JP2002335658A

JP2002335658A - モータ

Info

Publication number: JP2002335658A
Application number: JP2001137093A
Authority: JP
Inventors: Katsuyoshi Kawasaki; 勝義川崎; Itsuo Watanabe; 逸男渡辺
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2001-05-08
Filing date: 2001-05-08
Publication date: 2002-11-22

Abstract

(57)【要約】【課題】永久磁石の磁力によるコギングトルクを軽減
したモータを提供する。【解決手段】回転軸周りに正負の磁極が交互に形成さ
れた磁石体(22)を含む回転子(20)と、磁石体の磁極に対
向するように配置され、回転磁界を形成する巻線(13a,1
3b)が施された複数の固定子コア(12a,12b)を含む固定子
と、回転子(20)を固定子に回転自在に保持する軸受(15)
と、を備え、磁石体(22)は円板状又は環状（あるいは円
筒状）であってその表裏に形成された各磁極から磁束を
発生し、固定子コア(12a,12b)は、磁石体(22)の表側の
各磁極に対向し、回転軸を中心として環状に配列される
第１の固定子コア配列(12a)と、磁石体の裏側の各磁極
に対向し、回転軸を中心として環状に配列される第２の
固定子コア配列(12b)と、を含む。それにより、円板状
又は環状の磁石体の両面の磁極の磁力をトルクの発生に
用い、コギングトルクも相殺する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、永久磁石を使用するモ
ータの改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１１は、回転子の磁石に円筒型磁石を
用いたブラシレスモータの従来例を説明する一部断面図
である。同図に示すように、モータ１の筒状のベース１
１の内周には、環状に形成された固定子コア１２が取り
付けられている。固定子コア１２は複数の半径方向内方
に突出した磁極片１２１を備え、それぞれの磁極片１２
１には、磁束を発生する巻線１３が巻回されている。こ
の複数の巻線１３を順番に励磁することによって回転磁
界を発生することができる。ベース１１の円筒の軸心部
には固定軸１４が配置される。この固定軸１４に、固定
軸１５の軸心を回転の中心軸とする回転子２０が、軸受
１５を介して回転自在に取り付けられる。回転子２０
は、軸受１５が嵌入された円筒状の基部２１と、この基
部２１に取り付けられた円筒状（あるいは環状）の永久
磁石部２２とによって構成されている。筒状永久磁石部
２２の外周には、径方向に着磁により、Ｎ極及びＳ極が
交互に回転方向に形成されている。各磁極は固定子コア
１２の磁極片１２１と一定間隔を置いて対向している。
回転子２０の回転角度は、回転検出器３０によって検出
され、図示しないモータの制御装置に供給される。回転
検出器３０は、例えば、回転子基部２１の外周に設けら
れた、透過孔などのマーカが形成された回転板３１と、
この回転板３１を挟むようにしてベース１１に設けられ
た発光器及び受光器からなるセンサ３２とによって構成
される。モータの制御装置は、回転検出器３０の出力を
監視し、回転子２０の磁石部２２の磁極２２１の回転位
置に応じて界磁巻線１３の励磁を順次切り替えることに
よって磁界を回転させ、回転子２０を回動させる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、回転子
２０に永久磁石２２を使用し、固定子コア１２には一般
に珪素鋼板を使用するので、両者間に磁気吸引力が作用
する。また、回転子２０、固定子コア１２の組立形状に
ばらつきも生じ得る。この結果、回転子を回転させる
と、磁気吸引力に起因するトルクの変動、いわゆるコギ
ングが発生する。コギングトルクが大きいと、モータの
振動・騒音等の原因となる。

【０００４】また、回転子２０の筒状の磁石部２２は、
Ｎ極及びＳ極（正及び負の極）対の磁極を外周のみなら
ず内周にも形成するが、従来構成では、外周側の磁極２
２１の磁力しか回転子２０のトルク発生に利用できな
い。

【０００５】よって、本発明は、永久磁石の磁力による
コギングトルクを軽減したモータを提供することを目的
とする。

【０００６】また、本発明は、永久磁石の正負の磁極の
各磁力を有効に使用するようにしたモータを提供するこ
とを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明のモータは、回転軸周りに正負の磁極が交互に形
成された磁石体を含む回転子と、上記磁石体の磁極に対
向するように配置され、回転磁界を形成する巻線が施さ
れた複数の固定子コアを含む固定子と、上記回転子を上
記固定子に回転自在に保持する軸受と、を備え、上記磁
石体は円板状又は環状（あるいは円筒状）であってその
表裏に形成された各磁極から磁束を発生し、上記固定子
コアは、上記磁石体の表側の各磁極に対向し、上記回転
軸を中心として環状に配列される第１の固定子コア配列
と、上記磁石体の裏側の各磁極に対向し、上記回転軸を
中心として環状に配列される第２の固定子コア配列と、
を含む。

【０００８】かかる構成とすることによって、円板状又
は環状の磁石体の両面の磁極の磁力をトルクの発生に用
いることが可能となる。

【０００９】好ましくは、上記円板状の磁石体は、各磁
極が径方向に延在し、かつ正及び負の磁極が周方向に交
互に配列される。また、上記環状の磁石体は、各磁極が
回転軸方向に延在しかつ正及び負の磁極が周方向に交互
に配列される。

【００１０】好ましくは、上記第１及び第２の固定子コ
ア配列が上記磁石体を挟みこむ構造である。それにによ
って、上記磁石体を両側から回転駆動することが可能と
なる。

【００１１】好ましくは、上記回転子及び上記固定子は
筒状に形成される。それによって、環状あるいは円筒状
に形成される回転子と固定子とを同心円状の配置として
組み立てることができる。

【００１２】好ましくは、同心円状に配置される上記第
１及び第２の固定子コア配列は同じ数の固定子コアから
なり、かつ上記第１の固定子コア配列の各固定子コアの
角度位置とこれに対応する上記第２の固定子コア配列の
各固定子コアの角度位置とをずらしてコギングトルクを
減少する。

【００１３】かかる構成とすることによって、第１の固
定子コア配列によって生ずるコギングトルクと第２の固
定子コア配列によって生ずるコギングトルクとに位相差
が生じ、それらの合成値は単一の固定子コア配列よりも
低い値のコギングトルクとなる。

【００１４】好ましくは、上記第１の固定子コア配列の
各巻線と上記第２の固定子コア配列の各巻線とを互いに
直列接続又は並列接続に切替可能とする。それにより、
モータのトルク発生特性を変えることが可能となる。

【００１５】好ましくは、各ステータコアの巻線の終端
が外部に取り出し可能になされている。それにより、巻
線の接続態様を変えて、トルク制御等を行いことが可能
となる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。

【００１７】図１は、本発明の第１の実施例を示してお
り、同図において図１１と対応する部分には同一符号を
付している。

【００１８】同図に示すように、モータ１の筒状のベー
ス１１の内周には、環状に形成された第１の固定子コア
１２ａが配列され、取り付けられている。固定子コア１
２ａは、例えば、珪素鋼板によって構成される。固定子
コア１２ａは、複数の半径方向内方に突出した磁極片１
２１ａを備え、それぞれの磁極片１２１ａには、磁束を
発生する巻線１３ａが巻回されている。この複数の巻線
１３ａを順番に励磁することによって回転磁界を発生す
ることができる。ベース１１の円筒の軸心部には固定軸
１４が形成されている。固定軸１４はモータ１の回転の
中心軸となっている。この固定軸１４の外周に、第２の
固定子コア１２ｂが環状に配列され、取り付けられてい
る。この複数の巻線１３ａを順番に励磁することによっ
て回転磁界を発生することができる。

【００１９】固定軸１４に軸受１５を介して回転子２０
が取り付けられる。軸受１５としては、本実施の形態で
はアンギュラ玉軸受２コを組み合わせたものを用いてい
るが、これに限らず、例えば、円錐コロ軸受を２個組み
合わせたものや、クロスローラ軸受など、用途等に応じ
て各種軸受（転がり軸以外も含む。）を使用しても良
い。回転子２０は、軸受１５が嵌入された円筒状の基部
２１と、この基部２１に取り付けられた環状あるいは円
筒状の永久磁石部２２とによって構成されている。ここ
で、環状あるいは円筒状は同種形状であることを意味す
る。なお、後述するように、永久磁石部２２を円板状に
形成することとしても良い。永久磁石は、各種のものが
使用可能であるが、特に、高い磁束密度を得ることがで
きる、例えば、サマリウム−コバルト磁石、ネオジム−
鉄−ボロン磁石などの、希土類磁石が好ましい。永久磁
石は、接着あるいは永久磁石を軸方向に貫通させてボル
トにより固定する等、適宜な手段により固定されてい
る。

【００２０】永久磁石部２２の外周には、径方向着磁に
より、Ｎ極及びＳ極の磁極が交互に回転方向に形成され
ている。これに対応して永久磁石部２２の内周には、外
周とは反対極性でＳ極及びＮ極の磁極が交互に回転方向
に形成されている。

【００２１】永久磁石部２２の外周の各磁極は第１の固
定子コア１２ａの列の磁極片１２１ａと一定間隔を置い
て対向している。また、永久磁石部２２の内周の各磁極
は第２の固定子コア１２ｂの列の磁極片１２１ｂと一定
間隔を置いて対向している。このように、回転する磁石
部２２を固定子コア１２ａ及び１２ｂで両側から挟み込
むことによって、磁石部２２の磁束の有効利用が図られ
る。

【００２２】従って、永久磁石部２２は、第１及び第２
の固定子コア１２ａ及び１２ｂによる略２倍の磁力によ
って回転力を発生する。これは、同じトルクを得る場合
には、モータの厚み（径方向の幅）を相対的に減らすこ
とを可能とする。また、永久磁石の両側に磁極片（珪素
鋼板）を配置することにより磁気吸引力が相殺され、磁
気吸引力がバランスしてばらつきが減少する。

【００２３】ここで、第１及び第２の固定子コア１２ａ
及び１２ｂの相互の配置について図２及び図３を参照し
て説明する。図２及び図３は、図１のＡ−Ａ’部分のモ
ータの回転軸に垂直な面を示す断面図である。両図にお
いて、図１と対応する部分には同一符号を付している。

【００２４】図２に示す例では、第１のコア列の単位の
固定子コア１２ａの中心位置と、第２のコア列の単位の
固定子コア１２ｂの中心位置とをθだけずらした構成と
している。また、図３に示す例では、第１のコア列の単
位の固定子コア１２ａの磁極片の幅と、第２のコア列の
単位の固定子コア１２ｂの幅とをガンマだけずらした構
成としている。それにより、磁石部２２と固定子コア１
２との反発・吸引力によるコギングトルクを減少せんと
するものである。

【００２５】図４及び図５は、上記第１及び第２のコア
列相互間の位置をずらした構成によるコギングトルクの
減少を説明する説明図である。図４は、従来構成による
コギングトルクの例を示している。モータの回転角度に
対するコギングトルクｆの変化は、ｆ＝Ａｓｉｎωｔで
表され、回転子２０と固定子１１の位置関係で定まる。

【００２６】これに対し、実施例の構成では、モータが
約２倍のトルクを発生するので従来構成と同じトルクを
得ることを前提とすれば、永久磁石の磁力は１／２で済
む。従って、図５（ａ）及び同（ｂ）に示すように、永
久磁石２２と第１の固定子コア１２ａの配列とによる第
１のコギングトルクｆ１と、永久磁石２２と第２の固定
子コア１２ｂの配列とによる第２のコギングトルクｆ２
との合成となる。第１のコギングトルクｆ１を、ｆ１＝
（１／２）Ａｓｉｎωｔ、第２のコギングトルクｆ２
を、ｆ２＝（１／２）Ａｓｉｎ（ωｔ−θ）と表すと、
合成のコギングトルクｆｔは、図５（ｃ）に示すよう
に、ｆｔ＝Ａｓｉｎ（ωｔ−（１／２）θ）ｃｏｓ（１
／２）θとなる。ここで、θは上述の第１の固定子コア
１２ａの配列と第２の固定子コア１２ｂの配列とのずれ
による位相差である。｜ｆ｜＝Ａ、｜ｆｔ｜＜Ａである
ので、｜ｆｔ｜＜｜ｆ｜となって、２列の固定子コアの
配列をシフトすることによってコギングトルクを減少す
ることができることがわかる。位相差が図３に示すγの
場合にも同様の傾向となる。

【００２７】回転子２０の回転角度は、回転検出器３０
によって検出され、図示しないモータの制御装置に供給
される。回転検出器３０は、例えば、回転子基部２１の
外周に設けられた、透過孔などのマーカが形成された回
転板３１と、この回転板３１を挟むようにしてベース１
１に設けられた発光器及び受光器からなるセンサ３２と
によって構成される。モータの制御装置は、回転検出器
３０の出力を監視し、回転子２０の磁石部２２の磁極の
回転位置に応じて界磁巻線１３ａ及び１３ｂの励磁を順
次切り替えることによって磁界を回転させ、回転子２０
を回動させて速度制御を行う。速度制御は無整流子モー
タに使用される公知の速度制御を適用できる。

【００２８】上記モータ制御装置は、二重に形成された
固定子巻線の接続を切り替えることによってモータの速
度対トルク特性を変えることができる。

【００２９】図６は、各固定子の巻線を三相巻線によっ
て構成されている例を示している。勿論、三相巻線に限
定されるものではない。この例では、制御装置から供給
される三相電源の端子に対して、第１の固定子コア１２
ａの列に形成されるＹ結線された固定子巻線Ｕ１、Ｖ１
及びＷ１と、第２の固定子コア１２ｂの列に形成される
Ｙ結線された固定子巻線Ｕ２、Ｖ２及びＷ２とが並列に
接続されている。

【００３０】また、図７の例では、制御装置から供給さ
れる三相電源の端子に対して、第１の固定子コア１２ａ
の列に形成されるＹ結線された固定子巻線Ｕ１、Ｖ１及
びＷ１と、第２の固定子コア１２ｂの列に形成されるＹ
結線された固定子巻線Ｕ２、Ｖ２及びＷ２とが直列に接
続されている。

【００３１】これ等の並列接続と直列接続の切替はモー
タ制御装置によって図示しないリレースイッチ機構を切
り替えることによって行われる。また、モータの外部に
各巻線の端子を引き出し、これ等を適宜に接続して使用
することとしても良い。いずれにしても、上述したよう
に、それぞれのコイルは分離することなく外部に引き出
された各巻線の端部を適宜繋ぎ替えれば済むので容易に
直列、並列の切替が行える。

【００３２】図８は、２つの固定子巻線を並列接続した
場合と、直列接続した場合の各トルク特性を示すグラフ
である。同図に示すように、並列接続することによって
より高い回転数を得やすくなる。また、直列接続するこ
とによってより低い回転数で高いトルクを得やすくな
る。

【００３３】図９は、本発明の第２の実施例を示してい
る。同図において、図１と対応する部分には同一符号を
付し、かかる部分の説明は省略する。

【００３４】この例では、２つの軸受１５、１５を使用
して回転子２０を回転自在に保持している。回転子２０
の保持を回転軸方向に離間した２つの軸受で保持するこ
とによってより大きいスラスト荷重に耐え、軸心のぶれ
が少ない。軸受１５としては、各種玉軸受、円筒コロ軸
受、円錐コロ軸受等、用途等も考慮し、各種軸受（転が
り軸受以外も含む。）を用いることができる。

【００３５】図１０は、本発明の第３の実施例を示して
いる。同図において、図１と対応する部分には同一符号
を付し、かかる部分の説明は省略する。

【００３６】この例では、回転子２０の磁石部２２が円
板状に形成されている。円板状の磁石部２２には径方向
に延在し、周方向に配列された複数の磁極が形成され
る。この円板の両側にそれぞれ磁極に対向するようにし
て固定子コア１２ａ及び１２ｂが２列に配列される。従
って、図１に示す構成と同様の効果が得られる。このよ
うな構成とすることによって、回転軸方向の寸法の短い
モータが得られる。また、２つの軸受１５、１５を使用
して回転子２０を回転自在に保持している。回転子２０
の保持を回転軸方向に離間した２つの軸受で保持するこ
とによって軸心のぶれが少ない。

【００３７】このように、本発明の実施例によれば、円
筒（あるいは環状）磁石の内周側及び外周側に、あるい
は円板状磁石の両側に、それぞれ磁極に対向するように
界磁巻線列を配置し、界磁巻線列を２重に形成する構成
としているので、永久磁石の磁気吸引力が径方向の外側
及び内側に向かって発生し、磁気吸引力が互いに相殺さ
れ、磁気吸引力が減少する。これにより、回転子軸に作
用する力による軸の偏倚が減少する。コギングトルクも
減少する。更に、内外の固定子コアの中心位置あるいは
磁極片の幅をずらすことにより、更にコギングトルクを
減少させることができる。

【００３８】また、回転子の円筒磁石や円板磁石の両側
の磁力が有効に活用され、トルクが増加するので、相対
的にモータの軸方向の長さを短くしても所要のトルクを
確保可能となり、扁平なモータを形成可能となる。

【００３９】また、二重の界磁巻線を備えるので、これ
等の接続態様を変えることによって、異なる特性でモー
タを動作させることが可能となる。

【００４０】

【発明の効果】以上説明しように、本発明のモータによ
れば、永久磁石モータにおいて生ずるコギングが少ない
ので振動などの生じにくく、トルクの大きいモータを得
ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の第１の実施例を説明する一部
断面図である。

【図２】図２は、第１の実施例のＡ−Ａ’部断面を示す
断面図である。

【図３】図３は、第１の実施例のＡ−Ａ’部断面（他の
構成例）を示す断面図である。

【図４】図４は、従来構成のモータのコギングトルクの
例を説明するグラフである。

【図５】図５（ａ）乃至同図（ｃ）は、本実施例による
コギングトルクの改善を説明するグラフである。

【図６】図６は、実施例の二重固定子巻線を並列接続し
た例を説明する回路図である。

【図７】図７は、実施例の二重固定子巻線を直列接続し
た例を説明する回路図である。

【図８】図８は、二重固定子巻線を並列接続した場合と
直列接続した場合のモータのトルク特性を説明するグラ
フである。

【図９】図９は、本発明の第２の実施例を説明する説明
図である。

【図１０】図１０は、本発明の第３の実施例を説明する
説明図である。

【図１１】図１１は、従来のモータの例を説明する説明
図である。

【符号の説明】

１モータ１１ベース１５軸受１２、１２ａ、１２ｂ固定子コア１３、１３ａ、１３ｂ巻線２０回転子２１回転子基部２２磁石部３０回転検出器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回転軸周りに正負の磁極が交互に形成され
た磁石体を含む回転子と、前記磁石体の磁極に対向するように配置され、回転磁界
を形成する巻線が施された複数の固定子コアを含む固定
子と、前記回転子を前記固定子に回転自在に保持する軸受と、
を備え、前記磁石体は円板状又は環状であってその表裏に形成さ
れた各磁極から磁束を発生し、前記固定子コアは、前記磁石体の表側の各磁極に対向
し、前記回転軸を中心として環状に配列される第１の固
定子コア配列と、前記磁石体の裏側の各磁極に対向し、
前記回転軸を中心として環状に配列される第２の固定子
コア配列と、を含む、モータ。
【請求項２】前記円板状の磁石体は、各磁極が径方向に
延在し、かつ正及び負の磁極が周方向に交互に配列され
る、請求項１記載のモータ。
【請求項３】前記環状の磁石体は、各磁極が回転軸方向
に延在しかつ正及び負の磁極が周方向に交互に配列され
る、請求項１記載のモータ。
【請求項４】前記第１及び第２の固定子コア配列が前記
磁石体を挟みこむ構造である、請求項１乃至３のいずれ
かに記載のモータ。
【請求項５】前記回転子及び前記固定子は、筒状に形成
される、請求項１乃至４のいずれかに記載のモータ。
【請求項６】同心円状に配置される前記第１及び第２の
固定子コア配列は同じ数の固定子コアからなり、かつ前
記第１の固定子コア配列の各固定子コアの角度位置とこ
れに対応する前記第２の固定子コア配列の各固定子コア
の角度位置とをずらしてコギングトルクを減少する、請
求項１乃至５のいずれかに記載のモータ。
【請求項７】前記第１の固定子コア配列の各巻線と前記
第２の固定子コア配列の各巻線とを互いに直列接続又は
並列接続に切替可能である、請求機構１乃至６のいずれ
かに記載のモータ。
【請求項８】各ステータコアの巻線の終端が外部に取り
出し可能になされている、請求項７記載のモータ。