JP2010141954A - モータ - Google Patents
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Abstract
【課題】ステータおよびその内側のロータの両方に突極が形成された構造のモータにおいて、出力特性を損ねることなくステータを飛躍的に薄くして小型化できる新規な構造を提供する。
【解決手段】ステータ2を軸方向の例えば2個のステータ部21、22により形成し、ロータ3を軸方向の例えば2個のロータ部31、32により形成し、一方のステータ部21の内周面の各突極6はN磁極に励磁されるようにコイル8を巻回し、他方のステータ部22の各突極6はS磁極に励磁されるようにコイル8を巻回し、両ステータ部31、32を軸方向からみたときに同じ相の突極6間に他の相の突極6が位置するように円周方向にずらして連結し、両ロータ部31、32は両ステータ部21、22のずれに合わせて円周方向にずらして連結する。
【選択図】図1
【解決手段】ステータ2を軸方向の例えば2個のステータ部21、22により形成し、ロータ3を軸方向の例えば2個のロータ部31、32により形成し、一方のステータ部21の内周面の各突極6はN磁極に励磁されるようにコイル8を巻回し、他方のステータ部22の各突極6はS磁極に励磁されるようにコイル8を巻回し、両ステータ部31、32を軸方向からみたときに同じ相の突極6間に他の相の突極6が位置するように円周方向にずらして連結し、両ロータ部31、32は両ステータ部21、22のずれに合わせて円周方向にずらして連結する。
【選択図】図1
Description
本発明は、ステータおよびその内側のロータの両方に突極が形成された構造のモータに関し、詳しくは、その小型化に関する。
従来、電気自動車の駆動モータ等は、多くの場合、ステータの内部にロータを備え、ロータに永久磁石を設け、ステータに複数のコイルを巻回した構造に形成される。そして、ステータの各コイルの順次通電により発生する磁極とロータの永久磁石の磁極との関係に基づいてロータが回転する(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、上記のようにロータに永久磁石を設ける構造では低コスト化を図ることが容易でない。
そこで、近年は、スイッチドリラクタンスモータ等のロータに永久磁石を設けないようにしたモータが種々提案されている。これらのモータは、ステータおよびその内側のロータを軟磁性体(珪素鋼鈑等)で形成し、ステータの内周面に半径方向内向きの複数の突極対を円周方向に配置し、また、ロータの周面にも半径方向外向きの複数個の突極を円周方向に配設し、ステータの各突極に各相のコイルを順に集中巻きした構造であり、ロータに永久磁石を設けないことから、低コストであり、また、集中コイルで磁束を突極の磁極部分に集約するため、小型が可能になる。
特開2008−22593号公報
前記スイッチドリラクタンスモータ等のステータおよびその内側のロータの両方に突極が形成された構造の従来提案のモータは、ステータからロータを通ってステータに戻る磁路をほぼ軸断面の平面上にのみ形成するため、とくにステータは相当の厚みに形成する必要があり、ステータを薄くしてモータを一層小型化したいという要望に応えられない問題がある。なお、ステータを厚くすると、その分ステータの内径が小さくなって発生トルクが少なくなり、モータの出力特性を損ねる不都合が生じる。
本発明は、ステータおよびその内側のロータの両方に突極が形成された構造のモータにおいて、出力特性を損ねることなくステータを飛躍的に薄くして小型化できる新規な構造を提供することを目的とする。
上記した目的を達成するために、本発明のモータは、軟磁性体のステータの内周面に半径方向内向きの複数の突極を円周方向に配置し、前記ステータの内側に同軸状に設けられた軟磁性体のロータの外周面に半径方向外向きの複数の突極を円周方向に配設し、前記ステータの各突極に各相のコイルを順に集中巻きした構造のモータであって、前記ステータは軸方向の複数個のステータ部により形成され、前記ロータは軸方向の複数個のロータ部により形成され、一方の前記ステータ部の内周面の各突極はN磁極に励磁されるようにコイルが巻回され、他方の前記ステータ部の各突極はS磁極に励磁されるようにコイルが巻回され、前記一方のステータ部と前記他方のステータ部とは軸方向からみたときに同じ相の突極間に他の相の突極が位置するように円周方向にずらして連結され、前記両ロータ部は前記両ステータ部のずれに合わせて円周方向にずらして連結されていることを特徴としている(請求項1)。
請求項1に係る本発明のモータの場合、(1)ステータが2個のステータ部をモータの軸方向に連結して形成され、ロータも2個のステータ部をモータの軸方向に連結して形成されるので、モータがいわゆるタンデム構造となる。また、一方のステータ部の突極はN磁極に励磁され、他方のステータ部の突極はS磁極に励磁される。モータを軸方向から見ると、等価的にステータの突極数(磁極数)が増えた状態になり、その分、ステータを周方向に横切る磁束は減少する。すなわち、一方のステータの励磁相のN磁極(突極)からロータを通って他方のステータの同じ励磁相のS磁極(突極)に至る磁路は、ステータ部およびロータ部の軸方向の長さがそれぞれを1個とする場合の2倍になるので周方向には断面積が概ね2倍になる。また、両ステータ部の励磁相の突極部分だけでなく両隣の非励磁の他の相のヨーク部分も磁路として使えるので、軸方向には概ね3倍になる。そのため、両ステータ部の磁路となるヨーク部分を使用できる範囲が軸方向および周方向に広がり、その分、両ステータヨーク部分は厚みを薄くすることができる。そして、両ステータヨーク部分の厚みを薄くすると、ステータの外径が小さくなってモータを小型化することができ、また、ステータの内径を大きくして発生するトルクを増大し、モータの出力特性を向上することができる。(2)両ステータ部は軸方向からみたときに同じ相の突極間に他の相の突極が存在するように突極配置を円周方向にずらして連結される。励磁相のN極の突極とS極の突極との間に非励磁の他の相の突極が存在するので、励磁相の突極間の漏れ磁束も抑制される。そのため、高速回転時の電流の立上りを損なう原因となるインダクタンスを小さくできるので、出力特性を向上することができる。
したがって、請求項1に係る本発明は、ステータおよびその内側のロータの両方に突極が形成された構造のモータにおいて、出力特性を損ねることなくステータの厚みを薄くして小型化することができる。
つぎに、本発明をより詳細に説明するため、実施形態について、図1〜図10参照して詳述する。なお、それらの図面においては、モータ軸等は省略している。
(第1の実施形態)
第1の実施形態について、図1〜図7を参照して説明する。
第1の実施形態について、図1〜図7を参照して説明する。
図1は本実施形態のモータ1の概略の構成を示す透視斜視図である。図2は図1の軸方向(モータ軸αの方向)に連結された2個のユニット11、12を紙面左から見た断面を示し、(a)はユニット11の断面、(b)はユニット12の断面である。
図3はユニット11、12のステータ部21、22が形成するステータ2の斜視図、図4はユニット11、12のロータ部31、32が形成するロータ3の斜視図、図5〜図7はモータ1の磁路の説明図である。
図1に示すように、本実施形態のモータ1は2個のユニット11、12を軸方向に連結したタンデム構造に形成される。
ユニット11、12は図3に示す円筒状のステータ部21、22の内側に図4に示すロータ部31、32を同軸状に設けた同一要素構成であり、ステータ部21、22は図1に示す環状の連結ヨーク4を介して連結され、モータ1のステータ2を形成する。ロータ部31、32も図4に示す同様の連結ヨーク5を介して連結され、モータ1のロータ3を形成する。なお、ステータ部21、22、ロータ部31、32および連結ヨーク4、5は、例えば軟磁性体である珪素鋼板等を軸方向に重ねた積層鋼板や、圧粉鉄心により形成されている。また、ステータ部21、22の連結、ロータ部31、32の連結に連結ヨーク4、5が介在するのは、ステータ部21、22の後述する各突極6に巻回されるコイル8の厚み等を考慮したものである。
つぎに、本実施形態においては、モータ1をステータ2およびロータ3の両方に突極が形成された構造であって、U、V、Wの3相駆動とするため、ステータ部21、22にはそれぞれ内周面に半径方向内向きの12個の突極6が一体に形成されて円周方向に30度の等間隔に配設されている。突極6は90度離れた対称位置の各4個が反時計回りにU、V、Wの順の3組の突極(磁極)を形成する。また、ロータ部31、32にはそれぞれ外周面に半径方向外向きの8個の突極7が一体に形成されて円周方向に45度の等間隔に配設されている。なお、ステータ部21、22の突極6よりロータ部31、32の突極7の個数が少ないのは、周知のスイッチドリラクタンスモータ等と同様、ステータ部21、22の突極6とロータ部31、32の突極7との位置関係をずらし、ステータ部21、22の突極6の励磁によってロータ部31、32を回転するためである。
さらに、ステータ部21、22の各突極6は図2(a)、(b)に示すように、U、V、Wの各相のコイル8が順に集中巻きされている。ステータ部21、22の各突極6のコイル8は、ステータ部21の各突極6を全てN磁極に励磁し、ステータ部22の各突極6を全てS磁極に励磁するため、ステータ部21の各突極6のコイル8に対して、ステータ部22の各突極6のコイル8は逆巻きである。なお、図2(a)のU+、V+、W+はN磁極の励磁を示し、図2(b)のU−、V−、W−はS磁極の励磁を示す。
つぎに、ステータ部21を本発明の一方のステータ部、ステータ部22を本発明の他方のステータ部とすると、一方のステータ部21と他方のステータ部22とは、軸方向からみたときに同じ相の突極6間に他の相の突極6が位置するように円周方向にずらした状態に連結されている。ロータ部31、32も両ステータ部21、22のずれに合わせて円周方向に突極7の位置を同じ量だけずらして連結されている。ずらす量は、突極6の配置間隔を1ピッチとすると、例えば、m/2ピッチ(mはモータ1の相数)であり、m=3の本実施例の場合、ステータ部21、22は、円周方向に図1の矢印線a、図2(b)の矢印線bに示す45度(=30×3/2)ずれて連結され、ロータ部31、32も、円周方向に図2(b)の矢印線bに示す45度ずれて連結されている。
なお、前記のずらす量が明瞭になるように、図2(a)、(b)においては、ステータ部21、22のU相の特定の突極6に「6u」を付番し、ロータ部31、32の対応する突極7に「7x」を付番している。そして、本実施形態の場合、ロータ部31、32の突極7が45度の間隔であるため、図2(a)、(b)の比較からも明らかなように、ロータ部31、32が45度(=30×3/2)ずれて連結されても、見た目にはロータ部31とロータ部32は突極7の配置が同じになるが、突極7の個数等によっては、ロータ部31とロータ部32の突極7の配置が突極6、6uのようにずれる。
そして、ステータ部21、22の各相の対の突極6のコイル8が相順に通電されることにより、ステータ部21、22の同相の対の突極6は、ステータ部21のものがN磁極、ステータ部22のものがS磁極に励磁される。さらに、ステータ部21のN磁極、ステータ部22のS磁極の磁力がそれらの近傍のロータ部31、32の突極7に加わる。これらの動作の相順のくり返しによりロータ3が回転する。
この場合、モータ1のステータ2が2個のステータ部21、22をモータ1の軸方向に連結して形成され、ロータ3も2個のステータ部21、22をモータ1の軸方向に連結して形成されるので、モータ1はいわゆるタンデム構造となる。また、ステータ部21の突極6が全てN磁極に励磁され、ステータ部22の突極6が全てS磁極に励磁される構成であるため、図5の破線矢印に示すように、ステータ部21の励磁相のN磁極(突極6)からロータ部31、32(図5では省略)を通ってステータ部22の同じ励磁相のS磁極(突極6)に至る磁路は、周知のスイッチドリラクタンスモータのように、例えばステータ部21の各相の突極6の軸方向の一端側をN磁極、他端側をS磁極に励磁し、ユニット11によって形成される構成のモータの場合に比して、周方向には断面積が概ね2倍以上に伸びる。また、図6の実線矢印c0、c1、c2に示すように、ステータ部21、22の励磁相の突極部分(実線矢印c0)だけでなく両隣の非励磁の他の相のヨーク部分(実線矢印c1、c2)も磁路として使えるので、軸方向には断面積が概ね3倍になる。なお、図6の(u+)、(v+)、(w+)はN磁極のU、V、Wの各相を示す。
そのため、ステータ部21、22の磁路となるヨーク部分を使用できる範囲が軸方向および周方向に広がり、その分、両ステータ部21、22のヨーク部分の厚みを薄くすることができる。そして、両ステータ部21、22のヨーク部分の厚みを薄くすると、ステータ2の外径が小さくなってモータ11を小型化することができ、また、ステータ2の内径を大きくして発生するトルクを増大し、モータ1の出力特性を向上することができる。
さらに、ステータ部21、22を軸方向からみると、図7に示すようにステータ部21の突極6とステータ部22の突極6とが交互にずれて重なり、突極数が2倍に増えた状態になる。このとき、励磁されたN磁極の突極6とS磁極の突極6との間に例えば図7の実線丸印で囲んだ非励磁の他の2相の突極6が存在するので、ステータ2を円周方向に横切る図7の破線d等の磁束が減少し、また、図7の破線e等の励磁相の磁極(突極6)間の漏れ磁束(歯端間の漏れ磁束)が抑制される。そのため、高速回転時の電流の立下りを損なう原因となるインダクタンスを小さくできるので出力特性を向上することができる。なお、図7の(u+)、(v+)、(w+)はステータ部21のN磁極のU、V、Wの各相、(u−)、(v−)、(w−)はステータ部22のS磁極のU、V、Wの各相を示す。
したがって、ステータ2およびその内側のロータ3の両方に突極6、7が形成された構造のモータ1を、その出力特性を損ねることなくステータ2の厚みを薄くして小型化することができる。
(第2の実施形態)
第2の実施形態について、図8、図9を参照して説明する。図8はモータ1の本実施形態のロータ部31を軸方向から見た断面図、図9は本実施形態のステータ部21の一部を軸方向から見た断面図である。
第2の実施形態について、図8、図9を参照して説明する。図8はモータ1の本実施形態のロータ部31を軸方向から見た断面図、図9は本実施形態のステータ部21の一部を軸方向から見た断面図である。
本実施形態が第1の実施形態と異なる点は、少なくともモータ1のロータ部31、32が、積層方向が軸方向に直交する積層鋼板により形成され、積層鋼板で形成されたロータ部31、32において、図8に示すように、各突起7が形成されるヨーク部分の内周面側(回転軸側)に、スリット状の開口部9aを形成し、開口部9aに、積層方向が軸方向に平行な積層鋼板または、圧粉鉄心の磁性コア10aを挿入した点である。
この場合、ロータ部31、32は、積層鋼板の積層方向に平行な円周方向には磁束をよく通すが、積層鋼板の積層方向に直交する回転軸方向には磁気抵抗が大きく、磁束の通りがそれ程よくないため、図6の矢印線c0〜c1の磁路を通る磁束が少なくなるおそれがあるが、磁性コア10aを挿入すると、軸方向に平行な積層鋼板または、圧粉鉄心により、磁気抵抗が小さくなって軸方向の磁束の通りがよくなり、矢印線c0〜c1の十分な磁路を確保することができる。
なお、開口部9aがロータ部31、32の内周側に開放しているのは、仮にロータ部31、32に、磁性コア10aを挿入した開口部9aを、その開口分部を塞ぐように埋め込むと、渦電流が発生するからである。
また、図8からも明らかなように開口部9aは突起7の高さLaの半分より内周側に形成することが好ましい。それより外周側まで開口部9aを形成して磁性コア10aを挿入すると、ステータ部21、22で磁束が十分に広がらなくなるおそれがあるからである。
そして、ステータ部21、22についても、積層方向が軸方向に直交する積層鋼板により形成される場合は、図9のステータ部21の一部の切断面に示すように、各突起6が形成されるヨーク部分の外周面側に、スリット状の開口部9bを形成し、開口部9bに、積層方向が軸方向に平行な積層鋼板または、圧粉鉄心の磁性コア10bを挿入すればよい。このとき、磁束が十分に広がるように、開口部9bは突極6の半分の高さLb/2の位置より外周面側に形成することが好ましい。
以上のように、本実施形態においては、(1)モータ1の少なくともロータ部31、32を積層方向が軸方向に直交する積層鋼板により形成した場合に、積層方向が軸方向に平行な積層鋼板又は圧粉鉄心の磁性コア10aをロータ部31、32に組み込むことにより、ロータ部31、32の積層鋼板による軸方向の磁束の通りの悪さを、磁性コア10aにより改善し、モータ1の出力効率の低下を防止できる。なお、ステータ部21、22についても積層方向が軸方向に平行な積層鋼板又は圧粉鉄心の磁性コア10bをステータ部21、22に組み込むことにより、同様の効果が得られる。(2)磁性コア10aが挿入される開口部9aを、突起部7の高さLaの半分La/2より内周側に形成し、磁性コア10bが挿入される開口部9bを、突起部6の高さLbの半分Lb/2より外周側に形成したため、ステータ部21、22での磁路の円周方向の広がりを妨げることがない。(3)開口部9a、9bがロータ部31、32の内周側、ステータ部21、22の外周側に開放して設けられるため、渦電流の発生を防止して効率の低下を防ぐことができる。
したがって、ロータ部31、32やステータ部21、22を積層鋼板で形成した場合の磁束の減少に伴うモータ1の出力効率の低下を防止することができる。
(第3の実施形態)
第3の実施形態について、図10を参照して説明する。図10はステータ部21、22の一部の平面図である。
第3の実施形態について、図10を参照して説明する。図10はステータ部21、22の一部の平面図である。
本実施形態においては、図1のモータ1の端子構造およびステータ部21、22のコイル8の巻き方等を改善する。
モータ1においては、ステータ部21、22それぞれから、突極6に巻回されるコイル8の2端子(巻き始めの端子と巻き終わりの端子)が3相分(合計6端子)引き出される。そして、両ステータ部21、22の各相の全端子(合計12端子)を、例えばステータ部21に集約して引き出すとすれば、端子数が多く(12端子)、大型の結線部品(バスリング等)が必要になる。しかも、エナメル線等の引き回も長くなる。そのため、モータ1が大型化する。
また、モータ1をさらに小型化するため、各突極6、7のコイル8は緩み等なく巻回することが望ましく、しかも、コイル8間の渡り部分の絶縁の確保や小型化も望まれる。
そこで、本実施形態においては、(1)図10に示すように、モータ1のステータ部21、22の各相の突極6に巻回されたコイル8のエナメル線等の端子81を、それぞれの軸方向の外側に振り分けて配置する。このようにすることで、例えば、一方のステータ部21の軸方向の外側に全ての端子81を配置する場合に比して、他方のステータ部22の各相の突極6に巻回されたコイル8のエナメル線等をステータ部21側まで引き出さなくてよく、その分エナメル線等の取り回しの長さが短くなり、取り回しのスペースも少なくなり、さらには、結線部品も小型化する。しかも、エナメル線等を取り回すための絶縁材(絶縁スリーブやガイド等)が少なくなる。したがって、モータ1の一層の小型化を図ることができる。
また、本実施形態においては、以下の(2)〜(4)の少なくともいずれか1つを実施する。
(2)ステータ部21とステータ部22の同相に励磁される突極6のコイルは、1本のエナメル線等を、途中で切断することなく、ステータ部21からステータ部22またはその逆に引き渡して両部21、22の突極6に巻回して形成する。このようにすると、例えば、ステータ部21の突極6に巻回したエナメル線等と、ステータ部22の突極6に巻回したエナメル線等とを繋ぐ場合に必要な接続部材を省略できる。
(3)ステータ部21とステータ部22の同相に励磁される突極6のコイルを1本のエナメル線等で形成する場合、ステータ部21側が巻き始め側でステータ部22側が巻き終わり側であれば、巻き始め側(ステータ部21側)のコイル8と、巻き終り側(ステータ部22側)のコイル8の巻き方向は、図10に示すように、巻き始め側のコイル8の巻き終り部と、巻き終り側のコイル8の巻き始め部とが、それぞれのコイル8のモータ1の内側の対面する端面部になるように、巻き始め側のコイル8の巻き終り部と、巻き終り側のコイル8の巻き始め部を図中の矢印線8s、8eのように設定する。このようにすると、巻き始め側のコイル8および巻き終り側のコイル8が緊張した状態を保って巻回され、両コイル8が緩みによって崩れたりすることなく巻回される。
(4)ステータ部21のコイル8からステータ部22のコイル8への渡り部分にはエナメル線等を絶縁保護する渡り線ガイド部11を設け、渡り線ガイド部11を両ステータ部部21、22のコイル8のボビン等に固定する。このようにすることで、渡り部分の絶縁を確保することができ、また、ステータ部21のコイル8とステータ部22のコイル8とが別々のエナメル線等で巻回されて渡り部分で繋がれるようなときにもコイル8の緩みによる崩れ等を防止できる。
さらに、上記(4)を実施する際、必要に応じてつぎの(5)も実施する。
(5)渡り線ガイド部11はステータ部21のコイル8とステータ部22のコイル8との直線的な最短の渡り部を形成するように、図10に示す斜めに傾けて配置することが好ましい。このようにすると、他相の渡り線ガイド部11との干渉等も生じることがない。
したがって、本実施形態の場合は、モータ1の端子構造およびステータ部21、22のコイル8の巻き方等を改善し、一層の小型化や絶縁性の向上等図ることができる。
そして、本発明は上記した各実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行なうことが可能であり、例えば、モータ1は4相以上の多相駆動される構成であってもよいのは勿論である。またステータ部21、22の突極6の個数および、ロータ部31、32の突極7の個数は、上記実施形態のものに限るものではない。さらに、ステータ部21、22の連結のずれ量はm/2ピッチに限るものではない。また、ロータ部とステータ部の数は、軸方向に2個でなくても3個以上でもよい。
そして、本発明は、ステータおよびその内側のロータの両方に突極が形成された構造の種々のモータに適用することができ、そのモータの用途も電気自動車の駆動モータ等に限るものではない。
1 モータ
2 ステータ
3 ロータ
6、7 突極
8 コイル
21、22 ステータ部
31、32 ロータ部
2 ステータ
3 ロータ
6、7 突極
8 コイル
21、22 ステータ部
31、32 ロータ部
Claims (1)
- 軟磁性体のステータの内周面に半径方向内向きの複数の突極を円周方向に配置し、
前記ステータの内側に同軸状に設けられた軟磁性体のロータの外周面に半径方向外向きの複数の突極を円周方向に配設し、
前記ステータの各突極に各相のコイルを順に集中巻きした構造のモータであって、
前記ステータは軸方向の複数個のステータ部により形成され、
前記ロータは軸方向の複数個のロータ部により形成され、
一方の前記ステータ部の内周面の各突極はN磁極に励磁されるようにコイルが巻回され、
他方の前記ステータ部の各突極はS磁極に励磁されるようにコイルが巻回され、
前記一方のステータ部と前記他方のステータ部とは軸方向からみたときに同じ相の突極間に他の相の突極が位置するように円周方向にずらして連結され、
前記両ロータ部は前記両ステータ部のずれに合わせて円周方向にずらして連結されていることを特徴とするモータ。
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2019015093A1 (zh) * | 2017-07-21 | 2019-01-24 | 深圳市配天电机技术有限公司 | 电动车、车轮及其开关磁阻电机 |
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2008
- 2008-12-09 JP JP2008313357A patent/JP2010141954A/ja not_active Withdrawn
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2019015093A1 (zh) * | 2017-07-21 | 2019-01-24 | 深圳市配天电机技术有限公司 | 电动车、车轮及其开关磁阻电机 |
WO2019015030A1 (zh) * | 2017-07-21 | 2019-01-24 | 深圳市配天电机技术有限公司 | 电动车、车轮及其开关磁阻电机 |
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