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公開番号2021119741
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210812
出願番号2021075807
出願日20210428
発明の名称モータ
出願人株式会社デンソー
代理人個人,個人
主分類H02K 1/22 20060101AFI20210716BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】突極比の低下を抑制できるモータを提供する。
【解決手段】ロータコア21の外周部における互いに異極の磁石磁極部23同士の各間には、径方向外側に突出する突部24が設けられる。そして、ロータ14が1周するうちのその時々のロータコア21と各ティースTとの径方向の対向関係を見たとき、磁石磁極部23と対向し、かつ突部24と対向しないティースTの数が、周方向に隣り合う一対の磁石磁極部23及びその間の突部24と同時に対向するティースTの数よりも多くなるタイミングが存在するように構成される。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
回転軸と、
前記回転軸に対して同軸に固定されたロータコアを有し、該ロータコア内に永久磁石が埋め込まれてなる10極の磁石磁極部を周方向に沿って交互に異極となる態様で有するロータと、
周方向に沿って複数設けられ前記ロータコアの外周面と径方向に対向する12個のティース、及び該各ティースに3相の集中巻きにて巻回された巻線を有するステータと
を備え、
前記ロータコアの外周部における互いに異極の前記磁石磁極部同士の各間には、径方向外側に突出する突部が設けられ、
前記各磁石磁極部の開角度θrは互いに等しく設定され、
前記各ティースにおける前記ロータコアと径方向に対向する対向面の開角度θsは互いに等しく設定され、
周方向に隣り合う前記磁石磁極部同士の各間の開角度θxは互いに等しく設定され、
前記ティースの前記対向面の開角度θsと前記磁石磁極部の開角度θrと前記磁石磁極部同士の各間の開角度θxとの関係が、θx<θs<θrを満たすように構成されている、モータ。
続きを表示(約 410 文字)【請求項2】
回転軸と、
前記回転軸に対して同軸に固定されたロータコアを有し、該ロータコア内に永久磁石が埋め込まれてなる10極の磁石磁極部を周方向に沿って交互に異極となる態様で有するロータと、
周方向に沿って複数設けられ前記ロータコアの外周面と径方向に対向する12個のティース、及び該各ティースに3相の集中巻きにて巻回された巻線を有するステータと
を備え、
前記ロータコアの外周部における互いに異極の前記磁石磁極部同士の各間には、径方向外側に突出する突部が設けられ、
前記ロータが1周するうちのその時々の前記ロータコアと前記各ティースとの径方向の対向関係を見たとき、前記磁石磁極部と対向し、かつ前記突部と対向しないティースの数が、周方向に隣り合う一対の前記磁石磁極部及びその間の前記突部と同時に対向するティースの数よりも多くなるタイミングが存在するように構成されている、モータ。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、埋込磁石型モータに関するものである。
続きを表示(約 8,100 文字)【背景技術】
【0002】
例えば特許文献1のモータは、ロータの磁極部がロータコアに埋め込まれた永久磁石にて形成された埋込磁石型モータ(いわゆるIPM型モータ)である。また、特許文献1のモータは、ロータの各磁極部を形成する永久磁石が周方向に交互に異極となるように配置されたフルマグネット型のモータである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
特開2008−109799号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
本発明の目的は、回転軸と、前記回転軸に対して同軸に固定されたロータコアを有し、該ロータコア内に永久磁石が埋め込まれてなる10極の磁石磁極部を周方向に沿って交互に異極となる態様で有するロータと、周方向に沿って複数設けられ前記ロータコアの外周面と径方向に対向する12個のティース、及び該各ティースに3相の集中巻きにて巻回された巻線を有するステータとを備え、前記ロータコアの外周部における互いに異極の前記磁石磁極部同士の各間には、径方向外側に突出する突部が設けられているモータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0005】
上記課題を解決するモータは、回転軸と、前記回転軸に対して同軸に固定されたロータコアを有し、該ロータコア内に永久磁石が埋め込まれてなる10極の磁石磁極部を周方向に沿って交互に異極となる態様で有するロータと、周方向に沿って複数設けられ前記ロータコアの外周面と径方向に対向する12個のティース、及び該各ティースに3相の集中巻きにて巻回された巻線を有するステータとを備え、前記ロータコアの外周部における互いに異極の前記磁石磁極部同士の各間には、径方向外側に突出する突部が設けられ、前記各磁石磁極部の開角度θrは互いに等しく設定され、前記各ティースにおける前記ロータコアと径方向に対向する対向面の開角度θsは互いに等しく設定され、周方向に隣り合う前記磁石磁極部同士の各間の開角度θxは互いに等しく設定され、前記ティースの前記対向面の開角度θsと前記磁石磁極部の開角度θrと前記磁石磁極部同士の各間の開角度θxとの関係が、θx<θs<θrを満たすように構成されている。
【0006】
上記課題を解決するモータは、回転軸と、前記回転軸に対して同軸に固定されたロータコアを有し、該ロータコア内に永久磁石が埋め込まれてなる10極の磁石磁極部を周方向に沿って交互に異極となる態様で有するロータと、周方向に沿って複数設けられ前記ロータコアの外周面と径方向に対向する12個のティース、及び該各ティースに3相の集中巻きにて巻回された巻線を有するステータとを備え、前記ロータコアの外周部における互いに異極の前記磁石磁極部同士の各間には、径方向外側に突出する突部が設けられ、前記ロータが1周するうちのその時々の前記ロータコアと前記各ティースとの径方向の対向関係を見たとき、前記磁石磁極部と対向し、かつ前記突部と対向しないティースの数が、周方向に隣り合う一対の前記磁石磁極部及びその間の前記突部と同時に対向するティースの数よりも多くなるタイミングが存在するように構成されている。
【図面の簡単な説明】
【0007】
(a)実施形態のモータの断面図、(b)同形態のロータを一部拡大して示す平面図。
同形態におけるロータの回転角度毎のロータコアと各ティースとの対向関係を示す表図。
同形態のモータの断面図であって、ロータの回転角度(電気角)が18度のときを示す図。
比較例1のモータの断面図。
同比較例1におけるロータの回転角度毎のロータコアと各ティースとの対向関係を示す表図。
比較例2のモータの断面図。
同比較例2におけるロータの回転角度毎のロータコアと各ティースとの対向関係を示す表図。
実施形態及び比較例1,2における電流変化に応じた突極比変化を示すグラフ。
実施形態及び比較例1,2におけるトルク変化に応じた出力変化を示すグラフ。
実施形態及び比較例1,2におけるトルク変化に応じた突極比変化を示すグラフ。
変更例におけるロータの一部を示す平面図。
【発明を実施するための形態】
【0008】
以下、モータの一実施形態について説明する。
図1(a)に示す本実施形態のモータ10は、埋込磁石型(IPM型)のブラシレスモータである。モータ10は、モータハウジング11の内周面に固定された円環状のステータ12と、ステータ12と同軸に配置された回転軸13と、回転軸13に一体回転可能に設けられ、ステータ12の径方向内側に配置されたロータ14とを備えている。なお、回転軸13は、モータハウジング11に対し軸受(図示略)を介して回転可能に支持されている。
【0009】
ステータ12は、円環状のステータコア15を有し、該ステータコア15の外周面がモータハウジング11に固定されている。なお、ステータコア15は、例えば電磁鋼板からなる複数のコアシートが軸方向に積層されて構成されている。ステータコア15は、モータハウジング11の内周面に固定された円筒状の環状部Rと、その環状部Rの内周面から径方向内側に延設された複数のティースTとを備えている。本実施形態のティースTの数(すなわちスロット数)は12個で構成され、互いに同一形状をなしている。つまり、各ティースTの先端部(径方向内側端部)の後述の開角度θsは互いに等しくなっている。また、各ティースTは周方向において等間隔(本実施形態では30度間隔)に設けられている。なお、本実施形態のステータコア15は、ティースT毎に分割されてなる12個の分割コア15aから構成されている。各分割コア15aは1つのティースTと環状部Rの一部を有するように構成されている。
【0010】
各ティースTは、軸方向視において、径方向の基端部(外側端部)から先端部(内側端部)にかけて一定幅をなすストレート形状をなしている。詳しくは、図1(b)に示すように、ティースTは、その周方向中心線C1(回転軸13の軸線Lと直交しティースTの周方向中心を通る直線)と直交する幅寸法Wが、径方向に亘って一定をなしている。つまり、本実施形態のティースTは、例えばティースTの径方向内側端部から周方向両側に延出する延出部(例えば図4に示す延出部Txを参照)を有しない構成となっている。また、各ティースTの径方向内側面(延出方向の先端面)は、ロータ14の外周面と径方向に対向する対向面Taである。各ティースTの対向面Taは、回転軸13の軸線Lを中心とする同心円の円弧を軸線方向に延在させた円弧面となっている。
【0011】
各ティースTには、3相の巻線16が集中巻きにて巻回されている。そして、各相の巻線16に3相電源電圧を印加してステータ12に回転磁界を形成し、該回転磁界とロータ14側の磁界との相互作用によりロータ14が回転されるようになっている。
【0012】
図1(a)(b)に示すように、ステータ12の内側に配置されたロータ14は、回転軸13に対して同軸に固定された円柱状(断面円形)のロータコア21と、ロータコア21の内部に埋設された複数の永久磁石22とを備えている。ロータコア21は、例えば電磁鋼板からなる複数のコアシートが軸方向に積層されて構成されている。
【0013】
本実施形態のロータ14には、互いに同一形状の10個の永久磁石22が用いられ、各永久磁石22はロータコア21の外周面付近において、周方向等間隔(36度間隔)に配置されている。そして、各永久磁石22はロータコア21の外周面において、周方向に交互に異極となる磁石磁極部23を形成し、ロータ14の極数(磁石磁極部23の数)は10極とされている。また、ロータ14は、その全ての磁極の各々に永久磁石22を備えるフルマグネット型のロータである。なお、各永久磁石22は、例えば焼結磁石や、磁石粉を樹脂と混合して成型固化したボンド磁石(プラスチックマグネットやゴムマグネット等)などからなる。また、本実施形態の永久磁石22は略直方体状をなし、その最も広い面がロータ14の径方向と直交するように設けられている。
【0014】
各磁石磁極部23の形状(永久磁石22の形状及び該永久磁石22が埋設された付近のロータコア21の部位の形状)は互いに同一形状をなしている。つまり、各磁石磁極部23の後述する開角度θrは互いに等しくなっている。また、各磁石磁極部23は、周方向における磁極中心線Lpが周方向等間隔(36度間隔)に設定されている。
【0015】
ロータコア21は、その外周部における互いに異極の磁石磁極部23同士の各間において、径方向外側に突出する突部24と、該突部24とその両隣の磁石磁極部23との間にそれぞれ設けられた径方向内側に窪む一対の凹部25とを有している。すなわち、各磁石磁極部23は、その周方向両側において、凹部25を介して突部24と隣り合うように構成されている。各突部24は互いに同一形状をなすとともに、周方向等間隔(36度間隔)に設けられている。なお、突部24及びその両隣の凹部25は、該突部24の周方向中心に対して左右対称(周方向に対称)となるように形成されている。
【0016】
次に、磁石磁極部23、突部24、凹部25及びティースTの先端部(径方向内側端部)の各々における周方向の寸法設定について、図1(b)に従って説明する。
ティースTの先端部の開角度(軸線Lを中心とする対向面Taの周方向一端と他端との間の角度幅)を「θs」、磁石磁極部23の開角度(軸線Lを中心とする磁石磁極部23の外周面の周方向一端と他端との間の角度幅)を「θr」として、θs<θrに設定されている。なお、開角度θrを規定する磁石磁極部23の外周面の周方向一端及び他端は、周方向に隣接する磁気抵抗部(本実施形態では凹部25の空隙)との境界部に設定されることが望ましい。
【0017】
また、周方向に隣り合う磁石磁極部23(互いに異極の磁石磁極部23)の間の開角度(磁極部間開角度θx)は、突部24の開角度(軸線Lを中心とする突部24の径方向外側端部の角度幅)を「θt」、1つの凹部25の開角度(軸線Lを中心とする凹部25の径方向外側端部の角度幅)を「θg」として、θx=θt+(θg×2)である。そして、この磁極部間開角度θxはティースT先端の開角度θsよりも小さく設定されている。つまり、本実施形態では、θx<θs<θrとなるように設定されている。
【0018】
図2は、本実施形態のモータ10において、ロータ14を周方向一方(図1(a)における反時計回り方向)に回転させたときのその時々ロータコア21と各ティースT(対向面Ta)との径方向の対向関係を示す表である。なお、各ティースTを個別に特定して説明するため、図1(a)に示すように、各ティースTに対して、周方向の反時計回りに順に「1」〜「12」のティース番号を付しており、同ティース番号は、図2の表におけるティース番号と対応している。
【0019】
図2の表では、ロータ14を反時計回り方向に電気角で6度(機械角で1.2度)ずつ回転させたときの各位置において、番号「1」〜「12」までの各ティースTが、「A」、「B」、「C」のいずれのパターンとなっているかをそれぞれ示すとともに、位置毎(回転角度毎)の各パターンA〜Cのティース数を示している。パターンAは、ティースTの対向面Taが磁石磁極部23と対向し、かつ突部24と対向しないパターンである。パターンBは、ティースTの対向面Taが1個の磁石磁極部23と突部24と同時に対向するパターンである。そして、パターンCは、ティースTの対向面Taが周方向に隣り合う一対の磁石磁極部23(互いに異極の磁石磁極部23)とその間の突部24と同時に対向するパターンである。なお、パターンBはパターンCを含まない。
【0020】
図1(a)は、ロータ14の回転角度(電気角)が6度のときのモータ10を示している。このとき、番号「1」、「7」のティースTはそれぞれ、磁石磁極部23と真正面で対向(ティースT及び磁石磁極部23の周方向中心同士が一致)している。また、番号「4」、「10」のティースTはそれぞれ、突部24と真正面で対向(ティースT及び突部24の周方向中心同士が一致)している。そして、このときの各ティースTのロータコア21との対向関係について各パターンA〜Cで説明すると、番号「1」、「7」のティースTがパターンAとなり、番号「2」、「3」、「5」、「6」、「8」、「9」、「11」、「12」、のティースTがパターンBとなり、番号「4」、「10」のティースTがパターンCとなっている。すなわち、各パターンA〜Cのティース数は「2」−「8」−「2」の関係となっている。
【0021】
この状態からロータ14を反時計回りに回転させたとき、パターンAのティースTの数が4個に増えるタイミングがある。例えば、図3は、図2の表におけるロータ14の回転角度が18度のときの図である。このとき、番号「1」、「6」、「7」、「12」の4個のティースTがパターンAとなり、番号「2」、「3」、「5」、「8」、「9」、「11」の6個のティースTがパターンBとなり、番号「4」、「10」の2個のティースTがパターンCとなる。つまり、番号「6」、「12」の2個のティースTがパターンCからパターンAに変わり、パターンAのティースTの数が増える。この回転角度(18度)で各パターンA〜Cのティース数が「4」−「6」−「2」の関係になってから、回転角度が30度まで当該関係はそのままである。
【0022】
このように、ロータ14の回転角度が6度、12度で各パターンA〜Cのティース数が「2」−「8」−「2」となり、その後、回転角度が18度、24度、30度で各パターンA〜Cのティース数が「4」−「6」−「2」となる。そして、各パターンA〜Cのティース数の変化は、電気角で30度毎の周期性を有し、その30度毎の周期が電気角で1周分(360度)繰り返される。なお、本実施形態のロータ14は10極で構成されているため、電気角5周分(1800度)でロータ14の機械角1周分となる。
【0023】
[比較例1]
図4には、ティースTの先端部(対向面Ta)の開角度θsを本実施形態よりも大きくした構成を比較例1として示している。同比較例1におけるロータ14には、本実施形態と同様のロータ14を用いている。そして、同比較例1の構成において、ティースTの開角度θsとロータ14の磁石磁極部23との関係は、θr<θsとなっている。また、同比較例1の各ティースTは、径方向内側端部から周方向両側に延出する延出部Txを有し、これにより、ロータコア21との対向面Ta(開角度θs)が広く確保されている。
【0024】
図5は、同比較例1における各ティースTのロータコア21に対する対向関係を示す表(図2と同様にまとめた表)である。同比較例1においても、各パターンA〜Cのティース数の変化は電気角で30度毎の周期性を有しており、パターンB,Cのティース数は「8」−[2]の場合と「6」−[4]の場合とがあるものの、パターンAのティース数は、ロータ14が電気角で360度回転する中で常に2個である。つまり、同比較例1では、パターンAのティース数がパターンCのティース数よりも多くなるタイミングが存在しない。
【0025】
[比較例2]
図6には、ティースTの先端部(対向面Ta)の開角度θsを図1(a)の構成よりも小さくした構成を比較例2として示している。同比較例2におけるロータ14には、本実施形態と同様のロータ14を用いている。また、同比較例2の構成においても、ティースTの開角度θsとロータ14の磁極部間開角度θxとの関係は、θx<θsとなっている。また、同比較例2のティースTは、上記実施形態(図1(a)の構成)のティースTと同様に、径方向全体に亘って一定幅をなすストレート形状をなしている。
【0026】
図7は、同比較例2における各ティースTのロータコア21に対する対向関係を示す表(図2と同様にまとめた表)である。同比較例2においても、各パターンA〜Cのティース数の変化は電気角で30度毎の周期性を有しており、パターンB,Cのティース数は「6」−[2]の場合と「8」−[0]の場合とがあるものの、パターンAのティース数は、ロータ14が電気角で360度回転する中で常に4個である。つまり、同比較例2では、ロータ14が電気角で360度回転する中で(すなわち、ロータ14が機械角で1周する中で)、パターンAのティース数がパターンCのティース数よりも常に多い。
【0027】
本実施形態の作用について説明する。
図8に示すように、巻線16に供給する電流を大きくしていったとき、実施形態(図1(a)の構成)及び比較例2では、q軸インダクタンスLqとd軸インダクタンスLdとの比である突極比(Lq/Ld)の低下度合いが、比較例1に比べて少ない。実施形態及び比較例2では、パターンAのティースT(磁石磁極部23と対向し、かつ突部24と対向しないティースT)の数が比較例1に対して多いため、d軸電流の入力時において突部24(q軸)に流入する磁束量を低下させることができる。これにより、電流を大きくしたときの、突部24の磁気飽和によるq軸インダクタンスLqの低下を抑制できるため、電流を大きくしたときの突極比の低下度合いが、比較例1よりも実施形態及び比較例2で少なくなると考えられる。また、実施形態及び比較例2では、d軸とq軸を跨ぐ磁気回路が形成されにくいことから、d軸−q軸間で磁気的な相互干渉が生じにくくなっている。その結果、q軸インダクタンスLqとd軸インダクタンスLdとの差をより好適に確保することができ、突極比の低下をより好適に抑制できるようになっている。
【0028】
また、図9に示すように、実施形態及び比較例2では、比較例1に比べて出力(トルクが同じときの回転数)が向上されている。これは、実施形態及び比較例2では、電流を大きくしたときの突極比の低下度合いが比較例1に比べて抑えられていることが影響していると考えられる。
【0029】
実施形態の構成と比較例2との比較では、図8に示すように、突極比の低下度合いに関しては、実施形態の構成の方が小さくなっている。また、図9に示すように、出力(トルクが同じときの回転数)に関しては、比較例2の方が大きくなっている。
【0030】
また、図10に示すように、トルクを大きく変化させたとき、実施形態と比較例2とでは、比較例2の方が突極比が大きくなる。これは、ティースT(対向面Ta)の開角度θsが小さいほど、q軸電流が大きいときのd軸の磁気飽和が進行しやすい(すなわちd軸インダクタンスLdが低下しやすい)ことから生じる現象であると考えられる。
(【0031】以降は省略されています)

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