JP5363001B2 - 永久磁石モータ - Google Patents

Description

この発明は、永久磁石モータに関し、特に、コイルが巻装される主極部と、コイルが巻装されない補極部が交互に配置されたステータを備えた永久磁石モータに関する。

ステータに複数の突極が形成され、突極に多層（Ｕ・Ｖ・Ｗ相）のコイルが集中巻で巻かれた同期型の永久磁石モータにおいて、モータの入出力効率を向上させるためには、銅製のコイルを流れる電流により生じる銅損を低減させることが有効とされる。コイルの銅損を低減させるための一つの手段として、線径の太いコイルを使用し、コイルの抵抗を小さくすることが知られている。しかし、線径の太いコイルを同じターン数で突極に巻くためには、突極の間に形成されたスロットの面積を大きくする必要がある。ステータの外径を大きくせずにスロットの面積を大きくするためには、コイルが巻装されるティース部の幅を狭くすることが必要である。

しかし、ティース部の幅が狭くなると、ティース部の断面積が減少し、マグネットから各ティース部に流れ込む磁束の密度が大きくなり、磁束が飽和し、有効磁束が減少する。磁束が飽和し、有効磁束が減少すると、モータ性能に重要な駆動トルクの低下を招く。したがって、ティース部の断面積を減少させずに、スロットの面積を大きくする構成が求められる。

近年、ステータの突極を主極部と補極部に分け、主極部と補極部を交互に配置し、主極部のみにコイルが巻装された同期型の永久磁石モータが提案されている（特許文献１参照）。この永久磁石モータでは、主極部のみにコイルが巻装されるため、コイルを巻くためにかかる時間とコストの低減が図れる。また、コイルは主極部のみに巻装されるため、隣り合うコイルの間には補極部が存在し、コイル同士は直接接触しない。そのため、各コイルの絶縁性能が向上する。
特開２００５−１２９８６号公報

主極部と補極部が交互に配置され、主極部にみにコイルが巻装されたステータを備えた永久磁石モータにおいても、モータの入出力効率を向上させるため、太い線径のコイルを主極部に巻装できように、スロット面積を大きくすることが望まれる。しかし、一般の同期型の永久磁石モータと同様に、スロットの面積を増加するために各ティース部の幅を狭くすると、マグネットから各ティース部に流れる磁束が飽和してしまい、その結果として駆動トルクの低下を招く。したがって、主極部と補極部が交互に配置された同期型の永久磁石モータにおいても、磁束の飽和とならないよう各ティース部の断面積が減少せずにスロット面積が大きなステータが望まれる。

そこで、本発明の課題は、コイルが巻装される主極部と、コイルが巻装されない補極部が交互に配置されたステータを備えた同期型の永久磁石モータであって、各ティース部の断面積を減少させずスロット面積を大きくできる形状の突極を有するステータを備えた同期型の永久磁石モータを提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明は、複数の薄板の磁性材料からなるコアが積層されることによって形成されたステータと、磁性材料により略円柱形状に形成され、外周面上に磁石が設けられ、前記ステータの内部に回転自在に配置されたロータとからなる永久磁石モータであって、前記ステータが、略円筒形状に形成された継鉄部と、前記継鉄部の円周方向に所定の間隔だけ離れて前記継鉄部から内側に向けて突設され、交互に配置された複数の主極部及び補極部と、前記主極部に巻装されたコイルとを備えた永久磁石モータにおいて、前記継鉄部から突出する前記補極部の補極ティース部の周方向幅Ｔ２が、前記コイルが巻装された前記主極部の主極ティース部の周方向幅Ｔ１よりも小さく形成され、補極ティース部の積層長さＬ２が、主極ティース部の積層長さＬ１よりも大きく形成されている。

このように、補極部のティース部の周方向幅を主極部のティース部の周方向幅よりも小さくして、スロット面積を増加させるとともに、補極部の積層長さを主極部の積層長さよりも長くして、補極部のティース部の断面積の減少を防止し、補極部のティース部における磁束の飽和を防止する。

本発明にあっては、ティース部の断面積を減少させずに、スロット面積を大きくすることが可能な形状のステータを構成できるので、線径が大きいコイルを主極部に巻装することが可能になり、コイルを流れる電流により生じる銅損を小さくでき、磁束の飽和も生じさせることがなく、入出力効率が向上した同期型の永久磁石モータを提供することができる。

以下、本発明の第１の実施形態である永久磁石モータを、図１から図７に基づいて説明する。図１は、本発明の第１の実施形態の永久磁石モータの側面図であり、図２は、正面図である。図３は、図１にて指示する断面Ａ−Ａの断面図である。図４は、図２にて指示する断面Ｂ−Ｂの断面図である。

永久磁石モータ１は、略円盤形状に形成されたフロンドブラケット１３と、同じく略円盤形状に形成されたエンドブラケット１４と、フロントブラケット１３とエンドブラケット１４の間に配置され、両者にセットボルト１２にて固定され、薄肉で略円筒状に形成されたステータケース１５とを有している。フロントブラケット１３には、シャフト挿通孔１３ａが設けられ、シャフト１６がシャフト挿通孔１３ａを挿通してフロントブラケット１３の外部に突出している。エンドブラケット１４にはエンコーダ２４が取付られており、エンコーダ２４からは、信号線２３が外部に引き出されている。

ステータケース１５の内部には、ステータコア積層体２００と主極コア積層体３００からなるステータ４が配置されている。ステータコア積層体２００は、磁性材料からなる薄板のステータコア２が複数積層されて形成され、主極コア積層体３００は、磁性材料からなる薄板の主極コア３が複数積層されて形成される。ステータ４は、略円環形状に形成された継鉄部５と、継鉄部５の円周方向に等間隔に隔てて継鉄部５から内側に交互に突設して形成されたそれぞれ６個の主極部６と補極部７から構成される。

補極部７は、継鉄部５に一体に形成され、継鉄部５から突出する補極ティース部７ａと、補極ティース部７ａの先端にて周方向の両側に延出する補極延出部７ｂからなる。また、補極部７が突出する継鉄部５の外周には、セットボルト１２が挿通するための凹部５ａが設けられている。

隣り合う補極部７の間に配置された主極部６は、継鉄部５と別体に形成された主極コア積層体３００により構成される。主極部６は、コイル１１が巻装される略方形の主極ティース部６ａと、継鉄部５の逆テーパ凹部５ｂに圧入されるテーパ凸部６ｃとを備える。主極部６のそれぞれの主極ティース部６ａの先端には、周方向の両側に延出する主極延出部６ｂが形成されている。

予め主極ティース部６ａの外周面にインシュレータ１９を装着し、インシュレータ１９の外周面からコイル１１が巻装され、コイル１１が巻装された６つの主極コア積層体３００をステータコア積層体２００の内側に配置し、テーパ凸部６ｃを逆テーパ凹部５ｂに圧入する。これにより、主極コア積層体３００はステータコア積層体２００に一体的に固定される。その結果コイル１１が巻装された６つの主極部６とコイル１１が巻装されていない６つの補極部７を備えるステータ４が形成される。

磁性材料により略円柱形状に形成されたシャフト１６と、同一円筒形状に形成された第１リングマグネット９と第２リングマグネット１０とからロータ８は構成される。第１および第２リングマグネット９、１０は、ネオジウム系マグネットであり、周方向にＮ極、Ｓ極が交互に１０個存在するように着磁されている。第１および第２リングマグネット９、１０は内周面には接着剤が塗布され、第１リングマグネット９が、シャフト１６のマグネット突当部１６ｃに突き当てられた状態で、第１および第２リングマグネット９、１０は、マグネット固定部１６ｂにてシャフト１６に接着固定されている。

インシュレータ１９には、それぞれ２つのコイル絡げピン２０が設けられており、ステータ４に配置された１２個のコイル絡げピン２０に電力基盤２１に形成された端子（図示せず）がはんだにて接続され、電力基盤２１はステータ４に固定される。ステータ４の外周面には、接着剤が塗布され、ステータケース１５の内周面上にステータ４が接着固定される。なお、電力基盤２１の各コイル１１に電力を供給する配電パターン（図示せず）の配列は、円周方向に並ぶ６つの主極部６の各コイル１１が、順にＵ相・Ｖ相・Ｗ相・Ｕ相・Ｖ相・Ｗ相となるように設定されている。

シャフト１６のフロントベアリング内輪保持部１６ｄにフロントベアリング１７の内輪１７ａが圧入固定され、エンドベアリング内輪保持部１６ｅにエンドベアリング１８の内輪１８ａが圧入固定されている。フロントベアリング１７の外輪１７ｂはフロントブラケット１３のフロントベアリング外輪保持部１３ｃに挿入固定され、エンドベアリング１８の外輪１８ｂはエンドブラケット１４のエンドベアリング外輪保持部１４ｂに圧入固定されている。

ステータケース１５の内周凸状のフロントブラケット勘合部１５ａはフロントブラケット１３の内周凹状の開口部１３ｂに挿入され、内周凸状のエンドブラケット勘合部１５ｂはエンドブラケット１４の内周凹状の開口部１４ｃに挿入され、フロントブラケット１３及びエンドブラケット１４は、ステータケース１５の両端に配置される。ここで、セットボルト１２にてステータケース１５の両端に配置されたフロントブラケット１３及びエンドブラケット１４は狭持されている。

ステータケース１５には、ステータ４が接着固定されており、ステータ４は、永久磁石モータ１内部の所定の位置に配置される。また、ロータ８は、フロントベアリング１７及びエンドベアリング１８にて、フロントブラケット１３及びエンドブラケット１４に軸支され、ステータ４内部の所定の位置にて回転自在に配置される。また、電力基盤２１からの電力線２２は、エンドブラケット１４から外部に引き出され、ドライバ装置（図示せず）に接続される。

エンドブラケット１４から外側に突出するリア突出部１６ｆには、略円盤形状のエンコーダリング２４ｂが取り付けられている。また、光センサ２４ｃがエンコーダリング２４ｂの外周部に対向するように配置され、センサ保持部２４ｅに取り付けられ、センサ保持部２４ｅは、エンドブラケット１４のセンサ保持部取付面１４ｄに取り付けられている。エンコーダリング２４ｂの外周部には、回転角度を検出するためのスケール２４ｄが設けられている。なお、エンコーダ２４を外部の粉塵等から保護するため、エンコーダカバー２４ａが、エンコーダ２４を覆うように、エンドブラケット１４のエンコーダカバー取付面１４ａに取り付けられている。また、光センサ２４ｃからの信号線２３がエンコーダカバー２４ａから外部に引き出されており、ドライバ装置（図示せず）に接続される。

ドライバ装置（図示せず）は、光センサ２４ｃから得られる回転情報に基づき、所定の回転数で永久磁石モータ１が駆動するよう、各コイル１１に通電する電力を制御し、電力線２２を通じ永久磁石モータ１に電流を供給する。

次に、本発明の実施形態の永久磁石モータのステータコア積層体および主極コア積層体の構造について、図５から図７に基づいて詳細に説明する。図５は、本発明の実施形態の永久磁石モータのステータコア積層体および主極コア積層体の正面図である。図６は、図５にて指示する断面Ｃ−Ｃの断面斜視図である。また、図７に基づいて、第１および第２リングマグネットから補極部への磁束の流れの軸方向分布が説明される。図７は、図４における第１および第２リングマグネットと補極部を示す部分（Ｐ）の拡大図であり、磁束の流れを示す図である。

補極ティース部７ａの周方向幅Ｔ２は、主極ティース部６ａの周方向幅Ｔ１よりも小さく設定されており、本実施の形態では、Ｔ２：Ｔ１は、５／６(≒０．８３)：１に設定されている。また、補極部７の積厚長さＬ２であるステータコア積層体２００の積厚長さＬ２は、主極部７の積層厚さＬ１である主極コア積層体３００の積厚長さＬ１よりも大きく設定されている。本実施の形態では、Ｌ２：Ｌ１は、６／５（＝１．２）：１に設定されている。

このように、補極ティース部７ａの周方向長さＴ２を小さくすることで、隣接する補極ティース部７ａと主極ティース部６ａ及びこれらを繋ぐ継鉄部２で囲まれるスロットＳの面積は増加する。このため、スロットＳの内側に挿入されたコイル１１には、その線径が大きなものが選択され、コイル１１の抵抗値が減少し、コイル１１に生じる銅損が低下する。

第１および第２リングマグネット９、１０と対向する補極ティース部７ａの補極延出部７ｂの両端の周方向長さＷ２及び主極ティース部６ａの主極延出部６ｂの両端の周方向長さＷ１は、略同一に設定されており、これにより、周方向でみた場合に、主極ティース部６ａおよび補極ティース部７ａには、同一の磁束量の磁束が流入する。

永久磁石モータ１の補極ティース部７ａの周方向幅Ｔ２は、主極ティース部６ａの周方向幅Ｔ１よりも小さく設定されており、補極ティース部７ａの周方向の磁気抵抗は主極ティース部６ａの周方向の磁気抵抗よりも大きくなるが、図４に示されるように、主極部６の積厚長さＬ１よりも、第１および第２リングマグネット９、１０の軸方向長さＬ３が大きく、図７に示すように、第１および第２リングマグネット９、１０の軸方向長さＬ３よりも、補極部７の積厚長さＬ２のほうが大きく（Ｌ２＞Ｌ３）なっており、第１リングマグネット９からの磁束は軸方向に分散して補極ティース部７ａに流れる。これにより、軸方向でみた場合に、主極ティース部６ａおよび補極ティース部７ａには、同一の磁束量の磁束が流入可能である。それゆえ、主極部６に流れる磁束は、補極ティース部３ａから漏れることなく補極部７に流れる。

また、補極ティース部７ａの断面積Ａ２（＝Ｔ２×Ｌ２）は、主極ティース部６ａの断面積Ａ１（＝Ｔ１×Ｌ１）と略同じ（Ａ２＝Ａ１）になるように、ステータコア積層体２００の積厚長さＬ２は、主極コア積層体３００の積厚長さＬ１より大きく設定されている。これにより、補極ティース部７ａの周方向幅Ｔ２が主極ティース部６ａの周方向幅Ｔ１よりも狭くなっているにもかかわらず、上述のように補極ティース部７ａと主極ティース部６ａに流れる磁束の有効磁束量が略同一になり、同じ量の磁束が第１および第２リングマグネット９、１０から主極部６および補極部３に流れ、両者を流れる磁束の量は略同一となっても、補極ティース部７ａにおいて磁束が飽和してしまうことはない。

上述のように主極部６の積層長さＬ１は、補極部７の積層長さＬ２よりの小さく設定されている。本実施の形態では、主極部６は補極部７に対し、軸方向に偏位して配置されており、主極部６の第１の端部６ｄが補極部７の第１の端部７ｄと略同一面内に配置されるよう設定されている。このように配置されることで、主極部６の第２の端部６ｅから電力基盤２１までの距離を大きくとることができ、コイル１１を配置するスペースを大きく確保することができ、線径の太いコイル１１を選択することが可能となる。

なお、本実施の形態では、Ｔ２：Ｔ１＝５／６：１、Ｌ２：Ｌ１＝６／５：１と設定したが、このような値に限定されるものではないのは言うまでもなく、Ｔ２：Ｔ１＝０．７〜０．９：１、Ｌ２：Ｌ１＝１．１〜１．５：１の範囲のいずれかの値となるステータコア積層体２００および主極コア積層体３００であっても、本発明の効果を十分に発揮できる。

次に、本発明の第２の実施形態について、図８から図１０を用いて説明する。なお、第２の実施形態は、第１の実施形態と補極部７の構造が相違し、その他の部分は略同一である。よって、補極部７の構造について詳細に説明し、その他の部分については、説明を省略する。第１の実施形態では、主極部６に対し補極部７の軸長を延長するに際し、補極部７が一体に形成された円筒形状の継鉄部５の軸長も延長されていた。延長された継鉄部５には、マグネットからの磁束が流れず磁路として不要な部分も存在していた。そこで、第２の実施形態では、この磁路として不要な継鉄部５を削減することにより、ステータ４の軽量化を図ったものである。

図８は、第２の実施形態で用いられる分割補極の斜視図であり、図９は、この分割補極ティースを用いたステータの斜視図である。分割補極７ｃは、第１の実施形態と同様に、幅Ｔ２の補極ティー部７ａと、両端の周方向長さＷ２の補極延出部７ｂとを備えた薄板のコアを複数枚積層したものである。また、薄板のコアを複数枚積層した分割補極部７ｃの積厚はＬ３である。

第１の実施形態では、補極部７と継鉄部５が一体に形成されたステータコア２、主極部６の軸長よりも長くなるように積み上げていたため、磁路として不要な継鉄部５が存在することとなっていた。そこで、第２の実施形態では、主極部６の軸長と同じ軸長となるまで、補極部５と継鉄部５が一体に形成されたステータコア２を積み上げることととし、このように形成されたステータ４の補極部５の端面に、分割補極部７ｃを固定配置する構造とした。ここで、分割補極部７ｃのステータ４への固定配置は接着によるものであるが、接着に限らず、溶接、ボスかしめ等であってよい。

主極部６の積層長さＬ１に対し、積層長さＬ３の分割補極部７ｃをステータ４に固定することで、補極部７の積層長さはＬ２となり、第１の実施形態と同様に主極ティース部６ａと補極ティース部７ａの断面積は、略同一となり、幅の狭くなった補極ティース部７ａにおいて磁束が飽和することはない。図１０は、第１、第２リングマグネット９、１０から分割補極部７ｃおよび補極部７への磁束の流れを図示したものである。分割補極部７ｃに流れ込んだ磁束は、補極部７へと流れ継鉄部５に流れることとなる。

次に、本発明の第３の実施形態について、図１１から図１３を用いて説明する。なお、第３の実施形態は、第２の実施形態と分割補極部の構造のみ相違し、その他の部分は略同一である。よって、分割補極部の構造について詳細に説明し、その他の部分については、説明を省略する。第２の実施形態では、同一形状のコアを積厚して分割補極部７ｃを形成していた。そのため、図１０に示すように、分割補極部７ｃの上部（紙面上部）の第１リングマグネット９から離れた部分には、磁束が流れない箇所が存在していた。そこで、第３の実施形態では、この磁路として不要な箇所を削減することにより、分割補極部の軽量化を図ったものである。

図１１は、第３の実施形態の分割補極部の斜視図であり、図１２は、この分割補極ティースを用いたステータの斜視図である。分割補極７ｄは、軟磁性材料の粉体を型内で加圧成形することにより形成されたものである。第１の実施形態と同様に分割補極７ｄは、幅Ｔ２の補極ティー部７ａと、両端の周方向長さＷ２の補極延出部７ｂとを備え、上面（紙面上部）の長さをＬ４、および下面（紙面下部）の長さをＬ５（Ｌ４＜Ｌ５）とする傾斜部７ｅを有している。そして、第３の実施形態のステータ４でも、第２の実施形態と同様に、補極部５の端面に、分割補極部７ｄを固定配置する構造とした。ここで、分割補極部７ｄのステータ４への固定配置は接着によるものであるが、接着に限らず、溶接等であってよい。

図１３は、第１、第２リングマグネット９、１０から分割補極部７ｄおよび補極部７への磁束の流れを図示したものである。分割補極部７ｃに流れ込んだ磁束は、補極部７へと流れ継鉄部５に流れることとなるが、分割補極部７ｃで磁束の流れない、上部（紙面上部）の第１リングマグネット９から離れた部分が形成されていないため、磁束の流れを妨げることなく、分割補極部７ｄの軽量化が図られている。

本発明の第１の実施形態の永久磁石モータの側面図である。 本発明の第１の実施形態の永久磁石モータの正面図である。 図１にて指示する断面Ａ−Ａの断面図である。 図２にて指示する断面Ｂ−Ｂの断面図である。 本発明の第１の実施形態の永久磁石モータのステータコア積層体および主極コア積層体の正面図である。 図５にて指示する断面Ｃ−Ｃの断面斜視図である。 図４にて第１および第２リングマグネットと補極部を示す部分（Ｐ）の拡大図である。 本発明の第２の実施形態の分割補極ティース部の斜視図である。 本発明の第２の実施形態のステータの斜視図である。 本発明の第２の実施形態のステータにおける磁束の流れを示す図である。 本発明の第３の実施形態の分割補極ティース部の斜視図である。 本発明の第３の実施形態のステータの斜視図である。 本発明の第３の実施形態のステータにおける磁束の流れを示す図である。

符号の説明

１ 永久磁石モータ
２ ステータコア（コア）
２００ ステータコア積層体
３ 主極コア
３００ 主極コア積層体
４ ステータ
５ 継鉄部
６ 主極部
６ａ 主極ティース部
６ｂ 主極延出部
７ 補極部
７ａ 補極ティース部
７ｂ 補極延出部
８ ロータ
９ 第１リングマグネット（磁石）
１０ 第２リングマグネット（磁石）
１１ コイル

Claims (2)

1. 複数の薄板の磁性材料からなるコアが積層されることによって形成されたステータと、略円柱形状に形成され、外周面上に磁石が設けられ、前記ステータの内部に回転自在に配置されたロータと、を備える永久磁石モータであって、
   前記ステータが、略円筒形状に形成された継鉄部と、前記継鉄部の円周方向に所定の間隔だけ離れて前記継鉄部から内側に向けて突設され、交互に配置された複数の主極部及び補極部と、前記主極部に巻装されたコイルとを備え、前記主極部が前記継鉄部と別体に形成された永久磁石モータにおいて、
   前記継鉄部から突出する前記補極部の補極ティース部の周方向幅Ｔ２が、前記コイルが巻装された前記主極部の主極ティース部の周方向幅Ｔ１よりも小さく形成され、
   前記補極ティース部の積層長さＬ２が前記磁石の軸長さＬ３よりも大きく、前記主極ティース部の積層長さＬ１が前記磁石の軸長さＬ３よりも小さく形成され、
   前記ステータの前記主極部の第１の端部は、前記補極部の第１の端部と、略同一平面に配置され、前記補極部に対し前記主極部が軸方向に偏位して配置されるとともに、前記主極部の第２の端部に対向配置された電力基盤に対し前記主極部が離間する方向に配置されていることを特徴とする永久磁石モータ。
2. 請求項１に記載の永久磁石モータにおいて、前記ステータは、前記主極部の前記主極ティース部の先端で周方向両側に延出する主極延出部と、前記補極部の前記補極ティース部の先端で周方向両側に延出し、前記主極延出部の周方向長さと略同じ周方向長さを有する補極延出部とを備えていることを特徴とする永久磁石モータ。

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