JP2010141975A - 電動機および電動機に用いられるコイル群の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電動機に発生するトルクリップルを低減することのできる技術を提供する。
【解決手段】電動機は、空芯の集中巻きのコイル群と、コイル群と対向する永久磁石群と、を備える。コイル群のそれぞれのコイルは、隣り合うコイルと一部分が重なり合っており、それぞれのコイルから永久磁石群までのそれぞれの距離が等しくなっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動機に関するものである。

従来、ブラシレスモータに関する技術としては、例えば、特許文献１に開示されたものが知られている。

特開２００１−２９８９８２号公報

ところで、複数の相のコイルを有するブラシレスモータでは、Ａ相コイルから永久磁石群までの距離と、Ｂ相コイルから永久磁石群までの距離とが異なっており、トルクリップルが発生してしまうという問題があった。

なおこのような問題は、複数の相のコイルの場合に限らず、集中巻きのコイルを多層に配置する場合に共通する問題であった。

本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、電動機に発生するトルクリップルを低減することのできる技術を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するために、以下の形態または適用例を取ることが可能である。

[適用例１]
電動機であって、
空芯の集中巻きのコイル群と、
前記コイル群と対向する永久磁石群と、
を備え、
前記コイル群のそれぞれのコイルは、隣り合うコイルと一部分が重なり合っており、
前記それぞれのコイルから前記永久磁石群までのそれぞれの距離が等しくなっている、コイル群。
このような構成によれば、それぞれのコイルから永久磁石群までのそれぞれの距離が等しくなっているなので、電動機に発生するトルクリップルを低減することができる。

[適用例２]
適用例１に記載の電動機であって、
前記コイル群は、複数の相のコイルを有しており、
前記コイル群のそれぞれのコイルは、互いに異なる相のコイルが隣り合うように並んでおり、
前記隣り合う互いに異なる相のコイルは、互いに一部分が重なり合っている、電動機。
このような構成によれば、複数の相のそれぞれのコイルから永久磁石群までのそれぞれの距離が等しくなっているなので、電動機に発生するトルクリップルを低減することができる。

[適用例３]
適用例２に記載の電動機であって、
前記異なる相のコイルを挟んだ互いに同じ相のコイルは、前記電動機の駆動方向に沿った駆動力を発生する有効コイル部分が互いに重なり合っている、電動機。
このような構成によっても、複数の相のそれぞれのコイルから永久磁石群までのそれぞれの距離が等しくなっているので、電動機に発生するトルクリップルを低減することができる。また、コイルの巻き線占有率をさらに高めることができる。

[適用例４]
適用例１ないし３のいずれかに記載の電動機であって、
前記それぞれのコイルの輪郭と空芯の形状は、短辺部分と長辺部分とを有する形状である、電動機。
このような構成によれば、それぞれのコイルを容易に重ね合わせることが可能となる。

[適用例５]
適用例４に記載の電動機であって、
前記それぞれのコイルの輪郭と空芯の形状は、前記短辺部分を上底とし前記長辺部分を下底とする略台形形状である、電動機。
このような構成によっても、それぞれのコイルを容易に重ね合わせることが可能となる。

[適用例６]
適用例４または５に記載の電動機であって、
前記それぞれのコイルの前記短辺部分は、それぞれ隣りのコイルの前記空芯部分に入り込んでいる、電動機。
このような構成によれば、それぞれのコイルを重ね合わせる場合において、省スペース化を図ることが可能となる。また、コイルの巻き線占有率をさらに高めることができる。

[適用例７]
適用例６に記載の電動機を備える、装置。

[適用例８]
適用例７に記載の装置であって、
前記装置は、電子機器である、装置。

[適用例９]
適用例７に記載の装置であって、
前記装置は、プロジェクタである、装置。

[適用例１０]
適用例７に記載の装置であって、
前記装置は、移動体である、装置。

[適用例１１]
適用例７に記載の装置であって、
前記装置は、ロボットである、装置。

[適用例１２]
電動機に用いられる空芯の集中巻きのコイル群の製造方法であって、
（ａ）前記コイル群のそれぞれのコイルを、それぞれ軸に巻きつける工程と、
（ｂ）前記軸を取り除く工程と、
（ｃ）前記コイル群のそれぞれのコイルが、隣り合うコイルと一部分が重なり合うように、前記コイル群のそれぞれのコイルを斜めに倒す工程と、
を備える、コイル群の製造方法。
このような製造方法によれば、電動機に発生するトルクリップルを低減することのできるコイル群を製造することができる。

[適用例１３]
適用例１２に記載のコイル群の製造方法であって、
前記軸は、略台形の断面形状を有する、コイル群の製造方法。
このような製造方法によれば、略台形の断面形状を有するコイル群を製造することができる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、コイル群の製造方法および製造装置、コイル群の製造システム、それらの方法または装置の機能を実現するための集積回路、コンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した記録媒体等の形態で実現することができる。また、本発明は、コイル群を備えた電動機、その電動機を備えた電子機器、プロジェクタ、携帯機器、ロボット、移動体等の形態で実現することもできる。

次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．第３実施例：
Ｄ．その他の実施例：
Ｅ．変形例：

Ａ．第１実施例：
図１（Ａ）は、本発明の一実施例としてのコイル群１００の構成を示す説明図である。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）におけるＢ−Ｂ断面図である。コイル群１００のそれぞれのコイルＡ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２は、互いに異なる相のコイルが隣り合うように並んでいる。そして、隣り合う互いに異なる相のコイルは、互いに一部分が重なり合っている。換言すれば、コイル群１００は、Ａ相とＢ相のコイルを交互にドミノ倒し状に重ね合わせた構成となっている。

Ａ相コイルＡ１は、空芯の集中巻きのコイルであり、コイルの輪郭と空芯の形状は、短辺部分１０を上底とし長辺部分１２を下底とする略台形形状である。Ａ相コイルＡ２及びＢ相コイルＢ１，Ｂ２も同様である。

コイル群１００のそれぞれのコイルの短辺部分は、それぞれ隣りのコイルの空芯部分に入り込んでいる。すなわち、Ｂ相コイルＢ１の短辺部分１４は、隣のコイルであるＡ相コイルＡ１の空芯部分１１に入り込んでいる。

また、異なる相のコイルを挟んだ互いに同じ相のコイルは、電動機の駆動方向に沿った駆動力を発生する有効コイル部分が互いに重なり合っている。有効コイル部分とは、それぞれのコイルのうち、電動機の駆動方向に対して略垂直な方向に電流が流れる部分を意味する。この図１では、Ａ相コイルＡ１の長辺部分１２と、Ａ相コイルＡ２の短辺部分１６とが重なり合っており、Ｂ相コイルＢ１の長辺部分１７と、Ｂ相コイルＢ２の短辺部分１９とが重なり合っている。なお、Ａ相コイルＡ１の長辺部分１２に流れる電流の向きと、Ａ相コイルＡ２の短辺部分１６に流れる電流の向きは、同じである。

なお、この図１では、便宜上、Ａ相コイルとＢ相コイルをそれぞれ２つずつ示しているが、Ａ相コイルとＢ相コイルの数は２つに限られず、任意の数とすることができる。

図２は、第１実施例におけるコイル群１００を、Ａ相コイルとＢ相コイルとに分解して示す説明図である。この図２には、Ａ相コイルＡ１〜Ａ６の平面図及び断面図と、Ｂ相コイルＢ１〜Ｂ６の断面図と、Ａ相コイルとＢ相コイルを重ね合わせたコイル群１００の断面図と、永久磁石群１５０を備えたロータとが描かれている。上述したように、隣り合う互いに異なる相のコイルは、互いに一部分が重なり合っている。また、異なる相のコイルを挟んだ互いに同じ相のコイルは、電動機の駆動方向に沿った駆動力を発生する有効コイル部分が互いに重なり合っている。その結果、Ａ相コイルＡ１〜Ａ６から永久磁石群１５０までのそれぞれの距離と、Ｂ相コイルＢ１〜Ｂ６から永久磁石群１５０までのそれぞれの距離とが等しくなっている。

コイル群１００を以上のような構成とすると、それぞれのコイルＡ１〜Ａ６，Ｂ１〜Ｂ６から永久磁石群１５０までのそれぞれの距離が等しくなるため、電動機に発生するトルクリップルを低減することが可能となる。また、コイルに鉄心を有していないため、コギングトルクの発生を抑制することも可能である。

なお、この図２では、便宜上、Ａ相コイルＡ１〜Ａ６は直線状に配置されるように描かれているが、Ａ相コイルＡ１〜Ａ６を円形状に配置することも可能である。すなわち、Ａ相コイルＡ１とＡ相コイルＡ６とが重なるように配置することが可能である。以下の図３以降においても同様である。

図３は、本発明の一実施例としてのコイル群１００の製造方法を示す説明図である。まず、Ａ相コイルＡ１〜Ａ６及びＢ相コイルＢ１〜Ｂ６をそれぞれ集中巻きで軸１４０に巻きつける。そして、軸１４０を取り除き、隣り合うコイルの一部分が重なり合うように、それぞれのコイルを斜めに倒す。このようにすれば、それぞれのコイルから永久磁石群までのそれぞれの距離が等しくなっているコイル群１００を製造することができる。

ここで、軸１４０の断面形状は、略台形形状とすることが好ましい。こうすれば、それぞれのコイルの輪郭と空芯の形状を略台形形状にすることが可能となる。

なお、同じ相のコイル同士の配線は、それぞれのコイルを軸１４０に巻きつけた後に接続してもよい。また、Ａ相コイルＡ１の次にＢ相コイルＢ１を巻きつけ、その次にＡ相コイルＡ２を巻きつけるようにして、同じ相のコイルを一本の導線で構成することとしてもよい。

このように、第１実施例では、コイル群１００のそれぞれのコイルの一部分が重なり合っており、それぞれのコイルから永久磁石群までのそれぞれの距離が等しくなっているので、電動機に発生するトルクリップルを低減することが可能である。さらに、コイルの巻線占有率を向上させることができるため、電動機の高トルク化、小型化及び軽量化を容易に実現することが可能となる。また、コイル群１００は、コアレス構造となっているため、コギングトルクの発生も抑制することができる。

Ｂ．第２実施例：
図４は、第２実施例におけるコイル群１００ｂを分解して示す説明図である。図２に示した第１実施例との違いは、Ａ相からＣ相までの３相となっている点と、永久磁石群１５０ｂが４極である点だけであり、その他の点は第１実施例と同じである。このように、本発明は、３相以上のコイル群に対しても適用することが可能である。

Ｃ．第３実施例：
図５（Ａ）は、第３実施例におけるコイル群１００ｃの構成を示す説明図である。図５（Ｂ）は、図５（Ａ）におけるＢ−Ｂ断面図である。図１に示した第１実施例との違いは、異なる相のコイル（例えば、Ｂ相コイルＢ１）を挟んだ互いに同じ相のコイル（例えば、Ａ相コイルＡ１とＡ相コイルＡ２）の有効コイル部分は互いに重なり合っていない点である。ただし、隣り合う互いに異なる相のコイル（例えば、Ａ相コイルＡ１とＢ相コイルＢ１）は、第１実施例と同様に、互いに一部分が重なり合っている。

このような構成としても、第１実施例と同様に、それぞれのコイルから永久磁石群までのそれぞれの距離が等しくなっているので、電動機に発生するトルクリップルを低減することが可能である。

Ｄ．その他の実施例：
図６は、本発明の実施例によるコイル群を備えた電動機の構成を示す説明図である。図６（Ａ）は、電動機のステータ部２００を示す説明図である。図６（Ｂ）は、電動機のロータ部２５０を示す説明図である。この図６（Ａ）では、Ａ相コイルＡ１〜Ａ４及びＢ相コイルＢ１〜Ｂ４は、円形に配置されている。また、図６（Ｂ）で示すように、ステータ部２００は、４極の永久磁石群２１０を備えている。

図７は、図６で示した電動機のステータ部２００を相ごとに分解して示す説明図である。図７（Ａ）は、ステータ部２００のうちＡ相コイルのみの構成を示す説明図である。図７（Ｂ）は、ステータ部２００のうちＢ相コイルのみの構成を示す説明図である。図７（Ａ）および図７（Ｂ）で示すように、Ａ相コイルＡ１〜Ａ４は互いに一部分が重なり合っており、Ｂ相コイルＢ１〜Ｂ４も互いに一部分が重なり合っている。そして、図６（Ａ）で示したように、Ａ相コイルとＢ相コイルは、ドミノ倒し状に、互いに交互に重なり合っている。

このように、本発明の実施例によるコイル群は、平板状のステータに対しても適用することができる。

図８（Ａ）は、本発明の実施例によるコイル群を備えた電動機の他の構成を示す説明図である。図８（Ｂ）は、図８（Ａ）におけるＢ−Ｂ断面図である。電動機３００は、２相で駆動する６極のコアレスブラシレスモータである。電動機３００は、Ａ相コイルＡ１〜Ａ６と、Ｂ相コイルＢ１〜Ｂ６と、回転軸３０２と、永久磁石群３０４と、磁気センサ３０６と、回路基板３０８と、コネクタ３１０とを備えている。

Ａ相コイルＡ１〜Ａ６及びＢ相コイルＢ１〜Ｂ６は、永久磁石群３０４の周囲を囲むように配置されている。すなわち、図８（Ａ）及び図８（Ｂ）で示すＡ相コイルＡ１〜Ａ６及びＢ相コイルＢ１〜Ｂ６は、図２で示したコイル群１００をリング状に繋いだ構成となっている。永久磁石群３０４は、回転軸３０２に取り付けられており、回転軸３０２と共に回転する。

磁気センサ３０６は、永久磁石群３０４の回転位置を検出し、永久磁石群３０４の回転位置に応じた位置信号を出力する。回路基板３０８は、磁気センサ３０６からの位置信号に基づいて、Ａ相コイルＡ１〜Ａ６及びＢ相コイルＢ１〜Ｂ６を励磁するための駆動信号を生成する。コネクタ３１０は、回路基板３０８と接続されており、電動機３００に対して電源の供給等を行なう。

このように、本発明の実施例によるコイル群は、インナーロータ構造の電動機に対しても適用することができる。

Ｅ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

Ｅ１．変形例１：
上記各実施例では、複数の相で構成されるコイル群に対して本発明を適用していたが、本発明は単相のコイルで構成されるコイル群に対しても適用することが可能である。

Ｅ２．変形例２：
上記各実施例では、それぞれのコイルの輪郭と空芯の形状は、短辺部分を上底とし、長辺部分を下底とする略台形形状であるが、それぞれのコイルの輪郭と空芯の形状は、任意の形状としてもよい。例えば、それぞれのコイルの輪郭と空芯の形状は、短辺部分と長辺部分とを有しているが、短辺部分と長辺部分とは平行になっていない形状とすることも可能である。同様に、軸１４０（図３）の形状は、任意の形状としてもよい。

Ｅ３．変形例３：
本発明は、各種の装置に適用可能である。例えば、本発明は、ファンモータ、時計（針駆動）、ドラム式洗濯機、ジェットコースタ、振動モータなどの種々の装置のモータに適用可能である。本発明をファンモータに適用した場合には、上述した種々の効果（低消費電力、低振動、低騒音、低回転ムラ、低発熱、高寿命）が特に顕著である。このようなファンモータは、例えば、デジタル表示装置や、車載機器、燃料電池式パソコン、燃料電池式デジタルカメラ、燃料電池式ビデオカメラ、燃料電池式携帯電話などの燃料電池使用機器、プロジェクタ等の各種装置のファンモータとして使用することができる。本発明のモータは、さらに、各種の家電機器や電子機器のモータとしても利用可能である。例えば、光記憶装置や、磁気記憶装置、ポリゴンミラー駆動装置等において、本発明によるモータをスピンドルモータとして使用することが可能である。また、本発明によるモータは、移動体やロボット用のモータとしても利用可能である。

図９は、本発明の実施例によるモータを利用したプロジェクタを示す説明図である。このプロジェクタ３１００は、赤、緑、青の３色の色光を発光する３つの光源３１１０Ｒ、３１１０Ｇ、３１１０Ｂと、これらの３色の色光をそれぞれ変調する３つの液晶ライトバルブ３１４０Ｒ、３１４０Ｇ、３１４０Ｂと、変調された３色の色光を合成するクロスダイクロイックプリズム３１５０と、合成された３色の色光をスクリーンＳＣに投写する投写レンズ系３１６０と、プロジェクタ内部を冷却するための冷却ファン３１７０と、プロジェクタ３１００の全体を制御する制御部３１８０と、を備えている。冷却ファン３１７０を駆動するモータとしては、上述した各種のブラシレスモータを利用することができる。

図１０（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の実施例によるモータを利用した燃料電池式携帯電話を示す説明図である。図２７（Ａ）は携帯電話３２００の外観を示しており、図１０（Ｂ）は、内部構成の例を示している。携帯電話３２００は、携帯電話３２００の動作を制御するＭＰＵ３２１０と、ファン３２２０と、燃料電池３２３０とを備えている。燃料電池３２３０は、ＭＰＵ３２１０やファン３２２０に電源を供給する。ファン３２２０は、燃料電池３２３０への空気供給のために携帯電話３２００の外から内部へ送風するため、或いは、燃料電池３２３０で生成される水分を携帯電話３２００の内部から外に排出するためのものである。なお、ファン３２２０を図１０（Ｃ）のようにＭＰＵ３２１０の上に配置して、ＭＰＵ３２１０を冷却するようにしてもよい。ファン３２２０を駆動するモータとしては、上述した各種のブラシレスモータを利用することができる。

図１１は、本発明の実施例によるモータ／発電機を利用した移動体の一例としての電動自転車（電動アシスト自転車）を示す説明図である。この自転車３３００は、前輪にモータ３３１０が設けられており、サドルの下方のフレームに制御回路３３２０と充電池３３３０とが設けられている。モータ３３１０は、充電池３３３０からの電力を利用して前輪を駆動することによって、走行をアシストする。また、ブレーキ時にはモータ３３１０で回生された電力が充電池３３３０に充電される。制御回路３３２０は、モータの駆動と回生とを制御する回路である。このモータ３３１０としては、上述した各種のブラシレスモータを利用することが可能である。

図１２は、本発明の実施例によるモータを利用したロボットの一例を示す説明図である。このロボット３４００は、第１と第２のアーム３４１０，３４２０と、モータ３４３０とを有している。このモータ３４３０は、被駆動部材としての第２のアーム３４２０を水平回転させる際に使用される。このモータ３４３０としては、上述した各種のブラシレスモータを利用することが可能である。

図１３は、本発明の実施例によるモータを利用した鉄道車両を示す説明図である。この鉄道車両３５００は、モータ３５１０と、車輪３５２０とを有している。このモータ３５１０は、車輪３５２０を駆動する。さらに、モータ３５１０は、鉄道車両３５００の制動時には発電機として利用され、電力が回生される。このモータ３５１０としては、上述した各種のブラシレスモータを利用することができる。

本発明の一実施例としてのコイル群の構成を示す説明図である。 第１実施例におけるコイル群をＡ相コイルとＢ相コイルとに分解して示す説明図である。 本発明の一実施例としてのコイル群の製造方法を示す説明図である。 第２実施例におけるコイル群を分解して示す説明図である。 第３実施例におけるコイル群の構成を示す説明図である。 本発明の実施例によるコイル群を備えた電動機の構成を示す説明図である。 図６の電動機のステータ部を相ごとに分解して示す説明図である。 本発明の実施例によるコイル群を備えた電動機の他の構成を示す説明図である。 本発明の実施例によるモータを利用したプロジェクタを示す説明図である。 本発明の実施例によるモータを利用した燃料電池式携帯電話を示す説明図である。 本発明の実施例によるモータ／発電機を利用した移動体の一例としての電動自転車（電動アシスト自転車）を示す説明図である。 本発明の実施例によるモータを利用したロボットの一例を示す説明図である。 本発明の実施例によるモータを利用した鉄道車両を示す説明図である。

符号の説明

Ａ１〜Ａ６…Ａ相コイル
Ｂ１〜Ｂ６…Ｂ相コイル
１０…Ａ相コイルの短辺部分
１１…Ａ相コイルの空芯部分
１２…Ａ相コイルの長辺部分
１４…Ｂ相コイルの短辺部分
１６…Ａ相コイルの短辺部分
１７…Ｂ相コイルの長辺部分
１９…Ｂ相コイルの短辺部分
１００…コイル群
１００ｂ…コイル群
１００ｃ…コイル群
１４０…軸
１５０…永久磁石群
１５０ｂ…永久磁石群
２００…ステータ部
２１０…永久磁石群
２５０…ロータ部
３００…電動機
３０２…回転軸
３０４…永久磁石群
３０６…磁気センサ
３０８…回路基板
３１０…コネクタ
３１００…プロジェクタ
３１１０…光源
３１４０…液晶ライトバルブ
３１５０…クロスダイクロイックプリズム
３１６０…投写レンズ系
３１７０…冷却ファン
３１８０…制御部
３２００…携帯電話
３２２０…ファン
３２３０…燃料電池
３３００…自転車
３３１０…モータ
３３２０…制御回路
３３３０…充電池
３４００…ロボット
３４１０…第１のアーム
３４２０…第２のアーム
３４３０…モータ
３５００…鉄道車両
３５１０…モータ
３５２０…車輪

Claims (13)

1. 電動機であって、
   空芯の集中巻きのコイル群と、
   前記コイル群と対向する永久磁石群と、
   を備え、
   前記コイル群のそれぞれのコイルは、隣り合うコイルと一部分が重なり合っており、
   前記それぞれのコイルから前記永久磁石群までのそれぞれの距離が等しくなっている、コイル群。
2. 請求項１に記載の電動機であって、
   前記コイル群は、複数の相のコイルを有しており、
   前記コイル群のそれぞれのコイルは、互いに異なる相のコイルが隣り合うように並んでおり、
   前記隣り合う互いに異なる相のコイルは、互いに一部分が重なり合っている、電動機。
3. 請求項２に記載の電動機であって、
   前記異なる相のコイルを挟んだ互いに同じ相のコイルは、前記電動機の駆動方向に沿った駆動力を発生する有効コイル部分が互いに重なり合っている、電動機。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の電動機であって、
   前記それぞれのコイルの輪郭と空芯の形状は、短辺部分と長辺部分とを有する形状である、電動機。
5. 請求項４に記載の電動機であって、
   前記それぞれのコイルの輪郭と空芯の形状は、前記短辺部分を上底とし前記長辺部分を下底とする略台形形状である、電動機。
6. 請求項４または５に記載の電動機であって、
   前記それぞれのコイルの前記短辺部分は、それぞれ隣りのコイルの前記空芯部分に入り込んでいる、電動機。
7. 請求項６に記載の電動機を備える、装置。
8. 請求項７に記載の装置であって、
   前記装置は、電子機器である、装置。
9. 請求項７に記載の装置であって、
   前記装置は、プロジェクタである、装置。
10. 請求項７に記載の装置であって、
    前記装置は、移動体である、装置。
11. 請求項７に記載の装置であって、
    前記装置は、ロボットである、装置。
12. 電動機に用いられる空芯の集中巻きのコイル群の製造方法であって、
    （ａ）前記コイル群のそれぞれのコイルを、それぞれ軸に巻きつける工程と、
    （ｂ）前記軸を取り除く工程と、
    （ｃ）前記コイル群のそれぞれのコイルが、隣り合うコイルと一部分が重なり合うように、前記コイル群のそれぞれのコイルを斜めに倒す工程と、
    を備える、コイル群の製造方法。
13. 請求項１２に記載のコイル群の製造方法であって、
    前記軸は、略台形の断面形状を有する、コイル群の製造方法。

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