JP2020513189A - ブラシレス直流モータのためのロータ、電気モータ、及び、手持ち工作機械 - Google Patents

Abstract

【課題】【解決手段】本発明は、軸と、前記軸上に配置されるロータコアであって、前記ロータコアがリターンパス体として用いられる前記ロータコアと、前記ロータコアに固定され、且つ前記ロータコアを取り囲んでいる１つのリングマグネットとを備えたブラシレス直流電気モータのためのロータを包括する。前記リングマグネットは円環ディスク形状に形成され、その際前記円環ディスク形状により半径方向と周方向とが定義されている。さらに、穴数ｑが等式ｑ＝Ｎ／（２ｐｍ）によって定義され、ここでＮは前記ロータ内のスロットの数量を表し、ｐは前記ロータの磁極対の数量を、ｍは相数を表している。本発明によれば、前記ロータの巻線部が三角結線で接続されているように構成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、電気モータのための、特にインナーロータ型電気モータのためのロータに関するものである。さらに、本発明は、本発明によるロータを備えた電気モータに関する。

電気モータは、電気エネルギーを機械エネルギーに変換するエネルギー変換器である。この種の電気モータは、定置のモータ部分を形成しているステータと、可動モータ部分を形成しているロータとを含んでいる。インナーロータ型モータの場合、円環形状またはシリンダリング形状のロータは、通常、ロータも固定されているモータ軸を取り囲んでいるが、ロータ自体も半径方向においてロータから間隔をもって配置されているステータによって取り囲まれる。

ステータは通常ステータヨークを備え、ステータヨークには、中心に対し半径方向内側へ突出するステータ歯が配置され、そのロータ側端部はいわゆる磁極片を形成している。電気モータの機能を保証するため、とりわけモータのステータに付属する複数のコイルは特定の態様で互いに結線されねばならない。この結線の種類および態様は、ステータ歯に装着されて電動作動において磁場を生じさせる巻線部によって決定される。通電した巻線部によって発生する磁場を誘導し増幅させるため、ステータの材料は通常金属であり、たとえば軟磁性の鉄である。

この場合、巻回パターンはたとえばコイルの星形結線またはコイルの三角結線を描くことができる。互いに結線すべき多数のコイルがステータに属していれば、それぞれのコイルを個別ワイヤーによって特定の態様で互いに結合させねばならないので、結線は非常に面倒である。

しかしながら、リングマグネットを備えたロータの構成における欠点は、リングマグネットがその製造方法のために機械的にあまり頑丈でなく、したがってロータ半径が大きい場合および／または回転速度が高い場合に発生する遠心力を無傷で吸収できないことである。その結果、このようなロータを備えた電気モータのモータ出力は一般的に比較的低い。

本発明の課題は、上記の欠点を改善して、比較的高い磁束と少ない漏れ磁束とを同時に有し、しかし同時に高い回転数に対し適しているような電気モータ用ロータを提示することである。さらに、本発明は、電気モータおよび手持ち工作機械を対応的に改良することを課題とする。

この課題は、請求項１に記載のロータおよび請求項１３に記載の電気モータ並びに請求項１６に記載の手持ち工作機械によって解決される。本発明の有利な構成、変形実施態様、更なる構成は従属項から読み取れる。

本発明は、軸と、軸上に配置されるロータコアであって該ロータコアがリターンパス体として用いられる前記ロータコアと、ロータコアに固定されて該ロータコアを取り囲んでいるリングマグネットとを備えたブラシレス直流モータ用ロータを包括している。リングマグネットは円環ディスク形状に形成され、その際円環ディスク形状によって半径方向と周方向とが定義されている。さらに、穴数ｑが等式ｑ＝Ｎ／（２ｐｍ）によって定義され、ここでＮはロータ内のスロットの数量を表し、ｐはロータの磁極対数、ｍは相数を表している。本発明によれば、ロータの巻線部が三角結線で接続されているように構成されている。基本的には、三角結線が製造において有利であることが実証されている。というのは、（たとえばバッテリー作動型手持ち工作機械での）巻回回数が少なく且つワイヤー径が大きいブラシレス直流モータの場合、三角結線は星形結線よりも通常はより小さなワイヤー径を必要とするからである。したがって、三角結線は製造において有利である。

有利には、１つのロータ巻線部はｑ＝０．５の穴数ｑを有している。この場合、電気モータの電源電圧の形状は電流形状に整合している。電源電圧の形状を電流形状に整合させると（両方ともほぼ台形形状）、より高い機械稼働率と一様なトルク推移とが得られる。

この場合、電源電圧の形状がほぼ台形形状の推移またはほぼ正弦状の推移を持っているのが有利である。その際、巻線部の穴数ｑ＝０．５（たとえば９スロット／６磁極）と三角結線との組み合わせにより、誘導電源電圧の特に好ましいほぼ台形形状をどの相でも得ることができる。

請求項１〜５のいずれか一項に記載のロータは、１２０゜のブロック整流を持つ電気モータが使用されることを特徴としている。電流のブロック整流が１２０゜の時の電源電圧の台形形状が最大限の機械稼働率またはこの機械の最大限の力率を達成させることができることが有利なものとして明らかになった。この場合、ワイヤー線引き力が比較的小さな比較的小径のワイヤーも比較的コンパクトに且つ比較的効率的にニードル巻回することができるので有利である。

特に有利な実施態様では、リングマグネットは半径方向に異方性のある粒状組織を有している。基本的には、リングマグネットは、比較的大きな磁極幅を貫通する比較的高い全磁束と、比較的少ない漏れ磁束とを提供する。本発明によるロータにより、残留磁束密度を高くさせることができ、これによってモータの有効軸線方向長さおよび／または電気抵抗を比較的低減させることができ、電気モータの出力密度を高くさせることができる。

有利な態様では、リングマグネットは外周にて多極磁化されたＮｄＦｅＢリングマグネットである。

特に有利な実施態様では、リングマグネットは少なくとも３個の磁極対、好ましくは少なくとも８個の磁極対、特に有利には少なくとも１８個の磁極対を有している。

有利な態様では、リングマグネットは、ＳｍＣｏ粉から焼結させた希土類マグネット、ＮｄＦｅＢ粉から焼結させたフェライトマグネット、ホットプレス／熱間成形したマグネット、または、複合マグネットである。この場合、半径方向に異方性のある粒状組織は２段階の圧縮方法によって製造される。半径方向に配向された異方性の射出成型リングマグネットは、通常、電磁配向技術によって製造される。簡単な永久磁石配向とは異なり、電磁配向によって製造されるマグネットは焼結前に消磁され、次に所望の要求に対応して分極される。

ＮｄＦｅＢ粉をホットプレスすることによってリングマグネットを製造することにより、リングマグネットの機械的な耐荷重性または堅牢性の向上を保証することができる。さらに、別個の製造ステップでもたらされる、リングマグネットの粒状組織の半径方向異方性により、残留磁束密度が従来の焼結リングマグネットに比べてさらにほぼ１０％向上し、したがって出力密度が上昇する。

これとは択一的に、リングマグネットの製造を他の方法に従って行ってもよく、たとえば衝撃押し出し法に従って製造してもよい。

有利な構成では、リングマグネットは接着、蝋付け、熱焼きばめ、または溶接のグループから成る固定方法のうちの１つの固定方法によってロータコアに固定されている。

さらに、ステータの幾何学的形態およびトポロジーは、リングマグネットの磁極対の数量と同じように設計に応じて変化させることができる。本発明による半径方向に異方性のあるリングマグネットは、この点で制限がない。

本発明の他の対象を成すのは電気モータ、有利な態様ではブラシレスインナーロータ型電気モータである。電気モータは、ステータとロータとを含んでいる。ステータは、半径方向と周方向とを定義している円環ディスク形状のステータヨークと、ステータヨークから半径方向内側へ突出している所定数量の磁極歯とを有している。ロータは、ステータによって半径方向に取り囲まれている。ステータとロータとの間には、所定幅の隙間が配置されている。電気モータは、さらに、磁極歯の数量と対応する数量のコイルを含み、この場合コイルは対応する磁極歯のまわりに巻回されている。本発明によれば、ロータは請求項１〜１２に開示されている上述の実施態様の一つに従って形成されている。

有利な態様では、電気モータは、少なくとも２４０００回転／分のアイドリング回転数と、３０ｍｍのロータのロータ径とを有している。

有利な実施態様では、電気モータのコイルは電気的に並列に結線されている。

本発明の他の対象を成すのは、請求項１３〜１５のいずれか一項に記載の本発明による電気モータを含んでいる手持ち工作機械である。

本発明の他の特徴、適用可能性、利点、構成は、図に図示されている本発明の実施形態に関する以下の説明から明らかである。この説明と、付属の図と、請求の範囲とは、多数の構成要件を組み合わせて含んでいる。当業者であれば、これらの構成要件を、特に異なる実施形態の構成要件を個別に検討することも、また統合させて有意義な他の組み合わせを形成させることもあろう。その際に注意すべきことは、提示された構成要件は説明上の特徴を有しているにすぎず、上述した他の改良形の構成要件と組み合わせて使用することもでき、本発明を何らかの形で限定するために顧慮されたものではないことである。

次に、本発明を有利な実施形態を用いて詳細に説明する。図面は概略的に以下のものを示す。

本発明によるロータおよび本発明による電気モータの部分図である。 平行な個別歯巻線部を備えた三角結線の一例を示す図である。 誘導電源電圧の整合形状の一例を示す図である。 磁気的優先方向の半径方向等方性配向を持つリングマグネットの概略図である。

図１は、本発明による電気モータ１００を１２０゜のセグメントで示した部分横断面図である。電気モータ１００のロータ１０は、とりわけ、軸１２と、軸１２上に配置されたロータコア１４とを含み、この場合ロータコア１４はリターンパス体として用いられる。電気モータ１００は、さらに、ロータコア１４に固定されて該ロータコア１４を取り囲んでいる少なくとも１つのリングマグネット１６を含んでいる。リングマグネット１６は円環ディスク形状またはシリンダリング形状に形成されており、この場合円環ディスク形状またはシリンダリング形状により半径方向と周方向とが定義されている。

少なくとも１つのリングマグネット１６は接着、蝋付け、熱焼きばめ、または溶接のグループから成る固定方法のうちの１つの固定方法によってロータコア１４に固定されている。

さらに、電気モータ１００がステータ２０を含んでいることが認められ、この場合ステータ２０は、半径方向と周方向とを定義している円環ディスク形状のステータヨーク２２と、該ステータヨーク２２から半径方向内側へ突出している所定数量の磁極歯２４とを有している。磁極歯２４には、対応する数量のコイル３０が巻回されている。この基本的構成はインナーロータ型電気モータにおいてそれ自体公知であり、さらに詳細に説明しない。

本発明によれば、リングマグネット１６は半径方向に異方性のある粒状組織を有している。リングマグネット１６がＮｄＦｅＢ粉からホットプレスされたリングマグネット１６であるような一実施形態では、この半径方向の異方性は、最初のホットプレスの下流側にて実施される圧縮ステップにおいて達成でき、したがって２段階の圧縮方法によって達成できる。

これとは択一的に、本発明の他の実施形態によれば、リングマグネット１６はＳｍＣｏ粉またはＮｄＦｅＢ粉から焼結させたリングマグネット１６であってよく、この場合半径方向に異方性のある粒状組織は同様に２段階の圧縮方法によって形成される。半径方向に配向される、異方性の射出成型リングマグネット１６は、通常、電磁配向技術によって製造される。簡単な永久磁石配向とは異なり、電磁配向によって製造される磁石は焼結前に消磁され、次に所望の要求に応じて分極される。このようにして、たとえば図４に図示した、磁気的優先方向の半径方向等方性配向を持つリングマグネット１６を製造することができる。

ＮｄＦｅＢ粉のホットプレスによってリングマグネット１６を製造することにより、リングマグネットの機械的な耐荷重性または堅牢性の向上を保証することができる。さらに、別個の製造ステップでもたらされる、リングマグネット１６の粒状組織の半径方向異方性により、残留磁束密度が従来の焼結リングマグネット１６に比べてさらにほぼ１０％向上し、したがって出力密度が上昇する。これとは択一的に、リングマグネット１６の製造を他の方法に従って行ってもよく、たとえば衝撃押し出し法に従って製造してもよい。

異方性は、従来の焼結ＮｄＦｅＢマグネットに比べて磁気残留磁束密度を１０％まで改善させ、通常のプラスチック結合型ＮｄＦｅＢマグネットに比べるとファクタ２．２だけ改善させる。リングマグネット１６に関する磁束のこの利得により、電気モータ１００の有効軸線方向長さおよび／またはその電気抵抗を低減させることができる。本発明によれば、これにより電気モータ１００の出力密度を向上させることができるとともに、その機械的堅牢性を向上させることができる。これによって、ロータの直径が大きい場合でも高い回転数が可能である。

たとえば、本発明に従って構成された電気モータ１００は、ロータの直径が３０ｍｍの場合、アイドリングで２４０００ｒｐｍ以上の回転数で運転できることが明らかになった。比較可能な値は、従来技術では目下のところマグネット埋設型ロータでしか提供されないが、この構成が引き起こす上述の欠点を伴う。

１つの有利な実施形態では、リングマグネット１６は少なくとも３個の磁極対、好ましくは少なくとも８個の磁極対、特に有利には少なくとも１８個の磁極対を有する。一般に、リングマグネットの磁極対の数量は電気モータのサイズおよび出力に関する設計に応じて変化するが、半径方向に異方性のあるリングマグネットはこの点で制限を受けない。

もう一度注意しておくが、これとは逆に、マグネットを埋設する構成には、マグネット間でのロータラミネーションの細条部の幅によってマグネットの数量が制限され、したがって磁極対の数量が制限されているという欠点がある。

本発明によるロータにおいて磁束がより高いということは、ステータの幾何学的形態においてより大きな横断面を必要とする。この場合、磁極対の数量がより多ければ鉄カウンタープレートの横断面積を減少させるので、本発明による構成での磁極の数量は基本的には制限を受けないという利点がある。これは、磁束をより多くの数量の磁極対に分配できるからである。

さらに、磁束がより高い場合の高い回転数に対しては、ステータ内での巻線部がより少なくて済む。他方、このことは、少ない巻線部でステータスロットを同等に充填できるようにするには、銅線の横断面積を大きくしなければならないことを意味している。

この場合、通常はニードル巻回機が使用され、スロットを貫通させるようにワイヤーを誘導するニードルは、ワイヤー径に関し最大でかろうじて１ｍｍを越えるようなワイヤーを誘導することができる。

図２に図示したように、本発明によれば、ロータの巻線部は平行な個別歯巻線部に三角結線で接続され、その際ロータ巻線部は有利には穴数ｑ（ｑ＝０．５）を有する。

この場合、穴数ｑは等式ｑ＝Ｎ／（２ｐｍ）で定義され、ここでＮはロータ内のスロットの数量を表し、ｐはロータの磁極対数を、ｍは相数を表している。

図３のａに図示したように、誘導電源電圧の形状（電気モータの起電力または誘導されたＥＭＫ電圧も取り上げられている）は、電流形状に整合している。図では電流形状が典型的な１２０゜のブロック整流を有しているのに対し、誘導電源電圧は台形形状である。これによって、高い機械稼働率と十分に一様なトルク推移とが得られる。１２０゜のブロック整流という図示した構成では、電源電圧の台形形状はほぼ電気モータの最大可能機械稼働率または最大力率を達成させている。図３のｂに図示したように、択一的な実施形態では、同じ電流形状で、誘導電源電圧は正弦状である。

図４のｂは、磁気優先方向を例示した、半径方向に等方性のあるリングマグネット１６の平面図である。図４のａは対応する断面図である。

以上説明し、図示した実施形態以外に、構成要件の他の変形例および組み合わせを含むことのできる他の実施形態が想到可能である。

１０ ロータ
１２ 軸
１４ ロータコア
１６ リングマグネット
２０ ステータ
２２ ステータヨーク
２４ 磁極歯
３０ コイル
４０ 隙間
１００ 電気モータ

Claims (16)

1. ブラシレス直流モータのためのロータ（１０）であって、
   軸（１２）と、
   前記軸（１２）上に配置されるロータコア（１４）であって、前記ロータコア（１４）がリターンパス体として用いられる前記ロータコア（１４）と、
   前記ロータコア（１４）に固定され、且つ前記ロータコア（１４）を取り囲んでいる少なくとも１つのリングマグネット（１６）であって、前記リングマグネット（１６）が円環ディスク形状またはシリンダリング形状に形成され、前記円環ディスク形状または前記シリンダリング形状により半径方向と周方向とが定義されている前記少なくとも１つのリングマグネット（１６）と、
   を含み、
   さらに、穴数ｑが等式ｑ＝Ｎ／（２ｐｍ）によって定義され、ここでＮは前記ロータ内のスロットの数量を表し、ｐは前記ロータの磁極対の数量を、ｍは相数を表している、
   前記ロータ（１０）において、
   前記ロータの巻線部が三角結線で接続されている、
   ことを特徴とするロータ（１０）。
2. １つのロータ巻線部がｑ＝０．５の穴数ｑを有していることを特徴とする、請求項１に記載のロータ（１０）。
3. 前記電気モータの誘導電源電圧の形状が電流形状に整合していることを特徴とする、請求項１または２に記載のロータ（１０）。
4. 前記誘導電源電圧がほぼ台形形状の推移を持っていることを特徴とする、請求項３に記載のロータ（１０）。
5. 前記誘導電源電圧がほぼ正弦状の推移を持っていることを特徴とする、請求項４に記載のロータ（１０）。
6. １２０゜のブロック整流を持つ前記電気モータが使用されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載のロータ（１０）。
7. 前記リングマグネット（１６）が半径方向に異方性のある粒状組織を有していることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載のロータ（１０）。
8. 前記リングマグネット（１６）が外周にて多極磁化されたＳｍＣｏリングマグネット（１６）またはＮｄＦｅＢリングマグネット（１６）であることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載のロータ（１０）。
9. 前記リングマグネット（１６）が少なくとも３個の磁極対、好ましくは少なくとも８個の磁極対、特に有利には少なくとも１８個の磁極対を有していることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載のロータ（１０）。
10. 前記リングマグネット（１６）が、ＳｍＣｏ粉またはＮｄＦｅＢ粉からホットプレスしたリングマグネット（１６）であり、前記半径方向に異方性のある粒状組織が２段階の圧縮方法によって製造されることを特徴とする、請求項７〜９のいずれか一項に記載のロータ（１０）。
11. 前記リングマグネット（１６）が、ＮｄＦｅＢ粉から焼結させたリングマグネット（１６）であり、前記半径方向に異方性のある粒状組織が２段階の圧縮方法によって製造されることを特徴とする、請求項７または９に記載のロータ（１０）。
12. 前記リングマグネット（１６）が接着、蝋付け、熱焼きばめ、または溶接のグループから成る固定方法のうちの１つの固定方法によって前記ロータコア（１４）に固定されていることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のロータ（１０）。
13. 電気モータ（１００）、特にブラシレスインナーロータ型電気モータであって、
    ステータ（２０）であって、前記ステータ（２０）が、半径方向と周方向とを定義している円環ディスク形状またはシリンダリング形状のステータヨーク（２２）と、前記ステータヨーク（２２）から半径方向内側へ突出している所定数量の磁極歯（２４）とを有している前記ステータ（２０）と、
    前記磁極歯（２４）の数量と対応する数量のコイル（３０）であって、前記コイル（３０）が対応する前記磁極歯（２４）のまわりに巻回されている前記コイル（３０）と、
    前記ステータ（２０）によって半径方向に取り囲まれているロータ（１０）であって、前記ステータ（２０）と前記ロータ（１０）との間に所定幅の隙間（４０）が配置されている前記ロータ（１０）と、
    を含んでいる前記電気モータ（１００）、特にブラシレスインナーロータ型電気モータにおいて、
    前記ロータ（１０）が請求項１〜１２のいずれか一項に従って形成されている、
    ことを特徴とする電気モータ（１００）、特にブラシレスインナーロータ型電気モータ。
14. 前記電気モータ（１００）が、少なくとも２４０００回転／分のアイドリング回転数と、３０ｍｍの前記ロータ（１０）のロータ径とを有していることを特徴とする、請求項１３に記載の電気モータ（１００）。
15. 前記電気モータ（１００）の前記コイル（３０）が電気的に並列に結線されていることを特徴とする、請求項１３または１４に記載の電気モータ（１００）。
16. 請求項１３〜１５のいずれか一項に記載の電気モータ（１００）を含んでいる手持ち工作機械。

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