JP4885574B2 - スロットレスモータ - Google Patents
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Description
また、請求項2に記載の発明は、請求項1に記載のスロットレスモータにおいて、前記磁石は径方向の厚みは周方向の厚みよりも大きい。
また、請求項3に記載の発明は、請求項1又は2に記載のスロットレスモータにおいて、前記ロータは、非磁性体又は微磁性体からなる磁石固定板を有し、前記磁石固定板は、前記磁石の軸方向端部に当接される。
また、請求項4に記載の発明は、請求項1〜3の何れか1項に記載のスロットレスモータにおいて、前記導体は、該導体に駆動電流を供給する駆動回路に外部インダクタンスを介して接続された。
また、請求項6に記載の発明は、請求項1〜5の何れか1項に記載のスロットレスモータにおいて、前記第1導体及び前記第2導体は、前記筒状部材の軸方向に対して傾斜する傾斜部と前記筒状部材の軸方向に沿って延びる平行部を有する。
また、請求項9に記載の発明は、請求項1〜8の何れか1項に記載のスロットレスモータにおいて、前記導体は、少なくとも2箇所の角部を備えた断面形状を有する。
また、請求項12に記載の発明は、請求項1〜8の何れか1項に記載のスロットレスモータにおいて、前記導体は、円形の断面形状を有する。
また、請求項14に記載の発明は、請求項1〜12の何れか1項に記載のスロットレスモータにおいて、前記筒状部材は、前記導体が固定された後に筒状に成形される。
請求項1に記載の発明によれば、電機子巻線を構成する導体は被覆部によって絶縁されているため、隣接する導体同士を近接して配置することが可能となり、筒状部材の内周と外周に配設される導体の密度を高くすることができる。また、導体は銅箔パターンによって形成された電機子巻線よりも大きな電流を流すことができる。よって、出力の大きなスロットレスモータを得ることができる。また、スロットレスモータは径方向に凹設される態様で形成されるスロット(若しくは径方向に突出する態様で形成されるティース)が無いため、導体を巻装することが困難である。しかし、電機子巻線は第1導体と第2導体とを接続することで電気的に接続されるため、巻線を巻装することなく巻線を巻装した電機子巻線と同等の磁場を形成することができる電機子巻線を得ることが可能となる。よって、容易にスロットのない電機子巻線を得ることができる。
また、請求項1に記載の発明によれば、ハルバッハ配置の磁石とすることで磁石の着磁が径方向にのみ着磁されたタイプの場合に比較し、同体積のマグネットでも有効磁束を大きくすることができる。ところで、スロットレス構造の回転子を用いたスロットレスモータはエアギャップ部に巻線を配設するため、スロットがある回転電機と比較してエアギャップが大きくなり磁束量が小さくなる傾向がある。しかし、磁石をハルバッハ配置とすることにより同体積のマグネットでも有効磁束を大きくすることが可能となりスロットレスモータの高出力化ができる。また、バックヨーク側に磁束がほとんど漏れないため、バックヨークを構造的に必要な厚さにまで薄くすることができる。よって、磁石体積を増加させることが可能となり、高出力化をはかったり、中空構造のロータとして駆動性を向上させることができる。また、ロータの外周面の磁束分布が従来の表面磁石タイプのものに比べて正弦波に近くなり、高調波磁束に起因するトルクリップルを低減することができる。また、分割数を増やすことにより、磁束の高調波成分はさらに小さくなりモータ性能の向上が見込める。
請求項2に記載の発明によれば、磁束の動作点の磁束密度を大きくすることが可能となるためモータ特性を向上させることができる。
請求項3に記載の発明によれば、磁石固定板によって磁石と磁石以外のロータ部品とをより確実に固定することが可能となる。また、磁石の脱落が妨げられる。また、端部に配設されるため、ロータの外周面における機械的ギャップと磁気的ギャップとを同等とすることができる。また、うず電流損も発生しないためモータ特性を向上させることができる。
請求項4に記載の発明によれば、駆動回路と導体との間に外部インダクタンスが接続されているため、モータの駆動態様を安定させることができる。
請求項7に記載の発明によれば、ロータ磁束によるうず電流損を低減させることができる。また、巻線に高周波の交流電流を通電すると電流は導体の表面に集中する(表皮効果)ため、導体の断面積において電流の流れる有効な面積が低下する。第1導体及び第2導体はそれぞれ複数の第1導体片と第2導体片とによって構成されているため、第1導体及び第2導体を構成する導体の表面積が増加する。よって、第1導体及び第2導体の断面積を変化させることなく電流が通過する面積(導体断面積)を増加させることが可能となり、表皮効果による通電断面積の低下を抑制することができる。
請求項13に記載の発明によれば、筒状に成形されたのちに筒状部材に固定されるため、導体を筒状に成形する工程において絶縁部材から離間するおそれがない。
請求項15に記載の発明によれば、筒状に成形する工程中に第1導体と第2導体との電気的接続が離れるおそれがない。
以下、本発明を具体化した第1実施形態を図面に従って説明する。
図1(a)は本実施形態に係る電機子巻線1を用いたスロットレスモータ2の概略構成図であり、図1(b)は図1(a)のA−A断面図である。
ロータ4は、出力軸8と、ロータコア9と、永久磁石9aとを備える。
出力軸8は、エンドプレート7の貫通孔7cを貫く態様でケース5から突出しており、ヨーク6の第1軸受6bとエンドプレート7の第2軸受7dとによって支持されている。出力軸8が第1軸受6bと第2軸受7dとによって支持されることにより、ロータコア9は電機子巻線1に対して回転可能に支持される。
永久磁石9aは、ロータコア9の外周に周方向に等間隔で8個配設されており電機子3に対向している(図1(b)参照)。また、隣り合う永久磁石9c,9dはN極とS極とが逆に設定されている。すなわち、ロータ4の極数は8となっている。
詳述すると、制御装置100は、制御回路としてのPWM(Pulse Width Modulation)パルス幅変調回路(図示略)に接続された駆動回路101を備えている。PWMのキャリア周波数は約10kHz〜40kHzに設定されている。
図2は本発明の第1実施形態に係る電機子巻線1の斜視図である。
図2に示すように電機子巻線1は、筒状に形成された第1電機子巻線1aと、外形が第1電機子巻線1aの内径よりも若干小さい第2電機子巻線1bと、第1電機子巻線1a及び第2電機子巻線1bと同心円状に配設される絶縁部材1cとから構成されている。第1電機子巻線1a、第2電機子巻線1b、及び、絶縁部材1cは第1電機子巻線1aと第2電機子巻線1bとによって絶縁部材1cを挟む態様で一体的に固定されており、第1電機子巻線1aと第2電機子巻線1bとは絶縁部材1cによって絶縁されている。
第1電機子巻線1aは、筒状に形成された筒状部材10と筒状部材10の内周側に配設される導体としての第1導体11と筒状部材10の外周側に配設される導体としての第2導体12とからそれぞれ構成されている。なお、図3(a)は第1導体11(第2導体12)の斜視図であり、図3(b)は図3(a)のB−B断面図である。
なお、周方向において隣り合う巻線(巻線201と巻線202、巻線203と巻線204、巻線205と巻線206)が図27に示すようにそれぞれ同一相となるように接続されている。つまり、U相の巻線は、並列接続された2つの巻線201,202により形成され、V相の巻線は、並列接続された2つの巻線203,204により形成され、W相の巻線は、並列接続された2つの巻線205,206により形成されている。従って、図32(a),(b),(c)に示すように、U,V,Wの各相は、筒状部材10の周方向に沿って15°ずつずれて配置される。また、U,V,Wの各相は、それぞれ16個の第1導体11(第1の第1導体X1〜第48の第1導体X48)16個の第2導体12(第1の第2導体Y1〜第48の第2導体Y48)、つまり計32個の導体から形成されている。
まず、薄い板状の導電性を有する板(例えば銅板)を略S字状の型によって打ち抜き、平行部11d,12d及び傾斜部11e,12e(図2参照)に応じた形状を有する導体片16(図4(a)参照)を形成する(S101)。
(1)第1導体11及び第2導体12は被覆部(第1被覆部11b、第2被覆部12b)に皮膜が形成され絶縁されている。よって、隣接する導体同士を近接して配置することが可能となり、筒状部材10の内周と外周に配設される導体(第1導体11、第2導体12)の密度を高くすることができる。また、導体の被覆部11b,12bは皮膜が形成されているため、被覆部11b,12bを有しない銅箔パターンによって形成された電機子巻線よりも大きな電流を安全に通電することができる。よって、スロットレスモータ2の出力を向上させることに貢献することができる。また、このような構成の電機子巻線1は巻線を実際に巻装するものと比較して容易に製造することができる。
(6)第1導体11と第2導体12との電気的接続は、筒状に成形された後に実施されるため、筒状に成形する工程中に第1導体と第2導体との電気的接続が離れるおそれがない。
(9)制御装置100の駆動回路101と巻線201〜206との間に外部インダクタンスLu,Lv,Lwが接続されているため、モータ2の駆動態様を安定させることができる。
○上記実施形態では、電機子巻線1はステータ(ケース5)側に固定されているが、電機子巻線1をロータ4側に配設してブラシによって通電態様が変化しロータが回転するブラシ付直流モータとしてのスロットレスモータとしてもよい。
○上記実施形態では、筒状部材10は、プラスチックなどの樹脂材料から形成されているがこのような態様に限定されず例えば、薄肉円筒状に形成された金属の表面が含浸されたものや粉体を蒸着させたもの、絶縁シートなどから構成することができる。
以下、本発明を具体化した第2実施形態を図面に従って説明する。尚、本実施形態では、前記第1実施形態で示した導体(第1導体11、第2導体12)とは異なる構成の導体18を用いている点が異なっている。従って、以下には導体18の構成を中心に説明する。
(1)導体18は複数の導体片18aから構成されているため、ロータ磁束が通過する導体の一本あたりの面積が小さくなるため渦電流のループが小さくなる。よって、ロータ磁束によるうず電流損を低減させることができる。ところで、巻線に高周波の交流電流を通電すると電流は導体の表面に集中する(表皮効果)ため、導体の断面積において電流の流れる有効な面積が低下する。しかし、導体(第1導体、第2導体)18はそれぞれ複数の導体片(第1導体片、第2導体片)18aとから構成されているため、導体(第1導体、第2導体)18を構成する導体の表面積が増加する。よって、導体(第1導体、第2導体)18の断面積を変化させることなく電流が通過する面積(導体断面積)を増加させることが可能となり、表皮効果による通電断面積の低下を抑制することができる。なお、導体(第1導体、第2導体)18を構成する導体片18aの断面形状は円でもよく適宜変更可能である。また、導体片の本数も適宜変更可能である。
以下、本発明を具体化した第3実施形態を図面に従って説明する。尚、本実施形態では、前記第1実施形態又は第2実施形態で示したロータ4とは異なる構成のロータ80を用いている点が異なっている。従って、以下にはロータ80の構成を中心に説明する。
ロータ80は、図18に示すように、出力軸81と、筒状に成形されているロータ鉄82と、ロータ鉄82の外周に固定される環状磁石83と環状磁石83の両端面に配設される磁石固定板84とを有している。
ロータ鉄82は、磁石固定板84が圧入固定される圧入固定部82aと環状磁石83が接着にて固定される接着固定部82bとを備えている。圧入固定部82aは接着固定部82bの外周面を凹設する態様で接着固定部82bの端部に形成されており、圧入固定部82aの外形は接着固定部82bの外形よりも若干小さくなっている。
(1)ハルバッハ配置の磁石とすることで表面磁石タイプの場合に比較し、同体積の磁石であっても有効磁束を大きくすることができる。ところで、スロットレス構造の電機子を用いる場合、図1に示すようにコア3aとロータコア9との間に巻線を配設するため、スロットがある回転電機と比較してエアギャップが大きくなり有効な磁束の量が小さくなる傾向がある。しかし、磁石をハルバッハ配置とすることにより同体積の磁石でも有効な磁束の量を大きくすることが可能となりスロットレスモータの出力を向上させることができる。また、出力軸81側に磁束がほとんど漏れないため、磁石83a〜83dを出力軸81に近接させることができる。よって、磁石の体積を増加させることが可能となり出力を向上させることができる。また、中空構造のロータとして駆動性を向上させることができる。また、ロータの外周面の磁束分布が従来の表面磁石タイプのものに比べて正弦波に近くなり、高調波磁束に起因するトルクリップルを低減することができる。
○環状磁石83を構成する磁石83a〜83dの個数は上述したものに限定されない。例えば図20に示すように、環状磁石83fを構成する磁石83gの個数は適宜変更可能である。なお、このように分割数を増やすことにより、磁石磁束の高調波成分はさらに小さくなりモータ性能の向上が見込める。
○上記実施形態においては、径方向に沿って着磁された8個の主磁石83a,83cと周方向に沿って着磁された8個の補助磁石83b,83dとによって8極が形成されている。すなわち、1つの磁極が複数の磁石から構成されるハルバッハ配置のロータ80となっている。このような構成のロータにおいては、図33に示すようにロータ310の補助磁石311及び主磁石312を補助磁石311の外周側の面311aの周方向幅Wsと補助磁石311の径方向厚さtとの関係が0<Ws<1.5tを満たすように形成すれば、新たな効果を奏することができる。
以下、本発明を具体化した第4実施形態を図面に従って説明する。尚、本実施形態のロータ85は、前述した第3実施形態で示したロータ80と同様の出力軸86とロータ鉄87とを用いており、ロータ80とは異なる形状の環状磁石88と環状磁石88の両端面に配設される磁石固定板89とから構成されている。よって、出力軸86及びロータ鉄87の説明は省略し、以下に環状磁石88及び磁石固定板89においてロータ80の環状磁石83及び磁石固定板84と異なる構成について詳しく説明する。
環状磁石88は、外周面の全周にわたって外周面が凹設される態様で形成された環状凹部88aが形成されている。環状凹部88aは環状磁石88の外周面両端部に環状磁石88の端面88bと連続する態様で形成されている。環状凹部88aの外径は、環状磁石88における環状凹部88aを除く部分の外径よりも小さくなっている。
(1)上述した構成の磁石固定板89と環状磁石88とによれば、支持構造(環状部89b及び環状凹部88a)が嵌合することにより、環状磁石88は環状部89bによって径方向から支持される。よって、機械的ギャップと磁気的ギャップとを同等なものとしながら環状磁石88をより確実に固定することができる。
○環状磁石88及び磁石固定板89が有する支持構造を図22〜図26に示すように変更することもできる。支持構造として例えば、図22に示すように、環状磁石90は、端面90aから突出する態様で複数の固定用凸部90bが形成されている。また、磁石固定板91には磁石固定板91を板厚方向に貫通する態様で固定用凸部90bに応じた位置に凸部嵌合部91aが形成されている。また、支持構造として図23に示す環状磁石92は、環状磁石92の両端面92aを貫く態様で通し穴92bが形成されている。また、磁石固定板93には環状磁石92の通し穴92bに応じた位置に嵌合軸93aが形成されている。また、支持構造として図24に示す環状磁石94には、端面94aを凹接する態様で環状の凹部94bが形成されている。また、磁石固定板95には、端面95aから突出する態様で環状の凸部95bが形成されている。また、支持構造として例えば図25に示すように、環状磁石96及び磁石固定板97には貫通孔96a,97aが形成されており貫通孔96a,97aにリベット97b(もしくはねじなど)が挿入されることにより固定される。また、支持構造として例えば図26に示すように、磁石固定板98に環状磁石99の最大外径部よりも大きな内径を有する環状に成形された環状支持部98aを形成してもよい。
○環状磁石88は磁石固定板89によって両側から支持されていなくてもよい。
Claims (16)
- 筒状に形成された電機子巻線を有する電機子と、ハルバッハ配置された複数の磁石を有するロータとを備えたスロットレスモータであって、
前記電機子巻線は、筒状に形成される筒状部材と、前記筒状部材に固定され通電される導体と、を有し、
前記導体は、被覆された第1被覆部と前記第1被覆部の端部に設けられ露出された第1結線部とを有し前記筒状部材の内周側に固定される第1導体と、被覆された第2被覆部と前記第2被覆部の端部に設けられ露出された第2結線部とを有し前記筒状部材の外周側に固定される第2導体と、から構成され、
前記第1結線部と前記第2結線部とは電気的に接続され、
前記ロータの前記磁石は、径方向に沿って着磁された主磁石と、周方向に沿って着磁された補助磁石と、から構成され、
前記主磁石における前記電機子側の面の周方向幅をWmとし、前記補助磁石における前記電機子側の面の周方向幅をWs、前記補助磁石の径方向厚さをtとした場合に、
Wsとtの関係が0<Ws<1.5tのときのWmとWsの関係を、
Ws/2≦Wm<Ws
としたことを特徴とするスロットレスモータ。 - 請求項1に記載のスロットレスモータにおいて、
前記磁石は径方向の厚みは周方向の厚みよりも大きい
ことを特徴とするスロットレスモータ。 - 請求項1又は2に記載のスロットレスモータにおいて、
前記ロータは、非磁性体又は微磁性体からなる磁石固定板を有し、
前記磁石固定板は、前記磁石の軸方向端部に当接される
ことを特徴とするスロットレスモータ。 - 請求項1〜3の何れか1項に記載のスロットレスモータにおいて、
前記導体は、該導体に駆動電流を供給する駆動回路に外部インダクタンスを介して接続された
ことを特徴とするスロットレスモータ。 - 請求項1〜4の何れか1項に記載のスロットレスモータにおいて、
前記第1導体と前記第2導体とは、互いにねじれ方向が異なる
ことを特徴とするスロットレスモータ。 - 請求項1〜5の何れか1項に記載のスロットレスモータにおいて、
前記第1導体及び前記第2導体は、前記筒状部材の軸方向に対して傾斜する傾斜部と前記筒状部材の軸方向に沿って延びる平行部を有する
ことを特徴とするスロットレスモータ。 - 請求項1〜6の何れか1項に記載のスロットレスモータにおいて、
前記第1導体は、前記第1導体の長手方向に延びる複数の第1導体片が隣接されてなり、該第1導体片同士が隣接する方向を長手方向とする断面形状を有し、
前記第2導体は、前記第2導体の長手方向に延びる複数の第2導体片が隣接されてなり、該第2導体片同士が隣接する方向を長手方向とする断面形状を有している
ことを特徴としたスロットレスモータ。 - 請求項1〜7の何れか1項に記載のスロットレスモータにおいて、
前記第1導体及び前記第2導体は、径方向幅が周方向幅よりも狭い
ことを特徴とするスロットレスモータ。 - 請求項1〜8の何れか1項に記載のスロットレスモータにおいて、
前記導体は、少なくとも2箇所の角部を備えた断面形状を有する
ことを特徴とするスロットレスモータ。 - 請求項1〜9の何れか1項に記載のスロットレスモータにおいて、
前記第1結線部及び前記第2結線部は、周方向端部よりも周方向略中央部が肉厚である
ことを特徴とするスロットレスモータ。 - 請求項10に記載のスロットレスモータにおいて、
前記導体は、楕円形状の断面形状を有する
ことを特徴とするスロットレスモータ。 - 請求項1〜8の何れか1項に記載のスロットレスモータにおいて、
前記導体は、円形の断面形状を有する
ことを特徴とするスロットレスモータ。 - 請求項1〜12の何れか1項に記載のスロットレスモータにおいて、
前記導体は、筒状に成形された後前記筒状部材に固定される
ことを特徴とするスロットレスモータ。 - 請求項1〜12の何れか1項に記載のスロットレスモータにおいて、
前記筒状部材は、前記導体が固定された後に筒状に成形される
ことを特徴とするスロットレスモータ。 - 請求項1〜14の何れか1項に記載のスロットレスモータにおいて、
前記第1導体と前記第2導体との電気的接続は、筒状に成形された後に実施される
ことを特徴とするスロットレスモータ。 - 請求項1〜15の何れか1項に記載のスロットレスモータにおいて、
前記第1結線部と前記第2結線部とは前記筒状部材の端部から突出する
ことを特徴とするスロットレスモータ。
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