JPWO2018025988A1 - ステータコアおよびモータ - Google Patents

Abstract

ステータコア２２０は、環状のコアバック部２２１と、複数のティース２２２と、を含む。複数のティース２２２は、コアバック部２２１から、複数の磁石を含むロータマグネットに向かって径方向に延びる。複数のティース２２２の数であるスロット数と、ロータマグネットの磁石の数である極数との比は、３：４である。ステータコア２２０では、周方向にて隣接する２つのティース２２２の中心線間の角度θ１に対する、当該２つのティース２２２の間のスロットオープン角度θ２の割合であるスロットオープン率は、０．５以上である。また、ロータマグネットにおいて、周方向にて隣接する２つの磁石の中心位置間の角度に対する１つの磁石の周方向の角度の割合を磁石率として、前記磁石率に対する前記スロットオープン率の割合が０．６以上かつ０．７以下である。【選択図】図４

Description

本発明は、ステータコア、および、当該ステータコアを含むモータに関する。

従来、ブラシレスモータにおいて、コギングトルクを低減する技術が提案されている。例えば、日本国公開公報第２０１４−２３０４４４号公報に開示されているブラシレスモータ１では、ステータコア６の各突極８の極歯部９中央に凸部１２が設けられ、凸部１２の両側に一対の切り欠き部１３が設けられる。これにより、ブラシレスモータ１のコギングトルクの低減が図られている。
日本国公開公報第２０１４−２３０４４４号公報

ところで、エンジン冷却用のファン等では、モータの出力トルクを増大することを目的として、極数およびスロット数の大きいモータが利用されている。このような多極多スロットのモータにおいても、モータの出力トルクの低下を抑制しつつ、コギングトルクを低減することが求められている。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、コギングトルクを低減することを目的としている。

本発明の一の実施形態に係る例示的なステータコアは、環状のコアバック部と、前記コアバック部から複数の磁石を有するロータマグネットに向かって径方向に延びる複数のティースと、を備える。前記複数のティースの数であるスロット数と、前記ロータマグネットの前記複数の磁石の数である極数との比は、３：４である。周方向にて隣接する２つのティースの中心線間の角度に対する、前記２つのティースの間のスロットオープン角度の割合であるスロットオープン率は、０．５以上である。前記ロータマグネットにおいて、周方向にて隣接する２つの磁石の中心位置間の角度に対する１つの磁石の周方向の角度の割合を磁石率として、前記磁石率に対する前記スロットオープン率の割合が０．６以上かつ０．７以下である。

本発明では、コギングトルクを低減することができる。

図１は、一の実施形態に係るモータの斜視図である。 図２は、モータの斜視図である。 図３は、モータの縦断面図である。 図４は、ステータコアの平面図である。 図５は、シャフトおよびロータの縦断面図である。 図６は、複数の磁石の配置を示す図である。 図７は、軸流ファンの縦断面図である。 図８は、コギングトルクが最小となるスロットオープン率および磁石幅率を示す図である。 図９は、コギングトルクが最小となるスロットオープン率および磁石幅率を示す図である。 図１０は、コギングトルクが最小となるスロットオープン率および磁石幅率を示す図である。

図１は、本発明の例示的な一の実施形態に係るモータ１の外観を示す斜視図である。モータ１は、アウターロータ型のブラシレスモータである。モータ１は、例えば、軸流ファンにおいてインペラを回転させるために利用される。図２は、図１とは異なる方向から見たモータ１の斜視図である。図３は、モータ１の縦断面図である。図３では、細部の断面における平行斜線を省略している。また、図３では、断面よりも奥側の構成、および、モータ１の外側面の一部も併せて描いている。

本明細書では、図３中におけるモータ１の中心軸Ｊ１方向の上側を単に「上側」と呼び、下側を単に「下側」と呼ぶ。本明細書における上側および下側は、実際の機器に組み込まれたときの重力方向上側および下側を示すものではない。以下の説明では、中心軸Ｊ１を中心とする周方向を、単に「周方向」と呼び、中心軸Ｊ１を中心とする径方向を、単に「径方向」と呼ぶ。また、中心軸Ｊ１に平行な方向を、「上下方向」または「軸方向」と呼ぶ。

モータ１は、静止部２と、回転部３と、軸受機構４と、を含む。軸受機構４は、回転部３を静止部２に対して回転可能に支持する。静止部２は、ブラケット２１と、電機子２２と、バスバーユニット２６と、を含む。回転部３は、シャフト３１と、ロータ３２と、を含む。軸受機構４は、下玉軸受４１と、上玉軸受４２とを含む。

ブラケット２１は、円筒部２１２を含む。円筒部２１２は、上下方向を向く中心軸Ｊ１を中心とする略円筒状の部位である。ブラケット２１の円筒部２１２の内周面には、軸受機構４が固定される。詳細には、軸受機構４の下玉軸受４１が、円筒部２１２の下部の内周面に固定される。また、上玉軸受４２は、円筒部２１２の上部の内周面に固定される。

ブラケット２１の円筒部２１２の外周面には、電機子２２が固定される。電機子２２は、軸受機構４の径方向外側に位置する。電機子２２は、バスバーユニット２６に電気的に接続される。電機子２２は、バスバーユニット２６を介して、図示省略の外部電源に電気的に接続される。

電機子２２は、ステータコア２２０と、インシュレータ２２３と、複数のコイル２２４と、を含む。ステータコア２２０は、コアバック部２２１と、複数のティース２２２と、を含む。インシュレータ２２３は、複数のティース２２２の表面を被覆する絶縁体である。複数のコイル２２４は、インシュレータ２２３上から複数のティース２２２に導線を巻回することにより形成される。本実施形態では、複数のコイル２２４は、３相コイルである。

図４は、ステータコア２２０を示す平面図である。コアバック部２２１は、中心軸Ｊ１を中心とする環状の部位である。コアバック部２２１は、ブラケット２１の円筒部２１２の外周面に固定される。複数のティース２２２は、コアバック部２２１から径方向外方に放射状に延びる。複数のティース２２２は、周方向において略等角度間隔に配置される。各ティース２２２は、ティース本体部２２６と、ティース先端部２２７と、を含む。ティース本体部２２６は、コアバック部２２１から径方向外方に略直線状に延びる。ティース先端部２２７は、ティース本体部２２６の径方向外端部から周方向の両側に延びる。コアバック部２２１および複数のティース２２２は、例えば、一繋がりの金属製の部材である。

図４に示す例では、複数のティース２２２の数であるスロット数は、１８である。周方向にて隣接する２つのティース２２２の中心線間の周方向における角度θ１は、２０度である。ティース２２２の中心線とは、平面視において中心軸Ｊ１と当該ティース２２２の周方向の中心とを通る直線である。以下の説明では、当該角度θ１を「ティース間角度θ１」と呼ぶ。また、周方向にて隣接する２つのティース２２２間のスロットオープンの周方向における角度θ２を、単に「スロットオープン角度θ２」と呼ぶ。スロットオープンとは、周方向にて隣接する２つのティース２２２の先端部間の空間である。図４に示す例では、スロットオープン角度θ２は、平面視において中心軸Ｊ１を通って一方のティース２２２のティース先端部２２７の周方向端部に接する直線と、中心軸Ｊ１を通って他方のティース２２２のティース先端部２２７の周方向端部に接する直線との成す角度である。

以下の説明では、ティース間角度θ１に対するスロットオープン角度θ２の割合を、「スロットオープン率」と呼ぶ。モータ１のステータコア２２０では、スロットオープン率は０．５以上である。

図３に例示するシャフト３１は、中心軸Ｊ１を中心とする略円柱状または略円筒状の部材である。シャフト３１は、例えば金属製である。シャフト３１は、例えば、アルミニウム合金により形成される。図３に示すように、シャフト３１は、軸受機構４によりロータ３２と共に回転可能に支持される。詳細には、軸受機構４の下玉軸受４１は、シャフト３１の下部を支持する。上玉軸受４２は、下玉軸受４１よりも上側に位置してシャフト３１を支持する。シャフト３１の上端部には、例えば、軸流ファンのインペラが取り付けられる。

図５は、シャフト３１およびロータ３２の縦断面図である。ロータ３２は、シャフト３１に接続される。ロータ３２は、中心軸Ｊ１を中心とする有蓋略円筒状の部材である。ロータ３２は、下方に向けて開口される。ロータ３２は、ロータ蓋部３２１と、ロータ側壁部３２２と、ロータマグネット３４１と、ロータヨーク３４２と、を含む。

ロータ蓋部３２１は、シャフト３１に接続される。ロータ蓋部３２１は、中心軸Ｊ１を中心とする略円板状の部位である。ロータ側壁部３２２は、ロータ蓋部３２１の外縁部から下方に延びる。ロータ側壁部３２２は、中心軸Ｊ１を中心とする略円筒状の部位である。図５に示す例では、ロータ蓋部３２１およびロータ側壁部３２２は、一繋がりの樹脂製の部材である。また、ロータ蓋部３２１およびロータ側壁部３２２と、シャフト３１とは、インサート成形により形成された一体成形品である。

ロータマグネット３４１は、ロータ側壁部３２２の内周面に固定される。ロータマグネット３４１は、周方向に配置された複数の磁石３４３を含む。ロータマグネット３４１は、電機子２２の径方向外側にて、電機子２２と径方向に対向する。図５に示す例では、ロータマグネット３４１の磁石３４３とロータ側壁部３２２との間にロータヨーク３４２が位置する。換言すれば、ロータマグネット３４１は、ロータヨーク３４２を介して、ロータ側壁部３２２の内周面に間接的に固定される。ロータヨーク３４２は、金属製である。なお、モータ１では、ロータヨーク３４２が省略され、ロータマグネット３４１が、ロータ側壁部３２２の内周面に直接的に固定されてもよい。

図６は、ロータマグネット３４１の複数の磁石３４３の配置を示す図である。ロータマグネット３４１は、複数の磁石３４３を含む。複数の磁石３４３は、中心軸Ｊ１を中心として周方向に略等角度間隔に配置される。図６に示す例では、複数の磁石３４３の数である極数は、２４である。したがって、スロット数と極数との比は、３：４である。ロータマグネット３４１において、周方向にて隣接する２つの磁石３４３の中心位置間の周方向における角度θ３は、１５度である。磁石３４３の中心位置とは、平面視における磁石３４３の周方向の中心の位置である。以下の説明では、当該角度θ３を「磁石間角度θ３」と呼ぶ。また、１つの磁石３４３の周方向の角度θ４を「磁石角度θ４」と呼ぶ。磁石角度θ４は、平面視において中心軸Ｊ１を通って磁石３４３の周方向の一方の端部に接する直線と、中心軸Ｊ１を通って当該磁石３４３の周方向の他方の端部に接する直線との成す角度である。

以下の説明では、磁石間角度θ３に対する磁石角度θ４の割合を、「磁石幅率」と呼ぶ。モータ１のロータマグネット３４１では、磁石幅率に対するスロットオープン率の割合が、０．６以上かつ０．７以下である。モータ１では、磁石幅率は０．７５以上かつ０．９０以下であることが好ましい。

モータ１では、バスバーユニット２６を介してコイル２２４に電流が供給されることにより、コイル２２４とロータマグネット３４１との間にトルクが発生する。これにより、回転部３が、すなわち、シャフト３１およびロータ３２が、中心軸Ｊ１を中心として回転する。回転部３は、平面視における時計回り方向および反時計回り方向の双方に回転可能である。

図７は、上述のモータ１を利用した軸流ファン１０を示す断面図である。軸流ファン１０は、モータ１と、インペラ１１と、を含む。インペラ１１は、ロータ３２よりも上側において、シャフト３１の上端部に取り付けられる。インペラ１１は、例えば、ロータ３２の上側から下方へと風を送る。

図８は、１８スロット２４極のモータ１において、ステータコア２２０のスロットオープン率、および、ロータマグネット３４１の磁石幅率を様々に変更し、各スロットオープン率においてコギングトルクが最小となる磁石幅率をシミュレーションにより求めた結果を示す図である。また、図８では、コギングトルクが最小となる磁石幅率に対するスロットオープン率の割合も併せて示している。

図８に示す実施例１〜５はそれぞれ、スロットオープン率が、０．６、０．５７５、０．５５，０．５２５および０．５の場合における上述のシミュレーション結果を示す。比較例１および比較例２はそれぞれ、スロットオープン率が、０．４５および０．４の場合における上述のシミュレーション結果を示す。

比較例１および比較例２では、スロットオープン率が比較的小さいため、ティース２２２に巻き線を大きく巻回することに限界がある。一方、実施例１〜５では、スロットオープン率が０．５以上であるため、スロットオープンが比較的大きくなり、ティース２２２に巻き線を大きく巻回することが可能となる。これにより、モータ１の出力トルクを増大させることができる。また、図８に示すように、磁石幅率に対するスロットオープン率の割合を０．６以上かつ０．７以下とすることにより、コギングトルクを低減することもできる。実施例１〜５では、磁石幅率が０．７５以上かつ０．９０以下である。

モータ１では、スロット数と極数との比が３：４であれば、スロット数および極数は変更されてもよい。図９は、モータ１のスロット数が１２の場合、および、２４の場合について、ステータコア２２０のスロットオープン率、および、ロータマグネット３４１の磁石幅率を様々に変更し、各スロットオープン率においてコギングトルクが最小となる磁石幅率をシミュレーションにより求めた結果を示す図である。また、図９では、コギングトルクが最小となる磁石幅率に対するスロットオープン率の割合も併せて示している。

図９中の実施例６〜９はそれぞれ、スロット数が１２であり、かつ、スロットオープン率が、０．６、０．５６７、０．５３３および０．５の場合における上述のシミュレーション結果を示す。実施例１０〜１３はそれぞれ、スロット数が２４であり、かつ、スロットオープン率が、０．６、０．５６７、０．５３３および０．５の場合における上述のシミュレーション結果を示す。

実施例６〜１３においても、実施例１〜５と同様に、スロットオープン率は０．５以上であり、磁石幅率に対するスロットオープン率の割合は、０．６以上かつ０．７以下である。これにより、モータ１の出力トルクを増大させることができるとともに、コギングトルクを低減することもできる。また、実施例６〜１３では、磁石幅率は０．７５以上かつ０．９０以下である。

以上に説明したように、ステータコア２２０は、環状のコアバック部２２１と、複数のティース２２２と、を含む。複数のティース２２２は、コアバック部２２１から、複数の磁石３４３を含むロータマグネット３４１に向かって径方向に延びる。複数のティース２２２の数であるスロット数と、ロータマグネット３４１の磁石３４３の数である極数との比は、３：４である。ステータコア２２０では、周方向にて隣接する２つのティース２２２の中心線間の角度θ１に対する、当該２つのティース２２２の間のスロットオープン角度θ２の割合であるスロットオープン率は、０．５以上である。また、ロータマグネット３４１において、周方向にて隣接する２つの磁石３４３の中心位置間の角度θ３に対する１つの磁石３４３の周方向の角度θ４の割合を磁石率として、当該磁石率に対するスロットオープン率の割合は、０．６以上かつ０．７以下である。これにより、上述のように、モータの出力トルクを増大させることができるとともに、コギングトルクを低減することもできる。

さらに、ステータコア２２０では、磁石幅率は、０．７５以上かつ０．９０以下である。これにより、コギングトルクをさらに低減することができる。

モータ１は、ステータコア２２０を含む電機子２２と、ロータマグネット３４１を含むロータ３２と、ロータ３２を回転可能に支持する軸受機構４と、を含む。ロータマグネット３４１は、電機子２２の複数のティース２２２の径方向外側に位置する。モータ１のスロット数は、例えば１２、１８または２４である。これにより、出力トルクが大きく、かつ、コギングトルクが小さいアウターロータ型のモータ１を提供することができる。

上述の例では、モータ１はアウターロータ型のモータであるが、インナーロータ型のモータについても上記シミュレーションを行った。図１０中の実施例１４〜１６はそれぞれ、スロット数が１８であり、かつ、スロットオープン率が、０．６、０．５５および０．５のインナーロータ型のモータに関する上述のシミュレーション結果を示す。また、図１０では、コギングトルクが最小となる磁石幅率に対するスロットオープン率の割合も併せて示している。

当該インナーロータ型のモータおいても、上記と同様に、スロット数と極数との比が３：４であり、スロットオープン率が０．５以上であり、磁石幅率に対するスロットオープン率の割合が０．６以上かつ０．７以下であることにより、モータの出力トルクを増大させることができるとともに、コギングトルクを低減することもできる。また、磁石幅率が０．７５以上かつ０．９０以下であることにより、コギングトルクをさらに低減することができる。

上述のインナーロータ型のモータは、ステータコアを含む電機子と、ロータマグネットを含むロータと、当該ロータを回転可能に支持する軸受機構と、を含む。当該ロータマグネットは、当該電機子の複数のティースの径方向内側に位置する。当該インナーロータ型のモータのスロット数は、例えば１８である。これにより、出力トルクが大きく、かつ、コギングトルクが小さいインナーロータ型のモータを提供することができる。

上述のステータコア２２０、アウターロータ型のモータ１、および、インナーロータ型のモータでは、様々な変更が可能である。

ステータコア２２０では、磁石幅率は、０．７５未満であってもよく、あるいは、０．９０よりも大きくてもよい。また、ステータコア２２０では、スロット数は１２、１８または２４には限定されず、スロット数および極数は適宜変更されてよい。

アウターロータ型のモータ１の形状および構造は、上述の例から適宜変更されてよい。上述のインナーロータ型のモータについても同様である。

上記実施の形態および各変形例における構成は、相互に矛盾しない限り適宜組み合わされてよい。

本発明に係るステータコアは、様々な構造および用途のモータに利用可能である。また、本発明に係るモータは、様々な用途のモータとして利用可能である。

１…モータ、 ４…軸受機構、 ２２…電機子、 ３２…ロータ、 ２２０…ステータコア、 ２２１…コアバック部、 ２２２…ティース、 ３４１…ロータマグネット、 ３４３、…磁石 Ｊ１、…中心軸、 θ１…ティース間角度、 θ２…スロットオープン角度、 θ３…磁石間角度 θ４…磁石角度

Claims (4)

1. 環状のコアバック部と、
   前記コアバック部から複数の磁石を有するロータマグネットに向かって径方向に延びる複数のティースと、を備え、
   前記複数のティースの数であるスロット数と、前記ロータマグネットの前記複数の磁石の数である極数との比が、３：４であり、
   周方向にて隣接する２つのティースの中心線間の角度に対する前記２つのティースの間のスロットオープン角度の割合であるスロットオープン率が０．５以上であり、
   前記ロータマグネットにおいて、周方向にて隣接する２つの磁石の中心位置間の角度に対する１つの磁石の周方向の角度の割合を磁石率として、前記磁石率に対する前記スロットオープン率の割合が０．６以上かつ０．７以下である、ステータコア。
2. 前記磁石幅率が０．７５以上かつ０．９０以下である、請求項１に記載のステータコア。
3. 請求項１または２に記載のステータコアを有する電機子と、
   前記ロータマグネットを有するロータと、
   前記ロータを回転可能に支持する軸受機構と、を備え、
   前記ロータマグネットが、前記複数のティースの径方向外側に位置し、
   前記スロット数が１２、１８または２４である、モータ。
4. 請求項１または２に記載のステータコアを有する電機子と、
   前記ロータマグネットを有するロータと、
   前記ロータを回転可能に支持する軸受機構と、を備え、
   前記ロータマグネットが、前記複数のティースの径方向内側に位置し、
   前記スロット数が１８である、モータ。

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