JP6545480B2 - クローポール型モータ、クローポール型モータの製造方法 - Google Patents
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Description
このように組み合わせると、第1延伸部の先端面と第2延伸部のU相コアに向かって延伸する先端面との間に製造誤差によるUVギャップが形成されるとともに、第2延伸部のW相コアに向かって延伸する先端面と第3延伸部の先端面との間にも製造誤差によるVWギャップが形成される。本来、第1延伸部と第2延伸部との間、第2延伸部と第3延伸部とは当接することが望ましいが、製造誤差や組立許容誤差によるギャップが必ず形成される。
そのため、UVギャップ又はVWギャップのいずれか一方を通過する磁束に比べて、UVギャップ又はVWギャップの両方を通過する磁束の磁気抵抗が大きくなり、磁束量が減少して、爪磁極を磁化する磁束量に歪みが生じる。このように磁束量に歪みが生じると、モータの回転動作が悪くなり、モータに振動や騒音が生じるという問題がある。
一方、V相コアの爪磁極を磁化する磁束量は、各V相コイル要素で発生した磁束量を足し合わせたものとなるが、各V相コイル要素から発生した磁束は、V相コアの爪磁極に向かう磁束とU相コア又はW相コアの爪磁極に向かう磁束とに分岐するので、各V相コイル要素からV相コアの爪磁極に向かう磁束量は、発生した磁束量の半分となる。
そうすると、V相コアの爪磁極を磁化する磁束量は、実質的に、各V相コイル要素が単独で発生した磁束量と等しくなる。したがって、U相コア、V相コア及びW相コアの爪磁極を磁化する磁束量を均一にするには、各V相コイル要素が単独で発生する磁束量を、U相コイル又はW相コイルで発生する磁束量と等しくする必要があり、このために、U相コイル、各V相コイル要素、W相コイルの巻数をほぼ等しくする必要がある。
このような不具合に対し、本願発明者らが鋭意検討を重ねた結果、縦軸にトルク、横軸に爪磁極の周方向角度を示す図18のグラフに示すように、モータの円滑な回転を妨げるコギングトルク及び鎖交磁束の歪みを減らすためには、爪磁極の周方向角度を130°〜160°にする必要があることを見出した。
これに対し、特許文献2に記載されたモータでは、上述したように爪磁極の周方向角度を最大で120°までしか大きくすることができないので、爪磁極の周方向角度を変えて、コギングトルク及び鎖交磁束の歪みを減らすことができないという問題がある。
そこで、特許文献3では、固定子を複数のパーツに分割し、各パーツをプレス加工して製造した後に、これらを組み合わせて固定子を製造している。このように複数のパーツに分けることによって、それぞれのパーツの質量密度を高めて、固定子全体の質量密度を高めることができる。
この複数のパーツは、固定子を径方向に分割したものであって、外周が円弧形状をなすものである。
従来では、回転軸線方向にギャップが生じており、そのギャップが製造誤差によって非常に大きくなり、モータ特性の劣化を招いていた。しかし、本発明は一部が径方向のギャップ(UVギャップ、VWギャップ)となって、製造誤差の低減を図れるため、モータ特性をより向上することができる。
また、U相コイル、V相コイル及びW相コイルの巻数を変えることなく、コイル線径を変えるだけでV相コイルの抵抗値を下げることができるので、U相コイル、V相コイル及びW相コイルの巻数をほぼ同じにして磁束を均一化し、モータの回転を安定化することができる。
しかし本発明のクローポール型モータでは、外側に配置される第1V相コイル要素及び第2V相コイル要素の線径を太くしているので、外側に配置される第1V相コイル要素及び第2V相コイル要素の抵抗値を小さくして、U相コイル及びW相コイルの抵抗値に近づけることができる。そのため、各相に電流をバランスよく流してモータの回転を安定化することができる。
このような磁束の不均一を是正するためには、第1V相コイル要素、第2V相コイル要素、U相コイル又はW相コイルの巻数をそれぞれ異ならせて、コイルの抵抗値を調整する構成が挙げられる。
各コアが粉体状の磁性材料を回転軸線方向からプレス加工して構成された場合、回転軸線方向とは垂直な方向となる周方向の寸法精度は、回転軸線方向の寸法精度に比べて格段に良いので、U相コア本体とV相コア本体との間、及びV相コア本体とW相コア本体との間にはほとんど空隙が生じないことに加えて、U相コア本体とW相コア本体との間は、コア本体が圧着した状態で固定されているので、この間にも空隙が生じることを防ぐことができ、モータの振動や騒音を低減することができる。
また、U相コア本体、V相コア本体、W相コア本体をこの順で回転軸線方向に配置してなる固定子は、回転軸線方向に配置されるU相コア本体とV相コア本体との間、及びV相コア本体とW相コア本体との間の2箇所を圧着する必要があるのに対し、上述の構成では、回転軸線方向に配置されるのはU相コア本体とW相コア本体との間の1箇所のみであるので、確実にコア本体を圧着させて、製造性を安定させることができる。
これは、U相コア8、V相コア9、W相コア10が、粉体状の磁性材料を回転軸線方向からプレス加工して構成されているので、回転軸線方向の寸法精度がラジアル方向に比べて悪く、ラジアル方向のUVギャップG2及びVWギャップG3に比べて回転軸線方向のUWギャップG1の製造誤差が大きくなるからである。
R=aL/πD2・・・(2)
つまり、この式(2)から、コイルの線径が大きくなるほどコイルの抵抗値が小さくなり、また、コイルの巻数が増えるもしくは、コイルの周長が長くなることにより、コイルの抵抗値が大きくなることが分かる。
このとき、下金型32に設けられた位置決め凸部39と、固定子形成部材30のU相爪磁極5a、V相爪磁極5b、W相爪磁極5cとがそれぞれ当接する。
まず、W相コイル16に電圧が印加されると、この印加電圧とW相コイル16に生じた誘起電圧の差と、W相コイル16の抵抗によって電流が流れて磁束が生じる。この磁束は、W相コア本体21からW相爪磁極5cに向かい、W相爪磁極5cをN極に磁化するとともに、V相爪磁極5b及びU相爪磁極5aをS極に磁化する。
各コアが粉体状の磁性材料を回転軸線方向からプレス加工して構成された場合、回転軸線方向とは垂直な方向となる周方向の寸法精度は、回転軸線方向の寸法精度に比べて格段に良いので、U相コア本体19とV相コア本体20との間、及びV相コア本体20とW相コア本体21との間にはほとんど空隙が生じないことに加えて、U相コア本体19とW相コア本体21との間は、コア本体が圧着した状態で固定されているので、この間にも空隙が生じることを防ぐことができ、モータの振動や騒音を低減することができ、効率を向上することが可能となる。
また、第2パーツ42、44、46が、径方向に分割された3つの分割要素を周方向に配置して構成されているので、これら分割要素の間にそれぞれ電気抵抗が生じ、この電気抵抗によって周方向に流れる渦電流を低減することができる。
具体的には、第1V相コイル要素及び第2V相コイル要素の線径をU相コイル、W相コイルに比べて大きくしたものを用いた本実施形態のクローポール型モータと、第1V相コイル要素及び第2V相コイル要素の線径をU相コイル、W相コイルと等しくした従来のクローポール型モータを用いて、トルク脈動を測定した。
これに対し、図17に示すように、本実施形態のクローポール型モータでは、トルクの最大値が7.8mNmであり、トルクの最小値が7.4mNmであるので、この差であるトルク脈動は約0.4mNmとなった。
3・・・固定子
5・・・爪磁極
5a・・U相爪磁極
5b・・V相爪磁極
5c・・W相爪磁極
8・・・U相コア
9・・・V相コア
10・・W相コア
19・・U相コア本体
20・・V相コア本体
21・・W相コア本体
Claims (27)
- 回転軸線上に配置された第1コア本体と、前記第1コア本体の周囲に前記回転軸線方向に延伸するように設けられた複数の第1爪磁極とを具備する第1コアと、
前記回転軸線上であって前記第1コア本体の隣に配置される第2コア本体と、前記第2コア本体の周囲に前記回転軸線方向に延伸するように設けられた複数の第2爪磁極とを具備する第2コアと、
前記回転軸線上であって前記第2コア本体の隣に配置される第3コア本体と、前記第3コア本体の周囲に前記回転軸線方向に延伸するように設けられた複数の第3爪磁極とを具備する第3コアとを具備し、
前記第1コア本体が、前記第3コア本体に向かって延伸する第1延伸部を具備したものであり、
前記第3コア本体が、前記第1コア本体に向かって延伸し、その先端面が前記第1コア本体の先端面と向かい合って近接又は当接する第2延伸部を具備したものであり、
前記第2コア本体が、前記第1延伸部の先端部及び前記第2延伸部の先端部に外嵌する外嵌部を具備したものであることを特徴とするクローポール型モータ。 - 前記第1延伸部の先端部が、前記外嵌部に外嵌される回転軸線方向の深さと、前記第2延伸部の先端部が、前記第1延伸部とは逆の方向から前記外嵌部に外嵌される回転軸線方向の深さとが略等しくなるように構成されていることを特徴とする請求項1記載のクローポール型モータ。
- 前記第1コア、前記第2コア及び前記第3コアが、粉体状の磁性材料を前記回転軸線方向からプレス加工して構成されたものであることを特徴とする請求項1又は2記載のクローポール型モータ。
- 前記外嵌部が、中心孔を有した円筒形状をなすものであり、
前記第1延伸部及び前記第2延伸部の先端部が、前記中心孔に略隙間なく嵌り込んでいることを特徴とする請求項1、2又は3記載のクローポール型モータ。 - 前記第1コアが、回転軸線上に配置されたU相コア本体の周囲に、軸線方向に延伸する複数のU相爪磁極を設けてなるU相コアであり、
前記第2コアが、前記回転軸線上であって前記U相コア本体の隣に配置されたV相コア本体の周囲に、軸線方向に延伸する複数のV相爪磁極を設けてなるV相コアであり、
前記第3コアが、前記回転軸線上であって前記V相コア本体の隣に配置されたW相コア本体の周囲に、軸線方向に延伸する複数のW相爪磁極を設けてなるW相コアであり、
前記各コアをそれぞれ磁化するU相コイル、V相コイル、W相コイルをさらに具備し、
前記U相コイルは、前記U相コア本体及びV相コア本体の間に配置してあり、
前記W相コイルは、前記V相コア本体及びW相コア本体の間に配置してあり、
前記V相コイルは、直列に接続された第1V相コイル要素及び第2V相コイル要素からなり、前記第1V相コイル要素が前記U相コア本体及び前記V相コア本体の間に配置してあるとともに、前記第2V相コイル要素が前記V相コア本体及び前記W相コア本体の間に配置してあり、
前記V相コイルの線径の一部又は全部が、前記U相コイル及び前記W相コイルの線径に比べて大きく設定してあることを特徴とする請求項1、2、3又は4記載のクローポール型モータ。 - 前記第1V相コイル要素が、前記U相コイルの外側に配置されており、
前記第2V相コイル要素が、前記W相コイルの外側に配置されていることを特徴とする請求項5記載のクローポール型モータ。 - 前記U相コイル又は前記W相コイルの線径をD1とし、前記第1V相コイル要素又は前記第2V相コイル要素の線径をD2とすると、
D1/D2が、1.0以上1.4以下となることを特徴とする請求項6記載のクローポール型モータ。 - 前記第1V相コイル要素又は前記第2V相コイル要素の巻数が、前記U相コイル又は前記W相コイルの巻数と異なることを特徴とする請求項5、6又は7記載のクローポール型モータ。
- 前記第1V相コイル要素が、前記U相コイルの内側に配置されており、
前記第2V相コイル要素が、前記W相コイルの内側に配置されており、
前記U相コイル及び前記W相コイルの線径の一部又は全部が、前記V相コイルの線径に比べて大きく設定してあることを特徴とする請求項5又は8記載のクローポール型モータ。 - 前記第1コアが、回転軸線上に配置されたU相コア本体の周囲に、軸線方向に延伸する複数のU相爪磁極を設けてなるU相コアであり、
前記第2コアが、前記回転軸線上であって前記U相コア本体の隣に配置されたV相コア本体の周囲に、軸線方向に延伸する複数のV相爪磁極を設けてなるV相コアであり、
前記第3コアが、前記回転軸線上であって前記V相コア本体の隣に配置されたW相コア本体の周囲に、軸線方向に延伸する複数のW相爪磁極を設けてなるW相コアであり、
前記U相コア、前記V相コア及び前記W相コアを具備し、前記U相爪磁極、前記V相爪磁極、前記W相爪磁極がこの順で周方向に繰り返し表れるように配置されている固定子と、
前記U相爪磁極、前記V相爪磁極及び前記W相爪磁極に対面するように周方向に配置された複数の磁極を具備し、前記複数の磁極がN極とS極とに周方向に交互に着磁されている回転子とを具備し、
前記固定子の前記U相爪磁極、前記V相爪磁極、前記W相爪磁極を合わせた個数をS、前記回転子の磁極の個数をPとすると、下記式(1)が成立することを特徴とする請求項1、2、3、4、5、6、7、8又は9記載のクローポール型モータ。
- 前記式(1)において、nが1となることを特徴とする請求項10記載のクローポール型モータ。
- 前記爪磁極の周方向の幅が、電気角で130°以上160°以下であることを特徴とする請求項10又は11記載のクローポール型モータ。
- コア本体と、前記コア本体の周囲に回転軸線方向に延伸するように設けられた複数の爪磁極とを具備するコアを複数具備するクローポール型モータの製造方法であって、
前記複数のコアのうち少なくとも2つは、前記回転軸線方向に前記コア本体が隣り合って配置されており、
前記隣り合うコア本体を回転軸線方向に押圧した状態で、前記複数のコアを固定する成型工程を具備し、
前記複数のコアが、回転軸線上に配置されたU相コア本体と、前記U相コア本体の周囲に設けられた複数のU相爪磁極とを具備するU相コア、回転軸線上に配置されたV相コア本体と、前記V相コア本体の周囲に設けられた複数のV相爪磁極とを具備するV相コア及び前記W相コア本体の周囲に設けられた複数のW相爪磁極とを具備するW相コアからなり、
前記U相コア本体が、前記W相コア本体に向かって延伸する第1延伸部を具備したものであり、
前記W相コア本体が、前記U相コア本体に向かって延伸する第2延伸部を具備したものであり、
前記V相コア本体が、前記第1延伸部の先端部及び前記第2延伸部の先端部に外嵌する外嵌部を具備したものであって、
前記成型工程は、前記第1延伸部の先端面と前記第2延伸部の先端面を圧着した状態で行われることを特徴とするクローポール型モータの製造方法。 - 前記隣り合うコア本体を回転軸線方向に圧着した状態において、各コア本体に設けられた前記爪磁極が輪番で周方向に繰り返し表れており、
前記成型工程において、隣り合う前記爪磁極の間に金型を嵌め込むことを特徴とする請求項13記載のクローポール型モータの製造方法。 - 前記各コアが、粉体状の磁性材料を前記回転軸線方向からプレス加工して構成されたものであることを特徴とする請求項13又は14記載のクローポール型モータの製造方法。
- 前記成型工程が、前記第1延伸部の近傍を押して、前記第1延伸部の先端面と前記第2延伸部の先端面とを圧着することを特徴とする請求項13、14又は15記載のクローポール型モータの製造方法。
- 前記成型工程が、前記第1延伸部の先端面と前記第2延伸部の先端面を圧着した状態で、前記第1延伸部、前記第2延伸部及び前記外嵌部を樹脂で固定するとともに、前記第1延伸部及び前記第2延伸部の少なくとも一部の内側を覆うように樹脂層を形成することを特徴とする請求項16記載のクローポール型モータの製造方法。
- 請求項13、14、15、16又は17記載の製造方法を用いて製造されたことを特徴とするクローポール型モータ。
- コア本体と、前記コア本体の周囲に回転軸線方向に延伸するように設けられた複数の爪磁極とを具備するコアを複数具備するとともに、前記各爪磁極を磁化する複数のコイルを具備するクローポール型モータの製造方法であって、
前記各コア本体を、略環状形状をなす部材を同心円状に分割した複数のパーツを組み合わせて構成し、最も外側に配置される前記パーツの外周端縁部に前記複数の爪磁極を一体的に保持することを特徴とするクローポール型モータの製造方法。 - 少なくとも前記爪磁極が、粉末状の軟磁性材料を回転軸線方向にプレス加工して構成されたものであることを特徴とする請求項19記載のクローポール型モータの製造方法。
- 前記爪磁極を構成する材料が、前記パーツを構成する材料とは異なることを特徴とする請求項19又は20記載のクローポール型モータの製造方法。
- 前記爪磁極を構成する材料が、前記パーツを構成する材料よりも体積抵抗率が大きいものが用いられていることを特徴とする請求項21記載のクローポール型モータの製造方法。
- 前記複数のパーツが、第1パーツ及び前記第1パーツの内側に配置される第2パーツからなり、
前記第2パーツの外径が、前記コイルの外径よりも大きいものであることを特徴とする請求項19、20、21又は22記載のクローポール型モータの製造方法。 - 前記第1パーツが、外周に前記爪磁極を保持するものであり、
前記第2パーツが、径方向に分割された複数の分割要素から構成されることをと特徴とする請求項23記載のクローポール型モータの製造方法。 - 前記第1パーツ及び前記第2パーツが圧入して固定されていることを特徴とする請求項23又は24記載のクローポール型モータの製造方法。
- 前記複数のコアが、U相コア本体を具備するU相コア、V相コア本体を具備するV相コア及びW相コア本体を具備するW相コアからなり、
前記コイルが、U相コイル、V相コイル及びW相コイルからなり、
前記U相コイルは、前記U相コア本体及びV相コア本体の間に配置してあり、
前記W相コイルは、前記V相コア本体及びW相コア本体の間に配置してあり、
前記V相コイルは、直列に接続された第1V相コイル要素及び第2V相コイル要素からなり、前記第1V相コイル要素が前記U相コア本体及び前記V相コア本体の間に配置してあるとともに、前記第2V相コイル要素が前記V相コア本体及び前記W相コア本体の間に配置してあることを特徴とする請求項23、24又は25記載のクローポール型モータの製造方法。 - 請求項19、20、21、22、23、24、25又は26記載の製造方法を用いて製造されたことを特徴とするクローポール型モータ。
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