JP6251113B2 - モータ - Google Patents

Description

本発明は、ケース内にステータとロータとを収容するモータに関する。

従来、モータに使用されるロータとしては、例えば特許文献１に示されるように、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２つのロータコアと、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知られている。

また、特許文献１のモータでは、有底筒状のヨークハウジングとこのヨークハウジングの一端に設けられるエンドフレームとを有するケース内に、前記ロータと前記ステータとが収容されている。

特開２０１２−１１５０８５号公報

ところで、上記のようなモータでは、ロータの軸方向一端面側に磁性体のヨークハウジングが位置し、ロータの軸方向他端面側に樹脂製のエンドフレームが位置することとなる。この場合、ロータの界磁磁石からの磁束の一部がケース側（ヨークハウジング側）に漏れてしまい、Ｎ極とＳ極とで磁束量のアンバランスが発生し、ディテントトルクがアンバランスとなり音や振動の悪化の要因となる虞がある。

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、ディテントトルクのバランスを良好とすることができるモータを提供することにある。

上記課題を解決するモータは、ステータコア及び巻線を有するステータと、周方向に複数の爪状磁極をそれぞれ有する第１及び第２ロータコア、及び該第１及び第２ロータコアに軸方向に挟まれてそれらの爪状磁極を互いに異なる磁極として機能させる界磁磁石を有するロータと、有底筒状で磁性体のヨークハウジング及び該ヨークハウジングの開口部を閉塞する蓋部を有し、前記ヨークハウジング内に前記ステータ及び前記ロータが収容されるケースとを備えたモータであって、軸方向において、前記第１ロータコアが前記蓋部側に位置し、前記第２ロータコアが前記ヨークハウジングの底部側に位置するように構成され、前記第２ロータコアは、前記第１ロータコアよりも磁気飽和しにくい構成とされている。

この構成によれば、ヨークハウジングの底部と近い側の第２ロータコアに磁束が流れやすくなり、その結果、ヨークハウジング側への漏れ磁束の低減を図ることができる。このため、第１ロータコアと第２ロータコアとにおける爪状磁極に流れる磁束量のアンバランスが抑えられ、それにより、ディテントトルクのバランスを良好とすることができる。

上記モータにおいて、前記第２ロータコアの飽和磁束密度が、前記第１ロータコアの飽和磁束密度よりも高く設定されていることが好ましい。
この構成によれば、ヨークハウジングの底部と近い側の第２ロータコアを第１ロータコアよりも磁気飽和しにくくすることができる。

上記モータにおいて、前記第２ロータコアは、前記第１ロータコアよりも炭素の含有率が低い材質よりなることが好ましい。
この構成によれば、ヨークハウジングの底部と近い側の第２ロータコアには、第１ロータコアよりも炭素の含有率が低い金属材料が用いられることから、第２ロータコアの飽和磁束密度を第１ロータコアの飽和磁束密度よりも高く構成できる。

上記モータにおいて、前記第２ロータコアには、焼鈍が施された材料が用いられていることが好ましい。
この構成によれば、第１及び第２ロータコアを同一の材質で形成する場合においても、第２ロータコアに焼鈍（磁気特性改善用の焼鈍）を施すことで、第２ロータコアの飽和磁束密度を第１ロータコアの飽和磁束密度よりも高く構成することが可能となる。

上記モータにおいて、前記第２ロータコアの軸方向の板厚が前記第１ロータコアの軸方向の板厚よりも厚く設定されていることが好ましい。
この構成によれば、第１及び第２ロータコアを同一の材料にて形成しつつも、ヨークハウジングの底部と近い側の第２ロータコアを第１ロータコアよりも磁気飽和しにくくすることが可能となる。

上記モータにおいて、前記第１ロータコアは冷間圧延鋼板よりなり、前記第２ロータコアは熱間圧延鋼板よりなることが好ましい。
この構成によれば、ヨークハウジングの底部と近い側の第２ロータコアを第１ロータコアよりも磁気飽和しにくくすることができる。

本発明のモータによれば、ディテントトルクのバランスを良好とすることができる。

実施形態のモータの断面図である。 同形態のモータの平面図である。 同形態のロータの斜視図である。 同形態におけるロータ付近の構成を模式的に示す断面図である。 同形態のロータのディテントトルクについて説明するためのグラフである。

以下、モータの一実施形態について説明する。
図１に示すように、モータとしてのブラシレスモータ１１のモータケース１２は、略有底円筒状に形成されたヨークハウジング１３と、このヨークハウジング１３の軸方向フロント側（図１中、左側）の開口部を閉塞する蓋部としてのエンドフレーム１４とを有している。前記ヨークハウジング１３は例えば磁性体の鉄で構成される。また、前記エンドフレーム１４は例えば非磁性体の樹脂材料で構成される。

図１及び図２に示すように、ヨークハウジング１３の内周面にはステータ１６が固定されている。ステータ１６は、径方向内側に延びる複数のティース１７ａを有するステータコア１７と、ステータコア１７のティース１７ａにインシュレータ１９を介して巻回される巻線２０とを備えている。ステータ１６は、外部の制御回路Ｓから巻線２０に駆動電流が供給されることで回転磁界を発生する。

図２に示すようにステータコア１７は、計１２個のティース１７ａを有している。従って、ティース１７ａ間に形成されるスロット１７ｂの数も１２個とされている。ティース１７ａは、巻回部１８ａと、巻回部１８ａの径方向内側の端部から周方向両側に突出する突出部１８ｂとを備える。巻回部１８ａは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の巻線２０が集中巻にて巻回されている。

図１に示すように、ブラシレスモータ１１のロータ２１は回転軸２２を有し、ステータ１６の内側に配置されている。回転軸２２は非磁性体の金属シャフトであって、ヨークハウジング１３の底部１３ａ及びエンドフレーム１４に支持された軸受２３，２４により回転可能に支持されている。

図３及び図４に示すように、ロータ２１は、前記回転軸２２が圧入されることで互いの軸線Ｌ方向の間隔が保持されつつ回転軸２２に固定される第１及び第２ロータコア３１，３２と、それら第１及び第２ロータコア３１，３２の軸線Ｌ方向の間に介在される界磁磁石としての環状磁石３３を備える。更に、ロータ２１は、背面補助磁石３４，３５と、極間磁石３６，３７とを備える。

なお、図１に示すように、ロータ２１がモータケース１２内に配置された状態において、後述のコアベース３１ａが環状磁石３３に対して軸方向のエンドフレーム１４側に配置されるロータコアを第１ロータコア３１とし、コアベース３２ａが環状磁石３３に対して軸方向の底部１３ａ側に配置されるロータコアを第２ロータコア３２としている。

図３及び図４に示すように、第１ロータコア３１は、略円板状のコアベース３１ａの外周部に、等間隔に複数（本実施形態では４つ）の爪状磁極３１ｂが径方向外側に突出されるとともに軸線Ｌ方向に延出して形成されている。詳しくは、爪状磁極３１ｂは、コアベース３１ａの外周部から径方向外側に突出した突出部３１ｃと、該突出部３１ｃの先端に設けられ軸線Ｌ方向に延びる爪部３１ｄとを有する。突出部３１ｃは、軸線Ｌ方向から見て扇形状に形成されている。爪部３１ｄは、軸直交方向断面が扇形状に形成されている。

第２ロータコア３２は、第１ロータコア３１と同形状であって、略円板状のコアベース３２ａの外周部に、等間隔に複数の爪状磁極３２ｂが径方向外側に突出されるとともに軸線Ｌ方向に延出して形成されている。詳しくは、爪状磁極３２ｂは、コアベース３２ａの外周部から径方向外側に突出した突出部３２ｃと、該突出部３２ｃの先端に設けられ軸線Ｌ方向に延びる爪部３２ｄとを有する。突出部３２ｃは、第１ロータコア３１の突出部３１ｃと同様に、軸線Ｌ方向から見て扇形状に形成されている。爪部３２ｄは、軸直交方向断面が扇形状に形成されている。

そして、各ロータコア３１，３２は、その中央孔に回転軸２２が圧入されるとともに、各コアベース３１ａ，３２ａの軸線Ｌ方向の外側（相反する側）の距離が予め設定された距離となるように回転軸２２に対して圧入固定される。この際、第２ロータコア３２の各爪状磁極３２ｂは、第１ロータコア３１の各爪状磁極３１ｂ間に配置される。また、第１及び第２ロータコア３１，３２の各コアベース３１ａ，３２ａの軸線Ｌ方向の間に環状磁石３３が配置（挟持）される。

環状磁石３３は、フェライト磁石やネオジム磁石等の磁石であって、中央孔が形成された円環状に形成されている。そして、環状磁石３３は、第１ロータコア３１の爪状磁極３１ｂを第１の磁極（本実施形態ではＮ極）として機能させ、第２ロータコア３２の爪状磁極３２ｂ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、軸線Ｌ方向に磁化されている。即ち、本実施形態のロータ２１は、界磁磁石としての環状磁石３３を用いた所謂ランデル型構造のロータである。

ロータ２１は、Ｎ極となる４つの爪状磁極３１ｂと、Ｓ極となる４つの爪状磁極３２ｂとが周方向に交互に配置されており、極数が８極（極対数が４個）となる。すなわち、本実施形態では、ロータ２１の極数が「８」に設定され、ステータ１６のティース１７ａの数が「１２」に設定されている。つまり、前記ロータ２１の極数を２ｎ（但しｎは自然数であり、本実施形態では４）、スロット１７ｂの数（スロット数）を３ｎとして、極数とスロット数の比が２：３となるように構成されている。

第１ロータコア３１の各爪状磁極３１ｂの背面３１ｅ（径方向内側の面）と第２ロータコア３２のコアベース３２ａの外周面３２ｆとの間には、背面補助磁石３４が配置されている。背面補助磁石３４は、その軸直交方向断面が略扇形状とされ、爪状磁極３１ｂの背面３１ｅに当接する側が爪状磁極３１ｂと同極のＮ極に、第２ロータコア３２のコアベース３２ａの外周面３２ｆに当接する側がコアベース３２ａと同極のＳ極となるように磁化されている。

また、第２ロータコア３２の各爪状磁極３２ｂの背面３２ｅと第１ロータコア３１のコアベース３１ａの外周面３１ｆとの間には、背面補助磁石３５が配置されている。背面補助磁石３５は、その軸直交方向断面が扇形状とされ、爪状磁極３２ｂの背面３２ｅに当接する側がＳ極に、第１ロータコア３１のコアベース３１ａの外周面３１ｆに当接する側がＮ極となるように磁化されている。背面補助磁石３４，３５としては、例えばフェライト磁石を用いることができる。

また、図２及び図３に示すように、爪状磁極３１ｂと爪状磁極３２ｂとの周方向の間には、極間磁石３６，３７が配置されている。
図１及び図４に示すように、上記のように構成されたロータ２１では、第２ロータコア３２のコアベース３２ａが、第１ロータコア３１のコアベース３１ａよりも軸線Ｌ方向のヨークハウジング１３側（底部１３ａ側）に位置している。

ここで、第１及び第２ロータコア３１，３２は共に炭素鋼よりなり、ヨークハウジング１３の底部１３ａに近い側の第２ロータコア３２には、第１ロータコア３１よりも炭素の含有率が低い金属材料（低炭素鋼）が用いられている。これにより、第２ロータコア３２の飽和磁束密度（単位面積当たりの磁束の流れの限界点）が、第１ロータコア３１の飽和磁束密度よりも高くなっている。そして、第１及び第２ロータコア３１，３２は互いに同一形状であるため、第２ロータコア３２は第１ロータコア３１よりも磁気飽和しにくい構成といえる。

また、図１に示すように、ロータ２１には、略円板状のマグネット固定部材４１を介してセンサ磁石４２が設けられている。詳しくは、マグネット固定部材４１は、中央にボス部４１ａが形成された円板部４１ｂと、この円板部４１ｂの外縁から筒状に延びる筒部４１ｃとを有し、該筒部４１ｃの内周面及び円板部４１ｂの表面に当接するように環状のセンサ磁石４２が固着されている。そして、マグネット固定部材４１は、第１ロータコア３１と近い側で、そのボス部４１ａが回転軸２２に外嵌されて固定されている。

そして、エンドフレーム１４において、センサ磁石４２と軸線Ｌ方向に対向する位置には磁気センサとしてのホールＩＣ４３が設けられている。ホールＩＣ４３は、センサ磁石４２に基づくＮ極とＳ極の磁界を感知するとそれぞれＨレベルの検出信号とＬレベルの検出信号とを前記制御回路Ｓに出力する。

次に、上記のように構成されたブラシレスモータ１１の作用について説明する。
制御回路Ｓから巻線２０に３相の駆動電流が供給されると、ステータ１６にて回転磁界が発生され、ロータ２１が回転駆動される。この際、ホールＩＣ４３と対向するセンサ磁石４２が回転することで、ホールＩＣ４３から出力される検出信号のレベルがロータ２１の回転角度（位置）に応じて切り替わり、その検出信号に基づいて制御回路Ｓから巻線２０に最適なタイミングで切り替わる３相の駆動電流が供給される。これにより、良好に回転磁界が発生され、ロータ２１が良好に連続して回転駆動される。

ここで、例えば、第１及び第２ロータコア３１，３２を互いに同じ材質とした場合（つまり、飽和磁束密度が同じ材質を用いる場合）を考える。この場合、軸方向においてヨークハウジング１３の底部１３ａから遠い側の第１ロータコア３１では、ヨークハウジング１３（底部１３ａ）との間で漏れ磁束がほとんど無いため、図５においてＸ１で示すようにディテントトルクが高くなりやすい。そして、ヨークハウジング１３の底部１３ａに近い側の第２ロータコア３２では、ヨークハウジング１３の底部１３ａとの間で漏れ磁束が発生するため、図５においてＸ２で示すようにディテントトルクが低くなりやすい。このため、ディテントトルクがＮ極とＳ極とでアンバランスとなる。

そこで、本実施形態では、底部１３ａ側の第２ロータコア３２に、第１ロータコア３１よりも飽和磁束密度が高い材料（低炭素鋼）を用いている。つまり、漏れ磁束の発生が少ないエンドフレーム１４側の第１ロータコア３１の飽和磁束密度が、第２ロータコア３２の飽和磁束密度よりも低いことから、第１ロータコア３１で磁気飽和が生じやすくなる。これにより、第１ロータコア３１の爪状磁極３１ｂとステータ１６との間で作用する磁束量が減るため、図５においてＹ１で示すようにディテントトルクが低減される。

そして、第２ロータコア３２では、飽和磁束密度が高い材料とされることで磁束が流れやすくなるため、ヨークハウジング１３側への漏れ磁束が低減され、図５においてＹ２で示すようにディテントトルクが若干増加する。このように、第１ロータコア３１（Ｎ極）と第２ロータコア３２（Ｓ極）とでのディテントトルクとの差が減少し、ディテントトルクのバランス化が図られるようになっている。

次に、本実施形態の特徴的な効果を記載する。
（１）底部１３ａ側の第２ロータコア３２を第１ロータコア３１よりも炭素の含有率が低い金属材料にて形成することで、第２ロータコア３２の飽和磁束密度を第１ロータコア３１の飽和磁束密度よりも高くしている。これにより、本実施形態のように第１及び第２ロータコア３１，３２を同一形状とした場合であっても、第２ロータコア３２が第１ロータコア３１よりも磁気飽和しにくい構成とすることができる。従って、ヨークハウジング１３の底部１３ａと近い側の第２ロータコア３２に磁束が流れやすくなり、その結果、ヨークハウジング１３側への漏れ磁束の低減を図ることができる。このため、第１ロータコア３１と第２ロータコア３２とでの磁束量のアンバランスが抑えられ、ディテントトルクのバランスを良好とすることができる。

なお、上記実施形態は、以下のように変更してもよい。
・上記実施形態では、底部１３ａ側の第２ロータコア３２を第１ロータコア３１よりも炭素の含有率が低い金属材料にて形成することで、第１及び第２ロータコア３１，３２を互いに同一形状としつつ、第２ロータコア３２の飽和磁束密度を第１ロータコア３１の飽和磁束密度よりも高くしたが、これに特に限定されるものではない。例えば、磁気特性改善用の焼鈍が施された金属材料を第２ロータコア３２に用いてもよい。第２ロータコア３２に焼鈍を施すことで、第１及び第２ロータコア３１，３２を同一形状かつ同一材質で形成しつつ、第２ロータコア３２の飽和磁束密度を第１ロータコア３１の飽和磁束密度よりも高くすることが可能となる。

また、例えば、第１ロータコア３１を冷間圧延鋼板にて形成し、第２ロータコア３２を熱間圧延鋼板にて形成してもよい。この構成によっても、第１及び第２ロータコア３１，３２を同一形状かつ同一材質で形成しつつ、第２ロータコア３２の飽和磁束密度を第１ロータコア３１の飽和磁束密度よりも高くすることが可能となる。

・上記実施形態では、第２ロータコア３２の材料の飽和磁束密度を第１ロータコア３１の材料の飽和磁束密度よりも高くすることで、第２ロータコア３２を磁気飽和しにくい構成としたが、これに特に限定されるものではない。例えば、第２ロータコア３２の軸方向の板厚（コアベース３２ａの板厚）を、第１ロータコア３１の軸方向の板厚（コアベース３１ａの板厚）よりも厚く形成してもよい。この構成によれば、第１及び第２ロータコア３１，３２を同一材質で形成しつつ、第２ロータコア３２を磁気飽和しにくい構成とすることができる。

なお、上記の各変形例並びに上記実施形態は適宜組み合わせてもよい。
・上記実施形態では、ロータ２１の極数が「８」に設定され、ステータ１６のティース１７ａの数が「１２」に設定されたブラシレスモータに具体化したが、ロータ２１の極数やステータ１６のティース１７ａの数は適宜変更してもよい。

・上記実施形態では、ロータ２１に、背面補助磁石３４，３５と極間磁石３６，３７とを設ける構成としたが、これに限らない。例えば背面補助磁石のみを設ける構成、極間磁石のみを設ける構成、背面補助磁石及び極間磁石を省略する構成を採用してもよい。

・上記実施形態では、ステータ１６のティース１７ａに巻線２０を巻装する構成としたが、これに限らない。例えば、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ステータコアを備え、それらの間に巻線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構成を採用してもよい。

・上記実施形態では、エンドフレーム１４を樹脂材料で構成したが、これに限らない。例えば、エンドフレーム１４をアルミニウムやステンレス鋼（ＳＵＳ）等の非磁性体材料を採用してもよい。また、エンドフレーム１４とロータ２１との軸線Ｌ方向における距離が、ヨークハウジング１３（底部１３ａ）とロータとの軸線Ｌ方向における距離よりも長いという条件を満たせば、エンドフレーム１４として磁性体材料を用いてもよい。

１１…モータ、１２…モータケース（ケース）、１３…ヨークハウジング、１４…エンドフレーム（蓋部）、１６…ステータ、１７…ステータコア、２０…巻線、２１…ロータ、３１…第１ロータコア、３１ａ…コアベース、３１ｂ…爪状磁極、３２…第２ロータコア、３２ａ…コアベース、３２ｂ…爪状磁極、３３…環状磁石（界磁磁石）。

Claims (6)

1. ステータコア及び巻線を有するステータと、
   周方向に複数の爪状磁極をそれぞれ有する金属製の第１及び第２ロータコア、及び該第１及び第２ロータコアに軸方向に挟まれてそれらの爪状磁極を互いに異なる磁極として機能させる界磁磁石を有するロータと、
   有底筒状で磁性体のヨークハウジング及び該ヨークハウジングの開口部を閉塞する蓋部を有し、前記ヨークハウジング内に前記ステータ及び前記ロータが収容されるケースと
   を備えたモータであって、
   軸方向において、前記第１ロータコアが前記蓋部側に位置し、前記第２ロータコアが前記ヨークハウジングの底部側に位置するように構成され、
   前記第２ロータコアは、前記第１ロータコアよりも磁気飽和しにくい構成とされていることを特徴とするモータ。
2. 請求項１に記載のモータにおいて、
   前記第２ロータコアの飽和磁束密度が前記第１ロータコアの飽和磁束密度よりも高く設定されていることを特徴とするモータ。
3. 請求項２に記載のモータにおいて、
   前記第２ロータコアは、前記第１ロータコアよりも炭素の含有率が低い材質よりなることを特徴とするモータ。
4. 請求項２又は３に記載のモータにおいて、
   前記第２ロータコアには、焼鈍が施された材料が用いられていることを特徴とするモータ。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のモータにおいて、
   前記第２ロータコアの軸方向の板厚が前記第１ロータコアの軸方向の板厚よりも厚く設定されていることを特徴とするモータ。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のモータにおいて、
   前記第１ロータコアは冷間圧延鋼板よりなり、
   前記第２ロータコアは熱間圧延鋼板よりなることを特徴とするモータ。