JP5855903B2 - ロータ及びモータ - Google Patents

Description

本発明は、ロータ及びモータに関するものである。

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ロータコアを備え、それらの間に界磁磁石を配置して各爪状磁極を交互に異なる磁極に機能させる所謂永久磁石界磁のランデル型構造のロータがある（例えば、特許文献１参照）。

実開平５−４３７４９号公報

ところで、上記のようなロータを採用したモータでは、爪状磁極同士の周方向の間に極間磁石を配置して爪状磁極間での漏れ磁束の発生を抑える構成を考えることができる。しかしながら、単に極間磁石を配置するだけでは好適にモータの出力を高めることができない虞がある。

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、よりモータ出力を高めることが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に記載の発明は、略円盤状の第１コアベースの外周部に、等間隔に複数の第１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た第１ロータコアと、略円盤状の第２コアベースの外周部に、等間隔に複数の第２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、前記各第２爪状磁極がそれぞれ対応する前記第１ロータコアの各第１爪状磁極間に配置された第２ロータコアと、前記第１コアベースと第２コアベースと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、前記第１爪状磁極を第１の磁極として機能させ、前記第２爪状磁極を第２の磁極として機能させる界磁部材と、前記第１爪状磁極と前記第２爪状磁極との周方向の間に配置され、前記第１及び第２爪状磁極と同じ極極となるように磁化された極間磁石と、前記第１及び第２爪状磁極の背面に配置され、前記第１及び第２の磁極と同極性が径方向外側となるように磁化された補助磁石とを備えたロータであって、前記極間磁石は、前記第１及び第２ロータコアと径方向において空隙を有する態様で配置され、前記極間磁石と前記第１ロータコアとの間の前記空隙は、軸方向から見て、該極間磁石と、該極間磁石の径方向内側の前記第１コアベースと、該極間磁石の周方向に隣接する前記第１爪状磁極と、該極間磁石の周方向に隣接する前記第２爪状磁極の背面に配置される前記補助磁石との間に形成され、前記極間磁石と前記第２ロータコアとの間の前記空隙は、軸方向から見て、該極間磁石と、該極間磁石の径方向内側の前記第２コアベースと、該極間磁石の周方向に隣接する前記第２爪状磁極と、該極間磁石の周方向に隣接する前記第１爪状磁極の背面に配置される前記補助磁石との間に形成されることをその要旨とする。

この発明では、極間磁石は、第１及び第２ロータコアと径方向において空隙を有する態様で配置されるため、極間磁石の径方向内側への短絡磁束を減少させて、極間磁石の磁束を有効利用して、モータ出力を高めることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のロータにおいて、前記空隙の径方向長さＬは、ロータコアと対向するステータ間のエアギャップをＧとしたとき、０＜Ｌ／Ｇ≦４．５となるように構成されたことをその要旨とする。

この発明では、空隙の径方向長さＬは、ロータコアと対向するステータ間のエアギャップをＧとしたとき、０＜Ｌ／Ｇ≦４．５となるように構成されることで、図５に示すようにモータとしてのトルク（出力）を高めることができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載のロータにおいて、前記空隙の径方向長さＬは、前記ロータコアと対向するステータ間のエアギャップをＧとしたとき、１．５≦Ｌ／Ｇとなるように構成されたことをその要旨とする。

この発明では、空隙の径方向長さＬは、ロータコアと対向するステータ間のエアギャップをＧとしたとき１．５≦Ｌ／Ｇとなるように構成される。ここで、例えば、空隙の径方向長さが短い場合、極間磁石の磁束は、ステータ及びロータ間を通らずに内径側に短絡して隣接する補助磁石に対して逆磁界が作用する。そのため、空隙の径方向長さＬを１．５≦Ｌ／Ｇとすることで、図６に示すように補助磁石に対して逆磁界が作用して磁束密度の低下を招くといったことを抑えられる。

請求項４に記載の発明は、請求項２又は３に記載のロータにおいて、前記空隙の長さＬは、１．５≦Ｌ／Ｇ≦３．５となるように構成されたことをその要旨とする。
この発明では、空隙の長さＬは、１．５≦Ｌ／Ｇ≦３．５となるように構成されることで、図５に示すようにモータとしてのトルク（出力）を高い範囲で維持することができる。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載のロータにおいて、前記第１及び第２ロータコアは、前記空隙に非磁性体が配置されてなることをその要旨とする。

この発明では、第１及び第２ロータコアは、前記空隙に非磁性体が配置しても空隙に配置される部材が非磁性体であるため、極間磁石の径方向内側への短絡磁束を減少させて、極間磁石の磁束を有効利用して、モータ出力を高めることができる。

請求項６に記載の発明は、請求項１〜５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、よりモータ出力を高めることができるモータを提供することができる。

従って、上記記載の発明によれば、よりモータ出力を高めることができるロータ及びモータを提供することができる。

実施形態におけるモータの断面図。 （ａ）は同上におけるモータの平面図、（ｂ）は（ａ）の要部拡大図。 同上におけるロータの斜視図。 同上におけるロータの断面図。 同上におけるロータの空隙の径方向長さＬ及びロータ・ステータ間のエアギャップＧの比と、最大トルクの関係を示すグラフ。 同上におけるロータの空隙の径方向長さＬ及びロータ・ステータ間のエアギャップの比と、磁束密度の関係を示すグラフ。

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に示すように、モータ１のモータケース２は、有底筒状に形成された筒状ハウジング３と、該筒状ハウジング３のフロント側（図１中、左側）の開口部を閉塞するフロントエンドプレート４とを有している。また、筒状ハウジング３のリア側（図１中、右側）の端部には、回路基板等の電源回路を収容した回路収容ボックス５が取り付けられている。筒状ハウジング３の内周面にはステータ６が固定されている。ステータ６は、径方向内側に延びる複数のティースを有する電機子コア７と、電機子コア７のティースに巻装されたセグメントコンダクタ（ＳＣ）巻線８とを有する。モータ１のロータ１１は回転軸１２を有し、ステータ６の内側に配置されている。回転軸１２は非磁性体の金属シャフトであって、筒状ハウジング３の底部３ａ及びフロントエンドプレート４に支持された軸受１３，１４により回転可能に支持されている。

ロータ１１は、図３及び図４に示すように、第１及び第２ロータコア２１，２２と、界磁部材としての環状磁石２３（図４参照）と、第１及び第２背面補助磁石２４，２５と、極間磁石２６とを備える。尚、図３及び図４中の実線で示す矢印は各磁石２３，２４，２５，２６の磁化方向（Ｓ極からＮ極向き）を示している。

図３及び図４に示すように、第１ロータコア２１は、略円盤状の第１コアベース２１ａ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２１ｂ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ている。第１爪状磁極２１ｂの周方向端面２１ｃ，２１ｄは径方向に延びる（軸方向から見て径方向に対して傾斜していない）平坦面とされ、第１爪状磁極２１ｂは軸直交方向断面が扇形状とされている。各第１爪状磁極２１ｂの周方向の角度、即ち前記周方向端面２１ｃ，２１ｄ間の角度は、周方向に隣り合う第１爪状磁極２１ｂ同士の隙間の角度より小さく設定されている。

第２ロータコア２２は、図３及び図４に示すように、第１ロータコア２１と同形状であって、略円盤状の第２コアベース２２ａの外周部に、等間隔に複数の第２爪状磁極２２ｂ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ている。第２爪状磁極２２ｂの周方向端面２２ｃ，２２ｄは径方向に延びる平坦面とされ、第２爪状磁極２２ｂは軸直交方向断面が扇形状とされている。各第２爪状磁極２２ｂの周方向の角度、即ち前記周方向端面２２ｃ，２２ｄ間の角度は、周方向に隣り合う第２爪状磁極２２ｂ同士の隙間の角度より小さく設定されている。そして、第２ロータコア２２は、前記各第２爪状磁極２２ｂがそれぞれ対応する各第１爪状磁極２１ｂ間に配置されるようにして、第１コアベース２１ａと第２コアベース２２ａとの軸方向の間に環状磁石２３（図４参照）が配置（挟持）されるようにして第１ロータコア２１に対して組み付けられる。このとき、第１爪状磁極２１ｂの一方の周方向端面２１ｃと第２爪状磁極２２ｂの他方の周方向端面２２ｄとが軸方向に沿って平行をなすように形成されるため、各端面２１ｃ，２２ｄ間の間隙が軸方向に沿って略直線状をなすように形成されることとなる。また、第１爪状磁極２１ｂの他方の周方向端面２１ｄと第２爪状磁極２２ｂの一方の周方向端面２２ｃとが軸方向に沿って平行をなすように形成されるため、各端面２１ｄ，２２ｃ間の間隙が軸方向に沿って略直線状をなすように形成されることとなる。

図３に示すように、環状磁石２３は、その外径が第１及び第２コアベース２１ａ，２２ａの外径と同じに設定され、第１爪状磁極２１ｂ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２２ｂ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。従って、本実施形態のロータ１１は、界磁磁石としての環状磁石２３を用いた所謂ランデル型構造のロータである。ロータ１１は、Ｎ極となる第１爪状磁極２１ｂと、Ｓ極となる第２爪状磁極２２ｂとが周方向に交互に配置されており、磁極数が１０極（極対数が５個）となる。ここで、極対数が３以上の奇数であるため、ロータコア単位で見ると同極の爪状磁極同士が周方向１８０°対向位置とならないため、磁気振動に対して安定する形状となる。

各第１爪状磁極２１ｂの背面２１ｅ（径方向内側の面）と第２コアベース２２ａの外周面２２ｆとの間には、第１背面補助磁石２４が配置されている。第１背面補助磁石２４は、その軸直交方向断面が扇形状とされ、第１爪状磁極２１ｂの背面２１ｅに当接する側が第１爪状磁極２１ｂと同極のＮ極に、第２コアベース２２ａの外周面２２ｆに当接する側が同第２コアベース２２ａと同極のＳ極となるように磁化されている。

また、各第２爪状磁極２２ｂの背面２２ｅには、第１爪状磁極２１ｂと同様に、第２背面補助磁石２５が配置されている。前記第１背面補助磁石２４及び第２背面補助磁石２５としては、例えばフェライト磁石を用いることができる。第２背面補助磁石２５は、その軸直交方向断面が扇形状とされ、背面２２ｅに当接する側がＳ極に、第１コアベース２１ａの外周面２１ｆに当接する側がＮ極となるように磁化されている。

第１背面補助磁石２４と第２背面補助磁石２５とは、環状磁石２３が配置されるロータ１１の軸方向位置で互いに軸方向に重なるように、言い換えると、ロータ１１の両面から環状磁石２３が配置される軸方向位置に達するまで配置されるように軸方向の長さが設定されている。

図３に示すように、第１爪状磁極２１ｂと第２爪状磁極２２ｂとの周方向の間には、極間磁石２６，２７が配置されている。詳述すると、第１極間磁石２６は、第１爪状磁極２１ｂの一方の周方向端面２１ｃと前記第１背面補助磁石２４の周方向端面とで形成される平坦面と、第２爪状磁極２２ｂの他方の周方向端面２２ｄと前記第２背面補助磁石２５の周方向端面とで形成される平坦面との間に嵌合され固定されている。第１極間磁石２６の径方向内側端面２６ａと、第１及び第２コアベース２１ａ，２２ａの外周面２１ｆ，２２ｆとの間には、径方向長さＬとされた空隙Ｋが形成されている。

この空隙Ｋは、図２（ａ）（ｂ）に示すように、その径方向長さＬがステータ６の内周面とロータ１１の外周面との径方向におけるエアギャップをＧとした場合に、０＜Ｌ／Ｇ≦４．５となるように形成されることが望ましく、１．５≦Ｌ／Ｇとされることが望ましい。また、より好ましくは１．５≦Ｌ／Ｇ≦３．５となるように形成されることが望ましい。

また、第２極間磁石２７は、第１極間磁石２６と同形状であって、第１爪状磁極２１ｂの他方の周方向端面２１ｆと第１背面補助磁石２４の周方向端面とで形成される平坦面と、第２爪状磁極２２ｂの一方の周方向端面２２ｅと第２背面補助磁石２５の周方向端面とで形成される平坦面との間に嵌合固定され、径方向内側端面２７ａと第１及び第２コアベース２１ａ，２２ａの外周面２１ｆ，２２ｆとの間に空隙Ｋが形成されている。第１及び第２極間磁石２６，２７は、第１及び第２爪状磁極２１ｂ，２２ｂのそれぞれと同極性が対向するように（第１爪状磁極２１ｂ側がＮ極で、第２爪状磁極２２ｂ側がＳ極となるように）周方向に磁化されている。

上記のように構成されたモータ１は、回路収容ボックス５内の電源回路を介してセグメントコンダクタ（ＳＣ）巻線８に３相の駆動電流が供給されると、ステータ６でロータ１１を回転させるための磁界が発生され、ロータ１１が回転駆動される。

次に、上記のように構成されたモータ１の作用について説明する。
本実施形態のモータ１のロータ１１は、第１及び第２極間磁石２６，２７の径方向内側の端面２６ａ，２７ａと、第１及び第２コアベース２１ａ，２２ａの外周面２１ｆ，２２ｆの間に径方向長さＬとされた空隙Ｋが形成される。このため、極間磁石２６，２７から径方向内側への短絡磁束を減らして極間磁石２６，２７の磁束をモータ出力として有効に作用される。

また、空隙Ｋは、その径方向長さＬがステータ６の内周面とロータ１１の外周面との径方向におけるエアギャップをＧとした場合に、０＜Ｌ／Ｇ≦４．５となるように形成されるため、図５中のＸの範囲のトルクを得てモータ出力が高められる。更に、空隙Ｋを、１．５≦Ｌ／Ｇ≦３．５となるように形成することで図５中のＹの範囲のより高いトルクを得てモータ出力が高められる。

ここで、例えば、空隙Ｋの径方向長さＬが短い場合、極間磁石２６，２７の磁束は、ステータ６及びロータ１１間を通らずに内径側に短絡して隣接する背面補助磁石２４，２５に対して逆磁界が作用する。そこで、例えば空隙Ｋを１．５≦Ｌ／Ｇとすることで、図６に示すＺの範囲の磁束密度を得ることができ、背面補助磁石２４，２５に対して逆磁界が作用して磁束密度の低下を招くといったことを抑えられる。

次に、本実施形態の特徴的な効果を記載する。
（１）極間磁石２６，２７は、第１及び第２ロータコア２１，２２と径方向において空隙Ｋを有する態様で配置されるため、極間磁石２６，２７の径方向内側への短絡磁束を減少させて、極間磁石２６，２７の磁束を有効利用して、モータ出力を高めることができる。

（２）空隙Ｋの径方向長さＬは、ロータコア２１，２２と対向するステータ６間のエアギャップをＧとしたとき、０＜Ｌ／Ｇ≦４．５となるように構成されることで、図５に示すようにモータとしてのトルク（出力）を高めることができる。

（３）空隙Ｋの径方向長さＬは、１．５≦Ｌ／Ｇとなるように構成されることで、背面補助磁石に対して逆磁界が作用して磁束密度の低下を招くといったことを抑えられる。
（４）空隙Ｋの長さＬは、１．５≦Ｌ／Ｇ≦３．５となるように構成されることで、図５に示すようにモータとしてのトルク（出力）を高い範囲で維持することができる。

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、特に言及していないが、前記空隙Ｋに非磁性部材を配置してもよい。このような構成であっても、空隙Ｋに配置される部材が磁性体であるため、極間磁石２６，２７の径方向内側への短絡磁束を減少させて、極間磁石２６，２７の磁束を有効利用して、モータ出力を高めることができる。

・上記実施形態では、界磁磁石として１つの環状磁石２３を用いたが、複数に分割した永久磁石を回転軸１２の周囲で第１及び第２コアベース２１ａ，２２ａの軸方向間に配置する構成を採用してもよい。

・上記実施形態では、特に言及していないが、第１及び第２ロータコア２１，２２と電機子コア７は、例えば磁性金属板材の積層や、磁性粉体の成形にて構成してもよい。
・上記実施形態では、ステータ６のティースへの巻線の巻回方法について特に言及していないが、集中巻や分布巻を用いてもよい。

１…モータ、６…ステータ、１１…ロータ、２１…第１ロータコア、２１，２２…ロータコア、２１ａ…第１コアベース、２１ｂ…第１爪状磁極、２１ｅ，２２ｅ…背面、２２…第２ロータコア、２２ａ…第２コアベース、２２ｂ…第２爪状磁極、２４…補助磁石としての第１背面補助磁石、２５…補助磁石としての第２背面補助磁石、２６，２７…極間磁石、Ｋ…空隙。

Claims (6)

1. 略円盤状の第１コアベースの外周部に、等間隔に複数の第１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た第１ロータコアと、
   略円盤状の第２コアベースの外周部に、等間隔に複数の第２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、前記各第２爪状磁極がそれぞれ対応する前記第１ロータコアの各第１爪状磁極間に配置された第２ロータコアと、
   前記第１コアベースと第２コアベースと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、前記第１爪状磁極を第１の磁極として機能させ、前記第２爪状磁極を第２の磁極として機能させる界磁磁石と、
   前記第１爪状磁極と前記第２爪状磁極との周方向の間に配置され、前記第１及び第２爪状磁極と同じ極極となるように磁化された極間磁石と、
   前記第１及び第２爪状磁極の背面に配置され、前記第１及び第２の磁極と同極性が径方向外側となるように磁化された補助磁石と
   を備えたロータであって、
   前記極間磁石は、前記第１及び第２ロータコアと径方向において空隙を有する態様で配置され、
   前記極間磁石と前記第１ロータコアとの間の前記空隙は、軸方向から見て、該極間磁石と、該極間磁石の径方向内側の前記第１コアベースと、該極間磁石の周方向に隣接する前記第１爪状磁極と、該極間磁石の周方向に隣接する前記第２爪状磁極の背面に配置される前記補助磁石との間に形成され、
   前記極間磁石と前記第２ロータコアとの間の前記空隙は、軸方向から見て、該極間磁石と、該極間磁石の径方向内側の前記第２コアベースと、該極間磁石の周方向に隣接する前記第２爪状磁極と、該極間磁石の周方向に隣接する前記第１爪状磁極の背面に配置される前記補助磁石との間に形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、
   前記空隙の径方向長さＬは、前記ロータコアと対向するステータ間のエアギャップをＧとしたとき、０＜Ｌ／Ｇ≦４．５となるように構成された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、
   前記空隙の径方向長さＬは、前記ロータコアと対向するステータ間のエアギャップをＧとしたとき、１．５≦Ｌ／Ｇとなるように構成されたことを特徴とするロータ。
4. 請求項２又は３に記載のロータにおいて、
   前記空隙の長さＬは、１．５≦Ｌ／Ｇ≦３．５となるように構成されたことを特徴とするロータ。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載のロータにおいて、
   前記第１及び第２ロータコアは、前記空隙に非磁性体が配置されてなることを特徴とするロータ。
6. 請求項１〜５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。