JP2007159241A - ロータ及びモータ - Google Patents

Abstract

【課題】高トルク化を図ることができるロータを提供する。
【解決手段】ロータ１は、径方向に対して傾斜した方向に着磁された４種類の傾斜方向磁石４〜７と、周方向に着磁された２種類の周方向磁石８，９とによってハルバッハ配列とされる。各傾斜方向磁石４〜７の周方向幅は、周方向磁石８，９の周方向幅の半分に設定される。そして、傾斜方向磁石４〜７及び周方向磁石８，９における径方向幅がｔの場合、各傾斜方向磁石４〜７における着磁方向は径方向に対する傾斜角度θが、θ≦１１．５×ｌｎ（ｔ）＋１を満たすように設定される。更に、傾斜角度θは、θ＝｛１１．５×ｌｎ（ｔ）−９｝±２を満たすように設定される。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁石がハルバッハ配列とされたロータ及びモータに関するものである。

従来、ロータが備える磁石をハルバッハ配列としたモータがある（例えば、特許文献１参照）。このようなロータは、磁石の着磁方向が単に径方向のみではなく他の方向にも設定されることで磁束密度の分布を理想的なものとすることができ、そのロータを備えたモータの高トルク化を図ることが可能となる。
特開２００２−３５４７２１号公報

ところで、上記のようなロータとしては、磁石が、径方向に対して傾斜した方向に着磁された４種類の傾斜方向磁石と、周方向（詳しくは接線と平行な方向）に着磁された２種類の周方向磁石とされ、各傾斜方向磁石の周方向幅が周方向磁石の周方向幅の半分に設定されたものが考えられる（図１参照）。しかしながら、このようなロータについては、周方向磁石及び傾斜方向磁石における径方向幅（厚さ）ｔや、傾斜方向磁石における着磁方向（径方向に対する傾斜角度θ）を適切な値に設定しないと、逆にトルクが低下してしまうといった虞があった。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、高トルク化を図ることができるロータ及びモータを提供することにある。

請求項１に記載の発明では、径方向に対して傾斜した方向に着磁された４種類の傾斜方向磁石と、周方向に着磁された２種類の周方向磁石とによってハルバッハ配列とされ、各前記傾斜方向磁石の周方向幅が前記周方向磁石の周方向幅の半分に設定されたロータであって、前記傾斜方向磁石及び前記周方向磁石における径方向幅がｔの場合、各前記傾斜方向磁石における着磁方向は径方向に対する傾斜角度θが、θ≦１１．５×ｌｎ（ｔ）＋１を満たすように設定された。

同構成によれば、このロータを備えたモータのトルクを、傾斜方向磁石が単に径方向に着磁されたもの（前記傾斜角度が０°と同じ）とされた場合に比べて、ほぼ高くすることができる（図２及び図３参照）。言い換えると、傾斜角度に基づいて、傾斜方向磁石が単に径方向に着磁されたもの（前記傾斜角度が０°と同じ）とされた場合よりトルクが低下してしまうといったことが抑制される。

請求項２に記載の発明では、径方向に対して傾斜した方向に着磁された４種類の傾斜方向磁石と、周方向に着磁された２種類の周方向磁石とによってハルバッハ配列とされ、各前記傾斜方向磁石の周方向幅が前記周方向磁石の周方向幅の半分に設定されたロータであって、前記傾斜方向磁石及び前記周方向磁石における径方向幅がｔの場合、各前記傾斜方向磁石における着磁方向は径方向に対する傾斜角度θが、θ＝｛１１．５×ｌｎ（ｔ）−９｝±４を満たすように設定された。

同構成によれば、このロータを備えたモータのトルクを、最大値を含む高い範囲とすることができる（図２及び図３参照）。
請求項３に記載の発明では、径方向に対して傾斜した方向に着磁された４種類の傾斜方向磁石と、周方向に着磁された２種類の周方向磁石とによってハルバッハ配列とされ、各前記傾斜方向磁石の周方向幅が前記周方向磁石の周方向幅の半分に設定されたロータであって、前記傾斜方向磁石及び前記周方向磁石における径方向幅がｔの場合、各前記傾斜方向磁石における着磁方向は径方向に対する傾斜角度θが、θ＝｛１１．５×ｌｎ（ｔ）−９｝±２を満たすように設定された。

同構成によれば、このロータを備えたモータのトルクを、略最大値とすることができる（図２及び図３参照）。
請求項４に記載の発明では、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のロータにおいて、４種類の前記傾斜方向磁石と２種類の前記周方向磁石をそれぞれ３個ずつ備えた。

同構成によれば、４種類の傾斜方向磁石と２種類の周方向磁石をそれぞれ３個ずつ備えることから実験（図２及び図３参照）と同様のロータとなり、高い信頼性で請求項１乃至３のいずれか１項に記載の発明の効果を得ることができる。

請求項５に記載の発明では、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のロータと、巻線を有するステータとを備えたモータを要旨とする。
同構成によれば、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の発明の効果を得ることができる。

本発明によれば、高トルク化を図ることができるロータ及びモータを提供することができる。

以下、本発明を具体化した一実施の形態を図１〜図３に従って説明する。
モータは、図示しないステータと図１に示すロータ１とを備える。ステータは、略円筒状に形成され、径方向内側に延びる複数のティースと、それらティースに巻回された巻線とを備える。ステータは、その巻線に電源装置からの電源が供給されるとロータ１を回転させるための回転磁界を発生するように構成される。

ロータ１は、ステータの内側に回転可能に支持される。ロータ１は、回転軸２と、回転軸２が内嵌された略円筒状のロータコア３と、ロータコア３の外周にハルバッハ配列となるように固定された複数の傾斜方向磁石４〜７及び複数の周方向磁石８，９とを備える。

傾斜方向磁石４〜７は、径方向に対して（０°より大きく９０°より小さい角度で）傾斜した方向に着磁されている。又、傾斜方向磁石４〜７は、４種類であって、詳しくは、着磁方向が径方向外側斜め時計回り方向の第１の傾斜方向磁石４、着磁方向が径方向外側斜め反時計回り方向の第２の傾斜方向磁石５、着磁方向が径方向内側斜め反時計回り方向の第３の傾斜方向磁石６、及び着磁方向が径方向内側斜め時計回り方向の第４の傾斜方向磁石７の４種類がある。尚、各傾斜方向磁石４〜７における着磁方向は径方向に対する傾斜角度θ（０°より大きく９０°より小さい角度）が同じに設定されている。

周方向磁石８，９は、周方向（詳しくは接線と平行な方向）に着磁されている。又、周方向磁石８，９は、２種類であって、詳しくは、着磁方向が接線と平行で時計回り方向の第１の周方向磁石８、及び着磁方向が接線と平行で反時計回り方向の第２の周方向磁石９の２種類がある。尚、本実施の形態の各（第１〜第４の）傾斜方向磁石４〜７及び各（第１及び第２の）周方向磁石８，９は、それぞれ３個ずつ設けられている。

又、前記傾斜方向磁石４〜７の周方向幅は前記周方向磁石８，９の周方向幅の半分に設定されている。即ち、各（第１〜第４の）傾斜方向磁石４〜７の周方向幅は回転軸２を中心とした１５°に対応した幅とされ、各（第１及び第２の）周方向磁石８，９の周方向幅は回転軸２を中心とした３０°に対応した幅とされている。又、傾斜方向磁石４〜７と周方向磁石８，９における径方向幅（厚さ）ｔは同じ（一定）とされている。そして、各傾斜方向磁石４〜７及び各周方向磁石８，９は、第１の周方向磁石８、第１の傾斜方向磁石４、第２の傾斜方向磁石５、第２の周方向磁石９、第３の傾斜方向磁石６、第４の傾斜方向磁石７の順を３回繰り返すように（即ち全体で６極を構成するように）ロータコア３の外周に固定されている。尚、本実施の形態におけるロータ１の直径Ａは、４０ｍｍに設定されている。

ここで、上記のように構成されたモータのトルクを、図２に従って説明する。図２は、実験より得たものであって、傾斜方向磁石４〜７及び周方向磁石８，９の径方向幅ｔ毎の傾斜角度−トルク特性図である。図２に示すように、前記径方向幅ｔが１２ｍｍの場合、傾斜角度θが２０°（図中、白丸で図示）の状態でトルクが最大となる。又、径方向幅ｔが１２ｍｍの場合、傾斜角度θが３０°（図中、×印で図示）より小さい状態で、傾斜方向磁石４〜７が単に径方向に着磁されたもの（前記傾斜角度θが０°と同じ）とされた場合に比べて、トルクが高くなる。又、径方向幅ｔが８ｍｍの場合、傾斜角度θが１５°（図中、白丸で図示）の状態でトルクが最大となる。又、径方向幅ｔが８ｍｍの場合、傾斜角度θが２５°（図中、×印で図示）より小さい状態で、傾斜方向磁石４〜７が単に径方向に着磁されたもの（前記傾斜角度θが０°と同じ）とされた場合に比べて、トルクが高くなる。又、径方向幅ｔが４ｍｍの場合、傾斜角度θが５°（図中、白丸で図示）の状態でトルクが最大となる。又、径方向幅ｔが４ｍｍの場合、傾斜角度θが１７°（図中、×印で図示）より小さい状態で、傾斜方向磁石４〜７が単に径方向に着磁されたもの（前記傾斜角度θが０°と同じ）とされた場合に比べて、トルクが高くなる。又、径方向幅ｔが２ｍｍの場合、傾斜角度θが０°（図中、白丸で図示）の状態でトルクが最大となる。又、径方向幅ｔが２ｍｍの場合、傾斜角度θが１０°（図中、×印で図示）付近より小さい状態でトルクが略最大となる。尚、このことから、径方向幅ｔは２ｍｍより大きい方が好ましいことがわかる。

そして、上記実験結果より傾斜方向磁石４〜７が単に径方向に着磁されたもの（前記傾斜角度θが０°と同じ）とされた場合に比べて、トルクが高くなる、又はトルクが低下してしまうことが抑制される上限の点を図３に示す径方向幅−傾斜角度特性図に（図中、×印で）描き、それらの近似曲線Ｚ１の式を算出すると、
θ＝１１．５×ｌｎ（ｔ）＋１
となる。

そこで、本実施の形態では、傾斜方向磁石４〜７及び周方向磁石８，９における径方向幅がｔ［ｍｍ］の場合、各傾斜方向磁石４〜７における着磁方向は径方向に対する傾斜角度θが、
θ≦１１．５×ｌｎ（ｔ）＋１
を満たすように設定されている。

又、上記実験結果よりトルクが最大値となる点を図３に示す径方向幅−傾斜角度特性図に（図３中、白丸で）描き、それらの近似曲線Ｚ２の式を算出すると、
θ＝１１．５×ｌｎ（ｔ）−９
となる。又、この近似曲線Ｚ２から最も離れる点は、径方向幅ｔが４ｍｍの場合であって、近似曲線Ｚ２から２°離れている。

そこで、本実施の形態における前記傾斜角度θは、
θ＝｛１１．５×ｌｎ（ｔ）−９｝±２
を満たすように設定されている。尚、図３には、θ＝｛１１．５×ｌｎ（ｔ）−９｝±２を満たす範囲Ｚ３を一対の破線にて図示している。

次に、上記実施の形態の特徴的な作用効果を以下に記載する。
（１）傾斜方向磁石４〜７及び周方向磁石８，９における径方向幅がｔの場合、各傾斜方向磁石４〜７における着磁方向は径方向に対する傾斜角度θが、θ≦１１．５×ｌｎ（ｔ）＋１を満たすように設定される。よって、このロータ１を備えたモータのトルクを、傾斜方向磁石４〜７が単に径方向に着磁されたもの（前記傾斜角度θが０°と同じ）とされた場合に比べて、ほぼ高くすることができる（図２及び図３参照）。言い換えると、傾斜角度θに基づいて、傾斜方向磁石４〜７が単に径方向に着磁されたもの（前記傾斜角度θが０°と同じ）とされた場合よりトルクが低下してしまうといったことが抑制される。

（２）傾斜方向磁石４〜７及び周方向磁石８，９における径方向幅がｔの場合、各傾斜方向磁石４〜７における着磁方向は径方向に対する傾斜角度θが、θ＝｛１１．５×ｌｎ（ｔ）−９｝±２を満たすように設定される。よって、このロータ１を備えたモータのトルクを、略最大値とすることができる（図２及び図３参照）。

（３）４種類（第１〜第４）の傾斜方向磁石４〜７と２種類（第１及び第２の）の周方向磁石８，９とする６種類をそれぞれ３個ずつ備えることから実験（図２及び図３参照）と同様のロータ１となり、高い信頼性で上記効果（１）（２）を得ることができる。

上記実施の形態は、以下のように変更してもよい。
・上記実施の形態では、傾斜角度θがθ＝｛１１．５×ｌｎ（ｔ）−９｝±２を満たすように設定されるとしたが、これに限定されず、例えば、傾斜角度θがθ≦１１．５×ｌｎ（ｔ）＋１を満たし、θ＝｛１１．５×ｌｎ（ｔ）−９｝±２を満たさないように設定してもよい。このようにしても、上記実施の形態の効果（１）と同様の効果を得ることができる。

又、例えば、傾斜角度θが、θ＝｛１１．５×ｌｎ（ｔ）−９｝±４を満たすように設定してもよい。このようにしても、このロータを備えたモータのトルクを、最大値を含む高い範囲とすることができる（図２及び図３参照）。尚、図３には、θ＝｛１１．５×ｌｎ（ｔ）−９｝±４を満たす範囲Ｚ４を一対の２点鎖線にて図示している。

・上記実施の形態では、４種類（第１〜第４）の傾斜方向磁石４〜７と２種類（第１及び第２の）の周方向磁石８，９とする６種類をそれぞれ３個ずつ備えるとしたが、それぞれ他の数ずつ（即ち６種類の倍数であって３倍以外）備えるように変更してもよい。尚、勿論、この場合、傾斜方向磁石４〜７及び周方向磁石８，９の周方向幅を変更する必要がある。

・上記実施の形態では、ロータ１の直径Ａは、４０ｍｍに設定されるとしたが、これに限定されず、変更してもよい。

本実施の形態におけるロータの平面図。 傾斜角度−トルク特性図。 径方向幅−傾斜角度特性図。

符号の説明

１…ロータ、４〜７…傾斜方向磁石、８，９…周方向磁石、θ…傾斜角度、ｔ…径方向幅。

Claims (5)

1. 径方向に対して傾斜した方向に着磁された４種類の傾斜方向磁石と、周方向に着磁された２種類の周方向磁石とによってハルバッハ配列とされ、各前記傾斜方向磁石の周方向幅が前記周方向磁石の周方向幅の半分に設定されたロータであって、
   前記傾斜方向磁石及び前記周方向磁石における径方向幅がｔの場合、各前記傾斜方向磁石における着磁方向は径方向に対する傾斜角度θが、
   θ≦１１．５×ｌｎ（ｔ）＋１
   を満たすように設定されたことを特徴とするロータ。
2. 径方向に対して傾斜した方向に着磁された４種類の傾斜方向磁石と、周方向に着磁された２種類の周方向磁石とによってハルバッハ配列とされ、各前記傾斜方向磁石の周方向幅が前記周方向磁石の周方向幅の半分に設定されたロータであって、
   前記傾斜方向磁石及び前記周方向磁石における径方向幅がｔの場合、各前記傾斜方向磁石における着磁方向は径方向に対する傾斜角度θが、
   θ＝｛１１．５×ｌｎ（ｔ）−９｝±４
   を満たすように設定されたことを特徴とするロータ。
3. 径方向に対して傾斜した方向に着磁された４種類の傾斜方向磁石と、周方向に着磁された２種類の周方向磁石とによってハルバッハ配列とされ、各前記傾斜方向磁石の周方向幅が前記周方向磁石の周方向幅の半分に設定されたロータであって、
   前記傾斜方向磁石及び前記周方向磁石における径方向幅がｔの場合、各前記傾斜方向磁石における着磁方向は径方向に対する傾斜角度θが、
   θ＝｛１１．５×ｌｎ（ｔ）−９｝±２
   を満たすように設定されたことを特徴とするロータ。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載のロータにおいて、
   ４種類の前記傾斜方向磁石と２種類の前記周方向磁石をそれぞれ３個ずつ備えたことを特徴とするロータ。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載のロータと、
   巻線を有するステータとを備えたことを特徴とするモータ。

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