JP6667084B2 - 表面磁石型モータ - Google Patents

Description

本発明は、ＳＰＭモータと呼ばれる表面磁石型モータに関し、特に、Ｄ字状の形状の断面を有する磁石をロータの外周に配置した表面磁石型モータに関する。

従来、ロータ外周に配置した円筒型磁石の外周面とステータの内周面とのギャップを、周方向において常に等間隔とするとともに、円筒型磁石の内周面を多角柱形状としたモータが提案されている（例えば、特許文献１参照）。このような特許文献１のモータは、上記のようにギャップを常に等間隔とすることで、ロータの全周面にわたり最大の着磁状態とし、最大限に有効な磁力の活用を図っている。さらに、この特許文献１では、内周面の１辺が１磁極に対応するように着磁している。特許文献１では、このような構成とすることで、ロータ外周に配置される円筒型磁石によって、ロータとステータとの間に流れる磁束の密度分布を正弦波に近づけている。モータの回転が滑らかになって、コギングトルクが低減するためである。コギングトルクが低減すると、例えば、モータの効率が向上したり、動作時の騒音が抑制されたりする。このように、特許文献１では、多角柱形状の１辺に対応する磁石断面をＤ字状の形状とすることで、表面磁束波形を正弦波波形に近似させ、コギングトルクとともにモータ回転時の音や振動の低減を図っている。

また、断面がＤ字状の形状となる磁石をロータの外周に複数個配置したモータが提案されている（例えば、特許文献２参照）。このような特許文献２のモータでは、ロータヨークにおいて開口部に規制体を有する磁石挿入部が形成されている。そして、その磁石挿入部には、規制体が磁石の被係合部に嵌め込まれるようにして磁石が挿入されている。ここで、これら磁石は、ロータヨークの外周と等しい半径の外壁面と、この外壁面の反対側で平坦な裏壁面と、外壁面周方向の両端位置において規制体が嵌り込むように切り欠いて形成された上記被係合部とを備えている。特許文献２では、このような構成により、ロータでの磁石の確実な保持を図るとともに、磁石の一部をロータの外周側に露出させ、その磁石の外壁面をステータの内面に近接させ強力なモータとしている。

また、ロータヨークの外周面に沿って、複数の円弧状の磁石を配列した表面磁石型モータであり、樹脂モールドにより、それら磁石をロータヨークの表面に固定して、ロータを構成したモータが提案されている（例えば、特許文献３参照）。このような特許文献３のモータでは、磁石の外周部をロータ中心に対して真円とせず、磁石の径方向厚みを、周方向中心付近で最大となり、周方向端部において小さくなるようにしている。そして、特許文献３では、少なくとも、磁石の周方向端部の外側と、軸方向両端部とに樹脂を流しこみ、磁石をロータヨークに固定し、ロータを形成している。

また、表面磁石型モータであり、磁石の角部に面取りを施したモータが提案されている（例えば、特許文献４参照）。このような特許文献４のモータでは、ロータコアが、円筒形であり、ロータコアの外周面に対向する磁石の面もその外周面に沿った曲面である。そして、特許文献４では、磁石の周方向両端側で径方向外側の角部に、面取りが施されている。特許文献４では、このような面取りを利用して、効率よく磁束を集向させ、減磁耐力を高めている。

さらに、断面がＤ字状の形状となる磁石を表面に複数備え、ロータコアの外周表面に磁石を挟む突起を設けたロータが提案されている（例えば、特許文献５参照）。さらに、特許文献５のロータコアには接着剤用の溝が形成されている。

特開２００８−１０９８３８号公報 特開２０１５−５０８８０号公報 特開２００１−２９８８８７号公報 特開２０１５−２３１２５３号公報 米国特許出願公開第２００２／００６７０９２号明細書

本発明の表面磁石型モータは、ステータと、このステータの内周側に回転自在に配置されるロータとを具備し、ロータの表面に複数の磁石を保持する。ステータは、ステータコアと巻線とを備える。ステータコアは、リング状のヨークと、ヨークの内周から径方向に延出し、先端部には周方向に広がるティース先端部が形成された複数のティースとを有し、ティースには巻線が巻回されている。また、ロータは、ロータコアと、シャフトと、磁石とロータ樹脂部とを備える。ここで、ロータコアが、複数の磁石を保持し、シャフトが、ロータコアの中央を貫通して延伸し、複数の磁石が、ティース先端部と所定の間隔をあけ、ロータコアの外周面に沿って周方向に等間隔で配置される。そして、ロータ樹脂部が、複数の磁石をロータコアに固定する。また、ロータコアの外周面は、複数の磁石のそれぞれの取付け位置を定める突起部を有する。ロータコアの外周面において、突起部の両側には、内側に切り欠いた溝が設けられる。

さらに、複数の磁石のそれぞれは、ロータコアの外周面に対向する第１主面と、ティース先端部に対向する第２主面とを備える。ここで、第１主面が、平面を成す平面部を含み、ティース先端部と第２主面とが、シャフトと直交する面において、互いに磁極面と同心の円弧状を成す曲面部を含む。そして、ロータ樹脂部が第２主面の周縁部を覆うように、ロータ樹脂部によって、ロータコアと複数の磁石とが一体成型されている。

このような構成によれば、複数の磁石をロータコアに確実に密着させながら、ロータとステータとの間に、正弦波に近い密度分布を備える磁束を発生させることができる。そのため、本発明によれば、高トルクで、効率が高く、騒音が低減された表面磁石型モータを得ることができる。

図１は、本発明の実施の形態に係る表面磁石型モータの断面を示す構造図である。 図２は、本実施の形態に係るＳＰＭモータの構成の要部を模式的に示す分解斜視図である。 図３は、図２のＳＰＭモータのＸ−Ｘ線における断面図である。 図４Ａは、本実施の形態に係る磁石の斜視図である。 図４Ｂは、図４ＡのＹ−Ｙ線における断面図である。 図５は、図４Ｂの拡大図である。 図６は、磁石から流れる磁束の密度分布の概要を示すグラフである。 図７Ａは、ロータの構成図である。 図７Ｂは、ロータ本体の詳細な断面構造を示す図である。 図７Ｃは、軸方向から見たロータ本体での外側ロータコアと、磁石と、ロータ樹脂部の一部との構成を示す図である。 図８は、ロータコアに配置された隣り合う磁石間の詳細な構造を示す図である。 図９Ａは、本実施の形態に係るロータコアでの突起部の形状と磁石の形状に基づいて、磁石が磁石保持面に密着する密着度合を説明するための図である。 図９Ｂは、比較例であるロータコアでの突起部の形状と磁石の形状に基づいて、磁石が磁石保持面に密着する密着度合を説明するための図である。

本発明の実施の形態における表面磁石型モータは、後述する構成により、複数の磁石をロータコアに確実に密着させるとともに、ロータとステータとの間に正弦波に近い密度分布を備える磁束を発生させている。これによって、本実施の形態の表面磁石型モータは、高トルク化および高効率化とともに、低騒音化も図っている。

つまり、上述のような技術を含む従来の手法は、次のような改善すべき点があった。すなわち、特許文献１のような手法では、正弦波に近い磁束波形が得られるものの、１つの円筒型磁石で実現しているため、極数と同じ個数の薄い箇所を含み、破損し易い。また、複合材料を用いた永久磁石とすることで強度については改善されるが、結合剤成分を含むため、磁気特性が低くなり、高トルクを目的とするモータには不向きである。

また、特許文献２のような手法でも、磁石中心付近では正弦波に近い磁束波形が得られる。ところが、磁石の両端位置において、内側に凹状に窪む被係合部を形成する必要があるため、磁石中心から離れると、磁束波形は、正弦波波形から大きく乱れた波形となってしまう。このため、例えば動作時の騒音に関しては、十分に抑えきれないという課題がある。

また、特許文献３のような手法では、磁石の外周部をロータ中心に対して真円としていないため、ステータのティース先端の磁極面と、ロータの磁石の外周面との間隔は一定ではない。このため、両者間の間隔が広い箇所では、着磁された磁束を十分生かし切れず、効率の劣化を招くことになる。さらに、ロータ回転中心から磁石外周までの距離は、磁石の周方向中心から離れるに従って小さくなる。このため、金型を用いた樹脂モールド成型を行うと、磁石外周の表面において、磁石の周方向中心付近には、紙状の薄い樹脂膜ができることになる。すなわち、成型後のロータでの磁石表面には、樹脂の薄い薄片であるいわゆるバリが張り付いたような状態となり、これが剥がれ落ちたりすることで樹脂の屑となって、回転不良などの不具合を引き起こし易くなる。

磁石は、通常、粉体状の原料をプレス成型した後、焼成されて、所望の形状に成型される。このとき、特許文献４のようなロータコアの外周面に沿った曲面を備える磁石を、高い精度で成型するのは非常に難しい。例えば、プレス成型後や焼成後などで膨張や収縮が生じると、曲面の曲率が変化してしまい、ロータコアの曲面と一致しなくなる。よって、特許文献４のように、ロータコア外周に磁石曲面を配置するような構成の場合、ばらつきによる曲率の不一致などによって、当接部分が小さくなったり、最悪の場合、点で接触したりするおそれが多分にある。そして、磁石の曲面と、これを配列するロータコアの外周面との当接部分が小さいと、磁石のガタつきが生じる場合がある。磁石のガタつきは、騒音の原因になるとともに、ＳＰＭモータの効率を低下させる。さらに、磁石の曲面とロータコアの外周面とが点で接触する場合、後のＳＰＭモータの組立工程において、その点接触している部分には、応力が集中し易い。その結果、点接触している部分を起点にして、磁石に亀裂が生じたり破損したりする場合がある。

そこで、本実施の形態では、ロータの表面に保持される磁石において、内側の面を平面とし、外側の面をステータ側の磁極面と同心となる曲面とし、外側の面の周縁部を樹脂が覆うように、樹脂により一体成型している。これより、本実施の形態によれば、高トルク化および高効率化とともに、低騒音化も図った表面磁石型モータが実現できる。

以下、本実施の形態の表面磁石型モータについて、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係る表面磁石型モータ１００の断面を示す構造図である。表面磁石型モータ１００は、ＳＰＭ（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）モータと呼ばれるインナロータ型のブラシレスモータである。表面磁石型モータ（以下、適宜、ＳＰＭモータと呼ぶ）１００は、図１に示すように、ステータ３０と、ステータ３０の内周側に、シャフト２１を中心にして回転自在に配置されるロータ２０とを具備する。そして、ロータ２０は、その外周表面に複数の永久磁石（以下、適宜、単に磁石と呼ぶ）１０を保持している。

また、図２は、本実施の形態に係るＳＰＭモータ１００の構成の要部を模式的に示す分解斜視図であり、図３は、図２のＳＰＭモータ１００のＸ−Ｘ線における断面図である。図２では、Ｘ−Ｘ線で切断される面を一点鎖線で示している。そして、図２および図３では、要部として、ステータ３０におけるステータコア３１と、ロータ２０におけるロータコア２２および複数の磁石１０とを示している。

以下、図１で示すように回転軸であるシャフト２１が延伸するＡ１の方向を、軸方向とする。また、図３で示すように、軸方向Ａ１と直交する面において、軸方向から見て、ＳＰＭモータ１００の回転軸の中心を、中心点Ｃとする。そして、軸方向Ａ１に直交する面において、図３のように、中心点Ｃを周回するＤ１の方向を周方向、中心Ｃから広がるＤ２の方向を径方向として説明する。

まず、図１に示すように、ステータ３０は、ステータコア３１と、巻線３３とを備えている。ステータコア３１は、例えば薄い鉄板を積層して構成される。このようなステータコア３１に、インシュレータ３２を介して巻線３３が巻回される。そして、巻線３３を巻回したステータコア３１が、他の固定部材とともに一体にモータケース４０内に固定され、概略円筒状の外形を成すステータ３０が構成される。

また、図２および図３に示すように、ステータコア３１は、リング状のヨーク３１ｙと、ヨーク３１ｙの内周面からその径方向に向かって延出する複数のティース３１ｔとを有する。

これら複数のティース３１ｔは、開口部であるスロット３１ｓを互いの間に形成しながら、それぞれが周方向に等間隔に配置される。また、各ティース３１ｔの延出した先端箇所には、延出するティース中間部３１ｔｍよりも幅広となるように、周方向に広がるティース先端部３１ｔｐが形成されている。このティース先端部３１ｔｐの内周面が、磁石１０に対向する磁極面３１ｔ１となる。この磁極面３１ｔ１は、軸方向と直交する面において、中心点Ｃを中心とする円周上に位置する曲面となるように形成されている。このような構成のステータコア３１に対し、スロット３１ｓの開口スペースに巻線３３を通しながら、ティース３１ｔにその巻線３３を巻回することで、ティース３１ｔごとにコイルが形成される。コイルの巻き方は特に限定されず、複数のティース３１ｔ間に渡って巻線３３を巻回する分布巻きであってもよいし、ティース３１ｔ一つごとに巻線３３を巻回する集中巻きであってもよい。なかでも、ＳＰＭモータ１００の効率を高め易い点で、集中巻きが好ましい。

また、スロット３１ｓの個数であるスロット数は、特に限定されない。例えば、コイルが集中巻きであって、３相交流を用いてロータ２０を回転させる場合、通常、スロット数は３の倍数である。上記の場合、スロット数は３以上であり、１２以上であることが好ましい。なお、本実施の形態では、このスロット数が１２であり、ロータ２０の磁極数が１０極であるブラシレスモータの例を挙げている。このような１０極１２スロットのブラシレスモータは、回転方向となる周方向に働く磁気吸引力が相殺されるため、コギングトルクが低減される点で好ましい。

次に、図１に示すように、このようなステータ３０の内側には、ティース先端部３１ｔｐから径方向に所定の間隔をあけて、ロータ２０が挿入されている。ロータ２０は、シャフト２１とロータ本体２０ｂとを備えている。そして、シャフト２１を中心として、そのロータ本体２０ｂが、ロータコア２２と、複数の磁石１０と、ロータ樹脂部２３とを備えている。

ロータコア２２は、外形が略多角形状の薄い鉄板を積層して構成されている。より具体的には、本実施の形態では、図１に示すように、内側ロータコア２２ｓと外側ロータコア２２ｍとを含むロータコア２２の構成としている。ここで、内側ロータコア２２ｓは、内周側に配置されてシャフト２１に固着され、外側ロータコア２２ｍは、外周側に配置されて磁石１０を保持する。そして、内側ロータコア２２ｓと外側ロータコア２２ｍとの径方向の間の箇所を、ロータ樹脂部２３の一部が占めている。なお、このような本実施の形態でのロータコア２２を含むロータ本体２０ｂの構成については、以下で詳細に説明する。

このようなロータコア２２の中央部において、シャフト２１が、中心点Ｃを中心に、鉄板の積層方向、すなわち軸方向に貫通して延伸している。このようにして、シャフト２１を中心とし、その周囲にロータコア２２が固定されている。さらに、外形が多角形状の柱となるロータコア２２の外周部においては、図２および図３に示すように、複数の磁石１０が、外周面に沿って周方向にそれぞれ等間隔で配置される。特に、本実施の形態では、各ティース先端部３１ｔｐの磁極面３１ｔ１に対して、各磁石１０による周方向の外周面が同心状となるような配置構成としている。また、ここで、各磁石１０の外側曲面は、露出した状態で磁極面３１ｔ１に対面している。さらに、詳細については以下で説明するが、本実施の形態では、このような配置状態で、モールド樹脂を用いてロータ樹脂部２３が形成されるように樹脂モールドしている。このようなモールド成型により、ロータコア２２が複数の磁石１０を保持するように、ロータコア２２の外周面には、複数の磁石１０が密着固定され、ロータ本体２０ｂが形成される。

また、このようなロータ本体２０ｂが締結されたシャフト２１は、２つの軸受４３によって回転自在に支承されている。軸受４３は、複数の小径ボールを有したベアリングである。それぞれの軸受４３は、その外輪が例えばステータ側をモールドするステータ樹脂４５や金属製ブラケット４６などに固定されている。

さらに、図１では、ＳＰＭモータ１００が、プリント基板４８をモータケース４０内に内蔵するような一構成例を示している。プリント基板４８には、駆動回路などの部品が実装されており、電源電圧や制御信号を印加する接続線なども接続されている。

以上のように構成されたＳＰＭモータ１００に対して、接続線を介して電源電圧や制御信号などを供給することにより、プリント基板４８の駆動回路により巻線３３が通電駆動される。巻線３３が駆動されると、巻線３３に駆動電流が流れ、ステータコア３１から磁界が発生する。そして、ステータコア３１からの磁界とロータ２０の磁石１０からの磁界とにより、それら磁界の極性に応じて吸引力および反発力が生じ、これらの力によってシャフト２１を中心にロータ２０が周方向に回転する。このように、ロータ２０は、ステータ３０で発生させた磁気力との相互作用により回転可能な部材であり、ロータ２０の回転はシャフト２１を介してモータの外部に伝達され、力学的エネルギーに変換される。

次に、本実施の形態におけるロータコア２２の外周面、およびその外周面に固定される磁石１０の構成について説明する。

上述したように、ロータコア２２の外周面には、複数の磁石１０が周方向に平行に並んで固定される。すなわち、図２に示すように、ロータコア２２の外周面は、磁石１０を保持するための磁石保持面２２０を多角状に組合せた多角柱状の形状を成している。ここで、この磁石保持面２２０は四角い平面である。そして、１つの磁石保持面２２０に対して１つの磁石１０がペアとなるように互いに一対一で対応する。例えば、本実施の形態では、ロータ２０の磁極数を１０極としているため、ロータコア２２は１０角柱の形状を成しており、その外周面には、１０個の磁石１０が配列される。

このように、複数の磁石１０は、ロータコア２２の外周面を覆うように、ロータコア２２の周方向に沿って規則的に並んでいる。

図４Ａは、本実施の形態に係る磁石１０の斜視図、図４Ｂは、図４ＡのＹ−Ｙ線における断面図である。

例えば図２および図４Ａに示すように、磁石１０は、略矩形である２つの主面１１、１２と側面１３と上下面１４とを備える略六面体である。また、図４Ｂに示すように、磁石１０の一方の主面（第１主面１１）は、平面を成す平面部１１０とともに、平面部１１０を取り囲むように四方周縁に設けた周縁部１１１を備える。そして、この第１主面１１が、ロータコア２２の外周面、すなわち磁石保持面２２０に対向する。一方、他方の主面（第２主面１２）は、周方向に沿って円弧状に曲がるとともに軸方向には曲がりのない曲面を成す曲面部１２０を備え、さらに、曲面部１２０を取り囲むように四方周縁に設けた周縁部１２１を備える。そして、この第２主面１２が、ティース先端部３１ｔｐの磁極面３１ｔ１に対向する。また、磁石１０の第１主面１１側の周縁部１１１は、平面部１１０を囲むように面取りされていてもよい。言い換えれば、第１主面１１は、平面部１１０以外の領域を備えていてもよい。

さらに、本実施の形態では、第２主面１２もまた、曲面部１２０以外の領域として、周縁部１２１を備えた磁石１０の形状としている。本実施の形態では、この周縁部１２１、特に、周方向両側の周縁部１２１であるサイド部１２１ｓを設けることで、より正弦波波形に近似させた磁束密度を得るとともに、ロータ２０での磁石１０の保持強度も高めている。このサイド部１２１ｓの詳細については、以下でさらに説明する。

このような形状の磁石１０は、主面どうしが互いに逆の磁極となるように、図４Ｂでの平面部１１０の法線方向Ｎｖで示す厚み方向に、着磁されている。すなわち、第１主面１１と第２主面１２とにおいて、一方の面がＳ極なら他方の面がＮ極となる。さらに、本実施の形態では、図２に示すように、第２主面１２がＳ極の磁石１０と、第２主面１２がＮ極の磁石１０との２種類の組合せで構成している。そして、周方向に沿って、Ｎ極とＳ極とが交互になるように、磁石１０それぞれをロータコア２２に配置している。これにより、各磁石１０によって発生する磁束は、ステータコア３１とロータコア２２との間の空間を、おおよそ径方向に沿うとともに、磁石１０ごとに磁束方向が逆となるように流れる。なお、磁石１０の数とティース３１ｔの数とは、１対１に対応していない場合がある。よって、１つの磁石１０の第２主面１２の全体が、１つのティース３１ｔの磁極面３１ｔ１に対向していない場合がある。

また、第２主面１２の曲面部１２０は、図３に示すように、軸方向と直交する面、すなわち径方向を含む面（周方向に沿った面）において、ティース先端部３１ｔｐの磁極面３１ｔ１と径方向に所定の間隔Ｇを隔てて、同心の円弧状を成すように曲がっている。また、以上をまとめると、本実施の形態でのＳＰＭモータ１００は、軸方向と直交する面において、ロータコア２２（ひいてはＳＰＭモータ１００）の回転軸の中心点Ｃを中心として、内周側から外周側に向けて、シャフト２１の外周面、磁石１０の曲面部１２０、ステータコア３１の磁極面３１ｔ１、ステータコア３１の外周面の順に、それぞれが同心状となるような配置構成としている。

一方、第１主面１１の平面部１１０は、周方向、軸方向とも曲がりのない、軸方向に平行な平面である。この平面部１１０がロータコア２２の磁石保持面２２０に密着するように、磁石１０それぞれがロータコア２２の外周面に配列される。

以上のように、本実施の形態では、ロータコア２２の外周面の断面を、略多角形状とし、これにより、容易な磁石１０の位置決めを図っている。さらに、ロータコア２２の外周面における磁石保持面２２０と磁石１０とが、共に平面部を備える。すなわち、磁石１０のプレス成型後や焼成後などにおいて、曲率が変化し易い曲面とは異なり、平面であるため、膨張や収縮が生じたとしても、その平面状態を維持し易い。このように、平面部を備えることにより、磁石１０を磁石保持面２２０に広い面積を維持した状態で当接させることができる。これにより、従来のようなロータコアに当接する曲面を備えた磁石に比べて、容易かつ高精度に製造できる平面部１１０を備えた磁石１０を実現している。さらに、ロータコア２２の磁石保持面２２０に対する磁石１０の当接部分を大きくすることができるため、磁石保持面２２０への磁石１０の固定がより確実となり、磁石１０のガタつきが抑制され易くなる。その結果、ＳＰＭモータ１００の動作時の騒音が低減されるとともに、効率が向上する。

図５は、図４Ｂの拡大図である。本実施の形態での磁石１０は、図５での中心角θ４で示す範囲において、上述のように曲面部１２０と平面部１１０とが互いに対応する位置に配置されている。次に、このような構成に基づく磁石１０を用いたＳＰＭモータ１００の基本的な特徴について、まず、図５での中心角θ４で示す範囲でのモータ特性について説明する。

図５に示すように、中心角θ４で示す範囲において、磁石１０を平面部１１０の法線方向Ｎｖからみたとき、曲面部１２０の全部または大部分は、平面部１１０と重なり合っている。そのため、法線方向Ｎｖにおける磁石の厚みは、磁石１０の中央部から遠ざかるに従って減少するように、周方向に沿って変化する。具体的には、図５に示すように、Ｄ字のような断面を成し、磁石１０の中央部の径方向における厚みＴが最も大きく、端部に行くに従って薄い。

ここで、磁石の厚みは、その磁石によって生じる磁束の大きさに影響を与える。つまり、磁石の厚みが大きいほど、磁束が大きくなる。よって、磁石１０においても、上記中央部から生じる磁束は、通常、上記端部から生じる磁束よりも大きくなる。すなわち、図６において、中央部が最も大きい正弦波の波形を実線で示すが、磁石１０の磁束密度も、このような正弦波波形に近い分布をもつ。よって、ロータ２０の回転が滑らかになって、コギングトルクが低減する。また、磁束密度が正弦波に近い分布を有する場合、誘起電圧の波形も正弦波に近くなる。よって、トルクの変動幅であるトルクリップルが小さくなる。すなわち、本実施の形態での磁石１０は、互いに対向する曲面部１２０と平面部１１０とを備え、これによりＤ字状の断面形状を成している。本実施の形態では、このような磁石１０の形状とし、この磁石１０を用いたＳＰＭモータ１００とすることによって、高効率化とともに低騒音化を図っている。一方、磁石の厚みが一定である場合、図６において破線で示されるように、磁束密度は矩形波に近い分布をもつ。図６は、磁石１０から流れる磁束の密度分布の概要を示すグラフである。

さらに、図４Ｂに示すように、本実施の形態では、より正弦波に近い磁束密度を実現するため、磁石１０の第２主面１２側において、周方向両側の周縁部１２１については、面取りされた形状のサイド部１２１ｓとしている。すなわち、第２主面１２は、面取りによって、少なくとも曲面部１２０を挟持するように配置された、２つのサイド部１２１ｓを備えている。この場合、図５に示すように、サイド部１２１ｓの任意の接線Ｌ２と平面部１１０との成す鋭角の角度θ２が、曲面部１２０の任意の接線Ｌ１と平面部１１０との成す鋭角の角度θ１よりも大きくなるように、サイド部１２１ｓを形成している。つまり、本実施の形態では、上記のようなサイド部１２１ｓを配置することによって、磁石１０の上記端部の厚みを、さらに小さくしている。言い換えると、磁石１０の中央部から遠ざかるに従って減少する厚みの変化量について、図５での中心角θ４で示す範囲での変化量に比べて、中心角θ４の外側での変化量が大きくなるように、サイド部１２１ｓを利用した構成としている。さらに、別の見方をすると、図５での中心角θ４で示す範囲における中心点Ｃから曲面部１２０までの径方向の距離Ｄｃは、一定であるのに対して、中心点Ｃからサイド部１２１ｓまでの径方向の距離Ｄｓは、側面１３に近づくほど小さくなる。

つまり、波状に正負ピークを繰り返す正弦波の特徴として、例えば、Ｓｉｎ９０°のようなピーク周辺の変化量に比べて、Ｓｉｎ１８０°のような正負ピーク中間での変化量のほうが大きい。本実施の形態では、サイド部１２１ｓの厚みを薄くすることで、正弦波のピーク周辺に対応する磁石１０の中央部に比べて、正弦波の正負ピーク中間に対応する磁石１０の端部での厚みが薄くなる変化量を大きくし、正弦波特性に近似させている。よって、磁石１０の磁束密度も、より正弦波に近くなる。

なお、サイド部１２１ｓは、平面であってもよいし、曲面であってよいし、平面および曲面を含んでいてもよい。特に、サイド部１２１ｓを平面とすることで、直線的に変化するＳｉｎ１８０°近辺に近似させることができ、さらに、曲面に比べてより容易に加工や製造ができる。また、本実施の形態では、サイド部１２１ｓから、より周方向端部において、図４Ｂの端部１２１ｆで示すように、いわゆるフィレット（面取り）としての小さい曲面をさらに含めている。そして、端部を丸めることで、鋭利な角による傷や損傷などを防止している。このように、周方向において、曲面部１２０と曲面部１２０よりも径が小さいフィレットを設けた端部１２１ｆとの間に、平面のサイド部１２１ｓを設けることが好適である。

また、本実施の形態では、磁石１０の磁束密度を正弦波に近づけるため、サイド部１２１ｓの周方向における幅については、もの作り上、次のように設定している。すなわち、曲面部１２０の中心角θ４が、第２主面１２の中心角θ３の５０〜８０％になるように、サイド部１２１ｓの幅を設定することが好ましい。磁石１０の磁束密度がより正弦波に近くなるためである。中心角θ４は、第２主面１２の中心角θ３の６５〜７５％であることがより好ましい。すなわち、第２主面１２において、曲面部１２０が占める周方向の長さの割合を、第２主面１２の長さの半分から４分の３までの範囲とし、それ以外を両サイド部１２１ｓが占めるように構成すればよい。

なお、第２主面１２の中心角θ３は、外周面に固定される磁石１０の数（ロータの極数）に応じて設定される。例えば、ロータが１０極を備える場合、中心角θ３はおおよそ３６°（＝３６０°／１０）である。

さらに、本実施の形態では、一対の側面１３について、図４Ｂに示すように、平面部１１０側の間隔よりも曲面部１２０側の間隔が広くなるように傾斜する平面としている。すなわち、一対の側面１３は、軸方向と直交する面において、平面部１１０に近づくに従って、磁石１０の中心方向に近くなるように傾いた形状としている。これにより、サイド部１２１ｓに加えて、この側面１３によっても、磁石１０での周方向端部に行くに従ってより薄くなる。本実施の形態では、このような側面１３も利用して、さらに正弦波に近い磁束密度を実現している。

磁石１０によって生じる磁束は、平面部１１０の法線方向Ｎｖに沿って配向していることが好ましい。磁束が、磁石１０の法線方向Ｎｖの厚みに対応した大きさになり易いためである。つまり、磁石１０の法線方向Ｎｖの厚みを周方向に沿って変化させることにより、磁極面３１ｔ１に流入する磁束の大きさを、周方向に沿って変化させることができる。よって、磁石１０の磁束密度の分布を、所望の形状（この場合、正弦波）に制御し易い。磁束の配向は、例えば、磁石の製造時に、磁性材料の配向をえた上で着磁することにより制御できる。

磁石１０の材質は特に限定されず、ＳＰＭモータ１００に用いられる従来公知の材質であればよい。例えば、磁石１０としては、フェライト磁石、ネオジム磁石、サマリウムコバルト磁石等が用いられる。なかでも、コストの点では、酸化鉄を主原料とするフェライト磁石が好ましい。なお、これらの磁石は比較的割れ易い。これに対し、本実施の形態では、磁石１０とロータコア２２の磁石保持面２２０とを上述のように平面同士で当接させ、さらに、ロータ樹脂部２３となるモールド樹脂を利用して磁石１０を固定する構成により、磁石１０の破損防止を図っている。すなわち、本実施の形態で採用した形状を用いれば、従来、点接触となっていたものを面接触とすることができる。よって、磁石１０の接触面積が増えるため、安定した固定が実現できる。

次に、ロータ樹脂部２３を含むロータ本体２０ｂの詳細な構成について説明する。

図７Ａは、上述のようにして構成したロータ２０の構成図である。また、図７Ｂは、ロータコア２２およびロータ樹脂部２３を含むロータ本体２０ｂの詳細な断面構造を示す図である。また、図７Ｃは、軸方向から見たロータ本体２０ｂでの外側ロータコア２２ｍと、磁石１０と、ロータ樹脂部２３の一部との構成を示す図である。

まず、図７Ａに示すように、ロータ本体２０ｂの中心にはシャフト２１が挿入されている。また、ロータ本体２０ｂでは、所定の箇所を樹脂によってモールド成型することでロータ樹脂部２３が形成されている。

ロータ樹脂部２３は、ロータ２０の外部側においては、図７Ａに示すように、磁石１０の曲面部１２０を露出させた状態で、磁石間樹脂部２３１および端板樹脂部２３２を含み構成される。ここで、端板樹脂部２３２は、ロータ本体２０ｂの軸方向両端部において円盤状となるように設けられ、磁石１０を軸方向に挟むように配置される。また、磁石間樹脂部２３１は、周方向でのそれぞれの磁石１０の間に設けられ、端板樹脂部２３２を軸方向に樹脂で繋いでいる。

さらに、本実施の形態では、図７Ｂに示すように、ロータコア２２に、貫通孔２２ｔが形成されている。貫通孔２２ｔは、ロータコア２２を軸方向に貫通する孔であり、径方向では、環状の形状を成している。すなわち、貫通孔２２ｔは、ロータコア２２の内部をその一方の端面から他方の端面まで円筒状の空間として延伸するように配置される。ロータ樹脂部２３の樹脂は、このような貫通孔２２ｔにも充填されており、ロータ樹脂部２３の一部を成す内部樹脂部２３３を形成している。なお、内部樹脂部２３３を円筒状としているため、ロータコア２２は、図１や図７Ａからわかるように、内側ロータコア２２ｓと外側ロータコア２２ｍとに分離される。また、内部樹脂部２３３は、電気的に絶縁体である樹脂材料よりなる。このため、ロータコア２２は、内部樹脂部２３３によって、内側ロータコア２２ｓと外側ロータコア２２ｍとが電気的に絶縁分離されている。本実施の形態では、このような構成を含めることで、ロータ２０の電気的インピーダンスを高くして、軸受における電食の発生を抑制している。

以上のように、ロータ樹脂部２３は、ロータコア２２の両端面に配置される一対の端板樹脂部２３２と、ロータコア２２の内部で円筒状に配置される内部樹脂部２３３と、ロータコア２２の表面を周方向に等間隔で配置される複数本の磁石間樹脂部２３１とを一体に結合した構造を成している。このようなロータ樹脂部２３は、例えば、次のように樹脂モールド成型することで形成されている。すなわち、ロータコア２２と複数の磁石１０とを、円筒状の金型内に配置する。そして、金型内に熱硬化性樹脂を充填した後、金型の熱エネルギーにより熱硬化性樹脂を硬化させる。このような工程に基づく樹脂モールド成型により、内側ロータコア２２ｓ、外側ロータコア２２ｍおよび複数の磁石１０が所定の配置状態に固定されたロータ本体２０ｂが形成される。すなわち、両側の端板樹脂部２３２は、内部樹脂部２３３や磁石間樹脂部２３１を介して互いに繋がっているため、この構造によって、内側ロータコア２２ｓ、外側ロータコア２２ｍおよびそれぞれの磁石１０は、両側の端板樹脂部２３２に挟まれるように固定される。

本実施の形態では、このような工程で樹脂によりロータ本体２０ｂの各部材を固定しており、ビスや接着材などを用いた固定手法に比べて、固着作業を不要とし、組立工数や組立時間の短縮化も図っている。また、本実施の形態では、金型内でロータ本体２０ｂの各部材を樹脂で一体に結合するため、寸法精度等も容易に確保できる。さらに、本実施の形態では、内部樹脂部２３３および磁石間樹脂部２３１を介して、両側の端板樹脂部２３２が互いに繋がるような構造としており、これによって、軸方向の外力に対するロータコア２２や磁石１０の保持強度を高めている。

特に、磁石１０の固定に関して詳細には、磁石１０の曲面部１２０の周囲に設けた周縁部１２１を、本実施の形態では利用している。この周縁部１２１は、図４Ａや図４Ｂに示すように、曲面部１２０に比べて、より薄くした周辺端部である。本実施の形態では、磁石１０に対して、磁石１０の周縁部１２１を隠すように、ロータ樹脂部２３の樹脂が周縁部１２１を覆う構成としている。より具体的には、端板樹脂部２３２が磁石１０の軸方向端部の両周縁部１２１を覆う。そして、磁石間樹脂部２３１が、図７Ｃに示すように、磁石１０の径方向端部の両周縁部１２１、すなわち、サイド部１２１ｓを覆う。このように磁石１０の周縁部１２１を樹脂で覆うことで、磁石１０を外側ロータコア２２ｍの外周面に固定している。特に、回転時においては、磁石１０に対して径方向の外側への遠心力が生じるが、サイド部１２１ｓも樹脂で覆うことにより、端板樹脂部２３２のみによる保持と比較して、この遠心力に対する強度を高めることができる。

以上、本実施の形態では、ねじや接着剤は用いておらず、磁石１０の周縁部１２１を樹脂止めすることでのみ、磁石１０をロータコア２２に固定している。例えば、外側ロータコア２２ｍの磁石保持面２２０に対しても、何も介さずに磁石１０の第１主面１１を直接接触させている。また、このように直接接触させているため、接着剤を介在させるような手法に比べて、パーミアンスの低下を抑制でき、それに伴って効率の低下も抑制できる。

図８は、ロータコア２２に配置された隣り合う磁石１０間の詳細な構造を示す図である。

図８に示すように、外側ロータコア２２ｍの外周面には、磁石１０の取付け位置を定めるために、突起部２２１が形成されている。突起部２２１は、外側ロータコア２２ｍの外周面からさらに外側に突出し、周方向に等間隔で磁石１０と同じ個数となるように形成されている。このように突起部２２１は、複数の磁石１０のそれぞれの取付け位置を定めるように配置されて、隣り合う突起部２２１間が磁石保持面２２０となる。これにより、複数の磁石１０を、ロータコア２２の外周面に等間隔で固定することができる。そのため、個々の磁石１０からステータ３０に向かって流れる磁束の密度分布の偏りが小さくなって、ＳＰＭモータ１００の効率がさらに向上するとともに、騒音が低減される。このように、突起部２２１は、隣接する磁石保持面２２０同士の間に設置され、磁石１０は、隣接する突起部２２１同士の間に固定される。

特に、本実施の形態では、ロータコア２２の突起部２２１の形状について、その幅が先細りとなるテーパ形状としている。すなわち、図８に示すように、突起部２２１の周方向幅において、根元となる内周側に比べて、外周側のほうが狭くなるような形状としている。さらに、磁石１０の側面１３の形状も突起部２２１の形状に合わせており、磁石１０の周方向幅において、サイド部１２１ｓから径方向に平面部１１０へと近づくに従って狭くなるように、側面１３を形成している。本実施の形態では、このような突起部２２１と磁石１０の側面１３との形状としているため、磁石１０の平面部１１０での周方向幅Ｗｂに対して、隣り合う突起部２２１の先端部間での周方向幅Ｗｐは、十分に広くなる。簡単に言えば、磁石１０での幅Ｗｂの底部に対して、磁石保持面２２０での幅Ｗｐの外側開口を、周方向において広くなるような組合せとしている。すなわち、外側開口が広いため磁石１０を磁石保持面２２０に容易に挿入でき、さらに、挿入後には、磁石１０を磁石保持面２２０に密着するように配置できる。

さらに、この磁石１０と磁石保持面２２０との密着性を高めるため、外側ロータコア２２ｍにおいて、突起部２２１の根元の両側には、内側に切り欠いた溝２２２を設けている。次に、外側ロータコア２２ｍに設けた溝２２２について説明する。図９Ａは、ロータコア２２での突起部の形状と磁石１０の形状に基づいて、磁石１０が磁石保持面２２０に密着する密着度合を説明するための図である。図９Ｂは、図９Ａと比較する比較例を示している。具体的に、図９Ａには、本実施の形態での溝２２２を設けた突起部２２１の周辺を示し、図９Ｂには、比較例として、溝を設けていない突起部９２１の周辺を示している。

上述したように、ロータコア２２は、所望の形状の薄い鉄板を積層して構成されている。また、これら鉄板は、打抜き加工により、素材の鉄板を打抜いて、所望の形状としている。このような打抜き加工では、角部分は、通常、方形状とはならず、厳密には曲線状となる。このため、図９Ｂの比較例で示す突起部９２１から磁石保持面９２０にかけての角部９２２でも、図示するような曲線状となる。一方、磁石１０やロータコア２２のサイズには、どうしてもばらつきが生じる。このため、例えば、磁石１０が大きくなるようにばらつくと、図９Ｂの比較例で示すように、磁石１０の周縁部１１１が角部９２２に接触してしまう。そして、その結果、磁石１０の平面部１１０と磁石保持面９２０との間には、図９Ｂの比較例で示すような隙間９２９ができてしまい、磁石１０が磁石保持面２２０に密着しなくなる。

そこで、本実施の形態では溝２２２を設けることにより、比較例のような曲線状の角部９２２の膨らみ量を抑えている。すなわち、打抜き加工において、突起部２２１の根元の両側に溝２２２が形成されるように打抜く。これにより、溝２２２の形成に伴って、比較例での角部９２２の膨らみ量も減るように作用する。その結果、磁石１０が大きくなるようにばらついたとしても、磁石１０の周縁部１１１が突起部２２１の根元付近で接触するようなことはなく、図９Ａに示す密着面２２９のように、磁石１０を磁石保持面２２０に確実に密着させることができる。

また、上述のとおり、磁石１０の固定をより確実にするために、図８に示すように、隣接する磁石１０に跨るように、第２主面１２側にロータ樹脂部２３の磁石間樹脂部２３１が配置される。磁石間樹脂部２３１は、隣接する磁石１０の向かい合う２つのサイド部１２１ｓの少なくとも一部を覆うように配置される。これにより、向かい合う２つのサイド部１２１ｓによって形成された、略三角形の断面を有する空間２５の少なくとも一部が、磁石間樹脂部２３１によって埋められる。つまり、ステータ３０とロータ２０との間隔のばらつきが小さくなるため、空間２５による回転負荷が抑えられ、ロータ２０の回転がより滑らかになって、ＳＰＭモータ１００の効率がさらに向上する。同様の観点から、磁石間樹脂部２３１は、上記の略三角形の空間２５からはみ出さない程度に配置している。

特に、本実施の形態では、サイド部１２１ｓでの磁石１０の厚みが薄くなるため、サイド部１２１ｓを設けない場合に比べて、空間２５が広くなり、磁石間樹脂部２３１の径方向の厚みを増やすことができる。よって、磁石間樹脂部２３１の径方向の厚みを十分に確保できるため、遠心力のような径方向外側に働く力に対しての強度も十分に確保できる。しかも、磁石間樹脂部２３１の樹脂が紙状に薄くなることも防止できる。すなわち、樹脂が紙状になると、破れたり剥がれたりし易くなり、細かい樹脂の屑となってロータ２０の回転を止めるなど、不具合の原因となる。これに対し、本実施の形態では、樹脂が紙状にはならないため、このような不具合も防止できる。

このように、本実施の形態では、磁石１０にサイド部１２１ｓを設けた構成としているため、正弦波に近い磁束密度を実現しながら、さらに、樹脂の屑の発生を抑制しつつ、磁石間樹脂部２３１による磁石１０の保持強度も確保できる。

本実施の形態ではロータの極数（磁石１０の個数）を１０極として説明したが、この極数は特に限定されない。極数が増えると、ステータに入る磁束密度の偏りが低減される。そのため、極数は、電磁力を分散させる観点から多極化していることが好ましい。また、極数とスロット数とを、適切な組合せにすることにより、コギングトルクを抑制できる。なお、極数の上限は、モータの仕様、特にモータの定格等により定まる。具体的には、極数は、例えば４極以上である。なかでも、上記の観点から、極数は８極以上であることが好ましく、１０極以上であることがより好ましい。なお、図示例では、極数が１０（１０極）である場合を示している。ロータ２０が１０極であって、３相交流を用いてロータ２０を回転させる場合、ＳＰＭモータ１００の動作中にステータ３０の内径が歪んで、ステータ３０が円環振動することがある。ステータ３０の円環振動は、騒音の一因になり得る。しかし、本実施の形態によれば、ステータ３０の円環振動以外の騒音の原因が排除され易くなるため、結果的に、ＳＰＭモータ１００の動作中における騒音は抑制される。

上記のとおり、極数は、電磁力を分散させる観点から多極化することが好ましい。一方で、磁石１０の数が多くなると、取付け位置はずれ易くなるため、精度良く、多数の磁石１０を、ロータコア２２の外周面に取付けることは困難である。よって、極数が多い場合ほど、突起部２２１を設けることは、より効果的である。また、本実施の形態においては、極数が多いほど、ロータコア２２の外周面は滑らかな円弧に近くなる。外周面が、磁石１０の平面部１１０に対応する平面の磁石保持面２２０を備えるためである。外周面が円弧に近くなると、ロータ２０の回転が滑らかになって、騒音が低減される。このように、本実施の形態に係る磁石１０は、極数の多いロータ２０に用いるのに特に適している。

本発明の表面磁石型モータによれば、ロータコアとステータコアとの間に、正弦波に近い密度分布を備える磁束を発生させることができる。そのため、特に、低騒音や高効率が要求される家電機器などに実装されるモータに有効である。

１０ 磁石
１１ 第１主面
１２ 第２主面
１３ 側面
１４ 上下面
２０ ロータ
２０ｂ ロータ本体
２１ シャフト
２２ ロータコア
２２ｍ 外側ロータコア
２２ｓ 内側ロータコア
２２ｔ 貫通孔
２３ ロータ樹脂部
２５ 空間
３０ ステータ
３１ ステータコア
３１ｓ スロット
３１ｔ ティース
３１ｙ ヨーク
３１ｔ１ 磁極面
３１ｔｍ ティース中間部
３１ｔｐ ティース先端部
３２ インシュレータ
３３ 巻線
４０ モータケース
４３ 軸受
４５ ステータ樹脂
４６ 金属製ブラケット
４８ プリント基板
１００ 表面磁石型（ＳＰＭ）モータ
１１０ 平面部
１１１，１２１ 周縁部
１２０ 曲面部
１２１ｓ サイド部
２２０，９２０ 磁石保持面
２２１，９２１ 突起部
２２２ 溝
２２９ 密着面
２３１ 磁石間樹脂部
２３２ 端板樹脂部
２３３ 内部樹脂部
９２２ 角部
９２９ 隙間

Claims (9)

1. ステータと、前記ステータの内周側に回転自在に配置されるロータとを具備し、前記ロータの表面に複数の磁石を保持する表面磁石型モータであって、
   前記ステータは、
   リング状のヨークと、前記ヨークの内周から径方向に延出し、先端部には周方向に広がるティース先端部が形成された複数のティースと、を有するステータコアと、
   前記ティースに巻回された巻線と、を備え、
   前記ロータは、
   前記複数の磁石を保持するロータコアと、
   前記ロータコアの中央を貫通して延伸するシャフトと、
   前記ティース先端部と所定の間隔をあけ、前記ロータコアの外周面に沿って周方向に等間隔で配置される前記複数の磁石と、
   前記ロータコアの前記外周面は、前記複数の磁石のそれぞれの取付け位置を定める突起部を有するとともに、前記突起部の両側には、内側に切り欠いた溝を設け、
   前記複数の磁石を前記ロータコアに固定するためのロータ樹脂部と、を備え、
   前記複数の磁石のそれぞれは、前記ロータコアの外周面に対向する第１主面と、前記ティース先端部に対向する第２主面と、を備え、
   前記第１主面が、平面を成す平面部を含み、
   前記ティース先端部と前記第２主面とが、互いに同心の円弧状を成す曲面部を含み、
   前記ロータ樹脂部が前記第２主面の周縁部を覆うように、前記ロータ樹脂部によって、前記ロータコアと前記複数の磁石とが一体成型されている表面磁石型モータ。
2. 前記複数の磁石それぞれが備える、前記第１主面と側面との間に位置する周縁部は、前記ロータコアと接しない、請求項１に記載の表面磁石型モータ。
3. 前記第２主面が、前記曲面部と、前記曲面部を挟持するように配置される２つのサイド部と、を有し、
   前記ロータの中心から前記サイド部までの径方向の距離は、前記磁石の周方向端部に近づくほど小さくなる請求項１に記載の表面磁石型モータ。
4. 前記サイド部の任意の接線と前記平面部との成す鋭角の角度が、前記曲面部の任意の接線と前記平面部との成す鋭角の角度よりも大きい、請求項３に記載の表面磁石型モータ。
5. 前記ロータ樹脂部は、前記第２主面に対し、前記サイド部の少なくとも一部を覆うように配置されている請求項２から３のいずれか一項に記載の表面磁石型モータ。
6. 前記平面部の法線方向に沿って磁束が配向されている、請求項１に記載の表面磁石型モータ。
7. 前記ロータコアの前記外周面は、前記平面部に一対一で対応する磁石保持面を有する、請求項１に記載の表面磁石型モータ。
8. 前記溝は、配置された前記複数の磁石それぞれが備える、前記第１主面と側面との間に位置する周縁部が、前記ロータコアの前記外周面が有する前記磁石保持面から前記突起部の壁面に亘って前記ロータコアの前記外周面と接触しない、請求項７に記載の表面磁石型モータ。
9. 前記ロータの極数が１０であり、
   前記ステータのスロット数が１２である、請求項１に記載の表面磁石型モータ。

Images