JP2011024365A - スロットレスモータ - Google Patents

Abstract

【課題】 コイル中央部の磁束密度を低下させることなく、かつ、コイルエンド部を傷つけにくいスロットレスモータを提供する。
【解決手段】 固定子鉄心と固定子鉄心の内周面に固着された電機子コイルとを有する固定子と、回転子鉄心と回転子鉄心の外周面に固着された永久磁石とを有する回転子とを備えて構成され、回転子が固定子の内部に空隙を介して対向するように配置されているスロットレスモータにおいて、固定子鉄心が、電機子コイルの中央部に該当する部分と、電機子コイルの端部に該当する部分とに、軸方向に分割されており、電機子コイルの中央部に該当する部分の固定子鉄心の磁気特性は、高透磁率かつ高飽和磁束密度とし、電機子コイルの端部に該当する部分の固定子鉄心の磁気特性は、非磁性または、低透磁率かつ低飽和磁束密度としている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、スロットレスモータに関するもので、特に固定子の構造に関するものである。

コギングトルクのない滑らかな回転を実現するモータとして、スロットレスモータが広く採用されている（例えば、特許文献１参照）。
しかしながら、従来のスロットレスモータは、固定子鉄心の回転軸方向の長さを、電機子コイルの回転軸方向の長さよりも長くしている。そのため、永久磁石からの磁束が電機子コイルのコイルエンド部まで広がり、トルクを発生させる電機子コイルの回転軸方向の中央部の磁束密度が低下していた。これにより、発生するトルクが小さくなるため、その解決が望まれていた。
以下、これについて説明する。

従来のスロットレスモータは、例えば、図６および図７に示す構成をしている。
図６は従来のスロットレスモータの正断面図、図７は図６におけるスロットレスモータの側断面図である。
図６および図７において、１１は固定子鉄心であり、１２は電機子コイルである。電機子コイル１２は固定子鉄心１１の内周面に固着され、固定子鉄心１１と電機子コイル１２により固定子１０を形成している。２１は回転子鉄心であり、２２は永久磁石である。３０は空隙であり、４０は回転軸である。６０は永久磁石からの磁束の流れを示す。
永久磁石２２は回転子鉄心２１の外周面に固着され、回転子鉄心２１と永久磁石２２と回転軸４０により回転子２０を形成している。回転子２０は固定子１０の内部に空隙３０を介して対向するように配置されている。回転軸４０の両側には、図示していない軸受が設置されており、同じく図示していないブラケットに前記軸受を収納し、前記ブラケットを同じく図示していないフレームに嵌合することにより、回転子２０を支えている。

次に、このように構成されたスロットレスモータの動作について説明する。
前記電機子コイル１２に三相交流電流を流すことにより、固定子１０の内部に回転磁界が発生し、この回転磁界と永久磁石２２の作る磁界の相互作用により、回転子２０が回転する。
スロットレスモータは、いわゆるスロット付きモータと異なり、固定子鉄心にティース及びスロットを有していないため、理論的にコギングトルクが発生せず、非常に滑らかに回転するという利点を有する。

次に、スロットレスモータの固定子鉄心の軸方向の長さと電機子コイルの軸方向の長さについて説明する。
通常、固定子鉄心１１の長さは、電機子コイル１２の長さよりも長くしている。その理由は、電機子コイル１２が固定子鉄心１１よりも長く、固定子鉄心１１からはみ出していると、モータの組み立て工程において、電機子コイル１２の端部を傷つけやすいからである。特にスロットレスモータの場合においては、電機子コイル１２の厚みが薄いため、特に傷つけやすい。また、固定子鉄心１１から電機子コイル１２がはみ出していると、はみ出していない場合と比較して、電機子コイルの端部からの放熱が悪くなり、電機子コイルの温度上昇が高くなるからである。

特開２００１−６９７１０号公報（図１）

しかしながら、特許文献１に示された、固定子鉄心が電機子コイルよりも長いスロットレスモータにおいては、以下のような問題がある。
すなわち、スロットレスモータにおいては、永久磁石から出る磁束は、電機子コイルを構成する個々のコイルを貫通して固定子鉄心へ流れる。その場合に、固定子鉄心を電機子コイルよりも長くしていると、永久磁石から出る磁束は固定子鉄心の長さ全体に広がろうとするため、永久磁石が対向していないコイルエンド部まで広がってしまい、トルクの発生に寄与するコイル中央部の磁束密度が低下してしまう。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、コイル中央部の磁束密度を低下させることなく、かつ、コイルエンド部を傷つけにくいスロットレスモータを提供することを目的とするものである。

上記問題を解決するため、請求項１記載の発明は、
固定子鉄心と該固定子鉄心の内周面に固着された電機子コイルとを有する固定子と、回転子鉄心と該回転子鉄心の外周面に固着された永久磁石とを有する回転子とを備えて構成され、前記回転子が前記固定子の内部に空隙を介して対向するように配置されているスロットレスモータにおいて、前記固定子鉄心が、電機子コイルの中央部に該当する部分と、電機子コイルの端部に該当する部分とに、軸方向に分割されており、電機子コイルの中央部に該当する部分の固定子鉄心の磁気特性は、高透磁率かつ高飽和磁束密度とし、電機子コイルの端部に該当する部分の固定子鉄心の磁気特性は、非磁性または、低透磁率かつ低飽和磁束密度としていることを特徴としている。

請求項２記載の発明は、請求項１記載のスロットレスモータにおいて、
前記端部鉄心は圧粉磁心材料で作られていることを特徴としている。

請求項３記載の発明は、請求項１または２記載のスロットレスモータにおいて、
前記中央部鉄心と端部鉄心の間に、電機子コイルを構成するコイルの位置決め用の突起を有する薄板が挿入されており、コイルが該突起にて位置決めされていることを特徴としている。

請求項４記載の発明は、請求項３記載のスロットレスモータにおいて、
前記環状板は、合成樹脂で作られていることを特徴としている。

請求項１記載の発明によると、固定子鉄心の中央部鉄心の磁気特性は、高透磁率かつ高飽和磁束密度とし、端部鉄心の磁気特性は、非磁性または、低透磁率かつ低飽和磁束密度としているため、永久磁石からでる磁束は端部鉄心に広がらず、中央部鉄心に集中する。すなわち、コイル中央部に磁束が集中し、コイルエンド部には磁束が広がらないため、巻線部の磁束密度が高くなり、その結果として、モータが発生するトルクを大きくすることができる。また、コイルの片面の全面が固定子鉄心に密着しているため、コイルエンド部を含めてコイルからの放熱性も優れ、その結果として、巻線の温度上昇を低く抑えることができる。さらに、コイル全体が固定子鉄心で覆われているため、コイルエンド部を傷つける恐れがない。

請求項２記載の発明によると、端部鉄心は圧粉磁心材料で作られているため、端部鉄心を一体成形品で製作することができ、製作が極めて容易になる。また、圧粉磁心を用いているため、その固有抵抗は鋳造品等と比較して極めて大きい。そのため、コイルエンド部から発生する磁束が端部鉄心を通過したとしても、端部鉄心内部で発生する渦電流損を小さくすることができる。

請求項３記載の発明によると、中央部鉄心と端部鉄心の間に、電機子コイルを構成する個々のコイルを、固定子鉄心内周面に配置する際の位置決め用の突起を有する薄板が挿入されているため、コイルの周方向および軸方向の位置決めを精密かつ容易に実現できる。そのため、コイルの位置決めの悪さに起因するトルクリップルを低減することができる。

請求項４記載の発明によると、前記薄板は、合成樹脂で作られているため、コギングトルクを発生させることもなく、また、合成樹脂製であるため、突起部に渦電流損を発生させることもない。したがって、スロットレスモータのコギントルクがないという特徴をそのまま維持することができる。

本発明の第１実施例および第２実施例を示すスロットレスモータの側断面図である。 図１におけるスロットレスモータの固定子内周面を示す展開図である。 本発明の第３実施例および第４実施例を示すスロットレスモータの側断面図である。 図３におけるスロットレスモータの固定子内周面を示す展開図である。 図３におけるスロットレスモータに使われる薄板の正面図である。 従来のスロットレスモータの正断面図である。 図６におけるスロットレスモータの側断面図である。

以下、本発明の実施の形態を、図に基づいて説明する。

図１は、本発明の第１の実施例を示すスロットレスモータの側断面図である。
図１において、１１は固定子鉄心であり、１２は電機子コイルである。固定子鉄心１１は、中央部鉄心１１ａと端部鉄心１１ｂとに軸方向に分割されている。電機子コイル１２は固定子鉄心１１の内周面に固着され、固定子鉄心１１と電機子コイル１２とにより固定子１０を形成している。２１は回転子鉄心であり、２２は永久磁石である。３０は空隙であり、４０は回転軸である。６０は永久磁石からの磁束の流れである。

永久磁石２２は回転子鉄心２１の外周面に固着されている。回転子鉄心２１と永久磁石２２と回転軸４０により回転子２０を形成している。回転子２０は固定子１０の内部に空隙３０を介して対向するように配置されている。また、固定子鉄心１１の軸方向の分割されている位置は、永久磁石２２の長さと一致している。すなわち、中央部鉄心１１ａの長さと永久磁石２２の長さを同じ長さにしている。回転軸４０の両側には、図示していない軸受が設置されており、同じく図示していないブラケットに前記軸受を収納し、前記ブラケットを同じく図示していないフレームに嵌合することにより、回転子２０を支えている。

図２は、図１におけるスロットレスモータの固定子内周面を示す展開図で、円筒形状の固定子の内周面をわかりやすいように平面状に展開したところを示している。
図２において、５０は成形コイル、５０ａは成形コイルの直線部、５０ｂは成形コイルのコイルエンド部である。成形コイル５０は、絶縁被覆銅線を小判形に巻回し、その後、固定子鉄心１１の内周面に沿うように、円弧形状に曲げ成形した成形コイルである。固定子鉄心１１の内周面には、成形コイル５０が複数個並べて固着されており、この成形コイル５０を結線して電機子コイル１２を形成している。成形コイル５０は小判形をしているが、中央は直線部５０ａを成しており、Ｒ部を持つ端部をコイルエンド部５０ｂと呼ぶ。永久磁石２２が空隙３０を介して対向しているのは、直線部５０ａであり、コイルエンド部５０ｂには、永久磁石２２はほとんど対向していない。これは、トルクの発生に寄与するのは、主に直線部５０ａであるからであり、コイルエンド部５０ｂはトルクの発生にはほとんど寄与していないためである。図１および図２のとおり、固定子鉄心１１は、中央部鉄心１１ａと端部鉄心１１ｂに分割されているが、中央部鉄心１１ａが、コイル直線部５０ａに接しており、端部鉄心５０ｂがコイルエンド部５０ｂに接している。

このように、本発明が図６、図７に示されている従来技術と異なる部分は、次の二点である。第一に固定子鉄心１１が軸方向に分割されている点である。第二に、分割された固定子鉄心の、中央部鉄心１１ａと端部鉄心１１ｂの磁気特性を異なるようにしている点である。具体的には、中央部鉄心１１ａの磁気特性は、高透磁率、高磁束密度特性としている。端部鉄心１１ｂの磁気特性は、非磁性または、磁性であっても低透磁率、低飽和磁束密度特性としている。なお、本発明のスロットレスモータの正断面図は、図６と同等であるため図示は省略する。

次に、上記のように構成された本発明の第１実施例によるスロットレスモータの動作について説明する。
前記電機子コイル１２に三相交流電流を流すことにより、固定子１０の内部に回転磁界が発生し、この回転磁界と永久磁石２２の作る磁界の相互作用により、回転子２０が回転する。この点は従来技術と同様である。

次に、本発明の特徴である、分割された固定子鉄心１１について詳しく説明する。
永久磁石２２からの磁束は空隙３０を通り、さらに電機子コイル１２を貫通して固定子鉄心１１内に流れる。その場合、永久磁石２２と固定子鉄心１１の軸方向の長さが同じ長さであれば、永久磁石２２からの磁束は、真っ直ぐに広がることなく固定子鉄心１１に進む。一方、固定子鉄心１１の長さが永久磁石２２の長さよりも長い場合には、永久磁石２２からの磁束は、中央部は真っ直ぐ固定子鉄心１１へ進むが、端部からの磁束は、固定子鉄心１１の長さの分だけ外に広がって固定子鉄心へ進む。したがって、空隙の磁束密度、すなわち巻線部の磁束密度は、固定子鉄心１１が永久磁石２２と同じ長さのときと比較して、磁束が広がった分だけ磁束密度が低下する。巻線部の磁束密度の高低は、直接モータのトルクの大小に影響するため、できるだけ高くすることが望ましい。

この点において、従来技術と本発明とを比較すると、従来技術では、固定子鉄心１１の長さを電機子コイル１２よりも長くしている、すなわち永久磁石２２の長さよりも長くしているため、永久磁石２２からの磁束は横に広がり、巻線部の磁束密度が低くなっている。一方、本発明の場合は、固定子鉄心１１を軸方向に分割し、それぞれの部分の鉄心の磁気特性を、中央部は高透磁率、高磁束密度特性とし、端部は、非磁性または、低磁束密度、低飽和磁束密度特性としているため、永久磁石２２からの磁束は、横に広がることなく、つまり、端部鉄心１１ｂの方に広がることはなく、真っ直ぐに固定子鉄心１１に流れるため、巻線部の磁束密度の低下がなく、従ってモータのトルクが低下することがない。

ここで、端部鉄心１１ｂの作用について説明する。磁気回路的に見ると、非磁性、または低透磁率、低磁束密度特性の端部鉄心１１ｂは、その有無による違いはほとんどない。しかし、放熱性に関してはその有無による違いは大きい。
すなわち、成形コイル５０全体が固定子鉄心１１で覆われているため、コイルエンド部５０ｂを傷つける恐れがない。
さらに、コイルエンド部５０ｂが熱伝導性が高い端部鉄心１１ｂに接していると、端部鉄心１１ｂがない場合と比較して、コイルエンド部５０ｂからの放熱性に格段の効果がある。したがってコイルエンド部５０ｂを含めて成形コイル５０からの放熱性が優れ、その結果として、巻線の温度上昇を低く抑えることができる。

なお、固定子鉄心１１の材質としては、中央部鉄心１１ａは、電磁鋼板などの薄板材を積層したものが適しており、端部鉄心１１ｂは、アルミ合金、銅合金、または非磁性ステンレスなどが考えられる。ただし、渦電流損を抑えるために、塊のまま用いるのではなく、電磁鋼板のように表面を絶縁処理した薄板材を積層したものが望ましい。

次に、本発明の第２の実施例について説明する。
本発明の第２実施例のスロットレスモータの構造、特性および動作は、前述した図１、２で示される本発明の第１実施例のスロットレスモータとほぼ同等であり、第１実施例を示す図１および図２と構成も符号も同一であるため、図１および図２を第２実施例としても用いる。
第２の実施例が第１の実施例と異なる部分は、端部鉄心１１ｂの材質のみである。第２の実施例では、端部鉄心１１ｂを圧粉磁心材料を用いて作られている。圧粉磁心材料とは、鉄粉表面を樹脂などの有機系物質あるいはガラスなどの無機系物質で被覆し、その後圧縮成形した軟磁性材料あり、鉄粉粒子間の電気的絶縁性を付与したもので、渦電流損の抑制を目的としている。
このように、端部鉄心１１ｂを圧粉磁心材料を用いて作ると、端部鉄心１１ｂを一体成形品で製作することができ、製作が極めて容易になる。また、圧粉磁心を用いているため、その固有抵抗は鋳造品等と比較して極めて大きい。そのため、コイルエンド部から発生する磁束が端部鉄心を通過したとしても、端部鉄心１１ｂの内部で発生する渦電流損を小さくすることができる。

図３は、本発明の第３の実施例を示すスロットレスモータの側断面図であり、図４は図３におけるスロットレスモータの固定子内周面を示す展開図である。
第３の実施例が、第１および第２の実施例と異なる部分は、中央部鉄心１１ａと端部鉄心１１ｂの間に薄板１３を挟んでいる点であり、側断面図、および正断面図は、第１の実施例と同等であり、符号も同一であるため、符号の説明は省略する。
図５に薄板１３の正面図を示す。薄板１３は固定子鉄心１１と同じ内外径のドーナツ形をしており、その内側に突起１３ａを有する。突起１３ａの数は、成形コイル５０と同数としている。

次に、上記のように構成された本発明の第３実施例によるスロットレスモータの動作について説明する。前記電機子コイル１２に三相交流電流を流すことにより、固定子１０の内部に回転磁界が発生し、この回転磁界と永久磁石２２の作る磁界の相互作用により、回転子２０が回転する。この点は第１および第２実施例と同様である。

次に、中央部鉄心１１ａと端部鉄心１１ｂの間に挟まれた薄板１３の働きについて説明する。一般に、スロットレスモータの電機子コイル１２を構成する成形コイル５０は、固定子鉄心１１の内周部に均等に配列されている。成形コイル５０が不均一に配列されていると、トルクリップルの原因になるため、成形コイル５０の正確な位置決めは重要である。
第３の実施例においては、突起１３ａを利用して成形コイル５０の位置決めをしている。すなわち、図４に示すように、突起１３ａに成形コイル５０の穴を嵌めている。薄板１３は中央部鉄心１１ａの両端面に装着されており、成形コイル５０の穴の両端に位置するようにしている。このような構成とすることにより、別途コイル位置決め治具を用いることなく、成形コイル５０の正確な位置決めが容易に実現できる。この位置決めは、周方向だけでなく、軸方向も同時に位置決めすることができる。従って、コイルの位置決めの悪さに起因するトルクリップルを低減することができる。
ここで、薄板１３の材質特性としては、非磁性体であることが望ましい。その理由は、磁性体であると、突起１３ａと永久磁石２２との間に吸引力が働き、コギングトルクの要因になるからである。

次に、本発明の第４実施例について説明する。本発明の第４実施例のスロットレスモータの構造、特性および動作は、前述した本発明の第３実施例のスロットレスモータとほぼ同等であり、第３実施例を示す図３および図４と符号も同一であるため、図３および図４を第４実施例としても用いる。
第４の実施例が第３の実施例と異なる部分は、薄板１３の材質のみである。第４の実施例では、薄板１３を合成樹脂で作られている。薄板１３は、合成樹脂で作られているため、コギングトルクを発生させることもなく、また、合成樹脂製であるため、突起部に渦電流損を発生させることもない。したがって、スロットレスモータのコギントルクがないという特徴をそのまま維持することができる。また、合成樹脂であるため、金属製と異なり、成形コイル５０を傷つけることもない。

本発明によれば、小形で、高トルクのスロットレスモータが実現できるため、特にモータ設置寸法に厳しい制限があるロボット駆動用モータなどに利用できる。

１０ 固定子
１１ 固定子鉄心
１１ａ 中央部鉄心
１１ｂ 端部鉄心
１２ 電機子コイル
１３ 薄板
１３ａ 突起
２０ 回転子
２１ 回転子鉄心
２２ 永久磁石
３０ 空隙
４０ 回転軸
５０ 成形コイル
５０ａ 成形コイルの直線部
５０ｂ 成形コイルのコイルエンド部
６０ 永久磁石からの磁束の流れ

Claims (4)

1. 固定子鉄心と該固定子鉄心の内周面に固着された電機子コイルとを有する固定子と、回転子鉄心と該回転子鉄心の外周面に固着された永久磁石とを有する回転子とを備えて構成され、前記回転子が前記固定子の内部に空隙を介して対向するように配置されているスロットレスモータにおいて、
   前記固定子鉄心が、電機子コイルの中央部に該当する部分と、電機子コイルの端部に該当する部分とに、軸方向に分割されており、
   電機子コイルの中央部に該当する部分の固定子鉄心の磁気特性は、高透磁率かつ高飽和磁束密度とし、
   電機子コイルの端部に該当する部分の固定子鉄心の磁気特性は、非磁性または、低透磁率かつ低飽和磁束密度としていることを特徴とするスロットレスモータ。
2. 前記端部鉄心は圧粉磁心材料で作られていることを特徴とする請求項１記載のスロットレスモータ。
3. 前記中央部鉄心と端部鉄心の間に、電機子コイルを構成するコイルの位置決め用の突起を有する薄板が挿入されており、コイルが該突起にて位置決めされていることを特徴とする請求項１または２記載のスロットレスモータ。
4. 前記薄板は、合成樹脂で作られていることを特徴とする請求項３に記載のスロットレスモータ。

Images