JP2013051765A - Ｄｃモータ - Google Patents

Abstract

【課題】高い性能を有し、かつ、小型化可能であって製造コストを低減できるＤＣモータを提供する。
【解決手段】ＤＣモータは、角型であり、円筒形状のマグネット５０を、モータケース１０及びバックヨーク７０で構成される側周部で囲んだ断面構造を有している。マグネット５０は、モータケース１０の平面部１１ａ〜１１ｄの中央に、マグネット５０の磁極５１ａ〜５１ｄの中心が一致するように配置されている。モータケース１０の角部１２とマグネット５０との間の部位には、磁性材料からなるバックヨーク７０が配置されている。ＤＣモータは、磁束が集中する磁極切替え部において、モータケース１０の角部１２とバックヨーク７０ａ〜７０ｄとが配置されていることで、磁性材料部分が肉厚となった構造を有している。
【選択図】図２

Description

この発明は、ＤＣモータに関し、特に、回転軸に垂直な断面において略多角形の外形を有する角型のＤＣモータに関する。

一般的に、ＤＣモータは、マグネットの外側に位置するモータケース（フレーム）をバックヨークとして使用して磁気回路を形成し、その性能を確保している。回転軸に垂直な断面において、四角形など多角形でコーナー部を丸くした形状の角型のＤＣモータの構造としては、コーナー部にマグネットの磁極中心を配置し、マグネットの肉厚を十分確保できるようにしたものが一般的であった。

下記特許文献１及び２には、方形ハウジングの内部に、ハウジングの隅部に対応する部分に大きな半径方向厚みを有するリング磁石を配置したＤＣモータが開示されている。

下記特許文献３には、多角形状のモータケースの内部に、複数の界磁極を有する界磁マグネットが配置された小型モータが開示されている。この界磁マグネットは、モータケースのコーナー部に対応する位置で肉厚になり、かつ、コーナー部の周方向中心位置と界磁極の周方向中心とが一致するように配置されている。

特開２０１０−１１０２０７号公報 特開２０１０−１０４２２９号公報 特開２００７−２２８７５０号公報

ところで、特に上記のような角型のＤＣモータにおいては、次のような問題がある。

第１には、製造コストの問題がある。すなわち、ＤＣモータのマグネットとして、より高エネルギー積のものを使用できるようになり、ＤＣモータの小型化が進んでいる。高エネルギー積のマグネットには、例えばＮｄ（ネオジム）やＳｍ（サマリウム）のような、希土類材料が用いられている。しかしながら、近年、希土類材料の価格高騰のため、このようなマグネットの製造コストが高騰し、ＤＣモータの製造コストに大きく影響している。そのため、ＤＣモータにおいてマグネットの使用量を減らすことにより、ＤＣモータの製造コストを低減させることが望まれている。

第２に、マグネットのエネルギー積が向上しても、ＤＣモータにおいてバックヨークとなるモータケースの板厚を確保する必要があり、ＤＣモータの小型化が困難であるという問題もある。すなわち、ＤＣモータを小型化するためにモータケースを薄型化すると、マグネットとモータケースとで磁気回路を構成するための十分な板厚を確保することができなくなる。この場合、磁気飽和状態が発生し、マグネットのエネルギーを有効に活用することができなくなることがある。

このような第２の問題は、特に、上記のような、角部に磁極を配した角型のモータにおいて顕著である。すなわち、磁極の切替え部分に位置しバックヨークとなる部分においては、磁気飽和状態にならないようにモータケースの板厚を確保することが重要である。しかしながら、磁極の切替え部分がモータケースの平板状の部分に位置する場合、この部分のモータケースの厚みを増加させると、モータが全体として大型化してしまう。

この発明はそのような問題点を解決するためになされたものであり、高い性能を有し、かつ、小型化可能であって製造コストを低減できるＤＣモータを提供することを目的としている。

上記目的を達成するためこの発明のある局面に従うと、ＤＣモータは、円筒形状を有し、回転軸を囲むように配置され、複数の磁極を有するマグネットと、磁性材料からなる部分を含み、マグネットを囲むように配置された側周部とを備え、側周部は、外周面が平坦に形成されている平面部と丸みを持った角部を複数有し、マグネットの複数の磁極の中心は、それぞれ、平面部に向かい合っている。

好ましくは側周部は、マグネットを囲むモータケースと、磁性材料を用いて形成され、モータケースとマグネットとの間に配置されるバックヨークとを有する。

好ましくはモータケースとバックヨークとが一体に形成されている。

好ましくは側周部は、磁性材料を用いて形成され、マグネットの外周面に沿うように形成された円筒形状のモータケースと、磁性材料を用いて形成され、モータケースの外周面に沿うように配置されたバックヨークとを有し、バックヨークの中央部がマグネットの磁極の切替部に位置し、マグネットの磁極の中心にバックヨークのつなぎ目が位置するように配置されている。

これらの発明に従うと、マグネットが円筒形状に形成されており、複数の磁極の中心は、それぞれ、角型の側周部の平面部に向き合っている。したがって、高い性能を有し、かつ、小型化可能であって製造コストを低減できるＤＣモータを提供することができる。

本発明の第１の実施の形態におけるＤＣモータを示す側断面図である。 図１のＡ−Ａ線における断面図である。 第２の実施の形態におけるＤＣモータの回転軸に垂直な断面を示す断面図である。 第３の実施の形態におけるＤＣモータの回転軸に垂直な断面を示す断面図である。 第３の実施の形態におけるＤＣモータの構造を説明する図である。

以下、本発明の実施の形態におけるＤＣモータについて説明する。

［第１の実施の形態］

図１は、本発明の第１の実施の形態におけるＤＣモータ１を示す側断面図である。

図１に示される断面は、後述の図２においてＢ−Ｂ線として示される断面に対応する。ＤＣモータ１は、おおまかに、フレーム組立体１ａと、フレーム組立体１ａに対して回転可能に軸支されたアマチュア組立体１ｂとを有している。

アマチュア組立体１ｂは、回転軸（シャフト）２と、アマチュア部４と、整流子部６などを有している。アマチュア部４は、回転軸２に取り付けられており、ラジアル方向に複数突出する突極を有するアマチュアコア５及び各突極に巻回された巻線（図示せず）などを有している。整流子部６は、回転軸２の一方の端部近傍に設けられており、後述のようにしてフレーム組立体１ａに設けられているブラシ２５に接触する整流子７などを有している。

フレーム組立体１ａは、モータケース（フレーム）１０、ブラケット３０、プレート４０、マグネット５０、及びバックヨーク７０などで構成されている。

モータケース１０は、一端部が回転軸２が突出するようにしてふさがれた筒形状を有している。モータケース１０の他端部（図１において右側の端部）の開口部は、プレート４０によりふさがれている。モータケース１０及びプレート４０により構成されるフレーム内に、アマチュア組立体１ｂが、回転軸２の一端部がモータケース１０から突出するようにして収納されている。モータケース１０の一端部及びプレート４０のそれぞれの中央部には、軸受２１，２２が保持されている。回転軸２は、２箇所の軸受２１，２２により、モータケース１０に対して回転可能に保持されている。

プレート４０の内側には、ブラケット３０が取り付けられている。ブラケット３０には、ブラシ２５と連結し外部からの電流が供給される端子２６が保持されている。ブラシ２５は、整流子７に接触するようにして保持されている。

図２は、図１のＡ−Ａ線における断面図である。

図２に示されるように、本実施の形態において、フレーム組立体１ａは、マグネット５０の側周面側をモータケース１０及びバックヨーク７０で構成される側周部１０ａで囲んだ断面構造を有している。側周部１０ａの外周面が、ＤＣモータ１の外周面となる。

モータケース１０は、４つの平面部１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ（以下、総称して平面部１１ということがある。）と、４つのＲ面取り形状の角部（コーナー部）１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ（以下、総称して角部１２ということがある。）とを有している。すなわち、モータケース１０は、ＤＣモータ１の回転軸２に垂直な断面において、直線状となる平面部１１とＲ形状の角部１２を有する略正方形の外形を有している。平面部１１は、モータケース１０のうち、その外周面が略平坦に形成されている部分である。

モータケース１０は、磁性材料を用いて形成されている。モータケース１０は、ＤＣモータ１の側部全周にわたり、略均一の厚みを有している。

マグネット５０は、略一定の厚みの円筒形状（リング形状）を有している。マグネット５０は、例えば希土類材料を用いて形成されたボンド磁石である。マグネット５０は、２つのＮ極５１ａ，５１ｃと２つのＳ極５１ｂ，５１ｄとの合計４つの磁極５１を有している。すなわち、マグネット５０は、回転軸２に垂直な断面において、ＤＣモータ１の外形の角部１２の数と同一の数の磁極５１を有していて、極性を互い違いに配置している。なお、マグネット５０は、ボンド磁石に限られず、例えば焼結型の磁石であってもよい。

マグネット５０は、モータケース１０の４つの平面部１１の内面のそれぞれに接するような円筒外周面を有している。また、マグネット５０は、アマチュアコア５との間にわずかなエアギャップを有するような、円筒内周面を有している。

マグネット５０は、モータケース１０の平面部１１に対応する部分に、その磁極５１の中心（磁極中心）が向かい合うように、モータケース１０及びバックヨーク７０に対して配置されている。換言すると、マグネット５０は、各磁極５１の中心が、モータケース１０の各平面部１１の中央部すなわち図２において各平面部１１の中心となる部分に位置するように、配置されている。マグネット５０の複数の磁極５１の切替え部分（各磁極５１ａ，５１ｂ，５１ｃ，５１ｄの切替部）は、それぞれ、モータケース１０の角部１２に位置している。

バックヨーク７０は、マグネット５０とモータケース１０の間に配置されている。すなわち、本実施の形態では、このような略正四角柱形状のモータケース１０に対して、円筒形状のマグネット５０が配置されているため、マグネット５０の外周面と、モータケース１０の４箇所の角部１２部分の内面との間には、それぞれ空隙ができる。バックヨーク７０は、その空隙を埋めるように形成され、配置されている。

本実施の形態において、バックヨーク７０は、４つに分割されて設けられている。すなわち、バックヨーク７０ａ，７０ｂ，７０ｃ，７０ｄがそれぞれ設けられている。バックヨーク７０ａは、マグネット５０の外周面と、角部１２ａの内面とで囲まれる部位に配置されている。同様に、バックヨーク７０ｂは、マグネット５０と、角部１２ｂとで囲まれる部位に配置されている。バックヨーク７０ｃは、マグネット５０と、角部１２ｃとで囲まれる部位に配置されている。バックヨーク７０ｄは、マグネット５０と、角部１２ｄとで囲まれる部位に配置されている。各バックヨーク７０ａ，７０ｂ，７０ｃ，７０ｄは、マグネット５０の外周面と略同じ曲率半径を有する内面部分と、角部１２の内面と略同じ曲率半径を有する部分及びその部分に接する２つの平面部分とで囲まれた、略三日月状の断面を有している。このようにバックヨーク７０が配置されていることで、モータケース１０とバックヨーク７０とで構成される側周部１０ａには、角部１２とバックヨーク７０とがある肉厚が厚い部分と、モータケース１０のみの平面部１１がある肉厚が薄い部分とができる。

バックヨーク７０は、磁性材料を用いて形成されている。なお、バックヨーク７０は、モータケース１０と同種の磁性材料を用いて形成されていてもよいし、別種の磁性材料を用いて形成されていてもよい。

以上説明したように、本実施の形態では、円筒形状のマグネット５０が、モータケース１０の平面部１１の中央に磁極５１の中心が一致するように配置されている。そして、モータケース１０の角部１２とマグネット５０との間の部位に、磁性材料からなるバックヨーク７０が配置されている。すなわち、磁極５１は、側周部１０ａの肉厚が薄い部分に向き合うように配置されている。したがって、ＤＣモータ１は、磁束が集中する磁極切替え部において、モータケース１０の角部１２とバックヨーク７０とが配置されていることで、磁性材料部分が肉厚となった構造を有している。この角部１２とバックヨーク７０とが全体として肉厚のバックヨークとして働くので、磁気飽和が回避される。マグネット５０の本来の特性を有効に使用し、ＤＣモータ１の効率を向上させることが可能となるので、マグネット５０の使用量（使用される体積）を低減し、かつ、ＤＣモータの性能を確保することができる。高価なマグネット５０の使用量を最小限にすることが可能でき、ＤＣモータ１の製造コストを低減できる。

バックヨーク７０が設けられて肉厚となる部位は、角部１２の部分に限られる。したがって、平面部１１では肉厚を薄くすることができ、ＤＣモータ１の回転軸２を挟んで相対向する２つの平面部１１間の距離を小さくすることができ、ＤＣモータ１を小型化できる。

マグネット５０としては、円筒形のものを使用できる。したがって、一般的な円筒型モータのマグネットを流用することができ、ＤＣモータ１の製造コストをさらに低減することができる。

［第２の実施の形態］

第２の実施の形態におけるＤＣモータの基本的な構成は、第１の実施の形態におけるそれと同じであるためここでの説明を繰り返さない。第２の実施の形態においては、第１の実施の形態におけるモータケース１０に相当する部位とバックヨーク７０に相当する部位とが一体に形成されている点で、第１の実施の形態と異なる。

図３は、第２の実施の形態におけるＤＣモータ１の回転軸２に垂直な断面を示す断面図である。

図３においては、第１の実施の形態の図２に対応する、フレーム組立体１ａ部分のみの断面が示されている。図３に示されるように、第２の実施の形態においては、略円筒形のマグネット５０を囲むように、一体に形成されたモータケース１１０（側周部の一例）が配置されている。モータケース１１０は、磁性材料を用いて形成されている。モータケース１１０は、ＤＣモータ１の外周面が略正四角柱の周面形状になるように形成されている。すなわち、モータケース１１０の外周面は、４つの平面部１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄと、第１の実施の形態の角部１２と同様にそれぞれＲ面取り形状を有する４つの角部１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃ，１１２ｄとで構成されている。また、モータケース１１０の内周面は、マグネット５０の側周面と略同一形状の円筒面形状を有している。

マグネット５０は、モータケース１１０の内周面に沿うように、モータケース１１０内に挿入されて固定されている。このとき、マグネット５０の４つの磁極５１ａ，５１ｂ，５１ｃ，５１ｄの中心が、それぞれ、モータケース１１０の平面部１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄの中央部に位置するように、マグネット５０はモータケース１１０に対して位置決めされている。

第２の実施の形態においても、磁束が集中する磁極切替え部に対応する位置すなわち角部１１２において、磁性材料であるモータケース１１０が肉厚となっている。したがって、上述の第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。第２の実施の形態では、マグネット５０の側周側に位置するモータケース１１０が一体に形成されているので、フレーム組立体１ａの組み立てを容易に行うことができる。

［第３の実施の形態］

第３の実施の形態におけるＤＣモータの基本的な構成は、第１の実施の形態におけるそれと同じであるためここでの説明を繰り返さない。第３の実施の形態においては、マグネット５０を囲む側周部が、モータフレームの外側にバックヨークが取り付けられている構造を有する点が、第１の実施の形態と異なる。換言すると、第３の実施の形態において、ＤＣモータは、円筒形のモータに、Ｒ面取り形状の角部（角Ｒ部）を形成するバックヨークを取り付けた構造を有している。

図４は、第３の実施の形態におけるＤＣモータ１の回転軸２に垂直な断面を示す断面図である。

図４においては、第１の実施の形態の図２に対応する、フレーム組立体１ａ部分のみの断面が示されている。図４に示されるように、第３の実施の形態においては、略円筒形のマグネット５０を囲むように、マグネット５０の側周に沿うように形成された円筒形状（リング形状）のモータケース２８０が配置されている。モータケース２８０は、磁性材料を用いて形成されている。そして、モータケース２８０の側周には、４つ一組のバックヨーク２７０ａ，２７０ｂ，２７０ｃ，２７０ｄ（以下、総称してバックヨーク２７０ということがある。）が配置されている。すなわち、モータケース２８０とバックヨーク２７０とで、側周部２１０が構成されており、バックヨーク２７０は４つに分割されている。

バックヨーク２７０は、磁性材料を用いて形成されている。バックヨーク２７０は、モータケース２８０の外周面と略同じ曲率半径を有する内面部分と、ＤＣモータ１の外周面を構成するＲ面取り面部分とその部分に接する２つの平面部分とで囲まれた、略三日月状の断面を有している。４つのバックヨーク２７０は、互いに略同一の形状を有している。

側周部２１０の外周面は、４つの平面部２１１ａ，２１１ｂ，２１１ｃ，２１１ｄと、４つの角部２１２ａ，２１２ｂ，２１２ｃ，２１２ｄとで構成された略正四角柱の周面形状を有している。角部２１２ａ，２１２ｂ，２１２ｃ，２１２ｄは、それぞれ、バックヨーク２７０ａ，２７０ｂ，２７０ｃ，２７０ｄの外周面に設けられている。また、平面部２１１ａは、回転軸２の回転方向に互いに隣り合うバックヨーク２７０ｄ，２７０ａの平面部分により構成されている。同様に、平面部２１１ｂは、バックヨーク２７０ａ，２７０ｂの平面部分により構成されている。平面部２１１ｃは、バックヨーク２７０ｂ，２７０ｃの平面部分により構成されている。平面部２１１ｄは、バックヨーク２７０ｃ，２７０ｄの平面部分により構成されている。

図５は、第３の実施の形態におけるＤＣモータ１の構造を説明する図である。

図５に示されるように、第３の実施の形態において、側周部２１０は、モータケース２８０の外側にバックヨーク２７０を配置することで構成されている。各バックヨーク２７０の中央部がマグネット５０の磁極５１の切替部に位置し、マグネット５０の磁極５１の中心にバックヨーク２７０同士のつなぎ目が位置するようにして配置される。これにより、図４に示されるように、側周部２１０の平面部２１１ａ，２１１ｂ，２１１ｃ，２１１ｄのそれぞれの中央部に、磁極５１ａ，５１ｂ，５１ｃ，５１ｄの中心が位置することになる。

このように、第３の実施の形態においても、磁束が集中する磁極切替え部に対応する位置において、モータケース２８０に加えてバックヨーク２７０が重なっており、磁性材料部分が肉厚となる。したがって、上述の第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。第３の実施の形態では、マグネット５０とモータケース２８０とは共に簡素な略円筒形状を有しているため、マグネット５０とモータケース２８０とを容易に組み付けることができる。したがって、フレーム組立体１ａの組み立てを容易に行うことができる。

なお、第３の実施の形態において、バックヨーク２７０は、４つではなく、少なくとも２つに分割されていてもよい。例えば、上記のＤＣモータ１において、バックヨーク２７０ａとバックヨーク２７０ｂとが、平面部２１１ｂ部分でわずかに肉厚を有するようにして互いに一体に形成され、バックヨーク２７０ｃとバックヨーク２７０ｄとが、平面部２１１ｄ部分でわずかに肉厚を有するようにして互いに一体に形成されていてもよい。このように構成することで、ＤＣモータ１の組み立てを容易に行えるようになる。

［その他］

上記の実施の形態では、ＤＣモータは回転軸に垂直な断面形状が略正方形形状のものであるが、これに限られるものではない。例えば、六角形形状や八角形形状のＤＣモータにおいても、上記のようにマグネットの磁極と側周部との位置関係を調整することで、上述と同様の効果を得ることができる。

側周部の平面部は、外周面が全く起伏がない平面であるものに限られず、外周面に小さな起伏があったり、外周面が小さく湾曲しているものであってもよい。回転軸に垂直な断面において、他の部位よりも比較的曲率が小さな平面部や平坦部を複数有し、その部分に、マグネットの複数の磁極のそれぞれが向かい合うようにされていればよい。

上記実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ ＤＣモータ
２ 回転軸
１０，２８０ モータケース
１０ａ，２１０ 側周部
１１（１１ａ〜１１ｄ），１１１（１１１ａ〜１１１ｄ），２１１（２１１ａ〜２１１ｄ） 平面部
１２（１２ａ〜１２ｄ），１１２（１１２ａ〜１１２ｄ），２１２（２１２ａ〜２１２ｄ） 角部
５０ マグネット
５１（５１ａ〜５１ｄ） 磁極
７０（７０ａ〜７０ｄ），２７０（２７０ａ〜２７０ｄ） バックヨーク
１１０ モータケース（側周部の一例）

Claims (4)

1. ＤＣモータであって、
   円筒形状を有し、回転軸を囲むように配置され、複数の磁極を有するマグネットと、
   磁性材料からなる部分を含み、前記マグネットを囲むように配置された側周部とを備え、
   前記側周部は、外周面が平坦に形成されている平面部と丸みを持った角部を複数有し、
   前記マグネットの前記複数の磁極の中心は、それぞれ、前記平面部に向かい合っている、ＤＣモータ。
2. 前記側周部は、
   前記マグネットを囲むモータケースと、
   磁性材料を用いて形成され、前記モータケースと前記マグネットとの間に配置されるバックヨークとを有する、請求項１に記載のＤＣモータ。
3. 前記モータケースと前記バックヨークとが一体に形成されている、請求項２に記載のＤＣモータ。
4. 前記側周部は、
   磁性材料を用いて形成され、前記マグネットの外周面に沿うように形成された円筒形状のモータケースと、
   磁性材料を用いて形成され、前記モータケースの外周面に沿うように配置されたバックヨークとを有し、
   前記バックヨークの中央部が前記マグネットの磁極の切替部に位置し、前記マグネットの磁極の中心に前記バックヨークのつなぎ目が位置するように配置されている、請求項１に記載のＤＣモータ。

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