JP2014230444A - ブラシレスモータ - Google Patents

Abstract

【課題】ステータコアの突極が磁気飽和することなく、コギングトルクを低減することができるブラシレスモータを提供する。
【解決手段】突極８の極歯部９には、マグネット５と対向する円弧状の外周面を、周方向の中心位置の両側で、それぞれ、径方向に深さｔで突極８の中心線と略直交する方向に切り欠くことによって一対の切り欠き部１３、１３が形成される。切り欠き部１３、１３の形成によって、極歯部９の周方向中央位置には、先端部に円弧部を有する凸部１２が形成される。切り欠き部１３、１３の径方向の深さｔは、少なくともマグネット５と凸部１２の円弧部１２ａ間のギャップ長ｇと同じであり、凸部１２のロータ３の回転中心Ｏから見た角度範囲は、１０．５度〜１２度の範囲に設定される。
【選択図】図２

Description

本発明は、ブラシレスモータに関する。

一般に、巻線を施すためにコア鉄心にスロットを設けて突極構造にしたモータは、突極構造ではないモータに比べて巻線に多くの界磁磁束を鎖交させることができるため、小型、軽量で大きな出力が得られるモータとなる。

しかし、コア鉄心が突極構造の場合にはコア鉄心が磁気的に不均一な構造であるため、例えば永久磁石などにより構成される界磁部との相互作用によってコギングトルクが発生し、トルク変動の要因となってモータ性能を低下させる。このため、コギングトルクの低減を図ったコア鉄心形状が数多く提案されている。例えば、下記特許文献１によれば、永久磁石と向かい合う突極の表面に複数の溝を形成してコギングトルクの低減を図ったモータが提案されている。

図７は、特許文献１に記載のモータの構造を示す断面図である。図７に示すモータ５０はアウターロータ型で、回転子は８極の磁極を有する永久磁石５３と、永久磁石５３を固定するハブ５４を有する。固定子は、固定子鉄心５１とステータコイル５５から構成される。

固定子鉄心５１は、６個の突極５８と磁路を構成するヨーク５９とからなっており、隣接する突極５８の間にはスロット５７が形成され、突極５８にはステータコイル５５が巻回されている。永久磁石５３と向かい合う突極端５２の表面には、突極５８の中央に近い２ヶ所に補正溝５６を設けている。この補正溝５６を設けたことにより、コギングトルクを補正し滑らかな回転を得ている。

特開２００８−１４８４６９号公報

しかしながら、永久磁石５３と向かい合う突極端５２の表面に２ヶ所の補正溝５６を設けた特許文献１に記載されたモータ５０の構成によれば、補正溝５６の深さによっては突極端５２の補正溝５６の箇所で断面積が減少することにより磁気飽和して磁気抵抗が増加し、その結果、モータ出力が低下することもある。

本発明は、上記した課題を解決するためになされたものであり、ステータコアの突極が磁気飽和することなく、コギングトルクを低減することができるブラシレスモータを提供することを目的とする。

上記した課題を解決するために、本発明は、複数極に着磁された円筒状の永久磁石からなる界磁部を備えるロータと、前記ロータの回転軸を回動可能に支持する環状部から径外方に放射状に延伸され、前記永久磁石と対向して配置される突極を備えるとともに、前記突極の間にスロットを有するステータとから構成されるブラシレスモータにおいて、前記突極は、先端に周方向に広がった極歯部が一体に形成され、前記極歯部は、周方向の中央位置に設けられ、先端が、前記永久磁石の内周面に沿って前記ロータの回転中心から所定の曲率半径の円弧部を有する凸部と、前記凸部の両側に設けられ、径方向に所定の深さを有し、前記突極の中心線に略直交する方向に沿って切り欠かれた一対の切り欠き部と、周方向の中央位置から両端にそれぞれ突出して設けられ、前記永久磁石に対向する各先端部がそれぞれ前記凸部と同じ曲率半径の円弧部を有する一対の極歯端部とを具備し、前記切り欠き部の深さは少なくとも前記永久磁石と前記凸部の円弧部との間で形成されるギャップ長と同じであって、前記凸部の前記ロータの回転中心から見た角度が１０．５度〜１２度の範囲に設定されていることを特徴とする。

また、上記本発明において、前記凸部の前記ロータの回転中心から見た角度範囲が１１度近傍に設定されていることを特徴とする。

また、上記本発明において、前記永久磁石は、８極着磁で、前記突極は６個有することを特徴とする。

本発明によれば、ステータコアの突極が磁気飽和することなく、コギングトルクを低減することができるブラシレスモータを提供可能となる。

本発明の一実施形態に係るブラシレスモータの構造を示す断面図である。 図１に示すブラシレスモータの極歯部近傍の拡大図である。 極歯部の凸部の角度θとコギングトルク及び逆起電力の関係を示す図である。 極歯部の凸部の角度θが１０°の時のコギングトルクの特性を示すグラフである。 極歯部の凸部の角度θが１４°の時のコギングトルクの特性を示すグラフである。 極歯部の凸部の角度θが１１°の時のコギングトルクの特性を示すグラフである。 従来のモータの構造を示す断面図である。

以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態（以下、本実施形態という）について詳細に説明する。なお、本実施形態の説明の全体を通して同じ要素には同じ番号を付している。

（一実施形態の構成）
図１は、本発明の一実施形態に係るブラシレスモータ１の構造を示す断面図である。図１では、特にブラシレスモータ１の回転軸の軸方向から見た断面図を示している。図１に示すように、本実施形態のブラシレスモータ１は、ステータ２とロータ３を備え、ロータ３の内側にステータ２が配置された３相のアウターロータ型ブラシレスモータである。

ロータ３は、カップ状のロータヨーク４と、円筒状の永久磁石（以下、マグネットと称する）５からなり、マグネット５はロータヨーク４の内周面に固着されている。マグネット５は、Ｎ極とＳ極が同じピッチで交互に８極に着磁されている。このように、ロータ３は、複数極に着磁されたマグネット５からなる界磁部を備えた構成である。

ステータ２は、軟磁性材料、例えば、ケイ素鋼板、電磁鋼板などからなるコアをロータ３の回転軸（図示せず）の軸方向に所定枚数、積層したステータコア６を備える。ステータコア６は、ロータ３の回転軸を回動可能に支持する環状部７から径外方に等しい角度で放射状に延伸する６個の突極８を有する。

各突極８にはコイル１１が巻回されている。それぞれの突極８の先端には周方向に広がった極歯部９が一体に形成されている。そして、隣接する極歯部９の間にはスロット１０が設けられる。

図２は、図１に示すブラシレスモータ１の極歯部９近傍の構造を示す拡大図である。図２に示すように、極歯部９は、マグネット５と対向する外周部分が極歯面９Ａとされている。極歯部９の極歯面９Ａには、周方向の中央付近に凸部１２が形成されるとともに、該凸部１２の両側にはそれぞれ径方向に所定の深さｔを有する一対の切り欠き部１３、１３が形成される。

一対の切り欠き部１３、１３は、突極８の中心線ａに対して略直交するように切り欠きを形成している。この一対の切り欠き部１３、１３の形成によって、極歯部９の底部両端には、凸部１２と一体とされ、先端が、それぞれ、マグネット５との対向位置まで伸びる極歯端部１４、１５が形成される。

ここで、凸部１２と極歯端部１４、１５は、それぞれ、先端が円弧状の形状を有している。これにより、凸部１２の先端と極歯端部１４、１５の先端には、それぞれ、円弧部１２ａ、１４ａ、１５ａが形成される。

ここで、凸部１２の円弧部１２ａと、端部１４、１５の円弧部１４ａ、１５ａは同じ回転中心Ｏ、すなわち、ロータ３の回転中心Ｏから同じ曲率半径を有する円の円弧を形成している。この円は、マグネット５の内周面と同心である。これにより、凸部１２の円弧部１２ａと、端部１４、１５の円弧部１４ａ、１５ａは、マグネット５との間に所定のギャップ長ｇを有している。

図２に示す極歯部９の構成は、言い換えれば、マグネット５の内周面に対する距離（ギャップ）が一定である円弧状の外周面を、突極８の周方向の中心位置の両側で、それぞれ、径方向に所定の深さｔで突極８の中心線ａと略直交する方向に切り欠いて形成した一対の切り欠き部１３、１３と、一対の切り欠き部１３、１３を形成することにより突極８の周方向の中央位置に形成され、先端部が円弧部１２ａを有する凸部１２と、切り欠き部１３、１３により突極８の周方向の両端部にそれぞれ形成され、先端部が円弧部１４ａ、１５ａを有する極歯端部１４、１５を有する構成である。

かかる構成を有する本実施形態のブラシレスモータ１において、上記切り欠き部１３の深さｔは、凸部１２の円弧部１２ａとマグネット５との間（端部１４の円弧部１４ａ、若しくは端部１５の円弧部１５ａとマグネット５との間）のギャップ長ｇと同じ寸法に設定している。

上記寸法に設定される本実施形態のブラシレスモータ１のステータ構造は、後述するように（図３〜図６参照）、コギングトルクを低減するのに有用である。コギングトルクは、非励磁状態で回転子を動かした際に発生する磁気吸引力のことであり、制御を行う上では外乱要因となるため、極力小さくすることが望まれる。コギングトルクは、コア鉄心の形状の改良などにより低減できるが（上記特許文献１参照）、極歯面の断面積の形状によっては磁気飽和し磁気抵抗が増すこともある。

本実施形態では、上述したように切り欠き部１３の深さｔと、凸部１２の円弧部１２ａとマグネット５との間のギャップ長ｇを同じ寸法に設定することにより磁気飽和を起こり難くしている。本実施形態に係るブラシレスモータ１のステータ構造におけるコギングトルク低減作用について、図３〜図６を参照して以下に詳しく述べる。

図３は、本実施形態に係るブラシレスモータ１のステータ２において、突極８の極歯部９の極歯面９Ａに設けた凸部１２の上記回転中心Ｏからの角度θとコギングトルクの関係を示した図である。特に、凸部１２の上記回転中心Ｏからの角度θを１０°（度）〜１４°の範囲で可変させたときのコギングトルクの値と逆起電力の値を示している。

図３からも明らかなように、凸部１２の上記回転中心Ｏからの角度θとコギングトルクの関係は、角度θが、θ＝１２°よりも大きくなるとコギングトルクが増加する傾向にあり、角度θが約１１°付近でコギングトルクが最小となる傾向を示している。

また、図３においては、逆起電力の観点からみると、凸部１２の上記回転中心Ｏからの角度θが大きくなるに従って、凸部１２の円弧部１２ａの面積が増加することにより、凸部１２の円弧部１２ａに流れ込む有効磁束が増加するため逆起電力が増加し、ひいてはモータトルクも増加する。

また、切り欠き部１３の深さｔを小さくすると、極歯端部１４、１５の円弧部１４ａ、１５ａの面積も増加することにより、円弧部１４ａ、１５ａへ入り込む有効磁束が増加して逆起電力が増加する。この結果、モータトルクも増加する傾向を示すことになる。その反面、切り欠き部１３の深さｔを小さくすると、有効磁束の影響を受け、切り欠き部１３の深さｔ＝１．２ｍｍの場合よりもコギングトルクは増加することになり、好ましくない。

したがって、切り欠き部１３の深さｔを、凸部１２の円弧部１２ａとマグネット５間のギャップ長ｇよりも大きくすれば、有効磁束が減少するためコギングトルクを減少できる。その一方で、逆起電力が減少する結果、モータトルクが減少する。このため、切り欠き部１３の深さｔをギャップ長ｇよりも大きくする場合には、逆起電力が減少することからモータトルクとの関係を考慮して適宜設定する必要がある。

図４は、凸部１２の上記回転中心Ｏからの角度θが１０°のときのコギングトルクの特性を示すグラフである。図５は、凸部１２の上記回転中心Ｏからの角度θが１４°のときのコギングトルクの特性を示すグラフである。図６は、凸部１２の上記回転中心Ｏからの角度θが１１°のときのコギングトルクの特性を示すグラフである。図４〜図６は、特に、ロータ３の１回転の内、１２０°までのコギングトルクを示した図である。

コギングトルクは、マグネット５の磁極数とスロット１０の数との最小公倍数の周期が１回転あたりに発生することが知られている。本実施形態のブラシレスモータ１の場合、マグネット５の磁極数は８極で、スロット１０は６であるため、その最小公倍数２４の周期が１回転あたりに発生する。

例えば、図４に示すように、凸部１２の上記回転中心Ｏからの角度θが１０°の時におけるコギングトルク（ｐｅａｋ ｔｏ ｐｅａｋ）の値は約５．４×１０^−３Ｎｍである。また、図５に示すように、凸部１２の上記回転中心Ｏからの角度θが１４°の時におけるコギングトルク（ｐｅａｋ ｔｏ ｐｅａｋ）の値は約１０．６×１０^−３Ｎｍである。この時のコギングトルクの波形は、凸部１２の上記回転中心Ｏからの角度θが１０°の場合（図３参照）とは逆位相の波形になっている。

また、図６に示すように、凸部１２の上記回転中心Ｏからの角度θが１１°の時におけるコギングトルク（ｐｅａｋ ｔｏ ｐｅａｋ）の値は約１．６×１０^−４Ｎｍである。つまり、凸部１２の上記回転中心Ｏからの角度θが１１°の時には、凸部１２の上記回転中心Ｏからの角度θが１０°の時、１４°の時に比べてコギングトルクの値を大きく減少できることがわかる。

以上の結果から、突極８の極歯部９における切り欠き部１３の深さｔを、少なくとも極歯部９の凸部１２の円弧部１２ａとの間のギャップ長ｇと同じ深さに設定するとともに、凸部１２の上記回転中心Ｏからの角度θを１０．５°〜１２°の範囲に設定すれば、極歯部９で磁気飽和することなく、コギングトルクを減少することができる。そして、より好ましくは、凸部１２の上記回転中心Ｏからの角度θを１１°近傍に設定する（図６参照）ことによりコギングトルクを大きく減少できるブラシレスモータ１を提供することができる。

（一実施形態の効果）
上述したように、本実施形態のブラシレスモータ１は、ステータ２のコア鉄心の形状に関し、突極８の極歯部９に、周方向の中央位置に設けられ、先端が、マグネット５の内周面に沿ってロータ３の上記回転中心Ｏから所定の曲率半径の円弧部１２ａを有する凸部１２と、凸部１２の両側に設けられ、径方向に深さｔを有し、突極８中心線に略直交する方向に沿って切り欠かれた一対の切り欠き部１３、１３と、周方向の中央位置から両端にそれぞれ突出して設けられ、マグネット５に対向する各先端部がそれぞれ凸部１２と同じ曲率半径の円弧部１４ａ、１５ａを有する一対の極歯端部１４、１５とを具備する。

そのうえで、切り欠き部１３、１３の深さは少なくともマグネットと凸部１２の円弧部１２ａとの間で形成されるギャップ長ｇと同じであって凸部１２のロータ３の上記回転中心Ｏから見た角度が１０．５度〜１２度の範囲に設定されている構造としたものである。かかる構成によれば、極歯部９で磁気飽和することなく、コギングトルクを減少することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されないことは言うまでもない。上記実施形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。またその様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

例えば、本実施形態では、マグネット５の磁極数が８、突極８、及びスロット１０がそれぞれ６個のブラシレスモータ１の例を挙げているが、磁極数、突極８及びスロット１０の数に制限されることなく、上述した切り欠き部１３、１３の深さ、及び凸部１２のロータ３の回転中心Ｏから見た角度の設定が適用できる。

１ ブラシレスモータ
２ ステータ
３ ロータ
４ ロータヨーク
５ マグネット
６ ステータコア
７ 環状部
８ 突極
９ 極歯部
９Ａ 極歯面
１０ スロット
１１ コイル
１２ 凸部
１２ａ 円弧部
１３ 切り欠き部
１４ 極歯端部
１４ａ 円弧部
１５ 極歯端部
１５ａ 円弧部

Claims (3)

1. 複数極に着磁された円筒状の永久磁石からなる界磁部を備えるロータと、前記ロータの回転軸を回動可能に支持する環状部から径外方に放射状に延伸され、前記永久磁石と対向して配置される突極を備えるとともに、前記突極の間にスロットを有するステータとから構成されるブラシレスモータにおいて、
   前記突極は、先端に周方向に広がった極歯部が一体に形成され、
   前記極歯部は、
   周方向の中央位置に設けられ、先端が、前記永久磁石の内周面に沿って前記ロータの回転中心から所定の曲率半径の円弧部を有する凸部と、
   前記凸部の両側に設けられ、径方向に所定の深さを有し、前記突極の中心線に略直交する方向に沿って切り欠かれた一対の切り欠き部と、
   周方向の中央位置から両端にそれぞれ突出して設けられ、前記永久磁石に対向する各先端部がそれぞれ前記凸部と同じ曲率半径の円弧部を有する一対の極歯端部と
   を具備し、
   前記切り欠き部の深さは少なくとも前記永久磁石と前記凸部の円弧部との間で形成されるギャップ長と同じであって、前記凸部の前記ロータの回転中心から見た角度が１０．５度〜１２度の範囲に設定されていることを特徴とするブラシレスモータ。
2. 前記凸部の前記ロータの回転中心から見た角度範囲が１１度近傍に設定されていることを特徴とする請求項１記載のブラシレスモータ。
3. 前記永久磁石は、８極着磁で、前記突極は６個有することを特徴とする請求項１または２記載のブラシレスモータ。