(57)【要約】  【課題】渦電流損の抑制が可能であり、モータ外径を増加させることなく所定の起動トルクとモータの機械的強度の確保が可能な小型モータを構成することを課題とする。  【解決手段】磁気回路の一部を形成する略円筒状のハウジングの筒内に、マグネットの中心に回転軸を備えたインナーロータを回転可能に配置し、ハウジング内壁に、前記マグネットと間隙を介して対向させて界磁コイルを配置する小型モータであって、前記ハウジングを、磁性体で、少なくとも軸方向に電気的絶縁部分を有する構造で構成した内層と、内層の周囲を囲んで該内層を一体的に保持する磁性体の外装ケースとから構成する。【選択図】図１
2006230142.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気回路の一部を形成する略円筒状のハウジングの筒内に、マグネットの中心に回転軸を備えたインナーロータを回転可能に配置し、ハウジング内壁に、前記マグネットと間隙を介して対向させて界磁コイルを配置する小型モータであって、
前記ハウジングを、磁性体で、少なくとも軸方向に電気的絶縁部分を有する構造で構成した内層と、内層の周囲を囲んで該内層を一体的に保持する磁性体の外装ケースとから構成することを特徴とする小型モータ。
【請求項２】
前記外装ケースが磁性快削鋼であることを特徴とする請求項１に記載の小型モータ。
【請求項３】
前記内層を、互いに電気的に絶縁された複数枚の略リング状の磁性体の鋼板を軸方向に積層した、積層鋼板で構成することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の小型モータ。
【請求項４】
前記内層を、個々の表面に絶縁被膜が施された磁性体粉末の成形体で構成することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の小型モータ。
【請求項５】
磁気回路の一部を形成する略円筒状のハウジングの筒内に、マグネットの中心に回転軸を備えたインナーロータを回転可能に配置し、ハウジング内壁に、前記マグネットと間隙を介して対向させて界磁コイルを配置する小型モータであって、
ハウジングの外径がφ１２ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の小型モータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に、産業用小型ロボットなどのメカトロニクス製品、または医療機器や精密機器等に利用される小型モータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
前記分野に利用される小型モータの一例として、小型DCブラシレスモータがある。その形態の一例として、略円筒状のハウジングの筒内に、マグネットの中心に回転軸を備えたロータを回転可能に配置し、ハウジング内壁に、マグネットと間隙を介して対向させて界磁コイルを配置して構成するインナーロータ型があり、このような構成では、ハウジングが磁気回路の一部となる。
【０００３】
このようにハウジングを磁気回路の一部とするインナーロータ型モータでは、マグネットより発生する磁束がハウジングを通過するため、運転時、つまりインナーロータの回転時は、ハウジング中の磁束の分布が変化する。
【０００４】
ハウジング中の磁束の分布、すなわち磁束密度の変化により、ハウジング中には渦電流が発生し、渦電流損が生じる。この渦電流損は、モータの内部損失トルクの増加および発熱の原因となる。
【０００５】
一般に、モータは小型化に伴い回転数が増加する傾向にある。また、モータの単位体積あたりの発生トルクを向上させるために、インナーロータに用いるマグネットとして、エネルギー積の高いものを用いる場合が多い。一方、渦電流損は、回転数の二乗と渦電流が発生する部分の最大鎖交磁束密度の二乗に比例して発生するため、このような小型モータは、より渦電流損が増大する傾向にある。
【０００６】
そのため、渦電流損を低減する手段として、ハウジングに磁性体からなる薄板リング状の鋼板を軸方向に積層した積層鋼板を用いることにより、渦電流を流れにくくする手法が提案されている。
【０００７】
積層鋼板は、互いに電気的に絶縁された薄板リング状の鋼板を積層して構成されるため、その積層方向には電流が流れにくく、これをハウジング部分に用いた場合は、磁性体の単一鋼塊からなるハウジングを用いた場合と比較して、渦電流損を低減することが可能となる。
【０００８】
しかしながら、ハウジングの構成が積層鋼板のみではモータとしての機械的強度の確保が困難であるため、積層鋼板を保持する外装ケースが必要となる。
【０００９】
従来では、この外装ケースを非磁性体で構成しており、このような構成で磁性体の単一鋼塊からなるハウジングを用いた場合と同等の起動トルクを得るためには、単一鋼塊のハウジングと同等の径方向厚みを持った積層鋼板を用いることが必要となり、非磁性体の外装ケースをその外周に配置することになるため、非磁性体の外装ケースの厚み分、モータ外径寸法が増大し、小径化の妨げとなっていた。
【００１０】
上記例のような課題を解決する手段として、積層鋼板を構成する各鋼板の一部に溝を設け、各鋼板の溝部を一致させて積層し、連なった溝部に樹脂等を充填して一体化することにより、非磁性体の外装ケースを用いないで小型モータを構成する手法が提案されている（特許文献１）。
【００１１】
しかしながら、前記特許文献１に示されるような方法にて一体化された積層鋼板のハウジングは、単一鋼塊や外装ケースを用いた場合と比較すると機械的強度は低く、また、積層鋼板の一部に溝が設けられたことによるコギングの発生および磁路断面積の減少による磁束の減少、さらに、個々の鋼板の加工工数の増大および機械的強度の低下等が問題となっていた。
【特許文献１】特開２００２−１３６０３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、渦電流損の抑制が可能であり、モータ外径を増加させることなく所定の起動トルクとモータの機械的強度の確保が可能な小型モータを構成することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の請求項１は、磁気回路の一部を形成する略円筒状のハウジングの筒内に、マグネットの中心に回転軸を備えたインナーロータを回転可能に配置し、ハウジング内壁に、前記マグネットと間隙を介して対向させて界磁コイルを配置する小型モータであって、前記ハウジングを、磁性体で、少なくとも軸方向に電気的絶縁部分を有する構造で構成した内層と、内層の周囲を囲んで該内層を一体的に保持する磁性体の外装ケースとから構成することを特徴とする。
【００１４】
本発明の請求項２は、前記外装ケースが磁性快削鋼であることを特徴とする。
【００１５】
本発明の請求項３は、前記内層を、互いに電気的に絶縁された複数枚の略リング状の磁性体の鋼板を軸方向に積層した、積層鋼板で構成することを特徴とする。
【００１６】
本発明の請求項４は、前記内層を、個々の表面に絶縁被膜が施された磁性体粉末の成形体で構成することを特徴とする。
【００１７】
本発明の請求項５は、磁気回路の一部を形成する略円筒状のハウジングの筒内に、マグネットの中心に回転軸を備えたインナーロータを回転可能に配置し、ハウジング内壁に、前記マグネットと間隙を介して対向させて界磁コイルを配置する小型モータであって、ハウジングの外径がφ１２ｍｍ以下であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の小型モータでは、内層と、その周囲を囲んで一体的に保持する外装ケースとを磁性体にて構成し、その内層と外装ケースとでハウジングを一体構成するため、同じ厚みの単一鋼塊でハウジングを構成した場合と同等の起動トルクを発生するために必要な有効磁束を確保することができる。
【００１９】
また、回転時には、内層部分が渦電流の流れにくい構成になっているため、単一鋼塊でハウジングを構成する場合と比較して、渦電流の発生を抑制することが可能となる。
【００２０】
さらに、磁性体で、少なくとも軸方向に電気的絶縁部分を有する構造で構成した内層のみでは機械的強度を確保することが困難であるが、外装ケースにより内層の外周が囲まれて一体的に保持されるため、積層鋼板等の、単一鋼塊以外でハウジングを構成する場合よりも機械的強度を向上させることが可能であり、モータとしての十分な機械的強度を確保することができる。このため、所定の起動トルクを確保するために磁性体で構成する必要があるハウジング厚みの外周に他の部材を用いて機械的強度を確保する必要がなく、モータの小型化に有利となる。
【００２１】
また、特許文献１で示すように、積層鋼板の一部に溝を設けて構成する必要もないため、コギングの発生等の問題も生じることがない。
【００２２】
よって、本発明の構成を用いることにより、渦電流損の抑制が可能であり、モータ外径を増加させることなく所定の起動トルクとモータの機械的強度の確保が可能な小型モータを構成することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
［実施の形態１］
図１は、本発明の構成を用いた小型DCブラシレスモータの断面図である。この小型ＤＣブラシレスモータは、例えば、メカトロニクス製品、または医療機器や精密機器等に利用されるもので、外径がφ１２ｍｍ以下で構成されている。
【００２４】
その小型ＤＣブラシレスモータ１は、略円筒形状を呈し、後述する特定構造を有するハウジング２と、ハウジング２の内側に固定された円筒状のステータ界磁コイル３と、ハウジング２の内側に収容されると共にハウジング２と同軸で内側に配置されたインナーロータ４とを備えて構成されている。
【００２５】
インナーロータ４は、円筒状のマグネット５と、マグネット５の中心に両端を突出させて貫通固定された回転軸６とを備え、ステータ界磁コイル３の筒内に間隙を介して配置されている。
【００２６】
ハウジング２の端部には、それぞれ軸受８ａ、８ｂが嵌込み固定されたフランジ７ａ、エンドフランジ７ｂが嵌込み固定されており、回転軸６が軸受８ａ、８ｂにより、回転自在に軸支されている。
【００２７】
円筒状のマグネット５とエンドフランジ７ｂとの間で、回転軸６の軸線上には両者間の間隔を保つための円筒状スペーサ９が装着されている。また、円筒状のマグネット５と軸受８ａとの間、及び円筒状スペーサ９と軸受８ｂとの間には、インナーロータ４の回転時の摺動を円滑にするライナー１０ａ、１０ｂが装着されている。
【００２８】
基板１１はハウジングの段部に固定されており、この基板１１の回路パターンを介し、ステータ界磁コイル３より引き出されるタップ線１３と外部ドライバ（図示しない）に接続されるリード線１２が接続され、給電機構が形成されている。
【００２９】
ハウジング２は、互いに電気的に絶縁された複数の磁性体リング１４ａ，１４ｂ…の積層鋼板からなる内層１４と、その内層１４の外周を囲む略円筒状の磁性体からなる外装ケース１５より構成されている。ここで、この外装ケース１５には、磁性快削鋼等の、加工が容易な材質を用いることが好ましい。
【００３０】
内層１４は、複数の磁性体リング１４ａ，１４ｂ…をインナーロータ４の回転軸６の軸方向に積層した積層鋼板から構成されているため、インナーロータ４の回転時に、ハウジング中で積層鋼板の積層方向に発生する渦電流を抑制することができる。一例として、外径１２ｍｍ、回転数１４７００ｒｐｍとし、ハウジング以外は同一の構成とした小型ＤＣブラシレスモータについて、有限要素法による電磁界解析を用いて渦電流損を比較すると、本実施例は、単一鋼塊でハウジングを構成する場合よりも、渦電流損を約６０％低減することが可能であるという結果が得られた。
【００３１】
本発明の形態においては、マグネットが磁束の発生源であるため、ハウジング中の磁束密度は、インナーロータとの距離が小さいハウジング内壁付近、つまりハウジング内層側で大きくなる。渦電流損は、渦電流が発生する部分の最大鎖交磁束密度の二乗と回転数の二乗に比例して発生するため、磁束密度の大きい部分で多く発生することになる。そのため、磁束密度の大きい内層部分を渦電流の発生を抑制できる構造で構成することにより、ハウジングで発生する渦電流損を大幅に低減することが可能となる。
【００３２】
また、このような特定構造を有するハウジング２を備えて構成される小型ＤＣブラシレスモータ１では、ハウジング２が、内層、外装ケースともに磁性体で構成されるため、両者が磁気回路として有効であり、同じ厚みの単一鋼塊でハウジングを構成した場合と同等の起動トルクを確保することが可能である。
【００３３】
さらに、内層１４は、外装ケース１５により一体的に保持されるため、所定の起動トルクを発生するために磁性体で構成する必要があるハウジング厚みのみで、モータとして十分な機械的強度を確保することが可能となる。
【００３４】
［実施の形態２］
図２は、実施の形態２に係る小型ＤＣブラシレスモータ１’を示す。この小型ＤＣブラシレスモータは互いに電気的に絶縁された磁性体リング１４ａ，１４ｂ…を積層した積層鋼板で構成した内層１４を備えるに代えて、個々の表面に絶縁皮膜が施された磁性体粉末の成形体である粉末成形磁性体による内層１４’を備えて構成されている。その他は、実施の形態１と同一の構成を有している。
【００３５】
粉末成形磁性体は、磁性体粉末の個々の表面に絶縁皮膜が施されているため、成形体となった場合でも、導電率が低いが、磁性体であるため、磁気回路を構成する材料としては他の磁性体と同等の磁気特性を有する。この粉末成形磁性体を内層として用いることにより、内層部分において渦電流損を低減し、且つ所定の起動トルクを発生するために必要な有効磁束を確保することが可能となり、このように構成する小型ＤＣブラシレスモータ１’であっても、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。一例として、外径１２ｍｍ、回転数１４７００ｒｐｍとし、ハウジング以外は同一の構成とした小型ＤＣブラシレスモータについて、有限要素法による電磁界解析を用いて渦電流損を比較すると、本実施例は、単一鋼塊でハウジングを構成する場合よりも、渦電流損を約４０％低減することが可能であるという結果が得られた。
【００３６】
ここで、図３に、比較品（ａ），（ｂ）及び本発明品（ｃ）に係る小型ＤＣブラシレスモータのマグネットとハウジングの配置を、模式的に示す。これらは、同等の径方向厚みをもつ磁性体を、ハウジングまたはハウジングの一部に用いているため、ハウジング中に確保可能な磁束が同等であり、同等の起動トルクを発生させることのできる構造となっている。また、図中の1点鎖線はハウジング外径の比較を示す。
【００３７】
比較品（ａ）は、単一鋼塊からなるハウジング１９を有する小型ＤＣブラシレスモータである。また、比較品（ｂ）は、ハウジング２０が、互いに電気的に絶縁された複数の磁性体リングを積層した積層鋼板２１と、この積層鋼板を外側から保持する非磁性体からなる外装ケース２２とから構成された小型ＤＣブラシレスモータである。また、本発明品（ｃ）は、図１並びに図２で示す構成の小型ＤＣブラシレスモータである。
【００３８】
比較品（ａ）では、磁性体の単一鋼塊からなるハウジング１９により、有効磁束が確保できるため、所定の起動トルクを発生することができるが、ハウジング１９が単一鋼塊であるため、電気抵抗が低く、渦電流が流れやすいため、インナーロータの回転時に渦電流損が多く発生する。
【００３９】
比較品（ｂ）は、ハウジング内層側が積層鋼板２１で構成されるため積層鋼板の積層方向には渦電流が流れにくく、インナーロータの回転時の渦電流の発生は抑制される。しかしながら、比較品（ａ）と同等の起動トルクを得るためには、積層鋼板２１が比較品（ａ）のハウジング１９と同等の厚みである必要があるため、その外周部に非磁性体からなる外装ケース２２を配置することになり、外装ケース２２の厚み分だけ外径が大きくなってしまう。
【００４０】
これら比較品（ａ），（ｂ）に対し、本発明品（ｃ）は、ハウジング１６が、積層鋼板１７と、この積層鋼板１７を保持する磁性体からなる外装ケース１８とから構成されるため、渦電流の発生を抑制し、且つ、比較品（ａ）の小型ＤＣブラシレスモータと同等の外径で、同等の起動トルクを得ることができる。
【００４１】
以上より、本発明の構成では、渦電流損を抑制し、且つ外径を増加させることなく、所定の起動トルクとモータとしての十分な機械的強度を確保した、内部損失トルク及び発熱の少ない、高効率な小型モータの実現が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施の形態１に係る小型ＤＣブラシレスモータの断面図である。
【図２】本発明の実施の形態２に係る小型ＤＣブラシレスモータの断面図である。
【図３】比較品（ａ），（ｂ）並びに本発明品の構成を示す模式図である。
【符号の説明】
【００４３】
２，１６，１９，２０  ハウジング
３    ステータ界磁コイル
４    インナーロータ
５    マグネット
６    回転軸
１４ａ，１４ｂ…    磁性体リング
１４，１４’  内層
１５，１８，２２  外装ケース
【図１】
2006230142.tif 000003
【図２】
2006230142.tif 000004
【図３】
2006230142.tif 000005