JP4698062B2

JP4698062B2 - ブラシレスｄｃモータ

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Publication number: JP4698062B2
Application number: JP2001147051A
Authority: JP
Inventors: 博英稲山; 伴文高橋; 実北林
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2000-07-07
Filing date: 2001-05-16
Publication date: 2011-06-08
Anticipated expiration: 2021-05-16
Also published as: JP2002084693A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はブラシレスＤＣモータのコギングトルクの低減に関するものであり、特に電気特性を犠牲にせず容易にコギングトルクを低減させたブラシレスＤＣモータを提供するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来ブラシレスＤＣモータ（以下、モータと略す。）では巻線を施すスロットの存在故に生起されるコギングトルクが発生する。即ち、ロータとステータとの相対移動時にロータの磁極から発生する界磁磁束は、ロータの磁極がステータのスロット開口部を横切る度に周期的に変化して、ギャップでの磁束分布を変化させている。従って、このコギングトルクの周期及び大きさはステータに設けられたスロットの数とロータの磁極数に依存しており、回転角度に対する波形はスロット開口部やロータの磁極の形状や寸法によって大きく変化する。
【０００３】
従来、このコギングトルク対策には様々な方法が提案されているが、一般的に行われているものとしてはロータの回転方向においてロータとステータ間の磁気的な空間距離（ギャップ）をロータ磁極の両端において大きくさせ不等となるように構成し、任意のステータティース（以下、ティースという）へ鎖交する磁束の変化を滑らかにしている。また、ロータの磁極を回転軸の方向に関してスキューを施すことでロータの磁極極間部がティースを横切る際のステータへの鎖交磁束の変化を緩和させている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
不等ギャップによるコギングトルク対策では通常永久磁石の形状を加工することで対応しており、その形状はティース形状やスロット開口部の大きさに応じて変える必要がある。また、ロータに永久磁石を内蔵させるタイプにおいてはロータの外径形状に関して曲率を変えて対策しようと試みたりしているが、永久磁石の形状の決定やロータ外径の曲率の決定には多数の試作や多種の解析を行っているのが現状である。このようにしてコギングトルクはかなり改善されるものの十分とはいえなかった。また、この様な処置を施すことでコギングトルクを低減しようとすればするほどロータの極間部でのギャップを大幅に広げることとなり、ロータからステータへの鎖交磁束は低下することになる。
【０００５】
また、別の方法として先に述べたようにロータ磁極にスキューを施す方法がある。この場合、スキューの角度が大きければ効果が期待できるのであるが、これにより磁極の有効磁束がスキュー角度に比例して減少しモータ特性の悪化を引き起こしてしまう。これは、モータとしての電気的特性面から見れば、スキューの存在する部位の永久磁石はモータ性能としての有効な磁束として作用せず無駄な永久磁石を使用していると言える。
【０００６】
更に、近年多くのモータが小型化、高性能化を目的として高磁束密度の希土類の永久磁石を使用しており永久磁石のサイズも小さくなってきている。従って、磁気装荷が大きくなるが故にコギングトルクそのものも大きくなってしまい従来構造によるコギングトルク低減方法では十分な対応が困難となってきている。また、永久磁石の加工方法においても小さい形状のものを精度良く行わなくてはならず加工が難しくなってきている。スキューを施すものにあっては、永久磁石の組み合わせで行おうとするとセグメントでの永久磁石自身にスキューを施すことになり全く量産性のないものとなってしまう。図１３にスキューが施された永久磁石を組み合わせたロータの斜視図を示す。該図ではロータの表面に回転軸方向にスキュー角度θＳを有する永久磁石４個を円周方向に並べ４極のロータを構成している。
【０００７】
また、永久磁石を形状的にスキューを施さない方法としてはリング形状の永久磁石を使用することもある。この方法はスキューをさせた着磁ヨークにて着磁させ、電気的にリング形状の永久磁石にスキューを施す方法である。しかしながら、前述したようにスキューの部位にあたる無駄な領域が存在するため、モータ特性に関与しない磁石を使用しているという問題は解決されない。
本発明は、上述したような事情に鑑みてなされたものであり、電気特性を犠牲にすることなく容易にコギングトルクを低減することが出来るブラシレスＤＣモータを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るブラシレスＤＣモータは、永久磁石が装着されたロータと複数のスロットを有するステータとで構成されるブラシレスＤＣモータにおいて、前記ロータの軸孔の中心を基準とする所定の開角（以下本発明で使用する開角は全てロータ軸孔の中心を基準とする開角を指すものとする。）で設定されたロータの有効磁極開角θ２と該有効磁極開角θ２内に施された磁極凸部開角θ３とを有し、前記有効磁極開角θ２によって生ずるコギングトルクと前記磁極凸部開角θ３によって生ずるコギングトルクが互いに逆相になるよう夫々の開角を設定し、前記ロータの有効磁極開角θ２の極中心を基準として、前記ロータの有効磁極開角θ２が、電気角１２０°以上であり且つ、前記電気角１２０°に最も近いステータティース両端部と成す開角とし、前記電気角１２０°に最も近いステータティース両端部と成す開角において、少なくとも前記ロータの磁極凸部開角θ３を超える有効磁極開角θ２の部位において磁極凸部開角θ３のギャップより広くした凹部を設け、前記ロータの有効磁極開角θ２の凹部と、磁極凸部開角θ３の夫々の領域でのステータとのギャップが、有効磁極開角θ２の凹部をｇ２、磁極凸部開角θ３をｇ１としたとき、
０．７５≦｛（ｇ１／ｇ２） ² ＋１｝／２＜１ …（１）
なる関係であることを特徴とする。
【００１１】
また更に、本発明に係るブラシレスＤＣモータは、前記ロータの磁極凸部は、永久磁石を内蔵保持させた磁性材で構成されていることを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態について図１乃至図３を用いて説明する。図１はステータが１２スロット、ロータが４極のモータである。但し、巻線については図を見易くするために省略してある。図中の１はステータ、２はロータ、３は永久磁石、４は永久磁石３が収納される空孔であり、空孔４内部は、永久磁石３部以外は空気となるが非磁性材を充填してもよい。θ１はロータ２の構造上の磁極開角、θ２は磁気的な意味での有効磁極開角、θ３は磁極凸部開角である。θ１、θ２及びθ３は磁極の中心を基準として左右対称である。
【００１３】
本実施の形態のモータの構成での磁極ピッチは１２スロット／４極で表される３スロットピッチ毎となる。従って、１スロットピッチは機械角にて３０°で、電気角は６０°である。ここでロータ２においての磁極凸部開角θ３は、磁極を中心としてステータ１の２つのティースを跨いで該ティースの外側端の開角に一致させた角度に設定している。また、有効磁極開角θ２は、前記磁極凸部開角θ３を越えて左右に夫々ステータ１のスロット開口角度分開いた角度、即ち、磁極を中心としてステータ１の連続した３個のスロット開口部を跨いで該スロット開口部の外側端の開角に一致するよう設定する。
【００１４】
この様にされた実施の形態のコギングトルクの様相について図２を用いて説明する。図２は図１のステータ１とロータ２の関係についてロータ２のひとつの磁極についてモータの円周方向に展開した図である。図１と同一の符号は同じもの及び同じ機能を有するものを示す。図２中のＳ１乃至Ｓ５はステータ１のティースを表し、Ｒ１、Ｒ２は磁極凸部における端部領域を、Ｒ３、Ｒ４は有効磁極の端部領域を表す。また、図２の（１）乃至（５）はロータ２を右方向へ順次移動させた場合について夫々図示したものであり、図２の（２）乃至（５）において図示されていないがＲ１乃至Ｒ４の端部領域は（１）と同じ領域である。夫々の図にはロータ２の磁極凸部の端部領域Ｒ１及びＲ２で作用する力と有効磁極の端部領域Ｒ３及びＲ４で作用する力を模擬的に矢印で示した。極毎のコギングトルクは該合成された力のベクトルの移動方向成分ということになる。
【００１５】
図２の（１）の状態では、ロータ２の磁極凸部は左側端部領域Ｒ１がティースＳ２の左側端部と一致し、磁極凸部の右側端部領域Ｒ２がティースＳ３の右側端部と一致しており、有効磁極の左側端部領域Ｒ３は磁極凸部より１スロット開口分左側に開いたティースＳ１の右側端部と、有効磁極の右側端部領域Ｒ４は磁極凸部より１スロット開口分右側に開いたティースＳ４の左側端部と一致している。コギングトルクはロータとステータとの相対的な状態で、ロータの磁極から発する磁束がギャップを介してステータのティースに鎖交する方向と量がバランスの取れる状態に落ち着こうとして当該ロータを移動させるべく作用する力である。従って、ロータの均一な状態の磁極角内にステータのティースやスロット開口部が存在してもロータからの磁束量や磁束の方向は変化が無くバランスがとれているため作用する力を合成すればコギングトルクとしては平均化され見かけ上存在しない。従って、コギングトルクとしてはロータの磁極両端付近の状況について考察すればよい。
【００１６】
図２の（１）及び（３）においては、ロータ２の磁極凸部及び有効磁極に関し対向するステータのティースやスロット開口部が全く対称であるので当該磁極全体として作用する力はラジアル方向の力のみとなりロータ２の移動方向成分のコギングトルクは発生しない。又、（５）は（１）と同一の位置関係であるのでコギングトルクは発生しないことは論を待たない。
【００１７】
ロータ２の移動が（１）から（２）の区間では端部領域Ｒ１に関してティースＳ２との吸引によって左方向、端部領域Ｒ４に関してティースＳ４との吸引により右方向の力が夫々働き、互いに逆方向であるので相殺される。端部領域Ｒ２とＲ３はスロット開口部に対面しているのでその力は弱い。端部領域Ｒ２はティースＳ３とＳ４の中央まではティースＳ３に吸引されて左方向に力が働き、該中央を越えるとティースＳ４に吸引され右方向の力が作用するようになる。端部領域Ｒ３はティースＳ１とＳ２との中央まではティースＳ１に吸引されて左方向に力が作用し、該中央を越えるとティースＳ２に吸引されて右方向の力を受ける。何れの状態においても互いに力の方向が逆に作用するので互いに相殺され移動方向成分の力は零であるか僅かな残差分しか存在しなくなる。
【００１８】
図２の（２）から（３）のロータ２の移動においては端部領域Ｒ１及びＲ３についてはティースＳ２に吸引されて左方向の力が作用し、端部領域Ｒ２及びＲ４についてはティースＳ４に吸引され右方向の力が作用する。そして夫々の作用する力は互いに逆方向であるので相殺され移動方向成分の力は零であるか僅かな残差分しか存在しなくなる。尚、（３）から（４）のロータ２の移動は前述の（２）から（３）で説明したロータ２の移動方向が逆になった場合と同じであり、作用する力の向きは夫々逆向きになるだけでロータ２の各端部領域に作用する力は当該磁極全体的には何ら変わらないため説明は省略する。また、（４）から（５）に関しても（１）から（２）で説明したロータ２の移動方向が逆になった場合と同じであり、作用する力の向きは夫々逆向きになるだけでロータ２の各端部領域に作用する力は当該磁極全体的には何ら変わらないので前述の如く説明は省略する。
【００１９】
以上の力の作用をロータ２の磁極凸部の端部領域Ｒ１及びＲ２の合成コギングトルクＴＣ１と有効磁極の端部領域Ｒ３及びＲ４での合成コギングトルクＴＣ２として図３に示した。即ち、磁極凸部がその端部において対向するステータのティースから抜け出ようとする時、該端部と同一磁極の反対側の端部で当該磁極の有効磁極の端部が最寄りのティースに重なり合うためコギングトルクは互いに逆位相となる。従って、総合的に合成されたコギングトルクＴＣ０は零若しくは極僅かなＴＣ１とＴＣ２の差分しか残らない。
【００２０】
また、別の実施の形態として図４にはロータ２の磁極開角θ１に対向するステータ１のティース数が多い場合について示している。実施の形態は図１乃至図３で用いた手法と同様にモータを円周方向に展開した図である。図に付した符号は図２に示した符号と同じもの及び同じ機能を有するものを示す。ロータ２の磁極凸部開角θ３の左側端部領域Ｒ１がティースＳ２の右側端部と一致し、磁極凸部開角θ３の右側端部領域Ｒ２がティースＳ６の左側端部と一致している。有効磁極開角θ２の左側端部領域Ｒ３は磁極凸部開角θ３より１ティース分左側に開いておりティースＳ２の左側端部と一致し、有効磁極開角θ２の右側端部領域Ｒ４は磁極凸部より１ティース分右側に開いておりティースＳ６の右側端部と一致している。
【００２１】
従って、図１乃至図３で示したものと図４とを比較すると明らかな様に磁極凸部端部領域と有効磁極端部領域が単純に入れ替わっただけであるため、コギングトルクの状況は夫々の領域で逆位相となり、図１乃至図３で説明した状況と何等変わらず相殺されることとなり同じ効果を得ることができる。
【００２２】
更に、別の実施の形態として図５には、ロータ２の磁極凸部開角θ３の左側端部領域Ｒ１がティースＳ３の左側端部と一致し、磁極凸部開角θ３の右側端部領域Ｒ２がティースＳ４の右側端部と一致している。有効磁極開角θ２の両側端部領域Ｒ３、Ｒ４と磁極凸部開角θ３の両側端部領域Ｒ１、Ｒ２との間に夫々ステータの１スロットピッチ分に相当する開角が介在しており、有効磁極開角θ２の左側端部領域Ｒ３がティースＳ１の右側端部と一致し、有効磁極開角θ２の右側端部領域Ｒ４がティースＳ６の左側端部と一致している。尚、図５では有効磁極開角θ２の両側端部領域Ｒ３、Ｒ４と磁極凸部開角θ３の両側端部領域Ｒ１、Ｒ２との間に夫々ステータの１スロットピッチ分に相当する開角が介在する状態を示したがスロットピッチ数を限定するものではなく複数のスロットピッチが介在しても同様の効果が得られる。
【００２３】
即ち、各端部領域での力の作用は対向するステータピッチ毎に変化するのでロータ２の磁極凸部開角θ３の両側端部領域Ｒ１、Ｒ２と有効磁極開角θ２の両側端部領域Ｒ３、Ｒ４との間に複数のスロットピッチに相当する開角の差が生じても、各端部での力の作用は変わらず、力が作用するステータのティースが違うだけであり何ら問題なく本発明の効果を得ることができる。よって、ステータの１つの励磁極に含まれるスロット数が多ければ有効磁極開角θ２と磁極凸部開角θ３の組み合わせが階乗的に増えて設計自由度が増し、コギングトルクの相殺の状況は変わらない。
【００２４】
以上の説明より本発明の実施の形態においては、有効磁極開角θ２によって生ずるコギングトルクと磁極凸部開角θ３によって生ずるコギングトルクが互いに逆相になるよう夫々の開角を設定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。
【００２５】
本発明の別の実施の形態について図６及び図７を用いて説明する。通常、三相モータにおいては、相電圧として電気角９０°を中心にした１２０°の位相領域にて通電が行われる事はよく知られている。これは、電気角１２０°という値がモータに給電すべき３相の位相差と合致するが故に回転ベクトル的に３相の内の２相を選択して、これを１２０°でつなぎ合わせることでモータの安定した回転が維持可能であり、該電気角９０°を中心にした１２０°の区間領域において一定の電力を供給した場合と正弦波で１８０°区間電力を供給した場合とが等価であることによる。従って、最小限該電気角１２０°通電領域に相当する機械角において磁束の変化領域を作り出せるロータの有効磁極であればよいこととなる。これにより相対的に関連する永久磁石の円周方向での幅を小さく設定することが可能となるためコスト面で有利である。
【００２６】
このことを図６に示す。図６はモータ巻線の３相誘起電圧波形を相電圧で示しており、図中の記号Ｕ、Ｖ、Ｗは相を表し、添え字は極性を表している。Ｕ＋の波形に対し電気角３０°から９０°の区間に対応する波形をＶ−とし、Ｕ＋の波形に対し電気角９０°から１５０°の区間に対応する波形をＷ−として、これら２相の状態が出来るよう通電すればモータとして回転させることが出来る。次の電気角ではＶ＋を基準に、更に次の電気角ではＷ＋を基準にＵ＋の場合と同様にすることで回転を維持させることが出来る。また、例えばＵ＋とＶ−の状態である区間の電気角３０°から６０°区間で選択されなかったＷ＋については非通電とされることになるがその量は僅かである。従って、モータとしての電気特性の低下は少ない。
【００２７】
従って、前記のことから明らかなように、本発明において電気特性を余り損なわずしてコギングトルクを低い状態にするには、電気的特性面からロータ２の有効磁極開角を電気角１２０°に近い角度であって、有効磁極開角θ２が１２０°を超えるティースの両端部と成す開角とし且つ、磁極凸部開角θ３が有効磁極開角θ２内の領域であり電気角１２０°に近い角度であって、磁極凸部開角θ３が１２０°より狭いティースの両端部と成す開角に設定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。
【００２８】
また、本実施の形態を１ティース１極の所謂集中巻されるモータに適用する場合について図７を用いて説明する。図７は３相の４極モータの構成を６スロットのステータで構成する場合について示している。この場合でも前述のロータ２の磁極開角に対向して各極内に複数のティースがある場合と同様の構成でコギングトルクを低減することが出来る。図１におけるロータ２に対向するティースが単一となるだけであり、コギングトルクの低減の様相は同じとなるため説明は省略する。図７の実施の形態では１スロットピッチの開角は機械角で６０°、電気角で１２０°である。
【００２９】
従って、本発明を適用する場合はステータ１のティース幅開角と同じロータの磁極凸部開角θ３とし、有効磁極開角θ２は前記ティースを挟む両隣のティースの両端部と成す開角に設定すれば良い。該設定ではロータ２の有効磁極開角θ２は電気角１２０°にステータの１スロット開口角分加えられたものとなり、磁極凸部開角θ３は電気角１２０°からステータの１スロット開口角分差し引かれたものとなり、モータとしてのコギングトルクは低減され且つ、モータとしての電気特性の確保もされる。
【００３０】
本発明の別の実施の形態であるロータ２とステータ１とが対向する磁気的ギャップについて図８及び図９を用いて説明する。図８は図１と同じものであるが、ロータ２の磁極凸部開角θ３での磁気的ギャップをｇ１、ロータ２の有効磁極開角θ２部で前記磁極凸部開角θ３を除く領域での磁気的ギャップをｇ２として図示している。尚、図８においては前記有効磁極開角θ２を越える当該磁極の部位における磁気的ギャップもｇ２と同じとして示している。また、磁極凸部開角θ３のロータ外径側の端部から有効磁極開角θ２のロータ外径側の端部へ引かれた直線（図８中の破線）と電気角で１２０°となる開角θ４を示す線との交点をＰ５として示している。またロータ２の軸孔の中心を基準として交点Ｐ５を通る円弧線（図８中の一点鎖線）も示してある。
【００３１】
図６及び図７で説明したように、この種の三相モータでは電気角１２０°の開角の有効磁極とすることで電気特性とコストの能力が相対的に高いのであるからギャップの磁束分布においても該状況に呼応した状態となるよう構成される必要がある。該モータを選択された２相への通電の組み合わせで回転させる場合、夫々の相が電気角１２０°で切り替えられることで連続的な安定した給電が行える事は図６の説明の通りである。
【００３２】
もし、該モータの電気特性において純粋な正弦波駆動と同様な電気特性を得ようとした場合、少なくとも通電切り替えから次の通電切り替えまでに相当する電気角領域での誘起電圧の大きさが正弦波の場合と同等以上の値を持つ必要がある。従って、ロータはこの様な誘起電圧を発生させる磁束分布状態を有していなくてはならない。よって、必要な誘起電圧波形とそのための磁束分布は殆ど相似で、対象となる通電領域に対応するロータの磁極の部位は任意の相を構成する巻線がほどこされたティースを通過しようとするロータ外径側の磁極凸部開角θ３の端部付近から有効磁極開角θ２の端部までの領域に対応する。
【００３３】
本発明では、該領域における磁束密度が磁極凸部開角θ３のギャップでの磁束密度を１としたときの磁束密度比φｒを０．７５≦φｒ＜１となる値に選定する。該磁束密度比φｒの値の範囲においてどの値を選択するかはモータに要求される電気特性とコギングトルクの低減程度によって判断される。
【００３４】
今、任意の選択された２相が通電される領域での対象となる誘起電圧波形は、電気角３０°から９０°までの変化となる。このときの誘起電圧は正弦波の場合では電気角９０°時点の値を１としたとき電気角３０°で０．５から値が増加し電気角９０°時点の１まで変化する。この区間での平均は
（０．５＋１）／２＝０．７５ …（２）
であり、この区間における誘起電圧の等価面積での誘起電圧値は
【００３５】
【数１】

【００３６】
である。
また、対象領域での電気角中間時点での誘起電圧値は該電気角が６０°の位相であることから
ｓｉｎ（６０°）≒０．８６６ …（４）
となる。選択された相の誘起電圧が当該通電領域で正弦波と等価な誘起電圧値を有するには前記の値を示すような磁束分布領域が求められる。モータとして高出力を望むならば高めの値に設定する。どの付近の値を使用するかはコギングトルクの低減具合と要求される電気特性との兼ね合いで決定する事になるが、電気特性に関して相の通電切り替えを円滑に行わせようとする場合等は式（４）に示される値付近及びそれ以上の値を使用し、実効的に同一電気特性を得ようとする場合は式（３）に示される値付近及びそれ以上の値を使用し、若干の電気特性の低下が許容できる場合は式（２）に示される値付近及びそれ以上の値を使用してギャップを決定するとよい。また、磁極凸部開角θ３と有効磁極開角θ２における部位について、互いにコギングトルクを相殺するように有効な磁束密度の配分を適宜選定すればよい。
【００３７】
従って、ロータの磁極凸部によるコギングトルクと該磁極凸部を除く有効磁極部位でのコギングトルクに直接的に関与する磁束量が夫々の部位でのギャップの大きさの二乗に反比例するので、どちらかのギャップが決定されれば次の計算式で他方のギャップを求めることが出来る。
０．７５≦｛（ｇ１／ｇ２）² ＋１｝／２＜１ …（５）
前記の説明の内容を図８で確認すると、電気角１２０°の開角θ４の区間で必要な誘起電圧を生じさせるのに要する磁束分布を確保するには、少なくとも同様にロータ２の磁極においても電気角１２０°の開角θ４以上の領域で有効磁極開角θ２が必要である。図８においては有効磁極開角θ２が電気角１２０°の開角θ４を超え少なくとも１つのスロット開口角分広くとられている。また、ロータ２の外径側の磁極凸部開角θ３については電気角１２０°の開角θ４から１つのスロット開口角分狭くとられている。磁極凸部開角θ３での磁束密度を１として該ロータ外径側の磁極凸部開角θ３の端部から有効磁極開角θ２のロータ外径側端部とを結んだ線と当該磁極に関して電気角１２０°の開角θ４の開角線との交点Ｐ５において前述の如く磁束量が有ればモータとしての電気特性を維持することができる。
【００３８】
本発明ではこの交点Ｐ５での磁束密度比φｒを０．７５〜１までの間の任意の値になるようにギャップｇ２を設定するのであるからモータとしての誘起電圧に関して１２０°の区間での所望の誘起電圧を確保することが出来る。図９は図８の当該磁極のギャップでの磁束分布の様子を表したものである。図９においてθ４が電気角１２０°に相当しており、モータとしての通電対象区間に呼応する領域での磁束密度が確保される。尚、本発明の主旨によれば、磁極凸部開角θ３のギャップの磁束と該磁極凸部開角θ３を超える領域のギャップでの磁束密度が同じである１の場合は磁極凸部開角θ３の意味が無くなりコギングトルクの低減にはならないので該磁束密度の比としてこれを選択することは出来ない。
【００３９】
更に、本発明の別の実施の形態について図１０を用いて説明する。図１０はロータ２の磁極凸部開角θ３と有効磁極開角θ２を永久磁石単体で構成する場合の例である。また、更に別の例として図１１に本発明の実施の形態を示す。図１１は図７や図８が平板状の永久磁石で構成されているのに対して、円弧状の永久磁石で構成されている。図１０も図１１も磁極凸部開角θ３や有効磁極開角θ２の設定やこれらの構成のロータ２と組み合わされるステータ１との各部のギャップの決定は前述の如く行う。
【００４０】
図１２に本発明の更に他の実施の形態を示す。この実施の形態は、図１１と同様に円弧状の永久磁石で構成されているが、永久磁石を円状（図１１）ではなく菱形状に配置している。磁石の配向に対して磁性材での磁束分布が分散し、ギャップにおいて平板磁石の場合と同様の磁束分布となるので図１と同様の効果が得られる。磁極凸部開角θ３や有効磁極開角θ２の設定やこれらの構成のロータ２と組み合わされるステータ１との各部のギャップの決定は前述の如く行う。なお、この場合の有効磁極開角θ２は、永久磁石から磁束が磁性材を介してギャップ側へ伝達されるので、ロータ２の外周部近傍においてギャップへの磁気抵抗が低い部位となる。
【００４１】
上述した実施の形態において図１０以外のロータ構造が示しているように、本発明のロータ２の磁極凸部開角θ３をロータの磁性材を使用して形成することで該部位のギャップへの磁束経路を確保させるとともにスロットによる磁気抵抗の大きな部位に対して永久磁石から見た磁気抵抗を緩和させることができる。
【００４２】
【発明の効果】
本発明によれば、永久磁石にスキューを施すことなくコギングトルクの大幅な低減が可能であり、従来のようにコギングトルクを低減するだけのためにスキュー領域の永久磁石が使われることが無いためコストの低減が図れる。特に近年の永久磁石に高価な希土類磁石を使用してモータの性能を改善しようとする場合のスキューを施したモータと比較するとその差は大きなものがある。
【００４３】
また、この種のモータの駆動によく用いられる相電圧に関して電気角１２０°の通電に呼応して選択的に有効磁極開角を狭くしてもコギングトルクの低減に何ら影響を受けることなく実施可能である。また、本発明を実施する場合も多くの実施の形態で示されたようにロータのコアを打ち抜く際に必要な凸部を施すだけでよく、該ロータの製造に対して容易である。
【００４４】
更に、該凸部は、モータの駆動制御がロータの位置に対して相対的に進み電流で制御される場合、リラクタンストルクに関与する磁束通路として利用できるので制御手法適用の選択範囲が広がるものである。また、コギングトルクの低減が集中巻や分布巻といったステータの種類を選ばず可能である。従って、この種のモータの殆どに適用可能である。この様に、本発明を適用することでモータが組み込まれる機器のコギングトルクによる騒音や振動が低減及び解消され、応用によってはコギングトルクそのものを嫌う機器に使用可能なものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を示す分布巻モータの横断面図である。
【図２】本発明の実施の形態での力の作用を示す説明図である。
【図３】図１におけるコギングトルクの様相を示す図である。
【図４】本発明の別の実施の形態での力の作用を示す説明図である。
【図５】本発明の別の実施の形態での力の作用を示す説明図である。
【図６】三相モータの誘起電圧タイミングを示す図である。
【図７】本発明の別の実施の形態を示す集中巻モータの横断面図である。
【図８】本発明の別の実施の形態においてのギャップの大きさを説明する図である。
【図９】図８におけるギャップの磁束分布を示す図である。
【図１０】本発明を適用した別のロータ構造の一例を示す図である。
【図１１】本発明を適用した別のロータ構造の一例を示す図である。
【図１２】本発明を適用した別のロータ構造の一例を示す図である。
【図１３】従来例を示すロータの斜視図である。
【符号の説明】
θ１磁極開角
θ２有効磁極開角
θ３磁極凸部開角
θ４電気角１２０°開角
ＴＣ０〜ＴＣ２コギングトルク波
１ステータ
２ロータ
３永久磁石
４空孔
Ｕ＋，Ｖ＋，Ｗ＋相誘起電圧の正方向波形
Ｖ−，Ｗ− 相誘起電圧の負方向波形
ｇ１，ｇ２ギャップ
Ｐ５交点
θｓスキュー角度
Ｓ１〜Ｓ８ティース
Ｒ１〜Ｒ４端部領域
φｒ磁束密度比

Claims

永久磁石が装着されたロータと複数のスロットを有するステータとで構成されるブラシレスＤＣモータにおいて、前記ロータの軸孔の中心を基準とする所定の開角で設定されたロータの有効磁極開角θ２と該有効磁極開角θ２内に施された磁極凸部開角θ３とを有し、前記有効磁極開角θ２によって生ずるコギングトルクと前記磁極凸部開角θ３によって生ずるコギングトルクが互いに逆相になるよう夫々の開角を設定し、
前記ロータの有効磁極開角θ２の極中心を基準として、前記ロータの有効磁極開角θ２が、電気角１２０°以上であり且つ、前記電気角１２０°に最も近いステータティース両端部と成す開角とし、前記電気角１２０°に最も近いステータティース両端部と成す開角において、少なくとも前記ロータの磁極凸部開角θ３を超える有効磁極開角θ２の部位において磁極凸部開角θ３のギャップより広くした凹部を設け、
前記ロータの有効磁極開角θ２の凹部と、磁極凸部開角θ３の夫々の領域でのステータとのギャップが、有効磁極開角θ２の凹部をｇ２、磁極凸部開角θ３をｇ１としたとき、
０．７５≦｛（ｇ１／ｇ２） ² ＋１｝／２＜１
なる関係であることを特徴とするブラシレスＤＣモータ。
前記ロータの磁極凸部は、永久磁石を内蔵保持させた磁性材で構成されていることを特徴とする請求項１に記載のブラシレスＤＣモータ。