JP2013207826A - 永久磁石モータ - Google Patents

Abstract

【課題】モータの小型軽量化を図りながら、ステータコア及びロータヨークの剛性を高めた永久磁石モータを提供する。
【解決手段】永久磁石モータにおいて、ステータコア４は、表面に絶縁皮膜が形成された磁性粉末を圧縮成形した圧粉磁心によりハウジング２と切れ目なく一体に成形され、ロータヨーク９は、表面に絶縁皮膜が形成された磁性粉末を圧縮成形した圧粉磁心により、出力軸８と切れ目なく一体に成形されている。ステータコア４の軸方向両端側でハウジング２の内周面には、コイルが収容される凹部２０が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、ロボットの関節部分などの駆動に用いられ、ステータとロータとを備える永久磁石モータ（ＰＭモータ）に関するものである。

従来より、モータは、ステータコアにコイルを巻いた円環状のステータを有している。このステータコアは、珪素鋼板等の電磁鋼板を軸方向に積層してなる積層コアである場合と、粉末磁性材料を圧縮成形してなる圧粉磁心である場合がある。

また、特許文献１には、積層コアと圧粉磁心との組立品からなるステータコアが記載されており、このステータコアは、軸方向両端部に配置された一対の圧粉磁心と、これら一対の圧粉磁心の間に配置された積層コアとを備えている。

特開２００７−３０６７４０

しかしながら、この先行技術には、ステータコアを積層コアと圧粉磁心との２つの部材で構成しており、両部材同士を結合した部分には隙間が生じる為、ステータコアの剛性が低下するという問題があった。また、両部材間の隙間により磁気抵抗が高くなり、ステータが発生する磁束密度が弱まる為、モータの出力トルクが低下する可能性があった。
さらに、ステータコアとハウジングとが別部材である為、組立工程が繁雑となり製造コストが上昇すると共に、モータの外径寸法が大きくなるという問題もあった。

本発明は、上記したような問題を解決するために成されたものであり、モータの小型軽量化を図りながら、ステータ及びロータの剛性を高めた永久磁石モータを提供することを目的とする。

このような目的を達成するために、本発明に係わる永久磁石モータは、複数のコイルが固定されたステータコアを有するステータと、複数の永久磁石が周方向に等間隔に配置されたロータコアを有するロータとを備え、前記ロータが前記ステータに対して回転可能に対向して同軸上に配されている。
特に、本発明の永久磁石モータは、前記ステータコアと切れ目なく一体に成形されたハウジングと、前記ロータヨークと切れ目なく一体に成形された出力軸と、の少なくとも一方を備えたことを特徴としている。

更に、前記ステータコア及び前記ロータヨークは圧粉磁心であることが好ましい。
更にまた、前記ステータコアの軸方向両端側で前記ハウジングの周面には、コイルが収容される凹部が形成されていることが好ましい。

本発明によれば、モータの小型軽量化を図りながら、ステータ及びロータの剛性を高めた永久磁石モータを提供することができる。
即ち、本発明の永久磁石モータは、ステータコアとハウジング、又はロータヨークと出力軸を切れ目なく一体化した構造とする事により、電磁鋼板同士を積層して固定したり、積層したコアをハウジング又は出力軸に固定する必要も無い。その結果、ステータコアをハウジングに固定する為の部材及び機構、又はロータヨークを出力軸に固定する為の部材及び機構が不要になるので、モータを小型軽量化する事ができる。そして、ステータコアとハウジングとの間に隙間が存在しないので、磁気特性に優れたステータコアを製造することができる。さらに、ステータコアは強固にハウジングと結合し、ロータヨークは強固に出力軸と結合しているので、ステータ及びロータの剛性を高める事ができ、これらを用いたモータの性能を向上できる。
特に本発明においては、上述したステータとロータとの少なくとも一方を有しているので、高トルク、低振動の永久磁石モータを低コストで提供することができる。これは、ロータとステータとの間には吸引力が発生するが、上述したステータコア及びロータヨークは、剛性を向上しているので、ロータとステータとの間に作用する吸引力と反発力による振動の増加をより効果的に抑制することができる為である。

本発明の第１の実施形態に係わるモータの内部構造を示す図である。 図１のステータ及びロータの平面図である。 本発明の第２の実施形態のモータに係わるステータ及びロータの平面図である。 本発明の第３の実施形態のモータに係わるステータ及びロータの平面図である。 本発明の第４の実施形態のモータに係わる内部構造を示す図である。 図５のステータ及びロータの平面図である。

（第１の実施形態）
以下、本発明を実施するための第１の実施形態につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。図１は、本実施形態に係る永久磁石モータの内部構造を示す図であり、図２は、ステータ及びロータの平面図である。本実施形態において、モータ１は、インナーロータ型のダイレクトドライブ（ＤＤ：Ｄｉｒｅｃｔ Ｄｒｉｖｅ）モータであるが、モータの種類はこれに限定されるものではない。

モータ１は、ステータコア４と、ロータヨーク９とを含んで構成され、さらに、ハウジング２と、出力軸８と、軸受１１とを含む。ステータコア４は、円筒状の構造体であるハウジング２の内周部に形成された環状の構造体であり、ロータヨーク９は、円筒状の構造体である出力軸８の外周部に形成された環状の構造体である。モータ１は、インナーロータ型のダイレクトドライブモータである為、ロータヨーク９はステータコア４の径方向内側に配置され、出力軸８は内径部に中空穴２３を有している。

前記ステータコア４は、表面に絶縁皮膜が形成された磁性粉末を圧縮成形することにより、前記ハウジング２と切れ目なく一体に成形された圧粉磁心である。同様に、前記ロータヨーク９は、表面に絶縁皮膜が形成された磁性粉末を圧縮成形することにより、前記出力軸８と切れ目なく一体に成形された圧粉磁心である。前記ロータヨーク９は、ロータヨーク９の外周面に周方向等間隔に配置された複数の永久磁石１０と共にロータ７を構成している。前記ステータコア４は、複数のスロット６に配置された複数のコイル５と共にステータ３を構成しており、動力線１９から各コイル５に電力が順次供給されることによって前記ロータ７を回転させる。前記出力軸８には、モータ１の駆動対象（不図示）が連結されており、前記ステータ３は、出力軸８に一体に成形されたロータヨーク９を回転させることにより、出力軸８を介して、前記駆動対象を駆動する。なお、モータ１の軸方向両端部には、モータ１の固定と、駆動対象を結合する為の取付穴２１がそれぞれ設けられている。

モータ１の軸方向一端部には、前記出力軸８の回転角度を検出するレゾルバ１６を配置する為に、円筒形状の部材である一対のレゾルバ支持体１７が取り付けられる。レゾルバ支持体１７は、レゾルバの１６の検出精度に影響を与えない為に、アルミニウム又はステンレス鋼等の非磁性体で形成される。レゾルバ１６は、一方を静止系であるハウジング２に、他方を回転系である出力軸８に配置される。そして、レゾルバ１６が検出した前記ハウジング２に対する前記出力軸８の回転角度は、電気信号としてセンサ線１８から出力される。

前記出力軸８の軸方向両側には、軸受１１の内輪１３が軌道輪取付具１５及び前記レゾルバ支持体１７を介してボルトで取り付けられ、軸受１１の外輪１２がハウジング２に取り付けられる。そして、各軸受１１は、内輪１３と外輪１２との間に複数の玉１４を転動自在に配列した玉軸受であり、背面組合せ（ＤＢ）により予圧が与えられた状態で組み込まれている。このような構造により、出力軸８は、ハウジング２に対してアキシアル荷重とラジアル荷重との両方を支承可能な状態で回転自在に支持される。このとき、ロータ７及び出力軸８は、モータ１の回転中心軸Ｚｒを中心として回転する。なお、軸受１１は玉軸受に限られるものではなく、アキシアル荷重及びラジアル荷重を同時に支承可能なクロスローラ軸受とする事もできる。
次に、ステータコア４及びロータヨーク９の構造についてより詳細に説明する。

前記ステータコア４は、表面が絶縁皮膜で覆われた磁性粉末を圧縮成形して成る圧粉磁心であり、前記ハウジング２と共に同時成形され、ステータコア４とハウジング２とが一体化した構造となっている。図２に示す様に、ステータコア４は前記コイル５を収納する為の複数のスロット６を有しており、ボビンに電線を巻きつけた状態のコイル５は、前記スロット６に挿入された後、ステータコア４に固定される。前記ステータコア４の軸方向両端側で前記ハウジング２の内周面には、コイル５が収容される凹部２０が形成されている。本実施形態において、ステータ３は３０個のコイル５を有している。

前記ロータヨーク９は、表面が絶縁皮膜で覆われた磁性粉末を圧縮成形して成る圧粉磁心であり、前記出力軸８と共に同時成形され、ロータヨーク９と出力軸８とが一体化した構造となっている。前記ロータ７は、ロータヨーク９の外周面に周方向等間隔に複数の永久磁石１０を配置しており、この永久磁石１０の外周面を前記ステータコア４の内周面に近接対向させている。そして、前記出力軸８は、円筒状の構造体であり、その内径部に中空穴２３を有する。本実施形態において、中空穴２３の径寸法は、モータ１の外径寸法の６０％であり、出力軸８（レゾルバ支持体１７を含む）の軸方向両端部は、ハウジング２（レゾルバ支持体１７を含む）の軸方向両端面よりもそれぞれ突出している。なお、前記ステータコア４及び前記ロータヨーク９は環状の構造体であり、それらの中心軸は、モータ１の回転中心軸Ｚｒと一致する。

以上の様な構成により、本実施形態の永久磁石モータは、モータ１の小型軽量化を図りながら、ステータ３及びロータ７の剛性を高めることができる。
即ち、本発明のモータ１は、ステータコア４とハウジング２、又はロータヨーク９と出力軸８を一体構造とする事により、電磁鋼板同士を積層して固定する際の溶接又はカシメ等が不要になり、さらに積層したコアをハウジング２に固定する必要も無い。その結果、ステータコア４をハウジング２に固定する為の部材及び機構、又はロータヨーク９を出力軸８に固定する為の部材及び機構が不要になるので、モータ１を小型軽量化する事ができる。

さらに、ハウジング２の内周面にはコイル５を収納する凹部２０を設ける事により、ステータコア４の径方向寸法と、コイル５の巻線スペースとを確保している。これは、従来のように別部材のステータコアをハウジング内径に組み込む必要が無いので、ハウジング２の内径寸法よりも大径のステータコア４を形成する事が可能となった為である。つまり、軸受１１を取付けるハウジング２の軸方向両端部は、軸受１１を保持する為に必要な肉厚（内径寸法）を確保しながら、ステータコア４が形成されるハウジング２の軸方向中間部分は薄肉として、ステータコア４の径寸法を確保しつつ、ハウジング２の外径寸法拡大を抑制している。そして、凹部２０を設ける事により、ステータコア４に収納されるコイル５とハウジング２との干渉を回避している。以上の様に、ハウジング２とステータコア４を一体化する事により、ハウジング２の外径寸法を小型化する事ができる。

同様に、ロータヨーク９を出力軸８と一体化して、ロータヨーク９の一部を出力軸８の構造体として共用する事により、出力軸８の軸方向中間部分を薄肉として、出力軸８の径方向幅寸法の拡大を抑制している。従って、出力軸８の内径に設けられた中空穴２３の径寸法を大きくして、出力軸８を小型軽量化する事ができる。さらに多極化することにより、ヨークを薄肉化できるので、中空穴を大きくすることができる。
さらに、外輪１２及び内輪１３が薄肉である軸受１１を使用する事により、モータ１を更に小型化できる。

そして、ステータコア４とハウジング２、との間に隙間が存在しないので、磁気特性の低下を抑制したステータコア４を製造することができる。さらに、ステータコア４は強固にハウジング２と結合し、ロータヨーク９は強固に出力軸８と結合している為に、ステータ３及びロータ７の剛性が向上し、これらを用いたモータの性能を高める事ができる。
特に本発明においては、上述したハウジング２と出力軸８との少なくとも一方を有しているので、高トルク、低振動の永久磁石モータを提供することができる。これは、永久磁石モータは、ロータヨーク９とステータコア４との間に吸引力と反発力が作用するが、上述したステータコア４、ロータヨーク９は、剛性が向上しているので、ロータヨーク９とステータコア４との間に作用する吸引力と反発力による振動の増加をより効果的に抑制する事ができる為である。

（第２の実施形態）
図３は、本発明の第２の実施形態に係る永久磁石モータのステータ及びロータの平面図である。本実施形態の永久磁石モータのハウジング２ａの外周面には、モータを固定するためのハウジング取付穴２２が設けられている。ハウジング取付穴２２は、ハウジング２ａの回転中心軸Ｚｒと直交する線と平行な方向に設けられたタップ穴であり、ハウジング２ａと一体に形成されている。ボルトをこのハウジング取付穴２２に螺合して締め付ける事により、ハウジング２ａを径方向から取付ける事ができる。その他の構成は、前述した本発明の第1の実施形態と同様であり、同じ作用効果を有する。

（第３の実施形態）
図４は、本発明の第３の実施形態に係る永久磁石モータのステータ及びロータの平面図である。本実施形態の永久磁石モータのハウジング２ｂの外周面には、モータを固定するためのハウジング取付穴２２ａが設けられている。ハウジング取付穴２２ａは、ハウジング２ｂの回転中心軸Ｚｒと直交する線と平行な方向に貫通する孔であり、ハウジング２ｂと一体に形成されている。ボルトをこのハウジング取付穴２２ａに挿入してナットで締め付ける事により、ハウジング２ｂを径方向から取付ける事ができる。その他の構成は、前述した本発明の第１の実施形態と同様であり、同じ作用効果を有する。

（第４の実施形態）
図５は、本発明の第４の実施形態に係る永久磁石モータの内部構造を示す図であり、図６は、ステータ及びロータの平面図である。本実施形態の永久磁石モータは、アウターロータ型のダイレクトドライブモータであり、ロータ７ａは、ステータ３ａの径方向外側に配置されている。第１の実施形態に対して、ハウジング２ｃ及びステータコア４ａと、出力軸８ａ及びロータ９ａとが入れ替わった構成であり、回転する出力軸８ａが外径側に位置する為、より高トルクが必要な用途に好適である。その他の構成は、前述した本発明の第1の実施形態と同様であり、同じ作用効果を有する。

以上のように、各実施形態は、高トルク、低振動の永久磁石モータを提供することができる。
なお、各実施形態ではダイレクトドライブ型の永久磁石モータについて説明したが、上述した内容に実施形態が限定されるものではない。例えば、各実施形態ではステータコア及びロータヨークの材料として圧粉磁心を示したが、鉄損を許容できる用途であれば、鉄（鋳物）を使用する事もできる。また、上述した実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。

本発明の永久磁石モータは、機械部品等の用途、例えばロボットの関節部分に好適に適用できる。

１、１ａ モータ
２、２ａ、２ｂ、２ｃ ハウジング
３、３ａ ステータ
４、４ａ ステータコア
５ コイル
６ スロット
７、７ａ ロータ
８、８ａ 出力軸
９，９ａ ロータヨーク
１０ 永久磁石
１１ 軸受
１２ 外輪
１３ 内輪
１４ 玉
１５、１５ａ 軌道輪取付具
１６ レゾルバ
１７ レゾルバ支持体
１８ センサ線
１９ 動力線
２０ 凹部
２１ 取付穴
２２、２２ａ ハウジング取付穴
２３、２３ａ 中空穴
Ｚｒ 回転中心軸

Claims (3)

1. 複数のコイルが固定されたステータコアを有するステータと、複数の永久磁石が周方向に等間隔に配置されたロータヨークを有するロータとを備え、前記ロータが前記ステータに対して回転可能に対向して同軸上に配された永久磁石モータにおいて、
   前記ステータコアと切れ目なく一体に成形されたハウジングと、
   前記ロータヨークと切れ目なく一体に成形された出力軸と、
   の少なくとも一方を備えたことを特徴とする永久磁石モータ。
2. 前記ステータコアの軸方向両端側で前記ハウジングの周面には、コイルが収容される凹部が形成されている、請求項１に記載の永久磁石モータ。
3. 前記ステータコア及び前記ロータコアは圧粉磁心である、請求項１〜２のいずれか１項に記載の永久磁石モータ。

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