JP2006109562A - ブラシ付きスロットレスモータ - Google Patents

Abstract

【課題】 磁気ギャップを小さくするとともにコイル全体をコンパクトにして、小型で高出力が得られるブラシ付きスロットレスモータを提供する。
【解決手段】 回転軸２１と、この回転軸２１に装着された円筒状のコア２２と、このコア２２の外周面に張り付けられた複数のフラット状コイルエレメント５と、このコイルエレメント５に対向してその外周側に円弧状に略等間隔で配設した複数の永久磁石４ａからなるマグネット部４と、コイルエレメント５に対し固定された位置に一定の隙間を介して配設され、各コイルエレメント５の巻線端部５１が接続される複数のセグメント６ａからなるコンミテータ６と、セグメント６ａに摺接する複数のブラシ７とを有するブラシ付きスロットレスモータにおいて、コイルエレメント５は、個々に独立して別体の巻線により巻回されるとともに、隣り合うコイルエレメント５の通電方向が正逆反対方向となるように、巻線端部５１がセグメント６ａに結線されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ブラシ付きスロットレスモータに関するものである。

スロットレスモータは、コイルの芯となる鉄の積層板等からなる磁極歯を有しないモータであり、従って、磁極歯間に形成される空間（スロット）がない。このようなスロットレスモータは、長所として、（i）コギングがない、（ii）鉄損が少ない、（iii）ネオジ磁石等の高性能磁石との相性が良い等の特徴がある。

従来より、スロットレスモータのコイルの形成方法として、例えば特許文献１により提案されているものがある。これは、円筒状のコアの周面に巻線を所定の層だけ繰り返し重ねて巻回し、複数のコイルエレメントをコアの外周面に形成するものである。

しかしながら、特許文献１に示すコイルは、巻線が重なり合うため、コア表面のコイルが厚くなり、コイルに対向して設けたマグネット部とコアとの間隙が広くなる。このため、磁気ギャップを狭くすることが困難であり、十分に大きな有効磁束が得られない。従って、高トルクのモータを構成しにくい。また、巻線を重ねることにより、コイルのサイズが大きくなり、モータ全体を小型化することが困難である。更に、巻線を斜めに巻回しているため、回転方向に対して巻線が角度を有し、トルク発生に寄与する成分が少なくなる。従って、効率よく高トルクが得られるモータを構成しにくい。
特開平６−５４４９０号公報

本発明は、上記従来技術を考慮してなされたものであり、磁気ギャップを小さくするとともにコイル全体をコンパクトにして、小型で高出力が得られるスロットレスモータの提供を目的とする。

請求項１の発明は、回転軸と、この回転軸に装着された円筒状のコアと、このコアの外周面に張り付けられた複数のフラット状コイルエレメントと、このコイルエレメントに対向してその外周側に円弧状に略等間隔で配設した複数の永久磁石からなるマグネット部と、コイルエレメントに対し固定された位置に一定の隙間を介して配設され、各コイルエレメントの巻線端部が接続される複数のセグメントからなるコンミテータと、セグメントに摺接する複数のブラシとを有するブラシ付きスロットレスモータにおいて、コイルエレメントは、個々に独立して別体の巻線により巻回されるとともに、隣り合うコイルエレメントの通電方向が正逆反対方向となるように、巻線端部が前記セグメントに結線されたことを特徴とするブラシ付きスロットレスモータを提供する。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、セグメントは、２個ずつ間を飛ばして２個ごとにコイルエレメントに接続して連続した一連のコイルを形成し、各コイルエレメントの巻線の両端部は、相互に交差するとともに隣のコイルエレメントの一方の巻線端部と交差してセグメントに接続されたことを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１の発明において、コイルエレメントは、長手方向を有する形状であり、該長手方向を回転軸の軸方向に沿って配設し、コイルエレメントの長手方向両端部のコイルエンドがコアの端面に沿って折り曲げられたことを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１の発明において、コイルエレメントは、帯状の鉄材を巻回して形成されたことを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項４の発明において、帯状の鉄材の表面に銅めっきを施したことを特徴とする。

請求項１の発明によると、円筒状コアの表面に設けた複数のコイルエレメントがそれぞれ独立してフラット状に巻回されているので、巻線が重なることがなく、コア表面のコイルが厚くならない。従って、磁気ギャップを狭く形成することができる。そのため、大きな有効磁束が得られ、高トルクのモータを構成できる。また、トルク発生に寄与しない渡り線部分が少ないので、電気抵抗が低く、高出力が可能となる。

更に、各コイルエレメントの巻線を、回転方向に対して直角になるように配置できるので、有効にトルクを発生させることができ、高出力なモータとなる。

更にまた、隣り合うコイルエレメント同士が正逆反対方向に通電されることにより、隣接する巻線に同一方向の電流が流れる。これにより、位相ずれによる電磁エネルギーの損失を抑え、効率的に高トルクを得ることができる。

請求項２の発明によると、コイルの組立時、巻線端部とコンミテータとの接続作業において、隣り合うコイルエレメント同士が正逆反対方向に通電されるように結線して、位相ずれを防ぐことができる。このため、各コイルエレメントは、巻線を同方向に巻回した同じものでよく、別部品を製造する必要がない。従って、部品の管理が容易であり、製造プロセスも煩雑にならない。

請求項３の発明によると、コイルエンドを折り曲げることにより、コイルエレメントの長さが小さくなるので、モータ全体の長さを縮小することができ、モータをより小型化することができる。

請求項４の発明によると、コア表面とマグネット部との間に設けられたコイル自体が磁性体の鉄材であるため、コアの機能が得られる。従って、磁気ギャップが更に小さくなり、コンパクトで高トルク且つ大容量のモータを構成することができる。

請求項５の発明によると、帯状の鉄を薄くすることにより鉄損が低く抑えられるとともに、銅めっきすることにより導電性が良くなる。また、銅と鉄の比率を変えることで、電気抵抗を低くしたものや、磁気ギャップを小さくしたもの等、用途に応じて自在にコイルを形成することができる。

図１および図２は、本発明に係るスロットレスモータの内部構成例を示し、図１は軸線方向の断面図、図２は図１のＡ−Ａ線で切断した軸線方向に対して垂直の断面図である。

モータ１は、ロータ２およびステータ３により構成される。ロータ２は、回転軸２１と、この回転軸２１に固定された円筒状のコア２２と、コア２２の外周面に等間隔に張り付けられた複数（この例では６個）のコイルエレメント５と、コンミテータ６により構成される。コイルエレメント５は、後述のように、それぞれ独立してフラット状に巻回される。各コイルエレメント５の磁路を形成するコア２２は円筒形状であって、各コイルエレメント５の芯となるように円筒表面に突出する磁極歯を持たない。従って、磁極歯間に形成されるスロットもない。このように、単なる円筒状の磁性材（鉄）からなるコア２２の表面にフラット状のコイルエレメント５を貼着することにより、スロットレスモータ１が形成される。コンミテータ６は、回転軸２１にコイルエレメント５とともに固定され、１個のコイルエレメント５ごとに巻線端部５１を結線する２個のセグメント６ａからなる。従って、全体ではコイルエレメント５の数の２倍、すなわち図２の例においては１２個のセグメント６ａが、回転軸２１と同心の円筒状コンミテータ６の外周面上に配設される。１２個のセグメント６ａは、各コイルエレメント５に対応した位置に２個ずつ円周方向に並べられ、円筒状コンミテータ６上で円周方向に並列して設けられる。従って、コンミテータ６はコイルエレメント５とともに回転する。このコンミテータ６の各セグメント６ａに、ブラシ７が摺接する。尚、各セグメント６ａを円筒状コンミテータ６の端面（図１の左側端面）に放射状に１２個設けて、ブラシ７を端面側から押し付けるようにしてもよい。

ステータ３は、モータ１全体を覆うケース３１、ケース３１の内壁に沿って貼設された複数（図２では４個）の永久磁石４ａからなるマグネット部４、および前述のブラシ７からなる。永久磁石４ａは、図２に示すように、円弧状に略等間隔に分割されてケース３１の内壁に配設される。従って、ケース３１がマグネット部４のコア（ヨーク）を構成する。ブラシ７は、ブラシホルダ７１内に取り付けられたスプリング７２を介してコンミテータ６に接触し、ロータ２の回転時に、コンミテータ６のセグメント６ａに順次摺接する。ブラシ７は、正極および負極それぞれの電源に接続されたものが、少なくとも１個ずつ設けられて、セグメント６ａを介して各コイルエレメント５に給電する。

図３はコイルエレメント５の形状例の平面図である。コイルエレメント５は、磁極歯等の芯を有することなく、巻線を薄く、例えば１層または２〜３層に巻回して、フラット状に形成される。コイルエレメント５は、図２の例では６個設けられ、各コイルエレメント５ごとに別体の巻線により独立して巻回され、樹脂により固められて、コア２２に貼着される。各コイルエレメント５の巻先端部５１は、前述にように、コンミテータ６のセグメント６ａに接続される。このコイルエレメント５は長手方向を有し、その長軸５ｃが回転軸２１（図１）と平行になるように、円筒状コア２２の表面に貼付される。

図４は、本発明の異なるコイルエレメント５ａの外観図である。この例は、帯状の導電性の磁性体である鉄材５２を巻回してコイルエレメント５ａを形成したものである。導電性を増すために、鉄材５２に銅メッキを施してもよい。また、巻回する鉄材５２間に絶縁フィルム５３を介装してもよい。或いは、絶縁フィルム５３の代わりに、鉄材５２の表面に絶縁被膜をコーティングしてもよい。

このように、帯状の鉄材５２を用いてコイルエレメント５ａを形成することにより、磁性体である鉄材５２自体が永久磁石４ａの磁路を形成するヨークを兼ねるため、永久磁石４ａとコイルエレメント５の円筒状コア２２との磁気的な空隙がさらに狭くなり、高トルクを得ることができる。

コイルエレメント５，５ａは、円筒状コア２２の表面に張り付けられるため、図２に示すように、コア２２の外周形状に沿うような円弧状の断面形状を有する。この曲面は、コイルエレメント５，５ａを巻回した後に形成してもよいし、巻回時に形成してもよい。

図５〜図７は、本発明の異なるコイルエレメント５ｂの例であり、モータ１の回転軸２１の軸方向両端側に位置するコイルエンド５４を、コア２２の円筒端面に沿って折り曲げたものである。図５は、モータのコイル部のみを示す側面図であり、図６は、コイルエレメント５ｂ単体の平面図である。図７は、コイルエレメント５ｂを用いた場合のモータ１ａの正面図である。このように、コイルエンド５４を折り曲げることにより、コイルエレメントの長さを縮小することができ、モータ１ａ全体を小型化することができる。

図８は、本発明のスロットレスモータのコイル結線例の展開図である。すなわち、例えば図２に示すように、コイルエレメント５が６個の場合の結線例であり、各コイルエレメント５の巻線の両端部がコンミテータ６のセグメント６ａに結線される。

６個のコイルエレメント５の位置に対応して、それぞれ真下に２個ずつのセグメント６ａが合計１２個設けられる。図８に示すように、各コイルエレメント５の巻線両端部は互いに交差するとともに、隣のコイルエレメント５の一方の巻線端部と交差して、セグメント６ａに接続される。そして、コイルエレメント５の巻線端部は、真下の２個のセグメント６ａのうち遠い方、または隣のコイルエレメント５の真下の２個のセグメント６ａのうち遠い方のセグメント６ａに接続される。各コイルエレメント５の真下のセグメント６ａに接続されるコイルエレメント５と、隣のコイルエレメント５の真下のセグメント６ａに接続されるコイルエレメントとは、交互に配置される。従って、セグメント６ａは、２個ずつ間を飛ばして２個ごとにコイルエレメント５に接続されて、一連のコイルが形成される。これにより、図８に示すように、１２個のセグメント６ａのうち、＃１，＃２，＃５，＃６，＃９，＃１０の６個を用いて６個のコイルエレメント５が接続され、一連のコイルが形成される。このような結線を行うことにより、隣り合うコイルエレメント５の通電方向が互いに正逆順番に並ぶように一連のコイルを形成することができる。これにより、隣り合うコイルエレメント５の巻線に流れる電流方向が同じ方向となり、エネルギー損失が抑えられて位相ずれを防止することができる。

図９（Ａ）〜（Ｃ）は、図８の結線例によるコイルの動作を示し、図９（Ａ）の状態から、ロータ２の回転とともに、ブラシ７が相対的にセグメント６ａの半分ずつ右方向へ移動した状態を示す。

本実施形態においては、マグネット部４を構成する永久磁石４ａが４個、ブラシ７が「＋」側および「−」側それぞれ２個ずつであり、マグネット部４およびブラシ７がステータ側となる。コイルエレメント５およびセグメント６ａが回転することにより、ブラシ７がセグメント６ａに順次摺接し、各コイルエレメント５に給電する。

ブラシ７を介して「＋」側から「−」側へ給電されると、各コイルエレメント５に矢印方向に電流が流れ、ロータ２が回転する。ロータ２を構成するコイルエレメント５およびセグメント６ａが回転すると、ブラシ７がセグメント６ａに順次接触して、それぞれのブラシ７を介して「＋」から「−」へ電流が流れる。図中の点線で示したコイルエレメント５は、ブラシ７の接触位置により通電されないものであり、これは図１０以下においても同様である。図示のように結線することにより、それぞれのコイルエレメント５においては、図中の矢印で示すように、隣り合うコイルエレメント５同士には反対廻りに電流が流れ、隣接する巻線には同じ方向に電流が流れる。従って、エネルギー損失が軽減され、位相ずれを防止して高トルクを得ることができる。また、隣り合うブラシ７間の間隔は、２つのセグメント６ａ間の隙間を含む広さである。このように、絶縁領域となるセグメント６ａ間の隙間を２つまたはそれ以上含むことにより、絶縁性が高まり、耐電圧が向上する。

図１０は、本発明のコイルの異なる結線例の展開図である。コイルエレメント５とセグメント６ａとの結線は図８と同様であり、セグメント６ａ同士を結線する。セグメント６ａ同士の結線は、図示したように、セグメント６ａの＃１と＃７，＃２と＃８，＃３と＃９，＃４と＃１０，＃５と＃１１，＃６と＃１２のように、２個ずつのセグメント６ａを結線する。セグメント６ａ同士を結線することにより、１個のブラシ７で複数のセグメント６ａに同時に給電できるため、ブラシ７の数を削減することができる。図１０の例によれば、「＋」側および「−」側それぞれのブラシ７を１個ずつ設けることにより、図９と同様に各コイルエレメント５に電流が流れる。

図１１は、本発明のコイルの異なる結線例の説明図であり、図８の結線例で未使用の６個のセグメント６ａを用いて、別の一連のコイルを重ねて形成したものである。

先ず、図１１（Ａ）に示すように、図８と同様の結線を行う。すなわち、セグメントのうち＃１，＃２，＃５，＃６，＃９，＃１０の６個を用いて一連のコイルを形成する。その後、図１１（Ｂ）に示すように、残りの６個のセグメント６ａ（＃３，＃４，＃７，＃８，＃１１，＃１２）を用いて、（Ａ）と同様の方法により別の一連のコイルを形成する。図１１（Ａ）と図１１（Ｂ）とを重ね合わせることにより、図１１（Ｃ）に示すように、全てのセグメント６ａが均等に使用されたコイルが形成される。これにより、セグメント６ａの使用効率が向上し、安定した高出力が得られる。また、回転中にブラシ７に対する摺接摩擦抵抗がほぼ一定になるため、ブラシ７の耐久性が増す。尚、図１１（Ｃ）において、図１１（Ｂ）で形成した一連のコイルを細線で示してある。また、図１１の例では、セグメント６ａ同士の結線を行わないが、図１０の例と同様にセグメント６ａ同士を結線することにより、ブラシ７を２個に削減することができる。

図１２は、更に異なるコイルの実施形態の説明図であり、前述の実施形態よりもブラシ７の幅を大きくしたものである。図１２（Ａ）〜（Ｃ）は、ロータ２の回転により、ブラシ７が相対的にセグメント６ａの半分ずつ図の右方向へ移動した状態を示す。尚、この場合、セグメント６ａ同士の結線は行われない。

ブラシ７の幅を大きくしたことにより、前述の実施形態に比べて、ブラシ７間の間隔が狭くなる。この例では、図１２（Ｂ）の位置ではセグメント６ａ間の隙間が１個所分しか挟まれず、耐電圧が低くなるが、図１２（Ａ）および図１２（Ｃ）の位置では２個所分のセグメント６ａ間の隙間が含まれている。このように、回転中の少なくとも１個所でブラシ７間の間隔がセグメント６ａ間の隙間を２個所以上含むような間隔とすることにより、平均的なブラシ７間の間隔が広がって、十分に大きな耐電圧を得ることができる。従って、耐電圧を高めるためにブラシ７の幅をあまり小さくする必要がなくなり、ブラシ７の幅に対する制約が少なくなって、設計の自由度が広がる。

図１３および図１４は、更に異なるコイルの実施形態の展開図であり、コイルエレメント５およびブラシ７の数が異なるものである。図１３は、コイルエレメント５の数が８個、セグメント６ａが１６個、永久磁石４ａが６個、ブラシ７が「＋」側および「−」側それぞれ３個ずつの場合である。図１４は、コイルエレメント５の数が１０個、セグメント６ａが２０個、永久磁石４ａが８個、ブラシ７が「＋」側および「−」側それぞれ４個ずつの場合の結線例である。ブラシ７の数を多くすることにより、セグメント６ａ同士の結線の必要がなくなる。

コイルエレメント５とセグメント６ａとの結線方法は、図８に示した前述の結線と同様であり、隣り合うコイルエレメント５の通電方向が、図中の矢印で示すように、互いに逆方向となるように一連のコイルを形成することができる。尚、２個以上のセグメント６ａ同士を結線して、ブラシ７の数を削減してもよい。

図１５は、更に異なる実施形態の展開図であり、６個のコイルエレメント５を配設可能なスペースに、３個のコイルエレメント５を設けたものである。すなわち、間にコイルエレメント５の１個分のスペースを空けて、それぞれ２個ずつのコイルエレメント５Ａ，５Ｂを重ねて形成し、それらを１２個のセグメント６ａのうち６個のセグメント６ａを用いて接続して、一連のコイルを形成したものである。

図示したように、重ねて形成した２つのコイルエレメント５Ａ，５Ｂのうち一方のコイルエレメント５Ａは、その両方の巻線端部が交差して隣接する２個のセグメント６ａに接続される。他方のコイルエレメント５Ｂは、その両方の巻線端部が互いに離間して離れた位置のセグメント６ａに接続される。セグメント６ａは、前述の実施形態と同様に、２個ずつ間を飛ばして２個ごとにコイルエレメント５に接続される。

図１６は、図１５の実施形態において使用しない３個所のスペースと６個のセグメント６ａとを用いて、図１５と同じ形状の別の一連のコイルを形成して重ね合わせたものである。図１６（Ａ）は図１５と同じであり、１個所のコイルエレメントスペースに２つのコイルエレメント５Ａ，５Ｂが形成されている。図１６（Ｂ）は、図１５と同じ形状で、図１６（Ａ）で使用されていないスペースおよびセグメント６ａを用いた別の一連のコイルを示し、１個所のコイルエレメントスペースに２つのコイルエレメント５Ｃ，５Ｄが形成され、これらを連結して一連のコイルを形成している。図１６（Ａ）と図１６（Ｂ）とを重ね合わせたものが図１６（Ｃ）である。尚、図１６（Ｃ）において、図１６（Ｂ）で形成した一連のコイルを細線で示してある。

尚、上記の全ての実施形態において、コイルエレメント５やブラシ７の数は、上記の例に限ることはない。

また、上記のスロットレスモータは、コイルエレメント５を備えたコアをロータ２側としたが、マグネット部４が回転するアウタロータ方式であっても、本発明を同様に実施することができる。

本発明は、狭いスペースに設置されるブラシ付きスロットレスモータに適用できる。

本発明に係るスロットレスモータの内部構成を示す断面図。 図１のＡ−Ａ線で切断した断面図。 図２のコイルエレメント単体を示す平面図。 コイルエレメント単体の異なる実施形態を示す斜視図。 コイルエレメントの異なる実施形態を示す側面図。 図５のコイルエレメント単体を示す平面図。 図５のコイルエレメントを用いたスロットレスモータの正面図。 本発明のコイルの実施形態を示す展開図。 図８の実施形態の動作説明図。 本発明のコイルの異なる実施形態の展開図。 本発明のコイルの更に異なる実施形態の説明図。 本発明のコイルの更に異なる実施形態の動作説明図。 本発明のコイルの更に異なる実施形態の展開図。 本発明のコイルの更に異なる実施形態の展開図。 本発明のコイルの更に異なる実施形態の展開図。 本発明のコイルの更に異なる実施形態の説明図。

符号の説明

１，１ａ：モータ、２：ロータ、３：ステータ、４：マグネット部、４ａ：永久磁石、５，５ａ，５ｂ，５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄ：コイルエレメント、６：コンミテータ、６ａ：セグメント、７：ブラシ、２１：回転軸、２２：コア、３１：ケース、５１：巻線端部、５２：鉄材、５３：絶縁フィルム、５４：コイルエンド、７１：ブラシホルダ、７２：スプリング。

Claims (5)

1. 回転軸と、
   この回転軸に装着された円筒状のコアと、
   このコアの外周面に張り付けられた複数のフラット状コイルエレメントと、
   このコイルエレメントに対向してその外周側に円弧状に略等間隔で配設した複数の永久磁石からなるマグネット部と、
   前記コイルエレメントに対し固定された位置に一定の隙間を介して配設され、前記各コイルエレメントの巻線端部が接続される複数のセグメントからなるコンミテータと、
   前記セグメントに摺接する複数のブラシとを有するブラシ付きスロットレスモータにおいて、
   前記コイルエレメントは、個々に独立して別体の巻線により巻回されるとともに、隣り合うコイルエレメントの通電方向が正逆反対方向となるように、前記巻線端部が前記セグメントに結線されたことを特徴とするブラシ付きスロットレスモータ。
2. 前記セグメントは、２個ずつ間を飛ばして２個ごとに前記コイルエレメントに接続して連続した一連のコイルを形成し、各コイルエレメントの巻線の両端部は、相互に交差するとともに隣のコイルエレメントの一方の巻線端部と交差して前記セグメントに接続されたことを特徴とする請求項１に記載のブラシ付きスロットレスモータ。
3. 前記コイルエレメントは、長手方向を有する形状であり、該長手方向を前記回転軸の軸方向に沿って配設し、前記コイルエレメントの長手方向両端部のコイルエンドが前記コアの端面に沿って折り曲げられたことを特徴とする請求項１に記載のブラシ付きスロットレスモータ。
4. 前記コイルエレメントは、帯状の鉄材を巻回して形成されたことを特徴とする請求項１に記載のブラシ付きスロットレスモータ。
5. 前記帯状の鉄材の表面に銅めっきを施したことを特徴とする請求項４に記載のブラシ付きスロットレスモータ。
   

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