(57)【要約】【課題】本発明は、経済性を損なうことなくコギングトルクの低減が行えるコンシクエントポール式回転子を備えた多相クローティース型永久磁石モータを提供することにある。【解決手段】回転子鉄心７の外周部に同極の永久磁石８，１７を周方向に等間隔に設置して構成した回転子３とを備え、固定子４を構成する爪磁極１４の回転子３と対向する磁極面１４Ｆを、軸方向先端部が幅狭となる台形状に形成したのである。  このように固定子の磁極面１４Ｆを台形状に形成することで、周方向への磁気エネルギーの急変を緩和することができ、その結果、コギングトルクを低減できるのである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
環状コイルを挟み込む爪磁極を有する固定子鉄心を軸方向に複数配列して構成した固定子と、この固定子と微小隙間を介して対向する回転子鉄心の外周部に同極の永久磁石を周方向に等間隔に設置して構成した回転子とを備えた多相クローティース型永久磁石モータにおいて、前記爪磁極の前記回転子と対向する磁極面を軸方向先端部が幅狭となる台形状に形成したことを特徴とする多相クローティース型永久磁石モータ。
【請求項２】
環状コイルを挟み込む爪磁極を有する固定子鉄心を軸方向に複数配列して構成した固定子と、この固定子と微小隙間を介して対向する回転子鉄心の外周部に同極の永久磁石を周方向に等間隔に設置して構成した回転子とを備えた多相クローティース型永久磁石モータにおいて、前記固定子鉄心を積層珪素鋼板で形成すると共に、前記爪磁極の前記回転子と対向する磁極面を軸方向先端部が幅狭となる台形状に形成したことを特徴とする多相クローティース型永久磁石モータ。
【請求項３】
環状コイルを挟み込む爪磁極を有する固定子鉄心を軸方向に複数配列して構成した固定子と、この固定子と微小隙間を介して対向する回転子鉄心の外周部に同極の永久磁石を周方向に等間隔に設置して構成した回転子とを備えた多相クローティース型永久磁石モータにおいて、前記固定子鉄心を圧延鋼板で形成すると共に、前記爪磁極の前記回転子と対向する磁極面を軸方向先端部が幅狭となる台形状に形成したことを特徴とする多相クローティース型永久磁石モータ。
【請求項４】
環状コイルを挟み込む爪磁極を有する固定子鉄心を軸方向に複数配列して構成した固定子と、この固定子と微小隙間を介して対向する回転子鉄心の外周部に同極の永久磁石を周方向に等間隔に設置して構成した回転子とを備えた多相クローティース型永久磁石モータにおいて、前記固定子鉄心を磁性粉を圧縮成形して形成すると共に、前記爪磁極の前記回転子と対向する磁極面を軸方向先端部が幅狭となる台形状に形成したことを特徴とする多相クローティース型永久磁石モータ。
【請求項５】
前記磁極面の台形状の傾斜角θ１が、６０°≦θ１≦６７．５°に設定されていることを特徴とする請求項１，２，３又は４記載の多相クローティース型永久磁石モータ。
【請求項６】
前記永久磁石の微小隙間側の極弧度θＭが、３，５ｒａｄ≦θＭ≦３．７ｒａｄに設定されていることを特徴とする請求項１，２，３又は４記載の多相クローティース型永久磁石モータ。
【請求項７】
前記永久磁石は、回転子鉄心の外周部に形成した磁石保持穴に挿入されていることを特徴とする請求項１，２，３，４又は５記載の多相クローティース型永久磁石モータ。
【請求項８】
前記磁石保持穴は、挿入された永久磁石の両側に空間を有するように形成されていることを特徴とする請求項７記載の多相クローティース型永久磁石モータ。
【請求項９】
前記永久磁石は、回転子鉄心の外周面に周方向面に等間隔に形成した磁石保持溝に挿入されて保持されていることを特徴とする請求項１，２，３，４又は５記載の多相クローティース型永久磁石モータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば産業精密機器，家電，自動車等の分野で用いられる多相クローティース型永久磁石モータに係り、特に、回転子鉄心の外周部に同極の永久磁石を周方向に等間隔に設置して構成した回転子を備えた多相クローティース型永久磁石モータに関する。
【背景技術】
【０００２】
回転子鉄心の外周部に同極の永久磁石を周方向に等間隔に設置して構成した回転子、所謂コンシクエントポール式回転子を備えた多相クローティース型永久磁石モータは、例えば特許文献１などで、既に知られている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−３５７４８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
コンシクエントポール式回転子を備えた多相クローティース型永久磁石モータは、永久磁石の使用数が回転子磁極数の半分となることから、経済的な効果があるが、反面、コギングトルクが増大する問題がある。コギングトルクは、モータ回転時のトルクリップルや回転の滑らかさに影響を与えるものであり、振動や騒音の原因となっていた。したがって、コギングトルクは、適用される製品の全ての分野において重要視されており、その低減が最重要課題となっている。
【０００５】
本発明の目的は、経済性を損なうことなくコギングトルクの低減が行えるコンシクエントポール式回転子を備えた多相クローティース型永久磁石モータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
回転子鉄心の外周部に同極の永久磁石を周方向に等間隔に設置して構成した回転子とを備えた多相クローティース型永久磁石モータにおいて、固定子を構成する爪磁極の回転子と対向する磁極面を、軸方向先端部が幅狭となる台形状に形成したのである。
【発明の効果】
【０００７】
このように固定子の磁極面を台形状に形成することで、周方向への磁気エネルギーの急変を緩和することができ、その結果、コギングトルクを低減できるのである。
【０００８】
したがって、経済性を損なうことなくコギングトルクの低減が行えるコンシクエントポール式回転子を備えた多相クローティース型永久磁石モータを得ることができるのである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明による多相クローティース型永久磁石モータの第１の実施の形態を図１〜図５に基づいて説明する。
【００１０】
図１に示すように、多相クローティース型永久磁石モータ１は、大きくは、回転軸２に構成した回転子３と、この回転子３に対し周方向の微小隙間Ｇを介して同心状に配置された固定子４と、この固定子４を支持する固定子枠５と、この固定子枠５の両端側で前記回転軸２を回転自在に支持する軸受６ａ，６ｂとで構成されている。
【００１１】
前記回転子３は、図１，図２及び図５に示すように、回転軸２に装着された回転子鉄心７と、この回転子鉄心７の外周部に周方向に等間隔で形成した複数の磁石保持穴７Ｈに夫々装着され直方体をなす複数の永久磁石８とで構成されている。そして、これら永久磁石８は外周側が全てＳ極あるいはＮ極のように同極となるように装着されており、このように装着することで、永久磁石８間の回転子鉄心部７Ｐに永久磁石が作る極とは反対の極が形成されるコンシクエントポール式回転子を構成している。さらに、磁石保持穴７Ｈ内に装着された永久磁石８の幅方向両側には、空間７Ｇを形成している。
【００１２】
前記固定子５は、図１〜図４に示すように、１相分が独立して存在する構造であり、軸方向にＵ相固定子９，Ｖ相固定子１０，Ｗ相固定子１１が並設されている。各固定子９〜１１は、夫々同じ形状をなしており、第１固定子鉄心９ａ，１０ａ，１１ａと第２固定子鉄心９ｂ，１０ｂ，１１ｂを有し、これら第１固定子鉄心９ａ，１０ａ，１１ａと第２固定子鉄心９ｂ，１０ｂ，１１ｂに挟まれて夫々環状コイル９ａ，９ｂ，９ｃが位置している。
【００１３】
また、第１固定子鉄心９ａ，１０ａ，１１ａと第２固定子鉄心９ｂ，１０ｂ，１１ｂの形状は同じであるので、第１固定子鉄心９ａと第２固定子鉄心９ｂを一例として図３に基づいて具体的構造を説明する。
【００１４】
各固定子鉄心９ａ，９ｂは、軸方向に延在して固定子枠５に支持される外周鉄心部１２と、この外周鉄心部１２から内径側に延在する径方向鉄心部１３と、この径方向鉄心部１３から前記外周鉄心部１２と同方向に延在する爪磁極１４とを有し、前記爪磁極１４は前記回転子３と微小隙間Ｇを介して対向する磁極面１４Ｆを有している。このように構成された固定子鉄心９ａ，９ｂを、前記環状コイル９ｃを挟み込むようにして互いの爪磁極１４が噛み合うように接近させることで、Ｕ相固定子９を構成している。ここで、噛み合う爪磁極１４は、電気角で１８０度となるように設定されている。そして、他のＶ相固定子１０，Ｗ相固定子１１も同様に構成され、これら各相の固定子を軸方向に並べ、各固定子間の磁気的干渉を最小限にするために非磁性材ＮＭを介在させ、これらを絶縁樹脂でモールドして一体することで固定子４を構成している。
【００１５】
このほか、固定子４は、図４に示すように、軸方向に配置されるＵ相固定子９，Ｖ相固定子１０，Ｗ相固定子１１が、夫々電気角で１２０度、即ち機械角で１２０／４（極対数）＝３０度づつ周方向にずらして配置されている。具体的には、Ｕ相固定子９の第１固定子鉄心９ａの爪磁極１４とＶ相固定子１０の第１固定子鉄心１０ａの爪磁極１４とは、電気角で１２０度周方向にずれており、Ｖ相固定子１０の第１固定子鉄心１０ａの爪磁極１４とＷ相固定子１１の第１固定子鉄心１１ａの爪磁極１４との関係及びＷ相固定子１１の第１固定子鉄心１１ａの爪磁極１４とＵ相固定子９の第１固定子鉄心９ａの爪磁極１４との関係も同様になっている。
【００１６】
さらに、固定子４は、Ｕ相固定子９，Ｖ相固定子１０，Ｗ相固定子１１の各爪磁極１４の磁極面１４Ｆを、径方向鉄心部１３から延在する先端側が幅狭となるように、等脚台形状に形成することで、周方向に隣接する爪磁極１４間に軸方向に対してねじれる螺旋状隙間１５を形成している。
【００１７】
次に、上記構成の多相クローティース型永久磁石モータ１のコギングトルクについて説明する。
【００１８】
多相クローティース型永久磁石モータ１のコギングトルクは、爪磁極１４の形状と回転子３の形状によって決まる。具体的には、コギングトルクは、永久磁石８による磁束が磁路のパーミアンスの変化によって増減し、その結果、磁気エネルギーが変化することで発生する。磁路のパーミアンスの変化は、爪磁極１４と永久磁石８の位置関係により生じるので、爪磁極１４と永久磁石８の位置関係を改善して磁路のパーミアンスの変化を縮小することでコギングトルクは低減される。
【００１９】
本実施の形態では、磁路のパーミアンスの変化を縮小するために、回転子３と対向する磁極面１４Ｆを等脚台形状に形成して隣接爪磁極１４間に螺旋状隙間１５を形成しているので、周方向への磁路のパーミアンスの変化を縮小して磁気エネルギーの急変を無くすことができ、その結果、磁気エネルギーの急変により生じていたコギングトルクを低減できるのである。そして、Ｕ相固定子９，Ｖ相固定子１０，Ｗ相固定子１１において、夫々電気角で１２０度ずれたコギングトルクが発生し、それらの合成として三相コギングトルクが発生していたが、各固定子９〜１１と回転子３との間で上述のように、周方向への磁路のパーミアンスの変化を縮小して磁気エネルギーの急変を無くすことができるので、コギングトルクを大幅に低減することができる。
【００２０】
因みに、電磁場解析を用いて、コンシクエントポール式回転子に対する固定子３の磁極面１４Ｆを等脚台形状にした場合としない場合におけるコギングトルクの発生状況を計算した結果を図６に示す。
【００２１】
図６（ａ）は、磁極面１４Ｆを等脚台形状に形成した場合であり、コギングトルクは±０．００２の範囲で発生するが、磁極面１４Ｆを等脚台形状に形成しない場合には、図６（ｂ）に示すように、±０．００６の範囲で発生し、本実施の形態によれば約１／３に低減することができる。
【００２２】
ところで、磁極面１４Ｆを等脚台形状に形成しない場合には、周方向に隣接する磁極面間の隙間の間隔を狭めることで、磁路のパーミアンスの変化を縮小できてコギングトルクを低減できる。通常、爪部で挟まれた環状コイルを励磁した場合、発生した磁束の殆どは隣接する磁極面の一方側から回転子に流れ込み磁極面の他方側に戻る磁路を形成することで、回転子にトルクを発生させている。しかしながら、隣接する磁極面間の隙間の間隔を狭めると、隣接磁極面間を短絡して流れる磁束が発生し、出力トルクを低減させる問題がある。そのために、隣接磁極面間の隙間の間隔を最適な値に設定することは極めて困難であった。これに対し、本実施の形態は、図７の内径側から見た展開図に示すように、隣接磁極面１４Ｆを等脚台形状に形成して隣接爪磁極１４間に螺旋状隙間１５を形成することで、螺旋状隙間１５の間隔ｄを調整せずともコギングトルクを低減できると共に、出力トルクの低下を防止することができる。
【００２３】
さらに、磁極面１４Ｆの形状とコギングトルクとの関係について説明する。
【００２４】
まず、磁極面１４Ｆの等脚台形の傾斜角θ１と図５に示す回転子３の永久磁石８の極弧度θＭは、コギングトルクと密接な関係にある。即ち、磁極面１４Ｆの傾斜角θ１によってコギングトルクは敏感に変化するために、傾斜角θ１は永久磁石８の極弧度θＭに対して最適に設定する必要がある。
【００２５】
そこで、電磁場解析によって磁極面１４Ｆの傾斜角θ１と永久磁石８の極弧度θＭとの関係を計算した結果を図８に示す。この計算例は、隣接磁極面１４Ｆの間隔ｄを一定にした場合のものであり、横軸に永久磁石８の極弧度θＭ（ｒａｄ）を、縦軸に磁極面１４Ｆの傾斜角θ１（度）をとって、コギングトルクの振幅値（Ｎ・ｍ）を等高線で示した。極弧度θＭが大きくなると、回転子３の起磁力が大きくなるので、コギングトルクの振幅値も増大するが、傾斜角θ１を６０度≦θ１≦６７．５度に設定することで、コギングトルクの振幅値の増大を最小限に抑えることができることがわかる。したがって、コギングトルクを低減するためには、傾斜角θ１を６０度≦θ１≦６７．５度に設定することが望ましい。
【００２６】
さらに、本実施の形態によれば、磁石保持穴７Ｈ内に装着された永久磁石８の幅方向両側に空間７Ｇを形成しているので、回転子３と固定子４との微小隙間Ｇにおける周方向の磁束密度の変化を緩やかにできるので、コギングトルクやトルク脈動を低減することができる。
【００２７】
次に、本発明による多相クローティース型永久磁石モータの第２の実施の形態を図９及び図１０に基づいて説明する。
【００２８】
固定子４は、第１の実施の形態と同じ構成をしているので再度の説明は省略する。
【００２９】
第１の実施の形態と異なるのは、回転子３の形状である。即ち、直方体の永久磁石８Ａは、第１の実施の形態に比べて幅方向の寸法が大きく、その結果、直方体の永久磁石８Ａの極弧度θＭは第１に実施の形態に較べて大きく、π（ｒａｄ）以上になっている。そのために、隣接する永久磁石８Ａ間の回転子鉄心部７Ｐは狭くなるが、磁気飽和しない限り回転子鉄心部７Ｐを狭くして極弧度θＭを大きくすることで、永久磁石８Ａから発生する磁束を増加させることができ、モータ出力を増加させることができる。
【００３０】
図１１は、電磁場解析によって永久磁石８Ａの極弧度θＭと環状コイルへの通電時における平均トルクの関係を計算した結果を示す。この計算結果から、永久磁石８Ａの極弧度θＭが３．６ｒａｄ近傍で出力トルクが最大となることが分かった。ただ、永久磁石８Ａの製作誤差を考慮すれば、極弧度θＭは、３．５ｒａｄ≦θＭ≦３．７ｒａｄに設定することが望ましい。
【００３１】
ところで、以上説明した各実施の形態において、固定子４を構成する第１固定子鉄心９ａ，１０ａ，１１ａ及び第２固定子鉄心９ｂ，１０ｂ，１１ｂについての材質は、磁気特性に優れた積層珪素鋼板によって形成することが望ましいが、爪磁極１４等の形成が難しい場合には、ＳＰＣＣ等の圧延鋼板を折り曲げ成形して形成することができる。ただ、圧延鋼板を用いた場合、磁気特性が劣るため鉄心内に発生する鉄損が大きくなる問題と、折り曲げ成形の際に発生する残留応力によって磁気特性の更なる低下と折り曲げ部に集中する磁束のために大きな鉄損が発生し、効率の悪いモータとなる問題と、折り曲げ加工によって爪磁極１４を形成した場合、回転子３に対する心円度にバラツキのある磁極面１４Ｆとなり易く、コギングトルクが大きくなる問題があるので、磁性粉末を成形金型の成形パンチによって圧縮成形することで、圧延鋼板による問題を一掃できる設計通りの第１固定子鉄心９ａ，１０ａ，１１ａ及び第２固定子鉄心９ｂ，１０ｂ，１１ｂを得ることができる。
【００３２】
さらに、以上説明した各実施の形態においては、直方体の永久磁石８，８Ａを用いた例を説明したが、他の形状の永久磁石を用いることも可能である。例えば、図１２に示すように、回転子鉄心７Ｂの外周に周方向に等間隔で円弧状の磁石保持溝１６を形成し、この磁石保持溝１６内に磁石保持溝１６と同じ断面の永久磁石１７を装着してもよい。磁石保持溝１６内に装着された永久磁石１７は、接着剤によって固定したり、表面を回転子鉄心７Ｂと共に熱硬化性樹脂を含侵させた繊維等で緊縛して固めたりすることで、十分に高速回転に耐えることができる。このように永久磁石の断面形状は用途に応じて任意に変更することができる。
【００３３】
また、これまで説明した実施の形態において、回転子３の極数は８極であったが、任意の偶数の極数にしてもよい。回転子３の極数を多くすることで、永久磁石１極当りの磁束数が少なくなるので、固定子４の半径方向の厚みを薄くすることができ、モータを小型化することができる。特に、回転子としてコンシクエントポール式回転子を用いた場合、永久磁石の数が磁極数の１／２のため、永久磁石数と極数とが同じ回転子に較べて多極化を容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明による多相クローティース型永久磁石モータの第１の実施の形態を示す概略断面図。
【図２】図１の回転子と固定子を示す拡大斜視図。
【図３】図１の固定子のＵ相固定子の構成を示す分解斜視図。
【図４】図１の固定子の構成を示す部分断面斜視図。
【図５】図１の回転子の断面図。
【図６（ａ）】図４の固定子の磁極面を等脚台形にした場合のコギングトルクの発生状況を示す線図。
【図６（ｂ）】図４の固定子の磁極面を等脚台形にしない場合のコギングトルクの発生状況を示す線図。
【図７】図１の固定子のＵ相固定子を内径側から見た展開図。
【図８】図１の固定子の磁極面の傾斜角と回転子の永久磁石の極弧度との関係を示す線図。
【図９】本発明による多相クローティース型永久磁石モータの第２の実施の形態を示す図２相当図。
【図１０】図９の回転子の断面図。
【図１１】図９の永久磁石の極弧度と環状コイルへの通電時における平均トルクの関係を示す線図。
【図１２】図５及び図１０の回転子の変形例を示す断面図。
【符号の説明】
【００３５】
１…多相クローティース型永久磁石モータ、２…回転軸、３…回転子、４…固定子、５…固定子枠、６ａ，６ｂ…軸受、７，７Ａ，７Ｂ…回転子鉄心、７Ｇ…空間、７Ｈ…磁石保持穴、７Ｐ…回転子鉄心部、８，８Ａ，１７…永久磁石、９…Ｕ相固定子、１０…Ｖ相固定子、１１…Ｗ相固定子、９ａ，１０ａ，１１ａ…第１固定子鉄心、９ｂ，１０ｂ，１１ｂ…第２固定子鉄心、１２…外周鉄心部、１３…径方向鉄心部、１４…爪磁極、１４Ｆ…磁極面、１５…螺旋状隙間、１６…磁石保持溝、ｄ…間隔、Ｇ…微小隙間。
【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（ａ）】
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【図６（ｂ）】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2007336624.tif 000013
【図１１】
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【図１２】
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