JP2014513514A - モータ - Google Patents

Abstract

本発明は、・周方向に配置された偶数のステータ極（Ｐ）を含むステータ構成体（２）であって、前記ステータ極（Ｐ）は、１つまたは複数の永久磁石を備えた永久磁石ステータ極と、コンシクエントポール（４）とを含み、コンシクエントポール構成を成すステータ構成体（２）と、・前記ステータ極（Ｐ）を向いている面と前記永久磁石ステータ極とが永久磁石エアギャップ（８）を形成し、当該面と前記コンシクエントポール（４）とがコンシクエントポールエアギャップ（７）を形成するように、前記ステータ極（Ｐ）に対して配置されたアーマチュアを有する可動子（６）とを有するモータ（１）に関し、前記コンシクエントポールエアギャップ（８）の幅は、前記永久磁石エアギャップ（７）の幅より大きい。

Description

本発明は、一般的にはモータに関し、特に直流モータに関する。

従来技術
ブラシ整流型直流モータは従来技術において、多岐にわたる実施形態で公知となっている。特にインナロータ型直流モータが、多くの分野において使用されている。

たとえば米国特許ＵＳ４３７２０３５および独国特許出願公開ＤＥ１０２００９０３３６２３Ａ１に、インナロータ型直流モータの多く用いられている構成が開示されている。米国特許ＵＳ４３７２０３５にて開示されたモータは、回転可能な可動子の周縁にそれぞれ相互に９０°ずらされて配置された４つのステータ極を有する。これらのステータ極のうち、前記可動子において相互に反対側に設けられた２つのステータ極は永久磁石を用いて形成されており、他の２つの相互に反対側に設けられたステータ極は、永久磁石が設けられていないポールシューとして形成されている。このような構成はコンシクエントポール構成と称され、すべてのステータ極が永久磁石を用いて形成されたモータと比較して永久磁石数が削減されるという構造上の利点を有する。

独国特許出願公開ＤＥ１０２００９０３３６２３Ａ１にも、上述のような構成のモータが開示されている。同文献ではさらに、ステータのコンシクエントポールと可動子のアーマチュアとの間のエアギャップを、永久磁石と当該アーマチュアとの間のエアギャップより小さくすることにより、磁束を最大限にすることが開示されている。さらにこのことによって、幾何学的な公差に応じてエアギャップを最小限にすることができる。このようにエアギャップを最小限にできることにより、公差の連鎖における磁気的な許容誤差を考慮しなくてもよくなるという利点が奏される。

モータの製造時には通常、製造許容誤差が生じる。この製造許容誤差はたとえば、可動子を保持する軸受の位置決め許容誤差、コンシクエントポールないしは永久磁石の配置の偏差、可動子のアーマチュアの幾何学的構成の偏差等に起因するものであり、このような製造許容誤差により、磁極ハウジング内において可動子ないしは可動子のアーマチュアがステータ極に対して偏心し、これにより、エアギャップの磁界分布が非対称的になる。その結果、有効周波数（可動子極の数と回転数とに依存する）と高次の周波数とに応じて変化する径方向の力が生じる。このような径方向の力により、モータ動作時にノイズが発生することになる。

それゆえ本発明の課題は、コンシクエントポール型の直流モータにおいて、とりわけ、たとえば製造許容誤差に起因してステータ極に対して可動子が偏心している場合に、ノイズの発生を低減できる手段を実現することである。

発明の開示
前記課題は、請求項１に記載のモータによって解決される。

従属請求項に、本発明の他の有利な実施形態が記載されている。

本発明の第１の対象はモータであり、当該モータは、
・周方向に配置された偶数のステータ極を含むステータ構成体であって、前記ステータ極は、コンシクエントポール構成を成すように永久磁石ステータ極とコンシクエントポールとを含むステータ構成体と、
・前記ステータ極を向いている外側面と前記永久磁石ステータ極とが永久磁石エアギャップを形成し、当該外側面と前記コンシクエントポールとがコンシクエントポールエアギャップを形成するように、前記ステータ極に対して配置されたアーマチュアを有する可動子と
を有し、
前記コンシクエントポールエアギャップの幅は、前記永久磁石エアギャップの幅より大きい。

上記構成のモータにより、製造許容誤差に起因する、コンシクエントポールの配置方向でのステータに対する可動子の偏心に、システムが影響を受けにくくなる。このことは、可動子のアーマチュアとコンシクエントポールとの間のコンシクエントポールエアギャップの寸法を、当該可動子のアーマチュアと永久磁石ステータ極との間の永久磁石エアギャップの寸法より大きくすることにより実現される。このことは、コンシクエントポールモータの場合、永久磁石の方向における可動子の位置の偏差からシステムが受ける影響の方が、コンシクエントポールの配置方向における可動子の位置の偏差から受ける影響よりも小さいことを考慮したものである。

永久磁石ステータ極の方向の偏心により、１つの永久磁石ステータ極における歪みが大きくなる一方、当該１つの永久磁石ステータ極と反対側の永久磁石ステータ極における歪みは小さくなり、これにより、これら２つの永久磁石間には小さい磁束差しか生じない。それに対し、コンシクエントポールの配置方向において偏心が生じると、この偏心に比例して、可動子のアーマチュアと磁極ハウジングとの間の磁気抵抗が生じ、各エアギャップの幅が等しい場合には、このような磁気抵抗により、コンシクエントポールにおいて、エアギャップのサイズの相対偏差に対する当該エアギャップの磁束差の依存性が格段に強くなる。たとえば、一方の永久磁石エアギャップが半分になった場合（これに応じて、反対側の永久磁石エアギャップが大きくなった場合）、両永久磁石エアギャップ間の磁束差は僅か約１０％であるのに対し、一方のコンシクエントポールのエアギャップが半分になると、抵抗比が３：１になり、これにより、２つのコンシクエントポール間に大きな磁束差が生じる。

それゆえ、コンシクエントポールの配置方向におけるエアギャップを大きくすることにより、モータが受ける影響を小さくすることができる。

さらに、前記ステータ構成体は４つのステータ極を有することができる。

前記ステータ構成体は、可動子を収容するための内側窪みを有する磁極ハウジングを備えることができる。

前記永久磁石は、同じ極性で可動子の方向に向いているように配置することができる。

１つの実施形態では、永久磁石の配置方向において所定の偏心率が生じた場合に、相互に対向する永久磁石ステータ極の永久磁石エアギャップを通る磁束間に生じる磁束差よりも、相互に対向するコンシクエントポールのコンシクエントポールエアギャップを通る磁束間において当該所定の偏心率の場合に生じる磁束差の方が大きくなるように、コンシクエントポールエアギャップの最大幅を調整することができる。

さらに、整流子を介して通電可能な可動子巻線を可動子に設けることもできる。

特に、可動子のアーマチュアは１０個の可動子歯を有することができる。

以下、添付の図面に基づいて本発明の有利な実施形態を詳細に説明する。

インナロータを有する４極のコンシクエントポールモータの概略的な断面図である。 永久磁石ステータ極の配置方向における偏心と、コンシクエントポールの配置方向における偏心とに対する、磁束差の特性経過を示すグラフである。

実施形態の説明
図１は、ブラシ整流型直流モータとして構成されたモータ１の概略的な断面図である。このモータ１は、ステータ構成体としての磁極ハウジング２を有し、この磁極ハウジング２内には４つのステータ極Ｐが設けられている。磁極ハウジング２は、磁気を通す材料から成り、可動子６を収容するための内側窪みが形成された実質的に筒形の形状を有する。

相互に反対側にある２つの永久磁石ステータ極Ｐは、永久磁石３を用いて形成されている。これらの永久磁石ステータ極Ｐは相互に対向して配置されており、両永久磁石ステータ極Ｐは中心軸Ａの方向に同じ極性で向けられている。たとえば、前記永久磁石３の、中心軸Ａの方向を向いている磁極は、Ｎ磁極に相当することができる。有利には、永久磁石３は硬磁性材料から成り、たとえば希土類成分を含む材料から成る。

さらに、別の複数のステータ極がコンシクエントポール４として形成され、可動子６のアーマチュアに近接することにより当該アーマチュアと磁気的に作用するように結合されている、磁極ハウジング２の一部領域によって画定されている。

可動子６は、中心軸Ａ上に延在するシャフトに固定されており、当該中心軸Ａを中心として回転可能に取り付けられている。可動子は、複数の可動子歯５を有するアーマチュアを含み、これらの可動子歯５は、シャフトから放射方向に磁極ハウジング２に向かって突出している。可動子６のアーマチュアの外周縁は、各可動子歯の拡幅部を成す歯先によって画定されており、さらに、アーマチュアの外周縁と永久磁石ステータ極とにより永久磁石エアギャップ７が形成され、アーマチュアの外周縁とコンシクエントポール４とによりコンシクエントポールエアギャップ８が形成される。

可動子６は、複数の可動子コイルを含む可動子巻線９を備えており、これらの可動子コイルは可動子歯５に巻回されている。可動子６のアーマチュアに対して軸方向にシフトして配置された、図中に無い整流子が、前記可動子コイルに通電するために使用される。この整流子は、可動子６を所望の回転方向に駆動するための磁界を可動子歯５が生成するように可動子コイルの通電を行うために構成されている。

このようなモータ１の構成では通常、位置決め偏差に起因して、とりわけ、可動子６のシャフトを支承する軸受の位置決め偏差に起因して、磁極ハウジング２により形成された当該磁極ハウジング２の内側窪みに対して可動子６の偏心が生じ、これにより、相互に反対側にあるエアギャップ７，８の幅ＢＰ，ＰＦが相違してしまう。

図２は、ステータ極Ｐに対する可動子の中心配置からの相対偏差ｓに依存する、永久磁石エアギャップ７相互間の磁束差ＤＦの特性経過、および、コンシクエントポールエアギャップ８相互間の磁束差の特性経過を示すグラフである。永久磁石ステータ極の配置方向に可動子の偏心が生じた場合（曲線Ｋ１により示されている）、一方の永久磁石ステータ極における歪みが上昇し、他方の永久磁石ステータ極における歪みは低下する。しかし、偏心率に対する、各永久磁石エアギャップ７を通る磁束相互間の磁束差ＤＦの勾配は小さい。

一実施例では、可動子６の位置の相対偏差が５０％である場合、磁束差ＤＦの依存性は、この方向で偏心が生じていないときの磁束の約１０％のみである。すなわち、永久磁石エアギャップ７の幅ＢＰが０．５ｍｍである場合、永久磁石ステータ極の配置方向に０．２５ｍｍの偏心が生じると、偏心が生じていないときの磁束差ＤＦの１０％に相当する磁束差しか生じないので、永久磁石エアギャップ７の配置方向の偏心が大きくても、モータ１の動作時の径方向の力の発生は小さく抑えられる。

更に図２のグラフからは、コンシクエントポール４の配置方向における偏心率ｓから磁束差ＤＦが受ける影響は（曲線Ｋ２により示されている）、永久磁石ステータ極の配置方向における偏心率ｓから受ける影響より大きいことが分かる。というのも、偏心率に比例して、可動子歯５と磁極ハウジング２との間の磁気抵抗が生じるからである。この偏心率は、可動子６の軸受が偏心していないときのエアギャップの幅ＢＰ，ＢＦに対する百分率として表されている。一方のエアギャップの幅が半分になり、当該一方のエアギャップと反対側にあるエアギャップの幅が相応に１．５倍大きくなると、抵抗比は３：１となり、ひいては、両コンシクエントポールエアギャップ間の磁束差ＤＦが大きくなる。このことにより、動作中に変動的な高い径方向力が生じ、これによりノイズ発生が増幅される。

たとえば、永久磁石ステータ極の配置方向における相対偏差からの、磁束差の影響の受けやすさＤＦ／ｄｓは０．２であるのに対し、コンシクエントポール４の配置方向における影響の受けやすさは１／ｓである。ここでパラメータｓは、偏心を表す尺度である相対偏差として定義される。パラメータｓは、増大したエアギャップのギャップ幅と縮小したエアギャップのギャップ幅との比として求められる。たとえば、エアギャップが０．５ｍｍであり、対称状態からの偏差が０．２５ｍｍである場合、偏心は１／３となる。したがって、各コンシクエントポール４の配置方向におけるずれに対する、コンシクエントポールギャップ８の磁束相互間の磁束差の依存性は、永久磁石ステータ極の配置方向におけるずれに対する、各永久磁石エアギャップ８の磁束相互間の磁束差に対する依存性より格段に高いことを確認することができる。

したがって本発明では、このような依存性を低下させるために、コンシクエントポールエアギャップ８を拡大し、とりわけ、永久磁石エアギャップ７よりも大きく形成する。製造許容誤差に対する感度ＤＦ／ｄｓが、すなわち対称状態からの偏差に対する感度ＤＦ／ｄｓが磁束差に及ぼす影響が、永久磁石３の配置方向における偏心の同じ偏差により及ぼされる影響と等しくなるサイズまで、コンシクエントポールエアギャップ８を拡大するのが有利である。

Claims (7)

1. ・周方向に配置された偶数のステータ極（Ｐ）を含むステータ構成体（２）であって、前記ステータ極（Ｐ）は永久磁石ステータ極（Ｐ）とコンシクエントポール（４）とを含み、コンシクエントポール構成を成すステータ構成体（２）と、
   ・前記ステータ極（Ｐ）を向いている面と前記永久磁石ステータ極とが永久磁石エアギャップ（８）を形成し、当該面と前記コンシクエントポール（４）とがコンシクエントポールエアギャップ（７）を形成するように、前記ステータ極に対して配置されたアーマチュアを有する可動子（６）と
   を有するモータ（１）において、
   前記コンシクエントポールエアギャップ（８）の幅（ＢＦ）は、前記永久磁石エアギャップ（７）の幅（ＢＰ）より大きい
   ことを特徴とするモータ（１）。
2. 前記ステータ構成体（２）のステータ極（Ｐ）は４つである、
   請求項１記載のモータ（１）。
3. 前記ステータ構成体（２）は、前記可動子（６）を収容するための内側窪みを有する磁極ハウジングを備えている、
   請求項１または２記載のモータ（１）。
4. 前記永久磁石ステータ極（Ｐ）に１つまたは複数の永久磁石が設けられており、
   前記永久磁石（３）は、同じ極性で可動子の方向に向いている、
   請求項１から３までのいずれか１項記載のモータ（１）。
5. 所定の偏心率の場合に、相互に反対側にある前記コンシクエントポール（４）のコンシクエントポールエアギャップ（８）を通る磁束間の磁束差が、当該所定の偏心率の場合に前記永久磁石（３）の配置方向において生じる、相互に反対側にある前記永久磁石ステータ極の永久磁石エアギャップ（８）を通る磁束間の磁束差よりも大きくなるように、前記コンシクエントポールエアギャップ（８）の最大幅（ＢＦ）が調整されている、
   請求項１から４までのいずれか１項記載のモータ（１）。
6. 前記可動子（６）に、整流子を介して通電可能な可動子巻線（９）が設けられている、
   請求項１から５までのいずれか１項記載のモータ（１）。
7. 前記可動子（６）のアーマチュアは１０個の可動子歯（５）を有する、
   請求項１から６までのいずれか１項記載のモータ（１）。

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