JP2007228790A - モータ - Google Patents

Abstract

【課題】従来技術においては軸方向と半径方向の磁極部の特性の組み合わせ、特に永久磁石による磁極部と磁性体突極による磁極部の関係に改善の余地があり、さらなるトルク密度向上の可能性があった。
【解決手段】ロータ(13)とステータ(11)とを備え、該ロータが該ステータに対し空隙を持って回転可能に保持されたモータであって、ロータが、ステータに対しロータ回転軸方向に空隙を持って対向する第一の磁極部(13A)と、ステータに対しロータ半径方向に空隙を持って対向する第二の磁極部(13R)とを備え、第一、第二の磁極部の一方は、永久磁石からなり、第一、第二の磁極部の他方は、磁性体突極からなり、第一の磁極部の極数と、第二の磁極部の極数とが異なっていることを特徴とするモータを提供する。
【選択図】図１

Description

本発明はモータに関し、特に、軸方向と半径方向との２組以上の別個に独立して機能する磁極部を持つロータを具えるモータに関する。

従来、モータ回転軸の軸方向と半径方向のそれぞれに別々の永久磁石と固定子コイルを配置することでトルク密度を大きくしているモータ（特許文献1参照）、また、軸方向と半径方向の一方を磁性体突極により構成するモータ（特許文献２参照）が開示されている。
特開２００５−１６８２４５号公報 特開２００５−２０４４３９号公報

しかしながら、従来技術においては軸方向と半径方向の磁極部の特性の組み合わせ、特に永久磁石による磁極部と磁性体突極による磁極部の関係に改善の余地があり、さらなるトルク密度向上の可能性があった。

本発明の目的は、上述した従来型モータにおいて軸方向と半径方向の磁極部の特性の組み合わせ、特に、永久磁石による磁極部と磁性体突極による磁極部の関係を改善して、トルク密度を向上させたモータを提供することである。

上述した諸課題を解決すべく、ロータとステータとを備え、該ロータが該ステータに対し空隙を持って回転可能に保持されたモータであって、
前記ロータが、前記ステータに対しロータ回転軸方向に空隙を持って対向する第一の磁極部と、前記ステータに対しロータ半径方向に空隙を持って対向する第二の磁極部とを備え、
前記第一、第二の磁極部の一方の磁極部は永久磁石からなり、
前記第一、第二の磁極部の他方の磁極部は磁性体突極からなり、
前記第一の磁極部の極数と、前記第二の磁極部の極数とが異なっている、
ことを特徴とするモータを提供する。

本発明の実施形態によれば、軸方向と半径方向の両方に空隙を形成して、軸方向と半径方向の磁極部の永久磁石による磁極部と磁性体突極による磁極部の極数を異ならせることで従来型モータよりトルクをより発生することが可能となる。

以降、諸図面を参照しつつ、本発明の実施態様を詳細に説明する。
＜実施例１＞
図１は、本発明によるモータの第１の実施例の構成を示す断面図である。図に示すように、モータ１０は、ステータ１１と、ロータ軸１２に装着された２枚のディスク型のロータ１３とを具える。ステータ１１は図示しないボルトにより結合された前ケース１４、中間ケース１５、後ケース１６からなるモータケースにステータ支持部材１９を介して固定されている。ロータ１３はロータ軸１２を介してモータケースに装着されたベアリング１７により回転自在に支持されている。また、ロータ１３はディスク型ロータであり、後述するアキシャル面のエアギャップを維持する為に回転軸方向の移動が制限されている。

このモータ１０においては、ロータ１３とステータ１１との間にアキシャル面の空隙（モータ軸方向に垂直をなして形成される空隙）、およびラジアル面の空隙（ロータ半径方向に形成される空隙）、２つの空隙が形成されている。ステータ１１にはアキシャル面の空隙に対向するティース面１１Ａとラジアル面の空隙に対向するティース面１１Ｒの２つのティース面が形成されている。さらにステータ１１には、ステータコイル２０が巻回されており、ロータ１３を駆動する電流が制御装置２２から供給されている。制御装置は後述するように、各磁極部に対応する各電流からなる複合電流を供給することが可能である。また、回転検出器２１は、ロータの位置情報を制御装置２２へ供給している。

１枚のディスク型のロータ１３には、アキシャル面に対向して軸方向に磁力線が作用するように永久磁石を配置した第一の磁極部１３Ａと、ドーナツ型のステータ１１の中心孔内に配置され、かつ、ロータ軸１２に設けられ、ラジアル面に沿って磁性体突極を配置した第二の磁極部１３Ｒとを持つ。このようなディスク型のロータ１３を２枚連結してステータ１１の２つのアキシャル面に対向して配置する。

図２は、第１の実施例のロータ１３の構成を示す外観図（斜視図）である。図に示すように、第一磁極部１３Ａは、永久磁石Ｓ、永久磁石Ｎを扇形に形成し配置することで、アキシャルギャップ面に対して回転磁界を形成している。永久磁石の着磁方向は回転軸方向と同じ方向であり、軸線方向に磁力線が作用する。図中では表面磁石構造（ＳＰＭ;Surface Permanent Magnet）となっているが、必要に応じて埋込磁石構造（ＩＰＭ;Interior Permanent Magnet）としても良い。本実施形態では１０極の磁石（５極対）で回転磁界を形成しているが、これに限られるものではなく、極を増やしても減らしても良い。また磁石形状は扇形に限られるものではないが、アキシャルギャップ面に対して磁石表面積を大きく取る為には扇形が好適である。

第二磁極部１３Ｒは、ロータ軸１２に配置され、磁性体材料により突極部１３Ｒａと空隙部（凹部）１３Ｒｂを形成しており、ラジアルギャップ面に対して突極部１３Ｒａ空隙部１３Ｒｂにより回転磁界を形成している。突極部１３Ｒａおよび空隙部１３Ｒｂは、けい素鋼板を歯車状に打ち抜き、回転軸方向に順次積層するいわゆる積層鋼板にて形成されている。本実施形態では５つの突極部１３Ｒａを形成しているが、これに限られるものではなく、ステータ数に合わせて突極数を増やしても減らしても良い。ロータ１３の磁石外周、内集は積層鋼板等で構成しても良いが、磁石内周側に関しては第一磁極部１３Ａと第二磁極部１３Ｒの磁気回路の干渉を避けるためにアルミなどの非磁性体で構成すると良い。

図３は、第１の実施例のステータ１１の構成を示す外観図（斜視図）である。図に示すようにステータ１１は扇形のステータコア１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ、１１ｆ、１１ｇ、１１ｈ、１１ｉを周方向に並べて配置しておりアキシャルギャップ面に対してティース面１１Ａ、ラジアルギャップ面に対してティース面１１Ｒをそれぞれ形成している。即ち、このステータ１１はドーナツ型ステータであり、その中心孔内にロータ１３Ｒの大部分が配置される。ステータコアは扇状に限られるものではないが、アキシャルギャップ面に対してティース面１１Ａの表面積を大きく取る為には扇形が好適である。ステータコア１１ａ−１１ｉは積層鋼板で形成するのが一般的であるが、本実施形態ではアキシャル面とラジアル面の両方に磁力線を取り出す必要があるため純鉄・パーマロイ・センダスト合金などの磁性材料を粉砕した後、圧縮形成した圧粉コアにより形成している。また、ティース面１１Ａとティース面１１Ｒのそれぞれに第一磁極部１３Ａ、第二磁極部１３Ｒに対向する表面積を増やす為にティース先端部を広げて形成すると良い。

ステータコア１１ａを例にして構成をさらに詳細に説明するが、他のステータコア１１ｂ―１１ｉの構成も同様のものである。ステータコア１１ａには回転軸方向に巻き回す方向でコイル２０がインシュレータ２０ａを介して集中巻されている。コイルの巻き回し方向は本形態に限られるものではないが、本実施形態ではアキシャル面に磁石を配置しており、且つ対向面積もラジアル面に比べて大きく設定しているのでアキシャル面への磁力線を効率よく発生できるように回転軸方向にコイル２０を巻き回している。インシュレータ２０ａはコイル２０の保護、絶縁のために設けられている。

ステータ支持部材１９は、複数のステータコア１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ、１１ｆ、１１ｇ、１１ｈ、１１ｉの間に設けられている。これは本実施形態では２つの連結されたロータに対して磁力線を発生している為に、両方のアキシャル面へ支持構造を配置できない為、磁力線の放出部であるティース面が無いステータコア間で支持している。このようなステータ１１を樹脂モールドなどによりリング状に成型して図１の中間ケース１５に固定する。

ステータ１１の内周側にはロータ軸及び第二磁極部１３Ｒが入り込む空洞部が存在しているが、これはロータ軸及び第二磁極部１３Ｒが入り込む空洞部のためのスペースに加えて、前述のコイル２０を適切に巻き回す為の必要なスペースでもある。体積効率を最大にする為にはステータコア１１ａを鋭角の三角形に形成して敷き詰めることが好ましいが、コイル２０を鋭角に巻き回すことはコイル保護の観点から困難であり、実際、本実施例ではコイルを９０度以下の鋭角に巻き回すことがないようにステータコア１１ａ及びインシュレータ２０ａを略台形に形成している。この結果、ステータ１１の内周側の空洞が形成される。よって本実施形態における第二磁極部１３Ｒはステータ１１の内周側に形成することがスペース効率の観点から好ましい。

図４は、第１の実施例の第一、第二の磁極部の磁気回路の相対的な位置関係を示す図である。ここで図中の（ａ）は第１の実施例のロータ１３を示し、（ｂ）は従来のロータを表している。図中Ｔｅはステータのティース部、Ｓ、Ｎはそれぞれ逆方向に着磁され、逆方向に磁力線を出す永久磁石、Ｂｒは磁性体である。図４ではステータ１１と第一磁極部１３Ａ、第二磁極部１３Ｒの相対関係を示すためにギャップ方向が異なる両磁極部を同一平面に記載している。実際には図１に示したようにステータ１１と第一磁極部１３Ａはアキシャル方向のギャップ、ステータ１１と第二磁極部１３Ｒはラジアル方向のギャップを介して対向している。

第１の実施例では第一磁極部１３Ａの永久磁石の磁石極数と第二磁極部１３Ｒの磁性体突極数とが異なっている。本実施例では、第一磁極部１３Ａの磁極数は１０であり、第二磁極部１３Ｒの突極数は５である。またステータ１１のティースの数は９個である。図４の（ｂ）の従来技術は１つのギャップ面に対して回転磁界を形成する一般的な同期モータのロータの磁気回路を示したものであり、永久磁石の磁極数は１０であり、磁性体突極数も１０である。またステータのティースの数は９個とする。

ここで、図４の（ｂ）の従来技術に示したモータの問題点を説明する。図４の（ｂ）に示したような従来ロータを持つモータでは、一般的に、マグネットトルクを増加させる為に永久磁石の磁極数を増やすことが行われている。図５にこのような従来のＩＰＭ型モータのトルクを示す。図５ではマグネットトルクによるトルクを１００％としたときに、β角を変更してリラクタンスを発生させようとした場合のトルク向上率を示したものである。４極対のモータにあっては、リラクタンストルクの利用率を上げることで、モータ全体のトルクが向上しているのに対し、８極対のモータにあってはリラクタンストルクの利用率を上げようとすると、モータ全体のトルクが減少している。これは８極対のモータにあってはリラクタンストルクを活用することができておらず、トルクが向上しておらず、極端な場合、リラクタンストルクが負のトルクとして作用してしまいトルクが減少している。

その理由を図６、７で示す。図６、図７は、従来モータにおけるロータとステータとの位置関係を説明する図である。図６（３相６スロット４極）に示すように、極数が少ない場合においてはロータＲｔを構成するティースＴｅの例えばティースＴｅ１直下にステータＳｔ１の磁石Ｓがある場合（図６（ａ））と、ブリッジＢｒ（鉄部）がある場合（図６（ｂ））との突極比（磁束の通り易さの違い）が十分に保たれる。これは磁束の経路ＭＰ１，ＭＰ２からも理解できる。従ってリラクタンストルクも発生できる。一方、図７（３相６スロット１２極）に示すようにステータＳｔ２を多極化すると、１つのティースあたりに含まれるステータＳｔ２の磁石（Ｓ，Ｎ）と鉄（Ｂｒ）との比が分散されるので、突極比が小さくなってしまう。これは磁束の経路ＭＰ３，ＭＰ４からも理解できる。それにより十分なリラクタンストルクが発生できなくなる。従って、マグネットの量が同一の場合、多極化していくと、多極化に応じて、リラクタンストルク効果が次第に目減りしていくので、多極化によりトルクを向上させようとしても、十分な効果が得られなくなっていく。

図４（ａ）の説明に戻るが、第１の実施例では前述したように第一磁極部１３Ａの永久磁石の磁極数と第二磁極部１３Ｒの磁性体突極数を異ならしている。これは、第一磁極部３３Ａと第二磁極部３３Ｒは各々異なるギャップ面に対向して設けられており、第一磁極部１３Ａの永久磁石の磁極の間に第二磁極部１３Ｒの磁性体突極を形成する必要がないので、第二磁極部１３Ｒは第一磁極部１３Ａの磁極数を考慮することなく任意に突極と空隙を形成することができる。よって、第一磁極部１３Ａの永久磁石の磁極数を増やしても、第二磁極部１３Ｒの磁性体突極数を増やす必要がない。これにより、第一磁極部１３Ａの永久磁石の磁極を多極化すると同時に、第二磁極部１３Ｒの磁性体突極の極数を減らす、即ち、永久磁石からなる第一磁極部１３Ａの極数に対して、磁性体突極からなる第２の磁極部の極数を少なく構成させることによって、第二磁極部１３Ｒの突極比を十分に確保することができる。

図８は、本発明によるモータで使用するステータに供給される複合電流に含まれる電流Ａと電流Ｂとの一例を示すグラフであり、例えば、電流Ａは一方の組の極数（例えばマグネットトルクで作用するロータ）に対して作用する電流とし、電流Ｂはもう一方の組の極数（例えば、突極によるリラクタンストルクで作用するロータ）に対して作用する電流とした場合、それぞれの極数が異なるため図に示すように異なる周期の曲線を描く。これら電流Ａと電流Ｂとを合成したものが複合電流（図示せず）である。このような複合電流をステータに給電することで、１つのステータで異なる極対数である第一磁極部３３Ａと第二磁極部３３Ｒに回転トルクを発生させることができる。

以上、第１の実施例では、第一の磁極部を永久磁石からなる磁極部とし、第二の磁極部を磁性体突極からなる磁極部として、永久磁石の磁石極数と磁性体突極数を異ならせることにより、以下に列挙する効果を得ることが出来る。

第１の効果として、第一の磁極部を永久磁石からなる磁極部とし、第二の磁極部を磁性体突極からなる磁極部として、永久磁石の磁石極数と磁性体突極数を異ならせることにより、ステータ１１に対する両磁極部の磁極数を最適に設定することができる。第２の効果として、第一の磁極部の永久磁石の極数に対して、第二の磁極部の磁性体突極磁極を少なくすることにより、ステータ、永久磁石の極数の極対数の増加によってもリラクタンストルクを利用することができる。

第３の効果として、ステータ１１には回転軸に巻き回す方法でコイルを巻き回すことで、アキシャルギャップ面に対し効率よく回転磁界を発生させるとともに、ステータ内周側のスペースに第二磁極部１３Ｒ対向させているので、トルク効率、体積効率ともに向上することができる。第４の効果としてステータ１１に対しては複合磁束により第一の磁極部および第二の磁極部の各々に回転磁界を与えることができるので、別々のコイルを用いる必要がない。異なる極数を組み合わせには、前述の極数に限定されることはなく、効率的な組み合わせがあり、それぞれの極数を選択して最適なものを組み合わせることが可能である。

本発明を諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各部材、各手段などに含まれる機能などは論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の部材、手段などを１つに組み合わせたり或いは分割したりすることが可能である。

本発明によるモータの第１の実施例の構成を示す断面図である。 第１の実施例のロータ１３の構成を示す外観図（斜視図）である。 第１の実施例のステータ１１の構成を示す外観図（斜視図）である。 第１の実施例の第一、第二の磁極部の磁気回路の相対的な位置関係を示す図である。 従来のIPM型モータのトルクを示す図である。 従来のモータにおけるロータとステータの位置関係を説明する図である。 従来のモータにおける多極化した場合のロータとステータの位置関係を説明する図である。 本発明で使用する複合電流の一例を示すグラフである。

符号の説明

１０ モータ
１１ ステータ
１１Ａ ティース面
１１ａ ステータコア
１１Ｒ ティース面
１２ ロータ軸
１２ スロット
１３ ロータ
１３Ａ 第一磁極部
１３Ｒ 第二磁極部
１３Ｒａ 突極部
１３Ｒｂ 空隙部（凹部）
１４ 前ケース
１５ 中間ケース
１６ 後ケース
１７ ベアリング
１９ ステータ支持部材
２０ ステータコイル
２０ａ インシュレータ
２１ 回転検出器
２２ 制御装置
３３Ａ 第一磁極部
３３Ｒ 第二磁極部
Ｂｒ ブリッジ
ＭＰ１，ＭＰ２，ＭＰ３，ＭＰ４ 磁束の経路
Ｎ，Ｓ 永久磁石
Ｒｔ ロータ
Ｓｔ１，Ｓｔ２ ステータ
Ｔｅ，Ｔｅ１ ティース

Claims (5)

1. ロータとステータとを備え、該ロータが該ステータに対し空隙を持って回転可能に保持されたモータであって、
   前記ロータが、前記ステータに対しロータ回転軸方向に空隙を持って対向する第一の磁極部と、前記ステータに対しロータ半径方向に空隙を持って対向する第二の磁極部とを備え、
   前記第一、第二の磁極部の一方は、永久磁石からなり、
   前記第一、第二の磁極部の他方は、磁性体突極からなり、
   前記第一の磁極部の極数と、前記第二の磁極部の極数とが異なっている、
   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、
   前記磁性体突極からなる他方の磁極部の極数は、前記永久磁石からなる一方の磁極部の極数よりも少ない、ことを特徴とするモータ。
3. 請求項１または２に記載のモータにおいて、
   前記ステータはステータコイルを備え、
   該ステータコイルには、前記第一、第二の磁極部を構成する各極数に対応する各電流からなる複合電流が供給される、ことを特徴とするモータ。
4. 請求項１〜３のいずれ１項に記載のモータにおいて、
   前記第一の磁極部が、前記永久磁石からなる一方の磁極部であり、
   前記第二の磁極部が、前記磁性体突極からなる他方の磁極部である、ことを特徴とするモータ。
5. 請求項１〜４のいずれ１項に記載のモータにおいて、
   前記ステータはドーナツ型ステータであり、
   前記ロータは中心に回転軸を備えるディスク型ロータであって、該ディスク型ロータのアキシャル面に第一の磁極部を設けるとともに、該ディスク型ロータの回転軸部に第二の磁極部を設ける、
   第二の磁極部が、前記ドーナツ型ステータの中心孔内に配置されている、
   ことを特徴とするモータ。

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