JP3897567B2 - アウタロータモータ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アウタロータモータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電気モータには、インナロータ型のモータと、アウタロータ型のモータがある。アウタロータ型のモータは、巻線を施したステータの外周側に永久磁石を有するロータを回転自在に配設して構成されている。
【０００３】
図１１、図１２を参照して説明すると、１は電磁鋼板を軸方向に積層して構成されたステータで、そのティース１ａに３相巻線２が施されている。ステータ１の外側に鉄などの高透磁率材で構成されたカップ状のロータ３が配設されている。ロータ３は軸４に固定され、軸４は軸受５により回転自在に支持されている。
【０００４】
ロータ３の内周部には、ステータ１に対して径方向に僅かなギャップを介して永久磁石６が配設されている。永久磁石６は、図２に示すように、周方向にＮ極とＳ極が交互に配設されている。
【０００５】
そして、位置センサからの位相情報を考慮して巻線２に３相交流電流を流すことによって回転磁界を発生させ、外側のロータ３を回転駆動する構造となっている。
【０００６】
このアウタロータモータは、ロータが外側にあるので、同じモータサイズの場合、ロータ外径をインナロータモータよりも大きくすることができ、発生トルクをインナロータモータに比べて高くすることができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記のようにアウタロータモータは、ロータ外径が大きく、高トルクなモータであるが、高速回転させようとすると、弱め界磁制御を行うことになるが、表面磁石型アウタロータモータの場合、電流位相を進角させると、トルクが小さくなってしまうという問題がある。
【０００８】
また、磁石と磁石の間に鉄を挟んだ逆突極型のロータ構造の場合は、位相を進角させてもトルクは小さくならないが、概してｑ軸インダクタンスが大きく、弱め界磁制御を行っても、ｑ軸インダクタンスの影響で、回転数がそれほど高速まで伸びない。しかも、逆突極型のロータ構造にすると、ロータ構造を大きく変更しないといけないので、製造工数がかかってしまうという問題がある。
【０００９】
詳しく説明すると、上記アウタロータモータの発生トルクＴ及び端子電圧Ｖａは、以下のようになる。
【００１０】

ここで、Ｔはトルク、Ｖａは端子電圧、Ｐは極対数、Φａは電機子鎖交磁束、Ｉｄはｄ軸電流、Ｉｑはｑ軸電流、Ｌｄはｄ軸インダクタンス、Ｌｑはｑ軸インダクタンス、Ｉａは電機子電流、βは電流位相（ｑ軸からの進み位相）、ωは電気角速度を示す。また、ｄ軸方向は永久磁石の磁束の方向であり、ｑ軸方向はｄ軸方向よりも電気角で９０度進んだ軸方向である。
【００１１】
図１１、図１２に示したアウタロータモータの構成では、ＬｄとＬｑの値は同じであり、上記(1) 式の第２項のリラクタンストルクは発生せず、発生トルクは第１項のマグネットトルクのみである。
【００１２】
また、発生する端子電圧は、(2) 式で表されるが、そのベクトル図は図１３に示すようになる。ここで、ｑ軸電流のみ通電している場合、すなわち電流位相が０度のとき、電圧ベクトルは図１３（ａ）となり、当然回転数が上昇すれば、ωの値が大きくなり、Ｖａの値も大きくなる。しかし、端子電圧はバッテリ電圧により制限されるので、回転数も制限されることになる。
【００１３】
そこで、より高速まで回転させたい場合、図１３（ｂ）に示すように、Ｖａを下げるためにＩｄ、すなわちｄ軸電流を与えるのであるが、Ｉｄを与えると電流位相βが進むことになり、図１１、図１２の構成では、 (1)式で見たように、発生トルクがマグネットトルクのみなので、トルクは下がってしまう。
【００１４】
そこで、電流位相が進んでもトルクが下がらないようなモータ構造として、図１４に示すような永久磁石６、６間にヨークを突出させて突極を設けた逆突極型のアウタロータ構造が考えられる。この場合、確かにその構造上Ｌｑ＞Ｌｄなので、 (1)式における第２項のリラクタンストルクが電流位相が進むことによって発生するので、マグネットトルクが下がっても全体のトルクは上がる。しかしながら、電流位相を進めてＩｄを大きくし、ωＬｄＩｄ、すなわち弱め界磁による端子電圧の引き戻しを大きくしても、Ｌｑが大きいので、ωＬｑＩｑの影響が大きくなり、回転数の上昇による端子電圧の上昇は大きくなってしまう。従って、結局回転数がより高速まで上がらないことになる。
【００１５】
本発明は、上記従来の問題点に鑑み、ロータ構造を大幅に変更せず、位相進角させてもトルクが下がることなく、弱め界磁制御によって回転数をより高速に伸ばすことができるアウタロータモータを提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１発明のアウタロータモータは、ティースに巻回した巻線に電流を流して回転磁界を発生するステータと、ステータの外側に回転自在に配設されるとともに内周部に永久磁石が配設されたロータとを備えたアウタロータモータにおいて、ロータに、永久磁石の極数と同数の高透磁率材からなる突片を、永久磁石間に位置しかつティースの軸方向端面に僅かなギャップを介して対向するように配設したものであり、上記突片にてリラクタンストルクを利かせることができて、電流位相を進角させることでトルクを上昇でき、かつこのような突片を付けただけの構造でありＬｑはそれほど大きくないので、電流位相を進角させてＩｄを流す、弱め界磁制御を行うことによってより高速回転を実現でき、さらに突片を付加するだけでロータの構造を根本的に変更する必要がないので、製造コスト的にもコストアップを抑制できる。
【００１７】
また、ロータは、円筒と端板から成るカップ状で、突片は端板の外周部から軸方向に突設され、かつその形状が円弧状で、内径側が巻線に当たらず、外径がステータ外径以上とするのが好適である。
【００１８】
また、各突片の回転中心に対して成す角度をθ１、モータ極数をＰとして、θ１＜π／Ｐを満足するのが好適である。
【００１９】
また、第２発明のアウタロータモータは、ティースに巻回した巻線に電流を流して回転磁界を発生するステータと、ステータの外側に回転自在に配設されるとともに内周部に永久磁石が配設されたロータとを備えたアウタロータモータにおいて、ロータを円筒と端板から成るカップ状とし、このロータに、永久磁石の極数と同数で永久磁石間に位置しかつティースの軸方向端面に僅かなギャップを介して対向するように内周側に突出する突部を形成したものであり、突部が第１発明の突片と同様に作用し、同様の効果を奏する。また、突部はロータのプレス加工等にて容易に形成でき、別途の部品とその取付工程が必要でないので、一層コストアップを抑制できる。
【００２０】
また、突部の形状は、内周側に突出する円弧状であると、プレス成形等による形成がより容易となり、コスト低下を図れる。
【００２１】
また、突部のティースと軸方向に僅かなギャップを介して重なっている部分の回転中心に対して成す角度をθ２、モータ極数をＰとして、θ２＜π／Ｐを満足するのが好適である。
【００２２】
また、第３発明のアウタロータモータは、ティースに巻回した巻線に電流を流して回転磁界を発生するステータと、ステータの外側に回転自在に配設されるとともに内周部に永久磁石が配設されたロータとを備えたアウタロータモータにおいて、ステータのティース先端部から軸方向に突出する突起を設け、ロータに、突起に僅かなギャップを介して径方向に対向する高透磁率材から成る突出部を、永久磁石の極数と同数だけ永久磁石間に配設したものであり、ステータティースの突起とロータの突出部が、第１発明の突片とステータと同様に作用し、同様の効果を奏する。
【００２３】
また、突起は、内周側が巻線に当たらず、外周側はティースの外径と同一、軸方向の長さはロータカップと組み合わせた状態でロータカップと当たらない大きさであるのが好適である。
【００２４】
また、突出部は、永久磁石と同様の円弧状で、軸方向の長さは突起以上で、回転中心に対して成す角度をθ３、モータ極数をＰとして、θ３＜π／Ｐを満足するのが好適である。
【００２５】
また、突出部の内径が、永久磁石の内径よりも小さいと、リラクタンストルクをより大きくできる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のアウタロータモータの各実施形態について、図面を参照して説明する。
【００２７】
（第１の実施形態）
図１において、１は電磁鋼板を軸方向に積層して構成されたステータで、そのティース１ａに３相巻線２が施されている。ステータ１の外側に、鉄などの高透磁率材で構成された、円筒３ａと端板３ｂからなるカップ状のロータ３が配設されている。ロータ３はその端板３ｂの軸芯部が軸４に固定され、軸４は軸受５を介してステータ１が装着されている固定支持部材１１にて回転自在に支持されている。
【００２８】
ロータ３の内周部には、ステータ１に対して径方向に僅かなギャップを介して永久磁石６が配設されている。永久磁石６は、図２に示すように、周方向にＮ極とＳ極が交互に配設されている。
【００２９】
さらに、ロータ３の端板３ｂの外周部内面には、ステータティース１ａの軸方向端面に僅かなギャップを介して対向するように鉄片などの高透磁率材からなる突片７が、永久磁石６と同数だけ、永久磁石６、６間に位置するように配設されている。なお、突片７は接着剤等でロータ３に固定されている。
【００３０】
以上の構成においては、従来の図１１、図１２の構成に比して、ロータ３の永久磁石６の軸方向外方に永久磁石６、６間に位置するように突片７が配設されているだけであるため、Ｌｄに対してＬｑはそれほど大きくない。従って、トルクに関しては、電流位相を進角することである程度までは大きくなり、なおかつ端子電圧に関しては、Ｌｑがそれほど大きくないので、ωＬｑＩｑの影響は小さく、回転数の上昇による端子電圧の上昇はそれほど大きくなく、電流位相を進角させ、Ｉｄを流すことによって、すなわち弱め界磁制御をすることによって、回転数をより高速まで上げることが可能となる。
【００３１】
すなわち、本実施形態では、リラクタンストルクを利かせて電流位相を進角させることによってトルクが上昇し、かつ弱め界磁制御によってより高速回転が可能となる。また、構造的にも、従来のロータ３の構造に鉄片などの突片７を配置するだけであり、図１４のようにロータ３の構造を根本的に変更しなければならないということもなく、従来のロータ３を基に一部追加変更を加えるだけでよいので、製造工数的にもコストアップを小さくすることができる。
【００３２】
また、突片７の形状を、図示の如く円弧状として、その内径側が巻線２に当たらず、外径をステータ１の外径以上とすることで、Ｌｑを多少大きくすることができるので、リラクタンストルクを大きくすることができる。
【００３３】
さらに、各突片７の回転中心に対して成す角度をθ１、モータ極数をＰとして、θ１＜π／Ｐを満足させることにより、リラクタンストルクの向上と、弱め磁界制御時のモータ回転数の高速化がより期待できる。
【００３４】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について、図３〜図６を参照して説明する。なお、以下の実施形態の説明では、上記第１の実施形態と同一の構成要素については同一の参照符号を付して説明を省略し、主として相違点について説明する。
【００３５】
本実施形態では、ロータ３に対して別部材の高透磁率材から成る突片７を設ける代わりに、図５、図６に示すように、カップ状のロータ３の円筒３ａと端板３ｂの角部を外側からプレス加工してロータ３の内側に突出する突部８を形成している。この突部８は、永久磁石６の極数と同数だけ永久磁石６間に配し、かつこの突部８の一部が永久磁石６よりも径方向内側に突出し、その部分がステータ１に対して軸方向に僅かなギャップを介して対向するように構成している。
【００３６】
このような構成とすることで、プレス加工した突部８も高透磁率材でできているので、上記第１の実施形態と同様に、ＬｑがＬｄよりも僅かに大きくなり、リラクタンストルクを利かせて、電流位相を進角させることによってトルクは上昇し、かつ弱め磁界制御によってより高速回転が可能となる。
【００３７】
また、その構造は従来のカップ状のロータ３にプレス加工を追加するだけであるので、第１の実施形態よりも製造工数を抑えることができ、より安価にロータカップを製造できる。
【００３８】
また、突部８の形状を、図示のように、回転中心側に突出する逆円弧状にすることにより、より簡単にプレス加工が可能となり、製造コストもより低廉化できる。
【００３９】
さらに、図４に示すように、突部８のティースと軸方向に僅かなギャップを介して重なっている部分の回転中心に対して成す角度をθ２、モータ極数をＰとして、θ２＜π／Ｐを満足させることにより、リラクタンストルクの向上と、弱め磁界制御時のモータ回転数の高速化がより期待できる。
【００４０】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について、図７〜図９を参照して説明する。
【００４１】
本実施形態では、図７、図１０に示すように、ステータ１に、ティース１ａの先端部から軸方向に突出する鉄片から成る突起９を設けている。この突起９は、内周側が巻線２に当たらず、外周側はステータ１のティース１ａの外径と同一で、周方向の幅寸法はステータ１のティース幅と同一で、軸方向の長さはロータ３と組み合わせた状態でロータ３と当たらない大きさに設定されている。一方、ロータ３側には、突起９に僅かなギャップを介して径方向に対向する鉄片などの高透磁率材からなる突出部１０が、永久磁石６の極数と同数だけ永久磁石６間に配設されている。これら突起９及び突出部１０は、それぞれ接着剤等で固定されている。
【００４２】
このような構成とすることで、ステータ１のティース１ａの突起９とロータ３の突出部１０によって、ＬｑがＬｄよりも僅かに大きくなり、第１の実施形態と同様にリラクタンストルクを利かせて、電流位相を進角させることによってトルクを上昇させ、なおかつ弱め界磁制御によって、より高速回転が可能となる。
【００４３】
但し、本実施形態の場合、第１の実施形態及び第２の実施形態の場合よりもＬｑが大きくなるので、最高回転数が第１の実施形態及び第２の実施形態より若干小さくなってしまうが、逆に電流位相を進角させた時のトルクはリラクタンストルクが大きくなるので、第１の実施形態及び第２の実施形態よりも大きくすることができる。
【００４４】
また、その構造は第１の実施形態と同様、従来のカップ状のロータ構造に鉄片等を配置するだけの構造であるため、ロータ構造を根本的に変更しなければならないといったようなことがなく、従来のロータを基に一部追加変更を加えるだけでよいので、製造工数的にもコストアップがそれほど大きくなることはない。
【００４５】
さらに、ロータ３の永久磁石６間に配置した突出部１０が、永久磁石６と同様の円弧状で、内径、外径とも同一で、軸方向の長さは突起９以上で、回転中心に対して成す角度をθ３、モータ極数をＰとして、θ３＜π／Ｐを満足させることにより、リラクタンストルクの向上と、弱め磁界制御時のモータ回転数の高速化がより期待できる。
【００４６】
また、突出部１０の内径を、永久磁石６の内径よりも小さくすると、Ｌｑを多少大きくすることができるので、リラクタンストルクをさらに若干大きくすることができる。
【００４７】
【発明の効果】
本発明のアウタロータモータによれば、以上のようにロータ若しくはステータ、又はそれらの両者の一部に、高透磁率材から成る部材を付加し又は所定の形状に追加加工して、ｑ軸インダクタンスをｄ軸インダクタンスよりも僅かに大きくしたことにより、電流位相を進角してもトルクが下がることなく、ある程度の電流位相までは上昇し、なおかつ、ｑ軸インダクタンスをあまり大きくしていないため、弱め界磁制御によってより高速回転を実現できる。さらに、その構造も簡単であり、追加変更が少なく、製造工数的にもコストアップはそれほど大きくない。かくして、本発明により高トルク、高回転、高出力のアウタロータモータを安価に提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態におけるアウタロータモータの縦断面図である。
【図２】同実施形態におけるロータを、図１の矢印方向から見た図である。
【図３】本発明の第２の実施形態におけるアウタロータモータの縦断面図である。
【図４】同実施形態におけるロータを、図３の矢印方向から見た図である。
【図５】同実施形態におけるロータを、図３の矢印方向とは反対側から見た図である。
【図６】同実施形態におけるロータの正面図である。
【図７】本発明の第３の実施形態におけるアウタロータモータの縦断面図である。
【図８】同実施形態におけるロータの、図７のＡ−Ａ矢視断面図である。
【図９】同実施形態におけるロータの縦断正面図である。
【図１０】同実施形態におけるステータティースの斜視図である。
【図１１】従来例のアウタロータモータの縦断面図である。
【図１２】同従来例におけるロータを、図１１の矢印方向から見た図である。
【図１３】モータ端子電圧を示すベクトル図である。
【図１４】他の従来例におけるロータの、図１２と同様の図である。
【符号の説明】
１ ステータ
１ａ ティース
２ 巻線
３ ロータ
６ 永久磁石
７ 突片
８ 突部
９ 突起
１０ 突出部

Claims (10)

1. ティースに巻回した巻線に電流を流して回転磁界を発生するステータと、ステータの外側に回転自在に配設されるとともに内周部に永久磁石が配設されたロータとを備えたアウタロータモータにおいて、ロータに、永久磁石の極数と同数の高透磁率材からなる突片を、永久磁石間に位置しかつティースの軸方向端面に僅かなギャップを介して対向するように配設したことを特徴とするアウタロータモータ。
2. ロータは、円筒と端板から成るカップ状で、突片は端板の外周部から軸方向に突設され、かつその形状が円弧状で、内径側が巻線に当たらず、外径がステータ外径以上であることを特徴とする請求項１記載のアウタロータモータ。
3. 各突片の回転中心に対して成す角度をθ１、モータ極数をＰとして、θ１＜π／Ｐを満足することを特徴とする請求項２記載のアウタロータモータ。
4. ティースに巻回した巻線に電流を流して回転磁界を発生するステータと、ステータの外側に回転自在に配設されるとともに内周部に永久磁石が配設されたロータとを備えたアウタロータモータにおいて、ロータを円筒と端板から成るカップ状とし、このロータに、永久磁石の極数と同数で永久磁石間に位置しかつティースの軸方向端面に僅かなギャップを介して対向するように内周側に突出する突部を形成したことを特徴とするアウタロータモータ。
5. 突部の形状は、内周側に突出する円弧状であることを特徴とする請求項４記載のアウタロータモータ。
6. 突部のティースと軸方向に僅かなギャップを介して重なっている部分の回転中心に対して成す角度をθ２、モータ極数をＰとして、θ２＜π／Ｐを満足することを特徴とする請求項５記載のアウタロータモータ。
7. ティースに巻回した巻線に電流を流して回転磁界を発生するステータと、ステータの外側に回転自在に配設されるとともに内周部に永久磁石が配設されたロータとを備えたアウタロータモータにおいて、ステータのティース先端部から軸方向に突出する突起を設け、ロータに、突起に僅かなギャップを介して径方向に対向する高透磁率材から成る突出部を、永久磁石の極数と同数だけ永久磁石間に配設したことを特徴とするアウタロータモータ。
8. 突起は、内周側が巻線に当たらず、外周側はティースの外径と同一、軸方向の長さはロータカップと組み合わせた状態でロータカップと当たらない大きさであることを特徴とする請求項７記載のアウタロータモータ。
9. 突出部は、永久磁石と同様の円弧状で、軸方向の長さは突起以上で、回転中心に対して成す角度をθ３、モータ極数をＰとして、θ３＜π／Ｐを満足することを特徴とする請求項８記載のアウタロータモータ。
10. 突出部の内径が、永久磁石の内径よりも小さいことを特徴とする請求項９記載のアウタロータモータ。

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