JP2008086166A - ミシン駆動用モータ - Google Patents

Abstract

【課題】モータ駆動中に、ヨークのうち複数の永久磁石の間の隙間に対応する部位に磁束が集中してヨークの磁束密度が飽和状態になりモータの効率が低下する。ヨークを厚肉化すると慣性モーメントが増大して、モータの加減速特性が低下し、モータが大型化し製作コストが高価になる。
【解決手段】ミシン駆動用モータ１はアウターロータ形のブラシレスモータであり、モータ駆動中に、９つの励磁コイル２７付き固定励磁体４に駆動電流が供給されると、８つの永久磁石７と、ヨーク６と、非磁性カバー５と、円筒ホルダー１２及び軸部材３が一体的に回転し、ミシン主軸を回転駆動する。ヨーク６外周部のうち、複数の永久磁石７の間の間隙に対応する部位に磁路拡大用突出部２８が夫々形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、アウターロータ形のミシン駆動用モータに関し、特に、複数の永久磁石の間の間隙に対応する部位でヨークの外周部に磁路拡大用突出部を形成して、漏洩磁束を少なくして出力向上を可能にしたミシン駆動用モータに関するものである。

従来から、ミシンの主軸を駆動する駆動モータとして、ステータの外側に回転子を設けたアウターロータ形の駆動モータ（ブラシレスモータ）が使用されていた。
例えば、特許文献１には、複数の励磁コイル付きの固定励磁体に選択的に駆動電流を供給して、ミシン主軸に連結された回転軸と、カバーと、永久磁石と、ヨーク（継鉄）とを一体的に回転するように構成したミシンの駆動装置が開示されている。

このミシンの駆動装置は、ミシン機枠に複数（例えば１２個）の励磁コイル付きの固定励磁体と、回転軸に回転可能に支持された円筒形状の非磁性カバーと、この非磁性カバーの内周面に固着された円筒形のヨークと、このヨークの内周面に沿って所定間隔おきに複数の固定励磁体に対向するように環状に配置された複数（例えば４個）の永久磁石とが設けられている。

永久磁石の近傍に配設された複数（例えば２個）のホール素子（磁気検出センサ）により、回転する永久磁石のＮ極の回転位置が検出され、その検出信号が励磁回路に出力される。励磁回路により、複数の固定励磁体の励磁コイルに駆動電流が供給され、そのホール素子からの検出信号に基づいて、永久磁石の位置と励磁コイルを励磁するタイミングが最適となるように前記駆動電流が切換え制御される。そして、励磁コイルで発生する磁界と永久磁石との吸引・反発作用により、複数の永久磁石が、ヨーク及び非磁性カバーと一体的に回転駆動される。この回転駆動力を回転軸からミシン主軸へ伝達してミシン主軸を回転駆動するようになっている。
特開昭５６−８９２９６号公報

特許文献１のアウターロータ形ブラシレスモータを含めて、従来のアウターロータ形ブラシレスモータでは、図６（磁束密度分布図）に示すように、全周にわたって等しい厚さのヨーク１０２が採用されている。８つの永久磁石１００は、放射方向外向きの磁界を発生させる磁石と、放射方向内向きの磁界を発生させる磁石とが交互に配設され、各永久磁石１００からの磁束１０１（磁力線）はヨーク１０２を透過して隣接する永久磁石１００へ導くように構成されている。モータ駆動状態のとき、ヨーク１０２における、８つの永久磁石１００の間の間隙１００ａに対応する部位では、Ｎ極からＳ極へ向かう全部の磁束が集中するため、ヨーク１０２における磁束密度が飽和状態に達し、かなりの磁束１０１は漏洩磁束としてヨークの外部へ漏洩する。その結果、永久磁石１００で発生する磁束を出力トルクに有効に変換できず、モータ効率の低下、出力低下を招くという問題がある。

ここで、前記ヨークの全体を厚くすることが考えられるが、ヨークを厚くするとヨークの重量が増加し、ロータの慣性モーメントが大きくなり、モータ起動時の加速特性が低下する。また、モータが大型化し、ミシンの製作コストが高価になる。

本発明の目的は、永久磁石の間の隙間に対応するヨークの部位における磁束密度の飽和を確実に防止しつつ、ヨークを薄肉化してロータの慣性モーメントを低減し、モータの加速特性、減速特性を向上させることのできるミシン駆動用モータを提供することである。

請求項１のミシン駆動モータは、ミシンの主軸に作動的に連結された回転軸と、回転軸の外側に配置されるとともにミシン機枠に固定配置され、回転軸を中心とする放射方向の磁界を発生し得る複数の励磁コイル付きの固定励磁体と、回転軸に固着され且つ複数の固定励磁体を収容する円筒部を有する非磁性カバーと、非磁性カバーの円筒部の内周部に取り付けられたヨークと、固定励磁体に対向するようにヨークの内周面に所定間隔おきに固着された複数の永久磁石とを備えたミシン駆動用モータにおいて、ヨーク外周部のうち複数の永久磁石の間の間隙に対応する部位に、磁路拡大用突出部を形成したものである。

このミシン駆動用モータはアウターロータ形のモータであり、モータ駆動状態のとき、複数の固定励磁体の励磁コイルに駆動電流が供給されると、回転軸と、非磁性カバーと、ヨークと、複数の永久磁石とが一体となって回転する。
ヨークの外周部には複数の磁路拡大用突出部が形成され、この複数の磁路拡大用突出部が、複数の永久磁石の間の間隙に対応する部位に設けられたので、永久磁石の間の間隙に対応する部位においてヨークに磁束が集中しても、磁路拡大用突出部により磁路が拡大しているため、その永久磁石の間の間隙に対応する部位における磁束の磁束密度が飽和状態に達することはない。

請求項２のミシン駆動用モータは、請求項１の発明において、ヨーク内周部のうち複数の永久磁石の間の間隙に対応する部位に、間隙に係合する回り止め用凸部を形成したものである。
請求項３のミシン駆動用モータは、請求項１又は２の発明において、非磁性カバーは、合成樹脂材料で構成されて主軸を手動で回転操作するハンドホイールを兼用するように構成されたものである。

請求項４のミシン駆動用モータは、請求項１〜３の何れかの発明において、ブラシレスモータである。
請求項５のミシン駆動用モータは、請求項１又は２の発明において、ヨークは磁性材料の焼結材で構成されたものである。
請求項６のミシン駆動用モータは、請求項１又は２の発明において、ヨークは軟磁性材料からなるものである。

請求項１の発明によれば、回転軸の外側に配置されるとともにミシン機枠に固定配置された複数の励磁コイル付きの固定励磁体と、回転軸に固着され且つ複数の固定励磁体を収容する非磁性カバーと、この非磁性カバーの内周部に取り付けられたヨークと、固定励磁体に対向するようにヨークの内周面に所定間隔おきに固着された複数の永久磁石とを備え、ヨーク外周部のうち複数の永久磁石の間の間隙に対応する部位に、磁路拡大用突出部を形成したので、モータ駆動状態のとき、前記磁路拡大用突出部によりヨークのうちの前記複数の部位における磁路が拡大されているため、ヨークを透過する磁束の磁束密度が飽和状態に達することはなく、漏洩磁束が殆ど解消されるため、複数の永久磁石からの磁束を回転軸を回転させる出力トルクに有効に変換でき、モータ効率を高めることができる。

前記ヨークに複数の磁路拡大用突出部を形成するため、複数の磁路拡大用突出部以外のヨークの部分の肉厚（径方向肉厚）を薄肉化でき、アウターロータの慣性モーメントを低減できるため、モータの加速特性、減速特性の向上を図ることができる。

請求項２の発明によれば、ヨーク内周部のうち複数の永久磁石の間の間隙に対応する部位に、前記間隙に係合する回り止め用凸部を形成したので、その回り止め用凸部により、組み立て時において複数の永久磁石の位置決めを容易に行うことができるうえ、前記ヨークと複数の永久磁石の周方向の相対位置が変動しないように規制することができる。

請求項３の発明によれば、非磁性カバーは、合成樹脂材料で構成されて主軸を手動で回転操作するハンドホイールを兼用するように構成されたので、部品点数を削減してモータの製作費を低減することができる。

請求項４の発明によれば、ミシン駆動用モータはブラシレスモータであるので、ロータが回転軸とヨークと複数の永久磁石からなるロータの慣性モーメントを低減できる。

請求項５の発明によれば、ヨークは磁性材料の焼結材で構成されたので、所望形状のヨークを容易に製作することができる。
請求項６の発明によれば、ヨークは軟磁性材料からなるので、永久磁石で発生する磁束をヨークを通して強い磁場を発生させることができる。

本発明のミシン駆動用モータは、回転軸の外側に配置されるとともにミシン機枠に固定配置された複数の励磁コイル付きの固定励磁体と、回転軸に固着され且つ複数の固定励磁体を収容する非磁性カバーと、この非磁性カバーの内周部に取り付けられたヨークと、固定励磁体に対向するようにヨークの内周面に所定間隔おきに固着された複数の永久磁石とを備え、ヨーク外周部のうち複数の永久磁石の間の間隙に対応する部位に、磁路拡大用突出部を形成して、ヨークを流れる磁束の磁束密度の飽和状態を防止するよう構成されたものである。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
図１に示すように、ミシン駆動用モータ１は、アウターロータ形のブラシレスモータであり、ミシンの主軸２に連結された円筒ホルダー１２及び軸部材３と、９個の励磁コイル付きの固定励磁体４と、これら各固定励磁体４を収容する非磁性カバー５と、ヨーク６と、８個の永久磁石７とを備えている。尚、円筒ホルダー１２と軸部材３が、このミシン駆動用モータ１の「回転軸」に相当する。

主軸２は、ボールベアリング１０を介してミシン機枠８に形成された開口１１に回転可能に支持され、ボールベアリング１０はミシン機枠８に複数のビス９で固定保持された部材で支持されている。主軸２の右端部分はミシン機枠８の右端面から所定長さ突出し、この主軸２の突出部分には、円筒ホルダー１２の左側約半分が外嵌され、この円筒ホルダー１２の穴付き環状壁１４に右方から挿通させたボルト１３を主軸２の右端部のボルト穴に螺合することで、円筒ホルダー１２が主軸２に固定されている。
円筒ホルダー１２の途中部に形成したネジ孔に螺合したセットビス１７の先端を、ミシンの主軸２に形成した面取り部１６に当接させることで、主軸２に対して円筒ホルダー１２が軸心方向に位置決めされ、両者の相対回転も規制されている。

軸部材３は、円筒ホルダー１２の右半部に形成された収容穴１８に前方から挿入されて、軸部材３の先端部が収容穴１８の奥部のネジ穴に螺合され、軸部材３の鍔部１９が環状段付部２０に当接している。軸部材３には右端に開放状の六角穴が形成されている。
非磁性カバー５は、断熱性に優れた工業用合成樹脂材料で形成され、前記各固定励磁体４を収容する円筒部２１と、円筒部２１の右端寄り部の内周側の端壁部２２とを有している。円筒ホルダー１２の鍔部１２ａが端壁部２２の左端面の嵌合凹部に嵌合され、その鍔部１２ａが複数のビス２３により端壁部２２に固定されている。非磁性カバー５は、主軸２と円筒ホルダー１２及び軸部材３と一体回転するように構成されている。非磁性カバー５の円筒部２１は、作業者がミシンの主軸２を手動で回転操作するハンドホイールを兼用するように構成されている。

前記各固定励磁体４をミシン機枠８に固定する為の円筒段付台２５は、大径部２５ａと、この大径部２５ａの右端部に段付き状に一体形成されて右方へ延び且つ円筒ホルダー１２に僅かの隙間をあけて外嵌された小径筒部２５ｂとを有し、大径部２５ａが複数のボルト２４によりミシン機枠８に固定されている。

図２、図３に示すように、前記各固定励磁体４は、円筒ホルダー１２の軸心に対して周方向に等間隔おきに放射方向（半径方向）向きに配設されている。各固定励磁体４における励磁コイル２７を巻装する突極部２６ａは、内周リング部２６ｂから半径方向（放射方向）へ突出するように一体的に形成され、９個の突極部２６ａと内周リング部２６ｂからなる磁極鉄心２６は、図３に示す形状の磁極板を多数積層して構成されている。前記磁極板は鉄板又は珪素鋼板からなる。

内周リング部２６ｂは、円筒段付台２５の小径筒部２５ｂに外嵌固着され、こうして、前記各固定励磁体４は、円筒段付台２５を介してミシン機枠８に固定されている。前記各固定励磁体４は、磁極鉄心２６の突極部２６ａに多重に外装され円筒ホルダー１２の軸心に対して半径方向外向き又は内向き磁界を発生し得る励磁コイル２７を有する。

図１，図２に示すように、非磁性カバー５の円筒部２１の左半部の内側には、環状のヨーク６が取り付けられている。そのヨーク６の内周面に８個の断面円弧状の永久磁石７が、前記各固定励磁体４に対向するように等間隔おきに配設されている。これら永久磁石７は、放射方向外向きの磁界を発生させる磁石と、放射方向内向きの磁界を発生させる磁石とを周方向に交互に配置し、隣接する永久磁石７の間には数ｍｍの間隙７ａが形成されている。これらの永久磁石７は、エポシキ系接着剤によりヨーク６の内周面に接着されている。これらの永久磁石７は、強力な磁界を発生する希土類磁石からなる。

図２，図３に示すように、ヨーク６は軟磁性材料でもって軸方向に所定の長さ（突極部の軸方向長さとほぼ等しい長さ）を有する円環体に形成されている。前記ヨーク６外周部には８つの磁路拡大用突出部２８が形成され、ヨーク６内周部には８つの回り止め用凸部２９が形成されている。このヨーク６は、薄い軟電磁鋼板を多数積層して構成されている。図４に示すように、前記ヨーク６は、非磁性カバー５を成形する際にインサート成形することで非磁性カバー５に一体化される。

磁路拡大用突出部２８は、外側へ湾曲状に山形に膨らんだ形状に形成され、前記間隙７ａに対応する部位に夫々形成されている。磁路拡大用突出部２８の内周側端部の周方向幅は前記間隙７ａの約３〜４倍の幅に形成され、磁路拡大用突出部２８の厚さは、ヨーク６の薄肉部６ａの厚さとほぼ等しい厚さに形成されている。

磁路拡大用突出部２８により磁路の半径方向の厚さが拡大されているため、磁路が拡大する。従って、前記各永久磁石７から隣接する永久磁石７へ向かう磁束がヨーク６内を透過する際に、前記間隙７ａに対応する部位において集中したとしても、ヨーク６内の磁束が飽和状態になることはなく、ヨーク６外への磁束の漏洩が殆ど生じなくなる。このヨーク６に形成された前記各磁路拡大用突出部２８が、ミシン駆動用モータ１の駆動中における非磁性カバー５とヨーク６との相対的な回り止めに役立つ。

前記各回り止め用凸部２９は、主に、磁路の拡大と、ミシン駆動用モータ１駆動中におけるヨーク６に対する各永久磁石７の回り止めのためのものである。前記各回り止め用凸部２９は、ヨーク６内周部のうちの前記各永久磁石７の間の間隙７ａに対応する部位に形成され、前記間隙７ａに夫々係合されている。これら回り止め用凸部２９があるため、永久磁石７をヨーク６に組み付ける際の位置決めが簡単になる。

前記各固定励磁体４は、１２０度の位置関係にある３つの固定励磁体４を１群とする３群にグループ化されている。各群の固定励磁体４の励磁コイル２７は接続されて共通の駆動電流が供給されるが、３群の励磁コイル２７に対しては、永久磁石７の位置と励磁コイル２７を励磁するタイミングが最適となるように切換えながら駆動電流が供給される。固定励磁体４の突極部２６ａの極性と永久磁石７の磁極との磁力（吸引・反発）が発生して永久磁石７に回転トルクが発生し、永久磁石７と、ヨーク６と、非磁性カバー５と、円筒ホルダー１２及び軸部材３と、主軸２が一体となって回転する。

励磁コイル２７を駆動制御する駆動回路（励磁回路）の構成は、通常のブラシレスモータの駆動回路と同様であるので詳細な説明は省略する。円筒段付き台２５には、永久磁石７の回転位置を検出する１または複数のレゾルバー３０が設けられており、レゾルバー３０からの検出信号に基づいて、３群の励磁コイル２７を駆動する駆動電流が切換え制御される。

以上説明したミシン駆動用モータ１の作用、効果について説明する。
ヨーク６外周部のうち８つの永久磁石７の間の間隙７ａに対応する部位に、磁路拡大用突出部２８をヨーク６に夫々形成したので、ミシン駆動用モータ１が駆動中に、前記各永久磁石７の間の間隙７ａに対応するヨーク６の部位に磁束が集中した場合でも、磁路拡大用突出部２８により磁路が拡大される。従って、ヨーク６を透過する磁束の磁束密度が飽和状態に達することはなく、磁束がヨーク６外部へ漏洩することもない。そのため、永久磁石７で発生する磁束により非磁性カバー５などの回転部材を回転させる回転トルク（出力トルク）を高めることができ、モータ効率を向上することができる。

しかも、前記ヨーク６に８つの磁路拡大用突出部２８を形成するため、前記各磁路拡大用突出部２８以外のヨーク６の部分の肉厚（径方向肉厚）を薄肉化でき、非磁性カバー５などの回転部材の慣性モーメントを低減できるため、モータの加速特性、減速特性の向上を図ることができる。

ヨーク６内周部のうち前記各永久磁石７の間の間隙７ａに対応する部位に、前記間隙７ａに係合する回り止め用凸部２９をヨーク６に夫々形成したので、この回り止め用凸部２９により、磁路を拡大できる。更に、ミシン駆動用モータ１駆動中におけるヨーク６に対する永久磁石７の相対回転を防止することができるうえ、永久磁石７をヨーク６に組み付ける際の永久磁石７の位置決めを容易に行うことができる。
非磁性カバー５は、主軸２を手動で回転操作するハンドホイールを兼用するように構成されたので、部品点数を削減して小型化を図り、モータの製作費を低減できる。

ここで、実施例を部分的に変更する変更例について説明する。
１］前記磁路拡大用突出部２８の代わりに、図５に示すような形状の磁路拡大用突出部２８Ａを形成してもよい。この磁路拡大用突出部２８Ａでは、その内周側端部の周方向幅と半径方向の厚さが拡大され、外形形状がほぼ三角山形に形成されている。この磁路拡大用突出部２８Ａも、前記磁路拡大用突出部２８と同様の作用、効果を奏する。

２］前記実施例では、磁路拡大用突出部２８と回り止め用凸部２９を設けたヨーク６を電磁鋼板の積層体で構成したが、磁性材料からなる焼結材で構成してもよい。磁性材料は、軟磁性材料（ソフトフェライトや軟鉄など）で構成してもよい。この場合、焼結材を成形型を用いて成形することでヨークの焼結体を製作してもよく、ワイヤーカットにより加工して製作してもよい。

本発明の実施例に係るミシン駆動用モータの断面図である。 図１のII−II線断面図である。 ヨークと永久磁石と磁極鉄心の端面図である。 非磁性カバーとヨークと磁路拡大用突出部等の拡大断面図である。 変形例に係るヨーク示す図である。 従来のミシン駆動用モータにおける永久磁石からヨークに流れる磁束の磁束密度の測定結果を示す図である。

符号の説明

１ ミシン駆動用モータ
２ ミシンの主軸
３ 軸部材
４ 固定励磁体
５ 非磁性カバー
６ ヨーク
７ 永久磁石
７ａ 間隙
１２ 円筒ホルダー
２１ 円筒部
２７ 励磁コイル
２８ 磁路拡大用突出部
２９ 回り止め用凸部

Claims (6)

1. ミシンの主軸に作動的に連結された回転軸と、前記回転軸の外側に配置されるとともにミシン機枠に固定配置され、回転軸を中心とする放射方向の磁界を発生し得る複数の励磁コイル付きの固定励磁体と、前記回転軸に固着され且つ前記複数の固定励磁体を収容する円筒部を有する非磁性カバーと、前記非磁性カバーの円筒部の内周部に取り付けられたヨークと、前記固定励磁体に対向するように前記ヨークの内周面に所定間隔おきに固着された複数の永久磁石とを備えたミシン駆動用モータにおいて、
   前記ヨーク外周部のうち前記複数の永久磁石の間の間隙に対応する部位に、磁路拡大用突出部を形成したことを特徴とするミシン駆動用モータ。
2. 前記ヨーク内周部のうち複数の永久磁石の間の間隙に対応する部位に、前記間隙に係合する回り止め用凸部を形成したことを特徴とする請求項１に記載のミシン駆動用モータ。
3. 前記非磁性カバーは、合成樹脂材料で構成されて前記主軸を手動で回転操作するハンドホイールを兼用するように構成されたことを特徴とする請求項１又は２に記載のミシン駆動用モータ。
4. 前記ミシン駆動用モータは、ブラシレスモータであることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のミシン駆動用モータ。
5. 前記ヨークは磁性材料の焼結材で構成されたことを特徴とする請求項１又は２に記載のミシン駆動用モータ。
6. 前記ヨークは軟磁性材料からなることを特徴とする請求項１又は２に記載のミシン駆動用モータ。

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