直流モータ

【課題】電流の流れを切り替え、または変更せずに回転することができる直流モータを提供する。
【解決手段】ロータ１６は、円筒形に構成された永久磁石２０を有し、この円筒形の外側表面をＮ極、内側表面をＳ極とする。ロータ１６と同軸に円筒形のステータコア２２を有するステータ１８を配置する。ステータコア２２にはコイル２４が巻回される。ロータとステータの間の空間内に位置するコイル２４の導線には１方向に電流が流れる。この導線には、力が作用するが、導線はステータコアに固定されているため、永久磁石に反力が作用し、ロータ１６が回転する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流モータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の直流モータは、ロータの回転に伴って、電流の流れを変更または切り換えることで連続した回転動作を達成している。直流モータとして代表的な整流子モータにおいては、ロータの電機子に流れる電流の向きを、整流子とブラシにより切り換えている。また、ブラシレスモータにおいては、位置センサ、レゾルバなどの検出手段によりロータの回転角度位置を検出し、ロータの位置に応じて変化する電力を供給している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−１３６６９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の直流モータでは、ロータの回転に伴って電流の流れを変更、または切り換えるための構成が必要であった。
【０００５】
本発明は、電流の流れの変更、切り換えを行わずに、回転する直流モータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る直流モータは、ロータと、このロータの外側に、ロータと同軸に配置されたステータを有する。ロータは、外側表面が第１の極、内側表面が第２の極となる円筒形に構成された永久磁石を有する。ステータは、円筒形状のステータコアにコイルが１方向に巻回されている。コイルの、ロータとステータの間に位置する部分は、ロータおよびステータの軸線と略平行に配置され、また巻回の方向が１方向であることから、これらに流れる電流の向きも１方向である。ロータに配置されている永久磁石は、円筒の外側表面が第１の極（以下、Ｎ極とする。）のみであり、磁力線は、ロータの全周に亘ってロータからステータコアに向けて延びる。この磁界中に位置するコイルの導線には、前述のように１方向の電流が流れるので、コイルの各導線に同じ向きの周方向の力が働く。しかし、コイルはステータに固定されており動くことができないので、その反作用としてロータに回転力が作用する。これにより、ロータが回転する。
【０００７】
また、本発明に係る直流モータは、ロータとステータの端面に対向して配置された、ロータに対し補助的に回転力を与える回転補助機構を有する。回転補助機構は、ロータと共に回転する円板または円環形状の内側部材と、この内側部材の周囲に配置された外側部材を有し、これらの内側部材と外側部材の互いに対向する面には、相手側の面に向けて突出し、また周方向に等間隔で配列された歯を有する。歯の数は、前記内側部材、前記外側部材のそれぞれの歯の数が３以上であって、一方が他方の整数倍にならないような数が選ばれている。また、個々の歯の形状は、軸線直交断面において扇形である。ロータが回転したとき、その向きにおいて、内側部材の歯と外側部材の歯の対向する面は、前記の扇形の半径に相当する歯面であり、この歯面の反対側の歯面が扇形の円弧に相当する歯面である。この非対称な形状が、回転補助機構の外側部材から内側部材に向かう磁力線の偏りを生じさせ、これによりロータの回転を補助する回転力が生じる。
【発明の効果】
【０００８】
コイルに１方向の直流電流を供給することによりロータの連続的な回転を生じさせることができる。電流の向きを変えるための構成要素、例えば整流子、ブラシ等が不要となる。ロータの回転角度を検出する構成要素、例えばレゾルバ等が不要となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施形態の直流モータ１０の概略構成を示す図である。
【図２】モータ本体１２の軸線に直交する断面を示す図である。
【図３】直流モータ１０の軸線を含む断面を示す図である。
【図４】回転補助機構の作用を説明するための図である。
【図５】直流モータ１０を発電機として利用する場合の回路構成の一部を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態を、図面に従って説明する。図１は、本実施形態の直流モータ１０の概略構成を示す図である。直流モータ１０は、モータ本体１２とモータ本体１２の側方に配置される回転補助機構１４を有する。図１（ａ）は直流モータ１０の全体を概観する斜視図であり、図１（ｂ）は回転補助機構１４を図１（ａ）において左方から見たときの断面図である。モータ本体１２は、円柱形状のロータ１６と、ロータ１６を囲むように配置され、ロータ１６の円柱の軸線と同軸の円筒形状のステータ１８を有する。
【００１１】
ロータ１６は、円筒形に配置された永久磁石２０を含み、ロータ１６の円柱形状の端から外側に向けて円柱軸線に沿って延びるモータ軸２１が配置される。モータ軸は、円筒形に配置された永久磁石２０の内側を貫通するように配置することができ、永久磁石２０の内側に位置する部分が、永久磁石２０と共に円柱形状を呈する。永久磁石２０は、円筒の外側がＮ極、内側がＳ極となるように配置される。この極の配置は逆向きでもよい。ステータ１８は、磁性鋼製の円筒形のステータコア２２と、ステータコア２２に巻回されたコイル２４を含む。ステータコア２２は、ロータ１６の周囲を囲むように、また径方向にロータと間隔をあけて配置される。コイル２４の導線は、ステータコア２２の軸線を含む断面を囲むように巻回している。また、コイル２４の導線は、ステータコア２２の周方向に順次移動して巻かれている。
【００１２】
ロータ１６およびステータコア２２の、これらの軸線方向において隣接する位置に、回転補助機構１４が配置される。回転補助機構１４は、ロータ１６と共に回転する内側部材２６と、内側部材の周囲を囲んで配置される固定された外側部材２８を有する。内側部材２６は略円板形状であり、モータ軸２１に固定されている。外側部材２８は円環形状を有している。内側部材２６と外側部材２８の対向する面には、相手側の部材に向けて突出する歯３０，３２が設けられている。この直流モータ１０においては、内側部材の歯３０は、内側部材２６の外周面に６個が周方向に等間隔で配置され、外側部材の歯３２は、外側部材２８の内周面に８個が周方向に等間隔で配置されている。内側部材の歯３０と外側部材の歯３２の数はこれに限らず、それぞれ３個以上であって、一方が他方の整数倍にならない組み合わせを採用することができる。
【００１３】
内側および外側部材に設けられた歯３０，３２の個々の断面形状は、扇形である。内側部材２６は、後述するように、図１（ｂ）において時計方向に回転する。内側部材の歯３０は、この回転方向に対し前面が扇形の半径に対応する歯面であり、反対側の面が扇形の円弧に対応する歯面である。外側部材の歯３２は、回転する内側部材の歯３０の前面に対向する側の面が扇形の半径に対応する面であり、反対側の面が扇形の円弧に対応する面である。
【００１４】
図２は、ロータ本体１２部分の軸線に直交する概略断面図であり、図３は、直流モータ１０の軸線を含む概略断面図である。コイル２４を形成する導線３４は、ロータ１６とステータコア２２の間をモータの軸線に沿う方向に延びる部分３４ａと、ステータコア２２の外側を軸線に沿う方向に延びる部分３４ｂを含む。導線の部分３４ａを流れる電流は、図２においては、紙面の奥から手前に貫く方向に流れ、図３においては、右から左へと流れる。磁束は、図中、破線で示すように流れる。ロータ１６とステータコア２２の間の空間においては、半径方向外側に向けて延びる。導線の部分３４ａは、この磁界の中に位置し、電流が流れると、個々の導線の部分３４ａは、図２において反時計回りの力Ｆ１を受ける。しかし、導線３４は固定されており動かない。この導線の部分３４ａに作用する力の反作用として、永久磁石２０、すなわちロータ１６を時計回りに回転させようとする力（Ｆ２）が発生する。これにより、ロータ１６が回転する。
【００１５】
回転補助機構１４は、図３に示すように、磁気回路の一部を構成する。直流モータ１０においては、永久磁石２０、ステータコア２２、回転補助機構１４の外側部材２８、同内側部材２６を通って永久磁石２０に戻る磁気回路が形成されている。回転補助機構１４において、外側部材の歯３２から内側部材の歯３０に向かって流れる磁束により、これらの歯の間に力が作用する。この力は、個々の歯の形状および配列ピッチにより内側部材２６を時計回り、すなわちロータ１６と同じ向きに回転させる方向が優勢となるようにされている。
【００１６】
図４は、回転補助機構１４の内側、外側部材の歯３０，３２の位置関係と、磁束の向きの関係を展開して示す図である。内側部材の連続する二つの歯を符号３０ａ、３０ｂで示し、外側部材の連続する二つの歯を符号３２ａ、３０ｂで示す。また、内側部材の角度ピッチがｐｉ、外側部材の角度ピッチがｐｏである。前述のように、内側部材の歯３０は６個、外側部材の歯３２は８個であるので、角度ピッチはｐｉ＞ｐｏとなる。図４（ａ）は、内側部材の歯３０ａの前面３６ａと、この前面に対向する外側部材の歯３２ａの対向面３８ａがほぼ一致した位置を示している。歯３２ａから歯３０ａに向かう磁束Φ１は、図示するように径方向に対し斜めになり、このため、歯３０ａを右に動かす吸引力（ロータを回転させる力）が発生する。これが、内側部材２６を回転させる力Ｆ３となる。
【００１７】
図４（ｂ）は、図４（ａ）の状態から、内側部材２６が若干回転した状態を示している。この位置では、歯３０ａの前面３６ａの反対側の面である後面４０ａの一部と、歯３２ａの対向面３８ａの反対側の面である背面４２ａの一部（特に歯の頂部付近）が対向している。この対向する後面４０ａと背面４２ａの間で磁束Φ２が流れる。磁束Φ２は、ほぼ径方向を向くため、内側部材２６を回転させる力はほとんど発生しない。
【００１８】
図４（ｃ）は、内側部材２６が更に回転した状態を示している。歯３０ａと歯３２ａにおいては、まだ後面４０ａと背面４２ａが対向しており、磁束Φ３はほぼ径方向に向く。一方、次の歯、すなわち歯３０ｂと歯３２ｂが接近し、このためこれらの歯の間にも磁束Φ４が流れる。この磁束Φ４は、径方向に対し傾き、このため、歯３０ｂを右に動かす吸引力が生じる。歯３０ｂと歯３２ｂの最短距離が、歯３０ａと歯３２ａの最短距離より短くなると、主磁束が通る歯が、歯３０ａ，３２ａから歯３０ｂ，３２ｂへと切り替わる。このようにして回転補助機構１４において発生するロータを回転させようとする力は、増減はあるものの一定方向に作用する。
【００１９】
図５は、直流モータ１０を発電機として作用させるための回路である。直流モータ１０のコイル２４の両端のトランジスタＴｒをオフにして、ロータ１６を正方向に回転させると、ダイオードＤ１、コイル２４、ダイオードＤ２を順に通って、負母線５０から正母線５２へと電流が流れる。また、ロータ１６が逆方向に回転する場合、ダイオードＤ３、コイル２４、ダイオードＤ４を順に通って負母線５０から正母線５２に電流が流れる。このように、ロータ１６の回転方向にかかわらず、負母線５０から正母線５２に電流が流れる。
【符号の説明】
【００２０】
１０直流モータ、１２モータ本体、１４回転補助機構、１６ロータ、１８ステータ、２０永久磁石、２２ステータコア、２４コイル、２６内側部材、２８外側部材、３０，３２歯。

【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒外側表面が第１の極、円筒内側表面が第２の極となる円筒形に構成された永久磁石を有するロータと、
ロータの周囲に配置される円筒形状のステータコアと、このステータコアに１方向に巻回されたコイルと、を有するステータと、
ロータおよびステータの端面に対向して配置され、ロータに対し補助的に回転力を与える回転補助機構と、
を有し、
回転補助機構は、
ロータと共に回転する円板また円環形状の内側部材と、内側部材の周囲に固定配置される円環形状の外側部材とを有し、
前記内側部材と前記外側部材の互いに対向する面には、相手側の面に向けて突出し、周方向に等間隔で配列された歯を有し、
前記内側部材の歯の数と、前記外側部材の歯の数は、それぞれ３以上であって、一方が他方の整数倍とならない数とされ、
前記歯は、軸線直交断面において扇形であり、ロータの回転方向において前記内側部材と前記外側部材の前記扇形の半径に相当する歯面が対向し、この対向する歯面の反対側の歯面が扇形の円弧に相当する歯面である、
直流モータ。

【図１】