JP2007228750A - 多角形状外形の小型モータ - Google Patents

Abstract

【課題】モータ自体の回り止めとかスペース効率の観点から採用した多角形状外形の小型モータにおいて、界磁用マグネットの重量、体積を小さくし、かつ無駄なく配置して、モータの性能を低下させることなくモータの小型化を達成する。
【解決手段】本発明は、金属製モータケースの内周面に４極以上の界磁マグネットを取着し、モータケースはその側面を、界磁極と同数の平坦な側面部とこの側面部間の角部に位置する同数の平面形状或いは湾曲形状コーナー部とを連続的に結合した多角形状に形成する。界磁マグネットは、側面部に対応する位置で肉薄にする一方、コーナー部に対応する位置で厚肉にし、かつモータケースコーナー部中心位置と界磁マグネットの中心位置を一致させて、該コーナー部の内面側に押し付けるようにして固定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、エアコンアクチュエータ用とか電動格納ミラー用等に用いることのできる多角形状外形の小型モータに関し、特に、モータケース内周面への固定子磁極用マグネットの取付け技術に関する。

通常の小型モータは、図１０（Ａ）に示すように、そのモータケース外周面が円形（ラウンド形状）を有している。このようなラウンド形状モータを、装置内或いは基板上に取り付けるに際して、モータ自体が回転しないように回り止めが必要となる。また、ラウンド形状モータを装置内に取り付けた際には、ラウンド形状のために装置内に無駄なスペースが生じる傾向がある。そのために、モータの取付面に対する回り止め、さらにはスペース効率を考慮して、モータ外形を４角形以上の多角形状にすることが知られている。

図７は、従来技術による正多角形モータの断面構成を示す図である（特許文献１参照）。図示の正多角形（６角形）モータは、ヨークを構成するモータケース側面を正多角形状に形成して、正多角形各辺の内側面に、界磁極（６極）を構成するマグネットのそれぞれが取着されている。マグネットは、側面部の振動低減効果を目的として、各側面部の中央にそれぞれ固定されている。マグネットの内周側には、８極の回転子磁極を有する回転子が回転可能に支持されている。一般的に、個々のマグネットは、その周方向中央よりも両端部に向けて回転子磁極外周面との径方向間隔を徐々に大きくして、磁界を徐々に弱くすることにより、回転子の回転に伴う急激な磁界の変化を避けることが可能となる。これによって、コギングトルクの発生を小さくすることができる。

しかし、図示のマグネットは、コギングトルクの発生を小さくするために、中央部よりも周方向両端側で回転子との距離を、（図７に一点鎖線で示す円周ラインに沿って）大きくしているが、それでも依然として、マグネット両端側の厚さは中央部よりも大きくなっており、かつ距離を大きくすることにより性能は明らかに低下する。さらに、各マグネット間に無駄なスペースが生じている。このように、マグネットをヨーク各辺の中央部に配置すると、マグネットを小さく構成することも、効率的に配置することもできず、必然的にモータ厚さ（多角形ヨーク辺間の径方向長さ）が厚くなって小型化が達成できないという問題がある。

このために、マグネットを、多角形ヨーク各辺のコーナーに配置した構成も知られている。図８及び図９は、マグネットを各辺のコーナーに配置した従来技術によるモータの断面図である（特許文献２，３参照）。図８において、モータケースは、断面が正方形に形成されて、その内側に、Ｎ，Ｓ交互に磁化された４極の界磁マグネットが備えられている。この界磁マグネットは、磁極の中心が、ヨーク各辺のコーナーに位置するように磁化させている。界磁マグネットの内周側には、３極の回転子磁極（偏芯させて配置）を有する回転子が回転可能に支持されている。

また、図９は、角が欠けた正方形状のヨークの角部にそれぞれ、４極界磁を構成する４個のマグネットが埋め込まれている。その内周側には、回転子が回転可能に支持されている。

小型モータの界磁マグネットは、生産性を上げるためには、ヨークと別々に製造した後に一体に組み立てることが望ましい。しかし、図８に示すようなモータ構成では、マグネットのヨーク角部への取付けは容易には行えない。通常、このような組立には、圧入技術が用いられるが、圧入できるようにマグネット形状を設計すると、特に磁界を強くすべきマグネット磁極の頂点で、ヨークとの間にクリアランスを設けなければならないので性能が低下してしまうという問題がある。また、このマグネット形状は、特に角部分が回転子磁極に対して有効に機能せずに、マグネットの重量、体積が全体的に増加して、コストアップに直結する。

また、図９に示すように、マグネットをヨークに埋め込むことによって固定する方法では、ヨーク角部でヨーク厚みが増して材料使用量が増加するだけでなく、ヨークの形状が複雑であるため金型加工費が高くなるという問題がある。また、マグネットの挿入時に、割れ欠けが発生すると共に、接着剤を用いての接着工程及びそれを乾燥するための時間も必要となる。
特開２００５−２０９１４号公報 特開平７−５９３２２号公報 実開昭６４−１２４５５号公報

本発明は、モータ自体の回り止めとかスペース効率の観点から採用した多角形状外形の小型モータにおいて、界磁マグネットの重量、体積を小さくし、かつ無駄なく配置して、モータの性能を低下させることなくモータの小型化を達成することを目的としている。

また、本発明は、マグネットの磁束が有効に機能してモータ性能を向上させつつ、生産性良く簡単にマグネットをヨーク内面側に取り付け可能にすることを目的としている。

本発明の多角形状外形の小型モータは、金属製モータケースの内周面に４極以上の複数個の界磁マグネットを取着し、モータケースはその側面を、界磁極と同数の平坦な側面部とこの側面部間の角部に位置する同数の平面形状或いは湾曲形状のコーナー部とを連続的に結合した多角形状に形成する。界磁マグネットは、モータケース側面部に対応する位置で肉薄にする一方、モータケースコーナー部に対応する位置で厚肉にし、かつモータケースコーナー部中心位置と界磁マグネットの中心位置を一致させて、該コーナー部の内面側に押し付けるようにして固定する。また、界磁マグネットは、モータケース側面部との間には隙間を設ける。

また、複数の界磁マグネットを、各側面部に対応する各位置で肉薄にする一方、各コーナー部に対応する各位置で厚肉にした全体的にはリング形状に一体に形成して、該リング形状マグネットがモータケース内に圧入して固定する。或いは、複数の界磁マグネットを個々に分割成形した後、バネ材質ピン及び／又はモータケースに設けた突起を利用して、モータケースコーナー部の内面側に押し付けるようにして固定する。

本発明によれば、ヨーク側面部を平坦に形成したことにより、モータ自体の取付けに際して回り止めとして機能するだけでなく、モータ外周面の無駄なスペースが減少して、スペース効率が向上することに加えて、マグネットをヨークコーナー部で支持するように構成したために、側面部の両端が引っ張られることで、側面部の剛性が上げられ、回転時のモータケース振動を押さえることができる。

また、マグネットが自ずと偏肉形状になることで、マグネット磁束は側面部において、マグネットの周方向中心から周方向に離れる程になめらかに減少して、コギングトルク低減を図ることができる。同時に、マグネットの周方向中心では十分な磁界を発生させる厚みを確保するだけでなく、マグネットをヨークに対して隙間なく押しつけることで、磁界を強くしてモータの性能アップを図ることができる。さらに、側面部に隙間を設けて空気層を設けることで、騒音漏れを防ぐことができる。

以下、例示に基づき本発明を説明する。図１は、本発明を具体化する多角形状外形の小型モータの構成を示す一部縦断面図である。図２は、図１に示したモータのケース蓋を取り除いた状態で、整流子側から見た側面図である。４極界磁のマグネット、及び６極の回転子磁極を有する小型モータについて、以下説明するが、本発明は、４極、６極、８極等の４極以上の界磁極及び３極以上の回転子磁極を有する小型モータに対して適用可能である。

図示したように、金属材料により有底中空筒状にプレス加工されたモータケースの内周面にマグネットが取り付けられている。金属製モータケースの多角形状側面が、マグネットの磁路となるヨークを形成している。このモータケースの開口部はケース蓋が嵌着されている。回転子のシャフトは、ケース蓋の中央部と、モータケースの底部中央にそれぞれ設けられた軸受によって支持されている。シャフト上に構成される回転子は、磁極コアと該磁極コア上に巻いた巻線とからなる回転子磁極構成を備えている。整流子は、シャフト上に固定されており、その端部には火花消去用のバリスタを備えている。この整流子に接触するブラシ（一対）は、ブラシアームを介してケース蓋に支持されると共に、ブラシアームに接続された外部端子を介して外部より電源が供給される。

また、図３（Ａ）及び（Ｂ）は、モータケース及びマグネットそれぞれ単独の側面図である。マグネットの磁極は径方向に着磁される４極であり、かつ周方向にＳとＮが交互になっている。ここで例示するマグネットは、マグネット材により一体に全体的にはリング形状に形成されている。このリング形状マグネットは、その内径を回転子外径よりもわずかに大きくする一方、その外形は、側面部で肉薄にする一方、コーナー部で厚肉にした偏肉形状となっている。このようなマグネットは磁性材料を偏肉リング形状に一体成形し、モータケースに固定した後、磁界発生装置を用いてモータケース外部より４極のマグネットに着磁することができる。

図示したように、ヨークを形成するモータケース側面は、４極として例示した界磁極と同数（４辺）の平坦な側面部と、この４辺の側面部間の角部に位置する同数（４個）のコーナー部とを連続的に結合した形状になっている。コーナー部（角面部）は、詳細は後述するように、その内面側でマグネットを支持して固定する部分であり、平面形状或いは湾曲形状からなっている。このように、側面部を平坦に形成したことにより、モータ自体の取付けに際して回り止めとして機能するだけでなく、モータ外周面の無駄なスペースが減少して、スペース効率が向上する。

図示したように、各マグネットの周方向中心（各磁極の頂点）と、それに対応する各ヨークコーナー部の周方向中心は一致している。マグネットの磁化は、径方向に、かつ、隣接するマグネット間では交互に異なる磁極Ｎ，Ｓを有するように磁化される。

さらに、図４を参照して、マグネットの形状について説明する。図４は、図２の左半分に相当する。各マグネットは、ヨークコーナー部に対応する周方向のいずれの位置でも、ほぼ一定の径方向の厚み（Ａ寸法）を有している。このコーナー部が、モータ回転軸を中心とした円弧に沿って湾曲しているときに、マグネットは一定の径方向の厚みとなるが、マグネットは、その厚みを完全に一定にする必要は必ずしも無い。それ故、コーナー部は、モータ回転軸中心の円弧面以外の湾曲面或いは平坦面にもすることができる。

各マグネットは、コーナー部に対応する位置を超えて、それぞれ隣接する磁極に近づくほどに、径方向厚み（Ｂ寸法）は、平坦なヨーク側面部に対応するために小さくなる。また、マグネットは、ヨーク側面部との間では、わずかの隙間を設けて非接触にしている。このように、マグネットは、その内径を回転子外径よりもわずかに大きくした全体的にはリング形状であるが、その外形は、側面部で肉薄にする一方、コーナー部で厚肉にした形状となっている。このリングマグネットの最薄部である側面部では、ヨークとの間に押し付け力は作用しないので、マグネットの割れ欠けを防止できる。そして、マグネットは、コーナー部でのみヨークに接触する一方、側面部ではわずかの隙間を設けた形状、或いは少なくとも押し付け力が作用しない形状としたために、マグネットはヨークに対して、圧入により固定することが可能となる。リングマグネットを、ヨークコーナー部に面圧入することにより側面部の両端が引っ張られることで、側面部の剛性が上げられ、回転時のモータケース振動を押さえることができる。また、ヨークと非接触にして、空気層を設けることで、騒音漏れを防ぐことができる。

このように、マグネットが自ずと偏肉形状になることで、マグネットの磁束は側面部で、マグネットの周方向中心から周方向に離れる程になめらかに減少して、コギングトルク低減を図ることができる。同時に、マグネットの周方向中心では十分な磁界を発生させる厚みを確保するだけでなく、マグネットをヨークに対して隙間なく押しつけることで、磁界を強くしてモータの性能アップを図ることができる。

図５は、マグネット圧入の効果を説明するグラフである。このグラフは、マグネットを圧入したモータ（図２参照）と、圧入しないモータ（図７参照）について、ヨーク側面部の振動を測定した結果を示している。グラフ横軸は、振動周波数を表し、縦軸は振動を加速度で表している。グラフ中に実線で表した圧入有りの本発明モータは、点線で表した圧入無の場合に比較して、振動低減効果があることが分かる。

さらに、図４を参照して、ヨークコーナー部について説明する。図中のＣ寸法は、全体的には４角形状に構成したモータ断面の縦方向（或いは横方向）の寸法である。また、Ｄ寸法は、側面部の寸法である。コーナー部は、上述したように、内部に位置するマグネットを径方向に支持する部分であるから、その周方向寸法をあまりに小さくすることはできない。また、コーナー部の割合をあまりに大きくすることは、側面部が小さくなることを意味し、多角形状モータとしての利点が損なわれることになる。Ｃ寸法に対するＤ寸法の割合は望ましくは、９５％以下で５％以上である。

偏肉リング形状に一体成形したマグネットについて説明したが、マグネットは分割成形しても、モータケース内に取付可能である。図６は、４個に分割成形したマグネットを説明する図であり、（Ａ）はピンとモータケースに設けた突起を利用して固定する方法を、また、（Ｂ）はピンのみを用いて固定する方法を、そして、（Ｃ）は、（Ａ）及び（Ｂ）それぞれにおけるＸ部詳細を示す図であり、（Ｃ）左側図としてピンの断面図を、また、（Ｃ）右側図としてピンの斜視図を示している。

図６に例示の構成は、上述した例（図２）とは、マグネット形状及びその取付手段を異にしている。界磁極の４極それぞれに対応して、マグネットは４個に分割成形される。各マグネットの間は、（Ａ）においては、２個のピンと、２個の突起を利用して固定される。また、（Ｂ）においては、全てにピンを用いて固定される。ピンは、その詳細を示す（Ｃ）に見られるように、バネ材質棒材を、例えばＵ字形状に成形することにより構成することができる。突起は、モータケース内面の所定位置に、モータケースと一体に形成することができる。その形状は、例えば、両端面でマグネットを支えることのできる断面矩形状にして、かつ、マグネットの軸方向全長に亘って設けることが望ましい。

このようなピンと突起、或いはピンのみ、若しくは突起のみを用いても、上述した偏肉リング形状マグネットの取付と同様に、マグネットをヨークコーナー部に強く押しつけるように固定することが可能となり、同様に、ヨーク側面部の振動低減に効果を生じる。

本発明の小型モータは、マグネットが自ずと偏肉形状になることで従来相反技術である性能アップとコギングトルク低減に両立出来る。これについて、さらに図１０及び図１１を参照して、従来技術と対比して説明する。図１０は、本発明の小型モータと対比する従来技術による円形外形（ラウンド形状）の小型モータの断面図である。前述したように、本発明のマグネットは、周方向中心で略一定厚さ（Ａ寸法）と、両端部では小さな厚さ（Ｂ寸法）を有する偏肉形状である（図４参照）。これに対して、図１０（Ａ）に示す界磁マグネットは、周方向の厚みが一定である。

図１０（Ｂ）は、両モータの総磁束を比較した結果を示す表である。図中の□１８．３は、正方形形状のモータ（本発明）の厚さ（Ｃ寸法：図４参照）が、１８．３ｍｍであることを示し、φ２０．０は図１０（Ａ）に示すラウンド形状モータ（従来技術）の径（Ｅ寸法）が２０．０ｍｍであることを示している。また、コア径φ１５とは、回転子磁極コア径１５ｍｍを示し、両モータ同一構成である。この表から分かるように、本発明のモータは、マグネットから発生する総磁束を２％程度向上しているにも関わらず、径方向厚さは、ラウンド形状モータの２０．０ｍｍに対比して、１８．３ｍｍと小さくすることができる。

また、図１０（Ｃ）は、正方形形状のモータ（本発明）の厚さ（Ｃ寸法）と、ラウンド形状モータ（従来技術）の径（Ｅ寸法）を、共に１８．３ｍｍにして、マグネットより発生する総磁束を比較した表である。この表から分かるように、ラウンド形状モータに対比して本発明は、総磁束が３０％増加し、さらに、使用可能の回転子磁極コア径も、大きくすることができる。コア径を大きくすることによって、コアの線積が増加するので、逆起電圧はさらに増加する。要するに、本発明のモータは、従来の同等性能ラウンド形状モータと対比すれば、重量体積を半減可能であり、マグネット材使用量で１０％削減、モータ径を８．５％薄型化が可能となる。

図１１は、図１０（Ｂ）に示すような正方形形状のモータ（本発明）と、ラウンド形状モータ（従来技術）の性能を比較するグラフである。いずれのグラフにおいても、横軸は着磁電圧を表し、また、縦軸は逆起電圧（Ｖ）とコギングトルク（gf.cm）を表している。逆起電圧が高いとトルクが上がり、かつ、回転数を下げることが可能となる。着磁電圧は、マグネット材質により所定形状に成形して、モータケース内に固定した後、モータケース外部より着磁するために着磁装置コイルに印加する電圧である。例えば、１５００（Ｖ）の電圧で着磁したマグネットを用いた場合、本発明は、性能を低下させずに（逆起電圧が略同一）、コギングトルクが１０．５から４．０（gf.cm）に６０％以上低減している。

図１２は、本発明の小型モータと対比する従来技術による正方形形状小型モータの断面図である。図１２は、図７に示したモータを、本発明と対比するために、４極界磁極、及び６極回転子磁極を有するモータに変形したものである。前述したように、このモータの界磁マグネットは、ヨークの平坦な側面部に取着したものであるために、最大磁束を必要とする周方向中心ではなく、非効率的に両側部を厚くするように偏肉させざるをえず、また、無駄なスペースが形成されている。このため、図２に示したような本発明の同一性能及び同一マグネット材使用量のモータと対比すれば、その厚さは、Ｃ寸法＝１８．３ｍｍからＦ寸法＝１９．４ｍｍと大きくなる。

本発明を具体化する多角形状外形の小型モータの構成を示す一部縦断面図である。 図１に示したモータのケース蓋を取り除いた状態で、整流子側から見た側面図である。 （Ａ）及び（Ｂ）はそれぞれ、モータケース及びマグネットそれぞれ単独の側面図である。 図２の左半分に相当する図である。 マグネット圧入の効果を説明するグラフである。 分割成形のマグネットを説明する図である。 従来技術による正多角形モータの断面構成を示す図である（特許文献１）。 マグネットを各辺のコーナーに配置した従来技術によるモータの断面図である（特許文献２）。 マグネットを各辺のコーナーに配置した従来技術によるモータの断面図である（特許文献３）。 本発明の小型モータと対比する従来技術による円形外形（ラウンド形状）の小型モータの断面図である。 正方形形状のモータ（本発明）と、ラウンド形状モータ（従来技術）の性能を比較するグラフである。 本発明の小型モータと対比する従来技術による正方形形状小型モータの断面図である。

Claims (5)

1. 金属製モータケースの内周面に４極以上の複数個の界磁マグネットを取着した多角形状外形の小型モータにおいて、
   前記モータケースはその側面を、界磁極と同数の平坦な側面部とこの側面部間の角部に位置する同数の平面形状或いは湾曲形状のコーナー部とを連続的に結合した多角形状に形成し、
   前記界磁マグネットは、モータケース側面部に対応する位置で肉薄にする一方、モータケースコーナー部に対応する位置で厚肉にし、かつモータケースコーナー部中心位置と界磁マグネットの中心位置を一致させたことから成る多角形状外形の小型モータ。
2. 前記界磁マグネットはモータケースコーナー部の内面側に押し付けるようにして固定する請求項１に記載の多角形状外形の小型モータ。
3. 前記界磁マグネットは、モータケース側面部との間には隙間を設けた請求項１に記載の多角形状外形の小型モータ。
4. 前記複数の界磁マグネットを、各側面部に対応する各位置で肉薄にする一方、各コーナー部に対応する各位置で厚肉にした全体的にはリング形状に一体に形成して、該リング形状マグネットがモータケース内に圧入して固定される請求項１に記載の多角形状外形の小型モータ。
5. 前記複数の界磁マグネットを個々に分割成形した後、バネ材質ピン及び／又はモータケースに設けた突起を利用して、モータケースコーナー部の内面側に押し付けるようにして固定される請求項１に記載の多角形状外形の小型モータ。
   

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