JP4569632B2 - モータ - Google Patents

Description

本発明は、内側ロータと外側ロータの２つのロータを搭載し、ステータにトロイダル巻線が施されたモータに関する。

ダイレクトドライブ洗濯機の駆動用モータなどに使用されるブラシレスモータは、低速大トルクで低振動、低騒音であることが望まれている。ダイレクトドライブ駆動で用いられるモータは、ギヤが無く、直接駆動するため、モータの大トルク化が必要であるため、ロータ側には内側ロータと外側ロータを備え、ステータ側には内径側および外径側にティースを備えるダブルロータ型のブラシレスモータが提案されている。

このようなダブルロータ型ブラシレスモータ技術に関して、特許文献１に開示されている。このようなダブルロータ型ブラシレスモータは、内側スロット部と外側スロット部とに配置される巻線に流れる電流により、内側ロータおよび外側ロータにトルクが発生する。このため、内側ロータのみ、または外側ロータのみを備える同一体積のモータに比べて、大きなトルクを出力することができ、高効率にすることができる。しかしながら、このようなダブルロータ型モータでは、内側ロータによるコギングトルクおよびトルクリップルと外側ロータによるコギングトルクおよびトルクリップルとが合成され、さらに大きなコギングトルクおよびトルクリップルが発生するという問題が生じていた。

このため、特許文献１には、内側ロータと外側ロータとの磁極の境目の位置を任意の角度ずらす構成が提案されている。また、内側ティースのスロットオープンの幅と外側ティースのスロットオープンの幅との組合せを変えることにより、内側ロータによるコギングトルクの波形の位相と外側ロータによるコギングトルクの波形の位相とを反転させる技術も提案されている。以上のようにして、内側ロータによるコギングトルクと外側ロータによるコギングトルクとを打ち消し、モータ全体としてのコギングトルクを低減させることができるとされている。

図１０は、従来のダブルロータ型モータのロータ回転位置（電気角）とコギングトルクとの関係を示すグラフである。図１０において、破線は内側ロータによるコギングトルクを、細い実線は外側ロータによるコギントルクを、中央の太い実線はこれらを合成したモータ全体のコギングトルクを示している。

上述の通り、内側ロータと外側ロータとを、内側ロータのコギングトルクの位相と外側ロータのコギングトルクの位相とを打ち消すように構成したとしても、内側ロータのコギングトルクより外側ロータのコギングトルクの方が大きいため、完全に打ち消すことが困難であるという課題を有していた。
特開２００１−０３７１３３号公報

本発明のモータは次の構成を有する。環状のステータヨークと、このステータヨークから径方向内側に向かって突出した複数の内側ティースと、この内側ティースと同数でステータヨークから径方向外側に向かって突出した複数の外側ティースと、内側ティースの間に構成された内側スロットと、外側ティースの間に構成された外側スロットとを有するステータコアと、内側スロットと外側スロットの間のステータヨークに巻回され、３相スターまたはデルタ状に結線された複数のコイルとを備えたステータを有する。

内側ティースに空隙を介して対向した内側ロータと、この内側ロータと同一回転軸に接続され、外側ティースに空隙を介して対向した外側ロータとを含み、内側ロータは、所定の形状に打ち抜いた電磁鋼板が積層された内側ロータヨークと、内側永久磁石とを有し、外側ロータは、所定の形状に打ち抜いた電磁鋼板が積層された外側ロータヨークと、内側永久磁石と同極数の外側永久磁石とを有する。

ここに、内側ロータから生じる磁束量と、外側ロータから生じる磁束量とを調整することにより、内側ロータによるコギングトルクの波形の振幅と、外側ロータによるコギングトルクの波形の振幅とを同一にする構成を有する。

この構成により本発明のモータは、体積効率が良好であり、高出力、高トルクが得られるというダブルロータ型ブラシレスモータの特徴を生かしながら、コギングトルクやトルクリップルを低減し、低振動・低騒音なモータを実現できる。

以下、本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１におけるモータの斜視図である。また、図２および図３は本発明の実施の形態１におけるモータの分解斜視図である。図４は、本発明の実施の形態１におけるモータの断面図である。また、図５は、図４の５−５断面を示す要部断面図である。

これらの図において、本発明のモータは、ステータ１０と、ステータ１０の内径側に所定のギャップを持って対向する内側ロータ２０と、ステータ１０の外径側に所定のギャップを持って対向する外側ロータ３０とよりなる。内側ロータ２０と外側ロータ３０とは、モールド樹脂５０で一体的に成形されており、回転軸４にてトルクを外部に伝達する。一方、ステータ１０もモールド樹脂５１にて略全面が被覆されており、このステータ１０の外周部には、モールド樹脂５１にて一体的に、回転方向に均一間隔ピッチまたは不均一間隔ピッチの取付部６０が形成されている。隣接する取付部６０間には、外側ロータ３０の回転位置を検出するためのセンサが配置される。このため、取付部６０はセンサ位置を回避する位置に形成される。

内側ロータ２０と外側ロータ３０とを一体化するモールド樹脂５０には、回転軸４の方向に貫通する複数の風孔６４が形成される。また、この内側ロータ２０と外側ロータ３０とを一体化するモールド樹脂５０におけるステータ１０と軸方向で対向する部分に、凸部６５が設けられる。これにより、内側ロータ２０および外側ロータ３０が回転するときに、ステータ１０から発生した熱が攪拌される。そして、ステータ１０、内側ロータ２０と外側ロータ３０の間で、回転方向への熱風が生じる。この熱風が、風孔６４からモータ外部に放出される。また、内側ロータ２０と外側ロータ３０とを一体化するモールド樹脂５０の背面側には、複数のリブ６２が設けられる。これにより、モールド樹脂量を低減させながら、必要とされる強度を担保することができる。

ステータ１０は、略環状のステータヨーク１４と、このステータヨーク１４から外周方向に突出した外側ティース１２と、外側ティース１２と同数でステータヨーク１４から内周方向に突出した内側ティース１３とから成る。各々の外側ティース１２の間には外側スロット１６が、各々の内側ティース１３の間には内側スロット１７が、それぞれ形成されている。そして、３相スターまたはデルタ状に結線されたトロイダル巻線方式による複数のコイル１５が、外側スロット１６と内側スロット１７の間のステータヨーク１４に集中巻線方式で巻回されている。

このステータ１０は、上述したように、コイル１５を巻線した後、モールド樹脂５１により一体成形される。これは、コイル１５をステータコア１１に固定することと、防湿、防摘のためである。特に、このモータが洗濯機に用いられる場合には、防湿、防摘の効果が期待される。なお、モールド樹脂５０及びモールド樹脂５１は、ともにフィラーを含んだ不飽和ポリエステル樹脂が好適である。これは、成形時の流動性と成形後の強度が優れているためである。

次に、ロータ側の構成について説明する。ステータ１０の外側ティース１２に対向して所定の空隙を介して外側ロータ３０が配設されている。同様に、内側ティース１３に対向して所定の空隙を介して内側ロータ２０が配設されている。

外側ロータ３０は、外側ロータヨーク３１と外側ロータヨーク３１に形成される複数の外側永久磁石埋設孔３３に埋設される複数の外側永久磁石３２とを備える。外側ロータヨーク３１は、所定の形状（外側永久磁石埋設孔３３を有するリング形状）に打ち抜いた電磁鋼板が積層されてなり、磁気回路を構成する。同様に、内側ロータ２０は、内側ロータヨーク２１と内側ロータヨーク２１に形成される複数の内側永久磁石埋設孔２３に埋設される複数の内側永久磁石２２とを備える。内側ロータヨーク２１は、所定の形状（内側永久磁石埋設孔２３を有するリング形状）に打ち抜いた電磁鋼板が積層されており、磁気回路を構成する。

なお、外側ロータ３０および内側ロータ２０は、それぞれロータフレームを備えていない。このため、軽量化することができるとともに、製造工数を低減することができる。さらに、ロータフレームの体積分をモールド樹脂５０で被覆することができ、振動を吸収することができる。

外側ロータ３０と内側ロータ２０とは、樹脂成形金型内にインサートしてモールド樹脂５０により一体成形される。そして、回転軸４に連結して、コイル１５に所定の通電を行うことにより、外側ロータ３０と内側ロータ２０とが一体で回転する。このような外側ロータ３０と内側ロータ２０との一体的な構成とすることにより、この実施の形態におけるモータは、一般的なインナーロータ型モータやアウターロータ型モータに比べ、高トルク、高出力を実現することができる。

ここで、この実施の形態に係るモータは、内側ロータ２０の極数および外側ロータ３０の極数がともに１２極であり、スロット数はともに１８スロットである。このように、１２極１８スロットの組合せにすることにより、巻線配置が分布巻と同等の効果を実現することができる。

図６は、本実施の形態におけるダブルロータ型モータのロータ回転位置（電気角）とコギングトルクとの関係を示すグラフである。図６において、破線は内側ロータ２０によるコギングトルクを、細い実線は外側ロータ３０によるコギングトルクを、中央の太い実線はこれらを合成したモータ全体のコギングトルクを示している。

この実施の形態１に係るモータは、内側ロータ２０と外側ロータ３０とを、内側ロータ２０のコギングトルクの位相と外側ロータ３０のコギングトルクの位相とを打ち消すように構成している。しかしながら、内側ロータ２０のコギングトルクより外側ロータ３０のコギングトルクの方が大きいため、完全に打ち消すことが困難である。この対策として、本実施の形態においては、図５に示すように内側永久磁石２２の軸方向の長さを外側永久磁石３２の軸方向長さより長くしている。これは、以下の理由によるものである。

内側永久磁石２２の配置される円周の長さと外側永久磁石３２の配置される円周の長さとを比較すると、内側永久磁石２２の配置される円周の長さが外側永久磁石３２の配置される円周の長さよりも短い。このため、内側永久磁石２２の回転方向の長さは、外側永久磁石３２の回転方向の寸法よりも短くなる。したがって、内側永久磁石２２の軸方向の長さと外側永久磁石３２の軸方向の長さとが同一であれば、内側ロータ２０から生じる磁束量と外側ロータ３０から生じる磁束量とが異なる。そうすると、内側ロータ２０によるコギングトルクの波形の振幅と、外側ロータ３０によるコギングトルクの波形の振幅とが異なり、モータ全体としてのコギングトルクを完全に打ち消すことができない。

以上のことから、本実施の形態では、内側永久磁石２２の軸方向の長さを、外側永久磁石３２の軸方向の長さより長くし、同時に内側ロータヨーク２１の積厚を、外側ロータヨーク３１の積厚より厚くしている。これにより、内側ロータ２０から生じる磁束量と、外側ロータ３０から生じる磁束量とを調整している。このようにして、内側ロータ２０のコギングトルクの波形の振幅と外側ロータ３０のコギングトルクの波形の振幅とを略同一にしている。このような構成とすることにより、図６に示すように、内側ロータ２０のコギングトルクと外側ロータ３０のコギングトルクとを打ち消し、モータ全体のコギングトルクを大幅に低減することができる。

なお、本実施の形態においては、１２極１８スロットの構成を示したが、本発明は、例えば３０極１８スロットの構成等、他の構成にも適用できる。ただし、極数を１２未満とすると、トルクの出力が小さくなってしまうという問題がある。一方、極数を３０より大きい数とすると、鉄損が大きくなってしまうという問題がある。

また、永久磁石をロータヨークに埋め込む構成を示したが、本発明は、ロータヨーク表面に永久磁石を貼り付ける構成にも適用できる。あるいは、内側ロータ２０と外側ロータ３０のいずれか一方を、永久磁石をロータヨークに埋め込む構成とし、他方をロータヨーク表面に永久磁石を貼り付ける構成とすることも可能である。

（実施の形態２）
図７は、本発明の実施の形態２に係るモータの要部断面図である。実施の形態１と同一の構成要素は、同一の参照符号を付し説明を省略する。

この実施の形態２に係るモータは、内側永久磁石１２２の軸方向の長さと外側永久磁石１３２の軸方向の長さ、および、内側ロータヨーク１２１の積厚と外側ロータヨーク１３１の積厚を共に同一にしている。一方、内側永久磁石１２２の径方向の厚さを外側永久磁石１３２の径方向の厚さより厚くしている。その他の構成は、実施の形態１と同じである。

この実施の形態２に係るモータは、以上のような構成により、内側ロータ１２０から生じる磁束量と、外側ロータ１３０から生じる磁束量とを調整している。実施の形態１と同様に、内側ロータ１２０のコギングトルクの波形の振幅と外側ロータ１３０のコギングトルクの波形の振幅とを略同一にしている。これにより、図６に示すように、内側ロータ１２０のコギングトルクと外側ロータ１３０のコギングトルクとを打ち消し、モータ全体のコギングトルクを大幅に低減することができる。

なお、本実施の形態においては、内側永久磁石１２２の軸方向の長さと外側永久磁石１３２の軸方向の長さを共に同一にすると説明したが、必ずしも同一でなくてもよい。同様に、内側ロータヨーク１２１の積厚と外側ロータヨーク１３１の積厚を共に同一にすると説明したが、必ずしも同一でなくてもよい。内側永久磁石１２２の径方向の厚さを外側永久磁石１３２の径方向の厚さより大きくすることを必須条件として、永久磁石の軸方向の長さやロータヨークの積厚は、適宜変更可能である。

（実施の形態３）
図８は、本発明の実施の形態３に係るモータの要部断面図である。実施の形態１と同一の構成要素は、同一の参照符号を付し説明を省略する。

この実施の形態３に係るモータは、内側ロータヨーク２２１の積厚と外側ロータヨーク２３１の積厚とを略同一とし、内側永久磁石２２２の軸方向の長さを外側永久磁石２３２の軸方向の長さより長くしている。これ以外は実施の形態１と同様である。

本実施の形態に係るモータは、以上のような構成により、内側ロータ２２０から生じる磁束量と、外側ロータ２３０から生じる磁束量とを調整している。これにより、実施の形態１と同様に、内側ロータ２２０のコギングトルクの波形の振幅と外側ロータ２３０のコギングトルクの波形の振幅とを略同一にしている。従って、図６に示すように、内側ロータ２２０のコギングトルクと外側ロータ２３０のコギングトルクとを打ち消し、モータ全体のコギングトルクを大幅に低減することができる。

（実施の形態４）
図９は、本発明の実施の形態４に係るモータの要部断面図である。実施の形態１と同一の構成要素は、同一の参照符号を付し説明を省略する。

本実施の形態に係るモータは、内側永久磁石３２２の軸方向の長さと外側永久磁石３３２の軸方向の長さ、および、内側ロータヨーク３２１の積厚と外側ロータヨーク３３１の積厚を共に略同一としている。一方、内側永久磁石３２２と外側永久磁石３３２とを異なる材質とし、内側永久磁石３２２の残留磁束密度を外側永久磁石３３２の残留磁束密度より大きくしている。これ以外は実施の形態１と同様である。

具体的には、一例として、内側永久磁石３２２としてネオジウム・鉄・ボロン系焼結磁石（Ｂｒ＝１．３６Ｔ）を使用し、外側永久磁石３３２としてフェライト系焼結磁石（Ｂｒ＝０．４４Ｔ）を使用する。これにより、内側ロータ３２０から生じる磁束量と、外側ロータ３３０から生じる磁束量とを調整することができる。実施の形態１と同様に、内側ロータのコギングトルクの波形の振幅と外側ロータのコギングトルクの波形の振幅とを略同一にしている。これにより、図６に示すように、内側ロータ３２０のコギングトルクと外側ロータ３３０のコギングトルクとを打ち消し、モータ全体のコギングトルクを大幅に低減することができる。

なお、本実施の形態においては、内側永久磁石３２２の軸方向の長さと外側永久磁石３３２の軸方向の長さは、略同一と説明したが、同一に限定されるものではない。同様に、内側ロータヨーク３２１の積厚と外側ロータヨーク３３１の積厚は略同一と説明したが、同一に限定されるものではない。内側永久磁石３２２の残留磁束密度を外側永久磁石３３２の残留磁束密度より大きくすることを必須要件として、永久磁石の軸方向の長さやロータヨークの積厚を適宜変更してもよい。

また、永久磁石の材質については、異なる材質と説明したが、異なる材質に限定されるものではない。例えば、内側永久磁石３２２、外側永久磁石３３２共に同一のネオジウム・鉄・ボロン系焼結磁石とし、その配合比や着磁方法等を変えることによって、内側永久磁石３２２の残留磁束密度を外側永久磁石３３２の残留磁束密度より大きくすることでもよい。

本発明は、家電製品や電装品など、小型でスペースに制限があり、かつ高出力で高効率、低振動・低騒音、低コストが求められるモータに有用である。

本発明の実施の形態１に係るモータの外観斜視図 本発明の実施の形態１に係るモータの分解斜視図 本発明の実施の形態１に係るモータの分解斜視図 本発明の実施の形態１に係るモータの断面図 本発明の実施の形態１に係るモータの要部断面図 本発明の実施の形態１に係るモータのロータ回転位置（電気角）とコギングトルクとの関係を示すグラフ 本発明の実施の形態２に係るモータの要部縦断面図 本発明の実施の形態３に係るモータの要部縦断面図 本発明の実施の形態４に係るモータの要部縦断面図 従来のモータに係るロータ回転位置（電気角）とコギングトルクとの関係を示すグラフ

符号の説明

４ 回転軸
１０ ステータ
１１ ステータコア
１２ 外側ティース
１３ 内側ティース
１４ ステータヨーク
１５ コイル
１６ 外側スロット
１７ 内側スロット
２０，１２０，２２０，３２０ 内側ロータ
２１，１２１，２２１，３２１ 内側ロータヨーク
２２，１２２，２２２，３２２ 内側永久磁石
２３ 内側永久磁石埋設孔
３０，１３０，２３０，３３０ 外側ロータ
３１，１３１，２３１，３３１ 外側ロータヨーク
３２，１３２，２３２，３３２ 外側永久磁石
３３ 外側永久磁石埋設孔
５０，５１ モールド樹脂
６０ 取付部
６２ リブ
６４ 風孔
６５ 凸部

Claims (10)

1. 環状のステータヨークと、前記ステータヨークから径方向内側に向かって突出した複数の内側ティースと、前記内側ティースと同数で前記ステータヨークから径方向外側に向かって突出した複数の外側ティースと、前記内側ティースの間に構成された内側スロットと、前記外側ティースの間に構成された外側スロットとを有するステータコアと、前記内側スロットと前記外側スロットの間の前記ステータヨークに巻回され、３相スターまたはデルタ状に結線された複数のコイルとを備えたステータと、
   前記内側ティースに空隙を介して対向した内側ロータと、前記内側ロータと同一回転軸に接続され、前記外側ティースに空隙を介して対向した外側ロータとを含み、
   前記内側ロータは、所定の形状に打ち抜いた電磁鋼板が積層された内側ロータヨークと、内側永久磁石とを有し、
   前記外側ロータは、所定の形状に打ち抜いた電磁鋼板が積層された外側ロータヨークと、前記内側永久磁石と同極数の外側永久磁石とを有し、
   前記内側ロータから生じる磁束量と、前記外側ロータから生じる磁束量とを調整することにより、前記内側ロータによるコギングトルクの波形の振幅と、前記外側ロータによるコギングトルクの波形の振幅とを同一にする構成を有するモータ。
2. 前記内側永久磁石の軸方向の長さは、前記外側永久磁石の軸方向の長さより長く構成する請求項１記載のモータ。
3. 前記内側ロータヨークの積厚は、前記外側ロータヨークの積厚より厚く構成する請求項１記載のモータ。
4. 前記内側永久磁石の径方向の厚さは、前記外側永久磁石の径方向の厚さより厚く構成する請求項１記載のモータ。
5. 前記内側永久磁石の残留磁束密度は、前記外側永久磁石の残留磁束密度より大きく構成する請求項１記載のモータ。
6. 前記内側ロータヨークは複数の内側永久磁石孔を有し、前記内側永久磁石は前記内側永久磁石孔に埋め込まれ、前記外側ロータヨークは複数の外側永久磁石孔を有し、前記外側永久磁石は前記外側永久磁石孔に埋め込まれる請求項１記載のモータ。
7. 前記内側ロータと前記外側ロータとは、樹脂モールドで一体に成形される請求項１記載のモータ。
8. 前記樹脂モールドは、回転軸の方向に貫通する複数の風孔を備える請求項７記載のモータ。
9. 前記樹脂モールドは、前記ステータと軸方向で対向する部分に、凸部を備える請求項７記載のモータ。
10. 前記ステータは、モールド樹脂にて被覆され、一体に取付部を備える請求項１記載のモータ。

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