(57)【要約】【課題】誘起電圧を確保しつつ、コギングトルクを低減することができる集中巻永久磁石同期モータを提供することが目的である。【解決手段】ステータ１４は、巻線２８が巻回された大ティース２４と、大ティース２４よりも幅が狭く巻線２８が巻回されていない小ティース２６とを有する。ステータ磁極ピッチθは、大ティース２４及び小ティース２６のコギングトルクに含まれる複数の次数成分のうちのいずれかの次数成分における大ティースのトルク成分がプラス側からマイナス側に切り替わる角度に設定されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の磁極が周方向に配列されたロータと、
巻線が巻回された大ティースと、前記大ティースよりも幅が狭く巻線が巻回されていない小ティースとが前記周方向に交互に配列されると共に、前記大ティース及び前記小ティースが前記複数の磁極と径方向に対向するステータと、
を備え、
前記大ティース及び前記小ティースにおける前記複数の磁極側の先端面、及び、前記複数の磁極における前記大ティース及び前記小ティースとの対向面は、前記周方向に沿って形成され、
一の前記大ティースの一方側に位置するスロットの中心を通る中心線と、前記一の前記大ティースの他方側に位置するスロットの中心を通る中心線との成す角度であるステータ磁極ピッチθが、
前記大ティース及び前記小ティースのコギングトルクに含まれる複数の次数成分のうちいずれかの次数成分における前記大ティースのトルク成分がプラス側からマイナス側に切り替わる角度以上で、且つ、一の前記大ティースの一方側に位置する一の前記小ティースの中心を通る中心線と、前記一の前記大ティースの他方側に位置する他の前記小ティースの中心を通る中心線との成す角度未満に設定されている、
集中巻永久磁石同期モータ。
【請求項２】
前記ステータ磁極ピッチθは、電気角で１８６°≦θ＜２４０°に設定されている、
請求項１に記載の集中巻永久磁石同期モータ。
【請求項３】
前記ステータ磁極ピッチθは、前記いずれかの次数成分における前記大ティースのトルク成分がプラス側からマイナス側に切り替わる前記角度に設定されている、
請求項１又は請求項２に記載の集中巻永久磁石同期モータ。
【請求項４】
前記いずれかの次数成分における前記大ティースのトルク成分がプラス側からマイナス側に切り替わる前記角度以上に前記ステータ磁極ピッチθが設定された場合でも、前記複数の次数成分のうちゼロより大きい次数成分において、プラス側の前記小ティースのトルク成分に影響せず、前記小ティースのトルク成分とは逆位相であるマイナス側の前記大ティースのトルク成分がマイナス側に増加するように、前記大ティースの先端面に疑似スロットが形成されている、
請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の集中巻永久磁石同期モータ。
【請求項５】
前記いずれかの次数成分における前記大ティースのトルク成分がプラス側からマイナス側に切り替わる前記角度以上に前記ステータ磁極ピッチθが設定された場合でも、前記複数の次数成分のうちゼロより大きい次数成分において、プラス側の前記小ティースのトルク成分とマイナス側の前記大ティースのトルク成分とが相殺するように、前記疑似スロットの形状及び大きさが設定されている、
請求項４に記載の集中巻永久磁石同期モータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、集中巻永久磁石同期モータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、集中巻永久磁石同期モータにて、巻線係数向上を狙った技術として、ステータに形成された複数のティースの幅を交互に不等とし、幅の広い大ティースにのみ巻線を巻回する構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この構造は巻線を巻回した大ティースのピッチを電気角で１８０°まで広げることにより、高い巻線係数を確保することができるという特徴を有するが、その反面、複数のティースが周方向に交互に異なるピッチで配列されており、ロータが周方向に回転した際に磁気エネルギーの変化が一定ではないため、コギングトルクが大きくなるという問題がある。
【０００４】
また、コギングトルクを低減させる方法として、ロータの磁極の曲率よりもティースの先端面の曲率を大きくして、磁気エネルギーの変化を滑らかにすることが知られている（例えば、特許文献２参照）。しかしながら、ロータの磁極の曲率よりもティースの先端面の曲率を大きくした場合には、誘起電圧が低下する傾向にある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−２３４９９０号公報
【特許文献２】特開２００５−３３９４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、誘起電圧を確保しつつ、コギングトルクを低減することができる集中巻永久磁石同期モータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するために、請求項１に記載の集中巻永久磁石同期モータは、複数の磁極が周方向に配列されたロータと、巻線が巻回された大ティースと、前記大ティースよりも幅が狭く巻線が巻回されていない小ティースとが前記周方向に交互に配列されると共に、前記大ティース及び前記小ティースが前記複数の磁極と径方向に対向するステータと、を備え、前記大ティース及び前記小ティースにおける前記複数の磁極側の先端面、及び、前記複数の磁極における前記大ティース及び前記小ティースとの対向面は、前記周方向に沿って形成され、一の前記大ティースの一方側に位置するスロットの中心を通る中心線と、前記一の前記大ティースの他方側に位置するスロットの中心を通る中心線との成す角度であるステータ磁極ピッチθが、前記大ティース及び前記小ティースのコギングトルクに含まれる複数の次数成分のうちいずれかの次数成分における前記大ティースのトルク成分がプラス側からマイナス側に切り替わる角度以上で、且つ、一の前記大ティースの一方側に位置する一の前記小ティースの中心を通る中心線と、前記一の前記大ティースの他方側に位置する他の前記小ティースの中心を通る中心線との成す角度未満に設定されている。
【０００８】
この集中巻永久磁石同期モータによれば、大ティース及び小ティースの先端面、及び、複数の磁極の対向面は、ロータ及びステータの周方向に沿って形成されている。従って、大ティース及び小ティースの先端面の全体を複数の磁極に近づけて配置できるので、誘起電圧を確保することができる。
【０００９】
また、ステータ磁極ピッチθは、大ティース及び小ティースのコギングトルクに含まれる複数の次数成分のうちいずれかの次数成分における大ティースのトルク成分がプラス側からマイナス側に切り替わる角度以上に設定されるので、コギングトルクを低減することができる。
【００１０】
なお、請求項２に記載のように、請求項１に記載の集中巻永久磁石同期モータにおいて、前記ステータ磁極ピッチθは、電気角で１８６°≦θ＜２４０°に設定されても良い。
【００１１】
また、請求項３に記載のように、請求項１又は請求項２に記載の集中巻永久磁石同期モータにおいて、前記ステータ磁極ピッチθは、前記いずれかの次数成分における前記大ティースのトルク成分がプラス側からマイナス側に切り替わる角度に設定されても良い。
【００１２】
また、請求項４に記載のように、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の集中巻永久磁石同期モータにおいて、前記いずれかの次数成分における前記大ティースのトルク成分がプラス側からマイナス側に切り替わる前記角度以上に前記ステータ磁極ピッチθが設定された場合でも、前記複数の次数成分のうちゼロより大きい次数成分において、プラス側の前記小ティースのトルク成分に影響せず、前記小ティースのトルク成分とは逆位相であるマイナス側の前記大ティースのトルク成分がマイナス側に増加するように、前記大ティースの先端面に疑似スロットが形成されていても良い。
【００１３】
この集中巻永久磁石同期モータによれば、プラス側の小ティースのトルク成分に影響せず、マイナス側の大ティースのトルク成分をマイナス側に増加させることができるので、これにより、プラス側の小ティースのトルク成分とマイナス側の大ティースのトルク成分とを相殺することが可能となる。
【００１４】
また、請求項５に記載のように、請求項４に記載の集中巻永久磁石同期モータにおいて、前記いずれかの次数成分における前記大ティースのトルク成分がプラス側からマイナス側に切り替わる前記角度以上に前記ステータ磁極ピッチθが設定された場合でも、前記複数の次数成分のうちゼロより大きい次数成分において、プラス側の前記小ティースのトルク成分とマイナス側の前記大ティースのトルク成分とが相殺するように、前記疑似スロットの形状及び大きさが設定されていても良い。
【００１５】
この集中巻永久磁石同期モータによれば、複数の次数成分のうちゼロより大きい次数成分において、プラス側の小ティースのトルク成分とマイナス側の大ティースのトルク成分とが相殺されるので、コギングトルクをより効果的に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態に係る集中巻永久磁石同期モータを示す図である。
【図２】図１のＡ部拡大図である。
【図３】ステータ磁極ピッチθとコギングトルクＴとの関係を示す図である。
【図４】ステータ磁極ピッチθとコギングトルクＴとの関係を示す図であり、（Ａ）は３６次成分、（Ｂ）は７２次成分、（Ｃ）は１０８次成分を示す図である。
【図５】疑似スロットの直径ｄとコギングトルクＴとの関係を示す図である。
【図６】疑似スロットの直径ｄとコギングトルクＴとの関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面に基づき、本発明の一実施形態について説明する。
【００１８】
図１に示されるように、本実施形態に係るモータ１０は、集中巻永久磁石同期モータであり、ロータ１２と、ステータ１４とを備える。
【００１９】
ロータ１２は、円筒状のヨーク１６と、複数の磁石１８とを有する。複数の磁石１８は、それぞれ円弧状に形成されており、ヨーク１６の内面に固着されている。各磁石１８では、Ｎ極とＳ極とがロータ１２の径方向に並んで形成されており、これにより、複数の磁石１８の内側（ステータ１４側）には、複数の磁極２０Ｎ，２０Ｓ（Ｎ極とＳ極）がロータ１２の周方向に交互に配列されている。
【００２０】
ステータ１４は、ロータ１２の内側にロータ１２と同軸上に配置されており、環状の本体部２２と、この本体部２２の外周に放射状に形成された複数の大ティース２４及び小ティース２６を有する。大ティース２４には、巻線２８が集中巻きで巻回されており、小ティース２６には、巻線２８が巻回されていない。小ティース２６は、大ティース２４よりも幅が狭く形成されている。
【００２１】
この大ティース２４及び小ティース２６は、ステータ１４の周方向（ロータ１２の周方向と同じ）に交互に配列されている。複数の大ティース２４は、互いに同じ形状で形成されて等ピッチで配列されており、同様に、複数の小ティース２６は、互いに同じ形状で形成されて等ピッチで配列されている。この大ティース２４及び小ティース２６は、複数の磁極２０Ｎ，２０Ｓと径方向に対向する。
【００２２】
大ティース２４及び小ティース２６における複数の磁極２０Ｎ，２０Ｓ側の先端面２４Ａ，２６Ａ、及び、複数の磁極２０Ｎ，２０Ｓにおける大ティース２４及び小ティース２６との対向面２０Ａ（内側面）は、ロータ１２及びステータ１４の周方向に沿って形成されている。つまり、大ティース２４及び小ティース２６の先端面２４Ａ，２６Ａ、及び、複数の磁極２０Ｎ，２０Ｓの対向面２０Ａは、互いに同じ曲率で形成されている。
【００２３】
本実施形態に係るモータ１０は、一例として、１２極１８スロットであり、複数の巻線２８は、三相通電される。つまり、複数の巻線２８には、電気角で１２０°の位相差を有して電流が流れる。
【００２４】
また、一の大ティース２４の一方側に位置するスロット３０の中心を通る中心線ＣＬ１と、一の大ティース２４の他方側に位置するスロット３０の中心を通る中心線ＣＬ２との成す角度θをステータ磁極ピッチとした場合に、このステータ磁極ピッチθは、次の要領で設定される。
【００２５】
すなわち、先ず、図３に示されるように、ステータ磁極ピッチθとコギングトルクＴとの関係が得られる。このステータ磁極ピッチθとコギングトルクＴとの関係は、例えば、コンピュータソフトウェア等により算出される。図３において、ステータ磁極ピッチθは、電気角で示されている。
【００２６】
ここでは、一例として、ステータ磁極ピッチθ＝１６８°〜２０４°とされている。図３に示されるように、ステータ磁極ピッチθを広げることで、コギングトルクＴが低減される。
【００２７】
このコギングトルクＴには、複数の次数成分が含まれる。つまり、コギングトルクＴには、磁極数Ｐと、大ティース及び小ティース間のスロット数Ｑとの最小公倍数Ｒの自然数ｎ倍であるｎ次成分が含まれる。本実施形態に係るモータ１０は、一例として、１２極１８スロットであるため、コギングトルクＴには、１２と１８の最小公倍数である３６次の自然数ｎ（ｎ＝１，２，３・・・）倍の次数成分が含まれる。
【００２８】
図４（Ａ）〜（Ｃ）には、一例として、ｎ＝１，２，３とした場合、つまり、３６次成分、７２次成分、１０８次成分について、大ティースのトルク成分及び小ティースのトルク成分の合計、大ティースのトルク成分、及び、小ティースのトルク成分がそれぞれ示されている。
【００２９】
図４（Ａ）〜（Ｃ）に示されるように、１８６°≦θでは、３６次成分、７２次成分、１０８次成分における大ティースのトルク成分がプラス側からマイナス側に切り替わる。このため、大ティースのトルク成分と小ティースのトルク成分とが相殺され、大ティースのトルク成分及び小ティースのトルク成分の合計が減少する。
【００３０】
そして、本実施形態では、３６次成分、７２次成分、１０８次成分における大ティースのトルク成分がプラス側からマイナス側に切り替わる角度（電気角で１８６°）がステータ磁極ピッチθに設定される。
【００３１】
このように、本実施形態において、ステータ磁極ピッチθは、大ティース及び小ティースのコギングトルクに含まれる複数の次数成分のうちいずれかの次数成分における大ティースのトルク成分がプラス側からマイナス側に切り替わる角度に設定される。
【００３２】
なお、図１において、一の大ティース２４の一方側に位置する一の小ティース２６の中心を通る中心線ＣＬ３と、一の大ティース２４の他方側に位置する他の小ティース２６の中心を通る中心線ＣＬ４との成す角度θ１は、電気角で２４０°である。
【００３３】
本実施形態において、ステータ磁極ピッチθは、上述の如く、より好ましくは、いずれかの次数成分における大ティースのトルク成分がプラス側からマイナス側に切り替わる角度（この場合、電気角で１８６°）に設定されるが、中心線ＣＬ３，ＣＬ４の成す角度θ１である２４０°未満に設定されても良い。つまり、本実施形態において、ステータ磁極ピッチθは、電気角で１８６°≦θ＜２４０°で任意に設定可能である。
【００３４】
ところで、ステータ磁極ピッチθが、上述の如く、いずれかの次数成分における大ティースのトルク成分がプラス側からマイナス側に切り替わる角度以上に設定された場合でも、複数の次数成分のうちゼロより大きい次数成分が存在する場合がある。
【００３５】
例えば、図４（Ａ）に示されるように、３６次成分では、１８６°≦θに設定された場合でも、コギングトルクＴがゼロより大きい。一方、図４（Ｂ）に示されるように、７２次成分では、θ＝１９５°付近にてコギングトルクＴがゼロ（最小）になる。また、図４（Ｃ）に示されるように、１０８次成分では、θ＝１８９°付近にてコギングトルクＴがゼロ（最小）になる。
【００３６】
そこで、本実施形態では、上述のゼロより大きい次数成分（この場合、３６次成分）を低減させるために、図２に示されるように、各大ティース２４の先端面２４Ａに疑似スロット３２が形成される。
【００３７】
疑似スロット３２は、一例として、半円状の切欠きで形成されており、大ティース２４の中心軸を中心に形成されている。この疑似スロット３２の直径ｄは、次の要領で設定される。なお、以下では、ステータ磁極ピッチθが１９８°に設定された場合を例に説明する。
【００３８】
先ず、図５に示されるように、疑似スロットの直径ｄとコギングトルクＴとの関係が得られる。この疑似スロットの直径ｄとコギングトルクＴとの関係は、例えば、コンピュータソフトウェア等により算出される。ここでは、一例として、直径ｄが１．０５ｍｍ〜１．０９ｍｍとされている。直径ｄが１．０５ｍｍから１．０７ｍｍに増加すると、コギングトルクＴは減少し、直径ｄが１．０７ｍｍから１．０９ｍｍに増加すると、コギングトルクＴは増加する。また、直径ｄ＝１．０７ｍｍにてコギングトルクＴは最小となる。
【００３９】
また、図６に示されるように、疑似スロットの直径ｄ（０≦ｄ≦１．０７）とコギングトルクＴとの関係が得られる。図６では、大ティース及び小ティースのコギングトルクＴと、このコギングトルクＴの３６次成分に含まれる大ティースのトルク成分（以下、大ティースの３６次トルク成分と言う）、及び、小ティースのトルク成分（以下、小ティースの３６次トルク成分と言う）が示されている。この疑似スロットの直径ｄとコギングトルクＴとの関係も、例えば、コンピュータソフトウェア等により算出される。
【００４０】
図６に示されるように、小ティースの３６次トルク成分は、直径ｄが増加しても略一定である（小ティースの３６次トルク成分に影響しない）のに対し、小ティースの３６次トルク成分とは逆位相の大ティースの３６次トルク成分は、直径ｄの増加に伴いマイナス側に増加する。これは、疑似スロット３２（図２参照）が部分的な磁気抵抗になるため、疑似スロット３２の直径ｄを大きくすることで、大ティースの３６次トルク成分がマイナス側に増加されるのである。
【００４１】
そして、疑似スロット３２の直径ｄ＝１．０７ｍｍにおいて、小ティースの３６次トルク成分と、その逆位相である大ティースの３６次トルク成分の値（絶対値）が略同じになる。小ティースの３６次トルク成分と、その逆位相である大ティースの３６次トルク成分の値（絶対値）が略同じになると、小ティースの３６次トルク成分と大ティースの３６次トルク成分とが相殺されて、結果的に、コギングトルクＴが低減する。
【００４２】
そこで、本実施形態では、小ティースの３６次トルク成分と大ティースの３６次トルク成分とが相殺されるように、小ティースの３６次トルク成分と、その逆位相である大ティースの３６次トルク成分の値（絶対値）が略同じになるときの１．０７ｍｍが疑似スロット３２の直径ｄに設定される。
【００４３】
このように、本実施形態では、上述のいずれかの次数成分における大ティースのトルク成分がプラス側からマイナス側に切り替わる角度以上にステータ磁極ピッチθが設定された場合でも、複数の次数成分のうちゼロより大きい次数成分（この場合、３６次成分）において、プラス側の小ティースのトルク成分には影響せず、小ティースのトルク成分とは逆位相であるマイナス側の大ティースのトルク成分がマイナス側に増加するように、大ティース２４の先端面２４Ａに疑似スロット３２が形成される。
【００４４】
また、この疑似スロット３２の直径ｄは、上述のいずれかの次数成分における大ティースのトルク成分がプラス側からマイナス側に切り替わる角度以上にステータ磁極ピッチθが設定された場合でも、複数の次数成分のうちゼロより大きい次数成分（この場合、３６次成分）において、プラス側の小ティースのトルク成分とマイナス側の大ティースのトルク成分とが相殺される寸法に設定される。
【００４５】
なお、本実施形態において、疑似スロット３２の直径ｄは、上述の如く、より好ましくは、プラス側の小ティースのトルク成分とマイナス側の大ティースのトルク成分とが相殺される寸法に設定されるが、大ティース２４の先端面２４Ａの幅をｄ１とした場合に、疑似スロット３２の直径ｄは、０＜ｄ≦ｄ１で任意に設定可能である。
【００４６】
次に、本実施形態の作用及び効果について説明する。
【００４７】
以上詳述したように、本実施形態に係るモータ１０では、大ティース２４及び小ティース２６の先端面２４Ａ，２６Ａ、及び、複数の磁極２０Ｎ，２０Ｓの対向面２０Ａ（内側面）は、ロータ１２及びステータ１４の周方向に沿って形成されている。つまり、大ティース２４及び小ティース２６の先端面２４Ａ，２６Ａ、及び、複数の磁極２０Ｎ，２０Ｓの対向面２０Ａは、互いに同じ曲率で形成されている。従って、大ティース２４及び小ティース２６の先端面２４Ａ，２６Ａの全体を複数の磁極２０Ｎ，２０Ｓに近づけて配置できるので、誘起電圧を確保することができる。
【００４８】
また、ステータ磁極ピッチθは、大ティース及び小ティースのコギングトルクに含まれる複数の次数成分のうちいずれかの次数成分における大ティースのトルク成分がプラス側からマイナス側に切り替わる角度（この場合、電気角で１８６°）以上に設定されるので、コギングトルクを低減することができる。
【００４９】
さらに、大ティース２４の先端面２４Ａには、半円状の疑似スロット３２が形成される。この疑似スロット３２の直径ｄは、上述のいずれかの次数成分における大ティースのトルク成分がプラス側からマイナス側に切り替わる角度以上にステータ磁極ピッチθが設定された場合でも、複数の次数成分のうちゼロより大きい次数成分（この場合、３６次成分）において、プラス側の小ティースのトルク成分とマイナス側の大ティースのトルク成分とが相殺される寸法に設定される。従って、コギングトルクをより効果的に低減することができる。
【００５０】
次に、本実施形態の変形例について説明する。
【００５１】
本実施形態に係るモータ１０は、一例として、１２極１８スロットとされているが、その他の磁極数及びスロット数でも良い。なお、スロット数は、磁極数の３／２倍とされる。
【００５２】
また、本実施形態では、疑似スロット３２が半円状に形成されると共に、疑似スロット３２の直径ｄが、小ティースのトルク成分と大ティースのトルク成分とが相殺される寸法に設定されているが、小ティースのトルク成分と大ティースのトルク成分とが相殺されるように、疑似スロット３２の形状及び大きさが適宜設定されても良い。
【００５３】
また、本実施形態において、モータ１０は、ロータ１２がステータ１４の径方向外側に配置されたアウタロータ型とされているが、ロータ１２がステータ１４の径方向内側に配置されたインナロータ型とされていても良い。
【００５４】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記に限定されるものでなく、上記以外にも、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施可能であることは勿論である。
【符号の説明】
【００５５】
１０…モータ、１２…ロータ、１４…ステータ、１６…ヨーク、１８…磁石、２０Ｎ，２０Ｓ…磁極、２０Ａ…対向面、２２…本体部、２４…大ティース、２６…小ティース、２４Ａ，２６Ａ…先端面、２８…巻線、３０…スロット、３２…疑似スロット
【図１】
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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２】
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