JP2732181B2

JP2732181B2 - 小型モータ

Info

Publication number: JP2732181B2
Application number: JP4361079A
Authority: JP
Inventors: 保能勢
Original assignee: Sankyo Seiki Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Nidec Sankyo Corp
Priority date: 1992-12-29
Filing date: 1992-12-29
Publication date: 1998-03-25
Anticipated expiration: 2013-03-25
Also published as: JPH06209550A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、界磁磁石と電機子とを
相対的に回転可能に設けてなるブラシ付の小型モータに
関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、種々のブラシ付小型モータが開発
されているが、従来の小型モータの一例として図６及び
図７に示された構成のモータがある。このものは、所謂
２−３（磁極数−コア極数）構造と呼ばれている小型モ
ータであり、ケーシング１の内周壁に中空円筒状の界磁
磁石２がステータを構成するように固定されているとと
もに、この界磁磁石２の内周側に電機子３が、ロータを
構成するように回転自在に配置されている。上記界磁磁
石２の着磁は、円周方向に２つの異なる磁極Ｎ，Ｓを形
成するように行われているとともに、前記電機子３は、
界磁磁石２の内周壁に近接して磁束を集める３体の突極
３ａ，３ａ，３ａを有しており、これらの各突極３ａの
各々にコイル３ｂ，３ｂ，３ｂがそれぞれ巻回されてい
る。

【０００３】また多極型の小型モータとして、例えば図
８に示されているような構成の小型モータがある。この
ものでは、ケーシング１１の内周壁に、ステータを構成
するように固定された中空円筒状の界磁磁石１２に対
し、円周方向に沿って異なる磁極Ｎ，Ｓが所定のピッチ
で多数着磁されているとともに、この界磁磁石１２の内
周側にロータを構成するように回転自在に配置された電
機子１３に、多数の突極１３ａ，１３ａ，…が設けられ
ている。これらの各突極１３ａの各々には、コイル１３
ｂがそれぞれ巻回されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところがこのような従
来の各種小型モータでは、所謂Ｔ／Ｎ特性値が未だ十分
でないという問題がある。すなわちＴ／Ｎ特性値は、小
型モータのＴ−Ｎ特性におけるトルクＴと回転数Ｎとの
商であり、具体的には、Ｔ／Ｎ特性値＝Ｔ_S ／Ｎ_O ＝ΔＴ／ΔＮ＝Ｋ_E ・Ｋ_T ／Ｒ・・・・・・・・・・で表される。ここで、Ｔ_S ；始動トルクＮ_O ；無負荷回転数Ｋ_E ；逆起電圧定数Ｋ_T ；トルク定数Ｒ；内部抵抗である。

【０００５】このＴ／Ｎ特性値は、モータの基本である
Ｔ−Ｎ特性の大きさを表しており、モータの大きさを比
較することができる。例えばＴ／Ｎ＝３のモータは、Ｔ
／Ｎ＝１のモータを３個同時に回したのと同じＴ−Ｎ特
性が出せる。より具体的にはＴ／Ｎ特性値は、モータの
体積の約２乗（正確には５／３乗）に比例しており、ま
た界磁磁石のＢＨ_MAX にほぼ比例する関係を有してい
る。したがって従来から、より大きいモータや強い磁石
を使用しようとする場合には、結果的にＴ／Ｎ特性値を
大きくしようとしているものである。

【０００６】Ｔ／Ｎ特性値を大きくした場合には、次の
ようなことが可能となる。１）発生トルクの増大。２）立上り時間の低減。３）トルク定数及び逆起電圧定数の増大。４）定格電流の低減。５）損失（銅損）の低減。６）高効率化。７）発熱の低減。８）出力の増大。９）負荷変動による回転数変動への影響低減。

【０００７】またＴ／Ｎ特性値に余裕がある場合には、
活用の仕方によって次のようなことが可能になる。１）モータの小型、薄型、軽量化。２）材料見直し等による低コスト化。３）設計の自由度の拡大。

【０００８】このように従来から提案されている小型モ
ータに関する各種の提案は、結果的に、より高いＴ／Ｎ
特性値を得るためのものが多い。すなわち小型モータの
軽薄短小化、省電力化、省資源化、低価格化等の要請の
根底になっているのは、（Ｔ／Ｎ特性値）／（体格）及
び（Ｔ／Ｎ特性値）／（コスト）であり、Ｔ／Ｎ特性値
をいかに効率よく出すかが従来からの課題となってい
る。例えば、１）小型化、薄型化、軽量化。２）始動トルクの伸長。３）立上がり時間の短縮化。４）電流値の低減。５）損失（銅損）の低減。６）合理化。等であり、従来からの小型モータ技術に関する提案は、
結果的にＴ／Ｎ特性値を向上させるための検討ともいえ
るものが多い。実際的には、Ｔ／Ｎ特性値で５％乃至１
０％の違いが競合されている。

【０００９】次にこのようなＴ／Ｎ特性値を決める要素
としては、Ｐ（磁極数）、Φ（有効磁束）、Ｈ（並列コ
イル数）、Ａ（コイル断面積）、Ｌ（１Ｔ当りのコイル
長）があり、それを式で表すと、Ｔ／Ｎ特性値＝Ｐ² ・Φ² ・Ｈ・Ａ／Ｌ・・・・となる。したがってこれらの各要素を全体として最大と
なるように組み合わせればＴ／Ｎ特性値が最大になる。
特に、Ｐ² ×Φ² をいかに大きくするかがポイントにな
る。

【００１０】このような観点から考察すれば、上述した
図６及び図７に示された所謂２−３（磁極数−コア極
数）構造の電動機の場合には、３相の小型モータにおい
て磁極数と突極数とが最小限の組み合せとなっており、
例えば図示の位置関係においては、矢印で示したように
Ｎ極の総磁束が１カ所の突極３ａに集中している。した
がって有効磁束Φは大きくなっている。しかしながら磁
極数Ｐが２であるため、Ｔ／Ｎ特性値の向上には限界が
ある。

【００１１】一方図８に示された多極型のものでは、磁
極数Ｐと並列コイル数Ｈとが増大されていると同時に、
コイル長Ｌが減じられることによって、Ｔ／Ｎ特性値の
向上が図られているが、電機子１３の突極１３ａと界磁
磁石１２との１突極当りの対向面積が小さくなってお
り、磁束が分散使用されている。すなわち同じ総磁束を
多極に分けて使っているため、磁極数Ｐは増えているが
有効磁束Φは減少しており、結局、上式中におけるＰ２
×Φ２の値は変わっていない。また並列コイル数Ｈの増
大は可能であるが、コイル断面積Ａの減少に打ち消され
てしまい、構造が複雑化する割にはＴ／Ｎ特性値を大幅
に向上させることはできない。したがってこの多極型の
場合には、ＢＨＭＡＸの大きい磁石を採用して有効磁束
Φを稼ぎ、Ｔ／Ｎ特性値の向上を図っているのが現状で
ある。

【００１２】このように従来型の小型モータでは、強い
磁石を使うという大幅コストアップにつながる方法でし
かＴ／Ｎ特性値の向上を図ることができないという問題
がある。

【００１３】そこで本発明は、簡易な構造でＴ／Ｎ特性
値を大幅に向上させることができるようにしたブラシ付
の小型モータを提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明は、ケースに対して回転自在に支承された回転軸
と、この回転軸に固定された鉄心の突極に複数相のコイ
ルが巻回されてロータを構成する電機子と、この電機子
に対して近接するように上記ケースに固定されてステー
タを構成する界磁磁石と、上記回転軸に固定された整流
子と、当該整流子に接触するように前記ケースに固定さ
れたブラシと、を有し、上記鉄心は、所定の厚さに積層
されるように構成された複数の突極を備え、該複数の突
極の各々に、上記複数相のコイルのうちの１相分のコイ
ルがそれぞれ巻回され、上記複数相のコイルへの通電方
向を、回転する整流子に接触するブラシにより順次切り
替えて前記ロータを連続的に回転させるようにした小型
モータにおいて、上記界磁磁石には、円周方向と直交す
る回転の軸方向に着磁が施されているとともに、この界
磁磁石の着磁両端面の一方側及び他方側のそれぞれに、
環状のヨーク板がそれぞれ当接するようにして取り付け
られ、これら一方側及び他方側の各ヨーク板には、円周
方向に所定のピッチで複数の磁路形成用凸部が、回転時
に前記鉄心の突極と近接・離間するように対面可能に設
けられてなり、前記鉄心の突極と磁路形成用凸部とは、
界磁磁石の磁束を、前記一方側のヨーク板の磁路形成用
凸部を通して、該磁路形成用凸部に近接した突極に集束
させるとともに、その突極に集束された磁束を、他の突
極を通して前記他方側のヨーク板の磁路形成用凸部に戻
し、かつその鉄心内を通過する磁束の方向が、電機子の
界磁磁石に対する回転移動に伴い磁路形成用凸部の配置
ピッチ毎に前記一方側のヨーク板と他方側のヨーク板と
の間で反転する位置関係に設けられた構成を有してい
る。

【００１５】

【作用】このような構成を有する手段においては、界磁
磁石に取り付けられたヨーク板の形状により、磁石の総
磁束を分散させることなく集中させる構造によって多極
化が行われているため、磁石に多極着磁を行うことな
く、しかも電機子側の構造を簡易に維持しつつ、磁極数
及び有効磁束の双方が同時に増大されるようになってい
る。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細
に説明する。まず図１及び図２に示されている第１の実
施例は、３相のブラシ付小型モータに本発明を適用した
ものであって、非磁性材料を中空円筒状に形成してなる
ケーシング２０の軸方向両端面の中心部に、軸受２１，
２１が対向するように設けられているとともに、これら
の両軸受２１，２１間に、回転軸２２が回転自在に支承
されている。この回転軸２２には、ロータを構成する電
機子の鉄心２３が固定されているとともに、この鉄心２
３に対して３相のコイル２４が巻回されている。上記鉄
心２３は、珪素鋼鈑等を所定の厚さに積層してなるもの
であって、放射状に延びる３体の突極２３ａ，２３ｂ，
２３ｃが、回転軸を中心にして円周方向に１２０°のピ
ッチ間隔で設けられている。そしてこれらの各突極２３
ａ，２３ｂ，２３ｃの途中部分に励磁用として上記コイ
ル２４が巻回されている。

【００１７】また上記ケーシング２０の胴部内周壁に
は、ステータを構成するように界磁磁石２７が環状に固
定されている。この界磁磁石２７は、回転状態にある上
記電機子の各突極２３ａ，２３ｂ，２３ｃの外周側を、
所定の空隙を介して環状に取り囲む中空円筒体から構成
されている。界磁磁石２７としては、フェライト或いは
稀土類のマグネットが採用されており、その延在方向で
ある周方向に直交する方向（軸方向）に着磁が行われて
いる。本実施例では、界磁磁石２７の図示上側端面がＮ
極に着磁されているとともに、図示下側端面がＳ極に着
磁されている。

【００１８】さらに上記界磁磁石２７における図示上側
及び図示下側の各着磁端面には、一方側のヨーク板２６
及び他方側のヨーク板２８がそれぞれ取り付けられてい
る。これら一方側及び他方側の各ヨーク板２６，２８
は、界磁磁石２７の各着磁端面に沿って延在するリング
状の強磁性材からなり、界磁磁石２７の図示上側のＮ極
側に取り付けられたヨーク板２６がＮ極に磁化されてい
るとともに、界磁磁石２７の図示下側のＳ極側に取り付
けられたヨーク板２８はＳ極に磁化されている。

【００１９】また一方側のヨーク板２６の内周縁部に
は、軸中心に向かって突出する４体の磁路形成用凸部２
６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄが設けられているととも
に、他方側のヨーク板２８の内周縁部には、軸中心に向
かって突出する４体の磁路形成用凸部２８ａ，２８ｂ，
２８ｃ，２８ｄが設けられている。これら一方側のヨー
ク板２６の磁路形成用凸部２６ａ，…及び他方側のヨー
ク板２８の磁路形成用凸部２８ａ，…どうしは、前記電
機子の鉄心２３を軸方向から挟み込みつつ回転移動する
ように構成されている。すなわち電機子の鉄心２３と、
一方側及び他方側の各ヨーク板２６及び２８の磁路形成
用凸部２６ａ，…及び２８ａ，…とは、両者の相対移動
に伴い近接・離間するようになされており、両者が軸方
向に対面して近接したときには、界磁磁石２７からの磁
束が、上記一方側及び他方側の各ヨーク板２６及び２８
の磁路形成用凸部２６ａ，…及び２８ａ，…を通して、
鉄心２３側に集束する構成になされている。このとき磁
路形成用凸部２６ａ，…及び２８ａ，…の板厚及び鉄心
２３との対面長さは、鉄心２３の厚さとほぼ同じ寸法に
設定されている。

【００２０】これら一方側及び他方側の両ヨーク板２６
及び２８における各磁路形成用凸部２６ａ，…及び２８
ａ，…は、周方向に９０°のピッチ間隔で並設されてお
り、一方側の磁路形成用凸部２６ａ，…と他方側の磁路
形成用凸部２８ａ，…とは、周方向において互いに４５
°ずらされて配置されている。すなわち平面視におい
て、Ｎ極に磁化された磁路形成用凸部２６ａ，…と、Ｓ
極に磁化された磁路形成用凸部２８ａ，…とは、周方向
に４５°のピッチ間隔で交互に環状配置されており、一
方側の磁路形成用凸部２６ａ、他方側の磁路形成用凸部
２８ａ、一方側の磁路形成用凸部２６ｂ、他方側の磁路
形成用凸部２８ｂ、…の順に交互に配置されている。そ
してこれにより計８極の磁極が多極着磁を行うことなく
構成されている。したがって前記鉄心２３のコイル２４
を装着した部分を通過する磁束の方向が、上記両側の磁
路形成用凸部２６ａ，２８ａ，…の配置ピッチ（４５
°）毎に反転する配置関係になされている。

【００２１】また前記回転軸２２には、３相の給電電流
に対応した整流子３０が環状に取り付けられている。一
方ケーシング２０側には、上記整流子３０側に接触する
ブラシ３１が、３相の給電電流に対応するように固定さ
れている。そしてこれらのブラシ３１及び整流子３０を
通して、前記電機子のコイル２４に３相電流が給電され
るように構成されている。

【００２２】このような実施例における小型モータで
は、電機子側と界磁磁石側とが、図示の位置関係にある
とき、すなわち一方側のヨーク板２６の磁路形成用凸部
２６ａ（Ｎ極）が一つの突極２３ａに近接し、かつ他方
側のヨーク板２８における一対の磁路形成用凸部２８
ｂ，２８ｃ（Ｓ極）が他の突極２３ｂ，２３ｃに近接し
ているときには、図示矢印のようにして界磁磁石２７か
らの総磁束が、一方側のヨーク板２６の磁路形成用凸部
２６ａを通して鉄心２３の一つの突極２３ａに集束さ
れ、その突極２３ａに集束された磁束が、他の突極２３
ａ２３ａを通して他方側のヨーク板２８の磁路形成用凸
部２８ｂ２８ｃに戻される。

【００２３】次にこの状態から界磁磁石側が、磁路形成
用凸部の配置ピッチである４５゜だけ回転移動したとき
には、例えば他方側のヨーク板２８の磁路形成用凸部２
８ａ（Ｓ極）が突極２３ａに近接するともに、一方側の
ヨーク板２６における一対の磁路形成用凸部２６ｃ，２
６ｄ（Ｎ極）が突極２３ｂ，２３ｃに近接する。したが
って界磁磁石２７からの総磁束は、上述した矢印方向と
は反対側に、他方側のヨーク板２８から一方側のヨーク
板２６側に反転して鉄心２３に集束される。

【００２４】このように本実施例では、界磁磁石２７に
取り付けられた一対のヨーク板２６，２８の形状によ
り、界磁磁石２７の総磁束を分散させることなく集中さ
せる構造で多極化が図られており、これによって界磁磁
石２７からの磁束が常時最大限に利用され、磁極数Ｐ及
び有効磁束Φの双方が同時に増大されるようになってい
る。そしてその多極化にあたっては、従来のように界磁
磁石に多極着磁は行われておらず、しかも電機子側の構
造が簡易に維持されている。

【００２５】この状態は、前述した図６及び図７に示さ
れた所謂２−３構造の小型モータと同様な総磁束集中状
態のままで、磁極数Ｐを増大させた状態となっている。
そして前述した式に示した通り、Ｔ／Ｎ特性値に対し
て磁極数Ｐは２乗で寄与することから、磁極数Ｐを３倍
とすればＴ／Ｎ特性値は９倍となり、本実施例のように
磁極数Ｐを４倍とすればＴ／Ｎ特性値は１６倍、磁極数
Ｐが５倍ならＴ／Ｎ特性値は２５倍のようにしてＴ／Ｎ
特性値は大幅に向上される。

【００２６】ここでモータの発生トルクは、コイルの中
を通る磁束Φの単位角度θ当たりの変化（ｄΦ／ｄθ；
磁束密度の傾斜の大きさ）に比例し、Ｔ／Ｎ特性値はそ
の２乗に比例している。そのためモータの１回転中にお
ける磁束Φの変化を、従来の２極型モータ（Ｐ＝２）、従来の多極型モータ（Ｐ＝１０）及び本発明にかかるモータ（Ｐ＝１０）のそれぞれについて比較してみる。

【００２７】図３から明らかなように、まず破線で示し
た従来の２極型モータ（）では、大きな磁束がゆっく
り変化しており、太線で示した従来の多極型モータ
（）では磁束Φの切り替わりが５倍となっている。し
かし磁束Φ自体は１／５になっているため、結局、磁束
Φの変化ｄΦ／ｄθ（傾斜の大きさ）は両者とも同じで
ある。これに対して細線で示した本発明構造（）の場
合には、従来の２極型モータ（）と同じ総磁束を集中
的に集めているとともに、従来の多極型モータ（）と
同じ間隔で切り替えが行われている。そのため磁束Φの
変化ｄΦ／ｄθ（傾斜の大きさ）が非常に大きくなって
いる。この場合、各モータの電機子側条件が仮に同じで
あるとすると、の従来型モータに比べての本発明
のモータは、発生トルク（トルク定数）が５倍、Ｔ／Ｎ
特性値が２５倍となる。

【００２８】また図４に示されている実施例では、上述
した図１及び図２の実施例に対応する構成物について、
十の位の符号「２」を「４」に代えて表している。この
実施例では、上記実施例よりさらに多極化するように各
ヨーク板４６及び４８のそれぞれに、多数の磁路形成用
凸部４６ａ〜４６ｈ及び４８ａ〜４８ｈが突設されてい
るとともに、鉄心４３の各突極４３ａ，４３ｂ，４３ｃ
の先端部分が、二股状に分割されている。このように突
極の先端部分を二股状とすれば、ヨーク板への負担を低
減することができる。

【００２９】さらに図５に示されている実施例では、図
１及び図２の実施例に対応する構成物について、十の位
の符号「２」を「５」に代えて表している。この実施例
では、各ヨーク板５６及び５８の磁路形成用凸部を、符
号５６ａ〜５６ｈ及び５８ａ〜５８ｈのように増大させ
て多極化しているとともに、鉄心５３の突極数を、５３
ａ〜５３ｆのように増大させている。

【００３０】

【００３１】

【００３２】

【００３３】このように本発明には、種々の形状の電機
子及び界磁磁石を採用することができ、同様な作用・効
果を得ることができる。

【００３４】

【発明の効果】以上述べたように本発明にかかる小型モ
ータは、界磁磁石に取り付けたヨーク板の形状により、
界磁磁石の総磁束を電機子の鉄心側に反転を繰り返すよ
うに集中させ、界磁磁石の総磁束を分散させることなく
集中させる構造で多極化を行うものであるから、従来の
ように界磁磁石に多極着磁を行うことなく、しかも電機
子側の構造を簡易に維持しつつ、界磁磁石からの磁束を
常時最大限に利用して磁極数及び有効磁束の双方を同時
に増大することができ、簡易な構造によりＴ／Ｎ特性値
を大幅に向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例における小型モータを表し
た平面説明図である。

【図２】図１に表した小型モータの構造を表した半横断
面説明図である。

【図３】小型モータの１回転中における磁束Φの変化を
比較した線図である。

【図４】本発明の第２実施例における小型モータを表し
た平面説明図である。

【図５】本発明の第３実施例における小型モータを表し
た平面説明図である。

【図６】従来における小型モータの一例を表した平面説
明図である。

【図７】図６に表した小型モータの構造を表した横断説
明図である。

【図８】従来における小型モータの他の例を表した平面
説明図である。

【符号の説明】２３，４３，５３鉄心２４，４４，５４コイル２６，４６，５６ヨーク板２８，４８，５８ヨーク板２７，４７，５７界磁磁石２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２８ａ，２８ｂ，２８ｃ磁
路形成用凸部３０整流子３１ブラシ４６ａ〜４６ｈ，４８ａ〜４８ｈ磁路形成用凸部５６ａ〜５６ｈ，５８ａ〜５８ｈ磁路形成用凸部

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ケースに対して回転自在に支承された回
転軸と、この回転軸に固定された鉄心の突極に複数相の
コイルが巻回されてロータを構成する電機子と、この電
機子に対して近接するように上記ケースに固定されてス
テータを構成する界磁磁石と、上記回転軸に固定された
整流子と、当該整流子に接触するように前記ケースに固
定されたブラシと、を有し、上記鉄心は、所定の厚さに積層されるように構成された
複数の突極を備え、該複数の突極の各々に、上記複数相
のコイルのうちの１相分のコイルがそれぞれ巻回され、上記複数相のコイルへの通電方向を、回転する整流子に
接触するブラシにより順次切り替えて前記ロータを連続
的に回転させるようにした小型モータにおいて、上記界磁磁石には、円周方向と直交する回転の軸方向に
着磁が施されているとともに、この界磁磁石の着磁両端面の一方側及び他方側のそれぞ
れに、環状のヨーク板がそれぞれ当接するようにして取
り付けられ、これら一方側及び他方側の各ヨーク板には、円周方向に
所定のピッチで複数の磁路形成用凸部が、回転時に前記
鉄心の突極と近接・離間するように対面可能に設けられ
てなり、前記鉄心の突極と磁路形成用凸部とは、界磁磁石の磁束
を、前記一方側のヨーク板の磁路形成用凸部を通して、
該磁路形成用凸部に近接した突極に集束させるととも
に、その突極に集束された磁束を、他の突極を通して前
記他方側のヨーク板の磁路形成用凸部に戻し、かつその
鉄心内を通過する磁束の方向が、電機子の界磁磁石に対
する回転移動に伴い磁路形成用凸部の配置ピッチ毎に前
記一方側のヨーク板と他方側のヨーク板との間で反転す
る位置関係に設けられていることを特徴とする小型モー
タ。