(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
環状のステータヨークと、前記ステータヨークから外側に向かって突出した複数の外側ティースと、前記ステータヨークから内側に向かって突出した複数の内側ティースと、前記外側ティースおよび前記内側ティースに巻回した巻線とを有したステータと、
シャフトに保持され、外壁に第１の永久磁石を装着し、前記内側ティースに空隙を介して対向し、前記シャフトを中心に回転する第１のロータと、
前記シャフトに保持され、内壁に第２の永久磁石を装着し、前記外側ティースに空隙を介して対向し、前記シャフトを中心に回転する第２のロータとを含み、
前記内側ティースの両端を通る２つの線が前記シャフトの中心に対してなす角度をθｉｎとし、前記外側ティースの両端を通る２つの線が前記シャフトの中心に対してなす角度をθｏｕｔとして、
前記θｉｎが１４０度以上、２１０度未満の電気角であり、かつ前記θｏｕｔが、２１０度を超えて、２９０度以下の電気角であるか、または、前記θｉｎが２１０度を超えて、２９０度以下の電気角であり、かつ前記θｏｕｔが、１４０度以上、２１０度未満の電気角であり、
前記ステータと前記第１のロータとの間に存在する第１のコギングトルクの位相に対して、前記ステータと前記第２のロータとの間に存在する第２のコギングトルクの位相を反転させて、
かつ、前記ステータと前記第１のロータとの間に発生する第１のトルクリプルの位相に対して、前記ステータと前記第２のロータとの間に発生する第２のトルクリプルの位相を反転させて、モータ全体のコギングトルクおよびトルクリプルを低減させたモータ。
【請求項２】
前記第１の永久磁石を構成する磁石片の数と、前記内側ティースが形成する内側スロットの数との組み合わせパターンと、
前記第２の永久磁石を構成する磁石片の数と、前記外側ティースが形成する外側スロットの数との組み合わせパターンとが異なる請求項１記載のモータ。
【請求項３】
前記外側ティースの外側スロットの数と前記内側ティースの内側スロットの数とが同数に設定され、
前記外側ティースおよび前記内側ティースに巻線を巻回する代わりに、前記各内側スロットとそれに対応する前記各外側スロットとの間の前記ステータヨークの各部分にトロイダル巻線を施した請求項１記載のモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は家電機器などに搭載されるモータに関する。特に、１つのステータに対して２つのロータを有するモータ構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば日本特許出願特開平１１−２３４９３０号公報に開示されるように、コギングトルクやトルクリプルの低減を行うために、ロータに装着した磁石を円弧状に削るなどして空隙磁束密度の高調波成分の低減を行ったり、磁極数とスロット数との組み合わせによる磁気回路的な検討が行われてきた。
【０００３】
そして、コギングトルクとトルクリプルを低減させる手法として、例えばロータマグネットの着磁またはステータコアの積層にスキューを施す手段、ロータに装着した磁石を円弧状に削る手段、ベベリング等によってステータ形状に加工を施す手段などがあるが、このような手段を用いた場合、モータのトルク定数が低下してしまうという課題があった。
【発明の開示】
【０００４】
本発明のモータは、ステータと第１のロータと第２のロータとを含む。ステータは、環状のステータヨークと、ステータヨークから外側に向かって突出した複数の外側ティースと、ステータヨークから内側に向かって突出した複数の内側ティースと、外側ティースおよび内側ティースに巻回した巻線とを有する。また、第１のロータは、シャフトに保持され、外壁に第１の永久磁石を装着し、内側ティースに空隙を介して対向し、シャフトを中心に回転する。第２のロータは、同シャフトに保持され、内壁に第２の永久磁石を装着し、外側ティースに空隙を介して対向し、同シャフトを中心に回転する。そして、ステータと第１のロータとの間に存在する第１のコギングトルクの位相に対して、ステータと第２のロータとの間に存在する第２のコギングトルクの位相を反転させる。かつ、ステータと第１のロータとの間に発生する第１のトルクリプルの位相に対して、ステータと第２のロータとの間に発生する第２のトルクリプルの位相を反転させる。こうして、本発明のモータは、モータ全体のコギングトルクおよびトルクリプルを低減させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。
【０００６】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１に係るモータの説明図である。図１を用いて、本実施の形態１の主要構成について説明する。
【０００７】
図１において、本実施の形態１のモータは、ステータ１０と第１のロータ２０と第２のロータ３０とを含む。ステータ１０は、環状のステータヨーク１４と、ステータヨーク１４から外側に向かって突出した複数の外側ティース１２と、ステータヨーク１４から内側に向かって突出した複数の内側ティース１３と、外側ティース１２および内側ティース１３に巻回した巻線（図示せず）とを有する。また、第１のロータ２０は、シャフト６０に保持され、外壁に第１の永久磁石４１を装着し、内側ティース１３に空隙を介して対向し、シャフト６０を中心に回転する。第２のロータ３０は、シャフト６０に保持され、内壁に第２の永久磁石４２を装着し、外側ティース１２に空隙を介して対向し、シャフト６０を中心に回転する。そして、ステータ１０と第１のロータ２０との間に存在する第１のコギングトルクの位相に対して、ステータ１０と第２のロータ３０との間に存在する第２のコギングトルクの位相を反転させる。かつ、ステータ１０と第１のロータ２０との間に発生する第１のトルクリプルの位相に対して、ステータ１０と第２のロータ３０との間に発生する第２のトルクリプルの位相を反転させる。こうして、本実施の形態１のモータは、モータ全体のコギングトルクおよびトルクリプルを低減させることができる。
【０００８】
次に、図１に示す本実施の形態１に係るモータについて、さらに詳細に説明する。
【０００９】
図２は、図１に示すモータの構成において、内側ティースの開角と外側ティースの開角とを同じ角度をもって変化させた場合のコギングトルクおよびトルクリプルの周期、および平均トルクを示す図、図３は、図２に示すコギングトルクの周期を第１のロータ（内側ロータ）と第２のロータ（外側ロータ）とに分解して示した図、図４は、図２に示すトルクリプルの周期を第１のロータ（内側ロータ）と第２のロータ（外側ロータ）とに分解して示した図、図５は、第１のロータ（内側ロータ）と第２のロータ（外側ロータ）のそれぞれにおける、平均トルクとティース開角との関係を示す図、図６は、図１に示すモータにおける第１のロータ、第２のロータおよびモータとしてのトータルのそれぞれのコギングトルクを示す図、図７は、図１に示すモータにおける第１のロータおよび第２のロータのそれぞれのトルクリプルを示す図であり、図８は本発明の実施の形態１に係るモータにおける、内側ティース開角および外側ティース開角の説明図である。
【００１０】
図１および図８において、ステータコア１１は、環状のステータヨーク１４と、ステータヨーク１４から外側に向かって突出した複数の外側ティース１２と、ステータヨーク１４から内側に向かって突出した複数の内側ティース１３とから形成される。複数の外側ティース１２のそれぞれの間には外側スロット１５が形成されている。複数の内側ティース１３のそれぞれの間には内側スロット１６が形成されている。外側ティース１２および内側ティース１３には巻線（図示せず）が巻回されている。こうして、ステータ１０は、環状のステータヨーク１４と、外側ティース１２と、内側ティース１３と、外側ティース１２および内側ティース１３に巻回した巻線（図示せず）とによって構成されている。
【００１１】
第１のロータ（内側ロータ）２０は、ステータ１０の内側に僅かな空隙を介して対向し、シャフト６０を中心として回転自在に保持されている。第２のロータ（外側ロータ）３０は、ステータ１０の外側に僅かな空隙を介して対向し、シャフト６０を中心として回転自在に保持されている。
【００１２】
第１のロータ２０の外壁には、第１の永久磁石４１が装着されている。第１の永久磁石４１は、２０個の磁石片から構成されている。これら磁石片は、Ｎ極、Ｓ極が交互に環状に配設されている。こうして、第１のロータ２０の磁極数は２０極である。
【００１３】
また、第２のロータ３０の内壁には、第２の永久磁石４２が装着されている。第２の永久磁石４２は、２０個の磁石片から構成されている。これら磁石片は、Ｎ極、Ｓ極が交互に環状に配設されている。こうして、第２のロータ３０の磁極数は２０極である。すなわち、第１のロータ２０、第２のロータ３０とも同じ磁極数であり２０極である。
【００１４】
一方、ステータ１０において、複数の外側ティース１２のそれぞれの間には外側スロット１５が形成されている。外側スロット１５のスロット数は１２である。複数の内側ティース１３のそれぞれの間には内側スロット１６が形成されている。内側スロット１６はスロット数も１２である。すなわち、外側スロット１５、内側スロット１６とも同じスロット数であり、１２スロットである。
【００１５】
上記のように本実施の形態１のモータでは、第１のロータ２０の極数および第２のロータ３０の極数は２０極であり、かつ、ステータ１０のスロット数を１２としている。なお、この場合には、スロット間隔は、図８に示すように、機械角では３０度であり、電気角では３００度となる。また、図８において、内側ティース１３の開角θｉｎは、各内側ティース１３の両端を通る２つの線がシャフト６０の中心に対してなす角度である。また、外側ティース１２の開角θｏｕｔは、各外側ティース１２の両端を通る２つの線がシャフト６０の中心に対してなす角度である。
【００１６】
図２は、本実施の形態１に係るモータの構成において、内側ティース１３の開角θｉｎと外側ティース１２の開角θｏｕｔとを同じ角度をもって変化させた場合のコギングトルク、トルクリプルおよび平均トルクの波高値の周期を示す。図２における横軸のティース開角θｅは、内側ティース１３の開角θｉｎと外側ティース１２の開角θｏｕｔを変化させた場合の電気角度である。
【００１７】
また、図３は図２に示すコギングトルクの波高値の周期を第１のロータ（内側ロータ）２０と第２のロータ（外側ロータ）３０とに分解して示している。図４は、図２に示すトルクリプルの波高値の周期を第１のロータ（内側ロータ）２０と第２のロータ（外側ロータ）３０とに分解して示している。
【００１８】
これら図３および図４から明らかなように、第１のロータ２０、第２のロータ３０のコギングトルクおよびトルクリプルは、極大点および極小点を持つ波形となる。極小点は、ティース開角θｅが例えば２１０度近傍である。極大点は、ティース開角θｅが例えば２５０度近傍である。
【００１９】
図３および図４において、範囲Ａと範囲Ｂとの境界、例えばティース開角θｅが２１０度近傍が位相変極点となる。同図中のＣ点は第２のロータ（外側ロータ）のティース開角として設定される約２００度、Ｄ点は第１のロータ（内側ロータ）のティース開角として設定される約２５０度を示す。
【００２０】
図５は、第１のロータ（内側ロータ）２０と第２のロータ（外側ロータ）３０とのそれぞれにおいて、コギングトルクの波高値およびトルクリプルの波高値をそれぞれ双方の位相が反転するポイントのティース開角を選択した場合の平均トルクとティース開角との関係を示す図である。
【００２１】
図５から明らかであるように、第１のロータ（内側ロータ）２０および第２のロータ（外側ロータ）３０の平均トルクは、ティース開角θｉｎおよびθｏｕｔが約１４０度から約２９０度の範囲内で選定することが好ましい。これは、この約１４０度から約２９０度範囲外となると、平均トルクは極端に低減し、高トルクを維持することができなくなるためである。
【００２２】
したがって、コギングトルクおよびトルクリプルそれぞれ双方の位相が反転するポイントでティース開角を選択することで、高いトルク定数を維持したまま、トータルのコギングトルクおよびトルクリプルを最小にすることが可能である。
【００２３】
例えば、第１のロータ２０に関して図３および図４に示す範囲Ａ内のティース開角としたのであれば、第２のロータ３０に関して図３および図４に示す範囲Ｂ内のティース開角とすれば、高いトルク定数を維持したまま、トータルのコギングトルクおよびトルクリプルを最小にすることが可能である。
【００２４】
逆に、第１のロータ２０に関して図３および図４に示す範囲Ｂ内のティース開角としたのであれば、第２のロータ３０に関して図３および図４に示す範囲Ａ内のティース開角とすれば、高いトルク定数を維持したまま、トータルのコギングトルクおよびトルクリプルを最小にすることが可能である。
【００２５】
本実施の形態１においては、具体的には、内側ティース１３を範囲Ｂ内のティース開角すなわちＤ点の約２５０度に設定し、外側ティース１２を範囲Ａ内のティース開角すなわちＣ点の約２００度に設定すればよい。このように、各内側ティースの開角と各外側ティースの開角とを所定の値、すなわち、例えば、それぞれ約２５０度と約２００度に設定すればよい。
【００２６】
こうして、例えば、第２のロータ３０のティース開角θｏｕｔを範囲Ａ内で縦軸の値が０．８［Ｎ・ｍ］となる値に設定し、第１のロータ２０のティース開角θｉｎを範囲Ｂ内で縦軸の値が０．８［Ｎ・ｍ］となる値に設定する。
【００２７】
ここで、トータルのコギングトルクおよびトルクリプルを最小化する上で、可能な限り振幅の小さい範囲内で位相の反転するポイントを選択するとよい。
【００２８】
このように選択すれば、組み合わせの精度が悪い場合でも、その精度の悪さがトータルのコギングトルクおよびトルクリプルに与える影響を小さく抑えることができる。
【００２９】
また、可能な限りトルク定数（平均トルク）が高い範囲内に対応するティース開角を選択するとよい。このように選択すれば、出力を向上させたまま、トータルのコギングトルクおよびトルクリプルを低減することができる。
【００３０】
また、組み立て精度による誤差から、位相の変わる変極点（極小点）付近、すなわち図３および図４における例えば約２１０度はできるだけ避けるべきである。これは、変極点（極小点）付近に対応するティース開角を選択すると、トルク定数（平均トルク）の正負の向きが反転するため、変極点（極小点）付近において第１のロータ２０と第２のロータ３０とで同じ向きのコギングトルクおよびトルクリプルの影響を受けることにより、トータルのコギングトルクおよびトルクリプルがかえって増幅されてしまうことを防止するためである。こうした理由により、Ｃ点は位相の変わる約２１０度を避けて約２００度に設定している。
【００３１】
図６は、第１のロータ（内側ロータ）２０と第２のロータ（外側ロータ）３０とのコギングトルクにおいて、それぞれ双方の位相が反転するポイントでティース開角を選択した場合の、トータルのコギングトルクを示す図である。また、図７は第１のロータ（内側ロータ）２０と第２のロータ（外側ロータ）３０とのトルクリプルにおいて、それぞれ双方の位相が反転するポイントでティース開角を選択した場合の、トータルのトルクリプルを示す図である。具体的には第１のロータ（内側ロータ）２０はＤ点すなわち約２５０度、第２のロータ（外側ロータ）３０はＣ点すなわち約２００度を選択した場合である。
【００３２】
図６および図７から明らかなように、図３および４に示すように第１のロータ２０と第２のロータ３０それぞれのロータとステータとの位置関係によって生じたコギングトルクおよびトルクリプル周期は、互いに相殺されて最小となることがわかる。
【００３３】
なお、上記構成で外側スロット１５または内側スロット１６のいずれか一方に巻線の巻かれていない構造、すなわち、外側ティース１２または内側ティース１３のいずれか一方に巻線の巻かれていない構造を有するモータでも同様の効果が得られる。
【００３４】
（実施の形態２）
図９は、本発明の実施の形態２に係るモータの説明図である。図９において、本実施の形態２のモータは、上記実施の形態１の主要構成を有するとともに、第１の永久磁石４１を構成する磁石片の数と、内側ティース１３が形成する内側スロット４６の数との組み合わせパターンと、第２の永久磁石４２を構成する磁石片の数と、外側ティース１２が形成する外側スロット４５の数との組み合わせパターンとが異なる構成を有するものである。
【００３５】
すなわち「第１の永久磁石４１を構成する磁石片の数は４０であり、内側ティース１３が形成する内側スロット４６の数は２４である」という組み合わせパターンである。一方、「第２の永久磁石４２を構成する磁石片の数は２０であり、外側ティース１２が形成する外側スロット４５の数は１２である」いう組み合わせパターンである。このように互いの組み合わせパターンが異なる構成である。
【００３６】
この構成により、内側または外側のうちいずれか一方のコギングトルクとトルクリプルの周期（脈動数）を変えることができる。このため、全体的に、コギングトルクおよびトルクリプルの低減を行うことが可能である。
【００３７】
なお、第２のロータ３０のコギングトルクをＴｏ−ｃｏｇとし、第１のロータ２０のコギングトルクをＴｉ−ｃｏｇとしたとき、モータのトータルのコギングトルクＴｃｏｇは（数１）で表される。
【００３８】
【数１】
0004849071.tif 000002
【００３９】
モータのコギングトルクＴｃｏｇは、Ｔｉ−ｃｏｇとＴｏ−ｃｏｇの合計で表される。したがって、Ｔｉ＝Ｔｏ＝Ｔで、かつ、位相が反転するＴｉ−ｃｏｇとＴｏ−ｃｏｇの組み合わせにすることで、（数２）に示すように、コギングトルクＴｃｏｇ＝０とすることが可能である。
【００４０】
【数２】
0004849071.tif 000003
【００４１】
なお、（数１）および（数２）において、Ｔｃｏｇはモータのコギングトルク、Ｔｉ−ｃｏｇは内側ロータのコギングトルク、Ｔｏ−ｃｏｇは外側ロータのコギングトルク、Ｔｉは内側ロータのコギングトルク振幅、Ｔｏは外側ロータのコギングトルク振幅、Ｎはスロット数と極数の最小公倍数、θはロータ位置（回転角度）、ΦはＴｉ−ｃｏｇとＴｏ−ｃｏｇとの位相差を示す。
【００４２】
（実施の形態３）
図１０は、本発明に係るモータを構成するステータ１０およびステータコア１１のステータヨーク１４部分に巻回されるトロイダル巻線５０を示す斜視図である。図１０において、本実施の形態３のモータは、上記実施の形態１の主要構成を有するとともに、外側ティース１２の外側スロット５５の数と、内側ティース１３の内側スロット５６の数とが同数に設定されている。そして、実施の形態１において外側ティース１２および内側ティース１３に巻線を巻回する代わりに、各内側スロット５６とそれに対応する各外側スロット５５との間のステータヨーク１４の各部分にトロイダル巻線５０を施した構成を有するものである。
【００４３】
本実施の形態３のモータにおいては、上記実施の形態１のものと同様の効果が期待できるとともに、ステータヨーク１４にトロイダル巻線５０を施していることにより、ラジアル力が小さいという特性と、コイルエンドが大きいという特性とを併せ持つことができる。その結果、さらに低騒音および低振動を実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明のモータは、例えば家電機器などに使用され、低騒音および低振動を求められる用途に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の実施の形態１に係るモータの説明図
【図２】図１に示すモータの構成において、内側ティースの開角と外側ティースの開角とを同じ角度をもって変化させた場合のコギングトルクおよびトルクリプルの周期、および平均トルクを示す図
【図３】図２に示すコギングトルクの周期を第１のロータと第２のロータとに分解して示した図
【図４】図２に示すトルクリプルの周期を第１のロータと第２のロータとに分解して示した図
【図５】第１のロータと第２のロータのそれぞれにおける、平均トルクとティース開角との関係を示す図
【図６】図１に示すモータにおける第１のロータ、第２のロータおよびモータとしてのトータルのそれぞれのコギングトルクを示す図
【図７】図１に示すモータにおける第１のロータおよび第２のロータのそれぞれのトルクリプルを示す図
【図８】本発明の実施の形態１に係るモータにおける、内側ティース開角および外側ティース開角の説明図
【図９】本発明の実施の形態２に係るモータの説明図
【図１０】本発明の実施の形態３に係るモータの説明図
【符号の説明】
【００４６】
１０    ステータ
１１    ステータコア
１２    外側ティース
１３    内側ティース
１４    ステータヨーク
１５，４５，５５    外側スロット
１６，４６，５６    内側スロット
２０    第１のロータ（内側ロータ）
３０    第２のロータ（外側ロータ）
４１    第１の永久磁石
４２    第２の永久磁石
５０    トロイダル巻線
６０    シャフト
【図１】
0004849071.tif 000004
【図２】
0004849071.tif 000005
【図３】
0004849071.tif 000006
【図４】
0004849071.tif 000007
【図５】
0004849071.tif 000008
【図６】
0004849071.tif 000009
【図７】
0004849071.tif 000010
【図８】
0004849071.tif 000011
【図９】
0004849071.tif 000012
【図１０】
0004849071.tif 000013