JP2017147877A - モータ及びモータの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】全長が短く、高精度に回転位置を検出できるモータ及びモータの製造方法を提供する。【解決手段】ロータコア２２は、円柱状のロータコア円柱部２２ａと、ロータコア円柱部２２ａの外周部から軸方向の一方に突出する中空の円筒状の突出部２２ｂとを備え、ロータ２０は、ロータコア円柱部から突出部に渡って軸方向に埋設され、周方向に配置された複数の第一永久磁石５と、第一永久磁石２５の径方向内側に、ロータコア円柱部２２ａから突出部２２ｂに渡って軸方向に設けられた複数の孔２３とを備え、突出部２２ｂと、シャフト２６との間に、ロータの回転位置を検出する回転位置検出器の磁束発生部と磁束検出部とを備える。【選択図】図１

Description

この発明は、モータ及びモータの製造方法に関するものである。

従来、ロータの両側に設けられた軸受の一方側のさらに外側に回転位置検出器が取り付けられたモータが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
また、別の従来のモータとして、ロータの両側に設けられた軸受の一方側と、ロータとの間に回転位置検出器が取り付けられたモータが提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特許第５１２５４３４号公報 図２ 特許第４８９４３３１号公報 図１

特許文献１に記載のモータでは、軸受の外側に回転位置検出器を取り付けるため、モータ全体が軸方向に大きくなってしまうという課題があった。また、モータの使用環境（温度・湿度・塵埃の有無）を考慮すれば、電気部品である回転位置検出器が雰囲気中にむき出しになるのを防止するため、回転位置検出器のさらに外側（負荷側）に、回転位置検出器を覆うためのカバーを設ける必要があり、モータの部品点数が増大するという課題があった。

一方、特許文献２に記載のモータでは、軸受とロータコアとの間に回転位置検出器（特許文献２の場合はレゾルバ）を設置するため、カバーは不要であるものの、モータの全長は、特許文献１と同様に軸方向に大きくなる。また、回転位置検出器に対するステータやロータマグネットからの磁束を遮断するシールド板を別途設ける必要があり、そのための部品点数が増大するという課題があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、モータの全長を短縮でき、かつ、ステータのコイルの漏れ磁束やロータマグネットの磁束の影響を受けにくく高精度に回転位置を検出できるモータ及びモータの製造方法を提供することを目的とする。

この発明に係るモータは、
ハウジングと、
前記ハウジングに固定された第一ステータコアおよび前記第一ステータコアの磁極ティースに巻回された第一コイルとからなる第一ステータと、
前記第一ステータの内周面に対向して前記ハウジングにシャフトの２ケ所を軸受により軸支されたロータとを備えるモータにおいて、
前記ロータは、前記シャフトと、前記シャフトの周囲に設けられる磁性体からなるロータコアとを備え、
前記ロータコアは、円柱状のロータコア円柱部と、
前記ロータコア円柱部の外周部から軸方向の一方に突出する中空の円筒状の突出部とを備え、
前記ロータは、前記ロータコア円柱部から前記突出部に渡って軸方向に埋設され、周方向に配置された複数の第一永久磁石と、前記第一永久磁石の径方向内側に、前記ロータコア円柱部から前記突出部に渡って軸方向に設けられた複数の孔とを備え、
前記突出部と、前記シャフトとの間に、前記ロータの回転位置を検出する回転位置検出器の磁束発生部と磁束検出部とを備えたものである。

また、この発明に係るモータの製造方法は、
上記のモータの製造方法であって、
一方の前記軸受は、前記ハウジングの軸方向の開口を塞ぐブラケットを介して前記ハウジングに固定され、
前記モータは、前記ハウジングに向かって、前記第一ステータ、前記回転位置検出器、前記ロータ、前記ブラケットの順に、一方向に組み立てられるものである。

この発明に係るモータ及びモータの製造方法によれば、回転位置検出器用の第二ステータを、ロータの突出部の内周面に対向するように備えることにより、回転位置検出器が、第一ステータやロータよりも軸方向に飛び出すことなく構成できるので、モータの軸方向の全長を短くできる。

また、孔やカシメ部により、ロータの内周側に流れようとするロータの界磁磁束を遮断することができ、第二ステータが拾う磁束にノイズが載ることを抑制し、精度よくロータの回転位置を検出することができる。

また、この発明に係るモータでは、ロータが、モータを回転させるためのロータと、回転位置検出器用とを兼ねるので、回転位置検出器とモータとの軸心を精度よく合わせることができると共に、部品点数の少ないモータを提供できる。

この発明の実施の形態１に係るモータを回転子の軸心を通る平面で切断した断面図である。 図１のＡ−Ａ線における断面図である。 この発明の実施の形態１に係るモータの他の例を示す図であり、モータの回転子の軸心を通る平面で切断した断面図である。 図３に係るモータの組立順を示す図である。 この発明の実施の形態２に係るモータを回転子の軸心を通る平面で切断した断面図である。 図５のＢ−Ｂ線における断面図である。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１について図を用いて説明する。
本明細書で、特に断り無く「軸方向」、「周方向」、「径方向」、「内周側」、「外周側」、「内周面」、「外周面」、というときは、それぞれ、第一ステータの「軸方向」、「周方向」、「径方向」、「内周側」、「外周側」、「内周面」、「外周面」をいうものとする。

図１は、この発明の実施の形態１に係るモータ１００を、ロータ２０の軸心を通る平面で切断した断面図である。
モータ１００は、第一ステータ４０と、第一ステータ４０の内側で、第一ステータ４０の内周面に外周面が対向して回転するロータ２０と、これらを収納するハウジング５０とからなる。また、モータ１００は、ロータ２０の回転位置を検出する回転位置検出器３０を備えるがこれについては後述する。

ハウジング５０は、中心にベアリング固定穴５０ｈが開いたフライホイル形状をしている。ハウジング５０の円盤状の部分をハウジング円盤部５３、ハウジング円盤部５３の外周部から軸方向に張り出した円筒状の部分をステータ固定部５１、ハウジング円盤部５３の内周部から軸方向に、ステータ固定部５１と同方向に張り出した円筒状の部分を回転位置検出器用ステータ固定部５２という。

第一ステータ４０は、第一ステータコア４１と、第一ステータコア４１の磁極ティースに絶縁部材４２を介して巻回された第一コイル４３とからなる。第一ステータコア４１は、ハウジング５０のステータ固定部５１の内周面に嵌合されている。また、ハウジング５０は、ベアリング７ａ（軸受）を介してロータ２０のシャフト２６の一端側を回転可能に軸支し、ブラケット６０及びベアリング７ｂを介してシャフト２６の他端側を回転可能に軸支する。

ロータ２０は、シャフト２６の外周面に、内周面が固定されたフライホイル形状のロータコア２２と、ロータコア２２の外周部に周方向に並べて埋設された第一永久磁石２５とからなる。ロータコア２２の円柱状の部分が、ロータコア円柱部２２ａであり、ロータコア円柱部２２ａの外周部から軸方向に、ハウジング円盤部５３側に張り出した中空の略円筒状の部分が突出部２２ｂである。

したがって、突出部２２ｂの内周面２２ｂ１とシャフト２６との間は空間となっている。なお、ロータコア２２の外周面は、円筒状である。突出部２２ｂの内周面２２ｂ１の形状については後述する。

突出部２２ｂとシャフト２６との間の空間には、回転位置検出器３０用の第二ステータ３５が設けられる。第二ステータ３５は、ハウジング５０の回転位置検出器用ステータ固定部５２にシャフト２６と同心に固定され、突出部２２ｂの内周面２２ｂ１と、第二ステータ３５の外周面３６が対向するように配置される。第二ステータ３５とロータ２０の突出部２２ｂとで回転位置検出器３０を構成する。

次に、突出部２２ｂの内周面２２ｂ１の形状、及びロータ２０の回転位置を検出する、第二ステータ３５の構成について、図１、図２を用いて説明する。
図２は、図１のＡ−Ａ線における断面図である。
突出部２２ｂの内周面２２ｂ１は、図に示すよう凹凸が連続する環形状である。第二ステータ３５は、第二ステータコア３５ａと第二コイル３５ｂとから構成される。第二コイル３５ｂは、図示しないが、励磁コイル（磁束発生部）と、磁束を検出するためのさぐりコイル（磁束検出部）とからなる。

第二ステータ３５が作る起磁力に対し、突出部２２ｂの凸凹の内周面２２ｂ１による磁気抵抗が変化するため、ロータ２０の回転位置によって回転中の磁束が変化する。その変化を、第二コイル３５ｂの中のさぐりコイルによって検出することにより、ロータ２０の回転位置がわかる。これは一般的にはレゾルバと呼ばれる回転位置検出器であり、ロータ２０の突出部２２ｂが、第二ステータ３５の外周側にあることから、アウターロータ型レゾルバである。

このように、この発明は、アウターロータ型レゾルバのロータコアを、モータ１００のロータ２０のロータコア２２の一部である、突出部２２ｂにより構成していることを特徴とする。
なお、凹凸の内周面２２ｂ１の形状は、以下の式を満たすように形成する。
Ｒ＝Ｒ０＋｛ａ／（１＋ｂ×ｃｏｓＮθ）｝
Ｒ：シャフト２６の軸心から内周面２２ｂ１までの距離
θ：ロータコア２２の一周分の角度（０≦θ≦２π）
Ｒ０：第二ステータコア３５ａの外周半径
ａ：第二ステータコア３５ａと内周面２２ｂ１とのギャップ最大値
ｂ：第二ステータコア３５ａと内周面２２ｂ１とのギャップ最大値／第二ステータコア３５ａと内周面２２ｂ１とのギャップ最小値−１
なお、ギャップとは、径方向の間隔をいう。
内周面２２ｂ１の形状を上記式を満たすように構成することにより、磁気抵抗（∝ギャップ長の逆数）の変化を、Ｎ個の正弦波状にすることができ、ロータ２０の回転位置検出を精度よく行うことができる。

次に、ロータ２０のロータコア２２の構成について再度詳しく述べる。図１、図２において、第一永久磁石２５は、ロータコア２２の外周近傍に、突出部２２ｂの内部も含めてロータコア２２の軸方向の全長に渡って埋設されている。また、第一永久磁石２５の位置の内側、かつ突出部２２ｂの内周面２２ｂ１の最外周部の位置よりも外側となる位置に、周方向に設けられた複数の孔２３及びカシメ部２４を有する。孔２３とカシメ部２４は、ロータコア２２の中心から概ね同じ距離の位置に設けられている。

これらの複数の孔２３とカシメ部２４も、第一永久磁石２５と同様に、突出部２２ｂの内部も含めて、ロータコア２２の軸方向の全長に渡って設けられている。このような位置関係で、第一永久磁石２５と、孔２３及びカシメ部２４を構成することにより、第一永久磁石２５が作る界磁磁束が、孔２３及びカシメ部２４よりもロータコア２２の内側に流れることを遮断することができる。

また、カシメ部２４は、ロータコア２２を構成する薄板の鋼板（後述する）をそれぞれ連結させる役割を果たす。なお、板厚が０．２〜１．０程度の薄板の電磁鋼板を複数積層してロータコア２２を形成する場合は、このカシメ部２４が必要となるが、ロータコア２２を２つのブロック（ロータコア円柱部２２ａの部分と突出部２２ｂの部分の２種類のコア部材）から形成する場合は、カシメ部２４の代わりに孔を設け、２種類のコア部材を連結するためのボルトの通し孔としても良い。ブロック状の材料としてはＳ４５Ｃ、ＳＳ４００などの磁性体を用いる。

これまで、この発明の実施の形態１に係るロータ２０について、回転位置を精度良く検出するために最も効果を発揮できるロータコア２２の特徴について述べたが、モータ１００を構成する他の部材の特徴について以下に説明する。

まず、第一永久磁石２５とその周辺部について説明する。
ロータ２０に使われる第一永久磁石２５の材料としては、希土類焼結磁石（Ｂｒ１．０〜１．３程度）、希土類ボンド磁石（Ｂｒ０．６〜０．８程度）、フェライト焼結磁石（Ｂｒ０．３５〜０．４５程度）等のいずれを用いても良いが、よりモータ１００の軸方向の全長を短くするためには、磁力（Ｂｒ）ができるだけ高い磁石を使うことが望ましい。

また、モータ１００の界磁用の第一永久磁石２５の配置は、図２に示すように、１極あたり２個の磁石をＶ字配置している。２個の第一永久磁石２５をＶ字状に埋め込むために、ロータコア２２にＶ字状に周方向に配列した磁石孔２７を設け、さらに、周方向に隣り合う第一永久磁石２５の磁束が短絡することを防ぐためのフラックスバリア２８を、磁石孔２７の周方向両側に設けている。

なお、第一永久磁石２５の配置はこれ以外でもよく、たとえば、ロータの最外周に配置するＳＰＭ配置、ロータ２０の極間の位置に径方向に磁石を配置するスポーク状配置などでも良い。いずれにしても、ロータ２０の外周側と内周側の間に設けられた孔２３やカシメ部２４により、それらの部分より内側に流れる磁束を遮断できるため問題ない。

次に、ロータ２０の極数について説明する。
図２においては、１６極のロータ２０を示しているが、ロータは、これ以外の極数でも良い。一般的に、極数が多いほど、永久磁石から、径方向内側に流れる磁路を短くできるため、ロータの極数は多い方が望ましい。また、突出部２２ｂの内周面２２ｂ１に設けた凹凸形状の個数Ｎ（凹凸１組を個数１とする）は、ロータの磁極数と同じか、その約数・倍数のいずれかであることが望ましい。

次に、第二ステータコア３５ａについて説明する。図２では２６スロットの第二ステータコア３５ａを用いたが、これ以外のスロット数でも良い。
次に、第一ステータ４０について説明する。
図２に示す第一ステータ４０では、１８スロットの第一ステータコア４１に、第一コイル４３を集中巻き（１ティースに集中して巻いている）している。ロータ２０の磁極数１６と併せて、８：９系列（極数：スロット数）のモータ１００である。このモータ１００では、磁束がどれだけ効率よく第一ステータ４０とロータ２０間を鎖交するかを示す指標である巻線係数が０．９４５と高いため、小型でも大きなトルクを得やすい。その他、巻線係数が高い極数：スロット数の組合せとして１０：１２系（０．９３３）、１４：１５系（０．９５１）などがありそのいずれかでも良い。

また、分布巻きのコイルを用いてもよく、この場合は８：４８系、４：３６系などがあるが、極数に対してスロット数が多い傾向にあるため、ステータ面積を確保できる十分大きなモータに適用するのが好ましい。

次に、ハウジング５０について説明する。
図１において、ハウジング５０は、第一ステータ４０と第一コイル４３用の結線板８とを一体に成形する、モールド樹脂製のハウジング５０を想定している。モールド樹脂で形成することにより、第一コイル４３の隅々まで樹脂が行きわたることになる。樹脂は空気よりも熱伝導性に優れるため放熱性が良い。また、第一コイル４３の振動を防ぐ効果も奏する。

第二ステータ３５は、回転位置検出器用ステータ固定部５２の外周面に内周面を嵌合する構成としているが、この第二ステータ３５も第一ステータ４０と併せてモールドしても良い。その場合は、第一ステータ４０の配線と第二ステータ３５の配線とをそれぞれ事前に済ませておくことが望ましい。

図１における、ハウジング５０の軸方向反対側の開口を塞ぐブラケット６０は、例えば、板金を絞り加工によって形成したものを用いる。アルミなどをダイカストしても良い。いずれにせよ、負荷に取り付ける側の支持部となる側（ハウジングの場合もあるしブラケットの場合もある）は、金属部材でサポートすることが望ましい。

図３は、実施の形態１に係るモータ１００ｂの断面を示す図である。
モータ１００とはハウジング５０ｂ及びブラケット６０ｂの構成が異なる。ハウジング５０ｂ、ブラケット６０ｂともに金属部材を想定している。これは、例えばアルミダイカストでも良いし、大きなモータであれば、鉄の鋳物などを用いても良い。モールド樹脂以外のハウジング構成としてこのような構成としても良い。

図４は、図３のモータ１００ｂの組立方法を示す図である。図４に示すように、ハウジング５０ｂに対して、軸方向に第一ステータ４０、第二ステータ３５、ロータ２０、ブラケット６０ｂの順に一方向から組み立てていけば良い。一方向から組み立てることにより、第一ステータ４０、ロータ２０、及び回転位置検出器３０の組立精度を良くすることができる。

この発明の実施の形態１に係るモータ及びモータの製造方法によれば、回転位置検出器３０用の第二ステータ３５を、ロータ２０の突出部２２ｂの内周面２２ｂ１に対向するように備えることにより、回転位置検出器３０が、第一ステータ４０やロータ２０よりも軸方向に飛び出すことなく構成できるので、モータ１００の軸方向の全長を短くできる。

また、孔２３やカシメ部２４により、ロータ２０の内周側に流れようとするロータ２０の界磁磁束を遮断することができ、第二ステータ３５が拾う磁束にノイズが載ることを抑制し、精度よくロータ２０の回転位置を検出することができる。

また、この発明に係るモータ１００では、ロータ２０が、モータ１００を回転させるためのロータと、回転位置検出器３０用のロータとを兼ねるので、回転位置検出器３０とモータ１００との軸心を精度よく合わせることができると共に、部品点数の少ないモータ１００を提供できる。

次に、このようにして得られるモータ１００の使用例について説明する。モータ１００は、軸方向の全長を短く、かつ回転精度の良いモータなので、以下のような用途に向いている。
（１）エレベータのドア開閉機構
乗り場とかごとの間にモータ１００を用いた開閉機構を設けることができ、かごの形状の自由度が上がる。また、モータ１００は、回転精度が良いので、滑らかにドアを開閉することができる。
（２）電車のホームなどの待合場における柵の開閉機構
限られた幅しかないホームなどにおいて、全長が短いモータ１００を転落防止柵の開閉機構に使用することにより、ホームの乗客待機エリアを増やし、限られたスペースを有効利用することができる。
（３）その他
その他、自動ドアやホイスト等の狭小部で用いるアクチュエータ用にモータ１００を利用することができる。

実施の形態２．
以下、この発明の実施の形態２に係るモータ１００を、実施の形態１と異なる部分を中心に説明する。
図５は、この発明の実施の形態２に係るモータ２００を、ロータ２２０の軸心を通る平面で切断した断面図である。
図６は、図５のＢ−Ｂ線における断面図である。

実施の形態１に係るモータ１００と本実施の形態に係るモータ２００とでは、回転位置検出器２３０の構成が異なる。
回転位置検出器２３０は、ロータコア２２２の、突出部２２２ｂの内周面２２２ｂ１に周方向に設けた複数の第二永久磁石３３（磁束発生部）と、第二永久磁石３３とシャフト２６との間の空間に設けられた回転位置検出用の素子３２（磁束検出部）とからなる。素子３２は、ハウジング５０に固定され、第二永久磁石３３の内周面と対向するように配置されている。

この第二永久磁石３３の回転による磁束の変化を、素子３２により検出することによって、ロータ２２０の回転位置を検出することができる。素子３２は、ホール素子、磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）など、いずれでも良い。また、第二永久磁石３３は、複数の磁極を有するリング状永久磁石でも良いし、ロータの界磁磁石の構成のように、複数の磁石用孔を設け、その中に第二永久磁石３３を埋め込んでも良い。

この発明の実施の形態２に係るモータ及びモータの製造方法によれば、実施の形態１と同様に、全長が短く、かつ回転位置検出精度が高いモータ２００を提供することができる。

尚、この発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１００，１００ｂ，２００ モータ、２０，２２０ ロータ、
２２，２２２ ロータコア、２２ａ ロータコア円柱部、２２ｂ，２２２ｂ 突出部、
２２ｂ１，２２２ｂ１ 内周面、２３ 孔、２４ カシメ部、２５ 第一永久磁石、
２６ シャフト、２７ 磁石孔、２８ フラックスバリア、
３０，２３０ 回転位置検出器、３２ 素子、３３ 第二永久磁石、
３５ 第二ステータ、３５ａ 第二ステータコア、３５ｂ 第二コイル、３６ 外周面、４０ 第一ステータ、４１ 第一ステータコア、４２ 絶縁部材、４３ 第一コイル、
５０，５０ｂ ハウジング、５０ｈ ベアリング固定穴、５１ ステータ固定部、
５２ 回転位置検出器用ステータ固定部、５３ ハウジング円盤部、
６０，６０ｂ ブラケット、７ａ，７ｂ ベアリング、８ 結線板。

Claims (10)

1. ハウジングと、
   前記ハウジングに固定された第一ステータコアおよび前記第一ステータコアの磁極ティースに巻回された第一コイルとからなる第一ステータと、
   前記第一ステータの内周面に対向して前記ハウジングにシャフトの２ケ所を軸受により軸支されたロータとを備えるモータにおいて、
   前記ロータは、前記シャフトと、前記シャフトの周囲に設けられる磁性体からなるロータコアとを備え、
   前記ロータコアは、円柱状のロータコア円柱部と、
   前記ロータコア円柱部の外周部から軸方向の一方に突出する中空の円筒状の突出部とを備え、
   前記ロータは、前記ロータコア円柱部から前記突出部に渡って軸方向に埋設され、周方向に配置された複数の第一永久磁石と、前記第一永久磁石の径方向内側に、前記ロータコア円柱部から前記突出部に渡って軸方向に設けられた複数の孔とを備え、
   前記突出部と、前記シャフトとの間に、前記ロータの回転位置を検出する回転位置検出器の磁束発生部と磁束検出部とを備えたモータ。
2. 前記突出部の内周面は周方向に連続する凸凹形状を有し、
   前記回転位置検出器は、前記突出部と、磁性体の第二ステータコアおよび前記第二ステータコアに巻回された第二コイルとを有する第二ステータとからなる請求項１に記載のモータ。
3. 前記第二ステータは、前記ハウジングに固定されている請求項２に記載のモータ。
4. Ｒを前記シャフトの軸心から前記突出部の内周面までの距離とし、
   θを前記ロータコアの一周分の範囲（０≦θ≦２π）とし、
   Ｒ０を前記第二ステータコアの外周半径とし、
   ａを前記第二ステータコアと前記突出部の内周面とのギャップ最大値とし
   ｂを前記第二ステータコアと前記突出部の内周面とのギャップ最大値／前記第二ステータコアと前記突出部の内周面とのギャップ最小値−１とするとき、
   Ｒ＝Ｒ０＋｛ａ／（１＋ｂ×ｃｏｓＮθ）｝となる請求項２又は請求項３に記載のモータ。
5. 前記回転位置検出器は、
   前記突出部の内周面に配設された、複数の磁極を有する第二永久磁石と、
   前記第二永久磁石の内周面に対向するように固定された回転位置検出器用素子とからなる請求項１に記載のモータ。
6. 前記第二永久磁石は、リング状磁石である請求項５に記載のモータ。
7. 前記ロータコアは、複数の薄板の電磁鋼板を積層して構成され、
   前記電磁鋼板には、前記ロータコアの中心から、前記孔と同じ距離となる位置に複数のカシメ部が設けられ、各前記電磁鋼板は、前記カシメ部によって連結されている請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のモータ。
8. 一方の前記軸受を保持する前記ハウジングは、金属製である請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のモータ。
9. 請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のモータの製造方法であって、
   一方の前記軸受を保持する前記ハウジングを樹脂でモールドするモータの製造方法。
10. 請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のモータの製造方法であって、
    一方の前記軸受は、前記ハウジングの軸方向の開口を塞ぐブラケットを介して前記ハウジングに固定され、
    前記モータは、前記ハウジングに向かって、前記第一ステータ、前記回転位置検出器、前記ロータ、前記ブラケットの順に、一方向に組み立てられるモータの製造方法。

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