JP6131358B1 - 直流モータの内外輪固定子構造 - Google Patents

Abstract

【課題】モータの性能及び耐久性が高い直流モータの内外輪固定子構造を提供する。【解決手段】直流モータ２は、収容空間を内部に有するハウジングを含む。内外輪固定子構造は、外固定子２１及び内固定子２５を含む。外固定子２１は、収容空間内に取付けられるとともに、複数の外磁石２１１を含む。各外磁石２１１は、ハウジングの円周に沿ってハウジングの内壁に固定されて互いに間隔をおいて設置され、互いに隣接した２つの外磁石２１１の極性は反転する。内固定子２５は、外固定子２１内に取付けられ、前後端がハウジングの前後端にそれぞれ固定される。内固定子２５と外固定子２１との間には回転空間が形成される。回転空間は中空型ロータ２４を収容するのに十分な大きさを有する。中空型ロータ２４は、外固定子２１との間に第１の間隙が保持され、内固定子２５との間に第２の間隙が保持される。【選択図】図２

Description

本発明は、直流モータの内外輪固定子構造に関し、特に、円柱状のハウジング内壁に外固定子が環設され、軸心位置に内固定子が配設され、外固定子と内固定子との間には、中空型ロータの固定子構造が収容可能な回転空間が形成されている、直流モータの内外輪固定子構造に関する。

モータ（ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｍｏｔｏｒ）は、電動装置とも称され、受けた電力を機械エネルギへ変換してから、機械エネルギを利用して運動エネルギを発生させて他の装置のを駆動させることができる電気設備である。運動エネルギは人々の日常生活で最も利用されているエネルギ形態である。電気エネルギは、貯蔵及び輸送が容易であり、クリーンであるなどの特性を有するため、電気エネルギで駆動され、運動エネルギを出力するモータは、人々の生活において必要不可欠で重要な装置となっている。

一般にモータは電気エネルギの種類により、直流モータ、交流モータ、ステッピングモータなどに大別される。直流モータの「回転数−トルク」、「電流−トルク」などの特性曲線は直線関係にあり、出力速度が制御し易く、トルクが大きめであるなどの特長を有する上、変速制御が容易であるため、産業の自動化にとって重要な技術であり、本発明の目的は、直流モータの改良にある。

図１Ａを参照する。図１Ａに示すように、従来の直流モータ１の基本アーキテクチャは、少なくともハウジング１０、枢軸１１、ロータ（ｒｏｔｏｒ）１２、固定子（ｓｔａｔｏｒ）１３及び整流子（ｃｏｍｍｕｔａｔｏｒ）１４を含む。ハウジング１０内には収容空間１０１が形成される。枢軸１１は、ハウジング１０内に枢着され、かつ、一端に設けられた出力軸１１１が突出されてハウジング１０から露出されている。ロータ１２は、複数の珪素鋼板の組み合わせにより構成されて枢軸１１上に固設される。ロータ１２上には、複数ターンのコイルが巻き付けられている。固定子１３は、永久磁石により構成され、ロータ１２の外周縁に対応するようにハウジング１０の内壁に固設されてロータ１２と間隔をおいて設置されている。整流子１４は、収容空間１０１内に配設されて外部の電力を受けることができ、コイルと電気的に接続され、コイルへ送電するとともに、整流子１４によりコイルへ送る電流の方向を変えることができる。フレミングの左手の法則又は右手の法則に基づき、導線が磁場内に配置されて導線に電流が流されると、導線が発生させた磁場が、元からある磁場の磁力線を横切り、導線を移動させる。そのため、ロータ１２上のコイルが通電されて発生した磁場が、固定子１３により発生された磁力線を横切り、回転トルクによりロータ１２が回転され、電気エネルギが運動エネルギへ変換される。例えば、図１Ｂに示すように、固定子１３の磁力線が左から右方向へ発生すると、ロータ１２のコイルの電流が右から左方向へ流れ、ロータ１２に発生する回転トルクによりロータ１２が時計回りで回転する。

図１Ａ及び図１Ｂに示すように、直流モータ１の長所は、ロータ１２の回転数を容易に制御できる点にあるため、産業の自動化技術への応用に適する。直流モータ１を制御する場合、メーカはコイルの電流の大きさを変えることにより、固定子１３がコイル上で発生させる運動エネルギを強めたり弱めたりすることができるが、コイルの巻き密度には限界があり、電流の変更幅も無制限ではなかった。そのため、本発明者は、直流モータ２の構造を改良し、全体の体積を増やさずに、ロータ１２の速度の制御性及び回転速度の調整範囲を高めることが可能か研究開発を行った。

本発明者は研究過程において、従来の直流モータでは、出力軸１１１上に他の伝動機構（例えば、歯車群）を別途取り付けなければロータ１２が発生させる運動エネルギを出力することはできなかったが、伝動機構が取り付けられると構造が複雑となり、運動エネルギが減衰してしまう虞があることが分かった。また、ハウジング１０から突出された出力軸１１１の一端が自由端であったため、軸線がずれる問題が発生することを防ぐために出力軸１１１の長さを短めに設計する必要があった。しかし、枢軸１０を高速回転させて十分な回転トルクで伝動機構を駆動させる場合、枢軸１０と伝動機構との間に非常に大きな負荷がかかって摩損が発生したり、受ける力が不均等となって出力軸１１１の軸線が徐々にずれてしまう虞があった。

すなわち、従来の直流モータ全体のアーキテクチャは、使用上依然として問題点があった。そのため、直流モータの構造を改良し、回転数の制御性を高め、「軸線がずれる」問題点を改善することが、直流モータの製造及び設計を行うメーカに求められていた。

本発明者は、上述したように従来の直流モータは回転の制御性に改良の余地がある上、使用する際に「軸線がずれる」という問題点に対して研究開発を長年行い、実験及び分析を繰り返し、モータの性能及び耐久性が高い直流モータの内外輪固定子構造を案出した。

本発明の目的は、直流モータの内外輪固定子構造を提供することにある。この内外輪固定子構造は、直流モータに応用される。直流モータは、ハウジングを含む。ハウジングは、円柱体を呈し、収容空間が内部に形成される。内外輪固定子構造は、外固定子及び内固定子を含む。外固定子は、収容空間内に取付けられるとともに、複数の外磁石を含む。各外磁石は、ハウジングの円周に沿ってハウジングの内壁に固定されて互いに間隔をおいて設置され、互いに隣接した２つの外磁石の極性は反転している。内固定子は、外固定子内に取付けられ、前後端がハウジングの前後端にそれぞれ固定され、内固定子と外固定子との間には回転空間が形成され、この回転空間は中空型ロータを収容するのに十分な大きさを有し、中空型ロータは、外固定子との間に第１の間隙が保持され、内固定子との間に第２の間隙が保持され、外固定子と内固定子との間で回転可能である。内固定子は、複数の内磁石を含み、各内磁石は、ハウジングの円周に沿って内固定子の外縁に固定されて互いに間隔をおいて設置され、互いに隣り合う２つの内磁石の極性は反転し、各内磁石は外磁石にそれぞれ対応する。このように、整流子からの電流を中空型ロータのコイルが受けると、対応した電磁場が生成され、この電磁場は、内固定子上の各内磁石と、外固定子上の各外磁石とにより排斥作用を発生させて中空型ロータを回転させ、出力部材を同期で駆動し、中空型ロータに発生する低回転数及び高トルクの回転トルクが負荷（例えば、変速機ケース）に出力される。

図１Ａは、従来の直流モータの構成図である。 図１Ｂは、従来の直流モータの作動原理を示す説明図である。 図２は、本発明の一実施形態に係る固定子構造を直流モータに応用したときの状態を示す分解斜視図である。 図３は、本発明の一実施形態に係る固定子構造を直流モータに応用したときの状態を示す断面図である。 図４は、本発明の一実施形態に係る固定子構造を示す平面図である。 図５は、本発明の一実施形態に係る直流モータの中空型ロータの一部を示す分解斜視図である。 図６は、本発明の一実施形態に係る直流モータの中空型ロータの巻線を示す斜視図である。

図２及び図３を参照する。図２及び図３に示すように、本発明の一実施形態に係る直流モータの内外輪固定子構造は、直流モータ２に応用し、外固定子２１及び内固定子２５を含む。直流モータ２は、内外輪固定子構造を含む以外に、ハウジング２０（図３を参照する）、整流子２２、出力部材２３及び中空型ロータ２４の部材をさらに含む。本実施形態のハウジング２０は、前蓋２０Ａ、後蓋２０Ｂ及び外カバー２０Ｃから構成されてなり、全体が中空円柱状を呈し、内部に収容空間２００が形成されている。整流子２２は、前蓋２０Ａ中に位置決めされる。出力部材２３は、後蓋２０Ｂ中に位置決めされる。

図２及び図３を参照する。図２及び図３では、部材間の相対関係を説明する便宜上、図２及び図３の右方は「前方」を表し、左方は「後方」を表していることをここで予め述べておく。外固定子２１は、収容空間２００内に取付けられ、複数の外磁石２１１を含む。各外磁石２１１は、外カバー２０Ｃの円周に沿ってハウジング２０の内壁に固定されて互いに間隔をおいて設置され、互いに隣接した２つの外磁石２１１の極性は反転している。上述した各外磁石２１１は、１つの磁性部材又は極性方向が同じ複数の磁性部材によりユニットが構成されるが、本発明はこれだけに限定されるわけではない。本実施形態の複数の外磁石２１１は、外カバー２０Ｃの内壁に嵌合されているが、他の実施形態では、外固定子２１には、口径が外カバー２０Ｃより略小さい筒状固定座が含まれてもよく、外磁石２１１が筒状固定座の内壁に固設され、筒状固定座を介してハウジング２０の内壁上に間接的に位置決めされる。

内固定子２５は、外固定子２１内に取付けられ、前蓋２０Ａ及び後蓋２０Ｂに前後端がそれぞれ固定される。内固定子２５と外固定子２１との間には、回転空間が保持される。この回転空間は中空型ロータ２４を収容するのに十分な大きさを有し、中空型ロータ２４は、外固定子２１との間に第１の間隙２４Ａが保持され、内固定子２５との間に第２の間隙２４Ｂが保持されているため、回転空間中で回転することができる。内固定子２５は、内固定子本体２５０及び複数の内磁石２５１を含む。内磁石２５１は、外カバー２０Ｃの円周に沿って内固定子本体２５０の外縁に固定されて互いに間隔をおいて設置され、互いに隣り合う２つの内磁石２５１の極性は反転している。上述した各内磁石２５１は、１つの磁性部材又は極性方向が同じ複数の磁性部材によりユニットが構成されるが、本発明はこれだけに限定されるわけではない。各内磁石２５１は、外磁石２１１にそれぞれ対応するように位置する。本実施形態では、内磁石２５１と外磁石２１１との数が同じであるように維持するために、内磁石２５１の面積を外磁石２１１の面積より小さくなるようにする。

本実施形態において、内固定子本体２５０の前後両端には、２つの位置決め棒２５２（図３に示すように、位置決め棒２５２は同一の支杆体の両端に成形してもよい）がそれぞれ突設され、各位置決め棒２５２がハウジング２０の前端及び後端にそれぞれ固定され、内固定子２５の軸心がハウジング２０の軸心に対応する。本発明の他の実施形態では、メーカは設計に必要に応じて内固定子本体２５０の構造を自ら調整することができることをここで予め述べておく。

中空型ロータ２４は、複数の電機子コアの組み合わせにより構成され、その中には軸方向に沿って軸孔２４０が形成され、その前端は整流子２２と接続され、その後端は出力部材２３と接続されている。中空型ロータ２４には、複数ターンのコイル２７が巻き付けられる。このように、中空型ロータ２４上のコイル２７が外部（例えば、これは整流子２２であり、その詳細な構造については後述する）から電流を受けると、対応した電磁場が生成され、その後この電磁場は、内固定子２５上の各内磁石２５１と外固定子２１上の各外磁石２１１とに排斥作用を発生させて中空型ロータ２４を回転させ、出力部材２３を同期で駆動させ（整流子２２も同期で駆動する）、中空型ロータ２４が発生させた低速回転及び高トルクの回転トルクを負荷（例えば、変速機ケース）へ出力する。中空型ロータ２４は、内固定子２５及び外固定子２１の電磁場の影響を同時に受けて押動されて回転されるため、１つの固定子の従来の直流式モータと比べ、本発明は中空型ロータ２４の回転速度を容易に制御でき、出力部材２３から出力されるトルクをさらに高めることができる。

内固定子２５及び外固定子２１が生成する電磁場により中空型ロータ２４をもっと正確に駆動させることができるように、本発明者は内磁石２５１及び外磁石２１１の配置方式について詳細に研究した。図２及び図４に示すように、互いに隣り合う２つの外磁石２１１間には、ハウジング２０の内壁に隣接した一側に内側間隔距離Ｄ１が保持され、他側に外側間隔距離Ｄ２が保持され、外側間隔距離Ｄ２が内側間隔距離Ｄ１より大きいため（図４に示すように、各外磁石２１１上に切り角が形成され、その間隔距離を大きめにする）、互いに隣り合う外磁石２１１「磁極端部」間の距離を大きくし、磁場が互いに干渉することを防ぐことができることが分かった。同じ道理により、互いに隣り合う２つの内磁石２５１間は、中空型ロータ２４（又は外固定子２１）から離れた一側に内側間隔距離Ｄ３が保持され、他側に外側間隔距離Ｄ４が保持される。外側間隔距離Ｄ４は、内側間隔距離Ｄ３より大きい。

本発明の技術は、内固定子２５、外固定子２１の特殊な構造を利用することができる上、中空型ロータ２４及び出力部材２３を安定的に駆動させ、トルクを高めることができる。中空型ロータ２４の独特な構造は、出力効率を改善してロスを減らすことができる。図２及び図３に示すように、出力部材２３は、ハウジング２０の後端に形成された少なくとも１つの出力孔２０１に対応するように位置決めされ、ギア状（ハブその他の部材でもよい）を呈する。このように、伝動部材（例えば、チェーン、ベルトその他の部材）が出力孔２０１に挿通され、出力部材２３と接続され、直流モータ２が駆動する際に、直流モータ２が発生させる運動エネルギが順次、出力部材２３及び伝動部材を介して負荷（例えば、変速機ケース）へ出力され、負荷が運動エネルギにより駆動される。

図２を参照する。図２に示すように、中空型ロータ２４は特殊な構造であるため、出力部材２３は、中空型ロータ２４の管状周縁（例えば、複数本の固定棒２４６を介して行うが、その構造については後で詳述する）に接続されており、図１Ａに示す従来の直流モータのように出力軸１１１により負荷を駆動する方式とは異なる。そのため、従来の直流モータのように軸線がずれてしまうという問題は発生しない。このように直流モータ２が低速で回転するとき、大きめの回転トルクが発生するため、各部材の摩耗量を減らし、直流モータ２の使用寿命を大幅に延ばすことができる。

以下、本発明の技術原理が理解しやすいように、「直流モータ２」の構造について詳細に説明する。まず、ハウジング２０についてであるが、前蓋２０Ａには、複数の前接続部２０２Ａ（例えば、螺着孔）が設けられ、複数のカーボンブラシ２０４（ｃａｒｂｏｎ ｂｒｕｓｈ）が内部に取り付けられ、カーボンブラシ２０４は、外部の電流を受けることができる。後蓋２０Ｂは、３つの出力孔２０１を有し、複数の後接続部２０２Ｂ（例えば螺着孔）が周縁に設けられる。外カバー２０Ｃは、中空管体状を呈し、前蓋２０Ａと後蓋２０Ｂとの間に嵌合される。

前接続部２０２Ａ及び後接続部２０２Ｂには、接続杆２０３の両端がそれぞれ固定され、前蓋２０Ａ、後蓋２０Ｂ及び外カバー２０Ｃが一体成形されてハウジング２０が形成される。また、外カバー２０Ｃが回転することを防ぐために、前蓋２０Ａ及び後蓋２０Ｂには複数の嵌合部２０５（例えば、突片）がそれぞれ設けられ、外カバー２０Ｃの両端にそれぞれ嵌合される。

以下、整流子２２の詳細な構造、及び整流子２２とカーボンブラシ２０４との間の組立て関係について概略説明する。整流子２２は、前蓋２０Ａ中に位置し、前蓋２０Ａ内のカーボンブラシ２０４と電気的に接続され、カーボンブラシ２０４から送られてくる外部電流を受ける。整流子２２は、皿体２２０と、複数の整流片２２１とを含む。複数の整流片２２１は、互いに間隔をおいて皿体２２０の前面に設置される。互いに隣り合う２つの整流片２２１は、設定周波数に基づき、対応したコイル２７へ送られる電流方向を反転し、これに伴ってコイル２７に発生する電磁場も反転し、この方向転換過程を設定周波数に基づいて繰り返して行う。

図２、図３及び図５に示すように、本実施形態の中空型ロータ２４は、外電機子コア２４１及び内電機子コア２４２を含む。外電機子コア２４１及び内電機子コア２４２は、複数枚の珪素鋼板の組み合わせにより構成され、その周縁には軸方向に沿って複数の外コード溝２４３及び内コード溝２４５が形成され、複数の固定孔２４４が形成される。外コード溝２４３及び内コード溝２４５には、コイル２７が巻き付けられる。各固定孔２４４には、複数本の固定棒２４６がそれぞれ挿入され、各固定棒２４６の前端は、整流子２２の皿体２２０の後面に固定される。各固定棒２４６の後端は、出力部材２３に固定される。このように、中空型ロータ２４、整流子２２及び出力部材２３は、組み合わされて一体化されているため同期で回転することができる。また、整流子２２の中心には軸受２６Ａが設けられ、出力部材２３の中心には軸受２６Ｂが設けられ、内固定子２５の位置決め棒２５２が各軸受２６Ａ，２６Ｂに挿通されてハウジング２０に固設されているため、整流子２２又は出力部材２３に伴って回転することを防ぐ。

続いて、整流子２２及び出力部材２３が中空型ロータ２４上に設けられたコイル２７に接触されることを防ぐために、各固定棒２４６の前端及び後端には、位置決め管２４７がそれぞれ嵌合されてもよい。位置決め管２４７は、固定孔２４４の孔径より大きい外径を有するため、固定孔２４４中には挿入されず、整流子２２と中空型ロータ２４との間に位置するか、出力部材２３と中空型ロータ２４との間に位置し、整流子２２及び出力部材２３が中空型ロータ２４上のコイル２７に接触されることを防ぐ。

本発明者は、実験を多数回行った結果、各内磁石２５１及び外磁石２１１の極性配置方式も中空型ロータ２４の回転速度に影響を与えることが分かった。図２、図４及び図６を参照する。図４のＮ及びＳは、磁石の極性を表し、図６は、本発明のコイル２７を巻き付ける方式の一つを示している。図６の巻き付け方式において、コイル２７は、外コード溝２４３に位置のコイルセクション２７１が、対応する内コード溝２４５内のコイルセクション２７２との電流方向は反対である。

上述したように、この巻き付け方式において外磁石２１１と、外磁石２１１に対応した内磁石２５１との極性は同じであり（例えば、ともにＮ極である）、フレミングの左手の法則（即ち、親指は導体にかかる力の方向を示し、人差し指は磁界の方向を示し、中指は電流の方向を示す）により、コイルセクション２７１は外磁石２１１が形成した磁界の影響を受け（もしＮ極である場合、磁界の方向は下向きである）、導体にかかる力の方向は図６の右下方向であり、中空型ロータ２４を時計回りで回転させる。同じ道理により、コイルセクション２７２は、内磁石２５１が形成した磁界の影響を受け（もしＮ極である場合、磁界方向は上向きである）、導体にかかる力の方向は図６の右下方向である。このように、導体にかかる力の方向を同じにして安定させることができる。しかし、実際の方式では、メーカは巻付け方式を自ら変更し、コイル２７上の異なるセクションの電流方向に基づき、互いに対応した内磁石２５１と外磁石２１１との極性が反転するようにしてもよい。当該分野の技術を熟知するものが理解できるように、本発明の好適な実施例を前述の通り開示したが、これらは決して本発明を限定するものではない。本発明の主旨と領域を逸脱しない範囲で各種の変更や修正を加えることができる。従って、本発明の特許請求の範囲は、このような変更や修正を含めて広く解釈されるべきである。

１ 直流モータ
２ 直流モータ
１０ ハウジング
１１ 枢軸
１２ ロータ
１３ 固定子
１４ 整流子
２０ ハウジング
２０Ａ 前蓋
２０Ｂ 後蓋
２０Ｃ 外カバー
２１ 外固定子
２２ 整流子
２３ 出力部材
２４ 中空型ロータ
２４Ａ 第１の間隙
２４Ｂ 第２の間隙
２５ 内固定子
２６Ａ 軸受
２６Ｂ 軸受
２７ コイル
１０１ 収容空間
１１１ 出力軸
２００ 収容空間
２０１ 出力孔
２０２Ａ 前接続部
２０２Ｂ 後接続部
２０３ 接続杆
２０４ カーボンブラシ
２０５ 嵌合部
２１１ 外磁石
２２０ 皿体
２２１ 整流片
２４０ 軸孔
２４１ 外電機子コア
２４２ 内電機子コア
２４３ 外コード溝
２４４ 固定孔
２４５ 内コード溝
２４６ 固定棒
２４７ 位置決め管
２５０ 内固定子本体
２５１ 内磁石
２５２ 位置決め棒
２７１ コイルセクション
２７２ コイルセクション
Ｄ１ 内側間隔距離
Ｄ２ 外側間隔距離
Ｄ３ 内側間隔距離
Ｄ４ 外側間隔距離

Claims (4)

1. 直流モータに応用する直流モータの内外輪固定子構造であって、
   前記直流モータは、収容空間を内部に有するハウジングを含み、
   前記内外輪固定子構造は、外固定子及び内固定子を含み、
   前記外固定子は、前記収容空間内に取付けられるとともに、複数の外磁石を含み、各前記外磁石は、前記ハウジングの円周に沿って前記ハウジングの内壁に固定されて互いに間隔をおいて設置され、互いに隣接した２つの前記外磁石の極性は反転し、
   前記内固定子は、前記外固定子内に取付けられ、前後端が前記ハウジングの前後端にそれぞれ固定され、前記内固定子と前記外固定子との間には回転空間が形成され、前記回転空間は中空型ロータを収容するのに十分な大きさを有し、前記中空型ロータは、前記外固定子との間に第１の間隙が保持され、前記内固定子との間に第２の間隙が保持され、前記外固定子と前記内固定子との間で回転可能であり、前記内固定子は、複数の内磁石を含み、各前記内磁石は、前記ハウジングの円周に沿って前記内固定子の外縁に固定されて互いに間隔をおいて設置され、互いに隣り合う２つの前記内磁石の極性は反転し、各前記内磁石は各前記外磁石にそれぞれ対応し、
   前記内磁石の極性は、対応する前記外磁石の極性と同じであることを特徴とする、直流モータの内外輪固定子構造。
2. 互いに隣り合う２つの前記外磁石間には、前記ハウジングの内壁に隣接した一側の間に内側間隔距離が保持され、他側の間に外側間隔距離が保持され、
   前記外側間隔距離は、前記内側間隔距離より大きいことを特徴とする、請求項１に記載の直流モータの内外輪固定子構造。
3. 互いに隣り合う２つの前記内磁石間には、前記中空型ロータから離れた一側の間に内側間隔距離が保持され、他側の間に外側間隔距離が保持され、
   前記外側間隔距離は、前記内側間隔距離より大きいことを特徴とする、請求項２に記載の直流モータの内外輪固定子構造。
4. 前記内固定子は、
   前記内磁石が外縁に固定された内固定子本体と、
   前記内固定子本体の前後両端に突設され、前記ハウジングの前端及び後端にそれぞれ接続された２つの位置決め棒と、を有することを特徴とする、請求項３に記載の直流モータの内外輪固定子構造。