JP2010187442A - モータ - Google Patents

Abstract

【課題】部分的にコンシクエントポール型構造を採用したロータを備えるモータにおいて、トルク特性の向上を図る。
【解決手段】ロータ２１は、両極のマグネット２３ｎ，２３ｓを使用した通常構成の第１構成部２１Ａと、単極のマグネット２５ｎのみを使用し他極は突極２４ａで構成したコンシクエントポール型の第２構成部２１Ｂとを備え、その第２構成部２１Ｂが第１構成部２１Ａよりも相対的に回転方向遅れ側にずらして配置されて構成される。
【選択図】図３

Description

本発明は、部分的にコンシクエントポール型構造を採用したロータを備えるモータに関するものである。

従来より、モータに用いられるロータとしては、例えば特許文献１の第５図に示されているように、両磁極のマグネットをロータコアの外周面に固着されて構成されるＳＰＭ構造のロータや、同文献１の第８図に示されているように、省資源や低コスト等の観点から用いるマグネットを半分（単一磁極）とし、そのマグネットとロータコアに形成された突極とで構成されるコンシクエントポール構造のロータ等が知られている。

特開２００８−１２５２０３号公報

ところで、本発明者は、両磁極のマグネットを用いて構成される部分（第１構成部）とコンシクエントポールにて構成される部分（第２構成部）とを組み合わせたロータを構成することを検討している。その際、コンシクエントポールにて構成される第２構成部においてもう一方の磁極のマグネットを用いない分、ロータ全体のマグネット量が少なくなるため、回転トルクが小さくなる等、トルク特性が低下することを懸念している。

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、部分的にコンシクエントポール型構造を採用したロータを備えるモータにおいて、トルク特性の向上を図ることにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、ステータコアのティースにコイルが巻回されてなるステータと、ロータコアにマグネットが固定されてなるロータとを備えたモータであって、前記ロータは、Ｎ極及びＳ極のマグネットが周方向に交互に配置された第１構成部と、Ｎ極及びＳ極の一方側のマグネットが前記第１構成部の同極のマグネットと軸方向に並んで配置されるその一方側のマグネットと、他方側の磁極として機能する前記ロータコアに設けた突極とが周方向に交互に配置された第２構成部とを備えており、前記ロータの第２構成部が第１構成部よりも相対的に回転方向遅れ側にずらして配置されていることをその要旨とする。

この発明では、ロータは、両極のマグネットを使用した通常構成の第１構成部と、単極のマグネットのみを使用し他極は突極で構成したコンシクエントポール型の第２構成部とを備えて構成され、モータは、そのロータの第２構成部が第１構成部よりも相対的に回転方向遅れ側にずらして配置され構成される。ここで、コンシクエントポール型の第２構成部では通常構成の第１構成部と同様のマグネットトルクに加え、突極にてリラクタンストルクが生じるため、回転トルクの最大値が電流位相に対して進んで現れる。従って、上記のように第２構成部を第１構成部よりも相対的に回転方向遅れ側にずらして配置しモータを回転方向を限定して使用することで、通常構成の第１構成部における回転トルクの最大値と、コンシクエントポール型の第２構成部における回転トルクの最大値とを近接又は一致させることが可能となり、モータが発生する回転トルクの増大が可能となる。

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、前記ロータが１０磁極、前記ステータが１２磁極で構成されるものであり、前記第１及び第２構成部のずらし角度θが、０°＜θ＜１２°に設定されていることをその要旨とする。

この発明では、ロータが１０磁極、ステータが１２磁極で構成されるモータにおいて、ロータの第１及び第２構成部のずらし角度θが、０°＜θ＜１２°に設定されるため、モータが発生する回転トルクを大きくできる（図５参照）。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のモータにおいて、前記第１及び第２構成部のずらし角度θが、２．５°＜θ＜７．５°の範囲内に設定されていることをその要旨とする。

この発明では、ロータの第１及び第２構成部のずらし角度θが、２．５°＜θ＜７．５°の範囲内に設定されるため、モータが発生する回転トルクを大きく、且つずらし角度θの設定にて増大が懸念されるコギングトルクを抑制できる（図５及び図６参照）。

請求項４に記載の発明は、請求項２に記載のモータにおいて、前記第１及び第２構成部のずらし角度θが、５±１°又は１０±１°の範囲内に設定されていることをその要旨とする。

この発明では、ロータの第１及び第２構成部のずらし角度θが、５±１°又は１０±１°の範囲内に設定されるため、モータが発生する回転トルクを大きく、且つずらし角度θの設定にて増大が懸念されるコギングトルクをより十分に抑制できる（図５及び図６参照）。

請求項５に記載の発明は、請求項２に記載のモータにおいて、前記第１及び第２構成部のずらし角度θが、５±１°の範囲内に設定されていることをその要旨とする。
この発明では、ロータの第１及び第２構成部のずらし角度θが、５±１°の範囲内に設定されるため、モータが発生する回転トルクをより大きく、且つずらし角度θの設定にて増大が懸念されるコギングトルクをより十分に抑制できる（図５及び図６参照）。

本発明によれば、トルク特性が向上されるモータを提供することができる。

本実施形態におけるブラシレスモータの径方向断面図であり、（ａ）はその第１構成部の断面図、（ｂ）はその第２構成部の断面図である。 同モータの軸方向断面図である。 同モータのロータの斜視図である。 ロータの第１，第２構成部の電流位相と回転トルクとの関係を示す波形図であり、（ａ）はその第１構成部の波形図、（ｂ）は第２構成部の波形図、（ｃ）は第１，第２構成部の磁極を一致させた場合の波形を重ねて示す波形図である。 回転トルクに関してロータの第１，第２構成部の好適な相対ずらし角を説明するための説明図である。 コギングトルクに関してロータの第１，第２構成部の好適な相対ずらし角を説明するための説明図である。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１（ａ）（ｂ）及び図２は、本実施形態のブラシレスモータ１０を示す。尚、図２はモータの軸方向断面を示し、図１（ａ）はその図２のＡ−Ａ断面図、図１（ｂ）はその図２のＢ−Ｂ断面図である。

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２１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１２ａ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１２が用いられている。ステータコア１２は、磁性金属板を軸方向に複数枚積層して構成される積層型コアよりなる。ステータコア１２の各ティース１２ａには、個々にコイルが集中巻きにて巻回、この場合、Ｕ・Ｖ・Ｗ相の三相のコイル１３ｕ１〜１３ｕ４，１３ｖ１〜１３ｖ４，１３ｗ１〜１３ｗ４がそれぞれ所定箇所に巻回され、ステータ１１側の磁極数が「１２」として構成されている。

前記コイルの巻回態様について、本実施形態では、各相４個ずつ合計１２個のコイル１３ｕ１〜１３ｕ４，１３ｖ１〜１３ｖ４，１３ｗ１〜１３ｗ４を有し、同相の２個が隣接するようにＵ相、Ｖ相、Ｗ相、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の順に巻回されている。同相の隣同士ではコイル巻回方向が逆とされ、また１８０°対向位置同士でもコイル巻回方向が逆とされている。

ステータ１１は、一端が開放形状をなす有底円筒状のハウジング１５の内周面にその開放部１５ａから挿入され圧入又は焼き嵌めにより固定されている。尚、ハウジング１５を磁気回路の一部として構成してもよく、また磁気回路に含まない構成とすることもできる。ハウジング１５の開放部１５ａには円板状のエンドフレーム１６が装着され、該エンドフレーム１６にてハウジング１５の開放部１５ａが閉塞されている。ハウジング１５の底部１５ｂの中央部及びエンドフレーム１６の中央部には、ロータ２１の回転軸２６を回転可能に支持するための軸受１７，１８がそれぞれ備えられている。

ロータ２１は、軸方向に第１構成部２１Ａと第２構成部２１Ｂとの２つの構成が組み合わされ回転軸２６に固定されて構成されている。第１構成部２１Ａは、前記ステータコア１２の軸方向長さの１／２をなし該ステータコア１２の対向部位における軸方向一方側に配置され、軸方向長さが同じく１／２の第２構成部２１Ｂは、第１構成部２１Ａと連続させてステータコア１２の対向部位における軸方向他方側に配置されている。

第１構成部２１Ａでは、磁性金属板材を複数枚積層してなる円筒状のロータコア２２を有し、該ロータコア２２は回転軸２６に圧入固定されている。ロータコア２２の外周面には、周方向に磁極が交互となるようにＮ極及びＳ極の合計１０個のマグネット２３ｎ，２３ｓがそれぞれ固着され（ＳＰＭ構造）、この第１構成部２１Ａにおける磁極数は「１０」として構成されている。マグネット２３ｎ，２３ｓは、径方向視で矩形状、軸方向視で周方向に一定厚さの円弧状をなし、３６°の等角度間隔に並んで配置されている。マグネット２３ｎ，２３ｓは、径方向の着磁がなされたラジアル配向磁石が用いられている。

第２構成部２１Ｂでは、磁性金属板材を複数枚積層して構成され、７２°の等角度間隔に５個の突極２４ａを有する略円筒状のロータコア２４が用いられ、該ロータコア２４は、前記ロータコア２２と同じ軸方向長さで該ロータコア２２と一体に連結されて共に回転軸２６に圧入固定されている。ロータコア２４に一体に形成される突極２４ａは、マグネット２３ｎ（２３ｓ，２５ｎ）と同一形状とされている。また、突極２４ａは、前記第１構成部２１ＡのＳ極のマグネット２３ｓと軸方向に並ぶように設けられている。

ロータコア２２の各突極２４ａ間の凹所には、Ｎ極のみの合計５個のマグネット２５ｎ（前記マグネット２３ｎと一体でも可）がそれぞれ固着、この場合、７２°の等角度間隔にそれぞれ固着されている。マグネット２５ｎは、前記マグネット２３ｎ，２３ｓと同一形状で同じくラジアル配向磁石が用いられている。この第２構成部２１Ｂにおいても、Ｎ極のマグネット２５ｎにて磁極数が「５」、結果的にＳ極となる突極２４ａ（所謂コンシクエントポール）にて磁極数が「５」で合計「１０」の磁極が構成されている。

ところで、本実施形態のモータ１０は、ロータ２１の回転方向を一方向として使用する用途向けに構成されるものであり、図１及び図３に示すように、ロータ２１の第２構成部２１Ｂが第１構成部２１Ａよりも相対的に所定角度（相対ずらし角度）θだけ回転方向遅れ側にずらして配置されてなる。即ち、第２構成部２１ＢのＮ極のマグネット２５ｎと突極２４ａとがそれぞれ第１構成部２１ＡのＮ極のマグネット２３ｎとＳ極のマグネット２３ｓとよりも各磁極中心が相対的に回転方向遅れ側にずらされている。

ここで、図４（ａ）は、通常構成の第１構成部２１Ａの回転トルクの波形を示し、図４（ｂ）は、コンシクエントポール型の第２構成部２１Ｂにおける回転トルクの波形を示す。図４（ｃ）は、第１，第２構成部２１Ａ，２１Ｂの磁極を一致させた場合の各回転トルクの波形を重ねて示している。

図４（ａ）に示すように、第１構成部２１Ａ単体では、コイル供給電流の電流位相と回転トルクとに位相ずれは生じない。これに対し、図４（ｂ）に示すように、第２構成部２１Ｂ単体では、コイル供給電流の電流位相とマグネット２５ｎに関する回転トルク（同図一点鎖線）との位相ずれは生じないが、突極２４ａにはそのマグネット２５ｎの作用によるマグネットトルクの他にリラクタンストルク（同図二点鎖線）が生じるため、結果的にコイル供給電流の電流位相に対して発生する第２構成部２１Ｂ単体の回転トルク（同図実線）はその最大値が進んだ位置（回転方向側にずれた位置）に現れる。つまり、図４（ｃ）に示すように、第１，第２構成部２１Ａ，２１Ｂの磁極を一致させる単純な配置とすると、各構成部２１Ａ，２１Ｂにて生じるそれぞれの回転トルクの最大値にずれが生じるため、合成時に無駄が生じ、合成回転トルク（図示略）の最大値が若干小さくなる。

図５は、第１，第２構成部２１Ａ，２１Ｂの相対ずらし角度θ（電気角）とその回転トルクとの関係を示している。同図５に示すように、合成回転トルクは、相対ずらし角度θが５°付近で最大値を示し、その前後においては５°から離間するにつれ次第に小さくなる。そして、相対ずらし角度θを０°とした場合の合成回転トルクを「１」とすると、相対ずらし角度θが０°＜θ＜１２°の範囲で「１」より大きくなり、合成回転トルクが増大することがわかる。これは、図４（ｃ）にて示すように、第１構成部２１Ａに対して第２構成部２１Ｂの回転トルクが進むのを考慮し、第１構成部２１Ａに対して第２構成部２１Ｂを遅れ側にずらして配置することで、各構成部２１Ａ，２１Ｂの回転トルクの最大値が近接又は一致するようになるためである。

更に図６においては、第１，第２構成部２１Ａ，２１Ｂの相対ずらし角度θ（電気角）とコギングトルクとの関係を示している。同図６に示すように、コギングトルクは、相対ずらし角度θに対し、約２．５°の倍数の角度で最大値、約５°の倍数の角度で最小値となるような正弦波状に変化している。同図６より、相対ずらし角度θが２．５°＜θ＜７．５°の範囲内では、上記の合成回転トルクが大きく、且つコギングトルクが最大値よりも小さくなる好ましい範囲である。また、相対ずらし角度θが４〜６°（５±１°）の範囲α１内と９〜１１°（１０±１°）の範囲α２内では、上記の合成回転トルクが大きく、且つコギングトルクが最大値の約半分以下になる好ましい範囲である。特に、上記の合成回転トルクは５°付近で最大値となるため、相対ずらし角度θを４〜６°（５±１°）の範囲α１内に設定するとコギングトルクの増大も抑制できてより好ましい範囲と言える。

これらから、本実施形態に用いるロータ２１は、第１，第２構成部２１Ａ，２１Ｂの相対ずらし角度θが４〜６°（５±１°）の範囲α１内のいずれかの角度に設定され、回転トルクをより大きく、且つ相対ずらし角度θの設定にて増大が懸念されるコギングトルクをより十分に抑制する構成とされている。

次に、本実施形態の特徴的な作用効果を記載する。
（１）本実施形態では、ロータ２１は、両極のマグネット２３ｎ，２３ｓを使用した通常構成の第１構成部２１Ａと、単極のマグネット２５ｎのみを使用し他極は突極２４ａで構成したコンシクエントポール型の第２構成部２１Ｂとを備えて構成され、モータ１０は、そのロータ２１の第２構成部２１Ｂが第１構成部２１Ａよりも相対的に回転方向遅れ側にずらして配置され構成されている。即ち、コンシクエントポール型の第２構成部２１Ｂでは、通常構成の第１構成部２１Ａと同様のマグネットトルクに加え、突極２４ａにてリラクタンストルクが生じることで回転トルクの最大値が電流位相に対して進んで現れるため（図４参照）、第２構成部２１Ｂが第１構成部２１Ａよりも相対的に回転方向遅れ側にずらして配置され、本実施形態ではそのずらし角度θが、５±１°の範囲α１内のいずれかに設定されている。これにより、回転方向を限定してモータ１０を使用することで、各構成部２１Ａ，２１Ｂにおける回転トルクの最大値が略一致してその合成回転トルク（モータ１０の発生回転トルク）をより大きくでき、且つずらし角度θの設定にて増大が懸念されるコギングトルクをその最大値の約半分以下に十分に抑制することができる（図５及び図６参照）。

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、ロータ２１の第１，第２構成部２１Ａ，２１Ｂのずらし角度θを４〜６°（５±１°）の範囲内で設定したが、図５及び図６から効果のある角度、例えば０°＜θ＜１２°や２．５°＜θ＜７．５°、θ＝９〜１１°（１０±１°）等の範囲内のいずれかの角度に設定してもよい。

・上記実施形態では、ロータ２１を１つずつの第１及び第２構成部２１Ａ，２１Ｂで構成したが、少なくとも一方側を２以上の分割構成とし、適宜組み合わせて構成してもよい。また、第２構成部２１Ｂを２分割以上とした場合では、使用するマグネットの磁極を同磁極とせず適宜異ならせてもよい。

・上記実施形態のマグネット２３ｎ，２３ｓ，２５ｎにおいて、第１及び第２構成部２１Ａ，２１Ｂ間に、例えば空隙や非磁性材料よりなる磁気的な離間部を設けてもよい。このようにすれば、第１構成部２１Ａのマグネット２３ｓから第２構成部２１Ｂの突極２４ａへの漏れ磁束の低減が可能となる。

・上記実施形態では、ロータコア２２，２４及びステータコア１２を磁性金属板材の積層にて構成したが、このような積層型のコアに限らず、例えば磁性粉体の成形にてコアを構成してもよい。

・上記実施形態では、ステータ１１側の磁極数が「１２」、ロータ２１側の磁極数が「１０」で構成されているが、ステータ１１側の磁極数及びロータ２１側の磁極数をそれぞれ適宜変更した構成としてもよい。

１０…ブラシレスモータ（モータ）、１２…ステータコア、１２ａ…ティース、１３ｕ１〜１３ｕ４，１３ｖ１〜１３ｖ４，１３ｗ１〜１３ｗ４…コイル、２１…ロータ、２１Ａ…第１構成部、２１Ｂ…第２構成部、２２，２４…ロータコア、２３ｎ，２３ｓ，２５ｎ…マグネット、２４ａ…突極。

Claims (5)

1. ステータコアのティースにコイルが巻回されてなるステータと、ロータコアにマグネットが固定されてなるロータとを備えたモータであって、
   前記ロータは、
   Ｎ極及びＳ極のマグネットが周方向に交互に配置された第１構成部と、
   Ｎ極及びＳ極の一方側のマグネットが前記第１構成部の同極のマグネットと軸方向に並んで配置されるその一方側のマグネットと、他方側の磁極として機能する前記ロータコアに設けた突極とが周方向に交互に配置された第２構成部と
   を備えており、
   前記ロータの第２構成部が第１構成部よりも相対的に回転方向遅れ側にずらして配置されている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、
   前記ロータが１０磁極、前記ステータが１２磁極で構成されるものであり、
   前記第１及び第２構成部のずらし角度θが、０°＜θ＜１２°に設定されていることを特徴とするモータ。
3. 請求項２に記載のモータにおいて、
   前記第１及び第２構成部のずらし角度θが、２．５°＜θ＜７．５°の範囲内に設定されていることを特徴とするモータ。
4. 請求項２に記載のモータにおいて、
   前記第１及び第２構成部のずらし角度θが、５±１°又は１０±１°の範囲内に設定されていることを特徴とするモータ。
5. 請求項２に記載のモータにおいて、
   前記第１及び第２構成部のずらし角度θが、５±１°の範囲内に設定されていることを特徴とするモータ。

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