JP2010098891A - モータ - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石から発せられる磁束が径方向内側を通る磁気経路を短くして磁気損失を抑制し、より高いトルク特性を得ることができるモータを提供する。
【解決手段】ロータヨーク１６の突極部１６ａ間に配置される永久磁石は、径方向外側の磁極がＮ極となるＮ極磁石１７ａと、径方向外側の磁極がＳ極となるＳ極磁石１７ｂと、Ｎ極磁石１７ａ及びＳ極磁石１７ｂの間に磁化方向がＳ極磁石１７ｂからＮ極磁石１７ａに向かう態様に着磁された補助磁石１７ｃとで構成されてハルバッハ配列とされる。また、補助磁石１７ｃは、Ｎ極磁石１７ａ及びＳ極磁石１７ｂよりも径方向内側に延出されるように形成される。
【選択図】図２

Description

本発明は、順突極モータの特にロータ構造に関するものである。

従来、ステータの内周にロータを配したインナロータ型のモータがある。例えば、特許文献１の図７に示されるモータには、そのロータのロータヨークに径方向外側に突出するとともに周方向に等間隔に複数形成される突極部が備えられ、その突極部の両端には径方向外側の磁極が同じ永久磁石を配し、隣接する永久磁石同士の径方向外側の磁極が異なるように構成されている。このようなモータでは、磁極が作る磁束方向であるｄ軸のｄ軸インダクタンス（Ｌｄ）がｄ軸と電気角にて９０度ずれたｑ軸のｑ軸インダクタンス（Ｌｑ）より大きい（Ｌｄ＞Ｌｑ）ため、マグネットトルクに加えて正のリラクタンストルクが発生し、比較的高いトルクを得ることができる。

また、例えば、特許文献２の図５（ａ）に示されるような順突極モータにおいては、同文献の図５（ｂ）に示されるように、起磁力相差角９０度より小さい強め界磁領域で最大トルクとなり、運転範囲は同図黒丸間の強め界磁領域から弱め界磁領域に跨っている。従って、運転中に永久磁石に弱め磁束が加わる領域は少なく、且つ、その弱め磁束は突極部を通るため永久磁石に反磁界が加わることで減磁されることは、ＩＰＭ（永久磁石埋込型）モータと比べて非常に小さいという利点を持っている。このように、順突極モータは減磁されることが抑制されていることから、高回転領域で大きな弱め界磁電流を必要とする逆突極モータに比べて、可変速範囲を広く取るモータに向いていると考えられる。
特開２００８−１２５２０３号公報 特開２００８−６７４８３号公報

しかしながら、上記のモータのロータ構造では、永久磁石から発せられる磁束が径方向内側（回転軸側）にも磁気経路を形成するため、特に径方向内側寄りの磁気経路の長い磁束が多くなることにより、磁気損失が増えてしまい、トルクを低くする要因となっていた。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、永久磁石から発せられる磁束が径方向内側を通る磁気経路を短くして磁気損失を抑制し、より高いトルク特性を得ることができるモータを提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、回転軸の径方向外側に延出する突極部が周方向等間隔に複数形成されるロータヨークと、該ロータヨークの前記突極部の周方向両側に同極性、且つ、近接する前記突極部間において異極性となるように配置される永久磁石とで構成されるロータをステータの内側に配置してなるモータであって、前記突極部間に配置される前記永久磁石は、径方向外側の磁極がＮ極となるＮ極磁石と、径方向外側の磁極がＳ極となるＳ極磁石と、前記Ｎ極磁石及び前記Ｓ極磁石の間に磁化方向が前記Ｓ極磁石から前記Ｎ極磁石に向かう態様に着磁された補助磁石とで構成されてハルバッハ配列とされたことをその要旨とする。

この発明では、ロータヨークの突極部間に配置される永久磁石は、径方向外側の磁極がＮ極となるＮ極磁石と、径方向外側の磁極がＳ極となるＳ極磁石と、Ｎ極磁石及びＳ極磁石の間に磁化方向がＳ極磁石からＮ極磁石に向かう態様に着磁された補助磁石とで構成されてハルバッハ配列とされる。これにより、磁石の磁極が径方向にのみ着磁されたタイプの場合と比較し、各磁石の径方向内側を通る磁束の磁気経路を短くでき磁気損失を減らす、即ち、同体積の磁石でも有効磁束を大きくすることができる。また、磁気経路を短くすることでロータヨーク（突極部）に磁束が流れる、所謂漏れ磁束の発生も抑制させることができ、突極部を極性無し（極として働かない程度）とすることが可能となる。その結果、突極部は永久磁石による影響を受けないため、ステータのリラクタンストルクを増加させることが可能となり、より高いトルク特性を得ることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のモータにおいて、前記補助磁石は、前記Ｎ極磁石及び前記Ｓ極磁石よりも径方向内側に延出されるように形成されたことをその要旨とする。

この発明では、補助磁石は、Ｎ極磁石及びＳ極磁石よりも径方向内側に延出されるように形成されるため、Ｎ極磁石及びＳ極磁石にて発せられる径方向内側の磁束を補助磁石にて引き寄せることができ、更に各磁石の径方向内側を通る磁束の磁気経路を短くして磁気損失を減らすことができる。また、ロータヨーク（突極部）への漏れ磁束の発生を更に抑制させることができ、突極部を極性無し（極として働かない程度）とすることが可能となる。その結果、突極部は永久磁石による影響を受けないため、ステータのリラクタンストルクを増加させることが可能となり、より高いトルク特性を得ることができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載のモータにおいて、前記補助磁石は、前記突極部よりも周方向幅が狭くなるように構成されたことをその要旨とする。
この発明では、補助磁石は、突極部よりも周方向幅が狭くなるように構成される。つまり、補助磁石は周方向に比較的狭く構成することで、突極部の周方向両側に設けられるＮ極磁石又はＳ極磁石の磁束（主磁束）を減らすことを抑制することができる。

従って、上記記載の発明によれば、永久磁石から発せられる磁束が径方向内側を通る磁気経路を短くして磁気損失を抑制し、より高いトルク特性を得ることができる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面に従って説明する。
図１は、本実施形態のブラシレスモータの概略構成図である。本実施形態のブラシレスモータ１０は、円環状をなすステータ１１の内側にロータ１２が回転可能に配置されたインナロータ型のブラシレスモータで構成されている。

ステータ１１には、径方向内側に向けて延びる同形状の１２個のティース１３のそれぞれに３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）コイルＣが巻回され、ティース１３が周方向に等角度間隔に設けられる円環状のステータコアが用いられている。

ロータ１２は、回転軸１５の外側に一体回転可能に支持されるロータヨーク１６と、ロータヨーク１６の外周側に固定される永久磁石１７とで構成されている。
ロータヨーク１６には、径方向外側に突出する形状の突極部１６ａが周方向等間隔に複数（本実施形態では８個）形成されている。

永久磁石１７は、径方向外側（外表面）の磁極がＮ極となるＮ極磁石１７ａと、径方向外側（外表面）の磁極がＳ極となるＳ極磁石１７ｂと、Ｎ極磁石１７ａ及びＳ極磁石１７ｂの間で磁化方向がＳ極磁石１７ｂからＮ極磁石１７ａ側に向かう補助磁石１７ｃとで構成されてハルバッハ配列とされている。また、永久磁石１７は、各突極部１６ａの周方向両側に径方向外側の磁極が同極となる磁石１７ａ，１７ｂが配置され、隣接する突極部１６ａ間には径方向外側の磁極が異極となる磁石１７ａ，１７ｂが配置されている。また、補助磁石１７ｃは、Ｎ極磁石１７ａ及びＳ極磁石１７ｂよりも径方向内側に延出し、突極部１６ａの周方向幅ｄ１よりも補助磁石１７ｃの周方向幅ｄ２が小さくなるように形成されるとともに、Ｎ極磁石１７ａ及びＳ極磁石１７ｂの周方向中間位置となるように配置されている。

次に、本実施形態の永久磁石１７の配列をハルバッハ配列としたことによるロータ１２の内部の磁束密度の分布について、図１〜図４を用いて説明する。
本発明者は、モータ１０のトルク向上を図るべく、ロータ１２の内側の磁束密度を減らして径方向外側のステータ１１に与える磁束の量を向上させるという点に着目し、先ずモータ回転駆動時の磁束密度分布をシミュレーションにより調査し、好適な永久磁石１７の配列（構成）を調査した。図２には本実施形態の構成、つまり異極性の磁石１７ａ，１７ｂ間に径方向内側に延出形成される補助磁石１７ｃを設けて構成されるロータ１２の内側の磁束密度分布を示し、図３には本構成の特徴部分である補助磁石１７ｃを設けない従来のモータ１００のロータ１０１の内側の磁束密度分布を示している。尚、ロータ内部の磁束密度分布の段階は、その密度の低い方から高い方にむけて順に「Ａ１」、「Ａ２」、「Ａ３」、「Ａ４」、「Ａ５」までの５段階となっており、これら記号を図２及び図３に適宜付している。

図２と図３とを比較して分かるように、Ｎ極磁石１７ａ及びＳ極磁石１７ｂ間にハルバッハ配列とする補助磁石１７ｃを設け、補助磁石１７ｃをＮ極磁石１７ａ及びＳ極磁石１７ｂよりも径方向内側に延出する本構成のロータ１２の方が、従来のロータ１０１と比較して、永久磁石１７の径方向内側の磁束密度の比較的高い「Ａ３」〜「Ａ５」エリアがロータ１２に占める面積が小さく、永久磁石１７側に集約して分布されていることが分かる。また、Ｎ極磁石１７ａ及びＳ極磁石１７ｂ間にハルバッハ配列とする補助磁石１７ｃを設け、補助磁石１７ｃをＮ極磁石１７ａ及びＳ極磁石１７ｂよりも径方向内側に延出する本構成のロータ１２の方が、従来のロータ１０１と比較して、突極部１６ａの磁束密度の低い「Ａ１」のエリアがロータ１２に占める面積が若干大きくなっている。

これらのことは、補助磁石１７ｃにより、Ｎ極磁石１７ａ及びＳ極磁石１７ｂから発せられる磁束のロータ１２内部を通る磁気経路が径方向外側（補助磁石１７ｃ側）に誘導されたことで、ロータ１２内部の磁束密度が低下することができるようになっている。つまり、各磁石１７ａ，１７ｂの径方向内側を通る磁束の磁気経路を短くでき磁気損失を減らす、即ち、同体積の磁石でも有効磁束を大きくすることができる。また、磁気経路を短くすることでロータヨーク１６（突極部１６ａ）に磁束が流れる、所謂漏れ磁束の発生も抑制させることができ、突極部１６ａを極性無し（極として働かない程度）とすることが可能となる。その結果、突極部１６ａは永久磁
石１７による影響を受けないため、ステータ１１（図１参照）のリラクタンストルクを増加させることが可能となり、より高いトルク特性を得ることができる。

一方、図４には、図２に示す本構成のロータ１２を使用したモータ１０と図３に示す従来のロータ１０１を使用したモータ１００とのそれぞれに同電流を流した場合に得られるトルクを比較したグラフである。尚、本構成のモータ１０のトルク変化を図４にて実線で示し、従来のロータ１０１を使用したモータ１００のトルク変化を図４にて破線で示している。

図４に示すように、各電流値（５［Ａ］、２０［Ａ］、４０［Ａ］、６０［Ａ］）のいずれにおいても本構成のロータ１２を使用したモータ１０の方が高いトルク性能を得ることができることが分かった。従って、Ｎ極磁石１７ａ及びＳ極磁石１７ｂの間に補助磁石１７ｃを設けてハルバッハ配列とされる本実施形態のモータ１０は、トルク性能を向上させることができる。

次に、本実施の形態の特徴的な作用効果を記載する。
（１）ロータヨーク１６の突極部１６ａ間に配置される永久磁石１７は、径方向外側の磁極がＮ極となるＮ極磁石１７ａと、径方向外側の磁極がＳ極となるＳ極磁石１７ｂと、Ｎ極磁石１７ａ及びＳ極磁石１７ｂの間に磁化方向がＳ極磁石１７ｂからＮ極磁石１７ａに向かう態様に着磁された補助磁石１７ｃとで構成されてハルバッハ配列とされる。これにより、磁石の磁極が径方向にのみ着磁されたタイプの場合と比較し、各磁石１７ａ，１７ｂの径方向内側を通る磁束の磁気経路を短くでき磁気損失を減らす、即ち、同体積の磁石でも有効磁束を大きくすることができる。また、磁気経路を短くすることでロータヨーク１６（突極部１６ａ）に磁束が流れる、所謂漏れ磁束の発生も抑制させることができ、突極部１６ａを極性無し（極として働かない程度）とすることが可能となる。その結果、突極部１６ａは永久磁石１７による影響を受けないため、ステータ１１のリラクタンストルクを増加させることが可能となり、より高いトルク特性を得ることができる。

（２）補助磁石１７ｃは、Ｎ極磁石１７ａ及びＳ極磁石１７ｂよりも径方向内側に延出されるように形成されるため、Ｎ極磁石１７ａ及びＳ極磁石１７ｂにて発せられる径方向内側を通る磁束を補助磁石１７ｃにて引き寄せることができ、更に各磁石１７ａ、１７ｂの径方向内側を通る磁束の磁気経路を短くして磁気損失を減らすことができる。また、ロータヨーク１６（突極部１６ａ）への漏れ磁束の発生を更に抑制させることができ、突極部１６ａを極性無し（極として働かない程度）とすることが可能となる。その結果、突極部１６ａは永久磁石１７による影響を受けないため、ステータ１１のリラクタンストルクをより増加させることが可能となり、より高いトルク特性を得ることができる。

（３）補助磁石１７ｃは、突極部１６ａよりも周方向幅が狭くなるように構成される。つまり、補助磁石１７ｃは周方向に比較的狭く構成することで、突極部１６ａの周方向両側に設けられるＮ極磁石１７ａ又はＳ極磁石１７ｂの磁束（主磁束）を減らすことを抑制することができる。

尚、本発明の実施形態は、以下のように変更してもよい。
・上記実施形態では、補助磁石１７ｃをＮ極磁石１７ａ及びＳ極磁石１７ｂよりも径方向内側に延出する構成としたが、これに限らない。例えば図５に示すように補助磁石１７ｘをＮ極磁石１７ａ及びＳ極磁石１７ｂと径方向において面一となるような構成でもよい。このような構成としても、図５及び図３を比較してわかるように、従来の様にＮ極磁石１７ａとＳ極磁石１７ｂの間に補助磁石を設けない構成（図３参照）よりも、Ｎ極磁石１７ａ及びＳ極磁石１７ｂの間に両磁石と径方向に面一となる補助磁石１７ｃを設ける構成（図５参照）の方が、磁束密度の比較的高い「Ａ３」〜「Ａ５」のエリアがロータ１２に占める面積が小さくなることが分かる。これにより、Ｎ極磁石１７ａ及びＳ極磁石１７ｂの間に補助磁石を設けない構成である従来のロータと比較して、高いトルクを得ることができる。

・上記実施形態では、特に言及していないが、例えば補助磁石１７ｃをＮ極磁石１７ａとＳ極磁石１７ｂの周方向中間位置に設ける構成としてもよい。このような構成とすることで、Ｎ極磁石１７ａ及びＳ極磁石１７ｂとで形成される磁束の湾曲する磁気経路の頂点部分（磁石１７ａ，１７ｂから発せられる一つの磁力線において一番遠い位置）を補助磁石１７ｃの磁力にて引き寄せることができるため、ロータ１２の内部の磁束密度を低くすることができ、トルクの向上に貢献することができる。

・上記実施形態では、特に言及していないが、例えば補助磁石１７ｃを径方向と直交する方向に着磁する構成としてもよい。つまり、補助磁石１７ｃを径方向と直交する方向に着磁する構成とすることで、径方向に着磁されたＮ極磁石１７ａ及びＳ極磁石１７ｂの両方に対し、偏りのない方向に補助磁石１７ｃを着磁することができる、確実にハルバッハ配列を構成することができる。

・上記実施形態では、補助磁石１７ｃにて一方向に着磁される構成としたが、徐々に磁化方向が変更される構成を採用してもよい。また、この場合は、補助磁石１７ｃを複数設けて徐々に磁化方向が変更される構成を採用してもよい。

次に、上記実施の形態及び別例から把握できる技術的思想を以下に追記する。
（イ） 請求項１〜３のいずれか一項に記載のモータにおいて、前記補助磁石は、前記Ｓ極磁石と前記Ｎ極磁石との周方向中間位置に設けられたことを特徴とするモータ。

このような構成とすることで、Ｎ極磁石及びＳ極磁石とで形成される磁束の湾曲する磁気経路の頂点部分（Ｎ極磁石及びＳ極磁石から発せられる一つの磁力線において一番遠い位置）を補助磁石の磁力にて引き寄せることができるため、ロータの内部の磁束密度を低くすることができ、トルクの向上に貢献することができる。

（ロ） 請求項１〜３及び（イ）のいずれか一項に記載のモータにおいて、前記補助磁石は、径方向と直交する方向に着磁されたことを特徴とするモータ。
このように、補助磁石を径方向と直交する方向に着磁する構成とすることで、径方向に着磁されるＮ極磁石及びＳ極磁石の両方に対し、偏りのない方向に補助磁石を着磁することができる、確実にハルバッハ配列を構成することができる。

本実施形態におけるモータを示す概略構成図。 同上におけるロータ内部の磁束密度分布について説明するための説明図。 従来のロータ内部の磁束密度分布について説明するための説明図。 本実施形態のロータと従来のロータのトルク特性について説明するための説明図。 別例におけるロータ内部の磁束密度分布について説明するための説明図。

符号の説明

１０…モータ、１１…ステータ、１２…ロータ、１５…回転軸、１６…ロータヨーク、１６ａ…突極部、１７…永久磁石、１７ａ…Ｎ極磁石、１７ｂ…Ｓ極磁石、１７ｃ，１７ｘ…補助磁石、ｄ１…突極部の周方向幅、ｄ２…補助磁石の周方向幅。

Claims (3)

1. 回転軸の径方向外側に延出する突極部が周方向等間隔に複数形成されるロータヨークと、該ロータヨークの前記突極部の周方向両側に同極性、且つ、隣接する前記突極部間において異極性となるように配置される永久磁石とで構成されるロータをステータの内側に配置してなるモータであって、
   前記突極部間に配置される前記永久磁石は、径方向外側の磁極がＮ極となるＮ極磁石と、径方向外側の磁極がＳ極となるＳ極磁石と、前記Ｎ極磁石及び前記Ｓ極磁石の間に磁化方向が前記Ｓ極磁石から前記Ｎ極磁石に向かう態様に着磁された補助磁石とで構成されてハルバッハ配列とされたことを特徴とするモータ。
2. 請求項１に記載のモータにおいて、
   前記補助磁石は、前記Ｎ極磁石及び前記Ｓ極磁石よりも径方向内側に延出されるように形成されたことを特徴とするモータ。
3. 請求項１又は２に記載のモータにおいて、
   前記補助磁石は、その周方向幅が前記突極部の周方向幅よりも狭くなるように構成されたことを特徴とするモータ。

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