JP2007189841A - ブラシレスモータ - Google Patents

Abstract

【課題】モータの小型化が可能であり、且つコスト上昇を伴わない磁気センサの配置が可能であるブラシレスモータを提供する。
【解決手段】ブラシレスモータ１は、インシュレータ５０を介してコイル２１が巻回された複数のティース部２４を有するステータ２と、ティース部２４と磁気ギャップが隔てられて対向される多極のマグネット３１を有し、ステータ２に対して回転自在に設けられたロータ３と、ステータ２に設けられてマグネット３１に対向される磁気センサ６０とを具備する。ティース部２４におけるマグネット３１と対向する外周面４０に形成された凹溝４１により、ティース部２４がマグネット３１の磁極に対して所定ピッチの複数の小歯４２に分割され、インシュレータ５０に、ティース部２４の凹溝４１に嵌合されてマグネット３１と対向する爪５５，５６が形成されるとともに、爪５５に磁気センサ６０が収容される収容部５７が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、インシュレータを介在させて磁界を形成するためのコイルが巻回された複数のティースを有するステータと、上記ティースと磁気ギャップを隔てて対向する多極のマグネットを有し、上記ステータに対して回転自在に設けられたロータと、上記ステータに設けられて上記マグネットに対向する磁気センサと、を具備してなるブラシレスモータに関する。

従来より、磁界を形成するステータに対してロータが回転するブラシレスモータとしてインナーロータ型のものやアウターロータ型のものが知られている。インナーロータ型のブラシレスモータでは、複数のティースが内側へ向かって突出する円筒形状のステータの内側に、多極のマグネットを有するロータが配設され、該ステータの磁界により該ロータが回転される。アウターロータ型のブラシレスモータでは、複数のティースが外側へ放射状に突出するステータの外側に、多極のマグネットを有する円筒形状のロータが配設され、該ステータの磁界により該ロータが回転される。

磁界は、ステータに対するロータの回転角度に基づいて、ステータの各ティースに巻回されたコイルへの通電状態を切り替えることにより形成される。ロータの回転角度は、磁気センサやエンコーダにより検出することができる。磁気センサは、ホールＩＣと称される磁気検出センサが汎用されている。複数の磁気センサが所定の電気角を隔てられてステータに配設され、該磁気センサが検出したロータのマグネットの磁気により、ロータの回転角度が求められる。

図４は、従来のインナーロータ型のブラシレスモータ１００の一部を示す拡大断面図である（特許文献１参照）。ブラシレスモータ１００のロータ１０１は、シャフト１０２の周囲にロータコア１０３が固定され、該ロータコア１０３の外周に円筒形状のロータマグネット１０４が設けられてなる。ロータマグネット１０４は、ロータ１０１の周方向に所定の磁極数で着磁されている。ロータマグネット１０４からシャフト１０２の軸方向へ隔てられて、センサマグネット取付部１０５がシャフト１０２の径方向に突設され、該センサマグネット取付部１０５の先端にセンサマグネット１０６が取り付けられている。センサマグネット１０６も円筒形状であり、ロータマグネット１０４と同じ磁極数に着磁されている。

ブラシレスモータ１００のステータ１０７は、ハウジングケース１０８の内面側に、ロータ１０１へ向けて複数のティースが突設された円筒形状のステータコア１０９が固定され、ステータコア１０９の各ティースにコイル１１０が巻回されてなる。ステータコア１０９からロータ１０１の軸方向へセンサ保持部１１１が延設され、センサ保持部１１１の先端に磁気センサ１１２が固定されることにより、磁気センサ１１２がセンサマグネット１０６と所定の間隙を隔てて対向されている。

各コイル１１０には、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相の電力が外部から供給され、これら各相は位相がそれぞれ１２０°づつ異なる。図には表れていないが、磁気センサ１１２は、センサマグネット１０６に対して異なる磁界位置となるように、周方向の異なる位置に３つ設けられている。各磁気センサ１１２が検出した磁力は、不図示のセンサ回路に出力され、センサ回路の出力信号に基づいて、制御回路がステータ１０７に対するロータ１０１の回転角度を判定し、ロータ１０１の回転角度に対応した電力を各コイル１１０に出力する。

図５は、従来の他の構成に係るインナーロータ型のブラシレスモータ１２０の一部を示す拡大断面図である。なお、図に示されている参照符号のうち、上記ブラシレスモータ１００と同じ符号は同じ部材を示している。ブラシレスモータ１２０のロータ１２１は、シャフト１０２の周囲にロータコア１０３が固定され、該ロータコア１０３の外周に円筒形状のロータマグネット１２２が設けられてなる。ロータマグネット１２２は、ロータコア１０３からシャフト１０２の軸方向へ突出されており、この突出部分１２３がセンサマグネットとなる。ブラシレスモータ１２０のステータ１２４は、上記ステータ１０７と同じ構成である。これにより、磁気センサ１１２がロータマグネット１２２の突出部分１２３と対向することになり、突出部分１２３の磁界が磁気センサ１１２により検出される。

図６は、従来のさらに他の構成に係るインナーロータ型のブラシレスモータ１３０の一部を示す拡大断面図である。なお、図に示されている参照符号のうち、上記ブラシレスモータ１００と同じ符号は同じ部材を示している。ブラシレスモータ１３０のロータ１３１は、センサマグネット取付部１０５及びセンサマグネット１０６が設けられていない点を除いて上記ロータ１０１と同様の構成である。

ブラシレスモータ１３０のステータ１３２は、ハウジングケース１０８の内面側にステータコア１０９が固定され、ステータコア１０９の各ティースにコイル１１０が巻回されている点は、上記ステータ１０７と同様である。ステータコア１０９のティースがロータマグネット１０４と対向する面には、シャフト１０２の軸方向に切欠溝１３３が形成されている。この切欠溝１３３は、例えば、ステータコア１０９を構成する積層鋼板の同一部位に磁気センサ１１２に適合した大きさの切欠きが形成されてなる。この切欠溝１３３内に磁気センサ１１２が嵌め込まれて固定されることにより、磁気センサ１１２が、ロータマグネット１０４と対向する位置に配設されている。

特開２００４−３０４９４５号公報

従来のブラシレスモータ１００では、ロータコア１０３及びステータコア１０９からシャフト１０２の軸方向へ隔てられた位置に、センサマグネット１０６及び磁気センサ１１２が配設されているので、ブラシレスモータ１００のハウジングケース１０８内に、これらを配設するためのスペースが設けられる必要がある。そのため、モータの小型化が実現され難いという問題があった。また、センサマグネット１０６及び磁気センサ１１２を取り付けられるために、センサマグネット取付部１０５及びセンサ保持部１１０が設けられる必要があり、部品コスト及び組立コストともに上昇するという問題もあった。

従来のブラシレスモータ１２０では、センサマグネット取付部１０５が設けられる必要がないという利点があるが、ロータマグネット１０４がシャフト１０２の軸方向へ延出される必要がある。モータ出力を向上させる等を目的として、例えばネオジ系のマグネットのような高価なマグネットがロータマグネット１０４に用いられた場合には、ロータマグネット１０４が延出された分だけコスト上昇が生じるという問題があった。

従来のブラシレスモータ１３０では、センサマグネット取付部１０５及びセンサ保持部１１１が設けられる必要がなく、且つ、ロータマグネット１０４がシャフト１０２の軸方向へ延出される必要もないという利点があるが、ステータコア１０９に切欠溝１３３が形成される必要がある。この切欠溝１３３によってステータコア１０９に損失が生じるとともに、ロータマグネット１０４との磁気ギャップが拡がるので、モータの出力が低下するという問題があった。

本発明は、かかる問題に鑑みてなされたものであり、モータの小型化が可能であり、且つコスト上昇を伴わない磁気センサの配置が可能であるブラシレスモータを提供することを目的とする。

(1) 本発明は、インシュレータを介在させて磁界を形成するためのコイルが巻回された複数のティースを有するステータと、上記ティースと磁気ギャップを隔てられて対向される多極のマグネットを有し、上記ステータに対して回転自在に設けられたロータと、上記ステータに設けられて上記マグネットに対向される磁気センサと、を具備してなるブラシレスモータであって、上記ティースにおける上記マグネットと対向する面に上記ロータの軸方向に延びる溝が形成されることにより、該ティースが上記マグネットの磁極に対して所定ピッチの複数の小歯に分割され、上記インシュレータに、上記ティースの溝に嵌合されて上記マグネットと対向する爪が形成されるとともに、該爪に上記磁気センサが収容される収容部が形成されたものである。

ブラシレスモータのステータは、複数のティースを有する。各ティースには、絶縁のためのインシュレータを介在させて、磁界を形成するためのコイルが巻回される。ブラシレスモータのロータは、例えばインナーロータ型又はアウターロータ型のように、ステータに対して回転自在に配置される。ロータは多極のマグネットを有し、ステータの各ティースと所定の磁気ギャップを隔てられて対向される。

ステータの各ティースにおけるマグネットと対向される面には、ロータの軸方向に延びる溝が形成されている。この溝により、各ティースは、ロータのマグネットの磁極に対して所定ピッチの複数の小歯に分割される。各ティースを覆うインシュレータは、ティースの溝に嵌合される爪が形成されている。該爪は、ティースの溝に嵌合された状態でロータのマグネットと対向する。また、該爪には、磁気センサを収容する収容部が形成されている。磁気センサは、インシュレータの収容部に収容部に収容されることにより、ステータの所定位置に固定されて、ロータのマグネットに対向する。これにより、磁気センサがロータのマグネットの磁界を検出し、磁気センサの検出信号に基づいて、ロータの回転角度が求められる。

(2) 上記ステータは、３相の磁界を形成するものであり、上記磁気センサは、相互に隣接する３つのティースに設けられた各インシュレータの収容部に配設されたものが好適である。センサ回路が、３つの磁気センサが検知する磁気に基づいて信号を形成し、これに基づいて制御回路がステータに対するロータの回転角度を判断して、３相の磁界を形成すべく、各コイルに所定の位相の電力を供給する。

(3) 上記ステータ及び上記マグネットは、上記ロータの軸方向の長さがほぼ同等であることが好適である。これにより、特にロータの軸方向においてブラシレスモータの小型化が実現される。

(4) 上記ステータが所定のティース毎に分割された分割コアからなるものである場合に、本発明が好適である。

本発明に係るブラシレスモータによれば、ステータの各ティースが、ロータの軸方向に延びる溝により、ロータのマグネットの磁極に対して所定ピッチの複数の小歯に分割され、該溝に嵌合されるインシュレータの爪に磁気センサが収容される収容部が形成されて磁気センサが収容されることとしたので、ロータの軸方向に磁気センサを配置するための空間が必要とされず、モータの小型化が可能となる。また、インシュレータに収容部が形成されているので、磁気センサを保持するための部材が別途に設けられる必要がなく、また、ロータのマグネットが軸方向へ延出されたり、センサ用のマグネットが別途設けられたりする必要がなく、コスト上昇を抑制することが可能である。

以下、本発明の好ましい実施形態について、適宜図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態は、本発明に係るブラシレスモータの一態様にすぎず、例えば、アウターロータ型をインナーロータ型に変更するなど、本発明の要旨を変更しない範囲で実施態様を変更できることは言うまでもない。

図１は、本発明の実施形態に係るブラシレスモータ１の概略構成を示す断面図である。図２は、分割コア２２の詳細な構成を示す斜視図である。図３は、分割コア２２に組み付けられるインシュレータ５０及び磁気センサ６０を示す分解斜視図である。ブラシレスモータ１は、ステータ２とロータ３とから構成されるアウターロータ型のものであり、ステータ２の外周に所定の磁気ギャップを隔てられてロータ３が配設され、ステータ２により形成される磁界によりロータ３が回転されるように構成されている。

ステータ２は、ブラシレスモータ１の軸となるシャフト２０と、９個の分割コア２２が円筒形状に連結されたステータコア２３と、分割コア２２の各ティース部２４（本発明のティースに相当）に巻回されたコイル２１とからなる。各分割コア２２は、円筒形状に連結される配置が異なる他は同形状のものであり、各分割コア２２が連結されて１つの円筒形状のステータコア２３が形成される。なお、本実施の形態では、分割コア２２はティース部２４毎に分割されたものとしたが、本発明において分割コア２２は必ずしも各ティース部２４毎に分割されたものである必要はなく、ステータコア２３が複数に分割されていれば、例えば、所定の幾つかのティース部２４毎にステータコア２３を分割したものであってもよい。

ロータ３は、リング部材３０と、リング部材３０の内周面に固定された４８極のマグネット３１とからなる。マグネット３１は、円筒形状の永久磁石であり、周方向にＮ極とＳ極とが交互となって４８極の磁極が形成されている。マグネット３１は、円筒形状に焼結された所謂リングマグネットや各磁極で分割されたもの等、周知のモータ用磁石を用いることができる。また、図には示されていないが、ステータ２とロータ３とはブラシレスモータ１のハウジングケース内に収容され、ロータ３は、該ハウジングケースに回転自在に軸支されている。ステータ２の各コイル２１には、３相の電力が供給されることにより磁界が形成され、ロータ３は、ステータ２の磁界を受けてシャフト２０とともに回転される。これらステータ２とロータ３とにより、９スロット・４８極のブラシレスモータ１が構成されている。

図２に示されるように、分割コア２２は、コイル２１が巻回されるティース部２４が、他の分割コア２２と連結されるためのコアヨーク部２５から突出されたものであり、平面視において同一形状の複数の鋼板が積層され、半抜きされたカシメなどによって上下方向の鋼板が嵌合されることにより一体とされている。コアヨーク部２５は、円筒形状のステータコア２３の周方向の幅の９分の１となる弧状に形成されている。ティース部２４は、コアヨーク部２５からステータコア２３の径方向外側へ突出されている。

分割コア２２のコアヨーク部２５の隣接面２７には、所謂あり形状の係合凹部２８及び係合凸部２９がそれぞれ形成されている。隣接面２７は、各分割コア２２が、図１に示されるような円筒形状のステータコア２３として組み合わされる場合に、隣り合う分割コア２２のコアヨーク部２５と接触する面であり、ステータコア２３の径方向となるコアヨーク部２５の両端において、ステータコア２３の軸方向となる平面をなしている。また、係合凹部２８及び係合凸部２９は、該隣接面２７の上下方向、換言すれば円筒形状のステータコア２３の軸方向に沿ってそれぞれ形成されている。

上記係合凹部２８と係合凸部２９とは、互いに対応した凹凸形状であり、係合凹部２８及び係合凸部２９は、隣接面２７の径方向の略中央に形成されている。そして、図１に示されるように、分割コア２２がステータコア２３として円筒形状に組み付けられた際には、図２に示すように、隣接する２つの分割コア２２を、ステータコア２３の軸方向にずらせた状態として、一方の分割コア２２の係合凹部２８の上面側に、他方の分割コア２２の係合凸部２９の下面側を嵌入させ、その状態で、２つの分割コア２２を軸方向に相対的に移動させて、各分割コア２２の上下面を同一面とすることにより係合が完了される。そして、複数の分割コア２２が円筒形状に組み付けられたステータコア２３の中空部にシャフト２０が圧入される。

ティース部２４の外周面４０、すなわちロータ３のマグネット３１と対向する面には、ステータコア２３の軸方向、換言すればロータ３の軸方向へ延びる２つの凹溝４１（本発明の溝に相当）が周方向に隔てられて形成されている。これら凹溝４１により、ティース部２４のマグネット３１と対向される部分が、３つの小歯４２に分割されている。各小歯４２のピッチは、マグネット３１の磁極ピッチに対応されており、具体的にはマグネット３１の２極分と略同一である。この小歯４２のピッチや開角（電気角）は、ブラシレスモータ１のコギングトルクの低下や、トルク変動の安定化による振動抑制を考慮して適宜設定される。

また、ティース部２４が小歯４２に分割されることにより、ロータ３のマグネット３１が多極化される。これにより、隣接するマグネット３１間においてリング部材３０の厚み方向を通過する磁束数が少なくなり、リング部材３０の厚みを薄くしてブラシレスモータ１が小型化される。

図１に示されるように、ティース部２４には、絶縁のためのインシュレータ５０を介してコイル２１が巻回される。図３に示されるように、インシュレータ５０は、１つのティース部２４に対して軸方向の一対が設けられる。一対のインシュレータ５０は同一形状なので、一方のインシュレータ５０を例に説明する。なお、図３においては、円筒形状のステータコア２３の周方向が矢印ｘ、径方向が矢印ｙ、軸方向が矢印ｚで表されてており、ステータコア２３の周方向、径方向及び軸方向と、ロータ３の周方向、径方向及び軸方向とが一致する。

インシュレータ５０は、例えば絶縁性の合成樹脂から成形される。インシュレータ５０は、概略すると、ティース部２４の軸方向（矢印ｚ方向）の端面を覆う基部５１から、ティース部２４の周方向（矢印ｘ方向）の両側面を覆う一対の側壁部５２が延出されてなる。一対のインシュレータ５０の各基部５１及び側壁部５２により、ティース部２４の周囲が覆われて絶縁される。基部５１には、径方向（矢印ｙ方向）に隔てられて一対の支持壁５３，５４が軸方向へ突設されている。この一対の支持壁５３，５４間にコイル２１が巻回され、該コイル２１が支持壁５３，５４に支持されて巻き崩れが防止される。

なお、コイル２１の巻回方法は特に限定されるものではないが、フライヤ式又はノズル式の巻線機を用いて複数の分割コア２２に対して１本の銅線を連続巻線し、該複数の分割コア２２をコイル２１間の渡り線により連結させて１群のものとすれば、複数の分割コア２２の１群を、例えばＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各相に対応させて所定の配置で円環状に連結することができ、結線作業が簡略化される。一方、各分割コア２２のティース部２４にコイル２１を並列巻線することにより、分割コア２２の係合に際して、隣接する分割コア２２を軸方向にずらせることが容易なので、分割コア２２の組み付けが容易である。

インシュレータ５０の径方向外側の端部、すなわちティース部２４の外周面４０に対応する端部には、ティース部２４の凹溝４１に対応して２つの爪５５，５６が軸方向へ突設されている。各爪５５，５６は、インシュレータ５０がティース部２４に組み付けられることにより、凹溝４１に嵌合されて外周面４０とほぼ同一面をなし、ロータ３のマグネット３１と対向される。なお、本発明においてティース部２４の凹溝４１の形状は特に限定されず、例えば断面形状が円弧状であっても角形であってもよい。したがって、インシュレータ５０の爪５５，５６の形状も凹溝４１の形状に対応して適宜変更することが可能である。

一方の爪５５には、磁気センサ６０が収容されるための収容部５７が形成されている。収容部５７は、磁気センサ６０の外形に対応したポケット形状のものであり、ティース部２４の軸方向外側へ開口されている。該開口を挿入口として、収容部５７内に磁気センサ６０が挿入される。収容部５７の深さは、ティース部２４の凹溝４１内に対応する位置に達しており、収容部５７に収容された磁気センサ６０は、図３に示される位置６１に位置せしめられる。また、収容部５７におけるロータ３のマグネット３１に対向する部分は一部開口されており、該開口を通じて、ティース部２４の凹溝４１内において磁気センサ６０が外周面４０側に一部露呈される。このような収容部５７に磁気センサ５０が収容されることにより、磁気センサ５０が分割コア２２のティース部２４の凹溝４１内（位置６１）に位置せしめられるので、分割コア２２の外周面４０の軸方向の長さと、ロータ３のマグネット３１の軸方向の長さとをほぼ同等としても、磁気センサ６０を、ロータ３のマグネット３１と対向させることができ、ブラシレスモータ１の小型化が実現される。

磁気センサ６０は、ロータ３のマグネット３１の磁界の変化を検出するものであり、例えば、ホール素子やホールＩＣである。図１に示されるように、ブラシレスモータ１においては、３つの磁気センサ６０が、９個の分割コア２２のうち相互に隣接する３つの分割コア２２の各ティース部２４に設けられた各インシュレータ５０の収容部５７に収容されている。これにより、隣接する３つの分割コア２２における同じ位置に配置された３つの磁気センサ６０は、それぞれ、ロータ３のマグネット３１のＮ極とＳ極間、Ｎ極、Ｓ極に対向した位置となる。つまり、３つの磁気センサ６０により、マグネット３１の異なる磁界が検出される。

図には表されていないが、３つの磁気センサ６０は、ブラシレスモータ１の回転を制御するためのセンサ回路に電気的に接続されている。各磁気センサ６０の検知信号は、センサ回路により例えばパルス状の磁極検出信号として、各コイル２１にＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相の電力を供給するための制御回路に出力される。制御回路は、センサ回路の磁極検出信号に基づいて、ステータ２に対するロータ３の回転角度を判断して、所定の位相の３相の電力を各コイル２１に供給すべく電力制御を行うが、このようなセンサ回路及び制御回路は周知のものなので、詳細な説明は省略される。

このようにブラシレスモータ１では、ステータ２の各ティース部２４が軸方向に延びる凹溝４１により、ロータ３のマグネット３１の磁極に対して所定ピッチの複数の小歯４２に分割され、凹溝４１に嵌合されるインシュレータ５０の爪５５に、磁気センサ６０が収容される収容部５７が形成されて磁気センサ６０が収容されるので、ロータ３の軸方向に、磁気センサ６０が配置されるための空間が必要とされず、モータの小型化が実現される。また、インシュレータ５０に収容部５７が形成されているので、磁気センサ６０が保持されるための部材が別途に設けられる必要がなく、また、ロータ３のマグネット３１がステータ２からはみ出すように軸方向へ延出されたり、センサ用のマグネットが別途に設けらえたりする必要がないので、ブラシレスモータ１のコストダウンが実現される。

なお、本実施形態では、インシュレータ５０の一方の爪５５にのみ収容部５７を形成したが、双方の爪５５，５６に収容部５７がそれぞれ形成され、ブラシレスモータの構成態様に併せて磁気センサ６０の収容位置が適宜選択されるものとされてもよい。また、本実施形態では、収容部５７はポケット形状のものとしたが、本発明に係る収容部の形状は、磁気センサが所定位置に保持されることが可能であれば特に限定されない。また、磁気センサ６０がマグネット３１の磁界の変化を検出することが可能であれば、磁気センサ６０は、必ずしもマグネット３１に対して露呈されている必要はなく、インシュレータ５０内に埋め込まれるような形状の収容部５７が採用されてもよい。

図１は、本発明の実施形態に係るブラシレスモータ１の概略構成を示す断面図である。 図２は、分割コア２２の外観構成を示す斜視図である。 図３は、分割コア２２へのインシュレータ５０及び磁気センサ６０の組付けを示す斜視図である。 図４は、従来のインナーロータ型のブラシレスモータ１００の構成の一部を示す拡大断面図である。 図５は、従来のインナーロータ型のブラシレスモータ１２０の構成の一部を示す拡大断面図である。 図６は、従来のインナーロータ型のブラシレスモータ１３０の構成の一部を示す拡大断面図である。

符号の説明

１・・・ブラシレスモータ
２・・・ステータ
３・・・ロータ
２１・・・コイル
２２・・・分割コア
２４・・・ティース部
３１・・・マグネット
４１・・・凹溝（溝）
４２・・・小歯
５０・・・インシュレータ
５５，５６・・・爪
５７・・・収容部
６０・・・磁気センサ

Claims (4)

1. インシュレータを介在させて磁界を形成するためのコイルが巻回された複数のティースを有するステータと、
   上記ティースと磁気ギャップを隔てられて対向される多極のマグネットを有し、上記ステータに対して回転自在に設けられたロータと、
   上記ステータに設けられて上記マグネットに対向される磁気センサと、を具備してなるブラシレスモータであって、
   上記ティースにおける上記マグネットと対向する面に上記ロータの軸方向に延びる溝が形成されることにより、該ティースが上記マグネットの磁極に対して所定ピッチの複数の小歯に分割され、
   上記インシュレータに、上記ティースの溝に嵌合されて上記マグネットと対向する爪が形成されるとともに、該爪に上記磁気センサが収容される収容部が形成されたものであるブラシレスモータ。
2. 上記ステータは、３相の磁界を形成するものであり、上記磁気センサは、相互に隣接する３つのティースに設けられた各インシュレータの収容部に配設されたものである請求項１に記載のブラシレスモータ。
3. 上記ステータ及び上記マグネットは、上記ロータの軸方向の長さがほぼ同等である請求項１又は２に記載のブラシレスモータ。
4. 上記ステータは、所定のティース毎に分割された分割コアからなるものである請求項１から３のいずれかに記載のブラシレスモータ。
   

Images