(57)【要約】【課題】永久磁石の量を少なくしながらも高出力とすることができ、且つトルクリップルを低減することができる直流モータを提供する。【解決手段】直流モータは、略円筒状のヨークと、ヨークの内周面に周方向に離間して固定された複数の永久磁石４と、ヨークの内周面における永久磁石４同士の間に設けられた複数の強磁性体５とを有する固定子と、ヨーク内に回転可能に収容され放射状のティース９が形成された電機子コアと、ティース９に巻装された巻線とを有する回転子とを備える。強磁性体５は、周方向に沿って前記回転子に対する磁気抵抗が変化するように周方向に沿って断面積が変化している。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
略円筒状のヨークと、前記ヨークの内周面に周方向に離間して固定された複数の永久磁石と、前記ヨークの内周面における前記永久磁石同士の間に設けられた複数の強磁性体とを有する固定子と、
前記ヨーク内に回転可能に収容され放射状のティースが形成された電機子コアと、前記ティースに巻装された巻線とを有する回転子と
を備えた直流モータであって、
前記強磁性体は、周方向に沿って前記回転子に対する磁気抵抗が変化するように設定されたことを特徴とする直流モータ。
【請求項２】
請求項１に記載の直流モータにおいて、
前記強磁性体は、周方向に沿って断面積が変化させられることで前記磁気抵抗が変化するように設定されたことを特徴とする直流モータ。
【請求項３】
請求項２に記載の直流モータにおいて、
前記強磁性体は、径方向から見て軸方向の中心線に対して対称に形成されたことを特徴とする直流モータ。
【請求項４】
請求項３に記載の直流モータにおいて、
前記強磁性体は、その周方向一方における軸方向の両端が前記永久磁石と周方向に当接するように前記ヨークに固定され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】
本発明は、ヨークの内周面に複数の永久磁石が固定された固定子を備えた直流モータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、直流モータとしては、略円筒状のヨークと、ヨークの内周面に周方向に離間して固定された複数の永久磁石とを有する固定子と、ヨーク内に回転可能に収容され放射状のティースが形成された電機子コアと、前記ティースに巻装された巻線とを有する回転子とを備えたものがある。
【０００３】
そして、このような直流モータの１つとしては、ヨークの内周面における永久磁石同士の間に凸部（強磁性体）が設けられたものがある（例えば、特許文献１参照）。このような直流モータでは、凸部（強磁性体）によってリラクタンストルクを有効に利用することができ、永久磁石の量を少なくしながらも高出力の直流モータを得ることができる。
【特許文献１】特開平８−２９４２５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記のような直流モータでは、凸部（強磁性体）が永久磁石同士の間において周方向に一定に形成され、凸部（強磁性体）の周方向端部では固定子と回転子間で急激な磁気抵抗の変化、ひいては急激な磁束の変化が発生することになり、トルクリップルが大きくなってしまうという問題があった。
【０００５】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、永久磁石の量を少なくしながらも高出力とすることができ、且つトルクリップルを低減することができる直流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】
【０００６】
請求項１に記載の発明では、略円筒状のヨークと、前記ヨークの内周面に周方向に離間して固定された複数の永久磁石と、前記ヨークの内周面における前記永久磁石同士の間に設けられた複数の強磁性体とを有する固定子と、前記ヨーク内に回転可能に収容され放射状のティースが形成された電機子コアと、前記ティースに巻装された巻線とを有する回転子とを備えた直流モータであって、前記強磁性体は、周方向に沿って前記回転子に対する磁気抵抗が変化するように設定された。
【０００７】
同構成によれば、ヨークの内周面における永久磁石同士の間に強磁性体が設けられるため、リラクタンストルクを有効に利用することができる。よって、永久磁石の量を少なくしながらも高出力の直流モータを得ることができる。しかも、強磁性体は、周方向に沿って回転子に対する磁気抵抗が変化するように設定されるため、強磁性体の磁気抵抗が周方向に沿って一定のものに比べて、固定子と回転子間での急激な磁束の変化を低減することができ、トルクリップルを低減することができる。
【０００８】
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の直流モータにおいて、前記強磁性体は、周方向に沿って断面積が変化させられることで前記磁気抵抗が変化するように設定された。
【０００９】
同構成によれば、強磁性体は、周方向に沿って断面積が変化させられることで前記磁気抵抗が変化するように設定されるため、簡単な構成で請求項１に記載の発明の効果を得ることができる。
【００１０】
請求項３に記載の発明では、請求項２に記載の直流モータにおいて、前記強磁性体は、径方向から見て軸方向の中心線に対して対称に形成された。
同構成によれば、強磁性体は、径方向から見て軸方向の中心線に対して対称に形成されるため、リラクタンストルクの発生が軸方向にアンバランスとなってしまうことが防止され、ひいては前記アンバランスに基づく回転子の振動等を低減することができる。
【００１１】
請求項４に記載の発明では、請求項３に記載の直流モータにおいて、前記強磁性体は、その周方向一方における軸方向の両端が前記永久磁石と周方向に当接するように前記ヨークに固定された。
【００１２】
同構成によれば、強磁性体は、その周方向一方における軸方向の両端が永久磁石と周方向に当接するようにヨークに固定されるため、容易且つ高精度に位置決めを行うことができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、永久磁石の量を少なくしながらも高出力とすることができ、且つトルクリップルを低減することができる直流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】
【００１４】
以下、本発明を具体化した一実施の形態を図１及び図４に従って説明する。図１に示すように、本実施の形態の直流モータは、固定子１と固定子１に対して回転する回転子（電機子）２とを備えている。
【００１５】
固定子１は、図１及び図３に示すように、略円筒状のヨーク３と、そのヨーク３の内周面に周方向に離間して等角度間隔に固定された複数（本実施の形態では４個）の永久磁石４と、ヨーク３の内周面における前記永久磁石４同士の間に設けられた複数の強磁性体５とを備える。
【００１６】
回転子２は、ヨーク３内に回転可能に収容されるものであって、固定子１に対して回転可能に支持された回転軸６と、該回転軸６に固定された電機子コア７と、同じく回転軸６に固定された整流子８とを備える。本実施の形態の電機子コア７は、回転軸６を中心として放射状に延びる１６個のティース９を有する。そして、ティース９には巻線１０が図示しないインシュレータを介して分布巻にて巻装されている。本実施の形態の巻線１０は、周方向に並ぶ３個のティース９に分布巻されている。尚、図１では、分布巻された前記巻線１０を部分的に且つ模式的に図示している。又、本実施の形態のティース９の先端部（径方向外側端部）には、周方向両側に延びる延設部９ａが形成され、その幅角度（回転軸６を中心としたその幅の角度）は１９．５°（図２参照）に設定されている。尚、図２は、直流モータを平面的に展開した模式図である。
【００１７】
ここで、本実施の形態の永久磁石４は、軸方向から見て（ヨーク３の内周面に沿った）略円弧状に形成され、その幅角度は、４５°に設定されている（図２参照）。尚、この永久磁石４の幅角度（４５°）は、３６０°をティース９の数（１６個）で割り算した値（２２．５°）の２倍となっている。又、本実施の形態では、永久磁石４が等角度間隔に４個設けられるため、永久磁石４同士の間の幅角度も４５°ということになる。
【００１８】
又、強磁性体５は、鉄よりなり、軸方向から見て（ヨーク３の内周面に沿った）略円弧状に形成され、その全体の幅角度は、２５．５°に設定されている（図２参照）。尚、この強磁性体５の全体の幅角度（２５．５°）は、３６０°をティース９の数（１６個）で割り算した値（２２．５°）と、ティース９同士の間の幅角度（３°）とを足し算した値となっている。又、永久磁石４の幅角度（４５°）と強磁性体５の幅角度（２５．５°）とを足し算した値（７０．５°）は、巻線１０が分布巻される３個のティース９に対応した値であって、詳しくは、３６０°をティース９の数（１６個）で割り算した値（２２．５°）の３倍（６７．５°）とティース９同士の間の幅角度（３°）とを足し算した値となっている。
【００１９】
そして、強磁性体５は、周方向に沿って前記回転子２（主にティース９の先端部であって延設部９ａ）に対する磁気抵抗が変化するように設定されている。詳しくは、本実施の形態の強磁性体５は、周方向に沿って断面積が変化させられることで前記磁気抵抗が変化するように設定されている。この強磁性体５の断面積は、少なくとも２段階で該強磁性体５の周方向両端から略中央に向かって大きくなるように変化し、本実施の形態では、永久磁石４の周方向端部（図２中、右側端部）から周方向に離間していくにつれて永久磁石４の軸方向長さに対して４／８、６／８、８／８、６／８、４／８、２／８の軸方向長さに変化している。そして、強磁性体５の径方向の厚さは一定とされていることから、強磁性体５の断面積の比率は、永久磁石４の周方向端部（図２中、右側端部）から周方向に離間していくにつれて４／８、６／８、８／８、６／８、４／８、２／８と移り変わっている。
【００２０】
又、強磁性体５は、異なる視点から見ると、第１〜第４の（４つの）パターンを組み合わせた形状とされている。第１のパターンは、永久磁石４の周方向端部（図２中、右側端部）から１．５°周方向に離間し、その幅角度が１９．５のものである。第２のパターンは、永久磁石４の周方向端部（図２中、右側端部）に当接し、その幅角度が２２．５のものである。第３のパターンは、永久磁石４の周方向端部（図２中、右側端部）から６．０°周方向に離間し、その幅角度が１９．５のものである。第４のパターンは、永久磁石４の周方向端部（図２中、右側端部）と当接し、その幅角度が１１．２５のものである。
【００２１】
そして、第１〜第４のパターンがそれぞれ軸方向に１／４ずつ設けられて強磁性体５が構成されている。詳しくは、本実施の形態では、第１〜第４のパターンと対応した第１〜第４パターン部５ａ〜５ｄがそれぞれ２つずつとされ、それらが軸方向の中心線に対して対称に配置されている。又、それら第１〜第４パターン部５ａ〜５ｄの配置順は、軸方向両端から軸方向中心に向かって、第４パターン部５ｄ、第２パターン部５ｂ、第１パターン部５ａ、第３パターン部５ｃの順とされている。尚、図２では、第１〜第４パターン部５ａ〜５ｄの各境界線を模式的に２点線で区切っている。又、本実施の形態の強磁性体５は、その周方向一方（図２中、左方）における軸方向の両端が永久磁石４と周方向に当接するように、前記第１〜第４パターン部５ａ〜５ｄの配置順が決められている。
【００２２】
次に、上記実施の形態の特徴的な作用効果を以下に記載する。
（１）ヨーク３の内周面における永久磁石４同士の間に強磁性体５が設けられるため、リラクタンストルクを有効に利用することができる。よって、永久磁石４の量を少なくしながらも高出力の直流モータを得ることができる。しかも、強磁性体５は、周方向に沿って前記回転子２（主にティース９の先端部であって延設部９ａ）に対する磁気抵抗が変化するように設定されるため、強磁性体５の磁気抵抗が周方向に沿って一定のものに比べて、固定子１と回転子２間での急激な磁束の変化を低減することができ、トルクリップルを低減することができる。
【００２３】
ここで、本実施の形態の直流モータにおける回転角度−トルク特性Ｘ（図４参照）と、強磁性体の磁気抵抗が周方向に沿って一定である直流モータ（図５、図７、図９、図１１）における回転角度−トルク特性Ｘａ〜Ｘｄ（図６、図８、図１０、図１２参照）とを実験結果に従って比較する。
【００２４】
まず、図５に示す直流モータでは、強磁性体２１は、その全体が前記第１のパターンとされている。言い換えると、強磁性体２１は、前記第１パターン部５ａが軸方向に８個並んだ形状とされている。そして、図６には、この直流モータ（図５参照）における回転角度−トルク特性Ｘａを示す。
【００２５】
次に、図７に示す直流モータでは、強磁性体２２は、その全体が前記第２のパターンとされている。言い換えると、強磁性体２２は、前記第２パターン部５ｂが軸方向に８個並んだ形状とされている。そして、図８には、この直流モータ（図７参照）における回転角度−トルク特性Ｘｂを示す。
【００２６】
次に、図９に示す直流モータでは、強磁性体２３は、その全体が前記第３のパターンとされている。言い換えると、強磁性体２３は、前記第３パターン部５ｃが軸方向に８個並んだ形状とされている。そして、図１０には、この直流モータ（図９参照）における回転角度−トルク特性Ｘｃを示す。
【００２７】
次に、図１１に示す直流モータでは、強磁性体２４は、その全体が前記第４のパターンとされている。言い換えると、強磁性体２４は、前記第４パターン部５ｄが軸方向に８個並んだ形状とされている。そして、図１２には、この直流モータ（図１１参照）における回転角度−トルク特性Ｘｄを示す。
【００２８】
図４、図６、図８、図１０、図１２に示すように、本実施の形態の回転角度−トルク特性Ｘでは、そのトルクの変動が他の特性（Ｘａ〜Ｘｄ）に比べて小さくなり、トルクリップルが小さくなっていることがわかる。尚、図４には、比較対象の１つである回転角度−トルク特性Ｘａ（図６参照）をも破線で図示している。
【００２９】
（２）強磁性体５は、周方向に沿って断面積が変化させられることで磁気抵抗が変化するように設定されるため、簡単な構成（形状）で、上記効果（１）を得ることができる。
（３）強磁性体５は、２つずつの第１〜第４パターン部５ａ〜５ｄが軸方向の中心線に対して対称に配置され、径方向から見て軸方向の中心線に対して対称に形成されるため、リラクタンストルクの発生が軸方向にアンバランスとなってしまうことが防止され、ひいては前記アンバランスに基づく回転子２の振動等を低減することができる。
【００３０】
（４）強磁性体５は、その周方向一方（図２中、左方）における軸方向の両端（第２及び第４パターン部５ｂ，５ｄ）が永久磁石４と周方向に当接するようにヨーク３に固定されるため、容易且つ高精度に位置決めを行うことができる。言い換えると、例えば、第２及び第４パターン部５ｂ，５ｄが軸方向の中央に配置された強磁性体とすると、ヨーク３に固定する際に永久磁石４と当接する軸方向の範囲が狭くなり、強磁性体が永久磁石４に対して傾き易くなるが、上記実施の形態では永久磁石４と当接する軸方向の範囲が広いので強磁性体５が永久磁石４に対して傾き難くなり、容易且つ高精度にその位置決めを行うことができる。
【００３１】
（５）強磁性体５の断面積は、該強磁性体５の周方向両端から略中央に向かって大きくなるように変化しているため、固定子１と回転子２間での磁束の変化が緩やかとなり、トルクリップルをより低減することが可能となる。
【００３２】
上記実施の形態は、以下のように、変更してもよい。
・上記実施の形態では、強磁性体５は、周方向に沿って断面積が変化させられることで磁気抵抗が変化するように構成されるとしたが、これに限定されず、他の構成で磁気抵抗が変化するようにしてもよい。例えば、断面積を同じとしながらも部分的に素材が異なる強磁性体として磁気抵抗が変化するようにしてもよい。
【００３３】
・上記実施の形態では、強磁性体５は、２つずつの第１〜第４パターン部５ａ〜５ｄが軸方向の中心線に対して対称に配置され、径方向から見て軸方向の中心線に対して対称に形成されるとしたが、これに限定されず、軸方向の中心線に対して非対称に形成してもよい。又、勿論、上記実施の形態では、第１〜第４のパターン（第１〜第４パターン部５ａ〜５ｄ）を組み合わせた形状の強磁性体５としたが、これに限定されず、異なるパターンを２つ以上組み合わせた他の形状の強磁性体としてもよい。又、上記実施の形態では、強磁性体５の径方向の厚さは一定であるとしたが、これに限定されず、強磁性体の径方向の厚さを変化させることで前記磁気抵抗が変化するようにしてもよい。
【００３４】
・上記実施の形態では、強磁性体５は、その周方向一方（図２中、左方）における軸方向の両端（第２及び第４パターン部５ｂ，５ｄ）が永久磁石４と周方向に当接するようにヨーク３に固定されるとしたが、これに限定されず、例えば、第２及び第４パターン部５ｂ，５ｄが軸方向の中央に配置された強磁性体等に変更してもよい。
【００３５】
・上記実施の形態では、強磁性体５の断面積は、該強磁性体５の周方向両端から略中央に向かって大きくなるように変化しているとしたが、これに限定されず、例えば、断面積が周方向一端から他端に向かって徐々に小さくなるもの等に変更してもよい。
【００３６】
・上記実施の形態の永久磁石４（強磁性体５）の数（４個）や、ティース９の数（１６個）や、分布巻するティースの数（３個）等は、他の数に変更してもよい。又、勿論、各部の幅角度を変更してもよい。
【００３７】
上記各実施の形態から把握できる技術的思想について、以下にその効果とともに記載する。
（イ）請求項２乃至４のいずれか１項に記載の直流モータにおいて、
前記強磁性体の断面積は、少なくとも２段階で該強磁性体の周方向両端から略中央に向かって大きくなるように変化していることを特徴とする直流モータ。
【００３８】
同構成によれば、強磁性体の断面積は、少なくとも２段階で該強磁性体の周方向両端から略中央に向かって大きくなるように変化しているため、固定子と回転子間での磁束の変化が緩やかとなり、トルクリップルをより低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本実施の形態における直流モータの模式平面図。
【図２】本実施の形態における直流モータを平面的に展開した模式図。
【図３】本実施の形態における固定子の要部斜視図。
【図４】本実施の形態における直流モータの回転角度−トルク特性図。
【図５】実験で用いた直流モータの一部模式平面図。
【図６】実験で用いた直流モータの回転角度−トルク特性図。
【図７】実験で用いた直流モータの一部模式平面図。
【図８】実験で用いた直流モータの回転角度−トルク特性図。
【図９】実験で用いた直流モータの一部模式平面図。
【図１０】実験で用いた直流モータの回転角度−トルク特性図。
【図１１】実験で用いた直流モータの一部模式平面図。
【図１２】実験で用いた直流モータの回転角度−トルク特性図。
【符号の説明】
【００４０】
１…固定子、２…回転子、３…ヨーク、４…永久磁石、５…強磁性体、７…電機子コア、９…ティース、１０…巻線。
【図１】
2009022114.tif 000003
【図２】
2009022114.tif 000004
【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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【図８】
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【図９】
2009022114.tif 000011
【図１０】
2009022114.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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