JP5513265B2 - DC motor - Google Patents
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Description
本発明は、DCモータに関する。 The present invention relates to a DC motor.
小型のDCモータは、フレーム(ヨーク)の肉厚やマグネットの肉厚が制限される。このため、限られた寸法において、良好な特性が得られるようにする必要がある。一般にフレームの肉厚を増やすことは、磁気飽和をなくすために有効である。しかし、フレームを厚くすることは、その他の寸法の大きな制約を作ることになる。また、マグネットの肉厚を厚くすることで、磁力が強くなるが、磁気飽和の原因ともなる。また、フレーム厚、マグネット肉厚は、すべてアマチュア径に大きく影響を与える。フレーム厚やマグネット厚を優先した場合、アマチュア径は、それに反比例して小さくなり、トルクが低下する。これら各部の寸法の最適な組み合わせについては、例えば、特許文献1および特許文献2に記載されている。
In a small DC motor, the thickness of the frame (yoke) and the thickness of the magnet are limited. For this reason, it is necessary to obtain good characteristics in a limited dimension. In general, increasing the thickness of the frame is effective for eliminating magnetic saturation. However, increasing the thickness of the frame creates significant constraints on other dimensions. In addition, increasing the thickness of the magnet increases the magnetic force, but also causes magnetic saturation. Also, the frame thickness and magnet thickness all have a large effect on the amateur diameter. When priority is given to the frame thickness or the magnet thickness, the armature diameter decreases in inverse proportion to it, and the torque decreases. About the optimal combination of the dimension of these each part, it describes in the patent document 1 and the
特許文献1には、円筒形状のブラシモータにおける各部の寸法の関係が記載されている。しかしながら円筒形状のモータは、固定に不利であり、またフレーム側に配置されたマグネットの磁力の利用効率が高くない。この点、軸方向から見て外側の断面形状が略正4角形であり、内側の断面形状が円形状である筒状のマグネットを用いたDCモータは、フレーム側面に平坦面があるので、保持し易い。また同じマグネットボリュームで考えて磁極部分の径方向の厚みを相対的に厚くできるので、マグネットの磁力が有効に利用され、円筒型マグネットを利用したDCモータに比較して高い効率が得られる。 Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-228667 describes the relationship between the dimensions of each part in a cylindrical brush motor. However, the cylindrical motor is disadvantageous for fixing, and the use efficiency of the magnetic force of the magnet arranged on the frame side is not high. In this regard, a DC motor using a cylindrical magnet having an outer cross-sectional shape that is substantially a square when viewed from the axial direction and a circular inner cross-sectional shape has a flat surface on the side of the frame. Easy to do. Further, since the thickness in the radial direction of the magnetic pole portion can be relatively increased considering the same magnet volume, the magnetic force of the magnet is effectively used, and high efficiency can be obtained as compared with a DC motor using a cylindrical magnet.
よって、軸方向から見て外側の断面形状が略正4角形であり、内側の断面形状が円形状である筒状のマグネットを用いたDCモータについても各部の寸法関係の最適な関係に関する知見が必要とされるが、特許文献1に記載の内容は、円筒型マグネットを前提としたものであるので、この要求に答えることはできない。 Therefore, as for the DC motor using a cylindrical magnet whose outer cross-sectional shape is a substantially square when viewed from the axial direction and whose inner cross-sectional shape is a circular shape, there is knowledge about the optimal relationship of the dimensional relationship of each part. Although required, the contents described in Patent Document 1 are based on the assumption of a cylindrical magnet, and thus cannot meet this requirement.
他方で、特許文献2には、軸方向から見て外側の断面形状が略正4角形であり、内側の断面形状が円形状であるマグネットを用いたDCモータについて、各部の寸法の最適な関係に関する知見が記載されている。しかしながら、特許文献2では、フレームとマグネットに関する寸法関係については言及されているが、アマチュア(ロータ)に関する寸法については触れられていない。後述するように、本発明者が得た知見によれば、モータを小型化していった場合、モータ特性には、フレーム、マグネット、アマチュアの寸法が密接に関係しており、アマチュアに関する寸法も考慮しないと、モータの性能を追及できないことが判明している。よって、この点で特許文献2に開示された技術も充分ではない。
On the other hand,
このような背景において、本発明は、軸方向から見て外側の断面形状が略正4角形であり、内側の断面形状が円形状である筒状のマグネットを用いた小型のDCモータにおいて、高トルク、且つ、低コギングトルクの特性が得られるようにフレーム厚、マグネット厚およびアマチュア外径の関係が最適化された構成を提供することを目的とする。 In such a background, the present invention provides a small DC motor using a cylindrical magnet having an outer cross-sectional shape that is substantially a quadrangle when viewed from the axial direction and a circular inner cross-sectional shape. An object of the present invention is to provide a configuration in which the relationship between the frame thickness, the magnet thickness, and the armature outer diameter is optimized so that the characteristics of torque and low cogging torque can be obtained.
請求項1に記載の発明は、軸方向から見て外側および内側の角部が丸い断面形状が略正4角形である鉄材からなる筒状のフレームと、前記フレームの内側に配置され、軸方向から見て外側の断面形状が略正4角形であり、前記角部が厚肉部となる内側の断面形状が円形状である筒状のマグネットと、半径方向に延在する6個の極歯を備え、該極歯の外周が隙間を隔てて前記筒状のマグネットの内側に配置され、前記筒状のマグネットに対して相対的に回転可能なアマチュアとを備え、前記フレームの厚みをa、前記筒状のマグネットの最も厚みの薄い部分の厚みをb、前記フレームの一辺の長さをc、前記フレームの一辺における平坦な部分の長さをdとし、軸方向から見た前記アマチュアの直径をXとした場合に、d/c≧0.25、0.1≦(a+b)/X≦0.2であり、前記フレームの一辺の長さcが2mm角以上、5mm角以下であることを特徴とする小型DCモータである。
According to the first aspect of the present invention, a cylindrical frame made of an iron material whose outer and inner corners are round when viewed from the axial direction and having a substantially square shape in cross-section, and an axial direction disposed inside the frame. A cylindrical magnet whose outer cross-sectional shape is a substantially quadrangular shape when viewed from above , a circular magnet whose inner cross-sectional shape is a thick portion, and six pole teeth extending in the radial direction An outer periphery of the pole teeth is disposed inside the cylindrical magnet with a gap, and an armature that is rotatable relative to the cylindrical magnet, and the thickness of the frame is a, The diameter of the armature as seen from the axial direction , where b is the thickness of the thinnest part of the cylindrical magnet, c is the length of one side of the frame, and d is the length of the flat part on one side of the frame. Where x is d / c ≧ 0.25, 0. A 1 ≦ (a + b) /X≦0.2 , the one side length c of the frame than 2mm square, a small DC motor which is characterized in that not more than 5mm square.
請求項1に記載の発明によれば、図2のデータによりバックアップされるように、高いトルク特性と低いコギングトルク特性をバランスよく得ることができる。図2に示されるように、(a+b)/Xが0.04よりも小さいと、トルクが急激に低下し、またコギングトルクが急激に上昇する。また、(a+b)/Xが0.24を超えると、トルクが急激に低下し、またコギングトルクが急激に上昇する。 According to the first aspect of the present invention, high torque characteristics and low cogging torque characteristics can be obtained in a well-balanced manner as backed up by the data of FIG. As shown in FIG. 2, when (a + b) / X is smaller than 0.04, the torque rapidly decreases and the cogging torque rapidly increases. Further, when (a + b) / X exceeds 0.24, the torque rapidly decreases and the cogging torque increases rapidly.
請求項1に記載の発明によれば、軸方向から見て外側の断面形状が略正4角形であり、内側の断面形状が円形状である筒状のマグネットを用いた小型のDCモータにおいて、高トルク、且つ、低コギングトルクの特性が得られるようにフレーム厚、マグネット厚およびアマチュア外径の関係が最適化された構成が提供される。 According to the first aspect of the present invention, in a small DC motor using a cylindrical magnet whose outer cross-sectional shape is substantially a square when viewed from the axial direction and whose inner cross-sectional shape is a circular shape, There is provided a configuration in which the relationship between the frame thickness, the magnet thickness, and the armature outer diameter is optimized so as to obtain the characteristics of high torque and low cogging torque.
(構造)
図1には、軸方向から見た実施形態のDCモータ1の内部構造が示されている。DCモータ1は、フレーム2を備えている。フレーム2は、磁性材料(この例では、鉄材)により構成され、バックヨークとして機能する。フレーム2は、軸方向から見た外周および内周の形状が角の丸い略四角形状の筒状の構造とされている。図では、フレーム2の厚みがaで示され、軸方向から見た外径寸法がcとされている。外径寸法cは、軸方向から見た略4角形の辺の長さに相当する部分の寸法として把握される。なお、フレーム2の軸方向の両端部(図1の紙面手前側の端部と奥側の端部)は、蓋がされるが、その部分の少なくとも一部がフレーム2と一体化された構造であってよい。
(Construction)
FIG. 1 shows an internal structure of the DC motor 1 according to the embodiment as viewed from the axial direction. The DC motor 1 includes a
フレーム2の内側には、その内周に接して界磁マグネット3(永久磁石)が配置されている。界磁マグネット3の材質は特に限定されないが、例えば、希土類系マグネットやフェライトマグネット等が使用可能である。界磁マグネット3は、軸方向から見た外周の形状が、角が丸い略四角形状を有し、内周の形状が円形の形状を有した筒状の構造とされている。この構造によれば、界磁マグネット3には、軸方向から見て、相対的に厚みの厚い角の厚肉部4と、相対的に厚みの薄い薄肉部5が交互に4箇所形成されている。ここで、4箇所の角部の厚肉部4が磁極となる。4箇所の厚肉部4は、周方向で隣接する部分が異なる極性となるように着磁されている。また、軸方向から見て肉厚が最も薄い部分である薄肉部3の厚み寸法が符号bとされている。この例では、フレーム2と界磁マグネット3とによりステータが構成されている。
A field magnet 3 (permanent magnet) is disposed inside the
軸方向から見て、界磁マグネット3は、角の丸い部分でない平坦な部分を4箇所有している。この4箇所の平坦な部分の幅dは、cの33%(d/c=0.33)とされている。断面丸型の界磁マグネットに比較して、マグネットのボリュームを有効に利用できる外側断面形状が角型のマグネットの優位性を得るためには、d/c≧0.25とすることが望ましい。
When viewed from the axial direction, the
界磁マグネット3の内側には、隙間を隔ててトルクを発生させるためのコイルが巻かれたアマチュア6が配置されている。アマチュア6は、電機子(この例では、回転子(ロータ))として機能する鉄心であり、ラジアル方向に延在する6個の極歯8を備えている。極歯8の先端は、傘型に開いており、その外周が隙間を隔てて界磁マグネット3の内周に対向している。極歯8のそれぞれには、コイル9が巻かれている。この例では、アマチュア6の直径が符号Xにより示されている。
Inside the
アマチュア6の回転中心には、回転軸7が固定されている。回転軸7は、図の紙面に垂直な方向に延在しており、アマチュア6を挟んだ部分の2箇所において、図示省略した軸受により回転自在な状態で保持されている。この2つの軸受の外輪は、フレーム2に対して固定されており、アマチュア6がフレーム2と界磁マグネット3とにより構成されるステータに対して相対的に回転可能な構造されている。
A rotation shaft 7 is fixed to the rotation center of the
また、図示省略するが、ステータ側には、ブラシ給電機構が配置されており、回転軸7に設けられた受け側の整流子の電極(図示省略)に上述したブラシ給電機構を介して駆動電流が供給される。この駆動電流が、コイル9に供給され、且つ、アマチュア6の回転に伴って極性が切り替わることで、界磁マグネット3に対してアマチュア6が回転するトルクが生じる。このブラシ給電機構に関連する構成は、通常のDCブラシモータと同じである。
Although not shown, a brush power supply mechanism is arranged on the stator side, and a drive current is supplied to the electrode (not shown) of the receiving commutator provided on the rotating shaft 7 via the brush power supply mechanism described above. Is supplied. This drive current is supplied to the coil 9 and the polarity is switched as the
(各部の寸法関係について)
以下、図1中のa、b、c、Xの好ましい関係に関して説明する。図2には、横軸に寸法比(a+b)/Xをとり、縦軸にトルク定数とコギングトルクの相対比をとったグラフが示されている。図2には、外径寸法cを3mm角、4mm角、5mm角、6mm角とした場合のデータが示されている。ここで、トルク定数は、上記外径寸法が異なる4種類のDCモータにおけるトルクの最大値を100とした場合の比率である。コギングトルクは、同様に4種類のDCモータにおけるコギングトルクの最小値を1とした場合の比率である。ここで、トルク定数は、100に近いほど大きなトルクを有するモータであることを示している。また、コギングトルクが小さい程、むらなく滑らかに回転する特性を有することを示している。
(Dimensional relations of each part)
Hereinafter, a preferable relationship among a, b, c, and X in FIG. 1 will be described. FIG. 2 shows a graph in which the horizontal axis represents the dimensional ratio (a + b) / X, and the vertical axis represents the relative ratio between the torque constant and the cogging torque. FIG. 2 shows data when the outer diameter dimension c is 3 mm square, 4 mm square, 5 mm square, and 6 mm square. Here, the torque constant is a ratio when the maximum value of torque in the four types of DC motors having different outer diameter dimensions is 100. Similarly, the cogging torque is a ratio when the minimum value of the cogging torque in four types of DC motors is set to 1. Here, the torque constant indicates that the motor has a larger torque as it approaches 100. Further, it is shown that the smaller the cogging torque is, the more smoothly and smoothly rotate the characteristic is.
図2から明らかなように、下記数1を満足する場合に、大きなトルク定数と小さなコギングトルクのバランスが取れた特性が得られる。 As can be seen from FIG. 2, when the following formula 1 is satisfied, a characteristic in which a large torque constant and a small cogging torque are balanced can be obtained.
なお、c=6mmのデータは、他の群のデータと異なる傾向を示している。したがって、上記数1の範囲とすることで得られる効果は、c=6mmの場合は得られないとするのが適切であると考えられる。このことから、上記数1の限定は、c=5mm以下である場合に限定されると考えられる。 Note that the data of c = 6 mm shows a tendency different from the data of other groups. Therefore, it is considered that it is appropriate that the effect obtained by setting the range of the above formula 1 is not obtained when c = 6 mm. From this, it is considered that the limitation of the number 1 is limited to the case where c = 5 mm or less.
また、製造可能な寸法として、図2のデータが得られる構造のDCモータは、c=2mm程度が下限となる。また、図2からは、cの値が小さくなる程、データがグラフの右方向にシフトする傾向が見て取れる。つまり、cの値は、図2に示す値よりも小さくなると、図2に示されているデータの特徴から徐々に外れる傾向が図2には示唆されている。このことからもcの値は、c=2mm程度が下限であると結論される。 In addition, as a manufacturable size, the lower limit is about c = 2 mm for a DC motor having a structure in which the data of FIG. 2 can be obtained. Also, from FIG. 2, it can be seen that the data tends to shift to the right of the graph as the value of c decreases. That is, when the value of c becomes smaller than the value shown in FIG. 2, the tendency of gradually deviating from the characteristics of the data shown in FIG. 2 is suggested in FIG. From this, it is concluded that the lower limit of the value of c is about c = 2 mm.
また、図2より、より良好な特性(高トルク特性、低コギングトルク特性)を得るのであれば、下記数2の範囲、更により好ましくは下記数3の範囲とすることが好ましいことも判る。
In addition, it can be seen from FIG. 2 that if better characteristics (high torque characteristics, low cogging torque characteristics) are obtained, the range of the following
以下、図2のデータが得られる要因について考察する。まず、(a+b)/Xが0.04を下回るとトルク定数が低下し、またコギングトルクが上昇するのは、以下の理由によるものと推察される。まずこの場合、限られた寸法において、アマチュア6の直径が大きく取れるので、線積に余裕が生じ、太い線を多く巻くことができるために、トルク定数が大きくなる。しかしながら、フレーム2の厚みaと、界磁マグネット3の薄肉部5の厚みbを合計した部分は薄くなるので、磁気飽和が起こりやすい傾向は増大する。また、界磁マグネット3を薄くした場合、界磁マグネット3の磁力が不足する。このため、磁気が効率よくアマチュアに流入せず、トルク定数が低下する。また、同様の理由により、界磁マグネット3の磁極(4箇所の角部)に対する極歯8の極性の切り替わりがスムーズに行われない傾向が増大し、コギングトルクが高くなる。図2には、これらの現象が(a+b)/X=0.04を境にして、顕著になる傾向が現れていると考えられる。
In the following, the factors for obtaining the data of FIG. 2 will be considered. First, when (a + b) / X is less than 0.04, the torque constant decreases and the cogging torque increases. First, in this case, since the diameter of the
他方において、(a+b)/Xが0.24を上回る場合、限られた寸法において、マグネット3を肉厚にできるため、磁力を向上させることができる。また、フレーム2の厚みを厚くできるので、ステータ側での磁気飽和の発生を抑える点でも有利となる。しかしながら、cの値が制限されている条件化では、a+bを大きくした場合、Xの値を小さくしなければならず、アマチュア6の直径が小さくなる。この場合、線積が小さくなり、コイル9の巻線が貧弱になる。よって、トルク定数が低下する傾向となる。また、界磁マグネット3の磁力とコイル9の磁力とのバランスが悪くなるので、界磁マグネット3の磁極(4箇所の角部)に対する極歯8の極性の切り替わりがスムーズに行われず、コギングトルクが高くなる傾向が増大する。図2には、これらの現象が(a+b)/X=0.24を境にして、顕著になる傾向が現れていると考えられる。
On the other hand, when (a + b) / X exceeds 0.24, the
以上のような理由により、界磁マグネット3の磁力によるトルクの向上と、アマチュア6の直径を確保することによるトルクの向上とのバランスが最も良好となる領域が、上記数1の範囲であると考えられる。また結果として数1の範囲では、ステータ側の磁気回路とアマチュア側の磁気回路のバランスが取れているので、磁力の相互作用がスムーズに行われ、また磁気歪の発生が抑えられる状態となっているので、コギングトルクも抑えられているものと考えられる。
For the above reasons, the region where the balance between the improvement in torque by the magnetic force of the
以上述べたように、(a+b)/Xの値は、小さすぎても好ましくなく、また大きすぎても好ましくない。そして、高トルクと低コギングトルク特性を得るには、(a+b)/Xの値に適切な範囲がある。ただし、図2からも明らかなように、この関係には、全体の寸法依存性があり、外径が6mm以上となると、同列に論じることができなくなる。 As described above, the value of (a + b) / X is not preferable even if it is too small, and is not preferable if it is too large. In order to obtain high torque and low cogging torque characteristics, there is an appropriate range for the value of (a + b) / X. However, as is clear from FIG. 2, this relationship has an overall dimensional dependency. When the outer diameter is 6 mm or more, it cannot be discussed in the same row.
(その他)
図1には、界磁マグネット3が配置された外側の部分がステータとなり、内側の部分のアマチュア5が回転する形式であるが、逆の形式、つまり界磁マグネット3の側が回転し、アマチュア5の側が固定子となる構造(アウターロータ型)に本発明を適用することもできる。
(Other)
In FIG. 1, the outer portion where the
本発明の態様は、上述した個々の実施形態に限定されるものではなく、当業者が想到しうる種々の変形も含むものであり、本発明の効果も上述した内容に限定されない。すなわち、特許請求の範囲に規定された内容およびその均等物から導き出される本発明の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更および部分的削除が可能である。 The aspect of the present invention is not limited to the individual embodiments described above, and includes various modifications that can be conceived by those skilled in the art, and the effects of the present invention are not limited to the contents described above. That is, various additions, modifications, and partial deletions can be made without departing from the concept and spirit of the present invention derived from the contents defined in the claims and equivalents thereof.
本発明は、DCモータに利用することができる。 The present invention can be used for a DC motor.
1…DCモータ
2…フレーム
3…界磁マグネット
4…厚肉部
5…薄肉部
6…アマチュア
7…回転軸
8…極歯
9…コイル
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...
Claims (1)
前記フレームの内側に配置され、軸方向から見て外側の断面形状が略正4角形であり、前記角部が厚肉部となる内側の断面形状が円形状である筒状のマグネットと、
半径方向に延在する6個の極歯を備え、該極歯の外周が隙間を隔てて前記筒状のマグネットの内側に配置され、前記筒状のマグネットに対して相対的に回転可能なアマチュアと
を備え、
前記フレームの厚みをa、前記筒状のマグネットの最も厚みの薄い部分の厚みをb、前記フレームの一辺の長さをc、前記フレームの一辺における平坦な部分の長さをdとし、
軸方向から見た前記アマチュアの直径をXとした場合に、
d/c≧0.25、
0.1≦(a+b)/X≦0.2であり、
前記フレームの一辺の長さcが2mm角以上、5mm角以下であることを特徴とする小型DCモータ。 A cylindrical frame made of an iron material having a substantially quadrangular cross-sectional shape with rounded outer and inner corners when viewed from the axial direction;
A cylindrical magnet disposed inside the frame and having an outer cross-sectional shape that is substantially a square when viewed in the axial direction, and a circular inner cross-sectional shape in which the corner portion is a thick portion ;
An armature comprising six pole teeth extending in the radial direction, the outer circumference of the pole teeth being arranged inside the cylindrical magnet with a gap, and being rotatable relative to the cylindrical magnet And
The thickness of the frame is a, the thickness of the thinnest portion of the cylindrical magnet is b, the length of one side of the frame is c, and the length of the flat portion on one side of the frame is d,
When the diameter of the amateur seen from the axial direction is X,
d / c ≧ 0.25,
0.1 ≦ (a + b) /X≦0.2 ,
A small DC motor, wherein a length c of one side of the frame is 2 mm square or more and 5 mm square or less.
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