(57)【要約】【課題】低コギングトルクで且つ高効率を得ることができる電動モータを提供する。【解決手段】放射状に延出する複数のティースが周方向等間隔に設けられティースにコイル１０が巻回されてなるステータ１１と、ステータ１１の外側に回転自在に支持され、ティースに対峙して配置される内周部に複数のマグネット３０が周方向等間隔に設けられた円環状のロータ１４と、を備える電動モータ２において、ステータ１１はティースを１２個備え、ロータ１４はマグネット３０を８個備えており、ロータ１４の軸中心とマグネット３０の周方向の両端とを結んだときの狭角であるマグネット３０の極弧角を３０〜３４度の角度範囲で設定し、ステータ１１の外径に対する個々のティースにおける外周縁の周方向に沿う長さの割合を８．２％〜９．２％の範囲で設定する。【選択図】図１
2012205319.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
放射状に延出する複数のティースが周方向等間隔に設けられ前記ティースにコイルが巻回されてなるステータと、
前記ステータの外側に回転自在に支持され、前記ティースに対峙して配置される内周部に複数のマグネットが周方向等間隔に設けられた円環状のロータと、
を備える電動モータにおいて、
前記ステータは前記ティースを１２個備え、前記ロータは前記マグネットを８個備えており、
前記ロータの軸中心と前記マグネットの周方向の両端とを結んだときの狭角であるマグネットの極弧角が３０〜３４度の角度範囲で設定されており、
前記ステータの外径に対する前記個々のティースにおける外周縁の周方向に沿う長さの割合が８．２％〜９．２％の範囲で設定されていることを特徴とする電動モータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、自動車のラジエータ冷却ファン等に用いられる電動モータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車のラジエータ冷却ファンに用いられる電動モータとして、アウタロータ型のブラシレスモータが用いられることがある。
この電動モータは、ステータ支持部材であるブラケットに、励磁用の複数のコイルを巻回したステータが取り付けられ、そのステータの外周側に、内周面に複数のマグネットを取り付けた有底円筒状のロータが回転可能に配置され、各コイルにタイミングをずらして電流を流すことによってロータを回転させるようになっている。また、ロータの底壁部の軸心には回転軸が一体に取り付けられ、その回転軸がブラケットに軸受を介して回転自在に支持されている。（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
ところで、電動モータには環境面や快適性の面から、振動・騒音の低減が要求される。前記ラジエータ冷却ファンのモータのように、自動車に搭載される電動モータでは特にその要求が高い。
そこで、従来から振動・騒音の発生原因となるコギングトルクを低減する対策が取られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２００１−５２７３７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、コギングトルクを低減しようとすると、磁束が減ってしまうことがある。また、コギングトルクを低減するために磁路幅を大きくすると、スロットが狭くなって巻線スペースが減り、導線の巻き数を確保するために細い導線を使うと銅損が増え、モータの効率が低下するという課題がある。
【０００６】
そこで、この発明は、低コギングトルクで且つ高効率を得ることができる電動モータを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係る電動モータでは、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
請求項１に係る発明は、放射状に延出する複数のティースが周方向等間隔に設けられ前記ティースにコイルが巻回されてなるステータと、前記ステータの外側に回転自在に支持され、前記ティースに対峙して配置される内周部に複数のマグネットが周方向等間隔に設けられた円環状のロータと、を備える電動モータにおいて、前記ステータは前記ティースを１２個備え、前記ロータは前記マグネットを８個備えており、前記ロータの軸中心と前記マグネットの周方向の両端とを結んだときの狭角であるマグネットの極弧角が３０〜３４度の角度範囲で設定されており、前記ステータの外径に対する前記個々のティースにおける外周縁の周方向に沿う長さの割合が８．２％〜９．２％の範囲で設定されていることを特徴とする電動モータである。
【発明の効果】
【０００８】
請求項１に係る発明によれば、８極１２スロットの電動モータにおいて、効率を低下させることなく、コギングトルクを低減することができ、その結果、高効率で騒音・振動の少ない電動モータを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】この発明の一実施形態の電動モータを用いた車両用電動ファンの縦断面図である。
【図２】前記実施形態の電動モータのステータコアの平面図である。
【図３】前記実施形態の電動モータのロータの平面図である。
【図４】マグネットの極弧角とコギングトルクとの関係を調べた実験結果である。
【図５】マグネットの極弧角と有効磁束との関係を調べた実験結果である。
【図６】ステータコアの外径に対するティース幅の割合とコギングトルクとの関係を調べた実験結果である。
【図７】ステータコアの外径に対するティース幅の割合とモータ効率との関係を調べた実験結果である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
次に、この発明の一実施形態を図１〜図７に基づいて説明する。
図１は、車両用電動ファン１（以下、「電動ファン１」と呼ぶ。）を鉛直方向に沿って切った断面図である。なお、図中矢印Ｆは、車両の前方側を指している。以下の説明においては、矢印Ｆの指す方向を「前」、矢印Ｆの指す方向と逆の方向を「後」と呼ぶものとする。
この電動ファン１は、車両のラジエータ冷却用として用いられ、図示しないラジエータの前方側に設置される。この電動ファン１は、駆動部である電動モータ２と、電動モータ２によって回転駆動されるファン本体３とを備えている。
【００１１】
電動モータ２は、アウタロータ型のブラシレスモータによって構成され、励磁用の複数のコイル１０が巻回されたステータ１１と、ステータ１１を支持するブラケット１２（ステータ支持部材）と、ブラケット１２に回転自在に支持される回転軸１３と、この回転軸１３に一体回転可能に結合されたロータ１４と、ロータ１４の回転をフィードバックしてコイル１０の通電を制御する制御ユニット１５と、を備えている。
【００１２】
ブラケット１２は、全体が略円盤状に形成され、その外周縁部に締結部である複数の固定アーム１２ａが延設されている。固定アーム１２ａは、ファン本体３の周囲を取り囲んで送風を案内するファンシュラウド１６に締結固定され、ファンシュラウド１６は、ラジエータの前方側に固定設置されるようになっている。
また、ブラケット１２の前面側の中央には円筒状のボス部１２ｂが突設されており、そのボス部１２ｂには、外周側でステータ１１を固定する略円筒状のステータ固定パイプ１７が取り付けられている。
【００１３】
ステータ固定パイプ１７は、一端側がボス部１２ｂ内に圧入固定され、他端側がボス部１２ｂの前端部から前方に突出している。ステータ固定パイプ１７のボス部１２ｂから前方に突出した領域の外周面には、ステータ１１のステータコア１８が嵌合固定されている。
ステータコア１８は磁性鋼板を多数積層して構成されており、放射方向に突出する１２個のティース５１が設けられ、その各ティース５１に絶縁部材であるインシュレータ１９を介して前記コイル１０が巻回されている。
【００１４】
図２のステータコア１８の平面図を参照して、ステータコア１８について詳述すると、ステータコア１８は、中央部がステータ固定パイプ１７に固定される円環状のヨーク部５０となっており、ヨーク部５０から周方向等間隔に１２個のティース５１…が放射状に突出している。なお、１２個のティース５１は全て同一寸法、同一形状に形成されている。ティース５１の外周縁部（すなわちステータコア１８の外周縁を構成する部分）５２は、コイル１０が巻回されるコイル巻回部５３よりも周方向に沿う幅が長くされており、また、隣り合うティース５１，５１の外周縁部５２，５２の間には所定の隙間が形成されている。そして、隣り合うティース５１，５１の間に形成される空間がコイル１０を巻回するためのスロット５４となっている。つまり、このステータコア１８は１２個のスロット５４を有している。
【００１５】
また、ブラケット１２の前面側の外周縁には、略円筒状の水浸入規制壁２５がボス部１２ｂと同軸に形成されている。さらに、ブラケット１３の前面には、水浸入規制壁２５よりも小径の２つの円筒壁２６，２７がボス部１２ｂと同軸に形成されている。円筒壁２６，２７は、水浸入規制壁２５と同様に、ブラケット１３の上部外周側から、電気接点や制御ユニット１５の配置されている中心側に流入しようとする水滴をこれらの外周面に沿わせて下方に滴下させる。
【００１６】
回転軸１３は、車体前後方向に沿うように略水平に延出し、一対の軸受２０Ａ，２０Ｂを介してブラケット１２のボス部１２ｂとステータ固定パイプ１７とに回転自在に支持されている。回転軸１３の後端部は軸受２０Ａから後方側に突出し、その突出端に回転検出用のセンサリング２１が取り付けられている。このセンサリング２１を用いて検出された回転軸１３の回転は、ロータ１４の回転情報として制御ユニット１５に出力される。一方、回転軸１３の前端部は軸受２０Ｂから前方側に突出し、その突出部分にロータ１４とファン本体３とが取り付けられるようになっている。
具体的には、回転軸１３の前部側の突出領域には、軸受２０Ｂに隣接してロータ支持部２２が拡径して形成されるとともに、そのロータ支持部２２に隣接してロータ支持部２２よりも小径のファン固定部２３が形成されている。そして、回転軸１３のファン固定部２３よりも先端側にはファン固定部２３よりも小径の雄ねじ部２４が形成されている。
【００１７】
ロータ１４は、有底円筒状のロータヨーク２８の周壁部２９の内周面（内周部）に８個のマグネット３０…が円周方向に沿って周方向等間隔に取り付けられている（図３参照）。なお、８個のマグネット３０は全て同一形状、同一寸法に形成されている。また、ロータヨーク２８の底壁部３１の中央には、周壁部２９と同側に突出するボス部３２が形成され、そのボス部３２が回転軸１３のロータ支持部２２の外周に圧入固定されている。なお、ロータ１４は、周壁部２９に設置されたマグネット３０がステータ１１の外周面（換言すると、ステータコア１８のティース５１の外周縁部５２）に対峙し、底壁部３１がステータ１１の前面側を覆うように回転軸１３に組み付けられている。
また、ロータヨーク２８の周壁部２９の開口側（後端側）の縁部には径方向外側に屈曲した補強フランジ３３が突設されている。この補強フランジ３３を含むロータヨーク２８の開口側の縁部は、ロータ１４が回転軸１３と軸受２０Ａ，２０Ｂを介してブラケット１２に組み付けられた状態において、ブラケット１２の水浸入規制壁２５と円筒壁２６の間のスペースに配置され、水浸入規制壁２５と円筒壁２６に対して軸方向で所定量オーバーラップするようになっている。なお、補強フランジ３３は、ロータヨーク２８の周壁部２９の外周面に滴下した水滴が、周壁部２９の開口側に流れ込むのを規制する規制壁としても機能する。
【００１８】
一方、ファン本体３は、有底円筒状のファンボス３４と、ファンボス３４の外周面から径方向外側に突出する複数の送風ブレード３５と、を備えている。このファンボス３４と送風ブレード３５は樹脂によって一体に形成されている。ファンボス３４の底壁の中央には、開口３６が形成されるとともに、その開口３６を閉塞するように別体の金属プレート３７が後面側から取り付けられ、ビス４１によって固定されている。この金属プレート３７は、ファン本体３を回転軸１３に直接固定するための軸固定部を構成するものであり、その中央部には、回転軸１３のファン固定部２３が嵌入される嵌合孔３８が形成されている。ファン本体３は、金属プレート３７が座金３９とともに回転軸１３のファン固定部２３に嵌合され、金属プレート３７から突出した回転軸１３の雄ねじ部２４にナット４０を締め込むことによって回転軸１３に一体に結合されている。また、金属プレート３７とともにファン固定部２３に嵌合された座金３９は、回転軸１３上のファン固定部２３よりも大径のロータ支軸部２２の近傍部に当接し、それにより、ロータ１４の底壁部３１と金属プレート３７の間に軸方向に離間するスペースＳが確保されている。
【００１９】
以上のように構成された電動モータ２はいわゆる８極１２スロットの電動モータであり、電動モータ２のコイル１０に通電が行われると、ステータ１１とロータ１４の間に回転力が発生し、ファン本体３がロータ１４と一体となって回転してラジエータに冷却風を供給するようになる。
【００２０】
ここで、この８極１２スロットの電動モータ２に関して、コギングトルクの低減と高効率化の両立を図るため、マグネット３０の極弧角とティース５１のティース幅に着目して種々の実験を行った。その実験結果を、図４から図７の図面を参照して説明する。
なお、実験に使用した電動モータ２としては、ステータコア１８の外径Ｄが９８ｍｍのものを用いた。
【００２１】
なお、マグネット３０の極弧角θとは、図３に示すように、マグネット３０の周方向の一端とロータ１４の軸中心Ｐとを結ぶ線と、マグネット３０の周方向の他端とロータ１４の軸中心Ｐとを結ぶ線とによって挟まれる角度、すなわち、ロータ１４の軸中心とマグネット３０の周方向両端とを結んだときの狭角を言うものとする。
【００２２】
また、ティース幅Ｌとは、図２に示すように、ティース５１の外周縁部５２の周方向に沿う長さを言うものとする。
さらに、ティース角度αとは、図２に示すように、ティース５１の外周縁部５２の周方向の一端とステータコア１８の軸中心Ｑとを結ぶ線と、外周縁部５２の周方向の他端とステータコア１８の軸中心Ｑとを結ぶ線とによって挟まれる角度、すなわち、ステータコア１８の軸中心Ｑと外周縁部５２の周方向両端とを結んだときの狭角を言うものとする。
【００２３】
図４は、マグネット３０の極弧角θとコギングトルクとの関係を調べた実験結果である。この実験結果によれば、マグネット３０の極弧角θが２４〜３４度の範囲でコギングトルクが小さくなることがわかる。このことから、低コギングトルクを達成するには、極弧角θを２４〜３４度の範囲にするのが好ましいと言える。
【００２４】
図５は、マグネット３０の極弧角θと有効磁束との関係を調べた実験結果である。この実験結果によれば、マグネット３０の極弧角θが３０度よりも小さいと有効磁束が低く、極弧角θが小さくなるほど有効磁束が低下していく傾向がある。これに対して、極弧角θが３０度以上であれば有効磁束の低下は少ないことがわかる。
これは、１２スロットのステータの場合にはティース角度αは最大でも３０度弱であることから、極弧角θに対してティース角度αが大きくならない範囲まで極弧角θを下げても、有効磁束の低下は少ないと言うことである。
このように極弧角θを３０度以上に設定すると、トルクに利かない磁束が減るので、鉄損低減や、ステータコア１８のヨーク部５０の薄肉化による磁路節約の効果がある。
【００２５】
そして、図４および図５に示される実験結果から、低コギングトルク且つ高トルク確保の両面から考えると、マグネット３０の極弧角θは３０〜３４度の範囲で設定するのが良いと結論づけられる。
【００２６】
図６は、ステータコア１８の外径Ｄに対するティース幅Ｌの割合（以下、Ｌ／Ｄと略す）とコギングトルクとの関係を調べた実験結果である。
この実験結果によれば、Ｌ／Ｄが８．２〜１０．２％の範囲においてコギングトルクが小さくなっていることがわかる。なお、実験に使用した外径が９８ｍｍのステータコア１８の場合には、Ｌ／Ｄ＝８．２〜１０．２％をティース幅Ｌに換算するとＬ＝８〜１０ｍｍである。
【００２７】
図７は、Ｌ／Ｄと、動作点におけるモータ効率との関係を調べた実験データである。
この実験結果によれば、Ｌ／Ｄが６．１〜９．２％の範囲においてモータ効率が高い値となり、この範囲を外れるとモータ効率が低下することがわかる。なお、実験に使用した外径が９８ｍｍのステータコア１８の場合には、Ｌ／Ｄ＝６．１〜９．２％をティース幅Ｌに換算するとＬ＝６〜９ｍｍである。
【００２８】
そして、図６および図７に示される実験結果から、低コギングトルク且つ高モータ効率の両面から考えると、Ｌ／Ｄは８．２〜９．２％の範囲で設定するのが良いと結論づけられる。なお、実験に使用した外径が９８ｍｍのステータコア１８の場合には、Ｌ／Ｄ＝８．２〜９．２％をティース幅Ｌに換算するとＬ＝６〜９ｍｍである。
【００２９】
したがって、８極１２スロットの電動モータ２においては、マグネット３０の極弧角θを３０〜３４度の範囲で設定し、ステータコア１８の外径Ｄに対するティース幅Ｌの割合、すなわちＬ／Ｄを８．２〜９．２％の範囲で設定すると、低コギングトルク、高効率を両立させることができる。そして、このように設定した電動モータ２よれば、高効率ながら騒音・振動が少ないという優れた効果が奏される。
【符号の説明】
【００３０】
２  電動モータ
１０  コイル
１１  ステータ
１４  ロータ
３０  マグネット
５１  ティース
５２  外周縁部（外周縁）
【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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