JP6589624B2 - モータ - Google Patents

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Description

本発明は、モータに関するものである。
従来、ブラシレスモータ等の永久磁石モータは、例えば特許文献1に示されるように、ステータコアに巻線が巻装されてなるステータと、該ステータと対向する永久磁石を磁極としたロータとを備え、ステータの巻線に駆動電流が供給されることで生じる回転磁界を受けてロータが回転するようになっている。
特開2014−135852号公報
上記のような永久磁石モータでは、ロータが高回転駆動になるほど、ロータの永久磁石による鎖交磁束の増加によってステータの巻線に発生する誘起電圧が大きくなり、この誘起電圧がモータ出力を低下させ、モータの高回転化の妨げとなっている。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、高回転化を図ることができるモータを提供することにある。
上記課題を解決するモータは、ステータの巻線に駆動電流が供給されることで生じる回転磁界を受けてロータが回転するモータであって、前記巻線は、前記駆動電流によって互いに同一のタイミングで励磁され、かつ、直列接続された第1の巻線と第2の巻線とを備え、前記ロータは、永久磁石を有する磁石磁極と、前記磁石磁極が前記第1の巻線と対向するロータの回転位置で前記第2の巻線と対向し、該第2の巻線での弱め界磁電流による鎖交磁束の発生を許容する磁束許容部とをそれぞれ備えた複数のロータ部が軸方向に並設されてなり、前記各ロータ部の前記磁石磁極の数は互いに同数であって、前記各ロータ部の前記磁石磁極の位置が周方向に互いにずれている。
この構成によれば、各ロータ部は、磁石磁極が第1の巻線と対向する回転位置で第2の巻線と対向する磁束許容部を備え、その磁束許容部は、第2の巻線での弱め界磁電流(d軸電流)による鎖交磁束の発生を許容する。これにより、弱め界磁電流によって巻線に生じる鎖交磁束(弱め界磁磁束)が生じやすくなるため、該弱め界磁磁束による誘起電圧の低減効果をより得ることができ、その結果、モータの高回転化を図る点でより好適となる。
更に、上記のロータ部が軸方向に複数並設されてロータが構成され、該各ロータ部の磁石磁極の配置位置が互いに周方向にずれて構成される。これにより、各ロータ部が並設されたロータ全体に対して生じるラジアル力が周方向に分散されるため、ロータの振動を抑制できる。
上記モータの前記各ロータ部において、周方向に隣接配置されたN極の前記磁石磁極とS極の前記磁石磁極とからなる磁極対が周方向等間隔に複数配置されていることが好ましい。
この構成によれば、各ロータ部において、周方向に隣接配置されたN極の磁石磁極とS極の磁石磁極とを含む磁極対が周方向等間隔に複数配置されるため、各ロータ部を機械的にバランスの優れた構成とすることが可能となる。
上記モータにおいて、軸方向に並設される前記ロータ部の個数をm、前記各ロータ部の前記磁極対の個数をtとして、前記各ロータ部は、軸方向一端のものから他端のものにかけて周方向一方に360/(m×t)(°)ずつずれていることが好ましい。
この構成によれば、ロータ全体として見たとき、磁極対が周方向等間隔に配置されるため、ロータに生じるラジアル力が周方向にバランス良く分散され、ロータの振動をより一層抑制できる。
上記課題を解決するモータは、ステータの巻線に駆動電流が供給されることで生じる回転磁界を受けてロータが回転するモータであって、前記巻線は、前記駆動電流によって互いに同一のタイミングで励磁され、かつ、直列接続された第1の巻線と第2の巻線とを備え、前記ロータは、複数のロータ部が軸方向に並設されてなり、前記各ロータ部の磁極は、永久磁石を有する第1磁極部と、前記第1磁極部が前記第1の巻線と対向するロータの回転位置で前記第2の巻線と対向し、前記ステータ側に与える磁力が前記第1磁極部よりも弱い第2磁極部とを有し、前記各ロータ部の磁極数は互いに同数であって、該各ロータ部の前記第1磁極部同士の磁極位置及び前記第2磁極部同士の磁極位置がそれぞれ周方向にずれている。
この構成によれば、各ロータ部の第1磁極部及び第2磁極部は、励磁タイミングが互いに同一となる第1の巻線及び第2の巻線に対して所定の回転位置でそれぞれ対向し、第2磁極部は、ステータ側に与える磁力が第1磁極部よりも弱く設定される。これにより、弱め界磁電流によって巻線に生じる鎖交磁束(弱め界磁磁束)が生じやすくなるため、該弱め界磁磁束による誘起電圧の低減効果をより得ることができ、その結果、モータの高回転化を図る点でより好適となる。
更に、上記のロータ部が軸方向に複数並設されてロータが構成され、該各ロータ部の第1磁極部同士の磁極位置及び第2磁極部同士の磁極位置がそれぞれ周方向にずれて構成される。これにより、各ロータ部が並設されたロータ全体に対して生じるラジアル力が周方向に分散されるため、ロータの振動を抑制できる。
上記モータの前記各ロータ部において、周方向に隣接配置されたN極の前記第1磁極部及びS極の前記第1磁極部からなる第1磁極対と、周方向に隣接配置されたN極の前記第2磁極部及びS極の前記第2磁極部からなる第2磁極対とが互いに同数設けられ、かつ、周方向等間隔に交互に配置されていることが好ましい。
この構成によれば、各ロータ部において、周方向に隣接配置されたN極の第1磁極部及びS極の第1磁極部からなる第1磁極対と、周方向に隣接配置されたN極の第2磁極部及びS極の第2磁極部からなる第2磁極対とが互いに同数設けられ、かつ、周方向等間隔に交互に配置される。このため、各ロータ部を機械的にバランスの優れた構成とすることが可能となる。
上記モータにおいて、軸方向に並設される前記ロータ部の個数をm、前記各ロータ部の前記第1磁極対の個数をtとして、前記各ロータ部は、軸方向一端のものから他端のものにかけて周方向一方に360/(m×t)(°)ずつずれていることが好ましい。
上記モータにおいて、前記各ロータ部の間に非磁性層が介在されていることが好ましい。
この構成によれば、各ロータ部の間に非磁性層が介在されるため、非磁性層によって各ロータ部間での磁束の短絡を抑制でき、その結果、ロータの回転出力に寄与する有効磁束の低下を抑えることができる。
本発明のモータによれば、高回転化を図ることができる。
(a)は、実施形態のモータの平面図であり、(b)は、同形態のロータの平面図である。 (a)は、同形態のロータの斜視図であり、(b)は、同形態のロータの分解斜視図である。 同形態における巻線の結線態様を示す電気回路図である。 (a)は、別例のロータの斜視図であり、(b)は、別例のロータの分解斜視図である。 別例のロータの分解斜視図である。 別例のロータ部の平面図である。 別例のロータ部の平面図である。 別例のロータ部の平面図である。 別例のロータ部の平面図である。 別例のロータ部の平面図である。 別例における巻線の結線態様を示す電気回路図である。 別例のモータの平面図である。 別例のロータ部の平面図である。
以下、モータの一実施形態について説明する。
図1(a)に示すように、本実施形態のモータ10は、ブラシレスモータとして構成され、円環状のステータ11の内側にロータ21が配置されて構成されている。
[ステータの構成]
ステータ11は、ステータコア12と、該ステータコア12に巻装された巻線13とを備えている。ステータコア12は、磁性金属にて略円環状に形成され、その周方向の等角度間隔においてそれぞれ径方向内側に延びる12個のティース12aを有している。
巻線13は、ティース12aと同数の12個備えられ、各ティース12aにそれぞれ集中巻きにて同一方向に巻装されている。つまり、巻線13は、周方向等間隔(30°間隔)に12個設けられている。この巻線13は、供給される3相の駆動電流(U相、V相、W相)に応じて3相に分類され、図1(a)において反時計回り方向に順に、U1、V1、W1、U2、V2、W2、U3、V3、W3、U4、V4、W4とする。
各相で見ると、U相巻線U1〜U4は周方向等間隔(90°間隔)に配置されている。同様に、V相巻線V1〜V4は、周方向等間隔(90°間隔)に配置されている。また、同様に、W相巻線W1〜W4は、周方向等間隔(90°間隔)に配置されている。
また、図3に示すように、巻線13は各相毎に直列に接続されている。つまり、U相巻線U1〜U4、V相巻線V1〜V4、及びW相巻線W1〜W4はそれぞれ直列回路を構成している。なお、本実施形態では、U相巻線U1〜U4の直列回路、V相巻線V1〜V4の直列回路、及びW相巻線W1〜W4の直列回路がスター結線されている。
[ロータの構成]
図2(a),(b)に示すように、ロータ21は、一対のロータ部(第1ロータ部22a及び第2ロータ部22b)が軸方向に積層されてなる。各ロータ部22a,22bは、互いに同一形状、同一構成をなし、周方向位置が互いにずれるように積層される。
第1ロータ部22aの構成を図1(b)に従って説明する。なお、第2ロータ部22bは、第1ロータ部22aと同様の構成であるため、第1ロータ部22aの構成と同様の符号を付してその詳細な説明は省略する。
図1(b)に示すように、本実施形態のロータ部22aは、磁極を形成する永久磁石23がロータコア24に埋設された埋込磁石型構造(IPM構造)をなす。なお、ロータコア24は、円盤状の磁性金属よりなり、該ロータコア24の中心部には、回転軸25が挿入固定される固定孔24aが形成されている。
ロータ部22aは、ロータコア24に埋設された永久磁石23によって磁極となる部位と、永久磁石が配置されず磁極とならない部位(非磁極部26)とを備えている。
具体的には、ロータ部22aは、永久磁石23をそれぞれ有するN極の磁石磁極MnとS極の磁石磁極Msとを備えている。各磁石磁極Mn,Msの永久磁石23は、磁気配向が径方向を向くように形成されている。より詳しくは、N極の磁石磁極Mnが備える永久磁石23は外周側にN極に現れるように磁化され、S極の磁石磁極Msが備える永久磁石23は外周側にS極に現れるように磁化されている。
また、各永久磁石23は、例えば異方性の焼結磁石であり、例えばネオジム磁石、サマリウムコバルト(SmCo)磁石、SmFeN系磁石、フェライト磁石、アルニコ磁石等で構成される。なお、本実施形態の各永久磁石23は、軸方向視で長方形をなし、軸方向から見たときの長辺側の面(径方向内側面)がロータ21の径方向に対して直交するように配置されている。
N極の磁石磁極MnとS極の磁石磁極Msとは、それらの周方向の磁極中心の間隔が45°となるように隣接配置されており、その隣接配置されたN極の磁石磁極MnとS極の磁石磁極Msの対を磁極対Pとする。そして、本実施形態のロータ部22aでは、2つの磁極対Pが周方向の180°対向位置に設けられている。より詳しくは、一方の磁極対PのN極の磁石磁極Mnと、他方の磁極対PのN極の磁石磁極Mnとは互いに180°対向位置に配置され、同様に、一方の磁極対PのS極の磁石磁極Msと、他方の磁極対PのS極の磁石磁極Msとは互いに180°対向位置に配置されている。
また、ロータ部22aの周方向における各磁石磁極Mn,Msの開角度(占有角度)は、磁石磁極Mn,Msの総数(永久磁石23の総数)をn個として、(360/2n)°に設定されている。本実施形態では、磁石磁極Mn,Msの総数は4個であるため、各磁石磁極Mn,Msの開角度は45°に設定されている。つまり、隣接配置された磁石磁極Mn,Msからなる磁極対Pの開角度は90°となっている。
上記のような構成のロータ部22aにおいて、ロータコア24における各磁極対Pの周方向間の部位は、永久磁石が配置されず磁極とならない非磁極部26となっている。つまり、ロータコア24は、それぞれ2つの磁極対Pと非磁極部26とを周方向の90°毎に交互に有している。また、ロータコア24の各非磁極部26は、周方向一方でN極の磁石磁極Mnと隣り合い、周方向他方でS極の磁石磁極Msと隣り合うように構成されている。
上記構成をそれぞれ有する第1及び第2ロータ部22a,22bは、図2(a),(b)に示すように、周方向に互いに所定のずれ角θだけずらした態様で積層されている。この各ロータ部22a,22b同士の周方向のずれ角θは、軸方向に並設されるロータ部22a,22bの個数をm、各ロータ部22a,22bにおける磁極対Pの個数をtとして、θ=360/(m×t)(°)となるように設定されている。本実施形態では、ロータ部22a,22bの個数、及び各ロータ部22a,22bにおける磁極対Pの個数が共に2つであるため、ずれ角θが90°に設定されている。つまり、第1ロータ部22aにおける各磁極対Pの周方向中心(又は各非磁極部26の周方向中心)と、第2ロータ部22bにおける各磁極対Pの周方向中心(又は各非磁極部26の周方向中心)とが、周方向に90°ずれるように構成されている。
次に、本実施形態の作用について説明する。
図示しない駆動回路からそれぞれ120°の位相差を持つ3相の駆動電流(交流)がU相巻線U1〜U4、V相巻線V1〜V4及びW相巻線W1〜W4にそれぞれ供給されると、各巻線U1〜W4が相毎に同一タイミングで励磁されてステータ11に回転磁界が発生し、その回転磁界に基づいてロータ21が回転する。このとき、3相の駆動電流の供給によってステータ11側に形成される磁極は、各相の巻線U1〜W4毎で同極となる。なお、本実施形態のロータ21の磁極の数(磁石磁極Mn,Msの数)は4つであるが、各相の巻線U1〜W4には、ロータ21の極数(各ロータ部22a,22bの極数)を磁石磁極Mn,Msの数の2倍(本実施形態では8極)とみなして設定された駆動電流が供給される。
ロータ21の高速回転時においては、巻線13に弱め界磁電流(d軸電流)を供給する弱め界磁制御が実行される。このロータ21の高速回転時(弱め界磁制御時)において、例えば、図1(a)に示すように、第1ロータ部22aのN極の磁石磁極MnがU相巻線U1,U3と径方向に対向するとき、第1ロータ部22aの一対の非磁極部26は、U相巻線U2,U4とそれぞれ径方向に対向する。また、このとき、第2ロータ部22bのN極の磁石磁極MnはU相巻線U2,U4と対向し、第2ロータ部22bの一対の非磁極部26は、U相巻線U1,U3とそれぞれ径方向に対向する。
ここで、各U相巻線U1〜U4には弱め界磁電流が供給されており、U相巻線U2,U4では、第1ロータ部22aの各非磁極部26と径方向に対向することから、弱め界磁電流によってU相巻線U2,U4に生じる鎖交磁束(弱め界磁磁束)がロータ21側に通りやすくなる。また、U相巻線U1,U3では、第2ロータ部22bの各非磁極部26と径方向に対向することから、U相巻線U1,U3に生じる弱め界磁磁束がロータ21側に通りやすくなる。これらのことから、各U相巻線U1〜U4において弱め界磁磁束が生じやすくなるため、弱め界磁磁束による誘起電圧(逆起電圧)の低減効果をより得られる構成となっており、その結果、モータ10の高回転化を図る点でより好適となる。
なお、上記の作用は、S極の磁石磁極Msと対向する巻線においても同様に生じる。また、上記ではU相巻線U1〜U4の誘起電圧を例にとって説明したが、V相巻線V1〜V4及びW相巻線W1〜W4においても同様に、各ロータ部22a,22bに非磁極部26を設けることによる誘起電圧の低減効果が得られる。
上記のように、各ロータ部22a,22bは、周方向において磁石磁極Mn,Msと非磁極部26とを備えている。
ここで、ロータの比較例として、例えばロータ部を1つのみを備えた構成(例えば上記第1ロータ部22aのみを備えた構成)では、磁束の強制力(誘導)のある磁石磁極Mn,Msと、磁束の強制力のない非磁極部26とが、ロータ周方向において混在することから、ロータに径方向に作用するラジアル力が周方向においてアンバランスとなり、そのことが振動の増大を招いてしまう。
その点、本実施形態のロータ21は、磁石磁極Mn,Ms及び非磁極部26をそれぞれ備えた第1及び第2ロータ部22a,22bが軸方向に並設された構成を有し、それら第1及び第2ロータ部22a,22bは、互いの磁石磁極Mn,Msが周方向に互いにずれるように構成されている(図2(a),(b)参照)。これにより、ロータ21に生じるラジアル力が周方向に分散されるため、ロータ21の振動を抑制できるようになっている。
更に、本実施形態では、各ロータ部22a,22b同士の周方向のずれ角θが、ロータ部22a,22bの個数をm(本実施形態では2つ)、各ロータ部22a,22bにおける磁極対Pの個数をt(本実施形態では2つ)として、θ=360/(m×t)=90(°)となるように設定されている。これにより、各ロータ部22a,22bを備えたロータ21を全体として見たとき、磁極対Pが周方向等間隔に配置されるため、ロータ21に生じるラジアル力が周方向にバランス良く分散され、ロータ21の振動をより一層抑制できるようになっている。
次に、本実施形態の特徴的な効果を記載する。
(1)ステータ11の巻線13は、供給される3相の駆動電流に応じた、それぞれ4つのU相巻線U1〜U4、V相巻線V1〜V4及びW相巻線W1〜W4からなり、各相の4つの巻線はそれぞれ直列接続されている。つまり、ステータ11の巻線13は、各相において、直列接続された少なくとも2つの巻線(第1の巻線及び第2の巻線)を備える。
一方、ロータ21は、軸方向に積層された第1及び第2ロータ部22a,22bを備え、該各ロータ部22a,22bは、永久磁石23をそれぞれ有する磁石磁極Mn,Msと、磁石磁極Mn(又は磁石磁極Ms)が例えばU相巻線U1,U3と対向する回転位置でU相巻線U2,U4と対向するロータコア24の非磁極部26(磁束許容部)とを備える。各ロータ部22a,22bにおいて、ロータコア24の非磁極部26は、対向する巻線13での弱め界磁電流による鎖交磁束の発生を許容する。このため、各巻線13で弱め界磁磁束が生じやすくなるため、弱め界磁磁束による誘起電圧の低減効果をより得ることができ、その結果、モータ10の高回転化を図る点でより好適となる。
また、上記のように、各巻線13で弱め界磁磁束が生じやすくなることで、巻線13に供給する弱め界磁電流を小さく抑えることが可能となる。そして、弱め界磁電流を小さくできることで、弱め界磁制御時に永久磁石23が減磁しづらくなり、また、巻線13の銅損を抑えることができる。また、換言すると、同等の弱め界磁電流量で低減できる鎖交磁束量が増加するため、弱め界磁制御による高回転化をより効果的に得ることができる。
(2)ロータ21は、第1及び第2ロータ部22a,22bが軸方向に複数並設されてなり、該各ロータ部22a,22bの磁石磁極Mn,Msの配置位置が互いに周方向にずれるように構成される。これにより、各ロータ部22a,22bが並設されたロータ21全体に対して生じるラジアル力が周方向に分散されるため、ロータ21の振動を抑制できる。
(3)各ロータ部22a,22bにおいて、周方向に隣接配置されたN極の磁石磁極MnとS極の磁石磁極Msとからなる磁極対Pが、周方向等間隔に複数(2組)配置される。この構成によれば、各ロータ部22a,22bを機械的にバランスの優れた構成とすることが可能となる。
(4)軸方向に並設されるロータ部22a,22bの個数をm、各ロータ部22a,22bの磁極対Pの個数をtとして、各ロータ部22a,22b同士の周方向のずれ角θが、θ=360/(m×t)(°)となるように設定される。この構成によれば、ロータ21全体として見たとき、磁極対Pが周方向等間隔に配置されるため、ロータ21に生じるラジアル力が周方向にバランス良く分散され、ロータ21の振動をより一層抑制できる。
なお、上記実施形態は、以下のように変更してもよい。
・上記実施形態では、各ロータ部22a,22b同士の周方向のずれ角θを90°に設定したが、これに特に限定されるものではなく、該ずれ角θを90°未満に設定してもよい。
・上記実施形態のロータ21では、軸方向に並設されるロータ部22a,22bの個数を2つとしたが、これに特に限定されるものではなく、3つ以上としてもよい。
・上記実施形態では、第1ロータ部22aと第2ロータ部22bとを軸方向に互いに当接するように積層したが、第1ロータ部22aと第2ロータ部22bとの軸方向間に非磁性層を介在させてもよい。例えば、図4(a),(b)に示す構成では、第1ロータ部22aと第2ロータ部22bとの軸方向間に、例えば樹脂材料よりなる非磁性部材31が非磁性層として介在されている。このような構成によれば、非磁性部材31によって各ロータ部22a,22b間での磁束の短絡を抑制でき、その結果、ロータ21の回転出力に寄与する有効磁束の低下を抑えることができる。
なお、同図に示す例では、非磁性部材31は円板状をなし、その外径は各ロータ部22a,22bの外径(ロータコア24の外径)と等しく形成されているが、非磁性部材31の形状等の構成は、これに特に限定されるものではない。また、非磁性層の形態は、非磁性部材31に限らず、第1ロータ部22aと第2ロータ部22bとの軸方向間に非磁性層としての空隙を設けてもよい。
・上記実施形態の各ロータ部22a,22bでは、磁石磁極Mn,Ms(永久磁石23)は、同極同士で180°対向するように配置されたが、これに特に限定されるものではない。
例えば、図5に示すように、磁石磁極Mn,Ms(永久磁石23)をロータコア24の半周にN極・S極で交互に設け、ロータコア24の残りの半周を非磁極部26として構成してもよい。このような構成によっても、上記実施形態の効果(1)と同様の効果を得ることができる。また、同図に示すような各ロータ部22a,22bの場合、各ロータ部22a,22b同士の周方向のずれ角を180°とすることで、ロータ21全体として見たとき、各磁石磁極Mn,Msが周方向等間隔に配置されるため、ロータ21に生じるラジアル力が周方向にバランス良く分散され、ロータ21の振動をより一層抑制できる。
・上記実施形態では、各ロータ部22a,22bを、磁石磁極Mn,Msを形成する永久磁石23がロータコア24に埋設された埋込磁石型構造(IPM構造)としたが、例えば図6に示すように、磁石磁極Mn,Msをそれぞれ構成する複数の永久磁石32がロータコア24の外周面に固着された表面磁石型構造(SPM構造)としてもよい。
同図に示す各ロータ部22a,22bでは、各永久磁石32は、互いに同一形状であり、各永久磁石32の外周面は、軸中心を中心とする円弧状をなしている。なお、この永久磁石32をそれぞれ有する磁石磁極Mn,Msの配置は、上記実施形態の磁石磁極Mn,Msと同様に構成されている。
また、各永久磁石32の周方向の開角度は、磁石磁極Mn,Msの総数(永久磁石32の個数)をn個として、(360/2n)°に設定されている。同例では、磁石磁極Mn,Msの総数は4個であるため、各永久磁石32の開角度は45°に設定されている。また、周方向に隣接配置された磁石磁極Mn,Msからなる磁極対Pの開角度は永久磁石32の2つ分で90°となっている。
また、同例のロータコア24には、上記実施形態の一対の非磁極部26にそれぞれ対応する一対の突部33が形成されている。ロータコア24の各突部33は、周方向における磁極対Pの間において径方向外側に突出形成されている。つまり、突部33は、周方向の一方でN極の永久磁石32と隣り合い、周方向の他方でS極の永久磁石32と隣り合うように構成されている。また、各突部33の外周面は、軸中心を中心とする円弧状をなし、該突部33の外周面と永久磁石32の外周面とは面一となるように構成されている。
また、各突部33の周方向両端部において、隣り合う永久磁石32との間に空隙Kが設けられている。各突部33の周方向の開角度は、前記磁極対Pの開角度(90°)に対し、空隙Kが設けられた分だけ小さく設定されている。
このような構成によっても、各ロータ部22a,22bにおいて、ロータコア24の突部33が上記実施形態の非磁極部26と同様に磁束許容部として機能するため、上記実施形態と略同様の効果を得ることができる。そして、このような構成の各ロータ部22a,22bを互いに周方向にずらしつつ軸方向に並設することで、上記実施形態と同様にロータ21の振動を抑制できる。
なお、図6に示す構成では、磁極対Pの周方向間においてロータコア24から突出する突部33を設けたが、同例のロータコア24から突部33を省略、つまり、ロータコア24の外形を軸方向視で円形に形成してもよい。このような構成では、ロータコア24の外周面における永久磁石32が固着されていない部位(露出面)が磁束許容部として機能し、上記実施形態と略同様の効果を得ることができる。
・各ロータ部22a,22bにおいて、ロータコア24に埋設される各永久磁石23の形状等の構成は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば、図7に示すような構成としてもよい。
同図に示す例では、各ロータ部22a,22bの各磁石磁極Mn,Msにおいて、ロータコア24に形成された磁石収容孔41に永久磁石42が収容固定されている。磁石収容孔41は、各磁石磁極Mn,Msにおいて、径方向に3つ並んで形成され、それぞれに永久磁石42が収容されている。これら各磁石収容孔41は、軸方向から見てロータ軸中心に向かって凸となる湾曲形状をなしている。また、各磁石収容孔41は、軸方向から見て、各磁石磁極Mn,Msの周方向中心位置で最もロータ軸中心に接近する湾曲形状をなしている。また、各磁石収容孔41内に設けられた各永久磁石42も、該各磁石収容孔41の形状に応じた湾曲形状をなし、N極の磁石磁極Mnにおける各永久磁石42は、湾曲内側(ロータ径方向外側)がN極となるように磁化され、S極の磁石磁極Msにおける各永久磁石42は、湾曲内側(ロータ径方向外側)がS極となるように磁化されている。なお、同図に示す構成では、各磁石磁極Mn,Msにおいて径方向に並設される磁石収容孔41(永久磁石42)の個数を3つとしているが、これに限らず、2つ又は4つ以上としてもよい。
このような構成によれば、各磁石磁極Mn,Msにおいて、ロータコア24の各磁石収容孔41間の部位(孔間部位R1)がq軸磁路となるため、q軸インダクタンスが十分大きくなる。また、d軸磁路では、各磁石収容孔41(及び永久磁石42)が磁気抵抗となるため、d軸インダクタンスが十分小さくなる。これにより、q軸,d軸インダクタンスの差(所謂、突極比)を大きくとることができることから、リラクタンストルクを増大でき、より一層の高トルク化に寄与できる。
なお、同図のような構成においても、各永久磁石42は、例えばネオジム磁石、サマリウムコバルト(SmCo)磁石、SmFeN系磁石、フェライト磁石、アルニコ磁石等で構成されることが好ましい。更に、各磁石磁極Mn,Msにおいて径方向に並設される複数の永久磁石42については、それらの磁気特性(保磁力や残留磁束密度)を互いに異ならせることが好ましい。例えば、外部磁界の影響を受けやすい外周側の永久磁石42の保磁力を大きく設定することで減磁を抑制できる。一方、内周側の永久磁石42では、外部磁界の影響を受けにくいことから大きな保磁力を必要としないため、保磁力を小さく(又は残留磁束密度を大きく)設定できる。従って、径方向に並設される複数の永久磁石42について、外周側に位置するものほど保磁力を大きく設定することが好ましい。
なお、図7の例では、各磁石収容孔41に永久磁石42が1つずつ設けられたが、これ以外に例えば、各磁石収容孔41に収容する永久磁石42を周方向において複数に分割してもよい。この構成によれば、永久磁石42の1つあたりのサイズを小さくできるため、各永久磁石42の成形が容易となる。
・図8に示すように、ロータコア24における磁極対Pの周方向間に位置する部位(磁束許容部24b)にスリット43を形成し、該スリット43の磁束整流作用により磁束許容部24bが突極44として作用するように構成してもよい。
同図に示す各ロータ部22a,22bでは、ロータコア24の周方向において、一対の磁極対Pの占有角度は略180°であり、残りの範囲は磁石が配置されない磁束許容部24bとして構成されている。つまり、ロータコア24には、一対の磁極対Pと一対の磁束許容部24bとが周方向において略90°毎に交互に構成されている。なお、各磁石磁極Mn,Msの磁石配置構成は、図7に示す構成と同様である。
各磁束許容部24bには、径方向に並ぶ複数(同図の例では3つ)のスリット43からなるスリット群43Hが一対形成されている。各スリット群43Hの各スリット43は、軸方向から見てロータ21の中心(軸線L)に向かって凸となる湾曲形状をなしている。なお、同図に示す例では、各スリット群43Hの各スリット43は、各磁石磁極Mn,Msにおける各磁石収容孔41と同形状をなしている。また、各スリット群43Hは、各スリット43の湾曲頂点部分(軸方向視において最も軸線Lに接近する部分)が径方向に沿って並ぶように構成されている。そして、各スリット群43Hの周方向中心(湾曲頂点部分)と、各磁石磁極Mn,Msの周方向中心とが周方向等間隔(同図の例では45°等間隔)に位置するように構成されている。なお、同図に示す構成では、各スリット群43Hにおけるスリット43の個数を3つとしているが、これに限らず、2つ又は4つ以上としてもよい。
このような構成によれば、ロータコア24における各スリット43間の部位(スリット間部位R2)がq軸磁路となるため、q軸インダクタンスが十分大きくなる。また、d軸磁路では、各スリット43が磁気抵抗となるため、d軸インダクタンスが十分小さくなる。従って、q軸,d軸インダクタンスの差(所謂、突極比)を大きくとることができる。これにより、各磁束許容部24bの周方向中心位置(つまり、周方向に隣り合うスリット群43Hの間の中心位置)と、周方向に隣り合うスリット群43Hと磁石磁極Mn,Ms(磁石収容孔41)との間の周方向中心位置とに突極44が生じる。そして、これら各突極44でリラクタンストルクを得ることができ、より一層の高トルク化に寄与できる。なお、突極44は、ロータコア24に形成された各スリット43の磁束整流作用によって極となるものであって、永久磁石を有する磁石磁極ではないため、磁束許容部24bが突極44を有する場合であっても、該磁束許容部24bが弱め界磁電流による鎖交磁束の発生を許容する機能を果たすようになっている。
なお、図8に示す例では、各磁石磁極Mn,Msにおける磁石構成を図7に示す構成としたが、これに限らず、上記実施形態のような構成や、図6に示すような構成(SPM構造)としてもよい。
・上記実施形態や図6及び図7等に示す構成の各ロータ部22a,22bでは、各非磁極部26が周方向に隣り合う磁石磁極Mn,Ms(永久磁石23)の磁界の影響をほぼ受けない(つまり、磁極とならない)構成としたが、これに特に限定されるものではない。
例えば、図9に示す構成は、図6に示す各ロータ部22a,22bのロータコア24に対し、径方向に沿って延びる複数のスリット孔45,46を周方向等間隔(90°間隔)に形成したものである。スリット孔45は、周方向に隣り合う磁石磁極Mn,Mnの境界部にそれぞれ設けられている。この各スリット孔45は、ロータコア24の固定孔24aの近傍位置から径方向に沿って永久磁石32の近傍位置まで延びている。また、スリット孔46は、各突部33の周方向中央部に対応する位置に設けられている。この各スリット孔46は、ロータコア24の固定孔24aの近傍位置から径方向に沿って突部33まで延びている。
このような構成の各ロータ部22a,22bでは、各突部33においてスリット孔46によって区画された周方向半分がN極の疑似磁極Fnとして構成され、もう半分がS極の疑似磁極Fsとして構成される。詳しくは、各突部33の疑似磁極Fnは、S極の磁石磁極Ms(外周側がS極の永久磁石32)と隣り合い、そのS極の永久磁石32の磁界によってN極の磁極として機能する。同様に、各突部33の疑似磁極Fsは、N極の磁石磁極Mn(外周側がN極の永久磁石32)と隣り合い、そのN極の永久磁石32の磁界によってS極の磁極として機能する。なお、一対のN極の疑似磁極Fnは周方向において180°対向位置に配置され、一対のS極の疑似磁極Fsも同様に周方向において180°対向位置に配置されている。そして、周方向に隣り合う磁石磁極Mn,Msからなる第1磁極対と、周方向に隣り合う疑似磁極Fn,Fsからなる第2磁極対とは、互いに同数設けられ、かつ、周方向等間隔(90°毎)に交互に配置されている。このため、各ロータ部22a,22bが機械的にバランスの優れた構成となる。
また、これら各スリット孔45,46内は空隙であり、磁性金属のロータコア24よりも磁気抵抗が大きいため、各スリット孔45,46によってロータコア24内を通る各永久磁石32の磁束が隣り合う疑似磁極Fn,Fsに好適に誘導されるようになっている(図9の破線の矢印を参照)。
このような各ロータ部22a,22bの構成によれば、疑似磁極Fn,Fs(第2磁極部)ではステータ11側に与える磁力が磁石磁極Mn,Ms(第1磁極部)よりも弱くなる。このため、各巻線13で弱め界磁磁束が生じやすくなるため、弱め界磁磁束による誘起電圧の低減効果をより得ることができ、その結果、モータ10の高回転化を図る点でより好適となる。そして、このような構成の各ロータ部22a,22bを互いに周方向にずらしつつ軸方向に並設することで、上記実施形態と同様にロータ21の振動を抑制できる。
なお、図9に示す構成の各ロータ部22a,22bにおいても、軸方向に並設されるロータ部22a,22bの個数をm、各ロータ部22a,22bにおける磁石磁極Mn,Msの対(前記第1磁極対)の個数をtとして、各ロータ部22a,22b同士の周方向のずれ角θが、θ=360/(m×t)(°)となるように設定されることが好ましい。この構成によれば、上記実施形態の効果(4)と略同様の効果を得ることができる。また、同図に示す構成において、各スリット孔46を突部33の外周面まで延ばし、各突部33を疑似磁極Fn,Fsに対応して2つに分割する構成としてもよい。また、各スリット孔45,46の形状は、図9に示す例に限定されるものではなく、構成に応じて適宜変更してもよい。
また、図9に示す構成では、磁石磁極Mn,Msよりも磁力が弱い第2磁極部として、ロータコア24の突部33からなる疑似磁極Fn,Fsを備えたが、これに特に限定されるものではない。例えば、図10に示す構成の各ロータ部22a,22bは、図9に示す構成の各疑似磁極Fn,Fsの代わりに、永久磁石32よりも磁力の弱い永久磁石32aを有する第2磁石磁極Mn2,Ms2(第2磁極部)を備える。なお、図10に示す構成では、永久磁石32を有する磁石磁極を第1磁石磁極Mn1,Ms1(第1磁極部)とする。
同図に示すように、各第2磁石磁極Mn2,Ms2の永久磁石32aの径方向厚さT2は、各第1磁石磁極Mn1,Ms1の永久磁石32の径方向厚さT1よりも薄く設定されている。これにより、ロータ部22a,22b側からステータ11側に与える磁力を第1磁石磁極Mn1,Ms1よりも第2磁石磁極Mn2,Ms2で弱くしている。このような構成によっても、弱め界磁磁束による誘起電圧の低減効果をより得ることができ、その結果、モータ10の高回転化を図る点でより好適となる。
なお、図10に示す構成では、永久磁石32,32aの径方向厚さを異ならせることで、第2磁石磁極Mn2,Ms2の磁力を第1磁石磁極Mn1,Ms1よりも弱く構成したが、これに限定されるものではない。例えば、永久磁石32aの開角度を永久磁石32の開角度よりも狭く設定することで、第2磁石磁極Mn2,Ms2の磁力を第1磁石磁極Mn1,Ms1よりも弱く構成してもよい。また、例えば、各永久磁石32,32aを同一の磁石とするとともに、永久磁石32aを永久磁石32よりも径方向内側に配置することで、第2磁石磁極Mn2,Ms2の磁力を第1磁石磁極Mn1,Ms1よりも弱く構成してもよい。また、例えば、永久磁石32aの残留磁束密度を永久磁石32の残留磁束密度よりも小さく設定することで、第2磁石磁極Mn2,Ms2の磁力を第1磁石磁極Mn1,Ms1よりも弱く構成してもよい。
なお、上記では、第2磁極部(疑似磁極Fn,Fs及び第2磁石磁極Mn2,Ms2)を備える構成を、SPM構造を例にとって説明したが、図1(b)や図7、図8に示すようなIPM構造にも適用可能である。
・上記実施形態では、各相の巻線、つまり、U相巻線U1〜U4、V相巻線V1〜V4、及びW相巻線W1〜W4がそれぞれ直列接続されたが、これに特に限定されるものではなく、巻線態様は適宜変更してもよい。
例えば、図11に示す例では、U相において、巻線U1,U2が直列接続され、また、巻線U3,U4が直列接続され、それら巻線U1,U2の直列対と巻線U3,U4の直列対とが並列接続されている。V相においても同様に、巻線V1,V2が直列接続され、また、巻線V3,V4が直列接続され、それら巻線V1,V2の直列対と巻線V3,V4の直列対とが並列接続されている。また、W相においても同様に、巻線W1,W2が直列接続され、また、巻線W3,W4が直列接続され、それら巻線W1,W2の直列対と巻線W3,W4の直列対とが並列接続されている。
なお、同図の例では、U相において、巻線U1,U2、及び巻線U3,U4をそれぞれ直列対としたが、巻線U1,U4、及び巻線U2,U3をそれぞれ直列対としてもよい。また、同図の例では、U相において、巻線U1,U2の直列対と巻線U3,U4の直列対とが並列接続されたが、これに特に限定されるものではなく、巻線U1,U2の直列対と巻線U3,U4の直列対とを分離し、その分離した直列対のそれぞれにU相の駆動電流を供給すべくインバータを一対設けてもよい。また、V相及びW相においても同様の変更が可能である。また、上記実施形態(図3参照)及び図11に示す例では、巻線の結線態様をスター結線としたが、これに限らず、例えばデルタ結線としてもよい。
・上記実施形態では、各ロータ部22a,22bにおける磁石磁極Mn,Msの総数を4個とし、ステータ11の巻線13の個数(スロット数)を12個としたが、磁石磁極Mn,Msの総数と巻線13の個数は構成に応じて適宜変更可能である。例えば、各ロータ部22a,22bの磁石磁極Mn,Msの総数と巻線13の個数との関係がn:3n(ただし、nは2以上の整数)となるように、各ロータ部22a,22bの磁石磁極Mn,Msの総数と巻線13の個数を適宜変更してもよい。なお、上記実施形態のように、各ロータ部22a,22bにおいて、磁石磁極Mn,Msの総数を偶数とすれば、磁石磁極Mn,Msを同数とすることができ、磁気的にバランスの良い構成とすることが可能となる。
また、各ロータ部22a,22bの磁石磁極Mn,Msの総数と巻線13の個数との関係は必ずしもn:3n(ただし、nは2以上の整数)である必要はなく、例えば、各ロータ部22a,22bの磁石磁極Mn,Msの総数と巻線13の個数との関係を5:12や7:12等で構成してもよい。
図12には、各ロータ部22a,22bの磁石磁極Mn,Msの総数と巻線13の個数との関係を5:12としたモータ10aの一例を示している。なお、図12の例では、上記実施形態や上記の各変形例と同一の構成については同一の符号を付してその詳細な説明は省略し、相異する部分について詳細に説明する。
同図に示すモータ10aにおいて、ステータ11の12個の巻線13は、供給される3相の駆動電流(U相、V相、W相)に応じて分類され、図12において反時計回り方向に順に、U1、バーU2、バーV1、V2、W1、バーW2、バーU1、U2、V1、バーV2、バーW1、W2とする。なお、正巻きで構成されるU相巻線U1,U2、V相巻線V1,V2、W相巻線W1,W2に対し、U相巻線バーU1,バーU2、V相巻線バーV1,バーV2、W相巻線バーW1,バーW2は逆巻きで構成される。また、U相巻線U1,バーU1は互いに180°対向位置にされ、同様に、U相巻線U2,バーU2は互いに180°対向位置にされる。これは他相(V相及びW相)においても同様である。
U相巻線U1,U2,バーU1,バーU2は直列に繋がって構成され、同様に、V相巻線V1,V2,バーV1,バーV2は直列に繋がって構成され、W相巻線W1,W2,バーW1,バーW2は直列に繋がって構成されている。そして、U相巻線U1,U2,バーU1,バーU2にはU相の駆動電流が供給される。これにより、正巻きのU相巻線U1,U2に対して逆巻きのU相巻線バーU1,バーU2は常に逆極性(逆位相)で励磁されることとなるが、励磁タイミングは同一である。このことは他相(V相及びW相)においても同様である。なお、各相の巻線には、ロータ21の極数を磁石磁極Mn,Msの数の2倍(つまり、本例では10極)とみなして設定された駆動電流が供給される。
モータ10aにおいて、第1ロータ部22aの外周部には、3つの磁石磁極Msと2つの磁石磁極Mnとが周方向に交互に隣接配置された磁極組Paと、ロータコア24の突部33とがそれぞれ1つ設けられている。
磁石磁極Mn,Ms(永久磁石32)の開角度は、互いに等しく設定されている。また、磁石磁極Mn,Ms(永久磁石32)の開角度は、磁石磁極Mn,Msの総数(永久磁石32の個数)をn個として、(360/2n)°に設定されている。本例では、磁石磁極Mn,Msの総数は5個であるため、磁石磁極Mn,Ms(永久磁石32)の開角度は36°に設定され、磁極組Paの開角度は180°となっている。
つまり、本例では、ロータ21の外周の半分に磁極組Paが設けられ、もう半分に開角度が略180°に形成された突部33が形成されている。これにより、ロータ21は、各磁石磁極Mn,Msの180°反対側に突部33が位置するように構成されている。なお、ロータコア24の突部33の開角度は、周方向に隣り合う磁石磁極Ms(永久磁石32)との間の空隙Kの分だけ180°よりも小さくなっている。
同例のロータ21は、このような構成の第1ロータ部22aと、該第1ロータ部22aと同様の構成を有する第2ロータ部22b(同図では図示略)とが軸方向に並設されて構成され、第1ロータ部22aと第2ロータ部22bとの周方向のずれ角は180°に設定されている。つまり、同例のロータ21では、第1ロータ部22aの磁極組Paと第2ロータ部22bの突部とが軸方向に並設され、第1ロータ部22aの突部33と第2ロータ部22bの磁極組とが軸方向に並設されている。
上記構成のモータ10aでは、ロータ21の高速回転時(弱め界磁制御時)において、第1ロータ部22aの例えばS極の磁石磁極MsがU相巻線U1と径方向に対向するとき、その周方向反対側において第1ロータ部22aの突部33がU相巻線バーU1と径方向に対向する(図12参照)。つまり、磁石磁極Msと突部33とが、互いに逆位相(同一タイミング)で励磁されるU相巻線U1,バーU1とそれぞれ同時に対向する。また、このとき、第2ロータ部22bでは、S極の磁石磁極がU相巻線バーU1と対向し、突部がU相巻線U1と対向する。
ここで、U相巻線U1,バーU1には弱め界磁電流が供給されており、U相巻線バーU1では、第1ロータ部22aの突部33と径方向に対向することから、弱め界磁電流によってU相巻線バーU1に生じる鎖交磁束(弱め界磁磁束)がロータ21側に通りやすくなる。また、U相巻線U1では、第2ロータ部22bの突部と径方向に対向することから、U相巻線U1に生じる弱め界磁磁束がロータ21側に通りやすくなる。これらのことから、U相巻線U1,バーU1において弱め界磁磁束が生じやすくなるため、弱め界磁磁束による誘起電圧(逆起電圧)の低減効果をより得られる構成となっている。そして、各相の巻線13において同様の効果が得られるため、モータ10aの高回転化を図ることができる。
なお、磁石磁極Mn,Msの各個数は、図12に示す例に限られるものではなく、例えば、磁石磁極Mnを3つ、磁石磁極Msを2つで構成してもよい。
また、各ロータ部22a,22bにおける磁石磁極Mn,Ms及び突部33の配置は、図12に示す例に限定されるものではなく、磁石磁極Mn,Msの周方向反対側に突部33が位置する構成であれば、例えば、図13に示す構成のように変更してもよい。
図13に示す構成では、図12に示す構成の磁極組Paにおける中央の磁石磁極Msに代えて突部33を形成するとともに、その周方向反対側に磁石磁極Mn(N極の永久磁石32)を設けた構成である。この構成によれば、図12に示す構成と同等の効果が得られ、更には、図12に示す構成と比較して、各ロータ部22a,22bを磁気的に、また機械的にバランスの優れた構成とすることができる。
また、ステータ11側において、各U相巻線U1,U2,バーU1,バーU2が全て直列に接続される必要はなく、巻線U1,バーU1、及び巻線U2,バーU2をそれぞれ別の直列対とした構成としてもよい。また、V相及びW相においても同様に変更可能である。
また、図12には、磁石磁極Mn,Msの総数と巻線13の個数との関係を5:12とした例を示したが、7:12とした構成にも適用可能である。また、5:12(又は7:12)の磁石磁極Mn,Msの総数と巻線13の個数をそれぞれ等倍した構成にも適用可能である。
・上記実施形態では、永久磁石23を焼結磁石としたが、これ以外に例えば、ボンド磁石としてもよい。
・上記実施形態では、ロータ21をステータ11の内周側に配置したインナロータ型のモータ10に具体化したが、これに特に限定されるものではなく、ロータをステータの外周側に配置したアウタロータ型のモータに具体化してもよい。
・上記実施形態では、ステータ11とロータ21とが径方向に対向するラジアルギャップ型のモータ10に具体化したが、これに特に限定されるものではなく、ステータとロータとが軸方向に対向するアキシャルギャップ型のモータに適用してもよい。
・上記した実施形態並びに各変形例は適宜組み合わせてもよい。
10,10a…モータ、11…ステータ、12…ステータコア、12a…ティース、13…巻線、21…ロータ、22a…第1ロータ部、22b…第2ロータ部、23…永久磁石、24…ロータコア、25…回転軸、26…非磁極部(磁束許容部)、Mn,Ms…磁石磁極、P…磁極対、31…非磁性部材(非磁性層)、32,32a…永久磁石、33…突部(磁束許容部)、42…永久磁石、24b…磁束許容部、Fn,Fs…疑似磁極(第2磁極部)、Mn1,Ms1…第1磁石磁極(第1磁極部)、Mn2,Ms2…第2磁石磁極(第2磁極部)、U1〜U4…U相巻線、V1〜V4…V相巻線、W1〜W4…W相巻線。

Claims (7)

  1. ステータの巻線に駆動電流が供給されることで生じる回転磁界を受けてロータが回転するモータであって、
    前記巻線は、前記駆動電流によって互いに同一のタイミングで励磁され、かつ、直列接続された第1の巻線と第2の巻線とを備え、
    前記ロータは、永久磁石を有する磁石磁極と、前記磁石磁極が前記第1の巻線と対向するロータの回転位置で前記第2の巻線と対向し、該第2の巻線での弱め界磁電流による鎖交磁束の発生を許容する磁束許容部とをそれぞれ備えた複数のロータ部が軸方向に並設されてなり、
    前記各ロータ部の前記磁石磁極の数は互いに同数であって、前記各ロータ部の前記磁石磁極の位置が周方向に互いにずれていることを特徴とするモータ。
  2. 請求項1に記載のモータにおいて、
    前記各ロータ部において、周方向に隣接配置されたN極の前記磁石磁極とS極の前記磁石磁極とからなる磁極対が周方向等間隔に複数配置されていることを特徴とするモータ。
  3. 請求項2に記載のモータにおいて、
    軸方向に並設される前記ロータ部の個数をm、前記各ロータ部の前記磁極対の個数をtとして、
    前記各ロータ部は、軸方向一端のものから他端のものにかけて周方向一方に360/(m×t)(°)ずつずれていることを特徴とするモータ。
  4. ステータの巻線に駆動電流が供給されることで生じる回転磁界を受けてロータが回転するモータであって、
    前記巻線は、前記駆動電流によって互いに同一のタイミングで励磁され、かつ、直列接続された第1の巻線と第2の巻線とを備え、
    前記ロータは、複数のロータ部が軸方向に並設されてなり、
    前記各ロータ部の磁極は、永久磁石を有する第1磁極部と、前記第1磁極部が前記第1の巻線と対向するロータの回転位置で前記第2の巻線と対向し、前記ステータ側に与える磁力が前記第1磁極部よりも弱い第2磁極部とを有し、
    前記各ロータ部の磁極数は互いに同数であって、該各ロータ部の前記第1磁極部同士の磁極位置及び前記第2磁極部同士の磁極位置がそれぞれ周方向にずれていることを特徴とするモータ。
  5. 請求項4に記載のモータにおいて、
    前記各ロータ部において、周方向に隣接配置されたN極の前記第1磁極部及びS極の前記第1磁極部からなる第1磁極対と、周方向に隣接配置されたN極の前記第2磁極部及びS極の前記第2磁極部からなる第2磁極対とが互いに同数設けられ、かつ、周方向等間隔に交互に配置されていることを特徴とするモータ。
  6. 請求項5に記載のモータにおいて、
    軸方向に並設される前記ロータ部の個数をm、前記各ロータ部の前記第1磁極対の個数をtとして、
    前記各ロータ部は、軸方向一端のものから他端のものにかけて周方向一方に360/(m×t)(°)ずつずれていることを特徴とするモータ。
  7. 請求項1〜6のいずれか1項に記載のモータにおいて、
    前記各ロータ部の間に非磁性層が介在されていることを特徴とするモータ。
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