JP7390463B2 - ロータコア及び回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、直流電動機に代表される回転電機に関し、特にロータコアの構成に関する。

ブラシ付きモータは、アーマチャコアに巻回されたコイルへ通電し、磁石が発生する磁界との作用によってトルクを発生する。本技術分野の背景技術として、特開２００６－２８０１７２号公報（特許文献１）がある。特開２００６－２８０１７２号公報には、直流モータのケース内に配置されたマグネットの内側曲率中心を、その外側曲率中心より放射方向へ偏心させると共に、電機子のコアのティース先端部の内側曲率中心を、その外側曲率中心より当該反先端部方向へ偏心させて構成する直流モータが記載されている（要約参照）。

特開２００６－２８０１７２号公報

ブラシ付きモータでは、回転時のトルクはモータの回転角で変化し、このトルク脈動がアクチュエータの制御性に影響を与え、システム応答の悪化など、製品性を低下させる要因となる。このため、コギングトルクの低減が求められている。前述した背景技術では、コアスロット内周部に偏心量を設けることによって、コアティース先端部の形状を変えて、磁束の流れを調節している。このため、内径偏心量が大きくなるとティース先端部が細くなるため、磁束の流れの調節の自由が低く、モータの所望の特性が得られないことがある。

本願において開示される発明の代表的な一例を示せば以下の通りである。すなわち、回転電機のロータコアであって、コイルが巻回されるスロット部と、前記スロット部にコイルが巻回される空間を形成するティース部とを備え、前記回転電機の軸に垂直な断面において、前記ティース部の内周側の前記スロット部との境界部は、前記ティース部の内周側が径方向に垂直な直線状に形成されるフラット部と、前記フラット部との境界に設けられる変曲点を介して、前記フラット部と連続する曲線状に形成される曲線部とで形成され、前記曲線部は、前記ティース部の周方向において前記フラット部より先端に位置することを特徴とする。

本発明によれば、ティースの先端部の磁束の流れを調整できる。前述した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施例の説明によって明らかにされる。

本発明の実施例の直流電動機の構造を示す縦断面図である。 本発明の実施例の直流電動機の分解斜視図である。 本発明の実施例のアーマチャコアの構造を示す斜視図である。 本発明の実施例の直流電動機の構造を示す横断面図である。 本発明の実施例のアーマチャコアによる効果を示す図である。

以下、図１～図５を参照して、回転電機のうち代表的な直流電動機の実施例を説明する。

図１は、本実施例の直流電動機１の構造を示す断面図であり、シャフト５に沿って切断した縦断面を示す。図２は、本実施例の直流電動機１の分解斜視図である。

直流電動機１は、外部給電端子２６間への給電によって回転トルクを発生し、取付けられたモータギア１９を介してシステム側へトルクを伝える。直流電動機１は、ケース及び磁気回路を形成する役割を有するヨーク２を有する。ヨーク２の内面にはマグネットステー２７及び複数個のマグネット３が装着され、永久磁石として磁束を発生する。更にマグネット３の内側には、マグネット３の内面と任意の隙間を保持してアーマチャ４が収容される。アーマチャ４の径方向中央部にはモータギア１９に接続されたシャフト５が備えられる。シャフト５は、軸受６及び軸受２０を介してフロントブラケット７及びリアブラケット２１に回転自在に支持され、アーマチャコア８とマグネット３で発生するトルクを出力する。フロントブラケット７及びリアブラケット２１はヨーク２に取り付けられる。アーマチャ４は、シャフト５にアーマチャコア８及び整流子９が固定されて構成される。アーマチャコア８の周方向外周部に形成された複数のスロット１０間に跨ってアーマチャコイル１１が巻回される。整流子９は樹脂等の絶縁材により筒状に形成され、整流子９の外周部には導電材からなる複数の整流子片１２を備える。整流子片１２にはスロット１０間に巻回されたアーマチャコイル１１が電気的に接合される。

ヨーク２の内部にはブラシホルダ１３が収容される。ブラシホルダ１３には、整流子片１２に給電する少なくとも一対のブラシ１４とバネ１５が配置される。ブラシホルダ１３にはさらに、電磁ノイズを除去するためのチョークコイル１６が配置される。ブラシ１４は直流電動機１の外部給電端子２６と電気的に接続される。ブラシ１４は、ブラシホルダ１３に保持されたバネ１５の弾性によって整流子片１２の外周面に摺接され、整流子片１２を介してアーマチャコイル１１に給電する。これによって、外部給電端子２６とアーマチャコイル１１が電気的に接続され、回路を形成する。

図３は、本実施例のアーマチャコア８の構造を示す斜視図である。

アーマチャコア８は、電磁鋼板などの軟磁性金属板を積層して構成され、アーマチャコイル１１を巻き回すための溝であるスロット１０と、磁束が通る磁路を構成するティース８１が設けられる。ティース８１は、回転中心から径方向に延伸する径方向延伸部と、径方向延伸部の先端で周方向左右に延伸する周方向延伸部とでＴ字形に形成されている。隣接するティース８１は外周側のスロット開口部８２によって途切れており、スロット１０はスロット開口部８２によって径方向に外部と連通している。図示するアーマチャコア８は、スロット開口部８２が斜めに設けられる斜溝（スキュー）型となっており、モータの回転に伴うトルク変動を低減している。

スロット１０は隣接するティース８１の間の空間として形成され、スロット数はアーマチャコア８がティース８１によって周方向に分割される数である。

図４は、本実施例の直流電動機１の構造を示す断面図であり、シャフト５に垂直な面で切断した横断面を用いて、主にティース８１の形状を示す。

ティース８１の外周側は、マグネット３の内面と任意の隙間を保持するようにシャフト５を中心とした所定の円弧で形成される。また、ティース８１の内周側（スロット１０の外周側の境界面）は、ティース８１の径方向に垂直な直線状に形成されるフラット部８３と、フラット部８３と異なる曲率の曲線で形成される曲線部８４で構成されている。フラット部８３と曲線部８４とは連続的に接続されており、その境界には曲率が変化する変曲点８５が形成される。フラット部８３及び曲線部８４は、各ティース８１の径方向中心線からみて、フラット部８３が内側、曲線部８４が外側で、左右均等に形成される。フラット部８３は、前述したように、ティース８１の径方向に垂直な直線状に理想的には形成されるが、垂直な直線から所定の範囲の誤差（例えば±０．２ｍｍの凹凸や傾き）を許容してもよい。この所定の誤差はティース８１の周方向延伸部の径方向の幅や、アーマチャコア８構成する電磁鋼板の厚さなどによって決めてもよい。曲線部８４は、フラット部８３と異なる曲率の曲面で形成されるが、理想的には回転軸を中心とした同心円状に形成されるとよい。

本実施例では、ティース８１の先端部の内側にフラット部８３を設け、変曲点８５の外側を曲線部８４で形成したので、ティース８１の先端部の周方向延伸部の幅が、ティース８１の径方向延伸部に近い位置において広くなり、径方向延伸部から遠い位置において狭くなるので、ティース８１の先端部を通る磁束の流れを調節でき、コギングトルクを低減できる。

また、Ｔ字形に形成される周方向延伸部のうち径方向延伸部に近い部分の径方向の幅が広くなるので、アーマチャコア８を通る磁束が周方向延伸部の先端にまで到達し、スロット開口部８２の位置における磁束密度の低下を抑制し、コギングトルクが低減できる。一方、周方向延伸部の径方向の幅を広くすると、アーマチャコイル１１の占積率が低下して、トルクが低下する。このため、フラット部８３の範囲を調節して、コギングトルクを低減しつつ、トルクの低下を抑制している。

また、フラット部８３が形成される周方向の角度範囲（フラット部８３の端部（変曲点８５）と回転中心を結ぶ線がなす角度）θｓは、１極あたりのマグネット３が占める角度範囲（すなわち、ヨーク２の内面にマグネット３が接している範囲）をθｅ、マグネット３の極数をｐ（図では２）、アーマチャコア８のスロット数ｓ（図では５）を用いて、フラット部８３を下式の範囲で形成すると、コギングトルクの低減に適することが分かった。
θｓ÷θα＝０．５～０．７ θα＝θｅ×ｐ÷ｓ

上式において、θαは、マグネット３の全周に占める角度をスロット数で除した角度であり、１スロットあたりでマグネット３が占める角度を表すパラメータである。

図５は、本実施例のアーマチャコア８による効果を示す図であり、フラット部８３の範囲が変化したときのコギングトルクの変化を示す図である。図５では、θｓ÷θα（θα対するフラット部８３の範囲θｓの割合）を横軸とし、フラット部８３を設けない場合（θｓ＝θｏ）を基準としたコギングトルクの比率を縦軸とした。

図５によると、θｓ＝θｏからθαが増加すると（フラット部８３の範囲が広くなると）、コギングトルクが低下して、θｓ÷θαが０．５～０．７の範囲で、コギングトルクが低くなる。その後、θαが増加するとコギングトルクが増加する。このことから、θｓ÷θαが０．５～０．７の範囲が、コギングトルクが低減できる範囲であることが分かる。

以上に説明したように、ティース８１の内周側のスロット１０との境界部は、径方向に垂直な直線状に形成されるフラット部８３と、フラット部８３との境界に設けられる変曲点８５を介して、フラット部８３と連続する曲線状に形成される曲線部８４とで形成され、曲線部８４は、ティース８１の周方向においてフラット部８３より先端に位置するので、ティース８１の先端部の磁気の流れを変化させて、電動機の回転時に生じる磁気変化を調整し、ティース８１の端部の磁気量を増大でき、トルクの低下を抑制しつつ、コギングトルクを低減できる。また、変曲点８５からアーマチャコア８の外径側と同心円状に曲線部８４を延伸することによって、ティース８１の先端部の径方向の幅が小さくならず、直流電動機１の回転時の遠心力によるアーマチャコア８の変形を抑制できる。また、スロット開口部８２の開口幅を調節の自由度を向上できる。このため、ティース８１の先端が鋭利にならず、コイルの巻回時にアーマチャコイル１１がアーマチャコア８に引っ掛かることによるアーマチャコイル１１の傷付きを抑制できる。

なお、本発明は前述した実施例に限定されるものではなく、添付した特許請求の範囲の趣旨内における様々な変形例及び同等の構成が含まれる。例えば、前述した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに本発明は限定されない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えてもよい。また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えてもよい。
また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をしてもよい。

１ 直流電動機、２ ヨーク、３ マグネット、４ アーマチャ、５ シャフト、６ 軸受、７ フロントブラケット、８ アーマチャコア、９ 整流子、１０ スロット、１１ アーマチャコイル、１２ 整流子片、１３ ブラシホルダ、１４ ブラシ、１５ バネ、１６ チョークコイル、１９ モータギア、２０ 軸受、２１ リアブラケット、２６ 外部給電端子、２７ マグネットステー、８１ ティース、８２ スロット開口部、８３ フラット部、８４ 曲線部、８５ 変曲点

Claims (3)

1. 回転電機のロータコアであって、
   コイルが巻回されるスロット部と、
   前記スロット部にコイルが巻回される空間を形成するティース部とを備え、
   前記回転電機の軸に垂直な断面において、前記ティース部の内周側の前記スロット部との境界部は、前記ティース部の内周側が径方向に垂直な直線状に形成されるフラット部と、前記フラット部との境界に設けられる変曲点を介して、前記フラット部と連続する曲線状に形成される曲線部とで形成され、
   前記曲線部は、前記ティース部の周方向において前記フラット部より先端に位置することを特徴とするロータコア。
2. 請求項１に記載のロータコアであって、
   回転中心から見た前記変曲点の間の角度θｓ、１極あたりの磁石が占める角度θe、前記磁石の極数ｐ、前記スロット部の数ｓを用いて、
   θｓ÷（θｅ×ｐ÷ｓ）が０．５から０．７の範囲にあることを特徴とするロータコア。
3. 請求項１又は２に記載のロータコアと、
   前記ロータコアの外周側に設けられる磁石を有することを特徴とする回転電機。

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