JPH01110035A - フィンを備えた冷却効果に優れ且つコギングトルクの小さい径方向空隙型のブラシレスモータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の産業上の利用分野］ 本発明は、フィンを備えた冷却効果に優れ且つコギング
トルクが小さく滑らかに回転する小さい径方向空隙型の
ブラシレスモータに関する。

特に冷却にあたって有鉄心型ステータ電機子とロータ間
の空隙に冷却エアーを通して冷却を行うようなことをせ
ず、常に冷却エアーがロータに触れる事無く、有鉄心型
ステータ電機子の、主に電機子コイル部のみを合理的に
冷却できるようにしである。したがって、起動時に大電
流を流すことも可能にしたものである。

またモータ構造としては、ＤＤモータ番こ適する構造に
でき、しかも電機子コイルを巻線するのが非常に容易で
、その１更に、従来のＤＤモータにおいて採用されてい
るブラシレスモータのように大きなコギングが生じるの
をなくしたコギングが殆ど生じないＤＤモータに適する
ブラシレスモータに関する。

［従来技術とその問題点］ ＦＡ用１例えばロボット用のモータでは、ブラシレスモ
ータ（ＡＣサーボモータというものもいる。これは、モ
ータの見方による分類上の捕らえ方に過ぎず、実質的に
同じものである）が多用されている。

これは、ブラシレスモータが直流モータ同様の効率の良
さを備えており、しかもブラシと整流子による機械的な
整流機構を備えず、半導体整流装置、すなち、電子転流
回路によって、転流（直流モータの場合の整流に該当す
る）を行っているため、長寿命化が期待できるため、メ
ンテナンスフリーになる利点があるからである。

ここにロボット用ブラシレスモータでは１周囲環境温度
が、比較的高い場合でも、当該ブラシレスモータの性能
が劣化しないように設計考慮する必要がある。

またブラシレスモータでは、起動時に過大電流を瞬時的
に流して使用することがしばしばあるが、この場合、耐
熱設計を考慮しておかないと。

電機子コイルが焼損する事がある。

以上のように、耐熱設計が非常にシビアに要求されるロ
ボット用のブラシレスモータにおいては、性能の一定維
持や破損防止を図るために冷却機構を備える必要度の高
いものとなっている。

そのために、従来においては、ロータにフィンを取り付
けてモータ内部を冷却するようにしたり、あるいは、ロ
ータとステータ電機子間の空隙に流体を流すことで、あ
るいは介在させることでモータ内部を冷却するようにし
ていた。

しかしながら、かかる上記空隙に流体を流す方法による
と、当該ステータ電機子とロータ間の空隙にごみ等が付
着したり、あるいは詰まることで、電機子コイルがショ
ートしたり、断線したり、ロータがこじってスムーズに
回転できなくなったり、或いは動かなくなる欠点があっ
た。また流体としての冷却液体を予め上記空隙に介在さ
せておく場合には、その冷却液体の抵抗によって、ロー
タに余分な負荷がかかり、滑らかな回転ができず、効率
が悪くなる欠点があった。

このように、冷却流体がロータに直接作用するようにし
ておくと、摩擦抵抗が大きくなり、効率が悪くなり、好
ましい使用方法とはいえない。

更にまた。上記流体として、冷却効果を高めるためにエ
アーでなく、液体を用いるようにした場合には、当該ブ
ラシレスモータ内に電気部品９例えばホール素子等の位
置検知素子、駆動回路、あるいはエンコーダ等を配設す
ることができなかったり、またその配設が極めて難しく
なるなめ量産性は乏しく、高価になったりする欠点を伴
っていた。

また冷却液体を循環さセて冷却を行うようにした場合に
は、その循環機構のために大型且つ高価になるほか、場
合によっては廃液処理対策も必要になり、構造的にも１
価格的にも不利を伴う欠点があった。

またロボット用等に使用されるブラシレスモータのよう
に、低速且つ大トルクを要求されるようなものにあって
は、コアレス構造を採用することができず、有鉄心型構
造を採用しなければならないが、係る有鉄心型ブラシレ
スモータでは、突極構造となっており、鉄心があるため
に、大きなコギングが生じ、滑らかな回転を行うことが
できないという欠点があった。

更にまた。上記有鉄心型ブラシレスモータにおいて、可
変速サーボ用として適するものにしようとする場合、特
に大トルクを得るなめに比較的。

径の大きなものに構成した場合には、アウターロー・・
タタイプよりも慣性が小さくなるインナーロータタイプ
のモータ構造にしたほうが望ましいが、このインナーロ
ータタイプのブラシレスモータの場合、電機子コイルを
ステータ電機子鉄心の突極またはスロットに巻線しに＜
＜、量産性が乏しく高価になる欠点があった。

［発明の課題］ 本発明は、（１）まず、トルク的な問題から。

有鉄心型ブラシレスモータ構造を採用することとし、（
２）Ｌかも冷却するために冷却液体を循環させるという
厄介なことをせず、フィンによってエアー流を生じさせ
て冷却させるようにすると共に、その冷却エアーをステ
ータ電機子の主に電機子コイル及び有鉄心型電機子鉄心
のみ接触させるようにし、この結果、冷却液体によって
摩擦抵抗を増大させることがなく、ロータをスムーズに
回転できるようにし、またロータとステータ電機子間に
８峻冷却エアーが運んでくるごみ等を詰まらせて、故障
を来す恐れを皆無にすること、く３）当該ブラシレスモ
ータ内に冷却液体を密閉したり１通過させるようなこと
がないようにして当該ブラシレスモータ内に位置検知素
子等の電気部品を内蔵しても支障がないようにすること
、（４）大トルクを得るために有鉄心型ブラシレスモー
タ構造を採用しても、コギングが極めて少ない、或いは
殆ど生じないようにして、滑らかな回転が行えるように
すること、（７）低慣性で、サーボ性の優れるインナー
ロータ構造に構成したとしても２電機子コイルを極めて
容易に巻線できる構造の簡単なものにし、したがって、
安価に量産できるようにすること、を課題になされたも
ので、ＤＤモータとしても、ロボット用のモータとして
も適する構造のフィンを備えた冷却効果に優れ且つコギ
ングトルクの小さい径方向空隙型のブラシレスモータを
得ることを課題になされたものである。

［本発明の課題達成手段］ かかる本発明の課題は、スロットまたは突極に電機子コ
イルを巻装したステータ電機子鉄心を有する有鉄心型ス
テータ電機子と空隙を介してロータを回動自在仁設けた
ブラシレスモータにおいて、上記ロータにステータ電機
子鉄心側に風を送風できる形状のフィンを取り付け、上
記ロータと空隙を介して対向する有鉄心型ステータ電機
子面に上記フィンからの冷却用の風が上記空隙に行かな
いようにすると共にコギングトルクを極めて小さくする
ためのリング状磁性体を設け、該リング状磁性体によっ
て形成されたステータ電機子鉄心のスロット若しくは電
機子コイル挿入溝にのみ上記フィンからの冷却用の風を
通過させて冷却するようにした。フィンを備えた冷却効
果に優れ且つコギングトルクの小さい径方向空隙型のブ
ラシレスモータを提供することによって達成され、その
他の課題は、以下の説明にて明らカミこされる。

［発明の一実施例］ 第１図は一実施例としての本発明のフィンを備えた冷却
効果に優れ且つコギングトルクの小さい径方向空隙型の
有鉄心型ブラシレスモータ１の縦縦断面図で、第２図は
同分解斜視図で、以下、主にこの第１図及び第２図を参
照して本発明の一実施例を説明する。

冷却効果に優れ且つコギングトルクの極めて小さい径方
向空隙型の有鉄心型ブラシレスモータ１のブラシレスモ
ータ本体２は、磁性体でできた円筒状本体３と、この本
体３の上下両開口端部を閏じるための磁性体からできた
蓋体４及び５よりなる。　蓋体４，５は、螺子６．７を
本体３に螺着することで固定している。蓋体４，５には
、それぞれ冷却エアー流入口２８．冷却エアー排出口２
９を形成している。

ブラシレスモータ本体２の中心部の上下両端部には、軸
受８，９が装着され、軸受８．９によって回転軸１０が
回動自在に軸支されている。

回転軸１−０の上部には、上記冷却エアー流入口２８か
らエアーを取り入れ、有鉄心型ステータ電機子１４に形
成した後記する冷却エアー通路２４側にのみ冷却するた
めに用いるエアー（以下、冷却エアーという）を送風す
るのに適した形状の軸流型フィン３０が固定されている
。

フィン３０の下側部分の回転軸１０の外周部には１円筒
状のロータヨーク１１が固定され、この外周に円筒状の
界磁マグネット１２が固定され。

径方向の空隙１３を介して形成された有鉄心型ステータ
電機子１４と相対的回動するようになっている。

界磁マグネット１２は、径が細く軸方向に長さの長いも
のの場合には、軸方向及び周方向において、複数の界磁
マグネットセグメントで形成するのが製作し易く、また
ＤＤモータのように径が比較的大きく軸方向に長さが短
いものの場合には。

周方向に沿って複数の界磁マグネットセグメントで形成
するのが製作し易い。

なお、この実施例では９図面の作成の都合上。

界磁マグネット１２としては、比較的構成の簡単な４極
の界磁マグネットとするために、第２図及び第５図から
明らかなようにＮ極、Ｓ極の磁極が、交互に９０度の開
角で形成されたものを用いているので１円筒状に一体し
て形成した界磁ヤグネット１２を用いており、その図を
描いている。

蓋体５の内面には、リング状の軸受ハウジング１５を一
体形成して突出形成し、その上面には。

プリント配線基板１６を固定し、該プリント配線基板１
６には図示しない電子転流回路（駆動回路）構成用電気
部品を配設して、当該ブラシレスモータ１内に電子転流
回路を内蔵できるようにしている。

またプリント配線基板１６には、界磁マグネット１２の
Ｎ極、Ｓ極の磁極を検出して９図示しない電子転流回路
を駆動させることで、後記するＵ相、■相、Ｗ相の電機
子コイル２７群に適宜な方向の電流を流すための位置セ
ンサとして３個の位置検知素子として用いたホール素子
１７を配設している。

また蓋体４．５の内面には、有鉄心型ステータ電機子１
４を構成するための後記するステータ電機子鉄心１８の
内周部に形成したリング状磁性体１９の端面に臨むよう
にフィン３０を介して対向する位置にリング状突起２０
．２１を、軸受８゜９と同心状に内側に突出形成してい
る。

このリング状突起２０．２１は、リング状磁性体１９と
共にフィン３０によって送風される冷却エアーを有鉄心
型ステータ電機子１４の冷却エアー通路２４にのみ通す
ようにするために設けたものであるため、それに適する
長さに形成する必要がある。

このリング状突起２０．２１は、リング状磁性体１９と
共に、ステータ電機子鉄心１８の突極２２間の電機子コ
イル挿入溝（スロット）２３と、上記界磁マグネット１
２とリング状磁性体１９との間に形成された空隙１３と
は、当該リング状磁性体１９によって隔離された冷却エ
アー通路２４を形成している。

この冷却エアー通路２４が形成されるのは、スロット２
３に電機子コイル２７群を巻装したとしても、その部分
の設計方法によっては、十分に冷却エアー流入口２８と
冷却エアー排出口２９を連通ずる当該冷却エアー通路２
４を十分に形成できるからであり、またそのように本発
明では積極的に形成している。

冷却エアーを上記冷却エアー通路２４にのみに通すよう
にするには、他の構成要素９例えば、電機子コイル２７
群、ステータ電機子鉄心１８．リング状磁性体１９ある
いはリング状突起２０゜２１等の設計も考慮する必要が
あるが、まず、そのように冷却エアー通路２４にのみ冷
却エアーを通過させることができる位置に軸流構造のフ
ィン３０を回転軸１０に取り付ける必要がある。

また、必要によっては、冷却エアーが空隙１３に流れな
いようにリング状磁性体１９とリング状突起２０並びに
フィン３０との隙間に磁性流体を介在させたりオイルレ
スメタル軸承等の構造を利用したり、オイルシールを施
したりしても良い。

上記有鉄心型ステータ電機子１４について説明する。

この有鉄心型ステータ電機子１４の特徴は、上記冷却エ
アーを通すという以外に、（１）当該ブラシレスモータ
１をコギングの無い、あるいは殆どないようにして滑ら
かな回転を行うことができるようにすること、（２）電
機子コイル２７群を突極２２（或いは電機子コイル挿入
溝（スロッ））２３）に容易に巻線でき、安価且つ容易
に量産できるようにすること、（３）界磁マグネット１
２に加工を施すことなく、上記空隙１３を一定の厚みに
形成できるようにすること、（４）電機子コイル２７群
の加熱による焼損を防ぐことができるようにすることで
、定格電流以上の電流を瞬時的に過度に流しても、当該
ブラシレスモータ１を破損しないようにできること、（
５）そして何よ゛りも重要なことは、極めて容易に電機
子コイルを巻線できるように外巻構造にできるように工
夫しである。

この有鉄心型ステータ電機子１４は、後記するリング状
ステータヨーク２５を介してブラシレスモータ本体２の
内面に固定され、径方向の空隙１３を介して界磁マグネ
ット１２と対向配設されるもので、主に突！２２または
スロット２３を形成することができるようなステータ電
機子鉄心１８と、このステータ電機子鉄心１８の構成要
素をなすと共に上記空隙１３と冷却エアー通路２４とを
隔離するために当該ステータ電機子鉄心１８の内面に固
定されたリング状磁性体１９と、上記突極２２に巻装す
るか若しくはスロット２３に巻装した電機子コイル２７
群と、上記ステータ電機子鉄心１８の外周に配設固定さ
れた磁路を閉じるため及び電機子コイル２７群の脱出を
防止するためのリング状ステータヨー２２５とによって
構成されている。

ステータ電機子鉄心１８は、リング状磁性体１９と別個
に形成した後に固定して一体化しても良いが、この実施
例では更に量産性に優れたものとするため、磁性体１例
えば積層鋼板等にてリング状磁性体１９の外周に突極２
２を一体形成して、当該リング状磁性体１９の外周に突
極２２及びスロット２３を形成している。

またステータ電機子鉄心１８は、磁性体より形成される
もので、内周にリング状磁性体１９を形成しているが、
界磁マグネット１２との関係で。

空隙１３長を一定にするため、並びに突極２２と一体化
するのに望ましい形状とするため、最初の段階では、リ
ング状磁性体１９は、第３図乃至第５図に示すように、
径方向に若干厚みのあるリング状磁性体１９′に形成し
ておき、その後リング状磁性体１９°の内周を加工する
ようにしても良い。

リング状磁性体１９′の半径外側方向には２等間隔にス
トレート状の１２個の突極２２−１、・・・、２２−１
２が一体形成され、突極２２間には１合計１２個の電機
子コイル挿入溝（スロット）２３−１．　　・・・、２
３−１２が等間隔に形成されている。

このようにステータ電機子鉄心１８は、電機子コイル挿
入溝２３−１．　　・・・、２３−１２の外側が開放さ
れたものとなっているため、最終的に形成されるインナ
ーロータタイプのブラシレスモータであっても、厄介に
なる内側から電機子コイルを巻装する操作が不要で、ア
ウターロータタイプのブラシレスモータ同様に巻線操作
が非常に簡単な外周方向から電機子コイルを巻線できる
外巻方式を採用できるので９本ブラシレスモータ１の巻
線操作は極めて容易なものになっている。

このようなステータ電機子鉄心１８は、別の方法として
は、鉄粉入り樹脂のモールド成形によっても安価且つ容
易に量産でき、もしも、このような材質によって形成す
るなら鉄損、ヒステリシス損等の極めて少ない性能の良
いブラシレスモータ１を形成できる。またリング状磁性
体１９゛を点線２６で示す部分まで容易に研削等の加工
を行うことができ、又点線２６の部分まで容易に加工で
きるので１例えばその径方向の厚みを１　［ｍｍｌ以下
の非常に厚みの薄いものに極めて容易に形成できるので
、空隙１３の径方向の厚みも一定に調節することが容易
で、しかむリング状磁性体１９゛の厚みを薄く形成して
リング状磁性体１９とすることで、磁束の低下を来すこ
となく、大きなトルクが得られ、効率が良好で、しかも
コギングトルクが殆ど発生しないため滑らかな回転運動
が行なえるブラシレスモータ１を得ることができる。

尚、リング状磁性体１９°の厚みが厚いと、この部分に
よって十分に磁路を閉じてしまうので。

界磁マグネット１２の磁束が有効に作用せず、大きなト
ルクが得られないため、リング状磁性体１９のように厚
みを薄く形成する必要がある。または、始めから厚みの
薄いリング状磁性体１９としておいも良い。

上記ステータ電機子鉄心１８の外周の突極２２−１．　
　・・・、２２−１２に電機子コイル２７群を巻装する
ことで、上記突極２２−１、・・・、２２−１２間の電
機子コイル挿入溝２３−１．　　・−−，２３−１２に
は、Ｕ相、■相、Ｗ相の、すなわち、３相のブラシレス
モータ１の有鉄心型ステータ電機子１４を形成す゛るた
めの１２個の電機子コイル２７−１．　　・・・。

２７−１２を巻線挿入している。

尚、この実施例では、１２個の電機子コイル２７−１．
　　・・・、２７−１２は、互いに等間隔となるように
上記位置に巻線されている。

電機子コイル２７−１．　　・・・、２７−１２群を巻
装したステータ電機子鉄心１８の外周には８磁性体から
なるリング状ステータヨーク２５が適宜な手段により固
定され、有鉄心型ステータ電機子１４を形成している。

、尚２円筒状本体３が磁性体で構成され、この′円筒状
本体３をリング状ステータヨーク２５の代用とする場合
には、リング状ステータヨーク２５が不要になるが、リ
ング状ステータヨーク２５を用いて構成するのが多くの
場合においてメリットが生じる場合があるので、この実
施例では、リング状ステータヨーク２５を用いて有鉄心
型ステータ電機子１４を構成している。

かかる有鉄心型ステータ電機子１４は、上記したように
円筒状本体３の内面に固定されている。

本発明の一実施例としてのフィン備えた冷却効果に優れ
かつコギングトルクの小さい径方向空隙型のブラシレス
モータ１は、上記構成からなり。

この実施例では、３相のブラシレスモータ例を示したが
、モータの相数に限定されるものでなく。

またＤＣ（ＡＣ）２ラシレスモ一タ例を示したが、この
種のブラシレスモータに限らず、ステッピングモータ等
の他の種類のブラシレスモータにも本発明は当然適用が
あるものである。

［発明の効果］ 本発明によると。

（ａ）大きなトルクが得られるようにした有鉄心型ブラ
シレスモータでありながら、特に低慣性で、サーボ性の
優れるインナーロータ構造に構成したとしても、電機子
コイルを極めて容易に巻線できる構造の簡単なものにし
、したがって、安価に量産できる。

（ｂ）効率良く冷却するために冷却エアーを発生させる
ことができ、しかもこの冷却エアーをロータとステータ
電機子間の空隙に通すようなことがなく、すなわち、冷
却エアーをステータ電機子の主に電機子コイル部にのみ
接触させるようにしているので、この結果、冷却エアー
に混じったゴミ等によりロータとステータ電機子間にご
み等を詰まらせて、故障を来す恐れがない。

（ｃ）有鉄心型ステータ電機子を冷却する冷却流体とし
て冷却液体を密閉したり、循環させなくてよいので、当
該ブラシレスモータ内に位１検知素子等の電気部品等を
内蔵しても支障がないものに構成できる。

（ｄ）上記効果を発生させる為のリング状磁性体が、コ
ギングを極めて少ないものにするため、滑らかな回転を
行なうことができ１位置決め制御。

速度制御等の種々のサーボに遣するブラシレスモ−タを
構成できる。

（ｅ）加工の厄介な界磁マグネットを加工することなく
、有鉄心型ステータ電機子側１例えばリング状磁性体を
加工するだけで、ロータと有鉄心型ステータ電機子間の
空隙を一定に保つことができるので、当該ブラシレスモ
ータの品質を一定に保つための作業が容易になり、安価
且つ容易に当該ブラシレスモータを量産できる。

（ｆ）上記したように冷却効果に優五ているので、特に
瞬間的に定格電流以上の電流を流す必要のある。或いは
使用環境温度の高い所で使用されるＯＡ用、あるいはロ
ボット用等に用いるブラシレスモータとしても望ましい
ものとなる１等の種々の効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すフィンを備えた冷却効
果に優れ且つコギングトルクの小さい径方向空隙型の有
鉄心型ブラシレスモータの縦縦断面図、第２図は同分解
斜視図、第３図はステータ電機子鉄心とリング状ステー
タヨークの斜視図。 第４図は有鉄心型ステータ電機子鉄心の平面図。 第５図は界磁マグネットと電機子コイル群との展開図で
ある。 ［符号の説明］ １・・・フィンを備えた冷却効果に優れ且つコギングト
ルクの小さい径方向空隙型の有鉄心型ブラシレスモータ
、２・・・ブラシレスモータ本体、３・・・円筒状本体
、４．５・・・蓋体。 ６．７・・・螺子、８，９・・・軸受。 １０・・・回転軸、１１・・・ロータヨーク。 １２・・・界磁マグネット、１３・・・空隙。 １４・・・有鉄心型ステータ電機子。 １５・・・軸受ハウジング、１６・・・プリント配線基
板、１７・・・ホール素子、１８・・・ステータ電機子
鉄心、１９．１９’　　・・・リング状磁性体、２０．
２１・・・リング状突起。 ２２・・・突極、２３・・・電機子コイル挿入溝（スロ
ット）、２４・・・冷却エアー通路。 ２５・・・リング状ステータヨーク。 ２６・・・点線。 ２７．２７−１．　　・・・、２７−１２・・・電機子
コイル、２８・・・冷却エアー流入口。 ２９・・・冷却エアー排出口、３０・・・フィン。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）スロットまたは突極に電機子コイルを巻装したス
   テータ電機子鉄心を有する有鉄心型ステータ電機子と空
   隙を介してロータを回動自在に設けたブラシレスモータ
   において，上記ロータにステータ電機子鉄心側に風を送
   風できる形状のフィンを取り付け，上記ロータと空隙を
   介して対向する有鉄心型ステータ電機子面に上記フィン
   からの冷却用の風が上記空隙に行かないようにすると共
   にコギングトルクを極めて小さくするためのリング状磁
   性体を設け，該リング状磁性体によって形成されたステ
   ータ電機子鉄心のスロット若しくは電機子コイル挿入溝
   にのみ上記フィンからの冷却用の風を通過させて冷却す
   るようにしたことを特徴とするフィンを備えた冷却効果
   に優れ且つコギングトルクの小さい径方向空隙型のブラ
   シレスモータ。
2. （２）上記ロータは，Ｎ極，Ｓ極の磁極を２Ｐ（Ｐは２
   以上の整数）個有する界磁マグネットであることを特徴
   とする特許請求の範囲第（１）項記載のフィンを備えた
   冷却効果に優れ且つコギングトルクの小さい径方向空隙
   型のブラシレスモータ。
3. （３）上記ブラシレスモータは，インナーロータモータ
   であることを特徴とする特許請求の範囲第（２）項記載
   のフィンを備えた冷却効果に優れ且つコギングトルクの
   小さい径方向空隙型のブラシレスモータ。
4. （４）上記スロットまたは突極に電機子コイルを巻装し
   た有鉄心型ステータ電機子は，内周部に有するリング状
   磁性体の外周に外周開放型に電機子コイルを巻線するた
   めの突極若しくはスロットを形成することで，その外周
   方向から電機子コイルを巻装した後に，その外周部をリ
   ング状ステータヨークで閉じてなることを特徴とする特
   許請求の範囲第（３）項記載のフィンを備えた冷却効果
   に優れ且つコギングトルクの小さい径方向空隙型のブラ
   シレスモータ。