JP2008159847A - 電磁コイル及びこれを利用したモータ - Google Patents

Abstract

【解決課題】ローレンツ力がロータの回転方向に対して効率よく働くための電磁コイル、及びこのコイルを利用したモータを提供することを目的とする。
【解決手段】扁平状の導体を平巻してなる電磁コイルにおいて、全体形状が非円形状に形成されてなる。永久磁石からなるロータに対面して配置された際に、当該ロータの半径方向に沿った直線部を備える。非円形が扇状、楕円状、多角形状のいずれかから形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は電磁コイル及びこれを利用したモータに関するものである。

従来のモータとして、例えば、特開２００５−２６１１３５号公報に記載のものが存在する。このモータは、交互に異極に着磁された複数の永久磁石を環状に配置したロータと、複数の電磁コイルを環状に配置したスータと、を備え、このステータと前記移動体とを非接触に対面させて配置し、電磁コイルに励磁電流を供給してロータと電磁コイルとの間の吸引−反発を利用してロータを回転させるように構成されている。

この種のブラシレスモータにおいて、モータを軽量化するために平巻コイルが用いられている。平巻きコイルとは、径方向断面が偏平状又は薄板状に形成された導体をコアに巻き上げたものである。
特開２００５−２６１１３５号公報

平巻コイルにおいては、ステータであるコイルとロータである永久磁石との間に発生するローレンツ力がロータの回転方向に対して効率良く働かず電動モータの回転運動の効率が低下するという問題がある。

そこで、本発明は、ローレンツ力がロータの回転方向に対して効率よく働くための電磁コイル、及びこのコイルを利用したモータを提供することを目的とするものである。

前記目的を達成するために、本発明は、扁平状の導体を平巻してなる電磁コイルにおいて、全体形状が非円形状に形成されてなる電磁コイルであることを特徴とするものである。

さらに、本発明は、交互に異極に着磁された複数の永久磁石を環状に配置したロータと、既述の電磁コイルを複数環状に配置したステータと、を非接触に対面させ、前記電磁コイルに励磁電流を供給して前記ロータと前記電磁コイルとの間のローレンツ力により前記ロータを回転させるように構成したモータであることを特徴とする。

本発明に係わる電磁コイルによれば、電磁コイルの非円形部分の全域でローレンツ力を発生させることができるために、ロータを回転させるトルクが円形の電磁コイルより大きくすることができる。

本発明によれば、ローレンツ力がロータの回転方向に対して効率よく働くための電磁コイル、及びこのコイルを利用したモータを提供することができる。

図１に本発明に係わる平巻コイル１０を示す。（１）は当該コイルの平面図であり、（２）はその右側面図であり、（３）はその正面図である。平巻コイル全体は、平面方向から見て非円形状としての扇形状になっている。符合１２は端子である。この平巻コイル（１）では、径方向断面が偏平状の導体１４が紙面に対して垂直方向にコイルに巻き付けられ、全体としてコアの形状より一回り大きい扇形状を呈している。（２）及び（３）に示すように、扁平状の導体が何層にもなって積層されている。

図２は平巻コイルの第２の例を示したものであり、三角形状に構成されている。図３は平巻コイルの第３の例を示したものであり、平巻コイルは台形状に構成されている。

図４は、電動モータのステータ及びロータを示したものである。（１）はロータ４１の平面図であり、交互に異極に着磁された永久磁石４０の複数が環状に配列されている。符合４２は、ステータを固定するハウジングである。ロータの中心には軸部４４がロータと一体に回転可能に構成されている。

（２）及び（３）はそれぞれステータであり、（２）のステータ４６と（３）のステータ４８とを対面配置させ、このステータ間にロータを非接触に配置している。このモータ構造によれば、ロータを２相のステータで回転させることができるので、高トルクのモータを提供することができる。

図４の（１）及び（２）において、扇形状の平巻コイル１０の複数をロータと同様に環状に配置している。平巻コイルが非円形であり、図１に示すように扇状であるために、複数の平巻コイルを環状に配列させる際、隣接するコイル間の隙間を無くして高密度にコイルをロータに対して配列することができる。（２）及び（３）における、“Ｓ”及び“Ｎ”はロータとステータのコイルとの位置関係を明りょうにするために図面に付したものである。このように、２相あるステータのコイル配置は、ロータの一回転を電気角で２πとすると、π／６位相がずれるようにしている。

図５は円形平巻コイルと非円形平巻コイルとのモータの回転トルクに差が生じる理由を説明するための、モータ平面図の一部である。（１）は円形平巻コイルを備えたモータを示し、（２）は非円形平巻コイルを備えたモータを示している。（１）において、フレミングの左手の法則により、ロータ４１の回転方向へ働くベクトル５３は円形のコイルの一部（５２，５３）に働くに過ぎない。これに対して（２）に示すように、平巻コイル１０はロータの半径方向に直線部５４を有しており、しかもこの直線部が永久磁石の半径方向の幅Ｈを超えていることから、永久磁石の半径方向の幅全域にわたって回転ベクトルが発生する。（１）では符合５２のライン上のみで回転ベクトルが発生しているに過ぎない。したがって、モータの回転トルクが（２）のもの５５は（１）のもの５３に比べて顕著に増大する。

次に、本発明に係わる電磁コイルの製造例を図６に基づいて説明する。予め導体１４を圧延ロータにて薄板状に圧延し、これをボビン６０に巻回してある導体供給手段を用意する。導体供給手段から薄板状の導体を、扇形状を持った成型治具材６６を軸６８を中心に回転させながら、この治具材に順次巻きつけていく。巻き付ける方向は、導体の薄板な面に対して垂直方向(即ち、紙面の垂直方向である。)である。符号６２は扁平な導体を成型治具まで誘導する走行ガイドである。符号６４は、成型治具に接したり成型治具から離れたりして、成型治具へ導体を巻回するのを補助する移動成型ガイドである。この成型にあっては、導体が破断しないように成型治具材のコーナーにおけるＲや導体の材質を適宜調整する。コアレスタイプのコイルでは、平巻コイルから治具材を取り外すが、治具材をコアとしてそのまま平巻コイルに用いるようにもできる。

図７は平巻コイルの実装例について説明する平面図である。平巻コイル１０は半田７１によって基板（ＰＣＢ）７０に固定される。半田による固定は、端子１２の他、平巻部分の２箇所（図７）、３箇所（図８）、又は、平巻部分の全面である(図９)。図７において、符号７２は半田部以外の導体を絶縁する被覆である。

以上説明したように、既述の実施形態によれば、電磁コイルと永久磁石間のローレンツ力をロータの回転運動に効率良く利用することができる。さらに、電磁コイルの巻線効率が向上する。電磁コイルで発生する銅損失の熱伝伝導比が向上する。本発明の電磁コイルは、電動ブラシレス回転モータ、ファンモータ（軸流、シロッコ、外周駆動）、発電機に利用可能である。

次に、コイルを基板に実装する他の実施形態について説明する。図１０にコイルが基板に実装された様子を示す。（１）はコイルの平面図であり、（２）はその正面図である。符号１０は平巻コイルであり、符号１２はコイルの端子、符号７０は基板、そして７１は端子と基板上の回路とを接続する半田部である。電磁コイル１０と基板７０とは電磁コイルの絶縁被覆を電磁コイルと基板に対して融着することによって固定されている。

図１１に示すように、基板７０上には、少なくともコイルの円形パターンに対応する金属膜からなる金属パターン２０が予め形成されている。金属膜は、例えば熱伝導性が優れた銅材から構成されている。さらに、金属パターン上にはコイルの絶縁材を溶融させて互いに融着可能な絶縁材料２２が形成されている。

コイルを基板に実装する際、図１２に示すようにコイルを基板に対して直角方向から加圧しながら、コイル１０に絶縁材が溶融する程度の電流を流す。この際、基板の導電パターン２０にも電流を通じてコイルの絶縁被覆と金属パターン上の絶縁材料２２とを共に溶解させて互いに融着させる。

図１３は基板上の金属パターン２０を示す。金属パターンはコイルの円形パターンに対応した形態を備えている。図１４は金属パターン２０の他の例を示す。この金属パターンは、鋸歯状の形態を持つことにより高抵抗を備えている。したがって、発熱量を高めることができる。

図１５はさらに他の金属パターンである。基板の非コイル側（裏）の面６０には全面に金属膜６２が形成され、スルーホール６４を介してコイル側の面６６の金属パターンと導通している。したがって、基板の発熱量が高くなりしかもスルーホールを介して基板表側の金属パターンに裏面より熱伝導が行われて、基板の発熱量をさらに向上させることができる。

以上説明したように既述の実施形態によれば、電磁コイルと基板の固定部との固定作業が短時間かつ容易に済むようになる。平巻コイルでは、電磁コイルと基板との固定が面で行われるために固定強度を向上することができる。基板の固定部に金属パターンを形成したために、電磁コイルから発生する銅損熱に対する基板の熱伝導性を向上することができる。接着剤を使用しないために有毒ガスの発生を無くすことができる。

本発明に係わる平巻コイルの第１の実施形態（コイル平面形状が扇形状）に係る平面図（１）、その側面図（２）、その正面図（３）である。 平巻コイルの第２の実施形態（コイルが三角形状）に係る平面図である。 平巻コイルの第３の実施形態（コイルが台形状）に係る平面図である。 本発明に係るコイルを備えたモータの平面図であり、（１）はロータの平面図、（２）は第１の相のステータ、（３）は第２の相のステータである。 本発明の原理を示すモータの平面図であり、（１）はコイルが円形の場合であり、（２）はコイルが非円形（台形状）の場合である。 本発明に係るコイルの製造例を示す平面図である。 本発明に係るコイルを基板に固定した第１の例に係る平面図である。 その第２の例に係る平面図である。 その第３の例に係る平面図である。 本発明に係る実装方法が適用されたコイル及び基板の平面（１）及びその平面図（２）である。 図１の基板の側面図である。 本発明に係る実装方法を示す、コイル及び基板の側面図である。 金属パターンの第１の例が形成された基板の斜視図である。 金属パターンの第２の例が形成された基板の斜視図である。 金属パターンの第３の例が形成された基板の斜視図である。

符合の説明

１０ 平巻コイル、１２ 端子、１４ 基板、４０ 永久磁石、４１ ロータ、４６ ステータ

Claims (7)

1. 扁平状の導体を平巻してなる電磁コイルにおいて、全体形状が非円形状に形成されてなる、電磁コイル。
2. 永久磁石からなるロータに対面して配置された際に、当該ロータの半径方向に沿った直線部を備えてなる、請求項１記載の電磁コイル。
3. 非円形が、扇状、楕円状、多角形状のいずれかから形成されてなる、請求項１記載の電磁コイル。
4. 前記多角形状が、三角形状、又は台形状である、請求項１記載の電磁コイル。
5. 非円形状のコアに前記扁平状の導体が巻かれた請求項１記載の電磁コイル。
6. 前記直線部の長さが前記ロータの径方向の幅以上である、請求項２記載の電磁コイル。
7. 交互に異極に着磁された複数の永久磁石を環状に配置したロータと、前記請求項１乃至７の何れか１項に記載の電磁コイルを複数環状に配置したステータと、を非接触に対面させ、前記電磁コイルに励磁電流を供給して前記ロータと前記電磁コイルとの間の吸引―反発により前記ロータを回転させるように構成したモータ。

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