JP2010288337A - モータ - Google Patents

Abstract

【課題】起動トルクの大きい四角円筒型のモータを提供する。
【解決手段】 モータ１０は、厚肉部１４と薄肉部１５とを周方向に交互に配置してなるマグネット１１と、マグネット１１の外周面１３側に配置され厚肉部２４と薄肉部２５とを周方向に交互に配置してなるヨーク２１と、マグネット１１の内周面１２側に所定の隙間を介して配置されるアマチュアロータ３１と、アマチュアロータ３１を回転自在に保持する回転軸４１と、を備えている。ヨーク２１の厚肉部２４は、マグネット１１の薄肉部１５に対応して配置され、ヨーク２１の薄肉部２５は、マグネット１１の厚肉部１４に対応して配置されている。また、ヨーク２１の外周面２３は、厚肉部２４の外周面である外周湾曲面２３ａと、薄肉部２５の外周面である外周平坦面２３ｂと、から構成され、全体として、横断面が四角の４隅を丸くした四角円筒型に構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータに関し、詳しくは、周方向に対して肉厚が変化するマグネットを使用し、フレームの外形が多角形状のモータに関する。

レーザプリンターやオーディオのローディング機構などに使用されるＤＣモータとして、横断面が四角の４隅を丸くした四角筒型のモータが開発され実用化されている。この四角筒型のモータは、肉厚（径方向の厚み）が周方向に対して周期的に変化する偏肉形状をなし、かつ、外周面に平坦面を有するマグネットと、マグネットの外周面側に配置され肉厚が周方向に対して一定のヨーク（フレーム）と、を備えている（例えば、特許文献１、２参照）。

このように、偏肉形状をしたマグネットを用いて四角筒型のＤＣモータを構成することにより、モータ自体の回り止めが可能となるとともに、起動トルクが大きく、かつ、コギングトルクが小さいモータを実現することができる。

特開２００７−６６８８号公報 特開２００７−２２８７５０号公報

しかしながら、ＤＣモータには、起動トルクをより大きくするため、または、消費電力をより低減するために更なる磁気効率の向上が求められている。そこで、本発明は、磁気効率に優れた四角筒型のＤＣモータを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係るモータは、肉厚が厚く磁極の中心部となる厚肉部と、肉厚が薄く磁極の境界部となる薄肉部と、を周方向に繰り返してなる筒状のマグネットと、前記マグネットの外周側に配置されるヨークと、を備えるモータにおいて、前記ヨークは、前記マグネットの厚肉部に対応する部分の肉厚よりも、前記マグネットの薄肉部に対応する部分の肉厚の方が厚いことを特徴する。

かかる発明によれば、マグネットの外周側に配置されるヨークを、マグネットと同様に、肉厚が周方向に対して変化する偏肉形状としている。そして、ヨークの厚肉部を、マグネットの薄肉部に対応（対向）させている。ところで、このマグネットの薄肉部は磁極の境界部であることから、マグネットの薄肉部に対応するヨークの部分は、磁束が集中し磁気飽和が生じ易い。したがって、磁気飽和が生じ易い部分を中心にしてヨークの厚みを厚くすることにより、重量および最大外径の増加を極力抑えつつ、磁気効率に優れたモータを実現することができる。

この場合、前記マグネットの前記厚肉部に対応する前記ヨークの部分の外周面の少なくとも一部が平坦面であるのが好ましい。

この場合、前記ヨークが、積層された電磁鋼板により形成されていてもよい。

また、前記マグネットと前記ヨークとが一体成形されていてもよい。

本発明の実施形態に係るモータの構成を示す横断面図である。 同モータのヨークの構成を示す斜視図である。 モータの磁化分布を示す図（マグネットおよびヨークのみの表示）であり、（ａ）は比較例としての従来構成のモータであり、（ｂ）は本発明のモータである。

以下、本発明の実施形態の一例としてモータ１０を図面を参照して説明する。

モータ１０は、図１に示すように、偏肉形状をしたマグネット１１と、マグネット１１の外周側に配置され偏肉形状をしたヨーク２１と、マグネット１１の内周側に所定の隙間を介して配置され電機子として機能するアマチュアロータ（鉄心）３１と、アマチュアロータ３１を回転自在に保持する回転軸４１と、を備えている。

マグネット１１は、本実施形態では、磁性粉末（例えば、Ｓｍ−Ｆｅ−Ｎ粉末）およびバインダー樹脂（例えば、ナイロン６）とからなるボンド磁石である。マグネット１１は、全体として筒状をなし、円周面からなる内周面（磁石内周面）１２と、多面からなる外周面（磁石外周面）１３と、を有している。外周面１３は、断面円弧状の４つの湾曲面（磁石外周湾曲面）１３ａおよび矩形平面状の４つの平坦面（磁石外周平坦面）１３ｂをそれぞれ交互に周方向に４回繰り返して形成されている。

したがって、マグネット１１は、その肉厚に注目して見ると、肉厚が厚い厚肉部（磁石厚肉部）１４および肉厚が薄い薄肉部（磁石薄肉部）１５を一組として４組を９０度回転対称（４回転回転対称）に配置して構成されている。なお、厚肉部１４は湾曲面１３ａに対応する部分であり、薄肉部１５は平坦面１３ｂに対応する部分である。

また、マグネット１１には、厚肉部１４の中心部が磁極の中心部となり、薄肉部１５の中心部が磁極の境界部となるように、４極の着磁（２極のＮ極および２極のＳ極）が施されている。

次に、マグネット１１とともにステータを構成し磁性材料からなるヨーク（ステータヨーク）２１について、図１および図２を参照して説明する。ヨーク２１は、本実施形態では、所定形状に打ち抜かれた電磁鋼板を複数枚積層することによって形成されている。ヨーク２１は、全体として筒状をなし、多面からなる内周面（ヨーク内周面）２２と、多面からなる外周面（ヨーク外周面）２３と、を有している。

ヨーク内周面２２は、磁石外周面１３と略同一形状であり、断面円弧状の４つの湾曲面（ヨーク内周湾曲面）２２ａおよび矩形平面状の４つの平坦面（ヨーク内周平坦面）２２ｂをそれぞれ交互に周方向に４回繰り返して形成されている。ヨーク内周湾曲面２２ａは、磁石外周湾曲面１３ａに対面する部分であり、ヨーク内周平坦面２２ｂは、磁石外周平坦面１３ｂに対面する部分である。

一方、ヨーク外周面２３は、断面円弧状の４つの湾曲面（ヨーク外周湾曲面）２３ａおよび矩形平面状の４つの平坦面（ヨーク外周平坦面）２３ｂをそれぞれ交互に周方向に４回繰り返して形成されている。ヨーク外周湾曲面２３ａは、ヨーク内周平坦面２２ｂと互いの中心を一致させて対向する部分であり、ヨーク外周平坦面２３ｂは、ヨーク内周湾曲面２２ａと互いの中心を一致させて対向する部分である。

したがって、ヨーク２１は、その肉厚に注目して見ると、肉厚が厚い厚肉部（ヨーク肉厚部）２４および肉厚が薄い薄肉部（ヨーク薄肉部）２５を一組として４組を９０度回転対称（４回転回転対称）に配置して構成されている。ヨーク厚肉部２４は、ヨーク内周平坦面２２ｂおよびヨーク外周湾曲面２３ａにより区画される部分であり、薄肉部２５は、ヨーク内周湾曲面２２ａおよびヨーク外周平坦面２３ｂにより区画される部分である。

ヨーク肉厚部２４は、磁石薄肉部１５に対応する位置に配置され、ヨーク薄厚部２５は、磁石厚肉部１４に対応する位置に配置されている。すなわち、ヨーク２１は、マグネット１１の厚肉部１４に対応する部分の肉厚よりも、マグネット１１の薄肉部１５に対応する部分の肉厚の方が厚くなるように形成されている。言い換えれば、ヨーク肉厚部２４の最も厚い部分が磁石薄肉部１５の最も薄い部分（磁極の境界部）に対向し、ヨーク薄肉部２５の最も薄い部分が磁石厚肉部１４の最も厚い部分（磁極の中心部）に対向している。

次に、アマチュアロータ３１は、本実施形態では、所定形状に打ち抜かれた電磁鋼板を複数枚積層することによって形成されている。アマチュアロータ３１は、中心部に配置される環状の円環部３２と、円環部３２から径方向に突出する複数（本実施形態では、１０本）の突極３３と、を有している。１つの突極３３は、径方向に延在した突極腕部３３ａと、その先端のティース部３３ｂとから構成されている。突極腕部３３ａには、図示しない励磁コイルが巻かれている。

回転軸４１は、アマチュアロータ３１の中心に配置され、アマチュアロータ３１を回転自在に支持している。

次に、以上のように構成されたモータ１０において、フレームとしての機能も有するヨーク２１の作用効果について説明する。

ヨーク２１は、厚肉部２４および薄肉部２５を有し、その厚肉部２４がマグネット１１の薄肉部１５に対向するようにしてマグネット１１の外周面１３側に配置されている。これにより、モータ１０の起動トルクを大きくすることができる。

ここで、ヨーク２１の厚肉部２４をマグネット１１の薄肉部１５に対応させて配置することにより、モータ１０の起動トルクが大きくなる理由について、図３（ａ）（ｂ）を参照して説明する。

図３（ａ）は、従来技術のモータ（ヨークの肉厚を周方向に対して一定としたモータ）の磁化分布を調べた結果である。なお、同図（ａ）（ｂ）では、マグネット部分およびヨーク部分のみを表示し、また、色が濃いほど磁束密度が大きいことを示している。従来技術のモータにおけるヨークは、周方向に対して不均一に磁化されており、とりわけ、マグネットの薄肉部（磁極の境界部）に対向する部分に磁束が集中し磁束密度が大きくなっている。一方、ヨークのマグネットの厚肉部に対向する部分は磁束密度が小さい。すなわち、従来技術のモータは、ヨークのうち、マグネットの薄肉部に対応する部分で磁気飽和が生じ易いことが分かる。

これに対して、本発明のモータ１０は、マグネット１１の薄肉部１５に対向する部分に、ヨーク２１のうち肉厚が厚い厚肉部２４が配置されている。このため、図３（ｂ）に示すように、磁束の集中が緩和され、磁気飽和が抑制される。磁気飽和が抑制されることにより、ヨーク２１の外周面２３（ヨーク外周湾曲面２３ａ）から外部に漏れる磁束が少なくなる。このように、モータ１０は、外部に漏れる磁束が少なくなったため、すなわち磁気効率が向上したため、起動トルクが従来技術と比較して大きくなったと考えられる。

また、外部への漏れ磁束が少なくなることに連動して、コギングトルクが小さくなる。

また、マグネット１１の薄肉部１５とヨーク２１の厚肉部２４とが対をなし、マグネット１１の厚肉部１４とヨーク２１の薄肉部２５とが対をなすように、マグネット１１およびヨーク２１が相補的に構成されている。これにより、モータ１０の最大外径の増加を極力抑えることができる。なお、ヨーク２１の厚肉部２４の厚さによっては、従来技術と比較して最大外径が大きくならない。

また、マグネット１１の厚肉部１４と対応する部分のヨーク２１の厚みを薄く維持していることから、モータ１０の重量の増加を極力抑えることができる。

また、ヨーク２１の薄肉部２５の外周面（ヨーク外周平坦面２３ｂ）が平坦面であることから、従来技術と同様に、モータ１０自体の回り止めを行なうことができる。また、ヨーク２１の薄肉部２５の外周面を平坦面とするとともに、ヨーク２１の厚肉部２４の外周面を湾曲面とすることにより、横断面が四角の４隅を丸くした四角筒型という外形上の特徴が維持される。

次に、具体的な試作例の評価結果を説明し、本発明の効果をより明らかにする。

表１に、本発明に係るモータ（本発明品）の性能を、従来技術に係るモータ（従来品）の性能と比較して示す。数値は、従来品の値を１００とした相対値である。

表１から明らかのように、本発明品は、従来品と比較して、外部への漏れ磁束が低下して、起動トルクが大きくなるとともに、コギングトルクが小さくなっている。これにより、本発明に係るモータの優位性が立証された。

以上、本発明の好ましい実施形態の一例について説明したが、実施の形態については上記に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

例えば、上記実施形態では、電磁鋼板を複数枚積層することによってヨーク２１が形成されているが、これに限定されない。これに代えて、例えば、磁性粉末を焼結してヨークを形成してもよいし、絞り加工で形成してもよい。

また、ヨーク２１は、マグネット１１の成形時に、マグネット１１と一体成形されてもよい。

また、上記実施形態では、ヨーク２１の外周面２３が、湾曲面２３ａおよび平坦面２３ｂにより構成されているが、これに限定されない。例えば、湾曲面２３ａに相当する面が、一つまたは複数の平坦面から構成されたものであってもよい。また、平坦面２３ｂに相当する面の一部または全部が断面円弧状であってもよい。

また、上記実施形態では、マグネット１０が９０度回転対称形状としたが、これに限定されない。例えば、それ以外の回転対称形状であってもよいし、回転対称形状でなくてもよい。

１０ モータ
１１ マグネット
１２ マグネットの内周面（磁石内周面）
１３ マグネットの外周面（磁石外周面）
１３ａ マグネットの湾曲面（磁石湾曲面）
１３ｂ マグネットの平坦面（磁石平坦面）
１４ マグネットの厚肉部（磁石厚肉部）
１５ マグネットの薄肉部（磁石薄肉部）
２１ ヨーク
２２ ヨークの内周面（ヨーク内周面）
２２ａ ヨークの内周湾曲面（ヨーク内周湾曲面）
２２ｂ ヨークの内周平坦面（ヨーク内周平坦面）
２３ ヨークの外周面（ヨーク外周面）
２３ａ ヨークの外周湾曲面（ヨーク外周湾曲面）
２３ｂ ヨークの外周平坦面（ヨーク外周平坦面）
２４ ヨークの厚肉部（ヨーク厚肉部）
２５ ヨークの薄肉部（ヨーク薄肉部）
３１ アマチュアロータ（鉄心）
３２ 円環部
３３ 突極
３３ａ 突極腕部
３３ｂ ティース部
４１ 回転軸

Claims (4)

1. 肉厚が厚く磁極の中心部となる厚肉部と、肉厚が薄く磁極の境界部となる薄肉部と、を周方向に繰り返してなる筒状のマグネットと、
   前記マグネットの外周側に配置されるヨークと、を備えるモータにおいて、
   前記ヨークは、前記マグネットの厚肉部に対応する部分の肉厚よりも、前記マグネットの薄肉部に対応する部分の肉厚の方が厚いことを特徴とするモータ。
2. 前記マグネットの前記厚肉部に対応する前記ヨークの部分の外周面の少なくとも一部が平坦面である請求項１に記載のモータ。
3. 前記ヨークが、積層された電磁鋼板により形成されている請求項１または２に記載のモータ。
4. 前記マグネットと前記ヨークとが一体成形されている請求項１から３のいずれか１項に記載のモータ。