JP2023149299A - デュアルローターを有するブラシレスモーター - Google Patents

Abstract

【課題】 コアシートをプレスして積層して形成したステータコアユニットを射出成型した樹脂で接続したステータコアを更に改良し、ステータの内側にインナーローターを、外側にアウターローターを設置したモーターの作動効率と出力を向上させることのできるデュアルローターを有するブラシレスモーターを提供すること。【解決手段】 円環状に形成されているステータの内側にインナーローターを同一出力軸上に設置し、当該ステータの外側にアウターローターを同一出力軸上に設置してなるデュアルローターを有するブラシレスモーターであって、前記ステータは、周方向に分割された複数のステータコアユニットを、コアカバーとして機能する樹脂又は連結部材で一体化して形成されており、各ステータコアユニットは、磁性材料シートを積層させた多層構造に形成されているデュアルローターを有するブラシレスモーターとする。【選択図】図７

Description

本発明はアウターローター型ブラシレスモーターにおけるステータの内側に、インナーローターを設けたデュアルローターを有するブラシレスモーターに関し、１個のステータで、アウターローター及びインナーローターの双方に回転力を与えるようにした、デュアルローターを有するブラシレスモーターに関する。

従来、アウターローター型ブラシモーターは、巻線されたステータの外側に磁石を装着したローターを配置した構成であり、当該ローターが外筒となって回転するためにフライホイール効果が大きく大きなトルクを得ることができる。一方でインナーローター型ブラシレスモーターは、磁石を装着したローターの外側に巻線されたステータを配置した構造であり、中心に位置するローターが回転するため高速回転を実現することができる。

そして従前においては、モーターの高トルク化のための技術も提案されている。例えば特許文献１（特開２０１０－３５３７５号公報）では、環状のヨークに巻線を集中巻きトロイダル巻きしてなるステータと、前記ステータと対向する永久磁石を備えたローターとを備えたモーターにおいて、永久磁石は、前記ステータの内周面と対向するように配置された第１磁石と、前記ステータの外周面と対向するように配置された第２磁石と、前記ステータの軸方向端部と対向するように配置された第３磁石とを備え、前記第１、第２及び第３磁石の内の少なくとも１つは、その周方向の磁極中心が他のものと異なるように配置されたモーターを提案している。

そして本願発明者は、特許文献２（中国特許出願公開第１０９７８７４３６号公報）において、インナーローター型のモーターの固定子製造方法を提案している。この文献では、プレス金型のキャビティ内でコアシートをプレスして積層し、ステータコアユニットを形成する積層工程と、ステータコアユニットを射出成型した樹脂で接続し、ステータコアを形成する射出成形プロセスと、上記の樹脂被覆のステータコアの歯部に巻回コイルを巻線する巻線工程と、巻回コイルのステータコアを磁性導体環中に取り付けて密閉型磁気回路を形成し、インナーローター型電動モーターのステータを形成する方法を提案している。

国際公開第２００７／１３２７６８号公報 中国特許出願公開第１０９７８７４３６号公報

近年、地球温暖化対策の一つとして化石燃料を用いたエンジン車両に切り替わり、電気モーターを利用したハイブリッド車両や電気自動車が普及している。これら車両に使用されているモーターについては、更なる小型化、高効率化の要請が高まっている。そこで従前においては、特許文献１のように、ステータの内周面と対向するように配置された第１磁石と、前記ステータの外周面と対向するように配置された第２磁石を有するモーターも提案されている。

しかしながら、この文献１のステータは、全体的に略円筒状に形成され、巻線は、環状のヨークにトロイダル巻きされている。即ち、ヨークは、環状の環状部と、該環状部の内周面から周方向等角度間隔で軸中心にそれぞれ延びる複数の内側ティースと、環状部の外周面から周方向等角度間隔で放射状に延びる複数の外側ティースとを備えているものの、巻線は、周方向に隣り合う内側ティース間及び外側ティース間の環状部にトロイダル巻きされている。この為、当該ヨークの製造が困難であり、また、ヨークが連続していることから高出力を得るにも限界があった。

そして前記特許文献２では、ステータコアユニットを射出成型した樹脂で接続し、樹脂被覆したステータコアの歯部に導線を巻線するインナーローター型電動モーターのステータを開示しているが、専らインナーローター型ブラシレスモーターへの利用しか考慮されていない。

そこで本発明では、コアシートをプレスして積層して形成したステータコアユニットを射出成型した樹脂で接続したステータコアを更に改良し、ステータの内側にインナーローターを、外側にアウターローターを設置したモーターであって、作動効率と出力を向上させることのできるデュアルローターを有するブラシレスモーターを提供することを第１の課題とする。また本発明では、ステータに対する導線の巻回作業を困難なく実施することができるデュアルローターを有するブラシレスモーターを提供することを第２の課題とする。

前記課題の少なくとも何れかを解決するために、本発明では、前記コアシートをプレスして積層したステータコアユニットを射出成型した樹脂で接続したステータコアを更に改良して、ステータの内側にインナーローター、外側にアウターローターを設置したデュアルローターを有するブラシレスモーターを提供するものである。

即ち本発明では、円環状に形成されているステータの内側にインナーローターを同一出力軸上に設置し、当該ステータの外側にアウターローターを同一出力軸上に設置してなるデュアルローターを有するブラシレスモーターであって、前記ステータは、周方向に分割された複数のステータコアユニットを、コアカバーとして機能する樹脂で一体化して形成されており、各ステータコアユニットは、一体化した時に円環状部を構成する円弧状連結部と、当該円弧状連結部から突出している柱部とを備えることを特徴とする、デュアルローターを有するブラシレスモーターを提供する。
また本発明では、円環状に形成されているステータの内側にインナーローターを同一出力軸上に設置し、当該ステータの外側にアウターローターを同一出力軸上に設置してなるデュアルローターを有するブラシレスモーターであって、前記ステータは、周方向に分割された複数のステータコアユニットを、非磁性体金属で一体化して形成されており、各ステータコアユニットは、一体化した時に円環状部を構成する円弧状連結部と、当該円弧状連結部から突出している柱部とを備えることを特徴とする、デュアルローターを有するブラシレスモーターを提供する。

上記本発明のブラシレスモーターにおいて、前記ステータは、前記柱部に導線を集中巻きして構成することができる。そして一体化される複数のステータコアユニットは相互に絶縁することにより、ステータコアユニットごとに、柱部は、その延伸方向に逆の極性となる。そして前記インナーローターとアウターローターとは、相互に対向配置すると共に、対向するインナーローターとアウターローターとは相互に逆の極性とすることができる。即ち、前記ステータを挟んで対向配置されるインナーローターとアウターローターとは、相互に異なる極性で対向する様に設けることができる。

本発明に係るブラシレスモーターにおいて、前記複数のステータコアユニットを相互に絶縁する為には、使用するステータを複数のステータコアユニットに分割することで実現できる。各ステータコアユニット同士の間には非磁性体を配置することにより、相互に絶縁することができる。各ステータコアユニット同士を絶縁することにより、前記柱部に導線を巻回すれば、当該柱部の延伸方向に異なる極性とすることができ、これにより巻線を容易に行うことができると共に、モーターの出力の向上を図ることができる。

また従来のモーターに代えて本発明に係るブラシレスモーターを使用することにより、モーターの作動効率と出力を向上させた動力機械を構成することができる。即ち本発明では、動力駆動装置としてモーターが使用されている電動車椅子及び搬送ロボットを含む動力機械であって、当該モーターとして上記本発明に係るブラシレスモーターが使用されている動力機械を提供する。

本発明のデュアルローターを有するブラシレスモーターは、円環状に形成されているステータの内側にインナーローター、外側にアウターローターを同一出力軸上に設置していることから、作動効率と出力を向上させたデュアルローターを有するブラシレスモーターとすることができる。

特に、円環状のステータは、周方向に分割された複数のステータコアユニットを一体化して形成していることから、ステータコアユニットごとに独立した磁気回路とすることができる。即ち、各ステータコアユニットの柱部に、導線を集中巻きに巻回することにより、当該各ステータコアユニットは、柱部の延伸方向（即ちステータの放射方向）に磁気極性を異ならせることができ、これにより製造の困難性を解消し、モーターの出力を向上させることができる。

本実施の形態に係るモーターのステータを構成するステータコアユニットを示す（Ａ）正面図、（Ｂ）Ｂ－Ｂ断面図 ステータコアユニットを樹脂で一体化したステータを示す（Ａ）正面図、（Ｂ）Ｂ－Ｂ断面図 ステータコアユニットを連結部材で一体化したステータを示す（Ａ）正面図、（Ｂ）Ｂ－Ｂ断面図 連結部材を示す（Ａ）正面図、（Ｂ）側面図 巻線したステータを示す（Ａ）正面図、（Ｂ）Ｂ－Ｂ断面図 インナーローターを装着したステータを示す縦断面図 インナーローターとアウターローターを装着したステータを示す縦断面図 本実施の形態に係るモーターの（Ａ）磁気回路説明図、（Ｂ）結線図 本実施の形態に係るモーターを用いて構成した電動車椅子用モーターを示す（A）正面図、（Ｂ）Ｂ－Ｂ断面図、（Ｃ）底面図、（Ｄ）Ｄ－Ｄ断面図

以下、図面を参照しながら、本実施の形態にかかるデュアルローターを有するブラシレスモーターＭを具体的に説明する。特に以下ではモーターの製造工程に沿って説明する。

図１は本実施の形態に係るモーターのステータ１０を構成するステータコアユニット２０を示す（Ａ）正面図、（Ｂ）Ｂ－Ｂ断面図である。本実施の形態に係るモーターにおいて、円環状に形成されるステータ１０は、周方向に分割された６個のステータコアユニット２０を組み合わせて一体化して形成されており、各ステータコアユニット２０は、複数のシート体２１を積層一体化して形成されている。積層されるシート体２１は磁性材料によって構成されており、各シート体２１の厚さは任意であるが、０．３ｍｍ～１．０ｍｍの厚さのシート体２１を利用することが望ましい。このようにシート体２１の積層構造とすることにより。シート体ごとに閉じた磁気回路とすることができ、モーターの出力向上を図ることができる。

また各ステータコアユニット２０は、組み合わせて円環状のステータ１０を構成した時に、円環状部を構成する円弧状連結部２２と、当該円弧状連結部２２から突出している柱部２３と、この柱部２３から周方向に延出する展開部２４とで構成している。特に柱部２３の中央には、その長さ方向に沿うスリット２５を形成しており、当該スリット２５によって、積層させたシート体２１を厚さ方向に一体化することができる。

以上の様に形成したステータコアユニット２０は、図２に示す様に、コアカバーを兼用する樹脂製のカバー１２によって連結一体化することができる。特にこの実施の形態に示す様に、樹脂製のカバー１２によるステータコアユニット２０の一体化は、モーター出力が１０Ｗ以下程度の小出力のモーターの製造に適したものとなる。

この実施の形態では、前記ステータコアユニット２０における円弧状連結部２２同士を離間させた状態で周方向に並べて円環状とし、これを樹脂の射出成型などによって形成したカバー１２で一体化することができる。その結果、各ステータコアユニット２０は、相互に離間された状態でありながらも、全体として円環状のステータ１０を構成することができる。即ち、前記円弧状連結部２２同士が円環状となり、当該円環状となっている部分から放射方向に前記柱部２３が突出し、そして各柱の先端部に展開部２４が広がって存在する状態となる。この時、隣り合う展開部２４同士の間には、少なくとも各柱部２３に巻回する導線３０を通すだけの隙間を確保することが望ましい。また当該展開部２４において周方向に延出する長さは、製造するモーターの極数やスロット数などによって適宜設定することができる。各ステータコアユニット２０を樹脂製のカバー１２で一体化することにより、当該樹脂製のカバー１２によって巻線３０とステータ１０との間の絶縁を達成することができ、また巻線用ボビンを兼ね備えたコアカバーも一体に成型することができる。

また前記したステータコアユニット２０は、図３に示す様に連結部材１４で一体化してステータ１０を構成することができる。即ち、図１に示したステータコアユニット２０における円弧状連結部２２を隣り合わせて配置すると共に、両者を連結部材１４で連結することにより、当該円弧状連結部２２が連結されて円環状を成したステータ１０を形成することができる。かかる連結部材１４は、非磁性材料で形成することができ、樹脂やセラミックスの他、非磁性金属材料を用いて形成することができる。特に出力が１０Ｗを超えるような高出力のモーターの場合には、前記ステータコアユニット２０をダイカスト金型に設置し、亜鉛やアルミニウムなどの非磁性金属を型内に流し込んで、相互に独立しているステータコアユニット２０を一体化することにより、円環状のステータ１０とすることができる。この時、ステータ１０と巻線３０との電気的絶縁は、更にステータ１０を前述の樹脂によって被覆する他、別途電気的絶縁性を有するコアカバーを被せても良い。

更に前記連結部材１４は、非磁性金属材料を型内に流し込むことによる成型の他、図４に示す様に、別途成型した連結部材１４を用いて一体化することもできる。かかる連結部材１４は非磁性体、望ましくは非磁性金属を用いて形成することができ、少なくとも隣り合うステータコアユニット２０における円弧状連結部２２の端部同士が嵌る凹み部１５を備えた形状であって、当該円弧状連結部２２の軸心長と同じ長さに形成されている。かかる連結部材１４の幅は、ステータコアユニット２０同士が離間する幅となる事から、当該円弧状連結部２２同士の幅を考慮した上で決定することができる。

以上の様に形成したステータ１０には、導線３０を巻回することになる。図５は、導線３０を巻線したステータ１０を示す（Ａ）正面図、（Ｂ）Ｂ－Ｂ断面図である。この図に示すように、樹脂製のカバー１２や連結部材１４などによって一体化した各ステータコアユニット２０における柱部２３には、導線３０を巻線する。かかる導線３０の巻回は、ブラシ付き直流モーターと同じように外側から行うことができる。また導線３０の巻数や使用する導線３０の太さは、製造するモーターに要求される出力に応じて適宜設定することができる。当然のことながら、各柱部２３には、それぞれ独立に導線３０が巻かれることになる。そして巻回した導線３０と前記ステータ１０との間には、被服樹脂又はコアカバーが存在する事から、ステータ１０と導線３０との絶縁は果たされている。

そして前記の様に巻線３０したステータ１０における円環状部分（即ち、一体化された円弧状連結部２２）の内側には、図６に示す様にインナーローター４０を挿入する。かかるインナーローター４０はモーターの回転軸となる主軸４１と、当該主軸４１に固定されたインナー磁石４２とで構成されており、当該インナー磁石４２は前記ステータ１０の内周面と非接触の状態で僅かに離間して存在するように設けている。かかるインナーローター４０を構成するインナー磁石４２は、前記ステータ１０を構成するステータコアユニット２０の数よりも少ない数で配置される。

ステータ１０の中空部内にインナーローター４０を配置したモジュールには、当該ステータ１０の外側にアウターローター５０を配置する。図７は、インナーローター４０とアウターローター５０を装着したステータ１０を示す縦断面図である。この図に示す様に、アウターローター５０は、前記主軸４１に固定された外殻５１と、当該外殻５１の内面に設けたアウター磁石５２とで構成されており、当該アウター磁石５２は、前記ステータ１０の外周面、即ち前記展開部２４と非接触な状態で僅かに離間させて存在している、かかるアウター磁石５２が存在する事により、主軸４１の回転時におけるトルクは、当該アウター磁石５２の質量に応じて増加させることができる。

以上のように構成したモーターにおいては、ステータ１０における所定の導線３０に通電させることにより、通電したステータコアユニット２０に磁力が発生し、これによってアウター磁石５２およびインナー磁石４２に磁力を作用させ、これらの磁石が一体化されている主軸４１を回転させることができる。即ち、ステータ１０の内側にインナーローター４０を配置し、ステータ１０の外側にアウターローター５０を配置したデュアルローターを有するブラシレスモーターＭであって、当該インナーローター４０及びアウターローター５０を同一出力軸状に設置したブラシレスモーターＭとすることができる。かかるブラシレスモーターＭは、例えば車両に設置されるブロアモーターとして利用することができる。

図８は、本実施の形態に係るモーターの（Ａ）磁気回路説明図、（Ｂ）結線図である。特に本実施の形態では３相、４極、６スロットのモーターとして構成しているが、２スロット、３スロット、４スロット、９スロットなどの多スロットのステータ１０として実施することもできる。この図８に示す様に、本実施の形態ではインナー磁石４２を４個、アウター磁石５２を４個使用しており、インナー磁石４２とアウター磁石５２とは、ステータ１０を介して対向配置されている。そして対向するインナー磁石４２とアウター磁石５２とは相互に異なる極性となるように設けられており、これによりステータ１０を構成するステータコアユニット２０に対して、相乗的に磁力を作用させることができる。

また、この図８には、磁気回路のＵ相、Ｗ相に通電した時のトルク発生方向を示しており、図８（Ｂ）には、その結線図を示している。本実施の形態において、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相からなる３相を２つ設けた６スロットの構成としており、これによって高出力を実現することができる。この図８（Ｂ）中、符号Ｓは導線の巻始め、符号Ｅは導線の巻き終わりを示している。そして各層に対する電圧の印加は、図示しないホールＩＣなどによりローターの位置を検出してタイミングをとった上で行うことにより、主軸４１を回転させることができる。

図９は、本実施の形態に係るモーターを用いて構成した電動車椅子用モーターを示す（Ａ）正面図、（Ｂ）Ｂ－Ｂ断面図、（Ｃ）底面図、（Ｄ）Ｄ－Ｄ断面図である。特に当該モーターは電動車椅子の駆動用モーターとして使用することができ、インナーローター４０及びアウターローター５０によって軽量、高出力、高効率の駆動装置として使用することができる。また当該モーターは例えば搬送ロボットにおける駆動源として利用することができる。

本発明のデュアルローターを有するブラシレスモーターは、従前における動力装置としてのモーターとして各種装置や設備に利用することができる。特に本発明に係るブラシレスモーターは、高出力、高効率であることから、小型化を実現したブラシレスモーターとして利用することができる。

１０ ステータ
１２ カバー
１４ 連結部材
１５ 凹み部
２０ ステータコアユニット
２１ シート体
２２ 円弧状連結部
２３ 柱部
２４ 展開部
２５ スリット
３０ 導線（巻線）
４０ インナーローター
４１ 主軸
４２ インナー磁石
５０ アウターローター
５１ 外殻
５２ アウター磁石
Ｍ ブラシレスモーター

Claims (5)

1. 円環状に形成されているステータの内側にインナーローターを同一出力軸上に設置し、当該ステータの外側にアウターローターを同一出力軸上に設置してなるデュアルローターを有するブラシレスモーターであって、
   前記ステータは、周方向に分割された複数のステータコアユニットを、コアカバーとして機能する樹脂で一体化して形成されており、
   各ステータコアユニットは、一体化した時に円環状部を構成する円弧状連結部と、当該円弧状連結部から突出している柱部とを備えることを特徴とする、デュアルローターを有するブラシレスモーター。
   
2. 円環状に形成されているステータの内側にインナーローターを同一出力軸上に設置し、当該ステータの外側にアウターローターを同一出力軸上に設置してなるデュアルローターを有するブラシレスモーターであって、
   前記ステータは、周方向に分割された複数のステータコアユニットを、非磁性体金属で一体化して形成されており、
   各ステータコアユニットは、一体化した時に円環状部を構成する円弧状連結部と、当該円弧状連結部から突出している柱部とを備えることを特徴とする、デュアルローターを有するブラシレスモーター。
   
3. 前記ステータは、導線を前記柱部に集中巻きしてなり、
   前記インナーローターとアウターローターとは相互に対向配置されており、対向するインナーローターとアウターローターとは相互に逆の極性である、請求項１又は２に記載のブラスレスモーター。
   
4. 前記複数のステータコアユニットは相互に絶縁されており、ステータコアユニットごとに、柱部の延伸方向に逆の極性となっている、請求項１に記載のブラシレスモーター。
   
5. 動力駆動装置としてモーターが使用されている電動車椅子及び搬送ロボットを含む動力機械であって、
   当該モーターとして請求項１～４の何れか一項のブラシレスモーターが使用されている動力機械。