JP2006340511A - ブラシレスモータ - Google Patents

Abstract

【課題】 コイルが巻装される主極ティースと、巻装されない補極ティースとが設けられるブラシレスモータにおいて、高トルク時においてもモータ効率が低下しないように構成する。
【解決手段】 固定子４を、補極用コア材６と主極用コア材７とを用いて構成し、主極用コア材７が補極用コア材６よりも低鉄損となるよう、補極用コア材６を無方向性ケイ素鋼板で形成する一方、主極用コア材７を無方向性ケイ素鋼板よりも低鉄損な材料である方向性ケイ素鋼板で形成する構成とし、巻線９ａが巻装される主極ティース脚片７ｃが、補極ティース脚片６ｃよりも低鉄損となるように構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、各種アクチュエータ等として駆動するブラシレスモータの技術分野に属するものである。

一般に、この種ブラシレスモータのなかには、周回り方向複数対の磁極が外周に配された回転子と、内径側に突出する脚部の突出先端に周回り方向に延出する爪部を備えた周回り方向複数のティースが内周に形成された固定子とを備え、前記固定子のティースに、三相交流の通電に基づいて励磁するコイルを巻装して構成されたものがある。前記コイルは、隣接するティース同士のあいだに形成されるスロットに巻線を巻装することで形成されるものであるが、周回り方向全てのティースにコイルを巻装した場合では、一つのスロット内に、それぞれ異なるティースに巻装されるコイルが隣接して配されることになり、これらコイル同士の絶縁性や、巻線の巻装作業等を考慮すると、スロット内における巻線の占積率を低下せざるを得ず、高出力、高トルクのブラシレスモータを形成するにはこのままの構成では問題がある。

この改善策として、固定子を、コイルが巻装される主極ティースと、コイルが巻装されない補極ティースとが交互に配される構成として、巻線の占積率を向上させるようにしたものが提唱されている。
特開２００４−９６８２０

ところが、前記特許文献のような構成にした場合、主極ティースは、隣接する一対のスロットに巻装される巻線の相が同相となるが、補極ティースは、隣接する一対のスロットに巻装される巻線の相が互いに異なる。このため、例えば１０極、１２ティースのブラシレスモータにおいて、図５の説明図に示すように、各巻線１３のターン数（巻数）を１とし、１Ａの三相交流をＵ相からＶ、Ｗ相に通電した場合に、Ｕ相となる主極ティース１４ａには、該Ｕ相主極ティース１４ａに隣接するａ、ｂスロットに位置する巻線１３の励磁により生じる磁路が形成される。一方、前記Ｕ相主極ティース１４ａに隣接する補極ティース１４ｂには、該補極ティース１４ｂに隣接するｂ、ｃスロットに位置する巻線１３の励磁により生じる磁路が形成される。この場合、Ｕ相主極ティース１４ａにおける磁路の起磁力はａ、ｂスロットの各同相の巻線１３に基づいて２（＝１＋１）ＡＴの起磁力となるが、補極ティース１４ｂにおける磁路の起磁力はｂ、ｃスロットの各異相の巻線１３に基づいて１．５（＝１＋０．５）ＡＴの起磁力となり、主極ティースの起磁力が補極ティースの起磁力の１．３３倍となる。このように、前記従来の構成のブラシレスモータでは、主極ティースと補極ティースとの起磁力が異なり、従って、主極ティースと補極ティースとの電機子反作用の大きさが異なっている。
ここで、各コイルに大きさの異なる三相交流を通電したときの主極ティースと補極ティースとの磁束の変化を図６（Ａ）、（Ｂ）のグラフ図にそれぞれ示すが、これらグラフ図は、電流が大きくなるに従い主極ティースと補極ティースとに生じる磁束の差が大きくなることを示しており、このことから、主極ティースは、電流が大きくなるほど電機子反作用の影響をより大きく受け、鉄損が増大すると判断できる。さらに前記グラフ図において、主極ティースは、電流が大きくなると、飽和磁束を越えた状態が持続することが示されており、これらのことから、前記特許文献の構成のものにおいて、ブラシレスモータの巻線に大きな電流を流して高トルク、高出力にしようとした場合では、モータ効率の低下が生じることが想定されて問題がある。
これに対処する手段として、主極ティースの脚部の周回り方向の幅を大きく形成し、磁気飽和を低減させることにより主極ティースの鉄損を低減することが考えられるが、このように構成した場合、スロットの面積、即ち巻線を巻装するための面積が縮小するため、同等の磁束を備えたブラシレスモータを構成しようとした場合、巻線の径を小さくして巻装しなければならず、このようにすると、銅損が増大するという別の問題が生じ、ここに本発明の解決すべき課題がある。

本発明は、上記の如き実情に鑑みこれらの課題を解決することを目的として創作されたものであって、請求項１の発明は、外周に周回り方向複数対の永久磁石極が配された回転子と、内周に内径側に突出する脚部と該脚部の突出先端の爪部とで構成したティースが周回り方向複数配された固定子とで構成されるブラシレスモータにおいて、前記ティースを、コイルが巻装される主極ティースと、巻装されない補極ティースとに構成し、前記主極ティースの少なくとも脚部を、補極ティースよりも低鉄損となるように構成したものである。
請求項２の発明は、請求項１において、主極ティースの少なくとも脚部は、低鉄損材料で構成されているものである。
請求項３の発明は、請求項２において、主極ティースの少なくとも脚部は方向性ケイ素鋼板、補極ティースの少なくとも脚部は無方向性ケイ素鋼板を用いてそれぞれ形成されているものである。
請求項４の発明は、請求項１において、主極ティースの少なくとも脚部の板厚を、補極ティースの脚部の板厚より薄く形成したものである。
請求項５の発明は、請求項１乃至３の何れか一項において、補極ティースは固定子を構成するリング状部に一体形成され、主極ティースは前記固定子に後付けされるように構成されているものである。

請求項１、２、３の発明とすることにより、主極ティースと補極ティースとの脚片の形状をかえることなく主極ティースの鉄損を低減することができる。
請求項４の発明とすることにより、主極ティースの鉄損を低減することができる。
請求項５の発明とすることにより、構成の簡略化、コスト低下を図ることが可能となる。

つぎに、本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。
図面において、１はブラシレスモータであって、該ブラシレスモータ１を構成するケーシング２は、筒状の本体部２ａの筒端部を、フロントカバー２ｂとエンドカバー２ｃとにより覆蓋する構成となっており、本体部２ａの内周面に、後述する固定子（ステータコア）３が一体的に設けられている。
一方、前記フロントカバー２ｂとエンドカバー２ｃとには、同芯となる位置関係で軸受凹部２ｄ、２ｅが形成されており、これら軸受凹部２ｄ、２ｅに、回転子（ロータ）４を構成する回転軸４ａの両端部が軸受５を介してそれぞれ回転自在に軸承されている。前記回転子４は、回転軸４ａに形成された大径部４ｂがロータコアを構成し、該ロータコア４ｂの外周に、周回り方向に並列する状態で複数対の永久磁石４ｃを固定することにより構成されており、これによって、回転子４の外周に複数の磁極が形成されている。

前記固定子３を構成する固定子コアは、補極用コア材６の複数枚を積層した補極用コアと、主極用コア材７の複数枚を積層した主極用コアとにより構成されており、補極用コア材６は、本実施の形態では無方向性ケイ素鋼板を用いて形成されている。前記補極用コア材６は、リング状部６ａを備えて構成されており、該リング状部６ａには、内周面から円中心に向けて突出するティース６ｂが、周回り方向に等間隙を存する状態で六個突出状に一体形成されており、これら各ティース６ｂが本発明の補極ティース６ｂに相当している。
そして、前記補極ティース６ｂは、それぞれ内径側に突出する脚片６ｃと、該脚部６ｃの突出先端部に周回り方向両側に延出する爪部６ｄとを備えて構成されている。さらに、リング状部６ａの内周面であって、隣接する補極ティース６ｂ同士のあいだに位置する内周面には、外径側に凹設された嵌合凹部６ｅが形成されている。そして、複数枚の補極用コア材６を積層して補極用コアを構成した状態において、嵌合凹部６ｅが形成されるリング状部６ａの内周面と、外嵌号凹部６ｅ形成部位の周回り方向両側に位置する一対の補極ティース６ｂとにより囲繞された軸方向に長い空隙部Ｓが周回り方向に六個形成されており、これら各空隙部Ｓに、補極用コア材７を用いて構成されるコイルユニット８がそれぞれ抜け止め状に収納することにより、固定子３が構成されるように設定されている。

前記主極用コア材７には、補極用コア材６に形成された嵌合凹部６ｅに嵌合するための嵌合片７ａと、該嵌合片７ａから内径側に突出し、前記補極ティース６ｂと同形状のティース７ｂとを備えて構成されており、該ティース７ｂが本発明の主極ティース７ｂに相当しており、脚部７ｃと、該脚部７ｃ先端の爪部７ｄとを備えて構成されている。そして、主極用コア材７の複数枚を積層して主極用コアを構成し、該主極用コアの主極ティース７ｂ（脚片７ｃ）に、巻線９ａを重巻状に巻装してコイル９を形成することにより、コイルユニット８が構成されている。このように構成されたコイルユニット８は、嵌合片７ａを、積層した補極用コア材５の嵌合凹部６ｅに嵌合させる状態とし、軸方向にスライドさせるようにして嵌め込む（嵌合する）ことにより、空隙部Ｓに抜け止め状に収納されるように設定されている。

そして、本実施の形態において、脚部７ｃを含む主極用コア材７は、それぞれ方向性ケイ素鋼板を用いて形成されており、補極用コア材６の材料となる無方向性ケイ素鋼板に比して磁気特性が優れるように設定されている。これによって、主極ティース７ｂの脚片７ｃにおける磁気特性が補極ティース６ｂの脚片６ｃにおける磁気特性よりも優れることになり、コイル８への電流が大きくなったとき、主極ティース７ｂにおける鉄損を低減することができて、モータ効率のよいブラシレスモータ１を提供することができるように構成されている。因みに、主極ティース７ｂの脚片７ｃのみを、補極ティース６ｂの脚片６ｃよりも低鉄損に構成すればモータ効率のよいブラシレスモータとすることができるが、本実施の形態では、前述したように、主極用コア材７の全体が方向性ケイ素鋼板で構成されている。この場合に、主極用コア材７の形状を補極用コア材６よりも小さく設定することによりコスト低下が図れ、全体を方向性ケイ素鋼板で形成することにより加工が容易になるという利点もある。
尚、１０はフロントカバー２ｂに設けた制御部であって、該制御部１０からの制御信号に基づいて、各コイルユニット８に巻装されるコイル９の励磁状態を制御することにより、ブラシレスモータ１の回転駆動制御がなされるように設定されている。

叙述の如く構成された本形態において、固定子３を構成する主極ティース７ｂの脚片７ｃは低鉄損材料である方向性ケイ素鋼板で形成され、補極ティース６ｂの脚片６ｃはこれよりも高鉄損となる無方向性ケイ素鋼板で形成されている。この結果、主極ティース脚片７ｃは補極ティース脚片６ｃよりも低鉄損となり、コイル８への電流が大きくして高トルクとするような場合に、主極ティース脚片７ｃだけが磁気飽和してモータ効率を低下させるような不具合を防止することができる。このように、本発明を実施することにより、主極ティース脚片７ｃの鉄損を低減させることができるが、この場合に、主極ティース脚片７ｃと補極ティース脚片６ｃとは、形状は同様であって、各ティース脚片７ｃ、６ｃの材料を鉄損のグレードの異なるもの（低鉄損材料と高鉄損材料）とするだけの構成としたので、ティースの周回り方向の幅を異ならせる構成とした場合のように、主極ティースの脚片の周回り方向幅が広くなって隣接ティース同士のあいだのコイル巻装スペースが小さくなり、銅損を高めてしまうような不具合を生じることなく、高トルク時のモータ効率を向上させることが可能となる。

また、このものでは、固定子３を構成する主たる部材となる補極用コア材６に補極ティース６ｂを形成し、これよりも小さい部材であって、補極用コア材６により構成される補極用コアに後付けされる主極用コアの主極用コア材７に主極ティース７ｂを形成する構成とし、主極用コア材７を低鉄損材料である方向性ケイ素鋼板で形成する構成としたので、コスト低下を図れるうえ、組み込みも容易となる。

尚、本発明は前記実施の形態に限定されないことは勿論であって、図３に示す第二の実施の形態のようにすることもできる。
このものは、固定子を、円弧状のリング状部形成片１１ａと、ティース１１ｂとを備えたコア材１１を周回り方向に隣接させて一体化するとともに、これを軸方向に積層する構成となっている。そしてこのものでは、軸方向に隣接するコア材１１を、高鉄損材料コア材（１１−１）と、低鉄損材料コア材（１１−２）とでそれぞれ形成したものを、周回り方向交互に隣接させ、これを軸方向に同材料のものが隣接するようにして積層して構成したものである。そして、このものにおいて、低鉄損材料コア材（１１−１）に巻線を巻装することにより、高トルク時におけるモータ効率のよいブラシレスモータを提供することができる。

さらに、図４に示す第三の実施の形態のように構成することもできる。
このものは、固定子を構成する主コア材１２を、リング状部１２ａに、固定子に設けられる全ティースの半数となるティース１２ｂが周回り方向等間隔に形成するとともに、これら周回り方向に隣接するティース１２ｂ間におけるリング状部１２ａの内周面に、係止凹部１２ｃが形成されたものとする。一方、主コア材１２とともに固定子を構成する副コア材１３は、前記主コア材１２の係止凹部１２ｃに係止する係止突部１３ａと、主コア材１２のティース１２ｂと同形状のティース１３ｂとが形成されたものに構成されている。そして、主コア材１２を高鉄損材料を用いて形成し、副コア材１３を低鉄損材料を用いて形成し、副コア材１３側のティース１３ｂに巻線を巻装した固定子とすることで、高トルク時におけるモータ効率のよいブラシレスモータを提供することができる。

尚、主極ティースは、少なくとも脚部のみが低鉄損材料で形成されていればよく、しかも、主極ティースと補極ティースとの比較において、主極ティースが低鉄損であればよい。従って、主極ティースを低鉄損グレードの無方向性ケイ素鋼板を用いて形成する一方、補極ティースを高鉄損グレードの無方向性ケイ素鋼板を用いて形成する構成とすることも可能であり、このようにした場合でも、前記各実施の形態と同様に、各ティースにおける鉄損の状態を略同様にすることができるという効果を得ることができる。

因みに、単位質量あたりの鉄損は、磁束密度と、ヒステリシス損係数と、渦電流損係数と、周波数の関数であり、これらの数値が大きくなることにより鉄損も大きくなる。このことから、主極ティースの板厚を、補極ティースの板厚よりも薄くすることにより渦電流損係数を小さくし、これによって、主極ティースを補極ティースよりも低鉄損な構成とすることも可能である。

図１（Ａ）、（Ｂ）はブラシレスモータの一部断面側面図、正面断面図である。 図２（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）はそれぞれ補極用コア材の正面図、主極用コア材の正面図、コイルユニットの正面図である。 第二の実施の形態におけるコア材の正面図である。 図４（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ第三の実施の形態の主コア材の正面図、副コア材の正面図である。 従来例における固定子の主極ティースと補極ティースとの起磁力を説明する説明図である。 図６（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ従来例における主極ティースの電流変化に対する磁束変化を示すグラフ図、補極ティースの電流変化に対する磁束変化を示すグラフ図である。

符号の説明

１ ブラシレスモータ
２ ケーシング
４ 回転子
６ 補極用コア材
６ｂ 補極ティース
６ｅ 嵌合凹部
７ 補極用コア材
７ｂ 主極ティース
８ コイルユニット
９ コイル

Claims (5)

1. 外周に周回り方向複数対の永久磁石極が配された回転子と、内周に内径側に突出する脚部と該脚部の突出先端の爪部とで構成したティースが周回り方向複数配された固定子とで構成されるブラシレスモータにおいて、前記ティースを、コイルが巻装される主極ティースと、巻装されない補極ティースとに構成し、前記主極ティースの少なくとも脚部を、補極ティースよりも低鉄損となるように構成したブラシレスモータ。
2. 請求項１において、主極ティースの少なくとも脚部は、低鉄損材料で構成されているブラシレスモータ。
3. 請求項２において、主極ティースの少なくとも脚部は方向性ケイ素鋼板、補極ティースの少なくとも脚部は無方向性ケイ素鋼板を用いてそれぞれ形成されているブラシレスモータ。
4. 請求項１において、主極ティースの少なくとも脚部の板厚を、補極ティースの脚部の板厚より薄く形成したブラシレスモータ。
5. 請求項１乃至３の何れか一項において、補極ティースは固定子を構成するリング状部に一体形成され、主極ティースは前記固定子に後付けされるように構成されているブラシレスモータ。

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