JP2022121924A - ロータ及びブラシレスモータ - Google Patents

Abstract

【課題】モータ性能を確保しつつ、製造コストを抑えて適切な圧入力で永久磁石を固定する。【解決手段】同一形状の複数の積層コア２９から構成され、回転中心側に軸孔２１を持つ柱状のコア本体２０と、コア本体２０の軸孔２１の周囲において軸方向に貫設されるとともに周方向に円形状に並設された複数の磁石収容孔２２のそれぞれに収容されて固定される複数の永久磁石２５と、一つの磁石収容孔２２に一つずつ設けられた突起部２３とを備える。突起部２３は、周方向に沿って突出し、磁石収容孔２２に収容された永久磁石２５に対して径方向内側から圧接する。また、各突起部２３は、各磁石収容孔２２の径方向内側面２２ａから周方向に沿って延出する突起形成空間２５によって形作られており、突起部２３及び突起形成空間２４の少なくとも一方は、磁極中心であるｄ軸上に位置する。【選択図】図６

Description

本発明は、コア本体の内部に永久磁石が配置されたロータ、及び、このロータを備えたブラシレスモータに関する。

従来、コア本体の内部に永久磁石を配置した所謂ＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）ロータが知られている。このようなロータでは、ロータの回転により生じる遠心力が永久磁石に作用することで永久磁石が移動し、振動や騒音の要因となったり、永久磁石の破損の原因となったりするおそれがある。このため、ＩＰＭロータにおいては、永久磁石をコア本体に確実に固定することが求められており、これまでもさまざまな方法が提案されている。

例えば、特許文献１には、磁石（永久磁石）を配置する貫通孔において、径方向に突状をなして磁石を圧入固定する圧入用突起と、圧入用突起を挟んで磁石から径方向に離隔した位置に形成される切り込み部をと備えるロータコア（コア本体）が開示されている。特許文献１によれば、圧入用突起により磁石を圧入固定しつつ、切り込み部により磁石への過度の圧力付与が抑えられるとされている。

また、特許文献２には、磁石が挿入される穴部にバネ板部が設けられた第１コアシートと、第１コアシートのバネ板部が設けられている部位に対応する位置に凹部が設けられた第２コアシートとを備え、これらのコアシートが積層されて構成されるＩＰＭロータが開示されている。係る構成により、ＩＰＭロータに磁石が挿入される際に、磁石によって押し曲げられたバネ板部が第２コアシートの凹部に逃げることができるとともに、バネ板部の復元力によって磁石を保持することができるとされている。

特許第５９１８９５８号公報 再表２０１８－１８９８２２号公報

しかしながら、特許文献１の構成では、圧入力が大きくなりすぎてしまい、ロータコアへの磁石挿入時にロータコアが削れてカスが発生し得る。また、特許文献２は、異なる形状のコアシートを積層する構成であるため、転積が必要となり、金型費用の増大を招く。さらに、突起や凹部等の位置によっては磁束の流れを妨げる可能性があり、モータの性能確保という観点から、これらの配置は重要である。

なお、磁石の固定方法としては、突起等を形成せず接着剤を用いる方法も考えられる。しかし、接着剤による固定方法は、接着剤の種類によっては塗布専用の設備が必要となることがあり、また、液状の接着剤の場合は硬化するまでに時間がかかるため生産効率の向上を図るうえでは好ましくない。また、一般的に、接着剤には消耗期限があるため、接着剤の管理（保管）にも注意を必要とする。

本件は、このような課題に鑑み案出されたもので、モータ性能を確保しつつ、製造コストを抑えて適切な圧入力で永久磁石を固定できるロータ及びブラシレスモータを提供することを目的の一つとする。なお、この目的に限らず、後述する発明を実施するための形態に示す各構成により導かれる作用効果であって、従来の技術によっては得られない作用効果を奏することも本件の他の目的である。

（１）ここで開示するロータは、同一形状の複数の積層コアから構成され、回転中心側に軸孔を持つ柱状のコア本体と、前記コア本体の前記軸孔の周囲において軸方向に貫設されるとともに周方向に円形状に並設された複数の磁石収容孔のそれぞれに収容されて固定される複数の永久磁石と、一つの前記磁石収容孔に一つずつ設けられるとともに周方向に沿って突出し、前記磁石収容孔に収容された前記永久磁石に対して径方向内側から圧接する突起部と、を備える。各々の前記突起部は、各々の前記磁石収容孔の径方向内側面から周方向に沿って延出する突起形成空間によって形作られており、前記突起部及び前記突起形成空間の少なくとも一方が、磁極中心であるｄ軸上に位置する。
すなわち、一つの永久磁石に対し一つの突起部が設けられており、各突起部はｄ軸に関し非対称に設けられる。

（２）前記突起部における突出方向に直交する幅方向の長さは、一枚の前記積層コアの板厚の二倍以下であることが好ましい。
（３）前記突起部の前記幅方向の長さは、前記板厚以上であることが好ましい。
（４）前記突起部の突出方向の長さは、前記突起部における前記突出方向に直交する幅方向の長さよりも長いことが好ましい。

（５）また、ここで開示するモータは、上記（１）～（４）のいずれか一つに記載のロータと、前記ロータと一体回転するシャフトと、ハウジングに固定され、前記ロータが配置される空間を内径側に持つとともにコイルを有するステータと、を備えている。

開示のロータ及びブラシレスモータによれば、突起部が弾性変形しやすくなるため、適切な圧入力でコア本体に永久磁石を固定することができる。また、突起部及び突起形成空間が磁束の流れを妨げることがないため、性能を確保できる。加えて、特殊な金型や専用設備が不要なため、製造コストを抑えることができる。

実施形態に係るブラシレスモータの斜視図である。 図１のブラシレスモータの軸方向に沿う断面図である。 図１のブラシレスモータのロータ及びステータを示す分解斜視図である。 図３のロータを構成する積層コアを説明するための図である。 図３のロータの磁極及び磁束の流れを説明するための図である。 （ａ）は図４のＡ部拡大図であり、（ｂ）は図６（ａ）にマグネットが圧入されたロータコアを示す図である。 （ａ）～（ｃ）は比較例を説明するための図〔図６（ａ）に対応する図〕である。

図面を参照して、実施形態としてのロータ及びブラシレスモータについて説明する。以下に示す実施形態はあくまでも例示に過ぎず、以下の実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。本実施形態の各構成は、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。また、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせることができる。

［１．構成］
図１は、本実施形態に係るブラシレスモータ１（以下「モータ１」という）の斜視図であり、図２はモータ１の軸方向断面図である。モータ１は、インナーロータ型のブラシレスＤＣモータであり、モータ１の外郭をなすハウジング４に、シャフト１０が固定されたロータ２と、ハウジング４に固定されたステータ３とを内蔵して構成される。ハウジング４は、軸方向の両端が開口した筒型であり、一端側（図２中の右側）の開口にはエンドベル１５が固定され、他端側（出力側，図２中の左側）の開口にはフロントベル１４が固定される。なお、本実施形態のハウジング４は、その外観形状が略直方体であるが、ハウジング４の形状はこれに限られない。

図３は、本実施形態のロータ２をステータ３から分解して示す斜視図であり、シャフト１０及びハウジング４等は省略している。図２及び図３に示すように、ステータ３は、内径側にロータ２が配置される空間を持つ略円筒状の部品であり、ハウジング４に圧入固定される環状のステータコア３０と、ステータコア３０に対してインシュレータ３１を介して巻回されたコイル３２と、を備える。本実施形態のステータ３は、図１及び図２に示すように、コイル３２に接続される電源入力用のリード線６と、センサ信号入出力用のリード線７と、リード線６を支持するリード線止め部品５と、ロータ２の回転位置に応じた信号を検出する回転検出素子を有する基板８とを備える。なお、ステータ３の構成はこれに限られず、例えばリード線止め部品５を省略してもよいし、基板８を支持する部品が別途設けられていてもよい。

図２及び図３に示すように、ロータ２は、回転中心Ｃ回りにシャフト１０と一体回転するロータコア２０（コア本体）、及び、ロータコア２０の内部に固定された複数のマグネット２５（永久磁石）とを備えたＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）ロータである。シャフト１０は、ロータ２を支持する回転軸であり、モータ１の出力（機械エネルギ）を外部に取り出す出力軸としても機能する。シャフト１０には、ロータ２を挟んだ二箇所に軸受１１，１２が設けられる。本実施形態では、軸受１１がフロントベル１４に固定されてシャフト１０の中間部を回転自在に支持し、軸受１２がエンドベル１５に固定されてシャフト１０の端部（図中右端部）を回転自在に支持する。

ロータコア２０は、複数の積層コア２９を軸方向に積層することで構成される。図４に、本実施形態の積層コア２９の平面図及び側面図を並べて示す。積層コア２９は、回転中心Ｃ側にシャフト１０が固定される軸孔２１を持つ薄板の電磁鋼板であり、全て同一形状に形成される。積層コア２９の軸孔２１の周囲には、複数の磁石収容孔２２が軸方向に貫設される。磁石収容孔２２は、マグネット２５が収容されて固定される貫通孔であり、マグネット２５の個数と同数だけ設けられる。本実施形態のロータ２では、マグネット２５及び磁石収容孔２２がいずれも１４個であるが、個数はこれに限られない。

複数の磁石収容孔２２は、積層コア２９の外周に沿うように、軸方向から見て周方向に円形状に並設される。複数のマグネット２５は、一つの磁石収容孔２２に一つずつ収容されるが、図５に示すように、周方向に隣接するマグネット２５の磁極（Ｎ極，Ｓ極）が互いに逆になるように配置される。これにより、隣接するマグネット２５同士の間に図中破線の矢印で示すような磁束の流れが生じる。

本実施形態の磁石収容孔２２は、図４及び図６（ａ）に示すように、軸方向から見て、径方向に直交する方向に長く、且つ、角部にＲを持つ等脚台形状となっており、径方向外側の面（台形の「上底」又は「下底」に相当する部分）が径方向内側の面（台形の「下底」又は「上底」に相当する部分）よりも広い。周方向に隣接する二つの磁石収容孔２２は、隣接する端面（径方向に延在する面であって台形の「脚」に相当する部分）同士が互いに平行で、且つ、これら二つの端面の間に隙間をあけて設けられる。この隙間部分は、磁極境界であるｑ軸（図５参照）と重なる。

マグネット２５は、図２及び図３に示すように、ロータコア２０の軸方向長さと同等の軸方向長さを持つ直方体形状である。より具体的には、図６（ｂ）に示すように、軸方向から見て、マグネット２５の軸方向端面の長方形の高さ（径方向寸法）は、磁石収容孔２２の台形の「高さ」に相当する径方向長さと同等であり、長方形の幅（径方向に直交する方向の寸法）は、磁石収容孔２２の「脚」に相当する面との間に僅かな隙間を形成する程度である。マグネット２５は、接着剤を使用せず、圧入によってロータコア２０に固定される。ロータ２には、マグネット２５を圧入固定するための突起部２３と、突起部２３を形成するための突起形成空間２４とが設けられる。

図４及び図６（ａ）に示すように、突起部２３は、一つの磁石収容孔２２に一つずつ設けられており、磁石収容孔２２及びマグネット２５の各個数と同数だけ設けられる。突起部２３は、磁石収容孔２２の径方向内側面２２ａ（以下「内側面２２ａ」という）において周方向に沿って突設される。つまり、突起部２３の突出方向はおもに周方向成分であり、軸方向から見て磁石収容孔２２の内側面２２ａに沿うように延び、磁極中心であるｄ軸に関して非対称形状に形成される。本実施形態の突起部２３は、軸方向から見て、ｄ軸に向かって突設されており、突起部２３の一部が磁石収容孔２２の内側に入り込んで設けられる。

図６（ｂ）に示すように、突起部２３は、磁石収容孔２２にマグネット２５が収容される際に回転中心Ｃ側に向かって弾性変形し、磁石収容孔２２に収容されたマグネット２５に対して径方向内側から圧接する。これにより、突起部２３は、図中白抜き矢印で示すように、マグネット２５を径方向外側に向かって押圧し、マグネット２５を磁石収容孔２２内に固定する。

図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、突起部２３は、磁石収容孔２２の内側面２２ａから周方向に沿って延出する突起形成空間２４によって形作られている。突起形成空間２４は、軸方向に貫通するとともに磁石収容孔２２と連通した切欠き（孔部）であり、突起部２３の径方向内側に設けられる。突起部２３及び突起形成空間２４の少なくとも一方は、ｄ軸上に位置する。本実施形態では、突起形成空間２４がｄ軸に重なって設けられており、突起部２３はｄ軸に近接して設けられる。このように、突起部２３及び突起形成空間２４がいずれもマグネット２５の幅方向（径方向に直交する方向）の中央付近に設けられるため、磁束の流れ（図中破線矢印）を妨げることがない。なお、位置決め孔２６は、突起形成空間２４と隙間をあけて、ｄ軸付近に形成される。

図６（ａ）に示すように、本実施形態のロータ２では、突起部２３の突出方向の長さＬ（以下「突出長さＬ」という）が、突起部２３の突出方向に直交する幅方向の長さＷ（以下「幅寸法Ｗ」という）よりも長い。これにより、突起部２３が弾性変形しやすくなり、圧入力が過大になることがない。また、本実施形態の突起部２３は、その幅寸法Ｗが、一枚の積層コア２９の板厚Ｔ（図４参照）の二倍以下に形成される。突起部２３の幅寸法Ｗが長いほど圧入力が増大するため、板厚Ｔの二倍以下に設定することで圧入力の過大を抑制する。さらに本実施形態では、突起部２３の幅寸法Ｗが板厚Ｔ以上に設定され、通常のプレス加工を可能とする。

［２．作用，効果］
（１）上述したロータ２では、突起部２３が、径方向ではなく周方向に沿って突設される（突起部２３の突出方向に周方向成分を含む）ため、突起部２３が弾性変形しやすくなり、マグネット２５を圧入する際の圧入力を適切化することができる。これにより、圧入力が過大な場合に生じる「カスの発生」という課題を解決できる。

また、比較例として示す図７（ａ）のように、突起部のないロータコア５０Ｘにマグネット（図示略）を圧入固定する場合には、磁石収容孔５２の形状をマグネット（図示略）の外形よりもわずかに小さくして圧入代を設けることになるが、この場合、圧入力が過大となってカスが生じてしまう。これに対し、上述したロータ２（ロータコア２０）であれば、突起部２３の形状を工夫することで、上記のとおり圧入力の適正化を図ることができるため、カスが発生することがない。

また、上述したロータ２では、突起部２３及び突起形成空間２４がいずれもｄ軸近傍の中央付近に配置されるため、磁束の流れを阻害しない。これにより、磁束の低下を防止でき、モータ１の性能を確保することができる。

ここで、比較例として、二つの突起部５３Ｙを持つロータコア５０Ｙを図７（ｂ）に示し、二つの突起部５３Ｚを持つロータコア５０Ｚを図７（ｃ）に示す。これらのロータコア５０Ｙ，５０Ｚでは、二つの突起部５３Ｙ，５３Ｚがそれぞれ内側面５２ａから周方向に突出している点は上記のロータコア２０の突起部２３と同様であるが、その個数が二つである点、及び、その配置がｄ軸に関し面対称である点が異なる。

より具体的には、図７（ｂ）に示すロータコア５０Ｙは、二つの突起部５３Ｙが互いに離隔するとともにｄ軸に向かって突設されており、突起形成空間５４Ｙが内側面５２ａから径方向内側かつｑ軸（図示略）に向かって延出されている。また、図７（ｃ）に示すロータコア５０Ｚは、二つの突起部５３Ｚが互いに離隔するとともにｑ軸に向かって突設されており、突起形成空間５４Ｚが内側面５２ａから径方向内側かつｄ軸に向かって延出されている。なお、位置決め孔５６はｄ軸上に形成されている。

これらのロータコア５０Ｙ，５０Ｚを持つ各ロータについて磁束低下率をシミュレーションした結果、図７（ｂ）のロータコア５０Ｙを持つロータでは、磁束低下率が３．７％となり、図７（ｃ）のロータコア５０Ｚを持つロータでは、磁束低下率が２．１％となった。なお、磁束低下率とは、突起部が存在しないロータコア〔例えば図７（ａ）のようなロータコア〕を持つロータの磁束を基準とし、この磁束に対して低下した割合（％）を意味する。

すなわち、図７（ｂ）に示すように、二つの突起部５３Ｙを一つの磁石収容孔５２に対し二つずつ設ける場合、二つの突起部５３Ｙは互いに離隔して配置されるため、各突起部５３Ｙは、図中二点鎖線で示すように、磁束の流れ（磁束の通り道）と重なってしまう。このため、突起部５３Ｙ及び突起形成空間５４Ｙが磁束の流れを阻害してしまい、磁束低下率が高くなり、ひいてはモータの性能低下を招くことになる。なお、図７（ｃ）のロータコア５０Ｚでも同様の理由から磁束低下率が高くなる。

このような課題に対し、上述したロータ２では、上記のとおり、突起部２３及び突起形成空間２４が磁束の流れを阻害しない配置となっている。図７（ｂ）及び（ｃ）と同様のシミュレーションを、上述したロータコア２０を持つロータ２に対して行った結果、ロータ２では、磁束低下率が０．０％になることが判明した。したがって、ロータ２を備えたモータ１によれば、モータ１の性能を確保することができる。

また、上述したロータコア２０を構成する複数の積層コア２９は全て同一形状であるため、特許文献２のような転積が不要である。このため、金型費用の増大を招くことがなく、製造コストを抑制できる。さらに、マグネット２５をロータコア２０に固定する際に接着剤を使用しないため、接着剤を使う場合に生じるデメリット、例えば、乾燥時間が必要であること、専用の設備が必要であること、接着剤の消耗期限の管理等が存在しないということも、上述したロータ２及びモータ１によるメリットである。

（２）上述したロータ２及びモータ１では、突起部２３の幅寸法Ｗが一枚の積層コア２９の板厚Ｔの二倍以下であるため、圧入力が過大になることを防止でき、マグネット２５の圧入時におけるカスの発生を防止できる。
（３）さらに、上記の突起部２３は、その幅寸法Ｗが板厚Ｔ以上である（すなわち、「Ｔ≦Ｗ≦２×Ｔ」である）ため、特殊な金型などを用いることなく通常のプレス加工によって積層コア２９を形成できる。このため、製造コストを抑えることができる。

（４）また、上述したロータ２及びモータ１では、突起部２３の突出長さＬが幅寸法Ｗよりも長いため、圧入力が過大になることを防ぎつつ突起部２３の弾性変形に伴うバネ力を確保することができる。

［３．その他］
上述の実施形態で説明したロータ２及びモータ１の構成は一例であって、上述したものに限られない。例えば、突起部２３がｄ軸と重なる位置に設けられていてもよいし、突起部２３の突出長さＬ及び幅寸法Ｗが上記と異なる寸法に設定されていてもよい。
またステータ３及びハウジング４等の各形状や各構成は上述したものに限られない。

１ モータ（ブラシレスモータ）
２ ロータ
３ ステータ
４ ハウジング
１０ シャフト
２０ ロータコア（コア本体）
２１ 軸孔
２２ 磁石収容孔
２２ａ 内側面（径方向内側面）
２３ 突起部
２４ 突起形成空間
２５ マグネット（永久磁石）
２５ａ 径方向内側の側面
２９ 積層コア
Ｃ 回転中心
Ｌ 突起部の突出長さ（突出方向の長さ）
Ｔ 積層コアの板厚
Ｗ 突起部の幅寸法（幅方向の長さ）

Claims (5)

1. 同一形状の複数の積層コアから構成され、回転中心側に軸孔を持つ柱状のコア本体と、
   前記コア本体の前記軸孔の周囲において軸方向に貫設されるとともに周方向に円形状に並設された複数の磁石収容孔のそれぞれに収容されて固定される複数の永久磁石と、
   一つの前記磁石収容孔に一つずつ設けられるとともに周方向に沿って突出し、前記磁石収容孔に収容された前記永久磁石に対して径方向内側から圧接する突起部と、を備え、
   各々の前記突起部は、各々の前記磁石収容孔の径方向内側面から周方向に沿って延出する突起形成空間によって形作られており、
   前記突起部及び前記突起形成空間の少なくとも一方が、磁極中心であるｄ軸上に位置する
   ことを特徴とする、ロータ。
2. 前記突起部における突出方向に直交する幅方向の長さは、一枚の前記積層コアの板厚の二倍以下である
   ことを特徴とする、請求項１記載のロータ。
3. 前記突起部の前記幅方向の長さは、前記板厚以上である
   ことを特徴とする、請求項２記載のロータ。
4. 前記突起部の突出方向の長さは、前記突起部における前記突出方向に直交する幅方向の長さよりも長い
   ことを特徴とする、請求項１～３のいずれか１項に記載のロータ。
5. 請求項１～４のいずれか１項に記載のロータと、
   前記ロータと一体回転するシャフトと、
   ハウジングに固定され、前記ロータが配置される空間を内径側に持つとともにコイルを有するステータと、を備えた
   ことを特徴とする、ブラシレスモータ。

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