JP6585108B2 - Ｉｐｍモータ - Google Patents

Description

本発明は、例えば車載用のセンサレスモータ等に用いられるＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）モータに関する。

例えば図５に示す４極６スロットのＩＰＭモータは、固定子５１と回転子５２から構成される。固定子５１はティース５３ａとコアバック５３ｂからなる固定子鉄心５３と、ティース５３ａ間のスロット５４内にはティース５３ａを取り囲むように巻装された集中巻のコイル巻線５５（三相巻線のＵ相，Ｖ相，Ｗ相）から構成される。

図５に示すＩＰＭモータは４極６スロットであるから、スロットピッチは電気角で１２０度である。回転子５２は回転子鉄心５６に形成した一文字状の永久磁石挿入孔５６ａ中に永久磁石５７が納められ、回転子軸５８と嵌合するための軸孔５６ｂからなる。回転子鉄心５６には、磁極作用面（曲面部）となる磁極５６ｃが４箇所に突設されている。磁極５６ｃ間には凹面部５６ｄが形成されている。

ＩＰＭモータは、磁束密度が高いためコギングトルクも増大するが、かかるコギングトルクを減少させるため、磁極５６ｃは、曲面部が径方向の軸線に対して左右非対称に形成することが提案されている（特許文献１参照）。

特開２００４−４８９１２号公報

一般に、ＩＰＭモータにおいて、回転動作をスムーズに行うためには、特許文献１のように、コギングトルクを下げることを意図した技術思想は提案されているが、コギングトルクを上げることを意図した技術思想は提案されていない。これに対して、回転停止位置で振動等により回転子が動かないで停止しているニーズがある場合には、コギングトルク（保持トルク）を向上させる必要がある。これを実現するためには、回転子マグネットの磁気グレードの高い材料（例えばネオジウム等）を用いたり、固定子コアのオープンスロットの間隔を広げたりすることが考えられる。しかしながら、マグネット材料のハイグレード化は、製造コストが高くなり、固定子コアのオープンスロットの間隔を広げると、マグネットワイヤーを巻くスペースが低減しモータ特性が低下してしまう。

本発明はこれらの課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、コスト増加や組立作業性を低下させずにコギングトルクを向上させてモータ特性を維持できるＩＰＭモータを提供することにある。

本発明は上記目的を達成するため、次の構成を備える。
回転子コアに複数の永久磁石が埋め込まれた回転子磁極が固定子極歯と対向配置されるラジアルギャップ型のＩＰＭモータであって、前記回転子磁極若しくは前記固定子極歯には、磁束作用面となる径方向に突設された複数の曲面部と各曲面部どうしを仕切る凹面部が交互に形成されており、各曲面部の径方向内側に設けられた磁石挿入孔に永久磁石が各々挿入されかつ前記各曲面部には凹溝で仕切られた凸面部が形成され、前記回転子磁極若しくは前記固定子極歯に設けられる隣り合う凹溝どうしの中心がなす中心角をζ、ｉを整数、Ｔをコギング周期、ｐを回転子磁極対数とすると、ζ＝２ｉ＊π／Ｔ＊ｐで算出される中心角ζの間隔で前記各曲面部に対して前記凹溝が凸面部を介して所定間隔で交互に設けられていることを特徴とする。
これにより、回転子磁極若しくは固定子磁極の各曲面部の最適な場所に凸面部と凹溝を所定間隔で交互に形成して、対向する磁極との間で磁界の変化が大きくなるため、コギングトルクを増大させることができる。
よって、静止時に回転子が振動等により回転することがなく、しかもコイルの巻数も減らすことがないのでモータ特性を維持することができる。

インナーロータ型モータの回転子コアの外周面に突設された各曲面部の径方向内側に設けられた磁石挿入孔に永久磁石が挿入されかつ前記各曲面部には前記凹溝で仕切られた凸面部が所定間隔で形成されていてもよい。
これにより、インナーロータ型モータにおいて、回転子磁極の曲面部と対向する固定子極歯との間で磁界の変化が大きくなるため、コギングトルクが増大する。

上述したＩＰＭモータを用いれば、コスト増加や組立作業性を低下させずにコギングトルクを向上させることができ、モータの特性も維持することができる。

４極６スロットのインナーロータ型ＤＣブラシレスモータの軸方向上視図である。 図１のコイルを省略した上視図及び軸方向断面図である。 回転子磁極に設けられる凹溝の一例を示す説明図及び回転子の回転状態を示す説明図である。 回転子に凹溝（補助溝）有無に応じたディテントトルク大きさを対比したグラフ図である。 従来の４極６スロットのモータのコギングトルクを小さくする場合の回転子と固定子のレイアウト図である。

以下、本発明に係るＩＰＭモータの実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。本実施形態では、一例として４極６スロットのインナーロータ型３相ＤＣブラシレスモータを用いて説明する。尚、モータ構成のうち、固定子及び回転子の構成を中心に説明するものとする。

図１及び図２を参照して、ＩＰＭモータの概略構成について説明する。
固定子１の構造について説明する。固定子コア２は、電磁鋼板を積層プレスして形成された積層コアであり、環状に形成されたコアバック部２ｂに対して平面視で内周側に向かって放射状に突設された極歯２ａ（２ａ１，２ａ２，２ａ３：Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）が６極突設されている。固定子コア２は６極６スロットであるから、スロットピッチは電気角で１２０°（機械角で６０°）となっている。各極歯２ａ１，２ａ２，２ａ３には、コイル３が各々巻かれている。固定子コア２は図示しない軸受ハウジングの内周に組み付けられている。また固定子コア２の軸方向端面よりインシュレータ８が装着される（図２Ｂ参照）。固定子極歯２ａにはインシュレータ８を介してマグネットワイヤーが巻かれてコイル３が形成される（図１参照）。

次に回転子４の構造について説明する。回転子コア５は、電磁鋼板を積層プレスして形成された積層コアが用いられる。回転子コア５の外周面には、固定子極歯２ａと対向し磁束作用面となる径方向外側に突設された複数の曲面部５ａと各曲面部５ａどうしを仕切る凹面部５ｂが交互に形成されている。本実施例では、４極であるので、曲面部５ａ及び凹面部５ｂが位相差９０°（機械角）で４箇所に各々設けられている。

各曲面部５ａには、径方向内側に設けられた磁石挿入孔５ｃに永久磁石６が各々挿入されている。永久磁石６は、希土類磁石（ネオジム磁石、サマリュウムコバルト磁石等）が好適に用いられる。永久磁石６は、回転子コア５の磁石挿入孔５ｃにインサート成形により磁性体が挿入され、その後着磁されて形成される。

また回転子コア５の中心部には回転子軸７が挿通して一体に組み付けられる。回転子軸７は、磁性体（ＳＵＳ等）よりなる金属シャフトが用いられる。回転子軸７は、図示しない軸受ハウジングに回転可能に軸支されている。

また、図３Ｂに示すように、回転子コア５の各曲面部５ａには複数の凹溝５ｄが各々所定間隔で設けられている。この回転子磁極（曲面部５ａ）に設けられる凹溝５ｄは、隣り合う凹溝５ｄの中心どうしがなす中心角をζ（rad）、ｉを整数、Ｔをコギング周期（電気角）、ｐを回転子磁極対数とすると、ζ＝２ｉ＊π／Ｔ＊ｐで算出される中心角ζの間隔で各曲面部５ａに対して凹溝５ｄが凸面部５ｅを介して交互に設けられていることが望ましい。
ｉはモータのコギングトルクのＴ次成分平面で２π（ｉ＝１）となり同じ位置で繰り返すので必ず整数となる。また、高次になって磁気吸引力ベクトルの間隔が２ｉπになると全ベクトルが同一方向に重なってコギングトルクが向上する。

本実施例の場合、４極６スロットのモータで、ｉ＝１、コギングトルクの周期Ｔは、回転子極数４と固定子スロット数６の最小公倍数（１２）を２周期で除算した値でＴ＝１２／２＝６、極対数はＮ・Ｓで１対と数えられるのでｐ＝４／２＝２となる。これに基づいて隣り合う凹溝５ｄの中心どうしがなす中心角ζ（rad）を算出すると、ζ＝２×ｉ×π／｛（１２／２）×（４／２）｝＝0.5233（rad）となる。
これを機械角に変換するとζ＝（180/π）×0.5233（rad）＝29.998≒30°（機械角）となる。以上より、各曲面部５ａに対してζ=30°間隔で凹溝５ｄが凸面部５ｅを介して交互に設けられていればコギングトルクが向上することがわかる。

これを図示すると、図３Ｂに示すように、凹溝５ｄの中心線ａ１とａ２との角度がζ＝30°（機械角）となる。尚、凹面部５ｂ間の中心角は９０°（機械角）であるから、中心線ａ１若しくは中心線ａ２とその隣の凹面部５ｂの中心線ｂとの中心角θは３０°（機械角）となる。すなわち、本実施例では回転子磁極（曲面部５ａ）の切り替え部（凹面部５ｂ）から起算し、中心角で１５°（中心線間の機械角ζ／２）毎に凸部５ｅと凹溝５ｄを交互に設ければよいことになる。また、コギングトルクは、第６次高調波平面の溝ベクトル（磁気吸引力ベクトル）がすべて０位相の直線上に並ぶためにコギングトルクが発生する。コギングトルクを上げるためには、第６次高調波平面の０位相の空隙位置に補助となる凹溝を設けることにより更に溝ベクトルを大きくする必要がある。

ここで、コギングトルクを増大させるメカニズムについて、図３Ａ〜Ｃ及び図５を参照して説明する。コギングトルクは、永久磁石より発生した磁束が磁路のパーミアンス変化によって増減し、地場エネルギーが変化することによって発生する。よって、回転子４と固定子１の対向位置で互いのスリット（空隙）が重なると磁路が薄くなるため、トルクが低下する。

図５は、回転子５２と固定子５１との間でスリット（空隙）が重なる位置Ｗが２か所のみ生ずる状態を示している。Ｗ位置ではコギングトルクが上昇するが、その他の回転子５２と固定子５１が対向位置ではコギングトルクは弱いため、回転しやすい状態にある。

これに対して図３Ａは、回転子４の凸面部５ｅに凹溝５ｄが設けられており、回転子４と固定子１との間で、スリット（空隙）が重なる位置Ｗが６か所に増えている。回転子コア５の曲面部５ａに設けられた凹溝５ｄにより、回転子コア５の曲面部５ａと対向する固定子極歯２ａとの間で磁界の変化が大きくなるため、コギングトルクが増大する。これによって、コギングトルクが増大して、回転子４は停止位置から回転し難くなる。尚、回転子４は対向する固定子１に対して、磁気的に最も安定する位置で停止する。

図３Ｂは、回転子４が例えば反時計回り方向に回転した状態を示す。この状態では、固定子１と回転子４との間で、スリット（空隙）が重なる位置が生じていないため、コギングトルクが低下して回転しやすい状態となる。
図３Ｃは、回転子４がさらに反時計回り方向に回転した状態を示す。この状態では、図３Ａと同様に回転子４と固定子１との間で、スリット（空隙）が重なる位置Ｗが６か所に増えているため、コギングトルクが上昇して回転子４は停止位置から回転し難くなる。

回転子４に凹溝５ｄを設けた場合と設けない場合とでディテントトルクの大きさを対比したグラフ図を図４に示す。図４は回転子４の回転角とディテントトルクの大きさを示すグラフ図である。図４Ａの実線部は、回転子４に凹溝５ｄを設けた場合、破線部は凹溝５ｄを設けない場合を対比して例示した。
これにより、凹溝５ｄを設けた場合には、設けない場合に比べてディテントトルク（保持トルク）が増大していることがわかる。

尚、４極６スロットのモータに限らず他の形態のモータであってもよい。
例えば６極９スロットのモータの場合、ｉ＝１、コギングトルクの周期Ｔは機械角３６０°を回転子極数（６）と固定子スロット数（９）の最小公倍数（１８）を２周期で除算した値でＴ＝１８／２＝９となり、極対数はＮ・Ｓで１対と数えられるのでｐ＝６／２＝３となる。これに基づいて隣り合う凹溝５ｄの中心どうしがなす中心角ζ（rad）を算出すると、ζ＝２×１×π／｛(１８／２)×（６／２）｝＝0.2327（rad）となる。これを機械角に変換するとζ＝（180/π）×0.2327（rad）＝13.332≒13.3°（機械角）となる。以上より、凹面部５ｂ間の中心角は６０°（機械角）であり、この間に設けられる各曲面部５ａに対してζ=13.3°（機械角）間隔で凹溝５ｄが凸面部５ｅを介して交互に設けられていればコギングトルクが向上することがわかる。

上記３相ＤＣブラシレスモータは、車載用モータとして、回転子を所定位置に保持する用途で駆動源として用いられる。また、センサレス駆動するため逆起電力やインダクタンス変化により通電制御が行われる。上述したように、コギングトルク（保持トルク）を増大すると、回転子磁極と固定子磁極との磁界の変化が大きくなるため、逆起電力やインダクタンス変化が大きくなるため、モータをセンサレス駆動する際の制御性も向上する。

また上述した実施例は、回転子コアの磁極について適用したが、固定子コアの磁極（極歯）について適用することも可能である。この場合には、固定子１の極歯の磁束作用面となる曲面部に凹溝を設けることになる。

１ 固定子 ２ 固定子コア ２ａ ２ａ１ ２ａ２ ２ａ３ 極歯 ２ｂ コアバック部 ３ コイル ４ 回転子 ５ 回転子コア ５ａ 曲面部 ５ｂ 凹面部 ５ｃ 磁石挿入孔 ５ｄ 凹溝 ５ｅ 凸面部 ６ 回転子マグネット ７ 回転子軸 ８ インシュレータ

Claims (2)

1. 回転子コアに複数の永久磁石が埋め込まれた回転子磁極が固定子極歯と対向配置されるラジアルギャップ型のＩＰＭモータであって、
   前記回転子磁極若しくは前記固定子極歯には、磁束作用面となる径方向に突設された複数の曲面部と各曲面部どうしを仕切る凹面部が交互に形成されており、各曲面部の径方向内側に設けられた磁石挿入孔に永久磁石が各々挿入されかつ前記各曲面部には凹溝で仕切られた凸面部が形成され、前記回転子磁極若しくは前記固定子極歯に設けられる隣り合う凹溝どうしの中心がなす中心角をζ、ｉを整数、Ｔをコギング周期、ｐを回転子磁極対数とすると、ζ＝２ｉ＊π／Ｔ＊ｐで算出される中心角ζの間隔で前記各曲面部に対して前記凹溝が凸面部を介して所定間隔で交互に設けられていることを特徴とするＩＰＭモータ。
2. インナーロータ型モータの回転子コアの外周面に突設された各曲面部の径方向内側に設けられた磁石挿入孔に永久磁石が挿入されかつ前記各曲面部には前記凹溝で仕切られた凸面部が所定間隔で形成されている請求項１記載のＩＰＭモータ。