JP2010098802A - デュアルロータモータ - Google Patents

Abstract

【課題】巻線の占積率を高めるとともに、コギングトルクの抑制も可能としたデュアルロータモータを提供する。
【解決手段】内側スロット角度φｉを外側スロット角度φｏよりも大きくし、かつ、内側頭部２２ｂの周方向の両端部に、その端部に近づくに従って内側頭部２２ｂと内側ロータ１２との間隔が大きくなる内側切欠き部２２ｃを設けるとともに、外側頭部２３ｂの周方向の両端部に、その端部に近づくに従って外側頭部２３ｂと外側ロータ１３との間隔が大きくなる外側切欠き部２３ｃを設ける。
【選択図】図２

Description

本発明はステータの内外周の双方にロータを備えたデュアルロータモータに関し、特に、コギングトルクを抑制したデュアルロータモータに関する。

このようなデュアルロータモータにおけるコギングトルクを抑制する手法として、従来、例えば、特許文献１のような技術が提案されている。すなわち、このような従来のデュアルロータモータは、ステータが内側ティースと外側ティースとを有し、内側ティースに対面して内側ロータ、外側ティースに対面して外側ロータが配置されるような構成が一般的である。このとき、隣接した内側ティースの頭部間である内側スロットオープンと隣接した外側ティースの頭部間である外側スロットオープンとにおいて、それぞれのスロットオープンの中心と回転中心とが同一直線上に位置するような構造が一般的である。さらに、回転中心と内側スロットオープン両端とを結ぶ両直線の成す角度が、回転中心と外側スロットオープン両端とを結ぶ両直線の成す角度と等しくなるような構造とする場合が多かった。ところが、このような構造とした場合、ステータに対する内側と外側においてそれぞれのコギングトルクが同位相となり、合成コギングトルクは、内側および外側のコギングトルクよりも大きくなるという課題があった。

このため、例えば、特許文献１では、内側および外側のスロットオープン位置や幅を変更することで、内側と外側とのコギングトルクの位相や振幅を調整し、合成コギングトルクを抑制するような技術を提案している。

一方、従来、シングルロータモータにおいてもコギングトルクを抑制する種々の手法が提案されている。このような従来のコギングトルクを抑制する手法の一つとして、例えば、特許文献２では、次のような技術を提案している。すなわち、ステータに配置されたティースの先端頭部において、中央円弧状部と、ティース頭部とロータ間に形成される空隙が両端部に向かって拡大する左右の平坦傾斜部とを設けている。そして、このような平坦傾斜部を設けることにより、コギングトルクの振幅を抑制し、コギングトルクの改善を図っている。
米国特許第６９２４５７４号明細書 特開２０００−２０９８２９号公報

しかしながら、従来の特許文献１のデュアルロータモータのように、合成コギングトルクが適切となるように内側および外側のスロットオープン位置や幅を設定すると、内側と外側とのスロットオープン位置や幅が、内側と外側とで不均一となり、ステータに巻回する巻線の占積率が低下したり、複雑な形状のため巻回の作業効率が低下するなどの課題があった。すなわち、例えば、内側と外側とのスロットオープン位置を回転中心に対してずれた位置に配置した場合、巻線作業に対して形状が複雑となるため作業効率が低下したり、複雑な巻線処理が可能な高価な巻線装置が必要となったりする。また、内側と外側とのスロットオープン位置が回転中心に対して同じであっても、スロットオープン幅が異なると、スロットオープン幅の狭い方に巻線幅を合わせなければならず、巻線の占積率の低下を招くことになる。

また、従来の特許文献２のシングルロータモータのように、平坦傾斜部を設けてコギングトルクの振幅を変更するのみでは、デュアルロータモータのような内側と外側とで合成された合成コギングトルクを抑制するには限界があった。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、巻線が容易に整列に巻けて巻線の占積率を高めることができるとともに、コギングトルクの抑制も可能としたデュアルロータモータを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のデュアルロータモータは、円環状のヨークとヨークから内周側に突出する複数の内側ティースとヨークから外周側に突出する複数の外側ティースとを含むステータコアに巻線を巻回したステータと、ステータの内周側に配置される内側ロータと、ステータの外周側に配置される外側ロータとを備え、内側ロータと外側ロータとが、ステータに対面して周方向に回転するように、回転軸を回転中心として回転自在に保持されたデュアルロータモータである。

さらに、内側ティースは、ヨークから内周側へと延伸する内側脚部と内側脚部の先端から周方向両側に拡大した内側頭部とを含むとともに、隣接する内側ティース間に内側スロットとする開口部を形成し、内側スロットは、隣接した内側ティースの内側頭部の周方向端部間に内側スロットオープン幅の開口をなす内側スロットオープンを含む。また、外側ティースは、ヨークから外周側へと延伸する外側脚部と外側脚部の先端から周方向両側に拡大した外側頭部とを含むとともに、隣接する外側ティース間に外側スロットとする開口部を形成し、外側スロットは、隣接した外側ティースの外側頭部の周方向端部間に外側スロットオープン幅の開口をなす外側スロットオープンを含む。

そして、回転中心と内側スロットオープン両端とを結ぶ両直線の成す角度を内側スロット角度とし、回転中心と外側スロットオープン両端とを結ぶ両直線の成す角度を外側スロット角度としたとき、内側スロット角度を外側スロット角度よりも大きくし、かつ、内側頭部の周方向の両端部に、その端部に近づくに従って内側頭部と内側ロータとの間隔が大きくなる内側切欠き部を設けるとともに、外側頭部の周方向の両端部に、その端部に近づくに従って外側頭部と外側ロータとの間隔が大きくなる外側切欠き部を設けた構成である。

このような構成により、内側スロット角度を外側スロット角度よりも大きくすることで、例えば内側スロットオープン幅と外側スロットオープン幅とをほぼ同一幅とでき、巻線を容易にヨークに整列巻きできる。さらに、本発明者らは、上述のような切欠き部の形状を変更することで、コギングトルクの振幅に加えて位相も変化することを見出した。すなわち、内側と外側とのスロットオープン幅をこのように設定した構造において、内側切欠き部と外側切欠き部との形状を適切に設定することで、内側と外側とのコギングトルクの振幅の調整に加えて位相も調整できる。このため、内側コギングトルクと外側コギングトルクとが打ち消しあうように、内側切欠き部と外側切欠き部との形状を調整することで、合成コギングトルクを抑制することも可能となる。

本発明のデュアルロータモータによれば、例えば内側スロットオープン幅と外側スロットオープン幅とをほぼ同一幅に設定した構造において、内側と外側との切欠き部の形状を適切に設定することで合成コギングトルクも抑制できるため、巻線が容易に整列に巻けて巻線の占積率を高めることができるとともに、コギングトルクの抑制も可能としたデュアルロータモータを提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態におけるデュアルロータモータ１０の断面を示す図である。図１では、回転軸の長手方向から見た断面を示している。また、煩雑さを避けるためにステータに巻回する巻線は省略している。

図１に示すように、本実施の形態のデュアルロータモータ１０は、ステータ２０と、ステータ２０の内周側に配置される内側ロータ１２と、ステータ２０の外周側に配置される外側ロータ１３とを備えている。

ステータ２０は、略円環状のヨーク２１と、ヨーク２１から内周側に突出する複数の内側ティース２２と、ヨーク２１から外周側に突出する複数の外側ティース２３とを含む構造のステータコア２４に巻線を巻回することで構成される。本実施の形態のステータコア２４では、内側ティース２２の個数と外側ティース２３の個数が同数である。また、回転中心から外周方向への同一直線上に、内側ティース２２および外側ティース２３の周方向の中心が位置するように、内側ティース２２と外側ティース２３とが配置されている。そして、内側ティース２２および外側ティース２３のそれぞれは、左右対称である。さらに、互いに隣接する内側ティース２２間に内側スロット３２とする開口部が形成され、互いに隣接する外側ティース２３間には外側スロット３３とする開口部が形成される。ステータコア２４のこのような開口部を利用して、各巻線が、トロイダル巻線形式でヨーク２１に巻回される。すなわち、内側スロット３２と外側スロット３３とで挟まれるヨーク２１の箇所に、集中巻線方式で巻線が巻回される。

内側ロータ１２は、Ｓ極とＮ極とが交互に配置されるように、複数の永久磁石１２ａを外周側に保持し、内側ティース２２に所定の空隙を介して対向するように配置されている。外側ロータ１３は、Ｓ極とＮ極とが交互に配置されるように、複数の永久磁石１３ａを内周側に保持し、外側ティース２３に所定の空隙を介して対向するように配置されている。そして、内側ロータ１２と外側ロータ１３とが回転軸１１に連結され、ステータ２０に対面して周方向に回転するように、回転軸１１を回転中心として回転自在に保持されている。なお、この連結方法は、接着剤やボルトなどを用いてもよく、樹脂でモールドしてもよい。

このような構成において、ステータ２０の巻線に交流電流を印加すると、内側ティース２２と内側ロータ１２との間、および外側ティース２３と外側ロータ１３との間に磁気による吸引力と反発力が生じ、回転軸１１を中心に内側ロータ１２および外側ロータ１３が回転する。特に、本実施の形態のように、ステータ２０の内側および外側の両側にロータを配置したデュアルロータとすることにより、小型で高トルクを得ることができる。

次に、本実施の形態のステータコア２４における詳細な構成について説明する。

図２は、本発明の実施の形態におけるデュアルロータモータ１０のステータコア２４の詳細な構成を示す図である。

図２に示すように、ステータコア２４の内側ティース２２は、回転軸１１の長手方向から見て、ヨーク２１から内周側へと延伸する内側脚部２２ａと、内側脚部２２ａが延伸したその先端から周方向両側に拡大した内側頭部２２ｂとを含む形状を成している。また、上述したように、互いに隣接する内側ティース２２間に内側スロット３２が形成される。そして、内側スロット３２は、互いに隣接した内側ティース２２の内側頭部２２ｂの周方向端部間に、内側スロットオープン幅Ｗｉの開口をなす内側スロットオープン３２ａを含む。すなわち、内側スロット３２は、互いに隣接した内側ティース２２のそれぞれとヨーク２１とに囲まれ、内側に開口した内側スロットオープン３２ａを含むような開口部である。

また、外側ティース２３は、回転軸１１の長手方向から見て、ヨーク２１から外周側へと延伸する外側脚部２３ａと、外側脚部２３ａが延伸したその先端から周方向両側に拡大した外側頭部２３ｂとを含む形状を成している。また、上述したように、互いに隣接する外側ティース２３間に外側スロット３３が形成される。そして、外側スロット３３は、互いに隣接した外側ティース２３の外側頭部２３ｂの周方向端部間に、外側スロットオープン幅Ｗｏの開口をなす外側スロットオープン３３ａを含む。すなわち、外側スロット３３は、互いに隣接した外側ティース２３のそれぞれとヨーク２１とに囲まれ、外側に開口した外側スロットオープン３３ａを含むような開口部である。

また、図２では、回転中心Ｏと内側スロットオープン３２ａの両端とを結ぶ両直線の成す角度である内側スロット角度φｉと、回転中心Ｏと外側スロットオープン３３ａの両端とを結ぶ両直線の成す角度である外側スロット角度φｏとを示している。

そして、本実施の形態では、内側スロット角度φｉと外側スロット角度φｏとの比較において、内側スロット角度φｉを外側スロット角度φｏよりも大きくしている。すなわち、このように、内側スロット角度φｉを外側スロット角度φｏよりも大きくすることにより、内側スロットオープン幅Ｗｉを外側スロットオープン幅Ｗｏに近づけることができる。また、例えば、内側スロットオープン幅Ｗｉと外側スロットオープン幅Ｗｏとを実質的に同一幅とすることもできる。このように、内側スロットオープン幅Ｗｉと外側スロットオープン幅Ｗｏとを近似あるいは等しくすることにより、容易に整列巻線することができる。すなわち、内側スロットオープン３２ａおよび外側スロットオープン３３ａを通してヨーク２１に巻回するとき、内側と外側とのスロットオープン幅が等しいと、内側と外側とに対して同一の条件や制約で巻回できるため、容易に整列巻線することができる。また、図２に示すように、内側スロットオープン３２ａの周方向中心が、外側スロットオープン３３ａの周方向中心と回転中心Ｏとを結ぶ直線Ｌｃ上に位置するように配置することでより効率よく整列巻線することができる。

さらに、本実施の形態のステータコア２４は、図２に示すように、内側ティース２２の内側頭部２２ｂの周方向両端部において内側切欠き部２２ｃ、また外側ティース２３の外側頭部２３ｂの周方向両端部において外側切欠き部２３ｃを設けたことを特徴としている。

内側切欠き部２２ｃは、内側頭部２２ｂの最端部に近づくに従って、内側頭部２２ｂと内側ロータ１２との空隙の間隔が傾斜状に広がって、大きくなるような形状に設定している。外側切欠き部２３ｃは、外側頭部２３ｂの最端部に近づくに従って、外側頭部２３ｂと外側ロータ１３との空隙の間隔が傾斜状に広がって、大きくなるような形状に設定している。図２では、周方向における内側中央部２２ｄと内側中央部２２ｄの両端から所定の内側広がり角度θｉで内側ロータ１２との間隔が大きくなる内側切欠き部２２ｃ、および周方向における外側中央部２３ｄと外側中央部２３ｄの両端から所定の内側広がり角度θｏで外側ロータ１３との間隔が大きくなる外側切欠き部２３ｃの一例を示している。

本実施の形態では、内側頭部２２ｂの両端においてこのような形状の内側切欠き部２２ｃ、および外側頭部２３ｂの両端において外側切欠き部２３ｃを設けることにより、デュアルロータモータ１０におけるコギングトルクの抑制を図っている。すなわち、本発明者らは、このような切欠き部の形状を変更することで、コギングトルクの振幅に加えて位相も変化することを見出した。

図３は、本発明の実施の形態におけるデュアルロータモータの切欠き部の広がり角度を変えたときのコギングトルクの変化を示す図である。図３では、内側切欠き部２２ｃの内側広がり角度θｉを変更して、それぞれにおける内側コギングトルクの特性を示している。また、図３において、横軸はロータ位置角を示し、縦軸はコギングトルクを示している。また、図３における各曲線は、内側切欠き部２２ｃの内側広がり角度θｉを変更したときの、回転子位置角に対するコギングトルクの強度を示している。

図３に示すように、内側切欠き部２２ｃの内側広がり角度θｉを変更することで、コギングトルクのピークの振幅値が変化するとともに、ピークとなる位相も変化し、さらに反転している。すなわち、図３から分かるように、内側広がり角度θｉが小さいときには、回転子位置角が１２［ｄｅｇ．］あたりに振幅が正方向にピークとなるコギングトルクの特性となる。そして、内側広がり角度θｉを大きくしていくと、振幅がピークとなる回転子位置角が移動し、そして、さらに内側広がり角度θｉを大きくすると、回転子位置角が１５［ｄｅｇ．］あたりに振幅が負方向にピークとなるコギングトルクの特性が得られる。また、外側切欠き部２３ｃの外側広がり角度θｏを変更した場合も同様に、コギングトルクのピークの振幅値や位相が変化する。また、内外の切欠き部の広がり角度に加えて、切欠き部の傾斜の長さを変更することによっても同様に、コギングトルクのピークの振幅値や位相が変化する。

本実施の形態では、このような切欠き部の形状を変えたときのコギングトルクの変化を利用して、内側ロータ１２の回転に起因する内側コギングトルクと外側ロータ１３の回転に起因する外側コギングトルクとを合成した合成コギングトルクが減少するように、内側広がり角度θｉと外側広がり角度θｏとを設定している。

図４は、本発明の実施の形態におけるデュアルロータモータの各コギングトルクを示す図である。図４において、横軸はロータ位置角を示し、縦軸はコギングトルクを示している。また、図４では、内側広がり角度θｉをある角度に設定したときの内側コギングトルクと、外側広がり角度θｏをある角度に設定したときの外側コギングトルクと、その内側コギングトルクと外側コギングトルクとを合成した合成コギングトルクとを示している。図４に示すように、内側コギングトルクの位相と外側コギングトルクに位相とが反転するような関係、すなわち両コギングトルクが逆位相となるように、内側広がり角度θｉと外側広がり角度θｏとを設定することで、それぞれのコギングトルクが打ち消しあうことになり、その結果、合成コギングトルクを抑制することができる。さらに、内側コギングトルクの振幅と外側コギングトルクの振幅とが、反転した位相で同一値または最近似値となるように、内側広がり角度θｉと外側広がり角度θｏとを適切に設定することで、両コギングトルクを適切に打ち消しあわすことができ、合成コギングトルクを大幅に低減することができる。

以上説明したように、本実施の形態のデュアルロータモータは、内側ティースが、ヨークから内周側へと延伸する内側脚部と内側脚部の先端から周方向両側に拡大した内側頭部とを含むとともに、隣接する内側ティース間に内側スロットとする開口部を形成し、内側スロットが、隣接した内側ティースの内側頭部の周方向端部間に内側スロットオープン幅の開口をなす内側スロットオープンを含む。また、外側ティースは、ヨークから外周側へと延伸する外側脚部と外側脚部の先端から周方向両側に拡大した外側頭部とを含むとともに、隣接する外側ティース間に外側スロットとする開口部を形成し、外側スロットは、隣接した外側ティースの外側頭部の周方向端部間に外側スロットオープン幅の開口をなす外側スロットオープンを含む。そして、内側スロット角度を外側スロット角度よりも大きくし、かつ、内側頭部の周方向の両端部に、その端部に近づくに従って内側頭部と内側ロータとの間隔が大きくなる内側切欠き部を設けるとともに、外側頭部の周方向の両端部にも、その端部に近づくに従って外側頭部と外側ロータとの間隔が大きくなる外側切欠き部を設けている。

このため、内側スロット角度を外側スロット角度よりも大きくすることで、例えば内側スロットオープン幅と外側スロットオープン幅とをほぼ同一幅とでき、巻線を容易にヨークに整列巻きできる。さらに、内側と外側とのスロットオープン幅をこのように設定した構造において、内側切欠き部と外側切欠き部との形状を適切に設定することで、内側と外側とのコギングトルクの位相や振幅を調整し、合成コギングトルクを抑制することも可能となる。

したがって、本実施の形態のデュアルロータモータによれば、巻線が容易に整列に巻けて巻線の占積率を高めることができるとともに、コギングトルクの抑制も可能としたデュアルロータモータを提供することができる。

本発明に係るデュアルロータモータは、巻線の占積率を高めるとともにコギングトルクも抑制したデュアルロータモータを提供できるため、家電製品や電装品など、小型かつ高出力で高効率、低騒音、低コストが求められるデュアルロータモータに有用である。

本発明の実施の形態におけるデュアルロータモータの断面を示す図 同デュアルロータモータのステータコアの詳細な構成を示す図 同デュアルロータモータの切欠き部の広がり角度を変えたときのコギングトルクの変化を示す図 同デュアルロータモータの各コギングトルクを示す図

符号の説明

１０ デュアルロータモータ
１１ 回転軸
１２ 内側ロータ
１２ａ，１３ａ 永久磁石
１３ 外側ロータ
２０ ステータ
２１ ヨーク
２２ 内側ティース
２２ａ 内側脚部
２２ｂ 内側頭部
２２ｃ 内側切欠き部
２２ｄ 内側中央部
２３ 外側ティース
２３ａ 外側脚部
２３ｂ 外側頭部
２３ｃ 外側切欠き部
２３ｄ 外側中央部
２４ ステータコア
３２ 内側スロット
３２ａ 内側スロットオープン
３３ 外側スロット
３３ａ 外側スロットオープン

Claims (7)

1. 円環状のヨークと前記ヨークから内周側に突出する複数の内側ティースと前記ヨークから外周側に突出する複数の外側ティースとを含むステータコアに巻線を巻回したステータと、前記ステータの内周側に配置される内側ロータと、前記ステータの外周側に配置される外側ロータとを備え、前記内側ロータと外側ロータとが、前記ステータに対面して周方向に回転するように、回転軸を回転中心として回転自在に保持されたデュアルロータモータであって、
   前記内側ティースは、前記ヨークから内周側へと延伸する内側脚部と前記内側脚部の先端から周方向両側に拡大した内側頭部とを含むとともに、隣接する前記内側ティース間に内側スロットとする開口部を形成し、
   前記内側スロットは、隣接した前記内側ティースの前記内側頭部の周方向端部間に内側スロットオープン幅の開口をなす内側スロットオープンを含み、
   前記外側ティースは、前記ヨークから外周側へと延伸する外側脚部と前記外側脚部の先端から周方向両側に拡大した外側頭部とを含むとともに、隣接する前記外側ティース間に外側スロットとする開口部を形成し、
   前記外側スロットは、隣接した前記外側ティースの前記外側頭部の周方向端部間に外側スロットオープン幅の開口をなす外側スロットオープンを含み、
   回転中心と前記内側スロットオープン両端とを結ぶ両直線の成す角度を内側スロット角度とし、回転中心と前記外側スロットオープン両端とを結ぶ両直線の成す角度を外側スロット角度としたとき、前記内側スロット角度を前記外側スロット角度よりも大きくし、かつ、
   前記内側頭部の周方向の両端部に、その端部に近づくに従って前記内側頭部と内側ロータとの間隔が大きくなる内側切欠き部を設けるとともに、前記外側頭部の周方向の両端部に、その端部に近づくに従って前記外側頭部と外側ロータとの間隔が大きくなる外側切欠き部を設けたことを特徴とするデュアルロータモータ。
2. 前記内側スロットオープンの周方向中心を、前記外側スロットオープンの周方向中心と回転中心とを結ぶ直線上に位置するように配置したことを特徴とする請求項１に記載のデュアルロータモータ。
3. 前記内側スロットオープン幅と前記外側スロットオープン幅とを実質的に同一幅としたことを特徴とする請求項１または２に記載のデュアルロータモータ。
4. 前記内側ティースの前記内側頭部は、周方向における内側中央部と前記内側中央部の両端から所定の内側広がり角度で前記内側ロータとの間隔が大きくなる前記内側切欠き部とを有し、
   前記外側ティースの前記外側頭部は、周方向における外側中央部と前記外側中央部の両端から所定の外側広がり角度で前記外側ロータとの間隔が大きくなる前記外側切欠き部とを有したことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のデュアルロータモータ。
5. 前記内側ロータの回転に起因する内側コギングトルクと前記外側ロータの回転に起因する外側コギングトルクとを合成した合成コギングトルクが減少するように、前記内側広がり角度と前記外側広がり角度とを設定したことを特徴とする請求項４に記載のデュアルロータモータ。
6. 前記内側コギングトルクと前記外側コギングトルクとが反転した位相で打ち消しあうように、前記内側広がり角度と前記外側広がり角度とを設定したことを特徴とする請求項５に記載のデュアルロータモータ。
7. 前記内側コギングトルクの振幅と前記外側コギングトルクの振幅とが、反転した位相で同一値または最近似値となるように、前記内側広がり角度と前記外側広がり角度とを設定したことを特徴とする請求項６に記載のデュアルロータモータ。

Images