JP3790214B2

JP3790214B2 - コアレスモータ

Info

Publication number: JP3790214B2
Application number: JP2002365327A
Authority: JP
Inventors: 啓介浅場
Original assignee: 株式会社アサバ
Priority date: 2002-12-17
Filing date: 2002-12-17
Publication date: 2006-06-28
Anticipated expiration: 2022-12-17
Also published as: DE60319199T2; EP1432105A3; EP1432105A2; US20040164638A1; DE60319199D1; EP1432105B1; CN100525021C; JP2004201387A; CN1520010A; US6940206B2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は精密機器の動力用として好適なコアレスモータに関する。
【０００２】
【従来の技術とその問題点】
精密機器のアクチュエータ用に用いられる小型モータには、従来からマグネットまわりをコイルが回転するコアレスモータがあり、その長所としてはコアドモータ（鉄心付きモータ）のようなリラクタンストルクがないこと、整流火花（スパーク）が少なくて電気雑音が小であること、ロータ慣性が小で応答性が良好であることなどが挙げられる。
【０００３】
ところで、精密機器の動力として使用されるモータには、応答性、制御性に優れていなければならないのは当然のことであるが、多数のモータを備える精密機器では各モータの消費電力が小でエネルギー効率が高いことが要求される。
【０００４】
しかし従来のコアレスタイプのモータは応答性、制御性に優れているというメリットはあるが、以下の理由から決してエネルギー効率の高いモータとはいえないという欠点がある。
【０００５】
従来から一般的に用いられているコアレスモータは円筒状に形成したコイルをマグネットとコイルヨークの間の隙間で回転させる構成のものとしてあるが、前記コイルに作用する回転トルクは、コイルを構成する導線の向きと直角をなす方向に生じるので、コイルの回転円周方向に対して、コイルを構成する導線の向き（巻線方向）が直角をなすように構成すればコイルにより形成される磁界の強さに対する回転トルク（回転出力）の割合が向上し、エネルギー効率の高いモータが得られる。
【０００６】
しかし、円筒状に形成されたコイルは、同コイルを構成する導線がコイルの高さ方向に対して平行となるように捲回されているのではなくある程度の傾斜角度を有し、したがってこの傾斜角度が大になるとマグネットに作用する回転トルクが減少してエネルギー効率が低下する。
【０００７】
したがって、このようなモータにおいて軸方向の長さを小ならしめようとすると、コイルの巻線方向がコイルの軸方向となす角度がより大となり、したがってエネルギー効率はさらに低下し、小型で高効率のモータを実現する際の障碍となっている。
【０００８】
【目的】
本発明の目的とするところは、応答性、制御性に優れ、しかもコイルに供給する駆動電力に比して大なる回転トルクが得られ、また強度が大で組立てが容易でエネルギー効率の高い小型のコアレスモータを実現することにある。
【０００９】
【発明の構成】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１に係るコアレスモータは、ケーシング内に固定されたリング状のコイルヨークと、外周面がこのコイルヨークの内周面に対峙するリング状のマグネットとの間に通電用のコイルを備え、同コイルへの通電によってコイルが回転軸とともに回転駆動させられるコアレスモータにおいて、前記コイルはマグネットの上下面と相対し、平面形状が円弧状をなす巻線部分よりなる上下の平坦部と、マグネットの外周側面と相対する巻線部分よりなる湾曲折返し部を有し、これら巻線部分を構成する導線の一端から他端までが、前記平坦部と湾曲折返し部とを交互に構成しつつ整列巻きされて連続する中空状に構成されていて、平坦部が構成する円弧の内側が開口する形状のものとしてあり、また、前記回転軸まわりに固定されたコイルホルダの下部に薄板状のフランジを設け、このフランジに、複数のコイルにおける各コイルの下側の平坦部を、各平坦部が構成する円弧の外側が回転軸側となるように固定して、複数のコイルがマグネットの円周方向に沿うように取り付け、かつ、各コイルの上側における平坦部に、薄板円環状の上側補強板を取り付けた構成のものとしてある。
【００１０】
本発明の請求項２に係るコアレスモータは、前記コイルホルダのフランジ下面に固定されたコイルの平坦部のさらに下面に、薄板円環状の下側補強板を取り付けた構成のものとしてある。
【００１１】
本発明の請求項３に係るコアレスモータは、前記下側補強板が、コイルホルダのフランジとの間にコイルの下側平坦部の厚さと同程度の長さのスペーサを介してフランジと平行に取り付けられ、スペーサにより形成されたフランジと下側補強板との間の隙間にコイルの下側平坦部が嵌入固定された構成のものとしてある。
【００１２】
本発明の請求項４に係るコアレスモータは、前記上側補強板が導電性を有する材質のものよりなり、各コイルの一端をこの上側補強板に接続し、各コイルの他端は、コイルホルダの下方における回転軸まわりに設けた整流子に接続してなる構成のものとしてある。
【００１３】
本発明の請求項５に係るコアレスモータは、前記マグネットが半径方向に４極着磁され、前記コイルを回転軸まわりに３個備え、かつ回転軸まわりに固定された整流子に６セグメントのものを用い、この整流子に対して２本のブラシを互いに９０°をなす位置に配設した構成のものとしてある。
【００１４】
本発明の請求項６に係るコアレスモータは、前記マグネットが直径方向に２極着磁され、前記コイルを回転軸まわりに３個備え、かつ回転軸まわりに固定された整流子に３セグメントのものを用い、この整流子に対して２本のブラシを互いに平行となる位置に配設してなる構成のものとしてある。
【００１５】
本発明の請求項７に係るコアレスモータは、前記マグネットがリング状のマグネットホルダの外周に固定され、かつマグネットホルダはその上部にベアリング保持用の筒状部を備え、この筒状部がケーシングの頂板部中央に形成されたボス内に嵌入固定され、かつ筒状部内に設けられたベアリングによって前記回転軸が回転可能に保持されてなる構成のものとしてある。
【００１６】
本発明の請求項８に係るコアレスモータは、前記マグネットホルダは下面側に陥凹部が形成され、この陥凹部にコイルホルダの上部が臨むように構成したものとしてある。
【００１７】
本発明の請求項９に係るコアレスモータは、前記コイルヨークが、その内面が前記コイルの外周側面および上下面に倣う形状に形成され、かつコイルの上半部分を囲む上半部材と下半部分を囲む下半部材とを接着して構成したものとしてある。
【００１８】
本発明の請求項１０に係るコアレスモータは、前記マグネットを、それぞれ半径方向に着磁された４個の円弧状マグネットをリング状に並べたもので構成したものとしてある。
【００１９】
【実施例】
以下、本発明に係るコアレスモータの実施例を添付図面に示す具体例に基づいて説明する。
ケーシング１は下部が開口する円筒状に形成されていて、同ケーシングの頂板部１ａ中央に上下が開口する円筒状ボス２を有し、同ボス内には、回転軸と同心のリング状のマグネット５を外周に備えるマグネットホルダ６の円筒部６ａが嵌入されており、同マグネットホルダの中央縦孔内に上下２列のベアリング３、３が収容され、これらベアリングによって回転軸４が回転可能に支承されている。
【００２０】
前記各マグネット５は半径方向に例えば４極着磁されたものとしてあって、マグネット５の上下面および外周側面は前記ケーシング１の内周面に設けられたコイルヨーク７の内周面と適宜の隙間を隔てて相対しており、この隙間に、マグネットおよびコイルヨークとは非接触となるように通電用のコイル８、８が設けられている。
【００２１】
上記各コイル８は、図３に示されるように前記マグネット５の上下面に相対する上下の平坦部８ａ、８ｂと、マグネットの外周側面に相対する湾曲折返し部８ｃ、８ｄを有し、上記平坦部８ａ、８ｂはその平面形状が円弧状をなすように構成されていて、導線の一端８ｅから他端８ｆまでが、前記平坦部と湾曲折返し部とを交互に構成しつつ整列巻きされて連続する中空状に巻かれて形成されていて、平坦部が構成する円弧の内側が開口する形状のものとしてあり、複数個（図２では３個）のコイルが、それぞれの各平坦部が構成する円弧の外側が回転軸４側となるように前記マグネットの円周方向に並んで配設されている。
【００２２】
しかして上記各コイル８の内面はマグネット５の上下面と外周側面に倣う形状としてあり、したがってコイルとマグネットの互いに向い合う部分の距離は一定である。
【００２３】
また上記コイル８、８はその下側の平坦部８ｂが前記回転軸４まわりに固定された略円板状のコイルホルダ９の下部に形成されたフランジ９ａの下面と下側補強板１０との間に挟みこまれて支持されており、より詳しくは、下側補強板１０がスペーサ１１を介してフランジ９ａに取り付けられていて、下側補強板とフランジとの間の隙間にコイルの下側平坦部８ｂが嵌入され、接着剤等で固定される。
【００２４】
なお、前記スペーサ１１はコイルホルダにコイル８、８を取り付ける際に、コイルの縁辺部を当接させることによってコイルの位置合わせができるようにしてあり、モータの製作時における作業性の向上を期せるというメリットもある。
【００２５】
上記コイルホルダ９の上部は、前記マグネットホルダ６の下面側に形成した陥凹部６ｂ内に臨むように構成されていて、かくすることにより、モータの軸方向の高さ（厚さ）を小ならしめることができるようにしてある。
【００２６】
また、コイルの上側における平坦部８ａの上面には、円環状の上側補強板１５が接着によって取り付けられていて、この上側補強板は導電性を有する金属板よりなり、図４に示されるように外周辺部の３か所に結線用突起１５ａが形成されていて、同突起に各コイルの一端を接続してコイル間を電気的に接続できるようにしてある。
なお、上記結線用突起はコイルの導線を挟む陥凹部を有し、この陥凹部に導線を挟んで容易に半田付けができるようにしてある。
【００２７】
さらに、前記コイルホルダ９の中央部下方における回転軸まわりには、整流子１２を設けてあり、この整流子には前記コイルを構成する導線の２つの端部のうち、前記上側補強板１５に接続されていない側の端部が接続され、ケーシング１の開口下部を塞ぐブラシ台兼用の蓋板１３からのブラシ１４と接触できるようになっている。
【００２８】
上記整流子１２は図４に示されるように６セグメントのものとしてあり、対向する２つの端子が同じコイルの一端と同通しており、前記ブラシ１４はこの整流子の端子に対して互いに９０°をなす位置に配設され、したがって２本のブラシがそれぞれ整流子の６つの端子のうち２つずつの端子に導通する構成となっている。したがって、３つのコイルに対する通電タイムチャートは図５のようになる。
【００２９】
なお、図４、５において３つのコイルを区別するために各コイルに符号Ａ，Ｂ，Ｃを付し、各コイルにそれぞれ導通する端子に符号ａ，ｂ、ｃを付して端子とコイルの対応関係を示した。また、図４中の符号１２ａは対向して設けられた端子どうしを導通させるための導通回路であり、同図４中では太線で示したが、実際には整流子の結線板上に設けた金属板や被覆導線で構成される。
【００３０】
しかして、前記コイルヨーク７は平面形状がリング状であって、内面がマグネット５の外周側面と上下面を半径方向外側から囲み、これら外周側面と上下面に倣う凹面形状のものとしてあって、図６に示されるように上半部材７ａと下半部材７ｂとで構成されている。
【００３１】
上記コイルヨーク７は、上半部材７ａと下半部材７ｂを例えば鉄等の磁性材をプレス加工により成形したものとしてある。なお、上半部材７ａはケーシング１と同一材にて一体に形成する場合もある。
【００３２】
上述のように構成されたモータにおいては、ブラシ１４と整流子１２からコイル８、８への通電によってコイルに軸まわりの回転駆動力が生じ、コイル８、８およびコイルホルダ９とともに出力軸たる回転軸４が回転駆動する。
【００３３】
しかして上述した本発明のモータにおいては、コイルの回転方向に対してコイルを構成する導線がほぼ直角をなし、しかもコイル８はマグネット５の外周側面だけでなく上面および下面も囲み、さらにコイルヨーク７がコイルの外周側面だけでなく上面および下面も囲むので、マグネットから放射される磁束のうちの殆どがコイルヨークに導かれ、モータの出力たる回転軸４の回転駆動トルクに対する消費駆動電力が小なるもので済み、したがって低電力での駆動が可能で極めてエネルギー効率の良好なモータが得られる。
【００３４】
次ぎに、上述した実施例のモータを組み立てる際の工程について説明する。
まず、コイルホルダ９のフランジ９ａにスペーサ１１を介して下側補強板１０を取り付け、コイルホルダ９の中央縦孔に回転軸４を圧入、固定し、さらに回転軸４に整流子１２を取り付ける。
【００３５】
そしてコイルホルダ９よりも上側の回転軸４まわりに、下側のベアリング３、マグネットホルダ６、上側のベアリング３をこの順に嵌めて固定する。なお、マグネットホルダ６まわりには予めマグネット５を取り付けておく。
【００３６】
その後、前記フランジ９ａと下側補強板１０との間にコイル８、８の下側平坦部８ｂを嵌入して接着剤で固定し、コイルの上側平坦部８ａに上側補強板１５を接着固定し、各コイルを構成する導線の一端を上側補強板に接続し、他端を整流子の端子に接続する。
【００３７】
次いで、コイルヨーク７の上半部材７ａをケーシング１内に取り付け、マグネットホルダ６の円筒部６ａをケーシングの円筒状ボス２内に嵌入固定し、さらにコイルヨークの下半部材７ｂを取り付け、ブラシ台兼用の蓋板１３にてケーシングの開口下部を塞ぎ、モータを完成させる。
【００３８】
上述した第１実施例のモータにおいては、マグネット５を４極着磁のものとしてあるが、直径方向に２極着磁されたものとすることもでき、かくすると４極着磁のものに比して若干トルク定数等の出力性能が劣るが、従来の同程度のサイズのモータよりも出力性能は良好であり、かつマグネットの部品コストも安く済むというメリットがある。
【００３９】
上記のようにマグネットが２極着磁されたものにおいては、整流子１６に図７に示すような３セグメントのものを用い、２本のブラシ１７、１７は互いに平行となるように配設され、その通電タイムチャートを図８に示す。
【００４０】
上述のように構成した本発明のコアレスモータの４極着磁のもの（実施例１）と２極着磁のもの（実施例２）についてそれぞれ特性を調べたところ、下表１のような結果が得られた。
なお、下表１において、寸法の欄のφはケーシングの直径を、Ｌはケーシングの高さを示している。
【００４１】
【表１】

【００４２】
上表１中に示されるように、本発明に係る第１実施例および第２実施例のモータはいずれも起動トルク、トルク定数に優れ、特に最大効率が高いことがわかる。
【００４３】
上述した第１実施例のものでは、半径方向に４極着磁されたリング状のマグネット５を用いているが、図９に示されるように４つ円弧状マグネット１８、１８を円周方向に並べて１つのリング状マグネットを構成する場合もある。
【００４４】
上記各円弧状マグネット１８は、それぞれ半径方向に着磁されたものとしてあり、かくすると、磁力が強い異方性マグネットを製造する際においてリング状のラジアル異方性マグネットを製造する場合よりも製造コストを抑えることができる。したがってモータの部品コストにおけるマグネットの部品コストを低減することができるという大なるメリットがある。
【００４５】
なお、一般的にコアレスモータが高価であるといわれるのは、マグネットに磁力の強力な高価なものを用いなければならないからであり、マグネットの部品コストを低減できるというメリットはコアレスモータの低コスト化を図る上で極めて重要なポイントとなる。
【００４６】
上述した実施例のように、本発明はコアレスモータに関するものであってこれらコアレスモータはコイルへの通電用のブラシを備えているものであるが、上述の第１実施例におけるモータの回転制御の方法はマグネット回転型のブラシレスモータにも好適に応用することができる。すなわち、３つのコイルと４極ラジアル着磁のマグネットを備えるブラシレスモータにおいて、図５に示した通電タイムチャートと同じ通電制御を第１実施例の整流子とブラシに代えて電子回路で行なえばよく、具体的にはマグネットの回転位置をマグネットの回転軌道に沿って６０°または１２０°間隔で配設した３つのホールセンサにより検知し、これらホールセンサからの信号に基づいて通電制御がなされるようにする。
【００４７】
【発明の効果】
本発明に係るモータは、コイルがマグネットの外周側面および上下面を囲む形状に構成されているので、マグネットからの磁束のうちの殆どがコイルに導かれ、モータの出力たる回転軸の回転駆動トルクに対する消費駆動電力が小なるもので済み、したがって低電力での駆動が可能で極めてエネルギー効率の良好なモータを得ることができる。
【００４８】
また、上記コイルは平面形状が円弧状をなす巻線部分と、マグネットの外周側面と相対する巻線部分を有し、これら巻線部分を構成する導線の一端から他端までが連続する中空状に構成されたものとしてあるので、コイルを構成する導線の殆どの部分がマグネットの円周方向すなわちコイルの回転方向に対して直角をなし、したがってマグネットからの磁束を有効に利用することができてこのことによってもエネルギー効率の良好なモータが得られる。
【００４９】
さらに、コイルの上側平坦部は上側補強板によって、下側平坦部はコイルホルダのフランジと下側補強板によって、それぞれ中央部が保持、固定されているので、コイルの回転に伴う遠心力が掛かっても充分な強度が得られ、回転時におけるコイルの変形のおそれが少なく、モータの信頼性を向上させることができる。
【００５０】
また、前記コイルヨークはその内面をコイルの外周側面および上下面に倣う形状のものとしてあるので、マグネットからの磁束がコイルヨークへ有効に導かれ、磁気抵抗が小で回転むらが殆どなく、極めてスムースかつ安定した回転出力を得ることができる。
【００５１】
さらに、マグネットを円弧状のマグネットで構成したものでは、強力な磁力を有するマグネットを安価に得ることができ、モータの低コスト化を期すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るモータの実施例を示す縦断面図。
【図２】本発明に係るモータの実施例を示す横断面図。
【図３】コイルの斜視図。
【図４】第１実施例における整流子とブラシの関係を示す構成図。
【図５】第１実施例におけるコイルへの通電タイムチャート。
【図６】コイルヨークの分解斜視図。
【図７】第２実施例における整流子とブラシの関係を示す構成図。
【図８】第２実施例におけるコイルへの通電タイムチャート。
【図９】マグネットを４つの円弧状マグネットで構成した場合のマグネットの平面図。
【符号の説明】
１ケーシング２ベアリングホルダ
３ベアリング４回転軸
５マグネット６マグネットホルダ
７コイルヨーク８コイル
９コイルホルダ１０下側補強板
１１スペーサ１２整流子
１３ブラシ台兼用の蓋板１４ブラシ
１５上側補強板１６整流子
１７ブラシ１８円弧状マグネット

Claims

ケーシング内に固定されたリング状のコイルヨークと、外周面がこのコイルヨークの内周面に対峙するリング状のマグネットとの間に通電用のコイルを備え、同コイルへの通電によってコイルが回転軸とともに回転駆動させられるコアレスモータにおいて、前記コイルはマグネットの上下面と相対し、平面形状が円弧状をなす巻線部分よりなる上下の平坦部と、マグネットの外周側面と相対する巻線部分よりなる湾曲折返し部を有し、これら巻線部分を構成する導線の一端から他端までが、前記平坦部と湾曲折返し部とを交互に構成しつつ整列巻きされて連続する中空状に構成されていて、平坦部が構成する円弧の内側が開口する形状のものとしてあり、また、前記回転軸まわりに固定されたコイルホルダの下部に薄板状のフランジを設け、このフランジに、複数のコイルにおける各コイルの下側の平坦部を、各平坦部が構成する円弧の外側が回転軸側となるように固定して、複数のコイルがマグネットの円周方向に沿うように取り付け、かつ、各コイルの上側における平坦部に、薄板円環状の上側補強板を取り付けてなるコアレスモータ。
前記コイルホルダのフランジ下面に固定されたコイルの平坦部のさらに下面に、薄板円環状の下側補強板を取り付けてなる請求項１に記載のコアレスモータ。
前記下側補強板は、コイルホルダのフランジとの間にコイルの下側平坦部の厚さと同程度の長さのスペーサを介してフランジと平行に取り付けられ、スペーサにより形成されたフランジと下側補強板との間の隙間にコイルの下側平坦部が嵌入固定されてなる請求項２に記載のコアレスモータ。
前記上側補強板は導電性を有する材質のものよりなり、各コイルの一端をこの上側補強板に接続し、各コイルの他端は、コイルホルダの下方における回転軸まわりに設けた整流子に接続してなる請求項１に記載のコアレスモータ。
前記マグネットは半径方向に４極着磁され、前記コイルを回転軸まわりに３個備え、かつ回転軸まわりに固定された整流子に６セグメントのものを用い、この整流子に対して２本のブラシを互いに９０°をなす位置に配設してなる請求項１に記載のコアレスモータ。
前記マグネットは直径方向に２極着磁され、前記コイルを回転軸まわりに３個備え、かつ回転軸まわりに固定された整流子に３セグメントのものを用い、この整流子に対して２本のブラシを互いに平行となる位置に配設してなる請求項１に記載のコアレスモータ。
前記マグネットは、リング状のマグネットホルダの外周に固定され、かつマグネットホルダはその上部にベアリング保持用の筒状部を備え、この筒状部がケーシングの頂板部中央に形成されたボス内に嵌入固定され、かつ筒状部内に設けられたベアリングによって前記回転軸が回転可能に保持されてなる請求項１、５または６に記載のコアレスモータ。
前記マグネットホルダは下面側に陥凹部が形成され、この陥凹部にコイルホルダの上部が臨むように構成してなる請求項７に記載のコアレスモータ。
前記コイルヨークは、その内面が前記コイルの外周側面および上下面に倣う形状に形成され、かつコイルの上半部分を囲む上半部材と下半部分を囲む下半部材とを接着して構成してなる請求項１、５または６に記載のコアレスモータ。
前記マグネットは、それぞれ半径方向に着磁された４個の円弧状マグネットをリング状に並べたもので構成してなる請求項１、５または６に記載のコアレスモータ。