(57)【要約】【課題】低コギングトルクのＤＣモータを低コストで得ることができる技術を提供する。【解決手段】ＤＣモータの界磁マグネットとして機能する筒形状のマグネット１００の軸方向中心部の外周面に溝１０１を設けることで、筒形状内側に形成される磁場の磁束密度が軸方向の両端付近で相対的に大きく、中央付近で相対的に小さくなる現象が抑えられる。これにより、低コギングトルクのＤＣモータを低コストで得る。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＤＣモータの界磁マグネットに利用される筒状のマグネットであって、
軸方向において、前記マグネットの厚みが部分的に薄くなっている部分があることを特徴とするＤＣモータ用マグネット。
【請求項２】
前記厚みが部分的に薄くなっている部分は、前記筒状のマグネットの軸方向における略中央部であることを特徴とする請求項１に記載のＤＣモータ用マグネット。
【請求項３】
前記厚みが部分的に薄くなっている部分は、軸方向における中心に対して対称な構造を有していることを特徴とする請求項１または２に記載のＤＣモータ用マグネット。
【請求項４】
前記厚みが部分的に薄くなっている部分は、外径が縮径されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のＤＣモータ用マグネット。
【請求項５】
前記厚みが部分的に薄くなっている部分は、前記マグネットの外周に設けられた周方向に延在する１または複数の溝により形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のＤＣモータ用マグネット。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか一項に記載のＤＣモータ用マグネットを界磁マグネットとして用いたことを特徴とするＤＣモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＤＣモータにおいて生じるコギングトルクを低減する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＤＣモータにおけるコギングトルクを低減する技術として特許文献１に記載されたものが知られている。特許文献１には、固定子と回転子間のギャップを調整することで、固定子と回転子ギャップ間の磁場分布を正弦波に近似する技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２３０２３４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に記載されている技術は、構造が複雑であり、低コストでＤＣモータを得るには向いていない。このような背景において、本発明は、低コギングトルクのＤＣモータを低コストで得ることができる技術の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１に記載の発明は、ＤＣモータの界磁マグネットに利用される筒状のマグネットであって、軸方向において、前記マグネットの厚みが部分的に薄くなっている部分があることを特徴とするＤＣモータ用マグネットである。
【０００６】
請求項１に記載の発明によれば、軸方向において厚みが部分的に薄くなる部分を設けることで、当該マグネットが筒状構造の内側に生成する磁束の軸方向における磁束密度の不均一性が是正され、それによりコギングトルクが低減される。マグネットの厚みを部分的に薄くする構造は低コストで得ることができるので、低コギングトルクのＤＣモータを低コストで得ることができる。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記厚みが部分的に薄くなっている部分は、前記筒状のマグネットの軸方向における略中央部分であることを特徴とする。後述するように、筒構造のマグネットがその内側に生成する磁場の磁束密度は、両端付近で大きく、中心付近で小さくなる分布を示すことが判明している（図３の破線参照）。また、後に実験事実および原理に基づいて説明するように、マグネットの厚みを薄くする部分を設けることで、その前後におけるパーミアンスを下げ、上記の両端付近で大きくなる表面磁束密度を下げることができる。このため、バランスよく効果を得るには、マグネットの厚みを薄くする部分を軸方向の両端の間、特にその中央部分とすることが好ましい。なお、略中央部分は、当該マグネットを軸方向に３分割した場合の中央の区画に含まれる寸法関係とすることが好ましい。
【０００８】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、前記厚みが部分的に薄くなっている部分は、軸方向における中心に対して対称な構造を有していることを特徴とする。仮に厚みを薄くする部分を軸方向の中心に対して対称な構造としないと、軸方向両端部分の一方のピークを押さえ込む作用が優先的に働き、対称な構造とした場合に比較して磁束密度の分布を平坦化する機能が低くなる。よって、厚みが薄くなっている部分を軸方向における中心に対して対称な構造とすることで、軸方向両端の部分において磁束密度が過大となる状態をバランスよく是正することができる。
【０００９】
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の発明において、前記厚みが部分的に薄くなっている部分は、外径が縮径されていることを特徴とする。ここで、縮径というのは、その部分が他の部分に比較して径が小さくされている状態のことをいう。仮にマグネットの内径を変化させてマグネットの厚みを薄くした場合、その部分でマグネット内周と回転子との距離が大きくなり、モータのトルクに悪影響が生じる。これに対して、マグネットの外径を縮径した場合、マグネット内周と回転子との間の隙間に影響が及ぼさずにマグネットの厚みを薄くできるので、トルクの低下を生じさせずにコギングトルクを低下させる効果が得られる。
【００１０】
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の発明において、前記厚みが部分的に薄くなっている部分は、前記マグネットの外周に設けられた周方向に延在する１または複数の溝により形成されていることを特徴とする。厚みが薄くなる部分を外周面に設けた溝により構成することで、簡便な構造でありながらコギングトルク低減に高い効果が得られる。
【００１１】
請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のＤＣモータ用マグネットを界磁マグネットとして用いたことを特徴とするＤＣモータである。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１に記載の発明によれば、低コギングトルクのＤＣモータを低コストで得ることができる。
【００１３】
請求項２に記載の発明によれば、軸方向両端において生成される磁束密度が中央部に比較して過大となる状態が効果的に是正される。
【００１４】
請求項３に記載の発明によれば、軸方向両端において生成される磁束密度が中央部に比較して過大となる状態が効果的に是正される。
【００１５】
請求項４に記載の発明によれば、トルクの低下を生じさせずにコギングトルクを抑えることができる。
【００１６】
請求項５に記載の発明によれば、簡便な構造でありながらコギングトルクを抑えることができる。
【００１７】
請求項６に記載の発明によれば、低コストで低コギングトルクのＤＣモータが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施形態のマグネットの斜視図（Ａ）と側面図（Ｂ）である。
【図２】実施形態のＤＣモータの軸方向から見た内部構造図である。
【図３】発明を利用したマグネットおよび従来技術のマグネット内側の軸方向における表面磁束密度の値を示すグラフである。
【図４】発明を利用したマグネットおよび従来技術のマグネット内部のパーミアンスの値を示すグラフである。
【図５】実施形態のマグネットの斜視図（Ａ）と側面図（Ｂ）である。
【図６】実施形態のマグネットの斜視図（Ａ）と側面図（Ｂ）である。
【図７】実施形態のマグネットの斜視図（Ａ）と側面図（Ｂ）である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
１． 第１の実施形態
（構成）
以下、発明を利用したＤＣモータの一例を説明する。図１には、本発明を利用したＤＣモータ用のマグネットの斜視図（Ａ）と側面図（Ｂ）が示されている。図１には、マグネット１００が示されている。マグネット１００は、ＤＣモータの界磁マグネットである。マグネット１００は、軸方向から見た外形形状断面が角の丸い略四角形状を有し、内径形状断面が円形を有した筒状の構造とされている。マグネット１００は、４箇所の角の部分が磁極であり、周方向に沿って磁極の極性が交互に反転するように着磁がされている。マグネット１００の材質は、ＤＣモータの界磁マグネットとして利用可能なものであれば、特に限定されない。
【００２０】
マグネット１００の外周の軸方向における中心には、断面が矩形で周方向に延在する溝１０１が設けられている。溝１０１は、マグネット１００の外周を軸周り方向で一周する閉じた構造を有している。溝１０１の断面形状は、矩形に限定されず、Ｕ字形状やＶ字形状であってもよい。図１（Ｂ）の視点から見た場合に、溝１０１の断面中心がマグネット１００の軸方向（図のＺ軸方向）の中心と一致する位置関係とされている。こうすることで、溝１０１が軸方向におけるマグネット１００の中心に対して対称な構造となるようにされている。溝１０１を形成する方法としては、モールド加工によるマグネット１００の形成時に同時に形成する方法やマグネット１００を筒形状に形成した後に切削加工により形成する方法が挙げられる。
【００２１】
図２には、図１のマグネット１００を用いたＤＣモータ２００の断面構造が示されている。ＤＣモータ２００は、ケーシングおよびバックヨークを兼ねる筒形状のヨーク２０１の内側に界磁マグネットとなる図１のマグネット１００を納めた構造とされている。筒構造のマグネット１００の内側には、隙間を隔てて回転子２０２が配置されている。回転子２０２は、軸方向から見て、先端部が傘型に開いた６個の極歯２０３を備えている。この傘型に開いた部分の先端の面は、軸方向から見て円弧状を有し、マグネット１００の内周面に隙間を隔てた状態で対向している。また極歯２０３のそれぞれには、コイル２０４が巻かれている。回転子２０２の軸中心部分には、回転シャフト２０５が固定され、回転シャフト２０５は、図示省略した軸受により回転可能な状態で保持されている。また、この図示省略した軸受は、ヨーク２０１に対して固定されており、マグネット１００に対して、回転子２０２が相対的に回転可能な構造とされている。
【００２２】
回転シャフト２０５には、図示省略したブラシ給電機構が配置されており、このブラシ給電機構から極歯２０３に巻かれたコイル２０４に対して駆動電流が供給される。モータの動作原理は、通常のＤＣブラシモータと同じであるので、説明は省略する。
【００２３】
（特性）
図１のマグネット１００の着磁後における磁極中心部内周側の表面磁束密度を軸方向に沿って計測した結果を説明する。図３には、マグネット１００の軸方向の位置（図１のＺ軸方向の位置）の相対値とマグネット１００の磁極の中心部内周側（角部の内周側）の表面磁束密度の相対値との関係が示されている。図３の横軸において、値０は軸方向の一方の端部の位置を示し、値１０は他方の端部の位置を示す。また値５は、マグネット１００の軸方向における中心の位置（溝１０１が形成された部分）を示す。
【００２４】
図３において、本発明品というのは、図１の構造を有するマグネット１００のことである。従来品というのは、図１のマグネット１００において、溝１０１を設けない構造とした場合のサンプルである。
【００２５】
図３のデータにおいて、本発明品および従来品のマグネットの材質は、ＳｍＦｅＮであり、その内径は、１６ｍｍ、最大外形が１８ｍｍ、最小外径が１７ｍｍ、軸方向の長さが８ｍｍ、溝１０１断面形状が矩形で、その幅が０．５ｍｍ、深さが０．１ｍｍである。本発明品と従来品との違いは、溝１０１の有無であり、他は同じである。
【００２６】
図３に示されるように、従来品では、軸方向の両端部近くにおいて、中央部に比較して１．５倍以上の磁束密度が形成されている。これに対して本発明品では、軸方向両端近くにおける磁束密度のピークが従来品に比較して抑えられ、軸方向における磁束密度の均一性が高くなっている。
【００２７】
図４は、図３に示すデータが得られた本発明品と従来品におけるマグネット内部のパーミアンスをコンピュータシミュレーションによって計算した結果を示すグラフである。図４の横軸は、図３と同じである。図４の縦軸は、磁極中心部（角部）の厚み中央の部分におけるパーミアンスの相対値である。
【００２８】
図４に示されるように、本発明品では、軸方向におけるパーミアンスの偏差が従来品に比較して小さく、中央部と両端との差が是正されている。この軸方向におけるパーミアンスの分布は、図３の磁束密度の分布に対応している。すなわち、軸方向中央部に対する軸方向両端部のパーミアンスの上昇が抑えられることで、界磁マグネットの軸方向中央部に対する軸方向両端部における磁束密度の上昇が抑えられている。
【００２９】
次に、図３および図４のデータを得た本発明品のマグネットを界磁マグネットとしたＤＣモータ（本発明品）と、図３および図４のデータを得た従来品のマグネットを界磁マグネットとしたＤＣモータ（従来品）を試作し、その特性を計測した結果を説明する。ここで、モータの仕様は、４極６スロットであり、巻線仕様は、φ１．１５ｍｍ×１５０ターン、定格回転数は４８００ｒｐｍである。下記表１に計測結果を示す。なお、表１における値は相対値である。
【００３０】
【表１】
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【００３１】
表１から分かるように、本発明品は従来品に比較して、起動トルクは同じであり、コギングトルクを４８％減少させることができる。これは図３に示すように、従来品における界磁マグネットが作る軸方向両端部の大きな磁束密度が抑えられ、軸方向における界磁マグネットの磁束密度が均一化されたためであると考えられる。
【００３２】
（原理）
以下、マグネット１００の外周に周方向に延在する溝１０１を設けることで、図３、図４に示すような効果が得られ、さらに表１に示すようなコギングトルクを低減できる原理について説明する。
【００３３】
まず、パーミアンスは、本来、その磁性体が持つ最大磁化量に対して、実際の磁気回路に組まれた状態での磁化量を比で表したものである。よって、磁性体全体（マグネット）でも表現できるし、細分化した状態（シミュレーションでのメッシュ）でも表現できる。ここでパーミアンスが大きいほど、マグネットの磁化量は大きいことになる。そしてマグネット内のパーミアンスは、マグネットの形状に大きく依存する。なぜならば、パーミアンスは、反磁界の影響を大きく受けるからである。
【００３４】
たとえば、図１のマグネット１００では、マグネットの長手方向（図１のＺ軸方向）に磁化されると、反磁界の影響が少ないため、磁化量は大きくなり、パーミアンスは大きくなる。他方で、マグネット１００の厚み方向に磁化されると、反磁界の影響が大きく、磁化量は減少し、パーミアンスは小さくなる。
【００３５】
ここで反磁界は、磁化しやすい長手方向の長さと、磁化しにくい肉厚方向の長さの比で決定される。たとえば、Ｐ＝（長手方向の長さ／厚さ方向の長さ）とすると、指数Ｐが大きくなるほど、反磁界は少なくなり、パーミアンスはより大きくなる。逆に、指数Ｐが小さいと長手方向の反磁界も大きくなり、パーミアンスは小さくなる。
【００３６】
パーミアンスが小さくなると、長手方向（図１のＺ軸方向）に磁化されやすい状態が弱まり、厚み方向にも磁化されやすくなる。図２に例示する構造のＤＣモータでは、通常、マグネット１００の厚み方向（モータ内では、径方向）に磁化させてマグネット１００を界磁マグネットとして使用している。しかし磁化されやすい方向は、このマグネット１００の長手方向（図のＺ軸方向）であるので、着磁後の磁化は、長手方向（図のＺ軸方向）に向きやすい。
【００３７】
特に、長手方向の端部は、長手方向（図のＺ軸方向）に磁化されやすい。マグネット１００端部で長手方向に向いた磁化は、パーミアンスが大きくなるために、マグネット中心部よりも磁化量は増加する。こうして、図４の破線で示されるように、軸方向（Ｚ軸方向）の両端におけるパーミアンスが中央部に比較して、大きくなる。また、これに対応して図４に示されるように軸方向（Ｚ軸方向）の両端における表面磁束密度が中央部に比較して、大きくなる。
【００３８】
ところで、図１に示すマグネット１００では、軸方向中心部分の外周に溝１０１を形成することで、マグネット１００の長手方向（軸方向）の長さを磁気的に２等分している。この結果、磁気的に分離された各部において、上記指数Ｐは小さくなる。この指数Ｐが小さくなることで、磁化されやすいマグネット１００の軸方向両端部分のパーミアンスが小さくなり、その部分における表面磁束密度が抑えられる。他方で溝１０１が形成された部分は、マグネット全体としては上記指数Ｐが小さくなったことで、厚み方向に若干ではあるが磁化されやすくなったために、パーミアンスは増加する傾向になる。
【００３９】
以上の理由により、溝１０１を設けることで、図４に示すように、マグネット１００の軸方向両端におけるパーミアンスが減少し、中央部分におけるパーミアンスが僅かに上昇するものと考えられる。そして、図４に示すような軸方向におけるパーミアンスの分布が得られることで、軸方向両端における表面磁束密度のピークが抑えられ、図３に示すような溝１０１を設けない場合に比較して平坦化された表面磁束密度の分布状態が得られるものと考えられる。
【００４０】
ところで、コギングトルクは、トルクが脈打つように変動する現象であり、その発生原因は、界磁マグネットの磁極に対する回転子の磁極（極歯）の極性の切り替わりがスムーズに行われないことにある。この現象は、関係する磁場の磁束密度が大きいほどより顕著になる。したがって、図３に示すような界磁マグネットが生成する磁場に部分的に大きなピークがある場合、当該ピークがない場合に比較してコギングトルクは大きくなる。
【００４１】
本発明を利用した場合、図３に示されるように、界磁マグネットの軸方向両端部において表面磁束密度が中央部に比較して大きなピークを示す状態が緩和されるので、溝を設けない場合に比較してコギングトルクを低減できる。
【００４２】
また上記の考察から判るように、図１の構成では、軸方向でマグネット１００を磁気的に２分割することで、分割された各部のパーミアンスを下げ、両端部分の表面磁束密度にピークが生じるのを抑えているので、パーミアンスを下げる作用が一方の端部に偏ると、上記表面磁束密度のピークを抑える効果が両端部分でバランスよく得られない。よって、溝１０１は、軸方向の中央から大きく外れない部分とすることが好ましい。具体的には、マグネット１００を軸方向で３分割した場合に、その中央の区画に溝１０１が位置するようにすることが好ましい。
【００４３】
（むすび）
以上述べたように、ＤＣモータの界磁マグネットとして機能する筒形状のマグネット１００の軸方向中心部の外周面に溝１０１を設けることで、筒形状内側に形成される磁場の磁束密度が軸方向の両端付近で相対的に大きく、中央付近で相対的に小さくなる現象が抑えられ、それにより低コギングトルクのＤＣモータを得ることができる。また、マグネット１００の外周に溝１０１を設けるだけであるので、コストの上昇を招かずに低コギングトルクのＤＣモータを得ることができる。
【００４４】
２． 第２の実施形態
図５には、他の実施形態であるマグネット３００が示されている。マグネット３００は、軸方向から見た外形形状断面および内径形状断面が円形を有した筒状の構造（円筒形状）とされている。マグネット３００の軸方向の中央部には、溝１０１と同様な溝３０１が設けられている。マグネット３００もマグネット１００と同様にＤＣモータの界磁マグネットとして利用することができる。
【００４５】
３． 第３の実施形態
図６には、他の実施形態であるマグネット４００が示されている。マグネット４００は、図１のマグネット１００と同様な筒状の構造とされている。溝４０１、４０２のそれぞれは、図１の溝１０１と同様な構造を有している。この例では、溝４０１と４０２の間の中央にマグネット４００の軸方向における中心が位置する位置関係とされている。マグネット４００は、マグネット１００の溝１０１を２本に分けた変形例として捉えることもできる。マグネット４００もマグネット１００と同様にＤＣモータの界磁マグネットとして利用することができる。
【００４６】
４． 第４の実施形態
図７には、他の実施形態であるマグネット５００が示されている。マグネット５００は、図１のマグネット１００と同様な筒状の構造とされている。マグネット５００の外周面には、軸方向の中心の位置に溝５０２が設けられ、その軸方向の両側に溝５０１と５０３を設けた構造とされている。溝５０１〜５０３は、軸方向で見て、マグネット５００の中心に対して対称な位置関係とされている。マグネット５００は、マグネット１００の溝１０１の軸方向両側に更に溝を１本ずつ設けた構造と捉えることもできる。マグネット５００もマグネット１００と同様にＤＣモータの界磁マグネットとして利用することができる。
【００４７】
（その他）
以上の説明では、周方向に延在し、周方向で一周する閉じた溝の構造を説明したが、連続した溝ではなく、溝が複数に分割されていてもよい。ステータの磁極の数は、図示する４極に限定されず、６極や８極といった他の磁極数とすることも可能である。この際、軸方向から見たマグネットの外形形状は、角が丸い略正ｎ角形（ｎ＝４以上の自然数）とすることが可能である。
【００４８】
本発明は、界磁マグネットを利用する構造であれば、例示する構造以外のモータに適用することも可能である。たとえば本発明は、図２の回転子２０２に相当する部分が固定され、マグネット１００およびヨーク２０１に相当する部分が回転するアウターロータ型のモータに適用することもできる。
【００４９】
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】
【００５０】
本発明は、ＤＣモータ用のマグネットおよびＤＣモータに利用することができる。
【符号の説明】
【００５１】
１００…マグネット、１０１…溝、２００…ＤＣモータ、２０１…ヨーク、２０２…回転子、２０３…極歯、２０４…コイル、２０５…回転シャフト、３００…マグネット、３０１…溝、４００…マグネット、４０１、４０２…溝、５００…マグネット、５０１、５０２、５０３…溝。
【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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【図６】
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【図７】
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