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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen bürstenlosen Motor.
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2. Beschreibung des Stands der Technik
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Nach der gängigen Praxis werden Motoren als Antriebsquellen für verschiedene Arten von Vorrichtungen und Produkten verwendet. Zum Beispiel werden die Motoren für Büromaschinen wie etwa Drucker und Kopiergeräte, verschiedene Arten von elektrischen Haushaltsgeräten, und Quellen zur Kraftunterstützung bei Fahrzeugen wie etwa Kraftfahrzeugen und kraftunterstützten Fahrrädern verwendet. Im Hinblick auf eine erhöhte Haltbarkeit und eine Geräuschreduzierung werden bürstenlose Motoren manchmal als Antriebsquellen für bewegliche Teile mit hoher Betriebshäufigkeit verwendet.
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Ein bürstenloser Motor mit innenliegendem Rotor ist bekannt. Ein Stator ist um einen Rotor herum angeordnet, und Spulen sind um mehrere Statorzähne, die in dem Stator bereitgestellt sind, gewickelt. Es sind verschiedene Verfahren zum Wickeln von Spulen um mehrere Statorzähne bekannt. Zum Beispiel ist eine Synchronmaschine offenbart, in der die Spulen dreieckgeschaltet oder sterngeschaltet sind (siehe das Patentdokument 1).
[Patentdokument 1]
JP2012-517209 -
Bei einer Art von Synchronmaschine wird eine Dreieckschaltung durch eine fortlaufende Drahtverbindung erreicht. Die fortlaufende Verbindung erfordert eine große Anzahl von Verbindungsdrähten, die Statorzähne mit der gleichen Phase, die sich in einem Abstand voneinander befinden, überbrücken und erfordert somit Räume zum Anordnen der Verbindungsdrähte, und Ersatzkomponenten wie etwa Sammelschienen. Da die Verbindungsdrähte nicht zur Erzeugung einer Magnetkraft in dem Stator beitragen, wird die Anzahl der Verbindungsdrähte vorzugsweise so weit wie möglich verringert.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung befasst sich mit diesem Problem, und es ist ihre Aufgabe, eine Technologie bereitzustellen, um durch einen neuen Ansatz für die Statorspulen einen bürstenlosen Motor mit einer kompakten Größe und einem hohen Drehmoment auszuführen.
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Ein bürstenloser Motor umfasst: einen Stator, der einen ringförmigen Statorkern und einen ersten bis zwölften Zahn, die in der Umfangsrichtung in einer sequentiellen Reihenfolge an einem Innenumfang des Statorkerns bereitgestellt sind, enthält; eine erste bis zwölfte Spule, die jeweils um den ersten bis zwölften Zahn gewickelt sind und eine Dreieckschaltung bilden; und einen Rotor, der in einer Mitte des Stators bereitgestellt ist. Die erste bis zwölfte Spule sind so gestaltet, dass die zwölfte, erste, sechste und siebente Spule in Reihenschaltung eine W-Phase bilden; die achte, neunte, zweite und dritte Spule in Reihenschaltung eine U-Phase bilden, und die vierte, fünfte, zehnte und elfte Spule in Reihenschaltung eine V-Phase bilden, wobei benachbarte Spulen unterschiedlicher Phasen in einer Anordnung an den Zähnen in die gleiche Richtung gewickelt sind, und benachbarte Spulen der gleichen Phase in entgegengesetzte Richtungen gewickelt sind. Die W-Phase enthält einen ersten Verbindungsdraht, der die erste Spule und die sechste Spule verbindet. Die U-Phase enthält einen zweiten Verbindungsdraht, der die neunte Spule und die zweite Spule verbindet. Die V-Phase enthält einen dritten Verbindungsdraht, der die fünfte Spule und die zehnte Spule verbindet.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen, die beispielhaft und nicht beschränkend sein sollen, und worin gleiche Elemente in mehreren Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, werden nun Ausführungsformen nur beispielhaft beschrieben werden, wobei
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1 eine gesamte perspektivische Ansicht eines bürstenlosen Motors nach der ersten Ausführungsform ist;
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2 eine Seitenansicht des bürstenlosen Motors nach der ersten Ausführungsform ist;
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3 eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht des bürstenlosen Motors nach der ersten Ausführungsform ist;
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4 eine Draufsicht auf den Statorkern ist;
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5 eine perspektivische Ansicht des Stators ist;
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6 die Dreieckschaltung des Stators nach der Ausführungsform schematisch zeigt; und
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7 die Dreieckschaltung des Stators nach einer zweiten Ausführungsform schematisch zeigt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die bevorzugten Ausführungsformen beschrieben werden. Diese sollen den Umfang der vorliegenden Erfindung nicht beschränken, sondern die Erfindung beispielhaft veranschaulichen.
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Der bürstenlose Motor nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält einen ringförmigen Stator, und einen ersten bis zwölften Zahn, die in der Umfangsrichtung in einer sequentiellen Reihenfolge an dem Innenumfang des Statorkerns bereitgestellt sind. Der bürstenlose Motor enthält auch eine erste bis zwölfte Spule, die jeweils um den ersten bis zwölften Zahn gewickelt sind und eine Dreieckschaltung bilden, und einen Rotor, der in der Mitte des Stators bereitgestellt ist. Die erste bis zwölfte Wicklung ist so gestaltet, dass die zwölfte, erste, sechste und siebente Spule in Reihenschaltung eine W-Phase bilden. Die achte, neunte zweite und dritte Spule in Reihenschaltung bilden eine U-Phase. Die vierte, fünfte, zehnte und elfte Spule in Reihenschaltung bilden eine V-Phase. Benachbarte Spulen unterschiedlicher Phasen in der Anordnung der Zähne sind in die gleiche Richtung gewickelt, und benachbarte Spulen der gleichen Phase sind in entgegengesetzte Richtungen gewickelt. Die W-Phase enthält einen ersten Verbindungsdraht (Überbrückungsdraht), der die erste und die sechste Spule verbindet. Die U-Phase enthält einen zweiten Verbindungsdraht, der die neunte und die zweite Spule verbindet. Die V-Phase enthält einen dritten Verbindungsdraht, der die fünfte und die zehnte Spule verbindet.
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Nach der Ausführungsform wird die Länge der Verbindungsdrähte, die in einem Abstand voneinander befindliche Spulen verbinden, verringert. Das Ende der U-Phasen-Spule und die Zuleitung der V-Phasen-Spule sind von den benachbarten Spulen nach außen geführt, oder das Ende der V-Phasen-Spule und die Zuleitung der W-Phasen-Spule sind von den benachbarten Spulen nach außen geführt, oder das Ende der W-Phasen-Spule und die Zuleitung der U-Phasen-Spule sind von den benachbarten Spulen nach außen geführt, so dass die Zuleitung und das Ende der Spulen, die um Zähne gewickelt sind, leicht handgehabt werden können und die Länge der Drahtverbindung verringert ist. Entsprechend wird die Menge der Spulen, die nicht zu der Erzeugung einer Magnetkraft beitragen, verringert, der Spulenwiderstand verringert, und der Raum, der für das Anordnen der Spulen nötig ist, verringert.
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Der erste bis dritte Verbindungsdraht können so angeordnet sein, dass die Spulen einander nicht kreuzen. Dies verbessert die Verlässlichkeit der Isolierung und trägt zu der Verringerung der Dicke und der Größe des Motors bei.
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Der erste bis dritte Verbindungsdraht können an der Außenkante einer der Endflächen in der Achsenrichtung des Statorkerns angeordnet sein. Der erste und der dritte Verbindungsdraht können so angeordnet sein, dass die Drähte einander in der Achsenrichtung teilweise überlappen und an unterschiedlichen Positionen in der Achsenrichtung angeordnet sind. Der zweite Verbindungsdraht kann einen gebogenen Teil enthalten, der in der Achsenrichtung von unterhalb des dritten Verbindungsdrahts und zu dem ersten Verbindungsdraht und über diesen verläuft. Dies stellt sicher, dass die Anzahl der Verbindungsdrähte, die einander in einer Draufsicht des Stators überlappen, 2 oder geringer ist, und trägt zu der Verringerung der Dicke und der Größe des Motors bei.
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Als zusätzliche Ausführungsweisen der vorliegenden Erfindung können auch optimale Kombinationen der obigen Aufbauelemente, und Ausführungen der Erfindung in der Form von Komponenten, Herstellungsverfahren und Systemen ausgeführt werden. Nach der Ausführungsform kann ein bürstenloser Motor mit einer kompakten Größe und einem hohen Drehmoment ausgeführt werden.
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Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen wird eine Beschreibung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gegeben werden. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Elemente, weshalb entsprechend auf eine Beschreibung verzichtet werden wird. Der nachstehend beschriebene Aufbau ist nur beispielhaft und beschränkt den Umfang der vorliegenden Erfindung nicht. Nachstehend wird eine Beschreibung gegeben werden, die als Beispiel einen bürstenlosen Motor mit innenliegendem Rotor verwendet.
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(Erste Ausführungsform)
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(Der bürstenlose Motor)
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1 ist eine gesamte perspektivische Ansicht des bürstenlosen Motors nach der ersten Ausführungsform. 2 ist eine Seitenansicht des bürstenlosen Motors nach der ersten Ausführungsform. 3 ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht des bürstenlosen Motors nach der ersten Ausführungsform.
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Der bürstenlose Motor (nachstehend manchmal als ”Motor” bezeichnet) 10 nach der Ausführungsform umfasst einen säulenförmigen Rotor 12, der Magnete enthält, einen Stator 14, der in seiner Mitte einen Raum zur Anordnung des Rotors 12 enthält, eine Frontglocke 16, einen Gehäusekörper 18 und eine Stromzuführung 19.
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Die Frontglocke 16, bei der es sich um ein plattenförmiges Element handelt, weist ein Loch 16a auf, das in einem Mittelteil gebildet ist, damit eine rotierende Welle 20 hindurch verlaufen kann, und ist in der Nähe des Lochs 16a mit einer Vertiefung 16b zum Halten eines Lagers 22 ausgeführt. Die Frontglocke 16 hält über das Lager 22 einen Teil der rotierenden Welle 20 des Rotors 12. Der Gehäusekörper 18 ist ein zylinderförmiges Element. In der Mitte der Basis 18a ist eine Vertiefung 18b zum Halten eines Lagers (nicht gezeigt) gebildet. Der Gehäusekörper 18 hält über das Lager den anderen Teil der rotierenden Welle 20 des Rotors 12. Nach der ersten Ausführungsform bilden die Frontglocke 16 und der Gehäusekörper 18 ein Gehäuseelement zur Aufnahme des Rotors 12 und des Stators 14.
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(Der Stator)
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Der Aufbau des Stators 14 wird beschrieben werden. 4 ist eine Draufsicht auf einen Statorkern. 5 ist eine perspektivische Ansicht des Stators 14. 4 zeigt die Form des Statorkerns nur schematisch, und auf Einzelheiten wurde verzichtet.
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Ein Statorkern 36 ist ein zylinderförmiges (ringförmiges) Element, in dem mehrere plattenförmige Statorjoche 38 aufeinander geschichtet sind. Insgesamt 12 Zähne T1 bis T12 sind in der Umfangsrichtung in einer sequentiellen Reihenfolge so an dem Innenumfang des Statorjochs bereitgestellt, dass sie zu der Mitte gewandt sind.
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An jedem der Zähne T1 bis T12 wird ein Isolator 40 angebracht. Dann wird für jeden der Zähne T1 bis T12 ein Leiter (Kupferdraht) um den Isolator 40 gewickelt, um die erste Spule C1 bis zwölfte Spule C12 zu bilden (siehe 5). Dann wird der Rotor 12 in der Mitte des Stators 14, der durch die obigen Prozesse fertiggestellt wurde, angeordnet.
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6 zeigt die Dreieckschaltung des Stators 14 nach der Ausführungsform schematisch.
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Unter Bezugnahme auf 5 bis 6 wird eine beispielhafte Beschreibung gegeben werden, wie die Spulen gewickelt werden. Der in 6 gezeigte beispielhafte Drahtverbindungsaufbau wird unter Verwendung einer Spulenwickelmaschine vom Düsentyp erzielt. Die Drahtverbindung bleibt auch dann im Prinzip unverändert, wenn die U-Phase, die V-Phase und die W-Phase vertauscht werden. Nun wird die Beschreibung eines Falls gegeben werden, in dem als erstes die zwölfte Spule C12 gebildet wird.
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Wie in 6 gezeigt wird zuerst die W-Phase gebildet, indem die zwölfte Spule C12 gegen den Uhrzeigersinn (CCW) gebildet wird, die erste Spule C1 im Uhrzeigersinn (CW) gebildet wird, über den ersten Verbindungsdraht F1 die sechste Spule C6 im Uhrzeigersinn gebildet wird, und die siebente Spule C7 gegen den Uhrzeigersinn gebildet wird. Die zwölfte Spule C12, die erste Spule C1, die sechste Spule C6 und die siebente Spule C7, die in der angegebenen Reihenfolge in Reihe geschaltet sind, bilden die W-Phase.
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Nach der Bildung der siebenten Spule C7 wird im Anschluss daran die achte Spule C8 gegen den Uhrzeigersinn gebildet, die neunte Spule C9 im Uhrzeigersinn gebildet, über den zweiten Verbindungsdraht F2 die zweite Spule C2 im Uhrzeigersinn gebildet, und die dritte Spule C3 gegen den Uhrzeigersinn gebildet. Die achte Spule C8, die neunte Spule C9, die zweite Spule C2 und die dritte Spule C3, die in der angegebenen Reihenfolge in Reihe geschaltet sind, bilden die U-Phase.
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Nach der Bildung der dritten Spule C3 wird im Anschluss daran die vierte Spule C4 gegen den Uhrzeigersinn gebildet, die fünfte Spule C5 im Uhrzeigersinn gebildet, über den dritten Verbindungsdraht F3 die zehnte Spule C10 im Uhrzeigersinn gebildet, und die elfte Spule C11 gegen den Uhrzeigersinn gebildet. Die vierte Spule C4, die fünfte Spule C5, die zehnte Spule C10 und die elfte Spule C11, die in der angegebenen Reihenfolge in Reihe geschaltet sind, bilden die V-Phase. Anschließend werden die Zuleitung L1 der W-Phasen-Spule und das Ende L2 der V-Phasen-Spule verbunden, wodurch eine Dreieckschaltung gebildet wird.
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Die benachbarten Spulen unterschiedlicher Phasen (W-Phase und U-Phase, U-Phase und V-Phase, V-Phase und W-Phase) sind in die gleiche Richtung gewickelt, und die benachbarten Spulen der gleichen Phase sind in entgegengesetzte Richtungen gewickelt.
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Dadurch wird durch einen fortlaufenden Betrieb der Spulenwickelmaschine eine Dreieckschaltung, die die erste Spule C1 bis zwölfte Spule C12 des Stators 14 nach der ersten Ausführungsform verbindet, ausgeführt. Die Länge der Verbindungsdrähte, die Spulen, die sich in dem Stator 14 in einem Abstand voneinander befinden, verbinden, wird verglichen mit dem Stand der Technik verringert. Da das Ende der U-Phasen-Spule und die Zuleitung der V-Phasen-Spule von dem gleichen Zahnzwischenraum zwischen den benachbarten Spulen nach außen geführt sind, oder das Ende der V-Phasen-Spule und die Zuleitung der W-Phasen-Spule von dem gleichen Zahnzwischenraum nach außen geführt sind, oder das Ende der W-Phasen-Spule und die Zuleitung der U-Phasen-Spule von dem gleichen Zahnzwischenraum zwischen den benachbarten Spulen nach außen geführt sind, können die Zuleitung und das Ende der Spulen, die um die Zähne gewickelt sind, leicht gehandhabt werden und wird die Länge der Drahtverbindung verringert. Entsprechend wird die Anzahl der Spulen, die nicht zu der Erzeugung einer Magnetkraft beitragen, verringert, und wird der Raum, der zum Anordnen der Spulen erforderlich ist, verringert. Mit anderen Worten kann unter Verwendung eines neuen Ansatzes zum Wickeln von Spulen um den Stator ein bürstenloser Motor mit einer kompakten Größe und einem hohen Drehmoment ausgeführt werden.
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Der erste Verbindungsdraht F1 bis dritte Verbindungsdraht F3 nach der Ausführungsform sind so angeordnet, dass die Leitungen einander nicht kreuzen. Dies verhindert einen Kontakt zwischen den Verbindungsdrähten, verbessert die Verlässlichkeit der Isolierung, und trägt zu der Verringerung der Dicke und der Größe des Motors bei. Um dies näher zu beschreiben, sind der erste bis dritte Verbindungsdraht F1 bis F3 wie in 5 gezeigt an einer der Endflächen des Statorkerns 36 in der Achsenrichtung Ax in einer Bogenform um eine Außenkante 14a des Isolators angeordnet. Der erste Verbindungsdraht F1 und der dritte Verbindungsdraht F3 überlappen einander in der Achsenrichtung Ax gesehen teilweise und sind an unterschiedlichen Positionen in der Achsenrichtung angeordnet. Der zweite Verbindungsdraht F2 enthält einen gebogenen Teil F', der in der Achsenrichtung von unterhalb des dritten Verbindungsdrahts F3 und zu dem ersten Verbindungsdraht F1 und über diesen verläuft. Dies stellt sicher, dass die Anzahl der Verbindungsdrähte, die einander in einer Draufsicht des Stators überlappen 2 oder geringer ist, und trägt zu der Verringerung der Dicke und der Größe des Motors bei.
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Die Rückfläche (äußere Umfangsfläche) jedes Isolators 40 ist mit einem Arretierteil 40a versehen, um die Bewegung der Verbindungsdrähte zu steuern. Dies fixiert die Verbindungsdrähte an gewünschten Positionen. Von besonderer Bedeutung ist, dass der zweite Verbindungsdraht F2 nach der Ausführungsform fest an der gewünschten Position fixiert ist, da er in einem gespannten Zustand gehalten wird, indem er durch die beiden Arretierteile 40a vor und nach dem gebogenen Teil F' in unterschiedlichen Richtungen gestützt wird.
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(Zweite Ausführungsform)
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7 zeigt die Dreieckschaltung des Stators nach einer zweiten Ausführungsform schematisch. Der beispielhafte Verbindungsaufbau, der in 7 gezeigt ist, wird unter Verwendung einer Spulenwickelmaschine vom Flyer-Typ erzielt. Nun wird die Beschreibung eines Falls gegeben werden, in dem zuerst die zwölfte Spule C12 gebildet wird. Jene Merkmale, die den Merkmalen der ersten Ausführungsform ähnlich sind, werden nicht beschrieben werden.
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Wie in 7 gezeigt wird zuerst die W-Phase gebildet, indem die zwölfte Spule C12 gegen den Uhrzeigersinn (CCW) gebildet wird, die erste Spule C1 im Uhrzeigersinn (CW) gebildet wird, über den ersten Verbindungsdraht F1', der neben einer der Endflächen des Stators (zu der Oberseite von 7 hin) gebildet wird, die sechste Spule C6 im Uhrzeigersinn gebildet wird, und die siebente Spule C7 gegen den Uhrzeigersinn gebildet wird. Die zwölfte Spule C12, die erste Spule C1, die sechste Spule C6 und die siebente Spule C7, die in der angegebenen Reihenfolge in Reihe geschaltet sind, bilden die W-Phase.
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Nach der Bildung der siebenten Spule C7 wird im Anschluss daran die achte Spule C8 gegen den Uhrzeigersinn gebildet, die neunte Spule C9 im Uhrzeigersinn gebildet, über den zweiten Verbindungsdraht F2', der neben der anderen Endfläche des Stators (zu der Unterseite von 7) gebildet wird, die zweite Spule C2 im Uhrzeigersinn gebildet, und die dritte Spule C3 gegen den Uhrzeigersinn gebildet. Die achte Spule C8, die neunte Spule C9, die zweite Spule C2 und die dritte Spule C3, die in der angegebenen Reihenfolge in Reihe geschaltet sind, bilden die U-Phase.
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Nach der Bildung der dritten Spule C3 wird im Anschluss daran die vierte Spule C4 gegen den Uhrzeigersinn gebildet, die fünfte Spule C5 im Uhrzeigersinn gebildet, über den dritten Verbindungsdraht F3', der sich von einer der Endflächen des Stators zu dessen anderer Endfläche erstreckt, die zehnte Spule C10 im Uhrzeigersinn gebildet, und die elfte Spule C11 gegen den Uhrzeigersinn gebildet. Die vierte Spule C4, die fünfte Spule C5, die zehnte Spule C10 und die elfte Spule C11, die in der angegebenen Reihenfolge in Reihe geschaltet sind, bilden die V-Phase. Anschließend werden die Zuleitung L1 der W-Phasen-Spule und das Ende L2 der V-Phasen-Spule verbunden, wodurch eine Dreieckschaltung gebildet wird.
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Die gleichen Vorteile wie die, die bei der ersten Ausführungsform erhalten werden, werden auch unter Verwendung einer Spulenwickelmaschine vom Flyer-Typ erhalten.
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Wie oben beschrieben werden bei dem bürstenlosen Motor nach der Ausführungsform die Anzahl und die Länge der Verbindungsspulen, die nicht zu der Motoreigenschaft beitragen, verringert. Als Ergebnis wird aufgrund des verringerten Widerstands in der Wicklung (der Spule) die Motorleistungsfähigkeit verbessert. Da die Schritte, die zum Wickeln der Spulen erforderlich sind, von Phase zu Phase identisch sind, wird die Schwankung des Wicklungswiderstands zwischen den Phasen verringert und die Motorleistung stabilisiert. Da die gesamte Anzahl der Verbindungsdrähte neben den jeweiligen Endflächen des Stators auf 2 oder weniger verringert werden kann, wird der Raum, der für die Drahtverbindung und zum Anordnen von Verbindungsdrähten benötigt wird, verringert, so dass die Größe des Motors als Ganzes verringert wird. Ferner können die gesamten Spulen durch fortlaufende Drähte gebildet werden, ohne unnütz Drähte zum Handhaben der Zuleitung und des Endes zu verwenden. Da die Zuleitung jeder beliebigen gegebenen Phase mit dem Ende einer anderen Phase ausgerichtet ist, wird die Drahtverbindung zwischen den gewickelten Spulen erleichtert. Durch Verwenden der neuartigen Wickelstruktur der Ausführungsform lösen sich die um die jeweiligen Zähne gewickelten Spulen nicht, so dass ein qualitativ hochwertiger Motor ohne lose Drähte ausgeführt werden kann. Der bürstenlose Motor nach der Ausführungsform kann mit einer erwünschten Drahtverbindungsstruktur gestaltet werden, ohne dass Sammelschienen oder ein komplizierter Verbindungsmechanismus nötig sind.
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Nun wird eine Beschreibung der Spezifikation eines bürstenlosen Motors, in dem die Ausführungsform passend verwendet werden kann, gegeben werden. Der Außendurchmesser des bürstenlosen Motors nach der Ausführungsform beträgt etwa 30 bis 140 mm und vorzugsweise etwa 35 bis 85 mm. Die Anzahl der Vertiefungen (Zähne) des Stators beträgt zum Beispiel 12. Vorzugsweise beträgt die Anzahl der Magnete 10 oder 14. Die Magnetkraft (das Energieprodukt) an der Hauptfläche des Magnets beträgt 8 MGOe oder mehr, vorzugweise 10 MGOe oder mehr, und insbesondere 30 MGOe oder mehr. Ferner beträgt der Durchmesser des Rotors vorzugsweise 20 bis 70 mm.
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Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind nicht auf die oben beschriebenen beschränkt, und passende Kombinationen oder Ersetzungen der Merkmale der Ausführungsformen werden ebenfalls von der vorliegenden Erfindung umfasst. Die Ausführungsformen können durch Kombinationen, Umordnen der Verarbeitungsabfolge, Designänderungen usw. auf Basis der Kenntnisse eines Fachmanns abgewandelt werden, und derartige Abwandlungen liegen ebenfalls innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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