JP5403794B2

JP5403794B2 - 小型モータ

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Publication number: JP5403794B2
Application number: JP2009117337A
Authority: JP
Inventors: 尚久小柳
Original assignee: Tokyo Parts Ind Co Ltd
Current assignee: Tokyo Parts Ind Co Ltd
Priority date: 2009-05-14
Filing date: 2009-05-14
Publication date: 2014-01-29
Anticipated expiration: 2029-05-14
Also published as: CN101888162B; JP2010268588A; US8334627B2; US20100289364A1; CN101888162A

Description

本発明は、車両、音響機器、映像機器、精密機器等に使用される小型モータに関するものであり、特に出力トルクを低下させずにコギングトルクを低減できる小型モータに関する。

近年、車両や種々の精密機器等の開発に伴い、大きなトルクを有しながらも、コギングが少ない小型モータが待望されている。

コギングの対策としては、当初は電機子鉄心の無いコアレスモータが用いられていたが、コアレスモータは比較的トルクが小さいため、大きいトルクを得るにはモータ全体を大型化しなければならない問題があった。

一方、大きなトルクが要求される小型モータには、図８に示すように、ケース（磁気ヨーク）１０４内にＮ極、Ｓ極が交互に着磁された永久磁石１０３を配し、この永久磁石１０３の内側に突極１０２を有する電機子鉄心１０１を対向配置したモータが使用されている。

このような電機子鉄心を有するモータは大きなトルクが得られるものの、永久磁石１０３の磁極境界部が突極１０２間のスロットを横切る際に透磁率が不連続に変化するため、いわゆるコギングと称される回転速度に同期した周波数のトルクむらが発生するという不都合があった。

このため、例えば特許文献１では、電機子鉄心の突極に溝加工を施してコギングを減少させる方法が提案されている。

また、近年、大きなトルクが要求される高品位の小型モータには、永久磁石１０３として磁力の強い希土類磁石が用いられるようになった。永久磁石の着磁方法としては、例えば図９に示すようにケース１０４の外面から着磁する方法がある。

図９において、１１１は着磁コイル１１２を巻装した着磁ヨークであり、１対の着磁ヨーク１１１の間に、内周面に希土類磁石材料粉末とゴムとを主成分とするシート材１１３を固着したケース１０４を位置決めした状態で、シート材１１３内に中実円柱状の内部ヨーク１１４を介装させ、着磁コイル１１２に例えば直流パルス電圧を印加してシート材１１３を略正弦波状の着磁波形に着磁していた。

特開昭６１−３０９４５号公報

しかしながら、上述の特許文献１のものにあっては電機子鉄心に加工を施すことにより、コギングをある程度低減できるものの、鉄心の加工が非常に複雑になり、コギングの低減に関しても、年々増大する高品位化への要望に対し充分なものではなかった。

また、永久磁石として磁力の強い希土類磁石等を用いる場合は、小型化は促進されるもののコギングがより顕著となる問題も発生していた。

そこで本発明は、上記従来技術が抱える問題点を解決し、モータの製造を容易にすると共に、出力トルクを低下させずにコギングトルクを低減できるように改良した小型モータを提供することを目的とするものである。

上記目的を達成すべく成された本発明の小型モータは、
中空筒状のヨークの内表面に固着された円筒状の永久磁石と、前記永久磁石の内側に設けられた電機子コアとを具備する小型モータにおいて、
前記電機子コアは、等ピッチで３つのスロットを有し、
前記永久磁石は２極着磁されたものであり、各磁極は、磁極の中心から両側に４０°乃至５０°の範囲内に磁束密度の極大値を有し、
前記極大値は、磁極の中心の磁束密度の１．３倍乃至１．８倍の範囲内であることを特徴とするものである。
本発明の小型モータでは、前記極大値を含む領域において、前記極大値と前記磁極の中心の磁束密度の平均値以上の磁束密度を有する領域の開角が、前記スロットの開角の１．８倍乃至２．２倍の範囲内であることが好ましい。
また、本発明の小型モータでは、前記スロットの開角は、８°乃至２５°の範囲内であることが好ましい。

また、本発明は、中空筒状のヨークの内表面に固着された円筒状の永久磁石と、前記永久磁石の内側に設けられた等ピッチで３つのスロットを有する電機子コアとを具備する小型モータの製造方法において、
未着磁の円筒状磁石材料を前記ヨークの内表面に固着する工程と、
前記円筒状磁石材料の内側に接触するように略矩形断面の鉄心を配置し、前記矩形の一辺と略直交する前記ヨーク外部の平行磁界によって、前記円筒状磁石材料を２極着磁する工程とを有し、
前記鉄心の前記矩形の一辺の開角は、８０°乃至１００°の範囲内にあることを特徴とするものである。

本発明の小型モータによれば、２極の永久磁石と３極の電機子コアを用いたモータにおいて、永久磁石の各磁極内の特定の位置に着磁波形の極大部を２つ設けることにより、電機子コアの形状を変えることなくモータの製造を容易にできると共に、出力トルクを低下させずにコギングトルクを低減できる高品位な小型モータを実現できる。
また、本発明の小型モータの製造方法によれば、２極の永久磁石と３極の電機子コアを用いたモータにおいて、極めて簡易な着磁装置によって永久磁石の各磁極内の特定の位置に着磁波形の極大部を２つ設けることができ、その結果、電機子コアの複雑な加工を伴うことなく、出力トルクを低下させずにコギングトルクを低減できる高品位な小型モータを簡単に実現できる。

本発明に係る２極の永久磁石と３極の電機子コアを用いた小型モータの一例を示す断面図である。従来の小型モータの永久磁石の着磁波形（ａ）および、その小型モータのコギングトルク（ｂ）である。本発明の小型モータにおける永久磁石の着磁波形の特徴を説明するための図である。本発明の実験例で用いた永久磁石の着磁装置（ａ）、およびその着磁装置（ａ）のｘ−ｘ断面図（ｂ）、および鉄心の斜視図（ｃ）である。実験例１のコギングトルクの結果を示すグラフである。実験例２における鉄心の接触幅Ｗを変えたときの永久磁石の着磁波形の変化を説明するための図である。実験例３のコギングトルクの結果を示すグラフである。従来の小型モータの断面図である。従来の小型モータの永久磁石の着磁装置である。

本発明者は、図１に例示する２極の永久磁石１３と３極の電機子コア２２を用いた外径がΦ２０ｍｍ程度の小型モータ１において、出力トルクの低下を抑えつつ、コギングトルクを効果的に低減できる構成について鋭意実験を重ねた結果、本発明に到ったものである。

まず、図１の小型モータ１の構成を説明する。１１はステータであり、このステータ１１には有底中空筒状の金属材料のヨーク１２と、このヨーク１２の内表面に固着される等方性の希土類の永久磁石１３と、図示しないブラシを備える。永久磁石１３は、円筒形状で円周方向に沿ってＮ極、Ｓ極が２極着磁され、永久磁石１３の内側には回転自在なロータ２１を設ける。

ロータ２１は、薄い鋼鈑を複数枚積層してなる電機子コア２２とシャフト２３と図示しない整流子を備える。電機子コア２２は、１２０°ピッチの放射状に設けられた３個のティース２５を有し、各ティース２５には図示しないコイルが巻回され図示しないコイル端末が整流子に接続される。この整流子にはブラシが摺接されブラシに電流が流れるとロータ２１が回転する。

ティース２５の先端部の両側にはロータ２１の回転方向に沿って延長される突極部２８を設ける。この突極部２８は永久磁石１３の内側と空隙が生じるように配置される。

電機子コア２２は、隣接するティース２５の突極部２８間に等ピッチで３つのスロット２９を設けている。このスロット２９の存在のため非励磁状態でロータ２１を回転させるとコギングトルクが発生する。

永久磁石１３として、例えば図９に示したような装置によって着磁したものを用いた場合は、図２（ａ）のように略正弦波状の着磁波形となり、コギングトルクは図２（ｂ）のようになる。特に、永久磁石材料として磁力の強い希土類磁石等を用いると、モータの小型化は促進されるもののコギングトルクがより顕著になる。

コギングトルク対策として、従来は、電機子コアに加工を施していたが、このような加工は複雑な工程を要するため、本発明者は永久磁石の着磁波形に着目し、様々な着磁波形とコキングトルクとの関係を実験で検証した。その結果、永久磁石の各磁極内の特定の位置に、磁束密度が特定の大きさの極大値を持った領域を２つ設けることが有効であることを見出したものである。
以下に、本発明者が行った実験例を示しながら、本発明を説明する。

（実験例１）
本実験例は、外径がΦ１８ｍｍ、内径がΦ１５．５ｍｍ、高さが１３ｍｍの永久磁石１３と、外径がΦ１５ｍｍ、スロット幅ＳＨが２．１１ｍｍの電機子コア２２を用いて図１のような小型モータ１を構成し、コギングトルクと出力トルクを測定したものである。

本実験例で用いた永久磁石１３の着磁波形の特徴を、図３を用いて説明する。図３の横軸は磁石内面角度（機械角）を示し、縦軸は永久磁石の表面の磁束密度を示す。
なお、着磁波形の測定は、永久磁石１３の内周側の軸方向略中央部分にホール素子を接触させ、永久磁石１３を内周に固定したヨーク１２を円周方向に回転させて行った。

図３に示すように、本実験例における永久磁石１３は２極着磁されたものであり、各磁極は、磁極の中心Ｃから両側に所定の角度α（°）ずれたところに磁束密度の極大値Ｐを持った領域を有している。なお、磁極の中心Ｃとは、Ｎ極とＳ極の境界から境界までの中間を意味し、図３に示す０°から１８０°の範囲のＮ極の中心Ｃは９０°となり、１８０°から３６０°のＳ極の中心Ｃは２７０°となる。

本実験例では、図３の着磁波形における極大値Ｐの位置（即ち角度α）が異なる１１種類の永久磁石を用いて構成した計１１台の小型モータと、図２（ａ）の着磁波形の永久磁石を用いて構成した小型モータの出力トルクとコギングトルクを測定し、比較した。

本実験例で用いた１１種類の永久磁石１３は、具体的には図４に示すような装置を用いて着磁した。図４において、３１は、着磁コイル３２を巻装した着磁ヨークであり、１対の着磁ヨーク３１間に、内周面に永久磁石１３となる未着磁の円筒状磁石材料を配置したヨーク１２を位置決めした状態で、この円筒状磁石材料内に鉄心３３を介装させ、着磁コイル３２に直流パルス電圧を印加して着磁する。

鉄心３３は、略矩形断面の中実略直方体であり、四隅の丸みのある角部３４が永久磁石１３となる未着磁の円筒状磁石材料の内周面にそれぞれ接触幅Ｗで接するように配置する。この鉄心３３の一辺３３Ａは、ヨーク１２の外部から加わる平行磁界と略直交するように配置されている。

本実験例では、図４に示す鉄心３３の接触幅Ｗを１．２５ｍｍと一定のまま、ヨーク外部の平行磁界と直交する鉄心３３の矩形の一辺の開角βを６５°乃至１１５°の範囲で１１段階に変化させた。即ち、開角βが異なる１１種類の矩形断面形状の鉄心３３を用いて着磁しており、図３に示した着磁波形における角度αは、上記開角βの略１／２に対応している。
なお、図２（ａ）の着磁波形の永久磁石は、中実円柱状の鉄心を用いて着磁した以外は、上記の１１種類の永久磁石と全く同じ条件で着磁した。

表１と図５に本実験例の結果を示す。
表１において、Ｐ／Ｐ０は、図３に示した着磁波形における磁束密度の極大値Ｐと、磁極の中心Ｃの磁束密度Ｐ０の比を示している。また、コギングトルクと出力トルクは、図２（ａ）の着磁波形の永久磁石を用いた小型モータのコギングトルクと出力トルクを１とした場合の相対値である。
図５において、横軸は前記角度αを示し、縦軸はコギングトルクの相対値である。なお、コギングトルクは、図２（ｂ）に示すように、全てのピーク値（Ｐ１〜Ｐ６）の平均値を用いている。

表１から明らかなように、出力トルクについては、いずれもほぼ同じであった。
一方、表１及び図５から明らかなように、角度αが４０°乃至５０°の範囲内にあるとき、即ち、磁極の中心から両側に４０°乃至５０°の範囲内に磁束密度の極大値Ｐがあるとき、コギングトルクを効果的に低減できることが分かる。
なお、角度αが４０°乃至５０°の範囲内にあるときは、鉄心の矩形の一辺の開角βが８０°乃至１００°の範囲内にあることに対応している。

また、図４に示す鉄心の接触幅Ｗを前記の２倍（２．５ｍｍ）にした場合にも、上記と同様の結果が得られ、磁極の中心から両側に４０°乃至５０°の範囲内に磁束密度の極大値Ｐがあるとき、コギングトルクを効果的に低減できることが分かった。

（実験例２）
本実験例は、２極着磁された永久磁石１３の各磁極に、磁極の中心から両側に略４２．５°の位置に磁束密度の極大値Ｐを持たせ、この極大値Ｐを有する領域の形状（幅および高さ）を変化させた以外は、実験例１と同様の小型モータを計１８台構成し、コギングトルクと出力トルクを測定したものである。

本実験例で用いた永久磁石１３は、具体的には図４に示す装置において、ヨーク外部の平行磁界と直交する鉄心３３の矩形の開角βを８５°と一定のまま、鉄心３３の接触幅Ｗを１．２５ｍｍ乃至６．５ｍｍの範囲内で変化させた。即ち、角部３４のＲ寸法が異なる１８種類の鉄心３３を用いて着磁している。

このように、鉄心３３の接触幅Ｗを変化させて着磁すると、図６に一部の着磁波形を示すように極大値Ｐを有する領域の形状（幅および高さ）が変化する。なお、図６（ａ）は接触幅Ｗを１．２５ｍｍとしたときの着磁波形、図６（ｂ）は接触幅Ｗを４．２５ｍｍとしたときの着磁波形、図６（ｃ）は接触幅Ｗを６．５ｍｍとしたときの着磁波形である。

表２に本実験例における測定結果を示す。なお、Ｐ／Ｐ０は、着磁波形における磁束密度の極大値Ｐと、磁極の中心Ｃの磁束密度Ｐ０の比を示している。また、コギングトルク及び出力トルクは、実験例１と同様、図２（ａ）の着磁波形の永久磁石を用いた小型モータのコギングトルク及び出力トルクを１とした場合の相対値である。

表２に示すように、２極着磁された永久磁石１３の各磁極に、磁極の中心から両側に略４２．５°の位置に磁束密度の極大値Ｐを持たせた場合、接触幅Ｗを広範囲に変化させた場合にも、出力トルクを低下させずにコギングトルクを低減していることがわかる。この時、磁束密度の極大値Ｐは磁極の中心Ｃの磁束密度Ｐ０の１．３乃至１．８倍の範囲内にある。また、特に、磁束密度の極大値Ｐが磁極の中心の磁束密度Ｐ０の１．５倍程度の場合には、コギングトルクが従来の正弦波着磁のものの１／５程度に減少し、その効果が顕著である。

また、磁極の中心から両側に略４０°の位置に磁束密度の極大値Ｐを持たせた場合や、磁極の中心から両側に略５０°の位置に磁束密度の極大値Ｐを持たせた場合にも、上記と同様の傾向が得られ、磁束密度の極大値Ｐが磁極の中心Ｃの磁束密度Ｐ０の１．３乃至１．８倍の範囲内にあるとき、コギングトルクを効果的に低減できることが分かった。

また、永久磁石１３の着磁波形における磁束密度の極大値Ｐが、磁極の中心Ｃの磁束密度の１．３倍未満の場合には、図３に示す極大部Ｒを設けることによるコギングトルク低減の効果が小さくなり、一方、着磁波形における磁束密度の極大値Ｐが、磁極の中心Ｃの磁束密度Ｐ０の１．８倍を超えると、極大部Ｒが先鋭状になり、逆にコギングトルクが増加する傾向があることが分かった。

以上説明した実験例１及び実験例２によれば、２極着磁された永久磁石１３の各磁極に、磁極の中心から両側に４０°乃至５０°の範囲内に磁束密度の極大値Ｐを持った領域を形成し、この極大値Ｐを磁極の中心の磁束密度Ｐ０の１．３倍乃至１．８倍の範囲内にすることにより、出力トルクを低下させずにコギングトルクを効果的に低減できることが分かる。

また、２極の永久磁石と３極の電機子コアを用いたモータを製造する場合、未着磁の円筒状磁石材料をヨーク１２の内表面に固着し、この円筒状磁石材料の内側に接触するように略矩形断面の鉄心３３を配置し、この矩形の一辺３３Ａと略直交するヨーク外部の平行磁界によって円筒状磁石材料を２極着磁する際、鉄心３３として前記矩形の一辺３３Ａの開角βが８０°乃至１００°の範囲内にあるものを用いることにより、永久磁石１３の各磁極に、磁極の中心から両側に４０°乃至５０°の範囲内に磁束密度の極大値Ｐを持った領域を形成し、この極大値Ｐを磁極の中心の磁束密度Ｐ０の１．３倍乃至１．８倍の範囲内になるようにすることができ、出力トルクを低下させずにコギングトルクを低減できる高品位な小型モータを極めて簡易な着磁装置を用いて簡単に実現できることが分かる。

（実験例３）
また本発明者は、図１に示すスロット開角Ｓ１が異なる複数の電機子コア２２を用いて実験を行った。その結果、永久磁石１３が図３のような着磁波形を有する場合、その極大値Ｐを含む極大部Ｒの領域において、極大値Ｐと磁極の中心Ｃの磁束密度Ｐ０の平均値（（Ｐ＋Ｐ０）／２）以上の磁束密度を有する領域の開角Ｓ２と、スロットの開角Ｓ１とが、ある一定の関係を有するとき、出力トルクを低下させずにコギングトルクをより一層低減できることを見出した。以下、本実験例を具体的に説明する。

本実験例では、スロット幅ＳＨが１．１１ｍｍ、２．１１ｍｍ、３．１１ｍｍの３種類の電機子コアを用いた。
また、永久磁石１３は、図４に示す装置において、ヨーク外部の平行磁界と直交する鉄心３３の矩形の開角βを８５°と一定のまま、鉄心３３の接触幅Ｗを１．２５ｍｍ、２．２５ｍｍ、４．２５ｍｍ、６．５ｍｍと変化させて、即ち、角部３４のＲ寸法が異なる４種類の鉄心を用いて着磁したものを用いた。このようにして着磁された永久磁石１３は、いずれも２極着磁された永久磁石１３の各磁極に、磁極の中心から両側に略４２．５°の位置に磁束密度の極大値Ｐを有する。

ここでスロット幅ＳＨからスロット開角Ｓ１を計算すると、以下のようになる。
スロット幅が１．１１ｍｍの場合、電機子コアの外径がΦ１５ｍｍであるため、
スロット開角Ｓ１＝１．１１／（π×１５）×３６０°
≒８．５°
となる。同様にスロット幅ＳＨが２．１１ｍｍ、３．１１のとき、スロット開角Ｓ１はそれぞれ１６．１°、２３．８°になる。

表３及び図７に本実験例における測定結果を示す。なお、コギングトルク及び出力トルクは、実験例１と同様、図２（ａ）の着磁波形の永久磁石を用いた小型モータのコギングトルク及び出力トルクを１とした場合の相対値である。
表３において、開角Ｓ２は、図３のような着磁波形を有する場合、その極大値Ｐを含む極大部Ｒの領域において、極大値Ｐと磁極の中心Ｃの磁束密度Ｐ０の平均値（（Ｐ＋Ｐ０）／２）以上の磁束密度を有する領域（斜線部分）の開角である。また、Ｐ／Ｐ０は、着磁波形における磁束密度の極大値Ｐと、磁極の中心Ｃの磁束密度Ｐ０の比を示している。
図７において、横軸は前記開角Ｓ２と前記開角Ｓ１の比（Ｓ２／Ｓ１）を示し、縦軸はコギングトルクの相対値である。

表３に示すように、２極着磁された永久磁石の各磁極に、磁極の中心から両側に略４２．５°の位置に磁束密度の極大値を持たせた場合、電機子コア２２のスロット幅ＳＨをある程度変化させた場合にも、出力トルクを低下させずにコギングトルクを低減していることがわかる。
また、図７から分かるように、特にＳ２／Ｓ１の値が１．８乃至２．２の範囲内でコギングトルクが最小となり、コギングトルクが従来の正弦波着磁のものの１／４以下に減少し、その効果が顕著である。

また、磁極の中心から両側に略４０°の位置に磁束密度の極大値Ｐを持たせた場合や、磁極の中心から両側に略５０°の位置に磁束密度の極大値Ｐを持たせた場合にも、上記と同様の傾向が得られ、Ｓ２／Ｓ１の値が１．８乃至２．２の範囲内にあるとき、コギングトルクを極めて効果的に低減できることが分かった。

以上のことから、２極着磁された永久磁石の各磁極に、磁極の中心から両側に４０°乃至５０°の範囲内に磁束密度の極大値Ｐを持った領域を形成し、この極大値Ｐを磁極の中心の磁束密度Ｐ０の１．３倍乃至１．８倍の範囲内にすると共に、極大値Ｐを含む領域において、極大値Ｐと磁極の中心の磁束密度Ｐ０の平均値（（Ｐ＋Ｐ０）／２）以上の磁束密度を有する領域の開角Ｓ２が、スロットの開角Ｓ１の１．８倍乃至２．２倍の範囲内であることにより、出力トルクを低下させずにコギングトルクを極めて効果的に低減できることが分かる。

なお、本実験例では、スロットの開角Ｓ１が、８．５°、１６．１°、２３．８°の例を示したが、スロット開角Ｓ１が８°未満である場合、スロットの巻回作業が難しく作業効率が大幅に低下してしまう問題があり、一方、スロット開角Ｓ１が２５°を超えると、永久磁石１３と対向する突極部２８の対向面積が小さくなり出力トルク自体が低下する問題がある。このため、電機子コア２２のスロットの開角Ｓ１は８°乃至２５°の範囲内にあることが望ましい。

１小型モータ
１１ステータ
１２ヨーク
１３永久磁石
２１ロータ
２２電機子コア
２３シャフト
２５ティース
２８突極部
２９スロット
３１着磁ヨーク
３２着磁コイル
３３鉄心
３３Ａ鉄心の一辺
３４角部
１０１電機子鉄心
１０２突極
１０３永久磁石
１０４ケース（磁気ヨーク）
１１１着磁ヨーク
１１２着磁コイル
１１３シート材
１１４内部ヨーク

Claims

中空筒状のヨークの内表面に固着された円筒状の永久磁石と、前記永久磁石の内側に設けられた電機子コアとを具備する小型モータにおいて、
前記電機子コアは、等ピッチで３つのスロットを有し、
前記永久磁石は２極着磁されたものであり、各磁極は、磁極の中心から両側に４０°乃至５０°の範囲内に磁束密度の極大値を有し、
前記極大値は、磁極の中心の磁束密度の１．３倍乃至１．８倍の範囲内であり、
前記スロットの開角は、８°乃至２５°の範囲内であり、
前記極大値を含む領域において、前記極大値と前記磁極の中心の磁束密度の平均値以上の磁束密度を有する領域の開角が、前記スロットの開角の１．８倍乃至２．２倍の範囲内であることを特徴とする小型モータ。
請求項１に記載の小型モータの製造方法であって、
未着磁の円筒状磁石材料を前記ヨークの内表面に固着する工程と、
前記円筒状磁石材料の内側に接触するように略矩形断面の鉄心を配置し、前記矩形の一辺と略直交する前記ヨーク外部の平行磁界によって、前記円筒状磁石材料を２極着磁して前記永久磁石とする工程とを有し、
前記鉄心の前記矩形の一辺の開角は、８０°乃至１００°の範囲内にあることを特徴とする小型モータの製造方法。