JP6748852B2 - ブラシレスモータ - Google Patents

Description

本発明はブラシレスモータの構造に関するものである。

このようなブラシレスモータの１つとして、ロータコアに設けられたスロット部に磁石を配置する磁石埋め込み型のブラシレスモータがある。この磁石埋め込み型のブラシレスモータは、マグネットトルクに加え、リラクタンストルクを得ることができるため、高効率が要求される圧縮機用モータ等に使用されている。

磁石埋め込み型のロータコアにおいて、１極中に２つのスロット部を備えた構成、すなわち、スロット部それぞれに１つの磁石を配置して２つのスロット部の間を物理的に離した場合、その２つのスロット部の間の金属部分で、ロータコアの外周側と中心側で繋がることになる。そして、磁石によって発生した磁束がスロット部間でのこの金属箇所を通り、その結果、磁石で発生した磁束の漏れがその部分で発生する。そのため、２つのスロット部を物理的につないで１つのスロット部とする場合も有る。

ところで、上記磁石は、高温または高逆磁界にさらされると不可逆減磁を起こしてしまうことがある。このため、保磁力の大きな磁石を用いたり、あるいは磁石自体の厚さを大きくしたりするなどして、不可逆減磁が起きないようにすることもある。また、逆磁界は磁石に対して局所的に作用することから、逆磁界が集中する磁石端近傍に空隙を設けることもある（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、２つのスロット部をつないで１つのスロット部にしてロータコアの外周側と中心側を分離しつつ、さらに逆磁界が集中する磁石端近傍に空隙を設けたとしても、ステータ側より発生する逆磁界がさらに大きくなるような場合では、十分に磁石の不可逆減磁を低減することができなかった。

特開２００３−１４３７８８号公報

本発明のブラシレスモータは、ステータコアに巻線を施してなるステータと、ステータと空隙を介して対向し、回転軸の軸心を回転中心として回転自在に保持されたロータとを有するブラシレスモータである。本ブラシレスモータのロータは、それぞれ１極あたり２つの磁石が埋設されるスロット部を備える。スロット部は、軸心を囲う周方向に複数備えられる。スロット中央部は、２つの磁石の間のスロット中央部の中心近傍の径方向の幅を、スロット部の他の部分の幅より小さくしたものである。この構成により、スロット中央部での漏れ磁束を抑制しつつ、逆磁界をスロット中央部中心付近に導くことで磁石にかかる逆磁界を低減できる。

また、本発明のブラシレスモータにおいて、スロット部は、２つの磁石の間に位置するスロット中央部を底部として径方向に広がるＶ字状である。この構成により、ロータコアのスロット部より外周側の面積がより大きくなることで、磁束がより通り易くなり、逆磁界をスロット中央部中心付近へ導きやすくなることで、磁石にかかる逆磁界を低減できる。

また、本発明のブラシレスモータにおいて、スロット中央部は、スロット部の回転軸側に位置して、スロット部の内側に向けて突出する凸部を設ける。凸部を設けることで容易にスロット中央部の中心近傍の径方向の幅を小さくすることができる。

また、本発明のブラシレスモータは、スロット部がＶ字状に配置されており、さらに、スロット中央部の回転軸側の面が、スロット中央部の中心点と回転軸の軸心とを結ぶ軸に対し垂直な直線状である。この構成により、容易にスロット中央部の中心付近の径方向の幅を最も小さくすることができ、かつ製造が簡単になる。スロット中央部のロータ外周側の面は、軸心方向から見てスロット中央部を底部として径方向に広がるＶ字状であってもよい。

また、本発明のブラシレスモータは、スロット中央部の中心近傍の径方向の最小の幅を、ステータとロータとの間の僅かな空隙の２倍以上としたことを特徴とする。この構成により、モータ駆動時には、磁束がスロット中央部の中心近傍よりも、ステータ側へ流れやすくなり、有効な磁束の漏れを小さくすることができる。

また、本発明のブラシレスモータは、スロット中央部に、磁石の動きを規制する磁石止め部を設けたことを特徴とする。この構成により、ロータの組立て時やモータの使用中に、磁石がスロット中央部側へ移動することがないので、前述した効果を維持することができる。また、ロータは、軸心を法線とする断面において、軸心を中心とする最外周円から軸心側に向かって窪んだ、複数の凹部を有する。複数の凹部は、スロット部の径方向端部が隣接する近傍にそれぞれ位置する。

以上のように、本発明のブラシレスモータは、スロット中央部での漏れ磁束を抑制しつつ、逆磁界をスロット中央部の中心付近に導くことで磁石にかかる逆磁界を低減できる。

図１は、本発明の実施の形態１に係るブラシレスモータの上面図である。 図２は、同ブラシレスモータのロータの上面図である。 図３Ａは、実施の形態１における磁力線の流れを示す図である。 図３Ｂは、比較例における磁力線の流れを示す図である。 図４は、本発明の実施の形態２に係るブラシレスモータのロータの上面図である。 図５は、本発明の実施の形態３に係るブラシレスモータのロータの上面図である。 図６は、本発明の実施の形態４に係るブラシレスモータのロータの上面図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係るブラシレスモータ１００の上面図である。ブラシレスモータ１００は、ステータ１０と、そのステータ１０と僅かな隙間を介して対向し、回転自在に保持されたロータ２０とを備えている。特に、本実施の形態のブラシレスモータ１００は、磁石埋め込み型のブラシレスモータであり、ロータ２０に形成された磁石埋設孔に永久磁石を装着している。

ステータ１０は、ステータコア１１と、巻線１５とを備えている。ステータコア１１は、例えば複数の電磁鋼板を積層して形成され、環状のヨーク１２と、ヨーク１２の内部に配置された複数のティース１３とを有している。また、隣り合うティース１３間には、ステータスロット１４が設けられている。そして、ティース１３には、巻線１５が巻回されている。このようなステータ１０の内周側に、図１に示すように、ロータ２０が配置されている。

図２は、図１のロータ２０を拡大した図であり、軸方向から見たロータ２０の上面図である。ロータ２０は、金属のロータコア２１と、永久磁石である磁石２３ａ、２３ｂと、ロータコア２１の中央に配置された回転軸３０とを含む。

ロータコア２１は、ステータコア１１と同様に、薄い板状体の電磁鋼板を複数枚軸方向に積層して構成されている。そして、ロータコア２１には、電磁鋼板部分である金属コア部２２ｍに対し、２つの磁石２３ａ、２３ｂを埋設するための長方形状の孔である磁石埋設孔としてのスロット部２２ｓが設けられている。ここで、特に、本実施の形態では、スロット部２２ｓが、１極中に２つの磁石２３ａ、２３ｂを埋設する構成である。すなわち、図２のように、１つのスロット部２２ｓにおいて、磁石２３ａと２３ｂとの外側の面どうしが同じ極、内側の面どうしも同じ極であり、かつ内側の面が外側の面に対して異極となるように、磁石２３ａ、２３ｂそれぞれを配置している。ロータコア２１は、このようなスロット部２２ｓを複数有しており、それぞれが周方向に所定間隔で、かつロータコア２１の外周から同じ位置となるように形成されている。磁石２３ａ、２３ｂは、金属コア部２２ｍに形成された空気孔であるこれらスロット部２２ｓに挿入され、スロット部２２ｓ両面の金属コア部２２ｍにて挟み込み固定されるか、あるいは樹脂や接着剤などで固着されている。

さらに、図２のように上面から見て、磁石２３ａと磁石２３ｂとの長手方向の合計寸法をスロット部２２ｓの寸法よりも小さくしている。このような磁石２３ａと磁石２３ｂとを、それぞれスロット部２２ｓの端部に配置することで、磁石２３ａと磁石２３ｂとの間に十分な隙間を形成している。すなわち、磁石２３ａと磁石２３ｂとの間で、スロット部２２ｓの中央部分には、磁石が配置されない空間であるスロット中央部２４が設けられている。そして、径方向においては、このスロット部２２ｓを境にして、ロータコア２１の外周側と中心側がほぼ分離されることになる。

本実施の形態では、上記の背景技術で説明したスロット部それぞれに１つの磁石を配置して２つのスロット部の間を物理的に離した従来の構成に対し、まず、このような１つのスロット部２２ｓ中の２つの磁石間の空間となるスロット中央部２４を設けた構成としている。本実施の形態では、このような構成とすることで、上記の背景技術で説明したような磁束の漏れを抑制している。

次に、巻線１５に電流が通電され、磁石２３ａ、２３ｂの磁化方向と逆向きの磁界が磁石２３ａ、２３ｂにかかるような場合を考える。つまり、ステータコア１１に発生した磁束が、僅かな空隙を通りロータ２０側へ向かい、磁石２３ａ、２３ｂに逆磁界がかかる場合である。

その逆磁界が磁石２３ａ、２３ｂの減磁耐力以上であれば、なんらかの対策が必要となる。そこで、そのような対策の一手法として、磁石２３ａ、２３ｂが受ける逆磁界を小さくするために、磁石２３ａ、２３ｂよりも、より磁力線が通り易い透磁率が高い場所を設けてやれば良い。言い換えれば、ステータコア１１からロータ２０へ向かってくる磁束を、磁力線が通り易い場所へ導くことで、磁石２３ａ、２３ｂに対して生じる逆磁界を低減できる。よって、磁石２３ａ、２３ｂには、不可逆減磁が生じる可能性が低くなる。

ところで、このように磁力線が通り易い透磁率が高い場所としては、磁石２３ａ、２３ｂが逆磁界の影響を受け難いような適切な場所に形成する必要がある。すなわち、透磁率が高い場所には多くの磁束が集中して逆磁界の影響が強いため、透磁率が高い場所としては、磁石２３ａ、２３ｂから適切な距離を保ち、磁石２３ａ、２３ｂから離れている場所に位置することが望ましい。そして、磁石２３ａ、２３ｂに向かって流れていた磁束を、この透磁率が高い場所へ導いてやれば良い。

そこで、本実施の形態において、透磁率が高い場所は、磁石２３ａと磁石２３ｂとの間の中心近傍の径方向の幅がスロット部２２ｓの他の部分の幅より小さくなるようなスロット中央部２４を形成している。

具体的には、磁石２３ａと磁石２３ｂとの間に位置するスロット中央部２４に、スロット部２２ｓの幅Ｔが最も短くなるように、金属コア部２２ｍが外周方向に向けてスロット部２２ｓ内に突出する凸部２５を形成している。ロータコア２１の径方向において、この凸部２５によりスロット中央部２４の形状としては、スロット中央部２４を形成する空間がへこむような凹形状となる。詳しくは、スロット中央部２４のロータ中心側の面において、外周方向に向けて突出した凸部２５を設けた構成となっている。

本構成とすれば、スロット中央部２４は、磁気抵抗が大きい空気層の幅が狭くなるため、透磁率が高くなる。よって、スロット中央部２４近傍に流れる磁力線は、凸部２５に導かれるような磁束を形成する。

図３Ａは、このようなスロット中央部２４を形成した本実施の形態における磁力線の流れを示す図であり、図３Ｂは、図３Ａと比較するために示した比較例における磁力線の流れを示す図である。図３Ａに示す本実施の形態は、上述したとおり、１つのスロット部２２ｓに２つの磁石２３ａ、２３ｂを配置し、磁石２３ａと磁石２３ｂとの間には、凸部２５を含むスロット中央部２４が形成される。これに対し、図３Ｂに示す比較例では、１つのスロット部９２ｓに１つの磁石９３を配置したロータ９０の場合を示しており、スロット部の中央付近には空間を有していない。

この結果、図３Ｂに示す比較例のように、スロット部９２ｓの端部とロータ９０の外周の間に位置するブリッジ部９９に集中していた磁束Ｂ１０や、磁石９３の磁化方向と逆に発生していた磁束Ｂ１１は、図３Ａに示す本実施の形態のように、スロット中央部２４に生じている磁束Ｂ２１は凸部２５へと導かれる。この影響を受け、ブリッジ部２９に生じる磁束Ｂ２０も減少する。したがって、磁石２３ａ、２３ｂにかかる逆磁界が低減し、不可逆減磁を抑制できる。

以上のことから、磁石で発生した磁束の漏れを低減しつつ、かつ磁石の不可逆減磁を抑制できるので、高効率で高減磁耐力をもつブラシレスモータを実現することができる。

なお、磁石によって発生した磁束は、ステータとロータとの間の僅かな空隙を通りステータ側に流れることによって、トルクを発生させるための有効な磁束となる。よって、モータの駆動時には、磁石によって発生した磁束がスロット中央部２４へ流れないようにするほうが望ましい。

そのため、スロット中央部２４の中心付近の径方向の幅Ｔは、ステータ１０とロータ２０との間の僅かな空隙の２倍以上にすることが好ましい。磁石で発生した有効な磁束は、僅かな空隙を通りステータ側に流れ、ステータ側がら再度空隙を通りロータ側に戻るため、磁路として僅かな空隙を２回通ることになる。そこで、スロット中央部２４の中心付近の径方向の幅Ｔを、その僅かな空隙の２倍以上にしてやれば、有効な磁束の磁路の磁気抵抗よりもスロット中央部の中心付近の磁気抵抗が大きくなる。これにより、モータの駆動時に、磁束はスロット中央部の中心付近よりもステータ側へ流れやすくなり、有効な磁束の漏れを小さくすることができる。

（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２に係るブラシレスモータ１００のロータ４０の上面図である。基本的な構成は実施の形態１と同じなので、相違点を中心に以下説明する。

本実施の形態のロータ４０では、スロット部２２ｓが、スロット中央部を底部としてロータの径方向に向けて広がるＶ字状となっている。そして、スロット中央部２４の中心付近の径方向の幅Ｔが最も小さくなるように、実施の形態１と同様の凸部２５を設けている。

スロット部２２ｓをＶ字状にすることで、スロット中央部２４の位置を、よりロータコア２１の中心側にもってくることができる。そうすると、ロータコア２１のスロット部２２ｓより外周側の面積が、扇形状になって大きくなる。その結果、磁束がより通り易くなり、逆磁界をスロット中央部２４の中心付近へ導きやすくなる。

そのため、本実施の形態では、実施の形態１よりさらに磁石の不可逆減磁を低減することができ、高効率で高減磁耐力をもつブラシレスモータを実現することができる。

（実施の形態３）
図５は、本発明の実施の形態３に係るブラシレスモータ１００のロータ５０の上面図である。本実施の形態２との相違点は、スロット中央部２４の凸部２５の箇所が直線状になっている点である。つまり、スロット中央部２４のロータ中心側の面を、スロット中央部２４の中心点とロータ５０の中心点とを結ぶ軸Ｌに対して垂直な直線状である直線部２６としている。

この構成とすれば、スロット中央部２４の中心付近の径方向の幅Ｔを最も小さくすることができるので、凸部２５にくらべて形状が非常に簡単になるので、製造がしやすくなりコストダウンが図れる。

（実施の形態４）
図６は、本発明の実施の形態４に係るブラシレスモータ１００のロータ６０の上面図である。本実施の形態のロータ６０は、実施の形態３のロータ５０に、磁石止め２７をさらに設けた構成としている。磁石２３ａ、２３ｂのそれぞれがスロット中央部２４中心付近に寄ることを防ぐための位置決めとして、スロット中央部２４に磁石止め２７を設けている。

この磁石止め２７は、磁石２３ａ、２３ｂが埋設されるスロット部の幅Ｓ１より、スロット中央部２４の幅Ｓ２を小さくすることで実現している。

ロータ６０の組立て時やモータ使用中に磁石２３ａ、２３ｂが、逆磁界が集中するスロット中央部２４の中心付近に近づかないようにして、実施形態１〜３で説明したような効果が阻害されずに、常時性能を維持することができる。

本発明のブラシレスモータは高効率で高減磁耐力を有しているので、圧縮機をはじめ、空調機など各種電気機器に適用可能である。

１０ ステータ
１１ ステータコア
１２ ヨーク
１３ ティース
１４ ステータスロット
１５ 巻線
２０，４０，５０，６０，９０ ロータ
２１ ロータコア
２２ｓ，９２ｓ スロット部
２２ｍ 金属コア部
２３ａ，２３ｂ，９３ 磁石
２４ スロット中央部
２５ 凸部
２６ 直線部
２７ 磁石止め
２９，９９ ブリッジ部
３０ 回転軸
１００ ブラシレスモータ

Claims (6)

1. ステータコアに巻線を施してなるステータと、前記ステータと空隙を介して対向し、回転軸の軸心を回転中心として回転自在に保持されたロータとを有するブラシレスモータであって、
   前記ロータは、それぞれ１極あたり２つの磁石が埋設されるスロット部を前記軸心を囲う周方向に複数備え、
   前記スロット部は、前記２つの磁石の間に位置するスロット中央部を底部として径方向に広がるＶ字状であって、
   前記スロット中央部は、前記スロット部の前記回転軸側に位置して前記スロット部の内側に向けて突出する凸部を設けて、前記スロット中央部の中心近傍の径方向の幅を、前記スロット部の他の部分の幅より小さくしたことを特徴とするブラシレスモータ。
2. ステータコアに巻線を施してなるステータと、前記ステータと空隙を介して対向し、回転軸の軸心を回転中心として回転自在に保持されたロータとを有するブラシレスモータであって、
   前記ロータは、それぞれ１極あたり２つの磁石が埋設されるスロット部を前記軸心を囲う周方向に複数備え、
   前記スロット部は、前記２つの磁石の間に位置するスロット中央部を底部として径方向に広がるＶ字状であって、
   前記スロット中央部の前記回転軸側の面が、前記スロット中央部の中心点と前記回転軸の前記軸心とを結ぶ軸に対し垂直な直線状であり、前記スロット中央部の中心近傍の径方向の幅を、前記スロット部の他の部分の幅より小さくしたことを特徴とするブラシレスモータ。
3. 前記スロット中央部の中心近傍の径方向の最小の幅を、前記ステータと前記ロータとの間の空隙の２倍以上としたことを特徴とする請求項１〜２のいずれかに記載のブラシレスモータ。
4. 前記スロット中央部に、前記磁石の動きを規制する磁石止め部を設けたことを特徴とする請求項３に記載のブラシレスモータ。
5. 前記スロット中央部のロータ外周側の面は、前記軸心方向から見て前記スロット中央部を底部として径方向に広がるＶ字状であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のブラシレスモータ。
6. 前記ロータは、前記軸心を法線とする断面において、前記軸心を中心とする最外周円から前記軸心側に向かって窪んだ、複数の凹部を有し、
   前記複数の凹部は、前記スロット部の径方向端部が隣接する近傍にそれぞれ位置する請求項１~５のいずれか１項に記載のブラシレスモータ。

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