JP7000650B2

JP7000650B2 - モータ

Info

Publication number: JP7000650B2
Application number: JP2017191305A
Authority: JP
Inventors: 紀寿今泉
Original assignee: Nidec Servo Corp
Current assignee: Nidec Servo Corp
Priority date: 2017-09-29
Filing date: 2017-09-29
Publication date: 2022-01-19
Anticipated expiration: 2037-09-29
Also published as: US20190103781A1; JP2019068604A; CN109586480A

Description

本発明は、モータに関する。

従来、コイル端の結線数を減らすために、１本のコイル線が複数のボビンに巻き回されたステータコイルが知られる（特許文献１参照）。

特開２００２－２５２９４３号公報

しかし、１本のコイル線で巻き回された複数のボビンを周方向に連続して配置した場合、ステータのスロット数によっては振動が大きくなる場合があった。

本発明の一態様は、コイル線の結線数を減らしつつ、振動も抑制されたモータを提供することを目的の一つとする。

本発明の１つの態様によれば、中心軸を中心として回転するロータと、前記ロータと径方向に対向するステータと、を備え、前記ステータは、環状のコアバックおよび前記コアバックから径方向に延びる複数のティースを有するステータコアと、前記複数のティースに取り付けられる複数のボビンと、前記ボビンに巻かれるコイル線と、を有し、前記ステータは、１本の前記コイル線が複数の前記ボビンに巻き回された巻線組を複数含み、前記ロータの極数と前記ステータのスロット数が、４２極３６スロットであり、前記巻線組は、隣接する前記ティースに取り付けられる２個の前記ボビンからなるボビン組が間隔を空けて３組配置された構成を有し、前記ボビンは、前記ティースに対して径方向に着脱可能であり、前記第１のティースの前記ボビン組の周方向一方側と周方向一方側に前記ティースを４個隔てた第２のティースの前記ボビン組の周方向他方側までを繋ぐ渡り線の長さは、前記第１のティースの前記コアバックとの接続端の周方向一方側から、前記第２の前記ティースの先端の周方向他方側までの距離と同等である、モータ。

本発明の態様によれば、コイル線の結線数を減らしつつ、振動も抑制されたモータが提供される。

図１は、実施形態のモータを上側から見た斜視図である。図２は、実施形態のモータを下側から見た斜視図である。図３は、実施形態のモータを示す断面図である。図４は、巻線組を示す斜視図である。図５は、１つの巻線組の巻線図である。図６は、ステータの平面図である。

以下、図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。
なお、本願では、モータ１１のシャフト２１の回転軸Ｊと平行な方向を「軸方向」、回転軸Ｊに直交する方向を「径方向」、回転軸Ｊを中心とする円弧に沿う方向を「周方向」、とそれぞれ称する。また、本願では、軸方向を上下方向とし、ベース部４０に対してステータ３０側である軸方向一方側を上側として、各部の形状や位置関係を説明する。すなわち、回転軸Ｊの延びる一方向を上下方向とする。ただし、この上下方向の定義により、本発明に係るモータの使用時の向きを限定する意図はない。

また、本願において「平行な方向」とは、略平行な方向も含む。また、本願において「直交する方向」とは、略直交する方向も含む。

図１は、本実施形態のモータを上側から見た斜視図である。図２は、本実施形態のモータを下側から見た斜視図である。図３は、本実施形態のモータを示す断面図である。図４は、巻線組を示す斜視図である。図５は、１つの巻線組の巻線図である。図６は、ステータの平面図である。

本実施形態のモータ１１は、例えばマルチコプタにおいて回転翼を回転させるモータとして用いられる。以下では、マルチコプタに搭載される実施形態について説明するが、モータ１１の用途はマルチコプタに限定されない。

図１および図２に示すように、本実施形態のモータ１１は、アウターロータ型のモータである。モータ１１は、回転翼が固定されるロータ１３と、マルチコプタに取り付けられる静止部１４と、を備える。図３に示すように、ロータ１３と静止部１４とは、ロータ１３を回転可能に支持する軸受部５１，５２を介して接続される。ロータ１３は、回転軸Ｊを中心に周方向に回転する部位である。

ロータ１３は、シャフト２１、ロータ本体２０、マグネット２３、およびヨーク２２を有する。シャフト２１は、回転軸Ｊを中心に軸方向に延びる。シャフト２１は、軸受部５１，５２によって回転可能に支持される。軸受部５１，５２は、内輪、外輪、ボールおよびリテーナで構成される玉軸受である。なお、軸受部５１，５２は、すべり軸受であってもよい。シャフト２１は、後述するベース部４０のベース貫通孔４１ａに挿入され、軸受部５１，５２の内輪に挿入される。

ロータ本体２０は、シャフト２１の上端に接続される。ロータ本体２０は、シャフト２１の上端からステータ３０の上面を通ってステータ３０の外周面に延びる。ロータ本体２０は、シャフト２１の上端から回転軸Ｊに直交する方向に広がるロータ円板部２４と、ロータ円板部２４の外周端から径方向外側に延びる複数のロータリブ部２７と、ロータリブ部２７の外端から軸方向下側に延びる略円筒状のロータ外縁部２６とを有する。本実施形態の場合、シャフト２１とロータ本体２０は、単一の部材である。

ロータ円板部２４は、回転翼が固定される複数の回転部材固定部２４ａを有する。本実施形態では、回転部材固定部２４ａは、ロータ円板部２４を軸方向に貫通する貫通孔である。回転部材固定部２４ａの内周面には雌ネジが設けられる。回転翼は、回転部材固定部２４ａに締め込まれるネジによってロータ本体２０に固定される。回転翼は、接着またはカシメなどネジ以外の方法でロータ本体２０に固定されてもよい。

ロータリブ部２７は、ロータ円板部２４の外周端から径方向外側に延びる。ロータリブ部２７は、ロータ円板部２４とロータ外縁部２６とを接続する。図１に示すように、ロータリブ部２７は、径方向に延びる棒状の部位である。ロータリブ部２７は、ロータ外縁部２６の上端面まで延びる。複数のロータリブ部２７は、例えば、周方向に沿って不等間隔に配置される。ロータリブ部２７は、例えば、６本設けられる。

ロータ本体２０は、ロータ円板部２４とロータ外縁部２６とが複数のロータリブ部２７で接続されることで、ロータリブ部２７の周方向にロータ孔部２８を有する。ロータ孔部２８は、ロータ本体２０を軸方向に貫通する孔である。ロータ孔部２８は、例えば、６つ設けられる。

ロータ本体２０がロータ孔部２８を有することで、モータ１１の内部、つまりステータ３０への空気循環経路が構成され、モータ１１の駆動時において、ステータ３０を冷却することができる。本実施形態では、ロータ孔部２８がステータ３０の上方に開口しており
、外気が直接、コイル３２に当たる。これにより、発熱したコイル線を効率的に冷却できる。

図２に示すように、ヨーク２２は、回転軸Ｊを中心とする略円筒状の部材である。ヨーク２２は、ロータ外縁部２６の内周面に配置される。ヨーク２２は、強磁性材料からなる。ヨーク２２は、マグネット２３の外周面の少なくとも一部を覆う。これにより、マグネット２３の外周面から磁力が漏れることが抑制される。

ヨーク２２は、回転軸Ｊを中心とする円環状のヨーク円筒部２２ａと、ヨーク円筒部２２ａの内周面から径方向内側に突出する複数のヨーク突出部２２ｂと、を有する。ヨーク円筒部２２ａは、ステータ３０の径方向外側に配置される。複数のヨーク突出部２２ｂは、周方向に略等間隔に配置される。

マグネット２３は、軸方向に長い矩形の板状である。本実施形態においてマグネット２３は、複数設けられる。マグネット２３は、本実施形態では４２個設けられる。マグネット２３は、例えば接着剤によって、ヨーク２２の内周面に固定される。より詳細には、複数のマグネット２３は、ヨーク円筒部２２ａの径方向内側を向く面において、周方向に隣り合う２つのヨーク突出部２２ｂに挟まれる部分に固定される。マグネット２３は、内周面にＮ極またはＳ極の磁極を有する。Ｎ極の磁極を有するマグネット２３とＳ極の磁極を有するマグネット２３とは、周方向に沿って交互に配置される。

図２および図３に示すように、マグネット２３の内周面は、後述する複数のティース３１ｂの径方向外側の端面と、僅かな間隙を介して径方向に対向する。すなわち、マグネット２３は、ステータ３０と径方向に対向する磁極面を有する。なお、マグネットは、ステータ３０の外周面全体を囲む略円筒形状であってもよい。この場合、マグネットの内周面には、Ｎ極とＳ極とが、周方向に交互に着磁される。

静止部１４は、ベース部４０とステータ３０と、を有する。ベース部４０は、図２および図３に示すように、いずれも回転軸Ｊを中心に軸方向に延びるベース円筒部４１と、ベース円筒部４１の下端部から径方向外側に広がるベース底部４２と、ベース底部４２の径方向外側の端部から軸方向の上側に延びる円筒状のステータ支持筒部４３と、を有する。ステータ支持筒部４３の外周面には、ステータ３０の後述するステータコア３１が固定される。

ベース円筒部４１は、回転軸Ｊを中心にベース円筒部４１を軸方向に貫通するベース貫通孔４１ａを有する。ベース貫通孔４１ａの内側には、軸受部５１，５２が配置される。
２つの軸受部５１，５２が、ベース貫通孔４１ａの内側に軸方向に並んで配置される。蓋部４４は、軸受部５１を下側から押さえる。軸受部５１，５２は、シャフト２１およびベース部４０に固定されることで、回転軸Ｊを中心にロータ１３を回転可能に支持する。

図３に示すように、ステータ３０は、ロータ１３と径方向に隙間を介して対向する。図３および図６に示すように、ステータ３０は、ステータコア３１と電流が供給される複数のコイル３２とを有する電機子である。すなわち、静止部１４は、複数のコイル３２を有する。

ステータコア３１は、磁性体である。本実施形態のステータコア３１は、電磁鋼板を軸方向に重ねて構成された積層鋼板により構成される。ステータコア３１は、ベース部４０に固定される。ステータコア３１は、コアバック３１ａおよび複数のティース３１ｂを有する。コアバック３１ａは、回転軸Ｊを中心とする円環状である。複数のティース３１ｂは、コアバック３１ａから径方向外側に延びる。複数のティース３１ｂは、周方向に略等間隔に配置される。コイル３２は、ティース３１ｂのそれぞれに巻き回された導線によって構成される。

本実施形態では、図４に示すように、ティース３１ｂは、外周端にアンブレラ部を有さない直方体状である。コイル３２は、ボビン３３に巻き回れされたコイル線３２ａからなる構造体である。ボビン３３は、径方向に延びる四角形状の筒体であり、ティース３１ｂが挿入される貫通孔３３ａを有する。ボビン３３は、樹脂の絶縁材料からなる。

本実施形態のステータ３０では、コイル３２は、ステータコア３１のティース３１ｂに径方向外側から着脱可能である。この構成によれば、ボビン３３をティース３１ｂから取り外した状態で、ボビン３３にコイル線３２ａを巻き回せるため、ボビン３３に高密度にコイル線３２ａを巻き回せる。本実施形態のステータ３０のようにスロット数が多い場合に製造が容易になる。

ステータ３０は、３６個のティース３１ｂと３６個のコイル３２とを有する３６スロットのステータである。本実施形態では、ステータコア３１に取り付けられるボビン３３とボビン３３に巻き回されるコイル線３２ａは、図４に示すように、６個のボビン３３と１本のコイル線３２ａとからなる巻線組１３０を構成する。ステータ３０は、６組の巻線組１３０を有する。

巻線組１３０は、１本のコイル線３２ａからなる６個のコイル３２（コイルＣ１～Ｃ６）を有する。巻線組１３０は、隣り合うティース３１ｂに取り付けられる２個のボビン３３からなる３組のボビン組１３１、１３２、１３３を有する。ボビン組１３１とボビン組１３２とは４個のボビン３３を配置可能な間隔を空けて配置される。また、ボビン組１３２とボビン組１３３も４個のボビン３３を配置可能な間隔を空けて配置される。ボビン組１３１とボビン組１３２との間、およびボビン組１３２とボビン組１３３との間には、コイル３２と共通のコイル線３２ａからなる渡り線３２ｂが架け渡される。巻線組１３０の両端から引き出されるコイル線３２ａは、モータ１１の外部に引き出されたステータ配線部を介して電流制御部、バッテリ等に接続される。

ボビン組１３１～１３３のそれぞれにおいて、２つのコイル３２は、図６に示すように、ボビン３３に対する巻線方向が、互いに逆向きである。すなわち、ボビン組１３１のボビン３３に巻き回されるコイルＣ１、Ｃ２は、コイルＣ１が時計回り（ＣＷ）であるとすると、隣のコイルＣ２は反時計回り（ＣＣＷ）となる。本実施形態では、中央のボビン組１３２は、コイルＣ３が反時計回り（ＣＣＷ）、コイルＣ４が時計回り（ＣＷ）である。ボビン組１３３は、コイルＣ５が時計回り（ＣＷ）、コイルＣ６が反時計回り（ＣＣＷ）である。

隣り合うボビン３３の巻線方向を互いに逆向きとすることで、隣り合うボビン３３を繋ぐコイル線３２ａが、ボビン３３の間を通るため、コイル線３２ａのたわみが目立ちにくくなる。また、ボビン３３をティース３１ｂに取り付ける際に、渡り線がたわみにくい。したがって、モータ１１において良好な美観が得られる。

本実施形態において、ボビン組１３１、１３２およびボビン組１３２、１３３を繋ぐ渡り線の長さは、図６に示すように、第１のティースＴ１のステータコア３１との接続端Ｐ１から、第１のティースＴ１から４個のティース３１ｂを隔てた第２のティースＴ２の先端Ｐ２までの距離Ｌ１と同等である。
上記構成によれば、ティース３１ｂへのボビン３３の取り付け作業性を損なわず、かつ取り付け後に渡り線３２ｂが過度に撓まなくなる。これにより、渡り線３２ｂがステータ３０の軸方向や径方向へ突出しにくくなる。その結果、ステータ３０の絶縁性が向上する。

巻線組１３０が配置されるステータ３０は、図６に示すように、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のコイル３２が、２個ずつ周期的に配置される。すなわち、ステータ３０は、６個のＵ相コイルからなる巻線組１３０を２組、６個のＶ相コイルからなる巻線組１３０を２組、６個のＷ相コイルからなる巻線組１３０を２組有する。隣り合って配置される２つの同相のコイル３２は、巻線方向が互いに逆向きである。

このようなモータ１１において、コイル３２に駆動電流を供給すると、複数のティース３１ｂに磁束が生じる。そして、ティース３１ｂとマグネット２３との間の磁束の作用により、ステータ３０とロータ１３との間に、周方向のトルクが発生する。その結果、ステータ３０に対してロータ１３が回転軸Ｊ周りに回転する。ロータ１３に支持される回転翼は、ロータ１３とともに回転軸Ｊ周りに回転する。

図６に示すステータ３０では、同相のコイル３２が２個ずつ分散配置される。また、ロータ１３の極数が４２極であり、スロット数３６との最大公約数は６である。したがって、モータ１１においては、駆動時に円環６次の電磁加振力が大きくなる一方で、円環２次の電磁加振力は低下する。これにより、ロータ１３の周方向において同じタイミングで変形する箇所が多くなり、一箇所当たりの変形量が小さくなる。その結果、動作時の振動が抑制される。

本実施形態のモータ１１では、ステータ３０の６組の巻線組１３０における渡り線３２ｂは、ステータ３０の軸方向において、一方側または他方側のいずれか面にのみ配置される構成としてもよい。渡り線３２ｂがステータ３０のいずれか一方の面にのみ配置されるので、他方の面には、コネクタへ接続されるコイル線３２ａのみが配置されることになり、コイル線３２ａの外部装置への接続が容易になり、製品の美観も向上する。

渡り線３２ｂが配置される面は、ステータ３０に対して、ロータ本体２０のロータリブ部２７が配置される軸方向一方側の面であってもよい。この構成によれば、渡り線３２ｂがロータ本体２０とステータ３０との軸方向の隙間に配置されるため、渡り線３２ｂと外部機器との接触を避けることができ、信頼性が向上する。

渡り線３２ｂが配置される面は、ステータ３０に対して、ロータ本体２０のロータリブ部２７とは反対側の軸方向他方側の面であってもよい。アウターロータ型のモータにおいて、ロータ本体２０は、製品の露出面側に配置される場合が多い。ロータ本体２０と渡り線３２ｂを、ステータ３０の異なる面に配置することで、製品外観において渡り線３２ｂが見えなくなり、モータの美観が向上する。

本発明は上述の実施形態に限られず、他の構成を採用することもできる。
上記実施形態では、４２極３２スロットのモータ１１について説明したが、ロータ１３の極数とステータ３０のスロット数の組合せは、１０極１２スロット、２８極２４スロット、または４４極３３スロットであってもよい。

１０極１２スロットのモータであれば、１つの巻線組１３０は、１本のコイル線３２ａが４個のボビン３３に巻き回された構成となる。この構成では、ボビン３３同士は、ボビン３３を２つ配置可能な間隔を空けて配置される。巻線組１３０において隣り合うボビン３３の巻線方向は互いに逆向きとされる。

２８極２４スロットのモータであれば、１つの巻線組１３０は、１本のコイル線３２ａが４個または８個のボビン３３に巻き回された構成となる。この構成では、ボビン３３同士は、ボビン３３を２つ配置可能な間隔を空けて配置される。巻線組１３０において隣り合うボビン３３の巻線方向は互いに逆向きとされる。

４４極３３スロットのモータであれば、１つの巻線組１３０は、１本のコイル線３２ａが１１個のボビン３３に巻き回された構成となる。巻線組１３０において隣り合うボビン３３の巻線方向は互いに逆向きとされる。

上記のように、ロータ１３の極数と、ステータ３０のスロット数を特定の組合せとすることで、１個または２個のコイル３２をステータ３０の周方向に周期的に配列でき、さらに極数とスロット数の最大公約数を大きくできる。この構成によれば、同相のコイルが３個以上並んで配置される場合と比較して円環次数の大きい電磁加振力の影響が大きくなるため、ロータ１３およびステータ３０の変形量が小さくなり、振動が抑制される。

１１…モータ、１３…ロータ、２０…ロータ本体、２１…シャフト、２３…マグネット、３０…ステータ、３１…ステータコア、３１ａ…コアバック、３１ｂ…ティース、３２…コイル、３２ａ…コイル線、３２ｂ…渡り線、３３…ボビン、１３０…巻線組、１３１，１３２，１３３…ボビン組、Ｌ１…距離、Ｐ１…接続端、Ｐ２…先端、Ｔ１…第１のティース、Ｔ２…第２のティース

Claims

中心軸を中心として回転するロータと、前記ロータと径方向に対向するステータと、を備え、
前記ステータは、
環状のコアバックおよび前記コアバックから径方向に延びる複数のティースを有するステータコアと、
前記複数のティースに取り付けられる複数のボビンと、
前記ボビンに巻かれるコイル線と、
を有し、
前記ステータは、１本の前記コイル線が複数の前記ボビンに巻き回された巻線組を複数含み、
前記ロータの極数と前記ステータのスロット数が、４２極３６スロットであり、前記巻線組は、隣接する前記ティースに取り付けられる２個の前記ボビンからなるボビン組が間隔を空けて３組配置された構成を有し、
前記ボビンは、前記ティースに対して径方向に着脱可能であり、
前記第１のティースの前記ボビン組の周方向一方側と周方向一方側に前記ティースを４個隔てた第２のティースの前記ボビン組の周方向他方側までを繋ぐ渡り線の長さは、
前記第１のティースの前記コアバックとの接続端の周方向一方側から、前記第２のティースの先端の周方向他方側までの距離と同等である、
モータ。
前記巻線組において隣り合う前記ボビンの巻線方向は互いに逆向きである、請求項１に記載のモータ。
前記ステータの全ての前記巻線組において、２個以上の前記ティースを隔てた前記ボビン同士を繋ぐ渡り線は前記ステータの軸方向一方側の面に配置される、
請求項１または２に記載のモータ。
前記ロータは、中心軸に沿って延びるシャフトと、前記ステータの径方向外側に位置する複数のロータマグネットと、前記シャフトに接続され前記マグネットを支持するロータ本体部と、を有し、
前記ロータ本体部は、前記シャフトから前記ステータの軸方向一方側の面を通って前記ステータの外周面に延びる、
請求項３に記載のモータ。
前記ロータは、中心軸に沿って延びるシャフトと、前記ステータの径方向外側に位置する複数のロータマグネットと、前記シャフトに接続され前記マグネットを支持するロータ本体部と、を有し、
前記ロータ本体部は、前記シャフトから前記ステータの軸方向他方側の面を通って前記ステータの外周面に延びる、
請求項３に記載のモータ。