JP7169170B2 - ロータ、モータ及びブラシレスモータ - Google Patents
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Description
すなわち、本発明のロータは、回転軸線回りに回転するシャフトと、前記シャフトに固定されるとともに、回転軸線方向からみて円弧状の外周面を有し、前記回転軸線を径方向中心として回転するロータコアと、前記ロータコアの前記外周面に配置された複数の磁石と、前記ロータコアの前記外周面の周方向で隣り合う前記磁石の間において前記径方向の外方に向かって周方向で対向する2つの側面が平行に突出する複数の突起と、を備え、前記磁石の配向は、磁化容易方向が前記磁石の中央部における前記径方向と平行な方向となるパラレル配向であり、前記複数の磁石は、前記ロータコアの前記外周面に接触する前記回転軸線方向からみて円弧状の内周面と、周方向において前記突起の前記側面に接触する平坦面を有する周方向側面と、前記周方向側面と前記径方向の外側の外周面とに接続されるとともに、前記突起の突出方向の外方に向かうことに伴い、漸次、前記磁石の周方向の中央部に接近するように形成され、前記磁石の前記磁化容易方向と平行である接続面と、を備え、前記突起の周方向に隣り合う前記磁石の前記周方向側面の前記平坦面は互いに平行であり、前記複数の突起の突出方向における先端の位置は、前記磁石の前記周方向側面の中央部と、前記周方向側面と前記接続面との交差稜線部との間の範囲内に配置されるように形成されている。
また、突起は突出方向において、磁石の周方向側面と接続面との交差稜線部よりも外方に突出しないように形成されている。これにより、磁石から突起に漏れる磁束及び誘起電圧波形の歪みを所定の許容レベル以下に極力抑制しながら、永久磁石の有効磁束を極大値を含む所定範囲に維持することができる。
また、磁石の配向はパラレル配向であり、突起に隣接する磁石の周方向端部付近の磁化容易方向は突起の突出方向と交差する。これにより、磁石から突起に漏れる磁束による磁路の形成は抑制され、漏れ磁束の増大を抑制することができる。
さらに、接続面は、パラレル配向である磁石の磁化容易方向と平行である。これにより、誘起電圧波形の歪みを抑制することができる。
このような構成によれば、ブラシレスモータの所望の出力を確保しながら、駆動時における振動及び騒音の増大を抑制することができる。
図1は、ブラシレスモータ1の斜視図である。図2は、図1のA-A線に沿う断面図である。
図1及び図2に示すように、ブラシレスモータ1は、例えば車両に搭載されるサンルーフの駆動源である。ブラシレスモータ1は、モータ部(モータ)2と、モータ部2の回転を減速して出力する減速部3と、モータ部2の駆動制御を行うコントローラ部4と、を備えている。なお、実施形態でのモータ部2は、特許請求の範囲におけるモータの一例である。
なお、以下の説明において、単に軸方向という場合は、モータ部2のシャフト31の回転軸線方向をいい、単に周方向という場合は、シャフト31の周方向をいい、単に径方向という場合は、シャフト31の径方向をいうものとする。
モータ部2は、モータケース5と、モータケース5内に収納されている略角筒状のステータ8と、ステータ8の径方向内側に設けられ、ステータ8に対して回転可能に設けられたロータ9と、を備えている。モータ部2は、ステータ8に電力を供給する際にブラシを必要としない、いわゆるブラシレスモータである。
モータケース5は、例えばアルミダイキャスト等の放熱性の優れた材料から形成されている。モータケース5は、軸方向に分割可能に構成された第1モータケース6と、第2モータケース7と、からなる。第1モータケース6及び第2モータケース7の外形は、それぞれ有底筒状に形成されている。
第1モータケース6の外形は、例えば、有底角筒状に形成されている。第2モータケース7の外形は、例えば、断面が略角丸正六角形の有底筒状に形成されている。第2モータケース7の外周面は、各6つの角部7A及び平坦部7Bを有する。
第1モータケース6は、端部10が減速部3のギヤケース40と接合されるように、このギヤケース40と一体成形されている。端部10の径方向略中央には、ロータ9のシャフト31を挿通可能な貫通孔10aが形成されている。
図3は、ステータ8及びロータ9を軸方向からみた平面図である。
図2、図3に示すように、ステータ8は、筒状のコア部21と、コア部21から径方向の内方に向かって突出する複数(例えば、本第実施形態では6つ)のティース22と、が一体成形されたステータコア20を有している。
ステータコア20は、複数の金属板を軸方向に積層することにより形成されている。なお、ステータコア20は、複数の金属板を軸方向に積層して形成される場合に限られるものではなく、例えば、軟磁性粉を加圧成形することにより形成されてもよい。
コア部21は、第2モータケース7の内側に嵌め合わされるように、断面が略角丸正六角形の角筒状に形成されている。これにより、コア部21の外周面は、各6つの角部及び平坦部を有する。複数のティース22は、コア部21の断面における正六角形の各辺に相当する部位から径方向内方へ向けて突設されている。
ロータ9は、ステータ8の径方向内側に微小隙間を介して回転自在に設けられている。ロータ9は、シャフト31と、ロータコア32と、4つの永久磁石33と、を備えている。このように、モータ部2において、例えば、永久磁石33の磁極数とスロット19(ティース22)の数との比は、4:6である。
ロータ9は、シャフト31の中心線(軸心)C1を回転軸線として、この回転軸線を径方向中心として回転する。
シャフト31は、減速部3を構成するウォーム軸44(図2参照)と一体成形されている。シャフト31は、回転軸線周りに回転する。
ロータコア32は、シャフト31の外側に嵌め合わされるように固定されている。ロータコア32の外形は、シャフト31を軸心C1とする円柱状に形成されている。
また、ロータコア32の径方向略中央には、軸方向に貫通する貫通孔32aが形成されている。シャフト31は貫通孔32aに圧入されている。なお、ロータコア32がシャフト31の外側に嵌め合わされるように、相対的にシャフト31が貫通孔32aに挿入され、接着剤等によってシャフト31とロータコア32とが固定されてもよい。
ロータコア32において、径方向内側の内周面(つまり貫通孔32aの内周面)の円弧中心及び径方向外側の外周面32bの円弧中心は、シャフト31の軸心C1の位置と一致している。
また、突起35は、周方向で対向する2つの側面35aが突出方向に平行となるように形成されている。つまり、突起35は、周方向の幅寸法が突出方向で均一になるように形成されている。
さらに、突起35の突出方向外側における周方向両側の角部には、丸面取り部35bが形成されている。
このように形成されたロータコア32の外周面32bにおいて、周方向で隣り合う2つの突起35の間は、それぞれ磁石収納部36として構成されている。
4つの永久磁石33は、ロータコア32の外周面32bに設けられる4つ磁石収納部36に配置されている。各永久磁石33は、磁石収納部36において、例えば接着剤等によりロータコア32に固定されている。
永久磁石33は、例えば、フェライト磁石、ネオジムボンド磁石又はネオジム焼結磁石などである。
そして、周方向で隣り合う永久磁石33は、相互の磁化方向が反対方向となるように配置されている。4つの永久磁石33は、周方向に磁極が互い違いになるように配置されている。つまり、外周側がN極とされた永久磁石33と外周側がS極とされた永久磁石33とは周方向で隣り合うように配置されている。これにより、周方向で隣り合う永久磁石33の間に配置されるロータコア32の突起35は、磁極の境界(極境界)に位置している。
永久磁石33において、径方向内側の内周面33bの円弧中心Ciは、シャフト31の軸心C1の位置と一致している。
永久磁石33において、径方向外側の外周面33aの円弧中心Coは、シャフト31の軸心C1に対して偏心している。具体的には、永久磁石33の外周面33aの円弧中心Coは、永久磁石33の中心を通る径方向において軸心C1よりもロータコア32の外周面32b寄りに設定されている。これにより、永久磁石33は、シャフト31の軸心C1回りの周方向両側の端部33sにおける径方向の厚みが、周方向の中央部33cにおける径方向の厚みよりも小さく形成されている。これに伴い、永久磁石33の径方向外側の外周面33aとティース22の内周面との間の隙間は、永久磁石33の周方向の中央部33cにおいて最も小さく、この周方向の中央部33cから周方向に離間するに従って増大傾向に変化する。
永久磁石33の径方向の厚みは、ロータコア32の径方向の厚みよりも、大きく形成されている。例えば、永久磁石33の周方向の中央部33cにおける径方向の厚みRmは、ロータコア32の周方向の中央部32cにおける径方向の厚みRc以上に大きく形成されている。
周方向側面33dは、円弧面33fを介して径方向内側の内周面33bに滑らかに接続されている。周方向側面33dは、例えば、平坦面に形成されている。
接続面33eは、周方向側面33dよりも径方向の外方に設けられ、周方向側面33d及び外周面33aに接続されている。
接続面33eは、例えば、平坦面に形成されている。接続面33eは、突起35の突出方向の外方に向かうことに伴い、漸次、永久磁石33の周方向の中央部33cに接近するように形成されている。接続面33eは、例えば、径方向の外方に向かうことに伴い、漸次、永久磁石33の径方向の厚みを増大傾向に変化させるように形成されている。つまり、永久磁石33の周方向両側の一対の接続面33eは、径方向の外方に向かうことに伴い、漸次、周方向の間隔を低減傾向に変化させるように形成されている。
また、接続面33eは、永久磁石33の磁化容易方向と平行に設けられている。
突起35の突出方向における先端35tの位置は、突出方向における永久磁石33の周方向側面33dの中央部33gと、周方向側面33dと接続面33eとの交差稜線部33hとの間の範囲内に配置されている。つまり、先端35tの位置は、突起35を周方向の両側から挟み込むようにして隣り合う2つの永久磁石33において、相互の周方向側面33dの中央部33g同士を結ぶ直線L1と、相互の交差稜線部33h同士を結ぶ直線L2との間に配置されている。
例えば、シャフト31の軸心C1を中心とし、突起35の先端35tに接する円の半径R(外径/2)は、直線L1に接する円の半径(第1半径)R1以上であるとともに、直線L2に接する円の半径(第2半径)R2以下である。
ロータ9において、突起35の突出方向の長さが増大することに伴い、突起35に接する永久磁石33の固定安定性(例えば、磁石収納部36に対する座乗性など)は増大傾向に変化する。一方、突起35の突出方向の長さが増大することに伴い、永久磁石33から突起35に漏れる磁束及び誘起電圧波形の歪みは増大傾向に変化する。
なお、誘起電圧は、ステータ8の各コイル24に対する電源からの無通電状態において、ロータ9の外部駆動によって各コイル24に誘起される電圧である。誘起電圧波形の歪みは、例えば、正弦波状の誘起電圧波形に高調波が重畳することによって生じ、ブラシレスモータ1の駆動時における振動及び騒音の増大の原因となる。図7に示す歪み率は、誘起電圧波形が正弦波状である場合にゼロである。
すなわち、突起35の突出方向の長さを規定する範囲の下限は、例えば、永久磁石33の周方向側面33dの突出方向における少なくとも半分以上の部位を突起35により支持することによって所望の固定安定性を確保するように設定されている。また、突起35の突出方向の長さを規定する範囲の上限は、例えば、誘起電圧波形の歪みを所定の許容レベル以下に極力抑制しながら永久磁石33の有効磁束を極大値Wmを含む所定範囲に維持するように設定されている。
図1及び図2に戻り、減速部3は、モータケース5が取り付けられているギヤケース40と、ギヤケース40内に収納されるウォーム減速機構41と、を備えている。
ギヤケース40は、例えばアルミダイキャスト等の放熱性の優れた材料により形成されている。ギヤケース40の外形は、例えば箱状に形成されている。ギヤケース40は、内部にウォーム減速機構41を収容するギヤ収容部42を有する。また、ギヤケース40の端部40aには、第1モータケース6が一体成形されている箇所に、この第1モータケース6の貫通孔10aとギヤ収容部42とを通じさせる開口部43が形成されている。
ウォーム軸44は、モータ部2のシャフト31と同軸上に配置されている。そして、ウォーム軸44は、両端がギヤケース40に設けられた軸受46,47によって回転自在に支持されている。ウォーム軸44のモータ部2側の端部は、軸受46を介してギヤケース40の開口部43に至るまで突出している。この突出したウォーム軸44の端部とモータ部2のシャフト31との端部が接合され、ウォーム軸44とシャフト31とが一体化されている。なお、ウォーム軸44とシャフト31は、1つの母材からウォーム軸部分と回転軸部分とを成形することにより一体として形成されてもよい。
モータ部2の駆動制御を行うコントローラ部4は、磁気検出素子などが実装されたコントローラ基板62を有している。そして、コントローラ基板62は、第1モータケース6の貫通孔10aに配置されている。
次に、ブラシレスモータ1の動作について説明する。
ブラシレスモータ1において、ターミナル11を介してコントローラ基板62に供給された電力は、不図示のパワーモジュールを介してモータ部2の各コイル24に選択的に供給される。
すると、各コイル24に流れる電流は、ステータ8(ティース22)に所定の鎖交磁束を形成する。この鎖交磁束は、ロータ9の永久磁石33により形成される有効磁束との間で磁気的な吸引力又は反発力(磁石トルク)を発生させる。
また、ロータコア32の突起35は、突出方向をステータ8(ティース22)からの鎖交磁束が流れやすい方向とするとともに、鎖交磁束の磁路の磁気抵抗(リラクタンス)を小さくするように、ロータコア32を回転させるリラクタンストルクを発生させる。
これらの磁石トルク及びリラクタンストルクは、ロータ9を継続的に回転させる。
ロータ9の回転は、シャフト31と一体化されているウォーム軸44に伝達され、さらにウォーム軸44に噛合されているウォームホイール45に伝達される。そして、ウォームホイール45の回転は、ウォームホイール45に連結されている出力軸48に伝達され、出力軸48は、所望の電装品を駆動させる。
例えば、永久磁石33の径方向の厚みが、ロータコア32の径方向の厚みに比べて、相対的に大きく形成される場合であっても、突起35によって永久磁石33の所望の固定安定性を確保することができる。
また、永久磁石33の配向はパラレル配向であり、突起35に隣接する永久磁石33の周方向両側の端部33s付近の磁化容易方向は突起35の突出方向と交差する。これにより、永久磁石33から突起35に漏れる磁束による磁路の形成は抑制され、漏れ磁束の増大を抑制することができる。
図9に示す比較例において、永久磁石33の配向は、磁化容易方向Dが永久磁石33の径方向に沿って放射状となるラジアル配向である。また、突起35の突出方向における先端35tの位置は、永久磁石33の交差稜線部33hよりも外方に配置されている。これらにより、永久磁石33の周方向両側の端部33sと突起35との間で永久磁石33から突起35に漏れる磁束による磁路が形成され易くなっている。
一方、図8に示す実施形態において、永久磁石33の配向はパラレル配向である。また、突起35の突出方向における先端35tの位置は、永久磁石33の周方向側面33dの中央部33gと交差稜線部33hとの間の範囲内に配置されている。これらにより、比較例に比べて、永久磁石33から突起35に漏れる磁束による磁路の形成が抑制されている。
以下、実施形態の変形例について説明する。
上述した実施形態において、永久磁石33における径方向外側の外周面33aの円弧中心Coは、シャフト31の軸心C1に対して偏心しているとしたが、これに限定されない。永久磁石33の外周面33aの円弧中心Coは、径方向内側の内周面33bの円弧中心Ciと同様に、シャフト31の軸心C1の位置と一致していてもよい。
Claims (4)
- 回転軸線回りに回転するシャフトと、
前記シャフトに固定されるとともに、回転軸線方向からみて円弧状の外周面を有し、前記回転軸線を径方向中心として回転するロータコアと、
前記ロータコアの前記外周面に配置された複数の磁石と、
前記ロータコアの前記外周面の周方向で隣り合う前記磁石の間において前記径方向の外方に向かって周方向で対向する2つの側面が平行に突出する複数の突起と、
を備え、
前記磁石の配向は、磁化容易方向が前記磁石の中央部における前記径方向と平行な方向となるパラレル配向であり、
前記複数の磁石は、
前記ロータコアの前記外周面に接触する前記回転軸線方向からみて円弧状の内周面と、
周方向において前記突起の前記側面に接触する平坦面を有する周方向側面と、
前記周方向側面と前記径方向の外側の外周面とに接続されるとともに、前記突起の突出方向の外方に向かうことに伴い、漸次、前記磁石の周方向の中央部に接近するように形成され、前記磁石の前記磁化容易方向と平行である接続面と、を備え、
前記突起の周方向に隣り合う前記磁石の前記周方向側面の前記平坦面は互いに平行であり、
前記複数の突起の突出方向における先端の位置は、前記磁石の前記周方向側面の中央部と、前記周方向側面と前記接続面との交差稜線部との間の範囲内に配置されるように形成されている、
ことを特徴とするロータ。 - 前記磁石の前記径方向の厚みは、前記ロータコアの前記径方向の厚み以上に大きく形成されている、
ことを特徴とする請求項1に記載のロータ。 - 筒状のステータコア及び前記ステータコアの内周面から前記径方向の内方に突出する複数のティースを有するステータと、
前記ティースに装着されるコイルと、
前記複数のティースに対して前記径方向の内側に配置される請求項1又は請求項2に記載のロータと、
を備える、
ことを特徴とするモータ。 - 請求項3に記載のモータを備える、
ことを特徴とするブラシレスモータ。
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