JP4531724B2 - 多相クローポールモータ - Google Patents

Description

本発明は，産業用，家電，自動車分野で使用される多相クローポールモータの高出力化と薄形化に関するものである。

モータは，産業用，家電，自動車分野の電気エネルギーを機械エネルギーに変換する駆動用機器として使用される。クローポール型のモータは安価な構造を有するため，ＯＡ用機器，自動車機器などに使用されている。通常クローポール型のモータは，特許公開平８−１４９７８３号などのように，回転子が固定子と同一の空隙を介して対向している。回転子は，固定子の内側に格納されるインナーロータ構造を有する形状が通常である。固定子は，単位固定子が軸方向に積み重ねされ多相モータを構成するものである。単位固定子は，空隙を介して回転子と対向する爪磁極を固定子内側表面に有する鉄心と，軸を取り囲む円環状コイルにより構成され，１相分の固定子として機能する。単位固定子鉄心は，２枚の軟磁性鉄板から成り，各々の鉄板は，プレス機などによる折り曲げ加工により施された爪形状の磁極を有し，互いの爪形磁極が入れ子状に組み合わされている。

また，本出願者等は，特許出願２００６−１３４３２５号などのように，同一平面上に複数の単位固定子を円環状に整列させる固定子構造を提案している。
特許公開平８−１４９７８３号 特許出願２００６−１３４３２５号

しかし，一般のクローポール型のモータは，特許公開平８−１４９７８３号などのように，単位固定子を軸方向に積み重ねる固定子構造を有しているため，特に多相モータを構成する場合にモータ軸方向寸法の低減に限界がある。ところが，特許出願２００６−１３４３２５号などのように単位固定子を同一平面上に整列させる構造においては，単位固定子の内周側あるいは外周側の一方のみに爪磁極を有する構造であるため，主磁極に対して爪磁極の存在しない側に位置する励磁コイル部分（コイルエンド部）がモータ出力トルクに有効に利用されないという問題がある。本発明は，軸方向寸法の低減に有利な同一平面上に複数の単位固定子を円環状に整列させる固定子構造を有するモータにおいて，コイルエンド部を有効に利用し，同一モータ体格（体積）のままモータ出力を増加させ，モータ効率を向上する方法を提供するものである。

本発明は，上記課題を解決するために，弧状の爪磁極の内周面と外周面がそれぞれ同一円周上に配置され，上記単位固定子コアＡ，Ｂの爪磁極が互に離間して入れ子状に配置され，各主磁極と単位固定子コアＡ同士は連結分を持って圧粉磁心材で一体に成形され，単位固定子コアＢ同士も連結部を持って圧粉磁心材で一体に形成され，前記弧状の爪磁極の内周面と外周面に空隙を介して対向配置した円周方向にＮ，Ｓを交互に多極着磁した同磁極数の２個の円環状永久磁石を有する構造とし，複数個の主磁極と爪磁極と単位固定子コアを有する固定子を粉末磁性体で一体に圧縮成形する。

本発明の多相クローポールモータは，鉄損の少ない磁性材料である粉末磁性体の圧縮成形体を固定子コアに使用し，多相を一平面に展開配置し，固定子の内外周にエアギャップを介して永久磁石を配置する点に新規性があり，下記のような効果が得られる。（１）固定子コイルの内外周に磁石を配置しているので，コイルエンド部に相当する部分が無くなり，固定子コイルに鎖交する磁束が２倍になり，モータ出力が向上し，内周にのみに磁石を配置した場合のモータと同一体格（体積）で比較して１．８倍の出力トルクを得ることができる。（２）多相モータは一平面に構成されるためモータの薄型化が可能である。（３）複数個の磁極芯と爪磁極と磁極板群を有する固定子を粉末磁性体で一体に圧縮成形することで，加工歪みがなく磁気特性に優れた，爪磁極を有する固定子コアが形成できる。

モータ回転軸と同芯の同一円周上に等間隔離してその軸が上記回転軸と同一軸方向となるように配置した複数個の主磁極と，この各主磁極に夫々巻装した単位固定子コイルと，上記各主磁極の軸方向両端に夫々固定した弧状の内周面と外周面に軸方向に延びる複数の爪磁極（クローポール）を有する扇形の単位固定子コアＡと，上記主磁極に相対する位置に同様に爪磁極を設けた単位固定子コアＢとより成り，上記各主磁極の一方の端面に固定された単位固定子コアＡ同士，及び他方の端面に固定された単位固定子コアＢ同士は夫々同一平面上に配置され，その弧状の爪磁極の内周面と外周面がそれぞれ同一円周上に配置され，上記単位固定子コアＡ，Ｂの爪磁極が互に離間して入れ子状に配置され，上記複数の主磁極と複数の単位固定子コアＡ群同士は細い連結分を持って圧粉磁心材で一体に成形され，単位固定子コアＢ群同士も同様に形成され，前記弧状の爪磁極の内周面と外周面に空隙を介して対向配置した円周方向にＮ，Ｓを交互に多極着磁した同磁極数の２個の円環状永久磁石を有する構造とし，複数個の主磁極と爪磁極と単位固定子コアを有する固定子を粉末磁性体で一体に圧縮成形する。

以下，本発明の実施の形態を，図面を用いて説明する。

本発明の実施形態の一例として，一平面三相クローポールモータの構造を以下に説明する。図１には，モータの全体構造を，軸１０に平行な平面で切断した断面図によって示す。この実施例の回転子は，直径の異なる２個の円環状永久磁石９０，１００と回転子ヨーク２０から構成される。２個の永久磁石９０の外周と，永久磁石１００の内周にはそれぞれにはＮＳ交互に２８極着磁が施されている。磁石９０，１００は，回転子ヨーク２０に接着などの方法で固定されている。この回転子ヨークは，軸１０とカシメなどの方法により締結され，軸１０はハウジング４０に軸受３０を介して回転可能に保持される構造となっている。固定子は，１相あたり２個の単位固定子がハウジング４０の内側平面上に合計６個配置されている構造を有しており，各単位固定子は内周表面と外周表面にそれぞれ２本ずつ爪磁極を有している。この様子を図２，図３に示す。

単位固定子の構造について，図２の分解図を用いて詳細に説明する。単位固定子は，４本の爪磁極６２を有する２個１組の単位固定子コアＡ６１，単位固定子コアＢ７１と単位固定子コイル８１から構成される。単位固定子コアＡ６１，単位固定子コアＢ７１は，それらが互いに組み合わされたときに噛み合うように配置された爪磁極６２，７２と，単位固定子コイル８１が巻回される主磁極１６０を有する構造となっている。このような単位固定子コアの形状は，通常のクローポールモータのような軟磁性材料であるＳＰＣＣなどの鋼板の折り曲げ加工を利用しては製作が困難であるが，粉末磁性体の圧縮成形などによれば容易に実現が可能である。単位固定子群の表面を絶縁コーティングすれば単位固定子コイル８１をボビンなしで主磁極１６０に直巻きすることが可能となり，ボビンが占有していたスペースを巻線径の拡大に利用し，銅損を低減することを通して，モータ効率の向上を図ることも同時に可能となる。単位固定子コイル８１は，あらかじめ必要な巻数を巻き終えた状態に製作しておき，コア組み合わせ時に主磁極１６０に嵌め込むように組み付ける方法が適切であると考える。単位固定子の主磁極１６０を貫通する通しボルト穴１５０に通しボルト１１１を通し，ハウジング４０と円環プレート５０を締結することにより，単位固定子をハウジング４０へ固定する。ハウジング４０と円環プレート５０の材質は，アルミなどの非磁性体が適している。

図３には，前記単位固定子を６個組み合わせて構成した回転子の構造を，斜視図によって示す。単位固定子は，図２に示した単位固定子コアと単位固定子コイルから成っており，相間磁気絶縁材１２０は接着などの方法で６個の単位固定子と固定され，その後，通しボルト１１０を用いてハウジング４０と円環プレート５０を締結することにより，ハウジングに固定される。６個の単位固定子内の単位固定子コイルを三相結線し，周方向に順にＡ相，Ｂ相，Ｃ相，Ａ相，Ｂ相，Ｃ相の固定子として機能するように通電すると，時計回りまたは反時計回りの回転磁界が発生する。相間磁気絶縁材１２０は，相間磁路を遮断し，モータ特性の悪化を防止する目的で，各単位固定子間に設置される。

また，請求項２と３に記載している方法として，相間磁気絶縁材１２０を使用せず，前記単位固定子コアＡ同士，単位固定子コアＢ同士は各磁極板間を細い連結分を持って圧粉磁心材で一体に圧縮成形することが可能である。この場合でも各磁極板間の漏れ磁束が少なくなる連結部形状の工夫で，ほぼ同様の特性が維持できる。圧粉磁心材での一体成形の効果で各相が連結されて製作工程が簡易化できる。

図６は図１のＰ部拡大図であり，永久磁石の磁束の流れを説明する図である。多極着磁された永久磁石９０，１００はモータ回転軸方向の断面では同じ磁極位置となるように取り付けられている。永久磁石９０のあるＮ極から出る磁束は，固定子コアＡの爪磁極７２を経由して，固定子コイルの中央に位置する主磁極１７０から，固定子コアＢの主磁極１６０を経由して爪磁極６２から永久磁石９０のあるＮ極に隣接するＳ極に戻る磁路を形成している。一方，永久磁石１００も同様の経路で磁路を形成している。 このように永久磁石９０，１００の両者の磁束は同じ主磁極に加算され，主磁極に装巻された固定子コイルの鎖交磁束は，永久磁石１個の場合と比較するとほぼ２倍になる。モータの逆起電力も２倍となり，モータのトルク定数は逆起電力と同一と考えられ，同一電流で２倍の出力トルクを得られることになる。一方，モータ体格としては，永久磁石１個分と回転ヨーク増加分が増加している。同一体格でモータ出力トルクを比較すると１．８倍のトルクを得られる結果を得た。

図４には，回転子の構造を斜視図によって示す。回転子ヨーク２０は，軸１０とカシメなどの方法により固着され，２個の環状永久磁石９０，１００と接着などの方法により固定される。軸受３０は，軸１０をハウジングに対して支持するために用いられる。２個の永久磁石９０，１００は，共に固定子爪磁極の総数とは異なる磁極数を有するように着磁されている。ここで，二色成形法などを用いて，回転子ヨークと２枚の永久磁石９０，１００を共に粉末磁性体から一体的に圧縮成形すれば，回転子ヨーク２０に円環形永久磁石９０，１００を組み込む作業を省略するとともに工作精度の向上を図ることが可能となり，モータ製造の低コスト化およびモータ特性の品質向上に大きく寄与できる。

図５には，モータの全体構造を分解図によって示す。ハウジング４０の中心に設けられた軸貫通穴の両端には軸受３１，３２が嵌め込まれ，軸１０を回転可能に支持する。６個の単位固定子１４０をハウジング４０と円環プレート５０とで挟み，通しボルト１１０で締結することにより固定する。

本発明のモータ構造で必要とする技術要素は既に確立されていて，薄型で高出力のモータが実現可能であり，モータ体格当たりの出力トルクが１．８倍に増加でき，限られたスペースで高出力を要求される産業，家電，車載分野のモータに適用することで装置全体の性能アップに寄与することが可能である。

本発明の三相クローポールモータの構造を示した断面図である。 本発明の三相クローポールモータの単位固定子構造を示した斜視図である。 本発明の三相クローポールモータの固定子の構造を示した分解図である。 本発明の一平面三相クローポールモータの回転子形状を示す斜視図である。 本発明の一平面三相クローポールモータの全体構造を示した分解図である。 本発明の三相クローポールモータの磁路の説明図である。

符号の説明

１０ 軸

２０ 回転子ヨーク３０ 軸受３１ 回転子ヨーク側軸受３２ 出力軸側軸受４０ ハウジング５０ 円環プレート６０ 固定子コアＡ ６１ 単位固定子コアＡ ６２ 爪磁極 ６３ 磁極板７０ 固定子コアＢ ７１ 単位固定子コアＢ ７２ 爪磁極 ７３ 磁極板８０ 固定子コイル８１ 単位固定子コイル９０ 内側永久磁石１００ 外側永久磁石１１０ 通しボルト１１１ 単位固定子通しボルト１２０ 相間絶縁材１３０ 永久磁石１４０ 固定子１５０ ボルト穴１６０ 主磁極１７０ 主磁極

Claims (3)

1. ハウジングに回転自在にモータ回転軸を支持し，
   該モータ回転軸と同一軸方向となるように配置した複数個の主磁極と，該各主磁極に夫々巻装した単位固定子コイルと，前記各主磁極の軸方向両端にそれぞれ設けられた扇状の磁極板を有し，該両磁極板のそれぞれの内周面と外周面にモータ回転軸方向に延びる複数の爪磁極（クローポール）を形成してなる単位固定子コアＡ及び単位固定子コアＢとを具備し，前記単位固定子コアＡ，Ｂのそれぞれの爪磁極を互に離間して入れ子状に配置することにより複数の単位固定子を形成し，
   前記ハウジングにおける前記モータ回転軸と同芯の同一円周上に等間隔離して、前記複数の単位固定子を、該各単位固定子間を磁気絶縁した状態で固定し，
   前記モータ回転軸に取り付けられた回転子ヨークに、前記内周側の爪磁極の内周面及び外周側の各爪磁極の外周面にそれぞれ空隙を介して対向配置されそれぞれ円周方向にＮ，Ｓを交互に多極着磁した同磁極数の２個の円環状永久磁石をそれぞれの径方向に対向する磁極が同極となるよう配置して固定したことを特徴とする多相クローポール形モータ。
2. 前記複数の単位固定子コアＡは隣接する複数の単位固定子コアＡ同士を磁極板から伸ばした細い連結分を持って一体に形成することで単位固定子コアＡ群を構成し、同様に前記複数の単位固定子コアＢは隣接する複数の単位固定子コアＢ同士を磁極板から伸ばした細い連結分を持って一体に形成することで単位固定子コアＢ群を構成し，前記複数の主磁極の一方の端面に固定された単位固定子コアＡ群同士，及び他方の端面に固定された単位固定子コアＢ群同士は夫々同一平面上に形成され，その弧状の爪磁極の内周面と外周面がそれぞれ同一円周上に配置され，上記単位固定子コアＡ，Ｂの爪磁極が互に離間して入れ子状に配置されることを特徴とする請求項１に記載の多相クローポール形モータ。
3. 前記複数個の主磁極と爪磁極と単位固定子コアを有する固定子コア群が，粉末磁性体で一体に圧縮成形されてなることを特徴とする請求項２に記載の多相クローポール形モータ。

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