JP2010136540A

JP2010136540A - 直流モータ

Info

Publication number: JP2010136540A
Application number: JP2008310458A
Authority: JP
Inventors: Tomohisa Suzuki; 友久鈴木
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: Minebea Co Ltd
Priority date: 2008-12-05
Filing date: 2008-12-05
Publication date: 2010-06-17

Abstract

【課題】高効率と低コギングトルクとを両立した直流モータを提供する。
【解決手段】直流モータにおいて、環状のヨークの内周面に沿って固定された複数の磁極を有する軸方向の長さがＬ_１の界磁マグネットと、界磁マグネットの内側に配置された複数の突極を備え、軸方向の長さがＬ_２の回転子とを備え、０．０１≦（Ｌ_１−Ｌ_２）／２Ｌ_２≦０．１２５とする。Ｌ_１とＬ_２の関係をこの範囲とすることで、高効率と低コギングトルクとを両立した直流モータを得る。
【選択図】図３

Description

本発明は、直流モータに関する。

特許文献１には、ヨーク側の磁極の軸方向の長さと回転子の軸方向の長さとの比率を調整することで、小型化しても特性を維持できる永久磁石式モータが記載されている。特に特許文献１には、ヨーク側の永久磁石の軸方向の長さをＬｍ、回転子鉄心の軸方向の長さをＬｃとした場合に、１．０＜Ｌｍ／Ｌｃ＜１．４の範囲に設定する技術が記載されている。

特許第３３３３３５９号公報

引用文献１に記載された技術は、永久磁石式モータを小型化しても出力が維持できることを目的とするもので、コギングトルクについては考慮されていない。コギングトルクは、モータ回転時の振動および回転ムラの要因となるので、極力小さくすることが望まれる。本発明者らの研究によれば、直流モータの効率とコギングトルクには、相関関係があり、直流モータの効率のみを追究したのでは、コギングトルクが大きく問題があることが判明している。そこで、本発明は、高効率と低コギングトルクとを両立した直流モータを提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、環状のヨークの内周面に沿って固定された複数の磁極を有する軸方向の長さがＬ_１の界磁マグネットと、前記界磁マグネットの内側に配置された複数の突極を備え、軸方向の長さがＬ_２の回転子とを備え、０．０１≦（Ｌ_１−Ｌ_２）／２Ｌ_２≦０．１２５であることを特徴とする直流モータである。

本発明によれば、直流モータの効率を高く維持しつつ、コギングトルクの値を抑えることができる。ここで、効率は、直流モータの駆動に要する電力が駆動力に変換される効率のことである。なお、Ｌ_２は、回転子を構成する磁極となる磁性体の軸方向の長さである。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、（Ｌ_１−Ｌ_２）／２Ｌ_２≦０．１０であることを特徴とする。請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明に比較して、さらに低コギングトルクの直流モータを得ることができる。

本発明によれば、高効率と低コギングトルクとを両立した直流モータが提供される。

（１）第１の実施形態
（全体の概要）
図１は、本発明を利用した直流モータの軸方向から見た断面図である。図２は、図１に示す構造体を軸に平行な面で切った状態を斜めから見た断面斜視図である。図１および図２には、直流モータ１００が示されている。直流モータ１００は、磁性体により構成された角が丸い四角形の断面形状を有した筒型の構造のヨーク１０１（図２で図示省略）を備えている。ヨーク１０１の内側には、そこにちょうど収まる外形を有し、外側の形状が、角が丸い四角形で、内側の形状が円形の断面形状を有した界磁マグネット１０２が収納されている。ここで、界磁マグネット１０２の回転軸線方向の長さがＬ_１と表記されている。

界磁マグネット１０２は、４つの角部が磁極となる。この例では、各角部が、順にＮ極→Ｓ極→Ｎ極→Ｓ極と４極に着磁されている。これら磁極の中心は、半径方向の厚みが最大となる部分と一致する構成とされている。また、界磁マグネット１０２の半径方向の厚さは、磁極間の中央部分、つまり磁極が切り替わる部分で最小となる断面形状とされている。界磁マグネット１０２は、異方性Ｓｍ−Ｆｅ−Ｎ磁石粉末を用いたボンド磁石により構成されている。

ここで、ボンド磁石というのは、樹脂粉末と磁石粉末とを混合した原料粉末を用いた射出成型法により、形成した磁石のことをいう。この製造法では、上記原料粉末を加熱して樹脂成分を溶融させ、射出成形した後、着磁を行うことで、界磁マグネットを得る。

界磁マグネット１０２の内側の空間には、磁性体により構成される回転子１０３が収められている。回転子１０３は、回転軸１０４（図２では図示省略）を軸として、界磁マグネット１０２の内側で回転する。この例では、回転子１０３は、６個の突極を備えた６スロットとなっている。これら突極には、図示省略したコイルが巻かれ、これらコイルは、図示省略したブラシ給電機構から給電を受ける。これらの構造は、通常のモータと同じであるので、図示および説明は省略する。回転子１０３の軸方向における長さ、言い替えると突極の軸方向における幅をＬ_２としている。

界磁マグネット１０２の軸方向の中心の位置は、回転子１０３の軸方向の中心の位置と一致（または略一致）する位置関係とされている。したがって、Ｌ_１＞Ｌ_２である場合、界磁マグネット１０２の回転子１０３からの軸方向前後におけるはみ出し部分の寸法は、軸方向の前後で同じ値となる。

（実験データの説明）
図１および図２に示す構造の直流モータを作製した。すなわち、界磁マグネット１０２の軸方向の長さＬ_１と回転子１０３の軸方向の長さＬ_２との比率を変えたサンプルを作製し（実際には、Ｌ_１の長さを変えたサンプルを複数作製し）、直流モータを作製した。この作製した直流モータは、Ｌ_１の長さ以外は、同じとなる構造とし、Ｌ_１の違い以外による性能の差が生じないようにした。

そして試作した直流モータの効率とコギングトルクを測定した。効率は、サンプルのモータを負荷試験装置に接続し、駆動電力の回転エネルギーへの変換効率を測定することで得た。コギングトルクは、コギングトルク測定用の計測器にサンプルのモータを接続し、測定を行うことによって得た。

図３は、上記の測定の結果をまとめたグラフである。図３において、横軸は、（Ｌ_１−Ｌ_２）／２Ｌ_２の値に１００を乗じて％にした値である。図３の右の縦軸は、効率を任意値に変換した値である。図３の左の縦軸は、コギングトルクの値を任意値に変換した値である。

図３から明らかなように、効率は、横軸の値が１の部分から上昇の程度が飽和傾向となり、横軸の値が１２．５となる部分まで、緩やかに上昇する。横軸の値が１以上で効率の上昇の割合が緩やかになり、安定している。また、この付近では、コギングトルクの値は低い。そして、効率は、横軸の値が１２．５を超えると直線的に低下する。一方、コギングトルクは、横軸の値が７付近から緩やかに上昇を始め、横軸の値が１５の付近から上昇の程度がやや急峻となる傾向が現れる。

以上の解析結果によれば、高効率と低コギングトルクを得る下限は、横軸の値で１と結論される。なぜなら、横軸の値が１を下回ると、効率の低下が著しいからである。したがって、０．０１≦（Ｌ_１−Ｌ_２）／２Ｌ_２が臨界的な意味のある数値範囲として決定される。

コギングトルクについて着目すると、横軸が１０を超えたあたりからコギングトルクが上昇する傾向を示す。一方、効率は、横軸の値が１２．５をピークに横軸の値がさらに大きくなると、直線的に低下する傾向を示す。したがって、図３の横軸における高効率と低コギングトルクを得る上限は、両者のバランスを見て横軸の１２．５の部分が有意な値となる。これことより、（Ｌ_１−Ｌ_２）／２Ｌ_２≦０．１２５が臨界的な意味のある数値として決定される。

こうして、０．０１≦（Ｌ_１−Ｌ_２）／２Ｌ_２≦０．１２５が、高効率と低コギングトルクを両立する上で臨界的な範囲であることが結論される。

以上述べたように、高い効率と低いコギングトルクとを追究する場合、（Ｌ_１−Ｌ_２）／２Ｌ_２の値をある範囲内に収めることが重要となる。この範囲に収まるように、界磁マグネットの軸方向の長さＬ_１と回転子の軸方向の長さＬ_２との比を選ぶことで、高い効率を得つつ、且つ、低いコギングトルクを有する直流モータを得ることができる。

更にコギングトルクの低さを追求する場合、以下に説明する限定も有効である。図３を見ると、横軸の１０を超えたあたりからコギングトルクの上昇が顕著なる。一方、この範囲における効率を見ると、横軸の値が１０の付近でほぼピークに近い値が得られている。したがって、低コギングトルクを重視した場合、（Ｌ_１−Ｌ_２）／２Ｌ_２の値の上限は、０．１０となる。つまり、（Ｌ_１−Ｌ_２）／２Ｌ_２≦０．１０となる。

（２）第２の実施形態
次に、円環状からなるヨークの内周面に沿って固定された円環状の界磁マグネットを備えた直流モータについて説明する。図４は、本発明を利用した直流モータの断面構造を示す概念図である。図４には、直流モータ４００が示されている。直流モータ４００は、円筒形状のヨーク４０１内に同じく円筒形状の界磁マグネット４０２を収めた構造とされている。

この例において、界磁マグネット４０２の磁極の中心は、時計回り方向で見て、図の上方向を０°として、４５°、１３５°、２２５°、３１５°の角度部分となる。界磁マグネット４０２における磁極間の境界は、０°（３６０°）、９０°、１８０°、２７０°の角度部分となる４極に着磁されている。

界磁マグネット４０２の内側には、突極を６極備えた回転子４０３が配置されている。回転子４０３は、回転軸４０４に固定され、回転軸４０４は図示しない軸受にて回転可能に支持されている。これらの機構は、通常の直流モータと同じである。

図４において、界磁マグネット４０２の軸方向の長さは、Ｌ_１であり、回転子４０３の軸方向の長さは、Ｌ_２である。Ｌ_１とＬ_２は、第１の実施形態で説明した関係を満足する値に設定される。界磁マグネット４０２の軸方向の中心位置と回転子１０３の軸方向の中心位置を合わせる点は、第１の実施形態の場合と同じである。

（その他）
第１および第２の実施形態において、界磁マグネットの磁極の数は、４に限定されない。回転子も図示する６スロットに限定されない。界磁マグネットを構成する材料は、Ｎｄ―Ｆｅ―Ｂ磁石やフェライト磁石であってもよい。これらの磁石は、ボンド磁石であっても焼結磁石であってもよい。

本発明は、直流モータに利用することができる。

本発明を利用した直流モータの断面構造を示す断面図である。図に示す構造体を軸に平行な面で切った状態を斜めから見た断面斜視図である。測定の結果をまとめたグラフである。本発明を利用した直流モータの断面構造を示す概念図である。

符号の説明

１００…直流モータ、１０１…ヨーク、１０２…界磁マグネット、１０３…回転子、１０４…回転軸。

Claims

環状のヨークの内周面に沿って固定された複数の磁極を有する軸方向の長さがＬ_１の界磁マグネットと、
前記界磁マグネットの内側に配置された複数の突極を備え、軸方向の長さがＬ_２の回転子と
を備え、
０．０１≦（Ｌ_１−Ｌ_２）／２Ｌ_２≦０．１２５であることを特徴とする直流モータ。
（Ｌ_１−Ｌ_２）／２Ｌ_２≦０．１０であることを特徴とする請求項１に記載の直流モータ。