JP2004248363A - クローポールモータ - Google Patents
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Abstract
【課題】コギングトルクを低減すると共に磁気特性を向上させ、部品の種類を減少させてコストの低減を図る。
【解決手段】界磁磁極２１が周方向に等間隔かつ交互に配置された界磁子２０と、界磁磁極２１に対向して等ピッチで配置されたクローポール１３，１３’が一つおきに軸方向端部でほぼリング状のヨーク１２にそれぞれ磁気結合され、かつ相互に結合される一対の磁性部材１１，１１と、これらの磁性部材を磁化するコイルとからなる相ユニットが同軸上に複数個結合されると共に、各相ユニット間で界磁磁極２１に対するクローポールの位置が周方向に順次ずれるように形成された電機子１０と、を備え、各相のコイルに電流を通流して界磁子２０と電機子１０とを相対的に回転させるクローポールモータに関する。クローポール１３，１３’を、界磁磁極２１との間の距離が周方向両端部に向かうに従って長くなる立体形状とする。
【選択図】 図１
【解決手段】界磁磁極２１が周方向に等間隔かつ交互に配置された界磁子２０と、界磁磁極２１に対向して等ピッチで配置されたクローポール１３，１３’が一つおきに軸方向端部でほぼリング状のヨーク１２にそれぞれ磁気結合され、かつ相互に結合される一対の磁性部材１１，１１と、これらの磁性部材を磁化するコイルとからなる相ユニットが同軸上に複数個結合されると共に、各相ユニット間で界磁磁極２１に対するクローポールの位置が周方向に順次ずれるように形成された電機子１０と、を備え、各相のコイルに電流を通流して界磁子２０と電機子１０とを相対的に回転させるクローポールモータに関する。クローポール１３，１３’を、界磁磁極２１との間の距離が周方向両端部に向かうに従って長くなる立体形状とする。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、立体形状であるかぎ爪状磁極（ｃｌａｗ−ｐｏｌｅ）を有するクローポールモータに関し、特にコギングトルクの抑制やコストの低減を可能にしたクローポールモータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図５は、クローポールモータの第１の従来技術を示す分解斜視図である。図５において、１００は固定子としての電機子、２００は回転子としての界磁子であり、これらの電機子１００及び界磁子２００によって三相のインナーロータ型クローポールモータが構成されている。
【０００３】
電機子１００は、相数の自然数倍個（図５は三相の例であるため、三相の１倍個すなわち３個）の相ユニット１００ａ，１００ｂ，１００ｃを同軸上に連結して構成されている。各相ユニット１００ａ，１００ｂ，１００ｃは、リング状に形成されたコイル１１０と、これを取り巻くように形成された第１軟磁性部材１２０及び第２軟磁性部材１３０とから構成されている。
【０００４】
第１軟磁性部材１２０及び第２軟磁性部材１３０は、鋼板を加工して形成される高透磁率部材であり、第１軟磁性部材１２０を構成する断面Ｌ字形のヨークの内周部には、電機子１００の中心軸に並行して、ほぼ平板状のクローポール１２１が内周方向に等ピッチで下方に向け折曲形成されている。また、第２軟磁性部材１３０を構成する断面Ｌ字形のヨークの内周部には、同じく電機子１００の中心軸に並行して、ほぼ平板状のクローポール１３１が内周方向に等ピッチで上方に向け折曲形成されている。つまり、隣り合うクローポール１２１，１３１はそれぞれ別個のヨークに磁気結合されている。
そして、各クローポール１２１，１３１は電機子１００の内周に沿って交互に配置されており、これらのクローポール１２１，１３１のピッチは後述する界磁子２００の界磁磁極（ＮＳ磁極）２１０のピッチと等しくなっている。
【０００５】
一方、界磁子２００は、円筒状に配置された界磁磁極２１０及び回転軸２２０を有し、界磁磁極２１０は周方向に異極（Ｎ極、Ｓ極）が交互に配置されている。
また、この界磁子２００を電機子１００の内部空間に同心状に配置した状態では、界磁磁極２１０と電機子１００側のクローポール１２１，１３１とが対向するようになっている。
【０００６】
このように構成することにより、電機子１００のコイル１１０に電流を通流すると隣り合うクローポール１２１，１３１が互いに逆極性に励磁されるため、界磁子２００の界磁磁極２１０を所定位置に吸引することができる。
図５の例では、各相ユニット１００ａ，１００ｂ，１００ｃのクローポール１２１，１３１は電気角で６０°ずつ周方向の位置が順次ずれている。よって、三相ユニットに三相交流電流を通流することにより、界磁子２００の界磁磁極２１０は各相ユニット１００ａ，１００ｂ，１００ｃのクローポール１２１，１３１に順次、連続的に吸引されて回転する。
【０００７】
この種のクローポールモータは、安価なステッピングモータとして実用化されており、例えばプリンタのドラム駆動などに用いられている。更に、例示したモータは電気的には通常の三相永久磁石モータと同様であるため、回転位置センサを取り付けて位置フィードバック制御を行うことも可能である。
なお、第１軟磁性部材１２０及び第２軟磁性部材１３０の代表的な構成方法は、図に示したように、それぞれクローポール１２１，１３１を有する２個のヨークを、コイル１１０を挟み込むようにして結合するものである。このような構成方法をとる場合、各軟磁性部材１２０，１３０は、板状の軟磁性材料をプレス加工して成形するのが一般的となっている。
【０００８】
次に、図６は第２の従来技術を示す分解斜視図である。
前述した図５の従来技術では、界磁磁極２１０からクローポール１２１，１３１の表面に至る磁束がクローポール１２１，１３１の付け根に集中するため磁気飽和が顕著になり、トルクを増加できないという問題がある。
そこで、軟磁性材料を平板状ではなく、部位により断面積が異なる立体形状に加工して、クローポールの磁束が集中する部位の断面積を増やすことにより磁気飽和を緩和し、トルクを増加させるようにした構造が、図６に示す如く提案されている。
【０００９】
図６はクローポールモータの組立工程を示したもので、第１軟磁性部材１７０及び第２軟磁性部材１８０によりコイル１６０を軸方向両側から挟み込んで一つの相ユニット１５０ａを形成し、同一構成の三つの相ユニット１５０ａ，１５０ｂ，１５０ｃを同軸上に連結することにより電機子１５０が形成される。
なお、２５０は界磁磁極２６０及び回転軸２７０を有する界磁子である。
【００１０】
第１軟磁性部材１７０において、１７１はリング状のヨーク、１７２はヨーク１７１に磁気的に結合され、かつ付け根部分の断面積が大きくなるように形成された突起状のクローポールであり、これらのクローポール１７２は、コイル１６０の内部空間を通って第２軟磁性部材１８０の内周面の凹部１８３に嵌合されるようになっている。また、第２軟磁性部材１８０において、１８１はリング状のヨークであり、１８２はヨーク１８１に磁気的に結合されて付け根部分の断面積が大きくなるように形成された突起状のクローポールである。
なお、この従来技術では第１軟磁性部材１７０及び第２軟磁性部材１８０の構造が互いに若干異なり、また、図５の従来技術の構造とも異なっているが、その動作原理は図５と同様である。
【００１１】
図６に示したような立体形状のクローポールを有する電動機は、例えば後述の非特許文献１に示されるように、自動車のオルタネータとして従来から用いられている。
自動車のオルタネータにおけるクローポールは、各ポールごとに極性が固定された界磁磁極として用いられており、渦電流が流れないことから、クローポールを磁性体の金属の塊によって形成することが可能である。
【００１２】
これに対して、図５，図６のように電機子側にクローポールを有するクローポールモータでは、クローポールの極性が時間的に変化するので、渦電流を実用的な範囲に抑制するためには、クローポールの材料として金属の塊を使用することができない。
そこで、このような渦電流を抑制する観点から、表面に絶縁処理を施した磁性粉末を固着して成形する方法が用いられる。この種の方法により形成されたクローポールを有するモータについては、例えば非特許文献２に開示されている。
【００１３】
【非特許文献１】
エンジン電装研究会編著「自動車工学シリーズ エンジン電装部品」ＩＳＢＮ４−３８１−１００７７−８ Ｃ３０５３， Ｐ．１０９
【非特許文献２】
Ａ．Ｇ． Ｊａｃｋ， ｅｔ ａｌ“Ｃｌａｗ Ｐｏｌｅ Ａｒｍａｔｕｒｅ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ ＭａｃｈｉｎｅｓＥｘｐｌｏｉｔｉｎｇ Ｓｏｆｔ Ｉｒｏｎ Ｐｏｗｄｅｒ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ”Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｍａｃｈｉｎｅｓ ａｎｄ Ｄｒｉｖｅｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ’９７
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
電機子側にクローポールを有するクローポールモータでは、一般に界磁子の界磁磁極数と電機子のクローポールの数とが等しいため、コイルの無通流状態では、界磁磁極の磁束によって界磁磁極とクローポールとが揃う方向に比較的大きな力が働き、この力がいわゆるコギングトルクの原因となる。
また、図５や図６に示した従来技術のように、クローポールと界磁磁極との間の距離がクローポールの周方向にわたって一定であると、図２（ａ）に示す如く、各相ユニットのコギングトルク波形の極性が入れ替わる際の変化率が大きくなり、全ての相を合成したコギングトルク波形に大きな脈動が発生する。
【００１５】
更に、軟磁性部材内部のコイルを引き出すためにヨークに形成される開口部は、磁路の断面積を減少させて磁気特性を悪化させるため、この開口部の配置や大きさ等を最適に設計することが要請されている。
また、軟磁性部材の立体加工では一般に高価な金型を用いるため、低コスト化の観点から、部品の種類を少なくすることが望ましい。
【００１６】
そこで本発明は、軟磁性部材を加工する場合の形状の自由度に着目し、構造を改良してコギングトルクを低減すると共に磁気特性を向上させ、更に、部品の種類を減少させてコストの低減を図ったクローポールモータを提供しようとするものである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１に記載した発明は、Ｎ極及びＳ極の界磁磁極が周方向に等間隔かつ交互に配置された界磁子と、
前記界磁磁極に対向してこれらの界磁磁極と等ピッチで配置されたクローポールが一つおきに軸方向端部でほぼリング状のヨークにそれぞれ磁気結合され、かつ相互に結合される一対の磁性部材と、これらの磁性部材を磁化するコイルとからなる相ユニットが、同軸上にＫ（Ｋは２以上の整数）個連結されると共に、これらＫ個の相ユニット間で前記界磁磁極に対する前記クローポールの位置が周方向に順次ずれるように形成された電機子と、
を備え、
各相ユニットの前記コイルに電流を通流することにより前記界磁子と前記電機子とが相対的に回転可能であるクローポールモータにおいて、
前記クローポールを、前記界磁磁極との間の距離がクローポールの周方向両端部に向かうに従って長くなるような立体形状としたものである。
【００１８】
請求項２に記載した発明は、Ｎ極及びＳ極の界磁磁極が周方向に等間隔かつ交互に配置された界磁子と、
前記界磁磁極に対向してこれらの界磁磁極と等ピッチで配置されたクローポールが一つおきに軸方向端部でほぼリング状のヨークにそれぞれ磁気結合され、かつ相互に結合される一対の磁性部材と、これらの磁性部材を磁化するコイルとからなる相ユニットが、同軸上にＫ（Ｋは２以上の整数）個連結されると共に、これらＫ個の相ユニット間で前記界磁磁極に対する前記クローポールの位置が周方向に順次ずれるように形成された電機子と、
を備え、
各相ユニットの前記コイルに電流を通流することにより前記界磁子と前記電機子とが相対的に回転可能であるクローポールモータにおいて、
一対の磁性部材を、同一部材により形成したものである。
【００１９】
請求項３に記載した発明は、請求項２に記載したクローポールモータにおいて、コイルを引き出すための開口部を、クローポールの側辺の延長上に位置するヨークの周縁部に形成したものである。
【００２０】
請求項４に記載した発明は、請求項３に記載したクローポールモータにおいて、一対の磁性部材を結合した際に開口部の位置が一致するように前記開口部を配置したものである。
【００２１】
請求項５に記載した発明は、請求項１〜４の何れか１項に記載したクローポールモータにおいて、一対の磁性部材が、粉末磁性体により形成された軟磁性部材であることを特徴とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図１は本発明の第１実施形態を示す主要部の断面図であり、クローポールモータの一つの相ユニットの軸方向中心部を軸に垂直な面で切断した断面を示している。
図１において、１０は電機子、１１はこの電機子１０を構成する一方の軟磁性部材であり、リング状のヨーク１２の内周面には１個置きにクローポール１３が軸方向に突設されている。なお、１３’は他方の軟磁性部材に形成されたクローポールである。
【００２３】
また、２０は電機子１０の内部空間に同心的に配置される界磁子であり、クローポール１３，１３’の極数と同数でＮ極，Ｓ極が交互に配置された円筒状の界磁磁極２１と、回転軸２２とを備えている。なお、クローポール１３，１３’の磁極ピッチと界磁磁極２１の磁極ピッチとは等しくなっている。
【００２４】
本実施形態でも、図６に示した如く一対の軟磁性部材によってコイルを挟み込むことにより電機子１０の一相分の相ユニットが形成されるものであるが、図では他方の軟磁性部材及びコイルを省略してある。
また、電機子１０は、相ユニットを同軸上にＫ個（Ｋは２以上の整数であり、三相であれば３個）連結して構成され、各相ユニット間では、界磁磁極２１に対するクローポールの位置が周方向に順次ずれるように形成される。
【００２５】
さて、従来ではクローポールと界磁磁極との間の距離がクローポールの周方向にわたって一定であるが、この実施形態では、クローポール１３，１３’と界磁磁極２１との間の距離を、クローポール１３，１３’の周方向両端部に向かうにつれて長くしてある。すなわち、図１において、ａはクローポール１３，１３’と界磁磁極２１との間の最短距離を結んだ最短距離線であり、個々のクローポール１３，１３’の界磁磁極２１との対向面は、クローポール１３，１３’の周方向両端部に向かうに従って最短距離線ａから遠ざかっている。
【００２６】
上記のような構造とすることにより、クローポール１３，１３’を通り抜ける磁束の界磁子２０の回転に伴う変化が緩やかになり、図２（ｂ）に示す如く、各相ユニットのコギングトルク波形は正弦波に近くなると共に、コギングトルク波形の極性が入れ替わる際の変化率を図２（ａ）の従来技術よりも小さくすることができる。従って、合成コギングトルク波形の脈動も小さくなり、スムーズな回転が可能になる。
なお、コギングトルク波形が一つの相ユニットについて完全な正弦波である場合、三相分を合成すると相殺されてゼロとなるので、一つの相ユニットのコギングトルク波形を正弦波に近付けることが、全体のコギングトルク低減において重要である。
【００２７】
次に、図３は本発明の第２実施形態における電機子の相ユニットの分解斜視図である。
この実施形態では、同一形状、同一構造の２個の軟磁性部材１４を、コイル３０を挟んで反対向きに結合することにより、一相分の相ユニットが形成される。軟磁性部材１４において、１５はリング状のヨーク、１６はヨーク１５と磁気的に結合されたクローポールであり、このクローポール１６は、同一の他方の軟磁性部材１４のクローポール１６の相互間に形成された凹部１６ａに嵌合可能である。また、１５ａはコイル３０を外部に引き出すためにヨーク１５の周縁部に形成された開口部である。
【００２８】
なお、図３におけるクローポール１６の形状は図１の第１実施形態と異なっているが、この第２実施形態でも、図１のように、クローポールと界磁磁極との間の距離を、クローポールの周方向両端部に向かうにつれて長くすることが可能であり、そのようなクローポールを有する同一の軟磁性部材を反対向きにしてコイルを挟んで２個結合することにより、電機子を形成してもよい。
【００２９】
一般に、粉末磁性体を成型して立体的な軟磁性部材を形成するための型は高価であるため、本実施形態のように同一構造の軟磁性部材１４を２個用いることによって型の種類を半減することができ、モータの低コスト化に大きく寄与する。なお、同一部材に互いに嵌合可能な凹凸部（クローポール１６及び凹部１６ａ）を設けることは容易であり、これによって一対の軟磁性部材１４の位置決めを高精度に行うことができる。
【００３０】
図４は、本発明の第３実施形態における電機子の相ユニットの説明図である。図４（ａ），（ｂ）において、１７はリング状のヨーク１５とクローポール１８とを有する軟磁性部材、１５ａは内部のコイルを引き出すためにヨーク１５に形成された開口部である。
この実施形態においても、図３と同様に同一構造の軟磁性部材１７をコイルを挟んで反対向きに結合することにより、一相分の相ユニットが形成される。また、この相ユニットを同軸上にＫ個（Ｋは２以上の整数）連結して電機子が構成され、各相ユニット間では、界磁磁極に対するクローポールの位置が周方向に順次ずれている点も各実施形態と同様である。
【００３１】
ここで、クローポール１８の側辺１８ａの延長上に位置するヨーク１５の周縁部に開口部１５ａを形成することにより、図４（ｂ）のように、一方の軟磁性部材１７のクローポール１８を他方の軟磁性部材１７のクローポール相互間の凹部に嵌合して二つの軟磁性部材１７を結合する際に、二つの開口部１５ａをちょうど合致させることができ、この開口部１５ａから内部のコイルを容易に引き出すことができる。
なお、開口部１５ａは軟磁性部材１７における磁路の断面積を減少させるため、磁気飽和を緩和して鉄損を低減させる観点から、開口部１５ａの面積をできるだけ小さくすることが望ましい。
【００３２】
上記各実施形態では、本発明をインナーロータ型モータに適用した場合につき説明したが、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではなく、例えばアウターロータ型モータや、円筒状の界磁子の内外両方に電機子を有するモータにも適用可能である。
また、本発明のクローポールモータは三相モータ以外の多相モータにも適用可能であり、相数に制約はない。
【００３３】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、クローポールやコイル引き出し用の開口部を含む軟磁性部材の構造を改良してコギングトルクを低減すると共に磁気特性を向上させ、また、同一の一対の軟磁性部材を用いることで部品の種類を少なくしてコストの低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態における相ユニットの断面図である。
【図２】従来技術及び本発明の実施形態におけるクローポールの構造とコギングトルク波形の説明図である。
【図３】本発明の第２実施形態における相ユニットの分解斜視図である。
【図４】本発明の第３実施形態における相ユニットの説明図である。
【図５】第１の従来技術を示す分解斜視図である。
【図６】第２の従来技術を示す分解斜視図である。
【符号の説明】
１０：電機子
１１，１４，１７：軟磁性部材
１２，１５：ヨーク
１３，１３’，１６，１８：クローポール
１５ａ：開口部
１６ａ：凹部
１８ａ：側辺
２０：界磁子
２１：界磁磁極
２２：回転軸
３０：コイル
ａ：最短距離線
【発明の属する技術分野】
本発明は、立体形状であるかぎ爪状磁極（ｃｌａｗ−ｐｏｌｅ）を有するクローポールモータに関し、特にコギングトルクの抑制やコストの低減を可能にしたクローポールモータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図５は、クローポールモータの第１の従来技術を示す分解斜視図である。図５において、１００は固定子としての電機子、２００は回転子としての界磁子であり、これらの電機子１００及び界磁子２００によって三相のインナーロータ型クローポールモータが構成されている。
【０００３】
電機子１００は、相数の自然数倍個（図５は三相の例であるため、三相の１倍個すなわち３個）の相ユニット１００ａ，１００ｂ，１００ｃを同軸上に連結して構成されている。各相ユニット１００ａ，１００ｂ，１００ｃは、リング状に形成されたコイル１１０と、これを取り巻くように形成された第１軟磁性部材１２０及び第２軟磁性部材１３０とから構成されている。
【０００４】
第１軟磁性部材１２０及び第２軟磁性部材１３０は、鋼板を加工して形成される高透磁率部材であり、第１軟磁性部材１２０を構成する断面Ｌ字形のヨークの内周部には、電機子１００の中心軸に並行して、ほぼ平板状のクローポール１２１が内周方向に等ピッチで下方に向け折曲形成されている。また、第２軟磁性部材１３０を構成する断面Ｌ字形のヨークの内周部には、同じく電機子１００の中心軸に並行して、ほぼ平板状のクローポール１３１が内周方向に等ピッチで上方に向け折曲形成されている。つまり、隣り合うクローポール１２１，１３１はそれぞれ別個のヨークに磁気結合されている。
そして、各クローポール１２１，１３１は電機子１００の内周に沿って交互に配置されており、これらのクローポール１２１，１３１のピッチは後述する界磁子２００の界磁磁極（ＮＳ磁極）２１０のピッチと等しくなっている。
【０００５】
一方、界磁子２００は、円筒状に配置された界磁磁極２１０及び回転軸２２０を有し、界磁磁極２１０は周方向に異極（Ｎ極、Ｓ極）が交互に配置されている。
また、この界磁子２００を電機子１００の内部空間に同心状に配置した状態では、界磁磁極２１０と電機子１００側のクローポール１２１，１３１とが対向するようになっている。
【０００６】
このように構成することにより、電機子１００のコイル１１０に電流を通流すると隣り合うクローポール１２１，１３１が互いに逆極性に励磁されるため、界磁子２００の界磁磁極２１０を所定位置に吸引することができる。
図５の例では、各相ユニット１００ａ，１００ｂ，１００ｃのクローポール１２１，１３１は電気角で６０°ずつ周方向の位置が順次ずれている。よって、三相ユニットに三相交流電流を通流することにより、界磁子２００の界磁磁極２１０は各相ユニット１００ａ，１００ｂ，１００ｃのクローポール１２１，１３１に順次、連続的に吸引されて回転する。
【０００７】
この種のクローポールモータは、安価なステッピングモータとして実用化されており、例えばプリンタのドラム駆動などに用いられている。更に、例示したモータは電気的には通常の三相永久磁石モータと同様であるため、回転位置センサを取り付けて位置フィードバック制御を行うことも可能である。
なお、第１軟磁性部材１２０及び第２軟磁性部材１３０の代表的な構成方法は、図に示したように、それぞれクローポール１２１，１３１を有する２個のヨークを、コイル１１０を挟み込むようにして結合するものである。このような構成方法をとる場合、各軟磁性部材１２０，１３０は、板状の軟磁性材料をプレス加工して成形するのが一般的となっている。
【０００８】
次に、図６は第２の従来技術を示す分解斜視図である。
前述した図５の従来技術では、界磁磁極２１０からクローポール１２１，１３１の表面に至る磁束がクローポール１２１，１３１の付け根に集中するため磁気飽和が顕著になり、トルクを増加できないという問題がある。
そこで、軟磁性材料を平板状ではなく、部位により断面積が異なる立体形状に加工して、クローポールの磁束が集中する部位の断面積を増やすことにより磁気飽和を緩和し、トルクを増加させるようにした構造が、図６に示す如く提案されている。
【０００９】
図６はクローポールモータの組立工程を示したもので、第１軟磁性部材１７０及び第２軟磁性部材１８０によりコイル１６０を軸方向両側から挟み込んで一つの相ユニット１５０ａを形成し、同一構成の三つの相ユニット１５０ａ，１５０ｂ，１５０ｃを同軸上に連結することにより電機子１５０が形成される。
なお、２５０は界磁磁極２６０及び回転軸２７０を有する界磁子である。
【００１０】
第１軟磁性部材１７０において、１７１はリング状のヨーク、１７２はヨーク１７１に磁気的に結合され、かつ付け根部分の断面積が大きくなるように形成された突起状のクローポールであり、これらのクローポール１７２は、コイル１６０の内部空間を通って第２軟磁性部材１８０の内周面の凹部１８３に嵌合されるようになっている。また、第２軟磁性部材１８０において、１８１はリング状のヨークであり、１８２はヨーク１８１に磁気的に結合されて付け根部分の断面積が大きくなるように形成された突起状のクローポールである。
なお、この従来技術では第１軟磁性部材１７０及び第２軟磁性部材１８０の構造が互いに若干異なり、また、図５の従来技術の構造とも異なっているが、その動作原理は図５と同様である。
【００１１】
図６に示したような立体形状のクローポールを有する電動機は、例えば後述の非特許文献１に示されるように、自動車のオルタネータとして従来から用いられている。
自動車のオルタネータにおけるクローポールは、各ポールごとに極性が固定された界磁磁極として用いられており、渦電流が流れないことから、クローポールを磁性体の金属の塊によって形成することが可能である。
【００１２】
これに対して、図５，図６のように電機子側にクローポールを有するクローポールモータでは、クローポールの極性が時間的に変化するので、渦電流を実用的な範囲に抑制するためには、クローポールの材料として金属の塊を使用することができない。
そこで、このような渦電流を抑制する観点から、表面に絶縁処理を施した磁性粉末を固着して成形する方法が用いられる。この種の方法により形成されたクローポールを有するモータについては、例えば非特許文献２に開示されている。
【００１３】
【非特許文献１】
エンジン電装研究会編著「自動車工学シリーズ エンジン電装部品」ＩＳＢＮ４−３８１−１００７７−８ Ｃ３０５３， Ｐ．１０９
【非特許文献２】
Ａ．Ｇ． Ｊａｃｋ， ｅｔ ａｌ“Ｃｌａｗ Ｐｏｌｅ Ａｒｍａｔｕｒｅ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ ＭａｃｈｉｎｅｓＥｘｐｌｏｉｔｉｎｇ Ｓｏｆｔ Ｉｒｏｎ Ｐｏｗｄｅｒ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ”Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｍａｃｈｉｎｅｓ ａｎｄ Ｄｒｉｖｅｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ’９７
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
電機子側にクローポールを有するクローポールモータでは、一般に界磁子の界磁磁極数と電機子のクローポールの数とが等しいため、コイルの無通流状態では、界磁磁極の磁束によって界磁磁極とクローポールとが揃う方向に比較的大きな力が働き、この力がいわゆるコギングトルクの原因となる。
また、図５や図６に示した従来技術のように、クローポールと界磁磁極との間の距離がクローポールの周方向にわたって一定であると、図２（ａ）に示す如く、各相ユニットのコギングトルク波形の極性が入れ替わる際の変化率が大きくなり、全ての相を合成したコギングトルク波形に大きな脈動が発生する。
【００１５】
更に、軟磁性部材内部のコイルを引き出すためにヨークに形成される開口部は、磁路の断面積を減少させて磁気特性を悪化させるため、この開口部の配置や大きさ等を最適に設計することが要請されている。
また、軟磁性部材の立体加工では一般に高価な金型を用いるため、低コスト化の観点から、部品の種類を少なくすることが望ましい。
【００１６】
そこで本発明は、軟磁性部材を加工する場合の形状の自由度に着目し、構造を改良してコギングトルクを低減すると共に磁気特性を向上させ、更に、部品の種類を減少させてコストの低減を図ったクローポールモータを提供しようとするものである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１に記載した発明は、Ｎ極及びＳ極の界磁磁極が周方向に等間隔かつ交互に配置された界磁子と、
前記界磁磁極に対向してこれらの界磁磁極と等ピッチで配置されたクローポールが一つおきに軸方向端部でほぼリング状のヨークにそれぞれ磁気結合され、かつ相互に結合される一対の磁性部材と、これらの磁性部材を磁化するコイルとからなる相ユニットが、同軸上にＫ（Ｋは２以上の整数）個連結されると共に、これらＫ個の相ユニット間で前記界磁磁極に対する前記クローポールの位置が周方向に順次ずれるように形成された電機子と、
を備え、
各相ユニットの前記コイルに電流を通流することにより前記界磁子と前記電機子とが相対的に回転可能であるクローポールモータにおいて、
前記クローポールを、前記界磁磁極との間の距離がクローポールの周方向両端部に向かうに従って長くなるような立体形状としたものである。
【００１８】
請求項２に記載した発明は、Ｎ極及びＳ極の界磁磁極が周方向に等間隔かつ交互に配置された界磁子と、
前記界磁磁極に対向してこれらの界磁磁極と等ピッチで配置されたクローポールが一つおきに軸方向端部でほぼリング状のヨークにそれぞれ磁気結合され、かつ相互に結合される一対の磁性部材と、これらの磁性部材を磁化するコイルとからなる相ユニットが、同軸上にＫ（Ｋは２以上の整数）個連結されると共に、これらＫ個の相ユニット間で前記界磁磁極に対する前記クローポールの位置が周方向に順次ずれるように形成された電機子と、
を備え、
各相ユニットの前記コイルに電流を通流することにより前記界磁子と前記電機子とが相対的に回転可能であるクローポールモータにおいて、
一対の磁性部材を、同一部材により形成したものである。
【００１９】
請求項３に記載した発明は、請求項２に記載したクローポールモータにおいて、コイルを引き出すための開口部を、クローポールの側辺の延長上に位置するヨークの周縁部に形成したものである。
【００２０】
請求項４に記載した発明は、請求項３に記載したクローポールモータにおいて、一対の磁性部材を結合した際に開口部の位置が一致するように前記開口部を配置したものである。
【００２１】
請求項５に記載した発明は、請求項１〜４の何れか１項に記載したクローポールモータにおいて、一対の磁性部材が、粉末磁性体により形成された軟磁性部材であることを特徴とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図１は本発明の第１実施形態を示す主要部の断面図であり、クローポールモータの一つの相ユニットの軸方向中心部を軸に垂直な面で切断した断面を示している。
図１において、１０は電機子、１１はこの電機子１０を構成する一方の軟磁性部材であり、リング状のヨーク１２の内周面には１個置きにクローポール１３が軸方向に突設されている。なお、１３’は他方の軟磁性部材に形成されたクローポールである。
【００２３】
また、２０は電機子１０の内部空間に同心的に配置される界磁子であり、クローポール１３，１３’の極数と同数でＮ極，Ｓ極が交互に配置された円筒状の界磁磁極２１と、回転軸２２とを備えている。なお、クローポール１３，１３’の磁極ピッチと界磁磁極２１の磁極ピッチとは等しくなっている。
【００２４】
本実施形態でも、図６に示した如く一対の軟磁性部材によってコイルを挟み込むことにより電機子１０の一相分の相ユニットが形成されるものであるが、図では他方の軟磁性部材及びコイルを省略してある。
また、電機子１０は、相ユニットを同軸上にＫ個（Ｋは２以上の整数であり、三相であれば３個）連結して構成され、各相ユニット間では、界磁磁極２１に対するクローポールの位置が周方向に順次ずれるように形成される。
【００２５】
さて、従来ではクローポールと界磁磁極との間の距離がクローポールの周方向にわたって一定であるが、この実施形態では、クローポール１３，１３’と界磁磁極２１との間の距離を、クローポール１３，１３’の周方向両端部に向かうにつれて長くしてある。すなわち、図１において、ａはクローポール１３，１３’と界磁磁極２１との間の最短距離を結んだ最短距離線であり、個々のクローポール１３，１３’の界磁磁極２１との対向面は、クローポール１３，１３’の周方向両端部に向かうに従って最短距離線ａから遠ざかっている。
【００２６】
上記のような構造とすることにより、クローポール１３，１３’を通り抜ける磁束の界磁子２０の回転に伴う変化が緩やかになり、図２（ｂ）に示す如く、各相ユニットのコギングトルク波形は正弦波に近くなると共に、コギングトルク波形の極性が入れ替わる際の変化率を図２（ａ）の従来技術よりも小さくすることができる。従って、合成コギングトルク波形の脈動も小さくなり、スムーズな回転が可能になる。
なお、コギングトルク波形が一つの相ユニットについて完全な正弦波である場合、三相分を合成すると相殺されてゼロとなるので、一つの相ユニットのコギングトルク波形を正弦波に近付けることが、全体のコギングトルク低減において重要である。
【００２７】
次に、図３は本発明の第２実施形態における電機子の相ユニットの分解斜視図である。
この実施形態では、同一形状、同一構造の２個の軟磁性部材１４を、コイル３０を挟んで反対向きに結合することにより、一相分の相ユニットが形成される。軟磁性部材１４において、１５はリング状のヨーク、１６はヨーク１５と磁気的に結合されたクローポールであり、このクローポール１６は、同一の他方の軟磁性部材１４のクローポール１６の相互間に形成された凹部１６ａに嵌合可能である。また、１５ａはコイル３０を外部に引き出すためにヨーク１５の周縁部に形成された開口部である。
【００２８】
なお、図３におけるクローポール１６の形状は図１の第１実施形態と異なっているが、この第２実施形態でも、図１のように、クローポールと界磁磁極との間の距離を、クローポールの周方向両端部に向かうにつれて長くすることが可能であり、そのようなクローポールを有する同一の軟磁性部材を反対向きにしてコイルを挟んで２個結合することにより、電機子を形成してもよい。
【００２９】
一般に、粉末磁性体を成型して立体的な軟磁性部材を形成するための型は高価であるため、本実施形態のように同一構造の軟磁性部材１４を２個用いることによって型の種類を半減することができ、モータの低コスト化に大きく寄与する。なお、同一部材に互いに嵌合可能な凹凸部（クローポール１６及び凹部１６ａ）を設けることは容易であり、これによって一対の軟磁性部材１４の位置決めを高精度に行うことができる。
【００３０】
図４は、本発明の第３実施形態における電機子の相ユニットの説明図である。図４（ａ），（ｂ）において、１７はリング状のヨーク１５とクローポール１８とを有する軟磁性部材、１５ａは内部のコイルを引き出すためにヨーク１５に形成された開口部である。
この実施形態においても、図３と同様に同一構造の軟磁性部材１７をコイルを挟んで反対向きに結合することにより、一相分の相ユニットが形成される。また、この相ユニットを同軸上にＫ個（Ｋは２以上の整数）連結して電機子が構成され、各相ユニット間では、界磁磁極に対するクローポールの位置が周方向に順次ずれている点も各実施形態と同様である。
【００３１】
ここで、クローポール１８の側辺１８ａの延長上に位置するヨーク１５の周縁部に開口部１５ａを形成することにより、図４（ｂ）のように、一方の軟磁性部材１７のクローポール１８を他方の軟磁性部材１７のクローポール相互間の凹部に嵌合して二つの軟磁性部材１７を結合する際に、二つの開口部１５ａをちょうど合致させることができ、この開口部１５ａから内部のコイルを容易に引き出すことができる。
なお、開口部１５ａは軟磁性部材１７における磁路の断面積を減少させるため、磁気飽和を緩和して鉄損を低減させる観点から、開口部１５ａの面積をできるだけ小さくすることが望ましい。
【００３２】
上記各実施形態では、本発明をインナーロータ型モータに適用した場合につき説明したが、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではなく、例えばアウターロータ型モータや、円筒状の界磁子の内外両方に電機子を有するモータにも適用可能である。
また、本発明のクローポールモータは三相モータ以外の多相モータにも適用可能であり、相数に制約はない。
【００３３】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、クローポールやコイル引き出し用の開口部を含む軟磁性部材の構造を改良してコギングトルクを低減すると共に磁気特性を向上させ、また、同一の一対の軟磁性部材を用いることで部品の種類を少なくしてコストの低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態における相ユニットの断面図である。
【図２】従来技術及び本発明の実施形態におけるクローポールの構造とコギングトルク波形の説明図である。
【図３】本発明の第２実施形態における相ユニットの分解斜視図である。
【図４】本発明の第３実施形態における相ユニットの説明図である。
【図５】第１の従来技術を示す分解斜視図である。
【図６】第２の従来技術を示す分解斜視図である。
【符号の説明】
１０：電機子
１１，１４，１７：軟磁性部材
１２，１５：ヨーク
１３，１３’，１６，１８：クローポール
１５ａ：開口部
１６ａ：凹部
１８ａ：側辺
２０：界磁子
２１：界磁磁極
２２：回転軸
３０：コイル
ａ：最短距離線
Claims (5)
- Ｎ極及びＳ極の界磁磁極が周方向に等間隔かつ交互に配置された界磁子と、
前記界磁磁極に対向してこれらの界磁磁極と等ピッチで配置されたクローポールが一つおきに軸方向端部でほぼリング状のヨークにそれぞれ磁気結合され、かつ相互に結合される一対の磁性部材と、これらの磁性部材を磁化するコイルとからなる相ユニットが、同軸上にＫ（Ｋは２以上の整数）個連結されると共に、これらＫ個の相ユニット間で前記界磁磁極に対する前記クローポールの位置が周方向に順次ずれるように形成された電機子と、
を備え、
各相ユニットの前記コイルに電流を通流することにより前記界磁子と前記電機子とが相対的に回転可能であるクローポールモータにおいて、
前記クローポールを、前記界磁磁極との間の距離がクローポールの周方向両端部に向かうに従って長くなるような立体形状としたことを特徴とするクローポールモータ。 - Ｎ極及びＳ極の界磁磁極が周方向に等間隔かつ交互に配置された界磁子と、
前記界磁磁極に対向してこれらの界磁磁極と等ピッチで配置されたクローポールが一つおきに軸方向端部でほぼリング状のヨークにそれぞれ磁気結合され、かつ相互に結合される一対の磁性部材と、これらの磁性部材を磁化するコイルとからなる相ユニットが、同軸上にＫ（Ｋは２以上の整数）個連結されると共に、これらＫ個の相ユニット間で前記界磁磁極に対する前記クローポールの位置が周方向に順次ずれるように形成された電機子と、
を備え、
各相ユニットの前記コイルに電流を通流することにより前記界磁子と前記電機子とが相対的に回転可能であるクローポールモータにおいて、
一対の磁性部材を、同一部材により形成したことを特徴とするクローポールモータ。 - 請求項２に記載したクローポールモータにおいて、
コイルを引き出すための開口部を、クローポールの側辺の延長上に位置するヨークの周縁部に形成したことを特徴とするクローポールモータ。 - 請求項３に記載したクローポールモータにおいて、
一対の磁性部材を結合した際に開口部の位置が一致するように前記開口部を配置したことを特徴とするクローポールモータ。 - 請求項１〜４の何れか１項に記載したクローポールモータにおいて、
一対の磁性部材が、粉末磁性体により形成された軟磁性部材であることを特徴とするクローポールモータ。
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2003
- 2003-02-12 JP JP2003033339A patent/JP2004248363A/ja not_active Withdrawn
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