(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータコアにスリットが施され、該スリットに永久磁石を配して界磁極を形成するブラシレスモータにおいて、該スリット形状がロータの外周より曲率が大きく円弧状にロータの外周に沿って湾曲するものであって、且つ、配置がロータの界磁極間側がロータ外周寄りであって界磁極中心側がロータ内周寄りとなるよう施され、該スリットに永久磁石を配するようにしたことを特徴とするブラシレスＤＣモータ。
【請求項２】
前記スリットは外周と内周の平均円弧中心線の界磁極中心線側円弧端部での接線又はその延長線と界磁極中心線となす交差角度θ１が０〜９０度の範囲に設定されていることを特徴とする請求項１記載のブラシレスＤＣモータ。
【請求項３】
ロータ外周での任意極の界磁極間と界磁極中心線とを結ぶ弦の界磁極中心線となす角度をθｍａｘとし、界磁極の開角をθｋとした時、前記スリットの外周と内周の平均円弧中心線の円弧両端を結ぶ弦もしくはその延長線と界磁極中心線のなす傾き角θ２が
θｍａｘ＞θ２＞θｋ／２
の範囲内にあることを特徴とする請求項１または請求項２記載のブラシレスＤＣモータ。
【請求項４】
前記スリットの内に配される永久磁石の有する磁束密度が高いほど、前記交差角度θ１を小さくすることを特徴とする請求項１及至請求項３のいずれかに記載のブラシレスＤＣモータ。
【請求項５】
前記スリットの内に配される永久磁石の有する磁束密度が高いほど、前記傾き角度θ２を小さくすることを特徴とする請求項１及至請求項３のいずれかに記載のブラシレスＤＣモータ。
【請求項６】
前記スリットの内に配される永久磁石は円弧中心側に焦点を有しラジアル方向に配向されていることを特徴とする請求項１及至請求項５のいずれかに記載のブラシレス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モータに関し、特に、ロータ内に永久磁石を配する構造のブラシレスＤＣモータの特性向上と低音、低振動化に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ロータ内にスリットを施し、これに永久磁石を配するものは通常永久磁石埋め込み型ロータと呼ばれ広い分野で数多く使用されている。従来のブラシレスＤＣモータにおけるロータ構造の一例を図４及び図５に示す。
【０００３】
図４はロータの外周に沿って施されたスリットに永久磁石が配されたものである。図５はロータの外周に対して弦をなすように施されたスリットに永久磁石が配されたものである。図４、図５において、１及び４はスリット、２及び５は永久磁石、３及び６はロータのコアを示す。図４においては永久磁石２はロータ径方向に磁気的にラジアル配向のものが使用されロータの極毎において外周表面磁束はほぼ均一になっている。
【０００４】
図５においては永久磁石５は極毎に径方向に磁気的に平行配向された平板が一般的に使用される。このタイプでは、永久磁石とロータ表面間に介在する図４と比較してロータ径方向に厚い磁性材であるコアによって、通常の永久磁石トルク以外にリラクタンストルクを作用させてモータのトルクを向上させることが出来るようになされているが、永久磁石の磁束は図４の場合と同様に、ロータの表面磁束は永久磁石の発する磁束が永久磁石とロータ表面間に介在する磁性材であるコアで分散してほぼ均一になっている。
【０００５】
永久磁石の配される位置がロータの内径側になればなるほど、即ちモータとしてリラクタンストルクをより有効的に利用しようとすればするほど永久磁石とロータ表面間に介在する磁性材であるコアの径方向が広くなるため、磁束の分散は容易になり、ロータ表面での磁束分布は更に均一に成り易くなる。図６と図７に永久磁石の発する磁束の分散する様子を示す。其々の図中の同一記号は図４及び図５と同一部分を表す。
【０００６】
ここで、この様なロータと組み合わされて構成されるモータのステータとロータの対向部分について図８に示す。この図はステータのロータと対向する面で円周方向に展開して図示したものである。図８において、ロータ部は図６のタイプで示し同一記号は同一部分を示す。７はステータで、通常良く使用される１２スロットのものを示す。Ｓ１〜Ｓ１２はステータ７のスロット番号を示しており、本例では１２スロットであるのでＳ１２まで順に並びＳ１に戻る。該スロットにはＵ・Ｖ・Ｗの相巻線が省略巻で４極構成となるよう施されている。本図において、ロータが右回転で回転するものとするとロータコア３からステータ７へと流れる永久磁石の磁束は左から右へと移動する。
【０００７】
今、ロータが一定速で回転している状態では、ロータからステータへ流れる磁束は均一であるので、それぞれの相巻線に鎖交する磁束量Φの変化は図８の状態を時間起点（ｔ０）とすると例えばＵ相巻線についてみてみれば図９の上段に示すような波形となり、この時の該Ｕ相巻線に発生する誘起電圧Ｖｓは理論的には同図９の下段に示す波形となる。
【０００８】
従って、この図から容易に判断出来るように極めて高次に至るまでの高調波成分を含んだ誘起電圧波形である。この様なモータでは相の誘起電圧の位相に合わせて電流の方向を急峻に変更して通電をおこなわなくてはならず、わずかなタイミングのずれでも大きな逆トルクが発生することになり，騒音や振動が発生したり、最悪はモータとしての使用を逸脱してしまうと言った危険がある。
この事は、該モータを制御し駆動しようとする装置に対して極めて繊細且つ高速の制御性を要求することになり、実用に値しない。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従来のこの種のモータにおいては、低振動であって、該モータを駆動しようとする外部の制御装置の制御に対して複雑な手法を使用せずとも制御性を維持させようとする場合、ステータの巻線に発生する誘起電圧を極力正弦波状にすることが望まれることは周知の事実である。
【００１０】
しかし、前述の従来例のようにロータの表面磁束が極内においてほぼ均一である場合、ロータの回転によってステータの巻線に鎖交する磁束の変化は一定となるので、相巻線毎の誘起電圧を正弦波状にするには該相巻線の分布を正弦波状にする必要があり、このためのステータ巻線構成は複雑に成らざるを得なかった。又、ステータの構造そのものもこれに対応するには、より多スロットにして相巻線の正弦波分布を可能にしてやる必要があり、事実上例えば１２スロットや６スロットといったステータでは巻線の正弦波分布は成し得ない。
【００１１】
特に、ロータの外周と永久磁石との間に介在する磁性材でリラクタンストルクを利用してモータ性能を向上させようとすると、図７で示されたロータ構造の場合では、永久磁石の発する磁束が介在する磁性材であるコアで分散してロータ外周表面ではほぼ均一になってしまう。前述のように、ロータの外周表面の磁束分布を正弦波状にすれば相巻線の分布は正弦波状にしなくとも例えば１コイルの集中巻で設計でき得ることになる。
【００１２】
本発明は上記に鑑みなされたもので、ロータの外周表面での磁束分布を正弦波状にしてステータ巻線を簡単な構成とせしめ、且つ、モータの性能を向上させるものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明では、ロータコアの永久磁石を配するスリットを界磁極間から界磁極中心に向かうにつれロータの外周から内側に向かって円弧状に湾曲させて、該スリットに永久磁石を配することで永久磁石の磁束を効果的に利用しつつロータの外周表面での磁束分布を正弦波状にさせるものである。
【００１４】
また、該スリットの外周と内周の平均円弧中心線の界磁極中心線側円弧端部での接線が界磁極中心となす交差角度を０度〜９０度の範囲で設定し、該スリットに配される永久磁石の有する磁束密度が大きくなるほど、この角度を小さくする。更に、このようにされたスリットに配する永久磁石はスリットの円弧の中心側において配向焦点を有するラジアルに配向されたものとすることでより一層効果的に上記課題を解決するものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明に係わる好適な実施形態について図面に従って説明する。図１は本発明の実施形態に係わる界磁極数４極のロータ構造である。該ロータはロータのコア１０内に界磁極間と界磁極中心との間に永久磁石９を配するスリット８を、一方の界磁極間においてはロータの外周寄りに設定し該界磁極の界磁極中心においてはロータの内周寄りとなるよう設定すると共に、界磁極間から界磁極中心に至るスリット形状を任意の曲率でもって円弧状に湾曲させロータの外周と同方向の円弧を成すようにしてある。
【００１６】
スリット８は同一界磁極のもう一方端の界磁極間からも同様のものを施してある。そして該両界磁極間から界磁極の極中心へ至るスリット８はロータの当該界磁極中心において該界磁極中心線と角度θ１（以下交差角θ１と略す。）で接するようにしてある。
【００１７】
この様にしてロータのコア１０に施されたスリットに、該スリット８と同様形状の永久磁石９が配される。以下においては磁束の流れや強さ及び方向の説明を容易にするために、本発明のスリットには該スリットと同一形状同一寸法の永久磁石が配されたものとして扱い、特に断りがない限り、寸法や配置に関する記述において永久磁石とスリットは同義である。
【００１８】
今、この永久磁石がラジアル方向で配向されてモータが構成されている場合のロータ部磁束の流れを図２に示す。本図では１極のみを示しており、他の極も同様である。湾曲された永久磁石９が湾曲の内側に焦点を有する形でラジアル配向されているなら、永久磁石９からの磁束の方向は湾曲に沿って滑らかに且つ各点においてほぼ直角に向いていることになる。  従ってスリット８に挿入された永久磁石９から流出する磁束は左右の界磁極間付近ではほぼロータのラジアル方向に向かい、極中心に近づくにつれて次第にロータの界磁極中心に向かう。
【００１９】
この様に界磁極中心線を基準として左右に配された永久磁石が同一の能力を有しているなら多くの磁束は極中心線付近に集中するような形態で界磁極が形成される。該磁束の集中具合は界磁極中心軸両側の永久磁石９のなす角度に左右される。
【００２０】
図２における界磁極中心と、スリット８に配された永久磁石９の平均径の円弧で最も界磁極中心線寄りの場所での接線とのなす交差角θ１は、０度以上９０度以下が設定し得る範囲である。  交差角θ１が９０°以上であれば界磁中心線を挟んで両側の永久磁石９からの磁束の方向は互いに広がる方向となり本発明の趣旨と異なる。  又、交差角θ１が０°以下つまり負の角度で交差するということは、永久磁石９からの磁束の方向は０°以下の部分に関してロータの外周方向ではなく内周方向に向かってしまい本発明の趣旨からは逸脱する。今、個々の永久磁石９の有する磁束密度をＢｒｐとすれば、界磁極としての有効磁束密度成分は界磁極の径方向であるので、その大きさの関数をＦ１とすると
Ｆ１∝２×Ｂｒｐ×ｃｏｓ  （θ１）    （１）
本発明が意図する磁束の集中度合の関数をＦ２とすると
Ｆ２∝２×Ｂｒｐ×ｓｉｎ（θ１）    （２）
前記式（１）と式（２）を使って界磁極としての磁束密度の大きさと界磁極中心への磁束の集中度合の能力をＦｐとすると
Ｆｐ∝Ｆ１×Ｆ２∝ｃｏｓ  （θ１）×ｓｉｎ（θ１）    （３）
を導き出すことが出来る。
【００２１】
（３）式より明らかなように交差角θ１は４５°の場合が最大値を示し、合成磁束密度の大きさと集中力をうまく両立させる角度といえる。
交差角θ１が４５度より小さければ合成磁束密度は少なくなるが、合成磁束密度のロータ界磁極中心への集中力が強まり、逆に４５度より大きければ前記の集中力は弱まる。従って、該交差角θ１を適宜設定することにより目的とするロータ表面での正弦波状磁束分布に対応することが出来る。通常、磁束の集中を重視する場合は交差角を小さくし、磁束の量を重視する場合は交差角を大きくする。又、スリット８に挿入される永久磁石９の有する磁束密度が高い場合はロータの磁性材での磁束密度を均一にしようとして分散が強まるので、相対的に交差角θ１を小さく取ることでその影響を低くすることが出来る。
【００２２】
ここで、図２に示した界磁極に関してロータ表面を基準として円周方向に展開したときの磁束の流れと磁束密度分布を表すと図３のようになる。図３の下段は永久磁石からの磁束φの流れる様子を示し上段は下段のロータ表面での磁束密度Ｂｒの分布を示している。
【００２３】
永久磁石９の単体としての平均的な合成磁束は永久磁石９の平均円弧中心線での両端を結ぶ弦の界磁極中心線となす角θ２（以下傾き角θ２と略す。）で代表されるが、局部的に個々の部分を見てみると、任意のロータ界磁極を形成すべく界磁極の両端からそれぞれロータ中心側に湾曲して永久磁石９が配されていているので、永久磁石９からの磁束方向は該界磁極の中心に対して当該界磁極中心に近づくにつれ次第に大きな角度で交差する。しかし、界磁磁極中心線に対して左右対称に  永久磁石９が構成されていれば、互いの磁束は合成され結果としてロータの外周に対して直交し、その大きさは各部でのベクトル合成された値となる。同図から明らかなように、界磁極中心では比較的多くの磁束が合成され、両極間よりの磁束は自身の磁束の方向が界磁極中心方向に向いているため、その内側に当たる界磁極中心線寄りに存在する磁束は分散しようとするのを妨げ様とする方向に作用する。
【００２４】
従って、永久磁石９の外周側に磁性材が介在していても磁束の分散が押さえられ図３の上段のような正弦波状の磁束分布を得ることが出来る。上記の磁束を保持しようとする作用は界磁極中心線とその両側の永久磁石９のなす角度、即ち交差角θ１及び傾き角θ２の適切な設定により任意に変更することが出来る。永久磁石９の傾き角度がθ２である時の界磁極としての有効磁束密度成分と磁束の集中度合の能力をＦｓとすると交差角の場合と同様に考えることができ、
Ｆｓ∝ｃｏｓ（θ２）×ｓｉｎ（θ２）  （４）
と表される。ここで式（４）は、傾き角θ２＝４５度の条件で最も大きくなることは論を待たない。傾き角θ２が４５度より小さければ合成磁束量は少なくなるが、合成磁束量のロータ界磁極中心への集中力が強まる。逆に、４５度より大きければ前記の集中力は弱まる。
【００２５】
従って、該傾き角θ２を適宜設定することにより目的とするロータ表面での正弦波状磁束分布を得ることが出来る。今、ひとつの界磁極の開角をθｋとして、該モータの極数をＰと置くと、
θｋ＝３６０／Ｐ  （５）
ふたつの永久磁石９でひとつの界磁極を作る場合、同一極を構成しようとする一方の永久磁石９の傾き角θ２は界磁極の１／２開角と当該１／２界磁極のロータ外周円弧における弦とで成る２等辺三角形の界磁極中心線と共通の辺でのロータ外周側内角に対する余角が設定し得る最大θｍａｘで、
θｍａｘ＝９０°＋  θｋ／４  （６）
なる式で表すことが出来る。
【００２６】
図１０は４極ロータの場合についてのその模式的な関係図である。図１０において、１１は界磁極中心線、１２は界磁極間を示す線を表す。本発明の趣旨を満足する傾き角としては図１０から明らかなように
θｍａｘ＞θ２＞θｋ／２  （７）
なる範囲が有効である。
【００２７】
この中でも特に効果的な傾き角θ２の範囲は式（４）からも類推できるように４５°付近前後である。  通常、磁束の集中を重視する場合は傾き角θ２を小さくし、磁束の量を重視する場合は傾き角θ２を大きくする。又、前述と同様にスリットに挿入される永久磁石の有する磁束密度が高い場合は、ロータの磁性材での磁束密度を均一にしようとして分散が強まるので、相対的に傾き角θ２を小さく取ることでその影響を低くすることが出来る。以上の説明ではスリットの湾曲に関して特に曲率について言及していなかったが、曲率が大きくなれば永久磁石の傾き角θ２が大きくても交差角θ１が小さくなり、界磁極中心線付近での磁束集中の具合を大きくすることが出来る。従って、目的に応じて曲率を変更してやることでも界磁極としての全体の磁束量を操作しつつ界磁極中心線付近の磁束を強めてやることが出来る。尚、図１１及び図１２は本発明の第２及び第３の実施形態を示しており図１と構成内容において同一または相当部分については同一の符号を付して重複する説明を省略する。図１１は永久磁石の傾き角θ２及び交差角θ１が共に比較的大きい例であり、磁束の集中より界磁極全体としての磁束量の確保を重視する場合を示しており、また、磁束量の確保とは無関係で界磁極中心側での永久磁石の円弧端が界磁極中心と比較的離れている場合の構成をも示している。図１２は永久磁石の傾き角θ２及び交差角θ１が共に比較的小さく、磁束量の確保より界磁極中心付近での磁束の集中を重視した場合の構成を示したものである。
【００２８】
図１３は第４の実施形態を示しており、曲率は単一である必要は無く、界磁極の極間側で曲率が大きく極中心線側で小さくなる様にすることでも同様の効果が得られることは容易に推察されるものであり、本発明の趣旨を満足する範囲で部分的に直線であっても構わない。更には対象となるスリットの湾曲を複数に分割し、直線状のスリットを所定の角度でもって縦列させて等価的に湾曲させてもやはり同様の効果が得られる。この場合、該スリットの挿入される永久磁石は、上記説明でのラジアル配向のものでなくても厚み方向に平行配行された平板ものでもよい。尚、同一界磁極を構成する界磁極中心線を挟んで両側の永久磁石は必ずしも分割されている必要は無く、スリットが連続している限りにおいて単体構成されていてもよい。又、ある程度スリットに配する永久磁石が磁束密度の高いものであれば、モータの使用される用途によっては、例えば定格範囲内で使用され過負荷の恐れがない場合等では、通常界磁極の中心で合流するスリットを合流させずロータの磁性材で分割することが可能である。即ち、界磁極の極間と同じ様に永久磁石を挟んでロータの外周と内周をつなぐ磁性材でのブリッジを施すことが可能である。これは界磁極中心で集中する磁束の一部がブリッジを飽和させ、それ以上の磁束を通過させないようにするので、それ程磁束の集中を損なうことなく本発明のロータを得ることが可能である。
【００２９】
【発明の効果】
本発明では、同一界磁極を構成すべくロータの磁性材に界磁極中心線を挟んで対象に円弧状のスリットを施し、且つ、該スリットは界磁極間側でロータの外周側、界磁極中心線側で内周側となるよう施すようにしているので、該スリットにスリットと同形状同極の永久磁石を配することで必然的に磁束は界磁極中心に集まろうとする。従って、界磁極としてのロータ表面での磁束分布は、永久磁石とロータ外周間に磁性材が介在しても磁束の分散が抑制されて正弦波状になる。特に、スリットに配される永久磁石が該永久磁石の円弧中心側を焦点位置とするラジアルに配向されていると、磁束は界磁極中心に近づくにしたがって界磁極中心線に向かう方向となるので磁束の分散がより強く抑制される。
【００３０】
ロータ表面磁束が滑らかに正弦波状になることで、該ロータと組み合わされてモータを構成するステータの巻線構成は、例えば１コイルの集中巻というような簡単な構成にしても誘起電圧を正弦波状とすることが出来る。このことは、ステータのスロット数が少ないものにおいて極めて有効な効果であり、例えば、３スロットや６スロットといったようなステータでひとつのステータの歯に巻線を集中巻して任意の相の励磁極を発生させようとする場合等は特に有効である。
【００３１】
又、本発明の実施例で取り上げた１２スロットや２４スロットにおいても、巻線を簡素化し製造が容易なモータとするに好適な方法と言える。結果として低振動のモータを容易に得ることが出来るものである。又、従来例のロータにおいてはロータの表面磁束がほぼ一様であるため、一般的にモータとして構成された時負荷時に於いて電機子反作用を受け界磁極中心位置が変化し易い。従って、ロータ位置を検出してステータ巻線への電流を流そうとする制御にとって、最適な通電タイミングと該位置が負荷によって変動することになるため極めて制御が難しくなり、モータを安定して効率良く駆動することが出来なくなるばかりか、モータの発生トルクが脈打つことになるため、音や振動の発生原因となっている。
【００３２】
本発明においては、前述の説明の通り、界磁磁極中心軸に永久磁石の磁束が集中すべくロータのスリットが施されて該スリットに永久磁石が配されるので、従来のロータ構造で一般的に指摘される電機子反作用による界磁極中心の負荷に対する変動が少なく、制御に特別な工夫をしなくても安定した駆動が行え、この面からも安定した効率と低振動、低騒音を実現することができる。
【００３３】
又、従来例図５で示した構造に代表されるロータにおいては、ロータの永久磁石によるトルク以外に永久磁石の磁束方向と直交するステータからの励磁磁束によるリラクタンストルクを利用することでトルクを向上させようとする場合があるが、巻線の励磁領域に該当の界磁極が差し掛かると、永久磁石とロータ外周との間の磁性材料の介在によって励磁磁束通路の断面が急激に広がるため、一気に当該巻線による励磁磁束が増大してかなり大きなリラクタンストルクを発生させる。このことは平均トルク的には有効ではあるが音、振動に関しては問題になる。本発明では、図１の構造からも明らかなように該当励磁巻線の励磁に関してリラクタンストルクに関与する励磁磁束通路断面は徐々に広がる構成にされているので、リラクタンストルクを確保しつつも急激な変化を起こさない。従ってこの面での音、振動に関しても大きな効果がある。
【００３４】
この様に、本発明を実施することで、低振動、低騒音のモータを構成するに、ステータ構造やその巻線に関して特別な操作や工夫をすることなく行えると同時に、該モータを駆動する制御に関してもモータの脈動トルクを押えるような高速且つ複雑な制御手法や構成を行わなくとも音、振動の低いモータシステムを構築することが可能である。
【００３５】
以上の説明の如く、本発明はブラシレスＤＣモータ及びこれを駆動制御する装置にとって極めて有益なものである。更には、場合によってはロータ界磁極中心で永久磁石を挟んでロータの外周と内周をつなぐ磁性材でのブリッジを施すことが可能であるので、ロータの回転による遠心力に対する強度が格段に向上すると共に、該ロータの外周の変形を押えることが出来得るものである。製造面においても、図４の従来例の様な細くて長いロータ外周ブリッジが無いため、これを打抜くプレス型の構造や工程が簡単になり安価にロータが製作できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態を示すロータの横断面図である。
【図２】図１のロータにおける任意界磁極の磁束の流れを示す説明図である。
【図３】図２に示した界磁極に関して、ロータ表面を基準として円周方向に展開した時の磁束の流れと磁束分布を表す説明図である。
【図４】従来例を示すロータの横断面図。
【図５】別の従来例を示すロータの横断面図。
【図６】図４のロータにおける磁束の流れを示す説明図である。
【図７】図５のロータにおける磁束の流れを示す説明図である。
【図８】図４のロータを用いたブラシレスＤＣモータの構成例を示す展開説明図である。
【図９】図８に示すモータの任意相における鎖交磁束の変化と当該相に発生する誘起電圧波形を示すものである。
【図１０】傾き角θｍａｘを説明するための模式図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態を示すロータの横断面図。
【図１２】本発明の第３の実施形態を示すロータの横断面図。
【図１３】本発明の第４の実施形態を示すロータの横断面図。
【符号の説明】
１，４，８…スリット、２，５，９…磁石、３，６，１０…磁性材、７…ステータ、Ｕ，Ｖ，Ｗ…ステータの相巻線、Ｓ１〜Ｓ１２…ステータのスロット、θ１，θ２，θｍａｘ…角度、１１…界磁極中心線、１２…界磁極間を示す線、１３…平均円弧中心線、φ…磁束、Φ…磁束量、Ｂｒ…磁束密度。
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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