(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ブラシレスモータ（１０）において、
回転軸（Ａ）の周りに回転することができかつ所定の個数（Ｎ１）の磁極（１２）を有するロータ（２）と、
軸方向に一緒に束ねられ磁極（１２）としてのセクタを形成する数多くの積層（１１）と、
前記ロータ（２）に対して同心で配置されておりかつ２つずつの磁極（１２）に対して３つのステータ歯（５）を備えるステータ（４）とを有しており、
前記磁極は、前記回転軸（Ａ）の周りに均一に分配されておりかつ１スロットピッチ（Ｐｃ）で延在しており、
互いに隣り合うステータ歯（５）の中心点は、互いに１スロットピッチ（Ｐｃ）離隔されており、
前記磁極のうちの２つが、円周方向に磁化された永久磁石（３）に対する座部（１３）をそれぞれ形成し、
前記ステータ歯（５）は、磁極（１２）に対向する自由表面（Ｓｓ′）を有しており、
前記ステータ歯（５）は、単一の突出エレメント（１４）を有しており、
該突出エレメントは、相応する自由表面（Ｓｓ′）からロータ（２）に向かって半径方向に延在しており、
各突出エレメント（１４）は、等辺の台形の形態であり、該台形の小さい方の底面はロータ（２）の方を向いており、その円周方向の長さ（Ｌ）は、小さい方の底面と大きい方の底面との間の中心線で計られることを特徴とするブラシレスモータ。
【請求項２】
前記の各突出エレメント（１４）は、歯形に成形されており、ステータ（４）の円周方向に長さ（Ｌ）を有しており、
該長さは、２つのステータ歯（５）間の間隔（Ｚ）に実質的に相応し、
前記突出エレメントは、コギングトルクができるかぎりに小さくなる半径方向のサイズを有する、
請求項１に記載のモータ。
【請求項３】
前記突出エレメント（１４）は、関連する自由表面（Ｓｓ′）の中心に配置されている、
請求項１または２に記載のモータ。
【請求項４】
ブラシレスモータ（２０）において、
回転軸（Ａ）の周りに回転することができかつ所定の個数（Ｎ１）の磁極（１２）を有するロータ（２）と、
軸方向に一緒に束ねられ磁極（１２）としてのセクタを形成する数多くの積層（１１）と、
前記ロータ（２）に対して同心で配置されておりかつ２つずつの磁極（１２）に対して３つのステータ歯（５）を備えるステータ（４）とを有しており、
前記磁極は、前記回転軸（Ａ）の周りに均一に分配されておりかつ１スロットピッチ（Ｐｃ）で延在しており、
互いに隣り合うステータ歯（５）の中心点は、互いに１スロットピッチ（Ｐｃ）離隔されており、
前記磁極のうちの２つが、円周方向に磁化された永久磁石（３）に対する座部（１３）をそれぞれ形成し、
前記ステータ歯（５）は、磁極（１２）に対向する自由表面（Ｓｓ′）を有しており、
前記ステータ歯（５）は、単一の突出エレメント（１４）を有しており、
該突出エレメントは、相応する自由表面（Ｓｓ′）からロータ（２）に向かって半径方向に延在しており、
前記突出エレメント（１４）は、円筒状のステータ面（Ｓｓ)を定め、
該円筒状のステータ面は前記ステータ歯（５）の間で中断され、該ステータ面によって実質的に余弦波形状を有する準線（Ｄ）が描かれ、
該準線（Ｄ）は、前記回転軸（Ａ）の周りに同心で延在する基準円（Ｂ）を中心として振動することを特徴とするブラシレスモータ。
【請求項５】
前記モータは設計されて、
該モータが第５高調波を有する正弦波状の起電力を有し、
該第５高調波の位相が該起電力の基本波に逆相であり、
該第５高調波の振幅が前記基本波の振幅の１０％よりも小さくなるようにされている、
請求項１から４までのいずれか１項に記載のモータ。
【請求項６】
前記の第５高調波の振幅は、基本波の振幅の約６％である、
請求項５に記載のモータ。
【請求項７】
前記のロータ（２）はステータ（４）の外側に配置されている、
請求項１から６までのいずれか１項に記載のモータ。
【請求項８】
前記のロータ（２）はステータ（４）の内側に配置されている、
請求項１から６までのいずれか１項に記載のモータ。
【請求項９】
前記磁極（１２）は、円筒状のロータ面（Ｓｒ′）によって半径方向に境界付けられており、
該ロータ面の曲率半径は、ロータ（２）を囲む円筒状の面（Ｓｒ）の曲率半径よりも小さい、
請求項８に記載のモータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、請求項１または請求項４に記載された、磁極を有するブラシレスモータに関する。
【０００２】
ふつうステータ歯は、モータの相の数に依存して周期的なグループに分配される。各歯は、同心の巻線（単一歯巻線）を有する。
【０００３】
ロータにおいて半径方向に、磁化された永久磁石を有し、ステータに電磁極を有し、また各電磁極に少なくとも１つの矩形の隆起部を有する、請求項１または請求項４の第１，３，４の部分に相応するブラシレスモータは、ＵＳ ＲＥ３５７６３Ｅまたは日本のＪＰ ６０ １４２２４０Ａの特許明細書の要約書から公知であり、ここでは上記の隆起部によってエアギャップが低減され、ひいてはコギングトルクが低減される。
図１には先行技術からのモータが示されており、ここではステータは９つのステータ歯を含み、ここでこれは３つの周期的なグループに分割される。ステータはロータの周りに同心で配置されている。ロータは６つの磁極を有しており、これらはそれぞれ１スロットピッチで延在している。さらに各磁極は、ロータそれ自体を囲む円筒面の曲率半径よりも小さな曲率半径を有し、これによって、誘導される起電力が可能な限りに正弦波であるようにする。
【０００４】
上記のタイプのブラシレスモータは、いわゆるコギングトルクに起因する欠点を有しており、これを修正ないしは低減するために、これまで様々な技術的解決手段が使用されてきた。しかしながらこれらの解決手段によってさらに別の様々な欠点が生じている。すなわち、例えば、同じ活性材料を使用した場合、磁束が損失される；設計が複雑である；空気伝搬騒音（airborne noise）および振動が幾何学的な不連続性から発生する；結果的に得られるアクティブトルクに負の影響を及ぼす、起電力の高調波が発生する；仮想的に正弦波状である起電力を形成したいという要求から一貫性のない幾何学／形状になってしまうなどの欠点が生じるのである。
【０００５】
本発明の課題は、コギングトルクが定格トルクの１００分の１よりも小さく、同時に上記のような欠点を最小化することの可能なブラシレスモータを提供することである。
【０００６】
この課題は、つぎの機能を有するブラシレスモータによって解決される。
【０００７】
このモータは、回転軸の周りに回転できかつ所定の個数の磁極を有するロータを有しており、ここでこれらの磁極は、回転軸の周りに均一に分配されかつスロットピッチで延在している。さらに、このモータは、ロータと同心に配置されておりかつ２つずつ磁極に対して３つのステータ歯を備えるステータを有しており、ここでこのステータ歯は、回転軸の周りに均一に配置されており、互いに隣り合うステータ歯の中心点は、互いに１スロットピッチ離隔されている。ステータ歯は、磁極に対向する自由表面（free surface）を有しており、また各ステータ歯は、単一の突出エレメントを有しており、この突出エレメントは、相応する自由表面からロータに向かって半径方向に延在しており、各突出エレメント（１４）は、等辺の台形の形態であり、該台形の小さい方の底面はロータ（２）の方を向いており、その円周方向の長さ（Ｌ）は、小さい方の底面と大きい方の底面との間の中心線で計られる。
また別の実施形態では、本発明のモータは、回転軸の周りに回転することができかつ所定の個数の磁極を有するロータと、軸方向に一緒に束ねられ磁極としてのセクタを形成する数多くの積層と、上記ロータに対して同心で配置されておりかつ２つずつの磁極に対して３つのステータ歯を備えるステータとを有しており、上記磁極は、上記回転軸の周りに均一に分配されておりかつ１スロットピッチで延在しており、互いに隣り合うステータ歯の中心点は、互いに１スロットピッチ離隔されており、上記磁極のうちの２つが、円周方向に磁化された永久磁石に対する座部をそれぞれ形成し、上記ステータ歯は、磁極に対向する自由表面を有しており、上記ステータ歯は、単一の突出エレメントを有しており、この突出エレメントは、相応する自由表面からロータに向かって半径方向に延在しており、上記突出エレメントは、円筒状のステータ面を定め、この円筒状のステータ面は上記ステータ歯の間で中断され、このステータ面によって実質的に余弦波形状を有する準線が描かれ、この準線は、上記回転軸の周りに同心で延在する基準円を中心として振動する。
【０００８】
以下では図面を参照して、本発明の例示的な実施形態をより詳しく説明する。ここでこの実施形態によって制限がなされるとみなすべきでない。
【０００９】
図１は、永久磁石を有する従来技術のブラシレスモータの断面図を示しており、
図２は、永久磁石を有する第１のブラシレスモータの部分断面図を示しており、
図３ａ〜３ｄは、図２に示したモータの相異なる４つの動作条件と、各動作条件に対するコギングトルクの関連する線図とを概略的に示しており、
図４は、永久磁石を有する第２のブラシレスモータの部分断面図を示しており、
図５は、図２および４に示したモータにおける起電力および関連する相電流の波形の線図を示している。
【００１０】
従来技術による例において永久磁石３を有するブラシレスモータ１が示されており、このブラシレスモータ１は、半径がＲｒである円筒形のロータ面Ｓｘによって半径方向に囲まれかつ回転軸Ａの周りに回転するロータ２と、所定の個数Ｎ１個の永久磁石３とを有する（図１を参照されたい）。
【００１１】
さらにモータ１はステータ４を有しており、これはロータ２の周りの外側に同心で取り付けられている。このロータは、２つずつの永久磁石３に対して３つのステータ歯５を有している。ステータ歯５は、回転軸Ａの周りに均一に分配されている。ステータ歯５は互いに離隔されており、これによってスロット６が形成される。互いに隣り合うステータ歯の中心点は互いに、１スロットピッチだけ離隔されている。ステータ歯５は自由表面Ｓｓ′を有しており、これは面Ｓｒに対向する。自由表面Ｓｓ′と面Ｓｒとは、互いに離隔されており、一定幅のギャップＴを形成する。
【００１２】
モータ１は、６つの永久磁石３を有する３相モータとして設計されており、これらの６つの永久磁石に９つのステータ歯５が対応し、これらの９つのステータ歯は、相巻線に基づいて回転軸Ａの周りに均一に分配されたグループＦ１，Ｆ２，Ｆ３に分割される。
【００１３】
各ステータ歯５は相巻線を有している。各ステータ歯５は実質的にＴ字形であり、半径の線に沿って配置される延長部７と、端部に２つの翼部８とを有しており、ここでこれらの翼部は、延長部７の反対側にある２つの領域から、延長部７それ自体に関してこれを交差するように延在しており、半径方向には内側において、相応する面Ｓｓ′により境界が付けられている。
【００１４】
コギングトルクＣｃ′を低減するため、モータ１の各ステータ歯５は、相応する面Ｓｓ′に２つのスロット９を有する。すでに述べたようにこの手段は、製造コストを増大させるだけでなく、アクティブトルクにおける高調波分を増大させ、また回転速度において「空隙」（lacuna）を有するモータの空気伝搬騒音を増大させる。
【００１５】
図２では、同じ参照符号を使用して、同じ部分でありかつすでに説明した部分を表している。
【００１６】
例示的な１実施形態において、永久磁石３を有するブラシレス３相モータ１０が示されており、このモータ１０は、ステータ４の内側に取り付けられたロータ２を有する。しかしながらロータ２がステータ４の周りに配置される逆の幾何学的配置構成を使用することも本発明の範囲内に含まれる。
【００１７】
ロータ２には、数多くの積層（lamination）１１が含まれており、これらは、軸方向に一緒にパックないしは束ねられておりかつセクタを形成している。これらのセクタは永久磁石３に対する座部１３を形成しており、これらの座部はセクタの間に配置されている。各セクタは、隣り合う２つの座部１３にある永久磁石３によって磁化され、したがってロータ２に対する磁極１２を形成する。磁極１２は半径方向に、関連する面Ｓｒ′によって境界が付けられており、その曲率半径Ｒｒ′は、ロータ２がそれ自体囲まれている周囲の面Ｓｒの半径Ｒｒよりも小さい。各磁極１２は、１スロットピッチＰＣで延在しており、その外周の反対側の２つの領域において面Ｓｒ′に沿って軸方向歯（longitudinal teeth）１２ａを有する。隣り合う２つの磁極１２の対向する軸方向歯１２ａにより、これらの間に配置されている永久磁石３が半径方向にブロックされる。
【００１９】
セクタを設けなければならない代わりに、従来技術からの例のように磁極を永久磁石の形態とすることも可能である。この場合、これらの永久磁石は、ステータに直接対向して配置され、ロータ面Ｓｒによって半径方向に境界が付けられる。
【００２０】
モータ１０における永久磁石３の個数Ｎ１とステータ歯５の個数Ｎ２との間の比と、従来技術の例の相応する比とは互いに一致し、一定の２／３である。
【００２１】
各ステータ歯５は、突出エレメント１４を有しており、これは関連する面Ｓｓ′からロータ面Ｓｒに向かって半径方向に延在している。エレメント１４は、磁気最適化プログラムを使用してコンピュータにより最適化された半径方向のサイズを有しており、これによりコギングトルクができる限り小さくされている。このようなプログラムでは、例えば、有限要素法を使用することができる。最適化プロセスから得られる出力は、固有の最小サイズであり、これはギャップＴの最小サイズに相応する。ギャップのこの最小サイズは、経験的に決定された標準のサイズであり、自動車技術分野の分野では約０．５ｍｍである。エレメント１４の円周方向サイズはＬであり、これは２つのステータ歯５の間の間隔Ｚに相応する。この場合の円周方向サイズという表現は、ステータ４の円周方向におけるエレメント１４の長さを意味する（図２を参照されたい）。各エレメント１４は、等辺の台形であり、小さい方の底面がロータ２の方を向いている。円周方向サイズＬは、小さい方の底面と、大きい方の底面との間の中心線において計ったものである。
【００２２】
各エレメント１４のサイズおよび形状は、磁気最適化プログラムを使用してコンピュータによって最適化され、これによって磁極１２と特定のエレメント１４との間の相互作用によってコギングトルクＣｃが形成されるようにし、ここでこのコギングトルクの大きさは、別の磁極１２と特定のスロット６とによって形成されるコギングトルクＣｃと実質的に等しい。このコギングトルクは逆の符号を有する。このことは磁極１２の軸方向歯１２ａの左側のエッジ１２ｕにも右側のエッジ１２ｅにも共に当てはまる。
【００２３】
図３ａ〜３ｄに示したように、コギングトルクＣｃはつぎの４つの基本的な条件の下で形成される。すなわち、
ａ）  磁極１２の側縁１２ｅが、スロット６の領域に入る（図３ａ参照）、
ｂ）  同じ磁極１２の側縁１２ｕがスロットの領域から出てくる（図３ｂ参照）、
ｃ）  磁極１２の側縁１２ｅがエレメント１４の領域に入る（図３ｃ参照）、
ｄ）  ｃ）の磁極１２の側縁１２ｕが、エレメント１４の領域から出てくる（図３ｄ参照）。
【００２４】
コギングトルクＣｃのプロフィールが、スロット６およびエレメント１４に対する磁極１２の対応する位置の関数として線図に転写されると、このことからわかるのは、スロット６の開口部の上にコギングトルクＣｃが十分にあり、すなわち２つのステータ歯５間の間隔またはエレメント１４の幅Ｌを越えてコギングトルクＣｃがあり、またこれがスロットの軸またはエレメント１４それ自体に関して対称でないことである。
【００２５】
条件ａ），ｂ），ｃ）およびｄ）から得られるコギングトルクＣｃは加算される。モータ１０の上記の設計により、条件ａ）から得られるコギングトルクＣｃと、条件ｃ）から得られるコギングトルクＣｃとが実質的に互いに打ち消し合う状況が生じる。相応する状況が、条件ｂ）から得られるコギングトルクＣｃと、条件ｄ）から得られるコギングトルクＣｃとについても当てはまり、全体的な結果としてモータ１０のコギングトルクＣｃは、定格トルクよりも約１００倍も小さくなる。
【００２６】
容易に分かるのは、この結果が、慣用のブラシレスモータ１に対して最小の変更で達成されたことであり、また作製において慣用の解決手段が直面した困難に立ち入ってしまうことなしに達成されたことである。
【００２７】
図４に示した第２の例示的な実施形態は、つぎの違いを除いてモータ１０に実質的に等しいモータ２０に関する。すなわちここでは突出エレメント１４によって円筒状のステータ面Ｓｓが定められ、このステータ面は、ステータ歯５の間で中断され、また実質的に余弦波形状を有する準線Ｄを描く。ここでこの準線Ｄは、回転軸Ａの周りに同心で延在する基準円Ｂを中心として振動する。
【００２８】
準線Ｄは、１スロットピッチＰｃに相応する周期を有し、関連するステータ歯５の面Ｓｓ′の中心点においてギャップＴの最小サイズを定める。またこの準線は、極座標において半径Ｒ０で基準円の周りに延在する。半径Ｒ０は、ロータ２を囲む曲率半径Ｒｒの値と、ギャップＴの最小サイズと、準線Ｄの余弦関数の振幅λとの和に等しく、これは磁気最適化プログラムによって最適化される。
【００２９】
上記の面Ｓｓの固有の形状によってステータ４に所定の幾何学形状を与えることができ、この幾何学形状により、第１の例示的な実施形態に比して、図２に示したスロット６とエレメント１４とによって生じる幾何学的な不連続性が低減される。さらに面Ｓｓのこの固有な形状によって、空気伝搬雑音を低減しかつ起電力の形状についてのより良好なコントロールを提供することができ、これによって起電力の形状は正弦波曲線に近くなり、これはコギングトルクＣｃの点からは同じ結果を有するようになる。
【００３０】
上記の利点に加えて、提案した解決手段によってつぎのような起電力が得られる。すなわちこの起電力は、第５高調波を主に含む正弦波状の波形を有し、ここでこの第５高調波は、起電力の基本波に対して反相であり、また基本波の振幅の１０％以下である値の振幅を有する。振幅に対する典型的な値は、有利には基本波の振幅の６％の大きさのオーダである。
【００３１】
上記のことが重要であることがわかるのは、ブロック整流（block commutation）を有する（公知であるが図示していない）つぎのような電子式ブリッジ回路を使用してモータ１０をコントロールできることを念頭におく場合である。すなわちこの電子式ブリッジ回路によって、正弦波状の電流波形がモータの相において形成され、ここでこれは、実質的に第５高調波からなる基本波と同相の高調波成分を有し、典型的な値のオーダが基本波の６％の大きさである振幅を有するのである。
【００３２】
起電力が完全に正弦波状であれば、この電流波形により、アクティブトルクに不所望なリップル、すなわちコギングトルクが形成される。しかしながらモータ１０の起電力の第５高調波と、相電流の波形における第５高調波とは、反相であり、パーセンテージの項まで類似の振幅を有するため、アクティブトルクにおけるリップルの負の影響がかなり低減される。
【００３３】
このことから明らかであるのは、モータ１０では、アクティブトルクにコギング運動を発生させることなしに起電力を形成する、高度かつコストのかかる技術および正弦波状の給電電圧を使用しないないのにもかかわらず、定格トルクに対して、すなわちモータ１によって出力しようとするトルクに対して極めてわずかなパーセント値しか有しない、アクティブトルクにおけるコギング運動を達成することができることである。
【００３４】
理解を助けるため、図５にはブリッジ制御を有するモータ１０における起電力の典型的な波形および相応する相電流が方形波を使用した際に示されており、ここでは高調波成分および関連する相がよくわかる。
【００３５】
本発明はここで説明し図示した形態に限定されない。これらの実施形態は、永久磁石を有するブラシレスモータの例示的な実施形態とみなすべきである。それは部材の形状および配置、設計の詳細およびアセンブリに関する変更が可能であり、このような変更は、本発明のアイデアと組み合わせることができるからである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  永久磁石を有する従来技術のブラシレスモータの断面図である。
【図２】  永久磁石を有する第１のブラシレスモータの部分断面図である。
【図３】  図２に示したモータの相異なる４つの動作条件と、各動作条件に対するコギングトルクの関連する線図とを概略的に示す図である。
【図４】  永久磁石を有する第２のブラシレスモータの部分断面図である。
【図５】  図２および４に示したモータにおける起電力および関連する相電流の波形の線図である。
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
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【図３ｄ】
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【図４】
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【図５】
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