JP2014165930A - Rotor of brushless motor, brushless motor, and stepping motor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ロータの構造に特徴のあるモータに関する。 The present invention relates to a motor characterized by the structure of a rotor.
ステッピングモータ等に代表されるブラシレス型のDCモータにおいて、ロータコアをマグネット(永久磁石)とロータヨークのハイブリッド構造としたハイブリッド型のモータ(HBモータ)が知られている。HBモータは、機器の小型化や、高性能化に伴い、小型で高性能なものが要求されている。 In a brushless DC motor represented by a stepping motor or the like, a hybrid motor (HB motor) in which a rotor core has a hybrid structure of a magnet (permanent magnet) and a rotor yoke is known. HB motors are required to be small and have high performance as equipment becomes smaller and has higher performance.
図5には、従来技術におけるHBモータの磁気回路が概念的に示されている。図5に示す構造において、ロータコア500は、軸方向の一方がN極、軸方向の他方がS極と着磁されたマグネット(永久磁石)502と、複数の電磁鋼板を軸方向で積層したロータヨーク503により構成されている。この構造の場合、N極からの磁束は、図示するように、まずマグネット502からロータヨーク503に向かって軸方向に進み、次いで途中で向きを変え、径方向(軸中心から離れる方向)に進み、ステータ側の磁極501に至る。
FIG. 5 conceptually shows the magnetic circuit of the HB motor in the prior art. In the structure shown in FIG. 5, the
この場合、径方向に進む磁束は、電磁鋼板の積層面に平行な方向の向きとなるので、磁路の磁気抵抗が低減される効果が得られる。他方において、軸方向に進む磁束には、電磁鋼板の積層方向への流れとなるので、電磁鋼板の絶縁処理や積層によるギャップの影響が大きく現れ、磁気抵抗が高くなる。つまり、ロータヨーク503内における軸方向における磁路の磁気抵抗が高くなる。この傾向は、マグネット502から離れる程大きくなる。この軸方向における磁路の磁気抵抗が高いという問題のため、図5に示す構造では、軸方向での磁束が偏在する傾向が強く、磁束分布が悪い。そのため磁束効率が悪く、十分なトルクが得られない。
In this case, since the magnetic flux traveling in the radial direction is oriented in a direction parallel to the laminated surface of the electromagnetic steel sheets, an effect of reducing the magnetic resistance of the magnetic path is obtained. On the other hand, since the magnetic flux traveling in the axial direction flows in the laminating direction of the electromagnetic steel sheets, the influence of the gap due to the insulation treatment and lamination of the electromagnetic steel sheets appears greatly, and the magnetic resistance increases. That is, the magnetic resistance of the magnetic path in the axial direction in the
この問題に対するアプローチとして、特許文献1に記載された技術が知られている。図6には、特許文献1に記載された技術におけるロータ600が示されている。ロータ600は、軸部材であるシャフト601にロータマグネット602、ロータマグネット602に軸方向で隣接し、環形状の磁性材料により構成されるロータヨーク603,604、ロータヨーク603,604の外側に固定され、電磁鋼板を軸方向において複数積層した構造の回転子鉄心605,606を備えた構造を有している。
As an approach to this problem, a technique described in
図6に示す構造では、ロータヨーク603,604が電磁鋼板を積層した構造ではないので、図5を用いて説明した磁束効率が悪くなる現象が抑えられる。
In the structure shown in FIG. 6, since the
しかしながら、図6に示す構造では、回転子鉄心605と606が軸方向で離れているので、モータが大型化する。特に、大きなトルクを得るには、マグネット602として軸方向の寸法の大きいものを用いる必要があるが、そうすると軸方向の寸法の大型化が避けられない。なお、ロータヨーク603,604と回転子鉄心605,606の軸方向の寸法を短縮する構造も考えられるが、そうすると、ロータコア600の有効外周面積が確保できず、狭い領域に過度に磁束が集中するので、総磁束の減少や損失の増大が顕著になり、効率が落ち、トルクが減少する。
However, in the structure shown in FIG. 6, since the
このような背景において、本発明は、小型化を図りながらロータマグネットの磁束を有効に利用できる高効率なブラシレスモータを提供することを目的とする。 In such a background, an object of the present invention is to provide a highly efficient brushless motor that can effectively use the magnetic flux of the rotor magnet while achieving downsizing.
請求項1に記載の発明は、略円柱形状または略円筒形状を有するロータマグネットと、前記ロータマグネットの軸方向の一方の端部が埋没する窪みが形成された一対のロータヨークと、板状の磁性材料が軸方向において複数積層された構造の略円筒形状を有し、前記一対のロータヨークの外周に接触した一対の磁極部とを備えることを特徴とするブラシレスモータのロータである。 According to the first aspect of the present invention, there is provided a rotor magnet having a substantially columnar shape or a substantially cylindrical shape, a pair of rotor yokes in which one end of the rotor magnet in the axial direction is buried, and a plate-like magnetic A brushless motor rotor having a substantially cylindrical shape having a structure in which a plurality of materials are laminated in the axial direction, and a pair of magnetic pole portions in contact with the outer periphery of the pair of rotor yokes.
請求項1に記載の発明によれば、ロータヨークの窪みにロータマグネットの軸方向における両端が埋没するので、軸方向の寸法を抑えたロータが得られる。また、外周に磁極部を設けることで、ロータヨークとして、磁気抵抗が方向に依存しない性質のものを採用することができ、ロータヨーク内において磁路の方向により磁気抵抗が高くなる現象が抑えられる。このため、小型化と高効率(高トルク化)を両立することができる。 According to the first aspect of the present invention, since both ends of the rotor magnet in the axial direction are buried in the recess of the rotor yoke, a rotor with a reduced axial dimension can be obtained. Further, by providing the magnetic pole part on the outer periphery, a rotor yoke having a property that the magnetic resistance does not depend on the direction can be adopted, and the phenomenon that the magnetic resistance increases in the direction of the magnetic path in the rotor yoke can be suppressed. For this reason, both downsizing and high efficiency (high torque) can be achieved.
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記一対のロータヨークは軸方向で離間し、前記離間した部分以外において、前記ロータマグネットの外面は、前記ロータヨークに覆われており、前記ロータヨークの外周が更に前記磁極部によって覆われていることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, the pair of rotor yokes are spaced apart in the axial direction, and the outer surface of the rotor magnet is covered with the rotor yoke except for the spaced portions. The outer periphery of the rotor yoke is further covered with the magnetic pole portion.
請求項2に記載の発明によれば、ロータ側の磁極の有効面積が大きく確保できるので、小型化と高効率の両立を更に追求することができる。 According to the second aspect of the present invention, since the effective area of the magnetic pole on the rotor side can be secured large, it is possible to further pursue both miniaturization and high efficiency.
請求項3に記載の発明は、請求項1または2に記載の発明において、前記一対のロータヨークの軸方向における一対の端面が磁気シールド材料により覆われていることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the present invention, the pair of end faces in the axial direction of the pair of rotor yokes are covered with a magnetic shield material.
請求項3に記載の発明によれば、ロータヨークの軸方向両端の端面からの磁束の漏洩が抑えられ、ロータマグネットが生成する磁束を更に有効に利用することができる。 According to the third aspect of the present invention, leakage of magnetic flux from the end faces at both ends in the axial direction of the rotor yoke is suppressed, and the magnetic flux generated by the rotor magnet can be used more effectively.
請求項4に記載の発明は、請求項3に記載の発明において、前記磁気シールド材料は、電磁鋼板を軸方向で積層したものであることを特徴とする。
The invention according to claim 4 is the invention according to
請求項4に記載の発明によれば、軸方向の磁気抵抗が高く、且つ、軸に垂直な方向の磁気抵抗が低い性質の磁気シールド材料が得られ、軸方向端面からの磁束の漏洩の抑制効果とロータコア外周面から出入りする磁束の磁路の磁気抵抗の低減効果がより効果的に得られる。 According to the fourth aspect of the present invention, a magnetic shield material having a property of high magnetic resistance in the axial direction and low magnetic resistance in the direction perpendicular to the axis is obtained, and suppression of leakage of magnetic flux from the axial end face is obtained. The effect and the effect of reducing the magnetic resistance of the magnetic path of the magnetic flux entering and exiting from the outer peripheral surface of the rotor core can be obtained more effectively.
請求項5に記載の発明は、請求項4に記載の発明において、前記電磁鋼板は、面に平行な方向における磁気抵抗よりも厚み方向における磁気抵抗が大きい性質を有することを特徴とする。
The invention according to
請求項5に記載の発明によれば、磁気シールド材料によるロータコアの軸方向端面からの漏洩磁束の抑制、且つ、磁気シールド材料内で軸に垂直な方向に進む磁束の磁気抵抗の低減が更に効果的に得られる。 According to the fifth aspect of the invention, the magnetic shield material can further suppress the leakage magnetic flux from the axial end surface of the rotor core, and can further reduce the magnetic resistance of the magnetic flux traveling in the direction perpendicular to the axis within the magnetic shield material. Can be obtained.
請求項6に記載の発明は、請求項1乃至5のいずれか一項に記載のロータを用いたことを特徴とするブラシレスモータである。 A sixth aspect of the present invention is a brushless motor using the rotor according to any one of the first to fifth aspects.
請求項7に記載の発明は、請求項6に記載のブラシレスモータの構造を有するステッピングモータである。 A seventh aspect of the present invention is a stepping motor having the structure of the brushless motor according to the sixth aspect.
本発明によれば、小型化を図りながらロータマグネットの磁束を有効に利用できる高効率なブラシレスモータが得られる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the highly efficient brushless motor which can utilize effectively the magnetic flux of a rotor magnet, achieving size reduction is obtained.
1.第1の実施の形態
(構造)
図1には、実施形態のロータ100が示され、図2には、ロータコア101が示されている。図1と図2の違いは、軸部材であるシャフト102の有無のみである。ロータ100は、ステッピングモータのロータである。ロータ100は、ロータコア101とシャフト102により構成されている。シャフト102は、ロータコア101の中心に貫通した状態で固定されている。シャフト102は、図示しない軸受構造により、図示しないステータ側の部材(例えば、外側ケーシング)に回転自在な状態で保持され、この構造により、ロータ100が回転できる構造となっている。なお、図示省略するが、ロータ100を備えたステッピングモータのステータ側の構造は、一般的なステッピングモータと同じものが採用される。
1. First embodiment (structure)
FIG. 1 shows a
ロータコア101は、ロータマグネット103、ロータヨーク104,105および磁極部105,106により構成されている。ロータマグネット103は、中心にシャフト102が貫通する孔を有した略円柱形状(あるいは略円筒形状)を有し、軸方向の一方の端部(例えば図の上側の端部)がNまたはS極、他方の端部(例えば、図の下側の端部)がSまたはN極に着磁された永久磁石である。ロータヨーク104は、略円柱形状の構造を有し、一方の端部にロータマグネット103の軸方向の一方の端部が埋没する円柱形状の窪み104aを有した略つぼ型の形状を有している。ロータヨーク105は、ロータヨーク104と同じ部材であり、軸方向における向きが反転した状態で用いられている。ロータヨーク105にも窪み105aが形成されている。
The
ロータヨーク104,105は、機械構造用炭素鋼や一般構造用の圧延鋼を鍛造加工やプレス加工することで得た単一の部材であり、電磁鋼板を複数積層したような集積構造ではない。また、ロータヨーク104,105は、軸方向と軸に垂直な方向とで磁気抵抗に違いがない磁気的に方向性の無い材質で構成されている。 The rotor yokes 104 and 105 are a single member obtained by forging or pressing a carbon steel for mechanical structure or a rolled steel for general structure, and are not an integrated structure in which a plurality of electromagnetic steel sheets are stacked. Further, the rotor yokes 104 and 105 are made of a magnetically non-directional material that has no difference in magnetoresistance between the axial direction and the direction perpendicular to the axis.
この例では、ロータマグネット103の一方の端部(図の上側の端部)がロータヨーク104の窪み104aに埋め込まれ、ロータマグネット103とロータヨーク104の結合が行われている。また、ロータマグネット104の他方の端部(図の下側の端部)がロータヨーク105の窪み105aに埋め込まれ、ロータマグネット103とロータヨーク105の結合が行われている。
In this example, one end (upper end in the figure) of the
ロータヨーク104と105は、軸方向で離間しており、この離間した部分では、軸に垂直な方向から見てロータマグネット103の側面が見えている。ロータマグネット103におけるロータヨーク104の窪み104aに埋め込まれた部分、およびロータヨーク105の窪み105aに埋め込まれた部分におけるロータマグネット103の外周は、ロータヨーク104と105に覆われ、更にその外周は、磁極部106,107によって覆われている。言い換えると、ロータマグネット103の外周におけるロータヨーク104と105が軸方向で離間している部分以外の部分は、ロータヨーク103と104に覆われており、更にその外周は、磁極部106,107によって覆われている。ここで、ロータマグネット103の外周におけるロータヨーク104,105および磁極部106,107によって覆われた面積は、ロータヨーク104,105が離間している部分におけるロータマグネット103の外周の面積よりも大きい。
The rotor yokes 104 and 105 are separated from each other in the axial direction, and the side surface of the
磁極部106,107は、厚みの薄い略円筒形状を有している。磁極部106,107は、電磁鋼板を外側が歯形状を備えた環状の形状に打ち抜き加工したものを軸方向で複数枚積層した構造を有している。磁極部106,107の軸方向の寸法は、ロータヨーク104,105と略同じである。磁極部106の内側にロータヨーク104が嵌め込まれて固定され、磁極部107の内側にロータヨーク105が嵌め込まれて固定されている。
The
(作用)
図3に示すように、ロータマグネット103のN極から出た磁束は、ロータヨーク104内をまず軸方向に進み、次いで方向を変えて径方向(軸から離れる方向)に進む。ここで、ロータマグネット103の側面の部分に回りこむ成分があるので、図示するようにロータヨーク104内で磁束は屈曲する。この磁路では、磁束が軸方向に進む部分があるが、ロータヨーク104内の磁気抵抗は方向性がないので、軸方向に進む磁束があってもそこでの磁気抵抗の増加はなく、それ故、磁束が偏在する傾向も抑えられる。これは、ロータヨーク105内においても同じである。
(Function)
As shown in FIG. 3, the magnetic flux emitted from the N pole of the
また、ロータヨーク104の外周には、電磁鋼板を軸方向で積層した構造の磁極部106が配置されているので、ロータ100からラジアル方向への磁束の出射が効果的に行われ、ステータ側の磁極110との間で効率の良い磁気回路が形成される。すなわち、磁極部106において、磁束は、電磁鋼板の絶縁層と積層によるギャップの影響で、積層方向には進み難いことから、おのずと径方向に進行し、磁極部106から径方向外側に向かって出射する。なお、ステータ側の磁極110から出た磁束は、上記の逆の経路を辿ってロータマグネット103のS極に戻るが、磁極部107においても磁極部106と同様に効率の良い磁気回路が形成される。
Further, since the
(優位性)
ロータコア101を材料の異なる2体構造とし、ロータマグネット103に接触する部分を一般鋼により構成されるロータヨーク104,105としている。この構造によれば、ロータマグネット103からの磁束の流れを効率よく電磁鋼板で形成された磁極部106に導くことが可能となる。また、ロータヨーク104,105をつぼ型とすることで、厚いロータマグネット103を用いつつ軸方向の寸法を短縮することができる。すなわち、ロータヨーク104,105の窪み部104a,105aにロータマグネット103の軸方向における両端が埋没するので、軸方向の寸法の大きいロータマグネット103を用いた場合であっても、ロータコア101自体の軸方向の寸法の増大を抑えることができる。
(Superiority)
The
仮に、図3に示すロータヨーク104,105、さらに磁極部106,107におけるL1,L2が存在しない場合、つまり図6に示す状態の場合、磁極部106,107の軸方向における厚みが薄くなり、総磁束が減少したり、磁気飽和に起因する損失が増大したりするといった問題が生じ、図1〜3の構造の場合に比較して、効率が低下する。なお、磁極部106,107それ自体がない場合、つまりロータヨークだけの場合、軸方向に出射する磁束(つまり漏洩磁束)の成分が増加し、やはり効率が低下する。
If the rotor yokes 104 and 105 shown in FIG. 3 and the L1 and L2 in the
また仮に、図3に示すL1,L2の部分におけるロータヨーク104,105が存在しない場合(図7参照)、ロータヨーク104から磁極部106への磁路、およびロータヨーク105から磁極部107への磁路がL1,L2の部分で途切れるので、効果的な磁気回路が形成されず、効率が低下する。すなわち、L1,L2の部分で、磁束が磁極部106,107中を軸方向に進まざるを得ないが、磁極部106,107は電磁鋼板を積層した構造であり、軸方向の磁気抵抗が大きいので、損失の大きな磁気回路とならざるを得ず効率が低下する。
Also, if the rotor yokes 104 and 105 in the portions L 1 and L 2 shown in FIG. 3 do not exist (see FIG. 7), the magnetic path from the
(効果の確認)
図1〜3に示すロータコアと寸法は同じで、図5に示す構造のものを比較例として用意した。そして、同じ構造のステッピングモータのサンプルを試作し、ステッピングモータに求められる性能の一つであるホールディングトルク(ある角度位置で停止した状態を維持できるトルク)を同条件で測定した。この結果、図1〜図3に示す本実施形態のサンプルでは、ホールディングトルクが510mNmであったのに対して、比較例では、ホールディングトルクが450mNmであった。すなわち、図5に示すロータコアの構造を採用したステッピングモータに比較して、図1〜図3に示す構造のロータコアの構造を採用したステッピングモータは、13%以上大きなホールディングトルクが得られた。
(Confirmation of effect)
The rotor core shown in FIGS. 1 to 3 has the same dimensions, and the structure shown in FIG. 5 was prepared as a comparative example. A sample of a stepping motor having the same structure was prototyped, and holding torque (torque capable of maintaining a stopped state at a certain angular position), which is one of the performances required for the stepping motor, was measured under the same conditions. As a result, in the sample of this embodiment shown in FIGS. 1 to 3, the holding torque was 510 mNm, whereas in the comparative example, the holding torque was 450 mNm. That is, compared with the stepping motor which employ | adopted the structure of the rotor core shown in FIG. 5, the stepping motor which employ | adopted the structure of the rotor core of the structure shown in FIGS.
2.第2の実施形態
以下、第1の実施形態のロータコアに磁気シールド構造を付加した構造の一例を示す。図4には、ロータコア200が示されている。ロータコア200は、図1〜3のロータコア101の軸方向における2つの端面に、磁気シールド板201,202を配置した構造を有する。磁気シールド板201,202は、中央に孔が設けられた円盤状の電磁鋼板を軸方向で複数(例えば4枚)積層した構造を有している。この電磁鋼板は、面に平行な方向における磁気抵抗が相対的に低く、面に垂直な方向における磁気抵抗が相対的に大きい磁気的な方向性を有した特性を有している。具体的には、面に平行な方向の透磁率が相対的に大きく、面に垂直な方向の透磁率が相対的に小さい磁気的な異方性を有した電磁鋼板を用いて磁気シールド板201,202は構成されている。
2. Second Embodiment Hereinafter, an example of a structure in which a magnetic shield structure is added to the rotor core of the first embodiment will be described. FIG. 4 shows the
磁気シールド板201,202は、電磁鋼板の積層構造であり、さらにその電磁鋼板の1枚1枚が、軸方向における磁気抵抗が面に平行な方向における磁気抵抗よりも大きい。このため、図4のロータヨーク104の上面近傍およびロータヨーク105の下面近傍において、磁束が面に平行な方向に流れようとする傾向が、磁気シールド板201,202がない場合に比較して強くなる。すなわち、ロータヨーク104の上面近傍およびロータヨーク105の下面近傍において、磁束が軸方向に進み難く、面方向に進み易いため、面方向への磁路が積極的に形成され易い状態となる。このため、ロータヨーク104の上面およびロータヨーク105の下面から軸方向に漏れ出る磁束(漏洩磁束)の発生が抑えられ、他方で、磁極部106,107との間に低損失な磁路が形成され、より高効率な磁気回路が形成される。
Each of the
(その他)
図8に本発明の一変形例を示す。図8に示すロータコア101は、つぼ型のロータヨーク104,105の高さ(軸方向の寸法)が、円筒状の磁極部106,107の高さ(軸方向の寸法)よりも大きい設定とされている。こうすることで、磁極部106,107の内周全体にロータヨーク104,105の側面が接する必要があり、且つ、ロータヨーク104,105の縁の部分を丸くする(Rを付ける)場合に対応することができる。
(Other)
FIG. 8 shows a modification of the present invention. In the
以上の例示において説明した本実施のロータコアは、渦電流損やヒステリシス損が特に重要とならない低周波用途向けとして利用するのが好適である。また、本発明の利用は、ステッピングモータに利用することが好適であるが、ステッピングモータでないブラシレスモータに利用することもできる。 The rotor core of the present embodiment described in the above examples is preferably used for low frequency applications where eddy current loss and hysteresis loss are not particularly important. The use of the present invention is preferably used for a stepping motor, but can also be used for a brushless motor that is not a stepping motor.
本発明の態様は、上述した個々の実施形態に限定されるものではなく、当業者が想到しうる種々の変形も含むものであり、本発明の効果も上述した内容に限定されない。すなわち、特許請求の範囲に規定された内容およびその均等物から導き出される本発明の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更および部分的削除が可能である。 The aspect of the present invention is not limited to the individual embodiments described above, and includes various modifications that can be conceived by those skilled in the art, and the effects of the present invention are not limited to the contents described above. That is, various additions, modifications, and partial deletions can be made without departing from the concept and spirit of the present invention derived from the contents defined in the claims and equivalents thereof.
本発明は、ブラシレスモータに利用することができる。 The present invention can be used for a brushless motor.
100…ロータ、101…ロータコア、102…シャフト、103…ロータマグネット、104…ロータヨーク、104a…窪み、105…ロータヨーク、105a…窪み、106…磁極部、107…磁極部、110…ステータ側の磁極、200…ロータコア、201…磁気シールド板、202…磁気シールド板、500…ロータコア、501…ステータ側の磁極、600…ロータコア、601…シャフト、602…ロータマグネット、603…ロータヨーク、604…ロータヨーク、605…回転子鉄心、606…回転子鉄心。
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記ロータマグネットの軸方向の一方の端部が埋没する窪みが形成された一対のロータヨークと、
板状の磁性材料が軸方向において複数積層された構造の略円筒形状を有し、前記一対のロータヨークの外周に接触した一対の磁極部と
を備えることを特徴とするブラシレスモータのロータ。 A rotor magnet having a substantially cylindrical shape or a substantially cylindrical shape;
A pair of rotor yokes formed with depressions in which one end in the axial direction of the rotor magnet is buried;
A rotor of a brushless motor, comprising: a substantially cylindrical shape having a structure in which a plurality of plate-like magnetic materials are laminated in the axial direction; and a pair of magnetic pole portions in contact with outer peripheries of the pair of rotor yokes.
前記離間した部分以外において、前記ロータマグネットの外面は、前記ロータヨークに覆われており、
前記ロータヨークの外周が更に前記磁極部によって覆われていることを特徴とする請求項1に記載のブラシレスモータのロータ。 The pair of rotor yokes are separated in the axial direction,
Except for the separated portion, the outer surface of the rotor magnet is covered with the rotor yoke,
The rotor of the brushless motor according to claim 1, wherein an outer periphery of the rotor yoke is further covered with the magnetic pole portion.
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN112311191A (en) * | 2020-10-21 | 2021-02-02 | 西安航天动力测控技术研究所 | Hybrid stepping motor rotor |
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