JP3177304U - コギングトルクが低減された高効率永久磁石同期モータ - Google Patents

Abstract

【課題】高効率且つコギングトルクの低減された永久磁石同期モータを提供する。
【解決手段】ステータ２０とステータ２０内に回転可能に設けられるロータ１０を有する。ステータ２０はその内周壁と外周壁との間に形成される複数のステータ歯２１を有し、ステータ歯２１に巻付けられた複数の巻線に流れる電流に対応した磁極を発生させる。ロータ１０は、ロータ１０を貫通する、円柱面に隣接する複数の磁石スロット１１を有する。各磁石スロット１１は、磁石スロット１１内に配設される永久磁石の先に、磁石スロット１１の両端から外側に延設される２つの磁石空洞部１２を有する。隣接する永久磁石同士の間の、２つの磁石空洞部１２は、２つの永久磁石から対応するステータ歯２１へのループをなす磁束を抑制させることができ、磁気漏れやコギングトルクの低減を図ることができるため、モータの効率を高め、動力損失を低減させることができる。
【選択図】図１

Description

本考案は、永久磁石同期モータ、より具体的には、コギングトルクが低減され、磁気漏れの少ない、高効率永久磁石同期モータに関する。

モータは、人間の日常生活における、嵩張る空調装置や冷蔵庫、コンパクトハードディスク、ＣＤプレイヤー、及びファンなどの電気及び電化製品の幅広い分野で使用されている普及品である。

前述の電気及び電化製品は、その意図された機能を発揮するために、モータによって駆動される。しかし、モータは、しばしば、モータの無駄な作動の発生や荒い回転の惹起に至る障害にさらされる。モータの荒い回転の背景には多くの原因があり、コギングトルクは他のほとんどの原因よりも上位に位置付けられる。

いわゆる「コギングトルク」は、ロータの永久磁石とモータのステータ歯との間の磁力によって惹起される。図８を参照すると、従来のモータはロータ８０とステータ９０を有している。ロータ８０は、ロータ８０の円周端部の周りに円周方向に等間隔に配設された６個の永久磁石８１を有し、永久磁石８１の磁極が交互になるように配置されている。ステータ９０は、多数のステータ歯９１を有し、それぞれのステータ歯はそのステータ歯の周りに巻付けられた巻線を有している。電流がステータ歯１の巻線を流れると、ステータ歯９１は、電流と磁束の流れる方向に従って、対応する磁極を発生させる。磁束密度が高いと、ステータ歯９１とロータ８０の永久磁石８１との間の磁力はより大きくなる。従って、それぞれのステータ歯９１が、対応する永久磁石８１と直に整列したとき、ステータ歯９１と永久磁石８１との間の磁束は一定で釣り合っており、磁力は最大で、この時、コギングトルクは発生していない。図９に示すように、ロータ８０が反時計回りに回転し始めると、永久磁石８１とステータ歯９１との間の磁気吸引力は、直に整列した状態を維持しようとする。結果として、永久磁石８１と、対応するステータ歯９２との間の磁気吸引力により磁束の一部が発生させられ、ロータ８０の回転に対する抵抗力となるように、永久磁石８１の一端と、対応するステータ歯９２の周りにループをなす。

本考案の目的は、ステータ歯と永久磁石との間に広がる磁束を防ぐために、ロータ内の永久磁石を保持するための磁石スロットの配置を変えることによって、高効率且つコギングトルクの低減された永久磁石同期モータを提供することにある。

前記目的を達成するために、本永久磁石同期モータは、
内周壁、外周壁、及び該内周壁と外周壁の間に形成される複数のステータ歯を具える、リング状のステータと、
前記内周壁の内側に回転可能に設けられる円筒形状のロータを具え、
前記ステータとロータの間には空隙があり、
前記ロータが、円柱面、前記ロータを貫通するスピンドル・ホール、両端から外側に延設される２つの磁石空洞部を有する、前記ロータを貫通するように設けられる、前記円柱面と隣接する複数の細長い磁石スロット、及び前記磁石スロット内にそれぞれ配設される複数の永久磁石を有し、
前記磁石空洞部が、前記永久磁石の先に延設されている。

前述のモータの構成によれば、ロータが、隣接する永久磁石同士の間に、２つの磁石空洞部を有しているため、磁石空洞部によって、磁気漏れを減少させることができるだけでなく、ロータの磁束を、磁石空洞部と直に整列していない他の隣接するステータ歯の周りを回るように強制させることができるため、ロータに戻ってくるロータ内の磁束を抑制することができる。また、ステータ歯を強磁性のシリコン鋼で構成すれば、ロータの磁束はステータ歯の周りの均一なループをなすことができる。従って、ロータの磁束は、ステータ歯の巻線に一層近い磁場と相互に作用するため、モータ始動時に発生するコギングトルクが軽減され、振動や振動による騒音を抑制することができるから、磁気漏れ及びコギングトルクを減少させ、モータの効率を高めることができる。
なお、本考案の他の目的、有利な効果、及び新規な構成は、後述する詳細な説明及び図面により明らかになるであろう。

本考案の高効率永久磁石同期モータの側面図。 図１の要部拡大図。 第１の作動状態における磁束の流れを表した本考案の高効率永久磁石同期モータの側面図。 第２の作動状態における磁束の流れを表した本考案の高効率永久磁石同期モータの側面図。 第３の作動状態における磁束の流れを表した本考案の高効率永久磁石同期モータの側面図。 第４の作動状態における磁束の流れを表した本考案の高効率永久磁石同期モータの側面図。 第５の作動状態における磁束の流れを表した本考案の高効率永久磁石同期モータの側面図。 第１の作動状態における磁束の流れを表した従来の永久磁石同期モータの側面図。 第２の作動状態における磁束の流れを表した従来の永久磁石同期モータの側面図。

図１に示すように、本考案によるコギングトルクの低減された永久磁石同期モータは、ロータ１０とステータ２０を具える。

ロータ１０は円筒形状で回転可能であり、多数の磁石スロット１１及び多数の永久磁石を有する。磁石スロット１１は、ロータ１０を通じて、ロータ１０の円筒形状の表面に近接して形成されている。永久磁石は、それぞれ磁石スロット１１に嵌め込まれている。各磁石スロット１１は細長く、２つの磁石空洞部１２が、それぞれ磁石スロット１１の中に、その両端から外側に延びるように、各永久磁石の先に延設されている。本実施形態においては、ロータ１０は６つの磁石スロット１１を有している。永久磁石の極は、交互になるように配置される。

ステータ２０はリング状であり、その内径はロータ１０の外径と対応し、多数のステータ歯２１が内周壁と外周壁の間に形成されている。各ステータ歯２１はその周囲に巻線が取付けられており、これによって、ステータ歯２１を通じた電流に応じて磁束と一対の磁極が生じるようになっている。本実施形態において、ステータ２０は９つのステータ歯２１を有している。

永久磁石同期モータは、さらに、ロータ１０とステータ２０の間に空隙を有している。

図２を参照すると、各磁石空洞部１２はロータ１０のスピンドル・ホールに向かって内側に傾斜しており、それぞれの磁石スロット１１とその中の永久磁石がロータ１０の円筒形の表面により接近できるようになっている。各永久磁石の断面は、ロータ１０の外周壁の形状によって、長方形又は弓形である。本実施形態においては、各永久磁石は長方形の断面を有する。

上記の永久磁石同期モータは、６極且つ９スロットのモータとして形成されている。６つの極は永久磁石の数に対応しており、９つのスロットはステータ歯の数に対応している。図３〜図７を参照すると、上記永久磁石同期モータのロータ１０は、反時計回りに回転し続け、磁束分布はロータ１０の各永久磁石と対応するステータ２０のステータ歯２１の間でループを形成する。

図３に示すように、ロータ１０は第１永久磁石１３、第２永久磁石１４を具え、ステータ２０は第１ステータ歯２１１、第２ステータ歯２１２及び第３ステータ歯２１３を具える。第１永久磁石１３は、第１ステータ歯２１１と丁度向き合うように配置され、第２永久磁石１４は、第２ステータ歯２１２及び第３ステータ歯２１３の間に位置付けられている。第１永久磁石１３の外側と内側の極は、それぞれ磁北極及び磁南極であり、第２永久磁石１４の外側と内側の極は、それぞれ磁南極及び磁北極である。第１ステータ歯２１１の巻線に電力が供給されると、巻線を流れる電流方向により、第１ステータ歯２１１の内端と外端が、それぞれ磁南極及び磁北極となる。これにより第１ステータ歯２１１は第１永久磁石１３を引寄せ、第１ステータ歯２１１と第１永久磁石１３が直に整列したとき、最大引力、最大磁束、及び均一且つ左右対称の磁束分布を生じる。第１ステータ歯２１１の巻線に電力が供給されず、替わりに第３ステータ歯２１３の巻線に電力が供給されると、第３ステータ歯２１３の内端と外端が、それぞれ磁北極及び磁南極となる。

図４のように、第１永久磁石１３の左側の磁石空洞部１２及び第２永久磁石１４の右側の磁石空洞部が、第２ステータ歯２１２と直に整列すると、向かい合う第１永久磁石１３と第２永久磁石１４の両端及び第２ステータ歯２１２の間に形成される磁束は、第１永久磁石１３と第２永久磁石１４の磁石空洞部１２にブロックされるため、第２ステータ歯２１２を通ってループを形成することは殆ど不可能である。従来技術に比し、第２ステータ歯２１２を通ってループを形成する磁束は比較的密度が低いため、第２ステータ歯２１２と第１、第２永久磁石１３、１４の間に生じる引力も小さい。換言すれば、コギングトルクによって生じる抵抗力が比較的小さい。一方、第３ステータ歯２１３と第１ステータ歯２１１の間でループを形成する磁束は増大する。第１、第３ステータ歯２１１、２１３における密度の高い磁束と、第２ステータ歯２１２で生じるコギングトルクが小さいため、第１ステータ歯２１１が第１永久磁石１３を反時計回りに遠ざける力と、第３ステータ歯２１３が第２永久磁石１４を引付ける力が増大し、これによってロータ１０の回転が加速される。図５を参照すると、第３ステータ歯２１３が第２永久磁石１４を引付け、第３ステータ歯２１３と丁度向き合うように配置される。この時、第３ステータ歯２１３の巻線に電力が供給されず、第２ステータ歯２１２に電力が供給されるため、第２ステータ歯２１２の内端と外端が、それぞれ磁南極及び磁北極となり、第２ステータ歯２１２と丁度向き合う位置に第１永久磁石１３を引付ける。

図６を参照すると、第１永久磁石１３の右側と第２永久磁石１４の左側の磁石空洞部１２が第１ステータ歯２１１と向き合うため、第１ステータ歯２１１を通ってループをなす磁束は比較的密度が低い。従って、図７に示すように、第１永久磁石１３は容易に第２ステータ歯２１２に引付けられ、コギングトルクによって生じる抵抗力が小さいため、第２ステータ歯２１２と直線上に並ぶ。この時、第２ステータ歯２１２の巻線には電力が供給されておらず、替わりに第１ステータ歯２１１に電力が供給されている。上記のサイクルに従うことにより、永久磁石同期モータは回転し続ける。本実施形態において、第１、第２、第３ステータ歯２１１、２１２、２１３及び第１、第２永久磁石は、永久磁石同期モータの動作を説明するために例示したものである。例えば、第１ステータ歯２１１、第４ステータ歯２１４及び第７ステータ歯２１７、第２ステータ歯２１２、第５ステータ歯２１５及び第８ステータ歯２１８、第３ステータ歯２１３、第６ステータ歯２１６及び第９ステータ歯２１９等、他の組合せも、上記のサイクルと同様の考え方に基づき、対応する永久磁石と相互に作用して、連続作動することができる。

すなわち、ロータ１０の磁石スロット１１の両端にある磁石空洞部１２は、永久磁石の磁束がステータ歯２１を通ってループを形成するのを防ぎ、近接する２つの永久磁石と対応するステータ歯２１間の磁力を減らすことによって、コギングトルクを低減させ、モータ効率を上げてエネルギー損失を減らすことを可能にする。

本考案の多くの特長や効果は上記したとおりであるが、その構成や作用の詳細と合わせ、開示した内容は例示に過ぎない。細部、特に形状、サイズ、部品の配置については、添付の請求項に用いられている用語の趣旨に示唆されている限度で、本考案の本質を逸脱しない範囲内で変更が可能である。

１０ ロータ
１１ 磁石スロット
１２ 磁石空洞部
１３、１４ 永久磁石
２０ ステータ
２１ ステータ歯

Claims (6)

1. コギングトルクが低減された永久磁石同期モータであって、
   内周壁、外周壁、及び該内周壁と外周壁の間に形成される複数のステータ歯を具える、リング状のステータと、
   前記内周壁の内側に回転可能に設けられる円筒形状のロータを具え、
   前記ステータとロータの間には空隙があり、
   前記ロータが、円柱面、前記ロータを貫通するスピンドル・ホール、両端から外側に延設される２つの磁石空洞部を有する、前記ロータを貫通するように設けられる、前記円柱面と隣接する複数の細長い磁石スロット、及び前記磁石スロット内にそれぞれ配設される複数の永久磁石を有し、
   前記磁石空洞部が、前記永久磁石の先に延設されていることを特徴とする、
   永久磁石同期モータ。
2. 前記磁石空洞部が前記ロータのスピンドル・ホールに向かって内側に傾いている、請求項１の永久磁石同期モータ。
3. 前記永久磁石が弓形である、請求項２の永久磁石同期モータ。
4. 前記永久磁石が長方形である、請求項２の永久磁石同期モータ。
5. 前記永久磁石同期モータが６極９スロットである、請求項１から４のいずれかの永久磁石同期モータ。
6. 前記ステータが９個のステータ歯を有し、
   前記ロータが６個の磁石スロットを有する、請求項１から４のいずれかの永久磁石同期モータ。

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