(57)【要約】【課題】本発明は，実質的にモータの径方向の寸法が小さな、中空のブラシレスＤＣモータで、高出力で、低コギングトルク特性を提供することにある。【解決手段】モータ外径Ｄ１と中空内径ｄ１の比率が０．８＞ｄ１／Ｄ１＞０．７のアウターロータ型の中空モータであって、コアバックの幅ｔ１とコアバック内径の半径ｒ１が２６＞ｒ１／ｔ１＞１５、マグネットの厚さｔ２とマグネット内径の半径ｒ２が１８＞ｒ２／ｔ２＞１１の関係を有し、マグネットは高磁束密度を有するネオジム系で内周の周方向面には正弦波状の磁束分布となるように多極に磁化し、スリット幅は１．５ｍｍ以下で、前記各突極の外周面の半径はほぼ均一とする。【選択図】図１
2010114994.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端に突極を有する複数の主磁極と、該主磁極を連結する円環状コアバックと、前記突極間のスリットから前記主磁極に巻装した巻線とより成るステータと、該ステータの突極に空隙を介して対向するよう回転自在に保持され、複数の磁極を有するリング状のマグネットを有し、モータ外径Ｄ１を基準とした中空内径ｄ２の比率が０．８＞ｄ１／Ｄ１＞０．７の範囲に入るアウターロータ型の中空モータであって、前記コアバックの幅ｔ１を基準としたコアバック内径の半径ｒ１の比率が、２６＞ｒ１／ｔ１＞１５の範囲に入り、前記マグネットの厚さｔ２を基準としたマグネット内径の半径ｒ２の比率が、１８＞ｒ２／ｔ２＞１１の関係を有し、前記マグネットは残留磁束密度０．７テスラ以上の高磁束密度を有し、該マグネットの内周の周方向面は正弦波状の磁束分布となるように多極に磁化され、前記スリット幅は１．５ｍｍ以下で、前記各突極の外周面の半径がほぼ均一であることを特徴とする中空型ブラシレスＤＣモータ。
【請求項２】
前記各突極内周面に突極の幅が両端部に向かって狭くなるように、突極内周部の半径が広がるよう直線または曲線の傾斜を設けたことを特徴とする請求項１に記載の中空型ブラシレスＤＣモータ。
【請求項３】
先端に突極を有する複数の主磁極と、該主磁極を連結する円環状コアバックと、前記突極間のスリットから前記主次極に巻装した巻線とより成るステータと、該ステータの突極に空隙を介して対向するよう回転自在に保持され、複数の磁極を有するリング状のマグネットを有し、モータ外径Ｄ２を基準とする中空内径ｄ２の比率が、０．８＞ｄ２／Ｄ２＞０．７の範囲に入るインナーロータ型の中空モータであって、前記コアバックの幅ｔ３を基準とするコアバック内径の半径ｒ３の比率が、２６＞ｒ３／ｔ３＞１５の範囲に入り、前記マグネットの厚さｔ４を基準とするとマグネット内径の半径ｒ４の比率が１８＞ｒ４／ｔ４＞１１の関係を有し、前記マグネットは残留磁束密度０．７テスラ以上の高磁束密度を有し、該マグネットの外周の周方向面は正弦波状の磁束分布となるように多極に磁化され、前記スリット幅は１．５ｍｍ以下で、前記各突極の外周面の半径がほぼ均一であることを特徴とする中空型ブラシレスＤＣモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は中心部に中空域を有するモータで、所定のモータとして回転力を出力し、その回転力に派生するコギングトルクを低減するための改善を施したブラシレスＤＣモータに関するものである。  
【背景技術】
【０００２】
ブラシレスＤＣモータのステータの主磁極数とマグネットの極数の組合せ（以下スロットコンビネーションという）に起因するコギングトルクの低減方法については、電気学会論文誌Ｄ（産業応用部門誌）１２２巻４号  平成１４年４月号の「永久磁石ブラシレスモータのコギングトルク低減」に詳細に記載されている。
また、３相モータのスロットコンビネーションに起因するコギングトルクの低減する方法として、非特許文献１の表２に記載されるステータのスロット数（主磁極数と同一）とマグネットの極数の関係を適用して設計する方法が提案されている。
【０００３】
また、特開２０００−２０９８２９号では、ロータとステータ間の空隙の磁束密度分布をスリット部近傍でなだらかにすることにより、高調波成分を低減し、鉄損が小さく高効率の電動機を得る方法を提案している。その手法として、上記各主磁極の先端に設けた突極の外周部形状を両端部に向って突極とロータ間に形成される空隙が拡大するようにステータ主磁極先端の突極の形状を変えること（以下ベベリングという）でコギングトルクを大幅に低減している。
また、このベベリングの効果については、前記電気学会論文誌Ｄにも詳細に記載されている。
【０００４】
また、特開２００６−３１１７３８では、コギングトルクについて下記のように記載されている。スロットコンビネーションに起因するコギングトルクは、ロータマグネットの磁極数とステータコアの主磁極数による最小公倍数の次数のみが現れるが、それはロータ(主としてマグネット)や、ステータコアにおいて、形状や材料特性が、それぞれ均一であり、極数やスロット数に対して、完全に対称に製造されている場合に限られる。
実際にはマグネットとステータコアの空隙の関係で決まるパーミアンスの変動により、この変動の２乗に比例してコギングトルクが発生するため、磁束の発生源であるマグネットに、不均一な分布があり、極数と一致しない対称性がある場合には、これをステータ側が感じて、ステータスロット数に一致する次数とその高次成分の脈動が現れる。
また、ステータコアの磁束の流れに不均一な分布が生じ、スロット数と一致しない対称性がある場合には、これをロータ側が感じて、マグネット極数に一致する次数とその高次成分の脈動が現れる。
【０００５】
また、モータへの巻線の占積率向上に関連しては、特開２００１−７８４０６で巻線機のノズル形状について詳細に説明されている。
【０００６】
【非特許文献１】電気学会論文誌Ｄ（産業応用部門誌）１２２巻４号平成１４年４月号
【特許文献２】特開２０００−２０９８２９号公報
【特許文献３】特開２００６−３１１７３８号公報
【特許文献４】特開２００１−７８４０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のようにスロットコンビネーションに関係するコギングトルクについては、主磁極数とマグネットの磁極数を適切に選択し、スリット幅を狭くし、ステータコア突極のベベリングや永久磁石の磁束分布が正弦波状になるように着磁を工夫することで、大幅に低減することが可能である。
【０００８】
しかしながら、ステータコアの主磁極数やマグネットの磁極数成分のコギングトルクはステータコアやマグネット自身の寸法精度に起因するところが多い。特に本出願のような
中心部に大きな中空を有するモータでは、その中空の特徴を生かすために、中空部の内径とモータ外径間の寸法を極力小さく設計することが必要になり、ステータコアやマグネット自身が極薄肉厚となり、剛性力が低下し、そのため寸法精度が確保しにくくなる現象が顕著に表れる。
モータの回転部分が固定部分の外側にある（以下アウターロータ構造という）モータでは、ステータコアの各主磁極と内側で連結される円環状のコアバック部の幅寸法が小さくなる傾向になり、加工時の寸法精度が低下し、特にステータコアの突極部外周面の真円度が悪化する。
また、リング状のマグネットにおいても同様に、内外径の寸法差である厚さを極力小さく設計することになり、ステータコア同様に、マグネット内径の真円度が悪化する。
【０００９】
ロータマグネットの真円度が悪いと、ステータコアの主磁極数に基づく高次数成分のコギングトルクが発生する。また、ステータコアの突極部の真円度が悪いとマグネットの磁極数に基づく高次数成分のコギングトルクが発生してしまう。  
【００１０】
このコギングトルク成分を除去するには、ロータマグネットやステータコアの真円度を向上させることが必要であり、金型で製作したものを研磨等の追加仕上げ加工が必要になる。
また、マグネットとステータコア突極間のエアギャップを広くすれば、コギングトルクは低下するが、モータ出力も低下する。必要なトルクを確保するためには、磁束密度の高い永久磁石に希土類の材料を使用することになり、更にコギングトルクを増加させる原因となる。
【００１１】
本発明の目的は、上記の欠点を除き、中空部の内径とモータ外径間の寸法が実質的に小さくても、高トルクを出力でき、コギングトルクの小さな中空型モータを提供することにある。  
【課題を解決するための手段】
【００１２】
先端に突極を有する複数の主磁極と、主磁極を連結する円環状コアバックと、突極間のスリットから主磁極に巻装した巻線とより成るステータと、ステータの突極に空隙を介して対向するよう回転自在に保持され、複数の磁極を有するリング状のマグネットを有し、モータ外径Ｄ１を基準とした中空内径ｄ２の比率が０．８＞ｄ１／Ｄ１＞０．７の範囲に入るアウターロータ型の中空モータであって、前記コアバックの幅ｔ１を基準としたコアバック内径の半径ｒ１の比率が、２６＞ｒ１／ｔ１＞１５の範囲内に入り、マグネットの厚さｔ２を基準としたマグネット内径の半径ｒ２の比率が、１８＞ｒ２／ｔ２＞１１の関係を有し、マグネットは残留磁束密度０．７テスラ以上の高磁束密度を有し、マグネットの内周の周方向面は正弦波状の磁束分布となるように多極に磁化し、前記スリット幅は１．５ｍｍ以下で、前記各突極の外周面の半径をほぼ均一とする。
【発明の効果】
【００１３】
大きな中空部を有し高トルクを出力するモータにおいて、極力モータ部の径方向の寸法を小さく設計すると必然的にモータ部品の寸法精度が低下し、コギングトルク発生の原因になる。本発明においては、適切なスロットコンビネーションの選択とマグネットの正弦波着磁の実施により、スロットコンビネーション成分のコギングトルクを低減できる。
また、ある程度の部品寸法精度の低下を許容しても、ステータコアの主磁極数とマグネット磁極数成分のコギングトルクを低減できるため、部品の追加（仕上げ）加工等をせずに対応でき、コスト的に有利である。
また、ベベリングの量を最小とするため、マグネットのエネルギーを有効に活用できてモータの出力を向上できる。
更に、アウターロータ型モータでは、各突極の幅を両端部に向かって狭くなるようにすることで、巻線が容易になり占積率が向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下図面によって本発明の実施例を説明する。  
【実施例】
【００１５】
図２ａは従来のアウターロータ型の中空の３相ブラシレスＤＣモータに使用されるステータコアとロータの平面図で、図２ｂはステータコアの部分拡大図である。図において、１は主磁極、２はマグネット内径と対向して配置される突極、３は各主磁極を連結するコアバック、４はステータコア外周のスリット（スロットオープン）、ｔ１はコアバック３の幅、ｒ１はコアバック３の内径半径、５はマグネット、６はロータコア、ｔ２はリングマグネット５の厚み、ｒ２はリングマグネット５の内径半径である。
また、突極部外周の両端部に向って突極とマグネット間に形成される空隙が拡大するように突極部にベベリング７を設けた形状である。
【００１６】
本発明のモータの外径Ｄ１は７０ｍｍで中空内径ｄ１は５３ｍｍであり、その比率ｄ１／Ｄ１は、０．７６である。
また、本モータのマグネット磁極数を２８とスリット数を２４とし、コギングトルクが生じにくいスロットコンビネーションを採用している。
【００１７】
スロットコンビネーション成分のコギングトルクを低減するため、巻線時の巻線機のノズル幅から規定されるスリット幅を実用下限値近くの１．５ｍｍ以下とし、ベベリングを追加し、更にマグネットには正弦波着磁を施している。
図３ａはコギングトルクの波形である。図３ｂはコギングトルク波形を周波数分析したものである。その結果、マグネット磁極数の２８とスリット数の２４で決まる最小公倍数がスロットコンビネーション成分であるが、その１６８回／回転の成分は生じていないことが分かる。しかし、コギングトルク波形を周波数分析した図３ｂではスロット４の数２４回／回転（２４次成分）の成分とマグネットの極数２８回／回転（２８次成分）の成分が大きく生じて、２４回と２８回成分が加算されたり、減算されたり、いわゆる１回転中に４回のビート現象が図３ａのように生じている。
【００１８】
中空型モータでは、中空部の内径とモータ外径間の寸法を極力小さく設計され、アウターロータ構造のモータでは、ステータコアの各主磁極１と内側で連結される円環状のコアバック部３の幅寸法ｔ１が小さくなる傾向になり、加工時の寸法精度が低下し、特にステータコアの突極部の真円度が悪化する。
本実施例ではコアバック３の幅ｔ１は１ｍｍから２ｍｍで、コアバック３の内径半径は５２ｍｍである。図４は突極部２の外周からのある一定応力に対する内径の変形量を示す物で、ｔ１の値が１ｍｍから２ｍｍ間で変形量が非常に大きいことが分かる。
ステータコアは薄板の珪素鋼板を打ち抜いて積層して構成されるため、加工時にかかる応力により、ステータコアの突極部２の真円度も３０μｍ程度は生じる。
リング形状部品に外部から応力がかかる場合の変形量δは下記の数式（１）で算出される。
【００１９】
δ＝ｋｒ３／ｔ３  −−−−−−−（１）  
ここで、ｒはリングの内側半径、ｔはリングの幅、ｋは比例定数である。
【００２０】
図４はｒを２６ｍｍとして、ｔを０．５ｍｍから３ｍｍまで変化させたときの変形量δである。ｔが１．５ｍｍ以下での変形量の変化は非常に大きく、加工時の部品精度に大きく影響している。
そのためステータコアで考えると、コアバックの幅を大きく取ることが部品精度向上になる。しかしながら、コアバックの幅を広くすると、巻線のスペースが低下し、モータの所定の出力が不足する問題が発生し、コアバックの幅を大きくすることが出来ない場合が多いため、ステータコア内径ｒ２とコアバック厚みｔ２の関係は２６＞ｒ１／ｔ１＞１７と表せる。
【００２１】
また、リング状のマグネット５において、内径ｒ２を３２ｍｍ、内外径の寸法差即ち厚みｔ２を２ｍｍに設計している。リング状マグネット５はエポキシやナイロンをバインドしたネオジムボンドマグネットである。このようなマグネットは射出成形や圧縮成形、押出成形等で成形されるため、成形後の収縮等によりリング状のマグネットの真円度は５０μｍｍ程度は生じてしまう。また、製法状からくる制約で内径３２ｍｍの場合、厚み２．０から２．５ｍｍが限界である。従って、マグネット内径ｒ２と厚みｔ２の関係は１８＞ｒ２／ｔ２＞１１と表せる。
【００２２】
マグネットの真円度が悪いと、ステータコアの主磁極数の成分のコギングトルクが発生する。また、ステータコアの突極部の真円度が悪いとマグネットの磁極数分のコギングトルクが発生してしまう。  
本願はコアバックの幅ｔ１とコアバックの内径半径ｒ１が２６＞ｒ１／ｔ１＞１７の関係で示されるステータコアと、マグネットの厚さｔ２とマグネット内径の半径ｒ２が１８＞ｒ２／ｔ２＞１１の関係を有するアウターロータ型の中空モータのコギングトルクを低減するものである。
【００２３】
マグネットとステータコアの突極との間の吸引力の変化によって発生するコギングトルクＴは、（２）式に示す磁場エネルギーの変化分で示される。
【００２４】
Ｔ＝∂Ｗ／∂θ −−−−−−−（２）  
ここで、Ｗは磁場エネルギー、θは回転子の周方向位置である。  
【００２５】
スロットコンビネーション成分のコギングトルクに対しては、ベベリングや正弦波着磁のそれぞれは有効に働く。しかし、ステータコアやマグネットの真円度が悪い場合には、ベベリングと正弦波着磁による磁束密度分布が重畳するとマグネットとステータコアの空隙間の磁場エネルギーの変動変化率が早く、結果としてコギングトルクは大きく発生する。
即ち、ステータコアやマグネットの真円度が悪い場合でのコギングトルクの低減には、ベベリングが少ない方が良いと言える。
【００２６】
図５は改善されたベベリングで実測したコギングトルクの波形と周波数分析結果である。図６はステータコアの突極部のベベリング量に対する各成分のコギングトルクを示すものである。図５と図６からベベリング量に対して、ステータコアの精度向上と同様の効果が得られていることが分かる。その結果、特にマグネット次数分２８回／回転（２８次成分）が著しく低減することができる。
【００２７】
また、図７は本発明の請求項２に関するもので、８は巻線機のノズル先端部である。スリット４から巻線を施す際に、巻線機のノズル８はスリット４を上下するため、ノズル幅はスリット幅よりも狭くなる。スリット４はコギングトルク対策のため極力狭く設計されているため、ノズルの幅も狭くなる。
巻線時に生じる線材のきず等の保護と線材による摩耗や引っ張り強度に耐えるため、巻線機のノズル先端部分９は比較的大きな曲面を付加するため幅も大きくしている。図７ａは突極幅が一定の物であり、ノズル先端部９の幅がスリット４の幅よりも大きいため、ノズル先端部が突極内周付近まで到達できない。その結果、突極内周面への巻線が低下してしまう。
図７ｂは前記各突極内周面に突極の幅が両端部に向かって狭くなるように、突極内周部の半径が広がるよう直線または曲線の傾斜１０を設けた形状とすることで、ノズル先端部が突極内周付近まで到達でき、突極内周面にも巻線が可能になる。
【００２８】
図１は上述のような検討結果から、本発明のアウターロータ型の中空の３相ブラシレスＤＣモータに使用されるステータコアとロータの平面図である。
モータ外径Ｄ１と中空内径ｄ１の比率Ｄが０．７６のアウターロータ型の中空モータであって、コアバック３の幅ｔ１とコアバック内径の半径ｒ１の比率ｒ１／ｔ１が２３、マグネット５の厚さｔ２とマグネット内径の半径ｒ２の比率ｒ２／ｔ２が１６の関係を有している。また、マグネット５は残留磁束密度０．７テスラ以上の高磁束密度を有し、マグネットの内周の周方向面は正弦波状の磁束分布となるように多極に磁化し、スリット４の幅は１．２ｍｍで、各突極２の外周形状がほぼストレートのスリット４の溝のみできまる形状に構成した中空型ブラシレスＤＣモータである。
本構造により、高残留磁束密度を有するネオジムボンドマグネットを使用して、モータとして高トルクを出力しながら、コギングトルクを非常に小さく抑制した特性を得ることが出来る。
【００２９】
図８はインナーロータ構造の場合を示すもので、ステータコアの外径Ｄ２、ロータの内径をｄ２とし、０．８＞ｄ２／Ｄ２＞０．７の関係にあるものに適用される。
コアバックの幅ｔ３とコアバック内径の半径ｒ３が２６＞ｒ３／ｔ３＞１５、前記マグネットの厚さｔ４とマグネット内径の半径ｒ４が１８＞ｒ４／ｔ４＞１１の関係を有すモータにおいても、アウターロータ構造のモータと同一の効果を有することは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本出願のモータような形状ではその条件から、ステータコアやマグネットの寸法精度が十分に出せないため、その部分について追加加工が必要になり、高価なものとなってしまう。しかし本出願の手法によれば、追加加工の工程を含まなくても、実用可能なコギングトルク特性を得ることが可能で実用化についての問題は少なく、大きな効果をもたらすものである。更には、コギングトルクが低減出来ずに適用できなかった中空サイズが実現可能となり、その効果は非常に大きい。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明のステータコアとロータの平面図である
【図２】ベベリングを有する本発明のステータコアとロータの平面図である
【図３】コギングトルク波形とその周波数分析
【図４】ステータコアの応力変形量
【図５】コギングトルク波形とその周波数分析
【図６】ステータコアの突極部のベベリング量に対する各成分のコギングトルクを示す
【図７】本発明のステータコアの詳細図
【図８】本発明のステータコアとロータの平面図である
【符号の説明】
【００３２】
１     主磁極
２      突極
３      コアバック
４      スリット
５      マグネット
６      ロータ
７      ベベリング
８      ノズル
９      ノズル先端部
１０    突極内周面の傾斜
ｔ１    コアバックの幅
ｔ２    マグネットの厚み
ｔ３    コアバックの幅
ｔ４    マグネットの厚み
ｒ１    ステータコアの内側半径
ｒ２    マグネットの内側半径
ｒ３    ステータコアの内側半径
ｒ４    マグネットの内側半径
Ｄ１    モータ外径寸法
Ｄ２    モータ外径寸法
ｄ１    モータ内径寸法
ｄ２    モータ内径寸法
【図１】
2010114994.tif 000003
【図２】
2010114994.tif 000004
【図３】
2010114994.tif 000005
【図４】
2010114994.tif 000006
【図５】
2010114994.tif 000007
【図６】
2010114994.tif 000008
【図７】
2010114994.tif 000009
【図８】
2010114994.tif 000010