JP2012080697A - モータ - Google Patents

Abstract

【課題】磁気バランスの向上を図り、回転性能を向上することができるモータを提供する。
【解決手段】ロータ３は、ロータコア２２の周方向にＮ極のマグネット２３が複数配置されるとともに、ロータコア２２に一体形成されたコア磁極部２６が各マグネット２３間に空隙２７を以て配置され、コア磁極部２６をＳ極として機能するように構成される。そして、コア磁極部２６の周方向中間部には、外周側（ステータ２側）に向かうにつれて互いの間隔が狭くなるように延びる一対のスリット部３１が形成される。
【選択図】図１

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を有するモータに関するものである。

従来、モータにおいて、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コア磁極部が各マグネット間に配置され、該コア磁極部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を有するものが知られている。このようなモータでは、性能の低下を小さく抑えつつもロータのマグネットを半数に減らすことが可能となるため、省資源化や低コスト化等の点で有利である。

特開２００３−３０９９５３号公報

ところで、特許文献１のようなコンシクエントポール型構造のロータは、磁束の強制力（誘導）のあるマグネットと、磁束の強制力のないコア磁極部とが混在する磁極にて構成されているため、磁気的にアンバランスが生じ易く、このことが例えばコギングトルクの発生による振動増加等の回転性能の悪化に繋がっている。特に、回転時においては、コア磁極部に対して相対回転するティースの影響を受けて、コア磁極部内の磁束分布のピークは周方向に移動し、これにより、周方向の磁気バランスの乱れはより顕著となってしまう。そこで、特許文献１の構成では、コア磁極部に形成された空隙によって磁束分布のピークの周方向の移動が抑えられるため、周方向の磁気バランスが多少整えられるが、このような構成においても、磁気バランスの乱れを十分に抑えることが難しく、改善の余地があった。

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、磁気バランスの向上を図り、回転性能を向上す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、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コア磁極部が各マグネット間に空隙を以て配置され、前記コア磁極部を他方の磁極として機能するように構成されたロータと、前記ロータと対向する複数のティースを有するステータとを備えたモータであって、前記ロータのコア磁極部の周方向中間部には、前記ステータ側に向かうにつれて互いの間隔が狭くなるように延びる複数のスリット部が形成されたことを特徴とする。

この発明では、ロータのコア磁極部に形成された複数のスリット部は、互いの間隔が狭くなるように延びる形状をなすため、各スリット部におけるステータとは反対の端部間を通過する磁束がスリット部の形状に沿ってステータ側に流れ、各スリット部のステータ側の端部間に集中する。これにより、各スリット部のステータ側の端部間で磁束分布のピークがより明確となるため、そのピークの周方向の移動をより好適に抑制することが可能となる。その結果、コア磁極部内の周方向の磁気バランスの乱れが抑えられて周方向に亘ってバランスの良い磁束分布となり、回転性能を向上させることができる。

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、前記スリット部は、前記各コア磁極部に２つずつ設けられ、それらのステータ側端部間の角度は、前記ティースの先端面の開角度以下に設定されていることを特徴とする。

この発明では、２つのスリット部のステータ側端部間の角度がティースの先端面の開角度以下に設定される、このため、スリット部間の磁束分布に対するティースの影響を小さく抑えることができるため、スリット部間の磁束分布のピークの周方向の移動をより効果的に抑制することが可能となる。

従って、上記記載の発明によれば、磁気バランスの向上を図り、回転性能を向上することができる。

（ａ）は、本実施形態のモータの概略構成図であり、（ｂ）は、セグメント導体の一部斜視図。 ロータの一部拡大図である。 ロータの回転角とコギングトルク変化との関係を示す特性図である。 スリット先端開角度Ｓθ２とコギングトルク変化との関係を示す特性図である。 スリット傾斜角Ｓθ３とコギングトルク変化との関係を示す特性図である。 スリット間角度Ｓθ１とコギングトルク変化との関係を示す特性図である。 スリット長さ比Ｌ／Ｒとコギングトルク変化との関係を示す特性図である。 別例のモータを示す概略構成図である。

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）に示すように、本実施形態のインナロータ型のモータ１は、略円環状のステータ２の内側にロータ３が配置されて構成されている。

ステータ２は、円筒部１１と円筒部１１から径方向内側に延びて周方向に複数（本実施形態では６０個）設けられるティース１２とを有するステータコア４を備える。尚、ステータコア４は、透磁率の高い金属製の板状部材よりなる積層部材が軸方向に積層されて構成されている。ステータコア４の各ティース１２間には、ロータ３を回転させる磁界を発生させるためのセグメント巻線１３が挿入されるスロットＳが形成されている。スロットＳは、軸方向から見て断面が径方向に沿った長方形であり、スロットＳの個数は、ティース１２の個数と同数（本実施形態では６０個）となっている。尚、ティース１２とセグメント巻線１３との間には、図示しないインシュレータが介在されている。

ステータ２のセグメント巻線１３は、断面四角形状であり、多相（本実施形態では３相）の分布巻とされている。セグメント巻線１３は、ティース１２間のスロットＳを軸方向（紙面直交方向）に貫通するようにスロットＳ内に配置されるスロット挿入部１４ａと、スロットＳから軸方向に突出するスロット突出部１４ｂと、折り曲げ部１４ｃとを有する複数のセグメント導体１４（図１（ｂ）参照）を相毎に有している。そして、その相毎の各セグメント導体１４は、径方向に隣り合うスロット突出部１４ｂ（スロットＳから突出するスロット挿入部１４ａの端部）同士で溶着により電気的に接続されて周方向に連続する導線として構成される。尚、各セグメント導体１４は、導体板が折り曲げ加工されてなり、略Ｕ字状に形成されており、Ｕ字の平行直線部に相当する一対のスロット挿入部１４ａは、周方向に複数（６個）のティース１２を跨いで離間した２つのスロットＳ内にそれぞれ配置されるようになっている。

ロータ３は、図１（ａ）及び図２に示すように、回転軸２１の外周面に外嵌された略円環状のロータコア２２を有する。尚、ロータコア２２は、透磁率の高い金属製の板状部材よりなるコアシートが軸方向に積層されて構成されている。そして、ロータコア２２の外周部の周方向に（７２°間隔に）Ｎ極のマグネット２３が５個埋め込まれてマグネット磁極部２４が形成されている。つまり、マグネット磁極部２４は、マグネット２３と、そのマグネット２３の外周側に位置するロータコア２２部分（外周部２５）とを有している。

マグネット２３は、略直方体形状に形成され、ロータ３の軸方向から見て長手方向が径方向の直交方向に沿って配置されている。各マグネット磁極部２４間には、ロータコア２２に一体形成されたコア磁極部２６がそれぞれマグネット磁極部２４との各境界部に軸方向から見て一定面積の空隙２７を以て配置されている。尚、空隙２７の外周側には、マグネット磁極部２４の外周部２５とコア磁極部２６とを繋ぐ連結部２８が形成されている。そして、外周部２５、コア磁極部２６及び連結部２８の連続する各外周面によって、ロータ３の外周面が形成されている。

マグネット磁極部２４及び空隙２７は、マグネット磁極部２４の周方向中心線Ｑ１に対して線対称となるように形成されている。また、各空隙２７は一定の面積とされるとともに、ロータコア２２の軸方向の全体に渡って（一定面積が維持されたまま）形成されている。尚、コア磁極部２６の外周面からスリット部３１までの距離（スリット深さＥ、図２参照）は、ロータコア２２のコアシートの軸方向厚さの１．２倍以上に設定されるのが望ましい。

このように、各マグネット磁極部２４及びコア磁極部２６は等角度（３６°）間隔に交互に配置され、ロータ３は、Ｎ極のマグネット磁極部２４に対してコア磁極部２６をＳ極として機能させる１０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、ロータ３の極対数はマグネット２３と同数であり、本実施形態では極対数は「５」となっている。尚、セグメント導体１４がティース１２を跨ぐ本数は、（スロット数／磁極数）により決定されるようになっている。

尚、本実施形態のステータ２は、ロータ３のマグネット２３の個数（極対数）を「ｐ」（但しｐは２以上の整数）、セグメント巻線１３の相数を「ｍ」として、ティース１２の個数「Ｇ」が、「Ｇ＝２×ｐ×ｍ×ｎ（個）」（但し「ｎ」は自然数）となるように構成されている。そして、本実施形態では、この数式に基づいて、ティース１２の個数「Ｇ」は、Ｇ＝２×５（マグネット２３の個数）×３（相数）×２＝６０（個）に設定されている。

各コア磁極部２６の周方向中間部には、コア磁極部２６の周方向中心線Ｑ２に対して線対称となる位置に設けられた一対のスリット部３１が形成されている。一対のスリット部３１は、その外周側端部（ステータ２側の端部）に向かうにつれて互いの周方向の間隔が狭くなるように延びている。尚、各スリット部３１は軸方向から見て矩形をなし、ロータコア２２の軸方向の全体に渡って（一定面積が維持されたまま）形成されている。また、スリット部３１はロータコア２２を軸方向に貫通している。

このように、各コア磁極部２６にスリット部３１を形成した構成では、一対のスリット部３１における内周側端部間（ステータ２とは反対の端部間）を通過する磁束がスリット部３１の形状に沿って外周方向に流れ、スリット部３１の外周側端部間に集中する。これにより、スリット部３１の外周側端部間でコア磁極部２６内の周方向の磁束分布のピークがより明確となるため、そのピークの周方向の移動がより好適に抑制されるようになっている。その結果、コア磁極部２６内の周方向の磁気バランスの乱れが抑えられて周方向に亘ってバランスの良い磁束分布となり、回転性能を向上させることができるようになっている。

また、一対のスリット部３１の外周側端部間（内側の間）の角度（スリット間角度Ｓθ１、図２参照）は、ティース１２の先端面１２ａの開角度Ｔθ１（ロータ３の軸線Ｃを中心とする角度）以下に設定されている。これにより、スリット部３１間の磁束分布に対するティース１２の影響が小さく抑えられるようになっており、その結果、スリット部３１間の磁束分布のピークの周方向の移動がより効果的に抑制されるようになっている。

ここで、１つのスリット部３１の外周側端部間の軸線Ｃを中心とする角度（スリット先端開角度Ｓθ２、図２参照）とコギングトルク変化との関係を図４に示し、同図ではスリット部３１を形成しない構成で生じるコギングトルクを１００％としている。図４に示すように、スリット先端開角度Ｓθ２がおよそ０．６°〜２．２°の範囲では、スリット先端開角度Ｓθ２が大きくなるにつれてコギングトルク変化も大きくなっているが、この範囲内ではコギングトルクは１００％よりも小さくなっている。そして、スリット先端開角度Ｓθ２は、ティース先端間角度Ｔθ２の１．５倍以下に設定されるのが望ましく、本実施形態では、ティース先端間角度Ｔθ２が１．２４１°に設定されているため、スリット先端開角度Ｓθ２がＳθ２≦１．８６°に設定されるのが望ましい。このように、スリット先端開角度Ｓθ２をティース先端間角度Ｔθ２の１．５倍以下に設定すれば、コギングトルク変化を小さく抑えることが可能となっている。

また、コア磁極部２６の周方向中心線Ｑ２に対してのスリット部３１の傾斜具合を示すスリット傾斜角Ｓθ３（図２参照）とコギングトルク変化との関係を図５に示し、同図では、上記と同様にスリット部３１を形成しない構成で生じるコギングトルクを１００％としている。図５に示すように、スリット傾斜角Ｓθ３が０°〜３０°の範囲では、スリット傾斜角Ｓθ３が大きくなるにつれてコギングトルク変化も大きくなっているが、この範囲内ではコギングトルクは１００％よりも小さくなっている。そして、スリット傾斜角Ｓθ３は、コギングトルク変化がおよそ４０％以下となるように０°＜Ｓθ３≦１０°の範囲内に設定されるのが望ましい。

また、スリット間角度Ｓθ１とコギングトルク変化との関係を図６に示し、同図では、上記と同様にスリット部３１を形成しない構成で生じるコギングトルクを１００％としている。図６に示すように、スリット間角度Ｓθ１がおよそ１．３°〜７．４°の範囲内では、コギングトルクは１００％よりも小さくなっている。また、スリット間角度Ｓθ１がおよそ１．３°〜４．３°の範囲では、コギングトルク変化はおよそ３０％でほぼ変動なく、スリット間角度Ｓθ１がおよそ４．０°〜７．４°の範囲では、スリット間角度Ｓθ１が大きくなるにつれてコギングトルク変化も大きくなっている。そして、スリット間角度Ｓθ１は、コギングトルク変化の変動が少ない４．３°以下の範囲内に設定されるのが望ましい。

また、スリット部３１を軸方向から見たときの長手方向の長さ（スリット長Ｌ、図２参照）とコア外径Ｒとの比Ｌ／Ｒと、コギングトルク変化との関係を図７に示し、同図では、上記と同様にスリット部３１を形成しない構成で生じるコギングトルクを１００％としている。図７に示すように、スリット長さ比Ｌ／Ｒがおよそ１１％〜１５％の範囲では、スリット長さ比Ｌ／Ｒが大きくなるにつれてコギングトルク変化も徐々に大きくなっており、スリット長さ比Ｌ／Ｒがおよそ１５％〜２５％の範囲では、コギングトルク変化はおよそ３２％でほぼ変動がない。また、スリット長さ比Ｌ／Ｒがおよそ１１％〜２５％の範囲内では、コギングトルクは１００％よりも小さくなっている。そして、スリット長さ比Ｌ／Ｒは、コギングトルク変化の変動がほぼない１５％≦Ｌ／Ｒ≦２５％の範囲内に設定されるのが望ましい。

尚、図４〜図７は、マグネット磁極部２４の開角度Ｍθを１９．５°、コア磁極部２６の開角度Ｃθを２３．１°、ティース先端間角度Ｔθ２を１．２４１°（即ち、ティース１２の先端面１２ａの開角度Ｔθ１が４．５７９°）にそれぞれ設定したときに得られる特性図である。

また、図３の特性図にロータ３の回転角とコギングトルク変化との関係を示す。図３では、スリット部３１を形成しない構成で生じるコギングトルクの変化を１点鎖線で示し、スリット部３１を有する本実施形態でのコギングトルクの変化を実線で示している。尚、本実施形態では、スリット間角度Ｓθ１を４．３°、スリット先端開角度Ｓθ２を４．３３°、スリット傾斜角Ｓθ３を１０°、スリット長さ比Ｌ／Ｒを１８．３％、そして、前記スリット深さＥとコア外径Ｒとの比Ｅ／Ｒを２．２％にそれぞれ設定している。この図３に示すように、スリット部３１を有する本構成では、スリット部３１のない構成と比べてコギングトルクが小さく抑えられるようになっている。

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３は、ロータコア２２の周方向にＮ極のマグネット２３が複数配置されるとともに、ロータコア２２に一体形成されたコア磁極部２６が各マグネット２３間に空隙２７を以て配置され、コア磁極部２６をＳ極として機能するように構成される。そして、コア磁極部２６の周方向中間部には、外周側（ステータ２側）に向かうにつれて互いの間隔が狭くなるように延びる一対のスリット部３１が形成される。このため、一対のスリット部３１における内周側端部間を通過する磁束がスリット部３１の形状に沿って外周方向に流れ、スリット部３１の外周側端部間に集中する。これにより、スリット部３１の外周側端部間でコア磁極部２６内の周方向の磁束分布のピークがより明確となるため、そのピークの周方向の移動をより好適に抑制することが可能となる。その結果、コア磁極部２６内の周方向の磁気バランスの乱れが抑えられて周方向に亘ってバランスの良い磁束分布となり、回転性能を向上させることができる。

（２）本実施形態では、スリット部３１は各コア磁極部２６に２つずつ設けられ、それらの外周側端部間の角度（スリット間角度Ｓθ１）は、ティース１２の先端面１２ａの開角度Ｔθ１以下に設定される。このため、スリット部３１間の磁束分布に対するティース１２の影響を小さく抑えることができるため、スリット部３１間の磁束分布のピークの周方向の移動をより効果的に抑制することが可能となる。

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、コア磁極部２６にスリット部３１がそれぞれ２つずつ形成されたが、これに特に限定されるものではなく、それぞれ３つ以上形成してもよい。

・上記実施形態では、スリット部３１の外周側端部がコア磁極部２６の外周面よりも内側に設定されたが、該外周側端部がコア磁極部２６の外周面まで延びるように形成してもよい。

・上記実施形態のロータ３において、マグネット２３の形状や、マグネット磁極部２４の外周部２５、コア磁極部２６及び連結部２８を含むロータコア２２の形状を適宜変更してもよい。例えば、連結部２８がない構成としてもよい。

・上記実施形態では、マグネット磁極部２４とコア磁極部２６をそれぞれ５つで構成した１０磁極のロータ３に適用したが、ロータ３の磁極数を適宜変更してもよい。これに伴い、ステータ２側の磁極数（スロット数）も適宜変更する。

・上記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。
・上記実施形態では、ステータ２の巻線がセグメント巻線１３で構成されたが、これに特に限定されるものではなく、ティース１２に集中巻（又は分布巻）されたコイル４１（図８参照）としてもよい。

また、上記実施形態では、マグネット２３がロータコア２２に埋め込まれる構成（ＩＰＭモータ）としたが、これに特に限定されるものではなく、マグネット２３がロータコア２２の表面に設けられる構成（ＳＰＭモータ、図８参照）としてもよい。

・上記実施形態では、インナロータ型のモータ１に適用したが、アウタロータ型のモータに適用してもよい。

１…モータ、２…ステータ、３…ロータ、１２…ティース、１２ａ…先端面、２２…ロータコア、２３…マグネット、２６…コア磁極部、２７…空隙、３１…スリット部、Ｓθ１…スリット間角度、Ｔθ１…ティースの先端面の開角度。

Claims (2)

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コア磁極部が各マグネット間に空隙を以て配置され、前記コア磁極部を他方の磁極として機能するように構成されたロータと、
   前記ロータと対向する複数のティースを有するステータと
   を備えたモータであって、
   前記ロータのコア磁極部の周方向中間部には、前記ステータ側に向かうにつれて互いの間隔が狭くなるように延びる複数のスリット部が形成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、
   前記スリット部は、前記各コア磁極部に２つずつ設けられ、それらのステータ側端部間の角度は、前記ティースの先端面の開角度以下に設定されていることを特徴とするモータ。

Images