JP2006333584A - モータ - Google Patents

Abstract

【課題】コギングトルクを有効に低減し、かつ、歯の機械的強度の確保およびモータ効率の向上を同時に満足させる。
【解決手段】モータのシャフト７に固定され、シャフト７の軸方向に延びる５個のスロット９によって円周方向にほぼ等間隔に分離された５個の歯１１を持ち、該各歯１１に巻線が巻回されたモータコア８を有する回転子３と、モータケース４及びモータケース４の内周面に、歯１１の歯先１３の表面と対向し、且つ互いに対称な位置に固着された円弧状の２つの永久磁石５を有する固定子２とを備える。歯先１３の回転方向中央を挟んだ前後両側の位置には、シャフト７の軸方向に延びる溝１５を各々設ける。永久磁石５の円弧の角度αは１３５°であり、溝１５の位置は、モータコア８の回転中心Ｏから見て歯先中心１４から溝中心１６までの角度βが１２°である。
【選択図】図１

Description

本発明はモータに関するものであり、特に、モータのコギングトルクの低減化を図ったモータに関するものである。

従来、モータのシャフトに固定され、該シャフトの軸方向に延びる複数個のスロットによって円周方向にほぼ等間隔に分離された複数個の歯を持ち、該各歯に巻線が巻回されたモータコアを有する回転子と、モータケースおよび該モータケースの内側に上記歯の歯先表面と対向し、かつ互いに対称な位置に固定された円弧状の２つの永久磁石を有する固定子とを備えるモータがある。

ところが、このようにモータコアにスロットを有するモータでは、スロットのスリットが永久磁石の磁極境界部を横切る際に、透磁率が不連続に変化するため、いわゆるコギングと称される回転速度に同期した周波数のトルクむらが生ずる。このコギングトルクは、モータの駆動制御と高精度な回転駆動を図る上で大きな問題となっている。

そこで、このような構成のモータのコギングトルクを低減する方法として、各歯の歯先表面にシャフトの軸方向に延びる溝を設ける方法が知られている(例えば、特許文献１参照)。
特開昭６１−３０９４５号公報。

しかしながら、特許文献１記載の発明のモータの方法によれば、溝により歯の機械的強度が弱くなったり、磁束が通る磁路が狭くなるため有効磁束が減少する問題があった。また、コギングトルクの低減も十分であるとはいえない。

そこで、コギングトルクを有効に低減し、かつ、歯の機械的強度およびモータ効率を向上させるために解決すべき技術的課題が生じてくるのであり、本発明はこの課題を解決することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するために提案されたものであり、請求項１記載の発明は、モータのシャフトに固定され、該シャフトの軸方向に延びる５個のスロットによって円周方向にほぼ等間隔に分離された５個の歯を持ち、該各歯に巻線が巻回されたモータコアを有する回転子と、モータケースおよび該モータケースの内周面に、前記歯の歯先表面と対向し、かつ互いに対称な位置に固着された円弧状の２つの永久磁石を有する固定子とを備えるとともに、前記歯先の回転方向中央を挟んだ両側の位置に、前記シャフトの軸方向に延びる溝を各々設けたモータであって、前記永久磁石の円弧の角度が１３５°であり、前記溝の位置は、前記モータコアの回転中心から見て前記歯先の回転方向中央から溝中央までの角度が１２°であるモータを提供する。

この構成によれば、モータコアの回転中心から見て前記歯先の回転方向中央から溝中央までの角度が１２°としたことにより、コギングトルクが発生するタイミングで、モータコアと永久磁石との間に逆方向のトルクが発生し、このトルクでコギングトルクを相殺し、これによって、発生磁束の有効利用を確保しつつ、コギングトルクが大幅に低減する。

ここで、前記角度が１２°未満であれば、モータコアと永久磁石との間における逆方向のトルクの発生が所定値以下になり、逆に、１２°を越えると、逆方向のトルク値が過大に発生して、モータ効率を損ねる恐れがある。従って、前記角度は１２°に設定するものとする。

請求項２記載の発明は、請求項１において、上記歯先厚さをａ、上記溝の深さをｃとした場合に、前記歯先厚さａと前記溝の深さｃとの関係が（ａ:ｃ＝１０：１から１０：２）となるようにしたモータを提供する。

この構成によれば、前記歯先厚さａと溝の深さｃとの関係が（ａ:ｃ＝１０：１から１０：２）の範囲に設定したことにより、コギングトルクを有効に低減でき、歯の機械的強度維持およびモータ効率向上が図れる。

ここで、前記関係が（ａ:ｃ＝１０：１から１０：２）の範囲未満であれば、有効なコギングトルク低減効果が期待し難くなり、逆に、前記範囲を越えると、歯の機械的強度を損ねる恐れがある。従って、前記関係は（ａ:ｃ＝１０：１から１０：２）の範囲に設定するものとする。

請求項３記載の発明は、請求項１又は請求項２において、上記歯先間のスリット幅をｂ、上記溝の幅をｄとした場合に、上記歯先間のスリット幅ｂと前記溝の幅ｄとの関係が（ｂ：ｄ＝５：２から５：５）となるようにしたモータを提供する。

この構成によれば、コギングトルクを有効に低減し、かつ、歯の機械的強度確保およびモータ効率の向上が図れる。ここで、歯先間のスリット幅ｂと溝の幅ｄとの関係が（ｂ：ｄ＝５：２から５：５）の範囲未満であれば、有効なコギングトルク低減効果が期待し難くなり、逆に、前記範囲を越えると、発生磁束の有効利用及び歯の機械的強度を損ねる恐れがある。従って、前記関係は（ｂ：ｄ＝５：２から５：５）の範囲に設定するものとする。

請求項４記載の発明は、上記歯先厚さをａ、上記歯先間のスリット幅をｂ、前記溝の深さをｃ、前記溝の幅をｄとした場合に、前記歯先厚さａと前記溝の深さｃとの関係が（ａ:ｃ＝１０：２）であり、且つ、前記スリット幅ｂと前記溝の幅ｄとの関係が（ｂ＝ｄ）となるようにした請求項１記載のモータを提供する。

この構成によれば、歯の機械的強度を維持しつつ、コギングトルクの低減効果が最も有効に発生し、モータ効率を最も高くなる。これは、歯先厚さａ:溝の深さｃ＝１０：２とし、且つ、スリット幅ｂ＝溝の幅ｄとしたことにより、歯の機械的強度を確保しながら、コギングトルクの減殺作用が相乗的に発揮されることによるものと考えられる。実験によれば、コギングトルクは従来モータに比べ４４％以上低減した（図３参照）。

請求項５記載の発明は、請求項１，２，３または４において、上記溝の形状を側面視矩形状に形成したモータを提供する。

この構成によれば、溝の形状を側面視矩形状にすることにより、モータコアと永久磁石との間に逆方向のトルクがより有効に発生し、コギングトルクの相殺作用が一層効果的に発生する。

請求項６記載の発明は、請求項１，２，３または４において、上記溝の形状を側面視円弧状に形成したモータを提供する。

この構成によれば、溝の形状を側面円弧形状にすることにより、モータコアと永久磁石との間に逆方向のトルクがより有効に発生し、これによるコギングトルクの相殺作用が一層効果的に発生する。

請求項１記載の発明は、コギングトルクが発生するタイミングで、モータコアと永久磁石との間に逆方向のトルクを発生させて、このトルクでコギングトルクを相殺し、コギングトルクの低減が有効に図れるので、モータ効率を損ねることなく、モータの正確な駆動制御と高精度な回転駆動に寄与する。

請求項２記載の発明は、歯先厚さａと前記溝の深さｃとの関係を（ａ:ｃ＝１０：１から１０：２）の範囲に設定したことにより、請求項１記載の発明の効果に加えて、さらに歯の機械的強度の確保し、且つ、回転むらの発生を効果的に抑止して、モータの正確な駆動制御に資することができる。

請求項３記載の発明は、歯先間のスリット幅ｂと溝の幅ｄとの関係を（ｂ：ｄ＝５：２から５：５）にしたことにより、請求項１又は２記載の発明の効果に加えて、コギングトルクがより有効に低減し、歯の機械的強度の確保とモータ効率の一層の向上が同時に図れる。

請求項４記載の発明は、歯先厚さａ:溝の深さｃ＝１０：２とし、且つ、スリット幅ｂ＝溝の幅ｄとしたので、請求項１記載の発明の効果に加えて、有効磁束を減少させることなく、コギングトルクの低減効果が最も有効に発生し、モータ効率が最大になるという格別の効果がある。

請求項５記載の発明は、溝の形状が側面視矩形状であるので、請求項１，２，３または４記載の発明の効果に加えて、コギングトルクの打ち消し作用が効率良く生じ、モータの正確な駆動制御と高精度な回転駆動に一層寄与することができる。

請求項６記載の発明は、溝の形状が側面視円弧状であるので、請求項１，２，３または４記載の発明の効果に加えて、請求項５記載の発明と同様に、コギングトルクの打ち消し作用が効率良く生じ、モータの正確な駆動制御と高精度な回転駆動に一層寄与することができる。

以下、本発明に係るモータについて、好適な実施例をあげて説明する。コギングトルクを有効に低減し、かつ、歯の機械的強度およびモータ効率を向上させるという目的を、モータのシャフトに固定され、該シャフトの軸方向に延びる５個のスロットによって円周方向にほぼ等間隔に分離された５個の歯を持ち、該各歯に巻線が巻回されたモータコアを有する回転子と、モータケースおよび該モータケースの内周面に、前記歯の歯先表面と対向し、かつ互いに対称な位置に固着された円弧状の２つの永久磁石を有する固定子とを備えるとともに、前記歯先の回転方向中央を挟んだ前後の位置に、前記シャフトの軸方向に延びる溝を各々設けたモータであって、前記永久磁石の円弧の角度が１３５°で、前記溝の位置は前記モータコアの回転中心から見て前記歯先の回転方向中央から溝中央までの角度が１２°にしたことにより実現した。

図１は本発明のモータの内部を示す断面図である。図１において、本実施例のモータ１は、２磁極・５突極構造のブラシ付モータであり、固定子２と回転子３を有している。

固定子２は、モータケース４と、モータケース４の内周面に固着した１対の永久磁石５，５とを備えている。各永久磁石５は、モータケース４の内周面に倣った円弧状を成し、円周方向の角度、すなわち円弧の角度αは１３５°に形成されている。

そして、２つの永久磁石５，５は、モータケース４の内周面に外周面を対向させてそれぞれ配置し、かつ、永久磁石５，５の両端部との間に圧縮バネ６，６を各々介装し、この圧縮バネ６，６の反発力で、各永久磁石５，５の外周面がモータケース４の内周面に強く押し付けられ、互いに１８０°変位し、左右対称になった状態でモータケース４内に固着されている。

回転子３は、永久磁石５，５の内周面側に配設され、シャフト７と、該シャフト７に固着されたモータコア８等を有してなる。シャフト７は、図示しないが、モータケース４に対して回転可能に支持されている。また、シャフト７には、モータコア８の一端側となる位置に整流子(不図示)が配設され、この整流子の周囲に固定子２側から延びる給電ブラシ(不図示)が等分に配置されている。

モータコア８は、例えば珪素鋼板を積層して形成してなり、シャフト７の軸方向に延びる５個のスロット９，９…およびスリット１０，１０…を円周方向に沿って等分に設け、このスロット９，９…およびスリット１０，１０…により、円周方向に等分に分離された概略Ｔ字状の突極となる歯１１，１１…を５個、７５°間隔で設けている。各歯１１，１１…には導線を所定数巻回してなる、巻線としてのコイル１２が形成されている。コイル１２の両端は整流子に各々接続されており、該コイル１２に給電ブラシおよび整流子を介して、外部から駆動用の電流が供給されるようになっている。

また、永久磁石５，５と向かい合う歯１１の歯先１３の表面には、回転方向中央１４を挟んだ前後の位置に、シャフト７に沿って、すなわち軸方向に延びる溝１５，１５を各々設けている。なお、本実施例における各溝１５は、図２に示すように、モータコア８の中心Ｏから見て歯先１３の回転方向中央１４から溝１５の中央１６までの角度βが１２°であり、歯先１３の厚さをａ、歯先１３，１６間のスリット１０の幅をｂ、溝１５の深さをｃ、溝１５の幅をｄとした場合に、厚さａと深さｃの関係は(１０：２)、スリット１０の幅ｂと深さｃの関係は(ｂ＝ｄ)となるように設けている。

このような構成にすると、コギングトルクが発生するタイミングで、モータコア８と永久磁石５，５との間に逆方向のトルクが発生して、これによってコギングトルクを相殺し、歯１１の機械強度を低下させることなく、コギングトルクの低減を有効に図ることができる。

本発明の２極５スロットモータの作用・効果を確認するために、次の実施例を行った。その実施例について、以下詳しく説明する。

図３に示す実験結果は、溝幅ｄが1.4ｍｍ、溝深さｃが0.2ｍｍの溝１５，１５を有するモータコア８を作成し、このときのコギングトルクと従来の溝無しのモータコア８のコギングトルクと比較し、評価を行った結果である。なお、図３において、横軸はモータコア８(回転子３）の回転角度[deg]、縦軸はコギングトルク[gf・cm]である。図中、実線は本発明の実施例１の場合におけるモータコア８のコギングトルクの曲線、点線は従来の溝無しのモータコアのコギングトルクの曲線をそれぞれ示している。

これから明らかなように、本発明におけるモータの場合では、従来のモータの場合に比して、コギングトルクが小さく、４４％以上のコギング低減効果が有効に生じた。

図４に示す実験結果は、溝幅ｄが1.4ｍｍ、溝深さｃが0.1ｍｍの溝１５，１５を有する第１のモータコア８と、溝幅ｄが0.56ｍｍ、溝深さｃが0.2ｍｍの溝１５，１５を有する第２のモータコア８とを作成し、このときのコギングトルクと従来の溝無しのモータコア８のコギングトルクと比較し、評価を行った結果である。尚、図４において、横軸はモータコア８(回転子３）の回転角度[deg]、縦軸はコギングトルク[gf・cm]である。

図４中、実線は本発明の実施例２における第１のモータコア８を使用した場合でのモータコア８のコギングトルクの曲線、一点鎖線は本発明の第２のモータコア８を使用した場合でのモータコア８のコギングトルクの曲線、点線は従来の溝無しのモータコアのコギングトルクの曲線をそれぞれ示している。

これから明らかなように、本発明における第１のモータコア８および第２のモータコア８のいずれを使用したモータの場合でも、従来のモータの場合に比べて、コギングトルクが小さく、コギング低減が有効に図られていることが認められた。

以上述べたように、従来モータの寸法形状では、モータコアのスリット部がマグネット端部を通過する際、コギングトルクが大きく発生していたが、本実施例では、モータコア８の外周部に上記溝１５を設けることによって、コギングトルクが発生するタイミングで、逆方向のトルクを発生させて相殺し、コギングトルクを効果的に低減している。

従って、コギングトルクが有効に低減するので、歯の機械的強度確保およびモータ効率の向上を図ることができ、従来に比べ、モータの正確な駆動制御と高精度な回転駆動が可能になる。

上記した２極５スロットモータ構造では、溝１５の形状は、溝１５の形状が側面視矩形状のものを示したが、矩形に限ることなく、例えば、図５に示すように側面視円弧状のものであってもよい。

なお、本発明は、本発明の精神を逸脱しない限り種々の改変を為すことができ、そして、本発明が該改変されたものに及ぶことは当然である。

本発明のモータの内部構造を示す断面図。 同上モータの要部拡大図。 実施例１の実験結果を表す特性曲線図。 実施例２の実験結果を表す特性曲線図。 モータコアの変形例を示す側面図。

符号の説明

１ モータ
２ 固定子
３ 回転子
４ モータケース
５ 永久磁石
６ 圧縮バネ
７ シャフト
８ モータコア
９ スロット
１０ スリット
１１ 歯
１２ コイル
１３ 歯先
１４ 歯先の回転方向中央
１５ 溝
１６ 溝の中央

Claims (6)

1. モータのシャフトに固定され、該シャフトの軸方向に延びる５個のスロットによって円周方向にほぼ等間隔に分離された５個の歯を持ち、該各歯に巻線が巻回されたモータコアを有する回転子と、モータケースおよび該モータケースの内周面に、前記歯の歯先表面と対向し、かつ互いに対称な位置に固着された円弧状の２つの永久磁石を有する固定子とを備えるとともに、前記歯先の回転方向中央を挟んだ両側の位置に、前記シャフトの軸方向に延びる溝を各々設けたモータであって、
   前記永久磁石の円弧の角度が１３５°で、前記溝の位置は前記モータコアの回転中心から見て前記歯先の回転方向中央から溝中央までの角度が１２°であることを特徴とするモータ。
2. 上記歯先厚さをａ、上記溝の深さをｃとした場合に、前記歯先厚さａと前記溝の深さｃとの関係がａ:ｃ＝１０：１から１０：２となるようにしたことを特徴する請求項１記載のモータ。
3. 上記歯先間のスリット幅をｂ、上記溝の幅をｄとした場合に、上記歯先間のスリット幅ｂと前記溝の幅ｄとの関係がｂ：ｄ＝５：２から５：５となるようにしたことを特徴する請求項１又は２記載のモータ。
4. 上記歯先厚さをａ、上記歯先間のスリット幅をｂ、前記溝の深さをｃ、前記溝の幅をｄとした場合に、前記歯先厚さａと前記溝の深さｃとの関係がａ:ｃ＝１０：２であり、且つ、前記スリット幅ｂと前記溝の幅ｄとの関係がｂ＝ｄとなるようにしたことを特徴する請求項１記載のモータを提供する。
5. 上記溝の形状を側面視矩形状に形成したことを特徴する請求項１，２，３又は４記載のモータ。
6. 上記溝の形状を側面視円弧状に形成したことを特徴する請求項１，２，３又は４記載のモータ。
   
   

Images