特許 7294914 ロータおよびモータ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-06-12

(45)【発行日】2023-06-20

(54)【発明の名称】ロータおよびモータ

(51)【国際特許分類】

   H02K 1/276 20220101AFI20230613BHJP

【ＦＩ】

H02K1/276

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2019117963

(22)【出願日】2019-06-26

(65)【公開番号】P2021005928

(43)【公開日】2021-01-14

【審査請求日】2022-04-08

(73)【特許権者】

【識別番号】390008235

【氏名又は名称】ファナック株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100077665

【弁理士】

【氏名又は名称】千葉 剛宏

(74)【代理人】

【識別番号】100116676

【弁理士】

【氏名又は名称】宮寺 利幸

(74)【代理人】

【識別番号】100191134

【弁理士】

【氏名又は名称】千馬 隆之

(74)【代理人】

【識別番号】100136548

【弁理士】

【氏名又は名称】仲宗根 康晴

(74)【代理人】

【識別番号】100136641

【弁理士】

【氏名又は名称】坂井 志郎

(74)【代理人】

【識別番号】100180448

【弁理士】

【氏名又は名称】関口 亨祐

(72)【発明者】

【氏名】神谷 洋平

【審査官】若林 治男

(56)【参考文献】

【文献】特開２００７－１５９１９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－０４９８０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－７８１６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－２８９９０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－６１２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－５４１９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｋ １／２７６

Ｈ０２Ｋ ２１／１４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ロータコアと、
前記ロータコアの径方向に対して交差する方向に一対の磁極面が位置する状態で、前記ロータコアに設けられた板状の複数極のマグネットと、
前記ロータコアに形成され、複数極の前記マグネットの各々における前記ロータコアの中心軸に近い側の前記磁極面である内側磁極面に接する複数の空隙と、
を備え、
前記内側磁極面が前記ロータコアから前記空隙に突出する突起に接触して前記マグネットが前記ロータコアに支持されており、
前記空隙は、前記内側磁極面のうち、前記突起が接触する領域以外に接しており、
前記一対の磁極面の間における前記マグネットの端部の側面は、前記ロータコアと非接触である、ロータ。

【請求項2】

請求項１に記載のロータであって、
複数の前記空隙の各々は、前記ロータコアの中心軸に近い側の前記磁極面のうち、支持部材が接する領域以外の全体に接する、ロータ。

【請求項3】

請求項１または２に記載のロータであって、
前記ロータコアの中心軸の軸方向から前記ロータコアを見た場合に、１つの極の前記マグネットにおいて前記ロータコアの中心軸に近い側で互いに最も離れた２つの頂点の各々と、前記ロータコアの中心とを結ぶ２つの直線間の角度は、複数極の前記マグネットのいずれも、前記マグネットの極数で３６０°を除算した値よりも小さい、ロータ。

【請求項4】

請求項３に記載のロータであって、
前記角度は、複数極の前記マグネットのいずれも、６１．２８°以下である、ロータ。

【請求項5】

請求項１～４のいずれか１項に記載のロータであって、
複数極の前記マグネットの各々は、前記ロータコアの径方向に対する磁極の向きが同じとなる一対のマグネット片に分割され、
複数の前記空隙は、分割された前記マグネット片の各々における前記ロータコアの中心軸に近い側の前記磁極面に接する、ロータ。

【請求項6】

請求項５に記載のロータであって、
一対の前記マグネット片は、前記中心軸の軸方向から前記ロータコアを見た場合に、前記ロータコアの外周に向かうほど互いの間隔が広がるようにＶ字状に配置される、ロータ。

【請求項7】

請求項１～６のいずれか１項に記載のロータと、ステータと、を備えるモータ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ロータおよびモータに関する。

【背景技術】

【0002】

モータとして、ロータコアの内部にマグネットが埋め込まれたＩＰＭ（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）式のモータが知られている。

【0003】

下記の特許文献１には、割断されたマグネット片の割断面同士が噛み合わされた状態で、割断されたマグネット片をロータコアに組み付けるようにしたロータの製造方法が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】国際公開第２０１２／１５７１０７号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、ＩＰＭ式のモータでは、ステータ（ステータコア）とロータ（ロータコア）との間の隙間が広げられた場合、ステータおよびロータの磁束密度が低くなるため、低負荷時における鉄損を抑えることができる。しかし、ステータコアとロータコアとの間の隙間が広がると、モータのインダクタンスの絶対値が下がって、マグネットトルクおよびリラクタンストルクの双方が低下し、トルク定数が下がってしまう。

【0006】

そこで、本発明は、ステータとロータとの間の隙間を広げることなく、トルク定数の低下を極力抑えながら、鉄損を低減させ得るロータおよび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】

【0007】

本発明の第１の態様は、
ロータコアと、
前記ロータコアの径方向に対して交差する方向に一対の磁極面が位置する状態で、前記ロータコアに設けられた板状の複数極のマグネットと、
前記ロータコアに形成され、複数極の前記マグネットの各々における前記ロータコアの中心軸に近い側の前記磁極面に接する複数の空隙と、
を備えるロータである。

【0008】

本発明の第２の態様は、
上記のロータと、ステータと、を備えるモータである。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、ステータとロータとの間の隙間を広げることなく、トルク定数の低下を極力抑えながら鉄損を低減させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本実施の形態のモータの一部を示す模式図である。

【図2】図１のロータを示す模式図である。

【図3】図１のモータに関するシミュレーション結果（１）を示すグラフである。

【図4】図１のモータに関するシミュレーション結果（２）を示すグラフである。

【図5】変形例１のロータを図２と同じ視点で示す模式図である。

【図6】変形例２のロータを図２と同じ視点で示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

本発明について、好適な実施の形態を掲げ、添付の図面を参照しながら以下、詳細に説明する。

【0012】

〔実施の形態〕
図１は、本実施の形態のモータ１０の一部を示す模式図である。なお、図１では、モータシャフトの軸方向からモータ１０を見た場合が示されている。モータ１０は、ステータ１２とロータ１４とを有する。

【0013】

ステータ１２は、ロータ１４を回転させるための力を発生させるものであり、ロータ１４と隙間を隔ててロータ１４の外周側に配置される。ステータ１２は、ステータコア２０と、複数のコイル２２とを有する。

【0014】

ステータコア２０は、管状に形成されたコア本体２０Ａと、コア本体２０Ａの周方向に間隔をあけてコア本体２０Ａの内周面からコア本体２０Ａの中心軸側に向かって突出する複数のティース部２０Ｂとを有する。なお、コア本体２０Ａは、複数の分割コア片を周方向に接合することで管状に形成されてもよい。複数のコイル２２の各々は、１つまたは２つ以上のティース部２０Ｂに設けられる。

【0015】

ロータ１４は、ステータ１２で発生する力を用いて回転するものであり、ステータコア２０の複数のティース部２０Ｂの各々と隙間を隔ててステータ１２の内周側に配置される。ロータ１４は、ロータコア３０と、複数極のマグネット３２とを有する。本実施の形態では、ロータ１４の極数は４極とする。

【0016】

ロータコア３０は、モータシャフトが挿通する貫通孔３０Ｈを有する管状に形成される。なお、ロータコア３０は、電磁鋼などの複数の板材を積層することで管状に形成されてもよい。ロータコア３０の中心軸ＡＸは、ステータコア２０におけるコア本体２０Ａの中心軸およびモータシャフトの中心軸と一致する。

【0017】

複数極のマグネット３２の各々は、ロータコア３０に設けられる。複数極のマグネット３２の各々は、概ね同形および同大であり、ロータコア３０の周方向に間隔をあけてロータコア３０の内部に対称に設けられる。複数極のマグネット３２の各々は、管状のロータコア３０の一端面から他端面にわたって延びている。

【0018】

上記のモータ１０では、ステータ１２における複数のコイル２２に電流が流れることでステータ１２に発生する磁界と、ロータ１４における複数極のマグネット３２が発生する磁界との相互作用によりロータ１４が回転する。ロータ１４が回転すると、ロータ１４の貫通孔３０Ｈに挿通されたモータシャフトがロータ１４の回転に連動して回転する。

【0019】

次に、図２を用いて、ロータ１４に関してさらに詳しく説明する。図２は、図１のロータ１４を示す模式図である。図２では、ロータコア３０の中心軸ＡＸの軸方向から見たロータ１４が示されている。

【0020】

本実施の形態では、複数極のマグネット３２の各々は、ロータコア３０の径方向に対する磁極の向きが同じとなる一対のマグネット片３２Ａ、３２Ｂに分割される。分割されたマグネット片３２Ａ、３２Ｂの各々は、概ね同形および同大であり、一対の磁極面Ｆ１、Ｆ２を有する。一対の磁極面Ｆ１、Ｆ２の各々は、ロータコア３０の径方向に対して交差する方向に位置する。本実施の形態では、一対の磁極面Ｆ１、Ｆ２のうち、ロータコア３０の外周側に向く磁極面Ｆ１と、ロータコア３０の内周側に向く磁極面Ｆ２とは略平行である。なお、一対の磁極面Ｆ１、Ｆ２の各々は、Ｓ極またはＮ極の磁極を有する部分の先端に位置する面であり、本実施の形態では板状のマグネット片３２Ａ、３２Ｂのうち最も広い面に相当する。

【0021】

ロータコア３０には、トルク定数の低下を極力抑えながら鉄損を低減させるための複数の空隙３４が形成される。複数の空隙３４は、分割されたマグネット片３２Ａ、３２Ｂの各々に対して設けられる。つまり、空隙数は、１つの極のマグネット３２を分割した分割数に極数を乗算した数である。

【0022】

複数の空隙３４の各々は、ロータコア３０の中心軸ＡＸの軸方向からロータ１４を見た場合、ロータコア３０とマグネット片３２Ａまたは３２Ｂとに囲まれる閉空間である。なお、
図１および図２に示す例では、複数の空隙３４の各々の形状は、ロータコア３０の中心軸ＡＸの軸方向からロータ１４を見た場合に、マグネット片３２Ａまたは３２Ｂの外形と概ね同じであるが、マグネット３２の外形と異なっていてもよい。

【0023】

複数の空隙３４の各々は、ロータコア３０の内周側に向く磁極面Ｆ２に接する。換言すると、複数の空隙３４の各々は、ロータコア３０の中心軸ＡＸに近い側の磁極面Ｆ２に接する。この磁極面Ｆ２側には支持部材３０Ｓが設けられる。本実施の形態では、支持部材３０Ｓは、空隙３４を挟んでロータコア３０から空隙３４側に突出する一対の突起であり、分割されたマグネット片３２Ａ、３２Ｂの各々を支持する。

【0024】

複数の空隙３４の各々は、磁極面Ｆ２のうち、支持部材３０Ｓ（一対の突起の各々）が接する領域以外の全体に接する。ロータコア３０の中心軸ＡＸの軸方向からロータ１４を見た場合、複数の空隙３４の各々は、板状のマグネット片３２Ａまたは３２Ｂにおけるロータコア３０の中心軸ＡＸに近い側の長辺のうち、支持部材３０Ｓが接する領域以外の全体に接する。

【0025】

なお、ロータコア３０には、マグネット３２から生じる磁束の漏れを抑えるための複数のフラックスバリア３６が形成される。複数のフラックスバリア３６の各々は、複数極のマグネット３２の各々における幅方向の端部の両脇に配置され、当該端部に接する空隙である。本実施の形態では、複数極のマグネット３２の各々は一対のマグネット片３２Ａ、３２Ｂに分割される。このため、１つの極のマグネット３２の両脇のフラックスバリア３６は、一方のマグネット片３２Ａにおいて他方のマグネット片３２Ｂから遠い側の幅方向の端部の脇と、他方のマグネット片３２Ｂにおいて一方のマグネット片３２Ａから遠い側の幅方向の端部の脇とに配置される。

【0026】

次に、図２を用いて、ロータコア３０の中心軸ＡＸの軸方向からロータ１４を見た場合に、ロータ１４の中心を基準とする複数極のマグネット３２の各々の角度に関してさらに詳しく説明する。ただし、ロータ１４の中心を基準とする複数極のマグネット３２の各々の角度は同じであるため、ここでは、ロータ１４の中心を基準とする１つの極のマグネット３２の角度に関して説明する。

【0027】

本実施の形態では、ロータコア３０の中心軸ＡＸの軸方向からロータ１４を見た場合に、１つの極のマグネット３２における２つの頂点Ｐ１、Ｐ２の各々と、ロータコア３０の中心とを結ぶ２つの直線間の角度（以下、マグネット角と称する）θは、マグネット３２の極数で３６０°を除算した値よりも小さい。

【0028】

上記の２つの頂点Ｐ１、Ｐ２は、具体的には、１つの極のマグネット３２を構成する一対のマグネット片３２Ａ、３２Ｂにおいて、ロータコア３０の中心軸ＡＸに近い側で互いに最も離れた頂点である。つまり、頂点Ｐ１は、一方のマグネット片３２Ａにおけるロータコア３０の内周側の２つの頂点のうち、他方のマグネット片３２Ｂから遠い側にある頂点であり、頂点Ｐ２は、他方のマグネット片３２Ｂにおけるロータコア３０の内周側の２つの頂点のうち、一方のマグネット片３２Ａから遠い側にある頂点である。

【0029】

本実施の形態では、ロータ１４の極数が４極であるため、上記のマグネット角θは、９０°よりも小さい。換言すると、マグネット角θが９０°よりも小さくなるように、１つの極のマグネット３２を構成する分割されたマグネット片３２Ａ、３２Ｂがロータコア３０の内部に設けられる。

【0030】

ここで、マグネット角θに関するモータ１０のシミュレーション結果を示すグラフを図３および図４に示す。図３は、マグネット角θが８２．７３°である場合の鉄損低下率およびトルク低下率の変化を示すグラフである。図４は、マグネット角θが６１．２８°である場合の鉄損低下率およびトルク低下率の変化を示すグラフである。なお、鉄損低下率は、無負荷時におけるロータコア３０の鉄損の低下率である。トルク低下率は、モータ１０に発生する最大の総トルクの低下率である。

【0031】

図３および図４のグラフ中の破線は、磁極面Ｆ２に対する空隙３４の接触面積を一定とし、ステータコア２０とロータコア３０との隙間の間隔を大きくしていった場合の鉄損低下率およびトルク低下率を示している。なお、紙面の右側から左側に向かうほど、ステータコア２０とロータコア３０との隙間の間隔が大きくなる。

【0032】

図３および図４のグラフ中の実線は、ステータコア２０とロータコア３０との間の隙間を一定とし、磁極面Ｆ２に対する空隙３４の接触面積を大きくしていった場合の鉄損低下率およびトルク低下率を示している。なお、紙面の右側から左側に向かうほど、磁極面Ｆ２に対する空隙３４の接触面積が大きくなる。

【0033】

マグネット角θが８２．７３°の条件下では（図３）、磁極面Ｆ２に対する空隙３４の接触面積を大きくする場合（グラフ中の実線）よりも、ステータコア２０とロータコア３０との間の隙間を大きくする場合（グラフ中の破線）の方が、トルク低下率に対して鉄損低下率が大きくなる。

【0034】

これに対し、マグネット角θが６１．２８°の条件下では（図４）、ステータコア２０とロータコア３０との間の隙間を大きくする場合（グラフ中の破線）よりも、磁極面Ｆ２に対する空隙３４の接触面積を大きくする場合（グラフ中の実線）の方が、トルク低下率に対して鉄損低下率が大きくなる。

【0035】

つまり、マグネット角θが６１．２８°である場合、ステータコア２０とロータコア３０との間の隙間を広げることなく、モータ１０に発生する最大の総トルクの低下率に比べて、鉄損の低下率を大きくする効果が得られる。

【0036】

図示しないが、マグネット角θが６１．２８°以下であれば、マグネット３２（マグネット片３２Ａ、３２Ｂ）の形状、および、磁極面Ｆ２に対する空隙３４の接触面積の大きさにかかわらず上記の効果を得ることができることが分かった。一方、図示しないが、マグネット角θが６１．２８°を超えると、マグネット３２（マグネット片３２Ａ、３２Ｂ）の形状、または、磁極面Ｆ２に対する空隙３４の接触面積の大きさによっては、鉄損の低下率が総トルクの低下率以下になる場合があることが分かった。したがって、マグネット角θが６１．２８°以下であることが好ましい。

【0037】

〔変形例〕
（変形例１）
図５は、変形例１のロータ１４を図２と同じ視点で示す模式図である。図５では、上記の実施の形態において説明した構成と同等の構成に対して同一の符号が付されている。なお、本変形例では、上記の実施の形態と重複する説明は省略する。

【0038】

本変形例では、一対のマグネット片３２Ａ、３２Ｂは、ロータコア３０の中心軸ＡＸの方向からロータコア３０を見た場合に、ロータコア３０の外周に向かうほど互いの間隔が広がるようにＶ字状に配置される。マグネット片３２Ａの一対の磁極面Ｆ１、Ｆ２と、マグネット片３２Ｂの一対の磁極面Ｆ１、Ｆ２とは非平行であり、当該磁極面Ｆ１、Ｆ２の各々は、ロータコア３０の周方向に向かうほど、ロータコア３０の外周側に近づくように傾斜する。

【0039】

このように一対のマグネット片３２Ａ、３２ＢがＶ字状に配置されることで、一対のマグネット片３２Ａ、３２Ｂの各々の磁極面Ｆ１、Ｆ２が平行である場合に比べてより一段と鉄損を低減させることができる。

【0040】

（変形例２）
図６は、変形例２のロータ１４を図２と同じ視点で示す模式図である。図６では、上記の実施の形態において説明した構成と同等の構成に対して同一の符号が付されている。なお、本変形例では、上記の実施の形態と重複する説明は省略する。

【0041】

上記の実施の形態では、複数極のマグネット３２の各々が分割されたが、本変形例のように非分割であってもよい。複数極のマグネット３２の各々が非分割の場合、当該マグネット３２の各々が、ロータコア３０の径方向に対して交差する方向に位置する一対の磁極面Ｆ１、Ｆ２を有する。この場合、複数の空隙３４は、複数極のマグネット３２の各々に対して設けられる。つまり、空隙数は極数であり、複数の空隙３４の各々は、ロータコア３０とマグネット３２とに囲まれる。

【0042】

複数の空隙３４の各々は、ロータコア３０の中心軸ＡＸに近い側の磁極面Ｆ２のうち、支持部材３０Ｓが接する領域以外の全体に接する。支持部材３０Ｓは、空隙３４を挟んでロータコア３０から空隙３４側に突出する一対の突起であり、複数極のマグネット３２の各々を支持する。

【0043】

このように複数極のマグネット３２の各々が非分割であっても、上記の実施の形態と同様の効果が得られる。なお、本変形例では、一対の磁極面Ｆ１、Ｆ２が曲面であるが、平面であってもよい。つまり、複数極のマグネット３２の各々が板状であれば、その具体的な形状は特に限定されない。マグネット片３２Ａ、３２Ｂの各々の形状についても同様である。

【0044】

〔実施の形態から得られる発明〕
上記の実施の形態および変形例から把握し得る発明について、以下に記載する。

【0045】

（第１の発明）
第１の発明は、
ロータコア（３０）と、
ロータコア（３０）の径方向に対して交差する方向に一対の磁極面（Ｆ１、Ｆ２）が位置する状態で、ロータコア（３０）に設けられた板状の複数極のマグネット（３２）と、
ロータコア（３０）に形成され、複数極のマグネット（３２）の各々におけるロータコア（３０）の中心軸（ＡＸ）に近い側の磁極面（Ｆ２）に接する複数の空隙（３４）と、
を備えるロータ（１４）である。

【0046】

これにより、ステータ（１２）とロータ（１４）との間の隙間を広げることなく、トルク定数の低下を極力抑えながら鉄損を低減させることができる。

【0047】

複数の空隙（３４）の各々は、ロータコア（３０）の中心軸（ＡＸ）に近い側の磁極面（Ｆ２）のうち、支持部材（３０Ｓ）が接する領域以外の全体に接してもよい。これにより、支持部材（３０Ｓ）が接する領域以外の全体に接していない場合に比べてより一段と鉄損を低減させることができる。

【0048】

ロータコア（３０）の中心軸（ＡＸ）の軸方向からロータコア（３０）を見た場合に、１つの極のマグネット（３２）においてロータコア（３０）の中心軸（ＡＸ）に近い側で互いに最も離れた２つの頂点（Ｐ１、Ｐ２）の各々と、ロータコア（３０）の中心とを結ぶ２つの直線間の角度（θ）は、複数極のマグネット（３２）のいずれも、マグネット（３２）の極数で３６０°を除算した値よりも小さくてもよい。これにより、トルク定数の低下率に比べて鉄損の低下率を大きくし易くなる。

【0049】

上記の角度（θ）は、複数極のマグネット（３２）のいずれも、６１．２８°以下であってもよい。これにより、磁極面（Ｆ２）に対する空隙（３４）の接触面積の大きさにかかわらず、トルク定数の低下率に比べて鉄損の低下率を大きくすることができる。

【0050】

複数極のマグネット（３２）の各々は、ロータコア（３０）の径方向に対する磁極の向きが同じとなる一対のマグネット片（３２Ａ、３２Ｂ）に分割され、複数の空隙（３４）は、分割されたマグネット片（３２Ａ、３２Ｂ）の各々におけるロータコア（３０）の中心軸（ＡＸ）に近い側の磁極面（Ｆ２）に接してもよい。これにより、複数極のマグネット（３２）の各々が非分割である場合に比べてより一段と鉄損を低減させることができる。

【0051】

一対のマグネット片（３２Ａ、３２Ｂ）は、中心軸（ＡＸ）の軸方向からロータコア（３０）を見た場合に、ロータコア（３０）の外周に向かうほど互いの間隔が広がるようにＶ字状に配置されてもよい。これにより、一対のマグネット片（３２Ａ、３２Ｂ）の各々の磁極面（Ｆ１、Ｆ２）が平行である場合に比べてより一段と鉄損を低減させることができる。

【0052】

（第２の発明）
第２の発明は、上記のロータ（１４）と、ステータ（１２）と、を備えるモータ（１０）である。このモータ（１０）では、上記のロータ（１４）が含まれるため、ステータ（１２）とロータ（１４）との間の隙間を広げることなく、トルク定数の低下を極力抑えながら鉄損を低減させることができる。

【符号の説明】

【0053】

１０…モータ １２…ステータ
１４…ロータ ２０…ステータコア
２２…コイル ３０…ロータコア
３２…マグネット ３４…空隙

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】