JP2010246233A - ロータ及びモータ - Google Patents

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Abstract

【課題】磁束密度の急峻な変化の一層の抑制を図り、トルク脈動の一層の低減を図ることができるロータを提供する。
【解決手段】コンシクエントポール型構造のロータ10において、突極12aはその外側面(表面)12cの全体が一定の曲率を以て湾曲形状をなし、その外側面12cの曲率の半径r1と基準の円周C2の半径Rとの比r1/Rを、0.2≦r1/R≦0.8の範囲内のいずれかに設定して構成した。
【選択図】図2

Description

本発明は、コンシクエントポール型構造を採用したロータ、及びそのロータを備えるモータに関するものである。
モータに用いられるロータとしては、例えば特許文献1にて示されているように、ロータコアの周方向に一方の磁極のマグネットが複数配置され、該コアに一体形成された突極が各マグネット間に配置され、該突極を他方の磁極として機能させる所謂コンシクエントポール型構造のロータが知られている。
ところで、マグネットと突極の境界部分においては、ステータとの対向面における表面磁束密度の急峻な変化が生じ、このことがトルク脈動の増大に繋がるため、その磁束密度の急峻な変化を抑制することが望まれている。
特開平9−327139号公報
上記した特許文献1のロータでは、隣接のマグネットと突極との間に空隙(周方向の隙間)を設けているため、マグネットと突極の境界部分における磁束密度の急峻な変化がある程度抑制されるものの、その抑制が十分とは言えず、更なる改善が検討されていた。
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、磁束密度の急峻な変化の一層の抑制を図り、トルク脈動の一層の低減を図ることができるロータ、及びそのロータを備えた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、ロータコアの周方向に一方の磁極のマグネットが複数配置されるとともに、前記ロータコアに一体形成された突極が各マグネット間に空隙を以て配置され、前記突極を他方の磁極として機能するように構成されたロータであって、前記突極及び前記マグネットの各表面が位置する基準の円周に対し、その少なくとも一方における前記表面の周方向両端部が前記基準の円周から曲線的に後退側に次第に離間するように構成されていることをその要旨とする。
この発明では、突極及びマグネットの各表面が位置する基準の円周に対し、その少なくとも一方の表面の周方向両端部が基準の円周から曲線的に後退側に次第に離間する構成とされる。これにより、周方向両端部ほどステータとの空隙が次第に拡大するため、それに伴って突極又はマグネットの磁極端部付近での磁束密度の突出変化度合いが小さくなり、また磁極中央部付近では磁束密度の落ち込み度合いも小さくなる。そのため、マグネットと突極との間に空隙を設けてロータの磁束密度の急峻な変化の抑制を図るのに加え、その磁束密度の急峻な変化が一層抑制され、トルク脈動の一層の低減が図られる。
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載のロータにおいて、前記突極はその表面全体が一定の曲率を以て湾曲形状をなすものであり、その表面の曲率の半径r1と前記基準の円周の半径Rとの比r1/Rが、0.2≦r1/R≦0.8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、突極はその表面全体が一定の曲率を以て湾曲形状をなし、その表面の曲率の半径r1と基準の円周の半径Rとの比r1/Rが、0.2≦r1/R≦0.8の範囲内のいずれかに設定される。これにより、モータトルクの低下が抑制されつつ、トルクリップルの一層の低減がなされ、トルク脈動の一層の低減が図られる(図4及び図5参照)。
請求項3に記載の発明は、請求項1に記載のロータにおいて、前記突極はその周方向両端の角部がR形状をなすものであり、その角部の曲率の半径r2と突極の突出長さhとの比r2/hが、0.2≦r2/h≦0.9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、突極はその周方向両端の角部がR形状をなし、その角部の曲率の半径r2と突極の突出長さhとの比r2/hが、0.2≦r2/h≦0.9の範囲内のいずれかに設定される。これにより、モータトルクの低下が抑制されつつ、トルクリップルの一層の低減がなされ、トルク脈動の一層の低減が図られる(図7及び図8参照)。
請求項4に記載の発明は、請求項1に記載のロータにおいて、前記マグネットはその表面全体が一定の曲率を以て湾曲形状をなすものであり、その表面の曲率の半径r3と前記基準の円周の半径Rとの比r3/Rが、0.4≦r3/R≦0.8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、マグネットはその表面全体が一定の曲率を以て湾曲形状をなし、その表面の曲率の半径r3と基準の円周の半径Rとの比r3/Rが、0.4≦r3/R≦0.8の範囲内のいずれかに設定される。これにより、モータトルクの低下が抑制されつつ、トルクリップルの一層の低減がなされ、トルク脈動の一層の低減が図られる(図12及び図13参照)。
請求項5に記載の発明は、請求項1〜4のいずれか1項に記載のロータを備えたモータである。
この発明では、上記のロータを用いることでトルク脈動の一層の低減が可能なため、モータの高出力・低振動化が図られる。
本発明によれば、磁束密度の急峻な変化の一層の抑制を図り、トルク脈動の一層の低減を図ることができるロータ、及びそのロータを備えたモータを提供することができる。
第1実施形態におけるロータの平面図である。 同実施形態におけるロータの部分拡大図である。 同実施形態におけるr1/R比と磁束密度変化との関係を示す特性図である。 同実施形態におけるr1/R比とトルク比との関係を示す特性図である。 同実施形態におけるr1/R比とトルクリップル比との関係を示す特性図である。 第2実施形態におけるロータの部分拡大図である。 同実施形態におけるr2/h比とトルク比との関係を示す特性図である。 同実施形態におけるr2/h比とトルクリップル比との関係を示す特性図である。 第3実施形態におけるロータの平面図である。 同実施形態におけるロータの部分拡大図である。 同実施形態におけるr3/R比と磁束密度変化との関係を示す波形図である。 同実施形態におけるr3/R比とトルク比との関係を示す特性図である。 同実施形態におけるr3/R比とトルクリップル比との関係を示す特性図である。
(第1実施形態)
以下、本発明を具体化した第1実施形態を図面に従って説明する。
図1及び図2は、インナロータ型のブラシレスモータに用いられる本実施形態のロータ10を示す。ロータ10は、回転軸11の外周面に磁性金属材料よりなる略円環状のロータコア12が固着されており、該コア12の周方向にN極のマグネット13が7個配置されるとともに、コア12に一体形成された突極12aが各マグネット13間に配置され、該突極12aをS極として機能させる14磁極の所謂コンシクエントポール型にて構成されている。尚、図示しないステータには、例えば12個のティースにコイルが巻回された12磁極で構成されたものが用いられる。マグネット13及び突極12aは、ロータ10の外周部に等角度間隔で交互に設けられている。
マグネット13は、突極12aよりも周方向長さが若干大きく、その周方向に同一厚さの湾曲形状、即ち内側面13aと外側面13bとが平行な湾曲形状をなすように形成されている。マグネット13は、その内側面13aがロータコア12の隣接する突極12a間に同じく湾曲形状をなす固着面12bに固着され、隣接の突極12aとの間に空隙(周方向の隙間)Sが設けられている。この空隙Sは、ロータ10とステータとの間の空隙の1〜2倍程度に設定されている。
突極12aは、各マグネット13の内側面13aを繋いだ円周C1に対して、周方向中央部の突出長さが大きく、周方向両端部に向かうほどその突出長さが小さくなるように、周方向中央線を基準に線対称に形成されている。また、突極12aの外側面12cは、周方向中央部が各マグネット13の外側面13bを繋いだ円周C2上に位置し、外側面12cの周方向両端部が同円周C2上から径方向内側に次第に離間する。つまり、突極12aの外側面12cは、各マグネット13の外側面13bを繋いだ円周C2よりも曲率が大きく(曲率半径が小さく)形成され、外側面12cの周方向中央部から端部に向かうほど、ステータから次第に離間するように構成されている。
ここで、各マグネット13の外側面13bを繋いだ円周C2の半径をR、突極12aの外側面12cの半径をr1とした場合、その比r1/Rを変化させたときのロータ10の表面磁束密度変化を図3に、トルク比を図4に、トルクリップル比を図5にそれぞれ示す。
図3では、r1/R=1、r1/R=0.5、r1/R=0.3と変化させたときの磁束密度変化が示され、マグネット13の磁極部分における磁束密度変化は、r1/Rの比が変化しても大差なく、滑らかな曲線で略台形状に変化する。一方、突極12aの磁極部分における磁束密度変化は、r1/Rの比が変化すると、その比に応じて大きく異なる。r1/R=1、即ち突極12aの外側面12cがマグネット13の外側面13bを繋いだ円周C2と曲率が同じとき、突極12aの磁極端部付近の磁束密度が突出して大きく変化し、また磁極中央部付近では磁束密度の落ち込みが大きい。これに対し、r1/R=0.5、r1/R=0.3のようにその比が小さくなる、即ち突極12aの外側面12cの曲率が円周C2よりも大きくなると、突極12aの周方向両端部ほどステータとの空隙が次第に拡大するため、それに伴って突極12aの磁極端部付近での磁束密度の突出変化度合いが小さくなり、またその磁極中央部付近での磁束密度の落ち込み度合いも小さくなる。
図4では、r1/Rを変化させたときのモータのトルク比が示され、r1/R=1、即ち突極12aの外側面12cの曲率を変化させていないときのモータトルクを100%とすると、そのr1/Rが小さく(突極12aの外側面12cの曲率が円周C2よりも大きく)なるに連れて、モータトルクとしては僅かではあるが小さくなる。r1/R=0.2にてモータトルクが98.5%程度となるまで小さい減少幅で減少し、r1/R=0.2からはその減少幅が僅かながらも大きくなる。
図5では、r1/Rを変化させたときのトルクリップル比が示され、r1/R=1としたとき(突極12aの外側面12cの曲率を変化させていないとき)のトルクリップルを100%とすると、そのr1/Rが小さく(突極12aの外側面12cの曲率が円周C2よりも大きく)なるに連れて、トルクリップルとしては十分に小さくなる。r1/R=0.8まではトルクリップルが95%程度まで比較的小さい減少幅で減少するが、r1/R=0.8からはその減少幅も大きくなり、r1/R=0.3でトルクリップルが55%程度まで減少する。r1/R=0.3からはトルクリップルの減少幅が更に大きくなる。r1/R=0.8からは特にトルクリップルが大きく低減され、トルク脈動の一層の低減が図られる。
これらを踏まえ、本実施形態のロータ10では、突極12aの外側面12cの曲率度合いが0.2≦r1/R≦0.8の範囲内のいずれかに設定されている。つまり、本実施形態では、マグネット13と突極12aとの間に空隙Sを設けてロータ10の表面磁束密度の急峻な変化の抑制を図る態様に加え、モータトルクを極力低下させずに、その磁束密度の急峻な変化が一層抑制され、トルク脈動の一層の低減が図られている。
尚、本実施形態のロータ10は、インナロータ型のモータに用いられる構成であることから、突極12a及びマグネット13の各外側面12c,13b、即ちステータとの対向面の面積が内側面よりも大きく、またマグネット13からロータコア12内を通過し突極12aへ抜ける磁気の経路が短くなって磁気損失も減るため、逆にその内側面がステータとの対向面となるアウタロータ型と比べて、スタータとの間の磁束密度を同体積としながら高くでき、高トルク化が可能である。
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、突極12aはその外側面(表面)12cの全体が一定の曲率を以て湾曲形状をなし、その外側面12cの曲率の半径r1と基準の円周C2の半径Rとの比r1/Rが、0.2≦r1/R≦0.8の範囲内のいずれかに設定されている。つまり、この範囲内では、突極12aの外側面12cの周方向両端部が基準の円周C2から曲線的に後退側に次第に離間する構成となる。これにより、突極12aの周方向両端部ほどステータとの空隙が次第に拡大するため、それに伴って突極12aの磁極端部付近での磁束密度の突出変化度合いが小さくなり、また磁極中央部付近では磁束密度の落ち込み度合いも小さくなる。そのため、マグネット13と突極12aとの間に空隙Sを設けてロータ10の磁束密度の急峻な変化の抑制を図るのに加え、その磁束密度の急峻な変化が一層抑制され、トルク脈動の一層の低減を図ることができる。また、突極12aの外側面12cの曲率の半径r1と基準の円周C2の半径Rとの比r1/Rが、0.2≦r1/R≦0.8の範囲内のいずれかに設定されることから、モータトルクの低下が抑制されつつ、トルクリップルの一層の低減がなされ、トルク脈動の一層の低減が図られる(図4及び図5参照)。このことは、モータの高出力・低振動化に寄与できる。
(第2実施形態)
以下、本発明を具体化した第2実施形態を図面に従って説明する。
上記第1実施形態では、突極12aの外側面12c全体の曲率度合いを適正化する態様であったが、本実施形態では図6に示すように、突極12aの周方向両端の角部12dのR形状の曲率度合いが適正化され、突極12aの外側面12cが周方向中央部から端部に向かうほど、ステータに対して好適に離間するように構成されている。
ここで、突極12aの角部12dの半径をr2、突極12aの突出長さをhとした場合、その比r2/hを変化させたときのロータ10のトルク比を図7に、トルクリップル比を図8にそれぞれ示す。
図7では、r2/hを変化させたときのモータのトルク比が示され、r2/h=0、即ち突極12aの角部12dをR形状としていないときのモータトルクを100%とすると、そのr2/hが大きくなるに連れて次第に増加し、r2/h=0.6付近で最大となりそこから次第に低下する。r2/h=0.9付近でモータトルクが100%未満となってからは、r2/h=1となるまで更に低下する。
図8では、r2/hを変化させたときのトルクリップル比が示され、r2/h=0のとき(突極12aの角部12dをR形状としていないとき)のトルクリップルを100%とすると、そのr2/hが大きくなるに連れてr2/h=0.2までは若干ではあるが増加し、r2/h=0.2からは100%よりも小さくなっていく。r2/h=0.8付近で50%程度となってその減少は緩やかとなり、r2/h=0.9からは変化が殆どなくなる。
これらを踏まえ、本実施形態のロータ10では、突極12aの突出長さhとその角部12dの半径r2との兼ね合いが0.2≦r2/h≦0.9の範囲内のいずれかに設定されている。このようにすることで、本実施形態においても、モータトルクを極力低下させずに、その磁束密度の急峻な変化が一層抑制され、トルク脈動の一層の低減が図られている。
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、突極12aはその周方向両端の角部12dがR形状をなし、その角部12dの曲率の半径r2と突極12aの突出長さhとの比r2/hが、0.2≦r2/h≦0.9の範囲内のいずれかに設定されている。つまり、この範囲内で突極12aを構成することで、突極12aの外側面12cの周方向両端部が基準の円周C2から曲線的に後退側に次第に離間するため、上記した第1実施形態の効果と同様に、ロータ10の磁束密度の急峻な変化が一層抑制され、トルク脈動の一層の低減を図ることができる。また、突極12aの角部12dの曲率の半径r2と突極12aの突出長さhとの比r2/hが、0.2≦r2/h≦0.9の範囲内のいずれかに設定されることから、モータトルクの低下が抑制されつつ、トルクリップルの一層の低減がなされ、トルク脈動の一層の低減が図られる(図7及び図8参照)。このことは、モータの高出力・低振動化に寄与できる。
(第3実施形態)
以下、本発明を具体化した第3実施形態を図面に従って説明する。
上記第1及び第2実施形態では、突極12aの外側面12cや角部12dの曲率度合いを適正化する態様であったが、本実施形態では図9及び図10に示すように、マグネット13の外側面13bの曲率度合いが適正化され、マグネット13の外側面13bが周方向中央部から端部に向かうほど、ステータに対して好適に離間するように構成されている。
ここで、曲率を変化させる各マグネット13の外側面13bの半径をr3とした場合、曲率を変えていないときの外側面13bを繋いだ前記円周C2の半径Rに対するその比r3/Rを変化させたときのロータ10の表面磁束密度変化を図11に、トルク比を図12に、トルクリップル比を図13にそれぞれ示す。尚、突極12aの外側面12cは、円周C2上に位置している(r1/R=1)。
図11では、r3/R=1、r3/R=0.6と変化させたときの磁束密度変化が示され、マグネット13の磁極部分における磁束密度変化は、r3/R=1のときに略台形状に変化していたものが、r3/R=0.6になると略正弦波状に変化するようになる。また、突極12aの磁極部分における磁束密度変化は、r3/R=1のとき(マグネット13の外側面13bが円周C2と曲率が同じとき)よりもr3/R=0.6のとき(マグネット13の外側面13bの曲率が円周C2よりも大きくなるとき)では、磁束密度の急峻な変化の改善がみられる。
図12では、r3/Rを変化させたときのモータのトルク比が示され、r3/R=1のとき(マグネット13の外側面13bの曲率を変化させていないとき)のモータトルクを100%とすると、そのr3/Rが小さく(マグネット13の外側面13bの曲率が円周C2よりも大きく)なるに連れてモータトルクが小さくなるが、r3/R=0.4までは比較的小さい減少幅で減少し、r3/R=0.4からはその減少幅が大きくなる。
図13では、r3/Rを変化させたときのトルクリップル比が示され、r3/R=1としたとき(マグネット13の外側面13bの曲率を変化させていないとき)のトルクリップルを100%とすると、そのr3/Rが小さく(マグネット13の外側面13bの曲率が円周C2よりも大きく)なるに連れてトルクリップルが小さくなるが、r3/R=0.8まではトルクリップルが80%程度まで比較的小さい減少幅で減少するが、r3/R=0.8からはその減少幅も大きくなり、r3/R=0.6ではトルクリップルが50%程度まで減少する。r3/R=0.6からもトルクリップルが十分に小さくなる。r3/R=0.8からは特にトルクリップルが大きく低減され、トルク脈動の一層の低減が図られる。
これらを踏まえ、本実施形態のロータ10では、マグネット13の外側面13bの曲率度合いが0.4≦r3/R≦0.8の範囲内のいずれかに設定されている。このようにすることで、本実施形態においても、モータトルクを極力低下させずに、その磁束密度の急峻な変化が一層抑制され、トルク脈動の一層の低減が図られている。
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、マグネット13はその外側面(表面)13bの全体が一定の曲率を以て湾曲形状をなし、その外側面13bの曲率の半径r3と基準の円周C2の半径Rとの比r3/Rが、0.4≦r3/R≦0.8の範囲内のいずれかに設定されている。つまり、この範囲内でマグネット13を構成することで、マグネット13の外側面13bの周方向両端部が基準の円周C2から曲線的に後退側に次第に離間するため、上記した第1実施形態の効果と同様に、ロータ10の磁束密度の急峻な変化が一層抑制され、トルク脈動の一層の低減を図ることができる。また、マグネット13の外側面13bの曲率の半径r3と基準の円周C2の半径Rとの比r3/Rが、0.4≦r3/R≦0.8の範囲内のいずれかに設定されることから、モータトルクの低下が抑制されつつ、トルクリップルの一層の低減がなされ、トルク脈動の一層の低減が図られる(図12及び図13参照)。このことは、モータの高出力・低振動化に寄与できる。
尚、本発明の実施形態は、以下のように変更してもよい。
・上記各実施形態についての数値範囲は、状況等に応じて適宜変更してもよい。
・上記第1実施形態では突極12aの外側面12c全体の曲率、第2実施形態では突極12aの角部12dの曲率、第3実施形態ではマグネット13の外側面13b全体の曲率のそれぞれの適正化を図ったが、これら各形態を組み合わせてもよく、例えば突極12aとマグネット13との両者をその対象としてもよい。
・上記各実施形態では、7個の突極12aと7個のマグネット13とで構成した14磁極のロータ10に適用したが、磁極数を適宜変更してもよい。これに伴い、ステータ側の磁極数も適宜変更する。
・上記各実施形態では、インナロータ型のモータに用いられるロータ10に適用したが、アウタロータ型のモータのロータに適用してもよい。この場合、ロータとステータとの径方向の対向関係が逆になる。
10…ロータ、12…ロータコア、12a…突極、12c…外側面(表面)、12d…角部、13…マグネット、13b…外側面(表面)、C2…円周(基準の円周)、r1,r2,r3,R…半径、h…突出長さ、S…空隙。

Claims (5)

  1. ロータコアの周方向に一方の磁極のマグネットが複数配置されるとともに、前記ロータコアに一体形成された突極が各マグネット間に空隙を以て配置され、前記突極を他方の磁極として機能するように構成されたロータであって、
    前記突極及び前記マグネットの各表面が位置する基準の円周に対し、その少なくとも一方における前記表面の周方向両端部が前記基準の円周から曲線的に後退側に次第に離間するように構成されていることを特徴とするロータ。
  2. 請求項1に記載のロータにおいて、
    前記突極はその表面全体が一定の曲率を以て湾曲形状をなすものであり、その表面の曲率の半径r1と前記基準の円周の半径Rとの比r1/Rが、0.2≦r1/R≦0.8の範囲内に設定されていることを特徴とするロータ。
  3. 請求項1に記載のロータにおいて、
    前記突極はその周方向両端の角部がR形状をなすものであり、その角部の曲率の半径r2と突極の突出長さhとの比r2/hが、0.2≦r2/h≦0.9の範囲内に設定されていることを特徴とするロータ。
  4. 請求項1に記載のロータにおいて、
    前記マグネットはその表面全体が一定の曲率を以て湾曲形状をなすものであり、その表面の曲率の半径r3と前記基準の円周の半径Rとの比r3/Rが、0.4≦r3/R≦0.8の範囲内に設定されていることを特徴とするロータ。
  5. 請求項1〜4のいずれか1項に記載のロータを備えたことを特徴とするモータ。
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