JP3703907B2

JP3703907B2 - ブラシレスｄｃモータ

Info

Publication number: JP3703907B2
Application number: JP10182296A
Authority: JP
Inventors: 伴文高橋
Original assignee: アイチエレック株式会社
Priority date: 1996-03-18
Filing date: 1996-03-18
Publication date: 2005-10-05
Anticipated expiration: 2016-03-18
Also published as: JPH09266646A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ロータ内部に永久磁石を埋め込んで配置した構成のブラシレスＤＣモータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ロータ内部に永久磁石を埋め込んで構成するインテリア・パーマネントマグネットモータ（以下ＩＰＭと略す）は、従来、図１１及び図１２のように構成されている。即ち、ＩＰＭの極数と同数の磁極数とすべく、永久磁石２ｐ，２ｑ，２ｒ，２ｓまたは２ｔ，２ｕ，２ｖ，２ｗをロータ内部にほぼ等配に配して構成している。埋め込まれる永久磁石は、通常、ＩＰＭが運転されている状態において、ステータ側からの起磁力に対して減磁もしくは脱磁が生じないような十分な耐力を保有させるべく十分厚く形成される。一方、永久磁石を埋め込むべきロータのハウジング部１ｄまたは１ｅは、通常高透磁率材料が使用され、埋め込まれた永久磁石の磁束がステータとロータ間のエアギャップを介して磁路を形成する。この場合、ロータの相隣り合う異極の永久磁石間の漏れ磁束を最小限にしてモータとしてのトルクに有効な磁束量を少しでも多く確保すべく、永久磁石の極間幅δｔ１やδｔ２、そして永久磁石の端部とエアギャップ間の磁路幅δｓ１やδｓ２を極力狭くするようにしている。
【０００３】
さて、ＩＰＭではロータの外周部にケイ素鋼板のような高透磁率の磁性材料を有するため、同容量のモータでサフェイス型の永久磁石ロータ（永久磁石の飛散防止部材を除いてロータ最外周部に永久磁石を配した構造）を有するモータに比べてステータ巻線のインダクタンスが大きく、モータを駆動する際の印加電圧位相に対する電流の位相遅れが顕著になる。これを避けるために、一般的に、正規のロータ位置に対する所定の相の通電を進ませる進み角通電制御が行われる。また、ＩＰＭロータの構造上生じる永久磁石とエアギャップ間に介在する磁性材料に着目し、積極的に前記の進み角通電制御を行って、本来の永久磁石によるｄ軸（ロータ磁極中央とロータ回転軸中心Ｏを結ぶ方向）に対応する位相電流のトルクに加え、これと直交方向のｑ軸に対応する位相電流によって生じるリラクタンストルクを利用することが行われる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来構造のＩＰＭのロータにおいては、相隣り合う磁極間において、リラクタンストルクを有効に利用するためのｑ軸方向用磁束経路が十分確保されない。即ち、図１１，図１２において、永久磁石の漏れ磁束を極力少なくするために、極間幅δｔ１，δｔ２端部外周磁路幅δｓ１，δｓ２を狭くする故に、図１１におけるθｄ１図１２におけるθｄ２なる角度に対応するロータ外周部分がリラクタンストルク用磁路として有効に作用しないことになる。しかも、この部分はロータの全ての磁極間に生じる。このリラクタンストルク用磁路の非有効角θｄ１もしくはθｄ２は、ステータ起磁力による永久磁石の減磁もしくは脱磁に対する耐力を上げようとする場合、幾何学的にさらに大きくなることは必然である。
【０００５】
別の問題として、上記の非有効角θｄ１やθｄ２というのは、ロータ磁極としてとらえると永久磁石からの磁束がステータへ通るための経路として有効に作用しない部分であり、ＩＰＭとしてステータとロータが組み合わされた場合のエアギャップ磁束Φの分布は図１３の如く極めて歪みの多い分布となり、発生する線間の誘起電圧ｖは第３調波を多く含んだものとなる。このようなモータにおいては、音や振動が大きくなる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ＩＰＭとしてのロータのリラクタンストルクを有効に利用できるようにし、音や振動を低減したものであり、ロータコア内に永久磁石が１極当たりラジアル方向に複数個分割して内蔵されるようにしたブラシレスＤＣモータにおいて、同一磁極を形成するロータ軸心側に配される永久磁石（以下内側磁石と称す）とロータ外周側に配される永久磁石（以下外側磁石と称す）との隣り合う間隔をステータティース部と対向させ、少なくともこのロータと対向するステータのスロットオープニング幅以上の間隔をもたせて配置したことを特徴とするものである。
【０００７】
第２の発明としては、前記内側磁石と前記外側磁石との間にロータコア以外の磁性材料を介在させたことを特徴とする。また第３の発明としては、前記内側磁石と前記外側磁石との間隔が一定であるように構成したことを特徴とする。
【０００８】
第４の発明としては、上記第１〜３のいずれかの発明において、同一磁極を形成する全ての永久磁石が、ロータ軸心と当該磁極中央をラジアル方向に結ぶ線と平行な方向に磁気配向されていることを特徴とする。第５の発明としては、上記第１〜３のいずれかの発明において、同一磁極を形成する全ての永久磁石が、ロータ軸心と当該磁極中央をラジアル方向に結ぶ延長線上であって、少なくとも焦点がロータ外周面より外側となる方向に磁気配向されていることを特徴とする。また第６の発明としては、上記第５の発明において、同一磁極を形成する複数の永久磁石の磁気配向の焦点が各永久磁石相互で異なっていることを特徴とする。
【０００９】
【作用】
上記第１の発明においては、ロータの回転に伴うステータコイルのインダクタンスの変化が、スロットオープニングに起因するリプルが少なくなるとともに、最大と最小の幅が大きいものとなり、ｑ軸電流によるリラクタンストルクを大きくすることができる。
【００１０】
上記第２の発明においては、ロータコアとの間に大きなガタを生じることなく永久磁石を装着することができるとともに、高透磁率、高周波特性、高飽和磁束密度等の特性を有する磁性材料を選択採用することができる。また上記第３の発明においては、ｑ軸成分の電流による磁束経路を有効に確保する作用がある。
【００１１】
また上記第４〜第６の発明においては、エアギャップにおける磁束分布をＩＰＭの使用目的に適した分布にするための設計操作が容易となる。
【００１２】
【実施例】
図１において、１ａは高透磁率の磁性材よりなるロータコアであり、永久磁石２ａ，２ｂ，２ｃのハウジングを形成し、中心部にシャフト３が嵌入されている。永久磁石２ａ，２ｂ，２ｃはこの３個で１極を形成しており、この３個の永久磁石群が４等配で配置されて４極構造のロータが構成されている。４は複数のスロット５を有するステータコアであり、スロット５にはステータコイル６が装着されている。図２は図１のモータの要部を拡大したものであり、Ｄｒ１は永久磁石２ａと２ｂとの間に介在するロータコア１ａの幅を示し、同様にＤｒ２は永久磁石２ｂと２ｃとの間に介在するロータコア１ａの幅を示している。またＤｓはステータコア４のスロットオープニング幅を示している。本発明においては、上記Ｄｒ１及びＤｒ２の値はともにＤｓよりも大きく設定され、好ましくはステータコア４のスロットピッチ角度に対応するロータ外周の対向幅以上とするのがよい。
【００１３】
図３は図２をさらに拡大して示すものであり、８ａ，８ｂ，８ｃはステータコア４のティース部、ψはステータコイルの起磁力による磁束を示している。永久磁石２ａ，２ｂ，２ｃの相互間に介在するロータコア部１０ａ，１０ｂの幅がステータのスロットオープニング９の幅より広ければ、この部分１０ａ，１０ｂが必ずいずれかのティース部と最短のエアギャップ距離で対向することになり、磁束ψが通り易くなるとともに安定した磁路を形成することができ、この結果磁束ψは大きく安定したものとなる。このことは、ステータコイル側から測定される巻線インダクタンスによって容易に確認できる。
【００１４】
図４はロータの回転角度θに対する任意のステータコイル端子間のインダクタンスＬを示したものである。この図において、永久磁石相互間に介在するロータコア部１０ａ，１０ｂのステータ対向面における幅、即ちＤｒ１，Ｄｒ２が、曲線Ｌａはステータのスロットピッチ角度にほぼ等しい場合、曲線Ｌｂはスロットオープニング幅にほぼ等しい場合、また曲線Ｌｃはスロットオープニング幅より狭い場合をそれぞれ示している。図４からも明らかなように、Ｌａのインダクタンスの変化はステータスロットオープニングに起因するリプルが少なく、最大と最小の幅が大きいのに対し、Ｌｃの場合はリプルが大きく、インダクタンスの平均最大と平均最小幅が小さくなっている。またＬｂはＬａとＬｃの中間となっている。リラクタンストルクの発生を決定するものとして、インダクタンスＬの変化がほぼ正弦波に近い場合、インダクタンスの平均最大Ｌｍａｘと平均最小Ｌｍｉｎから求まるαなる係数がリラクタンスモータの解析において周知である。
【００１５】
【数１】

【００１６】
上記係数αが大きいほど、リラクタンストルクが大きいとされている。従って図１〜図３の実施例の如く、同一磁極を形成する内側磁石と外側磁石との間に介在する磁性材料幅を少なくともステータのスロットオープニング幅以上となるように複数の永久磁石を配置することにより、ｑ軸電流によるリラクタンストルクを大きくすることができるのである。
【００１７】
上記本発明の説明において、同一磁極における相隣り合う永久磁石間に介在する磁性材料幅をロータ外周におけるステータとの対向幅を基準にして考えたが、ＩＰＭとしてｑ軸成分の電流による磁束経路を有効に確保するためには、ロータ内におけるこの幅、即ち図２にＤｒ１，Ｄｒ２で示す幅は一定にされているのが好ましい。但し実際の設計の課程においては、機械的に変更を必要とされる設計上の都合等により、幾何学的に可能な範囲内でロータ内部において広くしたり狭くしたりしても構わない。これによって図４におけるロータ回転角θに対するインダクタンスＬの変化において、ステータスロットオープニングに起因するリプルの影響を小さくしたまま、インダクタンスＬの変化の振幅を大きくしたり小さくしたりすることができ、リラクタンストルク成分を任意に調整することができる。
【００１８】
図１〜図３の実施例においては、ロータコア１ａ内に永久磁石２ａ，２ｂ，２ｃを埋め込んだ構成となっているため、同一磁極における相隣り合う永久磁石間にはロータコア材であるケイ素鋼板等の磁性材料が介在する構成となっているが、この相隣り合う内側磁石と外側磁石との間には別の磁性材料を介在させてもよく、一例を図５に示す。図５において、７は永久磁石２ａと２ｂとの間に挿入した無方向性の磁性材料であり、その他の構成は図１〜図３の実施例と同様である。図５に示すロータコア１ｂの場合は永久磁石２ａ，２ｂ及び磁性材料７を一緒に挿入するための大きな収容孔が設けられることになるため、永久磁石２ａ，２ｂの仕上がり精度のばらつきを磁性材料７の厚み寸法を調節することによって吸収することができ、ロータコア１ｂとの間に大きなガタを生じることなく永久磁石２ａ，２ｂを装着することができる。また図５のように構成すれば、主たるロータコア材１ｂには比較的強度の高い磁性材を用いてロータの回転に伴う遠心力による変形に対応し、永久磁石２ａ，２ｂ間にはさらに高透磁率の磁性材料を用いて磁路の磁気抵抗を低減させたり、高周波特性の良好な磁性材料や、飽和磁束密度の高い磁性材料を用いる等、機械的強度をあまり気にせず選択採用することができる。また磁性材料７は図５の例に限定されるものではなく、永久磁石２ａと２ｂ間、または２ｂと２ｃ間、またはその両方同時に介在させるように構成してもよいことは勿論である。
【００１９】
また本発明の実施例では同一磁極を形成する永久磁石の個数を３個としているが、これに限定されるものではなく、２個以上であれば本発明の構成が得られることは明らかである。このように同一磁極を形成する永久磁石を複数にして構成することは、各々の永久磁石に各々異なる特性を有するものを採用することもできる。従来のＩＰＭロータにおいては、１個の磁極に対して１個の永久磁石を使用しており、磁石材料の配向方向もラジアルか平行のいずれかを選択するのみであって、永久磁石が決定されるとその寸法と固有特性とモータ構成上のパーミアンスとによってステータとロータ間の磁束量や分布が決定されてしまう。その結果、エアギャップにおける磁束分布は前述の図１３に従って説明した通りとなっていたものである。
【００２０】
図６〜図８はそれぞれ本発明の別の実施例を示し、永久磁石の磁気配向の例を示している。図６は、同一磁極を形成する永久磁石２ｄ，２ｅ，２ｆが、ロータ軸心と当該磁極中央をラジアル方向に結ぶ線Ｐ−Ｐと平行な方向に磁気配向された例を示している。永久磁石２ｄ，２ｅ，２ｆを有する磁極以外の磁極も同構成となっており、図中矢印で示される磁気配向を有し、周方向にＮＳ交互に着磁されて全体で４等配４極の磁極を構成している。
【００２１】
図７は、同一磁極を形成する永久磁石２ｇ，２ｈ，２ｉが、ロータ軸心と当該磁極中央をラジアル方向に結ぶ延長線Ｑ−Ｑ上であって、少なくとも焦点がロータ外周面より外側となる点Ｑ１となるように磁気配向された例を示している。永久磁石２ｇ，２ｈ，２ｉを有する磁極以外の磁極も同構成となっており、図中矢印で示される磁気配向を有し、周方向にＮＳ交互に着磁されて全体で４等配４極の磁極を構成している。また図８は、図７の実施例の変形例を示しており、同一磁極を形成する永久磁石２ｊ、２ｋ、２ｌの磁気配向の焦点が、磁石２ｌの焦点がＲ１、磁石２ｋの焦点がＲ２、磁石２ｊの焦点がＲ３というように、外側磁石２ｌから内側磁石２ｊへ向けて順にロータ軸心から遠ざかる方向にあるように構成した例を示している。
【００２２】
これら図６〜図８の各々のいずれの場合も、ロータに配された永久磁石の磁束は、ラジアル方向に配されたロータの磁性材を通って、ロータ外周面と対向するステータティースに流れる。このとき、前述のように、同一磁極を形成する内側磁石と外側磁石との間の磁性材がステータのスロットオープニング幅以上の間隔を有しているため、少なくとも最短のエアギャップ距離でもって対向し得る領域が存在することになるので、永久磁石の磁束を効果的に導くことができる。結果として、図１１や図１２に示される従来のロータが図１３の如く局部的に矩形波状のエアギャップ磁束分布となるのに対し、図６〜図８のロータにおいては、図９に示すように、図６の場合がＢａ、図７の場合がＢｂ、図８の場合がＢｃの如く分布する。図９において、横軸Ｌｇはエアギャップ中央における円周方向距離である。
【００２３】
図６の実施例では、永久磁石の磁気配向が平行であるので、各永久磁石のラジアル方向外側の磁性材を通って直接ステータティースに向かう磁束は、磁気配向に対して９０゜もしくはそれ以下の角度で曲がって向かうことになる。図７の実施例では、永久磁石の磁気配向が例えば焦点Ｑ１に向かう方向であるので、永久磁石のラジアル方向外側の磁性材を通って直接ステータティースに向かう磁束は、図６の平行配向の場合に比べ比較的大きく曲がって向かわなくてはならない。それゆえ各々の永久磁石から磁性材を介して直接ステータへ向かう磁束量が低下し、エアギャップの磁束分布は図９に示すＢａとＢｂの違いとなって現れる。図８の実施例の場合は、図６及び図７の説明から明らかなように、内側磁石に関しては図６のものと類似した傾向、外側磁石に関しては図７のものと類似した傾向で作用し、それによるエアギャップの磁束分布は図９に示すＢｃの如くなることは容易に理解されるであろう。
【００２４】
また図８の実施例の場合は、同一磁極を構成する永久磁石の磁気配向を外側磁石より内側磁石がより遠くにその焦点を持つようにするのではなく、磁極中心線上の任意の点で相互に異ならせることにより、エアギャップにおける磁束分布をＩＰＭの使用目的に応じて変更することがより容易となる。このように図６〜図８の実施例に示すように、永久磁石の磁気配向を種々設計操作することにより、エアギャップにおける磁束分布が変更可能となり、例えば磁束分布を正弦波に近づけることによって騒音や振動を低減したり、あるいは１２０゜通電を行うモータにおいて、該通電領域のみ誘起電圧が高くなるような磁束分布とすることによってモータ効率を向上させたりすることが容易となる。
【００２５】
図１０は本発明のさらに別の実施例を示すものであり、図１に示した１極を形成する円弧状の永久磁石２ａ，２ｂ，２ｃに代えて、コの字状の永久磁石２ｍ，２ｎ，２ｏによって構成したものであり、図１に示したものと何ら変わりなく本発明の構成が適用可能である。またこれらの形状に限らず、極端な場合は、平板状の永久磁石を平行配列して組み合わせて構成したものにおいても本発明の適用効果は大いに期待できる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明は、ロータコア内に永久磁石が１極当たりラジアル方向に複数個分割して内蔵されるようにしたブラシレスＤＣモータにおいて、同一磁極を形成する内側磁石と外側磁石との隣り合う間隔をステータティース部と対向させ、少なくともこのロータと対向するステータのスロットオープニング幅以上の間隔をもたせて配置したものであり、これによりロータの回転に伴うステータコイルのインダクタンスの変化が、スロットオープニングに起因するリプルが少なくなるとともに、最大と最小の幅が大きいものとなり、ｑ軸電流によるリラクタンストルクを大きくすることができ、またこのリラクタンストルク成分を任意に調整することも可能となる。
【００２７】
また内側磁石と外側磁石との間にロータコア以外の磁性材料を介在させることにより、ロータコアとの間に大きなガタを生じることなく永久磁石を装着することができるとともに、高透磁率、高周波特性、高飽和磁束密度等の特性を有する磁性材料を選択採用することができる。さらに同一磁極を形成する全ての永久磁石の磁気配向を、ロータ軸心と当該磁極中央をラジアル方向に結ぶ線と平行な方向とすること、またはロータ軸心と当該磁極中央をラジアル方向に結ぶ延長線上であって、少なくとも焦点がロータ外周面より外側となる方向とすること、さらには該焦点を各永久磁石相互で異ならせることによって、エアギャップにおける磁束分布をＩＰＭの使用目的に適した分布に操作することが容易となり、騒音や振動を低減したりモータ効率を向上させたりすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示すブラシレスＤＣモータの平面断面図。
【図２】図１の要部拡大図。
【図３】図１のブラシレスＤＣモータにおける作用を示す要部拡大説明図。
【図４】ロータの回転角度θに対するステータコイル端子間のインダクタンスＬの関係を示す図。
【図５】本発明の第２実施例を示すブラシレスＤＣモータのロータの要部平面断面図。
【図６】本発明の第３実施例を示すブラシレスＤＣモータのロータの平面断面図。
【図７】本発明の第４実施例を示すブラシレスＤＣモータのロータの平面断面図。
【図８】本発明の第５実施例を示すブラシレスＤＣモータのロータの平面断面図。
【図９】ＩＰＭにおける円周方向距離Ｌｇに対するエアギャップ磁束密度Ｂの分布の関係を示す図。
【図１０】本発明の第６実施例を示すブラシレスＤＣモータの平面断面図。
【図１１】従来例を示すブラシレスＤＣモータのロータの平面断面図。
【図１２】別の従来例を示すブラシレスＤＣモータのロータの平面断面図。
【図１３】ＩＰＭにおける時間ｔに対するステータコイルに鎖交する磁束量Φ及び誘起電圧ｖの関係を示す図。
【符号の説明】
１ａ〜１ｅロータコア
２ａ〜２ｗ永久磁石
３シャフト
４ステータコア
５ステータスロット
６ステータコイル
７磁性材料
９スロットオープニング

Claims

ロータコア内に永久磁石が１極当たり複数個内蔵されるようにしたブラシレスＤＣモータにおいて、同一磁極を形成するロータ軸心側に配される永久磁石（以下内側磁石と称す）とロータ外周側に配される永久磁石（以下外側磁石と称す）との隣り合う間隔をステータティース部と対向させ、少なくともこのロータと対向するステータのスロットオープニング幅以上の間隔をもたせて配置したことを特徴とするブラシレスＤＣモータ。
前記内側磁石と前記外側磁石との間にロータコア以外の磁性材料を介在させたことを特徴とする請求項１に記載のブラシレスＤＣモータ。
前記内側磁石と前記外側磁石との間隔が一定であるように構成したことを特徴とする請求項１または２に記載のブラシレスＤＣモータ。
同一磁極を形成する全ての永久磁石が、ロータ軸心と当該磁極中央をラジアル方向に結ぶ線と平行な方向に磁気配向されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のブラシレスＤＣモータ。
同一磁極を形成する全ての永久磁石が、ロータ軸心と当該磁極中央をラジアル方向に結ぶ延長線上であって、少なくとも焦点がロータ外周面より外側となる方向に磁気配向されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のブラシレスＤＣモータ。
同一磁極を形成する複数の永久磁石の磁気配向の焦点が各永久磁石相互で異なっていることを特徴とする請求項５に記載のブラシレスＤＣモータ。