等配状に装着された永久磁石５２とで構成されるが、図１０のものと異なり、永久磁石５２のステータ３０の内周部と対向する回転軸心Ｏからの開角θ3 は、θ1 と同じ７５°となっている。
【００１３】
上記のようにθ1 とθ3 が共に７５°に構成したモータにおいて、ステータ内でロータを回転させると、ステータ巻線の１相当たり図３（ａ）のように鎖交磁束が変化し、この相に生じる誘起電圧は同図（ｂ）のようになる。この場合図３から明らかなように、ピーク誘起電圧を発生する区間α3 は電気角で１２０°（機械角６０°）となり、通電区間である電気角１２０°と一致し、この区間α3 のすべてが有効区間となって無駄が生じない。従って、ピークの誘起電圧を発生する区間のわずかに前位相で通電することにより、誘起電圧は低いので印加電圧との差電圧が大きくなり電流の立ち上がりが早い。
【００１４】
上記の説明では、ロータ５０の永久磁石５２の開角θ3 をステータ巻線３２によって生じる合成起磁力の有効磁極のピッチ角θ1 とほぼ等しくなるように構成したが、θ3 がθ1 以下であっても、ある一定の範囲であれば同様の効果が得られるものである。即ち、ロータの永久磁石界磁が移動する場合の界磁磁束の様子は、移動に比例してステータ巻線に鎖交する界磁磁束の量が変化するのではなく、エアギャップ３８の中で磁束が偏向されるため、鎖交磁束のトータルはティースピッチ毎にほぼ階段状に変化する。従って図４に示すように、（θ1 −θ2 ）なる開角θ3 を有する永久磁石５２−ａは、θ1 の範囲の一方の端部に存在する状態５２−ｂからもう一方の端部に存在する状態５２−ｃまで１スロットピッチ（＝ティースピッチ）分移動する間は磁束の変化はさほど生じないことになる。逆に言えば、角度θ2 に相当する分永久磁石が小さくてもよいことになる。以上は界磁を永久磁石で説明したが、巻線界磁であっても同様であることは自明である。
【００１５】
また図２に示したロータ５０はロータコア５１内に永久磁石５２を埋め込んだ構成となっているが、これ以外に、ロータコアの外周部に永久磁石を取り付けた構成のロータにおいても本発明は何等支障なく適用可能である。さらに本発明においては、種々の永久磁石が形状を問わず適用可能であり、この点について以下若干説明する。
【００１６】
図５に示すロータ６０は、ロータコア６１に設けた複数のＶ字形の収容孔に永久磁石６２，６３を埋め込んだものであり、各永久磁石６２，６３のペアによって形成される各Ｖ字形のそれぞれが１極を形成するように着磁されて、全体で４極の界磁を形成している。このようなロータ６０の場合、各極のＶ字のステータと対向する側の面の回転軸心Ｏからの開角を本発明で定義するθ3 とする。即ち、このθ3 を前述のθ1 から（θ1 −θ2 ）の範囲に設定すればよい。
【００１７】
図６に示すロータ７０は、凸面を内側へ向けた４つのＵ字形の永久磁石７２によって構成されており、このような場合は、Ｕ字形の永久磁石７２のステータ側円弧面の開角をθ3 とし、これを本発明の角度範囲に設定する。また図７に示すロータ８０は、図６に示したＵ字形の永久磁石を各極において多重に配置したものであり、２重の永久磁石８２，８３のペアによって１極を形成するように着磁されて、全体で４極の界磁を形成している。このようなロータ８０の場合、外側の永久磁石８３はスペースの都合上開角を大きくできないため、内側に配置された永久磁石８２のステータ側円弧面の開角をθ3 とし、これを本発明の角度範囲に設定する。図７のロータ８０における永久磁石８２，８３はＵ字形に限定されるものではなくＶ字形であってもよく、また２重ではなくさらに多重に構成してもよい。
【００１８】
図８に示すロータ９０は、平板状の永久磁石９２によって構成された場合を示しており、このような場合は、断面長方形の永久磁石９２のステータ側直線面の開角をθ3 とし、これを本発明の角度範囲に設定する。尚、図中９３は磁束短絡防止部であり、ロータコア９１に設けられた永久磁石９２の収容孔に連なって設けてあり、空間によって形成したりあるいは非磁性材料を挿入して形成される。
【００１９】
また永久磁石のコーナー部にはＲ面取りやＣ面取り等の面取り部分が存在するのが一般的であるが、このような場合における上記実施例に示す開角θ3 の範囲は概ね次のように定めるものとする。即ち、図８に示すようにステータ側の面の端部にＣ面取り７４，７４を有する永久磁石７３により構成されるＵ字の開角θ3 は、このＣ面取り７４，７４の最も極間部寄り端部と回転軸心Ｏとを結ぶ線により形成される開角とする。これは、このＣ面取りによって、Ｃ面取り部分とエアギャップとの間の回転子鉄心部分の幅が大きくなるために、この部分においては固定子コイルによる磁束が飽和することなく回転子に流出入できる有効な区間になり得るからである。同じ理由から、Ｃ面取りやＲ面取り等を有するＶ字形の永久磁石における開角θ3 についても同様である。尚、以上の実施例では４極構造のモータに関して説明したが、２極や６極等いかなる極数のものに対しても本発明は有効に寄与し得ることは勿論である。
【００２０】
【発明の効果】
本発明によれば、各相のピーク誘起電圧幅を１２０°通電と同じ電気角度幅分確保しているので、同一能力を有する従来のモータと比べて永久磁石界磁幅を小さくすることができる。従ってロータ重量を削減でき、特に永久磁石界磁ピッチを小さくした分永久磁石を小さくすることができて部品コストの削減がなされる。
【００２１】
またピーク誘起電圧範囲が電気角１２０°範囲としたので、ステータ巻線の１２０°通電区間と一致し、この結果永久磁石界磁のすべての領域がトルクに寄与する有効区間となって無駄が生じない。またピーク誘起電圧を発生する区間のわずかに前位相で通電を開始することにより、その相の電流が素早く立ち上がり、印加電圧に対する電流位相のずれが少なく、結果としてモータとしての力率が改善される。また上記素早い電流の立ち上がりは、トルクも素早く立ち上がることになり、モータとしてのトルクリプルが少なくなるといった効果を奏する。
【００２２】
さらに図３に示した本発明におけるステータ巻線への鎖交磁束の変化と図１４に示した従来品におけるものとを比較すると明らかなように、その変化の様子は本発明のものが滑らかな正弦波に近いものとなっており、従って磁束変化に起因する振動や音が発生しにくいといった特長を備えている。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例を示すブラシレスＤＣモータの平面断面図。
【図２】 図１のロータ部分の平面断面図。
【図３】 図１のモータのステータ巻線における１相当たりの鎖交磁束の変化と誘起電圧を示す波形図。
【図４】 ステータとロータの対向状態を説明する展開模式図。
【図５】 本発明のロータの別の実施例を示す平面断面図。
【図６】 本発明のロータのさらに別の実施例を示す平面断面図。
【図７】 本発明のロータのさらに別の実施例を示す平面断面図。
【図８】 本発明のロータのさらに別の実施例を示す平面断面図。
【図９】 永久磁石の面取りと開角の関係を例示する説明図。
【図１０】 従来例を示すブラシレスＤＣモータの平面断面図。
【図１１】 図１及び図１０のモータにおけるステータ巻線の展開模式図。
【図１２】 ステータ巻線の誘起電圧と通電電圧を示す波形図。
【図１３】 図１１のステータ巻線におけるＵ−Ｖ通電時の起磁力分布図であり、（ａ）はＵ相巻線によるもの、（ｂ）はＶ相巻線によるもの、（ｃ）はそれらの合成起磁力を示す。
【図１４】 図１０のモータのステータ巻線における１相当たりの鎖交磁束の変化と誘起電圧を示す波形図。
【符号の説明】
１〜２４ スロット
３０ ステータ
３１ ステータコア
３２ ステータ巻線
３３ Ｕ相巻線
３４ Ｖ相巻線
３５ Ｗ相巻線
３６ 中性点
３７ ティース
３８ エアギャップ
４０，５０，６０，７０，８０，９０ ロータ
４１，５１，６１，７１，８１，９１ ロータコア
４２，５２，６２，６３，７２，７３，８２，８３，９２ 永久磁石
４３ シャフト

Claims (1)

1. ステータとこの内側にエアギャップを介して対向配置させたロータよりなり、前記ステータは複数のスロットを有するステータコアに３相同心巻きの巻線を装着して構成し、前記ロータはロータコアに等配状に永久磁石界磁を装着して構成し、前記ステータ巻線に３相１２０°通電を行い、ピークの誘起電圧を発生する区間のわずかに前位相で通電を開始することによって前記ロータを回転させるブラシレスＤＣモータにおいて、前記通電によって前記ステータの巻線によって生じる合成起磁力の有効磁極のピッチ角をθ1 、前記スロットのスロットピッチ角をθ2 としたとき、前記永久磁石界磁の前記ステータと対向する回転軸心からの開角をほぼθ1 から（θ1 −θ2 ）の範囲に設定したことを特徴とするブラシレスＤＣモータ。

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