(57)【要約】【課題】磁路となる回転子による鉄損が少なく、かつ、高エネルギー積の永久磁石を用いなくても大トルクを発生させることができるブラシレスモータを提供する。【解決手段】固定子に巻回された平衡多相の電機子巻線と、前記電機子巻線と対峙した、永久磁石を備えた回転子とを備えたブラシレスモータであって、前記回転子の極分布を、前記平衡多相と同数相の平衡多相電流を電機子巻線に流すことにより生ずる回転方向および回転速度が同一である複数の次数の組み合わせからなる回転アンペアターンから、トルクが発生する位置に同期して選択された次数の組み合わせによる極分布に近似させているブラシレスモータ。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子に巻回された平衡多相の電機子巻線と、前記電機子巻線と対峙した、永久磁石を備えた回転子とを備えたブラシレスモータであって、
前記回転子の極分布を、前記平衡多相と同数相の平衡多相電流を電機子巻線に流すことにより生ずる回転方向および回転速度が同一である複数の次数の組み合わせからなる回転アンペアターンから、トルクが発生する位置に同期して選択された次数の組み合わせによる極分布に近似させることを特徴とするブラシレスモータ。
【請求項２】
前記回転子の極構成を、回転シャフトの周辺の前記永久磁石の厚さを加減した極構成とすることにより、前記近似を得ることを特徴とする請求項１に記載のブラシレスモータ。
【請求項３】
前記永久磁石の厚さの薄い部分に、磁路ヨークが埋め込まれていることを特徴とする請求項２に記載のブラシレスモータ。
【請求項４】
前記回転子に前記永久磁石が少なくとも２極対の状態で設けられ、前記磁路ヨークが同極性の前記永久磁石を挟み込んだ状態で埋め込まれていることを特徴とする請求項３に記載のブラシレスモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種の動力源として用いられるブラシレスモータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ブラシレスモータは、回転子を永久磁石にて極付けし、固定子に多相交流電流を通じて、回転子を回転駆動させて、回転子に固定されている回転シャフトを回転駆動させる。
【０００３】
図６は従来のブラシレスモータを示すものであり、回転シャフト軸と直角方向の断面概念図である。このブラシレスモータは、３相の電機子巻線を２極対設けたモータである。
【０００４】
図６において、１は電機子（固定子）、３は永久磁石４を備えた回転子、５は回転子３に固定されている回転シャフト、ｕ、ｖ、ｗはそれぞれ電機子巻線である。なお、図６において、電機子巻線ｕ、ｖ、ｗは説明的な表示をしている。
【０００５】
固定子１は、ヨーク部１１、ポール部１２、歯頭部１３、スロット部１４を有している。固定子１と回転子３の間には、所定の寸法の空隙２１が確保されている。平衡３相の電機子巻線ｕ、ｖ、ｗは、それぞれポール部１２に独立して巻き回され、スロット部１４中では混在している。電機子巻線ｕ、ｖ、ｗによる歯頭部１３及び空隙２１周辺のピッチと永久磁石４の極ピッチとは同一の（２π／３）ｅｌになっている。なお、スロット部１４の開口部１５及び隣接する永久磁石４間の固定（図示せず）のための空隙２１の寸法の乱れは考慮せず一様な空隙長であるとする。
【０００６】
平衡３相の電機子巻線ｕ、ｖ、ｗは、回転子３の周辺に回転対称に配置されている。これらの電機子巻線ｕ、ｖ、ｗに、同相数（３相）の対称な多相交流電流を流すことにより、回転子３と固定子１との間の空隙部２１に回転磁界を発生させる。回転子３に設けられた永久磁石４の極は、回転磁界により吸引もしくは反発するが、回転シャフトにより固定されているため、回転子３および回転シャフト５は吸着することなく回転する。なお、電機子巻線ｕ、ｖ、ｗを流れる対称多相交流電流は、インバータにより作られ、多相交流電流の位相は回転子３の磁極との間でトルクが最大に発生する付近にて、スイッチするように調整されている。
【０００７】
従来のブラシレスモータは、一般にサイズを変えないでトルクを向上させるためには、エネルギー積（抗磁力と磁束密度の積）の高い永久磁石４を回転子３に設けていた。これにより、ブラシレスモータは大トルク低回転型となり、外付けの歯車を簡略化でき、性能を向上することができる。ブラシレスモータのトルク向上が不必要ならば、永久磁石４のサイズを小さくしたり、電機子巻線ｕ、ｖ、ｗに流す多相交流電流を小さくしたりして、ブラシレスモータの更なる小型化を図ることができる。
【０００８】
以上のような構成は、例えば特許文献１に記載のブラシレスモータにも採用されている（段落番号００２６〜００４８）。
【特許文献１】特開２００４−３５７３４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、高エネルギー積の永久磁石を回転子に設けて高磁束密度化を図った場合には、空隙部の磁束の乱れによる磁路鉄損が、増加してしまうため、これを抑える工夫をする必要がある。
【００１０】
さらに、高エネルギー積の永久磁石は、焼結品として得られるため、高硬度で脆く、また形状も板状あるいは円弧形状で、回転子の外縁部に貼り付けられるため、耐遠心力対策に相当の労力を費やす必要があった。
【００１１】
そこで、本発明は、回転子による磁路の鉄損が少なく、かつ、高エネルギー積の永久磁石を用いなくても容積トルク率を大きくして大トルクを発生させることができるブラシレスモータを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
ブラシレスモータのトルクは、固定子に巻回された電機子巻線の回転アンペアターンによる空隙部の磁束密度分布と、回転子の永久磁石の同空隙部の磁束密度分布との積に比例したトルク分布が回転シャフトの周りに発生するため、回転シャフトの周りの積分値として得られる。
【００１３】
従来は、回転子の基本波に相当する着磁磁束分布と、同数の次数の回転アンペアターン分布による回転磁束分布との間の発生トルクのみを得ていた。
【００１４】
本発明者は、鋭意検討の結果、回転速度の同一な複数の次数の異なる回転磁束分布に対応する回転子の着磁分布（以下、極分布とも言う）を設けることにより、トルクの増大化が可能となることを見出し、本発明を完成した。以下、各請求項の発明について説明する。
【００１５】
請求項１に記載の発明は、
固定子に巻回された平衡多相の電機子巻線と、前記電機子巻線と対峙した、永久磁石を備えた回転子とを備えたブラシレスモータであって、
前記回転子の極分布を、前記平衡多相と同数相の平衡多相電流を電機子巻線に流すことにより生ずる回転方向および回転速度が同一である複数の次数の組み合わせからなる回転アンペアターンから、トルクが発生する位置に同期して選択された次数の組み合わせによる極分布に近似させることを特徴とするブラシレスモータである。
【００１６】
上記において、回転方向と回転速度が同一であることは、電機子巻線による回転アンペアターンで発生する回転磁束と同数極の磁極を発生している永久磁石より構成される回転子とが同一速度で回転していることで知ることができる。
【００１７】
さらに、トルクが発生する位置は、以下に示す方法により求められ、トルクが発生する位置に同期して選定された次数とは、具体的には、以下のようにして得られた次数のことをいう。
【００１８】
即ち、得ようとするトルクに対応する回転アンペアターン分布を選定すれば、それを構成する分布の空間的（巻線の分布）、時間的（電流波形の分布）次数が定まる。それに対する回転子の永久磁石の極数は空間的次数で決まり、回転速度とその方向は時間的次数で決まる。
【００１９】
本請求項の発明では、回転子の極分布を、平衡多相電流を電機子巻線に流すことにより生ずる回転方向および回転速度が同一である複数の次数の組み合わせからなる回転アンペアターンから、トルクが発生する位置に同期して選択された次数の組み合わせによる極分布に近似させるため、永久磁石の基本の極数によって得られるトルクに、基本の極数と異なる極数を付加したことによって得られるトルクを重畳させるため、トルク特性を向上させることができる。
【００２０】
請求項２に記載の発明は、
前記回転子の極構成を、回転シャフトの周辺の前記永久磁石の厚さを加減した極構成とすることにより、前記近似を得ることを特徴とする請求項１に記載のブラシレスモータである。
【００２１】
本請求項では、請求項１に示される回転子の極構成が、回転シャフトの周辺の永久磁石の厚さを加減するという、比較的簡単な手段で、前記近似を得ることができるため、トルク特性が向上したブラシレスモータを容易に実現することができる。
【００２２】
請求項３に記載の発明は、
前記永久磁石の厚さの薄い部分に、磁路ヨークが埋め込まれていることを特徴とする請求項２に記載のブラシレスモータである。
【００２３】
本請求項の発明では、回転子に設けた永久磁石の厚さの薄い部分に磁路ヨークを埋め込むことにより、固定子と回転子の間の空隙の寸法を一様に保つことができ、固定子と回転子の間の空隙に安定した回転磁界が発生する。このため、高エネルギー積の永久磁石を用いた場合においても、空隙部の磁束の乱れによる磁路鉄損の増加を防ぐことができ、より一層大きな回転駆動力を得ることができる。この結果、回転駆動力が優れたブラシレスモータを得ることができる。
【００２４】
請求項４に記載の発明は、
前記回転子に前記永久磁石が少なくとも２極対の状態で設けられ、前記磁路ヨークが同極性の前記永久磁石を挟み込んだ状態で埋め込まれていることを特徴とする請求項３に記載のブラシレスモータである。
【００２５】
永久磁石の厚さが加減されている場合、回転子が回転することによって生じる遠心力は永久磁石に不均一に作用するため、硬度が大きく脆弱な永久磁石を使用することが困難となる。本請求項の発明では、磁路ヨークが同極性の永久磁石を挟み込んでいるため、遠心力に対する永久磁石の耐性が向上し、硬質脆弱な高性能（高エネルギー積）の永久磁石を使用することができ、トルクの向上が図れる。さらに、遠心力による永久磁石の飛び出しを、抑えることができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明は、平衡多相電流を電機子巻線に流すことにより電機子に生ずる回転アンペアターンにおいて回転方向と回転速度が同一の複数の次数の組み合わせを選択し、その極分布と同次数の着磁分布を含むような構成を、回転子の永久磁石の厚さで近似的に構成するため、高エネルギー積の永久磁石を用いることなく、トルク特性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明をその最良の実施の形態に基づいて説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではない。本発明と同一および均等の範囲内において、以下の実施の形態に対して種々の変更を加えることが可能である。
【００２８】
図１は本発明のブラシレスモータを示すものであり、回転シャフト軸と直角方向の断面概念図である。なお、図１において、電機子巻線は説明的な表示をしている。このブラシレスモータは、３相の電機子巻線を２極対設けたモータである。
【００２９】
図１において、１は電機子（固定子）、３は永久磁石４１を備えた回転子、５は回転子３に固定されている回転シャフト、ｕ、ｖ、ｗはそれぞれｕ相、ｖ相、ｗ相の電機子巻線である。
【００３０】
固定子１は、ヨーク部１１、ポール部１２、歯頭部１３、スロット部１４を有している。固定子１と回転子３の間には、所定の寸法の空隙２１が確保されている。平衡３相の電機子巻線ｕ、ｖ、ｗは、それぞれポール部１２に独立して巻き回され、スロット部１４中では混在している。電機子巻線ｕ、ｖ、ｗによる歯頭部１３及び空隙２１周辺のピッチと永久磁石４１の極ピッチとは同一の（２π／３）ｅｌになっている。
【００３１】
平衡３相の電機子巻線ｕ、ｖ、ｗは、回転子３の周辺に回転対称に配置されている。これらの電機子巻線ｕ、ｖ、ｗに、同相数の対称な多相交流電流を流すことにより、回転子３と固定子１との間の空隙部２１に回転磁界が発生する。回転子３に設けられた永久磁石４１は、回転磁界により吸引もしくは反発し、回転子３および回転シャフト５が回転する。なお、電機子巻線ｕ、ｖ、ｗを流れる対称多相交流電流は、インバータにより作られ、多相交流電流の位相は回転子３の永久磁石４１との間でトルクが最大に発生する付近にて、スイッチするように調整されている。
【００３２】
永久磁石４１は、以下の方法により、その厚さが加減されている。
【００３３】
図２（Ａ）は、各電機子巻線ｕ、ｖ、ｗの位置を示すグラフである。図２（Ｂ）は、ｕ相の電機子巻線ターン分布を示すグラフである。図２（Ｂ）には図示していないが、ｖ相およびｗ相の電機子巻線ターン分布も互いに（２π／３）ｅｌの空間位相差をもって重なっている。
【００３４】
次に、図２（Ｂ）に示したｕ相の電機子巻線ターン分布を、数学的に処理して次数に分解すると以下の様になる。但し、基本調波（調波次数ｎ＝１）の振幅を１として、その割合で各調波次数の振幅を表している。なお、θは電気角である。ｖ相およびｗ相の電機子巻線ターン分布も、それぞれ同様にして調波次数に分解できる。なお、ここでは、ｎ＝５までについて記載している。
【００３５】
ｎ＝１        ＋１ｃｏｓθ
ｎ＝２        ＋０．５ｃｏｓ２θ
ｎ＝３          ０
ｎ＝４        −０．２５ｃｏｓ４θ
ｎ＝５        −０．２ｃｏｓ５θ
【００３６】
次に、電機子巻線ｕ、ｖ、ｗに、駆動インバータによって作られる対称な３相交流電流Ｉが通電される。３相交流電流の基本調波は、たとえば以下のとおりである。但し、基本調波（調波次数ｋ＝１）の振幅を１として表している。なお、ｔは時間、ωは時間角速度である。
【００３７】
Ｉ（ｕ）＝ｓｉｎ  ｋ（ωｔ＋  ０）
Ｉ（ｖ）＝ｓｉｎ  ｋ（ωｔ＋２π／３）
Ｉ（ｗ）＝ｓｉｎ  ｋ（ωｔ＋４π／３）
【００３８】
電機子巻線ｕ、ｖ、ｗに、３相交流電流Ｉを流すことにより、回転子３と固定子１との間の空隙部２１に発生する回転アンペアターンの振幅割合は、以下のとおりである。
【００３９】
ｎ、ｋ組み合わせ                    （ｎθ−ｋωｔ）分の振幅割合
ｎ＝１、ｋ＝１                            ＋１      
ｎ＝４、ｋ＝１                          −０．２５        
【００４０】
ｎ、ｋ組み合わせ                    （ｎθ＋ｋωｔ）分の振幅割合
ｎ＝２、ｋ＝１                        ＋０．５
ｎ＝５、ｋ＝１                          略す
【００４１】
従来の技術においては、回転アンペアターンの振幅の大きい一つ、例えば基本波を選び、それと同数の次数の着磁磁束分布となるように永久磁石を設定し、回転アンペアターンと回転子着磁磁束分布との間の最大負荷角の範囲内でトルクを得ていた。例えば、従来は、ｎ＝１、ｋ（次数）＝１の１組の回転アンペアターンを選び、これに整合する回転子の基本波がｎ＝１の着磁磁束分布となるように永久磁石を設定していた。
【００４２】
本実施の形態は、トルクの増大化を得るため、ｎ＝１、ｋ＝１とｎ＝４、ｋ＝１の２組の回転アンペアターンに整合せしめる回転子に着磁分布を施すことである。
【００４３】
ｎ、ｋの組み合わせについては、色々考えられるが、上記ｎ＝１、ｋ＝１とｎ＝４、ｋ＝１の２組の組み合わせが、最も好ましい。ｎ＝１、ｋ＝１は基本波回転アンペアターン分布であり、ｎ＝４、ｋ＝１は基本波と同一回転方向で同一回転速度をもっているからである。
【００４４】
図３（Ａ）は最大トルク発生点における回転アンペアターン分布の基本波分布１ｆおよび４次調波分布４ｆを示すグラフである。ここで、ｎ＝１、ｋ＝１は１ｆ＝ｃｏｓ（θ−ωｔ）、ｎ＝４、ｋ＝１は４ｆ＝−０．２５ｃｏｓ（４θ−ωｔ）である。
【００４５】
図３（Ｂ）は最大トルク発生点における回転子３の磁束密度分布を示すグラフである。回転アンペアターン分布の基本波分布１ｆおよび４次調波分布４ｆに対応して、回転子３の磁束密度分布の基本波分布１ｆおよび４次調波分布４ｆがある。回転アンペアターン分布と回転子３の磁束密度分布とは、それぞれ１ｆ同士、４ｆ同士が最大トルクの位相差を保って同一スピードで回転している。このことは、以下に示す手段によって、確認される。
【００４６】
即ち、回転アンペアターンと回転子３の磁束分布において、１ｆ同士の位相差及び４ｆ同士の位相差は互いにそれぞれの角度で（π／２）になっている。
【００４７】
ただし１ｆ、４ｆの着磁の状況は不定である。１ｆ＋４ｆは、空隙２１周辺の角度位置にて分布の和をプロットしたものである。着磁の状況は、回転子３を他の手段で回転させ、電機子１に発生する誘起電圧波形を観察することによって確認される。
【００４８】
図３（Ｃ）は回転子３の磁束密度の１ｆ＋４ｆの分布を、空隙２１周辺の永久磁石４１の厚さを加減することにより、近似的に起磁力分布を調整するための永久磁石４１の断面概念図である。図３（Ｃ）において、ハッチング部は後述の磁路ヨーク４２である。
【００４９】
永久磁石４１の厚さの調整は、単位体積当りの永久磁石４１の磁路中の空隙２１による反磁界（ＡＴ／ｍ）と空隙２１における磁束密度（Ｗｂ／ｍ２）の関係と、永久磁石４１の厚さと空隙長の比をパラメータとしたパーミアンス係数とにより、着磁における空隙２１の磁束密度を推察して行う。
【００５０】
以上の構成により、電機子１周辺の回転アンペアターンにおいて回転方向と回転速度が同一の複数の次数の組み合わせを選択し、その極分布と同次数の着磁分布を含むような構成を、回転子３の永久磁石４１の厚さで近似的に構成するため、高エネルギー積の永久磁石を用いることなく、トルク特性を向上させることができる。また、高エネルギー積の永久磁石を用いることにより、さらなるトルク特性を得ることができる。
【００５１】
また、回転子３は、永久磁石４１と二つの磁路ヨーク４２を有している。永久磁石４１は、回転子３に２極対の状態で設けられ、後述する方法により、その厚さが加減されている。二つの磁路ヨーク４２は、図４および図５に示すように、それぞれフォーク形状をなし、回転シャフト５の軸方向から差し込んで、永久磁石４１の肉厚の薄い部分４１ａに接着剤によって組み付けられる。即ち、一方の磁路ヨーク４２は紙面表側から裏側に向かって差し込まれており、他方の磁路ヨーク４２は紙面裏側から表側に向かって差し込まれている。永久磁石４１の面周上に位置する磁路ヨーク４２は、永久磁石４１の同極に跨っている。二つの磁路ヨーク４２は、相互に磁気的に独立した状態で設けられている。永久磁石４１の肉厚の薄い部分４１ａにおける空隙２１の間隔を、肉厚の厚い部分４１ｂにおける空隙２１の間隔と略同一にする。これにより、固定子１と回転子３の間の空隙２１の寸法を一様に保つことができ、固定子１と回転子３の間の空隙２１に安定した回転磁界が発生する。この結果、回転トルクが優れたブラシレスモータを得ることができる。
【００５２】
さらに、磁路ヨーク４２が同極性の永久磁石４１を挟み込んでいるため、永久磁石４１の不均一な肉厚によって生じる、回転による遠心力の不均一を抑えることができる。この結果、遠心力に対する永久磁石４１の耐性が向上し、硬質脆弱な高性能永久磁石を使用することができ、トルクの向上が図れる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明のブラシレスモータの実施の形態を示す断面概念図である。
【図２】（Ａ）は各電機子巻線の位置を示すグラフ、（Ｂ）はｕ相の電機子巻線ターン分布を示すグラフである。
【図３】（Ａ）は最大トルク発生点における回転アンペアターン分布を示すグラフ、（Ｂ）は最大トルク発生点における回転子の磁束密度分布を示すグラフ、（Ｃ）は回転子の磁束密度の１ｆ＋４ｆの分布を永久磁石の厚さを加減することにより、近似的に起磁力分布を調整するための永久磁石の断面概念図である。
【図４】回転子の磁路ヨークを示す斜視概念図である。
【図５】回転子に磁路ヨークを装着した状態を示す概念図である。
【図６】従来のブラシレスモータを示す断面概念図である。
【符号の説明】
【００５４】
１      電機子（固定子）
３      回転子
５      回転シャフト
１１    ヨーク部
１２    ポール部
１３    歯頭部
１４    スロット部
１５    開口部
２１    空隙
４１    永久磁石
４１ａ  肉厚の薄い部分
４１ｂ  肉厚の厚い部分
４２    磁路ヨーク
ｕ、ｖ、ｗ  電機子巻線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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