WO2004102774A1

WO2004102774A1 - Ｄｃモータ

Info

Publication number: WO2004102774A1
Application number: PCT/JP2004/006630
Authority: WO
Inventors: Keisuke Asaba; Takehiro Sekine
Original assignee: Kabushiki Kaisha Asaba
Priority date: 2003-05-19
Filing date: 2004-05-17
Publication date: 2004-11-25
Also published as: EP1646131A1; US20070138897A1; CN100486083C; CN1792021A; JP2004343952A

Abstract

　本発明は、回転トルクを発生させるための電機子コイルを備えるＤＣモータに関し、小型、薄型化を図りつつモータ効率の向上、発生トルクの向上を図ることを目的として、マグネット２３Ａ～２３Ｄと電機子コイル３１Ａ～３１Ｃ，３２Ａ～３２Ｃとを備えて例えばマグネット部分をロータ１２とするＤＣモータ１１であり、電機子コイル部分のステータ１３が、仮想的な円盤としてのマグネットヨーク２２およびマグネット２３Ａ～２３Ｄの周側面に対して中空の内部コイル体３１Ａ～３１Ｃを所定数並列的に配置させた内部コイル群と、当該内部コイル群を覆って中空の外部コイル体３２Ａ～３２Ｃを所定数並列的に配置させた外部コイル群とし、内部コイル群の周側面と外部コイル群の周側面を同一外周とする構成とする。

Description

明細書

DCモータ

技術分野

[0001] 本発明は、回転トルクを発生させるための電機子コイルを備える DCモータに関する

背景技術

[0002] 近年、 DCモータは、時計等に使用される極めて小型のものから、電動自転車ゃ電気自動車等の動力系に使用される中型、大型のものまで、その用途に応じて種々のものが知られている。このような DCモータは、何れの用途にしても回転やトルク発生の効率向上が基本的な課題となっている。また、 DCモータを使用するにあたり、応答スピードの向上の要請もある。

[0003] DCモータは、ブラシ付きモータ、ブラシレスモータ、コア付きモータ、コアレスモータ等に分類でき、コア付きモータの中でスロット付きとスロットレスとに分類することができる。このような DCモータは、界磁構成体を構成するマグネットと、電機子構成体を構成する電機子コイルとを基本構成として備え、用途等に応じて一方をロータとし、他方をステータとして駆動している。この場合、電機子コイルの構成として、以下の特許文献が知られている。

[0004] 特許文献 1 :再表 00/062401号公報

特許文献 2 :特開昭 60 - 241761号公報

[0005] 上記特許文献 1は、リング状マグネットの外周に、電機子コイルの外周を合わせ、輪環面を当該リング状マグネットの直径方向と平行に並べて卷回した中空の当該電機子コイルを 3個配置したインナロータ形のブラシレスモータが開示されてレ、る。このブラシレスモータは、小型で薄型を実現し、トルク発生効率の向上、省エネルギ化を図るちのとして示されてレ、る。

[0006] また、上記特許文献 2は、リング状積層ヨークの外周に、電機子コイルの外周を合わせ、輪環面を 120度の「く」の字形に卷回したスロットレスモータが開示されている。このようなスロットレスモータは、コイル卷線の略全ての部分をトルク発生に寄与させるものとして示されている。

[0007] さらに、リング状マグネットの外周に、電機子コイルの外周を合わせ、輪環面を同心円上に卷回した中空コイルを使用したインナロータ形ブラシレスモータも知られている。

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0008] ところで、電機子コイルを中空コイルとした場合（コアレスモータ）であって、当該電機子コイルが回転する場合には、電機子コイル同士の接着部分が限られていることから、遠心力や衝撃等で脱落を生じる場合があり、マグネット（ロータ）が回転する場合には、中心部にシャフトを回転させるためのベアリングを設ける必要から電機子コィルの卷線数や大きさに限界があると共に、回転時の応答スピードの向上を図ることができないという問題がある。

[0009] また、コアレスモータにおいては、 2極のマグネットが使用されることが一般的であり、ハウジングの磁気回路で磁気力 Sリターンする経路が長ぐ飽和しやすいことから、磁性材の厚さを厚くしなければならず、その分小型化が阻害されるという問題がある。さらに、 2極のマグネットと 180度配置の 2本のブラシが使用されるのが殆どであり、 180 度毎のコイル制御しか行うことができず効率向上を図ることが困難であるという問題がめる。

[0010] 一方、発生トルクは、電機子コイルの太さや卷線数で向上させることができる力例えば電機子コイルの太さを 2倍とすると、マグネット、ヨーク間のギャップが 2倍となってトルク発生効率が低下するという問題があり、マグネット、ヨーク間のギャップを狭くしつつ、電機子コイルによるトルク発生効率を向上させることが命題となっている。

[0011] そこで、本発明は上記課題に鑑みなされたもので、小型、薄型化を図り、モータ効率の向上、発生トルクの向上、応答性の向上を図る DCモータを提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

[0012] 上記課題を解決するために、請求項 1の発明では、界磁束発生のために主となるマグネットと、トルク発生のために主となる電機子コイルとを備え、何れか一方をロータとする DCモータであって、前記電機子コイルは、仮想的な円盤または円盤状のコアの周側面に対して、導体を所定数卷回した所定形状の中空の内部コイル体が所定数並列的に配置される内部コイル群と、前記内部コイル群を仮想的な円盤とした場合の周側面に対して、導体を所定数卷回した所定形状の中空の外部コイル体が当該内部コイル群を覆って所定数並列的に配置される外部コイル群と、を有する構成とする。

[0013] 請求項 2— 6の発明では、「前記内部コイル群の周側面と前記外部コイル群の周側面を、同一外周とする」構成であり、

「前記各内部コイル体および各外部コイル体は、中空の略台形状または中空の弓形状とされ、それぞれの当該内部コイル体を 120度間隔で配置させ、それぞれの当該外部コイル体を当該各内部コイル体に対して 60度ずらせて 120度間隔で配置させる」構成であり、

「前記内部コイル体と前記外部コイル体との互いに対向する相同士で直列または並列に接続され、それぞれ力 Sスター結線される」構成であり、

「前記電機子コイル部分がロータとされる場合に、前記各内部コイル体および各外部コイル体に対応する整流子を備え、当該各整流子に対して 90度毎に配置される 4 個のブラシを備える」構成であり、

「前記電機子コイル部分がロータとされる場合に、前記各内部コイル体および各外部コイル体でスター結線された各コイル体に対応する整流子を備え、当該各整流子に対して 90度に配置される 2個のブラシを備える」構成である。

[0014] このように、マグネットと電機子コイルとを備えて何れか一方をロータとする DCモータであり、電機子コイルが、仮想的な円盤または円盤状のコアの周側面に対して中空の内部コイル体を所定数並列的に配置させた内部コイル群と、当該内部コイル群を覆って中空の外部コイル体を所定数並列的に配置させた外部コイル群とで形成される。すなわち、最小限のスペースで電機子コイルの卷線数を増加させることが可能となり、ひいては小型、薄型化を図り、モータ効率の向上、発生トルクの向上を図ることが可能となるものである。

[0015] また、内部コイル群および外部コイル群の中空部分にロータとしてマグネットを配置した場合には、当該内部コイル群および外部コイル群で当該マグネットを最大限に包む形状とさせることによってロータを慣性の小さい構造とすることが可能となり、応答スピードの向上を図ることができるものである。

発明の効果

[0016] 本発明によれば、マグネットと電機子コイルとを備えて何れか一方をロータとする D Cモータであり、電機子コイルが、仮想的な円盤または円盤状のコアの周側面に対して中空の内部コイル体を所定数並列的に配置させた内部コイル群と、当該内部コィル群を覆って中空の外部コイル体を所定数並列的に配置させた外部コイル群とで形成されることにより、小型、薄型化を図り、モータ効率を向上させることができると共に、発生トルクを向上させ、応答スピードを向上させることができるものである。

[0017] また、各内部コイル体および各外部コイル体のそれぞれ対向するコイル体を、並列接続するか、直列接続するかによって全体の電機子コイルの抵抗を選択することができることから、印加電圧の変動に対応させることができ、一方で印加電圧に応じたコイル体形成における線材太さ選択の自由度を向上させることができるものである。図面の簡単な説明

[0018] [図 1(A)]本発明の第 1実施形態に係る DCモータの構成図（1)である。

[図 1(B)]本発明の第 1実施形態に係る DCモータの構成図（2)である。

[図 1(C)]本発明の第 1実施形態に係る DCモータの構成図（3)である。

[図 2]図 1 (A)—図 1 (C)に示す DCモータの一部断面斜視図である。

[図 3(A)]図 1 (A)—図 1 (C)に示す DCモータの電機子コイルの説明図（1)である。

[図 3(B)]図 1 (A)—図 1 (C)に示す DCモータの電機子コイルの説明図（2)である。

[図 3(C)]図 1 (A)—図 1 (C)に示す DCモータの電機子コイルの説明図（3)である。

[図 4(A)]図 1 (A)—図 1 (C)に示す DCモータの駆動タイミングの説明図（1)である。

[図 4(B)]図 1 (A)—図 1 (C)に示す DCモータの駆動タイミングの説明図（2)である。

[図 4(C)]図 1 (A)—図 1 (C)に示す DCモータの駆動タイミングの説明図（3)である。

[図 5(A)]本発明の第 2実施形態に係る DCモータの構成図（1)である。

[図 5(B)]本発明の第 2実施形態に係る DCモータの構成図（2)である。

[図 5(C)]本発明の第 2実施形態に係る DCモータの構成図（3)である。園 6(A)]本発明の第 3実施形態に係る DCモータの構成図（1)である。園 6(B)]本発明の第 3実施形態に係る DCモータの構成図（2)である。

園 6(C)]本発明の第 3実施形態に係る DCモータの構成図（3)である。

[図 7(A)]図 6 (A)—図 6 (C)に示す DCモータの駆動タイミングの説明図（1)である

[図 7(B)]図 6 (A)一図 6 (C)に示す DCモータの駆動タイミングの説明図（2)である。園 8(A)]本発明の第 4実施形態に係る DCモータの構成図（1)である。

園 8(B)]本発明の第 4実施形態に係る DCモータの構成図（2)である。

園 8(C)]本発明の第 4実施形態に係る DCモータの構成図（3)である。

[図 9(A)]図 8 (A)一図 8 (C)に示す DCモータの駆動タイミングの説明図（1)である

[図 9(B)]図 8 (A)一図 8 (C)に示す DCモータの駆動タイミングの説明図（2)である。符号の説明

[0019] 1111 ,, 4411,, 7711 ,, 110011 DCモータ

12 ロータ

13 ステータ

16 コィノレヨーク

22 マグッ卜 3ーク

23A— 23D

31A 31C 内部コイル体

32A— 32C 外部コイル体

発明を実施するための最良の形態

[0020] 以下、本発明の好ましい実施形態を図により説明する。本発明の DCモータは、ブラシ付きモータ、ブラシレスモータ、コア付きモータ、コアレスモータ等の何れにも適用することができもので、本実施形態では、ブラシレスモータのインナロータ形およびァウタロータ形、ブラシ付きのコアレスモータを示して説明する。また、本発明に係る

DCモータは、上記モータに限らず、原理が同様であるロータリアクチユエ一タ等をも含む概念である。

[0021] 図 1 (A)—図 1 (C)に本発明の第 1実施形態に係る DCモータの構成図を示すと共に、図 2に図 1 (A) 図 1 (C)で示す DCモータの一部断面斜視図を示す。図 1 (A) 一 (C)および図 2はインナロータ形のブラシレスモータを示したもので、図 1 (A)はハウジング内部の平面構成図、図 1 (B)は図 1 (A)の A— A断面図、図 1 (C)は蓋部を除いた底面からの構成図である。図 1 (A)—（C)および図 2において、 DCモータ 11は、ロータ 12を包含するようにステータ 13が配置され、ハウジング 14に収められる。ハウジング 14は、円筒状で一方が開放され、他方の中央部分に円筒形状の軸支部が形成されたものである。

[0022] 上記ロータ 12は、シャフト 21が椀状のマグネットヨーク 22に固着され、当該マグネットヨーク 22の外周に界磁束発生の主となる例えば 4個（4極）のマグネット 23A 23D が非接触で固着されたものである。そして、シャフト 21が軸受（例えばボールべアリング） 15A， 15Bにより上記ハウジング 14の軸支部に回転自在に取り付けられる。上記マグネット 23A— 23Dは、例えばネオジゥム.鉄系のマグネット、サマリウム.コバルト系のマグネット等の異方性マグネットが使用され、 N極と S極とが交互に配置されて 4 極に着磁されている。

[0023] 上記ステータ 13は、トルク発生のために主となる籠形の電機子コイルで形成されたもので、仮想的な円盤となるロータ 12の周側面に対して、導体であるコイルを所定数卷回した略台形状（弓形状でもよい）の中空の内部コイル体 31A— 31Cが並列的に配置される内部コイル群と、当該内部コイル群を仮想的な円盤とした場合の周側面に対して、導体であるコイルを所定数卷回した略台形状（弓形状でもよい）の中空の外部コイル体 32A— 32Cが当該内部コイル群を覆って並列的に配置される外部コィル群とにより構成される（詳細は図 3で説明する）。

[0024] 上記ステータ 13は、ハウジング 14の側部内壁に設けられたコイルヨーク（積層ョーク） 16と微小間隙（当接でもよレ、）で配置され、当該ステータ 13の下方（ハウジング 14 の開口側）に配線基板 17が設けられる。この配線基板 17には少なくともホール素子 18A— 18Cが定められた位置（例えば 60度間隔）に搭載され、ハウジング 14の外部に対応数のリード線 19が延出される。すなわち、外部の制御回路より上記ホール素子 18A— 18Cの検出に応じて内部コイル群および外部コイル群に通電制御が行われる。そして、ハウジング 14の開放部分に蓋部 20が設けられて略密閉状態としたものである。なお、上記配線基板 17に上記ホール素子 18A 18Cと共に、上記制御回路を搭載してもよい。

[0025] ここで、図 3 (A)—図 3 (C)に、図 1 (A)—図 1 (C)に示す DCモータの電機子コイルの説明図を示す。図 3 (A)において、まず、内部コイル体 31A— 31Cのそれぞれはコイルを整列巻きで往復に卷回した多層構造のもので、中空の略台形状（弓形状でもよレ、）としたものである。形状を上記略台形や弓形とすることにより、ハウジング 14の軸支部や後述の整流子（ブラシ）の配置位置を確保することができるものである。なお、外部コイル体 32A— 32Cにおいても大きさを異ならせただけで形状は同様である。

[0026] そこで、図 3 (A)に示すように、ロータ 12を仮想的な円盤としての当該ロータ 12の周側面に対して上記 3つの内部コイル体 31A 31Cのそれぞれを 120度間隔で並列的に配置させて図 3 (B)に示すような内部コイル群としたものである。また、この内部コイル群を仮想的な円盤とした場合の周側面に対して、当該内部コイル群を覆つて 3の外部コイル体 32A— 32Cのそれぞれを上記内部コイル体 31A— 31Cより 60 度ずらせて 120度間隔で並列的に配置させて図 3 (C)に示すような外部コイル群としたものである。この場合、内部コイル群の周側面と前記外部コイル群の周側面を同一外周としている。なお、上記内部コイル体 31A— 31Cおよび外部コイル体 32A— 32 Cの結線は、図 4で説明する。

[0027] ここで、上記 DCモータ 11の組立を簡単に説明すると、まず、マグネットヨーク 22にシャフト 21を圧入し、当該マグネットヨーク 22の外周に上述のように着磁させたマグネット 23A— 23Dを接着固定する。一方、ハウジング 14の側部内壁にコイルヨーク 1 6を挿入して接着固定すると共に、軸支部に軸受 15A， 15Bを取り付ける。

[0028] 続いて、マグネット 23A— 23D (マグネットヨーク 22)で構成されたロータ 12を微小ギャップで内包させて内部コイル体 31A— 31Cのそれぞれを配置してこれらの当接する部分で接着固定し、当該内部コイル体 31A 31Cを覆うように外部コイル体 32 A— 32Cのそれぞれを上記のように配置してこれらの当接する部分および内部コィル体 31A— 31Cのそれぞれと当接する部分で接着固定する。これにより、ロータ 12 を内包したステータ 13のコイルアセンブリが形成される。なお、内部コイル体 31A— 3 1Cおよび外部コイル体 32A— 32Cの組立には対応の治具が使用される。 [0029] また、ハウジング 14内に、上記コイルアセンブリを挿入（ノヽウジング 14の軸支部の軸受 15A, 15Bにシャフト 21を圧入）し、当該ハウジング 14の上面（開口の反対側）の内壁と上記外部コイル体 32A— 32Cの上部を接着固定する。そして、少なくともホール素子 18A— 18Cが搭載された配線基板 17をはんだ付け等を行って取り付け、蓋部 20をハウジング 14の開口部分にカシメ等により取り付けるものである。

[0030] そこで、図 4 (A) 図 4 (C)に、図 1 (A) 図 1 (C)に示す DCモータの駆動タイミングの説明図を示す。図 4 (A)、（B)は上記内部コイル体 31A 31Cおよび外部コィル体 32A— 32Cの結線図、図 4 (C)は各コイル体への駆動信号のタイミングチャートを示したものである。

[0031] 図 4 (A)において、内部コイル群の各内部コイル体 31A 31Cのそれぞれはスタ一結線されると共に、外部コイル群の各外部コイル体 32A 32Cのそれぞれはスタ一結線され、互いに対向する相同士（a相一 c相および中性点 n)で並列に接続されたものである。すなわち、内部コイル体 31Aと外部コイル体 32B (a相）、内部コイル体 31Bと外部コイル体 32C (b相）、内部コイル体 31Cと外部コイル体 32A(c相）、および互レ、の中性点 nを接続したものである。

[0032] また、図 4 (B)において、内部コイル体 31 Aと外部コイル体 32B (a相）、内部コイル体 31Bと外部コイル体 32C (b相）、内部コイル体 31Cと外部コイル体 32A(c相）を各直列に接続し、これらをスター結線（中性点 n)されたものである。

[0033] このように、各内部コイル体 31A— 31Cおよび各外部コイル体 32A— 32Cのそれぞれ対向するコイル体を、並列接続するか、直列接続するかで全体の電機子コイルの抵抗を選択することができることから、印加電圧の変動に対応させることができ、一方で印加電圧に応じたコイル体の形成し易い線材太さを選択する幅が広がり、コイル体形成の自由度を向上させることができるものである。

[0034] 上記 DCモータ 11は、ホール素子 18A— 18Cが 60度間隔で配置されていることから、回転する 4極のマグネット 23A 23Dからの磁束の極性が 90度毎の回転で変化することにより、当該ホール素子 18A 18Cの検出する極性は当該マグネット 23A 一 23Dが 30度回転する毎に変化する。したがって、このホール素子 18A— 18Cの検出に応じて上記 a相一 c相で通電制御を行うものである。 [0035] すなわち、図 4 (C)に示すように、マグネット 23A— 23Dの回転に応じたホール素子 18A— 18Cの 30度回転毎の検出に基づレ、て、例えば a相- b相に駆動用電力が供給されることで内部コイル体 31Aおよび外部コイル体 32B (I、 IV)と内部コイル体 3 1Bおよび外部コイル体 32C (II、 V)とが駆動され、 a相一 c相に駆動用電力が供給されることで内部コイル体 31Aおよび外部コイル体 32B (I、 IV)と内部コイル体 31Cおよび外部コイル体 32A (111、 VI)とが駆動され、 b相一 c相に駆動用電力が供給されることで内部コイル体 31Bおよび外部コイル体 32C (11、 V)と内部コイル体 31Cおよび外部コイル体 32A (111、 VI)とが駆動されるものである。

[0036] このように、電機子コイルを内部コイル体 31A— 31Cおよび外部コイル体 32A— 3 2Cで構成することにより、最小限のスペースで電機子コイルの卷線数を増加させて発生する磁束を増加させることができるもので、これによつて小型、薄型化を図ることができる。特に、上記のように電機子コイルが二重構造であっても内部コイル群の周側面と外部コイル群の周側面を同一外周とすることによってヨークとマグネットとのギヤップを、例えば従前の内部コイル群のみを使用した一重構造と同一とさせることができることからモータ効率を向上させ、発生トルクを向上させることができるものである。また、内部コイル体 31A— 31Cおよび外部コイル体 32A— 32Cの中空部分にロータとしてのマグネット 23A— 23Dが、当該内部コイル体 31A— 31Cおよび外部コイル体 32A— 32Cで最大限に包まれる形状であり、ロータとしで I貧性の小さい構造となつて応答スピードが向上されるものである。

[0037] 次に、図 5 (A)一図 5 (C)に、本発明の第 2実施形態に係る DCモータの構成図を示す。図 5 (A)—図 5 (C)はァウタロータ形のブラシレスモータを示したもので、図 5 ( A)はモータ内部の平面構成図、図 5 (B)は図 5 (A)の B—B断面図、図 5 (C)はべ一スを除いた底面から見た構成図である。図 5 (A) （C)において、 DCモータ 41は、ロータ 42がステータ 43を包含するように配置され、ベース 44に軸受 45A, 45Bを介して取り付けられたものである。ベース 44は、円板状の中央部分に円筒状の軸支部が形成されたもので、当該軸支部の内壁に上記軸受 45A, 45Bが取り付けられる。

[0038] 上記ロータ 42は、逆椀状のマグネットヨーク 51の中央部分にボス 52が設けられ、当該ボス 52にシャフト 53が固着される。そして、当該マグネットヨーク 51の側部内壁に界磁束発生の主となる上記同様の 4極のマグネット 54A— 54Dが固着されたものである。当該マグネット 54A— 54Dは、図 1 (A)—図 1 (C)に示すマグネット 23A— 23 Dと同様である。

[0039] 上記ステータ 43は、円盤状の積層コア 61がベース 44の軸支部の外周に取り付けられ、当該積層コア 61の周側面に対して、上記図 3 (A)—図 3 (C)に示すような中空の内部コイル体 62A— 62Cによる構成の内部コイル群および中空の外部コイル体 6 3A— 63Cによる構成の外部コイル群が当該内部コイル群を覆って取り付けられたものである。

[0040] すなわち、図 3 (A) 図 3 (C)と同様に、積層コア 61の周側面に対して上記 3つの内部コイル体 62A 62Cのそれぞれを 120度間隔で並列的に配置させて内部コィル群とし、この内部コイル群を仮想的な円盤とした場合の周側面に対して、当該内部コイル群を覆って 3の外部コイル体 63A— 63Cのそれぞれを上記内部コイル体 31A 一 31 Cより 60度ずらせて 120度間隔で並列的に配置させて外部コイル群とし、内部コイル群の周側面と前記外部コイル群の周側面を同一外周としたものである。なお、内部コイル体 62A— 62Cおよび外部コイル体 63A— 63Cは、図 4 (A)または図 4 (B )に示すようにスター結線されて互いに対向する相同士が接続されたものである。

[0041] また、ベース 44上であって、ステータ 43の下方には配線基板 46が設けられ、当該配線基板 46には例えば 60度間隔でホール素子 47A— 47Cが少なくとも搭載され、外部に対応数のリード線 48が延出される。

[0042] ここで、上記 DCモータ 41の組立を簡単に説明すると、まず、マグネットヨーク 51にボス 52をカシメ等により固定し、当該ボス 52にシャフト 53を圧入させる。当該マグネットヨーク 51の側部内壁に上述のように着磁させたマグネット 54A 54Dを互いに非接触で配置して接着固定する。一方、積層ヨーク 61に内部コイル体 62A 62Cのそれぞれを配置してこれらの当接する部分および当該積層ヨーク 61との当接部分で接着固定する。

[0043] また、当該内部コイル体 62A 62Cを覆うように外部コイル体 63A 63Cのそれぞれを上記のように配置してこれらの当接する部分および内部コイル体 31A— 31Cのそれぞれと当接する部分で接着固定する。これにより、積層ヨーク 61を内包したステータ 43のコイルアセンブリが形成される。

[0044] 続いて、少なくともホール素子 47A— 47Cが搭載されて対応数のリード線 48が接続された配線基板 44を上記コイルアセンブリに取り付け対応のタップ等ではんだ付け等が行われる。また、ベース 44に軸受 45A, 45Bを取り付け、上記コイルァセンブリをベース 44の軸支部の外周に接着固定する。そして、当該軸受 45A, 45Bにロータ 42のシャフト 53を圧入するものである。

[0045] このように DCモータ 41の回転駆動は上記 DCモータ 11と同様である。すなわち、上記同様に、電機子コイルを内部コイル体 62A 62Cおよび外部コイル体 63A 6 3Cで構成することにより、最小限のスペースで電機子コイルの卷線数を増加させて発生する磁束を増加させ、これによつて小型、薄型化を図ることができると共に、モータ効率の向上、発生トルクの向上、応答スピードの向上が図られるものである。

[0046] 次に、図 6 (A)一図 6 (C)に、本発明の第 3実施形態に係る DCモータの構成図を示す。図 6 (A)—図 6 (C)はァウタロータ形のブラシ付きコアレスモータを示したもので、図 6 (A)はブラシ台を除いて底面より見た構成図、図 6 (B)は図 6 (A)の C-C断面図、図 6 (C)はブラシ台の構成図である。図 6 (A)—（C)において、 DCモータ 71 は、ステータ 72を包含するようにロータ 73が配置され、ハウジング 74に収められる。ハウジング 74は、円筒状で一方が開放され、他方の中央部分に円筒形状の軸支部が形成されたものである。

[0047] 上記ステータ 72は、円盤状のマグネットヨーク 81が上記軸支部の内壁に固着され、当該マグネットヨーク 81の外周に界磁束発生の主となる例えば 4個のマグネット 82 A— 82Dが固着されたものである。当該マグネット 82A— 82Dは上述と同様のものでめる。

[0048] 上記ロータ 73は、シャフト 91が円板状のハブ 92の中央を貫通して固着され、当該シャフト 91の一方側のハブ 92に例えば 6つの整流子 93A 93F (6セグメント）が固着される。また、上記ステータ 72およびハブ 92を仮想的な円盤とし、その周側面に対して上記図 3 (A)—図 3 (C)に示すような中空の内部コイル体 94A— 94Cによる構成の内部コイル群および中空の外部コイル体 95A— 95Cによる構成の外部コイル群が当該内部コイル群を覆って取り付けられたものである。 [0049] すなわち、図 3 (A)—図 3 (C)と同様に、ステータ 72およびハブ 92を仮想的な円盤とした場合の周側面に対して上記 3つの内部コイル体 94A— 94Cのそれぞれを 120 度間隔で並列的に配置させて内部コイル群とし、この内部コイル群を仮想的な円盤とした場合の周側面に対して、当該内部コイル群を覆って 3の外部コイル体 95A 95 Cのそれぞれを上記内部コイル体 94A 94Cより 60度ずらせて 120度間隔で並列的に配置させて外部コイル群とし、内部コイル群の周側面と前記外部コイル群の周側面を、同一外周としたものである。なお、内部コイル体 94A 94Cおよび外部コィル体 95A— 95Cは、図 4 (A)または図 4 (B)に示すようにスター結線されて互いに対向する相同士が接続されたものである。

[0050] この場合、内部コイル群と外部コイル群とが所定数の補強リング 96で補強固定される。なお、当該補強リング 96は、電機子コイルの回転時に離脱しないようにするために念のためとして設けたものであるが、本来、内部コイル体 94A 94Cおよび外部コィル体 95A— 95Cは互いに接着剤等により固着されることから、前述の特許文献 1にコイル体同士の接着より強度に固着されることから、従前より回転による離脱防止が増強されているものである。

[0051] そして、シャフト 91が軸受（例えばスリーブ形ベアリングであり、上述のボールべァリングでもよい） 75により上記ハウジング 74の軸支部の内壁に回転自在に取り付けられ、当該シャフト 91のハウジング 74より延出した部分に Eリング 76が設けられたものである。

[0052] 一方、ハウジング 74の蓋部の役割をもなすブラシ台 77が当該ハウジング 74の開口側に設けられ、対応のブラシ固定部に 4つのブラシ 78A— 78Dが 90度間隔で配置され、上記整流子 93A 93Fと当接させて広がらないように固定される。上記ブラシ 78 B, 78Cは共に接続状態でリード線 79Aと接続され、上記ブラシ 78D， 78Aは共に接続状態でリード線 79Bと接続される。そして、ブラシ台 77をハウジング 74の開口部分に嵌合固定させることで当該ハウジング 74内を略密閉状態としている。

[0053] ここで、上記 DCモータ 71の組立を簡単に説明すると、まず、マグネットヨーク 81に軸受 75を圧入 (または接着）し、当該マグネットヨーク 81の外周に上述のように着磁させたマグネット 82A— 82Dを互いに非接触で配置して接着固定する。一方、シャフト 91にノヽブ 77を圧入し、上記マグネット 82A— 82Dを微小ギャップで内包させて内部コイル体 94A— 94Cをハブ 77に接着固定する（これらは専用の治具が使用される）。また、当該内部コイル体 94A— 94Cを覆うように外部コイル体 95A— 95Cのそれぞれを上記のように配置してこれらの当接する部分および内部コイル体 94A— 94Cのそれぞれと当接する部分で接着固定すると共に、補強リング 96で当該内部コイル群と外部コイル群とを接着固定する。

[0054] 一方、シャフト 91に整流子 93A 93Fを取り付け、当該整流子 93A 93Fのライザに各対応の内部コイル体 94A 94Cおよび外部コイル体 95A 95Cの片方のタップをはんだ付け等により接続し、他方のタップを上記補強リング 96にはんだ付け等により固着する。また、マグネットヨーク 81をハウジング 74の軸支部内壁に揷入して接着固定する。

[0055] 他方、ブラシ台 77にブラシ 78A 78Dを取り付けて対応する同士で接続すると共に、対応のリード線 79A, 79Bをはんだ付け等により接続し、当該ブラシ台 77をハウジング 74に当該ブラシ 78A— 78Dを広げながら取り付ける。そして、リード線 79A, 7 9Bを電源に接続して電流を供給して当該ブラシ台 77を回転させながら適切なタイミング位置に合わせてハウジング 74にカシメまたは接着剤等により取り付けるものである。

[0056] そこで、図 7 (A)および図 7 (B)に、図 6 (A)—図 6 (C)に示す DCモータの駆動タイミングの説明図を示す。図 7 (A)は整流子とブラシを示した説明図、図 7 (B)は各コィル体への駆動信号のタイミングチャートを示したものである。

[0057] 図 7 (A)において、上記各内部コイル体 94A— 94Cと各外部コイル体 95A— 95C とは図 4 (A)または図 4 (B)に示すようにスター結線され、これらの各相が 6セグメントの整流子 93A 93Fにそれぞれ接続されたものである。また、このような整流子 93A 一 93Fに対して 90度毎に配置されたブラシ 78A 78Dが当接されたものである。

[0058] 上記 DCモータ 71は、図 7 (B)に示すように、例えばブラシ 78A， 78Cと、ブラシ 78 B, 78Dとに交互に正負の電圧を印加することにより、例えば整流子 93A, 93D (内部コィノレ体 94A,外部コイル 95B)と整流子 93B, 93E (内部コィノレ体 94B,外部コィノレ 95C)との a相 _b相間（1、 II、 IV、 V)、整流子 93A, 93D (内部コィノレ体 94A,外部コイル 95B)と整流子 93C, 93F (内部コイル体 94C,外部コイル 95A)との a相一 c 相間（1、 III、 IV、 VI)、整流子 93B, 93E (内部コイル体 94B,外部コイル 95C)と整流子 93C, 93F (内部コィノレ体 94C,外部コイル 95A)との b相 _c相間（11、 III、 V、 V I)のそれぞれに対して交互に駆動電力が供給されることとなってロータ 73が回転するものである。

[0059] すなわち、マグネット 82A— 82D力極に着磁されており、 6セグメントの整流子 93 A— 93Fに対してブラシ 78A— 78Dが 90度毎に配置されていることから、上記のようにブラシ 78A, 78Cと、ブラシ 78B， 78Dとに交互に正負の電圧を印加することにより、各内部コイル体 94A— 94Cおよび各外部コイル体 95A— 95Cは、ロータ 73が 1回転するときにそれぞれ 4回電流が切り替わることになる。したがって、従前の 2極に着磁された 2分割のマグネットに 180度 2本のブラシが使用され、一重 (本発明は内部コィル群と外部コイル群の二重）でコイル群が構成されていたコアレスモータに比べて、磁気回路を短くすることが可能となって磁性材の厚さを薄くして軽量化を図ることができると共に、コイル制御の効率が向上し、省エネルギ化を図ることができるものである。

[0060] このように、 6セグメントの整流子を備えるァウタロータ形のブラシ付きコアレスモータであっても、電機子コイルを内部コイル体 94A— 94Cおよび外部コイル体 95A— 95 Cで構成することにより、上記同様に、最小限のスペースで電機子コイルの卷線数を増加させて発生する磁束を増加させることができるもので、これによつて小型、薄型化を図ることができる。特に、上記のように電機子コイルが二重構造であっても内部コィル群の周側面と外部コイル群の周側面を同一外周とすることによってハウジングとマグネットとのギャップを、例えば従前の内部コイル群のみを使用した一重構造と同一とさせることができることからモータ効率を向上させ、発生トルクを向上させることができるものである。

[0061] また、内部コイル体 94A 94Cおよび外部コイル体 95A 95Cの中空部分にロータとしてのマグネット 82A 82Dが、当該内部コイル体 94A— 94Cおよび外部コイル体 95A— 95Cで最大限に包まれる形状であり、ロータとしで隱性の小さい構造となつて応答スピードが向上されるものである。 [0062] さらに、各内部コイル体 94A— 94Cおよび各外部コイル体 95A— 95Cを略台形状または弓形状とすることによって、上記整流子 93A— 93Fおよびブラシ 78A, 78Bを配置するスペースを確保することができ、モータの大型化を防止することができるものである。

[0063] 次に、図 8 (A)一図 8 (C)に、本発明の第 4実施形態に係る DCモータの構成図を示す。図 8はコイルが回転するブラシ付きコアレスモータを示したもので、図 8 (A)はブラシ台を除いた底部から見た平面構成図、図 8 (B)は図 8 (A)の D—D断面図、図 8 (C)はブラシ台の構成図である。

[0064] 図 8 (A) 図 8 (C)に示す、 DCモータ 101は、 2つのブラシ 78A, 78Bを 6セグメントの整流子 93A— 93Fに対して隣接して 90度に配置し、整流子 93A 93Fにそれぞれ対応の各内部コイル体 94A 94Cおよび各外部コイル体 95A 95Cが接続され、さらに整流子 93Aと整流子 93D、整流子 93Bと整流子 93E、整流子 93Cと整流子 93Fを接続したものである。他の構成は図 6 (A)—図 6 (C)に示す DCモータ 71同様であり説明を省略する。

[0065] そこで、図 9 (A)および図 9 (B)に、図 8 (A)—図 8 (C)に示す DCモータの駆動タイミングの説明図を示す。図 9 (A)は整流子とブラシを示した説明図、図 9 (B)は各コィル体への駆動信号のタイミングチャートを示したものである。図 9 (A)において、上記整流子 93A— 93Fに対して 2つのブラシ 78A, 78Bを 90度で隣接させて当接させたものである。

[0066] このような上記 DCモータ 101は、図 9 (B)に示すように、例えばブラシ 78Aとブラシ

78Bに正負の電圧を印加することにより、例えば整流子 93A, 93D (内部コイル体 94

A,外部コイル 95B)と整流子 93B， 93E (内部コィノレ体 94B,外部コイル 95C)との a 相一 b相間（Ι、Π)、整流子 93A， 93D (内部コイル体 94A,外部コイル 95B)と整流子 93C, 93F (内部コィノレ体 94C,外部コイル 95A)との a相 _c相間（1、 111)、整流子 93

B, 93E (内咅ィノレ体 94B,外咅ィノレ 95C)と整流子 93C, 93F (内咅 B ィノレ体 94

C,外部コイル 95A)との b相 _c相間（11、 III)のそれぞれに対して交互に駆動電力が供給されることとなってロータ 73が回転するものである。

[0067] すなわち、上記各内部コイル体 94A— 94Cおよび各外部コイル体 95A— 95Cを図 4 (A)に示すようにスター結線して互いに対向する相同士を接続して 3対のコイル体とし、これらの各相が 6セグメントの整流子 93A— 93Fに対して整流子 93A, 93D、整流子 93B, 93E、整流子 93C, 93Fにそれぞれ接続させることによつても各内部コィル体 94A— 94Cおよび各外部コイル体 95A— 95Cは、ロータ 73が 1回転するときにそれぞれ 4回電流が切り替わることになり、上記同様に、軽量ィ匕を図ることができると共に、コイル制御の効率が向上し、省エネルギ化を図ることができるものである。

[0068] このように、 6セグメントの整流子を備えるァウタロータ形のブラシ付きコアレスモータであっても、電機子コイルを内部コイル体 94A— 94Cおよび外部コイル体 95A— 95 Cで構成し、各相同士で接続させる構成とすることにより、上記同様に、最小限のスペースで電機子コイルの卷線数を増加させて発生する磁束を増加させることができるもので、これによつて小型、薄型化を図ることができる。特に、上記のように電機子コィルが二重構造であっても内部コイル群の周側面と外部コイル群の周側面を同一外周とすることによってハウジングとマグネットとのギャップを、例えば従前の内部コイル群のみを使用した一重構造と同一とさせることができることからモータ効率を向上させ、発生トルクを向上させることができるものである。

[0069] また、内部コイル体 94A— 94Cおよび外部コイル体 95A— 95Cの中空部分にロータとしてのマグネット 82A— 82Dが、当該内部コイル体 94A— 94Cおよび外部コイル体 95A— 95Cで最大限に包まれる形状であり、ロータとしで I貧性の小さい構造となつて応答スピードが向上されるものである。

[0070] さらに、上記同様に、各内部コイル体 94A— 94Cおよび各外部コイル体 95A— 95 Cを略台形状または弓形状とすることによって、上記整流子 93A— 93Fおよびブラシ 78A, 78Bを配置するスペースを確保することができ、モータの大型化を防止することができるものである。

[0071] なお、上記各実施形態では、マグネットを 4極として説明した力これ以上の局数 2n

(nは 2以上の整数）でも適用することができるものである。また、上記各実施形態では内部コイル群および外部コイル群をそれぞれ 3つの内部コイル体および外部コィノレ体で構成した場合を示した力それぞれ 2以上の内部コイル体および外部コイル体で所定角度ずらせて二重に配置させる構造 (特に、内部コイル群の周側面と外部コィル群の周側面を同一外周とする）のものについても適用することができるものである。このことはブラシ付き DCモータに設けられる整流子のセグメント数を内部コイル体および外部コイル体の総数とすることもできるものである。

産業上の利用可能性

本発明の DCモータは、マグネットと電機子コイルとを基本構成とし、時計等に使用される極めて小型のものから、電動自転車や電気自動車等の動力系に使用される中型、大型のものに適する。

Claims

請求の範囲

[1] 界磁束発生のために主となるマグネットと、トルク発生のために主となる電機子コイルとを備え、何れか一方をロータとする DCモータであって、

前記電機子コイルは、

仮想的な円盤または円盤状のコアの周側面に対して、導体を所定数卷回した所定形状の中空の内部コイル体が所定数並列的に配置される内部コイル群と、

前記内部コイル群を仮想的な円盤とした場合の周側面に対して、導体を所定数卷回した所定形状の中空の外部コイル体が当該内部コイル群を覆って所定数並列的に配置される外部コイル群と、

を有することを特徴とする DCモータ。

[2] 請求項 1記載の DCモータであって、前記内部コイル群の周側面と前記外部コイル群の周側面を、同一外周とすることを特徴とする DCモータ。

[3] 請求項 1または 2記載の DCモータであって、前記各内部コイル体および各外部コィル体は、中空の略台形状または中空の弓形状とされ、それぞれの当該内部コイル体を 120度間隔で配置させ、それぞれの当該外部コイル体を当該各内部コイル体に対して 60度ずらせて 120度間隔で配置させることを特徴とする DCモータ。

[4] 請求項 1一 3の少なくとも何れかに記載の DCモータであって、前記内部コイル体と前記外部コイル体との互いに対向する相同士で直歹 1Jまたは並列に接続され、それぞれ力 Sスター結線されることを特徴とする DCモータ。

[5] 請求項 1一 4の少なくとも何れかに記載の DCモータであって、前記電機子コイル部分がロータとされる場合に、前記各内部コイル体および各外部コイル体に対応する整流子を備え、当該各整流子に対して 90度毎に配置される 4個のブラシを備えることを特徴とする DCモータ。

[6] 請求項 1一 4の少なくとも何れかに記載の DCモータであって、前記電機子コイル部分がロータとされる場合に、前記各内部コイル体および各外部コイル体でスター結線された各コイル体に対応する整流子を備え、当該各整流子に対して 90度に配置される 2個のブラシを備えることを特徴とする DCモータ。