(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B1)
(11)【特許番号】6131358
(24)【登録日】2017年4月21日
(45)【発行日】2017年5月17日
(54)【発明の名称】直流モータの内外輪固定子構造
(51)【国際特許分類】
H02K 23/04 20060101AFI20170508BHJP
H02K 16/04 20060101ALI20170508BHJP
【FI】
H02K23/04
H02K16/04
【請求項の数】4
【全頁数】11
(21)【出願番号】特願2016-59647(P2016-59647)
(22)【出願日】2016年3月24日
【審査請求日】2016年3月24日
(31)【優先権主張番号】104144665
(32)【優先日】2015年12月31日
(33)【優先権主張国】TW
(73)【特許権者】
【識別番号】516087920
【氏名又は名称】信澤馬達有限公司
(74)【代理人】
【識別番号】100129997
【弁理士】
【氏名又は名称】田中 米藏
(72)【発明者】
【氏名】▲呉▼連信
【審査官】
池田 貴俊
(56)【参考文献】
【文献】
特許第3174334(JP,B2)
【文献】
米国特許第05554903(US,A)
【文献】
特開平08−256458(JP,A)
【文献】
特開2013−074743(JP,A)
【文献】
特開平06−022521(JP,A)
【文献】
米国特許第3729642(US,A)
【文献】
米国特許第4683393(US,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H02K 23/04
H02K 16/04
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
直流モータに応用する直流モータの内外輪固定子構造であって、
前記直流モータは、収容空間を内部に有するハウジングを含み、
前記内外輪固定子構造は、外固定子及び内固定子を含み、
前記外固定子は、前記収容空間内に取付けられるとともに、複数の外磁石を含み、各前記外磁石は、前記ハウジングの円周に沿って前記ハウジングの内壁に固定されて互いに間隔をおいて設置され、互いに隣接した2つの前記外磁石の極性は反転し、
前記内固定子は、前記外固定子内に取付けられ、前後端が前記ハウジングの前後端にそれぞれ固定され、前記内固定子と前記外固定子との間には回転空間が形成され、前記回転空間は中空型ロータを収容するのに十分な大きさを有し、前記中空型ロータは、前記外固定子との間に第1の間隙が保持され、前記内固定子との間に第2の間隙が保持され、前記外固定子と前記内固定子との間で回転可能であり、前記内固定子は、複数の内磁石を含み、各前記内磁石は、前記ハウジングの円周に沿って前記内固定子の外縁に固定されて互いに間隔をおいて設置され、互いに隣り合う2つの前記内磁石の極性は反転し、各前記内磁石は各前記外磁石にそれぞれ対応し、
前記内磁石の極性は、対応する前記外磁石の極性と同じであることを特徴とする、直流モータの内外輪固定子構造。
【請求項2】
互いに隣り合う2つの前記外磁石間には、前記ハウジングの内壁に隣接した一側の間に内側間隔距離が保持され、他側の間に外側間隔距離が保持され、
前記外側間隔距離は、前記内側間隔距離より大きいことを特徴とする、請求項1に記載の直流モータの内外輪固定子構造。
【請求項3】
互いに隣り合う2つの前記内磁石間には、前記中空型ロータから離れた一側の間に内側間隔距離が保持され、他側の間に外側間隔距離が保持され、
前記外側間隔距離は、前記内側間隔距離より大きいことを特徴とする、請求項2に記載の直流モータの内外輪固定子構造。
【請求項4】
前記内固定子は、
前記内磁石が外縁に固定された内固定子本体と、
前記内固定子本体の前後両端に突設され、前記ハウジングの前端及び後端にそれぞれ接続された2つの位置決め棒と、を有することを特徴とする、請求項3に記載の直流モータの内外輪固定子構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、直流モータの内外輪固定子構造に関し、特に、円柱状のハウジング内壁に外固定子が環設され、軸心位置に内固定子が配設され、外固定子と内固定子との間には、中空型ロータの固定子構造が収容可能な回転空間が形成されている、直流モータの内外輪固定子構造に関する。
【背景技術】
【0002】
モータ(electric motor)は、電動装置とも称され、受けた電力を機械エネルギへ変換してから、機械エネルギを利用して運動エネルギを発生させて他の装置のを駆動させることができる電気設備である。運動エネルギは人々の日常生活で最も利用されているエネルギ形態である。電気エネルギは、貯蔵及び輸送が容易であり、クリーンであるなどの特性を有するため、電気エネルギで駆動され、運動エネルギを出力するモータは、人々の生活において必要不可欠で重要な装置となっている。
【0003】
一般にモータは電気エネルギの種類により、直流モータ、交流モータ、ステッピングモータなどに大別される。直流モータの「回転数−トルク」、「電流−トルク」などの特性曲線は直線関係にあり、出力速度が制御し易く、トルクが大きめであるなどの特長を有する上、変速制御が容易であるため、産業の自動化にとって重要な技術であり、本発明の目的は、直流モータの改良にある。
【0004】
図1Aを参照する。
図1Aに示すように、従来の直流モータ1の基本アーキテクチャは、少なくともハウジング10、枢軸11、ロータ(rotor)12、固定子(stator)13及び整流子(commutator)14を含む。ハウジング10内には収容空間101が形成される。枢軸11は、ハウジング10内に枢着され、かつ、一端に設けられた出力軸111が突出されてハウジング10から露出されている。ロータ12は、複数の珪素鋼板の組み合わせにより構成されて枢軸11上に固設される。ロータ12上には、複数ターンのコイルが巻き付けられている。固定子13は、永久磁石により構成され、ロータ12の外周縁に対応するようにハウジング10の内壁に固設されてロータ12と間隔をおいて設置されている。整流子14は、収容空間101内に配設されて外部の電力を受けることができ、コイルと電気的に接続され、コイルへ送電するとともに、整流子14によりコイルへ送る電流の方向を変えることができる。フレミングの左手の法則又は右手の法則に基づき、導線が磁場内に配置されて導線に電流が流されると、導線が発生させた磁場が、元からある磁場の磁力線を横切り、導線を移動させる。そのため、ロータ12上のコイルが通電されて発生した磁場が、固定子13により発生された磁力線を横切り、回転トルクによりロータ12が回転され、電気エネルギが運動エネルギへ変換される。例えば、
図1Bに示すように、固定子13の磁力線が左から右方向へ発生すると、ロータ12のコイルの電流が右から左方向へ流れ、ロータ12に発生する回転トルクによりロータ12が時計回りで回転する。
【0005】
図1A及び
図1Bに示すように、直流モータ1の長所は、ロータ12の回転数を容易に制御できる点にあるため、産業の自動化技術への応用に適する。直流モータ1を制御する場合、メーカはコイルの電流の大きさを変えることにより、固定子13がコイル上で発生させる運動エネルギを強めたり弱めたりすることができるが、コイルの巻き密度には限界があり、電流の変更幅も無制限ではなかった。そのため、本発明者は、直流モータ2の構造を改良し、全体の体積を増やさずに、ロータ12の速度の制御性及び回転速度の調整範囲を高めることが可能か研究開発を行った。
【0006】
本発明者は研究過程において、従来の直流モータでは、出力軸111上に他の伝動機構(例えば、歯車群)を別途取り付けなければロータ12が発生させる運動エネルギを出力することはできなかったが、伝動機構が取り付けられると構造が複雑となり、運動エネルギが減衰してしまう虞があることが分かった。また、ハウジング10から突出された出力軸111の一端が自由端であったため、軸線がずれる問題が発生することを防ぐために出力軸111の長さを短めに設計する必要があった。しかし、枢軸10を高速回転させて十分な回転トルクで伝動機構を駆動させる場合、枢軸10と伝動機構との間に非常に大きな負荷がかかって摩損が発生したり、受ける力が不均等となって出力軸111の軸線が徐々にずれてしまう虞があった。
【0007】
すなわち、従来の直流モータ全体のアーキテクチャは、使用上依然として問題点があった。そのため、直流モータの構造を改良し、回転数の制御性を高め、「軸線がずれる」問題点を改善することが、直流モータの製造及び設計を行うメーカに求められていた。
【0008】
本発明者は、上述したように従来の直流モータは回転の制御性に改良の余地がある上、使用する際に「軸線がずれる」という問題点に対して研究開発を長年行い、実験及び分析を繰り返し、モータの性能及び耐久性が高い直流モータの内外輪固定子構造を案出した。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
本発明の目的は、直流モータの内外輪固定子構造を提供することにある。この内外輪固定子構造は、直流モータに応用される。直流モータは、ハウジングを含む。ハウジングは、円柱体を呈し、収容空間が内部に形成される。内外輪固定子構造は、外固定子及び内固定子を含む。外固定子は、収容空間内に取付けられるとともに、複数の外磁石を含む。各外磁石は、ハウジングの円周に沿ってハウジングの内壁に固定されて互いに間隔をおいて設置され、互いに隣接した2つの外磁石の極性は反転している。内固定子は、外固定子内に取付けられ、前後端がハウジングの前後端にそれぞれ固定され、内固定子と外固定子との間には回転空間が形成され、この回転空間は中空型ロータを収容するのに十分な大きさを有し、中空型ロータは、外固定子との間に第1の間隙が保持され、内固定子との間に第2の間隙が保持され、外固定子と内固定子との間で回転可能である。内固定子は、複数の内磁石を含み、各内磁石は、ハウジングの円周に沿って内固定子の外縁に固定されて互いに間隔をおいて設置され、互いに隣り合う2つの内磁石の極性は反転し、各内磁石は外磁石にそれぞれ対応する。このように、整流子からの電流を中空型ロータのコイルが受けると、対応した電磁場が生成され、この電磁場は、内固定子上の各内磁石と、外固定子上の各外磁石とにより排斥作用を発生させて中空型ロータを回転させ、出力部材を同期で駆動し、中空型ロータに発生する低回転数及び高トルクの回転トルクが負荷(例えば、変速機ケース)に出力される。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【
図1B】
図1Bは、従来の直流モータの作動原理を示す説明図である。
【
図2】
図2は、本発明の一実施形態に係る固定子構造を直流モータに応用したときの状態を示す分解斜視図である。
【
図3】
図3は、本発明の一実施形態に係る固定子構造を直流モータに応用したときの状態を示す断面図である。
【
図4】
図4は、本発明の一実施形態に係る固定子構造を示す平面図である。
【
図5】
図5は、本発明の一実施形態に係る直流モータの中空型ロータの一部を示す分解斜視図である。
【
図6】
図6は、本発明の一実施形態に係る直流モータの中空型ロータの巻線を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
図2及び
図3を参照する。
図2及び
図3に示すように、本発明の一実施形態に係る直流モータの内外輪固定子構造は、直流モータ2に応用し、外固定子21及び内固定子25を含む。直流モータ2は、内外輪固定子構造を含む以外に、ハウジング20(
図3を参照する)、整流子22、出力部材23及び中空型ロータ24の部材をさらに含む。本実施形態のハウジング20は、前蓋20A、後蓋20B及び外カバー20Cから構成されてなり、全体が中空円柱状を呈し、内部に収容空間200が形成されている。整流子22は、前蓋20A中に位置決めされる。出力部材23は、後蓋20B中に位置決めされる。
【0012】
図2及び
図3を参照する。
図2及び
図3では、部材間の相対関係を説明する便宜上、
図2及び
図3の右方は「前方」を表し、左方は「後方」を表していることをここで予め述べておく。外固定子21は、収容空間200内に取付けられ、複数の外磁石211を含む。各外磁石211は、外カバー20Cの円周に沿ってハウジング20の内壁に固定されて互いに間隔をおいて設置され、互いに隣接した2つの外磁石211の極性は反転している。上述した各外磁石211は、1つの磁性部材又は極性方向が同じ複数の磁性部材によりユニットが構成されるが、本発明はこれだけに限定されるわけではない。本実施形態の複数の外磁石211は、外カバー20Cの内壁に嵌合されているが、他の実施形態では、外固定子21には、口径が外カバー20Cより略小さい筒状固定座が含まれてもよく、外磁石211が筒状固定座の内壁に固設され、筒状固定座を介してハウジング20の内壁上に間接的に位置決めされる。
【0013】
内固定子25は、外固定子21内に取付けられ、前蓋20A及び後蓋20Bに前後端がそれぞれ固定される。内固定子25と外固定子21との間には、回転空間が保持される。この回転空間は中空型ロータ24を収容するのに十分な大きさを有し、中空型ロータ24は、外固定子21との間に第1の間隙24Aが保持され、内固定子25との間に第2の間隙24Bが保持されているため、回転空間中で回転することができる。内固定子25は、内固定子本体250及び複数の内磁石251を含む。内磁石251は、外カバー20Cの円周に沿って内固定子本体250の外縁に固定されて互いに間隔をおいて設置され、互いに隣り合う2つの内磁石251の極性は反転している。上述した各内磁石251は、1つの磁性部材又は極性方向が同じ複数の磁性部材によりユニットが構成されるが、本発明はこれだけに限定されるわけではない。各内磁石251は、外磁石211にそれぞれ対応するように位置する。本実施形態では、内磁石251と外磁石211との数が同じであるように維持するために、内磁石251の面積を外磁石211の面積より小さくなるようにする。
【0014】
本実施形態において、内固定子本体250の前後両端には、2つの位置決め棒252(
図3に示すように、位置決め棒252は同一の支杆体の両端に成形してもよい)がそれぞれ突設され、各位置決め棒252がハウジング20の前端及び後端にそれぞれ固定され、内固定子25の軸心がハウジング20の軸心に対応する。本発明の他の実施形態では、メーカは設計に必要に応じて内固定子本体250の構造を自ら調整することができることをここで予め述べておく。
【0015】
中空型ロータ24は、複数の電機子コアの組み合わせにより構成され、その中には軸方向に沿って軸孔240が形成され、その前端は整流子22と接続され、その後端は出力部材23と接続されている。中空型ロータ24には、複数ターンのコイル27が巻き付けられる。このように、中空型ロータ24上のコイル27が外部(例えば、これは整流子22であり、その詳細な構造については後述する)から電流を受けると、対応した電磁場が生成され、その後この電磁場は、内固定子25上の各内磁石251と外固定子21上の各外磁石211とに排斥作用を発生させて中空型ロータ24を回転させ、出力部材23を同期で駆動させ(整流子22も同期で駆動する)、中空型ロータ24が発生させた低速回転及び高トルクの回転トルクを負荷(例えば、変速機ケース)へ出力する。中空型ロータ24は、内固定子25及び外固定子21の電磁場の影響を同時に受けて押動されて回転されるため、1つの固定子の従来の直流式モータと比べ、本発明は中空型ロータ24の回転速度を容易に制御でき、出力部材23から出力されるトルクをさらに高めることができる。
【0016】
内固定子25及び外固定子21が生成する電磁場により中空型ロータ24をもっと正確に駆動させることができるように、本発明者は内磁石251及び外磁石211の配置方式について詳細に研究した。
図2及び
図4に示すように、互いに隣り合う2つの外磁石211間には、ハウジング20の内壁に隣接した一側に内側間隔距離D1が保持され、他側に外側間隔距離D2が保持され、外側間隔距離D2が内側間隔距離D1より大きいため(
図4に示すように、各外磁石211上に切り角が形成され、その間隔距離を大きめにする)、互いに隣り合う外磁石211「磁極端部」間の距離を大きくし、磁場が互いに干渉することを防ぐことができることが分かった。同じ道理により、互いに隣り合う2つの内磁石251間は、中空型ロータ24(又は外固定子21)から離れた一側に内側間隔距離D3が保持され、他側に外側間隔距離D4が保持される。外側間隔距離D4は、内側間隔距離D3より大きい。
【0017】
本発明の技術は、内固定子25、外固定子21の特殊な構造を利用することができる上、中空型ロータ24及び出力部材23を安定的に駆動させ、トルクを高めることができる。中空型ロータ24の独特な構造は、出力効率を改善してロスを減らすことができる。
図2及び
図3に示すように、出力部材23は、ハウジング20の後端に形成された少なくとも1つの出力孔201に対応するように位置決めされ、ギア状(ハブその他の部材でもよい)を呈する。このように、伝動部材(例えば、チェーン、ベルトその他の部材)が出力孔201に挿通され、出力部材23と接続され、直流モータ2が駆動する際に、直流モータ2が発生させる運動エネルギが順次、出力部材23及び伝動部材を介して負荷(例えば、変速機ケース)へ出力され、負荷が運動エネルギにより駆動される。
【0018】
図2を参照する。
図2に示すように、中空型ロータ24は特殊な構造であるため、出力部材23は、中空型ロータ24の管状周縁(例えば、複数本の固定棒246を介して行うが、その構造については後で詳述する)に接続されており、
図1Aに示す従来の直流モータのように出力軸111により負荷を駆動する方式とは異なる。そのため、従来の直流モータのように軸線がずれてしまうという問題は発生しない。このように直流モータ2が低速で回転するとき、大きめの回転トルクが発生するため、各部材の摩耗量を減らし、直流モータ2の使用寿命を大幅に延ばすことができる。
【0019】
以下、本発明の技術原理が理解しやすいように、「直流モータ2」の構造について詳細に説明する。まず、ハウジング20についてであるが、前蓋20Aには、複数の前接続部202A(例えば、螺着孔)が設けられ、複数のカーボンブラシ204(carbon brush)が内部に取り付けられ、カーボンブラシ204は、外部の電流を受けることができる。後蓋20Bは、3つの出力孔201を有し、複数の後接続部202B(例えば螺着孔)が周縁に設けられる。外カバー20Cは、中空管体状を呈し、前蓋20Aと後蓋20Bとの間に嵌合される。
【0020】
前接続部202A及び後接続部202Bには、接続杆203の両端がそれぞれ固定され、前蓋20A、後蓋20B及び外カバー20Cが一体成形されてハウジング20が形成される。また、外カバー20Cが回転することを防ぐために、前蓋20A及び後蓋20Bには複数の嵌合部205(例えば、突片)がそれぞれ設けられ、外カバー20Cの両端にそれぞれ嵌合される。
【0021】
以下、整流子22の詳細な構造、及び整流子22とカーボンブラシ204との間の組立て関係について概略説明する。整流子22は、前蓋20A中に位置し、前蓋20A内のカーボンブラシ204と電気的に接続され、カーボンブラシ204から送られてくる外部電流を受ける。整流子22は、皿体220と、複数の整流片221とを含む。複数の整流片221は、互いに間隔をおいて皿体220の前面に設置される。互いに隣り合う2つの整流片221は、設定周波数に基づき、対応したコイル27へ送られる電流方向を反転し、これに伴ってコイル27に発生する電磁場も反転し、この方向転換過程を設定周波数に基づいて繰り返して行う。
【0022】
図2、
図3及び
図5に示すように、本実施形態の中空型ロータ24は、外電機子コア241及び内電機子コア242を含む。外電機子コア241及び内電機子コア242は、複数枚の珪素鋼板の組み合わせにより構成され、その周縁には軸方向に沿って複数の外コード溝243及び内コード溝245が形成され、複数の固定孔244が形成される。外コード溝243及び内コード溝245には、コイル27が巻き付けられる。各固定孔244には、複数本の固定棒246がそれぞれ挿入され、各固定棒246の前端は、整流子22の皿体220の後面に固定される。各固定棒246の後端は、出力部材23に固定される。このように、中空型ロータ24、整流子22及び出力部材23は、組み合わされて一体化されているため同期で回転することができる。また、整流子22の中心には軸受26Aが設けられ、出力部材23の中心には軸受26Bが設けられ、内固定子25の位置決め棒252が各軸受26A,26Bに挿通されてハウジング20に固設されているため、整流子22又は出力部材23に伴って回転することを防ぐ。
【0023】
続いて、整流子22及び出力部材23が中空型ロータ24上に設けられたコイル27に接触されることを防ぐために、各固定棒246の前端及び後端には、位置決め管247がそれぞれ嵌合されてもよい。位置決め管247は、固定孔244の孔径より大きい外径を有するため、固定孔244中には挿入されず、整流子22と中空型ロータ24との間に位置するか、出力部材23と中空型ロータ24との間に位置し、整流子22及び出力部材23が中空型ロータ24上のコイル27に接触されることを防ぐ。
【0024】
本発明者は、実験を多数回行った結果、各内磁石251及び外磁石211の極性配置方式も中空型ロータ24の回転速度に影響を与えることが分かった。
図2、
図4及び
図6を参照する。
図4のN及びSは、磁石の極性を表し、
図6は、本発明のコイル27を巻き付ける方式の一つを示している。
図6の巻き付け方式において、コイル27は、外コード溝243に位置のコイルセクション271が、対応する内コード溝245内のコイルセクション272との電流方向は反対である。
【0025】
上述したように、この巻き付け方式において外磁石211と、外磁石211に対応した内磁石251との極性は同じであり(例えば、ともにN極である)、フレミングの左手の法則(即ち、親指は導体にかかる力の方向を示し、人差し指は磁界の方向を示し、中指は電流の方向を示す)により、コイルセクション271は外磁石211が形成した磁界の影響を受け(もしN極である場合、磁界の方向は下向きである)、導体にかかる力の方向は
図6の右下方向であり、中空型ロータ24を時計回りで回転させる。同じ道理により、コイルセクション272は、内磁石251が形成した磁界の影響を受け(もしN極である場合、磁界方向は上向きである)、導体にかかる力の方向は
図6の右下方向である。このように、導体にかかる力の方向を同じにして安定させることができる。しかし、実際の方式では、メーカは巻付け方式を自ら変更し、コイル27上の異なるセクションの電流方向に基づき、互いに対応した内磁石251と外磁石211との極性が反転するようにしてもよい。当該分野の技術を熟知するものが理解できるように、本発明の好適な実施例を前述の通り開示したが、これらは決して本発明を限定するものではない。本発明の主旨と領域を逸脱しない範囲で各種の変更や修正を加えることができる。従って、本発明の特許請求の範囲は、このような変更や修正を含めて広く解釈されるべきである。
【符号の説明】
【0026】
1 直流モータ
2 直流モータ
10 ハウジング
11 枢軸
12 ロータ
13 固定子
14 整流子
20 ハウジング
20A 前蓋
20B 後蓋
20C 外カバー
21 外固定子
22 整流子
23 出力部材
24 中空型ロータ
24A 第1の間隙
24B 第2の間隙
25 内固定子
26A 軸受
26B 軸受
27 コイル
101 収容空間
111 出力軸
200 収容空間
201 出力孔
202A 前接続部
202B 後接続部
203 接続杆
204 カーボンブラシ
205 嵌合部
211 外磁石
220 皿体
221 整流片
240 軸孔
241 外電機子コア
242 内電機子コア
243 外コード溝
244 固定孔
245 内コード溝
246 固定棒
247 位置決め管
250 内固定子本体
251 内磁石
252 位置決め棒
271 コイルセクション
272 コイルセクション
D1 内側間隔距離
D2 外側間隔距離
D3 内側間隔距離
D4 外側間隔距離
【要約】
【課題】モータの性能及び耐久性が高い直流モータの内外輪固定子構造を提供する。
【解決手段】直流モータ2は、収容空間を内部に有するハウジングを含む。内外輪固定子構造は、外固定子21及び内固定子25を含む。外固定子21は、収容空間内に取付けられるとともに、複数の外磁石211を含む。各外磁石211は、ハウジングの円周に沿ってハウジングの内壁に固定されて互いに間隔をおいて設置され、互いに隣接した2つの外磁石211の極性は反転する。内固定子25は、外固定子21内に取付けられ、前後端がハウジングの前後端にそれぞれ固定される。内固定子25と外固定子21との間には回転空間が形成される。回転空間は中空型ロータ24を収容するのに十分な大きさを有する。中空型ロータ24は、外固定子21との間に第1の間隙が保持され、内固定子25との間に第2の間隙が保持される。
【選択図】
図2