(57)【要約】【課題】電磁鋼板と磁性粉末体の特徴を同時に生かすことが可能な固定子コアを備える電動工具用ユニバーサルモータを提供する。【解決手段】電動工具用ユニバーサルモータの固定子コア２２は、薄板状の電磁鋼板を複数積層して構成されるコア本体部２３と、固定子コア２２に巻回された固定子コイル２１のコイル端部２１ａを収納するための凹溝２６を備えた磁性粉末体から成るコイル端収納部２４と、から構成され、さらに、コイル端部２１ａを収納するためにコイル端収納部２４に形成された凹溝２６の深さ寸法である巻線部深さＴが、継鉄部幅をＸ、コイル端収納部厚さをＬ、磁極部長さをＹとしたときに、  ０．９×（Ｌ×（Ｙ−２Ｘ）／Ｙ）≦Ｔ≦１．０×（Ｌ×（Ｙ−２Ｘ）／Ｙ）なる不等式が成り立つように構成されている。【選択図】図２Ａ
2008092692.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転子と、
前記回転子を回転させるための磁界を発生する固定子コイルが固定子コアに巻回されて構成された固定子と、
を有する電動工具用ユニバーサルモータにおいて、
前記固定子コアは、
薄板状の電磁鋼板を複数積層して構成されるコア本体部と、
前記固定子コアに巻回された前記固定子コイルのコイル端部を収納するための凹溝を備える磁性粉末体から成るコイル端収納部と、
から構成され、さらに、
前記凹溝の深さ寸法である巻線部深さＴが、
継鉄部幅をＸ、コイル端収納部厚さをＬ、磁極部長さをＹとしたときに、
０．９×（Ｌ×（Ｙ−２Ｘ）／Ｙ）≦Ｔ≦１．０×（Ｌ×（Ｙ−２Ｘ）／Ｙ）
なる不等式が成り立つように構成されていることを特徴とする電動工具用ユニバーサルモータ。
【請求項２】
請求項１に記載の電動工具用ユニバーサルモータにおいて、
前記コイル端収納部は、前記回転子が備える整流子とは逆側に位置するコイル端部のみを収納するように構成されていることを特徴とする電動工具用ユニバーサルモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動工具用ユニバーサルモータに係り、特に、電磁鋼板と磁性粉末体の特徴を同時に生かすことが可能な固定子コアを備える電動工具用ユニバーサルモータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電動工具に用いられる一般的なユニバーサルモータのコアには、渦電流損失の低減効果を得るために、薄板状の電磁鋼板が複数枚積層された構成が採用されている。このような従来のコアは、安価で高性能なモータを設計する際に非常に有効である反面、積層構造を採用しているために、コア形状に自由度が少なく、二次元的な設計しかできないという欠点を有している。そのために、コアに巻回されたコイルの端部がコアより大きくはみ出し、モータの外形寸法を大きくしてしまう一因となっていた。特に、反整流子側では、上記はみ出したコイル端部が外形寸法に大きな影響を与えることとなる（ちなみに、整流子側は、コイル端部の他に整流のためのブラシが外形寸法に影響しているため、コイル端部の影響度は少ない。）。
【０００３】
一方、近時のモータでは、磁性粉末を焼結化して形成されたコアを用いることが行われている（例えば、下記特許文献１参照）。この磁性粉末体から成るコアの特徴は、金型を用いてコアを製作することができるので、三次元的な形状でコアを製作することができる点にある。また、磁性粉末体から成るコアは、打撃を加えることによって容易に破壊することができるので、リサイクル性に富むなどの有利な点を有している。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−８０４３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した磁性粉末体から成るコアは、従来の積層された電磁鋼板製のコアに比べ、特に密度が低いときに磁気特性が大きく劣ってしまうという欠点があるため、コアの全てを磁性粉末体で構成しても、有意なモータ性能を得られないという問題を有していた。かかる欠点を補うために、従来から、コアの一部分、特にコイルを収納する部分に磁性粉末体を使用し、その他の部分を電磁鋼板などで構成する技術が提案されてはいるが、モータの出力を効率良く最適な状態で得るための具体的な構成については、未だ提案されていない。
【０００６】
本発明は、上述した課題の存在に鑑みて成されたものであって、その目的は、電磁鋼板と磁性粉末体の特徴を同時に生かすことが可能な固定子コアを備える電動工具用ユニバーサルモータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
以下、本発明について説明する。なお、本発明の理解を容易にするために添付図面の参照番号を括弧書きにて付記するが、それにより本発明が図示の形態に限定されるものではない。
【０００８】
本発明に係る電動工具用ユニバーサルモータ（１０）は、回転子（３０）と、前記回転子（３０）を回転させるための磁界を発生する固定子コイル（２１）が固定子コア（２２）に巻回されて構成された固定子（２０）と、を有している。かかる電動工具用ユニバーサルモータ（１０）において、前記固定子コア（２２）は、薄板状の電磁鋼板を複数積層して構成されるコア本体部（２３）と、前記固定子コア（２２）に巻回された前記固定子コイル（２１）のコイル端部（２１ａ）を収納するための凹溝（２６）を備える磁性粉末体から成るコイル端収納部（２４）と、から構成され、さらに、前記凹溝（２６）の深さ寸法である巻線部深さＴが、継鉄部幅をＸ、コイル端収納部厚さをＬ、磁極部長さをＹとしたときに、
０．９×（Ｌ×（Ｙ−２Ｘ）／Ｙ）≦Ｔ≦１．０×（Ｌ×（Ｙ−２Ｘ）／Ｙ）
なる不等式が成り立つように構成されていることを特徴とする。
【０００９】
本発明に係る電動工具用ユニバーサルモータ（１０）において、前記コイル端収納部（２４）は、前記回転子（３０）が備える整流子（３１）とは逆側に位置するコイル端部（２１ａ）のみを収納するように構成されていることとすることが好適である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、電磁鋼板と磁性粉末体の特徴を同時に生かすことが可能な固定子コアを備える電動工具用ユニバーサルモータを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明を実施するための好適な実施形態について、図面を用いて説明する。なお、以下の実施形態は、各請求項に係る発明を限定するものではなく、また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【００１２】
図１は、本実施形態に係る電動工具用ユニバーサルモータの一形態を例示する縦断面側面図である。
【００１３】
本実施形態に係る電動工具用ユニバーサルモータ１０は、整流子３１を介して回転子コイル３２に電流を得る回転子３０と、この回転子３０をフレミングの左手の法則により回転させるための磁界を発生することができる固定子２０とから構成されている。回転子３０は、整流子３１を介して電流を得る回転子コイル３２とともにモータ軸３３を有しており、このモータ軸３３を通じて回転力を外部に及ぼすことができるようになっている。
【００１４】
一方、固定子２０は、固定子コイル２１が固定子コア２２に巻回されて構成された部材である。特に、本実施形態に係る電動工具用ユニバーサルモータ１０では、固定子コア２２が、薄板状の電磁鋼板を複数積層して構成されるコア本体部２３と、固定子コア２２に巻回された固定子コイル２１のコイル端部２１ａを収納するための凹溝２６が形成された磁性粉末体から成るコイル端収納部２４と、から構成されるという特徴を有しており、図３において示される従来技術に係る電動工具用ユニバーサルモータ１１０の固定子コア１２２に比べて、全コア厚Ｌ'を大きくできるようになっている。すなわち、本実施形態に係る電動工具用ユニバーサルモータ１０は、従来のモータに比べてコイル端部２１ａを有効利用して磁束の量を増加させることができるので、モータ出力の向上を図ることが可能となっている。
【００１５】
そこで、上述した有利な特徴を有する本実施形態に係る固定子コア２２の具体的な構成について、図２、図２Ａ及び図２Ｂを用いて説明を行う。ここで、図２は、本実施形態に係る固定子コアの正面図である。なお、図２では、説明の容易化のために固定子コイル２１が省略されている。また、図２Ａは、図２におけるＡ−Ａ断面を示す部分縦断面側面図であり、さらに、図２Ｂは、図２におけるＢ−Ｂ断面を示す断面図である。
【００１６】
本実施形態に係る固定子コア２２は、固定子コア２２の内周部に形成されて磁束の通り道となる略Ｙ字形をした磁極部２５を備えている。この磁極部２５には、コイルが巻回されることによって形成された固定子コイル２１が設置されており、磁界を発生することができるようになっている。
【００１７】
また、固定子コイル２１と固定子コア２２とは電気的に絶縁される必要があるため、固定子コイル２１を固定子コア２２に巻線する前に、固定子コア２２を樹脂等にてコーティングするか、もしくは、磁極部２５と固定子コイル２１との間に樹脂と紙とを合成して形成された図示しない絶縁紙を挿入設置するなどの絶縁対策が施される。そして、図示しない電力供給源からの電力を固定子コイル２１に受け入れることにより、回転子３０を回転させるための磁界を発生できるようになっている。
【００１８】
さらに、本実施形態に係る固定子コア２２は、図２Ａにおいてより詳細に示されるように、固定子コア２２に巻回された固定子コイル２１のコイル端部２１ａが位置する箇所が磁性粉末体から成るコイル端収納部２４によって構成されており、その他の部分が薄板状の電磁鋼板を複数積層して構成されるコア本体部２３によって構成されている。特に、コイル端収納部２４は、コイル端部２１ａが僅かにはみ出すか、もしくはコイル端部２１ａをちょうど覆うことができるような凹溝２６を備える形状で構成されており、固定子コイル２１から及ぼされる磁束の流れをスムースに、且つ、無駄の無いように流すことができる構造となっている。
【００１９】
またさらに、本実施形態に係る固定子コア２２は、コイル端部２１ａを収納するためにコイル端収納部２４に形成された凹溝２６の巻線部深さの形成条件に特徴を有している。すなわち、本実施形態に係る固定子コア２２は、コイル端部２１ａを収納するためにコイル端収納部２４に形成された凹溝２６の巻線部深さをＴとし、継鉄部幅をＸ、コイル端収納部厚さをＬ、磁極部長さをＹとしたときに、
０．９×（Ｌ×（Ｙ−２Ｘ）／Ｙ）≦Ｔ≦１．０×（Ｌ×（Ｙ−２Ｘ）／Ｙ）
なる不等式が成り立つように構成されていることを特徴としている。なお、図２及び図２Ａにおいて示すように、巻線部深さＴは凹溝２６の深さ方向の寸法を表しており、継鉄部幅Ｘは磁極部２５の手前部分の幅方向寸法を表している。また、コイル端収納部厚さＬはコイル端収納部２４の厚さ寸法を表しており、磁極部長さＹは略Ｙ字形をした磁極部２５の根元部分の長さ寸法を表している。
【００２０】
そこで、まず、本実施形態に係る固定子コア２２を以上のような条件で構成することとした理由について、以下に説明を行う。
【００２１】
モータのトルク発生の式は、以下の様に表されることが周知である。
トルク＝（Ｐ／２πａ）×Ｚ×Ｉ×Φ＝ｋ×Ｉ×Φ
ただし、Ｐ：極数、Ｉ：電機子電流、Ｚ：電機子全導体数、ａ：並列回路数、Φ：磁束量、ｋ：係数
したがって、モータのトルクは電流と磁束量とに対して比例関係にあり、モータ性能を決定付ける項目は、磁束量Φであることがわかる。
【００２２】
一般論としてこの磁束は、水の流れと同様に、磁路（水路）の一部が飽和してしまうと、その他の部分を大きくしても、それ以上の磁束（水）を流すことは出来ない性質がある（この事実は、継鉄部が飽和すれば、それ以外の磁極部や電機子の継鉄部などを大きくしても性能向上は図れないということを示している。）。
【００２３】
したがって、磁路の設計に際しては、コアの各部分の寸法（断面積）が同一となるようにすることが一般的である（例えば、磁極部、継鉄部など、モータの各部分の断面積が互いに等しくなるように設計されている。）。
【００２４】
しかし、磁極部については、断面積を他の部分（例えば、継鉄部）と等しくする為に幅（図２における磁極部長さＹに相当する箇所）を小さくすると巻線コイルのコイル端部の曲率が小さくなり、コイルの成形が困難になったり、コアの外周や内周へのコイルのはみ出しがより大きく発生したりするなどの不具合が生じてしまう。
【００２５】
また、従来では、コアをモータケースに入れた時の回り止めとするためと、磁路の長さ（磁束がコアの巻線間を一周する長さ）をより短くしてモータ性能を向上させるために、コアの外周をカットしているが（図２に示された固定子コア２２における紙面上下方向の直線形部分）、コアの外周をカットすると、必然的に磁極部長さ（図２における磁極部長さＹに相当する箇所）がカットしないものに比べて大きくなり、磁極部の断面積が他の部分よりも大きくなって、他の部分の断面積と等しくすることが困難になっていた。その結果、継鉄部等で磁束の流れが飽和状態となり、磁極部は他の部分に比べて余裕を持った状態にあったが、従来技術では、かかる問題点に着目してモータ性能を向上する技術は、創案されていなかった。
【００２６】
そこで、本発明では、磁性粉末体によって構成されるコアの持つ特徴（形状を立体的に形成できること）を利用し、これまで他の部分に比べて余裕のあった磁極部をうまく活用し、モータ性能を最大限に発揮させるために、磁極部２５に凹溝２６を形成し、その凹溝２６の深さを設定することにした。
【００２７】
そして、その凹溝２６の深さ寸法（すなわち、巻線部深さ：Ｔ）を、磁極部の断面積と継鉄部の断面積を等しくすることがモータ性能を最もよく発揮させることができるという考えから、次の計算式をもとに設定することとした。
（Ｌ−Ｔ）×Ｙ＝Ｘ×２×Ｌ
ただし、Ｔ：巻線部深さ、Ｘ：継鉄部幅、Ｌ：コイル端収納部厚さ、Ｙ：磁極部長さ
なお、上式の右辺が２倍されているのは、磁極部２５には両側の継鉄部から磁束が合流し、継鉄部の２倍の磁束が流れるためである。
【００２８】
この式から、巻線部深さＴを導出すると、
Ｔ＝Ｌ（Ｙ−２Ｘ）／Ｙ
となる。
【００２９】
ただし、磁極部２５に凹溝２６を形成したときには、図２Ａにおける二点鎖線の矢印で示すように、磁束の一部が凹溝２６の内側の壁に湾曲して流れる場合があるが、磁束の磁路が長いと鉄損により損失が増えてモータパワーが落ちることがあるため、モータパワーを維持するために、湾曲して流れる磁束の磁路を短くする必要から、凹溝２６の深さを若干浅くして底部の断面積に余裕を持たせるほうが良いと考えられる。また、固定子コイル２１を巻回す部分は、コイルを巻き易くするために、実際には図２Ｂ中の二点鎖線で示されるようにＲ形状とすることが好ましい。したがって、断面積である「（Ｌ−Ｔ）×Ｙ」については、Ｒ形状の分だけ断面積を減少させる方向に条件範囲を持たせることが好ましい。さらに、巻線部深さＴを大きくすることは、凹溝２６の深さを大きくすることであるが、磁性粉末を焼結したコアの性能は密度に依存するため、高圧で成型する必要があり、コア成型時に磁性粉末体の凹溝深さが極端に大きいと、コアを高圧で成型した際に離型し難くなるなどの製造上の不具合が生じることがあり、これを考慮すると巻線部深さＴを大きくする方向に条件範囲を持たせることは好ましいことではない。
【００３０】
そこで、本発明では、巻線部深さＴの条件範囲として、Ｔの値を大きくする方向には幅を持たせず、小さくする方向には１割の減少幅を許容することとした。以上によって、本発明者は、
０．９×（Ｌ×（Ｙ−２Ｘ）／Ｙ）≦Ｔ≦１．０×（Ｌ×（Ｙ−２Ｘ）／Ｙ）
ただし、巻線部深さ：Ｔ、継鉄部幅：Ｘ、コイル端収納部厚さ：Ｌ、磁極部長さ：Ｙ
なる不等式を導出したのである。
【００３１】
以上のような条件式に基づいて固定子コア２２を形成することにより、磁性粉末体から成るコイル端収納部２４の磁極部の断面積（図２Ｂに示されるＢ−Ｂ断面の面積）を継鉄部の断面積の２倍にほぼ等しくすることになり、これによって磁束の流れが良くなるので、モータ出力の効率向上と性能向上が実現する。
【００３２】
なお、本実施形態に係る電動工具用ユニバーサルモータ１０では、図１に示すように、コイル端収納部２４は、回転子３０が備える整流子３１とは逆側に位置するコイル端部２１ａのみを収納するように構成した。このような構成を採用したのは、上述したように、整流子３１が設置される側は、コイル端部の他に整流のためのブラシが外形寸法に影響しているためである。したがって、本実施形態で示したように、コイル端収納部２４を反整流子側のみに設けることによって、モータサイズの増加を防ぎ、小型で高性能なモータを最も効率良く実現できる。
【００３３】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。上記実施形態には、多様な変更又は改良を加えることが可能である。
【００３４】
例えば、上述した本実施形態に係る電動工具用ユニバーサルモータ１０では、図３において示される従来技術に係る電動工具用ユニバーサルモータ１１０と比較して、外形寸法を変えずにモータ出力の向上を図るための構成を例示した。しかしながら、モータ出力の向上を必要としない場合には、凹溝２６にコイル端部２１ａを収納することで得られた寸法分だけモータの全長を短くすることが可能である。したがって、本発明によれば、従来の電動工具用ユニバーサルモータ１１０に対して、
(1)  外形寸法を変えずにモータ出力の向上を図ることができる。
(2)  モータ出力を変えずにモータのコンパクト化を図ることができる。
という、二通りの効果を得ることが可能である。
【００３５】
また、本実施形態では、前述の理由からコイル端収納部２４を整流子３１とは逆側にのみ設置したが、固定子全体の寸法は大きく出来ないが、モータ出力を上げるために、モータの大きさが大きくなっても良い場合や、整流子側により広く空間が必要になった場合などには、コイル端収納部２４を整流子側や、あるいは整流子側と反整流子側の両方に設置するようにしても良い。
【００３６】
さらに、本発明者は、図２Ｂによって、本実施形態に係る固定子コア２２の固定子コイル２１を巻回す部分について、実線で示されるように矩形状で形成しても良いし、コイルを巻き易くするために二点鎖線で示されるようにＲ形状としても良いことを示した。特に、固定子コイル２１を巻回す部分にＲ形状を採用した場合には、コイル端部２１ａを形成する固定子コイル２１をＲ形状に沿って巻き付けることが可能となるので、コイル端部２１ａの曲率をより小さくすることができ、コイル端部２１ａの固定子コア２２からの突出高さを小さくすることが可能となる。これによって、モータ外形寸法のコンパクト化が実現する。
【００３７】
その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本実施形態に係る電動工具用ユニバーサルモータの一形態を例示する縦断面側面図である。
【図２】本実施形態に係る固定子コアの正面図である。
【図２Ａ】図２におけるＡ−Ａ断面を示す部分縦断面側面図である。
【図２Ｂ】図２におけるＢ−Ｂ断面を示す断面図である。
【図３】従来技術に係る電動工具用ユニバーサルモータを示す縦断面側面図である。
【符号の説明】
【００３９】
１０  本実施形態に係る電動工具用ユニバーサルモータ、２０  固定子、２１  固定子コイル、２１ａ  コイル端部、２２  固定子コア、２３  コア本体部、２４  コイル端収納部、２５  磁極部、２６  凹溝、３０  回転子、３１  整流子、３２  回転子コイル、３３  モータ軸、１１０  従来技術に係る電動工具用ユニバーサルモータ、１２２  固定子コア。
【図１】
2008092692.tif 000003
【図２】
2008092692.tif 000004
【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
2008092692.tif 000006
【図３】
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