JP2000125533A

JP2000125533A - モータ

Info

Publication number: JP2000125533A
Application number: JP10288234A
Authority: JP
Inventors: Takashi Yamamoto; 貴史山本
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1998-10-09
Filing date: 1998-10-09
Publication date: 2000-04-28

Abstract

(57)【要約】【課題】永久磁石の磁石量が同一であっても、より大
きいトルクを発生し得るモータを提供すること。【解決手段】本発明のモータは、巻線１２を流れる励
磁電流により励磁される極歯を内周に備えたステータヨ
ーク１０と、永久磁石２１，３１及び４１と、同永久磁
石２１，３１及び４１を挟持するとともに外周に所定の
ピッチにて配置した複数の極歯を有する一対のロータ２
２，２３、３２，３３、及び４２，４３と、からなるロ
ータユニット２０，３０及び４０を備えている。ロータ
ユニット２０，３０及び４０は、各永久磁石２１，３１
及び４１の磁束の向きが隣接するロータユニット２０，
３０及び４０間で逆向きになるように連結されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ステータヨーク
と、このステータヨークと径方向にて対向配置された永
久磁石および同永久磁石を軸方向にて挟持するとともに
前記ステータヨークの複数の極歯と径方向にて対向する
複数の極歯を具備した一対の円環状磁性体のロータから
構成されるロータユニットと、を備える形式のモータに
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、上記形式のモータは、ステッ
ピングモータの分野においてハイブリッド型モータとし
て知られている。また、同形式のモータは、例えば特開
平６−１５３２４８号公報に開示されるように、励磁電
流を２相或は３相等の正弦波電流とすることにより通常
の同期電動機としても使用されている。

【０００３】上記モータの構造及び回転動作の原理につ
いて、同モータの断面図である図８と、図８のＡ−Ａ断
面である図９を参酌しつつ説明すると、同モータは円筒
形状のステータヨーク８０と、同ステータヨーク８０内
に配置されるロータユニット９０を有している。ステー
タヨーク８０の内周には巻線８１に流れる励磁電流によ
り励磁される極歯８２を備えた磁極８３が複数配設され
ている。ロータユニット９０は、永久磁石９１を挟持し
て磁化されるＮ極ロータ９２及びＳ極ロータ９３を備え
ていて、これらのロータ９２，２３の外周には所定ピッ
チにて極歯９４が形成されている。

【０００４】上記構成において、所定の磁極８３の巻線
８１へ励磁電流を流して同磁極８３を励磁すると、同磁
極の極歯８２と所定の位置関係にあるロータ９２（又は
ロータ９３）の極歯９４が磁気的な吸引力又は反発力を
受ける。これによりロータユニット９０は回転し、磁極
の極歯８２とロータの極歯９４との位置関係が変化す
る。このとき、変化した位置関係に応じて別の磁極８３
を励磁すると、ロータの極歯９４は新たな磁気的吸引力
又は反発力を受け、ロータユニット９０は更に回転す
る。このように、所定の励磁電流を所定の巻線８１に適
宜に付与することにより同モータは回転する。

【０００５】上記モータの回転トルク（発生トルク）
は、磁極の極歯８２とロータの極歯９４間における磁束
の大きさに比例した値となることが知られている。回転
トルクを増大するための磁束の増大は、磁極の極歯８２
とロータの極歯９４との間のエアギャップを小さくする
こと、或は励磁電流を大きくすること等によっても達成
されるが、エアギャップや励磁電流等の変更にも限界が
ある。従って、これらの変更と同時に、又はこれらを変
更することなく磁束を増大するには、永久磁石９１の起
磁力を増大することが一般に検討される。

【０００６】上記モータの永久磁石９１は図１１に示し
た円筒形状を有していて、その起磁力Ｅ及び内部の磁気
抵抗ｒは、磁石の断面積をＳｍ、磁石の長さ（磁石長）
をＬｍ、保持力をＨｃ、リコイル透磁率をμとしたと
き、下記の数１及び数２にて表される。

【０００７】

【数１】Ｅ＝Ｌｍ・Ｈｃ

【０００８】

【数２】ｒ＝Ｌｍ／（μ・Ｓｍ）上記数１から、永久磁石の材質を変更することなく同磁
石の起磁力Ｅを増大するためには磁石長Ｌｍを長くすれ
ばよいことが解る。なお、上記数２が示すように磁気抵
抗ｒは磁石の断面積Ｓｍに反比例することから、一般に
は、永久磁石の径はステータヨーク８０の内周側におい
て極力大きくなるように決定される。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】かかる磁石長Ｌｍの増
加による回転トルクの変化の様子を知るために上記従来
型モータの等価磁気回路を考えると、図１０に示した回
路が得られる。これから、磁束φについて下記数３が得
られる。

【００１０】

【数３】φ＝Ｅ／（Ｒｓ＋Ｒｎ＋ｒ）ここで、ＲｎはＮ極ロータ９２とステータヨーク８０間
のエアギャップの磁気抵抗、ＲｓはＳ極ロータ９３とス
テータヨーク８０間のエアギャップの磁気抵抗、ｒは永
久磁石９１の磁気抵抗である。なお、Ｒｎ及びＲｓは、
ロータの回転に応じて変化するため、ロータの回転角の
関数である。

【００１１】回転トルクＴは、励磁電流を一定とすると
磁束φに比例するので、Ｋｉを定数として下記数４が得
られる。

【００１２】

【数４】Ｔ＝Ｋｉ・φ＝Ｋｉ・Ｅ／（Ｒｓ＋Ｒｎ＋ｒ）上記数１、数２及び数４から、回転トルクＴは数５によ
り表される。

【００１３】

【数５】Ｔ＝Ｋｉ・Ｌｍ・Ｈｃ／｛Ｒｓ＋Ｒｎ＋Ｌｍ／
（μ・Ｓｍ）｝上記数１乃至数５から解るように、回転トルクＴを増大
するために永久磁石の磁石長Ｌｍを大きくした場合、同
時に永久磁石自身が有する磁気抵抗ｒも増大してしまう
ため、磁束φ（回転トルクＴ）は効果的に増大しない。
このため、永久磁石の磁石長Ｌｍを長くするという手段
によって大きい回転トルクを発生するモータを得ようと
すると、モータ構成部品の中でも高価である永久磁石を
多量に必要とし、結果としてモータが高価になるという
問題がある。

【００１４】従って、本発明の目的は、磁石長Ｌｍが同
一であっても（即ち、磁石量を増大することなく）、磁
束φを増大し得る新規な構造を採用することにより、安
価で且つ高トルクを発生し得る上記形式のモータを提供
することにある。

【００１５】

【発明の概要】本発明の第１の特徴は、ステータヨーク
と、このステータヨークと径方向にて対向配置された永
久磁石および同永久磁石を軸方向にて挟持するとともに
ステータヨークの複数の極歯と径方向にて対向する複数
の極歯を具備した一対の円環状磁性体のロータから構成
されるロータユニットと、を備える形式のモータにおい
て、そのロータユニットを複数個有し、且つ各ロータユ
ニットの備える永久磁石の磁束の向きが隣接するロータ
ユニット間で逆向きになるように同複数個のロータユニ
ットを軸方向に連結したことにある。かかる特徴を有す
るモータは、磁石量を増大することなしに高いトルクを
発生し得る。

【００１６】以下に、上記第１の特徴を有するモータの
発生トルクについて数式を用いて説明する。先ず、従来
型のモータとの比較を容易にするため、ステータヨーク
の内部にて３個のロータユニット２０、３０及び４０を
軸方向に連結した図２に示したモータについて検討す
る。なお、各永久磁石の磁石長Ｌｍ及び各ロータの軸方
向の長さは前述した従来型モータの１／３とする。

【００１７】このモータの等価磁気回路は図３に示した
ようになる。ここで、各永久磁石の起磁力Ｅ１は数１よ
りＥ／３、磁気抵抗ｒ１は数２よりｒ／３（磁石面積Ｓ
ｍは同一とする）、各Ｎ極ロータ２２，３３及び４２と
ステータヨーク１０間のエアギャップの磁気抵抗Ｒｎ
１、並びに各Ｓ極ロータ２３，３２及び４３とステータ
ヨーク１０間のエアギャップの磁気抵抗Ｒｓ１は、ロー
タ表面積に反比例することから、それぞれ３Ｒｎ、３Ｒ
ｓとなる。以上より、図３の磁気回路の回路方程式を立
て同方程式を解くと、図３の点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの磁束は
“０”となり、点Ｅ，Ｆ，Ｇにおける磁束（＝エアギャ
ップの磁束）は互いに等しく、これらの磁束φ３は数６
にて示される値となる。

【００１８】

【数６】 φ３＝（Ｅ／３）／（３Ｒｓ＋３Ｒｎ＋ｒ／３）モータの発生する回転トルクＴ３は、ロータユニット２
０，３０及び４０の各々が発生する回転トルクの和であ
るので、下記数７により示される。

【００１９】

【数７】Ｔ３＝３・Ｋｉ・φ３＝３・Ｋｉ・（Ｅ／３）
／（３Ｒｓ＋３Ｒｎ＋ｒ／３）数７と数４を比較すると、下記数８が成立するとき回転
トルクＴ３は回転トルクＴ以上となることが解る。即
ち、数８が成立するモータにおいては、永久磁石量が同
一であっても回転トルクは増大する。

【００２０】

【数８】ｒ／３＞Ｒｓ＋Ｒｎ一般に、ロータユニットがｎ個の上記特徴を有するモー
タの回転トルクＴ_n（磁束をφｎで表す）は、下記数９
で表される。

【００２１】

【数９】Ｔ_n＝ｎ・Ｋｉ・φｎ＝ｎ・Ｋｉ・（Ｅ／ｎ）
／（ｎＲｓ＋ｎＲｎ＋ｒ／ｎ）数９より、回転トルクＴｎを最大とするｎは、ｎ_maxと
して数１０で表される。

【００２２】

【数１０】ｎ_max＝｛ｒ／（Ｒｓ＋Ｒｎ）｝^1/2 従って、下記数１１が満足されればｎ_maxは１より大き
くなり、同一磁石量であってもロータユニットを複数個
に分割し、永久磁石の磁束の向きを逆方向として連結し
た方が回転トルクが上昇する場合があることが解る。

【００２３】

【数１１】ｒ／（Ｒｓ＋Ｒｎ）＞１例えば、ｎ＝２のときの回転トルクＴ２が、ｎ＝１のと
きの回転トルクＴ１よりも大きくなる条件を数９を用い
て求めると、数１２を得る。

【００２４】

【数１２】ｒ／２＞Ｒｓ＋Ｒｎ従って、数１２が成立するモータにおいては、同一磁石
量であってもロータユニットを２個に分割し、永久磁石
の磁束の向きを逆方向として連結した方が回転トルクが
上昇する。

【００２５】実際にモータを作成する場合には、数１０
の条件を満たすｎ_maxに対しｎ−１≦ｎ_max≦ｎを満たす
自然数ｎ及びｎ−１を用いて数９から回転トルクＴ_n，
Ｔ_n- ₁を求め、大きい回転トルクが得られる自然数ｎ又
はｎ−１の何れかを選択することによりロータユニット
の個数を決定する。なお、上記説明は、ステータヨーク
の内周にロータユニットを有するモータについてのもの
であるが、ステータヨークの外周にロータユニットを有
するモータにおいても等価磁気回路は同じであり、同様
に考えることができる。

【００２６】本発明の第２の特徴は、前記複数個のロー
タユニットの各永久磁石により同一極性に磁化される各
ロータの極歯が周方向にて相互にずれるように前記複数
のロータユニットを連結したことにある。

【００２７】第２の特徴によれば、励磁されたステータ
ヨークの極歯に対する各ロータユニットの極歯の位置関
係が異なっているため、各ロータユニットが最大の回転
トルクを発生する回転角度（タイミング）が相違し、こ
れによりモータのトルク変動を小さくすることができ
る。

【００２８】

【発明の実施の形態】図１に周方向の断面が、図２に図
１のＡ−Ａ断面（軸方向の断面）が示された本発明に係
るモータの第１実施形態について説明すると、同モータ
は円筒形状のステータヨーク１０と、同ステータヨーク
１０内に配置される３個（３組）のロータユニット２
０，３０及び４０を備えているステータヨーク１０の内
周には、モータの軸中心に向けて延びる１２個の磁極１
１が周方向において等間隔にて配設されている。各磁極
１１は、図４に詳細を示したように巻線１２が集中巻き
と呼ばれる方法で巻回されており、且つ内周側先端にて
等間隔に分岐して３個の極歯１３を形成している。

【００２９】各磁極１１の巻線１２と、同磁極１１に対
向する位置にある磁極１１の巻線１２は、同一の励磁電
流が付与されるように結線されていて（図示省略）、常
に同じ極性に励磁されるようになっている。また、各磁
極１１の巻線１２と、同磁極１１と９０度の中心角をな
す位置の磁極１１の巻線１２も、同一の励磁電流が付与
されるように結線されている（図示省略）。但し、９０
度の角度をなす位置の磁極１１は巻線１２が逆方向に巻
かれているため、同一励磁電流により極歯１３の作る磁
界の大きさは同一であるが、その向きが逆方向となるよ
うに構成されている。上記関係は、図１中においてＵに
対するＵ−、Ｖに対するＶ−、Ｗに対するＷ−として表
されている。

【００３０】ロータユニット２０は、図１１に示したよ
うな円筒形状の永久磁石２１（磁石長は便宜上Ｌｍ／３
とする。）と、同永久磁石２１を軸方向にて挟持するよ
うに配置される円筒形状の磁性体（鉄）であって永久磁
石２１により磁化されたＮ極ロータ２２及びＳ極ロータ
２３とから構成されていて、これらを貫通するとともに
軸受５１、５１を介してモータハウジング（図示省略）
に回転可能に軸支されたモータの回転軸５０に固定され
るようになっている。

【００３１】Ｎ極ロータ２２及びＳ極ロータ２３は、図
１及び図５に示したように外周に所定の等ピッチにて配
置された３８個の極歯２２ａ，２３ａをそれぞれ有して
いて、極歯２２ａと極歯２３ａは周方向において互いに
半ピッチだけ位置が異なるように組付けられている。即
ち、Ｎ極ロータ２２の任意の極歯２２ａと隣接する極歯
２２ａとが作る中心角をθ０とすれば、Ｓ極ロータ２３
は、その極歯２３ａがＮ極ロータ２２の極歯２２ａと中
心角θ０／２をなすように固定されている。また、Ｎ極
ロータ２２及びＳ極ロータ２３とステータヨーク１０の
極歯１３間のエアギャップの磁気抵抗をそれぞれ３Ｒ
ｎ、３Ｒｓとし、永久磁石２１の磁気抵抗をｒとすると
き、ｒ／３＞Ｒｓ＋Ｒｎが成立するように構成されてい
る。

【００３２】ロータユニット３０及び４０の各々は、構
造上はロータユニット２０と同一である。即ち、ロータ
ユニット３０は、永久磁石３１とこれを挟持するＳ極ロ
ータ３２とＮ極ロータ３３とからなり、ロータユニット
４０は、永久磁石４１とこれを挟持するＮ極ロータ４２
とＳ極ロータ４３とからなっている。

【００３３】図２に示したように、ロータユニット２０
及び３０は、モータの回転軸５０方向において各永久磁
石２１，３１の磁束が逆向きとなるように連結されてい
る。具体的には、各永久磁石２１，３１によりＳ極に磁
化されたＳ極ロータ２３，３２が各々の軸方向端面にお
いて接し、且つそれらの各極歯が周方向において一致す
るように（同位相となるように）連結されている。同様
に、ロータユニット３０及び４０は、各永久磁石３１，
４１の磁束が逆向きとなるように連結されていて、Ｎ極
ロータ３３，４２が各々の軸方向端面において接し、且
つそれらの各極歯が周方向において一致するように固定
されている。

【００３４】上記のように構成されたモータの各巻線１
２には、図６に示したようなＵ相、Ｖ相、Ｗ相からなる
所定の各速度ω（＝２πｆ；ｆは周波数）の３相交流が
励磁電流として付与されるようになっている。即ち、図
６中の記号Ｕ，Ｖ及びＷは、図１に示したＵ，Ｖ及びＷ
に対応していて、例えば図６に記号Ｕにて示した電流は
図１において記号Ｕ及びＵ−が付された磁極１１の巻線
１２中を流れるようになっている。係る励磁電流によ
り、所定の極歯２２ａ，２３ａが極歯１３から吸引力又
は反発力を受け、同モータは回転する。

【００３５】上記第１実施形態の等価磁気回路は、前述
したように、図３に示した回路となり、これから同モー
タが発生する回転トルクを求めると上記数７が得られ
る。従って、本モータは同一磁石量（磁石長がＬｍ＝３
・（Ｌｍ／３））を有しているがロータユニットが一つ
であり、Ｎ極ロータ及びＳ極ロータの軸方向長さが第１
実施形態の各ロータ（１個分）の長さの３倍である従来
型のモータの回転トルク（上記数４で示される）よりも
大きくなる。

【００３６】次に、本発明の第２実施形態について説明
すると、第２実施形態は各ロータユニット２０，３０及
び４０間に位相差を設けている点においてのみ、第１実
施形態と異なっている。即ち、図７に示したように、ロ
ータユニット２０のＮ極ロータの極歯２２ａは、隣接し
たロータユニット３０のＮ極ロータの極歯３３ａよりも
中心角θ１だけ進み側となり、ロータユニット４０のＮ
極ロータの極歯４２ａは隣接したロータユニット３０の
Ｎ極ロータの極歯３３ａより中心角θ２（ここでは、θ
１＝θ２としてある）だけ遅れ側となるように、各ロー
タユニット２０，３０及び４０が連結されている。

【００３７】なお、第１実施形態と同様に、各ロータユ
ニット２０，３０及び４０におけるＮ極ロータ２２，３
３及び４２の極歯とＳ極ロータ２３，３２及び４３の極
歯は、中心角θ０／２だけ位相差を有している。

【００３８】この第２実施形態によれば、各ロータユニ
ット２０，３０及び４０が異なる回転角度において最大
の回転トルクを発生するので、第１実施形態よりもトル
ク変動を小さくすることができる。即ち、第２実施形態
は、ＤＣモータの分野においてスキューとして知られる
トルクリップル低減効果と同様な効果を奏する。なお、
上記においては角度θ１とθ２を同一の角度としたが、
角度θ１と角度θ２を異なる値とすることもできる。但
し、各ロータユニット２０，３０及び４０が逆向きの回
転トルクを発生しないような角度に選定しておく必要が
ある。加えて、角度θ１，θ２を大きくするに従い最大
トルクが低下するので、トルク変動と最大トルクとのバ
ランスを考慮しつつ同角度θ１，θ２を決定するとよ
い。

【００３９】以上説明したように、本発明の実施形態
は、励磁電流により励磁される複数の極歯を内周に備え
たステータヨークと、前記ステータヨークの内部に配設
される永久磁石と同永久磁石を軸方向にて挟持するとと
もに外周に所定のピッチにて配置した複数の極歯を有す
る一対の円環状磁性体のロータとから構成されるロータ
ユニットと、を備える形式のモータにおいて、前記ステ
ータヨーク内に前記ロータユニットを複数個有し、且つ
各ロータユニットの備える前記永久磁石の磁束の向きが
隣接するロータユニット間で逆向きになるように前記複
数個のロータユニットを軸方向に連結した構成を有す
る。

【００４０】これにより、同モータは、同一の永久磁石
量でより大きい回転トルクを発生することができる。換
言すれば、同モータは同一の回転トルクをより少ない磁
石量で発生することができる。従って、高価な永久磁石
の量を少なくできるので、安価なモータとなる。また、
第２実施形態のモータは、トルク変動を抑制することが
できる。

【００４１】なお、上記第１実施形態において連結され
るロータユニット２０，３０及び４０は全て同一構造で
あるので、同ロータユニットを多数生産しておき、必要
とされる回転トルクに応じた長さのステータヨークを準
備して、これに所定個数のロータユニットを組込むこと
により、種々の回転トルクを発生するモータを生産する
ことも可能となる。これによれば、同一ロータユニット
の量産によるコスト低減が図られるので、モータ全体の
コスト低減を図ることも可能となる。

【００４２】更に、上記第１実施形態においては、隣接
するロータが別体のものとして構成されていたが、一体
のものとして構成することもできる。また、第１，第２
実施形態においては連結されるロータユニットの数は３
個であったが、ロータユニットの個数はこれに限られな
い。即ち、連結すべきロータユニットの個数は、モータ
に要求されるトルクや永久磁石の磁気抵抗及びロータと
ステータヨーク間のエアギャップにおける磁気抵抗等に
応じて決定すればよい。

【００４３】また、本発明は、例えばステッピングモー
タにも適用可能であることに代表されるように、モータ
の励磁電流、巻線の巻き方、及び磁極及び極歯の個数等
が如何なるモータに対しても適用され得るものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態の断面図である。

【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。

【図３】図１及び図２に示したモータの等価磁気回路
である。

【図４】図１及び図２に示したモータの磁極の拡大図
である。

【図５】図１及び図２に示したモータのロータユニッ
トの斜視図である。

【図６】図１及び図２に示したモータの励磁電流を示
すタイムチャートである。

【図７】本発明の第２実施形態の各ロータの位相関係
を示す図である。

【図８】従来のモータの断面図である。

【図９】図８のＡ−Ａ断面図である。

【図１０】図８に示したモータの等価磁気回路であ
る。

【図１１】図２及び図９に示した永久磁石の斜視図で
ある。

【符号の説明】

１０…ステータヨーク、１１…磁極、１２…巻線、１３
…極歯、２０…ロータユニット、２１，３１，４１…永
久磁石、２２，３３，４２…Ｎ極ロータ、２３，３２，
４３…Ｓ極ロータ、５０…回転軸、５１…軸受。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】励磁電流により励磁される複数の極歯を周
方向に備えたステータヨークと、前記ステータヨークと
径方向にて対向して配設される永久磁石と同永久磁石を
軸方向にて挟持するとともに前記複数の極歯と径方向に
て対向する複数の極歯を具備した一対の円環状磁性体の
ロータとから構成されるロータユニットと、を備える形
式のモータにおいて、前記ロータユニットを複数個有し、且つ各ロータユニッ
トの備える前記永久磁石の磁束の向きが隣接するロータ
ユニット間で逆向きになるように前記複数個のロータユ
ニットを軸方向に連結したことを特徴とするモータ。
【請求項２】前記複数個のロータユニットの前記各永久
磁石により同一極性に磁化される各ロータの極歯が周方
向にて相互にずれるように前記複数のロータユニットを
連結したことを特徴とする請求項１に記載のモータ。