JP5307611B2 - モータ - Google Patents

Description

本発明は、通常構造とコンシクエントポール型構造とが混在する構成のロータを備える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の第５図に示されているように、両磁極のマグネットをロータコアの外周面に固着されて構成されるＳＰＭ構造のロータや、同文献１の第８図に示されているように、省資源や低コスト等の観点から使用するマグネットを単一磁極のみとしてその使用量を半分とし、そのマグネットとロータコアに形成された突極とで構成されるコンシクエントポール構造のロータ等が知られている。

特開２００８−１２５２０３号公報

ところで、本発明者は、両磁極のマグネットを用いて構成される部分（第１構成部）とコンシクエントポールにて構成される部分（第２構成部）とを軸方向に組み合わせたロータを構成することを検討している。その際、第２構成部の突極が第１構成部のマグネットと軸方向においても並ぶ構成となるため、第１及び第２構成部の単純な配置が有効かどうかが不明で、各構成部の相互の配置態様をいかにしたら有効磁束が増加し、モータの高出力化が可能かの検討が十分ではなかった。

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、通常構造の第１構成部とコンシクエントポール型構造の第２構成部とを組み合わせた構成のロータを用い、第１及び第２構成部の配置態様の適正化を図り、有効磁束量の増加、ひいては高出力化を図ることができる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、ステータコアにコイルが巻回されてなるステータと、ロータコアにマグネットがＳＰＭ構造で固定されてなるロータとを備えたモータであって、前記ロータは、Ｎ極及びＳ極のマグネットが周方向に交互に配置された第１構成部と、Ｎ極及びＳ極の一方側のマグネットが前記第１構成部の同極のマグネットと軸方向に並んで配置されるその一方側のマグネットと、他方側の磁極として機能する前記ロータコアに設けた突極とが周方向に交互に配置された第２構成部とを備えており、前記ロータと前記ステータとの間の空隙の距離をｇ、軸方向に並んで配置される前記第２構成部の突極と前記第１構成部のマグネットとの磁気的離間部の距離をｈとすると、その距離の比ｈ／ｇが、０＜ｈ／ｇ≦３．０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、ロータは、両極のマグネットを使用した通常構成の第１構成部と、単極のマグネットのみを使用し他極は突極で構成したコンシクエントポール型の第２構成部とを備えて構成され、モータは、ロータとステータとの間の空隙の距離をｇ、軸方向に並んで配置されるロータの第２構成部の突極と第１構成部のマグネットとの間の磁気的離間部の距離をｈとした場合、その距離の比ｈ／ｇが、０＜ｈ／ｇ≦３．０の範囲内のいずれかに設定されて構成される。これにより、距離の比ｈ／ｇをゼロ、即ち第２構成部の突極と第１構成部のマグネットとを接触させる単に第１，第２構成部を組み合わせただけの場合と比べて有効磁束量が増加し（図３参照）、モータの高出力化に寄与できる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のモータにおいて、前記距離の比ｈ／ｇが、０．４≦ｈ／ｇ≦３．０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、距離の比ｈ／ｇが、０．４≦ｈ／ｇ≦３．０の範囲内のいずれかに設定される。つまり、漏れ磁束量比率の検討を加えると、漏れ磁束量比率よりも有効磁束量比率が上回ることで、漏れ磁束量を差し引いてもモータとしての有効磁束量が増加するため（図３参照）、より確実に高出力化が図られる。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のモータにおいて、前記距離の比ｈ／ｇが、０．４≦ｈ／ｇ≦１．７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、距離の比ｈ／ｇが、０．４≦ｈ／ｇ≦１．７の範囲内のいずれかに設定される。つまり、上記した０．４≦ｈ／ｇ≦３．０の範囲の中でも０．４≦ｈ／ｇ≦１．７の範囲は、有効磁束量比率が最大値を含む高水準となるため（図３参照）、確実な高出力化が見込める。

本発明によれば、ロータにおいて通常構造の第１構成部とコンシクエントポール型構造の第２構成部との配置態様の適正化を図り、有効磁束量の増加、ひいては高出力化を図ることができるモータを提供することができる。

本実施形態におけるモータの断面図であり、（ａ）は通常構造部分の断面図、（ｂ）はコンシクエントポール型構造部分の断面図である。 同実施形態におけるロータの斜視図である。 同実施形態における効果を説明するための特性図である。

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）（ｂ）は、本実施形態のブラシレスモータ１０を示す。本実施形態のブラシレスモータ１０は、円環状をなすステータ１１の内側にロータ２１が回転可能に配置されたインナロータ型のブラシレスモータで構成されている。

ステータ１１には、径方向内側に向けて延びる同形状の１２個のティース１２ａが周方向に等角度間隔に設けられる円環状のステータコア１２が用いられている。ステータコア１２は、磁性金属板を軸方向に複数枚積層して構成される積層型コアよりなる。ステータコア１２の各ティース１２ａには、個々にコイルが集中巻きにて巻回、この場合、Ｕ・Ｖ・Ｗ相の三相のコイル１３ｕ１〜１３ｕ４，１３ｖ１〜１３ｖ４，１３ｗ１〜１３ｗ４がそれぞれ所定箇所に巻回され、ステータ１１側の磁極数が「１２」として構成されている。

前記コイルの巻回態様について、本実施形態では、各相４個ずつ合計１２個のコイル１３ｕ１〜１３ｕ４，１３ｖ１〜１３ｖ４，１３ｗ１〜１３ｗ４を有し、同相の２個が隣接するようにＵ相（１３ｕ１）、バーＵ相（１３ｕ２）、バーＶ相（１３ｖ１）、Ｖ相（１３ｖ２）、Ｗ相（１３ｗ１）、バーＷ相（１３ｗ２）、バーＵ相（１３ｕ３）、Ｕ相（１３ｕ４）、Ｖ相（１３ｖ３）、バーＶ相（１３ｖ４）、バーＷ相（１３ｗ３）、Ｗ相（１３ｗ４）の順に巻回されている（バー付きは逆巻きの意）。同相の隣同士ではコイル巻回方向が逆とされ、また１８０°対向位置同士でもコイル巻回方向が逆とされている。異相の隣同士ではコイル巻回方向が同じとされている。

図１（ａ）（ｂ）及び図２に示すように、ロータ２１は、軸方向に第１構成部２１Ａと第２構成部２１Ｂとの２つの構成が組み合わされて構成されている。第１構成部２１Ａは、前記ステータコア１２の軸方向長さの１／２をなし該ステータコア１２の対向部位における軸方向一方側に配置され、軸方向長さが同じく１／２の第２構成部２１Ｂは、第１構成部２１Ａと連続させてステータコア１２の対向部位における軸方向他方側に配置されている。

第１構成部２１Ａでは、磁性金属板材を複数枚積層してなる円筒状のロータコア２２が用いられ、ロータコア２２の外周面には、周方向に磁極が交互となるようにＮ極及びＳ極の合計１０個のマグネット２３ｎ，２３ｓがそれぞれ固着されるＳＰＭ構造をなし、磁極数が「１０」として構成されている。マグネット２３ｎ，２３ｓは、径方向視で矩形状、軸方向視で周方向に一定厚さの円弧状をなし、３６°の等角度間隔に並んで配置されている。マグネット２３ｎ，２３ｓは、径方向の着磁がなされたラジアル配向磁石が用いられている。

第２構成部２１Ｂでは、磁性金属板材を複数枚積層して構成され、７２°の等角度間隔に５個の突極２４ａを有する略円筒状のロータコア２４が用いられ、該ロータコア２４は、前記ロータコア２２と同じ軸方向長さで該ロータコア２２と一体に連結されている。ロータコア２４に一体に形成される突極２４ａは、マグネット２３ｎ等と同一形状とされている。また、突極２４ａは、前記第１構成部２１ＡのＳ極のマグネット２３ｓと軸方向に並ぶように（磁極中心が一致するように）設けられている。

ロータコア２２の各突極２４ａ間の凹所には、Ｎ極のみの合計５個のマグネット２５ｎ（前記マグネット２３ｎと一体でも可）がそれぞれ固着、この場合、７２°の等角度間隔にそれぞれ固着されている。マグネット２５ｎは、マグネット２３ｎ等と同一形状で同じくラジアル配向磁石が用いられ、そのマグネット２３ｎと軸方向に並ぶように（磁極中心が一致するように）設けられている。この第２構成部２１Ｂにおいても、Ｎ極のマグネット２５ｎによる磁極数が「５」、Ｓ極として機能する突極２４ａ（所謂コンシクエントポール）の磁極数が「５」で合計「１０」の磁極が構成されている。

また、ロータ２１において、マグネット２３ｎ，２５ｎは軸方向に連続するように設けられる一方、マグネット２３ｓと突極２４ａとの間には空隙Ｇ１が設定されている。空隙Ｇ１には樹脂が充填されていてもよい。この空隙Ｇ１は、個々のマグネット２３ｓと突極２４ａとにおいて周方向に一定の距離ｈをなし、ロータ２１とステータ１１との間の空隙Ｇ０の距離ｇ（周方向に一定）に対して所定の比率に設定されている。

図３は、マグネット２３ｓと突極２４ａとの間の空隙Ｇ１（短絡磁束防止ギャップ）の距離ｈと、ロータ２１とステータ１１との間の空隙Ｇ０（エアギャップ）の距離ｇとの比ｈ／ｇに対する有効磁束量比率、及び漏れ磁束量比率を示している。尚、これらの測定は、ロータ２１の軸方向長さを一定としてのものであり、軸方向の大型化への配慮がなされてのものである。つまり、空隙Ｇ１の距離ｈが増加するに連れて、マグネット２３ｓの軸方向長さが減少することとなる。

同図３に示すように、先ず有効磁束量比率について、前記空隙Ｇ１，Ｇ０の距離の比ｈ／ｇがゼロ、即ちマグネット２３ｓと突極２４ａとを接触させて空隙Ｇ１を設定していない場合の有効磁束量を基準（例えば１００％）とし、空隙Ｇ１の距離ｈが次第に大きくなって距離の比ｈ／ｇが大きくなるに連れて有効磁束量比率も増加する。距離の比ｈ／ｇ＝１．０、即ち空隙Ｇ１，Ｇ０の距離ｈ，ｇが同等になると、増加していた有効磁束量比率も最大値１．２５％で横ばいとなり、そこからは距離の比ｈ／ｇが大きくなるに連れて有効磁束量比率も減少していく。そして、距離の比ｈ／ｇ＝３．０を若干超えたところで、量比率がマイナスに転じる。従って、距離の比ｈ／ｇが３．０までは有効磁束量比率もプラス側（増加側）で推移し、有効磁束量が１００％を超える。

次いで漏れ磁束量比率について、理想の漏れ磁束量をゼロ（０％）とし、即ち空隙Ｇ１の距離ｈが無限大で漏れ磁束量がゼロとなるため、空隙Ｇ１の距離ｈを次第に小さくしていき距離の比ｈ／ｇを小さくしていくと、漏れ磁束量比率が増加する。これは、マグネット２３ｓとステータ１１との間で磁束が流れていたものが、空隙Ｇ１の距離ｈを小とすることでマグネット２３ｓと突極２４ａとが近接し、その両者間で回転に寄与しない磁束（漏れ磁束）が流れ出すためである。距離の比ｈ／ｇ＝１．７までは漏れ磁束量比率も略ゼロ付近で安定して推移しているが、距離の比ｈ／ｇ＝１．７より小さくなるに連れて漏れ磁束量比率が次第に増加し、またその増加度合いも増していく。そして、前記空隙Ｇ１，Ｇ０の距離の比ｈ／ｇがゼロ、即ちマグネット２３ｓと突極２４ａとを接触させて空隙Ｇ１を設定していない場合に、漏れ磁束量比率が最大値２．２％となる。

因みに、空隙Ｇ１の距離ｈが大きくなるに連れて（距離の比ｈ／ｇが大きくなるに連れて）漏れ磁束量が少なくなるため、有効磁束量が増加すると考えがちだが、上記したように軸方向の大型化への配慮からロータ２１の軸方向長さを一定として考えているため、空隙Ｇ１の距離ｈが大きくなるとマグネット２３ｓの軸方向長さが減少し、これによる磁束量の減少から有効磁束量の増加が抑えられると考えられる。

以上から、空隙Ｇ１，Ｇ０の距離の比ｈ／ｇをゼロ、即ちマグネット２３ｓと突極２４ａとを接触させる単に第１，第２構成部２１Ａ，２１Ｂを組み合わせただけの場合と比べて、空隙Ｇ１，Ｇ０の距離の比ｈ／ｇが、そのゼロを除いた０＜ｈ／ｇ≦３．０の範囲内で有効磁束量が増加するため好ましい。これに漏れ磁束量比率の検討を加えると、漏れ磁束量比率よりも有効磁束量比率が上回ることで真にモータ１０としての有効磁束量が増加するため、０．４≦ｈ／ｇ≦３．０の範囲が漏れ磁束量による減少分（相殺分）を考慮した好ましい範囲である。その中でも０．４≦ｈ／ｇ≦１．７の範囲は、漏れ磁束量比率よりも有効磁束量比率が上回り、且つ有効磁束量比率が最大値１．２５％を含む１．０％以上の高水準となるためより好ましい範囲といえる。

これらを踏まえ、本実施形態のモータ１０では、マグネット２３ｓと突極２４ａとの間の空隙Ｇ１（短絡磁束防止ギャップ）と、ロータ２１とステータ１１との間の空隙Ｇ０（エアギャップ）の距離の比ｈ／ｇが０．４≦ｈ／ｇ≦１．７の範囲内のいずれかに設定されている。これにより、本実施形態のモータ１０では、有効磁束量が増加し、高出力化が見込める。

次に、本実施形態の特徴的な作用効果を記載する。
（１）本実施形態では、ロータ２１は、両極のマグネット２３ｎ，２３ｓを使用した通常構成の第１構成部２１Ａと、単極のマグネット２５ｎのみを使用し他極は突極２４ａで構成したコンシクエントポール型の第２構成部２１Ｂとを備えて構成され、モータ１０は、ロータ２１とステータ１１との間の空隙Ｇ０の距離をｇ、軸方向に並んで配置されるロータ２１の第２構成部２１Ｂの突極２４ａと第１構成部２１Ａのマグネット２３ｓとの間の空隙Ｇ１（磁気的離間部）の距離をｈとした場合、その距離の比ｈ／ｇが、０．４≦ｈ／ｇ≦１．７の範囲内のいずれかに設定されて構成されている。これにより、漏れ磁束量比率よりも有効磁束量比率が上回り、且つ有効磁束量比率が最大値を含む高水準となるため、モータ１０の確実な高出力化を図ることができる。

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、空隙Ｇ１，Ｇ０の距離の比ｈ／ｇを０．４≦ｈ／ｇ≦１．７の範囲内に設定したが、これよりも広い０．４≦ｈ／ｇ≦３．０の範囲内でも十分な有効磁束量が期待できるため、この範囲内のいずれかに設定してもよい。更にこれよりも広い０＜ｈ／ｇ≦３．０の範囲内でも、距離の比ｈ／ｇをゼロ、即ち第２構成部２１Ｂの突極２４ａと第１構成部２１Ａのマグネット２３ｓとを接触させる単に第１，第２構成部２１Ａ，２１Ｂを組み合わせただけとした場合と比べて有効磁束量が増加するため、この範囲内のいずれかに設定してもよい。

・上記実施形態では、マグネット２３ｎ，２３ｓ，２５ｎをロータコア２２，２４の外周面に固着したＳＰＭ構造のタイプに適用したが、ロータコア内にマグネットとインサートした所謂ＩＰＭ構造のタイプに適用してもよい。

・上記実施形態では、ロータ２１を１つずつの第１及び第２構成部２１Ａ，２１Ｂで構成したが、少なくとも一方側を２以上の分割構成とし、適宜組み合わせて構成してもよい。また、第２構成部２１Ｂを２分割以上とした場合では、使用するマグネットの磁極を同磁極とせず適宜異ならせてもよい。

・上記実施形態では、ロータコア２２，２４及びステータコア１２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。

・上記実施形態では、ステータ１１側の磁極数が「１２」、ロータ２１側の磁極数が「１０」で構成されているが、ステータ１１側の磁極数及びロータ２１側の磁極数をそれぞれ適宜変更した構成としてもよい。

次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想を以下に追記する。
（イ） Ｎ極及びＳ極のマグネットが周方向に交互に配置された第１構成部と、
Ｎ極及びＳ極の一方側のマグネットが前記第１構成部の同極のマグネットと軸方向に並んで配置されるその一方側のマグネットと、他方側の磁極として機能する前記ロータコアに設けた突極とが周方向に交互に配置された第２構成部と
を備えてなるロータであって、
前記ロータとステータとの間の空隙の距離をｇ、軸方向に並んで配置される前記第２構成部の突極と前記第１構成部のマグネットとの間の磁気的離間部の距離をｈとすると、その距離の比ｈ／ｇが、０＜ｈ／ｇ≦３．０の範囲内に設定されていることを特徴とするロータ。

（ロ） 上記（イ）に記載のロータにおいて、
前記距離の比ｈ／ｇが、０．４≦ｈ／ｇ≦３．０の範囲内に設定されていることを特徴とするロータ。

（ハ） 上記（ロ）に記載のロータにおいて、
前記距離の比ｈ／ｇが、０．４≦ｈ／ｇ≦１．７の範囲内に設定されていることを特徴とするロータ。

上記した（イ）〜（ハ）によれば、上記した各請求項と同様の作用効果を得ることができる。

１０…ブラシレスモータ（モータ）、１２…ステータコア、１３ｕ１〜１３ｕ４，１３ｖ１〜１３ｖ４，１３ｗ１〜１３ｗ４…コイル、２１…ロータ、２１Ａ…第１構成部、２１Ｂ…第２構成部、２２，２４…ロータコア、２３ｎ，２３ｓ，２５ｎ…マグネット、２４ａ…突極、Ｇ０…空隙、Ｇ１…空隙（磁気的離間部）、ｇ…距離（Ｇ０）、ｈ…距離（Ｇ１）。

Claims (3)

1. ステータコアにコイルが巻回されてなるステータと、ロータコアにマグネットがＳＰＭ構造で固定されてなるロータとを備えたモータであって、
   前記ロータは、
   Ｎ極及びＳ極のマグネットが周方向に交互に配置された第１構成部と、
   Ｎ極及びＳ極の一方側のマグネットが前記第１構成部の同極のマグネットと軸方向に並んで配置されるその一方側のマグネットと、他方側の磁極として機能する前記ロータコアに設けた突極とが周方向に交互に配置された第２構成部と
   を備えており、
   前記ロータと前記ステータとの間の空隙の距離をｇ、軸方向に並んで配置される前記第２構成部の突極と前記第１構成部のマグネットとの間の磁気的離間部の距離をｈとすると、その距離の比ｈ／ｇが、０＜ｈ／ｇ≦３．０の範囲内に設定されていることを特徴とするモータ。
2. 請求項１に記載のモータにおいて、
   前記距離の比ｈ／ｇが、０．４≦ｈ／ｇ≦３．０の範囲内に設定されていることを特徴とするモータ。
3. 請求項２に記載のモータにおいて、
   前記距離の比ｈ／ｇが、０．４≦ｈ／ｇ≦１．７の範囲内に設定されていることを特徴とするモータ。

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