JP2010166737A - 直流モータ - Google Patents

Abstract

【課題】モータ出力を確保しつつ、より効果的にコギングトルクを減少させ、稼動時の振動を低減することができる直流モータを提供する。
【解決手段】６極９スロット９セグメントの直流モータ１において、スロット１３の径方向の開口角をＡとし、永久磁石７の極弧角をＢとしたとき、極弧角Ｂは、−０．０００３Ａ^３＋０．０３０８Ａ^２−０．３８９２Ａ＋２７．４４７＜Ｂ＜０．００２９Ａ^３−０．１８７９Ａ^２＋４．２１１５Ａ＋１４．５４６を満たすように設定されている。
【選択図】図２

Description

この発明は、例えば、車両に搭載される直流モータに関するものである。

直流モータとしては、例えば、筒部を有するヨークの内周面にセグメント型の永久磁石を複数配設し、この永久磁石の内側にアーマチュアを回転自在に設けたブラシ付きの直流モータがある。アーマチュアは、回転軸に外嵌固定されたアーマチュアコアと、複数のセグメントが配設されたコンミテータとを有している。アーマチュアコアには、径方向に放射状に延びる複数のティースが設けられ、これらティース間に軸方向に長いスロットが複数形成されている。

このスロットからコイルが挿通され、各ティースにコイルが巻装されている。コイルは、コンミテータのセグメントに導通している。各セグメントは給電を行うためのブラシに摺接しており、このブラシを介してコイルに直流電流が供給されるようになっている。コイルに直流電流が供給されると磁界が形成され、この磁界と永久磁石との間に生じる磁気的な吸引力や反発力によってアーマチュアが回転する。

ところで、永久磁石の周方向両端では磁束の変化が大きくなるので、この永久磁石の周方向両端をティースが通過するとき、ティースの磁気的な吸引力や反発力が大きく変化してコギングトルクが大きくなる。このため、永久磁石の中央から周方向両端に向かうにしたがって徐々に永久磁石とアーマチュアコアとの間のエアギャップを大きくし、各ティースが永久磁石の両端を通過する際の磁気的な吸引力や反発力の変化を小さくする技術がさまざま提案されている。

例えば、永久磁石を平板状に形成する場合がある。これによれば、永久磁石が平板状に形成されているのに対し、アーマチュアコアの外周面は軸方向平面視で円形状を有しているので、永久磁石の中央から周方向両端に向かうにしたがって徐々に永久磁石とアーマチュアコアとの間のエアギャップを大きくすることができる。

しかしながら、永久磁石を平板状に形成する場合、隣接する永久磁石がそれぞれ近接配置されるほど、これら永久磁石の周方向端部の磁束が相互にオーバーラップし、コギングトルクが逆に増加してしまう。一方、隣接する永久磁石をある程度離間して配置すると、磁束の低下に伴いモータ出力が低下するおそれがある。
このため、平板状の永久磁石に対して好適な幅寸法（極弧角）を設定し、モータ出力を確保しつつコギングトルクを減少させ、直流モータの振動を低減させようとする技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−１０４７５８号公報

しかしながら、上述の従来技術にあっては、平板状の永久磁石の幅寸法のみ限定し、永久磁石以外のコギングトルク発生要因となるスロットの開口幅について何ら限定されていない。このため、効果的に、モータ出力を確保しつつコギングトルクを減少させ難いという課題がある。

そこで、この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、モータ出力を確保しつつ、より効果的にコギングトルクを減少させ、稼動時の振動を低減することができる直流モータを提供するものである。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、筒部を有するヨークと、前記筒部の内周面に固定された６つの平板形状の永久磁石と、前記永久磁石の径方向内側に回転自在に支持されたアーマチュアとを備え、前記アーマチュアは、回転軸と、前記回転軸に外嵌固定されているアーマチュアコアと、前記アーマチュアコアと隣接して設けられ９つのセグメントを周方向に配置したコンミテータとを備え、前記アーマチュアコアは、径方向に沿って延びる９つのティースと、前記ティース間に形成され軸方向に沿って延びる９つのスロットとを有する６極９スロット９セグメントの直流モータにおいて、前記スロットの径方向の開口角をＡ度とし、前記永久磁石の極弧角をＢ度としたとき、前記極弧角Ｂは、−０．０００３Ａ^３＋０．０３０８Ａ^２−０．３８９２Ａ＋２７．４４７＜Ｂ＜０．００２９Ａ^３−０．１８７９Ａ^２＋４．２１１５Ａ＋１４．５４６を満たすように設定されていることを特徴とする。
このように構成することで、十分な磁束量を確保しつつコギングトルクを効果的に低減することが可能になる。このため、モータ出力を確保しつつ稼動時の振動を低減することができる直流モータを提供することが可能になる。

請求項２に記載した発明は、前記極弧角Ｂは、−０．０００３Ａ^３＋０．０３０８Ａ^２−０．３８９２Ａ＋２７．４４７＜Ｂ＜０．００１９Ａ^３−０．１４１７Ａ^２＋３．５４５８Ａ＋１５．０９を満たすように設定されていることを特徴とする。
このように構成することで、さらにモータ出力を確保でき、かつより効果的にコギングトルクを減少させることができる。

請求項３に記載した発明は、前記ヨークの前記筒部は、軸方向平面視多角形状に形成されており、前記永久磁石は、前記筒部の平坦壁に固定されていることを特徴とする。
このように構成することで、ヨークの剛性を高めることができるので、より直流モータの振動を低減することができる。また、平板状の永久磁石を確実に面でヨークに固定することができるので、永久磁石とヨークとの接触不良によるヨーク振動時の騒音の発生を低減することができる。

請求項４に記載した発明は、筒部を有するヨークと、前記筒部の内周面に固定された６つの平板形状の永久磁石と、前記永久磁石の径方向内側に回転自在に支持されたアーマチュアとを備え、前記アーマチュアは、回転軸と、前記回転軸に外嵌固定されているアーマチュアコアと、前記アーマチュアコアと隣接して設けられ９つのセグメントを周方向に配置したコンミテータとを備え、前記アーマチュアコアは、径方向に沿って延びる９つのティースと、前記ティース間に形成され軸方向に沿って延びる９つのスロットとを有する６極９スロット９セグメントの直流モータにおいて、前記スロットの径方向の開口角をＡ度とし、前記永久磁石の極弧角をＢ度としたとき、前記極弧角Ｂは、−０．０００５Ａ^３−０．０１２Ａ^２＋１．０４６４Ａ＋１４．４９１＜Ｂ＜−０．０３２６Ａ^３＋０．８３５Ａ^２−５．６４１２Ａ＋４３．５９を満たすように設定されていることを特徴とする。
このように構成することで、コギングトルクを効果的に低減することが可能になる。

本発明によれば、十分な磁束量を確保しつつコギングトルクを効果的に低減することが可能になる。このため、モータ出力を確保しつつ稼動時の振動を低減することができる直流モータを提供することが可能になる。

本発明の実施形態における直流モータの縦断面図である。 本発明の実施形態における直流モータの横断面図である。 本発明の実施形態におけるコギングトルク、有効磁束の変化を示すグラフである。 本発明の実施形態におけるコギングトルクの低減範囲を示すグラフである。

次に、この発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１、図２に示すように、直流モータ１は、車両に搭載する電装品の駆動源となるものであって、有底筒状のヨーク２内にアーマチュア３が回転自在に設けられ、ヨーク２の開口部２ａをブラケット４で閉塞している。
ヨーク２は有底筒状に形成されたものであって、開口部２ａ側から順にブラシ収納部５ａと、ブラシ収納部５ａよりも段差により縮径されたステータ部５ｂとを有している。

ステータ部５ｂの筒部５３は、断面略６角形状に形成されており、６つの平坦壁５４と、これらを連結する屈曲壁５５とで構成されている。
各平坦壁５４の内面には、それぞれセグメント型の永久磁石７が固着されている。すなわち、永久磁石７は６つ設けられている。
永久磁石７は平板状に形成されたものであって、一端面を筒部５３の平坦壁５４に当接させた形で固定されている。これにより、ヨーク５の屈曲壁５５は、各永久磁石７の一側面の間に形成される空隙Ｋに対応して設けられた状態になっている。

ステータ部５ｂの底壁（エンド部）５１には、中央に軸方向外側に向かって突出するボス１９が形成され、ここにアーマチュア３の回転軸３１の一端を軸支するための軸受け１８が圧入固定されていると共に、回転軸３１のスラスト荷重を受けるスチールボール３５が設けられている。
アーマチュア３は、回転軸３１に外嵌固定されたアーマチュアコア８と、アーマチュアコア８に巻装されたアーマチュアコイル９と、回転軸３１の他端側に配置されたコンミテータ１０とを備えている。アーマチュアコア８は、リング状の金属板１１を軸方向に複数枚積層したものである。

金属板１１の外周部にはＴ字型の９つのティース１２が周方向に沿って等間隔で放射状に形成されている。各ティース１２は、径方向に延出する巻胴部１２ａと、巻胴部１２ａの先端に設けられ周方向に延在する外周部１２ｂとで構成されている。
すなわち、ティース１２の先端に設けられた外周部１２ｂがアーマチュアコア８の外周面を構成しており、永久磁石７の他端面と対向した状態になっている。

複数枚の金属板１１を回転軸３１に外嵌固定することにより、アーマチュアコア８の外周には、隣接するティース１２間に蟻溝状のスロット１３が９つ形成されている。スロット１３は軸方向に沿って延びており、周方向に沿って等間隔に複数形成されている。
これらスロット１３間にエナメル被覆の巻線１４を挿通し、ティース１２の巻胴部１２ａに絶縁材であるインシュレータ３９を介して巻線１４が巻装される。これにより、アーマチュアコア８の外周に、複数のアーマチュアコイル９が形成される。

ここで、ティース１２の外周部１２ｂは軸方向平面視で弧状に形成されているのに対し、これに対向する永久磁石７の他端面は平坦に形成されている。このため、永久磁石７の中央から周方向両端に向かうに従って徐々に永久磁石７とアーマチュアコア８との間のエアギャップＧが大きくなる。
また、スロット１３の径方向の開口角をＡ（ｄｅｇ）とし、永久磁石７の極弧角をＢ（ｄｅｇ）としたとき、
極弧角Ｂは、
−０．０００３Ａ^３＋０．０３０８Ａ^２−０．３８９２Ａ＋２７．４４７＜Ｂ＜０．００２９Ａ^３−０．１８７９Ａ^２＋４．２１１５Ａ＋１４．５４６・・・（１）
を満たすように設定されている。このように構成することで、所望の磁束量を確保しつつ、コギングトルクを従来よりも低減することが可能になる。

なお、スロット１３の径方向の開口角Ａとは、回転軸３１の中心から隣接するティース１２の外周部１２ｂのうち、周方向で対向する端部までを直線で引いたときの直線間の角度をいう。また、永久磁石７の極弧角Ｂとは、回転軸３１の中心から永久磁石の周方向両端までを直線で引いたときの直線角の角度をいう。

図３、図４に基づいて、式（１）についてより詳細に説明する。
図３は、縦軸をコギングトルク、永久磁石７の有効磁束とし、横軸を永久磁石７の極弧角Ｂ（ｄｅｇ）としたときのスロット１３の開口角Ａの大きさ別のコギングトルクと有効磁束の変化を示すグラフである。
なお、スロット１３の開口角Ａをティース１２に巻線１４を巻装可能な角度である７°に設定すると共に、永久磁石７の極弧角Ｂを６極モータの場合の最大角度である５６°に設定した場合のコギングトルク、有効磁束をそれぞれコギングトルクの基準値、有効磁束の基準値とする。そして、縦軸のコギングトルク、および有効磁束は、それぞれの基準値に対する割合（％）を示している。

図３における曲線Ｘに示すように、スロット１３の開口角Ａと永久磁石７の極弧角Ｂを変化させると、コギングトルクがこの基準値に対して変化することが確認できる。また、図３における曲線Ｙに示すように、永久磁石７の極弧角Ｂを変化させると、永久磁石７の有効磁束がこの基準値に対して変化することが確認できる。
ここで、コギングトルクの低減率を基準値に対して５０％を超えるようにしようとした場合、図３における破線Ｌ１よりも低い値（下方）を示している部分の曲線Ｘが条件を満たしていることになる。すなわち、スロット１３の開口角Ａ、および永久磁石７の極弧角Ｂは、破線Ｌ１よりも低い値を示している部分の曲線Ｘの範囲（範囲Ｘ）となるように設定される。

一方、有効磁束の低減率を基準値に対して１０％未満に抑えようとした場合、図３における一点鎖線Ｌ２よりも高い値（上方）を示している部分の曲線Ｙが条件を満たしていることになる。すなわち、永久磁石７の極弧角Ｂは、一点鎖線Ｌ２よりも高い値を示している部分の曲線Ｙの範囲（範囲Ｙ）となるように設定される。これら範囲Ｘ、および範囲Ｙを数式化すると式（１）になる。
なお、永久磁石７の有効磁束の低減率を１０％未満に抑えようとしたのは、この範囲（範囲Ｙ）であれば、所望の磁束量を確保できるからである。また、アーマチュアコア８の形状を変えることなく、巻装状態の調整、例えば、巻線１４の巻回数の調整や巻線１４の線径の変更などによりコギングトルクの調整を行うことが可能だからである。

さらに、コギングトルクの低減率を基準値に対して７０％を超えるようにしようとした場合、図３における破線Ｌ３よりも低い値（下方）を示している部分の曲線Ｘが条件を満たしていることになる。すなわち、スロット１３の開口角Ａ、および永久磁石７の極弧角Ｂは、破線Ｌ３よりも低い値を示している部分の曲線Ｘの範囲（範囲Ｘ１）となるように設定される。

この範囲Ｘ１と範囲Ｙとを数式化すると以下のようになる。すなわち、極弧角Ｂは、
−０．０００３Ａ^３＋０．０３０８Ａ^２−０．３８９２Ａ＋２７．４４７＜Ｂ＜０．００１９Ａ^３−０．１４１７Ａ^２＋３．５４５８Ａ＋１５．０９・・・（２）
を満たすように設定されている。式（２）を満たすようにスロット１３の開口角Ａ、および永久磁石７の極弧角Ｂを設定することにより、所望の磁束量を確保しつつ、さらにコギングトルクを低減することが可能になる。

図４は、縦軸を永久磁石７の極弧角Ｂ（ｄｅｇ）とし、横軸をスロット１３の開口角Ａ（ｄｅｇ）とした場合の、コギングトルクの低減範囲を示すグラフである。
同図に示すように、コギングトルクの低減率を基準値に対して５０％を超える範囲は、ドットで示す範囲であることが確認できる。また、コギングトルクの低減率を基準値に対して７０％を超える範囲は、斜線で示す範囲であることが確認できる。

図１に示すように、アーマチュア３のコンミテータ１０は、回転軸３１のブラシ収納部５ａに対応する部位に外嵌固定されている。コンミテータ１０の外周面には、導電材で形成されたセグメント１５が９枚取り付けられている。
セグメント１５は軸方向に長い板状の金属片からなり、互いに絶縁された状態で周方向に沿って等間隔に並列に固定されている。したがって、直流モータ１は、永久磁石７が６つ、スロット１３が９つ、セグメント１５が９枚の６極９スロット９セグメントで構成されている。

各セグメント１５のアーマチュアコア８側の端部には、外径側に折り返す形で折り曲げられたライザ１６が一体成形されている。ライザ１６には、アーマチュアコイル９の巻き始め端部と巻き終わり端部となる巻線１４が掛け回わされ、巻線１４はヒュージングによりライザ１６に固定されている。これにより、セグメント１５とこれに対応するアーマチュアコイル９とが導通される。

ヨーク２のブラシ収納部５ａには、開口縁に外フランジ部４１が形成されており、この外フランジ部４１に重ね合わさるようにしてブラケット４がボルト４２によって締結固定されている。
ブラケット４は有底筒状に形成されたものであって、開口部４ａをヨーク２側に向けた状態で固定されている。ブラケット４の底部４ｂには、中央に軸方向外側に向かって突出するボス４２が形成され、ここにアーマチュア３の回転軸３１の他端側を軸支するための軸受け４３が圧入固定されている。また、ボス４２には、回転軸３１を挿通するための挿通孔４４が形成されている。回転軸３１は、挿通孔４４を介して外方に突出した状態になっている。

ブラケット４の内側には、アーマチュアコイル９に給電を行うためのターミナル６１が配置されている。このターミナル６１には、給電端子６２が接続されている。給電端子６２は、ブラケット４の周壁４ｃに形成されている開口部６３から径方向外側に向かって突出した状態で設けられている。給電端子６２には、外部電源（不図示）に接続されたコネクタ（不図示）が嵌着される。

また、ブラケット４のターミナル６１よりもヨーク２側には、ホルダステー６４が設けられており、ここにブラシホルダ２０が複数固定されている。ブラシホルダ２０には、それぞれブラシ２２が不図示のスプリングを介して付勢された状態で出没自在に内装されている。これらブラシ２２の先端部は、スプリング（不図示）によって付勢され、コンミテータ１０のセグメント１５に摺接した状態になっている。
また、ブラシ２２は、ピグテール２３を介してターミナル６１に電気的に接続されている。これにより、外部電源が給電端子６２、ターミナル６１、ブラシ２２を介してセグメント１５に給電される。そして、セグメント１５からアーマチュアコイル９に電流が供給される。

このような構成のもと、アーマチュアコイル９に電流が供給されると、アーマチュアコア８の各ティース１２に磁界が形成され、この磁界と永久磁石７との間に生じる磁気的な吸引力や反発力によってアーマチュア３が回転する。このとき、スロット１３の開口角Ａと永久磁石７の極弧角Ｂとがそれぞれ式（１）を満たす場合、少なくともコギングトルクがこの基準値に対して５０％よりも小さくなる。また、スロット１３の開口角Ａと永久磁石７の極弧角Ｂとがそれぞれ式（２）を満たす場合、少なくともコギングトルクがこの基準値に対して７０％よりも小さくなる。

したがって、上述の実施形態によれば、６極９スロット９セグメントの直流モータ１において、永久磁石７の有効磁束の低減率を１０％未満に抑えつつコギングトルクを効果的に低減することが可能になる。このため、モータ出力を確保しつつ稼動時の振動を低減することができる直流モータ１を提供することが可能になる。

また、ヨーク５のステータ部５ｂの筒部５３を６つの平坦壁５４と、これら６つの平坦壁５４をそれぞれ連結する６つの屈曲壁５５とで構成して断面略６角形状としている。このため、断面略円形状の筒部を有するヨークと比較して剛性を高めることができ、より確実に直流モータ１の振動を低減することができる。

さらに、ステータ部５ｂの平坦壁５４に永久磁石７を固着することにより、平板状に形成された永久磁石７の一端面を確実にステータ部５ｂと面接触させることができる。このため、永久磁石７とヨーク２との接触不良により発生するヨーク２の振動時の騒音を低減することができる。

なお、本発明は上述の実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述の実施形態に種々の変更を加えたものを含む。
また、上述の実施形態では、ヨーク２が有底筒状に形成されたものであって、ブラシ収納部５ａとステータ部５ｂを有している場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、ブラシ収納部５ａとステータ部５ｂとを別体で形成してもよい。また、ステータ部５ｂは、筒部５３を有していればよく、底壁５１に代わってフランジなどを用いてもよい。

さらに、上述の実施形態では、永久磁石７の有効磁束の低減率を１０％未満に抑え、かつコギングトルクの低減率を基準値に対して７０％を超えるようにしようとした場合、スロット１３の開口角Ａ、および永久磁石７の極弧角Ｂを
−０．０００３Ａ^３＋０．０３０８Ａ^２−０．３８９２Ａ＋２７．４４７＜Ｂ＜０．００１９Ａ^３−０．１４１７Ａ^２＋３．５４５８Ａ＋１５．０９・・・（２）
を満たすように設定する場合について説明した。
しかしながら、永久磁石７の有効磁束の低減を無視し、コギングトルクの低減率が基準値に対して７０％を超えるようにすることのみ考慮した場合、
極弧角Ｂを
−０．０００５Ａ^３−０．０１２Ａ^２＋１．０４６４Ａ＋１４．４９１＜Ｂ＜−０．０３２６Ａ^３＋０．８３５Ａ^２−５．６４１２Ａ＋４３．５９・・・（３）
を満たすように設定してもよい。
式（３）を満たすようにスロット１３の開口角Ａ、および永久磁石７の極弧角Ｂを設定した場合であっても、コギングトルクの低減率が基準値に対して７０％を超えるので、確実に直流モータ１の振動を低減することができる。

１ 電動モータ
２ ヨーク
３ アーマチュア
５ａ ブラシ収納部
５ｂ ステータ部
７ 永久磁石
８ アーマチュアコア
１０ コンミテータ
１２ ティース
１３ スロット
１５ セグメント
３１ 回転軸
５３ 筒部
５４ 平坦壁
５５ 屈曲壁

Claims (4)

1. 筒部を有するヨークと、
   前記筒部の内周面に固定された６つの平板形状の永久磁石と、
   前記永久磁石の径方向内側に回転自在に支持されたアーマチュアとを備え、
   前記アーマチュアは、
   回転軸と、
   前記回転軸に外嵌固定されているアーマチュアコアと、
   前記アーマチュアコアと隣接して設けられ９つのセグメントを周方向に配置したコンミテータとを備え、
   前記アーマチュアコアは、
   径方向に沿って延びる９つのティースと、
   前記ティース間に形成され軸方向に沿って延びる９つのスロットとを有する６極９スロット９セグメントの直流モータにおいて、
   前記スロットの径方向の開口角をＡ度とし、前記永久磁石の極弧角をＢ度としたとき、
   前記極弧角Ｂは、
   −０．０００３Ａ^３＋０．０３０８Ａ^２−０．３８９２Ａ＋２７．４４７＜Ｂ＜０．００２９Ａ^３−０．１８７９Ａ^２＋４．２１１５Ａ＋１４．５４６
   を満たすように設定されていることを特徴とする直流モータ。
2. 前記極弧角Ｂは、
   −０．０００３Ａ^３＋０．０３０８Ａ^２−０．３８９２Ａ＋２７．４４７＜Ｂ＜０．００１９Ａ^３−０．１４１７Ａ^２＋３．５４５８Ａ＋１５．０９
   を満たすように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の直流モータ。
3. 前記ヨークの前記筒部は、軸方向平面視多角形状に形成されており、
   前記永久磁石は、前記筒部の平坦壁に固定されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の直流モータ。
4. 筒部を有するヨークと、
   前記筒部の内周面に固定された６つの平板形状の永久磁石と、
   前記永久磁石の径方向内側に回転自在に支持されたアーマチュアとを備え、
   前記アーマチュアは、
   回転軸と、
   前記回転軸に外嵌固定されているアーマチュアコアと、
   前記アーマチュアコアと隣接して設けられ９つのセグメントを周方向に配置したコンミテータとを備え、
   前記アーマチュアコアは、
   径方向に沿って延びる９つのティースと、
   前記ティース間に形成され軸方向に沿って延びる９つのスロットとを有する６極９スロット９セグメントの直流モータにおいて、
   前記スロットの径方向の開口角をＡ度とし、前記永久磁石の極弧角をＢ度としたとき、
   前記極弧角Ｂは、
   −０．０００５Ａ^３−０．０１２Ａ^２＋１．０４６４Ａ＋１４．４９１＜Ｂ＜−０．０３２６Ａ^３＋０．８３５Ａ^２−５．６４１２Ａ＋４３．５９
   を満たすように設定されていることを特徴とする直流モータ。

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