JP2003319585A

JP2003319585A - 永久磁石型モータ及び極異方性磁石の形成方法

Info

Publication number: JP2003319585A
Application number: JP2002119204A
Authority: JP
Inventors: Isamu Nitta; 勇新田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2002-04-22
Filing date: 2002-04-22
Publication date: 2003-11-07

Abstract

(57)【要約】【課題】極異方性磁石を用いた場合に、出力特性を低
下させること無く、コギングトルクの増加を抑制するこ
とができる永久磁石型モータを提供する。【解決手段】永久磁石型モータのロータ２４を構成す
るマグネット２１を、フレーム９が金型１４乃至１６等
に挿入された状態で磁場一体成型により形成し、その際
に、マグネット２１の磁極端部における径方向肉厚寸法
Ｌ２を、磁極中央部の寸法Ｌ１に対して８６．７％の比
率となるように形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固定子に対向する
空隙側にのみ偶数の磁極を有する極異方性磁石と、空隙
側と逆側に配置され軟磁性体材料で構成されるヨークと
を備えて構成される永久磁石型モータ、及びそのモータ
に使用される極異方性磁石の形成方法に関する。

【０００２】

【発明が解決しようとする課題】図４及び図５は、極異
方性磁石を使用したアウタロータ型モータの一構成例を
示すものであり、図４はロータ１、図５はステータ２を
示すものである。まず、図５において、ステータコア３
は、環状をなすヨーク部４と、このヨーク部４の外周部
に放射状に突出するように設けられた多数個のティース
５を有する構成となっている。この場合、ステータコア
３は、周方向に分割された複数個の分割コア（図示せ
ず）周方向に連結することにより、環状をなすように形
成されている。各分割コアは、所定形状に打ち抜かれた
けい素鋼板からなる鋼板を多数枚積層して構成されてい
る。

【０００３】ステータコア３におけるヨーク部４及び各
ティース５の外面には、それらのほぼ全体を覆うよう
に、絶縁樹脂（例えばポリブチレン樹脂）製の被覆部材
６がモールド成形により設けられている。被覆部材６に
は、ヨーク部４の内周側に位置させて複数個の取付部７
が一体に設けられている。この取付部７は、ステ−タコ
ア３を、取付対象となる例えば洗濯機の機構部（図示せ
ず）に取り付ける際に利用されるものである。そして、
各ティース５にはコイル８が巻装されており、ステータ
２が構成されている。

【０００４】一方、図４に示すロータ１は、フレーム
（ロータヨーク）９とマグネット１０とで構成されてい
る。フレーム９は、磁性材例えば鋼板をプレスすること
によって偏平ないわゆる有底円筒形のカップ状に形成し
たもので、中心部に軸支持体取付孔１１を有している。
尚、図４では、フレーム９の上下を反転した状態で図示
している。フレーム９の周囲には環状部１２が形成され
ており、この環状部１２と軸支持体取付孔１１との間の
中間部に切り起こしで形成された複数の通風孔１３が放
射状に配置されている。

【０００５】そして、ロータ１の軸支持体取付孔１１に
は、軸支持体を介してシャフト（何れも図示せず）が取
り付けられるようになっており、シャフトは、図示しな
い軸受けを介して回転自在に支承される。

【０００６】マグネット１０は所謂プラスチックマグネ
ットであり、フェライト系のナイロンバインダに磁性粉
末を混合した磁性樹脂で構成されている。そして、マグ
ネット１０はフレーム９の環状部１２の内周側に配置さ
れ、ステータ２と対向するようになっている。

【０００７】又、この場合、マグネット１０には、その
成形時に磁気の方向性が所定の方向となる磁場配向をす
ることで異方性を持たせている。即ち、図６に示すよう
に、マグネット１０中を磁極間でのみ透磁するように磁
場配向させることで極異方性を持たせている。

【０００８】図６は、マグネット１０を金型１４及び１
５により成型すると同時に、配向磁石でもある金型１５
と、その両側に配置される集向磁石１６ａ，１６ｂによ
り磁場配向を行う状態を１磁極分だけ切り出して示すも
のである。このように極異方性を持たせることにより、
等方性や軸異方性、ラジアル異方性など、他の異方性を
有するものに比して磁極の磁力を増大させることがで
き、その分モータの特性を改善できると共に、マグネッ
ト１０の厚みを小さくすることもできる。

【０００９】また、フレーム９の環状部１２には磁路を
形成するという役割が不要となり、マグネット１０を支
持する機構的な役割のみが要求される。従って、環状部
１２の厚さ寸法は機構的な強度が確保される厚さであれ
ば良く、従来よりも薄く形成することで軽量化を図るこ
とが可能となる。

【００１０】ロータ１のマグネット１０は４８極に着磁
されており、ステータコア３は、外周部に３６個のスロ
ット部を有している。そして、コイル８は、ステータコ
ア３に三相直巻き方式で巻装されている。

【００１１】斯様な構成のモータにおいては、マグネッ
ト１０の径方向肉厚寸法は、図４に示すように概ね均一
となるように形成されていた。例えば、上記寸法を一般
に経済的とされている磁極ピッチの１／２とすると、磁
極間部分の磁化方向が本来周方向に向くべきところで径
方向（法線方向）に傾く部分があり、モータの回転時に
発生する電機子反作用に対する減磁耐力が低下するおそ
れがある。また、空隙における磁束密度分布が台形波状
となるため、コギングトルク，或いはトルクリップルが
大きく発生してしまう更に、図７に示すように、マグネ
ット１０をフレーム９と一体に成型する場合は、図６に
示す一体成型しない場合に比較して磁化方向が径方向に
より集中するため、磁束密度分布が顕著に台形波状とな
る傾向を示すことになる。

【００１２】このような問題は、マグネット１０の肉厚
寸法を磁極ピッチと等しくなる程度にすれば概ね回避で
きるが、上記寸法を磁極ピッチの１／２以上としても総
磁束量は殆ど増加しないため、モータの出力向上には貢
献することが無く、重量が増加してコスト高となるデメ
リットが大きくなってしまう。

【００１３】加えて、極異方化したマグネット１０は、
磁極端部における内部磁路長が短くなることから永久減
磁がおき易いという問題があった。マグネット１０に永
久減磁が発生すると、モータにおいて当初に設定した出
力特性が劣化することになり好ましくない。

【００１４】本発明は上記事情に鑑みてなされたもので
あり、その目的は、極異方性磁石を用いた場合に、出力
特性を低下させること無く、且つ、コギングトルクの増
加を抑制することができる永久磁石型モータ、及びその
モータに使用される極異方性磁石の形成方法を提供する
ことにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１記載の永久磁石型モータは、概環形状もし
くは環状の一部をなすセグメント形状を有し、固定子に
対向する空隙側にのみ偶数の磁極を有する極異方性磁石
と、前記空隙側と逆側に配置され、軟磁性体材料で構成
されるヨークとを備えて構成されるものにおいて、前記
極異方性磁石の磁極端部における径方向肉厚寸法が、磁
極中央部の寸法に対して８５％から８８％の比率となる
ように形成されていることを特徴とする。

【００１６】即ち、モータにおける空隙磁束密度の大き
さは、空隙長が一定であれば磁石内磁路長に比例する。
そこで、極異方性磁石の磁極端部における径方向肉厚寸
法が磁極中央部の寸法に対して短くなるようにすれば、
磁極端部の磁石内磁路長も短くなり空隙磁束密度は小さ
くなるので、磁束密度分布が正弦波状となるように近付
けることができる。従って、コギングトルクの発生を抑
制することができる。また、従来構成では、磁極端部に
おいて内部磁路長が短くなる部分が存在しなくなるた
め、当該部分において永久減磁が生じることが無く、モ
ータの経時的な特性変動をも抑制できる。

【００１７】ところで、上記のように極異方性磁石の磁
極端部における肉厚寸法を磁極中央部の寸法に対して短
くすればその分だけ磁束量が減少するため、モータの出
力を低下を招くことになる。そこで、本発明の発明者が
実験を行った結果によれば、磁極端部における肉厚寸法
を磁極中央部の寸法に対して８５％から８８％の比率と
なるように形成すれば、モータの回転時に発生する誘起
電圧とコギングトルクとのバランスが最適となることが
判明した。

【００１８】この場合、請求項２に記載したように、前
記極異方性磁石を、前記ヨークを金型に挿入した状態で
磁場一体成型により形成するのが好ましい。即ち、上述
したように、肉厚寸法が均一な磁石をヨークと一体に形
成して極異方化すれば、磁化の方向が径方向に集中して
空隙磁束密度分布はより台形波状に近付いてしまう。従
って、極異方性磁石をヨークと一体に形成して極異方化
すれば、空隙磁束密度分布を一層効果的に改善すること
ができる。

【００１９】また、請求項３に記載したように、極異方
性磁石の空隙側に位置する面を、各磁極毎に、凸となる
円柱面を成すように形成するのが好適である。即ち、磁
極中央部から磁極端部にかけての面形状が円柱面状とな
ることで、空隙磁束密度分布はなだらかに変化するよう
になり、分布状態をより正弦波状に近付けることができ
る。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例について
図１乃至図３を参照して説明する。尚、図４乃至図７と
同一部分には同一符号を付して説明を省略し、以下異な
る部分についてのみ説明する。図２は、図４相当図であ
り、図１（ａ）はフレーム９及び本実施例のマグネット
（極異方性磁石）２１の一部を示す斜視図、図１（ｂ）
は図７相当図である。

【００２１】即ち、マグネット２１の成形形状は、ステ
ータ（固定子）２と対向する磁極面２２が空隙側に凸と
なる円柱面状を成している。磁極面２２は、後に着磁さ
れることによって磁極となるもので、磁極中央ほど凸と
なる形状となっている。磁極面２２を斯様な形状に形成
するため、非磁性材よりなる金型２３が内周側に配置さ
れている。

【００２２】そして、図１（ｂ）に示すように、マグネ
ット２１の磁極中央部における肉厚寸法をＬ１とし、磁
極端部における肉厚寸法をＬ２とすると、Ｌ２はＬ１の
８６．７％（肉厚比）となるように設定されている。そ
の他の構成は、従来と同様であり、以上がロータ２４を
構成している。

【００２３】次に、本実施例の作用について図３をも参
照して説明する。モータにおける空隙磁束密度は、
（１）式によって決定される。（空隙磁束密度）∝（磁石内磁路長）／｛（磁石内磁路長）＋（空隙長）・２｝・・・（１）即ち、モータにおける空隙磁束密度の大きさは、空隙長
が一定であれば磁石内磁路長に比例する。そして、マグ
ネット２１をフレーム９と一体に形成して極異方化すれ
ば磁化方向が径方向に集中するため、空隙磁束密度分布
はより台形波状に近付く。

【００２４】そこで、本実施例のように、マグネット２
１の磁極端部における径方向肉厚寸法Ｌ２を磁極中央部
の寸法Ｌ１よりも短くなるようにすれば、従来のマグネ
ット１０に比較して極異方される状態は基本的に同一で
あるが、磁極端部における磁石内磁路長が短くなり空隙
磁束密度は小さくなるので、磁束密度分布が正弦波状と
なるように近付けることができる。従って、コギングト
ルクの発生を抑制することができる。

【００２５】また、寸法Ｌ１，Ｌ２の比である肉厚比は
（２）式で定義されるが、（肉厚比）＝（Ｌ２／Ｌ１）×１００［％］・・・（２）この肉厚比を小さくすれば、磁束分布密度はより正弦波
状に近付くことになるので、コギングトルクの発生を抑
制する観点からは適している。しかしながら、一方では
その分だけ磁束量が減少するため、モータ出力の低下を
招くことになる。また、マグネット２１を一体成型によ
って形成する場合は、肉厚比が小さくなり過ぎると所謂
「湯流れ」が悪くなり成形性が悪化することにも繋が
る。以上のことから、肉厚比は、モータの出力特性とコ
ギングトルクとのトレードオフや成形性を考慮して最適
となる値に設定する必要がある。

【００２６】そこで、本発明の発明者は、マグネット２
１と同一の材料によって形成したラジアル異方性マグネ
ットを、例えば特許第２９０５１１９号公報に開示され
ている洗濯機用のモータと同一形状に形成して（基本的
には、図４及び図５に示すものと同じである）コギング
トルクを最小化した場合を基準とし、マグネット２１と
同タイプのマグネットについても同様の形状とした上
で、肉厚比を変化させて比較を行った。その結果を図４
に示す。

【００２７】図３の横軸は、上記マグネットの肉厚比で
あり、縦軸は、当該マグネットを使用して構成した永久
磁石型モータに発生する誘起電圧及びコギングトルクを
基準とした相対値を示すものである。即ち、縦軸の１０
０％は、ラジアル異方性マグネットを用いたモータのコ
ギングトルクを最小化した場合における誘起電圧及びコ
ギングトルクのレベルに対応する。

【００２８】この図３において、モータの出力特性を最
大化する、若しくは、同一の出力特性でモータを小型化
するという点では、誘起電圧が１００％を超えることが
望ましい。また、コギングトルクは騒音及び振動の原因
となるものであるから、１００％を下回ることが望まし
い。そして、これらの相反する条件を同時に満たす肉厚
比は、約８５％から８８％程度の範囲であることが判
る。本実施例では、図３に基づいて、誘起電圧が丁度１
００％となる肉厚比８６．７％を選択した。

【００２９】以上のように本実施例によれば、永久磁石
型モータのロータ２４を構成するマグネット２１を、フ
レーム９が金型１４乃至１６等に挿入された状態で磁場
一体成型により形成し、その際に、マグネット２１の磁
極端部における径方向肉厚寸法Ｌ２を、磁極中央部の寸
法Ｌ１に対して８６．７％の比率となるように形成し
た。

【００３０】即ち、寸法Ｌ２を寸法Ｌ１に対して短くな
るようにすれば、磁極端部の磁石内磁路長も短くなり空
隙磁束密度は小さくなるので、磁束密度分布が正弦波状
となるように近付けることができる。従って、モータの
回転時におけるコギングトルクの発生を抑制することが
できる。また、従来構成では、磁極端部において内部磁
路長が短くなる部分が存在しなくなるため、当該部分に
おいて永久減磁が生じることが無く、モータの経時的な
特性変動をも抑制できる。

【００３１】そして、肉厚比を８６．７％とすること
で、モータの回転時に発生する誘起電圧とコギングトル
クとのバランスを最適にすることができるので、従来の
ラジアル異方性マグネットを用いたモータと同等の出力
特性を得た上で、コギングトルクの発生比率を低下させ
ることができ、低振動且つ低騒音でモータを駆動するこ
とができる。

【００３２】更に、本実施例の構成では、従来構成の磁
極端部において内部磁路長が短くなる部分が存在しなく
なるため、当該部分において永久減磁が生じることが無
く、モータの経時的な特性変動をも抑制できる。

【００３３】また、本実施例によれば、マグネット２１
の磁極面２２を、各磁極毎に凸となる円柱面を成すよう
に形成したので、空隙磁束密度分布をなだらかに変化さ
せて分布状態をより正弦波状に近付けることができる。
従って、コギングトルクの発生を一層抑制することがで
きる。

【００３４】本発明は上記し且つ図面に記載した実施例
にのみ限定されるものではなく、次のような変形又は拡
張が可能である。肉厚比は、８５％から８８％の範囲で
設定すれば良い。極異方性磁石は、一体の環状に形成す
るものに限らず、例えば、複数の箇所で分割してなるセ
グメント形状としても良い。その場合、磁極の中央部に
おいて分割すれば、磁極間に渡る磁路を分断することは
殆ど無いので好ましい。また、極異方性磁石は、必ずし
もヨークを金型に挿入した状態で磁場一体成型により形
成する必要はなく、極異方性磁石のみを別途成形及び極
異方化した後、ヨークと組み合わせて構成しても良い。
インナロータ型の永久磁石型モータに適用しても良い。

【発明の効果】本発明の永久磁石型モータによれば、極
異方性磁石の磁極端部における径方向肉厚寸法を、磁極
中央部の寸法に対して８５％から８８％の比率となるよ
うに形成するので、空隙磁束密度分布が正弦波状となる
ように近付けることができ、モータの出力特性を維持し
た上でコギングトルクの発生を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例であり、（ａ）は永久磁石型
モータのフレーム及びマグネットの一部を示す斜視図、
（ｂ）はマグネットを金型より成型すると同時に、磁場
配向を行う状態を１磁極分だけ切り出して示す図

【図２】極異方性磁石を使用したアウタロータ型モータ
における、ロータの一構成例を示す斜視図

【図３】横軸にマグネットの肉厚比、縦軸に永久磁石型
モータに発生する誘起電圧及びコギングトルクを基準と
した相対値を示す図

【図４】従来技術を示す図２相当図

【図５】ステータの構成を示す斜視図

【図６】図１（ｂ）相当図（但し、フレームを一体成型
しない場合）

【図７】図１（ｂ）相当図

【符号の説明】

２はステータ（固定子）、９はフレーム（ヨーク）、１
４，１５，１６，２３は金型、２１はマグネット（極異
方性磁石）、２４はロータを示す。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】概環形状もしくは環状の一部をなすセグ
メント形状を有し、固定子に対向する空隙側にのみ偶数
の磁極を有する極異方性磁石と、前記空隙側と逆側に配
置され、軟磁性体材料で構成されるヨークとを備えて構
成される永久磁石型モータにおいて、前記極異方性磁石の磁極端部における径方向肉厚寸法
は、磁極中央部の寸法に対して８５％から８８％の比率
となるように形成されていることを特徴とする永久磁石
型モータ。
【請求項２】前記極異方性磁石は、前記ヨークが金型
に挿入された状態で磁場一体成型によって形成されてい
ることを特徴とする請求項１記載の永久磁石型モータ。
【請求項３】極異方性磁石の空隙側に位置する面は、
各磁極毎に、凸となる円柱面を成すように形成されてい
ることを特徴とする請求項１または２記載の永久磁石型
モータ。
【請求項４】概環形状もしくは環状の一部をなすセグ
メント形状を有し、固定子に対向する空隙側にのみ偶数
の磁極を有する極異方性磁石と、前記空隙側と逆側に配
置され、軟磁性体材料で構成されるヨークとを備えて構
成される永久磁石型モータの極異方性磁石を形成する方
法において、前記極異方性磁石の磁極端部における径方向肉厚寸法
を、磁極中央部の寸法に対して８５％から８８％の比率
となるように形成することを特徴とする極異方性磁石の
形成方法。
【請求項５】前記極異方性磁石を、前記ヨークを金型
に挿入した状態で磁場一体成型によって形成することを
特徴とする請求項４記載の極異方性磁石の形成方法。
【請求項６】極異方性磁石の空隙側に位置する面を、
各磁極毎に、凸となる円柱面を成すように形成すること
を特徴とする請求項４または５記載の極異方性磁石の形
成方法。