JP2007104758A - 直流モータ - Google Patents

Abstract

【課題】電機子との対向平面において垂直方向に磁束が生じる平板形状のマグネットを使用しつつ、振動発生要因の一つであるコギングトルクを確実に低減できる直流モータを提供する。
【解決手段】電機子との対向平面において垂直方向に磁束が生じるように着磁された平板形状のマグネットをヨークの内側面に等角度間隔に並設して使用する場合、マグネット開角度（モータ軸中心におけるマグネット幅方向両端部間の中心角）とコギングトルクとの関係を検討し、その検討結果に基づいて、コギングトルクの低減が確実なマグネット開角度が３４．５°〜５２°内となるようにマグネットの幅寸法が設定される。
【選択図】図４

Description

本発明は、直流モータに関するものである。

振動対策と出力向上を目指した直流モータとして、例えば特許文献１に開示されているものがある。この直流モータは、固定子に設けるマグネットの個数を６個（固定子側の磁極数を６極）とし、電機子に設ける巻線の個数を８個（電機子側の磁極数を８極）として構成されている。また、整流子のセグメントの個数を２４個としており、電機子コアの対応するティースに８個の巻線がそれぞれ集中巻きにて巻装されるとともに所定のセグメントに接続され、各巻線が１つの閉ループを構成するように結線されている。

このような構成の直流モータにおいて更に低振動化したものが、例えば特許文献２に開示されている。この特許文献２の直流モータでは、ヨークが多角筒形状（文献２の図３）、若しくは多角筒形状に準じる筒形状（文献２の図１）に形成されることから、ハウジングが変形し難い形状となっている。つまり、電機子の回転時の磁気変動によるハウジングの変形が生じ難く、このハウジングの変形によるモータの振動が抑制される。

これに加え、マグネットの内側面（電機子との対向面）の円弧形状において、その円弧の曲率半径が電機子の外周面の曲率半径よりも大きく設定され、マグネットの周方向中央部から両端部に向かうほど電機子の外周面との距離（エアギャップ）が次第に大きくなるように構成されている。これによりコギングトルクが低減され、このことによってもモータの振動が抑制される。

また、マグネットの周方向中央部から両端部に向かうほど電機子の外周面との距離を次第に大きくするための目的とマグネットの形成を容易とする目的とから、マグネットを平板形状とすることも考えられる。この平板状のマグネットを上記した多角筒形状のヨークの平面部分にそれぞれ固着することで、モータの低振動化とマグネットの形成容易化が可能となる。
特開２００４−８８９１５号公報 特開２００５−２０９１４号公報

ところで、マグネットを平板形状とした場合、マグネットの電機子との対向平面において垂直方向に磁束が生じるように着磁するのが容易であり一般的である。そのため、マグネットを幅方向（モータの周方向）に延出し、隣接するマグネットと近接配置するほど（軸中心角が６０°に近づくほど）、隣接するマグネットの幅方向端部の磁束が相互にオーバーラップし、これにより振動発生要因の一つであるコギングトルクが逆に増加してしまう。

そこで、マグネットの対向平面のいずれにおいても磁束が軸中心に向くように着磁して、隣接するマグネットの幅方向端部の磁束が相互にオーバーラップしないようにすることが考えられるが、この場合、マグネットの中央部から端部となるほど磁束の向きを次第に内側に変化させるように着磁する必要があり、着磁が煩雑となってしまう。

これに対し、垂直方向に磁束が生じるように着磁された平板形状のマグネットを使用しつつ該マグネットを幅方向に十分に小さく形成すれば、隣接するマグネットの幅方向端部の磁束が相互にオーバーラップすることを防止できるが、これによりコギングトルクが確実に低減するかは不明である。また、マグネットを幅方向に小さく形成すると、磁束量も小さくなるため、モータ出力が低下することも懸念される。

つまり、このような平板形状のマグネットを使用した場合に、マグネットの幅寸法をどの程度に設定すればよいかが不明であり、マグネットの幅寸法を好適な寸法に設定することが望まれている。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、第１の目的は、電機子との対向平面において垂直方向に磁束が生じる平板形状のマグネットを使用しつつ、振動発生要因の一つであるコギングトルクを確実に低減することができる直流モータを提供することにある。また、第２の目的は、第１の目的に加え、十分な磁束量を確保しモータ出力を向上することができる直流モータを提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、６個の平板形状のマグネットをヨーク内側面に等角度間隔に並設されてなる固定子と、２４個のセグメントを有する整流子を備え、電機子コアの対応するティースに８個の巻線をそれぞれ集中巻きにて巻装するとともに所定のセグメントに接続し、各巻線が１つの閉ループを構成するように結線されてなる電機子と、前記整流子の所定のセグメントに摺接する陽極側及び陰極側給電ブラシと、を備え、前記給電ブラシから前記整流子を通じて供給される駆動電源に基づいて前記電機子が回転するように構成される直流モータであって、前記マグネットは、前記電機子との対向平面において垂直方向に磁束が生じるように着磁されてなり、モータ軸中心における幅方向両端部間の中心角が３４．５°〜５２°に設定されてなることをその要旨とする。

同構成によれば、電機子との対向平面において垂直方向に磁束が生じるように着磁された平板形状のマグネットをヨーク内側面に等角度間隔に並設して使用する場合、各マグネットは、モータ軸中心における幅方向両端部間の中心角（以下、マグネット開角度という）が３４．５°〜５２°となるように構成される。このマグネット開角度とコギングトルクとの関係を検討した結果（図４参照）、このマグネット開角度の範囲内では、コギングトルクが確実に低減される。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の直流モータにおいて、前記マグネットは、更に、モータ軸中心における前記幅方向両端部間の中心角が３５．５°〜５２°に設定されてなることをその要旨とする。

同構成によれば、マグネット開角度が３５．５°〜５２°に設定されることで、このマグネット開角度と、コギングトルク及び磁束量との関係を検討した結果（図４参照）、このマグネット開角度の範囲内では、コギングトルクの低減とともに、十分な磁束量が得られる。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の直流モータにおいて、前記マグネットは、更に、モータ軸中心における前記幅方向両端部間の中心角が４０°〜５２°に設定されてなることをその要旨とする。

同構成によれば、マグネット開角度が４０°〜５２°に設定されることで、このマグネット開角度と、コギングトルク及び磁束量との関係を検討した結果（図４参照）、このマグネット開角度の範囲内では、コギングトルクの低減とともに、より十分な磁束量が得られる。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の直流モータにおいて、前記マグネットは、更に、モータ軸中心における前記幅方向両端部間の中心角が４４°〜４６．５°に設定されてなることをその要旨とする。

同構成によれば、マグネット開角度が４４°〜４６．５°に設定されることで、このマグネット開角度と、コギングトルク及び磁束量との関係を検討した結果（図４参照）、このマグネット開角度の範囲内では、コギングトルクの十分な低減とともに、より十分な磁束量が得られる。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の直流モータにおいて、前記ヨークは、多角筒形状に形成され、前記マグネットは、前記ヨークの平面部分に固着されてなることをその要旨とする。

同構成によれば、ヨークを多角筒形状、例えば六角筒形状とし、その平面部分に平板形状のマグネットを固着することから、平板形状のマグネットの固着が容易であり、またヨークの形状が単純でその形成が容易である。また、ヨークの外側面も平面となるため、モータを設置し易い。

従って、本発明によれば、電機子との対向平面において垂直方向に磁束が生じる平板形状のマグネットを使用しつつ、振動発生要因の一つであるコギングトルクを確実に低減することができる直流モータを提供することができる。また、十分な磁束量を確保可能なマグネット開角度となるようにマグネットを構成することで、モータ出力を向上することができる。

以下、本発明を具体化した一実施の形態を図面に従って説明する。
図１に示すように、本実施形態の直流モータ１０１は、固定子１０２と該固定子１０２に対して回転する電機子１０３とを備えている。固定子１０２は、六角筒形状のヨーク１０４と、該ヨーク１０４の各平面部分の内周面にそれぞれ固着され等角度間隔に並設される６個の平板形状（直方体形状）のマグネット１０５とを備えてなる。本実施の形態のマグネット１０５は、ネオジ磁石にて形成されており、図２に示すように、電機子１０３との対向平面１０５ａにおいて垂直方向に磁束が生じるように着磁されている。そして、この固定子１０２のマグネット１０５の内側には、電機子１０３が回転可能に収容されている。

電機子１０３は、回転軸１０６と、放射状に延びる８つのティースＴ１〜Ｔ８を有し回転軸１０６に固定される電機子コア１０７と、各ティースＴ１〜Ｔ８に集中巻きにて巻装されてなる８個の巻線Ｍ１〜Ｍ８とを備えている。因みに、ティースＴ１〜Ｔ８間には、スロットＳ１〜Ｓ８が形成されている。

また、電機子１０３には、外周面に２４個のセグメント１〜２４が周方向に並設され回転軸１０６に固定される整流子１０８が備えられている。ここで、図３（ａ）に示すように、巻線Ｍ１の両端子は隣接のセグメント２，３にそれぞれ接続され、巻線Ｍ２の両端子は巻線Ｍ１が接続されるセグメント２，３に対し１つのセグメント４を置いた隣接のセグメント５，６にそれぞれ接続されている。巻線Ｍ３の両端子は巻線Ｍ２が接続されるセグメント５，６に対し１つのセグメント７を置いた隣接のセグメント８，９にそれぞれ接続されるというようにこれを繰り返し、各巻線Ｍ１〜Ｍ８は対応するセグメントにそれぞれ接続されている。整流子１０８のセグメント１〜２４は、更に、セグメント１，９，１７の組やセグメント５，１３，２１の組というように、１２０°間隔に配置されるセグメント同士が短絡されて同電位とされている。そして、図３（ｂ）に示すように、巻線Ｍ１〜Ｍ８は、１つの閉ループを構成するように結線されている。

整流子１０８のセグメント１〜２４には、互いに１８０°間隔に配置され回転軸１０６を挟んで対向する陽極側給電ブラシ１０９ａと陰極側給電ブラシ１０９ｂとが摺接する。そして、各給電ブラシ１０９ａ，１０９ｂは、外部からの電源供給に基づいて整流子１０８を通じて電機子１０３（巻線Ｍ１〜Ｍ８）に給電を行い、モータ１０１が回転駆動するように構成されている。

このような構成の直流モータ１０１において、上記した平板形状のマグネット１０５の幅寸法、この場合、モータ軸中心Ｏにおけるマグネット１０５の幅方向両端部間の中心角θ（本実施の形態では、マグネット開角度θという）について検討してみた。因みに、本実施の形態で用いるマグネット１０５は６個なので、個々のマグネット１０５におけるマグネット開角度θの最大値は６０°である。そのため、マグネット開角度θを最大６０°まで変化させた場合、その最大６０°における磁束量及びコギングトルクを１００％とすると、各マグネット開角度θにおける磁束量及びコギングトルクは図４に示すように変化する。

詳述すると、マグネット開角度θを３４°付近から増加させると、その増加に伴ってコギングトルクは減少し、３４．５°にて１００％以下となり、３６°において極小値３０％となる。マグネット開角度θが３６°を超えると４０°までコギングトルクが一旦増加し、該４０°にて極大値８０％となる。マグネット開角度θが４０°を超えると４５°までコギングトルクが再び減少する。

マグネット開角度θが４５°になると、コギングトルクが最小値１０％となり、該４５°を超えるとコギングトルクが再び増加する。このとき、マグネット開角度θが４４°から４６．５°の範囲においては、コギングトルクが上記極小値の３０％以下となる。マグネット開角度θが５２°になると、コギングトルクが１００％を超え、その後、極大値を迎えて、６０°にてコギングトルクが１００％となる。

一方、磁束量については、マグネット開角度θを３４°付近から増加させると、その増加に伴って磁束量も増加し、３５．５°において磁束量が１００％を超える。マグネット開角度θが４８°になると、磁束量が最大値１０５％となり、該４８°を境に減少に転じる。そして、マグネット開角度θが６０°において、磁束量が１００％となる。

このような検討結果に基づいて、マグネット１０５におけるマグネット開角度θが３４．５°〜５２°の範囲内では、コギングトルクが１００％以下に低減される良好な範囲であることがわかった。

また、マグネット開角度θが３５．５°〜５２°の範囲内では、コギングトルクが低減されつつ、磁束量も１００％を超えるより良好な範囲であることがわかった。
また、マグネット開角度θが４０°〜５２°の範囲内では、コギングトルクが低減されつつ、磁束量が最大値を含む高い水準で十分に得られるより一層良好な範囲であることがわかった。

この範囲の中でも、マグネット開角度θが４４°〜４６．５°の範囲内においては、磁束量を最大値に近い高い水準で十分に得ることができながらも、コギングトルクが最も低い水準に低減でき、コギングトルク低減の観点からは望ましい範囲であることがわかった。

これらを踏まえ、本実施の形態の直流モータ１０１では、上記したマグネット開角度θからマグネット１０５の幅寸法が設定され、コギングトルクの低減と磁束量の増大が図られている。これにより、本実施の形態では、モータ１０１の低振動化と高出力化が図られている。

次に、本実施の形態の特徴的な作用効果を記載する。
（１）本実施の形態では、電機子１０３との対向平面１０５ａにおいて垂直方向に磁束が生じるように着磁された平板形状のマグネット１０５をヨーク１０４の内側面に等角度間隔に並設して使用する場合、マグネット開角度θと、コギングトルク及び磁束量との関係を検討した。その検討結果である図４に基づいて、本実施の形態では、マグネット開角度θが図４に示す好適な範囲内となるようにマグネット１０５の幅寸法が設定されている。従って、コギングトルクを確実に低減でき、しかも十分な磁束量を得ることができる。そのため、モータ１０１の低振動化と高出力化を確実に行うことができる。

（２）本実施の形態では、ヨーク１０４を六角筒形状とし、その平面部分に平板形状のマグネット１０５を固着することから、平板形状のマグネット１０５の固着が容易であり、またヨーク１０４の形状が単純でその形成が容易である。また、ヨーク１０４の外側面も平面となるため、モータ１０１を設置し易い。

尚、本発明の実施の形態は、以下のように変更してもよい。
・上記実施の形態では、ヨーク１０４を六角筒形状としたが、他の多角筒形状としてもよい。例えば、マグネット１０５の幅と同等に設定した平面部分が１つ置きに設けられる十二角筒形状にヨークを構成してもよい。つまり、上記実施の形態によればマグネット１０５間には隙間が生じるため、マグネット１０５を固着する平面部分の幅を該マグネット１０５と同等とすれば、その平面部分間に位置する平面部分がマグネット１０５の幅方向端部に当接し、マグネット１０５を容易に位置決めできる。またこれに限らず、ヨークを多角筒形状以外の形状としてもよい。また、図１のようにヨーク１０４の厚みを周方向において均一としたが、例えばマグネット１０５が固着される平面部分を薄くし、角部を肉厚としてもよい。

・上記実施の形態では、整流子１０８において１２０°間隔に配置されるセグメント同士を短絡して同電位とし、給電ブラシ１０９ａ，１０９ｂの数を１組としたが、同電位となるセグメントに対し給電ブラシを配置可能であるため（最大３組）、給電ブラシの個数はこの範囲で適宜変更してもよい。また、ブラシの配置も１２０°間隔で選択可能である。因みに、給電ブラシを最大３組とした場合には、セグメントの短絡を行う必要がないため、短絡に関する部材を省略できる。

・上記実施の形態では、マグネット１０５をネオジ磁石にて形成したが、フェライト磁石等、その他の磁石にて形成してもよい。

本実施の形態における直流モータの断面図である。 平板形状マグネットを説明するための説明図である。 （ａ）はモータの電気的構成を示す展開図であり、（ｂ）は巻線の結線状態を示す回路図である。 マグネット開角度と、コギングトルク及び磁束量との関係を説明するための説明図である。

符号の説明

１〜２４…セグメント、１０２…固定子、１０３…電機子、１０４…ヨーク、１０５…マグネット、１０５ａ…対向平面、１０７…電機子コア、１０８…整流子、１０９ａ，１０９ｂ…給電ブラシ、Ｔ１〜Ｔ８…ティース、Ｍ１〜Ｍ８…巻線。

Claims (5)

1. ６個の平板形状のマグネットをヨーク内側面に等角度間隔に並設されてなる固定子と、
   ２４個のセグメントを有する整流子を備え、電機子コアの対応するティースに８個の巻線をそれぞれ集中巻きにて巻装するとともに所定のセグメントに接続し、各巻線が１つの閉ループを構成するように結線されてなる電機子と、
   前記整流子の所定のセグメントに摺接する陽極側及び陰極側給電ブラシと、
   を備え、前記給電ブラシから前記整流子を通じて供給される駆動電源に基づいて前記電機子が回転するように構成される直流モータであって、
   前記マグネットは、前記電機子との対向平面において垂直方向に磁束が生じるように着磁されてなり、モータ軸中心における幅方向両端部間の中心角が３４．５°〜５２°に設定されてなることを特徴とする直流モータ。
2. 請求項１に記載の直流モータにおいて、
   前記マグネットは、更に、モータ軸中心における前記幅方向両端部間の中心角が３５．５°〜５２°に設定されてなることを特徴とする直流モータ。
3. 請求項２に記載の直流モータにおいて、
   前記マグネットは、更に、モータ軸中心における前記幅方向両端部間の中心角が４０°〜５２°に設定されてなることを特徴とする直流モータ。
4. 請求項３に記載の直流モータにおいて、
   前記マグネットは、更に、モータ軸中心における前記幅方向両端部間の中心角が４４°〜４６．５°に設定されてなることを特徴とする直流モータ。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の直流モータにおいて、
   前記ヨークは、多角筒形状に形成され、
   前記マグネットは、前記ヨークの平面部分に固着されてなることを特徴とする直流モータ。

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