JP2012005218A - ブラシレスモータ - Google Patents

Abstract

【課題】ブラシレスモータにおいて高トルク化を図ろうとするとモータ全体が大型になる。
【解決手段】ブラシレスモータ１は、フレーム２を取り付けたブラケット３に軸受４を介して回転自在に取り付けられた出力軸５に円筒型のロータヨーク６を取り付け、ロータヨーク６の外側に、磁石７、ステータコア８及びステータコイル９を配置し、ロータヨーク６の内側に、磁石１２、ステータコア１３及びステータコイル１４を配置した。外側のステータコイル９と内側のステータコイル１４の各相を直列に接続し、かつ外側の磁石７の極数と、内側の磁石１２の極数は同数にした。外側の磁石及び／又は内側の磁石をスキューさせた。
【選択図】図１

Description

本発明は、円筒型のロータヨークの外側及び内側に永久磁石とステータコイルを配置した二重ステータ構造のブラシレスモータに関する。

ブラシレスモータとして、図８に示すように、回転軸１０１に円筒型のロータヨーク１０２を取り付け、該ロータヨーク１０２の外側に外側磁石１０３を配置し、該外側磁石１０３の外側に僅かなギャップをもって外側ステータコア１０４と外側ステータコイル１０５とからなる外側ステータコア・コイル集合体１０６を配置した構造のものが知られている。

また、上記ブラシレスモータの高トルク化等を図るために、図９に示すように、ロータヨーク１０２の内側に、内側磁石１０７を配置し、該内側磁石１０７の内側に僅かなギャップをもって内側ステータコア１０８と内側ステータコイル１０９とからなる内側ステータコア・コイル集合体１１０を配置した二重ステータ構造のものが開発されている。１１１は内側ステータコア・コイル集合体１１０を支持している固定部である。（例えば、類似発明として特許文献１参照）。

特開２００９−１７７８９３号公報

ところで、上記二重ステータ構造のブラシレスモータには、次に述べるような問題点があった。
（１）ロータヨーク１０２の内側に内側磁石１０７や内側ステータコア１０８等を配置するためには、ロータヨーク１０２を大径に形成しなければならずブラシレスモータ全体が大型になってしまう。また、モータのステータコア内径を小さくして、溝面積を増やし、巻数を増やしてトルクの増大を図ろうとすると、ステータ溝数が多いモータでは、溝形状が細長形状となり、内径部に近いほど細くなることから、ステータコア内径を小さくしても巻線スペースとして有効に増加しないことが多い。逆に、ステータ溝数が少ないモータでは、ステータコア内径を小さくすると巻線の有効スペースは増やすことができるが、それによって巻数を増やすと、一つのコイルが発生する電機子反作用起磁力が増大し、超過トルク時の減磁耐量が減少してしまい過負荷に弱いモータとなる。それを補うために磁石の肉厚を増やすなどの技術的配慮を実施すると磁石の接着部の径寸法はますます小さくなるので高トルク時に磁石の接着層に加わる応力が増大してしまう。従って、過負荷に弱いモータになる。また、内側磁石１０７及び内側ステータコア１０８により、コギングトルクが増加する虞がある。

本発明の目的は、モータのステータコア内径寸法を下げないでロータヨークの内側を有効に利用してトルクを増やすことのでき、しかもコギングトルクの発生を抑制して騒音と振動の少ない二重ステータ構造のブラシレスモータを提供することにある。

請求項１の発明は、フレームを取り付けたブラケットに軸受を介して回転自在に取り付けられた出力軸に円筒型のロータヨークを取り付け、該ロータヨークの外側に外側磁石を配置し、該外側磁石の外側に所定のギャップをもって外側ステータコアと外側ステータコイルからなる外側ステータコア・コイル集合体を配置するとともに、前記ロータヨークの内側には内側磁石を配置し、該内側磁石の内側に所定のギャップをもって内側ステータコアと内側ステータコイルからなる内側ステータコア・コイル集合体を配置したブラシレスモータにおいて、前記外側ステータコイルと前記内側ステータコイルの各相を直列に接続し、かつ前記外側磁石の永久磁石の極数と前記内側磁石の永久磁石の極数を同数にするとともに、前記外側磁石及び／又は前記内側磁石をスキューさせたことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載のブラシレスモータにおいて、前記外側ステータコアと前記内側ステータコアは、互いの相対位置を規定して前記フレームに組み付けるためのピン穴を備えていることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１又は２に記載のブラシレスモータにおいて、前記外側磁石と前記内側磁石の永久磁石の位置を周方向にずらして配置したことを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載のブラシレスモータにおいて、前記外側ステータコア・コイル集合体の溝数をＮＳ１とし、前記内側ステータコア・コイル集合体の溝数をＮＳ２としたとき、ＮＳ１≧ＮＳ２としたことを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載のブラシレスモータにおいて、前記外側磁石のスキュー角をθ１とし、前記内側磁石のスキュー角をθ２としたとき、０°≦θ１≦θ２としたことを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項１〜５のいずれかに記載のブラシレスモータにおいて、前記外側磁石及び／又は前記内側磁石は、ラジアル異方性円筒型磁石又はセグメント状分割磁石であることを特徴とする。

請求項７の発明は、請求項６に記載のブラシレスモータにおいて、前記セグメント状分割磁石は、多数のセグメント磁石と、これら多数のセグメント磁石を前記ロータヨークの周面に固定する磁石支持板と、からなり、前記磁石支持板は、外面側に前記セグメント磁石を位置決めして取り付ける磁石取付溝を備えていることを特徴とする。

請求項８の発明は、フレームを取り付けたブラケットに軸受を介して回転自在に取り付けられた出力軸に円筒型のロータヨークを取り付け、該ロータヨークの外側に外側磁石を配置し、該外側磁石の外側に所定のギャップをもって外側ステータコアと外側ステータコイルからなる外側ステータコア・コイル集合体を配置するとともに、前記ロータヨークの内側には内側磁石を配置し、該内側磁石の内側に所定のギャップをもって内側ステータコアと内側ステータコイルからなる内側ステータコア・コイル集合体を配置したブラシレスモータにおいて、前記外側ステータコイルと内側ステータコイルの各相を直列に接続し、かつ前記外側磁石の極数と内側磁石の極数を同数にするとともに、前記外側磁石及び／又は前記内側磁石の永久磁石をスキューする代わりに前記外側磁石及び／又は前記内側磁石に対向する外側ステータコアをスキューしたことを特徴とする。

（１）前記外側ステータコイルと前記内側ステータコイルの各相は直列に接続され、かつ外側モータ部の誘起起電力と内側モータ部の誘起起電力とは、位相を一致させることにより外側モータ部で発生するトルクに内側モータ部で発生するトルクが加算される。全体のモータ外形寸法は外側モータ部の寸法によって支配的に決定付けられるから外形寸法は増やさずにトルクを増やすことができる。逆説すれば、トルクを変えないでモータの外形寸法を小型化することができる。また、前記外側磁石及び／又は前記内側磁石を、回転軸心方向に複数段に区画し、各区画に周方向に所定の間隔をもって多数の永久磁石を配置し、各区画の永久磁石をスキューさせたので、コギングトルクの発生を抑制して騒音と振動の発生を低減させることができる。
（２）外側ステータコアと内側ステータコアに、両者の相対位置を規定して組み立てるためのピン穴を設けたので、これを基準に組み立てることにより両者の位相を容易に一致させることができる。
（３）外側磁石と内側磁石のそれぞれにおいて、スキュー着磁するとともに、外側磁石の永久磁石と内側磁石の永久磁石の位置を周方向にずらして配置したので、外側磁石と内側磁石を個々にスキュー着磁したのと相俟って、コギングトルクの発生をより効果的に抑制することができる。
（４）中口径モータにおいて、内側のステータコアの巻線スペースがとり難くなりがちになることに起因し、トルクの増え方が少ない割にコストばかりが増えてしまう傾向が強まるが、本発明は外側のステータコアの溝数ＮＳ１とし、内側のステータコアの溝数をＮＳ２とした場合において、ＮＳ１≧ＮＳ２としたので、前記コストの増大を低く抑えるとともに、巻線有効スペースを確保し易くなる。
（５）外側磁石のスキュー角θ１とし、内側磁石のスキュー角θ２とした場合において、０°≦θ１≦θ２としたので、前記したＮＳ１≧ＮＳ２に対応させてコギングトルクを低減させることができる。なお、θ１はスキューしない０°を含むものとしている。
（６）外側磁石や内側磁石が小口径や中口径の場合には、製造の容易なラジアル異方性円筒型磁石が使用される。大口径化するとラジアル異方性円筒型磁石の製造限界や膨張係数の鉄と磁石の違いにより実現が困難となるのでセグメント状分割磁石を使うことになるが、セグメント磁石はスキュー着磁が困難であるから磁石ではスキューせずにステータコア側でスキューするか、又はアキシャル方向にも分割して階段状に磁石をスキュー配置することになる。この場合に、これら多数の磁石を磁石支持板を介してロータヨークの周面に固定するのであるが、磁石支持板に磁石を位置決めして取り付ける磁石取付溝を設けたので、多数極の等配精度とスキュー角精度を確保し、作業性を向上させることができる。
（７）外側磁石及び／又は内側磁石の永久磁石をスキューする代わりに、外側磁石及び／又は内側磁石に対向する外側ステータコアをスキューすることにより、外側磁石及び／又は内側磁石の永久磁石をスキューしたのと同様の効果を得ることができる。

第１実施例のブラシレスモータの側面断面図。 第１実施例のブラシレスモータのＡ−Ａ断面図。 ロータヨーク部分の拡大図。 （Ａ）はブラシレスモータの磁石部の一部破断平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ方向矢視図、（Ｃ）は（Ａ）のＢ方向矢視図。 第２実施例の説明図。 第３実施例を示し、（Ａ）はブラシレスモータの磁石部の一部破断平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ方向矢視図、（Ｃ）は（Ａ）のＢ方向矢視図。 第４実施例を示し、（Ａ）はブラシレスモータの磁石部の一部破断平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ方向矢視図、（Ｃ）は（Ａ）のＢ方向矢視図。 従来例の説明図。 他の従来例の説明図。

以下、本発明の実施の形態を示す実施例を図面を参照して説明する。

図１は第１実施例のブラシレスモータ１の側面断面図、図２は図１のＡ−Ａ断面図である。図１に示すように、ブラシレスモータ１は、フレーム２を取り付けたブラケット３に軸受４を介して回転自在に取り付けられた出力軸５に円筒型のロータヨーク６を取り付け、該ロータヨーク６の外側に外側磁石７を配置し、該外側磁石７の外側に所定のギャップをもって外側ステータコア８及び外側ステータコイル９とからなる外側ステータコア・コイル集合体１０を配置して外側モータ部１１を構成すると共に、前記ロータヨーク６の内側に内側磁石１２を配置し、該内側磁石１２の内側に所定のギャップをもって内側ステータコア１３と及び内側ステータコイル１４とからなる内側ステータコア・コイル集合体１５を配置して内側モータ部１６を構成している。

外側ステータコア８と内側ステータコア１３は、互いの相対位置を規定してフレーム２に組み付けるためのピン穴１７（図２参照）を備えている。この穴１７の位置を基準として巻線（図示せず）が施され、かつ組み立てることによって、外側ステータコイル９と内側ステータコイル１４に誘起する各相の誘起起電力の位相を一致させる。

外側ステータコイル９と内側ステータコイル１４の各相は直列に接続され、かつ外側磁石７の極数Ｐ１と、内側磁石１２の極数Ｐ２は同数に形成されている。

図３にロータヨーク６部分を拡大して示すように、外側磁石７の永久磁石１８の外周面をＮ極としたときに同じ位置の内側に位置する内側磁石１２の永久磁石１８の内周面をＳ極となるように配置し、外側磁石７の永久磁石１８の外周面をＳ極としたときに同じ位置の内側に位置する内側磁石１２の永久磁石１８の内周面をＮ極となるように配置している。

図４は外側磁石７及び内側磁石１２部分を拡大して示す説明図であり、（Ａ）は一部破断平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ方向矢視図、（Ｃ）は（Ａ）のＢ方向矢視図である。

図４（Ｂ），（Ｃ）に示すように、外側磁石７と内側磁石１２は、ラジアル異方性円筒型磁石であり、ロータヨーク６に接着固定された後で、着磁ヨークによって破線に示す様にスキュー着磁されている。

図４（Ｂ）に示すように、外側磁石７は、機械角θ１を２．５°スキューさせた１６極等配のラジアル異方性円筒型磁石であり、対向する外側ステータコア８の溝数ＮＳ１は１８としてある。

また、図４（Ｃ）に示すように、内側磁石１２は、機械角θ２を７．５°スキューさせた１６極等配のラジアル異方性円筒型磁石である。対向する内側ステータコア１３の溝数ＮＳ２は１２としてある。

スキュー角度２．５°と７．５°は、別途解析した結果得られたもので、コギングトルクが最小となる角度である。なお、実施例では、磁極数を１６極とし、溝数ＮＳ１は１８、溝数ＮＳ２は１２として示しているが、これは一例であり、磁極数や溝数は、上記実施例の数に限定されるものではない。また、図２において、ステータコイル９、１４は、図示を省略している。

ラジアル異方性円筒型磁石は、大口径のものは製造的制約によって得難く、膨張係数が磁石と鉄とで異なることに起因して使い難い一面を有しているため、磁石部の径寸法にてφ１５０ｍｍ程度以下の中口径のものに好適である。

各相のコイルは、外側ステータコイル９と内側ステータコイル１４とで直列に接続されているので外側ステータコイル９の誘起起電力と内側ステータコイル１４の誘起起電力とは加算される。

図５は第２実施例のブラシレスモータの要部を示す説明図である。この実施例においては、外側磁石７と内側磁石１２のそれぞれをスキュー着磁する代わりに、外側磁石７の永久磁石１８と内側磁石１２の永久磁石１８の位置を周方向にずらして配置した。これにより、外側磁石７と内側磁石１２を個々にスキュー着磁したのと略同等にコギングトルクの発生を抑制することができる。他の構成は第１実施例の場合と略同じであるので重複する説明は省略する。

図６は第３実施例のブラシレスモータの磁石部を示し、（Ａ）は一部破断平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ方向矢視図、（Ｃ）は（Ａ）のＢ方向矢視図である。

第３実施例において、外側磁石７には、セグメント状分割磁石が使用されている。第６図（Ａ）に示すように、外側磁石７は、多数のセグメント磁石２１と、これらセグメント磁石２１をロータヨーク６の外周に取り付ける磁石支持板（位置決め用積層補助部材）２２と、で構成されている。第６図（Ｂ）に示すように、外側磁石７は、回転軸心方向に複数段Ａ，Ｂ，Ｃに区画、分割され、各区画Ａ，Ｂ，Ｃのセグメント磁石２１は、スキュー配置されている。

磁石支持板２２は、冷間圧延鋼板や珪素鋼板などの鉄板状材料で作られていて、外面側（第６図（Ａ）の上面側）に磁石取付溝２３…２３を備え、内面側（第６図（Ａ）の下面側）には支持体位置決めピン挿入溝２４を備えている。磁石支持板２２は、磁石取付溝２３にセグメント磁石２１を挿入することにより、これらセグメント磁石２１を位置決めした状態で取り付け、かつ支持体位置決めピン挿入溝２４に挿入したピン２５により、位置決めされた状態でロータヨーク６に取り付けられる。

内側磁石１２は、ラジアル異方性円筒型磁石をスキュー着磁することにより形成されている。他の構成は第１〜２実施例の場合と同じであるので重複する説明は省略する。

図７は第４実施例のブラシレスモータの磁石部を示し、（Ａ）は一部破断平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ方向矢視図、（Ｃ）は（Ａ）のＢ方向矢視図である。

この実施例において、外側磁石７と内側磁石１２には共にセグメセグメント状分割磁石が使用されている。第７図（Ａ）に示すように、外側磁石７は、前記第３実施例と同様に形成されている。また、内側磁石１２は、多数のセグメント磁石２６と、これらセグメント磁石２６をロータヨーク６の内周に取り付ける磁石支持板（位置決め用積層補助部材）２７と、で構成されている。

第７図（Ｃ）に示すように、内側磁石１２は、回転軸心方向に複数段Ａ，Ｂ，Ｃに区画、分割され、各区画Ａ，Ｂ，Ｃのセグメント磁石２６は、スキュー配置されている。

磁石支持板２７は、冷間圧延鋼板や珪素鋼板などの鉄板状材料で作られていて、内面側（第７図（Ａ）の下面側）に磁石取付溝２８…２８を備え、外面側（第７図（Ａ）の上面側）には支持体位置決めピン挿入溝２９を備えている。

磁石支持板２７は、磁石取付溝２８にセグメント磁石２６を挿入することによりセグメント磁石２６を位置決めした状態で取り付け、かつ一端を前記磁石支持板２２の内面側に設けたピン挿入溝２４に挿入したピン２５の他端部を、前記内側磁石１２の磁石支持板２７の外面側に設けた支持体位置決めピン挿入溝２９に挿入することにより、ロータヨーク６の内周に位置決めした状態でロータヨーク６の内周に取り付けられて、外側磁石７と内側磁石１２の相対位置関係が決定される。他の構成は第１〜３実施例の場合と同じであるので重複する説明は省略する。この実施例は円筒型磁石を使用できない大口径のものに好適である。

セグメント磁石２６を階段状にスキュー配置する場合は、階段状のため理想的スキューとはいえず、コギング低減効果が不十分となることがある。この様なときには、磁石中央部のエアーギャップが狭く、磁石両端のエアーギャップが広くなるような磁石の形状としてコギングトルクを低減している。即ち、外側磁石７の外周面の曲率半径を小さくとり、内側磁石１２の内面の曲率半径を大きくしている。図６，図７において、外側磁石７のセグメント磁石２１を円弧状の凸面状に形成し、内側磁石１２のセグメント磁石２６を平板状に形成しているのはこのためである。

なお、外側磁石にセグメント磁石を使用する場合で、磁石をスキュー配置しない（θ１＝０°）の場合は、ロータヨーク６の外側面に直接機械加工によって磁石取付溝２３を設けることは容易であるから、図６，図７に示すような磁石支持板２２を用いずにロータヨーク６に直接、磁石取付溝２３を設けてもよい。内側磁石１２については、磁石支持板２７を介して配置する。

ロータヨークを鉄系材料による積層構造でなく一体構造で作ることにより機械剛性が高く、高トルクにも耐えられると共に精度確保も容易になる。また、外側磁石及び内側磁石を共に接着工法によってロータヨークに固定することにより、接着部の径寸法を下げずに接着面積を広く取れるので、高トルク化しても接着層に加わる応力を増大させることがない。従って、十分な強度を確保できる。

上記実施例においては、ブラシレスモータを例にとって説明したが、ジェネレータにも適用可能である。

１…ブラシレスモータ
２…ブラケット
３…フレーム
４…軸受
５…出力軸
６…ロータヨーク
７…外周側磁石
８…外側ステータコア
９…外側ステータコイル
１０…外側ステータコア・コイル集合体
１１…外側モータ部
１２…内周側磁石
１３…内側ステータコア
１４…内側ステータコイル
１５…内側ステータコア・コイル集合体
１６…内側モータ部
１７…ピン穴
１８…永久磁石
２１…セグメント磁石
２２…磁石支持板（位置決め用積層補助部材）
２３…磁石取付溝
２４…位置決めピン挿入溝
２５…位置決めピン
２６…セグメント磁石
２７…磁石支持板（位置決め用積層補助部材）
２８…磁石取付溝
２９…位置決めピン挿入溝

Claims (8)

1. フレームを取り付けたブラケットに軸受を介して回転自在に取り付けられた出力軸に円筒型のロータヨークを取り付け、該ロータヨークの外側に外側磁石を配置し、該外側磁石の外側に所定のギャップをもって外側ステータコアと外側ステータコイルからなる外側ステータコア・コイル集合体を配置するとともに、前記ロータヨークの内側には内側磁石を配置し、該内側磁石の内側に所定のギャップをもって内側ステータコアと内側ステータコイルからなる内側ステータコア・コイル集合体を配置したブラシレスモータにおいて、
   前記外側ステータコイルと前記内側ステータコイルの各相を直列に接続し、かつ前記外側磁石の永久磁石の極数と前記内側磁石の永久磁石の極数を同数にするとともに、前記外側磁石及び／又は前記内側磁石をスキューさせたことを特徴とするブラシレスモータ。
2. 前記外側ステータコアと前記内側ステータコアは、互いの相対位置を規定して前記フレームに組み付けるためのピン穴を備えていることを特徴とする請求項１に記載のブラシレスモータ。
3. 前記外側磁石と前記内側磁石は、互いの永久磁石の位置を周方向にずらして配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のブラシレスモータ。
4. 前記外側ステータコア・コイル集合体の溝数をＮＳ１とし、前記内側ステータコア・コイル集合体の溝数をＮＳ２としたとき、ＮＳ１≧ＮＳ２であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のブラシレスモータ。
5. 前記外側磁石のスキュー角をθ１とし、前記内側磁石のスキュー角をθ２としたとき、０°≦θ１≦θ２としたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のブラシレスモータ。
6. 前記外側磁石及び／又は前記内側磁石は、ラジアル異方性円筒型磁石又はセグメント状分割磁石であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のブラシレスモータ。
7. 前記セグメント状分割磁石は、多数のセグメント磁石と、これら多数のセグメント磁石を前記ロータヨークの周面に固定する磁石支持板と、からなり、前記磁石支持板は、前記セグメント磁石を位置決めして取り付ける磁石取付溝を備えていることを特徴とする請求項６に記載のブラシレスモータ。
8. フレームを取り付けたブラケットに軸受を介して回転自在に取り付けられた出力軸に円筒型のロータヨークを取り付け、該ロータヨークの外側に外側磁石を配置し、該外側磁石の外側に所定のギャップをもって外側ステータコアと外側ステータコイルからなる外側ステータコア・コイル集合体を配置するとともに、前記ロータヨークの内側には内側磁石を配置し、該内側磁石の内側に所定のギャップをもって内側ステータコアと内側ステータコイルからなる内側ステータコア・コイル集合体を配置したブラシレスモータにおいて、
   前記外側ステータコイルと内側ステータコイルの各相を直列に接続し、かつ前記外側磁石の極数と内側磁石の極数を同数にするとともに、前記外側磁石及び／又は前記内側磁石の永久磁石をスキューする代わりに前記外側磁石及び／又は前記内側磁石に対向する外側ステータコアをスキューしたことを特徴とするブラシレスモータ。

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