JP5038025B2 - ４角形状外形の小型モータ - Google Patents

Description

本発明は、エアコンアクチュエータ用とか電動格納ミラー用等に用いることのできる４角形状外形の小型モータに関し、特に、その４極界磁マグネット及びこのマグネットを取り付けるモータケースの構成に関する。

通常の小型モータは、そのモータケース外周面が円形（ラウンド形状）を有している（図６（Ａ）参照）。このようなラウンド形状モータを、装置内或いは基板上に取り付けるに際して、モータ自体が回転しないように回り止めが必要となる。また、ラウンド形状モータを装置内に取り付けた際には、ラウンド形状のために装置内に無駄なスペースが生じる傾向がある。そのために、モータの取付面に対する回り止め、さらにはスペース効率を考慮して、モータ外形を４角形以上の多角形状にすることが知られている。

図８は、特許文献１に記載の６極界磁のモータを、４極界磁の４角形モータに変形したものである。図示の４角形モータは、ヨークを構成するモータケース側面を４角形状に形成して、４角形各辺の内側面に、４極界磁極を構成するマグネットのそれぞれが取着されている。マグネットは、側面部の振動低減効果を目的として、各側面部の中央にそれぞれ固定されている。マグネットの内周側には、６極の回転子磁極を有する回転子が回転可能に支持されている。一般的に、個々のマグネットは、その周方向中央よりも両端部に向けて回転子磁極外周面との径方向間隔を徐々に大きくして、磁界を徐々に弱くすることにより、回転子の回転に伴う急激な磁界の変化を避けることが可能となる。これによって、コギングトルクの発生を小さくすることができる。

しかし、図８に示したマグネットは、コギングトルクの発生を小さくするために、中央部よりも周方向両端側で回転子との距離を、大きくしているが、それでも依然として、マグネット両端側の厚さは中央部よりも大きくなっており、かつ距離を大きくすることにより性能は明らかに低下する。さらに、各マグネット間に無駄なスペースが生じている。このように、マグネットをヨーク各辺の中央部に配置すると、マグネットを小さく構成することも、効率的に配置することもできず、必然的にモータ厚さ（４角形ヨーク辺間の径方向長さ）が厚くなって小型化が達成できないという問題がある。

このために、マグネットを、４角形ヨーク各辺のコーナーに配置した構成も知られている（特許文献２，３，４参照）。図９は、マグネットを各辺のコーナーに配置した特許文献４に記載のモータの断面図（Ａ）、及び４個のマグネットの内の１つを取り出して示す拡大図（Ｂ）である。図９において、モータケースは、断面が４角形に形成されて、その内側に、Ｎ，Ｓ交互に磁化された４極の界磁マグネットが備えられている。この界磁マグネットは、磁極の中心がヨーク各辺のコーナーに位置するように磁化させている。モータケースは、一定板厚を有し、断面が四角形の各辺の一部を残しながら角を内側に押し潰した形状を有し、マグネットは、内側に円周面を有し、外側をモータフレームに密接させた形状を有している。

図９（Ｂ)に示すように、このマグネットは、コーナーを内側に押し潰す程度、即ち、マグネットの最薄部寸法Ｌ１に対する最厚部寸法Ｌ２の比率、或いは、マグネットの内径Ｒ２に対するコーナー曲率半径Ｒ１の比率を最適範囲に設定することにより、モータ特性を維持した上で最小限のマグネット重量にすることを意図している。

小型モータの界磁マグネットは、生産性を上げるためには、モータケース（ヨーク）と別々に製造した後に一体に組み立てることが望ましい。通常、このような組立には圧入技術が用いられるが、圧入のためには、モータケースとマグネット相互の相対的な寸法公差を厳密に設定することが必要となる。しかし、図９に示すようなモータ構成では、４角形の角部を潰す構造で設計されているため、マグネットの内径中心位置とコーナー曲率半径中心位置が異なるため、ヨーク形状とそれに圧入されるマグネット形状の設計、及びそのための金型の設計が難しくなる。モータ磁束を低下させないために、特に磁界を強くすべきマグネット磁極の頂点でヨーク内側とマグネット角部を密接させる必要があるが、図９に示すように、マグネットの内径中心位置とコーナー曲率半径中心位置がずれていると製品寸法の公差基準がずれるため、マグネットをモータケースに密接させることが難しくなる。

また、マグネットは、有効磁束を低下させること無く、コスト低減のために重量を下げることが望まれ、さらには、コギングトルクをも低下させることが必要となる。しかし、図９に示すような複雑な形状を有するマグネットでは、マグネット有効磁束を増やす一方、重量及びコギングトルクを低下させるための最適の形状設計が難しいという問題がある。
特開２００５−２０９１４号公報 特開平７−５９３２２号公報 実開昭６４−１２４５５号公報 特開２００７−６６８８号公報

４角形状外形の小型モータは、４辺のフラット面とその間を連結する角部を有し、かつ、特に角部において、モータケースとその内周側に位置するマグネットを密接させる必要があるために、マグネット及びモータケース、及びそのための金型の設計、製造が難しくなる。

本発明は、モータ自体の回り止めとかスペース効率の観点から採用した４角形状外形の小型モータにおいて、界磁マグネットの重量、体積を小さくし、かつ無駄なく配置し、さらにはコギングトルクを小さくし、モータの性能を低下させることなくモータの小型化を達成することを目的としている。

また、本発明は、マグネットの磁束が有効に機能してモータ性能を向上させつつ、精度良くヨーク内面側に取り付けることのできる形状を有するだけでなく、マグネット有効磁束を増やす一方、重量及びコギングトルクを低下させるための最適の形状設計を容易に行うことを目的としている。

本発明の４角形状外形の小型モータは、金属製モータケースの内周面に４極の界磁マグネットを取着する。このモータケースはその側面を、４辺の平坦な側面部とこの側面部間の角部に位置する同数の円弧形状のコーナー部とを連続的に結合した４角形状に形成する。界磁マグネットは、回転子外径よりもわずかに大きな内径の円周面と４角形状の外形を有し、かつ、この４角形状の外形は、４辺の平坦な側面部とこの側面部間の角部に位置する同数の円弧形状のコーナー部とを連続的に結合した形状からなる。モータケースと界磁マグネットのそれぞれのコーナー部の円弧形状は、それぞれモータシャフト中心位置を中心とする円周上にあり、かつ、その円弧角度が、１５°以上で３５°以下の範囲内にあり、モータケースコーナー部内に界磁マグネットのコーナー部が密接するように圧入もしくは接着する。

また、モータケースコーナー部と界磁マグネットのコーナー部は、それぞれの周方向中心位置が一致し、かつその位置に該界磁マグネットの磁極の頂点を有する。モータケースの対向するコーナー部同士、側面部同士の中心がモータシャフト中心と一致し、マグネットのコーナー部外径中心及び内径中心はモータシャフト中心と一致している。４角形状の外形を有する界磁マグネットは、全体的にはリング形状に一体に形成されて、周方向にＳとＮが交互に着磁される。

本発明によれば、モータケース（ヨーク）、マグネットの各部の寸法中心が一致しているため金型部品が作成し易く、モータ組立のためのヨーク軸受内径中心、エンドベル軸受内径中心を一致させる精度の基準を容易に得ることが出来る。

また、本発明は、４辺のフラット面とその間を連結する角部を有するマグネットのコーナー角度を１５°以上で３５°以下に設定することにより、マグネット断面積（コスト）、モータ磁束、コギングトルク値の最適設計が可能となる。

以下、例示に基づき本発明を説明する。図１は、本発明を具体化する４角形（正方形）状外形の小型モータの構成を示す一部縦断面図である。図２は、図１に示したモータのケース蓋を取り除いた状態で、整流子側から見た側面図である。４極界磁のマグネット、及び６極の回転子磁極を有する小型モータについて、以下説明するが、本発明は、４極の界磁極及び３極以上の回転子磁極を有する小型モータに対して適用可能である。

図示したように、金属材料により有底中空筒状にプレス加工されたモータケースの内周面にマグネットが取り付けられている。略一定板厚を有する金属製モータケースの４角形状側面が、マグネットの磁路となるヨークを形成している。このモータケースの開口部はケース蓋が嵌着されている。回転子のシャフトは、ケース蓋の中央部と、モータケースの底部中央にそれぞれ設けられた軸受によって支持されている。シャフト上に構成される回転子は、磁極コアと該磁極コア上に巻いた巻線とからなる回転子磁極構成を備えている。整流子は、シャフト上に固定されており、その端部には火花消去用のバリスタを備えている。この整流子に接触するブラシ（一対）は、ブラシアームを介してケース蓋に支持されると共に、ブラシアームに接続された外部端子を介して外部より電源が供給される。

また、図３（Ａ）及び（Ｂ）は、モータケース及びマグネットそれぞれ単独の側面図である。マグネット外形形状は、モータケース内周面形状に略等しくして、その内側に圧入もしくは接着により取着される。マグネットの磁極は径方向に着磁される４極であり、かつ周方向にＳとＮが交互になっている。ここで例示するマグネットは、マグネット材により一体に全体的にはリング形状に形成されている。このリング形状マグネットは、その内径を回転子外径よりもわずかに大きくする一方、その外形は、側面部で肉薄にして、コーナー部で厚肉にした偏肉形状となっている。このようなマグネットは磁性材料を偏肉リング形状に一体成形し、モータケースに固定した後、磁界発生装置を用いてモータケース外部、またはモータケースに固定したマグネットの内側より、４極のマグネットに着磁することができる。もしくは、マグネット単体を磁界発生装置を用いて４極に着磁した後、モータケースに固定することもできる。

図示したように、ヨークを形成するモータケース側面は、４極の界磁極と同数の４辺の平坦な側面部（フラット面）と、この４辺の側面部間の角部に位置する同数の４個のコーナー部とを連続的に結合した形状になっている。コーナー部は、その内面側でマグネットを支持して固定する部分であり、円弧形状からなっている。このように、側面部を平坦に形成したことにより、モータ自体の取付けに際して回り止めとして機能するだけでなく、モータ外周面の無駄なスペースが減少して、スペース効率が向上する。

図示したように、各マグネットの周方向中心（各磁極の頂点）と、それに対応する各ヨークコーナー部の周方向中心は一致している。また、ヨークの対向するコーナー部同士、側面部同士の中心がモータシャフト中心と一致し、マグネットのコーナー部外径中心、内径中心がモータ中心と一致している。このように、モータシャフト中心（それ故に、軸受中心）に、各部中心を一致させることによりモータ組立が容易となる。

さらに、図４を参照して、マグネットの形状について説明する。連続的に結合した４個のマグネットは、所定の内径Ｒ１を有し、かつ、マグネットコーナー角度の範囲内では、マグネット外形は、所定の半径Ｒ２の円弧上にある。即ち、マグネットコーナー角度とは、円弧形状コーナー部の円弧角度である。なお、マグネットコーナー部が取着されるモータケースコーナー部もまた、マグネットと同一のコーナー角度を有することになる。

マグネットは、コーナー部では周方向のいずれの位置でも、ほぼ一定の径方向の厚み（Ａ寸法）を有している。マグネットの平坦な側面部は、各コーナー部の円弧端を直線で結んだ外形を有している。このため、各マグネットは、コーナー部に対応する位置を超えて、それぞれ隣接する磁極に近づくほどにその径方向厚みは小さくなり、隣接磁極との中央位置で最薄部となる。また、マグネット側面部は、ヨーク側面部との間では、わずかの隙間を設けて非接触にしている。このように、マグネットは、その内径を回転子外径よりもわずかに大きくした全体的にはリング形状であるが、その外形は、側面部で肉薄にする一方、コーナー部で厚肉にした形状となっている。このリングマグネットの側面部では、ヨークとの間に押し付け力は作用しないので、マグネットの割れ欠けを防止できる。このように、マグネットが自ずと偏肉形状になることで、マグネットの磁束は側面部で、マグネットコーナー部の周方向中心から周方向に離れる程になめらかに減少して、コギングトルク低減を図ることができる。同時に、マグネットの周方向中心では十分な磁界を発生させる厚みを確保するだけでなく、マグネットをヨークに対して隙間なく押しつけることで、磁界を強くしてモータの性能アップを図ることができる。

マグネット材質としては、フェライトマグネット、ネオジウムマグネット、プラスチックマグネットのような従来より用いられているいずれの材質を用いることもできるが、いずれの材質を用いても、マグネットは、小型モータを構成する部品の中で最も高価な部品である。それ故、コスト低減のためには、マグネット断面積（それ故、重量）を抑える必要がある。また、制限されたスペースの中でモータ磁束（それ故、モータトルク）を増加させるためには、マグネット断面積を効率よく増加させる必要がある。また、機械ノイズの上昇に関係のあるコギングトルクを抑えて、モータの静音化を図る必要もある。

図５は、マグネットコーナー角度の変化に対する総磁束（Ｍｘ）、コギングトルクＫｐ（mNcm×100）、及びマグネット断面積の変化を示すグラフである。このグラフに見られるように、マグネットコーナー角度の増加につれて、マグネット断面積（それ故、コスト）が増加するが、この上昇の割には、モータ磁束が上がらないということが分かる。さらには、機械ノイズの上昇に関係のあるコギングトルクは、マグネットコーナー角度の３５°以上で大きく増加しモータの静音化を達成出来ない。逆に、マグネット断面積を小さくするために、マグネットコーナー角度を小さくしていくと、マグネットの磁束が有効に活用される部分の面積が低下することから十分なモータ磁束を得られなくなる。特に、マグネットコーナー角度の１５°以下ではマグネットの磁束が有効に活用される部分の面積が著しく低下することから、目標性能を得るのに必要なモータ磁束を得られず、加えてコギングトルクも増加する。このことから、マグネットコーナー角度の１５°以上で、３５°以下の範囲が望ましい。さらには、より望ましくは、グラフから見られるように、マグネットコーナー角度の２０°以上で、３２°以下の範囲において、かなりの総磁束が得られる一方、コギングトルクがより低くなっている。

本発明の小型モータは、マグネットが自ずと偏肉形状になることで従来相反技術である性能アップとコギングトルク低減を両立出来る。これについて、さらに図６を参照して、従来技術と対比して説明する。図６（Ａ）は、本発明の小型モータと対比する従来技術による円形外形（ラウンド形状）の小型モータの断面図である。前述したように、本発明のマグネットは、それぞれ周方向中心で略一定厚さ（Ａ寸法）と、両端部では小さな厚さを有する偏肉形状である（図４参照）。これに対して、図６（Ａ）に示す界磁マグネットは、周方向の厚みが一定である。

図６（Ｂ）は、両モータの総磁束を比較した結果を示す表である。図中の□１８．３は、４角形状のモータ（本発明）の厚さが、１８．３ｍｍであることを示し、φ２０．０は図６（Ａ）に示すラウンド形状モータ（従来技術）の径（モータ厚さ）が２０．０ｍｍであることを示している。また、コア径φ１５とは、回転子磁極コア径１５ｍｍを示し、両モータ同一構成である。この表から分かるように、本発明のモータは、マグネットから発生する総磁束を２％程度向上しているにも関わらず、径方向厚さは、ラウンド形状モータの２０．０ｍｍに対比して、１８．３ｍｍと小さくすることができる。

また、図６（Ｃ）は、４角形状のモータ（本発明）の厚さと、ラウンド形状モータ（従来技術）の径を、共に１８．３ｍｍにして、マグネットより発生する総磁束を比較した表である。この表から分かるように、ラウンド形状モータに対比して本発明は、総磁束が３０％増加し、さらに、使用可能の回転子磁極コア径も、大きくすることができる。コア径を大きくすることによって、コアの線積が増加するので、逆起電圧はさらに増加する。要するに、本発明のモータは、従来の同等性能ラウンド形状モータと対比すれば、重量体積を半減可能であり、マグネット材使用量で１０％削減、モータ径を８．５％薄型化が可能となる。

図７は、（Ａ）図６に示すような４角形状のモータ（本発明）と、（Ｂ）ラウンド形状モータ（従来技術）の性能を比較するグラフである。いずれのグラフにおいても、横軸は着磁電圧を表し、また、縦軸は逆起電圧（Ｖ）とコギングトルク（gf.cm）を表している。逆起電圧が高いとトルクが上がり、かつ、回転数を下げることが可能となる。着磁電圧は、マグネット材質により所定形状に成形して、モータケース内に固定した後、モータケース外部、またはモータケースに固定したマグネットの内側より着磁するために着磁装置コイルに印加する電圧である。もしくは、マグネット単体を着磁するために着磁装置コイルに印加する電圧である。例えば、１５００（Ｖ）の電圧で着磁したマグネットを用いた場合、本発明は、性能を低下させずに（逆起電圧が略同一）、コギングトルクが１０．５から４．０（gf.cm）に６０％以上低減している。

本発明を具体化する４角形状外形の小型モータの構成を示す一部縦断面図である。 図１に示したモータのケース蓋を取り除いた状態で、整流子側から見た側面図である。 モータケース及びマグネットそれぞれ単独の側面図である。 マグネットの形状について説明する図である。 マグネットコーナー角度の変化に対する総磁束（Ｍｘ）、コギングトルクＫｐ（mNcm×100）、及びマグネット断面積の変化を示すグラフである。 本発明の小型モータと対比する従来技術による円形外形（ラウンド形状）の小型モータを説明する図である。 （Ａ）４角形状のモータ（本発明）と、（Ｂ）ラウンド形状モータ（従来技術）の性能を比較するグラフである。 特許文献１に記載の６極界磁のモータを、４極界磁の４角形モータに変形した従来技術のモータの断面図である。 マグネットを各辺のコーナーに配置した特許文献４に記載のモータの断面図（Ａ）、及び４個のマグネットの内の１つを取り出して示す拡大図（Ｂ）である。

Claims (6)

1. 金属製モータケースの内周面に４極の界磁マグネットを取着した４角形状外形の小型モータにおいて、
   前記モータケースはその側面を、４辺の平坦な側面部とこの側面部間の角部に位置する同数の円弧形状のコーナー部とを連続的に結合して全体的には４角形状に形成し、
   前記界磁マグネットは、回転子外径よりもわずかに大きな内径の円周面と４角形状の外形を有し、かつ、この４角形状の外形は、４辺の平坦な側面部とこの側面部間の角部に位置する同数の円弧形状のコーナー部とを連続的に結合した形状からなり、
   前記モータケースと前記界磁マグネットのそれぞれのコーナー部の円弧形状は、それぞれモータシャフト中心位置を中心とする円周上にあり、かつ、そのコーナー部の円弧角度が、１５°以上で３５°以下の範囲内にあることから成る４角形状外形の小型モータ。
2. 前記モータケースコーナー部と前記界磁マグネットのコーナー部は、それぞれの周方向中心位置が一致し、かつその位置に前記界磁マグネットの磁極の頂点を有する請求項１に記載の４角形状外形の小型モータ。
3. 前記モータケースの対向するコーナー部同士、側面部同士の中心がモータシャフト中心と一致し、前記マグネットのコーナー部外径中心及び内径中心がモータシャフト中心と一致している請求項１に記載の４角形状外形の小型モータ。
4. 前記４角形状の外形を有する界磁マグネットは、全体的にはリング形状に一体に形成されて、周方向にＳとＮが交互に着磁される請求項１に記載の４角形状外形の小型モータ。
5. 前記界磁マグネットのコーナー部は、全体的にはリング形状に一体に形成されて、周方向にＳとＮが交互に着磁される請求項１に記載の４角形状外形の小型モータ。
6. 前記モータケースのコーナー部は、その内周面で前記マグネットを固定し、かつ、前記マグネットの側面部はモータケースとの間に隙間を設けている請求項１に記載の４角形状外形の小型モータ。

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