(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボビンにマグネットワイヤーを巻回して形成するコイルに軟磁性鋼板を打抜き加工した薄板を複数枚周方向に積層した突極を挿入実装したステータユニットと、
複数個のステータユニットと１つの界磁磁石が前記突極と微小間隔を隔てて回転自在に配置されたロータユニットとを備え、
前記界磁磁石の着磁は軸方向に対し複数段に分割して各段毎にＳ極とＮ極とが周方向に交互になり、前記各段の磁極位置は各段ごとに互いにずらし、前記磁極位置のズラシ量は、電気角で２０度から２６度の範囲とすることを特徴とすることを特徴とするＤＣモータ。
【請求項２】
前記界磁磁石は中空円筒状であってシャフトに圧入固定されたスリーブの外周面に固定されると共に両端面にホルダーを配設したことを特徴とする請求項１に記載の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、ＤＣモータの特性向上に関し、トルクなどの性能は維持し、簡潔構造でコギングを低減した低振動のＤＣモータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＯＡ機器などの各種機器は、その高性能化に伴い、高トルクなどの高性能と、低コギングで低振動の高品質のモータが求められてきている。こうした各種機器に使用されるインナーロータ型のＤＣモータは、これらの要望に応え改良は進められているものの、それらの要求は相反するものであり、両者を満足させることは難しい状況にある。
【０００３】
インナーロータ型のＤＣモータは、ステータユニットの内側にロータユニットが回転自在に配置され、ステータユニットとロータユニットの磁束の相互作用によりロータユニットが回転するものであり、図６は、この従来のロータユニット２９の斜視図と、その表面に着磁されるＳ極とＮ極の展開パターン図を示す。
【０００４】
図６（Ａ）に示すように、ロータユニット２９は、ホルダー２２が回転中心となるシヤフト２１に圧入固定され、このホルダー２２の外周面には界磁磁石２６が同軸的に固定され、界磁磁石２６の周方向に所定の間隔で着磁を施し、図６（Ｂ）に示す磁極の展開パターンを形成している。
【０００５】
図６（Ｂ）に示すように、Ｓ極とＮ極の展開パターンは、Ｓ極とＮ極とが交互に着磁されて、Ｓ極とＮ極は、同じ磁極幅（Ｗ１＝Ｗ２）に着磁されている。そのため、すべての磁極の磁束変化が同時となり、急峻な変化となるためコギングが発生するという問題がある。
【０００６】
低コギング化については、界磁磁石２６の磁極にスキューを付けるなどの方法があるが、トルクの低下は免れないため、トルク特性に余裕のある場合にしか採用できない上、着磁治具は製作に困難を極めることから高価となる上、メンテナンスが行い難いという問題がある。
【０００７】
また、スキュー角の割出はカットアンドトライにより行う以外になく、容易にできないことと、低振動化対策として、高調波成分の削減に対応する磁極の位相補正ができないため対応が難しかった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、トルクなどの性能は維持し、低価格の簡潔構造でコギングを低減し低振動のＤＣモータを提供することを目的とする。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明のＤＣモータは、ボビンにマグネットワイヤーを巻回して形成するコイルに軟磁性鋼板を打抜き加工した薄板を複数枚周方向に積層した突極を挿入実装したステータユニットと、複数個のステータユニットと１つの界磁磁石が前記突極と微小間隔を隔てて回転自在に配置されたロータユニットとを備え、前記界磁磁石の着磁は軸方向に対し複数段に分割して各段毎にＳ極とＮ極とが周方向に交互になり、前記各段の磁極位置は各段ごとに互いにずらし、前記磁極位置のズラシ量は、電気角で２０度から２６度の範囲とすることとした。
【００１０】
さらに、前記界磁磁石は中空円筒状であってシャフトに圧入固定されたスリーブの外周面に固定されると共に両端面にホルダーを配設した。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【００１２】
図１は、本発明に関するインナーロータ型のＤＣモータを示し、図（Ａ）は一部を切り欠いた平面図を示し、図（Ｂ）は一部を切り欠いた側面図を示す。
【００１３】
図１に示すように、このインナーロータ型のＤＣモータは、ステータユニット８と、ロータユニット１９とで主に構成されている。ステータユニット８は、突極１と、ボビン３と、コイル５と、リング３０とが設けられ、ボビン３にマグネットワイヤーを巻回して形成するコイル５に軟磁性鋼板を打抜き加工した薄板を複数枚周方向に積層した突極１を挿入実装したものであり、周方向に複数個設けられ、リング３０にてそれぞれを結合し磁路を構成している。
【００１４】
一方、ロータユニット１９は、シャフト１１と、円筒状の界磁磁石６と、スリーブ２と、ホルダー１２と、ホルダー１８とホルダー３１の間にスプリング３２を挟んだスプリングホルダー３３とが設けられ、界磁磁石６がスリーブ２によりシャフト１１に固定されたものであり、シャフト１１は、フランジ１３に設けられたベアリング１４と、フランジ１５の上部に設けられたベアリング１６により回転自在に取り付けられ、シャフト１１の外周に固定された界磁磁石６が複数のステータユニット８の突極１と微小間隔を隔てて配置されている。
【００１５】
なお、界磁磁石６は、材料を必要最小限とする為に、中空として両端面にホルダー１２、スプリングホルダー３３を設けて界磁磁石６とシャフト１１の同軸度を維持する構成としている。
【００１６】
フランジ１３とフランジ１５は、ケース７に上下でそれぞれ固定され外装容器となっている。また、コネクタ１７は、基板３４ででコイル５と接続し、外部の駆動回路（図示せず）と接続している。
【００１７】
図２は、本発明に関するインナーロータ型のＤＣモータのロータユニット１９の斜視図と、その表面に着磁されるＳ極とＮ極の展開パターン図を示す。
【００１８】
図２（Ａ）に示すように、ロータユニット１９は、ホルダー１２が見えるが内部にてスリーブ２が回転中心となるシヤフト１１に圧入固定され、このスリーブ２、ホルダー１２、スプリングホルダー３３の外周面に界磁磁石６が同軸的に固定されている。このように構成されたロータユニット１９は、図示しない着磁器を用いて界磁磁石６の周方向に所定の間隔で着磁を施し、図２（Ｂ）に示す磁極の展開パターンを形成する。
【００１９】
図２（Ｂ）に示すように、界磁磁石６への着磁は、軸方向に対し第１段と第２段とに分割して各段毎にＳ極とＮ極とを周方向に交互にする。各段は、軸方向の寸法Ｈに対し等間隔Ｈ／２とし、各段の磁極位置は互いにズラシ量αだけずらす。
【００２０】
次に、本発明に関するインナーロータ型のＤＣモータの動作につき図１と図２を参照して説明する。
【００２１】
本モータは図からも明らかなように、６スロット８極の３相ブラシレスＤＣモータである。
【００２２】
ロータユニット１９は、各ステータユニット８の複数個のコイル５を同時励磁することによって生じる電磁界と永久磁石で構成されるロータユニット１９の磁界との相互作用によって回転する。特に、ブラシレスＤＣモータでは界磁磁石６の位置検出信号に応じて予め定められたコイル励磁シーケンスが決められており、各コイル５の励磁は前記励磁シーケンスにより一義的に励磁される。
【００２３】
なお、界磁磁石６の位置検出は、図１（Ｂ）に示した構造において、基板３４上面に取り付けられ（図示せず）、界磁磁石６の下端面と対抗して界磁磁石６の下端部から漏洩する磁界を検出する位置検出器（ホールセンサなど）によって行うのが一般的である。
【００２４】
本実施例では３相、８極、６つのステータユニットで構成されており、コイル５の数は６個、位置検出器の数は３個である。６個のコイル５は中心に対して１８０度対向しているもの同士が直列に接続されており、同一相を構成しており、これらが６０度ずつの角度で３組（３相としそれぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相と呼ぶ）用意され、星型に接続されている。
【００２５】
一方、３個の位置検出器はステータユニット８のＵ相とＶ相、Ｖ相とＷ相、ＷとＵ相の間に一個づつ配置され各々の位置での６通りの検出出力を持つ様構成されている。
【００２６】
ロータ位置検出信号に対する各相コイルの励磁シーケンスは表１に示したとおりの通常の３相ブラシレスモータと同じである。
【００２７】
図３は、本発明に関するインナーロータ型のＤＣモータに関し、ロータユニット１９が回転したときの電気角（度）に対するコギングトルクの特性図を示す。
【００２８】
Ｒ１は、従来のインナーロータ型のＤＣモータのコギングトルク特性を示し、Ｑ１は、本発明に関するインナーロータ型のＤＣモータのコギングトルク特性を示し、前記したズラシ量αを電気角で２５度としたものである。
【００２９】
図３に示すように、従来のインナーロータ型のＤＣモータでのコギングトルク特性Ｒ１は、プラス・マイナス方向に全体的には約２．５ｍＮｍの振幅範囲でばらついているが、本発明に関するインナーロータ型のＤＣモータのコギングトルク特性Ｑ１は、プラス・マイナス方向に全体的には約１ｍＮｍの振幅範囲内に収まっておりコギングの低減が大幅に行われたことが分かる。
【００３０】
図４は、コギングトルクを高速フーリエ変換（ＦＦＴ）し、コギングトルクの周波数分析を行ったものである。
【００３１】
なお、本モータのコギングトルクの基本次数は６スロット８極のモータであることから２４次となる。
【００３２】
Ｒ２は、従来のインナーロータ型のＤＣモータのコギングトルクＦＦＴ分析結果を示し、Ｑ２は、本発明に関するインナーロータ型のＤＣモータでのコギングトルクＦＦＴ分析結果を示し、前記したズラシ量αを電気角で２５度としたものである。
【００３３】
図４に示すように、従来のインナーロータ型のＤＣモータでのコギングトルクＦＦＴ分析結果Ｒ２に対し、本発明に関するインナーロータ型のＤＣモータのコギングトルクＦＦＴ分析結果Ｑ２は全体的に低く、特に、基本次数である２４次においては１／３以下と大幅に低減していることが分かる。
【００３４】
図５は、前記したズラシ量α（電気角（度））に対し、コギングトルクのＰＰ値（ピーク間の値）を実験的に求めたものである。
【００３５】
図５に示すように、ズラシ量α（電気角（度））が１２度から５０度の範囲ではコギングトルクが２０％以上低減しており、逆起電力の特性はいずれも滑らかな正弦波に近くなることが確認された。
【００３６】
上記したごとく、本発明に関するインナーロータ型のブラシレスＤＣモータでは、逆起電力の電圧特性Ｑがトルク特性と対応するため、本結果から滑らかなトルク特性が得られることとなり、簡潔構造でコギングを低減し低振動とすることができた。
【００３７】
また、本実施例では、両方向回転の用途に適用する為に、基板へのロータ位置検出素子の実装位置をロータ磁極のズラシ量αの１／２だけ調整している。
【００３８】
なお、上記実施例では、界磁磁石６への着磁は、軸方向に対し第１段と第２段の２分割としたが、これに限定することなく用途（目的）に応じて複数段に分けて着磁を行うようにすることもできる。
【００３９】
また、インナーロータ型のブラシレスＤＣモータに限らず、アウターロータ型のブラシレスＤＣモータについても同様にして着磁を行えば同様の効果を得ることができる。
【００４０】
さらに、ブラシレスＤＣモータの用途として、軸の両方向回転が必要な場合には、励磁切換用に専用の界磁磁石を持ち、磁石を多く必要としていたが、界磁磁石６の端面に検出用着磁を行うことにより磁石を増やさないで軸の両方向回転を容易に行うことができる。
【００４１】
【発明の効果】
本発明のＤＣモータは、ボビンにマグネットワイヤーを巻回して形成するコイルに軟磁性鋼板を打抜き加工した薄板を複数枚周方向に積層した突極を挿入実装したステータユニットと、複数個のステータユニットと界磁磁石が前記突極と微小間隔を隔てて回転自在に配置されたロータユニットとを備え、前記界磁磁石の着磁は軸方向に対し複数段に分割して各段毎にＳ極とＮ極とが周方向に交互になり、前記各段の磁極位置を各段ごとに互いにずらしたため、トルクなどの性能は維持したままの簡潔構造でコギングを低減し、低振動とすることができる。
【００４２】
また、前記磁極位置のズラシ量は、電気角で１２度から５０度の範囲としたため、効果的にコギングを低減し低振動とすることができる。
【００４３】
さらに、前記ロータユニットは、界磁磁石を円筒状として中心部のスリーブで前記界磁磁石を前記シャフトの外周に固定し、両端をホルダーにてふさぐ構造としたため、使用材料が最小限となる簡潔構造で確実に界磁磁石を固定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に関するインナーロータ型のＤＣモータを示し、図（Ａ）は一部を切り欠いた平面図を示し、図（Ｂ）は一部を切り欠いた側面図を示す。
【図２】本発明に関するロータユニットの斜視図と、その表面に着磁されるＳ極とＮ極の展開パターン図を示す。
【図３】ロータユニットが回転したときの電気角（度）に対するコギングトルクの特性図を示す。
【図４】コギングトルクを高速フーリエ変換（ＦＦＴ）し、コギングトルクの周波数分析結果を示す。
【図５】ズラシ量α（電気角（度））に対し、コギングトルクを実験的に求めた図を示す。
【図６】従来のロータユニットの斜視図と、その表面に着磁されるＳ極とＮ極の展開パターン図を示す。
【符号の説明】
１  突極
２  スリーブ
３  ボビン
５  コイル
６  界磁磁石
７  ケース
８  ステータユニット
１１  シャフト
１２、１８、３１  ホルダー
１３  フランジ
１４、１６  ベアリング
１５  フランジ
１７  コネクタ
１９  ロータユニット
３２  スプリング
３３  スプリングホルダー
３４  基板
【表１】
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【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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