特開 2023-91273 モータ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023091273

(43)【公開日】2023-06-30

(54)【発明の名称】モータ

(51)【国際特許分類】

   H02K 1/276 20220101AFI20230623BHJP

   H02K 1/22 20060101ALI20230623BHJP

【ＦＩ】

H02K1/276

H02K1/22 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021205934

(22)【出願日】2021-12-20

(71)【出願人】

【識別番号】000144027

【氏名又は名称】株式会社ミツバ

(74)【代理人】

【識別番号】100102853

【弁理士】

【氏名又は名称】鷹野 寧

(72)【発明者】

【氏名】荒尾 匠

(72)【発明者】

【氏名】田中 裕人

【テーマコード（参考）】

5H601

5H622

【Ｆターム（参考）】

5H601BB17

5H601CC01

5H601CC15

5H601DD01

5H601DD09

5H601DD11

5H601DD18

5H601GA02

5H601GA24

5H601GA32

5H601GB12

5H601GB33

5H601GB48

5H622AA03

5H622CA02

5H622CA10

5H622CB05

5H622DD01

5H622PP19

(57)【要約】

【課題】フェライト磁石を使用しながら、ネオジム磁石を用いた従来品と同等の体格・性能を備えたモータを提供する。
【解決手段】モータ１は、ロータコア１５内に形成されたマグネット取付孔２２内にマグネット２３が埋設されたＩＰＭ型モータであり、マグネット取付孔２２は、径方向に沿って延びる第１マグネット収容部２２ａと、周方向に沿って延びる第２マグネット収容部２２ｂとを有する。第１マグネット収容部２２ａと第２マグネット収容部２２ｂは連通しており、マグネット取付孔２２はコの字形に形成されている。第１、第２マグネット収容部２２ａ,２２ｂ内にはそれぞれ第１、第２マグネット２３ａ,２３ｂが密接状態で配置される。ロータ３には、コの字形に配置された２つの第１マグネット部２２ａと１つの第２マグネット２２ｂによって磁極２８が形成される。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ステータと、前記ステータの径方向内側に配置されたロータと、を有し、
前記ロータは、回転軸に固定されたロータコアと、前記ロータコア内に形成されたマグネット収容部内に取り付けられたマグネットと、を備えてなるモータであって、
前記マグネット収容部は、放射状に形成され径方向に沿って延びる第１マグネット収容部と、前記第１マグネット収容部の径方向内側に配置され周方向に沿って延びる第２マグネット収容部と、を有し、前記第１マグネット収容部は、前記ロータ中心側が前記第２マグネット収容部と連通すると共に、前記第２マグネット収容部は、周方向両端部にて前記第１マグネット収容部と連通し、
前記マグネットはフェライト磁石にて形成され、前記第１マグネット収容部内の第１マグネット部と、前記第２マグネット収容部内の第２マグネット部と、からなり、前記第２マグネット部は、前記第１マグネット部の径方向内側に隙間なく配置され、
前記ロータは、２つの前記第１マグネット部と、前記第１マグネット部の径方向内側の第２マグネット部とによって１つの磁極が形成されることを特徴とするモータ。

【請求項2】

請求項１記載のモータにおいて、
前記磁極は、周方向と径方向内側の３方向が、２つの前記第１マグネット部及び１つの第２マグネット部によって隙間なく閉じられており、前記第１マグネット部の対向する面と、前記第２マグネット部の前記磁極を囲む側の面とが同極に形成されていることを特徴とするモータ。

【請求項3】

請求項１又は２記載のモータにおいて、
前記第１マグネット部と前記第２マグネット部はそれぞれ別個の磁石にて形成され、
前記第２マグネット部は、前記第１マグネット部の径方向内側の端面の全面を覆う状態で密接して配置されることを特徴とするモータ。

【請求項4】

請求項１又は２記載のモータにおいて、
前記第１マグネット部と前記第２マグネット部は一体の磁石にて形成されることを特徴とするモータ。

【請求項5】

請求項１～４の何れか１項に記載のモータにおいて、
前記第１マグネット部と前記第２マグネット部は、予め着磁された磁石を前記マグネット収容部内に取り付けることにより形成されることを特徴とするモータ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、磁束集中型の電動モータに関し、特に、ロータ内にマグネットを埋設したいわゆるＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）型のブラシレスモータに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）など、モータを駆動源として用いる各種車載電動システムでは、耐久性や制御性、機能安全などの観点から、ブラシ付きのモータからブラシレスモータへの置き換えが進んでいる。さらに、ＥＰＳ用モータなどの車載用ブラシレスモータでは、装置の小型化・高性能化の要求に伴い、フェライト磁石に代えてネオジム磁石などの希土類磁石を使用したものが増加している。

【0003】

ところが、希土類磁石は小型・高磁束密度ではあるものの、フェライト磁石に比して高価であり、その製造や原料採掘の場面などにおいて環境負荷が高く、必ずしもＳＤＧｓ（持続可能な開発目標）のコンセプトに則った素材とは言えない面を有している。そこで、昨今では、コストや環境負荷を考慮し、フェライト磁石を使用したＳＰＭ（Surface Permanent Magnet）型のＥＰＳ用モータなども上市されている。このようなモータでは、フェライト磁石がネオジム磁石よりも密度が低く軽いことを生かし、ロータ外径を大きくし、ロータ外周面に断面Ｄ型のフェライト磁石を配置することによりマグネットトルクの向上を図っている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１６－８２７３３号公報

【特許文献2】特開２０１５－１３３８３９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、フェライト磁石は、ネオジム磁石などの希土類磁石に比べて磁力が弱いことから、フェライト磁石で従来品と同等の性能を得るためには多くの磁石量が必要となる。このため、前述のように、ロータ外径を大きくするなどの方策が求められ、結果、モータが大型化してしまう、という問題があった。また、例えばＥＰＳ用モータなどでは、操舵性等の関係から低イナーシャであることが求められ、トルク向上のためロータ外径を大きくするという構造には限界があり、フェライト磁石採用の足かせともなっていた。

【0006】

本発明の目的は、フェライト磁石を使用しながら、ネオジム磁石を用いた従来品と同等の体格・性能を備えた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】

本発明のモータは、ステータと、前記ステータの径方向内側に配置されたロータと、を有し、前記ロータは、回転軸に固定されたロータコアと、前記ロータコア内に形成されたマグネット収容部内に取り付けられたマグネットと、を備えてなるモータであって、前記マグネット収容部は、放射状に形成され径方向に沿って延びる第１マグネット収容部と、前記第１マグネット収容部の径方向内側に配置され周方向に沿って延びる第２マグネット収容部と、を有し、前記第１マグネット収容部は、前記ロータ中心側が前記第２マグネット収容部と連通すると共に、前記第２マグネット収容部は、周方向両端部にて前記第１マグネット収容部と連通し、前記マグネットはフェライト磁石にて形成され、前記第１マグネット収容部内の第１マグネット部と、前記第２マグネット収容部内の第２マグネット部と、からなり、前記第２マグネット部は、前記第１マグネット部の径方向内側に隙間なく配置され、前記ロータは、２つの前記第１マグネット部と、前記第１マグネット部の径方向内側の第２マグネット部とによって１つの磁極が形成されることを特徴とする。

【0008】

本発明にあっては、２つの第１マグネット部のロータ中心側に第２マグネット部を配置することにより、ロータの１磁極の３方向が完全に磁石で閉じた形で形成される。これにより、磁気回路的に開放部がステータ側のみとなるような磁束集中型の構成が得られる。また、第２マグネット部が第１マグネット部の径方向内側に隙間なく配置されるので、ロータ内の空隙をより少なくでき、コア断面におけるマグネットの占める割合が向上する。これらにより、磁束量の増大が図られ、フェライト磁石を使用しながら、ネオジム磁石を用いた従来品と同等の体格・性能を備えたモータを提供することが可能となる。

【0009】

前記モータにおいて、前記磁極の周方向と径方向内側の３方向を、２つの前記第１マグネット部及び１つの第２マグネット部によって隙間なく閉じると共に、前記第１マグネット部の対向する面と、前記第２マグネット部の前記磁極を囲む側の面とを同極に形成するようにしても良い。これにより、前記第１マグネット部と前記第２マグネット部が疑似ハルバッハ配列にて配置され、磁力の向上やロータ内の空隙削減が図られる。

【0010】

また、前記第１マグネット部と前記第２マグネット部をそれぞれ別個の磁石にて形成し、前記第２マグネット部を、前記第１マグネット部の径方向内側の端面の全面を覆う状態で密接して配置しても良い。さらに、前記第１マグネット部と前記第２マグネット部を一体の磁石にて形成することも可能であり、その際、マグネット全体をコの字形やＵ字形などに形成しても良い。

【0011】

加えて、前記第１マグネット部と前記第２マグネット部を、予め着磁された磁石を前記マグネット収容部内に取り付けることにより形成するようにしても良い。当該モータでは、ネオジム磁石よりも磁力の弱いフェライト磁石を用いており、ネオジム磁石モータでは容易ではない着磁後磁石の組み付けを比較的容易に行うことができ、組付工数の削減が図られる。また、分解も容易であるため、リサイクル性の向上も図られる。

【発明の効果】

【0012】

本発明のモータによれば、２つの第１マグネット部のロータ中心側に第２マグネット部を配置することにより、ロータの１磁極の３方向が完全に磁石で閉じた形で形成することができ、磁気回路的に開放部がステータ側のみとなるような磁束集中型の構成が得ることが可能となる。また、第２マグネット部を、第１マグネット部の径方向内側の端面を閉じる状態で密接して配置することにより、ロータ内の空隙をより少なくでき、コア断面におけるマグネットの占める割合が向上させることができる。その結果、本発明のモータにあっては、磁束量の増大が図られ、安価なフェライト磁石を使用しつつも、高価なネオジム磁石を用いた従来品と同等の体格・性能を備えたモータを提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の一実施の形態であるブラシレスモータの断面図である。

【図2】図１のＡ－Ａ線に沿った断面図である。

【図3】マグネット取付孔近傍の構成を示す説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の一実施の形態であるブラシレスモータ１（以下、モータ１と略記する）の断面図、図２は、図１のＡ－Ａ線に沿った断面図である。図１,２に示すように、モータ１は、外側にステータ（固定子）２、内側にロータ（回転子）３を配したインナーロータ型のブラシレスモータとなっており、例えばＥＰＳの駆動源として使用される。

【0015】

また、モータ１は、ロータのマグネットを放射状に埋設配置した磁束集中型のＩＰＭモータとなっており、ＩＰＭ構造を採用することにより、マグネットトルクに加えてリラクタンストルクを利用でき、トルクの向上が図られている。また、ＩＰＭ構造の採用により、モータ１では、従来のＳＰＭ構造のモータのような、マグネット固定用のマグネットホルダやマグネットカバーなどが不要となり、その分、ロータユニットの構成部品を削減できコストダウンが図られる。

【0016】

ステータ２は、有底円筒形状のモータケース４（以下、ケース４と略記する）の内側に圧入等の固定手段により固定されている。ステータ２は、ステータコア５と、ステータコア５のティース６に巻装されたステータコイル７（以下、コイル７と略記する）及びステータコア５に取り付けられコイル７と電気的に接続されるバスバーユニット（端子ユニット）８とから構成されている。ケース４は、鉄等にて有底円筒状に形成されており、その開口部には、図示しない固定ネジによって、ブラケット９（例えば、アルミダイキャスト製）が取り付けられる。

【0017】

ステータコア５は、鋼製の板材（例えば、電磁鋼板）を積層して形成されており、複数個（本実施形態においては１２個）のティース６が径方向内側に向かって突設されている。隣接するティース６の間にはスロット１０が形成され、その中にはコイル７が収容されている。ステータコア５には合成樹脂製のインシュレータ１１が取り付けられており、インシュレータ１１の外側にコイル７が巻装されている。これにより、本ステータ２は１２スロット構成となっている。

【0018】

ステータコア５のケース４の開口側の一端側には、バスバーユニット８が取り付けられている。バスバーユニット８は、合成樹脂製の本体部内に銅製のバスバーがインサート成形された構成となっている。バスバーユニット８の周囲には、複数個の給電用端子１２が径方向に突設されている。バスバーユニット８の取り付けに際し、給電用端子１２は、ステータコア５から引き出されたコイル７の端部７ａが溶接される。バスバーユニット８では、バスバーはモータ１の相数に対応した個数（ここでは、Ｕ相,Ｖ相,Ｗ相分の３個と各相同士の接続用の１個の計４個）設けられている。各コイル７は、その相に対応した給電用端子１２と電気的に接続される。ステータコア５は、バスバーユニット８を取り付けた後、ケース４内に圧入固定される。

【0019】

ステータ２の内側にはロータ３が挿入されている。ロータ３はロータシャフト１３を有しており、ロータシャフト１３はベアリング１４ａ,１４ｂによって回転自在に軸支されている。ベアリング１４ａはケース４の底部中央に、ベアリング１４ｂはブラケット９の中央部にそれぞれ固定されている。ロータシャフト１３には、円筒形状のロータコア１５と、回転角度検出手段であるレゾルバ１６のロータ（レゾルバロータ）１７が取り付けられている。レゾルバ１６のステータ（レゾルバステータ）１８は、合成樹脂製のレゾルバブラケット１９に収容されており、取付ネジ２０によってブラケット９の内側に固定される。

【0020】

ロータコア１５は、磁性体にて形成された円形の薄板状コアプレート（鋼板材）を複数枚積層させた構成となっている。ロータコア１５には、軸孔２１と、複数個のマグネット取付孔（マグネット収容部）２２が設けられている。軸孔２１はロータコア１５の中心部に形成されており、そこにはロータシャフト１３が圧入固定される。マグネット取付孔２２は略コの字形に形成されており、軸孔２１の外周側に周方向に沿って複数個で設けられている。

【0021】

図３は、マグネット取付孔２２近傍の構成を示す説明図である。図３に示すように、マグネット取付孔(マグネット収容部)２２は、径方向に沿って延びる第１マグネット取付孔(第１マグネット収容部)２２ａと、第１マグネット取付孔２２ａの径方向内側に配置され周方向に沿って延びる第２マグネット取付孔(第２マグネット収容部)２２ｂとから構成されている。第１マグネット取付孔２２ａは、ロータ中心Ｏ側が第２マグネット取付孔２２ｂと連通しており、マグネット取付孔２２は、全体として外径側が開いた略コの字形となっている。マグネット取付孔２２には、固形のフェライト磁石を用いたマグネット２３が収容される。

【0022】

第１マグネット取付孔２２ａは断面長方形状に形成されており、周方向に沿って複数個（ここでは２０個）放射状に配置されている。図２に示すように、第１マグネット取付孔２２ａは、２個ずつが周方向に近接する形で配置されている。第１マグネット取付孔２２ａは、その径方向外側がブリッジ部２４にて閉鎖される一方、内径側端部は開放されており、断面略長方形状に形成された第２マグネット取付孔２２ｂと連通している。つまり、第２マグネット取付孔２２ｂは、その周方向両端部にて第１マグネット取付孔２２ａと連通している。そして、離間して配置された２つの第１マグネット取付孔２２ａと１つの第２マグネット取付孔２２ｂにより、コの字形の１個のマグネット取付孔２２が形成される。

【0023】

マグネット２３は、第１マグネット取付孔２２ａ内に収容される平板状の第１マグネット（第１マグネット部）２３ａと、第２マグネット取付孔２２ｂ内に収容され第１マグネット２３ａの径方向内側の端面の全面を閉じる形で配置される第２マグネット（第２マグネット部）２３ｂとから構成されている。第１マグネット２３ａは、断面長方形状の直方体形となっており、第１マグネット取付孔２２ａ内に接着剤にて固定される。第１マグネット取付孔２２ａの径方向外端部には、ブリッジ部２４に臨んで、第１マグネット２３ａが存在しない空隙部２５が形成されている。モータ１では、この空隙部２５により、ステータ２の界磁磁場の影響による第１マグネットの減磁を防止すると共に、第１マグネット２３ａ外端部にてＮ－Ｓ極が短絡するのを防止している。

【0024】

第２マグネット２３ｂは、台形の対向辺の一辺両隅部を幅広面取りしたような多角形断面（ここでは六角形）となっており、第２マグネット取付孔２２ｂ内に接着剤にて固定される。第２マグネット２３ｂの周方向外側の一辺両端側には、角部分を斜めに幅広面取りする形で斜面部２６が形成されている。斜面部２６は、マグネット取付孔２２内にマグネット２３を取り付けると、第１マグネット２３ａの径方向内側の端面２７と密接する。すなわち、第２マグネット２３ｂの径方向外側両端部に、第１マグネット２３ａが密着状態で配置される。この際、端面２７の全面が斜面部２６によって覆われる状態となり、マグネット取付孔２２内には、隙間のないコの字形のマグネット２３が形成される。

【0025】

モータ１では、放射状に配した軸方向に延びる第１マグネット２３ａと、第１マグネット２３ａの背面側（径方向内側）に配した第２マグネット２３ｂによって、ロータ３側に１０個の磁極２８が形成される。これにより、本実施形態のモータ１は１０極１２スロット構成となる。前述のように、マグネット２３は、隙間のないコの字形に形成されており、磁極２８は、周方向と径方向内側の３方向が３つのマグネット２３によって隙間なく閉じられた形となっている。この場合、第１,第２マグネット２３ａ,２３ｂは、磁極２８を構成する３つのマグネットが囲む側の面（以下、内側面と称する）が同極となるように配置されている。

【0026】

すなわち、磁極２８では、２つの第１マグネット２３ａの対向する内側面３１と、内側面３１側に面する第２マグネット２３ｂの内側面３２が同極となっている。このように、モータ１では、２つの第１マグネット２３ａのロータ中心側に背面用磁石（第２マグネット２３ｂ）を配置することにより、１極が完全に磁石で閉じた形で形成され、磁気回路的に開放部がステータ側のみとなるような磁束集中型の構成が得られる。これにより、磁極２８では、マグネット２個分以上の磁束をロータ外周に発生させることが可能となる。

【0027】

さらに、第２マグネット２３ｂは、第１マグネット２３ａの磁化方向と直角方向の無磁極部位である端面２７に密着配置され、第２マグネット２３ｂの磁化方向が第１マグネット２３ａの磁化方向に対し略直角となる。このため、第１マグネット２３ａと第２マグネット２３ｂは、いわゆるハルバッハ配列に近い形となり、磁極２８では、磁束の流れがマグネット２３の内側に集中し、第１マグネット２３ａのみの場合や、第１,第２マグネット２３ａ,２３ｂ間に隙間を設けた場合よりも磁力の向上が図られる。発明者の解析によれば、図３の構成を採用することにより、第２マグネット２３ｂを入れず第２マグネット取付孔２２ｂを空隙とした場合に比して、誘起電圧が１.４倍以上増加した。

【0028】

また、従来のＩＰＭモータでは、ロータコア内での磁束短絡による損失を防止すべく、極間に空隙を設けてそれに対応しているが、その分、コア断面におけるマグネットが占める割合が低下する。その点、本発明によるモータ１では、疑似ハルバッハ配列により、磁極２８の外側、すなわち、第１,第２マグネット２３ａ,２３ｂの外側に磁束が漏れ出にくい。このため、磁束漏れ防止用の空隙を最小限に留めることができ、ロータ断面に無駄なく磁石を配置しつつ、Ｎ－Ｓ短絡を防止することが可能となり、磁束集中の効果が向上する。その結果、ロータ内の空隙をより少なくでき、コア断面におけるマグネットの占める割合を向上させ、より効率の良いモータを提供することが可能となる。

【0029】

一方、ネオジム磁石を用いたモータでは、磁石の磁力が非常に強いため、着磁後のマグネットをロータ内に組み付ける作業が難しく、通常、ロータ内に着磁前のマグネットを組み付けた後に着磁作業を行っている。この際、第２マグネット２３ｂのように中心側にマグネットを配すると十分に着磁を行うことが難しく、どうしても磁力が低下してしまい、ネオジム磁石の利点を生かせない。また、ボンドマグネットを中心側に注入するような構成の場合も、中心側部分に対しフル着磁を行えず、満足な磁束量を得ることができない。

【0030】

これに対し、モータ１では、マグネット２３がフェライト磁石であることから、従来のフェライト磁石モータと同様に、着磁後のマグネット２３をロータ３内に組み付けることができる。このため、フル着磁状態のマグネット２３をロータ３内に装着でき、内径側のマグネット（第２マグネット２３ｂ）からも十分な磁束量が得られ、従前のネオジム磁石モータに劣らない特性を実現することが可能となる。また、フェライト磁石は磁石単体の磁気吸引力が弱いため、組み付けが行い易く、工程の生産性が改善されると共に、分解も容易であることからリサイクル性も向上する。

【0031】

加えて、モータ１では、マグネット２３としてフェライト磁石を使用することから、磁石の原価が希土類磁石よりも安く、ネオジム磁石を使用した従来のモータに比べて大幅なコストダウンを図ることができる。また、希土類物質を含まないので、環境負荷が少なく、欧州ＬＣＡ規制やＳＤＧｓのコンセプトに即した製品を実現できると共に、市況変動の影響も受けにくくなる。さらに、フェライト磁石は、電気抵抗が高いため渦電流損が少なく、マグネット単体の発熱も少ないため磁束量の温度変化が比較的小さい。また、フェライト磁石は、キューリー点がネオジム磁石よりも高いため、高温側の雰囲気におけるマグネットの不可逆減磁も起こりにくい。つまり、モータ１は、古くから用いられているフェライト磁石の良さを生かしつつ、ネオジム磁石モータと同等の性能を引き出しており、本発明によれば、小型で高性能でありながら安価なモータを提供することが可能となる。

【0032】

本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
例えば、モータ１では、マグネット２３を３片のマグネット（２個の第１マグネット２３ａ及び１個の第２マグネット２３ｂ）にて形成しているが、３片のマグネットを一体化してコの字形のマグネットを使用することも可能である。このように、コの字に一体成形したマグネットを使用することにより、マグネットの製造コストや組み付けコストの低減を図ることが可能となる。また、前述の実施形態では、マグネット２３をコの字形としたが、Ｕの字形や底辺のない台形状に形成しても良い。

【産業上の利用可能性】

【0033】

本発明は、電動パワーステアリング装置用のモータ以外にも、オイルポンプや電動のブレーキシステム、ハイブリッド車や電気自動車などにも適用可能である。また、本発明のモータは、自動車関連のみならず、家電製品や産業機械など、他の電気機械・機器にも適用可能である。

【符号の説明】

【0034】

１ ブラシレスモータ
２ ステータ
３ ロータ
４ モータケース
５ ステータコア
６ ティース
７ ステータコイル
７ａ 端部
８ バスバーユニット
９ ブラケット
１０ スロット
１１ インシュレータ
１２ 給電用端子
１３ ロータシャフト
１４ａ,１４ｂ ベアリング
１５ ロータコア
１６ レゾルバ
１７ レゾルバロータ
１８ レゾルバステータ
１９ レゾルバブラケット
２０ 取付ネジ
２１ 軸孔
２２ マグネット取付孔（マグネット収容部）
２２ａ 第１マグネット取付孔（第１マグネット収容部）
２２ｂ 第２マグネット取付孔（第２マグネット収容部）
２３ マグネット
２３ａ 第１マグネット（第１マグネット部）
２３ｂ 第２マグネット（第２マグネット部）
２４ ブリッジ部
２５ 空隙部
２６ 斜面部
２７ 端面
２８ 磁極
３１ 第１マグネット内側面
３２ 第２マグネット内側面
Ｏ ロータ中心

【図1】

【図2】

【図3】