JP6711159B2 - 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、前記ロータは、ロータコアに設けられた永久磁石を用いる第1磁石磁極と、前記ロータコアに設けられた永久磁石を用い、前記第1磁石磁極に対して異極性の第2磁石磁極と、前記ロータコアにおいて径方向に突出形成された突部とが周方向に並設されてなり、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、前記突部は、磁石を含まない磁性体からなり、前記第1磁石磁極又は前記第2磁石磁極が前記第1の巻線と対向し且つ前記突部が前記第1の巻線と対向していないロータの回転位置で、前記第1磁石磁極又は前記第2磁石磁極が前記第2の巻線と対向することなく前記突部が前記第2の巻線と対向するように構成されている。
この構成によれば、第1磁石磁極又は第2磁石磁極が第1の巻線と対向するロータの回転位置で、ロータコアの突部が第2の巻線と対向するように構成される。これにより、ロータコアの一部である突部は、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妨げることなく作用する。このため、弱め界磁電流による鎖交磁束によって第2の巻線で生じる誘起電圧は、第1の巻線で磁石磁極からの磁束によって生じる誘起電圧に対して逆極性となる。従って、第1及び第2の巻線で生じる誘起電圧を合成した合成誘起電圧を小さく抑えることができ、その結果、モータの高回転化を図ることができる。
なお、同一のタイミングで励磁される第1及び第2の巻線が直列接続された巻線態様では、第1及び第2の巻線でそれぞれ生じる誘起電圧の和が合成誘起電圧となることから、該合成誘起電圧が大きくなる傾向がある。このため、第1及び第2の巻線が直列接続された構成においてロータコアに突部を設けることで、第1及び第2の巻線における合成誘起電圧の抑制効果をより顕著に得ることができ、モータの高回転化を図るのにより好適となる。
また、この構成のように、磁束の強制力のある第1及び第2磁石磁極と、磁束の強制力のないロータコアの突部とが周方向に並設される場合、第1磁石磁極(又は第2磁石磁極)と突部との境界部で急峻に磁束密度が変化し、これがコギングトルクの増大の一因となるおそれがあるが、ロータコアの突部の形状変更によってコギングトルクの位相をずらして該コギングトルクを抑制することが可能となる。
上記モータにおいて、前記第1及び第2磁石磁極の総数をn個として、ロータの回転軸線から径方向に延びる2n個の基準線を周方向において等角度間隔に設定し、前記第1及び第2磁石磁極は、それらの周方向中心が前記基準線のいずれかと一致するように配置され、周方向における前記磁石磁極の間に設けられる前記突部は複数であって、該複数の突部の少なくとも1つは、その周方向中心が前記基準線に対してずれるように配置されていることが好ましい。
この構成によれば、第1及び第2磁石磁極は、それらの周方向中心が基準線のいずれかと一致するように配置され、周方向における磁石磁極の間に複数設けられる突部は、その周方向中心が基準線に対してずれるように配置されている。これにより、ロータの回転時に発生するコギングトルクの位相をずらすことができるため、コギングトルクが特定周波数で極大化することを抑制することができる。その結果、コギングトルクに起因して発生する振動を抑制することができる。
上記モータにおいて、前記第1及び第2磁石磁極の総数をn個として、ロータの回転軸線から径方向に延びる2n個の基準線を周方向において等角度間隔に設定し、前記第1及び第2磁石磁極は、それらの周方向中心が前記基準線のいずれかと一致するように配置され、周方向における前記磁石磁極の間に設けられる前記突部は1つであって、該突部は、その周方向中心が前記周方向における前記磁石磁極の間の中心線に対してずれるように配置されていることが好ましい。
この構成によれば、第1及び第2磁石磁極は、それらの周方向中心が基準線のいずれかと一致するように配置され、周方向における磁石磁極の間に1つ設けられる突部は、その周方向中心が磁石磁極の間の中心線に対してずれるように配置されている。これにより、ロータの回転時に発生するコギングトルクの位相をずらすことができるため、コギングトルクが特定周波数で極大化することを抑制することができる。その結果、コギングトルクに起因して発生する振動を抑制することができる。
上記モータにおいて、前記突部における前記ステータとの対向面の開角度が、前記第1及び第2磁石磁極における前記ステータとの対向面の開角度とは異なるように設定されていることが好ましい。
この構成によれば、突部におけるステータとの対向面の開角度が、第1及び第2磁石磁極におけるステータとの対向面の開角度とは異なるように設定される。これにより、ロータの回転時に発生するコギングトルクの位相をずらすことができるため、コギングトルクが特定周波数で極大化することを抑制することができる。その結果、コギングトルクに起因して発生する振動を抑制することができる。
上記モータにおいて、前記突部の最外径が前記第1磁石磁極の最外径及び前記第2磁石磁極の最外径よりも大きく設定されていることが好ましい。
このような構成によれば、ステータ側とのエアギャップ(隙間)が各磁石磁極よりも突部で小さくなる。つまり、突部がステータ側により接近するため、前記弱め界磁電流による鎖交磁束を増加させることができる。その結果、第1及び第2の巻線で生じる誘起電圧を合成した合成誘起電圧をより小さく抑えることができ、モータのより一層の高回転化に寄与できる。
上記モータにおいて、前記第1及び第2磁石磁極はそれぞれ、前記永久磁石が前記ロータコアに埋設されてなることが好ましい。
この構成によれば、ロータが埋込磁石型構造(IPM構造)をなすため、弱め界磁制御時における永久磁石の減磁を抑制する点で有利となる。
上記モータにおいて、前記第1及び第2磁石磁極にはそれぞれ、一対の前記永久磁石が軸方向視で径方向外側に拡がる略V字をなすように設けられていることが好ましい。
この構成によれば、N極及びS極の磁石磁極にはそれぞれ、一対の永久磁石が軸方向視で径方向外側に拡がる略V字をなすように埋設されるため、永久磁石の外周側のロータコア体積を大きくとることが可能となる。それにより、リラクタンストルクを増やすことが可能となり、モータの高トルク化に寄与できる。
本発明のモータによれば、高回転化を図ることができる。
実施形態のモータの平面図である。 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。 同形態のロータにおける磁石磁極及び突部の配置パターンについて説明するための平面図である。 同形態のロータにおける磁石磁極及び突部の開角度の設定パターンについて説明するための平面図である。 別例のロータの平面図である。 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。 同別例のロータにおける磁石磁極及び突部の配置パターンについて説明するための平面図である。 同別例のロータにおける磁石磁極及び突部の開角度の設定パターンについて説明するための平面図である。 別例のロータの平面図である。 別例のロータの平面図である。 別例のロータの平面図である。 別例のロータの平面図である。 別例のロータの平面図である。 別例のロータの平面図である。 別例のロータの平面図である。 別例のロータの平面図である。 別例のロータの平面図である。 別例のロータの平面図である。 別例のロータの平面図である。 別例のロータの平面図である。 別例のロータの平面図である。 別例のロータの平面図である。 別例のロータの平面図である。 別例のロータの平面図である。 別例のロータの平面図である。 別例のロータの平面図である。 別例のロータの平面図である。 別例のロータの平面図である。 別例のロータの平面図である。 別例のロータの平面図である。 別例のロータの平面図である。 別例のロータの平面図である。
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2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1に示すように、ロータ21のロータコア22は、磁性金属にて略円盤状に形成され、中心部に回転軸23が固定されている。ロータコア22の外周部には、周方向に隣接するN極の磁石磁極MnとS極の磁石磁極Msとからなる2つの磁極対Pと、ロータコア22に一体形成され径方向外側に突出する4つの突部24a,24b,24c,24dとが、周方向において並設されている。つまり、ロータ21には、磁石磁極Mn,Msと突部24a〜24dとが同数で設けられている。
磁極対Pは、周方向において180°対向位置にそれぞれ設けられ、その磁極対Pの周方向間には、周方向に隣り合う一対の突部24a,24b、及び、周方向に隣り合う一対の突部24c,24dが設けられている。具体的には、ロータ21の外周部には、時計回り方向において順に、S極の磁石磁極Ms、N極の磁石磁極Mn、突部24a、突部24b、S極の磁石磁極Ms、N極の磁石磁極Mn、突部24c、突部24dが配されている。
N極の磁石磁極Mn及びS極の磁石磁極Msは、ロータコア22の外周面に固着された永久磁石25をそれぞれ有している。つまり、ロータ21は、4つの永久磁石25がロータコア22の外周面に固着された表面磁石型構造(SPM構造)をなしている。
各永久磁石25は互いに同一形状をなし、磁極対Pにおける一対の永久磁石25は周方向に隣り合うように配置されている。また、各永久磁石25におけるステータ11との対向面である外周面(径方向外側面)は、回転軸23の軸線L方向から見て該軸線Lを中心とする円弧状をなしている。また、各突部24a〜24dにおけるステータ11との対向面である外周面(径方向外側面)は、軸線L方向から見て各永久磁石25の外周面と同一円上に位置する円弧状に形成されている。
各永久磁石25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の永久磁石25は外周側に現れる磁極がN極となるように径方向に磁化され、S極の磁石磁極Msの永久磁石25は外周側に現れる磁極がS極となるように径方向に磁化されている。なお、各永久磁石25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。また、各永久磁石25は、同極のものが周方向において180°対向するように配置されている。つまり、N極の磁石磁極Mn同士は互いに180°対向位置に配置され、同様に、S極の磁石磁極Ms同士は互いに180°対向位置に配置されている。
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、ステータ11側の回転磁界と磁石磁極Mn,Msとの作用によってロータ21にマグネットトルクが生じ、ステータ11側の回転磁界とロータコア22の突部24a〜24dとの作用によってロータ21にリラクタンストルクが生じる。
また、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に示すように、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、突部24b,24dは、U相巻線U2,U4とそれぞれ径方向に対向する。
このとき、各U相巻線U1〜U4には弱め界磁電流が供給されているが、U相巻線U1,U3では、対向するN極の磁石磁極Mnが発する磁束(径方向外側への磁束)が弱め界磁電流による鎖交磁束(径方向内側への鎖交磁束)を上回り、U相巻線U1,U3には径方向外側に向かって通過する鎖交磁束φxが発生する。
一方、U相巻線U2,U4では、対向するロータ21側の部位が磁石磁極Mnではなくロータコア22の突部24b,24dであるため、弱め界磁電流による鎖交磁束φyが消滅せず、U相巻線U2,U4には鎖交磁束φyが径方向内側に向かって通過する。このように、U相巻線U2,U4と対向するロータコア22の突部24b,24dによって、弱め界磁電流による鎖交磁束φyの発生が許容されるため、U相巻線U2,U4には、磁石磁極MnによってU相巻線U1,U3に生じる鎖交磁束φxとは逆位相の鎖交磁束φyが発生する。
すると、各U相巻線U1〜U4には、鎖交磁束φx,φyによる誘起電圧が生じる。このとき、鎖交磁束φx,φyが互いに逆位相であるため、鎖交磁束φyによってU相巻線U2,U4に生じる誘起電圧は、鎖交磁束φxによってU相巻線U1,U3に生じる誘起電圧に対して逆極性(逆位相)となるため、各U相巻線U1〜U4の誘起電圧を合成した合成誘起電圧が効果的に減少されるようになっている。
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。つまり、S極の磁石磁極Msが例えばU相巻線U1,U3と対向するときには、ロータコア22の突部24a,24cがU相巻線U2,U4とそれぞれ対向するため、U相巻線U1,U3で生じる誘起電圧とU相巻線U2,U4で生じる誘起電圧とが逆位相となり、各U相巻線U1〜U4の合成誘起電圧が効果的に減少される。
また、上記ではU相巻線U1〜U4の合成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、ロータコア22の突部24a〜24dによる合成誘起電圧の減少が生じる。
[ロータの磁石磁極及び突部の配置について]
図3に示すように、磁石磁極Mn,Msの総数をn個として、ロータ21の回転軸線(回転軸23の軸線L)から径方向に延びる2n個の基準線を、周方向において等角度間隔に設定する。本実施形態では、磁石磁極Mn,Msの総数が4個であるため、8個の基準線X1〜X8を時計回り方向において順に45°等間隔で設定する。
各磁石磁極Mn,Msは、それらの周方向中心が8個の基準線X1〜X8のいずれかと一致するように配置されている。
詳しくは、一対のN極の磁石磁極Mnは、それらの周方向中心が基準線X4,X8と一致するように配置されている。つまり、一対のN極の磁石磁極Mnは、互いに周方向の180°対向位置に配置されている。
また、一対のS極の磁石磁極Msは、それらの周方向中心が基準線X3,X7と一致するように配置されている。つまり、一対のS極の磁石磁極Msは、互いに周方向の180°対向位置に配置されている。また、磁極対Pにおける互いに隣接する磁石磁極Mn,Msは、それらの周方向中心間の間隔(開角度)が45°に設定されている。
一方、各突部24a〜24dは、それらの周方向中心C1〜C4が基準線X1〜X8のいずれに対してもずれるように配置されている。以下には、突部24a〜24dの配置パターンを幾つか例示する。
なお、以下では、基準線X1に対する突部24aの周方向中心C1のずれ角をθa、基準線X2に対する突部24bの周方向中心C2のずれ角をθb、基準線X5に対する突部24cの周方向中心C3のずれ角をθc、基準線X6に対する突部24dの周方向中心C4のずれ角をθdとし、時計回り方向へのずれ角を正の値として説明する。
(配置パターン1)
θa<0°、θb>0°
θc=θa
θd=θb
(配置パターン2)
θa>0°、θb<0°
θc=θa
θd=θb
(配置パターン3)
θa<0°、θb<0°
θc=θa
θd=θb
(配置パターン4)
θa>0°、θb>0°
θc=θa
θd=θb
なお、上記の配置パターン1〜4では、いずれにおいても、θc=θa、θd=θbと設定したが、これに限定されることはなく、θc≠θa、θb≠θdと設定してもよい。また、上記の配置パターン1〜4では、θa〜θd≠0°、つまり、突部24a〜24dのいずれにおいても基準線X1,X2,X5,X6に対してずらす構成としているが、突部24a〜24dの少なくとも1つが基準線に対してずれた配置となっていれば、残りの突部については周方向中心が基準線と一致する配置であってもよい。
また、周方向に隣り合う突部24a,24b(突部24c,24d)の間、及び突部24a〜24dと隣り合う磁石磁極Mn,Msとの間には、空隙が形成されることが望ましい。
[ロータの磁石磁極及び突部の開角度について]
次に、N極の磁石磁極Mn(N極の永久磁石25)の外周面26(径方向外側面)の開角度θn、S極の磁石磁極Ms(S極の永久磁石25)の外周面27(径方向外側面)の開角度θs、及び突部24a〜24dの外周面28(径方向外側面)の開角度θ1〜θ4の設定について、図4に従って説明する。なお、開角度は、対象の周方向一端から他端までの角度である。
各磁石磁極Mn,Msの開角度θn,θsは互いに等しく設定され、各突部24a〜24dの開角度θ1〜θ4は、該開角度θn,θsよりも小さく設定される。以下には、突部24a〜24dの開角度θ1〜θ4の設定パターンを幾つか例示する。
(開角度の設定パターン1)
θn=θs=α
θ1=θ2=θ3=θ4=β
β<α
(開角度の設定パターン2)
θn=θs=α
θ1=θ3=β
θ2=θ4=γ
β≠γ
β,γ<α
(開角度の設定パターン3)
θ1=θ2=θ3=θ4=α
α<θs<θn
なお、上記の設定パターン1〜3では、いずれにおいても、θ1=θ3、θ2=θ4と設定したが、これに限定されることはなく、θ1≠θ3、θ2≠θ4と設定してもよい。
また、図4に示す構成では、突部24a〜24dの周方向中心が基準線X1,X2,X5,X6とそれぞれ一致する配置としているが、これに限らず、上記の配置パターン1〜4のいずれかと、上記の開角度の設定パターン1〜3のいずれかとを組み合わせた構成とすることも可能である。
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。そして、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、突部24b,24d(又は突部24a,24c)がU相巻線U2,U4とそれぞれ対向するように構成される。
この構成によれば、突部24a〜24dと対向する巻線13で弱め界磁電流による鎖交磁束φyによって生じる誘起電圧は、磁石磁極Mn(又は磁石磁極Ms)と対向する巻線13で生じる誘起電圧に対して逆極性(逆位相)となる。これにより、各相における合成誘起電圧を小さく抑えることができ、その結果、モータ10の高回転化を図ることができる。
なお、本実施形態のように、巻線13が各相でそれぞれ直列とされた巻線態様では、相毎の各巻線でそれぞれ生じる誘起電圧の和が合成誘起電圧となることから、該合成誘起電圧が大きくなる傾向がある。このため、巻線13が各相でそれぞれ直列とされた構成において上記のようにロータ21に突部24a〜24dを設けることで、合成誘起電圧の抑制効果をより顕著に得ることができ、モータ10の高回転化を図るのにより好適となる。
また、ロータ21が突部24a〜24dを備えることにより、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25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)磁石磁極Mn,Msは、それらの周方向中心が基準線X3,X4,X7,X8とそれぞれ一致するように配置され、突部24a〜24dの少なくとも1つは、周方向中心が基準線X1,X2,X5,X6に対してずれるように配置される。
この構成によれば、ロータ21の回転時に発生するコギングトルクの位相をずらすことができるため、コギングトルクが特定周波数で極大化することを抑制することができる。これにより、コギングトルクに起因して発生する振動を抑制することができる。
(3)突部24a〜24dの少なくとも1つは、その外周面28の開角度が磁石磁極Mn,Ms(永久磁石25)の外周面26,27の開角度θn,θsとは異なるように設定される。
この構成によっても、ロータ21の回転時に発生するコギングトルクの位相をずらすことができるため、コギングトルクが特定周波数で極大化することを抑制することができる。これにより、コギングトルクに起因して発生する振動を抑制することができる。
なお、上記実施形態は、以下のように変更してもよい。
・上記実施形態のロータ21において、図5に示すように、回転軸23の径方向に沿って延びるスリット孔22aをロータコア22に形成してもよい。同図に示す例では、スリット孔22aは周方向に90°間隔に配設され、周方向に隣り合う突部24a,24b、及び突部24c,24d間の境界部と、周方向に隣り合う磁石磁極Mn,Mn間の境界部とにそれぞれ設けられている。また、各スリット孔22aは、ロータコア22を軸方向に貫通している。これら各スリット孔22a内は空隙であり、磁性金属のロータコア22よりも磁気抵抗が大きいため、各スリット孔22aによってロータコア22内を通る各永久磁石25の磁束を周方向に隣り合う突部24a〜24dに好適に誘導させることが可能となる(図中、破線の矢印を参照)。
これにより、各突部24a〜24dは、周方向に隣り合う磁石磁極Mn,Ms(永久磁石25)の磁束作用によって疑似的な磁極(コア磁極)として機能する。すなわち、N極の磁石磁極Mnと周方向に隣り合う突部24a,24cはS極のコア磁極Rsとして構成され、S極の磁石磁極Msと周方向に隣り合う突部24b,24dはN極のコア磁極Rnとして構成される。
ここで、上記実施形態では、図5に示す構成のようなスリット孔22aがロータコア22に形成されていないことから、磁石磁極Mn,Msの磁束(磁石磁束)は異極間同士で短絡して突部24a〜24dにほぼ流れない。これにより、突部24a〜24dには、磁石磁束による磁極が形成されないようになっている。その結果、各突部24a〜24dは、巻線13における弱め界磁磁束(弱め界磁電流による鎖交磁束φy)の発生を許容する磁束許容部として構成される。このような構成では、マグネットトルクが稼ぎにくく、高トルク化を図る点では不利となるものの、上記したように高回転化を図る点では有利である。
一方、図5に示す構成では、ロータコア22に形成された各スリット孔22aによって、各突部24a〜24dがコア磁極Rn,Rsとして機能するため、コア磁極Rn,Rs(突部24a〜24d)の磁束により巻線13の弱め界磁磁束(弱め界磁電流によって生じる鎖交磁束)が発生しにくくなる。これにより、上記実施形態のような突部24a〜24dを磁束許容部とする構成に比べて高回転化を図る点では不利となるものの、高トルク化を図る点で有利な構成となる。
すなわち、上記実施形態のように突部24a〜24dを磁束許容部として機能させるか、コア磁極Rn,Rsとして機能させるかによって、モータの出力特性(トルク及び回転数)を調整する事が可能となる。また、突部24a〜24dをコア磁極Rn,Rsとして機能させる場合には、コア磁極Rn,Rs(突部24a〜24d)に誘導する磁石磁束の量の調整(例えばスリット孔22aの形状等の構成変更)によっても、モータの出力特性(トルク及び回転数)を調整する事が可能となる。
・上記実施形態のロータ21では、磁石磁極Mn,Ms(永久磁石25)は同極のもの同士が180°対向位置に配置されたが、これに特に限定されるものではない。
例えば、磁石磁極Mn,Ms(永久磁石25)をロータコア22の半周にN極・S極で交互に設け、残りの半周に突部24a〜24dを設けてもよい。このような構成によっても、上記実施形態の効果(3)と同様の効果を得ることができる。
・上記実施形態のロータ21は、磁石磁極Mn,Msを構成する永久磁石25がロータコア22の外周面に固着されたSPM構造をなしているが、これに特に限定されるものではなく、各磁石磁極Mn,Msにおいてロータコア22に永久磁石を埋め込む態様とした埋込磁石型構造(IPM構造)としてもよい。
・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6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。
上記実施形態のロータ21の構成(図1参照)の場合、例えばU相において巻線U1及び巻線U3には互いに同等の大きさの誘起電圧が生じ、また、巻線U2及び巻線U4には互いに同等の大きさの誘起電圧が生じる。このため、巻線U1,U2の直列対で生じる合成誘起電圧と、巻線U3,U4の直列対で生じる合成誘起電圧とが略同等となる。これにより、突部24a〜24dを設けたことによる誘起電圧の減少が、巻線U1,U2の直列対及び巻線U3,U4の直列対の両方において常に生じることとなる。そして、巻線U1,U2の直列対と巻線U3,U4の直列対とが並列であるため、U相巻線全体における合成誘起電圧は、巻線U1,U2の直列対の合成誘起電圧(及び巻線U3,U4の直列対の合成誘起電圧)と略同等となり、該合成誘起電圧を効果的に抑制することができる。
ここで、図6に示す例において巻線U2と巻線U3を入れ替えた場合、すなわち、誘起電圧の大きさが同等である巻線U1,U3、及び巻線U2,U4をそれぞれ直列とした場合を考える。この場合、突部24a〜24dを設けたことによる誘起電圧の減少が、巻線U2,U4の直列対と巻線U1,U3の直列対のいずれか一方のみで生じ、他方では誘起電圧が減少しない。そして、巻線U1,U3の直列対と巻線U2,U4の直列対とが並列であることから、U相巻線全体における合成誘起電圧を効果的に抑制する点で不利となる。なお、各U相巻線U1〜U4を並列とした場合においても同様に、U相巻線全体における合成誘起電圧を効果的に抑制する点で不利となる。
以上のように、ロータ21の所定の回転位置において磁石磁極Mn(磁石磁極Ms)と突部とにそれぞれ対向する巻線(例えばU相巻線U1とU相巻線U2)同士を直列接続することで、その直列に接続した同相巻線に生じた互いに逆極性(逆位相)の誘起電圧を足し合わせて合成誘起電圧とすることができる。これにより、各相における合成誘起電圧を効果的に抑制することができる。
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同様の効果を得ることができる。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、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。この構成によっても、同様の効果を得ることができる。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2参照)及び図6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、ロータ21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、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、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、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、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、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7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としたモータ30の一例を示している。なお、図7の例では、上記実施形態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30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7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31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30のロータ31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22の5つの突部24a〜24eとが設けられている。詳しくは、磁極組Paは、ロータ31の外周の半分に設けられ、残りの半分の範囲に突部24a〜24eが設けられている。また、磁石磁極Mn,Msの周方向反対側において、それぞれ突部24a〜24eが配置されている。
上記構成では、ロータ31の高速回転時(弱め界磁制御時)において、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ロータコア22の突部24aがU相巻線バーU1と径方向に対向する(図7参照)。つまり、磁石磁極Msと突部24a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。
このとき、U相巻線U1,バーU1には弱め界磁電流が供給されているが、U相巻線U1では、対向する磁石磁極Msの磁束(径方向内側への磁束)が弱め界磁電流による鎖交磁束(径方向外側への鎖交磁束)を上回り、U相巻線U1には径方向内側に向かって通過する鎖交磁束φxが発生する。
一方、U相巻線バーU1では、対向するロータ31側の部位がロータコア22の突部24aであるため、弱め界磁電流による鎖交磁束φyが消滅せず、U相巻線バーU1には鎖交磁束φyが径方向外側に向かって通過する。このように、U相巻線バーU1には、磁石磁極MsによってU相巻線U1に生じる鎖交磁束φxとは逆位相の鎖交磁束φyが発生する。これにより、鎖交磁束φxによってU相巻線U1に生じる誘起電圧に対して、鎖交磁束φyによってU相巻線バーU1に生じる誘起電圧が逆極性(逆位相)となるため、U相巻線U1,バーU1での合成誘起電圧を小さく抑えることができる。このように、各相において合成誘起電圧を抑制することができるため、モータ30の高回転化を図ることができる。
次に、ロータ31の磁石磁極Mn,Ms及び突部24a〜24eの配置について説明する。
上記実施形態と同様に、磁石磁極Mn,Msの総数をn個として、ロータ31の回転軸線(回転軸23の軸線L)から径方向に延びる2n個の基準線を、周方向において等角度間隔に設定する。同例のロータ31では、図8に示すように、磁石磁極Mn,Msの総数が5個であるため、10個の基準線X1〜X10を時計回り方向において順に36°等間隔で設定する。
各磁石磁極Mn,Msは、それらの周方向中心が10個の基準線X1〜X10のいずれかと一致するように配置されている。
詳しくは、3つのS極の磁石磁極Msは、それらの周方向中心が基準線X1,X3,X5とそれぞれ一致するように配置され、2つのN極の磁石磁極Mnは、それらの周方向中心が基準線X2,X4とそれぞれ一致するように配置されている。つまり、各磁石磁極Mn,Msは、それらの周方向中心間の間隔(開角度)が36°に設定されている。
一方、各突部24a〜24eは、それらの周方向中心C1〜C5が基準線X1〜X10のいずれに対してもずれるように配置されている。以下には、突部24a〜24eの配置パターンを幾つか例示する。
なお、以下では、基準線X6に対する突部24aの周方向中心C1のずれ角をθa、基準線X7に対する突部24bの周方向中心C2のずれ角をθb、基準線X8に対する突部24cの周方向中心C3のずれ角をθc、基準線X9に対する突部24dの周方向中心C4のずれ角をθd、基準線X10に対する突部24eの周方向中心C5のずれ角をθeとする。また、時計回り方向へのずれ角を正の値として説明する。
(配置パターン5)
θa>0°
θb=θa
θc=0°
θd<0°
θe=θd
(配置パターン6)
θa<0°
θb=θa
θc=0°
θd>0°
θe=θd
(配置パターン7)
θa>0°、θb<0°
θc=0°
θd=θa
θe=θb
(配置パターン8)
θa<0°、θb>0°
θc=0°
θd=θa
θe=θb
(配置パターン9)
θa>0°、θb>0°θc>0°、θd>0°θe>0°
(配置パターン10)
θa<0°、θb<0°θc<0°、θd<0°θe<0°
(配置パターン11)
θa+θb+θc+θd+θe=0°(ただし、θa〜θdは全て異なる値に設定される。)
次に、磁石磁極Mn,Msの外周面26,27の開角度θn,θs及び突部24a〜24eの外周面28の開角度θ1〜θ5の設定について、図9に従って説明する。
各磁石磁極Mn,Msの開角度θn,θsは互いに等しく設定され、各突部24a〜24eの開角度θ1〜θ5は、該開角度θn,θsよりも小さく設定される。以下には、突部24a〜24eの開角度θ1〜θ5の設定パターンを幾つか例示する。
(開角度の設定パターン4)
θn=θs=α
θ1=θ2=θ3=θ4=θ5=β
β<α
(開角度の設定パターン5)
θ1=θ2=θ3=θ4=θ5=α
α<θs<θn
なお、上記の設定パターン4,5では、各突部24a〜24eの開角度θ1〜θ5を全て等しく設定しているが、これに限定されることはなく、開角度θ1〜θ5を全て異なる値に設定してもよい。
また、図9に示す構成では、突部24a〜24eの周方向中心が基準線X6〜X10とそれぞれ一致する配置としているが、これに限らず、上記の配置パターン5〜11のいずれかと、上記の開角度の設定パターン4,5のいずれかとを組み合わせた構成とすることも可能である。
なお、図7に示す構成において、磁石磁極Mn,Msの各個数は適宜変更してもよく、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、ロータ31における磁石磁極Mn,Ms及び突部24a〜24eの配置は、図7に示す例に限定されるものではなく、磁石磁極Mn,Msの周方向反対側にロータコア22の突部が位置する構成であれば、例えば、図10に示す構成のように変更してもよい。
同図の構成は、図7に示す構成の磁極組Paにおける中央の磁石磁極Msに代えてロータコア22から突部24fを突出形成するとともに、その周方向反対側に磁石磁極Mn(N極の永久磁石25)を設けた構成である。この構成によれば、図7に示す構成と同等の効果が得られ、更には、図7に示す構成と比較して、ロータ31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7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、ロータ21の周方向において、N極の磁石磁極MnとS極の磁石磁極Msとの間(磁極対P間)に複数(2つ)の突部(突部24a,24bのペア、及び突部24c,24dのペア)が配置される構成とした。しかしながら、これに限らず、例えば図11に示すように、N極の磁石磁極MnとS極の磁石磁極Msとの間に突部24g,24hをそれぞれ1つずつ配置した構成としてもよい。
ここで、同図に示す構成における突部24g,24hの配置について説明する。なお、磁石磁極Mn,Msの配置については上記実施形態と同様である。
各突部24g,24hは、それらの周方向中心Cg,Chが、磁石磁極Mn,Ms間の周方向中心線CLからずれるように配置されている。なお、周方向中心線CLは、ロータ21の周方向において、N極の磁石磁極Mn(永久磁石25)の突部側の周方向端面25a(S極の磁石磁極Msとは反対側の端面)から、S極の磁石磁極Ms(永久磁石25)の突部側の周方向端面25b(N極の磁石磁極Mnとは反対側の端面)までの間の中心線である。
突部24g,24hの周方向中心Cg,Chは、前記周方向中心線CLに対して時計回り方向、又は反時計回り方向にずれるように設定される。また、周方向中心線CLに対する突部24gの周方向中心Cgのずれ角と、周方向中心線CLに対する突部24hの周方向中心Chのずれ角とは、必ずしも等しく設定される必要はなく、互いに異なるずれ角としてもよい。
また、同図に示す構成において、各磁石磁極Mn,Msの外周面26,27の開角度θn,θsは互いに等しく設定され、各突部24g,24hの外周面28の開角度θg,θhは、磁石磁極Mn,Msの開角度θn,θsとは異なるように設定される。
上記のような突部24g,24hの配置設定及び開角度設定によれば、周方向における磁極対Pの間に突部24g,24hを1つ配置した構成において、ロータ21の回転時に発生するコギングトルクの位相をずらすことができ、コギングトルクが特定周波数で極大化することを抑制することができる。これにより、コギングトルクに起因して発生する振動を抑制することができる。
なお、上記したような周方向の磁石磁極間に1つの突部を配置する構成、及びその突部の配置と開角度の設定は、図7や図10に示すようなロータ構成に対しても適用可能である。
・上記実施形態では、軸線L方向から見て、各突部24a〜24dの外周面と各磁石磁極Mn,Ms(各永久磁石25)の外周面とは、軸線Lを中心とする同一円上に位置する円弧状に形成されている。つまり、各突部24a〜24dの外径と各磁石磁極Mn,Msの外径とは等しく形成されている。しかしながら、これに限定されるものではなく、各突部24a〜24dの外径と各磁石磁極Mn,Msの外径とを異ならせてもよい。
例えば、図12に示すように、各突部24a〜24dの外径D1を、各磁石磁極Mn,Ms(各永久磁石25)の外径D2よりも大きく設定してもよい。なお、同図に示す例では、各突部24a〜24dの外周面は、軸線L方向から見て該軸線Lを中心とする円弧状をなし、それら突部24a〜24dの外径D1は互いに等しい。また、各磁石磁極Mn,Msの外周面は、軸線L方向から見て該軸線Lを中心とする円弧状をなし、それら磁石磁極Mn,Msの外径D2は互いに等しい。
このような構成によれば、ステータ側のティース12aの内周面との間のエアギャップ(隙間)が各磁石磁極Mn,Msよりも各突部24a〜24dで小さくなる。つまり、各突部24a〜24dがティース12aの内周面により接近するため、弱め界磁電流による前記鎖交磁束φy(図1参照)を増加させることができる。その結果、各相における合成誘起電圧をより小さく抑えることができ、モータ10のより一層の高回転化に寄与できる。
また、SPM構造のロータ21では、永久磁石25の飛散を防止するカバー40を設けることが好ましい。図12に示す構成では、各永久磁石25の外径D2が各突部24a〜24dの外径D1よりも小さいことから、各突部24a〜24dの外周面を露出させる開口40aをカバー40に形成することで、突部24a〜24dとティース12aとの間のエアギャップを小さく維持しつつも、永久磁石25の外周側にカバー40を配置可能となり、より好適である。
なお、同例では、各突部24a〜24dの外周面及び各磁石磁極Mn,Msの外周面は、軸線Lを中心とする円弧状をなしている。つまり、各突部24a〜24dは、軸線Lから外周面までの距離が周方向において一様である。また同様に、各磁石磁極Mn,Msは、軸線Lから外周面までの距離が周方向において一様である。しかしながら、各突部24a〜24d及び各磁石磁極Mn,Msの外周面の形状はこれに限らず、軸線Lから外周面までの距離が周方向において一様でなくてもよい。この場合、各突部24a〜24dにおいて軸線Lから外周面までの距離が最も長い地点でのその距離を各突部24a〜24dの最外径とし、また、各磁石磁極Mn,Msにおいて軸線Lから外周面までの距離が最も長い地点でのその距離を各磁石磁極Mn,Msの最外径とする。そして、各突部24a〜24dの最外径を、各磁石磁極Mn,Msの最外径よりも大きく設定することが好ましい。なお、図12の例では、各突部24a〜24dの外周面及び各磁石磁極Mn,Msの外周面が軸線Lを中心とする円弧状をなすため、前記外径D1,D2がそれぞれ突部24a〜24d及び磁石磁極Mn,Msの最外径となる。
・図13に示すように、各磁石磁極Mn,Msを構成する永久磁石41n,41sをロータコア22に埋め込む態様とした埋込磁石型構造(IPM構造)としてもよい。このようなIPM構造においても、各磁石磁極Mn,Msと各突部24a〜24dの配置、及び各磁石磁極Mn,Msと各突部24a〜24dの開角度を上記実施形態と同様に設定可能である。
なお、同図に示す構成において、ロータコア22には、外周側に突出する一対の凸部42が形成され、該一対の凸部42にそれぞれ磁極対P(磁石磁極Mn,Ms)が構成されている。つまり、ロータコア22の各凸部42には、N極の磁石磁極Mnを構成する永久磁石41n(外周側がN極である永久磁石)と、S極の磁石磁極Msを構成する永久磁石41s(外周側がS極である永久磁石)とが埋設されている。
また、各永久磁石41n,41sは、回転軸23の軸線Lを中心とする円弧状をなす。そして、N極の各永久磁石41nの周方向中心はそれぞれ前記基準線X4,X8と一致するように配置され、S極の各永久磁石41sの周方向中心はそれぞれ前記基準線X3,X7と一致するように配置されている。
なお、同図に示す構成では、各凸部42の外周面は、軸線Lを中心とする同一円上に位置する円弧状をなし、該各凸部42の外周面の開角度は90°に設定されている。また、同例では、各凸部42におけるN極の永久磁石41nとS極の永久磁石41sとの間の周方向中心位置CP(隣り合う磁石磁極Mn,Msの境界位置)が、凸部42の周方向中心位置と一致するように構成されている。そして、磁石磁極Mn,Msの開角度θn,θsはそれぞれ、前記永久磁石41n,41s間の周方向中心位置CPから凸部42の外周面の周方向両端42a,42bまでの角度となっている。つまり、凸部42に構成される磁石磁極Mn,Msの開角度θn,θsはそれぞれ凸部42の開角度の1/2となるように設定され、同例では磁石磁極Mn,Msの開角度θn,θsがそれぞれ45°に設定されている。
また、図14に示すロータ21は、図13に示す構成を変更したものであり、ロータコア22の各凸部42における永久磁石41n,41s間に磁気抵抗孔43が形成されている。図14に示す構成では、各永久磁石41n,41s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設けられている。各磁気抵抗孔43は、永久磁石41n,41sの端部形状に応じた形状をなし、同例では、軸方向視で頂点の1つが径方向内側を向く略三角形状をなしている。各磁気抵抗孔43が形成されることによって、永久磁石41n,41sにおける短絡磁束(ロータコア22を通って短絡する磁束)の発生が抑制されるようになっている。なお、同例のように、凸部42に磁気抵抗孔43が形成された構成では、磁石磁極Mnの開角度θnは、磁気抵抗孔43の周方向一端から凸部42の外周面の周方向一端42aまでの角度となり、磁石磁極Msの開角度θsは、磁気抵抗孔43の周方向他端から凸部42の外周面の周方向他端42bまでの角度となる。
・図14に示す構成の各磁石磁極Mn,Msでは、各永久磁石41n,41sの軸方向視における形状を長方形としたが、これに限定されるものではなく、例えば、軸線Lを中心とする円弧状としてもよい。
また、図15に示すような磁石構成としてもよい。同図に示す構成では、各磁石磁極Mn,Msは、ロータコア22(凸部42)に埋設された一対の永久磁石51をそれぞれ備えている。各永久磁石51は直方体をなし、各磁石磁極Mn,Msにおける一対の永久磁石51は、軸方向視で外周側に拡がる略V字状に配置されている。また、該一対の永久磁石51は、周方向における周方向中心線に対して線対称に設けられている。つまり、本例の場合、線対称をなす一対の永久磁石51の対称軸線が磁石磁極Mn,Msの周方向中心となっている。そして、各磁石磁極Mn,Msの配置は上記実施形態と同様であり、N極の各磁石磁極Mnの周方向中心(永久磁石51の対称軸線)がそれぞれ前記基準線X4,X8と一致するように配置され、S極の各磁石磁極Msの周方向中心(永久磁石51の対称軸線)がそれぞれ前記基準線X3,X7と一致するように配置されている。なお、各磁石磁極Mn,Msにおける一対の永久磁石51は、凸部42を周方向に2等分した角度範囲(同例では45°の範囲)に収まるように配置されている。
また、同図には、N極の磁石磁極Mn及びS極の磁石磁極Msの各永久磁石51の磁化方向を実線の矢印で示しており、矢印先端側がN極、矢印基端側がS極を表している。この矢印にて示されるように、N極の磁石磁極Mnにおける各永久磁石51は、該磁石磁極Mnの外周側をN極にするべく、互いに向かい合う面(磁極中心側の面)にN極が現れるように磁化されている。また、S極の磁石磁極Msにおける各永久磁石51は、該磁石磁極Msの外周側をS極にするべく、互いに向かい合う面(磁極中心側の面)にS極が現れるように磁化されている。
このような各磁石磁極Mn,Msの構成によれば、一対の永久磁石51が軸方向視で径方向外側に拡がる略V字をなすように埋設されるため、永久磁石51の外周側のロータコア体積(V字配置された一対の永久磁石51の間の磁石間コア部22bを含む部分の体積)を大きくとることが可能となる。それにより、リラクタンストルクを増やすことが可能となり、モータ10の高トルク化に寄与できる。
また、図16に示すロータ21は、図15に示す構成の各凸部42に対して、前記磁気抵抗孔43(図14参照)と同様の磁気抵抗孔52を設けたものである。磁気抵抗孔52は、凸部42に構成されたN極の磁石磁極MnとS極の磁石磁極Msとの間において、周方向に隣り合う永久磁石51の外周側端部間に形成され、これにより、該永久磁石51における短絡磁束(ロータコア22を通って短絡する磁束)の発生が抑制されるようになっている。なお、同構成においても、磁石磁極Mnの開角度θnは、磁気抵抗孔52の周方向一端から凸部42の外周面の周方向一端42aまでの角度となり、磁石磁極Msの開角度θsは、磁気抵抗孔52の周方向他端から凸部42の外周面の周方向他端42bまでの角度となる。
・図17に示すように、IPM構造のロータ21において、ロータコア22の各突部24g,24hの外径D1を磁石磁極Mn,Msの外径D2(磁石磁極Mn,Msにおけるロータコア22の外径)よりも大きく設定してもよい。このような構成によれば、ステータ側のティース12aの内周面との間のエアギャップ(隙間)が各磁石磁極Mn,Msよりも各突部24g,24hで小さくなる。つまり、各突部24g,24hがティース12aの内周面により接近するため、弱め界磁電流による前記鎖交磁束φy(図1参照)を増加させることができる。その結果、各相における合成誘起電圧をより小さく抑えることができ、モータ10のより一層の高回転化に寄与できる。
なお、図17に示す構成における磁石磁極Mn,Msの磁石構成や磁極対P間の突部の構成(個数等)は適宜変更可能であり、例えば、磁石磁極Mn,Msの磁石構成を図15や図16に示すようなV字配置としてもよい。
また、図17に示す構成では、ロータコア22の外周面(各突部24g,24hの外周面及び磁石磁極Mn,Msの外周面)を、軸線Lを中心とする円弧状に形成したが、これに特に限定されるものではない。
例えば、図18に示すように、各突部24g,24hの外周面を、軸線Lを中心とする楕円弧状に形成してもよい。なお、各突部24g,24hは、周方向中心位置で外径が最大(外径D1)となるように形成され、該外径D1が磁石磁極Mn,Msの外径D2よりも大きく設定されることが好ましい。なお、同図に示す例では、磁石磁極Mn,Msの外周面は円弧状(外径D2)をなし、各突部24g,24hの外径はその周方向全体に亘って磁石磁極Mn,Msの外径D2よりも大きくなるように構成されている。
また例えば、図19に示すように、ロータコア22の全周を、軸線Lを中心とする楕円状に形成してもよい。この場合、各磁極対Pにおける磁石磁極Mn,Msの境界部がロータコア22の楕円形状の短軸Lsと一致するように構成することが好ましい。このような構成によっても、各突部24g,24hの外径を磁石磁極Mn,Msの外径よりも大きく構成できる。
上記の図18又は図19に示すような構成によれば、ステータ側のティース12aの内周面との間のエアギャップ(隙間)が各磁石磁極Mn,Msよりも各突部24g,24hで小さくなる。つまり、各突部24g,24hがティース12aの内周面により接近するため、弱め界磁電流による前記鎖交磁束φy(図1参照)を増加させることができる。その結果、各相における合成誘起電圧をより小さく抑えることができ、モータ10のより一層の高回転化に寄与できる。
・図20に示す構成は、図13に示すIPM構造のロータ21のロータコア22にスリット孔(図5参照)が形成された構成である。図20に示すように、ロータコア22には、回転軸23の径方向に沿って延びる4つのスリット孔22c,22dが形成されている。スリット孔22cは、周方向に隣り合う突部24a,24bの間、及び周方向に隣り合う突部24c,24d間にそれぞれ対応して設けられている。また、スリット孔22dは、周方向に隣り合う磁石磁極Mn,Mn間の境界部にそれぞれ設けられている。また、各スリット孔22c,22dは、ロータコア22を軸方向に貫通している。これら各スリット孔22c,22dによって、ロータコア22内を通る永久磁石41n,41sの磁束が、周方向に隣り合う突部24a〜24dに誘導され(図中、破線の矢印を参照)、これにより、各突部24a〜24dが疑似的な磁極(コア磁極)として機能する。すなわち、N極の磁石磁極Mnと周方向に隣り合う突部24a,24cがS極のコア磁極Rsとして構成され、S極の磁石磁極Msと周方向に隣り合う突部24b,24dがN極のコア磁極Rnとして構成される。
なお、図20に示す構成では、各突部24a〜24dのずれ角θa〜θdは0°よりも大きく設定されている。つまり、各突部24a〜24dは、基準線X1,X2,X5,X6に対してそれぞれ時計回り方向にずれた位置に設けられている。このような設定の場合には、各スリット孔22c,22dを周方向等間隔に設けるのではなく、各スリット孔22cを各突部24a〜24dのずれ角θa〜θdに応じて配置するのが好ましい。具体的には、一方のスリット孔22cが周方向における突部24a,24bの周方向中心C1,C2の間の中心位置に形成され、他方のスリット孔22cが周方向における突部24c,24dの周方向中心C3,C4の間の中心位置に形成されるのが好ましい。これにより、スリット孔22cが突部24a〜24dに対して径方向に重ならないように構成することが可能となり、その結果、磁石磁極Mn,Msの磁束を周方向に隣り合う突部24a〜24dに好適に誘導させることができる。なお、同図の例では、各突部24a〜24dのずれ角θa〜θdが全て等しい角度に設定されているが、これに限定されるものではない。
また、同図の例では、各永久磁石41n,41sは、回転軸23の軸線Lを中心とする円弧状をなしているが、これに以外に例えば、図21に示すように、軸方向視で長方形をなす形状としてもよい。なお、図21に示す構成では、各永久磁石41n,41sは、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設けられている。
・図22に示す構成では、図14に示すIPM構造のロータ21のロータコア22に対し、スリット孔22c,22d(図20参照)を形成している。同構成においても、各スリット孔22c,22dによって、ロータコア22内を通る磁石磁極Mn,Msの磁束が、周方向に隣り合う突部24a〜24dに誘導され(図中、破線の矢印を参照)、それにより、各突部24a〜24dが疑似的な磁極(コア磁極Rn,Rs)として機能する。
・図23に示す構成では、図15に示すIPM構造のロータ21のロータコア22に対し、スリット孔22c,22d(図20参照)を形成している。同構成においても、各スリット孔22c,22dによって、ロータコア22内を通る磁石磁極Mn,Msの磁束が、周方向に隣り合う突部24a〜24dに誘導され(図中、破線の矢印を参照)、それにより、各突部24a〜24dが疑似的な磁極(コア磁極Rn,Rs)として機能する。
なお、図23に示す構成では、スリット孔22dは、周方向に隣り合う磁石磁極Mn,Mn間の境界部に設けられたが、これに特に限定されるものではなく、スリット孔22dの配置等の構成を適宜変更してもよい。例えば、図24に示す構成では、スリット孔22dは、各磁石磁極Mn,Msに1つずつ設けられている。より詳しくは、スリット孔22dは、各磁石磁極Mn,Msの周方向中心線(基準線X3,X4,X7,X8)に沿ってそれぞれ設けられている。このような構成であっても、各スリット孔22c,22dによって、ロータコア22内を通る磁石磁極Mn,Msの磁束が、周方向に隣り合う突部24a〜24dに誘導され(図中、破線の矢印を参照)、それにより、各突部24a〜24dが疑似的な磁極(コア磁極Rn,Rs)として機能する。
・図25に示す構成では、図16に示すIPM構造のロータ21のロータコア22に対し、スリット孔22c,22d(図20参照)を形成している。同構成においても、各スリット孔22c,22dによって、ロータコア22内を通る磁石磁極Mn,Msの磁束が、周方向に隣り合う突部24a〜24dに誘導され(図中、破線の矢印を参照)、それにより、各突部24a〜24dが疑似的な磁極(コア磁極Rn,Rs)として機能する。なお、同図に示す構成では、各スリット孔22dを周方向に隣り合う磁石磁極Mn,Mn間の境界部に設けているが、各スリット孔22dを図24のように各磁石磁極Mn,Msの周方向中心線に沿って設けてもよい。
・図26に示す構成は、図11に示すロータ21のロータコア22に、回転軸23の径方向に沿って延びる4つのスリット孔22e,22fが形成された構成である。2つのスリット孔22eの径方向外側端部は、ロータコア22の前記突部24g,24hをそれぞれ部分的に周方向に分断するように形成されている。詳しくは、一方のスリット孔22eは、突部24gの周方向中心線L1上に形成され、該スリット孔22eの径方向外側端部は突部24g内にまで延びている。また、他方のスリット孔22eは、突部24hの周方向中心線L2上に形成され、該スリット孔22eの径方向外側端部は突部24h内にまで延びている。スリット孔22fは、周方向に隣り合う磁石磁極Mn,Mn間の境界部にそれぞれ設けられている。また、各スリット孔22e,22fは、ロータコア22を軸方向に貫通している。
このような構成では、N極の磁石磁極Mnの磁束は、スリット孔22e,22fによって、突部24g,24hにおけるスリット孔22eよりも磁石磁極Mn側の部位に誘導される(図中、破線の矢印を参照)。これにより、突部24g,24hの当該部位がS極のコア磁極Rsとして機能する。また同様に、S極の磁石磁極Msの磁束は、スリット孔22e,22fによって、突部24g,24hにおけるスリット孔22eよりも磁石磁極Ms側の部位に誘導される(図中、破線の矢印を参照)。これにより、突部24g,24hの当該部位がS極のコア磁極Rsとして機能する。
・図27に示す構成では、図17に示すロータ21のロータコア22に対し、スリット孔22e,22f(図26参照)を形成している。同構成においても、磁石磁極Mn,Msの磁束が各スリット孔22e,22fによって誘導されることで、各突部24g,24hにおけるスリット孔22eの周方向両側にコア磁極Rn,Rsがそれぞれ形成されるようになっている。
・図28に示す構成では、図18に示すロータ21のロータコア22に対し、スリット孔22e,22f(図26参照)を形成している。同構成においても、磁石磁極Mn,Msの磁束が各スリット孔22e,22fによって誘導されることで、各突部24g,24hにおけるスリット孔22eの周方向両側にコア磁極Rn,Rsがそれぞれ形成されるようになっている。
・図29に示す構成では、図19に示すロータ21のロータコア22に対し、スリット孔22e,22f(図26参照)を形成している。同図に示すように、各スリット孔22fは、各磁極対Pにおける磁石磁極Mn,Msの境界部、つまり、ロータコア22の楕円形状の短軸Ls上に設けられることが好ましい。また、各スリット孔22eは、ロータコア22の楕円形状の長軸Lt上に設けられることが好ましい。同構成においても、磁石磁極Mn,Msの磁束が各スリット孔22e,22fによって誘導されることで、各突部24g,24hにおけるスリット孔22eの周方向両側にコア磁極Rn,Rsがそれぞれ形成されるようになっている。
・図30に示す構成は、図7に示すロータ31のロータコア22に、回転軸23の径方向に沿って延びる2つのスリット孔22gが形成された構成である。一方のスリット孔22gは、突部24eの隣の磁石磁極Msと、当該磁石磁極Msの隣の磁石磁極Mnとの境界部に設けられている。他方のスリット孔22gは、突部24aの隣の磁石磁極Msと、当該磁石磁極Msの隣の磁石磁極Mnとの境界部に設けられている。このような構成によれば、各スリット孔22gの直近の各磁石磁極Msの磁束は、該スリット孔22gによってそれぞれ隣の突部24a,24eに誘導され、それにより、当該突部24a,24eがN極のコア磁極Rnとして機能するようになっている。
また、図31に示すように、一方のスリット孔22gを突部24eの隣の磁石磁極Msの周方向中心線(基準線X1)上に設け、他方のスリット孔22gを突部24aの隣の磁石磁極Msの周方向中心線(基準線X5)上に設けてもよい。このような構成によっても、突部24a,24eに対し、それらの隣の磁石磁極Msの磁束をスリット孔22gにて誘導させることができ、それにより、当該突部24a,24eがN極のコア磁極Rnとして機能するようになっている。
・図32に示す構成は、図10に示すロータ31のロータコア22に、回転軸23の径方向に沿って延びる4つのスリット孔22h,22iが形成された構成である。2つのスリット孔22hは、周方向に隣り合う磁石磁極Mn,Msの境界部にそれぞれ設けられている。また、2つのスリット孔22iは、周方向に隣り合う突部24a,24bの間、及び周方向に隣り合う突部24d,24e間にそれぞれ対応して設けられている。
このような構成によれば、各スリット孔22h,22iの磁束整流作用によって、各突部24a,24b,24d,24e,24fを疑似的な磁極(コア磁極)として機能させることができる。詳しくは、S極の磁石磁極Msと周方向に隣り合う突部24a,24eは、スリット孔22h,22iの磁束整流作用によって、N極のコア磁極Rnとして機能する。また、N極の磁石磁極Mnの周方向両側に配置された突部24b,24dは、各スリット孔22iの磁束整流作用によって、S極のコア磁極Rsとして機能する。そして、周方向においてN極の磁石磁極Mnに挟まれた位置に設けられた突部24fは、各スリット孔22hの磁束整流作用によって、S極のコア磁極Rsとして機能する。
なお、上記したスリット孔の配置等の構成は、図32に示す構成に限定されるものではなく、例えば図33に示すように変更してもよい。図33に示す構成では、2つのスリット孔22iは、上記の図32の構成と同様に、周方向に隣り合う突部24a,24bの間、及び周方向に隣り合う突部24d,24e間にそれぞれ対応して設けられている。また、ロータコア22には、径方向に沿って延びるスリット孔22kが、各磁石磁極Mn,Msの周方向中心に合わせてそれぞれ形成されている。このような構成によっても、各スリット孔22i,22kの磁束整流作用によって、各突部24a,24b,24d,24e,24fを疑似的な磁極(コア磁極Rn,Rs)として機能させることができる。
・上記実施形態では、永久磁石25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。
10,30…モータ、11…ステータ、12…ステータコア、12a…ティース、13…巻線、21,31…ロータ、22…ロータコア、23…回転軸、24a〜24h…突部、25…永久磁石、26,27…磁石磁極の外周面(対向面)、28…突部の外周面(対向面)、Mn…磁石磁極(第1磁石磁極)、Ms…磁石磁極(第2磁石磁極)、U1〜U4…U相巻線、V1〜V4…V相巻線、W1〜W4…W相巻線、41n,41s,51…永久磁石。

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、
    前記ロータは、ロータコアに設けられた永久磁石を用いる第1磁石磁極と、前記ロータコアに設けられた永久磁石を用い、前記第1磁石磁極に対して異極性の第2磁石磁極と、前記ロータコアにおいて径方向に突出形成された突部とが周方向に並設されてなり、
    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、
    前記突部は、磁石を含まない磁性体からなり、
    前記第1磁石磁極又は前記第2磁石磁極が前記第1の巻線と対向し且つ前記突部が前記第1の巻線と対向していないロータの回転位置で、前記第1磁石磁極又は前記第2磁石磁極が前記第2の巻線と対向することなく前記突部が前記第2の巻線と対向するように構成さ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、
    前記第1及び第2磁石磁極の総数をn個として、ロータの回転軸線から径方向に延びる2n個の基準線を周方向において等角度間隔に設定し、
    前記第1及び第2磁石磁極は、それらの周方向中心が前記基準線のいずれかと一致するように配置され、
    周方向における前記磁石磁極の間に設けられる前記突部は複数であって、該複数の突部の少なくとも1つは、その周方向中心が前記基準線に対してずれるように配置されていることを特徴とするモータ。
  3. 請求項1に記載のモータにおいて、
    前記第1及び第2磁石磁極の総数をn個として、ロータの回転軸線から径方向に延びる2n個の基準線を周方向において等角度間隔に設定し、
    前記第1及び第2磁石磁極は、それらの周方向中心が前記基準線のいずれかと一致するように配置され、
    周方向における前記磁石磁極の間に設けられる前記突部は1つであって、該突部は、その周方向中心が前記周方向における前記磁石磁極の間の中心線に対してずれるように配置されていることを特徴とするモータ。
  4. 請求項1〜3のいずれか1項に記載のモータにおいて、
    前記突部における前記ステータとの対向面の開角度が、前記第1及び第2磁石磁極における前記ステータとの対向面の開角度とは異なるように設定されていることを特徴とするモータ。
  5. 請求項1〜4のいずれか1項に記載のモータにおいて、
    前記突部の最外径が前記第1磁石磁極の最外径及び前記第2磁石磁極の最外径よりも大きく設定されていることを特徴とするモータ。
  6. 請求項1〜5のいずれか1項に記載のモータにおいて、
    前記第1及び第2磁石磁極はそれぞれ、前記永久磁石が前記ロータコアに埋設されてなることを特徴とするモータ。
  7. 請求項6に記載のモータにおいて、
    前記第1及び第2磁石磁極にはそれぞれ、一対の前記永久磁石が軸方向視で径方向外側に拡がる略V字をなすように設けられていることを特徴とするモータ。
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