JP2020054025A - 多相クローポールモータ - Google Patents

Abstract

【課題】爪部を圧粉材料で形成しつつ、圧粉材料にかかるコストの低減を可能した多相クローポールモータを提供する。【解決手段】多相クローポールモータは、複数の爪部３１および爪部３１から径方向外側へ延在する環状部からなる複数の爪磁極３０と、環状コイル４と、を備える。爪磁極３０は、磁性粉の表面を電気絶縁して圧縮した磁性成形体で形成されている。爪磁極３０の外周側に切欠き部３６が設けられている。切欠き部３６は、環状コイル４の少なくとも一部を爪磁極３０の環状部から露出させる深さまで切り欠かれていてもよい。【選択図】図８

Description

本発明は、多相クローポールモータに関する。

従来、多相クローポール型のモータとしては、爪磁極の爪部、径方向継鉄部、外周側継鉄を、圧縮した磁性形成体のごとき圧粉材料で形成し、環状コイルを軸方向に挟み込んだ構成のものが知られている（例えば、特許文献１参照）。このような構成のモータによれば、磁路断面積を折曲鉄板の爪部よりも上げることができる。

一般に、圧粉コアには、３次元の無方向性の磁気特性を有するという利点がある。よって、３次元的な広がりを持つことが望ましい爪部や、爪部近傍の径方向継鉄部に圧粉コアを使用することで、磁気特性上の利点を得ることが可能である。

また、爪部を軸方向に積層した軟磁性の磁性体板による周方向リング状積層コアで形成した多相クローポールモータも開示されている（例えば、特許文献２参照）。特許文献２では、爪どうしは繋がった構成であるものの、極間相当の孔をあけて磁気抵抗を増やし、疑似的な爪部を構成している。

ところが、特許文献１のごとき多相クローポールモータは、高価であり、かつ磁気特性で劣る圧粉材料を空隙以外の磁路材料として用いていることから、鎖交磁束量が少なく、材料コストが高くなっていた。

また、特許文献２のごとき多相クローポールモータにおいては、材料との関係において爪部に問題がある。すなわち、電磁鋼板を積層して爪部を形成した場合は、当該電磁鋼板の積層間に電気絶縁層が形成されるため、軸方向に磁束が通りづらくなり、鎖交磁束が低くて低出力のモータとなってしまう（特許文献２の段落００６１、図５等参照）。また、SPCCのような電気絶縁を施していない鋼板を積層して爪部を形成した場合は、積層間の電気絶縁はないため渦電流損が増大し高損失のモータとなってしまう。

これらの課題を解決するべく、本願の発明者は新しい構成の多相クローポールモータに着想するに至った。すなわち、例えば径方向継鉄部の一部と外周側継鉄とを、接線方向（周方向）に積層した無方向性電磁鋼板によるコアで形成することで高出力、低損失、低材料コストを実現し、また、爪部を圧粉材料で形成することで磁気抵抗が低く渦電流損が小さいモータを実現しようというものである。

特許第４８７８１８３号公報 特開２０１４−２３３１８９号公報

しかし、上記のごとき多相クローポールモータにおける圧粉材料はコストが高い。

そこで、本発明は、爪部を圧粉材料で形成しつつ、圧粉材料にかかるコストの低減を可能した多相クローポールモータを提供することを目的とする。

本発明の一態様は、
軸方向に延在し回転子と微小間隔をもって対向する磁極面を有する複数の爪部と、爪部から径方向外側へ延在する環状部と、からなる爪磁極であって、対をなす当該爪磁極が、互いに隣接する爪部が周方向に交互に配置された状態で、かつ、互いに隣接する当該爪磁極の環状部が軸方向に対向した状態で回転子の軸方向に積層されて固定子内周部を形成する複数の爪磁極と、
軸方向に隣接して対をなす爪磁極の環状部のそれぞれの間隙に配置される環状コイルと、
を備え、
爪磁極が磁性粉の表面を電気絶縁して圧縮した磁性成形体で形成され、該爪磁極の外周側に切欠き部が設けられている、多層クローポールモータである。

上記の態様によれば、切欠き部が設けられているぶん、圧縮した磁性成形体の使用量が減るので、圧縮した磁性成形体つまりは圧粉材料にかかるコストを低減することができる。

上記態様の多相クローポールモータにおける切欠き部は、環状コイルの少なくとも一部を爪磁極の環状部から露出させる深さまで切り欠かれていてもよい。

上記態様の多相クローポールモータにおいて、複数の切欠き部が爪磁極の周方向に沿って設けられていてもよい。

上記態様の多相クローポールモータにおいて、爪部の数はｎ個（ｎは自然数）、切欠き部の数は２ｎｍ個（ｍは自然数）であり、切欠き部は角度等配でかつ任意の爪部から見て対称の角度位置に配置されていてもよい。

上記態様の多相クローポールモータにおける切欠き部は、その数が２ｎ個であり、爪部の角度位置と１個おきに一致しているものであってもよい。

上記態様の多相クローポールモータは、モータ相数が３相であり、積層される爪磁極対の積層対数が３の倍数であり、爪磁極対間の周方向角度位相差は電気角１２０度であり、爪部の数はｎ個（ｎは自然数）、切欠き部の数は３ｎ個であり、切欠き部は角度等配でかつ任意の爪部と爪磁極の中心とを結ぶ線を基準にして対称の位置に配置されていると共に、爪磁極対のそれぞれの爪磁極の切欠き部の角度位相は周方向に電気角１８０度異なっているものであってもよい。

上記態様の多相クローポールモータにおいて、環状コイルの巻線端末が切欠き部を通じて径方向外側に引き出されていてもよい。

本発明によれば、爪部を圧粉材料で形成しつつ、圧粉材料にかかるコストの低減を可能した多相クローポールモータを提供することができる。

本発明に係る多相クローポールモータの一例を示す斜視図である。 多相クローポールモータの正面図である。 図２のIII-III線における断面の構造を示す図である。 多相クローポールモータの分解斜視図である。 爪部が８個、切欠き部が１６個である一対の爪磁極と環状コイルの一例を示す斜視図である。 図５に示した一対の爪磁極と環状コイルの分解斜視図である。 爪磁極の平面図または底面図である。 爪部と切欠き部の実施例１における爪磁極の底面図である。 ３相の多相クローポールモータ用の３対の爪磁極と環状コイルを示す斜視図である。 爪部が８個、切欠き部が２４個である一対の爪磁極と環状コイルの一例を示す斜視図である。 図９に示した一対の爪磁極と環状コイルの分解斜視図である。 図９に示した一対の爪磁極の互いの対向面を示す図であって、切欠き部の爪部に対する相対位置が異なるものを（Ａ）、（Ｂ）それぞれに示したものである。 ３相の多相クローポールモータ用の３対の爪磁極と環状コイルを示す斜視図である。 爪部と切欠き部の実施例３における爪磁極の底面図である。 爪部と切欠き部の実施例３における一対の爪磁極と環状コイルを示す斜視図である。 爪部と切欠き部の実施例３における一対の爪磁極と環状コイルを示す平面図である。 爪部と切欠き部の実施例３における別の例を示す爪磁極の底面図である。

添付図面を参照して、圧粉材料で形成されたコア（本明細書では圧粉部材または圧粉コアともいう）とその他のコアとを併用した多相クローポールモータ１の好適な実施形態について説明する。

本発明に係る多相クローポールモータ１は、磁性粉の圧縮成形体からなる圧粉部材で形成された固定子２を有しており、すべてが金属部材で構成された固定子に比べて磁路断面積が向上している。

ここで、上記のごとく構成された固定子２を含む多相クローポールモータ１の一例を図１〜図４に示しておく。符号を付した構成の名称は以下のとおりである。すなわち、符号１１はシャフト（回転子）、１２は軸受、１３はロータコア、１４は永久磁石、１５はセンサー磁石、１６は前面ブラケット、１７は背面ブラケット、１８はセンサー、１９は樹脂モールドである。

本実施形態の多相クローポールモータ１は、固定子（ステータヨーク）２、環状コイル４、シャフト（回転子）１１などを備える。固定子２は、爪磁極３０等によって構成される。爪磁極３０は磁性粉の表面を電気絶縁して圧縮した成形体で形成されている。

爪部３１は、軸方向（シャフト１１の回転軸の方向を指す）に延在しており、クローポールを形成する。爪部３１には、該シャフト１１とともに回転するロータコアの外周面と所定の微小間隔をもって対向する磁極面３１ａが形成される。爪部３１は、単一の爪磁極３０において複数（一例として、８個）形成されている（図５、図６等参照）。また、環状部３２は、上記の爪部３１から、爪磁極３０の外形側（外周側）へ延在する環状部分である。

これら複数の爪部３１と環状部３２は、多相クローポールモータ１における磁路断面積を拡大するべく、磁性粉の表面を電気絶縁して圧縮した成形体（圧粉コア）によって形成されている。

爪磁極３０は、２つで対をなし、その間隙に環状コイル４を介在させて組み付けられる（図５、図６等参照）。対をなす爪磁極３０は、組み付けられた際、互いに隣接する爪部３１が周方向に交互に配置された状態となるように形成されている（図５等参照）。

爪磁極３０の外周縁には、軸方向の片側に突出する突縁部３７が形成されている。突縁部３７は、対をなす爪磁極３０どうしを組み付ける際に互いを向いて突出するように形成されている（図６等参照）。２つで対をなす爪磁極３０の突縁部３７の互いに対向する面が、両爪磁極３０を組み付ける際の合わせ目端面となる。

環状コイル４は、対をなして対向する爪磁極３０の間隙に配置される（図５、図６参照）。本実施形態の多相クローポールモータ１においては、３つの環状コイル４が、各相の爪磁極３０の対に対応して軸方向に等間隔に配置される（図８参照）。各環状コイル４は、軸方向においては環状部３２によって挟まれ、径方向においては爪磁極３０の突縁部３７によってその周囲を囲繞された状態となる。

爪磁極３０の外周側には切欠き部３６が設けられている（図７Ａ等参照）。一般に、本実施形態の多相クローポールモータ１のごとく、爪部３１が爪磁極３０の径方向内周側に形成されている場合、径方向外周側の磁束密度は相対的に低くなる。この点、本実施形態では、爪磁極３０の当該外周側の一部を切り欠いた構造とすることで、モータ出力特性への影響が小さい範囲内で、高価でコスト高な圧粉材料の使用量を減少させる。

切欠き部３６の具体的な構成は特に限定されることはなく、僅かにでも切り欠かれていれば圧粉材料の使用量をそのぶん抑える肉盗みとして機能することができる。一例として、本実施形態では、環状コイル４の外周側の一部が露出するように、爪磁極３０の外壁面（外周面のことであり、本明細書では単に「外壁」ともいう）３８から径方向内側へと切り欠かれた形状の複数の切欠き部３６を設けている（図５、図６参照）。こうした場合、環状コイル４の巻線４１を、これら切欠き部３６のいずれかから外側へ引き出すことが可能となり（図５参照）、また、環状コイル４の放熱の効率を向上させることも可能となる。これら複数の切欠き部３６は、好ましくはすべて同じ形状・大きさであり、周方向に沿って等間隔に配置されている。

切欠き部３６の具体的な数もまた特に限定されることはないが、例えば、爪部３１の数がｎ個（ｎは自然数）である場合に、切欠き部３６の数を２ｎｍ個（ｍは自然数）とすることができる。

＜爪部と切欠き部の実施例１＞
本例では、爪部３１を８個（ｎ＝８）、切欠き部３６の数（肉盗みの数）を１６個とし（ｍ＝１）、なお且つ、これら切欠き部３６を機械角２２．５度おきに等間隔で配置している（図５〜図７Ｂ参照）。また、これら切欠き部３６の一部、例えば１６個のうち一つおきに並ぶ８個のそれぞれを、直近の爪部３１から見て対称となる角度位置（より詳細には、直近の爪部３１と、該爪部３１から１８０°ずれた最遠の爪部３１とを結ぶ中心線ないしは当該中心線を含む平面を中心として対称となる角度位置であり、図７Ｂに示す爪磁極３０の一例であれば、中心線Ｃに対する角度Ａ＝中心線Ｃに対する角度Ｂ＝２２．５度）つまりは同じ位相に配置し、それらの間に残りの８個を配置した構造としてもよい（図６、図７Ｂ等参照）。別言すれば本例の爪磁極３０は、切欠き部３６の数が２ｎ個であり、爪部３１の角度位置と１個おきに一致している構造である。

同じ形状の爪磁極３０を一対としてその間に環状コイル４を挟み込んで１相分とし（図５、図６参照）、計３対を電気角１２０°もしくは機械角１５°ずつ順次ずらして重ね合わせて３相分の爪磁極３０からなる固定子２を構成する（図８参照）。磁路はトロイダルとなり外壁３８においては軸方向に沿って磁束が通過するが、上記角度関係を満たすことにより、外壁３８の合わせ目端面の形状と角度位置は相内で一致しているため、対をなす爪磁極３０の突縁部３７の互いに対向する合わせ目端面が全面的に合わさり、無駄がない。こうした場合、磁気飽和を起こさないよう適切な上記端面を確保した上で，圧粉コアの使用量を最小化できる。また、実施例１では対となる爪磁極３０の形状を同じに出来るため、製造管理が楽になる。なお、計３対の爪磁極３０の電気角もしくは機械角は適宜変更しても良い。例えば電気角０°もしくは機械角０°などとすることができる。

＜爪部と切欠き部の実施例２＞
本実施例２では、切欠き部３６の数を３ｎとする構成の一例として、爪部３１を８個、切欠き部３６の数を２４個とし、これら切欠き部３６を角度１５度おきに等間隔で配置している。なお、外壁３８の突縁部３７の合わせ面となる端面（合わせ目端面）を、対向する爪磁極３０どうしの間で一致させるためには、一対を構成する爪磁極３０が２種類必要である（図１１（Ａ）、図１１（Ｂ）参照）。本実施例２において、これら一対のうち図１１（Ａ）に示す爪磁極３０では周方向の位相で見た場合に爪部３１と突縁部３７とが一致し（別言すれば、爪部３１の位相が突縁部３７の位相と一致し）、図１１（Ｂ）に示す爪磁極３０では周方向の位相で見た場合に爪部３１と切欠き部３６とが一致（別言すれば、爪部３１の位相が切欠き部３６の位相と一致）している。これら爪磁極３０（図１１（Ａ）、図１１（Ｂ）参照）を図９に示すように組み合わせると、外壁３８の突縁部３７の合わせ目端面どうしが一致する。

さらに、本実施例２では、計３対の爪磁極３０を電気角１２０°もしくは機械角１５°ずつ順次ずらして重ね合わせて３相分の爪磁極３０からなる固定子２を構成している。そのため図１２に示すように外壁面３８が軸方向にならび、外壁面３８の周方向すきまである切欠き部３６も同様に軸方向にならぶため、冷却性能が確保し易い。なお、特に図示はしないが、計３対の爪磁極３０を電気角０°もしくは機械角０°として順次ずらさず重ね合わせて３相分の爪磁極３０からなる固定子２を構成した場合も、外壁面３８の周方向すきまである切欠き部３６もまた軸方向にならぶため、冷却性能が確保し易い。

なお、本実施例２では爪部３１と突縁部３７とが一致した（別言すれば、爪部３１の位相が突縁部３７の位相と一致した）爪磁極３０を採用したが（図１１（Ａ）参照）、これらが一致せずにずれていても構わない。この場合は、図１１（Ａ）に示した爪部３１と突縁部３７との位相がずれた分、図１１（Ｂ）に示した爪磁極３０の爪部３１と切欠き部３６との位相をずらし、両爪磁極３０の外壁３８の突縁部３７の合わせ目端面どうしが一致するようにしてもよい。

＜爪部と切欠き部の実施例３＞
上記の実施例１においては、切欠き部３６の一部、例えば１６個のうち一つおきに並ぶ８個のそれぞれを、直近の爪部３１から見て対称となる角度位置つまりは同じ位相に配置し、それらの間に残りの８個を配置した構造とした構造、別言すれば爪部３１から見て切欠き部３６が対称的に配置した構造としたが（図６等参照）、本実施例３のように、爪部３１から見て切欠き部３６が非対称となるように配置した構造もある程度（ある程度の例示的な数値については後述）許容される（図１３、図１４、図１５参照）。

すなわち、上記実施例では、切欠き部３６をその直近の爪部３１から見て対称となる角度位置つまりは同じ位相に配置した爪磁極３０の例を挙げて説明したが、本明細書でいう対称配置とは、別言すれば、厳密に対称である構造のみを意味するわけではない。
すなわち、一定の好適な範囲（例えば合わせ目断面積の総和が，概ね爪部根元断面積の
総和以上）にあれば、厳密な対称ではなくても多相クローポールモータ１として十分な機能が得られる場合がある。
例えば、厳密な意味で対称でない場合の一例として、対向する爪磁極３０の突縁部３７の合わせ目端面どうしの重なりが、合わせ目端面の全面積の100％未満となり得るが、それでも一定の好適な範囲（例えば80％以上、より好ましくは90％以上）にあれば、厳密な対称ではなくても多相クローポールモータ１として十分な機能が得られる場合がある。同様の考えから、例えば、対称軸（一例として、図１６に示す爪磁極３０における、爪部３１と、該爪部３１から１８０°ずれた最遠の爪部３１とを結ぶ中心線Ｃないしは当該中心線Ｃを含む平面）から図面に向かって右側の切欠き部３６の中心までの角度をA、向かって左側の切欠き部３６の中心までの角度をBとした際にA/B（またはB/A）が0.8〜1.2の範囲にあってもよい。

ここまで説明した多相クローポールモータ１においては、積層コアからなる外周コア５０の磁束流入面および流出面となる側面が積層方向に概ね直線状となることから、上記の各実施形態では、爪磁極３０の外周のうち、当該直線状の面に接する部分（圧粉コア面）を区分的な平面とし、爪磁極３０を全体的には概ね多角形としたことで、外周コア５０と爪磁極３０とを隙間なく突き合わせて密着させることを可能としている。

本発明は、多相クローポールモータ、さらには該モータを駆動源とする電動パワーステアリング等の各種産業機械や各種駆動装置、さらには、これらが搭載された車両などに適用して好適である。

１…多相クローポールモータ、２…固定子、４…環状コイル、１１…シャフト（回転子）、１２…軸受、１３…ロータコア、１４…永久磁石、１５…センサー磁石、１６…前面ブラケット、１７…背面ブラケット、１８…センサー、１９…ケーシング、３０…爪磁極、３１…爪部、３１ａ…磁極面、３２…環状部、３４…外周部、３６…切欠き部、３７…突縁部、３８…外壁、４１…巻線、４２…巻線端末

Claims (7)

1. 多相クローポールモータであって、
   軸方向に延在し回転子と微小間隔をもって対向する磁極面を有する複数の爪部と、前記爪部から径方向外側へ延在する環状部と、からなる爪磁極であって、対をなす当該爪磁極が、互いに隣接する前記爪部が周方向に交互に配置された状態で、かつ、互いに隣接する当該爪磁極の前記環状部が軸方向に対向した状態で前記回転子の軸方向に積層されて固定子を形成する複数の爪磁極と、
   軸方向に隣接して対をなす前記爪磁極の前記環状部のそれぞれの間隙に配置される環状コイルと、
   を備え、
   前記爪磁極が磁性粉の表面を電気絶縁して圧縮した磁性成形体で形成され、該爪磁極の外周側に切欠き部が設けられている、多層クローポールモータ。
2. 前記切欠き部は、前記環状コイルの少なくとも一部を前記爪磁極の環状部から露出させる深さまで切り欠かれている、請求項１に記載の多相クローポールモータ。
3. 複数の前記切欠き部が前記爪磁極の周方向に沿って設けられている、請求項１または２に記載の多相クローポールモータ。
4. 前記爪部の数はｎ個（ｎは自然数）、前記切欠き部の数は２ｎｍ個（ｍは自然数）であり、前記切欠き部は角度等配でかつ任意の爪部から見て対称の角度位置に配置されている、請求項３に記載の多相クローポールモータ。
5. 前記切欠き部は、その数が２ｎ個であり、前記爪部の角度位置と１個おきに一致している、請求項４に記載の多相クローポールモータ。
6. モータ相数が３相であり、積層される前記爪磁極対の積層対数が３の倍数であり、爪磁極対間の周方向角度位相差は電気角１２０度であり、前記爪部の数はｎ個（ｎは自然数）、前記切欠き部の数は３ｎ個であり、前記切欠き部は角度等配でかつ任意の爪部と前記爪磁極の中心とを結ぶ線を基準にして対称の位置に配置されていると共に、前記爪磁極対のそれぞれの爪磁極の前記切欠き部の角度位相は周方向に電気角１８０度異なっていることを特徴とする請求項３に記載の多相クローポールモータ。
7. 前記環状コイルの巻線端末が前記切欠き部を通じて径方向外側に引き出されている、請求項１から６のいずれか一項に記載の多相クローポールモータ。