JP7484303B2

JP7484303B2 - モータ

Info

Publication number: JP7484303B2
Application number: JP2020056846A
Authority: JP
Inventors: 倫太郎堀住
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2020-03-26
Filing date: 2020-03-26
Publication date: 2024-05-16
Anticipated expiration: 2040-03-26
Also published as: JP2021158796A

Description

本開示は、モータに関する。

下記特許文献１には、ステータへ通電がなされることでロータが回転するモータ（回転電機）が開示されている。この文献に記載されたモータでは、ロータの内周部にリング形状のマグネット（永久磁石）が設けられている。そして、このマグネットの径方向かつ中心方向に設定された集束軸に沿った方向へ集束するように、磁化容易軸が傾斜して配向されている。これにより、モータのトルクを大きくすること等が可能となっている。

特開２０１６－３２３５６号公報

ところで、上記特許文献１に記載された構成は、モータのトルクを大きくするという観点では有用な構成ではあるが、トルクリップルを低減するという観点で改善が望まれる場合がある。

本開示は上記事実を考慮し、トルクリップルを低減することができるモータを得ることが目的である。

上記課題を解決するモータ（１０、６２、６４）は、回転可能に設けられた回転子（２２）と、回転不能にかつ前記回転子と同軸上に設けられた固定子（２０）と、前記回転子及び前記固定子の一方を構成し、通電されることで磁界を発生させるコイル（２６）と、前記回転子及び前記固定子の他方を構成すると共に前記コイルと対向して配置され、回転周方向に沿って配置された複数の磁極を有し、前記磁極の極中心（ＮＣ、ＳＣ）と回転周方向に隣り合う一対の前記磁極の極間中心（ＣＬ）との間に前記コイル側へ向けて凸状とされた凸状部（３３Ｂ）を有するマグネット（３２、５６、５８、６０）と、を備えている。

この様に構成することで、トルクリップルを低減することができる。

本実施形態のモータを示す部分断面斜視図である。軸方向に沿って切断したロータを示す斜視図である。図２に示された３－３線に沿って切断したロータの断面を示す断面図である。図３に示されたロータの一部を誇張して表現した図２に対応する断面図である。凸状部半径と回転子トルクとの関係を示すグラフである。凸状部半径とトルクリップル率との関係を示すグラフである。他の形態のロータの一部を示す図４に対応する断面図である。他の形態のロータの一部を示す図４に対応する断面図である。他の形態のロータの一部を示す図４に対応する断面図である。他の形態のモータを模式的に示す断面図である。他の形態のモータを模式的に示す断面図である。

図１～図４を用いて本開示の実施形態に係るモータとしての減速機付モータ１０について説明する。なお、図中に適宜示す矢印Ｚ方向、矢印Ｒ方向及び矢印Ｃ方向は、出力軸１２の回転軸方向一方側、回転径方向外側及び回転周方向一方側をそれぞれ示すものとする。また以下、単に軸方向、径方向、周方向を示す場合は、特に断りのない限り、出力軸１２の回転軸方向、回転径方向、回転周方向を示すものとする。

図１に示されるように、本実施形態の減速機付モータ１０は、減速機１４が内蔵された３相８極２４スロットの減速機付モータである。この減速機付モータ１０は、モータケース１６及びモータカバー１８と、モータケース１６内に配置された固定子としてのステータ２０、回転子としてのロータ２２及びロータ２２の回転を減速する減速機１４と、モータカバー１８から突出する出力軸１２と、を備えている。なお、図１においては、減速機付モータ１０を構成する複数の部材の一部を周方向の９０°にわたって切取った状態で当該複数の部材を図示している。また、図１においては、断面のハッチングを省略している。

モータケース１６は、軸方向一方側が開放されていると共に軸方向他方側が閉止された有底円筒状に形成されている。このモータケース１６は、円板状に形成された底壁部１６Ａと、底壁部１６Ａの径方向外側の端から軸方向一方側へ向けて屈曲して延びる側壁部１６Ｂと、を備えている。底壁部１６Ａの径方向の中心部には、後述するロータコア３４を回転可能に支持する図示しない支持部が設けられている。

モータカバー１８は、円板状に形成されている。このモータカバー１８の径方向の中心部には、後述する出力軸１２が挿入される軸支孔１８Ａが形成されている。そして、出力軸１２が軸支孔１８Ａに挿入された状態で、モータカバー１８がモータケース１６に取付けられることで、出力軸１２がモータカバー１８から軸方向一方側へ突出した状態でモータケース１６の開放端側（軸方向一方側）が閉止されるようになっている。

ステータ２０は、環状に形成されたステータコア２４と、ステータコア２４の内周部に固定されたコイルとしての環状のコイル体２６と、を備えている。環状のコイル体２６は、周方向に間隔をあけて配置された複数の導線部２８（図４参照）が絶縁性の材料（樹脂材料等）を用いて形成されたコイル支持体内に埋設されること等によって構成されている。

ここで、導線部２８を構成する導線は、導電性の素線が束ねられることで形成された素線集合体である。また、束ねられた素線間の抵抗値は、素線そのものの抵抗値よりも大きくなっている。

また、図４に示されるように、本実施形態のステータ２０は、当該ステータ２０を軸方向と直交する方向に沿って切断した断面視で、２４個の導線部２８を備えている。これら複数の導線部２８は、それぞれＵ層、Ｖ層、Ｗ層のいずれかの導線部２８となっている。そして、Ｕ層の導線部２８Ｕ、Ｖ層の導線部２８Ｖ及びＷ層の導線部２８Ｗは、周方向に沿ってこの順で配列されている。

図１に示されるように、減速機１４は、ステータ２０及びロータ２２のマグネット３２に対して径方向内側に配置されている。この減速機１４は、ロータ２２の回転軸と同軸上に配置されていると共にロータコア３４と一体回転可能に設けられた太陽歯車４０と、太陽歯車４０の径方向外側に配置された環状の内歯車４２と、太陽歯車４０と内歯車４２との間に配置されていると共に太陽歯車４０及び内歯車４２と噛合う３個の遊星歯車４４と、を備えている。また、減速機１４は、３個の遊星歯車４４を支持すると共に３個の遊星歯車４４が太陽歯車４０のまわりを公転することにより回転する遊星キャリヤ４６を備えている。なお、本実施形態の減速機１４を構成する各歯車（太陽歯車４０、内歯車４２及び遊星歯車４４）では、歯すじが軸方向に沿うようになっているが、歯すじが軸方向に対して傾斜していてもよい。

出力軸１２は、ロータ２２の回転軸と同軸上に配置された円柱状に形成されている。この出力軸１２の軸方向他方側の端部には、軸方向を厚み方向とする円板状に形成された接続板５０が固定されている。この接続板５０が、遊星キャリヤ４６に係合することで、出力軸１２が、遊星キャリヤ４６と一体回転可能となっている。また、遊星歯車４４は、遊星キャリヤ４６の支持板部４６Ａと接続板５０との間に配置されるようになっている。

図２及び図３に示されるように、ロータ２２は、ロータコア３４と、ロータコア３４に固定された複数のマグネット３２と、複数のマグネット３２の外周部に圧入された固定部材としての固定管５４と、を備えている。

ロータコア３４は、軸方向一方側が開放されていると共に軸方向他方側が閉止された有底円筒状のロータコア本体３６を備えている。このロータコア本体３６は、円板状に形成された底壁部３６Ａと、底壁部３６Ａの径方向外側の端よりも径方向内側の部分から軸方向一方側へ向けて延びる側壁部３６Ｂと、を備えている。そして、ロータコア本体３６の側壁部３６Ｂの外周面にマグネット３２が固定されている。また、ロータコア本体３６は、側壁部３６Ｂの外周面から径方向外側へ向けて突出する三角柱状に形成された複数の位置決め部３６Ｃを備えている。本実施形態のロータコア本体３６は、８つの位置決め部３６Ｃを備えている。これら８つの位置決め部３６Ｃは周方向に沿って等間隔に配置されている。

マグネット３２は、磁極としてのＮ極とＳ極とが周方向に交互に配列された８極の極異方配向のマグネットである。なお、図３においては、マグネット３２内の磁束の向きを矢印Ｗで模式的に示している。また、図３においては断面のハッチングを省略している。

本実施形態のマグネット３２は、保持力Ｈｃが４００［ｋＡ／ｍ］以上かつ残留磁束密度Ｂｒが１．０［Ｔ］以上の磁性化合物を用いて形成されている。一例として、本実施形態のマグネット３２は、ＮｄＦｅ_１１ＴｉＮ、Ｎｄ_２Ｆｅ_１４Ｂ、Ｓｍ_２Ｆｅ_１７Ｎ_３、ＦｅＮｉ等の磁性化合物を用いて形成されている。

ここで、本実施形態では、マグネット３２が前述の極異方配向のマグネットとなっていることにより、ロータコア本体３６が磁気回路の一部を構成しなくてもよい構成となっている。そのため、本実施形態では、ロータコア本体３６が非磁性材料を用いて形成されていてもよい。例えば、樹脂材料を用いてロータコア本体３６を形成することで、減速機付モータ１０の重量が増加することを抑制することができる。

本実施形態のマグネット３２は、Ｎ極の極中心ＮＣ、Ｓ極の極中心ＳＣ及びＮ極の極中心ＮＣとＳ極の極中心ＳＣとの周方向の中央である極間中心ＣＬにおいて周方向へ１６個に分割されている。また、１６個に分割された各々のマグネット３２をマグネット構成片３３と呼ぶ。なお、マグネット３２が、Ｎ極の極中心ＮＣ及びＳ極の極中心ＳＣにおいて周方向へ８個に分割された構成となっていてもよい。マグネット３２の分割数は、当該マグネット３２の製造工程等を考慮して適宜設定すればよい。

また、マグネット構成片３３においてＮ極の極中心ＮＣ及びＳ極の極中心ＳＣと対応する部分における径方向内側の端部は、面取りがなされた面取り部３３Ａとなっている。そして、周方向に隣り合う一対のマグネット構成片３３の面取り部３３Ａの間に、前述の位置決め部が配置されることで、各々のマグネット構成片３３のロータコア３４に対する周方向への位置決めがなされるようになっている。なお、マグネット構成片３３において極間中心ＣＬと対応する部分における径方向内側の端部には、上記の面取り部３３Ａは形成されていない。

図４に示されるように、本実施形態では、マグネット構成片３３の径方向外側の部分におけるＮ極の極中心ＮＣと極間中心ＣＬとの間が径方向外側へ向けて凸状に形成された凸状部３３Ｂとなっていると共に、マグネット構成片３３の径方向外側の部分におけるＳ極の極中心ＳＣと極間中心ＣＬとの間が径方向外側へ向けて凸状に形成された凸状部３３Ｂとなっている。これらの凸状部３３Ｂの径方向外側の面は、軸方向から見て一定の半径とされた円筒面状になっている。ここで、これらの凸状部３３Ｂとは、マグネット構成片３３の周方向一方側かつ径方向外側の端３３Ｃと、マグネット構成片３３の周方向他方側かつ径方向外側の端３３Ｄと、マグネット構成片３３の外周面上において極間中心ＣＬと対応する点３３Ｅと、を通る所定の半径Ｄ１とされた仮想円Ｃ１（仮想円筒面）に対して径方向外側に突出している部分のことを言うものとする。これらの凸状部３３Ｂの最外周部３３Ｂ１は、Ｎ極の極中心ＮＣと極間中心ＣＬとの間の周方向の中間及びＳ極の極中心ＳＣと極間中心ＣＬとの間の周方向の中間にそれぞれ位置している。そして、各々のマグネット構成片３３の凸状部３３Ｂは、軸方向のほぼ同じ位置において周方向に並んでいる。なお、図４においては、仮想円Ｃ１に対する凸状部３３Ｂの径方向外側への突出量を図３に対して誇張して表現している。また、図４においては、断面のハッチングを省略している。

ここで、これらの凸状部３３Ｂの径方向外側の面の半径を凸状部半径Ｒ２とすると、この凸状部半径Ｒ２は、前述の仮想円Ｃ１の半径Ｒ１に対して小さな半径となっている。

図２及び図３に示されるように、固定管５４は、一例として非磁性材料であるステンレス鋼板等にプレス加工等が施されることによって形成されている。この固定管５４は、円筒状に形成された筒状カバー部５４Ａと、筒状カバー部５４Ａの軸方向一方側の端から径方向内側へ向けて屈曲して延びるフランジ部５４Ｂと、を備えている。そして、筒状カバー部５４Ａがマグネット３２の径方向外側へ圧入されることで、マグネット３２の大部分が固定管５４に覆われると共にマグネット３２（各々のマグネット構成片３３）がロータコア３４の側壁部３６Ｂ側へ向けて付勢されるようになっている。また、筒状カバー部５４Ａのマグネット３２への圧入が完了した状態では、フランジ部５４Ｂがマグネット３２の軸方向一方側の端面に当接している。なお、フランジ部５４Ｂを備えていない構成、すなわち、筒状カバー部５４Ａと対応する部分のみを備えた構成の固定管としてもよい。

（本実施形態の作用並びに効果）
次に、本実施形態の作用並びに効果について説明する。

図１～図４に示されるように、本実施形態の減速機付モータ１０では、ステータ２０の各々の導線部２８への通電が切替えられることにより、ロータ２２が回転する。ロータ２２が回転すると、当該ロータ２２のロータコア３４（ロータコア本体３６）と一体回転可能に設けられた太陽歯車４０が回転する。太陽歯車４０が回転すると、当該太陽歯車４０と噛合う遊星歯車４４が内歯車４２と噛合ったまま回転すると共に太陽歯車４０のまわりを公転する。これにより、遊星キャリヤ４６が出力軸１２と共に回転する。

ここで、本実施形態の減速機付モータ１０では、マグネット３２を構成する各々のマグネット構成片３３の周方向の中間に凸状部３３Ｂが形成されている。これにより、トルクリップルを低減することができる。また、当該構成とすることにより、マグネット３２を構成する各々のマグネット構成片３３の外周側に固定管５４の筒状カバー部５４Ａを圧入する際の圧入荷重を凸状部３３Ｂが形成されていない構成と比べて低減することができる。また、各々のマグネット構成片３３の周方向の中間に凸状部３３Ｂが形成されていることにより、固定管５４の圧入完了後における各々のマグネット構成片３３をロータコア本体３６の側壁部３６Ｂ側へ均一に付勢することができる。これにより、固定管５４の圧入完了後における各々のマグネット構成片３３のロータコア本体３６の側壁部３６Ｂに対する傾きを防止又は抑制することができる。なお、固定管５４に代えて固定部材としての糸巻で固定してもよい。

ここで、ロータ２２が一定回転数で回転している際の当該ロータ２２の平均トルクを「回転子トルク」と定義する。また、ロータ２２が一定回転数で回転している際の回転子トルクに対するトルクの変動分の割合を「トルクリップル率」と定義する。

図５に示されたグラフには、本実施形態の仕様及び比較例に係る仕様における前述の凸状部半径Ｒ２と回転子トルクとの関係が示されている。また、図６に示されたグラフには、本実施形態の仕様及び比較例に係る仕様における前述の凸状部半径Ｒ２とトルクリップル率との関係が示されている。なお、本実施形態の仕様の凸状部３３Ｂの最外周部３３Ｂ１は、Ｎ極の極中心ＮＣと極間中心ＣＬとの間の周方向の中央及びＳ極の極中心ＳＣと極間中心ＣＬとの間の周方向の中央にそれぞれ位置している。比較例に係る仕様とは、凸状部３３Ｂの最外周部３３Ｂ１が、Ｎ極の極中心ＮＣやＳ極の極中心ＳＣと対応する位置に位置している構成のことである。

そして、図５及び図６に示されるように、比較例に係る仕様よりも回転子トルクが高くなるようにかつトルクリップル率が低くなるように凸状部半径Ｒ２を設定することにより、減速機付モータ１０の出力を維持しつつ、トルクリップル（トルクリップル率の値）を低減することができる。

以上説明した本実施形態では、マグネット３２が周方向へ分割された例について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、マグネット３２が周方向へ分割されていない構成としてもよい。また、マグネット３２の極数等についても減速機付モータ１０の出力等を考慮して適宜設定すればよい。さらに、モータに要求されるトルク等によっては、減速機１４を備えていない構成としてもよい。

また、以上説明した本実施形態では、マグネット３２（各々のマグネット構成片３３）の凸状部３３Ｂが、軸方向のほぼ同じ位置において周方向に並んでいる構成とした例について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、図７に示されたマグネット５６のように、マグネット５６の一部に軸方向へ高さの差を有する段差５６Ａを設けることにより、各々の凸状部３３Ｂが回転周方向及び回転軸方向に並んで配置された構成となっていてもよい。図７に示された例では、各々の凸状部３３Ｂが、周方向一方側に沿って軸方向一方側及び軸方向他方側へ互い違いとなるように配置されている。なお、図７に示されたマグネット５６において前述のマグネット３２と対応する部材及び部分には、前述のマグネット３２と対応する部材及び部分と同じ符号を付している。

また、以上説明した本実施形態では、マグネット３２（各々のマグネット構成片３３）の配向を極異方配向とした例について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、図８に示されたマグネット５８のように、互いに所定の方向に着磁されたマグネット構成片５８Ａを周方向及び径方向に結合することによって前述のマグネット３２と同様の特性が得られるようにしてもよい。なお、図８に示されたマグネット５８において前述のマグネット３２と対応する部材及び部分には、前述のマグネット３２と対応する部材及び部分と同じ符号を付している。また、図９に示されたマグネット６０のように、径方向内側に配置された環状のマグネット部６０Ａの径方向外側にボンド磁石によって形成されたボンド磁石部６０Ｂを設けることによって前述のマグネット３２と同様の特性が得られるようにしてもよい。なお、図９に示されたマグネット６０において前述のマグネット３２と対応する部材及び部分には、前述のマグネット３２と対応する部材及び部分と同じ符号を付している。また、マグネット６０の外周部をボンド磁石によって形成することにより、当該部分の形状及び寸法を容易に調節することができると共に、ボンド磁石部６０Ｂによるマグネット部６０Ａの固定を容易にすることができる。

また、以上説明した本実施形態では、ステータ２０の内側に配置されたロータ２２のマグネット３２と、ステータ２０のコイル体２６とを径方向に対向させた例について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、図１０に示されたモータ６２のように、ステータ２０の外側に配置されたロータ２２のマグネット３２と、ステータ２０のコイル体２６とを径方向に対向させた構成としてもよい。また、図１１に示されたモータ６４のように、ロータ２２のマグネット３２と、ステータ２０のコイル体２６とを軸方向に対向させた構成としてもよい。なお、図１０及び図１１に示されたモータ６２、６４において前述の減速機付モータ１０と対応する部材及び部分には、前述の減速機付モータ１０と対応する部材及び部分と同じ符号を付している。

また、固定子側にマグネットが設けられていると共に回転子側にコイルが設けられた構成にも、本開示のマグネット３２等の構成を適用することができる。

以上、本開示の一実施形態について説明したが、本開示は、上記に限定されるものでなく、その主旨を逸脱しない範囲内において上記以外にも種々変形して実施することが可能であることは勿論である。

１０減速機付モータ（モータ）、２０ステータ（固定子）、２２ロータ（回転子）、２６コイル体（コイル）、３２マグネット、３３マグネット構成片、３３Ｂ凸状部、３４ロータコア（回転子コア）、３６Ｃ位置決め部、５４固定管（固定部材）、５６マグネット、５８マグネット、５８Ａマグネット構成片、６０マグネット、６０Ａマグネット構成片、６２モータ、６４モータ、ＣＬ極間中心、ＮＣ極中心、Ｒ２凸状部半径、ＳＣ極中心

Claims

回転可能に設けられた回転子（２２）と、
回転不能にかつ前記回転子と同軸上に設けられた固定子（２０）と、
前記回転子及び前記固定子の一方を構成し、通電されることで磁界を発生させるコイル（２６）と、
前記回転子及び前記固定子の他方を構成すると共に円筒状に形成された部分を有するロータコア本体（３６）と、
前記回転子及び前記固定子の他方を構成すると共に前記コイルと対向して配置されかつ前記ロータコア本体において円筒状に形成された部分に固定され、前記回転子の回転周方向に沿って配置された複数の磁極を有し、前記磁極の極中心（ＮＣ、ＳＣ）と前記回転周方向に隣り合う一対の前記磁極の極間中心（ＣＬ）との間に前記コイル側へ向けて凸状とされた凸状部（３３Ｂ）を有するマグネット（３２、５６、５８、６０）と、
を備え、
前記回転子の回転軸方向と直交する方向でかつ前記回転子の回転軸から離れる方向及び前記回転子の回転軸へ向かう方向を回転径方向と定義した場合において、前記マグネットは、前記磁極としてのＮ極とＳ極とが前記回転周方向に交互に配列されており、前記マグネットは、前記ロータコア本体が磁気回路の一部を構成しない構成である極異方配向となっている又は最も反磁界の弱い方向を磁化容易軸と定義した場合に前記磁化容易軸が前記回転径方向に対して前記回転周方向に傾斜しており、
前記凸状部は、前記極中心とは異なる位置に設けられていると共に前記極間中心とは異なる位置に設けられているモータ（１０、６２、６４）。
前記回転子は、回転子コア（３４）と、該回転子コアに取付けられた前記マグネットと、環状に形成されていると共に少なくとも前記マグネットにおける前記コイル側の面と接触した状態で前記マグネットを前記回転子コア側へ付勢する固定部材（５４）と、を含んで構成されている請求項１に記載のモータ。
前記マグネットは、前記回転周方向に沿って分割されたマグネット構成片（３３）により構成されており、
分割された複数の前記マグネット構成片が、前記固定部材によって前記回転子コア側へ付勢されている請求項２に記載のモータ。
前記回転子コアには、前記回転周方向に隣合う一対の前記マグネット構成片の間に配置されることで一対の前記マグネット構成片の前記回転子コアに対する前記回転周方向への位置決めがなされる位置決め部（３６Ｃ）が設けられている請求項３に記載のモータ。
前記マグネットには、前記回転周方向及び前記回転軸方向に並んで配置された複数の凸状部が形成されている請求項１～請求項４のいずれか１項に記載のモータ。
前記凸状部における前記コイル側の面は、円筒面状に形成されており、
前記凸状部において前記コイルに最も近い部分を最突出部（３３Ｂ１）と定義し、前記凸状部における前記コイル側の面の半径を凸状部半径（Ｒ２）と定義し、前記回転子が一定回転数で回転している際の平均トルクを回転子トルクと定義し、前記回転子が一定回転数で回転している際の前記回転子トルクに対するトルクの変動分の割合をトルクリップル率と定義した場合において、
前記最突出部は、前記極中心よりも前記極間中心側かつ前記極間中心よりも前記極中心側に設けられ、
前記最突出部が前記極中心に設けられていると共に前記凸状部半径が同じに設定された比較例に係る構成と比べて、前記回転子トルクが高くなるようにかつ前記トルクリップル率が低くなるように前記凸状部半径が設定された請求項１～請求項５のいずれか１項に記載のモータ。