JP2004088908A

JP2004088908A - マグネット内装型ロータおよびそれを用いたブラシレスモータ

Info

Publication number: JP2004088908A
Application number: JP2002246518A
Authority: JP
Inventors: Koichi Kinashi; 木梨　好一
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-08-27
Filing date: 2002-08-27
Publication date: 2004-03-18
Anticipated expiration: 2022-08-27
Also published as: JP4154957B2

Abstract

【課題】高速領域でマグネットの飛散がなく、小型、高効率で低価格を実現できるブラシレスモータを提供することを目的とする。
【解決手段】マグネット内装型ロータ１１は、ロータコア１２、マグネット１３、回転軸１４で構成され、１０個のロータコア１２を環状に接合してできる各孔部１２ｃに、直方体のマグネット１３を極性が交互になるように装着して、ロータコア１２とマグネット１３とを回転軸１４を基準にして接着により一体化する。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マグネット内装型ブラシレスモータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、産業用機器の駆動源は、メンテナンスフリーの面からブラシレスモータが主流になってきている。このブラシレスモータには、小型、高効率、低価格が求められており、広い回転領域で使用される。
【０００３】
例えば、半導体ウエハーを高速で回転させるスピンナー用のブラシレスモータ（サーボモータ）は、起動時には大トルク、起動後は高速回転領域で使用される。
【０００４】
このため、ブラシレスモータのロータ表面に固着したマグネットは、高速回転領域における遠心力で飛散する可能性があり、マグネット表面を非磁性の薄いカバーで覆いマグネットの飛散を防止していた。回転速度がさらに高くなるとカバーの厚みを増やして機械的強度を大きくするが、今度はマグネットとステータコアの空隙が大きくなってマグネットの磁束を有効に利用することができず、かつ、カバーのうず電流損が増大し、モータ効率を低下させていた。
【０００５】
そこで、ロータはコアを積層しコアにマグネットを埋め込んだマグネット内装型モータが提案され、マグネットの飛散およびうず電流損の増大を防止している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、マグネットを埋め込んだマグネット内装型モータは、マグネットの飛散防止には特に有効であるが、マグネット磁束がロータ極間で漏れやすく、マグネットをロータ表面に固着したマグネット外装型モータに比べて、モータ効率が低下するという問題があった。
【０００７】
また、ロータイナーシャが小さく制御性のよいインナーロータ型のブラシレスモータにおいて、大出力を得るためにモータ径を大きくすると、ステータコア径が大きくなり、ステータコアを製作する金型や設備が大型化するという問題があった。これに対して、ステータコアを円周方向に分割したものが提案され、磁極ティースごとに高密度巻線を施すことで金型の小型化を図り、かつモータ高効率を達成している。
【０００８】
一方、ロータも同様に大出力化において、ロータコアを製作する金型や設備が大型化する。ここで、ロータコアを分割すれば材料取りは良くなり、金型と設備も小型化できる。しかしながら、分割したロータコアを復元・一体化するときの剛性に問題があり、実用化されていなかった。
【０００９】
本発明は上記従来の問題を解決するもので、高速領域でマグネットの飛散がなく、小型、高効率で低価格を実現できるブラシレスモータを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために本発明のマグネット内装型ロータは、円周方向に分割したロータコアと、複数個のマグネットとを備え、前記ロータコアは両分割面に切欠部を備え、環状接合したとき前記切欠部によってできる孔部に、前記マグネットを極性が交互になるように固着したものであり、ロータコアに方向性電気鉄板を用いたものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
上記の課題を解決するため請求項１に記載のマグネット内装型ロータは、円周方向に分割したロータコアと、複数個のマグネットとを備え、前記ロータコアは両分割面に切欠部を備え、環状接合したとき前記切欠部によってできる孔部に、前記マグネットを極性が交互になるように固着したもので、マグネットが分割部を跨ぐためロータコアの連結が強固となり、マグネットの飛散を防止できる。また、ロータコアの材料取りがよく、金型と設備も小型化でき外径の大きなロータを安価に製造できる。
【００１２】
また、請求項２に記載のマグネット内装型ロータは、孔部形状は概ね台形で、孔部間のロータコア形状は略平行で薄肉となるように切欠部を設け、各孔部に直方体のマグネットを装着したもので、マグネットの漏れ磁束を少なくし、有効利用できるとともに、直方体のマグネットを用いることで、より安価に構成できる。
【００１３】
また、請求項３に記載のマグネット内装型ロータは、マグネットの円周方向中央部がロータコア分割面に対して直交せず傾斜した角度で装着しているため、より強固にロータコアとマグネットが固着される。
【００１４】
また、請求項４に記載のマグネット内装型ロータは、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のロータコアに方向性電気鉄板を用いたもので、磁束が通り易い電気鉄板の圧延方向とマグネットの主磁束の方向を近づけるようにロータコアを分割形成することで、主磁束を有効に利用でき高効率を実現できる。
【００１５】
また、請求項５および請求項６は、上記のマグネット内装型ロータを搭載したインナーロータ型のブラシレスモータであり、円周方向に１２分割し、磁極ティースごとに巻線したステータを備えたもので、分割ロータと分割ステータと組み合わせることで、大型ブラシレスモータが安価に得られる。特に、ロータ極数を１０、ステータの磁極ティース数を１２に設定すると、巻線係数が大きく、コギングトルクを小さくできる。これにより、安価で高効率，高性能のブラシレスモータを得ることができる。
【００１６】
さらに、上記のブラシレスモータを高速駆動する産業用機器に搭載すれば、高効率でマグネットの飛散もない信頼性の高い機器を提供できる。
【００１７】
【実施例】
以下、本発明の一実施例について、図を参照して説明する。
【００１８】
（実施例１）
図１（ａ）において、マグネット内装型ロータ１１は、周方向に等分割したロータコア１２、略直方体のマグネット１３、回転軸１４で構成されており、隣り合うマグネット１３は極性が交互に異なるように装着している。
【００１９】
ロータコア１２は、図１（ｂ）に示すように円周方向の分割面１２ａの両側に切欠部１２ｂを設けており、ロータコア１２を環状に接合したとき、隣り合う切欠部１２ｂ同志で概ね台形状の孔部１２ｃを形成する。このため、切欠部１２ｂ間のロータコア形状を略平行な薄肉にする。
【００２０】
このロータコア１２は、本来のロータ鉄心を円周方向に１０等分した１つのコア形状をプレス加工して所定寸法だけ積層しており、材料として方向性電気鉄板を用いる。その圧延方向を矢印で示す。
【００２１】
そして、１０個のロータコア１２を環状に接合してできる１０個の孔部１２ｃにマグネット１３を装着する。このマグネット１３は内外周方向に着磁しており、隣り合うマグネット１３の極性が異なるように装着する。さらに、回転軸１４とロータコア外周を基準にして、接着剤によりロータコア１２、マグネット１３、回転軸１４を一体化する。
【００２２】
これにより、略直方体のマグネット１３は分割したロータコア１２を跨ぐ形となり、ロータコア１２を強固に連結できるとともに、マグネットの飛散を防止できる。
【００２３】
（実施例２）
図２（ａ）は実施例２におけるロータ断面図、図２（ｂ）はその要部拡大図であり、実施例１との違いを図２（ｂ）において説明する。
【００２４】
相違点は、マグネットの円周方向中央部１３ａがロータ分割面１２ａに対する角度αは直交せず、傾斜して装着されていることである。これにより、全てのマグネットおよび分割したロータコアが一斉にラジアル方向に飛散しようとした場合などにおいても、マグネット１３とコア切欠部１２ｂが干渉（引っかかり）し、より強固にロータ１１を連結することができる。
【００２５】
次に、方向性電気鉄板とロータコアの分割の関係について説明するが、その前に方向性電気鉄板と無方向性電気鉄板の角度依存性について比較説明する。
【００２６】
図３（ａ）は、ある磁化力の時の圧延方向からの角度と磁束密度の関係を示しており、方向性電気鉄板は、磁束密度の最大が圧延方向と同じ０°で、最小は圧延方向からの角度が９０°ではなく６０°付近である。そして、角度による磁束密度の差が大きい。一方、無方向性電気鉄板は、磁束密度の最大が圧延方向と同じ０°で、最小は圧延方向からの角度が９０°であり、僅かに方向性を有しているがその差は小さい。
【００２７】
図３（ｂ）は、圧延方向からの角度と鉄損の関係を示しており、方向性電気鉄板は、鉄損の最小が圧延方向と同じ０°で、最大は圧延方向からの角度が９０°ではなく７０°付近である。また角度による鉄損の差が大きい。一方、無方向性電気鉄板は、鉄損の最小が圧延方向と同じ０°で、最大は圧延方向からの角度が９０°で、僅かに方向性を有しているがその差は小さい。
【００２８】
このように、無方向性電気鉄板は僅かに方向性を有しているが、磁路への影響が少ないことからコアの材料取りに対して配慮が不要であり、一般的にステータコアやロータコアに用いられていた。
【００２９】
しかしながら、本願発明のマグネット内装型ロータのように磁路形成の条件によっては、積極的に方向性電気鉄板を使用した方が磁束を有効に利用でき、鉄損も小さいため高効率を実現できることが判った。
【００３０】
つまり、方向性電気鉄板を用い、圧延方向からの角度で概ね３０°の範囲（斜線部）内に主磁束が通るようにロータコアを形成すればよい。
【００３１】
また、マグネット内装型ロータでは、隣り合う異極に対して磁気漏れ対策を講じる必要があるが、本願発明のマグネット内装型ロータのように方向性電気鉄板を用いてロータコアを分割すれば磁気漏れも改善できる。
【００３２】
マグネットの主磁束の利用および磁気漏れの改善について、図１（ｂ）の円周方向に１０分割したロータコアを用いて説明する。
【００３３】
ロータコア１２を図１（ｂ）のように１０分割すると、マグネット１３の主磁束の方向は、両極とも方向性電気鉄板の圧延方向から１８°ずれることになるが、上述したように圧延方向から３０°の範囲内なので、無方向性電気鉄板より磁束を有効に利用できる。同様に鉄損も小さくできる。
【００３４】
次に、隣り合う異極間の漏れ磁束について説明する。漏れ磁束は、主磁束に対してほぼ９０°の方向で、圧延方向に対しては７２°である。この７２°は図３（ａ）では無方向性電気鉄板よりも磁束を通しにくいため、磁束漏れの観点からすれば極めて好都合である。
【００３５】
このように、ロータコアに方向性電気鉄板を用いた分割構造であり、主磁束を有効利用し、漏れ磁束を小さくできるので高効率を実現できる。
【００３６】
また、ロータコアの分割部にマグネットを介在させることでロータコアを強固に連結できるとともに、マグネットの飛散を防止できる。
【００３７】
また、ロータコアを円周方向に分割するので、大きなマグネット内装型ロータであっても金型および設備を小型化できる。
【００３８】
さらに、マグネット形状を直方体にすることで、ネオジ−鉄系マグネットなどの焼結後の外形研削加工が容易となり、安価に入手できる。
【００３９】
（実施例３）
実施例３は、実施例１あるいは実施例２のマグネット内装型ロータを搭載したブラシレスモータである（図示せず）。
【００４０】
このブラシレスモータのステータは、無方向性電気鉄板を用いたステータコアを円周方向に１２分割し、磁極ティースごとに集中巻線を施した後、１２個を環状に接合する。そして、各同相の巻線は２連続する磁極ティース間で巻装方向を逆にして直列接続するとともに、１８０°離れた同相は逆方向に巻装する。１８０°離れた同相は要求されるモータ特性に応じて並列あるいは直列に接続して、最後に３相をＹ結線する。
【００４１】
このステータの両端部に軸受を備えたブラケットを配設し、ステータ内周とロータ外周間のギャップを確保して、ロータを回転自在に保持する。
【００４２】
このように実施例１あるいは実施例２で説明したマグネット内装型ロータを用いれば、マグネット主磁束を有効利用できるとともに漏れ磁束を小さくでき、高効率のブラシレスモータを得ることができる。
【００４３】
また、このブラシレスモータは、高速駆動においてロータマグネットの飛散を防止できるので、半導体装置のスピンナー駆動や工作機械のスピンドル駆動などの高速駆動源に利用できる。
【００４４】
また、マグネット内装型ロータの極数を１０、ステータの磁極ティース数を１２に設定することで、巻線係数を大きくできるとともに、コギングトルクを小さくできる。
【００４５】
さらに、ロータおよびステータを分割することで、金型および設備を小型できるとともに、ブラシレスモータの大出力化を安価に実現できる。
【００４６】
なお、上記の実施例では１０分割（１０極）のマグネット内装型ロータで説明したが、１０極に限定するものではなく、主磁束の有効利用を考慮すれば６分割以上であれば方向性電気鉄板を利用できる。また、隣り合う磁極への漏れ磁束も考慮すれば８分割から１２分割が好ましい。
【００４７】
また、分割したステータとの組合せについても、１２極に限定するものではなく、分割の有無およびステータ極数は、モータの外径や要求性能によって適宜決定される。
【００４８】
【発明の効果】
上記の実施例から明らかなように、請求項１に記載の発明によれば、分割構造でありながら、マグネットが分割部を跨ぐため強固にロータコアを強固に連結できる。また、マグネット内装構造なのでマグネットの飛散を防止できる。また、分割構造であり外径の大きなロータを安価に製造できる。
【００４９】
また、請求項２に記載の発明によれば、マグネット磁束を有効利用できるとともに、ロータコアの分割およびマグネット形状を略直方体にすることで、マグネット内装型ロータを安価に構成できる。
【００５０】
また、請求項３に記載の発明によれば、マグネットの円周方向中央部をロータ分割面に対して直交させず傾斜させるため、より強固にロータを連結することができる。
【００５１】
また、請求項４に記載の発明によれば、方向性電気鉄板の磁気が通り易い方向とマグネットの主磁束の方向を近づけるようにロータコアを形成することで、漏れ磁束を少なくするとともに主磁束を有効利用できるので高効率を実現できる。
【００５２】
さらに、請求項５および請求項６に記載の発明によれば、分割ロータと分割ステータと組み合わせることで、大型ブラシレスモータが安価に得られる。特に、ロータ極数を１０、ステータの磁極ティース数を１２に設定すると、巻線係数を大きく、コギングトルクを小さくできる。したがって、安価で高効率のブラシレスモータを得ることができる。
【００５３】
このように、高効率でマグネットの飛散がない信頼性の高いブラシレスモータが得られるので、高速駆動する産業用機器に搭載できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）本発明の実施例１におけるロータの断面図
（ｂ）本発明の実施例１における要部拡大図
【図２】（ａ）本発明の実施例２におけるロータの断面図
（ｂ）本発明の実施例２における要部拡大図
【図３】（ａ）方向性電気鉄板の圧延方向からの角度と磁束密度の説明図
（ｂ）方向性電気鉄板の圧延方向からの角度と鉄損の説明図
【符号の説明】
１１マグネット内装型ロータ
１２　ロータコア
１２ａ　分割面
１２ｂ　切欠部
１２ｃ　孔部
１３　マグネット
１３ａ　円周方向中央部

Claims

円周方向に分割したロータコアと、複数個のマグネットとを備え、前記ロータコアは両分割面に切欠部を備え、環状接合したとき前記切欠部によってできる孔部に、前記マグネットを極性が交互になるように固着したマグネット内装型ロータ。
孔部形状は概ね台形で、孔部間のロータコア形状は略平行で薄肉となるように切欠部を設け、各孔部に直方体のマグネットを装着した請求項１に記載のマグネット内装型ロータ。
マグネットの円周方向中央部がロータコア分割面に対して直交せず傾斜した角度で装着した請求項１または請求項２に記載のマグネット内装型ロータ。
ロータコアに方向性電気鉄板を用いた請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のマグネット内装型ロータ。
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のマグネット内装型ロータを搭載したインナーロータ型のブラシレスモータ。
円周方向に１２分割し、磁極ティースごとに巻線したステータを備えた請求項５に記載のブラシレスモータ。
請求項５または請求項６に記載のブラシレスモータを搭載して高速駆動する産業用機器。