(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久磁石が装着されたロータと複数のスロットを有するステータとで構成されるブラシレスDCモータであって、該ロータ軸孔の中心を基準とする所定の開角で設定されたロータの有効磁極と該有効磁極内に施された磁極凸部とを有し、前記有効磁極によって生ずるコギングトルクと前記磁極凸部によって生ずるコギングトルクが互いに逆相になるよう其々の開角が設定されているブラシレスDCモータに於いて、相隣り合うロータの磁極の有効磁極同士と磁極凸部同士のコギングトルクが互いに逆相になるよう其々の開角が設定されていることを特徴とする低コギングのブラシレスDCモータ。
【請求項２】
永久磁石が装着されたロータと複数のスロットを有するステータとで構成されるブラシレスDCモータであって、該ロータ軸孔の中心を基準とする所定の開角で設定されたロータの有効磁極と該有効磁極内に施された磁極凸部とを有し、前記有効磁極によって生ずるコギングトルクと前記磁極凸部によって生ずるコギングトルクが互いに逆相になるよう其々の開角が設定されているブラシレスDCモータに於いて、前記ブラシレスDCモータの同一磁極において、有効磁極同士と磁極凸部同士のコギングトルクが互いに逆相になるよう其々の開角が設定されているブロックロータを軸方向に複数組合せたことを特徴とする低コギングのブラシレスDCモータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はブラシレスDCモータのコギングトルクの低減に関するものであり、安定且つ容易にコギングトルクを低減させるブラシレスDCモータを提供するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来この種のブラシレスDCモータ（もしくは、「モータ」と略す。）のコギングトルク低減対策としてロータ磁極開角内に有効磁極を施し該有効磁極内に更に磁極凸部を施し、有効磁極と磁極凸部によって生ずるコギングトルクが互いに逆相になるよう其々の開角を設定することで大きな効果を上げている。
【０００３】
従来例の動作について図７の展開図を用いて説明する。スロット数が２４スロットのステータと、永久磁石を有した４極のロータが、ギャップを介して面対向になった展開図である。但し、巻線については図を見易くするために省略してある。図中の１はステータコア、２はロータコア、３は永久磁石、４は永久磁石３が収納された残りの空孔であり、永久磁石部以外は空気となるが非磁性材を充填してもよい。Ｓ１〜Ｓ１２はステータ１のティースを表す。ロータ２の其々の磁極は該磁極の展開方向に於いて中央に磁極凸部が施されておりその端部を磁極凸部の端部領域Ｒ１、Ｒ２及びＲ５、Ｒ６で示してある。又、磁極凸部と同じように磁極の展開方向に中央となるよう永久磁石３が配され、凸部より広い幅で有効磁極が設定され該有効磁極の端部領域もＲ３、Ｒ４及びＲ７、Ｒ８で示してある。
【０００４】
該図の左側は第１磁極で右側が第２磁極で両磁極は全く同一である。ステータは２４スロットでロータが４極のモータであるのでロータの磁極当りに対向するステータのティースは６ヶ分となる。ロータの第１磁極では磁極凸部の左端がティースＳ２の左端に対向して揃えられた時、該磁極凸部が４ヶのティース数に対向するよう右端がティースＳ５の右端に対向して揃えられている。当該磁極の有効磁極に関しては磁極凸部よりステータのスロット開口部に相当する幅分左右に其々開いた広さに設定されており、結果として有効磁極の左端はティースＳ１の右端に対向し、当該有効磁極の右端はティースＳ６の左端に対向する。第２磁極に関しても全く同様である。
【０００５】
図７に示したロータとステータとの相対的な位置関係により発生するコギングトルクは、ロータ磁極から発する磁束がギャップを介してステータのティースに鎖交する方向と量がバランスの取れる状態に落ち着こうとして当該ロータを移動させるべく作用する力である。従って、図７においてのロータの均一な状態の磁極角内に対向するステータのティースやスロット開口部が存在する場合、ロータからの磁束量や磁束の方向は変化が無くバランスがとれているため作用する力を合成すればコギングトルクとしては平均化され見かけ上存在しない様に見える。
【０００６】
また、ロータとステータとの相対的な位置関係により発生するロータの磁極両端付近のコギングトルクの状態について説明する。前記ロータが例えば左から右に移動した場合のコギングトルクの様相を示す。図７に示した（１）から（３）はティースピッチであり、（２）はティースピッチの中央である。同様に（４）から（６）はティースピッチであり、（５）はティースピッチの中央である。図７に示された状態、即ち磁極凸部の左端がティースＳ２の左端である（１）の点から（２）の点へロータが右方向に移動（磁極凸部の右端は（４）から（５）に移動）したとすると、ロータの端部領域Ｒ１に関してティースＳ２との吸引によって左方向、端部領域Ｒ４に関してティースＳ６との吸引により右方向の力が其々働き、互いに逆方向であるので相殺されることになる。
【０００７】
端部領域Ｒ２とＲ３はスロット開口部に対面しているのでその力は弱い。端部領域Ｒ２はティースＳ５とＳ６の中央まではティースＳ５に吸引されて左方向に力が働き、該中央を越えるとティースＳ６に吸引され右方向の力が作用するようになる。端部領域Ｒ３はティースＳ１とＳ２との中央まではティースＳ１に吸引されて左方向に力が作用し、該中央を越えるとティースＳ２に吸引されて右方向の力を受ける。何れの状態に於いても互いに力の方向が逆に作用するので互いに相殺され移動方向成分の力は零であるか僅かな残差分しか存在しなくなる。
【０００８】
（２）の点（磁極凸部の右端は（５））はティースピッチの中央を示しており磁極凸部の左端がここに達するとロータに対向するステータのティースの配置は当該磁極の中央を基準に対称となるので其々の端部領域に作用するコギングに関与する力は完全に逆となる。従って、端部領域R１が（２）の点から（３）の点へロータが右方向に移動（磁極凸部の右端は（５）から（６）に移動）したとすると、端部領域Ｒ１とＲ４はスロット開口部に対面するため、その力は弱く端部領域Ｒ１及びＲ４の該ティースにより働く力の方向は前述した磁極凸部の左端部ティースＳ２の左端部（１）の点から（２）の点へロータが右方向に移動させた場合の端部領域Ｒ２とＲ３の動きと同様の力が作用することになり互いの力が逆方向に作用し相殺されるか僅かな残差分となる。また、端部領域Ｒ３は左方向へ端部領域Ｒ２は右方向の力が其々働くことになり互いに逆方向の力であるため相殺されることになる。
【０００９】
上記の説明の各端部領域に作用する力のうちコギングトルクに関与する移動方向成分の力についてロータ移動方向を横軸にして波形で示すと図８のようになる。磁極凸部の端部領域全体としての端部領域コギングトルクＴ１、有効磁極部の端部領域全体としての端部領域コギングトルクＴ２として表している。其々のコギングトルク波形は互いに力の作用方向が逆であるので波形としても逆相関係にありこれを合成すると該当磁極の磁極コギングトルクＴｒ１で示すような波形となりコギングトルクの低減がされることとなっている。他の磁極においても同様であり、モータとしての総合的なコギングトルクは磁極コギングトルクＴｒ１に磁極数分掛けた波形値となる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
前記の従来例で説明したコギングトルクの低減方法はその作用を説明したように極めて有効な方法である。しかし、図７における各端部領域に作用する力の相殺は磁極凸部の両端部領域Ｒ１とＲ２によるコギングトルクと有効磁極の両端部領域Ｒ３とＲ４のコギングトルクの相殺によって成り立っている。従来例によれば磁極凸部の端部領域Ｒ１に対しては有効磁極の端部領域Ｒ４、磁極凸部の端部領域Ｒ２に対しては有効磁極の端部領域Ｒ３が移動方向の成分として互いに逆方向の力の大きさが同じ若しくは近い値でなくては効果を発揮することが出来ない。
【００１１】
しかしながらロータの構造から明らかなように、ロータの磁極凸部の端部領域Ｒ１及びＲ２との力の作用に関係するティースとの空隙と有効磁極端部領域Ｒ３及びＲ４との力の作用に関係するティースとの空隙距離には差がある。各端部領域に作用する力は当該端部領域でのティースとの空隙の磁束密度の二乗に比例するので結果としてティースとの空隙距離の二乗に反比例している。このため一般的に磁極凸部の端部領域での力の作用が大きく有効磁極の端部領域に作用する力は相対的に小さくなる。これを解決しようとすると有効磁極の端部領域での空隙の磁束密度を磁極凸部端部領域での空隙の磁束密度に対して空隙距離の二乗の比で大きくしなくてはならない。例えば、有効磁極の端部領域に関与する永久磁石の種類を更に高磁束密度を有するものに替える等の対策を施すという必要がある。この様な処置は複数種類の永久磁石を必要とするため製造が煩雑となる上により高価な永久磁石を使わざるを得ないということになる。
【００１２】
【問題点を解決するための手段】
本発明は前記に鑑み成され、永久磁石が装着されたロータと複数のスロットを有するステータとで構成されるブラシレスDCモータであって、ロータ軸孔の中心を基準とする所定の開角で設定されたロータの有効磁極と該有効磁極内に施された磁極凸部とを有し、前記有効磁極によって生ずるコギングトルクと前記磁極凸部によって生ずるコギングトルクが互いに逆相になるよう其々の開角が設定されているブラシレスDCモータに於いて、相隣り合うロータの磁極の有効磁極同士と磁極凸部同士のコギングトルクが互いに逆相になるよう其々の開角が設定されているブラシレスDCモータとした。
【００１３】
また、永久磁石が装着されたロータと複数のスロットを有するステータとで構成されるブラシレスDCモータであって、ロータ軸孔の中心を基準とする所定の開角で設定されたロータの有効磁極と該有効磁極内に施された磁極凸部とを有し、前記有効磁極によって生ずるコギングトルクと前記磁極凸部によって生ずるコギングトルクが互いに逆相になるよう其々の開角が設定されているブラシレスDCモータに於いて、前記ブラシレスDCモータの同一磁極において、有効磁極同士と磁極凸部同士のコギングトルクが互いに逆相になるよう其々の開角が設定されているブロックロータを軸方向に複数組合せた低コギングのブラシレスDCモータとした。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施例について図１及び図２を用いて説明する。図１は本発明の動作を説明する図であり、従来例図７と対比して説明するためにスロット数が２４スロットのステータと、永久磁石を有した４極のロータがギャップを介して面対向しているモータの展開図である。但し、巻線については図を見易くするために省略してある。図中の記号は、図７と実施使用上同じか若しくは同等の機能を有するものは、同一記号を付して説明を省略する。
【００１５】
図１の第１磁極は図７と同じであるが、第２磁極においては磁極凸部と有効磁極を備えた構成は同じであるが対向するステータのティースとの位置関係が異なる。第１磁極の磁極凸部がその左端部をティースＳ２の左端に対向して揃えられた時、第２磁極については磁極凸部の左端がティースＳ８の右端に対向して揃い、同磁極凸部の右端がティースＳ１１の左端に対向して揃う様に磁極凸部の幅を設定する。
【００１６】
又、第２磁極の有効磁極については当該磁極凸部の幅に対し左右両側にティースの幅に相当する幅分広げた幅に設定する。従って第２磁極の有効磁極の左端部はティースＳ８の左端に対向して揃い、同有効磁極の右端はティースＳ１１の右端に対向して揃う。
【００１７】
第１磁極と第２磁極においてティースに対する位置関係については、其々の端部領域に関して見てみると第１磁極の磁極凸部と第２磁極の有効磁極が同じで第２磁極の磁極凸部と第１磁極の有効磁極が同じである。この様にされたロータを右方向に移動させると、各端部領域に作用する力の説明は従来例で記述しているので省略するが、ティースとの端部領域においての位置関係が第１磁極の磁極凸部と第２磁極の有効磁極で同じであることから同じ位相のコギングトルクを示し、ティースとの端部領域においての位置関係が第２磁極の磁極凸部と第１磁極の有効磁極で同じであることから同じ位相のコギングトルクを示すと共に、ティースとの位置関係が異なるもの同士、互いに逆位相となっている。
【００１８】
ここで其々の磁極の、其々の端部領域に作用する力の大きさについて見てみると、任意の時点で、例えば第１磁極の磁極凸部の進行方向端がスロット開口部に対向し始めるとすると当該磁極凸部の後方端はティースに対向し始める。一方、第２磁極の磁極凸部の進行方向端はティースに対向し始め、当該磁極凸部の後方端はスロット開口部に対向し始める。有効磁極に関しては第１磁極の有効磁極の進行方向端がティースに対向し始めて、当該磁極凸部の後方端はスロット開口部に対向し始める。一方、第２磁極の有効磁極の進行方向端はスロット開口部に対向し始め、当該磁極凸部の後方端はティースに対向し始める。両端部領域のステータのティースやスロット開口部との関係に於いて、第１磁極と第２磁極の磁極凸部同士、有効磁極同士は互いに進行方向端と後方端がティースとスロット開口部に関して其々逆の関係にあり、且つ同一磁極の磁極凸部と有効磁極間でも同様に其々逆の関係となっている。
【００１９】
本発明においては第１磁極と第２磁極のステータとの空隙距離は磁極凸部、有効磁極の其々に関して同一に設定されるため図１の例で磁極凸部端部R１とR６の関係、磁極凸部端部R２とR５の関係、有効磁極端部R３とR８の関係、有効磁極端部R４とR７の関係において、其々のコギングトルク成分として作用する力は、互いに同じ大きさで逆の位相となる。
【００２０】
以上の記述を図８と同様コギングトルクに関与する移動方向成分の力についてロータを横軸として波形で表すと図２の様になる。図２のＴ１は第１磁極の磁極凸部の端部領域コギングトルク、Ｔ２は第１磁極の有効磁極の端部領域コギングトルク、Ｔ３は第２磁極の磁極凸部の端部領域コギングトルク、Ｔ４は第２磁極の有効磁極の端部領域コギングトルクである。従来例の説明と同様に同一磁極毎にコギングトルクを合成すると互いに逆相関係にあるので相殺されるがいずれか一方の大きな値である端部領域コギングトルクが残って第１磁極としては磁極コギングトルクＴｒ１及び第２磁極としては磁極コギングトルクＴｒ２となる。
【００２１】
ここでステータとロータの間の空隙が有効磁極部より磁極凸部側が狭いため磁極コギングトルクは其々の磁極凸部における端部領域に作用する力が相対的に大きくなり該成分のコギングトルクが残ってしまう。ところが第１磁極の磁極コギングトルクと第２磁極の磁極コギングトルクは互いに逆位相の関係となるのでこれが合成されると磁極対毎の合成コギングトルクは図２に示すＴｒ０の如く完全に相殺され全くコギングトルクが現れない。従って図１の構成となる磁極の組合せ毎にコギングトルクを相殺することが出来る。
【００２２】
本発明を適用した具体的な実施例を図３に示す。図１の展開されたモータを回転機として表したもので図１と同じ記号の部位は同じものを表している。θ１及びθ３は有効磁極開角を表し、θ２及びθ４は磁極凸部開角を表している。其々の開角は図１の有効磁極の幅及び磁極凸部の幅に相当する。図３のロータは図１の第１磁極と第２磁極が2組である組合せで構成されている。
【００２３】
図１及び図３では本発明を実現するにあたりロータに装着すべき永久磁石３は少なくとも２種類を必要とするがこれを１種類で構成する実施例を図４に示す。図４に於いて有効磁極の幅となる開角を決定せしめるために、永久磁石とロータ外周間に介在する磁性材の構造を変えて永久磁石からの磁束の流れを強制させることにより実現している。即ち、ロータの磁極両側に存在する空孔のステータに対向する開角を図３の空孔に合致させれば容易に実現可能となる。
【００２４】
本発明の別の実施形態として図５と図６を示す。図１の実施例は相隣合う磁極の組合せでコギングトルクの相殺を行っているがロータを軸方向に分割して分割されたブロック毎にコギングトルクを相殺させても同様の効果を得る事は言うまでもない。図５はロータブロック５とロータブロック６の組合せで、ロータブロック５は図１における第１磁極のみで構成されており、ロータブロック６は図１における第２磁極のみで構成されている。これを軸方向に組合せれば同一磁極を形成する其々のロータブロックの磁極同士でコギングトルクを相殺出来る事は言うまでもない。
【００２５】
図６においては図１の構成のロータを更に軸方向に分割したロータブロック７とロータブロック８の組合せで構成したものである。ロータブロック７とロータブロック８は磁極の構造としては同じで図１における第１磁極と第２磁極が同一の磁極を形成するよう組合されている。従って、ロータブロック毎にコギングトルクが相殺されると同時に組合せられたロータとしての磁極毎に関してもコギングトルクが相殺される。
【００２６】
【発明の効果】
従来の方法が同一磁極を構成する磁極凸部と有効磁極の両端部領域のティースとの関係を適宜設定することで逆相のコギングトルクとさせて低減させているのに対し、本発明では図２のコギングトルク波形の関係から明らかなように、結果として同一のステータとの空隙で相隣合う磁極凸部同士、相隣合う有効磁極同士が逆相のコギングトルクとなるよう設定されているので、ロータ全体としてのコギングトルクを殆ど零とすることが出来る。従って、極めて低コギングのモータとすることが出来る。
【００２７】
又、本発明では永久磁石とロータ外周間に介在する磁性材の構造を適宜調整し図４に代表されるような形態とすることで全ての磁極を構成する永久磁石を同一とする事が出来る。このことはロータに複数の種類の永久磁石を使用することがないのであるからロータとしての製造が簡素なままで低コギングトルクのモータが実現できることを意味する。
【００２８】
更に、これら逆相コギングトルクの相殺は相隣合う磁極同士でなくてもよく、図１の第１磁極と第２磁極の数が同じであれば本考案の主旨は満足され実現は可能である。又、ロータを軸方向に複数分割し、同一の磁極を構成する各ロータブロック間で其々のコギングトルクが相殺されるため磁極間でのコギングトルクが存在しなくなるのでモータの運転中に発生するコギングトルクによる微振動もなくなり振動や騒音の低減につながる。
【００２９】
更に、この様な軸方向のロータブロックの組合せでは全体としての磁極は全て磁気的に同一となるのでモータの特性のばらつきを防ぐことにもなる。尚、本発明の説明においては２分割の場合について説明したが多数の分割であっても本発明の主旨に基づき合成のゴギングトルクを相殺すればよく、同一位相のコギングトルクを示すロータブロックの軸方向の合計が相反する位相のコギングトルクを示すロータブロックの軸方向の合計と等しければよいのであるから、同じ種類の永久磁石を使用する場合は、互いに同じ積厚にする。又、異なる永久磁石を使用する場合は、等価的に同じコギングトルクの大きさになるようにすればよい。以上説明したように本発明の適用により極めて低コギングのモータを容易に実現可能であり、これによってモータの低騒音低振動が実現できるものである。
【００３０】
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の動作を説明するモータの展開図。
【図２】  図１におけるコギングトルクの様相を示す図。
【図３】  本発明の具体的な実施例
【図４】  本発明の別の実施例。
【図５】  本発明の別の実施例を示す斜視図。
【図６】  本発明の別の実施例を示す斜視図。
【図７】  従来例の動作を説明するモータの展開図。
【図８】  図７におけるコギングトルクの様相を示す図。
【符号の説明】
１…ステータコア、２…ロータコア、３…永久磁石、４…空孔、Ｓ１〜Ｓ１２…ステータティース、Ｒ１〜Ｒ８…端部領域、Ｔ、Ｔ１〜Ｔ４，Ｔｒ０〜 Ｔｒ２…コギングトルク波、５〜８…ロータブロック、θ１，θ３…有効磁極開角、θ２，θ４…磁極凸部開角。
【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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