JP2729888B2 - ブラシレスモータ - Google Patents

ブラシレスモータ

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JP2729888B2
JP2729888B2 JP4361078A JP36107892A JP2729888B2 JP 2729888 B2 JP2729888 B2 JP 2729888B2 JP 4361078 A JP4361078 A JP 4361078A JP 36107892 A JP36107892 A JP 36107892A JP 2729888 B2 JP2729888 B2 JP 2729888B2
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  • Permanent Field Magnets Of Synchronous Machinery (AREA)
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、ステータを構成する電
機子に対し、ロータを構成する界磁磁石を回転移動可能
に設けたブラシレスモータに関する。
【0002】
【従来の技術】近年、種々のブラシレスモータが開発さ
れているが、従来のブラシレスモータの一例として図1
0及び図11に示された構成のモータがある。このもの
は、所謂2−3(磁極数−コア極数)構造と呼ばれてい
るモータであり、ロータを構成するケーシング1の内周
壁に中空円筒状の界磁磁石2が固定されているととも
に、この界磁磁石2の内周側に、電機子3がステータを
構成するように配置されている。上記界磁磁石2の着磁
は、円周方向に2つの異なる磁極N,Sを形成するよう
に行われているとともに、前記電機子3は、界磁磁石2
の内周壁に近接して磁束を集める3体の突極3a,3
a,3aを有しており、これらの各突極3aの各々にコ
イル3b,3b,3bがそれぞれ巻回されている。
【0003】また多極型のブラシレスモータとして、例
えば図12に示されているような構成のモータがある。
このものでは、ロータケーシング11の内周壁に固定さ
れた中空円筒状の界磁磁石12に、円周方向に沿って異
なる磁極N,Sが所定のピッチで多数着磁されていると
ともに、この界磁磁石12の内周側にステータを構成す
るように配置された電機子13に、多数の突極13a,
13a,…が設けられている。そしてこれらの各突極1
3aの各々には、コイル13bがそれぞれ巻回されてい
る。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ところがこのような従
来の各種ブラシレスモータでは、所謂T/N特性値が未
だ十分でないという問題がある。すなわちT/N特性値
は、ブラシレスモータのT−N特性におけるトルクTと
回転数Nとの商であり、具体的には、 T/N特性値=TS /NO =ΔT/ΔN =KE ・KT /R・・・・・・・・・・ で表される。ここで、 TS ;始動トルク NO ;無負荷回転数 KE ;逆起電圧定数 KT ;トルク定数 R ;内部抵抗 である。
【0005】このT/N特性値は、ブラシレスモータの
基本であるT−N特性の大きさを表しており、ブラシレ
スモータの大きさを比較することができる。例えばT/
N=3のブラシレスモータは、T/N=1のブラシレス
モータを3個同時に回したのと同じT−N特性が出せ
る。より具体的には、T/N特性値は、ブラシレスモー
タの体積の約2乗(正確には5/3乗)に比例してお
り、また界磁磁石におけるBHMAX にほぼ比例する関係
を有している。したがって従来から、より大きいモータ
や強い磁石を使用しようとする場合には、結果的にT/
N特性値を大きくしようとしているものである。
【0006】T/N特性値を大きくした場合には、次の
ようなことが可能となる。 1)発生トルクの増大。 2)立上り時間の低減。 3)トルク定数及び逆起電圧定数の増大。 4)定格電流の低減。 5)損失(銅損)の低減。 6)高効率化。 7)発熱の低減。 8)出力の増大。 9)負荷変動による回転数変動への影響低減。
【0007】またT/N特性値に余裕がある場合には、
活用の仕方によって次のようなことが可能になる。 1)ブラシレスモータの小型、薄型、軽量化。 2)材料見直し等による低コスト化。 3)設計の自由度の拡大。
【0008】このように従来から提案されているブラシ
レスモータに関する各種の提案は、結果的に、より高い
T/N特性値を得るためのものが多い。すなわちブラシ
レスモータの軽薄短小化、省電力化、省資源化、低価格
化等の要請の根底になっているのは、(T/N特性値)
/(体格)及び(T/N特性値)/(コスト)であっ
て、T/N特性値をいかに効率よく出すかが従来からの
課題となっている。例えば、 1)小型化、薄型化、軽量化。 2)始動トルクの伸長。 3)立上がり時間の短縮化。 4)電流値の低減。 5)損失(銅損)の低減。 6)合理化。 等であり、従来からのブラシレスモータ技術に関する提
案は、結果的にT/N特性値を向上させるための検討と
もいえるものが多い。実際的には、T/N特性値で5%
乃至10%の違いが競合している。
【0009】次にこのようなT/N特性値を決める要素
としては、P(磁極数)、Φ(有効磁束)、H(並列コ
イル数)、A(コイル断面積)、L(1T当りのコイル
長)があり、それを式で表すと、 T/N特性値=P2 ・Φ2 ・H・A/L・・・・ となる。したがってこれらの各要素を全体として最大と
なるように組み合わせればT/N特性値が最大になる。
特に、P2 ×Φ2 をいかに大きくするかがポイントにな
る。
【0010】このような観点から考察すれば、上述した
図10及び図11に示された所謂2−3(磁極数−コア
極数)構造の電動機の場合には、3相のブラシレスモー
タにおいて磁極数と突極数とが最小限の組み合せとなっ
ており、例えば図示の位置関係においては、矢印で示し
たようにN極の総磁束が1カ所の突極3aに集中してい
る。したがって有効磁束Φは大きくなっている。しかし
ながら磁極数Pが2であるため、T/N特性値の向上に
は限界がある。
【0011】一方図12に示された多極型のものでは、
磁極数Pと並列コイル数Hとが増大されていると同時
に、コイル長Lが減じられることによって、T/N特性
値の向上が図られているが、電機子13の突極13aと
界磁磁石12との1突極当りの対向面積が小さくなって
おり、磁束が分散使用されている。すなわち同じ総磁束
を多極に分けて使っているため、磁極数Pは増えている
が有効磁束Φは減少しており、結局、上式中におけるP
2 ×Φ2 の値は変わっていない。また並列コイル数Hの
増大は可能であるが、コイル断面積Aの減少に打ち消さ
れてしまい、構造が複雑化する割にはT/N特性値を大
幅に向上させることはできない。したがってこの多極型
の場合には、BHMAX の大きい磁石を採用して有効磁束
Φを稼ぎ、T/N特性値の向上を図っているのが現状で
ある。
【0012】このように従来型のブラシレスモータで
は、強い磁石を使うという大幅コストアップにつながる
方法でしかT/N特性値の向上を図ることができないと
いう問題がある。
【0013】そこで本発明は、簡易な構造でT/N特性
値を大幅に向上させることができるようにしたブラシレ
スモータを提供することを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明は、鉄心に複数相のコイルが巻回されてなるステ
ータとしての電機子と、この電機子に対して回転移動可
能に配置されてなるロータとしての界磁磁石とをし、
上記鉄心は、所定の厚さに積層されるように構成された
複数の突極を備え、該複数の突極の各々に、上記複数相
のコイルのうちの1相分のコイルがそれぞれ巻回され、
上記複数相のコイルに対し、前記ロータを連続的に回転
させるように通電方向を順次切り替えるようにしたブラ
シレスモータにおいて、上記界磁磁石は、円周方向と直
交する回転の軸方向に着磁が施されているとともに、こ
の界磁磁石の着磁両端面の一方側及び他方側のそれぞれ
に、環状のヨーク板がそれぞれ当接するようにして取り
付けられ、それらの一方側及び他方側の各ヨーク板に
は、円周方向に所定のピッチで配置される複数の磁路形
成用凸部が、回転時に前記鉄心の突極と近接・離間する
ように対面可能に設けられてなり、前記鉄心の突極と磁
路形成用凸部とは、前記界磁磁石の磁束を、前記一方側
のヨーク板の磁路形成用凸部を通して、該磁路形成用凸
部に近接した突極に集束させるとともに、その突極に集
束された磁束を、他の突極を通して、前記他方側のヨー
ク板の磁路形成用凸部に戻し、かつその鉄心内を通過す
る磁束の方向が、電機子と界磁磁石との相対移動に伴い
上記磁路形成用凸部の配置ピッチ毎に前記一方側のヨー
ク板と他方側のヨーク板との間で反転する位置関係に設
けられた構成を有している。
【0015】
【作用】このような構成を有する手段においては、界磁
磁石に取り付けられたヨーク板の形状により、磁石の総
磁束を分散させることなく集中させる構造によって多極
化が行われているため、磁石に多極着磁を行うことな
く、しかも電機子側の構造を簡易に維持しつつ、磁極数
及び有効磁束の双方が同時に増大されるようになってい
る。
【0016】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細
に説明する。まず図1及び図2に示されている第1の実
施例は、3相のブラシレスモータに本発明を適用したも
のであって、基板20の中心部に立設された中空円筒状
の軸受ホルダー21内に、回転軸22が回転自在に支承
されているとともに、上記軸受ホルダー21の外周部に
は、電機子の鉄心23がステータを構成するように固定
されている。この鉄心23は、珪素鋼鈑等を所定の厚さ
に積層してなるものであって、放射状に延びる3体の突
極23a,23b,23cが、回転軸を中心にして円周
方向に120°のピッチ間隔で設けられており、各突極
23a,23b,23cの途中部分に、3相励磁用のコ
イル24,24,24がそれぞれ巻回されている。
【0017】一方上記回転軸22の軸受突出部分には、
ロータを構成する円筒状の回転体25が一体的に回転す
るように固定されているとともに、この回転体25の図
示下面部には、皿状の非磁性部材からなるケース25a
が同心状に取り付けられている。さらにそのケース25
aの外周部に設けられたフランジ状部分の内周壁部に
は、界磁磁石27が環状に固定されている。この界磁磁
石27は、上記電機子の各突極23a,23b,23c
の外周側を、所定の空隙を介して環状に取り囲む中空円
筒体からなり、固定状態にある上記電機子の回りを回転
移動するように構成されている。またこの界磁磁石27
としては、フェライト或いは稀土類のマグネットが採用
されており、その延在方向である周方向に直交する方向
(軸方向)に着磁が行われている。本実施例では、界磁
磁石27の図示上側端面がN極に着磁されているととも
に、図示下側端面がS極に着磁されている。
【0018】さらに上記界磁磁石27における図示上側
及び図示下側の各着磁端面には、一方側のヨーク板26
及び他方側のヨーク板28がそれぞれ取り付けられてい
る。これら一方側及び他方側の各ヨーク板26,28
は、界磁磁石27の各着磁端面に沿って延在するリング
状の強磁性材からなり、界磁磁石27の図示上側のN極
側に取り付けられたヨーク板26がN極に磁化されてい
るとともに、界磁磁石27の図示下側のS極側に取り付
けられたヨーク板28はS極に磁化されている。
【0019】また一方のヨーク板26の内周縁部に
は、軸中心に向かって突出する4体の磁路形成用凸部2
6a,26b,26c,26dが設けられているととも
に、他方のヨーク板28の内周縁部には、軸中心に向
かって突出する4体の磁路形成用凸部28a,28b,
28c,28dが設けられている。これら一方側のヨー
ク板26の磁路形成用凸部26a,…及び他方側のヨー
ク板28の磁路形成用凸部28a,…どうしは、前記電
機子の鉄心23を軸方向から挟み込みつつ回転移動する
ように構成されている。すなわち電機子の鉄心23と、
一方側及び他方側の各ヨーク板26及び28の磁路形成
用凸部26a,…及び28a,…とは、両者の相対移動
に伴い近接・離間するようになされており、両者が軸方
向に対面して近接したときには、界磁磁石27からの磁
束が、上記一方側及び他方側の各ヨーク板26及び28
の磁路形成用凸部26a,…及び28a,…を通して、
鉄心23側に集束する構成になされている。このとき磁
路形成用凸部26a,…及び28a,…の板厚及び鉄心
23との対面長さは、鉄心23の厚さとほぼ同じ寸法に
設定されている。
【0020】これら一方側及び他方側の両ヨーク板26
及び28における各磁路形成用凸部26a,…及び28
a,…は、周方向に90°のピッチ間隔で並設されてお
り、一方側の磁路形成用凸部26a,…と他方側の磁路
形成用凸部28a,…とは、周方向において互いに45
°ずらされて配置されている。すなわち平面視におい
て、N極に磁化された磁路形成用凸部26a,…と、S
極に磁化された磁路形成用凸部28a,…とは、周方向
に45°のピッチ間隔で交互に環状配置されており、一
方側の磁路形成用凸部26a、他方側の磁路形成用凸部
28a、一方側の磁路形成用凸部26b、他方側の磁路
形成用凸部28b、…の順に交互に配置されている。そ
してこれにより計8極の磁極が多極着磁を行うことなく
構成されている。したがって前記鉄心23のコイル24
を装着した部分を通過する磁束の方向が、上記両側の磁
路形成用凸部26a,28a,…の配置ピッチ(45
°)毎に反転する配置関係になされている。
【0021】なお前述した基板20から延びるリード線
は、モータの外部に設けられている駆動制御回路29に
接続されている。
【0022】このような実施例におけるブラシレスモー
タでは、電機子側と界磁磁石側とが、図示の位置関係に
あるとき、すなわち一方側のヨーク板26の磁路形成用
凸部26a(N極)が一つの突極23aに近接し、かつ
他方側のヨーク板28における一対の磁路形成用凸部2
8b,28c(S極)が他の突極23b,23cに近接
しているときには、図示矢印のようにして界磁磁石27
からの総磁束が、一方側のヨーク板26の磁路形成用凸
26aを通して鉄心23の一つの突極23aに隼束さ
、その突極23aに集束された磁束が、他の突極23
a,23aを通して他方側のヨーク板28の磁路形成用
凸部28b,28cに戻される。
【0023】次にこの状態から界磁磁石側が、磁路形成
用凸部の配置ピッチである45°だけ回転移動したとき
には、例えば他方側のヨーク板28の磁路形成用凸部2
8a(S極)が突極23aに近接するともに、一方側の
ヨーク板26における一対の磁路形成用凸部26c,2
6d(N極)が突極23b,23cに近接する。したが
って界磁磁石27からの総磁束は、上述した矢印方向と
は反対側に、他方側のヨーク板28から一方側のヨーク
板26側に反転して鉄心23に集束される。
【0024】このように本実施例では、界磁磁石27に
取り付けられた一対のヨーク板26,28の形状によ
り、界磁磁石27の総磁束を分散させることなく集中さ
せる構造で多極化が図られており、これによって界磁磁
石27からの磁束が常時最大限に利用され、磁極数P及
び有効磁束Φの双方が同時に増大されるようになってい
る。そしてその多極化にあたっては、従来のように界磁
磁石に多極着磁は行われておらず、しかも電機子側の構
造が簡易に維持されている。
【0025】この状態は、前述した図10及び図11に
示された所謂2−3構造のブラシレスモータと同様な総
磁束集中状態のままで、磁極数Pを増大させた状態とな
っている。そして前述した式に示した通り、T/N特
性値に対して磁極数Pは2乗で寄与することから、磁極
数Pを3倍とすればT/N特性値は9倍となり、本実施
例のように磁極数Pを4倍とすればT/N特性値は16
倍、磁極数Pが5倍ならT/N特性値は25倍のように
してT/N特性値は大幅に向上される。
【0026】ここでブラシレスモータの発生トルクは、
コイルの中を通る磁束Φの単位角度θ当たりの変化(d
Φ/dθ;磁束密度の傾斜の大きさ)に比例し、T/N
特性値はその2乗に比例している。そのためブラシレス
モータの1回転中における磁束Φの変化を、 従来の2極型モータ(P=2)、 従来の多極型モータ(P=10)及び 本発明にかかるモータ(P=10) のそれぞれについて比較してみる。
【0027】図3から明らかなように、まず破線で示し
た従来の2極型モータ()では、大きな磁束がゆっく
り変化しており、太線で示した従来の多極型モータ
()では磁束Φの切り替わりが5倍となっている。し
かし磁束Φ自体は1/5になっているため、結局、磁束
Φの変化dΦ/dθ(傾斜の大きさ)は両者とも同じで
ある。これに対して細線で示した本発明構造()の場
合には、従来の2極型モータ()と同じ総磁束を集中
的に集めているとともに、従来の多極型モータ()と
同じ間隔で切り替えが行われている。そのため磁束Φの
変化dΦ/dθ(傾斜の大きさ)が非常に大きくなって
いる。この場合、各モータの電機子側条件が仮に同じで
あるとすると、の従来型モータに比べての本発明
のモータは、発生トルク(トルク定数)が5倍、T/N
特性値が25倍となる。
【0028】また図4に示されている実施例では、上述
した図1及び図2の実施例に対応する構成物について、
十の位の符号「2」を「4」に代えて表している。この
実施例では、上記実施例よりさらに多極化するように各
ヨーク板46及び48のそれぞれに、多数の磁路形成用
凸部46a〜46h及び48a〜48hが突設されてい
るとともに、鉄心43の各突極43a,43b,43c
の先端部分が、二股状に分割されている。このように突
極の先端部分を二股状とすれば、ヨーク板への負担を低
減することができる。
【0029】さらに図5に示されている実施例では、図
1及び図2の実施例に対応する構成物について、十の位
の符号「2」を「5」に代えて表している。この実施例
では、各ヨーク板56及び58の磁路形成用凸部を、符
号56a〜56h及び58a〜58hのように増大させ
て多極化しているとともに、鉄心53の突極数を、53
a〜53fのように増大させている。
【0030】さらにまた図6に示されている実施例で
は、上述した第1の実施例と対応する構成物について、
符号中の十の位「2」を符号「6」に代えて表してい
る。本実施例では、両ヨーク板66,68に設けられて
いる各磁路形成用凸部66a,68aが、電機子側の鉄
心63の周端面に対面するように軸方向に向かって略L
字状に折曲されている。
【0031】次に図7に示されている実施例は、2相モ
ータに本発明を適用したものであって、前記第1の実施
例と対応する構成物について、符号中の十の位「2」を
符号「7」に代えて表している。本実施例における電機
子は、一対の鉄心73,73を有しており、一方の鉄心
73の両端部に設けられた突極73a,73b及び他方
の鉄心73の両端部に設けられた突極73c,73d
が、ヨーク板76及び78の磁路形成用凸部76a〜7
6h及び78a〜78hのいずれかに近接・離間するよ
うに構成されている。
【0032】さらに図8及び図9に示されている実施例
では、上述した第1の実施例と対応する構成物につい
て、符号中の十の位「2」を符号「8」に代えて表して
いる。本実施例では、上述した各実施例中の電機子と界
磁磁石とを、内側と外側とを逆の関係にして配置したも
のであって、ロータを構成する円筒状の界磁磁石87の
外周側に、電機子の鉄心83及びコイル84がステータ
を構成するように配置されている。上記鉄心83は、3
体の突極83a,83b,83cを備えており、円周方
向の一部分のみに配置されている。
【0033】このように本発明には、種々の形状の電機
子及び界磁磁石を採用することができ、同様な作用・効
果を得ることができる。
【0034】
【発明の効果】以上述べたように本発明にかかるブラシ
レスモータは、界磁磁石に取り付けたヨーク板の形状に
より、界磁磁石の総磁束を電機子の鉄心側に反転を繰り
返すように集中させ、界磁磁石の総磁束を分散させるこ
となく集中させる構造で多極化を行うものであるから、
従来のように界磁磁石に多極着磁を行うことなく、しか
も電機子側の構造を簡易に維持しつつ、界磁磁石からの
磁束を常時最大限に利用して磁極数及び有効磁束の双方
を同時に増大することができ、簡易な構造によりT/N
特性値を大幅に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例におけるブラシレスモータ
を表した平面説明図である。
【図2】図1に表したブラシレスモータの構造を表した
横断面説明図である。
【図3】ブラシレスモータの1回転中における磁束Φの
変化を比較した線図である。
【図4】本発明の第2実施例におけるブラシレスモータ
を表した平面説明図である。
【図5】本発明の第3実施例におけるブラシレスモータ
を表した平面説明図である。
【図6】本発明の第4実施例におけるブラシレスモータ
を表した半縦断面説明図である。
【図7】本発明の第5実施例におけるブラシレスモータ
を表した平面説明図である。
【図8】本発明の第6実施例におけるブラシレスモータ
を表した平面説明図である。
【図9】図8に表したブラシレスモータの要部構造を表
した部分縦断面説明図である。
【図10】従来におけるブラシレスモータの一例を表し
た平面説明図である。
【図11】図10に表したブラシレスモータの構造を表
した縦断面説明図である。
【図12】従来におけるブラシレスモータの他の例を表
した平面説明図である。
【符号の説明】
23,43,53,63,73,83 鉄心 24,44,54,64,74,84 コイル 26,46,56,66,76,86 ヨーク板 28,48,58,68,78,88 ヨーク板 27,47,57,67,77,87 界磁磁石 26a,26b,26c,28a,28b,28c 磁
路形成用凸部 46a〜46h,48a〜48h 磁路形成用凸部 56a〜56h,58a〜58h 磁路形成用凸部 66a〜66h,68a〜68h 磁路形成用凸部 76a〜76h,78a〜78h 磁路形成用凸部 86a〜86i,88a〜88i 磁路形成用凸部

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 鉄心に複数相のコイルが巻回されてステ
    ータを構成する電機子と、この電機子に対して回転移動
    可能に配置されてロータを構成する界磁磁石とをし、 上記鉄心は、所定の厚さに積層されるように構成された
    複数の突極を備え、 該複数の突極の各々に、上記複数相のコイルのうちの1
    相分のコイルがそれぞれ巻回され、 上記複数相のコイルに対し、前記ロータを連続的に回転
    させるように通電方向を順次切り替えるようにした ブラ
    シレスモータにおいて、 上記界磁磁石には、円周方向と直交する回転の軸方向に
    着磁が施されているとともに、 この界磁磁石の着磁両端面の一方側及び他方側のそれぞ
    れに、環状のヨーク板がそれぞれ当接するようにして
    り付けられ、 それらの一方側及び他方側の各ヨーク板には、円周方向
    に所定のピッチで配置される複数の磁路形成用凸部が
    回転時に前記鉄心の突極と近接・離間するように対面可
    能に設けられてなり、 前記鉄心の突極と磁路形成用凸部とは、前記界磁磁石の
    磁束を、前記一方側のヨーク板の磁路形成用凸部を通し
    て、該磁路形成用凸部に近接した突極に集束させるとと
    もに、その突極に集束された磁束を、他の突極を通し
    て、前記他方側のヨーク板の磁路形成用凸部に戻し、
    つその鉄心内を通過する磁束の方向が、電機子と界磁磁
    石との相対移動に伴い上記磁路形成用凸部の配置ピッチ
    毎に前記一方側のヨーク板と他方側のヨーク板との間で
    反転する位置関係に設けられていることを特徴とするブ
    ラシレスモータ。
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