JP5985811B2 - ロータ及びモータ - Google Patents

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永久磁石界磁のランデル型構造のロータがある（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１のロータでは、爪状磁極がコアベース（文献では円盤部）の外周部から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おり、その爪状磁極の軸方向に延びる部分（文献ではフランジ部）の背面にはその当接側（径方向外側）が爪状磁極と同極性となるように磁化された補助磁石が配置されている。これにより、爪状磁極にて発生する漏れ磁束の低減が図られている。

実開平５−４３７４９号公報

しかしながら、上記したようなロータでは、爪状磁極がロータコアの他の部分に比べて狭くなっており、界磁磁石にて発生する界磁磁束の磁束密度が爪状磁極の一部で高くなり磁気飽和が生じてしまう。その結果、モータ出力に寄与する有効磁束が低減されるとともに、爪状磁極の外周面における界磁磁束の磁束密度に偏りが生じてモータ出力が低下するという問題が懸念されていた。

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、磁気飽和の発生を抑制でき、ひいてはモータの高出力化に寄与できるロータ、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、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爪状磁極の背面に配置され、前記第１及び第２の磁極と同極性が径方向外側となるように磁化された補助磁石とを備えたロ
ータであって、前記第１爪状磁極は、前記第１コアベースの外周部において径方向外側に突出された第１突出部と、該第１突出部から軸方向に延出形成された第１爪部とを有し、前記第２爪状磁極は、前記第２コアベースの外周部において径方向外側に突出された第２突出部と、該第２突出部から軸方向に延出形成された第２爪部とを有し、前記第１爪状磁極の背面に配置された補助磁石は、前記第１突出部及び前記第１爪部に当接しているとともに、前記第２爪状磁極の背面に配置された補助磁石は、前記第２突出部及び前記第２爪部に当接しており、前記第１爪状磁極において、前記第１爪部の基端部であって且つ前記第１突出部との境界部の断面積は、該第１突出部の断面積よりも狭くなっているとともに、前記第２爪状磁極において、前記第２爪部の基端部であって且つ前記第２突出部との境界部の断面積は、該第２突出部の断面積よりも狭くなっており、軸方向断面において前記補助磁石の少なくとも一部の磁化方向を径方向に対して軸方向断面において傾斜させ、前記各爪状磁極の突出部内を流れる磁束の一部が前記補助磁石内を斜めにバイパス可能に構成されたことをその要旨とする。

この発明では、ロータの軸方向断面において、爪状磁極の背面に配置される補助磁石の少なくとも一部の磁化方向が径方向に対して傾斜され、各爪状磁極内を流れる磁束の一部が補助磁石内を斜めにバイパス可能となる。これにより、各爪状磁極内を流れることを強いられていた磁束の一部が補助磁石内を流れることで、磁束の流れが軸方向に広く分岐することとなり、爪状磁極の形状等に起因して局部的に磁気飽和が発生することが抑制されるとともに、爪状磁極の外周面にて広く磁束を発生させることができる。結果として、モータ出力に有効な磁束が増加して、モータの高出力化を図ることが可能となる。

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、前記第１爪状磁極と前記第２爪状磁極との周方向の間に配置され、各爪状磁極と同極性が対向するように磁化された極間磁石を備えたことをその要旨とする。

この発明では、第１爪状磁極と第２爪状磁極との周方向の間に、各爪状磁極と同極性が対向するように磁化された極間磁石が配置されることで、第１爪状磁極と第２爪状磁極との間での漏れ磁束が低減され、モータの一層の高出力化に寄与することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載のロータにおいて、前記第１爪状磁極の背面に配置された補助磁石は、軸方向において前記第１爪部の基端側の端面が前記第１突出部に当接しているとともに、前記第２爪状磁極の背面に配置された補助磁石は、軸方向において前記第２爪部の基端側の端面が前記第２突出部に当接していることをその要旨とする。
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載のロータを備えたモータである。
この発明では、磁気飽和の発生を抑制され、高出力化が図られたモータを提供することができる。

本発明によれば、磁気飽和の発生を抑制でき、ひいてはモータの高出力化に寄与できるロータ、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。

実施形態におけるモータの断面図。 （ａ）（ｂ）は実施形態におけるロータの斜視図。 実施形態におけるロータの断面図。 比較例におけるロータの断面図。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１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２及び図３に示すように、第１及び第２ロータコア２１，２２と、界磁磁石としての環状磁石２３（図３参照）と、第１及び第２背面補助磁石２４，２５と、第１及び第２極間磁石２６，２７とを備える。尚、図２及び図３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）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の外周部に、等間隔に複数（本実施形態では５つ）の第１爪状磁極２１ｂが形成されている。第１爪状磁極２１ｂは、第１コアベース２１ａに対して径方向外側に突出された突出部２１ｃと、突出部２１ｃから軸方向に延出形成された爪部２１ｄとを有する。第１爪状磁極２１ｂの周方向端面２１ｅ，２１ｆ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、突出部２１ｃは軸直交方向断面が扇形状とされている。突出部２１ｃの径方向外側の端部部分には、爪部２１ｄが周方向の幅を一定として軸方向に形成されている。各第１爪状磁極２１ｂの周方向の角度、即ち前記周方向端面２１ｅ，２１ｆ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、図２（ｂ）に示すように、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の外周部に、等間隔に複数の第２爪状磁極２２ｂの突出部２２ｃが形成されている。突出部２２ｃは、軸直交方向断面が扇形状とされ、径方向外側の端部部分には爪部２２ｄが軸方向に形成されている。そして、第２ロータコア２２は、各第２爪状磁極２２ｂの爪部２２ｄがそれぞれ対応する各第１爪状磁極２１ｂの爪部２１ｄ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３参照）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。

図３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。環状磁石２３としては、例えばネオジム磁石を用いることができる。

各第１爪状磁極２１ｂの背面２１ｇ（径方向内側の面）と第２コアベース２２ａの外周面２２ｈ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２１ｇ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２２ｈ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。第１背面補助磁石２４は、自身の磁化方向の径方向に対する軸方向側のなす角度θ１が全体に一様に４５°に設定されている。つまり、第１爪状磁極２１ｂ内を流れる磁束の一部が第１背面補助磁石２４内を斜めにバイパス可能に構成されている。また、軸方向から見た第１背面補助磁石２４の磁化方向は径方向に沿っている。

また、各第２爪状磁極２２ｂの背面２２ｇ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２２ｇに当接する側がＳ極に、第１コアベース２１ａの外周面２１ｈに当接する側がＮ極となるように磁化されている。第２背面補助磁石２５の磁化方向は、径方向に対する軸方向側のなす角度θ２が全体に一様に４５°に設定されている。つまり、上記と同様に、第２爪状磁極２２ｂ内を流れる磁束の一部が第２背面補助磁石２５内を斜めにバイパス可能に構成されている。また上記と同様に、軸方向から見た第２背面補助磁石２５の磁化方向は径方向に沿っている。

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。このような構成のロータ１１では、軸方向において第１コアベース２１ａを含む部分では、第２背面補助磁石２５が配置された第２爪状磁極２２ｂと、第１爪状磁極２１ｂ（突出部２１ｃ）とが周方向に交互に配置された構造となる。また、軸方向において環状磁石２３を含む部分では、第１及び第２背面補助磁石２４，２５によって、通常の（周方向に交互に異なる磁極の永久磁石が配置された）ロータと同様の構造となる。また、軸方向において第２コアベース２２ａを含む部分では、第１背面補助磁石２４が配置された第１爪状磁極２１ｂと、第２爪状磁極２２ｂ（突出部２２ｃ）とが周方向に交互に配置された構造となる。

図２（ａ）（ｂ）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、第１及び第２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２１ｅ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２２ｆ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。第１極間磁石２６の径方向内側端面２６ａと、第１及び第２コアベース２１ａ，２２ａの外周面２１ｈ，２２ｈとの間には、空隙Ｋが形成されている。

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２１ｆ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２２ｅ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、径方向内側端面２７ａと第１及び第２コアベース２１ａ，２２ａの外周面２１ｈ，２２ｈとの間に空隙Ｋが形成されている。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。

上記のように構成されたモータ１は、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。

次に、図３及び図４を用いて、本実施形態と比較例とにおけるロータ１１の磁束の発生態様（作用）について説明する。尚、図３及び図４中のロータ１１，３１に記載した点線で示す矢印は磁束の流れを示している。

図４は、第１及び第２背面補助磁石２４，２５の磁化方向を径方向とした比較例としてのロータ３１を示す。ロータ３１の構成では、Ｎ極となる第１爪状磁極２１ｂ側において、環状磁石２３のＮ極側にて発生する界磁磁束Ｇ１ａの一部は、第１コアベース２１ａから径方向外側の突出部２１ｃを通って爪部２１ｄに向かって発生し（第１背面補助磁石２４を避けるように発生し）、第１背面補助磁石２４の磁束Ｇ２ａとともに、爪部２１ｄ（第１爪状磁極２１ｂ）の外周面２１ｉから対向するステータ６（図１参照）に向かって発生する。このような発生態様の界磁磁束Ｇ１ａに対して、突出部２１ｃの断面積が第１コアベース２１ａに比べて狭くなっており、さらに突出部２１ｃから軸方向に延出形成された爪部２１ｄの断面積が突出部２１ｃに比べてより一層狭くなっている（図２（ａ）参照）。従って、このような第１爪状磁極２１ｂの形状（断面積）等に起因して、突出部２１ｃや爪部２１ｄの一部で界磁磁束Ｇ１ａの磁束密度が高まり局部的に磁気飽和（飽和領域Ｈ１）が生じてしまう。また、Ｓ極となる第２爪状磁極２２ｂ側においては、第２爪状磁極２２ｂの外周面２２ｉから第２ロータコア２２内を流れる磁束の一部が、環状磁石２３のＳ極側にて発生する界磁磁束Ｇ１ｂと、第２背面補助磁石２５のＳ極側にて発生する磁束Ｇ２ｂとなる。このようなＳ極側においても、Ｎ極側と同様に、第２爪状磁極２２ｂの突出部２２ｃや爪部２２ｄにおいて磁気飽和（飽和領域Ｈ２）が生じてしまう。

このような磁気飽和は、モータ１の出力に寄与する界磁磁束Ｇ１ａ，Ｇ１ｂの磁束量を低減させるため、モータ１の出力の低下を招く。また、爪部２１ｄ，２２ｄの基端部分に界磁磁束Ｇ１ａ，Ｇ１ｂが集約されて爪状磁極２１ｂ，２２ｂの外周面２１ｉ，２２ｉにおける磁束密度に偏りが生じることからも、モータ１の出力の低下を招いてしまう。

これに対して、図３に示す本実施形態のロータ１１では、第１背面補助磁石２４の磁化方向を径方向に対して角度θ１（４５°）だけ傾斜させ、第１爪状磁極２１ｂ（突出部２１ｃ）内を流れる界磁磁束Ｇ１ａの一部が第１背面補助磁石２４内を斜めにバイパス可能となっている。

つまり、突出部２１ｃ内を流れることを強いられていた界磁磁束Ｇ１ａの一部が第１背面補助磁石２４を介して爪部２１ｄの先端部に向かって軸方向に広く分岐して流れる。従って、上記した磁気飽和の発生を抑制できて有効な磁束が増加するとともに、外周面２１ｉでの磁束密度を平均化することができる。尚、Ｓ極側においてもＮ極側と同様に、界磁磁束Ｇ１ｂの一部が第２背面補助磁石２５を介して第２爪状磁極２２ｂの突出部２２ｃにバイパス可能となり、磁気飽和の発生が抑制できて有効な磁束を増加でき、また外周面２２ｉでの磁束密度を平均化することができる。このようにして本実施形態のモータ１では、高出力化が図られている。

次に、本実施形態の特徴的な効果を記載する。
（１）ロータ１１の軸方向断面において、第１及び第２爪状磁極２１ｂ，２２ｂの背面２１ｇ，２２ｇに配置される第１及び第２背面補助磁石２４，２５の磁化方向が径方向に対して角度θ１，θ２だけ傾斜され、各爪状磁極２１ｂ，２２ｂ（突出部２１ｃ，２２ｃ）内を流れる磁束（界磁磁束Ｇ１ａ，Ｇ１ｂ）の一部が第１及び第２背面補助磁石２４，２５内を斜めにバイパス可能となっている。これにより、各爪状磁極２１ｂ，２２ｂ内を流れることを強いられていた界磁磁束Ｇ１ａ，Ｇ１ｂの一部が背面補助磁石２４，２５内を流れることで、界磁磁束Ｇ１ａ，Ｇ１ｂの流れが軸方向に広く分岐することとなり、爪状磁極２１ｂ，２２ｂの形状等に起因して局部的に磁気飽和が発生することが抑制されるとともに、爪状磁極２１ｂ，２２ｂの外周面２１ｉ，２２ｉにて広く界磁磁束Ｇ１ａ，Ｇ１ｂを発生させることができる。結果として、モータ１の出力に有効な磁束が増加して、モータ１の高出力化を図ることが可能となる。

（２）第１爪状磁極２１ｂと第２爪状磁極２２ｂとの周方向の間に、第１及び第２爪状磁極２１ｂ，２２ｂと同極性が対向するように磁化された第１及び第２極間磁石２６，２７が配置されている。これにより、第１爪状磁極２１ｂと第２爪状磁極２２ｂとの間での漏れ磁束を低減でき、モータ１の一層の高出力化に寄与することができる。

（３）第１及び第２背面補助磁石２４，２５は、その磁化方向が全体に一様に傾斜するように構成されている。これにより、背面補助磁石２４，２５に対する着磁を容易に行うことができる。

（４）第１及び第２背面補助磁石２４，２５は、軸方向から見たその磁化方向が径方向に沿って構成されている。これにより、周方向においての磁束密度の偏りを抑制でき、磁気飽和の発生をより確実に抑制することができる。

尚、本発明の実施形態は、以下のように変更してもよい。
・上記実施形態では、第１及び第２背面補助磁石２４，２５の磁化方向と、径方向とがなす角度θ１，θ２を４５°に設定したが、これに限定されない。例えば角度θ１を、「０°＜θ１＜９０°」の範囲内で適宜変更してもよい。

・上記実施形態では、第１及び第２背面補助磁石２４，２５は、磁化方向の全体が径方向に対して一様に角度θ１，θ２だけ傾斜させた設定となっていたが、これに限定されない。例えば磁化方向の全体を傾斜させずに、各第１及び第２背面補助磁石２４，２５の一部、例えば爪状磁極２１ｂ，２２ｂの突出部２１ｃ，２２ｃ側の磁化方向を傾斜させ、他の部分を径方向に沿って磁化させた構成としてもよい。また、例えば磁化方向を一様に傾斜させずに、爪状磁極２１ｂ，２２ｂの突出部２１ｃ，２２ｃに向かうほど磁化方向の傾斜の度合いを大きくする等、軸方向位置で順次変更した構成としてもよい。

・上記実施形態では、角度θ１と角度θ２とを同一角度としたが、爪状磁極２１ｂ，２２ｂの所定の組毎や個々で異なる角度に設定しもよい。
・上記実施形態において、第１及び第２極間磁石２６，２７を省略した構成に変更してもよい。

・上記実施形態では特に言及していないが、ロータ１１及びステータ６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。
次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想を以下に追記する。

（イ） 軸方向断面で前記補助磁石の全部の磁化方向が径方向に対して一様に傾斜するように構成されたことを特徴とする。

この構成によれば、補助磁石に対する着磁を容易に行うことができる。
（ロ） 前記軸方向から見た前記補助磁石の磁化方向が径方向に沿って構成されたことを特徴とする。

この構成によれば、周方向においての磁束密度の偏りを抑制でき、磁気飽和の発生をより確実に抑制することができる。

１…モータ、１１…ロータ、２１…第１ロータコア、２１ａ…第１コアベース、２１ｂ…第１爪状磁極、２１ｇ，２２ｇ…背面、２２…第２ロータコア、２２ａ…第２コアベース、２２ｂ…第２爪状磁極、２３…環状磁石（界磁磁石）、２４…第１背面補助磁石（補助磁石）、２５…第２背面補助磁石（補助磁石）、２６…第１極間磁石（極間磁石）、２７…第２極間磁石（極間磁石）、Ｇ１ａ，Ｇ１ｂ…界磁磁束（磁束）。

Claims (4)

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爪状磁極の背面に配置され、前記第１及び第２の磁極と同極性が径方向外側となるように磁化された補助磁石と
   を備えたロータであって、
   前記第１爪状磁極は、前記第１コアベースの外周部において径方向外側に突出された第１突出部と、該第１突出部から軸方向に延出形成された第１爪部とを有し、
   前記第２爪状磁極は、前記第２コアベースの外周部において径方向外側に突出された第２突出部と、該第２突出部から軸方向に延出形成された第２爪部とを有し、
   前記第１爪状磁極の背面に配置された補助磁石は、前記第１突出部及び前記第１爪部に当接しているとともに、
   前記第２爪状磁極の背面に配置された補助磁石は、前記第２突出部及び前記第２爪部に当接しており、
   前記第１爪状磁極において、前記第１爪部の基端部であって且つ前記第１突出部との境界部の断面積は、該第１突出部の断面積よりも狭くなっているとともに、
   前記第２爪状磁極において、前記第２爪部の基端部であって且つ前記第２突出部との境界部の断面積は、該第２突出部の断面積よりも狭くなっており、
   軸方向断面において前記補助磁石の少なくとも一部の磁化方向を径方向に対して軸方向断面において傾斜させ、前記各爪状磁極の突出部内を流れる磁束の一部が前記補助磁石内を斜めにバイパス可能に構成された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、
   前記第１爪状磁極と前記第２爪状磁極との周方向の間に配置され、各爪状磁極と同極性が対向するように磁化された極間磁石を備えたことを特徴とするロータ。
3. 請求項１又は２に記載のロータにおいて、
   前記第１爪状磁極の背面に配置された補助磁石は、軸方向において前記第１爪部の基端側の端面が前記第１突出部に当接しているとともに、
   前記第２爪状磁極の背面に配置された補助磁石は、軸方向において前記第２爪部の基端側の端面が前記第２突出部に当接し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項に記載のロータを備えたことを特徴とするモータ。