JP6093804B2 - ブラシレスｄｃモータ - Google Patents

Description

本発明は、９スロット８極のブラシレスＤＣモータにおいて生じるコギングトルクを安定した微小コギングトルクとさせる技術に関する。

コギングトルクの次数は、一般的にスロット数と磁極数の最小公倍数で求められる。この次数を高くするほど、コギングトルクが微小となることが知られている。コギングトルクに関する技術としては、特許文献１に記載されているものが知られている。その内容は、補助突極部１４と主突極部１２ａ〜１２ｂに設けられた補助溝１５により、コギング力を低減させる技術である。また、振動を抑える技術としては、特許文献２に記載されている、ロータとステータの間の純半径方向力が、両者の間の半径方向磁気抵抗力の平衡を保つことによって減少する、永久磁石タイプの突極直流モータの技術がある。この技術では、半径方向磁気抵抗力の平衡は、モータの突極の磁極端の磁極面にスロットを入れることにより達成するとしている。

特公昭５８−４２７０８号公報 特開平８−２１４５２５号公報

しかしながら、特許文献１では補助突極部を有し、その補助突極部がステータ部に設けられるため、ステータコイルのスペースが減少する。そのため、スロット数の多いものへの適応は不可能である。

特許文献２では、ロータとステータの間の純半径方向力が、両者の間の半径方向磁気抵抗力の平衡を保つことによって減少するとして、モータの突極の磁極端の磁極面にスロットを入れている。詳しくは、磁極面のスロットの円周方向の幅は磁極端の隣接する端間の円周方向の寸法とほぼ等しく、磁極面スロットの深さは半径方向ギャップの半径方向寸法とほぼ等しいとしている。しかしながら、この条件では、磁気力の不均衡による振動である、スロット数、磁極数からなる周波数帯の振動が下がらないものが発生し、一般的に９スロット８極では、振動が下がらないと言われ、採用されていない。

また、９スロット８極のブラシレスＤＣモータのコギングトルクは、スロットと磁極の比率が4:3、3:4、2:3、3:2のものと比べると微小となるが、その次数は一般に言われている最小公倍数から算出される周期、72次ではなく、9次で現れる。即ち、9スロット8極のブラシレスＤＣモータのコギングトルクは、9つのスロットの位相がキャンセルされたコギングトルクの和により、図６（a）の様になる。また、9スロット8極の磁気回路に於いて、各磁極が生み出すコギングトルクTは、次式で表される。

この式より、図５に示す構造のブラシレスＤＣモータでは、ある任意の極から生み出されるコギングトルクは、Ｙ軸を中心に線対称で力の向きが逆となり、コギングトルクがキャンセルされるので、コギングトルクが微小となる。しかし実際は、同軸ズレ、着磁ピッチズレなどの誤差が生じるため、ロータの永久磁石とステータの極歯面とのギャップが不均一となり、磁気力のキャンセルが出来なくなる。このため、図６（ｂ）の破線の様に大きなコギングトルクを発生することとなる。

このような背景において本発明は、９スロット８極のブラシレスＤＣモータにおける微小コギングトルクを安定して得るための技術を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、９スロットのステータと８極のロータを備えたブラシレスＤＣモータであって、外周部に極歯を有するステータコアおよび前記ステータコアに巻回したコイルを有するステータと、前記ステータの外周部に隙間を隔てて配置され、８極に着磁された内径が２０ｍｍ以上の永久磁石を有するロータとを備え、前記極歯の前記ロータの内周と対向する部分には、極歯面が設けられ、前記極歯面には、凹部が設けられ、前記凹部の前記ロータの回転中心から見た角度範囲は、隣接する前記極歯間の前記ロータの回転中心から見た角度範囲の１．５〜２倍であり、前記凹部の径方向の深さ寸法は前記永久磁石の内径の０．６%以上で、前記コイルに干渉しない程度の深さを有し、前記極歯幅は、前記ロータの回転中心から見た角度範囲が、３６０度を前記永久磁石の磁極数で割った値の０．６５〜０．８倍であることを特徴とするブラシレスＤＣモータである。

請求項１に記載の様に、ロータの内周面に相対する極歯面に凹部を形成し、この凹部の寸法を上記の範囲とし、更に極歯幅を限定することで、安定した微小コギングトルクのブラシレスＤＣモータが得られる。

本発明によれば、９スロット８極のブラシレスＤＣモータにおける微小コギングトルクが安定して得られる技術が提供される。また、コギングトルクが低減されることで、より静音のモータが提供される。

実施形態のブラシレスＤＣモータの断面図（ａ）と、（ａ）のＡ部拡大図（（永久磁石、ロータヨークは図示せず）（ｂ）である。 限定するパラメータの関係を示す関係図である。 変形例を示す断面図である。 変形例を示す断面図である。 従来の構造のブラシレスＤＣモータの断面図である。 従来の技術のブラシレスＤＣモータの同軸ズレ、磁極ピッチズレのない場合のコギングトルクを示すグラフ（ａ）と、実施形態のブラシレスＤＣモータと従来技術のブラシレスＤＣモータのコギングトルクの変動を示すグラフ（ｂ）である。 コギングトルク比率と（極歯面凹部の角度範囲Ｙ／極歯間の角度範囲Ｘ）との関係を示すグラフである。 コギングトルク比率と（極歯面の凹部の深さＤ／永久磁石の内径ｄ）との関係を示すグラフである。 コギングトルク比率と（極歯の角度範囲Ｔ／永久磁石の角度範囲Ｚ）との関係を示すグラフである。

（構成）
以下、発明を利用したブラシレスＤＣモータの一例を説明する。図１（ａ）は、実施形態のブラシレスＤＣモータを回転軸の軸方向から見た断面図である。図１（b）は図１（ａ）で示すＡ部の拡大図である。図２は、図１（ａ）において、後述するパラメータの関係を示す関係図である。図１（ａ）、図１（b）には、９スロット８極のブラシレスＤＣモータ１００が示されている。ブラシレスＤＣモータ１００は、内側がステータ１となり、それに対して外側が回転するロータ２を持つアウターロータ型のブラシレスＤＣモータである。

ブラシレスＤＣモータ１００は、ステータ１を備えている。ステータ１は、複数枚の電磁軟鉄により構成されるステータコア４を備えている。ステータコア４は、ラジアル方向に延在する９個の極歯１０を備えている。各極歯１０には、ステータコイル３が巻回されている。極歯１０の先端部分は、傘状に広がった構造とされ、極歯面６とされている。この極歯面６は、後述する凹部５を除く最外周面が回転軸を中心とする円周面に沿った形状とされ、円筒形状の永久磁石８の内周面に空隙を持って対向している。永久磁石８は、交互に極性が反転するように着磁された８極の磁極１１１〜１１８により構成されている。また永久磁石８は、ロータヨーク９とロータ２を構成している。極歯１０の極歯面６には凹部５が形成されている。９個の凹部５の内側の底面は、回転軸を中心とする円周面に沿った曲面とされ、凹部５内側の底面とロータ２内周面との間の距離が一定の値となるようにされている。この構造によれば、９箇所の極歯面６の最外周面と９箇所の凹部５内側の底面とは、中心を共有する円周面上に位置している。

凹部５は、軸中心の方向に窪み、軸方向に延在した形状とされている。軸方向から見た場合の凹部の幅は、以下に説明する寸法の関係を満足する値とされている。まず、図２に示すように、ロータ２の回転中心から見た場合の凹部５の周方向の寸法を角度の範囲として捉えた場合の値（これを角度範囲という）をＹとする。また、隣接する極歯１０の先端部分の隙間の広がりを上記Ｙと同様な捉え方で見た場合の角度範囲をＸとする。ここで、上記ＹはＸの１．２〜３倍の範囲に収まる関係とされている。また、凹部５の径方向の深さＤは、永久磁石８の内径dに対して0.5%以上としている。なお、本発明を利用した構造では、ステータ１の外径と対向する永久磁石８の内径dがφ20mm以上である場合に顕著な特性改善が認められる。また、極歯１０の軸中心から見た広がりの寸法を、上記と同様な捉え方で見た角度範囲Ｔとし、このＴの値を、３６０度を永久磁石８の磁極数で割った角度Ｚの０．５８〜０．８倍としている。なお、凹部５がステータコイル３と干渉する程度の深さとなると、凹部を設ける効果が飽和する傾向が大となるので、Ｄの上限は、ステータコイル３と干渉する寸法程度となる。

ステータ１の外周部に隙間を隔てて、ロータ２が配置されている。ロータ２は、多極着磁された永久磁石８とロータヨーク９を有し、図示しない軸に固定されている。この図示しない軸が軸受けにより、ブラシレスＤＣモータ１００の図示しないハウジングに回転自在な状態で保持されている。他方で、ステータ１は、前記ハウジング（図示せず）に固定している。この構造により、ステータ１に対してロータ２が回転する構造が実現している。

以上述べたように、ブラシレスＤＣモータ１００は、ステータコア４の外周部にステータコイル３が巻かれた極歯１０が設けられ、極歯１０のロータ２の内周面に対向する位置に極歯面６を設けている。極歯面６には、凹部５を設け、凹部５の円周方向の幅は、隣接する極歯１０の間の隙間の円周方向の角度範囲の１．２〜３倍の角度範囲としている。また、凹部５の径方向の深さ寸法Ｄは永久磁石８の内径dの0.5%以上であり、極歯１０を回転軸から見た角度範囲は、３６０度をロータ２の永久磁石８の磁極数で割った角度の０．５８から０．８倍としている。

（比較例）
図５は、従来の９スロットのステータと８極のロータを備えたブラシレスＤＣモータ２００の構成図である。ブラシレスＤＣモータ２００は、ステータ１１を備えている。ステータ１１は、外周部に極歯５０を有するステータコア４３を備えている。ステータコア４３には、コイル３１が巻回しされている。ステータ１１の外周部に隙間を隔てて、磁極１２１〜１２８で示される８極に着磁された永久磁石８１とロータヨーク９１を有するロータ２１が配置されている。ロータ２１は軸（図示せず）に固定され、軸受け（図示せず）により回転自在としている。ブラシレスＤＣモータ２００では、極歯面６１に凹部が形成されておらず、極歯面６１は、ロータ２１の内面の形状に対応させた回転軸を中心とする円周面としている。

（実施形態の優位性）
本発明は、同軸ズレなどの誤差によるコギングトルクの増大化を防ぐことが出来る。すなわち、図１に示す様にステータコア４に凹部５設け、この凹部５を適切な寸法で設けることで、図５で説明した、Ｙ軸を対称としたコギングトルクのキャンセルに加え、図１で示す極歯１０単体でのコギングトルク減衰、更に磁極１１２と磁極１１４、及び磁極１１６と磁極１１８でのコギングトルクが逆相となり、コギングトルクを減衰させる３重の力を得ることが出来る。これにより、図６(ｂ)の実線の様な、微小コギングトルクを安定して得ることが出来る。図６（ｂ）には、横軸に回転角度、縦軸にコギングトルクをとったグラフが示されている。図６（ｂ）において実線のグラフが、上記本実施形態のブラシレスＤＣモータ１００の測定値であり、破線は実施形態において、凹部５を設けず、ステータ１の極歯面６の外周を円周面に沿った形状とした図５の比較例のブラシレスＤＣモータ２００の測定値である。図６（ｂ）から明らかなように、凹部５を設けることで、大幅にコギングトルクの増大化を防ぐことができ、安定したモータ特性が得られる。

図７には、極歯間の隙間の広がりを回転軸から見た円周方向の角度範囲Ｘとし、極歯面６における凹部５の同様な円周方向の角度範囲をＹとした場合における（Ｙ／Ｘ）の値を横軸とし、コギングトルク比率を縦軸としたグラフである。なお、図２には、ＸとＹの関係が示されている。ここで、図７におけるコギングトルク比率というのは、（凹部有りの場合のコギングトルク）／（凹部なしの場合のコギングトルク）で定義されるパラメータである。なお、この定義によれば、横軸が０の場合にコギングトルク比率は１となる。この場合、コギングトルク比率が小さい程、コギングトルクが低いことを示す。図７から明らかなように、Ｙ／Ｘの値が１．２〜３あたりでコギングトルク比率は低い値を示すことが判る。すなわち図７には、ステータ１のロータ２の内周と対向する極歯１０の極歯面６における凹部５の円周方向の角度範囲を、極歯間の隙間の円周方向における角度範囲の１．２〜３倍とすることが、低いコギングトルクを得る上で重要であることが示されている。なお、図７には、モータの外径サイズが異なる点で相違するモデルＡ、モデルＢ、モデルＣの場合のデータが示されているが、何れの場合も、Ｙ／Ｘの値が１．２〜３あたりでコギングトルク比率が低くなる傾向が得られている。

図８には、極歯面６の凹部５の深さをＤ（図２参照）とし、永久磁石８の内径をｄとした場合の（Ｄ／ｄ）を横軸とし、コギングトルク比率を縦軸としたグラフが示されている。図８におけるコギングトルク比率は、対象となるＤの値を変えたサンプルのコギングトルクをＤ／ｄ＝０（つまり凹部がない場合）のときのコギングトルクで割った値として定義される。この場合も、コギングトルク比率が小さい程、コギングトルクが低いことを示し、また横軸が０の場合にコギングトルク比率は１となる。図８からは、凹部５の深さＤが永久磁石８の内径dの0.5%以上となると、コギングトルク比率が顕著に低くなることが判る。このことより、コギングトルクを低減するには、凹部５の深さを永久磁石８の内径の0.5%以上の値とすることが有効であることが判る。

図９には、３６０度を永久磁石８の磁極数で割った角度をＺとし、極歯１０の円周方向の角度範囲をＴとした場合における（Ｔ／Ｚ）の値を横軸とし、コギングトルク比率を縦軸とした場合のグラフが示されている。なお、図２には、ＴとＺの関係が示されている。図９におけるコギングトルク比率は、対象となる（Ｔ／Ｚ）の値を変えたサンプルのコギングトルクをＴＲ１、Ｔ／Ｚ＝０．５のコギングトルクをＴＲ２とした場合の（ＴＲ１／ＴＲ２）で定義される。この場合も、コギングトルク比率が小さい程、コギングトルクが低いことを示し、また横軸が０．５のときにコギングトルク比率は１となる。図９から（Ｔ／Ｚ）の値が０．５８〜０．８あたりでコギングトルク比率が低い値を示すことが判る。すなわち、コギングトルクを低減するには、極歯１０が占める角度範囲を、３６０度を永久磁石８の磁極数で割った角度Ｚの０．５８から０．８倍の角度範囲とすることが好ましい。

（変形例）
図３に本発明の変形実施例１を示す。図３には、ステータコア４１が示されている。ステータコア４１において、極歯１０ａは平坦部５１を備えている。ここで平坦部５１は、円周方向における平坦部５１の中心部が、図示省略したロータの内周面と最も離れた部分であり、その部分から両端に直線で広がる形状を有している。この場合、平坦部５１の円周方向の角度範囲Ｙが、請求項１の凹部の角度範囲となる。

図４に本発明の変形実施例２を示す。図４には、ステータコア４２が示されている。ステータコア４２は、極歯１０ｂを備え、極歯１０ｂは、凹部５２を持ち、凹部５２は２分割され、２箇所1対で形成されている。この場合、極歯面６２の凹部５２の円周方向の角度範囲Ｙは、２箇所１対の凹部の各外端間の角度で把握される。

（その他）
本発明の態様は、上述した個々の実施形態に限定されるものではなく、当業者が想到しうる種々の変形も含むものであり、本発明の効果も上述した内容に限定されない。すなわち、特許請求の範囲に規定された内容およびその均等物から導き出される本発明の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更および部分的削除が可能である。例えば、本発明は、インナーロータ式のモータにも適応される。

１００…ブラシレスＤＣモータ、１、１１…ステータ、２、２１…ロータ、３、３１…ステータコイル、４、４１、４２、４３…ステータコア、５、５２…凹部、６、６１、６２…極歯面、８、８１…永久磁石、９，９１…ロータヨーク、１０、１０ａ、１０ｂ、５０…極歯、５１…平坦部、２００…従来構造のブラシレスＤＣモータ、Ｘ…極歯間の隙間の円周方向の角度範囲、Ｙ…凹部角の円周方向の角度範囲、Ｚ…３６０度を永久磁石８の着磁極数で割った角度、Ｔ…極歯の円周方向の角度範囲、Ｄ…凹部５の径方向の深さ、ｄ…マグネットの内径d。

Claims (1)

1. ９スロットのステータと８極のロータを備えたブラシレスＤＣモータであって、
   外周部に極歯を有するステータコアおよび前記ステータコアに巻回したコイルを有するステータと、
   前記ステータの外周部に隙間を隔てて配置され、８極に着磁された内径が２０ｍｍ以上の永久磁石を有するロータとを備え、
   前記極歯の前記ロータの内周と対向する部分には、極歯面が設けられ、
   前記極歯面には、凹部が設けられ、
   前記凹部の前記ロータの回転中心から見た角度範囲は、隣接する前記極歯間の前記ロータの回転中心から見た角度範囲の１．５〜２倍であり、
   前記凹部の径方向の深さ寸法は前記永久磁石の内径の０．６%以上で、前記コイルに干渉しない程度の深さを有し、
   前記極歯幅は、前記ロータの回転中心から見た角度範囲が、３６０度を前記永久磁石の磁極数で割った値の０．６５〜０．８倍であることを特徴とするブラシレスＤＣモータ。

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