JPH07203665A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 製造コストを上げずに最大トルクの低下や減
磁の発生を防止するとともに、コギングトルクの大幅な
低減により振動や騒音を低減することが可能な回転電機
を提供すること。 【構成】 円弧状の２つの異方性磁石１０，１２と、コ
ア１６およびマグネットワイヤ１８を含む回転子１４
と、コーク２０とを含んで直流モータを構成する。異方
性磁石１０，１２の配向中心ｂ，ｃは、回転中心ａから
異方性磁石１０，１２自身側へ所定量Ｓだけずれてお
り、ラジアル方向に対して傾斜した配向方向を有してい
る。異方性磁石１０，１２は端部になればなるほどラジ
アル方向とはずれた配向方向を有しており、コギングト
ルクや騒音あるいは振動の発生が低減される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、永久磁石を用いた直流
モータ等の回転電機に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般の回転電機、例えば直流モータ等
は、固定子側に界磁用の磁石を設け、界磁用磁石により
生じる磁束中に置かれた電機子導体（マグネットワイ
ヤ）に通電することにより、回転子を回転させている。

【０００３】ところで、直流モータの界磁用磁石と回転
子のコアとの間に作用する吸引力は、回転角度によって
磁束の粗密差に起因して急激に変化するため、いわゆる
コギングトルクが発生する。

【０００４】このコギングトルクは、直流モータの運転
時に振動および騒音の発生要因となっており、そのため
このコギングトルクによる振動等を低減するために従来
は以下の（1)〜（4)に示す対策が施されている。

【０００５】（1)磁石の端部を薄くして磁束密度を下げ
て、なめらかな磁束密度変化を実現する、いわゆる偏心
磁石を用いる。

【０００６】（2)回転子の回転軸方向より磁束密度分布
を回転方向に漸次ずらす、いわゆるスキュー磁石を用い
る。

【０００７】上述した（1)および（2)の方法によれば、
磁束密度分布の変化がなめらかになるので、トルクの急
激な変化を防止することができる。

【０００８】（3)特開昭６３−２６０１１８号公報に開
示された着磁装置を用いてラジアル異方性円筒磁石の着
磁を行う。この方法によれば、正弦波形状のなめらかな
磁束分布が得られる。

【０００９】（4)特開平５−１３５９３７（あるいは特
開平５−１４４６３０）号公報に開示された異方性セグ
メント型磁石を用いる。この方式によれば、セグメント
磁石（あるいは円筒状磁石）について配向分布の改善に
より、なめらかな磁束分布が得られる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した
（1)および（2)の方法においては、回転力に対して有効
な磁束を犠牲にしているため、最大トルクおよび出力の
低下は避けられないという問題がある。特に（1)の方式
では、磁石の端部を薄くするため、電機子反作用による
減磁が起こるという問題がある。

【００１１】（3)の方式においては、着磁制御が難しい
うえに、着磁が不十分な部分ではトルクが減少して最大
トルクの低下は避けられず、出力が低下するという問題
がある。また、充分に磁化されないため、減磁も避ける
ことができなかった。

【００１２】（4)の方式においては、磁石の横断面にお
ける両端部の配向分布が非作用面側に集束しているた
め、磁気回路を構成しているバックヨークに磁気が漏れ
る、いわゆる漏れ磁束が発生し、最大トルクの低下に伴
う出力低下が生じるという問題がある。

【００１３】したがって、実際にはモータ振動等を低減
しようとすると、ブラケット部に防振ゴムを用いた防振
対策等が必要であり、モータの価格上昇の要因となって
いた。

【００１４】本発明は、このような点に鑑みて創作され
たものであり、製造コストを上げずに最大トルクの低下
や減磁の発生を防止するとともに、コギングトルクの大
幅な低減により振動や騒音を低減することが可能な回転
電機を提供することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ために、請求項１の回転電機は、固定子側に複数個の異
方性磁石が設けられた回転電機であって、前記異方性磁
石のそれぞれは、配向の中心を回転中心から前記異方性
磁石側に所定量ずらすことを特徴とする。

【００１６】請求項２の回転電機は、固定子側に複数個
の異方性磁石が設けられた回転電機であって、前記異方
性磁石のそれぞれは、回転子の回転方向下流側の所定範
囲については配向の中心を回転中心から前記異方性磁石
側に所定量ずらして配向を行い、それ以外の範囲につい
てはラジアル方向に配向を行うことを特徴とする。

【００１７】

【作用】請求項１の回転電機においては、異方性磁石の
配向中心を回転中心から異方性磁石側に所定量ずらして
おり、異方性磁石の端部に近づくほど配向方向がラジア
ル方向から大きくずれて傾斜した方向となっている。し
たがって、異方性磁石端部における磁力の変化がなだら
かになってコギングトルクが低減され、騒音や振動を低
減することができる。

【００１８】また、異方性磁石端部では、配向方向を傾
斜させることにより漏れ磁束の発生を抑えることができ
るとともに、異方性磁石端部では等価マグネット厚さが
大きくなっており減磁が起こりにくく、最大トルクの低
下すなわち出力低下を防止することができる。また異方
性磁石全体の配向方向を変えるだけであり体格が大きく
なることがなく、磁石の厚さや部品点数にも変わりがな
く、製造コストの上昇を抑えることもできる。

【００１９】また、請求項２の回転電機においては、異
方性磁石の上述した配向方向の変更を回転子の回転方向
下流側の所定範囲について行っている。一般に、電機子
反作用により回転子の回転方向に磁束分布が歪むため、
異方性磁石の回転方向下流側の所定量についてのみ配向
方向の変更を行い、これにより請求項１と同様にコギン
グトルクの低減による騒音および振動の低減が可能にな
り、出力の低下や製造コストの上昇も抑えることができ
る。

【００２０】

【実施例】以下、図面に基づいて本発明の一実施例につ
いて詳細に説明する。

【００２１】図１は、本発明の回転電機を適用した一実
施例における直流モータの構成を示す図である。

【００２２】同図に示す直流モータは、回転中心とずれ
た位置に配向方向の中心を有する２つの異方性磁石１
０，１２と、これら２つの異方性磁石１０，１２に挟ま
れて図示しない回転軸を中心に回転駆動される回転子１
４と、直流モータの筐体であると同時に磁路の一部とし
て使用されるヨーク２０とを含んで構成される。

【００２３】異方性磁石１０，１２は、円弧状（瓦状）
の永久磁石で構成されており、一般にはネオジウム等の
希土類磁石やフェライト磁石が用いられる。本実施例の
直流モータは、これらの異方性磁石１０，１２の配向方
法を工夫した点に特徴がある。

【００２４】回転子１４は、コア１６を含む一般的な構
成を有している。すなわち、このコア１６には電機子導
体であるマグネットワイヤ１８が巻き回され、このマグ
ネットワイヤの端部がコンミュテータ（図示せず）に結
線されている。

【００２５】ヨーク２０は、上述したように異方性磁石
１０，１２等とともに磁路を形成しており、例えば軟鉄
等により形成される。したがって、ヨーク２０，異方性
磁石１０，１２および回転子１４のコア１６によって磁
路が形成され、マグネットワイヤ１８に例えば図１に示
すよう通電を行うことにより、回転子１４が矢印ｅの方
向に回転駆動されることになる。

【００２６】次に、２つの異方性磁石１０，１２の具体
的な配向構造について説明する。

【００２７】図１において、ａは異方性磁石１０および
異方性磁石１２の内径（あるいは外形）中心であり、回
転子１４の回転中心に一致している。また、ｂは一方の
異方性磁石１０の配向方向の中心であり、ｃは他方の異
方性磁石１２の配向方向の中心である。同図に示すよう
に、一方の異方性磁石１０の配向中心ｂは、内径中心ａ
から異方性磁石１０自身側へ所定量Ｓだけずれた位置に
設定されている。同様に、他方の異方性磁石１２の配向
中心ｃは、内径中心ａから異方性磁石１２自身側へ所定
量Ｓだけずれた位置に設定されている。なお、この範囲
に配向中心を限定した場合には、異方性磁石の配向装置
を異方性磁石の円弧内部に設置することなく、容易に異
方性磁石の端部まで配向可能になるという利点がある。

【００２８】また、同図に示すように、異方性磁石１
０，１２のそれぞれの端部と内径中心ａとの距離をＰと
すると、上述した配向中心ｃは、Ｐ≧Ｓ＞０となるよう
な範囲で設定する。

【００２９】このような配向方向を有する異方性磁石１
０，１２を、直流モータに組み込んだ状態で、あるいは
磁石単体で着磁を行う。また、この着磁は、異方性磁石
１０，１２の各部が飽和磁束密度となるように行う。

【００３０】次に、本実施例の直流モータの作用を説明
する。

【００３１】図２は、本実施例で使用した異方性磁石１
０，１２の配向方向と漏れ磁束との関係を示す図であ
り、同図（Ａ）は本実施例の直流モータの場合が、同図
（Ｂ）は比較のために従来の直流モータの場合がそれぞ
れ示されている。

【００３２】同図（Ａ）に示すように、本実施例の直流
モータにおいて異方性磁石１０（異方性磁石１２も同
様）の端部からヨーク２０に対する漏れ磁束に着目する
と、配向中心ｂを回転中心ａからずらすことにより、異
方性磁石１０，１２の配向方向ｆはコア１６の作用面
（磁束が通過する端面）に沿う方向に傾斜するように設
定されているため、非作用面であるヨーク２０に対して
は磁気抵抗が大きくなる。したがって、ヨーク２０側へ
磁束が漏れにくくなり、異方性磁石１０，１２の磁力を
充分に活用することができる。

【００３３】ところが、同図（Ｂ）に示すように、ラジ
アル配向の異方性磁石を有する従来の直流モータの場合
には、本実施例の場合に比べると配向方向がヨーク２０
側（異方性磁石１０の端部と異方性磁石１２の端部との
間の間隙部）に向いているため磁気抵抗が減少し、この
間隙部を介した漏れ磁束、すなわち無効磁束が増加す
る。

【００３４】図３は、本実施例の直流モータの異方性磁
石１０，１２の端部近傍に発生するラジアル成分の磁力
を説明するための図であり、同図（Ａ）には概略が、同
図（Ｂ）にはその一部（ｈ部）を部分的に拡大した詳細
がそれぞれ示されている。これらの図に示すように、本
実施例の異方性磁石１０，１２の配向方向ｆ、すなわち
磁力線の方向は端部になればなるほどラジアル方向から
ずれている。配向方向とラジアル方向とのなす角をθ、
異方性磁石１０，１２の端部近傍の配向方向の厚さをＬ
とすると、コギングトルクに関係している配向方向のラ
ジアル成分はＬ cosθとなる。ここで、角度θすなわち
cosθは異方性磁石１０，１２の円周方向の全域にわた
って逐次変化するため、ラジアル成分Ｌ cosθは滑らか
な曲線（サイン曲線に近い曲線）状の変化を有すること
になり、コギングトルクを大幅に低減することができ
る。

【００３５】図４は、本実施例の直流モータの異方性磁
石１０，１２の端部近傍における電機子反作用による磁
力を説明するための図である。

【００３６】本実施例の異方性磁石１０，１２の端部に
おける配向方向のマグネット厚さはＬであり、ラジアル
配向を有する従来の異方性磁石と比較すると、同一形状
であっても配向方向が傾斜した分だけマグネット厚さが
厚くなっている。また、電機子反作用は、反力の配向方
向成分のみを考慮すればよいことから、ラジアル方向の
反力をｍとすればｍ cosθとなる。このように、配向方
向をラジアル方向からずらすことにより、マグネット厚
さが厚くなるとともに配向方向の電機子反作用成分が減
少することにより減磁が低減され、耐減磁性能が向上す
る。これにともない、磁束歪み量が小さくなってロスト
ルクが減少するため、モータ出力を増加させることがで
きる。

【００３７】図５は、本実施例の直流モータと従来の直
流モータのコギングトルクの比較結果を示す図である。
同一形状の異方性磁石を使用してコングングトルクを測
定して比較したものである。同図に示すように、本実施
例の直流モータのコギングトルクは、従来のラジアル配
向を有する異方性磁石を使用した直流モータのコギング
トルクに比べて大幅に低減されていることがわかる。

【００３８】図６は、本実施例の直流モータと従来の直
流モータの騒音レベルの比較結果を示す図である。図４
の場合と同様に同一形状の異方性磁石を使用して騒音レ
ベルを測定して比較したものである。同図に示すよう
に、本実施例の直流モータの騒音レベルは、従来のラジ
アル配向を有する異方性磁石を使用した直流モータの騒
音レベルに比べて低減されていることがわかる。

【００３９】実際に本実施例の異方性磁石１０，１２を
試作して直流モータの騒音レベルの測定を行った結果で
は、特定された振動レベルは、０〜５ｋHzの周波数域の
オーバーオール値で８ｄＢの低減となった。また、騒音
レベルが問題となる周波数である特定の周波数（２４
次）部分では１５ｄＢの低減となった。

【００４０】図７は、本実施例の直流モータと従来の直
流モータの最大トルクの比較結果を示す図である。図４
等の場合と同様に同一形状の異方性磁石を使用して最大
トルクを測定して比較したものである。試作結果による
と、同図に示すように本実施例の直流モータの最大トル
クは従来品より約１０％増加した。

【００４１】このように、本実施例においては、２つの
異方性磁石１０，１２の配向中心を直流モータの内径中
心（回転中心）から各異方性磁石１０，１２自身側に所
定量ずらすことにより、異方性磁石１０，１２の端部に
おける配向をラジアル方向からずらしている。このた
め、異方性磁石１０，１２の端部における漏れ磁束が減
って有効磁束が増すため、最大トルクを増加させること
ができる。

【００４２】また、異方性磁石１０，１２の端部におけ
る配向方向をラジアル方向からずらすことにより、コギ
ングトルクおよび騒音レベルを低減することができる。

【００４３】また、耐減磁特性を向上させており、コギ
ングトルクや騒音等の対策を行った際のモータ出力の低
減を防止することができる。

【００４４】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が
可能である。

【００４５】例えば、上述した実施例は、異方性磁石１
０，１２の全体の配向中心を内径中心からずらすように
したが、減磁界側のみ配向を改善するようにしてもよ
い。図７は、異方性磁石１０，１２のそれぞれについ
て、ロータ回転方向ｅの下流側半分の配向中心のみを上
述した実施例と同様に異方性磁石１０，１２自身側にず
らすようにした変形例であり、ロータ回転方向ｅの上流
側半分はラジアル配向となっている。電機子反作用によ
る各異方性磁石１０，１２のロータ回転方向下流側端部
における急激なトルク変動等が振動や騒音が発生原因と
なっているため、同図に示すように、異方性磁石１０，
１２の半分のみについて配向方向の改善を行った場合で
あっても振動や騒音を低減することができる。

【００４６】また、上述した実施例は、直流モータの振
動や騒音対策を行う場合を例にとり説明したが、直流発
電機についても適用することができる。また、使用する
異方性磁石の極性は２極以上であってもよく、形状も円
弧状の以外の例えばリング形状であってもよい。さら
に、内転型モータ（所謂（ブラシレス）インナーロータ
タイプ）でも同様な効果が得られることを明らかであ
る。

【００４７】

【発明の効果】上述したように、請求項１の発明によれ
ば、異方性磁石の配向中心を回転中心から異方性磁石側
に所定量ずらしており、異方性磁石の端部に近づくほど
配向方向がラジアル方向から大きくずれて傾斜した方向
となっており、異方性磁石端部における磁力の変化がな
だらかになるため、コギングトルクを低減することがで
きるとともに騒音や振動を低減することができる。ま
た、異方性磁石端部では、配向方向を傾斜させることに
より漏れ磁束の発生を抑えることができるとともに、異
方性磁石端部では等価マグネット厚さが大きくなってお
り減磁が起こりにくく、最大トルクの低下すなわち出力
低下を防止することができる。また、異方性磁石全体の
配向方向を変えるだけであり体格が大きくなることがな
く、磁石の厚さや部品点数に変わりがなく、製造コスト
の上昇を抑えることもできる。

【００４８】また、請求項２の発明によれば、異方性磁
石の上述した配向方向の変更を回転子の回転方向下流側
の所定範囲について行っており、請求項１と同様に、コ
ギングトルクの低減による騒音および振動の低減が可能
になり、出力の低下や製造コストの上昇を抑えることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の回転電機を適用した一実施例における
直流モータの構成を示す図である。

【図２】本実施例で使用した異方性磁石の配向方向と漏
れ磁束との関係を示す図である。

【図３】異方性磁石の端部近傍に発生するラジアル成分
の磁力を説明するための図である。

【図４】異方性磁石の端部近傍における電機子反作用に
よる磁力を説明するための図である。

【図５】本実施例の直流モータと従来の直流モータのコ
ギングトルクの比較結果を示す図である。

【図６】本実施例の直流モータと従来の直流モータの騒
音レベルの比較結果を示す図である。

【図７】異方性磁石のロータ回転方向下流側半分の配向
中心のみをずらすようにした変形例を示す図である。

【符号の説明】

１０，１２ 異方性磁石 １４ 回転子 １６ コア １８ マグネットワイヤ ２０ ヨーク

【手続補正書】

【提出日】平成６年１０月３日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４５

【補正方法】変更

【補正内容】

【００４５】例えば、上述した実施例は、異方性磁石１
０，１２の全体の配向中心を内径中心からずらすように
したが、減磁界側のみ配向を改善するようにしてもよ
い。図８は、異方性磁石１０，１２のそれぞれについ
て、ロータ回転方向ｅの下流側半分の配向中心のみを上
述した実施例と同様に異方性磁石１０，１２自身側にず
らすようにした変形例であり、ロータ回転方向ｅの上流
側半分はラジアル配向となっている。電機子反作用によ
る各異方性磁石１０，１２のロータ回転方向下流側端部
における急激なトルク変動等が振動や騒音が発生原因と
なっているため、同図に示すように、異方性磁石１０，
１２の半分のみについて配向方向の改善を行った場合で
あっても振動や騒音を低減することができる。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図面の簡単な説明

【補正方法】変更

【補正内容】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の回転電機を適用した一実施例における
直流モータの構成を示す図である。

【図２】本実施例で使用した異方性磁石の配向方向と漏
れ磁束との関係を示す図である。

【図３】異方性磁石の端部近傍に発生するラジアル成分
の磁力を説明するための図である。

【図４】異方性磁石の端部近傍における電機子反作用に
よる磁力を説明するための図である。

【図５】本実施例の直流モータと従来の直流モータのコ
ギングトルクの比較結果を示す図である。

【図６】本実施例の直流モータと従来の直流モータの騒
音レベルの比較結果を示す図である。

【図７】本実施例の直流モータと従来の直流モータの最
大トルクの比較結果を示す図である。

【図８】異方性磁石のロータ回転方向下流側半分の配向
中心のみをずらすようにした変形例を示す図である。

【符号の説明】 １０，１２ 異方性磁石 １４ 回転子 １６ コア １８ マグネットワイヤ ２０ ヨーク

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固定子側に複数個の異方性磁石が設けら
   れた回転電機であって、 前記異方性磁石のそれぞれは、配向の中心を回転中心か
   ら前記異方性磁石側に所定量ずらすことを特徴とする回
   転電機。
2. 【請求項２】 固定子側に複数個の異方性磁石が設けら
   れた回転電機であって、 前記異方性磁石のそれぞれは、回転子の回転方向下流側
   の所定範囲については配向の中心を回転中心から前記異
   方性磁石側に所定量ずらして配向を行い、それ以外の範
   囲についてはラジアル方向に配向を行うことを特徴とす
   る回転電機。