JP5889576B2 - ブラシレスモータ - Google Patents

Description

本発明は、電気モータに関し、特定的には、永久磁石埋込型回転子を有するブラシレスモータに関する。

ＩＰＭ（Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ、永久磁石埋込）型の典型的なブラシレスモータは、固定子と、固定子に回転可能に取り付けられた回転子とを含む。固定子は、固定子コアと、固定子コアの歯の周りに巻かれた固定子巻線とを含む。回転子は、回転子シャフトと、回転子シャフトの上に固定された回転子コアと、回転子コア内のスロットに挿入された永久磁石とを含む。

永久磁石は磁気伝導性の回転子コア内に埋め込まれているので、磁気漏れは、ＩＰＭブラシレスモータにとって問題である。さらに、固定子コアは磁気飽和のリスクを有し、磁気飽和はモータの制御を困難にする。

したがって、改善されたＩＰＭ型ブラシレスモータに対する要望がある。

したがって、本発明の一態様において、本発明は、固定子コア及び固定子巻線を含む固定子を含み、固定子コアは固定子ヨークと固定子ヨークから半径方向内方に延びる歯とを含み、固定子巻線は歯上に巻かれた集中コイルであり、固定子に回転可能に取り付けられ、回転子シャフトと、回転子シャフトに固定された回転子コアと、回転子コアに形成されたスロット内に固定された磁石とを含む、回転子が設けられ、各磁石は、プレート状であり、回転子の軸方向及び半径方向の両方に延び、かつ、その厚さにわたって磁気的に帯電され、その結果２つの隣接する磁石により回転子極が形成され、固定子ヨークの半径方向厚さ（Ｙ）対歯本体の幅（Ｔ）の比は０．４から０．７までである、ブラシレスモータを提供する。

巻線スロットが隣接する歯の間に形成され、巻線スロットの開口部の幅（Ｓ）は、磁石の厚さ（Ｍ）より狭いことが好ましい。
回転子コアは、回転子シャフトに固定されたリング状内部と、磁石が埋め込まれるスロットによって複数の極部分に分割される、内部の周りのリング状外部と、内部を外部に結合するリング状結合部とを含むことが好ましい。

回転子コアは、各々が２つの隣接する磁石間に形成された複数の孔を含むことが好ましい。
各孔は、２つの隣接する磁石間の回転子コアのそれぞれの部分内に形成され、磁石間の中程の半径方向の線上に配置されることが好ましい。
結合部はそれぞれの孔と半径方向に位置合わせされることが好ましい。

結合部の最小幅対回転子コアの外径の比は、０．１から０．１５までであることが好ましい。
回転子コアの外径対固定子コアの外径の比は、０．５５から０．７５までであることが好ましい。
固定子ヨークの半径方向厚さ（Ｙ）対歯本体の幅（Ｔ）の比は、０．５１から０．５７までであることが好ましい。
固定子は１２本の歯を含み、回転子は１０個の磁石を含むことが好ましい。

固定子巻線は３つの相に分割され、各相は複数の対のコイルを含み、コイルの対の各々は、隣接する歯上に反対方向に巻かれた２つの集中コイルを含むことが好ましい。
好ましい実施形態のブラシレスモータは、固定子ヨークと、ヨークから延びる複数の歯とを有する固定子コアを含む。固定子ヨークの半径方向厚さ対歯本体の幅の比は、磁気飽和のリスクを低下させるように設計される。

ここで、本発明の好ましい実施形態を、単なる例として、添付の図面の図を参照しながら説明する。図中、１つより多い図に現れる同一の構造、要素、又は部分は、一般的に、これらが現れる全ての図において同じ参照番号で表記される。図に示される構成部品及び特徴の寸法は、一般的に、説明の便宜及び明確さのために選択されており、必ずしも縮尺通りに描かれていない。図を以下に列挙する。

本発明の好ましい実施形態によるブラシレスモータの等角図である。 端部キャップが取り除かれた状態の、図１のブラシレスモータの部分平面図である。 カバープレートが取り除かれた状態の、図１のブラシレスモータの平面図である。 図１のブラシレスモータの固定子コア及び固定子巻線の部分平面図である。 図１のブラシレスモータの固定子巻線の概略的な巻線図である。 図１のブラシレスモータの磁場分布図である。

図１は、本発明の好ましい実施形態によるブラシレスモータを示す。このモータは、巻線型固定子と、ＩＰＭ型の永久磁石回転子２０とを含む。固定子は、モータのためのハウジングを形成する２つの端部キャップ１５、１６を含む。図２は、上部端部キャップが取り除かれ、回転子のカバープレートが省略された状態のモータを含む。固定子は、端部キャップにより保持される固定子コア１０と、固定子コア１０の歯１２の周りに巻かれる固定子巻線１４とを含む。回転子２０は、端部キャップに固定された軸受により回転可能に支持される。

図３は、回転子コアの構造を示すためにカバープレートが省略された状態の回転子２０の平面図である。回転子２０は、回転子シャフト２１と、回転子シャフト２１に固定された回転子コア２２と、回転子コア２２内に埋め込まれた永久磁石３５と、回転子シャフト２１に固定され、かつ、回転子コア２２のそれぞれの端部に配置された２つのカバープレート（図示せず）とを含む。カバープレートは、回転子コアの軸方向端部を覆い、回転子のバランスをとるのにも使用される。磁石３５は、プレート状であり、回転子コア２２内のスロット２９に軸方向に挿入される。各磁石３５の半径方向中心線は、回転子シャフト２１又はモータ軸線を通る。

図３に示されるように、各磁石３５は、その厚さにわたって磁気的に帯電している。例えば、表面３５ａはＮ極性であり、表面３５ｂはＳ極性である。隣接する磁石３５の隣接する表面は、回転子極３０が間に形成されるように同じ極性を有する。好ましい実施形態において、回転子は、周方向に分布された１０個の磁石３５を有し、１０個の回転子極３０を形成する。

回転子コア２２は、リング状内部２３と、リング状外部２７と、内部２３と外部２７との間に結合された結合部２６とを含む。ラミネーションごとに、内部２３、結合部２６及び外部２７は、１つの一体構造として一体形成される。内部２３は、回転子シャフト２１に固定される。外部２７は、周方向に延びるフィンガ３１間の半径方向外端部が開いている半径方向に延びるスロット２９によって分割される。磁石３５は、スロット２９に軸方向に挿入され、フィンガ３１は、磁石がスロットから半径方向に逃れるのを防止する。内部２３は、外縁部に形成され、かつ、周方向に離間配置された１０個の突出部２４を含む。突出部２４は、スロット２９内に延びてそれぞれの磁石３５に接触するか又はこれを圧迫する。突出部２４は、磁石がスロット内で半径方向内方に移動するのを防止し、突出部が磁石により弾性的に変形された場合、突出部２４は、磁石を圧迫してフィンガと接触するようにし、それによりスロット内での磁石の半径位置が固定される。外部２７は、１０個の孔２８を有し、その各々が対応する２つの隣接する磁石３５の間に形成される。孔２８は、回転子コア２２の重量を減少させる。孔２８は結合部２６と協働し、磁気飽和領域を生成することで内部２３への磁気漏れを減少させることによって、モータ性能を改善させる。

図３及び図６に示されるように、各々の回転子極３０の内部に孔２８が形成されることが好ましい。孔２８は、回転子極を形成する隣接する磁石間の中程の半径方向の線上に形成されることが好ましい。つまり、孔２８は、回転子極３０を形成する回転子コアの各部分の周方向中心に形成される。したがって、孔２８は、磁石３５により回転子極内に形成された磁場を均等に分割し、案内する。各結合部２６は、磁気漏れを低減させるために、それぞれの孔２８と半径方向に位置合わせされることが好ましい。結合部２６及び突出部２４は、交互に配置される。より小さい孔２５が、それぞれの結合部２６、それぞれの磁石３５の内端部、内部２３、外部２７、及び突出部２４によって形成される。小さい孔２５の磁気抵抗が大きいために、内部２３への磁気漏れはさらに減少される。結合部２６はリブ状又はストリップ状であり、半径方向に延びている。好ましい実施形態においては、結合部２６の長さはその半径方向寸法により定められ、結合部２６の幅はその周方向寸法により定められ、結合部２６の高さはその軸方向寸法により定められる。結合部２６の幅対回転子コア２２の外径の比は、約０．１から０．１５までである。この構成において、結合部２６は、結合部２６内で磁気飽和を容易に達成して磁気漏れを減少させながら、変形を防止するのに十分な強度をもつ。この構成を有する回転子は、３，０００ＲＰＭから２０，０００ＲＰＭまでの範囲の速度を有するモータを必要とする用途にとって特に有利である。

孔２８の側壁から対応する磁石３５までの最小距離は、結合部２６の幅の約１．１倍から３倍までである。磁石３５の半径方向長さは、可能な限り長いものであるので、磁場の大部分が磁石３５を通過する。磁石３５の半径方向外縁部を露出するスロット２９の開放端により、磁気漏れがさらに減少される。

図４は、固定子コア１０及び固定子巻線を示すが、固定子コアの構造を示すために、固定子巻線の部分を形成する３つのコイルは省略されている。固定子コア１０は、ラミネーションを軸方向に積層することによって形成される。固定子コア１０は、リング状固定子ヨーク１１と、固定子ヨーク１１から半径方向内方に延びる複数の歯１２とを含む。固定子巻線は、巻線が多数のコイルによって形成され、各コイルが単一の歯の周りに巻かれることを意味する、集中巻（ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄ ｗｉｎｄｉｎｇ）である。したがって、固定子巻線は、各々がそれぞれの歯１２の周りに巻かれる１２個のコイル１４を含む。各々の歯１２は、半径方向に延びる歯本体１３と、歯本体の遠位端に形成された冠部分１７とを含む。電場分布を最適化し、磁気漏れを減少させるために、固定子ヨーク１１の半径方向厚さＹは、歯本体の周方向幅Ｔの約４０パーセントから７０パーセントまでである。ヨーク厚さＹ対歯本体の幅Ｔの比は、０．５１から０．５７までである。好ましい実施形態においては、ヨーク厚さＹは約５ｍｍであり、歯本体の幅Ｔは約９ｍｍであり、ヨーク厚さＹ対歯本体の幅Ｔの比は約０．５６である。

巻線スロットは、固定子コイル１４を受けるように隣接する歯１２の間に形成される。隣接する歯の冠１７の間に開いている巻線スロットの幅Ｓは、磁石３５の厚さＭより狭いことが好ましい。

図５の概略的な巻線図を参照すると、固定子巻線は、それぞれの歯１２ａ〜１２ｌの周りに巻かれた１２個の集中コイル１４を含む。１２個のコイルは、３つの相、すなわちＵ相、Ｖ相及びＷ相に分割される。各相は、各対が２つの隣接する歯の周りに反対方向に巻かれた２つの集中コイル１４を含む、２対のコイルを含む。この２対のコイルは、正反対に配置される。例えば、Ｕ相は、歯１２ａ及び１２ｂ、１２ｇ及び１２ｈ上に巻かれた２対のコイルを含む。歯１２ａ、１２ｂの対及び歯１２ｇ、１２ｈの対は、回転子コア２２の直径方向の反対位置に配置される。歯１２ａ上のコイルは時計回りに巻かれ、隣接する歯１２ｂ上のコイルは反時計回りに巻かれる。同様に、Ｖ相は、歯１２ｃ及び１２ｄ、１２ｉ及び１２ｊ上に巻かれた２対のコイルを含む。Ｗ相は、歯１２ｅ及び１２ｆ、１２ｋ及び１２ｌ上に巻かれた２対のコイルを含む。これらの３つの相は、星の形状で接続され、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の一端が、中間点Ｎｏにおいて互いに結合される。

上述した実施形態において、回転子コア２２の外径対固定子コアの外径の比は、約０．５５から０．７５までであり、好ましくは０．６５である。ブラシレスモータは、水抽出器又は乾燥装置に用いるのに特に適している。

本出願の説明及び特許請求の範囲において、動詞「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、「包含する（ｉｎｃｌｕｄｅ）」、「含有する（ｃｏｎｔａｉｎ）」及び「有する（ｈａｖｅ）」、並びにその変形は、記述された項目の存在を明記するように包括的な意味で使用されるものであり、付加的な項目の存在を排除するものではない。

本発明は１つ又は複数の好ましい実施形態を参照して説明されたが、当業者は、種々の変更が可能であることを理解すべきである。したがって、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲を参照することにより決定されるべきである。

１０：固定子コア
１１：固定子ヨーク
１２、１２ａ〜１２ｌ：歯
１４：コイル（固定子巻線）
１５、１６：端部キャップ
２０：回転子
２１：回転子シャフト
２２：回転子コア
２３：内部
２４：突出部
２５、２８：孔
２６：結合部
２７：外部
２９：スロット
３０：回転子極
３１：フィンガ
３５：永久磁石

Claims (6)

1. 固定子と、前記固定子に回転可能に取り付けられた回転子と、前記回転子に取り付けられた複数の磁石とを含むブラシレスモータであって、
   前記固定子は、
   固定子コア及び複数の固定子巻線を有し、
   前記固定子コアは、半径方向の厚さを有する固定子ヨークと、前記固定子ヨークから半径方向内側へ延びる複数の歯を有し、前記複数の固定子巻線は、前記歯上に集中巻きされ、
   前記回転子は、
   回転子シャフト、回転子コア、及び、複数の磁石を有し、
   前記回転子コアは、
   前記回転子シャフトに固定されたリング状内部と、
   前記リング状内部の周囲に設けられ、かつ、複数のスロットによって複数の極部分に分割されたリング状外部と、
   前記リング状内部を前記リング状外部に結合する複数のリブ状結合部と、
   前記リブ状結合部の対向する両側に形成された複数の対からなる小孔と、
   を含み、前記リング状外部には、半径方向に細長い孔が複数形成され、前記細長い孔は、前記回転子コアの内側への磁気漏れを減少させるために、前記リング状外部の外縁部よりも内縁部により近い箇所に配置され、
   前記複数の磁石は、前記複数のスロットのそれぞれに埋め込まれ、
   前記細長い孔のそれぞれは、前記複数の磁石の隣り合う２つの間の中程の半径方向の線上に配置され、かつ、対応する前記リブ状結合部及び前記小孔から前記回転子コアの半径方向に離間して設けられ、
   前記回転子コアの前記複数のリブ状結合部のそれぞれは、前記複数の細長い孔の対応する１つと半径方向に位置合わせされており、
   前記各磁石はプレート状で、前記回転子の軸方向及び半径方向の両方に延び、かつ、前記複数の磁石の隣接する２つの磁石の間に回転子極が形成されるようにその厚さにわたって磁気的に帯電されている、
   ことを特徴とするブラシレスモータ。
2. 前記複数の細長い孔の１つの側壁から対応する隣接する磁石までの距離の、前記リブ状結合部に対する最小比率は、１．１から３までの間であ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. 前記回転子コアの外径対前記固定子コアの外径の比は、０．５５から０．７５までの間であ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。
4. 前記固定子コアの前記複数の歯のそれぞれは歯本体及び歯の冠を有し、前記固定子ヨークの半径方向厚さ（Ｙ）対前記歯本体の幅（Ｔ）の比は、０．５１から０．５７までの間であることを特徴とする、請求項１乃至３の何れか一項に記載のブラシレスモータ。
5. 前記固定子ヨークの半径方向厚さ対前記歯の幅の比は０．４から０．７までの間であることを特徴とする、請求項１乃至４のうちいずれか一項に記載のブラシレスモータ。
6. 前記固定子巻線は３つの相に分割され、各相は複数の対のコイルを含み、前記各対のコイルは、複数の歯のうち隣接する２つに反対方向に巻かれた集中巻コイルであることを特徴とする、請求項１乃至５の何れか一項に記載のブラシレスモータ。

Images