JP2007221888A - 直流電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】磁気加振力の高調波成分及びコギングトルクを低減することができる直流電動機を提供する。
【解決手段】直流モータにおいて、径方向の肉厚が一定である円筒状のヨークハウジングの内周面に所定角度ごとに固定された複数のマグネット５は、径方向から見て直方形であり、周方向中央部の所定域２７から周方向両端部のそれぞれに向けて長くなる軸方向の長さを有してコアから離隔されるように切り欠かれた切り欠き部２６を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、円筒状のヨークに複数の永久磁石が固定された直流電動機に関するものである。

一般に、直流電動機は、円筒状のヨークの内周面に複数の永久磁石が周方向に等角度間隔で配置・取着されるとともに、ヨーク内部に電機子が回転可能に支持されて構成される。電機子は、コアに形成された放射状の複数のティースに巻線が巻装されてなり、ブラシにより給電される。そして、直流電動機は、電機子の整流作用にて回転力を発生する。

こうした直流電動機では、ヨークは径方向の肉厚が周方向全体に亘って均一に設定されており、該ヨークの内周面に取着される各永久磁石は径方向の肉厚が周方向全体に亘って均一に設定されている。この場合、電機子の回転に伴ってティースと対向する永久磁石による磁束量が急激に変化するため、それにより発生するコギングトルクが大きくなる。

そこで、例えば特許文献１の直流電動機では、ティースと対向する永久磁石をティースに対し偏心する形状とし、永久磁石の周方向両端部を該中央部よりもティースの先端から徐々に離隔させることで磁束量の急激な変化を抑制し、コギングトルクを低減させることが提案されている。
特開２００５−２０９１４号公報（第１−３図）

しかしながら、特許文献１の直流電動機では、軸方向に磁束量の変化がないため、永久磁石及びティース間で起こる磁気変動に著しい高調波成分が含まれる。この高調波成分は、ヨーク等を加振して直流電動機の振動・騒音の原因となるものである。

本発明の目的は、磁気加振力の高調波成分及びコギングトルクを低減することができる直流電動機を提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、径方向の肉厚が一定である円筒状のヨークと、Ｎ極、Ｓ極が交互に配置され、前記ヨークの内周面に所定角度ごとに固定されたＭ個の永久磁石と、前記各永久磁石の内周側に放射状に配置されたＮ本のティースを備え、該各ティースに巻線が巻装された電機子コアとを備え、Ｍ＜Ｎである直流電動機において、前記永久磁石は、径方向から見て直方形であり、周方向中央部の所定域から周方向両端部のそれぞれに向けて長くなる軸方向の長さを有して前記電機子コアから離隔されるように切り欠かれた切り欠き部を有することを要旨とする。

同構成によれば、前記永久磁石は、径方向から見て直方形であり、周方向中央部の所定域から周方向両端部のそれぞれに向けて長くなる軸方向の長さを有して前記電機子コアから離隔されるように切り欠かれた切り欠き部を有する。従って、前記所定域から周方向両端部のそれぞれに向けて軸方向に長くなる前記切り欠き部により、磁束量が軸方向で変化することで、前記永久磁石及び前記ティース間で起こる磁気変動の高調波成分、即ち磁気加振力の高調波成分を低減することができる。また、前記所定域から周方向両端部のそれぞれに向けて前記電機子コアから離隔されるように切り欠かれた前記切り欠き部により、各隣接する前記永久磁石の前記端部間では、それらの境界位置に向かって磁束量が漸減されて急激な変化が抑制されるため、コギングトルクの低減を図ることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の直流電動機において、前記切り欠き部は、軸方向中央部から軸方向両端部のそれぞれに向けて前記電機子コアから離隔されるように切り欠かれてなることを要旨とする。

同構成によれば、前記永久磁石は、前記切り欠き部により軸方向中央部から軸方向両端部のそれぞれに向けて徐々に薄肉になるように形成される。つまり、前記永久磁石は、応力集中しやすい軸方向中央部において肉厚が確保されて強度確保されるため、割れにくくできる。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の直流電動機において、前記切り欠き部は、軸方向両端部のそれぞれから軸方向中央部に向けて前記電機子コアから離隔されるように切り欠かれてなることを要旨とする。

同構成によれば、前記切り欠き部は、前記永久磁石の周方向両端部のそれぞれにおいて、軸方向中央部を切り欠くのみで成形されるため、切削を２箇所のみとすることができ、前記切り欠き部を加工し易くできる。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の直流電動機において、各隣接する前記永久磁石の前記所定域間の周方向の距離は、前記ティースの先端面の周方向の幅よりも大きく設定されていることを要旨とする。

同構成によれば、各隣接する前記永久磁石の前記所定域間の周方向の距離、即ち各隣接する切り欠き部がなす周方向の幅は、前記ティースの先端面の周方向の幅よりも大きく設定されている。従って、前記永久磁石の極性が切り替わる境界位置に前記ティースの先端面の周方向中心部が一致するとき、即ち該ティースが切り替わる最中では、該ティースの先端面は前記切り欠き部と常に対向されるため、磁束量の急激な変化が抑制され、コギングトルクの低減を図ることができる。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の直流電動機において、前記ティースの先端面の周方向の幅は、前記所定域の周方向の幅よりも大きく設定されていることを要旨とする。

同構成によれば、前記ティースは、どの回転位置にあってもその先端面は前記切り欠き部の一部と対向することになるため、回転を滑らかにすることができる。
請求項６に記載の発明は、径方向の肉厚が一定である円筒状のヨークと、Ｎ極、Ｓ極が交互に配置され、前記ヨークの内周面に所定角度ごとに固定されたＭ個の永久磁石と、前記各永久磁石の内周側に放射状に配置されたＮ本のティースを備え、該各ティースに巻線が巻装された電機子コアとを備え、Ｍ＜Ｎである直流電動機において、前記永久磁石は、径方向から見て六角形であり、周方向中央部の所定域から周方向両端部のそれぞれに向けて軸方向に短くなるように切り欠かれてなることを要旨とする。

同構成によれば、前記永久磁石は、径方向から見て六角形であり、周方向中央部の所定域から周方向両端部のそれぞれに向けて軸方向に短くなるように切り欠かれている。従って、磁束量が軸方向で変化することで、前記永久磁石及び前記ティース間で起こる磁気変動の高調波成分、即ち磁気加振力の高調波成分を低減することができる。また、各隣接する前記永久磁石の前記端部間では、それらの境界位置に向かって磁束量が漸減されて急激な変化が抑制されるため、コギングトルクの低減を図ることができる。

請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の直流電動機において、前記ティースの先端面の周方向の幅は、前記永久磁石の前記所定域の周方向の幅と同等に設定されていることを要旨とする。

同構成によれば、前記ティースの先端面と前記所定域、即ち軸方向に短くされていない前記永久磁石の内周面とが全面で対向する位置が存在することで、磁束量が大きく発生するタイミングがあり、直流電動機のトルク上昇を図ることができる。

以上詳述したように、請求項１乃至７に記載の発明では、磁気加振力の高調波成分及びコギングトルクを低減することができる直流電動機を提供することができる。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図３に示すように、直流電動機としての直流モータ１を構成する有底円筒状のヨークハウジング２の開口部には、エンドキャップ３がネジ４にて固定されるとともに、該ヨークハウジング２の内側面には複数の永久磁石としてのマグネット５が固着されている。また、上記ヨークハウジング２の底部中央には電機子保持部２ａが形成されるとともに、該電機子保持部２ａ内部には軸受６が設けられている。なお、前記エンドキャップ３の中央には軸受７が設けられている。

ヨークハウジング２に収容されるアーマチャ（電機子）８は、軸受６，７によって回転可能に支持されるとともにその先端部がエンドキャップ３から外部に突出される出力軸９を有している。また、アーマチャ８は、出力軸９に固定された電機子コアとしてのコア１０及び２４セグメントの整流子１１を有するとともに、コア１０に巻装された巻線１２は整流子１１に電気的に接続されている。

エンドキャップ３の内側面には、ブラシ装置１３がネジ１４により固定されている。ブラシ装置１３は、整流子１１に摺接するブラシ１５を保持している。また、エンドキャップ３には、給電部１６が組み付けられている。給電部１６は、ブラシ１５に対して外部から電源供給を行っている。そして、給電部１６からブラシ１５、整流子１１及びそれの巻線１２側に付属した短絡部材１１ａを介してアーマチャ８の巻線１２に電源が供給されることにより、アーマチャ８が回転し、出力軸９が回転するようになっている。

図１に示すように、ヨークハウジング２は、径方向の肉厚が周方向全体に亘って均一に設定されている。そして、ヨークハウジング２の内周面には、Ｎ極、Ｓ極が交互に配置された円弧状の６個（Ｍ＝６）のマグネット５が所定角度ごとに固着されている。即ち、直流モータ１は６極モータである。

コア１０は、放射状に延びる複数のティース２１を有している。本実施形態において、ティース２１の数は８本（Ｎ＝８）であり、それらティース２１は等角度間隔に配置されている。各隣り合うティース２１間の空間はスロット２２を形成する。前記巻線１２は、各ティース２１に集中巻回された状態でスロット２２内に収容されている。ここで、図３に示した前記短絡部材１１ａは、各ティース２１に集中巻回された巻線の端末と２ティース分またいだティース２１に集中巻回された巻線の端末とを電気的に接続するように設定され、全てのティース２１に集中巻回された巻線を結線するように形成されている。なお、ティース２１の径方向外側の先端面２１ａは、アーマチャ８の回転中心を中心とする円弧状に形成されている。

ここで、図２を併せ参照して、前記マグネット５等について更に説明する。なお、図２（ａ）（ｂ）（ｃ）は、マグネット５をそれぞれ軸方向に見た平面図、径方向内側から見た正面図、周方向に見た側面図である。同図に示すように、このマグネット５は、径方向から見て直方形であり、その四隅にはそれぞれ切り欠き部２６が形成されている。この切り欠き部２６は、マグネット５の内周面の円弧形状を径方向に直交する方向に沿って、且つ、軸方向中心（中央部）から軸方向両端部のそれぞれに向けて徐々に深くなるように（軸方向中央部から軸方向両端部のそれぞれに向けてコア１０から離隔されるように）山形に切り欠かれ、切除部Ｗ１が除去されてなる。

つまり、各切り欠き部２６は、周方向中央部の所定域２７から周方向両端部のそれぞれに向けて長くなる軸方向の長さを有してコア１０（図１参照）から三次元的に徐々に離隔されるようにマグネット５が切り欠かれてなる。マグネット５の切り欠き部２６を除いた部分（所定域２７及び軸方向において両切り欠き部２６に挟まれた領域）の径方向の肉厚が同等に設定されていることはいうまでもない。そして、マグネット５は、その切り欠き部２６の三次元的な曲成により該切り欠き部２６を除いた部分から四隅の各先端に向かって肉厚が徐々に薄くなるように成形されている。

なお、図１に示すように、各隣接するマグネット５の前記所定域２７間の周方向の距離、即ち空隙を含めて各隣接する切り欠き部２６がなす周方向の幅Ｌ１は、前記ティース２１の先端面２１ａの周方向の幅Ｌ３よりも大きく設定されている。従って、マグネット５の極性が切り替わる境界位置に前記ティース２１の先端面２１ａの周方向中心部が一致するとき、即ち該ティース２１が切り替わる最中では、該ティース２１の先端面２１ａは前記切り欠き部２６と常に対向される。また、前記ティース２１の先端面２１ａの周方向の幅Ｌ３は、前記所定域２７の周方向の幅Ｌ２よりも大きく設定されている。従って、前記ティース２１は、どの回転位置にあってもその先端面２１ａは前記切り欠き部２６の一部と対向する。

以上詳述したように、本実施形態によれば、以下に示す効果が得られるようになる。
（１）本実施形態では、マグネット５は、径方向から見て直方形であり、周方向中央部の所定域２７から周方向両端部のそれぞれに向けて長くなる軸方向の長さを有してコア１０から離隔されるように切り欠かれた切り欠き部２６を有する。従って、前記所定域２７から周方向両端部のそれぞれに向けて軸方向に長くなる前記切り欠き部２６により、磁束量が軸方向で変化することで、マグネット５及びティース２１間で起こる磁気変動の高調波成分、即ち磁気加振力の高調波成分を低減することができる。また、前記所定域２７から周方向両端部のそれぞれに向けてコア１０から離隔されるように切り欠かれた前記切り欠き部２６により、各隣接するマグネット５の前記端部間では、それらの境界位置に向かって磁束量が漸減されて急激な変化が抑制されるため、コギングトルクの低減を図ることができる。つまり、本実施形態では、いわゆるスキュー磁束と同様の効果が得られる。

さらに、マグネット５は、周方向両端部のそれぞれに切り欠き部２６を有するものの、径方向の厚みを残すことで空気層に変わることが回避され、例えばマグネットのエッジ効果に起因するアーマチャ８（回転体）の振動現象が起きるといったモータ特性への影響を緩和することができる。

（２）本実施形態では、マグネット５は、前記切り欠き部２６により軸方向中央部から軸方向両端部のそれぞれに向けて徐々に薄肉になるように形成される。つまり、マグネット５は、応力集中しやすい軸方向中央部において肉厚が確保されて強度確保されるため、割れにくくできる。

（３）本実施形態では、各隣接するマグネット５の前記所定域２７間の周方向の距離、即ち各隣接する切り欠き部２６がなす周方向の幅Ｌ１は、前記ティース２１の先端面２１ａの周方向の幅Ｌ３よりも大きく設定されている。従って、マグネット５の極性が切り替わる境界位置に前記ティース２１の先端面２１ａの周方向中心部が一致するとき、即ち該ティース２１が切り替わる最中では、該ティース２１の先端面２１ａは前記切り欠き部２６と常に対向されるため、磁束量の急激な変化が抑制され、コギングトルクの低減を図ることができる。

（４）本実施形態では、前記ティース２１の先端面２１ａの周方向の幅Ｌ３は、前記所定域２７の周方向の幅Ｌ２よりも大きく設定されており、該ティース２１は、どの回転位置にあってもその先端面２１ａは前記切り欠き部２６の一部と対向することになるため、回転を滑らかにすることができる。

（５）本実施形態では、ヨークハウジング２は、周方向において均一の厚さで形成されている。従って、製造が容易であり、コスト増加を抑えることができる。
なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。

・前記実施形態において、図４に示したマグネット３１を採用してもよい。なお、図４（ａ）（ｂ）（ｃ）は、マグネット３１をそれぞれ軸方向に見た平面図、径方向内側から見た正面図、周方向に見た側面図である。同図に示すように、このマグネット３１は、径方向から見て直方形であり、その両端部にはそれぞれ切り欠き部３２が形成されている。この切り欠き部３２は、マグネット３１の内周面の円弧形状を径方向に直交する方向に沿って、且つ、軸方向両端部のそれぞれから軸方向中央部に向けて徐々に深くなるように（軸方向両端部のそれぞれから軸方向中央部に向けてコア１０から離隔されるように）谷形に切り欠かれ、切除部Ｗ２が除去されてなる。

つまり、各切り欠き部３２は、周方向中央部の所定域３３から周方向両端部のそれぞれに向けて長くなる軸方向の長さを有してコア１０（図１参照）から三次元的に徐々に離隔されるようにマグネット３１が切り欠かれてなる。マグネット３１の切り欠き部３２を除いた部分（所定域３３及び軸方向において切り欠き部３２の両外側の領域）の径方向の肉厚が同等に設定されていることはいうまでもない。そして、マグネット３１は、その切り欠き部３２の三次元的な曲成により該切り欠き部３２を除いた部分から周方向両端の軸方向中央部に向かって肉厚が徐々に薄くなるように成形されている。なお、本実施形態でも、各隣接するマグネット３１の前記所定域３３間の周方向の距離、即ち空隙を含めて各隣接する切り欠き部３２がなす周方向の幅Ｌ１、所定域３３の周方向の幅Ｌ２を有している（図１参照）。従って、このように変形することで、前記実施形態の（１）（３）〜（５）の効果と同様の効果に加え、切り欠き部３２は、マグネット３１の周方向両端部のそれぞれにおいて、軸方向中央部を切り欠くのみで成形されるため、切削を２箇所のみとすることができ、前記切り欠き部３２を加工し易くできる。

・前記実施形態において、図５及び図６に示したマグネット３６を採用してもよい。なお、図６（ａ）（ｂ）（ｃ）は、マグネット３６をそれぞれ軸方向に見た平面図、径方向内側から見た正面図、周方向に見た側面図である。図６に示すように、このマグネット３６は、径方向から見て六角形であり、周方向中央部の所定域３７から周方向両端部のそれぞれに向けて軸方向に短くなるように切り欠かれている。つまり、このマグネット３６は、径方向から見た直方形の四隅の切除部Ｗ３が除去されてなり、前記所定域３７に連続するその周方向両側に、軸方向中央部が先鋭となる略三角形の先端部３８を延出形成する。なお、図５に示すように、前記ティース２１の先端面２１ａの周方向の幅Ｌ３は、前記所定域３７の周方向の幅Ｌ４と同等に設定されている。

このように変形することで、以下に示す効果が得られるようになる。すなわち、先端部３８により磁束量が軸方向で変化することで、マグネット３６及びティース２１間で起こる磁気変動の高調波成分、即ち磁気加振力の高調波成分を低減することができる。また、各隣接するマグネット３６の前記端部（先端部３８）間では、それらの境界位置に向かって磁束量が漸減されて急激な変化が抑制されるため、コギングトルクの低減を図ることができる。さらに、前記ティース２１の先端面２１ａの周方向の幅Ｌ３は、前記所定域３７の周方向の幅Ｌ４と同等に設定されており、該先端面２１ａと所定域３７、即ち軸方向に短くされていないマグネット３６の内周面とが全面で対向する位置が存在することで、磁束量が大きく発生するタイミングがあり、直流モータ１のトルク上昇を図ることができる。

・前記実施形態において、極数、ティース数を適宜変更してもよい。要は、極数即ちマグネットの個数がティースの本数よりも少なければよい（Ｍ＜Ｎ）。
・前記実施形態においては、ティース２１に集中巻回を施し短絡部材１１ａを用いる直流モータに具体化したが、分布巻回で短絡部材を用いない直流モータに具体化してもよい。

本発明の一実施形態を概略的に示す平面図。 （ａ）（ｂ）（ｃ）は、マグネットの三面図。 モータの縦断面図。 （ａ）（ｂ）（ｃ）は、変形形態のマグネットの三面図。 別の変形形態を概略的に示す平面図。 （ａ）（ｂ）（ｃ）は、変形形態のマグネットの三面図。

符号の説明

１…直流モータ、２…ヨークとしてのヨークハウジング、５，３１，３６…マグネット、８…アーマチャ、１０…電機子コアとしてのコア、１１…整流子、１２…巻線、１３…ブラシ装置、２１…ティース、２１ａ…先端面、２２…スロット、２６，３２…切り欠き部、２７，３３，３７…所定域、３８…先端部。

Claims (7)

1. 径方向の肉厚が一定である円筒状のヨークと、
   Ｎ極、Ｓ極が交互に配置され、前記ヨークの内周面に所定角度ごとに固定されたＭ個の永久磁石と、
   前記各永久磁石の内周側に放射状に配置されたＮ本のティースを備え、該各ティースに巻線が巻装された電機子コアとを備え、
   Ｍ＜Ｎである直流電動機において、
   前記永久磁石は、径方向から見て直方形であり、周方向中央部の所定域から周方向両端部のそれぞれに向けて長くなる軸方向の長さを有して前記電機子コアから離隔されるように切り欠かれた切り欠き部を有することを特徴とする直流電動機。
2. 請求項１に記載の直流電動機において、
   前記切り欠き部は、軸方向中央部から軸方向両端部のそれぞれに向けて前記電機子コアから離隔されるように切り欠かれてなることを特徴とする直流電動機。
3. 請求項１に記載の直流電動機において、
   前記切り欠き部は、軸方向両端部のそれぞれから軸方向中央部に向けて前記電機子コアから離隔されるように切り欠かれてなることを特徴とする直流電動機。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の直流電動機において、
   各隣接する前記永久磁石の前記所定域間の周方向の距離は、前記ティースの先端面の周方向の幅よりも大きく設定されていることを特徴とする直流電動機。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の直流電動機において、
   前記ティースの先端面の周方向の幅は、前記所定域の周方向の幅よりも大きく設定されていることを特徴とする直流電動機。
6. 径方向の肉厚が一定である円筒状のヨークと、
   Ｎ極、Ｓ極が交互に配置され、前記ヨークの内周面に所定角度ごとに固定されたＭ個の永久磁石と、
   前記各永久磁石の内周側に放射状に配置されたＮ本のティースを備え、該各ティースに巻線が巻装された電機子コアとを備え、
   Ｍ＜Ｎである直流電動機において、
   前記永久磁石は、径方向から見て六角形であり、周方向中央部の所定域から周方向両端部のそれぞれに向けて軸方向に短くなるように切り欠かれてなることを特徴とする直流電動機。
7. 請求項６に記載の直流電動機において、
   前記ティースの先端面の周方向の幅は、前記永久磁石の前記所定域の周方向の幅と同等に設定されていることを特徴とする直流電動機。

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