JP4670871B2 - モータ - Google Patents

Description

本発明は、内側ロータと外側ロータの２つのロータを搭載し、ステータにトロイダル巻線が施されたモータに関する。

ダイレクトドライブ洗濯機の駆動用モータなどに使用されるブラシレスモータは、低速大トルクで低振動、低騒音であることが望まれている。ダイレクトドライブ駆動で用いられるモータは、ギヤが無く、直接駆動するため、モータの大トルク化が必要である。このため、特許文献１の図１と図４に示されているように、外側ロータ構造で、ステータには集中巻巻線が施されたモータが使用されている。一般的に、低速大トルクを求められるモータは、集中巻巻線が施されている。これは、分布巻巻線のモータは、集中巻巻線のモータに比べ、巻線の鎖交磁束が増加するため、出力トルクが１０％から１５％程度、大きくなる傾向にある。

しかし一方では、集中巻巻線のモータは、分布巻巻線のモータに比べ、コイルエンドが小さくできるため、巻線の抵抗値が低減でき、トータル的に見て、同一の出力トルクを必要とする場合、モータの発熱量を抑えることが可能である。また、コイルエンドが短縮されるため、モータ体積も小さくできる。以上のことから、集中巻巻線のモータは、低速時に大トルクを必要とし、小型化が特に要求される用途に向いている。さらに、高速時は、弱め界磁制御（進み角駆動）によって、電流位相を進み位相角で駆動するなどの方式が採用されている。

しかし、集中巻巻線のモータは、ラジアル力が分布巻巻線のモータに比べ大きくなるために、振動、騒音が増大する。図７Ａはシングルロータ型モータにおける集中巻巻線方式の場合のシミュレーション図を示す。同様に、図７Ｂはシングルロータ型モータにおける分布巻巻線方式の場合のシミュレーション図を示す。これらの図よりラジアル力を比較すると、集中巻巻線のモータのラジアル力が非常に大きくなっていることが確認できる。また、低速で運転されることから、コギングトルクの影響が反映され易くなる。従って、洗濯機のダイレクトドライブ駆動など、低速、高トルクモータにおいては、コギングトルクが小さく、ラジアル力の小さいモータが強く求められている。

さらに、特許文献２は、内側ロータと外側ロータの２つのロータを備えるモータ（以降は、集中巻ダブルロータ型モータと称す）が開示されている。集中巻ダブルロータ型モータは、分割されたティースに集中巻で巻線を施し、モールドなどによって、ティースを連結させてステータを構成し、ステータ一様なギャップを持って、内側と外側に永久磁石を張り合わせたロータを２つ備え持つ構成となっている（特許文献２の図８参照）。このときの内側と外側の永久磁石の磁極は内側と外側で異極となっており、集中巻ダブルロータ型モータの磁束は、外側のロータからステータのティースを通り、内側のロータに入り、ステータのティースを通り、外側のロータに戻る磁束ループとなっている。集中巻ダブルロータ型モータは、従来の、シングルロータ型モータに比べ、内側と外側の磁束を使用できるため、出力密度を向上させることが可能である。しかし、シングルロータ型モータと同様に、巻線が集中巻であるために、ラジアル力が大きくなるため、振動、騒音が大きくなる問題があった。

次に、トロイダル巻線で巻線が施され、外側ロータと内側ロータの二つのロータを持つモータが特許文献３に開示されている。このモータの断面図を図８に示す。

図８は、トロイダル巻線方式のダブルロータ型ブラシレスモータを示しており、ステータ１１０と内側ロータ１２０と外側ロータ１３０から構成された８極１２スロットのダブルロータ型トロイダル巻線方式のモータの断面図である。

ステータ１１０は、ステータヨーク１１４と、ステータヨーク１１４に設けられた外側ティース１１２と内側ティース１１３とからなり、ステータヨーク１１４には３相コイル１１５が施されている。通常、コイル１１５はスターないしはデルタ結線されている。

内側ロータ１２０は、ステータ１１０の内側に回転自在に保持され、内側ロータヨーク１２１と内側永久磁石１２２とから成る。また、外側ロータ１３０は、ステータ１１０の外側に回転自在に保持され、外側ロータヨーク１３１と外側永久磁石１３２から成る。内側ロータ１２０および外側ロータ１３０は、コイル１１５に流れる電流による磁界によって回転する。尚、図８は、内側ロータ１２０および外側ロータ１３０に永久磁石１２２および１３２をそれぞれ設けた、表面磁石型ロータを示している。

図９Ａに、２４極１８スロットの場合のロータ位置に対する誘起電圧波形の実測結果を示す。同様に、図９Ｂに、８極１２スロットの場合のロータ位置に対する誘起電圧波形の実測結果を示す。横軸は、いずれもロータ位置（電気角）である。これらの図から明らかなように、誘起電圧波形が、非対称に歪んでいることが確認できる。これは、外側ロータ１３０と内側ロータ１２０の相互緩衝作用によるものであり、このように誘起電圧が歪むことによって、振動と騒音が大幅に増加する。

上記従来技術によれば、２つのロータを搭載することで、出力トルクを大きくすることができるが、例えば、スロット数Ｓと極数Ｐを、Ｓ：Ｐ＝３：２Ｎ（但し、Ｎは１以上の整数）とした場合、巻線配置が集中巻と同等となり、ラジアル力が大きくなるため、騒音が増加する課題があった。

また、一般的な１つロータを持つ分布巻モータの場合、ラジアル力を打ち消しあうことが可能であるが、コイルエンド部が大きくなるため、巻線抵抗が増加し、効率の低下やモータ体格の大型化が問題となっていた。
日本特許第３７２５５１０号公報 日本特許出願特表２００５−５２１３７８号公報 日本特許出願特開２００１−３７１３３号公報

本発明のモータは次の構成を有する。環状のステータヨークと、このステータヨークから径方向内側に向かって突出した複数の内側ティースと、この内側ティースと同数でステータヨークから径方向外側に向かって突出した複数の外側ティースと、内側ティースの間に構成された内側スロットと、外側ティースの間に構成された外側スロットとを有するステータコアと、内側スロットと外側スロットの間のステータヨークに巻回され、３相スターまたはデルタ状に結線された複数のコイルとを備えたステータを有する。

内側ティースに空隙を介して対向した内側ロータと、外側ティースに空隙を介して対向した外側ロータとを含み、内側ロータと外側ロータは、同一回転軸に接続される。内側ロータは内側ロータヨークと内側永久磁石とを有し、外側ロータは、外側ロータヨークと外側永久磁石とを有する。

ここに、内側スロットのスロット数と外側スロットのスロット数は同数のスロット数Ｓを有し、内側永久磁石の極数と外側永久磁石の極数は同数の極数Ｐを有し、スロット数Ｓと極数Ｐは、Ｓ：Ｐ＝３：２Ｎ―１の関係を備える。ただし、Ｎは３以上の整数であり、２Ｎ―１が３の倍数となる場合を除く。

以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。

図１は、本発明の実施の形態におけるダブルロータを有するトロイダル巻線方式のブラシレスモータの断面図である。本実施の形態のモータは、ステータ１０と、このステータ１０の内径側に対向する内側ロータ２０と、外径側に対向する外側ロータ３０とで構成される。

ステータ１０を構成するステータコア１１は、略環状のステータヨーク１４と、このステータヨーク１４から外周方向に突出した外側ティース１２と、外側ティース１２と同数でステータヨーク１４から内周方向に突出した内側ティース１３とから成る。各々の外側ティース１２の間には外側スロット１６が、各々の内側ティース１３の間には内側スロット１７が、それぞれ構成されている。そして、３相スターもしくはデルタ状に結線されトロイダル巻線形式による複数のコイル１５が、外側スロット１６と内側スロット１７の間のステータヨーク１４に集中巻線方式で巻回されている。

外側ティース１２に対向して所定のエアギャップを介して外側ロータ３０が配設されている。同様に、内側ティース１３に対向して所定のエアギャップを介して内側ロータ２０が配設されている。

外側ロータ３０は、外側ロータフレーム（図示しない）の内径側に外側ロータヨーク３１が固着され、更にその内径側にリング状の外側永久磁石３２が固着されて構成されている。外側ロータフレームと外側ロータヨーク３１とは、圧入、焼きばめ、もしくは接着等の手段で結合される。外側ロータヨーク３１は所定の形状に打ち抜いた電磁鋼板を積層して成り、磁気回路を構成する。

同様に、内側ロータ２０は、内側ロータフレーム（図示しない）の外径側に内側ロータヨーク２１が固着され、更にその外径側にリング状の内側永久磁石２２が固着されて構成されている。内側ロータフレームと内側ロータヨーク２１とは、圧入、焼きばめ、もしくは接着等の手段で結合される。内側ロータヨーク２１は所定の形状に打ち抜いた電磁鋼板を積層して成り、磁気回路を構成する。

そして、内側ロータフレームと外側ロータフレームは、回転軸４０に連結されて、コイル１５に所定の通電を行うことにより、一体に回転する。このように本実施の形態のモータは、内側ロータ２０の駆動トルクと外側ロータ３０駆動トルクとが加算されて、一般的な内側ロータ型モータや外側ロータ型モータに比べ、高トルク、高出力が実現できる。

ここで本実施の形態に係るモータでは、内側ロータ２０の極数および外側ロータ３０の極数は、共に２０極であり、スロット数は共に１２スロットである。２０極１２スロットの組み合わせにすることで、図２に示すように、巻線配置が分布巻と同等の効果を実現できる。図２は、ロータの回転位置（電気角）に対する誘起電圧波形を示すグラフであり、巻線配置が分布巻の場合と同様な略正弦波となることが確認できる。このような、分布巻の磁束配置となる組み合わせは、式Ｓ：Ｐ＝３：２Ｎ−１で表される。ただし、Ｎは３以上の整数であり、２Ｎ―１が３の倍数となる場合を除く。

内外ステータのスロット数と内外ロータの極数がこの式で表される関係を満足すると、図２に示すように、誘起電圧波形が正弦波状となるため、モータの振動と騒音が抑制される。これは、一般的に、分布巻巻線が集中巻巻線に比べ、誘起電圧波形が正弦波状になることを利用しているためである。

図３はロータ回転位置（電気角）に対するラジアル力を示すグラフであり、実線は本実施の形態におけるトロイダル巻線方式のダブルロータ型モータ、破線は比較のための分布巻シングルロータ型モータを示している。この図より、分布巻巻線のシングルロータ型モータに比べ、トロイダル巻線方式のダブルロータ型モータは、分布巻巻線と同じ巻線配置を実現でき、なおかつ、内側ロータと外側ロータの振動打消し効果によって、ラジアル力を低減することができることが確認できる。

例えば、ダイレクトドライブ洗濯機の駆動用モータなどは、洗濯時において、１０ｒｐｍより１００ｒｐｍの低速で回転する。非常に低速であるため、洗濯機の振動、騒音にコギングトルクが影響しやすい。そこで、本実施の形態に示すトロイダル巻線方式のダブルロータ型モータとすることにより、内側ロータと外側ロータのコギングトルクの位相を反転させることによって、コギングトルクを打ち消すことが可能となる。

図４は、ロータ回転位置（電気角）に対するトロイダル巻線方式のダブルロータ型モータのコギングトルク波形を示す。細い破線は内側ロータ２０によるコギングトルク、細い実線は外側ロータ３０によるコギングトルクであり、中央の太い実線はこれらを合成したモータ全体のコギングトルクを示している。このグラフより、内側ロータ２０のコギングトルクの位相と外側ロータ３０のコギングトルクの位相を反転させ、なおかつ、波高値を内側ロータと外側ロータでほぼ同一にすることで、モータ全体としてのコギングトルクを大幅に低減することができることを示している。従って、上記式で表される組み合わせを用いることによって、トロイダル巻線方式のダブルロータ型モータとしては、振動、騒音を大幅に低減できることが明らかである。

図５に本発明のモータと従来モータの出力密度の比較を示す。出力密度とはモータ体積あたりの出力である。Ａは内側ロータ型モータの場合、Ｂは外側ロータ型モータの場合、Ｃは集中巻ダブルロータ型モータの場合、Ｄは本実施の形態におけるトロイダル巻線方式のダブルロータ型モータの場合をそれぞれ示している。白抜き部分は内側ロータによる出力密度、ハッチング部分は外側ロータによる出力密度であり、ＣとＤに示すダブルロータ型モータにおいては、内外ロータの出力密度が加算されたものとなる。

図６は、極数に対するトルク定数の関係を示している。太い実線は、本発明の実施の形態のモータの場合、細い破線と細い実線は、比較のために本発明のモータ以外の場合を示す。太い実線は、本発明のトロイダル巻線方式のダブルロータ型モータにおける極数とスロット数（１２スロット時）の関係を示し、ここではスロット数を１２に固定し極数を変化させて示している。２０極１２スロット時のトルク定数を１として、上記式を満足する４極１２スロット、２０極１２スロット、２８極１２スロット、４４極１２スロットの場合を示している。

また、細い破線は、従来の一般的なモータにおける極数とスロット数（１２スロット時）の関係を示す。従来の一般的なモータのスロット数と極数の比率は、Ｓ：Ｐ＝３：２Ｎ（Ｎ＝１以上の整数）であり、この組み合わせとして、８極１２スロット、１６極１２スロット、３２極１２スロット、４０極１２スロットを示している。また、細い実線は、本発明と従来の組み合わせ以外を示している。このグラフより、本発明と従来例とを同極数で比較すると、本発明のモータは、全ての極数においてトルク定数が優れていることが分かる。

図５より、内側ロータのシングルロータ型モータに比べ、本発明のトロイダル巻線方式のダブルロータ型モータは１．９倍の出力密度となっている。また、外側ロータのシングルロータ型モータに比べ、本発明のトロイダル巻線方式のダブルロータ型モータは１．５倍の出力密度となっている。本発明のモータは、内側ロータの出力と外側ロータの出力が加算されることにより、駆動モータのスペースを有効的に活用することが可能であるため、出力を従来に比べ、大幅に向上することができる。さらに、図６より、本発明のスロット数と極数の組み合わせを用いることで、出力トルクを大幅に向上させることが可能である。このことから、本発明のモータを洗濯機の駆動モータとして適用すれば、同一の駆動モータ体積で、洗濯容量を１．５倍から１．９倍に大きくすることができる。また、これは、同一の出力であれば、駆動モータの体積を３５％から５０％低減できることを示している。

さらに、集中巻ダブルロータ型モータと比べると、トロイダル巻線方式のダブルロータ型モータは出力密度を１．４倍にすることができるため、同一の駆動モータ体積であれば、洗濯容量を１．４倍にできる。集中巻ダブルロータ型モータでの磁束は、外側のロータからステータのティースを通り、内側のロータに入り、ステータのティースを通り、外側のロータに戻る磁束ループとなっている。外側と内側の磁石を通るため、見かけ上のエアギャップが多くなるため、磁石の磁束が有効的に活用されない。

これに対して、トロイダル巻線方式のダブルロータ型モータの磁束は、外側ロータ３０からステータ１０の外側ティース１２、ステータヨーク１４を通り、外側ロータ３０に戻るループと、内側ロータ２０からステータ１０の内側ティース１３、ステータヨーク１４を通り、内側ロータ２０に戻るループの２つである。これによって、見かけ上のエアギャップは、シングルロータ型モータと同じとなるため、シングルロータ型モータを２つ合わせた出力を得ることができる。

本発明のモータは、トロイダル巻巻線であるため、従来の分布巻のモータに比べて、コイルエンドや、巻線周長を短縮することができる。従って、巻線抵抗値を低減するにより銅損を低減し、高効率モータが実現できる。

以上のことから、本発明のスロット数Ｓと永久磁石の極数Ｐの組み合わせを用いることで、低振動・低騒音、高効率、及び小型化を実現したモータを提供することが可能となる。特に、Ｓ：Ｐ＝３：５の関係が最適であり、本発明の効果を最大限に発揮することができる。これは、図６から明らかに分かるように、スロット数１２の場合においては、Ｓ：Ｐ＝１２：２０が最大のトルク定数となることから分かる。

本実施の形態では、内側ロータ２０と外側ロータ３０は、共にロータヨークの表面に永久磁石を備えたいわゆる表面磁石型モータ（ＳＰＭ型モータ）として説明したが、本発明はこの構成に限定されるものではない。ロータヨークに永久磁石埋め込み穴を有し、そこに永久磁石を埋め込む構成のいわゆる永久磁石埋め込み型モータ（ＩＰＭ型モータ）とすることもできる。内側ロータ２０と外側ロータ３０のいずれか一方を永久磁石埋め込み型モータとする構成も可能である。

また、永久磁石として希土類磁石を使用することや、磁石をロータ内部の永久磁石埋め込み孔に埋没させることによって、磁石の磁束や、リラクタンストルクを活用できるため、更なる効果を発揮できる。

本実施の形態では、外側ロータフレーム及び内側ロータフレームを採用し、外側ロータフレームと内側ロータフレームとが回転軸４０に連結される構成としている。しかしながら、外側ロータフレーム及び内側ロータフレームを採用せず、外側ロータ３０と内側ロータ２０とは、樹脂モールドにより結合される構成としてもよい。

本発明のモータは、従来の分布巻モータの特徴であった低騒音・低振動化と、集中巻モータの特徴であった高効率・小型化を組み合わせたものとなる。さらに、トロイダル巻線方式のダブルロータ構造の特徴を生かした、スロット数Ｓと永久磁石の極数Ｐの組み合わせを用い、内外の２つロータのラジアル力をキャンセルさせることによって、さらなる低振動・低騒音化を実現できる。

本発明は、家電製品や電装品など、小型化が要求され、かつ高出力で高効率、低振動・低騒音、低コストが求められる用途のモータに有用である。

本発明の実施の形態におけるモータの断面図 本発明の実施の形態におけるモータのロータ位置に対する誘起電圧波形を示すグラフ 本発明の実施の形態におけるモータのロータ位置に対するラジアル力を示すグラフ 本発明の実施の形態におけるモータのロータ位置に対するコギングトルクを示すグラフ モータの形態による出力密度の比較を示すグラフ 本発明の実施の形態におけるモータの極数に対するトルク定数の関係を示すグラフ 従来のモータにおけるラジアル力の、シングルロータ型モータにおける集中巻巻線方式の場合のシミュレーション図 従来のモータにおけるラジアル力の、シングルロータ型モータにおける分布巻巻線方式の場合のシミュレーション図 従来のモータの断面図 従来の２４極１８スロットのモータにおけるロータ位置に対する誘起電圧波形のグラフ 従来の８極１２スロットのモータにおけるロータ位置に対する誘起電圧波形のグラフ

符号の説明

１０ ステータ
１１ ステータコア
１２ 外側ティース
１３ 内側ティース
１４ ステータヨーク
１５ コイル
１６ 外側スロット
１７ 内側スロット
２０ 内側ロータ
２１ 内側ロータヨーク
２２ 内側永久磁石
３０ 外側ロータ
３１ 外側ロータヨーク
３２ 外側永久磁石
４０ 回転軸

Claims (6)

1. 環状のステータヨークと、前記ステータヨークから径方向内側に向かって突出した複数の内側ティースと、前記内側ティースと同数で前記ステータヨークから径方向外側に向かって突出した複数の外側ティースと、前記内側ティースの間に構成された内側スロットと、前記外側ティースの間に構成された外側スロットとを有するステータコアと、前記内側スロットと前記外側スロットの間の前記ステータヨークに巻回され、３相スターまたはデルタ状に結線された複数のコイルとを備えたステータと、
   前記内側ティースに空隙を介して対向した内側ロータと、前記外側ティースに空隙を介して対向した外側ロータとを含み、前記内側ロータと前記外側ロータは、同一回転軸に接続され、
   前記内側ロータは内側ロータヨークと内側永久磁石とを有し、前記外側ロータは、外側ロータヨークと外側永久磁石とを有し、
   前記内側スロットのスロット数と前記外側スロットのスロット数は同数のスロット数Ｓを有し、前記内側永久磁石の極数と前記外側永久磁石の極数は同数の極数Ｐを有し、
   前記スロット数Ｓと前記極数Ｐは、Ｓ：Ｐ＝３：２Ｎ―１（ただし、Ｎは３以上の整数であり、２Ｎ―１が３の倍数となる場合を除く）の関係を備えたモータ。
2. 前記スロット数Ｓと前記極数Ｐとが、Ｓ：Ｐ＝３：５の関係を備えた請求項１記載のモータ。
3. 前記内側永久磁石と前記外側永久磁石の少なくとも一方は、前記内側ロータヨークと前記外側ロータヨークの表面に備えられた請求項１記載のモータ。
4. 前記内側永久磁石と前記外側永久磁石の少なくとも一方は、前記内側ロータヨークと前記外側ロータヨークの内部に埋め込まれた請求項１記載のモータ。
5. 前記回転軸の回転数は、１０ｒｐｍより１００ｒｐｍの範囲の低速を含む請求項１記載のモータ。
6. 前記内側ロータと前記外側ロータとの駆動トルクは加算され、前記内側ロータと前記外側ロータとのコギングトルクは打ち消される請求項１記載のモータ。