JP3574581B2 - 小型モータ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、小型モータに関し、特に、振動を抑制し、共振のピークを発生させない小型モータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
中空筒状の金属ケース内面に、固定子側磁極としてマグネットを用いる小型モータが、自動車電装品等の駆動用として用いられている。このような小型モータの回転子側磁極としては、奇数極或いは偶数極のいずれのものも用いられている。例えば、図８に示すように、左右に位置する２極の固定子側磁極を構成するマグネット１に対して、回転子側に奇数極、例えば図示したように５極の積層コア８により構成される磁極を有する小型モータにおいて、２極のマグネット磁極に対して、図８に示すように、１つの回転子磁極がＸ軸上に位置するとき、５極の回転子磁極は、Ｙ軸を中心とした左右対称にはならない。しかし、さらに回転が進み、図９に示すように、１つの回転子磁極がＹ軸に一致するとき、Ｙ軸を中心として左右対称になる。このように、奇数極回転子は、固定子側磁極から見て、回転に応じて、対称、或いは非対称を繰り返すことになるので、振動の観点からは有利な構成とはいえない。
【０００３】
これに対して、２極のマグネット磁極に対して、回転子を、偶数極、例えば６極に構成すると、回転子のどの回転位置においても、左右対称となるから、偶数極回転子は、振動の観点からは有利な構成であるといえる。しかし、奇数極、或いは偶数極をそれぞれ有する小型モータを、事実上同一の条件（モータサイズ、電圧、電流等）にして比較した場合、奇数極回転子のモータの方が、大きなトルクを得ることができるということが従来より知られている。また、偶数極の場合は、コギングが問題になることもある。
【０００４】
このように、奇数極回転子モータは、大きなトルクを必要とする利用分野において必要性があり、かつ、同時に奇数極回転子モータの問題点である振動を抑制することが求められているが、従来、振動を抑制するという観点で、積層コアの形状は考慮されていなかった。即ち、図８及び図９に示す従来の積層コアの形状は、回転子突極磁極を構成するアーム部１６の幅、羽根部１７の厚みｔ、或いは隣接する羽根部１７間の距離については、振動抑制の観点で考慮されていなかった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、大きなトルクを得ることができるという奇数極回転子の特徴を維持したまま、振動を発生し易いという奇数極回転子の問題点を解決し、振動を抑制した小型モータを提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の小型モータは、マグネット１を内周面に取り付けた有底中空筒状のケース２と、該ケース２の開口部を閉じるように嵌着されかつブラシを取り付けたケース蓋５と、シャフト７上に積層コア８から構成される奇数個の突極磁極、該突極磁極に多極巻きした巻線９、及び整流子１０を取り付けた回転子とから構成されている。この突極磁極のそれぞれが、アーム部１６と、アーム部１６の先端において一体につながる両側に対称の羽根部１７とを有している。積層コア８は、ケイ素鋼板からプレス加工により打ち抜かれるが、その１枚の板厚をｕ、コアの径をＤ、羽根部１７のつけ根における径方向厚みをｔとしたときに、径方向厚みｔを、コア径Ｄに対する比として５．５％を上限とし、かつ板厚ｕを下限とする範囲内にある厚さにしたものである。これによって、大きなトルクを維持したまま、振動を抑制することができる。
【０００７】
また、本発明の小型モータは、羽根部１７の隣接する先端間の距離ｖを巻線の線径の１．２倍以上、かつ、［距離ｖ／外径Ｄ×極数］が０．２２以下にすることによりさらに振動を抑制することができる。
【０００８】
また、本発明の小型モータは、アーム部１７の幅ｗのコア径Ｄに対する比を、０．１４〜０．１６にすることにより、さらに振動を抑制することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の小型モータを、上半分を断面で示す縦断面図であり、また、図２は、回転子側及び固定子側の磁極の配置を示すため、図１に示した小型モータを横断面で示す図である。マグネット１は、金属材料により有底中空筒状に形成されたケース２の内周面に取り付けられている。このケース２の開口部は、ケース蓋５が嵌着されてそれによって閉じられている。ケース蓋５の中央部には、シャフト７のための軸受け６が収容される。シャフト７の他端は、有底中空筒状のケース２の底部中央に設けられた軸受け３によって支持されている。
【００１０】
このシャフト７には、詳細は後述する、本発明の特徴とする形状を有する積層コア８と、該積層コア８上に巻いた巻線９と、整流子１０とが備えられて、小型モータの回転子を構成している。また、本発明の巻線９は、多極巻に巻かれている。巻線９は、奇数極では５極以上においては通常、整流子上で切り替わる電圧及び電流の変動を極力小さくするために２極、或いは３極等の多極の回りに巻線する多極巻が行われるが、このような多極巻は、広い角度範囲をカバーすることになるので、磁束の変動が滑らかとなり、振動の点からも有利な構成となっている。
【００１１】
整流子１０に接触するブラシは、また通常のように、ケース蓋５に支持されると共に、ブラシに接続された入力端子１１が電気的接続のためにケース蓋５を貫通して外部に突出している。
【００１２】
図３は、本発明の５極の突極磁極を構成する積層コアを例示する図である。また、図４は、図３に示した積層コアに２極巻きした巻線９を整流子１０の側から見た図である。積層コア８は、通常のように、ケイ素鋼板から所定の形状にプレス加工により打ち抜いて積層することにより構成されている。この積層コア８は、中央にシャフト７が挿入されるシャフト用穴１４を有する環状部１５から、突極磁極数だけのアームが径方向に延びている。アームの先端には、左右対称に羽根部１７が形成されている。この積層コアのコア径をＤ、羽根部１７のつけ根（アームにつながる部分）における径方向羽根厚みをｔとする。このつけ根には、機械的強度を増すために通常、”Ｒ”が設けられているが、この羽根厚みｔは、”Ｒ”を除いた厚みである。
【００１３】
図５及び図６は、それぞれ図３及び図４と同様な図であるが、突極磁極が７極に構成され、かつ巻線が３極の回りに巻かれている点でのみ相違している。それ故、詳細な説明は省略するが、いずれにしても、本発明は、奇数極の突極磁極を有し、かつ巻線が多極巻きされる小型モータに適用することができる。
【００１４】

【００１５】
このような小型モータにおいて、本発明は、その積層コアの形状に特徴を有している。第一に、羽根部１７の厚みｔを可能な限り薄く構成することにより、振動を抑制することができる。第二に、１つの羽根部先端と、それに隣接する隣の磁極の羽根部先端との距離ｖを可能な限り狭くすることにより、振動を抑制することができる。第三に、アーム幅ｗを最適値に選択することにより振動を抑制することができる。
【００１６】
外径Ｄ＝２３ｍｍ、アーム幅ｗ＝３．４ｍｍのコアに対して、羽根厚みを変化させた場合の共振を、加速度Ｇで測定した結果を表１に示す。また、このグラフを図７に示す。この結果、羽根厚／外径を５．５％以下にすることにより、振動を十分に抑制できることがわかった。
【００１７】
また、羽根厚みの下限値は、加工精度により制限を受ける。積層コアは、例えば、０．３５ｍｍ或いは０．５ｍｍの板厚ｕのケイ素鋼板より打ち抜いて作成されるが、この板厚ｕより薄い幅で精度よく打ち抜くことは、一度抜きでは難しく、また、二度抜き以上ではプレス工数が増加し、製品としてもシャフト水平方向強度が低くなる。それ故、羽根厚みｔは、使用されるケイ素鋼板の、少なくとも板厚ｕ以上、望ましくは、その１．５倍以上とすることにより精度よく打ち抜き可能となる。
【００１８】

【００１９】
また、隣接する羽根部先端間の距離ｖを変化させて、共振（Ｇ）を測定したところ、先端間の距離ｖを狭くする方が、共振（Ｇ）を抑える効果のあることがわかった。上記表２は、距離ｖを変化させた場合の、モータ共振の原因となるＸ方向、及びＹ方向の磁気力を測定した結果である。本来、モータは、軸の回りに対称であって、Ｘ方向、Ｙ方向のいずれの方向においても磁気力が作用しないのが理想である。が、可能な限り小さい値にすることでも共振は低減できる。
【００２０】

【００２１】
このように、先端間の距離が狭いほど磁気力は小さくなっている。しかし、最低限巻線の線径以上の間隔をあけなければ、巻線をすることができない。要するに、先端間の距離ｖは、巻線に支障のない範囲でできるだけ狭くすることが望ましい。距離ｖを、線径の１．２倍以上、かつ、［距離ｖ／外径Ｄ×極数］が０．２２以下にすることにより、十分に共振を抑制することができた。
【００２２】
さらに、アーム幅ｗを変化させて、共振（Ｇ）を測定したところ、アーム幅ｗを広くする方が、共振（Ｇ）を抑える効果のあることがわかった。しかし、そのコア形状から理解できるように、アーム幅ｗを広くすると、巻線のためのスペースが減少するため、十分なトルクを得ることができない。共振を十分に抑えることのできる範囲で、アーム幅ｗを狭くすることが、高トルクを得るという観点で望ましい。アーム幅／外径を、０．１４〜０．１６にすることにより、振動を抑制し、かつ十分高トルクを得ることができる。
【００２３】
上記の表３は、本発明により作成された小型モータのＸ方向、Ｙ方向磁気力を測定した結果を示すと共に、従来構成と比較するものである。表３に見られるように、本発明は、磁気力をかなり改善したものであることがわかる。
【００２４】
【発明の効果】
本発明は、羽根部１７の径方向厚みｔを、コア外径Ｄに対する比として５．５％を上限とし、かつ板厚ｕを下限とする範囲内にある厚さにしたことにより、大きなトルクを得ることができるという奇数極回転子の特徴を維持したまま、振動を抑制することができるという効果を生じる。
【００２５】
また、本発明は、羽根部１７の隣接する先端間の距離ｖを、巻線の線径の１．２倍以上、かつ、［距離ｖ／外径Ｄ×極数］が０．２２以下にすることにより、さらに振動を抑制することができる。
【００２６】
また、本発明は、アーム部１７の幅ｗのコア径Ｄに対する比を、０．１４〜０．１６にすることにより、さらに振動を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の小型モータを、上半分を断面で示す縦断面図である。
【図２】回転子側及び固定子側の磁極の配置を示すため、図１に示した小型モータを横断面で示す図である。
【図３】本発明の５極の突極磁極を構成する積層コアを例示する図である。
【図４】図３に示した積層コアに２極巻きした巻線を整流子とは反対の側から見た図である。
【図５】図３と同様な図であるが、突極磁極が７極に構成された図である。
【図６】図４と同様な図であるが、突極磁極が７極に構成され、かつ巻線が３極の回りに巻かれた図である。
【図７】羽根厚みを変化させた場合の共振を、加速度Ｇで測定した結果をグラフにして示す図である。
【図８】従来技術の５極の積層コアにより構成される回転子磁極と２極のマグネット磁極の配置を示す図である。
【図９】図８と同様な従来技術を示す図であるが、図８よりも回転が進んだ状態を示す図である。
【符号の説明】
１ マグネット
２ ケース
３ 軸受け
５ ケース蓋
６ 軸受け
７ シャフト
８ 積層コア
９ 巻線
１０ 整流子
１４ シャフト用穴
１５ 環状部
１６ アーム部
１７ 羽根部

Claims (2)

1. マグネットを内周面に取り付けた有底中空筒状のケースと、該ケースの開口部を閉じるように嵌着されかつブラシを取り付けたケース蓋と、シャフト上に積層コアから構成される奇数個の突極磁極、該突極磁極に多極巻きした巻線、及び整流子を取り付けた回転子とから成る小型モータにおいて、
   前記突極磁極のそれぞれが、アーム部と、アーム部先端において一体につながる両側に対称の羽根部とを有し、
   板厚ｕのケイ素鋼板からプレス加工により打ち抜かれるコアの外径をＤ、羽根部のつけ根における径方向厚みをｔとしたときに、この径方向厚みｔを、コア外径Ｄに対する比として５．５％を上限とし、かつ板厚ｕを下限とする範囲内の厚さにし、
   前記羽根部の隣接する先端間の距離ｖを、巻線の線径の１．２倍以上、かつ、［距離ｖ／外径Ｄ×極数］が０．２２以下にした、
   ことを特徴とする小型モータ。
2. 前記アーム部の幅ｗのコア径Ｄに対する比を、０．１４〜０．１６にしたことを特徴とする請求項１に記載の小型モータ。

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