JP4801985B2 - 電気モータ - Google Patents

Description

本発明は電気モータ、特にブラシレスＤＣモータに関するが、その他のものを排除しない。

近年では、フロッピーディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ等のディスク状データ担体のための平坦な駆動装置を構成するために使用されることができる、極めて平坦な構造の小型電気モータのための需要が高まっている。

このようなモータのシャフトは、シャフトを揺動させるための所定の軸受間隙を有している。明らかに、シャフトの揺動角度が大きいほど、軸受の軸方向寸法が（シャフトが１つの軸受によって保持されているならば）より小さいか又は、シャフトの両端部における軸受の間の距離がより小さい。ディスクがモータによって回転させられるならば、ディスクの回転軸線は空間において移動し、その向きは変化する。このことは、データがディスクから読み取られる場合に問題を生じる。慣用的に、データはディスクの表面上の同心的なトラックに配置されており、ディスクの回転軸線が移動すると、ディスク駆動装置の作動させられた読取りヘッドのサーボシステムが、ディスクの回転中にトラックを追跡するためにより多くの問題を有し、これにより、データが連続的に読み取られることができない。さらに、ヘッドとディスク表面との間の距離が変化し、時には読取りが可能である範囲を外れてしまう。

これらの変動の一部は周期的であり、この周期はディスクの回転周期と等しい。これらの変動は、観察に基づいてかなり正確に予測されることができ、読取りヘッドがディスクの同じトラックに対面しかつ一回転の間に適切な読取り距離範囲から外れることがないように、読取りヘッドを周期的に移動させることによって補償されることができる。これらの周期的な変動は反復性振れとも呼ばれる。

しかしながら、容易に補償されない、深刻なトラッキング問題を生じるおそれのある非反復性振れも存在する。軸受間隙を減じることによってこの非反復性振れを減じることは、問題に対するかなり高価なソリューションである。なぜならば、モータの部材が極めて厳しい公差で製造されなければならないからである。

米国特許出願番号第２００４／０００７９２９号明細書は平坦な電気モータを開示しており、この電気モータにおいて、軸受はモータの軸方向寸法のほとんどに亘って延びている。軸受間隙によって許容される角度全体に亘ってシャフトが揺動するのを阻止するものはこのモータには設けられていない。
米国特許出願番号第２００４／０００７９２９号明細書

本発明の課題は、ロータシャフトが、シャフトを保持する軸受の間隙によって許容された角度全体に亘って揺動するのを阻止された電気モータを提供することである。

この課題は、電気モータであって、軸線の周囲に延びた空隙を有するステータが設けられており、該ステータにおいて回転磁界が発生させられ、軸受によって回転可能に保持されたシャフトと、前記空隙に保持された永久磁石とを有する、前記回転磁界によって前記軸線を中心に回転するように駆動されるロータが設けられている形式のものにおいて、ステータが、前記回転磁界に加えて、前記軸線に対して回転方向で非対称的な定置の磁界を発生することを特徴とする電気モータによって達成された。

この非対称の定置の磁界はロータに偏心の力を課し、この偏心の力は、特にロータ軸線を中心とするロータにおける回転トルクに対して垂直であり、したがってロータを傾斜させる。このような偏心の力は、トルクベルトルに対して垂直な、ロータの角運動量ベクトルの変化を生じる。ロータは、軸受間隙が許容する限り、角運動量のこの変化にロータの軸線を適応させることができる。したがって、ロータの軸線は、軸受間隙がどれだけ大きいかに拘わらず、一定の規定された向きを占める。非反復性振れは著しく減じられる。

好適には、ステータは、軟磁性材料から形成された多数の半径方向のスポークを有する。中実のディスクの代わりに半径方向スポークを使用することは、ロータの運動に反作用する渦電流の形成を減じる。

第１の好適な実施形態によれば、非対称な定置の磁界を発生するための極めて単純な手段として、ステータの第１のセクタにおけるスポークの断面及び長さの少なくとも１つは、第２のセクタにおけるスポークのものとは、例えば厚さ又は長さにおいて異なっている。

択一的に、第１のセクタにおける単位角度ごとのスポークの数は、第２のセクタにおけるものとは異なっている。第１及び第２のセクタはそれぞれステータの円周の約半分に亘って延びている。

モータの組立てを容易にするために、スポークの内方端部又は外方端部は好適には一体的にリングに結合されている。択一的に、スポークは非導電性材料に埋め込まれているか又は取り付けられている。好適には、この非導電性材料は回路板である。

第２の好適な実施形態によれば、ステータは、軸線の周囲に均一に分配された複数のコイルを有しており、ステータの第１のセクタにおいて、コイル内の材料の透過性は、ステータの第２のセクタにおけるコイルの透過性とは異なる。

第３の好適な実施形態によれば、ステータは、磁界を発生するために軸線の周囲に均一に分配された複数のコイルを有しており、ステータの第１のセクタにおいて、非対称の磁界成分を発生するために、コイルごとの巻き数は第２のセクタにおける巻き数とは異なる。

コイルが回転軸線に対して平行な軸線を有するならば、モータは特に平坦に形成されることができる。回路板にプリントすることによってコイルはさらに極めて経済的に形成されることができる。

本発明の別の特徴及び利点は、添付の図面を参照した、本発明の実施形態の以下の説明より明らかにする。

モータの第１の実施形態を図１〜図４を参照して説明する。モータは、非磁性材料、すなわちアルミニウムから形成されたベース部材１を有しており、このベース部材１は、短い中空の円筒体として成形されており、円筒体の外縁部の周囲に延びた２つの肩部２，３と、内室における第３の肩部４とを有している。肩部２は、薄鋼板から裁断されたヨーク５を支持している。ヨーク５は中央リング６と、この中央リング６から半径方向に延びた多数のスポーク７ａ，７ｂとから形成されている。図１の手前に面したヨーク５の第１の半分においては、スポーク７ａは、残りの半分のスポーク７ｂよりも短くなっている。長いスポーク７ｂは、ベース部材１の肩部３によって支持された環状の回路板８の外縁部にまで延びている。回路板８の、ヨーク５とは反対側の上面には６つのコイル９がプリントされている。ベース部材１と、ヨーク５と、回路板８とはモータのステータを形成している。

ベース部材１の内部の肩部４には、玉軸受１０の外レースが支持されている。シャフト１１は玉軸受１０の内レースに嵌合させられている。玉軸受１０は間隙を有している。

シャフト１１の半径方向フランジは、ロータディスク１２と、コイル９に面した磁極を有する輪形磁石１３とを有している。回路板の表面に対して垂直なコイル９の磁界軸線は、シャフト１１の軸線に対して平行である。

技術上知られているように、シャフト１１と、ディスク１２と、輪形磁石１３とから形成されたロータは、コイル９に異なる相の交流電流を供給することによって発生される回転磁界によって駆動され、輪形磁石１３と、ロータディスク１２と、シャフト１１と、玉軸受１０と、ベース部材１と、ヨーク５とから形成された磁気回路に磁束を生ぜしめる。

ヨーク５のスポーク７ａ及び７ｂの異なる長さにより、長いスポーク７ｂを有するセクタにおけるよりも、より短いスポーク７ａを有するセクタにおいて空隙の幅がより大きく、ヨーク面積はより小さく、したがって、短いスポーク７ａに面した輪形磁石１３のセクタによって経験される磁気引力は、長いスポーク７ｂに面したセクタのものよりも小さい。したがって、モータが動作している時にはいつでも、トルクがロータに提供され、このトルクは、ロータを回転させる角運動量ベクトルに対して垂直な軸線を中心にロータを傾斜させる傾向がある。

自由に回転するトップにおいて、このようなトルクは、角運動量ベクトル、ひいてはトップの軸線の変動を生じることが知られている。これは、回転するトップにおいて、トルクベクトルは、トップが傾斜させられる方向と同期して回転し、これにより、トルクベクトルは角運動量ベクトルに対して常に直交方向であるからである。本発明の場合、これに対して、トルクベクトルは回転しないので、玉軸受１０の間隙が許容する限りロータ軸線は所定の方向にのみ傾斜する。したがって、シャフト１１が揺動するのを許容する間隙にも拘わらず、シャフト１１は、コイル９の磁界によって回転するように駆動された場合、所定の位置及び向きを占め、非反復性振れは最少限に低減される。

前記実施形態において、ヨーク５は、ベース部材１の肩部２において支持された内側リング６を有しており、この内側リングからスポーク７ａ，７ｂが半径方向外向きに延びている。スポーク７ａ，７ｂは長さだけが異なり、断面は同じである。

択一的に、シャフトの位置及び向きを規定するために必要なフィールド非対称性は、長さは同じであるが断面積が異なるスポーク７ａ，７ｂによって生ぜしめられることができる。

別の択一例として、スポークの角度方向間隔が、ヨーク５の第１のセクタと第２のセクタとにおいて異なるように形成されてもよい。

別の択一例として、スポークは、外側リングによって一片に結合されており、自由端部は半径方向内向きに延びており、ベース部材１の肩部２に支持されている。この場合、渦電流が外側リングから第１のスポーク及びベース部材を通って、第２のスポークを通って外側リングへ戻るのを防止するために、スポークの自由端部とベース部材との間には電気的絶縁層が設けられるべきである。別の択一例は、外側リングによって一片に結合されたスポーク７ａ及び７ｂは、ベース部材１まで延びているのではなく、回路板８への結合によって、例えば糊付けによって支持されているだけである。

モータの第２の実施形態を図５〜図８を参照に説明する。第１の実施形態のモータにおける同一のカウンターパートを有するこのモータのコンポーネントは、これらと同じ参照符号を有しており、再び説明されない。

この第２の実施形態のモータにおいて、ヨーク５は、規則的な角度方向間隔で内側リングから半径方向外向きに延びた同じ形状のスポーク７を有している。非対称的な磁界成分は、回路板８上のコイル９の間に、金属コア１４を有する３つの連続的なコイル９ｂから形成された１つのグループが設けられており、他のグループを形成した残りの３つのコイル９ａは金属コアを有していないということにより、この実施形態において生ぜしめられる。これらの金属コア１４は単に、例えば糊付けによって回路板８の表面に固定されることができ、好適には、図６の断面図と図８の底面図とに示したように、金属コアは、回路板８に形成された孔に嵌め込まれている。金属コア１４は、コイル９ｂによって占められた回路板８の半分における空隙幅を減じるためにも有効であり、これにより、この半分において、輪形磁石１３は、空のコイル９ａを支持した半分におけるよりも強い磁気引力を受ける。第１の実施形態と同様に、磁界の非対称性により、シャフト１１は所定の、僅かに傾斜した向きを占める。

図９は本発明の第３の実施形態による回路板の底面図である。この実施形態において、一片から成るヨークの代わりに、直接に相互結合されていないが、例えば糊付けによって回路板８の下側に固定された多数の半径方向スポーク７のみが設けられている。図５〜図８の実施形態と同様に、回路板８の上側に形成されたコイルの部分（図示せず）は、回路板８の孔を貫通した金属コア１４を有している。スポーク７を回路板８に取り付けるために、個別の部材から電子回路を組み立てるための慣用の技術が使用されることができる。別の択一例は、一体化されたスポーク７を備えた１つのプラスチックヨーク部分８ａであることができ、図１１によれば、プラスチックヨーク部分は例えば射出成形プロセスによって形成されている。

第４の実施形態によれば、回路板８に個々に同じスポーク７を配置することにより、図１０に示したような回路板を形成することは特に容易であり、この回路板において、磁界非対称性は、回路板８の半分においてスポークを、別の半分におけるよりも小さな角度方向間隔を置いて配置することによって得られる。

磁界非対称性を得るための別のアプローチは図１２に示されており、本発明の第５の実施形態による、異なる量の巻線ｎを備えた、コイル９ａ、すなわちｎ巻線を有する図１２におけるコイル１，３，５と、コイル９ｂ、すなわちｎ＋ｘ巻線を有する図１２におけるコイル２，４，６との、電気接続計画図及び配置計画図を示している。回路板８の半分におけるコイル５，１，３は、他方の半分のコイル４，２，６よりも少ない数の巻線を有しているので、２つのコイルグループに同じ電流が供給されると、図１２の接続計画図に示されたように、輪形磁石とコイル９ａとの間の磁気引力は、輪形磁石とコイル９ｂとの間の磁気引力よりも小さい。

本発明の第１の実施形態によるモータの分解図である。 図１のモータの縦断面図である。 図１のモータの底側を示す斜視図である。 図１のモータの上側を示す斜視図である。 本発明の第２の実施形態によるモータの、図１と同様の分解図である。 第２の実施形態によるモータの縦断面図である。 図５のモータの上側を示す斜視図である。 図５のモータの上側を示す斜視図である。 モータの第３の実施形態による回路板の底面図である。 モータの第４の実施形態による回路板の底面図である。 モータの第３の実施形態による回路板の平面図である。 モータの第５の実施形態によるコイル９ａ及び９ｂの電気的接続及び配置計画図である。

符号の説明

１ ベース部材、 ２，３，４ 肩部、 ５ ヨーク、 ６ 中央リング、 ７ スポーク、 ８ 回路板、 ９ コイル、 １０ 玉軸受、 １１ シャフト、 １２ ロータディスク、 １３ 輪形磁石、 １４ 金属コア

Claims (7)

1. 電気モータであって、軸線の周囲に延びた空隙を有するステータ（１，５，８）が設けられており、該ステータにおいて回転磁界が発生されるようになっており、ロータ（１１，１２，１３）が設けられており、該ロータが、軸受（１０）によって回転可能に保持されたシャフト（１１）と、前記空隙に保持されておりかつ、前記回転磁界によって前記軸線を中心に回転するように駆動される永久磁石（１３）とを有している形式のものにおいて、
   ステータ（１，５，８）が、軟磁性材料から形成された複数の半径方向に向けられたスポーク（７；７ａ，７ｂ）を有しており、ステータの第１のセクタにおいて、スポーク（７ａ）の断面の少なくとも１つが、第２のセクタにおけるスポーク（７ｂ）の断面とは異なっており、
   ステータ（１，５，８）の第１のセクタにおいて、コイル（９ａ）の巻き数が、第２のセクタにおけるコイル（９ｂ）の巻き数とは異なっているか、又は
   ステータ（１，５，８）の第１のセクタにおいて、コイル（９ｂ）内の材料（１４）の透過性が、第２のセクタにおけるコイル（９ａ）内の材料の透過性とは異なり、これにより、前記回転磁界に加えて、前記軸線に対して回転方向で非対称な定置の磁界成分を生ぜしめることを特徴とする、電気モータ。
2. ステータの第１のセクタにおいて、スポーク（７ａ）の少なくとも１つの長さが、第２のセクタにおけるスポーク（７ｂ）の長さとは異なっている、請求項１記載のモータ。
3. ステータ（１，５，８）の第１のセクタにおいて、単位角度ごとのスポーク（７）の数が、第２のセクタにおける単位角度ごとのスポークの数とは異なっている、請求項１記載のモータ。
4. スポークが、リング（６）によって一体的に結合された内側端部又は外側端部を有している、請求項１から３までのいずれか１項記載のモータ。
5. スポーク（７）が、非導電性材料（８）に埋め込まれているか又は取り付けられている、請求項１から４までのいずれか１項記載のモータ。
6. 非導電性材料が回路板（８）である、請求項５記載のモータ。
7. ステータ（１，５，８）が、軸線の周囲に均一に分配された複数のコイル（９；９ａ，９ｂ）を含む、請求項１又は２記載のモータ。

Images