JP5616835B2 - ブラシレスモータ - Google Patents

Description

本発明は、永久磁石型のブラシレスモータに関する。

ブラシレスモータは、放射状に形成されたティースと、ティースに巻装される巻線が収容されるスロットとを備える筒状のステータと、ステータの内周側に回転自在に収容され、周方向に永久磁石を有するロータとから構成される。

このようなブラシレスモータとして、ロータに固定される略円弧形状の永久磁石の形状を、内周側の円弧と外周側の円弧との中心を一致させたもの（特許文献１参照）が知られている。

また、永久磁石の外周側の形状を、曲率中心が異なる円弧によって形成し、永久磁石の径方向の厚さを中心から周方向に向かうに従って漸次薄くしたもの（特許文献２参照）も知られている。

特許４４８６５５号公報 特開２０１０−１６６６８３号公報

引用文献１に記載のような従来のブラシレスモータは、周方向に並べられた永久磁石による磁束密度分布が方形波に近くなり、コギングトルクが比較的大きくなるという問題がある。

また、引用文献２に記載のような従来のブラシレスモータは、周方向に並べられた永久磁石による磁束密度分布は正弦波に近づき、コギングトルクやトルクリップルを低減できるというという利点があるが、モータのトルクも低減してしまうという問題がある。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、モータのトルクを低減することなく、コギングトルク及びトルクリップルを低減することができるブラシレスモータを提供することを特徴とする。

本発明は、環状のヨーク部と、ヨーク部から内周側に放射状に形成される複数のティースに巻線が巻回される筒状のステータと、周方向に複数の永久磁石が配設され、ステータの内部に回転自在に収容されるロータと、を備えたブラシレスモータにおいて、永久磁石の軸方向断面は、曲率中心をＯ１、曲率半径をＲ１とする第１円弧からなる内周縁と、曲率中心をＯ２、曲率半径をＲ２とする第２円弧と、第２円弧の一端Ｂ及び他端Ｂ´からそれぞれ直線状に延びる直線部とからなる外周縁と、内周縁及び外周縁を連結する周縁と、を有し、第２円弧の中点をＡとし、曲率中心Ｏ１と中点Ａとを結ぶ線分を線分ＡＯ１としたとき、曲率中心Ｏ２は線分ＡＯ１上に配置され、曲率中心Ｏ２と曲率中心Ｏ１とを結ぶ線分を線分Ｏ１２としたとき、線分Ｏ１２上に配置される点Ｏ３に対する一端Ｂと他端Ｂ´との角度をＴ１とし、点Ｏ３と一端Ｂとを結ぶ線分を線分ＢＯ３、点Ｏ３と一端Ｂ´とを結ぶ線分を線分Ｂ´Ｏ３とし、線分ＢＯ３と直線部との角度、及び、線分Ｂ´Ｏ３と直線部との角度をそれぞれＴ２としたときに、
２８≦Ｔ１≦４０［ｄｅｇ］
９８≦Ｔ２≦１０８［ｄｅｇ］
であることを特徴とする。

本発明によれば、トルクを低減することなく、コギングトルク及びトルクリップルを低減することができる。

本発明の実施形態のブラシレスモータの横断面図である。 本発明の実施形態の永久磁石の横断面図である。 本発明の比較例の永久磁石の横断面図である。 本発明の実施形態と比較例との平均トルク、コギングトルク及びトルクリップルの値の実験結果を示す説明図である。 本発明の実施形態と比較例との平均トルク、コギングトルク及びトルクリップルの値の実験結果を示す説明図である。 本発明の実施形態との平均トルク、コギングトルク及びトルクリップルの値の実験結果を示す説明図である。 本発明の実施形態と比較例との平均トルク、コギングトルク及びトルクリップルの値の実験結果を示す説明図である。

以下に、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態のブラシレスモータ１の横断面図である。

ブラシレスモータ１は、シャフト６と、このシャフト６に固定されたロータコア３１と、このロータコア３１の外周面に等間隔で配置されている永久磁石５とを備えるロータ３を備えている。

ロータ３の外周側には、ロータ３と所定の空隙を介してロータ３を取り囲むように配設されるステータ２が備えられる。ステータ２は、環状のヨーク部２１１と、ヨーク部２１１から内周側に放射状に延びるティース２１２と、隣り合うティース２１２によってステータ２の内周側に放射状に形成されるスロット２１３と、を有するステータコア２１と、このステータコア２１のティース２１２に巻装され、スロット２１３に収容される巻線４と、を備える。巻線４の端部はステータ２に備えられる図外の電極に接続される。電極から電力が供給されることによってステータコア２１が磁化し、ロータ３の永久磁石５との作用によってロータ３がシャフト６を軸として回転する。

本実施形態のブラシレスモータ１は、ロータ３に６個の永久磁石５を備える。また、ステータ２は９個のスロット２１３を備える。

図２は、本実施形態の永久磁石５の、ロータ３の回転軸と垂直な面で切断したときの横断面図である。

永久磁石５は、内周縁５１と、外周縁５２と、これらを結ぶ周縁５３とを有する。内周縁５１は、曲率中心をＯ１、曲率半径をＲ１とする第１円弧５１１で構成されている。外周縁５２は、前記第１円弧の曲率中心Ｏ１とは異なる曲率中心Ｏ２と、曲率半径Ｒ２を有する第２円弧５２１と、この第２円弧５２１の一端Ｂから直線状に延びて周縁５３に接合する第１直線部５２２と、第２円弧５２１の他端Ｂ´から直線状に延びて周縁５３に接合する第２直線部５２３と、で構成されている。

この永久磁石５において、第１円弧５１１の中点をＭ、前記第２円弧５２１の中点をＡとしたとき、図２に示すように、曲率中心Ｏ１、曲率中心Ｏ２、中点Ｍ及び中点Ａは、中点Ａと曲率中心Ｏ１とを結ぶ線分ＡＯ１上に一直線に並ぶように配置されている。

なお、本実施形態の永久磁石５の横断面は、図２に示すように、線分ＡＯ１を中心線として線対称な形状を有する。

このように、本実施形態の永久磁石５は、第２円弧５２１の曲率中心Ｏ２が線分ＡＯ１上にあるため、第２円弧５２１の曲率半径Ｒ２は線分ＡＯ１の長さよりも小さい。従って、第１円弧５１１と、第２円弧５２１と、線分ＢＯ３及び線分Ｂ´Ｏ３で区画される領域Ｚ１では、永久磁石５の径方向の厚さは、第１円弧５１１の中点Ｍと第２円弧５２１の中点Ａとを結ぶ線で最大となり、第２円弧５２１の一端Ｂ、又は、第２円弧５２１の他端Ｂ´に向かうにつれて漸次薄くなる形状を有する。

一方、第１円弧５１１と、第１直線部５２２と、周縁５３とで区画される領域Ｚ２、及び、第１円弧５１１と、第２直線部５２３と、周縁５３とで区画される領域Ｚ３では、周縁５３側に向かうにつれて薄くなる形状を有する。なお、領域Ｚ２、Ｚ３では、周縁５３側に向かうにつれて厚さが薄くなるが、領域の一端が直線状（平面状）であるので、領域Ｚ１に比べて、その度合いが緩やかとなっている。

このように、本実施形態の永久磁石５は、中心部の線分ＡＭを中心として、周縁５３に向かうにつれて漸次薄くなる形状を有しているので、磁束密度分布が中心部から周縁５３にかけてなだらかに形成される。

また、第１直線部５２２及び第２直線部５２３によって、周縁５３側では厚みが薄くなる割合が穏やかとなるので、隣り合う永久磁石５の間の磁束密度分布が減少しない。

この結果、磁束密度分布が正弦波に近い形状となるので、コギングトルクやトルクリップルを低減することができる。

次に、このように形成された永久磁石５のさらに具体的な形状について説明する。

図３は、本発明における比較例の永久磁石の形状を示す説明図である。

図３（Ａ）は、比較例１の永久磁石５Ａの形状である。この永久磁石５Ａは、曲率中心Ｏ１から曲率半径Ｒ１とする内周縁５１と、同じく曲率中心Ｏ１から曲率半径Ｒ２とする外周縁５２と、これらを結ぶ周縁５３とにより構成される。

すなわち比較例１の永久磁石５Ａは、内周縁５１と外周縁５２とが同心の円弧からなる形状を有する。

図３（Ｂ）は、比較例２の永久磁石５Ｂの形状である。この永久磁石５Ｂは、曲率中心Ｏ１から曲率半径Ｒ１とする内周縁５１と、曲率中心Ｏ１とは異なる曲率中心Ｏ２から曲率半径Ｒ２とする外周縁５２と、これらを結ぶ周縁５３とにより構成される。

すなわち比較例１の永久磁石５Ａは、内周縁５１の曲率よりも外周縁５２の曲率が大きく、永久磁石５Ｂの中心から端部に向かうにつれて厚さが薄くなるという形状を有する。

図４は、本実施形態の永久磁石５、比較例１の永久磁石５Ａ及び比較例２の永久磁石５Ｂを、それぞれ図１に示すブラシレスモータ１に適用した場合の平均トルク、コギングトルク及びトルクリップルの値の実験結果を示す説明図である。図４において、平均トルクは示点を三角形で、コギングトルクは示点を円で、トルクリップルは示点を四角形で、それぞれで示す。

なお、平均トルクは、ブラシレスモータ１を定格で運転した場合の出力トルクの平均値であり、単位は［Ｎ・ｍ］である。また、コギングトルクは、ブラシレスモータ１を無通電で回転させた場合の回転トルクの変動であり、単位は［ｍＮ・ｍ］である。また、トルクリップルは、ブラシレスモータ１を定格で運転した場合の出力トルクの変動であり、単位は［Ｎ・ｍ］である。

図４を参照すると、コギングトルクは、比較例１が最も大きく、比較例２が最も小さい。本実施形態のコギングトルクは比較例１よりも小さいが比較例２よりもやや大きい。

また、トルクリップルは、本実施形態が最も小さく、比較例２、比較例１の順で大きくなる。

また、平均トルクは比較例１が最も大きく、比較例２及び本実施形態が比較例１に対して若干小さい。

図５は、図４に示す平均トルク、コギングトルク及びトルクリップルの実験結果を、比較例１に対する割合として示した説明図である。

図５（Ａ）は、比較例１に対する比較例２と本実施形態とのコギングトルクの低減率を示す説明図である。比較例２は比較例１に対して８５％だけコギングトルクを低減できる。本実施形態は比較例１に対して７９％だけコギングトルクを低減できる。

図５（Ｂ）は、比較例１に対する比較例２と本実施形態とのトルクリップルの低減率を示す説明図である。比較例２は比較例１に対して４８％だけトルクリップルを低減できる。本実施形態は比較例１に対して７０％だけトルクリップルを低減できる。

図５（Ｃ）は、比較例１に対する比較例２と本実施形態の平均トルクの低減率を示す説明図である。比較例２は比較例１に対して１２％だけ平均トルクが低減する。本実施形態は比較例１に対して１１％だけ平均トルクが低減する。

これら図４及び５を参照すると明らかなように、比較例１の永久磁石５Ａでは、平均トルクは大きいものの、磁束密度分布が方形波に近くなり、コギングトルクが比較的大きくなるという問題がある。

また、比較例２の永久磁石５Ｂでは、磁束密度分布が正弦波に近づき、比較例１と比べコギングトルクやトルクリップルが低減されている。

これに対して、本実施形態の永久磁石５では、永久磁石の形状を前述のように工夫した結果、比較例１と比べコギングトルクやトルクリップルが低減される。また、比較例２と比べトルクリップルの低減率がさらに大きく、平均トルクの低減率が小さくできる。

次に、本実施形態の永久磁石５のより詳細な形状を説明する。

前述のように、永久磁石５は、曲率中心をＯ１、曲率半径をＲ１とする第１円弧５１１からなる内周縁５１と、曲率中心をＯ２、曲率半径をＲ２とする第２円弧５２１と、第２円弧５２１の一端Ｂ及び他端Ｂ´からそれぞれ直線状に延びる第１直線部５２２、５２３とからなる外周縁５２と、を有する。

本実施形態の永久磁石５において、外周縁５２の第２円弧５２１は、線分Ｏ１２の中間にある点Ｏ３を中心とした一端Ｂ及び他端Ｂ´の角度をＴ１とする。

また、点Ｏ３と一端Ｂとを結ぶ線分を線分ＢＯ３、点Ｏ３と一端Ｂ´とを結ぶ線分を線分Ｂ´Ｏ３としたときに、線分ＢＯ３と第１直線部５２２とがなす角度をＴ２とする。同様に、対称となる線分Ｂ´Ｏ３と第２直線部５２３とがなす角度もＴ２とする。

そして、これらＴ１及びＴ２の角度は、実験の結果、次のような形状とすることが好適であることがわかった。

図６は、本実施形態の永久磁石５のＴ１とＴ２との関係を示す説明図である。なお、図６において、平均トルクは示点を三角形で、コギングトルクは示点を円で、トルクリップルは示点を四角形で、それぞれで示す。

図６（Ａ）は、Ｔ２を固定（１０３［ｄｅｇ］）とし、Ｔ１の値を変化させたときの、平均トルク、コギングトルク及びトルクリップルの値の実験結果を示す説明図である。

図６（Ａ）を参照すると、Ｔ１の値を小さくするにつれコギングトルクが増加し、トルクリップルは減少する、一方、Ｔ１の値を大きくするにつれてコギングトルクは減少し、トルクリップルは増加する。なお、平均トルクの値は変化しない。

図６（Ｂ）は、Ｔ１を固定（３４［ｄｅｇ］）とし、Ｔ２の値を変化させたときの、平均トルク、コギングトルク及びトルクリップルの値の実験結果を示す説明図である。

図６（Ｂ）を参照すると、Ｔ２の値を小さくするにつれコギングトルクが増加し、トルクリップルは減少する、一方、Ｔ１の値を大きくするにつれてコギングトルクは減少し、トルクリップルは増加する。なお、平均トルクの値は変化しない。

このように、Ｔ１の値及びＴ２の値を変化させた場合に、コギングトルクとトルクリップルのトレードオフの関係となっていることがわかる。

図７は、本実施形態の永久磁石５においてＴ１又はＴ２を変化させたときの、比較例１との関係を示す説明図である。なお、図７において、平均トルクは示点を三角形で、コギングトルクは示点を円で、トルクリップルは示点を四角形で、それぞれで示す。

図７（Ａ）は、比較例１に対して、本実施形態のＴ２を固定（１０３［ｄｅｇ］）とし、Ｔ１の値を変化させたときの、平均トルク、コギングトルク及びトルクリップルの低減率を示す説明図である。

図７（Ａ）を参照すると、コギングトルクを５０％以上低減できるのはＴ１を２８［ｄｅｇ］以上としたときであり、また、トルクリップルを５０％以上低減できるのは、Ｔ１を４０［ｄｅｇ］以下としたときであることがわかる。

図７（Ｂ）は、比較例１に対して、本実施形態のＴ１を固定（３４［ｄｅｇ］）とし、Ｔ２の値を変化させたときの、平均トルク、コギングトルク及びトルクリップルの低減率を示す説明図である。

図７（Ｂ）を参照すると、コギングトルクを５０％以上低減できるのはＴ２を９８［ｄｅｇ］以上としたときであり、また、トルクリップルを５０％以上低減できるのは、Ｔ１を１０８［ｄｅｇ］以下としたときであることがわかる。

このような実験結果により、本実施形態の永久磁石５は、
２８≦Ｔ１≦４０［ｄｅｇ］
９８≦Ｔ２≦１０８［ｄｅｇ］
とした場合にトルクリップル及びコギングトルクを共に低減できることが判明した。

以上のように、本発明の実施形態のブラシレスモータ１は、環状のヨーク部２１１と、ヨーク部２１１から内周側に放射状に形成される複数のティース２１２に巻線４が巻回される筒状のステータ２と、周方向に複数の永久磁石５が配設され、ステータ２の内部に回転自在に収容されるロータ３と、を備えたブラシレスモータ１に適用されるものである。

そして、永久磁石５の軸方向断面は、曲率中心をＯ１、曲率半径をＲ１とする第１円弧５１１からなる内周縁５１と、曲率中心をＯ２、曲率半径をＲ２とする第２円弧５２１と、第２円弧５２１の一端Ｂから直線状に延びる第１直線部５２２と、他端Ｂ´から直線状に延びる第２直線部５２３とからなる外周縁５２と、内周縁５１及び外周縁５２を連結する側縁５３と、を有する。

特に、永久磁石５の周縁５３に近い側を、円弧ではなく第１直線部５２２、５２３によって構成したので、永久磁石５の中心部分では厚さが周縁５３に向かうにつれて漸次薄くなるものの、第１直線部５２２、５２３によって周縁５３近い側では厚みが薄くなる度合いが緩やかとなる。このため、永久磁石５の周縁５３に近い側ではある一定の磁束密度が保たれ、トルクを低下することなく、コギングトルク及びトルクリップルを共に軽減することができる。

また、第２円弧５２１の中点をＡとし、曲率中心Ｏ１と中点Ａとを結ぶ線分を線分ＡＯ１としたとき、曲率中心Ｏ２は線分ＡＯ１上に配置され、曲率中心Ｏ２と曲率中心Ｏ１とを結ぶ線分を線分Ｏ１２としたとき、線分Ｏ１２上に配置される点Ｏ３に対する一端Ｂと他端Ｂ´とがなす角度をＴ１とし、点Ｏ３と一端Ｂとを結ぶ線分を線分ＢＯ３、点Ｏ３と一端Ｂ´とを結ぶ線分を線分Ｂ´Ｏ３とし、線分ＢＯ３と第１直線部とがなす角度、及び、線分Ｂ´Ｏ３と第２直線部５２３とがなす角度をそれぞれＴ２としたときに、
２８≦Ｔ１≦４０［ｄｅｇ］
９８≦Ｔ２≦１０８［ｄｅｇ］
であることを特徴とする。

このように永久磁石５を形成することによって、ブラシレスモータ１のトルクを低下することなく、コギングトルク及びトルクリップルを共に軽減することができる。

なお、本実施形態は、９つのスロット２１３と６個の永久磁石５によって構成されるブラシレスモータ１に適用されるものである。

本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。

１ ブラシレスモータ
２ ステータ
３ ロータ
４ 巻線
５ 永久磁石
６ シャフト
２１ ステータコア
３１ ロータコア
５１ 内周縁
５２ 外周縁
５３ 周縁
２１１ ヨーク部
２１２ ティース
２１３ スロット
５１１ 第１円弧
５２１ 第２円弧
５２２ 第１直線部
５２３ 第２直線部

Claims (3)

1. 環状のヨーク部と、前記ヨーク部から内周側に放射状に形成される複数のティースに巻線が巻回される筒状のステータと、周方向に複数の永久磁石が配設され、前記ステータの内部に回転自在に収容されるロータと、を備えたブラシレスモータにおいて、
   前記永久磁石の横断面は、
   曲率中心をＯ１、曲率半径をＲ１とする第１円弧からなる内周縁と、
   曲率中心をＯ２、曲率半径をＲ２とする第２円弧と、前記第２円弧の一端Ｂから直線状に延びる第１直線部と、前記第１円弧の他端Ｂ´から直線状に延びる第２直線部と、からなる外周縁と、
   前記内周縁及び前記外周縁を連結する周縁と、
   を有し、
   前記第２円弧の中点をＡとし、前記曲率中心Ｏ１と前記中点Ａとを結ぶ線分を線分ＡＯ１としたとき、前記曲率中心Ｏ２は前記線分ＡＯ１上に配置され、
   前記曲率中心Ｏ２と前記曲率中心Ｏ１とを結ぶ線分を線分Ｏ１２としたとき、前記線分Ｏ１２上に配置される点Ｏ３を中心として、一端Ｂと他端Ｂ´とがなす角度をＴ１とし、
   前記点Ｏ３と前記一端Ｂとを結ぶ線分を線分ＢＯ３、前記点Ｏ３と前記一端Ｂ´とを結ぶ線分を線分Ｂ´Ｏ３とし、前記線分ＢＯ３と前記第１直線部とがなす角度、及び、前記線分Ｂ´Ｏ３と前記第２直線部とがなす角度を、共にＴ２としたときに、
   ２８≦Ｔ１≦４０［ｄｅｇ］
   ９８≦Ｔ２≦１０８［ｄｅｇ］
   であることを特徴とするブラシレスモータ。
2. 前記ステータは周方向に９つのスロットを備え、
   前記ロータは、周方向に６個の永久磁石を備えることを特徴とする請求項１に記載のブラシレスモータ。
3. 前記永久磁石の厚さは、
   前記第１円弧の中点Ｍと前記第２円弧の中点Ａとを結んだ中心部から前記周縁に向かうにつれて薄くなる形状を有し、
   前記第１直線部及び前記第２直線部においては薄くなる割合が穏やかとなることを特徴とする請求項１又は２に記載のブラシレスモータ。

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