JP5684542B2 - ロータ、及びモータ - Google Patents

Description

本発明は、コンシクエントポール型構造を採用したロータ、及びモータに関するものである。

モータに用いられるロータとしては、例えば特許文献１にて示されているように、ロータコアの周方向に一方の磁極の界磁磁石を有する磁石磁極部が複数配置され、前記ロータコアに一体形成された突極が各磁石磁極部間に配置され、前記突極を他方の磁極として機能させる所謂コンシクエントポール型構造のロータが知られている。

特開平９−３２７１３９号公報

ところで、特許文献１のようなコンシクエントポール型構造のロータでは、磁束の強制力（誘導）がある磁石磁極部と、磁束の強制力のない突極とを混在させて磁極を構成しているため、ロータにおける磁束密度分布に偏りが生じる。このため、磁石磁極部から対向するステータに向かうべき磁束が、例えば磁石磁極部から隣接する突極に向かって流れることで短絡が生じる場合がある。その結果、界磁磁石から発生した磁束の一部は、モータトルクに寄与しない漏れ磁束となり、ひいてはモータの出力を低下させる原因となっていた。

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、モータトルクに寄与する磁束量を増大させ、ひいてはモータの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ために、請求項１に記載の発明では、ロータコアの周方向に一方の磁極の界磁磁石を有する磁石磁極部が複数形成されるとともに、各磁石磁極部間に前記ロータコアに一体形成された突極が配置され、前記突極を他方の磁極として機能するように構成されたロータであって、前記界磁磁石を主磁石とし、その主磁石を有する前記磁石磁極部と前記突極との間に、それぞれと同極性が対向するように周方向に沿った磁束を生じさせる補助磁石が介装されて構成され、前記主磁石の周方向の中心位置を通る径方向の直線を中心軸とし、前記中心軸に対して直交する軸と、前記補助磁石の磁化方向とが前記中心軸上でなす角度θは、前記ロータコアの極対数をＰとした場合に、１≦θ／（３６０°／（２・Ｐ））≦１．７５の範囲内に設定されていることをその要旨とする。

この発明では、コンシクエントポール型構造のロータにおいて、磁石磁極部の界磁磁石を主磁石とし、その主磁石を有する磁石磁極部と突極との間に補助磁石が配置される。そして、補助磁石は、隣接する主磁石及び突極のそれぞれと同極性が対向するように周方向に沿った磁束が生じるように設けられる。これにより、磁石磁極部における主磁石の端部部分に生じ得る漏れ磁束（短絡磁束）がその端部部分に配置される補助磁石自身の磁気抵抗、若しくは補助磁石による磁気飽和にて好適に低減される。結果、磁石磁極部の主磁石から発生する磁束をモータトルクの発生に効果的に寄与させることが可能となる。さらに、補助磁石には、磁束の強制力のない突極が隣接することから、補助磁石から発生する磁束の一部は、その突極側に誘導されることなく、対向するステータに向かって流れる。つまり、補助磁石の磁束の一部もモータトルクの発生に寄与でき、高出力化を図ることが可能となる。

この発明では、主磁石の周方向の中心位置を通る径方向の直線を中心軸とし、その中心軸に対して直交する軸と補助磁石の磁化方向とが中心軸上でなす角度θが設定される。そして、その角度θは、ロータコアの極対数をＰとして、「１≦θ／（３６０°／（２・Ｐ））≦１．７５」の範囲となるように設定される。これにより、モータトルクを最大値付近まで確実に向上させることが可能となる（図４参照）。
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載のロータにおいて、前記磁石磁極部と前記突極との間には空隙が設けられ、前記空隙の径方向外側において前記磁石磁極部と前記突極との間に前記補助磁石が介装されていることをその要旨とする。
請求項３に記載の発明では、請求項１又は２に記載のロータにおいて、前記磁石磁極部には前記主磁石が埋め込まれていることをその要旨とする。

請求項４に記載の発明では、請求項１〜３のいずれか１項に記載のロータにおいて、前記補助磁石は、前記主磁石よりも残留磁束密度を低くして構成されたことをその要旨とする。

この発明では、補助磁石は、主磁石よりも残留磁束密度を低くして構成される。これにより、補助磁石に残留磁束密度の高い高価な磁石を用いなくて済み、ロータを構成するのに必要となる磁石のコスト低減を図ることができる。

請求項５に記載の発明では、請求項１〜４のいずれか１項に記載のロータにおいて、前記主磁石は、希土類磁石よりなり、前記補助磁石は、フェライト磁石よりなることをその要旨とする。

この発明では、主磁石として希土類磁石が用いられ、補助磁石としてフェライト磁石が用いられる。これにより、コスト低減を図りながらロータを適正な構成とすることが可能となる。

請求項６に記載の発明では、請求項１〜５のいずれか１項に記載のロータにおいて、前記主磁石は、前記補助磁石により周方向から保持され、前記磁石磁極部と前記突極とは、前記補助磁石の径方向外側で連結部により連結され、前記補助磁石は、前記連結部により径方向に保持され、前記連結部は、前記ロータコアの他の部位より磁気抵抗を高くして構成されたことをその要旨とする。

この発明では、主磁石は補助磁石により周方向から直接保持される。これにより、主磁石の端部において磁束が短絡する部分がなくなり（補助磁石自身が磁気抵抗となり）、漏れ磁束の低減を図ることができる。また、磁石磁極部と突極とは、補助磁石の径方向外側で連結部により連結され、補助磁石は、その連結部により径方向に保持される。そして、連結部は、ロータコアの他の部位より磁気抵抗を高くして構成される。これにより、好適に漏れ磁束を低減させつつ、補助磁石をより確実にロータコアに固定することが可能となる。

請求項７に記載の発明では、請求項１〜６のいずれか１項に記載のロータを備えたことをその要旨とする。
この発明では、請求項１〜６のいずれか１項に記載のロータが用いられることで、高出力化を図ったモータを提供することができる。

本発明によれば、モータトルクに寄与する磁束量を増大させ、ひいてはモータの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ができる。

（ａ）は本実施形態におけるコンシクエントポール型ブラシレスモータの構成図、（ｂ）はロータの拡大図。 （ａ）は本実施形態におけるロータの磁束を示す拡大図、（ｂ）は比較例におけるロータの磁束を示す拡大図。 主磁石の中心軸と磁化配向角度を示す拡大図。 本実施形態における磁化配向角度とトルク比との関係を示す特性図。 別例におけるロータの構成を示す拡大図。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、本実施形態のブラシレスモータ（以下、単にモータという）Ｍは、略円環状のステータ１０の内側にロータ２０が回転可能に収容されてなるインナロータ型にて構成されている。ステータ１０は、磁性金属板材を複数枚積層してなる略円筒状のステータコア１１を有し、そのステータコア１１に等角度間隔に設けられた１２個のティース１１ａに集中巻きにて巻回される１２個の巻線１２とで構成されている。

ステータ１０の内側に配置されるロータ２０は、磁性金属板材を複数枚積層してなり、回転軸２１の外周面に外嵌された略円環状のロータコア２２を有する。ロータコア２２には、外周部の周方向に（９０°間隔に）径方向に突出した凸形状の磁石磁極部２３が４個形成されている。各磁石磁極部２３には、嵌合孔２３ａが略直方体形状に形成され、ロータ２０の軸方向から見て長手方向が径方向の直交方向に沿って形成されている。各嵌合孔２３ａには、その形状に沿って形成されたＮ極の主磁石２４が界磁磁石としてそれぞれ埋め込まれている。また、各磁石磁極部２３間には、ロータコア２２の外周部に一体形成された突極２５がそれぞれ磁石磁極部２３と軸方向から見て一定面積の空隙Ｋを設けて形成されている。つまり、各磁石磁極部２３及び突極２５は等角度（４５°）間隔に交互に配置される。そして、ロータ２０は、Ｎ極の磁石磁極部２３に対して突極２５をＳ極として機能させ８磁極の所謂コンシクエントポール型にて構成されている。尚、この場合に、Ｎ極とＳ極の組み合わせが４組となり極対数は「４」となる。

因みに、前記空隙Ｋは、磁石磁極部２３の側面２３ｂと、突極２５の側面２５ａとで周方向の面が構成され、径方向内側から外側の開口部分に向かうに連れてその周方向の幅が広くなる扇形状をなしている。側面２３ｂは、磁石磁極部２３の中心位置を通る径方向の直線と平行となるように形成されている。また、側面２５ａは、略径方向に形成されている。側面２３ｂと側面２５ａとは、空隙Ｋの径方向内側で側面２３ｂに対して略直交方向の面で接続されている。このような空隙Ｋには、該空隙Ｋの外径側部分を塞ぐようにブリッジ形状をなす補助磁石２６が備えられている。

補助磁石２６は、径方向の外側面２６ａをロータコア２２の外周に沿って形成され、内側面２６ｂを所定の曲率で湾曲して形成されている。補助磁石２６は、外側面２６ａがロータ２０の外周に沿った位置で空隙Ｋに嵌合され固定されている。また、この固定状態においては、補助磁石２６の内側面２６ｂの位置が主磁石２４の径方向内側の端部位置と略同じとなるように、補助磁石２６の径方向の長さが設定されている。また、この長さ設定により、補助磁石２６の内側面２６ｂよりも径方向内側部分には空隙Ｋの一部が残されている。

また、補助磁石２６は、ロータコア２２の周方向に沿った磁束を生じさせるように磁化方向（磁極方向）が設定されている。補助磁石２６の磁極は、磁石磁極部２３側をＮ極とし、突極２５側をＳ極として各磁極それぞれに同極性が対向するように配置されている。補助磁石２６と主磁石２４とは、嵌合孔２３ａの長手方向の両端にロータコア２２に一体形成された端部側連結部２７を介して連結されている。

因みに、補助磁石２６の残留磁束密度（Ｂｒ）は、主磁石２４よりも低くして構成されている。これにより、ロータ２０を構成するのに必要となる磁石のコスト低減を図ることが可能となる。この場合、主磁石２４として希土類磁石を、補助磁石２６としてフェライト磁石を用いて構成することが好ましい。

次に、図２（ａ）（ｂ）を用いて、本実施形態と比較例とにおけるロータ２０の磁束の状態について説明する。尚、図２中の主磁石２４及び補助磁石２６に記載した矢印は磁化方向を示している。

図２（ｂ）は、空隙Ｋに補助磁石２６を配置しない比較例としてのロータ３０を示す。ロータ３０の構成では、全磁極を主磁石２４で構成した通常構成のロータに比べて、突極２５での磁束の強制力が弱くなりロータ３０内の磁束密度分布に偏りが生じることで主磁石２４から発生する磁束が磁極間を短絡し易い状態となる。例えば、主磁石２４から発生する磁束Ｇ１の一部は、磁石磁極部２３の端部側連結部２７を短絡する漏れ磁束ＧＭ１や、側面２３ｂから側面２５ａに向かって空隙Ｋを周方向に流れ突極２５内に短絡する漏れ磁束ＧＭ２となる。つまり、磁石磁極部２３から対向するティース１１ａに向けて発生させた磁束Ｇ１の一部がモータトルクに寄与しない漏れ磁束ＧＭ１，ＧＭ２となりモータの出力低下の原因となる。

一方、図２（ａ）に示す本実施形態のロータ２０では、補助磁石２６から発生する磁束の一部は、例えば補助磁石２６の側面２３ｂ（Ｎ極）側からロータ２０の径方向外側を経由して補助磁石２６の側面２５ａ（Ｓ極）側に向かって流れる磁束ＧＢ１や、側面２３ｂ側から空隙Ｋの径方向内側（ロータコア２２内部）を経由してＳ極側に向かう磁束ＧＢ２として流れる。磁束ＧＢ１，ＧＢ２を含め補助磁石２６から発生する磁束は、端部側連結部２７から所定の領域Ｒ（図中の破線で囲んだ部分）を磁気的にほぼ飽和させる。これにより、図２（ｂ）に示す漏れ磁束ＧＭ１の発生を低減することができる。また、補助磁石２６を各磁極それぞれに同極性を対向させた磁気抵抗として空隙Ｋに介在させることで漏れ磁束ＧＭ２の発生を低減させることができる。従って、補助磁石２６を各磁極間に設けることで漏れ磁束ＧＭ１，ＧＭ２を低減させ、主磁石２４から対向するティース１１ａに向かって流れる磁束Ｇ１を増大させることができる。つまり、主磁石２４の磁束Ｇ１をモータトルクの発生に効果的に寄与させることができる。

また、図２（ｂ）に示す比較例でのロータ３０の構成において、空隙Ｋの周方向の幅を十分設けて磁石磁極部２３と突極２５とを磁気的に離間させることで、漏れ磁束ＧＭ２を低減させることが考えられる。例えば、空隙Ｋの幅をロータ２０とステータ１０との間の空隙（図示略）の幅の３倍程度の大きさとすることで好適に漏れ磁束ＧＭ２を低減させることが可能となる。しかし、空隙Ｋの幅（大きさ）を増大させることは、ロータ２０を大型化させる要因となる。これに対し、本実施形態のロータ２０では、補助磁石２６を用いて各磁極間を磁気的に離間させることで漏れ磁束ＧＭ２の発生を低減しつつ、空隙Ｋの幅、即ち各磁極間の距離を小さくすることができる。つまり、ロータ２０の小型化を図ることが可能となる。

さらに、補助磁石２６は、磁束の強制力のある磁石磁極部２３と、磁束の強制力のない突極２５との間に配置されている。従って、全磁極を主磁石２４で構成した通常構成のロータのように強制力のある主磁石２４間に補助磁石２６を設ける場合に比べて、本実施形態のロータ２０では、補助磁石２６から発生する磁束はステータ１０に向かって流れ易くなる。例えば磁束ＧＢ１は、突極２５の先端からステータ１０に向かって流れ対向するティース１１ａを鎖交する。つまり、本実施形態のような所謂コンシクエントポール型のロータ２０の構造において、各磁極間に補助磁石２６を設けることで対向するステータ１０に対して磁束を発生させモータトルクに有効な磁束量を増大させることが可能となる。そして、ロータ２０の構成を、補助磁石２６を含めた適正な構成とすることでモータＭの小型高出力化が期待できる。

因みに、以降は、本実施形態のロータ２０に設けた補助磁石２６の具体的な設定について説明する。
図３に示すように、主磁石２４の周方向の中心位置を通り径方向に延びる直線を中心軸Ｌ１として、その中心軸Ｌ１と直交する直線を軸Ｌ２とする。また図中の軸Ｌ３は、補助磁石２６の磁化方向を示している。本実施形態では、中心軸Ｌ１上において補助磁石２６の磁化方向、即ち軸Ｌ３と軸Ｌ２とのなす角度（以下、磁化配向角度という）θが後述の好適角度に設定されている。つまり、補助磁石２６の磁化方向は、主磁石２４の磁極の中心軸Ｌ１と直交する軸Ｌ２に対して所定の角度をもって配置されている。

次に、磁化配向角度θを変化させたときのロータ２０のトルク比を表した特性図を図４に示す。尚、図中の縦軸はトルク比（％）を示し、補助磁石２６を配置しない場合、即ち補助磁石を設けない構成のロータ２０におけるモータＭのトルクを「１００％」として示している。また横軸は、磁化配向度をθ、ロータ２０の極対数をＰ（本実施形態では「４」）として、「θ／（３６０°／（２・Ｐ））」で表される値を示している。例えば、磁化配向角度θが「４５°」の場合に、「θ／（３６０°／（２・Ｐ））」の値は「１」となる。

図４に示すように、本出願人によるシミュレーション等を行った結果、０．４≦θ／（３６０°／（２・Ｐ））≦２．３５（Ｐ＝４の場合、磁化配向角度θが１８°≦θ≦１０５．７５°）の範囲Ｈ１では、トルク比が１０５％以上となり十分なトルクが得られる好ましい範囲となることが分かった。さらに、１≦θ／（３６０°／（２・Ｐ））≦１．７５（Ｐ＝４の場合、磁化配向角度θが４５°≦θ≦７８．７５°）の範囲Ｈ２では、トルク比が１０６％以上となりトルク比がほぼ最大値となることが分かった。従って、本実施形態のロータ２０は、この条件に基づいた磁化配向角度θの設定がなされることで、モータＭのトルクを確実に向上させることが期待できる。

次に、本実施形態の特徴的な作用効果を記載する。
（１）本実施形態のロータ２０は、主磁石２４が埋め込まれた磁石磁極部２３と反対磁極として機能する突極２５との間設けられた空隙Ｋに、それぞれの磁極に同極性が対向するように周方向に沿った磁束を生じさせる補助磁石２６が配置されて構成されている。補助磁石２６から発生する磁束（磁束ＧＢ１，ＧＢ２）は、主磁石２４の両側の端部側連結部２７から所定の領域Ｒを磁気的にほぼ飽和させることで、端部側連結部２７を短絡する漏れ磁束ＧＭ１が低減される。また、各磁極それぞれに同極性を対向させた補助磁石２６自身が磁気抵抗として空隙Ｋに介在するため、空隙Ｋを短絡する漏れ磁束ＧＭ２の発生が低減される。従って、補助磁石２６を設けることで漏れ磁束ＧＭ１，ＧＭ２が低減され、主磁石２４から発生する磁束Ｇ１をモータトルクの発生に効果的に寄与でき、モータＭの高出力化を図ることができる。

（２）本実施形態のロータ２０では、補助磁石２６が空隙Ｋに配置されることで、各磁極間を磁気的に離間させることができる。これにより、空隙Ｋの幅を小さくすることができ、ロータ２０の小型化を図ることが可能となる。

（３）本実施形態において、補助磁石２６には、磁束の強制力のない突極２５が隣接することから、補助磁石２６から発生する磁束の一部（磁束ＧＢ１）は、その突極２５側に誘導されることなく、ステータ１０のティース１１ａに向かって流れる。つまり、補助磁石２６の磁束の一部もモータトルクの発生に寄与でき、高出力化を図ることが可能となる。

（４）本実施形態では、補助磁石２６の磁化方向は、主磁石２４の磁極の中心軸Ｌ１と直交する軸Ｌ２に対して磁化配向角度θを以て配置されている。そして、磁化配向角度θの設定を、極対数をＰとして、「θ／（３６０°／（２・Ｐ））」の値を範囲Ｈ１（０．４≦θ／（３６０°／（２・Ｐ））≦２．３５）に設定することでモータＭのトルクを確実に向上させることが可能となる。さらに、「θ／（３６０°／（２・Ｐ））」の値を範囲Ｈ２（１≦θ／（３６０°／（２・Ｐ））≦１．７５）に設定することで、モータＭのトルクを最大値付近まで確実に向上させることが可能となる。

（５）本実施形態の補助磁石２６の残留磁束密度（Ｂｒ）は、主磁石２４よりも低くして構成されている。これにより、補助磁石２６に残留磁束密度の高い高価な磁石を用いなくて済み、ロータ２０を構成するのに必要となる磁石のコスト低減を図ることが可能となる。この場合、主磁石２４として希土類磁石が用いられ、補助磁石２６としてフェライト磁石が用いられる。これにより、コスト低減を図りながらロータ２０を適正な構成とすることが可能となる。

尚、本発明の実施形態は、以下のように変更してもよい。
・上記実施形態では、補助磁石２６と主磁石２４とは、嵌合孔２３ａの長手方向の両端に端部側連結部２７を介して連結されていたが、例えば図５に示すように、端部側連結部２７を省略して主磁石２４を補助磁石２６により周方向から直接当接して保持する構成としてもよい。これにより、主磁石２４の端部において磁束が短絡する部分（漏れ磁束ＧＭ１が生じる部分）である端部側連結部２７がなくなり（補助磁石２６自身が磁気抵抗となり）、漏れ磁束の低減を図ることができる。

また、上記実施形態では、補助磁石２６は、外側面２６ａがロータ２０の外周に沿った位置で空隙Ｋに嵌合されていたが、例えば図５に示すように、磁石磁極部２３と突極２５とを空隙Ｋの径方向外側で連結する外周側連結部４１を形成し、その外周側連結部４１の径方向内側に補助磁石２６を配置して保持する構成としてもよい。これにより、補助磁石２６をロータコア２２に対してより強固に固定することが可能となる。この場合に、外周側連結部４１をロータコア２２の他の部位より磁気抵抗を高く構成（薄肉加工や、レーザ照射による非磁性化等）することで、好適に漏れ磁束を低減させることができる。

・上記実施形態では、補助磁石２６の形状は一例であり、その形状を適宜変更してもよい。例えば、空隙Ｋに完全に嵌合する形状に形成してもよい。
・上記実施形態では、ロータコア２２及びステータコア１１を磁性金属板材の積層にて構成したが、このような積層型のコアに限らず、例えば磁性粉体の成形にてコアを構成してもよい。

・上記実施形態において、ロータ２０は、磁石磁極部２３に主磁石２４を埋め込む、所謂ＩＰＭ型に構成されたが、これに限定されず、例えばロータコア２２の外周面の表面に主磁石２４を配置した、所謂ＳＰＭ型のコンシクエントポール型構造のロータに変更してもよい。

・上記実施形態でのロータ２０の磁極数、ステータ１０の磁極数は一例であり、適宜変更してもよい。

２０，３０…ロータ、２２…ロータコア、２３…磁石磁極部、２４…主磁石（界磁磁石）、２５…突極、２６…補助磁石、４１…外周側連結部４１（連結部）、Ｋ…空隙、Ｇ１，ＧＢ１，ＧＢ２…磁束、Ｈ１，Ｈ２…範囲、Ｌ１…中心軸、Ｌ２…軸、Ｍ…モータ、θ…磁化配向角度（角度）。

Claims (7)

1. ロータコアの周方向に一方の磁極の界磁磁石を有する磁石磁極部が複数形成されるとともに、各磁石磁極部間に前記ロータコアに一体形成された突極が配置され、前記突極を他方の磁極として機能するように構成されたロータであって、
   前記界磁磁石を主磁石とし、その主磁石を有する前記磁石磁極部と前記突極との間に、それぞれと同極性が対向するように周方向に沿った磁束を生じさせる補助磁石が介装されて構成され、
   前記主磁石の周方向の中心位置を通る径方向の直線を中心軸とし、
   前記中心軸に対して直交する軸と、前記補助磁石の磁化方向とが前記中心軸上でなす角度θは、前記ロータコアの極対数をＰとした場合に、
   １≦θ／（３６０°／（２・Ｐ））≦１．７５
   の範囲内に設定されてい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、
   前記磁石磁極部と前記突極との間には空隙が設けられ、
   前記空隙の径方向外側において前記磁石磁極部と前記突極との間に前記補助磁石が介装されてい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、
   前記磁石磁極部には前記主磁石が埋め込まれていることを特徴とするロータ。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のロータにおいて、
   前記補助磁石は、前記主磁石よりも残留磁束密度を低くして構成されたことを特徴とするロータ。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のロータにおいて、
   前記主磁石は、希土類磁石よりなり、
   前記補助磁石は、フェライト磁石よりなることを特徴とするロータ。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のロータにおいて、
   前記主磁石は、前記補助磁石により周方向から保持され、
   前記磁石磁極部と前記突極とは、前記補助磁石の径方向外側で連結部により連結され、
   前記補助磁石は、前記連結部により径方向に保持され、
   前記連結部は、前記ロータコアの他の部位より磁気抵抗を高くして構成されたことを特徴とするロータ。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載のロータを備えたことを特徴とするモータ。

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