JP2014027814A - モータ - Google Patents

Abstract

【課題】モータにおいて、ヨーク内に塵埃を侵入させることがなく、かつファン等の送風機能を設けることなく、ロータから発生した熱を効率良く外気に伝達する。
【解決手段】モータは、軸方向の一端に端面部１ａが形成され、他端に開口部１ｂが形成された筒形状を有する金属製ヨーク１と、該ヨークの周壁部１ｃの内周面に沿って配置されたマグネット４と、該マグネットの内側に回転可能に配置されたロータ６と、ヨークの内周面に沿った領域であってマグネットが配置されていない第１の領域、端面部の内面に沿った第２の領域および開口部の内側の第３の領域に配置された電気絶縁性を有する熱伝導部材５，７とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、筒形状のヨーク内にマグネットとロータ（コイル）を収容したモータに関する。

上記のようなモータにおいては、コイルへの通電による抵抗損（銅損）や該コイルが巻き付けられた電機子鉄心での磁束の交番によって生ずる鉄損等によって熱が発生する。このため、この熱によってモータ内の温度が高くなり過ぎないように冷却をする必要がある。モータの冷却方式には、開放型や自己通風型があり、モータのケース（ヨーク）に吸気口および排気口を設けて、強制的にケース内に冷却風を通している。さらに自己通風型においては、特許文献１にて開示されているように、ケース内に回転軸と接続されたファンが設けられ、回転軸とともに回転するファンによりケースに設けた吸気口からケース内に外気を取り込むものがある。

一方、特許文献２には、密閉構造のモータであって、金属製ヨーク内にてマグネットを保持する樹脂製マグネットホルダを備えたモータの冷却構造が開示されている。この冷却構造は、ロータが収まるロータ室が樹脂製マグネットホルダによって断熱されてロータ室内の空気がヨークに触れる面積が削減されることによって、ロータにて発生した熱がヨークを介して外部に伝わりにくくなるという問題を解消するためのものである。具体的には、マグネットホルダとヨークとの間にロータ室に連通した放熱空間を形成することで、ロータ室内の空気が直接ヨークに触れるようにして、ロータにて発生した熱をヨークを介して外部（外気）へ伝達するというものである。

特開２００１−６１２５７号公報 特開２００３−１６９４４１号公報

しかしながら、特許文献１にて開示された自己通風型モータのように、回転するファンによりケースに設けた吸気口からケース内に外気を取り込む構造のものでは、ファンの回転による騒音、振動およびトルク損失が発生する。また、吸気口を通じてヨーク内に塵埃が侵入し、モータの性能低下に繋がる。

また、特許文献２にて開示された密閉型のモータでは、ロータにて発生した熱をロータ室内の空気を介してヨークに伝えて放熱させるが、気体である空気はマグネットやマグネットホルダ等の固体に比べて熱伝導率が低く、ヨークへの伝熱性能（つまりはロータの冷却性能）は劣る。しかも、ヨーク内に放熱空間を設けることで、モータが大型化する。

本発明は、ヨーク内に塵埃を侵入させることがなく、かつファン等の送風機能を設けることなく、ロータから発生した熱を効率良く外気に伝達することができるようにした小型のモータを提供する。

本発明の一側面としてのモータは、軸方向の一端に端面部が形成され、他端に開口部が形成された筒形状を有する金属製ヨークと、該ヨークの周壁部の内周面に沿って配置されたマグネットと、該マグネットの内側に回転可能に配置されたロータと、ヨークの内周面に沿った領域であってマグネットが配置されていない第１の領域、端面部の内面に沿った第２の領域および開口部の内側の第３の領域に配置された電気絶縁性を有する熱伝導部材とを有することを特徴とする。

なお、上記モータと、該モータの出力により駆動される被駆動部材とを有する装置も本発明の他の一側面を構成する。

本発明によれば、密閉構造のモータにおいて、ロータとヨークの間に電気絶縁性を有する熱伝導部材を配置することで、ロータからヨークへの熱伝導性を向上させることができる。したがって、ヨーク内に塵埃を侵入させたりファン等の送風機能を設けたりすることなく、ロータにて発生した熱をヨークを介して効率良く外気に伝達することができる。

本発明の実施例である直流モータの断面図。 実施例における絶縁性部材を示す斜視図。 従来の直流モータの断面図。 実験例１のモータにおけるコイルの温度上昇を示すグラフ。 実験例２のモータにおけるコイルの温度上昇を示すグラフ。 実験例３のモータにおけるコイルの温度上昇を示すグラフ。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

図１（ａ），（ｂ）には、本発明の実施例１である直流モータの構成を示している。図１（ａ）は、モータの中心軸Ａが延びる方向（以下、軸方向という）に沿った断面を示し、図１（ｂ）は、図１（ａ）中にＣ−Ｃ線で示した、軸方向に直交する方向（以下、径方向という）に沿った断面を示している。

図１において、１はモータのケースを構成する金属製ヨークであり、軸方向の一端に端面部（底面部）１ａが形成され、他端に開口部１ｂが形成された筒形状を有するように深絞り加工等により製作される。ヨーク１の材料としては、例えば、亜鉛メッキ鋼板が用いられる。以下の説明において、軸方向の一端を「先端」といい、他端を「基端」という。

４はヨーク１の周壁部１ｃの内周面に沿って周方向（軸回り方向）に複数配置されたマグネットである。本実施例では、周方向９０度ごとに４つのマグネット４が互いに間隔をあけて配置されている。各マグネット４は、図１（ｂ）に示す径方向断面において円弧形状に形成されている。

５は図２にも示す熱伝導部材であり、電気絶縁性を有する樹脂により形成された絶縁性部材でもある。熱伝導部材５は、ヨーク１と同様に、先端に端面部（底面部）５ａが形成され、基端に開口部５ｂが形成された筒形状を有する。熱伝導部材５の周壁部５ｃにおける周方向４箇所には、マグネット４が嵌め込まれる開口部５ｄが形成されており、該開口部５ｄの周方向両端には、マグネット４の内周面の周方向両端を支えて該マグネット４を位置決め保持するための突条部５ｅが形成されている。

この熱伝導部材５は、マグネット４を保持した状態でヨーク１の内側に挿入される。これにより、ヨーク１の周壁部１ｃの内周面に沿った領域であって４つのマグネット４の間を含むマグネット４が配置されていない領域（第１の領域）に、熱伝導部材５の周壁部５ｃが配置される。また、ヨーク１の端面部１ａの内面に沿った領域（第２の領域）に、熱伝導部材５の端面部５ａが配置される。このように、熱伝導部材５にマグネット４を保持するマグネット保持部として開口部５ｄおよび突条部５ｅを形成することで、熱伝導部材５を用いてマグネット４をヨーク１の内側の所定位置に正確に位置決め固定することができる。

６はロータであり、ヨーク１内において４つのマグネット４の内側に配置されている。１０はロータ６が取り付けられたロータ軸（出力軸）である。ロータ６は、ロータ軸１０に圧入により固定された電機子鉄心１１と、該電機子鉄心１１に巻き付けられたコイル１２とを有する。さらに、ロータ６は、コイル１２に給電する整流子（コミテータ）１３と、該整流子１３に固定された限流用リングバリスタ１４とを有する。

ロータ軸１０の先端側の部分は、ヨーク１の端面部１ａに形成された開口を貫通するとともに、該端面部１ａに取り付けられた軸受け８によって回転可能に保持されている。一方、ロータ軸１０の基端側の部分は、後述するエンドブラケット７に形成された開口を貫通するとともに、該エンドブラケット７に取り付けられた軸受け９によって回転可能に保持されている。

ロータ軸１０の先端部には、図示しないギア、プーリ、アーム等の駆動力伝達部材がロータ軸１０と一体回転可能に取り付けられ、該駆動力伝達部材を介して、該直流モータを駆動源として搭載した各種装置における被駆動部材２０を駆動する。

ヨーク１の端面部１ａにおけるロータ軸１０を中心とした対称位置には、ネジ孔を有するバーリング３が嵌め込まれている。熱伝導部材５の端面部５ａには、ヨーク１に設けられたバーリング３が嵌合する孔部５ｆが形成されている。バーリング３が孔部５ｆに嵌合することで、熱伝導部材５およびこれにより保持されたマグネット４のヨーク１に対する周方向での位置が決められる。

ここで、図１（ｂ）に示すように、熱伝導部材５のうち第１の領域（マグネット４の間の領域）に配置された周壁部５ｃの内周面と中心軸Ａとの間の径方向での最小距離Ｒ１は、各マグネット４の内周面と中心軸Ａとの間の径方向での最小距離Ｒ２に等しい。また、熱伝導部材５のうち端面部５ａとコイル１２との間の隙間は、必要最小限に設定されている。

樹脂製エンドブラケット７は、ヨーク１の周壁部１ｃのうち基端側の部分（開口部１ｂ）の内側に嵌まり込んで開口部１ｂを塞ぐ小径部７ａと、ヨーク１の周壁部１ｃの外径と同じ外径を有する大径部７ｂとを有する。エンドブラケット７は、ロータ６の整流子１３と接触するブラシ１５を備えた端子１６を保持している。エンドブラケット７の小径部７ａの先端側の端部は、熱伝導部材５の基端側の端部に当接する。エンドブラケット７も、電気絶縁性を有する熱伝導部材として機能する。エンドブラケット７を、熱伝導部材として用いることで、モータを構成する部品点数の増加を抑えることができる。

このように構成された直流モータにおいては、ヨーク１の内面に沿った領域であってロータ６の外周面や先端側の端面に面した領域（周壁部１ｃの内周面のうちマグネット４が配置されていない領域や端面部１ａの内面）に熱伝導部材５を配置している。さらに、ヨーク１の開口部１ｃの内側の領域、すなわちロータ６の基端側の端面に面する領域にも、熱伝導部材でもあるエンドブラケット７を配置している。これにより、密閉構造の小型の直流モータにおいて、ヨーク１の内部における熱伝導率が低い空間（空気層）を減らしてロータ６からヨーク１への熱伝導性を向上させることができる。したがって、ヨーク１内に塵埃を侵入させたりファン等の送風機能を設けたりすることなく、ロータ６にて発生した熱を効率良くヨーク１に伝達し、外気に放射することができる。

また、ヨーク１内のブラシ１５と整流子１３との間で発生した摩耗粉が堆積しても、ヨーク１の内面に沿って電気絶縁性を有する部材（熱伝導部材５やエンドブラケット７）を配置しているため、絶縁性能の低下を抑制することができる。

ここで、電気絶縁性を有する樹脂により形成された熱伝導部材５やエンドブラケット７よりも、熱伝導率の高い導電性の金属等の部材を用いた方が熱の伝導性は良い。しかし、導電性の部材を用いると、周囲の磁束の交番によって生ずるうず電流によって熱が生じたりモータ特性に悪影響が及んだりするため、本実施例では、電気絶縁性を有する部材を選択している。

また、電気絶縁性を有する部材の中でも熱伝導率の高い材料ほど熱伝導性が良いが、ロータ６とマグネット４との間およびロータ６と熱伝導部材５との間に、ロータ６の回転を許容するための最小限の空間が存在し、熱伝導性はこの空間でほぼ決まるため、熱伝導部材の材料違いによる熱伝導性はあまり関係がない。

なお、ヨーク１のうち外気に接する外面（周壁部１ｃの外周面や端面部１ａの外面）に、黒色塗装等の黒色表面処理または艶消しや粗面処理等の反射抑制加工を行ったり、酸化被膜を形成したりして、ヨーク１の該面を低反射率（高放射率）とすれば、ヨーク１に伝わった（ヨーク１が吸収した）ロータ６からの熱をより効率良く外気に放射することができる。

以上説明した実施例では、ヨーク１の内周面に沿って複数のマグネット４が配置されていたが、円筒形状に形成された単一のマグネットがヨークの内周面に沿って配置されている場合でも、ヨーク内の空間を熱伝導部材を配置することで減らして、同様の効果を得ることができる。

また、上記実施例では直流モータについて説明したが、該実施例と同様の構成を交流モータに適用することも可能である。

以下、上述した実施例の直流モータと、図３に示すように熱伝導部材５を有さない直流モータとの熱伝達性能の違いを検証するために行った実験例について説明する。

図３（ａ），（ｂ）には、熱伝導部材５を有さない比較例としての直流モータの構成を示している。図３（ａ），（ｂ）は、実施例の直流モータを示した図１（ａ），（ｂ）に対応する図であり、比較例の直流モータの構成要素のうち実施例の直流モータの構成要素と同じものには図１（ａ），（ｂ）と同符号を付して説明に代える。

図３（ａ），（ｂ）に示す比較例の直流モータは、ヨーク１とロータ６との間に熱伝達部材５を有さず、ヨーク１の端面部１ａとマグネット４の先端側の端部との間の空間２１と、マグネット４の基端側の端部とエンドブラケット７との間の空間２２と、周方向におけるマグネット４間の空間２３とを有する。

図４には、実施例の直流モータと比較例の直流モータにおけるコイル１２の温度上昇を示したグラフである。いずれのモータにおいても、ヨーク１を亜鉛メッキ鋼板により形成し、ロータ６の回転を停止させた状態で端子１６に同一の一定電圧を印加し、熱電対をコイル１２に取り付けてその温度を計測した。

図４に示すように、コイル１２で発生する熱エネルギは同じであるにもかかわらず、実施例の直流モータの方が比較例の直流モータに比べて約７％だけコイル１２の温度（飽和温度）が低くなった。

また、別の実験例として、図３（ａ），（ｂ）に示した比較例の直流モータにおいてヨーク１の外面に艶消し黒色塗装を行った場合と行わない場合とでのコイル１２の温度上昇を計測した結果を図５に示す。いずれのモータにおいても、ヨーク１を亜鉛メッキ鋼板により形成し、ロータ６の回転を停止させた状態で端子１６に同一の一定電圧を印加し、熱電対をコイル１２に取り付けてその温度を計測した。

図５に示すように、コイル１２で発生する熱エネルギは同じであるにもかかわらず、艶消し黒色塗装を行った場合の方がそれを行わない場合に比べて約９％だけコイル１２の温度（飽和温度）が低くなった。

さらに別の実験例として、熱伝達部材５を有する実施例の直流モータにおけるヨーク１の外面に艶消し黒色塗装を行った場合と、熱伝達部材を有さない図３（ａ），（ｂ）に示した比較例の直流モータにおいてヨーク１の外面に艶消し黒色塗装を行わない場合とでのコイル１２の温度上昇を計測した結果を図６に示す。いずれのモータにおいても、ヨーク１を亜鉛メッキ鋼板により形成し、ロータ６の回転を停止させた状態で端子１６に同一の一定電圧を印加し、熱電対をコイル１２に取り付けてその温度を計測した。

図６に示すように、コイル１２で発生する熱エネルギは同じであるにもかかわらず、熱伝達部材５を有し、かつ艶消し黒色塗装を行った実施例の直流モータの方が、それらを有さない比較例の直流モータに比べて約１５％もコイル１２の温度（飽和温度）が低くなった。

これらの実験例から明らかなように、熱伝達部材５を有する方がこれを有さない場合よりもコイル１２の温度を低下させることができ、さらに艶消し黒色塗装等の低反射率処理を行った方が、よりコイル１２の温度を低下させることができる。

以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。

ロータを効率良く冷却することが可能な小型のモータを提供できる。

１ 金属製ヨーク
４ マグネット
５ 熱伝導部材
６ ロータ
７ エンドブラケット
１０ ロータ軸
１１ 電機子鉄心
１２ コイル
１６ 端子

Claims (7)

1. 軸方向の一端に端面部が形成され、他端に開口部が形成された筒形状を有する金属製ヨークと、
   該ヨークの周壁部の内周面に沿って配置されたマグネットと、
   該マグネットの内側に回転可能に配置されたロータと、
   前記ヨークの前記内周面に沿った領域であって前記マグネットが配置されていない第１の領域、前記端面部の内面に沿った第２の領域および前記開口部の内側の第３の領域に配置された電気絶縁性を有する熱伝導部材とを有することを特徴とするモータ。
2. 前記マグネットが、前記ヨークの周壁部の内周面に沿って周方向に複数配置されており、
   前記第１の領域は、前記複数のマグネットの間を含むことを特徴とする請求項１に記載のモータ。
3. 前記熱伝導部材のうち前記第１の領域に配置された部分の内周面と前記ロータの中心軸との間の径方向での最小距離が、前記各マグネットの内周面と前記中心軸との間の径方向での最小距離に等しいことを特徴とする請求項１または２に記載のモータ。
4. 前記熱伝導部材は、前記複数のマグネットを前記ヨークの前記内周面に沿うように保持するマグネット保持部を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のモータ。
5. 前記熱伝導部材のうち前記第３の領域に配置される部分は、前記ロータに巻き付けられたコイルに給電するための端子を保持することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のモータ。
6. 前記ヨークの外面に、黒色表面処理もしくは反射抑制加工が行われ、または酸化被膜が形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のモータ。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載のモータと、
   該モータの出力により駆動される被駆動部材とを有することを特徴とする装置。