JP2004222466A - 埋込磁石型モータ - Google Patents
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Abstract
【課題】トルクの低下を抑制することができる埋込磁石型モータを提供すること。
【解決手段】埋込磁石型モータ1のロータ4は、電磁鋼鈑からなる第1ロータコア8及び第2ロータコア9を備えており、第1ロータコア8と第2ロータコア9との間には非磁性体からなる第3ロータコア10が挟み込まれている。第1ロータコア8及び第2ロータコア9は磁石が軸方向に直列するように配列されている。第1ロータコア8の第1及び第2バーは、該第1ロータコア8の周方向において不等間隔に形成されている。第2ロータコア9のバーは、該第2ロータコア9の周方向において等間隔に形成されている。
【選択図】 図1
【解決手段】埋込磁石型モータ1のロータ4は、電磁鋼鈑からなる第1ロータコア8及び第2ロータコア9を備えており、第1ロータコア8と第2ロータコア9との間には非磁性体からなる第3ロータコア10が挟み込まれている。第1ロータコア8及び第2ロータコア9は磁石が軸方向に直列するように配列されている。第1ロータコア8の第1及び第2バーは、該第1ロータコア8の周方向において不等間隔に形成されている。第2ロータコア9のバーは、該第2ロータコア9の周方向において等間隔に形成されている。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は埋込磁石型モータに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
高効率モータとしては、埋込磁石型モータがある。埋込磁石型モータは、ロータコア内にマグネットが埋設されたロータを有するモータであり、ステータが作り出す回転磁界とロータとの間のマグネットトルクに加え、ロータ表面に形成される回転磁界の磁路に基づくリラクタンストルクを有効に利用することにより高いモータ効率を得ることができる。
【0003】
ところで、一般にステータに形成されたティースの本数は、ロータに埋設されたマグネット及び該マグネットの間に形成される磁路形成部の数の整数倍に設定されている。従って、ロータの径方向において互いに隣り合う磁路形成部の周方向中心と、対向するティースの周方向中心が径方向に径方向に一致する。その結果、マグネットの周方向両側に形成された両磁路形成部にティースから同時に直線的なコイル磁束の流れを形成することによりブレーキトルクが発生し、該ブレーキトルクによりモータから出力されるトルクにリップルが発生する。このリップルを低減するため、例えば特許文献1には、任意の高さに積層された複数の回転子鉄心を相対的に回転させて積層したスキュー構造をとる回転子が開示されている。回転子はスキュー構造をとることによって固定子の周方向において複数のティースと対向する磁路形成部の面積を小さくすることで、ティースと磁路形成部の間の直線的なコイル磁束を減少させ、トルクのリップルを低減している。
【0004】
【特許文献1】
特開平5−236687号公報(図1、図2)
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記特許文献1のモータでは、同じ形状の回転子鉄心を周方向に回転させて積層しているため、ステータの巻線に対するマグネットの有効磁束が減少し、マグネットトルクとリラクタンストルクとの和によって求められる回転子のトルクが低下するという問題があった。
【0006】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、トルクの低下を抑制することができる埋込磁石型モータを提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するため、請求項1に記載の発明は、円筒状に形成され周方向等角度間隔で軸中心に向かって延びるように形成された複数のティースに巻線が巻回されたステータと、周方向に沿って軸方向に貫通する収容孔が形成され、各収容孔に径方向外側の磁極が周方向に沿って交互にN極とS極となるように複数の磁石が配設され、周方向に隣り合う磁石の間に径方向に沿って延びる磁路形成部が形成された複数のロータコアを回転軸の軸方向に配列して形成され、前記ステータの内側に回転可能に収容されるロータと、を備え、前記複数のロータコアのうちの少なくとも1つのロータコアは前記磁路形成部が周方向に等間隔にて形成され、その他のロータコアは前記磁路形成部が周方向に不等間隔に形成され、前記複数のロータコアは、各ロータコアの磁石が軸方向に直列するように配列した。
【0008】
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記ロータコアは非磁性体を介して積層した。
請求項3に記載の発明は、請求項1又は2に記載の発明において、前記磁石は前記ロータの軸線方向に一体に形成した。
【0009】
請求項4に記載の発明は、請求項1又は2に記載の発明において、前記磁石は前記ロータコア毎に形成した。
請求項5に記載の発明は、請求項1〜4のうちのいずれか一項に記載の発明において、前記磁石は周方向の幅が前記ロータコア毎に前記磁路形成部の間隔に対応して形成した。
【0010】
請求項6に記載の発明は、請求項1〜5のうちのいずれか一項に記載の発明において、前記ロータは、前記各ロータコアの特性に応じて、前記磁路形成部が周方向に等間隔で形成されたロータコアと、該ロータコアにおけるトルクリップルを略打ち消すように前記磁路形成部が形成されたロータコアとが積層されてなる。
【0011】
(作用)
請求項1に記載の発明によれば、磁路形成部の周方向間隔が異なるロータコアと磁路形成部の周方向間隔が等しいロータコアとが軸方向に配列されることで磁路形成部とティースとの間に同時に形成される直線的なコイル磁束が低減され、トルクリップルが低減される。また、各ロータコアのマグネットが軸方向に直線的に配列されることで該マグネットの有効磁束の減少が抑えられ、トルクの低減が抑制される。
【0012】
請求項2に記載の発明によれば、ロータコアの間に非磁性体を挟み込むことにより積層されたロータコア間における磁束漏れが防止される。従って、各ロータコアの磁束が有効に活用される。
【0013】
請求項3に記載の発明によれば、ロータに配設される磁石は該ロータの軸線方向において一体であるため、部品点数の増加が防がれる。
請求項4に記載の発明によれば、磁石がロータコア毎に形成されているため各ロータコアはロータコア単位で適宜組み合わせを変更して配列可能である。従って、様々な特性のロータが容易に構成される。
【0014】
請求項5に記載の発明によれば、各ロータコアに配設される磁石の形状は磁路形成部の周方向の間隔に対応して異なっている。そのためマグネットの方向を区別することができ、該マグネットをロータに組み付ける際の誤組み付けが防止される。
【0015】
請求項6に記載の発明によれば、磁路形成部が周方向に等間隔で形成されたロータコアのトルクリップルが略相殺されてリップルが低減される。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を埋込磁石型モータに具体化した一実施形態を図1〜図6に従って説明する。
【0017】
図1に示すように、埋込磁石型モータ1は、略有底筒状をなすケース2の内周に固着されたステータ3と、ロータ4と、を備える。ステータ3は、その内周に等角度間隔にて配設された複数のティース5を有し、当該各ティース5は、ステータ3の内周から軸中心に向かって延設されている。本実施形態では、各ティース5は、等角度間隔にて48本設けられている。各ティース5には、インシュレータ6を介してコア巻線7が巻回されている。尚、図3においては、インシュレータ6及びコア巻線7を省略している。そして、本実施形態では、コア巻線7は、中心角が互いに45°の位置関係にあるティース5に分布巻きにて巻回され、当該コア巻線7には、位相差120°の3相交流電流が供給される。
【0018】
図2に示すように、ロータ4は、第1ロータコア8、第2ロータコア9、第3ロータコア10を備えている。本実施形態では、第1ロータコア8及び第2ロータコア9はそれぞれ円盤状に形成された電磁鋼鈑を所定枚積層して形成されており、第3ロータコア10は円盤状に形成された非磁性体(本実施形態ではプラスティック)にて形成されている。第1ロータコア8と第2ロータコア9は軸方向に配列されており、第1ロータコア8と第2ロータコア9との間には第3ロータコア10が挟み込まれている。即ち、本実施形態では、第1ロータコア8と第2ロータコア9は第3ロータコア10を介して軸方向に積層されている。尚、図2は第1ロータコア8、第2ロータコア9及び第3ロータコア10の積層状態の概略図であり、詳細な箇所については図示を省略している。本実施形態において第1ロータコア8と第2ロータコア9は同数の電磁鋼鈑を積層して形成されている。
【0019】
第1ロータコア8、第2ロータコア9及び第3ロータコア10はピン11(図3参照)が軸線方向に貫挿されており、一体的に組み付けられているとともに、第1ロータコア8と第3ロータコア10と第2ロータコア9の周方向の相対的なずれを防いでいる。ロータ4には軸線方向に一体形成された長四角形状の磁石(マグネット)12が複数配設されている。マグネット12はロータ4の軸方向の長さがロータ4の軸方向の厚さと略同一に形成されている。
【0020】
第1ロータコア8、第2ロータコア9、第3ロータコア10の構成を詳述する。
先ず、第1ロータコア8について説明する。
【0021】
第1ロータコア8の軸心には第1ロータコア8を軸方向に貫通する軸孔8aが形成されている。軸孔8aの周囲には第1ロータコア8を軸方向に貫通する固定孔8bが周方向に沿って等間隔に複数(8つ)形成されている。
【0022】
第1ロータコア8の外周近傍には、当該第1ロータコア8を軸方向に貫通する第1収容孔13及び第2収容孔14が形成されている。第1収容孔13と第2収容孔14とは同数形成されており、第1ロータコア8の周方向において該第1収容孔13と第2収容孔14とが交互にそれぞれ4つずつ形成されている。
【0023】
第1収容孔13及び第2収容孔14にはそれぞれマグネット12が収容されている。第1収容孔13と第2収容孔14は、第1ロータコア8の周方向に沿って等角度間隔に形成されている。第1収容孔13及び第2収容孔14はそれぞれ径方向と直交する方向に沿って延びるように形成されている。尚、前記固定孔8bは第1ロータコア8の軸中心と第1収容孔13の周方向中心とを結ぶ直線上及び第1ロータコア8の軸中心と第2収容孔14の周方向中心とを結ぶ直線上に形成されている。
【0024】
第1収容孔13及び第2収容孔14は、その両端部に磁束遮断孔13a,13b,14a,14bが形成されている。磁束遮断孔13a,13b,14a,14bは第1収容孔13及び第2収容孔14に収容されたマグネット12の磁路が短絡されないように第1収容孔13及び第2収容孔14の両端部から第1ロータコア8の径方向外側に向かって外周面近傍まで延設されている。
【0025】
第1ロータコア8の周方向において、第1収容孔13と第2収容孔14との間、即ち第1収容孔13の磁束遮断孔13aと第2収容孔14の磁束遮断孔14bとの間には磁路形成部としての第1バー16が形成されている。また、第1収容孔13の磁束遮断孔13bと第2収容孔14の磁束遮断孔14aとの間には磁路形成部としての第2バー17が形成されている。磁束遮断孔13a,13b,14a,14bが第1ロータコア8の径方向外側に向かって延設されているため、該磁束遮断孔13a,13b,14a,14bの間に形成される第1及び第2バー16,17は第1ロータコア8の径方向に沿って延びるように形成されている。尚、本実施形態においては説明を分かり易くするため、1つの第1バー16を第1バー16aとし、図において時計回りに第1バー16aと隣り合う第2バー17を第2バー17aとし、更に該第2バー17aと時計回りに隣り合う第1バー16を第1バー16bとする。
【0026】
第1及び第2バー16,17は、第1ロータコア8の周方向における長さがティース5の周方向の長さと略等しく形成されている。
直線L1は、第1ロータコア8の軸中心と、第1バー16aの周方向中心と、を結ぶ直線を示している。直線L2は、第1ロータコア8の軸中心と、第1バー16bの周方向中心と、を結ぶ直線を示している。また、直線L3は、第1ロータコア8の軸中心と、第2バー17aの周方向中心と、を結ぶ直線を示している。
【0027】
直線L1と直線L3とで作られる角度θ1は直線L2と直線L3とで作られる角度θ2よりも小さく設定されている。即ち、直線L1と直線L3とによって作られる角度範囲に位置する第1収容孔13は、直線L2と直線L3とによって作られる角度範囲に位置する第2収容孔14よりもロータコア8の周方向における長さが短く設定されている。従って、第1ロータコア8の周方向において、第1及び第2バー16,17は、不等間隔に配設されている。
【0028】
尚、本実施形態において具体的には、角度θ1がステータ3の周方向に沿って配設されたティース5の5.25本分の長さで形成されたステータ3の円弧3cを有する扇形の中心角と等しくなるように第1ロータコア8の周方向における第1収容孔13の両側に形成されるバーの間隔が設定されている。また、角度θ2がステータ3の周方向に沿って配設されたティース5の6.75本分の長さで形成されたステータ3の円弧3cを有する扇形の中心角と等しくなるように第1ロータコア8の周方向における第2収容孔14の両側に形成されるバーの間隔が設定されている。
【0029】
次に、第2ロータコア9について説明する。
図4に示すように、第2ロータコア9の軸心には第2ロータコア9を軸方向に貫通する軸孔9aが形成されている。軸孔9aの直径は前述した軸孔8aの直径と等しく形成されている。軸孔9aの周囲には第2ロータコア9を軸方向に貫通する固定孔9bが該ロータコア9の周方向に沿って複数(8つ)形成されている。固定孔9bと軸孔9aとの距離は第1ロータコア8に形成された固定孔8bと軸孔8aとの距離と等しく形成されている。各固定孔9bの直径は第1ロータコア8に形成された固定孔8bの直径と等しく形成されている。
【0030】
第2ロータコア9の外周近傍には、第2ロータコア9を軸方向に貫通する収容孔21が形成されている。収容孔21は、第2ロータコア9の周方向に沿って等角度間隔に配設されており、それぞれ径方向と直交する方向に沿って延びるように形成されている。尚、前述した固定孔9bは第2ロータコア9の軸中心と収容孔21の周方向中心とを結ぶ直線上に形成されており、第2ロータコア9の周方向において等角度間隔に配設されている。
【0031】
収容孔21の両端部には磁束遮断孔21a,21bが形成されている。磁束遮断孔21a,21bは収容孔21に貫挿されたマグネット12の磁路が短絡されないように収容孔21の両端部から第2ロータコア9の径方向外側に向かって外周面近傍まで延設されている。
【0032】
第2ロータコア9の周方向に隣り合う収容孔21の間には磁路形成部としてのバー22が形成されている。バー22は第2ロータコア9の周方向に沿って等角度間隔に形成されている。磁束遮断孔21a,21bが第2ロータコア9の径方向外側に向かって延設されているため、バー22は第2ロータコア9の径方向に沿って形成されている。尚、本実施形態においては説明を分かり易くするため、隣り合う一対のバー22をバー22a,22bとする。
【0033】
バー22は、第2ロータコア9の周方向における長さがティース5の周方向の長さと略等しく形成されている。
直線L4は第2ロータコア9の軸中心と、バー22aの周方向中心と、を結ぶ直線を示している。直線L5は第2ロータコア9の軸中心と、バー22aと周方向に隣り合うバー22bの周方向中心と、を結ぶ直線を示している。
【0034】
直線L4は該直線L4と直線L5とで作られる角度θ3は、ティース5の本数(本実施形態では48本)をマグネット12の個数(本実施形態では8つ)で割った本数分(本実施形態では6本分)の長さで形成されたステータ3の円弧3cを有する扇形の中心角と等しく形成されている。従って、収容孔21は第2ロータコア9の周方向において角度θ3の範囲内に配設されるように第2ロータコア9の周方向における長さが設定されている。
【0035】
次に第3ロータコア10について説明する。
図5に示すように、第3ロータコア10は略円盤状に形成されており、その中心には軸孔10aが形成されている。軸孔10aの直径は第1ロータコア8の軸孔8a及び第2ロータコア9の軸孔9aの直径と等しく形成されている。軸孔10aの周囲には第3ロータコア10を軸方向に貫通する固定孔10bが周方向に沿って等角度間隔に複数(8つ)形成されている。固定孔10bと軸孔10aとの距離は第1ロータコア8に形成された固定孔8bと軸孔8aとの距離及び第2ロータコア9に形成された固定孔9bと軸孔9aとの距離と等しく形成されている。
【0036】
第3ロータコア10の外周近傍には、第3ロータコア10を軸方向に貫通する収容孔23が形成されている。
このように形成された第1ロータコア8、第2ロータコア9及び第3ロータコア10は、互いに形成された各軸孔8a,9a,10aと、各固定孔8b,9b,10bと、各収容孔13,14,21,23と、が軸線方向に連通するように積層されている。第1ロータコア8、第2ロータコア9及び第3ロータコア10が備える各固定孔8b,9b,10bにはピン11が貫挿されている。
【0037】
収容孔21は、その軸中心との距離が第1ロータコア8における第1収容孔13及び第2収容孔14と軸中心との距離と同じに形成されている。更に、収容孔21は、その径方向の幅が第1収容孔13及び第2収容孔14の径方向の幅と同じに形成されている。又、収容孔23は、その軸中心との距離が第1ロータコア8における第1収容孔13及び第2収容孔14と軸中心との距離と同じに形成されている。更に、収容孔23は、その径方向の幅が第1収容孔13及び第2収容孔14の径方向の幅と同じに形成されている。従って、第1ロータコア8の第1収容孔13及び第2収容孔14と第2ロータコア9の収容孔21と第3ロータコア10の収容孔23とのロータ4の径方向と直交する方向に延びる部分である磁石収容部13c,14c,21c,23aが重合する。
【0038】
第1ロータコア8、第2ロータコア9及び第3ロータコア10が備える各収容孔13,14,21,23にはマグネット12が貫挿されている。
マグネット12は各収容孔13,14,21,23に、その磁束方向とロータ4の径方向とが一致するよう当該マグネット12の内側面12a又は外側面12bがN極又はS極となるように収容されている。マグネット12はロータ4の周方向に沿って等角度間隔に複数(本実施形態において8つ)配設されており、ロータ4の軸方向に向かって貫挿されている。
【0039】
マグネット12はロータ4における周方向片側に隣り合うマグネット12と2つ(外側面12bの磁極がN極となるものとS極となるものとを1つずつ)で1セットの磁極対12cを形成している。図3〜5に示すように、本実施形態のロータ4においては磁極対12cを4つ備えている。
【0040】
マグネット12が等角度間隔で配設されているため、各磁極対12cはロータ4の周方向において等角度間隔に配設されている。本実施形態においては磁極対12cの数が4つであるため、それぞれの磁極対12cは90°毎に配設されている。
【0041】
各収容孔13,14,21,23は、マグネット12が収容される部分の幅(径方向の長さ)が各マグネット12の厚み(径方向の長さ、即ちマグネット12の内側面12aから外側面12bまでの長さ)と略同一となるように形成されている。各マグネット12は、その内側面12a及び外側面12bが、径方向と直交する各収容孔13,14,21,23の両内壁面と密着し、該収容孔13,14,21,23内に固着されている。
【0042】
このように形成されたロータ4は図1に示すように、第1ロータコア8、第2ロータコア9及び第3ロータコア10の各軸孔8a,9a,10a内に回転軸24が圧入固定されている。そして、回転軸24は、ケース2及び蓋部25に設けられた軸受け26にて軸支され、ロータ4がステータ3に囲まれるようケース2及び蓋部25内に回転可能に収容されている。
【0043】
次に、上記のように構成された埋込磁石型モータの作用を図6に従って説明する。
図6は埋込磁石型モータ1から出力されるトルクの特性を表したグラフである。グラフの横軸はステータ3に対するロータ4の相対回転角度を表しており、グラフの縦軸はトルクの大きさを表している。埋込磁石型モータ1はロータ4を構成するロータコアによって出力されるトルクの特性が変化している。
【0044】
曲線C1は第1ロータコア8をロータ4と同一の厚さとなるように積層して構成したロータを用いた場合に埋込磁石型モータ1から出力されるトルクを表す。曲線C2は第2ロータコア9をロータ4と同一の厚さとなるように積層して構成したロータを用いた場合に埋込磁石型モータ1から出力されるトルクを表す。
【0045】
曲線C1及び曲線C2に示すように、第1ロータコア8をロータ4と同一の厚さに形成したロータと、第2ロータコア9をロータ4と同一の厚さに形成したロータとではトルクの特性(大きさ及び位相)が異なっている。尚、位相は、トルクの周期的な変化におけるステータ3に対するロータ4の相対回転角度である。従って、位相が異なるとはトルクが極大値となる時のステータ3に対するロータ4の相対回転角度が異なるということを表す。例えば、一方のトルクが極大値となる時に他方のトルクが極小値となる時、この2つのトルクは互いに逆位相の関係にあるという。
【0046】
ロータ4が回転して第1バー16の周方向中心とティース5の周方向中心とが第1ロータコア8の径方向に沿って直列状態となる時、第2バー17の周方向中心とステータ3の周方向に隣り合う2本のティース5の周方向中央とがロータ4の径方向に沿って直列状態となる。この時、第2ロータコア9のバー22は1本のティース5の周方向中心とロータ4の径方向に沿って直列状態とならない。
【0047】
また、第2バー17の周方向中心と1本のティース5の周方向中心とが第1ロータコア8の径方向に沿って直列状態となる時、第1バー16の周方向中心と、それと略対向する2本のティース5の周方向中央とがロータ4の径方向に沿って直列状態となる。この時、第2ロータコア9のバー22はティース5の周方向中心とロータ4の径方向に沿って直列状態とならない。
【0048】
即ち、第1ロータコア8が備える第1バー16或いは第2バー17の周方向中心がティース5の周方向中心とロータ4の径方向に沿って直列状態となった時、該第1バー16或いは第2バー17以外のバーはティース5と直列状態にならない。
【0049】
一方、第2ロータコア9のバー22の周方向中心と1本のティース5の周方向中心とが第2ロータコア9の径方向に沿って直列状態となる時、該バー22と第2ロータコア9の周方向に隣り合うバー22の周方向中心もティース5の周方向中心と第2ロータコア9の径方向に沿って直列状態となる。この時、第1ロータコア8の第1バー16及び第2バー17のロータ4における周方向中心はティース5の周方向中心とロータ4の径方向に沿って直列状態とならない。
【0050】
従って、ロータ4が回転する時、第1ロータコア8と第2ロータコア9に形成された第1バー16、第2バー17、バー22が同時にティース5と径方向に沿って直列状態となることはなく、該ロータ4とティース5との間に形成される直線的なコイル磁束の流れは低減される。埋込磁石型モータ1はこのようにロータ4とティース5との間に形成される直線的なコイル磁束の流れが低減されることで、トルクリップルの発生が低減される。
【0051】
それに対して、各マグネット12はロータ4の軸方向に沿って延びている。そのためマグネット12の有効磁束の減少は抑制される。従って、埋込磁石型モータ1の出力トルクはリップルが低減されるとともに、出力トルクの低減が抑制される。尚、本実施形態においては埋込磁石型モータ1が備える第1ロータコア8と第2ロータコア9は同数の電磁鋼鈑によって形成されているため、埋込磁石型モータ1の出力トルクは曲線C1と曲線C2との平均値を示す曲線C3によって表される。
【0052】
上記したように、本実施形態によれば、以下の効果を有する。
(1)第1ロータコア8は、各バー16,17がロータ4の周方向間隔が異なるように形成され、第2ロータコア9はバー22が周方向の間隔が等間隔に形成されている。このように形成された第1ロータコア8及び第2ロータコア9を軸方向に配列したため、各バー16,17,22とティース5との間に同時に形成される直線的なコイル磁束が低減されトルクリップルが低減される。一方、各ロータコア8,9のマグネット12を軸方向に直線的に配列したため、該マグネット12の有効磁束の減少が抑えられ、埋込磁石型モータ1の出力トルクの低減が抑制される。
【0053】
(2)第1ロータコア8と第2ロータコア9とを積層することによりロータ4を形成したため、埋込磁石型モータ1から出力されるトルクの特性は第1ロータコア8のみで構成されるモータから出力されるトルクの特性と第2ロータコア9のみで構成されるモータから出力されるトルクの特性との合成値となる。そのため、埋込磁石型モータ1から出力されるトルクの特性は、バーが周方向に等角度間隔に配設されたロータのみを備えたモータから出力されるトルクの特性に比べてトルクの最大値と最小値との差(リップル)を小さくすることができる。
【0054】
(3)第1ロータコア8と第2ロータコア9との間には非磁性体からなる第3ロータコア10が挟み込まれている。そのため第1ロータコア8と第2ロータコア9との間で軸線方向に磁束が流れ込むことがなく、第1ロータコア8と第2ロータコア9との間の磁束漏れが防止される。従って、磁束を有効に利用することにより埋込磁石型モータ1のトルクを高効率に得ることができる。
【0055】
(4)マグネット12は軸線方向に一体的に形成されている。従って、ロータ4に貫挿されるマグネット12をロータ4の軸線方向において1つの部材とすることができ、部品点数の増加を抑制することができる。
【0056】
(5)磁極対12cは4つ配設されており、ロータ4において90°間隔毎に配設されている。そのため、ロータ4は周方向において各磁極対12cから略等しいトルクが与えられる。従って、埋込磁石型モータ1は安定したトルクを出力することができる。
【0057】
尚、本発明の実施形態は、以下のように変更してもよい。
○上記実施の形態では、ロータ4は電磁鋼鈑からなる第1ロータコア8及び第2ロータコア9の2つのロータコアを積層することにより形成されていた。しかし、電磁鋼鈑からなるロータコアの積層数は他の数としてもよく、例えば図7(a)に示すように第1ロータコア31、第2ロータコア32及び第3ロータコア33が全て電磁鋼鈑からなる三層構造のロータ34を用いてもよい。又、図7(b)に示すように、全てが電磁鋼鈑からなる第1〜第4ロータコア35〜38を備えた四層構造のロータ39を用いてもよい。
【0058】
また、図7(a)に示したロータ34の第1ロータコア31と第3ロータコア33を構成する電磁鋼鈑を同一形状のものとし、第2ロータコア32を形成する電磁鋼鈑の形状を第1及び第3ロータコア31,33を形成する電磁鋼鈑と異なる形状のものとしてもよい。或いは図7(b)に示したロータ39の第1ロータコア35と第3ロータコア37を構成する電磁鋼鈑を同一形状のものとし、第2ロータコア36と第4ロータコア38を同一形状の電磁鋼鈑で構成し、且つ該電磁鋼鈑を第1及び第3ロータコア35,37を構成する電磁鋼鈑と異なる形状のものとしてもよい。
【0059】
このように、形状の異なる2種類の電磁鋼鈑から構成されるロータコアを交互に積層してロータを形成することにより、該ロータを備えたモータの出力トルクの特性をモータの軸線方向において均等化することができる。従って、ロータの回転運動を安定させることができる。
【0060】
○上記実施の形態では、第1ロータコア8と第2ロータコア9との間に非磁性体からなる第3ロータコア10が挟み込まれていたが、図8(a)に示すように、各ロータコア8,9の間に第3ロータコア10を挟み込まずにロータ40を形成してもよい。
【0061】
また、図8(b)に示すように、各ロータコア8,9の間に空隙41を設けてロータ42を形成してもよい。また、図8(c)に示すように、各ロータコア43〜45の間に空隙46及び非磁性体からなるロータコア47を組み合わせて設けてロータ48を形成してもよい。
【0062】
○上記実施の形態では、マグネット12はロータ4の軸線方向の厚さと略同一の長さに一体に形成されていたが、第1ロータコア8及び第2ロータコア9毎にマグネットを形成してもよい。このように各ロータコア8,9毎にマグネットを形成することにより、各ロータコアを積層した後にマグネットを貫挿する必要がなく、ロータコア単位で適宜組み合わせを変更してロータを積層することができる。また、ロータコア単位でモータから出力されるトルクの特性を容易に確認することができる。
【0063】
○上記実施の形態では、ロータ4には長四角形状のマグネット12が貫挿されていた。しかし、各ロータコアが備える収容孔の大きさに応じてマグネット12の形状を変更してもよく、例えば図9(a)及び図9(b)に示すように、各ロータコアに応じて幅が異なるマグネット49,50を用いてもよい。マグネット49は各層で収容孔の大きさが異なる二層構造のロータに用いられており、マグネット50は各層で収容孔の大きさが異なる三層構造のロータに用いられる。
【0064】
マグネット49,50はロータ4の軸線方向に一体形成されており、該ロータ4に貫挿されている。このように収容孔14の大きさに応じてマグネットの形状を変更することにより、マグネットの方向を区別することができる。従って、マグネットをロータに貫挿する際にマグネットの誤組み付けを防止することができる。また、限られた収容孔のスペース内から最も大きい磁力を得ることができ、埋込磁石型モータ1のトルクを大きくすることができる。
【0065】
また、図10(a)及び図10(b)に示すように、マグネット49,50をロータコア毎に別部材とし、マグネット片51a,51bから構成されるマグネット51及びマグネット片52a〜52cから構成されるマグネット52を用いてもよい。このようにマグネット51及びマグネット52を構成すると、ロータコア単位で適宜組み合わせを変更してロータを積層することができるとともに、マグネットをロータに貫挿する際にマグネットの誤組み付けを防止することができる。
【0066】
○上記実施の形態では、第1ロータコア8は角度θ1がステータ3の周方向に沿って配設されたティース5の5.25本分の長さで形成されたステータ3の円弧3cを有する扇形の中心角と等しくなるように第1ロータコア8の周方向における第1収容孔13の両側に形成されるバーの間隔が設定されていた。しかし、各収容孔13,14,21の両側に形成されるバーの間隔は適宜変更してもよく、例えば角度θ1がステータ3の周方向に沿って配設されたティース5の5.5本分或いは5.75本分の長さで形成されたステータ3の円弧3cを有する扇形の中心角と等しくなるようにその長さを設定してもよい。以下、説明を簡略にするため収容孔の両側に形成されるバーの間隔を単にティース何本分であるかによって表す。尚、収容孔の両側に形成されるバーの間隔は一つの磁極対で合計12本分のティースの長さとなるように形成されているが、ここでは外側面12bがN極となるようにマグネット12が貫挿されている収容孔の両側に形成されるバーの間隔であるとする。従って、本実施形態における第1ロータコア8はティース5.25本分の長さの間隔でバーが形成されており、第2ロータコア9はティース6本分の長さの間隔でバーが形成されている。
【0067】
図11は周方向に配設されるバーの形成位置に伴い変化するトルクの特性を表したグラフである。グラフの横軸はステータ3に対するロータ4の相対回転角度を表しており、グラフの縦軸はトルクの大きさを表している。曲線C11はティース6本分、曲線C12はティース5.75本分、曲線C13はティース5.5本分、曲線C14はティース約5.44本分、曲線C15はティース約5.38本分、曲線C16はティース5.25本分の長さの間隔である時のトルクの特性を表す。
【0068】
埋込磁石型モータ1から出力されるトルクの特性は各ロータコアの周方向において隣り合うバーの間隔によって決定されており、該特性は図11に示す各特性の合成値を元に算出することができる。従って、例えばバー22が周方向に沿って等間隔に形成された第2ロータコア9に、曲線C14〜C16に示すように、第2ロータコア9と略逆位相のトルクを出力するロータコアを積層してロータを形成することによりロータのトルクリップル、即ちモータのトルクリップルをより低減することができる。
【0069】
○上記実施の形態では、第1ロータコア8と第2ロータコア9とを同数の電磁鋼鈑を積層することにより形成した。しかし、積層する電磁鋼鈑の枚数は各ロータコア8,9に従って適宜変更してもよく、このように各ロータコア8,9を形成する電磁鋼鈑の枚数を適宜設定することにより所望のトルク特性が出力される埋込磁石型モータ1を形成することができる。
【0070】
○上記実施の形態では、ロータ4の径方向と直交する方向両側に向かって延設された各収容孔13,14,21,23に板状のマグネット12を貫挿してロータ4を形成した。しかし、各収容孔13,14,21,23の形状及び各収容孔13,14,21,23に収容されるマグネットの形は形状を変更してもよい。従って、例えば収容孔をV字状に形成し、その内部にV字状にマグネットを貫挿してもよい。また、各ロータコアの外周面側に向かって円弧状に湾曲した収容孔に同じく円弧状に湾曲して形成されたマグネットを貫挿してもよい。
【0071】
○上記実施の形態では、磁極対12cを4つ備えたロータ4であったが、磁極対の数を適宜変更してもよい。
○上記実施の形態では、ロータ4を構成する各ロータコア8,9は電磁鋼鈑を積層して形成されていたが、粉体材料を焼結することで各ロータコアを形成してもよい。
【0072】
○上記実施の形態では、第3ロータコア10をプラスティックにより構成したが、その他の非磁性体の材料を用いて第3ロータコアを形成してもよい。
【0073】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、トルクの低下を抑制することができる埋込磁石型モータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】埋込磁石型モータの側断面図。
【図2】ロータの斜視図。
【図3】ステータ及び第1ロータコアの平面図。
【図4】ステータ及び第2ロータコアの平面図。
【図5】ステータ及び第3ロータコアの平面図。
【図6】モータから出力されるトルクの特性図。
【図7】(a),(b)は別例のロータの斜視図。
【図8】(a)〜(c)は別例のロータの斜視図。
【図9】(a),(b)は別例のマグネットの平面図。
【図10】(a),(b)は別例のマグネットの平面図。
【図11】別例のロータコアを備えたモータから出力されるトルクの特性図。
【符号の説明】
3…ステータ、4…ロータ、5…ティース、7…巻線、8…第1ロータコア、9…第2ロータコア、10…第3ロータコア、12…磁石(マグネット)、13…第1収容孔、14…第2収容孔、16…磁路形成部としての第1バー、17…磁路形成部としての第2バー、21…収容孔、22…磁路形成部としてのバー、23…収容孔、24…回転軸。
【発明の属する技術分野】
本発明は埋込磁石型モータに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
高効率モータとしては、埋込磁石型モータがある。埋込磁石型モータは、ロータコア内にマグネットが埋設されたロータを有するモータであり、ステータが作り出す回転磁界とロータとの間のマグネットトルクに加え、ロータ表面に形成される回転磁界の磁路に基づくリラクタンストルクを有効に利用することにより高いモータ効率を得ることができる。
【0003】
ところで、一般にステータに形成されたティースの本数は、ロータに埋設されたマグネット及び該マグネットの間に形成される磁路形成部の数の整数倍に設定されている。従って、ロータの径方向において互いに隣り合う磁路形成部の周方向中心と、対向するティースの周方向中心が径方向に径方向に一致する。その結果、マグネットの周方向両側に形成された両磁路形成部にティースから同時に直線的なコイル磁束の流れを形成することによりブレーキトルクが発生し、該ブレーキトルクによりモータから出力されるトルクにリップルが発生する。このリップルを低減するため、例えば特許文献1には、任意の高さに積層された複数の回転子鉄心を相対的に回転させて積層したスキュー構造をとる回転子が開示されている。回転子はスキュー構造をとることによって固定子の周方向において複数のティースと対向する磁路形成部の面積を小さくすることで、ティースと磁路形成部の間の直線的なコイル磁束を減少させ、トルクのリップルを低減している。
【0004】
【特許文献1】
特開平5−236687号公報(図1、図2)
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記特許文献1のモータでは、同じ形状の回転子鉄心を周方向に回転させて積層しているため、ステータの巻線に対するマグネットの有効磁束が減少し、マグネットトルクとリラクタンストルクとの和によって求められる回転子のトルクが低下するという問題があった。
【0006】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、トルクの低下を抑制することができる埋込磁石型モータを提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するため、請求項1に記載の発明は、円筒状に形成され周方向等角度間隔で軸中心に向かって延びるように形成された複数のティースに巻線が巻回されたステータと、周方向に沿って軸方向に貫通する収容孔が形成され、各収容孔に径方向外側の磁極が周方向に沿って交互にN極とS極となるように複数の磁石が配設され、周方向に隣り合う磁石の間に径方向に沿って延びる磁路形成部が形成された複数のロータコアを回転軸の軸方向に配列して形成され、前記ステータの内側に回転可能に収容されるロータと、を備え、前記複数のロータコアのうちの少なくとも1つのロータコアは前記磁路形成部が周方向に等間隔にて形成され、その他のロータコアは前記磁路形成部が周方向に不等間隔に形成され、前記複数のロータコアは、各ロータコアの磁石が軸方向に直列するように配列した。
【0008】
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記ロータコアは非磁性体を介して積層した。
請求項3に記載の発明は、請求項1又は2に記載の発明において、前記磁石は前記ロータの軸線方向に一体に形成した。
【0009】
請求項4に記載の発明は、請求項1又は2に記載の発明において、前記磁石は前記ロータコア毎に形成した。
請求項5に記載の発明は、請求項1〜4のうちのいずれか一項に記載の発明において、前記磁石は周方向の幅が前記ロータコア毎に前記磁路形成部の間隔に対応して形成した。
【0010】
請求項6に記載の発明は、請求項1〜5のうちのいずれか一項に記載の発明において、前記ロータは、前記各ロータコアの特性に応じて、前記磁路形成部が周方向に等間隔で形成されたロータコアと、該ロータコアにおけるトルクリップルを略打ち消すように前記磁路形成部が形成されたロータコアとが積層されてなる。
【0011】
(作用)
請求項1に記載の発明によれば、磁路形成部の周方向間隔が異なるロータコアと磁路形成部の周方向間隔が等しいロータコアとが軸方向に配列されることで磁路形成部とティースとの間に同時に形成される直線的なコイル磁束が低減され、トルクリップルが低減される。また、各ロータコアのマグネットが軸方向に直線的に配列されることで該マグネットの有効磁束の減少が抑えられ、トルクの低減が抑制される。
【0012】
請求項2に記載の発明によれば、ロータコアの間に非磁性体を挟み込むことにより積層されたロータコア間における磁束漏れが防止される。従って、各ロータコアの磁束が有効に活用される。
【0013】
請求項3に記載の発明によれば、ロータに配設される磁石は該ロータの軸線方向において一体であるため、部品点数の増加が防がれる。
請求項4に記載の発明によれば、磁石がロータコア毎に形成されているため各ロータコアはロータコア単位で適宜組み合わせを変更して配列可能である。従って、様々な特性のロータが容易に構成される。
【0014】
請求項5に記載の発明によれば、各ロータコアに配設される磁石の形状は磁路形成部の周方向の間隔に対応して異なっている。そのためマグネットの方向を区別することができ、該マグネットをロータに組み付ける際の誤組み付けが防止される。
【0015】
請求項6に記載の発明によれば、磁路形成部が周方向に等間隔で形成されたロータコアのトルクリップルが略相殺されてリップルが低減される。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を埋込磁石型モータに具体化した一実施形態を図1〜図6に従って説明する。
【0017】
図1に示すように、埋込磁石型モータ1は、略有底筒状をなすケース2の内周に固着されたステータ3と、ロータ4と、を備える。ステータ3は、その内周に等角度間隔にて配設された複数のティース5を有し、当該各ティース5は、ステータ3の内周から軸中心に向かって延設されている。本実施形態では、各ティース5は、等角度間隔にて48本設けられている。各ティース5には、インシュレータ6を介してコア巻線7が巻回されている。尚、図3においては、インシュレータ6及びコア巻線7を省略している。そして、本実施形態では、コア巻線7は、中心角が互いに45°の位置関係にあるティース5に分布巻きにて巻回され、当該コア巻線7には、位相差120°の3相交流電流が供給される。
【0018】
図2に示すように、ロータ4は、第1ロータコア8、第2ロータコア9、第3ロータコア10を備えている。本実施形態では、第1ロータコア8及び第2ロータコア9はそれぞれ円盤状に形成された電磁鋼鈑を所定枚積層して形成されており、第3ロータコア10は円盤状に形成された非磁性体(本実施形態ではプラスティック)にて形成されている。第1ロータコア8と第2ロータコア9は軸方向に配列されており、第1ロータコア8と第2ロータコア9との間には第3ロータコア10が挟み込まれている。即ち、本実施形態では、第1ロータコア8と第2ロータコア9は第3ロータコア10を介して軸方向に積層されている。尚、図2は第1ロータコア8、第2ロータコア9及び第3ロータコア10の積層状態の概略図であり、詳細な箇所については図示を省略している。本実施形態において第1ロータコア8と第2ロータコア9は同数の電磁鋼鈑を積層して形成されている。
【0019】
第1ロータコア8、第2ロータコア9及び第3ロータコア10はピン11(図3参照)が軸線方向に貫挿されており、一体的に組み付けられているとともに、第1ロータコア8と第3ロータコア10と第2ロータコア9の周方向の相対的なずれを防いでいる。ロータ4には軸線方向に一体形成された長四角形状の磁石(マグネット)12が複数配設されている。マグネット12はロータ4の軸方向の長さがロータ4の軸方向の厚さと略同一に形成されている。
【0020】
第1ロータコア8、第2ロータコア9、第3ロータコア10の構成を詳述する。
先ず、第1ロータコア8について説明する。
【0021】
第1ロータコア8の軸心には第1ロータコア8を軸方向に貫通する軸孔8aが形成されている。軸孔8aの周囲には第1ロータコア8を軸方向に貫通する固定孔8bが周方向に沿って等間隔に複数(8つ)形成されている。
【0022】
第1ロータコア8の外周近傍には、当該第1ロータコア8を軸方向に貫通する第1収容孔13及び第2収容孔14が形成されている。第1収容孔13と第2収容孔14とは同数形成されており、第1ロータコア8の周方向において該第1収容孔13と第2収容孔14とが交互にそれぞれ4つずつ形成されている。
【0023】
第1収容孔13及び第2収容孔14にはそれぞれマグネット12が収容されている。第1収容孔13と第2収容孔14は、第1ロータコア8の周方向に沿って等角度間隔に形成されている。第1収容孔13及び第2収容孔14はそれぞれ径方向と直交する方向に沿って延びるように形成されている。尚、前記固定孔8bは第1ロータコア8の軸中心と第1収容孔13の周方向中心とを結ぶ直線上及び第1ロータコア8の軸中心と第2収容孔14の周方向中心とを結ぶ直線上に形成されている。
【0024】
第1収容孔13及び第2収容孔14は、その両端部に磁束遮断孔13a,13b,14a,14bが形成されている。磁束遮断孔13a,13b,14a,14bは第1収容孔13及び第2収容孔14に収容されたマグネット12の磁路が短絡されないように第1収容孔13及び第2収容孔14の両端部から第1ロータコア8の径方向外側に向かって外周面近傍まで延設されている。
【0025】
第1ロータコア8の周方向において、第1収容孔13と第2収容孔14との間、即ち第1収容孔13の磁束遮断孔13aと第2収容孔14の磁束遮断孔14bとの間には磁路形成部としての第1バー16が形成されている。また、第1収容孔13の磁束遮断孔13bと第2収容孔14の磁束遮断孔14aとの間には磁路形成部としての第2バー17が形成されている。磁束遮断孔13a,13b,14a,14bが第1ロータコア8の径方向外側に向かって延設されているため、該磁束遮断孔13a,13b,14a,14bの間に形成される第1及び第2バー16,17は第1ロータコア8の径方向に沿って延びるように形成されている。尚、本実施形態においては説明を分かり易くするため、1つの第1バー16を第1バー16aとし、図において時計回りに第1バー16aと隣り合う第2バー17を第2バー17aとし、更に該第2バー17aと時計回りに隣り合う第1バー16を第1バー16bとする。
【0026】
第1及び第2バー16,17は、第1ロータコア8の周方向における長さがティース5の周方向の長さと略等しく形成されている。
直線L1は、第1ロータコア8の軸中心と、第1バー16aの周方向中心と、を結ぶ直線を示している。直線L2は、第1ロータコア8の軸中心と、第1バー16bの周方向中心と、を結ぶ直線を示している。また、直線L3は、第1ロータコア8の軸中心と、第2バー17aの周方向中心と、を結ぶ直線を示している。
【0027】
直線L1と直線L3とで作られる角度θ1は直線L2と直線L3とで作られる角度θ2よりも小さく設定されている。即ち、直線L1と直線L3とによって作られる角度範囲に位置する第1収容孔13は、直線L2と直線L3とによって作られる角度範囲に位置する第2収容孔14よりもロータコア8の周方向における長さが短く設定されている。従って、第1ロータコア8の周方向において、第1及び第2バー16,17は、不等間隔に配設されている。
【0028】
尚、本実施形態において具体的には、角度θ1がステータ3の周方向に沿って配設されたティース5の5.25本分の長さで形成されたステータ3の円弧3cを有する扇形の中心角と等しくなるように第1ロータコア8の周方向における第1収容孔13の両側に形成されるバーの間隔が設定されている。また、角度θ2がステータ3の周方向に沿って配設されたティース5の6.75本分の長さで形成されたステータ3の円弧3cを有する扇形の中心角と等しくなるように第1ロータコア8の周方向における第2収容孔14の両側に形成されるバーの間隔が設定されている。
【0029】
次に、第2ロータコア9について説明する。
図4に示すように、第2ロータコア9の軸心には第2ロータコア9を軸方向に貫通する軸孔9aが形成されている。軸孔9aの直径は前述した軸孔8aの直径と等しく形成されている。軸孔9aの周囲には第2ロータコア9を軸方向に貫通する固定孔9bが該ロータコア9の周方向に沿って複数(8つ)形成されている。固定孔9bと軸孔9aとの距離は第1ロータコア8に形成された固定孔8bと軸孔8aとの距離と等しく形成されている。各固定孔9bの直径は第1ロータコア8に形成された固定孔8bの直径と等しく形成されている。
【0030】
第2ロータコア9の外周近傍には、第2ロータコア9を軸方向に貫通する収容孔21が形成されている。収容孔21は、第2ロータコア9の周方向に沿って等角度間隔に配設されており、それぞれ径方向と直交する方向に沿って延びるように形成されている。尚、前述した固定孔9bは第2ロータコア9の軸中心と収容孔21の周方向中心とを結ぶ直線上に形成されており、第2ロータコア9の周方向において等角度間隔に配設されている。
【0031】
収容孔21の両端部には磁束遮断孔21a,21bが形成されている。磁束遮断孔21a,21bは収容孔21に貫挿されたマグネット12の磁路が短絡されないように収容孔21の両端部から第2ロータコア9の径方向外側に向かって外周面近傍まで延設されている。
【0032】
第2ロータコア9の周方向に隣り合う収容孔21の間には磁路形成部としてのバー22が形成されている。バー22は第2ロータコア9の周方向に沿って等角度間隔に形成されている。磁束遮断孔21a,21bが第2ロータコア9の径方向外側に向かって延設されているため、バー22は第2ロータコア9の径方向に沿って形成されている。尚、本実施形態においては説明を分かり易くするため、隣り合う一対のバー22をバー22a,22bとする。
【0033】
バー22は、第2ロータコア9の周方向における長さがティース5の周方向の長さと略等しく形成されている。
直線L4は第2ロータコア9の軸中心と、バー22aの周方向中心と、を結ぶ直線を示している。直線L5は第2ロータコア9の軸中心と、バー22aと周方向に隣り合うバー22bの周方向中心と、を結ぶ直線を示している。
【0034】
直線L4は該直線L4と直線L5とで作られる角度θ3は、ティース5の本数(本実施形態では48本)をマグネット12の個数(本実施形態では8つ)で割った本数分(本実施形態では6本分)の長さで形成されたステータ3の円弧3cを有する扇形の中心角と等しく形成されている。従って、収容孔21は第2ロータコア9の周方向において角度θ3の範囲内に配設されるように第2ロータコア9の周方向における長さが設定されている。
【0035】
次に第3ロータコア10について説明する。
図5に示すように、第3ロータコア10は略円盤状に形成されており、その中心には軸孔10aが形成されている。軸孔10aの直径は第1ロータコア8の軸孔8a及び第2ロータコア9の軸孔9aの直径と等しく形成されている。軸孔10aの周囲には第3ロータコア10を軸方向に貫通する固定孔10bが周方向に沿って等角度間隔に複数(8つ)形成されている。固定孔10bと軸孔10aとの距離は第1ロータコア8に形成された固定孔8bと軸孔8aとの距離及び第2ロータコア9に形成された固定孔9bと軸孔9aとの距離と等しく形成されている。
【0036】
第3ロータコア10の外周近傍には、第3ロータコア10を軸方向に貫通する収容孔23が形成されている。
このように形成された第1ロータコア8、第2ロータコア9及び第3ロータコア10は、互いに形成された各軸孔8a,9a,10aと、各固定孔8b,9b,10bと、各収容孔13,14,21,23と、が軸線方向に連通するように積層されている。第1ロータコア8、第2ロータコア9及び第3ロータコア10が備える各固定孔8b,9b,10bにはピン11が貫挿されている。
【0037】
収容孔21は、その軸中心との距離が第1ロータコア8における第1収容孔13及び第2収容孔14と軸中心との距離と同じに形成されている。更に、収容孔21は、その径方向の幅が第1収容孔13及び第2収容孔14の径方向の幅と同じに形成されている。又、収容孔23は、その軸中心との距離が第1ロータコア8における第1収容孔13及び第2収容孔14と軸中心との距離と同じに形成されている。更に、収容孔23は、その径方向の幅が第1収容孔13及び第2収容孔14の径方向の幅と同じに形成されている。従って、第1ロータコア8の第1収容孔13及び第2収容孔14と第2ロータコア9の収容孔21と第3ロータコア10の収容孔23とのロータ4の径方向と直交する方向に延びる部分である磁石収容部13c,14c,21c,23aが重合する。
【0038】
第1ロータコア8、第2ロータコア9及び第3ロータコア10が備える各収容孔13,14,21,23にはマグネット12が貫挿されている。
マグネット12は各収容孔13,14,21,23に、その磁束方向とロータ4の径方向とが一致するよう当該マグネット12の内側面12a又は外側面12bがN極又はS極となるように収容されている。マグネット12はロータ4の周方向に沿って等角度間隔に複数(本実施形態において8つ)配設されており、ロータ4の軸方向に向かって貫挿されている。
【0039】
マグネット12はロータ4における周方向片側に隣り合うマグネット12と2つ(外側面12bの磁極がN極となるものとS極となるものとを1つずつ)で1セットの磁極対12cを形成している。図3〜5に示すように、本実施形態のロータ4においては磁極対12cを4つ備えている。
【0040】
マグネット12が等角度間隔で配設されているため、各磁極対12cはロータ4の周方向において等角度間隔に配設されている。本実施形態においては磁極対12cの数が4つであるため、それぞれの磁極対12cは90°毎に配設されている。
【0041】
各収容孔13,14,21,23は、マグネット12が収容される部分の幅(径方向の長さ)が各マグネット12の厚み(径方向の長さ、即ちマグネット12の内側面12aから外側面12bまでの長さ)と略同一となるように形成されている。各マグネット12は、その内側面12a及び外側面12bが、径方向と直交する各収容孔13,14,21,23の両内壁面と密着し、該収容孔13,14,21,23内に固着されている。
【0042】
このように形成されたロータ4は図1に示すように、第1ロータコア8、第2ロータコア9及び第3ロータコア10の各軸孔8a,9a,10a内に回転軸24が圧入固定されている。そして、回転軸24は、ケース2及び蓋部25に設けられた軸受け26にて軸支され、ロータ4がステータ3に囲まれるようケース2及び蓋部25内に回転可能に収容されている。
【0043】
次に、上記のように構成された埋込磁石型モータの作用を図6に従って説明する。
図6は埋込磁石型モータ1から出力されるトルクの特性を表したグラフである。グラフの横軸はステータ3に対するロータ4の相対回転角度を表しており、グラフの縦軸はトルクの大きさを表している。埋込磁石型モータ1はロータ4を構成するロータコアによって出力されるトルクの特性が変化している。
【0044】
曲線C1は第1ロータコア8をロータ4と同一の厚さとなるように積層して構成したロータを用いた場合に埋込磁石型モータ1から出力されるトルクを表す。曲線C2は第2ロータコア9をロータ4と同一の厚さとなるように積層して構成したロータを用いた場合に埋込磁石型モータ1から出力されるトルクを表す。
【0045】
曲線C1及び曲線C2に示すように、第1ロータコア8をロータ4と同一の厚さに形成したロータと、第2ロータコア9をロータ4と同一の厚さに形成したロータとではトルクの特性(大きさ及び位相)が異なっている。尚、位相は、トルクの周期的な変化におけるステータ3に対するロータ4の相対回転角度である。従って、位相が異なるとはトルクが極大値となる時のステータ3に対するロータ4の相対回転角度が異なるということを表す。例えば、一方のトルクが極大値となる時に他方のトルクが極小値となる時、この2つのトルクは互いに逆位相の関係にあるという。
【0046】
ロータ4が回転して第1バー16の周方向中心とティース5の周方向中心とが第1ロータコア8の径方向に沿って直列状態となる時、第2バー17の周方向中心とステータ3の周方向に隣り合う2本のティース5の周方向中央とがロータ4の径方向に沿って直列状態となる。この時、第2ロータコア9のバー22は1本のティース5の周方向中心とロータ4の径方向に沿って直列状態とならない。
【0047】
また、第2バー17の周方向中心と1本のティース5の周方向中心とが第1ロータコア8の径方向に沿って直列状態となる時、第1バー16の周方向中心と、それと略対向する2本のティース5の周方向中央とがロータ4の径方向に沿って直列状態となる。この時、第2ロータコア9のバー22はティース5の周方向中心とロータ4の径方向に沿って直列状態とならない。
【0048】
即ち、第1ロータコア8が備える第1バー16或いは第2バー17の周方向中心がティース5の周方向中心とロータ4の径方向に沿って直列状態となった時、該第1バー16或いは第2バー17以外のバーはティース5と直列状態にならない。
【0049】
一方、第2ロータコア9のバー22の周方向中心と1本のティース5の周方向中心とが第2ロータコア9の径方向に沿って直列状態となる時、該バー22と第2ロータコア9の周方向に隣り合うバー22の周方向中心もティース5の周方向中心と第2ロータコア9の径方向に沿って直列状態となる。この時、第1ロータコア8の第1バー16及び第2バー17のロータ4における周方向中心はティース5の周方向中心とロータ4の径方向に沿って直列状態とならない。
【0050】
従って、ロータ4が回転する時、第1ロータコア8と第2ロータコア9に形成された第1バー16、第2バー17、バー22が同時にティース5と径方向に沿って直列状態となることはなく、該ロータ4とティース5との間に形成される直線的なコイル磁束の流れは低減される。埋込磁石型モータ1はこのようにロータ4とティース5との間に形成される直線的なコイル磁束の流れが低減されることで、トルクリップルの発生が低減される。
【0051】
それに対して、各マグネット12はロータ4の軸方向に沿って延びている。そのためマグネット12の有効磁束の減少は抑制される。従って、埋込磁石型モータ1の出力トルクはリップルが低減されるとともに、出力トルクの低減が抑制される。尚、本実施形態においては埋込磁石型モータ1が備える第1ロータコア8と第2ロータコア9は同数の電磁鋼鈑によって形成されているため、埋込磁石型モータ1の出力トルクは曲線C1と曲線C2との平均値を示す曲線C3によって表される。
【0052】
上記したように、本実施形態によれば、以下の効果を有する。
(1)第1ロータコア8は、各バー16,17がロータ4の周方向間隔が異なるように形成され、第2ロータコア9はバー22が周方向の間隔が等間隔に形成されている。このように形成された第1ロータコア8及び第2ロータコア9を軸方向に配列したため、各バー16,17,22とティース5との間に同時に形成される直線的なコイル磁束が低減されトルクリップルが低減される。一方、各ロータコア8,9のマグネット12を軸方向に直線的に配列したため、該マグネット12の有効磁束の減少が抑えられ、埋込磁石型モータ1の出力トルクの低減が抑制される。
【0053】
(2)第1ロータコア8と第2ロータコア9とを積層することによりロータ4を形成したため、埋込磁石型モータ1から出力されるトルクの特性は第1ロータコア8のみで構成されるモータから出力されるトルクの特性と第2ロータコア9のみで構成されるモータから出力されるトルクの特性との合成値となる。そのため、埋込磁石型モータ1から出力されるトルクの特性は、バーが周方向に等角度間隔に配設されたロータのみを備えたモータから出力されるトルクの特性に比べてトルクの最大値と最小値との差(リップル)を小さくすることができる。
【0054】
(3)第1ロータコア8と第2ロータコア9との間には非磁性体からなる第3ロータコア10が挟み込まれている。そのため第1ロータコア8と第2ロータコア9との間で軸線方向に磁束が流れ込むことがなく、第1ロータコア8と第2ロータコア9との間の磁束漏れが防止される。従って、磁束を有効に利用することにより埋込磁石型モータ1のトルクを高効率に得ることができる。
【0055】
(4)マグネット12は軸線方向に一体的に形成されている。従って、ロータ4に貫挿されるマグネット12をロータ4の軸線方向において1つの部材とすることができ、部品点数の増加を抑制することができる。
【0056】
(5)磁極対12cは4つ配設されており、ロータ4において90°間隔毎に配設されている。そのため、ロータ4は周方向において各磁極対12cから略等しいトルクが与えられる。従って、埋込磁石型モータ1は安定したトルクを出力することができる。
【0057】
尚、本発明の実施形態は、以下のように変更してもよい。
○上記実施の形態では、ロータ4は電磁鋼鈑からなる第1ロータコア8及び第2ロータコア9の2つのロータコアを積層することにより形成されていた。しかし、電磁鋼鈑からなるロータコアの積層数は他の数としてもよく、例えば図7(a)に示すように第1ロータコア31、第2ロータコア32及び第3ロータコア33が全て電磁鋼鈑からなる三層構造のロータ34を用いてもよい。又、図7(b)に示すように、全てが電磁鋼鈑からなる第1〜第4ロータコア35〜38を備えた四層構造のロータ39を用いてもよい。
【0058】
また、図7(a)に示したロータ34の第1ロータコア31と第3ロータコア33を構成する電磁鋼鈑を同一形状のものとし、第2ロータコア32を形成する電磁鋼鈑の形状を第1及び第3ロータコア31,33を形成する電磁鋼鈑と異なる形状のものとしてもよい。或いは図7(b)に示したロータ39の第1ロータコア35と第3ロータコア37を構成する電磁鋼鈑を同一形状のものとし、第2ロータコア36と第4ロータコア38を同一形状の電磁鋼鈑で構成し、且つ該電磁鋼鈑を第1及び第3ロータコア35,37を構成する電磁鋼鈑と異なる形状のものとしてもよい。
【0059】
このように、形状の異なる2種類の電磁鋼鈑から構成されるロータコアを交互に積層してロータを形成することにより、該ロータを備えたモータの出力トルクの特性をモータの軸線方向において均等化することができる。従って、ロータの回転運動を安定させることができる。
【0060】
○上記実施の形態では、第1ロータコア8と第2ロータコア9との間に非磁性体からなる第3ロータコア10が挟み込まれていたが、図8(a)に示すように、各ロータコア8,9の間に第3ロータコア10を挟み込まずにロータ40を形成してもよい。
【0061】
また、図8(b)に示すように、各ロータコア8,9の間に空隙41を設けてロータ42を形成してもよい。また、図8(c)に示すように、各ロータコア43〜45の間に空隙46及び非磁性体からなるロータコア47を組み合わせて設けてロータ48を形成してもよい。
【0062】
○上記実施の形態では、マグネット12はロータ4の軸線方向の厚さと略同一の長さに一体に形成されていたが、第1ロータコア8及び第2ロータコア9毎にマグネットを形成してもよい。このように各ロータコア8,9毎にマグネットを形成することにより、各ロータコアを積層した後にマグネットを貫挿する必要がなく、ロータコア単位で適宜組み合わせを変更してロータを積層することができる。また、ロータコア単位でモータから出力されるトルクの特性を容易に確認することができる。
【0063】
○上記実施の形態では、ロータ4には長四角形状のマグネット12が貫挿されていた。しかし、各ロータコアが備える収容孔の大きさに応じてマグネット12の形状を変更してもよく、例えば図9(a)及び図9(b)に示すように、各ロータコアに応じて幅が異なるマグネット49,50を用いてもよい。マグネット49は各層で収容孔の大きさが異なる二層構造のロータに用いられており、マグネット50は各層で収容孔の大きさが異なる三層構造のロータに用いられる。
【0064】
マグネット49,50はロータ4の軸線方向に一体形成されており、該ロータ4に貫挿されている。このように収容孔14の大きさに応じてマグネットの形状を変更することにより、マグネットの方向を区別することができる。従って、マグネットをロータに貫挿する際にマグネットの誤組み付けを防止することができる。また、限られた収容孔のスペース内から最も大きい磁力を得ることができ、埋込磁石型モータ1のトルクを大きくすることができる。
【0065】
また、図10(a)及び図10(b)に示すように、マグネット49,50をロータコア毎に別部材とし、マグネット片51a,51bから構成されるマグネット51及びマグネット片52a〜52cから構成されるマグネット52を用いてもよい。このようにマグネット51及びマグネット52を構成すると、ロータコア単位で適宜組み合わせを変更してロータを積層することができるとともに、マグネットをロータに貫挿する際にマグネットの誤組み付けを防止することができる。
【0066】
○上記実施の形態では、第1ロータコア8は角度θ1がステータ3の周方向に沿って配設されたティース5の5.25本分の長さで形成されたステータ3の円弧3cを有する扇形の中心角と等しくなるように第1ロータコア8の周方向における第1収容孔13の両側に形成されるバーの間隔が設定されていた。しかし、各収容孔13,14,21の両側に形成されるバーの間隔は適宜変更してもよく、例えば角度θ1がステータ3の周方向に沿って配設されたティース5の5.5本分或いは5.75本分の長さで形成されたステータ3の円弧3cを有する扇形の中心角と等しくなるようにその長さを設定してもよい。以下、説明を簡略にするため収容孔の両側に形成されるバーの間隔を単にティース何本分であるかによって表す。尚、収容孔の両側に形成されるバーの間隔は一つの磁極対で合計12本分のティースの長さとなるように形成されているが、ここでは外側面12bがN極となるようにマグネット12が貫挿されている収容孔の両側に形成されるバーの間隔であるとする。従って、本実施形態における第1ロータコア8はティース5.25本分の長さの間隔でバーが形成されており、第2ロータコア9はティース6本分の長さの間隔でバーが形成されている。
【0067】
図11は周方向に配設されるバーの形成位置に伴い変化するトルクの特性を表したグラフである。グラフの横軸はステータ3に対するロータ4の相対回転角度を表しており、グラフの縦軸はトルクの大きさを表している。曲線C11はティース6本分、曲線C12はティース5.75本分、曲線C13はティース5.5本分、曲線C14はティース約5.44本分、曲線C15はティース約5.38本分、曲線C16はティース5.25本分の長さの間隔である時のトルクの特性を表す。
【0068】
埋込磁石型モータ1から出力されるトルクの特性は各ロータコアの周方向において隣り合うバーの間隔によって決定されており、該特性は図11に示す各特性の合成値を元に算出することができる。従って、例えばバー22が周方向に沿って等間隔に形成された第2ロータコア9に、曲線C14〜C16に示すように、第2ロータコア9と略逆位相のトルクを出力するロータコアを積層してロータを形成することによりロータのトルクリップル、即ちモータのトルクリップルをより低減することができる。
【0069】
○上記実施の形態では、第1ロータコア8と第2ロータコア9とを同数の電磁鋼鈑を積層することにより形成した。しかし、積層する電磁鋼鈑の枚数は各ロータコア8,9に従って適宜変更してもよく、このように各ロータコア8,9を形成する電磁鋼鈑の枚数を適宜設定することにより所望のトルク特性が出力される埋込磁石型モータ1を形成することができる。
【0070】
○上記実施の形態では、ロータ4の径方向と直交する方向両側に向かって延設された各収容孔13,14,21,23に板状のマグネット12を貫挿してロータ4を形成した。しかし、各収容孔13,14,21,23の形状及び各収容孔13,14,21,23に収容されるマグネットの形は形状を変更してもよい。従って、例えば収容孔をV字状に形成し、その内部にV字状にマグネットを貫挿してもよい。また、各ロータコアの外周面側に向かって円弧状に湾曲した収容孔に同じく円弧状に湾曲して形成されたマグネットを貫挿してもよい。
【0071】
○上記実施の形態では、磁極対12cを4つ備えたロータ4であったが、磁極対の数を適宜変更してもよい。
○上記実施の形態では、ロータ4を構成する各ロータコア8,9は電磁鋼鈑を積層して形成されていたが、粉体材料を焼結することで各ロータコアを形成してもよい。
【0072】
○上記実施の形態では、第3ロータコア10をプラスティックにより構成したが、その他の非磁性体の材料を用いて第3ロータコアを形成してもよい。
【0073】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、トルクの低下を抑制することができる埋込磁石型モータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】埋込磁石型モータの側断面図。
【図2】ロータの斜視図。
【図3】ステータ及び第1ロータコアの平面図。
【図4】ステータ及び第2ロータコアの平面図。
【図5】ステータ及び第3ロータコアの平面図。
【図6】モータから出力されるトルクの特性図。
【図7】(a),(b)は別例のロータの斜視図。
【図8】(a)〜(c)は別例のロータの斜視図。
【図9】(a),(b)は別例のマグネットの平面図。
【図10】(a),(b)は別例のマグネットの平面図。
【図11】別例のロータコアを備えたモータから出力されるトルクの特性図。
【符号の説明】
3…ステータ、4…ロータ、5…ティース、7…巻線、8…第1ロータコア、9…第2ロータコア、10…第3ロータコア、12…磁石(マグネット)、13…第1収容孔、14…第2収容孔、16…磁路形成部としての第1バー、17…磁路形成部としての第2バー、21…収容孔、22…磁路形成部としてのバー、23…収容孔、24…回転軸。
Claims (6)
- 円筒状に形成され周方向等角度間隔で軸中心に向かって延びるように形成された複数のティースに巻線が巻回されたステータと、
周方向に沿って軸方向に貫通する収容孔が形成され、各収容孔に径方向外側の磁極が周方向に沿って交互にN極とS極となるように複数の磁石が配設され、周方向に隣り合う磁石の間に径方向に沿って延びる磁路形成部が形成された複数のロータコアを回転軸の軸方向に配列して形成され、前記ステータの内側に回転可能に収容されるロータと、
を備え、
前記複数のロータコアのうちの少なくとも1つのロータコアは前記磁路形成部が周方向に等間隔にて形成され、その他のロータコアは前記磁路形成部が周方向に不等間隔に形成され、
前記複数のロータコアは、各ロータコアの磁石が軸方向に直列するように配列されていることを特徴とする埋込磁石型モータ。 - 前記ロータコアは非磁性体を介して積層されていることを特徴とする請求項1に記載の埋込磁石型モータ。
- 前記磁石は前記ロータの軸線方向に一体に形成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の埋込磁石型モータ。
- 前記磁石は前記ロータコア毎に形成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の埋込磁石型モータ。
- 前記磁石は周方向の幅が前記ロータコア毎に前記磁路形成部の間隔に対応して形成されていることを特徴とする請求項1〜4のうちのいずれか一項に記載の埋込磁石型モータ。
- 前記ロータは、前記各ロータコアの特性に応じて、前記磁路形成部が周方向に等間隔で形成されたロータコアと、該ロータコアにおけるトルクリップルを略打ち消すように前記磁路形成部が形成されたロータコアとが積層されてなることを特徴とする請求項1〜5のうちのいずれか一項に記載の埋込磁石型モータ。
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