JP5995786B2 - 永久磁石型モータ - Google Patents

Description

本発明はコギングトルクが小さく安定した動作を有する永久磁石型モータに関するものであり、特にフレームを用いて固定子コアの形状をコントロールできる永久磁石型モータに関するものである。

近年様々な用途に用いられるモータにおいて、特に電動パワーステアリング用、サーボ用、エレベータ用等のモータにおいて、コギングトルクが小さく、又負荷時のトルク脈動の小さいことが求められている。そして従来から、永久磁石型モータのコギングトルクを低減する方法として、スキューを設けたり、あるいは永久磁石の形状を工夫し、更には固定子コアに補助溝を設けるなどの様々な技術が提案されている。

又固定子コア内に応力を発生させる機構を設け、コギングトルク成分を抑制するものがあった。この機構は、例えば、フレームにねじ孔を設け、押圧手段としてのフレームとは別の押圧部材であるねじやボルト等のねじ部材をねじ込み、ねじ部材の先端部で固定子コアの外周部を押圧し、固定子コア内に所望の応力を発生させ、ねじ部材の押圧の程度により、固定子コア内の応力と固定子コアの微小変形を所望値に調整し、固定子コア内の応力を調整することによって、ティースを内外に微小変位させ、固定子コアの内径精度を上げるものである。このように、固定子コアの微小変形や磁気特性の変化を強制的に発生させることにより、永久磁石型モータが元々持っていたコギングトルク特性をキャンセルし、低減させるものである。更にはねじ部材の先端に、ねじ部材の押圧力を分散させる固定子コアの軸長にほぼ等しい板部材を設置したものもあった（特許文献１参照）。

特開２００５−２７８３３３

上記特許文献１の発明においては、固定子コアを微小変形させるために、ねじ部材を設けているが、直接ねじで固定子コアを加圧しているため、固定子コアが傷つくという問題があった。またねじ先端部に応力が集中することを回避し、固定子コアの軸方向において均一に加圧するために、上記特許文献１においては、ねじ先端部と固定子コアとの間に板部材を設けることが提案されているが、余分に部材が必要となるために部品点数が増えるという問題点があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、ねじ等の押圧部材で直接固定子コアを加圧せず、フレームを変形させることにより固定子コアの形状をコントロールすることでゴギングトルクの小さな永久磁石型モータを提供することを目的とする。

この発明に係る永久磁石型モータは、複数のティース部に巻線が巻回されている固定子コアと、固定子コアを収容するフレームと、固定子コア内に設置されるとともに、外周部に永久磁石を有する回転子コアとを備えたものであって、フレームの内周と固定子コアの外周との間に設けられた複数の空隙と、フレームに設置されるとともに複数の空隙を貫通するねじ部材とを備え、ねじ部材を締め付けることによりフレームの変形に従って固定子コアを変形させたものである。

上記のように構成された永久磁石型モータにおいては、固定子コアがフレームの変形に従って変形することにより、固定子コアをねじ等で直接加圧する必要がないため、固定子コアを傷つけることなく変形させてコギングトルクを減少させることができ、更には固定子コアの変形を軸方向において均一に行うことができる。

実施の形態１による永久磁石型モータを示す平面断面図である。 実施の形態１による永久磁石型モータを示す正面断面図である。 フレームと固定子コアが変形した後の状態を示す平面断面図である。 フレーム及び固定子コアの変形前後における永久磁石型モータより発生するコギングトルクを示す波形図である。 実施の形態２による永久磁石型モータを示す平面断面図である。 実施の形態２による永久磁石型モータを示す平面断面図である。 実施の形態３による永久磁石型モータを示す平面断面図である。

実施の形態１．
図１は実施の形態１による永久磁石型モータの平面断面図、図２は同じく正面断面図である。図１に示すように、実施の形態１による永久磁石型モータ１００は、磁性体の板を積層して構成された円筒状の固定子コア１と、シャフト２に支持され、固定子コア１内に収容されると共に回転する円柱状の回転子コア３と、固定子コア１を収容するフレーム４から構成されている。

フレーム４の外周形状と内周形状は四角形で構成され、フレーム４の内周の頂点はフレーム４の外周の頂点に対して、モータの中心を回転軸として４５°回転した位置に設置されている。従って固定子コア１にフレーム４を焼き嵌めして固定した際、フレーム４と固定子コア１との間には、固定子コア１の最外径より大きく、径方向に伸びる空隙５が４箇所設けられる。

実施の形態１による永久磁石型モータ１００においては、永久磁石型モータ１００の軸方向中央部において、フレーム４と固定子コア１との間の空隙５ごとに１本のねじ部材１１で締めるものである。ねじ部材１１を貫通させるためのねじ穴をフレーム４の軸方向中央部に設け、ねじ部材１１が空隙５を貫通する方向に締め付けられることによりフレーム４を変形させる。そしてこのフレーム４の変形に従って固定子コア１を４次の形状に変形させるものである。

図１における矢印はねじ部材１１で締め付けたときにフレーム４及び固定子コア１にかかる力の方向を示している。又図３はフレーム４と固定子コア１が変形した後の状態を示す平面断面図である。図３に示すようにねじ部材１１を締め付けることによりフレーム４の内周面が変形し、それに従って固定子コア１が四角形に近い形状に変形することを４次の形状に変形すると呼ぶ。尚ねじ部材１１の締め付け箇所は４箇所に限るものではなく、２箇所あるいは３箇所とすることにより、固定子コア１の変形形状を４次以外のものにしても良い。

固定子コア１の内周側には、９本のティース部１ａ及びスロット１ｂが形成されている。ティース部１ａには、巻線６が巻回されている。回転子コア３は磁性体の板を積層することにより構成され、外周部に永久磁石７を有している。回転子コア３と固定子コア１の内周部間には空隙８が設けられ、空隙８には永久磁石７の磁束が生じている。図２に示すように、シャフト２は軸受９を介してブラケット１０に支持されている。

上記のように構成された実施の形態１による永久磁石型モータ１００は、永久磁石７による磁束と巻線６による磁束との相互作用で発生するトルクにより回転子コア３が回転する。一般に永久磁石型モータにおいては、様々な原因でコギングトルクが発生する。例えば固定子コア３の磁気異方性によりコギングトルクが発生する。

実施の形態１の永久磁石型モータ１００においては、フレーム４の変形に従って固定子コア１を４次の形状に変形させることができるため、永久磁石型モータ１００が元来持っていたコギングトルクを打ち消すコギングトルクを発生させることができる。図４はフレーム４及び固定子コア１の変形前後における永久磁石型モータより発生するコギングトルクを示す波形図である。図において、縦軸はコギングトルク２０調波の振幅であり、横軸は回転子位置を示しており、点線は変形前におけるコギングトルク、実線は変形後のコギングトルクを示している。

コギングトルクの２０調波成分（１周期に発生する２０個の波）は永久磁石型モータの固定子コア１の磁気異方性により発生する成分である。固定子コア１を変形させることで、変形前とは位相の異なる２０調波を発生させることができる。よって、永久磁石型モータが元々有している２０調波を打ち消す２０調波を発生させることができる。結果として、コギングトルクを減少させることができる。このようにフレーム４の変形に従って固定子コア１を４次の形状に変形させることにより、固定子コア１を傷つけることなく変形することができる。更にねじ部材１１を貫通させるためのねじ穴をフレーム４の軸方向中央部に設け、軸方向中央部においてねじ部材１１を締め付けるようにしたので、固定子コア１の軸方向全体を変形することができる。

また、上記特許文献１に示すように、固定子コア１の外周部をねじ等により軸方向において均一に直接加圧するためには、ねじ先端部と固定子コア１との間に固定子コア１を均一に押圧するための板状の部材を挟む必要がある。これに対して実施の形態１による永久磁石型モータ１００では、フレーム４と固定子コア１との間に板状部材を挟む必要が無く、部品点数を減らすことができる。

またねじ部材１１の締め付け力を変化させることにより、固定子コア１の変形量を調整することができ、永久磁石型モータから発生するコギングトルクを常に測定器で監視することで、所望のコギングトルクを発生させる固定子コア１の変形量を得ることができる。更にフレーム４の内周形状は四角形に限らない。例えば三角形や五角形の形状等に構成することにより、固定子コア１の変形形状を自由に変更することができる。尚この場合は固定子コア１は３次の形状あるいは５次の形状に変形することになる。

実施の形態２．
図５は実施の形態２による永久磁石型モータを示す平面断面図である。図５において、図１と同等のものには同一の符号を付して、その説明は省略する。図５に示すように、実施の形態２による永久磁石型モータ２００においては、磁性体の板を積層して構成された円筒状の固定子コア１と、シャフト２に支持され固定子コア１内で回転する円柱状の回転子コア３と、固定子コア１を収容するフレーム１２から構成される。更にフレーム１２が固定子コア１と接触する内周面１２ａとフレーム１２の外周面１２ｂとが平行になるように構成されている。図５において点線で示した部分は図１のフレームの外周部分を示すものであり、図５においては図１の場合に比べるとフレームを小型にすることができ、装置の軽量化並びに材料費の低減化を図ることができる。

上記のように構成することにより、実施の形態１の永久磁石型モータ１００に比べ、フレーム１２外周に設けられるねじ締結部の厚さを薄くすることができ、更にはねじ部材による締め付け力を小さくすることができる。実施の形態２による永久磁石型モータ２００においては、永久磁石型モータ２００の軸方向中央部において、フレーム１２と固定子コア１との間の空隙５ごとに１本のねじ部材１３で締めるものである。ねじ部材１３を貫通させるためのねじ穴をフレーム１２の軸方向中央部に設け、ねじ部材１３が空隙５を貫通する方向に締め付けられることによりフレーム１２を変形させる。そしてこのフレーム１２の変形に従って固定子コア１を４次の形状に変形させるものである。

また図６の点線１２ｃに示すように、周方向２つの空隙５間のフレーム１２外周面を直線ではなく、固定子コア１の中心軸方向に扇状にすることで、周方向２つの空隙５間のフレーム１２の肉厚を薄くすることもできる。このようにフレーム１２の変形に従って固定子コア１を４次の形状に変形させることにより、固定子コア１を傷つけることなく変形することができ、固定子コア１の軸方向全体に亘って変形させることができる。更にフレームの小型化を図ることも出来る。尚図５、６においては、フレームの内周形状が四角形の場合について説明したが、三角形あるいは五角形等に構成しても良い。

実施の形態３．
図７は実施の形態３による永久磁石型モータを示す平面断面図である。図７において、図１及び図３と同等のものには同一の符号を付して、その説明は省略する。図７に示すように、実施の形態３による永久磁石型モータ３００においては、磁性体の板を積層して構成された円筒状の固定子コア１と、シャフト２に支持され固定子コア１内で回転する円柱状の回転子コア３と、固定子コア１を収容するフレーム１４から構成される。更にフレーム１４の外周形状を四角形に構成すると共に、内周形状を円形に構成する。又フレーム１４と固定子コア１間の空隙１５の形状を略楕円形とすることにより、周方向２つの空隙１５間のフレーム１４の厚さをねじ締結部の厚さより薄くすることができる。

実施の形態３による永久磁石型モータ３００においては、永久磁石型モータ３００の軸方向中央部において、フレーム１４と固定子コア１との間の空隙１５ごとに１本のねじ部材１６で締めるものである。ねじ部材１６を貫通させるためのねじ穴をフレーム１４の軸方向中央部に設け、ねじ部材１６が空隙１５を貫通する方向に締め付けられることによりフレーム１４を変形させる。そしてこのフレーム１４の変形に従って固定子コア１を変形させるものである。

実施の形態３による永久磁石モータ３００においては、フレーム１４の内周形状が円形であるため、ねじ締結部の位置を変更することで、４次以外の形状にも変更することができる。このようにフレーム１４の変形に従って固定子コア１を変形させることにより、固定子コア１を傷つけることなく変形することができ、固定子コア１の軸方向全体に亘って変形させることができる。尚コギングトルクを打ち消す原理は実施の形態１に示したものと同じである。又実施の形態３においては、実施の形態１に比べるとフレームを小型化することができるとともにねじ部材を小さくすることができる。更にねじ部材による締め付け力も小さくすることができる。

以上のように、実施の形態１〜３による永久磁石型モータは、電動パワーステアリング用、サーボ用及びエレベータ用等の小さなコギングトルクが求められるモータに適している。尚本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。

１ 固定子コア、１ａ ティース部、３ 回転子コア、４，１２ フレーム、
５，１５ 空隙、６ 巻線、７ 永久磁石、１１ ねじ部材、
１２ａ フレームの内周面、１２ｂ フレームの外周面、１００ 永久磁石型モータ。

Claims (5)

1. 複数のティース部に巻線が巻回されている固定子コアと、
   上記固定子コアを収容するフレームと、
   上記固定子コア内に設置されるとともに、外周部に永久磁石を有する回転子コアとを備えた永久磁石型モータにおいて、
   上記フレームの内周と上記固定子コアの外周との間に設けられた複数の空隙と、
   上記フレームに設置されるとともに上記複数の空隙を貫通するねじ部材とを備え、
   上記ねじ部材を締め付けることにより上記フレームの変形に従って上記固定子コアを変形させることを特徴とする永久磁石型モータ。
2. 上記フレームの内周形状及び外周形状が四角形になるよう構成すると共に、上記フレームの内周形状の頂点は上記フレームの外周形状の頂点に対してモータの中心を回転軸として４５度回転した位置に設置したことを特徴とする請求項１記載の永久磁石型モータ。
3. 上記フレームが上記固定子コアと接触する上記フレームの内周面と、上記フレームの外周面とが平行になるように上記フレームを構成したことを特徴とする請求項１記載の永久磁石型モータ。
4. 上記フレームの外周形状を四角形にすると共に上記フレームの内周形状を円形にし、上記空隙の形状を略楕円形にしたことを特徴とする請求項１記載の永久磁石型モータ。
5. 上記ねじ部材を貫通させるためのねじ穴を上記フレームの軸方向中央部に設けたことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の永久磁石型モータ。

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