(57)【要約】【課題】ステータの突極の数が１２個で、かつ、ロータの外周面に形成される磁極の数が１０極であるモータにおいて、効率的な磁気回路を形成することおよびコギングトルクを低減することが可能なモータを提供する。【解決手段】このモータでは、ロータ２の径方向の外側に配置されるステータ３は、径方向の内側へ突出する１２個の突極１３ａを有するステータコア１３を備え、ロータ２は、円周方向で隣接するように配置され突極１３ａの先端面１３ｅと空隙を介して対向する複数の永久磁石８を備えており、ロータ２の外周面の磁極数は１０極となっている。先端面１３ｅは滑らかな連続面からなる凹曲面状に形成され、先端面１３ｅに対向する永久磁石８の対向面８ｂは凸曲面状に形成されている。このモータでは、全ての永久磁石８の対向面８ｂの一部が接する仮想円ＶＣ１の半径Ｒ１と対向面８ｂの曲率半径Ｒ２との比Ｒ２／Ｒ１が０．４〜０．５５となっている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータと、前記ロータの径方向の外側に配置されるステータとを備え、
前記ステータは、前記径方向の内側へ突出する複数の突極を有するステータコアと、前記突極に巻回される駆動用コイルとを備え、
前記ロータは、前記ロータの円周方向で隣接するように配置され、前記突極の先端面と空隙を介して対向する複数の永久磁石を備え、
前記ステータコアが有する前記突極の数は、１２個であり、
複数の前記永久磁石によって前記ロータの外周面に形成される磁極の数は、１０極であり、
前記突極の前記先端面は、滑らかな連続面からなる凹曲面状に形成され、
前記永久磁石の、前記突極の前記先端面に対向する対向面は、前記ロータの軸方向から見たときの形状が円弧状となる凸曲面状に形成され、
前記軸方向から見たときに全ての前記永久磁石の前記対向面の一部が接する仮想円の半径をＲ１とし、前記軸方向から見たときの前記永久磁石の前記対向面の曲率半径をＲ２とすると、Ｒ２／Ｒ１は０．４〜０．５５となっていることを特徴とするモータ。
【請求項２】
Ｒ２／Ｒ１は０．４３〜０．４５となっていることを特徴とする請求項１記載のモータ。
【請求項３】
Ｒ２／Ｒ１は０．４４３となっていることを特徴とする請求項２記載のモータ。
【請求項４】
Ｒ１は、４０．６５（ｍｍ）であり、Ｒ２は、１８（ｍｍ）であることを特徴とする請求項３記載のモータ。
【請求項５】
前記軸方向から見たときの前記突極の前記先端面の形状は、前記仮想円の同心円である第２仮想円に接する円弧状となっており、
前記第２仮想円の半径は、４１．６（ｍｍ）であることを特徴とする請求項４記載のモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロータと、ロータの径方向の外側に配置されるステータとを備えるモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、永久磁石を有するロータと、ロータの径方向の外側に配置されるステータとを備える永久磁石型のモータが知られている（たとえば、特許文献１参照）。特許文献１に記載のモータでは、ステータは、径方向の内側へ突出する９個の突極を有するステータコアと、突極に巻回される駆動用コイルとを備えている。また、ロータは、回転軸と、回転軸の外周面に固定される６個の永久磁石とを備えている。６個の永久磁石は、ロータの円周方向で互いに隣接するように、回転軸の外周面に固定されており、６個の永久磁石によってロータの外周面に形成される磁極の数は６極となっている。この６個の永久磁石は、径方向において、空隙を介して突極の先端面と対向している。
【０００３】
また、特許文献１に記載のモータでは、突極の先端面に、径方向の外側へ窪む補助溝が形成されている。具体的には、凹曲面状に形成される突極の先端面を周方向に等角度で分割するように、突極の先端面に補助溝が形成されている。特許文献１に記載のモータでは、突極の先端面に形成される補助溝の作用によって、コギングトルクを低減することが可能となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１８９８３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述のように、特許文献１に記載のモータでは、突極の先端面に形成される補助溝の作用によって、コギングトルクを低減することが可能である。しかしながら、このモータでは、突極の先端面に補助溝が形成されており、突極の先端面と永久磁石との対向面積が補助溝の分だけ減少するため、突極の先端面において磁力線を効率的に通過させることが困難になる。すなわち、このモータでは、効率的な磁気回路を形成することが困難になる。
【０００６】
そこで、本発明の課題は、ステータに形成される突極の数が１２個で、かつ、ロータの外周面に形成される磁極の数が１０極であるモータにおいて、効率的な磁気回路を形成することが可能になるとともにコギングトルクを低減することが可能なモータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するため、本願発明者は、種々の検討を行った。具体的には、本願発明者は、効率的な磁気回路を形成するために、突極の先端面を、滑らかな連続面からなる凹曲面状に形成した上で、種々の検討を行った。特に本願発明者は、突極の先端面に対向する永久磁石の対向面の曲率と、ロータの外径との関係に着目して、種々の検討を行った。その結果、本願発明者は、突極の数が１２個で、かつ、ロータの外周面の磁極の数が１０極であるモータにおいて、突極の先端面が滑らかな連続面からなる凹曲面状となっていても、永久磁石の対向面の曲率とロータの外径とが所定の関係を満足していれば、コギングトルクを低減することが可能になることを知見するに至った。
【０００８】
本発明のモータは、かかる新たな知見に基づくものであり、ロータと、ロータの径方向の外側に配置されるステータとを備え、ステータは、径方向の内側へ突出する複数の突極を有するステータコアと、突極に巻回される駆動用コイルとを備え、ロータは、ロータの円周方向で隣接するように配置され、突極の先端面と空隙を介して対向する複数の永久磁石を備え、ステータコアが有する突極の数は、１２個であり、複数の永久磁石によってロータの外周面に形成される磁極の数は、１０極であり、突極の先端面は、滑らかな連続面からなる凹曲面状に形成され、永久磁石の、突極の先端面に対向する対向面は、ロータの軸方向から見たときの形状が円弧状となる凸曲面状に形成され、軸方向から見たときに全ての永久磁石の対向面の一部が接する仮想円の半径をＲ１とし、軸方向から見たときの永久磁石の対向面の曲率半径をＲ２とすると、Ｒ２／Ｒ１は０．４〜０．５５となっていることを特徴とする。
【０００９】
本発明のモータでは、突極の先端面は、滑らかな連続面からなる凹曲面状に形成されている。そのため、本発明では、突極の先端面と永久磁石との対向面積を確保することが可能になり、突極の先端面において磁力線を効率的に通過させることが可能になる。したがって、本発明では、効率的な磁気回路を形成することが可能になる。また、本発明では、軸方向から見たときに全ての永久磁石の対向面の一部が接する仮想円の半径をＲ１とし、軸方向から見たときの永久磁石の対向面の曲率半径をＲ２とすると、Ｒ２／Ｒ１が０．４〜０．５５となっているため、ステータに形成される突極の数が１２個で、かつ、ロータの外周面に形成される磁極の数が１０極であるモータにおいて、コギングトルクを低減することが可能になる。
【００１０】
本発明において、Ｒ２／Ｒ１は０．４３〜０．４５となっていることが好ましい。このように構成すると、モータのコギングトルクを効果的に低減することが可能になる。また、この場合には、Ｒ２／Ｒ１は０．４４３となっていることがより好ましい。このように構成すると、モータのコギングトルクをより効果的に低減することが可能になる。
【００１１】
また、この場合には、たとえば、Ｒ１は、４０．６５（ｍｍ）であり、Ｒ２は、１８（ｍｍ）である。また、この場合には、たとえば、軸方向から見たときの突極の先端面の形状は、仮想円の同心円である第２仮想円に接する円弧状となっており、第２仮想円の半径は、４１．６（ｍｍ）である。
【発明の効果】
【００１２】
以上のように、本発明では、ステータに形成される突極の数が１２個で、かつ、ロータの外周面に形成される磁極の数が１０極であるモータにおいて、効率的な磁気回路を形成することが可能になるとともにコギングトルクを低減することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態にかかるモータの断面図である。
【図２】図１のＥ−Ｅ方向からロータおよびステータを示す図である。
【図３】図２に示す永久磁石および分割コアの平面図である。
【図４】モータのコギングトルクのシミュレーション結果を示すグラフである。
【図５】モータのコギングトルクのシミュレーション結果を示すグラフである。
【図６】図４、図５に示すシミュレーション結果をまとめたグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態を説明する。
【００１５】
（モータの全体構成）
図１は、本発明の実施の形態にかかるモータ１の断面図である。図２は、図１のＥ−Ｅ方向からロータ２およびステータ３を示す図である。図３は、図２に示す永久磁石８および分割コア１５の平面図である。
【００１６】
本形態のモータ１は、インナーロータ型のモータであり、その外径は、約１３０（ｍｍ）となっている。また、モータ１の容量は、８５０（Ｗ）〜２（ｋＷ）となっている。このモータ１は、図１に示すように、ロータ２と、ロータ２の外周側（径方向の外側）に配置されるステータ３と、モータケース４とを備えている。なお、以下の説明では、モータ１の径方向（すなわち、ロータ２の径方向およびステータ３の径方向）を「径方向」、モータ１の円周方向（すなわち、ロータ２の円周方向およびステータ３の円周方向）を「円周方向」、モータ１の軸方向（すなわち、ロータ２の軸方向およびステータ３の軸方向）を「軸方向」とする。
【００１７】
ロータ２は、回転軸６と、回転軸６の外周面に固定される積層コア７と、積層コア７の外周面に固定される複数の永久磁石８とを備えている。本形態のロータ２は、１０個の永久磁石８を備えている。回転軸６は、モータケース４に固定される軸受９、１０によって回転可能に支持されている。積層コア７は、複数の磁性板が積層されて形成されている。また、積層コア７は、円筒状に形成されている。この積層コア７は、回転軸６の外周面に、たとえば、焼き嵌めによって固定されている。
【００１８】
永久磁石８は、たとえば、ネオジム磁石等の磁束密度が高く、非常に強い磁力を持つ磁石である。永久磁石８には、径方向の内側に配置され積層コア７に固定される固定面８ａと、径方向の外側に配置され後述の突極１３ａの先端面１３ｅに対向する対向面８ｂとが形成されている。固定面８ａは、軸方向から見たときの形状が円弧状となる凹曲面状に形成され、対向面８ｂは、軸方向から見たときの形状が円弧状となる凸曲面状に形成されている。また、永久磁石８は、図３に示すように、軸方向から見たときに、固定面８ａの曲率半径Ｒ１０が対向面８ｂの曲率半径Ｒ２よりも大きな略三日月状となるように形成されている。本形態では、固定面８ａの磁極と、対向面８ｂの磁極とが異なる磁極となるように、永久磁石８が着磁されている。
【００１９】
永久磁石８は、円周方向で隣接するように、かつ、円周方向に略一定のピッチで積層コア７の外周面に固定されており、１０個の永久磁石８によってロータ２の外周面に形成される磁極の数は１０極となっている。また、永久磁石８は、接着によって、積層コア７の外周面に固定されている。すなわち、永久磁石８の固定面８ａは、接着によって、積層コア７の外周面に固定されている。積層コア７の外周面には、図３に示すように、円周方向で隣り合う永久磁石８の間に配置される突起７ａが径方向の外側へ突出するように形成されている。円周方向における永久磁石８の端面は突起７ａに接触しており、円周方向において、永久磁石８は突起７ａによって位置決めされている。
【００２０】
なお、永久磁石８は、軸方向に分割される複数の磁石片によって構成されても良いし、１個の磁石片によって構成されても良い。また、積層コア７の外周面に突起７ａが形成されていなくても良い。この場合には、たとえば、円周方向で隣り合う永久磁石８の間に隙間が形成されるように１０個の永久磁石８が積層コア７の外周面に固定される。また、円周方向で隣り合う永久磁石８同士が互いに接触するように１０個の永久磁石８が積層コア７の外周面に固定されても良い。この場合には、円周方向における永久磁石８の幅が若干広くなる。
【００２１】
ステータ３は、複数の突極１３ａを有するステータコア１３と、複数の突極１３ａのそれぞれに巻回される駆動用コイル１４とを備えている。ステータコア１３は、複数の突極１３ａに加え、図２に示すように、ステータコア１３の外周側部分を構成する外周部１３ｂを備えている。外周部１３ｂは、環状に形成されている。具体的には、外周部１３ｂは、略円筒状に形成されており、複数の突極１３ａは、外周部１３ｂから径方向の内側へ突出するように形成されている。また、複数の突極１３ａは、円周方向に略一定の間隔で配置されている。本形態のステータコア１３は、１２個の突極１３ａを備えている。
【００２２】
突極１３ａは、その基端（径方向外側端）が外周部１３ｂに繋がる本体部１３ｃと、本体部１３ｃの先端（径方向内側端）に繋がる先端部１３ｄとから構成されている。軸方向から見たときの本体部１３ｃの幅（突極１３ａの突出方向に直交する方向の幅）は、略一定になっている。先端部１３ｄは、軸方向から見たときに、本体部１３ｃよりも円周方向の両側へ広がる略円弧状に形成されている。突極１３ａの先端面（すなわち、先端部１３ｄの先端面）１３ｅは、軸方向から見たときの形状が円弧状となる凹曲面状に形成されている。具体的には、図３に示すように、先端面１３ｅは、滑らかな連続面からなる凹曲面状に形成されている。先端面１３ｅは、径方向において、永久磁石８の対向面８ｂと空隙を介して対向している。
【００２３】
また、ステータコア１３は、円周方向において、１個の突極１３ａごとに分割可能な複数の分割コア１５によって構成されている。すなわち、ステータコア１３は、円周方向に組み合わされて一体化される複数の分割コア１５によって構成されている。分割コア１５は、複数の磁性板が積層されて形成された積層コアである。この分割コア１５は、図３に示すように、突極１３ａと、外周部１３ｂの一部を構成する分割外周部１５ａとを備えている。分割コア１５の表面は、その一部分を除いて、絶縁部材１６で覆われている。本形態では、インサートモールドによって、分割コア１５の表面に絶縁部材１６が形成されている。なお、図２では、絶縁部材１６の図示を省略している。
【００２４】
分割外周部１５ａは、軸方向から見たときの形状が略円弧状となるように形成されている。円周方向における分割外周部１５ａの幅は、円周方向における突極１３ａの本体部１３ｃの幅よりも広くなっている。円周方向における分割外周部１５ａの一方の端面１５ｂには、円周方向の一方側で隣り合う分割コア１５との位置決めを行うための凸部１５ｃが形成され、円周方向における分割外周部１５ａの他方の端面１５ｄには、円周方向の他方側で隣り合う分割コア１５との位置決めを行うための凹部１５ｅが形成されている。
【００２５】
駆動用コイル１４は、絶縁部材１６を介して、突極１３ａの本体部１３ｃに巻回されている。また、駆動用コイル１４は、突極１３ａごとに巻回されている。この駆動用コイル１４は、駆動用コイル１４を構成する導線が重なるように、径方向で複数回、折り返されて、本体部１３ｃに巻回されている。また、本形態のモータ１は、三相モータであり、突極１３ａごとに巻回される駆動用コイル１４は、Ｙ結線で接続されている。
【００２６】
絶縁部材１６によってその表面が覆われた複数の分割コア１５は、駆動用コイル１４が巻回された後に、円周方向に組み合わされた状態で、略円筒状に形成される筒状部材２１の内周側に焼き嵌めされて一体化されている（図１参照）。すなわち、複数の分割コア１５は、径方向における分割コア１５の外周側に配置される筒状部材２１の内周側に焼き嵌めされて一体化されている。なお、本形態の筒状部材２１は、ステータ３の一部を構成するとともに、モータケース４の側面も構成している。
【００２７】
（永久磁石およびステータコアの具体的な構成）
軸方向から見たときに、永久磁石８の固定面８ａの曲率中心は、ステータ３の中心Ｃ１と略一致している。一方、軸方向から見たときに、永久磁石８の対向面８ｂの曲率中心Ｃ２は、図３に示すように、ステータ３の中心Ｃ１から径方向の外側へ距離Ｌだけずれている。また、軸方向から見たときに、１０個の永久磁石８（すなわち、全ての永久磁石８）の対向面８ｂの一部は、仮想円ＶＣ１に接している。具体的には、軸方向から見たときに、全ての対向面８ｂの中心が仮想円ＶＣ１に内周側から接している。仮想円ＶＣ１の中心は、ステータ３の中心Ｃ１と略一致している。
【００２８】
本形態では、軸方向から見たときの仮想円ＶＣ１の半径Ｒ１（図３参照）と、軸方向から見たときの永久磁石８の対向面８ｂの曲率半径Ｒ２（図３参照）との比であるＲ２／Ｒ１は０．４〜０．５５となっている。具体的には、Ｒ２／Ｒ１は、０．４３〜０．４５となっている。より具体的には、本形態では、Ｒ１は４０．６５（ｍｍ）、Ｒ２は１８（ｍｍ）となっており、Ｒ２／Ｒ１は、０．４４３となっている。また、本形態では、固定面８ａの曲率半径Ｒ１０（図３参照）は、３７．４５（ｍｍ）となっている。すなわち、積層コア７の外周面の半径は、３７．４５（ｍｍ）となっている。また、距離Ｌは、２２．６５（ｍｍ）となっており、円周方向における永久磁石８の幅は、２１．２（ｍｍ）となっている。
【００２９】
図２に示すように、軸方向から見たときに、１２個の突極１３ａの先端面１３ｅによって、ステータ３の中心Ｃ１を中心とする円が形成されている。すなわち、軸方向から見たときの先端面１３ｅの形状は、仮想円ＶＣ１の同心円である第２仮想円ＶＣ２（図３参照）に接する円弧状となっている。本形態では、第２仮想円ＶＣ２の半径Ｒ１１（図３参照）は、４１．６（ｍｍ）となっている。すなわち、径方向における突極１３ａの先端面１３ｅと永久磁石８の対向面８ｂとの最小隙間Ｇ（図３参照）は、設計上０．９５（ｍｍ）となっている。外周部１３ｂの径方向の外側面（すなわち、分割外周部１５ａの径方向の外側面）の曲率中心は、ステータ３の中心Ｃ１と一致している。本形態では、外周部１３ｂの径方向の外側面の曲率半径Ｒ１２（図３参照）は、６１（ｍｍ）となっている。
【００３０】
（コギングトルクのシミュレーション）
図４、図５は、モータ１のコギングトルクのシミュレーション結果を示すグラフである。図６は、図４、図５に示すシミュレーション結果をまとめたグラフである。
【００３１】
半径Ｒ１が４０．６５（ｍｍ）となっているモータ１において、曲率半径Ｒ２を変化させたときのコギングトルクのシミュレーションを行った。具体的には、曲率半径Ｒ２を、１４（ｍｍ）、１６（ｍｍ）、１８（ｍｍ）、２０（ｍｍ）、２２．５（ｍｍ）、２５（ｍｍ）としたときにモータ１のコギングトルクのシミュレーションを行った。以下、このシミュレーションの結果を説明する。
【００３２】
なお、このシミュレーションでは、曲率半径Ｒ２以外の条件は変えていない。また、このシミュレーションでは、曲率半径Ｒ１０を３７．４５（ｍｍ）とし、半径Ｒ１１を４１．６（ｍｍ）とし、曲率半径Ｒ１２を６１（ｍｍ）とし、距離Ｌを２２．６５（ｍｍ）とし、円周方向における永久磁石８の幅を２１．２（ｍｍ）としている。さらに、このシミュレーションでは、ロータ２を所定角度ずつ回転させたときのモータ１のコギングトルクを算出している。
【００３３】
曲率半径Ｒ２が、１４（ｍｍ）、１６（ｍｍ）、１８（ｍｍ）であるときの、コギングトルクのシミュレーション結果を図４に示し、曲率半径Ｒ２が、２０（ｍｍ）、２２．５（ｍｍ）、２５（ｍｍ）であるときの、コギングトルクのシミュレーション結果を図５に示す。また、シミュレーション結果に基づいて、図４、図５で示すコギングトルクのピーク値とボトム値との差の最大値の１／２の値と、Ｒ２／Ｒ１との関係をまとめると、図６に示すグラフのようになる。
【００３４】
なお、曲率半径Ｒ２が１４（ｍｍ）であるときのＲ２／Ｒ１は０．３４４であり、曲率半径Ｒ２が１６（ｍｍ）であるときのＲ２／Ｒ１は０．３９４であり、曲率半径Ｒ２が１８（ｍｍ）であるときのＲ２／Ｒ１は上述のように０．４４３であり、曲率半径Ｒ２が２０（ｍｍ）であるときのＲ２／Ｒ１は０．４９２であり、曲率半径Ｒ２が２２．５（ｍｍ）であるときのＲ２／Ｒ１は０．５５４であり、曲率半径Ｒ２が２５（ｍｍ）であるときのＲ２／Ｒ１は０．６１５である。
【００３５】
図６に示すように、シミュレーションの結果から、Ｒ２／Ｒ１が０．４を超えるあたりからコギングトルクが急激に低下することがわかる。また、Ｒ２／Ｒ１が０．５５を下回るあたりからコギングトルクが急激に低下することがわかる。すなわち、シミュレーションの結果から、Ｒ２／Ｒ１が０．４〜０．５５となっていると、コギングトルクを低減することが可能になることがわかる。また、シミュレーションの結果から、曲率半径Ｒ２が１８（ｍｍ）となっており、Ｒ２／Ｒ１が０．４４３となっているときにコギングトルクが最も小さくなることがわかる。
【００３６】
（本形態の主な効果）
以上説明したように、本形態では、突極１３ａの先端面１３ｅは、滑らかな連続面からなる凹曲面状に形成されている。そのため、本形態では、先端面１３ｅと永久磁石８との対向面積を確保することが可能になり、先端面１３ｅにおいて磁力線を効率的に通過させることが可能になる。したがって、本形態では、効率的な磁気回路を形成することが可能になる。
【００３７】
本形態では、Ｒ２／Ｒ１が０．４〜０．５５となっている。そのため、本形態では、突極１３ａの数が１２個で、かつ、ロータ２の外周面に形成される磁極の数が１０極であるモータ１において、上述のシミュレーション結果で示すように、モータ１のコギングトルクを低減することが可能になる。特に本形態では、Ｒ２／Ｒ１が０．４４３となっているため、上述のシミュレーション結果で示すように、モータ１のコギングトルクを効果的に低減することが可能になる。
【００３８】
（他の実施の形態）
上述した形態は、本発明の好適な形態の一例ではあるが、これに限定されるものではなく本発明の要旨を変更しない範囲において種々変形実施が可能である。
【００３９】
上述した形態では、ステータコア１３は、１個の突極１３ａごとに分割可能な複数の分割コア１５によって構成されている。この他にもたとえば、ステータコア１３は、２個以上の突極１３ａごとに分割可能な複数の分割コアによって構成されても良い。また、ステータコア１３は、一体で形成されても良い。また、上述した形態では、インサートモールドによって、分割コア１５の表面に絶縁部材１６が形成されているが、別体で形成された絶縁部材が分割コア１５に嵌め込まれることで、分割コア１５の表面が絶縁部材によって覆われても良い。また、上述した形態では、永久磁石８の固定面８ａは凹曲面状に形成されているが、固定面８ａは平面状に形成されても良い。
【符号の説明】
【００４０】
１  モータ
２  ロータ
３  ステータ
８  永久磁石
８ｂ  対向面
１３  ステータコア
１３ａ  突極
１３ｅ  先端面
１４  駆動用コイル
ＶＣ１  仮想円
ＶＣ２  第２仮想円
【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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