JP3982370B2 - 直流ブラシモータ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直流ブラシモータに関するものであり、特に、直流ブラシモータのコア形状に係わる。
【０００２】
【従来の技術】
従来、直流ブラシモータには、ハウジングに対して軸支され、回転自在であるシャフトと、軟磁性粉末から成る成形体で、外周に形成された円弧状の突極と、突極の内径側に形成された凹部状の巻線部を一体で有し、シャフトと一体回転を行うコアと、コアの巻線部に巻回されるコイルと、コイルに給電を行うブラシと、コアに対向して配設される永久磁石とを備えた直流ブラシモータが知られている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００３】
また、上記した様に金属の粉末から成形体を作る方法として、粉末を用いて複数の金型を鉛直方向に順次スライドさせ（例えば、ダイに対して、コアロッド、上下パンチを鉛直方向に移動させ）、加圧成形を行うことにより、圧粉体（成形品）を作る方法が知られている（例えば、特許文献２を参照）。
【０００４】
上記した従来技術の様に、複数の金型を順次スライドさせながら加圧成形を行う方法を、直流モータのコアを作る場合に適用すれば、高密度成形が行え、突極での磁気特性を向上させることができる。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−８６７１９号公報（第２５段落、第１図）
【０００６】
【特許文献２】
特開平１０−１６６１８８号公報（第２図）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来の成形方法により、複数の突極が周方向に形成されたコアを作る為、軸方向において形状に段差がないコアを粉末成形によって成形を行う場合においては、高密度成形を行う為に成形圧力を上げることができる。
【０００８】
しかしながら、コアに凹部が形成されており、直流モータの軸方向の大きさが大きくならない様、凹部内に軸受やブラシ等を配設する段差形状となったコアを作る場合、次に示す問題が起こり得る。
【０００９】
つまり、コアの粉末成形を行うと、コア外周の円弧状の突極を形成する金型は突極の厚さに応じて薄くなる。しかも、複数の突極がコア中心から放射状に周方向に形成される形状とする為に、突極を形成する金型は周方向において櫛歯状となる。この為、突極を形成する金型は櫛歯状且つ薄肉となり、高密度成形を行う際に成形時の圧力を上げると、薄くなった金型は変形し易くなってしまい、成形に支障が生じ得る。
【００１０】
また、従来では成形を行う方法として、一般的に金型と粉末とを加熱する温間成形法や、２回成形法等の成形方法があるが、温間成形法では専用の粉末潤滑剤と加熱装置が必要となり、２回成形法では２回の成形が必要となる為、これらの方法では、コストアップしてしまう。
【００１１】
更に、コア自体を複雑な形状にせず、積層鋼板を単に積層した形状にすれば、金型の変形に対する影響は解消されるが、これでは直流モータが大型化してしまい、直流モータの小型化には対応できないものとなってしまう。
【００１２】
突極の厚みに関して言えば、突極の厚みおよび外周面の幅は、モータ性能により決定され、その厚みが薄い場合および外周面の幅が狭い場合には、磁気特性上、永久磁石からの十分な磁束を集めることができなくなってしまう。一方、突極の厚みが厚い場合には、直流モータは径方向に大きくなってしまうので、これも直流モータの小型化には対応できなくなってしまう。
【００１３】
よって、本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、小型化に対応が可能なコア形状とすること、コアを成形により作る場合に金型に影響を与えないコア形状とすること、コア成形時にコストアップしないコア形状とすること、を技術的課題とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために講じた技術的手段は、ハウジングと、該ハウジングに対して軸支され、回転自在であるシャフトと、軟磁性粉末から成る成形体で、外周に形成された突極と、該突極の内径側に形成された凹部状の巻線部を一体で有し、前記シャフトと一体回転を行うコアと、前記巻線部に巻回されるコイルと、該コイルに給電を行うブラシと、前記コアに対向して配設される永久磁石とを備えた直流ブラシモータにおいて、前記コアは、前記巻線部に巻回されたコイルと前記突極との間に、前記突極と一体で形成され、前記突極の径方向の厚みを内径側に肉厚にする突極補強部を有したことである。
更に、前記突極補強部の径方向の厚みは、前記突極の径方向の厚みよりも肉厚である。
【００１５】
上記した構成により、軟磁性粉末から成るコアには、巻線部と前記突極との間に、前記突極の径方向の厚みを内径側に肉厚にする突極補強部を有したので、コイルが巻回されていない部位を突極補強部として有効利用することが可能である。この突極補強部により突極に至る部位が肉厚となり、突極の剛性を補強して向上させることが可能となる。
【００１６】
また、突極補強部は、突極の径方向の厚みが薄くても、突極に連続する突極補強部の径方向の厚みを肉厚にすることから、突極を成形する金型は、径方向における突極および突極補強部の大きさを加算した大きさとなるので、加圧成形を行っても金型が変形する等の不具合を生じさせないコア形状となる。
【００１７】
突極補強部は突極を作る場合に一体で成形することが可能であるため、突極補強部の成形には余分な金型は必要なく、コストアップしないコア形状とすることが可能となる。
【００１８】
この場合、突極補強部と突極は、内側に向かって凸の形状となっていれば、複数の巻線部をまたいで巻くコイルの重ね巻きを行う場合に、コイルが巻かれていない部位に厚みを持たせることが可能となる。この為、コア形状により小型化を図った上でのハウジング内の空きスペースを有効利用して、磁極の補強およびコア形成時の金型に影響を与えないコア形状とすることが可能となる。
【００１９】
また、突極補強部は、周方向において段差が形成されると、ハウジング内の空きスペースを更に有効利用し、補強できる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。
【００２１】
図１に、直流ブラシモータ（単に、モータと称す）1の構成を示す。モータ１を構成するハウジング２はヨークの機能を兼ね備えており、ドーナツ状の開口を有するハウジング本体２ａと、ハウジング本体２ａの一方の開口端を覆うプレート部材２ｂとから構成されている。このハウジング本体２ａとプレート部材２ｂは、数箇所でボルト等の締結部材により固定されている。
【００２２】
ハウジング本体２ａは磁性体（例えば、鉄等）から成り、プレス加工により作られている。ハウジング本体２ａは、外径にフランジを有する有底円筒状となっており、ハウジング本体２ａの中央には円筒状の折曲げ部３が軸方向において内側に延在する。折曲げ部３のから中側に延在する先端にかけては、途中、段差部３ａが形成されていると共に、端部が軸方向に延在する小径部３ｂが形成される。この小径部３ｂには軸受６ａの外輪が圧入され、内輪にはシャフトが圧入されている。
【００２３】
一方、ハウジング本体２ａの開口を閉塞する円盤状のプレート部材２ｂは、中央がフランジ状の軸受支持部７となっている。この軸受支持部７に軸受６ｂの外輪が圧入され、軸受６ｂの内輪にはシャフト５が圧入されることにより、シャフト５は２つの軸受６ａ，６ｂによってハウジング２に対して両持ちで軸支され、回転自在となっている。
【００２４】
ハウジング本体２ａの内壁には、２つの円弧状の永久磁石８が接着等により固定されている。永久磁石８は軸方向の長さは、ハウジング本体２ａ軸方向の内寸と略同一となっており、その内径に軸受６ａ，６ｂによって、シャフト５が回転自在に軸支されたロータ４が配設される。ロータ４はコア９と、コア９に巻かれるコイル１０と、コア９をシャフト５に一体回転自在な状態で支持する絶縁樹脂（例えば、不飽和ポリエステル等）から成る支持部材１１とから主として構成されている。
【００２５】
支持部材１１は鉢状を呈し、軸方向における長さは永久磁石8の長さよりも若干短く、支持部材１１はコア９とシャフト５をインサートして、インサート成形により作られる。これによって、シャフト５と支持部材１１及びコア９は一体回転する。この支持部材１１は中空円筒状の折曲げ部３よりも、若干、径の大きい凹部１２が軸受６ａ側に形成されている。また、プレート部材２ｂ側の支持部材１１には、軸受支持部７の端部を収容可能な凹部１３が形成されている。従って、軸受６ａは永久磁石８、及び、ロータ４の軸方向における長さ内に配設されると共に、軸受６ｂは一部がロータ４内に配置されるものとなる。凹部１２の深さは、コア９の軸方向における長さの略半分まで到る。また、支持部材１１の凹部１２側の軸方向における外側は径方向に延在した大径部１１ｂとなっており、この大径部１１ｂの軸方向における端面には環状凹部１１ａが形成されている。この環状凹部１１ａによって、支持部材１１と一体となったコア9との絶縁が確保される。
【００２６】
本実施形態におけるコア９は軸方向では円筒状を呈し、軸中心から周方向に複数（例えば、１２個）の突極１４が放射状に形成されている。また、径方向では内径に段部を有する。コア９は軟磁性粉末から加圧成形によって作られた成形体を用いている。例えば、コア９は、絶縁被膜処理を行った純鉄の粉末（軟磁性体）を、樹脂バインダーにより結合して成形することにより、所定の環状体が作られる。コア９は、モータ１に磁気回路が形成された場合、磁路面積を必要最小限確保することができる。また、コア９は、一方に凹部１２が形成された中空状を呈し、そこにモータ部品（例えば、コイル１０、ブラシ１６等）を配設することが可能となっている。この様なコア９は、重量を軽くすることによって、慣性力を小さくして、モータ１に要求される軽量化や起動性を向上させることができる形状となっている。コア９は、支持部材１１の成形によりシャフト５と一体成形されており、コア９は永久磁石８の軸方向における長さよりも若干短く、径方向においては永久磁石８の内径と所定間隔離れた状態で対向している。
【００２７】
この様なコア９に対して、コンミュテータ１５に給電を行うブラシ１６は、コア９に形成された凹部１２の内径に配置される。よって、ブラシ１６とコンミュテータ１５は、永久磁石８及びロータ４の軸方向における長さの範囲に配設される。コンミュテータ１５は凹部１２の開放端面寄りに配設されており、コンミュテータ１５を構成する各コンミュテータ片１５ａは、凹部１２の内周面に沿って露出する。このコンミュテータ１５は、内径に露出したコンミュテータ片１５ａがブラシ当接面１５ｂとなり、支持部材11の成形時に一体成形される。図２に示す様に、本実施形態におけるコンミュテータ片１５ａは１２個の突極１４の数に対応し、周状に等間隔にて１２個設けられている。コンミュテータ１５は、それぞれ、巻線部２５に巻回されるコイル１０に電気的に接続され、コイル１０に給電を行う機能を有する。
【００２８】
ハウジング本体２ａの円筒状の折曲げ部３内には，折曲げ部３に圧入された軸受６ａが配設されている。そして、シャフト５の一方の端部を覆うよう、コンミュテータ１５に当接する２個のブラシ１６を有する樹脂から成るブラシホルダ１７が折曲げ部３の中に圧入され、ハウジング本体２ａに取り付けられている。
【００２９】
ブラシホルダ１７には、ブラシ１６の一方の端面に当接してブラシ１６を径方向に摺動可能とするコイルばね１８を収容する収容部１９が、シャフト5と直交する面内において平行に配設されている。収容部１９は、ブラシホルダ１７の軸方向端面が、ハウジング本体２ａに形成された段差部３ａに当接することにより位置決めされ折曲げ部３に圧入固定された状態で、ブラシ当接面１５ｂと対向する位置に設けられる。折曲げ部３にはプラシ当接面１５ｂと対向する位置と１８０度の位相差をおいて、ブラシホルダ内に配設されるブラシ１６が折曲げ部３より外側に突出可能な孔２０が折曲げ部３に形成されている。これにより、ブラシホルダ内に配設される２つのブラシ１６は、折曲げ部３に形成された孔２０から突出して、コンミュテータ片１５ａのブラシ当接面１５ｂに直接当接する。この場合、２つのブラシ１６が、それぞれプラシ当接面１５ｂに対して当接する様、コイルばね1８によって、ブラシ１６が常時付勢された状態で、ブラシ１６およびコイルばね１８が収容部１９に収容されている。
【００３０】
尚、ブラシホルダ１７には、収容部１９からコィルばね１８が離脱するのを防止するためには、ピンで離脱を規制すると良い。
【００３１】
折曲げ部３の基端には、ブラシホルダ１７を覆う様、蓋部材２２が折曲げ部３の開口を塞ぐ状態で取り付けられている。２つのブラシ１６からは給電を行うリード線（図示せず）が電気的に接続されており、このリード線は、蓋部材２２に形成されたコネクタ(図示せず)より、外部から給電がなされる構成となっている。
【００３２】
次に、モータ１の作動について説明する。モータ１はコネクタを介して外部より給電がなされると、ブラシ１６に給電がなされる。ブラシ１６に給電がなされると、ブラシ１６はコンミュテータ１５のブラシ当接面１５ｂに当接するので、コンミュテータ片１５ａを介して、コンミュテータ片１５ａに電気的に接続されるコイル１０に給電が成され、コイル１０に電流が流れる。その結果、給電されたコイル１０には磁界が発生し、コイル１０で発生した磁界と、永久磁石８の磁力との相互作用よって、ロータ４は磁気的な吸引力と反発力により回転力が生じ、ロータ４と一体となったシャフト５が回転する。
【００３３】
そこで、上記したモータ１の構成における、本発明の特徴について説明する。
【００３４】
本発明では、図３に示すコア９の形状に特徴を持たせた。具体的に説明すると、図７に示す従来の一般的なコア５０のコア形状において、永久磁石と所定間隔だけ離れた状態で対向する突極５１および突極５１の内径に形成される巻線部５２は、コア中心５３より放射状で延在する。このコア５０にコイル５４を巻回すると、図８に示す状態となる。
【００３５】
しかし、コア５０の中に、図１の如くブラシ１６を内包させるため、コア５０の一方に凹部を形成して、軟磁性体よりコアを成形する場合、突極５１の径方向の厚さが薄くなる。このため、例えば、図５に示す構成の金型３０を用いて、復すの金型３０を順次スライドさせて加圧成形を行うと、突極５１を形成する金型の厚さは薄い為、加圧成形時により金型が変形し易くなり、成形に不具合を生じ易くなってしまう。
【００３６】
その為、本実施形態では、図３に示す様に、円弧状の突極１４に対して径方向に凸状且つ厚肉となって、突極１４を補強する突極補強部２６をコア９の成形時に一緒に成形される様にした。
【００３７】
この突極補強部２６は、図４の如く、複数の巻線部２５をまとめて巻く重ね巻きが施された場合、突極１４と実際にコイル１０が巻かれる部位との間には、コイル１０が巻かれていない部位が発生する。そこで、このコイル１０が巻かれていない部位の径方向での肉厚を厚くし、肉厚を厚くした部位を突極補強部２６とすることにより、突極１４を形成する際の金型３０の変形等による不具合を防止した。
【００３８】
つまり、コア９を軟磁性体粉末より成形する場合には、図５に示す金型３０により成形を行うことができる。尚、図５は、図３に示すコア９のＢ−Ｂ断面における金型構成を模式的に示した。コア９を成形する金型３０は、コア９の成形を行わない部位（例えば、隣り合う巻線部２５との間、隣り合う突極１４との間に形成されるスリット）を作るサイドコア３５と、コア９の外形を形作るダイス３３と、ダイス３３に対してコア９の中心を抜くセンターコア３４と、突極１４および突極補強部２６と言ったコア９の最外径を成形する第１パンチ（上下有り）３１ａ、３２ａと、第１パンチ３１ａ，３２ａの内径（コイルが配設される凹部）を成形する第２パンチ（上下有り）３１ｂ，３２ｂと、第２パンチ３１ｂ，３２ｂより内径を形成する第３パンチ（上下有り）３１ｃ，３２ｃとを備え、これらの金型３０は互いに鉛直方向に移動自在となっている。この様な、鉛直方向に移動可能な第１パンチ３１ａ，３２ａは第２パンチ３１ｂ，３２ｂに対して摺動し、第２パンチ３１ｂ，３２ｂは第３パンチ３１ｃ，３２ｃに対して摺動することができる。
【００３９】
次に、図６を参照して、実際にコア９が成形される工程について説明する。（ａ）では上下の金型３１，３２を開け、センターコア３４を中心に突出させた状態で、下金型３２に凹部（キャビティ）４０を形成した状態で、キャビティ４０にコア９の原材料である軟磁性体を入れる。キャビティ４０に軟磁性体粉末を入れた後、（ｂ）の如く、上金型３１の端面を一直線上にした状態で、上金型３１を下降させる。
【００４０】
その後、（ｃ）では第１金型３１ａ，３２ａに対して第２金型３１ｂ，３２ｂをスライドさせると共に、第２金型３１ｂ，３２ｂに対して第３金型３１ｃ，３２ｃを鉛直方向に順次スライドさせる。（ｄ）ではコア９の最終形状となる様、（ｃ）の状態から金型３０に加圧力をかけながら軟磁性体粉末の入ったキャビティ４０に対して、上下の金型３１，３２をスライドさせながらキャビティ空間を狭くしてゆく。この場合、面圧として、例えば、６ｔ／ｃｍ^２、全体では、１００ｔと成る加圧力を作用させる。（ｅ）の如く加圧が終了するまで、この状態を所定時間保持する。加圧終了後、成形されたコア９を金型から取り出す為、（ｆ）の如く、上金型３１を上昇させる。その後、（ｇ）の如く下金型３２をセンターコア２４も含めて下降させることによって、最終的なコア９を取り出すことができる。
【００４１】
この様な工程により作られたコア９にコイル１０が巻回されると、図１に示す如く、軸方向で磁束を集めて集磁を行う突極１４の長さは、コア９にコイル１０が巻回された状態での長さと略同一となる。この様に、モータ１の小型化を行うため、コア９の径方向に環状の凹部を成形により形成し、その中にコイル１０を収めることによって、モータ１の小型化を行う事ができる。更に、コア９および支持部材１１の中央部にはブラシ１６が配設される凹部が形成されることによって、ロータ４の重量と慣性力を小さくでき、モータ１の軽量化と起動性を向上させることができる。
【００４２】
従来、コア９を積層鋼板より構成する場合には、内側に凹部を形成することが難しいが、本実施形態の如く、形状の自由度が高い軟磁性粉末を用いて、コア９に凹部を形成することにより、モータ１の小型化が行える。また、コア９は加圧成形により得られるので、磁気特性は高密度となり、コア９の磁気特性を向上させることができる。
【００４３】
例えば、従来の如く、コア９の突極５１が薄いと、突極５１を成形する金型（例えば、３１ａ，３２ａ）も薄くなるので、加圧成形を行うとその金型の座屈限界を超えて、成形時に変形し易くなる等の不具合が起こり得る。
【００４４】
この場合、加圧成形時の成形圧力を高めるためには、金型３０の座屈限界まで金型剛性を上げる必要があるが、金型３０の剛性は変更していない。本実施形態においては、コア９の形状を変更（円弧状の突極１４に突極補強部２６を付加した形状とする）により、コア９での断面二次モーメントを向上させ、加圧成形時の成形圧力を座屈強度よりも小さくすることができる。また、これは、重量増加がほとんど無く、しかも、コイル１０との干渉が防止できる。また、コア９の外径を大きくすることなく、モータ１の要求特性を小型化にて確保することができる。また、突極補強部２６は、図９に示す形状とすることもできる。つまり、（ａ）の如く、円弧状の突極１４から内径側に突極補強部２６ａを１段設けたり、（ｂ）の如く、突極補強部２６ｂを、（ａ）よりも更に内径側にもう１段設けたりしても良い。この様な形状にすることによって、ハウジング内の空きスペースを有効利用して、突極１４の補強およびコア形成時の金型に影響を与えないコア形状とすることができる。尚、上記した突極補強部２６ａ，２６ｂは円弧状の突極１４に当接させて別体で設けることも可能である。
【００４５】
本発明によれば、軟磁性粉末から成るコアには、巻線部と前記突極との間に、前記突極の径方向の厚みを内径側に肉厚にする突極補強部を有したので、コイルが巻回されていない部位を突極補強部として有効利用することが可能である。この突極補強部により突極に至る部位が肉厚となり、突極の剛性を補強して向上させることが可能となる。
【００４６】
また、突極補強部は、突極の径方向の厚みが薄くても、突極に連続する突極補強部の径方向の厚みを肉厚にすることから、突極を成形する金型は、径方向における突極および突極補強部の大きさを加算した大きさとなるので、加圧成形を行っても金型が変形する等の不具合を防止することができる。
【００４７】
更に、突極補強部は突極を作る場合に一緒に成形することができ、突極補強部の成形には余分な金型は必要なく、コアはコストアップしないで成形により作ることができる。
【００４８】
この場合、突極補強部と突極は、内側に向かって凸の形状となっていれば、複数の巻線部をまたいで巻くコイルの重ね巻きを行う場合に、コイルが巻かれていない部位に厚みを持たせることができ、コア形状により小型化を図った上でのハウジング内の空きスペースを有効利用して、磁極の補強およびコア形成時の金型に影響を与えないコア形状とすることができる。
【００４９】
また、突極補強部は、周方向において段差が形成されると、さらにハウジング内の空きスペースを更に有効利用し、補強できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態における直流ブラシモータの構成を示す断面図である。
【図２】図１に示すＡ−Ａ断面でのブラシとコンミュテータとの給電構造を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態における直流ブラシモータのコアの形状を示す図である。
【図４】図３に示すコアにコイルを巻線部に巻回した状態図である。
【図５】コアを加圧成形する場合での金型構成を示す模式図である。
【図６】図５に示す金型でコアを成形する場合の状態遷移図である。
【図７】一般的なコア形状を示す図である。
【図８】図７に示すコアの巻線部にコイルを巻回した状態図である。
【図９】図３に示すコアにおける磁極補強部の形状の変形例である。
【符号の説明】
１ 直流モータ
２ ハウジング
５ シャフト
８ 永久磁石
９ コア
１６ ブラシ
２５ 巻線部
２６ 突極補強部

Claims (4)

1. ハウジングと、
   該ハウジングに対して軸支され、回転自在であるシャフトと、
   軟磁性粉末から成る成形体で、外周に形成された円弧状の突極と、該突極の内径側に形成された凹部状の巻線部を一体で有し、前記シャフトと一体回転を行うコアと、
   前記巻線部に巻回されるコイルと、
   該コイルに給電を行うブラシと、
   前記コアに対向して配設される永久磁石とを備えた直流ブラシモータにおいて、
   前記コアは、前記巻線部に巻回されたコイルと前記突極との間に、前記突極と一体で形成され、前記突極の径方向の厚みを内径側に肉厚にする突極補強部を有したことを特徴とする直流ブラシモータ。
2. 前記突極補強部の径方向の厚みは、前記突極の径方向の厚みよりも肉厚であることを特徴とする請求項１に記載の直流ブラシモータ。
3. 前記突極補強部と前記突極は、内側に向かって凸の形状となっていることを特徴とする請求項１または２に記載の直流ブラシモータ。
4. 前記突極補強部は、周方向において段差が形成されることを特徴とする請求項１乃至３に記載の直流ブラシモータ。

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