JP2012039836A - Ｄｃブラシレスモータ - Google Patents

Abstract

【課題】固定子側には回転磁界を発生する複数のコイルを周方向に配置し、回転子側には前記コイルとは異なるピッチで前記周方向に複数の磁石を配置して成るＤＣブラシレスモータにおいて、表皮効果を抑制する。
【解決手段】固定子２では、コイル２１を、帯状の導体を、その幅方向が軸方向と平行となるように巻回して成る空芯コイルで構成するとともに、そのコイル２１を、軟磁性の材料から成り、磁束を捕捉する挟持部２３１と、挟持部２３１から半径方向の内方側に延びる舌片部２３２とを備えて構成される一対のヨーク２３によって軸方向の両側から挟み込み、舌片部２３２間の磁束を横切るように回転子３の磁石３１を配置する。したがって、コイル２１内の発生磁束は、一対のヨーク２３の挟持部２３１によって、モータの軸方向、すなわち帯状の導体の幅方向に通り抜けるので、表皮効果を抑制することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、固定子側には回転磁界を発生する複数のコイルを周方向に配置し、回転子側には前記コイルとは異なるピッチで前記周方向に複数の磁石を配置して成るＤＣブラシレスモータに関する。

前記ＤＣブラシレスモータでは、固定子と回転子との位相に合わせて、界磁コイルの通電方向を正負変換する必要がある。その正負変換の周波数は、たとえば車載用モータの場合、数ｋＨｚから数十ｋＨｚとなる。このように界磁コイルの電流極性の変化が速いと、該界磁コイルの表皮効果が顕著になり、図７において参照符号α１で示すように、電気抵抗が増大し、モータの効率が低下する。そこで、特許文献１には、図８に示すように、界磁コイルＣ０を参照符号Ｃ１，Ｃ２で示すように、参照符号Ｂで示す磁場方向と垂直な面で２つに分割し、電気的に非接触に再組立てする方法を採っている。このような構成によって、突合せ面Ｃ３の面積だけコイルの表面積が増え、前記図Ａにおいて参照符号α２で示すように、前記表皮効果による抵抗の増大を抑えることができるようになっている。

特開平４−８７５４４号公報

上述の従来技術では、界磁コイルＣ０を分割することによって表皮効果を抑制しているけれども、表皮効果による抵抗の増加を充分に抑えているとは言えない。以下にその理由を詳述する。先ず、前記表皮効果は、導体中に発生する磁界の時間変化によって生じ、電流の流れに寄与することができる厚み（表皮深さ）ｄは、次式で表すことができる。

ｄ＝（ρ／πｆμ）^１／２ ・・・（１）
ここで、ρは導体の抵抗率、μは導体の透磁率、ｆは交番磁界の周波数である。

したがって、たとえば導体の抵抗率ρが２×１０^−８Ωｍ、導体の透磁率μが４π×１０^−７Ｈ／ｍ、周波数ｆが１０ｋＨｚの場合、ｄ＝０．７ｍｍとなる。したがって、導体の厚みをこの表皮深さｄ以下にすれば、前記表皮効果による電流の偏りは無くなり、抵抗の増加を防ぐことができる。

しかしながら、上述の従来技術における界磁コイルＣ０の磁束線図を示すと、図９のようになり、磁束線は界磁コイルＣ０内を、磁場方向Ｂに対して角度を持って貫いている。このような場合、上述のように表皮深さｄ以下の厚みを持つ帯状導体をフラットワイズに巻回しても、導体幅広面に対して磁束が貫くことになり、前記表皮効果による抵抗の増加を充分に抑えることができない。

本発明の目的は、表皮効果をより抑えることができるＤＣブラシレスモータを提供することである。

本発明のＤＣブラシレスモータは、固定子側には回転磁界を発生する複数のコイルを該固定子の周方向に配置し、回転子側には前記コイルとは異なるピッチで該回転子の周方向に複数の磁石を配置して成るＤＣブラシレスモータにおいて、前記コイルは、帯状の導体を、その幅方向が軸方向と平行となるように巻回された空芯コイルから成り、前記固定子には、前記コイルのそれぞれに、軟磁性の材料から成り、該コイルを前記軸方向の両側から挟み込み、磁束を捕捉する挟持部と、前記挟持部から半径方向の内方側または外方側に延びて磁束を引回する舌片部分と有する一対のヨークを備え、前記回転子では、前記磁石が前記舌片部間に配置されていることを特徴とする。

上記の構成によれば、固定子側には回転磁界を発生する複数のコイルを周方向に配置し、回転子側には前記コイルとは異なるピッチで前記周方向に複数の磁石を配置して成るＤＣブラシレスモータにおいて、前記コイルを、帯状の導体を、その幅方向が軸方向と平行となるようにフラットワイズに巻回されて成る空芯コイルで構成することで、コイルの表面積を増加しつつも、磁束に直交する面積を減少して、表皮効果による交流抵抗および渦電流による損失を抑制するにあたって、従来ではコイルの軸方向に磁石が配置されていたのに対して、本発明では、モータの半径方向の内方側または外方側に配置して、コイルの外側を通る磁束を遠回りさせて該磁石を通過させる。このため、その位置の磁石まで磁束を引回すために、前記固定子には、前記コイルのそれぞれに、磁束を通してヒステリシスが小さい軟磁性の材料から成るヨークを設ける。そして、そのヨークを、前記コイルを前記軸方向の両側から挟み込み、磁束を捕捉する挟持部と、前記挟持部から前記半径方向の内方側または外方側に延びる舌片部とを備えて構成し、その舌片部間に前記コイルの外側を通る磁束を迂回させ、その磁束を横切るように前記回転子の磁石を配置する。

したがって、コイル内で、その発生磁束は、軟磁性の材料から成る一対のヨークの挟持部によって、該モータの軸方向、すなわち帯状の導体の幅方向に通り抜け（取出され）るので、前記表皮効果を抑制することができる。また、回転子の磁石との間で引っ張り合う磁束は、該回転子の回転に伴って方向が変化しても、その磁束は前記ヨークの舌片部から延び、前記挟持部側のコイルとの間は方向が変化しないので、これによってもまた、前記表皮効果を抑制することができる。

また、本発明のＤＣブラシレスモータでは、前記帯状の導体の厚さは、該導体の透磁率および抵抗率、ならびに交番磁界の周波数から求められる表皮厚さ以下であることを特徴とする。

上記の構成によれば、コイルを構成する導体での表皮効果を略０にすることができる。

さらにまた、本発明のＤＣブラシレスモータでは、前記磁石を、前記コイルの外周側に配置したことを特徴とする。

上記の構成によれば、いわゆるアウターロータを構成し、発生トルクを増大することができる。

また、本発明のＤＣブラシレスモータでは、前記ヨークは、前記軟磁性の粉末を圧粉成型して成ることを特徴とする。

上記の構成によれば、粉末の密度によって磁気特性（透磁率）を調整することができ、また前記ヨークを所望の形状に容易に成型することができる。

好ましくは、前記軟磁性の粉末は、強磁性の金属粉末であり、純鉄粉、鉄基合金粉末（Ｆｅ−Ａｌ合金、Ｆｅ−Ｓｉ合金、センダスト、パーマロイ等）またはアモルファス粉末であることを特徴とする。

上記の構成によれば、一般に、金属材料は、透磁率が同一である場合に飽和磁束密度が大きいので、好適である。

本発明のＤＣブラシレスモータは、以上のように、固定子側には回転磁界を発生する複数のコイルを周方向に配置し、回転子側には前記コイルとは異なるピッチで前記周方向に複数の磁石を配置して成るＤＣブラシレスモータにおいて、前記コイルを、帯状の導体を、その幅方向が軸方向と平行となるように巻回して成る空芯コイルで構成するとともに、軟磁性の材料から成り、磁束を捕捉する挟持部と、前記挟持部から前記半径方向の内方側または外方側に延びる舌片部とを備えて構成されるヨークによって前記コイルを軸方向の両側から挟み込むことで、前記舌片部間に前記コイルの外側を通る磁束を迂回させ、その磁束を横切るように前記回転子の磁石を配置する。

それゆえ、コイル内で、その発生磁束は、前記一対のヨークの挟持部によって、モータの軸方向、すなわち帯状の導体の幅方向に通り抜け（取出され）るので、表皮効果を抑制することができる。また、回転子の磁石との間で引っ張り合う磁束は、該回転子の回転に伴って方向が変化しても、その磁束は前記ヨークの舌片部から延び、前記挟持部側のコイルとの間は方向が変化しないので、これによってもまた、前記表皮効果を抑制することができる。

本発明の実施の一形態に係るＤＣブラシレスモータの構造を模式的に示す軸直角断面図である。 図１で示すＤＣブラシレスモータの軸線方向断面図である。 図１で示すＤＣブラシレスモータにおける固定子の分解斜視図である。 図１で示すＤＣブラシレスモータにおける磁束線の経路を拡大して示す断面図である。 本発明の実施の他の形態に係るＤＣブラシレスモータの構造を模式的に示す軸直角断面図である。 図５で示すＤＣブラシレスモータの軸線方向断面図である。 本発明と従来技術との表皮効果の違いを説明するためのグラフである。 典型的な従来技術の界磁コイルの構造を示す斜視図である。 図８で示す界磁コイルによる磁束線の経路を拡大して示す断面図である。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の一形態に係るＤＣブラシレスモータ１の構造を模式的に示す軸直角断面図であり、図２は軸線方向断面図である。このＤＣブラシレスモータ１は、固定子２側には回転磁界（図１ではＵ，Ｖ，Ｗの３相交流による）を発生する複数（図１では１２個）のコイル２１を周方向に配置し、回転子３側には前記コイル２１とは異なるピッチで前記周方向に複数（図１では８個）の磁石３１を配置することで、前記３相交流の通電によって回転トルクを得るようにしたＤＣブラシレスモータである。

図３で示すように、前記コイル２１は、帯状の導体を、その幅方向が軸方向と平行となるようにフラットワイズに巻回されて成る空芯コイルで構成することで、コイルの表面積を増加しつつも、磁束に直交する面積を減少して、表皮効果による交流抵抗および渦電流による損失を抑制するようになっている。

前記導体の材質は、電気銅であるが、それ以外にも、アルミまたはその合金等を用いることができる。前記導体の厚みは、モータの要求性能にもよるが、例えば、１．０ｍｍ以下にすることができる。そして、前記コイル２１において、向い合うテープ面同士は、絶縁性の樹脂によって被覆されており、電気的に接触しないようにして、絶縁が確保されている。または、巻回時に、前記テープ面の間に、絶縁シートを挟み込むことで、前記絶縁を確保するようにしてもよい。或いは、１層の導体層に、１層の絶縁層を積層したものを巻回するようにして、前記絶縁を確保するようにしてもよい。

そして、固定子２は、非磁性のステンレスなどの材料から成り、前記コイル２１を収納する凹所２２１を備える環状の基材２２に、前記コイル２１が嵌め込まれ、そのコイル２１を軸方向の両側からヨーク２３で挟み込んで構成される。

前記回転子３は、軟鉄から成る回転軸３２に、軟鉄から成る回転体３３が固着され、その回転体３３の周方向に形成された凹所３３１に、軸（厚み）方向に着磁された永久磁石から成る前記磁石３１が、隣り合う磁石同士で磁極が相互に逆方向となるように嵌め込まれて構成される。そして、該回転子３は、前記回転体３３が前記環状の基材２２の収納孔２２２内に配置されるインナーロータである。なお、図２では、基材２２を省略している。

上述のように構成されるＤＣブラシレスモータ１において、注目すべきは、前記固定子２において、前記コイル２１のそれぞれに、軸方向の両側から挟み込むヨーク２３を設け、そのヨーク２３を、前記コイル２１を前記軸方向の両側から挟み込み、磁束を捕捉する挟持部２３１と、前記挟持部２３１から前記半径方向の内方側に延びる舌片部２３２とを備えて構成し、図２および図４で拡大して示すように、その舌片部２３２間に前記コイル２１の外側を通る磁束を迂回させ、その磁束を横切るようにインナーロータの磁石３１を配置することである。

前記ヨーク２３は、磁束を通してヒステリシスが小さい軟磁性の材料から成る。具体的には、軟磁性の粉末を圧粉成型して成る。これによって、粉末の密度によって磁気特性（透磁率）を調整することができ、また前記ヨーク２３を所望の形状に容易に成型することができる。さらに、前記軟磁性の粉末は、強磁性の金属粉末であり、純鉄粉、鉄基合金粉末（Ｆｅ−Ａｌ合金、Ｆｅ−Ｓｉ合金、センダスト、パーマロイ等）またはアモルファス粉末、或いは表面にリン酸系化成皮膜などの電気絶縁皮膜が形成された鉄粉等から成る。これらの軟磁性粉末は、たとえばアトマイズ法等によって製造することができる。一般に、透磁率が同一である場合に飽和磁束密度が大きいので、この軟磁性粉末には、前記の中でも、純鉄粉、鉄基合金粉末およびアモルファス粉末等の金属材料であることが好ましい。

このように構成することで、コイル２１内で発生した磁束は、図４で示すように、前記軟磁性の材料から成る一対のヨーク２３の挟持部２３１によって、該モータ１の軸方向、すなわち帯状の導体の幅方向に通り抜け（取出され）るので、図９で示す従来技術と比較して、表皮効果をより抑制可能であることが理解される。また、回転子３の磁石３１との間で引っ張り合う磁束は、該回転子３の回転に伴って方向が変化しても、その磁束は前記ヨーク２３の舌片部２３２から延び、前記挟持部２３１側のコイル２１との間は方向が変化しないので、これによってもまた、前記表皮効果を抑制することができる。その抑制効果を示すと、たとえば前述の図７において、参照符号α３で示すようになる。

さらに、前記帯状の導体の厚さは、該導体の透磁率をμおよび抵抗率をρ、ならびに交番磁界の周波数をｆとするとき、前述の式１から求められる表皮厚さｄ以下とされる。これによって、コイル２１を構成する導体での表皮効果を略０にすることができる。

また、好ましくは、前記一対のヨーク２３において、空芯のコイル２１の内周端における間隔Ｌ１と、外周端における間隔Ｌ２との差（Ｌ１−Ｌ２）を平均間隔Ｌ０で除算した値を平行度と定義した場合に、（Ｌ１−Ｌ２）／Ｌ０の絶対値が１／５０以下となるように、該ヨーク２３の成型および基材２２への取付けが行われる。このように構成することで、コイル２１の内部を通る磁束線を、軸方向、すなわち導体の幅方向に略平行とすることができる。よって、空芯のコイル２１の内部を通る磁束線が軸方向に平行でないことにより渦電流損が増大してインダクタンスが小さくなるのを防止または抑制することができる。

なお、ヨーク２３の先端（舌片部２３２）側と、磁石３１との間隔は、小さい方がトルクが大きくなり、好ましい。しかしながら、組立て精度の限界があるので、０．５〜１．０ｍｍ程度とすることが望ましい。

（実施の形態２）
図５は本発明の実施の他の形態に係るＤＣブラシレスモータ１ａの構造を模式的に示す軸直角断面図であり、図６は軸線方向断面図である。このＤＣブラシレスモータ１ａは、前述のＤＣブラシレスモータ１に類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。注目すべきは、このＤＣブラシレスモータ１ａでは、回転子３ａの磁石３１が、固定子２ａのコイル２１の外周側に配置されていることである。したがって、ヨーク２３ａの舌片部２３ｂは、挟持部２３１から半径方向の外方側に延びて形成される。すなわち、このＤＣブラシレスモータ１ａでは、回転子３ａは、いわゆるアウターロータを構成し、発生トルクを増大することができる。そして、インホイールモータとして使用することもできる。

１，１ａ ＤＣブラシレスモータ
２，２ａ 固定子
３，３ａ 回転子
２１ コイル
２２ 基材
２２１ 凹所
２２２ 収納孔
２３，２３ａ ヨーク
２３１ 挟持部
２３２ 舌片部
３１ 磁石
３２ 回転軸
３３ 回転体
３３１ 凹所

Claims (4)

1. 固定子側には回転磁界を発生する複数のコイルを該固定子の周方向に配置し、回転子側には前記コイルとは異なるピッチで該回転子の周方向に複数の磁石を配置して成るＤＣブラシレスモータにおいて、
   前記コイルは、帯状の導体を、その幅方向が軸方向と平行となるように巻回された空芯コイルから成り、
   前記固定子には、前記コイルのそれぞれに、軟磁性の材料から成り、該コイルを前記軸方向の両側から挟み込み、磁束を捕捉する挟持部と、前記挟持部から半径方向の内方側または外方側に延びて磁束を引回する舌片部分と有する一対のヨークを備え、
   前記回転子では、前記磁石が前記舌片部間に配置されていることを特徴とするＤＣブラシレスモータ。
2. 前記帯状の導体の厚さは、該導体の透磁率および抵抗率、ならびに交番磁界の周波数から求められる表皮厚さ以下であることを特徴とするＤＣブラシレスモータ。
3. 前記磁石を、前記コイルの外周側に配置したことを特徴とする請求項１または２記載のＤＣブラシレスモータ。
4. 前記ヨークは、前記軟磁性の粉末を圧粉成型して成ることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のＤＣブラシレスモータ。

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