JP5814159B2 - ロータ及びモータ - Google Patents

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Description

本発明は、ロータ及びモータに関するものである。
モータに使用されるロータとしては、周方向に複数の爪状磁極をそれぞれ有して組み合わされる対となるロータコアを備え、それらの間に界磁磁石を配置して各爪状磁極を交互に異なる磁極に機能させる所謂ランデル型構造のロータがある(例えば、特許文献1参照)。このようなロータの回転軸は、一対のロータコアにそれぞれ挿通固定され、回転軸とロータコアとが一体回転するように構成されている。
実開平5−43749号公報
ところで、上記のようなランデル型構造のロータでは、界磁磁石からロータコアの爪状磁極に流れる磁束がロータの回転力を発生させるための有効磁束となる。一方で、ロータコアから回転軸へと流れる磁束が短絡磁束となるため、この短絡磁束の分だけ上記の有効磁束が減少してしまい、これがモータ出力の低下を招いていた。ランデル型構造のロータでは、界磁磁石から爪状磁極までの磁路よりも界磁磁石からロータコアを介した回転軸までの磁路の方が短くなる傾向があるため、ロータコアから回転軸への短絡磁束が増加する傾向があり、モータ出力の低下の問題が特に顕著となる。
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、ロータコアから回転軸への短絡磁束を減少させることができるロータ及び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、略円盤状の第1コアベースの外周部に、等間隔に複数の第1爪状磁極が径方向外側に突出されるとともに軸方向に延出形成された第1ロータコアと、略円盤状の第2コアベースの外周部に、等間隔に複数の第2爪状磁極が径方向外側に突出されるとともに軸方向に延出形成され、前記各第2爪状磁極がそれぞれ対応する前記第1ロータコアの各第1爪状磁極間に配置された第2ロータコアと、前記第1コアベースと第2コアベースとの軸方向の間に配置され、前記軸方向に磁化されることで、前記第1爪状磁極を第1の磁極として機能させ、前記第2爪状磁極を第2の磁極として機能させる界磁磁石と、前記第1及び第2コアベースにそれぞれ形成された挿通孔に軸方向に挿通されるとともに、該挿通孔に固定された回転軸とを備えたロータであって、前記挿通孔には、内側に突出するとともに前記回転軸と当接する支持凸部が設けられ、前記界磁磁石に形成された貫通孔には前記回転軸が挿通されており、該貫通孔と回転軸との間には間隙が設けられ、前記第1爪状磁極及び第2爪状磁極の径方向内側には補助磁石が配置されており、該補助磁石は、前記界磁磁石の外側面に当接していることを特徴とする。
この発明では、第1及び第2コアベースの挿通孔にそれぞれ形成された支持凸部によって回転軸が支持されるため、各挿通孔と回転軸との接触面積が減少し、これにより、第1及び第2コアベースの挿通孔と回転軸との間の磁気抵抗が増加する。従って、第1及び第2ロータコアから回転軸への短絡磁束を減少させることができるため、界磁磁石の磁束を有効利用して、モータ出力を向上させることができる。
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、前記支持凸部は、前記回転軸に線接触していることを特徴とする。
この発明では、各挿通孔と回転軸との接触面積がより減少され、その結果、第1及び第2ロータコアから回転軸への短絡磁束をより減少させることができる。
請求項3に記載の発明は、請求項2に記載のロータにおいて、前記支持凸部は、軸方向視で円弧状に突出されていることを特徴とする。
この発明では、支持凸部を回転軸に線接触させることが可能となる。
請求項4に記載の発明は、請求項1〜3のいずれか1項に記載のロータにおいて、前記支持凸部は、前記各挿通孔に周方向等間隔に複数設けられていることを特徴とする。
この発明では、周方向等間隔に複数設けられた支持凸部によって、回転軸を周方向にバランス良く支持させることができる。
請求項5に記載の発明は、略円盤状の第1コアベースの外周部に、等間隔に複数の第1爪状磁極が径方向外側に突出されるとともに軸方向に延出形成された第1ロータコアと、略円盤状の第2コアベースの外周部に、等間隔に複数の第2爪状磁極が径方向外側に突出されるとともに軸方向に延出形成され、前記各第2爪状磁極がそれぞれ対応する前記第1ロータコアの各第1爪状磁極間に配置された第2ロータコアと、前記第1コアベースと第2コアベースとの軸方向の間に配置され、前記軸方向に磁化されることで、前記第1爪状磁極を第1の磁極として機能させ、前記第2爪状磁極を第2の磁極として機能させる界磁磁石と、前記第1及び第2コアベースにそれぞれ形成された挿通孔に軸方向に挿通されるとともに、該挿通孔に固定された回転軸とを備えたロータであって、前記挿通孔と前記回転軸との間には、非磁性体が介在され、前記界磁磁石に形成された貫通孔には前記回転軸が挿通されており、該貫通孔と回転軸との間には間隙が設けられ、前記第1爪状磁極及び第2爪状磁極の径方向内側には補助磁石が配置されており、該補助磁石は、前記界磁磁石の外側面に当接していることを特徴とする。
この発明では、第1及び第2コアベースの挿通孔と回転軸との間の磁気抵抗が非磁性体よって増加するため、第1及び第2ロータコアから回転軸への短絡磁束を減少させることができる。このため、界磁磁石の磁束を有効利用して、モータ出力を向上させることができる。
請求項6に記載の発明は、請求項1〜5のいずれか1項に記載のロータを備えたことを特徴とするモータである。
この発明では、第1及び第2ロータコアから回転軸への短絡磁束を減少させることで界磁磁石の磁束を有効利用して、モータ出力を向上させることができる。
従って、上記記載の発明によれば、ロータコアから回転軸への短絡磁束を減少させることができる。
第1実施形態のモータの断面図。 同上のモータの平面図。 同上のロータの斜視図。 同上のロータの断面図。 同上のロータコアの斜視図。 (a)第2実施形態のロータの平面図、(b)同形態のロータの断面図。
(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(a)に示すように、モータ1のモータケース2は、有底筒状に形成された筒状ハウジング3と、該筒状ハウジング3のフロント側(図1中、左側)の開口部を閉塞するフロントエンドプレート4とを有している。また、筒状ハウジング3のリア側(図1中、右側)の端部には、回路基板等の電源回路を収容した回路収容ボックス5が取り付けられている。筒状ハウジング3の内周面にはステータ6が固定されている。ステータ6は、径方向内側に延びる複数のティースを有する電機子コア7と、電機子コア7のティースに巻装されたセグメントコンダクタ(SC)巻線8とを有する。モータ1のロータ11は回転軸12を有し、ステータ6の内側に配置されている。回転軸12は非磁性体の金属シャフトであって、筒状ハウジング3の底部3a及びフロントエンドプレート4に支持された軸受13,14により回転可能に支持されている。
ロータ11は、図3及び図4に示すように、回転軸12と、第1及び第2ロータコア21,22と、界磁部材としての環状磁石23(図4参照)と、第1及び第2背面補助磁石24,25と、極間磁石26,27とを備える。なお、図3及び図4中の実線で示す矢印は各磁石23,24,25,26,27の磁化方向(S極からN極向き)を示している。
図2(a)(b)、図3、図4及び図5に示すように、第1ロータコア21は、略円盤状の第1コアベース21aを有している。第1コアベース21aの中心部には、回転軸12が挿通される第1挿通孔21gが軸方向に貫通形成されている。この第1挿通孔21gの内周面には、内側に突出するとともに回転軸12と径方向に当接する支持凸部21hが形成されている。支持凸部21hは、周方向等間隔に10個形成されている。なお、各支持凸部21hは、第1挿通孔21gの軸方向全体に亘って形成されている(図5参照)。また、各支持凸部21hは、軸方向視で円弧状に突出しており、これにより、支持凸部21hの先端は回転軸12の外周面に対して線接触し、回転軸12を支持している。すなわち、支持凸部21hの先端以外の箇所では、第1挿通孔21gと回転軸12との間に間隙S1が形成されている。このように第1挿通孔21gの各支持凸部21hにて第1ロータコア21と回転軸12とが固定されることで、第1ロータコア21と回転軸12とが一体回転可能となっている。
第1コアベース21aの外周部には、等間隔に複数(本実施形態では5つ)の第1爪状磁極21bが径方向外側に突出されるとともに軸方向に延出形成されている。第1爪状磁極21bの周方向端面21c,21dは径方向に延びる(軸方向から見て径方向に対して傾斜していない)平坦面とされ、第1爪状磁極21bは軸直交方向断面が扇形状とされている。各第1爪状磁極21bの周方向の角度、即ち前記周方向端面21c,21d間の角度は、周方向に隣り合う第1爪状磁極21b同士の隙間の角度より小さく設定されている。
第2ロータコア22は、第1ロータコア21と同形状であって、略円盤状の第2コアベース22aの中心部には、第1ロータコア21の第1挿通孔21gと同形状の第2挿通孔22gが形成されている(図5参照)。すなわち、第2挿通孔22gには、第1挿通孔21gの支持凸部21hと同様の支持凸部22hが形成されており、支持凸部22hの先端以外の箇所では、第2挿通孔22gと回転軸12との間に間隙S2(図4参照)が形成されている。この第2挿通孔22gの各支持凸部22hにて第2ロータコア22と回転軸12とが固定され、第2ロータコア22と回転軸12とが一体回転可能となっている。
また、第2コアベース22aの外周部には、等間隔に複数の第2爪状磁極22bが径方向外側に突出されるとともに軸方向に延出形成されている。第2爪状磁極22bの周方向端面22c,22dは径方向に延びる平坦面とされ、第2爪状磁極22bは軸直交方向断面が扇形状とされている。各第2爪状磁極22bの周方向の角度、即ち前記周方向端面22c,22d間の角度は、周方向に隣り合う第2爪状磁極22b同士の隙間の角度より小さく設定されている。そして、第2ロータコア22は、前記各第2爪状磁極22bがそれぞれ対応する各第1爪状磁極21b間に配置されるようにして、第1コアベース21aと第2コアベース22aとの軸方向の間に環状磁石23(図4参照)が配置(挟持)されるようにして第1ロータコア21に対して組み付けられる。このとき、第1爪状磁極21bの一方の周方向端面21cと第2爪状磁極22bの他方の周方向端面22dとが軸方向に沿って平行をなすように形成されるため、各端面21c,22d間の間隙が軸方向に沿って略直線状をなすように形成されることとなる。また、第1爪状磁極21bの他方の周方向端面21dと第2爪状磁極22bの一方の周方向端面22cとが軸方向に沿って平行をなすように形成されるため、各端面21d,22c間の間隙が軸方向に沿って略直線状をなすように形成されることとなる。
図4に示すように、環状磁石23は、その外径が第1及び第2コアベース21a,22aの外径と同じに設定され、第1爪状磁極21bを第1の磁極(本実施形態ではN極)として機能させ、第2爪状磁極22bを第2の磁極(本実施形態ではS極)として機能させるように、軸方向に磁化されている。従って、本実施形態のロータ11は、界磁磁石としての環状磁石23を用いた所謂ランデル型構造のロータである。なお、環状磁石23の中心部に形成された貫通孔23aには回転軸12が挿通されており、貫通孔23aと回転軸12との間には間隙が設けられている。ロータ11は、N極となる第1爪状磁極21bと、S極となる第2爪状磁極22bとが周方向に交互に配置されており、磁極数が10極(極対数が5個)となる。ここで、極対数が3以上の奇数であるため、ロータコア単位で見ると同極の爪状磁極同士が周方向180°対向位置とならないため、磁気振動に対して安定する形状となる。
各第1爪状磁極21bの背面21e(径方向内側の面)と第2コアベース22aの外周面22fとの間には、第1背面補助磁石24が配置されている。第1背面補助磁石24は、その軸直交方向断面が扇形状とされ、第1爪状磁極21bの背面21eに当接する側が第1爪状磁極21bと同極のN極に、第2コアベース22aの外周面22fに当接する側が同第2コアベース22aと同極のS極となるように磁化されている。
また、各第2爪状磁極22bの背面22eには、第1爪状磁極21bと同様に、第2背面補助磁石25が配置されている。前記第1背面補助磁石24及び第2背面補助磁石25としては、例えばフェライト磁石を用いることができる。第2背面補助磁石25は、その軸直交方向断面が扇形状とされ、背面22eに当接する側がS極に、第1コアベース21aの外周面21fに当接する側がN極となるように磁化されている。
第1背面補助磁石24と第2背面補助磁石25とは、環状磁石23が配置されるロータ11の軸方向位置で互いに軸方向に重なるように、言い換えると、ロータ11の両面から環状磁石23が配置される軸方向位置に達するまで配置されるように軸方向の長さが設定されている。
図3に示すように、第1爪状磁極21bと第2爪状磁極22bとの周方向の間には、極間磁石26,27が配置されている。詳述すると、第1極間磁石26は、第1爪状磁極21bの一方の周方向端面21cと前記第1背面補助磁石24の周方向端面とで形成される平坦面と、第2爪状磁極22bの他方の周方向端面22dと前記第2背面補助磁石25の周方向端面とで形成される平坦面との間に嵌合され固定されている。
また、第2極間磁石27は、第1極間磁石26と同形状であって、第1爪状磁極21bの他方の周方向端面21dと第1背面補助磁石24の周方向端面とで形成される平坦面と、第2爪状磁極22bの一方の周方向端面22cと第2背面補助磁石25の周方向端面とで形成される平坦面との間に嵌合固定されている。第1及び第2極間磁石26,27は、第1及び第2爪状磁極21b,22bのそれぞれと同極性が対向するように(第1爪状磁極21b側がN極で、第2爪状磁極22b側がS極となるように)周方向に磁化されている。
次に、上記のように構成されたモータ1の作用について説明する。
回路収容ボックス5内の電源回路を介してセグメントコンダクタ(SC)巻線8に3相の駆動電流が供給されると、ステータ6でロータ11を回転させるための磁界が発生され、ロータ11が回転駆動される。このとき、環状磁石23の磁束は主に、第1及び第2コアベース21a,22aを介して第1及び第2爪状磁極21b,22bに作用し、この磁束がロータ11の回転力を発生させるための有効磁束となっている。また、環状磁石23の磁束の一部は、第1コアベース21aの第1挿通孔21gから回転軸12を通って、第2挿通孔22gから第2コアベース22aへと流れる短絡磁束となっている。ここで、本実施形態では、各挿通孔21g,22gには、内側に突出して回転軸12と当接する支持凸部21h,22hが形成されているため、各挿通孔21g,22gと回転軸12との接触面積が減少されている。これにより、支持凸部21h,22hで磁気飽和が生じて磁気抵抗が増加するため、挿通孔21g,22gから回転軸12に流れる短絡磁束が減少される。その結果、第1及び第2爪状磁極21b,22bに作用する有効磁束が増加し、モータ出力が向上されるようになっている。
次に、上記第1実施形態の特徴的な効果を記載する。
(1)ロータ11の回転軸12は、第1及び第2コアベース21a,22aにそれぞれ形成された第1及び第2挿通孔21g,22gに軸方向に挿通されるとともに、該第1及び第2挿通孔21g,22gにそれぞれ固定されている。そして、各挿通孔21g,22gには、内側に突出するとともに回転軸12と当接する支持凸部21h,22hが設けられる。つまり、各挿通孔21g,22gに形成された支持凸部21h,22hによって回転軸12が支持されるため、各挿通孔21g,22gと回転軸12との接触面積が減少し、これにより、各挿通孔21g,22gと回転軸12との間の磁気抵抗が増加する。従って、回転軸12を通過する短絡磁束を減少させることができるため、環状磁石23の磁束を有効利用して、モータ出力を向上させることができる。
(2)支持凸部21h,22hが軸方向視で円弧状に突出され、これにより、支持凸部21h,22hが回転軸12に線接触される。このため、各挿通孔21g,22gと回転軸12との接触面積がより減少され、その結果、回転軸12を通過する短絡磁束をより減少させることができる。
(3)支持凸部21h,22hが各挿通孔21g,22gに周方向等間隔に複数設けられるため、回転軸12を周方向にバランス良く支持させることができる。
(4)支持凸部21h,22hはそれぞれ第1及び第2挿通孔21g,22gの軸方向全体に亘って形成されるため、第1及び第2挿通孔21g,22gと回転軸12との固定を強固にすることができる。
(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。なお、上記第1実施形態と同一の構成には同一の符号を付してその説明を省略する。
図6(a)(b)に示すように、第1及び第2コアベース21a,22aの中心部にはそれぞれ、回転軸12が挿通される円形の第1挿通孔31及び第2挿通孔32が軸方向に貫通形成されている。第1及び第2挿通孔31,32の径は互いに等しく、回転軸12の径よりも大きく設定されている。第1及び第2挿通孔31,32と回転軸12との間には、円筒形状をなす非磁性部材33,34(非磁性体)がそれぞれ介在されている。各非磁性部材33,34は、樹脂(非磁性材料)よりなる。非磁性部材33,34の内周面は、回転軸12の外周面に対して周方向全体に亘って接触している。そして、回転軸12は、第1及び第2挿通孔31,32に対しそれぞれ非磁性部材33,34を介して固定されている。これにより、第1及び第2ロータコア21,22と回転軸12とが一体回転可能となっている。
このような構成によれば、第1及び第2挿通孔31,32と回転軸12との間の磁気抵抗が非磁性部材33,34よって増加するため、第1及び第2挿通孔31,32を介して回転軸12を通過する短絡磁束が減少される。これにより、第1及び第2爪状磁極21b,22bに作用する有効磁束が増加し、モータ出力が向上されるようになっている。
次に、上記第2実施形態の特徴的な効果を記載する。
(5)第1及び第2挿通孔31,32と回転軸12との間には、非磁性部材33,34がそれぞれ介在される。これにより、第1及び第2挿通孔31,32と回転軸12との間の磁気抵抗が非磁性部材33,34よって増加するため、第1及び第2挿通孔31,32を介して回転軸12を通過する短絡磁束を減少させることができる。このため、環状磁石23の磁束を有効利用して、モータ出力を向上させることができる。
(6)非磁性部材33,34が回転軸12の外周面に対して周方向全体に亘って接触しているため、第1及び第2ロータコア21,22と回転軸12との固定を強固にすることができる。
なお、本発明の実施形態は、以下のように変更してもよい。
・上記第1実施形態では、支持凸部21h,22hが各挿通孔21g,22gに周方向等間隔に設けられたが、これに特に限定されるものではなく、周方向において不等間隔に設けてもよい。また、上記実施形態では、支持凸部21h,22hがそれぞれ10個形成されたが、支持凸部21h,22hの個数は構成に応じて適宜変更してもよい。
・上記第1実施形態では、支持凸部21h,22hの凸形状を軸方向視で円弧状とすることで、支持凸部21h,22hが回転軸12に線接触される構成としたが、これに特に限定されるものではない。例えば、支持凸部21h,22hの凸形状を三角形状とすることで、支持凸部21h,22hが回転軸12に線接触される構成としてもよい。また例えば、支持凸部21h,22hの凸形状を四角形状として、支持凸部21h,22hが回転軸12に面接触される構成としてもよい。
・上記第1実施形態において、第1及び第2挿通孔21g,22gと回転軸12との間の間隙S1,S2に樹脂等よりなる非磁性体を満たし、その非磁性体が回転軸12の外周面と密着する構成としてもよい。このような構成によれば、第1及び第2ロータコア21,22と回転軸12との接触面積が増加され、その結果、第1及び第2ロータコア21,22と回転軸12との固定を強固にすることができる。
・上記第2実施形態では、非磁性部材33,34に樹脂を用いたが、これ以外に例えば、ステンレス鋼等の非磁性材料を用いてもよい。
・上記第2実施形態において、非磁性部材33,34の内周面に上記第1実施形態の支持凸部21h,22hと同様の凸部を形成してもよい。この構成によれば、非磁性部材33,34と回転軸12との接触面積が減少するため、第1及び第2挿通孔31,32を介して回転軸12を通過する短絡磁束をより減少させることができ、その結果、モータ出力をより向上させることができる。
・上記各実施形態において、第1及び第2爪状磁極21b,22bの形状及び個数は、構成に応じて適宜変更してもよい。
・上記各実施形態では、界磁磁石として1つの環状磁石23を用いたが、複数に分割した永久磁石を回転軸12の周囲で第1及び第2コアベース21a,22aの軸方向間に配置する構成を採用してもよい。
・上記各実施形態において、第1及び第2背面補助磁石24,25と極間磁石26,27を省略した構成としてもよい。
・上記各実施形態では、特に言及していないが、第1及び第2ロータコア21,22と電機子コア7は、例えば磁性金属板材の積層や、磁性粉体の成形にて構成してもよい。
・上記各実施形態では、ステータ6のティースへの巻線の巻回方法について特に言及していないが、集中巻や分布巻を用いてもよい。
1…モータ、11…ロータ、12…回転軸、21…第1ロータコア、21a…第1コアベース、21b…第1爪状磁極、21g…第1挿通孔、21h…支持凸部、22…第2ロータコア、22a…第2コアベース、22b…第2爪状磁極、22g…第2挿通孔、22h…支持凸部、23…環状磁石(界磁磁石)、31…第1挿通孔、32…第2挿通孔、33,34…非磁性部材(非磁性体)。

Claims (6)

  1. 略円盤状の第1コアベースの外周部に、等間隔に複数の第1爪状磁極が径方向外側に突出されるとともに軸方向に延出形成された第1ロータコアと、
    略円盤状の第2コアベースの外周部に、等間隔に複数の第2爪状磁極が径方向外側に突出されるとともに軸方向に延出形成され、前記各第2爪状磁極がそれぞれ対応する前記第1ロータコアの各第1爪状磁極間に配置された第2ロータコアと、
    前記第1コアベースと第2コアベースとの軸方向の間に配置され、前記軸方向に磁化されることで、前記第1爪状磁極を第1の磁極として機能させ、前記第2爪状磁極を第2の磁極として機能させる界磁磁石と、
    前記第1及び第2コアベースにそれぞれ形成された挿通孔に軸方向に挿通されるとともに、該挿通孔に固定された回転軸と
    を備えたロータであって、
    前記挿通孔には、内側に突出するとともに前記回転軸と当接する支持凸部が設けられ
    前記界磁磁石に形成された貫通孔には前記回転軸が挿通されており、該貫通孔と回転軸との間には間隙が設けられ、
    前記第1爪状磁極及び第2爪状磁極の径方向内側には補助磁石が配置されており、該補助磁石は、前記界磁磁石の外側面に当接し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、
    前記支持凸部は、前記回転軸に線接触していることを特徴とするロータ。
  3. 請求項2に記載のロータにおいて、
    前記支持凸部は、軸方向視で円弧状に突出されていることを特徴とするロータ。
  4. 請求項1〜3のいずれか1項に記載のロータにおいて、
    前記支持凸部は、前記各挿通孔に周方向等間隔に複数設けられていることを特徴とするロータ。
  5. 略円盤状の第1コアベースの外周部に、等間隔に複数の第1爪状磁極が径方向外側に突出されるとともに軸方向に延出形成された第1ロータコアと、
    略円盤状の第2コアベースの外周部に、等間隔に複数の第2爪状磁極が径方向外側に突出されるとともに軸方向に延出形成され、前記各第2爪状磁極がそれぞれ対応する前記第1ロータコアの各第1爪状磁極間に配置された第2ロータコアと、
    前記第1コアベースと第2コアベースとの軸方向の間に配置され、前記軸方向に磁化されることで、前記第1爪状磁極を第1の磁極として機能させ、前記第2爪状磁極を第2の磁極として機能させる界磁磁石と、
    前記第1及び第2コアベースにそれぞれ形成された挿通孔に軸方向に挿通されるとともに、該挿通孔に固定された回転軸と
    を備えたロータであって、
    前記挿通孔と前記回転軸との間には、非磁性体が介在され
    前記界磁磁石に形成された貫通孔には前記回転軸が挿通されており、該貫通孔と回転軸との間には間隙が設けられ、
    前記第1爪状磁極及び第2爪状磁極の径方向内側には補助磁石が配置されており、該補助磁石は、前記界磁磁石の外側面に当接していることを特徴とするロータ。
  6. 請求項1〜5のいずれか1項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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