WO2007123107A1 - モータ - Google Patents

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WO2007123107A1
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motor
poles
yoke
permanent magnet
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Yuichi Yoshikawa
Hiroshi Murakami
Yukinori Nakagawa
Masahiko Morisaki
Hu Li
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Panasonic Corporation
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
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    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/27—Rotor cores with permanent magnets
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    • H02K29/03—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices with a magnetic circuit specially adapted for avoiding torque ripples or self-starting problems
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    • H02K2213/00—Specific aspects, not otherwise provided for and not covered by codes H02K2201/00 - H02K2211/00
    • H02K2213/03—Machines characterised by numerical values, ranges, mathematical expressions or similar information

Definitions

  • the present invention relates to a motor in which two rotors, an inner rotor and an outer rotor, are mounted and a toroidal winding is applied to a stator.
  • a brushless motor used for a drive motor of a direct drive washing machine or the like is desired to have low speed, large torque, low vibration, and low noise. Since motors used in direct drive drive directly drive without gears, it is necessary to increase the torque of the motor. For this reason, as shown in FIG. 1 and FIG. 4 of Patent Document 1, a motor having an outer rotor structure and concentrated windings is used as a stator. In general, motors that require low speed and large torque have a concentrated winding. This is because the motor of the distributed winding line tends to increase the output torque by about 10% to 15% because the flux linkage of the winding line increases compared to the motor of the concentrated winding line.
  • the concentrated wire motor has a smaller coil end than the distributed wire motor, so the resistance value of the wire can be reduced.
  • the motor it is possible to reduce the amount of heat generated by the motor.
  • the coil end is shortened, the motor volume can be reduced.
  • concentrated wire motors require large torque at low speeds, and are suitable for applications that require a particularly small size.
  • a method is adopted in which the current phase is advanced and driven at the phase angle by field-weakening control (lead angle drive).
  • FIG. 7A shows a simulation diagram in the case of the concentrated winding method in a single rotor type motor.
  • Fig. 7B shows a simulation diagram for the distributed winding method in a single rotor motor. From these figures, when comparing the radial force, it can be confirmed that the radial force of the motor of the concentrated feeder is very large. In addition, since it is operated at low speed, the effects of cogging torque are easily reflected. Become. Therefore, for low-speed, high-torque motors such as a direct drive drive of a washing machine, a motor having a small radial force and a small cogging torque is strongly demanded.
  • Patent Document 2 discloses a motor including two rotors, an inner rotor and an outer rotor (hereinafter referred to as a centralized double rotor type motor).
  • Centralized double rotor type motors have a stator line that is formed by connecting the teeth to the divided teeth in a concentrated manner and connecting the teeth with a mold, etc., and have a stator-like gap that is permanent on the inside and outside.
  • the structure has two rotors bonded with magnets (see Fig. 8 of Patent Document 2).
  • the magnetic poles of the inner and outer permanent magnets are different from each other on the inner and outer sides, and the magnetic flux of the centrally wound double rotor type motor passes from the outer rotor to the stator teeth and enters the inner rotor.
  • the magnetic flux loop returns to the outer rotor through the stator teeth.
  • Concentrated double rotor type motors can use inner and outer magnetic fluxes compared to conventional single rotor type motors, so that the output density can be improved.
  • Patent Document 3 discloses a motor having two rotors, an outer rotor and an inner rotor, which is subjected to a winding with a toroidal winding. A cross-sectional view of this motor is shown in Fig. 8.
  • FIG. 8 shows a toroidal winding type double rotor brushless motor, which is composed of a stator 110, an inner rotor 120, and an outer rotor 130. It is sectional drawing of a motor.
  • the stator 110 includes a stator yoke 114, an outer tooth 112 and an inner tooth 113 provided on the stator yoke 114, and a three-phase coil 115 is provided on the stator yoke 114. Normally, the coil 115 is star-connected or delta-connected.
  • the inner rotor 120 is rotatably held inside the stator 110, and also has a force with the inner rotor yoke 121 and the inner permanent magnet 122.
  • the outer rotor 130 is rotatably held outside the stator 110, and includes an outer rotor yoke 131 and an outer permanent magnet 132.
  • the inner aperture 120 and the outer rotor 130 are rotated by a magnetic field generated by a current flowing through the coil 115.
  • FIG. 8 shows a surface magnet type rotor in which permanent magnets 122 and 132 are provided on the inner rotor 120 and the outer rotor 130, respectively. [0010] FIG.
  • FIG. 9A shows the measurement result of the induced voltage waveform with respect to the rotor position in the case of 24 poles and 18 slots.
  • Fig. 9B shows the measured results of the induced voltage waveform relative to the rotor position in the case of 8 poles and 12 slots.
  • the horizontal axis is the rotor position (electrical angle).
  • Patent Document 1 Japanese Patent No. 3725510
  • Patent Document 2 Japanese Patent Application Special Table 2005-521378
  • Patent Document 3 Japanese Patent Application JP 2001-37133
  • the motor of the present invention has the following configuration.
  • a stator core having an inner slot configured between the teeth and an outer slot configured between the outer teeth, and a stator yoke between the inner slot and the outer slot, wound in a three-phase star or delta shape
  • a stator having a plurality of connected coils.
  • the inner rotor has an inner rotor yoke and an inner permanent magnet
  • the outer rotor has an outer rotor yoke and an outer permanent magnet.
  • the slot number of the inner slot and the slot number of the outer slot have the same number of slots S.
  • the number of poles of the inner permanent magnet and the number of poles of the outer permanent magnet have the same number of poles P, and the number of slots s and the number of poles P have a relationship of 3:?
  • N is an integer equal to or greater than 1, except when 2N 1 is a multiple of 3.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a motor in an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a graph showing an induced voltage waveform with respect to the rotor position of the motor in the embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a graph showing the radial force with respect to the rotor position of the motor in the embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a graph showing the cogging torque with respect to the rotor position of the motor in the embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a graph showing a comparison of output densities according to motor configurations.
  • FIG. 6 is a graph showing the relationship of the torque constant to the number of motor poles in the embodiment of the present invention.
  • FIG. 7A is a simulation diagram of a radial force in a conventional motor in the case of a concentrated winding method in a single rotor type motor.
  • FIG. 7B is a simulation diagram of radial force in a conventional motor in the case of a distributed winding method in a single rotor motor.
  • FIG. 8 is a sectional view of a conventional motor.
  • FIG. 9A is a graph of the induced voltage waveform versus rotor position in a conventional 24-pole 18-slot motor.
  • FIG. 9B is a graph of the induced voltage waveform versus rotor position in a conventional 8-pole 12-slot motor.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a toroidal winding brushless motor having a double rotor according to an embodiment of the present invention.
  • the motor according to the present embodiment includes a stator 10, an inner rotor 20 that faces the inner diameter side of the stator 10, and an outer rotor 30 that faces the outer diameter side.
  • the stator core 11 constituting the stator 10 includes a substantially annular stator yoke 14, an outer tooth 12 in which the force of the stator yoke 14 also projects in the outer circumferential direction, and the same number of outer teeth 12 projecting from the stator yoke 14 in the inner circumferential direction. It consists of 13 inner teeth. Between each outer tooth 12, there is an outer slot 16 force. Between each inner tooth 13, there is an inner slot 17 force. A plurality of coils 15 connected in a three-phase star or delta shape and in a troidal manner are wound around a stator yoke 14 between the outer slot 16 and the inner slot 17 in a concentrated manner.
  • An outer rotor 30 is disposed facing the outer teeth 12 via a predetermined air gap.
  • the inner rotor 20 is disposed facing the inner teeth 13 via a predetermined air gap.
  • the outer rotor 30 is disposed on the inner diameter side of an outer rotor frame (not shown). 1 is fixed, and a ring-shaped outer permanent magnet 32 is fixed to the inner diameter side thereof.
  • the outer rotor frame and the outer rotor yoke 31 are coupled by means such as press fitting, shrink fitting, or adhesion.
  • the outer rotor yoke 31 is formed by laminating electromagnetic steel sheets punched into a predetermined shape to constitute a magnetic circuit.
  • the inner rotor 20 is configured such that an inner rotor yoke 21 is fixed to the outer diameter side of an inner rotor frame (not shown), and a ring-shaped inner permanent magnet 22 is fixed to the outer diameter side.
  • the inner rotor frame and the inner rotor yoke 21 are joined together by means such as press fitting, shrink fitting, or adhesion.
  • the inner rotor yoke 21 is formed by stacking electromagnetic steel sheets punched into a predetermined shape, and constitutes a magnetic circuit.
  • the inner rotor frame and the outer rotor frame are coupled to the rotating shaft 40, and rotate integrally with the coil 15 by energizing the coil 15.
  • the motor according to the present embodiment adds the driving torque of the inner rotor 20 and the driving torque of the outer rotor 30, and has a higher torque and a higher torque than those of a general inner rotor motor or outer rotor motor. Output can be realized.
  • the number of poles of inner rotor 20 and the number of poles of outer rotor 30 are both 20, and the number of slots is 12 slots.
  • the winding arrangement can achieve the same effect as distributed winding.
  • FIG. 2 is a graph showing an induced voltage waveform with respect to the rotational position (electrical angle) of the rotor, and it can be confirmed that the winding arrangement is a substantially sine wave similar to the case of distributed winding.
  • N is an integer equal to or greater than 1, except when 2N—1 is a multiple of 3.
  • the induced voltage waveform becomes a sine wave as shown in FIG. Be controlled. This is because, generally, the distribution curve uses the fact that the induced voltage waveform has a sine wave shape compared to the concentrated curve.
  • Fig. 3 is a graph showing the radial force with respect to the rotor rotational position (electrical angle).
  • the type motor is shown. From this figure, the distribution shoreline Compared to the rotor type motor, the toroidal winding type double rotor type motor can realize the same winding arrangement as the distributed winding line and reduce the radial force by the vibration canceling effect of the inner rotor and the outer rotor. Can be confirmed.
  • a drive motor of a direct drive washing machine rotates at a lower speed of lOOrpm than lOrpm during washing! Since the speed is very low, the cogging torque tends to affect the vibration and noise of the washing machine. Therefore, by using the toroidal winding type double rotor type motor shown in the present embodiment, the cogging torque can be canceled by reversing the phase of the cogging torque between the inner rotor and the outer rotor.
  • FIG. 4 shows a cogging torque waveform of a toroidal winding type double rotor type motor with respect to the rotor rotational position (electrical angle).
  • the thin broken line is the cogging torque due to the inner rotor 20
  • the thin solid line is the cogging torque due to the outer rotor 30, and the thick solid line at the center represents the cogging torque of the entire motor that combines these.
  • the phase of the cogging torque of the inner rotor 20 and the phase of the cogging torque of the outer rotor 30 are reversed, and the peak value is made substantially the same between the inner rotor and the outer rotor. It shows that it can be greatly reduced. Therefore, it is clear that vibration and noise can be significantly reduced as a toroidal winding type double rotor type motor by using the combination represented by the above formula.
  • FIG. 5 shows a comparison of the output densities of the motor of the present invention and the conventional motor.
  • Output density is the output per motor volume.
  • A is for the inner rotor type motor
  • B is for the outer rotor type motor
  • C is for the centralized double rotor type motor
  • D is for the double rotor type motor of the toroidal winding type in this embodiment. Show each one.
  • the white area is the output density due to the inner rotor
  • the grandsing part is the output density due to the outer rotor.
  • the double rotor type motor shown in C and D the output density of the inner and outer rotors is added.
  • FIG. 6 shows the relationship of the torque constant to the number of poles.
  • a thick solid line indicates the case of the motor according to the embodiment of the present invention, and a thin broken line and a thin solid line indicate cases other than the motor of the present invention for comparison.
  • the thick solid line shows the relationship between the number of poles and the number of slots (at 12 slots) in the toroidal winding type double rotor type motor of the present invention.
  • the number of slots is fixed to 12. It is shown by changing the number of poles. Assuming that the torque constant at 20 poles and 12 slots is 1, the case of 4 poles, 12 slots, 20 poles, 12 slots, 28 poles, 12 slots, 44 poles and 12 slots that satisfy the above formula is shown.
  • the thin broken line shows the relationship between the number of poles and the number of slots (at 12 slots) in a conventional general motor.
  • N integer greater than or equal to 1).
  • 8 poles 12 slots, 16 poles 12 slots, 3 2 12 poles for poles and 12 slots for 40 poles are shown.
  • the thin solid line indicates other than the combination of the present invention and the conventional one. From this graph, when the present invention and the conventional example are compared with the same number of poles, it can be seen that the motor of the present invention has an excellent torque constant in all the number of poles.
  • the toroidal winding double rotor type motor of the present invention has a power density of 1.9 times that of the single rotor type motor of the inner rotor.
  • the toroidal winding type double rotor type motor of the present invention has a power density of 1.5 times that of the single rotor type motor of the outer rotor.
  • the output of the inner rotor and the output of the outer rotor are added, so that the space of the drive motor can be effectively utilized. be able to.
  • the output torque can be significantly improved by using the combination of the number of slots and the number of poles according to the present invention.
  • the washing capacity can be increased from 1.5 times to 1.9 times with the same driving motor volume. This also shows that the volume of the drive motor can be reduced by 35% to 50% for the same output.
  • the toroidal-coil double-rotor motor can increase the output density by 1.4 times.
  • the capacity can be increased by 1.4 times.
  • the magnetic flux in the centralized double rotor type motor forms a magnetic flux loop that passes from the outer rotor through the stator teeth, enters the inner rotor, passes through the stator teeth, and returns to the outer rotor. Since the apparent air gap increases because it passes through the outer and inner magnets, the magnetic flux of the magnet cannot be used effectively.
  • the magnetic flux of the toroidal winding type double rotor type motor passes from the outer rotor 30 to the outer teeth 12 and the stator yoke 14 of the stator 10 and returns to the outer rotor 30.
  • the apparent air gap is the same as that of a single rotor type motor, so that an output combining two single rotor type motors can be obtained.
  • the motor of the present invention is a toroidal winding
  • the coil end and the winding peripheral length can be shortened compared to a conventional distributed winding motor. Therefore, by reducing the winding resistance, copper loss can be reduced and a high-efficiency motor can be realized.
  • the inner rotor 20 and the outer rotor 30 both have the force described as a so-called surface magnet type motor (SPM type motor) provided with a permanent magnet on the surface of the rotor yoke.
  • SPM type motor surface magnet type motor
  • the present invention is limited to this configuration. It is not something.
  • a so-called permanent magnet embedded type motor (IPM type motor) having a permanent magnet embedded hole in the rotor yoke and embedded with the permanent magnet can also be used.
  • a configuration in which one of the inner rotor 20 and the outer rotor 30 is a permanent magnet embedded motor is also possible.
  • the magnetic flux of the magnet and the reluctance torque can be utilized, so that further effects can be exhibited.
  • an outer rotor frame and an inner rotor frame are employed, and the outer opening frame and the inner rotor frame are connected to the rotating shaft 40.
  • the outer rotor frame and the inner rotor frame are not adopted, and the outer rotor 30 and the inner rotor 20 may be combined by a resin mold!
  • the motor of the present invention is a combination of low noise and low vibration, which is a characteristic of a conventional distributed saddle motor, and high efficiency, which is a characteristic of a concentrated winding motor.
  • the number of slots s and the number of poles of the permanent magnets that take advantage of the characteristics of the toroidal winding double rotor structure
  • the present invention is useful for motors that are required to be downsized, such as home appliances and electrical components, and that require high output, high efficiency, low vibration, low noise, and low cost.

Landscapes

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  • Power Engineering (AREA)
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Abstract

　本モータは、環状のステータヨークと、このステータヨークから内外に向かって突出した複数の内外ティースとを有するステータコアと、ステータコアに巻回された複数のコイルとを備えたステータと、内外ティースに空隙を介して対向し永久磁石を有する内側ロータと外側ロータとを含む。ここで、内外スロット数Ｓ、内外永久磁石の極数Ｐは、Ｓ：Ｐ＝３：２Ｎ―１の関係を備える。ただし、Ｎは１以上の整数であり、２Ｎ―１が３の倍数となる場合を除く。

Description

明 細 書
モータ
技術分野
[0001] 本発明は、内側ロータと外側ロータの 2つのロータを搭載し、ステータにトロイダル 卷線が施されたモータに関する。
背景技術
[0002] ダイレクトドライブ洗濯機の駆動用モータなどに使用されるブラシレスモータは、低 速大トルクで低振動、低騒音であることが望まれている。ダイレクトドライブ駆動で用 いられるモータは、ギヤが無ぐ直接駆動するため、モータの大トルク化が必要である 。このため、特許文献 1の図 1と図 4に示されているように、外側ロータ構造で、ステー タには集中卷卷線が施されたモータが使用されている。一般的に、低速大トルクを求 められるモータは、集中卷卷線が施されている。これは、分布卷卷線のモータは、集 中卷卷線のモータに比べ、卷線の鎖交磁束が増加するため、出力トルクが 10%から 15%程度、大きくなる傾向にある。
[0003] しかし一方では、集中卷卷線のモータは、分布卷卷線のモータに比べ、コイルェン ドが小さくできるため、卷線の抵抗値が低減でき、トータル的に見て、同一の出力トル クを必要とする場合、モータの発熱量を抑えることが可能である。また、コイルエンド が短縮されるため、モータ体積も小さくできる。以上のことから、集中卷卷線のモータ は、低速時に大トルクを必要とし、小型化が特に要求される用途に向いている。さら に、高速時は、弱め界磁制御 (進み角駆動）によって、電流位相を進み位相角で駆 動するなどの方式が採用されて 、る。
[0004] しかし、集中卷卷線のモータは、ラジアル力が分布卷卷線のモータに比べ大きくな るために、振動、騒音が増大する。図 7Aはシングルロータ型モータにおける集中卷 卷線方式の場合のシミュレーション図を示す。同様に、図 7Bはシングルロータ型モ ータにおける分布卷卷線方式の場合のシミュレーション図を示す。これらの図よりラジ アル力を比較すると、集中卷卷線のモータのラジアル力が非常に大きくなつているこ とが確認できる。また、低速で運転されることから、コギングトルクの影響が反映され易 くなる。従って、洗濯機のダイレクトドライブ駆動など、低速、高トルクモータにおいて は、コギングトルクが小さぐラジアル力の小さいモータが強く求められている。
[0005] さらに、特許文献 2は、内側ロータと外側ロータの 2つのロータを備えるモータ（以降 は、集中卷ダブルロータ型モータと称す）が開示されている。集中卷ダブルロータ型 モータは、分割されたティースに集中卷で卷線を施し、モールドなどによって、ティー スを連結させてステータを構成し、ステーター様なギャップを持って、内側と外側に永 久磁石を張り合わせたロータを 2つ備え持つ構成となって 、る（特許文献 2の図 8参 照)。このときの内側と外側の永久磁石の磁極は内側と外側で異極となっており、集 中巻ダブルロータ型モータの磁束は、外側のロータからステータのティースを通り、内 側のロータに入り、ステータのティースを通り、外側のロータに戻る磁束ループとなつ ている。集中卷ダブルロータ型モータは、従来の、シングルロータ型モータに比べ、 内側と外側の磁束を使用できるため、出力密度を向上させることが可能である。しか し、シングルロータ型モータと同様に、卷線が集中巻であるために、ラジアル力が大 きくなるため、振動、騒音が大きくなる問題があった。
[0006] 次に、トロイダル卷線で卷線が施され、外側ロータと内側ロータの二つのロータを持 つモータが特許文献 3に開示されている。このモータの断面図を図 8に示す。
[0007] 図 8は、トロイダル卷線方式のダブルロータ型ブラシレスモータを示しており、ステー タ 110と内側ロータ 120と外側ロータ 130から構成された 8極 12スロットのダブルロー タ型トロイダル卷線方式のモータの断面図である。
[0008] ステータ 110は、ステータヨーク 114と、ステータヨーク 114に設けられた外側ティー ス 112と内側ティース 113とからなり、ステータヨーク 114には 3相コイル 115が施され ている。通常、コイル 115はスターないしはデルタ結線されている。
[0009] 内側ロータ 120は、ステータ 110の内側に回転自在に保持され、内側ロータヨーク 121と内側永久磁石 122と力も成る。また、外側ロータ 130は、ステータ 110の外側 に回転自在に保持され、外側ロータヨーク 131と外側永久磁石 132から成る。内側口 ータ 120および外側ロータ 130は、コイル 115に流れる電流による磁界によって回転 する。尚、図 8は、内側ロータ 120および外側ロータ 130に永久磁石 122および 132 をそれぞれ設けた、表面磁石型ロータを示している。 [0010] 図 9Aに、 24極 18スロットの場合のロータ位置に対する誘起電圧波形の実測結果 を示す。同様に、図 9Bに、 8極 12スロットの場合のロータ位置に対する誘起電圧波 形の実測結果を示す。横軸は、いずれもロータ位置 (電気角）である。これらの図から 明らかなように、誘起電圧波形が、非対称に歪んでいることが確認できる。これは、外 側ロータ 130と内側ロータ 120の相互緩衝作用によるものであり、このように誘起電圧 が歪むことによって、振動と騒音が大幅に増加する。
[0011] 上記従来技術によれば、 2つのロータを搭載することで、出力トルクを大きくすること ができる力 例えば、スロット数 Sと極数 Pを、 S : P = 3 : 2N (但し、 Nは 1以上の整数） とした場合、卷線配置が集中巻と同等となり、ラジアル力が大きくなるため、騒音が増 加する課題があった。
[0012] また、一般的な 1つロータを持つ分布卷モータの場合、ラジアル力を打ち消しあうこ とが可能であるが、コイルエンド部が大きくなるため、卷線抵抗が増加し、効率の低下 やモータ体格の大型化が問題となって 、た。
特許文献 1 :日本特許第 3725510号公報
特許文献 2：日本特許出願特表 2005— 521378号公報
特許文献 3：日本特許出願特開 2001— 37133号公報
発明の開示
[0013] 本発明のモータは次の構成を有する。環状のステータヨークと、このステータヨーク 力 径方向内側に向かって突出した複数の内側ティースと、この内側ティースと同数 でステータヨークカも径方向外側に向力つて突出した複数の外側ティースと、内側テ ィースの間に構成された内側スロットと、外側ティースの間に構成された外側スロットと を有するステータコアと、内側スロットと外側スロットの間のステータヨークに卷回され 、 3相スターまたはデルタ状に結線された複数のコイルとを備えたステータを有する。
[0014] 内側ティースに空隙を介して対向した内側ロータと、外側ティースに空隙を介して 対向した外側ロータとを含み、内側ロータと外側ロータは、同一回転軸に接続される 。内側ロータは内側ロータヨークと内側永久磁石とを有し、外側ロータは、外側ロータ ヨークと外側永久磁石とを有する。
[0015] ここに、内側スロットのスロット数と外側スロットのスロット数は同数のスロット数 Sを有 し、内側永久磁石の極数と外側永久磁石の極数は同数の極数 Pを有し、スロット数 s と極数 Pは、 3 : ? = 3 : 2?^—1の関係を備ぇる。ただし、 Nは 1以上の整数であり、 2N 1が 3の倍数となる場合を除く。
図面の簡単な説明
[0016] [図 1]図 1は本発明の実施の形態におけるモータの断面図である。
[図 2]図 2は本発明の実施の形態におけるモータのロータ位置に対する誘起電圧波 形を示すグラフである。
[図 3]図 3は本発明の実施の形態におけるモータのロータ位置に対するラジアル力を 示すグラフである。
[図 4]図 4は本発明の実施の形態におけるモータのロータ位置に対するコギングトル クを示すグラフである。
[図 5]図 5はモータの形態による出力密度の比較を示すグラフである。
[図 6]図 6は本発明の実施の形態におけるモータの極数に対するトルク定数の関係を 示すグラフである。
[図 7A]図 7Aは、従来のモータにおけるラジアル力の、シングルロータ型モータにお ける集中卷卷線方式の場合のシミュレーション図である。
[図 7B]図 7Bは、従来のモータにおけるラジアル力の、シングルロータ型モータにお ける分布卷卷線方式の場合のシミュレーション図である。
[図 8]図 8は従来のモータの断面図である。
[図 9A]図 9Aは従来の 24極 18スロットのモータにおけるロータ位置に対する誘起電 圧波形のグラフである。
[図 9B]図 9Bは従来の 8極 12スロットのモータにおけるロータ位置に対する誘起電圧 波形のグラフである。
符号の説明
[0017] 10 ステータ
11 ステータコア
12 外側ティース
13 内側ティース 14 ステータヨーク
15 コィノレ
16 外側スロット
17 内佃 jスロット
20 内側ロータ
21 内佃 jロータヨーク
22 内側永久磁石
30 外側ロータ
31 外側ロータヨーク
32 外側永久磁石
40 回転軸
発明を実施するための最良の形態
[0018] 以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。
[0019] 図 1は、本発明の実施の形態におけるダブルロータを有するトロイダル卷線方式の ブラシレスモータの断面図である。本実施の形態のモータは、ステータ 10と、このス テータ 10の内径側に対向する内側ロータ 20と、外径側に対向する外側ロータ 30と で構成される。
[0020] ステータ 10を構成するステータコア 11は、略環状のステータヨーク 14と、このステ ータヨーク 14力も外周方向に突出した外側ティース 12と、外側ティース 12と同数でス テータヨーク 14から内周方向に突出した内側ティース 13とから成る。各々の外側ティ ース 12の間には外側スロット 16力 各々の内側ティース 13の間には内側スロット 17 力 それぞれ構成されている。そして、 3相スターもしくはデルタ状に結線されトロイダ ル卷線形式による複数のコイル 15が、外側スロット 16と内側スロット 17の間のステー タヨーク 14に集中卷線方式で卷回されている。
[0021] 外側ティース 12に対向して所定のエアギャップを介して外側ロータ 30が配設され ている。同様に、内側ティース 13に対向して所定のエアギャップを介して内側ロータ 20が配設されている。
[0022] 外側ロータ 30は、外側ロータフレーム（図示しない）の内径側に外側ロータヨーク 3 1が固着され、更にその内径側にリング状の外側永久磁石 32が固着されて構成され ている。外側ロータフレームと外側ロータヨーク 31とは、圧入、焼きばめ、もしくは接着 等の手段で結合される。外側ロータヨーク 31は所定の形状に打ち抜いた電磁鋼板を 積層して成り、磁気回路を構成する。
[0023] 同様に、内側ロータ 20は、内側ロータフレーム（図示しない）の外径側に内側ロータ ヨーク 21が固着され、更にその外径側にリング状の内側永久磁石 22が固着されて構 成されている。内側ロータフレームと内側ロータヨーク 21とは、圧入、焼きばめ、もしく は接着等の手段で結合される。内側ロータヨーク 21は所定の形状に打ち抜いた電磁 鋼板を積層して成り、磁気回路を構成する。
[0024] そして、内側ロータフレームと外側ロータフレームは、回転軸 40に連結されて、コィ ル 15に所定の通電を行うことにより、一体に回転する。このように本実施の形態のモ ータは、内側ロータ 20の駆動トルクと外側ロータ 30駆動トルクとが加算されて、一般 的な内側ロータ型モータや外側ロータ型モータに比べ、高トルク、高出力が実現でき る。
[0025] ここで本実施の形態に係るモータでは、内側ロータ 20の極数および外側ロータ 30 の極数は、共に 20極であり、スロット数は共に 12スロットである。 20極 12スロットの組 み合わせにすることで、図 2に示すように、卷線配置が分布巻と同等の効果を実現で きる。図 2は、ロータの回転位置 (電気角）に対する誘起電圧波形を示すグラフであり 、卷線配置が分布巻の場合と同様な略正弦波となることが確認できる。このような、分 布巻の磁束配置となる組み合わせは、式3 = 3 : 2?^—1で表される。ただし、 Nは 1 以上の整数であり、 2N— 1が 3の倍数となる場合を除く。
[0026] 内外ステータのスロット数と内外ロータの極数がこの式で表される関係を満足すると 、図 2に示すように、誘起電圧波形が正弦波状となるため、モータの振動と騒音が抑 制される。これは、一般的に、分布卷卷線が集中卷卷線に比べ、誘起電圧波形が正 弦波状になることを利用しているためである。
[0027] 図 3はロータ回転位置 (電気角）に対するラジアル力を示すグラフであり、実線は本 実施の形態におけるトロイダル卷線方式のダブルロータ型モータ、破線は比較のた めの分布卷シングルロータ型モータを示している。この図より、分布卷卷線のシング ルロータ型モータに比べ、トロイダル卷線方式のダブルロータ型モータは、分布卷卷 線と同じ卷線配置を実現でき、なおかつ、内側ロータと外側ロータの振動打消し効果 によって、ラジアル力を低減することができることが確認できる。
[0028] 例えば、ダイレクトドライブ洗濯機の駆動用モータなどは、洗濯時にお!、て、 lOrpm より lOOrpmの低速で回転する。非常に低速であるため、洗濯機の振動、騒音にコギ ングトルクが影響しやすい。そこで、本実施の形態に示すトロイダル卷線方式のダブ ルロータ型モータとすることにより、内側ロータと外側ロータのコギングトルクの位相を 反転させることによって、コギングトルクを打ち消すことが可能となる。
[0029] 図 4は、ロータ回転位置 (電気角）に対するトロイダル卷線方式のダブルロータ型モ 一タのコギングトルク波形を示す。細い破線は内側ロータ 20によるコギングトルク、細 い実線は外側ロータ 30によるコギングトルクであり、中央の太い実線はこれらを合成 したモータ全体のコギングトルクを示している。このグラフより、内側ロータ 20のコギン グトルクの位相と外側ロータ 30のコギングトルクの位相を反転させ、なおかつ、波高 値を内側ロータと外側ロータでほぼ同一にすることで、モータ全体としてのコギングト ルクを大幅に低減することができることを示している。従って、上記式で表される組み 合わせを用いることによって、トロイダル卷線方式のダブルロータ型モータとしては、 振動、騒音を大幅に低減できることが明らかである。
[0030] 図 5に本発明のモータと従来モータの出力密度の比較を示す。出力密度とはモー タ体積あたりの出力である。 Aは内側ロータ型モータの場合、 Bは外側ロータ型モー タの場合、 Cは集中卷ダブルロータ型モータの場合、 Dは本実施の形態におけるトロ イダル卷線方式のダブルロータ型モータの場合をそれぞれ示して ヽる。白抜き部分 は内側ロータによる出力密度、ノ、ツチング部分は外側ロータによる出力密度であり、 Cと Dに示すダブルロータ型モータにおいては、内外ロータの出力密度が加算された ものとなる。
[0031] 図 6は、極数に対するトルク定数の関係を示している。太い実線は、本発明の実施 の形態のモータの場合、細い破線と細い実線は、比較のために本発明のモータ以外 の場合を示す。太い実線は、本発明のトロイダル卷線方式のダブルロータ型モータ における極数とスロット数（12スロット時）の関係を示し、ここではスロット数を 12に固 定し極数を変化させて示している。 20極 12スロット時のトルク定数を 1として、上記式 を満足する 4極 12スロット、 20極 12スロット、 28極 12スロット、 44極 12スロットの場合 を示している。
[0032] また、細い破線は、従来の一般的なモータにおける極数とスロット数（12スロット時） の関係を示す。従来の一般的なモータのスロット数と極数の比率は、 S : P = 3 : 2N ( N= l以上の整数）であり、この組み合わせとして、 8極 12スロット、 16極 12スロット、 3 2極 12スロット、 40極 12スロットを示している。また、細い実線は、本発明と従来の組 み合わせ以外を示している。このグラフより、本発明と従来例とを同極数で比較すると 、本発明のモータは、全ての極数においてトルク定数が優れていることが分力る。
[0033] 図 5より、内側ロータのシングルロータ型モータに比べ、本発明のトロイダル卷線方 式のダブルロータ型モータは 1. 9倍の出力密度となっている。また、外側ロータのシ ングルロータ型モータに比べ、本発明のトロイダル卷線方式のダブルロータ型モータ は 1. 5倍の出力密度となっている。本発明のモータは、内側ロータの出力と外側ロー タの出力が加算されることにより、駆動モータのスペースを有効的に活用することが 可能であるため、出力を従来に比べ、大幅に向上することができる。さらに、図 6より、 本発明のスロット数と極数の組み合わせを用いることで、出力トルクを大幅に向上さ せることが可能である。このことから、本発明のモータを洗濯機の駆動モータとして適 用すれば、同一の駆動モータ体積で、洗濯容量を 1. 5倍から 1. 9倍に大きくすること ができる。また、これは、同一の出力であれば、駆動モータの体積を 35%から 50% 低減できることを示して 、る。
[0034] さらに、集中卷ダブルロータ型モータと比べると、トロイダル卷線方式のダブルロー タ型モータは出力密度を 1. 4倍にすることができるため、同一の駆動モータ体積であ れば、洗濯容量を 1. 4倍にできる。集中卷ダブルロータ型モータでの磁束は、外側 のロータからステータのティースを通り、内側のロータに入り、ステータのティースを通 り、外側のロータに戻る磁束ループとなっている。外側と内側の磁石を通るため、見 かけ上のエアギャップが多くなるため、磁石の磁束が有効的に活用されない。
[0035] これに対して、トロイダル卷線方式のダブルロータ型モータの磁束は、外側ロータ 3 0からステータ 10の外側ティース 12、ステータヨーク 14を通り、外側ロータ 30に戻る ループと、内側ロータ 20からステータ 10の内側ティース 13、ステータヨーク 14を通り 、内側ロータ 20に戻るループの 2つである。これによつて、見かけ上のエアギャップは 、シングルロータ型モータと同じとなるため、シングルロータ型モータを 2つ合わせた 出力を得ることができる。
[0036] 本発明のモータは、トロイダル卷卷線であるため、従来の分布巻のモータに比べて 、コイルエンドや、卷線周長を短縮することができる。従って、卷線抵抗値を低減する により銅損を低減し、高効率モータが実現できる。
[0037] 以上のことから、本発明のスロット数 Sと永久磁石の極数 Pの組み合わせを用いるこ とで、低振動'低騒音、高効率、及び小型化を実現したモータを提供することが可能 となる。特に、 S : P = 3 : 5の関係が最適であり、本発明の効果を最大限に発揮するこ とができる。これは、図 6から明らかに分力るように、スロット数 12の場合においては、 S : P= 12 : 20が最大のトルク定数となること力も分かる。
[0038] 本実施の形態では、内側ロータ 20と外側ロータ 30は、共にロータヨークの表面に 永久磁石を備えたいわゆる表面磁石型モータ（SPM型モータ）として説明した力 本 発明はこの構成に限定されるものではない。ロータヨークに永久磁石埋め込み穴を 有し、そこに永久磁石を埋め込む構成の 、わゆる永久磁石埋め込み型モータ (IPM 型モータ）とすることもできる。内側ロータ 20と外側ロータ 30のいずれか一方を永久 磁石埋め込み型モータとする構成も可能である。
[0039] また、永久磁石として希土類磁石を使用することや、磁石をロータ内部の永久磁石 埋め込み孔に埋没させることによって、磁石の磁束や、リラクタンストルクを活用できる ため、更なる効果を発揮できる。
[0040] 本実施の形態では、外側ロータフレーム及び内側ロータフレームを採用し、外側口 一タフレームと内側ロータフレームとが回転軸 40に連結される構成としている。しかし ながら、外側ロータフレーム及び内側ロータフレームを採用せず、外側ロータ 30と内 側ロータ 20とは、榭脂モールドにより結合される構成としてもよ!、。
[0041] 本発明のモータは、従来の分布卷モータの特徴であった低騒音'低振動化と、集 中巻モータの特徴であった高効率 '小型化を組み合わせたものとなる。さらに、トロイ ダル卷線方式のダブルロータ構造の特徴を生カゝした、スロット数 sと永久磁石の極数 Pの組み合わせを用い、内外の 2つロータのラジアル力をキャンセルさせることによつ て、さらなる低振動，低騒音化を実現できる。
産業上の利用可能性
本発明は、家電製品ゃ電装品など、小型化が要求され、かつ高出力で高効率、低 振動'低騒音、低コストが求められる用途のモータに有用である。

Claims

請求の範囲
[1] 環状のステータヨークと、前記ステータヨークカも径方向内側に向力つて突出した複 数の内側ティースと、前記内側ティースと同数で前記ステータヨーク力 径方向外側 に向カゝつて突出した複数の外側ティースと、前記内側ティースの間に構成された内 側スロットと、前記外側ティースの間に構成された外側スロットとを有するステータコア と、前記内側スロットと前記外側スロットの間の前記ステータヨークに卷回され、 3相ス ターまたはデルタ状に結線された複数のコイルとを備えたステータと、
前記内側ティースに空隙を介して対向した内側ロータと、前記外側ティースに空隙を 介して対向した外側ロータとを含み、前記内側ロータと前記外側ロータは、同一回転 軸に接続され、
前記内側ロータは内側ロータヨークと内側永久磁石とを有し、前記外側ロータは、外 側ロータヨークと外側永久磁石とを有し、
前記内側スロットのスロット数と前記外側スロットのスロット数は同数のスロット数 Sを有 し、前記内側永久磁石の極数と前記外側永久磁石の極数は同数の極数 Pを有し、 前記スロット数 Sと前記極数 Pは、 3 : ? = 3 : 2?^—1 (ただし、 Nは 1以上の整数であ り、 2N— 1が 3の倍数となる場合を除く）の関係を備えたモータ。
[2] 前記スロット数 Sと前記極数 Pと力 S : P = 3 : 5の関係を備えた請求項 1記載のモータ
[3] 前記内側永久磁石と前記外側永久磁石の少なくとも一方は、前記内側ロータヨーク と前記外側ロータヨークの表面に備えられた請求項 1記載のモータ。
[4] 前記内側永久磁石と前記外側永久磁石の少なくとも一方は、前記内側ロータヨーク と前記外側ロータヨークの内部に埋め込まれた請求項 1記載のモータ。
[5] 前記回転軸の回転数は、 lOrpmより lOOrpmの範囲の低速を含む請求項 1記載の モータ。
[6] 前記内側ロータと前記外側ロータとの駆動トルクは加算され、前記内側ロータと前記 外側ロータとのコギングトルクは打ち消される請求項 1記載のモータ。
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