JP2008306873A - 多角形状外形の小型モータ - Google Patents

Abstract

【課題】モータケースのフラット面の振動を抑えて騒音を低減し、かつ振動周波数を耳障りな周波数から人の耳には聞き取り難い高い周波数に上昇させる。
【解決手段】モータケースはその側面を、平坦な側面部とこの側面部間の角部に位置するコーナー部とを連続的に結合した多角形状に形成する。モータケース内周面形状に略一致する外周面形状を有する界磁マグネットは、マグネット側面部及びマグネットコーナー部を有し、かつ、このマグネット側面部外周面上にリブを備える。マグネットは、少なくともリブがモータケース内周面に接触する一方、リブを除くマグネット側面部は微小な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て、モータケース内に圧入により取着される。
【選択図】図４

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、界磁マグネットとこのマグネットを取り付けるモータケースの振動を抑制した小型モータに関する。

通常の小型モータは、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。

一方、上述したようなラウンド形状モータとは異なり、４角形状のマグネットを用いる４角形状外形のモータが知られている（特許文献１，２，３参照）。モータ外形を４角形状にすることにより、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高めることが可能になる。しかし、４角形状マグネットを用いる４角形状外形のモータは、モータケース平坦面を有するために、この平坦面の振動が大きくなって、振動・騒音問題を有することになる。

図９は、マグネットをモータケース各辺のコーナー面に配置した特許文献３に記載のモータの断面図である。図９において、モータケース（ヨーク）は、断面が４角形に形成されて、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面に位置するように磁化させている。このようにマグネットを各辺のコーナーに配置したモータは、マグネットを小さく構成し、効率的に配置することができるだけでなく、コギングトルクを低減することも可能であるが、しかし、一定板厚のモータケース平坦面を有するために、この平坦面が振動して、大きな騒音を発生するという問題がある。

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、モータケース（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、通常、このような組立には圧入技術が用いられるが、モータケース内側に対してマグネット外周の全面を等しく密着させるような圧入は事実上不可能であるため、図９に示すようなモータ構成では、特に磁界を強くすべきマグネット磁極の頂点でモータケース内側とマグネット角部を密接させることになる。このために、マグネットコーナー面を圧入固定して、平坦面ではわずかの隙間を設けるような設計手法を採らざるを得ない。このマグネットコーナー面を圧入固定する構造は、圧入ではない構造と比較すると平坦面の振動は小さくなってはいるが、より低振動が必要な用途においては、まだ不十分である。
特開平７−５９３２２号公報 実開昭６４−１２４５５号公報 特開２００７−６６８８号公報

多角形状外形の小型モータは、複数辺の平坦面（フラット面）とその間を連結するコーナー面（角部）を有し、かつ、特に角部において、モータケースとその内周側に位置するマグネットを密接させる必要があるために、フラット面の振動が大きくなり、騒音悪化の原因となっていた。エアコンダンパ用途等の超低騒音・振動レベルが必須特性である市場では、他用途では問題とならないような騒音・振動レベルに対しても対策が求められる。

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、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、モータケースのフラット面の振動を抑えて騒音を低減し、かつ振動周波数を耳障りな周波数から人の耳には聞き取り難い高い周波数に上昇させ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極以上の界磁マグネットを取着する。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。モータケース内周面形状に略一致する外周面形状を有する界磁マグネットは、モータケース側面部及びコーナー部にそれぞれ対応するマグネット側面部及びマグネットコーナー部を有し、かつ、このマグネット側面部外周面上にリブを備える。マグネットは、少なくともリブがモータケース内周面に接触する一方、リブを除くマグネット側面部は微小な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て、モータケース内に圧入により取着される。

また、マグネット外周面上にリブを備えることで形成されたモータケース内周面とマグネット外周面の間に生じた微小な隙間に接着材を流し込んで接着する。このリブは、断面矩形形状、円弧形状、或いは半円形状を有し、かつ、マグネットの長さ方向に長いライン状に形成した１本或いは複数本が設けられる。また、リブは、マグネット外周面上に設けることに代えて、モータケース内周面側に設けることができる。マグネットは、プラスチックコンパウンドをマグネット材として、一体に全体的にはリング形状に形成される。

本発明によれば、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、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、モータケースのフラット面の振動を抑えて、騒音を低減し、かつ耳障りな振動周波数から人の耳には聞き取り難い高い周波数に変更することができる。

これによって、本発明は、生産効率が高く、安価で、騒音・振動レベルが優れている４極界磁の小型モータを提供することが出来る。

ハウジングフラット面をマグネットのリブで圧入固定することで、振動周波数は11％程度上昇し、人間の聴覚感度が鈍くなる周波数帯域により近くなった。また振動値も50％程度軽減出来た。また加えて、マグネット外径フラット面とハウジング内径フラット面を接着固定することにより、振動値を更に80％程度軽減することが可能となった。

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マグネット材料を偏肉リング形状に一体成形し、モータケース内に固定した後、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。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。コーナー部（角面部）は、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、湾曲形状からなっている。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にもすることができる。

マグネットは、コーナー部がヨークに接触する構成とすることができる一方、側面部では後述のリブ部を除いて、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。このようにマグネット外形は、略一定板厚のモータケース内周面形状に略一致し、それ故に、モータケースと対応したコーナー部及び側面部を有している。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。リングマグネットを、ヨークコーナー部に面圧入する場合には側面部の両端が引っ張られることになり、そして、さらに、後述するように、リブを備えることにより、モータケース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。

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。マグネットは、マグネット材料として、例えば、樹脂の中に磁性材である例えばフェライトやネオジウムを混ぜたプラスチックコンパウンドを用いて、４極が一体に形成されている。図４は、モータケース内に取着したマグネットの１つのコーナー部と１つの側面部を取り出して示す拡大図である。

マグネットの各極は、コーナー部に対応する位置（マグネット厚み寸法Ａ）を超えて、それぞれ隣接する磁極に近づくほどに（マグネット厚み寸法Ｂ）、径方向厚みは、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（寸法Ｃ）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。

さらに、図４に示すように、本発明のマグネットには、リブが備えられる。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。隣接する磁極間のそれぞれの中央、即ち側面部中央に、磁極の切替部がある。この磁極の切換部において、マグネット外周面に備えたリブによって、マグネット外周面がハウジング内周面に対して押し当てられる。リブ断面形状は、図４に示されるような矩形形状、或いは、図５に示されるような円弧、又は半円形状のような任意の突起形状にし、かつ、マグネットの長さ方向には長いライン形状に形成する（図５参照）。但し、リブ長さは、マグネット長さに一致させる必要は必ずしも無く、マグネット長さの半分を越える長さを有していれば十分である。図５に示すリブは、モータケース内へのマグネットの圧入を容易にするために、リブの圧入側を切除している。

マグネット外周面にリブを備えることにより、そのリブ高さ寸法（図４に示す寸法Ｃ）とモータケース内径寸法のみを重点的に管理する事により、生産性の高いモータケースとマグネットの固定方法を実現し、モータケース側面部の振動を抑制することができる。

なお、図示の例において、リブは、磁極間に１本のみ設けているが、より多くの任意本数を所定の間隔を空けて設けることができる。或いは、リブは、モータケース内周面側に設けても、同様にモータケース表面の振動を抑制できる。さらに、このリブとモータケース内周面を接着することによって、モータケースのフラット面の振動をより抑制することが可能となる。

図６は、ハウジングの振動について説明する図であり、（Ａ）は前述したモータケースであり（図３（Ａ）参照）、そこに示すＸ部の詳細を（Ｂ）に示し、また（Ｃ）は、モータケースの振動を説明する図である。マグネットのモータケース内への圧入手法は、モータケース側面部に着目すると、側面部の中心部のみを嵌合いさせることが設計上好ましい。プレス加工で製造したモータケースは内径側へ図６（Ｂ）の矢印に示す方向に歪む。フラット面（平坦面）全体を圧入しようとすると、モータケース内径の全面と、マグネット外径全面の寸法管理が必要になるため、金型の精度を高くする必要が有り、コスト増加に直結してしまう。したがってモータケースも、マグネットも、フラット面中央部の寸法を重点管理し、圧入嵌合いすることで騒音・振動レベルのバラツキが少なく、且つ生産効率の高いモータを製造することが出来る。また、マグネット外周面上にリブを備えることで、モータケース内径とマグネット外径の間には微小な隙間（図４に示す寸法Ｃ）が生じ、この隙間に接着材を流し込んで接着し、フラット面の剛性を高めて、更にモータの低騒音・振動化が可能となる。また振動抑制の効果を最大限に得るためにも、最も振動するフラット面の中央部に圧入の嵌合いを設置するのが設計上好ましい。

リブが無い場合、図６（Ｃ）の上段に示すように、両側圧入部を振動節として、フラット面の中央が腹となる振動をすることになる。これに対して、フラット面の中央をリブで固定すると、フラット面の中央もまた振動節となるために、理論的に振動周波数は上昇し、かつこの振動周波数の上昇は、圧入するリブの本数に比例すると考えられる。このことは、表１に示すように試験試料を製作し実測した結果からも確かめられた。表１は、リブ本数別のハウジングフラット面振動周波数を示す表である。

表１から分かるように、リブ本数と比例して振動周波数が上昇していることが分かる。リブ本数0本=振動周波数10.8kHzに対し、リブ本数20本［4面×5本/面］では振動周波数は14.7kHzに上昇しており、その振動周波数は人間の聴覚感度が鈍くなる周波数帯域により近くなってきている。ちなみに、表１のリブ本数16本及びリブ本数20本において、ひとつの側面部にあるリブとリブとの間隔は等間隔としている。騒音対策の手法として、振動の大きさを抑制することが一般的ではあるが、振動周波数を聴覚感度が鈍くなる周波数帯域に意図的に設置することも効果的である。

図７は、リブ圧入有・無でのハウジングフラット面の振動周波数分析結果（実測値）を示す。（Ａ）リブ圧入無し、（Ｂ）リブ圧入有り（４カ所）、（Ｃ）４カ所のリブ圧入に加えて、リブとヨークを接着固定した際のグラフを示している。４カ所のリブとは、４つの平坦面の中央にそれぞれ１つ設けたことを意味している。横軸は、振動周波数を、縦軸は振動の大きさ（速度）を示している。DC12V印加、3500rpm時のフラット面の振動が、それぞれのグラフの中央部に示されている。また、表２は、図７のグラフから読み取った各仕様のフラット面振動最大値と振動周波数を数値で示している。

リブ圧入無しの場合、振動周波数は10.8kHzと高い周波数で、非常に耳障りな騒音を発している。さらに、この振動を解析した結果、マグネットの振動は、ハウジング面の振動より大きいことが分かった。これらの分析結果から、この振動はモータ駆動時のロータとマグネットの吸引・反発のエネルギが振動源になり、マグネットの薄肉部が弦の中心(振動の腹）となって、ハウジングフラット面を内側から強制加振し発生しているものだと考えられた。また、マグネットを単品で解析した結果からも、マグネットの薄肉部が振幅大で振動し易いことが分かった。この結果からもマグネットがハウジングフラット面の内径を強制加振するため、ハウジングフラット面の振動が大きくなることが分かる。

またこの振動が大きくなる原因として、リブ圧入無しの場合、１)コーナー部を圧入設計とし、フラット面を隙間設計とするため、フラット面の剛性が低下すること、及び２）生産上、４角形状モータのフラット面厚みは、コーナー面厚みより薄くなる（図８参照）ため、断面２次モーメントが低下し、強制加振の影響を受けやすくなることである。このため、フラット面中心近傍のマグネット薄肉部が、ロータとマグネットの吸引・反発のエネルギが振動源になり、振幅大で固有振動するためこのような不具合が発生する。図８は、鉄板をプレス加工により形成したモータケースのコーナー面とフラット面のそれぞれについて測定した厚みを示すグラフである。５個のサンプルについて測定した最小（min）、平均（ave）、最大（max）を示しているが、フラット面厚みはコーナー面厚みより薄くなることが分かる。

図７及び表２に見られるように、ハウジングフラット面をマグネットのリブで圧入固定することで、振動周波数は11％程度上昇し、人間の聴覚感度が鈍くなる周波数帯域により近くなってきている。また振動値も50％程度軽減出来た事が分かる。また加えて、マグネット外径フラット面とハウジング内径フラット面を接着固定することにより、振動値を更に80％程度軽減（圧入無しと比較し）することが可能である。接着固定と同じ効果をハウジング側面部の板厚増加のみで対応しようとすると、側面板厚みを、例えば、0.72mmから1.1mm程度に厚くせざるを得ないため、ハウジングの材料費上昇や、モータサイズが大きくなる。

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。 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。 モータケース内に取着したマグネットの１つのコーナー部と１つの側面部を取り出して示す拡大図である。 図４に示すリブ形状とは異なる別の例を示す図である。 ハウジングの振動について説明する図である。 リブ圧入有・無でのハウジングフラット面の振動周波数分析結果（実測値）を示すグラフである。 鉄板をプレス加工により形成したモータケースのコーナー面とフラット面のそれぞれについて測定した厚みを示すグラフである。 マグネットをモータケース各辺のコーナー面に配置した特許文献３に記載の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、
   前記モータケース内周面形状に略一致する外周面形状を有する前記界磁マグネットは、前記モータケース側面部及びコーナー部にそれぞれ対応するマグネット側面部及びマグネットコーナー部を有し、かつ、このマグネット側面部外周面上にリブを備え、
   前記マグネットは、前記リブが前記モータケース内周面に接触する一方、前記リブを除くマグネット側面部は微小な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て、前記モータケース内に圧入により取着されることから成る多角形状外形の小型モータ。
2. 前記マグネット外周面上にリブを備えることで形成されたモータケース内周面とマグネット外周面の間に生じた前記微小な隙間に接着材を流し込んで接着した請求項１に記載の多角形状外形の小型モータ。
3. 前記リブは、断面矩形形状、円弧形状、或いは半円形状を有し、かつ、マグネットの長さ方向に長いライン状に形成した１本或いは複数本が設けられる請求項１に記載の多角形状外形の小型モータ。
4. 前記リブは、前記マグネット外周面上に設けることに代えて、モータケース内周面側に設けられる請求項１に記載の多角形状外形の小型モータ。
5. 前記マグネットは、プラスチックコンパウンドをマグネット材として、一体に全体的にはリング形状に形成されている請求項１に記載の多角形状外形の小型モータ。
   
   

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