JP7327947B2

JP7327947B2 - モータ

Info

Publication number: JP7327947B2
Application number: JP2019031507A
Authority: JP
Inventors: 秀信伊藤
Original assignee: NIDEC PRECISION CORPORATION
Current assignee: NIDEC PRECISION CORPORATION
Priority date: 2019-02-25
Filing date: 2019-02-25
Publication date: 2023-08-16
Anticipated expiration: 2039-02-25
Also published as: CN111614175A; US11444500B2; JP2020137348A; US20200274407A1

Description

本発明は、モータに関する。

環状の永久磁石と、永久磁石の内側に配置された電機子とを備える電動機は特許文献１に記載されている。永久磁石は、回転子の回転半径方向に磁化された複数の磁極部を回転軸線の周りに有する。回転子の回転方向に隣り合う磁極部は、互いに異なる極である。永久磁石の着磁は、回転軸線に対して、回転方向に傾斜するスキュー着磁である。特許文献１では、永久磁石の着磁を傾斜させることにより、電動機のコギングトルクを減少させている。

特開２０００－３０８２９１号公報

モータを精度良く駆動するためにはコギングトルクを低減させることが必要である。しかし、スキュー着磁された永久磁石の製造は、着磁が回転軸に平行な永久磁石の製造と比較して、困難である。従って、コギングトルクを低減させるために永久磁石にスキュー着磁を施したモータは、量産化に適さないという問題がある。

以上の問題点に鑑みて、コギングトルクを低減させながら、永久磁石の製造が容易なモータを提供することにある。

本発明のモータは、ロータと、前記ロータを囲む環状の駆動マグネットと、を有し、前記駆動マグネットは、全周を等角度間隔で２の倍数に分割した複数の着磁領域を備えるとともに、前記全周を前記着磁領域の数と同数で等角度間隔に分割した複数の分割領域を備え、隣り合う２つの前記着磁領域は、互いに異なる極であり、各分割領域における前記駆動マグネットの内周面は、周方向の中央から両端の前記分割領域の境界に向かって前記ロータの回転中心線からの距離が長くなり、隣り合う２つの前記着磁領域の着磁分極線と、隣り合う２つの前記分割領域の境界とは、前記周方向でずれていることを特徴とする。

本発明によれば、環状の駆動マグネットにおける各分割領域の内周面が、周方向の中央から両端に向かってロータの回転中心線からの距離が長くなる面形状を備え、かつ、隣り合う２つの着磁領域の着磁分極線と隣り合う２つの分割領域の境界とが周方向でずれている。かかる構成によれば、各分割領域における周方向の磁束密度の変化と、各分割領域とロータとの間の周方向におけるギャップの変化とのずれに起因して、モータのコギングトルクを低減できる。また、かかる構成によれば、スキュー着磁を施す必要がないので、環状の駆動マグネットに対する着磁が容易である。

図１は、モータの外観斜視図である。図２は、モータを回転軸に沿って切断した断面図である。図３は、モータを回転軸と垂直に切断した断面図である。図４は、駆動マグネットの説明図である。図５は、駆動マグネットの着磁波形の説明図である。図６は、着磁領域の着磁分極線と分割領域の境界とのずれ角とモータのコギングトルクとの関係の説明図である。図７は、本発明のモータのコギングトルクを、通常のモータのコギングトルクを比較した試験結果の説明図である。

以下に、図面を参照して、本発明を適用したモータの実施の形態を説明する。

図１は、モータの外観斜視図である。図１では、モータを回転軸が突出する出力側から見た場合である。図２は、モータを回転軸に沿って切断した断面図である。図３は、モータを回転軸と垂直に切断した断面図である。図３は、モータの切断面を反出力側から見た場合である。図４は、駆動マグネットの説明図である。

本発明のモータ１は、ブラシ付きモータである。図１に示すように、モータ１は、円柱形状のモータハウジング３と、モータハウジング３から一方側に突出する回転軸４と、モータハウジング３から他方側に突出する２本の端子ピン５と、を備える。２本の端子ピン５には、それぞれリード線６が接続されている。以下の説明では、回転軸４の軸線Ｌに沿った方向を軸線方向Ｘとする。また、モータハウジング３から回転軸４が突出する方向を軸線方向Ｘの第１方向Ｘ１、２本の端子ピン５が突出する方向を軸線方向Ｘの第２方向Ｘ２とする。第１方向Ｘ１は、モータ１の出力側であり、第２方向Ｘ２は、モータ１の反出力側である。また、以下の説明において、周方向は軸線Ｌ回りの方向であり、径方向は軸線Ｌを中心とする方向である。

図２に示すように、モータハウジング３は、軸線Ｌと同軸に延びる筒部７と、筒部７の第１方向Ｘ１の端から内周側に延びる環状の板部８とを有するハウジング部材９を備える。板部８の中心穴には、出力側軸受１０が取り付けられている。出力側軸受１０は回転軸４の軸線方向Ｘの中央部分を回転可能に支持する。

また、モータハウジング３は、筒部７の第２方向Ｘ２の開口を封鎖する封鎖部材１１を備える。封鎖部材１１は、筒部７の内側に挿入された円盤部１２と、円盤部１２の第２方向Ｘ２の端部分から外周側に突出する環状フランジ部１３と、を備える。円盤部１２は、第１方向Ｘ１の中央に円形の凹部１４を備える。凹部１４は、第１方向Ｘ１の側から第２方向Ｘ２の側に向かって、大径凹部１５と大径凹部１５よりも内径寸法が小さい中径凹部１６と、中径凹部１６よりも内径寸法が小さい小径凹部１７とを備える。

小径凹部１７の内側には、反出力側軸受１８が配置されている。反出力側軸受１８は、出力側軸受１０と同軸に位置する。反出力側軸受１８は、回転軸４の第２方向Ｘ２の端部分を回転可能に支持する。円盤部１２において凹部１４の外周側に位置する外周側部分１２ａには、２本の端子ピン５が固定されている。２本の端子ピン５は凹部１４を挟んだ両側に位置する。環状フランジ部１３は、筒部７の第２方向Ｘ２の環状端面に当接する。

モータハウジング３の内側には、ロータ本体２１、整流子ユニット２２、一対のブラシ２３、および駆動マグネット２４が収容されている。ロータ本体２１および整流子ユニット２２は回転軸４に固定されている。従って、ロータ本体２１および整流子ユニット２２は、回転軸４と一体に回転する。回転軸４、ロータ本体２１、および整流子ユニット２２は、モータ１のロータ２５である。

ロータ本体２１は、ロータコア２７と、ロータコア２７に巻き回された駆動コイル２８
と、を備える。ロータコア２７は、磁性材料からなる複数枚の板部材を軸線方向Ｘに積み重ねた積層コアである。図３に示すように、ロータコア２７は、回転軸４が貫通する中心穴を備える環状部２９と、環状部２９から径方向の外側に突出する６本の突極部３０と、を備える。ロータコア２７は、環状部２９の中心穴に回転軸４を貫通させて、回転軸４に固定されている。

各突極部３０は、外周側の端に周方向の一方側および他方側に延びる一対の張出部３１を備える。突極部３０の外周面および一対の張出部３１において径方向外側を向く外周面は、周方向に段差なく連続する円弧面である。突極部３０および一対の張出部３１の外周面を軸線方向Ｘから見た場合の形状は、軸線Ｌを中心とする円弧形状である。駆動コイル２８は、各突極部３０に巻回された６つのコイル３３を備える。各コイル３３は、環状部２９と一対の張出部３１との間に巻き回されている。

図２に示すように、整流子ユニット２２は、ロータ本体２１の第２方向Ｘ２に配置されて、回転軸４に固定されている。整流子ユニット２２は、回転軸４に固定される環状のホルダ３５と、ホルダ３５の外周面に固定された６つの整流子３６と、を備える。６つの整流子３６は、軸線Ｌ回りで等角度間隔に配置されている。より詳細には、各整流子３６は、隣り合う２つの突極部３０の周方向の中心が位置する角度位置に配置されている。各整流子３６を軸線方向Ｘから見た場合の形状は、軸線Ｌを中心とする円弧形状である。各整流子３６には、周方向で隣り合う２つのコイル３３が接続されている。すなわち、各整流子３６には、隣り合う２つのコイル３３のうちの一方のコイル３３のコイル線の端と、他方のコイル３３のコイル線の端とが接続されている。

一対のブラシ２３は、封鎖部材１１に支持されている。一対のブラシ２３は、凹部１４を挟んだ両側に位置する。各ブラシ２３は、円盤部１２における凹部１４の外周側部分１２ａに固定されて各端子ピン５に電気的に接続されている固定部４１と、外周側部分１２ａから大径凹部１５の内側に突出する突出部４２と、を備える。突出部４２は、大径凹部１５の内側を、内周側に向かって径方向と交差する方向に延びる。突出部４２は外周側に撓むことが可能な弾性を備える。一方のブラシ２３の突出部４２と、他方のブラシ２３の突出部４２とは、軸線方向Ｘから見た場合に、直交する方向に延びる。

ここで、ロータ本体２１および整流子ユニット２２が固定された回転軸４が出力側軸受１０および反出力側軸受１８に支持されたときに、整流子３６は、封鎖部材１１の大径凹部１５の内周側に位置する。また、各ブラシ２３の突出部４２の内周側の端部分は、弾性をもって、整流子３６に接触する。

駆動マグネット２４は、ハウジング部材９の筒部７の内周面に固定されている。駆動マグネット２４は、環状であり、ロータ本体２１を外周側から囲む。図３に示すように、駆動マグネット２４は周方向の一部分に、第２方向Ｘ２に突出する矩形の突起４４を備える。突起４４は、駆動マグネット２４を周方向で位置決めする際などに用いられる。図４に示すように、駆動マグネット２４は、全周を等角度間隔で２の倍数に分割した複数の着磁領域４５を備える。本例では、４つの着磁領域４５を備える。隣り合う２つの着磁領域４５は、互いに異なる極である。本例において、駆動マグネット２４の外周面２４ａは円形である。

モータ１には、２つの端子ピン５を介してして直流の電力が供給される。電力が供給されるとロータ２５は回転を開始する。また、モータ１は、回転する整流子３６とブラシ２３との接触により、回転位相に応じて駆動コイル２８に流れる電流の向きを変化させて、ロータ２５の回転を継続する。

（駆動マグネットの詳細）
次に、図４を参照して駆動マグネッットを詳細に説明する。図４では、駆動マグネット２４の形状を分かりやすくするために、形状の特徴を誇張して示す。図５は、駆動マグネット２４の着磁波形の説明図である。図６は、着磁領域４５の着磁分極線と分割領域の境界とのずれ角とモータ１のコギングトルクとの関係の説明図である。

駆動マグネット２４は、全周を等角度間隔で２の倍数に分割した複数の着磁領域４５を備えるとともに、全周を着磁領域４５の数と同数で等角度間隔に分割した複数の分割領域４７を備える。本例では、４つの着磁領域４５と４つの分割領域４７を備える。図４に示すように、分割領域４７における駆動マグネット２４の外周面４７ａは、軸線Ｌを中心とする円弧形状である。各分割領域４７における駆動マグネット２４の内周面４７ｂは、周方向の中央から両端に向かってロータ２５の軸線Ｌ（回転中心線）からの距離Ｄが長くなる。従って、各分割領域４７は、径方向の厚みＷが、周方向の中央部分から周方向の両端に向かって薄くなる。駆動マグネット２４の着磁波形は、図５に示すように、各着磁領域４５の周方向の中央で最も磁束密度が高く、両端に向かって磁束密度が低下する。

ここで、図４に示すように、隣り合う２つの着磁領域４５の着磁分極線４５ａと、隣り合う２つの分割領域４７の境界４７ｃとは、周方向でずれている。本例では、第２方向Ｘ２の側（反出力側）から見た場合に、分割領域４７の境界４７ｃに対して着磁分極線４５ａが時計回りＣＷに８５°ずれている。着磁領域４５の着磁分極線４５ａと分割領域４７の境界４７ｃとがずれるずれ角θは、実験に基づいて設定したものである。すなわち、ずれ角θの異なる駆動マグネット２４を備える複数のモータ１を製造して、各モータ１についてコギングトルクを測定する実験を行った。そして、測定されたコギングトルクに基づいて、ずれ角θを設定した。図６に示すように、モータ１では、ずれ角θが８５°の場合に、コギングトルクが最も低い。

図７は、本発明のモータ１のコギングトルクを、通常のモータのコギングトルクと比較した試験結果の説明図である。通常のモータとは、駆動マグネット２４に替えて、円環状で厚みが一定の駆動マグネットを備えるモータである。通常のモータの駆動マグネットは４つの着磁領域を備える。試験では、本発明のモータ１を２０台用意して、各モータ１のコギングトルクを測定した。また、通常のモータを２０台用意して、各モータのコギングトルクを測定した。図７に示すように、本発明のモータ１によれば、通常のモータと比較して、コギングトルクの低下が明らかである。

すなわち、本発明のモータ１では、環状の駆動マグネット２４における各分割領域４７の内周面４７ｂが、周方向の中央から両端に向かってロータ２５の回転中心線からの距離が長くなる面形状を備え、かつ、隣り合う２つの着磁領域４５の着磁分極線４５ａと隣り合う２つの分割領域４７の境界４７ｃとが周方向でずれている。かかる構成によれば、各分割領域４７における周方向の磁束密度の変化と、各分割領域４７とロータ２５との間の周方向におけるギャップの変化とのずれに起因して、コギングトルクが低減する。また、かかる構成によれば、スキュー着磁を施す必要がないので、環状の駆動マグネット２４に対する着磁が容易である。従って、モータ１は、量産化に適する。

（変形例）
上記の例では、モータ１は、ブラシ付きモータであるが、ブラシレスモータに本発明を適用できることは勿論である。

なお、駆動マグネット２４の着磁領域４５および分割領域４７の数は、４に限られるものではなく、２の倍数とすることができる。また、ロータ２５の突極部３０の数、すなわち、コイル３３の数は、３に限られるものではなく、３の倍数とすることができる。

１…モータ、３…モータハウジング、４…回転軸、５…端子ピン、６…リード線、７…筒部、８…板部、９…ハウジング部材、１０…出力側軸受、１１…封鎖部材、１２…円盤部、１２ａ…外周側部分、１３…環状フランジ部、１４…凹部、１５…大径凹部、１６…中径凹部、１７…小径凹部、１８…反出力側軸受、２１…ロータ本体、２２…整流子ユニット、２３…ブラシ、２４…駆動マグネット、２４ａ…駆動マグネットの外周面、２５…ロータ、２７…ロータコア、２８…駆動コイル、２９…環状部、３０…突極部、３１…張出部、３３…コイル、３５…ホルダ、３６…整流子、４１…固定部、４２…突出部、４４…突起、４５…着磁領域、４５ａ…着磁分極線、４７…分割領域、４７ａ…分割領域の外周面、４７ｂ…分割領域の内周面、４７ｃ…境界、Ｌ…軸線、Ｘ…軸線方向、Ｘ１…第１方向、Ｘ２…第２方向

Claims

ロータと、
前記ロータを囲む環状の駆動マグネットと、を有し、
前記駆動マグネットは、全周を等角度間隔で２の倍数に分割した複数の着磁領域を備えるとともに、前記全周を前記着磁領域の数と同数で等角度間隔に分割した複数の分割領域を備え、
隣り合う２つの前記着磁領域は、互いに異なる極であり、
各分割領域における前記駆動マグネットの内周面は、周方向の中央から両端の前記分割領域の境界に向かって前記ロータの回転中心線からの距離が長くなり、
隣り合う２つの前記着磁領域の着磁分極線と、隣り合う２つの前記分割領域の境界とは、前記周方向でずれていることを特徴とするモータ。
前記駆動マグネットの外周面は、円形であることを特徴とする請求項１に記載のモータ。
各分割領域は、径方向の厚みが、周方向の中央部分から周方向の両端に向かって薄く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。
前記ロータは、等角度間隔で径方向に延びる３の倍数の突極を備えるコアと、各突極に巻き回された駆動コイルと、を備えることを特徴とする請求項１から３のうちのいずれか一項に記載のモータ。
前記コアは、６つの突極を備え、
前記駆動マグネットは、４つの前記着磁領域を備えることを特徴とする請求項４に記載のモータ。