JP2010130831A - アウターロータ型ブラシレスモータ - Google Patents

Abstract

【課題】質量が軽減され、ロック電流の小さいアウターロータ型ブラシレスモータを提供する。
【解決手段】アウターロータ型ブラシレスモータ１は、ステータコア３と、ステータコア３に装着されるステータコイル４とを有するステータ２と、ステータ２の外側に回転自在に配置されたロータ５とを備える。ステータコイル４は、密度ρ１が２．５［ｇ／ｍｍ^３］以上３．０［ｇ／ｍｍ^３］以下であるとともに、ステータ２のステータコア３を形成する磁性材料の密度ρ０に対し、密度ρ１は０．２×ρ０≦ρ１≦０．５×ρ０の関係にあり、かつ、比電気抵抗が２．５×１０^−８［Ω・ｍ］以上３．０×１０^−８［Ω・ｍ］以下の金属製の線材から形成される導体部と、導体部の外周面に被覆された合成樹脂からなる絶縁部とを有する導線を各ティース３ｂの周りに集中巻きにて巻回され形成される複数の巻線を有する。
【選択図】図２

Description

この発明は、アウターロータ型ブラシレスモータに関し、特にそのステータコアに装着されるステータコイルに関する。

アウターロータ型ブラシレスモータは、ステータと、ステータの径方向外側に回転自在に配置されたロータとを備える。ステータは、ステータコアと、ステータコアに装着されるステータコイルとを有し、ステータコアは、磁性材料から形成され、円環形状のステータコア本体と、ステータコア本体の外周面から半径方向外側に放射状に一体突出し、円周方向等ピッチに形成された複数のティースとを有する。また、ステータコイルは、ステータコアの各ティースに集中巻きにて巻装された複数の巻線を有する。

ロータは、円筒形状に形成され、ステータの外側に各ティースに対向して配置されたロータヨークと、ティースに対向しロータヨークの内壁に円周方向等ピッチに取り付けられた複数のマグネットとを有する。

上記のようにアウターロータ型ブラシレスモータは、ステータの半径方向外側にロータを配置しているため、ステータの半径方向内側にロータを配置するインナーロータ型に比べ、ロータヨークの円周長さが長くなる。そのため、ロータヨークに取り付けるマグネットの体積を多くとることができ、モータの出力性能を高くすることができる。また、アウターロータ型ブラシレスモータのロータは、上述のようにステータの半径方向外側に回転自在に配置されており、ロータはインナーロータ型に比べ外径が大きい。そのため、ロータのイナーシャは大きくなり、ロータに生じるトルクリップルが小さくなる。

さらに、インナーロータ型ブラシレスモータは、ロータヨークの外壁にマグネットを取り付ける構造であるに対し、アウターロータ型ブラシレスモータは、ロータヨークの内壁にマグネットを取り付ける構造である。そのため、インナーロータ型ブラシレスモータでは、ロータの回転によりマグネットがロータヨークから離脱しないための特別の対策を採る必要があるが、アウターロータ型ブラシレスモータでは、そのような対策を特段採る必要がなく、ロータの製作を簡易な構造で行うことができる（例えば、特許文献１参照）。

このように、アウターロータ型ブラシレスモータは、インナーロータ型ブラシレスモータに比べ多くの利点を有するため、その利点が活かされる用途として、例えば、自動車のラジエターの冷却用のファンモータなど、様々な用途において自動車用電装品として用いられている。
特開２００８−２５９３６４号公報

自動車用電装品として自動車に搭載されるモータは、自動車の燃費向上のためモータ質量の軽量化が強く求められており、アウターロータ型ブラシレスモータについても、モータ質量の軽量化の必要性は高い。

モータを駆動させる制御電流をモータに供給するためのモータ駆動用ドライバが、モータに接続され、このドライバがモータとともに動作する。このドライバには、モータに過剰な電流が供給することとなったときに、ドライバ自身の破損を防止するため保護素子が備えられている。

この保護素子には、モータが外部からの負荷によりその回転をロックされたときに、高い電流値のロック電流が流れ、この保護装置は、ロック電流の電流値に比例して大型化するとともに高価なものとなる。従って、この保護素子を簡素化するために、モータのロック電流の電流値を下げることが求められる。このロック電流の電流値の低減は、アウターロータ型ブラシレスモータにおいても当然に求められる。

そこで、本発明の目的は、質量が軽減され、ロック電流の小さいアウターロータ型ブラシレスモータを提供するものである。

上記の課題を解決するために、本発明の請求項１に記載のアウターロータ型ブラシレスモータは、磁性材料から形成され、円環形状のステータコア本体と、前記ステータコア本体の外周面から半径方向外側に放射状に一体突出し、円周方向等ピッチに形成された複数のティースとを有するステータコアと、前記ステータコアに装着されるステータコイルとを備えるステータと、円筒形状に形成され、前記ステータの外側に前記ティースに対向して配置されたロータヨークと、前記ティースに対向し前記ロータヨークの内壁に円周方向等ピッチに取り付けられた複数のマグネットとを有し、前記ステータに対し回転自在に配置されたロータとを備えるアウターロータ型ブラシレスモータにおいて、前記ステータコイルは、密度ρ１が２．５［ｇ／ｍｍ^３］以上３．０［ｇ／ｍｍ^３］以下であるとともに、前記ステータの前記ステータコアを形成する磁性材料の密度ρ０に対し、前記密度ρ１は０．２×ρ０≦ρ１≦０．５×ρ０の関係にあり、かつ、比電気抵抗が２．５×１０^−８［Ω・ｍ］以上３．０×１０^−８［Ω・ｍ］以下の金属製の線材から形成される導体部と、前記導体部の外周面に被覆された合成樹脂からなる絶縁部とを有する導線を、前記ロータが前記ステータに対し回転自在に配置される以前において、放射状に突出した前記ティースの半径方向外側から、互い隣接するティースの間に形成されたスリットに巻線ノズルが挿入され、前記巻線ノズルにより各ティースの周りに集中巻きにて巻回され形成される複数の巻線を有する。

さらに、本発明の請求項２においては、前記巻線を形成する導線の前記導体部はアルミニウムを主成分とし、前記ステータコアは鉄を主成分とする。

このように本発明では、ステータコイルの巻線に用いられている導線の導体部を形成する線材の密度ρ１は、２．５［ｇ／ｍｍ^３］以上３．０［ｇ／ｍｍ^３］以下である。この密度ρ１は、ステータコイルの巻線に用いられている導線の線材として広く用いられている銅の密度の約３分の１以下である。また、その線材の密度ρ1は、ステータコアに用いられる磁性材料の密度ρ０に対しても約半分以下である。

そのため、ステータに占めるステータコイルの質量は小さく、密度ρ１の導線を用いることにより、本発明のアウターロータ型ブラシレスモータはモータ全体として軽量化が図られ、その質量が軽減されている。

さらに、ステータコイルの巻線に用いられている導線の導体部を形成する線材の比電気抵抗は、２．５×１０^−８［Ω・ｍ］以上３．０×１０^−８［Ω・ｍ］以下である。一方、ステータコイルの巻線に用いられている導線の線材として広く用いられている銅の比電気抵抗は、約１．７×１０^−８［Ω・ｍ］であり、本発明では、銅に対し比電気抵抗の高い線材が用いられている。

そのため、本発明の導線により形成されるステータコイルの電気抵抗は、銅の導線により形成されるステータコイルの電気抵抗よりも大きくなり、アウターロータ型ブラシレスモータがロックされたときに流れるロック電流は小さくなる。

次に、この発明の第１の実施形態を図１および図２に基づいて説明する。図１は、冷却ファンが取り付けられた状態の本実施形態のアウターロータ型ブラシレスモータの側面図を示す。図２は、図１にて断面Ａ−Ａにて示す本実施形態のアウターロータ型ブラシレスモータの横断面図を示す。

図１に示すように、本実施形態のアウターロータ型ブラシレスモータ１は、例えば、自動車のラジエーター（図示せず）の冷却用ファンモータとして用いられる。このような用途の場合、アウターロータ型ブラシレスモータ１の回転軸６には、冷却ファンＦが取り付けられるとともに、自動車のラジエーターシュラウド（図示せず）に取り付けられる。

冷却ファンＦは、樹脂から形成され、略有底円筒形状のファンボス部Ｆ１と、ファンボス部Ｆ１の外周面から半径方向外側に一体に突出形成した複数のフィンＦ２とを備える。ファンボス部Ｆ１の中央には中空円環形状の取り付け部Ｆ３が形成されており、取り付け部Ｆ３の内側に回転軸６が挿入されるとともに、回転軸６のねじ部６ｂにねじ１２が締め付け固定されることにより、冷却ファンＦは回転軸６に対しで軸方向に固定されている。

回転軸６には平面形状の面取り部６ａが設けられているとともに、中空円環形状の取り付け部Ｆ３の内壁にも面取り部６ａに対応する平面部Ｆ３ｍが形成されており、面取り部６ａと平面部Ｆ３が互いに当接することにより、冷却ファンＦは回転軸６に対し、回転方向（円周方向）に固定されている。

アウターロータ型ブラシレスモータ１は、ハウジング７と、ハウジング７に取り付けられたステータ２と、ステータ２に対し回転自在に配置されたロータ５とを備える。ハウジング７は、アルミニウムにて略円盤形状に形成され、ハウジング７の外周側面の３箇所にはラジエータシュラウド（図示せず）への取り付けのための３つのフランジ７ａが一体形成されている。また、フランジ７ａには、ラジエータシュラウド（図示せず）への取り付けに用いられるボルト（図示せず）を挿通させるためのボルト挿通孔７ｂが形成されている。

ステータ２は、磁性材料である薄板の鋼板を積層し形成されたステータコア３と、ステータコア３に装着されたステータコイル４とを備える。ステータコア３は、略円環形状のステータコア本体３ａと、ステータコア本体３ａの外周面から半径方向外側に放射状に一体突出し、円周方向等ピッチに形成された複数のティース３ｂとを有する。また、ステータコア３のティース３ｂの外壁には樹脂製のインシュレータ９が取り付けられている。なお、実施形態では、ティースの数は、「１２」である。また、磁性材料である薄板の鋼板は、鉄を主成分としており、その密度ρ０は、約７．８［ｇ／ｃｍ^３］である。

ステータコイル４は複数の巻線４ａを有し、巻線４ａは導線４ｂが各ティース３ｂの周りに、インシュレータ９を介してそれぞれ集中巻きにて巻回され形成される。複数の巻線４ａの数はティースと同数の「１２」である。また、巻線４ａは、導電４ｂが各ティース３ｂの周りに「５３回」巻き回されて形成されており、いわゆるターン数は、それぞれ「５３」である。

ブラケット７の略中心には、円環形状の凸部１１がステータ２に向けて一体形成されている。この凸部１１の内部に軸受け１０が圧入され固定されており、この軸受け１０の内部に回転軸６が圧入され固定されることにより、回転軸６は、ブラケット７に固定されたステータ２に対し回転自在に軸支される。

ロータ５は、円筒形状のロータヨーク５ａと、ロータヨーク５ａの内壁に取り付けられた複数のマグネット５ｂと、ロータヨーク５ａの一端に一体形成された底部５ｂとを有し、ロータ５の形状は、略有底円筒形状に形成されている。なお、複数のマグネット５ｂは、円筒形状のロータヨーク５ａの内壁に円周方向等ピッチに取り付けられている。

ロータ５のロータヨーク５ａは、ステータ２の外側にティース３ｂに対向して配置される。また、ロータ５の底部５ｂの中央には、中空円環形状のボス部５ｃが形成されており、回転軸６の外壁とボス部５ｃの内壁とが圧入固定されることで、ロータ５は回転軸６に対し固定される。なお、本実施形態では、複数のマグネットの数は「８」である。

上記のように、回転軸６は、ブラケット７に固定されたステータ２に対し回転自在に軸支されているため、回転軸６に固定されたロータ５は、回転軸６を介してステータ２に対し回転自在に配置される。

次に、各巻線４ａを形成する導線４ｂについて、図３に基づき説明する。図３は、導線の断面図である。導線４ｂは、金属性の線材から形成され、断面形状が円形状の導体部４ｃと、導体部４ｃの外周面に被覆された合成樹脂からなる絶縁部４ｄとを有する。

本実施形態では、巻線４ａを形成する導体部４ｃはアルミニウムを主成分とし、その密度ρ１は、約２．７［ｇ／ｍｍ^３］である。なお、導体部４ｃの密度ρ１は、約２．７［ｇ／ｍｍ^３］に限定されないことは言うまでもなく、望ましくは２．５［ｇ／ｍｍ^３］以上３．０［ｇ／ｍｍ^３］以下であればよい。また、本実施形態では、導体部４ｃの外周面に被服された絶縁部４ｄの組成は、ポリアミドイミド樹脂である。

さらに、本実施形態のアルミニウムを主成分とする導体部４ｃの比電気抵抗は、温度２０℃において、約２．７８×１０^−８［Ω・ｍ］である。なお、導体部４ｃの比電気抵抗は、約２．７８×１０^−８［Ω・ｍ］に限定されないことは言うまでもなく、望ましくは温度２０℃において、２．５×１０^−８［Ω・ｍ］以上３．０×１０^−８［Ω・ｍ］以下であればよい。

本実施形態では、導体部４ｃの外径Ｄ２は、約０．９［ｍｍ］である。絶縁部４ｄの膜圧が約２０［μｍ］であるため、導体部４ｃに絶縁部４ｄを被覆した導線４ｂの外径Ｄ１は、約０．９２［ｍｍ］である。なお、導体部４ｃの外径Ｄ２および導線４ｂの外径Ｄ１は、上記の数値に限定されないことは言うまでもなく、本発明の趣旨を変更しない程度にて変更可能である。また、本実施形態では、断面の形状が略円形状の導線を用いたが、これに限られず、断面の形状が略方形状の導線であってもよい。このように断面の形状が略方形状の導線を用いることにより、いわゆる巻線の占積率を増加させることができる。

次に、図４に基づきステータコア３に設けられた各ティース３ｂへの導線４ｂの巻装方法について説明する。図４に示すように、ロータ５がステータ２に対し回転自在に配置される以前に、導線４ｂは、ステータコア３に設けられた各ティース３ｂに集中巻きにて巻き回される。

上述のように、ステータコア３のティース３ｂの外壁には樹脂製のインシュレータ９が取り付けられており、インシュレータ９を介し、インシュレータ９の外側からティース３ｂの周りに導線４ｂが巻き回される。

ステータコア本体３ａの外周面から半径方向外側に突出した各ティース３ｂの互いに隣接するティース３ｂ、３ｂの間にはスリット３ｃが形成される。このスリット３ｃにティース３ｂの半径方向外側から巻線ノズル１２が挿入され、巻線ノズル１２が一つのティース３ｂの周りを旋回し、旋回しつつ巻線ノズル１２から送り出される導線４ｂにより巻線４ａが集中巻きにて形成される。

一つのティース３ｂへの巻線４ａの巻装が終了すると、巻線ノズル１２は、巻線４ａの巻装が完了したティース３ｂに隣接するティース３ｂへの巻線４ａの巻装を行う。この工程を、本実施形態では、この巻装工程を１２回繰り返すことにより、１２あるティース３ｂへの巻線４ａの巻装を行い、これらの巻線４ａによりステータコイル４が形成される。

次に、本発明の実施形態におけるアウターロータ型ブラシレスモータの作用効果について説明する。上述のように本発明の実施形態では、ステータコイル４の巻線４ａに用いられている導線４ｂの導体部４ｃを形成する線材の密度ρ１は、約２．７［ｇ／ｍｍ^３］である。一方、ステータコイルの巻線に用いられている導線の線材として広く用いられている銅の密度ρ２は、約８．９［ｇ／ｍｍ^３］である。

導線４ｂの外周に形成されている合成樹脂の絶縁部４ｄの質量は、導体部４ｃの質量に比して非常に小さい。そのため、本実施形態の導線４ｂの質量は、銅を線材として使用した線材の質量に対し、約３分の１以下である。

そのため、本実施形態のアウターロータ型ブラシレスモータ１では、導線４ｂを使用することにより、銅を線材として使用した場合の導線に比してステータコイルの質量を約２０％低減させることができる。

一方、本実施形態のステータコア３に用いられる鉄を主成分とする鋼板の密度ρ０は約７．８［ｇ／ｍｍ^３］であり、鋼板の密度ρ０に対する導線４ｂの導体部４ｃを形成する線材の密度ρ１約半分以下である（ρ１≦０．５×ρ０）。なお、上述のように導体部４ｃに用いられる線材の密度ρ１は、望ましくは２．５［ｇ／ｍｍ^３］以上３．０［ｇ／ｍｍ^３］以下であればよいことから、鋼板の密度ρ０に対する線材の密度ρ１の値ａは、望ましくは、０．２×ρ０≦ρ１≦０．５×ρ０の関係であればよく、さらに望ましくは、鋼板の密度ρ０に対する線材の密度ρ１の値ａは、０．３×ρ０≦ρ１≦０．４×ρ０の関係であればよい。

このように、本実施形態のステータコア３に用いられる鉄を主成分とする鋼板の密度ρ０は、鋼板の密度ρ０に対する導線４ｂの導体部４ｃを形成する線材の密度ρ１約半分以下であり、ステータ２の質量に占めるステータコイル４の質量の割合小さくなる。以上のように、線材の密度ρ１の導線４ｂにてステータコイル４を形成することにより、本発明のアウターロータ型ブラシレスモータ１は、モータ全体として軽量化が図られ、線材として銅を用いた場合に比べ、その質量が大幅に軽減されている。

さらに、ステータコイルの巻線に用いられている導線の導体部を形成する線材の比電気抵抗は、約２．７８×１０^−８［Ω・ｍ］である。一方、ステータコイルの巻線に用いられている導線の線材として広く用いられている銅の比電気抵抗は、約１．７×１０^−８［Ω・ｍ］であり、本発明では、銅に対し比電気抵抗の高い線材が用いられている。

そのため、本発明の導線により形成されるステータコイルの電気抵抗は、銅の導線により形成されるステータコイルの電気抵抗よりも大きくなり、アウターロータ型ブラシレスモータがロックされたときに流れるロック電流は小さくなる。

さらに、アウターロータ型ブラシレスモータ１は、巻線４ａが巻き回されるティース３ｂが半径方向外側に向けて放射状に突出している。一方、インナーロータ型ブラシレスモータは、巻線が巻き回されるティースが半径方向内側に向けて放射状に突出している。そのため、アウターロータ型ブラシレスモータ１では、互い隣接するティース３ｂの間に形成されたスリット３ｃに、半径方向外側から巻線ノズルを挿入することが可能である。一方、インナーロータ型ブラシレスモータは、半径方向内側から巻線ノズルを挿入せざるを得ない。

半径方向内側から巻線ノズルを挿入する場合に比べ、半径方向外側から巻線ノズルを挿入する場合は、巻線ノズルの可動範囲が広くなり巻線ノズルの取り回しが格段に容易となる。そのため、アウターロータ型ブラシレスモータ１は、インナーロータ型ブラシレスモータに比べステータコア３へのステータコイル４の装着が非常に容易である。

冷却ファンが取り付けられた状態の本実施形態のアウターロータ型ブラシレスモータの側面図を示す。 図１にて断面Ａ−Ａにて示す本実施形態のアウターロータ型ブラシレスモータの横断面図を示す。 本実施形態の導線の断面図である。 ステータコアに設けられた各ティースへの導線の巻装方法について説明する図である。

符号の説明

１ アウターロータ型ブラシレスモータ
２ ステータ
３ ステータコア
３ａ ステータコア本体
３ｂ ティース
３ｃ スリット
４ ステータコイル
４ａ 巻線
４ｂ 導線
４ｃ 導体部
５ ロータ
５ａ ロータヨーク
５ｂ マグネット
６ 回転軸
Ｎ 巻線ノズル

Claims (2)

1. 磁性材料から形成され、円環形状のステータコア本体と、前記ステータコア本体の外周面から半径方向外側に放射状に一体突出し、円周方向等ピッチに形成された複数のティースとを有するステータコアと、前記ステータコアに装着されるステータコイルとを備えるステータと、
   円筒形状に形成され、前記ステータの外側に前記ティースに対向して配置されたロータヨークと、前記ティースに対向し前記ロータヨークの内壁に円周方向等ピッチに取り付けられた複数のマグネットとを有し、前記ステータに対し回転自在に配置されたロータとを備えるアウターロータ型ブラシレスモータにおいて、
   前記ステータコイルは、密度ρ１が２．５［ｇ／ｍｍ^３］以上３．０［ｇ／ｍｍ^３］以下であるとともに、前記ステータの前記ステータコアを形成する磁性材料の密度ρ０に対し、前記密度ρ１は０．２×ρ０≦ρ１≦０．５×ρ０の関係にあり、かつ、比電気抵抗が２．５×１０^−８［Ω・ｍ］以上３．０×１０^−８［Ω・ｍ］以下の金属製の線材から形成される導体部と、前記導体部の外周面に被覆された合成樹脂からなる絶縁部とを有する導線を、前記ロータが前記ステータに対し回転自在に配置される以前において、放射状に突出した前記ティースの径方向外側から、互い隣接するティースの間に形成されたスリットに巻線ノズルが挿入され、前記巻線ノズルにより各ティースの周りに集中巻きにて巻回され形成される複数の巻線を有することを特徴とするアウターロータ型ブラシレスモータ。
2. 前記巻線を形成する導線の前記導体部はアルミニウムを主成分とし、前記ステータコアは鉄を主成分とすることを特徴とする請求項１に記載のアウターロータ型ブラシレスモータ。
   
   

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