JP2024024494A - モータ - Google Patents

Abstract

【課題】コギングトルクを抑制する。【解決手段】モータは、ロータと、ステータと、を備える。前記ロータは、ヨークと、径方向において、前記ヨークと対向する第１マグネットと、前記径方向において、前記ステータと対向する第２マグネットと、を有する。前記径方向において、前記第１マグネットは、前記第２マグネットと対向する。前記第２マグネットは、前記第１マグネットと対向し、前記第１マグネットの前記第２マグネットと対向する極と異なる極と、前記第１マグネットと対向し、前記第１マグネットの前記第２マグネットと対向する極と同じ極と、を有する。【選択図】図４

Description

本発明は、モータに関する。

モータ分野において、従来から、高出力を目的として、磁束密度の大きいマグネットを使用している（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３－０８８０５７号公報

しかしながら、上記のようなマグネットを使用すると、表面磁束密度の波形によってはコギングトルクが大きくなるおそれがある。つまり、従来のモータには、コギングトルクの抑制に関して改善の余地がある。

本発明は、上記の課題に鑑み、コギングトルクを抑制することができるモータを提供することにある。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るモータは、ロータと、ステータと、を備え、前記ロータは、ヨークと、径方向において、前記ヨークと対向する第１マグネットと、前記径方向において、前記ステータと対向する第２マグネットと、を有し、前記径方向において、前記第１マグネットは、前記第２マグネットと対向し、前記第２マグネットは、前記第１マグネットと対向し、前記第１マグネットの前記第２マグネットと対向する極と異なる極と、前記第１マグネットと対向し、前記第１マグネットの前記第２マグネットと対向する極と同じ極と、を有する。

一つの態様によれば、本発明に係るモータによれば、コギングトルクを抑制することができる。

図１は、本実施形態に係るモータの斜視図である。 図２は、図１に示すモータが有するステータの斜視図である。 図３は、図１に示すモータが有するロータの斜視図である。 図４は、図３に示すロータの一部の平面図である。 図５は、図４に示す第１マグネットの表面磁束密度と、ロータの回転角度との関係を示すグラフである。 図６は、図４に示す第２マグネットの表面磁束密度と、ロータの回転角度との関係を示すグラフである。 図７は、第１マグネットに第２マグネットを取り付けた状態における表面磁束密度と、ロータの回転角度との関係を示すグラフである。

以下に、実施形態に係るモータを図面に基づいて詳細に説明する。なお、図面における各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実と異なる場合がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。

図１は、本実施形態に係るモータ１の斜視図である。図２は、図１に示すモータ１が有するステータ２の斜視図である。図３は、図１に示すモータ１が有するロータ３の斜視図である。図４は、図３に示すロータ３の一部の平面図である。

各図面において、説明を容易にするため、後述するシャフト３１が延びる方向を軸方向Ａと言い、後述するロータ３が回転する方向を周方向Ｃと言い、軸方向Ａに対して直交する平面に含まれ、かつ、シャフト３１の軸心３１ｏを通過し、周方向Ｃに直交する方向を径方向Ｒと言う。

実施形態に係るモータ１は、例えば三相交流電源からの電気エネルギーを、シャフト３１の周方向Ｃへ回転する駆動力に変換する電動機である。つまり、モータ１は、三相交流モータである。また、本実施形態に係るモータ１は、例えばインナーロータ型のブラシレスモータである。モータ１は、例えば、図示しないフレームに収容される。モータ１は、図１に示すように、例えばステータ２と、ロータ３と、を備える。

ステータ２は、ロータ３を周方向Ｃへ回転させるための力を発生させる部分である。ステータ２は、例えば図２に示すように、筒部としてのステータヨーク２１と、磁極部としてのティース２２と、コイル２３と、を備える。なお、図２において、ティース２２の形状を明示するため、ティース２２に設けられる３つのコイル２３を省略してある。

ステータヨーク２１やティース２２は、例えば鉄などの磁性材料で円筒状に形成される。また、ティース２２は、ステータヨーク２１の内周面から、径方向Ｒの内側へ突出する
形状を備えている。コイル２３は、例えば、電線をティース２２に巻くことで形成される。本実施形態に係るコイル２３は、例えば電線をティース２２に集中巻きすることで形成される。また、本実施形態に係るステータ２は、例えば１つのステータヨーク２１と、６つのティース２２と、６つのコイル２３と、を備える。

ロータ３は、図１に示すモータ１において回転軸であるシャフト３１を中心に回転可能に設けられる。本実施形態に係るロータ３は、図３に示すように、シャフト３１と、ロータヨーク（ヨーク）３２と、第１マグネット３３と、第２マグネット３４と、を備える。

シャフト３１は、回転軸であって、ロータ３における径方向Ｒの最も内側において円柱状に形成される。ロータヨーク３２は、例えば鉄などの磁性材料で円筒状に形成される。そして、ロータヨーク３２の内周面は、シャフト３１の外周面に接触するように配置される。

第１マグネット３３は、例えば、焼結または樹脂で円筒状に形成される。そして、第１マグネット３３の内周面は、ロータヨーク３２の外周面に接触するように配置される。つまり、第１マグネット３３は、径方向Ｒにおいてロータヨーク３２と対向する。その上、第１マグネット３３は、径方向Ｒにおいて第２マグネット３４を介してステータ２と対向する（図１参照）。

また、第１マグネット３３の外周面は、第２マグネット３４の内周面に接触するように配置される。つまり、第１マグネット３３は、第２マグネット３４の径方向内側に配置され、径方向Ｒにおいて、第１マグネット３３と第２マグネット３４とが接触する。つまり、本実施形態に係るロータ３は、径方向Ｒにおいてマグネット３３、３４を２重構造に配置してある。

径方向Ｒにおいて、図４に示すように、第１マグネット３３の厚さｔ３３は、第２マグネット３４の厚さｔ３４よりも厚い。逆に言うと、第２マグネット３４の厚さｔ３４は、第１マグネット３３の厚さｔ３３よりも薄い。さらに、第１マグネット３３の磁束密度は、第２マグネット３４の磁束密度よりも大きい。

第１マグネット３３は、周方向Ｃに着磁され、複数の第１磁極（第１マグネット３３の極）３３ａと、複数の第２磁極（第１マグネット３３の極）３３ｂと、を有する。より具体的に説明すると、軸方向Ａから視た場合、第１磁極３３ａと第２磁極３３ｂとは、周方向Ｃにおいて交互に配置される。本実施形態に係る第１マグネット３３は、例えば、４つの第１磁極３３ａと、４つの第２磁極３３ｂとを有する。

第２マグネット３４は、例えば、焼結または樹脂で円筒状に形成される。そして、第２マグネット３４の内周面は、第１マグネット３３の外周面に接触するように配置される。その上、第２マグネット３４は、径方向Ｒにおいて第１マグネット３３を介してロータヨーク３２と対向する。また、第２マグネット３４は、径方向Ｒにおいてステータ２と対向する（図１参照）。

第２マグネット３４は、周方向Ｃに着磁され、複数の第３磁極３４ａと、複数の第４磁極３４ｂと、複数の第５磁極３４ｃと、複数の第６磁極３４ｄと、複数の第７磁極３４ｅと、複数の第８磁極３４ｆと、を有する。より具体的に説明すると、軸方向Ａから視た場合、第３磁極３４ａ、第４磁極３４ｂ、第５磁極３４ｃ、第６磁極３４ｄ、第７磁極３４ｅ、および、第８磁極３４ｆは、上述した記載の順番に周方向Ｃに沿って繰り返して配置される。本実施形態に係る第２マグネット３４は、例えば、４つの第３磁極３４ａと、４つの第４磁極３４ｂと、４つの第５磁極３４ｃと、４つの第６磁極３４ｄと、４つの第７磁極３４ｅと、４つの第８磁極３４ｆと、を有する。

次に、径方向Ｒにおいて、第１マグネット３３の第１磁極３３ａに対向する第２マグネット３４の磁極について説明する。第１マグネット３３の第１磁極３３ａには、径方向Ｒにおいて、第３磁極３４ａと、第４磁極３４ｂと、第５磁極３４ｃと、が対向する。

第１マグネット３３における第１磁極３３ａは、例えばＮ極である。そして、第１マグネット３３の第１磁極３３ａに対して径方向Ｒに対向する第２マグネット３４の第３磁極３４ａと第５磁極３４ｃとはＳ極である。つまり、第２マグネット３４は、第１マグネット３３と対向し、第１マグネット３３の第２マグネット３４と対向する極（第１マグネット３３における第１磁極３３ａであるＮ極）と異なるＳ極（第２マグネット３４の第３磁極３４ａおよび第５磁極３４ｃ）を有する。

その上、第１マグネット３３の第１磁極３３ａ（Ｎ極）に対して径方向Ｒに対向する第２マグネット３４の第４磁極３４ｂはＮ極である。つまり、第２マグネット３４は、第１マグネット３３と対向し、第１マグネット３３の第２マグネット３４と対向する極（第１マグネット３３における第１磁極３３ａであるＮ極）と同じＮ極（第２マグネット３４の第４磁極３４ｂ）も有する。

次いで、径方向Ｒにおいて、第１マグネット３３における第２磁極３３ｂに対向する第２マグネット３４の磁極について説明する。第１マグネット３３の第２磁極３３ｂには、径方向Ｒにおいて、第６磁極３４ｄと、第７磁極３４ｅと、第８磁極３４ｆと、が対向する。

第１マグネット３３における第２磁極３３ｂは、例えばＳ極である。そして、第１マグネット３３の第２磁極３３ｂに対して径方向Ｒに対向する第２マグネット３４の第６磁極３４ｄと第８磁極３４ｆとはＮ極である。つまり、第２マグネット３４は、第１マグネット３３と対向し、第１マグネット３３の第２マグネット３４と対向する極（第１マグネット３３における第２磁極３３ｂであるＳ極）と異なる極（第２マグネット３４の第６磁極３４ｄおよび第８磁極３４ｆ）を有する。

その上、第１マグネット３３の第２磁極３３ｂ（Ｓ極）に対して径方向Ｒに対向する第２マグネット３４の第７磁極３４ｅはＳ極である。つまり、第２マグネット３４は、第１マグネット３３と対向し、第１マグネット３３の第２マグネット３４と対向する極（第１マグネット３３における第２磁極３３ｂであるＳ極）と同じ極（第２マグネット３４の第７磁極３４ｅ）も有する。

つまり、本実施形態に係る第２マグネット３４は、第１マグネット３３の１つの極に対向する極として、１つの極と異なる極と、１つの極と同じ極と、を有する。

上述したように、第２マグネット３４の極数は、第１マグネット３３の極数よりも大きい。本実施形態に係るロータ３は、例えば第２マグネット３４が２４極で構成され、第１マグネット３３が８極で構成される。つまり、本実施形態に係るロータ３において、第２マグネット３４の極数は、第１マグネット３３の極数の３倍（奇数倍）した値である。

次に、上記のように構成した第１マグネット３３の表面磁束密度と、ロータ３の回転角度との関係について図５を用いて説明する。図５は、図４に示す第１マグネット３３の表面磁束密度と、ロータ３の回転角度との関係を示すグラフである。

図５に示すように、第１マグネット３３の表面磁束密度と、ロータ３の回転角度との関係を示すグラフは、特定の基本波と、当該基本の３倍の周期を持つ高調波とを合わせた形状である。

次に、上記のように構成した第２マグネット３４の表面磁束密度と、ロータ３の回転角度との関係について図６を用いて説明する。図６は、図４に示す第２マグネット３４の表面磁束密度と、ロータ３の回転角度との関係を示すグラフである。

図６に示すように、第２マグネット３４の表面磁束密度と、ロータ３の回転角度との関係を示すグラフは、図５に示すグラフにおける基本波の３倍の周期である。また、図６に示す、第２マグネット３４の表面磁束密度と、ロータ３の回転角度との関係を示すグラフは、図５に示すグラフにおける３倍の周期を持つ高調波と同一の周期であって、磁極の向きが反対である。

次に、第１マグネット３３に第２マグネット３４を取り付けた状態における表面磁束密度と、ロータ３の回転角度との関係について図７を用いて説明する。図７は、第１マグネット３３に第２マグネット３４を取り付けた状態における表面磁束密度と、ロータ３の回転角度との関係を示すグラフである。

上記のように第１マグネット３３および第２マグネット３４を構成することで、図５に示す第１マグネット３３のグラフの高調波が、第２マグネット３４のグラフで相殺されるため、図７に示すグラフは、正弦波のような滑らかな曲線となる。ロータ３の表面磁束密度が、図７に示すグラフのように、正弦波のような滑らかな曲線となると、磁束密度の変化を緩やかにすることによってコギングトルクを抑制することができる。一方、ロータ３で形成される表面磁束密度のグラフが、特許文献１の図７に示されるような矩形波に近い曲線では、磁束密度の変化が急であることによって、コギングトルクが大きくなる。本実施形態に係るロータ３は、径方向Ｒにおいて第１マグネット３３の１つの磁極に、第２マグネット３４の３つの磁極を対向させることで、第１マグネット３３の磁極で形成される磁束の高調波を第２マグネット３４の磁極で形成される磁束によって相殺する。その結果、本実施形態に係るモータ１は、コギングトルクを抑制することができる。

以上説明したように、本実施形態に係るモータ１において、ロータ３は、径方向Ｒにおいて、ロータヨーク３２と対向する第１マグネット３３と、径方向Ｒにおいて、ステータ２と対向する第２マグネット３４と、を有する。径方向Ｒにおいて、第１マグネット３３は、第２マグネット３４と対向する。第２マグネット３４は、第１マグネット３３と対向し、第１マグネット３３の第２マグネット３４と対向する磁極と異なる磁極と、第１マグネット３３と対向し、第１マグネット３３の第２マグネット３４と対向する磁極と同じ磁極と、を有する。その上、第２マグネット３４の極数は、第１マグネット３３の極数を奇数倍した値である。そのため、本実施形態に係るモータ１は、第１マグネット３３の磁極で形成される磁束の高調波を第２マグネット３４の磁極で形成される磁束によって相殺することができる。その結果、本実施形態に係るモータ１は、コギングトルクを抑制することができる。

本実施形態に係るモータ１において、径方向Ｒにおいて、第１マグネット３３の厚さｔ３３は、第２マグネット３４の厚さｔ３４よりも厚い。そのため、第１マグネット３３が形成する磁束密度を、第２マグネット３４が形成する磁束密度よりも大きくしてモータ１の効率を向上することができる。

本実施形態に係るモータ１において、第１マグネット３３と第２マグネット３４とが接触する。そのため、第１マグネット３３と第２マグネット３４との間で、第１マグネット３３の磁束密度が小さくなることを抑制することができるため、モータ１の効率を向上することができる。

本実施形態に係るモータ１において、第１マグネット３３の磁束密度は、第２マグネット３４の磁束密度よりも大きい。そのため、モータ１の効率を向上することができる。

なお、上述した実施形態に係るモータ１は、例えばインナーロータ型のブラシレスモータに適用したものを説明したが、これに限られない。本実施形態に係るモータ１は、例えばアウターロータ型のモータに適用することができる。

また、本実施形態に係るモータ１は、三相交流モータを説明した。しかし、本実施形態に係るモータ１は、それに限られない。

さらに、本実施形態に係るステータ２は、６つのティース２２と、６つのコイル２３と、を備えるものを説明した。しかし、本実施形態に係るステータ２において、ティース２２の個数、および、コイル２３の個数は、それらに限られず、任意の個数に設定することができる。

また、上述した実施形態に係るロータ３において、第１マグネット３３の極数が８個のものを説明した。しかし、本実施形態に係るロータ３において、第１マグネット３３の極数は、それに限られず、任意の個数に設定することができる。

さらに、上述した実施形態に係るロータ３において、第２マグネット３４の極数が２４個のものを説明した。しかし、本実施形態に係るロータ３において、第２マグネット３４の極数は、それに限られず、任意の個数に設定することができる。

また、上述した実施形態に係るロータ３において、第２マグネット３４の極数は、第１マグネット３３の極数の３倍であるものを説明した。しかし、本実施形態に係るロータ３は、それに限られない。例えば、本実施形態に係るロータ３において、第２マグネット３４の極数は、第１マグネット３３の極数の５倍、７倍等の奇数倍に設定することができる。より具体的に説明すると、第１マグネット３３の表面磁束密度を表すグラフに、特定の基本波と、当該基本の５倍の周期を持つ高調波とが含まれる場合、第２マグネット３４の極数は、第１マグネット３３の極数の５倍とし、かつ、第１マグネット３３の１つの極に対して径方向Ｒに第２マグネット３４の５つの極を対向させる（さらに詳細に説明すると、第２マグネット３４の５つの極のうち、第１マグネット３３の１つの極と異なる極が３つであり、かつ、異なる極が２つである）。一方、第１マグネット３３の表面磁束密度を表すグラフに、特定の基本波と、当該基本の７倍の周期を持つ高調波とが含まれる場合、第２マグネット３４の極数は、第１マグネット３３の極数の７倍とし、かつ、第１マグネット３３の１つの極に対して径方向Ｒに第２マグネット３４の７つの極を対向させる（さらに詳細に説明すると、第２マグネット３４の７つの極のうち、第１マグネット３３の１つの極と異なる極が４つであり、かつ、異なる極が３つである）。

以上、本発明に係るモータ１の実施形態に基づいて説明したが、本発明は実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲での種々の変更が可能であることも言うまでもない。そのような要旨を逸脱しない範囲での種々の変更を行ったものも本発明の技術的範囲に含まれるものであり、そのことは、当業者にとって特許請求の範囲の記載から明らかである。

１ モータ、 ２ ステータ、 ３ ロータ、 ３２ ロータヨーク（ヨーク）、 ３３ 第１マグネット、 ３３ａ 第１磁極（第１マグネットの極）、 ３３ｂ 第２磁極（第１マグネットの極）、 ３４ 第２マグネット、 ３４ａ 第３磁極（第２マグネットの極）、 ３４ｂ 第４磁極（第２マグネットの極）、 ３４ｃ 第５磁極（第２マグネットの極）、 ３４ｄ 第６磁極（第２マグネットの極）、 ３４ｅ 第７磁極（第２マグネットの極）、 ３４ｆ 第８磁極（第２マグネットの極）、 Ａ 軸方向、 Ｃ 周方向、 Ｒ 径方向、 ｔ３３ 第１マグネットの厚さ、 ｔ３４ 第２マグネットの厚さ

Claims (9)

1. ロータと、ステータと、を備え、
   前記ロータは、
   ヨークと、
   径方向において、前記ヨークと対向する第１マグネットと、
   前記径方向において、前記ステータと対向する第２マグネットと、
   を有し、
   前記径方向において、前記第１マグネットは、前記第２マグネットと対向し、
   前記第２マグネットは、前記第１マグネットと対向し、前記第１マグネットの前記第２マグネットと対向する極と異なる極と、前記第１マグネットと対向し、前記第１マグネットの前記第２マグネットと対向する極と同じ極と、を有する、
   モータ。
2. 前記第１マグネットは、前記第２マグネットの径方向内側に配置される、
   請求項１に記載のモータ。
3. 前記径方向において、前記第１マグネットの厚さは、前記第２マグネットの厚さよりも厚い、
   請求項１又は請求項２に記載のモータ。
4. 前記第１マグネットと前記第２マグネットとが接触する、
   請求項１又は請求項２に記載のモータ。
5. 前記第２マグネットの極数は、前記第１マグネットの極数を奇数倍した値である、
   請求項１又は請求項２に記載のモータ。
6. 前記第２マグネットの極数は、前記第１マグネットの極数よりも大きい、
   請求項１又は請求項２に記載のモータ。
7. 前記第２マグネットは、周方向に着磁される、
   請求項１又は請求項２に記載のモータ。
8. 前記第１マグネットの磁束密度は、前記第２マグネットの磁束密度よりも大きい、
   請求項１又は請求項２に記載のモータ。
9. 前記第１マグネットは、前記第２マグネットを介して前記ステータと対向し、
   前記第２マグネットは、前記第１マグネットを介して前記ヨークと対向する、
   請求項１又は請求項２に記載のモータ。

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