JP5063956B2 - スロットレスモータ - Google Patents

Description

本発明は、コイルを巻装するコアがスロットを有しないタイプのモータに関する。

コギングトルクがなく制御性に優れるモータとしては、スロットレスモータがあげられる。従来のスロットレスモータは、コアレスのコイルを周方向に配置したステータと、これらコイルの内周側と外周側のそれぞれに磁石を配置し、内側磁石と外側磁石の間に交互に逆向きの磁束が形成されるようにしたロータとを有していた（例えば、特許文献１参照）。コアレスのコイルはそれぞれが中空の矩形に形成されており、コイルが磁石に対して平行、つまり巻線を巻き回すときの中心軸がモータの径方向に設定されている。コイルに電流を流すと、コイルの対向する２つの垂直辺に相互に逆向きの電流が流れる。この電流と内側磁石及び外側磁石によって生成される磁束の相互作用によって、コイルの垂直辺にロータの接線方向に向かうローレンツ力が発生する。したがって、電流を流すコイルを周方向に順番に切り替えるとロータを回転させることができる。
特開２００２−２７７８１号公報

しかしながら、特許文献１に開示されているスロットレスモータは、コイルを集中巻きの分数スロットで構成するため巻線係数を高められないので、必要なトルクを得るためにはコイルを余分に設ける必要があった。このため、コイルの抵抗が大きくなって損失が増大していた。また、整数スロットで構成されるスロットレスモータでは、隣り合うコイルの一部を径方向に重ねなければならなくなるので、エアギャップ間のコイル密度を上げることが困難であった。また、コイルエンド部の渡り線が長くなりこれもコイル抵抗を増大させる要因になる。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、巻線効率を高めて、小型で大出力が得られるモータを提供することを主な目的とする。

上記の課題を解決する本発明の請求項１に係る発明は、環状のコアにコイルを複数巻装したコイルユニットと、前記コイルユニットに対して相対的に回転自在に設けられ、前記コイルの内周側と外周側のそれぞれに磁石が設けられたカバーとを有し、前記カバーの内周側の前記磁石と外周側の前記磁石の対向する磁極が略一致するように配置され、前記コイルは、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の３相により構成され、これら各相のコイルを順番に配置し、前記磁石の１つの磁極に対し、前記Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相のコイルがそれぞれ１つずつ対向していることを特徴とするスロットレスモータとした。
この場合、請求項２に係る発明のように、前記カバーの内周側に前記磁石が１２個固定されると共に、前記カバーの外周側に前記磁石が１２個固定され、前記コアに、前記コイルが３６個巻装されていてもよい。
このスロットレスモータは、内周側と外周側のそれぞれの磁石で対向する磁極が同じなので、これら磁石の間に配置されたコイルの内側と外側にそれぞれ反対向きの電流が流れ、内側外側のそれぞれにトルクが発生する。

請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２に記載のスロットレスモータにおいて、前記コイルユニットのコイルは、環状のコアの中心から放射状に該コアに巻装されていることを特徴とする。
このスロットレスモータは、コイルが放射状に配置されることでコイル同士の重なりが防止される。

請求項４に係る発明は、請求項１又は請求項２に記載のスロットレスモータにおいて、前記コイルユニットのコイルは、前記カバーの内周側の磁石と外周側の磁石に対し略直交する向きに該コアに巻装されていることを特徴とする。
このスロットレスモータは、磁石に直交して配置されたコイルの内側と外側にそれぞれ反対向きの電流が流れ、内側外側のそれぞれにトルクが発生する。

請求項５に係る発明は、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のスロットレスモータにおいて、前記コイルユニットをブラケットに支持させてステータを形成し、前記ステータの中央に設けられた突出部に軸受けを介して前記カバーを回転自在に支持させ、前記カバーの回転角度を検出するセンサを前記ブラケットに固定したことを特徴とする。
このスロットレスモータは、磁石側が回転するブラシレスモータであり、ロータを構成するカバーは回転中心側で軸受けによって支持される。

請求項６に係る発明は、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のスロットレスモータにおいて、前記コイルは、３相電流を通電可能な３つのコイルが周方向に順番に巻装されており、前記コイルが集中して配置される領域と、前記コイルが配置されない領域とが周方向に交互に配置されていることを特徴とする。
このスロットレスモータは、コイルが配置されていない領域を利用して、コイル及びコアを支持する。

本発明によれば、コイルを磁石に対して直交する向きに巻装したので、コイルを効率良く巻き回すことが可能になり、磁石間のエアギャップ幅を短くできる。このため、モータの大型化を防ぎつつ、必要な磁束が得られるようになる。このことから、十分なトルクを発生させることができる。

発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１から図３に示すように、扁平型でスロットレスのモータ１は、ステータ２と、ステータ２の中央の円筒部３にベアリング４を介して回転自在に支持されるロータ５とを有するブラシレスモータである。
ステータ２は、円板上のブラケット１１の中央から円筒部３（突出部）を一体に延設させたステータホルダ１２を有する。ブラケット１１の外周縁には、円筒部３の延設方向にリブ１３が環状に設けられている。さらに、リブ１３から円筒部３に至るまでの間に、略Ｌ字形の支持部１４が周方向に等間隔に、かつ中心の軸線Ｃから放射状に複数突設されている。支持部１４は、外周側の突部１４Ａが軸線Ｃ方向に延びている。コイルユニット２２の各コイル２６，２７，２８を多層配線基板２１に結線した上でコイルユニット２２が前記支持部１４に装着されている。なお、突出部である円筒部３は、本実施の形態に必須の構成要素ではなく、例えば、中実であっても良い。

コイルユニット２２は、リング状のコア２５の周方向に複数のコイル２６，２７，２８が巻き回されている。コア２５は、軸線Ｃを中心とする環状をなし、その断面形状が軸線方向に細長な形状を有しており、例えば、磁性体の圧粉体や、リング状の磁性体を軸線方向に積層した積層体から製造されている。
コイル２６〜２８は、軸線Ｃを中心にして放射状に３６個、等間隔にコア２５に巻装されている。コイル２６〜２８の配置間隔は、２つのコイル２７，２８の間に支持部１４の突部１４Ａを挿入可能な大きさである。コイル２６〜２８の巻線には、外周が絶縁被覆された真四角線が用いられている。巻線は、周方向に略沿う線を中心に、公知のα巻きによってコア２５の外周に集中巻きされ、コイル２６〜２８を形成している。真四角線やα巻きを採用することで、高密度にコイル２６〜２８を巻装することができる。

これらコイル２６〜２８は、Ｖ相となるコイル２７と、Ｕ相となるコイル２６と、Ｗ相となるコイル２８が周方向に順番に略等間隔に配置されている。例えば、図４に示すＵ相のコイル２６は、各コイル２６ａ、２６ｂ・・・２６ｌを直列に接続して形成される。Ｖ相のコイル２７は、各コイル２７ａ、２７ｂ・・・２７ｌを直列に接続して形成される。Ｗ相のコイル２８は、各コイル２８ａ、２８ｂ・・・２８ｌを直列に接続して形成される。

多層配線基板２１は、配線基板を軸線Ｃ方向に積層した構成を有し、外周に支持部１４の突部１４Ａを挿通可能な切り欠き２１Ａが形成されている。多層配線基板２１の配線（不図示）は、Ｕ相のコイル２６、Ｖ相のコイル２７、Ｗ相のコイル２８のそれぞれのコイルを１２個ずつまとめて電気的に接続するようになっている。
コイル２６〜２８と多層配線基板２１の配線との接続は、半田付け等によって行われている。このような多層配線基板２１を用いると、同じ相のコイル２６，２７，２８同士の接続が容易になると共に、渡り部を少なくすることができる。さらに、多層配線基板２１の配線部分の電気抵抗は小さいので、全体としての抵抗を小さくできる。
図５に示すように、Ｕ相のコイル２６は、その始点が交流電源３０，３２に電気的に接続され、終点がＶ相のコイル２７の終点及びＷ相のコイル２８の終点のそれぞれに接続される。Ｖ相のコイル２７の始点は、交流電源３０，３１に電気的に接続される。Ｗ相のコイル２８の始点は、交流電源３０，３２に電気的に接続される。これら交流電源３０〜３２は制御装置３３によって制御される。

多層配線基板２１の内周面と円筒部３の間には、ロータ５の回転を検出するセンサ３５が設置されている。センサ３５には、ロータリエンコーダや、ホール素子などが用いられる。なお、センサ３５の形状は、リング型に限定されない。
ベアリング４は、あらかじめロータ５の内周のリング部４１Ａにベアリング４の外周を突き当て圧入し、円筒部３の外周の環状突起３Ａにベアリング４の内周を突き当て圧入して、軸方向の位置決めがされている。

ロータ５は、ベアリング４の外周部分に圧入されるカバー４０を有する。カバー４０は、内周側の内壁部４１と、外周側の外壁部４２とをエンド部４３で一体に連結させることで断面が略Ｕ字形状になっており、両壁部４１，４２とエンド部４３が形成する空間内にコイルユニット２２が挿入される。エンド部４３にボルト孔などを設け、駆動させる装置を固定するとロータ５の回転によって装置に所望の動作を行わせることが可能になる。内壁部４１の内周には、リング部４１Ａが突設されている。内壁部４１の外周面には、複数の永久磁石を周方向に並べた内側磁石４４を有する。また、外壁部４２の内周面には、複数の永久磁石を周方向に並べた外側磁石４５を有する。

図６に示すように、内側磁石４４は、内周側がＳ極で外周側がＮ極の第一の磁石４６と、内周側がＮ極で外周側がＳ極の第二の磁石４７とからなり、これら磁石４６，４７が交互に１２個固定されている。外側磁石４５は、内周側がＮ極で外周側がＳ極の第一の磁石４８と、内周側がＳ極で外周側がＮ極の第二の磁石４９とからなり、これら磁石４８，４９が交互に１２個固定されている。内側の第１の磁石４６と外側の第１の磁石４８は、径方向に並んで配置されている。同様に、内側の第２の磁石４７と外側の第２の磁石４９は、径方向に並んで配置されている。したがって、内側磁石４４と外側磁石４５はＮ極同士、又はＳ極同士が対向して配置される。これら磁石４６〜４９が作る磁束は、内側、外側のそれぞれで第一の磁石４６，４８のＮ極から周方向に隣り合う２つの第二の磁石４７，４９のＳ極に向かって形成される。なお、前記した各コイル２６〜２８は、巻線の中心線が磁石４６〜４９に略直交する向きに配置されている。

この実施の形態の作用について説明する。
図７に、各コイルに供給される通電パターンを示す。入力波形は、電気角３６０°を１周期とし、互いに１２０°位相がずれた正弦波である。このような入力波形を採用することで、モータ１のトルク変動を低減できると共に、３相電流をｄ軸、ｑ軸の二軸変換して回転制御を行う際にデータ処理が容易になる。
このような通電パターンによってロータ５が回転する様子を図８から図１０を参照して説明する。図８から図１０は、図７のθ１、θ２、θ３の位置におけるトルクの発生を模式的に示している。なお、以下においては、理解を容易にするために、２極６コイルで、巻線をＹ結線した場合を例にして説明し、（ａ）は電流の向きを説明し、（ｂ）はステータ２及びロータ５を直線的に表示したときの磁束の方向を示し、図中で「Ｓ」はコイルの始点を「Ｅ」はコイルの終点を示す。さらに、（ｃ）はロータ５の回転方向を示す。

図８は、θ１における通電パターンにおけるトルク発生を示す。電流は、高電位側のＵ相のコイル２６から、相対的に低電位側のＷ相のコイル及びＶ相のそれぞれのコイル２７，２８に向かって流れる。第一の磁石４６，４８の間に配置されているＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各コイル２６〜２８に同じ向きに電流が流れる。コイル２６〜２８の内側と外側に流れる電流は、それぞれ逆向きになる。コイル２６〜２８は、磁石４６〜４９に対して直交する向きに配置されているので、（ｂ）に示すようにコイル２６〜２８に右向きの力Ｆｃが発生する。一方、第二の磁石４７，４９の間に配置されているＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各コイル２６〜２８は、第一の磁石４６，４８側の各コイル２６〜２８とは逆向きの電流が流れる。第二の磁石４７，４９の磁極は第一の磁石４６，４８の磁極と反対なので、結果的に同じ向きＦｃに力が発生する。コイル２６〜２８は支持部１４を介して固定されているので、磁石４６〜４９側のロータ５に力Ｆｎが作用し、ステータ２に対して相対的に移動する。その結果、（ｃ）に示すように、ロータ５が時計回りに回転する。

図９は、θ２における通電パターンにおけるトルク発生を示す。電流は、高電位側のＵ相のコイル２６及びＶ相のコイル２７のそれぞれから、低電位側のＷ相のコイル２８に向かって流れる。（ｂ）に示すように、ロータ５は図８の配置に比べて時計回りに移動しているので、第一の磁石４６，４８の間に時計回り方向にＵ相、Ｗ相、Ｖ相の順番にコイル２６〜２８が配置されており、そのそれぞれに同じ向きに電流が流れる。これによって、第一の磁石４６，４８間のコイル２６〜２８には、左向きの力Ｆｃが発生する。第二の磁石４７，４９間の各コイル２６〜２８には、逆向きの電流が流れる。磁極が反対に配置されているので、これらコイル２６〜２８にも向きの力Ｆｃが発生する。このように、全てのコイル２６〜２８に左向きの力Ｆｃが作用するが、コイル２６〜２８は固定されているので、相対的にロータ５が右向きの力Ｆｎによって回転駆動され、（ｃ）に示すように、時計回りにさらに回転する。

図１０は、θ３における通電パターンにおけるトルク発生を示す。電流は、高電位側のＶ相のコイル２８から、低電位側のＵ相のコイル２６及びＷ相のコイル２７のそれぞれに向かって電流が流れる。（ｂ）に示すように、ロータ５は図９の配置に比べて時計回りに移動しているので、第一の磁石４６，４８の間には、時計回り方向にＷ相、Ｖ相、Ｕ相の順番にコイル２６〜２８が配されており、そのそれぞれに同じ向きに電流が流れる。これによって、第一の磁石４６，４８間のコイル２６〜２９には、左向きの力Ｆｃが発生している。第二の磁石４７，４９間の各コイル２６〜２８には、逆向きの電流が流れる。磁極が反対に配置されているので、これらコイル２６〜２８にも左向きの力が発生する。このように、全てのコイル２６〜２８に左向きの力Ｆｃが作用するが、コイル２６〜２８は固定されているので、相対的にロータ５が右向きの力Ｆｎによって回転駆動され、（ｃ）に示すように、時計回りにさらに回転する。

この実施の形態によれば、磁石４６〜４９をステータ２のコイル２６〜２８の外側だけでなく内側にも環状に配置したので、軸線Ｃ方向の長さが同じで外側の磁石４８，４９のみで励磁するタイプのモータに比べて大きいトルクを発生させることができる。すなわち、同じトルクを発生させる場合には、モータの軸長を約半分にすることができる。
環状のコア２５の外周に磁石の１極に対して３相のコイル２６〜２８をそれぞれ巻装した整数スロットにしたので、巻線係数を高くすることができる。コイル２６〜２８に必要な巻線を少なくでき、コイル抵抗を小さくできる。これに加えて、コイル２６〜２８同士が重なることを防止できるので、磁石４６〜４９間のエアギャップが縮められ、小型で高出力のモータが得られる。環状のコア２５の外周にコイル２６〜２８を巻装したので、各コイル２６〜２８のコイル巻き長を短くすることができ、コイル抵抗を小さくすることができる。
隣り合う磁石４６〜４９と、これに直交して配置したコイル２６〜２８とで磁気回路を形成するようにしたので、スロットを有するタイプのティースよりも磁束が飽和にし難いので、電流に対するトルクの直線性を確保することができる。

ここで、図１１に示すようにコア２５の周方向におけるコイル２６〜２８の巻装間隔を変化させ、３相のコイル２６〜２８が互いに近接するようにしても良い。これによって、コイルユニット２２は、コイル２６〜２８が集中して配置された領域Ｒ１と、コイル２６〜２８が配置されない領域Ｒ２とが交互に設けられる。コイル２６〜２８が配置されない領域Ｒ２に支持部１４を挿入すると、コイルユニット２２をさらに安定して支持することができる。
カバー４０のエンド部４３の内面にも磁石を設け、コイル２６〜２８の外周の３面に磁石を配置しても良い。この場合の磁石は、周方向に沿った断面が略Ｕ字形となる一体形状にしても良い。
図１２に示すモータ７１のロータ７５のように、内側磁石４４に対して外側磁石４５を周方向に半分ずらした配置にしても良い。内側の磁石からの磁束の通り道と外側磁石からの磁束の通り道がずれコア２５全体に磁束が略均等に流すことが可能になりコア２５の厚さをさらに薄くことができる。コイルユニット２２に対して磁束を略均等に流すことが可能になる。この場合、内側磁石４４に対して外側磁石４５がずれるのに合わせてコイル２６〜２８を傾斜配置する。すなわち、コイル２６〜２８の外周側が時計回り方向に進んだ配置になる。

ここで、モータ１の使用例を図１３に示す。モータ１のステータ２は、車体８１に固定され、ロータ５の外周部分にはホイール８２が固定されている。ホイール８２には、タイヤ８３が嵌め込まれている。この使用例では、モータ１でタイヤ８３を直接に回転駆動させることができる。モータ１の代わりにモータ７１を使用しても良い。

なお、本発明は、前記の実施の形態に限定されずに広く応用することができる。
例えば、磁石４６〜４９側をロータとして回転させる代わりに、コイル２６〜２８側をロータとして回転させても良い。この場合には、コイル２６〜２８に給電する必要があるので、円筒部３にブラシを配置し、このブラシに摺接するコンミテータを設け、コンミテータと多層配線基板２１を電気的に接続する。
磁石４６〜４９の数やコイル２６〜２８の数は、種々変更することができる。また、ブラケット１１の形状や、コイルユニット２２の支持構造は、実施の形態に限定されない。

本発明の実施の形態に係るスロットレスモータの外観図である。 スロットレスモータの分解斜視図である。 図１のＡ−Ａ線に沿った断面図であり、さらにカバーの一部を破断した図である。 図１のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。 コイルと交流電源の接続構造の一例を示す図である。 図５の一部を拡大して示し、磁束とコイルに流れる電流を模式的に説明する図である。 各コイルの通電パターンの一例を示す図である。 図８のθ１に相当する通電パターンについて、（ａ）は各相のコイルに流れる電流向きを示し、（ｂ）は力の発生を模式的に示し、（ｃ）はロータの回転する様子を示す。 図８のθ２に相当する通電パターンについて、（ａ）は各相のコイルに流れる電流向きを示し、（ｂ）は力の発生を模式的に示し、（ｃ）はロータの回転する様子を示す。 図８のθ３に相当する通電パターンについて、（ａ）は各相のコイルに流れる電流向きを示し、（ｂ）は力の発生を模式的に示し、（ｃ）はロータの回転する様子を示す。 コイルの配置に周方向に粗密を設けた配置を示す図である。 内側の磁石と外側の磁石を周方向にずらして配置すると共に、コイルを径方向に対して傾斜して配置した図である。 モータの使用例としてタイヤを直接に回転駆動させる形態を示す概略図である。

符号の説明

１ モータ（スロットレスモータ）
２ ステータ
３ 円筒部（突出部）
４ ベアリング
５ ロータ
１１ ブラケット
２２ コイルユニット
２５ コア
２６，２７，２８ コイル
３０，３１，３２ 交流電源
３５ センサ
４０ カバー
４６，４８ 第一の磁石
４７，４９ 第二の磁石
Ｒ１ コイルが集中して配置される領域
Ｒ２ コイルが配置されない領域

Claims (6)

1. 環状のコアにコイルを複数巻装したコイルユニットと、前記コイルユニットに対して相対的に回転自在に設けられ、前記コイルの内周側と外周側のそれぞれに磁石が設けられたカバーとを有し、前記カバーの内周側の前記磁石と外周側の前記磁石の対向する磁極が略一致するように配置され、
   前記コイルは、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の３相により構成され、これら各相のコイルを順番に配置し、前記磁石の１つの磁極に対し、前記Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相のコイルがそれぞれ１つずつ対向していることを特徴とするスロットレスモータ。
2. 前記カバーの内周側に前記磁石が１２個固定されると共に、前記カバーの外周側に前記磁石が１２個固定され、
   前記コアに、前記コイルが３６個巻装されていることを特徴とする請求項１に記載のスロットレスモータ。
3. 前記コイルユニットのコイルは、環状のコアの中心から放射状に該コアに巻装されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のスロットレスモータ。
4. 前記コイルユニットのコイルは、前記カバーの内周側の磁石と外周側の磁石に対し略直交する向きに該コアに巻装されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のスロットレスモータ。
5. 前記コイルユニットをブラケットに支持させてステータを形成し、前記ステータの中央に設けられた突出部に軸受けを介して前記カバーを回転自在に支持させ、前記カバーの回転角度を検出するセンサを前記ブラケットに固定したことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のスロットレスモータ。
6. 前記コイルは、３相電流を通電可能な３つのコイルが周方向に順番に巻装されており、前記コイルが集中して配置される領域と、前記コイルが配置されない領域とが周方向に交互に配置されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のスロットレスモータ。

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