(57)【要約】【課題】小型化を図りながらロータマグネットの磁束を有効に利用できる高効率なブラシレスモータを提供する。【解決手段】ロータマグネット１０３と、ロータマグネット１０３の軸方向の一方の端部が埋没する窪みが形成された一対のロータヨーク１０４，１０５と、板状の磁性材料が軸方向において複数積層された構造の略円筒形状を有し、ロータヨーク１０４，１０５の外周に接触した一対の磁極部１０６，１０７とを備えるブラシレスモータのロータ１００。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
略円柱形状または略円筒形状を有するロータマグネットと、
前記ロータマグネットの軸方向の一方の端部が埋没する窪みが形成された一対のロータヨークと、
板状の磁性材料が軸方向において複数積層された構造の略円筒形状を有し、前記一対のロータヨークの外周に接触した一対の磁極部と
を備えることを特徴とするブラシレスモータのロータ。
【請求項２】
前記一対のロータヨークは軸方向で離間し、
前記離間した部分以外において、前記ロータマグネットの外面は、前記ロータヨークに覆われており、
前記ロータヨークの外周が更に前記磁極部によって覆われていることを特徴とする請求項１に記載のブラシレスモータのロータ。
【請求項３】
前記一対のロータヨークの軸方向における一対の端面が磁気シールド材料により覆われていることを特徴とする請求項１または２に記載のブラシレスモータのロータ。
【請求項４】
前記磁気シールド材料は、電磁鋼板を軸方向で積層したものであることを特徴とする請求項３に記載のブラシレスモータのロータ。
【請求項５】
前記電磁鋼板は、面に平行な方向における磁気抵抗よりも厚み方向における磁気抵抗が大きい性質を有することを特徴とする請求項４に記載のブラシレスモータのロータ。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか一項に記載のロータを用いたことを特徴とするブラシレスモータ。
【請求項７】
請求項６に記載のブラシレスモータの構造を有するステッピングモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロータの構造に特徴のあるモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
ステッピングモータ等に代表されるブラシレス型のＤＣモータにおいて、ロータコアをマグネット（永久磁石）とロータヨークのハイブリッド構造としたハイブリッド型のモータ（ＨＢモータ）が知られている。ＨＢモータは、機器の小型化や、高性能化に伴い、小型で高性能なものが要求されている。
【０００３】
図５には、従来技術におけるＨＢモータの磁気回路が概念的に示されている。図５に示す構造において、ロータコア５００は、軸方向の一方がＮ極、軸方向の他方がＳ極と着磁されたマグネット（永久磁石）５０２と、複数の電磁鋼板を軸方向で積層したロータヨーク５０３により構成されている。この構造の場合、Ｎ極からの磁束は、図示するように、まずマグネット５０２からロータヨーク５０３に向かって軸方向に進み、次いで途中で向きを変え、径方向（軸中心から離れる方向）に進み、ステータ側の磁極５０１に至る。
【０００４】
この場合、径方向に進む磁束は、電磁鋼板の積層面に平行な方向の向きとなるので、磁路の磁気抵抗が低減される効果が得られる。他方において、軸方向に進む磁束には、電磁鋼板の積層方向への流れとなるので、電磁鋼板の絶縁処理や積層によるギャップの影響が大きく現れ、磁気抵抗が高くなる。つまり、ロータヨーク５０３内における軸方向における磁路の磁気抵抗が高くなる。この傾向は、マグネット５０２から離れる程大きくなる。この軸方向における磁路の磁気抵抗が高いという問題のため、図５に示す構造では、軸方向での磁束が偏在する傾向が強く、磁束分布が悪い。そのため磁束効率が悪く、十分なトルクが得られない。
【０００５】
この問題に対するアプローチとして、特許文献１に記載された技術が知られている。図６には、特許文献１に記載された技術におけるロータ６００が示されている。ロータ６００は、軸部材であるシャフト６０１にロータマグネット６０２、ロータマグネット６０２に軸方向で隣接し、環形状の磁性材料により構成されるロータヨーク６０３，６０４、ロータヨーク６０３，６０４の外側に固定され、電磁鋼板を軸方向において複数積層した構造の回転子鉄心６０５，６０６を備えた構造を有している。
【０００６】
図６に示す構造では、ロータヨーク６０３，６０４が電磁鋼板を積層した構造ではないので、図５を用いて説明した磁束効率が悪くなる現象が抑えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】実開平６−５２３８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、図６に示す構造では、回転子鉄心６０５と６０６が軸方向で離れているので、モータが大型化する。特に、大きなトルクを得るには、マグネット６０２として軸方向の寸法の大きいものを用いる必要があるが、そうすると軸方向の寸法の大型化が避けられない。なお、ロータヨーク６０３，６０４と回転子鉄心６０５，６０６の軸方向の寸法を短縮する構造も考えられるが、そうすると、ロータコア６００の有効外周面積が確保できず、狭い領域に過度に磁束が集中するので、総磁束の減少や損失の増大が顕著になり、効率が落ち、トルクが減少する。
【０００９】
このような背景において、本発明は、小型化を図りながらロータマグネットの磁束を有効に利用できる高効率なブラシレスモータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１に記載の発明は、略円柱形状または略円筒形状を有するロータマグネットと、前記ロータマグネットの軸方向の一方の端部が埋没する窪みが形成された一対のロータヨークと、板状の磁性材料が軸方向において複数積層された構造の略円筒形状を有し、前記一対のロータヨークの外周に接触した一対の磁極部とを備えることを特徴とするブラシレスモータのロータである。
【００１１】
請求項１に記載の発明によれば、ロータヨークの窪みにロータマグネットの軸方向における両端が埋没するので、軸方向の寸法を抑えたロータが得られる。また、外周に磁極部を設けることで、ロータヨークとして、磁気抵抗が方向に依存しない性質のものを採用することができ、ロータヨーク内において磁路の方向により磁気抵抗が高くなる現象が抑えられる。このため、小型化と高効率（高トルク化）を両立することができる。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記一対のロータヨークは軸方向で離間し、前記離間した部分以外において、前記ロータマグネットの外面は、前記ロータヨークに覆われており、前記ロータヨークの外周が更に前記磁極部によって覆われていることを特徴とする。
【００１３】
請求項２に記載の発明によれば、ロータ側の磁極の有効面積が大きく確保できるので、小型化と高効率の両立を更に追求することができる。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、前記一対のロータヨークの軸方向における一対の端面が磁気シールド材料により覆われていることを特徴とする。
【００１５】
請求項３に記載の発明によれば、ロータヨークの軸方向両端の端面からの磁束の漏洩が抑えられ、ロータマグネットが生成する磁束を更に有効に利用することができる。
【００１６】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記磁気シールド材料は、電磁鋼板を軸方向で積層したものであることを特徴とする。
【００１７】
請求項４に記載の発明によれば、軸方向の磁気抵抗が高く、且つ、軸に垂直な方向の磁気抵抗が低い性質の磁気シールド材料が得られ、軸方向端面からの磁束の漏洩の抑制効果とロータコア外周面から出入りする磁束の磁路の磁気抵抗の低減効果がより効果的に得られる。
【００１８】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記電磁鋼板は、面に平行な方向における磁気抵抗よりも厚み方向における磁気抵抗が大きい性質を有することを特徴とする。
【００１９】
請求項５に記載の発明によれば、磁気シールド材料によるロータコアの軸方向端面からの漏洩磁束の抑制、且つ、磁気シールド材料内で軸に垂直な方向に進む磁束の磁気抵抗の低減が更に効果的に得られる。
【００２０】
請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のロータを用いたことを特徴とするブラシレスモータである。
【００２１】
請求項７に記載の発明は、請求項６に記載のブラシレスモータの構造を有するステッピングモータである。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、小型化を図りながらロータマグネットの磁束を有効に利用できる高効率なブラシレスモータが得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】実施形態のロータの断面図である。
【図２】実施形態のロータコアの断面図である。
【図３】実施形態のロータコアにおける磁気回路の概念図である。
【図４】他の実施形態のロータコアの断面図である。
【図５】従来技術のロータコアにおける磁気回路の概念図である。
【図６】従来技術におけるロータの断面図である。
【図７】比較例のロータコアの断面図である。
【図８】変形例のロータコアの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
１．第１の実施の形態
（構造）
図１には、実施形態のロータ１００が示され、図２には、ロータコア１０１が示されている。図１と図２の違いは、軸部材であるシャフト１０２の有無のみである。ロータ１００は、ステッピングモータのロータである。ロータ１００は、ロータコア１０１とシャフト１０２により構成されている。シャフト１０２は、ロータコア１０１の中心に貫通した状態で固定されている。シャフト１０２は、図示しない軸受構造により、図示しないステータ側の部材（例えば、外側ケーシング）に回転自在な状態で保持され、この構造により、ロータ１００が回転できる構造となっている。なお、図示省略するが、ロータ１００を備えたステッピングモータのステータ側の構造は、一般的なステッピングモータと同じものが採用される。
【００２５】
ロータコア１０１は、ロータマグネット１０３、ロータヨーク１０４，１０５および磁極部１０５，１０６により構成されている。ロータマグネット１０３は、中心にシャフト１０２が貫通する孔を有した略円柱形状（あるいは略円筒形状）を有し、軸方向の一方の端部（例えば図の上側の端部）がＮまたはＳ極、他方の端部（例えば、図の下側の端部）がＳまたはＮ極に着磁された永久磁石である。ロータヨーク１０４は、略円柱形状の構造を有し、一方の端部にロータマグネット１０３の軸方向の一方の端部が埋没する円柱形状の窪み１０４ａを有した略つぼ型の形状を有している。ロータヨーク１０５は、ロータヨーク１０４と同じ部材であり、軸方向における向きが反転した状態で用いられている。ロータヨーク１０５にも窪み１０５ａが形成されている。
【００２６】
ロータヨーク１０４，１０５は、機械構造用炭素鋼や一般構造用の圧延鋼を鍛造加工やプレス加工することで得た単一の部材であり、電磁鋼板を複数積層したような集積構造ではない。また、ロータヨーク１０４，１０５は、軸方向と軸に垂直な方向とで磁気抵抗に違いがない磁気的に方向性の無い材質で構成されている。
【００２７】
この例では、ロータマグネット１０３の一方の端部(図の上側の端部)がロータヨーク１０４の窪み１０４ａに埋め込まれ、ロータマグネット１０３とロータヨーク１０４の結合が行われている。また、ロータマグネット１０４の他方の端部(図の下側の端部)がロータヨーク１０５の窪み１０５ａに埋め込まれ、ロータマグネット１０３とロータヨーク１０５の結合が行われている。
【００２８】
ロータヨーク１０４と１０５は、軸方向で離間しており、この離間した部分では、軸に垂直な方向から見てロータマグネット１０３の側面が見えている。ロータマグネット１０３におけるロータヨーク１０４の窪み１０４ａに埋め込まれた部分、およびロータヨーク１０５の窪み１０５ａに埋め込まれた部分におけるロータマグネット１０３の外周は、ロータヨーク１０４と１０５に覆われ、更にその外周は、磁極部１０６，１０７によって覆われている。言い換えると、ロータマグネット１０３の外周におけるロータヨーク１０４と１０５が軸方向で離間している部分以外の部分は、ロータヨーク１０３と１０４に覆われており、更にその外周は、磁極部１０６，１０７によって覆われている。ここで、ロータマグネット１０３の外周におけるロータヨーク１０４，１０５および磁極部１０６，１０７によって覆われた面積は、ロータヨーク１０４，１０５が離間している部分におけるロータマグネット１０３の外周の面積よりも大きい。
【００２９】
磁極部１０６，１０７は、厚みの薄い略円筒形状を有している。磁極部１０６，１０７は、電磁鋼板を外側が歯形状を備えた環状の形状に打ち抜き加工したものを軸方向で複数枚積層した構造を有している。磁極部１０６，１０７の軸方向の寸法は、ロータヨーク１０４，１０５と略同じである。磁極部１０６の内側にロータヨーク１０４が嵌め込まれて固定され、磁極部１０７の内側にロータヨーク１０５が嵌め込まれて固定されている。
【００３０】
（作用）  
図３に示すように、ロータマグネット１０３のＮ極から出た磁束は、ロータヨーク１０４内をまず軸方向に進み、次いで方向を変えて径方向（軸から離れる方向）に進む。ここで、ロータマグネット１０３の側面の部分に回りこむ成分があるので、図示するようにロータヨーク１０４内で磁束は屈曲する。この磁路では、磁束が軸方向に進む部分があるが、ロータヨーク１０４内の磁気抵抗は方向性がないので、軸方向に進む磁束があってもそこでの磁気抵抗の増加はなく、それ故、磁束が偏在する傾向も抑えられる。これは、ロータヨーク１０５内においても同じである。
【００３１】
また、ロータヨーク１０４の外周には、電磁鋼板を軸方向で積層した構造の磁極部１０６が配置されているので、ロータ１００からラジアル方向への磁束の出射が効果的に行われ、ステータ側の磁極１１０との間で効率の良い磁気回路が形成される。すなわち、磁極部１０６において、磁束は、電磁鋼板の絶縁層と積層によるギャップの影響で、積層方向には進み難いことから、おのずと径方向に進行し、磁極部１０６から径方向外側に向かって出射する。なお、ステータ側の磁極１１０から出た磁束は、上記の逆の経路を辿ってロータマグネット１０３のＳ極に戻るが、磁極部１０７においても磁極部１０６と同様に効率の良い磁気回路が形成される。
【００３２】
（優位性）
ロータコア１０１を材料の異なる２体構造とし、ロータマグネット１０３に接触する部分を一般鋼により構成されるロータヨーク１０４，１０５としている。この構造によれば、ロータマグネット１０３からの磁束の流れを効率よく電磁鋼板で形成された磁極部１０６に導くことが可能となる。また、ロータヨーク１０４，１０５をつぼ型とすることで、厚いロータマグネット１０３を用いつつ軸方向の寸法を短縮することができる。すなわち、ロータヨーク１０４，１０５の窪み部１０４ａ，１０５ａにロータマグネット１０３の軸方向における両端が埋没するので、軸方向の寸法の大きいロータマグネット１０３を用いた場合であっても、ロータコア１０１自体の軸方向の寸法の増大を抑えることができる。
【００３３】
仮に、図３に示すロータヨーク１０４，１０５、さらに磁極部１０６，１０７におけるＬ１，Ｌ２が存在しない場合、つまり図６に示す状態の場合、磁極部１０６，１０７の軸方向における厚みが薄くなり、総磁束が減少したり、磁気飽和に起因する損失が増大したりするといった問題が生じ、図１〜３の構造の場合に比較して、効率が低下する。なお、磁極部１０６，１０７それ自体がない場合、つまりロータヨークだけの場合、軸方向に出射する磁束（つまり漏洩磁束）の成分が増加し、やはり効率が低下する。
【００３４】
また仮に、図３に示すＬ１，Ｌ２の部分におけるロータヨーク１０４，１０５が存在しない場合（図７参照）、ロータヨーク１０４から磁極部１０６への磁路、およびロータヨーク１０５から磁極部１０７への磁路がＬ１，Ｌ２の部分で途切れるので、効果的な磁気回路が形成されず、効率が低下する。すなわち、Ｌ１，Ｌ２の部分で、磁束が磁極部１０６，１０７中を軸方向に進まざるを得ないが、磁極部１０６，１０７は電磁鋼板を積層した構造であり、軸方向の磁気抵抗が大きいので、損失の大きな磁気回路とならざるを得ず効率が低下する。
【００３５】
（効果の確認）
図１〜３に示すロータコアと寸法は同じで、図５に示す構造のものを比較例として用意した。そして、同じ構造のステッピングモータのサンプルを試作し、ステッピングモータに求められる性能の一つであるホールディングトルク（ある角度位置で停止した状態を維持できるトルク）を同条件で測定した。この結果、図１〜図３に示す本実施形態のサンプルでは、ホールディングトルクが５１０ｍＮｍであったのに対して、比較例では、ホールディングトルクが４５０ｍＮｍであった。すなわち、図５に示すロータコアの構造を採用したステッピングモータに比較して、図１〜図３に示す構造のロータコアの構造を採用したステッピングモータは、１３％以上大きなホールディングトルクが得られた。
【００３６】
２．第２の実施形態
以下、第１の実施形態のロータコアに磁気シールド構造を付加した構造の一例を示す。図４には、ロータコア２００が示されている。ロータコア２００は、図１〜３のロータコア１０１の軸方向における２つの端面に、磁気シールド板２０１，２０２を配置した構造を有する。磁気シールド板２０１，２０２は、中央に孔が設けられた円盤状の電磁鋼板を軸方向で複数（例えば４枚）積層した構造を有している。この電磁鋼板は、面に平行な方向における磁気抵抗が相対的に低く、面に垂直な方向における磁気抵抗が相対的に大きい磁気的な方向性を有した特性を有している。具体的には、面に平行な方向の透磁率が相対的に大きく、面に垂直な方向の透磁率が相対的に小さい磁気的な異方性を有した電磁鋼板を用いて磁気シールド板２０１，２０２は構成されている。
【００３７】
磁気シールド板２０１，２０２は、電磁鋼板の積層構造であり、さらにその電磁鋼板の１枚１枚が、軸方向における磁気抵抗が面に平行な方向における磁気抵抗よりも大きい。このため、図４のロータヨーク１０４の上面近傍およびロータヨーク１０５の下面近傍において、磁束が面に平行な方向に流れようとする傾向が、磁気シールド板２０１，２０２がない場合に比較して強くなる。すなわち、ロータヨーク１０４の上面近傍およびロータヨーク１０５の下面近傍において、磁束が軸方向に進み難く、面方向に進み易いため、面方向への磁路が積極的に形成され易い状態となる。このため、ロータヨーク１０４の上面およびロータヨーク１０５の下面から軸方向に漏れ出る磁束（漏洩磁束）の発生が抑えられ、他方で、磁極部１０６，１０７との間に低損失な磁路が形成され、より高効率な磁気回路が形成される。
【００３８】
（その他）
図８に本発明の一変形例を示す。図８に示すロータコア１０１は、つぼ型のロータヨーク１０４，１０５の高さ（軸方向の寸法）が、円筒状の磁極部１０６，１０７の高さ（軸方向の寸法）よりも大きい設定とされている。こうすることで、磁極部１０６，１０７の内周全体にロータヨーク１０４，１０５の側面が接する必要があり、且つ、ロータヨーク１０４，１０５の縁の部分を丸くする（Ｒを付ける）場合に対応することができる。
【００３９】
以上の例示において説明した本実施のロータコアは、渦電流損やヒステリシス損が特に重要とならない低周波用途向けとして利用するのが好適である。また、本発明の利用は、ステッピングモータに利用することが好適であるが、ステッピングモータでないブラシレスモータに利用することもできる。
【００４０】
本発明の態様は、上述した個々の実施形態に限定されるものではなく、当業者が想到しうる種々の変形も含むものであり、本発明の効果も上述した内容に限定されない。すなわち、特許請求の範囲に規定された内容およびその均等物から導き出される本発明の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更および部分的削除が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明は、ブラシレスモータに利用することができる。
【符号の説明】
【００４２】
１００…ロータ、１０１…ロータコア、１０２…シャフト、１０３…ロータマグネット、１０４…ロータヨーク、１０４ａ…窪み、１０５…ロータヨーク、１０５ａ…窪み、１０６…磁極部、１０７…磁極部、１１０…ステータ側の磁極、２００…ロータコア、２０１…磁気シールド板、２０２…磁気シールド板、５００…ロータコア、５０１…ステータ側の磁極、６００…ロータコア、６０１…シャフト、６０２…ロータマグネット、６０３…ロータヨーク、６０４…ロータヨーク、６０５…回転子鉄心、６０６…回転子鉄心。
【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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