JP2004007866A

JP2004007866A - ブラシレスｄｃモータ

Info

Publication number: JP2004007866A
Application number: JP2002158064A
Authority: JP
Inventors: Shoji Oiwa; 大岩　昭二; Kazuo Onishi; 大西　和夫; Yoichi Nagata; 永田　洋一; Junichi Ikeda; 池田　純一; Tomokazu Uchiyama; 内山　友和; Koji Yoneda; 米田　孝司
Original assignee: Nidec Servo Corp
Current assignee: Nidec Advanced Motor Corp
Priority date: 2002-05-30
Filing date: 2002-05-30
Publication date: 2004-01-08

Abstract

【課題】小形ファン・ブロワ用ブラシレスＤＣモータのモータ径を小さくしてファン効率をアップする。
【解決手段】２組のステータヨークの主磁極を互いに電気角で１８０度ずれるように配置し、ステータヨークとセンターヨークを薄膜の絶縁塗装もしくは極薄絶縁部材の介挿によって、円環状コイルとステータヨークやセンターヨークとをほぼ密着配置するように構成される。巻線の占積率を１００％に近くする。また、通電によるコイルの自己発熱による温度上昇を低減する構造。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は小形のファン・ブロワに使用され、円周方向に多極着磁されたマグネットを用いたラジアルエアギャップ形ブラシレスＤＣモータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在使用されている多くの小形ファン用ブラシレスＤＣモータの構造は、有鉄心形のラジアルエアギャップ形である。有鉄心形のラジアルエアギャップ形では、多数のスロットを有する所定形状に打ち抜いた電磁鋼鈑を多数枚積層し、各スロット内を絶縁し、各スロットに巻線を施す（以後、積層方式と称する）ものであり、絶縁や巻線がコストアップの要因となっている。
【０００３】
これらの問題を解決するために、特開昭６１−２１４７５９号や特公平７−４６８９４号や実開昭６１−１５３４８６号が提案されている。これらはラジアルエアギャップ形状でありながら、安価な１個（但し、電気角１８０度位相差の２相並列巻き）の円環状コイルの内径側にマグネットからの磁束を集磁し磁性材料を貫通させる（以後、円環状コイル方式と称する）ことで、コイル鎖交磁束をアップさせて、モータ特性を改善するものである。
【０００４】
図４は、特公平７−４６８９４号によるモータの分解斜視図であり、図３は断面図である。図において磁性材料の円筒状ロータヨーク２と、このロータヨーク２に嵌入される、円周方向に多極着磁されているマグネット３と、モータシャフト４によってロータ１が構成されている。また、５は複数の主磁極１３と磁極片２１とを有する第一のステータヨーク、２３は巻線用のボビン、２４はこのボビン２３に巻線されたコイル、２５はボビン２３に植設された端子であり、コイル２４の引出線はこの端子２５にからげて半田付けされている。６は複数の主磁極１４と磁極片２２とを有する第二のステータヨークであり、第一及び二のステータヨーク５と６の中心部には両者を磁気的に短絡するため互いに入れ子式に嵌合する円筒状のセンタヨーク７が夫々形成されている。９はマグネットの磁極を検出する磁電変換素子であるホール素子、１１はホール素子９と端子２５を駆動回路に電気的に配線するためのプリント配線基板である。
【０００５】
また、図５は電気角１８０度位相差の２個のコイル２４ａ，２４ｂを交互に通電する２相半波駆動回路を示す。図中、６０はモータ部、６１と６２は夫々モータ駆動ＩＣの信号で動作するトランジスタ、６３はモータ駆動用ＩＣ、６４はＤＣ電源、６５はプリント配線基板に実装されて配線される電気関連部品を示す。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
小形ファン・ブロワにおいて高効率・低騒音化を図るには、風の通路を大きく確保して、モータ回転数を極力下げて風量を確保することが得策である。図６は小形ファンモータの外観図であり、５０はファンケースであり、５１はロータヨーク２と固着された羽根である。図において風の吸い込みを大きく取るために、ファンの中心に配置され駆動源となるブラシレスＤＣモータのロータヨーク２の外径は、羽根５１の外径に対して５５％以下が好ましいとされている。
【０００７】
然しながら、ファンが小形になるにつれて、ロータヨーク２の径寸法が問題となる。上述の円環状コイル方式のモータ構造では、巻き枠と絶縁を兼ねているボビン２３が存在し、その厚みは最小でも０．５ｍｍ程度となる。このボビン分だけコイル２４のスペースが減少し、磁極片の外径ａが１８ｍｍ・ステータヨーク長さｄが１５ｍｍ程度のモータでは、巻線の占積率は８０％以下となってしまい、モータ出力・効率は低下してしまう。また、ボビン２３によりスペースに無駄が生じて、モータの小径化の妨げとなっている。その結果、ファン・ブロワの羽根が小さくなり効率が低下してしまう。また、無理にファン・ブロワの風量を確保するためにモータ入力を増やすとモータ振動に起因する騒音が増加してしまう。
【０００８】
また、モータ駆動時にコイル２４に流れる電流により、コイル２４自体が発熱する。一般的にボビン２３は樹脂成形され熱伝導率は悪く、ステータヨーク５、６からの放熱が悪く、モータ温度上昇が高くなり、ファン・ブロワの軸受け寿命に影響する。
【０００９】
本発明は上述の問題を解決して，小形ファン・ブロワに適した小径で高効率化が可能なラジアルエアギャップ形ブラシレスＤＣモータを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に成るラジアルエアギャップ形ブラシレスＤＣモータは、モータシャフトに取付けられたロータヨークと、ロータヨークに取付けられ、円周方向に多極着磁されているリング状マグネットとを有するロータと、夫々中心から径方向外方に延び、その先端からマグネットの内周面に対向して軸方向に延びる磁極片を備えマグネット磁極数の半複数の主磁極を有し、磁極片が互いに向き合い夫々の主磁極が互いに電気角でほぼ１８０度ずれるように配置されるると共に、その中央部に磁極片と同じ向きで前記モータシャフトに軸受けを嵌合し、２組のステータヨークの中央部を連通して磁気的に短絡するためのセンターヨークとなる円筒状部を有する２組のステータヨークと、２組のステータヨークの主磁極で挟持され、磁極片でその外周が覆われるようにして設けられる円環状コイルと、磁電変換素子とを有し、マグネットの内周面に空隙を介して対向するように構成されるステータヨークと、駆動回路を搭載するプリント配線基板とを具備し、円環状コイルが自己融着線で形成されると共に、２組のステータヨークが薄い絶縁塗膜で覆われ、円環状コイルが主磁極と磁極片間の径方向・軸方向共にほぼ密着し小隙間で配置されるように構成されている。
【００１１】
また、２組のステータヨークと、円環状コイルとは液状絶縁物の含浸・硬化により固着されている。
【００１２】
また、円環状コイルと２組のステータヨークの主磁極、磁極片及びセンターヨークとの間に極薄の絶縁シートを介挿することで絶縁部材を形成する。
【００１３】
また、本発明に成るラジアルエアギャップ形ブラシレスＤＣモータは、小形ファン・ブロワの駆動源として大幅な効率アップと低騒音化が期待できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下図面によって本発明の実施例を説明する。
図１はこの発明を４極のラジアルエアギャップ形ブラシレスＤＣモータに適用した一例を示す断面図であり、図２は分解斜視図である。
中心部にセンターヨーク７を具備し、半径方向外方に延びる板状の２個の主磁極１３、１４と先端を折り曲げた磁極片２１、２２を有し、薄膜の絶縁塗装を施したステータヨーク６｀とステータヨーク５｀を電気角で１８０度ずれるように取付け、円環状コイル８を挟持せしめ、ロータヨーク２、多極マグネット３、モータシャフト４から成るロータ１を軸受け３１を介して組み込んでモータを構成する。ステータヨーク６の軸方向の裏面には、磁電変換素子として使用されるホール素子９と駆動回路用の電子部品１０が搭載されたプリント配線基板１１を固着し、空芯の円環状コイル８の引き出し線はプリント配線基板１１上で半田付けされる。
【００１５】
コイル有効鎖交磁束に着目すると、上述した従来の積層方式と、従来の円環状コイル方式とは同等であることが、試作と電磁界解析で確認されている。また、円環状コイル方式は磁束の流れる経路が長くなり、鉄損が大きくなる傾向にあるが、ステータヨーク５、６の電磁鋼板材質と加工方法により改善することが可能である。モータ特性に係わる逆起電力定数は、コイル有効鎖交磁束とマグネット極数とコイル巻数の積で決まる。コイル有効鎖交磁束とマグネット極数を一定とするとコイル巻数がモータ特性に大きく係わる。以上から、巻線の占積率を向上させることで、円環状コイル方式のモータは効率アップが可能である。
【００１６】
一般的にモータが小形になると占積率は低下し、小形ファン用のモータでは、従来の積層方式のモータ占積率は５０〜６０％、従来の円環状コイル方式のモータでもボビンが介在するために占積率は７０〜８０％である。
本実施例のステータヨークの磁極片外径寸法ａは１８ｍｍであり、空芯の円環状コイル８の内径寸法ｃは１０．５ｍｍ、外径寸法ｂは１７ｍｍである。ボビンを有しない空芯の円環状コイル８の内径はセンターヨークと隙間なく挿入できる寸法となっている。また、ステータヨークは電着塗装により２０μｍ厚み程度の薄膜の絶縁塗装が施されている。このようなモータ構造とすることで、占積率は９５％以上とすることが可能となった。
【００１７】
モータの外形寸法を規定して、モータ効率を比較すると、従来の積層方式のモータでは２５％、従来の円環状コイル方式では３２％に対して、本実施例では４２％と高効率化が可能となった。
【００１８】
また、従来の円環状コイル方式は、樹脂成形されたボビンに巻き線を施すためコイルからの熱伝導率が悪く、通電で生じるコイルの自己発熱が大きかった。しかし、本実施例ではコイル２４がステータヨーク５｀・６｀にほぼ密着して取り付けられコイル２４からの熱伝導率が良くなり、放熱効果が大きく、コイル温度上昇を低く押さえることが可能である。
【００１９】
また、２組のステータヨークと該円環状コイルとをワニス含浸等で固着することで、さらに放熱効果が大きくできる。
【００２０】
また、モータ特性を同一として、従来の円環状コイル方式と比較すると本発明の方式ではロータヨーク２の外径を小さくすることが可能であり、その分ファンの羽根５１の径幅が大きくなり、ファンの吸い込み量が大きくなり、ファンとしての効率アップが可能になる。また、ファンの吸い込み量が大きいため、同一風量とするとモータ回転数を下げることが可能でその分モータの騒音を低減できる。
【００２１】
また、該２組のステータヨーク５，６に薄膜の絶縁塗装を施す代わりに、極薄の絶縁シートを挿入しても同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００２２】
【発明の効果】
本発明のブラシレスＤＣモータでの効果は、
（１）ステータヨーク５｀とステータヨーク６｀で形成される巻線スペースに隙間なく円環状コイル８を配置できるため、モータ巻線の占積率が１００％に近く、小形で高効率のモータ特性が得られる。
（２）巻線の占積率が１００％に近いので、モータ径を小さく設計できるため、小形ファン・ブロワに使用した場合には高風量化が期待できる。
（３）巻線の占積率が１００％に近いので、同一風量を確保してもモータ回転数を下げることが可能で、モータの振動とファン・ブロワの騒音を大幅に低減できる。
（４）通電で生じるコイルの自己発熱に対しても、コイルがステータヨークにほぼ密着して取り付けられていて、放熱効果が大きく、コイル温度上昇を低く抑えることが可能である。
（５）本発明の実施例による小径化したモータを、小形ファン・ブロワに搭載することで、高効率・低騒音等の特性を著しく改善することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に成るラジアルエアギャップ形ブラシレスＤＣモータの実施例説明図である。
【図２】本発明に成るラジアルエアギャップ形ブラシレスＤＣモータの別の実施例説明図である。
【図３】従来技術に成るラジアルエアギャップ形ブラシレスＤＣモータの説明図である。
【図４】従来技術に成るラジアルエアギャップ形ブラシレスＤＣモータの別の例の説明図である。
【図５】従来技術に成るラジアルエアギャップ形ブラシレスＤＣモータの駆動回路説明図である。
【図６】本願発明に係る小形ファンモータの説明図である。
【符号の説明】
１　ロータ
２　ロータヨーク
３　マグネット
４　モータシャフト
５　第１のステータヨーク
６　第２のステータヨーク
５｀　薄膜の絶縁塗装を施した第１のステータヨーク
６｀　薄膜の絶縁塗装を施した第２のステータヨーク
７　センターヨーク
８　空芯の円環状コイル
９　ホール素子
１１　プリント配線基板
１３　主磁極
１４　主磁極
２１　磁極片
２２　磁極片
２３　ボビン
２４　コイル
２５　端子
３０　ハウジング
３１　軸受け
５０　ファンケース
５１　羽根
６０　モータ部
６１　トランジスタ
６２　トランジスタ
６３　モータ駆動用ＩＣ
６４　ＤＣ電源
６５　電気関連部品

Claims

モータシャフトに取付けられたロータヨークと、該ロータヨークに保持され、円周方向に多極着磁されているリング状マグネットとを有するロータと、夫々中心から径方向外方に延び、その先端から該マグネットの内周面に対向して軸方向に延びる磁極片を備えマグネット磁極数の半数の主磁極を有し、該磁極片が互いに向き合い、夫々の該主磁極が互いに電気角でほぼ１８０度ずれるように配置されると共に、その中央部に該磁極片と同じ向きで前記モータシャフトに軸受けを介して嵌合し、２組のステータヨークの中央部を連通して磁気的に短絡するためのセンターヨークとなる円筒状部を有する該２組のステータヨークと、該２組のステータヨークの前記主磁極で挟持され、前記磁極片でその外周が覆われるようにして設けられる円環状コイルと、磁電変換素子とを有し、前記マグネットの内周面に空隙を介して対向するように構成される前記ステータヨークと、駆動回路を搭載するプリント配線基板とを具備するラジアルエアギャップ形ブラシレスＤＣモータにおいて、前記円環状コイルが自己融着線で形成されると共に、前記２組のステータヨークが薄い絶縁塗膜で覆われ、前記円環状コイルが前記主磁極と前記磁極片間の径方向・軸方向共にほぼ密着し小隙間で配置されるように構成されていること、を特徴とするラジアルエアギャップ形ブラシレスＤＣモータ。
前記ステータヨークと一体を成すセンターヨークが、ステータヨークと分離した別部材として形成され、別体を成すセンターヨークが薄い絶縁塗膜で覆われていること、を特徴とする請求項１に記載のラジアルエアギャップ形ブラシレスＤＣモータ。
モータシャフトに取付けられたロータヨークと、該ロータヨークに保持され、円周方向に多極着磁されているリング状マグネットとを有するロータと、夫々中心から径方向外方に延び、その先端から該マグネットの内周面に対向して軸方向に延びる磁極片を備えマグネット磁極数の半数の主磁極を有し、該磁極片が互いに向き合い夫々の該主磁極が互いに電気角でほぼ１８０度ずれるように配置されると共に、その中央部に該磁極片と同じ向きで前記モータシャフトに軸受けを介して嵌合し、２組のステータヨークの中央部を連通して磁気的に短絡するためのセンターヨークとしての円筒状部を有する該２組のステータヨークと、該２組のステータヨークの前記主磁極で挟持され、前記磁極片でその外周が覆われるようにして設けられる円環状コイルと、磁電変換素子とを有し、前記マグネットの内周面に空隙を介して対向するように構成されるステータヨークと、駆動回路を搭載するプリント配線基板とを具備するラジアルエアギャップ形ブラシレスＤＣモータにおいて、前記円環状コイルが自己融着線で形成されると共に、該円環状コイルと前記２組のステータヨークの前記主磁極、前記磁極片及び前記センターヨークとの間に挿入された極薄の絶縁シートが絶縁部材を形成し、該円環状コイルが該主磁極と該磁極片間の径方向・軸方向共にほぼ密着し小隙間で配置されるように構成されていること、を特徴とするラジアルエアギャップ形ブラシレスＤＣモータ。
該２組のステータヨークと、該円環状コイルとが液状絶縁物の含浸・硬化により固着されていること、を特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のラジアルエアギャップ形ブラシレスＤＣモータ。
小形ファン・ブロワの駆動源として使用されること、を特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のラジアルエアギャップ形ブラシレスＤＣモータ。