JP6311010B2 - 直流電動機 - Google Patents

Description

本発明は、直流電動機に関する。

固定子磁極（以下、磁極）に永久磁石を用いた直流電動機において、磁極を継鉄に固定するための構造として特許文献１に示される直流電動機がある。この直流電動機では、保持部材を用いて磁極を固定している。具体的には、保持部材の弾性反力によって、磁極の径方向への移動を規制している。また、保持部材の両端に設けられたコの字形状に折り開いた構造の縁部によって、磁極の軸方向の移動を規制している。

磁極に用いられる永久磁石は、寸法ばらつきが比較的大きい。よって、特許文献１に記載の発明では、組立て時の保持部材と磁極の干渉を防止するために、保持部材の軸方向両端に設けられたコの字形状の縁部同士の距離を、磁極の軸方向寸法ばらつきを考慮したものにする必要がある。

特開２００２−３０５８４６号公報

そのため、多くの場合、組み立て後の固定子において、軸方向において、磁極と保持部材の間に隙間が生じる虞がある。そして、これは、電機子の回転による振動、電機子反作用、直流電動機が取り付けられている装置からの振動などによって磁極が軸方向に移動することにつながる可能性がある。さらには、磁極と電機子が磁気的に干渉したり、固定子と電機子の磁気中心がずれたりすることによる、電動機の出力低下や異音の発生の原因となる可能性がある。

本発明による直流電動機は、直流電動機用固定子と、エンジンに取付部を介してシャフトが取り付けられる回転子と、を備えるものであって、直流電動機用固定子は、筒状の継鉄と、継鉄の内周面に設けられた磁極と、磁極の軸方向一端に接し、磁極が軸方向一端側へ移動することを規制する第１保持部と、磁極の軸方向他端に接し、磁極が軸方向他端側へ移動することを自身の剛性で規制する第２保持部と、を備える。第１保持部は、磁極を軸方向他端側へ付勢する弾性力を有しており、シャフトは、取付部側と反対側の軸方向移動力を受け、磁極は、シャフトが受ける軸方向移動力に応じて、取付部側に向いた軸方向の力を受け、第２保持部は、第１保持部よりも取付部の近くに位置する。

本発明によれば、磁極の軸方向寸法ばらつきに適応して、保持部と磁極を軸方向に隙間無く組み立てることができる。その結果、電機子の回転による振動、電機子反作用、直流電動機が取り付けられている装置からの振動などによって磁極が軸方向に移動することを防止できる。さらには、磁極と電機子が干渉したり、固定子と電機子の磁気中心がずれたりすることによる、電動機の出力低下や異音の発生を防止することができる。

本発明の直流電動機を示す図。 本発明の固定子の斜視図。 本発明の保持部材の斜視図。 本発明の固定子を軸方向から見た図。 保持部材の固定構造の作製手順について示した図。 エンジンに設けられた直流電動機を上方から見た図。 エンジンに設けられた直流電動機を側方から見た概略図。 保持部材の固定構造の作製手順の変形例について示した図。 保持部の変形例について示した図。

―実施形態―
図１は、本発明の一の実施形態である直流電動機１００を一端から見た図である。図２は、固定子１を示す斜視図である。図１及び図２を用いて、直流電動機１００の構成について説明する。

図１に示すように、直流電動機１００は、固定子１と、回転子６０とから構成される。回転子６０は、中央部にシャフト６２が挿設されている。回転子６０は、シャフト６２によって、回転力を外部に伝達する。固定子１は、円筒状の継鉄２の内周に、磁極３が等間隔に複数配置されている。磁極３は、主磁極３ａと補磁極３ｂから構成される。主磁極３ａは永久磁石で、補磁極３ｂは永久磁石または強磁性体で作製されている。主磁極３ａ及び補磁極３ｂの間には保持部材５が挿入されている。

図２に示すように、固定子１の磁極３及び保持部材５は、固定子１の軸方向に延在している。継鉄２には、外周面から押し出されることで内周面側に押出部２１が設けられている。保持部材５には、貫通孔５１（図３参照）が設けられている。この貫通孔５１に押出部２１が嵌合することで保持部材５が継鉄２に固定されている。磁極３は、保持部材５によって固定されている。保持部材５による磁極３の固定については、後述する。

図３は、保持部材５を示す図である。保持部材５は、基部５０、周方向径方向保持部５２、軸方向保持部５３、および、軸方向保持部５４を有する。基部５０は、略長方形の形状を有しており、保持部材５の中央に位置している。基部５０の長手方向は、保持部材５が固定子１と固定される際、固定子１の軸方向と平行となる。軸方向保持部５３は、符号５３を付した破線領域に囲まれる部位であり、基部５０の長辺の長手方向一端から延設されている。軸方向保持部５３は、折れ線５３０、５３１によって、基部５０との角度を変化させることができる。また、軸方向保持部５３は、これらの折れ線５３０，５３１を境にして、主部５３ａと折り曲げ部５３ｂに分けられる。軸方向保持部５３の折り曲げ部５３ｂは、磁極３の軸方向の端部と接して保持する縁部５３ｃを有する。周方向径方向保持部５２は、符号５２を付した破線領域に囲まれる部位である。周方向径方向保持部５２は、略長方形の形状を有しており、基部５０の長辺の中央部に隣接して設けられている。周方向径方向保持部５２の長手方向は、基部５０の長手方向と平行となっている。周方向径方向保持部５２は、折れ線２３０、２３１によって、基部５０との角度を変化させることができる。軸方向保持部５４は、符号５４を付した破線領域に囲まれる部位である。軸方向保持部５４は、周方向径方向保持部５２の長手方向一端から延設されており、折れ線５４０に沿って折り曲げられることで設けられる。また、軸方向保持部５４は、折れ線５４０を境にして、主部５４ａと折り曲げ部５４ｂに分けられる。なお、図に示すように、上述の軸方向保持部５３と軸方向保持部５４は、保持部材５の長手方向における対向する端部に位置する。固定子１において、磁極３は、軸方向保持部５３と軸方向保持部５４の間に位置して、軸方向の移動を規制される。

図４（ａ）は、固定子１の軸方向において軸方向保持部５４が磁極３を保持している側から見た図である。図４（ｂ）は、固定子１の軸方向において軸方向保持部５３が磁極３を保持している側から見た図である。

図５（ａ）〜（ｃ）は、固定子１の内周面に設けられた磁極３を、保持部材５の周方向径方向保持部５２、軸方向保持部５３、５４が固定する手順を模式的に示したものである。図示上下方向が固定子１の軸方向に対応する。

以下に、図４（ａ）、（ｂ）、及び、図５（ａ）〜（ｃ）を用いて、本実施形態における周方向径方向保持部５２、軸方向保持部５３、５４によって磁極３を固定する固定構造の作製手順について説明する。

まず、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、固定子１の内周面に磁極３（主磁極３ａ、補磁極３ｂ）を周方向に複数（６組）配置する。そして、磁極３の間に保持部材５を挿入する。周方向径方向保持部５２は、磁極３の間に挿入されるまでは、端部５２ａ同士が開いた形状となっている（図３参照）。保持部材５は、磁極３の間に挿入されると、周方向径方向保持部５２を介して主磁極３ａの周方向側面３１または補磁極３ｂの周方向側面４１と当接し、内周側端部５２a同士が近づくような荷重を受ける。その結果、２つの端部５２ａで構成される開き角が小さくなる。すなわち、磁極３は、周方向及び径方向において、この荷重に対する周方向径方向保持部５２の弾性反力によって固定される。

上述のように磁極３が保持部材５の周方向径方向保持部５２によって固定される際、保持部材５の周方向径方向保持部５２は、図５（ａ）に示すように、磁極３の周方向側面３１，４１に当接している。その上で、図５（ｂ）に示すように、折れ線５３０，５３１（図４（ｂ）も参照）を用いて、保持部材５の基部５０に対する軸方向保持部５３の角度を変化させる。そして、磁極３の軸方向の一端に縁部５３ｃが接するようにする。このようにして、軸方向保持部５３の軸方向の縁部５３ｃで磁極３の軸方向の一端が保持される。これは、軸方向保持部５３の剛性によって磁極３が保持されることを意味する。さらに、図５（ｃ）に示すように、周方向径方向保持部５２を折れ線５４０（図４（ａ）参照）で折り曲げることで、軸方向保持部５４の折り曲げ部５４ｂで磁極３の軸方向のもう一端が保持される。軸方向保持部５４は、折り曲げられることによる軸方向保持部５４の弾性を利用して磁極３を保持する。軸方向保持部５４の弾性は、主部５４ａと折り曲げ部５４ｂが協働して生成するものであり、磁極３を軸方向保持部５３側に付勢するものである。
このようにして、磁極３は、軸方向において、軸方向保持部５３，５４で保持されることで固定される。その結果、磁極３の軸方向の移動が規制される。また、軸方向保持部５４の弾性により、軸方向保持部５３，５４は、隙間なく磁極３を保持することができる。

なお、折れ線５４０の軸方向位置（図３の両端矢印５４０Ａ参照）は磁極３の軸方向寸法に合わせて決定される。すなわち、軸方向保持部５４の折り曲げ部５４ｂの軸方向位置が、磁極３の軸方向寸法に合わせて変化する。よって、軸方向保持部５３から軸方向保持部５４の距離を磁極３の軸方向寸法と等しくすることができる。これは、すなわち、磁極３が、軸方向において、軸方向保持部５３，５４によって隙間なく固定されること意味する。
これによって、固定子１の内側に配置される電機子である回転子６０（図１）の回転による振動や振れ、電機子反作用、直流電動機１００が取り付けられている装置からの振動などによって磁極３が軸方向に移動することを防止できる。その結果、固定子１と回転子６０の磁気中心がずれることによる、直流電動機１００の出力低下や異音の発生を防止することができる。

軸方向保持部５３は、縁部５３ｃが磁極３に線状に接することで、磁極３を保持している。この保持機構は、軸方向保持部５３自身の剛性を利用している。一方、軸方向保持部５４は、磁極３を軸方向保持部５４の折り曲げ部５４ｂで保持している。この保持機構は、軸方向保持部５４が設けられるときの折り曲げによる軸方向保持部５４の弾性（弾性力）を利用している。軸方向保持部５４の弾性は、主部５４ａと折り曲げ部５４ｂが協働して生成するものであり、磁極３を軸方向保持部５３側に付勢するものである。同一材質の場合、一般的に、剛性による固定力（保持強度）は、弾性の固定力よりも大きい。よって、軸方向保持部５３の磁極３を固定する力は、軸方向保持部５４のそれよりも大きい。

そのため、磁極３が受ける軸方向の力に偏りがある場合、より大きい力を受ける磁極３の軸方向端部を軸方向保持部５３で保持することで、磁極３の位置ずれを防止して直流電動機１００の信頼性を向上させることができる。

図６は、磁極３が受ける軸方向の力に偏りがある一例を示している。図７は、図６のＡ−Ａ断面図であり、直流電動機１００の周辺を示した概略図である。エンジン２００は、エンジン始動用電動機である直流電動機１００を有している。直流電動機１００は、軸方向の一端のみがエンジン２００の取付部２１０に固定されており、片持ちとなっている。さらに、図６、７の矢印Ｆで示すように、直流電動機１００の回転子６０のシャフト６２は、取付部２１０側と反対側に向いた軸方向の力Ｆ（軸方向移動力Ｆ）を受け、取付部２１０側と反対側に押される。シャフト６２が取付部２１０側と反対側に押されることに起因して、磁極３は取付部２１０側に向いた軸方向の力を受ける。

このような場合において、取付部２１０に近い側の磁極３を保持する保持部は、図７に示したように、軸方向保持部５４よりも固定力（保持強度）が大きい軸方向保持部５３にすることが望ましい。取付部２１０に近い側の保持部を軸方向保持部５３にし、取付部２１０に遠い側の保持部を軸方向保持部５４にすることによって、磁極３が軸方向にずれることを防止でき、直流電動機１００の信頼性を向上できる。

上述した実施の形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）固定子１は、筒状の継鉄２と、継鉄２の内周面に設けられた磁極３（主磁極３ａ、補磁極３ｂ）と、磁極３の軸方向一端に接し、磁極３が軸方向一端側へ移動することを規制する軸方向保持部５４と、磁極３の軸方向他端に接し、磁極３が軸方向他端側へ移動することを自身の剛性で規制する軸方向保持部５３と、を備え、軸方向保持部５４は、磁極３を軸方向他端側へ付勢する弾性力を有している。
軸方向保持部５４は、軸方向に垂直な境界線である折れ線５４０で折り曲げられ、折れ線５４０で区切られる主部５４ａと折り曲げ部５４ｂとを有する。上述の弾性力は、主部５４ａと折り曲げ部５４ｂとが協働して生成する弾性力である。
これによって、磁極３の軸方向寸法のばらつきがあっても、軸方向において磁極３を隙間なく保持し、固定することができる。

特許文献１に記載の発明では、本発明の軸方向保持部５３に相当するものが、保持部材の軸方向の両端に設けられているため、軸方向の保持する位置の調節ができず、磁極と保持部材との間に隙間ができる可能性がある。
しかし、上述のように、本発明においては保持部材５の軸方向の一方が軸方向保持部５４となっているため、磁極３の軸方向寸法のばらつきがあっても、軸方向において磁極３を隙間なく保持し、固定することができる。

（２）軸方向保持部５３は、軸方向に平行な境界線である折れ線５３０、５３１で折り曲げられ、折れ線５３０、５３１で区切られる主部５３ａと折り曲げ部５３ｂとを有し、折り曲げ部５３ｂは、磁極３の軸方向他端に線状に接して自身の剛性で保持する縁部５３ｃを有する。一般的に、剛性は、弾性よりも保持強度が高い。
これによって、磁極３が受ける軸方向の力に偏りがある場合には、より大きな力を受ける磁極３の軸方向端部を、軸方向保持部５３にすることで、磁極３の軸方向の位置ずれを防止できる。

（３）軸方向保持部５４の折れ線５４０の軸方向位置は、磁極３の軸方向寸法に合わせて決定される。
これによって、磁極３の軸方向寸法に合わせて軸方向保持部５４を設けるための折れ線５４０の軸方向の位置を調節し決定することができる。その結果、軸方向において磁極３を隙間なく保持し、固定することができる。

（４）固定子１は、継鉄２の内周面に設けられる保持部材５をさらに備える。保持部材５は、軸方向保持部５３、５４と、周方向径方向保持部５２と、を有する。
軸方向保持部５３、５４によって、磁極３の軸方向の移動が規制される。周方向径方向保持部５２によって、磁極３の周方向及び径方向の移動が規制される。

（５）直流電動機１００は、固定子１と、エンジン２００に取付部２１０を介してシャフト６２が取り付けられる回転子６０と、を備える。シャフト６２は、取付部２１０側と反対側の軸方向移動力を受ける。軸方向保持部５４は、軸方向保持部５３よりも取付部２１０の近くに位置する。
これによって、取付部２１０に近い方の磁極３の軸方向端部を保持する保持部がより大きい力を受ける。その保持部を軸方向保持部５３にすることで、軸方向保持部５４で保持するよりも、固定力を上げることができる。その結果、磁極３の軸方向の位置ずれを防止でき、固定子と電機子の磁気中心がずれたりすることによる電動機の出力低下や異音の発生を防止することができる。それによって、直流電動機１００の信頼性を向上させることができる。

次のような変形も本発明の範囲内であり、以下の変形例を上述の実施形態と組み合わせることも可能である。
―保持部材５の固定構造の作製手順の変形例―
図８（ａ）〜（ｄ）は、保持部材５の固定構造の作製手順の変形例を示す図である。
以上の実施形態では、図５に示すような折り曲げ方によって、軸方向保持部５３、５４を設けた。図５に示す折り曲げ方でも、磁極３を固定することは可能であるが、軸方向保持部５４の先端側がスプリングバックによる隙間を生じる可能性があるため、その隙間を生じさせない折り曲げ方を本変形例で示す。なお、上述のスプリングバックが生じても、折れ線５４０に近い側の軸方向保持部５４の折り曲げ部５４ｂで磁極３を保持するので、問題はない。

図８（ａ）〜（ｄ）を用いて、本変形例での保持部材５の固定構造の作製手順について説明する。
まず、図８（ａ）に示すように、磁極３が配置される領域（破線で示した四角）に保持部材５の周方向径方向保持部５２が沿うように、保持部材５を配置し固定する。

次に、図８（ｂ）に示すように、保持部材５を折れ線に沿って、折り曲げ変位を大きめに取って折り曲げて、軸方向保持部５４を設ける。折り曲げ変位を大きめに取るのは、上述のスプリングバックを生じさせないためである。また、折れ線５４０の位置は、配置される予定の磁極３の軸寸法に従って決定される。

そして、図８（ｃ）に示すように、保持部材５の間に磁極３を軸方向保持部５３側から擦り込む。その際、１つの保持部材５が有する２つの周方向径方向保持部５２の端部５２ａ（図３参照）同士を近づけるように変形させて、磁極３が擦り込めるようにする。また、磁極３が軸方向保持部５４と接触した後は、磁極３が配置される領域（図８（ａ）、（ｂ）参照）に到達するまで、軸方向保持部５４を押し返すように磁極３を擦り込む。

最後に、図８（ｄ）に示すように、最後に、折れ線５３０，５３１を用いて、保持部材５の基部５０に対する軸方向保持部５３の角度を変化させて、軸方向保持部５３の縁部５３ｃを磁極３の軸方向の一端に接するようにする。その際、軸方向保持部５４によって、磁極３が上述の擦り込む向きと逆向きに押し返される可能性があるので、磁極３の配置されるべき位置を維持しつつ、軸方向保持部５３を設ける必要がある。

以上のように、保持部材５の固定構造を作製すると、軸方向保持部５３、５４と磁極３によってできる隙間を実施形態よりもなくすことができる。
なお、図８（ａ）、（ｂ）という手順を踏む代わりに、保持部材５を固定子１の内周面に配置する前に、予め、磁極３の軸寸法に合わせて折れ線５４０に沿ってスプリングバックを考慮した曲げ変位で折り曲げて軸方向保持部５４を設けるようにし、その後、固定子１の内周面に配置しても良い。

―軸方向保持部５３の変形例―
図９（ａ）は、軸方向保持部５３の変形例を示す図である。図９（ｂ）は、図９（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。
以上の実施形態では、磁極３の軸方向の一端は、保持部材５の軸方向保持部５３に保持されていたが、図９（ａ）に示すように、保持部材５の軸方向保持部５３の代わりに、継鉄２に一体的に設けられた軸方向保持部７０で磁極３の軸方向の一端を保持することもできる。軸方向保持部７０は、例えば、図９（ｂ）に示すように、継鉄２の外周側から内周側に向けて押し出して作製することができる。
このように作製された軸方向保持部７０であっても、軸方向保持部５３と同様に、自身の剛性によって磁極３の軸方向の一端を保持することができる。

―磁極３の構成の変形例―
以上の実施形態においては、磁極３は、主磁極３ａと補磁極３ｂから構成されるとしたが、主磁極３ａのみで磁極３を構成にすることも可能であり、その場合であっても以上の実施形態と同様の作用効果を奏する。

以上では、折れ線５４０は軸方向に対して垂直に折れ曲がるとした。また、折れ線５３０，５３１は、軸方向に対して平行に折れ曲がるとした。しかし、厳密に軸方向に平行や垂直でなくとも、軸方向保持部５３、５４は磁極３の軸方向の移動を規制することができる。

本発明は、以上に示した実施形態及び変形例に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。

１ ：固定子
２ ：継鉄
３ ：磁極
３ａ：主磁極
３ｂ：補磁極
５ ：保持部材
２１：押出部
３１、４１：周方向側面
５０：基部
５１：貫通孔
５２：周方向径方向保持部
５３：軸方向保持部
５３ａ：主部
５３ｂ：折り曲げ部
５３ｃ：縁部
５４：軸方向保持部
５４ａ：主部
５４ｂ：折り曲げ部
６０：回転子
６２：シャフト
７０：軸方向保持部
１００：直流電動機
２００：エンジン
２１０：取付部
Ｆ：軸方向移動力

Claims (5)

1. 直流電動機用固定子と、エンジンに取付部を介してシャフトが取り付けられる回転子と、を備える直流電動機であって、
   前記直流電動機用固定子は、
   筒状の継鉄と、
   前記継鉄の内周面に設けられた磁極と、
   前記磁極の軸方向の一端（以下、軸方向一端）に接し、前記磁極が軸方向一端側へ移動することを規制する第１保持部と、
   前記磁極の軸方向の他端（以下、軸方向他端）に接し、前記磁極が軸方向他端側へ移動することを自身の剛性で規制する第２保持部と、を備え、
   前記第１保持部は、前記磁極を前記軸方向他端側へ付勢する弾性力を有しており、
   前記シャフトは、前記取付部側と反対側の軸方向移動力を受け、
   前記磁極は、前記シャフトが受ける前記軸方向移動力に応じて、前記取付部側に向いた軸方向の力を受け、
   前記第２保持部は、前記第１保持部よりも前記取付部の近くに位置する直流電動機。
2. 請求項１に記載の直流電動機において、
   前記第１保持部は、前記軸方向に垂直な第１境界線で折り曲げられ、前記第１境界線で区切られる第１主部と第１折り曲げ部とを有し、
   前記第１主部および前記第１折り曲げ部は、協働して前記弾性力を生成する直流電動機。
3. 請求項２に記載の直流電動機において、
   前記第１境界線の軸方向位置は、前記磁極の軸方向寸法に合わせて決定される直流電動機。
4. 請求項１に記載の直流電動機において、
   前記第２保持部は、前記軸方向に平行な第２境界線で折り曲げられ、前記第２境界線で区切られる第２主部と第２折り曲げ部とを有し、
   前記第２折り曲げ部は、前記磁極の軸方向他端に線状に接して保持する縁部を有する直流電動機。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の直流電動機において、
   前記継鉄の内周面に設けられる保持部材をさらに備え、
   前記保持部材は、前記第１保持部と、前記第２保持部と、前記磁極が周方向及び径方向へ移動することを規制する第３保持部と、を有する直流電動機。

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