JP6481252B2 - 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。

従来、例えばインナロータ型のブラシレスモータは、ロータコアの外周面に界磁磁石を備えたロータと、そのロータの界磁磁石に対向配置されたステータとを備えている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１のロータのような、外周面に界磁磁石が現れるタイプ（所謂、ＳＰＭ型）のロータに対し、ロータコア内に界磁磁石を埋設した所謂ＩＰＭ型のロータが知られている。ＩＰＭ型のロータではティース鎖交磁束が歪みやすいのに対し、ＳＰＭ型のロータではティース鎖交磁束が正弦波に近づくため、トルクリップルを抑える点ではＳＰＭ型のロータの方が有利である。

ところで、ブラシレスモータが位置保持機能を必要とする装置に使用されるとき、大きなディテントトルク（コギングトルク）を必要とする。そこで、ロータ外周における周方向の磁束変化が大きくなるように、界磁磁石の内部や外周面に空隙部（特許文献１では外周面の溝）を設けることで、ディテントトルクを向上させることが可能となる。つまり、界磁磁石をロータの外周面に配設するとともに、その界磁磁石に空隙部を形成することで、トルクリップルの低減及びディテントトルクの向上の両立を図ることが可能となる。

特開２００７−２１５３８２号公報

しかしながら、上記のようなロータでは、トルクリップルの低減及びディテントトルクの向上の両立が図れるものの、界磁磁石に溝等の細かな加工を加えることから製造が難しく、この点においてなお改善の余地があった。

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、トルクリップルの低減及びディテントトルクの向上を両立しつつも、容易に製造することが可能な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モータは、ロータの全磁極が界磁磁石で構成されたフルマグネット型のロータであって、ロータコアの外周に筒状の前記界磁磁石が設けられ、ロータの外周が周方向全体に亘り前記界磁磁石にて構成されるとともに、前記界磁磁石がＮ極とＳ極を周方向に交互に有することで周方向に複数の磁極を有するロータと、周方向に複数のスロットを有するステータとを備えたモータであって、前記界磁磁石をボンド磁石にて構成するとともに、該界磁磁石に空隙部を備え、前記空隙部は、前記界磁磁石の隣り合う磁極の境界に設けられることなく該境界を除く該界磁磁石の各磁極の外周面に軸方向に沿って形成された溝部であり、前記界磁磁石の各磁極の周方向中心線を基準としてそこからそれぞれ周方向両側に角度θだけずれた直線をそれぞれ第１直線と第２直線とするとき、前記角度θが、θ＝（１／２＋ｎ）・φ（但し、ｎ：整数、φ：コギングトルクの周期であって、３６０度を前記ロータの磁極数と前記ステータのスロット数の最小公倍数で割った値）を満たすように構成されるとともに、前記溝部は、前記界磁磁石の各磁極の外周面において、前記角度θだけずれた前記第１直線と前記第２直線をそれぞれ周方向の中心位置として一定幅を有している。

この構成によれば、焼結磁石に比べて形状の自由度が高いボンド磁石を採用することで、ディテントトルクを向上させるための空隙部を容易に形成することができる。従って、トルクリップルの低減及びディテントトルクの向上を両立しつつも、容易に製造することが可能となる。

また、ディテントトルクを向上させるための空隙部を容易に構成できる。

また、ＳＰＭ型のフルマグネットロータにおいて、トルクリップルの低減及びディテントトルクの向上を両立しつつも、容易に製造することが可能となる。

上記課題を解決するロータは、外周の少なくとも一部に界磁磁石が現れるように構成されたロータであって、前記界磁磁石をボンド磁石にて構成するとともに、該界磁磁石に空隙部を備えており、周方向に複数の爪部をそれぞれ有して組み合わされる一対のコア部材と、前記一対のコア部材の軸方向の間に配置され、軸方向に磁化された円板磁石と、前記コア部材の外周に設けられた前記界磁磁石とを備える。

この構成によれば、焼結磁石に比べて形状の自由度が高いボンド磁石を採用することで、ディテントトルクを向上させるための空隙部を容易に形成することができる。従って、トルクリップルの低減及びディテントトルクの向上を両立しつつも、容易に製造することが可能となる。
また、界磁磁石とは別に円板磁石を設けることで、出力向上を図ることが可能となる。
上記ロータにおいて、前記空隙部は、前記界磁磁石の外周面に軸方向に沿って形成された溝部であることが好ましい。
この構成によれば、ディテントトルクを向上させるための空隙部を容易に構成できる。
上記課題を解決するモータは、上記ロータを備えたモータである。

この構成によれば、トルクリップルの低減及びディテントトルクの向上を両立しつつも、容易に製造することが可能となる。

本発明のロータ及びモータによれば、トルクリップルの低減及びディテントトルクの向上を両立しつつも、容易に製造することが可能となる。

実施形態のブラシレスモータの断面図である。 同形態のロータを部分的に示す平面図である。 同形態におけるディテントトルクを説明するためのグラフである。 別例のロータの平面図である。 別例のロータの斜視図である。 同別例のロータの平面図である。 図６におけるＡ−Ａ線組合せ断面図である。 同別例のロータの分解斜視図である。 別例のロータの斜視図である。 同別例のロータの分解斜視図である。

以下、ブラシレス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、ブラシレスモータ１０は、モータハウジング１１の内周面にステータ１２が固定され、そのステータ１２の内側には、回転軸１３に固着され同回転軸１３とともに一体回転するロータ１４が配設されている。

ステータ１２は、円筒状のステータコア１５を有し、そのステータコア１５の外周面がモータハウジング１１に固定されている。ステータコア１５の内側には、軸線方向に沿って形成され、かつ、周方向に等ピッチに配置される複数（本実施形態では１２個）のティース１６が、径方向内側に向かって延出形成されている。各ティース１６は、Ｔ型のティースであって、その径方向の内周面１６ａは、回転軸１３の軸線Ｌを中心とする同心円の円弧を軸線方向に延出した円弧面である。

各ティース１６には、３相の巻線１７が集中巻きにて巻回されている。そして、各相の巻線１７に３相電源電圧を印加してステータ１２に回転磁界を形成し、同ステータ１２の内側に配置した回転軸１３に固着されたロータ１４を回転させるようになっている。

［ロータの構成］
ステータ１２の内側に配設されたロータ１４は、回転軸１３に一体回転可能に固定された略円筒状のロータコア２１と、ロータコア２１の外周面に設けられた円筒状の界磁磁石２２とを備える。つまり、ロータ１４の外周は、その周方向全体に亘り界磁磁石２２にて構成されている。なお、ロータコア２１は、複数の電磁鋼板が軸方向に積層されて構成されている。

界磁磁石２２は、磁石粉を樹脂と混合して成型固化されたボンド磁石よりなり、例えば射出成形にてロータコア２１の外周面に一体形成されている。なお、界磁磁石２２は、ロータコア２１の外周面に接着剤等により固着してもよい。ボンド磁石は、焼結磁石に比べて形状の自由度が高く、また、寸法精度を高く形成することが可能である。

界磁磁石２２は、Ｎ極・Ｓ極を周方向に交互に４つずつ持つ８極の磁石であり、その各磁極は互いに等しい角度幅（つまり４５度）を有している。ロータ１４は、全磁極を界磁磁石２２で構成したフルマグネット型ロータである。なお、界磁磁石２２の各磁極の配向方向は、回転軸１３を中心とする径方向に沿っている。

界磁磁石２２の外周面は、回転軸１３の軸線Ｌを中心とする略円形をなす。そして、界磁磁石２２は、各磁極の外周面に第１補助溝２３ａと第２補助溝２３ｂの２つの溝を有している。第１及び第２補助溝２３ａ，２３ｂは、界磁磁石２２の軸方向の一端から他端に亘って直線状に形成されるとともに、軸直交方向断面形状が略コ字状に形成されている。

次に、第１及び第２補助溝２３ａ，２３ｂの形成位置について説明する。
図２に示すように、界磁磁石２２の各磁極の周方向中心線Ｌ１を基準として、そこからそれぞれ時計回り方向及び反時計回り方向に角度θだけずれた直線をそれぞれ第１直線Ｌ１ａと第２直線Ｌ１ｂとする。

ここで、角度θは、コギングトルクの周期（角度φ）に基づいて、以下の演算式を使って求めた。
θ＝（１／２＋ｎ）・φ
なお、ｎは整数であって、本実施形態ではｎ＝０としている。

コギングトルクの周期φは、一般に、３６０度を、ロータ１４（界磁磁石２２）の磁極数とステータ１２のティース１６の数（スロット数）の最小公倍数で割った値である。つまり、本実施形態では、ロータ１４の磁極数は８、ティース１６の数は１２であることから、最小公倍数は２４となる。そして、コギングトルクの周期φは、１５（＝３６０／２４）度となる。従って、角度θは、７．５（＝１５／２）度となる。

界磁磁石２２の各磁極の外周面において、周方向中心線Ｌ１を中心に時計回り方向及び反時計回り方向にそれぞれ７．５度変位した位置にある第１直線Ｌ１ａと第２直線Ｌ１ｂを周方向の中心位置として一定の幅を有した溝を軸線方向にそれぞれ凹設する。

そして、第１直線Ｌ１ａを周方向中心位置とする溝を第１補助溝２３ａとし、第２直線Ｌ１ｂを周方向中心位置とする溝を第２補助溝２３ｂとしている。従って、回転軸１３の軸線Ｌを中心として、第１補助溝２３ａと第２補助溝２３ｂの各周方向中心がなす角度は、コギングトルクの周期φ（＝１５度）と一致する。

つまり、周方向中心線Ｌ１からの第１及び第２直線Ｌ１ａ，Ｌ１ｂの角度は、共にコギングトルクの周期φの半周期（＝７．５度）となり、第１補助溝２３ａと第２補助溝２３ｂは周方向中心線Ｌ１を対称軸として対称位置に形成されている。

次に、本実施形態の作用について説明する。
ステータ１２の巻線１７に３相電源電圧を印加して回転磁界を形成すると、その回転磁界に基づいてロータ１４が回転する。そして、巻線１７への給電を停止すると、回転磁界が消失してロータ１４は回転を停止する。このとき、ロータ１４は、ステータ１２に対して磁気的に最も安定した状態となる角度位置で停止する。

ここで、ロータ１４の界磁磁石２２の外周面には、第１及び第２補助溝２３ａ，２３ｂが形成されているため、ロータ１４の外周における周方向の磁束変化が、第１及び第２補助溝２３ａ，２３ｂを形成する前に比べて大きい。これにより、磁束を安定した状態に戻ろうとする保持力（ディテントトルク）が大きくなっている。

また、本実施形態では、第１補助溝２３ａと第２補助溝２３ｂを、周方向中心線Ｌ１を軸として線対称位置に形成するとともに、第１補助溝２３ａと第２補助溝２３ｂの各周方向中心がなす角度がコギングトルクの周期φ（＝１５度）と一致している。

このため、図３に示すように、第１及び第２補助溝２３ａ，２３ｂを形成する前の溝形成前ディテントトルクＴａ（第１及び第２補助溝２３ａ，２３ｂがない場合のディテントトルク）と、補助溝ディテントトルクＴｂとが同相となる。これにより、溝形成前ディテントトルクＴａが補助溝ディテントトルクＴｂが重畳されて、合計ディテントトルクＴｃを最大に引き出せ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）ロータ１４を界磁磁石２２が外周に配設されたＳＰＭ型とすることで、トルクリップルの低減を図り、また、界磁磁石２２の外周面に空隙部としての第１及び第２補助溝２３ａ，２３ｂを形成することで、ディテントトルクの向上を図ることができる。そして、焼結磁石に比べて形状の自由度が高いボンド磁石を界磁磁石２２に採用することで、空隙部（第１及び第２補助溝２３ａ，２３ｂ）を容易に形成することができる。このように、本実施形態のブラシレスモータ１０によれば、トルクリップルの低減及びディテントトルクの向上を両立しつつも、容易に製造することが可能となる。

（２）ディテントトルクを向上させるための空隙部が、界磁磁石２２の外周面に軸方向に沿って形成された第１及び第２補助溝２３ａ，２３ｂであるため、空隙部を容易に構成できる。

（３）界磁磁石２２の磁極の周方向中心線Ｌ１からの第１及び第２直線Ｌ１ａ，Ｌ１ｂの角度が、共にコギングトルクの周期φの半周期であるため、最も大きな合計ディテントトルクＴｃを発生させることができる。

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、ロータ１４の磁極を円筒状の界磁磁石２２にて構成したが、これ以外に例えば、界磁磁石２２が磁極毎に分割された構成としてもよい。

・上記実施形態では、ロータ１４をフルマグネット型としたが、これに特に限定されるものではなく、例えば図４に示すようなハーフマグネット型（コンシクエントポール型）としてもよい。

同図に示すように、ロータコア２１の外周部には、径方向外側に突出する４個のコア磁極部３１（疑似磁極）が周方向等間隔（９０度間隔）に一体形成されている。各コア磁極部３１は、ロータコア２１の軸方向全体に亘って形成されている。

ロータコア２１の外周面におけるコア磁極部３１間には、ボンド磁石よりなる４つの界磁磁石３２が周方向等間隔（９０度間隔）で固着されている。これにより、各界磁磁石３２及びコア磁極部３１は、周方向等間隔（４５度間隔）で交互に配置されている。

各界磁磁石３２は、径方向に沿った磁化配向を有するとともに、互いに同一の磁極（図４ではＮ極）に設定されている。そして、界磁磁石３２は、コア磁極部３１を自身と反対の磁極（図４ではＳ極）として機能させる。

コア磁極部３１と界磁磁石３２の各外周面は、軸方向視において回転軸１３の軸線Ｌを中心とする同一円上に位置しており、その各外周面がロータ１４の外周面を構成している。そして、コア磁極部３１と界磁磁石３２の各外周面には、上記実施形態と同様の第１及び第２補助溝２３ａ，２３ｂが形成されている。

このような構成によっても、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。つまり、ＳＰＭ型のハーフマグネットロータ（コンシクエントポール型ロータ）において、トルクリップルの低減及びディテントトルクの向上を両立しつつも、容易に製造することが可能となる。

なお、上記の例では、界磁磁石３２の外周面だけでなく、コア磁極部３１の外周面にも第１及び第２補助溝２３ａ，２３ｂを形成したが、コア磁極部３１の第１及び第２補助溝２３ａ，２３ｂは省略してもよい。

・上記実施形態において、ロータ１４のロータコア２１及び界磁磁石２２の構成を図５〜図８に示すように変更してもよい。
図５〜図８に示すロータでは、ロータコア４０は、互いに同一形状をなす第１コア部材４１と第２コア部材５１とからなる。

図７及び図８に示すように、第１コア部材４１は、回転軸１３が挿通固定される固定孔４２ａを有する略円盤状の第１コアベース４２を有している。第１コアベース４２の外周部には、等間隔に複数（本実施形態では４つ）の第１爪部４３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コア部材５１は、第１コア部材４１と同形状であり、第１コア部材４１の第１コアベース４２（固定孔４２ａ）及び第１爪部４３とそれぞれ対応する、第２コアベース５２（固定孔５２ａ）及び第２爪部５３を有している。そして、第２コア部材５１は、各第２爪部５３がそれぞれ対応する各第１爪部４３間に配置されるように第１コア部材４１に対して組み付けられている。

第１コアベース４２と第２コアベース５２との軸方向の間には、円板磁石６１が配置されている。円板磁石６１は円環状をなし、その中央部を回転軸１３が貫通している。また、円板磁石６１の軸方向端面は、回転軸１３の軸線Ｌに対して垂直な平面状をなし、第１及び第２コアベース４２，５２の各内側端面と密着している。

なお、第１爪部４３は、第２コアベース５２の外周面及び円板磁石６１の外周面に対して径方向に離間されている。また、第１爪部４３の軸方向先端面は、第２コアベース５２の外側端面と面一となっている。

同様に、第２爪部５３は、第１コアベース４２の外周面及び円板磁石６１の外周面に対して径方向に離間されている。また、第２爪部５３の軸方向先端面は、第１コアベース４２の外側端面と面一となっている。

円板磁石６１は、第１爪部４３を第１の磁極（本実施形態ではＮ極）として機能させ、第２爪部５３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。

図５及び図６に示すように、第１及び第２コア部材４１，５１の外周には、略円筒状をなす界磁磁石６２が設けられている。界磁磁石６２は、上記実施形態の界磁磁石２２と同様にボンド磁石よりなり、磁極構成並びに外周面形状（第１及び第２補助溝２３ａ，２３ｂ）は、上記実施形態の界磁磁石２２と同様である。

界磁磁石６２の内周面には、８個の突出部６３が径方向内側に突出形成されている。突出部６３は、周方向における第１爪部４３と第２爪部５３との間に入り込み、第１爪部４３及び第２爪部５３と周方向に当接している。これにより、界磁磁石６２の空転が防止されている。

上記構成のロータによれば、上記実施形態と同様の効果に加えて、円板磁石６１を追加したことによる出力向上を図ることができる。なお、上記構成は、第１コア部材４１、第２コア部材５１及び円板磁石６１を用いた所謂ランデル型構造のロータの外周に界磁磁石６２を設けた構成と捉えることもできる。

なお、上記の例において、第１及び第２爪部４３，５３の内周側の空間を埋める部位を界磁磁石６２（突出部６３）に一体形成してもよい。また、上記の例における突出部６３は省略可能である。

また、図９及び図１０に示すようなタイプのロータにも適用できる。
同図に示すロータは、扁平形状のロータコア７１と、ボンド磁石よりなる環状の界磁磁石７２とが軸方向に組み付けられて構成されている。

ロータコア７１は、回転軸１３が挿通固定される固定孔７３ａを有する薄い円板状のコアベース７３と、コアベース７３の外周に周方向等間隔に４つ形成された爪状磁極７４とからなる。爪状磁極７４は、コアベース７３から径方向外側に突出されるとともに、界磁磁石７２（円環部７５）の外周面に沿って軸方向に延びている。

界磁磁石７２は、円環状をなす円環部７５と、円環部７５から径方向外側に突出する４つの突極部７６とを有している。円環部７５は、爪状磁極７４においてコアベース７３から径方向に延びる部位と軸方向に当接している。

突極部７６は、周方向の各爪状磁極７４間に位置しており、突極部７６及び爪状磁極７４は周方向等間隔（４５度間隔）で交互に配置されている。なお、突極部７６と爪状磁極７４との周方向の間には隙間が設定されている。また、円環部７５は、各突極部７６間において、爪状磁極７４と径方向に当接している。

この界磁磁石７２は、Ｎ極・Ｓ極を周方向に交互に４つずつ持つ８極の磁石であり、その各磁極は互いに等しい角度幅（つまり４５度）を有している。そして、突極部７６がＮ極で、円環部７５における爪状磁極７４と径方向に当接する部位がＳ極となるように構成されている。なお、界磁磁石７２の各磁極の配向方向は、回転軸１３を中心とする径方向に沿っている。

突極部７６及び爪状磁極７４の各外周面は、軸方向視において回転軸１３の軸線Ｌを中心とする同一円上に位置しており、その各外周面がロータの外周面を構成している。つまり、突極部７６及び爪状磁極７４がロータの磁極を構成している。そして、突極部７６及び爪状磁極７４の各外周面には、上記実施形態と同様の第１及び第２補助溝２３ａ，２３ｂが形成されている。

上記構成のロータによれば、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。更に、本例では、界磁磁石７２（円環部７５）の内側にロータコアがなく、界磁磁石７２の内側は、コアベース７３を底部とする凹部となっている。このため、回転軸１３を軸支する軸受を界磁磁石７２の内側のスペースに配置することが可能となり、その結果、軸短化を図ることが可能となる。

なお、上記の例では、突極部７６（界磁磁石７２）の外周面だけでなく、爪状磁極７４の外周面にも第１及び第２補助溝２３ａ，２３ｂを形成したが、爪状磁極７４の第１及び第２補助溝２３ａ，２３ｂは省略してもよい。

・上記実施形態では、第１及び第２補助溝２３ａ，２３ｂの周方向中間位置を決める第１及び第２直線Ｌ１ａ，Ｌ１ｂを、コギングトルクの周期（角度φ）に基づいて決めたが、これに特に限定されるものではなく、上記実施形態とは異なる位置に第１及び第２補助溝２３ａ，２３ｂを形成してもよい。この場合、ディテントトルクは小さくなるものの、ディテントトルクの大きさを調整する場合に利用できる。

・上記実施形態では、ディテントトルクを向上させるための空隙部を、界磁磁石２２の外周面に形成した第１及び第２補助溝２３ａ，２３ｂとしたが、これに特に限定されるものではない。例えば、界磁磁石２２の軸方向に貫通形成した孔を空隙部としても（つまり、第１及び第２補助溝２３ａ，２３ｂの径方向外側への開口端を塞いだような構成としても）、上記実施形態と略同様の効果を得ることができる。

・上記実施形態におけるロータ１４の磁極数は、構成に応じて適宜変更してもよい。
・上記各実施形態では、ロータ１４をステータ１２の内周側に配置したインナロータ型のモータに具体化したが、これに特に限定されるものではなく、ロータをステータの外周側に配置したアウタロータ型のモータに具体化してもよい。

１０…ブラシレスモータ、１２…ステータ、１３…回転軸、１４…ロータ、２１，４０，７１…ロータコア、２２，３２，６２，７２…界磁磁石、２３ａ…第１補助溝（溝部）、２３ｂ…第２補助溝（溝部）、３１…コア磁極部、４１…第１コア部材、５１…第２コア部材、６１…円板磁石。

Claims (4)

1. ロータの全磁極が界磁磁石で構成されたフルマグネット型のロータであって、ロータコアの外周に筒状の前記界磁磁石が設けられ、ロータの外周が周方向全体に亘り前記界磁磁石にて構成されるとともに、前記界磁磁石がＮ極とＳ極を周方向に交互に有することで周方向に複数の磁極を有するロータと、
   周方向に複数のスロットを有するステータと
   を備えたモータであって、
   前記界磁磁石をボンド磁石にて構成するとともに、該界磁磁石に空隙部を備え、
   前記空隙部は、前記界磁磁石の隣り合う磁極の境界に設けられることなく該境界を除く該界磁磁石の各磁極の外周面に軸方向に沿って形成された溝部であり、
   前記界磁磁石の各磁極の周方向中心線を基準としてそこからそれぞれ周方向両側に角度θだけずれた直線をそれぞれ第１直線と第２直線とするとき、前記角度θが、
   θ＝（１／２＋ｎ）・φ
   （但し、ｎ：整数、φ：コギングトルクの周期であって、３６０度を前記ロータの磁極数と前記ステータのスロット数の最小公倍数で割った値）
   を満たすように構成されるとともに、
   前記溝部は、前記界磁磁石の各磁極の外周面において、前記角度θだけずれた前記第１直線と前記第２直線をそれぞれ周方向の中心位置として一定幅を有していることを特徴とするモータ。
2. 外周の少なくとも一部に界磁磁石が現れるように構成されたロータであって、
   前記界磁磁石をボンド磁石にて構成するとともに、該界磁磁石に空隙部を備えており、
   周方向に複数の爪部をそれぞれ有して組み合わされる一対のコア部材と、
   前記一対のコア部材の軸方向の間に配置され、軸方向に磁化された円板磁石と、
   前記コア部材の外周に設けられた前記界磁磁石と
   を備えた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、
   前記空隙部は、前記界磁磁石の外周面に軸方向に沿って形成された溝部であることを特徴とするロータ。
4. 請求項２又は３に記載のロータを備えたことを特徴とするモータ。