永久磁石型回転電機
【課題】コギングの各成分を最小限にしつつ、製品ばらつきによるコギングのばらつきも抑えられるような、界磁を備える永久磁石型回転電機を提供する。
【解決手段】この発明に係る永久磁石型回転電機は、電機子と、前記電機子の外周側もしくは内周側に空隙を介して設けられる界磁と、を有する永久磁石型回転電機において、界磁は、断面が略円筒状のヨークと、ヨークの内周面もしくは外周面に設けられ、磁極数分の永久磁石と、を備え、永久磁石は、電機子中心軸から見た磁極角αが電気角で130〜135°であり、さらに永久磁石は、電機子と対向面側の磁石表面角度βが約125°となるように、永久磁石の周方向端部の電機子と対向面側の角に、所定の形状の面取り部が形成されることを特徴とする。
【解決手段】この発明に係る永久磁石型回転電機は、電機子と、前記電機子の外周側もしくは内周側に空隙を介して設けられる界磁と、を有する永久磁石型回転電機において、界磁は、断面が略円筒状のヨークと、ヨークの内周面もしくは外周面に設けられ、磁極数分の永久磁石と、を備え、永久磁石は、電機子中心軸から見た磁極角αが電気角で130〜135°であり、さらに永久磁石は、電機子と対向面側の磁石表面角度βが約125°となるように、永久磁石の周方向端部の電機子と対向面側の角に、所定の形状の面取り部が形成されることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
この発明は、界磁が電機子の外周側に配置され、界磁の構造に特徴がある永久磁石型回転電機(ブラシ付DCモータ)に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、ポール数(磁極数)Pが4以上の偶数である永久磁石式ロータと、スロット数SがPの倍数でないステータとを有し、永久磁石がロータ中心に対して張るマグネット角度を約67.5°とし、1周あたりのコギングトルクの数を、ポール数Pとスロット数Sの最小公倍数LCMの2倍以上の整数倍にすることにより、コギングトルクを著しく小さくすることができる永久磁石型回転電機が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2003−134772号公報(段落番号[0013]、図2等)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
近年、あらゆる製品への適用が増えつつある永久磁石型回転電機において、低コスト化・高品質化が求められている傾向にある。特に、生産台数が多く、構成部品点数の多い自動車などにおいては、電動パワーステアリング装置、排ガス循環装置などにも永久磁石型回転電機を用いる例が多く、構成部品そのものの低コスト化に加え、操舵性や装置の動作性などから低コギング化も同時に求められている。
【0005】
低コギング化の手段としては、以下に示すものが従来からよく知られている。
(1)界磁石のスキュー(段スキュー、スキュー着磁)、界磁石の端部カット、円弧形状などにより磁束密度分布(厳密には磁束密度の二乗の分布)を滑らかにする手段;
(2)電機子のティース先端のダミースロット設置、端部のカットなど、パーミアンス分布を滑らかにする手段。
【0006】
また、分布巻を採用して電機子スロット数が多い場合には、コギングの次数が高くなるため、集中巻でスロット数が少ない場合に比べ、コギングが小さい傾向にある。
【0007】
しかしながら、上記(1)の磁束密度分布を滑らかにする手段は、部品点数が多くなったり、着磁装置が複雑になることなどにより、磁石コストが高くなる傾向にあった。
【0008】
さらに、上記特許文献1のように、電機子コアのスロット数Sとポール数(磁極数)Pの最小公倍数LCMの2倍以上のコギング数になるように、永久磁石がロータ中心に対して張る角度を設定しただけでは、パーミアンスの変化が比較的大きい電機子コア(例えば、スロット開口部が広い場合など)においては、コギングトルクを十分に低減できない可能性があった。
【0009】
また、上記(2)のパーミアンス分布を滑らかにする手段は、ダミースロットや端部カットにより、等価的なギャップが大きくなり、電機子と界磁を組み込んだときの磁束が低下する、すなわち、トルク特性が落ちやすい傾向にあった。さらに、ダミースロットは特定の次数のコギング成分を低減するのには効果があるが、界磁側の磁束密度の高調波分布が多岐にわたるような場合には、合計のコギング(p−p(ピーク・トゥ・ピーク))が低減しないこともあった。
【0010】
また、製品の寸法ばらつきによるコギングのばらつきの低減も、上記のような製品については重要な課題である。永久磁石であれば、磁石の幅・厚み、取り付け位置のばらつき、電機子コアにおいては、ダミースロットを設ける位置や寸法のばらつきなどが、コギングのばらつきに影響していた。
【0011】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、コギングの各成分を最小限にしつつ、製品ばらつきによるコギングのばらつきも抑えられるような、界磁を備える永久磁石型回転電機を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0012】
この発明に係る永久磁石型回転電機は、電機子と、前記電機子の外周側もしくは内周側に空隙を介して設けられる界磁と、を有する永久磁石型回転電機において、
界磁は、
断面が略円筒状のヨークと、
ヨークの内周面もしくは外周面に設けられ、磁極数分の永久磁石と、を備え、
永久磁石は、電機子中心軸から見た磁極角αが電気角で130〜135°であり、
さらに永久磁石は、電機子と対向面側の磁石表面角度βが約125°となるように、永久磁石の周方向端部の電機子と対向面側の角に、所定の形状の面取り部が形成されることを特徴とする。
【発明の効果】
【0013】
この発明に係る永久磁石型回転電機は、永久磁石の電機子中心軸から見た磁極角αが電気角で130〜135°であり、さらに永久磁石の電機子と対向面側の磁石表面角度βが約125°となるように、永久磁石の周方向端部の電機子と対向面側の角に、所定の形状の面取り部が形成されるようにしたので、コギングトルクの各成分を最小限にし、製品の寸法ばらつきによるコギングトルクのばらつきを抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【図1】実施の形態1を示す図で、永久磁石型回転電機100の横断面図。
【図2】図1の界磁10の横断面図。
【図3】実施の形態1を示す図で、永久磁石11の拡大図。
【図4】図3のA部拡大図。
【図5】図2のヨーク12の横断面図。
【図6】図5のB部拡大図。
【図7】実施の形態1を示す図で、変形例のヨーク112の横断面図。
【図8】図1の電機子30の横断面図。
【図9】図8の電機子鉄心31の横断面図。
【図10】実施の形態1を示す図で、図9のスロット33の拡大図。
【図11】実施の形態1を示す図で、磁極角α(電気角)に対するコギング成分及び磁束量の変化を示す図。
【図12】実施の形態1を示す図で、磁極角α(電気角)が130°で、面取り角度θが30°のときの面取り第1辺の長さLとコギング成分(振幅)との関係を示す図。
【図13】実施の形態1を示す図で、磁極角α(電気角)が130°で、面取り角度θが45°のときの面取り第1辺の長さLとコギング成分(振幅)との関係を示す図。
【図14】実施の形態1を示す図で、磁極角α(電気角)が130°で、磁石表面角度βがコギング最小となる角度になる面取り部11dの形状を示す図。
【図15】実施の形態1を示す図で、磁極角α(電気角)が135°で、磁石表面角度βがコギング最小となる角度になる面取り部11dの形状を示す図。
【図16】実施の形態1を示す図で、磁性体部13aの有無で、各コギング成分におけるB(磁束密度)^2を表す図。
【発明を実施するための形態】
【0015】
実施の形態1.
本実施の形態では、電機子がロータ(回転子)、界磁がステータ(固定子)であるインナーロータ形のブラシ付DCモータ(永久磁石型回転電機)を対象とする(但し、電機子がステータ(固定子)、界磁がロータ(回転子)であるアウターロータ形のブラシ付DCモータでも良い)。
【0016】
図1乃至図10は実施の形態1を示す図で、図1は永久磁石型回転電機100の横断面図、図2は図1の界磁10の横断面図、図3は永久磁石11の拡大図、図4は図3のA部拡大図、図5は図2のヨーク12の横断面図、図6は図5のB部拡大図、図7は変形例のヨーク112の横断面図、図8は図1の電機子30の横断面図、図9は図8の電機子鉄心31の横断面図、図10は図9のスロット33の拡大図である。
【0017】
本実施の形態の永久磁石型回転電機100は、例えば、以下に示す仕様のブラシ付DCモータである。
(1)出力:10〜20W;
(2)外径:φ50[mm];
(3)永久磁石厚:4[mm];
(4)極数:4極;
(5)電機子のスロット数:6。
【0018】
図1乃至図8により、永久磁石型回転電機100の構成について説明する。永久磁石型回転電機100は、少なくとも界磁10と、界磁10の内側に空隙を介して配置される電機子30とを備える。
【0019】
界磁10は、断面が略円筒状のヨーク12と、ヨーク12の内周面に沿って、周方向に略等間隔に設けられる円弧状の永久磁石11とを備える。永久磁石11のヨーク12への固定方法は、接着、樹脂モールド等である。
【0020】
永久磁石11は、1磁極つき1個設けられる。図2の例は、4極の界磁10であるので、4個の永久磁石11を使用している。
【0021】
永久磁石11には、本実施の形態の永久磁石型回転電機100が、低出力(10〜20W)のブラシ付DCモータであるので、フェライト焼結磁石を用いる。フェライト焼結磁石は、Fe2O3(酸化第2鉄)とBaCO3(炭酸バリウム)もしくはSrCO3(炭酸ストロンチュウム)を主原料とし、粉末冶金法により製造されるコストパフォーマンスの優れたマグネットである。
【0022】
永久磁石11は、同心円の円弧を持つセグメント(分割、ここでは4分割)磁石であり、ラジアル方向に配向あるいは着磁されている。図3に示すように、永久磁石11の内周面11aは断面が円弧であり、永久磁石11の外周面11bも、断面が内周面11aの円弧と同心円の円弧である。永久磁石11の側面11c(周方向の端面)は、ラジアル方向(径方向)を向いている。
【0023】
永久磁石11の磁極角(界磁10の中心から見た角度)をαとする。後述するように、この磁極角αを、本実施の形態では、電気角で130〜135°とする(機械角は、4極であれば65〜67.5deg)。
【0024】
また、永久磁石11の磁極表面角(内周面11a)をβとする。後述するように、この磁極表面角βを、本実施の形態では、電気角で約125°とする(機械角は、4極であれば約62.5°)。
【0025】
さらに、磁極角αが電気角で130〜135°であり、且つ磁極表面角βが電気角で約125°の条件を満たすために、永久磁石11の側面11cにおける内周面11a側の角に、面取り加工を施して面取り部11dを形成している。
【0026】
永久磁石11の両端の面取り部11dは、例えば、金型成形時に形成するようにしてもよい。
【0027】
また、永久磁石の両端の面取り部11dは、焼結後の追加工により形成するようにしてもよい。
【0028】
図4に示すように、面取り部11dの面取り角度をθ、面取り第1辺の長さをLとする。面取り部11dの面取り角度θは、面取り部11dと永久磁石11の側面11cの延長線とのなす角度である。面取り第1辺は、永久磁石11の側面11cの延長線上における辺である。
【0029】
永久磁石11は、その他のエッジも、割れ・欠け防止のため全て面取りあるいは丸取りされているが、C面取り(45deg)でも良い。
【0030】
図5に示すように、ヨーク12は、例えば、鋼板製(磁性体であればよい)の略円筒状のもので、永久磁石11の間に内側に所定の長さ陥没(突出)する凸部13が、周方向に略等間隔に形成されている。凸部13の周方向両端は、永久磁石11に当接(隣接)している。この部分を、磁性体部13aとする。
【0031】
図5の場合は、極間を間にする二つの磁性体部13aが、凸部13に一体に形成されているが、図7に示す変形例のヨーク112のように、極間を間にする二つの磁性体部113aが、別々に形成されている鋼板を円筒状に曲げたものでもよい。この場合は、界磁10が4極であれば、8箇所に磁性体部113aが設けられる。
【0032】
磁性体部13aの径方向内部への突出量N(図6参照)は、永久磁石11の厚さM(図6参照)の慨略半分程度が好ましい。永久磁石11の端部の漏れ磁束を抑制するためである。
【0033】
ヨーク12は、例えば、平板上の薄板(例えば、厚さ2mm程度の鋼板)を環状にまげて、端部を溶接や事前に設けたアリ溝を嵌め合わせて形成する。
【0034】
一方、電機子30は、図8に示すように、少なくとも電機子鉄心31と、スロット33内に絶縁材(図示せず)を介して挿入される電機子巻線34と、回転軸35と、を備える。尚、整流子、ブラシ等は省略している。
【0035】
電機子鉄心31は、図9に示すように、外周縁に沿って周方向に略等間隔に配置される6個のスロット33が形成されている。スロット33の間は、鉄心部でここをティース32と呼ぶ。ティース32は、径方向に周方向の幅が略一定になるように形成されている。スロット33が6個であるから、その間に形成されるティース32の数も6個である。6個のティース32は、電機子鉄心31の内部において、環状のコアバック36に連結している。コアバック36の内側に、回転軸35が嵌合する軸孔37を有する。
【0036】
スロット33は、図10に示すように、電機子鉄心31の外周縁に開口している。この部分をスロット開口部33a(スロットオープニング)と呼ぶ。電機子巻線34は、スロット開口部33aから、絶縁材(図示せず)が施されたスロット33に挿入される。
【0037】
図11は実施の形態1を示す図で、磁極角α(電気角)に対するコギング成分及び磁束量の変化を示す図である。図11では、コギング成分については、12調波、24調波、36調波、48調波について図示している。また、磁束量は、磁極角α(電気角)が180°のときを100%としている。
【0038】
図11に示すように、磁石表面角度β(電機子30に対向する面の磁極角αを磁石表面角度βとして区別する)は、略125°(電気角)において、コギング成分が最小となる。従って、永久磁石11の磁極角αを125°(電気角)に設定すればコギング成分は小さくできるが、一方で永久磁石11の磁束量は、磁極角αが小さくなるとともに低下する。
【0039】
そこで、永久磁石11の磁極角αを、磁束量が余り低下しない、130°〜135°(電気角)に設定する。しかし、磁極角αが130°〜135°(電気角)であると、図11に示すように、磁石表面角度βの狙い値である略125°(電気角)からずれて、コギング成分が大きくなる。この傾向は、低次の12調波や24調波で顕著である。
【0040】
本実施の形態の永久磁石型回転電機100は、永久磁石11の磁極角αを磁束量を確保できる130°〜135°(電気角)に設定するとともに、永久磁石11の側面11cにおける内周面11a側の角に、面取り加工を施して面取り部11dを形成することにより、電機子30に対向する磁石表面角度βを磁石表面角度βの狙い値である略125°(電気角)に近づけるようにしている。このとき、面取り部11dの面取り角度θは、30°程度が好ましい。
【0041】
図12、図13は実施の形態1を示す図で、図12は磁極角α(電気角)が130°で、面取り角度θが30°のときの面取り第1辺の長さLとコギング成分(振幅)との関係を示す図、図13は磁極角α(電気角)が130°で、面取り角度θが45°のときの面取り第1辺の長さLとコギング成分(振幅)との関係を示す図である。
【0042】
図12に示すように、例えば、磁極角α(電気角)が130°で、面取り角度θが30°のとき、面取り第1辺の長さLが約0.75mmで、コギング成分(振幅)が最小となる。また、面取り第1辺の長さLが長くなっても、低次のコギング成分(12調波、24調波)においても、面取り第1辺の長さLが2.0mmでもコギング成分(振幅)は0.01程度である。即ち、面取り部11dの寸法のばらつきによるコギングのばらつきを、小さくすることができる。
【0043】
これに対し、図13に示すように、磁極角α(電気角)が130°で、面取り角度θが45°のときは、面取り第1辺の長さLが約0.5mmで、コギング成分(振幅)が最小となる。そして、面取り第1辺の長さLが1.0mmより大きくなると、特に低次のコギング成分(12調波、24調波)において、コギング成分(振幅)が大きくなり、図12の面取り角度θが30°のときより、例えば、12調波のコギング成分(振幅)は、面取り第1辺の長さLが約2.0mmで、2倍にもなる。従って、面取り部11dの面取り角度θは、30°程度が好ましいと言える。
【0044】
図14、図15は実施の形態1を示す図で、図14は磁極角α(電気角)が130°で、磁石表面角度βがコギング最小となる角度になる面取り部11dの形状を示す図、図15は磁極角α(電気角)が135°で、磁石表面角度βがコギング最小となる角度になる面取り部11dの形状を示す図である。
【0045】
図14に示すように、磁極角α(電気角)が130°で、磁石表面角度β(電気角)がコギング最小となる角度(約125°)にするのは、面取り部11dの形状を以下に示すようにする。
(1)面取り角度θ=30°;
(2)面取り第1辺の長さL=0.75mm。
【0046】
また、図15に示すように、磁極角α(電気角)が135°で、磁石表面角度β(電気角)がコギング最小となる角度(約125°)にするのは、面取り部11dの形状を以下に示すようにする。
(1)面取り角度θ=30°;
(2)面取り第1辺の長さL=1.5mm。
【0047】
図16は実施の形態1を示す図で、磁性体部13aの有無で、各コギング成分におけるB^2(磁束密度の二乗)を表す図である。図16において、横軸はコギング成分(12調波、24調波、36調波、48調波、60調波、72調波)で、縦軸は磁束密度の二乗(B^2(FFT(Fast Fourier Transform、高速フーリエ変換)の振幅)である。
【0048】
永久磁石11の両端に隣接するように磁性体部13a,113a(図6、図7参照)を設けることにより、永久磁石11の側面11C付近の磁路がラジアル配向より外角よりに向くため、空隙磁束密度分布がより滑らかになり、コギング各成分をより低減することができる。
【0049】
以上のように、本実施の形態の永久磁石型回転電機100は、界磁10の一周当たり、スロット33の数Sと磁極数Pの最小公倍数LCMの整数倍の数のコギングが発生する(例えば、6スロット4極であれば、12、24、36、48・・・の成分)が、永久磁石11の磁極角αを130°〜135°にすることで、モータ特性(磁束量)を確保しつつ、永久磁石11の周方向端部の面取り(面取り部11d)によって磁石表面の角度βを125°にすることにより、各コギング成分(例えば、6スロット4極であれば、12、24、36、48・・・の成分)ともに最小となる(図11参照)。
【0050】
永久磁石11の端部の面取り部11dの面取り角度θを約30°にすることにより、面取り寸法のばらつきによるコギングのばらつきを小さくすることができる(図12、図13参照)。
【0051】
永久磁石11の両端に隣接するように磁性体部13a,113aを設けることにより、永久磁石11の側面11c付近の磁路がラジアル配向より外角よりに向くため、空隙磁束密度分布がより滑らかになり、コギング各成分をより低減することができる。
【0052】
磁性体部13a,113aの径方向内部への突出量Mは、永久磁石11の厚さNの半分程度にすることにより、永久磁石11の端部の漏れ磁束を抑制することができる。
【0053】
永久磁石11の端部の角度30°の面取り第1辺の長さLを、磁石角αが135°であれば1.5mm、磁石角αが130°であれば0.75mm程度にすることによって、磁石表面角度βがコギング最小となる角度になる磁石表面角度βを約125°とすることができる。
【符号の説明】
【0054】
10 界磁、11 永久磁石、11a 内周面、11b 外周面、11c 側面、11d 面取り部、12 ヨーク、13 凸部、13a 磁性体部、30 電機子、31 電機子鉄心、32 ティース、33 スロット、33a スロット開口部、34 電機子巻線、35 回転軸、36 コアバック、100 永久磁石型回転電機、112 ヨーク、113a 磁性体部。
【技術分野】
【0001】
この発明は、界磁が電機子の外周側に配置され、界磁の構造に特徴がある永久磁石型回転電機(ブラシ付DCモータ)に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、ポール数(磁極数)Pが4以上の偶数である永久磁石式ロータと、スロット数SがPの倍数でないステータとを有し、永久磁石がロータ中心に対して張るマグネット角度を約67.5°とし、1周あたりのコギングトルクの数を、ポール数Pとスロット数Sの最小公倍数LCMの2倍以上の整数倍にすることにより、コギングトルクを著しく小さくすることができる永久磁石型回転電機が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2003−134772号公報(段落番号[0013]、図2等)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
近年、あらゆる製品への適用が増えつつある永久磁石型回転電機において、低コスト化・高品質化が求められている傾向にある。特に、生産台数が多く、構成部品点数の多い自動車などにおいては、電動パワーステアリング装置、排ガス循環装置などにも永久磁石型回転電機を用いる例が多く、構成部品そのものの低コスト化に加え、操舵性や装置の動作性などから低コギング化も同時に求められている。
【0005】
低コギング化の手段としては、以下に示すものが従来からよく知られている。
(1)界磁石のスキュー(段スキュー、スキュー着磁)、界磁石の端部カット、円弧形状などにより磁束密度分布(厳密には磁束密度の二乗の分布)を滑らかにする手段;
(2)電機子のティース先端のダミースロット設置、端部のカットなど、パーミアンス分布を滑らかにする手段。
【0006】
また、分布巻を採用して電機子スロット数が多い場合には、コギングの次数が高くなるため、集中巻でスロット数が少ない場合に比べ、コギングが小さい傾向にある。
【0007】
しかしながら、上記(1)の磁束密度分布を滑らかにする手段は、部品点数が多くなったり、着磁装置が複雑になることなどにより、磁石コストが高くなる傾向にあった。
【0008】
さらに、上記特許文献1のように、電機子コアのスロット数Sとポール数(磁極数)Pの最小公倍数LCMの2倍以上のコギング数になるように、永久磁石がロータ中心に対して張る角度を設定しただけでは、パーミアンスの変化が比較的大きい電機子コア(例えば、スロット開口部が広い場合など)においては、コギングトルクを十分に低減できない可能性があった。
【0009】
また、上記(2)のパーミアンス分布を滑らかにする手段は、ダミースロットや端部カットにより、等価的なギャップが大きくなり、電機子と界磁を組み込んだときの磁束が低下する、すなわち、トルク特性が落ちやすい傾向にあった。さらに、ダミースロットは特定の次数のコギング成分を低減するのには効果があるが、界磁側の磁束密度の高調波分布が多岐にわたるような場合には、合計のコギング(p−p(ピーク・トゥ・ピーク))が低減しないこともあった。
【0010】
また、製品の寸法ばらつきによるコギングのばらつきの低減も、上記のような製品については重要な課題である。永久磁石であれば、磁石の幅・厚み、取り付け位置のばらつき、電機子コアにおいては、ダミースロットを設ける位置や寸法のばらつきなどが、コギングのばらつきに影響していた。
【0011】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、コギングの各成分を最小限にしつつ、製品ばらつきによるコギングのばらつきも抑えられるような、界磁を備える永久磁石型回転電機を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0012】
この発明に係る永久磁石型回転電機は、電機子と、前記電機子の外周側もしくは内周側に空隙を介して設けられる界磁と、を有する永久磁石型回転電機において、
界磁は、
断面が略円筒状のヨークと、
ヨークの内周面もしくは外周面に設けられ、磁極数分の永久磁石と、を備え、
永久磁石は、電機子中心軸から見た磁極角αが電気角で130〜135°であり、
さらに永久磁石は、電機子と対向面側の磁石表面角度βが約125°となるように、永久磁石の周方向端部の電機子と対向面側の角に、所定の形状の面取り部が形成されることを特徴とする。
【発明の効果】
【0013】
この発明に係る永久磁石型回転電機は、永久磁石の電機子中心軸から見た磁極角αが電気角で130〜135°であり、さらに永久磁石の電機子と対向面側の磁石表面角度βが約125°となるように、永久磁石の周方向端部の電機子と対向面側の角に、所定の形状の面取り部が形成されるようにしたので、コギングトルクの各成分を最小限にし、製品の寸法ばらつきによるコギングトルクのばらつきを抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【図1】実施の形態1を示す図で、永久磁石型回転電機100の横断面図。
【図2】図1の界磁10の横断面図。
【図3】実施の形態1を示す図で、永久磁石11の拡大図。
【図4】図3のA部拡大図。
【図5】図2のヨーク12の横断面図。
【図6】図5のB部拡大図。
【図7】実施の形態1を示す図で、変形例のヨーク112の横断面図。
【図8】図1の電機子30の横断面図。
【図9】図8の電機子鉄心31の横断面図。
【図10】実施の形態1を示す図で、図9のスロット33の拡大図。
【図11】実施の形態1を示す図で、磁極角α(電気角)に対するコギング成分及び磁束量の変化を示す図。
【図12】実施の形態1を示す図で、磁極角α(電気角)が130°で、面取り角度θが30°のときの面取り第1辺の長さLとコギング成分(振幅)との関係を示す図。
【図13】実施の形態1を示す図で、磁極角α(電気角)が130°で、面取り角度θが45°のときの面取り第1辺の長さLとコギング成分(振幅)との関係を示す図。
【図14】実施の形態1を示す図で、磁極角α(電気角)が130°で、磁石表面角度βがコギング最小となる角度になる面取り部11dの形状を示す図。
【図15】実施の形態1を示す図で、磁極角α(電気角)が135°で、磁石表面角度βがコギング最小となる角度になる面取り部11dの形状を示す図。
【図16】実施の形態1を示す図で、磁性体部13aの有無で、各コギング成分におけるB(磁束密度)^2を表す図。
【発明を実施するための形態】
【0015】
実施の形態1.
本実施の形態では、電機子がロータ(回転子)、界磁がステータ(固定子)であるインナーロータ形のブラシ付DCモータ(永久磁石型回転電機)を対象とする(但し、電機子がステータ(固定子)、界磁がロータ(回転子)であるアウターロータ形のブラシ付DCモータでも良い)。
【0016】
図1乃至図10は実施の形態1を示す図で、図1は永久磁石型回転電機100の横断面図、図2は図1の界磁10の横断面図、図3は永久磁石11の拡大図、図4は図3のA部拡大図、図5は図2のヨーク12の横断面図、図6は図5のB部拡大図、図7は変形例のヨーク112の横断面図、図8は図1の電機子30の横断面図、図9は図8の電機子鉄心31の横断面図、図10は図9のスロット33の拡大図である。
【0017】
本実施の形態の永久磁石型回転電機100は、例えば、以下に示す仕様のブラシ付DCモータである。
(1)出力:10〜20W;
(2)外径:φ50[mm];
(3)永久磁石厚:4[mm];
(4)極数:4極;
(5)電機子のスロット数:6。
【0018】
図1乃至図8により、永久磁石型回転電機100の構成について説明する。永久磁石型回転電機100は、少なくとも界磁10と、界磁10の内側に空隙を介して配置される電機子30とを備える。
【0019】
界磁10は、断面が略円筒状のヨーク12と、ヨーク12の内周面に沿って、周方向に略等間隔に設けられる円弧状の永久磁石11とを備える。永久磁石11のヨーク12への固定方法は、接着、樹脂モールド等である。
【0020】
永久磁石11は、1磁極つき1個設けられる。図2の例は、4極の界磁10であるので、4個の永久磁石11を使用している。
【0021】
永久磁石11には、本実施の形態の永久磁石型回転電機100が、低出力(10〜20W)のブラシ付DCモータであるので、フェライト焼結磁石を用いる。フェライト焼結磁石は、Fe2O3(酸化第2鉄)とBaCO3(炭酸バリウム)もしくはSrCO3(炭酸ストロンチュウム)を主原料とし、粉末冶金法により製造されるコストパフォーマンスの優れたマグネットである。
【0022】
永久磁石11は、同心円の円弧を持つセグメント(分割、ここでは4分割)磁石であり、ラジアル方向に配向あるいは着磁されている。図3に示すように、永久磁石11の内周面11aは断面が円弧であり、永久磁石11の外周面11bも、断面が内周面11aの円弧と同心円の円弧である。永久磁石11の側面11c(周方向の端面)は、ラジアル方向(径方向)を向いている。
【0023】
永久磁石11の磁極角(界磁10の中心から見た角度)をαとする。後述するように、この磁極角αを、本実施の形態では、電気角で130〜135°とする(機械角は、4極であれば65〜67.5deg)。
【0024】
また、永久磁石11の磁極表面角(内周面11a)をβとする。後述するように、この磁極表面角βを、本実施の形態では、電気角で約125°とする(機械角は、4極であれば約62.5°)。
【0025】
さらに、磁極角αが電気角で130〜135°であり、且つ磁極表面角βが電気角で約125°の条件を満たすために、永久磁石11の側面11cにおける内周面11a側の角に、面取り加工を施して面取り部11dを形成している。
【0026】
永久磁石11の両端の面取り部11dは、例えば、金型成形時に形成するようにしてもよい。
【0027】
また、永久磁石の両端の面取り部11dは、焼結後の追加工により形成するようにしてもよい。
【0028】
図4に示すように、面取り部11dの面取り角度をθ、面取り第1辺の長さをLとする。面取り部11dの面取り角度θは、面取り部11dと永久磁石11の側面11cの延長線とのなす角度である。面取り第1辺は、永久磁石11の側面11cの延長線上における辺である。
【0029】
永久磁石11は、その他のエッジも、割れ・欠け防止のため全て面取りあるいは丸取りされているが、C面取り(45deg)でも良い。
【0030】
図5に示すように、ヨーク12は、例えば、鋼板製(磁性体であればよい)の略円筒状のもので、永久磁石11の間に内側に所定の長さ陥没(突出)する凸部13が、周方向に略等間隔に形成されている。凸部13の周方向両端は、永久磁石11に当接(隣接)している。この部分を、磁性体部13aとする。
【0031】
図5の場合は、極間を間にする二つの磁性体部13aが、凸部13に一体に形成されているが、図7に示す変形例のヨーク112のように、極間を間にする二つの磁性体部113aが、別々に形成されている鋼板を円筒状に曲げたものでもよい。この場合は、界磁10が4極であれば、8箇所に磁性体部113aが設けられる。
【0032】
磁性体部13aの径方向内部への突出量N(図6参照)は、永久磁石11の厚さM(図6参照)の慨略半分程度が好ましい。永久磁石11の端部の漏れ磁束を抑制するためである。
【0033】
ヨーク12は、例えば、平板上の薄板(例えば、厚さ2mm程度の鋼板)を環状にまげて、端部を溶接や事前に設けたアリ溝を嵌め合わせて形成する。
【0034】
一方、電機子30は、図8に示すように、少なくとも電機子鉄心31と、スロット33内に絶縁材(図示せず)を介して挿入される電機子巻線34と、回転軸35と、を備える。尚、整流子、ブラシ等は省略している。
【0035】
電機子鉄心31は、図9に示すように、外周縁に沿って周方向に略等間隔に配置される6個のスロット33が形成されている。スロット33の間は、鉄心部でここをティース32と呼ぶ。ティース32は、径方向に周方向の幅が略一定になるように形成されている。スロット33が6個であるから、その間に形成されるティース32の数も6個である。6個のティース32は、電機子鉄心31の内部において、環状のコアバック36に連結している。コアバック36の内側に、回転軸35が嵌合する軸孔37を有する。
【0036】
スロット33は、図10に示すように、電機子鉄心31の外周縁に開口している。この部分をスロット開口部33a(スロットオープニング)と呼ぶ。電機子巻線34は、スロット開口部33aから、絶縁材(図示せず)が施されたスロット33に挿入される。
【0037】
図11は実施の形態1を示す図で、磁極角α(電気角)に対するコギング成分及び磁束量の変化を示す図である。図11では、コギング成分については、12調波、24調波、36調波、48調波について図示している。また、磁束量は、磁極角α(電気角)が180°のときを100%としている。
【0038】
図11に示すように、磁石表面角度β(電機子30に対向する面の磁極角αを磁石表面角度βとして区別する)は、略125°(電気角)において、コギング成分が最小となる。従って、永久磁石11の磁極角αを125°(電気角)に設定すればコギング成分は小さくできるが、一方で永久磁石11の磁束量は、磁極角αが小さくなるとともに低下する。
【0039】
そこで、永久磁石11の磁極角αを、磁束量が余り低下しない、130°〜135°(電気角)に設定する。しかし、磁極角αが130°〜135°(電気角)であると、図11に示すように、磁石表面角度βの狙い値である略125°(電気角)からずれて、コギング成分が大きくなる。この傾向は、低次の12調波や24調波で顕著である。
【0040】
本実施の形態の永久磁石型回転電機100は、永久磁石11の磁極角αを磁束量を確保できる130°〜135°(電気角)に設定するとともに、永久磁石11の側面11cにおける内周面11a側の角に、面取り加工を施して面取り部11dを形成することにより、電機子30に対向する磁石表面角度βを磁石表面角度βの狙い値である略125°(電気角)に近づけるようにしている。このとき、面取り部11dの面取り角度θは、30°程度が好ましい。
【0041】
図12、図13は実施の形態1を示す図で、図12は磁極角α(電気角)が130°で、面取り角度θが30°のときの面取り第1辺の長さLとコギング成分(振幅)との関係を示す図、図13は磁極角α(電気角)が130°で、面取り角度θが45°のときの面取り第1辺の長さLとコギング成分(振幅)との関係を示す図である。
【0042】
図12に示すように、例えば、磁極角α(電気角)が130°で、面取り角度θが30°のとき、面取り第1辺の長さLが約0.75mmで、コギング成分(振幅)が最小となる。また、面取り第1辺の長さLが長くなっても、低次のコギング成分(12調波、24調波)においても、面取り第1辺の長さLが2.0mmでもコギング成分(振幅)は0.01程度である。即ち、面取り部11dの寸法のばらつきによるコギングのばらつきを、小さくすることができる。
【0043】
これに対し、図13に示すように、磁極角α(電気角)が130°で、面取り角度θが45°のときは、面取り第1辺の長さLが約0.5mmで、コギング成分(振幅)が最小となる。そして、面取り第1辺の長さLが1.0mmより大きくなると、特に低次のコギング成分(12調波、24調波)において、コギング成分(振幅)が大きくなり、図12の面取り角度θが30°のときより、例えば、12調波のコギング成分(振幅)は、面取り第1辺の長さLが約2.0mmで、2倍にもなる。従って、面取り部11dの面取り角度θは、30°程度が好ましいと言える。
【0044】
図14、図15は実施の形態1を示す図で、図14は磁極角α(電気角)が130°で、磁石表面角度βがコギング最小となる角度になる面取り部11dの形状を示す図、図15は磁極角α(電気角)が135°で、磁石表面角度βがコギング最小となる角度になる面取り部11dの形状を示す図である。
【0045】
図14に示すように、磁極角α(電気角)が130°で、磁石表面角度β(電気角)がコギング最小となる角度(約125°)にするのは、面取り部11dの形状を以下に示すようにする。
(1)面取り角度θ=30°;
(2)面取り第1辺の長さL=0.75mm。
【0046】
また、図15に示すように、磁極角α(電気角)が135°で、磁石表面角度β(電気角)がコギング最小となる角度(約125°)にするのは、面取り部11dの形状を以下に示すようにする。
(1)面取り角度θ=30°;
(2)面取り第1辺の長さL=1.5mm。
【0047】
図16は実施の形態1を示す図で、磁性体部13aの有無で、各コギング成分におけるB^2(磁束密度の二乗)を表す図である。図16において、横軸はコギング成分(12調波、24調波、36調波、48調波、60調波、72調波)で、縦軸は磁束密度の二乗(B^2(FFT(Fast Fourier Transform、高速フーリエ変換)の振幅)である。
【0048】
永久磁石11の両端に隣接するように磁性体部13a,113a(図6、図7参照)を設けることにより、永久磁石11の側面11C付近の磁路がラジアル配向より外角よりに向くため、空隙磁束密度分布がより滑らかになり、コギング各成分をより低減することができる。
【0049】
以上のように、本実施の形態の永久磁石型回転電機100は、界磁10の一周当たり、スロット33の数Sと磁極数Pの最小公倍数LCMの整数倍の数のコギングが発生する(例えば、6スロット4極であれば、12、24、36、48・・・の成分)が、永久磁石11の磁極角αを130°〜135°にすることで、モータ特性(磁束量)を確保しつつ、永久磁石11の周方向端部の面取り(面取り部11d)によって磁石表面の角度βを125°にすることにより、各コギング成分(例えば、6スロット4極であれば、12、24、36、48・・・の成分)ともに最小となる(図11参照)。
【0050】
永久磁石11の端部の面取り部11dの面取り角度θを約30°にすることにより、面取り寸法のばらつきによるコギングのばらつきを小さくすることができる(図12、図13参照)。
【0051】
永久磁石11の両端に隣接するように磁性体部13a,113aを設けることにより、永久磁石11の側面11c付近の磁路がラジアル配向より外角よりに向くため、空隙磁束密度分布がより滑らかになり、コギング各成分をより低減することができる。
【0052】
磁性体部13a,113aの径方向内部への突出量Mは、永久磁石11の厚さNの半分程度にすることにより、永久磁石11の端部の漏れ磁束を抑制することができる。
【0053】
永久磁石11の端部の角度30°の面取り第1辺の長さLを、磁石角αが135°であれば1.5mm、磁石角αが130°であれば0.75mm程度にすることによって、磁石表面角度βがコギング最小となる角度になる磁石表面角度βを約125°とすることができる。
【符号の説明】
【0054】
10 界磁、11 永久磁石、11a 内周面、11b 外周面、11c 側面、11d 面取り部、12 ヨーク、13 凸部、13a 磁性体部、30 電機子、31 電機子鉄心、32 ティース、33 スロット、33a スロット開口部、34 電機子巻線、35 回転軸、36 コアバック、100 永久磁石型回転電機、112 ヨーク、113a 磁性体部。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
電機子と、前記電機子の外周側もしくは内周側に空隙を介して設けられる界磁と、を有する永久磁石型回転電機において、
前記界磁は、
断面が略円筒状のヨークと、
前記ヨークの内周面もしくは外周面に設けられ、磁極数分の永久磁石と、を備え、
前記永久磁石は、前記電機子中心軸から見た磁極角αが電気角で130〜135°であり、
さらに前記永久磁石は、前記電機子と対向面側の磁石表面角度βが約125°となるように、前記永久磁石の周方向端部の前記電機子と対向面側の角に、所定の形状の面取り部が形成されることを特徴とする永久磁石型回転電機。
【請求項2】
前記面取り部は、前記永久磁石の側面に対して30°の角度で形成されることを特徴とする請求項1記載の永久磁石型回転電機。
【請求項3】
前記ヨークは、前記永久磁石の両側面に隣接する部分に、前記ヨーク内径より内周側に突出する磁性体部が設けられることを特徴とする請求項1又は請求項2記載の永久磁石型回転電機。
【請求項4】
前記永久磁石は、ラジアル配向またはラジアル着磁されていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の永久磁石型回転電機。
【請求項5】
前記ヨークと前記磁性体とは、一体に形成されることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の永久磁石型回転電機。
【請求項6】
前記磁性体は、前記ヨークの前記永久磁石の間の部分を内径側に陥没させて形成される凸部に設けられる請求項5記載の永久磁石型回転電機。
【請求項7】
前記ヨークは、平板状の磁性材料の一部を陥没させて前記凸部を形成し、さらに環状に成形して端部同士を接合することで構成されることを特徴とする請求項6記載の永久磁石型回転電機。
【請求項8】
前記永久磁石は、両端の前記面取り部を金型成形時に形成することを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載の永久磁石型回転電機。
【請求項9】
前記永久磁石は、両端の前記面取り部を、焼結後の追加工により形成することを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載の永久磁石型回転電機。
【請求項1】
電機子と、前記電機子の外周側もしくは内周側に空隙を介して設けられる界磁と、を有する永久磁石型回転電機において、
前記界磁は、
断面が略円筒状のヨークと、
前記ヨークの内周面もしくは外周面に設けられ、磁極数分の永久磁石と、を備え、
前記永久磁石は、前記電機子中心軸から見た磁極角αが電気角で130〜135°であり、
さらに前記永久磁石は、前記電機子と対向面側の磁石表面角度βが約125°となるように、前記永久磁石の周方向端部の前記電機子と対向面側の角に、所定の形状の面取り部が形成されることを特徴とする永久磁石型回転電機。
【請求項2】
前記面取り部は、前記永久磁石の側面に対して30°の角度で形成されることを特徴とする請求項1記載の永久磁石型回転電機。
【請求項3】
前記ヨークは、前記永久磁石の両側面に隣接する部分に、前記ヨーク内径より内周側に突出する磁性体部が設けられることを特徴とする請求項1又は請求項2記載の永久磁石型回転電機。
【請求項4】
前記永久磁石は、ラジアル配向またはラジアル着磁されていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の永久磁石型回転電機。
【請求項5】
前記ヨークと前記磁性体とは、一体に形成されることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の永久磁石型回転電機。
【請求項6】
前記磁性体は、前記ヨークの前記永久磁石の間の部分を内径側に陥没させて形成される凸部に設けられる請求項5記載の永久磁石型回転電機。
【請求項7】
前記ヨークは、平板状の磁性材料の一部を陥没させて前記凸部を形成し、さらに環状に成形して端部同士を接合することで構成されることを特徴とする請求項6記載の永久磁石型回転電機。
【請求項8】
前記永久磁石は、両端の前記面取り部を金型成形時に形成することを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載の永久磁石型回転電機。
【請求項9】
前記永久磁石は、両端の前記面取り部を、焼結後の追加工により形成することを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載の永久磁石型回転電機。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【公開番号】特開2011−166868(P2011−166868A)
【公開日】平成23年8月25日(2011.8.25)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−23951(P2010−23951)
【出願日】平成22年2月5日(2010.2.5)
【出願人】(000006013)三菱電機株式会社 (33,312)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成23年8月25日(2011.8.25)
【国際特許分類】
【出願日】平成22年2月5日(2010.2.5)
【出願人】(000006013)三菱電機株式会社 (33,312)
【Fターム(参考)】
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