JP2012100472A - ロータ、及びモータ - Google Patents

Abstract

【課題】突極比の改善を図ることができ、ひいては回転性能の向上を図ることができるロータを提供する。
【解決手段】ロータコア２２のマグネット固定部２２ｂは、周方向の中央部分がマグネット２３と当接されている。またマグネット固定部２２ｂの周方向の両端部分には、溝部２２ｄが設けられｑ軸磁路に対する磁気抵抗部として機能する。
【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、及びモータに関するものである。

省資源や低コスト等の観点から、ロータコアの外周面の周方向に一方の磁極のマグネットが複数配置され、他方の磁極を各マグネット間に空隙を以て配置されたロータコアの突極で代用する所謂コンシクエントポール型モータ（ハーフマグネット型モータともいう）が考案されている（例えば特許文献１参照）。

特開平９−３２７１３９号公報

ところで、コンシクエントポール型モータにおいては、磁束の強制力（誘導）が無い突極を磁極として機能させた影響により、ｄ軸磁路とｑ軸磁路とにおける磁気抵抗が不均一となる。そのため、全磁極をマグネットで構成した通常構成のロータに比べ、ｑ軸磁路におけるインダクタンスＬｑの値がｄ軸磁路におけるインダクタンスＬｄに対して大きくなる傾向がある。言い換えれば、コンシクエントポール型モータでは、突極比（Ｌｄ／Ｌｑ）が１より小さくなる傾向にある。従って、コンシクエントポール型モータに対して弱め界磁制御を行ってロータを高速回転させる場合に、所望の回転数増加効果を得ることが困難となる問題がある。

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、突極比の改善を図ることができ、ひいては回転性能の向上を図ることができるロータ、及び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に記載の発明では、ロータコアの外周面にマグネット固定部が周方向に複数設けられ、これらマグネット固定部に一方の磁極のマグネットがそれぞれ配置されるとともに、前記ロータコアに設けら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、前記ロータコアの前記マグネット固定部と前記マグネットとは周方向中央部分で当接され、周方向両側部分では相互間に磁気抵抗部が介在されてなることをその要旨とする。

この発明では、コンシクエントポール型構造のロータにおいて、ロータコアのマグネット固定部とマグネットとは周方向中央部分で当接され、周方向両側部分では相互間に磁気抵抗部が介在されて構成される。これにより、マグネットとの境界付近のロータコア内を通るｑ軸磁路を磁気抵抗部にて迂回させてｑ軸磁路の磁気抵抗を増大させることで、ロータのｄ軸磁路とｑ軸磁路における磁気抵抗の均一化を図ることが可能となる。つまり、ｑ軸磁路のインダクタンスＬｑの値をｄ軸磁路のインダクタンスＬｄに対して相対的に小さくすることで、突極比（Ｌｄ／Ｌｑ）の値を１に近づけることができ、回転性能を向上させることができる。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載のロータにおいて、前記磁気抵抗部は、前記ロータコアと前記マグネットとの間に設けた溝部であり、前記溝部には、前記マグネットを前記ロータコアに接着固定する接着剤が充填されていることをその要旨とする。

この発明では、磁気抵抗部は、ロータコアとマグネットとの間に設けた溝部として構成され、該溝部には、マグネットをロータコアに接着固定する接着剤が充填される。従って、磁気抵抗部を溝部として容易に構成できるとともに、該溝部に十分な接着剤を充填できてロータコアに対してマグネットをより強固に固定することができる。

請求項３に記載の発明では、請求項１又は２に記載のロータにおいて、前記マグネット固定部の周方向中心位置から前記磁気抵抗部が隣接する周方向端部位置までの長さＡを算出するにあたり、前記ロータの外径をＲ、前記ロータの極数をｎとしたときの次式、Ａ＝Ｋ・Ｒ・ｓｉｎ（３６０°／（２・ｎ））の係数Ｋを０．４≦Ｋ≦０．６に設定したことをその要旨とする。

この発明では、マグネット固定部の周方向中心位置から周方向端部位置までの長さＡは、ロータの外径をＲ、ロータの極数をｎとしたときの次式、Ａ＝Ｋ・Ｒ・ｓｉｎ（３６０°／（２・ｎ））の係数Ｋが０．４≦Ｋ≦０．６に設定される。つまり、この式に基づいて磁気抵抗部を設けることで、突極比及びロータ出力トルクの改善を確実に行うことができる。

請求項４に記載の発明では、請求項１〜３のいずれか１項に記載のロータおいて、前記マグネット固定部は、径方向に突出した凸形状をなすとともに、前記マグネットは、前記マグネット固定部と対向する面の中央部に凹部を設け、その凹部に前記マグネット固定部の先端部が嵌合す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、マグネット固定部は径方向に突出した凸形状をなし、その先端部とマグネットに設けた凹部とが嵌合して、ロータコアに対しマグネットが固定される。従って、マグネットの回り止め等を含み、より強固に固定できる。また、マグネット固定部を凸形状としてマグネットに食い込む形状としたことでｄ軸磁路の磁気抵抗を小さくできるため、ｑ軸磁路側の磁気抵抗部の大きさを抑えながらも、各磁路における磁気抵抗をより均一化できることが期待できる。

請求項５に記載の発明では、請求項２に記載のロータおいて、前記溝部に充填された前記接着剤は、前記マグネットの周方向の側面を少なくとも一部覆うように充填されたことをその要旨とする。

この発明では、溝部に充填された接着剤は、マグネットの周方向の側面の少なくとも一部を覆うように充填される。従って、マグネットの側面まで回り込んだ接着剤の一部がマグネットの回り止めとしても機能し、ロータコアに対してマグネットをより強固に固定することができる。

請求項６に記載の発明では、請求項１〜５のいずれか１項に記載のロータを備えたことをその要旨とする。
この発明では、請求項１〜５のいずれか１項に記載の突極比の改善されたロータを用いることで、回転性能に優れたモータを提供することができる。

本発明によれば、突極比の改善を図ることができ、ひいては回転性能の向上を図ることができるロータ、及びモータを提供することができる。

本実施形態におけるモータの平面図。 ロータコアの分解斜視図。 ロータコアのマグネット固定部の拡大図。 係数Ｋに対する突極比及びロータ出力トルクの関係を示すグラフ。 （ａ）（ｂ）は本実施形態におけるロータコア内のｑ軸磁路及びｄ軸磁路の磁束を示す拡大図、（ｃ）（ｄ）は従来構成を採用したロータコア内のｑ軸磁路及びｄ軸磁路の磁束を示す拡大図。 別例におけるロータコアのマグネット固定部の拡大図。 別例におけるロータコアのマグネット固定部の拡大図。

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に示すように、本実施形態のインナロータ型のブラシレスモータ（以下、単にモータという）Ｍは、略円環状のステータ１０の内側にロータ２０を配置して構成されている。ステータ１０は、磁性金属板材を複数枚積層してなる略円筒状のステータコア１１を有し、そのステータコア１１には円筒部１１ａから径方向内側に延びて周方向に複数（この例では６０個）のティース１１ｂが形成されている。ステータコア１１の各ティース１１ｂ間には、ロータ２０を回転させる磁界を発生させるための巻線としてのセグメント巻線１２が挿入されている。

ステータ１０のセグメント巻線１２は、多相（３相）とされている。セグメント巻線１２は、ティース１１ｂ間のスロットを軸方向（紙面直交方向）に貫通するようにスロット内に配置されるスロット挿入部１３ａと、スロットから軸方向に突出するスロット突出部（図示略）とを有する複数のセグメント導体１３を相毎に有している。そして、その相毎のセグメント導体１３同士が、前記スロット突出部同士にて周方向に電気的に接続されて構成される。尚、各セグメント導体１３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１３ａは、周方向に６個のティース１１ｂを跨いで離間した２つのスロット内にそれぞれ配置されるようになっている。即ち、このステータ１０は、６０スロットで分布巻のものである。

また、セグメント巻線１２には制御回路３０が接続されて、ロータ２０の回転駆動のための駆動電流が供給される。また、この制御回路３０は、弱め界磁制御も行えるものであり、弱め磁界制御を用いてロータ２０を高速回転させるようにもなっている。

図１及び図２に示すように、ステータ１０の内側に配置されるロータ２０は、磁性金属板材を複数枚積層してなり、回転軸２１の外周面に圧入孔２２ａを以て外嵌された略円環状のロータコア２２を有する。ロータコア２２の外周面には、径方向に突出した凸形状をなすマグネット固定部２２ｂを有し周方向に（等角度間隔に）５つ形成されている。各マグネット固定部２２ｂの径方向内側には、その内側が短辺となる略台形の貫通孔２２ｃが形成され、マグネット固定部２２ｂと同様に周方向に５つ形成されている。その貫通孔２２ｃの外周面側の中央は、マグネット固定部２２ｂ側に凸形状に突出して形成されている。

各マグネット固定部２２ｂの凸形状の先端部分には、周方向中央部分に当接してＮ極のマグネット２３がそれぞれ（全部で５個）固定されている。マグネット２３は、外周面が円弧状、径方向内側面が平面をなす形状をなしている。マグネット固定部２２ｂの周方向の両端部分では、マグネット２３との径方向の相互間に溝部２２ｄが形成されている。溝部２２ｄは、マグネット２３の背面（平面）に沿うように径方向と直交する方向に延びる長方形状をなし、空隙Ｘと連通している。そして、この溝部２２ｄには非磁性体からなる接着剤２４が充填され、マグネット２３がロータコア２２に対して接着固着されている。因みに、マグネット固定部２２ｂ及びマグネット２３は、マグネット固定部２２ｂの周方向中心に対して線対称に構成されている。

各マグネット２３の周方向の間には、ロータコア２２の外周部に設けられた突極２２ｅがそれぞれマグネット２３との各境界部に（本実施の形態では軸方向から見て一定面積の）空隙Ｘを以て配置されている。つまり、各マグネット２３及び突極２２ｅは等角度（３６°）間隔に交互に配置され、ロータ２０は、Ｎ極のマグネット２３に対して突極２２ｅ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。

図３の拡大図に示すように、本実施形態のロータ２０において、マグネット２３の周方向中心位置を通る径方向の直線はｄ軸中心線、マグネット２３と隣り合う突極２２ｅとの境界中央を通る径方向の直線はｑ軸中心線となっている。その場合に、図５（ｂ）に示すように、マグネット２３の周方向中心位置を表面（外周面）から背面（内側面）、マグネット固定部２２ｂを通り、ロータコア２２の内部を経由して隣り合う突極２２ｅの周方向中心位置を通る磁路がｄ軸磁路である。一方、図５（ａ）に示すように、マグネット２３と一方の突極２２ｅとの間の空隙Ｘからロータコア２２の内部、この場合、マグネット２３との境界付近を経由して他方側の空隙Ｘを通る磁路がｑ軸磁路である。

ここで、図５（ａ）〜（ｄ）を用いて、本実施形態と従来例とにおけるロータコア２２内部の磁束の状態について説明する。
図５（ａ）に示すように、本実施形態のロータコア２２では、非磁性体からなる接着剤２４を含む溝部２２ｄがｑ軸磁路に対する磁気抵抗部として機能する。このような磁気抵抗部を設けることで、ｑ軸磁路における磁束Ｇ１は、接着剤２４を含む溝部２２ｄを迂回するようにマグネット２３との境界付近よりも若干径方向内側部分のロータコア２２内部を通るように規制され、その迂回する分だけｑ軸磁路における磁気抵抗が高くなる。

一方、図５（ｂ）に示す本実施形態のｄ軸磁路における磁束Ｇ２は、透磁率の低いマグネット２３による制限を受けるため、マグネット２３の背面側の中央部分とマグネット固定部２２ｂとが当接している状態ではその当接部分両側の溝部２２ｄ（磁気抵抗部）を設けた影響を受けにくい。

これに対し、図５（ｃ）は、前記溝部２２ｄが省略され、マグネット２３の背面とマグネット固定部２２ｂとが径方向と直交する方向全体で当接する従来構成を採用したロータコア４０である。図５（ｄ）に示すように、従来構成のロータコア４０でのｄ軸磁路における磁束Ｇ４は、図５（ｂ）に示した本実施形態の構成での磁束Ｇ２と略同様であるものの、図５（ｃ）に示すように、ｑ軸磁路における磁束Ｇ３は、マグネット２３との境界付近のロータコア４０内部を沿うように通るため、ｑ軸磁路の磁気抵抗は低くなる。従って、従来構成ではｄ，ｑ軸磁路における磁気抵抗が不均一となり、ｑ軸磁路におけるインダクタンスＬｑの値がｄ軸磁路におけるインダクタンスＬｄに比べて大きくなる傾向にある。つまり、突極比（Ｌｄ／Ｌｑ）が１より小さくなる傾向にある。因みに、図中に示される各磁束Ｇ１〜Ｇ４の線の太さは磁束の量を示す。

従って、本実施形態のように溝部２２ｄを設けることで、ｑ軸磁路を迂回させるようにして磁気抵抗を増大させ、ｄ軸磁路とｑ軸磁路における磁気抵抗の均一化を図るようにしている。つまり、インダクタンスＬｑの値をインダクタンスＬｄに対して相対的に小さくして、モータＭにおける突極比（Ｌｄ／Ｌｑ）の値を１に近づけるようにしている。その結果、このように突極比（Ｌｄ／Ｌｑ）が改善されることで、モータＭに対して制御回路３０を用いて弱め界磁の制御を行ってロータ２０を高速回転させる場合においても、所望の回転数増加効果を得ることが可能となる。

因みに、以降は、本実施形態のロータコア２２に設けた溝部２２ｄの具体的な設定等について説明する。
図３に示すように、ロータコア２２の外周面に溝部２２ｄを設ける位置を、マグネット固定部２２ｂの周方向中心位置から溝部２２ｄが隣接する周方向端部位置までの長さをＡに設定して形成した。そして、本出願人によるシミュレーション等を行った結果、長さＡを算出するにあたり、ロータ２０の外径をＲとし、ロータ２０の極数をｎとしたときの次式、

Ａ＝Ｋ・Ｒ・ｓｉｎ（３６０°／（２・ｎ））

の係数Ｋを０．４≦Ｋ≦０．６の範囲に設定すると好ましいことが分かった。

次に、図４に、横軸を係数Ｋとし、縦軸を突極比（Ｌｄ／Ｌｑ）（図中左側縦軸）及びロータ２０の出力トルク（図中右側縦軸）とした場合の関係をグラフに示す。尚、図４に示すグラフにおいて、突極比（Ｌｄ／Ｌｑ）を実線で示し、ロータ２０の出力トルクを一点鎖線で示す。図４に示すように、突極比（Ｌｄ／Ｌｑ）の値は、係数Ｋの値が０．５付近まで増加するのに伴って、「１」付近の最大値Ｔｍまで増大し、係数Ｋが０．５付近をピークとして係数Ｋの増加に伴って減少する。

一方、ｄ軸磁路における磁気抵抗は、係数Ｋの値が０．４付近から減少するのに伴って増大するため、ｄ軸磁路における磁束の量は減少する。その結果、ロータ２０の出力トルクは、係数Ｋの値が０．４付近までほぼ一定値を示すが、その後、係数Ｋの減少に伴って減少する（換言すれば、モータ体格の増大に繋がる）。つまり、係数Ｋの値を０．４〜０．６としたときに、突極比（Ｌｄ／Ｌｑ）の値が好適値である「１」付近の最大値Ｔｍとなり、さらにロータ２０の出力トルクも好適値となる傾向にあることが分かった。従って、本実施形態のロータ２０は、この式と係数Ｋの範囲に沿った長さＡの設定がなされ、突極比（Ｌｄ／Ｌｑ）を確実に改善させ、モータＭの回転性能の向上を図るようにしている。

次に、本実施形態の特徴的な作用効果を記載する。
（１）ロータ２０は、マグネット固定部２２ｂの周方向の両端部分において、ｑ軸磁路に対する磁気抵抗部として機能する溝部２２ｄが設けられている。これにより、ｑ軸磁路おける磁束Ｇ１がマグネット２３との境界付近よりも径方向内側に迂回させるように規制してｑ軸磁路の磁気抵抗を高くすることができる。これにより、本実施形態のような１磁極のマグネット２３と突極２２ｅとで磁極を構成した所謂コンシクエントポール型ロータにおいて、ｑ軸磁路の磁気抵抗がｄ軸磁路の磁気抵抗よりも相対的に小さくなりがちであるが、磁気抵抗部として機能する溝部２２ｄを設けたことで、ｄ軸磁路とｑ軸磁路における磁気抵抗の均一化を図ることができる。その結果、モータＭにおける突極比（Ｌｄ／Ｌｑ）を改善でき、モータＭの回転性能を向上させることができる。

（２）磁気抵抗部として機能する溝部２２ｄには、マグネット２３をロータコア２２に固定するための接着剤２４が充填されている。これにより、磁気抵抗部を溝部２２ｄとして容易に構成できるとともに、該溝部２２ｄに十分な接着剤２４を充填できてロータコア２２に対してマグネット２３をより強固に固定することができる。

（３）マグネット固定部２２ｂの周方向中心位置から溝部２２ｄが隣接する周方向端部位置までの長さＡは、上記の式、Ａ＝Ｋ・Ｒ・ｓｉｎ（３６０°／（２・ｎ））を満たすように設定される。つまり、マグネット固定部２２ｂの周方向中心位置からの溝部２２ｄの位置が決定されている。本実施形態ではこのときの係数Ｋを０．４≦Ｋ≦０．６に設定しているため、突極比（Ｌｄ／Ｌｑ）及びロータ２０の出力トルクの改善を確実に行うことができる。

尚、本発明の実施形態は、以下のように変更してもよい。
・上記実施形態において、係数Ｋの範囲を、「０．４≦Ｋ≦０．５」の範囲としてもよい。これにより、ロータコア２２の重量や材料を減らし出力トルクを好適値とすることが可能となる。

・上記実施形態では、マグネット２３のマグネット固定部２２ｂとの対向面を平面状に形成したが、例えば図６に示すように、マグネット５１の対向面の中央部に凹部５１ａを設けて、その凹部５１ａにマグネット固定部２２ｂの先端部分が嵌合する構成としてもよい。このようにすると、マグネット２３の回り止め等を含み、より強固に固定することができる。また、マグネット固定部２２ｂを凸形状としてマグネット２３に食い込む形状としたことでｄ軸磁路の磁気抵抗を小さくできるため、ｑ軸磁路側の磁気抵抗部（溝部２２ｄ）の大きさを抑えながらも、各磁路における磁気抵抗をより均一化できることが期待できる。

・上記実施形態において、マグネット固定部２２ｂとマグネット２３との径方向の相互間に接着剤２４を充填したが、例えば図７に示すように、マグネット２３の周方向の側面５２の一部を覆う位置まで充填してもよい。これにより、マグネット２３の側面まで回り込んだ接着剤２４の一部がマグネット２３の回り止めとしても機能し、マグネット２３をロータコア２２に対してより強固に固定することができる。

・上記実施形態において、マグネット２３とロータコア２２との間に設けた溝部２２ｄの形状を適宜変更してもよい。
・上記実施形態において、溝部２２ｄにマグネット２３の固定のための接着剤２４を充填したが、例えばマグネット２３がマグネット固定部２２ｂのみで十分に固定できれば、溝部２２ｄに充填していた接着剤２４を省略してもよい。また、例えば溝部２２ｄに相当する部分のロータコア２２自体を磁気抵抗が高くなる加工を施す等、他の構成の磁気抵抗部を採用してもよい。

・上記実施形態では、ロータコア２２及びステータコア１１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。

・上記実施形態でのロータ２０の磁極数、ステータ１０の磁極数は一例であり、適宜変更してもよい。

２０…ロータ、２２…ロータコア、２２ｂ…マグネット固定部、２２ｅ…突極、２３，５１…マグネット、２２ｄ…溝部（磁気抵抗部）、２４…接着剤、５１ａ…凹部、５２…側面、Ａ…長さ、Ｋ…係数、ｎ…極数、Ｒ…外径、Ｘ…空隙。

Claims (6)

1. ロータコアの外周面にマグネット固定部が周方向に複数設けられ、これらマグネット固定部に一方の磁極のマグネットがそれぞれ配置されるとともに、前記ロータコアに設けら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、
   前記ロータコアの前記マグネット固定部と前記マグネットとは周方向中央部分で当接され、周方向両側部分では相互間に磁気抵抗部が介在されてな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、
   前記磁気抵抗部は、前記ロータコアと前記マグネットとの間に設けた溝部であり、
   前記溝部には、前記マグネットを前記ロータコアに接着固定する接着剤が充填されていることを特徴とするロータ。
3. 請求項１又は２に記載のロータにおいて、
   前記マグネット固定部の周方向中心位置から前記磁気抵抗部が隣接する周方向端部位置までの長さＡを算出するにあたり、前記ロータの外径をＲ、前記ロータの極数をｎとしたときの次式、
   
   Ａ＝Ｋ・Ｒ・ｓｉｎ（３６０°／（２・ｎ））
   
   の係数Ｋを
   
   ０．４≦Ｋ≦０．６
   
   に設定したことを特徴とするロータ。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のロータおいて、
   前記マグネット固定部は、径方向に突出した凸形状をなすとともに、前記マグネットは、前記マグネット固定部と対向する面の中央部に凹部を設け、その凹部に前記マグネット固定部の先端部が嵌合するように構成されたことを特徴とするロータ。
5. 請求項２に記載のロータおいて、
   前記溝部に充填された前記接着剤は、前記マグネットの周方向の側面を少なくとも一部覆うように充填されたことを特徴とするロータ。
6. 請求項１〜５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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