JP2015023726A - ロータ及びモータ - Google Patents

Abstract

【課題】高出力化に寄与できるロータ及びモータを提供する。【解決手段】それぞれ略円板状のコアベース３１ａ，３２ａの外周部に、等間隔に複数の爪状磁極３１ｂ，３２ｂが径方向外側に突出されるとともに軸方向に延出形成され、互いのコアベース３１ａ，３２ａが対向されつつ爪状磁極３１ｂ，３２ｂが周方向に交互に配置された第１及び第２ロータコア３１，３２と、各爪状磁極３１ｂ，３２ｂを互いに異なる磁極として機能させる環状磁石３３と、第１ロータコア３１と第２ロータコア３２と環状磁石３３とを組み付けた組付体の外径をＤｏ、内径をＤｉ、軸方向における長さをＨｒとしたとき、０＜Ｄｉ／Ｄｏ＜０．５６（ただし、０．２≰Ｈｒ／Ｄｏ≰０．３）の範囲、又は０．０６＜Ｈｒ／Ｄｏ＜０．９６（ただし、０＜Ｄｉ／Ｄｏ≰０．２）の範囲を満たすように構成される。【選択図】図４

Description

本発明は、ロータ及びモータに関する。

モータに使用されるロータとしては、周方向に複数の爪状磁極をそれぞれ有して組み合わされる２つのロータコアと、それらの間に配置された界磁磁石とを備え、各爪状磁極を交互に異なる磁極に機能させるいわゆる永久磁石界磁のランデル型構造のロータがある。

そして、特許文献１のロータでは、爪状磁極同士の周方向の各間に周方向に磁化された極間磁石が設けられることで、ロータでの漏れ磁束が低減されている。

特開２０１２−１１５０８５号公報

ところで、上記のようにランデル型構造のロータでは、極間磁石を設けることでロータでの漏れ磁束を抑えて出力の向上に寄与することが可能となっているが、他の方法によっても出力の向上が望まれている。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、高出力化に寄与できるロータ及びモータを提供することにある。

上記課題を解決するロータは、それぞれ略円板状のコアベースの外周部に、等間隔に複数の爪状磁極が径方向外側に突出されるとともに軸方向に延出形成され、互いのコアベースが対向されつつ爪状磁極が周方向に交互に配置された第１及び第２ロータコアと、前記コアベース同士の軸方向の間に配置され、前記軸方向に磁化されることで、第１ロータコアの前記爪状磁極を第１の磁極として機能させ、前記第２ロータコアの前記爪状磁極を第２の磁極として機能させる界磁磁石と、を備えたロータであって、前記第１ロータコアと第２ロータコアと界磁磁石とを組み付けた組付体の外径をＤｏ、内径をＤｉ、軸方向における長さをＨｒとしたとき、０＜Ｄｉ／Ｄｏ＜０．５６（ただし、０．２≦Ｈｒ／Ｄｏ≦０．３）の範囲、又は０．０６＜Ｈｒ／Ｄｏ＜０．９６（ただし、０＜Ｄｉ／Ｄｏ≦０．２）の範囲を満たすように構成される。

この構成によれば、図５又は図６に示すように、所謂ＳＰＭ（Surface Permanent Magnet）型のロータよりも高出力を得ることができ、高出力化に寄与できる。
上記ロータにおいて、前記組付体は、０＜Ｄｉ／Ｄｏ≦０．４（ただし、０．２≦Ｈｒ／Ｄｏ≦０．３）の範囲、又は０．１≦Ｈｒ／Ｄｏ＜０．６５（ただし、０＜Ｄｉ／Ｄｏ≦０．２）の範囲を満たすように構成されることが好ましい。

この構成によれば、図５又は図６に示すように、所謂ＳＰＭ型のロータよりも更に高出力を得ることができ、更なる高出力化に寄与できる。
上記ロータにおいて、前記組付体は、０＜Ｄｉ／Ｄｏ≦０．１（ただし、０．２≦Ｈｒ／Ｄｏ≦０．３）の範囲、又は０．２≦Ｈｒ／Ｄｏ＜０．３（ただし、０＜Ｄｉ／Ｄｏ≦０．２）の範囲を満たすように構成されることが好ましい。

この構成によれば、図５又は図６に示すように、所謂ＳＰＭ型のロータよりも更に高出力を得ることができ、更なる高出力化に寄与できる。
上記課題を解決するモータは、上記いずれかの構成のロータを備える。

この構成によれば、上記いずれかの効果と同様の効果を奏するモータを提供することができる。

本発明のロータ及びモータによれば、高出力化に寄与できる。

実施形態におけるモータの断面図である。 同上におけるモータの平面図である。 （ａ）（ｂ）は、同上におけるロータの斜視図である。 ロータの断面図である。 組付体の軸方向長さと外径との比を変更した場合におけるトルク変化を示すグラフである。 組付体の内径と外径との比を変更した場合におけるトルク変化を示すグラフである。 従来モータの一例を示す一部断面斜視図である。

以下、モータの一実施形態について説明する。
図１に示すように、モータとしてのブラシレスモータ１１のモータケース１２は、略有底円筒状に形成されたヨークハウジング１３と、このヨークハウジング１３のフロント側（図１中、左側）の開口部を閉塞するエンドプレート１４とを有している。前記ヨークハウジング１３は例えば磁性体の鉄で構成される。また、前記エンドプレート１４は例えば非磁性体の樹脂材料で構成される。

図１に示すように、ヨークハウジング１３の内周面にはステータ１６が固定されている。ステータ１６は、径方向内側に延びる複数のティース１７ａを有するステータコア１７と、ステータコア１７のティース１７ａにインシュレータ１９を介して巻回される巻線２０とを備えている。ステータ１６は、外部の制御回路Ｓから巻線２０に駆動電流が供給されることで回転磁界を発生する。

図２に示すようにステータコア１７は、計１２個のティース１７ａを有している。従って、ティース１７ａ間に形成されるスロット１７ｂの数も１２個とされている。
図２に示すようにティース１７ａは、巻回部１８ａと、巻回部１８ａの径方向内側の端部から周方向両側に突出する突出部１８ｂとを備える。巻回部１８ａは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の巻線２０が集中巻にて巻回されている。

図１に示すように、ブラシレスモータ１１のロータ２１は回転軸２２を有し、ステータ１６の内側に配置されている。回転軸２２は非磁性体の金属シャフトであって、ヨークハウジング１３の底部１３ａ及びエンドプレート１４に支持された軸受２３，２４により回転可能に支持されている。

図３及び図４に示すように、ロータ２１は、前記回転軸２２が圧入されることで互いの軸方向の間隔が保持されつつ回転軸２２に固定される第１及び第２ロータコア３１，３２と、第１ロータコア３１と第２ロータコア３２との軸方向の間に介在される界磁磁石としての環状磁石３３を備える。更に、ロータ２１は、背面補助磁石３４，３５と、極間磁石３６，３７とを備える。

図３（ａ）及び図４に示すように、第１ロータコア３１は、略円板状の第１コアベース３１ａの外周部に、等間隔に複数（本実施形態では５つ）の第１爪状磁極３１ｂが径方向外側に突出されるとともに軸方向に延出して形成されている。詳しくは、第１爪状磁極３１ｂは、第１コアベース３１ａの外周部から径方向外側に突出した突出部３１ｃと、該突出部３１ｃの先端に設けられ軸方向に延びる爪部３１ｄとを有する。突出部３１ｃは、軸方向から見て扇形状に形成されている。爪部３１ｄは、軸直交方向断面が扇形状に形成されている。また、第１ロータコア３１の第１コアベース３１ａは、その略中心に前記回転軸２２を挿通する挿通孔３１ｅを有する。

図３（ｂ）及び図４に示すように、第２ロータコア３２は、第１ロータコア３１と同形状であって、略円板状の第２コアベース３２ａの外周部に、等間隔に複数の第２爪状磁極３２ｂが径方向外側に突出されるとともに軸方向に延出して形成されている。詳しくは、第２爪状磁極３２ｂは、第２コアベース３２ａの外周部から径方向外側に突出した突出部３２ｃと、該突出部３２ｃの先端に設けられ軸方向に延びる爪部３２ｄとを有する。突出部３２ｃは、第１ロータコア３１の突出部３１ｃと同様に、軸方向から見て扇形状に形成されている。爪部３２ｄは、軸直交方向断面が扇形状に形成されている。また、第２ロータコア３２の第２コアベース３２ａは、その略中心に前記回転軸２２を挿通する挿通孔３２ｅを有する。

そして、第１及び第２ロータコア３１，３２は、前記挿通孔３１ｅ，３２ｅに回転軸２２が圧入されるとともに、第１及び第２コアベース３１ａ，３２ａの軸方向の外側（相反する側）の距離が予め設定された一定の距離となるように回転軸２２に対して圧入固定される。この際、第２ロータコア３２は、各第２爪状磁極３２ｂが周方向に隣り合う第１爪状磁極３１ｂ間に配置されるようにして、且つ第１コアベース３１ａと第２コアベース３２ａとの軸方向の間に環状磁石３３が配置（挟持）されるようにして第１ロータコア３１に対して組み付けられている。

図４に示すように、環状磁石３３は、フェライト磁石やネオジム磁石等の磁石であって、前記回転軸２２を挿通する中央孔３３ａが形成された円環状に形成される。環状磁石３３は、第１爪状磁極３１ｂを第１の磁極（本実施形態ではＮ極）として機能させ、第２爪状磁極３２ｂを第２の磁極（本実施形態ではＳ極）として機能させるように、軸方向に磁化されている。即ち、本実施形態のロータ２１は、界磁磁石としての環状磁石３３を用いた所謂ランデル型構造のロータである。

ロータ２１は、図２に示すように、Ｎ極となる４つの第１爪状磁極３１ｂと、Ｓ極となる４つの第２爪状磁極３２ｂとが周方向に交互に配置されており、極数が８極（極対数が４個）となる。すなわち、本実施形態では、ロータ２１の極数が「８」に設定され、ステータ１６のティース１７ａの数が「１２」に設定されている。つまり、前記ロータ２１の極数を２ｎ（但しｎは自然数であり、本実施形態では４）、スロット１７ｂの数（スロット数）を３ｎとして、極数とスロット数の比が２：３となるように構成されている。

また、図３（ｂ）及び図４に示すように、各第１爪状磁極３１ｂの背面３１ｆ（径方向内側の面）と第２コアベース３２ａの外周面３２ｇとの間には、背面補助磁石３４が配置されている。背面補助磁石３４は、その軸直交方向断面が略扇形状とされ、第１爪状磁極３１ｂの背面３１ｆに当接する側が第１爪状磁極３１ｂと同極のＮ極に、第２コアベース３２ａの外周面３２ｇに当接する側が同第２コアベース３２ａと同極のＳ極となるように磁化されている。

また、図３（ａ）及び図４に示すように、各第２爪状磁極３２ｂの背面３２ｆと第１コアベース３１ａの外周面３１ｇとの間には、第１爪状磁極３１ｂと同様に、背面補助磁石３５が配置されている。背面補助磁石３５は、その軸直交方向断面が扇形状とされ、背面３２ｆに当接する側がＳ極に、第１コアベース３１ａの外周面３１ｇに当接する側がＮ極となるように磁化されている。背面補助磁石３４，３５としては、例えばフェライト磁石を用いることができる。

図２及び図３（ａ）（ｂ）に示すように、第１爪状磁極３１ｂと第２爪状磁極３２ｂとの周方向の間には、極間磁石３６，３７が配置されている。
上記のように構成されたロータ２１では、第１ロータコア３１、第２ロータコア３２、及び環状磁石３３を組み付けた組付体２１ａの外径をＤｏ、内径をＤｉ、軸方向における長さ（厚さ）をＨｒとしたときに、次の関係を満たすことが好ましい。すなわち、組付体２１ａは、０＜Ｄｉ／Ｄｏ＜０．５６（ただし、０．２≦Ｈｒ／Ｄｏ≦０．３）の範囲、又は０．０６＜Ｈｒ／Ｄｏ＜０．９６（ただし、０＜Ｄｉ／Ｄｏ≦０．２）の範囲を満たすことが好ましい。さらに、組付体２１ａは、０＜Ｄｉ／Ｄｏ≦０．４（ただし、０．２≦Ｈｒ／Ｄｏ≦０．３）の範囲、又は０．１≦Ｈｒ／Ｄｏ＜０．６５（ただし、０＜Ｄｉ／Ｄｏ≦０．２）の範囲の範囲を満たすことがより好ましい。さらに、組付体２１ａは、０＜Ｄｉ／Ｄｏ≦０．１（ただし、０．２≦Ｈｒ／Ｄｏ≦０．３）の範囲、又は０．２≦Ｈｒ／Ｄｏ＜０．３（ただし、０＜Ｄｉ／Ｄｏ≦０．２）の範囲を満たすことが好ましい。

なお、図４において組付体２１ａは、Ｄｉ／Ｄｏ＝０．２、且つ、Ｈｒ／Ｄｏ＝０．３となるように図示している。ちなみに組付体２１ａの外径Ｄｏは、第１及び第２ロータコア３１，３２の爪状磁極３１ｂ，３２ｂの最外周部分を通る仮想円の直径と同一であり、組付体２１ａの内径Ｄｉは、第１及び第２ロータコア３１，３２の挿通孔３１ｅ，３２ｅの孔径と同一である。さらに、組付体２１ａの軸方向における長さ（厚さ）は、第１及び第２ロータコア３１，３２の爪状磁極３１ｂ，３２ｂの軸方向長さと同一である。

また、図１に示すように、ロータ２１には、略円板状のマグネット固定部材４１を介してセンサ磁石４２が設けられている。詳しくは、マグネット固定部材４１は、中央にボス部４１ａが形成された円板部４１ｂと、この円板部４１ｂの外縁から筒状に延びる筒部４１ｃとを有し、該筒部４１ｃの内周面及び円板部４１ｂの表面に当接するように環状のセンサ磁石４２が固着されている。そして、マグネット固定部材４１は、第１ロータコア３１と近い側で、そのボス部４１ａが回転軸２２に外嵌されて固定されている。

そして、エンドプレート１４において、センサ磁石４２と軸方向に対向する位置には磁気センサとしてのホールＩＣ４３が設けられている。ホールＩＣ４３は、センサ磁石４２に基づくＮ極とＳ極の磁界を感知するとそれぞれＨレベルの検出信号とＬレベルの検出信号とを前記制御回路Ｓに出力する。

次に、上記のように構成されたブラシレスモータ１１の作用について説明する。
制御回路Ｓから巻線２０に３相の駆動電流が供給されると、ステータ１６にて回転磁界が発生され、ロータ２１が回転駆動される。この際、ホールＩＣ４３と対向するセンサ磁石４２が回転することで、ホールＩＣ４３から出力される検出信号のレベルがロータ２１の回転角度（位置）に応じて切り替わり、その検出信号に基づいて制御回路Ｓから巻線２０に最適なタイミングで切り替わる３相の駆動電流が供給される。これにより、良好に回転磁界が発生され、ロータ２１が良好に連続して回転駆動される。

本実施形態のロータ２１を構成する組付体２１ａは、０＜Ｄｉ／Ｄｏ＜０．５６（ただし、０．２≦Ｈｒ／Ｄｏ≦０．３）の範囲、又は０．０６＜Ｈｒ／Ｄｏ＜０．９６（ただし、０＜Ｄｉ／Ｄｏ≦０．２）の範囲を満たす。さらに、組付体２１ａは、０＜Ｄｉ／Ｄｏ≦０．４（ただし、０．２≦Ｈｒ／Ｄｏ≦０．３）の範囲、又は０．１≦Ｈｒ／Ｄｏ＜０．６５（ただし、０＜Ｄｉ／Ｄｏ≦０．２）の範囲の範囲を満たす。さらに、組付体２１ａは、０＜Ｄｉ／Ｄｏ≦０．１（ただし、０．２≦Ｈｒ／Ｄｏ≦０．３）の範囲、又は０．２≦Ｈｒ／Ｄｏ＜０．３（ただし、０＜Ｄｉ／Ｄｏ≦０．２）の範囲を満たす。

（比較例の構成）
ここで、本実施形態のモータ１１の比較例として、図７に示すように永久磁石１０１ａ，１０１ｂがロータコア１０２の表面に設けられるＳＰＭ（Surface Permanent Magnet）型のロータ１０３と、このロータ１０３の径方向外側に設けられるステータ１０４とを備えたモータ１００を説明する。なお、図７では、モータ１００の部分断面斜視図であり、ロータ１０３及びステータ１０４は、全体の略半分程度が図示されている。

図７に示すように、比較例のモータ１００のロータ１０３は、ロータコア１０２の径方向外側面に、径方向外側の磁極がＮ極の永久磁石１０１ａと、径方向外側の磁極がＳ極の永久磁石１０１ｂとが周方向交互に配設される。比較例のロータ１０３は、各永久磁石１０１ａ，１０１ｂがそれぞれ４個（図７ではそれぞれ２個のみ図示）設けられ、実施形態のロータ２１と同数個である計８個（図７では４個のみ図示）の磁極を有する。

図７に示すように、比較例のモータ１００のステータ１０４は、前記ロータ１０３と径方向において対向する態様で前記ロータ１０３の径方向外側に設けられる。比較例のステータ１０４は、実施形態のステータ１６と同数個である計１２個のスロット１０５（図７では７個のみ図示）を有する。

（実施形態のモータと比較例のモータとの比較）
次に、実施形態のモータ１１（以下ではランデルモータという）と比較例のモータ１００（従来モータ）における出力の変化について主に図５及び図６を用いて説明する。図５では、ランデルモータのトルクと従来モータのトルクとの比率を縦軸で示し、Ｈｒ／Ｄｏを横軸で示している。ちなみに、図５はＤｉ／Ｄｏ＝０．２の場合のグラフである。図６では、図５同様、ランデルモータのトルクと従来モータのトルクと比率を縦軸で示し、Ｄｉ／Ｄｏを横軸で示している。ちなみに、図６はＨｒ／Ｄｏ＝０．３の場合のグラフである。

図５からわかるように、０．０６＜Ｈｒ／Ｄｏ＜０．９６（ただし、０＜Ｄｉ／Ｄｏ≦０．２）の範囲とすることで、従来モータよりも高いトルクを得られる。さらに、０．１≦Ｈｒ／Ｄｏ＜０．６５（ただし、０＜Ｄｉ／Ｄｏ≦０．２）の範囲とすることで、２０％以上高いトルクを得られる。さらに、０．２≦Ｈｒ／Ｄｏ＜０．３（ただし、０＜Ｄｉ／Ｄｏ≦０．２）の範囲とすることで、従来モータよりも３５％以上高いトルクを得られる。

また、図６からわかるように、０＜Ｄｉ／Ｄｏ＜０．５６（ただし、０．２≦Ｈｒ／Ｄｏ≦０．３）の範囲とすることで、従来モータよりも高いトルクを得られる。さらに、０＜Ｄｉ／Ｄｏ≦０．４（ただし、０．２≦Ｈｒ／Ｄｏ≦０．３）の範囲とすることで、従来モータよりも２０％以上高いトルクを得られる。さらに、０＜Ｄｉ／Ｄｏ≦０．１（ただし、０．２≦Ｈｒ／Ｄｏ≦０．３）の範囲とすることで、従来モータよりも４０％以上高いトルクを得られる。

上述したことから、図４に示すように、Ｄｉ／Ｄｏ＝０．２、且つ、Ｈｒ／Ｄｏ＝０．３とすることで、従来モータと比較して３０％以上高いトルクを得ることが可能となる。
次に、本実施形態の効果を記載する。

（１）ロータ２１の組付体２１ａは、０＜Ｄｉ／Ｄｏ＜０．５６（ただし、０．２≦Ｈｒ／Ｄｏ≦０．３）の範囲、又は０．０６＜Ｈｒ／Ｄｏ＜０．９６（ただし、０＜Ｄｉ／Ｄｏ≦０．２）とすることで、従来モータよりも高いトルクを得ることができる。

（２）ロータ２１の組付体２１ａは、０＜Ｄｉ／Ｄｏ≦０．４（ただし、０．２≦Ｈｒ／Ｄｏ≦０．３）の範囲、又は０．１≦Ｈｒ／Ｄｏ＜０．６５（ただし、０＜Ｄｉ／Ｄｏ≦０．２）の範囲を満たすことで従来モータよりも更に高いトルクを得ることができる。

（３）ロータ２１の組付体２１ａは、０＜Ｄｉ／Ｄｏ≦０．１（ただし、０．２≦Ｈｒ／Ｄｏ≦０．３）の範囲、又は０．２≦Ｈｒ／Ｄｏ＜０．３（ただし、０＜Ｄｉ／Ｄｏ≦０．２）の範囲を満たす従来モータよりも更に高いトルクを得ることができる。

尚、上記実施形態は、以下のように変更してもよい。
・上記実施形態では、極間磁石３６，３７を設ける構成としたが、省略する構成を採用してもよい。

・上記実施形態では、背面補助磁石３４，３５を設ける構成としたが、省略する構成を採用してもよい。
・上記実施形態では、巻線２０の巻回方法を集中巻としたが、これに限らない。

・上記実施形態では、ロータ２１の極数を８、ステータ１６のスロット数（ティース数）を１２としたが、これらは適宜変更してもよい。
・上記実施形態並びに上記各変形例は、適宜組み合わせてもよい。

１１…モータ、２１…ロータ、２１ａ…組付体、３１…第１ロータコア、３１ｂ，３２ｂ…爪状磁極、３２…第２ロータコア、３３…界磁磁石としての環状磁石、Ｄｉ…内径、Ｄｏ…外径、Ｈｒ…長さ。

Claims (4)

1. それぞれ略円板状のコアベースの外周部に、等間隔に複数の爪状磁極が径方向外側に突出されるとともに軸方向に延出形成され、互いのコアベースが対向されつつ爪状磁極が周方向に交互に配置された第１及び第２ロータコアと、
   前記コアベース同士の軸方向の間に配置され、前記軸方向に磁化されることで、第１ロータコアの前記爪状磁極を第１の磁極として機能させ、前記第２ロータコアの前記爪状磁極を第２の磁極として機能させる界磁磁石と、
   を備えたロータであって、
   前記第１ロータコアと第２ロータコアと界磁磁石とを組み付けた組付体の外径をＤｏ、内径をＤｉ、軸方向における長さをＨｒとしたとき、
   ０＜Ｄｉ／Ｄｏ＜０．５６（ただし、０．２≦Ｈｒ／Ｄｏ≦０．３）の範囲、又は０．０６＜Ｈｒ／Ｄｏ＜０．９６（ただし、０＜Ｄｉ／Ｄｏ≦０．２）の範囲を満たすように構成されることを特徴とするロータ。
2. 請求項１に記載のロータにおいて、
   前記組付体は、０＜Ｄｉ／Ｄｏ≦０．４（ただし、０．２≦Ｈｒ／Ｄｏ≦０．３）の範囲、又は０．１≦Ｈｒ／Ｄｏ＜０．６５（ただし、０＜Ｄｉ／Ｄｏ≦０．２）の範囲を満たすように構成されることを特徴とするロータ。
3. 請求項１又は２に記載のロータにおいて、
   前記組付体は、０＜Ｄｉ／Ｄｏ≦０．１（ただし、０．２≦Ｈｒ／Ｄｏ≦０．３）の範囲、又は０．２≦Ｈｒ／Ｄｏ＜０．３（ただし、０＜Ｄｉ／Ｄｏ≦０．２）の範囲を満たすように構成されることを特徴とするロータ。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のロータを備えたことを特徴とするモータ。