JP5324293B2 - ロータ及びモータ - Google Patents

Description

本発明は、コンシクエントポール型構造を採用したロータ、及びそのロータを備えるモータに関するものである。

モータに用いられるロータとしては、例えば特許文献１にて示されているように、ロータコアの周方向に一方の磁極のマグネットが複数配置され、該コアに一体形成された突極が各マグネット間に配置され、該突極を他方の磁極として機能させる所謂コンシクエントポール型構造のロータが知られている。

ところで、マグネットと突極の境界部分においては、ステータとの対向面における表面磁束密度の急峻な変化が生じ、このことがトルク脈動の増大に繋がるため、その磁束密度の急峻な変化を抑制することが望まれている。

特開平９−３２７１３９号公報

上記した特許文献１のロータでは、隣接のマグネットと突極との間に空隙（周方向の隙間）を設けているため、マグネットと突極の境界部分における磁束密度の急峻な変化がある程度抑制されるものの、その抑制が十分とは言えず、更なる改善が検討されていた。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、磁束密度の急峻な変化の一層の抑制を図り、トルク脈動の一層の低減を図ることができるロータ、及びそのロータを備えたモータを提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、ロータコアの周方向に一方の磁極のマグネットが複数配置されるとともに、前記ロータコアに一体形成された突極が各マグネット間に空隙を以て配置され、前記突極を他方の磁極として機能するように構成されたロータであって、前記突極の表面は、その周方向中央部が前記各マグネットの表面が位置する基準の円周上に位置するとともに、該突極の表面における前記周方向中央部から周方向両端部に向かうほど、前記基準の円周から曲線的に後退側に次第に離間するように構成されていることをその要旨とする。

この発明では、突極の表面は、その周方向中央部が各マグネットの表面が位置する基準の円周上に位置するとともに、該突極の表面における前記周方向中央部から周方向両端部に向かうほど、基準の円周から曲線的に後退側に次第に離間する構成とされる。これにより、周方向両端部ほどステータとの空隙が次第に拡大するため、それに伴って突極の磁極端部付近での磁束密度の突出変化度合いが小さくなり、また磁極中央部付近では磁束密度の落ち込み度合いも小さくなる。そのため、マグネットと突極との間に空隙を設けてロータの磁束密度の急峻な変化の抑制を図るのに加え、その磁束密度の急峻な変化が一層抑制され、トルク脈動の一層の低減が図られる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のロータにおいて、前記突極はその表面全体が一定の曲率を以て湾曲形状をなすものであり、その表面の曲率の半径ｒ１と前記基準の円周の半径Ｒとの比ｒ１／Ｒが、０．２≦ｒ１／Ｒ≦０．８の範囲内に設定されていることをその要旨とする。

この発明では、突極はその表面全体が一定の曲率を以て湾曲形状をなし、その表面の曲率の半径ｒ１と基準の円周の半径Ｒとの比ｒ１／Ｒが、０．２≦ｒ１／Ｒ≦０．８の範囲内のいずれかに設定される。これにより、モータトルクの低下が抑制されつつ、トルクリップルの一層の低減がなされ、トルク脈動の一層の低減が図られる（図４及び図５参照）。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載のロータを備えたモータである。
この発明では、上記のロータを用いることでトルク脈動の一層の低減が可能なため、モータの高出力・低振動化が図られる。

本発明によれば、磁束密度の急峻な変化の一層の抑制を図り、トルク脈動の一層の低減を図ることができるロータ、及びそのロータを備えたモータを提供することができる。

第１実施形態におけるロータの平面図である。 同実施形態におけるロータの部分拡大図である。 同実施形態におけるｒ１／Ｒ比と磁束密度変化との関係を示す特性図である。 同実施形態におけるｒ１／Ｒ比とトルク比との関係を示す特性図である。 同実施形態におけるｒ１／Ｒ比とトルクリップル比との関係を示す特性図である。 第２実施形態におけるロータの部分拡大図である。 同実施形態におけるｒ２／ｈ比とトルク比との関係を示す特性図である。 同実施形態におけるｒ２／ｈ比とトルクリップル比との関係を示す特性図である。 第３実施形態におけるロータの平面図である。 同実施形態におけるロータの部分拡大図である。 同実施形態におけるｒ３／Ｒ比と磁束密度変化との関係を示す波形図である。 同実施形態におけるｒ３／Ｒ比とトルク比との関係を示す特性図である。 同実施形態におけるｒ３／Ｒ比とトルクリップル比との関係を示す特性図である。

（第１実施形態）
以下、本発明を具体化した第１実施形態を図面に従って説明する。
図１及び図２は、インナロータ型のブラシレスモータに用いられる本実施形態のロータ１０を示す。ロータ１０は、回転軸１１の外周面に磁性金属材料よりなる略円環状のロータコア１２が固着されており、該コア１２の周方向にＮ極のマグネット１３が７個配置されるとともに、コア１２に一体形成された突極１２ａが各マグネット１３間に配置され、該突極１２ａをＳ極として機能させる１４磁極の所謂コンシクエントポール型にて構成されている。尚、図示しないステータには、例えば１２個のティースにコイルが巻回された１２磁極で構成されたものが用いられる。マグネット１３及び突極１２ａは、ロータ１０の外周部に等角度間隔で交互に設けられている。

マグネット１３は、突極１２ａよりも周方向長さが若干大きく、その周方向に同一厚さの湾曲形状、即ち内側面１３ａと外側面１３ｂとが平行な湾曲形状をなすように形成されている。マグネット１３は、その内側面１３ａがロータコア１２の隣接する突極１２ａ間に同じく湾曲形状をなす固着面１２ｂに固着され、隣接の突極１２ａとの間に空隙（周方向の隙間）Ｓが設けられている。この空隙Ｓは、ロータ１０とステータとの間の空隙の１〜２倍程度に設定されている。

突極１２ａは、各マグネット１３の内側面１３ａを繋いだ円周Ｃ１に対して、周方向中央部の突出長さが大きく、周方向両端部に向かうほどその突出長さが小さくなるように、周方向中央線を基準に線対称に形成されている。また、突極１２ａの外側面１２ｃは、周方向中央部が各マグネット１３の外側面１３ｂを繋いだ円周Ｃ２上に位置し、外側面１２ｃの周方向両端部が同円周Ｃ２上から径方向内側に次第に離間する。つまり、突極１２ａの外側面１２ｃは、各マグネット１３の外側面１３ｂを繋いだ円周Ｃ２よりも曲率が大きく（曲率半径が小さく）形成され、外側面１２ｃの周方向中央部から端部に向かうほど、ステータから次第に離間するように構成されている。

ここで、各マグネット１３の外側面１３ｂを繋いだ円周Ｃ２の半径をＲ、突極１２ａの外側面１２ｃの半径をｒ１とした場合、その比ｒ１／Ｒを変化させたときのロータ１０の表面磁束密度変化を図３に、トルク比を図４に、トルクリップル比を図５にそれぞれ示す。

図３では、ｒ１／Ｒ＝１、ｒ１／Ｒ＝０．５、ｒ１／Ｒ＝０．３と変化させたときの磁束密度変化が示され、マグネット１３の磁極部分における磁束密度変化は、ｒ１／Ｒの比が変化しても大差なく、滑らかな曲線で略台形状に変化する。一方、突極１２ａの磁極部分における磁束密度変化は、ｒ１／Ｒの比が変化すると、その比に応じて大きく異なる。ｒ１／Ｒ＝１、即ち突極１２ａの外側面１２ｃがマグネット１３の外側面１３ｂを繋いだ円周Ｃ２と曲率が同じとき、突極１２ａの磁極端部付近の磁束密度が突出して大きく変化し、また磁極中央部付近では磁束密度の落ち込みが大きい。これに対し、ｒ１／Ｒ＝０．５、ｒ１／Ｒ＝０．３のようにその比が小さくなる、即ち突極１２ａの外側面１２ｃの曲率が円周Ｃ２よりも大きくなると、突極１２ａの周方向両端部ほどステータとの空隙が次第に拡大するため、それに伴って突極１２ａの磁極端部付近での磁束密度の突出変化度合いが小さくなり、またその磁極中央部付近での磁束密度の落ち込み度合いも小さくなる。

図４では、ｒ１／Ｒを変化させたときのモータのトルク比が示され、ｒ１／Ｒ＝１、即ち突極１２ａの外側面１２ｃの曲率を変化させていないときのモータトルクを１００％とすると、そのｒ１／Ｒが小さく（突極１２ａの外側面１２ｃの曲率が円周Ｃ２よりも大きく）なるに連れて、モータトルクとしては僅かではあるが小さくなる。ｒ１／Ｒ＝０．２にてモータトルクが９８．５％程度となるまで小さい減少幅で減少し、ｒ１／Ｒ＝０．２からはその減少幅が僅かながらも大きくなる。

図５では、ｒ１／Ｒを変化させたときのトルクリップル比が示され、ｒ１／Ｒ＝１としたとき（突極１２ａの外側面１２ｃの曲率を変化させていないとき）のトルクリップルを１００％とすると、そのｒ１／Ｒが小さく（突極１２ａの外側面１２ｃの曲率が円周Ｃ２よりも大きく）なるに連れて、トルクリップルとしては十分に小さくなる。ｒ１／Ｒ＝０．８まではトルクリップルが９５％程度まで比較的小さい減少幅で減少するが、ｒ１／Ｒ＝０．８からはその減少幅も大きくなり、ｒ１／Ｒ＝０．３でトルクリップルが５５％程度まで減少する。ｒ１／Ｒ＝０．３からはトルクリップルの減少幅が更に大きくなる。ｒ１／Ｒ＝０．８からは特にトルクリップルが大きく低減され、トルク脈動の一層の低減が図られる。

これらを踏まえ、本実施形態のロータ１０では、突極１２ａの外側面１２ｃの曲率度合いが０．２≦ｒ１／Ｒ≦０．８の範囲内のいずれかに設定されている。つまり、本実施形態では、マグネット１３と突極１２ａとの間に空隙Ｓを設けてロータ１０の表面磁束密度の急峻な変化の抑制を図る態様に加え、モータトルクを極力低下させずに、その磁束密度の急峻な変化が一層抑制され、トルク脈動の一層の低減が図られている。

尚、本実施形態のロータ１０は、インナロータ型のモータに用いられる構成であることから、突極１２ａ及びマグネット１３の各外側面１２ｃ，１３ｂ、即ちステータとの対向面の面積が内側面よりも大きく、またマグネット１３からロータコア１２内を通過し突極１２ａへ抜ける磁気の経路が短くなって磁気損失も減るため、逆にその内側面がステータとの対向面となるアウタロータ型と比べて、スタータとの間の磁束密度を同体積としながら高くでき、高トルク化が可能である。

次に、本実施形態の特徴的な作用効果を記載する。
（１）本実施形態では、突極１２ａはその外側面（表面）１２ｃの全体が一定の曲率を以て湾曲形状をなし、その外側面１２ｃの曲率の半径ｒ１と基準の円周Ｃ２の半径Ｒとの比ｒ１／Ｒが、０．２≦ｒ１／Ｒ≦０．８の範囲内のいずれかに設定されている。つまり、この範囲内では、突極１２ａの外側面１２ｃの周方向両端部が基準の円周Ｃ２から曲線的に後退側に次第に離間する構成となる。これにより、突極１２ａの周方向両端部ほどステータとの空隙が次第に拡大するため、それに伴って突極１２ａの磁極端部付近での磁束密度の突出変化度合いが小さくなり、また磁極中央部付近では磁束密度の落ち込み度合いも小さくなる。そのため、マグネット１３と突極１２ａとの間に空隙Ｓを設けてロータ１０の磁束密度の急峻な変化の抑制を図るのに加え、その磁束密度の急峻な変化が一層抑制され、トルク脈動の一層の低減を図ることができる。また、突極１２ａの外側面１２ｃの曲率の半径ｒ１と基準の円周Ｃ２の半径Ｒとの比ｒ１／Ｒが、０．２≦ｒ１／Ｒ≦０．８の範囲内のいずれかに設定されることから、モータトルクの低下が抑制されつつ、トルクリップルの一層の低減がなされ、トルク脈動の一層の低減が図られる（図４及び図５参照）。このことは、モータの高出力・低振動化に寄与できる。

（第２実施形態）
以下、本発明を具体化した第２実施形態を図面に従って説明する。
上記第１実施形態では、突極１２ａの外側面１２ｃ全体の曲率度合いを適正化する態様であったが、本実施形態では図６に示すように、突極１２ａの周方向両端の角部１２ｄのＲ形状の曲率度合いが適正化され、突極１２ａの外側面１２ｃが周方向中央部から端部に向かうほど、ステータに対して好適に離間するように構成されている。

ここで、突極１２ａの角部１２ｄの半径をｒ２、突極１２ａの突出長さをｈとした場合、その比ｒ２／ｈを変化させたときのロータ１０のトルク比を図７に、トルクリップル比を図８にそれぞれ示す。

図７では、ｒ２／ｈを変化させたときのモータのトルク比が示され、ｒ２／ｈ＝０、即ち突極１２ａの角部１２ｄをＲ形状としていないときのモータトルクを１００％とすると、そのｒ２／ｈが大きくなるに連れて次第に増加し、ｒ２／ｈ＝０．６付近で最大となりそこから次第に低下する。ｒ２／ｈ＝０．９付近でモータトルクが１００％未満となってからは、ｒ２／ｈ＝１となるまで更に低下する。

図８では、ｒ２／ｈを変化させたときのトルクリップル比が示され、ｒ２／ｈ＝０のとき（突極１２ａの角部１２ｄをＲ形状としていないとき）のトルクリップルを１００％とすると、そのｒ２／ｈが大きくなるに連れてｒ２／ｈ＝０．２までは若干ではあるが増加し、ｒ２／ｈ＝０．２からは１００％よりも小さくなっていく。ｒ２／ｈ＝０．８付近で５０％程度となってその減少は緩やかとなり、ｒ２／ｈ＝０．９からは変化が殆どなくなる。

これらを踏まえ、本実施形態のロータ１０では、突極１２ａの突出長さｈとその角部１２ｄの半径ｒ２との兼ね合いが０．２≦ｒ２／ｈ≦０．９の範囲内のいずれかに設定されている。このようにすることで、本実施形態においても、モータトルクを極力低下させずに、その磁束密度の急峻な変化が一層抑制され、トルク脈動の一層の低減が図られている。

次に、本実施形態の特徴的な作用効果を記載する。
（１）本実施形態では、突極１２ａはその周方向両端の角部１２ｄがＲ形状をなし、その角部１２ｄの曲率の半径ｒ２と突極１２ａの突出長さｈとの比ｒ２／ｈが、０．２≦ｒ２／ｈ≦０．９の範囲内のいずれかに設定されている。つまり、この範囲内で突極１２ａを構成することで、突極１２ａの外側面１２ｃの周方向両端部が基準の円周Ｃ２から曲線的に後退側に次第に離間するため、上記した第１実施形態の効果と同様に、ロータ１０の磁束密度の急峻な変化が一層抑制され、トルク脈動の一層の低減を図ることができる。また、突極１２ａの角部１２ｄの曲率の半径ｒ２と突極１２ａの突出長さｈとの比ｒ２／ｈが、０．２≦ｒ２／ｈ≦０．９の範囲内のいずれかに設定されることから、モータトルクの低下が抑制されつつ、トルクリップルの一層の低減がなされ、トルク脈動の一層の低減が図られる（図７及び図８参照）。このことは、モータの高出力・低振動化に寄与できる。

（第３実施形態）
以下、本発明を具体化した第３実施形態を図面に従って説明する。
上記第１及び第２実施形態では、突極１２ａの外側面１２ｃや角部１２ｄの曲率度合いを適正化する態様であったが、本実施形態では図９及び図１０に示すように、マグネット１３の外側面１３ｂの曲率度合いが適正化され、マグネット１３の外側面１３ｂが周方向中央部から端部に向かうほど、ステータに対して好適に離間するように構成されている。

ここで、曲率を変化させる各マグネット１３の外側面１３ｂの半径をｒ３とした場合、曲率を変えていないときの外側面１３ｂを繋いだ前記円周Ｃ２の半径Ｒに対するその比ｒ３／Ｒを変化させたときのロータ１０の表面磁束密度変化を図１１に、トルク比を図１２に、トルクリップル比を図１３にそれぞれ示す。尚、突極１２ａの外側面１２ｃは、円周Ｃ２上に位置している（ｒ１／Ｒ＝１）。

図１１では、ｒ３／Ｒ＝１、ｒ３／Ｒ＝０．６と変化させたときの磁束密度変化が示され、マグネット１３の磁極部分における磁束密度変化は、ｒ３／Ｒ＝１のときに略台形状に変化していたものが、ｒ３／Ｒ＝０．６になると略正弦波状に変化するようになる。また、突極１２ａの磁極部分における磁束密度変化は、ｒ３／Ｒ＝１のとき（マグネット１３の外側面１３ｂが円周Ｃ２と曲率が同じとき）よりもｒ３／Ｒ＝０．６のとき（マグネット１３の外側面１３ｂの曲率が円周Ｃ２よりも大きくなるとき）では、磁束密度の急峻な変化の改善がみられる。

図１２では、ｒ３／Ｒを変化させたときのモータのトルク比が示され、ｒ３／Ｒ＝１のとき（マグネット１３の外側面１３ｂの曲率を変化させていないとき）のモータトルクを１００％とすると、そのｒ３／Ｒが小さく（マグネット１３の外側面１３ｂの曲率が円周Ｃ２よりも大きく）なるに連れてモータトルクが小さくなるが、ｒ３／Ｒ＝０．４までは比較的小さい減少幅で減少し、ｒ３／Ｒ＝０．４からはその減少幅が大きくなる。

図１３では、ｒ３／Ｒを変化させたときのトルクリップル比が示され、ｒ３／Ｒ＝１としたとき（マグネット１３の外側面１３ｂの曲率を変化させていないとき）のトルクリップルを１００％とすると、そのｒ３／Ｒが小さく（マグネット１３の外側面１３ｂの曲率が円周Ｃ２よりも大きく）なるに連れてトルクリップルが小さくなるが、ｒ３／Ｒ＝０．８まではトルクリップルが８０％程度まで比較的小さい減少幅で減少するが、ｒ３／Ｒ＝０．８からはその減少幅も大きくなり、ｒ３／Ｒ＝０．６ではトルクリップルが５０％程度まで減少する。ｒ３／Ｒ＝０．６からもトルクリップルが十分に小さくなる。ｒ３／Ｒ＝０．８からは特にトルクリップルが大きく低減され、トルク脈動の一層の低減が図られる。

これらを踏まえ、本実施形態のロータ１０では、マグネット１３の外側面１３ｂの曲率度合いが０．４≦ｒ３／Ｒ≦０．８の範囲内のいずれかに設定されている。このようにすることで、本実施形態においても、モータトルクを極力低下させずに、その磁束密度の急峻な変化が一層抑制され、トルク脈動の一層の低減が図られている。

次に、本実施形態の特徴的な作用効果を記載する。
（１）本実施形態では、マグネット１３はその外側面（表面）１３ｂの全体が一定の曲率を以て湾曲形状をなし、その外側面１３ｂの曲率の半径ｒ３と基準の円周Ｃ２の半径Ｒとの比ｒ３／Ｒが、０．４≦ｒ３／Ｒ≦０．８の範囲内のいずれかに設定されている。つまり、この範囲内でマグネット１３を構成することで、マグネット１３の外側面１３ｂの周方向両端部が基準の円周Ｃ２から曲線的に後退側に次第に離間するため、上記した第１実施形態の効果と同様に、ロータ１０の磁束密度の急峻な変化が一層抑制され、トルク脈動の一層の低減を図ることができる。また、マグネット１３の外側面１３ｂの曲率の半径ｒ３と基準の円周Ｃ２の半径Ｒとの比ｒ３／Ｒが、０．４≦ｒ３／Ｒ≦０．８の範囲内のいずれかに設定されることから、モータトルクの低下が抑制されつつ、トルクリップルの一層の低減がなされ、トルク脈動の一層の低減が図られる（図１２及び図１３参照）。このことは、モータの高出力・低振動化に寄与できる。

尚、本発明の実施形態は、以下のように変更してもよい。
・上記各実施形態についての数値範囲は、状況等に応じて適宜変更してもよい。
・上記第１実施形態では突極１２ａの外側面１２ｃ全体の曲率、第２実施形態では突極１２ａの角部１２ｄの曲率、第３実施形態ではマグネット１３の外側面１３ｂ全体の曲率のそれぞれの適正化を図ったが、これら各形態を組み合わせてもよく、例えば突極１２ａとマグネット１３との両者をその対象としてもよい。

・上記各実施形態では、７個の突極１２ａと７個のマグネット１３とで構成した１４磁極のロータ１０に適用したが、磁極数を適宜変更してもよい。これに伴い、ステータ側の磁極数も適宜変更する。

・上記各実施形態では、インナロータ型のモータに用いられるロータ１０に適用したが、アウタロータ型のモータのロータに適用してもよい。この場合、ロータとステータとの径方向の対向関係が逆になる。

１０…ロータ、１２…ロータコア、１２ａ…突極、１２ｃ…外側面（表面）、１２ｄ…角部、１３…マグネット、１３ｂ…外側面（表面）、Ｃ２…円周（基準の円周）、ｒ１，ｒ２，ｒ３，Ｒ…半径、ｈ…突出長さ、Ｓ…空隙。

Claims (3)

1. ロータコアの周方向に一方の磁極のマグネットが複数配置されるとともに、前記ロータコアに一体形成された突極が各マグネット間に空隙を以て配置され、前記突極を他方の磁極として機能するように構成されたロータであって、
   前記突極の表面は、その周方向中央部が前記各マグネットの表面が位置する基準の円周上に位置するとともに、該突極の表面における前記周方向中央部から周方向両端部に向かうほど、前記基準の円周から曲線的に後退側に次第に離間するように構成されていることを特徴とするロータ。
2. 請求項１に記載のロータにおいて、
   前記突極はその表面全体が一定の曲率を以て湾曲形状をなすものであり、その表面の曲率の半径ｒ１と前記基準の円周の半径Ｒとの比ｒ１／Ｒが、０．２≦ｒ１／Ｒ≦０．８の範囲内に設定されていることを特徴とするロータ。
3. 請求項１又は２に記載のロータを備えたことを特徴とするモータ。

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