(57)【要約】【課題】ロータコアを軸方向に複数段に分割して、各段を円周方向にすらせて結合することにより多段スキュー構造としたロータにおいて、段数とずらし角とを的確に関連づけてコギングトルクを有効に低減するとともに逆起電力の発生を抑制した磁石界磁型回転電気機器を提供する。【解決手段】ロータ軸上に装着したロータコア１を軸方向にｎ段に分割し、各コア分割体１ａ，１ｂ，１ｃは、軸回りにθ°ずつずらせて装着した磁石界磁型回転電機機器であって、前記ずらし角θは、スロット数と極数の最小公倍数をＡとすると、θ＝３６０°／（Ａ×ｎ）である。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータ軸上に装着したロータコアを軸方向にｎ段に分割し、各コア分割体は、軸回りにθ°ずつずらせて装着した磁石界磁型回転電機機器であって、
前記ずらし角θは、スロット数と極数の最小公倍数をＡとすると、
θ＝３６０°／（Ａ×ｎ）
であることを特徴とする磁石界磁型回転電機機器。
【請求項２】
ｎ≧３であることを特徴とする請求項１に記載の磁石界磁型回転電気機器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動モータや発電機等の磁石界磁型回転電気機器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ロータ軸上にロータコアを固定し、このロータコア表面或いは表層部に複数の永久磁石を装着したロータと、該ロータの永久磁石に対向するコイルを備えたステータとからなる回転電気機器において、低騒音で低振動の円滑な回転を図るためにコギングトルクを低減させることが有効である。コギングトルクはコイルに対向する複数の永久磁石の境界部や配設形態に関連して発生する。このようなコギングトルクとともに回転に伴う逆起電力波形の歪みの発生を小さくすることによりさらにモータ特性の向上が図られる。
【０００３】
コギングトルクの低減を図った直流モータ構造が、例えば特許文献１〜３に記載されている。
【０００４】
特許文献１（特開平１１−１３６８８６号公報）のモータは、永久磁石を斜めにスキューさせたものであり、隙間を有する複数の略円弧状の永久磁石セグメントから構成されている界磁部において、永久磁石セグメントの間の境界と交差するスキュー角度を、交差しないスキュー角度よりも小さく設定している。
【０００５】
特許文献２（特開２００１−３５９２６６号公報）のモータは、ロータを軸方向に複数分割し、分割されたロータが其々のコギングトルクに関して１／２周期に相当する機械角度分を軸周りにずらして構成している。
【０００６】
特許文献３（特開２０００−３０８２８７号公報）のモータは、ロータコアを複数個のブロックに分割し、各ブロックを回転方向にずらして構成するロータにおいて、ブロック間に非磁性体からなる薄板を挟み込んで一体化している。
【０００７】
しかしながら、特許文献１の構成では、スキュー角度を変えて精度よく着磁する作業が難しく、また逆起電力波形の歪みの抑制について考慮していない。
【０００８】
特許文献２の構成は、ロータを軸方向に単に２分割してコギングトルクの１／２周期分をずらしたものであり、さらに多段に分割して段数に応じてずらし角を適正に定めることはできず、実際に有効なコギングトルクの低減を図ることはできない。また、逆起電力波形の歪みの抑制について考慮していない。
【０００９】
特許文献３の構成は、ロータコアの分割ブロック間での漏れ磁束を防止するものであり、分割段数に応じたずらし角度が的確に定まらず実際に有効なコギングトルクの低減を図ることはできない。また、この文献技術も逆起電力波形の歪みの抑制について考慮していない。
【００１０】
【特許文献１】
特開平１１−１３６８８６号公報
【特許文献２】
特開２００１−３５９２６６号公報
【特許文献３】
特開２０００−３０８２８７号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記従来技術を考慮したものであって、ロータコアを軸方向に複数段に分割して、各段を円周方向にずらせて結合することにより多段スキュー構造としたロータにおいて、段数とずらし角とを的確に関連づけてコギングトルクを有効に低減するとともに逆起電力波形の歪みの発生を抑制した磁石界磁型回転電気機器の提供を目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明では、ロータ軸上に装着したロータコアを軸方向にｎ段に分割し、各コア分割体は、軸回りにθ°ずつずらせて装着した磁石界磁型回転電機機器であって、前記ずらし角θは、スロット数と極数の最小公倍数をＡとすると、θ＝３６０°／（Ａ×ｎ）であることを特徴とする磁石界磁型回転電機機器を提供する。
【００１３】
この構成によれば、複数段のコア分割体からなる多段スキュー構造のロータにおいて、分割段数ｎに対応して各コア分割体のずらし角θを適正に定めてコギングトルクを低減できる。また、この分割段数ｎに対応したずらし角θとすることにより逆起電力波形の歪みの発生が抑制される。このことは実験で確認された。
【００１４】
好ましい構成例では、ｎ≧３であることを特徴としている。
この構成によれば、ロータコアを３段以上に分割することにより、コギングトルクをほぼ最大限まで低減できるとともに、逆起電力波形の歪みについてもほぼ最大限まで抑制することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係る３段スキューのロータコアの分解斜視図である。
このロータコア１は、軸Ｃ方向に沿って３分割された３個の円筒状のコア分割体１ａ，１ｂ，１ｃからなる。各コア分割体１ａ，１ｂ，１ｃは積層鋼板からなり、周縁部に例えば１２個の同一形状の平板状永久磁石２を均等に埋め込んだものであって、等配ＩＰＭ型３段スキューのロータを構成する。３は、ロータ軸（不図示）が挿通する軸孔である。各コア分割体１ａ，１ｂ，１ｃは、キー溝３ａに嵌合するキー（不図示）を介してロータ軸に対し一体的に固定される。各コア分割体１ａ，１ｂ，１ｃは、順に円周方向に矢印Ｄのようにずらし角θだけずれている。例えば、一番上のコア積層体１ａにおいて、基準位置（例えばキー溝３ａ）からの角度がαの永久磁石２ａに関し、２番目のコア分割体１ｂでは、対応する永久磁石２ｂがずらし角θだけずれて装着され、さらに一番下のコア分割体１ｃでは、対応する永久磁石２ｃがずらし角２θだけずれている。
【００１６】
図２は、ずらし角θの説明図である。
１つの分割スキューを構成する３段の磁石２ａ，２ｂ，２ｃは、図示したように、θ＝３．３３°ずつずれている。図１の例において、モータが１２極１８スロット、すなわちロータ側の永久磁石が１８個あり、これに対向してステータ側に１８個のスロットを通して１８個のコイルが設けられているモータであるとすると、コギングトルクの１周期Ｔは、
Ｔ＝３６０°／（スロット数と極数の最小公倍数）＝３６０°／１８＝１０°となる。
【００１７】
３段スキューの場合には、この周期Ｔを３等分して、
１０°／３＝３．３３°
となる。
すなわち、スロット数と極数の最小公倍数をＡとし、ロータコアの分割段数をｎとすると、ずらし角θは、
θ＝３６０°／（Ａ×ｎ）
となる。
【００１８】
図３は、３段スキューの実施例の効果を示すグラフである。（Ａ）は、ロータコアを分割していないスキューなしの１段のロータのグラフであり、（Ｂ）は、３段スキューのロータのグラフである。
【００１９】
（Ａ）の場合、１０°ごとにコギング波形の周期が繰り返され、波形の上下の幅（ｐｅａｋ  ｔｏ  ｐｅａｋ）は０．０６２Ｎｍである。この上下の幅がコギングトルクの強度に対応する。
【００２０】
（Ｂ）の場合、３つに分割された各コア分割体から点線で示すａ，ｂ，ｃの波形が表れる。この点線波形ａ，ｂ，ｃは３．３３°ずつずれ、それぞれ１０°ごとの周期をもつ。これらの波形ａ，ｂ，ｃを組合わせると（ａ＋ｂ＋ｃ）、実線で示すロータ全体の波形ｄが得られる。コギングトルクの強度に対応するこの波形ｄの上下の幅（ｐｅａｋ  ｔｏ  ｐｅａｋ）は、０．０１３Ｎｍである。すなわち、３段スキューにすることにより、コギングトルが大幅に小さくなることが分かる。
【００２１】
図４は、図３で示したコギング波形の解析手法を示す。
この解析は、離散的フーリエ変換（ＤＦＴ）による周波数分析を行ったものである。（Ａ）は、ロータコアを分割していないスキューなしの１段のロータのグラフであり、（Ｂ）は、３段スキューのロータのグラフである。
【００２２】
（Ａ）の場合、コギング波形の１周期をＤＦＴ解析すると、各次数（横軸）でコギングが表れる。１段の場合はこれらの各次数でのコギングが全て合計されて全体のコギングトルクとなる（後述の図５〜図７参照）。
【００２３】
（Ｂ）の場合、３次、６次、９次、・・・と３次の倍数の次数でのコギングだけが表れ、他の次数のコギングは分割されたコギング波形同士で相殺されて消える。このため、３段スキュー全体のコギングが低減する（後述の図８〜図１０参照）。
【００２４】
図５〜図７は、上記図４（Ａ）の１段ロータをフーリエ解析した場合の各次数でのコギングの正弦波モデル波形を示す。
図示したように、１〜１２次の各次数において、コギングが表れる。この各次数でのコギング波形が前述の図４（Ａ）のグラフの各次数でのコギングに対応する。
【００２５】
図８〜図１０は、上記図４（Ｂ）の３段スキューロータをフーリエ解析した場合の各次数でのコギング正弦波モデル波形を示す。
図示したように、３次の倍数以外の１，２，４，５，７，８，１０，１１次では、３つに分割された波形（細い線）が足し合わされると相殺されて、太い実線で示すように、ゼロになる。一方、３次、６次、９次、１２次では、分割された波形（細い線）が３つとも重なるため、これらを合計すると３倍の大きさの太い実線として表れる。このため、３の倍数の次数でコギングが表れる。このコギングが前述の図４（Ｂ）のグラフでの３の倍数の次数でのコギングに対応する。
【００２６】
図１１は、逆起電力（Ｂａｃｋ  ＥＭＦ）の波形を示す。（Ａ）はスキューなしの１段ロータのグラフであり、（Ｂ）は３段スキューのロータのグラフである。
（Ａ）の場合、波形の歪が大きく、正弦波形から大きく歪んで逆起電力の歪率（Ｔ．Ｈ．Ｄ）が７．１８６％と大きくなっている。
【００２７】
（Ｂ）の場合、太い実線で示す３段スキューの波形は、上記（Ａ）の波形に比べ正弦波形に近い形状になり、逆起電力の歪率（Ｔ．Ｈ．Ｄ）が１．４２９％と大きく低減している。
【００２８】
図１２〜図１４は、本発明の別の実施形態に係る６段スキューのロータ構造を示す。図１２は、全体の組立て断面図である。図１３は、各段ごとのコア分割体の平面図である。図１４は、２段ごとに重ね合わせた状態（ａ〜ｅ）及び６段を重ねた状態（ｆ）のコア分割体の平面図である。
【００２９】
ロータ軸５上に６分割されたロータコア７が一体的に固定される。ロータコア７は、６個のコア分割体７ａを通しリベット８で結合したものである。各コア分割体７ａは、積層鋼板からなり小リベット９でそれぞれ結合される。隣接する段の小リベット９同士はずれた位置に設けられ、リベット位置の相手側のコア分割体にはリベットの頭を逃げるルーズ孔１０が形成される。
【００３０】
各コア分割体７ａの周縁部には１２個のマグネット収容孔１１が形成され、例えば平板状の永久磁石（不図示）が差し込まれて保持される。このロータコア７の外周にステータ（不図示）が備わり、例えば直流モータを構成する。不図示のステータは、ロータの外周に放射状に設けた例えば１８スロットのステータコアを有し、各スロットを通して１８個のコイルが形成される。各コイルの磁極面はロータ側の永久磁石に対向して配設される。これにより、１８スロット１２極の直流モータが形成される。
【００３１】
各コア分割体７ａには、図１３に示すように、６段全体を結合する通しリベット８用の挿通孔８ａと、各段ごとに積層鋼板を結合する小リベット９用の挿通孔９ａと、隣接する段の小リベット９の頭を逃げるルーズ孔１０がそれぞれ３本ずつ形成される。
【００３２】
挿通孔８ａを挿通する通しリベット８の位置を固定すると、図１３に示すように、各コア分割体７ａの永久磁石（マグネット収納孔１１）の位置は、各段ごとに１．６６７°ずつ反時計方向にずれている。したがって、図１４（ａ）〜（ｅ）のように、２段ずつ重ねてみるとマグネット収納孔１１がずれている。
【００３３】
このずらし角θは、前述のように、θ＝３６０°／（Ａ×ｎ）から求められる。この例では、Ａ（スロット数と極数の最小公倍数）＝３６であり、ｎ（分割段数）＝６であるから、θ＝３６０°／（３６×６）＝１．６６７°となる。
【００３４】
図１５は、コギングトルクとスキュー段数との関係を示すグラフである。
図示したように、３段以上にすることにより、ほぼ最大限までコギングトルクを減少させることができる。
【００３５】
図１６は、速度起電力（逆起電力）の歪率ＴＨＤとスキュー段数との関係を示すグラフである。
図示したように、３段以上にすることにより、ほぼ最大限まで逆起電力の歪率を低減させることができる。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、複数段のコア分割体からなる多段スキュー構造のロータにおいて、分割段数ｎに対応して各コア分割体のずらし角θを適正に定めてコギングトルクを低減できる。また、この分割段数ｎに対応したずらし角θとすることにより逆起電力の発生が抑制される。
【００３７】
すなわち、このｎ段スキュー構造では、１周期分のコギング波形のうちｎ次倍成分以外の高調波が相殺されて消えるため、コギングトルクが大幅に減少する。また、逆起電力の歪率が低下し、起電力波形を正弦波形に近づけることができ、トルクリップルを低減し、良質のトルク特性で振動や騒音の発生を抑制し、運転性能の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る３段スキューのロータコアの分解斜視図。
【図２】ずらし角θの説明図。
【図３】図１及び図２の実施例の効果を示すグラフ。
【図４】図３で示したコギング波形の解析手法を示す説明図。
【図５】１段ロータをフーリエ解析した場合の１〜４次のコギング正弦波モデル波形を示すグラフ。
【図６】１段ロータをフーリエ解析した場合の５〜８次のコギング正弦波モデル波形を示すグラフ。
【図７】１段ロータをフーリエ解析した場合の９〜１２次のコギング正弦波モデル波形を示すグラフ。
【図８】３段スキューロータをフーリエ解析した場合の１〜４次のコギング正弦波モデル波形を示すグラフ。
【図９】３段スキューロータをフーリエ解析した場合の５〜８次のコギング正弦波モデル波形を示すグラフ。
【図１０】３段スキューロータをフーリエ解析した場合の９〜１２次のコギング正弦波モデル波形を示すグラフ。
【図１１】逆起電力についての本発明の効果を示すグラフ。
【図１２】本発明に係る６段スキューロータの断面図。
【図１３】図１２のロータのコア分割体のずらし角の説明図。
【図１４】図１２のロータのコア分割体を重ね合わせた状態の平面図。
【図１５】コギングトルクとスキュー段数との関係を示すグラフ。
【図１６】逆起電力とスキュー段数との関係を示すグラフ。
【符号の説明】
１：ロータコア、１ａ，１ｂ，１ｃ：コア分割体、
２，２ａ，２ｂ，２ｃ：永久磁石、３：軸孔、５：ロータ軸、７：ロータコア、
７ａ：コア分割体、８：通しリベット、９：小リベット、１０：ルーズ孔、
１１：マグネット収納孔。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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