JP2016116376A - ロータ用コア、ロータ及びブラシ付き直流モータ - Google Patents

Abstract

【課題】逆起電力定数を大幅に低下させることなく、ロータのコアのイナーシャの低減を図る。【解決手段】電磁機器のロータ１となるコア本体１０と、前記コア本体１０から放射状に突設される複数のティース２０とを備え、前記複数のティース２０は、各々前記コア本体１０に接続され、コイルが巻回される極歯２１と、前記極歯の自由端に接続され、周方向に延びる突出部２３からなるフランジ部２２とを有し、前記フランジ部２２には、イナーシャ低減部３０が設けられていることで、磁束が集中する部分の磁路を狭くすることなく、逆起電力定数を大幅に下げずにロータ１の重量を軽減してイナーシャの低減することができ、モータの応答性を向上させたブラシ付き直流モータを提供することができる。【選択図】 図１

Description

本発明は、電磁機器のロータ用コアに関するものである。

ブラシ付き直流モータ等の電磁機器においては、ロータのイナーシャが電磁機器の応答性に影響を及ぼしていた。そこで、ロータのイナーシャの低減を図り、モータの応答性を向上することが求められることがある。

特許文献１には、ロータである回転子８と一体となって回転する磁性材料からなる円盤４１を側圧付加用永久磁石４２で一方向に引っ張ることで、側圧を回転軸７に付加して、回転軸７の軸振動を防止するモータが記載されている。

このモータでは、回転子８のイナーシャを低減するために、回転子８ととともに回転する円盤４１に開口部５３を形成している。また、このモータでは、円盤４１の内方の板状部５２eを外周縁部４８eの全周に比較して軸方向に薄く形成することで、円盤４１の質量を軽減することが提案されている。

特開平７−２３１６０３号公報

しかし、イナーシャを低減するために、特許文献１に記載の質量を軽減する方法をロータに適用すると、ロータに開口や内方の薄肉部分を形成することになるので、磁路が狭くなり、逆起電力定数が大幅に低下してしまう。

本発明の目的は、逆起電力定数を大幅に低下させることなく、ロータのコアのイナーシャの低減を図ることにある。

上記課題を解決するため、本発明の一態様によると、電磁機器のロータとなるコア本体と、前記コア本体から放射状に突設される複数のティースとを備え、前記複数のティースは、各々前記コア本体に接続され、コイルが巻回される極歯と、前記極歯の自由端に接続され、周方向に延びる突出部からなるフランジ部とを有し、前記フランジ部の周方向端部には、イナーシャ低減部が設けられていることを特徴としている。

本発明によれば、逆起電力定数を大幅に低下させることなく、ロータのコアのイナーシャの低減を図ることができる。

一実施形態によるロータの斜視図。 一実施形態によるフランジ部の隅に設けられたイナーシャ低減部の例示的な形状を示す図。 イナーシャ低減部が設けられてないフランジ部の角部の図。 実施例１のロータの概略的な上面図及び断面図。 実施例２のロータの概略的な上面図及び断面図。 比較例１のロータの概略的な上面図及び断面図。

以下、本発明の例示的な実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各図においては、実施形態の説明に必要ではない構成要素については、図面から省略する。また、各図において、同じ参照符号は、同様の要素を示している。なお、電磁機器として、インナーロータを有するブラシ付き直流モータを使用して本実施形態を説明するが、これに限定されず、何らかのロータを使用するための電磁機器に対しても本発明は適用可能である。

図１は、本実施形態におけるロータ１の概略を示し、ロータ１は、コア本体１０と、コア本体１０から放射状に突設された複数のティース２０とからなる。

コア本体１０は、図示しない回転軸を挿入可能で、軸方向に貫通する孔１１が形成される中空の円柱形状である。なお、コア本体１０には、孔１１を形成せずに、上記の回転軸を一体としたものでもよく、このときは、中実の円柱形状である。また、コア本体１０の軸に垂直な方向の断面形状として、上記した円形状以外にも、楕円形状、多角形状を採用でき、軸方向にその断面形状が変化するものを採用してもよい。

複数のティース２０のそれぞれは、極歯２１とフランジ部２２とからなる。複数のティース２０は、コア本体１０の外周に等間隔に３か所配置されているが、ティース２０の数、互いの配置間隔は、これに限定されるものではない。

極歯２１は、コア本体１０の外周面上に接続され、コア本体１０と軸方向長さが略同一で、コア本体１０の直径よりも短い長さの厚みを有しており、コア本体１０の径方向外方へ延在している。極歯２１の外周面には、図示しない巻き線が巻回され、極歯２１はロータ１のスロットを形成している。

フランジ部２２は、ロータ１の径方向外方である極歯２１の自由端に接続され、コア本体１０の周方向に延び、極歯２１を中心に周方向の一方とこれと反対の他方に延びる一対の突出部２３からなる。なお、フランジ部２２の突出部２３は一対である必要はなく、周方向の一方のみに延びる突出部２３であってもよい。フランジ部２２の軸方向長さは、コア本体１０及び極歯２１の軸方向長さより長く、フランジ部２２の軸方向両端面はコア本体１０及び極歯２１の軸方向両端面よりも外方へ突出している。こうすることで、フランジ部２２と極歯２１との間に段差を形成することができ、スロットに巻回した巻き線の長さを短くして、銅損を減少させて電磁機器の効率を向上させることができる。

フランジ部２２の内周面は、極歯２１との接続箇所を平面部とし、その平面部の両側をロータの内方に湾曲する湾曲面部としている。フランジ部２２の外周面は、ロータの上面視で、ロータ１の回転中心を中心とした円の一部を形成するように湾曲している。複数のフランジ部２２が複数の極歯２１のそれぞれに接続されることで、複数のフランジ部２２のそれぞれの外周面が、上記した円の略全周を構成することになる。そして、複数のフランジ部２２の外周面は、ロータ１の周面の略全てを覆う形状となり、ブラシ付き直流モータに装着された際には、マグネットに対向するように配置されている。ロータ１の上面視におけるフランジ部２２の厚さは、極歯２１と接続されている箇所がもっとも厚く、極歯２１を中心に周方向の両方向に向かうにつれて漸減するものである。なお、上面視におけるフランジ部２２の厚さは、これに限定されるものではない。

図１中、フランジ部２２の周方向端部であり、且つコアの軸方向におけるフランジ部２２の端部に位置するフランジ部２２の隅には、イナーシャ低減部３０が設けられている。本実施形態では、イナーシャ低減部３０は、フランジ部２２の４つの隅に設けられているが、これに限定されるものではなく、少なくとも一つの隅に設けられたものでもよい。また、イナーシャ低減部３０は、フランジ部２２の隅に限定されず、フランジ部２２の周方向端部に設けられてもよい。

図２は、イナーシャ低減部３０の例示的な形状を示しており、例えば、図１中矢印Ａから見た側面図である。具体的な例示としては、図２（Ａ）に示すように、イナーシャ低減部３０は、フランジ部２２の隅から矩形形状を切り欠いた段差面３１とすることができる。

また、図２（Ｂ）に示すように、イナーシャ低減部３０は、フランジ部２２の隅から三角形状を切り欠いた傾斜面３２とすることができる。傾斜面３２は、図に示すように水平面に対してαの角度で傾斜している。この場合、αは４５°以下であることが好ましい。αを４５°以下にすると、後述するように、ロータを製造する際の成形が良好になる。

また、図２（Ｃ）に示すように、イナーシャ低減部３０は、フランジ部２２の隅から曲形状を切り欠いた湾曲面３３とすることができる。曲形状としては、例えば、円、楕円等を採用できる。

また、図２（Ｄ）に示すように、イナーシャ低減部３０は、フランジ部２２の隅から矩形形状と三角形状とを結合した形状、つまり台形形状を切り欠いた、段差面と傾斜面とを組み合わせた面３４とすることができる。組み合わせた面３４の傾斜面は、図に示すように水平面に対してαの角度で傾斜している。この場合、αは４５°以下であることが好ましい。αを４５°以下にすると、後述するように、ロータを製造する際の成形が良好になる。

本実施形態では、ロータ１を圧粉磁心で形成することが好ましい。圧粉磁心とすることで、従来よりも磁心の渦電流損を低減できるとともに、３次元形状で成形することが可能となる。圧粉磁心は、絶縁性皮膜を形成して絶縁性を高めた純鉄粉末をダイス内に充填し、上パンチ及び下パンチでダイス内の粉末を加圧することで成形される。このような圧粉磁心の成形方法によれば、上パンチまたは下パンチの少なくともいずれか一方にイナーシャ低減部３０の反転形状、例えば、上記した矩形形状、三角形状、曲形状、またはこれらを組み合わせた形状、を形成しておき、上パンチ及び下パンチによって純鉄粉末を加圧することで、ロータ１を成形するときにイナーシャ低減部３０も同時に成形することができる。

なお、上記の方法でロータ１を成形する際には、ダイス及び上下パンチの強度や離形のしやすさを考慮して、イナーシャ低減部３０としては、図２（Ｃ）もしくは図２（Ｄ）に示す形状とすることが好ましく、より好ましくは図２（Ｄ）の形状である。図２（Ｄ）の形状を成形する場合には、組み合わせた面３４の傾斜面について、ロータ１の軸方向におけるフランジ部２２の端面と傾斜面とのなす角（１８０°−α）が１３５°以上であることが好ましい。これは、１３５°より小さい角度となると粉末を上下パンチによって圧縮する際に、上下パンチに大きな力をかける必要があるためである。また、イナーシャ低減部３０は、上記のようにダイスとパンチとによる成形によらず、図３に示すようなイナーシャ低減部が設けられてないフランジ部２２の隅の角部４０を機械加工することで、形成することも可能である。また、このときコア本体及びフランジ部としては、電磁鋼板を積層して作製したものを用いてもよい。

本実施形態におけるロータ１をブラシ付き直流モータに装着した場合には、巻き線を図示しない整流子（コミュテータ）に接続し、整流子と接触するブラシを介して電源から巻き線に電流が流れることで、複数のティース２０は磁路を形成する。本実施形態においては、ティース２０に開口部が形成されることはなく、ティース２０の内方部分である極歯２１を極端に薄くすることもないので、ティース２０に形成された磁路が狭くなることがない。また、イナーシャ低減部３０は、フランジ部２２の少なくとも周方向端部に設けられているから、ティース２０、特にフランジ部２２の中央部分の磁路に影響を及ぼすことが少なく、ロータ１の質量を軽減することができる。したがって、イナーシャを低減でき、応答性が向上したロータ用コア、ロータ及びブラシ付き直流モータを提供することができる。

以下、本実施形態による効果について、実施例１、実施例２及び比較例１と呼ぶロータ１によりブラシ付き直流モータを作成して、それぞれのイナーシャと逆起電力定数とを測定した結果を比較した。

まず、本実施形態に従う実施例１のブラシ付き直流モータのロータ１の製造方法について具体的に説明する。図４は実施例１のロータ１の概略を示し、図４（Ａ）は上面図であり、図４（Ｂ）は図４（Ａ）のＡ１−Ａ１断面図である。ロータ１においては、一つのフランジ部２２の４つの隅にそれぞれイナーシャ低減部３０が設けられているため、合計１２か所にイナーシャ低減部３０が設けられている。イナーシャ低減部３０としては、図２（Ｄ）に示す段差面と傾斜面とを組み合わせた面３４を採用している。図４に示すロータ１を成形するための原料としては、絶縁被膜のある純鉄粉末であるヘガネス社製Ｓｏｍａｌｏｙ７００ ３Ｐを使用した。ロータ１の成形については、上記したようにダイスに純鉄粉末を充填し、上下パンチにより純鉄粉末を圧縮して成形する。このとき、ダイス内の純鉄粉末は、その平均密度が７．２ｇ／ｃｍ３になるように圧縮されるとともに、上下パンチの型によりイナーシャ低減部が成形されるように圧縮される。ここで、平均密度とは、ロータ１の重量を体積で割った値である。

ロータ１をダイス及び上下パンチにより成形したのち、大気中５５０℃で２０分間熱処理した。熱処理後、回転軸となるＳＵＳ４１０のシャフトをロータ１の孔に挿入し、接着した。次に、巻き線用のインシュレータをコア本体１０の上下方向から被せ、シャフトに整流子を固定した。ついで、直径０．０９ｍｍの被覆銅線を用いて、３箇所のスロットに４２０回の巻き数のコイルを作製し、整流子への結線をした。出来上がったロータ１のイナーシャを二点吊り法で測定し、このロータ１をブラシ付き直流モータに搭載して、逆起電力定数を求めた。

次に、本実施形態に従う実施例２のブラシ付き直流モータのロータ１の製造方法について具体的に説明する。図５は実施例２のロータ１の概略を示し、図５（Ａ）は上面図であり、図５（Ｂ）は図５（Ａ）のＡ２−Ａ２断面図である。ロータ１においては、一つのフランジ部２２の４つの隅にそれぞれイナーシャ低減部３０が設けられているため、合計１２か所にイナーシャ低減部３０が設けられている。イナーシャ低減部３０としては、図２（Ｃ）に示す湾曲面３３を採用している。実施例２のロータ１も実施例１のロータ１と同様の手順で作成した。コアの原料として、絶縁被膜のある純鉄粉末であるヘガネス社製Ｓｏｍａｌｏｙ７００ ３Ｐを使用し、平均密度が７．２ｇ／ｃｍ３になるように圧縮したのち、熱処理を行い、シャフトを取り付けた。そして、実施例１と同様の手順でイナーシャを測定し、逆起電力定数を求めた。

次に、イナーシャ低減部を設けない比較例１のブラシ付き直流モータのロータ１の製造方法について具体的に説明する。図６は比較例１のロータ１の概略を示し、図６（Ａ）は上面図であり、図６（Ｂ）は図６（Ａ）のＡ３−Ａ３断面図である。この比較例のロータ１においては、一つのフランジ部２２の４つの隅のいずれにもイナーシャ低減部３０が設けられていない。つまり、フランジ部２２の４つの隅には、図３に示すように角部４０が形成されている。比較例１のロータ１も実施例１のロータ１と同様の手順で作成した。コアの原料として、絶縁被膜のある純鉄粉末であるヘガネス社製Ｓｏｍａｌｏｙ７００ ３Ｐを使用し、平均密度が７．２ｇ／ｃｍ３になるように圧縮したのち、熱処理を行い、シャフトを取り付けた。そして、実施例１と同様の手順でイナーシャを測定し、逆起電力定数を求めた。

実施例1、２及び比較例１の各ロータ１及びブラシ付き直流モータについて、ロータ１のイナーシャ測定結果及び重要な特性である逆起電力定数を示す。

以下に、実施例１、２のロータ１と比較例１のロータ１とのイナーシャ（ｇｃｍ２）の測定結果を示す。

実施例１：２．０９
実施例２：２．１０
比較例１：２．１２
以下に、実施例１、２のロータ１を備えたブラシ付き直流モータと比較例１のロータ１を備えたブラシ付き直流モータの逆起電力定数（ｍＶｓ／ｒａｄ）の測定結果を示す。

実施例１：１４．５
実施例２：１４．５
比較例１：１４．５
本発明の実施例1、２の方が、比較例１よりイナーシャが小さいことが分かる。これは、実施例１，２にイナーシャ低減部３０が形成されたことにより、イナーシャ低減部３０が形成されていない比較例１よりも質量が軽減されたためである。

また、逆起電力定数については、本発明の実施例1、２と比較例１とが変わらないことがわかる。これは、イナーシャ低減部３０をフランジ部２２に設けたことにより、磁路の形成に影響を及ぼすことがないためである。

以上、本発明の実施形態であるロータを使用することで、逆起電力定数を下げることなくロータ重量を軽減してイナーシャを低減することができた。

なお、上記実施形態においては、イナーシャ低減部をフランジ部の隅に設けた際に、すべて同じ形状のイナーシャ低減部としていたが、これに限定されず、異なる形状のイナーシャ低減部をフランジ部の隅に配置してもよい。

１ ロータ、１０ コア本体、１１ 貫通孔、２０ ティース、２１ 極歯、２２ フランジ部、２３ 突出部、３０ イナーシャ低減部、３１ 段差面、３２ 傾斜面、３３ 湾曲面、３４ 組み合わせた面、４０ 角部

Claims (9)

1. 電磁機器のロータとなるコア本体と、
   前記コア本体から放射状に突設される複数のティースと、
   を備え、
   前記複数のティースは、各々前記コア本体に接続され、コイルが巻回される極歯と、前記極歯の自由端に接続され、周方向に延びる突出部からなるフランジ部とを有し、
   前記フランジ部の周方向端部には、イナーシャ低減部が設けられていることを特徴とするロータ用コア。
2. 前記フランジ部は、周方向の一方と、前記一方と反対の他の方向とに延びる一対の突出部からなることを特徴とする請求項１に記載のロータ用コア。
3. 前記イナーシャ低減部が、コアの軸方向における、前記フランジ部の端部に位置する前記フランジ部の隅に設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載のロータ用コア。
4. 前記イナーシャ低減部が、前記フランジ部の周方向及び前記コアの軸方向における端部に位置する前記フランジ部の四つの隅にそれぞれ設けられていることを特徴とする請求項３に記載のロータ用コア。
5. 前記イナーシャ低減部が、段差面、傾斜面または湾曲面のいずれかの面またはそれらを組み合わせた面であることを特徴とする請求項３または４に記載のロータ用コア。
6. 前記コア本体及び前記複数のティースは、圧粉磁心からなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のロータ用コア。
7. 前記コア本体及び前記複数のティースは、圧粉磁心からなり、
   前記イナーシャ低減部が前記傾斜面を含み、前記コアの軸方向における前記フランジ部の端面と前記傾斜面とのなす角が１３５°以上であることを特徴とする請求項５に記載のロータ用コア。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載のロータ用コアを備えたことを特徴とするロータ。
9. 請求項８に記載のロータを備えたことを特徴とするブラシ付き直流モータ。

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