JP2015130724A

JP2015130724A - モータ用コア及びモータ

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Publication number: JP2015130724A
Application number: JP2014000442A
Authority: JP
Inventors: 裕介太田; Yusuke Ota; 逸男渡辺; Itsuo Watanabe; 遠藤　茂; Shigeru Endo; 茂遠藤
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2014-01-06
Filing date: 2014-01-06
Publication date: 2015-07-16
Also published as: CN105794085A; WO2015102106A1; US20160301270A1

Abstract

【課題】固定子側の極歯形状の工夫によってコギングトルクやトルクリップルを軽減することが可能なモータ用コア及びモータを提供する。【解決手段】ステータ１０の極歯１２の先端面１２ｃを、該先端面１２ｃの円周方向に沿った断面が、該先端面１２ｃと対向するロータ２０の磁石２２の先端面２２ａ（ロータヨーク部２１の外周面と等価）とは逆方向に凸の円弧形状となる曲面に形成する。【選択図】図３

Description

本発明は、モータ用コア及びモータに関する。

従来、モータ駆動時に発生するコギングトルクやトルクリップルを軽減するための技術として、例えば、特許文献１〜３に記載された技術がある。
特許文献１には、円筒状の固定子と、該固定子と同軸をなして回転可能に設けられた円筒状の回転子と、回転子の外周面に設けられ、固定子との対向面の円周方向の中央部を円弧面とし、且つ、該対向面の円周方向の両端部に面取り面を設けた形状の永久磁石とを備えたマグネット型モータが記載されている。

また、特許文献２には、円環状のヨーク部と、ヨーク部の内周面に突出かつ等間隔に一体形成されたティースとを備え、隣接する二つのティース間につくられる空間がスキュー構造をなすステータコアが記載されている。
また、特許文献３には、外周部に複数のセグメントマグネットを有し、回転軸を中心として回転する回転体と、該回転体の外周側に配置され、円弧形状のコアバック部と該コアバック部から軸方向に延びるティース部とを備えた電機子ブロックを有する固定体と、を備えたモータが記載されている。かかるモータは、セグメントマグネットの外周面が、該外周面とティース部のセグメントマグネットに向かう面との空隙が中央部から両端部に向かうほど大きくなる曲面形状に形成されている。

特開２００４−３２８８１８号公報特開２００８−０２９１５７号公報特開２００８−１０４３０５号公報

しかしながら、上記特許文献１の従来技術は、永久磁石の対向面を円弧面と面取り面との組み合わせ形状とするため、磁石形状が複雑となり、磁石の加工コストが高くなる可能性がある。また、対向面の両端部に面取り面を設けるため永久磁石の両端部の厚さが中央部に対して薄くなり、パーミアンス係数が下がる。そのため、固定子に設けられたコイルから発生する反磁界の影響で、減磁しやすくなる可能性がある。

また、上記特許文献２の従来技術は、隣り合うティース間の空間をスキュー構造としているため、巻線の占有率を上げることが難しくなる。そのため、モータの高トルク化が困難となる可能性がある。
また、上記特許文献３の従来技術は、セグメントマグネットの外周面を、その中央部から両端部に向かうほどティース部の対向面との空隙が大きくなる曲面形状とするため、セグメントマグネットの厚さが中央部から両端部に向かうほど薄くなる。そのため、パーミアンス係数が下がり、固定子に設けられたコイルから発生する反磁界の影響で、減磁しやすくなる可能性がある。

そこで、本発明は、このような従来の技術の有する未解決の課題に着目してなされたものであって、ステータのスキュー構造化や磁石の厚さを部分的に薄く等することなく、低コストでコギングトルクやトルクリップルを軽減するのに好適なモータ用コア及びモータを提供することを目的としている。

〔形態１〕上記目的を達成するために、形態１のモータ用コアは、内周面にその円周方向に沿って設けられた複数の極歯を有すると共に各極歯間にスロットが形成された環状の固定子と、前記極歯の先端面に空隙をもって対向して前記固定子の内側に該固定子と同心に配されると共に円周方向に沿って配設された複数の磁極を有する環状の回転子と、を備え、前記極歯の先端面を、該先端面の円周方向に沿った断面が、該先端面と対向する前記回転子の外周面とは逆方向に凸の円弧形状となる曲面に形成した。

このような構成であれば、固定子の極歯の先端面が、該先端面の円周方向に沿った断面形状が回転子の外周面とは逆方向に凸の円弧形状となる曲面となるので、かかる円弧形状としない構成と比較して、磁束形状を正弦波形状（理想的な波形形状）に近づけることが可能となる。
これによって、回転子側の磁石を部分的に薄くする加工や、固定子のスキュー構造化等をすることなく、モータに適用した場合に発生するコギングトルクやトルクリップルを低減することができるという効果が得られる。

〔形態２〕更に、形態２のモータ用コアは、形態１の構成に対して、前記回転子は、前記極歯の先端面に空隙をもって対向すると共に外周面にその円周方向に配列して突設された前記複数の磁極を形成する磁石を有する表面磁石形回転子であり、前記極歯の先端面と対向する前記磁石の対向面を、該対向面の円周方向に沿った断面が、前記回転子の外周面と同じ円弧形状となる曲面に形成した。

このような構成であれば、極歯の先端面の円周方向の断面が磁石の対向面とは逆方向に凸となる円弧形状となって、かかる円弧形状としない構成と比較して、磁束形状を正弦波形状（理想的な波形形状）に近づけることが可能となる。
これによって、表面磁石形回転子を備えるモータ用コアにおいて、回転子側の磁石を部分的に薄くする加工や、固定子のスキュー構造化等をすることなく、モータに適用した場合に発生するコギングトルクやトルクリップルを低減することができるという効果が得られる。

〔形態３〕更に、形態３のモータ用コアは、発明１又は２の構成に対して、極歯の先端面を、該先端面の円周方向に沿った断面が、固定子の外周面よりも外側に中心を有する円に沿った円弧形状となる曲面に形成した。
このような構成であれば、先端面の円弧を形成する円の中心を外周面よりも内側にした場合と比較して、曲率半径を大きくすることが可能となる。即ち、円の中心を固定子の外周面よりも内側にした場合と比較して、先端面の円弧の曲率を小さくすることが可能となる。

これによって、極歯の先端面と回転子の円周面（対向面）との間の空隙の拡大によるトルクの低下を最小限に抑えつつ、モータに適用した場合に発生するコギングトルクやトルクリップルを低減することができるという効果が得られる。
〔形態４〕更に、形態４のモータ用コアは、形態１乃至３のいずれか１の構成に対して、固定子と回転子とのスロットコンビネーションを分数スロット構成とした。

このような構成であれば、整数スロット構成とした場合と比較して、良好な誘起電力波形を得ることができる。これにより、コギングトルクやトルクリップルを低減できるため、高トルク化が容易となるという効果が得られる。特に、低速時に顕著に現れるコギングトルクを低減することができるため、低速で高トルクが必要なダイレクトドライブモータなどに好適である。

ここで、分数スロット構成とは、毎極毎相のスロット数ｑが分数となる構成である。毎極毎相のスロット数ｑは、固定子のスロット数（コイル巻線を巻くための溝の数）Ｓを、相数Ｎと極数Ｐとで割った値である。即ち、毎極毎相のスロット数ｑは、「ｑ＝Ｓ／（Ｎ・Ｐ）」で求めることができる。なお、整数スロット構成とは、毎極毎相のスロット数ｑが整数となる構成である。

〔形態５〕一方、上記目的を達成するために、形態５のモータは、形態１〜４のいずれか１に記載のモータ用コアを備える。
このような構成であれば、上記形態１〜４のいずれか１と同等の作用及び効果が得られる。

第１実施形態のモータ用コア１の構造を示す平面図である。図１のモータ用コア１の極歯１２と磁石２２とを含む部分拡大平面図である。図１のモータ用コア１の極歯１２に励磁用コイル１５を巻き回した構成を示す部分的平面図である。第２実施形態のモータの構造を示す軸方向断面図である。変形例の埋込磁石形のロータ２０の構造を示す平面図である。第１実施形態のモータ用コア１に、変形例の埋込磁石形のロータ２０を適用した場合の極歯１２と磁石２２とを含む部分拡大平面図である。

（第１実施形態）
第１実施形態に係るモータ用コア１は、図１に示すように、環状のステータ１０の内側に、環状のロータ２０を組み合わせるインナーロータタイプのものである。
このステータ１０は、環状のステータヨーク部１１と、ステータヨーク部１１の内周面に径方向内側に突出して設けられかつ円周方向に等間隔に設けられた複数の極歯１２とを備えている。各隣り合う極歯１２間に形成される空隙がスロット１３を構成する。

図２に示すように、ステータ１０は、このスロット１３を介して各極歯１２に励磁用コイル１５を巻回すようになっている。図２に示す例では、励磁用コイル１５の巻き方として、集中巻を採用している。なお、集中巻に限らず、分布巻等の他の巻き方を採用することも可能である。
また、ステータ１０は、電磁鋼板によって一体型（単一）コア構成で構成されている。なお、電磁鋼板に限らず、例えば、圧粉磁心等の他の材料で構成してもよいし、一体型コア構成に限らず分割（積層）コア構成等の他の構成で構成してもよい。

また、ステータ１０は、モータを構成する際に、モータハウジング等に固定支持される固定子となる。
一方、ロータ２０は、図１に示すように、環状のロータヨーク部２１と、極歯１２と空隙（エアギャップ）をもって対向しかつロータヨーク部２１の外周面に円周方向に等間隔に設けられた複数の磁石２２とを備えている。即ち、第１実施形態のロータ２０は、表面磁石形の回転子として構成されている。

具体的に、ロータヨーク部２１の外周面には、磁石２２を軸方向に位置決めするための径方向外側に突出する凸部１４ａが設けられている。例えば、磁石２２は、ロータヨーク部２１の外周面の磁石貼付面１４ｂに接着剤により固定される。
また、磁石２２は、径方向に磁力線が向くように配置されていると共に１つおきに磁極の向きが反転するように配置されている。即ち、円周方向にＳ極、Ｎ極の磁石２２が交互に配置されている。

また、ロータヨーク部２１は、鉄で構成されている。なお、鉄に限らず、例えば、電磁鋼板や圧粉磁心等の他の材料で構成してもよい。
また、磁石２２は、ネオジウム磁石から構成されている。なお、ネオジウム磁石に限らず、例えば、フェライト磁石、ネオボンド磁石、サマリウムコバルト磁石など他の磁石から構成してもよい。

また、図１に示すように、磁石２２のロータヨーク部２１に対して外径側の面及び内径側の面の双方は、これらの円周方向に沿った断面（以下、「周方向断面」と称す）が、ロータヨーク部２１の外周面と同じ円弧形状となる曲面に形成されている。即ち、磁石２２は、軸方向に平面視して弓形形状となっている。
また、ロータ２０は、モータを構成する際に、ステータ１０と同心（図１中の中心Ｃａ）に配され、ステータ１０と相対回転自在に支持される回転子となる。

また、図１に示すように、モータ用コア１は、スロット１３の総数Ｓ（以下、「スロット数Ｓ」と称す）が「２４」、ロータ２０の極数（磁石２２の総数）Ｐが「２８」となるようにスロット数及び極数を構成している。従って、励磁相数Ｎを３とした場合に、毎極毎相のスロット数ｑは、「ｑ＝Ｓ／（Ｎ・Ｐ）＝２４／８４＝２／７」となる。即ち、第１実施形態のモータ用コア１は、分数スロット構成となっている。

なお、スロット数Ｓと極数Ｐとは、「Ｓ＝２４」及び「Ｐ＝２８」の組合わせに限らず、分数スロット構成であればどのような組み合わせでもよい。また、相数Ｎについても、３相に限らず２相や５相等の他の相数としてもよい。
次に、図３に基づき、ステータ１０の極歯１２の詳細な構成を説明する。
図３に示すように、極歯１２は、ステータヨーク部１１に径方向内側に突出かつ一体形成された歯体部１２ａと、歯体部１２ａの先端に形成された鍔状の先端部１２ｂとを備えている。また、ステータ１０とロータ２０とは、先端部１２ｂの先端面１２ｃと磁石２２の先端面２２ａとが、予め設定した寸法の空隙ｄａｇを挟んで対向するように構成されている。

先端部１２ｂの円周方向の幅は、鍔状にすることによって磁石２２の幅よりも大きく形成されている。この構成によって、磁石の磁束を有効利用することが可能となる。
そして、磁石２２の先端面２２ａ（以下、「磁石先端面２２ａ」と称す）を、その円周方向に沿った断面が、ロータヨーク部２１の外周面の周方向断面に沿った円弧形状となる曲面に形成している。これに対して、第１実施形態では、極歯１２の先端面１２ｃ（以下、「極歯先端面１２ｃ」と称す）は、その周方向断面が、磁石先端面２２ａ（即ち、ロータヨーク部２１の外周面）の周方向断面とは逆方向に凸の円弧形状となる曲面に形成している。

また、第１実施形態では、極歯先端面１２ｃの円弧の曲率Ｒを、図３に示すように、ステータヨーク部１１の外周面よりも外側に設定した中心点Ｃｂを中心とする円ＣＢに沿った円弧の曲率としている。
ここで、曲率Ｒが大きくなれば、極歯先端面１２ｃと磁石先端面２２ａとの間の空隙ｄａｇが大きくなり、空隙ｄａｇが大きくなるにつれてトルクが低下する。

従って、中心点Ｃｂの位置は、磁石２２との空隙ｄａｇの大きさによるトルクの低減量と、極歯先端面１２ｃの円弧の曲率Ｒによるコギングトルク及びトルクリップルの低減量とのバランスを考慮して決定する。即ち、中心点Ｃｂの位置（即ち曲率Ｒ）は、例えば、トルクの低減量が許容範囲内（例えば、モータの使用目的に応じて設定した範囲内）において、コギングトルク及びトルクリップルの低減量が最大となる位置に設定することが望ましい。

また、第１実施形態のモータ用コア１を、例えば、キャンドモータ等の空隙ｄａｇの寸法を比較的大きくとる必要のあるモータに適用したとする。この場合、空隙ｄａｇが大きくなるとトルクを大きくするために磁石２２の厚さｄｍを増やす必要がある。
しかし、磁石２２の厚さｄｍを増やすと磁石２２のコストが上がる。そのため、例えば、空隙ｄａｇの寸法が磁石２２の厚さｄｍの１／３程度となるように、磁石２２の厚さｄｍや極歯先端面１２ｃの円弧の曲率Ｒ等の各部材の寸法を設定する。このように、磁石２２の厚さも考慮して、性能とコストとのバランスをとることが望ましい。

また、第１実施形態では、磁石２２の内径側の貼付面２２ｂも、その周方向断面が、磁石先端面２２ａと同様にロータヨーク部２１の外周面（磁石貼付面１４ｂ）の周方向断面に沿った円弧形状となる曲面に形成している。即ち、磁石２２を、その径方向の厚さｄｍが均一の厚さとなる弓形形状に形成している。
以上説明したように、極歯先端面１２ｃを、その周方向断面が、磁石先端面２２ａ（ロータヨーク部２１の外周面）の周方向断面とは逆方向に凸の円弧形状となる曲面に形成した。これにより、モータ用コア１をモータに適用した際に発生する磁束形状を正弦波形状に近づけることが可能となるので、コギングトルクやトルクリップルを低減することが可能となる。

また、極歯先端面１２ｃの円弧の曲率Ｒを、ステータヨーク部１１の外周面よりも外側に設定した中心点Ｃｂを中心とする円ＣＢに沿った円弧の曲率とした。これにより、中心点Ｃｂを外周面より内側に設定した場合と比較して、空隙ｄａｇの寸法を大きくし過ぎることなく適切な寸法となるように曲率Ｒを設定することが可能となる。
また、極歯先端面１２ｃの形状によってコギングトルクやトルクリップルを低減する構成としたので、磁石２２の厚さｄｍを均一の厚さとすることができる。これにより、磁石の厚さを部分的に薄くする従来の構成と比較して、磁石の厚さに起因するパーミアンス係数の低下を防ぐことが可能となる。即ち、パーミアンス係数の低下による励磁コイル１５から発生する反磁界による減磁を従来よりも低減することが可能となる。

また、モータ用コア１の構成を、分数スロット構成としたので、低速域で顕著なコギングトルクを低減することができる。これにより、低速域での高トルク化が可能となる。例えば、低速で高トルクが必要なダイレクトドライブモータに適用するのに好適な構成とすることが可能となる。
また、ステータ１０を金型でプレスして製作することで、従来の磁石形状を工夫する構成と比較して磁石の加工コストの増加を抑えることができるため、比較的低コストで製作することが可能となる。
第１実施形態において、ステータ１０が固定子に対応し、ロータ２０が回転子に対応し、極歯１２が極歯に対応し、極歯先端面１２ｃが極歯の先端面に対応し、磁石先端面２２ａが磁石の対向面に対応する。

（第２実施形態）
第２実施形態に係るモータ２は、図４に示すように、上記第１実施形態のモータ用コア１を備えるインナーロータタイプのモータである。
また、モータ２は、ギヤ、ベルト、ローラ等の伝達機構を介在させることなく負荷体にモータ２の回転軸を直結させて負荷体を回転させるダイレクトドライブモータである。
図４に示すように、モータ２は、ステータ１０を固定して支持部材（不図示）に取り付けられるベース部材４０と、ロータ２０に固定されてロータ２０と共に回転可能なモータ回転軸３０と、ベース部材４０とモータ回転軸３０との間に介在されてモータ回転軸３０をベース部材４０に対して回転可能に支持する軸受３４とを含んで構成される。

ベース部材４０は、略円板状のハウジングベース４１と、中空部３１が貫通し、中空部３１を囲むようにハウジングベース４１から凸状に突出したハウジングインナ４２とを備えている。ハウジングインナ４２は、ハウジングベース４１にボルト等の固定部材４７を介して締結され固定されている。また、ベース部材４０は、ボルト等の固定部材４６を介してハウジングベース４１に軸受３４の内輪を固定するハウジングフランジ４３を含んで構成される。

ハウジングベース４１の外周縁には、ステータ１０がボルト等の固定部材４８によって締結されている。これにより、ステータ１０はハウジングベース４１に対して位置決め固定されている。このとき、ステータ１０の中心軸は、ロータ２０の回転中心Ｃａと一致する。
ステータ１０の各極歯１２には、スロット１３を介して励磁コイル１５が集中巻によって巻き回されている。

また、ステータ１０には、電源からの電力を供給するための配線（不図示）が接続されており、この配線を通じて励磁コイル１５に対して電力が供給されるようになっている。
モータ回転軸３０は、円環状の回転軸３２と、ボルト等の固定部材３６を介して回転軸３２に軸受３４の外輪を固定するロータフランジ３３とを含んで構成される。
第２実施形態において、ロータ２０は、円環状の回転軸３２に一体的に固定されている。なお、ロータ２０は、回転軸３２に固定部材により固定されてもよい。回転軸３２は、円環の中心軸がモータ２の回転中心Ｃａと同軸に形成されている。

軸受３４は、外輪がロータフランジ３３に固定され、内輪がハウジングフランジ４３に固定されている。これにより、軸受３４は、ハウジングベース４１に対して、回転軸３２及びロータ２０を回転自在に支持することができる。このため、モータ２は、回転軸３２及びロータ２０をハウジングベース４１及びステータ１０に対して回転させることができる。

なお、軸受３４は、クロスローラ軸受、玉軸受、ころ軸受等を採用することが可能である。
また、モータ２は、回転検出器４４Ａ及び４４Ｂを備えている。回転検出器４４Ａ及び４４Ｂは、例えば、レゾルバから構成され、ロータ２０及びモータ回転軸３０の回転位置を高精度に検出することができる。

回転検出器４４Ａ及び４４Ｂは、固定支持されるレゾルバステータ４５Ａ及び４５Ｂと、レゾルバステータ４５Ａ及び４５Ｂに対して回転可能なレゾルバロータ３５Ａ及び３５Ｂとを備えており、軸受３４の上方に配設されている。第２実施形態のモータ２では、レゾルバステータ４５Ａ及び４５Ｂは、ハウジングインナ４２に固定されている。
ここで、ロータ２０の回転にコギングトルク及びトルクリップルを含んでいると、回転軸３２の振動を生じさせる恐れがある。回転軸３２の振動は、負荷体に伝達され、これにより、負荷体の重心が振れるようにモーメントがかかる場合、軸受１４の寿命を短くする等の不具合が生じる恐れがある。

第２実施形態のモータ２は、上記第１実施形態のモータ用コア１を用いて構成されている。そのため、極歯先端面１２ｃの、その周方向断面が磁石先端面２２ａとは逆方向に凸の円弧形状となる曲面によって、磁束形状を正弦波形状に近づけることが可能となる。これにより、ロータ２０の回転に含まれるコギングトルクやトルクリップルを低減することが可能となる。その結果、回転軸３２の振動を抑え、軸受１４等に係る負荷を低減することが可能となる。
第２実施形態において、モータ２がモータに対応し、ステータ１０が固定子に対応し、ロータ２０が回転子に対応し、極歯１２が極歯に対応し、極歯先端面１２ｃが極歯の先端面に対応し、磁石先端面２２ａが磁石の対向面に対応する。

（変形例）
（１）上記各実施形態では、モータ用コア１のロータ２０の構成を表面磁石型回転子の構成としたが、この構成に限らない。ロータ２０を、例えば、図５に示すように、磁石２２が、ロータヨーク部２１の内部に円周方向に配列して埋め込まれた埋込磁石形の構成としてもよい。この構成とした場合、極歯先端面１２ｃを、その周方向断面が、図６に示すように、該極歯先端面１２ｃと対向するロータ２０の外周面２４の周方向断面に対して逆方向に凸の円弧状となる曲面に形成する。

（２）上記各実施形態では、極歯先端面１２ｃの周方向断面の円弧形状を、中心Ｃｂの真円ＣＢの円弧に沿った形状としたが、この構成に限らない。磁束形状を正弦波形状に近づけることができれば、真円に限らず、楕円の円弧等に沿った形状としてもよい。
また、上記各実施形態は、本発明の好適な具体例であり、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、上記の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの形態に限られるものではない。また、上記の説明で用いる図面は、図示の便宜上、部材ないし部分の縦横の縮尺は実際のものとは異なる模式図である。
また、本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。

１…モータ用コア、２…モータ、１０…ステータ、１１…ステータヨーク部、１２…極歯、１２ａ…歯体部、１２ｂ…先端部、１２ｃ…極歯先端面、１３…スロット、１４ａ…凸部、１４ｂ…磁石貼付面、２０…ロータ、２１…ロータヨーク部、２２…磁石、２２ａ…磁石先端面、２２ｂ…磁石貼付面、２４…外周面、３０…モータ回転軸、３４…軸受、４０…ベース部材

Claims

内周面にその円周方向に沿って設けられた複数の極歯を有すると共に各極歯間にスロットが形成された環状の固定子と、
前記極歯の先端面に空隙をもって対向して前記固定子の内側に該固定子と同心に配されると共に円周方向に沿って配設された複数の磁極を有する環状の回転子と、を備え、
前記極歯の先端面を、該先端面の円周方向に沿った断面が、該先端面と対向する前記回転子の外周面とは逆方向に凸の円弧形状となる曲面に形成したことを特徴とするモータ用コア。
前記回転子は、前記極歯の先端面に空隙をもって対向すると共に外周面にその円周方向に配列して突設された前記複数の磁極を形成する磁石を有する表面磁石形回転子であり、
前記極歯の先端面と対向する前記磁石の対向面を、該対向面の円周方向に沿った断面が、前記回転子の外周面と同じ円弧形状となる曲面に形成したことを特徴とする請求項１に記載のモータ用コア。
前記極歯の先端面を、該先端面の円周方向に沿った断面が、前記固定子の外周面よりも外側に中心を有する円に沿った円弧形状となる曲面に形成したことを特徴とする請求項１又は２に記載のモータ用コア。
前記固定子と前記回転子とのスロットコンビネーションを分数スロット構成としたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のモータ用コア。
請求項１乃至４のいずれか１項に記載のモータ用コアを備えるモータ。