JP5313752B2 - ブラシレスモータ - Google Patents

Description

本発明は、永久磁石をロータコアに収容してなる磁極部とロータコアの鉄心部とが周方向において交互に配置されるブラシレスモータに関するものである。

従来、ロータを構成するロータコアの軸方向に貫通する磁石収容部が周方向に複数形成され、その各磁石収容部にそれぞれ永久磁石が配設された所謂埋め込み磁石型のロータを備えたブラシレスモータが知られている（例えば特許文献１参照）。

特許文献１のロータはステータの径方向内側に配置されるものであり、このロータには、周方向に複数配置される永久磁石における径方向外側の磁極が同極（特許文献１ではＳ極）となるように配置されている。そして、このロータは、周方向における永久磁石間のロータコアの径方向外表面側の鉄心部が永久磁石の径方向外側の磁極（Ｓ極）と異なる磁極（Ｎ極）として働き、所謂コンシクエントポール構造を備えたロータとして構成されている。

特開２００４−２０１４０６号公報

ところで、上記のようなブラシレスモータのロータにおいて、ロータコアに形成された各磁石収容部に永久磁石を挿入する際に、磁石収容部及び永久磁石は、挿入を容易とすべく磁石収容孔の寸法公差及び永久磁石の寸法公差を考慮して形成されている。そのため、永久磁石と磁石収容孔との間にはギャップ（空隙）ができやすく、永久磁石及び鉄心部を通過する磁束の方向である径方向のギャップによってパーミアンス（磁気抵抗の逆数）が減少してしまい、永久磁石にて発生する磁束を有効利用できていなかった。このため、出力性能の低下を招いており、これら問題の改善が望まれている。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、出力性能を向上することができるブラシレスモータを提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、ティースに巻線を巻回してなるステータと、前記各ティースに対向する複数の磁極部を有して回転可能に設けられるロータとを備え、前記ロータには、そのロータコアの周方向等間隔に複数形成される各磁石収容部に永久磁石の同極の磁極面が前記ティースと対向するように挿入配置されて前記各磁極部が形成され、前記各磁極部間には、該各磁極部の両端に磁気抵抗となる空隙を形成することにより前記各磁極部の磁束が径方向に通過する鉄心部が形成されたブラシレスモータであって、前記磁石収容部には、前記永久磁石の磁極面と前記磁石収容部とのギャップを埋めるべく磁性部材が挿入配置され、前記磁性部材は、渦電流を抑制すべく、前記永久磁石の幅方向及び軸方向に分割されたブロック状の複数の部材にて構成されたことをその要旨とする。

この発明では、磁石収容部には、永久磁石の磁極面と磁石収容部とのギャップを埋めるべく磁性部材が挿入配置されるため、磁石収容部と永久磁石とのギャップを磁性部材にて容易に狭めることができる。そして、磁性部材であるために、永久磁石の磁束を好適に通過させることができ、鉄心部側の磁束量が多くなりモータとしての出力性能を向上させることが可能となる。また、ギャップを磁性部材にて狭めることができるため、永久磁石のがたつきを抑えることが可能となる。

また、磁性部材は複数の部材にて構成されるため、渦電流の発生を容易に抑えることができる。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のブラシレスモータにおいて、前記磁性部材は、電磁鋼板からなることをその要旨とする。
このように強磁性体元素の内で透磁率の高い鉄であるとともに、ヒステリシス損及び渦電流損の和である所謂鉄損の少ない部材である電磁鋼板を磁性部材として利用することで、出力性能の向上に寄与することができる。
請求項３に記載の発明は、ティースに巻線を巻回してなるステータと、前記各ティースに対向する複数の磁極部を有して回転可能に設けられるロータとを備え、前記ロータには、そのロータコアの周方向等間隔に複数形成される各磁石収容部に永久磁石の同極の磁極面が前記ティースと対向するように挿入配置されて前記各磁極部が形成され、前記各磁極部間には、該各磁極部の両端に磁気抵抗となる空隙を形成することにより前記各磁極部の磁束が径方向に通過する鉄心部が形成されたブラシレスモータであって、前記磁石収容部には、前記永久磁石の磁極面と前記磁石収容部とのギャップを埋めるべく磁性部材が挿入配置され、前記磁性部材は、強磁性型の制振合金からなることをその要旨とする。
この発明では、磁石収容部には、永久磁石の磁極面と磁石収容部とのギャップを埋めるべく磁性部材が挿入配置されるため、磁石収容部と永久磁石とのギャップを磁性部材にて容易に狭めることができる。そして、磁性部材であるために、永久磁石の磁束を好適に通過させることができ、鉄心部側の磁束量が多くなりモータとしての出力性能を向上させることが可能となる。また、ギャップを磁性部材にて狭めることができるため、永久磁石のがたつきを抑えることが可能となる。また、磁性部材を強磁性型の制振合金から構成することで、ロータの回転に伴って発生し得る振動を抑制させることができる。
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載のブラシレスモータにおいて、前記磁性部材は、渦電流を抑制すべく、スリットを有した又は複数の部材にて構成されたことをその要旨とする。
この発明では、磁性部材にはスリットが形成、又は磁性部材は複数の部材にて構成されるため、渦電流の発生を容易に抑えることができる。
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載のブラシレスモータにおいて、前記ロータは、前記ステータの径方向内側に配置されるものであり、前記磁性部材は、前記永久磁石の径方向内側の磁極面と当接するよう挿入配置されたことをその要旨とする。

この発明では、ロータは、ステータの径方向内側に配置される。そして、磁性部材は、永久磁石の径方向内側の磁極面と当接するよう挿入配置される。このような構成とすることで、鉄心部への磁束通路を良好としつつ、例えば永久磁石の径方向外側の磁極面と磁石収容部との径方向のギャップを僅かに残すことも可能となるため、径方向外側で発生し得る所謂渦電流の発生を抑えることができ、渦電流損による出力性能の劣化を抑えることができる。

請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれか一項に記載のブラシレスモータにおいて、前記磁性部材は、該磁性部材における前記永久磁石側の表面が前記永久磁石の磁極面より大きい態様で構成されたことをその要旨とする。

この発明では、磁性部材は、その磁性部材における永久磁石側の表面が永久磁石の磁極面より大きい態様で構成される。このため、永久磁石及び磁性部材を磁石収容部に収容（配置）した際に、より確実に永久磁石の磁極面を磁性部材にて覆うことができるため、永久磁石から発生される磁束を鉄心部側へ好適に通過させることが可能となる。このため、よりモータとしての出力性能を向上させることが可能となる。

従って、上記記載の発明によれば、出力性能を向上することができるブラシレスモータを提供することができる。

本実施形態におけるモータの概略構成図。 同上における永久磁石及び磁性部材の配置について説明するための説明図。 本実施形態のモータと従来のモータとの比較を示したグラフ。 （ａ）（ｂ）は、別例における永久磁石及び磁性部材の配置について説明するための説明図。 （ａ）（ｂ）は、別例における永久磁石及び磁性部材の配置について説明するための説明図。 別例におけるロータの概略構成図。 別例におけるロータの概略構成図。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１は、本実施形態のブラシレスモータの概略構成を示す。本実施形態のブラシレスモータ１０は、円環部１１から径方向内側に向って延設された複数のティース１２に巻線１３を巻回してなるステータ１４と、ステータ１４の径方向内側において回転可能に設けられたロータ１５とを備えて構成されている。

ステータ１４は、図示しないモータハウジング内に収容されるとともに、１２本のティース１２と、この各ティース１２のそれぞれに巻回してなる巻線１３とで構成されている。巻線１３は、Ｕ・Ｖ・Ｗ相の三相で構成され、時計回りにＵ相、Ｗ相、Ｖ相の順でともに正巻きとなるように構成されている。そして、これら各ティース１２に巻回された巻線１３には三相（Ｕ・Ｖ・Ｗ相）の交流が通電されるようになっている。

ロータ１５は、図示しない軸受にて回転可能に支持される回転軸２０の径方向外側に、前記回転軸２０と一体回転可能に固定されるロータコア２１を備えている。
ロータコア２１は、略円筒状をなし、ロータコア２１の外周縁部には、前記ステータ１４側の各ティース１２と対向する複数の磁極部２２が形成されている。

磁極部２２は、図２に示すようにロータコア２１の径方向外側に軸方向に沿って貫通する態様で形成された磁石収容部としての収容孔２３に、永久磁石２４及び複数（本実施形態では２つ）の磁性体としての電磁鋼板２５，２６が収容されて構成されている。即ち、本実施形態のブラシレスモータ１０は、永久磁石埋込型のロータ１５を有する所謂ＩＰＭモータとして構成されている。尚、収容孔２３は、周方向に等間隔（９０°間隔）となるように形成されている。

各永久磁石２４は、各収容孔２３内において、その径方向外側の面が同極（本実施形態ではＳ極）となるように配置されている。そして、これにより、本実施形態のロータ１５には、同極性（Ｓ極）を有する４つの磁極部２２が、その周方向に沿って等間隔（９０°間隔）で形成されている。

前記収容孔２３に挿入（収容）される複数の電磁鋼板２５，２６は、その一方の電磁鋼板２５が永久磁石２４の径方向内側の磁極面２４ａ（Ｎ極側面）と面接触するように配置されるとともに、その他方の電磁鋼板２６が前記永久磁石２４と面接触される電磁鋼板２５の径方向内側の板面２５ａと面接触するように配置されている。また、これら電磁鋼板２５，２６は、その幅方向長さ（図２において左右方向長さ）が前記永久磁石２４の幅方向長さよりも長く、且つ収容孔２３の幅方向長さよりも短くなるような大きさに設定されている。これにより、電磁鋼板２５，２６にて永久磁石２４を容易に覆う事が可能となっている。

上記のように構成された磁極部２２の周方向両端には、非対称形状の空隙３０，３１が形成されている。そして、これらの各空隙３０，３１が磁気抵抗となるため、各磁極部２２間には、その周方向において各磁極部２２とは磁気的に区画された鉄心部３２が形成されている。

即ち、各磁極部２２の磁束は、その周方向両端に形成された各空隙３０，３１を迂回するようにロータコア２１の内部を経由して各鉄心部３２に流入する。そして、その磁束が径方向外側に向って各鉄心部３２を通過することにより、これら各鉄心部３２に、隣接する磁極部２２とは極性の異なる擬似的な磁極（本実施形態では径方向外側がＮ極の磁極）が形成されるようになっている。つまり、本実施形態のロータ１５は、所謂コンクシエントポール型のロータとして構成されている。このため、永久磁石２４の使用量を半分に削減することができる。尚、上記非対称形状の空隙３０，３１の内で、一方の空隙３０を他方の空隙３１よりも大きい形状となるように形成することで、一方向（図１において反時計回り）の回転に最適化した構成となっている。

上記のように構成されたブラシレスモータ１０では、巻線１３に三相交流を通電することでロータ１５とともに回転軸２０が回転されるようになっている。この時、上述したように収容孔２３には永久磁石２４及び磁性部材としての電磁鋼板２５，２６が挿入されている。このため、永久磁石２４の径方向内側の磁極面２４ａ及び収容孔２３のギャップ（空隙）が電磁鋼板２５，２６にて狭められるため、径方向内側の磁極面２４ａから発生する磁束を鉄心部３２側に好適に通過させることができる。

ここで、本発明者は本実施形態の有効性を示すべくシミュレーションを行った。尚、今回のシミュレーションは、永久磁石２４の厚さ２．２５ｍｍで永久磁石２４及び収容孔２３の径方向のギャップが０．３３５ｍｍである場合に厚さ約０．１ｍｍの電磁鋼板２５，２６を２枚（厚さ計約０．２ｍｍ）を挿入配置条件としている。このような条件下でシミュレーションを行うと、ギャップ０．３３５ｍｍを有する従来のブラシレスモータの誘起電圧量を１００％とすると、本実施形態のブラシレスモータでは、約１０６．１％まで誘起電圧が増加した（図３参照）。つまり、電磁鋼板２５，２６を挿入することでパーミアンスが向上し、有効磁束が増加したため誘起電圧が増加したと言える。このため、本実施形態のように永久磁石２４及び収容孔２３との間に電磁鋼板２５，２６を挿入配置することで、有効磁束が増加してモータ１０としての出力性能の向上を図ることできる。

また、電磁鋼板２５，２６の内の一方の電磁鋼板２５を永久磁石２４の径方向内側の磁極面２４ａと当接するよう挿入配置することで、例えば永久磁石２４の径方向外側の磁極面２４ｂと収容孔２３との径方向のギャップを僅かに残すことも可能となるため、径方向外側で発生し得る所謂渦電流の発生を抑えることができ、渦電流損による出力性能の劣化を抑えることができる。また、永久磁石２４と収容孔２３との径方向のギャップを埋める磁性部材として、強磁性体元素の内で透磁率の高い鉄であるとともに、ヒステリシス損及び渦電流損の和である所謂鉄損の少ない部材である電磁鋼板２５，２６を利用することで、モータ１０としての出力性能の向上に寄与することができる。

次に、本実施の形態の特徴的な作用効果を記載する。
（１）磁石収容部としての収容孔２３には、永久磁石２４の磁極面２４ａと収容孔２３との径方向のギャップを埋めるべく磁性部材としての電磁鋼板２５，２６が挿入配置されるため、収容孔２３と永久磁石２４との径方向のギャップを電磁鋼板２５，２６にて容易に狭めることができる。そして、電磁鋼板２５，２６は磁性部材であるために、永久磁石２４の磁束を好適に通過させることができ、鉄心部３２側の磁束量が多くなりモータ１０としての出力性能を向上させることが可能となる。また、ギャップを電磁鋼板２５，２６にて狭めることができるため、永久磁石２４の径方向のがたつきを抑えることが可能となる。

（２）ロータ１５は、ステータ１４の径方向内側に配置される。そして、電磁鋼板２５は、永久磁石２４の径方向内側の磁極面２４ａと当接するよう挿入配置される。このような構成とすることで、鉄心部３２への磁束通路を良好としつつ、例えば永久磁石２４の径方向外側の磁極面２４ａと収容孔２３との径方向のギャップを僅かに残すことも可能となるため、径方向外側で発生し得る所謂渦電流の発生を抑えることができ、渦電流損によるモータ１０の出力性能の劣化を抑えることができる。

（３）電磁鋼板２５，２６は、その電磁鋼板２５，２６における永久磁石２４側の表面が永久磁石２４の磁極面２４ａより大きい態様で構成される。このため、永久磁石２４及び電磁鋼板２５，２６を収容孔２３に収容（配置）した際に、より確実に永久磁石２４の磁極面２４ａを電磁鋼板２５，２６にて覆うことができるため、永久磁石２４から発生される磁束を鉄心部３２側へ好適に通過させることが可能となる。このため、よりモータ１０としての出力性能を向上させることが可能となる。

（４）強磁性体元素の内で透磁率の高い鉄であるとともに、ヒステリシス損及び渦電流損の和である所謂鉄損の少ない部材である電磁鋼板２５，２６を磁性部材として利用することで、モータ１０としての出力性能の向上に寄与することができる。

尚、本発明の実施の形態は、以下のように変更してもよい。
・上記実施形態では、磁性部材としての電磁鋼板２５，２６を２枚設ける構成としたが、１枚若しくは３枚以上であってもよい。要は、電磁鋼板にて永久磁石２４と収容孔２３との径方向のギャップを埋めるように構成すればよい。

・上記実施形態では、永久磁石２４の径方向内側の磁極面（Ｎ極側の磁極面）２４ａと磁性部材としての電磁鋼板２５とが当接するように構成したが、径方向外側の磁極面（Ｓ極側の磁極面）２４ｂと磁性部材とが当接する構成であってもよい。また、複数の磁性部材にて永久磁石２４を挟み込む態様で構成してもよい。

・上記実施形態では、特に言及していないが、電磁鋼板２５，２６を収容孔２３に挿入する際に圧入させることにより、磁極面２４ａ及び収容孔２３のギャップをより確実に埋めることができる。

・上記実施形態では、磁性部材としての電磁鋼板２５，２６を板状部材にて構成したが、複数の部材の集合によって磁性部材（電磁鋼板２５，２６）を構成してもよい。例えば、図４（ａ）（ｂ）に示すように、永久磁石２４の幅方向（図において左右方向）に分割された短冊状の磁性部材４０，４１を複数用いる構成を採用してもよい。更に、図５（ａ）（ｂ）に示すように、永久磁石２４の幅方向及び軸方向（紙面直交方向）に分割されたブロック状の磁性部材５０を複数用いる構成を採用してもよい。このように、磁性部材を複数の部材にて構成することで、渦電流を抑えて渦電流損を抑制させることができる。

・上記実施形態では、特に言及していないが、磁性部材としての電磁鋼板２５，２６にスリットを形成してもよい。このような構成とすることで渦電流を抑えて渦電流損を抑制させることができる。

・上記実施形態では、各磁極部２２は、平板状の永久磁石２４を用いて形成されることとしたが、これに限らない。例えば、図６に示すように各磁極部６０が、湾曲板状の永久磁石６１により形成される構成に具体化してもよく、また、図７に示すように、平板状の永久磁石６５をＶ字状に配置することによって各磁極部６６を形成する構成に具体化してもよい。このような構成において、各収容孔７０と各永久磁石６１，６５のギャップを埋めるべく、各永久磁石６１，６５の磁極面６１ａ，６５ａと面接触（当接）する磁性部材７５を配置することで、上記実施形態同様の効果を得ることができる。尚、図６に示すように湾曲形状の永久磁石６１の場合、その湾曲形状に倣って形成された磁性部材を配置することが望ましい。

・上記実施形態では、所謂８極１２スロット構成のモータ１０において、巻線１３を時計回りにＵ相、Ｗ相、Ｖ相の順でともに正巻きとなるように構成したが、これに限らない。例えば１０極１２スロット構成のモータにおいて、巻線を時計回りにＷ相（正巻き）、バーＷ相（逆巻き）、バーＶ相、Ｖ相、Ｕ相、バーＵ相、バーＷ相、Ｗ相、Ｖ相、バーＶ相、バーＵ相、Ｕ相というように同相毎で正巻きと逆巻きとが隣同士で並ぶようにして三相が順になるように構成してもよい。この場合においても本発明を適用することで誘起電圧が上昇し、モータとしての出力性能の向上を図ることができる。

・上記実施形態では、電磁鋼板２５，２６にて磁性部材を構成したが、これに限らない。例えば強磁性型の制振合金にて磁性部材を構成してもよい。このように強磁性型の制振合金にて磁性部材を構成することで、ロータ１５の回転に伴って発生し得る振動を抑制させることができる。

・上記実施形態では、磁極部２２及び鉄心部３２との間の各空隙３０，３１を非対称形状となるように構成したが、対称形状であってもよい。
・上記実施形態では、ステータ１４の内側にロータ１５を回転可能に配置する所謂インナロータ型のブラシレスモータとして構成したが、アウタロータ型のブラシレスモータであってもよい。

１０…ブラシレスモータ、１２…ティース、１３…巻線、１４…ステータ、１５…ロータ、２１…ロータコア、２２，６０，６６…磁極部、２３…磁石収容部としての収容孔、２４，６１，６５…永久磁石、２４ａ，２４ｂ，６１ａ，６５ａ…磁極面、２５，２６…磁性部材としての電磁鋼板、３０，３１…空隙、３２…鉄心部、４０，４１，５０，７５…磁性部材。

Claims (6)

1. ティースに巻線を巻回してなるステータと、前記各ティースに対向する複数の磁極部を有して回転可能に設けられるロータとを備え、
   前記ロータには、そのロータコアの周方向等間隔に複数形成される各磁石収容部に永久磁石の同極の磁極面が前記ティースと対向するように挿入配置されて前記各磁極部が形成され、前記各磁極部間には、該各磁極部の両端に磁気抵抗となる空隙を形成することにより前記各磁極部の磁束が径方向に通過する鉄心部が形成されたブラシレスモータであって、
   前記磁石収容部には、前記永久磁石の磁極面と前記磁石収容部とのギャップを埋めるべく磁性部材が挿入配置され、
   前記磁性部材は、渦電流を抑制すべく、前記永久磁石の幅方向及び軸方向に分割されたブロック状の複数の部材にて構成されたことを特徴とするブラシレスモータ。
2. 請求項１に記載のブラシレスモータにおいて、
   前記磁性部材は、電磁鋼板からなることを特徴とするブラシレスモータ。
3. ティースに巻線を巻回してなるステータと、前記各ティースに対向する複数の磁極部を有して回転可能に設けられるロータとを備え、
   前記ロータには、そのロータコアの周方向等間隔に複数形成される各磁石収容部に永久磁石の同極の磁極面が前記ティースと対向するように挿入配置されて前記各磁極部が形成され、前記各磁極部間には、該各磁極部の両端に磁気抵抗となる空隙を形成することにより前記各磁極部の磁束が径方向に通過する鉄心部が形成されたブラシレスモータであって、
   前記磁石収容部には、前記永久磁石の磁極面と前記磁石収容部とのギャップを埋めるべく磁性部材が挿入配置され、
   前記磁性部材は、強磁性型の制振合金からなることを特徴とするブラシレスモータ。
4. 請求項３に記載のブラシレスモータにおいて、
   前記磁性部材は、渦電流を抑制すべく、スリットを有した又は複数の部材にて構成されたことを特徴とするブラシレスモータ。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載のブラシレスモータにおいて、
   前記ロータは、前記ステータの径方向内側に配置されるものであり、
   前記磁性部材は、前記永久磁石の径方向内側の磁極面のみと当接するよう挿入配置されたことを特徴とするブラシレスモータ。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載のブラシレスモータにおいて、
   前記磁性部材は、該磁性部材における前記永久磁石側の表面が前記永久磁石の磁極面より大きい態様で構成されたことを特徴とするブラシレスモータ。

Images