JP2014107951A - モータ - Google Patents

Abstract

【課題】 振動および騒音の抑制と耐久性向上とを実現できるモータを提供する。
【解決手段】 円筒状の永久磁石（マグネット31）を備えるロータ（ロータ部3a）と、ロータに対し所定の空隙を介して対向配置され、コイル34が巻回されたステータ33と、を備え、永久磁石は、第１の極性（例えばN極）に着磁された第１の磁極領域と、前記第１の極性とは逆極性の第２極性（例えばS極）に着磁された第２に磁極領域とが周方向に沿って交互に複数設けられ、第１の磁極領域および第２の磁極領域の輪郭線は、ロータの軸に対してスキュー角度θを持つ部分（第１傾斜部313，第２傾斜部314）を有し、かつ、軸方向中央を中心に対称形状をなす。
【選択図】 図４

Description

本発明は、モータに関する。

従来、永久磁石の磁極を軸に対して傾斜させる、すなわち軸方向にスキューさせることで、ロータとステータとの間での急激な磁束の変化を低減し、コギングトルクやトルクリップルを低減することを図ったモータが知られている（例えば特許文献１）。

特開2008-295207号公報

上記従来技術では、N極とS極の磁極領域の輪郭線（磁極境界）が軸に対して所定のスキュー角度を持つ直線状であるため、軸方向断面で見たとき永久磁石がステータのコイルから受ける吸引力または反発力は、軸方向一方の端面から他方の端面に向けて大きくまたは小さくなり、軸方向に回転力が発生する。この回転力により、軸が傾くことで芯ぶれによる振動および騒音の増大が懸念される。また、軸の支持部（軸受け等）への衝撃、片当たり等による軸および支持部の偏磨耗等が生じるため、耐久性低下が懸念される。
本発明の目的は、振動および騒音の抑制と耐久性向上とを実現できるモータを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明では、第１の磁極領域および第２の磁極領域の輪郭線は、ロータの軸に対して角度を持つ部分を有し、かつ、軸方向中央を中心に対称形状をなす。

よって、永久磁石がステータのコイルから受ける吸引力または反発力が軸方向中央を中心に対称となるため、軸方向の回転力が発生せず、軸の傾きを抑制できる。この結果、振動および騒音の抑制と耐久性向上とを実現できる。

トランスミッションケースに設置されたポンプを、その軸心を通る平面で切った断面図である。 モータ部の構成要素を分解して示す斜視図である。 実施例１のロータ部の斜視図である。 実施例１のマグネットの外周面の展開図である。 モータ回転時にロータがコイルから与えられる力（吸引力または反発力）を示すマグネットの外周面の展開図であり、(a)は従来の磁極領域の輪郭線、(b)は実施例１の磁極領域の輪郭線である。 実施例１のモータ部の誘起電圧波形である。 実施例１のモータ部の出力トルク波形である。 実施例２のマグネットの外周面の展開図である。

〔実施例１〕
実施例１のモータ部3はポンプ1の駆動源として用いられる。ポンプ1は、電動モータ（モータ部3）により駆動される電動ポンプであり、車両の油圧機器に適用される。具体的には、ポンプ1は、車両（自動車）に搭載される自動変速機（AT,CVT）用の補助電動ポンプであり、流体として自動変速機の作動用のオイル（ATF,CVTF）を吸入・吐出する。図１は、トランスミッションケース100に設置されたポンプ1を、その軸心を通る平面で切った断面図である。ポンプ1へ吸入され、ポンプ1から吐出されるオイルの流れを矢印で示す。図２は、モータ部3の構成要素を分解して示す斜視図である。

トランスミッションケース100は、自動変速機のハウジングであり、ポンプ1が嵌合設置される有底円筒状の凹部101が形成されている。凹部101にはポンプ1の図示しない吸入油路が開口すると共に、凹部101の底部にはポンプ1の吐出油路102が開口する。ポンプ1は、オイルを吸入・吐出するポンプ部2と、ポンプ部2を回転駆動するモータ部3と、ポンプ部2およびモータ部3が収容設置されるハウジング4とを有している。

ハウジング4は、第１ハウジング4aと第２ハウジング4bを有している。第１ハウジング4aは、内周側に有底円筒状のポンプ収容孔400を備えるポンプ収容部40と、ポンプ収容部40と一体に設けられてポンプ収容孔400の底部からポンプ収容孔400の軸方向反対側に突出し、内周側にシャフト収容孔を備える軸受部41と、軸受部41の外周面に対して径方向隙間を介して対向するようにポンプ収容部40の底部と一体に設けられ、内周側にステータ収容孔420を備えるモータ収容部42と、モータ収容部42の軸方向端部と一体に外径方向に広がるように設けられたフランジ部43と、を有している。ポンプ収容部40には、ポンプ収容孔400の底部に、吸入ポート401と吐出ポート402が凹溝状に設けられている。第２ハウジング4bは、吸入油路440が貫通形成された吸入部44と、吐出油路450が貫通形成された吐出部45とを有している。第２ハウジング4bにおける第１ハウジング4aとの接合面には、有底凹部460が形成されている。

ポンプ部2は、ギヤポンプ、具体的には静音性が比較的高い内接型ギヤポンプ（内接歯車ポンプ）であり、ポンプロータとしてインナロータ2aとアウタロータ2bとを有するポンプ構成体である。インナロータ2aはn枚（実施例では6個）の歯数を有する外歯歯車であり、その内周側にシャフト設置孔20が設けられている。シャフト設置孔20にはポンプ部2（インナロータ2a）の駆動軸としてのシャフト30の一端部が嵌合して設置され、インナロータ2aに固定される。インナロータ2aの歯形はトロコイド歯形である。アウタロータ2bはn+1枚（実施例では7個）の歯数を有する内歯歯車である。アウタロータ2bは、第１ハウジング4aに形成されたポンプ収容部40（ポンプ収容孔400）内に遊嵌状態で回転自在に収容設置される。アウタロータ2bの外周面はアウタロータ2bの中心軸と略平行に設けられており、シャフト収容孔410の軸と略平行に設けられたポンプ収容孔400の内周面に対して、径方向の僅かな隙間を介して対向する。アウタロータ2bの歯形はトロコイド歯形である。ポンプ収容孔400が開口する第１ハウジング4aの軸方向端面を覆うように第２ハウジング4bが設置され、第１ハウジング4aに対してボルト締結される。第２ハウジング4bの吸入油路440はポンプ部2の吸入領域と連通し、吐出油路450はポンプ部2の吐出領域と連通するように配置される。

モータ部3は、ロータ部（回転子）3aとステータ部（電機子）3bにより構成される表面磁石型のブラシレスDCモータである。図３は、ロータ部3aの斜視図である。ロータ部3aは、シャフト30と、マグネット31と、これらを連結するヨークとしてのロータコア32とを有する。マグネット31は円筒状の永久磁石（リング磁石）であり、周方向に複数の磁極を有する界磁石である。マグネット31は、例えば希土類磁石材料を成形した磁性材料を着磁装置（着磁ヨーク）により着磁処理することで作成される。ロータコア32は磁性体であり、鉄系金属材料で形成されている。ロータコア32は、内周側に凹部320が設けられた有底円筒状であり、その底部にはシャフト設置孔321が貫通形成されている。ロータコア32の外周側にはマグネット設置部322が形成されている。マグネット設置部322にマグネット31が設置されることで、マグネット31がロータコア32と同軸にロータコア32に固定される。ステータ部3bは、界磁機構としてのステータ33およびコイル34を有する。ステータ33は、ステータコアと絶縁体（インシュレータ）331を有する。ステータコアは鉄系金属材料で形成されており、複数の（9個の）スロットを介して周方向に同数のティース330が設けられている。各ティース330は、ステータコアの軸心側に向かって突出する。各ティース330には、絶縁体331を介してコイル34が巻回（集中巻）されている。コイル34に供給される電流によって、各ティース330の内径側（マグネット31の周囲）に回転磁界が形成される。なお、極数やスロットの数は任意である。

シャフト30は、軸受部41のシャフト収容孔410内に回転自在に収容設置（支持）される。軸受部41（シャフト収容孔410）は滑り軸受であり、吐出ポート402から切り欠き413を介して送られるオイルにより潤滑される。軸受部41（シャフト収容孔410）のロータ部3a側の端部にはシール部材としてのオイルシール411が設置されている。オイルシール411がシャフト30の外周面に摺接することで、軸受部41（シャフト収容孔410）に供給されるオイルのモータ部3側への流出が遮断される。なお、軸受部41には、吸入ポート401とオイルシール411とを連通する連通路412が形成されており、軸受部41（シャフト収容孔410）に供給されたオイルは、連通路412を介して吸入ポート401へ戻される。シャフト30は、そのモータ部3側の部分が軸受部41に回転可能に軸支されることでハウジング4に片持ち支持される。このように片持ち支持されることで、シャフト30の長さが短縮され、ポンプ1の軸方向寸法が抑制される。シャフト30のポンプ部2側の一端部はインナロータ2aよりも若干突出し、第２ハウジング4bの有底凹部460内に収容される。軸受部41からポンプ部2と反対側のモータ収容部42内に突出するシャフト30の他端部は、ロータコア32のシャフト設置孔321に設置され、ロータコア32に固定される。ロータコア32は軸受部41に帽子のように被さって設置される。ロータコア32の凹部320内に軸受部41の一部が収容されることで、シャフト30の長さが短縮され、ポンプ1の軸方向寸法が抑制される。ステータ33は、その外周面がステータ収容孔420の内周面に接するようにモータ収容部42に設置され、その内周面がロータ部3a（マグネット31）の外周面に対して僅かな径方向隙間を介して対向するように配置される。ステータ部3b（ステータコアの各ティース330）とロータ部3a（ロータコア32）の間の空隙（エアギャップ）を通して磁気回路が構成される。コイル34に通電されることでステータ33が回転磁界を発生し、マグネット31により形成される界磁磁束との関係により、ロータ部3a（シャフト30）を回転駆動する。

以上のようにポンプ部2とモータ部3を収容したハウジング4は、トランスミッションケース100の凹部101に嵌合設置される。第２ハウジング4bの吐出部45はトランスミッションケース100の吐出油路102に嵌合設置される。ハウジング4のフランジ部43は凹部101を囲むようにトランスミッションケース100にボルト締結される。なお、カバー4cがフランジ部43にボルト締結され、ハウジング4のモータ収容部42の開口を塞ぐことで、モータ収容部42内の気密性が保たれる。ハウジング4の外周面とトランスミッションケース100（凹部101）の内周面との間の隙間（オイルが充填される吸入部）103は、凹部101の開口部に設置されたシール部材104により、自動変速機の外部との連通が遮断される。また、上記隙間（オイルが充填される吸入部）103は、吐出部45の外周面と吐出油路102の内周面との間に設置されたシール部材105により、吐出油路102との連通が遮断される。

図４は、マグネット31の外周面の展開図を示す。マグネット31には、複数のN極とS極が円周方向に交互に着磁されている。すなわち、マグネット31は、第１の極性（例えばN極）に着磁された第１の磁極領域と、第１の極性とは逆極性の第２の極性（例えばS極）に着磁された第２の磁極領域と、が周方向に沿って交互に複数（例えば8極）設けられている。図４では、説明の便宜のため、一組のN極とS極のみを示す。各磁極領域は、マグネット31の軸（すなわちロータ部3aの軸）が延びる方向（以下、単に「軸方向」という）に沿って着磁形状が変化するように設けられている。
第１の磁極領域および第２の磁極領域の輪郭線（着磁境界）は、略同一形状であり、マグネット31の軸方向両端部（第１端部311，第２端部312）の中間位置に引いた周方向に延びる直線mを中心に第１端部311側と第２端部312側とが対称形状となるように設定されている。すなわち、第１の磁極領域および第２の磁極領域は、マグネット31の軸方向中央を中心に対称形状をなす。直線mよりも第１端部311側の輪郭線は、ロータ部3aの軸に対して反時計回りの方向にスキュー角度θを持つ直線状の第１傾斜部313により形成され、直線mよりも第２端部312側の輪郭線は、ロータ部3aの軸に対して時計回りの方向にスキュー角度θを持つ直線状の第２傾斜部314により形成される。

次に、作用を説明する。
図５は、モータ回転時にロータがコイルから与えられる力（吸引力または反発力）を示すマグネットの外周面の展開図であり、(a)は従来の磁極領域の輪郭線、(b)は実施例１の磁極領域の輪郭線である。
(a)に示す従来の磁極領域の輪郭線は、軸方向一方の端点に与えられる力が大きく、他方の端点に与えられる力が小さいため、軸の傾きが発生するのに対し、(b)に示す実施例１の磁極領域の輪郭線は、軸方向中央を中心に対称形状をなすため、軸方向中央に与えられる力が大きく、軸方向両端に与えられる力が小さい。つまり、コイルから与えられる力が軸方向中央を中心に対称となるため、軸の傾きが抑制される。これにより、芯ぶれに伴う振動および騒音を抑制できる。また、軸の傾きが発生しにくいことから、シャフト30と軸受部41との面接触が維持されるため、シャフト30を支持する軸受部41への衝撃、片当たりによるシャフト30および軸受部41の偏磨耗等が生じにくく、耐久性向上を図ることができる。
ここで、実施例１では、磁極の入口から出口までの長さL、すなわち、輪郭線の周方向長さLは、従来の磁極領域の輪郭線の周方向長さと等しくしている。これにより、モータ特性を従来特性と等しくすることができる。図６は実施例１の誘起電圧波形、図７は実施例１の出力トルク波形であり、誘起電圧波形および出力トルク波形は共に従来と同じであることがわかる。つまり、実施例１では、従来のモータ特性に影響を与えることなく、すなわち、モータ性能の低下を招くことなしに、振動および騒音の抑制と耐久性向上を実現している。

実施例１にあっては、以下の効果を奏する。
(1) 円筒状の永久磁石（マグネット31）を備えるロータ（ロータ部3a）と、ロータに対し所定の空隙を介して対向配置され、コイル34が巻回されたステータ33と、を備え、永久磁石は、第１の極性（例えばN極）に着磁された第１の磁極領域と、前記第１の極性とは逆極性の第２極性（例えばS極）に着磁された第２に磁極領域とが周方向に沿って交互に複数設けられ、第１の磁極領域および第２の磁極領域の輪郭線は、ロータの軸に対してスキュー角度θを持つ部分（第１傾斜部313，第２傾斜部314）を有し、かつ、軸方向中央を中心に対称形状をなす。
よって、振動および騒音の抑制と耐久性向上とを実現できる。

〔実施例２〕
実施例２は、第１の磁極領域および第２の磁極領域の輪郭線の形状を実施例１と異ならせた例である。
図８は、実施例２のマグネット31の外周面の展開図を示す。実施例２では、第１傾斜部313と第２傾斜部314の交点cを、周方向一方側（図８の右側）に隣接する輪郭線の軸方向の両端点a,bを結ぶ直線nよりも周方向一方側に配置した。よって、第１傾斜部313と第２傾斜部314とで形成される第１の磁極領域および第２の磁極領域の輪郭線（着磁境界）の軸方向中央部分は、周方向一方側（図８の右側）に隣接する輪郭線の軸方向の両端点a,bを結ぶ直線nよりも周方向一方側に突出した状態である。
上記以外の構成については実施例１と同じであるため、図示ならびに説明は省略する。

次に、作用を説明する。
モータ回転時に軸方向両端に与えられる力をFa,Fb、軸方向中央に与えられる力をFcとしたとき、軸の傾きを発生させる力の成分は、FaとFbの差分の絶対値|Fa-Fb|であり、|Fa-Fb|に対して軸の傾きを発生させない力の成分Fcが大きいほど、すなわち、|Fa-Fb|/Fcの値が小さいほど、軸をより安定させることができる。
そこで、実施例２では、輪郭線の軸方向中央部分を、周方向一方側に隣接する輪郭線の軸方向の両端点a,bを結ぶ直線nよりも周方向一方側に突出させた。これにより、実施例１と比較して、FcをFa,Fbに対してより大きくできる。つまり、|Fa-Fb|/Fcをより小さくできるため、軸の安定性を向上できる。
実施例２にあっては、実施例１の効果(1)に加え、以下の効果を奏する。
(2) 輪郭線の軸方向中央は、周方向一方側に隣接する輪郭線の軸方向両端を結ぶ直線nよりも周方向一方側に位置する。
よって、軸の安定性を向上でき、振動および騒音の抑制と耐久性向上とをより高いレベルで実現できる。

〔他の実施例〕
以上、本発明を実施例に基づいて説明してきたが、各発明の具体的な構成は実施例に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても、本発明に含まれる。
例えば、実施例では、第１の磁極領域と第２の磁極領域の輪郭線を直線状の第１傾斜部と第２傾斜部とから構成した例を示したが、輪郭線の一部のみがロータの軸に対して角度を持つ構成としても良い。また、輪郭線は曲線状、または直線と曲線とを組み合わせた形状としても良い。
また、本発明は、電動ポンプ以外の機器にも適用可能であることは言うまでもない。
本発明の着磁形状を、ブラシレスモータに限らず、他の形式のモータに適用してもよい。また、モータは、ステータの外周側に円筒状のロータを配置した、アウタロータ型であってもよい。

3 モータ部
3a ロータ部（ロータ）
3b ステータ部
4 ハウジング
30 シャフト
31 マグネット（永久磁石）
32 ロータコア
33 ステータ
34 コイル
311 第１端部
312 第２端部
313 第１傾斜部
314 第２傾斜部

Claims (2)

1. 円筒状の永久磁石を備えるロータと、
   前記ロータに対し所定の空隙を介して対向配置され、コイルが巻回されたステータと、
   を備え、
   前記永久磁石は、第１の極性に着磁された第１の磁極領域と、前記第１の極性とは逆極性の第２極性に着磁された第２に磁極領域とが周方向に沿って交互に複数設けられ、
   前記第１の磁極領域および前記第２の磁極領域の輪郭線は、前記ロータの軸に対して角度を持つ部分を有し、かつ、軸方向中央を中心に対称形状をなす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、
   前記輪郭線の軸方向中央は、周方向一方側に隣接する輪郭線の軸方向両端を結ぶ直線よりも周方向一方側に位置することを特徴とするモータ。

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