(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モータにおいて、該ロータの有効磁極開角がステータのスロットピッチの整数倍に１スロット開口角に相当する角度を加えた値に設定され、
前記ロータを軸方向に３分割し、該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軸周りにずらして構成し、
前記軸方向に３分割された中央部に位置するロータが、両端に位置するロータに比べ２倍の大きさのコギングトルク波形を有し、且つ、両端に位置するロータは同一のコギングトルクの位相と大きさであることを特徴とするブラシレス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モータに関するものであり、特に容易にコギングトルクを低減させる構造を提供するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来ブラシレスDCモータ（以下、モータと略す。）では巻線を施すスロットの存在の故に生起されるトルク変動、即ちコギングトルクが発生する。即ち、ロータとステータとの相対移動時にロータの磁極から発生する界磁磁束の磁路が、ステータのスロット開口部をロータの磁極が横切る度に周期的に変化して、ギャップでの磁束分布に変化が生じることによる。したがって、このコギングの周期及び大きさはステータコアに設けられたスロットの数とロータの磁極数に依存しており、回転角度に対する波形はステータのスロット開口部やロータの磁極の形状や寸法によって大きく変化する。
【０００３】
従来、このコギング対策には様々な方法が提案されているが、一般的に行われているものとしてはロータとステータ間の磁気的な空間距離（ギャップ）をロータ磁極の両端において大きくさせ不等となるように構成し、任意のステータティースへ鎖交する磁束の変化を滑らかにさせている。又、ロータの磁極を回転軸の方向に関してスキューを施すことでロータの磁極極間部がステータティースを横切る際のステータへの磁束鎖交の変化を緩和させている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
不等ギャップによるコギング対策では通常永久磁石の形状を加工で対応しており、その形状はステータのティース形状やスロット開口部の大きさに応じて変える必要があり、永久磁石の形状の決定には多数の試作や多種の解析を行っているのが現状である。この様な対策によりモータのコギングトルクはかなり改善されるものの十分とはいえない。また、この様な処置を施すことでコギングトルクを低減しようとすればするほどロータの極間部でのギャップを大幅に広げる必要があり、ロータからステータへの鎖交磁束は低下することになる。
【０００５】
また、別の方法として、ロータ磁極にスキューを施す場合ではスキューの角度を大きくすれば効果が期待できるが、これにより磁極の有効磁束がスキュー角度に比例して減少しモータ特性の悪化を起こす。即ち、モータとしての電気的特性面から見れば、スキューの存在する部位の永久磁石はモータ性能としての有効な磁束として作用せず無駄な永久磁石を使用していると言える。
【０００６】
更に、近年多くのモータが高磁束密度の希土類の永久磁石を使用してそのサイズを小型化しようとしており、コギングトルクそのものが大きくなり、この場合、従来のコギングトルク低減方法の構造では十分な対応がとれなくなってきている。また、永久磁石の加工も小さい形状のものを精度良く加工しなくてはならず難しくなっている。また、スキューを施すものにあっては、永久磁石の組み合わせで行おうとするとセグメントでの永久磁石自身にスキューを施さなくてはならず全く量産性のないものとなってしまう。
【０００７】
図９にスキューが施された永久磁石２を組み合わせたロータの斜視図を示す。該図では、ロータコア３の表面に回転軸方向にスキュー角度θSを有する永久磁石２を４個、円周方向に並べ４極のロータを構成している。永久磁石に形状的にスキューを施さない方法としては、リング形状の永久磁石を使用することがあるが、前述のモータとしての電気特性面でスキューの部位にあたる無駄な領域が、存在するという問題が依然として残っている。
【０００８】
また、この種のモータにおいては、ロータのコア内部に永久磁石を埋め込むものが提案されており電気的な特性の改善がなされているにも係わらず、根本的には、この様なモータ構造においては有効で簡便なコギングトルクを低減するための構成や、製造方法の提案は成されていない。
【０００９】
【問題点を解決するための手段】
本発明は前記問題に鑑み成され、ロータの有効磁極開角をステータのスロットピッチの整数倍に１スロット開口角に相当する角度を加えた値に設定し、前記ロータを軸方向に３分割し、該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、
前記軸方向の中央部に位置するロータが両端に位置するロータに比べ２倍の大きさのコギングトルク波形を有し、且つ、両端に位置するロータは同一のコギングトルクの位相と大きさとなるように組み上げられることを特徴とするブラシレスDCモータの構造を提供するものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下本発明を実施例に基づいて説明する。尚、ロータ構成上同じもの若しくは実施使用上同じ意味を持つものは、図１と同じ記号を付して説明を省略する。図１はステータのスロット数が２４の分布巻が施される４極モータを示す。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。２は永久磁石、３はロータコア、４はステータコアであり永久磁石２はロータコア３の表面に取りつけられている。該モータの構成ではステータ側の励磁に係わる磁極ピッチは２４スロット／４極で表され、６スロットピッチ毎となる。通常、一般的な巻線の方法では１スロットに１コイル分一括収納するのでステータの有効な励磁磁極角は、ロータに対向する様に６スロットピッチ内の５個分のティースに跨る角度となる。
【００１１】
同様に、図２は６スロットで１つのティースに巻線が集中的に施される所謂集中巻の例である。この場合のステータ側の励磁に係わる磁極ピッチは１スロットピッチ毎であり、ステータの有効な磁極角はロータに対向する１個分のティースの角度であることは明白である。
【００１２】
コギングトルクはステータの巻線とは無関係に発生するので、無励磁での該ステータ内にて着磁された永久磁石が組まれたロータを任意の角度位置から左回転にて回転させた場合のコギングトルクを磁界解析で算出させた例を図３に示す。尚、該図では本発明がコギングトルクのロータとステータの相対位置関係を問題にしているのではなく、コギングトルク波形の形を問題にしているので波形を見易くするためにコギングトルクの発生が全て正方向の値を示すステータとロータの位置関係を基点としている。
【００１３】
今、ロータ側の有効磁極開角についてロータのいかなる回転位置においても少なくとも一端がステータティースの開角内にある場合、即ち、図１及び図２におけるθ１のような有効磁極開角では、コギングトルク波形は図３内のTθ１の如く立ち上がりが急峻で立下りがなだらかな形を描く。
【００１４】
逆に、ロータ側の有効磁極開角の回転位置が、ロータ磁極両端がスロット開口部の開角内にある状態が存在するような場合、即ち、図１及び図２におけるθ２のような有効磁極開角では、コギングトルク波形は図３内のTθ２の如く立ち上がりがなだらかで立下りが急峻な形を描く。
【００１５】
ここで、ロータ側の有効磁極開角をステータのスロットピッチの整数倍に１スロットの開口角度に相当する角度を加えた値に設定する。即ち、図１及び図２におけるθｋに示す如くロータの有効磁極開角が対向するステータのティースの内側に跨る角度に合致するよう設定すると、コギングトルク波形は図３内のTθｋの如く半周期の波形が左右対称で正負同一振幅の波形になる。本発明におけるθｋはモータとしての界磁磁束を確保するために幾何学上のステータ励磁磁極角度に最も近い角度が選択される。
【００１６】
図１及び図２では、永久磁石がロータの表面に取り付けられる構造の場合であるが、永久磁石をロータコアの内部に埋め込む場合を図４の（１）及び（２）に示す。図４の（１）の場合では、永久磁石とロータ表面が近いので有効磁極開角は永久磁石の開角にほぼ等しくなる。従って、永久磁石の開角をθｋとすることで本発明の趣旨を満足することが出来る。図４の（２）の場合では、永久磁石とロータ表面に磁性材のロータコアがロータの径方向に広い部位が介在するので該部位の開角が有効磁極開角となる。従って、該開角をθｋとすることで本発明の趣旨が満足される。
【００１７】
有効磁極開角を有するロータをコギングトルクの振幅周期の半周期に相当する機械角度分を相対的に異なる様に組み合わせることでコギングトルクが相殺することができる。本発明の図１及び図２で説明された構造のもので構成されたロータを図５の斜視図で示す。また、図６は、図５のロータ構造でのコギングトルク相殺の様子を示す波形である。図５のRC１及びRC２は、軸方向に分割し、図６に示した振幅周期θｅの半周期に相当する機械角度分を相対的に異ならせた状態となっている。また、本発明のロータ構造において軸方向に２分割されたロータは全く同一のロータ構造を有している。尚、図４の（１）及び（２）で説明したロータ構造のものも図１及び図２と同様の方法によるためここでは説明を省略する。
【００１８】
其々の分割ロータＲＣ１とＲＣ２のコギングトルクは、図６にＴＣ１とＴＣ２とで表され、図５において分割ロータが互いにθｍなる角度で組み合わされている。該θｍが、図６に示されるコギングトルクの半周期であるθeに相当する機械角とすることにより合成されたコギングトルクは、図６中に示されるＴＣ０の如く理論的に零となり、個々の分割ロータのコギングは互いに相殺される。
【００１９】
また、軸方向に分割されたロータの有効磁極開角が図１のθ１や図２のθ２である場合では、コギングトルクの正負の変化が点対称であるためコギングトルクの半周期に相当する機械角度分を相対的に異ならせた状態で組み合わせてもコギングトルクを相殺することは出来ないが、図１のθ１や図２のθ２なる有効磁極開角を有し図３に示される様なＴθ１とＴθ２の波形の如く互いに相手のコギングトルク波形を逆方向にたどるような波形と大きさを示すロータを選択することにより、其々のロータをコギングトルクの半周期に相当する機械角度分を相対的に異ならせた状態で組み合わせてコギングトルクを相殺することは可能である。
【００２０】
従って、ロータの有効磁極開角にＴθｋを選択すれば同一構造のロータを組み合わせるだけで図６中に示したＴＣ０の如く理論的にコギングトルクが零になる。尚、図５には、軸方向に２分割されたロータ構造を示したが、本発明を逸脱しない範囲において軸方向の各構成要素を複数に分割することにより、より良い効果を得ることができる。
【００２１】
しかしながら、モータ仕様によっては、図５で示した最も単純な分割ロータの組み合わせでは其々の分割ロータのコギングトルクが大きい場合において、互いの分割ロータのコギングトルクが逆位相であるためロータコアを介してシャフトにねじりの力を与えることになる。この力は分割ロータの位置が物理的に離れているのでシャフトに対して作用点が異なり、この結果シャフトに対して曲げモーメントが発生して複雑な振動モードを与えることになる。該振動はモータの回転数に対して高次のコギング周波数と同期した音となってモータから発生する。
【００２２】
この問題に鑑みて、本発明ではロータを軸方向に３分割し、３分割されたロータに関して中央に配される分割ロータがその両側に配される分割ロータの２倍のコギングトルクとなるよう設定し、尚且つ、両側に配される分割ロータはコギングトルクに対して全く同一の大きさと位相の関係を持たせる。この構成を図７の斜視図に示す。中央の分割ロータＲＣ４を挟むように両側に分割ロータＲＣ３とＲＣ５が配される。該分割ロータＲＣ３とＲＣ５はロータの回転に対してコギングトルクが全く同一となるよう配され、中央の分割ロータＲＣ４は分割ロータＲＣ３若しくはＲＣ５に対してコギング周期の半周期分に相当する機械角だけ異なる位置に配される。
【００２３】
従って、其々の分割ロータのコギングトルクは図８に示される波形となる。ＴＣ３は分割ロータＲＣ３のコギングトルク波形、ＴＣ５は分割ロータＲＣ５のコギングトルク波形、これら２つのコギングトルク波形を合成したものがＴＣ３＋ＴＣ５、ＴＣ４は中央の分割ロータＲＣ４のコギングトルク波形である。分割ロータＲＣ４は両端の分割ロータのコギングトルクに対して２倍の大きさを有するよう設定されていて、コギングトルクの周期の半周期に相当する機械角度分だけ異なる位置で組まれているため総合の合成されたコギングトルクは図５及び図６で説明した様に互いに相殺され、結果として、図８のＴＣ０の波形となる。即ち、図５のＴＣ０と同じ零となる。更に、コギングトルクによるシャフトに対するねじりの力は存在するがシャフトに作用する曲げモーメントは相殺されて生ずることがない。尚、図７には、軸方向に３分割されたロータ構造を示したが、本発明を逸脱しない範囲においてＲＣ３、ＲＣ４、ＲＣ５の各々の分割ロータの構成要素を、更に複数に分割することにより、より良い効果を得ることができる。
【００２４】
【発明の効果】
該当モータにおいて、請求項１ではロータの有効磁極開角をステータスロットピッチの整数倍に１スロット開口角度を加えた値にすることで、コギングトルクの波形は正負同一となり、且つ、コギングトルクの半周期に関して左右対称となるので、該コギングトルクを有する分割ロータを、その周期の半周期に相当する機械角度分だけ異なる状態で組み上げることで可及的に、互いのコギングトルクを相殺させることができる。
【００２５】
コギングトルクの相殺に際し回転軸の軸方向に作用する其々の分割ロータの曲げモーメントに関し、軸方向に３分割し、中央部に位置するロータが、両端に位置するロータに比べ２倍の大きさのコギングトルク波形を有し、且つ、両端に位置するロータは同一のコギングトルクの位相と大きさとすることで合成のモーメントを相殺させることができコギングトルクによるモータの振動やこれに起因する騒音を防止することが可能である。
【００２６】
尚、前記説明の中に本発明に必要な永久磁石の形状についてなんら触れなかったように、特別な形状を要求するものではない。従って、本発明の主旨に沿ってロータの有効磁極開角を満足させるだけでコギングトルクが激減するものである。
【００２７】
また、本発明の条件さえ満足すればロータの有効磁極開角は任意に選択することが可能であるが、ロータの有効磁極開角をステータの幾何学的な励磁磁極角度に最も近い角度を選択することでロータからの磁束はモータとして必要な磁束をほぼ確保することができ、従来の様に永久磁石にスキューを施す必要がないのでモータ特性を犠牲にすることがない。また、１回転中のコギングトルクの振幅数はステータのスロット数以上となるので本発明のロータの構成での分割ロータの組み合わせに際し機械的ずらし角度量は大きくても１／２スロットである。従って、例えこの機械角度で組み上げられたとしてもロータの有効磁極開角は物理的に可能な最大磁極開角を越えることはない。よって、分割されたロータの其々の磁極を構成する永久磁石の磁束は互いに打ち消しあう事は無く、余すことなく有効に利用されるモータとすることができる。
【００２８】
本発明のロータ構造における永久磁石の配置に関しては、ロータコアの表面に取り付けられたものや、内部に埋め込まれたものでも適用が可能で、また、ステータ構造に関しては、分布巻や集中巻においても適用可能であり、どのようなモータにも使用することができる。
【００２９】
特に、例えば冷凍空調機に使用されるコンプレッサーに組み込まれ使用される時等にありがちなモータのロータが片持ちで回転する場合等では、前記の曲げモーメントの影響を受け易いのでその効果が大きい。
【００３０】
本発明は、其々の分割ロータのコギングトルクが永久磁石の形状的大きさ、磁束量の多さ、種類及び慣例的に使用されるモータとしてのギャップ広さによってその振幅の大きさが変わっても何ら影響を受けることなく実現可能であるので、モータの適用される機器や用途に応じて高いパーフォマンスを要求されても適用が可能である。従って、特に高精度な位置決めや高出力密度を要求するサーボモータをはじめ低振動、低騒音が求められるモータに有効である。
【００３１】
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施例を示す分布巻モータの横断面図。
【図２】  本発明の一実施例を示す集中巻モータの横断面図。
【図３】  図１及び図２におけるコギングトルクの様相を示す図。
【図４】  本発明の別の実施例を示すロータの横断面図。
【図５】  本発明の実施例を示すロータ構造の斜視図。
【図６】  図５におけるロータのコギングトルクの相殺を示す図。
【図７】  本発明の実施例を示すロータ構造の斜視図。
【図８】  図７のコギングトルク相殺の様相を示す図。
【図９】  従来例を示すロータの横断面図。
【符号の説明】
θ１，θ２，θｋ，θｍ…機械角度、θe…電気角度、２…磁石、３…ロータコア、４…ステータコア、ＲＣ１至るＲＣ５…分割ロータ、ＴＣ０至るＴＣ５…コギングトルク波、θｓ…スキュー角度。
【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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