JP4726526B2

JP4726526B2 - ブラシレスモータ

Info

Publication number: JP4726526B2
Application number: JP2005110781A
Authority: JP
Inventors: 久石田
Original assignee: Mitsuba Corp
Current assignee: Mitsuba Corp
Priority date: 2005-04-07
Filing date: 2005-04-07
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2025-04-07
Also published as: JP2006296033A

Description

本発明はブラシレスモータに関し、特に、ブラシレスモータのステータ構造に関する。

近年、産業用ロボット等の各種動作機械では、メンテナンス性や制御性に優れたブラシレスモータの使用が拡大している。このようなブラシレスモータとしては、ロータ磁極数Ｐとステータスロット数Ｓが８極９スロットのもの（以下、８Ｐ９Ｓのように略記する）が多く使用されている。ところが、８Ｐ９Ｓのモータでは、図６に示すように、マグネット５１と対向するコイル５２の位相が電気角で２０°ずれている。このため、図７に示すように、各相における各コイルの誘起電圧に位相差が生じる。

各コイルの誘起電圧に位相差がある場合、図８のように同相のコイル５２（例えばU1,U2,U3）を並列に結線すると、並列回路内に循環電流が生じ、モータトルクの発生を阻害する。そこで、８Ｐ９Ｓのブラシレスモータでは、同相のコイル５２を図９のように直列に結線して巻線を形成するのが一般的となっている。
特開2000-253602号公報

しかしながら、図９のように同相コイルを直列に結線するとコイル線径を太くしなければならず（例えば、線径1.2mm）、コイル占積率が悪くなると共に、銅損が大きくなるという問題がある。これに対し、並列結線を優先しコイル位相差のないブラシレスモータを形成すべく、Ｐ,Ｓの関係として、例えば８Ｐ１２Ｓの組み合わせを選択すると、今度は巻線係数が小さくなり、発生トルクが減少する。また、並列結線可能な組み合わせとして、１０Ｐ６Ｓや１４Ｐ６Ｓを採用すると、図１０に示すように、ステータ５３の継鉄部５４へ磁束が集中し（Ｘ部）突極性が強くなり、コギングが大きくなる。

本発明の目的は、並列結線が可能なＰ,Ｓの組み合わせでありながら、巻線係数が高くコギングの少ないブラシレスモータを提供することにある。

本発明のブラシレスモータは、３相の巻線を形成するコイルと、前記コイルが巻装される複数個の突極と、前記突極間に形成されたスロットと、を備えてなるコア部材を有するステータと、前記ステータの内周側に回転自在に配設され、複数個の永久磁石が前記突極と対向するように周方向に沿って取り付けられたロータと、を有するブラシレスモータであって、前記コイルを各相ごとに複数個設けると共に、同相の前記コイルを並列に結線し、前記永久磁石の極数と前記スロットの個数を１０：６又は１４：６の関係に設定し、前記各スロット内に、前記突極と同一寸法に形成されつつも前記コイルが巻装されていない補助突極を設け、等間隔に配置された同一寸法の前記突極及び前記補助突極により、前記永久磁石と前記スロットを１０極かつ等間隔の１２スロット構成又は１４極かつ等間隔の１２スロット構成とし、前記コイルによって形成される磁束を前記突極及び前記補助突極に均等に分散させることを特徴とする。

本発明にあっては、コイルが巻装された突極の間にコイルの巻装されていない補助突極を配置することにより、コイルによって形成される磁束の磁路が分散される。このため、コア部材の継鉄部にて磁束飽和が生じにくくなり、その分、継鉄部を薄肉化でき、モータ外径の小型化を図ることが可能となる。

前記ブラシレスモータでは、前記永久磁石の極数と前記スロット数との関係が１０：６又は１４：６に設定される。１０Ｐ６Ｓや１４Ｐ６Ｓ構成では並列結線が可能ではあるものの巻線係数が小さく発生トルクが低減するが、補助突極により、これらのモータが実質的には１０Ｐ１２Ｓや１４Ｐ１２Ｓ構成となるため、並列結線可能でありながら、巻線係数を向上させることができる。従って、並列結線と巻線係数の向上を両立でき、コイル占積率を上げて銅損を低減させ、出力トルクの向上が図られる。

前記ブラシレスモータにおいて、前記コア部材を、環状に形成された継鉄部と、前記継鉄部から径方向に沿って突出形成された前記補助突極と、前記継鉄部の隣接する前記補助突極間に形成されたあり溝とを備えてなる本体コアと、前記あり溝に嵌合するあり部を備え前記突極を形成する分割コアと、を有する構成とし、前記分割コアを、導線をリング状に巻回して形成されたコイルユニットを装着した状態で、前記あり部を前記あり溝に嵌合させて前記本体コアに取り付けるようにしても良い。このように巻線を施す突極を本体コアとは別体に設けることにより、コイル占積率がさらに向上する。また、分割コアにコイルユニットが装着する構成とすることによりモータの組付作業性が向上する。

また、前記ブラシレスモータに、前記ステータが収容されるハウジングと、前記ハウジングの端部に取り付けられるエンドケースと、を設けると共に、前記コア部材に、前記補助突極基部に、モータ組付用のセットボルトが挿通されるセットボルト孔を設け、前記エンドケースに、該エンドケースが前記ハウジングに取り付けられる際、前記補助突極と対向する部位に、軸方向に向かって突出する凸部を設け、前記凸部には、前記セットボルト孔と対向する位置に、前記セットボルトが挿通可能なボルト挿通孔を設けるようにしても良い。このように、コイルの存在しない空間を有効利用し、セットボルト孔を補助突極の基部に設けることにより、セットボルトを継鉄部よりも内側に配置でき、モータ外径の削減が図られる。また、エンドケースの補助突極と対向する部位に凸部を設け、この凸部にボルト挿通孔を設けることにより、補助突極に対応する空間に凸部が収容され、モータの軸長も小さくすることができる。

さらに、前記ブラシレスモータにおいて、前記凸部に、モータ設置用の取付ボルトが螺合する雌ねじ孔を設け、この雌ねじ孔を前記ボルト挿通孔と交互に配置しても良い。これにより、モータの外径や軸長を増大させることなく、セットボルトや取付ボルトを配置でき、モータの外径や軸長を小さくし、モータの小型化を図ることが可能となる。また、前記セットボルト孔の内径を、前記取付ボルトが挿通可能な寸法とし、所定長以上の前記取付ボルトが使用された場合に該取付ボルトが挿入される逃げ孔として使用しても良い。これにより、所定長以上の取付ボルトが使用されてもコア部材が損傷を受けることがなく、また、逃げ孔とセットボルト孔が共通化され、エンドケースとステータコアとの間に位置的な方向性がなくなり、組付作業性も向上する。

本発明のブラシレスモータによれば、コイルが巻装される複数個の突極を備えると共にこの突極間にスロットが形成されたコア部材を有するステータと、ステータの内周側に回転自在に配設され、複数個の永久磁石が突極と対向するように周方向に沿って取り付けられたロータとを有するブラシレスモータの各スロット内にコイルを巻装しない補助突極を設けたので、コイルによって形成される磁束の磁路が分散され、コア部材に磁束飽和が生じにくくなり、その分、コア部材を小型化でき、モータ外径の削減を図ることが可能となる。

また、本発明のブラシレスモータによれば、永久磁石の極数とスロット数との関係を１０：６又は１４：６に設定することにより、並列結線が可能だが巻線係数の小さい１０Ｐ６Ｓや１４Ｐ６Ｓ構成のモータが、補助突極により実質的に１０Ｐ１２Ｓや１４Ｐ１２Ｓ構成とすることができる。これにより、並列結線と巻線係数の向上を両立させることができ、コイル占積率を上げて銅損を低減させ、出力トルクの向上が図ることが可能となる。

さらに、本発明のブラシレスモータによれば、コア部材を、環状の継鉄部と、継鉄部に突出形成された補助突極と、継鉄部の隣接する補助突極間に形成されたあり溝とを備えてなる本体コアと、あり溝に嵌合するあり部を備え突極を形成する分割コアとを有する構成とし、巻線を施す突極を本体コアとは別体に設けることにより、コイル占積率がさらに向上する。加えて、前記分割コアに、導線をリング状に巻回して形成されたコイルユニットを装着することによりモータの組付作業性が向上する。

一方、本発明のブラシレスモータによれば、コア部材の補助突極基部にモータ組付用のセットボルトが挿通されるセットボルト孔を設けることにより、セットボルトをコア部材のより内側に配置でき、モータ外径の更なる削減を図ることができる。

また、本発明のブラシレスモータによれば、ブラシレスモータに、ハウジングとエンドケースとを設け、エンドケース前記補助突極と対向する部位にモータ取付用の雌ねじ孔を設けることにより、モータの軸長を小さくすることができ、モータの小型化が図ることが可能となる。この場合、取付用のボルトに誤って所定長以上の長さのものを使用しても、コイルとは関係のない場所に雌ねじ孔が設けられているため、コイルを損傷することがなく、組付作業性や製品の信頼性の向上を図ることも可能となる。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明の一実施例であるブラシレスモータ１（以下、モータ１と略記する）の構成を示す説明図であり、（ａ）はその正面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図である。また、図２は図１のブラシレスモータの断面構成を示す説明図である。

図１,２に示すように、モータ１は、マグネット２を備えたロータ３の外側にステータ４を配したインナーロータ型の装置構成となっている。ロータ３は、金属製のシャフト５に取り付けられたロータコア６と、ロータコア６の外周に固定されたマグネット２とから構成されている。マグネット２は永久磁石からなり、１０個のセグメントに分割形成された１０極構成となっている。シャフト５は、エンドケース７に取り付けられたベアリング８によって回転自在に支持されている。エンドケース７は、ハウジング９の図１において左端部にセットボルト１０によって固定される。ハウジング９の図中右端側には、ロータ３の回転位置を検出するためのホールセンサ（図示せず）が配設されている。

ステータ４は、環状の鋼板を積層して形成されハウジング９の内周側に固定されたステータコア１１（コア部材）と、ステータコア１１に巻装されたコイル１２とから構成されている。ステータコア１１には、環状に形成された継鉄部１３と、継鉄部１３から径方向内側に突設された突極１４とが設けられている。突極１４は、継鉄部１３に周方向に沿って一定間隔（３０度ピッチ）で１２個形成されている。隣接する突極１４間にはスロット１５が形成されている。

突極１４にはコイル１２が巻装されている。コイル１２は、図示しない駆動回路と接続されている。図２に示すように、突極１４には、コイル１２が巻回された突極１４ａと、コイル１２が巻回されていない突極１４ｂ（補助突極）とが存在する。突極１４ａ,１４ｂは交互に配置されており、モータ１は外見的には１０Ｐ１２Ｓ構成となっている。つまり、モータ１は、図１０に示したような１０Ｐ６Ｓのモータのスロット間に、巻線を施さない突極をスロットの数だけ追加した構成となっている。

図３は、突極１４ａ,１４ｂの構成を示す説明図である。図３に示すように、突極１４ｂは継鉄部１３と一体に形成され、突極１４ａは継鉄部１３とは分割形成され継鉄部１３に後付けされる。すなわち、ステータコア１１は、突極１４ｂの部位が内周方向に突設された本体コア１１ａと、突極１４ａを形成する分割コア１１ｂとから構成されており、６個の分割コア１１ｂを本体コア１１ａに取り付けることにより、１２個の突極１４を備えるステータコア１１が形成される。

図３に示すように、継鉄部１３の内周面には、軸方向（鋼板積層方向）に沿ってあり溝１６が形成されている。あり溝１６は突極１４ｂ間の中間位置に設けられ、スロット１５内に開口している。分割コア１１ｂの外周側端部には、あり溝１６に対応してあり部１７が突設されている。あり部１７はあり溝１６内に嵌合可能に形成されている。分割コア１１ｂは本体コア１１ａの端部側から取り付けられ、この際、あり部１７があり溝１６内に圧入される。これにより、分割コア１１ｂが本体コア１１ａに固定される。

分割コア１１ｂを本体コア１１ａに固定する際、各分割コア１１ｂには図３に示すようにコイル１２が装着される。コイル１２は、導線を予め巻回しリング状に形成されたコイルユニット１８となっており、その中央部にはコア装着孔１８ａが設けられている。分割コア１１ｂをコア装着孔１８ａに挿通させ、その状態で分割コア１１ｂを本体コア１１ａに固定することにより、図２に示すようなステータ４が形成される。このように巻線を施す突極を別体に設け、これにコイルユニット１８を取り付けてコイル１２を形成することにより、コイル占積率を向上させることができる。

コイル１２は、対向する２個ずつが１組となってＵ,Ｖ,Ｗの３相の巻線を形成している（+U1,-U;+V,-V;+W,-W）。このコイル１２により、モータ１では図２のような磁束の流れが形成される。図２を図１０と比較すると明らかなように、図２の構成では、磁束が継鉄部１３の一部に集中することなく、各突極１４を介して均等に配されている。すなわち、コイル１２の巻装されていない、いわばダミー極（突極１４ｂ）の存在により、コイル１２によって形成される磁束の磁路が分散される。従って、継鉄部１３の磁束飽和が生じにくくなり、その分、継鉄部１３を薄肉化でき、モータ外径の小型化を図ることが可能となる。また、突極１４ｂにより、モータ１は実質的に１０Ｐ１２Ｓ構成となるため、多極化と突極性の低減が図られコギングも低減する。

ここで、１０Ｐ６Ｓ構成では並列結線が可能であるがそのままでは巻線係数が小さく発生トルクが低減する。一方、８Ｐ９Ｓ構成では巻線係数が大きくできるが、並列結線ができず、コイル占積率が悪くなり銅損が増大する。これに対し当該モータ１では、基本構成が１０Ｐ６Ｓのため、同相コイル内での位相差がなく、同相コイルは並列結線することが可能である。また、コイルを巻装しない突極をスロットと同数設けたので、１０Ｐ６Ｓのモータが実質的には１０Ｐ１２Ｓ構成となるため、並列結線可能でありながら、巻線係数を向上させることができる。

従って、８Ｐ９Ｓのモータに比して、巻線係数を維持したまま、並列結線を可能ととし、コイル占積率を上げて銅損を低減させることができる。図４は、発明者らの実験による各種モータのトルク/銅損の比（モータ定数Km）を示すグラフである。図４に示すように、モータ１は、８Ｐ９Ｓのモータや、並列結線可能な８Ｐ１２ＳのモータよりもKmが大きくなる。特に、現行の８Ｐ９Ｓのモータに対しては、トルクが２１％向上することが分かった。

一方、エンドケース７には、セットボルト１０を取り付けるためのボルト装着部２１と、モータ１を図５に示すような形でブラケット２２に固定するための雌ねじ孔２３が設けられている。ボルト装着部２１と雌ねじ孔２３は、周方向に沿ってそれぞれ等間隔で３箇所形成されている。また、図１（ｂ）、図３に示すように、突極１４ｂの基部には、セットボルト１０が挿通されるセットボルト孔２４がボルト装着部２１と対応して設けられている。

ここで、従来のブラシレスモータでは、全ての突極にコイルが巻装されているため、セットボルト用のボルト孔はステータコアの継鉄部に設けざるを得ない。このため、モータ外径がその分大きくなり、モータ小型化の妨げになるという問題がある。また、モータをブラケット等に固定する場合も、コイルを避けるため、エンドケース固定用のボルトをコイルよりも外径側に配したり、ボルト長の分だけエンドケースの厚さを軸方向に厚くする必要があり、これもまたモータ小型化の妨げとなる。さらに、この場合、モータ取り付けに際し、誤って所定長以上の長さのボルトを使用すると、ボルトによってコイルが損傷を受ける恐れもある。

これに対しモータ１では、突極１４ｂにはコイル１２が巻装されないため、セットボルト孔２４を突極１４ｂの基部に設けることができる。図１に示すように、突極１４ａの図中左端にはコイル１２が配されるが、突極１４ｂの左端にはコイル１２は存在しない。そこで、モータ１ではこのコイル１２の存在しない空間を有効利用すべく、突極１４ｂ基部にセットボルト孔２４を配し、ボルト装着部２１を継鉄部１３よりも内側に形成している。

図１（ａ）に示すように、ボルト装着部２１には、エンドケース７の内側底面７ａを図１（ｂ）において右側に突出させた凸部２５が形成されている。凸部２５には、エンドケース７をハウジング９に取り付ける際、セットボルト孔２４と対向して配置されるボルト挿通孔２６が形成されている。エンドケース７の外部側には、ボルト挿通孔２６が開口し、セットボルト１０の頭部が収容される切欠部２７が設けられている。

ボルト装着部２１を３箇所設ける一方、突極１４ｂに対応する前述の空間の残り３箇所には、図５に示すように、雌ねじ孔２３が設けられている。エンドケース７の内側底面７ａには、ボルト装着部２１と同様に凸部２８が形成されている。すなわち、エンドケース７の内側底面７ａには、120°間隔で６個の凸部２５,２８が交互に突設されて、各凸部２５,２８はそれぞれ突極１４ｂの軸方向端部に臨んで配置される。凸部２８には雌ねじ孔２３が形成されており、雌ねじ孔２３にはエンドケース７をブラケット２２に固定するための取付ボルト２９が螺合する。

このように、当該モータ１では、コイル１２が巻装されない突極１４ｂによって生み出される空間を利用して、ボルト装着部２１や雌ねじ孔２３を設けたので、モータの外径や軸長を増大させることなく、セットボルト１０や取付ボルト２９を配置することができる。このため、モータの外径や軸長を小さくすることができ、モータの小型化を図ることが可能となる。

また、取付ボルト２９に所定長以上の長さのものを誤って使用しても、コイル１２とは関係のない場所に雌ねじ孔２３が設けられているので、コイルを損傷することがなく、組付作業性や製品の信頼性の向上が図られる。なお、所定長以上の取付ボルト２９が使用された場合を考慮して、雌ねじ孔２３に対応して突極１４ｂの基部に逃げ孔を設けても良い。そして、この逃げ孔とセットボルト孔２４と共通化すれば、エンドケース７とステータコア１１との間に位置的な方向性がなくなるため、組付作業性も向上する。

本発明は前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
例えば、前述の実施例では、突極１４ｂを継鉄部１３と一体に、突極１４ａを継鉄部１３とは別体に形成した例を示したが、これとは逆に、突極１４ａを継鉄部１３と一体に形成し、突極１４ｂを継鉄部１３とは別体に形成しても良い。この場合、突極１４ｂは、突極１４ａにコイル１２を巻装した後に取り付けられる。なお、突極１４ａや１４ｂを必ずしも着脱可能な構成とする必要はない。

また、Ｐ,Ｓの組み合わせは１０Ｐ６Ｓ以外にも可能であり、各種の組み合わせから、a)並列結線が可能，b)巻線係数が高い，c)コストや作業性、モータ性能の向上が見込める、などの条件を考慮して適宜選択できる。これらの条件を満たす組み合わせとして、例えば、１４Ｐ６Ｓなどの組み合わせも本発明の対象としては有効である。さらに、前述の実施例では、インナーロータ型のモータに本発明を適用した例を示したが、ステータコアの外側にロータを配したアウタロータ型のモータに本発明を適用することも可能である。

本発明の一実施例であるブラシレスモータの構成を示す説明図であり、（ａ）はその正面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図である。図１のブラシレスモータの断面構成を示す説明図である。突極の構成を示す説明図である。発明者らの実験による各種モータのトルク／銅損の比（モータ定数Km）を示すグラフである。モータをブラケットに固定した様子を示す説明図であり、モータ部分は図１のＢ−Ｂ断面に相当する。８極９スロットのブラシレスモータの構成を示す説明図である。８極９スロットのブラシレスモータにおけるＵ相の誘起電圧を示す説明図である。８極９スロットのブラシレスモータにて同相のコイルを並列に結線した状態を示す説明図である。８極９スロットのブラシレスモータにて同相のコイルを直列に結線した状態を示す説明図である。１０極６スロットのブラシレスモータにおける磁束の流れを示す説明図である。

符号の説明

１ブラシレスモータ
２マグネット
３ロータ
４ステータ
５シャフト
６ロータコア
７エンドケース
７ａ内側底面
８ベアリング
９ハウジング
１０セットボルト
１１ステータコア（コア部材）
１１ａ本体コア
１１ｂ分割コア
１２コイル
１３継鉄部
１４突極
１４ａ突極
１４ｂ突極（補助突極）
１５スロット
１６あり溝
１７あり部
１８コイルユニット
１８ａコア装着孔
２１ボルト装着部
２２ブラケット
２３雌ねじ孔
２４セットボルト孔
２５凸部
２６ボルト挿通孔
２７切欠部
２８凸部
２９取付ボルト
５１マグネット
５２コイル
Ｐロータ磁極数
Ｓステータスロット数

Claims

３相の巻線を形成するコイルと、
前記コイルが巻装される複数個の突極と、前記突極間に形成されたスロットと、を備えてなるコア部材を有するステータと、
前記ステータの内周側に回転自在に配設され、複数個の永久磁石が前記突極と対向するように周方向に沿って取り付けられたロータと、を有するブラシレスモータであって、
前記コイルを各相ごとに複数個設けると共に、同相の前記コイルを並列に結線し、
前記永久磁石の極数と前記スロットの個数を１０：６又は１４：６の関係に設定し、
前記各スロット内に、前記突極と同一寸法に形成されつつも前記コイルが巻装されていない補助突極を設け、
等間隔に配置された同一寸法の前記突極及び前記補助突極により、前記永久磁石と前記スロットを１０極かつ等間隔の１２スロット構成又は１４極かつ等間隔の１２スロット構成とし、前記コイルによって形成される磁束を前記突極及び前記補助突極に均等に分散させることを特徴とするブラシレスモータ。
請求項１記載のブラシレスモータにおいて、
前記コア部材は、環状に形成された継鉄部と、前記継鉄部から径方向に沿って突出形成された前記補助突極と、前記継鉄部の隣接する前記補助突極間に形成されたあり溝とを備えてなる本体コアと、前記あり溝に嵌合するあり部を備え前記突極を形成する分割コアと、を有し、
前記分割コアは、導線をリング状に巻回して形成されたコイルユニットを装着した状態で、前記あり部を前記あり溝に嵌合させて前記本体コアに取り付けられることを特徴とするブラシレスモータ。
請求項１又は２記載のブラシレスモータにおいて、該ブラシレスモータは、
前記ステータが収容されるハウジングと、前記ハウジングの端部に取り付けられるエンドケースと、を備え、
前記コア部材は、前記補助突極基部に、モータ組付用のセットボルトが挿通されるセットボルト孔を有し、
前記エンドケースは、該エンドケースが前記ハウジングに取り付けられる際、前記補助突極と対向する部位に、軸方向に向かって突出する凸部を有し、
前記凸部は、前記セットボルト孔と対向する位置に、前記セットボルトが挿通可能なボルト挿通孔を有することを特徴とするブラシレスモータ。
請求項３記載のブラシレスモータにおいて、
前記凸部は、モータ設置用の取付ボルトが螺合する雌ねじ孔を有し、
前記雌ねじ孔は、前記ボルト挿通孔と交互に配置されることを特徴とするブラシレスモータ。
請求項４記載のブラシレスモータにおいて、
前記セットボルト孔は、前記取付ボルトが挿通可能な内径を有し、所定長以上の前記取付ボルトが使用された場合に該取付ボルトが挿入される逃げ孔として使用されることを特徴とするブラシレスモータ。