JP2007189875A - 電動モータ - Google Patents

Abstract

【課題】モータの体格増加を招来することなく、モータシャフトへの漏洩磁束を抑え、電動モータの鉄損を低減させる。
【解決手段】マグネット８を備えるステータ２１と、ステータ２１内に配置されたアーマチュア９とを備えるモータ部２において、アーマチュアコア１３が固定されるモータシャフト１０の外周部に渦電流抑止用の横溝３１を凹設する。横溝３１は、モータシャフト１０の全周に亘って周方向に形成され、その断面Ｚはモータシャフトの中心軸Ｏと直角に交差している。横溝３１により、マグネット８からの漏洩磁束によってモータシャフト１０内に発生する渦電流の経路が切断され、渦電流の発生が抑制され、モータ部２の鉄損が低減する。
【選択図】図２

Description

本発明は、電動モータにおける鉄損低減に関し、特に、モータシャフトへの漏洩磁束の低減構造に関する。

一般に、電動モータの鉄損には、（１）コア部で発生する鉄損、（２）マグネット等で発生する鉄損、（３）漏洩磁束によって発生する鉄損の三種が存在する。これらの鉄損のうち、コア部やマグネット等での鉄損は、積層コアを使用するなど、従来より様々な低減の試みが為されている。これに対し、漏洩磁束による鉄損は、元々その割合が少なかったこともあり、それ自体は余り注目されてこなかった。しかしながら、低鉄損磁性材料の開発や、種々の鉄損低減手段の採用により、コア部で発生する鉄損が低減されてくると、漏洩磁束による鉄損も無視できない存在となってきた。

漏洩磁束の中でも特にシャフト部への漏洩磁束は、近年のモータ小型化の取り組みにより増加傾向にある。すなわち、電動モータの小型化に伴い、コア等の磁気回路に余裕がなくなると磁気回路が高磁束密度化し、その分、シャフト部への漏洩磁束量も増加し、このシャフト部への漏洩磁束による渦電流発生が鉄損増加の一因となる。通常、コア部での渦電流発生に対しては、図１１に示すように、モータコア５１を積層化して渦電流が流れる経路を切断する手法が取られる。ところが、モータシャフト（シャフト部）５２は、一体の鉄棒で構成されているため、僅かな漏洩磁束でも大きな渦電流（破線）が流れてしまう。

図１２は、漏洩磁束の有無による渦電流損失の違いを示す説明図であり、図１２に示すように、シャフト部への漏洩磁束が存在すると、渦電流損失が約７０％（係数比）増加する。特に、２極機のように極が対向位置に存在する電動モータでは、コア鉄心部での磁束密度に関わらず、磁束が最短距離を流れようとするため、シャフト部に磁束が流れて（漏洩して）しまい、渦電流増加を引き起こす傾向が強い。
特開平5-103448号公報

そこで、このようなシャフト部への漏洩磁束を抑えるためには、コア鉄心部に余裕を持たせ、鉄心部分に磁束が流れるように構成することが必要となる。しかしながら、モータ外径を同等に抑えつつ、コア鉄心部に余裕を持たせるためには、その分、シャフトを細くする必要が生じる。シャフト径を小さくすると、それに伴ってシャフトの剛性が低下するのは避けられず、振動が増大したり、作動音が悪化したりするなどの問題が生じるおそれがある。これに対し、シャフトの剛性を確保しつつ漏洩磁束を抑えると、どうしてもモータ体格が大きくなり、モータ小型化の要請に反することになる。

本発明の目的は、モータの体格増加を招来することなく、モータシャフトへの漏洩磁束を抑え、電動モータの鉄損を低減させることにある。

本発明の電動モータは、界磁用マグネットを備えるステータと、前記ステータ内に配置され、コイルが巻装されるアーマチュアコアと、前記アーマチュアコアが固定されるモータシャフトとを備えるアーマチュアと、前記モータシャフトの外周部に凹設された渦電流抑制手段とを有することを特徴とする。

本発明にあっては、モータシャフトに渦電流抑制手段を設けることにより、モータシャフト内における渦電流の経路が遮断される。このため、界磁用マグネットの漏洩磁束によってモータシャフト内に発生する渦電流を抑制することができ、渦電流による鉄損が低減し、モータ効率の低下が抑えられる。また、モータシャフトに渦電流抑制手段を設けたので、モータ外径の増加やシャフト径の縮小を招来することなく、鉄損の低減が図られる。

前記電動モータにおいて、前記渦電流抑制手段として、前記モータシャフトの外周部に、周方向に沿って渦電流抑止溝を形成しても良い。この場合、前記渦電流抑止溝として、前記モータシャフトの外周に全周に亘って横溝を形成しても良く、この横溝の断面を前記モータシャフトの中心軸と直角に交差するように設けても良い。また、前記渦電流抑止溝として、前記モータシャフトの外周に軸方向に沿って延伸する螺旋溝を形成しても良い。

本発明の電動モータによれば、界磁用マグネットを備えるステータと、ステータ内に配置され、コイルが巻装されるアーマチュアコアとアーマチュアコアが固定されるモータシャフトとを備えるアーマチュアとを有するモータにて、モータシャフトの外周部に渦電流抑制手段を凹設したので、モータシャフト内における渦電流の経路が遮断され、界磁用マグネットの漏洩磁束によってモータシャフト内に発生する渦電流を抑制することができる。従って、渦電流による鉄損を低減させることができ、モータ効率の低下を抑えることが可能となる。

また、モータシャフトに渦電流抑制手段を設ける構成のため、モータ外径の増加やシャフト径の縮小を招来することなく鉄損を低減させることができる。このため、モータ体格の増大やシャフト剛性の低下を伴うことなく、鉄損低減が図られると共に、振動の増大や作動音の悪化を防止することも可能となる。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は本発明の実施例１である電動モータを用いたモータユニットの構成を示す断面図である。図１のモータユニット１は、自動車のパワーウインド装置の駆動源として使用され、モータ部（電動モータ）２と減速機構部３とから構成されている。モータ部２の回転出力は、減速機構部３にて減速され、出力軸４から出力される。出力軸４には、図示しない回転ドラムが取り付けられ、回転ドラムに巻装されたワイヤによってウインドガラスが上下にスライド移動する。

モータ部２には、有底形状のヨーク５が設けられている。ヨーク５は鉄等の磁性体にて形成され、モータハウジングを兼ねている。ヨーク５は、減速機構部３のギヤハウジング６にねじ７にて固定される。ヨーク５の内周面には、界磁用のマグネット８が２個取り付けられている。マグネット８は、対向する内面側の極性が互いに異なるように着磁されており、ヨーク５とマグネット８によりステータ２１が形成される。マグネット８の内側には、アーマチュア９が回転自在に配置されている。アーマチュア９にはモータシャフト１０が取り付けられており、モータシャフト１０は軸受１１ａ,１１ｂによって回転自在に支持されている。軸受１１ａはヨーク５の底部に、軸受１１ｂはギヤハウジング６にそれぞれ取り付けられている。

アーマチュア９は、複数のスロット１２が形成されたアーマチュアコア１３を有している。アーマチュアコア１３はモータシャフト１０に固定されており、スロット１２間にはアーマチュアコイル１４が巻装されている。アーマチュアコア１３の図中左側には、コンミテータ１５が配設されている。コンミテータ１５もモータシャフト１０に固定されており、その外周には複数の整流子片１６が固定されている。各整流子片１６は、アーマチュアコイル１４に接続されており、その外周にはブラシ１７が摺接している。ブラシ１７は、ギヤハウジング６に固定されたブラシホルダ１８に収容されており、図示しないスプリングによって整流子片１６に向けて付勢されている。ブラシ１７は導電部１９を介してコネクタ２０に接続されている。

減速機構部３のギヤハウジング６内には、モータシャフト１０が突出している。モータシャフト１０の先端部にはウォーム２２が形成されており、ウォームホイール２３と噛合している。ウォームホイール２３は出力軸４に固定されており、ギヤハウジング６に形成されたギヤ室６ａに収容されている。モータ部２の回転出力は、ウォーム２２とウォームホイール２３によって減速され、出力軸４から出力される。ギヤ室６ａの外側にはギヤカバー２４が取り付けられている。

図２は、アーマチュア９の構成を一部破断して示した説明図である。本発明を適用したモータ部２では、図２に示すように、モータシャフト１０の外周部に周方向に沿って横溝（渦電流抑制手段，渦電流抑止溝）３１が１個凹設されている。横溝３１はモータシャフト１０の全周に亘って形成されており、アーマチュアコア１３の軸方向略中央部に配設されている。横溝３１の断面Ｚは、モータシャフト１０の中心軸Ｏに直角に交差しており、その外径Ｄ_１は、モータシャフト１０の外径Ｄ_０よりも小さくなっている（Ｄ_１＜Ｄ_０）。横溝３１の外径Ｄ_０は、以下の式により決定することができる。

δは表皮厚さを表し、モータの使用回転数（周波数）によって変化する。このため、Ｄ_０はモータ定格回転数、あるいは使用回転数範囲を考慮し、設定される。

ここで、モータシャフト１０の漏洩磁束による渦電流は、図１０に示すように、主として軸方向に沿って流れ、特に、軸の表面に沿って多く流れる。このため、モータシャフト１０では、横溝３１による段差によって、図１０のような渦電流の経路が遮断される。すなわち、モータシャフト１０に横溝３１を形成し、それを図２のようにアーマチュアコア１３の内側に配すると、モータシャフト１０内の渦電流経路が切断され、モータシャフト１０に発生する渦電流を低減することが可能となる。このため、たとえモータシャフト１０に漏れ磁束が通ったとしても、渦電流による鉄損を低減させることができ、モータ効率の低下を抑えることが可能となる。

また、モータ部２では、モータシャフト１０に横溝３１を形成するという構成のため、モータ外径が増加したり、シャフト径を縮小させたりする必要がない。このため、モータ体格の増大やシャフト剛性の低下を伴うことなく、鉄損の低減を図ることができる。従って、モータ小型化の要請に反することなく鉄損低減が図られ、しかも、シャフト剛性も確保されることから、モータ部２の振動の増大や作動音の悪化も防止できる。

一方、図２では、モータシャフト１０に横溝３１を１個形成したものを示したが、横溝の数は１個には限定されず、それを複数個設けても良い。図３は、モータシャフト１０に横溝３１を３個形成した変形例を示す斜視図である。図３のものでは、横溝３１が軸方向に３個（３１ａ〜３１ｃ）形成されている。このように、横溝３１を複数個設けることにより、モータシャフト１０内の渦電流経路がより細かく切断され、鉄損低減効果をさらに向上させることが可能となる。但し、横溝３１の外径や深さ、幅に関しては、有効磁束量を低下させない程度に調節する必要があり、例えば、軸方向長３０mm程度のアーマチュアコア１３に対しては、前述の外径で幅３mm程度の溝を２〜４箇所程度設けることが好ましい。

図４,５は、図３のように横溝３１を３個形成した場合の渦電流損失を従来の電動モータ（溝なし）と比較して示したグラフである。図４は回転角度と渦電流損失との関係、図５は従来の電動モータを１００％とした場合の渦電流損失平均値をそれぞれ示している。ここでは、Ｄ_０＝７mmのモータシャフト１０にＤ_１＝６.５mm，幅３mmの横溝を形成した。なお、モータの仕様は、外径約３０mm、軸方向長約２５mm、１２Ｖ、３０Ｗ程度である。発明者らの実験によれば、横溝３１を複数個（３個）設けた仕様の場合、図４に示すように、渦電流損失が７０〜８０％程度に低減した。また、渦電流損失平均値も３０％低減した。これは、横溝３１によってモータシャフト１０に発生する渦電流が低減した結果と考えられ、横溝３１を設けることにより鉄損低減が図られることが確認された。

一方、図６は、従来の電動モータ（溝なし）、横溝１個（溝ありＡ：実施例１）、横溝３個（溝ありＢ：実施例１の変形例）及び縦溝の各モデルにおける溝体積((a))、有効磁束及び「溝なし」モデルとそれ以外のモデルとの有効磁束比((b))を示す表である。また、図７は、各モデルにおける回転角度と渦電流損失との関係を示すグラフである。この場合、「縦溝」のモデルは、図８,１０のような形態となっており、モータシャフト１０に、軸方向に沿ってスプライン状に縦溝３２が形成されている。図９に示すように、縦溝３２は角度５°ピッチにて形成され、溝の深さは約０.５mmとなっている。

図６(b)に示すように、有効磁束は、「溝ありＢ」では０.９％、「縦溝」では０.８％減少したが、これらは「溝なし」の場合とほぼ同様と言える。一方、渦電流損失は、「溝ありＡ,Ｂ」は何れも「溝なし」より減少し、Ａ,Ｂ間では、ＡよりＢの方が損失が少ない。これに対して、「縦溝」は渦電流が却って高くなる傾向が見られた。従って、渦電流低減のためには、横方向に溝を形成する方が効果が高く、さらに、横溝も１個よりも複数個の方が効果が高いことが分かった。

次に、本発明の実施例２である電動モータについて説明する。図１０は、本発明の実施例２である電動モータのアーマチュア構成を一部破断して示した説明図である。実施例２の電動モータは、図１０に示したアーマチュア３３以外の部分は実施例１のモータ部２と同様であり、ここでは、アーマチュア３３部分についてのみ説明する。なお、以下の実施例では、実施例１と同様の部材、部分については同一の符号を付し、その説明は省略する。

実施例２のアーマチュア３３では、モータシャフト１０の外周に軸方向に沿って延伸する螺旋溝（渦電流抑制手段，渦電流抑止溝）３４が形成されている。螺旋溝３４は、モータシャフト１０の外周面に巻き付くような形で形成され、アーマチュアコア１３の全長に亘って（ここでは、全長を超えて）配設されている。このような螺旋溝３４をモータシャフト１０に形成すると、軸方向に流れるモータシャフト１０内の渦電流は、その経路が細かく切断される。従って、モータシャフト１０に発生する渦電流を低減させ、モータ効率の低下を防止することが可能となる。また、この場合も、モータ外径の増大やシャフト径の縮小を招来することなく、鉄損の低減を図ることができ、モータ小型化の要請に反することなく、シャフト剛性を確保しつつ、モータ部２の振動や作動音の低減が可能となる。

本発明は前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
例えば、前述の実施例では、自動車のパワーウインド装置の駆動源として使用する電動モータを例に挙げたが、本発明の電動モータの用途はそれには限定されず、ワイパ装置やパワースライドドアなどの車載電装製品の駆動源や、その他の電気製品に使用することも可能である。また、渦電流抑制手段の形状には特に制約はなく、断面が半円形や三角形等の横溝や、図１０よりも幅広の螺旋溝なども採用でき、さらに、円形の凹部を散点状に配しても良い。但し、溝や凹部の形状や寸法は、有効磁束量を低下させない程度に調節する必要がある。

本発明の実施例１である電動モータを用いたモータユニットの構成を示す断面図である。 本発明の実施例１である電動モータのアーマチュアの構成を一部破断して示した説明図である。 モータシャフトに横溝を３個形成した変形例を示す斜視図である。 横溝を３個形成した場合における回転角度と渦電流損失との関係を従来の電動モータ（溝なし）と比較して示したグラフである。 横溝を３個形成した場合における渦電流損失平均値を従来の電動モータ（溝なし）を１００％として示したグラフである。 従来の電動モータ（溝なし）と、横溝１個（溝ありＡ：実施例１）、横溝３個（溝ありＢ：実施例１の変形例）及び縦溝の各モデルにおける溝体積((a))、有効磁束及び各モデルの有効磁束比((b))を示す表である。 図６に示した各モデルにおける回転角度と渦電流損失との関係を示すグラフである。 モータシャフトの縦溝を形成したアーマチュアの構成を一部破断して示した説明図である。 縦溝の構成を示す説明図である。 本発明の実施例２である電動モータのアーマチュア構成を一部破断して示した説明図である。 従来の電動モータのコア部の構成を示す説明図である。 漏洩磁束の有無による渦電流損失の違いを示す説明図である。

符号の説明

１ モータユニット
２ モータ部
３ 減速機構部
４ 出力軸
５ ヨーク
６ ギヤハウジング
６ａ ギヤ室
７ ねじ
８ マグネット
９ アーマチュア
１０ モータシャフト
１１ａ,１１ｂ 軸受
１２ スロット
１３ アーマチュアコア
１４ アーマチュアコイル
１５ コンミテータ
１６ 整流子片
１７ ブラシ
１８ ブラシホルダ
１９ 導電部
２０ コネクタ
２１ ステータ
２２ ウォーム
２３ ウォームホイール
２４ ギヤカバー
３１ 横溝
３１ａ〜３１ｃ 横溝
３２ 縦溝
３３ アーマチュア
３４ 螺旋溝
５１ モータコア
５２ モータシャフト
Ｄ_０ モータシャフト外径
Ｄ_１ 横溝外径
Ｏ モータシャフト中心軸
Ｚ 横溝断面

Claims (5)

1. 界磁用マグネットを備えるステータと、
   前記ステータ内に配置され、コイルが巻装されるアーマチュアコアと、前記アーマチュアコアが固定されるモータシャフトとを備えるアーマチュアと、
   前記モータシャフトの外周部に凹設された渦電流抑制手段とを有することを特徴とする電動モータ。
2. 請求項１記載の電動モータにおいて、前記渦電流抑制手段は、前記モータシャフトの外周部に周方向に沿って形成された渦電流抑止溝であることを特徴とする電動モータ。
3. 請求項２記載の電動モータにおいて、前記渦電流抑止溝は、前記モータシャフトの外周に全周に亘って形成された横溝であることを特徴とする電動モータ。
4. 請求項３記載の電動モータにおいて、前記横溝は、その断面が前記モータシャフトの中心軸と直角に交差することを特徴とする電動モータ。
5. 請求項２記載の電動モータにおいて、前記渦電流抑止溝は、前記モータシャフトの外周に形成され、軸方向に沿って延伸する螺旋溝であることを特徴とする電動モータ。

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