JP2006238625A

JP2006238625A - 直流モータ

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Publication number: JP2006238625A
Application number: JP2005050584A
Authority: JP
Inventors: Kenji Narita; 憲治成田; Takushi Fujioka; 琢志藤岡; Yoichi Tanabe; 洋一田邉
Original assignee: Fujitsu General Ltd
Current assignee: Fujitsu General Ltd
Priority date: 2005-02-25
Filing date: 2005-02-25
Publication date: 2006-09-07
Anticipated expiration: 2025-02-25
Also published as: JP4702523B2

Abstract

【課題】アキシャギャップ型の直流モータにおいて、モータに最適なエアギャップを得ることができるようにする。
【解決手段】界磁の回転子２を中央に回転可能に支持し、回転子２の両側に電機子の固定子６，７を固定してなる。回転子２は、永久磁石１を固定子６，７のヨーク６ａ，７ａに対向して配置し、エアギャップ面を同一極にするとともに、固定子６側と固定子７側とで異極とする。固定子６，７は、ヨーク６ａ，７ａを円周方向に等間隔に複数リング状に配置し、ヨーク６ａ，７ａに内周側から外周側に渡ってトロイダル状の巻線４，５を施し、ヨーク６ａ，７ａの永久磁石１に対向する面およびその反対面に内周側から外周側に渡る溝を形成してこれにその巻線４，５の一部分を納めて、永久磁石１との間のエアギャップを所定に設定可能とする。
【選択図】図１

Description

本発明はブラシ／整流子（メカニカルインバータ）がなく、かつ半導体式インバータも必要としない単極の直流モータに関し、さらに詳しく言えば、回転子の界磁に永久磁石を用い、回転子の両側に電機子の固定子を配置したアキシャルギャップ型の直流モータに関するものである。

直流モータは、小形モータとして多方面へ利用されており、一般的な構成として例えば永久磁石を回転方向に配置した円板に対向してコイルを配置するようにしている。永久磁石はその磁界方向が各円板と直角になるように配置し、コイルはその電流方向がその磁界の中で直角になるように同コイルを設ける。すると、フレミンミングの左手の法則により、コイルには磁界の方向および電流の方向に対して直角となる方向に力が働く。

したがって、上記永久磁石を備えた円板を相対向してケースに固定すると、それらの間のコイルには円周方向に回転力が発生する。このコイル側を回転する例としては、ロータリー型アクチュエータに利用したものがある（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１の発明は、回転軸方向に着磁したステータ側を対向するようにケースに固定するとともに、これらステータの間にロータを配置している。ロータには巻線を施した中空状ボビンが回転軸に一体化されており、その中空には中間ヨークが収納されている。この中間ヨークの形状に特徴を持たせてアクチュエータとしている。

ところで、上記コイルを円周方向に配置してケースに固定すると、そのコイルに働く力が円板の永久磁石に作用し（反作用として働き）、上記円板が回転することから、例えばブラシレスＤＣモータとして利用することができる。その一例として特許文献２には、コイル側をケースに固定し、永久磁石を有する円板を回転可能とする単極の直流モータが提案されている。

特許文献２の発明は、モータ軸方向に単極に着磁したマグネットをロータ表面に固定し、このマグネットにより発生する磁束がステータのコイル部分と鎖交するようにコイル部を配置する。また、その磁束がステータコアおよび外輪ヨークを介してロータ側の戻るようにして、マグネットとステータ間の磁気回路を形成する。

これによれば、コイルに電流を流すとコイル部分には円周方向に力が働き、この力がロータに作用して回転力となる。特許文献２の発明では、そのコイル部分が分離したコアにコイルを巻線してステータ円周上に配置できるようにし、モータ巻線および組み立てを容易としている。
特開昭６０―１８７２５２号公報実開昭６２―８１４７６号公報

本発明が解決しようとする問題点は、ロータとステータの間の空隙（エアギャップ）がステータの巻線により左右されることから、モータに最適なエアギャップを得ることができないという点にある。

すなわち、特許文献１のアクチュエータでは、巻線が中空状ボビンに施してあるが、コイルの巻数を多くすると、エアギャップが広くなって不適切なものとなり、またエアギャップを優先すると、コイルの巻数が制限されるからである。特許文献２の直流モータにあっても、特許文献１と同じことが言える。また、特許文献２にあっては、マグネットによる主磁束がコイル部分とだけ鎖交するため、磁気回路の抵抗が大きく効率の点で好ましくない。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、界磁としての回転子と、電機子としての固定子とを対向させたアキシャルギャップ型の直流モータにおいて、モータの中央に永久磁石からなる界磁を配して回転子となし、上記回転子の両側面にそれぞれ電機子を配して固定子となし、上記回転子の界磁は、一方の固定子側と他方の固定子側を異極とした永久磁石を円周方向に配置して単極の磁界を形成し、上記２つの固定子の電機子は、電磁鋼板をモータ外周方向に積層して台形もしくは扇形に形成したヨークを円周方向に等間隔に配置し、上記ヨークの上記永久磁石に対向する面に内周側から外周側に渡って溝を形成し、上記溝内にトロイダル状の巻線を施してなり、上記各ヨークの溝の両側の歯のうち、相対向する反回転子側の２つの歯同士をバックヨークで接続して界磁磁束が閉じるように形成し、上記２つの固定子のヨークに施した巻線電流を逆向きに流し、回転子に面した巻線に流れる電流の向きを上記永久磁石による磁界に対して同じ直角の向きとして界磁の回転子に同一方向のトルクを発生させることを特徴としている。

請求項２に記載の発明は、上記請求項１において、上記相対向するヨークの反回転子側の２つの歯同士を接続するバックヨークを交差させ異なる位置の歯同士を接続することを特徴としている。

請求項３に記載の発明は、上記請求項１において、上記相対向するヨークの反回転子側の２つの歯同士を接続するバックヨークの一方を異なる位置の歯に接続するとともに、他方を隣接する歯に対向するヨークの歯に接続することを特徴としている。

本発明の直流モータは、回転子（ロータ）界磁に作用する固定子（ステータ）巻線の部部が固定子ヨークの溝に納めるようにしていることから、ロータ（永久磁石）とステータ（ティース）の間のエアギャップをモータ特性上最適なものとすることができ、回転ムラを抑えて低騒音、低振動の向上を図り、しかも電波雑音を抑えることができるという効果がある。

また、本発明による直流モータはインバータレス単極の直流モータとして利用でき、ブラシレスにより寿命が長く高信頼性が得られ、また、インバータレスであることからより一層のコスト低減が図れる。

本発明の直流モータは、磁極を回転軸の方向とした永久磁石を配した回転子と、この回転子の両側に永久磁石と対向して巻線をそれぞれヨークに施して配した２つの固定子とからなるが、少なくともそれらヨークの回転子面側に溝を形成して、その溝内にそれぞれ巻線の一部分を収容してなり、回転子と固定子との間のエアギャップをモータ特性上最適なものに決定可能とするとともに、インバータレス単極モータとしている。

図１は、本発明の単極の直流モータを示す概略的側断面図である。このアキシャルギャップ型の直流モータは、外周側に永久磁石１を配した円板状の回転子（ロータ）２を回転軸３に固定し、その回転子３の両側にそれぞれ電機子（巻線）４，５を配した固定子（ステータ）６，７を配置してなる。

界磁としてのロータ２について、ステータ６，７との間のエアギャップ面の永久磁石１は、一方の固定子に対向する磁極を同じ（例えばＳ極）とし、他方の固定子に対向する磁極を同じ（例えばＮ極）として単極の磁界を形成してなる。なお、その永久磁石１は巻線４，５の配置に応じて複数個にして円周方向に配してもよい。また、ロータ２は回転軸３に固定するが、この回転軸３は軸受部８，９を介して本体のケース１０に回転可能に支持してなる。

図２に示すように、電機子コアとしてのステータ６，７は、それら相対向して巻線４，５を円周方向に等間隔にそれぞれ２ｎ個（ｎ；２以上の正数）だけ配してなるが、電磁鋼板を回転軸３に対して直角方向に積層し、台形あるいは扇形としたヨーク６ａ，７ａをそれぞれ円周方向に等間隔に所定数配置し（例えば２ｎ（ｎ＝６）個をリング状に配列し）、これらヨーク６ａ，７ａに巻線（トロイダル状の巻線）４，５を施してなる。

この場合、各ヨーク６ａについて、円周方向に隣り合うヨーク６ａの２個づつをそれらの中央部で同円周方向にヨークで繋いでユニットコアとし、そのヨークにトロイダル状に巻線４を施して電機子巻線ユニット（固定子）を形成して、これを樹脂成形などによりリング状に組み立てる。なお、各ヨーク７ａについても、同様にしてリング状に組み立てるが、トロイダル状の巻線５については電流が巻線４と逆方向に流れるようにする。

各ヨーク６ａ，７ａが台形である場合、その上辺をモータ中心に向け、その底辺をモータ外周側に向け、そのヨーク６ａ，７ａが扇形である場合、その内周面をモータ中心に向け、その外周面をモータ外周側に向けることが好ましい。

また、各ヨーク６ａ，７ａの回転軸方向の両面がそれぞれ歯（ティース）Ａとなり、これら歯Ａのうち、ロータ２側の歯Ａ中央部には外周から内周に至る凹部の溝Ｂが回転中心に向けて形成してなり、これら溝Ｂは巻線４，５のうちロータ２側に対向する部分巻線が収まるように所定深さとする。なお、他の歯Ａの反ロータ側についても、溝Ｂを形成して巻線４，５を納め、各ヨーク６ａ，７ａの両面にはそれぞれ溝Ｂの両側に２つの歯Ａを形成する。

上記ロータ２を挟む形に配置したステータ６，７の外周側には、その外周側を覆うように断面コ字状のバックヨーク１１が設けてなり、永久磁石１による磁束は一方のステータヨーク、バックヨーク１１、他方のステータヨークを介して閉回路で流れる。

図３に示すように、バックヨーク１１は、平面から見たステータ６，７のＨ型ヨーク６ａ，７ａを交差させる形にするために、２つの主バックヨーク１１ａａ，１１ａｂと、同ヨーク６ａ，７ａの歯Ａ面に接続するとともに、その主バックヨーク１１ａａ，１１ａｂにそれぞれ連結する副バックヨーク１１ｂａ，１１ｂｂとからなり、これらがステータ６，７の外周に１２個配してなる。

例えば、副バックヨーク１１ｂａ，１１ｂｂは長方形の電磁鋼板を積層するが、ステータ６，７の歯Ａに合わせるとともに、ステータ６，７の外周側に主バックヨーク１１ａａ，１１ａｂの厚さ分長くする。主バックヨーク１１ａａ，１１ａｂは、各ヨーク６ａ，７ａの歯Ａ幅に合わせた直線的部分とロータ２に対応する領域で交差する直線的部分とからなり、また副バックヨーク１１ｂａ，１１ｂｂと同様に電磁鋼板を積層してもよい。このようにしてバックヨーク１１は断面コ字形状となって固定子６，７の外周側を覆う形にとする。

上記の交差とは、何れか一方の主バックヨークを他方のバックヨークの上とし、つまりその交差部分において例えば主バックヨーク１１ａｂを段階状に折り曲げて、主バックヨーク１１ａａがその折り曲げた部分を通り抜けるようにする。

主バックヨーク１１ａａ，１１ａｂを交差させる理由は、２つのステータ６，７の巻線４，５の電流が逆向きであるため、２つのステータヨークの反ロータ側を単にバックヨークで接続した場合、２つのステータ６，７の電機子によって発生する磁束が互いにキャセルしてトルクが低減するからである。

上記構成とした直流モータの動作を図４の部分断面図を参照して説明する。まず、ロータ２のマグネット磁束が同図の波線矢印に示すように流れ、つまりロータ２のステータ６側面がＳ極とし、ロータ２のステータ７側面がＮ極とし、また各ステータ６，７の巻線４０，５には同図の実線矢印に示すように、紙面上互いに逆向きに流れているものとする。

ロータ２の永久磁石１による磁束は、ステータ７のヨーク７ａ，副バックヨーク１１ｂ，主バックヨーク１１ａ，副バックヨーク１１ａ，ステータ６のヨーク６ａの順に通ってロータ２に達して電磁回路を形成する。このとき、巻線４について、ロータ２に面している巻線部分が永久磁石１による磁界内でその磁界方向に対して直角に位置することから、フレミングの左手の法則によりその巻線１には紙面に対して真上方向に磁気力が働く。

巻線５についても、同様にロータ２に面している巻線部分には紙面に対して真上方向の磁気力が働く。この場合、永久磁石１による磁束φと電機子巻線の電流Ｉとの間にはＦ（∝φ・Ｉ）なる力が発生する。ステータ６，７が本体のケース１０に固定されていることから、それらの同一方向の力に対して反対の力（反作用）がロータ２に作用し、ロータ２には反対向きの力が働き、このトルクが発生してロータ２が回転する。

各ステータ６，７側の巻線部分が、それぞれヨーク６ａ，７ａの溝Ｂに納められていることから、それらヨーク６ａ，７ａの溝Ｂを除く面がステータ６，７の歯Ａとなり、またそれら歯Ａにより永久磁石１による磁束の磁気回路の抵抗が小さくて済む。したがって、ロータ２と各ステータ６，７との間のエアギャップは、巻線４，５の巻数等に左右されることなく、モータ特性等に最適な距離に設定することができ、また効率の観点からも好ましい。

なお、上述したように、ステータ６，７をバックヨーク１１を介してケース１０に固定し、ロータ２を軸受部８，９を介してケース１０に回転可能に支持し、それら軸受部８，９はケース１０に保持することが好ましい。

図５は、上記実施例に示したバックヨーク１１の変形例を示す概略的平面図である。なお、図中、図３と同一部分には同一符号を付して重複説明を省略する。

この変形実施例では、各ステータ６，７のヨーク６ａ，７ａの反ロータ側の歯Ａを連結するバックヨークを交差させた場合と同じ効果を発揮するように、２つの主バックヨークのうち、一方の主バックヨーク２０ａｂを隣接するヨーク６ａに対向しているヨーク７ａの副バックヨーク１１ｂａに斜めに接続する。主バックヨーク２０ａａは、上記実施例の主バックヨーク１１ａａと同じ接続形状とする。

そして、上記主バックヨーク２０ａａ，２０ａｂを各ヨーク６，７に対応して１２個設けることにより、バックヨーク２０が形成される。２つの主バックヨーク２０ａａ，２０ａｂが交差せず全て斜めに配置されるため、製造の容易性からも好ましい態様である。

２つの電機子巻線４，５に直流電流を流すことにより、永久磁石１による界磁のロータ２には一方向のトルクが発生し、つまり１出力軸のインバータレス単極の直流モータ（例えばブラシレスＤＣモータ）を実現することができる。また、エアギャップについては、所定間隔に設定する際に永久磁石２の厚さを踏まえてエアギャップ長を決定することになるが、モータ特性に合わせて最適な値に決定することができる。

本発明によれば、直流モータを１出力軸インバータレス単極の直流モータとして利用でき、例えばエアコンのファンモータだけなく、他の暖房機器や空気清浄機等の種々の機器に利用することが可能である。

本発明の直流モータを示す概略的側断面図。図１に示す直流モータのステータの構成を説明する概略的正面図。図１に示す直流モータのステータの構成を説明する概略的平面図。図１に示す直流モータの動作を説明する概略的部分側断面図。本発明の変形例を示す概略的平面図。

符号の説明

１永久磁石
２回転子
３回転軸
４，５巻線
６，７固定子
５ａ，６ａヨーク
８，９軸受部
１１，２０バックヨーク
１１ａａ，１１ａｂ，２０ａａ，２０ａｂ主バックヨーク
１１ｂａ，１１ｂｂ副バックヨーク
Ａ歯
Ｂ溝

Claims

界磁としての回転子と、電機子としての固定子とを対向させたアキシャルギャップ型の直流モータにおいて、
モータの中央に永久磁石からなる界磁を配して回転子となし、上記回転子の両側面にそれぞれ電機子を配して固定子となし、
上記回転子の界磁は、一方の固定子側と他方の固定子側を異極とした永久磁石を円周方向に配置して単極の磁界を形成し、
上記２つの固定子の電機子は、電磁鋼板をモータ外周方向に積層して台形もしくは扇形に形成したヨークを円周方向に等間隔に配置し、上記ヨークの上記永久磁石に対向する面に内周側から外周側に渡って溝を形成し、上記溝内にトロイダル状の巻線を施してなり、
上記各ヨークの溝の両側の歯のうち、相対向する反回転子側の２つの歯同士をバックヨークで接続して界磁磁束が閉じるように形成し、
上記２つの固定子のヨークに施した巻線電流を逆向きに流し、回転子に面した巻線に流れる電流の向きを上記永久磁石による磁界に対して同じ直角の向きとして界磁の回転子に同一方向のトルクを発生させることを特徴とする直流モータ。
上記相対向するヨークの反回転子側の２つの歯同士を接続するバックヨークを交差させ異なる位置の歯同士を接続することを特徴とする請求項１に記載の直流モータ。
上記相対向するヨークの反回転子側の２つの歯同士を接続するバックヨークの一方を異なる位置の歯に接続するとともに、他方を隣接する歯に対向するヨークの歯に接続することを特徴とする請求項１に記載の直流モータ。