(57)【要約】【課題】コギングトルクの発生を抑えることができる技術を提供する。【解決手段】幅の異なる２種類の界磁マグネットを各磁極において軸方向に並べて配置する。ここで、各磁極における界磁マグネットの幅を変えると、コギングトルクの波形の位相が変化することを利用し、幅の異なる界磁マグネットのそれぞれが単体で存在する場合に生じるコギングトルクの出力波形の位相を各界磁マグネットが単体の場合において、逆位相になるようにする。これにより、この２種類のマグネットを各磁極に軸方向で隣接して配置すると、２つのコギングトルクの波形が合成されることで打ち消し合い、コギングトルクの波形のピークの値を抑えることができる。【選択図】図４
2010136541.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
環状のヨークと、
前記ヨークの内周面に沿って固定され、それぞれが磁極を構成する複数の独立した界磁マグネット部と、
前記ヨーク内に収容された複数の突極を有する回転子と
を備え、
前記界磁マグネット部は、軸方向に配置された第１の界磁マグネットと第２の界磁マグネットを備え、
前記第１の界磁マグネットのみを備え、前記第２の界磁マグネットを備えない場合に得られるコギングトルクの周期波形の位相と、前記第２の界磁マグネットのみを備え、前記第１の界磁マグネットを備えない場合に得られるコギングトルクの周期波形の位相とが逆位相または略逆位相であることを特徴とする直流モータ。
【請求項２】
環状のヨークと、
前記ヨークの内周面に沿って固定され、それぞれが磁極を構成する複数の独立した界磁マグネット部と、
前記ヨーク内に収容された複数の突極を有する回転子と
を備え、
前記界磁マグネット部は、軸方向に配置された第１の界磁マグネットと第２の界磁マグネットを備え、
前記第１の界磁マグネットの回転軸から見た放射方向の開き角と前記第２の界磁マグネットの回転軸から見た放射方向の開き角とが異なっていることを特徴とする直流モータ。
【請求項３】
前記第１の界磁マグネットのみを備え、前記第２の界磁マグネットを備えない場合に得られるコギングトルクの周期波形の位相と、前記第２の界磁マグネットのみを備え、前記第１の界磁マグネットを備えない場合に得られるコギングトルクの周期波形の位相とが逆位相または略逆位相であ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】
前記第１の界磁マグネットと前記第２の界磁マグネットとが一体に形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項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、直流モータに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、リング磁石に溝を付け、その溝の幅を軸方向で変えることで、コギングトルクの高調波を低減する構成が記載されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−５７９４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載された技術では、コギングトルクの高調波を低減する構成であるので、基本波となるコギングトルクを抑える効果は十分でない。より詳細にいうと、特許文献１に記載された技術では、界磁マグネットがリング磁石であるので、界磁マグネットの各磁極において、隣接した磁極から流れ込む磁束の影響が少なからずある。この隣接した磁極から流れ込む磁束は、コギングトルクが発生する要因となる。したがって、特許文献１に記載された技術では、コギングトルク自体の発生を抑えることは基本的に困難である。
【０００５】
本発明は、コギングトルクの発生を抑えることができる技術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】
【０００６】
請求項１に記載の発明は、環状のヨークと、前記ヨークの内周面に沿って固定され、それぞれが磁極を構成する複数の独立した界磁マグネット部と、前記ヨーク内に収容された複数の突極を有する回転子とを備え、前記界磁マグネット部は、軸方向に配置された第１の界磁マグネットと第２の界磁マグネットを備え、前記第１の界磁マグネットのみを備え、前記第２の界磁マグネットを備えない場合に得られるコギングトルクの周期波形の位相と、前記第２の界磁マグネットのみを備え、前記第１の界磁マグネットを備えない場合に得られるコギングトルクの周期波形の位相とが逆位相または略逆位相であることを特徴とする直流モータである。
【０００７】
本発明者らは、界磁マグネットを磁極部毎に分離し、この界磁マグネットの幅（周方向の長さ）を変えた場合のコギングトルクのコンピュータシミュレーションを行った。この結果、上記界磁マグネットの幅を変えると、コギングトルクの波形の位相が変わることを見出した。ここでコギングトルクの波形というのは、コギングトルクの時間変化をグラフ化した場合に得られる波形のことである。
【０００８】
一方、同一周期で位相が１８０°（π）異なる２つの波形を重ね合わせることで打ち消し合いが行われ、重ね合わせた後の波形の振幅を小さくできる原理が知られている。本発明は、この原理と上記のシミュレーションの結果に基づくもので、磁極部において界磁マグネットを軸方向に２つ並べて配置し、一方の界磁マグネットの影響で発生するコギングトルクの波形と、他方の界磁マグネットの影響で発生するコギングトルクの波形とが逆位相となるように、２つの界磁マグネットの幅を互いに異なる値とすることを態様の一つする。
【０００９】
つまり、各磁極部に独立に配置された磁極部を構成する界磁マグネットを更に軸方向で２分割し、これら両界磁マグネットそれぞれの幅を上記コギングトルクの逆位相条件が成立する第１の幅および第２の幅とすることで、基本的にコギングトルク自体の発生を抑えることを態様の一つとする。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、環状のヨークと、前記ヨークの内周面に沿って固定され、それぞれが磁極を構成する複数の独立した界磁マグネット部と、前記ヨーク内に収容された複数の突極を有する回転子とを備え、前記界磁マグネット部は、軸方向に配置された第１の界磁マグネットと第２の界磁マグネットを備え、前記第１の界磁マグネットの回転軸から見た放射方向の開き角と前記第２の界磁マグネットの回転軸から見た放射方向の開き角とが異なっていることを特徴とする直流モータである。
【００１１】
請求項２に記載の発明において「回転軸から見た放射方向の開き角」というのは、界磁マグネットの周方向の長さ（幅）を角度で測った値であり、回転軸から見た界磁マグネットの周方向の両端の縁の開き角である。
【００１２】
請求項２に記載の発明によれば、第１の界磁マグネットの回転軸から見た放射方向の開き角と、第２の界磁マグネットの回転軸から見た放射方向の開き角とを違う角度とすることで、請求項１に関連して説明したのと同様の原理により、一方の界磁マグネットに起因するコギングトルクの波形が、他方の界磁マグネットに起因するコギングトルクの波形により打ち消される構成を実現できる。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記第１の界磁マグネットのみを備え、前記第２の界磁マグネットを備えない場合に得られるコギングトルクの周期波形の位相と、前記第２の界磁マグネットのみを備え、前記第１の界磁マグネットを備えない場合に得られるコギングトルクの周期波形の位相とが逆位相または略逆位相であることを特徴とする。請求項３に記載の発明によれば、コギングトルクの位相が逆位相となるように、回転軸から見た放射方向の開き角の違いが設定される。これにより、上述したコギングトルク波形の打ち消し効果によるコギングトルクの低減作用を得ることができる。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の発明において、第１の界磁マグネットと第２の界磁マグネットとが一体に形成されていることを特徴とする。第１の界磁マグネットと第２の界磁マグネットとは、分離されていても、一体であってもよい。請求項４に記載の発明によれば、第１の界磁マグネットと第２の界磁マグネットとが一体となった場合が規定される。この場合、磁極を構成する界磁マグネット部が、第１の界磁マグネットと第２の界磁マグネットに相当する部分を含む構造となる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、コギングトルクの発生を抑えることができる直流モータを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
（１）第１の実施形態
（全体の概要）
図１は、発明を利用した直流モータを軸に平行な面で切った断面を斜め方向から見た断面斜視図である。図１には、直流モータ１が示されている。直流モータ１は、磁性体により構成される角が丸い角筒形状のモータフレームを兼ねるヨーク２を備えている。ヨーク２の４箇所の角部３（図１では２箇所が示されている）には、軸方向に隣接して配置された界磁マグネット４ａと４ｂが配置されている。これら界磁マグネット４ａと４ｂにより磁極を構成する界磁マグネット部４が構成されている。界磁マグネット部４と同様な構造が、ヨーク２の内側の４角に配置されている。これら４つの界磁マグネット部４は、同じ構造とされ、また互いに分離された独立した構造とされている。
【００１７】
ヨーク２の内側における４角の界磁マグネット部４の内周は、円周面の一部を構成する形状とされ、その円周面の内側に回転子（回転子鉄心）６が配置されている。回転子６は、６個の突極７を備え、回転軸５に固定されている、回転軸５は、ベアリング８によりヨーク２に回転可能な状態で支持されている。回転子６の突極７のそれぞれには、図示省略した巻線が巻かれ、コイルが形成されている。回転軸５には、図示省略したブラシ機構が固定されておりヨーク２側に配置された図示省略した給電機構から駆動電力の供給を受けることで、回転子６が軸５と共に、ヨーク２に対して回転する。この回転の機構は、通常の直流モータと同じである。
【００１８】
図２は、界磁マグネット部４の詳細を示す斜視図である。図２（Ａ）には、永久磁石により構成される界磁マグネット４ａと４ｂが示されている。界磁マグネット４ａと４ｂは、軸方向に隣接して配置されている。図２（Ｂ）には、ヨーク２内に固定された界磁マグネット４ａと４ｂが示されている。
【００１９】
界磁マグネット４ａと４ｂは、周方向における幅が異なっている。ここでは、この周方向の幅を、回転軸から見た放射方向の開き角によって定義する。図３は、直流モータ１を軸に垂直な平面で切った断面を示す断面図（軸方向から見た断面図）である。図３（Ａ）には、界磁マグネット４ａの部分の断面構造が示され、図３（Ｂ）には、界磁マグネット４ｂの部分の断面構造が示されている。なお、界磁マグネット４ａと４ｂの幅方向の中心は、一致させた状態とされている。
【００２０】
図３におけるθａとθｂとが、回転軸から見た放射方向の開き角である。この例では、θａ＞θｂの寸法関係とされている。すなわち、周方向における幅で見て、界磁マグネット４ａは相対的に幅広で、界磁マグネット４ｂは相対的に幅狭とされている。
【００２１】
（製造方法）
θａとθｂとの決め方の一例を説明する。まず、界磁マグネット４ａを４つ備え、界磁マグネット４ｂを備えない構造を想定し、コンピュータシミュレーションにより、コギングトルクの波形を算出する。この際、θａの値は、当該直流モータの界磁マグネットとして適切な値から選択する。次に、界磁マグネット４ｂを４つ備え、界磁マグネット４ａを備えない構造を想定し、コンピュータシミュレーションにより、コギングトルクの波形を算出する。この際、θｂの値をθａの値よりも小さな値とし、コギングトルクの波形が界磁マグネット４ａのみの場合に比較して位相が１８０°ずれるもの（逆位相のもの）が得られるように、θｂの値を調整する。ここで、界磁マグネット４ｂは、界磁マグネット４ａの両端を均等に削り落とした形状とする。
【００２２】
このようにして得られた界磁マグネット４ａのみの場合のコギングトルクの波形と、界磁マグネット４ｂのみの場合のコギングトルクの波形とを図４に示す。図４の横軸は、波形の位相角であり、縦軸は、コギングトルクの値の相対値である。
【００２３】
図４には、コギングトルクの波形が示されている。コギングトルクは、回転子を外部から強制的に回転させた場合に現れる抵抗力の変動である。この変動は、図４に示すように周期的に変動する。この例では、回転子を１回転させると、１８周期のコギングトルクの周期的な変動が計測される。
【００２４】
図４には、界磁マグネット４ａのみの場合のコギングトルクの波形と、界磁マグネット４ｂのみの場合のコギングトルクの波形とが、１８０°の位相差（逆位相）を有している状態が示されている。そして、図４には、両波形を合成した波形が合成波形として示されている。図４に示すように界磁マグネット４ａと４ｂを備えた直流モータ１では、コギングトルクの値が抑えられる。
【００２５】
すなわち、界磁マグネット４ａに起因するコギングトルクの波形と、界磁マグネット４ｂに起因するコギングトルクの波形とが逆位相であるので、両界磁マグネットを用いた場合、逆位相の波形は完全ではないが打ち消し合い、それによりコギングトルクのピーク値が抑えられる。
【００２６】
（検証）
上記シミュレーションの結果に基づき、以下３つのサンプルを試作した。
（第１サンプル）
界磁マグネット４ａを備え、界磁マグネット４ｂを備えない直流モータ。
（第２サンプル）
界磁マグネット４ｂを備え、界磁マグネット４ａを備えない直流モータ。
（第３サンプル）
界磁マグネット４ａと界磁マグネット４ｂを備えた直流モータ。
【００２７】
各サンプルは、界磁マグネット以外の部分は同じとした。また、磁石の材料は、Ｎｄ―Ｆｅ―Ｂ系の希土類ボンド磁石を用いた。ここで、ボンド磁石というのは、樹脂粉末と磁石粉末とを混合した原料粉末を用いた射出成型法により、形成した磁石のことをいう。この製造法では、上記原料粉末を加熱して樹脂成分を溶融させ、射出成形を行う。その後、外部から磁束を加えて、上記磁石粉末の結晶軸の制御を行うことで、界磁マグネットを得る。
【００２８】
そして、各サンプルのコギングトルクの測定を行った。使用した測定装置では、コギングトルクの角度依存性を測定できない（平均値が測定される）ので、図４のシミュレーション結果から算出された平均値と、測定された平均値とを比較した。この結果、各サンプルにおいて、±２０％の範囲内でコギングトルクの値（平均値）の一致が確認された。これにより、逆位相を示すコギングトルク波形を用いた打ち消し作用によるコギングトルクの低減効果が確認された。
【００２９】
以上述べたように、本実施形態では、幅の異なる２種類の界磁マグネットを各磁極に軸方向に並べて配置する。ここで、各磁極における界磁マグネットの幅を変えると、コギングトルクの波形の位相が変化することを利用し、幅の異なる界磁マグネットのそれぞれが単体で存在する場合に生じるコギングトルクの出力波形の位相を各界磁マグネットの単体の場合において、逆位相になるようにする。これにより、この２種類のマグネットを各磁極に軸方向で隣接して配置すると、２つのコギングトルクの波形が合成されることで打ち消し合い、コギングトルクの波形のピークの値を抑えることができる。
【００３０】
（２）第２の実施形態
図１では、ヨークが角の丸い４角の断面形状を有した角筒の場合の例を説明したが、ヨークの外形の形状が円形の直流モータに本発明を適用することもできる。この場合、４分割された円弧形状の界磁マグネット部を備え、各界磁マグネット部において、軸方向に隣接して回転軸から見た放射方向の開き角の異なる第１の界磁マグネットと第２の界磁マグネットが配置される。
【００３１】
（その他）
界磁マグネットの磁極の数は、４に限定されない。回転子も図示する６スロットに限定されない。界磁マグネットを構成する材料は、Ｓｍ―Ｆｅ―Ｎ系の希土類磁石やフェライト磁石であってもよい。これらの磁石は、ボンド磁石であっても焼結磁石であってもよい。
【００３２】
界磁マグネット４ａと４ｂとを一体物として形成してもよい。この場合、磁極を構成する界磁マグネット部が、界磁マグネット４ａと界磁マグネット４ｂに相当する部分を含む構造となる。
【００３３】
図示する例では、界磁マグネット４ａと４ｂそれぞれの幅寸法は、軸方向において一定の値とされている。この形状に限定されず、界磁マグネット４ａと４ｂそれぞれの幅寸法を、軸方向において変化する値としてもよい。この場合、その幅の平均値で界磁マグネットの幅を把握すればよい。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明は、直流モータに利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】発明を利用した直流モータを軸に平行な面で切った断面を斜め方向から見た断面斜視図である。
【図２】界磁マグネットの配置の状態を示す斜視図である。
【図３】回転軸から見た放射方向の開き角の定義を示す断面図である。
【図４】コギングトルクの波形を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３６】
１…直流モータ、２…ヨーク（モータフレーム）、３…ヨークの角、４…界磁マグネット部、４ａ…界磁マグネット（第１の界磁マグネット）、４ｂ…界磁マグネット（第２の界磁マグネット）、５…回転軸、６…回転子、７…突極、８…ベアリング。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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