JP2009278768A - アウターロータ型ブラシレスモータ - Google Patents

Abstract

【課題】ロータの剛性を確保しつつ、コギングトルクの低下を図り、異音の発生を抑えるアウターロータ型ブラシレスモータを提供する。
【解決手段】略円環形状に形成されたステータ本体３と、ステータ本体３の外周から半径方向外側に突出した３ｎ（ｎは正の整数）個の突極４とを有するステータと、略有底円筒形状に形成されたロータヨークと、同心板状であり断面円弧形状に形成され、ロータヨークの円筒部８ｃの内周に取り付けられた２ｎ個のマグネットとを有し、円筒部８ｃが突極４の半径方向外側に配置され、かつ、ステータに対し回転自在に配置されたロータと、突極４のそれぞれに巻装されたコイル６とを備えたアウターロータ型ブラシレスモータ１において、マグネットは、異なる極性の磁極に周方向分割着磁され、隣接する２つのマグネットは、同極の磁極が隣り合うよう配置されている。
【選択図】図２

Description

この発明は、アウターロータ型ブラシレスモータに関するものである。

アウターロータ型ブラシレスモータは、略円環形状に形成されたステータ本体と、ステータ本体の外周から半径方向外側に突出した複数の突極とを有するステータと、略有底円筒形状に形成されたロータヨークと、ロータヨークの円筒部の内周に周方向にＮ極、Ｓ極、・・・の順に取付られた複数のマグネットとを有し、ステータの外側に回転自在に配置されたロータとを備える。また、前記突極のそれぞれには、コイルが巻装されているとともに、ロータには出力軸が取り付けられている。

このアウターロータ型ブラシレスモータのように、マグネットをステータまたはロータに配置したモータでは、コイルに電流を通電しない状態において、いわゆるコギングトルクが発生する。以下、図９および図１０を用いてコギングトルクの発生について説明する。図９は、アウターロータ型ブラシレスモータの横断面図であり、図１０は、図９にてＭにて示す部分の拡大図である。

図１０に示すように、マグネット９０、９０の間に形成された隙間部Ｃと、ステータの突極４０、４０の間に形成されたスリットＳｌとが、正対位置から若干ずれ、かつ、隙間部ＣとスリットＳｌとが近接した位置に配置されると、マグネット９０、９０から突極４０、４０に対し、軸心からの放射方向に対し若干傾いた磁束線が流れる。同図において磁束線は、放射方向に対し反時計方向に若干傾いている。

このとき磁気エネルギを最小にしようとする自然法則により、磁気エネルギを最小にするため、磁束線の長さを最短にするべく作用する吸引力が、マグネット９０、９０と突極４０、４０との間に生ずる。上述のように、この位置において、磁束線は、放射方向に対し反時計方向に若干傾いているため、マグネット９０、９０と突極４０、４０との間に生ずる吸引力も放射方向に対し反時計方向に若干傾いている。

そのため、このときの吸引力は、径方向吸引力と周方向吸引力との合力としてそれぞれに分離して捉えることができ、マグネット９０、９０と突極４０、４０との間には、径方向吸引力と周方向吸引力とがそれぞれ作用する。このときロータ７０に作用する径方向吸引力により、され、ロータ７０には、時計方向に吸引されるトルクが生じる。

上述のロータ７０に作用する径方向吸引力は、マグネット９０、９０と突極４０、４０の位置関係により、時計方向または反時計方向となる。すなわち、図１０のように隙間部ＣとスリットＳｌが反時計方向に若干ずれている場合には、ロータ７０に作用する径方向吸引力は時計方向となり、一方、隙間部ＣとスリットＳｌが時計方向に若干ずれている場合には、ロータ７０に作用する径方向吸引力は反時計方向となる。

このように、マグネット９０、９０と突極４０、４０の位置関係により、時計方向または反時計方向に作用する径方向吸力により、ロータ７０を外部から一の方向に回転させた場合、この吸引トルクが一の方向と同じ方向に作用する位置では、ロータには吸引され、吸引トルクが一の方向と反対の方向に作用する位置では、ロータは離反される。このように、ロータを外部から一の方向に回転させた場合、ロータには吸引および離反のトルクが作用する。このようにロータに作用するこれらのトルクの変動により、コギングトルクとコギングトルクＴｑが生じる。

このコギングトルクＴｑは、コイルに電流を通電し、ロータを電磁力により回転させた場合にも生じている。そして、このコギングトルクがロータ駆動時の回転トルクの変動であるトルクリップルの一因となる。そのため、コギングトルクが大きいと、その結果としてトルクリップルも大きくなってしまう。

ここで、アウターロータ型ブラシレスモータにおいてロータの回転トルクが一定であれば、ロータは自励振動されにくく、ロータの自励振動に基づくロータからの異音の発生を防止することができる。しかしながら、ロータの回転トルクの変動であるトルクリップルが大きいと、そのトルク変動により、ロータが自励振動され、この振動がロータからの異音の発生原因となる。このとき、そのトルク変動の周期と、ロータの固有振動数が近接してしまうと、ロータは共振し、モータから音圧の大きい異音が発生してしまう。

アウターロータ型ブラシレスモータを、例えば、エアコンのブロアファン用として自動車の車内に搭載する場合には、乗員とモータの距離が近く、モータから発する異音の低減が求められる。ことのき、音振対策のためのモータから生じる異音を遮る手段をモータの周辺に設けることも考えられるが、コストアップ等の課題が生じる。そのため、異音の要因であるトルクリップルに含まれるコギングトルクを低下する手段が求められる。

そこで、例えば、特許文献１では、マグネットの周方向両端部の厚さを中央部よりも薄くしたいわゆる偏芯マグネットを用いている。このように偏芯マグネットを用いることで、隣接するマグネット間に形成される隙間部と、隣接するステータ突極間に形成されるスリットとが近接するときに生じる、マグネットとステータ突極間の磁束線の磁束量を小さくすることとしている。そして、マグネットとステータ突極間の磁束線の磁束量を小さくすることにより、コギングトルクの低下を図っている。
特開２００４−２７５１０６号公報

しかしながら、特許文献１の従来技術にあっては、偏芯マグネットを用い、マグネットの周方向両端部の厚さを中央部よりも薄くしたため、マグネットの周方向両端部付近のロータの剛性が低下し、ロータが振動しやすい構造となっている。そのため、コギングトルクの低下は図れるとしても、ロータでの異音が生じやすいという課題がある。

そこで、本発明の目的は、ロータの剛性を確保しつつ、コギングトルクの低下を図り、異音の発生を抑えるアウタロータ型ブラシレスモータを提供するものである。

上記の課題を解決するために、本発明の請求項１のアウターロータ型ブラシレスモータは、略円環形状に形成されたステータ本体と、前記ステータ本体の外周から半径方向外側に突出した３ｎ（ｎは正の整数）個の突極とを有するステータと、略有底円筒形状に形成されたロータヨークと、同心板状であり断面円弧形状に形成され、前記ロータヨークの円筒部の内周に取り付けられた２ｎ個のマグネットとを有し、前記円筒部が前記突極の半径方向外側に配置され、かつ、前記ステータに対し回転自在に配置されたロータと、前記突極のそれぞれに巻装されたコイルとを備えたアウターロータ型ブラシレスモータにおいて、前記マグネットは、異なる極性の磁極に周方向分割着磁され、隣接する２つの前記マグネットは、同極の磁極が隣り合うよう配置されている。

本発明の請求項２のアウターロータ型ブラシレスモータでは、請求項１において、前記マグネットは、断面円弧形状の略中央に着磁されていない無着磁帯が形成され、前記無着磁帯をはさみ、前記無着磁帯の左右に異なる極の磁極に周方向分割着磁されている。さらに、請求項３のアウターロータ型ブラシレスモータでは、前記マグネットは、断面円弧形状の略中央に着磁されていない第１の長さの無着磁帯が形成されており、隣接する２つの前記マグネットは、前記第１の長さと略同一の長さの第２の長さの隙間部を隔て、前記ロータヨークの円筒部の内周に取り付けられている。

このように、同心板状のマグネットがロータヨークに取り付けられていることで、薄肉とのなる部分が少なく、ロータ剛性が確保される。また、３ｎ個の突極を有するステータと、２ｎ個のマグネットを備えるモータにおいて、マグネットの無着磁帯と隙間部を交互に所定の位置に配置することにより、コギングトルクの低下が図られる。よって、これらにより、アウタロー型ブラシレスモータのロータの回転時に生じる異音を低減させることができる。

次に、この発明の実施形態のアウタロータ型ブラシレスモータを図１から図４基づいて説明する。図１は、本発明の実施形態のアウタロータ型ブラシレスモータの縦断面図である。図２は、本発明の実施形態のアウタロータ型ブラシレスモータの横断面図である。図３は、図２にてＡにて示す部分の拡大図である。図４は、実施形態のアウタロータ型ブラシレスモータのロータの斜視図である。

アウターロータ型ブラシレスモータ１は、略円環形状に形成されたステータ本体３と、ステータ本体３の外周から半径方向外側に突出した３ｎ個（ｎは正の整数）の突極４とを有するステータ２と、略有底円筒形状のロータヨーク８と、ロータヨーク８の内周に２ｎ個（ｎは正の整数）の同心板状のマグネット９が取り付けられたロータ７とを備える。また、突極４のそれぞれにはコイル６が巻装されており、ロータヨークの底部８ａの中央に形成さされた貫通孔８ｂには、出力軸１０が挿入され固定されている。

ステータ２とロータ３は、ブラケット５に取り付けられている。ブラケット５は、略中央に軸方向視円環の突出部５ａが形成されている。突出部５ａの外周にステータ本体３の内周が挿入固定され、ステータ２は、ブラケット５に取り付けられている。

突出部５ａの内周には、軸受１１、１２のアウターレースが取り付けられ、軸受１１、１２は、突設部５ａの内部に配置さられている。この軸受１１、１２のインナーレースに出力軸１０の一端が固定されており、出力軸１０がブラケット５に取り付けられることにより、ロータ７がブラケット５に取り付けられる。このとき、ロータ７のマグネット９がステータ２の突極４の半径方向外側に所定の間隔を隔てた位置に配置される。

図２に示すように、本実施形態のアウタロータ型ブラシレスモータ１は、９個の突極を有する。一方、ロータヨーク８の内周には、６個のマグネット９（第１から第６のマグネット（９ａから９ｆ））が取り付けられている。

ここで、第１から第６のマグネット（９ａから９ｆ）は、それぞれ内外の弧が同心円弧形状の板状、すなわち同心板状となっており、径方向の厚さが円弧中央から縁にかけて同一となっている。また、第１から第６のマグネット（９ａから９ｆ）の隣接する２つのマグネット９は、互いに近接した状態にてロータヨーク８に取り付けられている。

次ぎに、マグネット９の着磁と、第１から第６のマグネット（９ａから９ｆ）のロータヨーク８への取り付けについて、図２および図４にに基づき説明する。マグネット９には、断面円弧形状の略中央にＮ極およびＳ極のいずれの磁極にも着磁されていない無着磁帯が形成されている。この無着磁帯の周方向の長さ（第１の長さ）はＤ１であり、無着磁帯Ｚの左右には、Ｎ極およびＳ極の異なる磁極にて周方向分割着磁されている。

マグネット９のロータヨーク８への取付は、隣接する２つのマグネット９は、同極の磁極が隣り合うように配置され、ロータヨーク８の円筒部８ｃの内周に取り付けられる。すなわち、第１および第２のマグネット９ａ、９ｂは、第１のＮ極（Ｎ１）同士が隣り合うように配置され、第２および第３のマグネット９ｂ、９ｃは、第１のＳ極（Ｓ１）同士が隣り合うように配置され、第３および第４のマグネット９ｃ、９ｄは、第２のＮ極（Ｎ２）同士が隣り合うように配置され、第４および第５のマグネット９ｄ、９ｅは、第２のＳ極（Ｓ２）同士が隣り合うように配置され、第５および第６のマグネット９ｅ、９ｆは、第３のＮ極（Ｎ３）同士が隣り合うように配置され、第６および第１のマグネット９ｆ、９ａは、第３のＳ極（Ｓ３）同士が隣り合うように配置される。

このように配置されることで、第１および第２のマグネット９ａ、９ｂにより、第１のＮ極（Ｎ１）が形成され、第２および第３のマグネット９ｂ、９ｃにより、第１のＳ極（Ｓ１）が形成され、第３および第４のマグネット９ｃ、９ｄにより、第２のＮ極（Ｎ２）が形成され、第４および第５のマグネット９ｄ、９ｅにより、第２のＳ極（Ｓ２）が形成され、第５および第６のマグネット９ｅ、９ｆにより、第３のＮ極（Ｎ３）が形成され、第６および第１のマグネット９ｆ、９ａにより、第３のＳ極（Ｓ３）が形成される。

上述のように隣接する２つのマグネット９は、互いに近接してロータヨーク８に取り付けられている。このとき、隣接する２つのマグネット９の間には、第１の長さＤ１と略同一の長さの第２の長さＤ２の隙間部Ｃが形成されている。

このように径方向の厚さが略同一の同心板状のマグネット９をロータヨーク８の円筒部８ｃに取り付けた構造となっているため、マグネット９の厚さを含めたロータ８の厚さは、円周方向に略均一であり、薄くなっている箇所がほとんどない。このため、ロータ７の剛性は高いものとなっている。したがって、ロータ７が自励振動により振動しにくい構造となっている。

次に、本発明の実施形態のアウターロータ型ブラシレスモータ１のロータ７に生ずるコギングトルクについて図５から図８に基づいて説明する。図５は、ステータの基準位置Ｓｓに対して、ロータの基準位置Ｒｓが反時計方向に５°（θ＝−５°）ずれたときに、ロータ７に生ずるコギングトルクを説明する図である。図６は、ステータの基準位置Ｓｓに対して、ロータの基準位置Ｒｓがずれていない（θ＝０°）ときに、ロータ７に生ずるコギングトルクを説明する図である。図７は、ステータの基準位置Ｓｓに対して、ロータの基準位置Ｒｓが時計方向に５°（θ＝５°）ずれたときに、ロータ７に生ずるコギングトルクを説明する図である。また、図８は、ステータの基準位置Ｓｓに対するロータの基準位置Ｒｓの角度である回転角度と、ロータ７に生じるコギングトルクの関係を示すグラフである。

先ず、図５および図８に基づき、ステータの基準位置Ｓｓに対して、ロータの基準位置Ｒｓが反時計方向に５°（θ＝−５°）ずれたときに、ロータ７に生ずるコギングトルク（Ｔｑ（−５））について説明する。図５において、スリットＳ２、Ｓ５、Ｓ８に対し、無着磁部Ｚ２、Ｚ４、Ｚ６は、それぞれ反時計方向に、若干（５°）ずれている。そのため、これらの位置においては、マグネット９と突極４間には、ロータ７の軸心を中心とする放射方向から反時計方向に傾いた磁束線η１が形成されている。よって、それらの位置においては、ロータ７を時計方向に吸引するトルク（Ｔｑｚ（−５））が生じている。

一方、図５において、スリットＳ３、Ｓ６、Ｓ９に対し、隙間部Ｃ２、Ｃ４、Ｃ６は、それぞれ時計方向に、若干（５°）ずれている。そのため、これらの位置においては、マグネット９と突極４間には、ロータ７の軸心を中心とする放射方向から時計方向に傾いた磁束線η２が形成されている。よって、それらの位置においては、ロータ７を反時計方向に吸引するトルク（Ｔｑｃ（−５））が生じている。

このため、図８に示すように、回転角度―５°のとき、上述の磁束線η１が形成される３箇所の位置において時計方向のトルク（Ｔｑｚ（−５））がロータ７に作用するため、その総和のトルク（３×Ｔｑｚ（−５））がロータ７に作用する。一方、磁束線η２が形成される３箇所の位置において反時計方向のトルク（Ｔｑｃ（−５））がロータ７に作用するため、その総和のトルク（３×Ｔｑｃ（−５））がロータ７に作用する。

ここで、磁束線η１によりロータ７に作用するトルク（３×Ｔｑｚ（−５））と磁束線η２によりロータ７に作用するトルク（３×Ｔｑｃ（−５））は、作用する方向が逆方向であるため、それぞれ相殺しあう。そのため、回転角度−５°において、ロータ７に作用するトルク（Ｔｑ（−５））は、Ｔｑ（−５）＝（３×Ｔｑｚ（−５））＋（３×Ｔｑｃ（−５））となり、時計方向のコギングトルクＴｑ（−５）が生じているものの、その絶対値は低減されている。

このように、本発明の実施形態では、隙間部Ｃと無着磁帯Ｚにおいて逆方向に生じるトルクが相殺しあうように設定されているが、上述のように無着磁帯Ｚの第１の長さＤ１と隙間部Ｃの第２の長さＤ２とが略同一とすることにより、相殺しあうトルクが増加し、コギングトルクＴｑ（―５）の低下が図られている。

次に、図６および図８に基づき、ステータの基準位置Ｓｓに対して、ロータの基準位置Ｒｓがずれない（θ＝０°）のときの、ロータ７に生ずるコギングトルク（Ｔｑ（０））について説明する。この場合、ロータ７の軸心を中心とする放射方向から時計方向または反時計方向のいずれかに傾いた磁束線は生じない。そのため、図８に示すように、回転角度０°において、ロータ７に作用するトルク（Ｔｑ（０））は、Ｔｑ（０）＝０となり、コギングトルクは、生じていない。

最後に、図７および図８に基づき、ステータの基準位置Ｓｓに対して、ロータの基準位置Ｒｓが時計方向に５°（θ＝５°）ずれたときに、ロータ７に生ずるコギングトルク（Ｔｑ（５））について説明する。図７において、スリットＳ２、Ｓ５、Ｓ８に対し、無着磁部Ｚ２、Ｚ４、Ｚ６は、それぞれ時計方向に、若干（５°）ずれている。そのため、これらの位置においては、マグネット９と突極４間には、ロータ７の軸心を中心とする放射方向から時計方向に傾いた磁束線η３が形成されている。よって、それらの位置においては、ロータ７を反時計方向に吸引するトルク（Ｔｑｚ（５））が生じている。

一方、図７おいて、スリットＳ１、Ｓ４、Ｓ７に対し、隙間部Ｃ１、Ｃ３、Ｃ５は、それぞれ反時計方向に、若干（５°）ずれている。そのため、これらの位置においては、マグネット９と突極４間には、ロータ７の軸心を中心とする放射方向から反時計方向に傾いた磁束線η４が形成されている。よって、それらの位置においては、ロータ７を時計方向に吸引するトルク（Ｔｑｃ（５））が生じている。

このため、図８に示すように、回転角度５°のとき、上述の磁束線η３が形成される３箇所の位置において反時計方向のトルク（Ｔｑｚ（５））がロータ７に作用するため、その総和のトルク（３×Ｔｑｚ（５））がロータ７に作用する。一方、磁束線η２が形成される３箇所の位置において時計方向のトルク（Ｔｑｃ（５））がロータ７に作用するため、その総和のトルク（３×Ｔｑｃ（５））がロータ７に作用する。

ここで、磁束線η３によりロータ７に作用するトルク（３×Ｔｑｚ（５））と磁束線η４によりロータ７に作用するトルク（３×Ｔｑｃ（５））は、作用する方向が逆方向であるため、それぞれ相殺しあう。そのため、回転角度５°において、ロータ７に作用するトルク（Ｔｑ（５））は、Ｔｑ（５）＝（３×Ｔｑｚ（５））＋（３×Ｔｑｃ（５））となり、反時計方向のコギングトルクＴｑ（５）が生じているものの、その絶対値は低減されている。

このように、本発明の実施形態では、隙間部Ｃと無着磁帯Ｚにおいて逆方向に生じるトルクが相殺しあうように設定されているが、上述のように無着磁帯Ｚの第１の長さＤ１と隙間部Ｃの第２の長さＤ２とが略同一とすることにより、相殺しあうトルクが増加し、コギングトルクＴｑ（５）の低下が図られている。

このように、本発明の実施形態では、径方向の厚さが略同一の同心板状のマグネット９をロータヨーク８の円筒部８ｃに取り付けた構造となっているため、マグネット９の厚さを含めたロータ８の厚さは、円周方向に略均一であり、薄くなっている箇所がほとんどない。このため、ロータ７の剛性は高いものとなっている。したがって、ロータ７が自励振動により振動しにくい構造となっている。さらに、マグネット９に隙間部Ｃと無着磁帯Ｚを設けることにより、隙間部Ｃと無着磁帯Ｚにおいて逆方向に生じるトルクが相殺しあうように設定されており、コギングトルクＴｑ（θ）の低減が図られている。このコギングトルクＴｑ（θ）の低減により、トルクリップルが低減され、ロータ７の自励振動の振幅値の低減をさらに図ることができる。そして、この振幅値の低減により、ロータ７から生じる異音の音圧を下げることが可能となる。

本発明の実施形態におけるアウターロータ型ブラシレスモータの縦断面図である。 本発明の実施形態におけるアウターロータ型ブラシレスモータの横断面図である。 図２にてＡにして示す部分の拡大図である。 本発明の実施形態におけるアウターロータ型ブラシレスモータのロータの斜視図である。 ステータの基準位置Ｓｓに対して、ロータの基準位置Ｒｓが反時計方向に５°（θ＝−５°）ずれたときに、ロータに生ずるコギングトルクを説明する図である。 ステータの基準位置Ｓｓに対して、ロータの基準位置Ｒｓがずれていない（θ＝０°）ときに、ロータに生ずるコギングトルクを説明する図である。 ステータの基準位置Ｓｓに対して、ロータの基準位置Ｒｓが時計方向に５°（θ＝５°）ずれたときに、ロータに生ずるコギングトルクを説明する図である。 ステータの基準位置Ｓｓに対するロータの基準位置Ｒｓの角度である回転角度と、ロータ７に生じるコギングトルクの関係を示すグラフである。 アウターロータ型ブラシレスモータに生ずるコギングトルクを説明する図である。 図９にてＭにて示す部分の拡大図である。

符号の説明

１ アウターロータ型ブラシレスモータ
２ ステータ
３ ステータ本体
４ 突極
５ ブラケット
６ コイル
７ ロータ
８ ロータヨーク
９ マグネット
９ａ 第１のマグネット
９ｂ 第２のマグネット
９ｃ 第３のマグネット
９ｄ 第４のマグネット
９ｅ 第５のマグネット
９ｆ 第６のマグネット
１０ 出力軸
Ｃ 隙間部
Ｚ 無着磁帯
Ｎ１ 第１のＮ極
Ｎ２ 第２のＮ極
Ｎ３ 第３のＮ極
Ｓ１ 第１のＳ極
Ｓ２ 第２のＳ極
Ｓ３ 第３のＳ極

Claims (3)

1. 略円環形状に形成されたステータ本体と、前記ステータ本体の外周から半径方向外側に突出した３ｎ（ｎは正の整数）個の突極とを有するステータと、
   略有底円筒形状に形成されたロータヨークと、同心板状であり断面円弧形状に形成され、前記ロータヨークの円筒部の内周に取り付けられた２ｎ個のマグネットとを有し、前記円筒部が前記突極の半径方向外側に配置され、かつ、前記ステータに対し回転自在に配置されたロータと、
   前記突極のそれぞれに巻装されたコイルとを備えたアウターロータ型ブラシレスモータにおいて、
   前記マグネットは、異なる極性の磁極に周方向分割着磁され、隣接する２つの前記マグネットは、同極の磁極が隣り合うよう配置されていることを特徴とするアウターロータ型ブラシレスモータ。
2. 請求項１記載のアウターロータ型ブラシレスモータにおいて、前記マグネットは、断面円弧形状の略中央に着磁されていない無着磁帯が形成され、前記無着磁帯をはさみ、前記無着磁帯の左右に異なる極の磁極に周方向分割着磁されていることを特徴とするアウターロータ型ブラシレスモータ。
3. 請求項２記載のアウターロータ型ブラシレスモータにおいて、前記マグネットは、断面円弧形状の略中央に着磁されていない第１の長さの無着磁帯が形成されており、隣接する２つの前記マグネットは、前記第１の長さと略同一の長さの第２の長さの隙間部を隔て、前記ロータヨークの円筒部の内周に取り付けられていることを特徴とするアウターロータ型ブラシレスモータ。
   
   

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