JP6001428B2 - 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、上記ロータでは、界磁磁石が軸方向に磁化されていることで、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してしまい、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らずに、ロータの回転位置（角度）を高精度に検出できなくなるといった問題があった。尚、このことは、ステータの巻線に供給する駆動電流の最適なタイミングからのずれを生じさせ、ひいては出力低下や振動騒音の悪化を招く原因となる。

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、回転位置（角度）を高精度に検出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、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、ステータ側の磁気センサと対向して設けられており、前記センサ磁石における前記界磁磁石の近い側の磁極と同じ極側の磁極が形成される角度は、異なる極側の磁極が形成される角度よりも小さく設定される。

同構成によれば、センサ磁石における界磁磁石の近い側の磁極と同じ極側の磁極が形成される角度は、異なる極側の磁極が形成される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、漏れ磁束に基づく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、前記爪状磁極の同じ極の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、爪状磁極の同じ極の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、爪状磁極の同じ極の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、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、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、前記センサ磁石における前記界磁磁石の近い側の磁極と同じ極側の磁極が形成される角度は、異なる極側の磁極が形成される角度よりも小さく設定されたロータと、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、前記センサ磁石における各磁極が形成される角度は、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、センサ磁石における各磁極が形成される角度は、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、検出信号に基づいて、容易にステータの巻線に最適なタイミングで駆動電流を供給することができる。これにより、例えば、漏れ磁束に基づく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、回転位置（角度）を高精度に検出することができる。

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。 別例におけるブラシレスモータの一部断面図。

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、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３及び図４に示すように、センサ磁石４２における前記環状磁石３３の近い側の磁極（Ｎ極）と同じ極側の磁極（Ｎ極）が形成される角度θｎは、異なる極側の磁極（Ｓ極）が形成される角度θｓよりも小さく設定されている。即ち、本実施形態では、環状磁石３３のセンサ磁石４２に近い側がＮ極であるため、センサ磁石４２のＮ極が形成される角度θｎをＳ極が形成される角度θｓよりも小さく設定している。又、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（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。
例えば、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Ｎ極が形成される角度θｎが、Ｓ極が形成される角度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。

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。

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における環状磁石３３の近い側の磁極（Ｎ極）と同じ極側の磁極（Ｎ極）が形成される角度θｎは、異なる極側の磁極（Ｓ極）が形成される角度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からの漏れ磁束（図４中の矢印Ａ参照）がセンサ磁石４２からの磁束（図４中の矢印Ｂ）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することができる。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することができる。これにより、ロータ２１の回転位置（角度）を高精度に検出することができ、ひいては、例えば、漏れ磁束に基づく出力低下や振動騒音の悪化を抑えることができる。

（２）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の同じ極の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。

（３）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、検出信号に基づいて、容易に巻線１９に最適なタイミングで駆動電流を供給することができる。これにより、例えば、漏れ磁束に基づく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。

（４）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た背面補助磁石３４を備えるため、該部分での漏れ磁束を低減することができる。よって、高効率化を図ることができる。又、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を備えるため、該部分での漏れ磁束を低減することができる。よって、更に高効率化を図ることができる。

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、ロータ２１には、センサ磁石４２がマグネット固定部材４１を介して固定されるとしたが、これに限定されず、他の構成で固定してもよい。

例えば、図６に示すように、円板状のセンサ磁石５１の中心孔５１ａに回転軸２２を圧入した構成に変更してもよい。尚、勿論、センサ磁石５１においても、各磁極（Ｎ極とＳ極）が形成される角度θｎ，θｓは上記実施形態と同様とする。

・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るとしたが、これに限定されず、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。

・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た背面補助磁石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た極間磁石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。

上記実施形態から把握できる技術的思想を以下に記載する。
（イ）請求項１又は２に記載のロータにおいて、前記爪状磁極の径方向内側に設けられ径方向に磁化された背面補助磁石を備えたことを特徴とするロータ。

同構成によれば、爪状磁極の径方向内側に設けられ径方向に磁化された背面補助磁石を備えるため、該部分での漏れ磁束を低減することができる。よって、高効率化を図ることができる。

（ロ）請求項１、２及び上記（イ）のいずれか１つに記載のロータにおいて、前記爪状磁極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を備えたことを特徴とするロータ。

同構成によれば、爪状磁極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を備えるため、該部分での漏れ磁束を低減することができる。よって、高効率化を図ることができる。

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）、４２，５１…センサ磁石、４３…ホールＩＣ４３（磁気センサ）、θｎ，θｓ…角度。

Claims (4)

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、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、ステータ側の磁気センサと対向して設けられており、
   前記センサ磁石における前記界磁磁石の近い側の磁極と同じ極側の磁極が形成される角度は、異なる極側の磁極が形成される角度よりも小さく設定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、
   前記センサ磁石の各磁極の周方向中心が、前記爪状磁極の同じ極の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。
3. 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、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、前記センサ磁石における前記界磁磁石の近い側の磁極と同じ極側の磁極が形成される角度は、異なる極側の磁極が形成される角度よりも小さく設定されたロータと、
   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。
4. 請求項３に記載のブラシレスモータにおいて、
   前記センサ磁石における各磁極が形成される角度は、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。