(57)【要約】【課題】磁気バランスを最適化して、コギングトルクの低下及びトルク特性の向上を両立した直流モータを提供する。【解決手段】直流モータのケース内に配置されたマグネットの内側曲率中心を、その外側曲率中心より放射方向へ偏心させると共に、電機子のコアのティース先端部の内側曲率中心を、その外側曲率中心より当該反先端部方向へ偏心させて構成し、さらに下記の各部位を、式1、式２、式３を満たす値に設定して構成する。コアスロット数Ｐ１、コア外径Ｐ２、コアスロット幅Ｐ３、ティース先端部の内側曲面端部の曲率半径Ｐ４、ティース幅Ｐ５、ティース先端部の厚さＰ６、ティース先端部の曲率中心の偏心量Ｐ７、マグネットの曲率中心の偏心量Ｐ８、とすると、式１：（Ｐ８／Ｐ７）×Ｐ６×Ｐ１＝１．６〜２．２式２：（Ｐ５／（π×Ｐ２））×Ｐ１≧０．２４式３：Ｐ３／Ｐ４≦１．６【選択図】      図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
環状ヨークの内側周面に倣い配置されたマグネットの内側曲率中心を、その外側曲率中心より放射方向へ所定量偏心させると共に、
電機子のスロットを形成したコアのティース先端部の内側曲率中心を、その外側曲率中心より当該反先端部方向へ所定量偏心させて直流モータを構成し、
該直流モータの下記に示す（１）から（８）の各部位を、式1、式２、式３を満たす値に設定したことを特徴とする直流モータ。
（１）  コアのスロット数Ｐ１
（２）  コアの外径Ｐ２
（３）  コアのスロット幅Ｐ３
（４）  コアのティース先端部の内側曲面端部の曲率半径Ｐ４
（５）  コアのティース幅Ｐ５
（６）  コアのティース先端部の中央部厚さＰ６
（７）  コアのティース先端部の外側曲率中心と内側曲率中心の偏心量Ｐ７
（８）  マグネットの外側曲率中心と内側曲率中心の偏心量Ｐ８
式１：（Ｐ８／Ｐ７）×Ｐ６×Ｐ１＝１．６〜２．２
式２：（Ｐ５／（π×Ｐ２））×Ｐ１≧０．２４
式３：Ｐ３／Ｐ４≦１．６
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は直流モータの技術分野に属し、特に、内装する固定子、電機子の磁気バランスを最適化する直流モータに関する。
【背景技術】
【０００２】
直流モータ、例えば、ブラシ付き直流モータの構造は、外側のモータケースにマグネットを配置して固定子（ステータ）を構成し、この固定子の内側に所定の空隙（エアギャップ）をもって電機子を回転自在に配置するものが一般的である。
【０００３】
電機子は、断面視において略Ｔ字状のティースの複数個を、放射状にかつ各ティース間でスロットを成す形状の電磁鋼板を積層して形成した積層コアと、この積層コアの略中心部に整流子を配置したシャフトを固定し、さらに積層コアのティースの巻線部位を絶縁した後に銅材等から成る巻線を巻回して構成している。巻線方式は、積層コアにおいて２つのスロットの配置が１８０度に近い（シャフトの軸心対称に近い）位置のティース間で巻回する、いわゆるフライヤ方式が広く採用されており、巻線の巻き始めと巻き終わりを整流子に接続している。電機子を回転させる原理は、マグネットの磁力と巻線の通電時に得られる電磁力の反発力と吸引力を利用しており、ブラシと整流子によって巻線に流れる電流の極性を切り替えることにより連続的に回転させるものである。
【０００４】
上記構造の電機子の積層コアには、磁気抵抗が低い部位（ティース）と高い部位（巻線部）とが存在しており、この磁気抵抗の差が大きいとコギングトルクのピークｔｏピーク値が大きくなり、その結果、直流モータに回転ムラを発生させる原因となっていた。
【０００５】
このようなコギングトルクを低下させる直流モータの積層コアの構造が、以下の特許文献にて開示されている。
【０００６】
先ず、特許文献１では、電動モータの積層コアのスロットを等ピッチかつ等しい幅で形成すると共にティースの基部を不等ピッチで等しい幅に形成し、積層コアが軸中心に回転する時の磁気抵抗の変化を少なくすることを特徴とする発明が開示されている。
【０００７】
また、特許文献２では、直流モータの積層コアのスロットを不等ピッチで等しい幅で形成し、ティースの基部は等ピッチで等しい幅に形成してスロット数を偶数に限定することにより、ダブルフライヤ方式の巻線による生産性向上と磁気抵抗の変化を少なくすることを特徴とする考案が開示されている。
【特許文献１】特開２００２−２９１２１０号公報（第５−６頁、第１図）
【特許文献２】実開平５−２３７５６号公報（第３−４頁、第２図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、マグネット及び電機子の積層コアの形状は、直流モータの性能に大きな影響を与えるため、マグネットや積層コアの形状を適正に設定し、これらに流れる磁束密度の状態を最適化する必要がある。しかしながら、その設定においては以下の問題点を考慮する必要がある。
（１）積層コアのスロット数を増やすとコギングトルクは低下するが、巻線の渡り長さが長くなって巻線抵抗が大きくなり、トルク特性が低下する。
（２）積層コアのティース幅を狭くすると、巻線数を増加させることが可能なために電磁力が増加するが、コアの磁束密度は高くなって磁気飽和する場合があり、トルク特性が低下する。
（３）積層コアのスロット幅を広くすると巻線を行ない易くなるが、磁気抵抗の差が大きくなりコギングトルクも増大する。
（４）積層コアのスロットを成すティース先端部の曲率半径（いわゆるＲ寸法）を大きくすると、鋼板を打ち抜くプレスの金型構造を容易にすることが可能であり製造コストを低減することができるが、スロット位置での積層コアとマグネットの空隙が大きくなり、磁気抵抗が増加してトルク特性が低下する。
（５）断面視において略Ｃ字状のマグネットの外側曲率中心と内側曲率中心を偏心させると、対向する電機子とのマグネットの空隙が変化してマグネットのＮ極とＳ極の切り変わりが滑らかになりコギングトルクは低下するが、ロータとの空隙が大きくなる箇所があるためトルク特性が低下する。なお、一般的にマグネットの表面磁束密度は中央部が最も高い。
【０００９】
上記問題の観点に基づくと、特許文献１の発明は、巻線を各スロットに同じ回数重ね巻を行った場合には、スロットの巻線スペースが異なるために巻線スペースが余るスロットが存在する。このため、等しい巻線スペースを有する従来の積層コア形状と比較すると全導体数が減少して磁気抵抗が増加する傾向となり、トルク特性が低下する問題があった。
【００１０】
また、特許文献２の考案は、積層コアを製造する際に通常行われている磁気抵抗の変化を減少させる回転積層（各鋼板の板厚偏差及び鉄損の差を均等とするために、鋼板を順次回転させながら積層する製造方法）において問題がある。つまり、ティースの先端部の幅を不等ピッチとしている事で、鋼板を回転積層する際にはその回転ピッチが２倍となるため、上記の回転積層の効果を十分に得られずに磁気抵抗の変化は大きくなる傾向となり、コギングトルクが増大する問題があった。
加えて、スロット数（ティース数）を偶数個としているため、マグネットに対し磁束が通る積層コアのティースが対称となり、奇数スロットの場合と比較すると磁気抵抗の変化が大きくなり、上記の回転積層による問題と相俟ってコギングトルクが増大する問題があった。
【００１１】
そこで、本願発明は上記問題に鑑み為されたものであり、積層コア及びマグネットの形状により影響を受ける磁気バランスを最適化して、コギングトルクの低下及びトルク特性の向上を両立させた直流モータを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、本願発明の直流モータは、以下のように構成している。なお、電機子のコアは電磁鋼板を積層して形成した積層コアとしている。
まず、直流モータのヨークを成す筒状モータケースの内側周面に倣い配置されたマグネットの内側曲率中心を、その外側曲率中心より放射方向へ所定量偏心させると共に、電機子のスロットを形成した積層コアのティース先端部の内側曲率中心を、その外側曲率中心より当該反先端部方向へ所定量偏心させて構成し、さらに直流モータの下記（１）から（８）の各部位を、式1、式２、式３を満たす値に設定して構成することを特徴としている。
（１）  積層コアのスロット数Ｐ１
（２）  積層コアの外径Ｐ２
（３）  積層コアのスロット幅Ｐ３
（４）  積層コアのティース先端部の内側曲面端部の曲率半径Ｐ４
（５）  積層コアのティース幅Ｐ５
（６）  積層コアのティース先端部の中央部厚さＰ６
（７）  積層コアのティース先端部の外側曲率中心と内側曲率中心の偏心量Ｐ７
（８）  マグネットの外側曲率中心と内側曲率中心の偏心量Ｐ８
式１：（Ｐ８／Ｐ７）×Ｐ６×Ｐ１＝１．６〜２．２
式２：（Ｐ５／（π×Ｐ２））×Ｐ１≧０．２４
式３：Ｐ３／Ｐ４≦１．６
【発明の効果】
【００１３】
本願発明の直流モータは、以上の構成を採っているため、従来形状のマグネット及び積層コアから構成される同一サイズのモータと比較すると、コギングトルクは３割〜４割低下し、トルク特性は１割〜２割向上する。
【００１４】
上記効果は、コギングトルクの低下とトルク特性の向上が両立した直流モータを提供することを可能とし、その産業界に対する貢献は顕著なものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に、本願発明にかかる直流モータ（以下、「モータ」と略称する。）の最良の実施形態例について、図面に基づき詳細に説明する。
【実施例】
【００１６】
図１は本実施例のモータの構造を示す一部切欠き斜視図であり、図２は本実施例のモータの断面図であり、図３は本実施例の電機子における巻線状態及び磁束の流れを示す説明図であり、図４は本実施例のマグネットの平面図であり、図５は本実施例の積層コアの平面図（Ａ）及び一部拡大図（Ｂ）である。
【００１７】
本実施例のモータ１は、図１に示すように、モータケース１１（環状ヨーク）の内部の一端部側にブラシ１２を配置すると共に、その内周面に異方性を有する２個のマグネット２を配置し、このマグネット２と所定の空隙を持って回転自在に電機子３を配置する構成である。なお、これらの構成は従来のモータの構成と同様である。
【００１８】
マグネット２は、図２、図３に示すように、断面視において略Ｃ字状であって、内側曲率中心を外側曲率中心から放射方向へ所定量偏心させて、中央部側が両端部側より肉厚となる形状に形成されている。別言すると、マグネット２は、その外側曲面２１の曲率中心はモータケース１１の内周面に倣うためにモータ１の中心と一致するが、内側曲面２２の曲率中心はモータ１の中心から反マグネット側の放射方向へ所定量において偏心していることとなる。
【００１９】
上記したマグネット２の形状により、内側曲面２２の両端部において表面磁束密度は偏心がない場合と比べて低下する。さらに、回転する電機子３の外縁部とマグネット２との空隙は変化し、内側曲面２２の中央部付近が最も電機子３に接近することとなる。この結果、電機子３が回転する際のＮ極とＳ極の切り変わりが滑らかになり、コギングトルクが低下する。
【００２０】
ところで、マグネットの着磁には、マグネットをモータケースに固定した状態で内側に着磁コイルを巻付けた鉄心を挿入して強磁場を発生させて磁化させる方法と、電機子及びブラシ周辺部品をモータケースに組み込み固定した状態で空芯コイルの中心に配置し、強磁場を発生させて磁化させる方法がある。本実施例のマグネット２は、磁場成形時において適宜に選択した前記着磁方法により、その内側曲面２２の中央部の表面磁束密度を、従来のものより３％〜１０％程度において低下させている。
【００２１】
電機子３は、積層コア３１の略中心部に整流子３２ａを配置したシャフト３２を固定し、積層コア３１に形成した７箇所のスロット３１ｄ、３１ｄ、・・の巻線部位を絶縁した後に各スロット３１ｄに銅材の巻線３３を巻回すると共に、巻線端部を整流子３２ａに接続する構成である。なお、整流子３２ａはモータケース１１に配置したブラシ１２と接して、巻線３３に流れる電流の極性の切り替えを行っている。
【００２２】
上記の積層コア３１は、所定形状にプレス加工で打ち抜いた電磁鋼板の複数枚を積層して形成するものであるが、板厚偏差及び鉄損の差を均等にして磁気抵抗の変化を減少させるため、各鋼板を所定ピッチで回転させながら積層して形成している。なお、電磁鋼板の積層時の回転ピッチは後述するティース３１ａの配置ピッチと同じである。
【００２３】
また、積層コア３１の断面形状は、図２、図３に示すように、帯状の基部３１ｂの先端に断面視略Ｃ字状の先端部３１ｃを周方向両側に延出させて断面視略Ｔ字状のティース３１ａを形成すると共に、このティース３１ａの複数個を中心部から放射状に配置し、かつ先端部３１ｃの外周面を電機子３の外径と一致させた形状である。また、先端部３１ｃの外周面の曲率中心は積層コア３１の中心と一致するが、内周面の各曲率中心は積層コア３１の中心から反先端部側の放射方向へ所定量において偏心させている。
【００２４】
積層コア３１への巻線方式は、図３に示すように、従来と同様、スロット３１ｄの配置が１８０度に近い（シャフトの軸心対称に近い）スロット間で巻線するフライヤ方式を採用している。
【００２５】
なお、上記構成によるモータの磁束の流れは、図３の矢印ａに示すように、図中左側をＮ極、右側をＳ極とすると、Ｎ極マグネット２、空隙、積層コア３１、空隙、Ｓ極マグネット２、モータケース１、Ｎ極マグネット２の順となる。
【００２６】
本実施例のモータ１は、上述した構成であるが、磁気バランスを最適化するためにマグネット２の形状および積層コア３１の各部位の形状を、以下のように設定している。
【００２７】
すなわち、図４及び図５に示すように、マグネット２及び積層コア３１の各部位を、以下の（１）〜（８）に示すパラメータＰ１〜Ｐ８とすると共に、これらのパラメータを代入した式１〜式３を満たす範囲内となるように設定している。このパラメータ及び各式は、モータ内のマグネット２及び積層コア３１を流れる磁束密度を最適化するために選定されたものである。なお、ティース先端部３１ｃの外側曲面端部の曲率半径ｒは、０．１５ｍｍ以下に設定しており、磁束を集中し易くしている。
【００２８】
（１）  積層コアのスロット数Ｐ１
（２）  積層コアの外径Ｐ２（ｍｍ）
（３）  積層コアのスロット幅Ｐ３（ｍｍ）
（４）  積層コアのティース先端部の内側曲面端部の曲率半径Ｐ４（ｍｍ）
（５）  積層コアのティース基部の幅Ｐ５（ｍｍ）
（６）  積層コアのティース先端部の中央部厚さＰ６（ｍｍ）
（７）  積層コアのティース先端部の外側曲率中心と内側曲率中心の偏心量Ｐ７（ｍｍ）
（８）  マグネットの外側曲率中心と内側曲率中心の偏心量Ｐ８（ｍｍ）
式１：（Ｐ８／Ｐ７）×Ｐ６×Ｐ１＝１．６〜２．２
式２：（Ｐ５／（π×Ｐ２））×Ｐ１≧０．２４
式３：Ｐ３／Ｐ４≦１．６
【００２９】
本実施例のモータ１の各部位は、例えば、モータサイズが外径３０ｍｍ、長さ４７ｍｍである場合には、マグネット２の内側曲面２２の中央部での表面磁束密度の低下率は８．５％、式１の値は１．９６０、式２の値は０．２４４、式３の値は１．５３８となるように設定している。
【００３０】
上記の設定において、同一サイズ、ティース先端部の外側曲面端部の曲率半径ｒは０．３ｍｍ以上、表面磁束密度の低下率は０％、式１の値は１．３７５、式２の値は０．２１８、式３の値は４．６６７に設定した従来のモータと比較すると、コギングトルクは３４．６％程度低下し、トルク特性は１１．４％程度向上する実験結果を得た。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本実施例のモータの構造を示す一部切欠き斜視図である。
【図２】本実施例のモータの断面図である。
【図３】本実施例の電機子における巻線状態及び磁束の流れを示す説明図である。
【図４】本実施例のマグネットの平面図である。
【図５】本実施例の積層コアの平面図（Ａ）及び一部拡大図（Ｂ）である。
【符号の説明】
【００３２】
１  モータ
１１  モータケース
１２  ブラシ
２  マグネット
２１  外側曲面
２２  内側曲面
３  電機子
３１  積層コア
３１ａ  ティース
３１ｂ  基部（ティースの）
３１ｃ  先端部（ティースの）
３１ｄ  スロット
３２  シャフト
３２ａ  整流子
３３  巻線
Ｐ１  積層コアのスロット数
Ｐ２  積層コアの外径
Ｐ３  積層コアのスロット幅
Ｐ４  積層コアのティース先端部の内側曲面端部の曲率半径
Ｐ５  積層コアのティース基部の幅
Ｐ６  積層コアのティース先端部の中央部厚さ
Ｐ７  積層コアのティース先端部の外側曲率中心と内側曲率中心の偏心量
Ｐ８  マグネットの外側曲率中心と内側曲率中心の偏心量
ｒ  積層コアのティース先端部の外側曲面端部の曲率半径
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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