JP2018129985A - モータおよび磁石 - Google Patents

Abstract

【課題】取扱いが簡単であり、容易かつ安価に製造可能であり、高出力化可能であり、コギングトルクを低減可能なモータ、およびモータに搭載される磁石を提供する。【解決手段】磁性体で形成された外筒と、外筒の内側に配置された複数の磁石と、複数の磁石の内側に、回転可能に配置されたコアと、を有し、複数の磁石はそれぞれ、平行着磁され、複数の磁石にはそれぞれ、コアとの間に複数の磁気回路が発生するように、複数の溝が形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、モータおよび磁石に関する。

特許文献１には、マグネット、マグネットの外周に配置されるヨーク、マグネットの内周に配置される鉄心および鉄心を保持する回転軸を備え、マグネットの外周面に各磁極中心を対称中心として軸方向に伸びる一対の溝が形成されているモータが開示されている。

特許第５４８１１６０号公報

しかしながら、特許文献１のモータでは、マグネットには磁極の中心となる厚肉部と磁極の境目となる薄肉部が周方向に沿って形成されているため、薄肉部で割れやすいなど取扱いが難しい。

また、マグネットのラジアル着磁が複雑であり、さらに溝の形状が傾いているため、金型で成型することが難しく、溝を二次加工する必要がある。また、金型が大型化および複雑化してしまうため、投資コストが肥大化してしまう。

また、マグネットを長尺化した場合、金型の抜きテーパがあるため磁石の内径がテーパ形となり、コアとマグネットの隙間が徐々に広がっていくことでモータ特性は低下していく。そのため、長尺化による高出力化が難しい。

また、磁石を長尺化するために磁石を極数分に分割すると、コギングトルクが増加するため、制御性が悪くなってしまう。

このような課題に鑑みて、本発明は、取扱いが簡単であり、容易かつ安価に製造可能であり、高出力化可能であり、コギングトルクを低減可能なモータ、およびモータに取り付けられる磁石を提供することを目的とする。

本発明の一側面としてのモータは、磁性体で形成された外筒と、外筒の内側に配置された複数の磁石と、複数の磁石の内側に、回転可能に配置されたコアと、を有し、複数の磁石はそれぞれ、平行着磁され、複数の磁石にはそれぞれ、コアとの間に複数の磁気回路が発生するように、複数の溝が形成されていることを特徴とする。

また、本発明の他の側面としての磁石は、磁性体で形成された外筒と、回転可能に配置されたコアと、を有するモータに、外筒の内側かつコアの外側に取り付けられる磁石であって、磁石は、平行着磁され、磁石には、モータに取り付けられた場合に、コアとの間に複数の磁気回路が発生するように、複数の溝が形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、取扱いが簡単であり、容易かつ安価に製造可能であり、高出力化可能であり、コギングトルクを低減可能なモータ、およびモータに取り付けられる磁石を提供することができる。

本発明の実施形態に係るモータの縦断面図である。 モータに取り付けられる磁石の斜視図である。 磁石に溝が形成されていない場合のモータ内の磁束の流れを示すＦＥＭの結果図である。 磁石に溝が形成されている場合のモータ内の磁束の流れを示すＦＥＭの結果図である。 コアとマグネットに形成された溝との位置関係を示す図である。 マグネットの磁気センターの磁束密度の変化率を示す図である。 外筒の磁束密度の変化率を示す図である。 コギングトルクの比較図である。 コキングトルク、鎖交磁束および誘起電圧の比率を示す図である。

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

まず、図１を参照して、本発明の実施形態に係るモータ１の構成について説明する。図１は、本発明の実施形態に係るモータ１の縦断面図である。

モータ１は、コア２、外筒３、磁石４ａ，４ｂ、回転軸５、およびモータ駆動用コイルＵ１，Ｖ１，Ｗ１，Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２を有する。

コア２は、磁性体（例えば、電磁珪素鋼板の積層体、焼結加工された鉄と珪素との結合体、または鉄鋼の切削物）で形成され、回転軸５に回転可能に保持されている。

外筒３は、磁性体（例えば、焼結加工された鉄と珪素との結合体、鉄鋼の切削物、または鉄鋼の板金）で形成されている。

磁石４ａ，４ｂは、磁性粉末（例えば、ＮｄＦｅＢ）と、バインダ樹脂（例えば、ポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ））と、からなるボンド磁石であり、外筒３の内側の４隅に着磁方向が交互に異なるように配置されている。磁石４ａ，４ｂは、平行着磁されており、等方性または異方性の磁石である。また、磁石４ａ，４ｂは、極数の数だけ分割（本実施形態では４極なので４分割（磁石４ａが２個、磁石４ｂが２個））されている。すなわち、本実施形態では、磁石４ａ，４ｂはそれぞれ、コア２の回転中心に対して、回転対称に配置されている。

回転軸５は、コア２の回転中心に配置され、コア２を保持している。また、回転軸５は、軸受（不図示）により支持されている。

モータ駆動用コイルＵ１，Ｖ１，Ｗ１，Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２は、銅線やアルミニウム線等の導体電線で形成されている。

以下、磁石４ａ，４ｂの構成について説明する。図２は、磁石４ａ，４ｂの斜視図である。

図２に示されるように、磁石４ａ，４ｂと外筒３の内面とが接触する接触面には、上端面から下端面に向かって軸方向に延びる複数（本実施形態では、２本）の溝６が形成されている。各磁石に形成されている２本の溝６はそれぞれ、磁石４ａ，４ｂの内側に空隙を介して配置されているコア２との間に磁気回路を発生させる。

図３は、溝６が形成されていない場合のモータ１内の磁束の流れを示すＦＥＭ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｍｅｔｈｏｄ）の結果図である。図４は、溝６が形成されている場合のモータ１内の磁束の流れを示すＦＥＭの結果図である。

図３に示されるように、磁石４ａ，４ｂとコア２との間には、磁気回路７ａが発生している。本実施形態では、２本の溝６の側面は、各磁石と外筒３とが接触する接触面に対して垂直に形成されているため、図４に示されるように、磁石４ａ，４ｂとコア２との間には、磁気回路７ａだけでなく、磁気回路７ｂも発生している。

図５は、コア２と溝６との位置関係を示す図である。直線８は、コア２の回転中心およびコア２の外径先端を通る直線を表している。各磁石に形成された溝６の少なくとも１つ以上の片溝（第１の溝）は、コア２の初期位置において、直線８を基準として、磁石４ａ，４ｂの磁気センター１１側に始角度９が１度から終角度１０が６度の範囲内に形成されている。また、少なくとも１つ以上の対溝（第２の溝）は、磁気センター１１に対して線対称に形成されている。

図６は、磁気センター１１の磁束密度の変化率を示す図である。図７は、外筒３の磁束密度の変化率を示す図である。

図６に示されるように、本実施形態では、磁束の流路が増え、磁気センター１１を通る磁束密度の変化率は、溝６が形成されていない場合に比べて小さくなる。一方、図７に示されるように、外筒３を通る磁束密度の変化率は、溝６が形成されていない場合に対して変化がない。すなわち、磁気センター１１を通る磁束の流れが分散されている。したがって、コギングトルクを低減することができる。

図８は、コギングトルクの比較図である。図９は、コキングトルク、鎖交磁束および誘起電圧の比率を示す図である。

図８に示されるように、溝６の配置位置や深さによりモータ１のコキングトルクの１周あたりの０（零）を境目とするピークの数（＝極数とスロット数の最小公倍数）が自然数倍（本実施形態では、３倍が最良の実施形態である）される。これにより、コギングトルクによる回転軸５の回転抵抗の感触は滑らかになる。

また、図９に示されるように、溝６の深さが溝幅に対して１％から６０％である場合、コキングトルクが低減される。本実施形態では、溝幅が０．３ｍｍであるとき、溝深さが溝幅の約３３％の０．１ｍｍであることが最良の実施形態である。このとき、コギングトルクは、約７０％低減される。なお、コギングトルクが低減されても鎖交磁束および誘起電圧には影響はないため、トルク定数にも影響はない。

以上説明したように、本発明のモータ１は、磁極の境目となる薄肉部を有しない磁石４ａ，４ｂを備える構造であるため、取扱いが容易である。また、磁石４ａ，４ｂは平行着磁され、溝６ｂの側面が各磁石と外筒とが接触する接触面に対して垂直に形成されているため、着磁が簡単で、溝６の２次加工が不要であるため、容易にモータ１を製造することができる。また、磁石成型の金型が複雑ではないため、投資コストの肥大化を抑制することができる。また、モータ１は、磁石４ａ，４ｂの内側をテーパ形ではなく外側と平行に製作可能であるため、長尺化による高出力化が可能である。さらに、モータ１は、磁石４ａ，４ｂに形成された溝６により磁気センター１１を通る磁束が分散され、コギングトルクが低減されているため、制御性を向上させることができる。

なお、本発明のモータにおけるコギングトルクの低減方法は、小型ＤＣモータだけでなく、大型ＤＣモータや、ＡＣモータ、リニアモータ、アクチュエータ等に好適に使用することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

１ モータ
２ コア
３ 外筒
４ａ，４ｂ 磁石
６ 溝

Claims (7)

1. 磁性体で形成された外筒と、
   前記外筒の内側に配置された複数の磁石と、
   前記複数の磁石の内側に、回転可能に配置されたコアと、を有し、
   前記複数の磁石はそれぞれ、平行着磁され、
   前記複数の磁石にはそれぞれ、前記コアとの間に複数の磁気回路が発生するように、複数の溝が形成されていることを特徴とするモータ。
2. 前記複数の溝のそれぞれの側面は、前記複数の磁石と前記外筒とが接触する接触面に対して垂直に形成されていることを特徴する請求項１に記載のモータ。
3. 前記複数の溝のそれぞれの深さは、溝幅に対して１％から６０％であることを特徴する請求項１または２に記載のモータ。
4. 前記複数の溝のそれぞれの溝幅が０．３ｍｍである場合、前記複数の溝のそれぞれの深さは０．１ｍｍであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のモータ。
5. 前記複数の溝のうち第１の溝は、前記コアの初期位置において、前記コアの回転中心および前記コアの外径先端を通る直線を基準として、前記磁石の磁気センター側の１度から６度の範囲内に形成され、
   前記第１の溝とは異なる第２の溝は、前記磁気センターに対して線対称に形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のモータ。
6. 前記複数の溝は、前記磁石に前記溝が形成されていない場合の前記モータのコギングトルクのピークの数に対して、前記モータのコギングトルクのピークの数が自然数倍になるように形成されていることを特徴する請求項１から５のいずれか１項に記載のモータ。
7. 磁性体で形成された外筒と、回転可能に配置されたコアと、を有するモータに、前記外筒の内側かつ前記コアの外側に取り付けられる磁石であって、
   前記磁石は、平行着磁され、
   前記磁石には、前記モータに取り付けられた場合に、前記コアとの間に複数の磁気回路が発生するように、複数の溝が形成されていることを特徴とする磁石。