JP2021164261A - ブラシレスモータ - Google Patents

Abstract

【課題】コイルから発せられる熱が効率良く放熱されるブラシレスモータを実現する。【解決手段】ブラシレスモータ１が備えるステータ２０は、複数のティース２１と、それぞれのティース２１の周囲に設けられたインシュレータ４０と、それぞれのインシュレータ４０に巻かれた導線によって形成されるコイル２２と、を有する。インシュレータ４０は、ティース２１を取り囲む環状部４１と、互いに対向する内側フランジ４２及び外側フランジ４３と、を有する。環状部４１の外周面は、フランジ４２，４３に対して垂直な平面と、フランジ４２，４３に対して傾斜した斜面と、を含む。前記斜面は、環状部４１の長手方向一側に設けられ、かつ、外側フランジ４３から内側フランジ４２に向かって次第に迫り上がるように傾斜している。【選択図】図１

Description

本発明は、ブラシレスモータに関するものであって、特にステータの構造に関する。

ブラシレスモータは、ロータ及びステータを有し、ステータには複数のコイルが設けられている。ステータは、ロータの回転方向に沿って一定間隔で並ぶ複数のティースを備えている。コイルは、それぞれのティースに巻かれた導線によって形成されている。

ここで、ティースと当該ティースの周囲に巻かれている導線（コイル）との間に、樹脂部材が配置されることがある。樹脂部材は、ティースを取り囲むように当該ティースに装着される。この場合、コイルを形成する導線は、ティースに装着されている樹脂部材に巻かれる。

コイルを形成する導線の太さや、それぞれのティースに対する導線の巻き付け回数（コイルの巻き数）は、求められるモータの性能や特性等に応じて適宜決定される。例えば、それぞれのティースに対して導線が２０回〜４０回巻き付けられる。この結果、各コイルの断面内では、複数本の導線が層状に重なっている。そして、最外層の複数本の導線によってコイルの外周面が形成され、最内層の複数本の導線によってコイルの内周面が形成される。

それぞれのコイルは、ブラシレスモータの作動時に発熱する。しかし、コイルとステータ（ティース）との間に樹脂部材が介在している場合、コイルから発せられた熱がステータに伝わることはなく、伝わったとしてもその量は僅かである。このため、コイルから発せられた熱の大部分は、ロータやステータを収容している金属製のケースに伝わる。つまり、コイルから発せられた熱は、ロータやステータを収容している金属製のケースを介して空気中に放熱される。もっとも、それぞれのコイルとケースとは密着しておらず、両者の間には空隙が存在している。つまり、コイルから発せられた熱は、空気層を介してケースに伝えられる。

特開２０１０−５７２７７号公報

ティースに装着されている樹脂部材に導線を巻いてコイルを形成する際には、形成されたコイルが隣接する他のコイルと干渉しないようにする必要がある。一方、上記のとおり、コイルを形成する導線の太さや導線の巻き付け回数（コイルの巻き数）は、求められるモータの性能や特性等に応じて決定される。つまり、ティースに装着されている樹脂部材に導線を巻いてコイルを形成する際には、隣接するコイル同士の干渉を回避しつつ、所定の太さの導線を所定の回数だけ樹脂部材に巻き付ける必要がある。この結果、従来のブラシレスモータでは、それぞれのコイルの内周面は平坦である一方、外周面は平坦ではなかった。具体的には、それぞれのコイルの外周面に、内周面に対して平行又は略平行な領域と、内周面にして傾斜した領域と、が含まれていた。つまり、従来のブラシレスモータでは、それぞれのコイルの外周面の一部を内周面側に後退させることによって（それぞれのコイルの外周面の一部を低くすることによって、）、隣接するコイル同士の干渉が回避され、かつ、所定の巻き付け回数が維持されていた。

しかし、コイルの外周面が部分的に傾斜していると、コイルの外周面とケースの内面との間の空隙が一定にならない。このため、コイルからケースへの熱伝導が不均一となり、コイルから発せられた熱が効率良く放熱されなかった。

尚、コイルを形成している導線の断面は円形又は略円形である。よって、コイルの表面（内周面及び外周面を含む。）には、導線の断面形状に起因する僅かな凹凸が存在する。しかし、本明細書中でコイルの表面について言及する際には、原則として、導線の断面形状に起因するコイル表面の僅かな凹凸は捨象する。

本発明の目的は、コイルから発せられる熱が効率良く放熱されるブラシレスモータを実現することである。

本発明のブラシレスモータは、ロータ及びステータを備える。前記ステータは、前記ロータの回転方向に沿って並ぶ複数のティースと、それぞれの前記ティースの周囲に設けられた樹脂部材と、それぞれの前記樹脂部材に巻かれた導線によって形成されるコイルと、を有する。前記樹脂部材は、前記ティースを取り囲む環状部と、前記環状部の一方の周縁に形成された第１フランジ部と、前記環状部の他方の周縁に形成され、前記第１フランジ部と対向する第２フランジ部と、を有する。前記環状部の外周面は、前記第１フランジ部及び前記第２フランジ部に対して垂直な平面と、前記第１フランジ部及び前記第２フランジ部に対して傾斜した斜面と、を含む。前記斜面は、前記環状部の長手方向一側に設けられ、かつ、前記第１フランジ部から前記第２フランジ部に向かって次第に迫り上がるように傾斜している。

本発明の一態様では、前記斜面の裏側にリブが形成される。

本発明によれば、コイルから発せられる熱が効率良く放熱されるブラシレスモータが実現される。

ブラシレスモータの縦断面図である。 ブラシレスモータの横断面図である。 インシュレータの斜視図である。 導線が巻かれたインシュレータの斜視図である。 インシュレータの環状部の外周面の面構成を示す説明図である。 インシュレータの全体構成を示す説明図である。 インシュレータの部分拡大断面図である。 コイルの上部を示す部分拡大断面図である。 インシュレータの変形例を示す斜視図である。

以下、本発明が適用されたブラシレスモータの一例について図面を参照しながら詳細に説明する。本実施形態に係るブラシレスモータは、回転位置や回転速度等を制御可能なサーボモータであり、例えば、ロボットアームの駆動源として用いられる。

図１，図２に示されるように、本実施形態に係るブラシレスモータ１は、ロータ１０，ステータ２０及びこれらを収容するケース３０を有する。図１に示されるように、ケース３０は、金属製の第１ケース３１と、金属製の第２ケース３２と、から構成されており、ロータ１０及びステータ２０の大部分は第２ケース３２に収容されている。

出力軸１１がロータ１０の中心に挿通されている。出力軸１１はロータ１０に固定されており、かつ、ケース３０によって回転自在に支持されている。具体的には、出力軸１１の一端側は、第１ケース３１に設けられている軸受１２によって回転自在に支持され、出力軸１１の他端側は、第２ケース３２に設けられている軸受１３によって回転自在に支持されている。以下の説明では、出力軸１１の長手方向を上下方向と定義する。さらに、軸受１２によって支持されている出力軸１１の一端側を「下方」と定義し、軸受１３によって支持されている出力軸１１の他端側を「上方」と定義する。そこで、以下の説明では、第１ケース３１を「下ケース３１」と呼び、第２ケース３２を「上ケース３２」と呼ぶ場合がある。尚、図１に示されているケース３０の上下方向の寸法（高さ）は約１５０ｍｍであり、左右方向の寸法（外径）は約５０ｍｍである。

下ケース３１は、円形の底板３１ａと、底板３１ａの縁に設けられた周壁３１ｂと、を有し、全体として円筒形の外観を呈する。上ケース３２は、円形の天井板３２ａと、天井板３２ａの縁に設けられた周壁３２ｂと、を有し、全体として円筒形の外観を呈する。下ケース３１の周壁３１ｂの上部と上ケース３２の周壁３２ｂの下部とが互いに嵌め合わされている。出力軸１１の上端は、上ケース３２の天井板３２ａを貫通してケース３０の上方に突出しており、出力軸１１の下端は、下ケース３１の底板３１ａを貫通してケース３０の下方に突出している。

主に図２に示されるように、ロータ１０には複数の磁石１４が設けられている。本実施形態では、１２個の磁石１４がロータ１０の回転方向に沿ってＮ極とＳ極とが交互に現れるように並べられている。図１，図２に示されるように、ロータ１０の外側に当該ロータ１０を取り囲むようにステータ２０が配置されている。言い換えれば、ロータ１０はステータ２０の内側に配置されている。つまり、本実施形態に係るブラシレスモータ１は、インナーロータ型である。

図２に示されるように、ステータ２０は、ロータ１０の回転方向に沿って所定間隔で並ぶ複数のティース２１を有している。本実施形態におけるステータ２０は１２本のティース２１を有しており、それぞれのティース２１の両側にスロットが設けられている。

図１，図２に示されるように、それぞれのティース２１の周囲に樹脂部材４０が設けられており、各樹脂部材４０の周囲にコイル２２がそれぞれ設けられている。言い換えれば、樹脂部材４０は、ティース２１とコイル２２との間に介在している。ティース２１とコイル２２との間に介在している樹脂部材４０は、ティース２１とコイル２２とが電気的に導通することを防止している。このような樹脂部材４０は、一般的に「インシュレータ」又は「ボビン」と呼ばれる。そこで、以下の説明では、樹脂部材４０を「インシュレータ４０」と呼ぶ。

それぞれのコイル２２は、インシュレータ４０の周囲に巻かれた導線によって形成されている。本実施形態における導線は、自己融着線である。具体的には、本実施形態における導線は、熱によって活性化する融着層を最外層とするエナメル線（銅線）である。もっとも、導線は、銅線に限られず、アルミニウム線やアルミニウム合金線等に置換することができる。次に、ティース２１とコイル２２との間に介在しているインシュレータ４０の詳細について説明する。

図３は、インシュレータ４０の斜視図である。図４は、周囲にコイル２２が設けられた状態のインシュレータ４０の斜視図である。図３，図４に示されるように、インシュレータ４０は、ティース２１（図１，図２）を取り囲む環状部４１と、環状部４１の一方の周縁に形成された第１フランジ部４２と、環状部４１の他方の周縁に形成され、第１フランジ部４２と対向する第２フランジ部４３と、を有している。もっとも、環状部４１，第１フランジ部４２及び第２フランジ部４３は、樹脂材料によって一体成形されている。

図１，図２に示されるように、第２フランジ部４３は、ステータ２０の径方向において第１フランジ部４２よりも外側に位置している。言い換えれば、第１フランジ部４２は、ステータ２０の径方向において第２フランジ部４３よりも内側に位置している。そこで、以下の説明では、第１フランジ部４２を「内側フランジ４２」と呼び、第２フランジ部４３を「外側フランジ４３」と呼ぶ場合がある。

図５，図６に示されるように、環状部４１の外周面は、内側フランジ４２及び外側フランジ４３（図３，図４）に対して垂直な３つの平面５１ａ，５１ｂ，５１ｃと、内側フランジ４２及び外側フランジ４３（図３，図４）に対して傾斜した１つの斜面５２と、隣接する面同士を繋ぐ複数の曲面５３と、から構成されている。以下の説明では、平面５１ａによって形成されている環状部４１の外周面の一部を「下面５１ａ」と呼び、平面５１ｂによって形成されている環状部４１の外周面の他の一部を「右側面５１ｂ」と呼び、平面５１ｃによって形成されている環状部４１の外周面の他の一部を「左側面５１ｃ」と呼ぶ場合がある。また、斜面５２によって形成されている環状部４１の外周面の他の一部を「上面５２」と呼ぶ場合がある。さらに、下面５１ａ，右側面５１ｂ及び左側面５１ｃを「平面５１」と総称する場合がある。

上記のように、インシュレータ４０の環状部４１の外周面は、下面５１ａ，上面５２，右側面５１ｂ及び左側面５１ｃの組み合わせによって構成されている。具体的には、右側面５１ｂ及び左側面５１ｃの長手方向一側（下側）と下面５１ａとは、曲面５３を介してなだらかに繋がっている。また、右側面５１ｂ及び左側面５１ｃの長手方向他側（上側）と上面５２とは、他の曲面５３を介してなだらかに繋がっている。

図７に示されるように、上面５２の一辺は、内側フランジ４２の内側面に連接しており、上面５２の他の一辺（内側フランジ４２の内側面に連接している一辺と反対側の一辺）は、外側フランジ４３の内側面に連接している。そして、上面５２は、外側フランジ４３から内側フランジ４２に向かって次第に迫り上がるように傾斜している。言い換えれば、上面５２の内側フランジ４２側は、外側フランジ４３側よりも高くなっている。

環状部４１の外周面に導線を所定回数巻き付けてコイル２２を形成する際、環状部４１の内側（内側フランジ４２側）における巻き数を環状部４１の外側（外側フランジ４３側）における巻き数よりも少なくすると、環状部４１の右側面５１ｂ及び左側面５１ｃ上の導線の一部によって形成されるコイル右側部及びコイル左側部の外周面は平坦ではなくなる（図２参照）。この結果、周方向において隣接するコイル同士の干渉が回避される。また、環状部４１の下面５１ａ上の導線の一部によって形成されるコイル下部の外周面も平坦ではなくなる（図１参照）。一方、図８に示されるように、環状部４１の上面５２上の導線の一部によって形成されるコイル上部の外周面は平坦になる。つまり、環状部４１の上部では、巻き数の多少に起因するコイル２２の厚みの差が上面５２の傾斜によって補完され、コイル上部の外周面が平坦化される。

図１に示されるように、環状部４１の上面５２の傾斜によって平坦化されたコイル上部の外周面は、ケース３０の内面と対向している。具体的には、図８に示されるように、コイル上部の外周面は、上ケース３２の天井板３２ａの内面と対向している。したがって、コイル上部の外周面と天井板３２ａの内面との間の空隙が一定となり、コイル２２からケース３０への熱伝導が均一となり、コイル２２から発せられた熱がケース３０を介して効率良く放熱される。

尚、図１に示されるように、下ケース３１の底板３１ａとステータ２０との間には回路基板６０が収容されている。一方、図６に示されるように、インシュレータ４０の外側フランジ４３の下部には、コイル２２（図４）の始端及び終端が接続される一対のターミナル４３ａ，４３ｂが設けられている。また、インシュレータ４０の内側フランジ４２の下部には位置決め突起４２ａが設けられている。それぞれのターミナル４３ａ，４３ｂは、回路基板６０に設けられているビアホールに挿入され、回路基板６０上の電気配線と接続されている。また、位置決め突起４２ａは、回路基板６０に設けられている位置決め孔に挿入される。

本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、図９に示されるように、斜面５２の裏側にリブ４４を形成してもよい。リブ４４を形成することにより、環状部４１の肉厚を均一にしてインシュレータ４０の成形性を向上させるとともに、環状部４１（特に斜面５２）の剛性を高めることができる。また、図１に示されている上ケース３２の天井板３２ａとステータ２０との間に熱伝導シートを配置してもよい。この場合、平坦化されたコイル上部の外周面は、熱伝導シートと一定の空隙を介して対向する。よって、コイル２２から熱伝導シートへの熱伝導が均一となり、ひいてはコイル２２から発せられた熱が熱伝導シートを介して効率良くケース３０に伝えられる。

上記実施形態における極数，スロット数，コイルの巻き数などは一例であり、これらは適宜変更することができる。本発明の適用対象はサーボモータに限られず、本発明が適用されたブラシレスモータの用途はロボットアームの駆動源に限られない。

１ ブラシレスモータ
１０ ロータ
１１ 出力軸
１２，１３ 軸受
１４ 磁石
２０ ステータ
２１ ティース
２２ コイル
３０ ケース
３１ 第１ケース（下ケース）
３１ａ 底板
３１ｂ 周壁
３２ 第２ケース（上ケース）
３２ａ 天井板
３２ｂ 周壁
４０ 樹脂部材（インシュレータ）
４１ 環状部
４２ 第１フランジ部（内側フランジ）
４２ａ 位置決め突起
４３ 第２フランジ部（外側フランジ）
４３ａ，４３ｂ ターミナル
４４ リブ
５１，５１ａ，５１ｂ，５１ｃ 平面
５２ 斜面
５３ 曲面
６０ 回路基板

Claims (2)

1. ロータ及びステータを備えるブラシレスモータであって、
   前記ステータは、前記ロータの回転方向に沿って並ぶ複数のティースと、それぞれの前記ティースの周囲に設けられた樹脂部材と、それぞれの前記樹脂部材に巻かれた導線によって形成されるコイルと、を有し、
   前記樹脂部材は、前記ティースを取り囲む環状部と、前記環状部の一方の周縁に形成された第１フランジ部と、前記環状部の他方の周縁に形成され、前記第１フランジ部と対向する第２フランジ部と、を有し、
   前記環状部の外周面は、前記第１フランジ部及び前記第２フランジ部に対して垂直な平面と、前記第１フランジ部及び前記第２フランジ部に対して傾斜した斜面と、を含み、
   前記斜面は、前記環状部の長手方向一側に設けられ、かつ、前記第１フランジ部から前記第２フランジ部に向かって次第に迫り上がるように傾斜している、ブラシレスモータ。
2. 前記斜面の裏側にリブが形成されている、請求項１に記載のブラシレスモータ。

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