JP2010233349A - 直流モータ - Google Patents

Abstract

【課題】フレームの内側に極異方性磁石を密着保持した直流モータにおいて、モータのトルクの低下を防止し、且つ、モータの軽量化を図る。
【解決手段】フレーム１２と、このフレーム１２の内周に保持された極異方性磁石により構成された界磁マグネット１１と、その内側に配置された複数のスロット１７を有する鉄心１３とを備えた直流モータにおいて、フレーム１２を非磁性の材料により構成し、極異方性磁石により構成された界磁マグネット１１からフレーム１２に吸い上げられる磁束を抑える。これにより、モータのトルクの低下を防止し、且つ、モータの軽量化を図る。
【選択図】図１

Description

本発明は、極異方性磁石を界磁マグネットに用いた直流モータに関する。

従来、モータ用の永久磁石としては、その着磁方向の種類によって、半径方向（ラジアル方向）に磁気ベクトルが向くラジアル異方性磁石と、異極間を曲線で結んだ方向に磁気ベクトルが向く極異方性磁石が知られている。ラジアル異方性磁石は磁極の境界で磁束密度が大きく変化することからコギングトルクが大きくなり、それに起因して振動、騒音が大きくなる。これに対して、極異方性磁石は表面磁束密度波形がほぼ正弦波形となるため、コギングトルクを小さくできる。

極異方性磁石をロータマグネットに用いることによって回転トルクリップルをなくし、振動による騒音を抑制したモータが提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、回転子に永久磁石を備えた永久磁石式同期電動機において、回転子側の永久磁石に表面磁束波形が正弦波となるように着磁したものを用いる構成も提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００６―２３８５３６号公報 特開平８―１１１９６８号公報

界磁マグネットとしてラジアル異方性磁石を用いた直流モータでは、強磁性材料からなるフレームの内側にラジアル異方性磁石を取り付け、フレームをバックヨークとして機能させることで、界磁マグネットの内周面側における磁束密度を向上させている。

しかしながら、極異方性磁石を界磁マグネットに用いる構成において、フレームを強磁性材料により構成した場合、界磁マグネットの外周面から漏れた磁束の一部がフレームに流れてしまい、界磁マグネットの作用面である内周面からの漏洩磁束が減少する傾向が生じる。このことは、モータのトルクの低下につながる。また、フレームが鉄を使用した金属材料から形成されている場合、モータの軽量化を追究する上で不利となる。

このような背景において、本発明は、フレームの内側に極異方性磁石を密着配置した直流モータにおいて、モータのトルクの低下を防止し、且つ、モータの軽量化を図ることができる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、複数のスロットを有する鉄心と、前記鉄心に巻かれた励磁コイルと、前記鉄心を内側に収めたフレームと、前記フレームの内側に配置され前記鉄心に対向配置された界磁マグネットとを備えた直流モータにおいて、前記界磁マグネットが極異方性磁石で、前記フレームが非磁性材から形成されていることを特徴とする直流モータである。

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、前記極異方性磁石と前記非磁性材のフレームとが一体成形されていることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、前記極異方性磁石は、軸方向から見て環状の構造を有し、前記極異方性磁石の内径をＤ、半径方向の厚さをＴ、磁極数をＰで表したとき、前記極異方性磁石が、０．０９＜Ｔ/（πＤ/２Ｐ）＜０．７５の範囲に設定されていることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の発明において、前記フレームがロータを構成し、前記フレームが回転するアウターロータ型であることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の発明において、前記フレームが固定され、前記鉄心が回転する直流ブラシモータであることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、界磁マグネットからフレームに流れる磁束を抑えることができるので、極異方性磁石を界磁マグネットに用いた直流モータにおけるトルクの低下を防止できる。また、フレームを非磁性材料により構成することで、直流モータの軽量化を図ることができる。

請求項２に記載の発明によれば、フレームに界磁マグネットが一体成形されることで、界磁マグネットの径方向の厚さを薄くすることが容易となる。また、製造工程が簡略化され、製造コストを抑えることができる。

請求項３に記載の発明によれば、高起動トルクと低コギングトルクとを両立した性能を得ることができる。

請求項４に記載の発明によれば、外周のフレーム部分が回転するアウターロータ型の直流モータが提供される。

請求項５に記載の発明によれば、内側に配置された鉄心が回転する直流ブラシモータが提供される。

実施形態の直流モータを示す概念図である。 Ｔ（πＤ／２Ｐ）と起動トルクとの関係を示すグラフである。 Ｔ（πＤ／２Ｐ）と起動トルクおよびコギングトルクとの関係を示すグラフである。

（実施形態の構成）
図１は、実施形態の直流モータの構造を示す正面図である。直流モータ１０は、アウターロータ型のブラシレス直流モータである。直流モータ１０は、非磁性材料（この例では、アルミ合金）により構成されているフレーム（ハウジング）１２を備えている。フレーム１２は、略円筒形状を有し、その内周面にリング状の界磁マグネット１１が密着保持されている。

界磁マグネット１１は、極異方性磁石とされている。この例では、界磁マグネット１１は、希土類ボンド磁石であり、周方向において等角な割り振りで２４極に着磁されている。この着磁は、内周面における表面磁束密度の分布波形がほぼ正弦波（あるいはそれに類似な周期形状）となるように行われている。

界磁マグネット１１の内側には、電機子として機能する鉄心１３が配置されている。鉄心１３は、図示する形状に打ち抜いた珪素鋼板を複数枚積層した構造を有している。鉄心１３は、９個の突極１４と、隣接する突極間の隙間である９箇所のスロット１７を備えている。各突極１４は、環状のヨーク部２０からラジアル方向に突出した構造とされている。一つの突極は、径方向に延在した突極腕部１４ａと、その先端のティース部１４ｂを備えた構造を有している。各突極１４の突極腕部１４ａには、励磁コイル１５が巻かれている。励磁コイル１５は、電流波形を制御する電気回路に接続され、励磁電流の供給を受ける。

鉄心１３の中心には、軸１８が固定されている。軸１８は、ベース（図示省略）に固定され、フレーム１２およびフレーム１２に取り付けられた界磁マグネット１１は軸１８を中心に回転する。

（比較例の構成）
図１に示す構成において、フレーム１２を鉄により構成（寸法は同じ）した直流モータを比較例として試作した。

（データの説明）
図２は、横軸にＴ／（πＤ／２Ｐ）をとり、縦軸に起動トルク（相対値）をとった場合のシミュレーション結果を示すグラフである。ここで、Ｔは界磁マグネット１１の回転軸を中心とする径方向における厚み寸法であり、Ｄは環状の界磁マグネット１１の内径であり、Ｐは界磁マグネット１１の磁極数（この例の場合２４極）である。

Ｔ／（πＤ／２Ｐ）は、Ｔ／（（１／２）（πＤ／Ｐ））と変形されるように、界磁マグネット１１の径方向の厚みＴと、磁極ピッチ（周方向における磁極の間隔）との比を示すパラメータである。したがって、磁極ピッチを狭くすればその値は大きくなり、磁極ピッチを広くすればその値は小さくなる。また、界磁マグネット１１の半径方向における厚みを厚くすればその値は大きくなり、界磁マグネット１１の半径方向における厚みを薄くすればその値は小さくなる。

図２には、実施形態のデータ（実線）と比較例のデータ（破線）とが示されている。図２から分かるように、フレーム１２が鉄製の比較例では、Ｔ／（πＤ／２Ｐ）の値が約０．８を下回る値となると、起動トルクが急速（直線的）に低下する。一方、フレーム１２が非磁性（アルミニウム合金）の材料により構成された本実施形態では、この領域での起動トルクの低下は、非常に緩やかであり、Ｔ／（πＤ／２Ｐ）＝約０．０９付近まで起動トルクの急激な低下は発生しない。

図３は、横軸にＴ／（πＤ／２Ｐ）をとり、縦軸に図２にも示した実施形態の起動トルク（相対値：破線）と、実施形態のコギングトルク（相対値：実線）のシミュレーション結果を示すグラフである。図３には、Ｔ／（πＤ／２Ｐ）＜約０．０９において、コギングトルクが急激に増加する様子が示されている。また、Ｔ／（πＤ／２Ｐ）＝約０．７５を超えるあたりから、コギングトルクが徐々に増大してゆく傾向が示されている。

（データから読み取れる事項）
図２から、本発明を利用した直流モータの場合、Ｔ／（πＤ／２Ｐ）＜０．８の範囲において、０．０９＜Ｔ／（πＤ／２Ｐ）とすることで、磁性材料のフレームを採用した場合に比較して高い起動トルクを得られることが読み取れる。

図３から、本発明を利用した直流モータの場合、約０．０９＜Ｔ／（πＤ／２Ｐ）＜０．７５とすることで、低いコギングトルクが得られることが読み取れる。

従って、高起動トルクを追究する上では、０．０９＜Ｔ／（πＤ／２Ｐ）とするのが好ましく、低コギングトルクを追究する上では、０．０９＜Ｔ／（πＤ／２Ｐ）＜０．７５とすることが好ましい。そして、０．０９＜Ｔ／（πＤ／２Ｐ）＜０．７５を満足するようにすることで、高起動トルクと低コギングトルクとを両立できることが結論される。

（好ましい構造）
以上述べたように、図１に示す構造では、界磁マグネット１１の半径方向における厚み寸法をＴ、環状の界磁マグネット１１の内径をＤ、界磁マグネット１１の磁極数をＰ（図１の場合２４極）として、０．０９＜Ｔ／（πＤ／２Ｐ）＜０．７５を満たすようにすることが好ましい。この条件を満たすことで、高起動トルクと低コギングトルクとを両立させることができる。

（製造方法の一例）
まず、フレーム１２を用意する。次にフレーム１２の内側に射出成型法により、界磁マグネット１１の出発部材を形成する。この射出成形法では、樹脂粉末と磁石粉末とを混合した原料粉末を加熱し、溶融させたものを型内に射出することで、界磁マグネット１１の原型が得られる。そして射出成形の後、着磁を行うことで、界磁マグネット１１を得る。こうして、フレーム１１の内側に一体に形成された界磁マグネット１１を得る。なお、このよう方法で得た磁石をボンド磁石という。

（優位性）
フレームを非磁性材料により構成できるので、軽量化を図ることができる。また、０．０９＜Ｔ／（πＤ／２Ｐ）＜０．７５を満たすことで、高起動トルクと低コギングトルクとを両立させることができる。また、０．０９＜Ｔ／（πＤ／２Ｐ）＜０．７５を満たすということは、図２および図３から分かるように、界磁マグネット１１の半径方向における厚み寸法であるＴを薄くした方が好ましいことを意味する。このことは、モータの重量に占める割合が大きい界磁マグネットの重量を抑える点で好ましい。また、部品コストに占める割合が大きい希土類元素を利用した磁石材料を節約できる点でも好ましい。

上述のように、本発明を利用した場合、界磁マグネット１１の半径方向における厚み寸法Ｔを薄くした方が好ましいが、界磁マグネット１１を薄くすると、界磁マグネット１１を単独で取り扱った場合に、割れや欠け等の事故が発生し易い。しかしながら、本実施形態では、フレーム１２を基材としてその内側に界磁マグネットの構成材料を射出成型法により一体的に形成するので、界磁マグネット１１を単独部品として取り扱う必要がない。このため、その厚さを薄くしても組立時における磁石の破損等の事故が生じ難い。すなわち、製造が行いやすい構造の直流モータが得られる。

（変形例）
ここでは、アウターロータ型モータについて説明したが、フレーム１２がハウジングを構成して固定され、鉄心が電機子を構成し電機子が回転する直流ブラシモータにも本発明を利用することができる。フレームの材料としては、アルミニウム合金の他にマグネシウム合金を用いることができる。勿論、金属以外の材料（例えば強化プラスチック等）をフレーム１２の材料として用いることができる。また、スロットの数や界磁マグネットの磁極の数は、例示した数に限定されない。

本発明は、直流モータに利用することができる。

１０…直流モータ、１１…界磁マグネット、１２…フレーム、１３…鉄心、１４…突極、１４ａ…突極腕部、１４ｂ…ティース部、１５…励磁コイル、１７…スロット、１８…軸、２０…環状のヨーク部。

Claims (5)

1. 複数のスロットを有する鉄心と、
   前記鉄心に巻かれた励磁コイルと、
   前記鉄心を内側に収めたフレームと、
   前記フレームの内側に配置され前記鉄心に対向配置された界磁マグネットと
   を備えた直流モータにおいて、
   前記界磁マグネットが極異方性磁石で、前記フレームが非磁性材から形成されていることを特徴とする直流モータ。
2. 前記極異方性磁石と前記非磁性材のフレームとが一体成形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. 前記極異方性磁石は、軸方向から見て環状の構造を有し、
   前記極異方性磁石の内径をＤ、半径方向の厚さをＴ、磁極数をＰで表したとき、前記極異方性磁石が、０．０９＜Ｔ/（πＤ/２Ｐ）＜０．７５の範囲に設定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の直流モータ。
4. 前記フレームがロータを構成し、前記フレームが回転するアウターロータ型であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の直流モータ。
5. 前記フレームを固定し、前記鉄心が回転する直流ブラシモータであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の直流モータ。

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