JP2006230142A - Small motor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、主に、産業用小型ロボットなどのメカトロニクス製品、または医療機器や精密機器等に利用される小型モータに関するものである。 The present invention mainly relates to a small motor used for mechatronics products such as industrial small robots, medical equipment, precision equipment, and the like.
前記分野に利用される小型モータの一例として、小型DCブラシレスモータがある。その形態の一例として、略円筒状のハウジングの筒内に、マグネットの中心に回転軸を備えたロータを回転可能に配置し、ハウジング内壁に、マグネットと間隙を介して対向させて界磁コイルを配置して構成するインナーロータ型があり、このような構成では、ハウジングが磁気回路の一部となる。 As an example of a small motor used in the field, there is a small DC brushless motor. As an example of the form, a rotor having a rotating shaft at the center of a magnet is rotatably arranged in a cylinder of a substantially cylindrical housing, and a field coil is arranged on the inner wall of the housing so as to face the magnet with a gap. There is an inner rotor type that is arranged and configured, and in such a configuration, the housing becomes a part of the magnetic circuit.
このようにハウジングを磁気回路の一部とするインナーロータ型モータでは、マグネットより発生する磁束がハウジングを通過するため、運転時、つまりインナーロータの回転時は、ハウジング中の磁束の分布が変化する。 As described above, in the inner rotor type motor having the housing as a part of the magnetic circuit, the magnetic flux generated from the magnet passes through the housing, so that the distribution of the magnetic flux in the housing changes during operation, that is, when the inner rotor rotates. .
ハウジング中の磁束の分布、すなわち磁束密度の変化により、ハウジング中には渦電流が発生し、渦電流損が生じる。この渦電流損は、モータの内部損失トルクの増加および発熱の原因となる。 Due to the distribution of the magnetic flux in the housing, that is, the change in the magnetic flux density, an eddy current is generated in the housing, resulting in an eddy current loss. This eddy current loss causes an increase in internal loss torque of the motor and heat generation.
一般に、モータは小型化に伴い回転数が増加する傾向にある。また、モータの単位体積あたりの発生トルクを向上させるために、インナーロータに用いるマグネットとして、エネルギー積の高いものを用いる場合が多い。一方、渦電流損は、回転数の二乗と渦電流が発生する部分の最大鎖交磁束密度の二乗に比例して発生するため、このような小型モータは、より渦電流損が増大する傾向にある。 In general, the number of rotations of motors tends to increase with downsizing. Further, in order to improve the generated torque per unit volume of the motor, a magnet having a high energy product is often used as the magnet used for the inner rotor. On the other hand, eddy current loss occurs in proportion to the square of the number of revolutions and the square of the maximum flux linkage density at the portion where eddy current is generated. Therefore, such a small motor tends to increase eddy current loss. is there.
そのため、渦電流損を低減する手段として、ハウジングに磁性体からなる薄板リング状の鋼板を軸方向に積層した積層鋼板を用いることにより、渦電流を流れにくくする手法が提案されている。 For this reason, as a means for reducing eddy current loss, there has been proposed a method of making it difficult for eddy currents to flow by using a laminated steel plate in which thin ring-shaped steel plates made of a magnetic material are laminated in the housing in the axial direction.
積層鋼板は、互いに電気的に絶縁された薄板リング状の鋼板を積層して構成されるため、その積層方向には電流が流れにくく、これをハウジング部分に用いた場合は、磁性体の単一鋼塊からなるハウジングを用いた場合と比較して、渦電流損を低減することが可能となる。 Laminated steel sheets are constructed by laminating thin ring-shaped steel sheets that are electrically insulated from each other, so that it is difficult for current to flow in the laminating direction. Compared with the case where a housing made of a steel ingot is used, eddy current loss can be reduced.
しかしながら、ハウジングの構成が積層鋼板のみではモータとしての機械的強度の確保が困難であるため、積層鋼板を保持する外装ケースが必要となる。 However, since it is difficult to ensure the mechanical strength as a motor only with laminated steel sheets, the housing needs a case for holding the laminated steel sheets.
従来では、この外装ケースを非磁性体で構成しており、このような構成で磁性体の単一鋼塊からなるハウジングを用いた場合と同等の起動トルクを得るためには、単一鋼塊のハウジングと同等の径方向厚みを持った積層鋼板を用いることが必要となり、非磁性体の外装ケースをその外周に配置することになるため、非磁性体の外装ケースの厚み分、モータ外径寸法が増大し、小径化の妨げとなっていた。 Conventionally, this exterior case is made of a non-magnetic material, and in order to obtain a starting torque equivalent to the case where a housing made of a magnetic material of a single steel in such a configuration is used, a single steel ingot is used. It is necessary to use a laminated steel sheet having a radial thickness equivalent to that of the housing, and a non-magnetic outer case is disposed on the outer periphery. Therefore, the motor outer diameter is equal to the thickness of the non-magnetic outer case. The size increased and hindered the reduction in diameter.
上記例のような課題を解決する手段として、積層鋼板を構成する各鋼板の一部に溝を設け、各鋼板の溝部を一致させて積層し、連なった溝部に樹脂等を充填して一体化することにより、非磁性体の外装ケースを用いないで小型モータを構成する手法が提案されている(特許文献1)。 As a means to solve the problem as in the above example, a groove is provided in a part of each steel plate constituting the laminated steel plate, the groove portions of each steel plate are aligned and laminated, and the continuous groove portions are filled with resin or the like and integrated. Thus, there has been proposed a method of configuring a small motor without using a nonmagnetic exterior case (Patent Document 1).
しかしながら、前記特許文献1に示されるような方法にて一体化された積層鋼板のハウジングは、単一鋼塊や外装ケースを用いた場合と比較すると機械的強度は低く、また、積層鋼板の一部に溝が設けられたことによるコギングの発生および磁路断面積の減少による磁束の減少、さらに、個々の鋼板の加工工数の増大および機械的強度の低下等が問題となっていた。
本発明は、渦電流損の抑制が可能であり、モータ外径を増加させることなく所定の起動トルクとモータの機械的強度の確保が可能な小型モータを構成することを目的とする。 An object of the present invention is to configure a small motor that can suppress eddy current loss and can ensure a predetermined starting torque and mechanical strength of the motor without increasing the outer diameter of the motor.
本発明の請求項1は、磁気回路の一部を形成する略円筒状のハウジングの筒内に、マグネットの中心に回転軸を備えたインナーロータを回転可能に配置し、ハウジング内壁に、前記マグネットと間隙を介して対向させて界磁コイルを配置する小型モータであって、前記ハウジングを、磁性体で、少なくとも軸方向に電気的絶縁部分を有する構造で構成した内層と、内層の周囲を囲んで該内層を一体的に保持する磁性体の外装ケースとから構成することを特徴とする。 According to a first aspect of the present invention, an inner rotor having a rotation shaft at the center of a magnet is rotatably disposed in a cylinder of a substantially cylindrical housing forming a part of a magnetic circuit, and the magnet is disposed on an inner wall of the housing. A small motor that has a magnetic field coil disposed opposite to each other with a gap between the inner layer and the inner layer formed of a magnetic material and having an electrically insulating portion in the axial direction. And a magnetic outer case for integrally holding the inner layer.
本発明の請求項2は、前記外装ケースが磁性快削鋼であることを特徴とする。 A second aspect of the present invention is characterized in that the outer case is magnetic free-cutting steel.
本発明の請求項3は、前記内層を、互いに電気的に絶縁された複数枚の略リング状の磁性体の鋼板を軸方向に積層した、積層鋼板で構成することを特徴とする。 A third aspect of the present invention is characterized in that the inner layer is constituted by a laminated steel plate in which a plurality of substantially ring-shaped magnetic steel plates electrically insulated from each other are laminated in the axial direction.
本発明の請求項4は、前記内層を、個々の表面に絶縁被膜が施された磁性体粉末の成形体で構成することを特徴とする。 A fourth aspect of the present invention is characterized in that the inner layer is formed of a compact of a magnetic powder having an insulating coating on each surface.
本発明の請求項5は、磁気回路の一部を形成する略円筒状のハウジングの筒内に、マグネットの中心に回転軸を備えたインナーロータを回転可能に配置し、ハウジング内壁に、前記マグネットと間隙を介して対向させて界磁コイルを配置する小型モータであって、ハウジングの外径がφ12mm以下であることを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, an inner rotor having a rotating shaft at the center of a magnet is rotatably disposed in a cylinder of a substantially cylindrical housing forming a part of a magnetic circuit, and the magnet is disposed on an inner wall of the housing. A small motor in which a field coil is arranged to face each other through a gap, and an outer diameter of the housing is φ12 mm or less.
本発明の小型モータでは、内層と、その周囲を囲んで一体的に保持する外装ケースとを磁性体にて構成し、その内層と外装ケースとでハウジングを一体構成するため、同じ厚みの単一鋼塊でハウジングを構成した場合と同等の起動トルクを発生するために必要な有効磁束を確保することができる。 In the small motor of the present invention, the inner layer and the outer case that surrounds and integrally holds the inner layer are made of a magnetic material, and the inner layer and the outer case integrally form the housing. The effective magnetic flux required to generate the starting torque equivalent to the case where the housing is formed of a steel ingot can be ensured.
また、回転時には、内層部分が渦電流の流れにくい構成になっているため、単一鋼塊でハウジングを構成する場合と比較して、渦電流の発生を抑制することが可能となる。 In addition, since the inner layer portion is configured so that the eddy current does not easily flow during rotation, generation of eddy current can be suppressed as compared with the case where the housing is configured with a single steel ingot.
さらに、磁性体で、少なくとも軸方向に電気的絶縁部分を有する構造で構成した内層のみでは機械的強度を確保することが困難であるが、外装ケースにより内層の外周が囲まれて一体的に保持されるため、積層鋼板等の、単一鋼塊以外でハウジングを構成する場合よりも機械的強度を向上させることが可能であり、モータとしての十分な機械的強度を確保することができる。このため、所定の起動トルクを確保するために磁性体で構成する必要があるハウジング厚みの外周に他の部材を用いて機械的強度を確保する必要がなく、モータの小型化に有利となる。 Furthermore, it is difficult to ensure the mechanical strength with only the inner layer composed of a magnetic material and having an electrically insulating portion at least in the axial direction, but the outer periphery of the inner layer is surrounded and integrally held by the outer case. Therefore, it is possible to improve the mechanical strength as compared with the case where the housing is constituted by a member other than a single steel ingot such as a laminated steel plate, and sufficient mechanical strength as a motor can be ensured. For this reason, it is not necessary to secure mechanical strength by using another member on the outer periphery of the housing thickness that needs to be made of a magnetic material in order to ensure a predetermined starting torque, which is advantageous for miniaturization of the motor.
また、特許文献1で示すように、積層鋼板の一部に溝を設けて構成する必要もないため、コギングの発生等の問題も生じることがない。 Further, as shown in Patent Document 1, it is not necessary to provide a groove in a part of the laminated steel sheet, and therefore problems such as the occurrence of cogging do not occur.
よって、本発明の構成を用いることにより、渦電流損の抑制が可能であり、モータ外径を増加させることなく所定の起動トルクとモータの機械的強度の確保が可能な小型モータを構成することが可能となる。 Therefore, by using the configuration of the present invention, it is possible to suppress the eddy current loss, and to configure a small motor capable of ensuring a predetermined starting torque and motor mechanical strength without increasing the motor outer diameter. Is possible.
[実施の形態1]
図1は、本発明の構成を用いた小型DCブラシレスモータの断面図である。この小型DCブラシレスモータは、例えば、メカトロニクス製品、または医療機器や精密機器等に利用されるもので、外径がφ12mm以下で構成されている。
[Embodiment 1]
FIG. 1 is a sectional view of a small DC brushless motor using the configuration of the present invention. This small DC brushless motor is used for mechatronics products, medical equipment, precision equipment, or the like, and has an outer diameter of φ12 mm or less.
その小型DCブラシレスモータ1は、略円筒形状を呈し、後述する特定構造を有するハウジング2と、ハウジング2の内側に固定された円筒状のステータ界磁コイル3と、ハウジング2の内側に収容されると共にハウジング2と同軸で内側に配置されたインナーロータ4とを備えて構成されている。
The small DC brushless motor 1 has a substantially cylindrical shape, and is housed inside a
インナーロータ4は、円筒状のマグネット5と、マグネット5の中心に両端を突出させて貫通固定された回転軸6とを備え、ステータ界磁コイル3の筒内に間隙を介して配置されている。
The
ハウジング2の端部には、それぞれ軸受8a、8bが嵌込み固定されたフランジ7a、エンドフランジ7bが嵌込み固定されており、回転軸6が軸受8a、8bにより、回転自在に軸支されている。
A
円筒状のマグネット5とエンドフランジ7bとの間で、回転軸6の軸線上には両者間の間隔を保つための円筒状スペーサ9が装着されている。また、円筒状のマグネット5と軸受8aとの間、及び円筒状スペーサ9と軸受8bとの間には、インナーロータ4の回転時の摺動を円滑にするライナー10a、10bが装着されている。
Between the
基板11はハウジングの段部に固定されており、この基板11の回路パターンを介し、ステータ界磁コイル3より引き出されるタップ線13と外部ドライバ(図示しない)に接続されるリード線12が接続され、給電機構が形成されている。
The
ハウジング2は、互いに電気的に絶縁された複数の磁性体リング14a,14b…の積層鋼板からなる内層14と、その内層14の外周を囲む略円筒状の磁性体からなる外装ケース15より構成されている。ここで、この外装ケース15には、磁性快削鋼等の、加工が容易な材質を用いることが好ましい。
The
内層14は、複数の磁性体リング14a,14b…をインナーロータ4の回転軸6の軸方向に積層した積層鋼板から構成されているため、インナーロータ4の回転時に、ハウジング中で積層鋼板の積層方向に発生する渦電流を抑制することができる。一例として、外径12mm、回転数14700rpmとし、ハウジング以外は同一の構成とした小型DCブラシレスモータについて、有限要素法による電磁界解析を用いて渦電流損を比較すると、本実施例は、単一鋼塊でハウジングを構成する場合よりも、渦電流損を約60%低減することが可能であるという結果が得られた。
Since the
本発明の形態においては、マグネットが磁束の発生源であるため、ハウジング中の磁束密度は、インナーロータとの距離が小さいハウジング内壁付近、つまりハウジング内層側で大きくなる。渦電流損は、渦電流が発生する部分の最大鎖交磁束密度の二乗と回転数の二乗に比例して発生するため、磁束密度の大きい部分で多く発生することになる。そのため、磁束密度の大きい内層部分を渦電流の発生を抑制できる構造で構成することにより、ハウジングで発生する渦電流損を大幅に低減することが可能となる。 In the embodiment of the present invention, since the magnet is a magnetic flux generation source, the magnetic flux density in the housing increases near the inner wall of the housing where the distance from the inner rotor is small, that is, on the inner layer side of the housing. Since eddy current loss occurs in proportion to the square of the maximum flux linkage density and the square of the rotational speed of the portion where the eddy current is generated, a large amount of eddy current loss occurs in a portion where the magnetic flux density is large. Therefore, by configuring the inner layer portion having a high magnetic flux density with a structure that can suppress the generation of eddy current, it is possible to significantly reduce the eddy current loss generated in the housing.
また、このような特定構造を有するハウジング2を備えて構成される小型DCブラシレスモータ1では、ハウジング2が、内層、外装ケースともに磁性体で構成されるため、両者が磁気回路として有効であり、同じ厚みの単一鋼塊でハウジングを構成した場合と同等の起動トルクを確保することが可能である。
Moreover, in the small DC brushless motor 1 configured by including the
さらに、内層14は、外装ケース15により一体的に保持されるため、所定の起動トルクを発生するために磁性体で構成する必要があるハウジング厚みのみで、モータとして十分な機械的強度を確保することが可能となる。
Furthermore, since the
[実施の形態2]
図2は、実施の形態2に係る小型DCブラシレスモータ1’を示す。この小型DCブラシレスモータは互いに電気的に絶縁された磁性体リング14a,14b…を積層した積層鋼板で構成した内層14を備えるに代えて、個々の表面に絶縁皮膜が施された磁性体粉末の成形体である粉末成形磁性体による内層14’を備えて構成されている。その他は、実施の形態1と同一の構成を有している。
[Embodiment 2]
FIG. 2 shows a small DC brushless motor 1 ′ according to the second embodiment. In this small DC brushless motor, instead of having an
粉末成形磁性体は、磁性体粉末の個々の表面に絶縁皮膜が施されているため、成形体となった場合でも、導電率が低いが、磁性体であるため、磁気回路を構成する材料としては他の磁性体と同等の磁気特性を有する。この粉末成形磁性体を内層として用いることにより、内層部分において渦電流損を低減し、且つ所定の起動トルクを発生するために必要な有効磁束を確保することが可能となり、このように構成する小型DCブラシレスモータ1’であっても、実施の形態1と同様の効果を得ることができる。一例として、外径12mm、回転数14700rpmとし、ハウジング以外は同一の構成とした小型DCブラシレスモータについて、有限要素法による電磁界解析を用いて渦電流損を比較すると、本実施例は、単一鋼塊でハウジングを構成する場合よりも、渦電流損を約40%低減することが可能であるという結果が得られた。 Since the powder-molded magnetic body has an insulating film on each surface of the magnetic powder, it has a low electrical conductivity even when it becomes a molded body, but it is a magnetic body. Has the same magnetic properties as other magnetic materials. By using this powder-molded magnetic body as an inner layer, it is possible to reduce eddy current loss in the inner layer portion and to secure an effective magnetic flux necessary for generating a predetermined starting torque. Even if it is DC brushless motor 1 ', the effect similar to Embodiment 1 can be acquired. As an example, for a small DC brushless motor having an outer diameter of 12 mm, a rotational speed of 14700 rpm, and the same configuration except for the housing, eddy current loss is compared using electromagnetic field analysis by the finite element method. As a result, it was possible to reduce the eddy current loss by about 40% as compared with the case where the housing is formed of a steel ingot.
ここで、図3に、比較品(a),(b)及び本発明品(c)に係る小型DCブラシレスモータのマグネットとハウジングの配置を、模式的に示す。これらは、同等の径方向厚みをもつ磁性体を、ハウジングまたはハウジングの一部に用いているため、ハウジング中に確保可能な磁束が同等であり、同等の起動トルクを発生させることのできる構造となっている。また、図中の1点鎖線はハウジング外径の比較を示す。 Here, FIG. 3 schematically shows the arrangement of the magnet and the housing of the small DC brushless motor according to the comparative products (a), (b) and the product (c) of the present invention. These use a magnetic material having the same radial thickness for the housing or a part of the housing, so that the magnetic flux that can be secured in the housing is the same, and a structure that can generate an equivalent starting torque. It has become. Also, the alternate long and short dash line in the figure shows a comparison of the housing outer diameter.
比較品(a)は、単一鋼塊からなるハウジング19を有する小型DCブラシレスモータである。また、比較品(b)は、ハウジング20が、互いに電気的に絶縁された複数の磁性体リングを積層した積層鋼板21と、この積層鋼板を外側から保持する非磁性体からなる外装ケース22とから構成された小型DCブラシレスモータである。また、本発明品(c)は、図1並びに図2で示す構成の小型DCブラシレスモータである。
The comparative product (a) is a small DC brushless motor having a
比較品(a)では、磁性体の単一鋼塊からなるハウジング19により、有効磁束が確保できるため、所定の起動トルクを発生することができるが、ハウジング19が単一鋼塊であるため、電気抵抗が低く、渦電流が流れやすいため、インナーロータの回転時に渦電流損が多く発生する。
In the comparative product (a), since the effective magnetic flux can be secured by the
比較品(b)は、ハウジング内層側が積層鋼板21で構成されるため積層鋼板の積層方向には渦電流が流れにくく、インナーロータの回転時の渦電流の発生は抑制される。しかしながら、比較品(a)と同等の起動トルクを得るためには、積層鋼板21が比較品(a)のハウジング19と同等の厚みである必要があるため、その外周部に非磁性体からなる外装ケース22を配置することになり、外装ケース22の厚み分だけ外径が大きくなってしまう。
In the comparative product (b), since the inner layer side of the housing is composed of the
これら比較品(a),(b)に対し、本発明品(c)は、ハウジング16が、積層鋼板17と、この積層鋼板17を保持する磁性体からなる外装ケース18とから構成されるため、渦電流の発生を抑制し、且つ、比較品(a)の小型DCブラシレスモータと同等の外径で、同等の起動トルクを得ることができる。
In contrast to these comparative products (a) and (b), in the product (c) of the present invention, the
以上より、本発明の構成では、渦電流損を抑制し、且つ外径を増加させることなく、所定の起動トルクとモータとしての十分な機械的強度を確保した、内部損失トルク及び発熱の少ない、高効率な小型モータの実現が可能となる。 As described above, in the configuration of the present invention, the eddy current loss is suppressed, and the sufficient mechanical strength as a motor is ensured without increasing the outer diameter, and the internal loss torque and heat generation are small. A highly efficient small motor can be realized.
2,16,19,20 ハウジング
3 ステータ界磁コイル
4 インナーロータ
5 マグネット
6 回転軸
14a,14b… 磁性体リング
14,14’ 内層
15,18,22 外装ケース
2, 16, 19, 20 Housing 3
Claims (5)
前記ハウジングを、磁性体で、少なくとも軸方向に電気的絶縁部分を有する構造で構成した内層と、内層の周囲を囲んで該内層を一体的に保持する磁性体の外装ケースとから構成することを特徴とする小型モータ。 An inner rotor having a rotation shaft at the center of the magnet is rotatably arranged in a cylinder of a substantially cylindrical housing that forms a part of the magnetic circuit, and the inner wall of the housing is opposed to the magnet via a gap. A small motor in which a field coil is arranged,
The housing is composed of an inner layer made of a magnetic material and having a structure having an electrically insulating portion at least in the axial direction, and an outer case made of a magnetic material that surrounds the inner layer and integrally holds the inner layer. A small motor.
ハウジングの外径がφ12mm以下であることを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれかに記載の小型モータ。
An inner rotor having a rotation shaft at the center of the magnet is rotatably arranged in a cylinder of a substantially cylindrical housing that forms a part of the magnetic circuit, and the inner wall of the housing is opposed to the magnet via a gap. A small motor in which a field coil is arranged,
The small motor according to any one of claims 1 to 4, wherein an outer diameter of the housing is 12 mm or less.
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