(57)【要約】【課題】直流モータでは、ロータ側においてはスロットの幅や数、磁石側ではその厚み（ロータとの間隙）の変化率や磁石開角等に左右され、効果的な構成でモータを完成させることが困難であった。そこで、本発明は不等ギャップを用いて、より効果的にコギングを低減させた直流モータを提供することを目的とする。【解決手段】突極（２１）の円弧状外周に所定開角でスロット（２３）が形成され、磁石（３）は端部に切り欠きを形成するとともに突極の円弧状外周に対し距離Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３のギャップを有する不等ギャップ形状に形成される。ギャップＬ２はギャップＬ１の約２倍、ギャップＬ３はギャップＬ１の約３倍とし、前記スロットが前記磁石の端部近傍に位置するとき、前記スロットを形成する突極の４つの端部がＬ２のギャップより大きくなる位置に配置されるようギャップＬ１、Ｌ２、Ｌ３を形成する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定開角に分割されて対向配置された２つの磁石により２極の磁界を有するステータと、３つの等角配置された突極を有するロータからなる径方向空隙型の直流モータにおいて、前記各突極は回転中心を中心とする円弧状外周を有して所定開角でスロットが形成され、前記磁石は端部に切り欠きを形成するとともに突極の円弧状外周に対し距離Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３のギャップを有する不等ギャップ形状に形成され、ギャップＬ２はギャップＬ１の約２倍でありギャップＬ３はギャップＬ１の約３倍とし、前記スロットが前記磁石の端部近傍に位置するとき、前記スロットを形成する突極の４つの端部がＬ２のギャップより大きくなる位置に配置されるようギャップＬ１、Ｌ２、Ｌ３を形成したことを特徴とする直流モータ。
【請求項２】
所定開角に分割されて対向配置された２つの磁石により２極の磁界を有するステータと、３つの等角配置された突極を有するロータからなる径方向空隙型の直流モータにおいて、前記突極はその各々が回転中心から変位した位置を中心とする所定の円弧状外周を有すると共に、各突極の間に所定開角のスロットが形成され、前記２つの磁石は端部に切り欠きを有するとともに回転中心を中心とする共通の所定円弧状内周形状で形成され、各突極の円弧状外周は前記円弧状内周に対し距離Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３のギャップを有する不等ギャップ形状に形成され、ギャップＬ２はギャップＬ１の約２倍でありギャップＬ３はギャップＬ１の約３倍とし、前記スロットが前記磁石の端部近傍に位置するとき、前記磁石の端部がＬ２のギャップより大きくなる位置に配置されるようギャップＬ１、Ｌ２、Ｌ３を形成したことを特徴とする直流モータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、永久磁石を用いたマグネットの内周部に回転するロータをもつ直流モータに関する。
【背景技術】
【０００２】
直流モータとして、永久磁石を用いたマグネットの内周部に、マグネットより生ずる磁束中に鉄芯コアをもつロータが回転可能に配置されている、いわゆる径方向空隙型のものが一般的に知られている。
この直流モータにおいては、異方性磁石より生ずる磁束の変化と、鉄芯コアに設けられたスロットとにより、ロータに作用する吸引力に、ロータの回転角度に対応した急激な変動が生じてコギングトルクが発生する。このコギングトルクは、振動や騒音の原因になったり、停止位置が固定化し、精密な位置決めの障害になったり、回転トルク変動の増加になったり、起動電流の増加を招いたりするという問題点がる。
【０００３】
その問題を解決するため、ロータが回転する際にロータに作用する吸引力の変化を低減するよう、磁石の厚みを周方向で変化させ、ロータと磁石のギャップを変化させるいわゆる不等ギャップと呼ばれる構成が用いられている。
例えば特公昭５９−２５３６５号公報第２図や特開平３−７４１６４号公報第６図に見られるように、磁石の円環形状を外周側円弧の中心と内周側円弧の中心を異なるようにした形状が用いられている。
【特許文献１】特公昭５９−２５３６５号公報（第２図）
【特許文献２】特開平３−７４１６４号公報（第６図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような構成では、ロータ側においてはスロットの幅や数、磁石側ではその厚み（ロータとの間隙）の変化率や磁石開角等に左右され、効果的な構成でモータを完成させることが困難であった。そこで、本発明は不等ギャップを用いて、より効果的にコギングを低減させた直流モータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本願発明の直流モータは、請求項１に示すように、所定開角に分割されて対向配置された２つの磁石により２極の磁界を有するステータと、３つの等角配置された突極を有するロータからなる径方向空隙型の直流モータにおいて、前記各突極は回転中心を中心とする円弧状外周を有して所定開角でスロットが形成され、前記磁石は端部に切り欠きを形成するとともに突極の円弧状外周に対し距離Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３のギャップを有する不等ギャップ形状に形成され、ギャップＬ２はギャップＬ１の約２倍でありギャップＬ３はギャップＬ１の約３倍とし、前記スロットが前記磁石の端部近傍に位置するとき、前記スロットを形成する突極の４つの端部がＬ２のギャップより大きくなる位置に配置されるようギャップＬ１、Ｌ２、Ｌ３を形成したことを特徴とする。
スロット（あるいは突極の端部）が磁石の端部を通過しようとするとき、磁石端部に設けた切り欠きと不等ギャップにより磁界の急激な変化を緩和する。そして、影響するスロットを形成する突極の端部と磁石の距離をギャップＬ２より大きい状態でスロットが磁石端部を通過することで、コギングトルクの効果的な低減が図れる。
【０００６】
また、このギャップは請求項２に示すように、所定開角に分割されて対向配置された２つの磁石により２極の磁界を有するステータと、３つの等角配置された突極を有するロータからなる径方向空隙型の直流モータにおいて、前記突極はその各々が回転中心から変位した一を中心とする所定の円弧状外周を有すると共に、各突極の間に所定開角のスロットが形成され、前記２つの磁石は端部に切り欠きを有するとともに回転中心を中心とする共通の所定円弧状内周形状で形成され、各突極の円弧状外周は前記円弧状内周に対し距離Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３のギャップを有する不等ギャップ形状に形成され、ギャップＬ２はギャップＬ１の約２倍でありギャップＬ３はギャップＬ１の約３倍とし、前記スロットが前記磁石の端部近傍に位置するとき、前記磁石の端部がＬ２のギャップより大きくなる位置に配置されるようギャップＬ１、Ｌ２、Ｌ３を形成する。
このようにして、磁石を通常の円筒型としても突極の形状により同様の作用が得られる。
【発明の効果】
【０００７】
上記の構成により、本発明による直流モータはコギングが低減され起動トルクが少なくて済むので、電流−トルク曲線で示される性能が向上し同一トルクを発生させるための電流が少なくて済むので、消費電流が少なくかつ回転寿命を長くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図１はこの発明の直流モータの側面図を示し、ハッチングにてその要部断面を示している。図２はこの発明の直流モータの回転軸方向から見た図で、（イ）はケースおよびケースに装着されたマグネット、（ロ）は鉄心を構成する磁性板を示す。図３はこの発明の直流モータで、回転動作におけるロータと磁石の間隙を示し、（イ）はその基準位置で（ロ）は回転時スロットが磁石の端部に位置したときの状態を示す。さらに図４は本発明による直流モータの特性を示すグラフである。そして、図５は他の実施例を示す回転軸方向から見た図である。
【０００９】
図１によりこの発明の直流モータの構成を示す。この直流モータの構成は、後述の図２および図３に係る詳細な説明以外は通常の直流モータと同様の構成であり、一般的な構成の名称を記載することで詳細な説明は省略する。
モータＭはヨークとして作用する円筒キャップ状のケース１と円盤状のブラケット２で外筐が形成され、それぞれの中央部１ａ、２ａにはオイルレスメタルで形成された軸受け１ｂ、２ｂが取り付けられている。ケース１の円筒部１ｃ内面には２極を形成する２つに分割された円筒状磁石３（この場合磁石３ａ、３ｂ）が取り付けられている。ブラケット２にはまた、給電用のブラシ４が一対取り付けられている。
ロータＲは、所定数の突極１１ａが形成された磁性板１１が複数重ねられたコア１０と、導線が各突極１１ａに巻かれて形成されたコイル１２、ブラシと接触しそれぞれのコイルに電流を流すコンミテータ１３および回転軸１４で構成されている。回転軸１４は軸受１ｂ、２ｂでケース１およびブラケット２に回転支持される。
【００１０】
図２（イ）により回転軸１４方向からみた磁石３の構成を説明する。なお、磁石３ａ、３ｂは同形状で回転軸１４の回転中心１４ａを含む線Ｘに対して対称に配置されている。磁石３ａの説明で磁石に関する説明を代表する。
ケース１の円筒部１ｃは内面の半径がＲ１で形成され、磁石３ａの外周側円弧３ｃはこの円筒部１ｃの内面に取り付けられるようその半径がＲ１とほぼ等しくされている。ほぼ等しくとしたのは、磁石３ａを円筒部１ｃへ取り付ける方法により若干の差が出るためで、接着紙あるいは接着剤を用いるにはそのための隙間が必要で、別途取付部材等を用いるのであれば等しくしても良い。いずれにしてもそれぞれの半径の中心は回転中心１４ａである。
【００１１】
一方磁石３ａのロータ側である内周側円弧３ｄはＲ１とは異なる所定半径ｒ１とされ、その半径中心もΔｒだけ磁石３ｂ方向へ、回転中心１４ａを含み線Ｘと直角な線Ｙ上を変位している。この変位量Δｒは磁石３ａの最大厚みｔ（線Ｙ上の厚み）よりも小さくされ、半径Ｒ１とｒ１の関係はＲ１＞ｒ１とされる。
磁石３ａはその開角がθ１で線Ｙに対し対称に形成され、磁石３ａと３ｂの配置開角は１８０度とされる。磁石３の磁極は磁石３ａのロータ側がＳ（あるいはＮ）極、磁石３ｂのロータ側がＮ（あるいはＳ）極の２極に構成される。磁石３ａの両端内周側にはそれぞれコーナにＲ面３Ｒが切り欠き形成されている。この切り欠きはＣ面でも良い。
【００１２】
図２（ロ）により磁性板１１の回転軸１４方向から見た構成の詳細を説明する。磁性板１１は複数の突極２１（この場合３つ２１ａ、２１ｂ、２１ｃ）が回転中心１４ａと合致する中心点１１ｂの周りに等間隔の配置角で形成され、その先端には所定の開角幅θ５で外周の直径が回転中心１１ｂを中心とした半径ｒ２のブレード２２（この場合３つ２２ａ、２２ｂ、２２ｃ）が形成されている。ブレードとブレードおよび突極と突極の間はスロット２３であり、そのうちブレードの間は開角θ６のスロット２３ａ、２３ｂ、２３ｃとなっている。
ここで、θ１は約１２０度（望ましくは１１５度〜１２０度）、θ５は約１００度（望ましくは１００度〜１０５度）、θ６は約２０度（望ましくは１６度〜２０度）で構成する。
【００１３】
このように構成された磁性板１１をロータＲとしてケース１へ組み込んだ状態を図３に示す。図３（イ）は組み込んだ際の基準位置を示し、（ロ）は回転状態でスロット２３ａが磁石３から離れようとする場合と、スロット２３ｂが磁石３へ近づく場合の位置を示す。
図３（イ）において、突極２１ａの中心線は線Ｘ上に位置し、回転中心１４ｂをはさんで反対側に形成されたスロット２３ｂはやはり線Ｘ上に位置している。
ここで、ブレード２２の外周と磁石３がもっとも接近する位置は線Ｙ上（点Ｐ１）であり、そのときの距離をギャップＬ１とする。磁石３ａは内周側円弧３ｄの中心位置が磁性板１１の回転中心１１ｂと異なるため、端部側とブレード２２ａ外周との距離は大きくなる。内周側円弧３ｄ端部（点Ｐ３）とブレード２２ａの外周との距離をギャップＬ３とする。この端部にはＲ面３Ｒが形成されているが、このＬ３はＲ面３Ｒと内周側円弧３ｄの交わる位置とする。
また、このときブレード２２ａは磁石３ａと約２０度回転方向で重畳しており、その端部２２ｄ付近（点Ｐ２）と内周側円弧３ｄとの距離をギャップ２Ｌとする。以上の構成で、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の関係をＬ２＝約２×Ｌ１、Ｌ３＝約３×Ｌ１とする。
【００１４】
一般にコギングはスロットが磁石の置かれている範囲から離れるとき、あるいはスロットが磁石の置かれている範囲に入ろうとするときに最も大きく発生する。
図３（ロ）により磁性板１１が回転しスロット２３が磁石３の端部へ近づいた状態を説明する。ブレード２２ａの端部２２ｄが磁石３ａの端部に達したときブレード２２ｂの端部２２ｅは点Ｐ２の極近傍にあり２Ｌの距離の範囲内に位置する。また、このときブレード２２ｂの他の端部２２ｆは磁石３ａの他の端部に位置し、スロット２３ｂが磁石との距離３Ｌの領域に入ろうとしている。
上述の構成では、スロット２３が磁石３の配置領域に入ろうとするとき、あるいは出ようとするときに、影響するブレード２２（例えば図３の場合ブレード２２ａおよび２２ｂ）の端部が必ず距離Ｌ２以上の領域にあることになる。
磁石内周側円弧３ｄとブレード２２の外周の距離を上述のように構成すると、コギングが低減され起動トルクが小さくなり、少ない電流で効率よくモータを回転させることができる。
【実施例】
【００１５】
次に、本発明の具体的な実施例を具体的な数値を上げて説明し、図４によりそのときのモータの特性を説明する。
ここで図２および図３における円筒部１ｃの半径Ｒ１、磁石３の内周側円弧半径ｒ１、中心位置の変位量Δｒ、磁石３の開角θ１、突極２１の開角θ２、ブレード２２の外周半径ｒ２、ブレードの開角θ５、スロットの開角θ６をそれぞれＲ１＝１１．５ｍｍ、ｒ１＝１０ｍｍ、Δｒ＝０．７５ｍｍ、θ１＝１１７度、θ２＝１２０度、θ５＝１０２度、θ６＝１８度とする。
そのときＬ１＝０．１５ｍｍであり、Ｌ２、Ｌ３はそれぞれＬ２＝０．３３ｍｍ、Ｌ３＝０．４４ｍｍとなる。
このようにすれば、スロットが磁石の端部から離れ、あるいは端部に近づこうとする場合、影響のあるスロットの２つ（すなわちその両側のブレード端部）は、磁石との距離が必ず距離Ｌ２より大きい範囲にいることになる。
これらギャップの範囲は、Ｌ２がＬ１の１．６倍から２．４倍の範囲、そしてＬ３がＬ１の２．６倍から３．４倍でその効果が期待できる。
【００１６】
上述の関係でそれぞれの構成を決定したときのトルク−電流曲線は図４におけるグラフ実線Ｈとなる。Ｈ１はその電流−トルク特性を現し、Ｈ２は回転数−トルク特性を現す。ここで、破線ＩはＬ１＝Ｌ２＝Ｌ３＝０．１５ｍｍとしたときのグラフ曲線であり、Ｉ１はその電流−トルク特性を現し、Ｉ２は回転数−トルク特性を現す。そして、破線ＪはＬ２＝３×Ｌ１＝約０．４５ｍｍ、Ｌ３＝４×Ｌ１＝約０．６ｍｍのときのグラフ曲線であり、Ｊ１はその電流−トルク特性を現し、Ｊ２は回転数−トルク特性を現す。
縦軸Ｙ１は本願発明のモータの回転数でＹ２は電流を示し、横軸Ｘ１はトルクを示す。
このグラフからわかるように、上述による本発明の構成とすることで電流−トルク特性および回転数−トルク特性が共に向上していることがわかる。
実施の形態では突極を狭くし先端をブレード状に形成されているが、外周部のスロットが上記関係を満たせば特にこの限りではない。すなわち、突極の先端部に円弧状外周部があり、その外周部にスロットのある形状であっても良い。
なお、上記実施例ではコアに磁性板を積層した構成を示したが、軸方向から見た突極やブレードの形状が同等であれば積層状のものでなくとも良い。
【００１７】
上述の実施例では、磁石の円弧状内周面の曲率の中心を回転中心から変位させる形状としたが、ブレードの円弧状外周を回転中心に対し変位させ、ブレードと磁石のギャップの相対的距離を上述のようにし、ロータが回転してスロットが磁石の端部近傍にきたとき、磁石の端部とブレードの距離を上記のようにすれば同様の効果が期待できる。その際、ブレード形状は磁石を不等ギャップ状に形成するより、プレス等で容易に形成できる。
その実施例を図５に示す。磁石１０３ａおよび１０３ｂはその内周面が回転中心を中心点とする半径ｒ１０１の円弧状に形成されている。
ブレード１２２の外周は中心が回転中心より所定寸法Δαだけブレード側に変位した位置に設けられ、所定の半径ｒ１０２で形成される。基準位置でのそれぞれのブレードと磁石の距離をＬ１，Ｌ２、Ｌ３とすると、スレッドが磁石端部近傍にきたとき、磁石の端部とブレードの距離はＬ２より必ず大きくなり、コギングを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】この発明の直流モータの側面図で、ハッチングにてその要部断面を示す。
【図２】この発明の直流モータの回転軸方向から見た図で、（イ）はケースおよびケースに装着されたマグネット、（ロ）は鉄心を構成する磁性板を示す。
【図３】この発明の直流モータの回転軸方向から見た図で、（イ）はケースおよびケースに装着されたマグネット、（ロ）は鉄心を構成する磁性板を示す。
【図４】本発明による直流モータの特性を示すグラフである。
【図５】この発明の他の実施例を示す回転軸方向から見た図である。
【符号の説明】
【００１９】
Ｍ  モータ
Ｒ  ロータ
１  ケース
３ａ、３ｂ  磁石
１１  磁性板
２１  突極
２２  ブレード
２３  スロット
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３  ギャップ
【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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