JP2013099106A - ロータ及びモータ - Google Patents

Abstract

【課題】少ない部品点数で爪状磁極に強い磁束を発生させて高出力を確保することができるロータ及びモータを提供する。
【解決手段】モータのロータ３は、一対の第１回転子４及び第２回転子５と、これらの間に配置された軟磁性材６とを有する。回転子４，５は、磁石からなり、互いの爪状磁極９，１２がロータ周方向において交互に配置されるように組み付けられる。第１回転子４は、各爪状磁極９の外周がＮ極となるように磁化されている。第２回転子５は、各爪状磁極１２の外周がＳ極となるように磁化されている。軟磁性材６は、鉄等により形成され、シャフト７に圧入固定等により強固に組み付けられる。回転子４，５は、自らの磁力によって軟磁性材６に吸着して、シャフト７に対してロータ周方向に位置決めされる。
【選択図】図３

Description

本発明は、マグネット界磁のランデル型ロータ及びモータに関する。

従来、モータの一種として、図１２に示すようなマグネット界磁のランデル型ロータ８１を有するモータ（回転電機）が周知である（例えば特許文献１等参照）。この型のモータのロータ８１は、周方向に複数の爪状磁極８２ａ，８３ａを有する鉄製の回転子鉄心８２，８３と、回転子鉄心８２，８３の間に配置された円板磁石８４とを備える。そして、円板磁石８４の磁界によって各爪状磁極８２ａ，８３ａが周方向において交互に異なる磁極を生成することにより、いわゆるマグネット界磁のランデル型ロータとして機能する。

ところで、この型のモータは、爪状磁極８２ａ，８３ａが鉄で形成されているので、磁束のとり得る方向が自由で、実際のところ爪状磁極８２ａ，８３ａの構造的な工夫だけでは、磁束のコントロール、つまり漏れ磁束を少なく抑えてモータの出力を確保するには限界がある。よって、特許文献１では、爪状磁極８２ａ，８３ａの間に磁束整流用磁石を設けて、漏れ磁束を少なく抑える対策がなされている。

実開平５−４３７４９号公報

しかし、特許文献１は、磁束整流用磁石が別途必要となるので、部品点数が増加したり、部品の組み付け工数が増加したりするなどの問題があった。よって、これらがモータのコストアップに繋がってしまうので、この種のマグネット界磁のランデル型ロータを有するモータにおいて、簡素な構造で爪状磁極に強い磁束を発生させて、モータの出力を確保することができる技術の開発ニーズがあった。

本発明の目的は、少ない部品点数で爪状磁極に強い磁束を発生させて高出力を確保す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。

前記問題点を解決するために、本発明では、周方向に複数の爪状磁極を有する第１回転子及び第２回転子が設けられ、これら一方の爪状磁極が他方の爪状磁極間の切欠部に入り込む組み付け状態をとり、前記第１回転子及び前記第２回転子を磁石で形成することにより、当該磁石の磁界によって複数の前記爪状磁極を周方向において交互にＮ極／Ｓ極として形成するロータであることを要旨とする。

本発明の構成によれば、第１回転子及び第２回転子のそれぞれを磁石で形成するので、第１回転子及び第２回転子のそれぞれが自ら磁極を持つ部材となり、第１回転子及び第２回転子の各々の爪状磁極は磁束の方向性を持つことになる。このため、背景技術で述べたような磁束整流用磁石を用意しなくとも、各爪状磁極に強い磁束にてＮ極／Ｓ極を生じさせることが可能となる。よって、少ない部品点数で爪状磁極に強い磁束を発生させて、ロータの高出力を確保することが可能となる。

本発明では、前記磁石は、ある特定の方向に磁化が向く異方性磁石であることを要旨とする。この構成によれば、第１回転子及び第２回転子を異方性磁石により形成するので、ある特定方向に向く強い磁束を、各爪状磁極に発生させるのに効果が高くなる。よって、ロータのトルク確保に効果が高い。

本発明では、前記第１回転子及び前記第２回転子の間には、シャフトに取り付け固定された軟磁性材の板材が、前記第１回転子及び前記第２回転子の位置決め用の部材として設けられていることを要旨とする。この構成によれば、軟磁性材はシャフトに対し、例えば圧入固定などでしっかりと組み付けられ、この軟磁性材に磁石製の第１回転子及び第２回転子が磁力により吸着することにより、第１回転子及び第２回転子がシャフトに対して位置決めされる。このため、爪状磁極の周方向における等角配置（均等配置）が確保され、ロータの所望出力の確保に効果が高くなる。

本発明では、前記第１回転子及び前記第２回転子の間には、これらを位置決めする部材としての軟磁性材の板材が設けられておらず、当該第１回転子及び第２回転子がシャフトに直接取り付けられていることを要旨とする。この構成によれば、軟磁性材を使用しないことにより、部品点数が削減されるので、ロータ体格の小型化に寄与する。

本発明では、前記磁石は、焼結磁石又はボンド磁石であることを要旨とする。この構成によれば、第１回転子や第２回転子を圧縮成型や射出成形のどちらでも製造することが可能となるので、製造方法が１通りに限定されてしまうことがない。

本発明では、前記磁石は、フェライト磁石、サマリウムコバルト系磁石、サマリウム鉄窒素系磁石、ネオジム磁石又はアルニコ磁石であることを要旨とする。この構成によれば、これら汎用的な材料によっても第１回転子や第２回転子を製造することも可能である。

本発明では、前記軟磁性材は、軟鉄、金属ガラス、パーメンジュール又はアモルファスであることを要旨とする。この構成によれば、軟磁性材を剛性の高い材料で形成することが可能となるので、軟磁性材をシャフトに対し強固に固定することが可能となる。よって、軟磁性材に磁力にて固定された第１回転子及び第２回転子を、シャフトに対してずれ難くすることが可能となる。

本発明では、前記第１回転子及び前記第２回転子の組からなるロータユニットを、お互いの同極同士が接触する向きで軸方向に複数積層したタンデム構造であることを要旨とする。この構成によれば、ロータの外周面において各爪状磁極が形成するＮ極／Ｓ極の面積を広くとることが可能となるので、トルク向上に効果が高くなる。

本発明では、周方向に複数の爪状磁極を有する第１回転子及び第２回転子が設けられ、これら一方の爪状磁極が他方の爪状磁極間の切欠部に入り込む組み付け状態をとり、前記第１回転子及び前記第２回転子を磁石で形成することにより、当該磁石の磁界によって複数の前記爪状磁極が周方向において交互にＮ極／Ｓ極となるロータと、当該ロータを回転可能に支持するステータとを備えたモータであることを要旨とする。

本発明によれば、少ない部品点数で爪状磁極に強い磁束を発生させて高出力を確保することができる。

第１実施形態のモータの構成図。 ロータの外観を示す斜視図。 ロータの部品構成を示す分解斜視図。 第１回転子に発生する磁界を説明する斜視図。 第１回転子及び第２回転子に発生する磁界を説明する断面図。 第２実施形態のロータに発生する磁界を説明する断面図。 第３実施形態のロータに発生する磁界を説明する断面図。 他の実施形態のロータに発生する磁界を説明する断面図。 他の実施形態のロータの構成を示す分解斜視図。 他の実施形態のロータの構成を示す分解斜視図。 他の実施形態のロータに発生する磁界を説明する断面図。 従来のロータの部品構成を示す分解斜視図。

（第１実施形態）
以下、本発明を具体化したロータ及びモータの第１実施形態を図１〜図５に従って説明する。

図１に示すように、モータ１には、モータ１の固定側となるステータ２が設けられ、このステータ２の内部に、モータ１の回転側となるロータ３がステータ２に対して回転可能に設けられている。そして、ステータ２の鉄心に巻かれた巻線に電流が流されると、ステータ２とロータ３との間のマグネット界磁（永久磁石界磁）に発生する磁界によって、ロータ３がステータ２に対して回転する。

図２及び図３に示すように、本例のようなマグネット界磁のランデル型ロータ３には、例えば永久磁石からなる一対の回転子４，５と、これら一対の回転子４，５の間に挟まれた板材の軟磁性材６とが設けられている。本例のモータ１は、２枚の回転子４，５からなる一層構造をなしている。本例の場合、紙面上側を第１回転子４とし、紙面下側を第２回転子５とする。ロータ３の軸中心には、ロータ３の回転軸となる非磁性体のシャフト７が取り付けられている。

第１回転子４において略円板状の回転子本体部８の周縁には、周方向に沿って等間隔に並ぶ複数の爪状磁極９，９…が、外側に向かって放射状に突設されている。さらに、第１回転子４の爪状磁極９は、モータ軸方向に沿って延出する形状、つまり図２及び図３において紙面下方向に飛び出す形状をなし、隣同士の爪状磁極９，９の間が切欠部１０となっている。第２回転子５は、第１回転子４と略同一形状をなし、第１回転子４と同様に回転子本体部１１、爪状磁極１２及び切欠部１３を有する。第１回転子４及び第２回転子５は、一方の爪状磁極９（１２）が他方の切欠部１３（１０）の入り込むように、かつ逆の磁極同士が接するように、上下逆さまの組み付け状態をとる。これにより、第１回転子４の爪状磁極９と第２回転子５の爪状磁極１２とは、ロータ周方向において交互に配置される。各回転子４，５の中心には、シャフト７を挿通する通し孔１４，１５が各々貫設されている。

爪状磁極９（１２）は、ロータ径方向から見て長方形に形成されている。なお、爪状磁極９（１２）は、例えば正四角形状や台形状に形成されてもよい。また、回転子本体部８と爪状磁極９（１２）との間の隙間は、断面が長方形状となるように形成されている。さらに、隣り合う爪状磁極９，１２の間は、ロータ径方向から見て長方形の空間をなすように離間する。

本例の第１回転子４及び第２回転子５は、異方性磁石（極異方性磁石）からなる。異方性磁石は、ある特定の方向に磁化された磁石であって、その特定方向に強い磁力を有する。異方性磁石は、例えば焼結磁石、ボンド磁石（プラスチックマグネット、ゴムマグネット等）などが使用されている。また、これ以外に、例えばフェライト磁石、サマリウム鉄窒素（Sm−Fe−N）系磁石、サマリウムコバルト系磁石、ネオジム磁石、アルニコ磁石などを使用してもよい。

軟磁性材６は、円板状をなすとともに、例えば軟鉄、金属ガラス、パーメンジュール、アモルファスのいずれかからなる。軟磁性材６は、中央の通し孔１６にシャフト７が通されるとともに、シャフト７に圧入固定されている。即ち、軟磁性材６が圧入固定によってシャフト７に強固に固定され、この軟磁性材６に回転子４，５が磁力によって吸着することにより、回転子４，５が位置決め固定されている。これにより、回転子４，５のシャフト７に対する位置合わせがなされる。

図４及び図５に示すように、第１回転子４は、回転子本体部８の内面１７から爪状磁極９の方向に磁気モーメントが向くように着磁されている。よって、第１回転子４は、各爪状磁極９，９…の外周面がＮ極（外周側Ｎ極）となり、回転子本体部８の内面１７、つまり軸方向垂直面がＳ極（軸垂直面側Ｓ極）となっている。図５に示すように、第２回転子５は、爪状磁極１２，１２…から回転子本体部１１の内面１８の方向に磁気モーメントが向くように着磁されている。よって、第２回転子５は、各爪状磁極１２，１２…の外周側がＳ極（外周側Ｓ極）となり、回転子本体部１１の内面１８、つまり軸方向垂直面がＮ極（軸垂直面側Ｎ極）となっている。

よって、第１回転子４と第２回転子５とを組み付けると、第１回転子４のＮ極の爪状磁極９，９…が第２回転子５の各切欠部１３，１３…に入り込み、第２回転子５のＳ極の爪状磁極１２，１２…が第１回転子４の各切欠部１０，１０…に入り込む配置位置をとる。このため、ロータ３の周方向において、Ｎ極とＳ極とが交互に並び、ロータ３がマグネット界磁のランデル型ロータとして機能することになる。

次に、本例のモータ１の作用を、図４及び図５を用いて説明する。
図４及び図５に示すように、第１回転子４と第２回転子５とを鉄ではなく永久磁石により形成し、第１回転子４を外周側Ｎ極となるように着磁し、第２回転子５を外周側Ｓ極となるように着磁する。このため、図５に示すように、第２回転子５の外周側Ｓ極から軸垂直面側Ｎ極に向かい、さらに軟磁性材６を通って、第１回転子４の軸垂直面側Ｓ極から外周側Ｎ極に向かう磁束通路が形成される。これにより、ステータ２が通電された際には、ロータ３がステータ２に対して回転可能となる。

以上により、本例においては、第１回転子４及び第２回転子５を磁石（異方性磁石）により形成するので、第１回転子４及び第２回転子５のそれぞれが、自ら磁極を持つ部材となる。このため、各回転子４，５の各爪状磁極９，１２は、自ら磁束の方向性を持つことになり、爪状磁極９，１２に発生されるべき磁束の強度が確保される。よって、背景技術で述べたような磁束整流用磁石を用意しなくとも、各爪状磁極９，１２に強い磁束でＮ極／Ｓ極を発生させることが可能となる。これにより、少ない部品点数で爪状磁極９，１２に強い磁束を発生させて、ロータ３（モータ１）の高出力を確保することが可能となる。

ところで、第１回転子４及び第２回転子５を、軟磁性材６を用いずにシャフト７に直に固定することも想定されるが、仮に第１回転子４及び第２回転子５を焼結磁石やボンド磁石で形成すると、割れたり緩んだりしてシャフト７との結合を確保することができない現状がある。また、第１回転子４や第２回転子５のシャフト７に対する組み付けが緩いと、第１回転子４や第２回転子５がシャフト７に対して周方向にずれ、ロータ周方向における等角配置（均等配置）が崩れる可能性がある。こうなると、ロータ３から不均等な磁束が発生されてしまい、所望の出力を得ることができない問題に繋がる。

そこで、本例の場合、第１回転子４及び第２回転子５の間に軟磁性材６を設け、これを圧入固定等でシャフト７に強固に組み付け固定する。そして、第１回転子４及び第２回転子５を、磁石の磁力によって軟磁性材６に強固に吸着することにより、第１回転子４及び第２回転子５に位置決めする。このため、第１回転子４及び第２回転子５がシャフト７に対して周方向に動き難くなるので、第１回転子４及び第２回転子５の周方向における等角配置（均等配置）が確保される。これにより、ロータ３の所望出力の確保に効果が高くなる。

本実施形態の構成によれば、以下に記載の効果を得ることができる。
（１）第１回転子４及び第２回転子５を磁石（異方性磁石）で形成したので、第１回転子４及び第２回転子５の各爪状磁極９，１２に磁束の方向性を持たせることが可能となり、背景技術で述べたような磁束整流用磁石が不要となる。よって、少ない部品点数で爪状磁極９，１２に強い磁束を発生させて、ロータ３（モータ１）の高出力を確保することができる。また、本例の構造は、ロータ３の多極化にも有利である。

（２）第１回転子４及び第２回転子５を異方性磁石により形成するので、ある特定方向（Ｎ極／Ｓ極）に向く強い磁束を、各爪状磁極９，１２に発生させるのに効果が高くなる。よって、ロータ３（モータ１）のトルク確保に効果が高くなる。

（３）第１回転子４と第２回転子５との間に、シャフト７に圧入固定等により強固に固定された軟磁性材６を設け、この軟磁性材６に磁石製の第１回転子４及び第２回転子５が磁力によって吸着することにより、第１回転子４及び第２回転子５がシャフト７に対して周方向に位置決めされる。このため、爪状磁極９，１２のロータ周方向における等角配置（均等配置）が確保され、ロータ３（モータ１）の所望出力の確保に効果が高くなる。

（４）第１回転子４や第２回転子５を焼結磁石やボンド磁石とした場合、第１回転子４や第２回転子５を例えば圧縮成形や射出成形のどちらでの形成することが可能となるので、製造方法が１通りに限定されてしまうことがない。

（５）第１回転子４や第２回転子５を、フェライト磁石、サマリウムコバルト系磁石、サマリウム鉄窒素系磁石、ネオジム磁石、アルニコ磁石で形成することも可能であるので、これら汎用的な材料によっても第１回転子４や第２回転子５を製造することができる。

（６）軟鉄、金属ガラス、パーメンジュール、アモルファス等の剛性の高い材料で軟磁性材６を形成すれば、軟磁性材６をシャフト７に対し、より強固に固定することができる。よって、軟磁性材６に磁力にて吸着する第１回転子４及び第２回転子５を、シャフト７に対してロータ周方向に位置ずれし難くすることができる。

（７）第１回転子４（第２回転子５）の外周面に一方の磁極を持たせ、回転子本体部８（１１）の軸方向垂直面に他方の磁極を持たせた。このため、第１回転子４（第２回転子５）において磁束を発生させる磁性材を、ロータ径方向の中央部まで配置することが可能となるので、磁性材の粒子が多くなり、磁束量を増やすことができる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態を図６に従って説明する。なお、第２実施形態は、第１実施形態に記載の軟磁性材６を省略した構成であって、他の基本的な構成は同じである。よって、第１実施形態と同一部分には同一符号を付して詳しい説明を省略し、異なる部分についてのみ詳述する。

図６に示すように、本例のロータ３の場合、軟磁性材６を省略し、第１回転子４と第２回転子５とを直に当接させる構造をとる。この場合、第１回転子４及び第２回転子５は、例えば接着等によってシャフト７に取り付け固定されている。このように、ロータ３から軟磁性材６を省略すれば、その分だけロータ３に構成部品が減ることになる。よって、本例の構成は、部品コスト削減や、ロータ３の体格小型化に効果が高くなる。

本実施形態の構成によれば、第１実施形態に記載の（１）〜（７）に加え、以下に記載の効果を得ることができる。
（８）軟磁性材６を省略することにより、部品点数が削減されるので、ロータ３の体格小型化に効果が高い。

（第３実施形態）
次に、第３実施形態を図７〜図１１に従って説明する。なお、第３実施形態は、第１及び第２実施形態ではロータ３をタンデム構造（積層構造）にした点で異なり、他の基本的構成は同じである。よって、本例も異なる部分についてのみ詳述する。

図７に示すように、タンデム構造のロータ３は、複数（本例は２つ）のロータユニット３１，３１からなる。本例のロータユニット３１は、第１実施形態で記載したロータ３そのものである。そして、タンデム構造の場合、これらロータユニット３１，３１は、ロータ３の軸方向において上下逆向きに配置されることにより、Ｎ極同士（又はＳ極同士）が接触する向きにて取り付けられる。

さて、本例の場合、ロータユニット３１を複数設けるので、ロータ３の外周面においてＮ極やＳ極が広い面積にて形成される。よって、ロータ３のトルクを高く設定することが可能となり、モータ１を出力の高いものとして使用することが可能となる。

なお、タンデム構造の場合、図８に示すように、２つのロータユニット３１，３１の間に、軟磁性材６を配置してもよい。なお、軟磁性材６は、図９に示すような円板状でもよいし、図１０に示すような複数の歯３２，３２…を有する形状でもよい。軟磁性材６が歯３２，３２…を有する形状の場合、これら歯３２，３２…は、各ロータユニット３１の一方の磁極の爪状磁極９，９に合わせて周方向に等間隔で形成される。

また、図１１に示すように、本例のロータ３は、第２実施形態に記載した軟磁性材６を持たないロータユニット３３，３３を使用することも可能である。この場合、軟磁性材６を持たない２つのロータユニット３３，３３の間に軟磁性材６を設けて、ロータユニット３３，３３のシャフト７に対する位置決めを確保する。

本実施形態の構成によれば、第１及び第２実施形態に記載の（１）〜（８）に加え、以下に記載の効果を得ることができる。
（９）ロータ３の外周面におけるＮ極、Ｓ極の面積を広くとることが可能となるので、トルク向上に効果が高い。また、ロータ３を通過する磁束量も増え、これもトルク向上に寄与する。

なお、実施形態はこれまでに述べた構成に限らず、以下の態様に変更してもよい。
・第３実施形態において、ロータユニット３１（３３）の個数は、２つに限定されず、３つ以上でもよい。

・第３実施形態において、図７のタンデム構造の場合、同極で接触する回転子４（又は回転子５）同士を一体に形成してもよい。
・各実施形態において、軟磁性材６及びシャフト７は、一体形成された１部材でもよい。

・各実施形態において、爪状磁極９，１２の個数は、実施形態に記載した個数に限定されず、他の個数に変更可能である。
・各実施形態において、第１回転子４や第２回転子５に形成される磁気モーメントの向きは、適宜変更可能である。

・各実施形態において、回転子４，５及び軟磁性材６の材質は、実施形態に記載以外のものを適宜採用可能である。
・各実施形態において、回転子４，５及び軟磁性材６の形状は、実施形態に記載したような形状に限定されず、他の形状に適宜変更可能である。

１…モータ、２…ステータ、３…マグネット界磁のロータ、４…第１回転子、５…第２回転子、６…軟磁性材、７…シャフト、９…爪状磁極、１０…切欠部、１２…爪状磁極、１３…切欠部、３１，３３…ロータユニット。

Claims (9)

1. 周方向に複数の爪状磁極を有する第１回転子及び第２回転子が設けられ、これら一方の爪状磁極が他方の爪状磁極間の切欠部に入り込む組み付け状態をとり、前記第１回転子及び前記第２回転子を磁石で形成することにより、当該磁石の磁界によって複数の前記爪状磁極を周方向において交互にＮ極／Ｓ極として形成する
   ことを特徴とするロータ。
2. 前記磁石は、ある特定の方向に磁化が向く異方性磁石である
   ことを特徴とする請求項１に記載のロータ。
3. 前記第１回転子及び前記第２回転子の間には、シャフトに取り付け固定された軟磁性材の板材が、前記第１回転子及び前記第２回転子の位置決め用の部材として設けられている
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のロータ。
4. 前記第１回転子及び前記第２回転子の間には、これらを位置決めする部材としての軟磁性材の板材が設けられておらず、当該第１回転子及び第２回転子がシャフトに直接取り付けられている
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のロータ。
5. 前記磁石は、焼結磁石又はボンド磁石である
   ことを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか一項に記載のロータ。
6. 前記磁石は、フェライト磁石、サマリウムコバルト系磁石、サマリウム鉄窒素系磁石、ネオジム磁石又はアルニコ磁石である
   ことを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか一項に記載のロータ。
7. 前記軟磁性材は、軟鉄、金属ガラス、パーメンジュール又はアモルファスである
   ことを特徴とする請求項３，５，６のうちいずれか一項に記載のロータ。
8. 前記第１回転子及び前記第２回転子の組からなるロータユニットを、お互いの同極同士が接触する向きで軸方向に複数積層したタンデム構造である
   ことを特徴とする請求項１〜７のうちいずれか一項に記載のロータ。
9. 周方向に複数の爪状磁極を有する第１回転子及び第２回転子が設けられ、これら一方の爪状磁極が他方の爪状磁極間の切欠部に入り込む組み付け状態をとり、前記第１回転子及び前記第２回転子を磁石で形成することにより、当該磁石の磁界によって複数の前記爪状磁極が周方向において交互にＮ極／Ｓ極となるロータと、
   当該ロータを回転可能に支持するステータと
   を備えたことを特徴とするモータ。