JP2022117167A - ロータおよびモータ - Google Patents

Abstract

【課題】コギングトルクを低減することができるロータおよびモータを提供する。【解決手段】ロータＲＴは、１０箇所の磁石部ＭＧと、ロータコア６０とを有する。１０箇所の磁石部ＭＧは、上下に延びる中心軸ＡＸの周囲に周方向に配列される。ロータコア６０は、複数の磁極部６１を有する。各々の磁石部ＭＧは、磁石配置部ＳＰ１に収容される。磁石配置部ＳＰ１は、隣り合う磁極部６１の間に設けられる。磁極部６１の径方向外側面６２は、円弧部６２２と、周部６２４とを有する。円弧部６２２は、中心軸ＡＸを中心とする曲率半径を有する。周部６２４は、円弧部６２２の周方向ＣＤ端部から延びる。周部６２４は、円弧部６２２とは曲率半径が異なる弧、または直線状である。円弧部６２２の幅をＡとする。周部６２４の幅をＢとする。Ａ／（Ａ＋Ｂ×２）で示される比率Ｒは、０．３４以上０．４２以下、または、０．６４以上０．８以下である。【選択図】図２Ｂ

Description

本発明は、ロータおよびモータに関する。

従来の永久磁石界磁形回転子は、積層鉄心と、永久磁石とを備える（例えば、特許文献１）。積層鉄心は、連結部と磁極部とが一体に形成されている。連結部は、回転軸を囲み環状である。磁極部は、極数に応じた数の扇形である。

特開２０００－１５６４９６号公報

しかしながら、特許文献１に記載の永久磁石界磁形回転子は、コギングトルクが大きくなる可能性がある。ロータとステータとの距離を離すことによってコギングトルクを低減できるが、ロータとステータとの距離を離すことによって、モータトルクが下がる可能性がある。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的はコギングトルクを低減することができるロータおよびモータを提供することにある。

本発明の例示的なロータは、１０箇所の磁石部と、ロータコアとを有する。前記１０箇所の磁石部は、上下に延びる中心軸の周囲に周方向に配列される。前記ロータコアは、磁性体からなる。前記ロータコアは、複数の磁極部を有する。前記各々の磁石部は、磁石配置部に収容される。前記磁石配置部は、隣り合う磁極部の間に設けられる。前記磁極部の径方向外側面は、円弧部と、周部とを有する。前記円弧部は、前記中心軸を中心とする曲率半径を有する。前記周部は、前記円弧部の周方向端部から延びる。前記周部は、前記円弧部とは曲率半径が異なる弧、または直線状である。前記円弧部の幅をＡとする。前記周部の幅をＢとする。Ａ／（Ａ＋Ｂ×２）で示される比率は、０．３４以上０．４２以下、または、０．６４以上０．８以下である。

本発明の例示的なモータは、上記に記載のロータと、ステータとを有する。前記ステータは、前記ロータの径方向外側に配置される。前記ステータは、コアバック部と、複数のティース部とを有する。前記コアバック部は、前記中心軸を中心に、周方向に沿って環状に配列される。前記複数のティース部は、前記複数のコアバック部のそれぞれから径方向内方に延びる。前記ティース部の径方向内側最端部と前記円弧部の径方向外側最端部との距離は、０．４ｍｍ以上０．５ｍｍ以下である。

本発明の例示的なロータは、８箇所の磁石部と、ロータコアとを有する。前記８箇所の磁石部は、上下に延びる中心軸の周囲に周方向に配列される。前記ロータコアは、磁性体からなる。前記ロータコアは、複数の磁極部を有する。前記各々の磁石部は、磁石配置部に収容される。前記磁石配置部は、隣り合う磁極部の間に設けられる。前記磁極部の径方向外側面は、円弧部と、周部とを有する。前記円弧部は、前記中心軸を中心とする曲率半径を有する。前記周部は、前記円弧部の周方向端部から延びる。前記周部は、前記円弧部とは曲率半径が異なる弧、または直線状である。前記円弧部の幅をＡとする。前記周部の幅をＢとする。Ａ／（Ａ＋Ｂ×２）で示される比率は、０．３４以上０．４４以下、または、０．６６以上０．９以下である。

例示的な本発明によれば、コギングトルクを低減することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係るロータを有するモータの構造を示す断面図である。 図２Ａは、本発明の一実施形態に係るロータおよびステータを示す平面図である。 図２Ｂは、図２Ａの拡大図である。 図３は、比率とコギング改善率および誘起電圧上昇率との関係のシミュレーション結果を示す図である。 図４は、比率とコギング改善率および誘起電圧上昇率との関係のシミュレーション結果を示す図である。 図５は、距離Ｇを変更した場合のコギング改善率のシミュレーション結果を示す図である。

以下、本発明の例示的な実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図中、同一または相当部分については同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。本明細書では、便宜上、モータの中心軸ＡＸ（図１参照）の方向を上下方向として説明する場合がある。図中、理解の容易のため、三次元直交座標系のＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸を適宜記載する。Ｚ軸の正方向は上方向を示し、Ｚ軸の負方向は下方向を示す。ただし、上下方向、上方向、および下方向は、説明の便宜上定めるものであり、鉛直方向に一致する必要はない。また、あくまで説明の便宜のために上下方向を定義したに過ぎず、本発明に係るモータの使用時および組立時の向きを限定しない。さらに、モータの中心軸ＡＸと平行な方向を単に「軸方向ＡＤ」と記載し、モータの中心軸ＡＸを中心とする径方向および周方向を単に「径方向ＲＤ」および「周方向ＣＤ」と記載する。また、「平面視」は、軸方向ＡＤから対象物を見ることを示す。なお、本明細書において「平行な方向」は、略平行な方向も含む。また、「軸方向ＡＤ上方」は、「軸方向ＡＤ一方側」と記載することができ、「軸方向ＡＤ下方」は、「軸方向ＡＤ他方側」と記載することができる。

図１～図２Ｂを参照して、本発明の実施形態に係るモータＭＴを説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るロータを有するモータＭＴの構造を示す断面図である。図１に示すモータＭＴは、１０極または８極を有するとともに、１２スロットの３相モータである。３相モータは、例えば、３相ブラシレスモータである。

図１に示すように、モータＭＴは、ロータＲＴと、ステータＳＴと、回転軸ＳＨと、第１カバー部材１と、第１軸受１１と、第２カバー部材２と、第２軸受２１と、基板ＳＢと、ケーシングＣＳとを有する。

ロータＲＴは、上下方向に延びる中心軸ＡＸを中心に配置される。つまり、一例として、モータＭＴは、インナーロータ型のモータである。ロータＲＴは、中心軸ＡＸの回りに回転する。ロータＲＴは、ステータＳＴの径方向ＲＤ内方に配置される。

ロータＲＴは、磁石部ＭＧと、ロータコア６０とを有する。磁石部ＭＧは、例えば、永久磁石である。例えば、ロータＲＴは、略環状の単数の磁石部ＭＧを有していてもよいし、周方向ＣＤに配列された複数の磁石部ＭＧを有していてもよい。「略環状」は例えば「略円環状」である。磁石部ＭＧの極数は、「１０」または「８」である。

ロータコア６０は、例えば、電磁鋼板が軸方向ＡＤに積層した積層鋼板によって構成される。複数個の磁石部ＭＧは、ロータコア６０の内部に配置される。本実施形態では、スポーク型ロータである。

回転軸ＳＨは、中心軸ＡＸを中心として配置される。回転軸ＳＨは略柱状である。回転軸ＳＨはロータコア６０に固定される。したがって、回転軸ＳＨは、中心軸ＡＸを中心として、ロータＲＴとともに回転する。

第１カバー部材１は、モータＭＴの軸方向ＡＤ上側部分に配置される。第１カバー部材１は、円筒形状の第１軸受保持部１２と、第１軸受保持部１２の中央に形成された貫通孔を有する。第１軸受保持部１２は、第１軸受１１を保持する。回転軸ＳＨは貫通孔を貫通する。第１軸受１１は、回転軸ＳＨを回転可能に支持する。第１軸受１１は、例えば、転がり軸受である。

第２カバー部材２は、モータＭＴの軸方向ＡＤ下側部分に配置される。第２カバー部材２は、円筒形状の第２軸受保持部２２を有する。第２軸受保持部２２は、第２軸受２１を保持する。第２軸受２１は、回転軸ＳＨを回転可能に支持する。第２軸受２１は、例えば、転がり軸受である。第１カバー部材１および第２カバー部材２は、ケーシングＣＳに固定される。

ステータＳＴは、上下方向に延びる中心軸ＡＸを中心に配置される。ステータＳＴは、磁石部ＭＧと径方向ＲＤに対向する。ステータＳＴは、ステータコア７と、インシュレータ４と、３相の巻線群５とを有する。具体的には、ステータＳＴは、３相の巻線群５として、Ｕ相巻線群５Ｕと、Ｖ相巻線群５Ｖと、Ｗ相巻線群５Ｗとを有する。

基板ＳＢは略平板状である。基板ＳＢは、軸方向ＡＤに対して略直交する。基板ＳＢは、配線の印刷されたプリント基板であり、各種電子部品を搭載する。基板ＳＢは、ステータＳＴの少なくとも一部およびロータＲＴの少なくとも一部と軸方向ＡＤに対向し、略水平に配置される。

ケーシングＣＳは、ロータＲＴの少なくとも一部およびステータＳＴを収容する。具体的には、ケーシングＣＳは、軸方向ＡＤ上方に向かって開放される開口を有する。ケーシングＣＳは、略有底筒状であり、熱硬化性の樹脂製の部材である。「略有底筒状」は例えば「略有底円筒状」である。ケーシングＣＳは、ステータＳＴが挿入された金型の内部に、樹脂を流し込むことにより得られる。つまり、ケーシングＣＳは、ステータＳＴをインサートする樹脂成型品である。したがって、ステータＳＴはケーシングＣＳによって固定される。第２軸受保持部２２は、ケーシングＣＳの軸方向ＡＤ底部に固定される。

本実施形態では、ケーシングＣＳは、少なくとも、ステータコア７の径方向ＲＤの外面を樹脂で覆う。一方、ステータコア７の少なくとも径方向ＲＤの内面は、ケーシングＣＳから露出する。また、ケーシングＣＳは、ロータＲＴの少なくとも一部を収容する。

第１カバー部材１は、略板状である。より詳細には、「略円盤状」である。第１カバー部材１は、例えば、金属製である。第１カバー部材１は、ケーシングＣＳの軸方向ＡＤ上方の開口を覆う。そして、第１カバー部材１は、ケーシングＣＳに固定される。一例として、ケーシングＣＳと第１軸受保持部１２とは、単一の部材として構成される。

インシュレータ４は、ステータコア７の少なくとも一部を覆う。一例として、インシュレータ４は、中心軸ＡＸを囲んで配置され、略環状である。「略環状」は、例えば、「略円環状」である。インシュレータ４は電気絶縁体である。インシュレータ４は、単一の部材によって構成されていてもよいし、複数の個別部材によって構成されていてもよい。例えば、インシュレータ４は、ステータＳＴをインサートする樹脂成型品である。また、インシュレータ４は、ステータコア７に対して別途取り付ける構造であってもよい。

次に、図１、図２Ａおよび図２Ｂを参照して、ロータＲＴおよびステータＳＴについてさらに説明する。図２Ａは、本発明の一実施形態に係るロータＲＴおよびステータＳＴを示す平面図である。図２Ｂは、図２Ａの拡大図である。

図２Ａに示すように、ロータＲＴは、１０箇所の磁石部ＭＧと、ロータコア６０とを有する。１０箇所の磁石部ＭＧは、中心軸ＡＸの周囲に周方向ＣＤに配列されている。中心軸ＡＸは、上下に延びる。

ロータコア６０は、磁性体からなる。

ロータコア６０は、複数の磁極部６１を有する。本実施形態では、ロータコア６０は、１０個の磁極部６１を有する。磁極部６１は、例えば、扇形形状である。各々の磁石部ＭＧは、磁石配置部ＳＰ１に収容される。磁石配置部ＳＰ１は、隣り合う磁極部６１の間に設けられる。磁石部ＭＧの材料は、フェライト材である。

ステータＳＴは、ロータＲＴの径方向ＲＤ外側に配置される。ステータＳＴは、複数のコアバック部７２と、複数のティース部７４とを有する。本実施形態では、ステータＳＴはステータコア７を有し、ステータコア７は、複数のコアバック部７２と、複数のティース部７４とを有する。本実施形態では、ステータＳＴは、１２個のコアバック部７２と、１２個のティース部７４とを有する。複数のコアバック部７２は、中心軸ＡＸを中心に、周方向ＣＤに沿って環状に配列される。複数のティース部７４は、複数のコアバック部７２のそれぞれから径方向ＲＤ内方に延びる。本実施形態では、複数のコアバック部７２が周方向に配置された構造であるが、それに代えて、単数の円形状のコアバック部７２で構成されてもよい。

図２Ｂに示すように、磁極部６１の径方向外側面６２は、円弧部６２２と、２つの周部６２４とを有する。円弧部６２２は、中心軸ＡＸを中心とする曲率半径を有する。周部６２４は、円弧部６２２の周方向ＣＤ端部から延びる。本実施形態では、周部６２４は、円弧部６２２とは曲率半径が異なる弧である。なお、周部６２４は、直線状であってもよい。

次に、図２Ｂおよび図３を参照して、１２スロット、１０極のモータＭＴの場合の磁極部６１の好ましい寸法について説明する。図２Ｂにおいて、Ａは円弧部６２２の幅を示し、Ｂは周部６２４の幅を示す。図３は、比率Ｒとコギング改善率および誘起電圧上昇率との関係のシミュレーション結果を示す図である。詳しくは、図３は、図２Ａに示すような、１２スロット、１０極のモータＭＴのシミュレーション結果を示す。図３において、横軸は比率Ｒを示し、縦軸は、コギング改善率および誘起電圧上昇率を示す。比率Ｒは、円弧部６２２の幅をＡとし、周部６２４の幅をＢとしたときに、Ａ／（Ａ＋Ｂ×２）で示される値である。コギング改善率は、コギングの計算結果の中央値を基準とした場合の改善率を示す。誘起電圧上昇率は、比率Ｒが０．２の値を基準とした場合の誘起電圧の上昇率を示す。

図３に示すように、比率Ｒが０．２以上０．２２以下、０．３４以上０．４２以下、０．６４以上０．８以下および０．９以上０．９４以下でコギングトルクが改善している。１０極の場合、比率Ｒは、０．３４以上０．４２以下、または、０．６４以上０．８以下であることが好ましい。比率Ｒが０．３４以上０．４２以下、または、０．６４以上０．８以下である場合、コギングトルクを低減することができる。比率Ｒは、０．６４以上０．８以下であることがより好ましい。比率Ｒが０．６４以上０．８以下である場合、誘起電圧を高くすることができる。したがって、コギングトルクを低減しつつ、モータトルクが高い値を用いることができる。なお、磁石部ＭＧの材料は、フェライト材であることが好ましい。磁石部ＭＧの材料を安価なフェライト材を用いた際、コギングトルクとモータトルクの最適なロータＲＴに適用することができる。

次に、図４を参照して、１２スロット、８極のモータＭＴの場合の磁極部６１の好ましい寸法について説明する。図４は、比率Ｒとコギング改善率および誘起電圧上昇率との関係のシミュレーション結果を示す図である。詳しくは、図４は、１２スロット、８極のモータＭＴのシミュレーション結果を示す。詳しくは、シミュレーションに用いたモータＭＴは、８箇所の磁石部ＭＧと、ロータコア６０とを有する。８箇所の磁石部ＭＧは、中心軸ＡＸの周囲に周方向ＣＤに配列されている。中心軸ＡＸが、上下に延びる。

また、図１～図２Ｂを参照して説明したモータＭＴと同様に、ロータコア６０は、複数の磁極部６１を有する。各々の磁石部ＭＧは、磁石配置部ＳＰ１に収容される。磁石配置部ＳＰ１は、隣り合う磁極部６１の間に設けられる。磁石部ＭＧの材料は、フェライト材である。磁極部６１の径方向外側面６２は、円弧部６２２と、２つの周部６２４とを有する。円弧部６２２は、中心軸ＡＸを中心とする曲率半径を有する。周部６２４は、円弧部６２２の周方向ＣＤ端部から延びる。本実施形態では、周部６２４は、円弧部６２２とは曲率半径が異なる弧である。なお、周部６２４は、直線状であってもよい。

図４において、横軸は比率Ｒを示し、縦軸は、コギング改善率および誘起電圧上昇率を示す。比率Ｒは、円弧部６２２の幅をＡとし、周部６２４の幅をＢとしたときに、Ａ／（Ａ＋Ｂ×２）で示される値である。コギング改善率は、コギングの計算結果の中央値を基準とした場合の改善率を示す。誘起電圧上昇率は、比率Ｒが０．２の値を基準とした場合の誘起電圧の上昇率を示す。

図４に示すように、比率Ｒが０．３４以上０．４４以下、０．６６以上０．９以下でコギングトルクが改善している。８極の場合、比率Ｒは、０．３４以上０．４４以下、または、０．６６以上０．９以下であることが好ましい。比率Ｒが０．３４以上０．４４以下、または、０．６６以上０．９以下である場合、コギングトルクを低減することができる。比率Ｒは、０．６６以上０．９以下であることがより好ましい。比率Ｒが０．６６以上０．９以下である場合、誘起電圧を高くすることができる。したがって、コギングトルクを低減しつつ、モータトルクが高い値を用いることができる。なお、磁石部ＭＧの材料は、フェライト材であることが好ましい。磁石部ＭＧの材料を安価なフェライト材を用いた際、コギングトルクとモータトルクの最適なロータＲＴに適用することができる。

次に、図２Ｂおよび図５を参照して、距離Ｇ（ｇａｐ）を変更した場合のコギング改善率について説明する。図５は、距離Ｇを変更した場合のコギング改善率のシミュレーション結果を示す図である。詳しくは、図５は、１２スロット、１０極のモータＭＴにおいて、距離Ｇを変更した場合のコギング改善率のシミュレーション結果を示す。図２Ｂにおいて、距離Ｇは、ティース部７４の径方向ＲＤ内側最端部７４２と円弧部６２２の径方向ＲＤ外側最端部６２６との距離を示す。

図５において、横軸は比率Ｒを示し、縦軸は、コギング改善率を示す。比率Ｒは、円弧部６２２の幅をＡとし、周部６２４の幅をＢとしたときに、Ａ／（Ａ＋Ｂ×２）で示される値である。コギング改善率は、距離Ｇごとのそれぞれのコギングの計算結果の中央値を基準とした場合の改善率を示す。図５では、距離Ｇが、０．３０ｍｍ、０．３５ｍｍ、０．４０ｍｍ、０．４５ｍｍおよび０．５０ｍｍのシミュレーション結果を示している。

図５に示すように、１０極の場合、比率Ｒが０．６４以上０．８以下で、距離Ｇが０．３０ｍｍ、０．３５ｍｍ、０．４０ｍｍ、０．４５ｍｍおよび０．５０ｍｍのいずれでもコギングトルクが改善している。１０極の場合、距離Ｇは、０．４ｍｍ以上０．５ｍｍ以下であることが好ましい。距離Ｇは、０．４ｍｍ以上０．５ｍｍ以下である場合、比率Ｒが０．６４以上０．８以下でコギングトルクを低減することができる。距離Ｇが０．４ｍｍ以上０．５ｍｍ以下の範囲外である場合、距離Ｇを小さくするとロータとステータとが回転時の振動により接触する可能性があり、距離Ｇを大きくするとトルクの低下に繋がる。

以上、図面（図１～図５）を参照しながら本発明の実施形態を説明した。但し、本発明は、上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の態様において実施することが可能である。図面は、理解しやすくするために、それぞれの構成要素を主体に模式的に示しており、図示された各構成要素の厚み、長さ、個数等は、図面作成の都合上から実際とは異なる。また、上記の実施形態で示す各構成要素の材質や形状、寸法等は一例であって、特に限定されるものではなく、本発明の効果から実質的に逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

本発明は、例えば、ロータおよびモータに利用できる。

６０ ロータコア
６１ 磁極部
６２ 径方向外側面
７２ コアバック部
７４ ティース部
６２２ 円弧部
６２４ 周部
６２６ 径方向外側最端部
７４２ 径方向内側最端部
ＡＸ 中心軸
ＣＤ 周方向
Ｇ 距離
ＭＧ 磁石部
ＭＴ モータ
Ｒ 比率
ＲＤ 径方向
ＲＴ ロータ
ＳＰ１ 磁石配置部
ＳＴ ステータ

Claims (7)

1. 上下に延びる中心軸の周囲に周方向に配列された１０箇所の磁石部と、
   磁性体からなるロータコアと
   を有し、
   前記ロータコアは、複数の磁極部を有し、
   前記各々の磁石部は隣り合う磁極部の間に設けられた磁石配置部に収容され、
   前記磁極部の径方向外側面は、
   前記中心軸を中心とする曲率半径を有する円弧部と、
   前記円弧部の周方向端部から延び、前記円弧部とは曲率半径が異なる弧、または直線状の周部と
   を有し、
   前記円弧部の幅をＡとし、前記周部の幅をＢとし、
   Ａ／（Ａ＋Ｂ×２）で示される比率は、０．３４以上０．４２以下、または、０．６４以上０．８以下である、ロータ。
2. 前記比率は、０．６４以上０．８以下である、請求項１に記載のロータ。
3. 前記磁石部の材料は、フェライト材である、請求項１または請求項２に記載のロータ。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のロータと、
   前記ロータの径方向外側に配置されるステータと
   を有し、
   前記ステータは、
   前記中心軸を中心に、周方向に沿って環状に配列されたコアバック部と、
   前記コアバック部のそれぞれから径方向内方に延びる複数のティース部と
   を有し、
   前記ティース部の径方向内側最端部と前記円弧部の径方向外側最端部との距離は、０．４ｍｍ以上０．５ｍｍ以下である、モータ。
5. 上下に延びる中心軸の周囲に周方向に配列された８箇所の磁石部と、
   磁性体からなるロータコアと
   を有し、
   前記ロータコアは、複数の磁極部を有し、
   前記各々の磁石部は隣り合う磁極部の間に設けられた磁石配置部に収容され、
   前記磁極部の径方向外側面は、
   前記中心軸を中心とする曲率半径を有する円弧部と、
   前記円弧部の周方向端部から延び、前記円弧部とは曲率半径が異なる弧、または直線状の周部と
   を有し、
   前記円弧部の幅をＡとし、前記周部の幅をＢとし、
   Ａ／（Ａ＋Ｂ×２）で示される比率は、０．３４以上０．４４以下、または、０．６６以上０．９以下である、ロータ。
6. 前記比率は、０．６６以上０．９以下である、請求項５に記載のロータ。
7. 前記磁石部の材料は、フェライト材である、請求項５または請求項６に記載のロータ。

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