JP5973370B2 - ロータ、及びブラシレスモータ - Google Patents

Description

本発明は、ロータ、及びブラシレスモータに関するものである。

ブラシレスモータのロータとしては、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２つのロータコアと、それらの間に配置され軸方向に磁化された界磁磁石とを備え、各爪状磁極を交互に異なる磁極に機能させるいわゆる永久磁石界磁のランデル型構造のロータがある（例えば、特許文献１参照）。

そして、ブラシレスモータでは、ロータの回転位置（角度）が検出され、その回転位置に応じてステータの巻線に駆動電流が供給されることで回転磁界が発生され、その回転磁界によってロータが回転駆動される。

特開２０１２−１１５０８５号公報

ところで、ブラシレスモータにおいて、ロータの回転位置を検出する構成としては、例えば、周方向に交互に異なる磁極（Ｎ極とＳ極）を有する環状の永久磁石からなるセンサ磁石をロータコアの軸方向に並設して設け、ステータ側に前記センサ磁石と軸方向に対向してその磁界を検出する磁気センサを設ける構成がある。

しかしながら、上記ブラシレスモータでは、環状の永久磁石が必要であり、永久磁石を多く使用してしまうことになる。
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、センサ磁石を構成する永久磁石の使用量を少なくすることができるロータ及びブラシレスモータを提供することにある。

上記課題を解決するロータは、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、前記第１ロータコアのコアベースに対して前記第２ロータコアのコアベースの反対側に設けられ、軸方向に磁化されて周方向に交互に異なる磁極を有するセンサ磁石とを備えたロータであって、前記センサ磁石は、コア部材の周方向に一方の磁極の永久磁石が複数配置されて永久磁石磁極部が形成されるとともに、各永久磁石磁極部間における前記コア部材の鉄心部が他方の磁極として機能するように構成される。

同構成によれば、センサ磁石は、コア部材の周方向に一方の磁極の永久磁石が複数配置されて永久磁石磁極部が形成されるとともに、各永久磁石磁極部間における前記コア部材の鉄心部が他方の磁極として機能するように構成されるため、永久磁石の使用量を少なくすることができる。

上記ロータにおいて、前記センサ磁石の前記永久磁石は、前記第１ロータコアのコアベースと対向する側の磁極が前記界磁磁石の対向する磁極と同じ極となるように設けられることが好ましい。

同構成によれば、センサ磁石の前記永久磁石は、第１ロータコアのコアベースと対向する側の磁極が界磁磁石の対向する磁極と同じ極となるように設けられるため、鉄心部からの磁束に界磁磁石による第１ロータコア（コアベース）からの軸方向の漏れ磁束が重畳されることになる。そして、鉄心部からの磁束は、永久磁石から周方向に離間すると弱くなるが、前記漏れ磁束が重畳されることで全体的に強くすることができ、磁極の切り替わりを検出する際の判定精度を高めることができる。

上記ロータにおいて、前記鉄心部が形成される角度は、前記永久磁石の角度よりも小さく設定されることが好ましい。
同構成によれば、鉄心部（他方の磁極）が形成される角度は、永久磁石（一方の磁極）の角度よりも小さく設定されるため、界磁磁石による第１ロータコア（コアベース）からの漏れ磁束の影響が考慮された構成となる。即ち、界磁磁石による第１ロータコアからの軸方向の漏れ磁束がセンサ磁石からの磁束に重畳することになるが、この漏れ磁束を含めた磁束が等ピッチで切り替わるように近づけることができる。よって、ステータ側の磁気センサにて検出される検出信号のレベルが等ピッチで切り替わるように近づけることができる。これにより、回転位置（角度）を高精度に検出することができ、ひいては、例えば、出力低下や振動騒音の悪化を抑えることができる。

上記ロータにおいて、前記センサ磁石の各磁極の周方向中心が、前記爪状磁極の周方向中心と一致するように配置されることが好ましい。
同構成によれば、センサ磁石の各磁極の周方向中心が、爪状磁極の周方向中心と一致するように配置されるため、爪状磁極からの漏れ磁束がセンサ磁石からの磁束を乱れさせることを抑えることができる。即ち、センサ磁石の各磁極の周方向中心が、爪状磁極の周方向中心と一致しないように、例えば、周方向の位置決めが行われずに配置されると、その配置角度によっては爪状磁極からの漏れ磁束がセンサ磁石からの磁束を乱れさせる虞があるが、これを抑えることができる。

上記課題を解決するブラシレスモータは、上記ロータと、回転磁界を発生するステータと、前記センサ磁石と軸方向に対向して設けられる磁気センサとを備える。
同構成によれば、ブラシレスモータにおいて、上記効果を得ることができる。

上記ブラシレスモータにおいて、前記鉄心部が形成される角度及び前記永久磁石の角度は、前記磁気センサにて検出される検出信号のレベルが等ピッチで切り替わるように設定されることが好ましい。

同構成によれば、鉄心部が形成される角度及び前記永久磁石の角度は、前記磁気センサにて検出される検出信号のレベルが等ピッチで切り替わるように設定されるため、回転位置（角度）を高精度に検出することができ、ひいては、例えば、出力低下や振動騒音の悪化を容易に抑えることができる。

本発明のロータ、及びブラシレスモータでは、センサ磁石を構成する永久磁石の使用量を少なくすることができる。

一実施形態におけるブラシレスモータの断面図。 同形態におけるブラシレスモータの一部断面斜視図。 同形態におけるロータの一部平面図。 同形態におけるブラシレスモータの一部断面図。 （ａ）は同形態におけるセンサ磁石単体での電気角−磁束密度特性図。（ｂ）は同形態におけるロータ全体での電気角−磁束密度特性図。（ｃ）は同形態における電気角−検出信号特性図。

以下、ブラシレスモータの一実施形態を図１〜図５に従って説明する。
図１に示すように、ブラシレスモータ１１のモータケース１２は、有底筒状に形成された筒状ハウジング１３と、該筒状ハウジング１３のフロント側（図１中、左側）の開口部を閉塞するフロントエンドプレート１４とを有している。

図１に示すように、筒状ハウジング１３の内周面にはステータ１６が固定されている。ステータ１６は、径方向内側に延びる複数（本実施形態では１２個）の集中巻用ティースとしてのティース１７ａを有する電機子コア１７と、電機子コア１７のティース１７ａにインシュレータ１８を介して巻回される巻線１９とを備えている。ステータ１６は、外部の制御回路Ｓから巻線１９に駆動電流が供給されることで回転磁界を発生する。

図１に示すように、ブラシレスモータ１１のロータ２１は回転軸２２を有し、ステータ１６の内側に配置されている。回転軸２２は非磁性体の金属シャフトであって、筒状ハウジング１３の底部１３ａ及びフロントエンドプレート１４に支持された軸受２３，２４により回転可能に支持されている。

図１及び図２に示すように、ロータ２１は、前記回転軸２２に外嵌される第１及び第２ロータコア３１，３２と、界磁磁石としての環状磁石３３とを備える。
第１ロータコア３１は、略円板状の第１コアベース３１ａの外周部に、等間隔に複数（本実施形態では４つ）の第１爪状磁極３１ｂが径方向外側に突出されるとともに軸方向に延びて形成されている。

第２ロータコア３２は、第１ロータコア３１と同形状であって、略円板状の第２コアベース３２ａの外周部に、等間隔に複数の第２爪状磁極３２ｂが径方向外側に突出されるとともに軸方向に延びて形成されている。そして、第２ロータコア３２は、各第２爪状磁極３２ｂが周方向に隣り合う第１爪状磁極３１ｂ間に配置されるようにして、且つ第１コアベース３１ａと第２コアベース３２ａとの軸方向の間に環状磁石３３が配置（挟持）されるようにして第１ロータコア３１に対して組み付けられている。尚、本実施形態では、第１及び第２コアベース３１ａ，３２ａは環状磁石３３に対してそれぞれ接着剤により固着されている。

環状磁石３３は、第１爪状磁極３１ｂ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３２ｂ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。即ち、本実施形態のロータ２１は、界磁磁石としての環状磁石３３を用いた所謂ランデル型構造のロータである。ロータ２１は、Ｎ極となる４つの第１爪状磁極３１ｂと、Ｓ極となる４つの第２爪状磁極３２ｂとが周方向に交互に配置されており、極数が８極（極対数が４個）となる。すなわち、本実施形態では、ロータ２１の極数が「８」に設定され、ステータ１６のティース１７ａの数が「１２」に設定されている。

又、本実施形態のロータ２１は、第１及び第２爪状磁極３１ｂ，３２ｂの径方向内側（背面）に設けられ、径方向に磁化された背面補助磁石３４を備えている。
更に、本実施形態のロータ２１は、第１及び第２爪状磁極３１ｂ，３２ｂ同士の周方向の各間に設けられ、周方向に磁化された極間磁石３５を備えている。

又、図１に示すように、本実施形態のロータ２１には、略円板状のマグネット固定部材４１を介してセンサ磁石４２が設けられている。詳しくは、マグネット固定部材４１は、中央孔４１ａが形成された円板部４１ｂと、該円板部４１ｂの外縁から筒状に延びる筒部４１ｃとを有し、該筒部４１ｃの内周面及び円板部４１ｂの表面に当接するように環状のセンサ磁石４２が固着されている。そして、マグネット固定部材４１は、その中央孔４１ａが第１コアベース３１ａに対して第２コアベース３２ａの反対側で回転軸２２に外嵌されている。言い換えると、本実施形態のマグネット固定部材４１（センサ磁石４２）は、第１コアベース３１ａを第２コアベース３２ａとで挟む位置で回転軸２２に固定されている。

そして、フロントエンドプレート１４において、センサ磁石４２と軸方向に対向する位置には磁気センサとしてのホールＩＣ４３が設けられている。ホールＩＣ４３は、Ｎ極とＳ極の磁界を感知するとそれぞれＨレベルの検出信号とＬレベルの検出信号とを前記制御回路Ｓに出力する。

ここで、前記センサ磁石４２は、軸方向に磁化されて、周方向に交互に異なる磁極（Ｎ極とＳ極）を有するように構成されている。
そして、図２に示すように、センサ磁石４２は、コア部材４４の周方向に一方の磁極（Ｓ極）の永久磁石４５が複数配置されて永久磁石磁極部（永久磁石４５そのもの）が形成されるとともに、各永久磁石磁極部（永久磁石４５）間におけるコア部材４４の鉄心部４６が他方の磁極（Ｎ極）として機能するように構成されている。尚、図２では、前記マグネット固定部材４１を除いた状態を図示している。詳しくは、コア部材４４は、磁性体金属よりなり、環状に形成され、軸方向から見て扇形の鉄心部４６が周方向に４つ軸方向に突出して形成されている。そして、鉄心部４６同士の周方向の間において該鉄心部４６を繋ぐコア部材４４の薄肉部４７に前記永久磁石４５がそれぞれ配置されて接着されている。永久磁石４５は、軸方向から見て鉄心部４６同士の周方向の間よりも僅かに周方向の幅が小さい扇形に形成され、配置された状態で鉄心部４６と周方向に僅かな隙間を有するとともに鉄心部４６と軸方向の高さが同じとなるように形成されている。そして、この永久磁石４５は、第１ロータコア３１の第１コアベース３１ａと対向する側の磁極が環状磁石３３の対向する磁極（Ｎ極）と同じ極であるＮ極となるように設けられている。これにより、鉄心部４６の磁極、詳しくはホールＩＣ４３と対向する側の磁極は、Ｎ極として機能する。

そして、図３に示すように、センサ磁石４２における鉄心部４６（Ｎ極）が形成される角度θｎは、永久磁石４５（Ｓ極であって永久磁石磁極部）の角度θｓよりも小さく設定されている。これは、永久磁石４５による鉄心部４６からの磁束に、環状磁石３３による第１ロータコア３１（第１コアベース３１ａ）からの軸方向の漏れ磁束が重畳されることを考慮したためである。そして、センサ磁石４２における各磁極（Ｎ極とＳ極）が形成される前記角度θｎ，θｓは、ホールＩＣ４３にて検出される検出信号のレベルが等ピッチ（電気角で１８０°）で切り替わるように設定されている。

又、図３に示すように、本実施形態のセンサ磁石４２は、その各磁極（Ｎ極とＳ極）の周方向中心が第１及び第２爪状磁極３１ｂ，３２ｂの同じ極の磁極の周方向中心と一致するように周方向の位置決めがなされて配置されている。

次に、上記のように構成されたブラシレスモータ１１の作用について説明する。
まず、図５（ａ）に示すように、前記センサ磁石４２を単体で回転させると、センサ磁石４２の鉄心部４６（Ｎ極）が形成される角度θｎが、永久磁石４５（Ｓ極）の角度θｓよりも小さいことから、ホールＩＣ４３の位置における磁束密度は等ピッチ（電気角で１８０°）で０を横切らずに不等ピッチで０を横切ることになる。即ち、鉄心部４６（Ｎ極）からの磁束に基づく検出範囲（磁束密度が０を越える範囲）は電気角で１８０°よりも小さくなる（図５（ａ）における左側参照）。又、鉄心部４６からの磁束は、構造上、永久磁石４５から周方向に離間すると弱くなることから、鉄心部４６の周方向中心位置がホールＩＣ４３と対向する角度（図５（ａ）中、９０°前後の角度）では、磁束密度が０に近い値となっていることがわかる。

そして、図４及び図５（ｂ）に示すように、前記ロータ２１全体を回転させると、環状磁石３３による第１ロータコア３１からの漏れ磁束（図４中の矢印Ａ）がセンサ磁石４２からの磁束（図４中の矢印Ｂ）に重畳されることから、ホールＩＣ４３の位置における磁束密度は全体的に高くシフトし等ピッチ（電気角で１８０°）で０を横切ることになる。又、鉄心部４６の周方向中心位置がホールＩＣ４３と対向する角度（図５（ｂ）中、９０°前後の角度）でも、磁束密度を０よりも十分に高くすることができる。

これにより、図５（ｃ）に示すように、ホールＩＣ４３にて検出される検出信号のレベルが等ピッチで切り替わることになる。よって、ロータ２１の回転位置（角度）が高精度に検出されることになり、前記検出信号に基づいて制御回路Ｓから巻線１９に最適なタイミングで切り替わる３相の駆動電流が供給されて回転磁界が発生される。すると、ロータ２１が回転駆動される。

次に、上記実施の形態の特徴的な効果を以下に記載する。
（１）センサ磁石４２は、コア部材４４の周方向に一方の磁極（Ｓ極）の永久磁石４５が複数配置されて永久磁石磁極部（永久磁石４５そのもの）が形成されるとともに、各永久磁石磁極部（永久磁石４５）間におけるコア部材４４の鉄心部４６が他方の磁極（Ｎ極）として機能するように構成されるため、永久磁石の使用量を少なくすることができる。

（２）センサ磁石４２の永久磁石４５は、第１ロータコア３１の第１コアベース３１ａと対向する側の磁極が環状磁石３３の対向する磁極（Ｎ極）と同じ極（Ｎ極）となるように設けられるため、鉄心部４６からの磁束に環状磁石３３による第１ロータコア３１（第１コアベース３１ａ）からの軸方向の漏れ磁束が重畳されることになる。そして、鉄心部４６からの磁束は、永久磁石４５から周方向に離間すると弱くなるが、前記漏れ磁束が重畳されることで全体的に強くすることができ、磁極の切り替わりを検出する際の判定精度を高めることができる。即ち、鉄心部４６の周方向中心位置がホールＩＣ４３と対向する角度（図５（ａ）中、９０°前後の角度）でも磁束密度を０よりも十分に高くすることができ、誤検出を抑えることができる。

（３）鉄心部４６（Ｎ極）が形成される角度θｎは、永久磁石４５（Ｓ極）の角度θｓよりも小さく設定されるため、環状磁石３３による第１ロータコア３１（第１コアベース３１ａ）からの漏れ磁束の影響が考慮された構成となる。即ち、環状磁石３３による第１ロータコア３１からの軸方向の漏れ磁束がセンサ磁石４２からの磁束に重畳することになるが、この漏れ磁束を含めた磁束が等ピッチで切り替わるように近づけることができる。よって、ホールＩＣ４３にて検出される検出信号のレベルが等ピッチで切り替わるように近づけることができる。これにより、回転位置（角度）を高精度に検出することができ、ひいては、例えば、出力低下や振動騒音の悪化を抑えることができる。

（４）センサ磁石４２の各磁極（Ｎ極とＳ極）の周方向中心が、第１及び第２爪状磁極３１ｂ，３２ｂの周方向中心と一致するように配置されるため、第１及び第２爪状磁極３１ｂ，３２ｂからの漏れ磁束がセンサ磁石４２からの磁束を乱れさせることを抑えることができる。即ち、センサ磁石４２の各磁極の周方向中心が、第１及び第２爪状磁極３１ｂ，３２ｂの周方向中心と一致しないように、例えば、周方向の位置決めが行われずに配置されると、その配置角度によっては第１及び第２爪状磁極３１ｂ，３２ｂからの漏れ磁束がセンサ磁石４２からの磁束を乱れさせる虞があるが、これを抑えることができる。

（５）センサ磁石４２における各磁極（Ｎ極とＳ極）が形成される前記角度θｎ，θｓ、詳しくは、鉄心部４６が形成される角度θｎ及び永久磁石４５の角度θｓは、ホールＩＣ４３にて検出される検出信号のレベルが等ピッチで切り替わるように設定されている。よって、回転位置（角度）を高精度に検出することができ、ひいては、例えば、出力低下や振動騒音の悪化を容易に抑えることができる。

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、センサ磁石４２の永久磁石４５は、第１ロータコア３１の第１コアベース３１ａと対向する側の磁極が環状磁石３３の対向する磁極（Ｎ極）と同じ極（Ｎ極）となるように設けられるとしたが、これに限定されず、逆の極となるように設けてもよい。尚、この場合は、重畳される環状磁石３３による第１ロータコア３１（第１コアベース３１ａ）からの軸方向の漏れ磁束を考慮して、例えば第１ロータコア３１から軸方向に十分に離間させてもよい。

・上記実施形態では、鉄心部４６（Ｎ極）が形成される角度θｎは、永久磁石４５（Ｓ極）の角度θｓよりも小さく設定されるとしたが、これに限定されず、前記角度θｎと前記角度θｓを同じとしてもよい。

・上記実施形態では、センサ磁石４２の各磁極（Ｎ極とＳ極）の周方向中心が、第１及び第２爪状磁極３１ｂ，３２ｂの周方向中心と一致するように配置されるとしたが、これに限定されず、第１及び第２爪状磁極３１ｂ，３２ｂの周方向中心と一致しないように、例えば、周方向の位置決めを行われずに配置してもよい。このようにすると、例えば、その製造が容易となる。

・上記実施形態では、センサ磁石４２における各磁極（Ｎ極とＳ極）が形成される角度θｎ，θｓは、ホールＩＣ４３にて検出される検出信号のレベルが等ピッチで切り替わるように設定されるとしたが、特に厳密に設定しなくてもよい。即ち、前記角度θｎを前記角度θｓよりも小さくすれば、検出信号のレベルが等ピッチで切り替わるように近づけることができる。

・上記実施形態では、第１及び第２爪状磁極３１ｂ，３２ｂの径方向内側に設けられ径方向に磁化されることで、該部分での漏れ磁束を抑えるための背面補助磁石３４を備えるとしたが、これに限定されず、背面補助磁石３４を備えていないロータに変更してもよい。

・上記実施形態では、第１及び第２爪状磁極３１ｂ，３２ｂ同士の周方向の各間に設けられ周方向に磁化されることで、該部分での漏れ磁束を抑えるための極間磁石３５を備えるとしたが、これに限定されず、極間磁石３５を備えていないロータに変更してもよい。

１６…ステータ、２１…ロータ、３１…第１ロータコア、３１ａ…第１コアベース（コアベース）、３１ｂ…第１爪状磁極（爪状磁極）、３２…第２ロータコア、３２ａ…第２コアベース（コアベース）、３２ｂ…第２爪状磁極（爪状磁極）、３３…環状磁石（界磁磁石）、４２…センサ磁石、４３…ホールＩＣ（磁気センサ）、４４…コア部材、４５…永久磁石（永久磁石磁極部）、４６…鉄心部、θｎ，θｓ…角度。

Claims (6)

1. 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、
   前記第１ロータコアのコアベースに対して前記第２ロータコアのコアベースの反対側に設けられ、軸方向に磁化されて周方向に交互に異なる磁極を有するセンサ磁石と
   を備えたロータであって、
   前記センサ磁石は、コア部材の周方向に一方の磁極の永久磁石が複数配置されて永久磁石磁極部が形成されるとともに、各永久磁石磁極部間における前記コア部材の鉄心部が他方の磁極として機能するように構成された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、
   前記センサ磁石の前記永久磁石は、前記第１ロータコアのコアベースと対向する側の磁極が前記界磁磁石の対向する磁極と同じ極となるように設けられたことを特徴とするロータ。
3. 請求項２に記載のロータにおいて、
   前記鉄心部が形成される角度は、前記永久磁石の角度よりも小さく設定されたことを特徴とするロータ。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載のロータにおいて、
   前記センサ磁石の各磁極の周方向中心が、前記爪状磁極の周方向中心と一致するように配置されたことを特徴とするロータ。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載のロータと、
   回転磁界を発生するステータと、
   前記センサ磁石と軸方向に対向して設けられる磁気センサと
   を備えたことを特徴とするブラシレスモータ。
6. 請求項５に記載のブラシレスモータにおいて、
   前記鉄心部が形成される角度及び前記永久磁石の角度は、前記磁気センサにて検出される検出信号のレベルが等ピッチで切り替わるように設定されたことを特徴とするブラシレスモータ。