JP2019041530A - 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モータを提供する。【解決手段】周方向に沿って複数設定された磁極部１４ｐを有するロータ１４は、コギングトルクを増加させるための溝部を周方向において複数有する。そして、それら複数の溝部は、周方向に隣り合う磁極部１４ｐの間に設けられた境界空隙部としての第３溝部２３ｃと、磁極部１４ｐ内においてロータ１４の極数とステータのスロット数とから求められるコギングトルクの周期に応じた位置に設けられた極内空隙部としての第１及び第２溝部２３ａ，２３ｂとを含んで構成されている。【選択図】図２

Description

本発明は、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

上記のようなモータでは、ロータの磁極範囲内に設けた空隙部によってコギングトルクの向上が図れるが、本発明者らは、より大きなコギングトルクが必要となった場合にも対応できる構成を検討していた。

本発明の目的は、コギングトルクの向上を図ることができるモータを提供することにある。

上記課題を解決するモータは、ステータと、周方向に沿って複数設定された磁極部を前記ステータとの対向面に有し、コギングトルクを増加させるための複数の空隙部が周方向において部分的に設けられたロータとを備え、前記複数の空隙部は、周方向に隣り合う前記磁極部の間に設けられた境界空隙部と、前記磁極部内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から求められるコギングトルクの周期に応じた位置に設けられた極内空隙部とを含んで構成されている。

この構成によれば、境界空隙部によって生じるコギングトルクと、極内空隙部によって生じるコギングトルクを共に、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重畳させることができ、その結果、コギングトルクの向上を図ることができる。

上記モータにおいて、前記境界空隙部と前記極内空隙部とは、軸方向から見た形状が同一形状をなしている。
この構成によれば、境界空隙部及び極内空隙部によってコギングトルクを好適に向上できる。

上記モータにおいて、前記磁極部を構成する磁石の磁化配向は、前記ステータ側に向かうにつれて当該磁極部の周方向中心線側に傾斜するように設定されている。
この構成によれば、磁束を極内空隙部に好適に集中させることができ、その結果、コギングトルクのより一層の向上に寄与できる。

上記モータにおいて、前記ロータは、前記磁極部を構成する磁石がロータコアに埋設されてなる埋込磁石型のロータであり、前記境界空隙部及び前記極内空隙部の各々は、前記ロータコアに形成されている。

この構成によれば、埋込磁石型の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。
上記モータにおいて、前記ロータは、前記磁極部を構成する磁石がロータコアの表面に設けられてなる表面磁石型のロータであり、前記境界空隙部及び前記極内空隙部の各々は、前記磁石に形成されている。

この構成によれば、表面磁石型の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。

本発明のモータによれば、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。 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。 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、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の内周面に固定され円環状のステータ１２と、ステータ１２の径方向内側に配置され、回転軸１３を有するロータ１４とを備えている。

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。

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円筒状のロータコア２１と、ロータコア２１の内部に埋設された複数（本実施形態では８個）の磁石２２とを備える埋込磁石型（ＩＰＭ型）のロータとして構成されている。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。

複数の磁石２２は、周方向に交互に異極となるロータ１４の複数の磁極部１４ｐをそれぞれ構成している。すなわち、本実施形態のロータ１４は８極で構成されている。また、ロータ１４は、その全ての磁極部１４ｐが磁石２２で構成されたフルマグネット型ロータである。各磁石２２は、例えば焼結磁石や、磁石粉を樹脂と混合して成型固化したボンド磁石（プラスチックマグネットやゴムマグネット等）などからなる。なお、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。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、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。

図２に示すように、各磁石２２は、軸方向視で径方向内側に向かって凸となる円弧状をなしている。そして、各磁石２２の磁化配向は、径方向外側（ステータ１２側）に向かうにつれて、それぞれ対応する磁極部１４ｐの周方向中心線（磁極中心線Ｌｐ）側に傾斜するように設定されている。なお、図２、及び図３〜図６の各図では、磁石の磁化配向を矢印で示している。

各磁極部１４ｐは、それらの磁極中心線Ｌｐ（周方向中心線）が周方向において等間隔（４５°間隔）に設定されるとともに、周方向において互いに等しい角度幅（４５°）を有している。つまり、Ｎ極の磁極部１４ｐとＳ極の磁極部１４ｐの境界部Ｂは、周方向において４５°間隔で設けられている。

各磁極部１４ｐは、ロータコア２１の外周面に形成された第１溝部２３ａ及び第２溝部２３ｂの２つの溝部を有している。また、ロータ１４は、ロータコア２１の外周面において前記境界部Ｂと一致する位置に形成された第３溝部２３ｃを有している。各溝部２３ａ，２３ｂ，２３ｃは、ロータコア２１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、各溝部２３ａ，２３ｂ，２３ｃの軸直交方向断面形状は、互いに同一形状をなし、本実施形態では円弧状をなしている。

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の極数（磁極部１４ｐの数）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。

また、第３溝部２３ｃは、第１溝部２３ａ及び第２溝部２３ｂと同一形状（同一幅、同一深さ）に形成されている。また、第３溝部２３ｃは、前述したように、周方向に隣り合うＮ極の磁極部１４ｐとＳ極の磁極部１４ｐの境界部Ｂにそれぞれ設けられている。つまり、第３溝部２３ｃは、ロータ１４の周方向において４５°間隔で８個設けられている。これにより、ロータ１４には、周方向において等間隔（本実施形態では１５°間隔）に第１溝部２３ａ、第２溝部２３ｂ及び第３溝部２３ｃが順に設けられ、これら各溝部２３ａ，２３ｂ，２３ｃの周方向の間隔は前記コギングトルクの周期φと一致している。

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の外周面（ロータコア２１の外周面）には、第１〜第３溝部２３ａ，２３ｂ，２３ｃ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〜第３溝部２３ａ，２３ｂ，２３ｃ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、磁極中心線Ｌｐと第１及び第２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、第１及び第２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。従って、前記基本的なコギングトルクに第１及び第２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。

さらに、本実施形態では、周方向に隣り合うＮ極の磁極部１４ｐとＳ極の磁極部１４ｐの境界部Ｂに第３溝部２３ｃが形成されている。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コギングトルクが増加するようになっている。

また、磁極中心線Ｌｐに対する第１及び第２溝部２３ａ，２３ｂの形成位置を示す前記角度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、第１及び第２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、磁極部１４ｐを構成する磁石２２の磁化配向は、上記したように、径方向外側に向かうにつれて磁極中心線Ｌｐ側に傾斜するように設定されている。このため、ロータコア２１における第１及び第２溝部２３ａ，２３ｂの周辺の磁束密度が高まり、その結果、第１及び第２溝部２３ａ，２３ｂによって生じるコギングトルクのより一層の向上を図ることができる。特に、第１及び第２溝部２３ａ，２３ｂの周方向側面とロータコア２１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。

次に、本実施形態の効果を記載する。
（１）周方向に沿って複数設定された磁極部１４ｐを有するロータ１４は、ロータコア２１の外周面に形成された、コギングトルクを増加させるための溝部を周方向において複数有する。そして、それら複数の溝部は、周方向に隣り合う磁極部１４ｐの間に設けられた境界空隙部としての第３溝部２３ｃと、磁極部１４ｐ内においてロータ１４の極数とステータ１２のスロット数とから求められるコギングトルクの周期φに応じた位置に設けられた極内空隙部としての第１及び第２溝部２３ａ，２３ｂとを含んで構成されている。

この構成によれば、境界空隙部としての第３溝部２３ｃによって生じるコギングトルクと、極内空隙部としての第１及び第２溝部２３ａ，２３ｂによって生じるコギングトルクを共に、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に重畳させることができ、その結果、コギングトルクの向上を図ることができる。

（２）第１〜第３溝部２３ａ，２３ｂ，２３ｃは、軸方向から見た形状が互いに同一形状をなしている。これにより、第１〜第３溝部２３ａ，２３ｂ，２３ｃによってコギングトルクを好適に向上できる。

（３）磁極部１４ｐを構成する磁石２２の磁化配向は、ステータ１２側（本実施形態では径方向外側）に向かうにつれて磁極中心線Ｌｐ側に傾斜するように設定されている。この構成によれば、磁石２２の磁束を第１及び第２溝部２３ａ，２３ｂに好適に集中させることができ、その結果、コギングトルクのより一層の向上に寄与できる。

（４）ロータ１４は、磁極部１４ｐを構成する磁石２２がロータコア２１に埋設されてなる埋込磁石型のロータであり、第１〜第３溝部２３ａ，２３ｂ，２３ｃはロータコア２１の外周面に形成されている。この構成によれば、埋込磁石型のロータ１４においてコギングトルクの向上を図ることができる。また、埋込磁石型であれば、第１〜第３溝部２３ａ，２３ｂ，２３ｃをロータコア２１の外周面に形成することができるため、第１〜第３溝部２３ａ，２３ｂ，２３ｃを容易に形成できる。

なお、上記実施形態は、以下のように変更してもよい。
・図３に示すように、磁極部１４ｐを構成する磁石２２の軸方向視形状を矩形状としてもよい。同図に示す磁石２２は扁平板状をなし、その板面が磁極中心線Ｌｐと直交するように設けられている。また、磁石２２の磁化配向は、板面と直交する方向（磁極中心線Ｌｐに沿う方向）と平行に設定されている。このような構成によっても、上記実施形態の効果（１）、（２）、（４）と同様の効果を得ることができる。

・上記実施形態における１つの磁極部１４ｐに設けられる磁石２２の数は例示であり、各磁極部１４ｐに複数の磁石を設けてもよい。
例えば、図４に示す構成では、各磁極部１４ｐは、径方向に並ぶようにロータコア２１に埋設された２つの磁石３１を有している。各磁石３１は、軸方向視で径方向内側に向かって凸となる円弧状をなしている。また、各磁石３１の磁化配向は、径方向外側（ステータ１２側）に向かうにつれて、それぞれ対応する磁極部１４ｐの周方向中心線（磁極中心線Ｌｐ）側に傾斜する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、例えば図５に示す構成では、各磁極部１４ｐは、周方向に並ぶようにロータコア２１に埋設された２つの磁石４１を備えている。各磁石４１は扁平板状をなし、各磁極部１４ｐにおける２つの磁石４１は、軸方向視で外周側に拡がる略Ｖ字状に配置されている。また、当該２つの磁石４１は、磁極中心線Ｌｐに対して線対称に設けられている。また、Ｎ極の磁極部１４ｐにおける各磁石４１は、該磁極部１４ｐの外周側をＮ極にするべく、互いに向かい合う面（磁極中心側の面）にＮ極が現れるように磁化されている。また、Ｓ極の磁極部１４ｐにおける各磁石４１は、該磁極部１４ｐの外周側をＳ極にするべく、互いに向かい合う面（磁極中心側の面）にＳ極が現れるように磁化されている。また、磁極部１４ｐの２つの磁石４１の磁化配向は、径方向外側（ステータ１２側）に向かうにつれて磁極中心線Ｌｐ側に傾斜する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、２つの磁石４１が軸方向視で径方向外側に拡がる略Ｖ字をなすように埋設されるため、磁石４１の外周側のロータコア体積（Ｖ字配置された２つの磁石４１の間の磁石間コア部４２を含む部分の体積）を大きくとることが可能となる。それにより、リラクタンストルクを増やすことが可能となり、モータ１０の高トルク化に寄与できる。

・上記実施形態では、ロータ１４を埋込磁石型（ＩＰＭ型）としたが、これに限らず、表面磁石型（ＳＰＭ型）としてもよい。
例えば、図６に示す構成では、ロータコア２１の外周面に円筒状の磁石５１が設けられている。磁石５１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。磁石５１は、周方向において交互に異極となる複数（同図では８つ）の磁極部１４ｐを有している。また、磁石５１は、極異方配向を有している。つまり、磁石５１の磁化配向は、図６中に模式的に矢印で示すように、Ｓ極の磁極部１４ｐの外周面から隣接のＮ極の磁極部１４ｐ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、磁石５１の磁化配向は、各磁極部１４ｐ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。そして、磁石５１の外周面には、上記実施形態と同様の位置に設けられた極内空隙部としての第１及び第２溝部５２ａ，５２ｂと、境界空隙部としての第３溝部５２ｃとが形成されている。

同図のような構成によっても、上記実施形態の効果（１）、（２）、（３）と同様の効果を得ることができる。なお、磁石５１の磁化配向は極異方配向に限らず、ラジアル配向やパラレル配向としてもよい。

・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、第１〜第３溝部２３ａ，２３ｂ，２３ｃは、ロータコア２１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、ロータコア２１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〜第３溝部２３ａ，２３ｂ，２３ｃ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ロータコア２１の外周面に形成した第１〜第３溝部２３ａ，２３ｂ，２３ｃとしたが、これに特に限定されるものではない。例えば、ロータコア２１を軸方向に貫通する孔を空隙部（つまり、各溝部２３ａ，２３ｂ，２３ｃ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１４ｐにおける極内空隙部（第１及び第２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。また、ロータ１４の極数とスロット数によっては、極内空隙部の数を３つ以上設けることも可能である。

・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。

１０…モータ、１２…ステータ、１４…ロータ、１４ｐ…磁極部、２１…ロータコア、２２…磁石、２３ａ…第１溝部（極内空隙部）、２３ｂ…第２溝部（極内空隙部）、２３ｃ…第３溝部（境界空隙部）、３１，４１，５１…磁石、Ｂ…境界部、Ｌｐ…磁極中心線（磁極部の周方向中心線）。

Claims (5)

1. ステータと、
   周方向に沿って複数設定された磁極部を前記ステータとの対向面に有し、コギングトルクを増加させるための複数の空隙部が周方向において部分的に設けられたロータと
   を備え、
   前記複数の空隙部は、周方向に隣り合う前記磁極部の間に設けられた境界空隙部と、前記磁極部内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から求められるコギングトルクの周期に応じた位置に設けられた極内空隙部とを含んで構成されていることを特徴とするモータ。
2. 請求項１に記載のモータにおいて、
   前記境界空隙部と前記極内空隙部とは、軸方向から見た形状が同一形状をなしていることを特徴とするモータ。
3. 請求項１又は２に記載のモータにおいて、
   前記磁極部を構成する磁石の磁化配向は、前記ステータ側に向かうにつれて当該磁極部の周方向中心線側に傾斜するように設定されていることを特徴とするモータ。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のモータにおいて、
   前記ロータは、前記磁極部を構成する磁石がロータコアに埋設されてなる埋込磁石型のロータであり、
   前記境界空隙部及び前記極内空隙部の各々は、前記ロータコアに形成されていることを特徴とするモータ。
5. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のモータにおいて、
   前記ロータは、前記磁極部を構成する磁石がロータコアの表面に設けられてなる表面磁石型のロータであり、
   前記境界空隙部及び前記極内空隙部の各々は、前記磁石に形成されていることを特徴とするモータ。