JP4084840B2

JP4084840B2 - モータ

Info

Publication number: JP4084840B2
Application number: JP2002002190A
Authority: JP
Inventors: 晴繁大澤; 啓介森田
Original assignee: Nidec Corp
Current assignee: Nidec America Corp
Priority date: 2002-01-09
Filing date: 2002-01-09
Publication date: 2008-04-30
Anticipated expiration: 2022-01-09
Also published as: JP2003204641A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、精密モータ、ファンモータ、車載モータなどのモータに属し、特に動圧流体軸受を有する記録ディスク駆動用モータに好適に利用される。
【従来の技術】
記録ディスク駆動用スピンドルモータのように高速回転が要求される機構においては動圧流体軸受装置が好ましく用いられている。図３は動圧流体軸受装置を適用したアウターロータタイプのスピンドルモータを示す軸方向断面図であり、以下このスピンドルモータを例にして説明する。
【０００２】
モータ１は、記録ディスクＤを回転させる回転部材としてのロータ２及び静止部材としてのブラケット３を備えている。ロータ２は、回転軸４及びその上端に固定された円盤状のハブ５からなり、ハブ５の周縁には回転軸４と同方向すなわち図面の下方に延びる壁５１が形成され、その壁５１の内側にマグネット６が取り付けられている。ハブ５が鉄などの磁性材からなるときは壁５１はそれ自体が図示のようにマグネット６を裏当てするバックアイアンとして機能する。一方、ハブ５がアルミニウムなどの非磁性材からなるときは壁５１の内側に先ず磁性材からなる図略のバックアイアンを固定し、更にその内側にマグネット６が取り付けられる。
【０００３】
ブラケット３は、回転軸４と同心円状の貫通孔が形成されたブラケット本体３１と、そのブラケット本体３１と回転軸４との間に嵌合された円筒状の支持部材３２と、支持部材３２の開口端面に固定されて回転軸４のハブ５側と反対側の端面と対向する円盤状のカバー３３とからなる。ブラケット本体３１には貫通孔の周縁にハブ５に向かって延びる円筒状の壁が形成され、その壁の外周面にステータ７が固定されている。
【０００４】
壁５１すなわちバックアイアンとマグネット６とステータ７との平面方向の配置は、図４にそれらの平面図で示すように、径方向外向きに突出した複数の磁極を備えるステータ７が回転対称に配列し、単一部材からなる複数の磁極を備える円筒状のマグネット６がステータ７と同心円上に同じく回転対称に配列し、壁５１がさらにその外側よりマグネット６を裏当てしている。ステータ７には各磁極に対応してコイル７１が巻き付けられ、図略のリードと結線されていて外部より通電可能である。
【０００５】
回転軸４のカバー３３側端部には環状の切り欠きが形成され、この切り欠きに回転軸４の外周面よりも径方向外方に突出するリング４１が固定されるとともに、このリング４１に対向する支持部材３２の内周面には環状の凹部４２が形成されており、リング４１と凹部４２とが嵌合することで回転軸４の抜け止めがなされている。
【０００６】
そして、支持部材３２の内周面はラジアル軸受面３４となり、このラジアル軸受面３４とこれに対向する回転軸４の外周面との間に潤滑油８が保持されている。また、支持部材３２のハブ５側端面はスラスト軸受面３５となり、このスラスト軸受面３５とこれに対向する支持部材３２の上面との間に潤滑油８が保持されている。そして、ラジアル軸受面３４側の潤滑油８とスラスト軸受面３５側の潤滑油８とは連続している。これらの軸受面３４，３５又はこれらと対向する回転部材側の面にはＶ字状、Ｕ字状、ヘリングボーン形状など動圧発生用溝９，１０が各々形成されている。回転時にはこれらの動圧発生用溝９，１０のポンプ作用によって潤滑油８が矢印方向に移動し、それに伴ってラジアル軸受面３４と回転軸４の外周面との間に保持された潤滑油８にラジアル荷重支持圧が発生し、またスラスト軸受面３５とハブ５の下面との間に保持された潤滑油８にスラスト荷重支持圧が発生し、回転部材が静止部材に対して非接触状態を保っている。
【０００７】
以上のように、動圧流体軸受装置を備えるモータにおいては、回転時に回転部材と静止部材とが非接触状態に保たれているので、玉軸受け装置を用いていた従来のモータに比べて高速回転が可能になるほか、機械的振動が低減され騒音が抑制される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、機械的振動が抑制されたことから、従来機械的振動に隠れていた磁気的要因による振動が顕著になった。それ故、このようなスピンドルモータでは、磁気的要因による振動をこれまで以上に低減する必要がある。
この磁気的要因による振動は、上記スピンドルモータに限って発生するものではなく、差はあるもののモータ全般にわたって発生する。よって、モータにおいてこの振動を低減することができれば、その振動及び騒音特性は格段に向上する。
この発明の課題は、磁気的要因による振動をも低減し、ますます高精度で静かに動作するモータを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
その課題を解決するために、この発明のモータは、軸を中心にして配置されたステータと、径方向に磁化された複数の磁極を隣り合う磁極が異なるように周方向に配列してなり、
前記ステータに対向して回転可能に配置された環状のマグネットと、前記マグネットのステータとの反対側に当接する環状のバックアイアンとを備えたモータにおいて、前記バックアイアンは前記マグネットの磁極の境界に対応する部分において、前記マグネットとの反対側を凹部とすることにより薄肉部を形成していることで、磁気飽和した部分を有することを特徴とする。
【００１０】
磁気的な振動の原因は、ロータを径方向に引っ張る電磁励振力によるものと考えられる。この電磁励振力は、ステータとマグネットとの間に作用する磁気力の一つで、ロータを回転させるために回転方向に作用するトルクとは別に作用するものであり、ロータやステータの偏芯、マグネットの変形、着磁の不均一などによって発生する。従って、これを低減させるためにマグネットの着磁やステータの磁力を弱くすることが考えられる。しかし、そうすることだけではロータを回転させるトルクも低下してしまう。
【００１１】
そこで、この発明では、マグネットをバックアイアンに向かって磁化させたものとし、バックアイアンが磁気飽和した部分を回転方向に均等に有するようにした。これによって径方向の電磁励振力を大幅に減らすことができる。
これまでのモータでは、バックアイアンを磁気飽和させるとバックアイアンを通過する磁束が外部に漏れてしまいモータ効率が低下するため、磁気飽和させない構成が一般的であった。
ところが、本発明では、あえてバックアイアンを磁気飽和させるようにしているためモータ効率は低下する。これはトルクの低下を伴うが、一方でバックアイアンから磁束が漏れることで、マグネットとステータ間に作用する磁束が減少する。これが径方向の電磁励振力の減少に寄与する。
次に、この径方向の電磁励振力の減少量を最大にしつつトルクの減少量を最小にする最適範囲は以下に示す関係を充足するようにバックアイアンを飽和させるとよい。
【００１２】
そのようにバックアイアンを磁気飽和させるためには、前記マグネットが軸を包囲する単一部材もしくは複数のセグメントからなる円筒形をなす場合、マグネットにおけるバックアイアンに向かう方向の厚みをｔ、マグネットの外径をｒ、マグネットの飽和磁束密度をＢ、極数を２ｎ、バックアイアンの最小厚みをＴ、バックアイアンの外径をＲ、バックアイアンの飽和磁束密度をＢ_Sとするとき、
(B×2πr×t)/(2n×2)>B_S×│R-r│×T
の関係を充足するものにするとよい。バックアイアンを通る磁束の密度はこれに磁気的に作用する磁石の特性にも依存するからである。尚、│R-r│はＲとｒの差の絶対値を示し、アウターロータ型の場合は（Ｒ−ｒ）と等しく、インナーロータ型の場合は（ｒ−Ｒ）と等しい。
【００１３】
磁気飽和の一つの好ましい手段は、前記バックアイアンの厚みをマグネットの磁極の境界に対応する位置で薄くすることである。こうすることで磁極の境界に対応する部分ごとに磁気飽和するからである。この場合、上記関係式における外径Ｒはその薄肉部分の外径となる。
【００１４】
この発明のモータは、更にロータとハウジングを備え、前記ステータがそれらの一方に固定され、マグネットが他方に固定されており、ロータとハウジングが動圧流体軸受を介して回転可能に結合していることにより、マグネットがステータに回転可能とされているとき、電磁励振力低減作用が顕著となる。動圧流体軸受を用いたモータは、機械的振動が少ないので、電磁励振力による振動が顕著であるからである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
この発明の実施形態のモータを図面とともに説明する。モータ１は、基本的な構造は図３及び図４に示したものと同一であるので、対応する構成要素については同じ符号を用いるが、バックアイアンとして機能する壁５１（以下、「バックアイアン５１」という。）の形状については異なる。
【００１６】
すなわち、図１にこの実施形態におけるステータ７、マグネット６及びバックアイアン５１を平面図で示すように、マグネット６が単一部材からなる円筒形をなし、各磁極はステータ側がＮ（Ｓ）極、バックアイアン５１側がＳ（Ｎ）極となるように径方向に磁化され、その隣の磁極は逆方向に磁化されている関係にある。
【００１７】
そして、バックアイアン５１が隣り合う磁極の境界に対応する部分毎に薄肉部５２を有する。バックアイアンの材質としては図５にＢ−Ｈ曲線で示す如く、その薄肉部５２の磁束密度が磁化力の連続磁化範囲〜飽和磁化範囲に相当する磁化特性を持つものが適用される。
【００１８】
例えば、薄肉部５２の磁束密度が１Ｔ〜１．４Ｔとなるように磁化させた場合、図６に示す磁気特性を有するフェライト系ステンレス鋼（図中の符号Ｆ）からなるバックアイアン５１では、同じく磁気特性を示す硫黄複合鋼（図中の符号Ｓ）からなるバックアイアンに比べて、径方向に発生する電磁励振力の次数分析結果によると、図７に示すように約１／４〜１／１０程度に抑制できる。これは、フェライト系ステンレス鋼からなるバックアイアン５１では薄肉部５２の磁束密度が１Ｔ〜１．４Ｔ間で連続磁化範囲〜飽和磁化範囲に入り、飽和の傾向が見られるのに対して、硫黄複合鋼からなるバックアイアンの場合、１Ｔ〜１．４Ｔ間では未だ不連続磁化範囲にあって未飽和だからである。尚、バックアイアン５１の材質がフェライト系ステンレス鋼であっても硫黄複合鋼であっても、マグネットとステータ間に作用する磁束の減少量はさほど大きくないので、モータ１のトルクの減少量は微小で回転特性が大幅に変わるものではない。
【００１９】
磁気飽和したバックアイアンが電磁励振力の低減に効果があることを、上記にてフェライト系ステンレス鋼と硫黄複合鋼との比較例を示したが、バックアイアンを磁気飽和させるのにはバックアイアンの材質のみで決まるわけではない。バックアイアンを磁気飽和させるための最適条件は、図２に示すように、マグネットにおけるバックアイアンに向かう方向の厚みをｔ、マグネットの外径をｒ、マグネットの飽和磁束密度をＢ、極数を２ｎ、バックアイアンの最小厚みをＴ、バックアイアンの外径をＲ、バックアイアンの飽和磁束密度をＢ_Sとするとき、
(B×2πr×t)/(2n×2)>B_S×│R-r│×T
の関係を充足するようにするとよい。
【００２０】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、バックアイアン５１は、磁気飽和させるために薄肉部５２を部分的に設けているが、バックアイアンの肉厚を全てその薄肉部５２と同等に設定してもよい。また、上記モータは、動圧軸受装置を備えているが、これはモータから発生する振動,騒音において、で磁気的要因によるものが際立ち、本発明の実施効果として振動,騒音の低減効果が顕著に現れるため例示したが、勿論、玉軸受装置を用いたものでも適用可能である。また、上記ではステータ７に対してマグネット６が外径に配置されたアウターロータ型モータであるが、この関係が反対となるインナーロータ型である場合でも適用可能である。また、上記マグネット６は、単一部材であるが、各磁極毎に分割された複数のセグメントからなるものであってもよい。また、上記モータは、記録ディスク駆動用であるが、冷却用ファンモータ、車載用モータ、産業用モータ等、本発明の適用範囲は特定の用途に限定されるものではない。
【００２１】
【発明の効果】
以上のように、この発明はモータのバックアイアンが磁気飽和した部分を回転方向に均等に有するので、径方向に発生する電磁励振力が低減され、モータの振動及び騒音が小さくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態のモータにおけるステータ、マグネット及びバックアイアンの平面図である。
【図２】図１の要部を拡大した平面図である。
【図３】記録ディスク駆動用スピンドルモータの軸方向断面図である。
【図４】従来のモータにおけるステータ、マグネット及びバックアイアンの平面図である。
【図５】一般的なバックアイアンの磁束密度Ｂと磁化力Ｈの関係を示すグラフである。
【図６】実施形態のバックアイアンに適用される磁気材料の特性を示すグラフである。
【図７】実施形態のモータにおける電磁励振力の次数分析結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１モータ
２ロータ
３ブラケット
４回転軸
５ハブ
５１壁（バックアイアン）
６マグネット
７ステータ
８潤滑油

Claims

軸を中心にして配置されたステータと、
径方向に磁化された複数の磁極を隣り合う磁極が異なるように周方向に配列してなり、
前記ステータに対向して回転可能に配置された環状のマグネットと、
前記マグネットのステータとの反対側に当接する環状のバックアイアンとを備えたモータにおいて、
前記バックアイアンは前記マグネットの磁極の境界に対応する部分において、前記マグネットとの反対側を凹部とすることにより薄肉部を形成していることで、磁気飽和した部分を有することを特徴とするモータ。
前記マグネットが軸を包囲する単一部材もしくは複数のセグメントからなる円筒形をなし、マグネットにおけるバックアイアンに向かう方向の厚みをｔ、マグネットの外径をｒ、マグネットの飽和磁束密度をＢ、極数を２ｎ、バックアイアンの最小厚みをＴ、バックアイアンの外径をＲ、バックアイアンの飽和磁束密度をＢS とするとき、(B×2πr×t)/(2n×2)>BS ×│R-r│×Tの関係を充足する請求項１に記載のモータ。
前記マグネットを保持する部材が前記ステータを保持する部材に対して動圧軸受装置にて回転可能とされている請求項１又は２に記載のモータ。