JP5016838B2 - モータ - Google Patents

Description

本発明は、モータを提供する技術に関する。

モータは各種の分野に幅広く使用されている。モータの形態の１つとして、爪形磁極を有するモータがある。例えば、特許文献１に示すように、このモータの１相分の固定子は、電流を流すことで磁束を発生するコイルと、１対の爪形磁極と、コイルの周囲を取り囲んで前記爪形磁路とともに磁路を形成する磁性体とから構成される。

特表2005-532775公報(FIG.1A〜1C、第２頁の段落番号0010、FIG.9A〜9C、第１１頁の段落番号0047)

上記特許文献1に記載の固定子を３組用いることにより、３相モータの固定子を形成できる。この３組の固定子に３相電圧を印加すると、永久磁石を固定した回転子に回転トルクが発生し、回転子を回転することができる。

モータを高性能化するためには、回転子に固定する磁石を高性能化して、磁束を大きくすることが有効である。特に、高性能化、高応答化、小型化が求められる分野では、その要求が強く、希土類磁石を用いた磁石モータが多く使用されている。

しかしながら、高性能の磁石を回転子に用いると、電流を流さない状態でも、回転子の位置により、トルクの変動、いわゆる、コギングトルクが大きくなってしまうという問題点があった。なお、特許文献１には、コイルをリング状でなく、３相に分割した方法が記載されている。そして、爪形磁極の半径方向にスロットを設けることで、コギングトルクの振幅の減少を図っている。

しかし、爪形磁極にスロットや、グルーブを設けることで、各相の間に設ける電気角の位相差が１２０度から変わる等の影響がある場合には、出力密度が低下してしまうという問題点もある。

以上のように、本発明では爪形磁極を有するモータにおいて、上述の問題点に対応することを課題とする。

上記課題を解決するに当って、以下のような対応を図るものである。

回転軸にトルクを発生する回転子と、磁性粉末体により成型した爪形磁極を有する固定子コアと前記回転軸を中心とする同心円のリング状で前記爪形磁極に磁束を発生するコイルとを設ける固定子とを具備したモータにおいて、回転子に面した爪形磁極の面の爪元部に凹部を設ける。

一般的に、回転子に配置した磁石から見た場合、回転子と固定子の間で構成される磁路のリラクタンスは回転子の位置により変化する。

上述の凹部がない場合、回転子に配置した磁石の磁束による吸引力で、爪形磁極の極間よりも、爪形磁極の位置に停止しやすい。これに対して、爪形磁極の表面に凹部を設けることにより、磁路のリラクタンスをほぼ一定にできるので、コギングトルクを低減できる。

上述の凹部の設け方は、回転軸方向についての爪形磁極の長さを一定とするようにする。その際に、１対の爪形磁極の相互のギャップの長さも考慮して、軸方向についての爪形磁極の長さを一定とするようにするものであってもよい。

若しくは、前記爪形磁極は前記回転子に面した磁極面の爪元部に他の磁極面より透磁率が低い材料で成形するようにする。こうすることで、爪形磁極の外形を変えることなく、磁路のリラクタンスをほぼ一定とし、コギングトルクを低減を可能とする。

上述のような構成とすることによるコギングトルクの低減について、説明する。

上述した爪形磁極と爪形磁極との間には、空隙があり、この空隙、そして、爪形磁極では、磁気抵抗が異なるので、磁束の変化を生ずる。この磁束の変化は、コギングトルクにも影響を与える。

これに対して、空隙、そして、爪形磁極での磁気抵抗が変化の度合いを従来よりも小さくするように、爪形磁極に凹部を設けることで、固定子からの磁束の変化も小さく出来るようにする。その結果、コギングトルクも従来よりも小さくするものである。

なお、上述にて爪元部に他の磁極面より透磁率が低い材料で成形するのも、同様に磁気抵抗の変化の度合いを従来よりも小さくし、固定子からの磁束の変化を小さくするものである。

本発明によれば、従来の方式に対して、小型で、トルク変動を低減させたモータが提供可能となる。

以下、図面を用いて、本発明の実施例を説明する。

図１は、本発明の実施例として、特徴的な３相モータを構成する１相分の固定子４の分解図である。ここでは、この固定子４をＵ相固定子として説明する。Ｕ相固定子４を分解すると、図１に示すように、爪形磁極を有する固定子コア１、２及びＵ相コイル３にて構成されていることが判る。固定子コア１、２は同一形状をしている。これがＵ相固定子４は、図１に示すとおり、Ｕ相コイル３を挟み込むように、固定子コア１、２を向い合せで組み合わされている。

固定子コア１、２に示される形状を成形する方法としては、絶縁皮膜でコーティングした磁性粉末体を、プレス機械により圧縮して一体成型する方法が適している。この方法を用いると、後加工なく部品の寸法精度を確保できる特徴がある。但し、これに限定されるものではない。

図２が図１のＵ相固定子４を内蔵したモータである。図２に示すように、このＵ相固定子４と、それと同一形状のＶ相固定子５、Ｗ相固定子６を用いることにより、このモータの固定子を形成している。なお、Ｖ相固定子５は固定子コア７、８及びＶ相コイル９から構成し、Ｗ相固定子６は固定子コア１０、１１及びＷ相コイル１２から構成している。

また、モータに内蔵している回転子１３はＵ相コイル３、Ｖ相コイル９、Ｗ相コイル１２に３相の交流電圧を印加することにより、回転軸を駆動することができる。具体的には、Ｕ相コイル３に電流を流すと、Ｕ相コイル３を取り囲むように、固定子コア１、２と爪形磁極５１、５２を介して、回転子１３との間で磁路を形成にするので、磁束が流れ、回転子１３にトルクを発生することになる。

ここで、本発明の実施例の図１を、説明用の図の図１２と比較しながら説明する。

図１と図１２との違いは、図１は回転子１３に対面した磁極面に、爪形磁極５１、５２に凹部５１ａ、５２ａを有している点が異なる。本実施例の特徴である凹部５１ａ、５２ａを設けない場合の爪形磁極５１、５２の形状を例示したのが、図１２である。

なお、図１の凹部５１ａ、５２ａの成型方法としては、上述した磁性粉末体を一体成型する方法が簡易であるが、図１２のような一体成型した固定子コアを機械加工により成形する方法でもよい。

爪形磁極の凹部５１ａ、５２ａの有無による磁束への影響は小さく、モータのトルク特性、出力特性は図１２と同程度の特性を維持することができる。リラクタンスについては、爪形磁極の凹部５１ａ、５２ａを有することにより、その回転位置θのリラクタンスは低減する。

図３、図４を用いて、さらに詳細にこの状態を説明する。図３は回転軸（中心軸）から固定子コア１、２を周方向に見たときの側面展開図の一部である。つまり、図面の横方向、縦方向は、それぞれ回転方向（周方向）、軸方向を表す。この固定子コア１、２を組合せて、Ｕ相固定子４としたときの側面展開図を図４に示す。図４には、Ｖ相固定子５、Ｗ相固定子６を併せて示す。

図４のＵ相固定子４には、回転子１３に面した爪形磁極の軸方向の長さＬを、いくつかの回転位置θについて示している。この長さＬはリラクタンスに最も影響するパラメータの１つであり、これについて説明する。

ここで、Ｕ相固定子４の幅はＬ０とする。回転位置θ１の場合、固定子コア１が回転子１３に面しているが、爪形磁極の凹部５１ａがあるため、長さはＬ１となっている。同様に、回転位置θ２についても、固定子コア１が回転子１３に面しているが、爪形磁極の凹部５１ａと磁極間のギャップがあるため、爪形磁極の長さはＬ２となる。ここで、爪形磁極の凹部５１ａの形状を爪形磁極の爪先と同じような形状とすることにより、(数１)とすることができる。

Ｌ＝Ｌ１＝Ｌ２＝Ｌ０−Ｌａ (数１)
なお、Ｌａは凹部５１ａの軸方向の長さである。

さらに、回転位置θ３では、磁極間のギャップを挟んで、固定子コア１の爪形磁極の長さＬ３１と、固定子コア２の爪形磁極の長さＬ３２を合計した値が爪形磁極の軸方向の長さＬとなる。軸方向のギャップの長さをＬｇとすると、次の(数２)が成り立つ。

Ｌ＝Ｌ３１＋Ｌ３２＝Ｌ０−Ｌｇ (数２)
回転位置θ４の場合にも、同様に、(数３)となる。

Ｌ＝Ｌ４＝Ｌ０−Ｌａ (数３)
一般的には、回転位置θにより、回転子１３に面した爪型磁極の軸方向の長さは異なる。特に、磁極間のギャップの回転位置では、その値は小さくなってしまうことが多い。これに対して、本実施例の場合には、その長さの変化が少なく、リラクタンスの変動を低減することができる。特に、図３、図４において、次の(数４)となるように、
Ｌａ＝Ｌｇ (数４)
凹部５１ａの軸方向の長さＬａを設計すると、（数１）〜（数３）からわかるように、常に、爪形磁極の軸方向の長さＬは一定とすることもできる。

つまり、凹部５１ａの形状を爪形磁極の爪先と同じようにすること、（数４）が成立することなどを考慮することにより、リラクタンスの変化が従来よりも低減できるようになるので、コギングトルクを従来よりも低減することができる。

この方法の特徴はモータの性能を保持しながら、コギングトルクを低減できることであり、小型で高出力のモータを要求する用途に適している。特に、この方法は１相分についてのリラクタンス変化を最小とすることができるので、モータの組立精度が低下した場合にも、コギングトルクが大きくなることはないという利点を持っている。

図５は図１と異なる他の実施例である。爪形磁極のリラクタンスを低減する目的のために、図１では凹部を設けたが、その代わりに、図５の固定子コア４１、４２では、通常の磁性粉末体だけでなく、それより透磁率が小さい磁性粉末体も用いて成型する。

図５に示すように、爪形磁極４３、４４の爪元部分に透磁率が小さい磁性粉末体を用いた低透磁率部４３ｂ、４４ｂを設けている点が特徴である。これを一体成型により製造する方法が精度確保の点で適している。この方法により、図１の例と同様にコギングトルクを低減したモータを提供できるほか、この実施例によれば、構造的な強度を保持できる点についても優位性を持っている。

図６、図７は図３、図４とそれぞれ対応するが、爪形磁極の形状が異なる本発明の他の実施例である。この場合にも、凹部の形状が爪形磁極の爪先と同形状であり、１相分のリラクタンスを回転位置θによらず、一定に保持できる。この形状では、爪形磁極の爪元部における磁束密度の集中を低減できる特徴があり、モータの性能を確保しながら、コギングトルクを最小限に抑制できる。なお、上記「凹部の形状が爪形磁極の爪先と同形状であり」とは、同じ形というよりは、爪先の形よりも小さな相似形状に凹部の形状をすることを意味する。

図８、図９は磁極間のギャップが広い場合の実施例である。この場合には、回転子１３に面した爪形磁極の軸方向の長さは、１相分でなく、３相分の合計すると、常に一定になる。従って、３相の磁極位置を所定の相対位置関係に合わせて組み立てることにより、コギングトルクが小さいモータを提供できる。磁極間のギャップの制約が小さいので、設計しやすい構造であるといえる。

図１０は本発明を２相モータに適用したときの実施例である。固定子コア２６、２７の爪形磁極には、２つの凹部を設けている。また、２相モータなので、固定子コア２６、２７の磁極は９０°の位相差を持っている。ここで、それぞれのコイルに９０°異なる位相の交流電圧を発生することにより、回転磁界を発生し、回転子１３を駆動することができる。なお、凹部は、２つに限らず、２つ以上設けるものであっても良い。

図４で説明した場合と同様に、図１１において、固定子コア２６と固定子コア２７について、回転子に対面した爪形磁極の磁極方向の長さ合計は磁極間のギャップ、凹部を除くと、回転位置θに関係なく、一定になっている。従って、この場合も、２相分のリラクタンスは一定であり、このモータのコギングトルクは低減することができる。

なお、凹部の成形方法として機械加工による方法について先に説明したが、凹部形状を後から成形する方法はできるので、微妙な調整を加工で実施できるので、コギングトルクをより低減できる可能性がある。

なお、繰り返しとなるが、上述のような構成とすることによるコギングトルクの低減について、説明する。

上述した固定子は、１対の爪形磁極とコイルを有しているが、一方の爪形磁極から他方の爪形磁極へ変わると、磁気抵抗が変化する。特に、一方の爪形磁極から他方の爪形磁極へ変わる場合には、その間に空隙(ギャップ)があり、通常は、当該空隙、そして、爪形磁極とでは、磁気抵抗が異なる為、磁束の変化を生ずる。この磁束が変化すると、コギングトルクにも影響を与える。また、１つの爪形磁極内においても、その場所によっては、磁気抵抗が変化しているので、これも磁束が変化するものとなり、コギングトルクに影響を与えるものといえる。

これらの、空隙、そして、爪形磁極での磁気抵抗が変化の度合いを従来よりも小さくすることで、コギングトルクも従来よりも低減するようにする。

その為に、本発明における上述の実施例では、爪形磁極に凹部を設けることで、空隙、そして、爪形磁極へと相互に変わっても、磁気抵抗の変換の度合いを従来よりも小さくする。そして、固定子からの磁束の変化も小さく出来るようにする。その結果、コギングトルクも従来よりも小さくするものである。

また、爪形磁極に凹部を設けることで、空隙、そして、爪形磁極へと相互に変わる場合だけではなく、１つの爪形磁極内での場所による磁気抵抗の変化も小さくするようにする。これによっても、固定子からの磁束の変化を固定子の全周にわたって従来よりも小さくし、コギングトルクを従来よりも低減するものである。

なお、上述にて爪元部に他の磁極面より透磁率が低い材料で成形するのも、同様に同様に磁気抵抗が変化の度合いを従来よりも小さくし、固定子からの磁束の変化を小さくするものである。

以上が、３相モータ、２相モータに適用した実施例であるが、単相モータや多相モータに適用できることはいうまでもない。なお、リラクタンスを回転位置によらず一定にする方法で説明したが、リラクタンスの変化を従来の方法と比べて小さくするために、本発明を用いてもよいことは明らかである。

本発明の実施例に特徴的な３相モータの１相分固定子の分解図。 本発明の実施例に特徴的な３相モータの構成図。 本発明の実施例に特徴的な３相モータの１相分固定子を回転軸から周方向に見たときの側面展開図。 本発明の実施例に特徴的な３相モータの固定子を回転軸から周方向に見たときの側面展開図。 本発明の実施例に特徴的な３相モータで、図１とは異なる１相分固定子の分解図。 本発明の実施例に特徴的な３相モータの１相分固定子で、図３と異なる他の実施例の側面展開図。 本発明の実施例に特徴的な３相モータの固定子で、図４と異なる他の実施例の側面展開図。 本発明の実施例に特徴的な３相モータの１相分固定子で、図３、図６と異なる他の実施例の側面展開図。 本発明の実施例に特徴的な３相モータの固定子で、図４、図７と異なる他の実施例の側面展開図。 本発明の実施例に特徴的な２相モータの１相分固定子を回転軸から周方向に見たときの側面展開図。 本発明の実施例に特徴的な３相モータの固定子を回転軸から周方向に見たときの側面展開図。 本発明の実施例を説明する為の爪形磁極を有する３相モータの１相分固定子の分解図を示す説明図。

符号の説明

１、２、７、８、１０、１１：固定子コア
３、９、１２：コイル
４、５、６：１相分固定子
１３：回転子
１４〜２９、４１、４２：固定子コア
３１、３２：従来の固定子コア
４３、４４、５１、５２：爪形磁極
４３ｂ、４４ｂ：低透磁率部
５１ａ、５２ａ：凹部

Claims (7)

1. 回転軸にトルクを発生する回転子と、
   磁性粉末体により成型した爪形磁極を有する固定子コアと前記回転軸を中心とする同心円のリング状で前記爪形磁極に磁束を発生するコイルとを設けた固定子と
   を具備し、
   前記爪形磁極は前記回転子に面した磁極面の爪元部に凹部を有し、
   前記回転子に面した磁極面について、前記凹部の形状は回転軸方向についての爪形磁極の長さを概ね一定とすることを特徴とするモータ。
2. 回転軸にトルクを発生する回転子と、
   磁性粉末体により成型した爪形磁極を有する固定子コアと前記回転軸を中心とする同心円のリング状で前記爪形磁極に磁束を発生するコイルとを設けた固定子と
   を具備し、
   前記爪形磁極は前記回転子に面した磁極面の爪元部に凹部を有し、
   前記回転子に面した磁極面について、回転軸方向についての前記凹部の長さと、上記１対の爪形磁極間のギャップの長さとを概ね等しくすることを特徴とするモータ。
3. 請求項１または２記載のモータにおいて、
   前記回転子に面した磁極面について、前記凹部の形状は前記爪形磁極の爪先形状に概ね一致していることを特徴とするモータ。
4. 請求項１または２記載のモータにおいて、
   前記回転子に面した磁極面について、前記凹部の形状は前記爪形磁極の爪元部を底辺とする二等辺三角形の形状とすることを特徴とするモータ。
5. 請求項１または２記載のモータにおいて、
   前記爪形磁極に凹部を２つ以上設けることを特徴とするモータ。
6. 回転軸にトルクを発生する回転子と、
   磁性粉末体により成型した爪形磁極を有する固定子コアと前記回転軸を中心とする同心円のリング状で前記爪形磁極に磁束を発生するコイルとを設けた固定子と
   を具備し、
   前記爪形磁極は前記回転子に面した磁極面の爪元部に透磁率が他の磁極面の透磁率よりも低い低透磁率部を有し、
   前記回転子に面した磁極面について、前記低透磁率部の形状は回転軸方向についての爪形磁極の長さを概ね一定とすることを特徴とするモータ。
7. 回転軸にトルクを発生する回転子と、
   磁性粉末体により成型した爪形磁極を有する固定子コアと前記回転軸を中心とする同心円のリング状で前記爪形磁極に磁束を発生するコイルとを設けた固定子と
   を具備し、
   前記爪形磁極は前記回転子に面した磁極面の爪元部に透磁率が他の磁極面の透磁率よりも低い低透磁率部を有し、
   前記回転子に面した磁極面について、回転軸方向についての前記低透磁率部の長さと、上記１対の爪形磁極間のギャップの長さとを概ね等しくすることを特徴とするモータ。

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