JP7056307B2

JP7056307B2 - モータ

Info

Publication number: JP7056307B2
Application number: JP2018061197A
Authority: JP
Inventors: 智哉上田
Original assignee: Nidec Corp
Current assignee: Nidec America Corp
Priority date: 2018-03-28
Filing date: 2018-03-28
Publication date: 2022-04-19
Anticipated expiration: 2038-03-28
Also published as: CN110323860A; JP2019176588A

Description

本発明は、モータに関する。

従来、例えば特許文献１に示されるように、ロータコアに複数のマグネットが周方向に等ピッチに配置され、マグネットとマグネットの間に疑似磁極が配置されたコンシクエントポール型のロータを備えるモータが知られている。特許文献１記載のモータでは、回転軸に固定されたセンサマグネットと、センサマグネットの磁界を検出するホールセンサとを用いて、ロータの回転位置を検出していた。

特開２０１３－１８３５７０号公報

センサマグネットを用いる場合、部品点数が多くなるため、モータのサイズおよび製造コストの面で不利になる。そこで、センサマグネットを削減し、ロータマグネットの磁界をホール素子により検出する方式とすることが考えられる。しかし、コンシクエントポール型のロータでは、マグネットの漏れ磁束と疑似磁極の漏れ磁束の大きさが異なるため、ホール素子から出力される検出信号が非対称になり、コイルをスイッチングするタイミング信号として用いることが難しかった。

本発明の一態様は、ロータマグネットの漏れ磁束を検出する信号に基づいてコイルをスイッチング可能なコンシクエントポール型のモータを提供することを目的の一つとする。

本発明の１つの態様によれば、固定部と、前記固定部に対して中心軸回りに回転可能なロータと、を備え、前記ロータは、周方向に等間隔に位置する複数のロータマグネットと、前記ロータマグネットを保持するロータコアと、を有し、前記ロータコアは、径方向に突出する複数の突極部を有し、前記突極部は、周方向に隣り合う前記ロータマグネットの間に位置し、前記固定部は、複数のホールセンサを有し、前記ホールセンサは、前記ロータに対して軸方向一方側に位置し、前記ロータにおいて、前記複数の突極部の軸方向一方側の端面は、前記複数のロータマグネットの軸方向一方側の端面よりも、軸方向一方側に位置する、モータが提供される。

本発明の態様によれば、ロータマグネットの漏れ磁束を検出する信号に基づいてコイルをスイッチング可能なコンシクエントポール型のモータが提供される。

図１は、実施形態のモータを示す断面図である。図２は、ロータおよびステータを下側から見た部分平面図である。図３は、ロータおよびステータの下側の端部を示す斜視図である。図４は、実施形態のモータ１０におけるＵ相、Ｖ相、Ｗ相の誘起電圧と、図２の（１）～（３）のホールセンサ４５の検出波形を示すグラフである。図５は、比較のために示すグラフである。

図１は、本実施形態のモータを示す断面図である。図２は、ロータおよびステータを下側から見た部分平面図である。

各図においてＺ軸方向は、正の側を上側とし、負の側を下側とする上下方向である。各図に適宜示す仮想軸である中心軸Ｊの軸方向は、Ｚ軸方向、すなわち上下方向と平行である。以下の説明においては、特に断りのない限り、中心軸Ｊの軸方向と平行な方向を単に「軸方向」と呼び、中心軸Ｊを中心とする径方向を単に「径方向」と呼び、中心軸Ｊを中心とする周方向を単に「周方向」と呼ぶ。

本実施形態において、下側は、軸方向一方側に相当し、上側は、軸方向他方側に相当する。なお、上側および下側とは、単に各部の相対位置関係を説明するための名称であり、実際の配置関係等は、これらの名称で示される配置関係等以外の配置関係等であってもよい。

図１に示すように、本実施形態のモータ１０は、アウターロータ型のモータである。モータ１０は、固定部１１と、ロータ２０とを有する。固定部１１は、ステータ３０と、ブラケット４０と、回路基板５０と、を備える。

ブラケット４０は、基板支持部４１と、ステータ保持部４２と、軸受部４３と、蓋部４４と、を有する。すなわち、モータ１０は、基板支持部４１と、ステータ保持部４２と、軸受部４３と、蓋部４４と、を備える。本実施形態において基板支持部４１とステータ保持部４２と軸受部４３と蓋部４４とは、互いに別部材である。

基板支持部４１は、板面が軸方向と直交する板状である。基板支持部４１は、基板支持部４１を軸方向に貫通する中央孔部４１ａを有する。図示は省略するが、中央孔部４１ａは、軸方向に見て、中心軸Ｊを中心とする円形状である。

ステータ保持部４２は、基板支持部４１から上側に延びる筒状である。ステータ保持部４２は、中心軸Ｊを中心とし、軸方向両側に開口する円筒状である。ステータ保持部４２は、下側の端部が中央孔部４１ａに嵌め合わされて固定される。

軸受部４３は、軸方向に延びる筒状である。軸受部４３は、中心軸Ｊを中心とし、軸方向両側に開口する円筒状である。軸受部４３は、ステータ保持部４２の径方向内側に嵌め合わされて固定される。軸受部４３は、ステータ保持部４２よりも上側まで延びる。軸受部４３の下側の端部は、中央孔部４１ａの内部に位置する。蓋部４４は、軸受部４３の下側の端部に固定される。蓋部４４は、軸受部４３の下側の開口を塞ぐ。

ロータ２０は、シャフト２１と、ロータコア保持部２２と、ロータマグネット２３と、ロータコア２４と、を有する。シャフト２１は、中心軸Ｊに沿って配置される。シャフト２１は、中心軸Ｊを中心として軸方向に延びる円柱状である。シャフト２１は、軸受部４３の内部に嵌め合わされる。シャフト２１の外周面と軸受部４３の内周面との間には、隙間が設けられる。シャフト２１は、軸受部４３によって中心軸Ｊ周りに回転可能に支持される。シャフト２１の上側の端部は、軸受部４３よりも上側に突出する。シャフト２１の下側の端部は、蓋部４４によって下側から支持される。

ロータコア保持部２２は、シャフト２１の上側の端部に固定される。ロータコア保持部２２は、基部２２ａと、筒部２２ｂと、を有する。基部２２ａは、シャフト２１の上側の端部における外周面に固定され、シャフト２１から径方向外側に向かって広がる。ロータコア保持部２２は、ステータ３０の上側を覆う。

筒部２２ｂは、基部２２ａの径方向外周縁部から下側に延びる筒状である。筒部２２ｂは、中心軸Ｊを中心とする円筒状である。ロータコア２４は、筒部２２ｂの内周面に固定される。ロータマグネット２３は、ロータコア２４の内周面に固定される。ロータマグネット２３およびロータコア２４は、軸方向において、回路基板５０の上面と隙間を介して対向する。

ロータコア２４は、図２に示すように、周方向に延びる円環状である。ロータコア２４の内周面において、複数のロータマグネット２３は、周方向に相互に間隔を空けて配置される。隣り合うロータマグネット２３同士の間に、突極部２４ａが配置される。すなわち、複数のロータマグネット２３と複数の突極部２４ａは、周方向において交互に並ぶ。ロータマグネット２３と突極部２４ａは、周方向に等間隔に配置される。

突極部２４ａは、ロータコア２４の内周面において、径方向内側へ突出する部位である。すなわち、突極部２４ａとロータコア２４は、単一の部材である。この構成によれば、突極部２４ａを有するロータコア２４を単一の積層鋼板として製造できるため、製造が容易である。

本実施形態の場合、突極部２４ａの径方向内側を向く端面は、ロータマグネット２３を保持するロータコア２４のマグネット保持面２４ｂよりも径方向内側に位置する。周方向において、突極部２４ａとロータマグネット２３との間には、径方向外側に凹む凹溝２４ｃが設けられる。凹溝２４ｃは、軸方向に延びる溝部である。

ロータ２０は、周方向に配列されるロータマグネット２３の間に、突極部２４ａを有するコンシクエントポール構造を有する。ロータマグネット２３はＮ極およびＳ極の一方の磁極を構成し、突極部２４ａが他方の磁極を構成する。凹溝２４ｃは、ロータ２０における磁極間空隙として機能する。

ここで、図３は、ロータおよびステータの下側の端部を示す斜視図である。図３には、ロータ２０の下側を向く端面２０ａを図示上側に向けた状態が示される。ロータ２０の下側を向く端面２０ａにおいて、複数の突極部２４ａの下側を向く端面２４ｄは、複数のロータマグネット２３の下側を向く端面２３ｄよりも、下側に位置する。ロータマグネット２３の端面２３ｄは、ステータコア３１の下側を向く端面３１ｄと軸方向位置が一致する。

突極部２４ａの下側の端面２４ｄは、ステータコア３１の下側を向く端面３１ｄよりも下側に位置する。突極部２４ａがステータコア３１よりも下側に突出していることで、突極部２４ａから下側へ向かう漏れ磁束を大きくでき、後述するホールセンサ４５の信号強度を高めることができる。

図１に示すように、突極部２４ａの上側の端面２４ｅと、ロータマグネット２３の上側の端面２３ｅとは、軸方向位置が一致する。すなわち、突極部２４ａとロータマグネット２３は、ホールセンサ４５と反対側の端面の位置が揃えられる。この構成によれば、ロータマグネット２３に対してロータコア２４の軸方向長さが大きくなるため、モータ１０のトルクが向上する。

また、突極部２４ａの上側の端面２４ｅと、ステータコア３１の上側の端面３１ｅとは、軸方向位置が一致する。ステータコア３１の軸方向長さの全体にわたって突極部２４ａが対向するので、ステータコア３１に対してロータコア２４を下側にずらして配置する場合と比較してモータ１０のトルクを大きくできる。

ステータ３０は、回路基板５０の上側に配置される。ステータ３０は、ロータ２０と径方向に隙間を介して対向する。ステータ３０は、ステータコア３１と、複数のコイル３２と、を有する。ステータコア３１は、ロータマグネット２３およびロータコア２４と、隙間を介して径方向に対向する。ステータコア３１は、コアバック３１ａと、複数のティース３１ｂと、を有する。

図２に示すように、コアバック３１ａは、周方向に延びる環状である。コアバック３１ａは、中心軸Ｊを中心とする円環状である。図１に示すように、コアバック３１ａは、ステータ保持部４２の外周面に固定される。これにより、ステータ３０は、ブラケット４０に固定される。図２に示すように、複数のティース３１ｂは、コアバック３１ａから径方向に延び、周方向に沿って配置される。本実施形態において複数のティース３１ｂは、コアバック３１ａから径方向外側に延びる。複数のティース３１ｂは、周方向に沿って一周に亘って等間隔に配置される。

複数のコイル３２は、ステータコア３１に装着される。より詳細には、複数のコイル３２は、複数のティース３１ｂのそれぞれに装着される。コイル３２は、ティース３１ｂにコイル線が巻き回されて構成される。図示は省略するが、コイル３２を構成するコイル線の端部は、コイル３２から下側に延びる。コイル３２から下側に延びるコイル線を、コイル線３３と呼ぶ。

回路基板５０は、板面が軸方向と直交する板状である。回路基板５０は、ステータ３０の下側に配置される。本実施形態において回路基板５０は、基板支持部４１の上面に固定される。回路基板５０の上面には、複数のホールセンサ４５が実装される。回路基板５０の上面には、インバータ回路、電源回路などが実装されていてもよい。

ホールセンサ４５は、ロータ２０の回転時に、ロータマグネット２３からなる磁極からの漏れ磁束と、突極部２４ａからなる磁極からの漏れ磁束を検出する。ホールセンサ４５は、図２に示すように、ロータマグネット２３および突極部２４ａと軸方向に対向する位置に配置される。

ホールセンサ４５は、周方向に等角度に３つ配置される。本実施形態の場合、ホールセンサ４５は、周方向に３０°おきに配置される。本実施形態では、ステータ３０において、Ｕ相コイル、Ｖ相コイル、およびＷ相コイルが３つずつ周期的に配置される。３つのホールセンサ４５は、Ｕ相コイルとＶ相コイルの間、Ｖ相コイルとＷ相コイルの間、およびＷ相コイルとＵ相コイルとの間に位置する。コイルの結線方法がスター結線である場合、複数のホールセンサ４５は、軸方向に見て、隣り合うコイル３２の間にそれぞれ位置していればよい。すなわち、ホールセンサ４５は、ステータ３０の任意のスロットに配置可能である。なお、ホールセンサ４５の位置は結線方法に応じて適宜変更することができる。

上記構成を備えた本実施形態のモータ１０では、ロータ２０の下側を向く端面２０ａにおいて、突極部２４ａの軸方向一方側の端面２４ｄは、ロータマグネット２３の軸方向一方側の端面２３ｄよりも軸方向一方側に位置する。この構成により、ロータマグネット２３および突極部２４ａの磁界を検出する方式のモータ１０において、回転制御の容易性を高めることができる。以下、図４および図５を参照して詳細に説明する。

図４は、本実施形態のモータ１０におけるＵ相、Ｖ相、Ｗ相の誘起電圧と、図２の（１）～（３）のホールセンサ４５の検出波形を示すグラフである。
図５は、比較のために示すグラフであり、ロータマグネット２３の端面２３ｄと突極部２４ａの端面２４ｄの軸方向位置を一致させた場合のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の誘起電圧と、ホールセンサ４５の検出波形を示すグラフである。

コンシクエントポール型のモータは、ロータマグネットと突極部で磁気特性が異なる。すなわち、ロータマグネットの漏れ磁束は相対的に大きく、突極部の漏れ磁束は相対的に小さい。そのため、仮にモータ１０において、ホールセンサ４５からロータマグネット２３までの軸方向の距離と、ホールセンサ４５から突極部２４ａまでの軸方向の距離を同じにした場合、図５に示すように、ホールセンサ４５の検出波形が、磁束密度のゼロ点に対して非対称になる。図５および図４において、磁束密度の正側は突極部２４ａの漏れ磁束を検出する期間、磁束密度の負側はロータマグネット２３の漏れ磁束を検出する期間である。

ここで、ホールセンサ４５の出力を利用してモータ１０の回転制御を行う場合、ホールセンサ４５の出力の正負が反転する点Ｐ３１、Ｐ３２、Ｐ３３において、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のコイル３２への入力電圧をスイッチングする。このスイッチングのタイミングが、各相の誘起電圧が交差する点Ｐ４１、Ｐ４２、Ｐ４３の時刻と一致すれば、スムースにモータ１０を回転させることができる。しかし、図５に示すように、ホールセンサ４５の検出波形が非対称である場合、点Ｐ３１と点Ｐ４１、点Ｐ３２と点Ｐ４２、および点Ｐ３３と点Ｐ４３との時刻のずれが大きくなる。そのため、モータ１０において騒音や振動が大きくなりやすい。

そこで本実施形態のモータ１０では、ロータマグネット２３と突極部２４ａとの軸方向位置をずらすことにより、ホールセンサ４５に検出されるロータマグネット２３の磁束密度と、突極部２４ａの磁束密度を調整する。本実施形態では、突極部２４ａの端面２４ｄを、ロータマグネット２３の端面２３ｄよりもホールセンサ４５に近づける。これにより、図４に示すように、ホールセンサ４５により検出される突極部２４ａの磁束密度の大きさＨ１は、図５に示した磁束密度の大きさＨ２よりも大きくなる。その結果、ホールセンサ４５の検出波形を磁束密度のゼロ点に対して対称な形状に近づけることができる。

ホールセンサ４５の検出波形が対称形状に近づくことで、ホールセンサ４５の出力の正負が反転する点Ｐ１１、Ｐ１２、Ｐ１３と、各相の誘起電圧が交差する点Ｐ２１、Ｐ２２、Ｐ２３のずれが小さくなる。したがって、ホールセンサ４５の検出波形に基づいてコイル３２のスイッチングを制御したときに、モータ１０をスムースに回転させることができる。

本実施形態のモータ１０によれば、コンシクエントポール型のモータとしたことでロータマグネット２３の数を半減でき、かつ、回転角検出用のセンサマグネットを用いることなく回転制御が行えるので、モータ１０の小型化および低コスト化を実現できる。
また本実施形態のモータ１０は、アウターロータ型のモータであるため、ロータマグネット２３の数が少ないコンシクエントポール型のモータにおいても高トルクを得やすい。

上記実施形態では、突極部２４ａの上側の端面２４ｅとロータマグネット２３の上側の端面２３ｅの位置が揃う構成としたが、突極部２４ａの上側の端面２４ｅがロータマグネット２３の上側の端面２３ｅよりも下側に位置する構成としてもよい。すなわち、ロータコア２４が、ロータマグネット２３に対して、全体的に下側にずれる構成としてもよい。この場合、ロータコア２４とロータマグネット２３とを、同じ軸方向長さにできるため、従来のアウターロータ型のロータを転用してロータ２０を製造できる。

また上記実施形態では、突極部２４ａの上側の端面２４ｅとステータコア３１の上側の端面３１ｅの位置が揃う構成としたが、突極部２４ａの上側の端面２４ｅがステータコア３１の上側の端面３１ｅよりも下側に位置する構成としてもよい。すなわち、ロータコア２４が、ステータコア３１に対して、全体的に下側にずれる構成としてもよい。この場合、ロータコア２４とステータコア３１とを、同じ軸方向長さにできる。電磁鋼板を積層してロータコア２４およびステータコア３１を製造する場合、１枚の電磁鋼板からロータコア２４の１層と、ステータコア３１の１層を同時に打ち抜く。ロータコア２４とステータコア３１を同じ軸方向長さとすることで、電磁鋼板の積層数を揃えることができ、製造しやすくなる。

１０…モータ、１１…固定部、２０…ロータ、２０ａ，２３ｄ，２３ｅ，２４ｄ，２４ｅ，３１ｄ，３１ｅ…端面、２３…ロータマグネット、２４…ロータコア、２４ａ…突極部、３０…ステータ、３１…ステータコア、３２…コイル、４５…ホールセンサ、Ｊ…中心軸

Claims

固定部と、前記固定部に対して中心軸回りに回転可能なロータと、を備え、
前記ロータは、周方向に等間隔に位置する複数のロータマグネットと、前記ロータマグネットを保持するロータコアと、を有し、
前記ロータコアは、径方向に突出する複数の突極部を有し、
前記突極部は、周方向に隣り合う前記ロータマグネットの間に位置し、
前記固定部は、複数のホールセンサを有し、
前記ホールセンサは、前記ロータに対して軸方向一方側に位置し、
前記ロータにおいて、前記複数の突極部の軸方向一方側の端面は、前記複数のロータマグネットの軸方向一方側の端面よりも、軸方向一方側に位置し、
前記複数の突極部の軸方向他方側の端面は、前記複数のロータマグネットの軸方向他方側の端面よりも、軸方向一方側に位置する、
モータ。
前記複数の突極部の軸方向他方側の端面と、前記複数のロータマグネットの軸方向他方側の端面とは、軸方向位置が一致する、
請求項１に記載のモータ。
前記固定部は、前記ロータと径方向に隙間を介して対向するステータコアと、前記ステータコアに配置される複数のコイルと、を有し、
前記複数の突極部の軸方向一方側の端面は、前記ステータコアの軸方向一方側の端面よりも、軸方向一方側に位置する、
請求項１から２のいずれか１項に記載のモータ。
前記複数の突極部の軸方向他方側の端面と、前記ステータコアの軸方向他方側の端面とは、軸方向位置が一致する、
請求項３に記載のモータ。
前記複数の突極部の軸方向他方側の端面は、前記ステータコアの軸方向他方側の端面よりも、軸方向一方側に位置する、
請求項３に記載のモータ。
前記ロータコアおよび前記突極部は、単一の部材である、
請求項１から５のいずれか１項に記載のモータ。
アウターロータ型のモータである、請求項１から６のいずれか一項に記載のモータ。