JP2011055573A

JP2011055573A - 希土類磁石を用いた直流モータ

Info

Publication number: JP2011055573A
Application number: JP2009199265A
Authority: JP
Inventors: Asahiko Shimizu; 朝彦清水
Original assignee: Nikko Denki Kogyo KK
Current assignee: Nikko Denki Kogyo KK
Priority date: 2009-08-31
Filing date: 2009-08-31
Publication date: 2011-03-17

Abstract

【課題】組立て時の作業性が向上し、メンテナンス性に優れた希土類磁石を用いた直流モータを提供する。
【解決手段】上記の課題は、希土類磁石が固定され、回転子の一端を支持する第１のケースと、前記第１のケースと嵌合し、前記回転子の他端を支持する第２のケースと、を備えた直流モータであって、前記第１のケースおよび前記第２のケースのそれぞれの嵌合部が、テーパ状の傾斜面を有するガイドを有することを特徴とする直流モータ等により解決することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、直流モータに関し、特に、複数のケースにより構成される希土類磁石を用いた直流モータに関する。

直流モータは、回転数の制御が容易で、応答性がよく、効率もよいことから、小型機械やバッテリー駆動の機械に広く利用されているモータである。しかし、近年、環境問題への要求が高まり、高効率、小型化のモータが望まれていた。

ところで、直流モータは、界磁に永久磁石を使用した永久磁石界磁モータと、界磁に巻線による電磁石を使用した巻線界磁モータに大きく分けることができる。このうち、永久磁石界磁モータは、制御が容易で、コストが安く、小型化に向いている反面、大きな磁束密度を発生できる永久磁石がなかったため出力トルクに限界があった。

しかし、ネオジウム磁石をはじめとする希土類磁石の実用化により、永久磁石界磁モータでも大きな出力を得ることができるようになった。これにより、現在では、小型、高出力、高効率の直流モータとして、希土類磁石を用いた直流モータが広く利用されるようになっている。

界磁に希土類磁石を用いた直流モータは、ケースの内側に固定された永久磁石と、その内側に回転自在に支持された回転子とから構成される。永久磁石は、極性の異なる永久磁石を交互に配置する。また、回転子は、回転軸に周りに固定された複数のコイルと当該コイルの磁力を伝達するコアとで構成されている。

ところで、組立作業や分解修理作業の利便性から、ケースは２つ以上の部分に分割されていることが一般的である。すなわち、永久磁石が固定され回転子の軸の一端を支持するケースと、回転子の軸の他端を支持するケースとに分割され、両者を嵌合して組立てを行うような構造になっている。組立てにあたっては、回転子と永久磁石とが一定の間隔を保つように、軸心を支持しなければならない。軸心のずれ（芯ずれ）があると、出力トルクむら、回転むら、騒音等の原因となり、最悪の場合にはモータ自身の破損に至る可能性もある。

特開平１０−２４８２２８号公報

ところで、直流モータの回転子は強磁性体（軟磁性材料）であるため、近くに永久磁石があると引き寄せられる。このため、上述した組立て工程においてケースを嵌合する前の状態、すなわち、回転子の軸の一端がケースに支持され、他端が支持されていない状態では、回転子が永久磁石に吸い寄せられ、回転子と永久磁石との軸心がずれている状態となる。

特許文献１に記載されたような永久磁石にフェライト磁石を用いた直流モータでは、磁石の吸引力は小さいため、作業者は手で容易にケースの嵌合や軸心の調整を行うことができる。

しかし、強力な希土類磁石を用いた直流モータの場合、磁石の吸引力が非常に強いために一度磁石に吸引された回転子を戻す事は容易ではなく、組み付け作業の作業性が悪くまた怪我の元にもなりやすい。そこで、ケースと回転体の軸をそれぞれ支持する冶具を用いて嵌合や調整作業を行うことが一般的であった。

しかし、モータを冶具に固定して精密な位置合わせを行う作業は、熟練者であっても相当の時間が必要となる。また、ブラシ交換など市場で行うメンテナンス作業では、メンテナンスを行う現場に冶具を持っていかなければならず、メンテナンスの利便性に欠けるという問題があった。

上記の課題は、希土類磁石が固定され、回転子の一端を支持する第１のケースと、前記第１のケースと嵌合し、前記回転子の他端を支持する第２のケースと、を備えた直流モータであって、前記第１のケースおよび前記第２のケースのそれぞれの嵌合部が、テーパ状の傾斜面を有するガイドを有することを特徴とする直流モータにより解決することができる。

すなわち、ケースの嵌合時に、それぞれのケース（ブラケット）に設けたガイドにより、ケースどうしが所定の位置関係となるように誘導され位置決めされる。回転子の軸は、それぞれのケースにより支持されているため、ケースどうしが所定の位置関係で嵌合されると、永久磁石の吸引力により生じた軸心のずれ（芯ずれ）が矯正される。これにより、特殊な冶具を用いずに、軸心のずれを矯正することができる。

さらに、嵌合部の嵌合面に対するガイドの傾斜角度（θ_１、θ_２）が、４５度以下であることが望ましく、また、嵌合面と直交する方向の第１のケースのガイドの厚さ（β₁）と、嵌合面と直交する方向の第２のケースのガイドの厚さ（β₂）の合計が、前記希土類磁石と前記回転子との空隙（δ）より大きく、かつ、前記空隙（δ）の２倍よりも小さい、すなわちδ＜β₁+β₂＜２δであることが望ましい。

本発明により、組立て時の作業性が向上し、メンテナンス性に優れた希土類磁石を用いた直流モータを提供することができる。

本発明の一実施例である直流モータの斜視図である。図１の直流モータの断面図である。図１の直流モータのリアブラケット嵌合前の断面図である。第１のケース（ケース１７）を表す断面図である。図２のセンターブラケットとリアブラケットとの嵌合部の拡大図である。ガイドの働きを示す図である。ガイドの傾斜角度（θ₁、θ₂）および厚さ（β₁、β₂）の説明図である。

図１に本発明に係る直流モータの斜視図を、図２に該直流モータの中心軸を含む面における断面図をそれぞれ示す。直流モータは、回転子３と、回転子３の両端をそれぞれ支持するケース９およびケース１７と、ケース９とケース１７を結合状態で保持するためのスルーボルト１４と、から構成されている。ケース１７は図４にあるように、フロントブラケット８、ヨーク１、センターブラケット１３らで構成されており、それぞれのブラケットとヨークが嵌合部で結合され、ケース１７を形成する。本実施例のモータでは、ケース１７が「第１のケース」に、リアブラケット９が「第２のケース」に対応する。このため、以下の説明では、リアブラケット９をケース９と表記する場合がある。

このうち、フロントブラケット８は、ボールベアリング１０を介して回転子３の軸１８の一端を回転自在に支持する。また、円筒形のヨーク１の内側には、希土類磁石であるネオジウム磁石２が接着されている。センターブラケット１３には、ブラシホルダー５が固定されている。さらに、ブラシホルダー５には、ブラシスプリング７とブラシ６が収納されている。リアブラケット９は、ボールベアリング１１を介して回転子３の軸１８の他端を回転自在に支持する。

回転子３は、回転軸１８と、コア２１と、その周囲に配置されたコイル１９および整流子４とから構成されている。回転軸１８には、センター穴１６が設けられている。また、整流子４は、センターブラケット５に収納されているブラシ６と接するように構成されている。

また、図６のように、センターブラケット１３とリアブラケット９の嵌合部の嵌合面１２ａ、１２ｂには、テーパ状の傾斜面を有するガイド１５ａ、１５ｂが設けられ、ゴム製のＯリング２０によりシールされている。図７に、リアブラケット９のガイド１５ｂの拡大図を示す。嵌合面１２ｂに対する、ガイド１５ｂの傾斜角度（θ₂）は３０度に設定されている。

同様に、センターブラケット１３のガイド１５ａも、嵌合面１２ａに対する、ガイド１５ａの傾斜角度（θ₁）は３０度に設定されている。また、センターブラケット１３のガイド１５ａの傾斜角度（θ₁）と、リアブラケット９のガイド１５ｂの傾斜角度（θ₂）とは等しいことが望ましい。

ここで、上述した傾斜角度（θ₁、θ₂）は４５度以下であることが望ましい。なぜならば、ケース１７とリアブラケット９とを嵌合する際にはスルーボルト１４を締め付けることにより、ケース９、１７に回転子３の軸方向の力が付与される。ガイド１５ａ、ｂは、かかる軸方向の力の一部を軸と直交する方向の力に変換し、ケース１７とリアブラケット９とを所定の位置で嵌合するように位置決めし、回転子３の軸１８と磁石２とを一定の間隔で保持するように位置決めする機能を果たす。図６に示すように、軸方向の力をＦａ、軸と直交する方向の力をＦｖとしたときに傾斜角度θが４５度とするとＦａ＝ｔａｎ４５°・Ｆｖ、つまり、Ｆａ＝Ｆｖとなり軸と直行する力Ｆｍ（磁石による吸引力）を矯正するのに、軸方向の力ＦａをＦｖと同等の力を加えればよい。しかし現状ではスルーボルトの締め付けによる軸方向の力は磁石による吸引力Ｆｍより十分な力を得ることが出来るため、傾斜角度を４５度より大きくする必要はない。また、傾斜角度を４５以下にするとことで、ボルトを締める際の組み付け性が良い。また、テーパーの垂直成分長さを、軸成分長さ以下に抑えることができ、ガイドの厚さを必要以上の厚さにする必要がなく材料費のコストを抑制することもできる。また、Ｏリング２０の変形を防止する観点からも、傾斜角度（θ）は４５度以下であることが望ましい。

さらに、図７のように、嵌合面１２ａと直交する方向のセンターブラケット１３のガイド１５ａの厚さ（β₁）と、嵌合面１２ｂと直交する方向のリアブラケット９のガイド１５ｂの厚さ（β_２）との合計が、希土類磁石２と回転子３との空隙（δ）より大きく、かつ、該空隙（δ）の２倍よりも小さいことが望ましい。すなわちδ＜β₁+β₂＜２δであることが望ましい。これにより、ブラケットが肉厚になるのを防ぐことができる。

次に、図１の直流モータの組立て順序を図２〜４を参照しながら説明する。図３は直流モータのリアブラケット９を結合する前の状態の断面図、図２は結合後すなわち直流モータ組立後の断面図である。また、図５は、図１の直流モータのセンターブラケット１３とリアブラケット９との嵌合部分の拡大図である。

はじめに、ヨーク１に希土類磁石２を接着して着磁をする。次にボールベアリング１０、１１を圧入した回転子３をフロントブラケット８のベアリングハウジング内に組付ける。次に回転子３のシャフト先端部に設けられたセンター穴１６を利用し両端を固定する治具を用意し、センター穴１６とヨーク１の外周を同心としたヨーク１の外周受ける治具で、前述のフロントブラケット８を組付けた回転子３に挿入しフロントブラケット８とヨーク１の嵌合部にて結合する。この状態で治具から取外すと回転子３は磁石２に吸引され接触する。次に、ブラシ６を組み込んだブラシホルダー５を肯定したセンターブラケット１３を、ヨーク１とセンターブラケット１３との嵌合部にて結合してケース１７が組みあがる。

図３のように、さらに、リアブラケット９にＯリング２０を取り付けて、ケース１７とリアブラケット９とを嵌合すればモータが完成する。しかし、図３の状態では、回転子３と磁石２とが接触して芯ずれが起こっているため、双方の嵌合部（図３の領域Ａ）がかみ合わない。

そこで、センターブラケット１３の嵌合部とリアブラケット９との嵌合部のそれぞれに設けられたガイド１５ａ、１５ｂを接触させ、この状態でスルーボルト１４を締め付けて軸方向の力を加えることにより、ガイド１５ａ、１５ｂが芯ずれの分を矯正する。これにより、ケース１７とリアブラケット９とを結合すると同時に、回転子３と永久磁石２との間隔が一定となるように、ケース１７と回転子３との位置合わせを行うことができる。

図６に、センターブラケット１３とリアブラケット９との結合部分（図３の領域Ａの部分）の拡大図を示す。図６ａは結合前、図６ｂは結合の途中、図６ｃは結合後の嵌合部近傍の断面図である。結合する前の状態では、センターブラケット１３の嵌合部１２ａの位置とリアブラケット９の嵌合部１２ｂの位置とがずれ、それぞれのガイド１５ａ、１５ｂが接触している。

この状態で、スルーボルト１４を締め付けると、センターブラケット１３とリアブラケット９のガイドに平行な力Ｆが付与される。ガイド１５ａ、１５ｂは、軸方向に対して傾斜を有しているため、付与された力Ｆは、軸方向の力Ｆａと軸方向に垂直な力Ｆｖに分解される。このうち、軸方向に垂直な力Ｆｖが、永久磁石の吸引力に抗してリアブラケット９を押し下げることにより、両者が嵌合面１２ａ、１２ｂで嵌合する（図６ｃ）。これにより、回転子３とケース１７との軸心のずれが矯正され、回転子３と磁石２とが一定の間隔で保持された状態で、直流モータの組立てが完了する。

以上、本発明に係る技術的思想を特定の実施態様を参照しつつ詳細にわたり説明したが、本発明の属する分野における当業者には、請求項の趣旨及び範囲から離れることなく様々な変更及び改変を加えることが出来ることは明らかである。例えば、ケースは、上述した実施例のように３つの部分で構成する必要はなく、モータの特性・用途により設計上好ましい数の部分で構成するように変更可能である。また、上述した実施例では、センターブラケットとリアブラケットとの嵌合部にテーパ状のガイドを設けているが、ガイドを設ける嵌合部はかかる嵌合部に限定されるものではなく、ケースを構成する他のブラケットの嵌合部に同様なガイドを設けてもよい。

１ヨーク
２磁石
３回転子
４整流子
５ブラシホルダー
６ブラシ
７ブラシスプリング
８フロントブラケット
９リアブラケット
１０、１１ボールベアリング
１３センターブラケット
１４スルーボルト
１６センター穴
１７ケージ
１８軸
１９コイル
２０Ｏリング
２１コア

Claims

希土類磁石が固定され、回転子の一端を支持する第１のケースと、
前記第１のブラケットと嵌合し、前記回転子の他端を支持する第２のケースと、
を備えた直流モータであって、
前記第１のケースおよび前記第２のケースのそれぞれの嵌合部が、テーパ状の傾斜面を有するガイドを有することを特徴とする直流モータ。
前記嵌合部の嵌合面に対する、前記ガイドの傾斜角度（θ₁、θ₂）が、４５度以下であることを特徴とする請求項１に記載の直流モータ。
前記嵌合面と直交する方向の前記第１のケースの前記ガイドの厚さ（β₁）と、前記嵌合面と直交する方向の前記第２のケースの前記ガイドの厚さ（β₂）との合計が、前記希土類磁石と前記回転子との空隙（δ）より大きく、かつ、前記空隙（δ）の２倍よりも小さい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。