(57)【要約】【課題】漏れ磁束の量を抑制しつつ鎖交磁束の量を向上することができるモータの製造方法及びモータを提供する。【解決手段】一実施の形態にかかるモータの製造方法は、巻線が巻回される複数のティース１４を備えたステータ１１と、マグネット１３を有するロータ１０とを有するモータ１の製造方法であって、隣り合うティース１４により形成されるスロット１６に流れる磁束を回路の要素として含む磁気回路モデルを作成し、磁気回路モデルにおける磁束を算出し、算出した磁束に基づいて、モータ１のティース角を決定する方法である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
巻線が巻回される複数のティースを備えたステータと、マグネットを有するロータとを有するモータの製造方法であって、
隣り合う前記ティースにより形成されるスロットに流れる磁束を回路の要素として含む磁気回路モデルを作成し、
前記磁気回路モデルにおける磁束を算出し、
算出した前記磁束に基づいて、前記モータのティース角を決定する
モータの製造方法。
【請求項２】
前記磁気回路モデルにおけるスロット磁束とティース磁束を算出し、
算出した前記スロット磁束及び前記ティース磁束に基づいて、前記モータのティース角を決定する
請求項１に記載のモータの製造方法。
【請求項３】
前記ティース磁束の最大値を基準とした、前記スロット磁束の大きさに基づいて、前記モータのティース角を決定する
請求項２に記載のモータの製造方法。
【請求項４】
前記ティース磁束の最大値に対する前記スロット磁束の比率が所定の範囲内となるティース角を前記モータのティース角として決定する
請求項３に記載のモータの製造方法。
【請求項５】
前記磁気回路モデルにおけるティース磁束を算出し、
算出される前記ティース磁束が最大となるティース角を前記モータのティース角として決定する
請求項１に記載のモータの製造方法。
【請求項６】
前記磁気回路モデルは、ティース角の関数として表された磁気抵抗を用いて規定されている
請求項１乃至５のいずれか１項に記載のモータの製造方法。
【請求項７】
巻線が巻回される複数のティースを備えたステータと、
マグネットを有するロータと
を有し、
前記ティースは、所定のティース角で設けられており、
ティース磁束の最大値に対する、スロット磁束の比率が５％以上かつ２０％以下であり、
前記ティース磁束は、隣り合う前記ティースにより形成されるスロットに流れる磁束を回路の要素として含む磁気回路モデルにおいて算出される磁束であり、
前記スロット磁束は、前記磁気回路モデルにおいて算出される磁束である
モータ。
【請求項８】
巻線が巻回される複数のティースを備えたステータと、
マグネットを有するロータと
を有し、
前記ティースは、所定のティース角で設けられており、
前記所定のティース角は、隣り合う前記ティースにより形成されるスロットに流れる磁束を回路の要素として含む磁気回路モデルにおいてティース角を変数として算出されるティース磁束が最大となるティース角である
モータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はモータの製造方法及びモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
モータの設計においては、大きなトルクを発生させるために、ステータの巻線にいかに多くの磁束を鎖交させるかが重要である。特に、コンパクトなモータでは、巻線のコイルと鎖交する磁束（以下、鎖交磁束と称す。）をどれだけ効率的に流すことができるかが重要である。
【０００３】
このためモータの構成に関して、種々の提案がなされている。例えば、特許文献１及び特許文献２では、磁束を効率的に流すための形状について提案している。また、例えば、特許文献３では、磁束を効率的に流すための電流制御方法について提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１５３４７６号公報
【特許文献２】特開２００３−７９０８４号公報
【特許文献３】特開２００５−２０８７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一般的に、モータにおける磁束の流れには漏れが生じている。すなわち、漏れ磁束が存在する。このため、モータの設計段階において、この漏れ磁束を低減することに着目し、より多くの鎖交磁束を発生させるための設計を行うことが好ましい。しかしながら、上記の文献においては、漏れ磁束に関する定量的なアプローチがなされていない。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一実施の形態にかかるモータの製造方法は、巻線が巻回される複数のティースを備えたステータと、マグネットを有するロータとを有するモータの製造方法であって、隣り合う前記ティースにより形成されるスロットに流れる磁束を回路の要素として含む磁気回路モデルを作成し、前記磁気回路モデルにおける磁束を算出し、算出した前記磁束に基づいて、前記モータのティース角を決定する、モータの製造方法である。
【０００７】
また、一実施の形態にかかるモータは、巻線が巻回される複数のティースを備えたステータと、マグネットを有するロータとを有し、前記ティースは、所定のティース角で設けられており、ティース磁束の最大値に対する、スロット磁束の比率が５％以上かつ２０％以下であり、前記ティース磁束は、隣り合う前記ティースにより形成されるスロットに流れる磁束を回路の要素として含む磁気回路モデルにおいて算出される磁束であり、前記スロット磁束は、前記磁気回路モデルにおいて算出される磁束である。
【０００８】
また、一実施の形態にかかるモータは、巻線が巻回される複数のティースを備えたステータと、マグネットを有するロータとを有し、前記ティースは、所定のティース角で設けられており、前記所定のティース角は、隣り合う前記ティースにより形成されるスロットに流れる磁束を回路の要素として含む磁気回路モデルにおいてティース角を変数として算出されるティース磁束が最大となるティース角である。
【発明の効果】
【０００９】
前記一実施の形態によれば、漏れ磁束の量を抑制しつつ鎖交磁束の量を向上することができるモータの製造方法及びモータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】ティース角を決定すべきモータの構成の一例を示す模式図である。
【図２】モータの製造方法の流れを示すフローチャートである。
【図３】図２に示すステップ１００で作成される磁気回路モデルの一例を示す模式図である。
【図４】モータの磁気回路モデルから算出されたティース磁束とスロット磁束のティース角に対する変化を示すグラフである。
【図５】４極６スロットのモータに対して作成した磁気回路モデルを示す模式図である。
【図６】磁気回路モデルの各閉回路の磁束を示す模式図である。
【図７】磁気抵抗行列の一例を示す図である。
【図８】図５に示すＶＩＩＩ部分の拡大図であり、ティース磁束、スロット磁束、及びエアギャップ磁束を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。各図面においては、同一要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略される。
【００１２】
本実施の形態で説明されるモータの製造方法では、モータ設計段階において漏れ磁束を考慮した磁気回路モデルを構築し、この磁気回路モデルから算出される磁束に基づいて、漏れ磁束が小さくかつ鎖交磁束が大きくなるようなティース角を決定する。図１は、ティース角を決定すべきモータ１の構成の一例を示す模式図である。モータ１は、例えば、三相交流電流によって駆動されるラジアル型のモータである。ただし、本実施の形態にかかるモータの製造方法が、他の構成のモータに用いられてもよい。モータ１は、例えば、射出成形機に用いられるモータであり、高トルクが要求される。
【００１３】
モータ１は、直径Ｄｒ（すなわち、半径Ｄｒ／２）のロータ１０と、直径Ｄｓ（すなわち、半径Ｄｓ／２）のステータ１１を有している。なお、モータ１の積厚は、Ｌｓｔｋである。すなわち、図１の紙面奥行き方向のモータ１の長さが、Ｌｓｔｋである。また、ロータ１０とステータ１１との間には、長さＬｇのエアギャップ１７がある。ロータ１０には、マグネットが設けられている。具体的には、ロータ１０のロータヨーク１２の外周上に、Ｎ極の永久磁石１３ＮとＳ極の永久磁石１３Ｓが交互に配置されている。以下、永久磁石１３Ｎと永久磁石１３Ｓをまとめて、マグネット１３と称す。なお、マグネット１３の厚さ（径方向の長さ）は、Ｌｐｍである。また、ロータ軸径は、Ｄｒｓである（すなわち、回転中心からロータヨーク１２までの長さは、Ｄｒｓ／２である）。
【００１４】
ロータ１０の外側に配置されたステータ１１は、複数のティース１４を有している。より詳細には、ティース１４は、ステータ１１の外周を構成するステータヨーク１５から内側（すなわちロータ１０側）に突出して形成される。ここで、ステータヨーク１５の厚さ（径方向の長さ）は、Ｌｓｙである。また、ティース１４の長さ（ステータヨーク１５からロータ１０に向けて突出した部分の長さ）は、Ｌｔである。ティース１４は、ステータ１１の周方向に等間隔に設けられている。このティース１４には、巻線（図示せず）が巻回される。なお、ティース１４への巻線の巻き方は、例えば集中巻きであるが、分布巻きであってもよい。また、隣り合うティース１４によりスロット１６が形成される。モータ１には、所定数のスロット１６が形成される。ここで、この所定数をＮｓとする。すなわち、モータ１のスロット１６の総数は、Ｎｓである。したがって、モータ１のティース１４の総数もＮｓである。
【００１５】
また、モータ１のティース角をθｔとし、モータ１のスロット角をθｓとする。ここで、ティース角とは、１つのティース１４の周方向の幅の大きさに対応する中心角である。また、スロット角とは、１つのスロット１６の周方向の幅の大きさに対応する中心角である。なお、ティース１４及びスロット１６の周方向の幅は、例えば、図１に示すようにステータヨーク１５の内周の位置を基準とするが、より内側の位置における周方向の幅を用いてティース角及びスロット角が定義されてもよい。また、ティース角は、ロータ１０の回転中心から見てステータ１１のティース１４が占める角度範囲ということもできる。同様に、スロット角は、ロータ１０の回転中心から見てステータ１１のスロット１６が占める角度範囲ということもできる。
【００１６】
ここで、スロット１６の総数Ｎｓ、ティース角θｔ、及びスロット角θｓは、それらの定義から下記の式（１）を満たす。ここで、Ｎｓは予め定められた値であり、θｔ及びθｓは、本実施の形態における製造方法で値が決定されるパラメータである。
【００１７】
【数１】
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【００１８】
本実施の形態にかかるモータの製造方法では、モータの構成を定める寸法のうちティース角θｔ及びスロット角θｓに依存しない部分の寸法が予め定められているモータ１において、漏れ磁束を抑制できる適切なティース角θｔを決定する。これにより、ティース角θｔ及びスロット角θｓに依存しない部分の寸法が予め定められているモータ１において、高トルクを実現する。
【００１９】
図２は、本実施の形態にかかるモータの製造方法の流れを示すフローチャートである。本製造方法では、まず、ステップ１００（Ｓ１００）において、スロット１６に流れる磁束を回路の要素として含む磁気回路モデルを作成する。図３は、図２に示すステップ１００で作成される磁気回路モデルの一例を示す模式図である。上述の通り、ステップ１００でスロット１６に流れる磁束を回路の要素として含む磁気回路モデルが作成される。つまり、図３に示すように、スロット１６を周方向に横断する磁束を磁気回路モデルにおいて考慮するべく、スロット１６を周方向に横断する磁束の経路を磁気回路モデルにおいて設定する。そして、当該経路における磁気抵抗Ｒｓｌｏｔを磁気回路モデルにおいて設定する。つまり、磁気抵抗Ｒｓｌｏｔは、スロット１６の磁気抵抗であり、より詳細には、スロット１６を周方向に流れる磁束に対する磁気抵抗である。これにより、磁気回路モデルは、スロット１６に漏れる漏れ磁束を考慮したモデルとなる。
【００２０】
また、図３に示した磁気回路モデルでは、磁気抵抗Ｒｓｌｏｔ以外に、磁気抵抗Ｒｔ、Ｒｓｙ、Ｒｇ、Ｒｐｍ、Ｒｒｙと、起磁力λｎｉ、λｐｍが設定されている。ここで、磁気抵抗Ｒｔは、ティース１４の磁気抵抗であり、より詳細には、ティース１４を径方向に流れる磁束に対する磁気抵抗である。磁気抵抗Ｒｓｙは、ステータヨーク１５の磁気抵抗であり、より詳細には、ステータヨーク１５のうち１つのスロット１６に対応する部分を周方向に流れる磁束に対する磁気抵抗である。磁気抵抗Ｒｇは、エアギャップ１７の磁気抵抗であり、より詳細には、エアギャップ１７を径方向に流れる磁束に対する磁気抵抗である。磁気抵抗Ｒｐｍは、マグネット１３の磁気抵抗であり、より詳細には、マグネット１３を径方向に流れる磁束に対する磁気抵抗である。磁気抵抗Ｒｒｙは、ロータヨーク１２の磁気抵抗であり、より詳細には、ロータヨーク１２のうち１つのスロット１６に対応する部分を周方向に流れる磁束に対する磁気抵抗である。また、起磁力λｎｉは、巻線に電流が流れることにより発生する起磁力であり、巻線の巻き数ｎと電流ｉから算出可能である。起磁力λｐｍは、マグネット１３（永久磁石１３Ｎ又は永久磁石１３Ｓ）による起磁力であり、マグネット１３の磁力により定まる。
【００２１】
図３に示した磁気回路モデルでは、起磁力λｎｉ、磁気抵抗Ｒｓｙ、Ｒｔ、Ｒｓｌｏｔにより構成される閉回路と、起磁力λｐｍ、磁気抵抗Ｒｐｍ、Ｒｇ、Ｒｓｌｏｔ、Ｒｒｙにより構成される閉回路とが形成されている。なお、図３では、２つのスロットについてのみ磁気回路モデルを図示しているが、全てのスロットに対し、上述の２つの閉回路を設定することができる。
【００２２】
ここで、磁気抵抗は一般的に下記の式（２）により算出できる。なお、式（２）において、Ｒは磁気抵抗、ｌは磁路長、Ｓは磁路断面積、μは透磁率である。透磁率は、媒体によって異なり、例えば、空気の場合は、μ＝μ０＝４π×１０−７であり、鉄の場合は、μ＝μ０×１０３＝４π×１０−４であり、磁石の場合は、μ＝μ０×１．０５＝４．２π×１０−７である。
【００２３】
【数２】
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【００２４】
式（２）からわかるように、磁気抵抗はモータ１の各部の寸法に応じて決定される。このため、ステップ１００で作成された磁気回路モデルに設定された磁気抵抗は、ティース角θｔの関数となる。すなわち、ステップ１００では、ティース角θｔの関数として表された磁気抵抗を用いて規定された磁気回路モデルを作成する。
【００２５】
図２に戻り、フローチャートの続きを説明する。ステップ１００の後、ステップ１０１（Ｓ１０１）において、磁気回路モデルにおける磁束を算出する。上述の通り、ステップ１００で作成された磁気回路モデルにおける磁気抵抗は、ティース角θｔの関数であるため、算出される磁束もティース角θｔの関数として表すことができる。ステップ１０１では、具体的には、磁気回路モデルにおけるティース磁束とスロット磁束を算出する。なお、ティース磁束は、磁気回路モデルにおいて、ティース１４に流れる磁束をいう。また、スロット磁束は、磁気回路モデルにおいて、スロット１６に流れる磁束をいう。すなわち、スロット磁束は、漏れ磁束である。ステップ１０１では、ティース磁束又はスロット磁束のいずれか一方のみを算出してもよい。
【００２６】
ステップ１０１の後、ステップ１０２（Ｓ１０２）において、ステップ１０１で算出した磁束に基づいて、モータ１のティース角θｔを決定する。すなわち、ティース角θｔの具体的な値を決定する。ステップ１０２では、例えば、ステップ１０１で算出したスロット磁束及びティース磁束に基づいて、モータ１のティース角を決定する。例えば、ティース磁束の最大値を基準とした、スロット磁束の大きさに基づいて、モータ１のティース角を決定する。具体的には、例えば、ティース磁束の最大値に対するスロット磁束の比率が所定の範囲内となるティース角をモータ１のティース角として決定する。ここで、ティース磁束の最大値とは、ティース角θｔの関数として表されるティース磁束の最大値である。また、ここで言うスロット磁束の大きさとは、ティース角θｔの関数として表されるスロット磁束の大きさである。すなわち、下記の式（３）で表される評価値Ｅに基づいてティース角θｔの値が決定されてもよい。なお、式（３）において、φｔ_ｍａｘはティース磁束の最大値であり、φｓはスロット磁束である。
【００２７】
【数３】
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【００２８】
図４は、モータ１の磁気回路モデルから算出されたティース磁束φｔとスロット磁束φｓ（すなわち、漏れ磁束）のティース角θｔに対する変化を示すグラフである。より詳細には、図４のグラフは、ティース角θｔを、式（１）の関係を満たす範囲で変化させたときのティース磁束φｔとスロット磁束φｓを示すグラフである。なお、図４において、破線のグラフがティース磁束φｔを表し、実線のグラフがスロット磁束φｓを表す。ステップ１０２では、例えば、θｔ１からθｔ２の範囲のいずれかの値をティース角θｔの値として決定する。ここで、θｔ１及びθｔ２は、評価値Ｅが予め定められた第１の値から第２の値の範囲に収まるようなティース角の範囲の下限と上限を示している。
【００２９】
ここで、第１の値は、例えば５％であり、第２の値は２０％である。すなわち、評価値Ｅの値が５％から２０％の範囲に収まるティース角をモータ１のティース角とすることで、他のティース角を採用する場合に比べ、漏れ磁束を抑制しつつ、ティースに流れる磁束を増やすことができる。すなわち、そのようなティース角を採用することにより、高トルクを発生させることができる高効率なモータ１を実現することができる。
【００３０】
換言すると、所定のティース角でティースが設けられたモータ１において、スロット１６に流れる磁束を回路の要素として含む磁気回路モデルに基づいて算出された評価値Ｅが５％以上かつ２０％以下である場合、高トルクを発生させることができる高効率なモータ１を実現する設計が行われているといえる。
【００３１】
なお、上記決定方法に限らず、他の方法によりティース角θｔの値が決定されてもよい。例えば、ステップ１０２では、ティース磁束が最大となるティース角をモータ１のティース角として決定してもよい。この場合、ステップ１０１において、スロット磁束が算出されなくてもよい。
【００３２】
換言すると、所定のティース角でティースが設けられたモータ１において、この所定のティース角が、スロット１６に流れる磁束を回路の要素として含む磁気回路モデルにおいてティース角を変数として算出されるティース磁束が最大となるティース角である場合、高トルクを発生させることができる高効率なモータ１を実現する設計が行われているといえる。
【００３３】
次に、具体例を用いて、本実施の形態にかかるモータの製造方法について説明する。ここでは、一例として、４極６スロットのモータ１を例に説明する。すなわち、４つのマグネット１３（２つの永久磁石１３Ｎと２つの永久磁石１３Ｓ）と６つのスロット１６を備えるモータ１を例に説明する。
【００３４】
図５は、４極６スロットのモータ１に対して作成した磁気回路モデルを示す模式図である。４極６スロットのモータ１の場合、例えば、図５に示すように各スロット１６に対し２つの閉回路を考えることができ、合計１２の閉回路からなる磁気回路モデルを作成することができる。
【００３５】
ここで、磁気抵抗Ｒｐｍは、上記式（２）より、以下の式（４）のように表される。なお、式（４）において、マグネット１３の透磁率はμｍａｇで表されている。
【００３６】
【数４】
2019050686.tif 000006
【００３７】
また、磁気抵抗Ｒｇは、上記式（２）より、以下の式（５）のように表される。なお、式（５）において、エアギャップ１７の透磁率は、空気の透磁率μａｉｒで表されている。
【００３８】
【数５】
2019050686.tif 000007
【００３９】
また、磁気抵抗Ｒｒｙは、上記式（２）より、以下の式（６）のように表される。なお、式（６）において、ロータヨーク１２の透磁率は、鉄の透磁率μｉｒｏｎで表されている。
【００４０】
【数６】
2019050686.tif 000008
【００４１】
また、磁気抵抗Ｒｓｌｏｔは、上記式（２）より、以下の式（７）のように表される。なお、式（７）において、スロット１６の透磁率は、空気の透磁率μａｉｒで表されている。
【００４２】
【数７】
2019050686.tif 000009
【００４３】
また、磁気抵抗Ｒｔは、上記式（２）より、以下の式（８）のように表される。なお、式（８）において、ティース１４の透磁率は、鉄の透磁率μｉｒｏｎで表されている。
【００４４】
【数８】
2019050686.tif 000010
【００４５】
また、磁気抵抗Ｒｓｙは、上記式（２）より、以下の式（９）のように表される。なお、式（９）において、ステータヨーク１５の透磁率は、鉄の透磁率μｉｒｏｎで表されている。
【００４６】
【数９】
2019050686.tif 000011
【００４７】
以上示したとおり、磁気回路モデルにおける各磁気抵抗は、ティース角θｔの関数として表すことができる。なお、上記の式において、磁気抵抗Ｒｒｙ、Ｒｓｙは、式の中にθｔが明示されていないが、式（１）から、これらの磁気抵抗についてもティース角θｔの関数であることがわかる。
【００４８】
上述のステップ１０１では、作成した磁気回路モデルに基づいて、以下の式（１０）で示される閉回路方程式を解く。
【００４９】
【数１０】
2019050686.tif 000012
【００５０】
ここで、Ｊは、以下の式（１１）で表される磁束行ベクトルである。なお、各要素Ｊ１からＪ１２は、図６に示すように、磁気回路モデルの各閉回路の磁束を示す。
【００５１】
【数１１】
2019050686.tif 000013
【００５２】
また、式（１０）におけるＡは、磁気抵抗行列であり、具体的には、図７に示すとおりである。また、式（１０）におけるλは、以下の式（１２）で表される起磁力行ベクトルである。なお、各要素λ１からλ１２は、図６に示した各磁束Ｊ１からＪ１２に対応する各閉回路における起磁力である。上述の通り、起磁力λｎｉ、λｐｍは、いずれも既知の値であるため、各要素λ１からλ１２は既知である。
【００５３】
【数１２】
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【００５４】
なお、上述したＪ、Ａ、λは、モータ１が図５に示すような４極６スロットのモータである場合の例であり、極数及びスロット数により、Ｊ、Ａ、λの具体的な要素が変わることは言うまでもない。
【００５５】
ステップ１０１では、式（１０）で示される閉回路方程式を解いて、ティース磁束φｔ、スロット磁束φｓを算出する。なお、図８は、図５に示すＶＩＩＩ部分の拡大図であり、ティース磁束φｔ、スロット磁束φｓ、及びエアギャップ磁束φｇを図示している。エアギャップ磁束φｇは、磁気回路モデルにおいて、エアギャップ１７を流れる磁束である。なお、これらの磁束は、下記の式（１３）を満たす。
【００５６】
【数１３】
2019050686.tif 000015
【００５７】
ステップ１０２では、閉回路方程式を解くことにより得られたティース磁束φｔ、スロット磁束φｓに基づいて、例えば、評価値Ｅを算出して、適切なティース角の値を決定する。これにより、モータ１の漏れ磁束の量を抑制しつつ鎖交磁束の量を向上することができる。
【００５８】
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
【符号の説明】
【００５９】
１    モータ
１０    ロータ
１１    ステータ
１２    ロータヨーク
１３    マグネット
１４    ティース
１５    ステータヨーク
１６    スロット
１７    エアギャップ
【図１】
2019050686.tif 000016
【図２】
2019050686.tif 000017
【図３】
2019050686.tif 000018
【図４】
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【図５】
2019050686.tif 000020
【図６】
2019050686.tif 000021
【図７】
2019050686.tif 000022
【図８】
2019050686.tif 000023