JP6100538B2 - モータ - Google Patents

Description

本発明は、モータに関する。

従来、振動を低減するためにコギングトルクを抑えることを目的として、ステータに溝部を形成するものが知られている（例えば特許文献１参照）。

特開２００５−９４９０１号公報

ところで、上記のようなモータでは、溝部を形成してコギングトルクの抑制を図っている。しかしながら、コギングトルクを利用してロータ位置の保持をする場合には前述のようにコギングトルクを抑えることは逆効果となる。

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、コギングトルクによるロータの保持力を向上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モータは、径方向に延びるティースを周方向に複数有するステータコア、及び前記ティースに巻装される巻線を有するステータと、複数の磁極を有するロータとを備えたモータであって、前記ロータの極数を２ｎ（但しｎは自然数）、前記ステータのスロット数を３ｎとして極数とスロット数の比が２：３となるように構成され、前記各ティースの先端部表面における周方向略中心に、軸方向に沿った溝部が１つ形成されており、前記ロータは、それぞれ略円板状のコアベースの外周部に、等間隔に複数の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、互いのコアベースが対向されつつ爪状磁極が周方向に交互に配置された第１及び第２ロータコアと、前記コアベース同士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、第１ロータコアの前記爪状磁極を第１の磁極として機能させ、前記第２ロータコアの前記爪状磁極を第２の磁極として機能させる界磁磁石と、隣り合う前記第１ロータコアの前記爪状磁極と前記第２ロータコアの前記爪状磁極との周方向の間に配置された極間磁石と、を備えており、前記ロータは、隣り合う前記第１ロータコアの前記爪状磁極と前記第２ロータコアの前記爪状磁極との周方向の間の幅であって且つ前記極間磁石の周方向幅が、前記ティースの先端部における前記溝部を挟んだ周方向両側の部分の一方の周方向幅よりも小さい。
この構成によれば、極数とスロット数の比が２：３となるように構成されたモータにおいて、ティースの先端部表面における周方向略中心に溝部を形成することで、図３〜５に示すようにコギングトルクを向上させることができる。これにより、ロータの保持力を高めることができる。また、爪状磁極を有する第１及び第２ロータコアで界磁磁石を挟む、所謂ランデル型構造のロータにおいて、コギングトルクを増加させてロータの保持力向上を行うことができる。

上記モータにおいて、前記溝部の前記周方向中心を通る溝部中心線と、前記ティースの周方向中心を通るティース中心線とがなす角度をａとしたとき、前記溝部は、−２４／ｎ≦ａ≦２４／ｎの範囲となるように形成されることが好ましい。

この構成によれば、前述の周方向略中心の範囲として、−２４／ｎ≦ａ≦２４／ｎの範囲とすることで、図３（ａ）に示すようにコギングトルクを向上させることができ、ロータの保持力を高めることができる。

上記モータにおいて、前記溝部は、前記溝部中心線と前記ティース中心線とがなす前記角度ａが０度であることが好ましい。
この構成によれば、溝部を前記角度ａ＝０、即ちティースの周方向中心に形成することで、図３（ａ）に示すようにコギングトルクを更に向上させることができ、ロータの保持力を更に高めることができる。

上記モータにおいて、前記溝部の周方向幅をｂ、前記スロットの開口幅をＷとしたとき、前記溝部は、０．２５≦ｂ／Ｗ≦２．０の範囲となるように形成されることが好ましい。

この構成によれば、０．２５≦ｂ／Ｗ≦２．０の範囲となるように溝部を形成することで、図４（ａ）に示すようにコギングトルク向上に寄与でき、ロータの保持力を高めることができる。

上記モータにおいて、前記溝部は、１．５≦ｂ／Ｗ≦２．０の範囲となるように形成されることが好ましい。
この構成によれば、１．５≦ｂ／Ｗ≦２．０の範囲となるように溝部を形成することで、図４（ａ）に示すようにコギングトルク向上の寄与度が高い範囲となり、より好適にコギングトルクを向上させてロータの保持力を高めることができる。

上記モータにおいて、前記溝部の径方向長さをｃ、前記ティース先端部の径方向長さをＨとしたとき、前記溝部は、０．０＜ｃ／Ｈ≦２．０の範囲となるように形成されることが好ましい。

この構成によれば、０．０＜ｃ／Ｈ≦２．０の範囲となるように溝部を形成することで、図５（ａ）に示すようにコギングトルク向上に寄与でき、ロータの保持力を高めることができる。

本発明のモータによれば、コギングトルクによるロータの保持力を向上できる。

一実施形態におけるモータの平面図である。 ティースについて説明するための概略図である。 （ａ）はティースに対する溝部形成位置の違いによるコギングトルクの変化について説明するための説明図であり、（ｂ）はティースに対する溝部形成位置の違いによるトルク比の変化について説明するための図である。 （ａ）は溝部の周方向幅の違いによるコギングトルクの変化について説明するための説明図であり、（ｂ）は溝部の周方向長さ（幅）の違いによるトルク比の変化について説明するための説明図である。 （ａ）は溝部の径方向長さ（深さ）の違いによるコギングトルクの変化について説明するための説明図であり、（ｂ）は溝部の径方向長さ（深さ）の違いによるトルク比の変化について説明するための説明図である。 別例におけるモータの平面図である。 別例におけるロータの斜視図である。 同上におけるロータを備えたモータの平面図である。 同上におけるロータの断面図である。

以下、モータの一実施形態について説明する。
図１に示すように、本実施形態のモータ１０は、略円環状のステータ１１の径方向内側にロータ１２が配置されて構成されている。

図１に示すように、ロータ１２は、例えば図示しない軸受により回転可能に支持される回転軸２１の外周面に磁性金属材料よりなる略円環状のロータコア２２が固着されている。このロータコア２２の外周部には、径方向外側の着磁がＮ極とされたマグネット２３ａと径方向外側の着磁がＳ極とされたマグネット２３ｂとが周方向において交互に配置される。各マグネット２３ａ，２３ｂは、その周方向幅が略一定とされ、周方向において一定の間隙を有して前記ロータコア２２の外周部に配置される。各マグネット２３ａ，２３ｂは、それぞれ４個ずつ設けられる。このため本実施形態のロータ１２は、計８個の磁極（極数）を有する。

図１に示すように、ステータ１１のステータコア３１は、円環状部３２から径方向に延びる計１２個のティース３３を有している。従って、ティース３３間に形成されるスロット３４の数も１２個とされている。つまり、前記ロータ１２の極数を２ｎ（但しｎは自然数であり、本実施形態では４）、スロット３４の数（スロット数）を３ｎとして、極数とスロット数の比が２：３となるように構成されている。

図１に示すように、ティース３３は周方向等間隔に形成され、各ティース３３にはＵ相、Ｖ相、Ｗ相のコイル３５が集中巻にて巻回されている。各ティース３３の先端側には、径方向両側にそれぞれ突出する突出部３３ａが形成されており、各ティース３３の先端面３３ｂ（径方向内側面）は、モータ１０の軸線Ｌを中心とする円弧状をなしている。なお、ティース３３の先端面３３ｂは、一方の突出部３３ａから他方の突出部３３ａに亘って形成されている。

図１に示すように、各ティース３３の先端面３３ｂには、ティース側溝部４０が形成されている。ティース側溝部４０は、径方向に凹状をなす溝が、１つ軸方向（前記軸線Ｌ１の延びる方向）に沿って連続して形成される。各ティース側溝部４０は、各ティース３３の周方向において同じ位置に略同形状で形成される。

図２に示すように、ティース側溝部４０は、ティース３３の周方向中心線Ｌ１とティース側溝部４０の周方向中心線Ｌ２とがなす角度をａ（°）として、−２４／ｎ≦ａ≦２４／ｎの範囲となるように設定されている。ここで、前記ｎは、４（ｎ＝極数／２又はｎ＝スロット数／３）であるため、ティース側溝部４０は、−６≦ａ≦６の範囲となる。より好ましくは、ティース側溝部４０は、その周方向中心である周方向中心線Ｌ２が前記ティースの周方向中心線Ｌ１と一致するように、即ちティースの周方向中心に形成される。このような構成とすることで、本実施形態のティース３３は、その周方向中心線Ｌ１に対して線対称となるように構成される。

また、ティース側溝部４０は、周方向に対向する一対の側面部４１，４２を有する。ティース側溝部４０の一方の側面部４１と他方の側面部４２との間の長さ（ティース側溝部４０の周方向幅）をｂとし、前記スロット３４の開口幅をＷとしたとき、前記ティース側溝部４０は、１．５≦ｂ／Ｗ≦２．０の範囲となるように設定されている。ちなみに、スロット３４の開口幅Ｗとは、周方向において隣り合うティース３３のうちで、周方向において隣り合う突出部３３ａ同士の周方向における長さのことである。

また、ティース側溝部４０は、その径方向長さ（ティース側溝部４０の深さ）をｃとし、前記ティース３３の先端部としての突出部３３ａの径方向長さ（厚さ）をＨとしたとき、前記ティース側溝部４０は、０．０＜ｃ／Ｈ≦０．２５の範囲となるように設定されている。

次に、モータ１０の作用を説明する。
ここで、ティースに対する溝部形成位置の違いによるコギングトルクの変化を図３（ａ）に示し、ティースに対する溝部形成位置の違いによるトルク比の変化を図３（ｂ）に示す。図３（ａ）（ｂ）中の、太線はティース側溝部４０を形成した「溝あり」の場合であり、破線はティース側溝部４０を形成していない「溝なし」の場合である。なお、「溝あり」の場合のティース側溝部４０は、ｂ／Ｗ＝０．７５、ｃ／Ｈ＝０．５となるように設定している。

図３（ａ）に示すように、ティース側溝部４０を、−６≦ａ≦６の範囲となるように形成することで、ティース側溝部４０を形成しない場合と比較してコギングトルクが向上する。特にａ＝０とすると、最もコギングトルクが増加される。

また、図３（ｂ）に示すように、ティース側溝部４０を形成しない場合のトルク比を１００％とした場合に、前述のように−６≦ａ≦６の範囲となるようにティース側溝部４０を形成すると、トルク比が僅かに減少するものの、略９５％以上を確保することができる。

ここで、溝部の周方向幅の違いによるコギングトルクの変化を図４（ａ）に示し、溝部の周方向幅の違いによるトルク比の変化を図４（ｂ）に示す。図４（ａ）（ｂ）中の、太線はティース側溝部４０を形成した「溝あり」の場合であり、破線はティース側溝部４０を形成していない「溝なし」の場合である。なお、「溝あり」の場合のティース側溝部４０は、ａ＝０、ｃ／Ｈ＝０．５となるように設定している。

図４（ａ）に示すように、ティース側溝部４０を０＜ｂ／Ｗ≦２．０の範囲となるように形成することで、ティース側溝部４０を形成しない場合と比較してコギングトルクが向上する。また、０．２５≦ｂ／Ｗ≦２．０の範囲となるようにティース側溝部４０を形成することで、より高いコギングトルクを得ることができる。特に、１．５≦ｂ／Ｗ≦２．０の範囲ではｂ／Ｗの変化量に対するコギングトルクの増加量が顕著であり、１．５≦ｂ／Ｗ≦２．０の範囲となるようにティース側溝部４０を形成することで、コギングトルク増加の寄与度が高い。

また、図４（ｂ）に示すように、ティース側溝部４０を形成しない場合のトルク比を１００％とした場合に、前述のように０＜ｂ／Ｗ≦２．０の範囲となるようにティース側溝部４０を形成すると、トルク比が僅かに減少するものの、略９０％以上を確保することができる。また、１．５≦ｂ／Ｗ≦２．０の範囲では、ｂ／Ｗの変化量に対するトルク比の減少割合が小さい。

ここで、溝部の径方向長さ（深さ）の違いによるコギングトルクの変化を図５（ａ）に示し、溝部の径方向長さ（深さ）の違いによるトルク比の変化を図５（ｂ）に示す。図５（ａ）（ｂ）中の、太線はティース側溝部４０を形成した「溝あり」の場合であり、破線はティース側溝部４０を形成していない「溝なし」の場合である。なお、「溝あり」の場合のティース側溝部４０は、ａ＝０、ｂ／Ｗ＝１．０となるように設定している。

図５（ａ）に示すように、ティース側溝部４０を０．０＜ｃ／Ｈ≦２．５の範囲となるように形成することで、ティース側溝部４０を形成しない場合と比較してコギングトルクが向上する。特に、０．０＜ｃ／Ｈ≦２．０の範囲ではｃ／Ｈの変化量に対するコギングトルクの増加量が顕著であり、２．０＜ｃ／Ｈ≦２．５の範囲ではｃ／Ｈの変化量に対するコギングトルクの増加量が抑えられることとなる。このため、０．０＜ｃ／Ｈ≦２．０の範囲となるようにティース側溝部４０を形成することで、コギングトルク増加の寄与度が高い。ちなみに図５（ｂ）に示すように、ティース側溝部４０を形成しない場合のトルク比を１００％とした場合に、０．０＜ｃ／Ｈ≦１．０の範囲となるようにティース側溝部４０を形成すると、トルク比が僅かに減少するものの、略９０％以上を確保することができる。また、０．０＜ｃ／Ｈ≦０．２５の範囲では、ｃ／Ｈの変化量に対するトルク比の減少割合が小さい。

次に、本実施形態の効果を記載する。
（１）極数とスロット数の比が２：３となるように構成されたモータ１０において、ティース３３の先端部及び先端部表面としての先端面３３ｂにおける周方向略中心にティース側溝部４０を形成することで、図３〜図５に示すようにコギングトルクを向上させることができる。これにより、ロータ１２の保持力を高めることができる。

（２）前述の周方向略中心の範囲として、−２４／ｎ≦ａ≦２４／ｎの範囲（−２４／６≦ａ≦２４／６の範囲）とすることで、図３（ａ）に示すようにコギングトルクを向上させることができ、ロータ１２の保持力を高めることができる。ティース側溝部４０を前記角度ａ＝０、即ちティース３３の周方向中心に形成することで、図３（ａ）に示すようにコギングトルクを更に向上させることができ、ロータ１２の保持力を更に高めることができる。

（３）０．２５≦ｂ／Ｗ≦２．０の範囲となるようにティース側溝部４０を形成することで、図４（ａ）に示すようにコギングトルク向上に寄与でき、ロータ１２の保持力を高めることができる。

（４）１．５≦ｂ／Ｗ≦２．０の範囲となるようにティース側溝部４０を形成することで、図４（ａ）に示すようにコギングトルク向上の寄与度が高い範囲となり、より好適にコギングトルクを向上させてロータの保持力を高めることができる。

（５）０．０＜ｃ／Ｈ≦２．０の範囲となるようにティース側溝部４０を形成することで、図５（ａ）に示すようにコギングトルク向上に寄与でき、ロータ１２の保持力を高めることができる。

尚、上記実施形態は、以下のように変更してもよい。
・上記実施形態では、ロータ１２の極数を８、ステータ１１のスロット数を１２となるように構成したが、これに限らない。極数とスロット数との比が２：３であれば、ロータ１２の極数とステータ１１のスロット数は適宜変更してもよい。

・上記実施形態では、ステータ１１に形成されるティース側溝部４０を、溝部４０の周方向中心線Ｌ２と前記ティース３３の周方向中心線Ｌ１とがなす角度ａが０度となるように構成したが、−２４／ｎ≦ａ≦２４／ｎの範囲で適宜変更してもよい。

・上記実施形態では、ステータ１１に形成されるティース側溝部４０を、溝部の周方向幅をｂ、前記スロットの開口幅をＷとしたとき、１．５≦ｂ／Ｗ≦２．０の範囲となるように形成したが、０．２５≦ｂ／Ｗ≦２．０の範囲や０＜ｂ／Ｗ≦２．０の範囲で適宜変更してもよい。

・上記実施形態では、Ｎ極のマグネット２３ａと、Ｓ極のマグネット２３ｂとを周方向において交互に配置して、所謂フルマグネットタイプのロータを備えた構成のモータを採用したが、これに限らない。

例えば図６に示すように、各マグネット間に空隙（間隙）を持って配置されたロータコアの突極をマグネットの代用とする所謂コンシクエントポール型）ハーフマグネット型）のロータを備えた構成してもよい。図６に示すように、本構成のロータ５０では、ロータコア５１の外周部の周方向等間隔にＮ極のマグネット２３ａが４個配置されるとともに、該ロータコア５１の外周部に一体形成された突極５２が各マグネット２３ａ間に空隙Ｋを有して配置されている。つまり、各マグネット２３ａ及び突極５２は等角度間隔に交互に配置され、ロータ５０は、Ｎ極のマグネット２３ａに対して突極５２をＳ極として機能させる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。なお、前記空隙Ｋは、その周方向幅Ｗ２が、前記ティース３３の突出部３３ａのいずれか一方と、この突出部３３ａと周方向において近いティース側溝部４０の側面部４１，４２の一方と、の周方向における距離Ｗ１以下となるように形成される。また、この空隙Ｋのいずれか１つを径方向視で前記距離Ｗ１とされるとラップするように配置すると、他の空隙Ｋも同様に前記距離Ｗ１と径方向視でラップする。

例えば、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としての環状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を採用してもよい。

図７〜９に示すように、本構成のロータ６０は、第１及び第２ロータコア６１，６２と、界磁磁石としての環状磁石６３と、背面補助磁石６４，６５と、極間磁石６６，６７とを備える。

第１ロータコア６１は、略円板状の第１コアベース６１ａ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６１ｂ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ロータコア６２は、第１ロータコア６１と同形状であって、略円板状の第２コアベース６２ａの外周部に、等間隔に複数の第２爪状磁極６２ｂ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。そして、第２ロータコア６２は、各第２爪状磁極６２ｂがそれぞれ対応する各第１爪状磁極６１ｂ間に配置されるようにして、第１コアベース６１ａと第２コアベース６２ａとの軸方向の間に環状磁石６３（図４参照）が配置（挟持）されるようにして第１ロータコア６１に対して組み付けられる。

図９に示すように、環状磁石６３は、その外径が第１及び第２コアベース６１ａ，６２ａの外径と同じに設定され、第１爪状磁極６１ｂ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６２ｂ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、本構成のロータ６０は、界磁磁石としての環状磁石６３を用いた所謂ランデル型構造のロータである。ロータ６０は、Ｎ極となる第１爪状磁極６１ｂと、Ｓ極となる第２爪状磁極６２ｂとが周方向に交互に配置されており、磁極数が上記実施形態と同様に８極（極対数が４個）となる。

図９に示すように各第１爪状磁極６１ｂの背面６１ｃ（径方向内側の面）と第２コアベース６２ａの外周面６２ｄとの間には、背面補助磁石６４が配置されている。背面補助磁石６４は、その軸直交方向断面が略扇形状とされ、第１爪状磁極６１ｂの背面６１ｃに当接する側が第１爪状磁極６１ｂと同極のＮ極に、第２コアベース６２ａの外周面６２ｄに当接する側が同第２コアベース６２ａ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６２ｂの背面６２ｃと第１コアベース６１ａの外周面６１ｄとの間には、第１爪状磁極６１ｂと同様に、背面補助磁石６５が配置されている。背面補助磁石６５は、その軸直交方向断面が扇形状とされ、背面６２ｃに当接する側がＳ極に、第１コアベース６１ａの外周面６１ｄに当接する側がＮ極となるように磁化されている。背面補助磁石６４，６５としては、例えばフェライト磁石を用いることができる。

図７に示すように、第１爪状磁極６１ｂと第２爪状磁極６２ｂとの周方向の間には、極間磁石６６，６７が配置されている。
また、極間磁石６６，６７は、その周方向幅Ｗ３が、前記ティース３３の突出部３３ａのいずれか一方と、この突出部３３ａと周方向において近いティース側溝部４０の側面部４１，４２の一方と、の周方向における距離Ｗ１以下となるように形成される。

１０…モータ、１１…ステータ、１２，５０，６０…ロータ、２２，５１…ロータコア、２３ａ，２３ｂ…マグネット、３１…ステータコア、３３…ティース、３３ｂ…先端部及び先端部表面としての先端面、３４…スロット、３５…巻線としてのコイル、４０…ティース側溝部、５２…突極、６１…第１ロータコア、６２…第２ロータコア、ａ…角度、Ｗ…開口幅。

Claims (6)

1. 径方向に延びるティースを周方向に複数有するステータコア、及び前記ティースに巻装される巻線を有するステータと、複数の磁極を有するロータとを備えたモータであって、
   前記ロータの極数を２ｎ（但しｎは自然数）、前記ステータのスロット数を３ｎとして極数とスロット数の比が２：３となるように構成され、
   前記各ティースの先端部表面における周方向略中心に、軸方向に沿った溝部が１つ形成されており、
   前記ロータは、
   それぞれ略円板状のコアベースの外周部に、等間隔に複数の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、互いのコアベースが対向されつつ爪状磁極が周方向に交互に配置された第１及び第２ロータコアと、
   前記コアベース同士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、第１ロータコアの前記爪状磁極を第１の磁極として機能させ、前記第２ロータコアの前記爪状磁極を第２の磁極として機能させる界磁磁石と、
   隣り合う前記第１ロータコアの前記爪状磁極と前記第２ロータコアの前記爪状磁極との周方向の間に配置された極間磁石と、
   を備えており、
   前記ロータは、隣り合う前記第１ロータコアの前記爪状磁極と前記第２ロータコアの前記爪状磁極との周方向の間の幅であって且つ前記極間磁石の周方向幅が、前記ティースの先端部における前記溝部を挟んだ周方向両側の部分の一方の周方向幅よりも小さい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、
   前記溝部の前記周方向中心を通る溝部中心線と、前記ティースの周方向中心を通るティース中心線とがなす角度をａとしたとき、
   前記溝部は、−２４／ｎ≦ａ≦２４／ｎの範囲となるように形成され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、
   前記溝部は、前記溝部中心線と前記ティース中心線とがなす前記角度ａが０度であることを特徴とするモータ。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のモータにおいて、
   前記溝部の周方向幅をｂ、前記スロットの開口幅をＷとしたとき、
   前記溝部は、０．２５≦ｂ／Ｗ≦２．０の範囲となるように形成されることを特徴とするモータ。
5. 請求項４に記載のモータにおいて、
   前記溝部は、１．５≦ｂ／Ｗ≦２．０の範囲となるように形成されることを特徴とするモータ。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載のモータにおいて、
   前記溝部の径方向長さをｃ、前記ティースの先端部の径方向長さをＨとしたとき、
   前記溝部は、０．０＜ｃ／Ｈ≦２．０の範囲となるように形成されることを特徴とするモータ。