JP5117813B2

JP5117813B2 - 回転電機

Info

Publication number: JP5117813B2
Application number: JP2007270368A
Authority: JP
Inventors: 真一内藤; 要江川
Original assignee: Asmo Co Ltd
Current assignee: Asmo Co Ltd
Priority date: 2007-10-17
Filing date: 2007-10-17
Publication date: 2013-01-16
Anticipated expiration: 2027-10-17
Also published as: JP2009100571A

Description

本発明は、回転トルクの増大を目的とした回転電機に関するものである。

従来、回転電機において、径方向に突出するティース部にコイルが巻回されてなるステータと、そのティース部先端と径方向に対向するように配置された磁石を有するロータとを備えたものがあり、コイルに発生する回転磁界がティース部先端を介して磁石に作用することで、ロータが回転するようになっている。このような回転電機において、ステータの軸線方向両端部を有効利用して、回転トルク増大を図っているものが、例えば特許文献１に開示されている。

特許文献１の回転電機では、コイルはその軸線方向両端部（コイルエンド部）が直角に屈曲されてコ字状をなし、コイルエンド部がティース部に軸線方向に延出形成された延出部に係止するように巻回されている。また、ロータはステータを覆うようにコ字状に形成され、そのロータにはステータと径方向及び軸方向に対向する磁石が固定されている。このように、コイルと磁石とが径方向及び軸線方向に対向配置されるため、回転トルクを向上させることができる。また、特許文献１のような回転電機では、ステータの軸線方向両端においてコイルが径方向に延出するように屈曲されているため、単に、コイルエンド部を屈曲させずに磁石を軸線方向両端にも配置した場合と比べて、ステータの軸線方向両端部においても回転磁界を有効的に磁石に作用させることができる。
特開２００５−１６８２４５号公報

しかしながら、上記のような回転電機では、コイルエンド部をティース部の延出部に係止させるようにコイルを巻回しなければいけないため、このようなコ字状をなすコイルの組み付けは非常に困難であった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、ステータとロータとを径方向及び軸線方向に対向させることによりコイルに発生する回転磁界を有効的に作用させてトルクを増大させつつも、コイルを容易に組み付けることができる回転電機を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、コイルが巻回されたステータコアにより環状に構成されてなるステータと、該ステータの内周側に配置された回転軸を有するロータとを備え、前記コイルに発生する回転磁界の作用により前記ロータが回転可能に構成され、前記ロータには、前記ステータの内周側及び外周側において該ステータと径方向及び軸線方向に対向するように第１及び第２磁石が設けられ、前記第１及び第２磁石は、前記ステータに対して径方向及び軸線方向という四方で対向するように配置され、前記回転軸と一体回転可能に設けられ、前記ステータのステータコアには、その内周側及び外周側にそれぞれ設けられ、前記第１及び第２磁石と径方向及び軸線方向に対向する第１及び第２対向部と、その第１及び第２対向部間に設けられ、前記コイルの巻回中心線が前記回転軸の軸線に対し傾斜するように該コイルが巻回されたコイル巻回部とが形成されたことをその要旨とする。

この発明では、ステータコアのコイル巻回部には、コイルの巻回中心線が回転軸の軸線に対し傾斜するようにコイルが巻回され、ステータコアの内周側及び外周側の対向部は、ロータの第１及び第２磁石と径方向及び軸線方向においてそれぞれ対向している。これにより、コイルにて発生する回転磁界が各対向部を介して径方向だけでなく軸線方向においても有効的に磁石に作用するため、回転トルクを向上させることができる。それとともに、コイルエンド部分が回転軸と直交する方向に屈曲するようにコイルを巻回する必要がないため、コイルを容易に組み付けることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の回転電機において、前記第１磁石は前記ステータの内周側であって軸線方向の一方側において該ステータと径方向及び軸線方向に対向するように配置されるともに、前記第２磁石は前記ステータの外周側であって軸線方向の他方側において該ステータと径方向及び軸線方向に対向するように配置され、前記第１磁石は前記コイルの前記巻回中心線の一方側に配置されるとともに前記第２磁石は該コイルの巻回中心線の他方側に配置され、該第１磁石と第２磁石は対向していることをその要旨とする。
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の回転電機において、前記ステータは、前記第１磁石が設けられる軸線方向の一方側における該ステータの外周側において固定部により回転電機のハウジングに固定されていることをその要旨とする。
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の回転電機において、前記ステータコアは周方向に複数並設されるものであり、その各々に前記コイルが組み付けられたことをその要旨とする。

この発明では、ステータコアは、周方向に複数並設されるものであり、その各々にコイルが組み付けられるため、ステータコア毎に個別にコイルを組み付けることができ、その組み付けがより容易となる。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の回転電機において、前記ステータは、前記ステータコア及び前記コイルが樹脂材料でモールドされてなり、該ステータをハウジングに固定するための固定部は前記樹脂材料にて形成されたことをその要旨とする。

この発明では、ステータはステータコア及びコイルが樹脂材料でモールドされてなり、ステータをハウジングに固定するための固定部がその樹脂材料にて形成されるので、固定部を容易に形成することができる。

請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれか１項に記載の回転電機において、前記コイル巻回部は、前記ステータコアに凹設されてなることをその要旨とする。
この発明では、コイル巻回部はステータコアに凹設されてなる。そのため、コイル組み付け時においてズレが生じないので、コイルを容易に組み付けることができる。

請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の回転電機において、前記ステータコアの周方向両端におけるコイル巻回部は、前記コイルの傾斜に対応して傾斜していることをその要旨とする。

この発明では、ステータコアの周方向両端におけるコイル巻回部は、コイルの傾斜に対応して傾斜しているため、コイルを容易に斜めに巻回することができる。

従って、上記記載の発明によれば、ステータとロータとを径方向及び軸線方向に対向させることによりコイルに発生する回転磁界を有効的に作用させてトルクを増大させつつも、コイルを容易に組み付けることができる。

（第１実施形態）
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に示すように、本実施形態の回転電機としてのモータ１０において、下方に開口する有底円筒状のハウジング１１の下端には、その開口を覆う円盤状のエンドフレーム１２が固定されている。ハウジング１１の中央部及びエンドフレーム１２の上底中心部にはそれぞれ軸受１３が固定されるとともに、該軸受１３には回転軸１４が回転可能に支持されている。

ハウジング１１内部において、その角部１１ａには回転軸１４の軸線Ｌを中心とする環状をなすステータ１５が、その外周側に突出形成された環状の固定部１５ａにてハウジング１１に支持固定されている。ステータ１５の内周側には、回転軸１４に底部２１ａの中心が固定された有底円筒状の第１ヨーク２１が配置されている。第１ヨーク２１の側部２１ｂは軸線Ｌ方向に沿って延びるとともに、その上端が直角に屈曲されて鍔部２１ｃが形成されている。第１ヨーク２１の側部２１ｂ及び鍔部２１ｃにおけるステータ１５との対向面には、断面Ｌ字状の環状をなす第１磁石２２が固着されている。

一方、ステータ１５の下側には、上記第１ヨーク２１と同じく底部２３ａの中心が回転軸１４に固定された有底円筒状の第２ヨーク２３が配置されている。第２ヨーク２３の側部２３ｂは、ステータ１５の外周側において軸線Ｌ方向に延びるとともに、その底部２３ａ及び側部２３ｂにおけるステータ１５との対向面には、断面Ｌ字状の環状をなす第２磁石２４が固着されている。

第１及び第２磁石２２，２４はそれぞれＮ極、Ｓ極が周方向に交互に着磁されるとともに、その極数がそれぞれ１２極となるように着磁されている。また、第１磁石２２と第２磁石２４とは、周方向同位置において互いの極が反対になるように設けられている。尚、第１及び第２磁石２２，２４は射出成形によって形成されるとともに、第１磁石２２の磁力よりも第２磁石２４の磁力のほうが強くなるように形成されている。上記したような回転軸１４、第１ヨーク２１、第１磁石２２、第２ヨーク２３及び第２磁石２４がロータを構成している。

ステータ１５には、図２及び図３に示すように、磁性粉体を圧縮焼結してなるステータコア３１が周方向等間隔に９つ配置されている。尚、図２及び図３では、ステータ１５の周方向における１／３を部分的に示している。各ステータコア３１には、Ｕ，Ｖ，Ｗ相にそれぞれ対応するコイル３２が巻回されており、そのコイル３２が巻回されたステータコア３１が、樹脂材料よりなるモールド材３３にてモールドされることによりステータ１５が環状に形成されている（図２参照）。尚、ステータ１５の前記固定部１５ａはモールド材３３よりなり、ステータ１５のモールド時において形成されるものである。

ステータコア３１の内周部には、平面視で略扇状をなす第１対向部４１が軸線Ｌ方向に延びるように形成されている。第１対向部４１の周方向中央下部には、外周側に向けて若干下方に傾斜するように延びる中間部４２が形成されるとともに、その中間部４２の外周側には下方に延びる第２対向部４３が形成されている。尚、第１及び第２対向部４１，４３はその軸線Ｌ方向長さが互いに等しく形成されている。

これら第１対向部４１、中間部４２及び第２対向部４３によって、ステータコア３１における周方向中央の断面は略クランク状をなしている（図１及び図２参照）。また、第１及び第２対向部４１，４３にはそれぞれ、中間部４２の周方向両側位置において、内側に向かうにつれて下方に傾斜する傾斜部４１ａ，４３ａが形成されている。この傾斜部４１ａ，４３ａによって、第１対向部４１の下端両側、及び第２対向部４３の上端両側は先細り形状に形成されている（図２参照）。尚、第１対向部４１の傾斜部４１ａ下端にはそれぞれ、第１対向部４１の周方向両角部が先細り形状になるように形成された切り欠き部４１ｂが設けられており、コイル３２を巻回し易くなっている。

ステータコア３１の中間部４２周りにおいて、第１及び第２対向部４１，４３と中間部４２とにより凹部となるように構成されたコイル巻回部に前記コイル３２が巻回されている。即ち、コイル３２は第２対向部４３の上部から第１対向部４１の下部にかけて第１及び第２対向部４１，４３の各傾斜部４１ａ，４３ａ間を通るように斜めに巻回されている。このようにコイル３２が巻回されているため、そのコイル３２の巻回中心線ＣＬは、図１に示すように、回転軸１４の軸線Ｌに対し傾斜し、軸線Ｌと交差している。

このようなステータコア３１において、第１対向部４１の内周面及び上端面、及び第２対向部４３の外周面及び下端面はそれぞれモールド材３３から露出するように形成されている。そして、第１対向部４１はその内周面が第１磁石２２と径方向に対向するとともに、上端面が同第１磁石２２と軸線Ｌ方向に対向している。一方、第２対向部４３は、その外周面が第２磁石２４と径方向に対向するとともに、下端面が同第２磁石２４と軸線Ｌ方向に対向している。

このような構成のモータ１０において、Ｕ，Ｖ，Ｗ相にそれぞれ対応した位相の駆動電流がステータ１５の各コイル３２に供給されると、同コイル３２に回転磁界が発生する。図４は、図１のステータ１５及びロータの断面図における磁束の通過経路（磁気回路）を示している。この図４では、説明の便宜上、隣り合うステータコア３１の断面を展開して示すとともに、ハウジング１１、エンドフレーム１２及び回転軸１４を省略している。

図４に示すように、ステータコア３１内において、第１対向部４１から第２対向部４３にかけて、若しくは第２対向部４３から第１対向部４１にかけて斜めに磁束が通過するようになっている。特に、中間部４２においては巻回中心線ＣＬと略平行に磁束が通過する。そして、このような磁気回路が形成されることにより、コイル３２にて発生する回転磁界は第１及び第２磁石２２，２４に対して径方向及び軸線Ｌ方向にそれぞれ作用し、ロータが回転する。このようなモータ１０では、コイル３２を傾斜させて設けたことで、コイル３２にて発生する回転磁界が径方向だけでなく軸線Ｌ方向にも有効的に作用し、回転トルクが効率的に向上するようになっている。

次に、本実施形態の特徴的な作用効果を記載する。
（１）ステータコア３１には、コイル３２の巻回中心線ＣＬが回転軸１４の軸線Ｌに対し傾斜するようにコイル３２が巻回されたコイル巻回部と、ステータコア３１の内周側及び外周側に設けられた第１及び第２対向部４１，４３とが形成される。そして、ステータコア３１は、その内周側及び外周側において、ロータの第１及び第２ヨーク２１，２３にそれぞれ固定された第１及び第２磁石２２，２４と径方向及び軸線Ｌ方向にそれぞれ対向している。これにより、コイル３２にて発生する磁束が第１及び第２対向部４１，４３を介して径方向だけでなく軸線Ｌ方向においても有効的に第１及び第２磁石２２，２４に作用するため、回転トルクを向上させることができる。それとともに、従来技術のようにコイルエンド部分が回転軸１４と直交する方向に屈曲するようにコイル３２を巻回する必要がないため、コイル３２を容易に組み付けることができる。

（２）コイル巻回部は、第１及び第２対向部４１，４３と中間部４２とにより凹設されてなるため、コイル組み付け時においてズレが生じず、コイル３２を容易に組み付けることができる。

（３）ステータコア３１は周方向に複数並設されるものであり、それらは各々分離して構成されているため、ステータコア３１毎に個別にコイル３２を組み付けることができ、その組み付けがより容易となる。

（４）ステータ１５は複数のステータコア３１が樹脂材料からなるモールド材３３でモールドされることにより一体に構成され、該モールド材３３にてステータ１５をハウジング１１に固定するための固定部１５ａが形成される。そのため、固定部１５ａを容易に形成することができる。

（５）ステータコア３１の周方向両端において、コイル巻回部はコイル３２の傾斜に対応して傾斜しているため、コイル３２を容易に斜めに巻回することができる。
（第２実施形態）
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。

本実施形態のモータ５０は、前記第１実施形態のモータ１０と比べて、ロータ（回転軸）を２分割して２軸の出力を得られるように構成された点で異なる。従って、以下には、ロータを中心に説明し、前記第１実施形態と同様の構成については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

図５に示すように、ハウジング１１側の軸受１３に軸支された第１回転軸５１の下端には、下方に開口する有底円筒状の保持凹部５１ａが形成されるとともに、その保持凹部５１ａには中間軸受５２が固定されている。この中間軸受５２とエンドフレーム１２側の軸受１３には、第１回転軸５１と同軸に設けられた第２回転軸５３が軸支されている。即ち、これら第１及び第２回転軸５１，５３はそれぞれ個別に回転可能に設けられている。

第１回転軸５１には第１ヨーク２１が固定されるとともに、第２回転軸５３には第２ヨーク２３が固定されている。そして、第１及び第２ヨーク２１，２３にはそれぞれ断面Ｌ字状の環状なす第１及び第２磁石５４，５５が固着されている。第１回転軸５１、第１ヨーク２１及び第１磁石５４が、図６の模式図に示す内側ロータＲ１を構成し、第２回転軸５３、第２ヨーク２３及び第２磁石５５が外側ロータＲ２を構成している。また、第１及び第２磁石５４，５５間には、第１実施形態と略同構成のステータ６０が配置されている（図５参照）。図６に示すように、第１磁石５４は６極、第２磁石５５は１２極にそれぞれ形成されるとともに、ステータ６０には第１実施形態と略同構成のステータコア３１及びコイル３２が周方向等間隔に１８個設けられている。

次に、本実施形態のモータ５０の回転駆動について図６〜図８に従って説明する。尚、図６〜図８において、説明の便宜のため、ステータコア３１を周方向１２０°毎の６つずつに分け、その各々に１〜６の番号（ブロック１〜６）を付している。また、図７（ａ）（ｂ）において、内側ロータＲ１、外側ロータＲ２及びステータ６０の極性（Ｎ，Ｓ極）を一部（１２０°分）のみ図示し、その他の部分については極性の図示を省略している。

まず、外側ロータＲ２のみを回転させる場合では、図７（ａ）に示すように、ブロック１，４、ブロック２，５、ブロック３，６のステータコア３１にそれぞれＵ、Ｖ、Ｗ相に対応する駆動電流（外側ロータ駆動電流）が供給される。このような外側ロータ駆動電流のみが供給された場合では、外側ロータＲ２はステータ６０に発生する回転磁界に伴って回転する。一方、内側ロータＲ１とステータ６０に発生する回転磁界とは磁気バランスが保たれており、内側ロータＲ１は回転しないようになっている。

内側ロータＲ１のみを回転させる場合では、図７（ｂ）に示すように、ブロック１，２、ブロック３，４、ブロック５，６のステータコア３１にそれぞれＵ、Ｖ、Ｗ相に対応する駆動電流（内側ロータ駆動電流）が供給される。この内側ロータ駆動電流はその周波数が外側ロータ駆動電流の周波数の１／２に設定されている。このような内側ロータ駆動電流のみが供給された場合では、内側ロータＲ１はステータ６０に発生する回転磁界に伴って回転する。一方、外側ロータＲ２とステータ６０に発生する回転磁界とは磁気バランスが保たれており、外側ロータＲ２は回転しないようになっている。

そして、図８に示すように、上記したような外側ロータ駆動電流と内側ロータ駆動電流とを合成した複合駆動電流がステータ６０に供給されると、外側ロータＲ２及び内側ロータＲ１が同時に回転駆動するようになっている。

本実施形態のモータ５０は、前記第１実施形態のモータ１０と比べて若干の変更点はあるが、前記第１実施形態で記載した作用効果を有している。それに加え、本実施形態のモータ５０では、内側ロータＲ１の第１回転軸５１と外側ロータＲ２の第２回転軸５３とから個別の出力が得られるようになっている。

尚、本発明の実施形態は、以下のように変更してもよい。
・上記第１実施形態では、第１及び第２磁石２２，２４の極数がそれぞれ１２極となるように着磁され、コイル３２が巻回されたステータコア３１が９つ設けられたが、特にこれに限定されるものではなく、第１及び第２磁石２２，２４を他の極数としてもよく、また、ステータコア３１を９つよりも少なく又は多く設けてもよい。また、上記第２実施形態では、第１及び第２磁石５４，５５がそれぞれ６極、１２極に着磁され、ステータコア３１が１８個設けられたが、第１及び第２磁石５４，５５を他の極数としてもよく、また、ステータコア３１を１８つよりも少なく又は多く設けてもよい。

・上記第２実施形態における第１及び第２回転軸５１，５３の軸支構成は、本実施形態の構成に限定されるものではなく、他の形態としてもよい。
・上記各実施形態では、射出成形によって形成された第１及び第２磁石２２，２４を用いたが、これ以外に例えば、焼結磁石でもよい。

・上記各実施形態では、第１磁石２２，５４及び第２磁石２４，５５はそれぞれ断面Ｌ字状に一体形成されたが、ステータ１５，６０と軸線Ｌに対向するものと径方向に対向するものとで別の磁石を用いてもよい。

・上記各実施形態では、磁性粉体を圧縮焼結してなるステータコア３１を用いたが、これ以外に例えば、複数の電磁鋼板をプレス加工にて積層してなるステータコアを用いてもよい。

・上記各実施形態において、第１及び第２対向部４１，４３と、コイル３２が斜めに巻回されたコイル巻回部とからなるステータコア３１の形状は、本実施形態に限定されるものではなく、他の形状としてもよい。

・上記各実施形態におけるモータ内部構成（ロータ及びステータ）を上下反対とした構成としてもよい。
・上記各実施形態では、ブラシレスモータを例にとって説明したが、これ以外に例えばブラシ付モータ等でもよい。

第１実施形態におけるモータを示す断面図。ステータを部分的に示す斜視図。ステータコアを部分的に示す平面図。モータの磁気回路を示す模式図。第２実施形態におけるモータを示す断面図。第２実施形態におけるステータ及びロータを示す模式図。（ａ）（ｂ）第２実施形態におけるモータの駆動制御を説明するための模式図。第２実施形態における駆動電流を説明するための説明図。

符号の説明

Ｌ…回転軸の軸線、ＣＬ…巻回中心線、１０，５０…回転電機としてのモータ、１１…ハウジング、１４…回転軸、１５，６０…ステータ、１５ａ…固定部、２１…ロータを構成する第１ヨーク、２２，５４…第１磁石、２３…ロータを構成する第２ヨーク、２４，５５…第２磁石、３１…ステータコア、３２…コイル、３３…樹脂材料よりなるモールド材、４１…第１対向部、４２…コイル巻回部を構成する中間部、４３…第２対向部、５１…第１回転軸、５３…第２回転軸。

Claims

コイルが巻回されたステータコアにより環状に構成されてなるステータと、該ステータの内周側に配置された回転軸を有するロータとを備え、前記コイルに発生する回転磁界の作用により前記ロータが回転可能に構成され、
前記ロータには、前記ステータの内周側及び外周側において該ステータと径方向及び軸線方向に対向するように第１及び第２磁石が設けられ、前記第１及び第２磁石は、前記ステータに対して径方向及び軸線方向という四方で対向するように配置され、前記回転軸と一体回転可能に設けられ、
前記ステータのステータコアには、その内周側及び外周側にそれぞれ設けられ、前記第１及び第２磁石と径方向及び軸線方向に対向する第１及び第２対向部と、その第１及び第２対向部間に設けられ、前記コイルの巻回中心線が前記回転軸の軸線に対し傾斜するように該コイルが巻回されたコイル巻回部とが形成されたことを特徴とする回転電機。
請求項１に記載の回転電機において、
前記第１磁石は前記ステータの内周側であって軸線方向の一方側において該ステータと径方向及び軸線方向に対向するように配置されるともに、前記第２磁石は前記ステータの外周側であって軸線方向の他方側において該ステータと径方向及び軸線方向に対向するように配置され、
前記第１磁石は前記コイルの前記巻回中心線の一方側に配置されるとともに前記第２磁石は該コイルの巻回中心線の他方側に配置され、該第１磁石と第２磁石は対向していることを特徴とする回転電機。
請求項２に記載の回転電機において、
前記ステータは、前記第１磁石が設けられる軸線方向の一方側における該ステータの外周側において固定部により回転電機のハウジングに固定されていることを特徴とする回転電機。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の回転電機において、
前記ステータコアは周方向に複数並設されるものであり、その各々に前記コイルが組み付けられたことを特徴とする回転電機。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の回転電機において、
前記ステータは、前記ステータコア及び前記コイルが樹脂材料でモールドされてなり、該ステータをハウジングに固定するための固定部は前記樹脂材料にて形成されたことを特徴とする回転電機。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の回転電機において、
前記コイル巻回部は、前記ステータコアに凹設されてなることを特徴とする回転電機。
請求項６に記載の回転電機において、
前記ステータコアの周方向両端におけるコイル巻回部は、前記コイルの傾斜に対応して傾斜していることを特徴とする回転電機。