JP2010226784A - モーター用磁石組立体及びこれを用いたローター並びにモーター - Google Patents

Abstract

【課題】一体に形成された多段構成の樹脂製永久磁石を有する低コストかつ高品質のモーター用磁石組立体、及び、それを用いたローター並びにモーターを提供することを目的とする。
【解決手段】本発明に係るモーター用磁石組立体１は、樹脂製永久磁石４と非磁性体部材３とを含んでおり、非磁性体部材３は、軸穴２と、その軸方向と同方向に延びる４つの貫通穴３ａとを備えている。樹脂製永久磁石４は、非磁性体部材３の軸穴２と同軸に延びる軸穴１２を有するとともに、軸方向の両側から非磁性体部材３を挟む本体部４ｂ、４ｃと、非磁性体部材３の複数の貫通穴３ａを満たす連結部４ａとが一体化されてなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、モーター用磁石組立体及びこれを用いたローター並びにモーターに関し、特に、樹脂製永久磁石材を用いたモーター用磁石組立体及びこれを用いた永久磁石型インナーローターの構造に関する。

従来、永久磁石（ＰＭ）型インナーローターとして、図６に示す構成が知られている。このインナーローターは、保持部材５２と、保持部材５２の中心軸に沿って装着された回転軸５１と、保持部材５２の外周面に固着された円筒状の永久磁石５３を含んでいる。通常、永久磁石５３は、その円周方向に沿って磁極が交互に反転するように多極着磁されており、また、永久磁石５３の周囲には、永久磁石５３に近接対向する極爪を有するステータヨークと、このステータヨークを励磁するための励磁コイルとを備えたステータが配設されて、モーターが構成される。このようなモーターの典型的な例として、ＰＭ型ステッピングモーターが挙げられる。

しかし、図６に示すインナーローターを用いてＰＭ型ステッピングモーターを構成する場合、次のような問題が生じる。ＰＭ型ステッピングモーター、特に小形のＰＭ型ステッピングモーターにおいて、そのステータは、複数のステータユニットを軸方向に積層した多段構成とすることが多く、例えば、２相ＰＭ型ステッピングモーターでは、Ａ相のステータユニットとＢ相のステータユニットを軸方向に２段縦積みにした構成が用いられることが多い。そして、このように構成されたステータと図６に示すインナーローターを用いてモーターを構成した場合、永久磁石５３からＡ相の極爪に流れ込む磁束とＢ相の極爪に流れ込む磁束との間にアンバランスが生じ、所謂コギングトルクが増大することによってインナーローターの滑らかな回転が阻害され、ひいては振動、騒音等の要因となるという問題がある。

この問題に対処するために、従来、図７に示すようなＰＭ型インナーローターが知られている。図７に示すインナーローターは、回転軸５５が装着された保持部材５６の軸方向中央部にその外周面から突出する鍔部５６ａが設けられており、軸方向に沿って２段に積層されたステータ構成に応じて、鍔部５６ａにより永久磁石５７、５７を軸方向に２段に分離することで、Ａ相とＢ相の磁気回路のバランスを保ち、コギングトルクを低減することが図られている。

しかしながら、図７に示すようなＰＭ型インナーローターは、コギングトルクの低減のために有利ではあるものの、その製造工程において２つの永久磁石５７、５７を保持部材５６に組み付ける工程が必要となる上、その工程には高い組み立て精度が要求されるため、工数が増大するとともに歩留まりが低下し、コストが増大するという問題がある。

そこで、従来、図８に示すように、樹脂製永久磁石６３、６３と保持部材６２とを一体に成形したＰＭ型インナーローターが提案されている（例えば、特許文献１参照）。図８に示すＰＭ型インナーローターは、回転軸６１が装着された保持部材６２を軸方向に沿って上部縮径部６２ｃと下部縮径部６２ｄに仕切る鍔部６２ａ中に、上部縮径部６２ｃ側と下部縮径部６２ｄ側を連通する貫通穴６２ｂが設けられており、永久磁石の射出成形時に、貫通穴６２ｂを通じて上下の縮径部６２ｃ、６２ｄに樹脂製永久磁石材料を供給することによって、鍔部６２ａにより仕切られた２段の樹脂製永久磁石６３、６３を一体に成形するとともに、樹脂成形部である保持部材６２と樹脂製永久磁石６３、６３とを２色成形により構成するものである。

特開平９−５６１４０号公報

しかしながら、図８に示したようなＰＭ型インナーローターの構成は、一体に成形された多段構成の樹脂製永久磁石を用いたインナーローターとして、コスト及び性能の点で十分なものとは言えず、特に、このインナーローターを用いてモーターを構成したときに、２段の永久磁石６３、６３が鍔部６２ａによって完全に分離されているのではなく、それらの間に貫通穴６２ｂ中に充填された樹脂製永久磁石が存在することの、モーターの性能（例えば、起動トルク及びコギングトルク）に対する影響については、全く考慮されていない。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、一体に形成された多段構成の樹脂製永久磁石を有する低コストかつ高品質のモーター用磁石組立体、及び、それを用いたローター並びにモーターを提供することを目的とする。
また、本発明は、一体に形成された多段構成の樹脂製永久磁石を有するモーター磁石組立体において、それを用いたローターをモーターに適用したときに、モーターの性能を最適化するモーター用磁石組立体、及び、それを用いたローター並びにモーターを提供することを目的とする。

以下の発明の態様は、本発明の構成を例示するものであり、本発明の多様な構成の理解を容易にするために、項別けして説明するものである。各項は、本発明の技術的範囲を限定するものではなく、発明を実施するための最良の形態を参酌しつつ、各項の構成要素の一部を置換し、削除し、又は、さらに他の構成要素を付加したものについても、本願発明の技術的範囲に含まれ得るものである。

（１）樹脂製永久磁石と非磁性体部材とを含むモーター用磁石組立体であって、前記非磁性体部材は、回転軸固定用穴と、その軸方向と同方向に延びる複数の貫通穴とを備えており、前記樹脂製永久磁石は、前記非磁性体部材の前記回転軸固定用穴と同軸に延びる回転軸固定用穴を有するとともに、前記軸方向の両側から前記非磁性体部材を挟む本体部と、前記非磁性体部材の前記複数の貫通穴を満たす連結部とが一体化されてなることを特徴とするモーター用磁石組立体（請求項１）。

本項に記載のモーター用磁石組立体は、非磁性体部材が、軸方向と同方向に延びる複数の貫通穴を備えており、樹脂製永久磁石が、軸方向の両側から非磁性体部材を挟む本体部と、非磁性体部材の複数の貫通穴を満たす連結部とが一体化されてなることによって、非磁性体部材と、非磁性体部材を介して軸方向に多段に積層配置された本体部を有する樹脂製永久磁石とを、成形工程により一体に形成することができる。これによって、多段構成のモーター用磁石組立体の製造において、非磁性体部材に複数の永久磁石を組み付ける工程が不要となり、組み立て工数が削減されるとともに組み立て精度が向上し、モーター用磁石組立体の低コスト化及び高品質化に寄与するものである。

（２）（１）項に記載のモーター用磁石組立体において、前記非磁性体部材は、円板状部材であり、前記樹脂製永久磁石の前記本体部は、前記非磁性体部材の表面及び裏面に連接することを特徴とするモーター用磁石組立体（請求項２）。

本項に記載のモーター用磁石組立体は、非磁性体部材が円板状の部材であり、樹脂製永久磁石の本体部が、非磁性体部材の表面及び裏面に連接する構成であることにより、例えば、図８に示したような、円筒状の保持部材（非磁性体部材）の外周面に鍔部を設け、その鍔部を両側から挟む樹脂製永久磁石を保持部材の外周面に設けた構成と比較して、非磁性体部材の製造コスト（例えば、材料費及び加工費）が低減し、樹脂製永久磁石の成形も容易であり、また、小型・軽量化により慣性モーメントの低減が図れるため、回転しやすいローターを構成することができる。

（３）（１）項または（２）項に記載のモーター用磁石組立体において、前記樹脂製永久磁石の前記連結部の、前記中心軸方向に対して垂直な断面積の総和（Ｂ）と、前記樹脂製永久磁石の前記本体部の、前記中心軸方向に対して垂直な断面積（Ａ）との比（Ｂ／Ａ）が、０．０８＜Ｂ／Ａ＜０．３３であることを特徴とするモーター用磁石組立体（請求項３）。

本項に記載のモーター用磁石組立体は、これを用いたローターを適用してモーターを構成したときに、十分な起動トルクを確保しつつコギングトルクを低レベルに維持することができ、モーターの性能を最適化することができる。本発明に係るモーター用磁石組立体は、更に好ましくは、次の（４）項に記載の構成を有するものである。

（４）（１）項または（２）項に記載のモーター用磁石組立体において、前記樹脂製永久磁石の前記連結部の、前記中心軸方向に対して垂直な断面積の総和（Ｂ）と、前記樹脂製永久磁石の前記本体部の、前記中心軸方向に対して垂直な断面積（Ａ）との比（Ｂ／Ａ）が、０．１５＜Ｂ／Ａ＜０．２７であることを特徴とする記載のモーター用磁石組立体（請求項４）。

（５）（１）〜（４）のいずれか１項に記載のモーター用磁石組立体と、前記回転軸固定用穴に装着された回転軸とを含むローター（請求項５）。

（６）（５）項に記載のローターと、該ローターの周囲に配設されたステータとを含むモーター（請求項６）。

本項に記載のモーターによれば、（５）項に記載のローターを用いることにより、低コストかつ高品質のモーターを実現することができる。本項に記載のモーターは、ローターの構成に応じた多段構成のステータを有するモーターとして好適なものであり、例えば、多相ＰＭ型ステッピングモーターに適用することができる。特に、ローターに用いられる磁石組立体を（３）項または（４）項に記載の磁石組立体とすることで、十分な起動トルクを確保しつつコギングトルクを低レベルに維持することができ、モーターの性能を最適化することができる。

本発明は、以上のように構成したことにより、一体に形成された多段構成の樹脂製永久磁石を有する低コストかつ高品質のモーター用磁石組立体、及び、それを用いたローター並びにモーターを提供することが可能となる。更に、一体に形成された多段構成の樹脂製永久磁石を有するモーター磁石組立体において、それを用いたローターをモーターに適用したときに、モーターの性能を最適化するモーター用磁石組立体、及び、それを用いたローター並びにモーターを提供することが可能となる。

本発明の第１実施形態におけるモーター用磁石組立体の構造を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は、（ａ）のＣ−Ｃ’断面図、（ｃ）は、（ａ）のＤ−Ｄ’断面図である。 図１に示す磁石組立体の構造を示す斜視図であり、（ａ）は全体図、（ｂ）及び（ｃ）は、それぞれ非磁性体部材及び樹脂製永久磁石を仮想的に別体として示した図である。 （ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１実施形態におけるモーター用磁石組立体において、非磁性体部材の別の例を示す平面図である。 本発明の第２実施形態におけるローター及びモーターを、中心軸を含む平面で切断して示す断面図である。 図４に示すモーターにおいて、磁石組立体の連結部断面積の総和（Ｂ）と本体部断面積（Ａ）との比（Ｂ／Ａ）に対して、起動トルク及びコギングトルクをプロットしたグラフである。 従来の永久磁石型インナーローターの構造の一例を、中心軸を含む平面で切断して示す断面図である。 従来の永久磁石型インナーローターの構造の別の例を、中心軸を含む平面で切断して示す断面図である。 従来の永久磁石型インナーローターの構造の別の例を、中心軸を含む平面で切断して示す断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
本発明の第１実施形態におけるモーター用磁石組立体１は、図１及び図２に示すように、樹脂製永久磁石４と非磁性体部材３とを含んでおり、非磁性体部材３は、回転軸固定用穴（以下、軸穴という）２と、その軸方向と同方向に延びる４つの貫通穴３ａとを備えている。樹脂製永久磁石４は、非磁性体部材３の軸穴２と同軸に延びる軸穴１２を有するとともに、軸方向の両側から非磁性体部材３を挟む２段の本体部４ｂ、４ｃと、非磁性体部材３の４つの貫通穴３ａを満たす４本の連結部４ａとが一体化されてなるものである。

また、本実施形態において、非磁性体部材３は円板状部材であり、樹脂製永久磁石４の本体部４ｂ、４ｃは、非磁性体部材３の表面（例えば、図２に示す面３ｂ）及び裏面（例えば、図２に示す面３ｃ）にそれぞれ連接する円柱状部として構成されている。

以上のような構成されるモーター用磁石組立体１は、好ましくは２色成形（ダブルモールド）により、樹脂製永久磁石４と非磁性体部材３とが一体に成形される。例えば、周知の２色成形工程において、一次成形用金型に樹脂材料（例えば、ＰＢＴまたは液晶ポリマー）を射出して非磁性体部材３を成形した後、一旦型開きを行い、コア側に非磁性部材３を付着させた状態で二次成形用金型を型閉めし、樹脂材料（例えば、ナイロン）のバインダーに磁石粉末（例えば、ＮｄＦｅＢ系等の希土類磁石粉末）を混合してなるコンパウンドを射出することにより樹脂製永久磁石４を成形する。この際、二次成形用のゲートから一方の本体部（例えば本体部４ｂ）側に射出された樹脂製永久磁石材料は、非磁性体部材３の貫通穴３ａ内を充填しつつ他方の本体部（例えば本体部４ｃ側）にも供給され、これによって、本体部４ｂ、４ｃ及び連結部４ａを有する樹脂製永久磁石４と、非磁性体部材３とが一体化されたモーター用磁石組立体１が成形される。

尚、モーター用磁石組立体１は、予め形成された非磁性体部材３を金型内に装着して成形するインサート成形法を用いて成形するものであってもよい。

このように、本実施形態におけるモーター用磁石組立体１によれば、その製造工程において、非磁性部材に対して複数の永久磁石を組み付ける工程が不要となるため、組み立て工数が削減されるとともに組み立て精度を向上させることが可能となり、低コストかつ高品質のモーター用磁石組立体１を実現することができる。

ここで、図１及び図２に示すモーター用磁石組立体１では、非磁性体部材３に設けられる複数の貫通穴３ａを４つの同径の丸穴とし、これらの丸穴が周方向に等間隔に配列されている。但し、本実施形態におけるモーター用磁石組立体において、これらの貫通穴は、成形工程における樹脂製永久磁石材料の流動性、及び、貫通穴３ａ内に充填されてなる連結部４ａの断面積のコギングトルク等に及ぼす影響（この点については後述する）等を勘案の上、その形状、サイズ、数、及び配列パターン等を任意に設定することができる。

例えば、図３（ａ）に示す非磁性体部材１３のように、４つの部分円環状の貫通穴１３ａを周方向に等間隔に配列することもできる。また、図３（ｂ）に示す非磁性体部材２３のように、半径方向に延びる楔形の８つの貫通穴２３ａを、周方向に等間隔に配列することもできる。尚、図示の例は、いずれも同一の形状及びサイズの複数の貫通穴を用いたものであるが、樹脂製永久磁石を成形する際の成形条件等に応じて、形状またはサイズもしくはその両方が異なる貫通穴を組み合わせて用いるものであってもよい。
このように、本実施形態における磁石組立体１は、樹脂製永久磁石４の２段の本体部４ｂ、４ｃを一体に成形するための貫通穴３ａ、１３ａ、２３ａを設ける領域として、円板状の非磁性体部材３の、軸穴２部分を除いた全面を利用することができるため、その設計の自由度が高い点でも有利なものである。

次に、本発明の第２実施形態として、上述したモーター用磁石組立体１を用いたローター並びにモーターについて説明し、併せて、モーターの性能を最適化するためのモーター用磁石組立体１の構成について説明する。

図４に示す本発明の第２実施形態におけるモーター４０は、その主要な構成要素として、ローター４２と、ローター４２の周囲に配設されたステータ４６とを含んでいる。ローター４２は、本発明の第１実施形態における磁石組立体１と、磁石組立体１の軸穴２、１２に装着された回転軸４１からなり、回転軸４１は、ハウジング４８に取り付けられた一対の軸受４７、４７により、回転自在に支承されている。また、磁石組立体１の樹脂製永久磁石４は、円周方向に沿って磁極が交互に反転するように多極着磁されている。

ステータ４６は、軸方向に積層された２つのステータ４６Ａ、４６Ｂからなる。ステータ４６Ａ、４６Ｂのそれぞれは、ローター４２の外周面と所定の空隙を隔てて対向する複数の極爪４３ａが設けられたステータヨーク４３を含み、ステータヨーク４３内には励磁コイル４５が収容されている。これらのステータ４６Ａ、４６Ｂは、電気角９０度の位相差となるように構成されており、例えばステータ４６ＡをＡ相、ステータ４６ＢをＢ相とする２相の磁界を形成して、ローター４２を回転させるものである。モーター４０において、ローター４２及びステータ４６は、樹脂製永久磁石４の本体部４ｂ、４ｃが、それぞれステータ４６Ａ、４６Ｂの磁気センターに配置されるように構成されている。
以上のように、本発明の第２実施形態におけるモーター４０は、ローター４２をＰＭ型インナーローターとして用いた２相ＰＭ型ステッピングモーターとして構成されている。

ここで、本発明者は、モーター用磁石組立体１において、樹脂製永久磁石４の本体部４ｂ、４ｃの間に連結部４ａが存在することの、モーター４０の性能に対する影響について着目し、鋭意研究の結果、樹脂製永久磁石４において、連結部４ａの、軸方向に対して垂直な断面（図１（ｃ）のハッチング部）の面積の総和（Ｂ）と、本体部４ｂ、４ｃの、軸方向に対して垂直な断面（図１（ｂ）のハッチング部）の面積（Ａ）との比（Ｂ／Ａ）について、モーター４０の性能を最適化する範囲を見出した。

図５は、上記Ｂ／Ａに対して、モーター４０の起動トルクとコギングトルクを任意単位で示したグラフである。図５から、十分な起動トルクを確保しつつコギングトルクを低レベルに維持するためには、Ｂ／Ａを、０．０８＜Ｂ／Ａ＜０．３３とするのが好ましく、更に好ましくは、０．１５＜Ｂ／Ａ＜０．２７とするのがよいことが分かる。したがって、モーター用磁石組立体１を、Ｂ／Ａがこの範囲内となるように形成することによって、ローター４２を用いたモーター４０の性能を最適化することができる。

尚、本発明は、理論によって限定されるものではないが、図５において、Ｂ／Ａが比較的小さい範囲（図５においてＢ／Ａが０．１５程度以下の範囲）で、Ｂ／Ａの減少とともにコギングトルクが増大するのは、非磁性体部材３の貫通穴３ａの総面積が小さくなることに伴って、樹脂製永久磁石４の成形時に、一方の本体部（例えば、本体部４ｂ）側から射出したコンパウンドが、その粘性抵抗により非磁性体部材３の貫通穴３ａを通じて他方の本体部（例えば、本体部４ｃ）側に供給され難くなり、他方の本体部が低密度のまま固化することによって、２つの本体部４ｂ、４ｃの磁気特性にアンバランスが生じるためと考えられる。また、Ｂ／Ａが比較的大きい範囲（図５においてＢ／Ａが０．２７程度以上の範囲）で、Ｂ／Ａの増大とともにコギングトルクが増大するのは、非磁性体部材３の貫通穴３ａの総面積が大きくなることに伴って、連結部４ａを構成する樹脂製永久磁石の量が増大し、連結部４ａからステータ４６Ａ、４６Ｂの極爪４３ａに流れ込む漏れ磁束が増大することにより、Ａ相とＢ相の磁気回路にアンバランスが生じるためと考えられる。

以上、本発明を好ましい実施形態に基づいて説明したが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で種々の変形が可能であることは言うまでもない。例えば、上述したモーター用磁石組立体１は、１つの非磁性体部材３を樹脂製永久磁石４の２つの本体部４ｂ、４ｃで挟む２段構成としたが、本発明に係るモーター用磁石組立体は、複数（ｎ個）の非磁性体部材と複数（ｎ＋１個）の本体部を、軸方向に、本体部−非磁性体部材−本体部−非磁性体部材―本体部−・・・のように積層した、３段以上の多段構成としてもよい。

１：モーター用磁石組立体、２：回転軸固定用穴（非磁性体部材）、３：非磁性体部材、３ａ：貫通穴、４：樹脂製永久磁石、４ａ：連結部、４ｂ，４ｃ：本体部、１２：回転軸固定用穴（樹脂製永久磁石）、４０：モーター、４１：回転軸、４２：ローター、４６：ステータ

Claims (6)

1. 樹脂製永久磁石と非磁性体部材とを含むモーター用磁石組立体であって、前記非磁性体部材は、回転軸固定用穴と、その軸方向と同方向に延びる複数の貫通穴とを備えており、前記樹脂製永久磁石は、前記非磁性体部材の前記回転軸固定用穴と同軸に延びる回転軸固定用穴を有するとともに、前記軸方向の両側から前記非磁性体部材を挟む本体部と、前記非磁性体部材の前記複数の貫通穴を満たす連結部とが一体化されてなることを特徴とするモーター用磁石組立体。
2. 前記非磁性体部材は、円板状部材であり、前記樹脂製永久磁石の前記本体部は、前記非磁性体部材の表面及び裏面に連接することを特徴とする請求項１に記載のモーター用磁石組立体。
3. 前記樹脂製永久磁石の前記連結部の、前記中心軸方向に対して垂直な断面積の総和（Ｂ）と、前記樹脂製永久磁石の前記本体部の、前記中心軸方向に対して垂直な断面積（Ａ）との比（Ｂ／Ａ）が、０．０８＜Ｂ／Ａ＜０．３３であることを特徴とする請求項１または２に記載のモーター用磁石組立体。
4. 前記樹脂製永久磁石の前記連結部の、前記中心軸方向に対して垂直な断面積の総和（Ｂ）と、前記樹脂製永久磁石の前記本体部の、前記中心軸方向に対して垂直な断面積（Ａ）との比（Ｂ／Ａ）が、０．１５＜Ｂ／Ａ＜０．２７であることを特徴とする請求項１または２に記載のモーター用磁石組立体。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載のモーター用磁石組立体と、前記回転軸固定用穴に装着された回転軸とを含むローター。
6. 請求項５に記載のローターと、該ローターの周囲に配設されたステータとを含むモーター。

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