(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸方向から見て外側および内側の角部が丸い断面形状が略正４角形である鉄材からなる筒状のフレームと、
前記フレームの内側に配置され、軸方向から見て外側の断面形状が略正４角形であり、前記角部が厚肉部となる内側の断面形状が円形状である筒状のマグネットと、
半径方向に延在する６個の極歯を備え、該極歯の外周が隙間を隔てて前記筒状のマグネットの内側に配置され、前記筒状のマグネットに対して相対的に回転可能なアマチュアと
を備え、
前記フレームの厚みをａ、前記筒状のマグネットの最も厚みの薄い部分の厚みをｂ、前記フレームの一辺の長さをｃ、前記フレームの一辺における平坦な部分の長さをｄとし、
軸方向から見た前記アマチュアの直径をＸとした場合に、
ｄ／ｃ≧０．２５、
０．１≦（ａ＋ｂ）／Ｘ≦０．２であり、
前記フレームの一辺の長さｃが２ｍｍ角以上、５ｍｍ角以下であることを特徴とする小型ＤＣモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＤＣモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
小型のＤＣモータは、フレーム（ヨーク）の肉厚やマグネットの肉厚が制限される。このため、限られた寸法において、良好な特性が得られるようにする必要がある。一般にフレームの肉厚を増やすことは、磁気飽和をなくすために有効である。しかし、フレームを厚くすることは、その他の寸法の大きな制約を作ることになる。また、マグネットの肉厚を厚くすることで、磁力が強くなるが、磁気飽和の原因ともなる。また、フレーム厚、マグネット肉厚は、すべてアマチュア径に大きく影響を与える。フレーム厚やマグネット厚を優先した場合、アマチュア径は、それに反比例して小さくなり、トルクが低下する。これら各部の寸法の最適な組み合わせについては、例えば、特許文献１および特許文献２に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２４４８７０号公報
【特許文献２】特開２００９−１００５６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１には、円筒形状のブラシモータにおける各部の寸法の関係が記載されている。しかしながら円筒形状のモータは、固定に不利であり、またフレーム側に配置されたマグネットの磁力の利用効率が高くない。この点、軸方向から見て外側の断面形状が略正４角形であり、内側の断面形状が円形状である筒状のマグネットを用いたＤＣモータは、フレーム側面に平坦面があるので、保持し易い。また同じマグネットボリュームで考えて磁極部分の径方向の厚みを相対的に厚くできるので、マグネットの磁力が有効に利用され、円筒型マグネットを利用したＤＣモータに比較して高い効率が得られる。
【０００５】
よって、軸方向から見て外側の断面形状が略正４角形であり、内側の断面形状が円形状である筒状のマグネットを用いたＤＣモータについても各部の寸法関係の最適な関係に関する知見が必要とされるが、特許文献１に記載の内容は、円筒型マグネットを前提としたものであるので、この要求に答えることはできない。
【０００６】
他方で、特許文献２には、軸方向から見て外側の断面形状が略正４角形であり、内側の断面形状が円形状であるマグネットを用いたＤＣモータについて、各部の寸法の最適な関係に関する知見が記載されている。しかしながら、特許文献２では、フレームとマグネットに関する寸法関係については言及されているが、アマチュア（ロータ）に関する寸法については触れられていない。後述するように、本発明者が得た知見によれば、モータを小型化していった場合、モータ特性には、フレーム、マグネット、アマチュアの寸法が密接に関係しており、アマチュアに関する寸法も考慮しないと、モータの性能を追及できないことが判明している。よって、この点で特許文献２に開示された技術も充分ではない。
【０００７】
このような背景において、本発明は、軸方向から見て外側の断面形状が略正４角形であり、内側の断面形状が円形状である筒状のマグネットを用いた小型のＤＣモータにおいて、高トルク、且つ、低コギングトルクの特性が得られるようにフレーム厚、マグネット厚およびアマチュア外径の関係が最適化された構成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】
【０００８】
請求項１に記載の発明は、軸方向から見て外側および内側の角部が丸い断面形状が略正４角形である鉄材からなる筒状のフレームと、前記フレームの内側に配置され、軸方向から見て外側の断面形状が略正４角形であり、前記角部が厚肉部となる内側の断面形状が円形状である筒状のマグネットと、半径方向に延在する６個の極歯を備え、該極歯の外周が隙間を隔てて前記筒状のマグネットの内側に配置され、前記筒状のマグネットに対して相対的に回転可能なアマチュアとを備え、前記フレームの厚みをａ、前記筒状のマグネットの最も厚みの薄い部分の厚みをｂ、前記フレームの一辺の長さをｃ、前記フレームの一辺における平坦な部分の長さをｄとし、軸方向から見た前記アマチュアの直径をＸとした場合に、ｄ／ｃ≧０．２５、０．１≦（ａ＋ｂ）／Ｘ≦０．２であり、前記フレームの一辺の長さｃが２ｍｍ角以上、５ｍｍ角以下であることを特徴とする小型ＤＣモータである。
【０００９】
請求項１に記載の発明によれば、図２のデータによりバックアップされるように、高いトルク特性と低いコギングトルク特性をバランスよく得ることができる。図２に示されるように、（ａ＋ｂ）／Ｘが０．０４よりも小さいと、トルクが急激に低下し、またコギングトルクが急激に上昇する。また、（ａ＋ｂ）／Ｘが０．２４を超えると、トルクが急激に低下し、またコギングトルクが急激に上昇する。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１に記載の発明によれば、軸方向から見て外側の断面形状が略正４角形であり、内側の断面形状が円形状である筒状のマグネットを用いた小型のＤＣモータにおいて、高トルク、且つ、低コギングトルクの特性が得られるようにフレーム厚、マグネット厚およびアマチュア外径の関係が最適化された構成が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施形態のＤＣモータの軸方向から見た断面構造を示す図である。
【図２】各部の寸法関係とモータ特性の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
（構造）
図１には、軸方向から見た実施形態のＤＣモータ１の内部構造が示されている。ＤＣモータ１は、フレーム２を備えている。フレーム２は、磁性材料（この例では、鉄材）により構成され、バックヨークとして機能する。フレーム２は、軸方向から見た外周および内周の形状が角の丸い略四角形状の筒状の構造とされている。図では、フレーム２の厚みがａで示され、軸方向から見た外径寸法がｃとされている。外径寸法ｃは、軸方向から見た略４角形の辺の長さに相当する部分の寸法として把握される。なお、フレーム２の軸方向の両端部（図１の紙面手前側の端部と奥側の端部）は、蓋がされるが、その部分の少なくとも一部がフレーム２と一体化された構造であってよい。
【００１７】
フレーム２の内側には、その内周に接して界磁マグネット３（永久磁石）が配置されている。界磁マグネット３の材質は特に限定されないが、例えば、希土類系マグネットやフェライトマグネット等が使用可能である。界磁マグネット３は、軸方向から見た外周の形状が、角が丸い略四角形状を有し、内周の形状が円形の形状を有した筒状の構造とされている。この構造によれば、界磁マグネット３には、軸方向から見て、相対的に厚みの厚い角の厚肉部４と、相対的に厚みの薄い薄肉部５が交互に４箇所形成されている。ここで、４箇所の角部の厚肉部４が磁極となる。４箇所の厚肉部４は、周方向で隣接する部分が異なる極性となるように着磁されている。また、軸方向から見て肉厚が最も薄い部分である薄肉部３の厚み寸法が符号ｂとされている。この例では、フレーム２と界磁マグネット３とによりステータが構成されている。
【００１８】
軸方向から見て、界磁マグネット３は、角の丸い部分でない平坦な部分を４箇所有している。この４箇所の平坦な部分の幅ｄは、ｃの３３％（ｄ／ｃ＝０．３３）とされている。断面丸型の界磁マグネットに比較して、マグネットのボリュームを有効に利用できる外側断面形状が角型のマグネットの優位性を得るためには、ｄ／ｃ≧０．２５とすることが望ましい。
【００１９】
界磁マグネット３の内側には、隙間を隔ててトルクを発生させるためのコイルが巻かれたアマチュア６が配置されている。アマチュア６は、電機子（この例では、回転子（ロータ））として機能する鉄心であり、ラジアル方向に延在する６個の極歯８を備えている。極歯８の先端は、傘型に開いており、その外周が隙間を隔てて界磁マグネット３の内周に対向している。極歯８のそれぞれには、コイル９が巻かれている。この例では、アマチュア６の直径が符号Ｘにより示されている。
【００２０】
アマチュア６の回転中心には、回転軸７が固定されている。回転軸７は、図の紙面に垂直な方向に延在しており、アマチュア６を挟んだ部分の２箇所において、図示省略した軸受により回転自在な状態で保持されている。この２つの軸受の外輪は、フレーム２に対して固定されており、アマチュア６がフレーム２と界磁マグネット３とにより構成されるステータに対して相対的に回転可能な構造されている。
【００２１】
また、図示省略するが、ステータ側には、ブラシ給電機構が配置されており、回転軸７に設けられた受け側の整流子の電極（図示省略）に上述したブラシ給電機構を介して駆動電流が供給される。この駆動電流が、コイル９に供給され、且つ、アマチュア６の回転に伴って極性が切り替わることで、界磁マグネット３に対してアマチュア６が回転するトルクが生じる。このブラシ給電機構に関連する構成は、通常のＤＣブラシモータと同じである。
【００２２】
（各部の寸法関係について）
以下、図１中のａ、ｂ、ｃ、Ｘの好ましい関係に関して説明する。図２には、横軸に寸法比（ａ＋ｂ）／Ｘをとり、縦軸にトルク定数とコギングトルクの相対比をとったグラフが示されている。図２には、外径寸法ｃを３ｍｍ角、４ｍｍ角、５ｍｍ角、６ｍｍ角とした場合のデータが示されている。ここで、トルク定数は、上記外径寸法が異なる４種類のＤＣモータにおけるトルクの最大値を１００とした場合の比率である。コギングトルクは、同様に４種類のＤＣモータにおけるコギングトルクの最小値を１とした場合の比率である。ここで、トルク定数は、１００に近いほど大きなトルクを有するモータであることを示している。また、コギングトルクが小さい程、むらなく滑らかに回転する特性を有することを示している。
【００２３】
図２から明らかなように、下記数１を満足する場合に、大きなトルク定数と小さなコギングトルクのバランスが取れた特性が得られる。
【００２４】
【数１】
0005513265.tif 000002
【００２５】
なお、ｃ＝６ｍｍのデータは、他の群のデータと異なる傾向を示している。したがって、上記数１の範囲とすることで得られる効果は、ｃ＝６ｍｍの場合は得られないとするのが適切であると考えられる。このことから、上記数１の限定は、ｃ＝５ｍｍ以下である場合に限定されると考えられる。
【００２６】
また、製造可能な寸法として、図２のデータが得られる構造のＤＣモータは、ｃ＝２ｍｍ程度が下限となる。また、図２からは、ｃの値が小さくなる程、データがグラフの右方向にシフトする傾向が見て取れる。つまり、ｃの値は、図２に示す値よりも小さくなると、図２に示されているデータの特徴から徐々に外れる傾向が図２には示唆されている。このことからもｃの値は、ｃ＝２ｍｍ程度が下限であると結論される。
【００２７】
また、図２より、より良好な特性（高トルク特性、低コギングトルク特性）を得るのであれば、下記数２の範囲、更により好ましくは下記数３の範囲とすることが好ましいことも判る。
【００２８】
【数２】
0005513265.tif 000003
【００２９】
【数３】
0005513265.tif 000004
【００３０】
以下、図２のデータが得られる要因について考察する。まず、（ａ＋ｂ）／Ｘが０．０４を下回るとトルク定数が低下し、またコギングトルクが上昇するのは、以下の理由によるものと推察される。まずこの場合、限られた寸法において、アマチュア６の直径が大きく取れるので、線積に余裕が生じ、太い線を多く巻くことができるために、トルク定数が大きくなる。しかしながら、フレーム２の厚みａと、界磁マグネット３の薄肉部５の厚みｂを合計した部分は薄くなるので、磁気飽和が起こりやすい傾向は増大する。また、界磁マグネット３を薄くした場合、界磁マグネット３の磁力が不足する。このため、磁気が効率よくアマチュアに流入せず、トルク定数が低下する。また、同様の理由により、界磁マグネット３の磁極（４箇所の角部）に対する極歯８の極性の切り替わりがスムーズに行われない傾向が増大し、コギングトルクが高くなる。図２には、これらの現象が（ａ＋ｂ）／Ｘ＝０．０４を境にして、顕著になる傾向が現れていると考えられる。
【００３１】
他方において、（ａ＋ｂ）／Ｘが０．２４を上回る場合、限られた寸法において、マグネット３を肉厚にできるため、磁力を向上させることができる。また、フレーム２の厚みを厚くできるので、ステータ側での磁気飽和の発生を抑える点でも有利となる。しかしながら、ｃの値が制限されている条件化では、ａ＋ｂを大きくした場合、Ｘの値を小さくしなければならず、アマチュア６の直径が小さくなる。この場合、線積が小さくなり、コイル９の巻線が貧弱になる。よって、トルク定数が低下する傾向となる。また、界磁マグネット３の磁力とコイル９の磁力とのバランスが悪くなるので、界磁マグネット３の磁極（４箇所の角部）に対する極歯８の極性の切り替わりがスムーズに行われず、コギングトルクが高くなる傾向が増大する。図２には、これらの現象が（ａ＋ｂ）／Ｘ＝０．２４を境にして、顕著になる傾向が現れていると考えられる。
【００３２】
以上のような理由により、界磁マグネット３の磁力によるトルクの向上と、アマチュア６の直径を確保することによるトルクの向上とのバランスが最も良好となる領域が、上記数１の範囲であると考えられる。また結果として数１の範囲では、ステータ側の磁気回路とアマチュア側の磁気回路のバランスが取れているので、磁力の相互作用がスムーズに行われ、また磁気歪の発生が抑えられる状態となっているので、コギングトルクも抑えられているものと考えられる。
【００３３】
以上述べたように、（ａ＋ｂ）／Ｘの値は、小さすぎても好ましくなく、また大きすぎても好ましくない。そして、高トルクと低コギングトルク特性を得るには、（ａ＋ｂ）／Ｘの値に適切な範囲がある。ただし、図２からも明らかなように、この関係には、全体の寸法依存性があり、外径が６ｍｍ以上となると、同列に論じることができなくなる。
【００３４】
（その他）
図１には、界磁マグネット３が配置された外側の部分がステータとなり、内側の部分のアマチュア５が回転する形式であるが、逆の形式、つまり界磁マグネット３の側が回転し、アマチュア５の側が固定子となる構造（アウターロータ型）に本発明を適用することもできる。
【００３５】
本発明の態様は、上述した個々の実施形態に限定されるものではなく、当業者が想到しうる種々の変形も含むものであり、本発明の効果も上述した内容に限定されない。すなわち、特許請求の範囲に規定された内容およびその均等物から導き出される本発明の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更および部分的削除が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明は、ＤＣモータに利用することができる。
【符号の説明】
【００３７】
１…ＤＣモータ
２…フレーム
３…界磁マグネット
４…厚肉部
５…薄肉部
６…アマチュア
７…回転軸
８…極歯
９…コイル
【図１】
0005513265.tif 000005
【図２】
0005513265.tif 000006