JP2018074765A - 電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】ロータヨークと永久磁石の樹脂一体成形において、回転子の外径寸法のばらつきを無くし、回転子と固定子の空隙の寸法を一定に保つことで、回転子が生成する磁界の周期変動を一定に保つことができ、かつバリの発生を抑制できる電動機を提供する。【解決手段】永久磁石９の内周面とヨーク８の外周面の間に空隙を設けたことにより、ヨーク８と永久磁石９を一体成形する際に、樹脂１０が充填されながら外周方向に圧力が加えられることになる。これにより磁石の寸法のばらつきがあっても回転子の外周面に対しては永久磁石９が整列することになり、固定子２に対する磁界が安定する。よって、電動機の効率低下、振動騒音の発生、バリの発生を抑制する効果を得ることができる。【選択図】図２

Description

本発明は、強磁性体で構成された円筒形のヨークと当該ヨークの外周側面に複数の永久磁石とを備えた回転子を有する電動機に関するものである。

従来、この種の電動機は、回転子として円筒形状のヨークと永久磁石を一体成形されたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。以下、その電動機について図６を参照しながら説明する。

図６に示すように、従来の電動機は、円筒形状のヨーク１０１の外周側面に、中央部が端部に対して肉厚の偏肉形状である円弧形状を有する複数の永久磁石１０２が配置されており、樹脂１０３を充填することによって樹脂１０３と永久磁石１０２とヨーク１０１とが一体成形される構造になっている。

円弧形状の永久磁石１０２の外周側に樹脂を充填することで、回転子外周は真円となるため、回転子外周に設けられる固定子と回転子外周の物理的ギャップは均一となる。これに対して、永久磁石１０２は偏肉形状であるため、回転子外周に設けられる固定子と永久磁石１０２の外周面とのギャップは不均一に保持される。

これにより、回転子外周は真円とすることで物理的には安定させながらも、永久磁石１０２が作る磁界は緩やかに周期変動を有する、すなわち電動機の回転に適した構成とすることができる。

特開２００１−２５１８１８号公報

このような従来の電動機においては、永久磁石１０２の寸法ばらつきにより、回転子と固定子の空隙の寸法がばらついてしまう。特に永久磁石１０２の外周側の面におけるばらつきは磁界のばらつきに直接影響するため、結果的に、電動機の効率が低下や回転時の振動騒音の悪化といった問題が発生する。さらに、図７に示すように、磁石の薄肉部近傍に形成される樹脂１０３周辺に、樹脂の薄片であるバリ１０４が発生し、当該バリ１０４が電動機の内部で剥がれ落ち、電動機の振動騒音が悪化するという課題を有していた。

そこで本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、回転子が生成する磁界の周期変動を一定に保つことができ、かつバリの発生を抑制できる電動機を提供することを目的とする。

そして、この目的を達成するために、本発明に係る電動機は、回転子と当該回転子の外周に設けられた固定子とを備えた電動機であって、前記回転子は、強磁性体で構成された円筒形のヨークと、前記ヨークの円筒形における円の中心において天面から底面に貫通するシャフトと、前記ヨークの円筒形における外周側面に配置された複数の永久磁石と、前記永久磁石を当該永久磁石の外周側から前記ヨークの中心方向に向かって付勢する樹脂性の外周側磁石固定部と、前記外周側磁石固定部と一体に構成され前記永久磁石を当該永久磁石の内周側から前記ヨークの外周方向に向かって付勢する樹脂性の内周側磁石固定部を備え、前記永久磁石を前記外周方向に向かって付勢する面積が、前記永久磁石を前記中心方向に向かって付勢する面積よりも大きいものであり、これにより所期の目的を達成するものである。

本発明によれば、回転子が生成する磁界の周期変動を一定に保つことができ、かつバリの発生を抑制できるという効果を得ることができる。

本発明の実施の形態１に係る電動機を示す断面図 図１に示す電動機１の下面視によるＡ−Ａ断面図 ヨーク及び永久磁石の配置を示す斜視図 実施の形態１に係る回転子を部分破断で示す断面図 金型を適応させた回転子の部分透過斜視図 従来の電動機の回転子を示す断面図 従来の回転子においてバリが発生した状態を示す側面図

本発明に係る電動機は、回転子と当該回転子の外周に設けられた固定子とを備えた電動機であって、前記回転子は、強磁性体で構成された円筒形のヨークと、前記ヨークの円筒形における円の中心において天面から底面に貫通するシャフトと、前記ヨークの円筒形における外周側面に配置された複数の永久磁石と、前記永久磁石を当該永久磁石の外周側から前記ヨークの中心方向に向かって付勢する樹脂性の外周側磁石固定部と、前記外周側磁石固定部と一体に構成され前記永久磁石を当該永久磁石の内周側から前記ヨークの外周方向に向かって付勢する樹脂性の内周側磁石固定部を備え、前記永久磁石を前記外周方向に向かって付勢する面積が、前記永久磁石を前記中心方向に向かって付勢する面積よりも大きいものである。

これにより、ヨークと永久磁石を一体成形する際に、外周方向に向かって付勢する面積が中心方向に向かって付勢する面積よりも大きいことで外周方向に圧力が加えられることになり、磁石の寸法のばらつきがあっても回転子の外径寸法のばらつきは無くなる。これにより永久磁石の寸法がばらついた場合であっても、回転子が生成する磁界の周期変動を一定に保つことができるため、電動機の効率低下、振動騒音の発生、バリの発生を抑制できるという効果を奏する。

また、前記永久磁石は、当該永久磁石の内周面と前記ヨークの外周面の空隙は、前記永久磁石の両端部分に向かって大きくなり、当該永久磁石の外周面と前記固定子の内周面の空隙が一定である構成にしてもよい。

これにより、永久磁石が作る磁界は緩やかな周期変動を有し、外周方向に向かって付勢する面積が中心方向に向かって付勢する面積よりも大きくすることができるという効果を奏する。

また、前記永久磁石は、前記ヨークの外周方向の厚さが、当該永久磁石の周方向における中心部分が最も大きく、両端部分に向かって小さくなる偏肉形状である構成にしてもよい。

これにより、前記ヨークの外径形状は円形のまま、永久磁石が作る磁界は緩やかな周期変動を有し、外周方向に向かって付勢する面積が中心方向に向かって付勢する面積よりも大きくすることができるという効果を奏する。

また、前記樹脂は、熱可塑性樹脂にしてもよい。

これにより、熱可塑性樹脂は不飽和ポリエステルを使用したＢＭＣ等に代表される熱硬化性樹脂に比べバリが発生しにくく、かつ薄肉形成もしやすいという効果を奏する。

また、前記永久磁石は、フェライト焼結磁石にしてもよい。

これにより、フェライト焼結磁石は酸化鉄、炭酸バリウム、炭酸ストロンチウムを主原料とし、
粉末冶金法によって比較的安価に製造されるため、電動機の資材費削減を図ることができるという効果を奏する。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施の形態は、本発明を具体化した一例であって本発明の技術的範囲を限定するものではない。また、全図面を通して、同一の部位については同一の符号を付して説明を省略している。さらに、各図面において、本発明に直接には関係しない各部の詳細については説明を省略している。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る電動機を示す断面図である。図２は、図１に示す電動機１の破線Ａ−Ａにて切断した際の下面視よる断面図である。図３は、ヨーク及び永久磁石の配置を示す斜視図である。図４は、回転子を示す部分破断の断面図であり、左上四分の一が樹脂にて一体成形される前の状態の断面図、下半分が樹脂にて一体成形された状態の断面図、右上四分の一が樹脂にて一体成形された状態の外観図である。つまり、図４における下半分が図１におけるＡ−Ａ断面図（ただし回転子７のみ）に該当する。

以下、図１、図２、図３、図４を参照しながら本実施の形態に係る電動機の構成について説明する。

電動機１は、内転型のブラシレスＤＣモータであり、例えば、換気扇の駆動源として利用される。電動機１は、回転子７と固定子２とシャフト１１とを備えている。

回転子７は、ヨーク８と永久磁石９と樹脂１０とを備えている。

ヨーク８は、中心に貫通孔である中心孔２１を有する円盤を複数重ね合わせて構成される。ヨーク８は、鉄やコバルト等を含む強磁性体を主な素材とする円盤を複数重ねることにより、円筒形状を成している。

ヨーク８の側面には、同一形状かつ同一サイズである複数の永久磁石９が全周にわたって設けられている。

永久磁石９は、具体的にはフェライト焼結磁石であり、ヨーク８の外周部に等間隔に設けられている。永久磁石９は、下面視、すなわち図２においては、中央部５０が端部５１に対して肉厚の偏肉形状である円弧形状を有しており、断面の側面視においては矩形形状を有している。永久磁石９は、すべての端面部分において、Ｃ面取り処理、または、Ｒ面取り処理が行われている。永久磁石９は、ヨーク８の外周部に配置された状態で樹脂１０によりヨーク８及び樹脂１０と一体成形されているが、詳細は後述する。なお、図３（ｂ）に、ヨーク８に永久磁石９が配置された状態の斜視図を示す。

樹脂１０は、永久磁石９の薄肉部つまり周方向における端部５１と、周方向両側に隣接する永久磁石９の端部５１との間に形成される。樹脂１０は、永久磁石９を外周側からヨーク８の中心方向に向かって付勢する外周側磁石固定部２３ａと、外周側磁石固定部２３ａと一体に構成され永久磁石９を内周側からヨーク８の外周方向に向かって付勢する内周側磁石固定部２３ｂを備えている。外周側磁石固定部２３ａと内周側磁石固定部２３ｂは、隣接する永久磁石９の端部５１との間、つまり、ヨーク８の全外周（３６０度）にわたってそれぞれ等間隔に設けられ、ヨーク８の天面から底面にかけて連続した棒状の柱として設けられている。また、外周側磁石固定部２３ａと内周側磁石固定部２３ｂは、隣接する永久磁石９の端部両面に接していて、永久磁石９の天面側端部にて樹脂１０の天面部で、そして永久磁石９の底面側端部にて樹脂１０の底面部でそれぞれ接続されている。この接続状態における天面部は、図４の右上四分の一に示された、樹脂にて一体成形された状態の外観図に示される。

ヨーク８の中心に設けられた中心孔２１には、円筒形状における天面から底面にかけてシャフト１１が挿入され固定されている。

シャフト１１には２つの軸受１２ａ、軸受１２ｂがヨーク８の天面側及び底面側（図１における上下方向）にそれぞれ設けられている。

軸受１２ａ、１２ｂは、シャフト１１を中心軸として回動可能に保持している。

固定子２は、固定子鉄心１５とインシュレータ３と巻線４とモールド固定子６とブラケット１３を備え、回転子７の外周に設けられている。

固定子鉄心１５は、中空円筒形状を成し、円筒形状の壁部において天面から底面にかけて貫通孔５２を備えている。貫通孔５２は、円周方向に等間隔に設けられており、貫通孔５２の内面を覆うようにインシュレータ３が天面及び底面側から挿入されている。

インシュレータ３は、絶縁材にて形成され、それぞれに巻線４が巻装されている。

巻線４は、端部がプリント基板５に接続され、当該プリント基板５が電源に接続されることで通電される。インシュレータ３と巻線４とプリント基板５とは樹脂にて一体的にモールド成型され、モールド固定子６を構成している。

固定子鉄心１５は、中空円筒形状において円形を成す内周面５４が、永久磁石９の外周面と対向させて配置されている。ここで、永久磁石９の外周面と前記固定子鉄心の内周面５４の空隙は一定である。このような配置状態で、モールド固定子６の天面側開口部をブラケット１３で圧入、封止し、２つの軸受１２ａ、１２ｂの外周がモールド固定子６に固定されることで、回転子７が固定子２に回動可能に固定される。

以上が電動機１の構成である。

続いて、図１及び図５を参照しながら回転子７の製造工程、つまりヨーク８と永久磁石９を樹脂１０で一体成形する工程について説明する。図５は、金型を適応させた回転子の部分透過斜視図である。なお図５において、点線で示した外郭が後述する金型の内部空間を構成する。

まず、一体成形用の金型Ｘの所定の位置にヨーク８を配置する。金型Ｘの内部空間は円筒形状を有しており、内部空間の底面からはヨーク８と同軸かつヨーク８よりも直径の短い凸形状の台座部が天面方向に突出している。

ヨーク８を内部空間の中心部に配置することで、台座部は金型Ｘ内の高さ方向において中央近傍にヨーク８を保持する。

次に、ヨーク８の外周に複数の永久磁石９を等間隔で配置する。永久磁石９の厚さは、永久磁石９の周方向における中央部分が最も大きく、両端部分に向かって小さくなる偏肉形状の円弧形状である。この配置により、面取り部を除いた永久磁石外周面部９ａが金型Ｘの内部空間における内周側面と接し、永久磁石９の内周面とヨーク８の外周面の空隙は、永久磁石９の両端部分に向かって大きくなる。

また金型Ｘの底面であって台座部の外周には、永久磁石９を金型Ｘの底面から浮かせて保持する円柱状突起６２が永久磁石９に対応させて設けられている。円柱状突起６２は永久磁石９の底面に比較して小さな面積で永久磁石９を金型Ｘの底面から僅かに浮かせて保持する。

次に、永久磁石９を全周にわたって配置した後、ヨーク８の天面に金型Ｙを配置する。金型Ｙは台座部の上下を逆転させた凹形状をしており、つまり底面はヨーク８よりも直径の短い円柱状を成している。金型Ｙを配置した状態では、ヨーク８は底面を金型Ｘの台座部及び天面を金型Ｙによって挟持されている。また金型Ｘの天面側端部と金型Ｙの天面側端部とは同一平面上に位置し、当該平面は永久磁石９の天面側端部から僅かな空間６３を空けた上方に位置する。

次に、前記平面に併せて金型Ｚが配置される。金型Ｚは、中空円盤形状を有し、上面視にしていわゆるドーナツ形状の板である。これにより、金型Ｘの内部空間は、金型Ｙと金型Ｚとにより閉じられた状態となる。なお、金型Ｚの上部には、樹脂を注入するための開口部、すなわちゲート６４が等間隔で配置されている。

このような状態で、ゲートからに熱可塑性樹脂すなわち樹脂を圧入する。

熱可塑性樹脂の圧入によって、樹脂は、まず永久磁石９の天面側端部から僅かな空間を空けた上方すなわち略環状部２５に圧入、充填される。

その後、隣接する永久磁石９の隙間、すなわち外周側磁石固定部２３ａと内周側磁石固定部２３ｂとに圧入、充填される。

この際、永久磁石９の端部は面取り処理されているため、永久磁石９の両端部はその面取り部分に樹脂が充填され、外周側磁石固定部２３ａを形成する。そして樹脂の圧入により形成された外周側磁石固定部２３ａは、永久磁石９を外周側からヨーク８の中心方向に向かって成型圧力が掛かり、すなわち付勢する。

また、永久磁石９の内周面とヨーク８の外周面の空隙に樹脂が充填され、内周側磁石固定部２３ｂを形成する。そして樹脂の圧入により形成された内周側磁石固定部２３ｂは、永久磁石９を内周側からヨーク８の外周方向に向かって成型圧力が掛かり、すなわち付勢する。

このとき、内周側磁石固定部２３ａにおける永久磁石９を内周側からヨーク８の外周方向に向かって付勢する面積（図２における二本の線６５）が、外周側磁石固定部２３ａにおける永久磁石９を中心方向に向かって付勢する面積（図２における二本の線６６）より大きいため、永久磁石９には、ヨーク８の中心方向から永久磁石の外周側に向かって圧力が加えられることになる。

これにより、永久磁石９の寸法がばらついた場合でも、このばらつきは永久磁石９の内側で吸収される。言い換えると、回転子の外周面に対しては永久磁石９が整列することになり、固定子２に対する磁界が安定する。固定子２と回転子７との間の隙間すなわちギャップは回転子７の径に対して非常に微小であるが、この微小なギャップが回転に大きな影響を与えることが知られている。本実施の形態では、このギャップに対向する永久磁石９を内周側磁石固定部２３ａの付勢によって整列させることで規則正しい磁界を生成させ回転子が生成する磁界の周期変動を安定させるため、電動機の効率低下、振動騒音の発生を抑制することができる。
また、永久磁石９を外周側に付勢することにより外周側でのバリの発生を抑制することができるため、当該バリが電動機の内部で剥がれ落ち、電動機１に想定外の振動や騒音が発生することを抑制することができる。

また、永久磁石９の外周面と前記固定子鉄心の内周面５４の空隙が一定であり、永久磁石９の内周面とヨーク８の外周面の間に空隙が存在するような変肉形状の永久磁石９にしている。これにより、ヨークの外径形状は円形のまま、永久磁石が作る磁界は緩やかな周期変動を有しながら、内周側磁石固定部２３ａにおける永久磁石９を内周側からヨーク８の外周方向に向かって付勢する面積を、外周側磁石固定部２３ａにおける永久磁石９を中心方向に向かって付勢する面積より大きくすることができる。

樹脂が外周側磁石固定部２３ａと内周側磁石固定部２３ｂを満たした後に圧入を続けると、樹脂は金型Ｘの底面であって台座部の周囲まで充填される。この状態で樹脂が固化することで、永久磁石９の底面側端部に構成された底面部（略環状部６７）と、外周側磁石固定部２３ａと、内周側磁石固定部２３ｂと、永久磁石９の天面側端部に構成された天面部（略環状部２５）が接続された状態となる。これにより永久磁石９は上下方向についても樹脂１０に把持されて安定する。
なお、外周側磁石固定部２３ａと内周側磁石固定部２３ｂは一体に構成されるため、注入は同時に行われ、単位面積当たりに掛かる圧力も同一となる。

上述した手順で製造され、金型を外した状態の回転子７の斜視図を図５（ｂ）に示す。面取り部を除いた永久磁石外周面部９ａは、内周側磁石固定部２３ａの付勢により、回転子７の外周側面に整列されて真円を構成しており、さらに付勢によりバリも生じない。

本発明に係る電動機は、効率低下、振動騒音の発生、バリの発生を抑制することが可能であり、例えば、換気扇などの駆動用電動機に適用できる。

１ 電動機
２ 固定子
３ インシュレータ
４ 巻線
５ プリント基板
６ モールド固定子
７ 回転子
８ ヨーク
９ 永久磁石
９ａ 面取り部を除いた永久磁石外周面部
１０ 樹脂
１１ シャフト
１２ａ，１２ｂ 軸受
１３ ブラケット
１５ 固定子鉄心
２１ 中心孔
２３ａ 外周側磁石固定部
２３ｂ 内周側磁石固定部
２５，６７ 略環状部
５０ 中央部
５１ 端部
５２ 貫通孔
５４ 内周面
６２ 円柱状突起
６３ 空間
６４ ゲート
Ｘ，Ｙ，Ｚ 金型

Claims (5)

1. 回転子と当該回転子の外周に設けられた固定子とを備えた電動機であって、
   前記回転子は、
   強磁性体で構成された円筒形のヨークと、
   前記ヨークの円筒形における円の中心において天面から底面に貫通するシャフトと、
   前記ヨークの円筒形における外周側面に配置された複数の永久磁石と、
   前記永久磁石を当該永久磁石の外周側から前記ヨークの中心方向に向かって付勢する樹脂性の外周側磁石固定部と、
   前記外周側磁石固定部と一体に構成され前記永久磁石を当該永久磁石の内周側から前記ヨークの外周方向に向かって付勢する樹脂性の内周側磁石固定部
   を備え、
   前記永久磁石を前記外周方向に向かって付勢する面積が、前記永久磁石を前記中心方向に向かって付勢する面積よりも大きい電動機。
2. 前記永久磁石は、
   当該永久磁石の内周面と前記ヨークの外周面の空隙は、前記永久磁石の両端部分に向かって大きくなり、 当該永久磁石の外周面と前記固定子の内周面の空隙が一定である請求項１の電動機。
3. 前記永久磁石は、
   前記ヨークの外周方向の厚さが、当該永久磁石の周方向における中心部分が最も大きく、両端部分に向かって小さくなる偏肉形状である請求項２に記載の電動機。
4. 前記樹脂は、熱可塑性樹脂である請求項１から２のいずれかに記載の電動機。
5. 前記永久磁石は、フェライト焼結磁石である請求項１から４のいずれかに記載の電動機。