JP4784726B2

JP4784726B2 - 直流モータ

Info

Publication number: JP4784726B2
Application number: JP2005050539A
Authority: JP
Inventors: 憲治成田; 琢志藤岡; 洋一田邉
Original assignee: Fujitsu General Ltd
Current assignee: Fujitsu General Ltd
Priority date: 2005-02-25
Filing date: 2005-02-25
Publication date: 2011-10-05
Anticipated expiration: 2025-02-25
Also published as: JP2006238623A

Description

本発明はブラシ／整流子（メカニカルインバータ）がなく、かつ半導体式インバータも必要としない単極の直流モータに関し、さらに詳しく言えば、ロータに永久磁石を用いたアキシャルギャップ型の直流モータに関するものである。

直流モータは、小形モータとして多方面へ利用されており、例えば永久磁石を回転方向に配置した円板に対向してコイルを配置するようにしている。永久磁石は、その磁界方向が各円板と直角になるように配置し、コイルはその電流方向がその磁界の中で直角になるように同コイルを設ける。すると、フレミンミングの左手の法則により、コイルには磁界の方向および電流の方向に対して直角となる方向に力が働く。

したがって、上記永久磁石を備えた円板を相対向してケースに固定すると、それらの間のコイルには円周方向に回転力が発生する。このコイル側を回転する例としては、ロータリー型アクチュエータに利用したものがある（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１の発明は、回転軸方向に着磁したステータ側を対向するようにケースに固定するとともに、これらステータの間にロータを配置している。ロータには巻線を施した中空状ボビンが回転軸に一体化されており、その中空には中間ヨークが収納されている。この中間ヨークの形状に特徴を持たせてアクチュエータとしている。

ところで、上記コイルを円周方向に配置してケースに固定すると、そのコイルに働く力が円板の永久磁石に作用し（反作用として働き）、上記円板が回転することから、例えばブラシレスＤＣモータとして利用することができる。このコイル側をケースに固定し、永久磁石を有する円板を回転可能とする例として、特許文献２により単極の直流モータが提案されている。

特許文献２の発明は、モータ軸方向に単極に着磁したマグネットをロータ表面に固定し、このマグネットにより発生する磁束がステータのコイル部分と鎖交するようにコイル部を配置する。また、その磁束がステータコアおよび外輪ヨークを介してロータ側の戻るようにして、マグネットとステータ間の磁気回路を形成する。

これによれば、コイル部に電流を流すと、このコイル部分には円周方向に力が働き、この力がロータに作用して回転力となる。特許文献２の発明では、そのコイル部分が分離したコアにコイルを巻線してステータ円周上に配置できるようにし、モータ巻線および組み立てを容易としている。
特開昭６０―１８７２５２号公報実開昭６２―８１４７６号公報

本発明が解決しようとする問題点は、ロータとステータの間の空隙（エアギャップ）がステータの巻線により左右されることから、モータに最適なギャップを得ることができない点にある。

すなわち、特許文献１のアクチュエータでは、巻線が中空状ボビンに施してあるが、コイルの巻数を多くすると、エアギャップが広くなって不適切なものとなり、またエアギャップを優先すると、コイルの巻数が制限されるからである。特許文献２の直流モータにあっても、特許文献１と同じことが言える。また、特許文献２の直流モータにあっては、マグネットによる主磁束がコイル部分とだけ鎖交するため、磁気回路の抵抗が大きく効率の点で好ましくない。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、電機子を配した固定子の両側面に、永久磁石を配した回転子を回転可能に支持してなるアキシャルギャップ型の直流モータであって、上記固定子の電機子として、電磁鋼板をモータ外周方向に積層して台形あるいは扇形に形成したヨークを円周方向に等間隔に配置し、上記各ヨークの上記永久磁石に対向する面に、内周側から外周側に渡って溝を形成し、上記溝内に巻線を施してなり、上記各回転子の界磁として、固定子側を磁極とした上記永久磁石のエアギャップ面を同一極とするとともに、上記固定子を挟んで軸方向に相対する一方の回転子の上記永久磁石のエアギャップ面と、他方の回転子の上記永久磁石のエアギャップ面とを異極とし、上記ヨークの溝内に収めた巻線が、これら永久磁石による磁界の中で、その磁束に対して直角となるようにしたことを特徴としている。

本発明の直流モータは、回転子（ロータ）界磁に作用する固定子（ステータ）巻線の部部が固定子ヨークの溝に納めるようにしていることから、ロータ（永久磁石）とステータ（ティース）の間のエアギャップをモータ特性上最適なものとすることができるという効果がある。

また、この直流モータは２出力軸インバータレス単極の直流モータとして利用することにより、２種類の目的に対して同時に適用し、多種の家電機器等に適用可能である。

本発明の直流モータは、磁極を回転軸方向とした永久磁石をそれぞれ配置した２つの回転子と、これら回転子の間でそれぞれに対向した巻線をヨークに施して配置した固定子とからなるが、そのヨークの回転子面側に溝を形成してこの溝に巻線の部分を収容してなり、回転子と固定子との間のエアギャップをモータに最適なものに決定可能とするとともに、２出力軸単極の直流モータとしている。

図１は、本発明の単極の直流モータを示す概略的側断面図である。このアキシャルギャップ型の直流モータは、電機子（巻線）１を配置した固定子（ステータ）２をモータ本体の中央部に固定し、ステータ２の両側でそれぞれ永久磁石３，４からなる界磁としての回転子（ロータ）５，６をそれぞれ回転軸７，８に固定するとともに、回転軸７，８を軸受部９，１０を介して本体のケース１３に回転可能に支持してなる。

図２に示すように、電機子コアとしてのステータ２については、電磁鋼板を回転軸７，８と直角方向に積層し、台形あるいは扇形としたヨーク２ａを円周方向に等間隔に所定数配置し（例えば２ｎ（ｎ＝６）個をリング状に配列し）、これらヨーク２ａに巻線（トロイダル状の巻線）１を施してなる。

この場合、２ｎ個のヨーク２ａについて、円周方向に隣り合うヨーク２ａの２個づつをそれらの中央部で同円周方向にヨークで繋いでユニットコアとし、そのヨークにトロイダル状に巻線１を施して電機子巻線ユニット（固定子）を形成してｎ組をリング状に配置するとよい。

ヨーク２ａが台形である場合、その上辺をモータ中心に向け、その底辺をモータ外周側に向け、そのヨーク２ａが扇形状である場合、その内周面をモータ中心に向け、その外周面をモータ外周側に向け、それら上辺、底辺あるいは内周面、外周面を歯（ティース）Ａとする。

ヨーク２ａの歯Ａのうち、ロータ５，６側の歯Ａの中央部には外周から内周に至る凹部の溝Ｂを回転中心に向けて形成し、これら溝Ｂは巻線１のうちロータ５，６側に対向する部分巻線が収まるように所定深さにする。

界磁磁石としてのロータ５，６については、ステータ２との間のエアギャップ面の永久磁石３，４は全て同極とし、その相対する永久磁石３，４は異極とし、一方のロータからの磁束が回転軸方向に他方のロータに向かって流れるようにし、単極の磁界を形成してなる。なお、永久磁石３，４はそれぞれ複数個を当該円周方向に配置してもよい。

ロータ５，６の外周側には、ステータ２の部分も含めて永久磁石３，４を覆うように断面コ字状のバックヨーク１４が設けてなり、永久磁石３，４による磁束がそのバックヨーク１４を介して閉じるようにする。

上記構成とした直流モータの動作を図３の部分断面図を参照して説明する。まず、ロータ５，６のマグネット磁束が同図の破線矢印に示すように流れ、つまりロータ５のステータ２側面がＮ極とし、ロータ６のステータ２側面がＳ極としているものとする。

ロータ５の永久磁石３による磁束はステータ２のヨーク２ａを通ってロータ６に達し、ロータ６の永久磁石４による磁束はバックヨーク１４を介してロータ５に達して電磁回路を形成する。このとき、巻線１が永久磁石３，４による磁界内でその方向に対して直角に位置することから、フレミングの左手の法則によりその巻線１には紙面に直角方向に磁気力が働く。

例えば、図３の実線矢印に示すように、巻線１の電流を流した場合、ロータ５側の巻線部分には紙面の上方向の力が働き、ロータ６側の巻線部分には紙面の下方向の力が働く。したがって、それらの力の反作用により、ロータ５，６にはトルクが発生し、しかも互いに反対方向のトルクが発生し、それぞれ逆方向に回転する。

ところで、それらロータ５，６側の巻線部分がヨーク２ａの溝Ｂに納められていることから、そのヨーク２ａの溝Ｂを除く面がステータ２のティースＡとなる。したがって、ステータ２と各ロータ５，６との間のエアギャップは、巻線１の巻数等に左右されることなく、モータ特性等に最適な距離に設定することができる。

なお、上述したように、ステータ２をバックヨーク１４を介してケース１３に固定し、ロータ５，６の一方を軸受部９，１０を介してケース１３の回転可能に支持し、またロータ５，６の他方を軸受部１１，１２で回転可能に支持する。また、それら軸受部１１，１２はステータ２を介してケース１３に保持可能とする。

このように、電機子巻線１に直流電流を流すことにより、永久磁石３，４による２つに界磁のロータ５，６には互いに反対方向のトルクが発生し、つまり２出力軸単極の直流モータを実現することができる。

また、エアギャップについては、所定間隔に設定することができるため、永久磁石３，４の厚さを踏まえてエアギャップ長を決定することになるが、モータの特性に合わせて最適な値に決定することができる。

直流モータを２出力軸インバータレス単極のブラシレスＤＣモータとして利用し、例えば一方の出力軸をエアコンのファンモータとして利用し、所定機構により他方の出力軸をそのファンに近い上下風向板を駆動するモータとして利用することが可能である。

本発明の直流モータを示す概略的側断面図。図１に示す直流モータを説明する概略的正面図。図１に示す直流モータの動作を説明する概略的部分側断面図。

符号の説明

１巻線
２ステータ
２ａヨーク
３，４永久磁石
５，６ロータ
７，８回転軸
１４バックヨーク
Ａティース
Ｂ溝

Claims

電機子を配した固定子の両側面に、永久磁石を配した回転子を回転可能に支持してなるアキシャルギャップ型の直流モータであって、
上記固定子の電機子として、電磁鋼板をモータ外周方向に積層して台形あるいは扇形に形成したヨークを円周方向に等間隔に配置し、上記各ヨークの上記永久磁石に対向する面に、内周側から外周側に渡って溝を形成し、上記溝内に巻線を施してなり、
上記各回転子の界磁として、固定子側を磁極とした上記永久磁石のエアギャップ面を同一極とするとともに、上記固定子を挟んで軸方向に相対する一方の回転子の上記永久磁石のエアギャップ面と、他方の回転子の上記永久磁石のエアギャップ面とを異極とし、上記ヨークの溝内に収めた巻線が、これら永久磁石による磁界の中で、その磁束に対して直角となるようにしたことを特徴とする直流モータ。