JP2023150354A - モータ、移動体およびロボット - Google Patents

Abstract

【課題】モータを小型化する。【解決手段】モータは、ロータと、ステータと、を備え、ロータは、中心軸に沿って軸方向に延びるシャフトと、シャフトの径方向外方に配置されるロータコア３と、ステータと径方向に対向するマグネットと、を有し、ロータコア３は、螺旋状の線状部材３０で構成され、軸方向に筒状に延びる。【選択図】図３

Description

本発明は、モータ、移動体およびロボットに関する。

従来のモータは、ロータを備える。ロータは、複数のロータコア板を積層したロータコアを有する。ロータコアには、カシメ部が形成される。これにより、各ロータコア板が互いに結合される（たとえば、特許文献１参照）。

特開２０１３－３４３３５号公報

従来では、ロータコアにカシメ部を形成するため、カシメ部の形成領域をロータコアに確保する必要がある。これにより、ロータコアの径方向の幅が大きくなる。

本発明は、モータを小型化することを目的とする。

本発明の例示的なモータは、上下に延びる中心軸を中心として回転するロータと、ロータに対して径方向に対向配置されるステータと、を備える。ロータは、中心軸に沿って軸方向に延びるシャフトと、シャフトの径方向外方に配置されるロータコアと、ステータと径方向に対向するマグネットと、を有する。ロータコアは、螺旋状の線状部材で構成され、軸方向に筒状に延びる。

また、本発明の例示的な移動体は、上記モータを備える。

また、本発明の例示的なロボットは、上記モータを備える。

本発明の例示的なモータ、移動体およびロボットによれば、モータを小型化できる。

図１は、実施形態に係るモータの斜視図である。 図２は、実施形態に係るモータの断面図である。 図３は、実施形態に係るロータコアの斜視図である。 図４は、実施形態に係るロータコアの部分断面図である。 図５は、変形例に係るロータコアの部分断面図である。 図６は、変形例に係るモータの断面構造を示す模式図である。 図７は、実施形態に係る電動アシスト自転車の概略図である。 図８は、実施形態に係るロボットアームの概略図である。

以下、本発明の例示的な実施形態について、図面を参照しながら説明する。

本明細書では、モータ１００の中心軸ＣＡが延びる方向を単に「軸方向」と呼び、軸方向の一方を上方と定義し、軸方向の他方を下方と定義する。ただし、この上下の定義がモータ１００の使用時の向きおよび位置関係を限定するものではない。

また、本明細書では、中心軸ＣＡを中心とする径方向を単に「径方向」と呼ぶ。径方向のうち、中心軸ＣＡに近づく方向を単に「径方向内方」と呼び、中心軸ＣＡから離れる方向を単に「径方向外方」と呼ぶ。さらに、中心軸ＣＡを中心とする周方向を単に「周方向」と呼ぶ。

＜１．モータの概要＞
図１は、実施形態に係るモータ１００の斜視図である。図２は、実施形態に係るモータ１００の断面図である。図２は、モータ１００を径方向に平行な平面で切断して軸方向から見た断面図である。

実施形態に係るモータ１００は、ロータ１を備える。ロータ１は、上下に延びる中心軸ＣＡを中心として回転する。ロータ１は、シャフト２と、ロータコア３と、マグネット４と、を有する。また、モータ１００は、ステータ５を備える。ステータ５は、ロータ１に対して径方向に対向配置される。

シャフト２は、中心軸ＣＡに沿って軸方向に延びる。シャフト２は、モータ１００の回転軸となる。

ここで、シャフト２は、軸方向に貫通する貫通孔２０を有する中空シャフトである。すなわち、シャフト２は、円筒状である。たとえば、貫通孔２０には、リード線Ｌｅが配置される。リード線Ｌｅは、ステータ５に接続される。リード線Ｌｅは、貫通孔２０に通されることにより、ステータ５からモータ１００の外部に引き出される。リード線Ｌｅは、モータ１００の外部において、不図示の基板に接続される。

シャフト２として中空シャフトを使用することにより、貫通孔２０をリード線Ｌｅの配線スペースとして利用できる。これにより、リード線Ｌｅの配線スペースを大きく確保する必要がない。その結果、モータ１００を容易に小型化できる。

なお、貫通孔２０には、リード線Ｌｅに限らず、様々な部材を配置できる。詳細は後述するが、モータ１００は、ロボットアーム３００などのロボットに使用される場合がある。モータ１００がロボットに使用される場合には、たとえば、エア配管およびセンサの信号線などを貫通孔２０に配置してもよい。

ロータコア３は、中心軸ＣＡに沿って軸方向に筒状に延びる。ロータコア３は、中心軸ＣＡを中心とする円筒状である。言い換えると、ロータコア３は、中心軸ＣＡを中心とする環状体である。ロータコア３は、シャフト２の径方向外方に配置される。ロータコア３の構成については、後に詳細に説明する。

マグネット４は、ステータ５と径方向に対向する。マグネット４は、ロータコア３の径方向を向く側面に固定される。マグネット４は、円環状の永久磁石である。マグネット４は、Ｎ極とＳ極とを周方向に交互に有する。マグネット４は、周方向に繋がるリングマグネットであってもよい。また、マグネット４は、複数のマグネット片を周方向に配列した構成であってもよい。

ステータ５は、ステータコア５０を有する。ステータコア５０は、中心軸ＣＡを中心とする環状体であり、電磁鋼板が軸方向に複数積層された積層体である。ステータコア５０は、ロータ１と径方向に対向配置される。具体的には、ステータコア５０は、マグネット４と径方向に対向する。

ステータコア５０は、コアバック５１と、ティース５２と、を有する。コアバック５１は、中心軸ＣＡを中心とする環状である。ティース５２は、コアバック５１から径方向に延びる。具体的には、ティース５２の個数は複数である。複数のティース５２は、それぞれがコアバック５１から径方向に延び、周方向に互いに間隔を隔てて配置される。

図示しないが、ティース５２には、コイルが配置される。コイルは、インシュレータを介してティース５２に導線が巻かれることによって形成される。コイルは、複数のティース５２にそれぞれ配置される。

＜２．ロータの詳細構成＞
図３は、実施形態に係るロータコア３の斜視図である。図４は、実施形態に係るロータコア３の部分断面図である。図５は、変形例に係るロータコア３の部分断面図である。なお、図４および図５は、中心軸ＣＡを含む平面でロータコア３の一部を切断して拡大した断面図である。

ロータコア３は、螺旋状の線状部材３０で構成され、軸方向に筒状に延びる。線状部材３０は、軸方向から見て、中心軸ＣＡを中心とする円環状に巻かれる。すなわち、ロータコア３は、中心軸ＣＡを中心とする円筒状である。

たとえば、複数の電磁鋼板で構成されたロータコアでは、複数の電磁鋼板を軸方向に積層して電磁鋼板間を固定するため、電磁鋼板に固定領域を確保する必要がある。前記固定領域は、たとえば、ダボカシメ用の加工領域であり、電磁鋼板間はダボカシメによって固定される。これにより、電磁鋼板の径方向の幅が大きくなる。すなわち、ロータコアの径方向の幅が大きくなる。

一方で、螺旋状の線状部材３０で構成されたロータコア３では、単一の線状部材３０を螺旋状に巻き進めることによってロータコア３を形成できるので、前記固定領域に相当する領域をロータコア３に確保する必要はない。これにより、ロータコア３の径方向の幅を小さくできる。その結果、モータ１００を小型化できる。また、螺旋状の線状部材３０でロータコア３を構成する場合には、線状部材３０が軸方向に隙間なく積層された状態となるので、複数の電磁鋼板で構成されるロータコアと同様、ロータ１の回転を阻害する渦電流を低減できる。

また、螺旋状の線状部材３０で構成されたロータコア３では、ロータコア３の強度は線状部材３０の強度に依存する。一方で、複数の電磁鋼板で構成されたロータコアでは、電磁鋼板間の組み付け精度によっては、強度が低くなる。すなわち、螺旋状の線状部材３０で構成されたロータコア３では、ロータコア３の構成部材が分割されていないので、容易に、ロータコア３の強度を上げることができる。ただし、上記の例示は、螺旋状の線状部材３０が分割されている構成を排除しない。

ここで、実施形態では、ロータコア３は、ステータ５の径方向内方に配置される。言い換えると、実施形態では、モータ１００は、インナーロータ型である。

シャフト２は、螺旋状の線状部材３０で構成されるロータコア３の径方向内側面に配置される。すなわち、シャフト２は、線状部材３０の径方向内側面に配置される。シャフト２は、線状部材３０で構成されるロータコア３と共に中心軸ＣＡを中心として回転する。

また、マグネット４は、螺旋状の線状部材３０で構成されるロータコア３の径方向外側面に配置される。すなわち、マグネット４は、線状部材３０の径方向外側面に配置される。マグネット４は、接着剤などを用いて、ロータコア３を構成する螺旋状の線状部材３０の径方向外側面に固定される。そして、マグネット４は、ロータコア３の径方向外方に配置されるステータ５と径方向に対向する。

この構成では、容易に、螺旋状の線状部材３０で構成されるロータコア３を用いて、インナーロータ型のモータ１００を製造できる。また、容易に、インナーロータ型のモータ１００の径方向の幅を小さくできる。

なお、モータ１００は、ハウジング６を備える。ハウジング６は、中心軸ＣＡに沿って軸方向に筒状に延びる。そして、モータ１００がインナーロータ型である場合、ステータ５の径方向外側面は、ハウジング６の径方向内側面に固定される。

ロータコア３は、単一の線状部材３０を螺旋状に巻いた構成である。言い換えると、ロータコア３は、一つながりの線状部材３０で構成される。さらに言い換えると、ロータコア３は、複数の部材を軸方向に積層した構成ではない。これにより、ロータコア３の構成部品が１つとなり、部品点数の増加を抑制できる。また、モータ１００の製造が容易となる。

また、線状部材３０のうち軸方向に隣接する各部分は、軸方向に互いに接触する。これにより、ロータコア３の軸方向の幅を大きくすることなく、線状部材３０の巻き数を増大できる。その結果、モータ１００を軸方向に大きくすることなく、モータ１００の高出力化を図ることができる。

線状部材３０は、金属線３１と、絶縁層３２と、を有する。絶縁層３２は、金属線３１の表面の少なくとも一部を覆う。これにより、線状部材３０のうち軸方向に隣接する各部分を互いに接触させても、その各部分間の絶縁を確保し易くなる。たとえば、金属線３１の構成材料として、純鉄および電磁ステンレスなどを使用できる。また、絶縁層３２の構成材料として、エポキシ樹脂などの絶縁性樹脂を使用できる。

たとえば、ロータコア３の製造工程は、金属線３１を螺旋状に巻く工程と、螺旋状の金属線３１に絶縁性樹脂を電着塗装する工程と、を含む。これらの工程を経て、螺旋状の線状部材３０が製造される。また、ロータコア３の製造工程は、螺旋状の線状部材３０を軸方向に圧縮して焼き固める工程を含む。これにより、螺旋状の線状部材３０で構成されるロータコア３が形成される。

また、実施形態では、図４に示すように、線状部材３０は、丸線である。すなわち、実施形態では、線状部材３０の断面形状は、楕円形状または円形状である。金属線３１として丸線を使用することにより、線状部材３０が丸線となる。

変形例として、図５に示すような断面形状を有する線状部材３０を使用してもよい。変形例では、線状部材３０は、角線である。すなわち、変形例では、線状部材３０の断面形状は、矩形状である。金属線３１として角線を使用することにより、線状部材３０が角線となる。

線状部材３０が角線である場合には、金属線３１を螺旋状に巻く工程において、金属線３１のうち軸方向に隣接する各部分の平坦面同士が互いに対向するよう巻き進める必要がある。言い換えると、金属線３１の向きを調整しながら金属線３１を巻き進める必要がある。また、金属線３１を螺旋状に巻く工程では、たとえば、ダイスによる引き抜き加工が行われるが、金属線３１の素材を角線にする場合には丸線にする場合よりも、ダイスが偏摩耗し易い。したがって、線状部材３０が角線である場合には丸線である場合よりも、ダイスの交換回数が増える。つまり、線状部材３０の素材を丸線にすることで、角線にする場合よりも、ダイスの交換回数を削減できる。

これらのことから、線状部材３０が丸線である場合には角線である場合よりも、ロータコア３の形成が容易になる。また、線状部材３０が丸線である場合には角線である場合よりも、ロータコア３の製造コストを削減できる。すなわち、モータ１００のコストダウンを図ることができる。

一方で、線状部材３０が丸線である場合には、線状部材３０が軸方向に密に巻かれた状態であっても、線状部材３０のうち軸方向に隣接する各部分間に無駄な隙間Ｃ（図４参照）が生じる。これに対して、線状部材３０が角線である場合には、線状部材３０のうち軸方向に隣接する各部分の平坦面３０ａ同士を軸方向に接触させることにより、線状部材３０が丸線である場合に生じる隙間Ｃを無くすことができる。これにより、線状部材３０が角線である場合には丸線である場合よりも、磁気経路が増え、モータ１００の出力が向上する。

また、線状部材３０が角線である場合には、線状部材３０で構成されるロータコア３の径方向を向く側面（径方向外側面または径方向内側面）が平坦面となる。言い換えると、ロータコア３の側面に凹凸が生じることを抑制できる。これにより、ロータコア３の側面にはマグネット４が固定されるが、そのマグネット４の固定先が平坦面となるため、マグネット４とロータコア３との接触面積が増え、マグネット４の固定精度が向上する。

なお、線状部材３０の形状については、特に限定されない。図示しないが、たとえば、線状部材３０が平型線であってもよい。すなわち、偏平型の線状部材３０が使用されてもよい。

＜３．モータの変形例＞
図６は、変形例に係るモータ１００の断面構造を示す模式図である。図６は、中心軸ＣＡを含む平面でモータ１００を切断した断面に相当する。

変形例では、ロータコア３は、ステータ５の径方向外方に配置される。言い換えると、変形例では、モータ１００は、アウターロータ型である。

モータ１００がアウターロータ型である場合、モータ１００は、ロータ１と共に回転するロータハウジング７を備える。ロータハウジング７は、ロータ筒部７１およびロータ蓋部７２を有する。

ロータ筒部７１は、中心軸ＣＡに沿って軸方向に筒状に延びる。ロータ蓋部７２は、中心軸ＣＡを中心とする円盤状である。ロータ筒部７１は、ロータ蓋部７２の径方向外方の端部から下方に延びる。ロータ筒部７１は、ロータ１の径方向外方に配置される。すなわち、ロータ筒部７１は、ロータコア３の径方向外方に配置される。ロータコア３の径方向外側面は、ロータ筒部７１の径方向内側面に配置される。

ロータ蓋部７２は、中心軸ＣＡを中心とする円形の開口（符号省略）を有する。シャフト２は、ロータ蓋部７２の開口に配置され、固定される。言い換えると、シャフト２は、ロータハウジング７に固定される。これにより、シャフト２は、ロータハウジング７と共に中心軸ＣＡを中心として回転する。

また、変形例では、マグネット４は、螺旋状の線状部材３０（図３参照）で構成されるロータコア３の径方向内側面に配置される。すなわち、マグネット４は、線状部材３０の径方向内側面に配置される。マグネット４は、接着剤などを用いて、ロータコア３を構成する螺旋状の線状部材３０の径方向外側面に固定される。そして、マグネット４は、ロータコア３の径方向内方に配置されるステータ５と径方向に対向する。

この構成では、容易に、螺旋状の線状部材３０で構成されるロータコア３を用いて、アウターロータ型のモータ１００を製造できる。また、容易に、アウターロータ型のモータ１００の径方向の幅を小さくできる。

＜４．移動体の構成＞
図７は、実施形態に係る電動アシスト自転車２００の概略図である。電動アシスト自転車２００は「移動体」に相当する。

以下、本実施形態のモータ１００を電動アシスト自転車２００に使用する例について説明する。ただし、本実施形態のモータ１００は、電動バイクなど他の電動車両にも使用可能である。

また、本実施形態のモータ１００は、移動体としての航空機にも使用可能である。たとえば、プロペラを有する航空機に使用する場合には、本実施形態のモータ１００はプロペラの駆動源として使用される。

電動アシスト自転車２００は、後輪２１１および前輪２１２を備える。また、電動アシスト自転車２００は、回転軸２２１、クランク２２２およびペダル２２３を備える。

回転軸２２１は、駆動ギア（不図示）を有する。後輪２１１は、従動ギア（不図示）を有する。駆動ギアおよび従動ギアは、チェーン（不図示）を介して互いに連結される。これにより、回転軸２２１が回転することにより、後輪２１１が回転し、電動アシスト自転車２００が前進する。

クランク２２２は、回転軸２２１に固定される。ペダル２２３は、クランク２２２のうち回転軸２２１に固定される側とは反対の先端側に回転可能に取り付けられる。電動アシスト自転車２００の運転者は、ハンドル２０１を握ってサドル２０２にまたがり、ペダル２２３を漕ぐ。すなわち、運転者は、クランク２２２を回す。これにより、回転軸２２１が回転し、後輪２１１が回転する。

また、電動アシスト自転車２００は、本実施形態のモータ１００を備える。また、電動アシスト自転車２００は、バッテリー２３０を備える。バッテリー２３０は、配線（不図示）を介してモータ１００に接続され、モータ１００に電力を供給する。モータ１００は、バッテリー２３０から電力供給を受けて駆動する。

モータ１００のシャフト２は、たとえば、ギアなどを有する伝達機構（不図示）を介して、回転軸２２１に連結される。モータ１００の出力は、回転軸２２１に伝達される。これにより、モータ１００から回転軸２２１に動力が付与される。言い換えると、モータ１００は、運転者によるペダル２２３を漕ぐ作業を補助する。

この構成では、モータ１００が電動アシスト自転車２００に使用されるので、電動アシスト自転車２００のうちモータ１００の設置スペースを小さくできる。ここで、モータ１００は、電動アシスト自転車２００のうち回転軸２２１の周辺に配置される。このため、電動アシスト自転車２００では、モータ１００を小型化することが好ましい。モータ１００を小型化することにより、運転者がペダル２２３を漕ぎ易くなる。

＜５．ロボットの構成＞
図８は、実施形態に係るロボットアーム３００の概略図である。ロボットアーム３００は「ロボット」に相当する。

以下、本実施形態のモータ１００をロボットアーム３００に使用する例について説明する。たとえば、ロボットアーム３００は、産業用ロボットであり、或る場所から別の場所へ物品を移動する工程で使用される。モータ１００は、ロボットアーム３００を駆動する駆動源として使用される。ただし、これに限定されない。本実施形態のモータ１００は、ロボットの一部を駆動する駆動源として使用可能である。

ロボットアーム３００は、アーム部３１０と、把持部３２０と、を備える。アーム部３１０は、基台部３３０に保持される。また、ロボットアーム３００は、本実施形態のモータ１００を備える。

モータ１００は、アーム部３１０を駆動する。具体的には、アーム部３１０は、ロータ１が回転することにより、先端３１１の位置を変位させる。なお、アーム部３１０の移動方向は特に限定されない。

把持部３２０は、アーム部３１０の先端３１１に配置される。たとえば、把持部３２０は、先端３１１に対して回転可能である。把持部３２０は、物品を把持する。

この構成では、モータ１００がロボットアーム３００に使用されるので、ロボットアーム３００のうちモータ１００の設置スペースを小さくできる。すなわち、ロボットアーム３００を小型化できる。なお、図示しないが、ロボットアーム３００は、複数の関節を有する構成であってもい。

＜６．その他＞
以上、本発明の実施形態について説明した。なお、本発明の範囲は上述の実施形態に限定されない。本発明は、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えて実施することができる。また、上述の実施形態は適宜任意に組み合わせることができる。

本発明は、たとえば、電動車両および航空機などの移動体の駆動源、および、ロボットの駆動源として利用可能である。

１ ロータ
２ シャフト
３ ロータコア
４ マグネット
５ ステータ
２０ 貫通孔
３０ 線状部材
３０ａ 平坦面
３１ 金属線
３２ 絶縁層
１００ モータ
２００ 電動アシスト自転車（移動体）
３００ ロボットアーム（ロボット）
ＣＡ 中心軸

Claims (11)

1. 上下に延びる中心軸を中心として回転するロータと、
   前記ロータに対して径方向に対向配置されるステータと、を備え、
   前記ロータは、
   前記中心軸に沿って軸方向に延びるシャフトと、
   前記シャフトの径方向外方に配置されるロータコアと、
   前記ステータと径方向に対向するマグネットと、を有し、
   前記ロータコアは、螺旋状の線状部材で構成され、軸方向に筒状に延びる、モータ。
2. 前記ロータコアは、前記ステータの径方向内方に配置され、
   前記シャフトは、前記線状部材の径方向内側面に配置され、
   前記マグネットは、前記線状部材の径方向外側面に配置され、前記ロータコアの径方向外方に配置される前記ステータと径方向に対向する、請求項１に記載のモータ。
3. 前記ロータコアは、前記ステータの径方向外方に配置され、
   前記マグネットは、前記線状部材の径方向内側面に配置され、前記ロータコアの径方向内方に配置される前記ステータと径方向に対向する、請求項１に記載のモータ。
4. 前記線状部材のうち軸方向に隣接する各部分は、軸方向に互いに接触する、請求項１～３のいずれか１項に記載のモータ。
5. 前記線状部材は、
   金属線と、
   前記金属線の表面を覆う絶縁層と、を有する、請求項１～４のいずれか１項に記載のモータ。
6. 前記線状部材は、角線である、請求項１～５のいずれか１項に記載のモータ。
7. 前記線状部材は、丸線である、請求項１～５のいずれか１項に記載のモータ。
8. 前記ロータコアは、単一の前記線状部材を螺旋状に巻いた構成である、請求項１～７のいずれか１項に記載のモータ。
9. 前記シャフトは、軸方向に貫通する貫通孔を有する中空シャフトである、請求項１～８のいずれか１項に記載のモータ。
10. 請求項１～９のいずれか１項に記載のモータを備える、移動体。
11. 請求項１～９のいずれか１項に記載のモータを備える、ロボット。

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