JP4626382B2

JP4626382B2 - 電動機

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Publication number: JP4626382B2
Application number: JP2005131813A
Authority: JP
Inventors: 真治牧田; 政行梨木
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2005-04-28
Filing date: 2005-04-28
Publication date: 2011-02-09
Anticipated expiration: 2025-04-28
Also published as: US7576466B2; CN1855673A; KR100847879B1; DE102006019462A1; KR20060113520A; CN1855673B; JP2006311713A; US20060244336A1; DE102006019462B4

Description

本発明は、自動車やトラック等に搭載される電動機に関する。

一般的なコギングトルクを低減するための技術として、スキューという手法が用いられる。この手法は、固定子の回転方向位置を軸方向に沿ってずらした構造にするものであり、電気角で１８０度分ずらすことにより、固定子のどの回転方向位置にも同一量の空隙部が存在することになるので、理論的には周方向位置による磁気抵抗差はゼロとなり、コギングトルクは発生しない。しかしながら、スキュー角が大きくなりすぎると、回転子側の磁石磁束の利用率が低下し、トルクが低下する。１８０度分ずらした場合には、ずらさない場合と比べてトルクは半減することになる。そのため、実際には１８０度分ずらすようなことはせずに、スキューをしない場合に発生するコギングトルクの最も大きい周波数成分を打ち消すようにスキュー角を決めることになる。この場合には、コギングトルクを完全になくすほどの効果は得られない。

また、コギングトルク低減の別の手法として、補助溝を挿入する方法が提案されている（例えば、非特許文献１参照。）。これは、固定子鉄心間の空隙部によって発生する磁気抵抗変化を、それを相殺する位置に補助溝を挿入することで打ち消す方法である。
大西和男，「永久磁石ブラシレスモータのコギングトルク低減」，電気学会論文誌Ｄ，電気学会，平成１４年，第１２２巻，第４号，ｐ３３８−３４５

ところで、非特許文献１に開示された補助溝を用いてコギングトルクを低減する従来手法では、固定子鉄心間の空隙部と補助溝で生じる磁気抵抗変化は同一でないため、低減効果はあるもののコギングトルクを完全に、あるいは十分に打ち消すほどの効果は得られないという問題があった。

本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、コギングトルクを大幅に低減することができる電動機を提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明の電動機は、スキューを施した固定子または突極形状が非同一な固定子の回転子に対向する面において、回転方向位置における長さに対する磁性体部と非磁性体部との割合の変化が少なくなるように、固定子の軸方向端部に非磁性体部および磁性体部の少なくとも一方を設けている。非磁性体部あるいは磁性体部を追加して磁性体部割合を調整することにより、回転方向位置による磁性体部割合の変化を少なくすることができるため、コギングトルクを大幅に低減することが可能になる。

また、上述した固定子の回転子に対向する面において、非磁性体部が存在する領域の上部および下部の少なくとも一方に、非磁性体部とほぼ同面積の磁性体部を設けることによって、固定子の回転方向位置による磁性体部の割合をほぼ同一とすることが望ましい。このように磁性体部を追加することにより、回転方向位置による磁性体部割合をほぼ均一にすることができ、コギングトルクをほぼなくすことが可能になる。

また、上述した磁性体部は、磁極の中心点に対して点対称な形状を有することが望ましい。これにより、回り込み磁束の影響を上下で対称化できるため、その影響を小さくすることができる。

また、上述した非磁性体部を空隙で構成することが望ましい。これにより、非磁性体部に非磁性体を充填するといった手間や材料を省くことができ、低コストでコギングトルク低減の効果を得ることができる。

以下、本発明を適用した一実施形態の電動機について、図面を参照しながら説明する。コギングトルクは回転方向位置による磁気抵抗差が存在するときに、回転子の回転に応じて磁気抵抗が変わることによって発生する。まず、最初にコギングトルクの発生原理について説明する。

図１は、３相４極６スロット型の電動機の構造を示す横断面図である。また、図２は、回転子および固定子を回転方向に展開した図である。図１および図２に示す電動機１は、回転子２および固定子５を備えている。回転子２は、表面に周方向に沿って交互に配置されたＮ極の永久磁石３とＳ極の永久磁石４とを有している。また、固定子５は、いわゆる集中巻きの巻線構造を有しており、それぞれの固定子磁極には各相の固定子巻線が集中的に巻回されている。具体的には、Ｕ相の固定子磁極ＴＢＵ１、ＴＢＵ２のそれぞれにはＵ相巻線ＷＢＵ１、ＷＢＵ２が巻回されている。同様に、Ｖ相の固定子磁極ＴＢＶ１、ＴＢＶ２のそれぞれにはＶ相巻線ＷＢＶ１、ＷＢＶ２が巻回されている。Ｗ相の固定子磁極ＴＢＷ１、ＴＢＷ２のそれぞれにはＷ相巻線ＷＢＷ１、ＷＢＷ２が巻回されている。

各回転方向位置における磁気抵抗は、主に固定子軸方向長さに対する磁性体部（固定子磁極）の割合に依存し、その比率が高いほど磁気抵抗は小さいといえる。したがって、図２に示した回転子２および固定子５の形状では、磁性体部割合が０％の領域が固定子突極（固定子磁極）ごとに存在するので、磁性体部割合が０％と１００％のときの磁気抵抗の差に対応したコギングトルクが突極間隔の周期で発生する。このような原理から考えると、コギングトルクを低減するためには、磁性体部割合の変化をなるべく少なくすればよいことが分かる。

なお、図１および図２において３相４極６スロット表面磁石型の電動機１の例を示しているが、上述したコギングトルク低減の考え方は特に相数、極数、スロット数、回転子のタイプで限定されるものではなく、磁石付きの電動機であればすべてにいえることである。また、図１に示す電動機１では回転子２側に永久磁石３、４が備わっているが、これも回転子２側に限定するものではなく、固定子５側に永久磁石がある電動機であってもよい。次に、コギングトルク低減のための各種の改良案について説明する。

〔改良案１〕
非磁性体部や磁性体部の追加によって固定子５の回転方向位置の磁性体部割合を変化させることで磁気抵抗差を小さくすれば、コギングトルクを大幅に低減することが可能となる。具体的には、各回転方向位置における磁性体部割合がより一定となるように、非磁性体部や磁性体部を追加すればよい。

図３は、固定子磁極をスキューさせた従来構造の電動機において、回転方向位置と固定子磁極形状および磁性体部の割合の変化の様子を示す図である。この例では、図３（Ａ）に示すように、固定子磁極において機械角で３０度のスキューを施してあり、磁性体部割合は図３（Ｂ）に示すように変化する。

図４は、図３に示した固定子磁極に対して磁性体部の割合の高い位置に非磁性体部を追加した場合の回転方向位置と固定子磁極形状および磁性体部の割合の変化の様子を示す図である。図４（Ａ）に示すように、磁性体部の割合の高い位置に非磁性体部１００を追加すると、図４（Ｂ）に示すように、磁性体部の割合が高い位置が減少することで、磁性体部割合の変化が小さくなることがわかる。

〔改良案２〕
図５は、図３に示した固定子磁極に対して磁性体部の割合の低い位置に磁性体部を追加した場合の回転方向位置と固定子磁極形状および磁性体部の割合の変化の様子を示す図である。図５（Ａ）に示すように、磁性体部の割合の低い位置に磁性体部１１０を追加すると、図５（Ｂ）に示すように、磁性体部の割合の低い位置が減少することで磁性体部の割合の変化が小さくなることがわかる。

なお、図４に示した例では非磁性体部１００のみを追加し、図５に示した例では磁性体部１１０のみを追加したが、これらの非磁性体部１００と磁性体部１１０の追加を両方同時に行うことで同様の効果を得ることも可能である。また非磁性体部１００および磁性体部１１０の形状および個数についても特に限定されない。

〔改良案３〕
上述した考え方は、スキューを施した固定子のみに適用されるわけではない。図６は、通常の電動機のスキューとは異なり突極形状が非同一な固定子磁極と磁性体部割合の変化の様子を示す図である。図６（Ａ）に示すように平行四辺形形状の固定子磁極と上下方向の向きが違う台形形状の固定子磁極とを回転方向に並べた固定子であっても、図３に示したようなスキューを施した場合の固定子と同様の磁性体部割合の変化の様子を示す（図６（Ｂ））。このような固定子に対して非磁性体部あるいは磁性体部を追加するようにしてもよい。

図７は、図６に示した固定子磁極に対して磁性体部の割合の高い位置に非磁性体部を追加した場合の回転方向位置と固定子磁極形状および磁性体部の割合の変化の様子を示す図である。図７（Ａ）に示すように、磁性体部の割合の高い位置に非磁性体部１００を追加すると、図７（Ｂ）に示すように、磁性体部の割合が高い位置が減少することで、磁性体部割合の変化が小さくなることがわかる。

図８は、図６に示した固定子磁極に対して磁性体部の割合の低い位置に磁性体部を追加した場合の回転方向位置と固定子磁極形状および磁性体部の割合の変化の様子を示す図である。図８（Ａ）に示すように、磁性体部の割合の低い位置に磁性体部１１０を追加すると、図８（Ｂ）に示すように、磁性体部の割合が低い位置が減少することで磁性体部の割合の変化が小さくなることがわかる。

〔改良案４〕
また、磁性体部割合の変化は、スキューを施した固定子と同等である必要もなく、任意形状の固定子においても同様の考え方が適用できる。図９は、任意形状の固定子磁極と磁性体部割合の変化の様子を示す図である。図９（Ａ）に示すように任意形状の固定子磁極を回転方向に交互に並べた固定子では、この任意形状に応じた磁性体部割合の変化の様子を示す（図９（Ｂ））。このような固定子に対して非磁性体部あるいは磁性体部を追加するようにしてもよい。

図１０は、図９に示した固定子磁極に対して非磁性体部と磁性体部の両方を追加した場合の回転方向位置と固定子磁極形状および磁性体部の割合の変化の様子を示す図である。図１０（Ａ）に示すように、磁性体部の割合の高い位置に非磁性体部１００を追加するとともに磁性体部の割合の低い位置に磁性体部１１０を追加すると、図１０（Ｂ）に示すように、磁性体部の割合が高い位置および低い位置がともに減少することで、磁性体部割合の変化が小さくなることがわかる。

また、磁性体部割合の変化以外によって生じる磁気抵抗差についても、非磁性体部１００や磁性体部１１０を追加することで改善することが可能である。もちろん、上述した各種の改良案の説明は一例にすぎず、元の形状、追加する非磁性体部１００、磁性体部１１０の形状についても図示した形状に限定するものではない。

〔改良案５〕
以上のような改良をすればコギングトルクを減少させることが可能であるが、その効果を最大にするには、上記の手段を施すことで磁性体部割合がどの回転方向位置でも同じになるようにすればよい。

図１１は、図３に示した固定子磁極に対して磁性体部の割合の高い位置に非磁性体部を追加することにより磁性体部割合を均一にした変形例を示す図である。図１１（Ａ）に示すように、磁性体部の割合の高い位置に非磁性体部１００を追加すると、図１１（Ｂ）に示すように、磁性体部の割合が高い位置が減少することで、磁性体部割合を均一にすることができる。

図１２は、図３に示した固定子磁極に対して磁性体部の割合の低い位置に磁性体部を追加することにより磁性体部割合を均一にした変形例を示す図である。図１２（Ａ）に示すように、磁性体部の割合の低い位置に磁性体部１１０を追加すると、図１２（Ｂ）に示すように、磁性体部の割合が低い位置が減少することで磁性体部割合を均一にすることができる。

図１３は、図６に示した固定子磁極に対して磁性体部の割合の高い位置に非磁性体部を追加することにより磁性体部割合を均一にした変形例を示す図である。図１３（Ａ）に示すように、磁性体部の割合の高い位置に非磁性体部１００を追加すると、図１３（Ｂ）に示すように、磁性体部の割合が高い位置が減少することで、磁性体部割合を均一にすることができる。

図１４は、図６に示した固定子磁極に対して磁性体部の割合の低い位置に磁性体部を追加することにより磁性体部割合を均一にした変形例を示す図である。図１４（Ａ）に示すように、磁性体部の割合の低い位置に磁性体部１１０を追加すると、図１４（Ｂ）に示すように、磁性体部の割合が低い位置が減少することで磁性体部割合を均一にすることができる。

図１５は、図９に示した固定子磁極に対して非磁性体部と磁性体部の両方を追加することにより磁性体部割合を均一にした変形例を示す図である。図１５（Ａ）に示すように、磁性体部の割合の高い位置に非磁性体部１００を追加するとともに磁性体部の割合の低い位置に磁性体部１１０を追加することにより、図１５（Ｂ）に示すように、磁性体部の割合が高い位置および低い位置がともに減少することで、磁性体部割合を均一にすることができる。

〔改良案６〕
今までの説明では、固定子の磁性体部の割合についてのみ注目してきたが、実際に電動機を構成する上では三次元的な磁束の流れを無視することができない。特に、突極の軸方向上下端部（軸方向両端部）においては対向する回転子からの磁束のみでなく、その上下の空隙部からの回り込みの磁束も流れる。したがって、上下端部の影響が特に顕著に現れる偏平形状の電動機、すなわち電動機の径に対する軸長の比が小さい電動機においては、この回り込み磁束の影響を無視することができない。また、回転方向についても同様の回り込み磁束が存在するために、この磁束の影響も無視することができない。

そこで、磁性体部が磁極の中心に対して点対称になるように構成すると、回り込み磁束の影響を上下で対称化できるため、その影響を小さくすることができる。あるいは、相数Ｓの電動機において、固定子および回転子の合計のスキュー角を電気角でほぼ３６０／（２Ｓ）度としたときに、磁極のほぼ中心に磁極間非磁性体部とほぼ同一幅かつほぼ同一角度の非磁性体部を軸方向に貫通させて設ける場合には、突極間の空隙部とほぼ同一形状の非磁性体部を設ければよいので、三次元的な磁束の流れもほぼ同一にすることができ、その影響をさらに小さくすることができる。

また、上述した各種の非磁性体部１００を空隙で構成するようにした場合には、非磁性体部１００に非磁性体を充填するといった手間や材料を省くことができ、低コストでコギングトルク低減の効果を得ることができる。

〔改良案７〕
次に、突極部形状の工夫によって同等の効果を得る方法について説明する。上述したように、コギングトルクは回転方向位置による磁気抵抗差によって発生する。このとき、コギングトルクは、回転子の磁石の極性に依存しないので、コギングトルクのみを考えるときには、ある位置にある固定子とそこから電気角で１８０度ずらした位置にある固定子とは全く等価であり、図１６のように両者を合成した固定子形状でコギングトルクを考えても問題ないといえる。ただし、これはコギングトルク低減形状を考える上での便宜的な表現であり、実際に合成した固定子形状で電動機を構成するわけではない。

相数Ｓが奇数で、スキュー角を電気角で３６０／（２Ｓ）度とすると、ある固定子とそれを電気角で１８０度ずらした固定子を合成したときに、磁極間空隙部が均等間隔で並び、磁性体部の割合が一定となる。図１６では、３相４極６スロットの電動機の例が示されている。この例では、Ｓ＝３なのでスキュー角を電気角で６０度、機械角で３０度のスキューを施してある。このとき、電気角で１８０度ずらした固定子と合成すると、磁極間空隙部（固定子のみをスキューさせた場合には鉄心間空隙部）が機械角で３０度ずつ並び、スキュー角が３０度であるので、固定子のすべての回転方向位置で磁性体部の割合が一定となる。

なお、図１７に示すように、通常の電動機のスキューとは違い突極形状が非同一であるが、磁極間空隙部が図１４と同等であるような形状についても、電気角で１８０度ずらした固定子を用いて合成を行うことで（合成方法は図１６に示した固定子と同様）、固定子のすべての回転方向位置で磁性体部の割合が一定となり、コギングトルクを低減することができる。

〔改良案８〕
理論的には、上述したように固定子と回転子の合計のスキュー角（あるいは磁極間空隙部の角度）を設定することによってコギングトルクを大幅に低減することが可能である。しかしながら、実際には磁極の上下端部からの回りこみの磁束等、三次元的な磁束の流れが存在するために理論値よりも若干スキュー角を減らしたほうがよいことが解析的に分かっている。その減らし量は、磁極間の非磁性体部の回転方向幅に依存し、この幅の０％〜１００％に相当する角度である。

図１８は、３相４極６スロットの電動機の例を示す図である。理論的には、図１６に示したように、Ｓ＝３なので電気角で６０度、機械角で３０度のスキューを施せば、固定子のすべての回転方向位置で磁性体部の割合が一定となるが、この例では磁極間の隙間が機械角で８度あるため、機械角で０〜８度、電気角で０〜１６度の範囲で角度を減じたほうがよい。図１８では、電気角で８度減じた５２度のスキューを施している。

また、これらの形状に磁性体部や非磁性体部を追加することで、磁性体部割合の変化以外によって生じる磁気抵抗差を低減することが可能であり、より大きなコギングトルク低減効果を得ることができる。

さらに、本発明は、磁石を用いた電動機であれば、相数、極数、スロット数、回転子タイプ、インナーロータ／アウターロータ、ラジアルタイプ／アキシャルタイプを問わずすべてに適用可能である。また、通電時のトルクは、無通電時のコギングトルクと、通電によるトルクとが合成されたものであるので、本発明を適用することにより、トルクリップルを低減することもできる。

また、特に本出願人が特願２００３−３７８４０３号において提案しているループ状の固定子巻線を有する電動機においては、その固定子の磁極構成のためコギングトルクが大きくなりやすいが、本発明の手法を用いることによりコギングトルク低減の効果をより発揮することができる。

図１９は、ループ状の固定子巻線を有する電動機の具体的な構成を示す縦断面図である。図１９に示す電動機１００は、３相交流で動作する８極の電動機であり、回転子軸１１、永久磁石１２、固定子１４を含んで構成されている。回転子１０は、表面に配置された複数の永久磁石１２を備えている。これらの永久磁石１２は、回転子の１０表面に沿って円周方向にＮ極とＳ極とが交互に配置されている。図２０は、回転子１０の円周方向展開図である。固定子１４は、それぞれ４個のＵ相固定子磁極１９、Ｖ相固定子磁極２０、Ｗ相固定子磁極２１を備えている。各固定子磁極１９、２０、２１は、回転子１０に対して突極状の形状を有している。図２１は、回転子側から見た固定子１４の内周側形状の展開図である。固定子１４のＵ相固定子磁極１９、Ｖ相固定子磁極２０、Ｗ相固定子磁極２１のそれぞれの間には、ループ状のＵ相巻線１５、Ｖ相巻線１６、１７、Ｗ相巻線１８が配置されている。図２２は、各相の巻線の円周方向展開図を示す図である。この例では、回転子および固定子ともにスキューのない基本形状が示されているが、これらの形状に限定されるものではなく、本発明を適用して非磁性体部あるいは磁性体部を追加することによりコギングトルクを低減することができる。例えば、図３に示したような通常の電動機のスキューはもちろんのこと、通常の電動機では二次元的な磁束の流れを前提にしている関係上作成が困難な図６や図９に示すような形状の固定子についても容易に磁気回路を構成することが可能である。

３相４極６スロット型の電動機の構造を示す横断面図である。図１に示す電動機の回転子および固定子を回転方向に展開した図である。固定子磁極をスキューさせた従来構造の電動機において、回転方向位置と固定子磁極形状および磁性体部の割合の変化の様子を示す図である。図３に示した固定子磁極に対して磁性体部の割合の高い位置に非磁性体部を追加した場合の回転方向位置と固定子磁極形状および磁性体部の割合の変化の様子を示す図である。図３に示した固定子磁極に対して磁性体部の割合の低い位置に磁性体部を追加した場合の回転方向位置と固定子磁極形状および磁性体部の割合の変化の様子を示す図である。通常の電動機のスキューとは異なり突極形状が非同一な固定子磁極と磁性体部割合の変化の様子を示す図である。図６に示した固定子磁極に対して磁性体部の割合の高い位置に非磁性体部を追加した場合の回転方向位置と固定子磁極形状および磁性体部の割合の変化の様子を示す図である。図６に示した固定子磁極に対して磁性体部の割合の低い位置に磁性体部を追加した場合の回転方向位置と固定子磁極形状および磁性体部の割合の変化の様子を示す図である。任意形状の固定子磁極と磁性体部割合の変化の様子を示す図である。図９に示した固定子磁極に対して非磁性体部と磁性体部の両方を追加した場合の回転方向位置と固定子磁極形状および磁性体部の割合の変化の様子を示す図である。図３に示した固定子磁極に対して磁性体部の割合の高い位置に非磁性体部を追加することにより磁性体部割合を均一にした変形例を示す図である。図３に示した固定子磁極に対して磁性体部の割合の低い位置に磁性体部を追加することにより磁性体部割合を均一にした変形例を示す図である。図６に示した固定子磁極に対して磁性体部の割合の高い位置に非磁性体部を追加することにより磁性体部割合を均一にした変形例を示す図である。図６に示した固定子磁極に対して磁性体部の割合の低い位置に磁性体部を追加することにより磁性体部割合を均一にした変形例を示す図である。図９に示した固定子磁極に対して非磁性体部と磁性体部の両方を追加することにより磁性体部割合を均一にした変形例を示す図である。相数Ｓが奇数の場合の磁性体部の割合の変化を低減する考え方を示す図である。相数Ｓが奇数の場合の磁性体部の割合の変化を低減する考え方を示す図である。３相４極６スロットの電動機の例を示す図である。ループ状の固定子巻線を有する電動機の具体的な構成を示す縦断面図である。図１９に示した回転子の円周方向展開図である。回転子側から見た固定子の内周側形状の展開図である。各相の巻線の円周方向展開図を示す図である。

符号の説明

１電動機
２回転子
３、４永久磁石
５固定子
１００非磁性体部
１１０磁性体部

Claims

スキューを施した固定子または突極形状が非同一な固定子の回転子に対向する面において、回転方向位置における長さに対する磁性体部と非磁性体部との割合の変化が少なくなるように、前記固定子の軸方向端部に非磁性体部および磁性体部の少なくとも一方を設けることを特徴とする電動機。
請求項１において、
前記固定子の前記回転子に対向する面において、前記非磁性体部が存在する領域の上部および下部の少なくとも一方に、前記非磁性体部とほぼ同面積の磁性体部を設けることによって、前記固定子の回転方向位置による前記磁性体部の割合をほぼ同一とすることを特徴とする電動機。
請求項２において、
前記磁性体部は、磁極の中心点に対して点対称な形状を有することを特徴とする電動機。
請求項１〜３のいずれかにおいて、
前記非磁性体部を空隙で構成することを特徴とする電動機。