JP2017225250A - 三相ブラシレスモータ - Google Patents

Abstract

【課題】 放熱性や設計上の自由度を向上する。【解決手段】 軸方向に並ぶ第１〜第３のステータ１０，２０，３０と、これらステータに対して回転するロータ４０と、該ロータ４０に一体的に設けられたドライブシャフト５０と、前記ステータとの磁気作用により回転力を発生するようにロータ４０に固定された磁石６０とを備え、第１〜第３のステータ１０，２０，３０は、それぞれ、鉄心部２と該鉄心部２に巻かれた巻線３とから磁極部１０ｕ，２０ｖ，３０ｗを構成しており、第１のステータ１０の磁極部１０ｕは、Ｕ相用として設けられ、第２のステータ２０の磁極部２０ｖは、第１のステータ１０の前記Ｕ相用の磁極部１０ｕに対し所定角度ずれた位置にＶ相用として設けられ、第３のステータ３０の磁極部３０ｗは、第２のステータ２０の前記Ｖ相用の磁極部２０ｖに対し所定角度ずれた位置にＷ相用として設けられている。【選択図】 図２

Description

本発明は、例えば、小型電動航空機や無線操縦式模型飛行機などの原動機として好適な三相ブラシレスモータに関するものである。

従来、この種の発明には、例えば、特許文献１に記載されるもののように、ステータ（１４）と、該ステータの周囲で回転するように支持されたロータ（１２）と、該ロータの内周面に固定された複数の磁石（２６）とを備えたアウターロータタイプの三相ブラシレスモータがある。
この三相ブラシレスモータにおいて、ステータ（１４）は、円盤状のベース部（３２）と、このベース部（３２）の外周に間隔を置いて並べられた複数のティース（３４）と、各ティース（３４）に巻回されたコイル（４０）とを備える。そして、ティース（３４）及びコイル（４０）は、Ｕ相に対応する第１磁極部（４２Ｕ）と、Ｖ相に対応する第２磁極部（４２Ｖ）と、Ｗ相に対応する第３磁極部（４２Ｗ）とを構成しており、同一円周上に複数組設けられ、複数スロットのステータ（１４）を構成している。なお、前記括弧内の数値は、特許文献１における符号を示す。

特開２０１５−７０７００号公報

ところで、上記従来技術によれば、コギングトルク低減等のためにスロット数を多くすると、隣接するティース間のスペースが少なくなる。このため、通電時にティース間に熱がこもり、放熱性能が低下したり、このことに起因してモータ効率が低下したりする場合がある。
また、例えば、巻数を増やしてトルクを増大するために、各ティースに緻密に巻線を巻回しようとした場合には、ティース間のスペースが小さいために自動巻線機が使えず、手巻き作業になってしまう場合がある。
また、各巻線を太くするとともに巻数を減らして回転数を上げる場合にも、ティース間スペースの制約を受ける場合がある。

このような課題に鑑みて、本発明は、以下の構成を具備するものである。
軸方向に並ぶ第１〜第３のステータと、これらステータに対して回転するロータと、該ロータに一体的に設けられたドライブシャフトと、前記ステータとの磁気作用により回転力を発生するように前記ロータに固定された磁石とを備え、第１〜第３のステータは、それぞれ、鉄心部と該鉄心部に巻かれた巻線とから磁極部を構成しており、第１のステータの前記磁極部は、Ｕ相用として設けられ、第２のステータの前記磁極部は、第１のステータの前記Ｕ相用の磁極部に対し所定角度ずれた位置にＶ相用として設けられ、第３のステータの前記磁極部は、第２のステータの前記Ｖ相用の磁極部に対し所定角度ずれた位置にＷ相用として設けられていることを特徴とする三相ブラシレスモータ。

本発明は、以上説明したように構成されているので、放熱性や設計上の自由度を向上することができる。

本発明に係る三相ブラシレスモータの一例を示す縦断面図である。 図１の（II）-（II）線に沿う断面図である。 第１のステータの一例を軸方向の一方側から視た図である。 第２のステータの一例を軸方向の一方側から視た図である。 第３のステータの一例を軸方向の一方側から視た図である。 第１のステータの他例を軸方向の一方側から視た図である。 第２のステータの他例を軸方向の一方側から視た図である。 第３のステータの他例を軸方向の一方側から視た図である。 ステータの他例を軸方向の一方側から視た図である。

本実施の形態の第１の特徴は、軸方向に並ぶ第１〜第３のステータと、これらステータに対して回転するロータと、該ロータに一体的に設けられたドライブシャフトと、前記ステータとの磁気作用により回転力を発生するように前記ロータに固定された磁石とを備え、第１〜第３のステータは、それぞれ、鉄心部と該鉄心部に巻かれた巻線とから磁極部を構成しており、第１のステータの前記磁極部は、Ｕ相用として設けられ、第２のステータの前記磁極部は、第１のステータの前記Ｕ相用の磁極部に対し所定角度ずれた位置にＶ相用として設けられ、第３のステータの前記磁極部は、第２のステータの前記Ｖ相用の磁極部に対し所定角度ずれた位置にＷ相用として設けられている（図１〜図９参照）。

第２の特徴は、具体的な好ましい態様として、第１のステータの前記Ｕ相用の磁極部と、第２のステータの前記Ｖ相用の磁極部と、第３のステータの前記Ｗ相用の磁極部とを、それぞれ、複数且つ同数であって同間隔に設け、これら全ての磁極部の数をＮとし、前記Ｕ相用の磁極部に対する前記Ｖ相用の磁極部のずれ角度と、前記Ｖ相用の磁極部に対する前記Ｗ相用の磁極部のずれ角度とを、それぞれ、３６０／Ｎ度とした。

第３の特徴は、特に好ましい態様として、前記ロータ及び前記磁石を第１〜第３のステータの周囲に配置して、アウターロータ型モータを構成している。

第４の特徴は、良好な支持構造を得るために、前記ロータが有底筒状に形成され、このロータの中心部に前記ドライブシャフトが固定され、前記ドライブシャフトの外周には該ドライブシャフトを回転自在に挿通する支持筒が設けられ、前記支持筒の外周部には前記第１〜第３のステータが固定されている。

第５の特徴は、各ステータを容易に固定するために、第１〜第３のステータの各々は、筒状基部の外周面から前記鉄心部を径外方向へ突出しており、前記筒状基部の内周面と前記支持筒の外周面は、同形状の角筒状に形成され嵌り合っている（図６〜図９参照）。

第６の特徴は、各ステータの周方向の位置決めを容易にするために、前記筒状基部の周壁には、軸方向に沿う貫通孔が設けられ、これら貫通孔は、第１〜第３のステータの全ての磁極部と同数設けられ、周方向において等間隔に位置している。

＜具体的実施態様＞
次に、上記特徴を有する具体的な実施態様について、図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明に係る三相ブラシレスモータの一例を示す。

この三相ブラシレスモータＡは、軸方向に並ぶ第１〜第３のステータ１０，２０，３０と、これらステータの周囲で回転するように支持されたロータ４０と、該ロータ４０に一体的に設けられたドライブシャフト５０と、ロータ４０の内周面に固定された磁石６０と、ドライブシャフト５０を回転自在に挿通して第１〜第３のステータ１０，２０，３０を支持する支持筒７０とを備え、第１〜第３のステータ１０，２０，３０と磁石６０との間の磁気作用によって周囲のロータ４０を回転させるアウターロータ型モータを構成している。

第１のステータ１０は、複数の薄板状の磁性体（例えば、ケイ素鋼板等）を、その相互間を絶縁するとともに軸方向に積層してり、円筒状の筒状基部１（図３参照）と、該筒状基部１から径外方向（言い換えれば遠心方向）へ突出する鉄心部２と、該鉄心部２に巻かれた巻線３とを一体に具備している。

筒状基部１は、その周壁部に、軸方向の貫通孔１ａを複数有する円筒状に形成される（図３参照）。これら貫通孔１ａは、後述するずれ角度α毎（図４参照）に設けられ、図示例によれば、３０度毎に１２個設けられる。

鉄心部２は、径外方向の突端側を周方向へ拡幅したＴ字状に形成されており、ティースと呼称される場合もある。この鉄心部２は、周方向に所定間隔を置いて複数設けられ、図示例によれば一定間隔を置いて４つ配設される。

巻線３は、外周面を絶縁材により被覆した金属電線であり、鉄心部２毎に所定回数巻かれている。
この巻線３は、周方向に間隔を置いた複数の鉄心部２にそれぞれ設けられ、これら複数（図示例によれば４つ）の巻線３は、連続している。すなわち、何れかの鉄心部２に巻かれた巻線３は、周方向に隣接する他の鉄心部２に巻かれた巻線３に電気的に接続され、連続している。

第２のステータ２０と第３のステータ３０も、第１のステータ１０と同様に、筒状基部１、鉄心部２及び巻線３によって構成される（図４〜図５参照）。

第１のステータ１０には、各鉄心部２と、該鉄心部２に巻かれた巻線３とによってＵ相用の磁極部１０ｕが構成される（図３参照）。この磁極部１０ｕは、周方向に所定間隔を置いて複数設けられ、図示例によれば角度９０度間隔を置いて４つ設けられる。
そして、第１のステータ１０は、支持筒７０の外周部に環状に装着され回転不能に固定される。
この第１のステータ１０の巻線３は、リード線３ｕによって外部の三相電源（インバータ回路）のＲ相に接続される（図１参照）。

同様にして、第２のステータ２０には、Ｖ相用の複数の磁極部２０ｖが構成される。
第２のステータ２０は、Ｖ相用の各磁極部２０ｖを、第１のステータ１０のＵ相用の磁極部１０ｕに対し所定角度αずらして配置し（図２及び図４参照）、支持筒７０の外周面に回転不能に固定されている。図示例によれば、ずれ角度αは３０度である。
この第２のステータ２０の巻線３は、リード線３ｖによって前記三相電源のＳ相に接続される（図１参照）。

同様にして、第３のステータ３０には、Ｗ相用の複数の磁極部３０ｗが構成される。
第３のステータ３０は、Ｗ相用の各磁極部３０ｗを、第２のステータ２０の磁極部２０ｖに対し、さらに所定角度αずらして配置し（図２及び図５参照）、支持筒７０の外周面に回転不能に固定されている。
第３のステータ３０の巻線３は、リード線３ｗによって前記三相電源のＴ相に接続される（図１参照）。

すなわち、第１のステータ１０のＵ相用の磁極部１０ｕと、第２のステータ２０のＶ相用の磁極部２０ｖと、第３のステータ３０のＷ相用の磁極部３０ｗとは、それぞれ、複数且つ同数（図示例によれば４つ）であって同間隔（図示例によれば９０度間隔）に設けられる。そして、これら全ての磁極部１０ｕ，２０ｖ，３０ｗの数をＮとすると、Ｕ相用の磁極部１０ｕに対するＶ相用の磁極部２０ｖのずれ角度αと、Ｖ相用の磁極部２０ｖに対するＷ相用の磁極部３０ｗのずれ角度αとを、何れも、３６０／Ｎ度（図示例によれば３０度）としている。
したがって、当該三相ブラシレスモータＡは、図２に示すように、Ｎスロット（図示例によれば１２スロット）の三相ブラシレスモータとみなすことができ、各相の巻線が対応する電源の相に接続される。

第１のステータ１０に対し、第２のステータ２０と第３のステータ３０をずれた位置で位置決めする作業には、各ステータの複数の貫通孔１ａが用いられる。
すなわち、第１〜第３のステータ１０，２０，３０において、全ての貫通孔１ａは、全ての磁極部１０ｕ，２０ｖ，３０ｗと同数設けられ、周方向において等間隔に配設されている。
したがって、第１のステータ１０に対し、第２のステータ２０を角度αずらし、さらに第２のステータ２０に対し第３のステータ３０を角度αずらした状態で、これら三つのステータに連通する貫通孔１ａに軸状の治具等を挿入して、位置合わせすることができる。

ロータ４０は、第１〜第３のステータ１０，２０，３０の周囲を覆うようにして配置された有底円筒状の部材であり、磁性材料によって形成されている（図１参照）。
このロータ４０の底壁（図１によれば右側壁）の内面には、その中心部に、ブラケット５４等を介してドライブシャフト５０が回転不能に固定されている。
また、ロータ４０の開口部側（図１によれば左端側）は、円環状のブラケット５２及びベアリング５３を介して、支持筒７０の外周面に回転自在に支持されている。

ドライブシャフト５０は、ロータ４０の中心部に位置するようにしてその一端側がロータ４０の底部に固定され、他端側をロータ４０の開口部から軸方向へ突出させている。
このドライブシャフト５０は、ロータ４０内にて、支持筒７０内に貫通状に挿通され、支持筒７０内周側の複数のベアリング５１，５２を介して回転自在に支持されている。

磁石６０は、第１〜第３のステータ１０，２０，３０の外周面から所定のエアギャップを置くようにして、ロータ４０の内周面に固定されている。
この磁石６０は、図２に示すように、全ての磁極部１０ｕ，２０ｖ，３０ｗの数よりも多く、周方向に所定間隔を置いて複数（図示例によれば１４個）設けられる。
各磁石６０は、ロータ４０径内方向側を一方の磁極（例えばＮ極）とし、径外方向側を他方の磁極（例えばＳ極）とした永久磁石であり、軸方向において第１〜第３のステータ１０，２０，３０に跨るように長尺状に設けられる（図１参照）。
そして、周方向に隣接する二つの磁石６０，６０は、その一方の磁石６０の内面の磁極と、その他方の磁石６０の内面の磁極とが逆になるように配置される。すなわち、複数の磁石６０は、その内面において、周方向にＮ極とＳ極が交互に並ぶように配置される。

また、支持筒７０は、略円筒状の部材であり、その一端側に、第１〜第３のステータ１０，２０，３０を固定した小径円筒状の筒部７１を有し、他端側には、筒部７１に対し拡径されてベアリング５３を支持する拡径部７２を有する。

よって、上記構成の三相ブラシレスモータＡによれば、ステータ毎（例えば第１のステータ１０毎）における複数の磁極部（例えば磁極部１０ｕ）を周方向に比較的広い間隔（図示例によれば９０度間隔）を置いて配置することができる。言い換えれば、各ステータにおいて、周方向に隣接する磁極部の間隔を比較的広くすることができる。
このため、周方向に隣接する磁極部間の隙間が小さくなり、熱がこもり、放熱性が低下したり、この発熱に起因してモータ効率が低下したりするのを防ぐことができる。
さらに、周方向に隣接する鉄心部２，２の間が比較的広いため、巻線３の巻き数を増やす場合にも、手巻き作業を要せず、自動巻線機を用いた作業とすることができる。
また、各巻線３を太くするとともにその巻数を減らして回転数を上げる場合にも、隣接する鉄心部２，２間のスペース的な制約を受け難い。
したがって、巻線３の巻き数や太さ、スロット数等について、設計上の自由度を向上することできる。

なお、上記実施態様によれば、各ステータを構成する筒状基部１の内周孔を円筒状に形成したが、他例としては、上述した第１〜第３のステータ１０，２０，３０を、図６〜図８に示す第１〜第３のステータ１０’，２０’，３０’に置換してもよい。
第１〜第３のステータ１０’，２０’，３０’では、筒状基部１の内周孔１ｂ及び支持筒７０の外周面（図示せず）を同形状の角筒状（例えば六角筒状）に形成している。
第１のステータ１０’と第３のステータ３０’は、同一構成のものを、所定角度ずらして用いる。また、第２のステータ２０’は、第１のステータ１０’に対し、内周孔１ｂを角度α回転させたものである。
よって、第１〜第３のステータ１０’，２０’，３０’を用いて三相ブラシレスモータＡを構成すれば、第１のステータ１０’に対し、第２のステータ２０’と第３のステータ３０’の角度をずらす際の位置決め作業を容易にすることができる。

また、他例としては、上述した第１〜第３のステータ１０，２０，３０を、それぞれ、図９に示すステータ１０”に置換してもよい。
ステータ１０”は、第１のステータ１０に対し、筒状基部１の内周孔１ｃをＮ角形の各孔とし、前記Ｎを三つのステータにおける全ての磁極部の数（図示例によれば１２個）としたものである。この内周孔１ｃに挿入される支持筒７０も、その外周面を内周孔１ｃと同形状にしている。
よって、図９に示すステータ１０”を用いて三相ブラシレスモータＡを構成すれば、同構成の３つのステータ１０”を、角度をずらして支持筒７０に嵌め合せればよく、当該三相ブラシレスモータＡの生産性を向上することができる。

なお、上記実施態様によれば、磁極部１０ｕを有する第１のステータ１０と、磁極部２０ｖを有する第２のステータ２０と、磁極部３０ｗを有する第３のステータ３０を順番に軸方向に並べたが、他例としては、これらの順序を変えた態様とすることも可能である。
すなわち、軸方向の一端側に磁極部１０ｕを有する第１のステータ１０を配置し、その他端側に磁極部２０ｖを有する第２のステータ２０を配置し、これらの間に磁極部３０ｗを有する第３のステータ３０を配置するようにすることも可能である。

また、本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を変更しない範囲で適宜変更可能である。

１：筒状基部
２：鉄心部
３：巻線
１０，１０’，１０”：第１のステータ
１０ｕ：磁極部
２０，２０”：第２のステータ
２０ｖ：磁極部
３０，３０’：第３のステータ
４０：ロータ
５０：ドライブシャフト
６０：磁石
７０：支持筒

Claims (6)

1. 軸方向に並ぶ第１〜第３のステータと、これらステータに対して回転するロータと、該ロータに一体的に設けられたドライブシャフトと、前記ステータとの磁気作用により回転力を発生するように前記ロータに固定された磁石とを備え、
   第１〜第３のステータは、それぞれ、鉄心部と該鉄心部に巻かれた巻線とから磁極部を構成しており、
   第１のステータの前記磁極部は、Ｕ相用として設けられ、
   第２のステータの前記磁極部は、第１のステータの前記Ｕ相用の磁極部に対し所定角度ずれた位置にＶ相用として設けられ、
   第３のステータの前記磁極部は、第２のステータの前記Ｖ相用の磁極部に対し所定角度ずれた位置にＷ相用として設けられていることを特徴とする三相ブラシレスモータ。
2. 第１のステータの前記Ｕ相用の磁極部と、第２のステータの前記Ｖ相用の磁極部と、第３のステータの前記Ｗ相用の磁極部とを、それぞれ、複数且つ同数であって同間隔に設け、これら全ての磁極部の数をＮとし、前記Ｕ相用の磁極部に対する前記Ｖ相用の磁極部のずれ角度と、前記Ｖ相用の磁極部に対する前記Ｗ相用の磁極部のずれ角度とを、それぞれ、３６０／Ｎ度としたことを特徴とする請求項１記載の三相ブラシレスモータ。
3. 前記ロータ及び前記磁石を第１〜第３のステータの周囲に配置して、アウターロータ型モータを構成していることを特徴とする請求項１又は２記載の三相ブラシレスモータ。
4. 前記ロータが有底筒状に形成され、このロータの中心部に前記ドライブシャフトが固定され、前記ドライブシャフトの外周には該ドライブシャフトを回転自在に挿通する支持筒が設けられ、前記支持筒の外周部には前記第１〜第３のステータが固定されていることを特徴とする請求項１〜３何れか１項記載の三相ブラシレスモータ。
5. 第１〜第３のステータの各々は、筒状基部の外周面から前記鉄心部を径外方向へ突出しており、
   前記筒状基部の内周面と前記支持筒の外周面は、同形状の角筒状に形成され嵌り合っていることを特徴とする請求項４記載の三相ブラシレスモータ。
6. 前記筒状基部の周壁には、軸方向に沿う貫通孔が設けられ、
   これら貫通孔は、第１〜第３のステータの全ての磁極部と同数設けられ、周方向において等間隔に位置していることを特徴とする請求項５記載の三相ブラシレスモータ。

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