JP5601903B2 - モータ - Google Patents

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Description

本発明は、コンシクエントポール型構造を採用したロータを有するモータに関するものである。
従来、モータにおいて、例えば特許文献1にて示されているように、ロータコアの周方向に一方の磁極のマグネットが複数配置され、該コアに一体形成された突極が各マグネット間に配置され、該突極を他方の磁極として機能させる所謂コンシクエントポール型構造のロータを有するものが知られている。このようなモータでは、性能の低下を小さく抑えつつもロータのマグネットを半数に減らすことが可能となるため、省資源化や低コスト化等の点で有利である。
特開平9−327139号公報
ところで、特許文献1のようなコンシクエントポール型構造のロータは、磁束の強制力(誘導)のあるマグネットと、磁束の強制力のない突極とが混在する磁極にて構成されているため、磁気的にアンバランスが生じ易く、このことが例えばコギングトルクの発生による振動増加等の回転性能の悪化に繋がっている。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、ロータのマグネットの個数を少なく抑えつつも、高出力化を実現することが可能なモータを提供することにある。
上記課題を解決するために、ロータコアの周方向に一方の磁極のマグネットが複数配置されるとともに、前記ロータコアに一体形成された突極が各マグネット間に空隙を以て配置され、前記突極を他方の磁極として機能するように構成されたロータと、前記ロータの外周側に配置され、径方向に延び周方向等間隔に複数設けられるティースを有するコアと前記ティースに装着された多相の巻線とを有するステータとを備えたモータであって、前記ステータの巻線は、複数の前記ティースを跨ぐ分布巻で構成されており、前記ティースの先端部と対向する前記突極の開角度は、前記ティースの先端部の開角度の2倍以上に設定され、前記ロータの前記マグネットと前記突極との間の空隙の中間点をその起点と終点とした各磁極占有角度(電気角)をθ1,θ2とし、θ1+θ2=360°であり、前記マグネットの磁極占有角度θ1が、150°≦θ1<180°の範囲内に設定されていることを特徴とする。
この発明では、ティースの先端部と対向する突極の開角度が、ティースの先端部の開角度の2倍以上に設定される。このため、突極の磁束はその突極と対向する2本以上のティースに影響されて径方向に正しく沿って流れやすくなる。その結果、ロータの磁気バランスが向上し、トルク向上や振動低減といった回転性能の向上に寄与できる。
請求項2に記載の発明は、ロータコアの周方向に一方の磁極のマグネットが複数配置されるとともに、前記ロータコアに一体形成された突極が各マグネット間に空隙を以て配置され、前記突極を他方の磁極として機能するように構成されたロータと、前記ロータの外周側に配置され、径方向に延び周方向等間隔に複数設けられるティースを有するコアと前記ティースに装着された多相の巻線とを有するステータとを備えたモータであって、前記ステータの巻線は、前記ティース間のスロットを軸方向に貫通するスロット挿入部を有する相毎に複数のセグメント導体が、前記スロットから突出する前記スロット挿入部の端部で溶着により電気的に接続されて構成される多相のセグメント巻線からなり、前記ロータの前記マグネットと前記突極との間の空隙の中間点をその起点と終点とした各磁極占有角度(電気角)をθ1,θ2とし、θ1+θ2=360°であり、前記マグネットの磁極占有角度θ1が、150°≦θ1<180°の範囲内に設定されていることを特徴とする。
この発明では、ロータコアのマグネット間に一体形成された突極を磁極として機能するように構成された所謂コンシクエントポール型構造のロータと、複数のセグメント導体がティース間のスロットから突出するスロット挿入部の端部で溶着により電気的に接続されて構成される多相のセグメント巻線を有するステータとを備える。セグメント巻線は、連続線をティースに巻回して構成される巻線と比較して占積率を高く構成できるため、高出力化が可能となる。このため、ロータをコンシクエントポール型とすることでマグネットの個数を少なく抑えて省資源化や低コスト化等に貢献しつつも、ステータの巻線をセグメント巻線とすることで高出力化が可能となる。
請求項1及び請求項2に記載の発明では、マグネット及び突極間の空隙の中間点をその起点と終点とした各磁極占有角度θ1,θ2としたとき(θ1+θ2=360°)、マグネットの磁極占有角度θ1が、150°≦θ1<180°の範囲内のいずれかに設定される。これにより、θ1=180°、即ちマグネットと突極との各磁極占有角度θ1,θ2を構造的に同じとする一般的な構造としたときよりも、トルクリップルの低減を図ることができ(図2(a)参照)ロータの回転性能の向上に寄与できる。
請求項に記載の発明は、請求項1又は2に記載のモータにおいて、前記ステータに対する前記ロータの空隙のうち、前記マグネット側の最短空隙距離Aと前記突極側の最短空隙距離Bとの比B/Aが、1<B/Aに設定されていることを特徴とする。
この発明では、ステータに対するロータの空隙のうち、マグネット側の最短空隙距離Aと突極側の最短空隙距離Bとの比B/Aが、1<B/Aのいずれかの適正値に設定される。これにより、ロータ回転時の振動の要因となるトルクリップル及びラジアル脈動の低減が可能となり(図3(b)(c)参照)、ロータの回転性能の向上に寄与できる。
請求項に記載の発明は、請求項に記載のモータにおいて、前記マグネット側の最短空隙距離Aと前記突極側の最短空隙距離Bとの比B/Aが、1<B/A≦1.6の範囲内に設定されていることを特徴とする。
この発明では、マグネット側の最短空隙距離Aと突極側の最短空隙距離Bとの比B/Aが、1<B/A≦1.6の範囲内のいずれかに設定される。これにより、トルクの低下を極力抑えつつもロータの回転時の振動に繋がるトルクリップル及びラジアル脈動の低減が可能となり(図3(a)(b)(c)参照)、ロータの回転性能の更なる向上に寄与できる。
請求項に記載の発明は、請求項のいずれか1項に記載のモータにおいて、前記マグネット及び前記突極の数がそれぞれ奇数に設定され、前記マグネットと前記突極とが180°反対位置に配置されて構成されていることを特徴とする。
この発明では、マグネット及び突極の数が奇数で、マグネットと突極とが180°反対位置に配置されて構成される。即ち、マグネットと突極とが180°反対位置に配置される構成では、磁気的なアンバランスが生じてロータ回転時の振動が増大しがちであるため、上記のように突極及びマグネットの占有角度の適正化やマグネット側と突極側との空隙距離の比B/Aの適正化を図り、低振動化する意義は大きい。
請求項に記載の発明は、請求項1〜のいずれか1項に記載のモータにおいて、前記ロータと径方向に対向する前記各ティースの先端部間には、周方向に隣り合う前記ティース同士が連続するティース間連続部と、空隙部とが形成されたことを特徴とする。
この発明では、ロータと対向するティースの先端部のティース間連続部によって磁束密度の急峻な変化が抑制され、その結果、コギングトルクを低減することができる。そして、そのようにコギングトルクを低減しつつも、空隙部によって各ティースの先端部間の磁束が通りにくくなるため、漏れ磁束が軽減され、トルクの低下を小さく抑えることが可能となり、ロータの回転性能の向上に寄与できる。また、ティースの先端部のティース間連続部によって、ステータのコアの剛性を向上させることができる。
請求項に記載の発明は、請求項に記載のモータにおいて、前記ステータのコアは、複数の積層部材が軸方向に積層されてなり、前記各積層部材における前記各ティースの先端部間の前記ティース間連続部には、プレス加工により軸方向に窪む凹部が形成されるとともに、該凹部によって前記空隙部が形成されたことを特徴とする。
この発明では、積層部材のティース間連続部に施されるプレス加工の残留応力と、そのプレス加工で形成される凹部(空隙部)とにより、各ティースの先端部間の磁束が通りにくくなるため、漏れ磁束が軽減され、トルクの低下をより小さく抑えることが可能となる。
請求項に記載の発明は、請求項に記載のモータにおいて、前記ステータのコアは、第1積層部材と第2積層部材とが軸方向に交互に積層されてなり、前記第1積層部材における前記各ティースの先端部間には、前記空隙部が形成され、前記第2積層部材における前記各ティースの先端部間には、前記ティース間連続部が形成されたことを特徴とする。
この発明では、第1積層部材と第2積層部材を交互に積層させることで、各ティースの先端部間にティース間連続部と空隙部を容易に形成することができる。
請求項に記載の発明は、請求項に記載のモータにおいて、前記ステータのコアは、複数の積層部材が軸方向に積層されてなり、前記積層部材における前記各ティースの先端部間には、前記ティース間連続部と前記空隙部とが周方向に交互に形成されるとともに、前記積層部材は、その各ティースの先端部間の前記ティース間連続部と前記空隙部とが軸方向に交互に並ぶように積層されたことを特徴とする。
この発明では、同一の積層部材をティース間連続部と空隙部とが軸方向に交互に並ぶように積層することでティース間連続部と空隙部とを構成できるため、部品管理がし易く、また、低コスト化に貢献できる。
請求項1に記載の発明は、請求項1〜のいずれか1項に記載のモータにおいて、前記突極における前記ティースと対向する表面には、周方向に対向する一対の側面部を有する第1の補助溝が凹設されたことを特徴とする。
この発明では、突極のティースと対向する表面に形成された第1の補助溝により、突極内での磁束の流れが変化するため、突極内での磁束の流れの適正化を図り、コギングトルクを小さく抑えることが可能となる。
請求項1に記載の発明は、請求項1に記載のモータにおいて、前記突極の開角度を「Ykθ(°)」、前記ティースの先端部の開角度を「Tθ(°)」、前記ティースの個数を「L(個)」として、前記突極の周方向中心線から前記第1の補助溝における前記周方向中心線側の側面部までの角度D1が、「D1=Tθ+(a−1)×360(°)/L−Ykθ/2」(但しaは自然数)を満たすように構成されたことを特徴とする。
この発明では、突極の周方向一方の端部が、任意のティースの先端部の周方向一方の端部と径方向に重なるときに、第1の補助溝の中央側の側面部が、前記ティースから周方向に順に数えてa個目のティースの周方向他方の端部と径方向に重なる。このとき、突極の第1の補助溝で生じるコギングトルクがその突極の周方向一方の端部で生じるコギングトルクを小さく抑えるキャンセル成分となるため、モータ全体で生じるコギングトルクの低減が可能となり、ロータの回転性能を向上させることができる。
請求項1に記載の発明は、請求項1に記載のモータにおいて、前記第1の補助溝は、前記突極の周方向中心線に対して線対称になるように周方向に一対並設されたことを特徴とする。
この発明では、第1の補助溝が突極の周方向両端部にそれぞれ対応して一対設けられるため、コギングトルクのより一層の低減が可能となる。
請求項1に記載の発明は、請求項1又は1に記載のモータにおいて、前記突極における前記ティースと対向する表面には、周方向に対向する一対の側面部を有する第2の補助溝が前記第1の補助溝とは別に凹設され、前記突極の周方向中心線から前記第2の補助溝における前記周方向中心線側の側面部までの角度D2が、「D2=D1+360(°)/L」を満たすように構成されたことを特徴とする。
この発明では、第1の補助溝で生じるコギングトルクだけでなく第2の補助溝で生じるコギングトルクも、その突極の周方向端部で生じるコギングトルクを小さく抑えるキャンセル成分となるため、モータ全体で生じるコギングトルクをより低減することが可能となる。
請求項1に記載の発明は、請求項1に記載のモータにおいて、前記第2の補助溝は、前記突極の周方向中心線に対して線対称になるように周方向に一対並設されたことを特徴とする。
この発明では、第2の補助溝が突極の周方向両端部にそれぞれ対応して一対設けられるため、コギングトルクのより一層の低減が可能となる。
従って、上記記載の発明によれば、ロータのマグネットの個数を少なく抑えつつも、高出力化を実現することが可能となる。
(a)本実施形態のモータの概略構成図、(b)同図(a)の一部拡大図、(c)セグメント導体の一部斜視図。 (a)マグネット磁極の占有角度とトルクリップル比との関係を示す特性図、(b)マグネット磁極の占有角度と平均トルク比との関係を示す特性図。 (a)空隙距離比B/Aと最大トルク比との関係を示す特性図、(b)空隙距離比B/Aとトルクリップル比との関係を示す特性図、(c)空隙距離比B/Aとラジアル脈動比との関係を示す特性図。 別例のモータの一部を示す平面図。 (a)別例のステータコアの一部を示す斜視図、(b)同図(a)のティースの先端部を示す模式図。 (a)(b)別例のモータの作用効果を説明するためのグラフ。 (a)第1積層部材の平面図、(b)第2積層部材の平面図、(c)別例のステータコアの一部を示す斜視図、(d)同図(c)のティースの先端部を示す模式図。 (a)別例の積層部材の平面図、(b)別例のステータコアの一部を示す斜視図、(c)同図(b)のティースの先端部を示す模式図。 (a)別例のモータの概略構成図、(b)突極の拡大図。 別例における突極とティースとの関係を示す模式図。 別例におけるロータの回転角度とコギングトルクとの関係を示す特性図。 溝開角度とコギングトルクとの関係を示す特性図。 別例における突極とティースとの関係を示す模式図。 別例のモータの概略構成図。
以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図1(a)に示すように、本実施形態のインナロータ型のモータ1は、略円環状のステータ2の内側にロータ3が配置されて構成されている。
ステータ2は、図1(a)(b)(c)に示すように、円筒部11と円筒部11から径方向内側に延びて周方向に複数(本実施形態では60個)設けられるティース12とを有するステータコア4を備える。尚、ステータコア4は、透磁率の高い金属製の板状部材よりなる積層部材が軸方向に積層されて構成されている。ステータコア4の各ティース12間には、ロータ3を回転させる磁界を発生させるためのセグメント巻線13が挿入されるスロットSが形成されている。スロットSは、軸方向から見て断面が径方向に沿った長方形であり、スロットSの個数は、ティース12の個数と同数(本実施形態では60個)となっている。尚、ティース12とセグメント巻線13との間には、図示しないインシュレータが介在されている。
ステータ2のセグメント巻線13は、断面四角形状であり、多相(本実施の形態では3相)の分布巻とされている。セグメント巻線13は、ティース12間のスロットSを軸方向(紙面直交方向)に貫通するようにスロットS内に配置されるスロット挿入部14aと、スロットSから軸方向に突出するスロット突出部14bと、折り曲げ部14cとを有する複数のセグメント導体14(図1(c)参照)を相毎に有している。そして、その相毎の各セグメント導体14は、径方向に隣り合うスロット突出部14b(スロットSから突出するスロット挿入部14aの端部)同士で溶着により電気的に接続されて周方向に連続する導線として構成される。尚、各セグメント導体14は、導体板が折り曲げ加工されてなり、略U字状に形成されており、U字の平行直線部に相当する一対のスロット挿入部14aは、周方向に複数(6個)のティース12を跨いで離間した2つのスロットS内にそれぞれ配置されるようになっている。
ロータ3は、回転軸21の外周面に磁性金属材料よりなる略円環状のロータコア22が固着されており、該ロータコア22の外周部の周方向等間隔にN極のマグネット23が複数個(本実施形態では5個)配置されるとともに、該ロータコア22の外周部に一体形成された突極24が各マグネット23間に配置されている。つまり、各マグネット23及び突極24は等角度間隔に交互に配置(この場合、マグネット23と突極24とが180°反対位置に配置)され、ロータ3は、N極のマグネット23に対して突極24をS極として機能させる10磁極の所謂コンシクエントポール型にて構成されている。尚、ロータ3の極対数はマグネット23と同数であり、本実施形態では極対数は「5」となっている。尚、セグメント導体14がティース12を跨ぐ本数は、(スロット数/磁極数)により決定されるようになっている。
尚、本実施形態のステータ2は、ロータ3のマグネット23の個数(極対数)を「p」(但しpは2以上の整数)、セグメント巻線13の相数を「m」として、ティース12の個数「L」が、「L=2×p×m×n(個)」(但し「n」は自然数)となるように構成されている。そして、本実施形態では、この数式に基づいて、ティース12の個数「L」は、L=2×5(マグネット23の個数)×3(相数)×2=60(個)に設定されている。
ロータ3のマグネット23は、突極24よりも周方向長さが若干大きく、湾曲形状をなす外側面23aと平坦な内側面23bとを有する略四角柱状に形成されている。マグネット23の外側面23aは、軸線Cを中心とする円弧状をなし、ティース12の先端部12aと径方向に対向している。マグネット23は、その内側面23bがロータコア22の隣接する突極24間に設けた固着面25に固着され、隣接の突極24との間には周方向の空隙G1が設けられている。尚、マグネット23は、そのそれぞれの外側面23aが同一円周上に位置するように構成されている。
突極24は、略扇状に径方向外側に突出する形状をなしており、湾曲形状をなす外側面24aを有している。各突極24の外側面24aは、その周方向中央部が周方向両端部よりも径方向外側に相対的に凸となる湾曲形状、換言すれば周方向中央部から周方向端部に向かうほど曲線的に次第に径方向内側に後退する湾曲形状にて形成されている。尚、外側面24aの曲率は個々の外側面24aで一定であり、周方向中央部から両側に対称となっている。
このような本実施形態のモータ1は、ロータコア22の突極24を磁極として機能するように構成された所謂コンシクエントポール型構造のロータ3と、複数のセグメント導体14からなるセグメント巻線13を有するステータ2とから構成されている。セグメント巻線13は、従来技術のような連続線をティースに巻回して構成される巻線と比較して占積率を高く構成できるため、高出力化が可能となっている。このため、ロータ3をコンシクエントポール型とすることでマグネット23の個数を少なく抑えて省資源化や低コスト化等に貢献しつつも、ステータ2の巻線をセグメント巻線13とすることで高出力化が可能となっている。
また、図1(a)(b)に示すように、突極24の軸線Cを中心とする開角度Ykθ(図1(a)参照)は、ティース12の先端部12aの軸線Cを中心とする開角度Tθ(図1(b)参照)の2倍以上(本実施形態では4倍以上)に設定されている。即ち、1つの突極24に対して先端部12aの全体が対向するティース12が複数存在する構成となっている。このため、突極24の磁束はその突極24と対向する複数のティース12に影響されて径方向に正しく沿って流れやすくなり、その結果、ロータ3の磁気バランスが向上し、トルク向上や振動低減といった回転性能の向上に寄与できるようになっている。尚、突極24の開角度Ykθがティース12の先端部12aの開角度Tθの何倍以上に設定するかは、セグメント導体14がティース12を跨ぐ本数(本実施形態では6本)から1又は2を差し引いた値とするのが望ましい。
ここで、マグネット23及び突極24の各周方向長さ、即ちマグネット23及び突極24間の空隙G1の中間点をその起点と終点とした各磁極占有角度(電気角)θ1,θ2を変化させたときの、トルクリップル比を図2(a)に、平均トルク比を図2(b)にそれぞれ示す。尚、1個のマグネット23及び突極24の各磁極占有角度θ1,θ2を合計すると電気角360°(θ1+θ2=360°)であるため、以下には、マグネット23の磁極占有角度θ1のみを用いて説明する。
図2(a)では、マグネット23の磁極占有角度θ1を変化させたときのトルクリップル比が示され、θ1=180°としたとき(マグネット23と突極24との各磁極占有角度θ1,θ2を構造的に同じとしたとき)のトルクリップルを100%とすると、θ1が150°〜180°の範囲及び210°〜270°の範囲でトルクリップルが100%よりも小さくなっている。尚、θ1が150°〜180°の範囲では、θ1が約170°でトルクリップルが約60%まで減少し、θ1が210°〜270°の範囲では、θ1が250°〜270°付近でトルクリップルが最小値の40%まで減少する。つまり、マグネット23の磁極占有角度θ1が150°≦θ1<180°の範囲内又は210°≦θ1≦270°の範囲内ではトルクリップルが減少できる良好な範囲であり、更に250°≦θ1≦270°の範囲内ではトルクリップルが40%程度まで減少できるより良好な範囲であることがいえる。
また、図2(b)では、マグネット23の磁極占有角度θ1を変化させたときの平均トルク比が示され、θ1=180°としたときの平均トルクを100%とすると、θ1が180°よりも大きく且つ270°以下の範囲で平均トルクが100%よりも大きくなっている。尚、θ1が約230°で平均トルクが最大値の約107%まで増加する。この図2(b)と前述の図2(a)のデータを踏まえると、マグネット23の磁極占有角度θ1が210°≦θ1≦270°の範囲内では、平均トルクを向上させつつもトルクリップルを減少できる良好な範囲であることがいえる。
そして、本実施形態のロータ3では、マグネット23の磁極占有角度θ1が210°≦θ1≦270°のうちで250°≦θ1≦270°の範囲内のいずれかに設定されている。これにより、平均トルクを向上させつつもトルクリップル(トルク脈動)の低減が図られ、ロータ3の回転性能の向上が図られている。
また、ロータ3の突極24及びマグネット23の両外側面24a,23aにおいて、突極24側の外側面24aがマグネット23側の外側面23aよりも相対的に径方向内側に位置するように構成されている。即ち、ステータ2(ティース12の先端部12a)に対するロータ3の空隙G2において、突極24側の空隙距離B(この場合、周方向中央部における最短空隙距離)がマグネット23側の空隙距離A(周方向に一定、即ち周方向のいずれも最短空隙距離)よりも大きく設定されている。
ここで、ステータ2に対する突極24側とマグネット23側それぞれの空隙距離B,Aの比B/Aを変化させたときの、最大トルク比を図3(a)に、トルクリップル比を図3(b)に、ラジアル脈動比を図3(c)にそれぞれ示す。トルクリップル及びラジアル脈動は、それぞれロータ3の回転時の振動を増大させる要因である。
まず図3(b)では、B/Aを変化させたときのトルクリップル比が示され、B/A=1、即ち突極24側とマグネット23側の各空隙距離B,Aを同じとしたときのトルクリップルを100%とすると、そのB/Aが1から大きくなるに連れて(突極24がマグネット23よりも内側に位置するに連れて)、トルクリップルは100%から減少していく。B/Aが1〜約1.5の範囲では、トルクリップルは略一定に減少し、B/Aが約1.5〜1.7の範囲では、トルクリップルの減少率がB/Aが1〜約1.5の範囲よりも小さくなるもののトルクリップルは減少を続ける。詳しくは、B/A=1.2のときにトルクリップルは約99%、B/A=1.4のときにトルクリップルは約98.2%、B/A=1.6のときにトルクリップルは約97.5%というように減少していく。つまり、1<B/Aとすれば、トルクリップルの低減が見込める。
次いで図3(c)では、B/Aを変化させたときのラジアル脈動比が示され、上記と同様、B/A=1としたときのラジアル脈動を100%とすると、そのB/Aが1から大きくなるに連れて、ラジアル脈動は100%から略一定に減少していく。詳しくは、B/A=1.2のときにラジアル脈動は約89%、B/A=1.4のときにラジアル脈動は約80%、B/A=1.6のときにラジアル脈動は約72%というように減少していく。つまり、1<B/Aとすれば、ラジアル脈動の低減が見込める。
次いで図3(a)では、B/Aを変化させたときの最大トルク比が示され、上記と同様、B/A=1としたときの最大トルクを100%とすると、そのB/Aが1から大きくなるに連れて、最大トルクは100%から減少していく。1<B/A≦1.6の範囲では最大トルクは略一定に減少し、B/A=1.6のときに最大トルクは約92%となる。B/Aが1.6を超えると、最大トルクの減少率が1<B/A≦1.6の範囲よりも大きくなる。つまり、1<B/A≦1.6の範囲では、最大トルクの減少率が比較的小さく、また、最大トルクの低下が10%以内に抑えられている良好な範囲であることがいえる。
これらを踏まえ、本実施形態のロータ3では、ステータ2に対する突極24側とマグネット23側それぞれの空隙距離B,Aの比B/Aが1<B/A≦1.6の範囲内のいずれかに設定されている。これにより、最大トルクの低下を極力抑えつつもロータ3の回転時の振動に繋がるトルクリップル(図3(b))及びラジアル脈動(図3(c))、の低減が可能となっている。
このように本実施形態では、ロータ3の回転時の振動に繋がる各要因の低減が図られ、ロータ3の回転性能の向上が図られている。
次に、本実施形態の特徴的な作用効果を記載する。
(1)本実施形態では、ティース12の先端部12aと対向する突極24の開角度Ykθが、ティース12の先端部12aの開角度Tθの2倍以上に設定される。このため、突極24の磁束はその突極24と対向する2本以上のティース12に影響されて径方向に正しく沿って流れやすくなる。その結果、ロータ3の磁気バランスが向上し、トルク向上や振動低減といった回転性能の向上に寄与できる。
(2)本実施形態では、ロータコア22のマグネット23間に一体形成された突極24を磁極として機能するように構成された所謂コンシクエントポール型構造のロータ3を備える。そして、ステータ2は、ティース12間のスロットSを軸方向に貫通するスロット挿入部14aを有する相毎に複数のセグメント導体14が、スロットSから突出するスロット挿入部14aの端部で溶着により電気的に接続されて構成される多相のセグメント巻線13を有する。セグメント巻線13は、従来技術のような連続線をティースに巻回して構成される巻線と比較して占積率を高く構成できるため、高出力化が可能となる。このため、ロータ3をコンシクエントポール型とすることでマグネット23の個数を少なく抑えて省資源化や低コスト化等に貢献しつつも、ステータ2の巻線をセグメント巻線13とすることで高出力化が可能となる。
(3)本実施形態では、マグネット23及び突極24間の空隙G1の中間点をその起点と終点とした各磁極占有角度θ1,θ2としたとき(θ1+θ2=360°)、マグネット23の磁極占有角度θ1が、210°≦θ1≦270°の範囲内のいずれかに設定される。これにより、θ1=180°、即ちマグネット23と突極24との各磁極占有角度θ1,θ2を構造的に同じとする一般的な構造としたときよりも、平均トルクを向上させつつもトルクリップルの低減を図ることができ(図2(a)(b)参照)、ロータ3の回転性能の向上に寄与できる。
また、マグネット23の磁極占有角度θ1を、150°≦θ1<180°の範囲内のいずれかに設定した場合においても、θ1=180°としたときよりも、トルクリップルの低減を図ることができ(図2(a)参照)ロータ3の回転性能の向上に寄与できる。
(4)本実施形態では、ステータ2に対するロータ3の空隙G2のうち、マグネット23側の最短空隙距離Aと突極24側の最短空隙距離Bとの比B/Aが、1<B/Aのいずれかの適正値に設定される。これにより、ロータ3回転時の振動の要因となるトルクリップル及びラジアル脈動の低減が可能となり(図3(b)(c)参照)、ロータ3の回転性能の向上に寄与できる。
(5)本実施形態では、マグネット23側の最短空隙距離Aと突極24側の最短空隙距離Bとの比B/Aが、1<B/A≦1.6の範囲内のいずれかに設定される。これにより、トルクの低下を極力抑えつつもロータ3の回転時の振動に繋がるトルクリップル及びラジアル脈動の低減が可能となり(図3(a)(b)(c)参照)、ロータ3の回転性能の更なる向上に寄与できる。
(6)本実施形態では、マグネット23及び突極24の数が奇数で、マグネット23と突極24とが180°反対位置に配置されて構成される。即ち、マグネット23と突極24とが180°反対位置に配置される構成では、磁気的なアンバランスが生じてロータ3回転時の振動が増大しがちであるため、上記のように突極24及びマグネット23の占有角度の適正化やマグネット23側と突極24側との空隙距離の比B/Aの適正化を図り、低振動化する意義は大きい。
尚、本発明の実施形態は、以下のように変更してもよい。
・上記実施形態のステータ2の形状を構成に応じて適宜変更してもよい。例えば、図4及び図5(a)(b)に示すように、ステータコア4の各ティース12の先端部12a間には、周方向に隣り合うティース12同士が連続するティース間連続部31と、空隙部32(図5参照)とが形成されている。詳述すると、図5(a)(b)に示すように、ステータコア4は、複数の積層部材Eが軸方向に積層されて構成されている。即ち、各積層部材Eは、積層されて円筒部11を構成する部分と、積層されてティース12を構成する部分(以下には積層部材Eのティース12という)とを有している。尚、図4及び図5では、図を簡単にするために積層部材Eを4つのみを図示している。
各積層部材Eの各ティース12の先端部12a間には、隣り合うティース12同士を繋ぐティース間連続部31が形成されるとともに、各積層部材Eのティース間連続部31の軸方向両面には、プレス加工によって軸方向に窪む凹部33が形成されている。即ち、積層部材Eのティース間連続部31は、積層部材Eのティース12の軸方向厚みよりも凹部33の凹み分だけ軸方向厚みが薄くなっている。そして、このような積層部材Eが軸方向に積層されることで、各ティース12の先端部12a間においてティース間連続部31と空隙部32とが軸方向に交互に形成されるようになっている。
このような構成と、上記実施形態のステータ2のようなティース間連続部31が設けられていない構成(図6(a)(b)においてティース開放)及び空隙部32が形成されていない構成とを、コギングトルク及び平均トルクの点で比較したグラフを図6(a)(b)にそれぞれ示す。尚、図6(a)(b)では、ティース開放の構成のコギングトルク及び平均トルクをそれぞれ100%としている。
図6(a)に示すように、本構成(図5に示す構成)では、ティース開放の構成に対してコギングトルクが1〜5%にまで減少している。空隙部なしの構成においても同様にコギングトルクが減少している。また、図6(b)に示すように、平均トルクの点では本構成はティース開放の構成に対して減少するものの、空隙部なしの構成に対しては本構成では1.5倍以上のトルクを得ることが可能となっている。
このような構成によれば、ロータ3と対向するティース12の先端部12aのティース間連続部31によって磁束密度の急峻な変化が抑制され、その結果、コギングトルクを低減することができる。そして、そのようにコギングトルクを低減しつつも、空隙部32によって各ティース12の先端部12a間の磁束が通りにくくなるため、漏れ磁束が軽減され、トルクの低下を小さく抑えることが可能となり、ロータ3の回転性能の向上に寄与できる。また、ティース12の先端部12aのティース間連続部31によって、ステータ2のコアの剛性を向上させることができる。
また、図5に示す例では、各積層部材Eの各ティース12の先端部12a間のティース間連続部31には、プレス加工により軸方向に窪む凹部33が形成されるとともに、該凹部33によって空隙部32が形成される。このため、積層部材Eのティース間連続部31に施されるプレス加工の残留応力と、そのプレス加工で形成される凹部33(空隙部32)とにより、各ティース12の先端部12a間の磁束が通りにくくなるため、漏れ磁束が軽減され、トルクの低下をより小さく抑えることが可能となる。
尚、図5に示す例では、各積層部材Eのティース間連続部31に凹部33を形成することで空隙部32を形成したが、これに特に限定されるものではない。
例えば、図7(a)(b)(c)(d)に示す例では、ステータコア4は、第1積層部材E1と第2積層部材E2とが軸方向に交互に積層されて構成されている。即ち、各第1積層部材E1及び各第2積層部材E2は、積層されて円筒部11を構成する部分と、積層されてティース12を構成する部分とを有しており、図7(a)(b)では、その第1及び第2積層部材E1,E2の円筒部11及びティース12に対して積層後のものと同様の符号を付している。また、図7(c)(d)では、図を簡単にするために第1及び第2積層部材E1,E2をそれぞれ2つのみ図示している。
図7(a)に示すように、第1積層部材E1の各ティース12の先端部12a間には空隙部42が形成されている。一方、図7(b)に示すように、第2積層部材E2の各ティース12の先端部12a間には、隣り合うティース12同士が連続するティース間連続部41が形成されている。そして、第1積層部材E1と第2積層部材E2とが交互に積層されることで、各ティース12の先端部12a間においてティース間連続部41と空隙部42とが軸方向に交互に形成されるようになっている。
このような構成によっても、図5に示す例と略同様の作用効果を得ることができる。それに加えて、図7に示す例では、第1積層部材E1と第2積層部材E2とを交互に積層させることで、各ティース12の先端部12a間にティース間連続部41と空隙部42を容易に形成することができる。
また、例えば、図8(a)(b)(c)に示す例では、ステータコア4は、複数の積層部材E3が軸方向に積層されて構成されている。即ち、積層部材E3は、積層されて円筒部11を構成する部分と、積層されてティース12を構成する部分とを有しており、図8(a)では、その積層部材E3の円筒部11及びティース12に対して積層後のものと同様の符号を付している。また、図8(b)(c)では、図を簡単にするために積層部材E3を5つのみ図示している。
図8(a)に示すように、積層部材E3の各ティース12の先端部12a間には、ティース間連続部51と空隙部52とが周方向に交互に形成されている。そして、積層部材E3は、そのティース間連続部51と空隙部52とが軸方向に交互に並ぶように積層されている。換言すれば、積層部材E3は、軸方向に隣り合うもの同士で周方向にティース12の1つ分ずれるように積層されている。これにより、各ティース12の先端部12a間においてティース間連続部51と空隙部52とが軸方向に交互に形成されるようになっている。
このような構成によっても、図5に示す例と略同様の作用効果を得ることができる。それに加えて、図8に示す例では、同一の積層部材E3によって各ティース12の先端部12a間にティース間連続部51と空隙部52とを構成できるため、部品管理がし易く、また、低コスト化に貢献できる。
・上記実施形態において、ロータコア22の突極24の形状を適宜変更してもよい。
例えば、図9(a)(b)に示す例では、各突極24におけるティース12と対向する外側面24aには、突極24の周方向中心線Qに対して線対称となる位置に設けられた一対の第1の補助溝61が形成されている。各第1の補助溝61は互いに同形状をなし、周方向に対向する一対の側面部61a,61bを有している。尚、第1の補助溝61の側面部のうち、内側(周方向中心線Q側)のものを側面部61aとし、外側(突極24の周方向端部側)のものを側面部61bとしている。また、第1の補助溝61は軸方向に直線状に延びている。
ここで、突極24の開角度を「Ykθ(°)」、ティース12の先端部12aの開角度を「Tθ(°)」、前記ティースの個数を「L(個)」として、第1の補助溝61の位置角度D1(突極24の周方向中心線Qから第1の補助溝61の側面部61aまでの角度D1)は、「D1=Tθ+(a−1)×360(°)/L−Ykθ/2」(但しaは自然数)となるように設定されている(図10参照)。この数式中の「360(°)/L」は、隣り合うティース12の先端部12aの周方向中央間の軸線Cを中心とする角度を示している。つまり、この数式の右辺「Tθ+(a−1)×360(°)/L」は、周方向に連続する「a」個のティース12の周方向両端の軸線Cを中心とする角度を表している。従って、この数式を満たす構成は、突極24の周方向端部24b(図10中、左側端部)から、該端部24bに対して遠い側の第1の補助溝61の側面部61aまでの角度(即ち、Ykθ/2+D1)と、周方向に連続する「a」個のティース12の周方向両端の角度とが等しい構成となっている。尚、図10には「a=3」の場合の構成を示している。
つまり、このような構成では、図10に示すように、突極24の周方向端部24bが、任意のティース12(図10中、ティース12b)の先端部12aの周方向一方の端部12x(左側端部)と径方向に重なるときに、第1の補助溝61の側面部61aが、ティース12bから周方向(右側)に順に数えてa個目のティース12(図10中、ティース12c)の周方向他方の端部12y(右側端部)と径方向に重なるようになっている。尚、上記した「径方向に重なる」とは、それぞれが径方向の一直線上に位置するということを表している。
ここで、ロータ3の回転時におけるコギングトルク波形を図11に示す。図11中の1点鎖線の波形は、コギングトルクの主成分の波形(各突極24に第1の補助溝61が形成されていない構成におけるコギングトルク波形)であり、破線の波形は、第1の補助溝61により生じるコギングトルク波形である。そして、実線の波形は、図9及び図10の例に示す構成のモータ1にて生じるコギングトルクの波形であり、コギングトルクの主成分の波形(1点鎖線の波形)と第1の補助溝61により生じるコギングトルク波形(破線の波形)とを合成したものである。
この図11におけるロータ3の回転角度Rは、図10に示す状態でのロータ3の回転角度である。この回転角度Rでは、突極24の周方向端部24bとティース12bの周方向端部12xとが径方向に重なるため、この径方向に重なる部分に磁束が集中し易くなり、その結果、コギングトルクの主成分はマイナスのピークとなっている。またこのとき、第1の補助溝61の側面部61aがティース12cの周方向他方の端部12yと重なるため、この径方向に重なる部分に磁束が集中し易くなり、その結果、第1の補助溝61により生じるコギングトルクはプラスのピークとなっている。この回転角度Rでのコギングトルクの主成分及び第1の補助溝61により生じるコギングトルクのピークは、互いに逆位相であり、その大きさも略同等であるため、互いに打ち消し合うようになっている(図11の実線の波形を参照)。これにより、ロータ3の回転時に生じるコギングトルクが低減されるようになっている。
このような構成によれば、突極24のティース12と対向する外側面24a(表面)に形成された第1の補助溝61により、突極24内での磁束の流れが変化するため、突極24内での磁束の流れの適正化を図り、コギングトルクを小さく抑えることが可能となっている。また、上記数式「D1=Tθ+(a−1)×360(°)/L−Ykθ/2」を満たすように構成されるため、突極24の第1の補助溝61で生じるコギングトルクが、その突極24の周方向端部24bで生じるコギングトルクを小さく抑えるキャンセル成分となる。そのため、モータ1全体で生じるコギングトルクの低減が可能となり、ロータ3の回転性能を向上させることができる。また、第1の補助溝61が突極24の周方向両端部にそれぞれ対応して一対設けられるため、コギングトルクのより一層の低減が可能となる。
尚、図12は、第1の補助溝61の溝開角度Wを変化させたときのコギングトルクの大きさを示している。この図12に示すように、溝開角度Wを0から大きくしていくとコギングトルクは減少していき、溝開角度Wが約1.2のときにコギングトルクは最小となっている。
また、図9及び図10に示すような構成に加えて、図13に示すような第2の補助溝62を第1の補助溝61とは別に設けてもよい。第2の補助溝62は、第1の補助溝61と同様に、突極24の周方向中心線Qに対して線対称となる位置に一対設けられるとともに、各第2の補助溝62は互いに同形状をなし、周方向に対向する一対の側面部62a,62bを有している。尚、第2の補助溝62の側面部のうち、内側(周方向中心線Q側)のものを側面部62aとし、外側(突極24の周方向端部側)のものを側面部62bとしている。また、第2の補助溝62は軸方向に直線状に延びている。
ここで、第2の補助溝62の位置角度D2(突極24の周方向中心線Qから第2の補助溝62の側面部62aまでの角度D2)は、「D2=D1+360(°)/L」となるように設定されている。これにより、第2の補助溝62の位置角度D2は、突極24の周方向端部24bから、該端部24bに対して遠い側の第2の補助溝62の側面部62aまでの角度(即ち、Ykθ/2+D2)と、周方向に連続する「a+1」個のティース12の周方向両端の角度とが等しい構成となっている。尚、図13には「a=3」の場合の構成を示している。
つまり、このような構成では、突極24の周方向端部24bが、任意のティース12bの先端部12aの周方向一方の端部12xと径方向に重なるときに、第1の補助溝61の側面部61aは、ティース12bから周方向(右側)に順に数えてa個目のティース12cの周方向他方の端部12yと径方向に重なり、第2の補助溝62の側面部62aは、ティース12bから周方向(右側)に順に数えて(a+1)個目のティース12dの周方向他方の端部12zと径方向に重なるようになっている。
このような構成によれば、第1の補助溝61で生じるコギングトルクだけでなく第2の補助溝62で生じるコギングトルクも、その突極24の周方向端部24bで生じるコギングトルクを小さく抑えるキャンセル成分となるため、モータ1全体で生じるコギングトルクをより低減することが可能となる。
・上記実施形態において、ロータ3のロータコア22の形状を適宜変更してもよく、例えば、ロータコア22におけるマグネット23及び突極24の少なくとも一方に対応する部分にスリットを形成してもよい。例えば、図14では、ロータコア22には、各マグネット23に対応する第1のスリット71と、各突極24に対応する第2のスリット72とが両方形成されている。
第1のスリット71は、各固着面25からロータコア22の内周面まで径方向に延びるとともに、ロータコア22を軸方向に貫通している。このような第1のスリット71は、磁気抵抗となることから、マグネット23の内側面23b側の磁束が周方向中央部から両側に均等に分離するための磁束分離部として機能する。尚、回転軸21とロータコア22との間には樹脂部材73が介在されている。
このような構成によれば、磁束の強制力の無い突極24の影響からマグネット23の背面側の磁束に周方向に偏りが生じていたものが、第1のスリット71を設けて分離する磁束量が好適に調整される。これにより、ロータ3の磁気バランスが向上してトルク向上や振動低減といった回転性能の向上が図られ、モータ1の高トルク化や低振動化を図ることができる。
また、第2のスリット72は、突極24の周方向中央部に位置し、軸方向視で径方向内側端部がロータコア22の内周面まで径方向に延びるとともに、径方向外側端部が突極24の突出中間位置(突極24部分の径方向中央部)に設定されている。つまり、第2のスリット72は、ロータコア22の内周面から突極24の基端部(根元部分)よりも径方向外側に延びるように設けられている。また、この第2のスリット72においても、ロータコア22の軸方向に貫通している。このような第2のスリット72は、磁気抵抗であるため、突極24内を通過する磁束を径方向に向ける磁束整流部として機能している。
このような構成によれば、突極24内での磁束の流れが好適となり、ロータ3の磁気バランスの向上、回転性能の向上に寄与できる。
・上記実施形態では、マグネット23と突極24の個数をそれぞれ5つとして、ロータ3を10磁極で構成したが、特にこれに限定されるものではなく、マグネット23と突極24の個数は構成に応じて適宜変更してもよい。
・上記実施形態について、マグネット23及び突極24の両外側面23a,24aの形状を適宜変更してもよい。マグネット23側の外側面23aを同一円周となる湾曲形状とし、突極24側の外側面24aをそれよりも曲率の大きい湾曲形状としたが、逆であってもよい。また、両外側面23a,24aがそれぞれ同一円周の湾曲形状としてもよく、また両外側面23a,24aともそれぞれ曲率の大きい湾曲形状としてもよい。また、外側面23a,24aの湾曲形状を曲率一定とするのみならず、曲率を周方向で変化させる形状や、直線的に変化する形状であってもよい。またこれらの他にも、マグネット23の形状や、突極24を含むロータコア22の形状を適宜変更してもよい。
・上記実施形態についての数値範囲は、状況等に応じて適宜変更してもよい。
・上記実施形態では、ステータ2の巻線がセグメント巻線13で構成されたが、特にこれに限定されるものではなく、連続線をティース12に巻回する構成としてもよい。
・上記実施形態では、インナロータ型のモータ1に適用したが、アウタロータ型のモータに適用してもよい。
1…モータ、2…ステータ、3…ロータ、12…ティース、12a…先端部、13…セグメント巻線、14…セグメント導体、14a…スロット挿入部、22…ロータコア、23…マグネット、24…突極、31,41,51…ティース間連続部、32,42,52…空隙部、33…凹部、61…第1の補助溝、61a,61b…第1の補助溝の側面部、62…第2の補助溝、62a,62b…第2の補助溝の側面部、Ykθ…突極の開角度、Tθ…ティースの先端部の開角度、Q…周方向中心線、S…スロット、θ1,θ2…磁極占有角度、E,E3…積層部材、E1…第1積層部材、E2…第2積層部材、G1,G2…空隙。

Claims (14)

  1. ロータコアの周方向に一方の磁極のマグネットが複数配置されるとともに、前記ロータコアに一体形成された突極が各マグネット間に空隙を以て配置され、前記突極を他方の磁極として機能するように構成されたロータと、
    前記ロータの外周側に配置され、径方向に延び周方向等間隔に複数設けられるティースを有するコアと前記ティースに装着された多相の巻線とを有するステータと
    を備えたモータであって、
    前記ステータの巻線は、複数の前記ティースを跨ぐ分布巻で構成されており、
    前記ティースの先端部と対向する前記突極の開角度は、前記ティースの先端部の開角度の2倍以上に設定され
    前記ロータの前記マグネットと前記突極との間の空隙の中間点をその起点と終点とした各磁極占有角度(電気角)をθ1,θ2とし、θ1+θ2=360°であり、
    前記マグネットの磁極占有角度θ1が、150°≦θ1<180°の範囲内に設定されていることを特徴とするモータ。
  2. ロータコアの周方向に一方の磁極のマグネットが複数配置されるとともに、前記ロータコアに一体形成された突極が各マグネット間に空隙を以て配置され、前記突極を他方の磁極として機能するように構成されたロータと、
    前記ロータの外周側に配置され、径方向に延び周方向等間隔に複数設けられるティースを有するコアと前記ティースに装着された多相の巻線とを有するステータと
    を備えたモータであって、
    前記ステータの巻線は、前記ティース間のスロットを軸方向に貫通するスロット挿入部を有する相毎に複数のセグメント導体が、前記スロットから突出する前記スロット挿入部の端部で溶着より電気的に接続されて構成される多相のセグメント巻線からなり、
    前記ロータの前記マグネットと前記突極との間の空隙の中間点をその起点と終点とした各磁極占有角度(電気角)をθ1,θ2とし、θ1+θ2=360°であり、
    前記マグネットの磁極占有角度θ1が、150°≦θ1<180°の範囲内に設定されていることを特徴とするモータ。
  3. 請求項1又は2に記載のモータにおいて、
    前記ステータに対する前記ロータの空隙のうち、前記マグネット側の最短空隙距離Aと前記突極側の最短空隙距離Bとの比B/Aが、1<B/Aに設定されていることを特徴とするモータ。
  4. 請求項に記載のモータにおいて、
    前記マグネット側の最短空隙距離Aと前記突極側の最短空隙距離Bとの比B/Aが、1<B/A≦1.6の範囲内に設定されていることを特徴とするモータ。
  5. 請求項のいずれか1項に記載のモータにおいて、
    前記マグネット及び前記突極の数がそれぞれ奇数に設定され、前記マグネットと前記突極とが180°反対位置に配置されて構成されていることを特徴とするモータ。
  6. 請求項1〜のいずれか1項に記載のモータにおいて、
    前記ロータと径方向に対向する前記各ティースの先端部間には、周方向に隣り合う前記ティース同士が連続するティース間連続部と、空隙部とが形成されたことを特徴とするモータ。
  7. 請求項に記載のモータにおいて、
    前記ステータのコアは、複数の積層部材が軸方向に積層されてなり、
    前記各積層部材における前記各ティースの先端部間の前記ティース間連続部には、プレス加工により軸方向に窪む凹部が形成されるとともに、該凹部によって前記空隙部が形成されたことを特徴とするモータ。
  8. 請求項に記載のモータにおいて、
    前記ステータのコアは、第1積層部材と第2積層部材とが軸方向に交互に積層されてなり、
    前記第1積層部材における前記各ティースの先端部間には、前記空隙部が形成され、
    前記第2積層部材における前記各ティースの先端部間には、前記ティース間連続部が形成されたことを特徴とするモータ。
  9. 請求項に記載のモータにおいて、
    前記ステータのコアは、複数の積層部材が軸方向に積層されてなり、
    前記積層部材における前記各ティースの先端部間には、前記ティース間連続部と前記空隙部とが周方向に交互に形成されるとともに、前記積層部材は、その各ティースの先端部間の前記ティース間連続部と前記空隙部とが軸方向に交互に並ぶように積層されたことを特徴とするモータ。
  10. 請求項1〜のいずれか1項に記載のモータにおいて、
    前記突極における前記ティースと対向する表面には、周方向に対向する一対の側面部を有する第1の補助溝が凹設されたことを特徴とするモータ。
  11. 請求項1に記載のモータにおいて、
    前記突極の開角度を「Ykθ(°)」、前記ティースの先端部の開角度を「Tθ(°)」、前記ティースの個数を「L(個)」として、
    前記突極の周方向中心線から前記第1の補助溝における前記周方向中心線側の側面部までの角度D1が、
    「D1=Tθ+(a−1)×360(°)/L−Ykθ/2」(但しaは自然数)
    を満たすように構成されたことを特徴とするモータ。
  12. 請求項1に記載のモータにおいて、
    前記第1の補助溝は、前記突極の周方向中心線に対して線対称になるように周方向に一対並設されたことを特徴とするモータ。
  13. 請求項1又は1に記載のモータにおいて、
    前記突極における前記ティースと対向する表面には、周方向に対向する一対の側面部を有する第2の補助溝が前記第1の補助溝とは別に凹設され、
    前記突極の周方向中心線から前記第2の補助溝における前記周方向中心線側の側面部までの角度D2が、
    「D2=D1+360(°)/L」
    を満たすように構成されたことを特徴とするモータ。
  14. 請求項1に記載のモータにおいて、
    前記第2の補助溝は、前記突極の周方向中心線に対して線対称になるように周方向に一対並設されたことを特徴とするモータ。
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