JP5765540B2 - モータ - Google Patents

Description

本発明は、各種装置の動力源として利用するに適した電動モータに関するものである。

各種機械設備や電気自動車等の原動機として使用されている電動モータには種々のものがあり、それぞれ用途に応じて使い分けられている。電動モータの一般的な構造は、例えば、モータケースの中心部に設けた回転軸にロータを取り付け、該ロータの外周部にステータをモータケースの内面に沿うように配置したものである。この種のモータでは、ロータの外周面が回転軸に直角な断面において山型の曲面に形成されており、モータケースの内面部に設けられたステータの内周面は、前記ロータの外周面に沿うような断面円形の凹状に形成されている。

なお、各種電動モータのロータやステータには種々の改良がなされており、例えば下記特許文献に挙げたようなものが提案されている。

特許文献１に記載のものは、モータフレームと該モータフレームの曲面部の内側に配設した曲面部を有する磁界マグネットで構成されたステータと、該ステータ内で回転自在なロータコアを備え、前記磁界マグネットの外周曲面の中央部をモータフレームの内周曲面の中央部分と接触させ、前記磁界マグネットの端部とモータフレームの端部との間に間隙を形成したものである。

また、特許文献２に記載のものは、巻線が巻かれたアーマチャコアに半径方向外周付近から延びる突起を設けてバランスするものである。さらに、特許文献３に記載のものは、永久磁石ステータと、ロータシャフトと、該ロータシャフトに取付けられたロータとを含み、前記永久磁石に速度センサが固定されたものである。

特開平１１−９８７９９号公報

特開平７−１７７７１３号公報

特開２００２−１０１６１７号公報

上記のとおり、モータには種々の改良がなされているが、ロータ（電機子）やステータ（固定子）の形状を工夫してエネルギーロスを少なくする点に関してはあまり考慮されていない。そこで本発明は、ロータとステータの形状を改良することにより、モータの効率を向上させることを課題としている。

上記課題を解決するため、本発明は次のような構成を採用した。すなわち、請求項１に記載の本発明に係るモータは、鉄心の周りにコイルを巻回してなるロータを回転軸に取り付け、その外周部にステータを配したモータであって、上記ロータのコイル巻回部よりも外側の鉄心に、コイル巻回部から発生してステータに向かう磁束を左右に迂回させる穴を設けたことを特徴としている。

また、請求項２に記載のモータは、請求項１に記載のモータであって、穴として前記鉄心のステータに臨む外周部近辺に回転軸に沿う方向の通孔を形成したものである。さらに、請求項３に記載のモータは、ステータに臨むロータの外周面に単数または複数の有底穴を形成したものである。穴の断面形状は、円形に限らない。

本発明に係るモータは、ロータの鉄心に穴を設けたので、コイルへの通電によって鉄心中に発生する磁束が当該穴を迂回するように変化して外部に流出する。このため、ステータの磁界の影響を受けて生じる合成磁束が変化し、ロータの回転力が増大する。すなわち、磁束の急激な迂回による磁束方向の変化によって、角運動が増加するものと考えられ、、実際に実験した結果でも、明らかに回転力が向上した。

上記穴は、請求項２に記載のように、ロータが取付けられた回転軸に沿うような通孔として形成するのが好ましいが、請求項３に記載のように、ロータのステータに臨む鉄心外周面に単数または複数の適当な深さの有底の凹部として形成してもよい。また、穴は空隙のままでもよいが、非磁性の樹脂（例えばシリコン）を充填しておいてもよい。

本発明の実施形態を表す縦断面図である。 ロータとステータの形状を表す横断面図である。 上記と異なる実施形態を表す鉄心の断面図である。 そのロータ外周面の展開図であり、（ａ）は単数の穴を設けたもの、（ｂ）は複数の穴を設けたものを表す。 磁束の変化を模式的に表す説明図である。 実験方法を表す図である。

以下、本発明の好ましい実施形態について具体的に説明する。このモータ１は、直流モータであり、図１、図２に示すように、断面円形のモータケース２の内部中心部に回転軸３が設けられている。モータケース２の一方の端部は開口部として形成され、そこにエンドキャップ４が取付けられている。回転軸３の両端部は、モータケース２の一方の端部に設けた軸受け５と、反対側のエンドキャップ４に設けた軸受け５によって回転自在に支承されている。

前記モータケース２の内面側には、ステータ（固定子）７が固着されている。本実施態様ではステータ７は永久磁石であり、極性の異なるものがモータケース２の直径方向に対向するように２個設けられている。

前記回転軸３にはロータ（電機子）１０が取付けられている。このモータは３スロットのモータであり、ロータ１０が３個のコア（鉄心）１２で形成されている。ロータ１０は複数の鉄板１１を重ね合わせた積層式のコア１２と該コアの胴部１２ａに巻回したコイル１３からなり、コア１２の外側端部は左右に拡径して傘状の頭部１２ｂとなっている。コア１２の基部は通常のモータと同様に回転軸３に固定されている。

回転軸３の一方の端部付近には整流子１５が取付けられている。また、エンドキャップ４には内側に突出する一対のブラケット１６が設けられ、このブラケット１６にそれぞれ支持したブラシ１７が前記整流子１５に接触している。ブラシ１７には外部からの通電用リード線１８が接続されている。

つぎに、上記ロータ１０とステータ７の形状について説明する。このロータ１０の鉄心は、複数の鉄板を重ね合わせたものであり、前述したとおり３組のコア１２を備えている。コア１２は、基部が回転軸３に取付けられる胴部１２ａと、該同部の外側端部に一体に設けられた断面山型の頭部１２ｂからなる。頭部１２ｂは、図２に示すように、回転軸３と直角な断面において回転軌跡に沿う凸な曲面としてあらわれる概略球面状となっている。一方、ステータ７の内面（ロータの頭部に臨む面）は、前記ロータのコア頭部１２ａの球面状曲面に沿うような凹状曲面として形成されている。

コア１２のコイル１３は、従来のモータと同様に、傘状に開いた頭部１２ｂの直下部から基部にかけて胴部１２ａの周りに巻回されている。コイルの太さや巻き数は従来のものと同様でよい。コイルのリード線は前記整流子１５に接続されている。

つぎに、図１、図２、図５に表わされた第１の本実施態様では、コアに設けた穴として、コアの頭部１２ａに回転軸３に沿う方向の通孔２０が形成されている。この通孔２０の径は、鉄心の強度を損なわず、しかも磁束の流れを好ましく変化させることのできる大きさであり、モータの大きさによっても異なるが、通常は数ｍｍ乃至数十ｍｍである。この穴（通孔）２０は、頭部の左右中央部に穿孔されていて、コイル１３が巻かれた胴部には達していない。積層式の鉄心の板面方向に貫通する穴であるから、鉄心が分離する恐れはない。

また、図３、図４に表わされた第２の実施形態では、上記穴として、コア１２の頭部外周面に複数の円形凹部（ディボット）２１が形成されている。図４は頭部１２ｂの外周面を平面状に展開してあらわした図であり、当該外周面の左右中央部に円形の穴（凹部）２１が形成されている。図４（ａ）では穴２１は１個であるが、図４（ｂ）では左右中央部に間隔をおいて２個が設けられている。この有底穴である凹部２１の大きさ（直径、深さ等）と数は、モータ自体の大きさ等を考慮して適当なものとすればよい。通常は、凹部２１の直径の大きさは数ｍｍ乃至数十ｍｍ、深さも数ｍｍ乃至数十ｍｍである。また、穴２０，２１の断面形状は、加工上円形とするのが好ましいが、これに限らず、例えば四角形、六角形等、適当な形状とすることができる。

このモータの使用に際しては、通常のモータと同様に、ブラシのリード線に通電してロータ１０を回転軸３とともに回転させる。ロータ１０は、磁力の極性ＮとＮの反発力とＮとＳの吸引力によりコア１２の頭部１２ｂがステータ７の内面に沿って移動する。

図１、図２に示すモータは、ロータ（コア１２）の鉄心に回転軸３に沿う通孔２０が形成されているので、図５に示すように、合成磁束Ｍがこの通孔２０の位置で歪められ、ロータ１０を回転方向に付勢する力（Ｆ）が通孔のない場合よりも大きくなると考えられる。このため、通孔２０を設けていない通常のモータに比べて強い力が作用し、より強力な回転力が得られると考えられる。

さらに、図３、図４の図示例のように、ロータ１０のコア１２の外周面に有底穴（ディボット）２１を形成しておけば、上記磁束の変化が生じるほか、磁力がこのディボットの凹部内でスピンすると考えられ、その作用力が向上することが期待できる。

図６は、本発明の効果を調べるために行った実験の内容を表すものである。市販の同じ規格の小型モータ２個を入手し、一方のモータＡの３個の鉄心にそれぞれ図に示すような通孔２０を形成し、他方のモータＢは入手したままの状態で、図６に示すように並べて配置し、両モータの回転軸に固定した糸４０を下端部で結んで、この部分に重り３０を吊り下げた。この状態で両モータを同時に回転させたところ、重り３０が引き上げられながら、モータＡ側に２．５〜２．９ｍｍ引き寄せられた。左右のモータを入れ替えて同じ実験を３回繰り返したが、いずれもモータＡ側に重り３０が寄せられた。

穴として、図３に示すディボット２１を形成して上記と同様の実験を行ったところ、上記と同様の結果が得られた。この結果から、ロータの鉄心に穴を形成したもののほうが回転力が強くなることが確認された。

以上の説明から明らかなように、本発明に係るモータは、ロータの鉄心の形状を工夫することにより、回転力の効率を向上することが可能となった。このモータは、各種機械設備や電気自動車等に効果的に採用することができる。なお、以上の説明では、３スロットの直流モータを例にとって説明したが、他の構造のモータにおいても同様な効果を期待できることは明らかである。

１ モータ
２ モータケース
３ 回転軸
７ ステータ
１０ ロータ
２０ 穴（通孔）
２１ 穴（有底凹部）

Claims (3)

1. 鉄心の周りにコイルを巻回してなるロータを回転軸に取り付け、その外周部にステータを配したモータであって、上記ロータのコイルを巻回した部分よりも外側の鉄心部分に、コイル巻回部から発生してステータに向かう磁束を左右に迂回させる穴を設けたことを特徴とするモータ。
2. 前記鉄心に設けた穴が、回転軸に沿う方向に設けられ、ステータに向かう磁束が左右に迂回させられる通孔である請求項１に記載のモータ。
3. 前記鉄心に設けた穴が、ステータに臨むロータの外周面に設けた単数もしくは複数の有底穴であり、ステータに向かう磁束が左右に迂回させられる穴である請求項１に記載のモータ。

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