JP2018196263A - ロータ及びモータ - Google Patents

Abstract

【課題】コギングトルクの向上を図ることができるロータを提供する。【解決手段】ロータ１４（回転軸１３）の軸線Ｌを中心として、界磁磁石２２の磁極中心線Ｌｐと各溝部２３ａ，２３ｂの周方向中心線とがなす角度θは、ロータ１４の極対数をＰとして、０°＜θ≦（３６０°／２Ｐ）／４の範囲内に設定される。そして、界磁磁石２２は、磁極中心線Ｌｐのステータ側（径方向外側）への延長線上にある磁束集中点Ｆに向かう磁化配向を有している。【選択図】図２

Description

本発明は、ロータ及びモータに関するものである。

電動可変バルブタイミング（電動ＶＣＴ）装置などの位置保持機能を必要とする装置に用いられるモータでは、大きなコギングトルク（ディテントトルク）を必要とする。コギングトルクの向上を図ったモータとして、例えば特許文献１に開示されるものでは、ロータの磁極範囲内において周方向の磁束密度変化をもたせるべく、ロータの界磁磁石の内部や外周面に空隙部（孔や溝など）を設けている。これにより、ロータの磁極の切り替わりに起因して生じる基本的なコギングトルクに、空隙部によって生じるコギングトルクが重畳されて、コギングトルクが増大されるようになっている。

特開２０１５−１４６７１３号公報

本発明者らは、ロータの界磁磁石の磁化配向に着目しつつ、空隙部によって生じるコギングトルクの更なる向上を検討していた。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、コギングトルクの向上を図ることができるロータ及びモータを提供することにある。

上記課題を解決するロータは、ロータの磁極を構成する界磁磁石をステータとの対向面に備え、前記界磁磁石における前記ステータとの対向面、又は前記界磁磁石の内部には、コギングトルクを増加させるための空隙部が周方向において部分的に設けられたロータであって、ロータの回転軸線を中心として、前記界磁磁石の磁極中心線と前記空隙部の周方向中心線とがなす角度θは、ロータの極対数をＰとして、０°＜θ≦（３６０°／２Ｐ）／４の範囲内に設定され、前記界磁磁石は、前記磁極中心線の前記ステータ側への延長線上にある磁束集中点に向かう磁化配向を有している。

この構成によれば、界磁磁石の磁極中心寄りの位置に空隙部が設けられるとともに、該界磁磁石の磁化配向が磁極中心に向かうように設定される。これにより、空隙部の周辺に磁束を集中させることができ、その結果、空隙部によって生じるコギングトルクの向上を図ることができる。

上記ロータにおいて、ロータの全磁極が前記界磁磁石で構成されたフルマグネット型である。
この構成によれば、フルマグネット型ロータにおいて、コギングトルクの向上を図ることができる。

上記ロータにおいて、前記界磁磁石は、円環状をなす極異方性磁石である。
この構成によれば、界磁磁石の磁化配向の調整が容易となる。また、ラジアル配向磁石を用いた場合と比較して、周方向における表面磁束密度の変化をより正弦波状に近づけることができるため、トルクリップルの低減を図ることができる。

上記ロータにおいて、前記空隙部は、前記界磁磁石の磁極中心線に対して対称に一対設けられ、前記界磁磁石における前記ステータとの対向面の磁束密度は、一対の前記空隙部の周方向内側の方が周方向外側よりも高く設定されている。

この構成によれば、界磁磁石におけるステータとの対向面の磁束密度は、一対の空隙部の周方向内側の方が周方向外側よりも高く設定される。このため、空隙部の周辺に磁束をより好適に集中させることができ、その結果、空隙部によって生じるコギングトルクの向上をより好適に図ることができる。

上記課題を解決するモータは、上記のいずれかのロータと、前記ロータと対向するステータとを備える。
この構成によれば、コギングトルクの向上が図られたモータを提供できる。

上記モータにおいて、前記ロータの極数と前記ステータのスロット数との関係が、２ｎ：３ｎ（但し、ｎは自然数）に設定され、前記ロータの極数と前記ステータのスロット数の最小公倍数をＭとして、前記角度θが、θ＝（１／２）・（３６０°／Ｍ）に設定されている。

この構成によれば、ロータの磁極の切り替わりに起因して生じる基本的なコギングトルクの周期と、空隙部によって生じるコギングトルクの周期とが同相となるため、コギングトルクのより一層の向上を図ることができる。

本発明のロータ及びモータによれば、コギングトルクの向上を図ることができる。

実施形態のブラシレスモータの断面図である。 同形態のロータを部分的に示す平面図である。 同形態における界磁磁石の表面磁束密度を示すグラフである。 同形態におけるコギングトルクを示すグラフである。 変形例のロータを部分的に示す平面図である。 変形例のロータを部分的に示す平面図である。

以下、ロータ及びモータの一実施形態について説明する。
図１に示す本実施形態のモータ１０は、ブラシレスモータである。モータ１０は、モータハウジング１１の内周面にステータ１２が固定され、そのステータ１２の内側には、回転軸１３に固着され同回転軸１３とともに一体回転するロータ１４が配設されている。

ステータ１２は、円筒状のステータコア１５を有し、そのステータコア１５の外周面がモータハウジング１１に固定されている。ステータコア１５の内側には、軸線方向に沿って形成され、かつ、周方向に等ピッチに配置される複数（本実施形態では１２個）のティース１６が、径方向内側に向かって延出形成されている。各ティース１６は、Ｔ型のティースであって、その径方向の内周面１６ａは、回転軸１３の軸線Ｌを中心とする同心円の円弧を軸線方向に延出した円弧面である。

各ティース１６には、３相の巻線１７が集中巻きにて巻回されている。そして、各相の巻線１７に３相電源電圧を印加してステータ１２に回転磁界を形成し、同ステータ１２の内側に配置した回転軸１３に固着されたロータ１４を回転させるようになっている。

［ロータの構成］
ステータ１２の内側に配設されたロータ１４は、回転軸１３に一体回転可能に固定された略円筒状のロータコア２１と、ロータコア２１の外周面に設けられた円筒状の界磁磁石２２とを備えるＳＰＭ（Surface Permanent Magnet）型のロータとして構成されている。ロータ１４は、該ロータ１４の全ての磁極が界磁磁石２２で構成されたフルマグネット型ロータである。なお、ロータコア２１は、複数の電磁鋼板が軸方向に積層されて構成されている。また、回転軸１３は、モータハウジング１１に対し軸受（図示略）を介して回転可能に支持されている。

界磁磁石２２は、磁石粉を樹脂と混合して成型固化されたボンド磁石（プラスチックマグネットやゴムマグネット等）であり、例えば射出成形にてロータコア２１の外周面に一体形成されている。界磁磁石２２の外周面は、回転軸１３の軸線Ｌを中心とする円形をなしている。なお、界磁磁石２２は、ロータコア２１の外周面に接着剤等により固着してもよい。ボンド磁石は、焼結磁石に比べて形状の自由度が高く、また、寸法精度を高く形成することが可能である。

また、界磁磁石２２は、周方向等間隔に８つの磁極部２２ｐをもつ（つまり８極の）極異方性磁石からなる。各磁極部２２ｐは、周方向において交互に異極となるように構成されている。各磁極部２２ｐは、周方向において互いに等しい角度幅（本実施形態では４５°）を有している。また、各磁極部２２ｐの磁極中心線Ｌｐは、各磁極部２２ｐの周方向中心位置にそれぞれ設定されている。すなわち、各磁極部２２ｐの磁極中心線Ｌｐは、周方向において等間隔（本実施形態では４５°間隔）に設定されている。

各磁極部２２ｐの外周面には、第１溝部２３ａと第２溝部２３ｂの２つの溝部が形成されている。第１及び第２溝部２３ａ，２３ｂは、各磁極部２２ｐの外周面の軸方向の一端から他端まで軸方向に沿って直線状に形成されている。また、第１及び第２溝部２３ａ，２３ｂの軸直交方向断面形状は、円弧状をなしている。

次に、各磁極部２２ｐにおける第１及び第２溝部２３ａ，２３ｂの形成位置について説明する。
図２に示すように、第１溝部２３ａ及び第２溝部２３ｂは、磁極中心線Ｌｐを基準として、そこから周方向両側にそれぞれ同角度ずれた位置に形成されるとともに、互いに同一形状（同一幅、同一深さ）に形成されている。つまり、第１溝部２３ａと第２溝部２３ｂとは、磁極中心線Ｌｐを軸として線対称をなしている。

磁極中心線Ｌｐを基準とした各溝部２３ａ，２３ｂの形成位置（磁極中心線Ｌｐからの角度）は、モータ１０で発生するコギングトルクの周期φに基づいて設定されている。具体的には、回転軸１３の軸線Ｌを中心として、磁極中心線Ｌｐと各溝部２３ａ，２３ｂの周方向中心線Ｌｃとがなす角度θ（機会角）は、コギングトルクの周期φの１／２に設定されている。

ここで、コギングトルクの周期φは、一般に、３６０°を、ロータ１４（界磁磁石２２）の極数とステータ１２のティース１６の数（スロット数）の最小公倍数で割った値である。つまり、本実施形態では、ロータ１４の極数は８、ティース１６の数は１２であることから、最小公倍数は２４となり、コギングトルクの周期φは、１５（＝３６０／２４）°となる。

すなわち、本実施形態では、磁極中心線Ｌｐと各溝部２３ａ，２３ｂの周方向中心線Ｌｃとがなす角度θは、コギングトルクの周期φ（＝１５°）の１／２の７．５°に設定されている。従って、回転軸１３の軸線Ｌを中心として、第１溝部２３ａと第２溝部２３ｂの各周方向中心線Ｌｃがなす角度は、コギングトルクの周期φ（＝１５°）と一致する。

次に、界磁磁石２２の磁化配向について説明する。
界磁磁石２２は、極異方性配向を有している。つまり、界磁磁石２２の磁化配向は、図２中に模式的に矢印で示すように、Ｓ極の磁極部２２ｐの外周面から隣接のＮ極の磁極部２２ｐの外周面に向けて、径方向内側が凸となるように湾曲する配向に設定されている。さらに、界磁磁石２２の磁化配向は、各磁極部２２ｐにおいて、磁極中心線Ｌｐのステータ１２側（径方向外側）への延長線上にある１点（磁束集中点Ｆ）に向かうように設定されている。

次に、本実施形態の作用について説明する。
ステータ１２の巻線１７に３相電源電圧を印加して回転磁界を形成すると、その回転磁界に基づいてロータ１４が回転する。そして、巻線１７への給電を停止すると、回転磁界が消失してロータ１４は回転を停止する。このとき、ロータ１４は、ステータ１２に対して磁気的に最も安定した状態となる角度位置で停止する。

ここで、ロータ１４の界磁磁石２２の外周面には、第１及び第２溝部２３ａ，２３ｂが形成されているため、ロータ１４の外周における周方向の磁束密度変化が、第１及び第２溝部２３ａ，２３ｂを形成する前に比べて大きい。これにより、磁束を安定した状態に戻ろうとする保持力（コギングトルク）が大きくなっている。

また、ロータ１４の極数とステータ１２のスロット数の最小公倍数をＭとして、コギングトルクの周期φは、φ＝３６０°／Ｍであり、界磁磁石２２の磁極中心線Ｌｐと各溝部２３ａ，２３ｂの周方向中心線Ｌｃとがなす角度θは、コギングトルクの周期φの１／２に設定されている。すなわち、角度θは、θ＝（１／２）・（３６０°／Ｍ）に設定されている。これにより、ロータ１４の磁極の切り替わりに起因して生じる基本的なコギングトルクの周期φと、各溝部２３ａ，２３ｂによって生じるコギングトルクの周期とが同相となるため、前記基本的なコギングトルクに各溝部２３ａ，２３ｂによって生じるコギングトルクが重畳されて、コギングトルクのより一層の向上を図ることができる。

また、前記角度θは、ロータ１４の極対数をＰとして、０°＜θ≦（３６０°／２Ｐ）／４の範囲内に設定されている。本実施形態では、ロータ１４の極対数が４であるため、前記角度θは、０°＜θ≦１１．２５°の範囲内に設定されている。これにより、各溝部２３ａ，２３ｂが磁極中心線Ｌｐ寄りの位置（磁極中心線Ｌｐを基準として磁極幅の１／４の範囲内）に形成される。

そして、界磁磁石２２は、上記したように、磁極中心線Ｌｐの延長線上の磁束集中点Ｆに向かう磁化配向に着磁されている。このため、図３のグラフに示すように、各溝部２３ａ，２３ｂの周辺部位（各溝部２３ａ，２３ｂに面する部位）の磁束密度が高まり、その結果、各溝部２３ａ，２３ｂによって生じるコギングトルクの向上を図ることができる。特に、溝部２３ａ，２３ｂの周方向側面と界磁磁石２２の外周面とがなす角部の磁束密度が高まることで、コギングトルクの向上効果が顕著となる。また、界磁磁石２２を上記の磁化配向とすることで、ラジアル配向型の磁石を用いた場合（図３中、破線のグラフを参照）と比較して、周方向における表面磁束密度の変化をより正弦波状に近づけることができるため、トルクリップルの低減を図ることができる。

また、図４には、本実施形態のロータ１４において生じるコギングトルクＴを実線のグラフで示し、比較例としてラジアル配向型の界磁磁石をもつロータにおいて生じるコギングトルクＴｘを破線のグラフで示している。同図に示すように、比較構成において生じるコギングトルクＴｘと比較して、本実施形態ではコギングトルクＴが向上されるようになっている。

次に、本実施形態の効果を記載する。
（１）ロータ１４（回転軸１３）の軸線Ｌを中心として、界磁磁石２２の磁極中心線Ｌｐと各溝部２３ａ，２３ｂの周方向中心線とがなす角度θは、ロータ１４の極対数をＰとして、０°＜θ≦（３６０°／２Ｐ）／４の範囲内に設定される。これにより、各溝部２３ａ，２３ｂが界磁磁石２２の磁極中心寄りの位置（磁極中心線Ｌｐを基準として磁極幅の１／４の範囲内）に設けられる。そして、界磁磁石２２は、磁極中心線Ｌｐのステータ１２側（径方向外側）への延長線上にある磁束集中点Ｆに向かう磁化配向を有している。これにより、各溝部２３ａ，２３ｂの周辺に磁束を集中させる（各溝部２３ａ，２３ｂ周辺の磁束密度を高める）ことができ、その結果、各溝部２３ａ，２３ｂによって生じるコギングトルクの向上を図ることができる。

（２）界磁磁石２２は、円環状をなす極異方性磁石である。このため、界磁磁石２２の磁化配向の調整が容易となる。また、ラジアル配向磁石を用いた場合と比較して、周方向における表面磁束密度の変化をより正弦波状に近づけることができる（図３参照）ため、トルクリップルの低減を図ることができる。

（４）一対の溝部２３ａ，２３ｂは、界磁磁石２２の磁極中心線Ｌｐに対して対称に設けられ、界磁磁石２２の外周面（ステータ１２との対向面）の磁束密度は、一対の溝部２３ａ，２３ｂの周方向内側の方が周方向外側よりも高く設定されている（図３参照）。このため、各溝部２３ａ，２３ｂの周辺に磁束をより好適に集中させることができ、その結果、各溝部２３ａ，２３ｂによって生じるコギングトルクの向上をより好適に図ることができる。

また、界磁磁石２２の磁極中心線Ｌｐに対して対称に一対の溝部２３ａ，２３ｂが形成されることで、界磁磁石２２の着磁時において、磁粉配向の方向、及び、強く着磁する位置が明確となり、その結果、磁束密度（磁力）の向上に寄与できる。

（５）ロータ１４の極数とステータ１２のスロット数との関係が、２ｎ：３ｎ（但し、ｎは自然数）に設定されている。そして、ロータ１４の極数とステータ１２のスロット数の最小公倍数をＭとして、界磁磁石２２の磁極中心線Ｌｐと各溝部２３ａ，２３ｂの周方向中心線とがなす角度θは、θ＝（１／２）・（３６０°／Ｍ）に設定されている。この構成によれば、ロータ１４の磁極の切り替わりに起因して生じる基本的なコギングトルクの周期と、各溝部２３ａ，２３ｂによって生じるコギングトルクの周期とが同相となるため、コギングトルクのより一層の向上を図ることができる。

なお、上記実施形態は、以下のように変更してもよい。
・上記実施形態では、界磁磁石２２を円環状の極異方性磁石としたが、これに特に限定されるものではなく、適宜変更してもよい。

例えば、図５に示す構成では、ロータ１４の各磁極がそれぞれ個別の界磁磁石３０にて構成されている。つまり、上記実施形態のようにロータ１４を８極とした場合、周方向等間隔に８つの界磁磁石３０がロータコア２１の外周面に配設される。各界磁磁石３０の外周面（径方向外側面）には、上記実施形態と同様の構成（形成位置や形状など）をもつ第１及び第２溝部２３ａ，２３ｂが形成されている。また、各界磁磁石３０の磁化配向は、磁極中心線Ｌｐのステータ１２側（径方向外側）への延長線上にある１点（磁束集中点Ｆ）に向かうように設定されている。このような構成によっても、上記実施形態と略同様の効果を得ることができる。また、このような構成では、部品点数の低減に関しては上記実施形態の方が有利であるものの、界磁磁石３０に用いることができる磁石の種類の選択肢が広がり、設計自由度が向上される。

また、図６に示す構成は、図５に示す各界磁磁石３０を、磁極中心線Ｌｐを境として周方向に半分に分割した構成を有しており、分割した一方を第１磁石３０ａ、他方を第２磁石３０ｂとしている。各第１磁石３０ａの外周面（径方向外側面）には、上記実施形態と同様の構成（形成位置や形状など）をもつ第１溝部２３ａが形成されている。また、各第２磁石３０ｂの外周面（径方向外側面）には、上記実施形態と同様の構成（形成位置や形状など）をもつ第２溝部２３ｂが形成されている。そして、各第１磁石３０ａ及び各第２磁石３０ｂの磁化配向は、磁極中心線Ｌｐのステータ１２側（径方向外側）への延長線上にある１点（磁束集中点Ｆ）に向かうように設定されている。このような構成によっても、上記実施形態と略同様の効果を得ることができる。また、このような構成では、磁化配向が同じ傾向にあるブロック毎に単一の磁石で構成できるため、各磁石３０ａ，３０ｂを容易に成形できる。

・上記実施形態の界磁磁石２２は、第１及び第２溝部２３ａ，２３ｂの形成の容易さを考慮すれば、ボンド磁石で構成されることが好ましいが、ボンド磁石以外の例えば焼結磁石等で構成することも可能である。なお、界磁磁石２２をボンド磁石とする場合には、サマリウム鉄窒素（ＳｍＦｅＮ）系磁石、サマリウムコバルト（ＳｍＣｏ）系磁石、ネオジム磁石等の希土類磁石で構成されることが好ましい。また、界磁磁石２２を焼結磁石とする場合には、フェライト磁石や、サマリウムコバルト（ＳｍＣｏ）磁石、ネオジム磁石等の希土類磁石で構成されることが好ましい。

・上記実施形態におけるロータ１４の極数とステータ１２のスロット数は例示であり、適宜変更できる。例えば、ロータ１４の極数とスロット数との関係が２ｎ：３ｎ（但し、ｎは自然数）となるように、ロータ１４の極数とスロット数を適宜変更してもよい。なお、ロータ１４の極数とスロット数との関係は必ずしも２ｎ：３ｎである必要はなく、例えば、ロータ１４の極数とスロット数との関係を１０：１２や１４：１２等で構成してもよい。

・上記実施形態では、磁極中心線Ｌｐと各溝部２３ａ，２３ｂの周方向中心線Ｌｃとがなす角度θが、コギングトルクの周期φの１／２（つまり７．５°）に設定されている。しかしながら、当該角度θ（つまり各溝部２３ａ，２３ｂの形成位置）は、０°＜θ≦（３６０°／２Ｐ）／４の範囲内であれば、構成に応じて適宜変更可能である。

・上記実施形態では、第１及び第２溝部２３ａ，２３ｂは、界磁磁石２２の軸方向の一端から他端に亘って形成されたが、これに限らず、界磁磁石２２の軸方向の一端から中間部までの長さで形成してもよい。

・上記実施形態では、第１及び第２溝部２３ａ，２３ｂが断面円弧状をなすが、これ以外に例えば、断面四角形状（断面コ字状）や断面三角形状としてもよい。
・上記実施形態では、コギングトルクを増加させるための空隙部を界磁磁石２２の外周面に形成した第１及び第２溝部２３ａ，２３ｂとしたが、これに特に限定されるものではない。例えば、界磁磁石２２の軸方向に貫通形成した孔を空隙部（つまり、第１及び第２溝部２３ａ，２３ｂの径方向外側への開口端を塞いだような構成）としても、上記実施形態と略同様の効果を得ることができる。

・上記実施形態では、各磁極部２２ｐにおける空隙部（溝部２３ａ，２３ｂ）の数は例示であり、適宜変更できる。例えば、第１及び第２溝部２３ａ，２３ｂのいずれか一方を省略してもよい。

・上記実施形態において、ティース１６の内周面１６ａの例えば周方向中央に、軸方向に沿った直線状の溝部を形成することで、コギングトルクを向上させてもよい。
・上記実施形態では、ロータの全磁極が界磁磁石２２の磁極で構成されたフルマグネット型のロータ１４に適用したが、これに特に限定されるものではなく、例えば、ロータの一部の磁極が、ロータコアの一部位からなる擬似的な磁極で構成されたハーフマグネット型（コンシクエントポール型）のロータに適用してもよい。

・上記実施形態では、ロータ１４をステータ１２の内周側に配置したインナロータ型のモータ１０に適用したが、これに特に限定されるものではなく、ロータをステータの外周側に配置したアウタロータ型のモータに適用してもよい。また、ロータ１４とステータ１２とが軸方向に対向するアキシャルギャップ型のモータに適用してもよい。

・上記実施形態では、ブラシレスモータに適用したが、これに限らず、例えば、ブラシ付きモータに適用してもよい。
・上記した実施形態並びに各変形例は適宜組み合わせてもよい。

次に、上記実施形態及び変形例から把握できる技術的思想を以下に追記する。
（イ）ロータの磁極を構成する界磁磁石をステータとの対向面に備え、
前記界磁磁石における前記ステータとの対向面、又は前記界磁磁石の内部には、コギングトルクを増加させるための空隙部が周方向において部分的に設けられたロータであって、
前記界磁磁石は、前記空隙部に面する部位の磁束密度を向上させるべく前記空隙部に向かう磁化配向を有していることを特徴とするロータ。

この構成によれば、空隙部周辺の磁束密度が高くなることで、空隙部によって生じるコギングトルクの向上を図ることができる。

１０…モータ、１２…ステータ、１４…ロータ、２２…界磁磁石、２３ａ…第１溝部（空隙部）、２３ｂ…第２溝部（空隙部）、３０…界磁磁石、Ｌ…回転軸の軸線（回転軸線）、Ｌｐ…磁極中心線、Ｆ…磁束集中点。

Claims (6)

1. ロータの磁極を構成する界磁磁石をステータとの対向面に備え、
   前記界磁磁石における前記ステータとの対向面、又は前記界磁磁石の内部には、コギングトルクを増加させるための空隙部が周方向において部分的に設けられたロータであって、
   ロータの回転軸線を中心として、前記界磁磁石の磁極中心線と前記空隙部の周方向中心線とがなす角度θは、ロータの極対数をＰとして、０°＜θ≦（３６０°／２Ｐ）／４の範囲内に設定され、
   前記界磁磁石は、前記磁極中心線の前記ステータ側への延長線上にある磁束集中点に向かう磁化配向を有していることを特徴とするロータ。
2. 請求項１に記載のロータにおいて、
   ロータの全磁極が前記界磁磁石で構成されたフルマグネット型であることを特徴とするロータ。
3. 請求項２に記載のロータにおいて、
   前記界磁磁石は、円環状をなす極異方性磁石であることを特徴とするロータ。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のロータにおいて、
   前記空隙部は、前記界磁磁石の磁極中心線に対して対称に一対設けられ、
   前記界磁磁石における前記ステータとの対向面の磁束密度は、一対の前記空隙部の周方向内側の方が周方向外側よりも高く設定されていることを特徴とするロータ。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のロータと、前記ロータと対向するステータとを備えたことを特徴とするモータ。
6. 請求項５に記載のモータにおいて、
   前記ロータの極数と前記ステータのスロット数との関係が、２ｎ：３ｎ（但し、ｎは自然数）に設定され、
   前記ロータの極数と前記ステータのスロット数の最小公倍数をＭとして、前記角度θが、θ＝（１／２）・（３６０°／Ｍ）に設定されていることを特徴とするモータ。