(57)【要約】【課題】機器の駆動源に使用されるブラシレスモータにおいて、モータの出力トルクを向上。【解決手段】回転方向にＮ極、Ｓ極を交互に着磁したマグネット体１を有するロータと、マグネット体１とラジアル方向に対向し磁気回路を構成しコイルが巻回された複数の突極５を設けたコアとを有し、突極５のマグネット体１と対向する部分には、マグネット２極分と略同一ピッチの小歯６が複数個設けられており、ロータの位置に応じてコイルに通電することにより、ロータを回転駆動するするブラシレスモータにおいて、小歯部のうち、突極先端部の磁束密度が高くなる部分の小歯の開角を他の部分の小歯開角より小さく設ける。【選択図】図１
2010098947.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転方向にＮ極、Ｓ極を交互に着磁したマグネット体を有するロータと、前記マグネット体とラジアル方向に対向し磁気回路を構成しコイルが巻回された複数の突極を設けたコアとを有し、前記突極の前記マグネット体と対向する部分には、マグネット２極分と略同一ピッチの小歯が複数個設けられており、前記ロータの位置に応じてコイルに通電することにより、ロータを回転駆動するするブラシレスモータにおいて、前記小歯のエッジ部分の形状を、回転方向前側と回転方向後側で非対称に構成したことを特徴とするブラシレスモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機器の駆動源に使用されるブラシレスモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、映像・音響機器、ＯＡ機器、家電機器、輸送用機器、ＦＡ機器等さまざまな機器に、駆動源としてモータが用いられている。これらの機器は、機器の高機能化に伴い、使われるモータの個数は年々増加する傾向にある。また、モータの性能についても近年、機器の小型化、高機能化によって小型でかつ高出力なモータが望まれている。
【０００３】
従来から、モータの小型化と高出力化を実現する方法について、数多くの提案がなされている。
【０００４】
図１０は一従来例の磁気回路を示す図である。この従来例のモータは、コアの突極数を増加させないまま、磁極数のみを増加させることにより、コイル抵抗を増大させない構成を図り、モータのトルク性能を向上させる構成である。（例えば、特許文献１参照）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−６１３２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記モータ構造は、従来型ブラシレスモータと比較して大幅にトルク性能を向上できるものの、より更に高性能化が望まれる場合もあった。
【０００７】
従来技術において、コギングトルクを低減する方法についていくつかの提案がなされているが、一部特殊な構成をしたマグネット体を用いてモータを構成する場合には、そのままでは十分なコギングトルク低減効果が得られないケースもあり、その際にはさらなる改善が望まれていた。
【０００８】
本発明は、従来技術をさらに改良し、特殊な構成のマグネット体の場合においてもモータのコギングトルクを低減できるようにすることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本件出願に係るブラシレスモータは、回転方向にＮ極、Ｓ極を交互に着磁したマグネット体を有するロータと、前記マグネット体とラジアル方向に対向し磁気回路を構成しコイルが巻回された複数の突極を設けたコアとを有し、前記突極の前記マグネット体と対向する部分には、マグネット２極分と略同一ピッチの小歯が複数個設けられており、前記ロータの位置に応じてコイルに通電することにより、ロータを回転駆動するブラシレスモータにおいて、前記小歯のエッジ部分の形状を、回転方向前側と回転方向後側で非対称に構成したことを特徴とするブラシレスモータである。このようにして、コアの磁気飽和を緩和しモータ出力トルクを向上できる。
【００１０】
このようなモータの構造を具備させることにより、更に大きいトルクが出力可能となり、同一サイズ、質量でもより高出力なモータを提供できる。
【発明の効果】
【００１１】
本件出願に係る発明によれば、モータのコギングトルクを小さくしながら、かつ最大トルクも高いモータを提供できる。また、このモータを機器に搭載することにより、機器の小型化・機能向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態１によるブラシレスモータの磁気回路構成を示す説明図
【図２】本発明の実施の形態１によるブラシレスモータのコアの設計方法を示す説明図、（ａ）はコア３−１の説明図、（ｂ）はコア３−２の説明図
【図３】本発明の実施の形態２によるブラシレスモータの磁気回路構成を示す説明図
【図４】本発明の実施の形態２によるブラシレスモータのコアの設計方法を示す説明図、（ａ）はコア３−１の説明図、（ｂ）はコア３−２の説明図、（ｃ）はコア３−２の説明図
【図５】本発明の実施の形態３によるブラシレスモータの磁気回路構成を示す説明図
【図６】本発明の実施の形態４によるブラシレスモータの磁気回路構成を示す説明図
【図７】本発明の実施の形態４の他の構成を示す説明図、（ａ）は本発明の実施の形態４によるもう一例のマグネット体の構成の説明図、（ｂ）は本発明の実施の形態４によるもう一例のマグネット体の構成の説明図
【図８】本発明の実施の形態５によるブラシレスモータの磁気回路構成を示す説明図
【図９】本発明の実施の形態５によるブラシレスモータの特性と従来例とを比較する説明図
【図１０】従来例の説明図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１４】
なお、実施の形態１〜３では、コアの形状を改良することによりトルクを向上する方法について説明する。実施の形態４〜５ではマグネット体（永久磁石を用いた界磁部分）の構成について説明する。
【００１５】
（実施の形態１）
図１は本実施の形態１のモータの磁気回路構成を示す説明図である。
【００１６】
図１に示す通り、コア３の突極５先端部に設けられた小歯６−１、６−２は左右で開角が異なっており、突極先端回転方向前側の小歯６−１の開角が回転方向後側の小歯６−２の開角より大きく形成されている。
【００１７】
なお、図において角度は全て電気角で表している。具体的には、図２（ａ）・図２（ｂ）に示すように同一形状で角度が電気角で３０°ずれた２つのコア３−１、３−２の形状の斜線部分を組み合わせて形成されている。
【００１８】
このようにコギングトルクの基本周期の半分である電気角３０°分ずらした形状を組み合わせることで、コギングトルクを打ち消すことによりコギングトルクが極めて小さく回転精度が高いモータを提供できる。
【００１９】
また、本実施の形態１のコア３では、突極５先端の小歯６−１、６−２の開角を左右非対称とすることで、以下に示すような効果を得ることができる。
【００２０】
小歯の開角を不均等にしたり、ピッチを変えたりすると、各磁極からそれぞれの小歯に入射する磁束数が異なる形となる。一般的には小歯の開角が大きい場合、そして磁極に対しての小歯の位置がより前側（位相が進んでいる）小歯ほどより多くの磁束が集まる状態となる。
【００２１】
逆に磁束が集中する側の小歯の開角が小さくなる様に組み合わせを行なえば、磁気飽和を緩和することができる。
【００２２】
本実施例の場合、磁束が集中し易い回転方向後側の小歯６−２の開角を回転方向前側の小歯６−１より小さくすることにより、磁束の不均衡を緩和し、コイルにより大きい電流を流してもコアが磁気飽和しにくくなり、結果としてコアの磁気飽和に起因する最大トルクを向上することができる。
【００２３】
なお、このようにコアを回転方向で不均等な形に構成しても、モータのトルク定数、コギングトルクは、ほとんど変化することはないが、ロータの回転方向が逆の場合は、上記に示したのと全く同じ理由で、コアの磁気飽和が早まり、最大トルクが逆に低下してしまう。
【００２４】
従って、このようにコアを回転方向で不均等な形に構成することは、モータが主に一方方向に回転する用途（例えばファン駆動等）に適した技術である。
【００２５】
このように、小歯の開角を変えることで、コギングトルクを小さくしながら、かつ最大トルクも高いモータを提供できる。
【００２６】
（実施の形態２）
図３は本実施の形態２のモータの磁気回路構成を示す説明図である。
【００２７】
図３に示す通り、コア３の突極５先端部に設けられた小歯６−１、６−２、６−３は中央の小歯６−２の開角が大きく左右の小歯６−１、６−２の開角が小さく形成されている。具体的には、図４（ａ）・図４（ｂ）・図４（ｃ）に示すように同一形状で角度が電気角で１０°ずつずれた３つのコア３−１、３−２、３−３の形状の斜線部分を組み合わせて形成されている。
【００２８】
このように、小歯の開角を電気角で１５０°とし、コギングトルク基本周期の２分の１の周期のコギングトルクを発生する形状をベースとし、コギングトルクの基本周期の６分の１である電気角１０°分ずつずらした３つのコア形状を組み合わせることで、コギングトルクが極めて小さく回転精度が高いモータを提供できる。
【００２９】
また、本実施の形態２のコア形状では、突極先端の小歯の開角を中央部と左右で異ならせることで、以下に示すような効果を得ることができる。
【００３０】
突極先端中央部分の小歯６−２は根元が直接巻線部分につながっているため、この部分が磁気飽和することはない。一方左右両端部の小歯６−１、６−３は、細い継鉄部７でつながれているため、この継鉄部７が磁気飽和を起こしやすい状態となっている。
【００３１】
そこで小歯６−１、６−３の開角が小さくなる様に組み合わせを行なえば、小歯６−１、６−３から入射する磁束数が少なくなり、継鉄部７の磁気飽和を緩和することができる。
【００３２】
このように突極先端部外側にある小歯の開角を小さくし磁気飽和を緩和することで、コイルにより大きい電流を流してもコアが磁気飽和しにくくなり、コアの磁気飽和に起因する最大トルクを向上することができる。
【００３３】
なお、上記実施の形態１では、コアが回転方向で不均等なため、ロータの回転方向が逆の場合は、最大トルクが低下するが、本実施の形態２の形状では正逆両回転共に同じ効果を得ることができる。
【００３４】
以上実施の形態１、２では各一例ずつを示しているが、同様の考え方で他の構成も可能である。
【００３５】
一般的には、ブラシレスモータが３相構造であり、前記突極１極あたりに設けられた小歯の歯数をｎとした場合に、コアの軸方向断面形状が、回転方向に所定角度ずつずらしたｎ個のコア基本形状を適時組み合わせた形状に構成し、前記小歯部のうち、突極先端部の磁束密度が高くなる部分の小歯の開角を他の部分の小歯開角より小さくすることにより、コギングトルクを小さく抑えながら、モータの最大トルクを向上できる。
【００３６】
（実施の形態３）
本実施の形態３は、コア形状に関して上記実施の形態１、２と異なるアプローチでトルクを向上する方法について説明する。
【００３７】
図５は本実施の形態３のモータの磁気回路構成を示す説明図である。
【００３８】
本実施の形態３のコア形状は、小歯６先端が全て一方に傾いた形状である。
【００３９】
このように小歯６先端を回転非対称に形成することも最大トルクを向上する効果がある。
【００４０】
図５において駆動時に小歯６先端部分にはコイル４による磁界と永久磁石１による磁界との両方が加わる状態となり、特に永久磁石にＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系焼結磁石など残留磁束密度の大きい磁石を使用した場合、小歯６先端の回転方向前側のエッジ部８にコア材質の磁気飽和を超える磁束が流れる場合がある。
【００４１】
そこで、小歯６先端部分を左右非対称に傾けた状態とし、磁気飽和し易い前側のエッジ８の角度を９０°より大きくすることで、この部分の磁気飽和を緩和し最大トルクを向上することができる。
【００４２】
一方、このように小歯６先端部分を回転非対称に形成すると小歯６横側から入射するトルク発生に寄与しない無効磁束も増えるため、中間領域での性能が逆に悪化する傾向があり、またモータが逆回転する場合は逆効果となるため、この方法は、モータが常に一方向に大きなトルクを発生しつづける用途に適している。
【００４３】
（実施の形態４）
以上実施の形態１から３は、コアの磁気飽和を緩和し、コイルにより大きな電流を流すことにより高トルク化を実現する方法を説明したが、以下実施の形態４・５は、マグネット体の構成を変更することにより、マグネット体からより多くの磁束を取り出すことにより、高トルク化を図る方法について説明する。
【００４４】
図６は本実施の形態４のモータの磁気回路構成を示す説明図である。
【００４５】
図６においてマグネット体は、珪素鋼板を複数枚軸方向に積み重ねて構成したバックヨーク２に複数の永久磁石１を挿入する構成であり、いわゆる磁石埋め込み型の構造を有している。マグネット体１極あたり、２個の平板状永久磁石１を同じ極が向かい合わせになるように、への字状に並べて埋め込まれた構成となっている。
【００４６】
このようにマグネット体一極あたりのロータ表面積よりも、マグネット体一極あたりの永久磁石１の着磁方向の投影面積が大きくなるように構成し、ギャップ部分に磁束を集中させる様にすることにより、使用している永久磁石１の磁束密度よりギャップ部分の磁束密度を高くすることができ、同じサイズのロータからより多くの磁束を取り出すことができるため、モータの高トルク化が可能となる。
【００４７】
また永久磁石１とバックヨーク２の透磁率の差を利用して、磁極の中心から他の磁極へ通る方向の磁束の磁気抵抗と、磁極間を通る磁束の磁気抵抗に差を設けることにより、永久磁石１によるマグネットトルクのみならず、磁気抵抗変化に伴うリラクタンストルクをも利用することができ、より高トルク化が可能となる。
【００４８】
なお、本実施の形態４では磁極１極あたり２個の永久磁石を使用したが、図７（ａ）の様に、磁石を３個以上使う構成、あるいは図７（ｂ）の様に磁極あたり１個の円弧磁石を使用する方法等も可能である。
【００４９】
しかしながら、永久磁石１を挿入するバックヨーク２の飽和磁束密度にも限界があり、また、永久磁石１は形状が単純なほど低コストで製造できる等の観点から、図６に示した、２個の平板上永久磁石を同じ極が向かい合わせになるように、への字状に並べて埋め込んだ構成は最も適した構成である。
【００５０】
（実施の形態５）
図８は本実施の形態４のモータの磁気回路構成を示す説明図である。
【００５１】
図８においてマグネット体は、珪素鋼板を積層した円環上のバックヨーク２内周部にラジアル方向と回転方向に着磁された永久磁石１を互い違いに張り合わせて構成されている。
【００５２】
この様な磁石の配列は、ハルバッハ磁石配列として知られており、極異方配向の磁石と並び単純にラジアル方向に多極着磁した永久磁石よりもより多くの磁束を取り出せることが知られている。
【００５３】
これらハルバッハ磁石配列や、極異方配向の永久磁石は、単純にラジアル方向に磁石を配向した場合に対しマグネット内を通る磁束の距離が長くなるため、磁石の厚みを厚くしたのと同じような効果が得られ、同じ体積の永久磁石でもより大きな磁束を取り出すことができるものである。
【００５４】
この様な効果は、永久磁石のラジアル方向の厚みに対する磁極のピッチの比率が比較的小さい場合顕著に表れる。
【００５５】
本発明のモータの構造は、コア３の突極５の数を増やさないまま、磁極数を増やす構成をとるため、必然的に磁極ピッチは小さいものとなり、ハルバッハ磁石配列や、極異方配向の磁石によるトルクアップは従来型モータより大きな効果が得られる。
【００５６】
図９は、従来技術のラジアル配向の磁石と本発明のハルバッハ磁石配列のモータの特性を、コンピュータを用いた磁界解析により計算し比較した例である。
【００５７】
図９に示したとおり、永久磁石の体積は全く同一で中間時トルクはおよそ２％、最大トルクはおよそ８％向上している。
【００５８】
以上実施の形態１から５によれば、ブラシレスモータの最大トルクを向上することが可能となり、同一トルクでもより小型のモータを提供できる。あるいは、従来と同一サイズで出力アップが可能となり、モータを使用した機器の機能を向上することができる。
【００５９】
例えば、本発明のブラシレスモータを携帯情報端末、携帯型ＭＤプレーヤ等に使用することにより、同一特性でも小型で軽量なモータを提供でき、機器の小型化、軽量化を達成できる。
【００６０】
また、本発明のブラシレスモータをＯＡ機器、家電機器等の駆動源に使用することにより、同一サイズでも高出力なモータを提供でき、機器のサイズを大きくすることなく機器の高速化、高機能化を達成できる。
【００６１】
また、本発明のブラシレスモータをロボットの関節駆動用アクチュエータに使用することにより、同一サイズ、重量でもでも高出力なモータを提供でき、産業用ロボット等の応答性能を向上できる。
【００６２】
またさらに、本発明のブラシレスモータを、燃料電池自動車、電気自動車に代表される輸送用機器の車輪駆動用に使用することにより、同一特性でも小型、軽量のモータを提供することができ、車体の軽量化による走行性能の向上、あるいは燃費の向上を実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明のブラシレスモータは、モータのコギングトルクを小さくしながら、かつ最大トルクも高いモータを提供できる。また、このモータを機器に搭載することにより、機器の小型化・機能向上を図ることができる。例えば、映像・音響機器、ＯＡ機器等さまざまな機器の駆動源用のモータとして有用である。
【符号の説明】
【００６４】
１    永久磁石
２    バックヨーク
３、３−１、３−２、３−３    コア
４    コイル
５、５−１、５−２、５−３、５−４、５−５、５−６    突極
６、６−１、６−２、６−３    小歯
７    継鉄部
８    小歯前側エッジ部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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