(57)【要約】【課題】モータ特性を良好に維持しつつコストダン及び軽量化が可能な直流モータを提供する。【解決手段】直流モータ１は、界磁マグネット２の磁極の中心部の外周面に凹部２ａが形成されており、凹部２ａのモータの回転中心に対する開放角θは０°＜θ＜１５°の範囲内にあり、かつ、凹部２ａの深さＤと界磁マグネット２の肉厚最厚部の厚さＴとの比率Ｄ/Ｔは０．０１＜Ｄ/Ｔ＜０．２の範囲内にある。【選択図】図１
2010259197.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性材料から形成された筒状のモータフレームと、該モータフレームの内周面に沿って固定された界磁マグネットと、界磁マグネットの内側に収容され、巻線が巻装された放射状のティースを有するアマチュアコアとを備えた直流モータにおいて、前記界磁マグネットの磁極の中心部の外周面に凹部が形成されており、該凹部のモータの回転中心に対する開放角θは０°＜θ＜１５°の範囲内にあり、かつ、前記凹部の深さＤと前記界磁マグネットの肉厚最厚部の厚さＴとの比率Ｄ/Ｔは０．０１＜Ｄ/Ｔ＜０．２の範囲内にあることを特徴とする直流モータ。
【請求項２】
前記モータフレームの断面は、角部が円弧状の略四角形をなし、前記界磁マグネットは、前記磁極の中心部が前記モータフレームの前記角部をなす円弧の周方向の中央部の内側に配置され、前記磁極の中心部から端部に向かって肉厚が次第に減少することを特徴とする請求項１に記載の直流モータ。
【請求項３】
前記界磁マグネットは、１つの磁石からなることを特徴とする請求項２に記載の直流モータ。
【請求項４】
前記界磁マグネットは、４つの磁石からなることを特徴とする請求項２に記載の直流モータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は直流モータに関し、特にモータ特性を良好に維持しつつコストダウン及び軽量化が可能な小型の直流モータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、筒状のヨークと、そのヨークの内周面に沿って固定された界磁マグネットと、ヨーク内に収容され巻線が巻装された放射状のティースを有するアマチュアコアとを備えた直流モータにおいて、形状の小型化と取り付け易さから、断面形状を略四角形としたヨークと、ヨークの内周面に沿って固定された一体形の界磁マグネットと、ヨーク内に収容され巻線が巻装された放射状のティースを有するアマチュアコアとを備えた構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図５は、特許文献１に記載の小型直流モータ３０の構成を示す断面図である。小形直流モータ３０は、モータフレーム３１と、界磁マグネット３２と、シャフト３３を備えている。モータフレーム３１は、一定板厚を有しており、その断面形状は、四角形の各辺の一部を残しながら角部を内側に押し潰した形状により、直線と円弧の組み合わせで構成されている。また、界磁マグネット３２は、内側に円周面を有し、外側をモータフレーム３１に密接させた形状を有しており、磁極の中心部分（肉厚最厚部）の半径方向の厚さＬ２と、磁極の切り替わる部分（肉厚最薄部）の半径方向の厚さＬ１との比率Ｌ２／Ｌ１は２〜３の範囲に設定され、界磁マグネット３２の角部Ｒをなす円弧の曲率半径は、シャフト３３の中心から界磁マグネット３２の内周面までの長さの５％〜８５％の範囲に設定されている。
【０００４】
小形直流モータ３０では、モータフレーム３１の基本的な断面形状を界磁マグネット３２の磁極数と同数の角部を有する四角形にすることで、回転方向に正弦波状磁化特性を得るために必要な界磁マグネット３２の磁極の中心部の厚さを減らすことなく、モータを小型化することが図られている。
【０００５】
一般に、この種の直流モータでは、大きなモータトルクを発生させるために、界磁マグネットとして希土類ボンド磁石が用いられる。しかしながら、近年、モータは、小型化、軽量化と共にコストダウンが強く求められており、この点に関して希土類ボンド磁石は、従来のフェライト系磁石に比べて磁石性能に優れる反面、希土類元素を用いているため材料コストが高いものである。したがって、この種の直流モータの軽量化と共にコストダウンを図るためには、界磁マグネットの使用量を少しでも低減することがより有効であり、そのための一つの手段として、界磁マグネットに凹部を形成することが考えられる。
【０００６】
例えば、従来、界磁マグネットの磁極中央部に凹部を形成し、この凹部に接着剤を充填して界磁マグネットをモータフレームに固着したモータが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００７】
図６は、特許文献２に記載のモータを示す断面図である。このモータは、ヨーク４１を兼ねたモータケース４５と、マグネット４２と、軸受４９に回転自在に支持されたシャフト４８を備えており、マグネット４２の中心に凹部４７を形成し、この凹部４７とモータケース４５との間の間隙に接着剤４４を充填することにより、モータケース４５の内周面にマグネット４２の外周面を密着させて、マグネット４２をモータケース４５に固着している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−６６８８号公報（図３）
【特許文献２】特開平１−１８５１５５号公報（第３図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、図６に示すモータのように、マグネット４２に凹部４７を形成することは、モータの軽量化及び低コスト化を図る上では有効であるものの、モータの起動トルク及びコギングトルク等に影響を及ぼし、モータ特性を劣化されるおそれがある。この点に関して、特許文献２には、凹部４７とモータケース４５との間の間隙に接着剤４４を充填できることが記載されているのみであって、マグネット４２の中心に形成した凹部４７の形状のモータ特性への影響については記載されていない。
【００１０】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、モータ特性を良好に維持しつつコストダウン及び軽量化が可能な直流モータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者は、コストダウン及び軽量化を図るために界磁マグネットの磁極の中心部に凹部を形成した場合、その凹部の形状がモータ特性（特に、起動トルク及びコギングトルク）に及ぼす影響に着目して鋭意検討した結果、モータの起動トルクを低減することなく、かつ、コギングトルクを低減することが可能な適切な形状を見出し、本発明に至った。
【００１２】
以下の発明の態様は、本発明の構成を例示するものであり、本発明の多様な構成の理解を容易にするために、項別けして説明するものである。各項は、本発明の技術的範囲を限定するものではなく、発明を実施するための最良の形態を参酌しつつ、各項の構成要素の一部を置換し、削除し、又は、さらに他の構成要素を付加したものについても、本願発明の技術的範囲に含まれ得るものである。
【００１３】
（１）磁性材料から形成された筒状のモータフレームと、該モータフレームの内周面に沿って固定された界磁マグネットと、界磁マグネットの内側に収容され、巻線が巻装された放射状のティースを有するアマチュアコアとを備えた直流モータにおいて、前記界磁マグネットの磁極の中心部の外周面に凹部が形成されており、該凹部のモータの回転中心に対する開放角θは０°＜θ＜１５°の範囲内にあり、かつ、前記凹部の深さＤと前記界磁マグネットの肉厚最厚部の厚さＴとの比率Ｄ/Ｔは０．０１＜Ｄ/Ｔ＜０．２の範囲内にあることを特徴とする直流モータ（請求項１）。
【００１４】
（２）（１）項に記載の直流モータにおいて、前記モータフレームの断面は、角部が円弧状の略四角形をなし、前記界磁マグネットは、前記磁極の中心部が前記モータフレームの前記角部をなす円弧の周方向の中央部の内側に配置され、前記磁極の中心部から両端部に向かって肉厚が次第に減少することを特徴とする直流モータ（請求項２）。
【００１５】
（３）（２）項に記載の直流モータにおいて、前記界磁マグネットは、１つの磁石からなることを特徴とする直流モータ（請求項３）。
【００１６】
（４）（２）項に記載の直流モータにおいて、前記界磁マグネットは、４つの磁石からなることを特徴とする直流モータ（請求項４）。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、界磁マグネットに凹部を形成したことにより、界磁マグネットの材料コストを低減し、ひいてはこの界磁マグネットを備えるモータのコストを低減することが可能となると同時に、界磁マグネットの磁極の中心部に形成される凹部の形状を、凹部のモータ中心に対する開放角θを０°＜θ＜１５°の範囲内とし、かつ、前記凹部の深さＤと前記界磁マグネットの肉厚最厚部の厚さＴとの比率Ｄ/Ｔを０．０１＜Ｄ/Ｔ＜０．２の範囲内としたことにより、凹部が形成された界磁マグネットを備えるモータの起動トルクを低減することなく、コギングトルクを低減することが可能となる。これによって、モータ特性を良好に維持しつつコストダウン及び軽量化が可能な直流モータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１の実施形態における直流モータの、回転軸に垂直な断面を示す断面図である。
【図２】図１に示す直流モータにおいて、界磁マグネットに形成される凹部の深さＤと界磁マグネットの肉厚最厚部の厚さＴとの比率Ｄ/Ｔに対するモータの起動トルク及びコギングトルクのシミュレーション結果を示すグラフである。
【図３】図１に示す直流モータにおいて、界磁マグネットに形成される凹部の開放角θに対するモータの起動トルク及びコギングトルクのシミュレーション結果を示すグラフである。
【図４】本発明の第２の実施形態における直流モータの、モータの回転軸に垂直な断面を示す断面図である。
【図５】従来の直流モータの構成の例を示す断面図である。
【図６】従来の直流モータの構成の他の例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態における直流モータ１の、回転軸に垂直な断面を示す断面図である。図１に示すように、本発明の第１の実施形態における直流モータ１は、略四角形の断面を有する筒状のモータフレーム３と、モータフレーム３の内周面に沿って固定された１つの永久磁石からなる界磁マグネット２と、界磁マグネット２の内側に収容されたアマチュアコア８とを含んでいる。モータフレーム３は、一定板厚の磁性材料から形成され、略四角形をなす断面の各角部３ａは、円弧状に形成されている。
【００２０】
界磁マグネット２は、モータフレーム３の内周面に沿った外周面と、断面が円周状の内周面とを有しており、モータフレーム３の４つの角部３ａをなす円弧の周方向の中央部の内側に配置される部分が、それぞれ磁極の中心部となり、各角部３ａについて、その角部３ａに連接する両辺の中央部の内側に配置される部分が、各磁極の両端部（すなわち、磁極が切り替わる部分）となるように着磁されている。
【００２１】
また、界磁マグネット２の、各角部３ａに沿った外周をなす円弧の曲率半径は、界磁マグネット２の内周をなす円の曲率半径よりも小さくなるように形成されており、界磁マグネット２の半径方向の肉厚は、それぞれの磁極について、磁極の中心部（肉厚最厚部）から両端部（肉厚最薄部）に向かって次第に減少する。
【００２２】
そして、直流モータ１において、界磁マグネット２の各磁極の中心部の外周面には、後述する所定の深さＤ及び開放角θを有し、直流モータ１の回転軸方向で界磁マグネット２の全長にわたって延びる溝状の凹部２ａが、それぞれ形成されている。本実施形態において、４つの凹部２ａは、すべて同じ形状である。なお、凹部２ａは少なくともアマチュアコア８と対向する長さにわたって形成されていれば、界磁マグネット２の全長にわたって形成されていなくともよい。
【００２３】
界磁マグネット２は、好ましくは希土類ボンド磁石（例えば、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系希土類磁石、Ｓｍ−Ｆｅ−Ｎ系希土類磁石など）にて形成され、例えば接着剤にて、モータフレーム３の側に固着されている。尚、本発明は、固着のための接着剤を充填する箇所によって限定されるものではないが、例えば、凹部２ａに接着剤を充填し、界磁マグネット２の外周面をモータフレーム３の内周面に密接させて固着するものであってもよい。
【００２４】
界磁マグネット２の内側には、等間隔に配置された１０個のティース９を有するアマチュアコア８が収容されている。アマチュアコア８は、ケイ素鋼板などの磁性材を複数枚積層して構成され、それぞれのティース９には巻線（図示省略）が巻装されて、シャフト７に装着されている。シャフト７は、図示しない軸受にて回転可能に支持されて、直流モータ１の回転軸をなすものである。
【００２５】
直流モータ１において、界磁マグネット２の内周面の曲率半径の中心と、アマチュアコア８のティース９の外周面の曲率半径の中心は、ともにモータの回転中心（すなわち、シャフト７の軸心）に一致し、界磁マグネット２の内周面とティース９の外周面の間には、一定の空隙が設けられている。
【００２６】
以上のように、図１に示す直流モータ１は、界磁マグネット２が４極であり、１０個のティース９を有する、いわゆる４極１０スロットのモータを構成している。
【００２７】
次に、図２及び図３を参照して、図１に示す直流モータ１において、界磁マグネット２の磁極の中心部の外周面に形成した凹部２ａの形状、及びそのモータ特性に及ぼす影響について説明する。尚、本発明において、凹部２ａの形状は、モータの回転中心に対する開放角θ（図１において、モータの回転中心から凹部２ａの周方向の延長を見込む角度）と、深さＤ（凹部２ａの周方向の延長の中央部における、界磁マグネット２の（凹部２ａがない場合の）仮想的な外周面から凹部２ａの底面までの、半径方向の距離）によって特定される。
【００２８】
ここで、周知のように、良好なモータ特性を得るためには、起動トルクについては十分な大きさを確保することが望ましく、一方、コギングトルクについては、その増大によりモータの滑らかな回転を阻害することから、一般にはできるだけ低く抑えることが望ましい。本発明者は、このような観点から、凹部２ａの形状のモータ特性に及ぼす影響を検討した結果、以下のように、最適な形状を見出した。
【００２９】
図２は、図１に示す直流モータ１において、凹部２ａの深さＤと界磁マグネット２の肉厚最厚部の厚さＴとの比率Ｄ/Ｔ（以下、単にＤ／Ｔともいう）に対する起動トルク及びコギングトルクのシミュレーション結果を示すグラフである。図２において、起動トルク及びコギングトルクは、それぞれＤ／Ｔが０のとき（すなわち、凹部２ａが形成されていないとき）の値を１００とする相対値で示されており、また、このシミュレーションにおいて、凹部２ａのモータ中心に対する開放角θは、１０°に設定されている。
【００３０】
図２に示すように、一般に、Ｄ／Ｔが大きくなると、モータの起動トルク及びコギングトルクは減少する。これは、界磁マグネット２の、凹部２ａが形成された部分である肉厚最厚部の厚さＴ対して、凹部２ａの深さＤの値が大きくなると、界磁マグネット２の磁束密度が減少するためであると考えられる。しかしながら、図２から、起動トルクは、Ｄ/Ｔが約０．２までは殆ど減少せず、約０．２を境として大きく減少する傾向を示すことが分かる。
【００３１】
したがって、図２に示す結果から、凹部２ａの形状を、Ｄ/Ｔが０．２よりも小さくなるように形成することが望ましい。さらに、コギングトルクの低減も考慮すると、凹部２ａの形状を、Ｄ/Ｔが０．０１＜Ｄ／Ｔ＜０．２の範囲内となるように形成することが、より望ましいものである。これによって、磁極の中心の外周面に凹部２ａが形成された界磁マグネット２を備える直流モータ１において、その起動トルクを殆ど低減させることなく、また、コギングトルクを低減することができる。
【００３２】
図３は、図１に示す直流モータ１において、凹部２ａのモータの回転中心に対する開放角θ（以下、単にθともいう）に対する起動トルク及びコギングトルクのシミュレーション結果を示すグラフである。図３において、起動トルク及びコギングトルクは、それぞれ開放角θが０°のときの値を１００及び１０とする相対値で示されており、また、このシミュレーションにおいて、Ｄ／Ｔは０．１５に設定されている。
【００３３】
図３から分かるように、起動トルクは、開放角θが大きくなるほど減少し、詳しくは、約１５°を境にして大きく減少する傾向を示す。また、コギングトルクは、開放角θが０°〜約２°に増大する範囲で一旦減少し、約２°〜約１０°の範囲ではほぼ一定であり、約１０°を超えると、再び増大する傾向を示す。したがって、凹部２ａを、その開放角θが０°＜θ＜１５°の範囲内となるように形成することによって、モータの起動トルクを殆ど減少させることなく、コギングトルクを低減することができる。また、より望ましくは、凹部２ａを、開放角θが２°＜θ＜１０°の範囲内となるように形成することによって、モータの起動トルクを殆ど減少させることなく、コギングトルクをより大きく低減することができる。
【００３４】
本実施形態における直流モータ１は、界磁マグネット２に凹部２ａを形成したことにより、界磁マグネット２の材料コストを低減するとともに、その凹部２ａの形状を、凹部２ａの深さＤと界磁マグネット２の肉厚最厚部の厚さＴとの比率Ｄ/Ｔを、０．０１＜Ｄ／Ｔ＜０．２の範囲内（例えば、Ｄ／Ｔ＝０．１５）とし、凹部２ａのモータの回転中心に対する開放角θを、０°＜θ＜１５°の範囲内（例えば、θ＝１０°）とすることによって、直流モータ１の起動トルクを低減することなく、コギングトルクを低減するものである。
【００３５】
図４は、本発明の第２の実施形態における直流モータ１０の、回転軸に垂直な断面を示す断面図である。本実施形態における直流モータ１０について、第１の実施形態の直流モータ１と共通の構成要素には同じ符号を付して参照し、その説明は省略する。
【００３６】
図４に示す直流モータ１０は、モータフレーム３の内周面に沿って固定された４つの永久磁石からなる界磁マグネット１２を備え、界磁マグネット１２が有する４つの磁極を、全て同一の形状に形成された個別の永久磁石で構成している点で、図１に示す直流モータ１と相違するものである。
【００３７】
本実施形態では、界磁マグネット１２を構成する４つの永久磁石は、それぞれモータフレーム３の内周面に沿った外周面を有し、また、各永久磁石の内周面の断面は、モータフレーム３の内側に界磁マグネット１２を配置したときに同一の円周に含まれる円弧を形成するものである。また、４つの永久磁石のそれぞれが、モータフレーム３の角部３ａをなす円弧の周方向の中央部の内側に配置されて磁極の中心部となる部分と、その角部３ａに連接する両辺の内側に沿って配置される部分を有しており、その形状上の両端部が磁極の両端部に一致する。さらに、界磁マグネット１２を構成する各永久磁石は、モータフレーム３の内側に界磁マグネット１２を配置したときに、各永久磁石の端部が、隣接する永久磁石の端部と一定の間隙をおいて対向するように形成されている。
【００３８】
そして、界磁マグネット１２を構成する各永久磁石について、モータフレーム３の角部３ａに沿った外周をなす円弧の曲率半径は、内周をなす円弧の曲率半径よりも小さく、界磁マグネット１２の半径方向の肉厚は、それぞれの磁極について、磁極の中心部（肉厚最厚部）から端部（肉厚最薄部）に向かって次第に減少する。
【００３９】
直流モータ１０においても、界磁マグネット１２の各磁極の中心部の外周面には、後述する所定の深さＤ及び開放角θを有し、直流モータ１の回転軸方向に延びる溝状の凹部１２ａが、それぞれ形成されており、４つの凹部１２ａは、全て同じ形状である。
【００４０】
直流モータ１０は、凹部１２ａのモータ中心に対する開放角θ、及び凹部１２ａの深さＤと界磁マグネット１２の肉厚最厚部の厚さＴとの比率Ｄ/Ｔを、第１の実施形態における直流モータ１と同様の範囲に設定することによって、同様の作用効果を奏する。また、直流モータ１０は、直流モータ１と比較して、界磁マグネット１２の材料コストを低減する上で有利な構成である。
【００４１】
以上、本発明を好ましい実施形態に基づいて説明したが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で種々の変形が可能なものである。
【符号の説明】
【００４２】
１，１０：直流モータ、２，１２：界磁マグネット、２ａ，１２ａ：凹部、３：モータフレーム、３ａ：角部、７：シャフト、８：アマチュアコア、９：ティース、Ｄ：凹部の深さ、Ｔ：界磁マグネットの肉厚最厚部の厚さ、θ：凹部のモータの回転中心に対する開放角
【図１】
2010259197.tif 000003
【図２】
2010259197.tif 000004
【図３】
2010259197.tif 000005
【図４】
2010259197.tif 000006
【図５】
2010259197.tif 000007
【図６】
2010259197.tif 000008