JP5324294B2 - ロータ及びモータ - Google Patents

Description

本発明は、コンシクエントポール型構造を採用したロータ、及びそ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にて示されているように、ロータコアの周方向に一方の磁極のマグネットが複数配置され、該コアに一体形成された突極が各マグネット間に配置され、該突極を他方の磁極として機能させる所謂コンシクエントポール型構造のロータが知られている。

ところで、マグネットと突極の境界部分においては、ステータとの対向面における表面磁束密度の急峻な変化が生じ、このことがトルク脈動の増大に繋がるため、その磁束密度の急峻な変化を抑制することが望まれている。特許文献１のロータでは、隣接のマグネットと突極との間に空隙（周方向の隙間）を設けているため、マグネットと突極の境界部分における磁束密度の急峻な変化が抑制される構成となっている。

また、コンシクエントポール型構造のロータでは、突極の磁束密度がマグネットの磁束密度よりも小さくなることから、ステータ（ティース）に対して突極側の磁極（例えばＳ極）とマグネット側の磁極（例えばＮ極）とが与える磁界の強さに差が生じ、モータトルクやトルク脈動等の回転性能が低くなっていた。

そこで、例えば特許文献２にて示されているように、突極がマグネットよりも相対的に径方向外側に突出、即ちステータに対する突極側の空隙距離がマグネット側の空隙距離よりも小さい構成とすることで、突極側のギャップパーミアンスが大きくなり、ステータに与える磁界の強さを大きくでき、ロータの回転性能の向上が可能である。

特開平９−３２７１３９号公報 特開２００４−３５７４８９号公報

しかしながら、特許文献２にて示されるロータでは、単に突極がマグネットよりも相対的に突出する配置構造としただけであり、ステータに対する突極側とマグネット側の各空隙距離をそれぞれどのくらいに設定するのがロータの回転性能の観点から好ましいかが不明であり、適正な数値の検討が必要であった。

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、ステータに対する突極側とマグネット側それぞれの空隙の適正化を図り、回転性能の向上を図ることができるロータ、及びそのロータを備えた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、ロータコアの周方向に一方の磁極のマグネットが複数配置されるとともに、前記ロータコアの一体形成された突極が各マグネット間に空隙を以て配置され、前記突極を他方の磁極として機能するように構成されたロータであって、ステータに対するロータの空隙のうち、前記マグネット側の最短空隙距離Ａと前記突極側の最短空隙距離Ｂとの比Ｂ／Ａが、０．３≦Ｂ／Ａ＜１の範囲内に設定され、前記突極の表面にて周方向中央部よりも周方向端部側が後退する形状をなすものであり、周方向中央部での最短空隙距離Ｂと周方向端部での空隙距離Ｃとの比Ｃ／Ｂが、２≦Ｃ／Ｂ≦５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、ステータに対するロータの空隙のうち、マグネット側の最短空隙距離Ａと突極側の最短空隙距離Ｂとの比Ｂ／Ａが、０．３≦Ｂ／Ａ＜１の範囲内のいずれかに設定される。これにより、モータトルクの増大とトルクリップル（トルク脈動）の増加の抑制との両立が可能となり（図４及び図５参照）、ロータの回転性能の向上に寄与できる。

この発明では、突極の表面において周方向中央部での最短空隙距離Ｂと周方向端部での空隙距離Ｃとの比Ｃ／Ｂが、２≦Ｃ／Ｂ≦５の範囲内のいずれかに設定される。これにより、ステータ側が受けるラジアル力のその脈動が低減されるため（図７参照）、モータの低振動化に寄与できる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のロータにおいて、前記突極の表面は、一定の曲率の湾曲形状をなしていることをその要旨とする。
この発明では、突極の表面は、一定の曲率の湾曲形状にて形成される。このような湾曲形状をなす突極の表面にかかる空隙距離比Ｃ／Ｂが適正に設定され、モータの低振動化が図られる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載のロータを備えたモータである。
この発明では、上記のロータを用いることで回転性能が向上したモータを提供できる。

本発明によれば、ステータに対する突極側とマグネット側それぞれの空隙の適正化を図り、回転性能の向上を図ることができるロータ、及びそのロータを備えたモータを提供することができる。

第１実施形態におけるモータの平面図である。 同実施形態におけるモータの部分拡大図である。 同実施形態における空隙距離比Ｂ／Ａとラジアル力変化との関係を示す特性図である。 同実施形態における空隙距離比Ｂ／Ａとトルク比との関係を示す特性図である。 同実施形態における空隙距離比Ｂ／Ａとトルクリップル比との関係を示す特性図である。 第２実施形態におけるモータの部分拡大図である。 同実施形態における空隙距離比Ｃ／Ｂとラジアル力脈動比との関係を示す特性図である。

（第１実施形態）
以下、本発明を具体化した第１実施形態を図面に従って説明する。
図１及び図２は、インナロータ型のブラシレスモータＭを示す。本実施形態のモータＭに用いるロータ１０は、回転軸１１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１２が固着されており、該コア１２の周方向にＮ極のマグネット１３が７個配置されるとともに、コア１２に一体形成された突極１２ａが各マグネット１３間に配置され、該突極１２ａをＳ極として機能させる１４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。尚、ステータ２０には、ステータコア２１の１２個のティース２１ａにコイル２２が巻回された１２磁極で構成されたものが用いられる。マグネット１３及び突極１２ａは、ロータ１０の外周部に等角度間隔で交互に設けられている。

マグネット１３は、突極１２ａよりも周方向長さが若干大きく、平坦な内側面１３ａと湾曲形状をなす外側面１３ｂとを有する略四角柱状に形成されている。マグネット１３は、その内側面１３ａがロータコア１２の隣接する突極１２ａ間に設けた平坦な固着面１２ｂに固着され、隣接の突極１２ａとの間に空隙（周方向の隙間）Ｓ１が設けられている。突極１２ａは、マグネット１３との空隙Ｓ１分若干小さく、略扇状に径方向外側に突出する形状をなしており、湾曲形状をなす外側面１２ｃを有している。

また本実施形態では、突極１２ａ側の外側面１２ｃがマグネット１３側の外側面１３ｂよりも相対的に径方向外側に位置するようにその突極１２ａが相対的に突出して構成されている。即ち、ステータ２０（ティース２１ａの先端面）に対するロータ１０の空隙Ｓ２において、突極１２ａ側の空隙距離Ｂがマグネット１３側の空隙距離Ａよりも小さく設定されている。尚、突極１２ａ及びマグネット１３の各空隙距離Ｂ，Ａは、周方向に一定とされている。つまり、周方向のいずれの空隙距離Ａ，Ｂでも最短空隙距離である。

ここで、ステータ２０に対する突極１２ａ側とマグネット１３側それぞれの空隙距離Ｂ，Ａの比Ｂ／Ａを変化させたとき、ティース２１ａに与えるラジアル力変化を図３に、トルク比を図４に、トルクリップル比を図５にそれぞれ示す。

図３では、Ｂ／Ａ＝１、Ｂ／Ａ＝０．６５、Ｂ／Ａ＝０．３と変化させたときの１個のティース２１ａにかかるラジアル力変化が示され、Ｂ／Ａ＝１では、その最大値と最小値との差が大きく、変化も乱雑となっている。Ｂ／Ａ＝０．６５になると、最大値と最小値の差が小さくなり、また変化も若干安定となる。Ｂ／Ａ＝０．３になると、最大値と最小値の差がより小さくなり、また変化も同程度に安定となる。

図４では、Ｂ／Ａを変化させたときのモータＭのトルク比が示され、Ｂ／Ａ＝１、即ち突極１２ａ側とマグネット１３側の各空隙距離Ｂ，Ａを同じとしたときのモータトルクを１００％とすると、そのＢ／Ａが小さくなるに連れて（突極１２ａがマグネット１３よりも相対的に突出するに連れて）、モータトルクは略一定に増大していく。因みに、Ｂ／Ａ＝０．３のとき、モータトルクは１１０％程度まで増大する。

図５では、Ｂ／Ａを変化させたときのトルクリップル比が示され、Ｂ／Ａ＝１としたとき（突極１２ａ側とマグネット１３側の各空隙距離Ｂ，Ａを同じとしたとき）のトルクリップルを１００％とすると、そのＢ／Ａが小さくなるに連れて（突極１２ａがマグネット１３よりも相対的に突出するに連れて）、トルクリップルは大きくなっていく。この場合、Ｂ／Ａ＝１〜０．６まで変化させたときよりもＢ／Ａ＝０．６〜０．３まで変化させてときの方がトルクリップルの変化度合いは若干大きくなり、Ｂ／Ａ＝０．３以降ではトルクリップルの変化度合いは急激に大きくなる。

これらを踏まえ、本実施形態のロータ１０では、ステータ２０に対する突極１２ａ側とマグネット１３側それぞれの空隙距離Ｂ，Ａの比Ｂ／Ａが０．３≦Ｂ／Ａ＜１の範囲内のいずれかに設定されている。つまり、本実施形態では、各空隙距離Ｂ，Ａの適正化を図って突極１２ａ側のギャップパーミアンスを適切に大きくし、ステータ２０に与える磁界の強さを大きくして、モータトルクの増大とトルクリップル（トルク脈動）の増加の抑制との両立が図られ、ロータ１０の回転性能の向上が図られている。

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、ステータ２０に対するロータ１０の空隙Ｓ２のうち、マグネット１３側の空隙距離（最短空隙距離）Ａと突極１２ａ側の空隙距離（最短空隙距離）Ｂとの比Ｂ／Ａが、０．３≦Ｂ／Ａ＜１の範囲内のいずれかに設定されている。これにより、モータトルクの増大とトルクリップル（トルク脈動）の増加の抑制との両立を図ることができ（図４及び図５参照）、ロータ１０の回転性能の向上を図ることができる。つまり、回転性能の向上したモータＭとして提供することができる。

（２）本実施形態のように、マグネット１３の外側面１３ｂを突極１２ａの外側面１２ｃよりも相対的に後退させていることから、その後退によりできたスペースにマグネット１３の飛散防止用カバーの装着が可能となり、そのカバーの装着が不要な突極１２ａをカバーの厚みだけステータ２０に近接させることができるため、モータトルクの増大に繋がる。

（第２実施形態）
以下、本発明を具体化した第２実施形態を図面に従って説明する。
図６に示すように、本実施形態のロータ１０では、突極１２ａの外側面１２ｃの湾曲形状の曲率が大きくされ（曲率は外側面１２ｃ全体で一定）、突極１２ａの外側面１２ｃの周方向中央部が周方向両端部よりも径方向外側に相対的に凸なるように構成されている。即ち、ステータ２０のティース２１ａの先端面を繋ぐ円周と同曲率で突極１２ａの最外周部となる周方向中央部を通過する基準の円周Ｃ１に対し、周方向端部ほど曲線的に後退側に好適に離間する構成とされている。

ここで、突極１２ａの外側面１２ｃの周方向中央部のステータ２０（ティース２１ａの先端面）との空隙距離（最短空隙距離）Ｂ、周方向端部のステータ２０との空隙距離Ｃとした場合、その比Ｃ／Ｂを変化させたときのティース２１ａに与えるラジアル力脈動を図７に示す。

図７では、Ｃ／Ｂを変化させたときのラジアル力脈動が比で示され、Ｃ／Ｂ＝１、即ち突極１２ａの外側面１２ｃの周方向中央部と周方向端部の各空隙距離Ｂ，Ｃを同じとしたとき（円周Ｃ１上にともに位置するとき）のラジアル力脈動を１００％とすると、Ｃ／Ｂが大きくなるに連れて（突極１２ａの外側面１２ｃの曲率が大きくなり、周方向端部が相対的にステータ２０と離間するに連れて）、ラジアル力脈動は一端減少するが、再び増加するように変化する。Ｃ／Ｂ＝１〜２まではラジアル力脈動が大きく減少するも、Ｃ／Ｂ＝２においてラジアル力脈動が８０％と依然として大きい。Ｃ／Ｂ＝２〜５ではラジアル力脈動が８０％〜７５％内で比較的安定変化し、Ｃ／Ｂ＝２〜３と変化するとラジアル力脈動が８０％から７５％まで緩やかに減少し、Ｃ／Ｂ＝３〜５と変化するとラジアル力脈動が７５％から８０％まで緩やかに増加する。Ｃ／Ｂ＝６以降でも同様の変化度合いでラジアル力脈動が８０％から緩やかに増加していく。

これを踏まえ、本実施形態のロータ１０では、突極１２ａの外側面１２ｃの周方向中央部と周方向端部の各空隙距離Ｂ，Ｃの比Ｃ／Ｂが２≦Ｃ／Ｂ≦５の範囲内のいずれかに設定されている。このようにすることで本実施形態では、ラジアル力脈動が約８０％以下に抑制され、これによりステータ２０にかかる径方向の拡縮力が小さくなるため、モータＭの低振動化が図られる。

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、突極１２ａの外側面１２ｃにおいて周方向中央部での空隙距離（最短空隙距離）Ｂと周方向端部での空隙距離Ｃとの比Ｃ／Ｂが、２≦Ｃ／Ｂ≦５の範囲内のいずれかに設定されている。これにより、ステータ２０側が受けるラジアル力のその脈動を低減できるため（図７参照）、モータＭの低振動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。
・上記各実施形態についての数値範囲は、状況等に応じて適宜変更してもよい。
・上記第２実施形態について、突極１２ａの外側面１２ｃを一定の曲率で曲線的に変化させて周方向中央部よりも周方向端部側が後退するような湾曲形状としたが、曲率を部分的に変更してもよく、また直線的に変化させてもよい。また、外側面１２ｃ全体でなく、突極１２ａの角部をＲ形状やテーパ形状として周方向端部が後退する形状としてもよい。

・上記各実施形態では、７個の突極１２ａと７個のマグネット１３とで構成した１４磁極のロータ１０に適用したが、磁極数を適宜変更してもよい。これに伴い、ステータ側の磁極数も適宜変更する。

・上記各実施形態では、インナロータ型のモータＭに用いられるロータ１０に適用したが、アウタロータ型のモータのロータに適用してもよい。この場合、ロータとステータとの径方向の対向関係が逆になる。

１０…ロータ、１２…ロータコア、１２ａ…突極、１２ｃ…外側面（表面）、１３…マグネット、１３ｂ…外側面（表面）、２０…ステータ、Ｓ１，Ｓ２…空隙、Ａ〜Ｃ…空隙距離。

Claims (3)

1. ロータコアの周方向に一方の磁極のマグネットが複数配置されるとともに、前記ロータコアの一体形成された突極が各マグネット間に空隙を以て配置され、前記突極を他方の磁極として機能するように構成されたロータであって、
   ステータに対するロータの空隙のうち、前記マグネット側の最短空隙距離Ａと前記突極側の最短空隙距離Ｂとの比Ｂ／Ａが、０．３≦Ｂ／Ａ＜１の範囲内に設定され、
   前記突極の表面にて周方向中央部よりも周方向端部側が後退する形状をなすものであり、周方向中央部での最短空隙距離Ｂと周方向端部での空隙距離Ｃとの比Ｃ／Ｂが、２≦Ｃ／Ｂ≦５の範囲内に設定されていることを特徴とするロータ。
2. 請求項１に記載のロータにおいて、
   前記突極の表面は、一定の曲率の湾曲形状をなしていることを特徴とするロータ。
3. 請求項１又は２に記載のロータを備えたことを特徴とするモータ。

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