JP3736407B2 - Ｄｃモータ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、起動性に優れ、薄型で、騒音．振動が少ないＤＣモータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、ホール素子等の磁極位置センサを使用して磁極位置を検出し、この位置信号に基づき電流方向を切り換えるようにドライバＩＣで制御するＤＣブラシレスモータは、電機子はモータ用コア（固定鉄芯）の周りに巻線を巻いて構成され、コイルや磁極位置センサを配置する必要からコイルエンド長を短くするのは難しいとされてきた。しかし、最近は小型化・薄型化に対する要求が高まりつつある。
【０００３】
以下、従来のＤＣモータ用コアについて説明する。図６（ａ）、（ｂ），図７（ａ）、（ｂ），図８（ａ）、（ｂ）を用いて従来のＤＣモータ用コアの特徴を説明する。図６（ａ）は従来の第１のＤＣモータの構成図、図６（ｂ）は（ａ）のＤＣモータの断面図、図７（ａ）は従来の第２のＤＣモータの構成図、図７（ｂ）は（ａ）のＤＣモータの断面図、図８（ａ）は従来の第３のＤＣモータの構成図、図８（ｂ）は（ａ）のＤＣモータの断面図である。
【０００４】
まず、図６に示す従来の第１のＤＣモータは、コア１０１とマグネットロータ１０５とのギャップが均一な４極４スロットのＤＣモータであって、マグネットロータ１０５が静止している状態を表している。コア１０１としては、鉄損を低減し、モータ効率を向上するために透磁率が大きく、厚さがｔ＝０．２〜０．５ｍｍ程度の珪素鋼鈑が一般的に用いられる。この鋼鈑を複数枚積層したものがコア１０１であって、コア１０１の中心の開口円板から放射状にのびる４本の腕の部分、ティース１０３を備えている。このティース１０３には巻線１０４が巻回される。巻線１０４としては銅線に薄い絶縁皮膜を施したものが一般に使用される。ティース１０３の先端側に設けられた突極１０２は、均一なギャップを介してマグネットロータ１０５と対向してマグネットロータ１０５内に配設されるが、できるだけマグネットの磁束をコア１０１内に取りこみ、巻線１０４の巻線可能な部分をできるだけ大きく確保するため、ティース１０３に対し幅広の形状となっている。また、マグネットロータ１０５を構成するマグネットとしては、永久磁石となりうるフェライトや金属系磁性体（ＳｍＣｏ等）が用いられる。このマグネットロータ１０５のマグネットには、巻線１０４に電流を流して形成される電磁石との間で磁力が作用し吸引・反発によって回転方向にトルクが発生し、マグネットロータ１０５を回転させる。
【０００５】
ここで、従来の第１のＤＣモータは、コア１０１とマグネットロータ１０５とのギャップが均一であるため、静止状態では磁力の関係からマグネットロータ１０５の磁極の切れ目である１０６が隣接する突極１０２の中間に位置してしまう。従ってこの状態では、マグネットロータ１０５はコア１０１の中心に対し、回転する方向の力のベクトルは発生せず、回転力に寄与しないコア１０１の中心に向かう方向か、離れる方向かどちらかの力のベクトルしか発生しない。
【０００６】
次に、図７に示す従来の第２のＤＣモータは、図６の第１のＤＣモータと比較すると、突極１０２の形状が少し変更されている。これにより第１のＤＣモータには起動時回転する方向の力のベクトルが発生しなかったが、これが改善される。すなわち、従来の第２のＤＣモータは、突極１０２でマグネットロータ１０５の回転方向（図では右回り）に対し、回転方向とは逆の側の部分を削り取ったテーパ形状部１０７となっている。従って、図６ではコア１０１とマグネットロータ１０５とのギャップを均一にしていたのに対し、図７ではマグネットロータ１０５の回転方向（図では右回り）に対し逆方向に、１つの突極１０２の範囲内で、このギャップが徐々に大きく広がるように構成される。ギャップが拡大すると磁束密度が下がるため、マグネットロータ１０５の静止状態で、磁極の切れ目１０６が隣同士の突極１０２の中間よりマグネットロータ１０５の回転方向にずれて停止することになる。これによりコア１０１に施された巻線１０４に電流を流すことで発生する電磁石との吸引・反発でマグネットロータ１０５は、静止状態から回転方向に力のベクトルが発生する。この力のベクトルで静止状態からマグネットロータ１０４は起動することができる。
【０００７】
また、図８に示す第３のＤＣモータは、シールレスポンプ用のモータコアとして、上述した第２のＤＣモータのコア１０１を組込んだものである。１１１は分離板でリング状の凹部形状を有し、この凹部空間内にコア１０１を収容してシールする。これはシールレスポンプにおいては軸シールが設けられず、コア１０１を含めて電機部全体をシールするために設けられる。第３のＤＣモータでは、突極１０２の外周は、分離板１１１の凹部壁に一部で接触させられながら突極１０２面を利用し圧入固定されている。またマグネットロータ１０５は、分離板１１１から突設された固定軸１１２に設けられたすべり軸受け１１３で回動自在に支持され、この周りを摺動しながら回転する。すなわちマグネットロータ１０５と固定軸１１２、すべり軸受け１１３は、すべてポンプの取扱い液体（通常は水）に浸かっている状態で、すべり軸受け１１３の潤滑材はその取扱い液体が利用される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したように従来の第１のＤＣモータはモータの起動性が非常に悪く、この起動性を向上させる必要から、第２のＤＣモータのように突極とマグネットロータの間のギャップを一部広げると、ギャップが必要以上に大きくなってしまう。これにより、第２のＤＣモータの回転時に逆に誘起電圧が低下し、基本のモータ性能であるトルク及び効率の低下が発生した。性能低下の原因はギャップを広げることにある。そこで、これを補うためコアの積層枚数を増やすと、モータの薄型化が図れないし、巻線が長くなるため巻線抵抗が上昇して、巻線の損失が逆に上昇し、反ってモータ効率が低下するというジレンマを有していた。
【０００９】
また、マグネットロータの着磁パターンが矩形波もしくは台形波の場合、正弦波の場合よりモータの振動・騒音が大きくなる課題を有していた。
【００１０】
次に、従来の第３のＤＣモータはシールレスポンプに用いられるため、図８のようにコアの突極面を利用し圧入固定されるが、突極面が同心円状になっていないと、接触が各突極の面で均等に生じるのではなく偏り易く、圧入時に水平に圧入できなくなり、マグネットロータが中心軸に対し傾いて回転し、振動・騒音の原因となる課題を有していた。このとき第３のＤＣモータは、テーパ形状部１０７を形成されているため、水平に圧入するのは更に困難になる。
【００１１】
本発明は上記従来の問題点を解決するもので、モータの起動性を確保しながら、コイルエンド長を変えずに薄型化を図り、誘起電圧をアップしてモータ性能を向上でき、振動・騒音を低減できるＤＣモータを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明のＤＣモータは、突極には、マグネットに面した端部にマグネットの周方向長さ以下の長さの肉厚部が形成され、突極とマグネットとのギャップが均一に形成されるとともに、肉厚部が、突極の中心位置よりマグネットロータの回転方向に進んだ位置まで高くなり、該位置を最大高さとしてそれ以降高さが低くなる輪郭を有していることを特徴とする。
【００１３】
これにより、モータの起動性を確保しながら、コイルエンド長を変えずに薄型化を図り、誘起電圧をアップしてモータ性能を向上でき、振動・騒音を低減できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、複数のマグネットを備えたマグネットロータと、マグネットの内周側に設けられ、該マグネットに対向する複数の突極を有するとともにティースが巻線されたコアを備えたＤＣモータであって、突極には、マグネットに面した端部にマグネットの周方向長さ以下の長さの肉厚部が形成され、突極とマグネットとのギャップが均一に形成されるとともに、肉厚部が、突極の中心位置よりマグネットロータの回転方向に進んだ位置まで高くなり、該位置を最大高さとしてそれ以降高さが低くなる輪郭を有しているＤＣモータであるから、コアとマグネットとのギャップが均一であり、肉厚部の高さが各突極の範囲で、マグネットロータの回転方向に徐々に高くなって静止時のマグネットロータの磁極の切れ目を隣同士の突極の中間より回転方向にずらすことができ、コアとマグネットのギャップを最小にすることができる。突極の形状を同心円状にすることができるため、起動性、トルク、効率等のモータ性能を確保しながら薄型化が図れ、さらにシールレスポンプの駆動源として適用した場合にはコアが偏りなく圧入固定でき、振動・騒音を低減も図れるという作用を有する。また、ＤＣモータのコギングトルク及び回転トルクのむらを低減し、モータの振動・騒音を改善が図れるという作用を有する。
【００１６】
請求項２に記載の発明は、肉厚部の輪郭が正弦波状の形状を備えたことを特徴とする請求項１記載のＤＣモータであるから、ＤＣモータのコギングトルク及び回転トルクのむらを低減し、モータの振動・騒音を改善が図れるとともに、等方性マグネットとして簡単に製造することができる。
【００１７】
（前提の形態）
以下、本発明の前提の形態のＤＣモータについて図１〜５を用いて説明する。図１（ａ）は本発明の前提の形態におけるＤＣモータの構成図、図１（ｂ）は（ａ）のＤＣモータの断面図、図２（ａ）は図１の１スロット部分を拡大したＤＣモータの断面図、図２（ｂ）は（ａ）の突極の肉厚部の側面図、図３は本発明の前提の形態のＤＣモータの誘起電圧の回転数依存性比較図である。
【００１８】
図１（ａ）、（ｂ）において、１はコア、２は突極、３はティース、４は巻線、５はマグネットロータ、６は磁極の切れ目である。コア１、突極２、ティース３、巻線４、マグネットロータ５、磁極の切れ目６は、従来の技術のコア１０１、突極１０２、ティース１０３、巻線１０４、マグネットロータ１０５、磁極の切れ目１０６に対応したもので、説明は従来の技術に譲り省略する。７は突極２の端部に形成されたコア１自身の厚みより厚くした肉厚部である。肉厚部７は、肉厚を出すため板材から削り出して構成しても良いし、コア１のティース３を端部で折り曲げて構成するのでもよい。肉厚部７は、各突極２の外周縁でＬ字状に立ち上がるとともに、各突極２の周方向幅内でマグネットロータ５の回転方向に徐々に高くなるように形成されている。図２（ｂ）において、８は肉厚部７の高さが直線的に増加する側面形状である。
【００１９】
ところで、従来の第２のＤＣモータは、各突極１０２の外周にテーパ形状部１０７を設けることで、マグネットロータ１０５が静止したとき磁極の切れ目１０６を隣接する突極１０２の中間位置より回転方向にずらし、起動性を上げていた。しかし、前提の形態のＤＣモータは各突極２の端部に肉厚部７を設け、肉厚部７の高さを側面形状８のようにマグネットロータ５の回転方向に直線的に徐々に高くするため、周方向の磁束密度に差が生じ、マグネットロータ５が静止したとき磁極の切れ目６を隣接する突極１の中間位置より回転方向にずれさせることができ、これによって起動性を確保できる。
【００２０】
静止位置が突極１の中間位置よりずれて停止する状態を拡大して示したのが図２の拡大図である。そして、ＤＣモータの厚さ方向の幅を従来と同等にし、同じ巻線仕様（φ０．１２ｍｍ−１５０ターン／スロット）にした状態での誘起電圧を比較したものが図３である。図３において、９は従来のコア１０１での誘起電圧を示し、１０は本前提の形態のコア１での誘起電圧を示す。図３から分かるように、前提の形態のコア１が示す誘起電圧１０は、従来のコア１０１の誘起電圧より約２０％大きくなることがわかる。これは、肉厚部７によるコア１の突極２の面積が大きくなった分だけ性能が上がり、さらに、従来のコア１０１のようにテーパ形状部１０７の大きなギャップによって磁束密度を下げて停止位置をずらすのではなく、側面形状８の高さを周方向に増して磁束数を増して停止位置をずらすことに起因する。この誘起電圧の上昇により、同じ巻線仕様で従来のＤＣモータより本前提の形態のＤＣモータによりモータの効率が、１０％から１２％に改善される。
【００２１】
次に、前提の形態のＤＣモータをシールレスポンプに適用した場合の説明を行う。図４は本発明の前提の形態におけるＤＣモータをシールレスポンプの駆動源とした場合の構成図である。１１は分離板、１２は固定軸、１３はすべり軸受けである。分離板１１、固定軸１２、すべり軸受け１３は、従来のＤＣポンプの分離板１１１、固定軸１１２、すべり軸受け１１３に対応したもので、ここでは説明を省略する。
【００２２】
前提の形態のＤＣモータをシールレスポンプに適用する場合、コア１を含めた電動部をポンプの取り扱い液体から隔離する分離板１１に、コア１の突極２の周囲と接触しながら圧入固定させる。突極２面がマグネットロータ５と同心円状になっているため、接触が各突極の面で均等に行われ、圧入時水平に挿入され、偏って圧入されることがない。従って、マグネットロータ５が中心軸に対し傾いて回転することはなく、固定軸１２に対して垂直に回転し、マグネットロータ５の圧入が振動・騒音の原因になることはない。騒音値の実測を行うと、図８に示した従来の第３のＤＣモータを運転した時、第３のＤＣモータから５０ｃｍの距離において、２９ｄＢＡであったのに対し、本前提の形態のＤＣモータでは２７ｄＢＡまで低減することができた。
【００２３】
（実施の形態１）
次に、本発明の実施の形態１について図５に基づいて説明する。実施の形態１のＤＣモータは前提の形態のＤＣモータと圧肉部の形状が異なるだけで、その余の構成は前提の形態と同様であるから、前提の形態で使用した符号及びその説明を流用し、特徴である圧肉部の形状以外の詳細な説明は省略する。図５は本発明の実施の形態１におけるＤＣモータのマグネットロータと対向する側からみた時のモータ用コアの展開図である。図１（ａ）、（ｂ），図３，図４（ａ）、（ｂ）も以上の理由から参照する。
【００２４】
図１（ａ）、（ｂ），図５において、１４は実施の形態１のＤＣモータのコア１の肉厚部、１５は肉厚部１４の回転方向側の端部に形成された縮小部、１６は突極２の中心位置、１７は肉厚部１４の正弦波状の輪郭線である。実施の形態１の肉厚部１４は、前提の形態のＤＣモータのように側面形状８がマグネットロータ５の回転方向に対し、高さを増し徐々に肉厚になるだけではなく、輪郭線に縮小部１５を設け、回転方向側の端部が削れていることを特徴とする。すなわち、各突極１の中心位置１６に対し、回転方向側に肉厚部１４の最も肉厚な位置を設けるとともに、端部に縮小部１５を設けるものである。図５に示すように、肉厚部１４の輪郭を正弦波状の輪郭線１７にするのがもっともよいが、完全な正弦波でなくとも、起動性を損なわないことを限度にして正弦波に近似した輪郭線を採用するのでもかまわない。
【００２５】
マグネットロータ５のマグネットの部分を等方性マグネットで製造すると、製造が簡単になるが、着磁パターンが矩形波もしくは台形波になる。しかし、矩形波や台形波のような着磁パターンの場合、トルクに大きなリップルが生じ、騒音・振動の原因となる。しかし、実施の形態１においては肉厚部１４を正弦波状の輪郭線１７にしたため、誘起電圧がほぼ正弦波に近似した波形となり、リップルが小さくなる。これによって、ＤＣモータのコギングトルク及び回転トルクのむらを低減することができる。
【００２６】
本実施の形態１のＤＣモータをシールレスポンプに適用して騒音値を実測すると、上述した前提の形態のシールレスポンプが２７ｄＢＡにまで低減したのに加え、さらに１ｄＢＡ低減し、２６ｄＢＡまで騒音値を低減することができた。また、等方性マグネットで簡単に製造でき、トルク、効率等のモータ性能に優れた安価なＤＣモータを提供できる。
【００２７】
【発明の効果】
以上のように本発明のＤＣモータによれば、起動性やトルク、効率等のモータ性能を確保するとともに、薄型化を図ることができる。また、シールレスポンプの駆動源として本発明のＤＣモータを適用した場合、コアが水平に圧入固定され、振動・騒音を低減することができる。また、ＤＣモータのコギングトルク及び回転トルクのむらを低減し、ＤＣモータの振動・騒音を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 （ａ）本発明の前提の形態におけるＤＣモータの構成図
（ｂ）（ａ）のＤＣモータの断面図
【図２】 （ａ）図１の１スロット部分を拡大したＤＣモータの断面図
（ｂ）（ａ）の突極の肉厚部の側面図
【図３】 本発明の前提の形態のＤＣモータの誘起電圧の回転数依存性比較図
【図４】 本発明の前提の形態におけるＤＣモータをシールレスポンプの駆動源とした場合の構成図
【図５】 本発明の実施の形態１におけるＤＣモータのマグネットロータと対向する側からみた時のモータ用コアの展開図
【図６】 （ａ）従来の第１のＤＣモータの構成図
（ｂ）（ａ）のＤＣモータの断面図
【図７】 （ａ）従来の第２のＤＣモータの構成図
（ｂ）（ａ）のＤＣモータの断面図
【図８】 （ａ）従来の第３のＤＣモータの構成図
（ｂ）（ａ）のＤＣモータの断面図
【符号の説明】
１，１０１ コア
２，１０２ 突極
３，１０３ ティース
４，１０４ 巻線
５，１０５ マグネットロータ
６，１０６ 磁極の切れ目
７ 肉厚部
８ 側面形状
９，１０ 誘起電圧
１１，１１１ 分離板
１２，１１２ 固定軸
１３，１１３ すべり軸受け
１４ 肉厚部
１５ 縮小部
１６ 中心位置
１７ 正弦波状の輪郭線
１０７ テーパ形状部

Claims (2)

1. 複数のマグネットを備えたマグネットロータと、前記マグネットの内周側に設けられ、該マグネットに対向する複数の突極を有するとともにティースが巻線されたコアを備えたＤＣモータであって、前記突極には、前記マグネットに面した端部に前記マグネットの周方向長さ以下の長さの肉厚部が形成され、前記突極と前記マグネットとのギャップが均一に形成されるとともに、前記肉厚部が、前記突極の中心位置より前記マグネットロータの回転方向に進んだ位置まで高くなり、該位置を最大高さとしてそれ以降高さが低くなる輪郭を有していることを特徴とするＤＣモータ。
2. 前記肉厚部の輪郭が正弦波状の形状を備えたことを特徴とする請求項１記載のＤＣモータ。

Images