(57)【要約】【課題】永久磁石形モータのコギングトルクを低減して振動、騒音を少なくする。【解決手段】回転子３に設けられる複数の永久磁石５を回転軸心方向に２分割してその分割した各永久磁石５を周方向位置に相互にずらして配置し、分割した永久磁石５の相互間のうち、当該分割した永久磁石どうしが回転軸心方向に異極となる部分に、回転子鉄心を構成する積層板のうちの１枚の積層板から突出部１７を異極となる部分に介在させて、異極間で生じる漏洩磁束の磁路を形成した。回転子３の回転に寄与する磁気エネルギーが、回転子の回転によって変化することが防止され、段スキュー形成に起因する新たなコギングトルクの発生が防止される効果を奏する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の磁極歯と固定子巻線用スロットを設けた固定子鉄心を有する固定子と、回転子鉄心の外周に複数の永久磁石を固定して構成され前記固定子の内側に回転自在に配設された回転子とを備える永久磁石型モータにおいて、
前記複数の永久磁石を回転軸心方向に複数に分割してその分割した各永久磁石を周方向に相互にずらして配置し、
前記分割した永久磁石の相互間のうち、少なくとも当該分割した永久磁石どうしが前記回転軸心方向に異極となる部分に、磁性材からなる磁気層を設けたことを特徴とする永久磁石型モータ。
【請求項２】
請求項１記載の永久磁石型モータにおいて、
前記回転子鉄心は、前記回転軸心方向に分割された前記永久磁石の境界に位置する円形の磁性板を有し、
前記磁気層は、前記磁性板を前記回転子鉄心よりも径大にすることにより、前記回転子鉄心から外方に突出して前記回転軸心方向に分割された前記永久磁石の相互間の全周に介在するように形成されていることを特徴とする永久磁石型モータ。
【請求項３】
請求項１記載の永久磁石型モータにおいて、
前記回転子鉄心は、前記回転軸心方向に分割された前記永久磁石の境界に位置する円形の磁性板を有し、
前記磁気層は、前記磁性板の外周に突設され、前記回転軸心方向に分割された前記永久磁石の相互間のうち、前記回転軸心方向に異極となる部分に位置された突出部から構成されていることを特徴とする永久磁石型モータ。
【請求項４】
請求項３記載の永久磁石型モータにおいて、
前記磁性板は、当該磁性板の前記回転軸心方向の両側に存する前記回転子鉄心との凹凸嵌合手段により周方向に位置決めされて、前記突出部を、前記回転軸心方向に割された前記永久磁石の相互間のうち、前記回転軸心方向に異極となる部分に位置させるように構成されていることを特徴とする永久磁石型モータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は永久磁石を回転子に取り付けた永久磁石型モータに係り、特にそのコギングトルクを低減して騒音と振動を少なくしたものに関する。
【背景技術】
【０００２】
図１１は、界磁用永久磁石を回転子に取り付けた永久磁石型モータ５０の一般的な構成の断面図で示したものである。このモータ５０は、固定子５１と回転子５２とを備えて構成される。固定子５１は、円筒状の固定子鉄心５３と固定子巻線５４から構成される。固定子鉄心５３の周辺ヨーク部５５からは、内側に向けて複数の磁極歯５６が形成され、隣り合う磁極歯５６間は、固定子巻線５４を巻装するためのスロット５７を構成している。隣り合う磁極歯５６の先端張出部間には、隙間５８が形成されており、スロット５７は、その隙間５８により回転子５２側に開口した開スロットとなっている。このような形状の固定子鉄心５３は、例えば磁性鋼板を図の断面のような形状に打ち抜いた固定子鉄心片を複数枚積層して製作される。
【０００３】
回転子５２は、円筒状の回転子鉄心６０に複数の永久磁石６１を取り付けたもので、固定子５１の内側に回転可能に支持されている。図の回転子５２は、回転子鉄心６０の表面に永久磁石６１に張り付けた表面磁石構造となっている。複数の永久磁石６１は、周方向にＮ極とＳ極とが交互に配置されている。固定子巻線５４に通電して回転磁界が形成されると回転子５２は回転軸心回りに回転する。
【０００４】
こうした永久磁石型モータ５０では、無通電状態で外部から回転トルクを与えて回転子５２を定速回転させようとした場合、必要トルクに回転ムラが生ずる。このトルクの回転ムラは回転子５２と固定子５１間に働く静的な磁気吸引力が回転位置により異なることによるもので、コギングトルクと呼ばれる。このコギングトルクの大きさは、永久磁石６１の作る磁束の磁路の全磁気エネルギーを回転角度で微分した値と考えられる。図１１に示したモータ５０のように回転子鉄心６０のスロット５７に開口部（隙間）５８が存在すると、回転子５２の回転に伴って磁路の磁気抵抗が変化して磁路の全磁気エネルギーも変化する。その結果としてコギングトルクが発生する。
このコギングトルクは、その値が大きいと振動や騒音を発生するばかりでなくモータ効率も低下させることもある。こうしたことから、永久磁石型モータではコギングトルクを低減させることが大きな課題となっている。
【０００５】
コギングトルクの低減を図る従来技術としては、例えば図１２に示すように回転子５２に取り付ける永久磁石６１を軸方向に複数段に分割し、分割した永久磁石６１を軸心方向に進むにつれ周方向に段単位で徐々に変化させて取り付ける、いわゆる段スキューを形成する提案がある（特許文献１参照）。これは各段で発生するコギングトルクが相互に打ち消し合うようにしようとするものである。しかし、段スキューを形成すると軸方向に互いに極性の異なる永久磁石が近接する部分が生じ、それら近接する部分で図中の矢印６２で示すような漏れ磁束が発生する。このような漏れ磁束が発生すると有効な回転トルクが減少することに加え、永久磁石６１の作る磁束分布が正弦波から外れてコギングトルクを打ち消す効果も小さくなるという問題が生ずる。
【０００６】
この段スキューを形成した場合における上記漏れ磁束を減少させるために、図１３に示すように隣り合う段間に隙間６３を設けたり（特許文献２参照）、その隙間６３に非磁性材料を介在させたりする提案（特許文献３参照）がある。
【０００７】
更には、段スキューにおける隣り合う段の境界に対向する固定子鉄心部分に非磁性材料からなる磁気絶縁層を設ける提案（特許文献４参照）もある。
【特許文献１】実開昭６１−１７８７６号公報
【特許文献２】特開平８−２５１８４７号公報
【特許文献３】特開２０００−３０８２８７号公報
【特許文献４】特開２００３−２８４２７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
固定子鉄心は一般にプレス加工で「自動かしめ」しながら一つの製造ラインで製造される。磁性材料と非磁性材料の２種類の材料を積層するには別々の製造ラインが必要となり、かしめ工程も別に必要となる。このため非磁性材料を固定子鉄心の一部に使用することは製造工数の増大を招く他、部品調達の増加、材料の混在などの問題を生じさせる。
【０００９】
本発明はこのような従来技術の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、製造工数の増大を招くことなくコギングトルクを効果的に低減し、振動、騒音を少なくした永久磁石型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】
【００１０】
前記課題を解決するための請求項１に係る発明の永久磁石型モータは、複数の磁極歯と固定子巻線用スロットを設けた固定子鉄心を有する固定子と、回転子鉄心の外周に複数の永久磁石を固定して構成され前記固定子の内側に回転自在に配設された回転子とを備える永久磁石型モータにおいて、前記複数の永久磁石を回転軸心方向に複数に分割してその分割した各永久磁石を周方向位置に相互にずらして配置し、前記分割した永久磁石の相互間のうち、少なくとも当該分割した永久磁石どうしが前記回転軸心方向に異極となる部分に、磁性材からなる磁気層を設けたことを特徴とする。
【００１１】
このように回転子に取り付ける永久磁石を軸方向に複数に分割して周方向にずらした配置、いわゆる段スキューを形成した配置とすれば、分割した各部で発生するコギングトルクが互いに打ち消し合って合成コギングトルクが減少する効果を奏する。更に、本発明では、分割した永久磁石の相互間のうち、少なくとも分割した永久磁石どうしが回転軸心方向に異極となる部分に、磁性材からなる磁気層を配置している。このため段スキュー形成により生じた異極磁石が回転軸心方向に隣り合う部分においては、それら異極磁石どうしの間に発生する磁束は、磁気層を通るようになるので、異極磁石間で発生する磁束が固定子に到達しないようにすることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、異極磁石間で行き来する磁束が固定子に到達しないようにすることができるので、回転子の回転に寄与する磁気エネルギーが、回転子の回転によって変化することが防止され、段スキュー形成に起因する新たなコギングトルクの発生が防止される効果を奏する。また、固定子鉄心に、磁性材料と非磁性材料の２種類の材料を使用しなくても済むため、固定子鉄心の製造工数の増大を招くことがない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明に係る永久磁石型モータの一実施形態について図１〜図８を参照して説明する。図１は、永久磁石型モータ１において、固定子２及び回転子３の構成とその配置関係を斜視図で示したもので、固定子２はモータ１の回転軸心を含む面で分割した一部分を示している。モータとして必要な回転軸、その支持機構、固定子巻線、モータケースは省略してある。
【００１４】
回転子３は、円筒状を成す回転子鉄心４の外表面に永久磁石５を張り付けた表面磁石構造であり、中心部に図示しない回転軸を嵌着するための中心孔６が形成されている。永久磁石５は回転軸心方向に２分割して２段配置してある。永久磁石５は断面略円弧状に形成されており、厚さ（径方向）方向にＮ極とＳ極とが存在するように着磁されている。この永久磁石５は、表面側がＮ極となるように着磁されたものと、表面側がＳ極となるように着磁されたものとが存在し、表面側において周方向にＮ極とＳ極とが交互に現れるように、所定の周方向間隙７を隔てて配置されている。そして２分割した各永久磁石５は分割部（段と段の境界）８で周方向位置を相互にずらして配置してあり、いわゆる段スキューが形成してある。
【００１５】
図２は、図１に示した固定子２と回転子３の上面図である。固定子２としては固定子鉄心９のみを示している。固定子鉄心９の周辺ヨーク部１０からは、中心に向けて放射状に突出した複数の磁極歯１１が形成されている。固定鉄心９は、珪素鋼板などの磁性鋼板をそれぞれ図２に示したような形状に打ち抜いたものを必要枚数積層し軸方向にかしめて製作したものである。
【００１６】
磁極歯１１の先端部には周方向両側に張り出した張出部１２が設けられている。隣り合う磁極歯１１の相互間は、固定子巻線を通すためのスロット１３を構成している。隣り合う磁極歯１１の先端張出部１２間には間隙１４が形成されており、スロット１３はその間隙１４により回転子３側に開口している。即ち、この場合のスロット１３は開スロットとなっている。
【００１７】
一方、回転子３の回転子鉄心４は、磁性材、例えば珪素鋼板などの磁性鋼板をそれぞれ図２に示したような外形円形状に打ち抜いたもの（積層板）を必要枚数積層し軸方向にかしめて製作したものである。この回転子鉄心４の外周に、前記永久磁石５が２段に配置されているが、その２段の永久磁石５の境界には、図３に示すように、１枚の積層板の厚さ相当分の隙間１５が形成されている。そして、回転子鉄心４を構成する積層板のうち、この２段の永久磁石５の境界の隙間１５に対向する１枚の積層板（磁性板）１６の外周には、図４および図５（ａ）に示すように、各段の永久磁石５の個数分だけの矩形状の突出部（磁気層）１７が突設されている。
【００１８】
永久磁石５を２分割して周方向にずらした段スキューを形成した場合には、図３にも示すように、２段の永久磁石５どうしが回転軸心方向（図３で上下方向）に異極となる部分１８が各段の永久磁石５の個数分だけ生ずる。そして、前記積層板１６の外周に突設された複数の突出部１７は、２段の永久磁石５の相互間であって、それら永久磁石５どうしが回転軸心方向に異極となる部分（以下、異極対向部分）１８に位置している。
【００１９】
１枚の積層板１６の外周に突設された突出部１７を正しく異極対向部分１８に位置させるために、本実施形態では、次のように周方向の位置決めを行うようにしている。すなわち、積層板１６を含めて回転子鉄心４を構成する積層板には、図５に示すようなかしめ突起１９を形成し、このかしめ突起１９の形成によって積層板の片面に凸、反対側の片面に凹が生ずる。そして、互いに積層される積層板は、この凸が凹に嵌合（凹凸嵌合手段）されることによってかしめ結合される。
【００２０】
突出部１７を形成した積層板１６は、この凹凸嵌合によって上側の回転子鉄心部分と下側の回転子鉄心部分とに対し、周方向に位置決めされた状態となる。そして、回転子鉄心４の外周表面に永久磁石を張り付ける場合、回転子鉄心４は、最上段と最下段の積層板に存在する凹凸を基準にして周方向の位置決めを行い、この位置決め状態の下で、永久磁石５を張り付ける。このため、突出部１７が正しく２段の永久磁石５の相互間の異極対向部分１８に位置するようになる。
【００２１】
ところで、コギングトルクは、「背景技術」でも述べたように回転子位置による固定子２と回転子３の静的な磁気吸引力の差によるものである。その大きさは、永久磁石５の作る磁束の磁路が有する全磁気エネルギーの回転子回転角に対する変化（回転角度による微分値）と考えられる。そして全磁気エネルギーの変化は、回転子３の回転により磁路の磁気抵抗が変化することにより生ずる。
【００２２】
図２に示したような開スロットを有する固定子鉄心９の内側で回転子３を回転させた場合には、開スロットの間隙１４が周方向に点在するため回転子３の回転角度により磁気抵抗が変化して磁路の全磁気エネルギーが変化する。開スロットの間隙１４は等間隔で存在し、回転子３の永久磁石５も等間隔で取り付けてある。従って、コギングトルクは回転子３が１回転する間に回転子３の極数と固定子２のスロット数との最小公倍数の回数だけ繰り返し発生する。コギングトルクの１周期は３６０°をその最小公倍数で割った機械角度を回転子３が回転する時間に等しく、図２に示したような８極１２スロット構成の場合には回転子３が機械角で１５°回転する時間がコギングトルクの１周期となる。
【００２３】
このコギングトルクの大きさは、１周期の期間中にほぼ正弦波に近い波形で変化する。図６の曲線（１）は、図１の永久磁石型モータ１において回転子３の上半分部分（上段部分）で発生するコギングトルクの波形例である。コギングトルクがこのような波形で変化することから、その波形を１／２周期分だけずらして足し合わせれば２つのコギングトルクが互いに打ち消しあって合成コギングトルクを小さくできることが予想できる。
【００２４】
図６の曲線（２）は、図１の永久磁石型モータ１における回転子３の下半分部分（下段部分）の永久磁石５を上段部分に対して７．５°（８極１２スロット構成におけるコギングトルクの１周期波形に対応する回転子３の回転角１５°の１／２に相当）だけ周方向にずらして取り付けた場合における回転子３の下段部分で発生するコギングトルクの大きさである。上段部分の曲線（１）と下段部分の曲線（２）の２つを合成した合成コギングトルクは、理想的には図４の曲線（３）に示すように波形が互いに打ち消しあって非常に小さな値となる。しかしながら、実際に発生するコギングトルクは、図４の曲線（３）のように小さくはならず、図４の曲線（４）のように大きい。
【００２５】
ところで、上記のように段スキューを形成することよりコギングトルクを互いに打ち消しあわせることができるのは、永久磁石５の作る磁束成分の内、回転軸に垂直な面上の成分による磁気エネルギーの変化分のみである。軸方向成分による磁気エネルギーの変化分は打ち消し合うことがない。
【００２６】
永久磁石５を２分割して周方向にずらした段スキューを形成した場合には、前述のように異極対向部分１８が極数個所において形成される。その部分では、突出部１７がないと仮定した場合、図８（ｂ）に矢印Ｋで示したような漏洩磁束が生ずる。なお、図８は、異極対向部分１８を拡大し、漏洩磁束の通る磁路を模式的に示したものである。漏洩磁束の磁路としては、図に示すように、回転子３と固定子２との間のエアギャップ２０を通る磁路２１と、エアギャップ２０を通って固定子鉄心９に入り再度エアギャップ２０を通って異極磁石に入る磁路２２とがある。
【００２７】
このうち固定子鉄心９をも通る漏洩磁束の磁路２２は、異極対向部分１８に固定子鉄心９の磁極歯１１の先端部が存在する場合に形成される磁路である。固定子鉄心９が開スロットに形成されている場合、異極対向部分１８がその開スロットに対向する位置にきたときは開スロットに相当する部分だけ磁極歯１１の先端部（先端張出部１４を含む。）が存在しないことになる。そのため、その位置では固定子鉄心９をも通る漏洩磁束の磁路（図８の磁路２２）は形成されない。
【００２８】
このように、固定子鉄心９の開スロットの有無によって、回転子３の回転により磁路が変化して回転軸心方向磁束成分による磁気エネルギーが変化する。この変化はコギングトルクを生じさせる。即ち、段スキューを形成するとコギングトルクを発生させる新たな要因がその境界付近に生ずる。
【００２９】
この新たな要因によるコギングトルクの発生を防止するには、異極対向部分１８において２段の永久磁石５相互間を通る磁束の状態が回転位置に関わらず常に同じになるようにすればよい。そうすれば回転子３が回転しても磁気エネルギーは変化しないためコギングトルクは発生しなくなる。
【００３０】
こうしたことから本実施形態の永久磁石型モータ１では、図１、図３および図４に示すように２段の永久磁石５の相互間のうち、異極対向部分１８に積層板１６の突出部１７を介在させたのである。すると、図８（ａ）に示すように、対向する異極磁石のうち、Ｎ極から出た磁束は、そのほとんどが突出部１７を磁路として当該突出部１７内を通ってＳ極へと入るようになるので、異極磁石間で発生する磁束によるトルクへの影響をなくすことができる。従って、異極対向部分１８で新たに生じす漏洩磁束による新たなコギングトルクの発生を防止することができる。
【００３１】
図７は、本実施形態のコギングトルクを減少させる対策を施した場合と施さない場合とのコギングトルクの大きさを測定値で比較したものである。（５）の曲線は対策を施してない場合の測定値（図６の（４）と同じ）、（６）の曲線は本実施形態の永久磁石型モータ１のコギングトルクである。対策を施した本実施形態の永久磁石型モータ１は、コギングトルクが大幅に減少することを示している。
【００３２】
このような本実施形態の永久磁石型モータ１は固定子鉄心９を全て磁性材料のみで製作しており、特許文献４に記載があるような非磁性材料は使用していない。従って、固定子鉄心９は同一の製造ラインで製作することが可能である。
【００３３】
また、回転子鉄心４も同様に全て磁性材で製作しており、同一ラインでの製作が可能である。ここで、突出部１７を設けた積層板と突出部１７を設けない積層板とは、珪素鋼板から積層板を打ち抜く順送プレスラインの外形打ち抜きステーションにおいて、突出部１７を形成しない形状で外形を打ち抜く型のみを動作させる場合と、この型に突出部１７を突設した形状で打ち抜くための付属型をも同時に動作させる場合とを選択することによって突出部１７を有した積層板も、他の突出部１７を有さない積層板と同じラインで製造できるものである。
【００３４】
なお、上記実施形態では８極１２スロットで回転子鉄心の表面に永久磁石を取り付けた永久磁石型モータを例に挙げて説明したが、極数、スロット数が異なるモータについても上記考えは同様に適用でき、同様の効果を奏する。更には、永久磁石を固定子鉄心の内部に埋め込んだ磁石埋め込み型モータ、固定子の外側で永久磁石を取り付けた円筒状回転子が回転する外転型（アウターロータ型）モータ、固定子側に永久磁石を配置し巻線を施した回転子鉄心が回転する整流子モータについても同様に適用でき同様の効果を奏する。
【００３５】
図９および図１０は本発明の他の実施形態を示す。この実施形態が上述の一実施形態と異なるところは、異極対向部分１８に対応する積層板２３を、外径寸法が永久磁石５を含めた回転子３の外径とほぼ同等の円形状に形成したところにある。この積層板２３では、その外周部分（磁気層）２３ａが２段の永久磁石５相互間の隙間１５を埋めて、２段の永久磁石５の異極対向部分１８ばかりでなく、同極対向部分２４にも位置するようにしたものである。
【００３６】
この場合には、図１０（ａ）に示すように、同極対向部分２４に位置する積層板２３の外周部分２３ａが、各永久磁石５自身のＮ極から出て自身のＳ極に入る磁路を形成するため、外周部分２３ａのない場合を示す図１０（ｂ）に比して、回転子３の回転トルクが若干低下するきらいはあるが、コギングトルクの低減機能は、上述の一実施形態の場合と同様に得ることができる。
（変形実施形態）
前記の永久磁石型モータ１は、次のように変形して実施してもよい。
【００３７】
上記実施形態では回転子に取り付けた永久磁石を回転軸心方向に２分割して２段の段スキューを設けた構成について説明したが段数は更に増やしてもよい。この場合における各段間の永久磁石の周方向ずらし角度は、各段で発生するコギングトルクの１周期に相当する回転角（機械角）を段数で割った角度とする。このようにすることで各段で発生するコギングトルクを合成した合成コギングトルクをより効果的に打ち消し合わせることができる。
【００３８】
磁性層は、積層板１６，２４とは別体のものであっても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の一実施形態に係る永久磁石型モータの構成図
【図２】図１に示す永久磁石型モータの回転子と固定子の上面図
【図３】２段の永久磁石の配置関係を示す展開図
【図４】積層板に形成した突出部の位置を永久磁石との関係で示す斜視図
【図５】（ａ）は積層板の斜視図、（ｂ）は積層板のかしめ結合状態を示す断面図
【図６】段スキューの形成によるコギングトルクの減少効果を説明する図
【図７】異極対向部分に磁性層を設けた場合のコギングトルクの減少を説明する図
【図８】（ａ）は異極対向部分に磁性層を設けた場合の漏洩磁束の磁路を説明する図、（ｂ）は異極対向部分に磁性層がない場合の漏洩磁束の磁路を説明する図
【図９】本発明の他の実施形態を示す斜視図
【図１０】（ａ）は同極対向部分に磁性層を設けた場合の磁路を説明する図、（ｂ）は同極対向部分に磁性層がない場合の磁路を説明する図
【図１１】従来の永久磁石型モータの一構成の断面図
【図１２】段スキューを形成した従来の回転子の一例を示す斜視図
【図１３】段スキューを形成した従来の回転子の他の例を示す斜視図
【符号の説明】
【００４０】
図面中、１は永久磁石型モータ、２は固定子、３は回転子、４は回転子鉄心、５は永久磁石、９は固定子鉄心、１０は固定子鉄心、１６は積層板（磁性板）、１７は突出部（磁性層）、２３は積層板（磁性板）、２３ａは積層板の外周部分（磁気層）を示す。
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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