JP2021164390A

JP2021164390A - インナーロータ型ブラシレスモータ

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Publication number: JP2021164390A
Application number: JP2020067935A
Authority: JP
Inventors: 薫須藤; Kaoru Sudo; 明憲長尾; Akinori Nagao; 拓佐伯; Hiroshi Saeki
Original assignee: Canon Precision Inc
Current assignee: Canon Precision Inc
Priority date: 2020-04-03
Filing date: 2020-04-03
Publication date: 2021-10-11

Abstract

【課題】大型化を抑制しつつ、磁気効率の良い、高出力、高性能なインナーロータ型ブラシレスモータを提供すること。【解決手段】インナーロータ型ブラシレスモータは、出力軸、磁石、および第１のヨークを備えるロータ部と、第２のヨーク、および界磁コイルを備えるステータ部とを有し、界磁コイルは、出力軸の軸方向において、第１端の側に配置された外側段差部、第２のヨークに挿入される側である第２端の側に配置された内側段差部、および外側段差部と内側段差部との間に配置され、軸方向に沿って巻回された中央帯部を備え、外側段差部は、中央帯部に対して外周方向へ突出し、内側段差部は、中央帯部に対して内周方向へ突出し、磁石および第２のヨークは、中央帯部を挟んで対向し、磁石の軸方向の長さは、中央帯部の軸方向の長さと等しく、外側段差部および内側段差部の軸方向の長さより長い。【選択図】図１

Description

本発明は、インナーロータ型ブラシレスモータに関する。

従来、円筒状のマグネットの中心を貫通する軸からなるインナーロータ部と対向ヨークとの間に界磁コイルを配置するブラシレスモータが知られている。コアレスモータは、コアが設けられていないため、１万回転／分以上の高速回転数で高出力を得ることができる。特許文献１には、マグネットと対向ヨークとが、界磁コイルの巻線の中央帯幅部付近に、中央帯幅部とほぼ同じ軸方向長さで界磁コイルを挟んで対向するように配置されるＤＣブラシレスモータが開示されている。

特開２００２−１７１７３５号公報

しかしながら、特許文献１のＤＣブラシレスモータでは、出力トルクを向上させるために界磁コイルの巻線占積率を増加させると、界磁コイル両端部の銅線の折り返し部が膨らんでしまう。結果として、界磁コイルの外径が大きくなるため、対向ヨークが大型化してしまう。対向ヨークが大型化すると、マグネットと対向ヨークとの隙間が広くなり、高出力かつ高効率のモータを実現することが困難になる。

本発明は、大型化を抑制しつつ、磁気効率の良い、高出力、高性能なインナーロータ型ブラシレスモータを提供することを目的とする。

本発明の一側面としてのインナーロータ型ブラシレスモータは、出力軸、磁石、および第１のヨークを備えるロータ部と、第２のヨーク、および界磁コイルを備えるステータ部とを有し、界磁コイルは、出力軸の軸方向において、第１端の側に配置された外側段差部、第２のヨークに挿入される側である第２端の側に配置された内側段差部、および外側段差部と内側段差部との間に配置され、軸方向に沿って巻回された中央帯部を備え、外側段差部は、中央帯部に対して外周方向へ突出し、内側段差部は、中央帯部に対して内周方向へ突出し、磁石および第２のヨークは、中央帯部を挟んで対向し、磁石の軸方向の長さは、中央帯部の軸方向の長さと等しく、外側段差部および内側段差部の軸方向の長さより長いことを特徴とする。

また、本発明の他の側面としてのインナーロータ型ブラシレスモータは、出力軸、磁石、および第１のヨークを備えるロータ部と、第２のヨーク、および界磁コイルを備えるステータ部とを有し、界磁コイルは、出力軸の軸方向において、第１端の側に配置された外側段差部、第２のヨークに挿入される側である第２端の側に配置された内側段差部、および外側段差部と内側段差部との間に配置され、軸方向に沿って巻回された中央帯部を備え、外側段差部は、中央帯部に対して外周方向へ突出し、内側段差部は、中央帯部に対して内周方向へ突出し、磁石は、磁石本体部、および軸方向において磁石本体部から延在した第１磁石部材を備え、磁石本体部および第２のヨークは、中央帯部を挟んで対向し、磁石本体部の軸方向の長さは、中央帯部の軸方向の長さと等しく、第１磁石部材は、外側段差部、および内側段差部の一方と対向することを特徴とする。

本発明によれば、大型化を抑制しつつ、磁気効率の良い、高出力、高性能なインナーロータ型ブラシレスモータを提供することができる。

実施例１のインナーロータ型ブラシレスモータの構成の説明図である。実施例１のインナーロータ型ブラシレスモータの各部の組立図である。実施例２のインナーロータ型ブラシレスモータの構成の説明図である。実施例２の界磁コイルと磁石の展開図と、外側段差部又は内側段差部と推力との関係図である。実施例３のインナーロータ型ブラシレスモータの構成の説明図である。実施例３の界磁コイルと磁石の展開図と、外側段差部および内側段差部と推力との関係図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

図１は、本実施例のインナーロータ型ブラシレスモータ（以下、モータ）１００の構成の説明図である。図１（ａ）は、モータ１００の断面図である。図１（ｂ）−図１（ｄ）は、ステータ部２０の組立断面図である。図１（ｅ）は、界磁コイル２００の各部の軸方向の長さを示す図である。図２は、モータ１００の各部の組立図である。

モータ１００は、ロータ部１０、ステータ部２０、および回路部３０を有する。モータ１００は、ステータ部２０で発生する回転磁界を用いてロータ部１０を回転駆動する。

ロータ部１０は、出力軸（回転軸）１１、磁石１２、および第１のヨーク１３を有する。出力軸１１は、第１のヨーク１３の中心を貫通した状態で第１のヨーク１３と結合する。出力軸１１の両端には、ベアリング１，２が配置される。ベアリング１には、ウエーブワッシャ３が適正なばね力で与圧された状態で保持されている。磁石１２は、円筒形状であり、Ｎ極磁石１２ａおよびＳ極磁石１２ｂを有する。Ｎ極磁石１２ａ、およびＳ極磁石１２ｂは、外周が円弧状に構成され、第１のヨーク１３の側面に接着固定される。第１のヨーク１３は、本実施例では図１（ａ）に示されるように鋼板が積層されて構成されている。なお、第１のヨーク１３は、磁石１２を固定しやすい形状であれば、ヨーク鉄材などのブロックから切削加工で作製されてもよい。また、ロータ部１０のアンバランスを適宜計測し、バランス修正してもよい。

回路部３０は、磁石１２の位置を検出する磁気検出素子３１、信号線３５ａが実装された回路基板３２、信号線３５ｂが実装された回路基板３４、および回路基板３４を保持する後蓋３３を有する。回路基板３２，３４にはそれぞれ、後蓋３３の両端側に設けられた突出部と嵌合する嵌合穴が設けられている。回路基板３２，３４は、後蓋３３と嵌合した後、後蓋３３の外側に設けられた複数の突起部を熱溶着することで後蓋３３に固定される。

ステータ部２０は、電磁鋼板が積層されて構成された第２のヨーク２１、亀甲巻成形型の円筒状の界磁コイル２００、第２のヨーク２１を保持する外筒２３、および外周が外筒２３の第１端と嵌合し、複数のカシメなどで外筒２３に固定される前蓋２４を有する。なお、外筒２３および前蓋２４は、一体的に構成されてもよい。

界磁コイル２００は、出力軸１１の軸方向において、外側段差部２００ａ、中央帯部２００ｂ、および内側段差部２００ｃを有する。外側段差部２００ａは、界磁コイル２００の第１端の側に配置され、中央帯部２００ｂに対して外周方向へ突出している。内側段差部２００ｃは、第２のヨーク２１に挿入される側である、界磁コイル２００の第２端の側に配置され、中央帯部２００ｂに対して内周方向へ突出している。中央帯部は、外側段差部２００ａと内側段差部２００ｃとの間に配置され、軸方向に沿って巻回されている。界磁コイル２００の外周、又は第２のヨーク２１の内周には、電気的な絶縁を目的とした接着剤が付着される絶縁部材２０１が配置される。

第２のヨーク２１は、本実施例では内形が界磁コイル２００に沿った形状となるように構成されるが、内部に界磁コイル２００が収まるように構成されていればよい。また、第２のヨーク２１は、外形が円筒状、外周の一部が欠けたＣ形形状、および多角形状のいずれかとなるように構成される。

以下、モータ１００の組立てについて説明する。まず、界磁コイル２００は、内側段差部２００ｃの側から第２のヨーク２１に挿入された後、第２のヨーク２１と接着固定される。ロータ部１０は、ステータ部２０の内部に挿入される。ベアリング１は、ウエーブワッシャ３を介して、内輪側で出力軸１１と結合する。磁石１２と界磁コイル２００との間のエアギャップは０．数ｍｍとなる。そのため、ロータ部１０をステータ部２０の内部に挿入する際、磁石１２が界磁コイル２００に接触しコイル線被膜を傷つけないように、専用工具を準備するなど組付けには配慮が必要である。

界磁コイル２００の引き出し線を外筒２３の端部に設けられた逃げ溝に逃がした状態で、後蓋３３の側面と外筒２３の内周面とを嵌合させ、カシメなどで回路部３０をステータ部２０に固定する。界磁コイル２００の引き出し線は、後蓋３３の側面に設けられた逃げ溝に沿って回路基板３４に接続される。回路部３０をステータ部２０に固定した後、ベアリング２は内輪側で出力軸１１と結合する。これにより、モータ１００の組付けが完了する。

磁石１２および第２のヨーク２１は、中央帯部２００ｂを挟んで対向するように配置される。また、図１（ｅ）に示されるように、磁石１２の軸方向の長さは、中央帯部２００ｂの軸方向の長さＭと等しい。ここで、「等しい」とは、実質的に等しい（略等しい）場合も含まれている。また、磁石１２の軸方向の長さは、外側段差部２００ａおよび内側段差部２００ｃのそれぞれの軸方向の長さ２０１ａ，２０１ｃより長い。

界磁コイル２００が内側段差部２００ｃを有することで、コイル両端が突出する従来の界磁コイルに対して、第２のヨーク２１を分割することなく、容易に組み付けることができる。そのため、第２のヨーク２１を分割することで生じる接続面の隙間に磁気損失が発生することはない。また、第２のヨーク２１を大型化する必要はなく、磁気効率のよいモータ１００を提供することが可能となる。

本実施例では、外側段差部２００ａおよび内側段差部２００ｃの軸方向の長さ２０１ａ，２０１ｃをＸとする場合、磁石１２の軸方向の長さＭは以下の条件式（１）を満足する。

２＜Ｍ／Ｘ≦５（１）
例えば、磁石１２の軸方向の長さＭが１４．５ｍｍである場合、外側段差部２００ａおよび内側段差部２００ｃの軸方向の長さ２０１ａ，２０１ｃを２．９ｍｍ以上で７．２５ｍｍより小さい範囲となるように設定すればよい。

図３（ａ）は、本実施例のインナーロータ型ブラシレスモータ（以下、モータ）１０００の断面図である。図３（ｂ）は、ロータ部１１００とステータ部２０の組立断面図である。図４（ａ）は、界磁コイル２００と磁石１２０の展開図である。図４（ｂ）は、外側段差部２００ａ又は内側段差部２００ｃと推力Ｆとの関係図である。なお、本実施例では他の実施例と共通の部分については同一の符号を付し説明を省略する。

ロータ部１１００の磁石１２０は、中央帯部２００ｂ付近に配置された磁石（磁石本体部）１２を有すると共に、磁石１２から軸方向へ延在した、第１磁石部材１２ｃ又は第２磁石部材１２ｄのうち少なくとも１つを有する。本実施例では、磁石１２０は、磁石１２および第１磁石部材１２ｃからなる。

第１磁石部材１２ｃは内側段差部２００ｃの側に延在しており、第２磁石部材１２ｄは外側段差部２００ａの側（第１磁石部材１２ｃの側とは反対側）に延在している。第１磁石部材１２ｃ又は第２磁石部材１２ｄは、第１のヨーク１３の側面に張り合わせられる。第１のヨーク１３は、磁石１２０と張り合わせのよい形状で構成されていればよく、例えば、鋼板が積層されて構成されてもよいし、ブロック材を加工して構成されてもよい。また、第１のヨーク１３の形状は、円筒状でもよい。また、磁石１２、および第１磁石部材１２ｃ又は第２磁石部材１２ｄは、一体的に構成されてもよい。

磁石１２０は、外側段差部２００ａおよび内側段差部２００ｃの一方と対向する位置に配置される。すなわち、磁石１２０は、外側段差部２００ａおよび内側段差部２００ｃの他方とは対向しない。第１磁石部材１２ｃが設けられている場合、第２のヨーク２１は第１磁石部材１２ｃと対向するように配置される。また、第２磁石部材１２ｄが設けられている場合、第２のヨーク２１は外側段差部２００ａに挿入可能な第３のヨーク２１ａ（不図示）が第２磁石部材１２ｄと対向するように配置される。このような構成により、磁気効率のよいモータ１０００を提供することが可能となる。

界磁コイル２００のコイル一辺のコイル中心幅をｈ、中央帯部２００ｂ付近に対する段差部のコイル成形角度をα（°）、段差部のコイル一辺の長さをｌとするとき、推力ＦはＢ・Ｉ・ｌ・ｓｉｎ（α）で表される。また、長さｌは、ｈ／ｃｏｓ（α）で表される。なお、Ｉはコイル辺に流れる電流、Ｂは磁石１２０の磁束密度である。コイル成形角度αは、３０≦α＜４５を満たすことが好ましい。例えば、磁石１２０の長さが１４．５ｍｍ、コイル中心幅ｈが６ｍｍである場合、外側段差部２００ａ又は内側段差部２００ｃのコイル辺ｌは６．９３ｍｍ以上で８．４９ｍｍより小さい範囲となるように設定すればよい。

図５（ａ）は、本実施例のインナーロータ型ブラシレスモータ（以下、モータ）２０００の断面図である。図５（ｂ）は、ロータ部２１００とステータ部２２００の組立断面図である。図６（ａ）は、界磁コイル２００と磁石１２１の展開図である。図６（ｂ）は、外側段差部２００ａおよび内側段差部２００ｃと推力Ｆｚとの関係図である。なお、本実施例では他の実施例と共通の部分については同一の符号を付し説明を省略する。

ロータ部２１００の磁石１２１は、中央帯部２００ｂ付近に配置された磁石（磁石本体部）１２を有すると共に、磁石１２から内側段差部２００ｃの側に延在した第１磁石部材１２ｃ、および外側段差部２００ａの側に延在した第２磁石部材１２ｄを有する。第１磁石部材１２ｃおよび第２磁石部材１２ｄは、第１のヨーク１３の側面に張り合わせられる。第１のヨーク１３は、磁石１２０と張り合わせのよい形状で構成されていればよく、例えば、鋼板が積層されて構成されてもよいし、ブロック材を加工して構成されてもよい。また、第１のヨーク１３の形状は、円筒状でもよい。また、磁石１２、第１磁石部材１２ｃ、および第２磁石部材１２ｄは、一体的に構成されてもよい。

本実施例では、磁石１２１は、外側段差部２００ａおよび内側段差部２００ｃと対向する位置に配置されている。第１磁石部材１２ｃおよび第２磁石部材１２ｄはそれぞれ、第２のヨーク２１および第３のヨーク２１ａと対向するように配置されている。このような構成により、磁気効率のよいモータを提供することが可能となる。

界磁コイル２００のコイル一辺のコイル中心幅をｈ、中央帯部２００ｂ付近に対する外側段差部２００ａのコイル成形角度をα１（°）、外側段差部２００ａのコイル一辺の長さをｌ１とするとき、推力Ｆ１はＢ・Ｉ・ｌ１・ｓｉｎ（α１）で表される。また、長さｌ１は、ｈ／ｃｏｓ（α１）で表される。なお、Ｉはコイル辺に流れる電流、Ｂは磁石１２１の磁束密度である。また、中央帯部２００ｂ付近に対する内側段差部２００ｃのコイル成形角度をα２（°）、内側段差部２００ｃのコイル一辺の長さをｌ２とするとき、推力Ｆ２はＢ・Ｉ・ｌ２・ｓｉｎ（α２）で表される。また、長さｌ２は、ｈ／ｃｏｓ（α２）で表される。なお、本実施例では、コイル成形角度α１，α２は等しい。

このとき、推力Ｆｚは、以下の式（２）で表される。

Ｆｚ＝Ｆ１＋Ｆ２（２）
ｌｚ＝ｌ１＋ｌ２（３）
コイル成形角度α１，α２は、３０≦α＜４５を満たすことが好ましい。例えば、磁石１２１の長さが１４．５ｍｍ、コイル中心幅ｈを６ｍｍである場合、外側段差部２００ａおよび内側段差部２００ｃのコイル辺ｌ１，ｌ２は６．９３ｍｍ以上で８．４９ｍｍより小さい範囲となるように設定すればよい。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

１０ロータ部
１１出力軸
１２磁石
１３第１のヨーク
２０ステータ部
２１第２のヨーク
１００インナーロータ型ブラシレスモータ
２００界磁コイル
２００ａ外側段差部
２００ｂ中央帯部
２００ｃ内側段差部
２０１ａ，２０１ｃ軸方向の長さ

Claims

出力軸、磁石、および第１のヨークを備えるロータ部と、
第２のヨーク、および界磁コイルを備えるステータ部とを有し、
前記界磁コイルは、前記出力軸の軸方向において、第１端の側に配置された外側段差部、前記第２のヨークに挿入される側である第２端の側に配置された内側段差部、および前記外側段差部と前記内側段差部との間に配置され、前記軸方向に沿って巻回された中央帯部を備え、
前記外側段差部は、前記中央帯部に対して外周方向へ突出し、
前記内側段差部は、前記中央帯部に対して内周方向へ突出し、
前記磁石および前記第２のヨークは、前記中央帯部を挟んで対向し、
前記磁石の軸方向の長さは、前記中央帯部の軸方向の長さと等しく、前記外側段差部および前記内側段差部の軸方向の長さより長いことを特徴とするインナーロータ型ブラシレスモータ。
前記外側段差部および前記内側段差部の軸方向の長さをＸ、前記磁石の軸方向の長さをＭとするとき、
２＜Ｍ／Ｘ≦５
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載のインナーロータ型ブラシレスモータ。
出力軸、磁石、および第１のヨークを備えるロータ部と、
第２のヨーク、および界磁コイルを備えるステータ部とを有し、
前記界磁コイルは、前記出力軸の軸方向において、第１端の側に配置された外側段差部、前記第２のヨークに挿入される側である第２端の側に配置された内側段差部、および前記外側段差部と前記内側段差部との間に配置され、前記軸方向に沿って巻回された中央帯部を備え、
前記外側段差部は、前記中央帯部に対して外周方向へ突出し、
前記内側段差部は、前記中央帯部に対して内周方向へ突出し、
前記磁石は、磁石本体部、および前記軸方向において前記磁石本体部から延在した第１磁石部材を備え、
前記磁石本体部および前記第２のヨークは、前記中央帯部を挟んで対向し、
前記磁石本体部の軸方向の長さは、前記中央帯部の軸方向の長さと等しく、
前記第１磁石部材は、前記外側段差部、および前記内側段差部の一方と対向することを特徴とするインナーロータ型ブラシレスモータ。
前記磁石は、前記軸方向において前記磁石本体部から前記第１磁石部材の側とは反対側に延在した第２磁石部材を備え、
前記第２磁石部材は、前記外側段差部、および前記内側段差部の他方と対向することを特徴とする請求項３に記載のインナーロータ型ブラシレスモータ。
前記外側段差部および前記内側段差部の前記中央帯部に対するコイル成形角度をα（°）、前記界磁コイルのコイル辺のコイル中心幅をｈ、各段差部のコイル一辺の長さをｌとするとき、
３０≦α＜４５
ｌ＝ｈ／ｃｏｓ（α）
を満足することを特徴とする請求項３又は４に記載のインナーロータ型ブラシレスモータ。
前記第２のヨークは、内形が前記界磁コイルに沿った形状となるように構成され、
前記磁石は、円筒形状であることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載のインナーロータ型ブラシレスモータ。
前記第２のヨークは、外形が円筒状、外周の一部が欠けたＣ形形状、および多角形状のいずれかとなるように構成されることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載のインナーロータ型ブラシレスモータ。
前記第２のヨークは、内形が、前記界磁コイルが収まる形状となるように構成され、
前記界磁コイルの外周、又は前記第２のヨークの内周には、絶縁部材が配置されることを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載のインナーロータ型ブラシレスモータ。