JP5326326B2 - モータ、電気機器 - Google Patents

Description

本発明は、ステータに対向する面に複数の永久磁石が配置されるロータを有するモータに関する。

従来、特に空調用ファンモータなどの家電製品に用いられるモータとして、ステータに対向する面に永久磁石が貼り付けられる内側ロータ型のモータが用いられることが一般的であった。しかし、近年では機器の高出力化の需要に伴い、ステータに対向する面に永久磁石が貼り付けられる外側ロータ型のモータが用いられるようになってきている。

ここで、外側ロータ型のモータは、内側ロータ型のモータと比較して、ステータに対向する永久磁石の面積を大きくすることができる。このため、同一の体積のモータであれば、ステータに対向する永久磁石の断面積が大きい外側ロータ型のモータの方が、磁束量を増加させることができるため大トルクを得ることができ、高出力化に寄与するのである。

一方で、外側ロータ型のモータは、磁束量が増加するために、ステータとロータとの間のエアギャップ部分の磁気変動が大きくなる。これにより、誘起電圧の歪率が増加し、トルク脈動が増大することになる。

そこで、特許文献１に記載の発明は、トルク脈動を低減するために、ステータに対向する永久磁石の外周断面形状を複数の曲線の組み合わせにより構成している。
特開２００２−８４６９５号公報

しかしながら、特許文献１に記載の発明では、ステータに対向する永久磁石の外周断面形状が複数の曲線の組み合わせであるため、特にフェライト磁石などのように焼結後に研磨して最終形状を形成するような磁石の場合に、永久磁石の加工精度を向上させることができない、という問題が生じていた。

すなわち永久磁石が高精度に加工されなければ、永久磁石をロータフレームに貼り付ける際の位置決め精度が悪化し、隣接する永久磁石と永久磁石との間隔とロータとステータとのエアギャップが不均一になるため、モータの振動騒音が増加する、という問題が生じていた。

このため、本発明は、以上のような問題を解決するものであり、永久磁石の加工精度を向上でき、振動騒音を低減できるモータを提供することを目的とする。

本発明は、ステータの外側に僅かなエアギャップを介して対向する面に複数の永久磁石が配置されるロータを有し、各々の前記永久磁石の回転軸に対する垂直方向の断面が、磁石中心線を中心として左右対称であって、磁石中心線を中心とする曲線と、前記曲線を挟み込むように前記曲線に接続する磁石中心線に垂直な２本の直線と、を含む形状であり、さらに、前記磁石中心線に垂直な２本の直線に接続する磁石中心線に略平行な２本の直線と、をさらに含む形状であり、
さらに、前記永久磁石の着磁方向が、前記磁石中心線に略平行方向であることを特徴とするモータである。

本発明によれば、各々の永久磁石の回転軸に対する垂直方向の断面が、磁石中心線を中心とする曲線と、曲線を挟み込むように曲線に接続する磁石中心線に垂直な２本の直線と、を含む形状であることから、永久磁石の加工精度を向上でき、モータの振動騒音を低減することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明に係るモータ１の断面を示す図である。

本発明に係るモータ１は、回転軸２と、回転軸２を中心に配置されるステータ１０と、ステータ１０の外側に僅かなエアギャップを介して配置されるロータ２０とを備える。

ステータ１０は、略環状のヨーク１１と、ヨーク１１の外周部に突出する複数のティース１２と、ティース１２に巻回されるコイル（図示しない）とを備える。

また、ロータ２０は、回転軸２に固定されてステータ１０に対し回転自在に配置されるロータフレーム２１と、ロータフレーム２１の表面にステータ１０と対向するように配置される複数の永久磁石２２とを備える。

図２は、永久磁石２２の回転軸２に対する垂直方向の断面を拡大して示す図である。

この永久磁石２２の回転軸２に対する垂直方向の断面は、磁石中心線Ａを中心として左右対称であって、磁石中心線Ａを中心とする曲線２２ａと、曲線２２ａを挟み込むように曲線２２ａに接続し、磁石中心線Ａに垂直な２本の直線２２ｂと、を含む形状である。すなわち、直線２２ｂは、磁石中心線Ａと垂直な直線Ｂ上に配置される。この永久磁石２２は、このような断面形状を有することから、トルク脈動を低減しながら、加工精度を向上させることができる。特に、この永久磁石２２がフェライト磁石のように、焼結後に研磨して最終形状を形成するような磁石の場合には、直線２２ｂが加工基準としての役割を果たし、特に加工精度を向上させることができる。

また、永久磁石２２の回転軸２に対する垂直方向の断面は、磁石中心線Ａに垂直な２本の直線２２ｂに接続する磁石中心線Ａに略平行な２本の直線２２ｃを含む形状であることが好ましい。このような断面形状を有すると、直線２２ｂまたは直線２２ｃ、もしくは、直線２２ｂおよび直線２２ｃが加工基準点とすることができる。そうすると、直線２２ｂと直線２２ｃとが略直交関係にあることから、さらに加工精度を向上させることができる。また、直線２２ｂと直線２２ｃとが略直交関係にあることから、永久磁石２２をロータフレーム２１に組み合わせる際に、簡易に位置決めを行うことができ、位置決め精度を向上させることができる。

また、本発明の永久磁石２２は、有効に誘起電圧を得ることができる点でも有益である。これについて、本発明の永久磁石２２と比較例１の永久磁石１２２とを比較して、説明する。

図３は本発明の永久磁石２２の断面を着磁方向とともに示す図であり、図４は比較例１としての永久磁石１２２の断面を着磁方向とともに示す図である。また、図５は、本発明の永久磁石２２を備えるモータと比較例１の永久磁石１２２を備えるモータとの誘起電圧を比較して示す図である。

比較例１の永久磁石１２２は、断面形状が直線２２ｂと略直交関係にある直線２２ｃを有する本発明の永久磁石２２に対し、断面形状が直線１２２ｂと直行関係にない直線１２２ｃを有する点で、本発明の永久磁石２２と相違する。

ここでは、本発明の永久磁石２２と比較例１の永久磁石１２２とは、ともにフェライト焼結磁石のような異方性磁石であるものとして、以下の比較を行うものとする。これは、本発明および比較例１に用いる永久磁石は、フェライト焼結磁石のような、異方性磁石であることが好ましいためである。つまり、異方性磁石を用いることにより、同一の方向に配向されているので、着磁機の性能に左右されることがなく、一様に着磁することができるためである。またフェライト磁石を用いることにより、安価でありながら、高度な磁気特性を有するので、一般に家庭用電気機器のモータ等に使用することができるためである。

図３および図４を参照して、本発明の永久磁石２２と比較例１の永久磁石１２２とを比較すると、比較例１の永久磁石１２２が本発明の永久磁石２２よりも図４におけるＸ部分だけ大きい。したがって、比較例１の永久磁石１２２はＸ部分に着磁される磁束分だけ、本発明の永久磁石２２よりも大きな磁力を有することになる。

しかしながら、異方性磁石の場合には、断面においては着磁方向が同一方向となる。したがって、比較例１の永久磁石１２２のＸ部分に着磁される磁束は、ティースに鎖交しないため、モータ全体としての高出力化への寄与は小さい。そして、図５からも分かるように、本発明の永久磁石２２を備えるモータと比較例１の永久磁石１２２を備えるモータとの誘起電圧はほぼ同一となっている。

以上から、永久磁石２２を異方性磁石とする場合には、断面形状を直線２２ｂと直線２２ｃとを直交させて比較例１の永久磁石１２２のＸ部分に相当する磁石体積を減少させたとしても、同等の誘起電圧を得ることができることがわかる。つまり、本発明の永久磁石２２であれば、磁石体積を低減することができ、コスト面でも有益である。

また、本発明の永久磁石２２は、ロータフレーム２１への極間部の磁束２３を低減する点でも有益である。これについて、本発明の永久磁石２２と比較例１の永久磁石１２２とを比較して説明する。

図６は本発明の永久磁石２２の断面をロータフレーム２１とともに示す図であり、図７は比較例１の永久磁石１２２の断面をロータフレーム１２１とともに示す図である。また、図８は、本発明の永久磁石２２のロータフレーム２１の極間部の磁束密度と比較例１の永久磁石１２２のロータフレーム１２１の極間部の磁束密度とを比較して示す図である。

図６および図７を参照して、本発明の永久磁石２２のロータフレーム２１への極間部の磁束２３は、比較例１の永久磁石１２２のロータフレーム１２１への極間部の磁束１２３と比較すると、比較例１の永久磁石１２２はその端部同士が密接に配置されているため、より極間部の磁束１２３の量が大きくなる。そして、図８からも分かるように、本発明の永久磁石２２によるロータフレーム２１への極間部の磁束２３の密度は、比較例１の永久磁石１２２によるロータフレーム１２１への極間部の磁束１２３の密度よりも小さくなる。

以上から、断面形状を直線２２ｂと直線２２ｃとを直交させて比較例１の永久磁石１２２のＸ部分に相当する磁石体積を減少させることにより、極間部の磁束を減少させることができ、磁石を有効に利用することができることがわかる。

また、図９は、本発明の永久磁石２２を設置したロータフレーム２１の磁気集中部に生じる鉄損と比較例１の永久磁石１２２を設置したロータフレーム１２１の磁気集中部に生じる鉄損とを、比較して示す図である。

この図９から、本発明の永久磁石２２を設置したロータフレーム２１の磁気集中部に生じる鉄損は、比較例１の永久磁石１２２を設置したロータフレーム１２１の磁気集中部に生じる鉄損よりも小さいことがわかる。これは、ロータフレーム２１への極間部の磁束２３を低減することができるために、ロータフレーム２１に生じる磁気飽和を低減することができるためであると考えられる。したがって、本発明の永久磁石２２の備えたモータは、ロータフレーム２１に生じる鉄損を低減することができ、磁石を有効に利用することができると言える。

次に、本発明の永久磁石２２を備えるモータのトルクリプルに与える影響について、比較例１および比較例２を用いて説明する。

図１０は、比較例２としての永久磁石２２２の断面を着磁方向とともに示す図である。また、図１１は、本発明の永久磁石２２を備えるモータ、比較例１の永久磁石１２２を備えるモータ、および、比較例２の永久磁石を備えるモータについて、電気角とコギングトルクとの関係を示す図である。なお、図１１において、本発明の永久磁石２２を備えるモータを実線、比較例１の永久磁石１２２を備えるモータを一点鎖線、比較例２の永久磁石を備えるモータを二点鎖線で示している。

ここで、比較例２の永久磁石２２２は、図１０に示すように、曲線２２２ａと磁石端部直線２２２ｃを有し、回転軸に対する垂直方向のステータに対向する断面が円弧形状で形成される磁石である。

図１１からわかるように、本発明の永久磁石２２を備えるモータは、比較例１の永久磁石１２２を備えるモータ、および、比較例２の永久磁石を備えるモータと比較して、コギングトルクが低減している。したがって、このコギングトルクにより生じるトルク脈動も、比較例１の永久磁石１２２を備えるモータ、および、比較例２の永久磁石を備えるモータよりも低減している。

図１２は、以上の結果をまとめた図であり、本発明の永久磁石２２を備えるモータ、比較例１の永久磁石１２２を備えるモータ、および、比較例２の永久磁石を備えるモータについて、誘起電圧、コギングトルク、および、極間部のロータフレームの磁束密度をそれぞれ比較して示す図である。

この図１２からわかるように、誘起電圧については、本発明の永久磁石２２を備えるモータと比較例１の永久磁石１２２を備えるモータとが、比較例２の永久磁石を備えるモータとほぼ同等の値となっている。つまり、本発明の永久磁石２２を備えるモータは、磁石体積を減少させながら、磁石を有効に利用することにより、比較例１の永久磁石１２２を備えるモータと同等の誘起電圧を得ることができる。

また、コギングトルクについて、本発明の永久磁石２２を備えるモータは、比較例１の永久磁石１２２を備えるモータおよび比較例２の永久磁石を備えるモータよりも低減している。

また、極間部のロータフレームの磁束密度については、本発明の永久磁石２２を備えるモータは、比較例１の永久磁石１２２を備えるモータおよび比較例２の永久磁石を備えるモータよりも低減している。これは、比較例１の永久磁石１２２のＸ部に相当する部分を切り取ることにより、切り取り部分に対応するロータフレームの磁束線がなくなり、極間部のロータフレームへの磁束の集中が緩和しているためであると考えられる。

なお、比較例１の永久磁石１２２を備えたモータが、本発明の永久磁石２２を備えたモータと同等の誘起電圧特性およびトルク特性とし、磁極間部のロータフレームの磁束密度を同等程度に低減するためには、ロータフレーム厚を約１．１６倍にしなければならない。つまり、本発明の永久磁石２２を備えることにより、モータを小型化することができるとともに、ロータフレームの材料使用量を低減することができる。

本発明に係るモータは、永久磁石の加工精度を向上でき、特に空調用ファンモータや電機洗濯機などの電気機器に用いられるモータ等として有用である。

本発明に係るモータ１の断面を示す図 永久磁石２２の回転軸２に対する垂直方向の断面を拡大して示す図 本発明の永久磁石２２の断面を着磁方向とともに示す図 比較例１としての永久磁石１２２の断面を着磁方向とともに示す図 本発明の永久磁石２２を備えるモータと比較例１の永久磁石１２２を備えるモータとの誘起電圧を比較して示す図 本発明の永久磁石２２の断面をロータフレーム２１および磁束２３とともに示す図 比較例１の永久磁石１２２の断面をロータフレーム１２１および磁束１２３とともに示す図 本発明の永久磁石２２のロータフレーム２１の極間部の磁束密度と比較例１の永久磁石１２２のロータフレーム１２１の極間部の磁束密度とを比較して示す図 本発明の永久磁石２２を設置したロータフレーム２１の磁気集中部に生じる鉄損と比較例１の永久磁石１２２を設置したロータフレーム１２１の磁気集中部に生じる鉄損とを、比較して示す図 比較例２としての永久磁石２２２の断面を着磁方向とともに示す図 本発明の永久磁石２２を備えるモータ、比較例１の永久磁石１２２を備えるモータ、および、比較例２の永久磁石を備えるモータについて、電気角とコギングトルクとの関係を示す図 本発明の永久磁石２２を備えるモータ、比較例１の永久磁石１２２を備えるモータ、および、比較例２の永久磁石を備えるモータについて、誘起電圧、コギングトルク、極間部のロータフレームの磁束密度をそれぞれ比較して示す図

１ モータ
２ 回転軸
１０ ステータ
１１ ヨーク
１２ ティース
２０ ロータ
２１ ロータフレーム
２２ 永久磁石
２３ 極間部の磁束
１２１ ロータフレーム
１２２ 永久磁石
１２３ 極間部の磁束

Claims (4)

1. ステータの外側に僅かなエアギャップを介して対向する面に複数の永久磁石が配置されるロータを有するモータにおいて、
   各々の前記永久磁石の回転軸に対する垂直方向の断面が、
   磁石中心線を中心として左右対称であり、
   磁石中心線を中心とする曲線と、
   前記曲線を挟み込むように前記曲線に接続する磁石中心線に垂直な２本の直線と、を含む形状であり、
   さらに、前記磁石中心線に垂直な２本の直線に接続する磁石中心線に略平行な２本の直線と、をさらに含む形状であり、
   さらに、前記永久磁石の着磁方向が、前記磁石中心線に略平行方向であることを特徴とするモータ。
2. 各々の前記永久磁石は、異方性磁石である請求項１に記載のモータ。
3. 各々の前記永久磁石は、フェライト磁石である請求項１に記載のモータ。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のモータを用いた電気機器。