JP6298133B2 - モータ - Google Patents

Description

本発明は、モータに係り、特に、性能を確保したまま小型化することが可能なステータを備えたモータに関するものである。

回転電機を機器等に搭載して使用する場合、例えば、自動車に備えられるパワーウインドウ装置やワイパ装置に搭載される場合には、搭載場所等の自由度を確保するために小型化することが求められる。
特に、近年においては、車両に備えられる機器に搭載する場合には、搭載上の理由から薄型化することが求められている。

このような状況に対処するために、ヨークハウジングを薄型化し、それに伴い、界磁磁石を２極とする技術が実用化されていた。
しかし、このように界磁磁石を２極とすると、当然磁界が弱くなり、トルクが低下してしまうという問題があった。
この問題を解消するために、界磁磁石を４極としてトルク低下を防止するととともに、薄型化したヨークハウジングに収まるよう小型化された回転電機が開発された（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１には、電動モータ（回転電機）の構造が開示されている。
特許文献１に係る電動モータ（回転電機）は、筒部を有するヨークと、筒部の内周面に対向配置された２対の永久磁石と、永久磁石よりも径方向内側に回転自在に支持されたアーマチュアと、を備えて構成される。
また、本技術に係るヨークの筒部には、径方向で対向する少なくとも１対の第１平坦部が形成されており、これにより、本電動モータ（回転電機）は、扁平形状の薄型として形成される。
そして、本技術の特徴は、ヨークのこれら第１平坦部を避けた位置に永久磁石が配置されていることである。
このように、ヨークの筒部に第１平坦部を形成することにより、筒部を円筒状に形成した場合よりも電動モータを小型化することができるとともに、第１平坦部を避けた位置に永久磁石を配置することで、界磁磁石を４極としても、永久磁石の厚さに依存することなく電動モータの小型化を図ることができる。

特開２０１２−１０５３６７号公報

このように、特許文献１に記載されたような技術によると、確かに、薄型化（小型化）を実現しつつ、界磁磁石を４極配置することが可能となる。
しかしながら、特許文献１に係る技術によれば、マグネット（開）角度が小さくなるため、有効な磁束を確保することができないという問題点があった。
また、コギングトルクやトルクリップルを低減させるためには、適正なマグネット（開）角度が必要となるが、特許文献１に係る技術によれば、マグネット（開）角度が小さくなるため、コギングトルクやトルクリップルを抑えることができず、これが騒音の原因となるという問題が生じていた。

本発明の目的は、上記各問題点を解決することにあり、小型化（薄型化）を実現しながらも、磁束確保及び騒音低減が可能なステータを備えるモータを提供することにある。

上記課題は、互いに平行に対向する一対の平坦部と、該平坦部の対向端部間を連結するよう延びる一対の曲面部とを有する扁平円筒状のヨークと、該ヨークの内壁に各々配設された４個のマグネットと、を有して構成される薄型のステータと、前記ステータの内側に回転可能に支持されたロータと、前記ヨークの前記平坦部に対して４５度の角度を成して傾くと共に磁極中心線上に配置されたプラス側ブラシ装置及びマイナス側ブラシ装置と、を備えたモータであって、前記マグネットの一端部は、前記平坦部に沿うように延びており、前記マグネットの他端部は、前記曲面部側に配設されるとともに、前記曲面部と非当接であることにより解決される。
このとき、各々の前記マグネットは、前記曲面部に配設される肉厚部と、該肉厚部の周方向両端部から各々延出するとともに前記肉厚部よりも肉厚が薄い肉薄部と、を有して構成されていると好適である。

このように構成されていることにより、マグネット（具体的には、Ｎ極マグネット及びＳ極マグネット）は、平坦部と曲面部との境界部に形成される内隅に沿って、平坦部と曲面部との境界部を跨いで配設されることとなる。
よって、マグネット（Ｎ極マグネット及びＳ極マグネット）の、マグネット開角度（「軸方向との直交面での断面において、軸心点（中心軸がのる点：中心点）から、両端部の端部を各々結んでできる中心角」）を大きくとることができる。
つまり、従来のように、平坦部にマグネットが存在しない構成では、このマグネット開角度が小さくなってしまうが、本構成によれば、マグネットの一端側が平坦部に配設されるため、マグネット開角度を従来に比して大きくとることが可能となる。
このように、マグネット開角度を適正に確保することで、コギングトルク及びトルクリップルを低減させ、騒音を抑えることができる。
更に、マグネット開角度を大きくとることで、磁束分布を滑らかにすることができ、騒音の発生を有効に防止することができる。

また、このとき、各々の前記マグネットの一端部が前記平坦部と当接していると好適である。
このように構成されていることで、上記同様に、マグネット開角度を適正に確保することができるとともに、マグネットの他端側と曲面部の内壁との間に形成された空間（マグネットの他端側と曲面部とは非当接であるため、両者の間には空間が形成される）は、例えば、接着剤の充填のための空間として使用することができる。
また、マグネットの一端が平坦部と当接していることで、当接部分の割れや欠けを有効に防止することができる。
さらに、軸方向との直交面での断面において、軸心点から、前記マグネットの両端を各々結んでできる中心角は、７０度乃至８０度となるように構成されていると好適である。

本発明によると、小型化（薄型化）を実現しながらも、磁極数を減らすことなく界磁を確保できる。また、小型化（薄型化）を実現しながらも、適正なマグネット角度を確保し、有効な磁束を確保することができる。このように、適正なマグネット角度を確保することで、コギングトルク及びトルクリップルを低減させ、騒音を抑えることができる。

本発明の一実施形態に係るモータの概略構成を示す説明図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 本発明の一実施形態に係るマグネットを備えたステータを示す説明図である。 本発明の一実施形態に係るマグネットの説明図である。 マグネット開角度に対する有効磁束及びコギングトルクの大きさを示すグラフである。 回転角度に対する磁束を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
なお、以下に説明する構成は本発明を限定するものではなく、本発明の趣旨の範囲内で種々改変することができるものである。
なお、均等物を包含することはもちろんのことである。
本実施形態は、小型化（薄型化）を実現しながらも、磁束確保及び騒音低減が可能なステータ及びこれを備えたモータに関するものである。

図１乃至図６は、本発明の一実施形態を示すものであり、図１はモータの概略構成を示す説明図、図２は図１のＡ−Ａ線断面図、図３はマグネットを備えたステータを示す説明図、図４はマグネットの説明図、図５はマグネット開角度に対する有効磁束及びコギングトルクの大きさを示すグラフ、図６は回転角度に対する磁束を示すグラフである。
なお、図２等、説明のため、本発明に直接関係の無い若しくは関係の薄い構成等は省略して図示してある。

図１により、本実施形態に係るモータＭ（回転電機に相当）の構成の一例について簡単に説明する。
本実施形態に係るモータＭは、直流モータの構成を採用したものである。
本実施形態に係るモータＭは、図１に示すように、出力軸となる回転軸としてのシャフト１と、巻線２が巻回された電機子３と、整流子４と、界磁を発生させるマグネット５と、ブラシ装置８と、これらを内部に収納し、マグネット５が固定されたヨーク６とを主たる構成要素として構成されている。
なお、マグネット５と、このマグネット５が固定されたヨーク６とで、ステータＳを構成する。

シャフト１は、軸受７を介して回転自在にヨーク６に支持されている。
なお、本実施形態においてはモータＭとして一方向回転モータを例示しているため、シャフト１は一方向に回転する構成となる。
シャフト１には電機子３及び整流子４が固定されており、電機子３の周囲にはこの電機子３の外周を囲むようにマグネット５が配置されている。

本実施形態に係る電機子３は、電機子コア１３と、この電機子コア１３に巻回された巻線２と、を有して構成されている。
本実施形態に係る電機子コア１３は、複数のコアシート１１３が軸方向に積層されて形成された積層コアである。
これらのコアシート１１３は、例えば、ケイ素鋼板等の肉薄のシート状板素材から構成され、プレス打ち抜き処理を行うことにより所定形状に加工される。

例えば、本実施形態に係るコアシート１１３は、略円環状のインナー部から、放射状に突出した複数の放射状延出部が同中心角分離隔（例えば、約３０°ずつ離隔）して備えられており、この放射状延出部の径方向端部（インナー部と連結されている側と径方向反対側の先端部）には、周方向に沿って形成される放射状延出部バー部が備えられている。
つまり、放射状延出部と放射状延出部バー部とで、略Ｔ字形状の突出片が形成されており、この部分が積層されて、所謂「ティース部Ｔ」となり、隣接するティース部Ｔ，Ｔ間に電機子コア１３の巻線部（所謂「スロットＫ」）が溝として形成される。

なお、この巻線部（スロットＫ）及び電機子コア１３の両端面を絶縁被覆するインシュレータが配設され、巻線２はこのインシュレータを介して電機子コア１３に巻回されるよう構成されていてもよい。つまり、この場合、巻線２は、スロットＫ間を渡りながら、ティース部Ｔに巻回されるが、このとき、インシュレータの介在により電機子コア１３に対して絶縁されることとなる。

本実施形態に係る整流子４は、シャフト１と一体的に一方向に回転する円筒状の部材であり、その回転方向に沿って一定間隔毎に配置された複数の整流子片４ａを備える。
この整流子４は、回転に伴って、ブラシ装置８のブラシ本体と当接する整流子片４ａが切り替わることにより、巻線２を流れる電流の向きを切り替える。

また、本実施形態に係るブラシ装置８（図示せず）は、整流子４を通じて巻線２に電流を流すものであり、ブラシ本体を搭載するものである。
本実施形態においては、プラス側ブラシ装置とマイナス側ブラシ装置が備えられている。
ブラシ装置８は、例えば、収納ボックスと、スプリングと、給電用のリード線から給電されるピグテールとが更に備えられ、スプリングは、ブラシ本体を整流子４方向へと付勢する。
また、ピグテールは、ブラシ本体に接続されている。

なお、本実施形態においては、図２に示すように、マグネット５は、磁極中心線Ｌｎ，Ｌｓがヨーク６の平坦部６ａ，６ａに対して直交（若しくは、平行）するのではなく、４５°の角度を成して傾くよう配置されている。
このため、磁極中心線Ｌｎ，Ｌｓ上に配置されるプラス側ブラシ装置及びマイナス側ブラシ装置は、ヨーク６の平坦部６ａ，６ａに対して４５°の角度を成して傾くよう配置されるため、ブラシ本体の長さを大きくすることができる。

次いで、本実施形態に係るステータＳを説明する。
本実施形態においては、ステータＳは、マグネット５とヨーク６を主要構成とする。
ステータＳを構成するマグネット５は、永久磁石であり、ヨーク６の内壁面に固定される。
本実施形態では、図２に示すように、４極構造となっている。

図２に示すように、本実施形態に係るヨーク６は、有底扁平円筒状の部材であり、互いに平行な一対の平坦部６ａ，６ａと各平坦部６ａ，６ａの対向端部間を連結する一対の曲面部６ｂ，６ｂとを有して構成されている。
本実施形態においては、曲面部６ｂ，６ｂを円弧状に形成したが、これに限られることはなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、楕円弧形状等どのように形成されていてもよい。
また、本実施形態に係るヨーク６は、その平坦部６ａ，６ａ間が、その内部で電機子３が回転するために必要な最小限の間隙を有する程度に、極力小さくなるように（薄型となるように）構成されている。

ヨーク６の内側面に配設されたマグネット５は、電機子３と対向する面がＮ極となる一対のＮ極マグネット５Ａ，５Ａと、電機子３と対向する面がＳ極となる一対のＳ極マグネット５Ｂ，５Ｂと、で構成されており、界磁磁石として機能する。
本実施形態においては、Ｎ極マグネット５ＡとＳ極マグネット５Ｂとは、極性が異なるのみで、形状等他の構成は同様のものであり、隣接する極性が異なるように配置される。

また、本実施形態においては、前述の通り、図２に示すように、マグネット５は、磁極中心線Ｌｎ，Ｌｓがヨーク６の平坦部６ａ，６ａに対して直交（若しくは、平行）するのではなく、４５°の角度を成して傾くよう配置されている。
なお、中心点Ｏを通る平坦部６ａの平行線を平行線Ｌｐとした。
また、Ｎ極マグネット５Ａ（Ｓ極マグネット５Ｂ）は、その断面が、同心異半径の円弧で囲まれた略扇子形状の外側端部を切り欠いた形状をとる部材であるが、マグネット５の形状及び配設構成は、本実施形態の主要構成であるため後に詳述する。

以上のように構成された本実施形態に係るモータＭは、ブラシ装置８に通電されると、整流子４により電流の向きが切替る巻線２の電磁力と、マグネット５の反発力とによって、シャフト１を中心軸として電機子３が回転し、その回転力を出力するように構成されている。

次いで、図３乃至図６により、本実施形態に係るステータＳについて説明する。
上記の通り、Ｎ極マグネット５ＡとＳ極マグネット５Ｂとは、極性が異なるのみで、形状等他の構成は同様のものであるため、Ｎ極マグネット５Ａを例に取り説明する。
なお、図３は説明のために、電機子３の図示は省略している。

前述した通り、本実施形態に係るヨーク６は、有底扁平円筒状の部材であり、互いに平行な一対の平坦部６ａ，６ａと各平坦部６ａ，６ａの対向端部間を連結する一対の曲面部６ｂ，６ｂとを有して構成されている。
つまり、図３（ａ）に示すように幅Ｗ２の平坦部６ａ，６ａを形成することにより、Ｗ０−Ｗ１の分、断面円形のヨークに比してヨーク６の幅寸法が小さくなるように構成されており、これによりモータＭの小型化（薄型化）が実現されている。

そして、一対のＮ極マグネット５Ａ，５Ａ及びＳ極マグネット５Ｂ，５Ｂが、ヨーク６の内壁面に配設されている。
この配設は、どのような方法で行われていてもよいが、本実施形態においては、接着剤を用いて、マグネット５がヨーク６内壁面に貼付される構成をとる。
そして、本実施形態に係るステータＳの特徴の一つは、一個のＮ極マグネット５Ａが、平坦部６ａ及び曲面部６ｂに渡って配設されることである。
この構成と効果について説明する。

図３及び図４に示すように、本実施形態に係るＮ極マグネット５Ａは、肉厚部５ａと、その断面周方向両端部に形成される肉薄部５ｂ，５ｂと、を有して構成されている。
シャフト１の中心軸がのる点（以下、「中心点Ｏ」記す）を中心に、肉厚部５ａの内周面の曲率半径は、電機子３の曲率半径より若干大きくなるように構成されており、また、肉厚部５ａの外周面の曲率半径は、ヨーク６を構成する曲面部６ｂ内周面の曲率半径とほぼ同一となるように構成されている。

また、肉薄部５ｂは、その外周側（つまり、ヨーク６の内周壁側）が、断面形状で略三角形状に切り欠かれた形状をしている。
つまり、立体的には、その外周側（つまり、ヨーク６の内周壁側）が、略三角柱状に切りかかれた形状をしている。

換言すれば、肉薄部５ｂは、肉厚部５ａとの境界部（つまり、肉厚部５ａの肉厚と等しい）を最大肉厚ｔ１とし、円周方向端部が最小肉厚ｔ２となるように、徐々にその肉厚を減少させる略楔形形状の断面形状を有するよう構成されている（図４参照）。
この形状は、つまり、ヨーク６の幅寸法Ｗ１（モータＭを薄型化する寸法）に沿って薄肉化する形状である。
なお、最小肉厚ｔ２は最大肉厚ｔ１よりも小さくなるよう構成されていればよいが、最小肉厚ｔ２は、最大肉厚ｔ１に対して、約５０％から約８０％とすることが望ましい。

このように構成されたＮ極マグネット５Ａは、その肉厚部５ａの外周側を、ヨーク６を構成する曲面部６ｂ内壁に当接させた状態で固定されるとともに、一方の肉薄部５ｂの外周側を、ヨーク６を構成する平坦部６ａの内壁に当接させた状態で固定される。
なお、他方の肉薄部５ｂは、曲面部６ｂに対向して（外周は接していない）配設されることとなる。
このとき、他方の肉薄部５ｂの外周面と曲面部６ｂ内壁面との間に形成される空間Ｕ（図２参照）に接着剤を充填しておくと、Ｎ極マグネット５Ａ（及びＳ極マグネット５Ｂ）の固定がより強固となるため好適である。

つまり、本実施形態では、一方の肉薄部５ｂは平坦部６ａに固定されており、他方の肉薄部５ｂは、曲面部６ｂに固定されるわけではないが、肉薄部５ｂとして、肉厚部５ａよりも厚みが小さくなるように構成されている。

そして、このとき、中心点Ｏを中心として、中心点ＯからＮ極マグネット５Ａの両端部を各々結び、これらの線が中心点Ｏを中心として成す中心角を「マグネット開角度」とすると、図３（ａ）の本実施形態においてこの角度は、中心点Ｏと両肉薄部５ｂ，５ｂの端部を結ぶ線が成す角度となり、マグネット開角度はα１となる。

従来のように、肉薄部５ｂが存在しない構成のＮ極マグネット５Ａ´においては、図３（ｂ）に示すように、マグネット開角度はα２となり、これは、α１よりも小さい。
つまり、α１＞α２となり、本実施形態においては、マグネット開角度を大きくとることが可能となる。

このように、従来に比して、マグネット開角度を大きくとることにより、有効な磁束を確保することができる。
また、このように適正なマグネット開角度に設定することは、コギングトルクやトルクリップルを低減させるために好適であり、これにより、騒音を有効に抑制することが可能となる。
なお、上述の通り、他のマグネット５も同様に配置され、４極構造をとる。

また、このとき、平坦部６ａにおいては、隣接するＮ極マグネット５Ａの肉薄部５ｂ最端部とＳ極マグネット５Ｂの肉薄部５ｂ最端部とは一定の間隙をもって（つまり、接しないように）配設される。
換言すれば、平坦部６ａ内壁には、肉薄部５ｂが当節している部分とマグネット５が配設されない部分（間隙）が存在することとなる。
このように、肉薄部５ｂの一方は、平坦部６ａ内壁に固定されており、当該部分の割れや欠けを有効に防止できるよう構成されている。

マグネット開角度については、図５に示す。
図５には、マグネット開角度に対する有効磁束とコギングトルクとの関係を示した。
有効磁束を実線で示し、コギングトルクを点線で示した。
有効磁束は、大きい程好ましく、コギングトルクは小さい程好ましい。
このグラフより、マグネット開角度α１は、約７０°から約８０°であると、有効磁束は大きくなるとともに、コギングトルクは小さくなる。
よって、この範囲に設定されると好ましいと考えられる。

また、図６により、マグネット５の端部を肉薄としたことによる磁束分布の改善について説明する。
本実施形態のように、マグネット開角度を大きくとり（α１とし）、肉薄部５ｂを形成した状態の磁束分布を実践で示し、マグネット開角度が小さい（α１）従来例を点線にて示した。
図６に示すように、本実施形態のように、マグネット開角度を大きくとり（α１とし）、肉薄部５ｂを形成した場合には、磁束を示す曲線は綺麗な正弦曲線を示す（つまり、磁束分布が滑らかになる）が、マグネット開角度が小さい（α１）従来例では、磁束が正弦曲線からずれて乱れた状態となる。
特に、回転角度４５°及び１３５°における磁束最大値の絶対値が低下し、回転効率が落ちる。

このように、本実施形態においては、マグネット５の肉厚部５ａ両端部に肉薄部５ｂ，５ｂを設け、この肉薄部５ｂ，５ｂの外周側を、ヨーク６の平坦部６ａ内壁に固定することとした。
よって、電機子３を被覆するヨーク６を小型化（薄型化）しても、電機子３の回転を阻害することなく、マグネット開角度を大きくとることが可能となる。
これにより、有効な磁束を確保することができる。
また、このようにマグネット開角度を適切に設定することができるため、コギングトルクやトルクリップルを低減させることが可能となり、これにより、騒音を有効に抑制することができる。

１・・シャフト、
２・・巻線、
３・・電機子、
１３・・電機子コア、１１３・・コアシート、
Ｋ・・スロット、Ｔ・・ティース部、
４・・整流子、
４ａ・・整流子片、
５・・マグネット、５Ａ，５Ａ´・・Ｎ極マグネット、５Ｂ・・Ｓ極マグネット、
５ａ・・肉厚部、５ｂ・・肉薄部、
６・・ヨーク、６ａ・・平坦部、６ｂ・・曲面部、
７・・軸受、
８・・ブラシ装置、
Ｌｎ，Ｌｓ・・磁極中心線、
Ｌｐ・・平坦部の平行線、
Ｏ・・中心点、
Ｍ・・モータ、Ｓ・・ステータ、Ｕ・・空間

Claims (4)

1. 互いに平行に対向する一対の平坦部と、該平坦部の対向端部間を連結するよう延びる一対の曲面部とを有する扁平円筒状のヨークと、該ヨークの内壁に各々配設された４個のマグネットと、を有して構成される薄型のステータと、
   前記ステータの内側に回転可能に支持されたロータと、
   前記ヨークの前記平坦部に対して４５度の角度を成して傾くと共に磁極中心線上に配置されたプラス側ブラシ装置及びマイナス側ブラシ装置と、を備えたモータであって、
   前記マグネットの一端部は、前記平坦部に沿うように延びており、
   前記マグネットの他端部は、前記曲面部側に配設されるとともに、前記曲面部と非当接であることを特徴とするモータ。
2. 各々の前記マグネットは、前記曲面部に配設される肉厚部と、該肉厚部の周方向両端部から各々延出するとともに前記肉厚部よりも肉厚が薄い肉薄部と、を有して構成されていることを特徴とする請求項１に記載のモータ。
3. 各々の前記マグネットの一端部が前記平坦部と当接していることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のモータ。
4. 軸方向との直交面での断面において、軸心点から、前記マグネットの両端を各々結んでできる中心角は、７０度乃至８０度となるように構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のモータ。

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