JP5176719B2

JP5176719B2 - 交流モータ

Info

Publication number: JP5176719B2
Application number: JP2008168827A
Authority: JP
Inventors: 英介高橋; 政行梨木; 真治牧田; 義信鎌田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2008-06-27
Filing date: 2008-06-27
Publication date: 2013-04-03
Anticipated expiration: 2028-06-27
Also published as: JP2010011653A

Description

本発明は、自動車やトラック等に搭載される交流モータに関する。

例えば、特許文献１に記載されたブラシレスモータは、図１３に示す様に、各相の巻線１００がステータ磁極１１０に集中的に巻回されている。ところが、このブラシレスモータは、巻線１００を各ステータ磁極１１０毎に巻回する必要があるため、構造が複雑になり、且つ、ステータ１２０のスロット１３０に巻線１００を挿入する必要があるため、巻線１００の巻回に関して生産性が低下するという問題があった。また、上記のような構造から小型化、高効率化、低コスト化が難しいという問題があった。

そこで、本願発明者は、上記の問題を解決するために、特許文献２に開示される交流モータを提案している（図１〜図４参照）。この交流モータは、円周方向にＮ極磁極とＳ極磁極とが交互に配置されたロータと、円周方向に複数個配置されたステータ磁極をそれぞれが有し、互いにステータ磁極の円周方向位置および軸方向位置をずらして配置されたＮ個のステータ磁極群と、Ｎ個のステータ磁極群のそれぞれに対して軸方向に沿った隣接位置に配置されて円周方向に形成された複数のループ状巻線とを備えている。

同一のステータ磁極群に含まれる各ステータ磁極の周囲に巻回された巻線を考えたときに、隣接する２つのステータ磁極に挟まれた巻線には、互いに起磁力アンペアターンを相殺するような電流が流れるため、等価的には電流が流れていないときと同じ状態であり、これらのステータ磁極に対して軸方向に沿った隣接位置に配置されたループ状巻線に代替えすることができる。この結果、従来構造であれば、円周方向に配置されていた各ステータ磁極の間の巻線を排除することができるので、高効率化、高トルク化が可能となる。

また、各ステータ磁極の間に巻線を配置する必要がないため、多極化が可能となり、特に、巻線構造が簡素であることから、生産性を向上させることができ、低コスト化が可能になる。さらに、各相に対応した構造は、円周上にほぼ均一に配置した対称構造となっており、ロータとステータ間で発生する吸引力によるステータの変形や、モータ各部の歪みを小さくすることができるため、これらに起因する振動、騒音を低減することが可能になる。
特開平６−２６１５１３号公報特開２００５−１６０２８５号公報

ところで、交流モータでは、電源を切った際に、機械的な位置を保持するためにコギングトルクを用いることがあり、そのような用途においては、大きなコギングトルクが必要となる。しかし、上記の特許文献２に開示された交流モータは、各相ステータ磁極が円周方向に等間隔に配置されている。例えば、３相モータであれば、各相ステータ磁極が電気角で１２０度間隔毎に均等に配置されているので、発生するコギングトルクが小さくなる。このため、モータの電源を切った際に、コギングトルクを用いて機械的な位置を保持することは困難であった。
本発明は、上記事情に基づいて成されたもので、その目的は、電源を切った際に、コギングトルクを利用して機械的な位置を保持できる交流モータを提供することにある。

（請求項１の発明）
本発明の交流モータは、円周方向にＮ極とＳ極とに交互に着磁された複数の永久磁石を有するロータと、円周方向に所定の間隔を有して複数配置されるＵ相ステータ磁極と、円周方向にＵ相ステータ磁極とは異なる位置で所定の間隔を有して複数配置されるＶ相ステータ磁極と、円周方向にＵ相ステータ磁極およびＶ相ステータ磁極とは異なる位置で所定の間隔を有して複数配置されるＷ相ステータ磁極と、少なくともＵ相ステータ磁極とＶ相ステータ磁極との間を通って円周方向に環状に形成された第１のループ状巻線と、少なくともＶ相ステータ磁極とＷ相ステータ磁極との間を通って円周方向に環状に形成された第２のループ状巻線とを備え、Ｕ相ステータ磁極と前記Ｗ相ステータ磁極は、前記Ｖ相ステータ磁極に対し、それぞれ円周方向に電気角で１２０度より大きく、且つ、１８０度より小さい位相差を有して配置されると共に、Ｖ相ステータ磁極に対し軸方向の一方側と他方側とにずれて配置されていることを特徴とする。
上記の構成によれば、Ｕ相、Ｗ相ステータ磁極をＶ相ステータ磁極に対し軸方向にずらして配置することにより発生する電気角１８０周期のコギングトルクに対して、Ｕ相、Ｗ相ステータ磁極をＶ相ステータ磁極に対し円周方向の位相差が電気角で１２０度より大きく、且つ、１８０度より小さくなるように配置することで、同位相のコギングトルクを発生させることができる。この相乗効果により、大きなコギングトルクを発生することができ、このコギングトルクを利用して、電源を切った際に、モータの機械的な位置を保持できる。

（請求項２の発明）
請求項１に記載した交流モータにおいて、Ｕ相ステータ磁極とＷ相ステータ磁極は、軸方向の端部から軸方向の中央部に近づくにつれて、円周方向の磁極幅が狭くなっていることを特徴とする。
Ｕ相、Ｗ相ステータ磁極をＶ相ステータ磁極に対し円周方向に電気角で１２０度より大きい、または１２０度より小さい位相差を有して配置した場合、円周方向に隣り合うステータ磁極同士が接近もしくは接触する恐れがある。これに対し、本発明のＵ相、Ｗ相ステータ磁極は、軸方向の端部から軸方向の中央部に近づくにつれて、円周方向の磁極幅を狭くすることにより、円周方向に隣り合うステータ磁極同士の接近もしくは接触を抑制できる。その結果、Ｖ相ステータ磁極に対するＵ相、Ｗ相ステータ磁極の円周方向への位相差を電気角で１２０度に対し、より大きく、もしくは、より小さくすることが出来る。

（請求項３の発明）
請求項１または２に記載した交流モータにおいて、Ｕ相ステータ磁極とＷ相ステータ磁極は、Ｖ相ステータ磁極に対して、軸方向の端部側より軸方向の中央部側の方が、それぞれ、円周方向への位相差が電気角で１２０度に近くなる形状を有することを特徴とする。この場合、Ｕ相、Ｗ相ステータ磁極をＶ相ステータ磁極に対し円周方向に電気角で１２０度より大きい、または１２０度より小さい位相差を有して配置することによる、円周方向に隣接するステータ磁極同士の接近もしくは接触を抑制できる。これにより、Ｖ相ステータ磁極に対するＵ相、Ｗ相ステータ磁極の円周方向への位相差を電気角で１２０度に対し、より大きく、もしくは、より小さくすることが出来る。

本発明を実施するための最良の形態を以下に説明する。
図１は交流モータ１の基本構成を示す縦断面図、図２はロータ５の周方向展開図、図３は交流モータ１の分解斜視図、図４はロータ５側から見たステータ磁極６０ｕ、６０ｖ、６０ｗとステータ巻線７（７ａ、７ｂ）の周方向展開図である。
先ず、交流モータ１の基本構成について説明する。
交流モータ１は、図１に示す様に、ケース２に軸受３を介して回転自在に支持される回転軸４と、この回転軸４に支持されるロータ５と、このロータ５の径方向外側に配置され、且つ、ケース２に固定されるステータ６等より構成される。

ロータ５は、例えば鉄等の磁性体によって形成されるロータコア５ａと、このロータコア５ａの外周表面に配置される８個の永久磁石５ｂから成る。８個の永久磁石５ｂは、図２に示す様に、円周方向にＮ極とＳ極とに交互に着磁されている。
ステータ６は、図３に示す様に、互いに独立して設けられるＵ相、Ｖ相、Ｗ相のステータ磁極群６Ｕ、６Ｖ、６Ｗと、２個のステータ巻線７（７ａ、７ｂ）とで構成される。
ステータ磁極群６Ｕ、６Ｖ、６Ｗは、それぞれ、円周方向に等間隔に配置される４個のステータ磁極６０ｕ、６０ｖ、６０ｗを有し、各相のステータ磁極６０ｕ、６０ｖ、６０ｗが、それぞれ円周方向にずれた位置で組み合わされている。なお、特許文献１に示される交流モータは、各相ステータ磁極６０ｕ、６０ｖ、６０ｗが電気角で１２０度間隔に配置されている。

２個のステータ巻線７は、図４に示す様に、Ｖ相ステータ磁極６０ｖとＵ相ステータ磁極６０ｕとの間、および、Ｕ相ステータ磁極６０ｕとＷ相ステータ磁極６０ｗとの間を通って波状に折り返して形成され、且つ、円周方向にループ状に連結された第１のループ状巻線７ｂ、Ｗ相ステータ磁極６０ｗとＶ相ステータ磁極６０ｖとの間、および、Ｕ相ステータ磁極６０ｕとＷ相ステータ磁極６０ｗとの間を通って波状に折り返して形成され、且つ、円周方向にループ状に連結された第２のループ状巻線７ｂとから成る。この２個のステータ巻線７（第１のループ状巻線７ａ、第２のループ状巻線７ｂ）には、互いに１２０度の位相差を有する交流電流がロータ５の回転位置に応じて通電される。

図５はステータ磁極６０ｕ、６０ｖ、６０ｗの周方向展開図である。
実施例１に係る交流モータ１は、図５に示す様に、Ｖ相ステータ磁極６０ｖに対し、Ｕ相、Ｗ相ステータ磁極６０ｕ、６０ｗが、それぞれ円周方向に電気角で１２０度より小さい（または１２０度より大きくても良い）位相差を有して配置されている。言い換えると、Ｕ相、Ｗ相ステータ磁極６０ｕ、６０ｗは、Ｖ相ステータ磁極６０ｖに対する円周方向への位相差が電気角で１２０度（均等）にならない様に配置されている。この場合、各相ステータ磁極６０ｕ、６０ｖ、６０ｗが円周方向に不当間隔に配置されるため、各相ステータ磁極６０ｕ、６０ｖ、６０ｗの発生トルクに不均等さが生じて、電気角１８０度周期のコギングトルクが発生する。

図６はステータ磁極６０ｕ、６０ｖ、６０ｗの周方向展開図である。
実施例２に係る交流モータ１は、以下のａ）、ｂ）に記載する特徴（図６参照）を備えている。
ａ）Ｕ相、Ｗ相ステータ磁極６０ｕ、６０ｗは、Ｖ相ステータ磁極６０ｖに対し、それぞれ軸方向（図示上下方向）の一方側と他方側とにずらして配置されている。
ｂ）Ｕ相、Ｗ相ステータ磁極６０ｕ、６０ｗは、Ｖ相ステータ磁極６０ｖに対し、それぞれ円周方向に電気角で１２０度より大きく、且つ、１８０度より小さい位相差を有して配置されている。

Ｕ相、Ｗ相ステータ磁極６０ｕ、６０ｗをＶ相ステータ磁極６０ｖに対し、軸方向にずらして配置することにより、電気角１８０度周期のコギングトルクが発生する。また、Ｕ相、Ｗ相ステータ磁極６０ｕ、６０ｗをＶ相ステータ磁極６０ｖに対し、円周方向に電気角で１２０度より大きく、且つ、１８０度より小さい位相差を有して配置することによって同位相のコギングトルクを発生することができ、両者の相乗効果により、大きなコギングトルクを発生できる。
なお、Ｕ相、Ｗ相ステータ磁極６０ｕ、６０ｗをＶ相ステータ磁極６０ｖに対し、円周方向への位相差が電気角で１２０度より大きく、且つ、１８０度より小さくすることで発生するコギングトルクを、実際の製造時の公差ばらつきがあっても大きくできるようにするためには、Ｖ相ステータ磁極６０ｖに対するＵ相、Ｗ相ステータ磁極６０ｕ、６０ｗの円周方向への位相差を電気角で１２５度以上とすることが望ましい。

また、Ｕ相、Ｗ相ステータ磁極６０ｕ、６０ｗをＶ相ステータ磁極６０ｖに対し、軸方向にずらして配置することによって発生する電気角１８０度周期のコギングトルクは、Ｕ相、Ｗ相ステータ磁極６０ｕ、６０ｗをＶ相ステータ磁極６０ｖに対して軸方向にずらす量が、図７に示す様に、Ｖ相ステータ磁極６０ｖの軸長以上になると、各相ステータ磁極６０ｕ、６０ｖ、６０ｗが、隣接するステータ磁極の影響を受けにくくなるため、各相ステータ磁極６０ｕ、６０ｖ、６０ｗの漏れ磁束量が均等に近づき、コギングトルクの増大効果が低下する。従って、コギングトルクを大きくするためには、図６に示した様に、Ｕ相、Ｗ相ステータ磁極６０ｕ、６０ｗをＶ相ステータ磁極６０ｖに対して軸方向にずらす量を、Ｖ相ステータ磁極６０ｖの軸長より小さくすることが望ましい。

さらに、本実施例では、Ｕ相、Ｗ相ステータ磁極６０ｕ、６０ｗをＶ相ステータ磁極６０ｖに対し軸方向の一方側と他方側とにずらして配置し、且つ、円周方向にもＶ相ステータ磁極６０ｖに対し電気角で１２０度（望ましくは１２５度）より大きく、且つ、１８０度より小さい位相差を有して配置しているので、各相ステータ磁極６０ｕ、６０ｖ、６０ｗの互いの距離をより均等化することが可能である。その結果、モータ全体の漏れ磁束を低減できるので、モータ１の出力トルクを向上できる。

図８（ａ）、（ｂ）はステータ磁極６０ｕ、６０ｖ、６０ｗの周方向展開図である。
実施例２に記載した様に、Ｕ相、Ｗ相ステータ磁極６０ｕ、６０ｗを、Ｖ相ステータ磁極６０ｖに対して軸方向の一方側と他方側とにずらして配置した場合、Ｕ相、Ｗ相ステータ磁極６０ｕ、６０ｗは、軸方向の端部側が円周方向に他相のステータ磁極と重ならない。例えば、Ｗ相ステータ磁極６０ｗを見た場合に、軸方向の端部側では、周方向に隣り合うＷ相ステータ磁極６０ｗ同士の間（図示Ｗ０）に、他相（Ｖ相、Ｕ相）のステータ磁極６０ｖ、６０ｕが入り込んでいない。これは、Ｕ相ステータ磁極６０ｕにも同じことが言える。すなわち、Ｕ相ステータ磁極６０ｕの軸方向の端部側では、周方向に隣り合うＵ相ステータ磁極６０ｕ同士の間に、他相（Ｗ相、Ｖ相）のステータ磁極６０ｗ、６０ｖが入り込んでいない。

そこで、Ｕ相、Ｗ相ステータ磁極６０ｕ、６０ｗは、図８（ａ）に示す様に、軸方向の端部側から軸方向の中央部側へ近づくにつれて、円周方向の磁極幅が狭くなる形状（例えば、台形状）を有している。この場合、ステータ磁極全体の平均の磁極幅が同じであっても、隣接する他相のステータ磁極との隣接部分、つまり、軸方向の中央部側の磁極幅が狭いため、図８（ｂ）に示す磁極幅が軸方向で一定の形状を有する場合と比較して、隣接する他相のステータ磁極との円周方向の距離を大きく取ることができる。例えば、図８（ａ）に示すＶ相ステータ磁極６０ｖとＵ相ステータ磁極６０ｕとの間の円周方向の距離ａの方が、図８（ｂ）に示すＶ相ステータ磁極６０ｖとＵ相ステータ磁極６０ｕとの間の円周方向の距離ｂより大きくなる。
これにより、Ｕ相、Ｗ相ステータ磁極６０ｕ、６０ｗをＶ相ステータ磁極６０ｖに対する円周方向への位相差が電気角で１２０度とならない様に配置した場合でも、円周方向に隣接するステータ磁極同士の接近もしくは接触を抑制できる。また、Ｕ相、Ｗ相ステータ磁極６０ｕ、６０ｗをＶ相ステータ磁極６０ｖに対する円周方向への位相差を電気角で１２０度に対して、より大きく、もしくは、より小さくすることができる。

さらに、図９に示す様に、Ｕ相、Ｗ相ステータ磁極６０ｕ、６０ｗの軸方向端部側に対して軸方向中央部側に近づくにつれて磁極幅が狭くなる量を、ステータ磁極の軸方向端部側に対して軸方向中央部側に近づくにつれて小さくすることで、十分な磁気回路を確保しつつ、Ｕ相、Ｗ相ステータ磁極６０ｕ、６０ｗをＶ相ステータ磁極６０ｖに対する円周方向への位相差が電気角で１２０度とならない様に配置した場合でも、円周方向に隣接するステータ磁極同士の接近もしくは接触を抑制できる。
また、Ｕ相、Ｗ相ステータ磁極６０ｕ、６０ｗをＶ相ステータ磁極６０ｖに対する円周方向への位相差を電気角で１２０度に対して、より大きく、もしくは、より小さくすることができる。

図１０、図１１はステータ磁極６０ｕ、６０ｖ、６０ｗの周方向展開図である。
Ｕ相、Ｗ相ステータ磁極６０ｕ、６０ｗをＶ相ステータ磁極６０ｖに対して軸方向にずらして配置する場合、Ｕ相、Ｗ相ステータ磁極６０ｕ、６０ｗの軸方向端部側は、円周方向に隣接する他相ステータ磁極と重ならないため、円周方向の位置によらず、隣接する他相ステータ磁極と接触することはない。そこで、図１０および図１１に示す様に、Ｕ相、Ｗ相ステータ磁極６０ｕ、６０ｗは、軸方向端部側に対して軸方向中央部側の方が、Ｖ相ステータ磁極６０ｖに対する円周方向への位相差が電気角で１２０度に近くなる形状とする。

例えば、図１０に示すＶ相ステータ磁極６０ｖとＵ相ステータ磁極６０ｕにおいて、Ｕ相ステータ磁極６０ｕが破線で示される形状の場合は、Ｖ相ステータ磁極６０ｖの中心からＵ相ステータ磁極６０ｕの軸方向中央部側の中心までの周方向の距離ａと、Ｖ相ステータ磁極６０ｖの中心からＵ相ステータ磁極６０ｕの軸方向端部側の中心までの周方向の距離ｂとは同じである。
これに対し、Ｕ相ステータ磁極６０ｕが実線で示される形状の場合は、Ｕ相ステータ磁極６０ｕの軸方向端部側の中心位置が、破線で示される形状より図示右側にずれているため、Ｖ相ステータ磁極６０ｖの中心からＵ相ステータ磁極６０ｕの軸方向中央部側の中心までの周方向の距離ａより、Ｖ相ステータ磁極６０ｖの中心からＵ相ステータ磁極６０ｕの軸方向端部側の中心までの周方向の距離ｃの方が大きくなる。つまり、Ｕ相ステータ磁極６０ｕの形状は、Ｖ相ステータ磁極６０ｖに対する円周方向の位相差が、軸方向中央部側では電気角で１２０度に近く、軸方向端部側では電気角で１２０度より大きくなっている。

これにより、Ｕ相、Ｗ相ステータ磁極６０ｕ、６０ｗをＶ相ステータ磁極６０ｖに対する円周方向への位相差が電気角で１２０度とならない様に配置した場合、言い換えると、Ｕ相、Ｗ相ステータ磁極６０ｕ、６０ｗが、Ｖ相ステータ磁極６０ｖに対し、それぞれ円周方向に電気角で１２０度より小さい、または１２０度より大きい位相差を有して配置される場合でも、円周方向に隣接するステータ磁極同士の接近もしくは接触を抑制できる。また、Ｕ相、Ｗ相ステータ磁極６０ｕ、６０ｗをＶ相ステータ磁極６０ｖに対する円周方向への位相差を電気角で１２０度に対して、より大きく、もしくは、より小さくすることができる。

（変形例）
以上、磁極形状の変更について実施例１〜４を挙げて説明したが、実際の適用にあたっては、モータ１の体格、極数、使用用途、制約条件などを踏まえて、本発明の中で示す技術の組み合わせのうち、最適なものを選択することになる。また、最適な技術を組み合わせることにより、性能向上の効果が大きく得られる。
本発明のモータ１は、磁極形状の工夫によって、従来モータに存在するコイルエンドと呼ばれる巻線の軸方向のはみ出しを低減、もしくは無くすことが出来るという特徴を有しており、特に、薄型のモータにおいて大きなメリットを発揮できる。

実施例１では、ロータコア５ａの表面に永久磁石５ｂを配置した例を記載したが、永久磁石５ｂをロータコア５ａの内部に埋め込んだ磁石埋め込み型のロータ５を使用することもできる。また、ロータ５の極数も８極で説明しているが、８極に限定されるものではなく、他の極数、例えば、４極、６極、１０極等でも良い。
実施例１では、ロータ５がステータ６の内側に位置するインナロータ型の交流モータ１について説明したが、ロータ５がステータ６の外側に位置するアウタロータ型の交流モータ１についても本発明を適用できる。アウタロータ型の場合は、薄型に構成しやすく、巻線を短くでき、且つ、ロータ５の外径を大きくできる等の特徴があり、本モータ１の優位性をさらに向上できる。

また、図３に示した様に、ステータ巻線７に蛇行部を有する場合は、アルミ巻線等の柔らかく成形しやすい線材を用いる等の方法を採用することで、より簡単にステータ巻線７を構成することができる。
また、図１２に示す様に、クローポール型のステータ磁極６０ｕ、６０ｖ、６０ｗを設けることにより、ステータ巻線７を蛇行の無い、もしくは蛇行の小さい環状にすることが可能であり、Ｕ相、Ｗ相ステータ磁極６０ｕ、６０ｗをＶ相ステータ磁極６０ｖに対する円周方向への位相差が電気角で１２０度とならない様に配置することを、巻線スロットの面積を減少させることなく実施できる。また、軸方向への突出部は、圧粉磁心のプレス成形や、鋼板の曲げ加工、冷間鍛造などで形成することができる。

交流モータの基本構成を示す縦断面図である。ロータの周方向展開図である。交流モータの分解斜視図である。ステータ磁極とステータ巻線の周方向展開図である。ステータ磁極の周方向展開図である（実施例１）。ステータ磁極の周方向展開図である（実施例２）。ステータ磁極の周方向展開図である（実施例２）。ステータ磁極の周方向展開図である（実施例３）。ステータ磁極の周方向展開図である（実施例３）。ステータ磁極の周方向展開図である（実施例４）。ステータ磁極の周方向展開図である（実施例４）。交流モータの分解斜視図である（変形例）。従来技術に係るブラシレスモータの断面図である。

符号の説明

１交流モータ
５ロータ
５ｂ永久磁石
７ａ第１のループ状巻線
７ｂ第２のループ状巻線
６０ｕＵ相ステータ磁極
６０ｖＶ相ステータ磁極
６０ｗＷ相ステータ磁極

Claims

円周方向にＮ極とＳ極とに交互に着磁された複数の永久磁石を有するロータと、
円周方向に所定の間隔を有して複数配置されるＵ相ステータ磁極と、
円周方向に前記Ｕ相ステータ磁極とは異なる位置で所定の間隔を有して複数配置されるＶ相ステータ磁極と、
円周方向に前記Ｕ相ステータ磁極および前記Ｖ相ステータ磁極とは異なる位置で所定の間隔を有して複数配置されるＷ相ステータ磁極と、
少なくとも前記Ｕ相ステータ磁極と前記Ｖ相ステータ磁極との間を通って円周方向に環状に形成された第１のループ状巻線と、
少なくとも前記Ｖ相ステータ磁極と前記Ｗ相ステータ磁極との間を通って円周方向に環状に形成された第２のループ状巻線とを備え、
前記Ｕ相ステータ磁極と前記Ｗ相ステータ磁極は、前記Ｖ相ステータ磁極に対し、それぞれ円周方向に電気角で１２０度より大きく、且つ、１８０度より小さい位相差を有して配置されると共に、前記Ｖ相ステータ磁極に対し軸方向の一方側と他方側とにずれて配置されていることを特徴とする交流モータ。
請求項１に記載した交流モータにおいて、
前記Ｕ相ステータ磁極と前記Ｗ相ステータ磁極は、軸方向の端部から軸方向の中央部に近づくにつれて、円周方向の磁極幅が狭くなっていることを特徴とする交流モータ。
請求項１または２に記載した交流モータにおいて、
前記Ｕ相ステータ磁極と前記Ｗ相ステータ磁極は、前記Ｖ相ステータ磁極に対して、軸方向の端部側より軸方向の中央部側の方が、それぞれ、円周方向への位相差が電気角で１２０度に近くなる形状を有することを特徴とする交流モータ。