JP3985281B2 - Rotating electric machine - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばアウタロータ型永久磁石界磁ブラシレスモータ等の回転電機の磁極構造に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
一般に、小型で高出力化し易い永久磁石界磁ブラシレスモータの中でも、電機子巻線を1スロットピッチで集中して巻回(以下、集中巻と略称する)したアウタロータ型永久磁石界磁ブラシレスモータ等の回転電機は、電機子巻線のコイルエンドを短くでき、更に小型で高出力化に有利なものであった。
【0003】
一方、集中巻したアウタロータ型永久磁石界磁ブラシレスモータは、固定電機子の電機子鉄心の外周に複数個の電機子ティースが設けられているために回転界磁の回転位置によって磁束が変化することによりトルク変動(トルクリップルともコギングトルクとも言う)が大きくなり易いという問題が生じていた。そこで、永久磁石磁極の磁極数と電機子ティースの個数とを好適な組合せにすると出力低下を招くことなく、トルク変動を低減できるようにした技術が特開昭62−110468号公報に記載されている。
【0004】
この特開昭62−110468号公報には、永久磁石磁極の磁極数Mと固定電機子の突極磁極の磁極数(電機子ティースの個数)Nを、M=N−2、あるいはM=N+2で、且つN=6n(nは2以上の整数)の関係式を満たすようにすれば、電機子巻線係数(電機子巻線が磁極の磁束をどれだけ有効に利用できるかを表す指標)が大きくなるので、出力を向上できる旨の内容が記載されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記の特開昭62−110468号公報に記載された技術(従来の技術)においては、前記M、Nの関係式から、永久磁石磁極の磁極数Mは少なくとも10極以上必要であることが分かる。このため、10極以上の永久磁石磁極を一体成形できない体格のブラシレスモータでは、永久磁石磁極の部品点数が多いことや、継鉄の内周面への永久磁石磁極の位置決め固定方法が複雑であること等により、磁極部を製造する際の製造作業性が悪く、磁極部の製造コストの上昇を招いてしまう。したがって、比較的高出力で安価なブラシレスモータに上記の構造を採用することは困難であった。
【0006】
【発明の目的】
本発明の目的は、小型で高出力化し易い回転電機を提供することである。また、磁極部のトルク変動を低減でき、且つ磁極部の製造コストを低減できる回転電機を提供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載の発明によれば、特別な部材を追加することなく、継鉄の一部を内径側へ凸状に突出させた部分を軟磁性材磁極とすることにより、永久磁石の使用量を減らすことができるので、M極の磁極部の製造コストを低減することができる。また、継鉄の一部を内径側へ凸状に突出させた部分を設けることにより、M極の磁極部の剛性を増加することができる。なお、永久磁石としてフェライト磁石を使用した時のように、継鉄の磁束密度に余裕のある場合には、M極の磁極部の最外周に位置した軽量効果の大きい継鉄を薄肉化できるので、軽量化を達成できる。
そして、異なる極性の第1、第2着磁部を、無着磁部を挟んで同一磁極部材により形成し、継鉄の一部を内径側へ凸状に突出させた軟磁性材磁極に隣接させたので、軟磁性材磁極は全領域を電機子電流による増磁界側に配設でき効果的に吸引トルクを発生できる。また、永久磁石磁極の第1着磁部は永久磁石であるので、固定電機子の電機子鉄心との間で反発トルクを発生できる。
以上により、回転電機の性能を維持しつつ、永久磁石の使用量を低減でき、M極の磁極部の製造コストを抑制できる。さらに、軟磁性材磁極を永久磁石磁極の第1着磁部の端面を当接させる位置決め部材として用いるので位置決めが容易となり、製作工程を簡素化できる。
【0008】
請求項2に記載の発明によれば、軟磁性材磁極の中心を隣設する2個の永久磁石磁極間の中央より電機子巻線を流れる電機子電流による増磁界側に位置するように軟磁性材磁極を配設することにより、電機子電流による起磁力を有効に利用して軟磁性材磁極で効果的に吸引トルクを発生できるので、小型、高出力化の上で有利になる。
【0009】
請求項3に記載の発明によれば、軟磁性材磁極の極弧率を0.3以上0.6以下の好適な範囲に設定することにより、電機子巻線を流れる電機子電流による起磁力を有効に利用して軟磁性材磁極で効果的に吸引トルクを発生できるので、小型、高出力化の上で更に有利になる。
【0011】
請求項4に記載の発明によれば、軟磁性材磁極の極弧率を0.15以上0.40以下の好適な範囲に設定することにより、電機子巻線を流れる電機子電流による起磁力を有効に利用して効果的に吸引トルクを発生できるので、小型、高出力の上で更に有利になる。
【0012】
【発明の実施の形態】
〔第1実施例の構成〕
図1および図2は本発明の第1実施例を示したもので、図1はアウタロータ型永久磁石界磁ブラシレスモータの全体構造を示した図である。
【0013】
アウタロータ型永久磁石界磁ブラシレスモータ(以下ブラシレスモータと略す)1は、図示しない固定部材に固定された固定電機子(以下インナステータと呼ぶ)2と、このインナステータ2の外側に所定の空隙(エアギャップ:例えば0.4mm〜0.5mm)を介して配設され、図示しない軸受部材によりインナステータ2に対して回転自在に支承された回転界磁(以下アウタロータ磁極と呼ぶ)3とを備えている。
【0014】
インナステータ2は、軟磁性積層材(例えば鉄板または硅素鋼板)を多数積層してなる積層型コアである電機子コア(電機子鉄心)4、およびこの電機子コア4に巻装された三相の電機子コイル(電機子巻線)5A〜5L等から構成されている。電機子コア4の外周部には、外周端に突出した鍔状片を有する12個の電機子ティース4A〜4Lが外側に突出するように形成されている。隣設する2個の電機子ティース4A、4B間には、スロットが形成されている。
【0015】
そして、三相の電機子コイル5A〜5Lは、本発明の電機子巻線であって、電機子コア4の外周部のN個の電機子ティース4A〜4Lに集中巻されている。なお、本実施例の電機子ティースの個数は、下記の数1の式(関係式)を満足するように設定されている。そして、本実施例では電機子ティースの個数Nを12個に設定している。
【数1】
N=6n(nは2以上の整数)
【0016】
ここで、2組の電機子コイル5A、5Bは、対になって逆極性に結線され、同相(U相)を形成している。そして、図2中の矢印FU1、FU2は、ある通電状態での電機子コイル5A、5Bの電機子起磁力を表すものであり、矢印方向がN極性を表している。すなわち、電機子コイル5Aの空隙への起磁力は片側の極性(S極性)であり、電機子コイル5Bの空隙への起磁力は他方側の極性(N極性)であり、互いに逆極性となっている。
【0017】
また、2組の電機子コイル5A、5Bから180゜の位置にある2組の電機子コイル5G、5Hも対になって逆極性に結線され、同相(U相)を形成している。そして、U相を形成する電機子コイル5A、5B、5G、5Hは、直列に結線されてU相電機子コイル群を構成している。
【0018】
他のV相、W相も同様に結線されている。すなわち、V相を形成する電機子コイル5C、5D、5I、5Jは、直列に結線されてV相電機子コイル群を構成している。また、W相を形成する電機子コイル5E、5F、5K、5Lは、直列に結線されてW相電機子コイル群を構成している。そして、全体でU相、V相、W相の三相スター結線またはデルタ結線されている。
【0019】
アウタロータ磁極3は、本発明の磁極部であって、図示しない出力軸にトルク伝達するように機械的に結合されている。そして、アウタロータ磁極3は、ロータヨーク6と、このロータヨーク6の内周面に接着剤等により固定された永久磁石磁極7A〜7Eとから構成された永久磁石界磁である。永久磁石磁極7A〜7Eは、強く磁化されて磁気を永久に保持する硬磁性材(永久磁石)よりなる。本実施例では、永久磁石磁極7A〜7Eを構成する永久磁石として例えばフェライト磁石を使用している。
【0020】
ロータヨーク6は、軟磁性材よりなる略円筒形状の継鉄であって、磁気回路の一部分を形成すると同時に、機械的構造物でもある。そして、ロータヨーク6の一部、すなわち、ロータヨーク6の周方向に72°毎の5箇所は、軟磁性材よりなる軟磁性材磁極6A〜6Eとされている。これらの軟磁性材磁極6A〜6Eは、ロータヨーク6の一部を、インナステータ2(内径)側へ凸状に突出するように、例えばプレス成形等により変形加工して形成した突条部分である。軟磁性材磁極6A〜6Eの磁極弧部は、永久磁石磁極7A〜7Eの磁極弧部と同様に12個の電機子ティース4A〜4Lの外周端との間に例えば0.4mm〜0.5mmのエアギャップを介して対向するように形成されている。
【0021】
以上により、ロータヨーク6、永久磁石磁極7A〜7Eおよび軟磁性材磁極6A〜6EとからM極のアウタロータ磁極3が構成される。なお、アウタロータ磁極3の磁極数は、下記の数2の式(関係式)を満足するように設定され、本実施例では電機子ティース4A〜4Lの個数Nが12個のため、M=10極である。
【数2】
M=N−2、あるいはM=N+2
【0022】
次に、軟磁性材磁極6A〜6Eを図2に基づいて詳細に説明する。
軟磁性材磁極6A〜6Eのうち軟磁性材磁極6Aを代表して説明する。軟磁性材磁極6Aは、その中心が隣設する2個の永久磁石磁極7A、7B間の中央(π/5)より、α1(例えば2゜)だけ電機子コイルを流れる電機子電流による増磁界側(電機子コイルに発生する起磁力により吸引される側)に配設されている。
【0023】
また、軟磁性材磁極6Aの極弧長をb1とし、10極のアウタロータ磁極3の磁極ピッチをτとすると、極弧率(b1/τ)は、0.3〜0.6の範囲(本実施例では、0.44)になっている。その他の軟磁性材磁極6B〜6Eも同様な構造を有している。
【0024】
〔第1実施例の作用〕
次に、本実施例のブラシレスモータ1の作動を図1および図2に基づいて説明する。
【0025】
U相電機子コイル群およびV相電機子コイル群が通電状態の時には、永久磁石磁極7Aに対し、電機子コイル5Aの起磁力FU1が吸引方向に作用し、右回り(時計回り)のトルクが発生しロータヨーク6に右回りトルクが作用する。そして、軟磁性材磁極6Aに対し、電機子コイル5Bの起磁力FU2が吸引方向に作用し、右回りのトルクが発生しロータヨーク6に作用する。また、軟磁性材磁極6Aに対しては、電機子コイル5Cの起磁力FV1が吸引方向に作用し、若干左回りのトルクが発生する。
【0026】
しかるに、本実施例では、軟磁性材磁極6Aの中心を隣設する2個の永久磁石磁極7A、7Bの中央より、α1(例えば2°)だけ電機子電流による増磁界側に位置するようにロータヨーク6の一部を内径側へ凸状に変形加工しているので、電機子コイル5Bの起磁力FU2による右回りトルクが支配的であり、電機子コイル5Cの起磁力FV1による左回りトルクは無視できる大きさになっている。
【0027】
また、永久磁石磁極7Bに対しては、電機子コイル5Cの起磁力FV1が吸引方向に作用し、且つ電機子コイル5Dの起磁力FV2が反発方向に作用するため、どちらも右回りのトルクを発生し、ロータヨーク6に右回りトルクが足し合わされて作用する。
【0028】
なお、図1に、現在通電状態にあるU相電機子コイル群の全起磁力FU1〜FU4およびV相電機子コイル群の全起磁力FV1〜FV4の方向を同じく矢印で示し、アウタロータ磁極3との作用関係を示した。以上、図1からも分かるように、ブラシレスモータ1の下半分についても、右回りのトルクが発生し、ブラシレスモータ1全体として、ロータヨーク6に右回りトルクが加算されて作用する。
【0029】
〔第1実施例の効果〕
以上のように、本実施例のブラシレスモータ1によれば、ロータヨーク6の一部を内径側に凸状に変形加工して特別な部材を追加することなく、極性がS極の軟磁性材磁極6A〜6Eとしたので、永久磁石の使用量を半分に減らすことができる。これにより、永久磁石をロータヨーク6の内周面に接着剤等で接合する組付作業が容易となると共に、永久磁石の個数を半減できるので、アウタロータ磁極3の製造コストを低減できる。
【0030】
また、本実施例のブラシレスモータ1によれば、アウターロータ磁極3を構成するロータヨーク6の一部を凸状に変形加工することにより設けた軟磁性材磁極6A〜6Eがロータヨーク6を補強する補強用リブとして機能することにより、アウターロータ磁極3の剛性を増加させることができる。さらに、ロータヨーク6の磁束密度に余裕のある場合(永久磁石としてフェライト磁石を使用した場合)には、アウタロータ磁極3の最外周に位置し、軽量効果の大きいロータヨーク6を薄肉化できるので、ブラシレスモータ1の軽量化を図ることができる。そして、アウターロータ磁極3の慣性モーメントを低減できるという効果もある。
【0031】
また、本実施例のブラシレスモータ1によれば、アウターロータ磁極3の剛性が高いので、12個の電機子コイル5A〜5L間の吸引力および反発力によるアウターロータ磁極3の振動を低減できるので、低振動で低騒音のブラシレスモータ1を提供できる。さらに、本実施例のブラシレスモータ1によれば、軟磁性材磁極6A〜6Eの磁極数は奇数の5個であるが、電機子起磁力が発生する電機子ティース4A〜4Lとは、図1から分かるように、アウタロータ磁極3のほぼ回転軸対称の位置で対峙しており、電機子起磁力の大きさも回転軸対称であるので、アウターロータ磁極3を偏心させる力を小さくできる。
【0032】
〔第2実施例の構成〕
図3および図4は本発明の第2実施例を示したもので、図3はアウタロータ型永久磁石界磁ブラシレスモータの全体構造を示した図である。
【0033】
本実施例は、第1実施例と同じ10極12ティース(スロット)のブラシレスモータ1であるが、図3に示したように、第1実施例のものとアウタロータ磁極3の構造が異なっている。本実施例のアウタロータ磁極3は、ロータヨーク6の一部を内径側に凸状に変形加工してなる軟磁性材磁極6A〜6Eの極弧(円周方向の長さ)を第1実施例よりも狭めている。なお、上述のように軟磁性材磁極6A〜6Eは、磁極弧の長さが第1実施例と異なるが、機能的に近い部材であるため、第1実施例との対応をとるため、同じ番号を図中に付した。
【0034】
そして、アウタロータ磁極3は、軟磁性材磁極6A〜6Eに隣接するS極着磁部9A〜9Eと、第1実施例の永久磁石磁極7A〜7Eと同一の機能を有するN極着磁部10A〜10Eとを無着磁部11A〜11Eを挟んで同一磁石磁極材料(例えば樹脂または陶器)により一体化した永久磁石磁極12A〜12Eを備えている。
【0035】
S極着磁部9A〜9Eは、本発明の第1着磁部であって、硬磁性材によりなり、軟磁性材磁極6A〜6Eと同一の極性であるS極に着磁されている。そして、S極着磁部9A〜9Eは、軟磁性材磁極6A〜6Eと共にS極の磁極弧(軟磁性材磁極6A〜6Eの磁極弧残部)を構成する。N極着磁部10A〜10Eは、本発明の第2着磁部であって、軟磁性材磁極6A〜6Eと異なる極性であるN極に着磁されている他磁極の磁極弧である。無着磁部11A〜11Eは、N極にもS極にも着磁されない部分で、磁石磁極材料により形成されている。これらの無着磁部11A〜11Eの内周面には、無駄な磁石磁極材料を減らすために設けた凹部11が設けられている。
【0036】
次に、永久磁石磁極12A〜12Eのうちの1個の永久磁石磁極12Bを例にしてアウタロータ磁極3を図4に基づいて説明する。
永久磁石磁極12Bは、S極着磁部9BとN極着磁部10Bとで無着磁部11Aを挟んで着磁された一体部品であり、軟磁性材磁極6Aの端部に隣接または当接させて位置決めされ、ロータヨーク6の内周面に接着剤等により固定されている。
【0037】
また、図4に示したように、S極着磁部9Bの磁極弧は、N極着磁部10Bの磁極弧の約半分の長さとなっており、電機子起磁力による減磁側の磁束をS極着磁部9Bが受け持っている。一方、電機子起磁力による増磁側の磁束を軟磁性材磁極6Aが受け持っている。
【0038】
そして、軟磁性材磁極6Aは、その中心が2個の永久磁石磁極12A、12B間の中央(π/5)より、α2(本実施例では、6゜)だけ電機子電流による増磁界側(電機子起磁力により吸引される側)に配設されている。また、軟磁性材磁極6Aの磁極弧の極弧長をb2とし、磁極ピッチをτとすると、軟磁性材磁極6Aの極弧率(b2/τ)は、0.15〜0.40の範囲(本実施例では、0.28)になっている。
【0039】
そして、無着磁部11Bの内周面の凹部11は無駄な磁石磁極材料を減らすために設けた凹みであるが、永久磁石磁極12Bの成形性を考慮して凹部11をなくしても性能的には、さしつかえない。また、無着磁部11Bは、空隙側に磁荷がなければ良く、無着磁部11Bの内部に極異方性の磁路を形成して有効磁束密度を高めても良い。なお、永久磁石磁極12B以外の永久磁石磁極12A、12C〜12Eも同様な構造を有している。
【0040】
〔第2実施例の作用〕
次に、本実施例のブラシレスモータ1の作動を図3および図4に基づいて説明する。なお、説明は第1実施例との違いを中心に1個の磁極体にて説明する。
【0041】
U相電機子コイル群およびV相電機子コイル群が通電状態の時には、軟磁性材磁極6Aに対して、電機子コイル5Bの起磁力FU2が吸引方向に作用し、右回りのトルクが発生しロータヨーク6に作用する。なお、軟磁性材磁極6A〜6Eの磁極弧の長さが第1実施例よりも短いので、電機子コイル5Cの起磁力FV1による第1実施例のような左回りのトルクは全く発生しない。
【0042】
また、永久磁石磁極12Bに対しては、電機子コイル5Cの起磁力FV1が、S極着磁部9Bに対し反発方向に作用し、N極着磁部10Bに対し吸引方向に作用する。さらに、電機子コイル5Dの起磁力FV2がN極着磁部10Bに対し反発方向に作用し、どれも右回りのトルクが発生し、ロータヨーク6に右回りトルクが足し合わされて作用する。
【0043】
なお、図3に、現在通電状態にあるU相電機子コイル群の全起磁力FU1〜FU4およびV相電機子コイル群の全起磁力FV1〜FV4の方向を同じく矢印で示し、アウタロータ磁極3との作用関係を示した。以上、図3から分かるようにブラシレスモータ1の下半分についても、右回りのトルクが発生し、ブラシレスモータ1全体としてロータヨーク6に右回りトルクが加算されて作用する。
【0044】
〔第2実施例の効果〕
本実施例のブラシレスモータ1によれば、S極着磁部9A〜9EとN極着磁部10A〜10Eを無着磁部11A〜11Eを挟んで同一の磁石磁極部材により一体成形し、ロータヨーク6の一部を内径側に突出するように変形加工してなる軟磁性材磁極6A〜6Eに隣接または当接させている。これにより、軟磁性材磁極6A〜6Eは全領域を電機子電流による増磁界側に配設でき効果的に吸引トルクを発生できる。
【0045】
また、軟磁性材磁極6A〜6Eの磁極弧残部はS極着磁部(永久磁石)9A〜9Eにより構成されているので、固定電機子2との間で反発トルクを発生できる。このように、増磁側の磁束を軟磁性材磁極6A〜6Eが受け持ち、減磁側の磁束をS極着磁部9A〜9Eに受け持たせるようにアウタロータ磁極3を構成したので、第1実施例に比べてブラシレスモータ1の性能を維持しつつ、永久磁石の部品点数を低減でき、アウタロータ磁極3の製造コストを抑制できる。
【0046】
また、軟磁性材磁極6A〜6Eを永久磁石磁極12A〜12Eの端面を当接させる位置決め部材として用いるので、永久磁石磁極12A〜12Eの位置決めが非常に容易になり、アウタロータ磁極3の製作工程が簡素化できる。さらに、本実施例のブラシレスモータ1によれば、軟磁性材磁極6A〜6Eの磁極弧の極弧率を0.15〜0.40とトルク発生に好適な範囲に設定しているので、電機子電流による起磁力を有効に利用して吸引トルクを発生でき、小型で高出力化のブラシレスモータ1を製作できる。
【0047】
〔他の実施例〕
以上、アウタロータ磁極3の磁極数を10、電機子ティース(スロット)4A〜4Lの個数を12個に設定したブラシレスモータ1の場合を第1、第2実施例で説明したが、これ以外の組合せも可能であり、以下に有効な磁極数M、個数Nの組合せ実施例を説明する。
【0048】
アウタロータ磁極3の磁束をどれだけ有効利用できるか(以下巻線利用率と略称する)は、短節巻係数と分布巻係数の積で本来検討すべきであるが、簡便のため短節巻係数だけを用いて説明する。短節巻係数をkpとすると、短節巻係数kpとアウタロータ磁極3の磁極数M、電機子ティース4A〜4Lの数Nには下記の数3の式(関係式)が成り立つ。
【数3】
kp=sin{(π/2)×(M/N)}
【0049】
上記の関係式を基に、アウタロータ磁極3の磁極数M=10〜20、電機子ティースの個数N=12〜24の範囲で短節巻係数kpを計算すると、短節巻係数kpが、良好なもの(0.9以上)は以下のM、Nの組合せである。
ただし、電機子ティースの個数は、電機子起磁力が回転中心軸回りにバランスする偶数場合のみとした。
(M,N)=(10,12)、(14,12)、(16,18)、(20,18)、(20,24)となり、何れもkp≧0.95である。
また、説明は省くが、前記組合せで巻線利用率は、全て、0.93以上にできる。
【0050】
以上から、磁束有効利用率が良好なM、Nの組合せを整理すると下記の数4の式(関係式)および数5の式(関係式)を満足する個数Nおよび磁極数Mが望ましい。
【数4】
N=6n(nは2以上の整数)
【数5】
M=N−2、あるいはM=N+2
【0051】
すなわち、電機子ティースの個数Nとアウタロータ磁極3の磁極数Mの関係が以上の組合せの場合、電機子起磁力を有効に利用できるため、ブラシレスモータ1の出力低下を招くことなく、アウタロータ磁極3のトルク変動を低減でき、且つブラシレスモータ1を小型化で高出力化する上で有利になる。また、電機子ティースの個数Nを6n(偶数)としたので、電機子起磁力が回転中心軸回りにバランスし、軟磁性材磁極6A〜6Eに電機子起磁力が作用してアウターロータ磁極3を偏心させる力を小さくできる。
【0052】
〔変形例〕
本実施例では、永久磁石としてフェライト磁石を用いたが、ネオジウム磁石等の希土類磁石、アルニコ磁石あるいは樹脂磁石(ナイロン樹脂、Nd、Fe、B粉末を焼結したもの)を用いても良い。また、永久磁石磁極と軟磁性材磁極との磁極数は同一でなくても良く、上記実施例における永久磁石磁極の一部を更に軟磁性磁極に置換する等しても良い。
本実施例では、本発明をアウタロータ型永久磁石界磁ブラシレスモータに適用したが、本発明をその他の電動機や発電機に適用しても良い。
【0053】
そして、ロータヨーク6として、磁化および消磁し易い軟磁性材(例えば純鉄、鋳鉄、軟鋼板、硅素鋼板等)を丸めてシームレス溶接等をして略円筒形状にしたものをプレス成形した略円筒形状の継鉄を使用しても良い。また、ロータヨーク6として、略円環状の軟磁性積層材(例えば鉄板または硅素鋼板)を多数積層して連結した円筒形状の継鉄を使用しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図1】ブラシレスモータの全体構造を示した構成図である(第1実施例)。
【図2】ブラシレスモータの主要構造を示した構成図である(第1実施例)。
【図3】ブラシレスモータの全体構造を示した構成図である(第2実施例)。
【図4】ブラシレスモータの主要構造を示した構成図である(第2実施例)。
【符号の説明】
1 アウタロータ型永久磁石界磁ブラシレスモータ(回転電機)
2 インナステータ(固定電機子)
3 アウタロータ磁極(磁極部)
4 電機子コア(電機子鉄心)
6 ロータヨーク(継鉄)
4A〜4L 電機子ティース
5A〜5L 電機子コイル(電機子巻線)
6A〜6E 軟磁性材磁極
7A〜7E 永久磁石磁極[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a magnetic pole structure of a rotating electrical machine such as an outer rotor type permanent magnet field brushless motor.
[0002]
[Prior art]
In general, among permanent magnet field brushless motors that are small and easy to increase output, an outer rotor type permanent magnet field brushless motor in which armature windings are concentrated and wound at one slot pitch (hereinafter abbreviated as concentrated winding), etc. The rotating electric machine of this type can shorten the coil end of the armature winding, and is more compact and advantageous for higher output.
[0003]
On the other hand, concentrated outer-rotor permanent magnet field brushless motors have a plurality of armature teeth provided on the outer periphery of the armature core of the fixed armature, so that the magnetic flux changes depending on the rotational position of the rotating field. This causes a problem that torque fluctuation (also referred to as torque ripple or cogging torque) tends to increase. Therefore, Japanese Patent Application Laid-Open No. 62-110468 discloses a technique that can reduce torque fluctuations without causing a decrease in output when the number of permanent magnet magnetic poles and the number of armature teeth are appropriately combined. Yes.
[0004]
In JP-A-62-110468, the number M of permanent magnet magnetic poles and the number of salient magnetic poles (number of armature teeth) N of a fixed armature are set to M = N−2 or M = N + 2. And N = 6n (n is an integer of 2 or more), the armature winding coefficient (an index representing how effectively the armature winding can use the magnetic flux of the magnetic pole) The content that the output can be improved is described.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the technique (conventional technique) described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 62-110468, the number M of permanent magnet magnetic poles must be at least 10 or more from the relational expression of M and N. I understand. For this reason, in a brushless motor of a size that cannot integrally mold 10 or more permanent magnet magnetic poles, the number of parts of the permanent magnet magnetic poles is large, and the positioning and fixing method of the permanent magnet magnetic poles on the inner peripheral surface of the yoke is complicated. For this reason, the manufacturing workability at the time of manufacturing the magnetic pole part is poor, and the manufacturing cost of the magnetic pole part is increased. Therefore, it has been difficult to adopt the above structure for a relatively high output and inexpensive brushless motor.
[0006]
OBJECT OF THE INVENTION
The objective of this invention is providing the rotary electric machine which is small and is easy to make high output easily. It is another object of the present invention to provide a rotating electrical machine that can reduce the torque fluctuation of the magnetic pole part and reduce the manufacturing cost of the magnetic pole part.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
According to the invention described in claim 1, without adding special members, by a part component which projects convexly into the inner diameter side of the part of the yoke and the soft magnetic material poles, permanent Since the amount of magnets used can be reduced, the manufacturing cost of the M pole part can be reduced. Further, by providing the protruding allowed part convexly to the inner diameter side of the part of the yoke, it is possible to increase the stiffness of the magnetic pole portion of the M electrode. In addition, when there is a margin in the magnetic flux density of the yoke, such as when using a ferrite magnet as a permanent magnet, it is possible to thin the yoke with a large light weight effect located on the outermost periphery of the magnetic pole part of the M pole. , Can achieve weight reduction.
Then, the first and second magnetized portions having different polarities are formed by the same magnetic pole member with the non-magnetized portion interposed therebetween, and adjacent to the soft magnetic material magnetic pole in which a part of the yoke protrudes convexly toward the inner diameter side. Therefore, the entire area of the soft magnetic material magnetic pole can be disposed on the side of the magnetic field increasing by the armature current, and the attraction torque can be effectively generated. Further, since the first magnetized portion of the permanent magnet magnetic pole is a permanent magnet, repulsive torque can be generated between the armature core of the fixed armature.
As described above, the usage amount of the permanent magnet can be reduced while maintaining the performance of the rotating electrical machine, and the manufacturing cost of the magnetic pole portion of the M pole can be suppressed. Furthermore, since the soft magnetic material magnetic pole is used as a positioning member that abuts the end face of the first magnetized portion of the permanent magnet magnetic pole, positioning becomes easy and the manufacturing process can be simplified.
[0008]
According to the second aspect of the present invention, the soft magnetic material magnetic pole is positioned so as to be positioned on the side of the magnetic field increasing by the armature current flowing through the armature winding from the center between the two permanent magnet magnetic poles adjacent to each other. By disposing the magnetic material magnetic pole, it is possible to effectively generate the attractive torque with the soft magnetic material magnetic pole by effectively utilizing the magnetomotive force due to the armature current, which is advantageous in terms of downsizing and higher output.
[0009]
According to the third aspect of the present invention, the magnetomotive force due to the armature current flowing through the armature winding is set by setting the polar arc ratio of the magnetic pole of the soft magnetic material within a suitable range of 0.3 to 0.6. Can effectively generate attraction torque with the magnetic pole of the soft magnetic material, which is further advantageous in terms of downsizing and higher output.
[0011]
According to the fourth aspect of the present invention, the magnetomotive force due to the armature current flowing through the armature winding is set by setting the polar arc rate of the soft magnetic material magnetic pole in a suitable range of 0.15 to 0.40. Since the suction torque can be effectively generated by effectively utilizing this, it is further advantageous in terms of small size and high output.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
[Configuration of the first embodiment]
1 and 2 show a first embodiment of the present invention, and FIG. 1 is a diagram showing the overall structure of an outer rotor type permanent magnet field brushless motor.
[0013]
An outer rotor type permanent magnet field brushless motor (hereinafter abbreviated as “brushless motor”) 1 includes a fixed armature (hereinafter referred to as an inner stator) 2 fixed to a fixing member (not shown), and a predetermined gap (outside of the inner stator 2). And a rotating field magnet (hereinafter referred to as an outer rotor magnetic pole) 3 which is disposed via an air gap (for example, 0.4 mm to 0.5 mm) and is rotatably supported with respect to the
[0014]
The
[0015]
The three-phase armature coils 5 </ b> A to 5 </ b> L are armature windings of the present invention and are concentratedly wound around the
[Expression 1]
N = 6n (n is an integer of 2 or more)
[0016]
Here, the two sets of
[0017]
Further, two sets of
[0018]
The other V and W phases are similarly connected. That is, the armature coils 5C, 5D, 5I, and 5J that form the V phase are connected in series to form a V phase armature coil group. The armature coils 5E, 5F, 5K, and 5L that form the W phase are connected in series to form a W phase armature coil group. And as a whole, U-phase, V-phase, and W-phase three-phase star connection or delta connection is used.
[0019]
The outer rotor
[0020]
The
[0021]
As described above, the
[Expression 2]
M = N−2 or M = N + 2
[0022]
Next, the soft magnetic material
The soft magnetic material
[0023]
Further, assuming that the polar arc length of the soft magnetic material
[0024]
[Operation of the first embodiment]
Next, the operation of the brushless motor 1 of this embodiment will be described with reference to FIGS.
[0025]
When the U-phase armature coil group and the V-phase armature coil group are energized, the magnetomotive force FU1 of the
[0026]
However, in this embodiment, the center of the soft magnetic material
[0027]
Further, since the magnetomotive force FV1 of the
[0028]
In FIG. 1, the directions of the total magnetomotive forces FU1 to FU4 of the currently energized U-phase armature coil group and the total magnetomotive forces FV1 to FV4 of the V-phase armature coil group are also indicated by arrows, and the outer rotor
[0029]
[Effects of the first embodiment]
As described above, according to the brushless motor 1 of the present embodiment, a soft magnetic material magnetic pole having an S polarity is formed without adding a special member by deforming a part of the
[0030]
Further, according to the brushless motor 1 of this embodiment, the soft magnetic material
[0031]
Further, according to the brushless motor 1 of the present embodiment, since the rigidity of the outer rotor
[0032]
[Configuration of Second Embodiment]
3 and 4 show a second embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a diagram showing the overall structure of an outer rotor type permanent magnet field brushless motor.
[0033]
This embodiment is the same 10 pole 12 teeth (slot) brushless motor 1 as the first embodiment, but as shown in FIG. 3, the structure of the outer rotor
[0034]
The outer rotor
[0035]
The S pole magnetized
[0036]
Next, the outer rotor
The permanent magnet
[0037]
Further, as shown in FIG. 4, the magnetic pole arc of the S pole magnetized
[0038]
The soft magnetic material
[0039]
The
[0040]
[Operation of the second embodiment]
Next, the operation of the brushless motor 1 of the present embodiment will be described with reference to FIGS. The description will be made with a single magnetic pole body focusing on the difference from the first embodiment.
[0041]
When the U-phase armature coil group and the V-phase armature coil group are energized, the magnetomotive force FU2 of the
[0042]
For the permanent magnet
[0043]
In FIG. 3, the directions of the total magnetomotive forces FU1 to FU4 of the U-phase armature coil group currently energized and the total magnetomotive forces FV1 to FV4 of the V-phase armature coil group are also indicated by arrows, and the outer rotor
[0044]
[Effect of the second embodiment]
According to the brushless motor 1 of the present embodiment, the S pole magnetized
[0045]
Moreover, since the magnetic pole arc remainders of the soft magnetic material
[0046]
Further, since the soft magnetic material
[0047]
[Other Examples]
The case of the brushless motor 1 in which the number of magnetic poles of the outer rotor
[0048]
The effective use of the magnetic flux of the outer rotor magnetic pole 3 (hereinafter abbreviated as “winding utilization factor”) should be originally examined by the product of the short winding coefficient and the distributed winding coefficient. It explains using only. When the short-pitch coefficient is kp, the following formula (relational expression) is established for the short-pitch coefficient kp, the number M of the outer rotor
[Equation 3]
kp = sin {(π / 2) × (M / N)}
[0049]
Based on the above relational expression, the short-pitch coefficient kp is good when the short-pitch coefficient kp is calculated in the range of the magnetic pole number M = 10-20 of the outer rotor
However, the number of armature teeth was set only when the armature magnetomotive force was evenly balanced around the rotation center axis.
(M, N) = (10, 12), (14, 12), (16, 18), (20, 18), (20, 24), and kp ≧ 0.95 for all.
Moreover, although description is omitted, the winding utilization can be 0.93 or more in all combinations.
[0050]
From the above, when the combinations of M and N having good magnetic flux effective utilization rates are arranged, the number N and the number M of magnetic poles satisfying the following expression (relational expression) and expression 5 (relational expression) are desirable.
[Expression 4]
N = 6n (n is an integer of 2 or more)
[Equation 5]
M = N−2 or M = N + 2
[0051]
That is, when the relationship between the number N of the armature teeth and the number M of the outer rotor
[0052]
[Modification]
In this embodiment, a ferrite magnet is used as a permanent magnet. However, a rare earth magnet such as a neodymium magnet, an alnico magnet, or a resin magnet (a material obtained by sintering nylon resin, Nd, Fe, or B powder) may be used. Moreover, the number of magnetic poles of the permanent magnet magnetic pole and the soft magnetic material magnetic pole need not be the same, and a part of the permanent magnet magnetic pole in the above embodiment may be further replaced with a soft magnetic magnetic pole.
In the present embodiment, the present invention is applied to the outer rotor type permanent magnet field brushless motor, but the present invention may be applied to other electric motors and generators.
[0053]
As the
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram showing the overall structure of a brushless motor (first embodiment).
FIG. 2 is a configuration diagram showing a main structure of a brushless motor (first embodiment).
FIG. 3 is a block diagram showing the overall structure of a brushless motor (second embodiment).
FIG. 4 is a configuration diagram showing a main structure of a brushless motor (second embodiment).
[Explanation of symbols]
1 Outer rotor type permanent magnet field brushless motor (rotary electric machine)
2 Inner stator (fixed armature)
3 Outer rotor magnetic pole (magnetic pole)
4 Armature core (armature core)
6 Rotor yoke
4A-
6A to 6E Soft magnetic material
Claims (4)
前記電機子ティースの個数をN、前記磁極部の磁極数をMとすると、
N=6n(nは2以上の整数)、
M=N−2、あるいはM=N+2
の関係を満足する回転電機において、
前記M極の磁極部は、軟磁性材料よりなる継鉄と、
この継鉄の一部を前記電機子鉄心側に凸となるように変形加工してなる軟磁性材磁極と、
前記継鉄の内周面に固定された永久磁石磁極と
からなり、
前記軟磁性材磁極は、その軟磁性材磁極の中心が電機子電流による増磁界側に偏って位置するように設けられ、
前記永久磁石磁極は、前記軟磁性材磁極に隣接すると共に、前記軟磁性材磁極と同一の極性の第1着磁部、この第1着磁部と異なる極性の第2着磁部、および前記第1着磁部と前記第2着磁部との間に設けられた無着磁部を有し、前記第1着磁部と前記第2着磁部とを前記無着磁部を挟んで同一磁極部材で一体化したことを特徴とする回転電機。An armature core having N armature teeth arranged on the outer periphery, a fixed armature having a three-phase armature winding wound around the N teeth at a pitch of 1 slot, and the fixing A magnetic pole portion of M poles arranged rotatably on the outside of the armature through a gap,
When the number of the armature teeth is N and the number of magnetic poles of the magnetic pole part is M,
N = 6n (n is an integer of 2 or more),
M = N−2 or M = N + 2
In rotating electrical machines that satisfy the relationship
Pole portion of said M pole, a yoke ing of a soft magnetic material,
A soft magnetic material magnetic pole formed by deforming a part of this yoke so as to protrude toward the armature core ;
Fixed permanent magnet poles on the inner peripheral surface of said yoke and <br/> Ri Tona,
The soft magnetic material magnetic pole is provided so that the center of the soft magnetic material magnetic pole is biased to the magnetic field increasing side due to the armature current,
The permanent magnet magnetic pole is adjacent to the soft magnetic material magnetic pole, and has a first magnetized portion having the same polarity as the soft magnetic material magnetic pole, a second magnetized portion having a different polarity from the first magnetized portion, and the A non-magnetized portion provided between the first magnetized portion and the second magnetized portion, the first magnetized portion and the second magnetized portion sandwiching the non-magnetized portion; A rotating electric machine characterized by being integrated with the same magnetic pole member .
前記軟磁性材磁極は、その軟磁性材磁極の中心が隣設する2個の永久磁石磁極間の中央より、電機子電流による増磁界側に偏って位置するように設けられたことを特徴とする回転電機。In the rotating electrical machine according to claim 1,
The soft magnetic material magnetic pole is provided such that the center of the soft magnetic material magnetic pole is positioned so as to be biased toward the side of increasing magnetic field by an armature current from the center between two adjacent permanent magnet magnetic poles. Rotating electric machine.
前記軟磁性材磁極の極弧率は、0.3以上0.6以下の範囲内にあることを特徴とする回転電機。In the rotating electrical machine according to claim 1 or 2,
A rotating electrical machine characterized in that a polar arc ratio of the soft magnetic material magnetic pole is in a range of 0.3 to 0.6.
前記軟磁性材磁極の極孤率は、0.15以上0.40以下の範囲内にあることを特徴とする回転電機。In the rotating electrical machine according to claim 1 ,
The rotating electrical machine according to claim 1, wherein a magnetic arc rate of the soft magnetic material magnetic pole is in a range of 0.15 to 0.40.
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