(57)【要約】【課題】本発明は、回転トルクを発生させるための電機子コイルを備えるＤＣモータに関し、小型、薄型化を図りつつモータ効率の向上、発生トルクの向上を図ることを目的とする。【解決手段】マグネット２３Ａ〜２３Ｄと電機子コイル３１Ａ〜３１Ｃ，３２Ａ〜３２Ｃとを備えて例えばマグネット部分をロータ１２とするＤＣモータ１１であり、電機子コイル部分のステータ１３が、仮想的な円盤としてのマグネットヨーク２２およびマグネット２３Ａ〜２３Ｄの周側面に対して中空の内部コイル体３１Ａ〜３１Ｃを所定数並列的に配置させた内部コイル群と、当該内部コイル群を覆って中空の外部コイル体３２Ａ〜３２Ｃを所定数並列的に配置させた外部コイル群とし、内部コイル群の周側面と外部コイル群の周側面を同一外周とする構成とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
界磁束発生のために主となるマグネットと、トルク発生のために主となる電機子コイルとを備え、何れか一方をロータとするＤＣモータであって、
前記電機子コイルは、
仮想的な円盤または円盤状のコアの周側面に対して、導体を所定数巻回した所定形状の中空の内部コイル体が所定数並列的に配置される内部コイル群と、
前記内部コイル群を仮想的な円盤とした場合の周側面に対して、導体を所定数巻回した所定形状の中空の外部コイル体が当該内部コイル群を覆って所定数並列的に配置される外部コイル群と、
を有することを特徴とするＤＣモータ。
【請求項２】
請求項１記載のＤＣモータであって、前記内部コイル群の周側面と前記外部コイル群の周側面を、同一外周とすることを特徴とするＤＣモータ。
【請求項３】
請求項１または２記載のＤＣモータであって、前記各内部コイル体および各外部コイル体は、中空の略台形状または中空の弓形状とされ、それぞれの当該内部コイル体を１２０度間隔で配置させ、それぞれの当該外部コイル体を当該各内部コイル体に対して６０度ずらせて１２０度間隔で配置させることを特徴とするＤＣモータ。
【請求項４】
請求項１〜３の少なくとも何れかに記載のＤＣモータであって、前記内部コイル体と前記外部コイル体との互いに対向する相同士で直列または並列に接続され、それぞれがスター結線されることを特徴とするＤＣモータ。
【請求項５】
請求項１〜４の少なくとも何れかに記載のＤＣモータであって、前記電機子コイル部分がロータとされる場合に、前記各内部コイル体および各外部コイル体に対応する整流子を備え、当該各整流子に対して９０度毎に配置される４個のブラシを備えることを特徴とするＤＣモータ。
【請求項６】
請求項１〜４の少なくとも何れかに記載のＤＣモータであって、前記電機子コイル部分がロータとされる場合に、前記各内部コイル体および各外部コイル体でスター結線された各コイル体に対応する整流子を備え、当該各整流子に対して９０度に配置される２個のブラシを備えることを特徴とするＤＣモータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転トルクを発生させるための電機子コイルを備えるＤＣモータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＤＣモータは、時計等に使用される極めて小型のものから、電動自転車や電気自動車等の動力系に使用される中型、大型のものまで、その用途に応じて種々のものが知られている。このようなＤＣモータは、何れの用途にしても回転やトルク発生の効率向上が基本的な課題となっている。
【０００３】
ＤＣモータは、ブラシ付きモータ、ブラシレスモータ、コア付きモータ、コアレスモータ等に分類でき、コア付きモータの中でスロット付きとスロットレスとに分類することができる。このようなＤＣモータは、界磁構成体を構成するマグネットと、電機子構成体を構成する電機子コイルとを基本構成として備え、用途等に応じて一方をロータとし、他方をステータとして駆動している。この場合、電機子コイルの構成として、以下の特許文献が知られている。
【０００４】
【特許文献１】
再表００／０６２４０１号公報
【特許文献２】
特開昭６０−２４１７６１号公報
【０００５】
上記特許文献１は、リング状マグネットの外周に、電機子コイルの外周を合わせ、輪環面を当該リング状マグネットの直径方向と平行に並べて巻回した中空の当該電機子コイルを３個配置したインナロータ形のブラシレスモータが開示されている。このブラシレスモータによって、小型で薄型を実現し、トルク発生効率の向上、省エネルギ化を図るものとして示されている。
【０００６】
また、上記特許文献２は、リング状積層ヨークの外周に、電機子コイルの外周を合わせ、輪環面を１２０度の「く」の字形に巻回したスロットレスモータが開示されている。このようなスロットレスモータは、コイル巻線の略全ての部分をトルク発生に寄与させるものとして示されている。
【０００７】
さらに、リング状マグネットの外周に、電機子コイルの外周を合わせ、輪環面を同心円上に巻回した中空コイルを使用したインナロータ形ブラシレスモータも知られている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、電機子コイルを中空コイルとした場合（コアレスモータ）であって、当該電機子コイルが回転する場合には、電機子コイル同士の接着部分が限られていることから、遠心力や衝撃等で脱落を生じる場合があり、マグネットが回転する場合には、中心部にシャフトを回転させるためのベアリングを設ける必要から電機子コイルの巻線数や大きさに限界があるという問題がある。
【０００９】
また、コアレスモータにおいては、２極のマグネットが使用されることが一般的であり、ハウジングの磁気回路で磁気がリターンする経路が長く、飽和しやすいことから、磁性材の厚さを厚くしなければならず、その分小型化が阻害されるという問題がある。さらに、２極のマグネットと１８０度配置の２本のブラシが使用されるのが殆どであり、１８０度毎のコイル制御しか行うことができず効率向上を図ることが困難であるという問題がある。
【００１０】
一方、発生トルクは、電機子コイルの太さや巻線数で向上させることができるが、例えば電機子コイルの太さを２倍とすると、マグネット、ヨーク間のギャップが２倍となってトルク発生効率が低下するという問題があり、マグネット、ヨーク間のギャップを狭くしつつ、電機子コイルによるトルク発生効率を向上させることが命題となっている。
【００１１】
そこで、本発明は上記課題に鑑みなされたもので、小型、薄型化を図り、モータ効率の向上、発生トルクの向上を図るＤＣモータを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１の発明では、界磁束発生のために主となるマグネットと、トルク発生のために主となる電機子コイルとを備え、何れか一方をロータとするＤＣモータであって、前記電機子コイルは、仮想的な円盤または円盤状のコアの周側面に対して、導体を所定数巻回した所定形状の中空の内部コイル体が所定数並列的に配置される内部コイル群と、前記内部コイル群を仮想的な円盤とした場合の周側面に対して、導体を所定数巻回した所定形状の中空の外部コイル体が当該内部コイル群を覆って所定数並列的に配置される外部コイル群と、を有する構成とする。
【００１３】
請求項２〜６の発明では、「前記内部コイル群の周側面と前記外部コイル群の周側面を、同一外周とする」構成であり、
「前記各内部コイル体および各外部コイル体は、中空の略台形状または中空の弓形状とされ、それぞれの当該内部コイル体を１２０度間隔で配置させ、それぞれの当該外部コイル体を当該各内部コイル体に対して６０度ずらせて１２０度間隔で配置させる」構成であり、
「前記内部コイル体と前記外部コイル体との互いに対向する相同士で直列または並列に接続され、それぞれがスター結線される」構成であり、
「前記電機子コイル部分がロータとされる場合に、前記各内部コイル体および各外部コイル体に対応する整流子を備え、当該各整流子に対して９０度毎に配置される４個のブラシを備える」構成であり、
「前記電機子コイル部分がロータとされる場合に、前記各内部コイル体および各外部コイル体でスター結線された各コイル体に対応する整流子を備え、当該各整流子に対して９０度に配置される２個のブラシを備える」構成である。
【００１４】
このように、マグネットと電機子コイルとを備えて何れか一方をロータとするＤＣモータであり、電機子コイルが、仮想的な円盤または円盤状のコアの周側面に対して中空の内部コイル体を所定数並列的に配置させた内部コイル群と、当該内部コイル群を覆って中空の外部コイル体を所定数並列的に配置させた外部コイル群とで形成される。すなわち、最小限のスペースで電機子コイルの巻線数を増加させることが可能となり、ひいては小型、薄型化を図り、モータ効率の向上、発生トルクの向上を図ることが可能となるものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図により説明する。本発明のＤＣモータは、ブラシ付きモータ、ブラシレスモータ、コア付きモータ、コアレスモータ等の何れにも適用することができもので、本実施形他では、ブラシレスモータのインナロータ形およびアウタロータ形、ブラシ付きのコアレスモータを示して説明する。また、本発明に係るＤＣモータは、上記モータに限らず、原理が同様であるロータリアクチュエータ等をも含む概念である。
【００１６】
図１に本発明の第１実施形態に係るＤＣモータの構成図を示すと共に、図２に図１で示すＤＣモータの一部断面斜視図を示す。図１および図２はインナロータ形のブラシレスモータを示したもので、図１（Ａ）はハウジング内部の平面構成図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のＡ−Ａ断面図、図１（Ｃ）は蓋部を除いた底面からの構成図である。図１（Ａ）〜（Ｃ）および図２において、ＤＣモータ１１は、ロータ１２を包含するようにステータ１３が配置され、ハウジング１４に収められる。ハウジング１４は、円筒状で一方が開放され、他方の中央部分に円筒形状の軸支部が形成されたものである。
【００１７】
上記ロータ１２は、シャフト２１が椀状のマグネットヨーク２２に固着され、当該マグネットヨーク２２の外周に界磁束発生の主となる例えば４個（４極）のマグネット２３Ａ〜２３Ｄが非接触で固着されたものである。そして、シャフト２１が軸受（例えばボールベアリング）１５Ａ，１５Ｂにより上記ハウジング１４の軸支部に回転自在に取り付けられたものである。上記マグネット２３Ａ〜２３Ｄは、例えばネオジウム・鉄系のマグネット、サマリウム・コバルト系のマグネット等の異方性マグネットが使用され、Ｎ極とＳ極とが交互に配置されて４極に着磁されている。
【００１８】
上記ステータ１３は、トルク発生のために主となる籠形の電機子コイルで形成されたもので、仮想的な円盤となるロータ１２の周側面に対して、導体であるコイルを所定数巻回した略台形状（弓形状でもよい）の中空の内部コイル体３１Ａ〜３１Ｃが並列的に配置される内部コイル群と、当該内部コイル群を仮想的な円盤とした場合の周側面に対して、導体であるコイルを所定数巻回した略台形状（弓形状でもよい）の中空の外部コイル体３２Ａ〜３２Ｃが当該内部コイル群を覆って並列的に配置される外部コイル群とにより構成される（詳細は図３で説明する）。
【００１９】
上記ステータ１３は、ハウジング１４の側部内壁に設けられたコイルヨーク（積層ヨーク）１６と微小間隙（当接でもよい）で配置され、当該ステータ１３の下方（ハウジング１４の開口側）に配線基板１７が設けられる。この配線基板１７には少なくともホール素子１８Ａ〜１８Ｃが定められた位置（例えば６０度間隔）に搭載され、ハウジング１４の外部に対応数のリード線１９が延出される。すなわち、外部の制御回路より上記ホール素子１８Ａ〜１８Ｃの検出に応じて内部コイル群および外部コイル群に通電制御が行われる。そして、ハウジング１４の開放部分に蓋部２０が設けられて略密閉状態としたものである。なお、上記配線基板１７に上記ホール素子１８Ａ〜１８Ｃと共に、上記制御回路を搭載してもよい。
【００２０】
ここで、図３に、図１に示すＤＣモータの電機子コイルの説明図を示す。図３（Ａ）において、まず、内部コイル体３１Ａ〜３１Ｃのそれぞれはコイルを整列巻きで往復に巻回した多層構造のもので、中空の略台形状（弓形状でもよい）としたものである。形状を上記略台形や弓形とすることにより、ハウジング１４の軸支部や後述の整流子（ブラシ）の配置位置を確保することができるものである。なお、外部コイル体３２Ａ〜３２Ｃにおいても大きさを異ならせただけで形状は同様である。
【００２１】
そこで、図３（Ａ）に示すように、ロータ１２を仮想的な円盤としての当該ロータ１２の周側面に対して上記３つの内部コイル体３１Ａ〜３１Ｃのそれぞれを１２０度間隔で並列的に配置させて図３（Ｂ）に示すような内部コイル群としたものである。また、この内部コイル群を仮想的な円盤とした場合の周側面に対して、当該内部コイル群を覆って３の外部コイル体３２Ａ〜３２Ｃのそれぞれを上記内部コイル体３１Ａ〜３１Ｃより６０度ずらせて１２０度間隔で並列的に配置させて図３（Ｃ）に示すような外部コイル群としたものである。この場合、内部コイル群の周側面と前記外部コイル群の周側面を同一外周としている。なお、上記内部コイル体３１Ａ〜３１Ｃおよび外部コイル体３２Ａ〜３２Ｃの結線は、図４で説明する。
【００２２】
ここで、上記ＤＣモータ１１の組立を簡単に説明すると、まず、マグネットヨーク２２にシャフト２１を圧入し、当該マグネットヨーク２２の外周に上述のように着磁させたマグネット２３Ａ〜２３Ｄを接着固定する。一方、ハウジング１４の側部内壁にコイルヨーク１６を挿入して接着固定すると共に、軸支部に軸受１５Ａ，１５Ｂを取り付ける。
【００２３】
続いて、マグネット２３Ａ〜２３Ｄ（マグネットヨーク２２）で構成されたロータ１２を微小ギャップで内包させて内部コイル体３１Ａ〜３１Ｃのそれぞれを配置してこれらの当接する部分で接着固定し、当該内部コイル体３１Ａ〜３１Ｃを覆うように外部コイル体３２Ａ〜３２Ｃのそれぞれを上記のように配置してこれらの当接する部分および内部コイル体３１Ａ〜３１Ｃのそれぞれと当接する部分で接着固定する。これにより、ロータ１２を内包したステータ１３のコイルアセンブリが形成される。なお、内部コイル体３１Ａ〜３１Ｃおよび外部コイル体３２Ａ〜３２Ｃの組立には対応の治具が使用される。
【００２４】
また、ハウジング１４内に、上記コイルアセンブリを挿入（ハウジング１４の軸支部の軸受１５Ａ，１５Ｂにシャフト２１を圧入）し、当該ハウジング１４の上面（開口の反対側）の内壁と上記外部コイル体３２Ａ〜３２Ｃの上部を接着固定する。そして、少なくともホール素子１８Ａ〜１８Ｃが搭載された配線基板１７をはんだ付け等を行って取り付け、蓋部２０をハウジング１４の開口部分にカシメ等により取り付けるものである。
【００２５】
そこで、図４に、図１に示すＤＣモータ駆動のタイミングチャートを示す。図４（Ａ）、（Ｂ）は上記内部コイル体３１Ａ〜３１Ｃおよび外部コイル体３２Ａ〜３２Ｃの結線、図４（Ｃ）は各コイル体への駆動信号のタイミングチャートを示したものである。
【００２６】
図４（Ａ）において、内部コイル群の各内部コイル体３１Ａ〜３１Ｃのそれぞれはスター結線されると共に、外部コイル群の各外部コイル体３２Ａ〜３２Ｃのそれぞれはスター結線され、互いに対向する相同士（ａ相〜ｃ相および中性点ｎ）で並列に接続されたものである。すなわち、内部コイル体３１Ａと外部コイル体３２Ｂ（ａ相）、内部コイル体３１Ｂと外部コイル体３２Ｃ（ｂ相）、内部コイル体３１Ｃと外部コイル体３２Ａ（ｃ相）、および互いの中性点ｎを接続したものである。
【００２７】
また、図４（Ｂ）において、内部コイル体３１Ａと外部コイル体３２Ｂ（ａ相）、内部コイル体３１Ｂと外部コイル体３２Ｃ（ｂ相）、内部コイル体３１Ｃと外部コイル体３２Ａ（ｃ相）を各直列に接続し、これらをスター結線（中性点ｎ）されたものである。
【００２８】
このように、各内部コイル体３１Ａ〜３１Ｃおよび各外部コイル体３２Ａ〜３２Ｃのそれぞれ対向するコイル体を、並列接続するか、直列接続するかで全体の電機子コイルの抵抗を選択することができることから、印加電圧の変動に対応させることができ、一方で印加電圧に応じたコイル体の形成し易い線材太さを選択する幅が広がり、コイル体形成の自由度を向上させることができるものである。
【００２９】
上記ＤＣモータ１１は、ホール素子１８Ａ〜１８Ｃが６０度間隔で配置されていることから、回転する４極のマグネット２３Ａ〜２３Ｄからの磁束の極性が９０度毎の回転で変化することにより、当該ホール素子１８Ａ〜１８Ｃの検出する極性は当該マグネット２３Ａ〜２３Ｄが３０度回転する毎に変化する。したがって、このホール素子１８Ａ〜１８Ｃの検出に応じて上記ａ相〜ｃ相で通電制御を行うものである。
【００３０】
すなわち、図４（Ｃ）に示すように、マグネット２３Ａ〜２３Ｄの回転に応じたホール素子１８Ａ〜１８Ｃの３０度回転毎の検出に基づいて、例えばａ相−ｂ相に駆動用電力が供給されることで内部コイル体３１Ａおよび外部コイル体３２Ｂ（ア、エ）と内部コイル体３１Ｂおよび外部コイル体３２Ｃ（イ、オ）とが駆動され、ａ相−ｃ相に駆動用電力が供給されることで内部コイル体３１Ａおよび外部コイル体３２Ｂ（ア、エ）と内部コイル体３１Ｃおよび外部コイル体３２Ａ（ウ、カ）とが駆動され、ｂ相−ｃ相に駆動用電力が供給されることで内部コイル体３１Ｂおよび外部コイル体３２Ｃ（イ、オ）と内部コイル体３１Ｃおよび外部コイル体３２Ａ（ウ、カ）とが駆動されるものである。
【００３１】
このように、電機子コイルを内部コイル体３１Ａ〜３１Ｃおよび外部コイル体３２Ａ〜３２Ｃで構成することにより、最小限のスペースで電機子コイルの巻線数を増加させて発生する磁束を増加させることができるもので、これによって小型、薄型化を図ることができ、特に上記のように電機子コイルが二重構造であっても内部コイル群の周側面と外部コイル群の周側面を同一外周とすることによってヨークとマグネットとのギャップを、例えば従前の内部コイル群のみを使用した一重構造と同一とさせることができることからモータ効率を向上させ、発生トルクを向上させることができるものである。
【００３２】
次に、図５に、本発明の第２実施形態に係るＤＣモータの構成図を示す。図５はアウタロータ形のブラシレスモータを示したもので、図５（Ａ）はモータ内部の平面構成図、図５（Ｂ）は図５（Ａ）のＢ−Ｂ断面図、図５（Ｃ）はベースを除いた底面から見た構成図である。図５（Ａ）〜（Ｃ）において、ＤＣモータ４１は、ロータ４２がステータ４３を包含するように配置され、ベース４４に軸受４５Ａ，４５Ｂを介して取り付けられたものである。ベース４４は、円板状の中央部分に円筒状の軸支部が形成されたもので、当該軸支部の内壁に上記軸受４５Ａ，４５Ｂが取り付けられる。
【００３３】
上記ロータ４２は、逆椀状のマグネットヨーク５１の中央部分にボス５２が設けられ、当該ボス５２にシャフト５３が固着される。そして、当該マグネットヨーク５１の側部内壁に界磁束発生の主となる上記同様の４極のマグネット５４Ａ〜５４Ｄが固着されたものである。当該マグネット５４Ａ〜５４Ｄは、図１に示すマグネット２３Ａ〜２３Ｄと同様である。
【００３４】
上記ステータ４３は、円盤状の積層コア６１がベース４４の軸支部の外周に取り付けられ、当該積層コア６１の周側面に対して、上記図３に示すような中空の内部コイル体６２Ａ〜６２Ｃによる構成の内部コイル群および中空の外部コイル体６３Ａ〜６３Ｃによる構成の外部コイル群が当該内部コイル群を覆って取り付けられたものである。
【００３５】
すなわち、図３と同様に、積層コア６１の周側面に対して上記３つの内部コイル体６２Ａ〜６２Ｃのそれぞれを１２０度間隔で並列的に配置させて内部コイル群とし、この内部コイル群を仮想的な円盤とした場合の周側面に対して、当該内部コイル群を覆って３の外部コイル体６３Ａ〜６３Ｃのそれぞれを上記内部コイル体３１Ａ〜３１Ｃより６０度ずらせて１２０度間隔で並列的に配置させて外部コイル群とし、内部コイル群の周側面と前記外部コイル群の周側面を同一外周としたものである。なお、内部コイル体６２Ａ〜６２Ｃおよび外部コイル体６３Ａ〜６３Ｃは、図４（Ａ）または図４（Ｂ）に示すようにスター結線されて互いに対向する相同士が接続されたものである。
【００３６】
また、ベース４４上であって、ステータ４３の下方には配線基板４６が設けられ、当該配線基板４６には例えば６０度間隔でホール素子４７Ａ〜４７Ｃが少なくとも搭載され、外部に対応数のリード線４８が延出される。
【００３７】
ここで、上記ＤＣモータ４１の組立を簡単に説明すると、まず、マグネットヨーク５１にボス５２をカシメ等により固定し、当該ボス５２にシャフト５３を圧入させる。当該マグネットヨーク５１の側部内壁に上述のように着磁させたマグネット５４Ａ〜５４Ｄを互いに非接触で配置して接着固定する。一方、積層ヨーク６１に内部コイル体６２Ａ〜６２Ｃのそれぞれを配置してこれらの当接する部分および当該積層ヨーク６１との当接部分で接着固定する。
【００３８】
また、当該内部コイル体６２Ａ〜６２Ｃを覆うように外部コイル体６３Ａ〜６３Ｃのそれぞれを上記のように配置してこれらの当接する部分および内部コイル体３１Ａ〜３１Ｃのそれぞれと当接する部分で接着固定する。これにより、積層ヨーク６１を内包したステータ４３のコイルアセンブリが形成される。
【００３９】
続いて、少なくともホール素子４７Ａ〜４７Ｃが搭載されて対応数のリード線４８が接続された配線基板４４を上記コイルアセンブリに取り付け対応のタップ等ではんだ付け等が行われる。また、ベース４４に軸受４５Ａ，４５Ｂを取り付け、上記コイルアセンブリをベース４４の軸支部の外周に接着固定する。そして、当該軸受４５Ａ，４５Ｂにロータ４２のシャフト５３を圧入するものである。
【００４０】
このようにＤＣモータ４１の回転駆動は上記ＤＣモータ１１と同様である。すなわち、上記同様に、電機子コイルを内部コイル体６２Ａ〜６２Ｃおよび外部コイル体６３Ａ〜６３Ｃで構成することにより、最小限のスペースで電機子コイルの巻線数を増加させて発生する磁束を増加させ、これによって小型、薄型化を図ることができると共に、モータ効率を向上させ、発生トルクを向上させることができるものである。
【００４１】
次に、図６に、本発明の第３実施形態に係るＤＣモータの構成図を示す。図６はアウタロータ形のブラシ付きコアレスモータを示したもので、図６（Ａ）はブラシ台を除いて底面より見た構成図、図６（Ｂ）は図６（Ａ）のＣ−Ｃ断面図、図６（Ｃ）はブラシ台の構成図である。図６（Ａ）〜（Ｃ）において、ＤＣモータ７１は、ステータ７２を包含するようにロータ７３が配置され、ハウジング７４に収められる。ハウジング７４は、円筒状で一方が開放され、他方の中央部分に円筒形状の軸支部が形成されたものである。
【００４２】
上記ステータ７２は、円盤状のマグネットヨーク８１が上記軸支部の内壁に固着され、当該マグネットヨーク８１の外周に界磁束発生の主となる例えば４個のマグネット８２Ａ〜８２Ｄが固着されたものである。当該マグネット８２Ａ〜８２Ｄは上述と同様のものである。
【００４３】
上記ロータ７３は、シャフト９１が円板状のハブ９２の中央を貫通して固着され、当該シャフト９１の一方側のハブ９２に例えば６つの整流子９３Ａ〜９３Ｆ（６セグメント）が固着される。また、上記ステータ７２およびハブ９２を仮想的な円盤とし、その周側面に対して上記図３に示すような中空の内部コイル体９４Ａ〜９４Ｃによる構成の内部コイル群および中空の外部コイル体９５Ａ〜９５Ｃによる構成の外部コイル群が当該内部コイル群を覆って取り付けられたものである。
【００４４】
すなわち、図３と同様に、ステータ７２およびハブ９２を仮想的な円盤とした場合の周側面に対して上記３つの内部コイル体９４Ａ〜９４Ｃのそれぞれを１２０度間隔で並列的に配置させて内部コイル群とし、この内部コイル群を仮想的な円盤とした場合の周側面に対して、当該内部コイル群を覆って３の外部コイル体９５Ａ〜９５Ｃのそれぞれを上記内部コイル体９４Ａ〜９４Ｃより６０度ずらせて１２０度間隔で並列的に配置させて外部コイル群とし、内部コイル群の周側面と前記外部コイル群の周側面を、同一外周としたものである。なお、内部コイル体９４Ａ〜９４Ｃおよび外部コイル体９５Ａ〜９５Ｃは、図４（Ａ）または図４（Ｂ）に示すようにスター結線されて互いに対向する相同士が接続されたものである。
【００４５】
この場合、内部コイル群と外部コイル群とが所定数の補強リング９６で補強固定される。なお、当該補強リング９６は、電機子コイルの回転時に離脱しないようにするために念のためとして設けたものであるが、本来、内部コイル体９４Ａ〜９４Ｃおよび外部コイル体９５Ａ〜９５Ｃは互いに接着剤等により固着されることから、前述の特許文献１にコイル体同士の接着より強度に固着されることから、従前より回転による離脱防止が増強されているものである。
【００４６】
そして、シャフト９１が軸受（例えばスリーブ形ベアリングであり、上述のボールベアリングでもよい）７５により上記ハウジング７４の軸支部の内壁に回転自在に取り付けられ、当該シャフト９１のハウジング７４より延出した部分にＥリング７６が設けられたものである。
【００４７】
一方、ハウジング７４の蓋部の役割をもなすブラシ台７７が当該ハウジング７４の開口側に設けられ、対応のブラシ固定部に４つのブラシ７８Ａ〜７８Ｄが９０度間隔で配置され、上記整流子９３Ａ〜９３Ｆと当接させて広がらないように固定される。上記ブラシ７８Ｂ，７８Ｃは共に接続状態でリード線７９Ａと接続され、上記ブラシ７８Ｄ，７８Ａは共に接続状態でリード線７９Ｂと接続される。そして、ブラシ台７７をハウジング７４の開口部分に嵌合固定させることで当該ハウジング７４内を略密閉状態としている。
【００４８】
ここで、上記ＤＣモータ７１の組立を簡単に説明すると、まず、マグネットヨーク８１に軸受７５を圧入（または接着）し、当該マグネットヨーク８１の外周に上述のように着磁させたマグネット８２Ａ〜８２Ｄを互いに非接触で配置して接着固定する。一方、シャフト９１にハブ７７を圧入し、上記マグネット８２Ａ〜８２Ｄを微小ギャップで内包させて内部コイル体９４Ａ〜９４Ｃをハブ７７に接着固定する（これらは専用の治具が使用される）。また、当該内部コイル体９４Ａ〜９４Ｃを覆うように外部コイル体９５Ａ〜９５Ｃのそれぞれを上記のように配置してこれらの当接する部分および内部コイル体９４Ａ〜９４Ｃのそれぞれと当接する部分で接着固定すると共に、補強リング９６で当該内部コイル群と外部コイル群とを接着固定する。
【００４９】
一方、シャフト９１に整流子９３Ａ〜９３Ｆを取り付け、当該整流子９３Ａ〜９３Ｆのライザに各対応の内部コイル体９４Ａ〜９４Ｃおよび外部コイル体９５Ａ〜９５Ｃの片方のタップをはんだ付け等により接続し、他方のタップを上記補強リング９６にはんだ付け等により固着する。また、マグネットヨーク８１をハウジング７４の軸支部内壁に挿入して接着固定する。
【００５０】
他方、ブラシ台７７にブラシ７８Ａ〜７８Ｄを取り付けて対応する同士で接続すると共に、対応のリード線７９Ａ，７９Ｂをはんだ付け等により接続し、当該ブラシ台７７をハウジング７４に当該ブラシ７８Ａ〜７８Ｄを広げながら取り付ける。そして、リード線７９Ａ，７９Ｂを電源に接続して電流を供給して当該ブラシ台７７を回転させながら適切なタイミング位置に合わせてハウジング７４にカシメまたは接着剤等により取り付けるものである。
【００５１】
そこで、図７に、図６に示すＤＣモータ駆動のタイミングチャートを示す。図７（Ａ）は整流子とブラシを示した説明図、図７（Ｂ）は各コイル体への駆動信号のタイミングチャートを示したものである。
【００５２】
図７（Ａ）において、上記各内部コイル体９４Ａ〜９４Ｃと各外部コイル体９５Ａ〜９５Ｃとは図４（Ａ）または図４（Ｂ）に示すようにスター結線され、これらの各相が６セグメントの整流子９３Ａ〜９３Ｆにそれぞれ接続されたものである。また、このような整流子９３Ａ〜９３Ｆに対して９０度毎に配置されたブラシ７８Ａ〜７８Ｄが当接されたものである。
【００５３】
上記ＤＣモータ７１は、図７（Ｂ）に示すように、例えばブラシ７８Ａ，７８Ｃと、ブラシ７８Ｂ，７８Ｄとに交互に正負の電圧を印加することにより、例えば整流子９３Ａ，９３Ｄ（内部コイル体９４Ａ，外部コイル９５Ｂ）と整流子９３Ｂ，９３Ｅ（内部コイル体９４Ｂ，外部コイル９５Ｃ）とのａ相−ｂ相間（ア、イ、エ、オ）、整流子９３Ａ，９３Ｄ（内部コイル体９４Ａ，外部コイル９５Ｂ）と整流子９３Ｃ，９３Ｆ（内部コイル体９４Ｃ，外部コイル９５Ａ）とのａ相−ｃ相間（ア、ウ、エ、カ）、整流子９３Ｂ，９３Ｅ（内部コイル体９４Ｂ，外部コイル９５Ｃ）と整流子９３Ｃ，９３Ｆ（内部コイル体９４Ｃ，外部コイル９５Ａ）とのｂ相−ｃ相間（イ、ウ、オ、カ）のそれぞれに対して交互に駆動電力が供給されることとなってロータ７３が回転するものである。
【００５４】
すなわち、マグネット８２Ａ〜８２Ｄが４極に着磁されており、６セグメントの整流子９３Ａ〜９３Ｆに対してブラシ７８Ａ〜７８Ｄが９０度毎に配置されていることから、上記のようにブラシ７８Ａ，７８Ｃと、ブラシ７８Ｂ，７８Ｄとに交互に正負の電圧を印加することにより、各内部コイル体９４Ａ〜９４Ｃおよび各外部コイル体９５Ａ〜９５Ｃは、ロータ７３が１回転するときにそれぞれ４回電流が切り替わることになる。したがって、従前の２極に着磁された２分割のマグネットに１８０度２本のブラシが使用され、一重（本発明は内部コイル群と外部コイル群の二重）でコイル群が構成されていたコアレスモータに比べて、磁気回路を短くすることが可能となって磁性材の厚さを薄くして軽量化を図ることができると共に、コイル制御の効率が向上し、省エネルギ化を図ることができるものである。
【００５５】
このように、６セグメントの整流子を備えるアウタロータ形のブラシ付きコアレスモータであっても、電機子コイルを内部コイル体９４Ａ〜９４Ｃおよび外部コイル体９５Ａ〜９５Ｃで構成することにより、上記同様に、最小限のスペースで電機子コイルの巻線数を増加させて発生する磁束を増加させることができるもので、これによって小型、薄型化を図ることができ、特に上記のように電機子コイルが二重構造であっても内部コイル群の周側面と外部コイル群の周側面を同一外周とすることによってハウジングとマグネットとのギャップを、例えば従前の内部コイル群のみを使用した一重構造と同一とさせることができることからモータ効率を向上させ、発生トルクを向上させることができるものである。
【００５６】
また、各内部コイル体９４Ａ〜９４Ｃおよび各外部コイル体９５Ａ〜９５Ｃを略台形状または弓形状とすることによって、上記整流子９３Ａ〜９３Ｆおよびブラシ７８Ａ，７８Ｂを配置するスペースを確保することができ、モータの大型化を防止することができるものである。
【００５７】
次に、図８に、本発明の第４実施形態に係るＤＣモータの構成図を示す。図８はコイルが回転するブラシ付きコアレスモータを示したもので、図８（Ａ）はブラシ台を除いた底部から見た平面構成図、図８（Ｂ）は図８（Ａ）のＤ−Ｄ断面図、図８（Ｃ）はブラシ台の構成図である。
【００５８】
図８（Ａ）〜（Ｃ）に示す、ＤＣモータ１０１は、２つのブラシ７８Ａ，７８Ｂを６セグメントの整流子９３Ａ〜９３Ｆに対して隣接して９０度に配置し、整流子９３Ａ〜９３Ｆにそれぞれ対応の各内部コイル体９４Ａ〜９４Ｃおよび各外部コイル体９５Ａ〜９５Ｃが接続され、さらに整流子９３Ａと整流子９３Ｄ、整流子９３Ｂと整流子９３Ｅ、整流子９３Ｃと整流子９３Ｆを接続したものである。他の構成は図６に示すＤＣモータ７１同様であり説明を省略する。
【００５９】
そこで、図９に、図８に示すＤＣモータ駆動のタイミングチャートを示す。図９（Ａ）は整流子とブラシを示した説明図、図９（Ｂ）は各コイル体への駆動信号のタイミングチャートを示したものである。図９（Ａ）において、上記整流子９３Ａ〜９３Ｆに対して２つのブラシ７８Ａ，７８Ｂを９０度で隣接させて当接させたものである。
【００６０】
このような上記ＤＣモータ１０１は、図９（Ｂ）に示すように、例えばブラシ７８Ａとブラシ７８Ｂに正負の電圧を印加することにより、例えば整流子９３Ａ，９３Ｄ（内部コイル体９４Ａ，外部コイル９５Ｂ）と整流子９３Ｂ，９３Ｅ（内部コイル体９４Ｂ，外部コイル９５Ｃ）とのａ相−ｂ相間（ア、イ）、整流子９３Ａ，９３Ｄ（内部コイル体９４Ａ，外部コイル９５Ｂ）と整流子９３Ｃ，９３Ｆ（内部コイル体９４Ｃ，外部コイル９５Ａ）とのａ相−ｃ相間（ア、ウ）、整流子９３Ｂ，９３Ｅ（内部コイル体９４Ｂ，外部コイル９５Ｃ）と整流子９３Ｃ，９３Ｆ（内部コイル体９４Ｃ，外部コイル９５Ａ）とのｂ相−ｃ相間（イ、ウ）のそれぞれに対して交互に駆動電力が供給されることとなってロータ７３が回転するものである。
【００６１】
すなわち、上記各内部コイル体９４Ａ〜９４Ｃおよび各外部コイル体９５Ａ〜９５Ｃを図４（Ａ）に示すようにスター結線して互いに対向する相同士を接続して３対のコイル体とし、これらの各相が６セグメントの整流子９３Ａ〜９３Ｆに対して整流子９３Ａ，９３Ｄ、整流子９３Ｂ，９３Ｅ、整流子９３Ｃ，９３Ｆにそれぞれ接続させることによっても各内部コイル体９４Ａ〜９４Ｃおよび各外部コイル体９５Ａ〜９５Ｃは、ロータ７３が１回転するときにそれぞれ４回電流が切り替わることになり、上記同様に、軽量化を図ることができると共に、コイル制御の効率が向上し、省エネルギ化を図ることができるものである。
【００６２】
このように、６セグメントの整流子を備えるアウタロータ形のブラシ付きコアレスモータであっても、電機子コイルを内部コイル体９４Ａ〜９４Ｃおよび外部コイル体９５Ａ〜９５Ｃで構成し、各相同士で接続させる構成とすることにより、上記同様に、最小限のスペースで電機子コイルの巻線数を増加させて発生する磁束を増加させることができるもので、これによって小型、薄型化を図ることができ、特に上記のように電機子コイルが二重構造であっても内部コイル群の周側面と外部コイル群の周側面を同一外周とすることによってハウジングとマグネットとのギャップを、例えば従前の内部コイル群のみを使用した一重構造と同一とさせることができることからモータ効率を向上させ、発生トルクを向上させることができるものである。
【００６３】
また、上記同様に、各内部コイル体９４Ａ〜９４Ｃおよび各外部コイル体９５Ａ〜９５Ｃを略台形状または弓形状とすることによって、上記整流子９３Ａ〜９３Ｆおよびブラシ７８Ａ，７８Ｂを配置するスペースを確保することができ、モータの大型化を防止することができるものである。
【００６４】
なお、上記各実施形態では、マグネットを４極として説明したが、これ以上の局数２ｎ（ｎは２以上の整数）でも適用することができるものである。また、上記各実施形態では内部コイル群および外部コイル群をそれぞれ３つの内部コイル体および外部コイル体で構成した場合を示したが、それぞれ２以上の内部コイル体および外部コイル体で所定角度ずらせて二重に配置させる構造（特に、内部コイル群の周側面と外部コイル群の周側面を同一外周とする）のものについても適用することができるものである。このことはブラシ付きＤＣモータに設けられる整流子のセグメント数を内部コイル体および外部コイル体の総数とすることもできるものである。
【００６５】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、マグネットと電機子コイルとを備えて何れか一方をロータとするＤＣモータであり、電機子コイルが、仮想的な円盤または円盤状のコアの周側面に対して中空の内部コイル体を所定数並列的に配置させた内部コイル群と、当該内部コイル群を覆って中空の外部コイル体を所定数並列的に配置させた外部コイル群とで形成されることにより、小型、薄型化を図り、モータ効率を向上させることができると共に、発生トルクを向上させることができるものである。
【００６６】
また、各内部コイル体および各外部コイル体のそれぞれ対向するコイル体を、並列接続するか、直列接続するかによって全体の電機子コイルの抵抗を選択することができることから、印加電圧の変動に対応させることができ、一方で印加電圧に応じたコイル体形成における線材太さ選択の自由度を向上させることができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係るＤＣモータの構成図である。
【図２】図１に示すＤＣモータの一部断面斜視図である。
【図３】図１に示すＤＣモータの電機子コイルの説明図である。
【図４】図１に示すＤＣモータ駆動のタイミングチャートである。
【図５】本発明の第２実施形態に係るＤＣモータの構成図である。
【図６】本発明の第３実施形態に係るＤＣモータの構成図である。
【図７】図６に示すＤＣモータ駆動のタイミングチャートである。
【図８】本発明の第４実施形態に係るＤＣモータの構成図である。
【図９】図８に示すＤＣモータ駆動のタイミングチャートである。
【符号の説明】
１１，４１，７１，１０１    ＤＣモータ
１２                        ロータ
１３                        ステータ
１６                        コイルヨーク
２２                        マグネットヨーク
２３Ａ〜２３Ｄ              マグネット
３１Ａ〜３１Ｃ              内部コイル体
３２Ａ〜３２Ｃ              外部コイル体
【図１】
2004343952.tif 000003
【図２】
2004343952.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2004343952.tif 000008
【図７】
2004343952.tif 000009
【図８】
2004343952.tif 000010
【図９】
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