JP5653984B2 - コギングトルクを低減する固定子コアを有する電動機 - Google Patents

Description

本発明は電動機に関する。

周方向に所定の間隔を空けて形成されるスロット及び該スロットに通されて巻回される巻線を備える固定子と、周方向に所定の間隔を空けて配置されていて巻線と協働して駆動力を発生させる永久磁石を備える回転子と、を具備する電動機において、種々の要因に基づいてコギングトルクが発生することが知られている。例えば非特許文献１は、電動機が１回転する間の期間において、回転子の磁極の数と、固定子に形成されるスロットの数との最小公倍数に等しい数のコギングトルクが発生することを教示している。このようなコギングトルクを低減するために、種々の方法が提案されている（特許文献１〜６参照）。

特開２００５−３０４１５０号公報 特開２００８−１９９８９４号公報 特開２０１１−５５７０６号公報 特開２００５−６５４７９号公報 特開２００９−１３１０５０号公報 特開２００６−１４４５７号公報

電気学会論文誌Ｂ Ｖｏｌ．１０３−Ｂ 第７１１頁〜第７１８頁（１９８３年）

電動機において、コギングトルクを低減することが望まれている。

本願に係る１番目の発明によれば、周方向に所定の間隔を空けて形成されるスロット及び該スロットに通されて巻回される巻線を備える固定子と、周方向に所定の間隔を空けて配置されていて前記巻線と協働して駆動力を発生させる永久磁石を備える回転子と、を具備する電動機において、前記固定子は、前記スロットの半径方向外側の縁部を通る外接円と、前記固定子の半径方向外側の縁部との間において周方向に延在するコアバックを有しており、該コアバックは、半径方向に延在する前記コアバックの寸法が周方向において変化する形状を有しており、前記回転子の磁極の数と前記コアバックの繰返し形状の繰返し回数の最小公倍数をＭとし、コギングトルクが前記回転子の１回転当りにＭ回発生する電動機において、前記コアバックが、（３６０／Ｍ／２）度の奇数倍の角度だけ周方向に互いにずらされた複数のコアバックから形成される段ずらしされたコアバック、或いは前記段ずらしされたコアバックと同等のコギングトルク打消作用を有する擬似的に段ずらしされたコアバックであることを特徴とする、電動機が提供される。

本願に係る２番目の発明によれば、１番目の発明において、穴、凹部又は凸部が前記コアバックに形成されており、それにより前記疑似的に段ずらしされたコアバックが形成される、電動機が提供される。

本願に係る３番目の発明によれば、２番目の発明において、前記回転子の磁極の数と前記コアバックの前記形状とに起因して、前記回転子の１回転当りにＭ回発生する前記コギングトルクとは異なる追加のコギングトルクが前記回転子の１回転当りにＮ回発生する電動機において、前記コアバックが、（３６０／Ｎ／２）度の奇数倍の角度だけ周方向に互いにずらされた複数のコアバックから形成される段ずらしされたコアバックと同等のコギングトルク打消作用を有するように、追加の穴、凹部又は凸部が前記コアバックにさらに形成される、電動機が提供される。

本願に係る４番目の発明によれば、２番目又は３番目の発明において、前記コアバックに形成される前記穴、凹部又は凸部が周方向において等間隔に配置される、電動機が提供される。

本願に係る５番目の発明によれば、２番目から４番目のいずれかの発明において、前記穴、凹部又は凸部が複数の穴、凹部又は凸部からなる群から形成されており、各群の前記複数の穴、凹部又は凸部が互いに対称に配置される、電動機が提供される。
本願に係る６番目の発明によれば、１番目から５番目のいずれかの発明において、前記コアバックが正多角形の外形を有する、電動機が提供される。

コアバックの幅が不均一である場合、コアバックにおける磁気飽和が局所的に発生する傾向にある。したがって、例えば電動機を小型化するのが望ましい場合、又は強力な磁力を有する磁石を利用する場合には、コギングトルクの発生が特に問題となり得る。しかしながら、上記発明によれば、コアバックの幅が不均一であることに起因して発生するコギングトルクを低減できるようになる。

第１の実施形態に係る電動機を示す断面図である。 図１の電動機におけるコギングトルクの検出結果を示す図である。 第１の実施形態に係る電動機の作用効果を説明するための概念図である。 第１の実施形態に係る電動機の作用効果を説明するための概念図である。 第１の実施形態に係る電動機の作用効果を説明するための図である。 第２の実施形態に係る電動機を説明するための概念図である。 第２の実施形態に係る電動機を説明するための概念図である。 図４Ａ及び図４Ｂの電動機におけるコギングトルクの検出結果を示す図である。 第３の実施形態に係る電動機を説明するための概念図である。 図６の電動機におけるコギングトルクの検出結果を示す図である。 変形例に係る電動機を示す概念図である。 別の変形例に係る電動機を示す概念図である。 別の変形例に係る電動機を示す概念図である。 別の変形例に係る電動機を示す断面図である。 第１の比較例に係る電動機におけるコギングトルクの検出結果を示す図である。 第２の比較例に係る電動機の構成を示す概念図である。 第２の比較例に係る電動機におけるコギングトルクの検出結果を示す図である。 コアバックの段ずらしを説明するための図である。 コアバックの段ずらしを説明するための図である。 段ずらしされたコアバックを有する電動機において検出されるコギングトルクの波形を示す図である。 固定子コアに形成される貫通穴によるコアバックの段ずらしを説明するための図である。 固定子コアに形成される凸部によるコアバックの段ずらしを説明するための図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。図示される実施形態の各構成要素は、本発明の理解を助けるためにその縮尺が実用的な形態から変更されている場合があることに留意されたい。

図１は、第１の実施形態に係る電動機１０を示す断面図である。電動機１０は、固定子１２と、固定子１２によって周囲が包囲されるように固定子１２に対して同心状に配置される回転子１４と、を備えている。回転子１４は概ね円筒状の回転子コア２０を有している。回転子コア２０には、図示されない軸受によって回転可能に支持されるシャフト１６を受容する中心穴１８が形成されている。回転子コア２０は、例えば複数の円板状の積層鋼板を積層させて形成されており、それら積層鋼板は、かしめによって互いに固定される。回転子コア２０には、複数の、例えば８つの永久磁石２４が周方向Ｃに所定の間隔を空けて埋設されている。回転子コア２０には、積層鋼板の積層方向において回転子コア２０を貫通する複数の抜き穴２２，２６が周方向Ｃにおいて等間隔に形成されている。

固定子１２は正八角形の外形を有する固定子コア３０を有している。固定子コア３０は、回転子１４を包囲するように中空の形状を有する磁性材料から形成された部材である。電動機１０の外形を画定する固定子１２の外縁部１２ａは、固定子コア３０の外縁部によって形成されている。固定子コア３０は、周方向Ｃに所定の間隔を空けて形成されていて半径方向Ｒの内側に向かって突出する複数の歯３２を備えている。隣接する２つの歯３２の間にはスロット３４が形成されている。図示された実施形態においては、合計３６個のスロット３４が固定子コア３０の内周面に沿って形成されている。固定子コア３０において、スロット３４の半径方向Ｒの外縁部（すなわち、スロット３４の底部或いは歯３２の基部）を通る外接円Ｘ（図１において破線で示される）と、固定子１２の半径方向Ｒの外縁部１２ａとの間には、コアバック３６が周方向Ｃに延在している。コアバック３６は、電動機１０が動作する際に磁束が通過する磁束経路として作用する。なお、固定子１２を保持する非磁性材料又は磁性材料から形成される追加のケーシング（図示せず）が固定子１２の半径方向Ｒの外側に設けられてもよい。

図１からも明らかなように、正八角形の外形を有する固定子コア３０を有する固定子１２においては、コアバック３６の半径方向Ｒにおける幅Ｗは、最大値Ｗ１と最小値Ｗ２との間において周期的に変化する。具体的には、コアバック３６の幅Ｗは、固定子コア３０の中心と固定子コア３０の外縁部１２ａを形成する各辺の中点との間を結ぶ直線上において、最小値Ｗ２になる。また、コアバック３６の幅Ｗは、固定子コア３０の中心と固定子コア３０の各頂点を結ぶ直線上において、最大値Ｗ１になる。このように、コアバック３６の幅Ｗは、例えば最大値Ｗ１から最小値Ｗ２までいったん減少し、そして最大値Ｗ１になるまで再び増大するように周方向Ｃにおいて周期的に変化する。換言すると、コアバック３６は、全体として、八角形の８つの辺に沿って、８回の繰返し回数にわたって周方向Ｃにおいて繰返される繰返し形状を有している。

固定子１２は、それらスロット３４を通って歯３２の回りに巻回される巻線（図示せず）を備えている。それら巻線は電力の供給を受けて電磁石として作用する。電動機１０においては、固定子１２に設けられた巻線と、回転子１４に設けられた永久磁石２４とが互いに協働することによって、回転子１４及びシャフト１６を回転軸線の回りに回転させる駆動力が発生されるようになっている。

本実施形態においては、固定子１２の中心と固定子コア３０の各頂点を結ぶ直線上において、貫通穴４０がそれぞれ形成されている。貫通穴４０は周方向において等間隔に形成されており、固定子コア３０を貫通するように回転軸線に対して概ね平行に延在している。これら貫通穴４０は、後述するようにコアバック３６の幅が周方向において変化することに起因して発生するコギングトルクを打消すような逆位相のコギングトルクを発生させる位置に形成されている。

ところで、同期電動機において、コギングトルクは種々の要因によって発生する。本発明者らは、図１に関連して前述したように、コアバックが、所定のパターン形状が所定の繰返し回数にわたって周方向に繰返される繰返し形状を有しており、それにより、半径方向におけるコアバックの幅の大きさが周方向において周期的に変化する場合において、そのような不均一なコアバックの幅に起因してコギングトルクが発生することを発見した。そして、その場合のコギングトルクは、電動機が１回転するのに従って、コアバックの繰返し形状の繰返し回数と、回転子の磁極の数との最小公倍数Ｍに等しい回数だけ発生することが分かった。

コアバックの幅が不均一であることに起因して発生するコギングトルクは、コアバックにおける磁気飽和と関連付けて説明され得る。例えば、回転子コア２０又は固定子コア３０を形成する電磁鋼板の材料として広く使用される５０Ａ６００材（ＪＩＳ規格に準ずる）は、磁束密度が約１．５Ｔ（テスラ）まで増大したときに概ね磁気飽和の状態になる。一方、コアバックの幅が小さいほど磁束の経路は狭くなるので、磁気飽和が起こり易い状態といえる。したがって、コアバックの幅が不均一であれば、コアバックの幅が比較的小さい箇所から局所的に磁気飽和に至ることになり、それにより、磁気エネルギーの不釣合いが生じる。そのため、回転子が回転するのに従って、磁気エネルギーが周期的に変動し、その結果としてコギングトルクが発生する。このようなコアバックの幅が周方向において変化することに起因して生じる磁気飽和の問題は、電動機の小型化と、ネオジ磁石等の強力な磁力を有する磁石の登場とが相俟って従来よりも顕在化する傾向にあると考えられる。

図１１は、第１の比較例に係る電動機におけるコギングトルクの検出結果を示す図である。この比較例に係る電動機は、図１に示される電動機１０と対比すると、貫通穴４０が形成されない点のみにおいて相違する。図１１から分かるように、この比較例の電動機においては、非特許文献１によって教示されるように、固定子のスロットの数（＝３６）と、回転子の磁極の数（＝８）との最小公倍数Ｍ１（＝７２）に等しい回数のコギングトルクが１回転当りに発生する。それに加えて、この比較例の電動機においては、前述したように、コアバックの繰返し形状の繰返し回数（＝８）と、回転子の磁極の数（＝８）との最小公倍数Ｍ（＝８）に等しい回数のコギングトルクが１回転当りに発生する。換言すると、この比較例の電動機においては、５度周期及び４５度周期の２つの成分からなるコギングトルクが互いに重ね合わされた状態で発生する。

一方、図２は、図１の電動機１０におけるコギングトルクの検出結果を示す図である。この電動機１０においては、コアバック３６に形成される８つの貫通穴４０が４５度周期に発生するコギングトルクを打消すように作用する。したがって、図２から明らかなように、本実施形態の電動機１０においては、４５度周期のコギングトルクは検出されずに、５度周期の成分のみからなるコギングトルクが検出される。

図３Ａ〜図３Ｃは、第１の実施形態に係る電動機１０の作用効果を説明するための図である。図３Ａ及び図３Ｂは電動機の構成を概念的に表している。具体的に述べると、繰返し回数が８回である繰返し形状を有するコアバック３６は、図３Ａ及び図３Ｂにおいて、外側に位置する正八角形として示されている。固定子１２のスロット３４の底部（又は歯３２の基部）を通る外接円Ｘは破線で表されている。また、回転子１４は、磁極の数だけ頂点を有する正多角形として、この例では正八角形で示されている。これら図において、半径方向におけるコアバック３６と外接円Ｘとの間の距離がコアバック３６の幅Ｗの大きさを表す。

図３Ａは、貫通穴４０が形成されていない電動機１００を表している。一方、図３Ｂは、図１に関連して説明されたように貫通穴４０が所定位置に形成された電動機１０を表している。貫通穴４０は、コアバック３６の幅Ｗが最小値Ｗ２となる各辺の中点を通る直線に対して、２２．５度だけ周方向にずれた位置にそれぞれ形成される。本実施形態に係る電動機１０においては、適切な寸法及び形状を有する貫通穴４０を上記位置に形成することによって、電動機１０における固定子１２としての作用に関連して、コアバック３６の段ずらしを擬似的に実現できる。

図１４Ａ及び図１４Ｂは、コアバックの段ずらしを説明するための図である。図１４Ａ及び図１４Ｂにおいては、簡単のため固定子２００のみが示されている。図１４Ａは固定子２００の端面図であり、図１４Ｂは固定子２００の側面図である。固定子２００は、第１の固定子コア２１０と、第２の固定コア２２０と、を備えている。図１４Ｂに示されるように、第１の固定子コア２１０及び第２の固定子コア２２０は、互いに対向する端面どうしが接合された状態で一体化されている。第１の固定子コア２１０及び第２の固定子コア２２０は、半径方向内側に向かって突出する歯２０２をそれぞれ有している。歯２０２の基部を通る外接円Ｘ１と第１の固定子コア２１０の外周縁との間に第１のコアバック２１２が形成される。また、外接円Ｘ１と第２の固定子コア２２０の外周縁との間に第２のコアバック２２２が形成される。

第１のコアバック２１２及び第２のコアバック２２２は、それぞれ正八角形の外形を有していて、図１４Ａに示されるように周方向Ｃ１において２２．５度の角度だけ相対的にずらされている。図１４Ａにおいて、第２の固定子コア２２０のうち、第１の固定子コア２１０の背後に隠れて視認できない部分は破線で描かれている。なお、第１の固定子コア２１０及び第２の固定子コア２２０の歯２０２は、互いに角度が一致するようにそれぞれ形成される。本明細書において、「コアバックの段ずらし」とは、コアバックの角度が図示されるように周方向に相対的にずれている状態にすることをいう。

図１４Ｃは、段ずらしされたコアバックを有する電動機において検出されるコギングトルクの波形を示す図である。なお、この実施例に係る電動機は、８つの磁極を有する回転子を備えている。図１４Ｃの破線は、前述した第１のコアバック２１２のみを有する電動機において検出されるコギングトルクの波形を表している。図１４Ｃの点線は、前述した第２のコアバック２２２のみを有する電動機において検出されるコギングトルクの波形を表している。また、図１４Ｃの実線は、第１のコアバック２１２及び第２のコアバック２２２の両方を有する電動機、すなわち段ずらしされたコアバックを有する電動機において検出されるコギングトルクの波形を表している。第１のコアバック２１２及び第２のコアバック２２２は正八角形の外形をそれぞれ有するので、コアバック形状の繰返し回数（＝８）と、磁極の数（＝８）の最小公倍数Ｍ（＝８）に従って、１回転当り８回、すなわち４５度周期のコギングトルクが発生する。しかしながら、前述したように第１のコアバック２１２及び第２のコアバック２２２は、互いに２２．５度だけ角度がずれている。したがって、図１４Ｃに示される破線の波形と点線の波形とを対比すると分かるように、第２のコアバック２２２を有する電動機は、第１のコアバック２１２を有する電動機の場合に対して、２２．５度だけ位相がずれたコギングトルクが検出される。

それに対し、段ずらしされたコアバックを有する電動機においては、破線の波形で表されるコギングトルクと、点線の波形で表されたコギングトルクとが重ね合わされたコギングトルクが全体として検出されることになる。この場合、互いに逆位相である波形を重ね合わせることになるので、コギングトルクは互いに打消され、コアバックの幅が周方向において変化することに起因して発生するコギングトルクが除去される。

図１５は、固定子コアに形成される貫通穴によるコアバックの段ずらしを説明するための図である。図１５は、概ね円筒形の固定子コア３１０を有する固定子３００を示している。固定子コア３１０には、４５度の間隔を空けて合計８つの貫通穴３１２が形成されている。固定子コア３１０において、貫通穴３１２が形成される部位は、磁束の経路としては実質的に機能しない。したがって、貫通穴３１２を形成することによって、コアバックの幅を小さくすることと同様の効果が得られる。その結果、円形の物理的外形を有する固定子コア３１０は、図１５において破線で示されるように実質的に正八角形の外形を有するようになる。このような貫通穴を例えば図１で示される正八角形の外形を有するコアバック３６を有する固定子１２に形成すれば、コアバック３６の物理的な外形である正八角形と、貫通穴４０によって擬似的に得られる角度がずれた正八角形と、の両方の性質を含むコアバックが得られる。このように貫通穴４０を形成することによって、図１４Ａ及び図１４Ｂに関連して説明したような物理的に段ずらしされたコアバックと同等のコアバックが擬似的に得られる。

図３Ｃは、図３Ａ及び図３Ｂにそれぞれ示された電動機において発生するコギングトルクの波形を示す図である。図中の破線は、図３Ａの電動機１００におけるコギングトルクの波形を示し、図中の実線は、図３Ｂの電動機１０におけるコギングトルクの波形を示している。貫通穴４０が形成されていない図３Ａの電動機１００においては、前述したように、回転子１４が１回転するのに従って、コアバック３６の繰返し回数（＝８）と、回転子の１４の磁極の数（＝８）との最小公倍数Ｍに等しい回数、すなわち１回転当り８回又は４５度周期のコギングトルクが発生する。一方、貫通穴４０が形成された図３Ｂの電動機１０において、コギングトルクは検出されない。なぜなら、電動機１０においては前述したようにコアバック３６に形成された貫通穴４０によって、コアバック３６が擬似的に段ずらしされていると見做せるからである。このように、図３Ｂに示される電動機１０においては、固定子１２に形成される貫通穴４０によって、段ずらしされたコアバックと同等の作用を有するコアバック３６が得られるので、４５度周期のコギングトルクを打消すような逆位相のコギングトルクが発生する。そして、それら２つの波形が重ね合わされた結果として、コギングトルクは図３Ｃに示されるように除去される。

電動機が１回転するのに従ってＭ回発生するコギングトルク（すなわち（３６０／Ｍ）度の周期で発生するコギングトルク）を打消すためには、（３６０／Ｍ／２）度の奇数倍だけ位相をずらしたコギングトルクを発生させればよい。したがって、コアバックを（３６０／Ｍ／２）度の奇数倍の角度だけ段ずらしさせるような位置に貫通穴４０が形成されればよい。図示された実施形態においては、１回転当り８回発生するコギングトルク（すなわちＭ＝８）を打消すために、コアバック３６の幅Ｗが最小値Ｗ２になるコアバック３６の各辺の中点を基準として、２２．５度の位置に貫通穴４０が形成されている。なお、貫通穴４０の寸法及び形状は、電動機１０を実際に動作させたときに検出されるコギングトルクに基づいて最適化される。

このように、本実施形態は、繰返し形状を有するコアバック３６に起因して発生するコギングトルクを打消す逆位相のコギングトルクを発生させるように貫通穴４０が形成される。それにより、例えば小型の電動機又は磁力の大きい磁石を利用する電動機において、コアバックの幅が不均一である場合であってもコギングトルクを低減できるようになる。

続いて、前述した実施形態とは異なる本発明の他の実施形態について説明する。以下の説明において、既に述べた内容と重複する事項については説明を適宜省略する。また、同一又は対応する構成要素には同一の参照符号が使用される。

図４Ａ及び図４Ｂは、第２の実施形態に係る電動機５０を説明するための概念図である。図４Ａ及び図４Ｂにおいては、図３Ａ又は図３Ｂと同様の態様で電動機を概念的に表している。すなわち、８回の繰返し回数からなる繰返し形状を有するコアバック５２が正八角形として表されている。本実施形態においては回転子５４の磁極の数が６つであり、正六角形で図示されている。図４Ｂは、コアバック５２の幅が不均一であることに起因して発生するコギングトルクを打消すための貫通穴５６が形成された電動機５０を表している。そして、図４Ａは、そのような貫通穴５６が形成されていない電動機１０２を表している。図４Ｂを参照すると、貫通穴５６は、コアバック５２の幅Ｗが最小値Ｗ２になるコアバック５２の各辺の中点を基準として２２．５度だけ周方向にずれた位置に形成されている。このような貫通穴５６は、コアバック５２が２２．５度の角度だけ段ずらしされる位置に形成されている。

図４Ｂの電動機５０について、前述した貫通穴５６の適切な形成位置を表す計算式に基づいて検討する。本実施形態の電動機５０においては、コアバック５２の繰返し形状の繰返し回数（＝８）と、回転子５４の磁極の数（＝６）との最小公倍数Ｍ（＝２４）に等しい回数のコギングトルクが１回転当りに発生する。すなわちコギングトルクは１５度周期で発生する。そして、コアバック５２は、（３６０／Ｍ／２）度の奇数倍の角度だけ段ずらしされていればよい。本実施形態の場合、Ｍ＝２４であるから、（３６０／Ｍ／２）＝（３６０／２４／２）＝７．５となり、前述した２２．５度の段ずらしは、７．５度の奇数倍に相当する。したがって、本実施形態に係る電動機５０においてもコアバック５２が不均一であることに起因して発生するコギングトルクを打消すことができる。

図５は、図４Ａ及び図４Ｂの電動機におけるコギングトルクの検出結果を示す図である。図５において、実線は、コギングトルクを打消すための貫通穴５６が形成された図４Ｂの電動機５０におけるコギングトルクの波形を表し、破線は、そのような貫通穴５６が形成されていない図４Ａの電動機１０２におけるコギングトルクの波形を表している。これら波形を対比すると、１５度周期に発生していたコギングトルクが、所定位置に形成された貫通穴５６によって発生する逆位相のコギングトルクによって打消されることによって、低減され得るのが分かる。

図６は、第３の実施形態に係る電動機６０を説明するための概念図である。電動機６０のコアバック６２は、５回の繰返し回数からなる繰返し形状を有する正五角形として表されている。半径方向におけるコアバック６２と外接円Ｘとの間の距離はコアバック６２の幅Ｗを表している。回転子６４は６つの磁極を有しているので、正六角形で表されている。このような電動機６０においては、繰返し回数（＝５）と磁極の数（＝６）との最小公倍数Ｍが３０である。したがって、電動機６０においては、１回転当り３０回、すなわち１２度周期のコギングトルクが発生する。この場合、（３６０／Ｍ／２）＝（３６０／３０／２）＝６であるので、６の奇数倍の角度だけコアバック６２が段ずらしされればよい。

本実施形態に係る電動機６０においては、コアバック６２の幅Ｗが最小値Ｗ２になるコアバック６２の各辺の中点を通る基準位置から３０度の位置と４２度の位置との位置にそれぞれ貫通穴６６が形成されている。３０度及び４２度はいずれも６度の奇数倍である。換言すると、コアバック６２の幅Ｗが最大値Ｗ１になるコアバック６２の頂点を通る位置から±６度の角度だけ周方向にずれた位置に１対の貫通穴６６，６６が形成されている。すなわち、本実施形態においては、繰返し形状を形成する形状パターンの各々について１対の貫通穴６６，６６が互いに対称になるように形成される。例えば、頂点位置から＋６度の角度だけずらされた位置のみに貫通穴６６が形成される場合、貫通穴６６によって、前述した１２度周期のコギングトルクが低減されるようになるものの、コアバック６２の全体形状としては対称にはならないので、結果としてコギングトルクが残存するようになる。このように、繰返し形状を形成するパターン形状のそれぞれに対して複数の貫通穴６６がコアバックに形成される場合、それら複数の貫通穴６６が互いに対称になるように位置決めされるのが好ましい。

図７は、図６の電動機６０におけるコギングトルクの検出結果を示す図である。図７において、実線は、３０度及び４２度の角度だけコアバックを段ずらしさせる１対の貫通穴６６，６６が各形状パターンに対して形成された電動機６０におけるコギングトルクの波形を示している。また、破線は、３０度又は４２度の角度だけコアバック６２を段ずらしさせる１つの貫通穴６６のみが各形状パターンに対して形成された電動機におけるコギングトルクの波形を示している。点線は、貫通穴６６が形成されていない電動機におけるコギングトルクの波形を示している。図７を参照すれば、３０度又は４２度の角度のコアバックの段ずらしをもたらす１つの貫通穴６６のみが形成される場合であっても、貫通穴６６が形成されない場合と比較して、コギングトルクが低減されることが分かる。また、３０度及び４２度の両方の角度のコアバック６２が段ずらしされるように１対の貫通穴６６，６６が形成される場合には、コギングトルクがより一層効果的に低減されることが分かる。

図１２は、第２の比較例に係る電動機６０’の構成を示す概念図である。この比較例に係る電動機６０’においては、コアバック６２の中心とコアバック６２の頂部とを結ぶ直線上に貫通穴６８が形成されている。このようにコアバック６２の頂部に対応する位置に貫通穴６８を形成すれば、コアバック６２の幅が周方向においてより均一化されるので、コギングトルクが低減されることが推測される。しかしながら、このような構成を採用すると、コアバック６２は３６度の角度だけ段ずらしされた状態になる。この比較例においては、（３６０／Ｍ／２）＝６であるので、３６度の角度のずれは６度の偶数倍である。したがって、コギングトルクを低減する効果が得られない。図１３は、第２の比較例に係る電動機６０’におけるコギングトルクの検出結果を示す図である。図１３の破線は、貫通穴６８が形成された電動機６０’において検出されるコギングトルクの波形を示している。図１３の実線は、そのような貫通穴６８が形成されていない電動機において検出されるコギングトルクの波形を示している。このように、正多角形の頂点に対応する位置に貫通穴を形成したとしても、必ずしも十分なコギングトルクの低減作用が得られるわけではない。

図８Ａは、変形例に係る電動機７０を示す概念図である。前述した実施形態においては、コアバックの幅が不均一であることに起因して発生するコギングトルクを打消す逆位相のコギングトルクを発生させるために、貫通穴がコアバックに形成される。しかしながら、そのような逆位相のコギングトルクを発生させるためには、図８Ａに示されるように貫通穴の代わりに凸部７４がコアバック７２に形成されていてもよい。すなわち、この変形例においては、凸部７４がコアバック７２に形成されている。図示された変形例においては、コアバック７２の各辺の中点に凸部７４が形成されているものの、このような特定の構成には限定されない。

図１６は、固定子コアに形成される凸部によるコアバックの段ずらしを説明するための図である。図１６は、正八角形の外形を有する固定子コア４１０を有する固定子４００を示している。固定子コア４１０には、４５度の間隔を空けて合計８つの凸部４１２が形成されている。固定子コア４１０において、凸部４１２が形成される部位は磁束の経路が部分的に大きくなるので、コアバックの幅を周期的に大きくすることと同様の効果が得られる。その結果として、固定子コア４１０の物理的外形である正八角形のコアバックと、図１６において破線で示される擬似的な正八角形のコアバックと、の両方を含む、２２．５度の角度だけ擬似的に段ずらしされたコアバックが得られる。

図８Ｂは、別の変形例に係る電動機８０を示す概念図である。電動機８０には、コアバック８２の外縁部から半径方向の内側に向かって窪んだ凹部８４が形成されている。凹部８４は、コアバックの幅を小さくするように作用するので、前述した貫通穴が形成される場合と同様にコアバックを段ずらしさせる作用を有する。したがって、凹部８４を形成することによっても、コアバック８２の幅が不均一であることに起因して発生するコギングトルクを打消すための逆位相のコギングトルクを発生させられる。なお、図示された変形例においては、コアバック８２の頂点の位置に凹部８４が形成されているものの、このような特定の構成には限定されない。

図９は、別の変形例に係る電動機９０を示す概念図である。図９に示される電動機９０は、コアバック９２が概ね正方形の端面を有しているとともに、コアバック９２の角部９２ａが円弧９２ｂに沿って除去されている。このような角部９２ａが欠落したコアバック９２は、例えばフランジ等の取付部品に固定子を固定するためのねじを通す必要がある場合に採用される構成である。このような電動機９０においても、コアバック９２の幅が周期的に変化するので、周方向において変化するコアバック幅と、回転子の磁極との関係に従って、１回転当り所定回数のコギングトルクが発生する。そのようなコギングトルクを低減するために、電動機９０においても、前述した他の実施形態と同様に、検出されるコギングトルクの１回転当りの発生回数Ｍに従って、コアバック９２の位相が（３６０／Ｍ／２）度の奇数倍だけずれるように貫通穴、凸部又は凹部（図示せず）がコアバック９２に形成される。

図９に関連して説明したように、本願発明におけるコアバックの繰返し形状は、正多角形によって形成される繰返し形状には限定されない。正多角形に比べてより複雑な繰返し形状を有するコアバックを有する電動機においては、コギングトルクの発生回数を推測することは困難である。そのため、そのような電動機においては、貫通穴等を形成する前に電動機を動作させて試験を実施する。その結果として検出されるコギングトルクの波形を分析することで、コギングトルクを打消すような貫通穴等をコアバックに形成することができる。例えば、コギングトルクを分析した結果として、例えば４５度の周期でコギングトルクが発生していることが分かったとすると、２２．５度の位相ずれをコアバックにもたらすように貫通穴等を形成すればよい。複数の成分、すなわち複数の異なる周期でコギングトルクが発生する場合であっても対応する貫通穴等をそれぞれのコギングトルクに対して所定の位置に形成することによって、コギングトルクを個別に低減できる。例えば、コギングトルクが１回転当りＭ回発生する成分とＮ回発生する成分との両方を含む場合、コアバックを（３６０／Ｍ／２）度の奇数倍だけ段ずらしさせるとともに、（３６０／Ｎ／２）度の奇数倍だけ段ずらしさせればよい。

図１０は、別の変形例に係る電動機１０’を示す断面図である。本変形例において、電動機１０’は、コアバック３６が半径方向Ｒの内側に位置する内方コアバック３６ａと、半径方向Ｒの外側に位置する外方コアバック３６ｂとの２つの個別の構成部品から形成されている。このように、コアバック３６が２つ以上の分割された部分から形成される電動機に対しても本発明を適用可能である。

固定子のコアバックを段ずらしさせるための手段として、コアバックを物理的に段ずらしする場合と、貫通穴、凸部又は凹部を形成することによってコアバックを擬似的に段ずらしする場合と、の両方について説明したが、これらの態様のうちのいずれも本発明の範囲に含まれる。コアバックを物理的に段ずらしさせる場合は、固定子コアの形状を変更することのみによって、所期の効果が得られるので電動機を比較的安価に製造できる利点がある。一方、貫通穴、凸部又は凹部を形成する場合は、固定子ひいては電動機の外形に変更を加える必要がないので、従来の電動機との置換えが容易である利点を有する。

以上、本発明の種々の実施形態を説明したが、本明細書において明示的又は暗示的に開示される複数の実施形態の特徴を任意に組合せることによっても本発明を実施できることは当業者に自明である。また、本発明の概念は、技術的に明らかに矛盾する場合を除き、図示された実施形態以外の電動機においても同様に適用され得る。例えば図示された実施形態に係る電動機は、永久磁石が回転子コアの内部に埋め込まれる構成を有しているものの、永久磁石が回転子の表面に接着された別のタイプの電動機にも本発明を適用できることは当業者に自明であろう。このように、本発明の概念は、コアバックの幅が周方向において周期的に変化する電動機に対して幅広く適用され得る。

なお、電動機が前述したような追加のケーシングをさらに備える場合であって、ケーシングがコアバックと一体的な磁束経路を形成するのに十分な磁性を有する場合、コアバックの幅は、コアバックとそのようなケーシングとの両方を合わせた大きさの幅として解釈されるべきである。そして、ケーシング及びコアバックの合計の幅が、周方向において周期的に変化するような形状を有する電動機にも本発明の概念を適用可能である。このように、本発明との関係において、コアバックひいては固定子は、磁性材料から形成されるケーシングを含む意味にも解釈され得ることに留意されたい。

１０ 電動機
１０’ 電動機
１２ 固定子
１４ 回転子
２４ 永久磁石
３４ スロット
３６ コアバック
４０ 貫通穴
５０ 電動機
５２ コアバック
５４ 回転子
５６ 貫通穴
６０ 電動機
６２ コアバック
６４ 回転子
６６ 貫通穴
７０ 電動機
７２ コアバック
７４ 凸部
８０ 電動機
８２ コアバック
８４ 凹部
９０ 電動機
９２ コアバック
２００ 固定子
２１０ 第１の固定子コア
２１２ 第１のコアバック
２２０ 第２の固定子コア
２２２ 第２のコアバック
Ｃ 周方向
Ｒ 半径方向
Ｗ コアバックの幅
Ｘ 外接円

Claims (6)

1. 周方向に所定の間隔を空けて形成されるスロット及び該スロットに通されて巻回される巻線を備える固定子と、周方向に所定の間隔を空けて配置されていて前記巻線と協働して駆動力を発生させる永久磁石を備える回転子と、を具備する電動機において、
   前記固定子は、前記スロットの半径方向外側の縁部を通る外接円と、前記固定子の半径方向外側の縁部との間において周方向に延在するコアバックを有しており、該コアバックは、半径方向に延在する前記コアバックの寸法が周方向において変化する形状を有しており、
   前記回転子の磁極の数と前記コアバックの繰返し形状の繰返し回数の最小公倍数をＭとし、コギングトルクが前記回転子の１回転当りにＭ回発生する電動機において、
   前記コアバックが、（３６０／Ｍ／２）度の奇数倍の角度だけ周方向に互いにずらされた複数のコアバックから形成される段ずらしされたコアバック、或いは前記段ずらしされたコアバックと同等のコギングトルク打消作用を有する疑似的に段ずらしされたコアバックであることを特徴とする、電動機。
2. 穴、凹部又は凸部が前記コアバックに形成されており、それにより前記疑似的に段ずらしされたコアバックが形成される、請求項１に記載の電動機。
3. 前記回転子の磁極の数と前記コアバックの前記形状とに起因して、前記回転子の１回転当りにＭ回発生する前記コギングトルクとは異なる追加のコギングトルクが前記回転子の１回転当りにＮ回発生する電動機において、
   前記コアバックが、（３６０／Ｎ／２）度の奇数倍の角度だけ周方向に互いにずらされた複数のコアバックから形成される段ずらしされたコアバックと同等のコギングトルク打消作用を有するように、追加の穴、凹部又は凸部が前記コアバックにさらに形成される、請求項２に記載の電動機。
4. 前記コアバックに形成される前記穴、凹部又は凸部が周方向において等間隔に配置される、請求項２又は３に記載の電動機。
5. 前記穴、凹部又は凸部が複数の穴、凹部又は凸部からなる群から形成されており、各群の前記複数の穴、凹部又は凸部が互いに対称に配置される、請求項２から４のいずれか１項に記載の電動機。
6. 前記コアバックが正多角形の外形を有する、請求項１から５のいずれか１項に記載の電動機。

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