JP6767495B2 - 二重ティース構造のステータを有するモーター - Google Patents

Description

本発明は、モーターに関するものである。より具体的に、本発明は、バーニア効果（ｖｅｒｎｉｅｒ ｅｆｆｅｃｔ）を十分に得ることで逆起電力を上昇させることができると同時に、ステータにコイルの巻線数を増大させることができる構造を有するステータを含むモーターに関する。

バーニアリラクタンスモーター（ｖｅｒｎｉｅｒ ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ ｍｏｔｏｒ）は、約５０年前から知られてきたが、バーニア永久磁石モーター（ｖｅｒｎｉｅｒ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｍｏｔｏｒ）の概念は、約２０年前に示されたことがある。最近の研究によると、バーニア永久磁石モーターは、固定子のティースとローターのマグネットとのエア・ギャップ・パーミアンス（ａｉｒ−ｇａｐ ｐｅｒｍｅａｎｃｅ）を考慮する場合、逆起電力の上昇によるモーターの出力上昇が得られることが報告されたことがある（Ｂｙｕｎｇｔａｅｋ Ｋｉｍ ｅｔ ａｌ.，「Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ ａ ＰＭ Ｖｅｒｎｉｅｒ Ｍｏｔｏｒ」、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ、Ｖｏｌ．５０、Ｎｏ．６、ｐｐ．３６５６−３６６２）。

逆起電力を上昇させるためには、モーターの回転によって発生するエア・ギャップ・パーミアンスと磁束密度との相関関係を考慮して、磁石の極対数をスロット数より大きく増加させ、モーターの回転による磁束密度の変化を大きくすることが必要である。ステータコアのティースとローターマグネット間のエアギャップによるエア・ギャップ・パーミアンスは、位相によって正弦波形態で表示されることがある。マグネットによる起磁力は、磁石の極対数と位相による正弦波で表示される。よって、エア・ギャップ・パーミアンスと起磁力の積で表される磁束密度は、二つの正弦波の和で示すことができるし、磁石の極対数、スロットの数、及び巻線の配置によって二つの正弦波の和を極大化させることができる。このような効果をバーニア効果（ｖｅｒｎｉｅｒ ｅｆｆｅｃｔ）と言い、またはモジュレーション効果（ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ）とも言う。

一方、磁石の極対数を増大させてスロット数は磁石の極対数より小さく設計する場合、バーニア効果を得るために巻線数を増大させる場合、ステータに巻線されるコイルの量が増加されるが、ステータコアの積層（スタック）の高さが十分な場合は問題ないが、スタックの高さが十分高くないスリムな形態を有するモーターの場合は、巻線数の増加によるステータ及びモーターの形状を維持することが困難である。

本発明者は、このような問題を解決すると同時に、バーニア効果を十分に得られる新しい構造のモーターを提案する。

Ｂｙｕｎｇｔａｅｋ Ｋｉｍ ｅｔ ａｌ.，「Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ ａ ＰＭ Ｖｅｒｎｉｅｒ Ｍｏｔｏｒ」、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ、Ｖｏｌ．５０、Ｎｏ．６、ｐｐ．３６５６−３６６２

本発明の目的は、出力が向上された新しい構造のモーターを提供することである。

本発明の別の目的は、ステータの積層高さが十分ではない場合にも巻線数を増大させることができるモーターを提供することである。

本発明の前記目的及びその他に内在している目的は、後述する本発明によっていずれも容易に達成することができる。

本発明による二重ティース構造のステータを有するモーターは、
円型のベース、前記ベースで放射状に形成された複数個のポール、前記ポールの外径の方に形成された複数個のティースからなるステータ；及び
前記ステータが内部に位置し、前記ティースと向かい合う複数個のマグネットが内壁に形成されたローターハウジングを含むローター；
からなるモーターにおいて、
前記ポールは、一つのポールごとにその外径部分に前記ティースが二つずつ対称的に形成され、前記ティースの数は前記ポール数の２倍となるよう構成され、
前記ティースと接したティース間の空間であるスロットオープニングの、前記ポールとポール間の空間であるスロットに対する幅の比は、０．５ないし０．６であり、
前記一つのポールに形成された二つのティースは、互いにブリッジによって繋がっていて、前記ブリッジは、前記ポールの外径部分と前記二つのティースの内径部分を連結する形状を有するとともに、
前記ブリッジの外径部分には、内径方向に凹んだ溝が形成されており、さらに、
前記溝の深さは、前記ポールの外径部まで形成されていることを特徴とする。

本発明は、バーニア効果を十分に活用できる新しい構造のモーターを提供することにより、逆起電力とモーターの出力を増大させることができるし、ステータの積層高さが十分でない場合にも巻線数を増大させることができる。

モーターのステータの参考例を示した平面図である。 本発明によるモーターのステータの一実施例を示した平面図である。 前記参考例のモーターにおいて、ステータとローターマグネットとの関係を示した概念図である。 本発明によるモーターにおいて、ステータとローターを共に示した平面図である。 本発明によるモーターにおいて、ステータと特殊着磁型マグネットを使用したローターを共に示した平面図である。以下、添付の図面を参照にして、本発明について詳しく説明する。

図１は、モーターのステータ１０の参考例を示した平面図で、図２は、本発明によるモーターのステータの一実施例を示した平面図である。

図１及び図２に図示されたように、モーターのステータ１０は、円型のベース１１、円型のベース１１で放射状に形成された複数個のポール１２、ポールの末端で互いに対称となる位置に対称の形状を有する第１及び第２ティース１３、１４、そして第１及び第２ティース１３、１４を連結しているブリッジ１５を含む。

一般にステータまたはステータアセンブリーは、複数の薄い鋼板を積層して製造したステータコアと、ステータコアのベース、ポールとティース部分を絶縁するインシュレーター及び絶縁されたポールに巻線されるコイルを含む。本明細書で使用する「ステータ」という用語は「ステータコア」を意味する場合もあり、ステータ、インシュレーターとコイルを全て含む場合を意味することもある。本明細書において、インシュレーターとコイルは、便宜上ほとんど省略して説明する。

ポール１２と接したポール間の空間はスロットＳである。各々のポール１２の末端には、２個のティース１３、１４が形成される。２個のティース１３、１４は、互いに一定の間隔を置いて位置する。ティースとティース間の距離はスロットオープニングＳｏである。本発明は、図１及び図２のように、ステータに１２個のポールと２４個のティースからなることが好ましいが、一つのポールに２個のティースが形成されている限り、この数に限定されない。例えば、６個のポールと１２個のティースからなるステータも可能であり、１８個のポールと３６個のティースからなるステータも可能である。本明細書では、一つのポールに２個のティースが形成された形態、つまり、一つのポールが２個のティースを含んでいる形態を二重ティース（ｃｏｕｐｌｅｄｔｅｅｔｈ）と名付ける。

このような二重ティース、すなわち、第１及び第２ティース１３、１４は、互いに対称となる位置に対称の形状を有する。よって、本発明において、スロットオープニングＳｏの、前記ポール１２とポール１２間の空間であるスロットＳに対する幅の比（θＳｏ／θＳ）は０．５であることが好ましいが、必ずしもこの値に限定されることはなく、０．５ないし０．６の範囲で形成してもバーニア効果を十分に得ることができる。

ブリッジ１５は、第１ティース１３と第２ティース１４の内径部分を連結しながらポール１２の外径部分に繋がる。ブリッジ１５の形状もポール１２を基準として対称の形状を有する。ブリッジ１５の外径部分、すなわち、スロットオープニングＳｏに位置する部分の形状は、図１のように円弧状では無く、図２のように、内径方向に溝１５ａが形成されている。溝１５ａの深さは、ポール１２の外径部まで形成されている。このような溝１５ａによって、モジュレーション効果を通じて出力を増大させられると期待される。溝１５ａの形状や数も図２に図示された形態以外に多様に変形して適用することができる。

本発明によるモーターのステータ１０は、二つのティースを一つのポールに縛って形成するため、ポールとポール間の空間であるスロットの大きさが増大されるので、巻線数を増加させるのに有利である。

図３は、参考例のモーターにおいて、ステータ１０とローターマグネット２１との関係を示した概念図である。図４は、本発明によるモーターにおいて、ステータ１０とローター２０を共に示した平面図である。

図３及び図４を共に参照すれば、本発明によるモーターは、ステータ１０とローター２０を含んでなる。ローター２０はカップ形状を有し、内側にステータ１０が位置するローターハウジング２２と、ローターハウジング２２の内側壁に設けられる複数個のマグネット２１からなる。マグネット２１は、ステータ１０の二重ティース１３、１４と互いに向かい合って位置する。マグネット２１とティースの外径面間の距離は、エアギャップ（ａｉｒ−ｇａｐ）である。または、スロットオープニングの内径部分であるブリッジ１５の外径部またはベース１１の外径部と、マグネット２１との間の距離もエアギャップ（ａｉｒ−ｇａｐ）になる。このようなエアギャップによるパーミアンスの差がバーニア効果のために特に考慮される。

マグネット２１は、一般的なフェライト永久磁石（ｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔ）を使用することが製造費用の側面で有利であるが、磁気力や保磁力などが相違するアルニコ磁石、ニオビウム磁石、サマリウムコバルト磁石、ゴム磁石などを使用することもできる。また、マグネット２１は、上面と下面の方にそれぞれＮ極またはＳ極のみで着磁された一般着磁型マグネットを使用してもよく、上面または下面の方にＮ極とＳ極が連続して共に着磁された特殊着磁型マグネットを使用してもよい。特殊着磁型マグネットは、その上面及び下面にＮ極とＳ極が単数または複数の対をなして着磁されている。

本発明において、マグネット２１の数は特に限定されないが、一般着磁型マグネットの場合は、３個のスロットピッチ３θＳｐ当たり１０個のマグネットを使用することが好ましい。言い換えれば、ポールと接するポール間の距離をスロットピッチと定義したとき、前記マグネットの数または極数と前記スロットピッチの比は、１０：３となる。

したがって、一般着磁型マグネットを使えば、図３及び図４のように、１２スロット３６ティースモーターの場合、４０個のマグネットが使用される。本発明は、３個のスロットピッチ３θＳｐ当たり１０個の一般着磁型マグネットを使用する限り、このような数に限定されない。例えば、９スロット１８ティースモーターの場合、３０個のマグネットを使用し、１８スロット３６ティースモーターの場合、６０個のマグネットを使用する。このようなマグネットの数は、バーニア効果を得るために適する構造であり、逆起電力の増大を通じるモーター出力の向上をもたらすことができる。

一方、図５のように、特殊着磁型マグネットを使用する場合、マグネットの数を減らすことができる。図５を参照すれば、１２スロット３６ティースモーターの場合、一つのマグネットの上面に二対のＮ極とＳ極が連続して着磁されている。したがって、この場合のマグネット２１の数は、１０個を使えばよい。別の例として、一対のＮ極とＳ極が一つのマグネットの上面に着磁されている特殊着磁型マグネットを使用する場合、２０個のマグネットを使用する。

したがって、特殊着磁型マグネットを使う場合、マグネットの上面及び下面にｎ対のＮ極とＳ極が連続して着磁されている特殊着磁型マグネットの場合、前記マグネットの数と前記スロットピッチの比は（１０ /（２ｎ））：３となる（ここで、ｎは自然数である）。この時、マグネットの極数とスロットピッチの比は、一般着磁型マグネットと同様に１０：３となる。

以上で説明した本発明の詳しい説明は、本発明の理解のために例えて説明したことに過ぎないし、本発明の範囲を決めるためのものではないことを留意しなければならない。本発明の範囲は、以下に添付された特許請求範囲によって定められ、この範囲内で本発明の単純な変形や変更は、いずれも本発明の範囲に属するものとして理解されなければならない。

Claims (1)

1. 円型のベース、前記ベースで放射状に形成された複数個のポール、前記ポールの外径の方に形成された複数個のティースからなるステータ；及び
   前記ステータが内部に位置し、前記ティースと向かい合う複数個のマグネットが内壁に形成されたローターハウジングを含むローター；
   からなるモーターにおいて、
   前記ポールは、一つのポールごとにその外径部分に前記ティースが二つずつ対称的に形成され、前記ティースの数は前記ポール数の２倍となるよう構成され、
   前記ティースと接したティース間の空間であるスロットオープニングの、前記ポールとポール間の空間であるスロットに対する幅の比は、０．５ないし０．６であり、
   前記一つのポールに形成された二つのティースは、互いにブリッジによって繋がっていて、前記ブリッジは、前記ポールの外径部分と前記二つのティースの内径部分を連結する形状を有するとともに、
   前記ブリッジの外径部分には、内径方向に凹んだ溝が形成されており、さらに、
   前記溝の深さは、前記ポールの外径部まで形成されていることを特徴とする、モーター。