JP5622634B2 - ブラシ付きモータ - Google Patents

Description

本発明は、永久磁石を有するステータと、該ステータの内側に回転自在に収容されるロータとからなるブラシ付きモータに関する。

ブラシ付きモータは、筒状のケースに、永久磁石を有する筒状のステータと、ステータの内側に回転自在に収容される、スロットに巻線を巻回してなるロータとから構成される。

このようなブラシ付きモータのステータ構造として、ヨーク内に固定される筒状のステータコアと、ステータコア内に埋設される永久磁石とを備え、ステータコアは内周側が膨出される複数の磁極部を有し、各磁極部内に板状の永久磁石を２つ以上埋設してなるブラシ付きモータのステータ構造が知られている。

特開２００８−１０９７８４号公報

引用文献１に記載のブラシ付きモータでは、磁極部を内側に膨出させ、磁極部の両端部側でロータコアとの空隙を大きくすることによって、永久磁石を円弧状としなくても、低コストで十分なトルクを発生しかつ小型なモータを実現できる。

ところで、ステータコアに永久磁石を埋設するための磁石挿入孔は、永久磁石の寸法公差やステータの寸法公差を考慮して、永久磁石のサイズよりも若干大きく形成される。このため、磁石挿入孔において永久磁石の位置が厳密に固定されず、磁力によって隣の極と引き合うなどして、永久磁石の位置にばらつきが生じる。永久磁石の位置にばらつきが生じると、コギングトルクが大きくなるという問題があった。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、永久磁石の位置にばらつきが生じても、コギングトルクを増大させないブラシ付きモータを提供することを特徴とする。

本発明は、筒状のケースと、ケース内に固定される筒状のステータと、ステータの内側に回転自在に収容されるロータと、を備えたブラシ付きモータにおいて、ステータは、筒状に形成されるとともに内周側に膨出した磁極部を周方向に複数有するステータコアと、ステータコアの各磁極部に形成された磁石挿入孔に二つずつ埋設される永久磁石とを備え、磁石挿入孔は、隣り合う磁極部に隣接する側に、磁束が一の永久磁石の両極間で短絡することを規制するフラックスバリア部を有し、フラックスバリア部の隣り合う磁極部に隣接する側の端部と、磁極部の隣り合う磁極部に隣接する側の端部との間隔が、ロータの回転軸中心を基準とした角度θｗとしたときに、
θｗ≦０．７°
であることを特徴とする。

本発明によれば、ブラシ付きモータ１において、フラックスバリアの端部と磁極部の端部との距離ができるだけ小さくなるように構成することで、永久磁石５の位置がばらつくことによってコギングトルクが増加することを防止することができる。

本発明の実施形態のブラシ付きモータの説明図である。 本発明の実施形態のブラシ付きモータの要部の説明図である。 本発明の比較例のブラシ付きモータの実験結果の説明図である。 本発明の実施形態のブラシ付きモータの実験結果の説明図である。 本発明の実施形態のブラシ付きモータの実験結果の説明図である。

以下に、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態のモータ１の断面図である。

ブラシ付きモータ１は、筒状のケース２と、ケース２の内周に固定される筒状のステータ３と、ステータ３の内周側に回転自在に挿通されるロータ９と、を備えて構成されている。

ステータ３は、内周側が膨出されて肉厚を厚くして形成される複数の磁極部４ａを有するステータコア４と、ステータコア４の各磁極部４ａ内に二つずつ埋設される希土類の永久磁石５とを備えている。

なお、本実施形態のブラシ付きモータ１は、ステータコア４において、磁極部４ａが四つ設けられており、ブラシ付きモータ１は４磁極のモータとして構成されている。

ステータコア４において、各磁極部４ａの肉厚内には、二つの板状の永久磁石５がハの字状に配置されている。具体的には、各磁極部４ａには二つの永久磁石５が固定される一組の磁石挿入孔４ｄが設けられており、この磁石挿入孔４ｄに永久磁石５がそれぞれ接着等によって固定される。

一つの磁極部４ａに埋設される二つの永久磁石５は、磁極部４ａが一つの磁極として機能するように配置される。例えば、その磁極部４ａがＮ極として機能する場合には、永久磁石５のＮ極側をロータ９側に向けて配置する。磁極部４ａがＳ極として機能する場合には、永久磁石５のＳ極側をロータ９側に向けて配置する。

このような構造によって、磁極部４ａの全体が一つの磁極とし機能することによってロータ９に磁力を作用させ、ロータ９を回転させる。

また、ステータコア４の磁極部４ａの背面側であって、二つの永久磁石５の間に、スリット４ｂが設けられている。スリット４ｂは、二つの永久磁石５の磁束を分断して、隣り合う磁極部４ａ同士で磁束を形成させることにより、ロータ９に効率よく磁力を作用させる構成となっている。

また、磁石挿入孔４ｄは、永久磁石５が挿入されるのに適した形状、すなわち、略長方形形状の永久磁石５の断面よりも僅かに大きい長方形形状に形成される。また、磁石挿入孔４ｄは、永久磁石５の長辺方向の端部側であって、隣り合う磁極部４ａに近い側に、空隙が延長されたフラックスバリア部４ｅが形成されている。

フラックスバリア部４ｅは、永久磁石５の両極間にループして流れる磁束がステータコア４内に形成されることを規制するために、永久磁石５の端部とステータコア４との間に空隙を形成する。これにより、一つの永久磁石５の両極間に短絡してループする磁束を規制する。

より具体的には、フラックスバリア部４ｅは、その断面が略半楕円形状であり、先端に向かうに従って断面積が縮小している。そして、フラックスバリア部４ｅの先端と、当該先端と対峙する磁極部４ａの端部、すなわち、磁極部４ａの隣り合う磁極部４ａに隣接する側の端部と、の間に存在するステータコア４の断面部分の面積を減少させて、この断面部分を流れる磁束が小さくなるように規制する。

ロータ９は、シャフト１２と、シャフト１２の外周に固定されロータコア１３とを備える。ロータコア１３は、２２個のティース１３ａによって２２個のスロット１３ｂが形成される。スロット１３ｂには図示しない巻線が巻回されており、この巻線の端部はシャフト１２に備えられる図外の電極に接続される。電極に摺接するブラシによって巻線に電力が供給されることによってロータコア１３が磁化し、ステータ３の磁極部４ａとの作用によってロータ９が回転する。

このように構成される本実施形態のブラシ付きモータ１は、ステータ３の磁極部４ａの極数（四個）、ロータ９のスロット１３ｂの個数（２２個）ロータ９の外形とステータ３の磁極部４ａにおける内径との比、等を選定することによって、無通電状態でロータ９を回転させるときに回転トルクにむらが発生する、いわゆるコギングトルクを最小限に抑えることができる。

一方で、前述のように磁石挿入孔４ｄは、永久磁石５の外形よりも若干大きく形成されている。これに加え、各部の公差によって、磁石挿入孔４ｄに挿入される永久磁石５の位置に若干のばらつきが生じうる。このように、磁石挿入孔４ｄの中で永久磁石５の位置にばらつきが生じることによって、磁束が不均衡となり、コギングトルクが増加するという問題がある。

そこで、本発明の実施形態では、次のようにステータ３の構造を規定することによって、コギングトルクを低減させるように構成した。

図２は、本発明の実施形態のブラシ付きモータ１の磁極部４ａを中心とした要部の説明図である。

ステータ３において、磁極部４ａの磁石挿入孔４ｄに永久磁石５が挿入されている。磁石挿入孔４ｄは、永久磁石５の端部側であって、隣り合う磁極部４ａに隣接する側に、フラックスバリア部４ｅが形成されている。

フラックスバリア部４ｅは、前述のように、一の永久磁石５の両極間を短絡してループする磁束を規制する。すなわち、ループする磁束が発生するフラックスバリア部４ｅの端部４１ｅと磁極部の端部４１ａとの間は、できるだけ小さいことが望ましい。

本実施形態では、フラックスバリア部４ｅの端部４１ｅと、フラックスバリア部４ｅの端部４１ｅに対峙する磁極部の端部４１ａとの間の間隔を、ロータ９の回転軸であるシャフト１２の中心からの角度θｗとして規定する。

また、ブラシ付きモータ１が発生するトルクは、永久磁石５と磁極部４ａとの位置に関係して変化する。具体的には、ロータ９の回転軸であるシャフト１２の中心からの永久磁石５の距離と、同じく回転軸中心からの磁極部４ａの内周面の距離との関係がトルクに関係する。なお、回転軸中心と永久磁石５との距離は、永久磁石５の外周側の面が、回転軸中心と直角で交わる箇所の距離とする。

本実施形態では、回転軸中心と磁極部４ａの内周面との距離をＲ１、回転軸中心と永久磁石５との距離をＳＬ２として、Ｒ１とＳＬ２との関係を次に示す数式１として定義する。

ＳＬ２＝Ａ×Ｒ１ ・・・ 数１
ただし、Ａは定数。

一般的に、定数Ａの値を大きくすると永久磁石５と磁極部４ａの内周面との距離が離れ、ロータ９に作用する磁束が減少するので、ブラシ付きモータ１のトルクが低下する。

一方、Ａの値を大きくすると、永久磁石５と磁極部４ａの内周面との距離が近づき、ロータ９に作用する磁束が増加するので、ブラシ付きモータ１のトルクが増加するが、永久磁石５とロータ９との距離が近づくことにより、ロータ９の回転角度によるトルクの変動、すなわち、コギングトルクが増加する。従って、ブラシ付きモータ１のトルクを十分に保ちつつコギングトルクを軽減するために、定数Ａの値を適切に設定することが求められる。本実施形態のブラシ付きモータ１は、要求されるトルクを満足するためには、定数Ａは、概ね１．１１以下とする。

そして、図１に示すように構成された本実施形態のブラシ付きモータ１において、前述のθｗ及びＡの値が、θｗ≦０．７°、１．０９１≦Ａ≦１．１０９とすることが最適であることが判明した。以下にその詳細を説明する。

図３及び図４は、本実施形態にかかるブラシ付きモータと、比較例のブラシ付きモータとにおいて、それぞれ永久磁石５のずれが生じた場合のコギングトルクの大きさの実験結果を示す説明図である。

なお、図３及び図４は、ブラシ付きモータ１のコギングトルクが負荷側に影響を及ぼさない上限値を１として、Ａを変化させたとき、コギングトルクが上限値よりも大きいか小さいかを比率として示す。

図３は、フラックスバリア部４ｅの端部４１ｅと磁極部４ａの端部４１ａとの間の角度θｗを０．９°に設定した場合において、定数Ａを変化させたとき、永久磁石５にずれがない場合、永久磁石５が周方向に０．０５ｍｍずれが生じた場合、永久磁石５が周方向に０．１ｍｍずれが生じた場合、のそれぞれのコギングトルクの大きさを示す。

図４は、フラックスバリア部４ｅの端部４１ｅと磁極部４ａの端部４２１ａとの間を、図２と比較してより小さくし、回転軸中心からの角度θｗを０．７°に設定した場合において、定数Ａを変化させたとき、永久磁石５にずれがない場合、永久磁石５が周方向に０．０５ｍｍずれが生じた場合、永久磁石５が周方向に０．１ｍｍずれが生じた場合、のそれぞれのコギングトルクの大きさを示す。

図３を参照すると、永久磁石５のズレがない場合（実線）では、Ａが１．０８９よりも大きい場合は、コギングトルクが上限値以下となっていることがわかる。

一方、永久磁石５のずれが０．０５ｍｍである場合（一点鎖線）では、コギングトルク上限以下となる領域は、Ａが１．０９６以上の範囲となっている。さらに、永久磁石５のずれが０．１ｍｍである場合（鎖線）では、コギングトルク上限以下となる領域は、Ａが１．１０４以上である範囲となる。

このように、θｗを０．９°と設定した場合は、永久磁石５のずれが大きくなるほど、コギングトルク上限値を満足する領域が減少している。

これに対して、θｗを０．７°とした図４を参照すると、永久磁石５のズレがない場合（実線）では、Ａが１．１０９以下の領域、及び、Ａが１．０８６以上の領域で、コギングトルクが上限値以下となっていることがわかる。

また、永久磁石５のずれが０．０５ｍｍである場合（一点鎖線）では、Ａが、１．１０９以下の領域で、コギングトルクが上限値以下となっていることがわかる。

また、永久磁石５のずれが０．１ｍｍである場合（鎖線）では、Ａが１．０９１以上の領域で、コギングトルクが上限以下となっていることがわかる。

このように、θｗを０．７°と設定した場合は、永久磁石５のずれが大きくなっても、コギングトルク上限値を満足する領域に幅を持たせることができる。

図５は、本実施形態にかかるブラシ付きモータと、比較例のブラシ付きモータとにおいて、それぞれ永久磁石５のずれが生じた場合の、回転角度ごとのコギングトルクの大きさを示した説明図である。

図５において、θｗ＝０．９°としたものを四角点で示し、θｗ＝０．７°としたものを丸点で示す。また、実線が永久磁石５にずれがない場合、点線が永久磁石５が周方向に０．０５ｍｍずれが生じた場合、一点鎖線が永久磁石５が周方向に０．１ｍｍずれが生じた場合を、それぞれ示す。

この図５に示すように、θｗ＝０．９°の場合は、永久磁石５のずれが大きくなればなるほど、回転角度に対応してコギングトルクが増大している。一方で、θｗをより小さく設定した場合、すなわちθｗ＝０．７°の場合は、回転角度に応じてコギングトルクは若干変動するが、概ね±０．５の範囲に収まっていることがわかる。

従って、本発明の実施形態におけるブラシ付きモータ１においては、θｗの値が小さければ小さいほどよく、具体的な値としてθｗ≦０．７°とすることが望まししい。なお、θｗ＝０としてもよい。すなわち、磁極部４ａの隣り合う磁極部４ａに隣接する側を、フラックスバリア部４ｅによって分離するように構成してもよい。

また、θｗ≦０．７°とした場合に、永久磁石５と磁極部４ａとの関係は、前述の数式１において、１．０９１≦Ａ≦１．１０９とすることが望ましい。このような構成によって、ブラシ付きモータ１のトルクを減少することなく、かつ、永久磁石５のずれによってもコギングトルクが大きく増加することがない。

以上のように構成された本発明の実施形態では、筒状のケース２と、ケース２内に固定される筒状のステータ３と、ステータ３の内側に回転自在に収容されるロータ９と、を備えたブラシ付きモータ１において、ステータ３は、筒状に形成されるとともに内周側に膨出した磁極部４ａを周方向に複数有するステータコア４と、ステータコア４の各磁極部４ａに形成された磁石挿入孔４ｄに二つずつ埋設される永久磁石５とを備えるものである。なお、本発明の実施形態は、ステータコア４は周方向に４つの磁極部４ａを備え、ロータ９は周方向に２２個のスロット１３ｂを備える。

そして、磁石挿入孔４ｄは、隣り合う磁極部４ａに隣接する側に、磁束が一の前記永久磁石５の両極間で短絡することを規制する空孔状のフラックスバリア部４ｅを有し、フラックスバリア部４ｅの端部４１ｅと、磁極部の端部４１ａとの間隔が、ロータ９の回転軸であるシャフト１２の中心を基準とした角度θｗとしたときに、θｗ≦０．７°とする。

このような構成によって、ブラシ付きモータ１において、永久磁石５の位置がばらつくことによってコギングトルクが増加することを防止することができる。

また、ロータ９の回転軸であるシャフト１２の中心と磁極部４ａの内周側壁面との距離をＲ１とし、ロータ９の回転軸であるシャフト１２の中心と永久磁石５の外周側の端面との距離をＳＬ２としたときに、ＳＬ２＝Ａ×Ｒ１との関係式において、Ａを、１．０９１≦Ａ≦１．１０９とした。

このような構成によって、ブラシ付きモータ１において、永久磁石５の位置がばらつくことによってコギングトルクが増加することを防止することができる。特に、θｗ≦０．７°とすることによって、Ａの値の幅が大きくなり、ブラシ付きモータ１の設計上の公差やバリ等によって永久磁石５の位置に若干のずれが生じたとしても、コギングトルクを増加させることがない。

本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。

１ ブラシ付きモータ
２ ケース
３ ステータ
４ ステータコア
４ａ 磁極部
４ｂ スリット
４ｄ 磁石挿入孔
４ｅ フラックスバリア部
５ 永久磁石
９ ロータ
１２ シャフト
１３ ロータコア
１３ａ ティース
１３ｂ スロット
４１ａ 端部
４１ｅ 端部

Claims (4)

1. 筒状のケースと、前記ケース内に固定される筒状のステータと、前記ステータの内側に回転自在に収容されるロータと、を備えたブラシ付きモータにおいて、
   前記ステータは、筒状に形成されるとともに内周側に膨出した磁極部を周方向に複数有するステータコアと、前記ステータコアの各磁極部に形成された一組の磁石挿入孔にそれぞれ埋設される永久磁石とを備え、
   前記磁石挿入孔は、前記永久磁石の端部側であって、隣り合う磁極部に隣接する側に、磁束を規制するフラックスバリア部を有し、
   前記フラックスバリア部の先端部と、当該先端部に対峙する前記磁極部の端部との間隔が、前記ロータの回転軸中心を基準とした角度θｗとしたときに、
   θｗ≦０．７°
   であることを特徴とするブラシ付きモータ。
2. 前記ロータの回転軸中心と前記磁極部の内周側壁面との距離をＲ１とし、
   前記ロータの回転軸中心と前記永久磁石の外周側の端面との距離をＳＬ２としたときに、
   ＳＬ２＝Ａ×Ｒ１
   ただし１．０９１≦Ａ≦１．１０９
   であることを特徴とする請求項１に記載のブラシ付きモータ。
3. 前記ステータコアは周方向に４つの前記磁極部を備え、
   前記ロータは、周方向に２２個のスロットを備えることを特徴とする請求項１又は２に記載のブラシ付きモータ。
4. 前記フラックスバリアは、その断面が略楕円形状であり、前記永久磁石と対向する先端に向かうに従って断面積が縮小していることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載のブラシ付きモータ。

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