JP3023094B2 - 単相のディスクタイプ無整流子直流モータ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、単相のディスクタ
イプ無整流子直流モータに関するものであり、より詳し
くは、Ｎ，Ｓ極が交互に反復形成されるロータマグネッ
トの底部に、ステータヨークの上部面に複数個の頂点を
有する閉ループ形状に形成されるアーマチュアコイルを
備え、アーマチュアコイルの各頂点からロータマグネッ
トの回転する方向に１つの磁極に該当する角度に対して
１／４の角度分だけ移動させた位置にステータヨークか
ら突出される小型のコギング発生用突起が形成されるこ
とで、駆動効率をより向上させることに関する。

【０００２】

【従来の技術】一般的に単相のディスクタイプ無整流子
直流モータは、精密な回転が必要とされない単純な回転
機器、例えば、コンピュータのような事務機器の小型フ
ァンモータ等に使用されている。

【０００３】図８は、一般的な単相のディスクタイプ無
整流子直流モータを図示したものである。

【０００４】下部には、モータを支持するハウジング１
００が備えられ、ハウジング１００の上部にはロータ３
００が結合され、ハウジング１００とロータ３００はシ
ャフト２００によって連結されている。

【０００５】ロータ３００の上部面にはＮ極とＳ極が交
互に着磁される多極のロータマグネット３１０が備えら
れ、ロータ３００の中央にはシャフト２００の上端が固
定結合され、シャフト２００の下部はハウジング１００
の中央から突出されるようにしたベアリングハウジング
１１０内に挿入され、ベアリングによって回転可能に支
持されている。ベアリングハウジング１１０には、外周
面上端に段差が付与され、ステータ４００を積層させた
状態で固定している。

【０００６】ステータ４００は大きくプリント基板４１
０とステータヨーク４２０とアーマチュアコイル４３０
とからなり、プリント基板４１０とステータヨーク４２
０とは互いに積層され、ステータヨーク４２０の上部面
にはアーマチュアコイル４３０が接着剤等によって付着
されている。

【０００７】このように、単相のディスクタイプ無整流
子直流モータは、ステータ４００に付着させたアーマチ
ュアコイル４３０とロータマグネット３１０との間で発
生される電磁気力によって駆動力を発生させ、回転子で
あるロータ３００を回転させるようにしている。

【０００８】さらに、詳述すれば、プリント基板４１０
を介してアーマチュアコイル４３０に単相の電流が供給
されると、アーマチュアコイル４３０とロータマグネッ
ト３１０との間には、相互作用により電磁気力が発生さ
れつつ、ロータマグネット３１０が付着されているロー
タ３００を回転させるようにするのである。

【０００９】このとき、アーマチュアコイル４３０とロ
ータマグネット３１０との間には図９に示すように、電
磁気力によるコイルトルク６００が発生される。こうし
たコイルトルク６００は、ロータマグネット３１０中、
１つの磁極で中間部分にわたって最も大きく、磁極の両
端部へ行けば行くほどトルクが小さくなり、ついにはゼ
ロになる停止状態となる。

【００１０】このようにトルクがゼロになる位置を通
常、死点と言い、こうした死点での自己起動のために備
えられるのがコギング発生手段である。

【００１１】コギング発生手段は、コイルトルク６００
に対して負荷として作用するコギング力を提供するもの
として、最も小さいコイルトルクは大きくし、最も大き
いコイルトルクは小さくなるように形成されるもので、
コイルトルク６００発生時にコギングトルク７００を同
時に発生させ、これらによって理想的な合成トルク８０
０が出力されるようにするのである。即ち、コイルトル
クの負荷として作用するコギングトルクをコイルトルク
の出力値と反比例する方式で出力されるようにし、トル
クの増強幅を低減することで、モータ駆動を安定的に遂
行させることができる。

【００１２】このようにコギング発生手段が備えられた
モータは、米国特許４，６２０，１３９号と米国特許
４，７５７，２２２号と特開平７−２１３０４１号公報
等ですでに多様に提案されている。これらコギング発生
手段は、コイルトルク波形６００に対し、負荷として作
用する適切なコギングトルク波形７００を発生させ、結
局これらの相互結合として理想的な合成トルク波形８０
０が得られる。

【００１３】一方、コイルトルクとコギングトルクと
は、通常の磁極の１／４の位相差異を有するようになる
ため、コギング発生手段は、ともにロータが回転する方
向にコギングトルクがゼロになる位置に備えられるよう
にする。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】米国特許４，６２０，
１３９号と米国特許４，７５７，２２２号でコギング発
生手段は、図１０に示すように、ステータヨーク４２０
からロータマグネット３１０側に突出されるように締結
されたり、挿入されるようにした鉄芯４４０に備えた
り、これとは異なり、図１１に示すように、ステータヨ
ーク４２０の外周面を一部扇形状に切り欠き、コギング
が発生されるようにしているが、こうしたコギング発生
手段４５０は基準となるアーマチュアコイルの付着位置
と不可分の関係を有するので、正確な位置設定が困難で
あるといった問題がある。

【００１５】即ち、コギング発生手段は、通常、アーマ
チュアコイル４３０をステータヨーク４２０に接合させ
た状態でアーマチュアコイル４３０から正確なコギング
発生手段の位置を探し、鉄芯４４０を締結、又は挿入さ
せるか、ステータヨーク４２０を扇形状に切り欠いては
じめてなされるため、こうした位置設定は別途の治具を
用いなければ設定がたいへん困難である。

【００１６】特に、ステータヨーク４２０には、互いに
対応される方向に一対のアーマチュアコイル４３０が付
着されるようにしており、アーマチュアコイル４３０が
形成されていない部分では磁気力が大幅に損失されると
ともに、コイルトルクの形成量が小さくなり、モータか
ら思い通りの充分な駆動トルクを得ることができない深
刻な性能低下の問題が招来されもする。

【００１７】一方、特開平７−２１３０４１号では、図
１２に示すように、コギング発生手段として死点から０
＜θ＜π／２（πは、電気角として１８０゜の角度であ
る）の配置角θ位置に磁性体４６０が備えられるように
し、特に、このときの磁性体４６０はスクリューに形成
され、プリント基板４１０とステータヨーク４２０を同
時に固定する固定手段としても使用されることを提案し
ている。

【００１８】しかしながら、スクリューは、コギング発
生の手段よりプリント基板４１０とステータヨーク４２
０を固定させる締結機能が優先されるほかない。従っ
て、プリント基板４１０とステータヨーク４２０を固定
させるとみれば、ロータマグネット３１０との間隙がス
クリューごと異なるようになるため、スクリューによっ
て出力されるコギングトルクはスクリューごとに差異が
生じるようになる。

【００１９】従って、スクリューの締結程度が各々異な
るようになると、結局、ロータマグネット３１０との磁
気力に偏差が誘発され、駆動トルクが不安定になる問題
が生じ得る。

【００２０】特に、小型のモータでスクリュー型の磁性
体４６０は、大きさがたいへん小さいために特殊な工具
を使用しなくては締結が不可能であり、締結される程度
を調整することは、さらに不可能であるため、実際に小
型のモータでは適用されることがない。

【００２１】本発明の第１の目的は、ステータヨークの
上部面に有効コイルトルクを極大化させることができる
ようにする形状にアーマチュアコイルを形成し、アーマ
チュアコイルの各頂点を基準に所定の角度にコギング発
生用突起が一体に形成されることで、より少ない電流の
供給によっても理想的な駆動トルクが安定的に出力され
る単相のディスクタイプ無整流子直流モータを提供する
ことにある。

【００２２】本発明の第２の目的は、簡単なコギング発
生用突起の形状変更によって、より多様な用途への変更
にも最適なトルクを発生させつつ、適切に対応すること
ができるようにすることにある。

【００２３】本発明の第３の目的は、印加される電流供
給量を極小化させるようにしても安定的に充分な駆動ト
ルクが保障されるようにすることにある。

【００２４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明では、ステータヨークに付着されるアーマチ
ュアコイルは、閉ループ形状である１つのコイルとして
形成し、アーマチュアコイルにはそれぞれロータマグネ
ット全体の磁極数に１／２の頂点が形成され、各頂点
は、同一の間隔を維持し、各頂点を連結する辺は、軸の
半径方向に湾曲させるようにすることとし、このような
アーマチュアコイルの各頂点からは、ロータマグネット
の回転方向に所定の角度をおいてコギング発生用突起が
ステータヨークから一体に突出されるように形成するこ
とをその要旨としている。

【００２５】このとき、アーマチュアコイルの各頂点と
コギング発生用突起とは同じ数で等間隔をなす構造にな
るようにする。

【００２６】従って、本発明は、ステータヨークから突
出されるコギング発生用突起を基準にアーマチュアコイ
ルが正確な位置に固定されるようにし、コギング発生用
突起の形成とアーマチュアコイルの組立を簡素化するこ
とで、製作効率を向上させるようにし、より少ない電流
供給によっても理想的な駆動トルクが発揮されるととも
に、安定的な駆動性を提供することができるようにす
る。

【００２７】

【発明の実施の形態】図１と図２に示すように、本発明
は単相でありながら、整流子がないディスクタイプの直
流モータであり、下部にはハウジング１が備えられ、ハ
ウジング１の上部にはロータ３が備えられ、ハウジング
１とロータ３とはこれら中心部間をシャフト２によって
連結されている。

【００２８】シャフト２は、上端部がロータ３の底面で
中央に固定され、シャフト２の下部はハウジング１の中
央で上部に突出されるように形成されたパイプ形状のベ
アリングホルダ１１の内部に挿入され、ベアリングホル
ダ１１内ではシャフト２がベアリング５によって回動可
能に固定されている。

【００２９】ロータ３は、モータの回動部材として、底
面にはマグネティックヨーク３１によってロータ３に固
定されるロータマグネット３２が備えられている。この
とき、ロータマグネット３２は、Ｎ極とＳ極が交互に配
列される２Ｐ（Ｐは１以上の整数）の極数を有する円環
状である。

【００３０】そして、ハウジング１の中央にはパイプ形
状のベアリングホルダ１１が上部に突出されるように形
成され、ベアリングホルダ１１の上端部の外周面は、そ
の底部より直径を小さく形成し、段差を有するようにし
つつ、段差部位には、プリント回路基板４１が底部に積
層されるステータヨーク４２とアーマチュアコイル４３
よりなるステータ４が安着されている。

【００３１】ステータ４において、プリント回路基板４
１は、両面にパターニングされた回路を介して外部から
供給される単相の電流をアーマチュアコイル４３に供給
するように作用する。ステータヨーク４２は、プリント
回路基板４１の上部に積層され、ロータマグネット３２
と互いに向かい合うようにした導電性平板プレートであ
る。また、ステータヨーク４２の上部面にはロータマグ
ネット３２との相互作用で電磁気力を発生させるアーマ
チュアコイル４３が付着されている。

【００３２】図３（ａ）〜（ｄ）は、本発明に従う実施
形態を図示したものであり、すべての場合、ステータヨ
ーク４２に付着されるアーマチュアコイル４３は、同一
の間隔で複数の頂点を有する閉ループ形状である１つの
コイルとして形成し、各頂点からロータマグネット３２
の回転方向へ所定の角度にステータヨーク４２から一体
にコギング発生用突起４４が突出されるようにする。

【００３３】アーマチュアコイル４３の頂点は、ロータ
マグネット３２の全体磁極数の１／２個に形成され、各
頂点から任意の角度に位置されるコギング発生用突起４
４も同一の個数に形成されるようにする。

【００３４】換言すると、ロータマグネット３２が６極
である場合、アーマチュアコイル４３は６極の１／２で
ある３つの頂点を有し、ロータマグネット３２が８極で
ある場合には、アーマチュアコイル４３は４つの頂点を
有するのであり、ロータマグネット３２が１０極又は１
２極である場合にはアーマチュアコイル４３はそれぞれ
５つ又は６つの頂点を有する閉ループ状になるようにす
る。

【００３５】一方、アーマチュアコイル４３は、各頂点
間を連結する辺が所定の曲率半径を有しつつ、軸の半径
方向に湾曲されるようにし、ロータマグネット３２の磁
極幅の範囲内に位置されるようにする。もちろん、図７
に示したように、アーマチュアコイル４３は、各頂点間
を連結する辺が直線状になることもある。

【００３６】また、ステータヨーク４２にはアーマチュ
アコイル４３とロータマグネット３２との間の相互に電
磁気力によって出力されるコイルトルクに対して負荷に
作用するコギング発生用突起４４を一体に形成してい
る。

【００３７】コギング発生用突起４４は、アーマチュア
コイル４３と重ならないようにしつつ、アーマチュアコ
イル４３の各頂点からロータマグネット３２の回転方向
に任意の角度分だけ移動させて形成している。この形成
角度は、各頂点を基準にロータマグネット３２に着磁さ
せた１つの磁極に該当する角度、即ち、全体の磁極の角
度である３６０゜を全体の磁極数で分け、その数に１／
４となる角度である。

【００３８】例えば、ロータマグネット３２が６極であ
る場合には、磁極１つの幅は３６０゜／６となるため、
６０゜であり、さらに６０゜を１／４にすると、１５゜
になるので、結局、コギング発生用突起４４の位置はア
ーマチュアコイル４３の頂点よりロータマグネット３２
の回転方向に１５゜を移動させた位置である。

【００３９】このような方式でロータマグネット３２が
８極と１０極と１２極であるときのコギング発生用突起
４４の形成位置を設定すると、アーマチュアコイル４３
の各頂点からそれぞれ１１．２５゜、９゜、７．５゜に
位置されることが分かる。

【００４０】そして、コギング発生用突起４４は、図４
（ａ）、（ｂ）に示すように、平板のステータヨーク４
２を一部切り欠き、切り欠かれた部位が上部に曲げさせ
ることでロータマグネット３２とより近接する形状にな
るようにしたり、これとは異なり、ステータヨーク４２
を金型によって製作時のステータヨーク４２の上部面に
一体に突出される形状になるようにすることもある。

【００４１】一方、ロータが回転時、死点が形成される
角度は、常に一定であるため、コギング発生用突起４４
はアーマチュアコイル４３の各頂点をなすような数でな
い１つとしても形成が可能である。即ち、ロータマグネ
ット３２が回転時、アーマチュアコイル４３との電磁気
力の発生時、トルクがゼロになる部分は常に同一の角度
で発生するようになる。従って、コギング発生用突起４
４を各頂点と同一の数でない最小の１つ以上のみ形成さ
せるようにしても、それぞれのコギング発生用突起４４
のコギング力増減によって複数個として形成されるとき
と同一、ないしは類似な効果を期待することができる。

【００４２】特に、コギング発生用突起４４は、図５に
示すように、突出される形状に従って、コギングトルク
をより多様に変化させることができる。これは、モータ
の用途等によってロータマグネット３２に着磁される極
性を変化させることに適切に対応するためのものであ
る。

【００４３】即ち、ロータマグネット３２での着磁構造
が変わるようになると、そのとき、出力されるコイルト
ルクは着磁構造に伴って異なるようになる。このように
変化されたコイルトルクを利用して理想的な合成トルク
を得るためには、変化されたコイルトルクに相応するコ
ギングトルクが必要とされる。そのため、コギングトル
クの変化は、コギング発生用突起４４の形状を簡単に変
化させることで最も容易に達成させることができる。

【００４４】換言すれば、コギング発生用突起４４の高
さｂは、コギングトルクの大きさを決定し、その幅ａ
は、コギングが発生される電気角（ロータマグネットで
２つの磁極を合わせた角）を決定し、特に、コギング発
生用突起４４の上端の幅ａはコギングトルクが最も大き
い変化を起こすようにされる部位での変化程度が定めら
れるようになるので、これらの適切な調和によってコイ
ルトルクに相応するコギングトルクを発生させるように
なる。

【００４５】一方、コイルトルクの変化にしたがい、コ
ギング発生用突起４４の変形は、コギング発生用突起４
４の大きさ、即ち、幅ａと高さｂ、そしてコギング発生
用突起４４の材質によってもコギングトルクの出力パタ
ーンが多様に現れるようになる。そのため、こうしたコ
ギング発生用突起４４の大きさと材質を適切に調整し、
コイルトルクの出力値に相応するコギングトルクを出力
させるようにすることで、理想的な合成トルクが生成さ
れるようにする。

【００４６】特に、アーマチュアコイル４３は、図６に
示すように、各頂点間を連結する辺を直線よりは軸の半
径方向に湾曲された形状として形成されるようにするの
が好ましく、このように湾曲された端部がロータマグネ
ット３２の内周面に接するようにすることはさらに好ま
しい。

【００４７】即ち、フレミングの左手の法則によれば、
有効コイルトルクの大きさはＦ＝ＩＬ×Ｂであるため、
Ｎ，Ｓ極が重なる部分でコイルの半径方向に投影された
有効長さＬが長ければ長いほど、コイルトルクは大きく
なるため、電流の消耗は相対的に小さくなることが分か
る。

【００４８】従って、頂点間を連結する辺が直線である
とき、コイルの半径方向に投影された有効長さＬより
は、軸の半径方向に湾曲させるように形成したとき、コ
イルの半径方向へ投影された有効長さＬがより長く形成
されるため、より大きいコイルトルクが生成されるとと
もに、相対的に供給電流量Ｉを減らすことができるた
め、電流の損失を防止させることができるといった利点
がある。

【００４９】一方、ステータヨーク４２に形成されるコ
ギング発生用突起４４は、アーマチュアコイル４３に接
触される位置に形成させるようになると、アーマチュア
コイル４３の結合時にガイドの役割をするようになるた
め、別途の治具によらなくともアーマチュアコイル４３
を正確な位置に結合させることができる。そのため、結
合された状態のアーマチュアコイル４３の流動を防止さ
せることで、ステータヨーク４２とアーマチュアコイル
４３とを接着剤として固定させることにおいて、より安
定的な作業性を提供することができるようになる。

【００５０】従って、従来のような別途の治具の使用が
不必要になり、モータ組立のための特殊な工具とそれに
伴う工程が省略される長所がある。

【００５１】

【発明の効果】上述したように、本発明は、アーマチュ
アコイルを１つの閉ループ形状のコイルで形成させるよ
うにすることで、コイルの製作を簡素化し、ロータマグ
ネットとアーマチュアコイルとの間における電磁気力の
損失を最大限防止することができるようになり、モータ
のトルク効率を極大化させることができる。

【００５２】また、ステータヨークにコギング発生用突
起が一体に形成されるようにすることで、コギング発生
用突起の形成のための工程をより短縮させることができ
る。また、コギング発生用突起の形状とその大きさの変
更をより自由にすることができるようになり、モータの
使用用途を変更したり、ロータマグネットの着磁構造を
変更することに対する対応がたいへん容易である。

【００５３】特に、コギング発生用突起をステータヨー
クの製作時と同時にするようにされるので、大量生産に
たいへん有利であり、予め形成されたコギング発生用突
起がアーマチュアコイルの結合時におけるガイドの役割
をするようにするため、アーマチュアコイルをより簡単
で正確にステータヨークに装着させることができるよう
になり、生産性の増大効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態における単相のディスクタイ
プ無整流子直流モータの垂直断面図。

【図２】図１における単相のディスクタイプ無整流子直
流モータの分離斜視図。

【図３】（ａ）〜（ｄ）は本発明に従う多様な様態の実
施形態を示す構成図。

【図４】（ａ）、（ｂ）は本発明のコギング発生用突起
を形成する構成図。

【図５】本発明に従うコギング発生用突起の形状とそれ
に伴うコギングトルクの波形変化図。

【図６】本発明に従う有効トルクの向上原理を示した例
示図。

【図７】本発明に従う直線状の辺を有するアーマチュア
コイルを示した例示図。

【図８】一般的な単相のディスクタイプ無整流子直流モ
ータの垂直断面図。

【図９】単相のディスクタイプ無整流子直流モータから
の出力波形図。

【図１０】従来のコギング発生用突起の多様な適用事例
を示した例示図。

【図１１】従来のコギング発生用突起の多様な適用事例
を示した例示図。

【図１２】従来のコギング発生用突起の多様な適用事例
を示した例示図。

【符号の説明】

３…ステータ、４…ステータ、３２…ロータマグネッ
ト、４２…ステータヨーク、４３…アーマチュアコイ
ル、４４…コギング発生用手段。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02K 29/00 H02K 21/00

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｎ極とＳ極とが交互に配列される２Ｐ
   （Ｐは１以上の整数）の磁極を有し、各磁極は同じ面積
   よりなりロータマグネットヨークによってロータに固定
   される環状のロータマグネットと、 前記ロータマグネットとの相互作用で電磁気力を発生さ
   せるステータと、を備える単相のディスクタイプ無整流
   子直流モータであって、 前記ステータは、 前記ロータマグネットと対向する位置にて同軸線上に備
   えられるステータヨークと、 外部から印加される電源の供給をプリント回路部材を介
   して受けて、前記ロータマグネットの全体磁極にわたる
   位置で、前記ロータマグネットの全体磁極数の１／２で
   ある頂点を有し、各頂点の位置は各磁極の境界線で前記
   ロータマグネットの外径面近傍に位置して閉ループ形状
   に形成されたアーマチュアコイルと、 前記ステータのアーマチュアコイルの各頂点を基準に、
   前記ロータマグネットの１つの磁極に該当する角度（３
   ６０度／全体の磁極数）の１／４にあたる角度だけ離し
   て位置し、前記ロータマグネットの全体磁極数の１／２
   である個数で、前記ステータヨークから一体に上向突出
   されるようにして、前記アーマチュアコイルが正位置に
   配置されるように案内する１つ以上のコギング発生用突
   起とを備える、単相のディスクタイプ無整流子直流モー
   タ。
2. 【請求項２】 前記ステータのアーマチュアコイルは、
   各頂点を連結する辺が所定の曲率半径を有しつつ軸の半
   径方向に湾曲している、請求項１記載の単相のディスク
   タイプ無整流子直流モータ。
3. 【請求項３】 前記ステータのアーマチュアコイルにお
   ける軸の半径方向に湾曲された辺は、前記ロータマグネ
   ットの内径面に接するようにする、請求項２記載の単相
   のディスクタイプ無整流子直流モータ。