JP6140537B2

JP6140537B2 - モータ

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Publication number: JP6140537B2
Application number: JP2013123286A
Authority: JP
Inventors: 哲夫保科; 河西　繁; 河西　　繁
Original assignee: Nidec Sankyo Corp
Current assignee: Nidec Sankyo Corp
Priority date: 2013-06-12
Filing date: 2013-06-12
Publication date: 2017-05-31
Anticipated expiration: 2033-06-12
Also published as: CN104242582A; EP3010127B1; EP3010127A4; WO2014199946A1; CN203850995U; US20160134166A1; EP3010127A1; CN104242582B; US9847689B2; JP2014241683A

Description

本発明は、マグネットの周面に沿って設けられたステータコアの複数の突極のうち、２つの突極にコイルが巻回されたモータに関するものである。

自動車用メータ装置や時計等の表示装置においては、モータの出力軸に指針を取り付けた構造が採用されることがある（特許文献１参照）。かかる表示装置に用いられるモータとして、マグネットの周面に沿ってステータコアの複数の突極を配置し、複数の突極のうち、２つの突極にコイルを巻回した構成が提案されている（特許文献２参照）。特許文献２に記載のモータでは、マグネットの外周面にＳ極とＮ極とを３対または５対配置するとともに、突極の数を８個とし、角度位置が９０°ずれた２つの突極にコイルが巻回されている。

特開２０１３−５７５６７号公報特許第４１２５３７１号公報

特許文献１に記載の表示装置等で用いるモータに関しては、十分な励磁トルクが得られることに加えて、ロータの加速時や減速時に発生する音量を低減することが求められているが、かかる要求に対しては、特許文献２に記載のモータでは十分に対応することができない。

以上の問題点に鑑みて、本発明の課題は、ロータの加速時や減速時に発生する音量を低減することのできるモータを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係るモータは、周面にＳ極とＮ極とが周方向で交互に等角度間隔に設けられたマグネットを備えたロータと、前記周面に隙間を隔てて対向する複数の突極が周方向に配置されたステータコア、前記複数の突極のうち、第１突極に巻回された第１コイル、および前記複数の突極のうち、前記第１突極に周方向で離間する第２突極に巻回された第２コイルを備えたステータと、を有し、前記マグネットでは、前記Ｓ極と前記Ｎ極とが４対形成され、前記ステータコアでは、前記突極が６個形成され、前記第１突極および前記第２突極は、一方の突極が前記Ｓ極と前記Ｎ極との間に対向するとき、他方の突極が前記Ｓ極の中心または前記Ｎ極の中心と対向するように配置されていることを特徴とする。

本発明に係るモータにおいて、マグネットはＳ極とＮ極とが等角度間隔に４対形成され、ステータコアでは、突極が６個形成されている。かかる構成の場合、突極を等角度間隔に配置すると、ロータの回転に十分な励磁トルクを得ることができないが、本発明では、複数の突極のうち、第１コイルが巻回された第１突極、および第２コイルが巻回された第２突極は、一方の突極がＳ極とＮ極との間に対向するとき、他方の突極がＳ極の中心またはＮ極の中心と対向するように配置されている。このため、ロータの回転に十分な励磁トルクを得ることができる。また、かかる構成のモータについて、電気角に対するディテントトルクの変化を検証したところ、マグネットにおいてＳ極とＮ極とが３対あるいは５対形成され、ステータコアでは、突極が８個形成されているモータより、ディテントトルクの変化が小さい。このため、ロータの振動が少ないので、ロータの加速時や減速時に発生する音量を低減することができ、低騒音化を図ることができる。

本発明において、前記第１突極と前記第２突極とは、周方向で角度位置が１１２．５°ずれている構成を採用することができる。かかる構成によれば、６個の突極のうち、第１コイルが巻回された第１突極、および第２コイルが巻回された第２突極は、一方の突極がＳ極とＮ極との間に対向するとき、他方の突極がＳ極の中心またはＮ極の中心と対向する。

本発明において、前記ステータコアは、複数枚の磁性板を積層してなることが好ましい。かかる構成によれば、突極が多い場合でも、磁性板をステータコアの形状に打ち抜く際に磁性板が薄いので、磁性板を効率よく、かつ精度よく打ち抜くことができる。

本発明において、前記複数の突極のうち、前記第１突極および前記第２突極は、他の突極より径方向の寸法が長く、前記第１突極に対する前記第１コイルの巻回部分の径方向の寸法、および前記第２突極に対する前記第２コイルの巻回部分の径方向の寸法が、前記他の突極の径方向の寸法より長いことが好ましい。かかる構成によれば、コイルの巻回数を十分に確保することができる。

本発明においては、前記ロータの回転を減速して伝達する歯車減速機構が設けられていることが好ましい。かかる構成によれば、モータの外部に歯車減速機構を設ける必要がない。

本発明を適用したモータの説明図である。本発明を適用したモータの特性をシミュレーションにより求めた結果を示すグラフである。本発明に対する比較例に係るモータの説明図である。図３（ａ）に示す本発明の比較例１に係るモータの特性をシミュレーションにより求めた結果を示すグラフである。図３（ｂ）に示す本発明の比較例２に係るモータの特性をシミュレーションにより求めた結果を示すグラフである。

以下に、図面を参照して、本発明を適用したモータを説明する。

（モータの説明）
図１は、本発明を適用したモータの説明図であり、図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、モータの平面図、モータの側面図、およびステータ等の平面図である。

図１（ａ）、（ｂ）に示すように、本形態のモータ１は、ケース３と、ケース３に回転可能に支持されたロータ５と、ロータ５の周りに配置されたステータ７とを有している。本形態において、ケース３には支軸５１が固定されており、ロータ５は、支軸５１に回転可能に支持されている。従って、ロータ５は、支軸５１を介してケース３に回転可能に支持されている。また、モータ１は、ロータ５の回転を減速して出力軸９０に伝達する減速歯車機構９を有しており、かかる減速歯車機構９も、ロータ５およびステータ７と同様、ケース３に支持されている。

ロータ５は、支軸５１に回転可能に支持されたピニオン５３と、ピニオン５３と一体化された円筒状のマグネット６とを有している。本形態において、マグネット６とピニオン５３とはインサート成形により一体化されている。このため、マグネット６とピニオン５３とは、樹脂製の円板部５０によって結合されている。本形態において、マグネット６はフェライト系である。

ステータ７は、マグネット６の外周面６０（周面）に隙間を隔てて対向する複数の突極８０を備えたステータコア８と、複数の突極８０のうち、第１突極８１にインシュレータ７１を介して巻回された第１コイル７６と、複数の突極８０のうち、第２突極８２にインシュレータ７２を介して巻回された第２コイル７７とを有している。インシュレータ７１の端部には第１コイル７６に対する２本の給電用の端子７１０が保持され、インシュレータ７２の端部には第２コイル７７に対する２本の給電用の端子７２０が保持されている。端子７１０、７２０には、第１コイル７６の巻き始めと巻き終わりの端部、および第２コイル７７の巻き始めと巻き終わりの端部が絡げられている。

減速歯車機構９は、ピニオン５３に噛合する大径歯車９１ａを備えた第１歯車９１と、第１歯車９１の小径歯車９１ｂに噛合する大径の第２歯車９２とを有しており、第２歯車９２に出力軸９０が固定されている。

このように構成したモータ１では、端子７１０、７２０を介して第１コイル７６および第２コイル７７に各相の駆動パルスを供給することにより、ロータ５を回転させ、ロータ５の回転を、減速歯車機構９を介して出力軸９０に伝達する。また、モータ１を用いて指針式の表示装置を構成する場合、出力軸９０に指針（図示せず）が固定される。かかる表示装置では、端子７１０、７２０を介して第１コイル７６および第２コイル７７に供給された駆動パルスにより、指針の角度位置が切り換わる。その際、端子７１０、７２０に正回転用の駆動パルスを供給して指針を時計周りに目標位置まで回転させた後、端子７１０、７２０に停止用の駆動パルスを供給すれば、指針を目標位置で停止させることができる。また、この状態で、端子７１０、７２０に逆回転用の駆動パルスを供給すれば、指針を反時計周りに別の目標位置まで回転させることができる。

（マグネット６およびステータコア８の構成）
図１（ｃ）に示すように、本形態のモータ１において、マグネット６は、外周面６０にＳ極とＮ極とが周方向で交互に等角度間隔に設けられている。本形態において、マグネット６では、Ｓ極とＮ極とが４対形成されている。このため、マグネット６では、Ｓ極とＮ極とが計８極、等角度間隔で形成されていることから、周方向で隣り合うＳ極とＮ極とは、角度位置が４５°ずれている。

ステータコア８は、マグネット６が配置される部分が開口部８４になっており、かかる開口部８４の内周縁には、マグネット６の外周面６０に向けて突出する複数の突極８０が周方向に配置されている。突極８０の径方向内側の端部は、マグネット６の外周面６０に隙間を介して対向しており、突極８０の径方向内側の端部とマグネット６の外周面６０との隙間寸法は、複数の突極８０のいずれにおいても等しい。本形態において、突極８０の数は６個である。

ここで、突極８０は、不等間隔に配置されているが、第１コイル７６が巻回された第１突極８１、および第２コイル７７が巻回された第２突極８２は、一方の突極の周方向の中心がＳ極とＮ極との間、すなわち、Ｓ極とＮ極との境界部分に対向するとき、他方の突極の周方向の中心がＳ極の周方向の中心またはＮ極の周方向の中心と対向するように配置されている。より具体的には、複数の突極８０のうち、周方向で角度位置が１１２．５°ずれた２つの突極８０が第１突極８１および第２突極８２として利用される。すなわち、複数の突極８０のうち、角度位置が１１２．５°ずれた２つの突極８０のうちの一方は、第１コイル７６が巻回された筒状のインシュレータ７１が外側に嵌められた第１突極８１とされ、他方は、第２コイル７７が巻回された筒状のインシュレータ７２が外側に嵌められた第２突極８２とされる。ここで、第１突極８１と第２突極８２とは、角度位置が１１２．５°ずれているとは、第１突極８１の周方向の中心と第２突極８２の周方向の中心とが、角度位置で１１２．５°ずれていることを意味する。なお、第１突極８１と第２突極８２との間には、コイルが巻回されていない突極８０が１つ存在する。従って、周方向で隣り合う突極８０の各間隔は、第１突極８１を起点にすると、図１（ｃ）に向かって時計周りに、５６．２５°、５６．２５°、５６．２５°、６７．５°、６７．５°、５６．２５°である。

本形態では、複数の突極８０のうち、第１突極８１および第２突極８２は、他の突極８０より径方向の寸法が長い。このため、第１突極８１に対する第１コイル７６の巻回部分の径方向の寸法、および第２突極８２に対する第２コイル７７の巻回部分の径方向の寸法が、他の突極８０の径方向の寸法より長い。なお、第１突極８１および第２突極８２は、径方向の寸法が等しく、第１突極８１に対する第１コイル７６の巻回部分の径方向の寸法と第２突極８２に対する第２コイル７７の巻回部分の径方向の寸法とは等しい。

複数の突極８０のうち、第１突極８１および第２突極８２以外の突極８０は、径方向の寸法、すなわち、後述する連結部８５からマグネット６の外周面６０に向けて突出する突極８０の長さ寸法が全て同一であるため、第１突極８１および第２突極８２以外の突極８０の径方向外側の端部は、マグネット６から同一の距離の位置にある。これに対して、第１突極８１および第２突極８２は、他の突極８０より径方向の寸法が長いので、第１突極８１の径方向外側の端部、および第２突極８２の径方向外側の端部は、他の突極８０の径方向外側の端部よりも、マグネット６から径方向外側に離間した位置にある。

ここで、ステータコア８は、第１突極８１および第２突極８２を含む全ての突極８０の径方向外側の端部を連結する枠状の連結部８５を有しており、かかる連結部８５の幅寸法は全周にわたって略同一である。このため、連結部８５は、第１突極８１および第２突極８２が形成されている角度範囲以外は、マグネット６と同心状の円弧部８６になっている。これに対して、連結部８５は、第１突極８１が形成されている角度範囲は、径方向外側に矩形枠状に突出した矩形部８７になっており、第２突極８２が形成されている角度範囲は、径方向外側に矩形枠状に突出した矩形部８８になっている。従って、矩形部８７、８８の間は、径方向内側に凹んだ形状になっているが、矩形部８７、８８の間の部分８９も円弧状に形成されている。なお、連結部８５では、円弧部８６の幅寸法と矩形部８７，８８の幅寸法は同一であるが、矩形部８７、８８の間の部分８９の幅寸法は、円弧部８６の幅寸法や矩形部８７，８８の幅寸法より広くなっている。

本形態において、ステータコア８は板状であり、上記の形状に打ち抜いた磁性板を複数枚、積層することにより、構成されている。

（モータ１の評価結果）
図２は、本発明を適用したモータ１の特性をシミュレーションにより求めた結果を示すグラフであり、図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、モータ１の電気角とディテントトルクとの関係を示すグラフ、モータ１の電気角と励磁トルクとの関係を示すグラフ、およびラジアル方向でロータ５に加わる電磁力を示すリサージュ図形を示すグラフである。なお、図２（ｃ）では、ロータ５の回転中心軸線に直交する一方方向をＸ軸方向とし、かかるＸ軸方向でロータ５に加わる力を横軸としてある。また、図２（ｃ）では、ロータ５の回転中心軸線およびＸ軸方向に直交する方向をＹ軸方向とし、かかるＹ軸方向でロータ５に加わる力を縦軸としてある。また、評価に用いたモータ１において、ステータコア８は、厚さが０．５ｍｍの無方向性電磁鋼板を上記の形状に打ち抜いて３枚、積層することにより、構成されている。マグネット６は、内径が６ｍｍ、外径が８ｍｍ、軸線方向の寸法が３ｍｍである。第１コイル７６および第２コイル７７は各々、径が０．０５５ｍｍのコイル線を２２００回、巻回してなり、その１相分の抵抗値は２２０Ωである。駆動電圧は５Ｖである。

図３は、本発明に対する比較例に係るモータ１の説明図であり、かかるモータ１についても、特性をシミュレーションにより求めた。図３（ａ）に示す第１比較例に係るモータでは、マグネット６にＳ極とＮ極とが３対形成され、ステータコア８では、突極８０が等角度間隔に８個形成されている。また、第１コイル７６が巻回された第１突極８１と、第２コイル７７が巻回された第２突極８２とは、角度位置が９０°ずれている。

図３（ｂ）に示す第２比較例に係るモータでは、マグネット６にＳ極とＮ極とが５対形成され、ステータコア８では、突極８０が８個形成されている。また、第１コイル７６が巻回された第１突極８１と、第２コイル７７が巻回された第２突極８２とは、角度位置が９０°ずれている。ここで、突極８０は不等間隔に形成されているが、第１突極８１および第２突極８２のうちの一方の突極の周方向の中心がＳ極とＮ極との境界部分に対向しているとき、他方の突極がＳ極の周方向の中心またはＮ極の周方向の中心と対向しているため、励磁トルクを発生させるのに支障がない。

図４は、図３（ａ）に示す本発明の第１比較例に係るモータの特性をシミュレーションにより求めた結果を示すグラフであり、図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、モータの電気角とディテントトルクとの関係を示すグラフ、モータの電気角と駆動トルクとの関係を示すグラフ、およびラジアル方向でロータ５に加わる電磁力を示すリサージュ図形を示すグラフである。図５は、図３（ｂ）に示す本発明の第２比較例に係るモータの特性をシミュレーションにより求めた結果を示すグラフであり、図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、モータの電気角とディテントトルクとの関係を示すグラフ、モータの電気角と駆動トルクとの関係を示すグラフ、およびラジアル方向でロータ５に加わる電磁力を示すリサージュ図形を示すグラフである。

なお、図４（ａ）および図５（ａ）は、図２（ａ）に対応するデータであり、図４（ｂ）および図５（ｂ）は、図２（ｂ）に対応するデータであり、図４（ｃ）および図５（ｃ）は、図２（ｃ）に対応するデータである。

ここで、図３（ａ）に示す第１比較例に係るモータ、および図３（ｂ）に示す第２比較例に係るモータは、本発明を適用したモータ１と、マグネット６のサイズやステータコア８のサイズ等の基本的な構成が同一であり、マグネット６の極数や突極８０の数のみが相違する。

図２（ａ）に示す結果と、図４（ａ）に示す結果および図５（ａ）に示す結果とを比較すればわかるように、本発明を適用したモータ１では、第１比較例に係るモータや第２比較例に係るモータに比して、ディテントトルクの変化量が小さい。それ故、ロータ５に加わる外力が小さいので、振動が少ないといえる。

次に、図２（ｂ）に示す結果と、図４（ｂ）に示す結果とを比較すればわかるように、本発明を適用したモータ１では、第１比較例に係るモータに比して、励磁トルクが小さいが、それでも、ロータ５の回転に必要な励磁トルクを十分に得ることができる。また、本発明を適用したモータ１では、第１比較例に係るモータより、励磁トルクの変化がわずかに小さい。

なお、図２（ｂ）に示す結果と、図５（ｂ）に示す結果とを比較すると、励磁トルクのレベルが同等である。また、本発明を適用したモータ１は、第１比較例に係るモータに比して、励磁トルクの変化がわずかに大きいが、かかる差は小さく、同等といえる。

図２（ｃ）に示す結果と、図４（ｃ）に示す結果とを比較すればわかるように、本発明を適用したモータ１では、第１比較例に係るモータに比して、ラジアル方向でロータ５に加わる力が小さい。このため、本発明を適用したモータ１では、第１比較例に係るモータに比して、ラジアル方向でロータ５に加わる外力が小さいので、振動が少ないといえる。

なお、図２（ｃ）に示す結果と、図５（ｃ）に示す結果とを比較すると、本発明を適用したモータ１では、第１比較例に係るモータに比して、ラジアル方向でロータ５に加わる力がわずかに大きい。

（本形態の主な効果）
以上説明したように、本形態のモータ１において、マグネット６はＳ極とＮ極とが等角度間隔に４対形成され、ステータコア８では、突極８０が６個形成されている。かかる構成の場合、突極８０を等角度間隔に配置すると、ロータ５の回転に十分な励磁トルクを得ることができないが、ステータコア８では、複数の突極８０のうち、第１コイル７６が巻回された第１突極８１、および第２コイル７７が巻回された第２突極８２は、一方の突極の周方向の中心がＳ極とＮ極との間に対向するとき、他方の突極の周方向の中心がＳ極の周方向の中心またはＮ極の周方向の中心と対向するように配置されている。このため、ロータ５の回転に十分な励磁トルクを得ることができる。また、かかる構成のモータ１について、電気角に対するディテントトルクの変化を検証したところ、図２（ａ）、図４（ａ）および図５（ａ）を参照して説明したように、マグネット６においてＳ極とＮ極とが３対あるいは５対形成され、ステータコア８では、突極８０が８個形成されている比較例１、２に係るモータより、ディテントトルクの変化が小さい。このため、本形態のモータ１では、ロータ５の振動が少ないので、ロータ５の加速時や減速時に発生する音量を低減することができ、低騒音化を図ることができる。

また、ステータコア８は、複数枚の磁性板を積層してなる。このため、本形態のように、突極８０が多い場合でも、磁性板をステータコア８の形状に打ち抜く際に磁性板が薄いので、磁性板を精度よく打ち抜くことができる。

また、複数の突極８０のうち、第１突極８１および第２突極８２は、他の突極８０より径方向の寸法が長く、第１突極８１に対する第１コイル７６の巻回部分の径方向の寸法、および第２突極８２に対する第２コイル７７の巻回部分の径方向の寸法が、他の突極８０の径方向の寸法より大である。それ故、モータ１の回転に必要な励磁トルクを確実に得ることができる。

また、モータ１には、ロータ５の回転を減速して伝達する歯車減速機構９が設けられているため、モータ１の外部に歯車減速機構９を設ける必要がない。それ故、本形態のモータ１において出力軸９０に指針を取り付けるだけで、表示装置の要部を構成することができ、表示装置の小型化を図ることができる。

（他の実施の形態）
上記実施の形態では、ロータ５がステータ７の内側に位置する構成であったが、ロータ５がステータ７の外側に位置するモータに本発明を適用してもよい。この場合、突極８０は、ステータコア８から径方向外側に突出してマグネット６の内周面（周面）に対向した構成となる。

１モータ
５ロータ
６マグネット
７ステータ
８ステータコア
９減速歯車機構
６０マグネットの外周面（周面）
７１、７２インシュレータ
７６第１コイル
７７第２コイル
８０突極
８１第１突極
８２第２突極
９０出力軸

Claims

周面にＳ極とＮ極とが周方向で交互に等角度間隔に設けられたマグネットを備えたロータと、
前記周面に隙間を隔てて対向する複数の突極が周方向に配置されたステータコア、前記複数の突極のうち、第１突極に巻回された第１コイル、および前記複数の突極のうち、前記第１突極に周方向で離間する第２突極に巻回された第２コイルを備えたステータと、
を有し、
前記マグネットでは、前記Ｓ極と前記Ｎ極とが４対形成され、
前記ステータコアでは、前記突極が６個形成され、
前記第１突極および前記第２突極は、一方の突極が前記Ｓ極と前記Ｎ極との間に対向するとき、他方の突極が前記Ｓ極の中心または前記Ｎ極の中心と対向するように配置されていることを特徴とするモータ。
前記第１突極と前記第２突極とは、周方向で角度位置が１１２．５°ずれていることを特徴とする請求項１に記載のモータ。
前記ステータコアは、複数枚の磁性板を積層してなることを特徴とする請求項１または２に記載のモータ。
前記複数の突極のうち、前記第１突極および前記第２突極は、他の突極より径方向の寸法が長く、
前記第１突極に対する前記第１コイルの巻回部分の径方向の寸法、および前記第２突極に対する前記第２コイルの巻回部分の径方向の寸法が、前記他の突極の径方向の寸法より長いことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載のモータ。
前記ロータの回転を減速して伝達する歯車減速機構が設けられていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載のモータ。