JP6998205B2 - ブラシレスモータ - Google Patents

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Description

本発明は、インナーロータ型のブラシレスモータに関するものである。
本願は、2015年6月29日に、日本に出願された特願2015-130241号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
ブラシレスモータとしては、コイルが巻回されたステータと、ステータの径方向内側に回転自在に設けられるロータと、を有するいわゆるインナーロータ型のモータがある。この種のロータの外周面には、複数の永久磁石が周方向に磁極が交互になるように配置されている。一方、ステータは、筒状のステータハウジングと、このステータハウジングの内周面に嵌合固定される筒状のステータコアと、で構成される。ステータコアは、例えば、電磁鋼板を積層することで円筒状に形成されるものであって、このステータコアのティースに巻線が巻回される。
この種のブラシレスモータにおいて、ロータの磁気特性を向上させるために、セグメント型の各永久磁石の磁気配向をラジアル配向(ステータ方向に向かう磁場がステータに向かって拡散する方向の配向)からパラレル配向(ステータ方向に向かう磁場がステータに向かって互いに平行となる配向)や逆ラジアル配向(ステータ方向に向かう磁場がステータに向かって収束する配向)にすることが知られている(例えば、特許文献1参照)。
特開2006-42414号公報
しかしながら、永久磁石の磁気配向だけでロータの磁気特性を向上させるには、限界がある。また、単純にロータの磁気特性を向上させようとすると永久磁石が大型化してしまい、この結果モータ全体が大型化してしまうという課題があった。さらに、永久磁石のコストが嵩み、モータの製造コストが高くなるという可能性があった。
そこで本発明は、小型化、低コスト化を図りながら、モータ特性を向上できるブラシレスモータを提供する。
本発明の第1の態様によれば、ブラシレスモータは、回転軸と、前記回転軸に対して同心に配置され、コイルが巻回されている筒状のステータと、前記回転軸と一体化されて前記ステータの内周側に空隙を介して配置されたロータと、を備えたインナーロータ型のブラシレスモータにおいて、前記ロータは、前記回転軸の外周に、それぞれが軸方向断面扇形に形成され、内径面から外径面に向けて着磁されて、前記外径面の磁極が周方向に交互に逆極性で並ぶように等間隔で配列された複数個のセグメント型の永久磁石を有し、前記各永久磁石は、前記外径面が、前記外径面上の周方向幅の中心点と前記回転軸の軸中心とを結ぶ線分上に曲率中心を有し、且つ、前記外径面上の周方向幅の中心点と前記回転軸の軸中心とを結ぶ線分の距離よりも小さい曲率半径の円筒面として形成されるとともに、着磁された磁束の向きが前記外径面上の周方向幅の中心点と前記回転軸の軸中心とを結ぶ線分に対して平行となるようにパラレル配向に着磁されている。
上記のように、各永久磁石の磁気配向をパラレル配向としているので、ラジアル配向に比べて、永久磁石のパーミアンス係数を高め、有効磁束を大きくすることができる。
また、各永久磁石の外径面の曲率中心と曲率半径を上記のように設定することで、永久磁石の大型化を抑制しつつ、この永久磁石のパーミアンス係数、有効磁束を効率よく向上させるができる。しかも、永久磁石の周方向両端部の厚みを周方向中央部の厚みよりも薄くすることができるので、コギングトルク減少に役立つ。
このため、ブラシレスモータの小型化、低コスト化を図りながら、モータ特性を向上できる。
本発明の第2の態様によれば、本発明の第1の態様に係るブラシレスモータにおいて、前記ステータは、ステータコアを備え、前記ステータコアは、正多角形の角筒状に形成されたリングヨーク部と、前記正多角形の各辺に相当する前記リングヨーク部の各平坦部の内周の周方向幅の中央位置に径方向内方へ向けて突設され、前記コイルが巻回されるティース部と、を有している。
上記のように構成することで、ステータの配置スペースを大型化させることなく、コイルの収納スペース(スロットのスペース)を大きく確保することができる。このため、各ティース部に巻回する巻線の密度(占積率)を高めることができ、ブラシレスモータの小型化を図りつつ、モータ特性を向上できる。
本発明の第3の態様によれば、本発明の第1の態様または第2の態様に係るブラシレスモータにおいて、前記永久磁石がフェライト磁石である。
上記のように、フェライト磁石を用いることで、ネオジム系(希土類)の永久磁石を使用した場合における高温減磁の問題解消に役立つ。また、ネオジム系の永久磁石と比較して製造コストを抑えることができる。このため、コストアップの抑制を図りながら、必要なモータ特性を確保することができる。
本発明の第4の態様によれば、本発明の第1の態様から第3の態様の何れか一の態様に係るブラシレスモータにおいて、周方向に配列された前記永久磁石の外周に、非磁性材料よりなる円筒状のマグネットカバーが嵌合されている。
上記のように、マグネットカバーを永久磁石の外周に嵌合させることで、永久磁石の脱落防止や塵埃の付着、損傷を防止することができる。マグネットカバーは、接着、圧入、あるいは加締め等により永久磁石の外周に固定することができる。
本発明の第5の態様によれば、本発明の第1の態様から第4の態様の何れか一の態様に係るブラシレスモータにおいて、前記回転軸の外周に円筒状のロータコアが嵌合固定され、前記ロータコアの外周に前記永久磁石が配置されており、前記各永久磁石の径方向の最大厚さが、前記ロータコアの径方向の厚さ以上とされている。
上記のように構成することで、ロータコアの占有スペースを従来と同じにしながら、永久磁石の径方向の厚さを十分確保することができる。このため、磁気飽和値が小さい永久磁石を用いた場合であっても、ロータの大型化を防止しつつ、所望のモータ特性を得ることができる。
本発明の第の態様によれば、本発明の第1の態様から第の態様の何れか一の態様に係るブラシレスモータにおいて、前記永久磁石の軸方向長さが、前記ステータの軸方向長さより長く設定されている。
上記のように構成することで、各永久磁石の径方向の最大厚さが制限される場合であっても、永久磁石の軸方向長さをステータの軸方向長さより長く設定することで、モータ性能の維持に必要な大きさの磁束を確保することができる。
上記のブラシレスモータによれば、各永久磁石の磁気配向をパラレル配向としているので、ラジアル配向に比べて、永久磁石のパーミアンス係数を高め、有効磁束を大きくすることができる。
また、各永久磁石の外径面の曲率中心と曲率半径を上記のように設定することで、永久磁石の大型化を抑制しつつ、この永久磁石のパーミアンス係数、有効磁束を効率よく向上させるができる。しかも、永久磁石の周方向両端部の厚みを周方向中央部の厚みよりも薄くすることができるので、コギングトルク減少に役立つ。
このため、ブラシレスモータの小型化、低コスト化を図りながら、モータ特性を向上できる。
本発明の実施形態における減速機付モータの構成を示す外観斜視図である。 本発明の実施形態における減速機付きモータの構成を示す断面図である。 本発明の実施形態におけるステータコアの構成を示す斜視図である。 本発明の実施形態におけるブラシレスモータを示し、六角形筒状のステータコアを用いた実施形態の要部断面図である。 本発明の実施形態におけるブラシレスモータを示し、円形筒状のステータコアを用いた要部断面図である。 本発明の実施形態における永久磁石の斜視図である。 本発明の実施形態における永久磁石のパラレル磁気配向を示す図である。 本発明の実施形態における永久磁石とロータコアの寸法関係を示す図である。 本発明の実施形態における永久磁石のパラレル配向とラジアル配向のパーミアンス係数の違いを示す図である。 本発明の実施形態における永久磁石のパラレル配向とラジアル配向の有効磁束波形の違いを示す図である。 本発明の実施形態における永久磁石のパラレル配向とラジアル配向のコギングトルクの違いを示す図である。 本発明の実施形態における永久磁石の外径面の曲率中心の軸中心に対する偏心量別のコギングトルクと有効磁束の変化を示す図である。 本発明の実施形態におけるブラシレスモータのコギングトルクの変化を比較例と比較したグラフである。 本発明の実施形態における第1変形例の断面図である。 本発明の実施形態における第2変形例断面図である。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
(減速機付モータ)
図1は、本発明の実施形態におけるブラシレスモータが適用された減速機付モータの構成を示す外観斜視図、図2は、減速機付モータの断面図である。なお、以下の説明では、回転軸3の軸方向を単に軸方向といい、回転軸3の周方向を単に周方向といい、回転軸3の径方向を単に径方向という。
図1および図2に示すように、減速機付モータ1は、例えば車両に搭載される電装品(例えば、パワーウインドウ、サンルーフ、電動シート等)の駆動源となるものであって、ブラシレスモータ2と、ブラシレスモータ2の回転軸3に連結されたウォームギヤ減速機4と、を備えている。
(ブラシレスモータ)
このブラシレスモータ2は、回転軸3と、回転軸3に対して同心に配置された筒状のステータ10と、回転軸3と一体化されてステータ10の内周側に空隙を介して配置されたロータ5と、を備えたインナーロータ型のブラシレスモータである。
(ステータ)
ステータ10は、ステータ10の外郭を形成するステータハウジング11と、ステータハウジング11内に配置されたステータコア50と、ステータコア50に巻回されたコイル41と、を有する。
(ステータハウジング)
ステータハウジング11は、金属材料により、断面が略角丸正六角形の有底筒状に形成されている。ステータハウジング11の内側には、複数のコイル41が形成されたステータコア50が、接着や圧入等の固定手段により周方向に沿って固定配置されている。
(ステータコア)
図3は、ステータコアの外観斜視図である。
図3に示すように、ステータコア50は、ステータハウジング11(図2参照)の内部に圧入可能な、断面が略角丸正六角形の角筒状に形成されている。ステータコア50は、断面が略角丸正六角形の角筒状に形成されたリングヨーク部51と、正六角形の各辺に相当するリングヨーク部51の各平坦部52の内周の周方向幅の中央位置に径方向内方へ向けて突設された複数(本実施形態では6個)のティース部55と、を有する。リングヨーク部51の平坦部52は、隣接する角部53間の部分である。角部53の内周側には、角部53の磁路形成に十分な経路幅を持たせるように、必要に応じて面取部54が設けられる。ステータコア50には、図2に示すように、樹脂製のインシュレータ70を介してティース部55に巻線42が巻回され、複数(本実施形態では6個)のコイル41が形成されている。
ティース部55は、径方向に沿って延出し巻線42が巻回される巻胴部56と、巻胴部56の径方向内側の先端から周方向に沿って延在する鍔部57と、により構成されている。鍔部57は、巻胴部56と一体に形成されている。鍔部57は、径方向内周面が円弧面に形成されている。隣接するティース部55の間には、コイル41の巻線42は配置されるスロット59が設けられている。各相のコイル41は、外部電源からの給電によりロータ5を回転させるための回転磁界を発生する。
図2に示すように、ステータハウジング11の底部には、軸受ハウジング13が突出形成されている。軸受ハウジング13には、回転軸3の一端を回転自在に支持するための軸受14が内嵌されている。ステータハウジング11の開口部(軸受ハウジング13が設けられた側と反対側)は、ギヤハウジング23の開口部に接続されている。回転軸3の他端は、ギヤハウジング23の内部に挿入されている。ギヤハウジング23の開口部の近傍には、軸受ハウジングが設けられており、その軸受ハウジングに軸受33が嵌合固定されている。回転軸3の長さ方向の中間部は、その軸受33により回転自在に支持されている。
(ロータ)
ロータ5は、回転軸3の外周に圧入嵌合された円筒状のにロータコア6と、ロータコア6の外周に設けられた複数個のセグメント型の永久磁石(ロータマグネット)7と、永久磁石7の外周に嵌合された非磁性材料製(ステンレス製など)のマグネットカバー8と、を有する。マグネットカバー8は、ロータコア6の外周の所望の位置に永久磁石7を保持する役割を有すると共に、永久磁石7への塵埃の付着や損傷を防止する役割を有している。
(永久磁石)
図5Aは、永久磁石の構成図を示し、単体の永久磁石の斜視図、図5Bは、永久磁石のパラレル磁気配向を示す図、図5Cは、永久磁石とロータコアの寸法関係を示す図である。
永久磁石7は、フェライト磁石よりなり、図5A~図5Cに示すように、それぞれが軸方向断面扇形に形成されている。永久磁石7は、内径面72から外径面71に向けて着磁されており、外径面71の磁極が周方向に交互に逆極性で並ぶように等間隔で配列されている。マグネットカバー8は、周方向に配列された永久磁石7の外周に嵌合されている。
各永久磁石7は、図5Bに示すように、外径面71が、外径面71上の周方向幅の中心点TPと回転軸3の軸中心L1とを結ぶ線分TL上に曲率中心TR2を有し、且つ、外径面71上の周方向幅の中心点TPと回転軸3の軸中心L1とを結ぶ線分TLの距離よりも小さい曲率半径R2の円筒面として形成されている。つまり、外径面71上の周方向幅の中心点TPと回転軸3の軸中心L1とを結ぶ線分TLを半径R1とし、回転軸の軸中心L1を中心TR1として描いた仮想円筒面77よりも内周側に収まる形状に形成されている。
また、永久磁石7は、着磁された磁束75の向きが外径面71上の周方向幅の中心点TPと回転軸3の軸中心L1とを結ぶ線分TLに対して平行となるようにパラレル配向に着磁されている。さらに、図5Cに示すように、永久磁石7の径方向の最大厚さAが、ロータコア6の径方向の厚さB以上に設定されている。
これら回転軸3、ロータコア6、永久磁石7およびマグネットカバー8は、一体に構成されており、コイル41の回転磁界が永久磁石7に作用することで回転軸3が回転する。
(ウォームギヤ減速機)
図2に示すように、ウォームギヤ減速機4は、ギヤハウジング23の他に、このギヤハウジング23内に収納されるウォーム24と、このウォーム24に噛合うウォームホイール25と、を有している。ギヤハウジング23には、ウォーム24やウォームホイール25を収容する収容空間27が形成されている。回転軸3は、軸受33に支持された状態で他端部がギヤハウジング23の収容空間27の内部に挿入されている。回転軸3の他端部側にはウォーム24が一体回転するように設けられている。
このウォーム24に噛み合うウォームホイール25には、出力軸100が、ブラシレスモータ2の回転軸3に直交する方向に沿って設けられている。そして、出力軸100が回転することによって、各種の電装品(パワーウインドウ、サンルーフ、電動シート等)が駆動されることになる。
このブラシレスモータ2では、ステータ10を構成するステータハウジング11の外周面が、角部11bと平坦部11aを有する六角形状に形成されている。また、ステータ10を構成するステータコア50は、平坦部52と平坦部53とを有している。そして、この減速機付モータ1では、ブラシレスモータ2のステータ10の平坦部(ステータハウジング11の平坦部11a)が、出力軸100の軸線L2に対して平行をなすような姿勢で、ブラシレスモータ2とウォームギヤ減速機4とが組み合わせられている。なお、ギヤハウジング23の側面には、外部接続コネクタ31を有するカバー部材(図示略)が固定されている。
また、ブラシレスモータ2とウォームギヤ減速機4の接続部の内側には、回転軸3(ロータ5)の回転角度を検出する回転検出手段9が設けられている。図示しないモータ制御部は、この回転検出手段9により検出されるロータ5の回転角度信号により、コイル41に対する通電を制御し、ステータ10に回転磁界を発生させて、ロータ5を回転させる。
(作用および効果)
以下、実施形態のブラシレスモータ2の作用および効果について、図4および図5を参照して説明する。なお、図4Aは、六角形筒状のステータコアを用いた実施形態のブラシレスモータの要部断面図、図4Bは、それと同格サイズの円形筒状のステータコアを用いたブラシレスモータの要部断面図である。
このブラシレスモータ2では、図4Aに示すように、正六角形の角筒状のステータコア50を使用するので、その平行二面幅のサイズHと同じ直径の円筒状のステータコア50を用いる比較例〔図4B〕の場合と比べて、高いパーミアンス係数を確保しつつ、コイル41の収納スペース(スロット59のスペース)を大きく確保することができる。従って、スロット59に所望の巻回数のコイル41を収納しても空隙を確保することが可能で、この分放熱性を高めることができる。また、各ティース部55に巻回する巻線42の密度(占積率)を高めることができて、小型ながらモータ特性を向上できる。
また、図5Aに示すように、各永久磁石7の外径面71の曲率中心TR2と曲率半径R2を上記のように設定することで(図5B参照)、永久磁石7の周方向両端部の厚みを周方向中央部の厚みよりも薄くすることができるので、コギングトルク減少に役立つ。さらに、ロータコア6の占有スペースを従来と同じにしながら、永久磁石7の径方向の厚さを十分確保することができるので、磁気飽和値が小さいフェライト磁石を用いた場合であっても、ロータ5の大型化を防止しつつ、所望のモータ特性を得ることができる。
しかも、各永久磁石7の磁気配向(磁束75の方向)をパラレル配向としているので、ラジアル配向に比べて、パーミアンス係数を高め、有効磁束を大きくすることができる。このため、ブラシレスモータ2の小型化を図りながらモータ性能を高めることができる。
さらに、永久磁石7としてフェライト磁石を用いることで、ネオジム系(希土類)の永久磁石を使用した場合における高温減磁の問題解消に役立つ。また、ネオジム系の永久磁石と比較して製造コストを抑えることができる。このため、コストアップの抑制を図りながら、必要なモータ特性を確保することができる。
図6~図8は、同じ磁気回路および同じ形状のモータで、永久磁石7の配向を変えた場合(ラジアル配向からパラレル配向に変えた場合)の比較結果を示している。図6は、永久磁石のパラレル配向とラジアル配向のパーミアンス係数の違いを示す図、図7は、永久磁石のパラレル配向とラジアル配向の有効磁束波形の違いを示す図、図8は、永久磁石のパラレル配向とラジアル配向のコギングトルクの違いを示す図である。
図6~図8に示すように、パラレル配向の方がラジアル配向よりも、パーミアンス係数が高く、有効磁束を大きくすることが可能である。また、永久磁石7の周方向両端部の厚みを周方向中央部の厚みよりも薄いことから、コギングトルクも下げることができる。
図9は、永久磁石の外径面の曲率中心TR2の軸中心L1に対する偏心量別のコギングトルクと有効磁束の変化を示す図、図10は、実施形態のブラシレスモータ(セグメント型の永久磁石を用い、各永久磁石がパラレル磁気配向であり、且つ外径面の曲率中心が軸中心に対して偏心した永久磁石を用いたモータ)が、比較例のブラシレスモータ(スキューを付けたリングマグネットをロータに用いたモータ)とがほぼ同等のコギングトルク性能を持つことを示すグラフである。
図9の解析結果から、本実施形態の磁気回路においては、偏心量を設けることで、有効磁束の低下を抑えつつ、コギングトルクを大幅に下げることができていることが分かる。また、図10の実測結果においても、狙い値である「リングマグネット+スキュー」に対し同等の結果となることが分かる。
なお、スキューとは、軸方向に対して捩れ角を有している状態をいう。つまり、スキューされたマグネットとは、磁極の境目(N極とS極との境目)が軸方向に沿っていない。
また、マグネットカバー8を永久磁石7の外周に嵌合させることで、永久磁石7の脱落防止や塵埃の付着、損傷を防止することができる。なお、マグネットカバー8の固定方法としては、永久磁石7の外周面に圧入、接着、あるいは加締め等の方法を採用することができる。
さらに、図5Bに示すように、永久磁石7の径方向の最大厚さAを、ロータコア6の径方向の厚さ以上としたので、永久磁石7のサイズを最小にしながら、モータ性能の維持に必要な大きさの磁場を確保することができる。
なお、本発明は上述の実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述の実施形態に種々の変更を加えたものを含む。
例えば、上記実施形態におけるステータコア50は、コアプレートを積層して形成した積層コアであってもよいし圧粉コアであってもよい。
また、上記実施形態においては、ティース部55やコイルが6個形成された6スロットのブラシレスモータについて説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、例えば12スロットのブラシレスモータであってもよい。その場合、スロットの個数に応じた角数の多角形状にステータを構成すればよい。また、ロータ5の極数も、図示例のような4極以外であってもよい。
(第1変形例)
図11は、実施形態の第1変形例を示す断面図である。なお、以下の図面において、前述の実施形態と同一態様には、同一符号を付して説明を省略する。
同図に示すブラシレスモータでは、ステータコア50の軸方向長さS1よりも、ロータ5(ロータコア6や永久磁石7)の軸方向長さS2を大きく設定している。つまり、永久磁石7の径方向の最大厚み寸法Aを製造可能の最大値にしても希望有効磁束が得られない場合は、この図11の実施形態のように、ロータ5の軸方向寸法を延長する。
このようにすることで、各永久磁石7の径方向の最大厚さが制限される場合であっても、モータ性能の維持に必要な大きさの磁場を確保することができる。
(第2変形例)
図12は、実施形態の第2変形例を示す断面図である。
同図に示すように、ロータ5が小径で、永久磁石7の径方向の最大厚み寸法Aが製造可能最大値内だった場合、この図12の実施形態のように、ロータコアを省略してもよい。
上記のブラシレスモータによれば、各永久磁石の磁気配向をパラレル配向としているので、ラジアル配向に比べて、永久磁石のパーミアンス係数を高め、有効磁束を大きくすることができる。
また、各永久磁石の外径面の曲率中心と曲率半径を上記のように設定することで、永久磁石の大型化を抑制しつつ、この永久磁石のパーミアンス係数、有効磁束を効率よく向上させるができる。しかも、永久磁石の周方向両端部の厚みを周方向中央部の厚みよりも薄くすることができるので、コギングトルク減少に役立つ。
このため、ブラシレスモータの小型化、低コスト化を図りながら、モータ特性を向上できる。
2…ブラシレスモータ 3…回転軸 5…ロータ 6…ロータコア 7…永久磁石 8…マグネットカバー 10…ステータ 41…コイル 42…巻線 50…ステータコア 51…リングヨーク部 52…平坦部 55…ティース部 71…外径面 72…内径面 L1…回転軸の軸中心 TP…永久磁石の外径面上の周方向幅の中心点 TL…線分 TR2…外径面の曲率中心 R2…曲率半径

Claims (5)

  1. 回転軸と、
    前記回転軸に対して同心に配置され、コイルが巻回されている筒状のステータと、
    前記回転軸と一体化されて前記ステータの内周側に空隙を介して配置されたロータと、を備えたインナーロータ型のブラシレスモータにおいて、
    前記ロータは、
    前記回転軸の外周に、それぞれが軸方向断面扇形に形成され、外径面の磁極が周方向に交互に逆極性で並ぶように等間隔で配列された複数個のセグメント型の永久磁石を有し、
    前記各永久磁石は、
    前記外径面が、前記外径面上の周方向幅の中心点と前記回転軸の軸中心とを結ぶ線分上に曲率中心を有し、且つ、前記外径面上の周方向幅の中心点と前記回転軸の軸中心とを結ぶ線分の距離よりも小さい曲率半径の円筒面として形成されるとともに、着磁された磁束の向きが前記外径面上の周方向幅の中心点と前記回転軸の軸中心とを結ぶ線分に対して平行となるようにパラレル配向に着磁され、
    前記回転軸の外周に円筒状のロータコアが嵌合固定され、前記ロータコアの外周に前記永久磁石が配置されており、前記各永久磁石の径方向の最大厚さが、前記ロータコアの径方向の厚さよりも大きく、前記各永久磁石の周方向両端部の厚みが、周方向中央部の厚みよりも薄く、
    前記ステータは、ステータコアを備え、
    前記ステータコアは、正多角形の角筒状に形成されたリングヨーク部を備え、
    前記リングヨーク部は、互いに接続された複数の平坦部を含み、前記回転軸を挟んで両側に対称的に配置された一対の平坦部のそれぞれは、互いに平行であり、各平坦部の最外面は平坦面である、
    ブラシレスモータ。
  2. 前記ステータコアは、前記正多角形の各辺に相当する前記リングヨーク部の各平坦部の内周の周方向幅の中央位置に径方向内方へ向けて突設され、前記コイルが巻回されるティース部を有している請求項1に記載のブラシレスモータ。
  3. 前記永久磁石がフェライト磁石である、
    請求項1または請求項2に記載のブラシレスモータ。
  4. 周方向に配列された前記永久磁石の外周に、非磁性材料よりなる円筒状のマグネットカバーが嵌合されている、
    請求項1~請求項3の何れか1項に記載のブラシレスモータ。
  5. 前記永久磁石の軸方向長さが、前記ステータの軸方向長さより長く設定されている、
    請求項1~請求項4の何れか1項に記載のブラシレスモータ。
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