JPH02276449A - 外転型ブラシレスｄｃ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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、板状の強磁性体を複数枚積層した突極構造
のステータヨークを使用し、ロータ磁石の磁極数とステ
ータ巻線を施す突極数との比がある一定条件を満たすブ
ラシレスＤＣモータに関するものである。ここでステー
タヨークは、ステータコイルを巻装する１つの突極部の
断面積Ａとその周長りとが特定の関係を保つように設定
され、それによって小型モータでも鉄芯を用いたことに
よる効果（即ち磁気回路効率の向上）を十分引き出すこ
とができるようになっている。

このブラシレスＤＣモータはロータ磁穫位置検出器や付
属電子回路部品を内蔵するスペースを確保できるため、
小型薄型化（例えば出力数Ｗ以下程度で厚さ１０ｍ５＋
程度以下）に適し、例えば磁気ディスク駆動装置におけ
るスピンドルモータ等に有用である。

〔従来の技術〕

鉄板等の強磁性体をステータコイルの巻芯として利用す
ることによって（もちろん鉄板等とコイルとは電気的に
絶縁されている）モータの磁気回路効率を向上させるこ
とは従来周知である。この原理を利用したモータの一例
がアウタロータ・ラジアルギャップ型ブラシレスＤＣモ
ータである。そのステータヨークは、例えばリング状部
から外向き放射状に多数の突極部を形成した板状の強磁
性体を複数枚モータ軸方向に積層し、突極部に絶縁処理
を施し、ステータコイルを巻装した構成になっている。

この種のモータに対しては、近年、エレクトロニクス化
が進展するに伴い、ますます小型化、薄型化、軽量化の
要求が強くなってきている。

この場合、ステータコイルを巻装する突極部の断面積に
は、使用する強磁性体の材質との関係で磁束密度により
決定されるが、その断面形状については格別の配慮は払
われていない。

〔発明が解決しようとする課題〕

ブラシレスＤＣモータを小型化（出力Ｂｗ程度以下）、
薄型化（厚さＩＱ＋ｉｍ程度以下）するためには、モー
タ内部にロータ磁極位置検出器（ホール素子等）やモー
タ駆動用の複数個の小型電子部品を収容するスペースを
確保する必要がある。また巻線作業時間をできるだけ短
縮するためにステータ突極数を少なくするのが望ましい
、これらの理由で従来構造のモータでは効率のよい磁気
回路を構成することが困難になってきている。

この発明の目的は、このような問題を解決し、有鉄芯型
の小型薄型モータにおいてコイル励磁に伴う励磁損失を
出来るだけ減らし且つコイル巻装部の磁気抵抗を下げる
ことによりエアギャップ中の磁束密度を出来るだけ高く
するようなヨーク形状を工夫し、それによって鉄芯を用
いた効果を十分に引き出すことができ且つ軽量化できる
ような゛ブラシレスＤＣモータ及びそのステータヨーク
を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

このような技術的課題を解決するため本発明では断面形
状特性係数という因子を導入し、シミュレーション及び
実験により最適構造を見出すべく検討した。

まずベースとなるモータ構造は、ロータ磁石の磁極数Ｐ
（Ｐは偶数）とステータ＠線を施す突極数Ｎ（Ｎは相数
の整数倍）との比が、Ｎ／Ｐ＜１である関係を満たすブ
ラシレスＤＣモータである。特に好ましい構造は、Ｎ／
Ｐがほぼ０．７５程度となるようにすることである。ス
テータヨークは、板状の強磁性体を複数枚積層し、その
突極部にステータコイルを巻装したものである。ここで
突極部のコイル巻装部の断面積をＡ、その断面を取り囲
む周囲の長さをＬとしたとき、本発明では断面形状特性
係数Ｒという因子（Ｒ＝Ｌ２　／Ａ）を導入し、それが
４π≦Ｒ１１６，３という関係を満たすように構成され
ている。

突極部のコイル巻装部分の断面形状は様々考えられるが
、特性の点のみを考慮すれば円形が最も好ましい、正方
形状または長方形状でもよいが、その場合には４個所の
コーナー部に面取り又は切り落としを形成するのが望ま
しい。

（作用） 平均磁路長が一定で、コイルを巻装するため一定長の部
分を有する磁気回路においては、前記コイル巻装部分の
断面積をできるかぎり大きくすることが好ましい、磁気
抵抗が小さくなるからである。しかしながら−船釣には
コイルを巻く都合から断面積を大きくすることには自ず
と限界があり、またむやみに大きくすると重量が大きく
なり好ましくない、従って必要最小限の断面積を得るに
は、その断面形状が重要なファクタになることが推測で
きる。

この発明は、ロータ磁石の極数Ｐとステータ巻線を施す
突極数Ｎとの比Ｐ／Ｎが１より小さく設定される。そし
てステータヨーク鉄芯の必要断面積が決まった場合、そ
の断面を取り囲む周囲の長さが出来るだけ短くなるよ・
うな鉄芯断面形状にすることによりｌターン当たりのコ
イル長が短く、巻ｖＡ抵抗値が小さくなり、モータ内部
電圧降下が少なくなる。このことによりモータ効率は向
上する。

本発明では断面形状を数値的にとらえるために断面形状
特性係数Ｒという因子を用い、それを断面積Ａと、その
周囲の長さＬとで１？＝Ｌ”／Ａと定義し、それが４π
≦Ｒ≦１６．３なる関係を満たしている。前記の内容か
ら、同一サイズ、同一構造のブラシレスＤＣモータにお
いては、この断面形状特性係数Ｒが小さいほどモータ効
率は高くなる。この係数の最小値は４π”１１２．６（
円形の場合）で、シミニレ−シラン並びに実験から本発
明では最大値を１６．３までとした。断面形状特性係数
Ｒをこの範囲内に設定するとモータ効率は十分高い、特
に断面が矩形の場合には、４個所のコーナー部を面取り
あるいは切り落としをし、出来るだけ前記断面形状特性
係数Ｒを小さくするのが好ましい。

更に小型、薄型のモータを構成するには、突極部のコイ
？し巻装部のなす中心角の最大値θを、０くθ≦（１／
２．５）　ｘ　（３６０＠／Ｎ）の範囲とすれば、前記
Ｎ／Ｐの制限と相俟てステータ中の突極と突極との間の
空間が広くとれ、ロータ位置磁極検出器や付属電子回路
を前記空間内に効率よく収容でき、効率がよく且つ小型
、薄型、軽量化したモータが得られる。

〔実施例〕

第１図は本発明に係るブラシレスＤＣモータの一実施例
を示す分解斜視図である。このモータはロータ磁掻数Ｐ
が１６、ステータ突極数Ｎが１２、Ｎ／Ｐ−０，７５、
θ−１０，８”のアウタロータ・ラジアルギャップ型の
３相ブラシレスＤＣスピンドルモータである。

モータは主としてハウジング１１駆動回路板２、ステー
タ３、ロータ４等から構成される。

ハウジングｌはロータ４を回転自在に支承する軸受５を
収容し、ステータ３と駆動回路板２とを位置決めしなが
らネジ止めするアルミニウム製の枠体である。駆動回路
板２は３相ブラシレスＤＣモータを駆動するのに必要な
電気回路を有するもので、集積回路、ホールセンサ、抵
抗、コンデンサ等の電子部品が実装されている。尚、こ
れらの電子部品は、モータの小型、軽量化の要求に応え
るため出来るだけモータ内部に収容することが望ましい
、ステータ３はリング状部から放射状に複数の突極部を
形成したステータヨーク６の各突極部にｍ縁を施しステ
ータコイル７を巻き付けたものである。駆動回路板２及
びステータ３は止めネジ８によりハウジング１に固定さ
れる。ロータ４は強磁性体からなるロータヨーク９の内
周にリング状磁石１０を接着したものである。ロータ４
は、ハウジングｌに装着されている軸受５により回転自
在に支承される。

本発明はステータ３、特にステータヨーク６の突極部の
コイル巻装部分の断面形状°に特徴がある。ステータヨ
ーク６の詳細を第２図に示す。

ステータヨーク６は、中央のリング状部１５がら外向き
に複数本（この実施例では１２本）の突極部１６が放射
状に延びる形状であり、その形状にプレス打抜きしたケ
イ素鋼板を軸方向に複数枚（この実施例では４枚）積層
し固着した構造である。前述のように少なくとも各突極
部１６のコイル巻装部分には絶縁処理が施され、その上
に必要な巻線仕様のステータコイルが巻き付けられる。

ステータヨーク６の突極部１６はコイルを巻く関係から
一般に断面積が他の磁気回路部分に比べて小さく、通常
、磁気回路中で最も磁束密度が高く、その値が問題とな
る部分である。従って特に小型（出力数Ｗ程度）で薄型
（厚さ１０ａ曽程度以下）の鉄芯入すプラシレスＤＣモ
ータの場合には、ロータ磁極検出器（ホール素子等）等
を内蔵するスペースが必要であり、それらの制約により
十分な鉄芯断面積を確保することが困難である。

しかし本発明では前記ステータヨーク６の突極部１６の
断面形状に着目し、その断面積Ａとそれを取り囲む周囲
の長さＬを用いて断面形状特性係数Ｒを次式のように定
義し、その大小により評価する手法を採用した。

Ｒ＝Ｌ２／Ａ この式によれば、断面形状特性係数Ｒが小さければ小さ
い程、同一周長において、その取り囲む断面積が大きく
なることを意味している。

このことはコイル側の条件を同一とすれば、当該強磁性
体中の磁束密度を低く抑えることができることになる。

その結果、ステータヨークの突極部１６での磁位降下が
低下し、その分エアギャップ中の磁束密度を高くするこ
とができる。

一方、磁気回路側の条件を同一にすれば（突極部所面積
を一定とする）コイル起磁力を増加させることができる
。従っていずれにしても断面形状特性係数Ｒが小さい程
、トルク定数の向上、及び電流の低下が期待され、結果
的にモータ効率が向上する。

第３図〜第７図に厚み０．５１Ｉｍのケイ素鋼板を４枚
積層した全厚２．Ｏｌの突極部の断面形状の例を示す。

断面形状特性係数Ｒの最小値は有限で断面形状が第３図
に示すような円のときであることは数学的に容易に証明
できる。この時の断面形状特性係数Ｒの値は４π”！１
２．６である。

コイルを巻くための突極部１６の断面形状は任意である
が、第２図で説明したように小型薄型の３相ブラシレス
ＤＣモータではケイ素鋼板をプレス打抜きしたものを積
層して使用することから四角形となることが多い、断面
形状を四角形とすると、断面形状特性係数Ｒの最小値は
第４図に示すような正方形の場合であり、その値は１６
である。従って円形の場合に比べて約２７％も大きくな
る。

第５図は短辺が２．０ｍｓ、長辺が２．５１の長方形の
場合である。この場合の断面形状特性係数Ｒは約１６．
２であり、第４図に示す正方形の場合と比較して１．２
５％の微増にとどまっている。

第６図は長方形断面の４個所のコーナー部に０．５Ｒの
面取りをした形状である。この場合、断面形状特性係数
Ｒは約１３．８になり正方形断面の場合よりも小さくな
る。第７図は長方形断面の４個所のコーナー部を直線的
に切り落としたもので、この場合の断面形状特性係数Ｒ
は約１４．４となり、やはり正方形断面の場合よりも小
さくなる。このように長方形断面であっても、コーナー
部の面取りあるいは切り落としによって断面形状特性係
数Ｒを低減できることがわかる。

このような断面形状特性係数Ｒがモータ特性に及ぼす影
響をシミニレ−シランと実験により求めた結果について
説明する。モータは第１図に示したアウタロータ３相ブ
ラシレスＤＣモータで、ロータ磁石磁極数Ｐ−１６、突
極数Ｎ＝１２、θ−１０，８”である、ステータヨーク
６の突極部１６の断面形状を四角形とし、その短辺と長
辺との比Ｘ（−短辺／長辺）のＯ＜Ｘ≦１の変化に対し
て断面形状特性係数Ｒ及びモータ制動定数りの変化率Ｄ
ｒをシミニレ−ジョンで出したのが第８図である。ＤＣ
モータにおいては制動定数りはトルク定数に１、誘起電
圧定数ｋｔ及び巻線抵抗ｒにより次式で表される。

１）＝ｋｙ　　−ｋｔ　／　ｒ ここでモータ特性値として制動定数りを用いたのは、断
面形状特性係数Ｒの変化によりトルク定数に？　、誘起
電圧定数に、及び巻線抵抗ｒが変化するため、制動定数
りによって評価するのが最適と考えたことによる。制動
定数りが大きいことは、トルク変動に対する速度変動の
割合が小さく、同一サイズ、同一構造のモータとして優
れていることを意味している。

第８図の制動定数変化率Ｄｒは、同一サイズ、同一構造
のブラシレスＤＣモータにおいて、コイルを巻く突極部
の磁路長を一定として、その断面積部（四角形）の短辺
／長辺（縦横比）のみを変化させた場合に、ｘ＝１の時
にＤｒ＝１とした割合で（いわゆる変化率として表現し
ている）、Ｏ＜Ｘ≦１の範囲で以下の２条件をもとに簡
易的に算出した。

■短辺／長辺の比が変わっても磁気回路側の条件は同一
である。即ち突極部の断面積Ａは一定である。

０巻線抵抗が同一のモータとする。即ちｌターン当たり
の周長が短い場合は抵抗値が同一になるまで巻数を増や
す。

第８図より、断面形状特性係数Ｒは短辺／長辺の比Ｘが
小さいほど急激に増大するが、Ｘが１に近づくに従うて
緩やかに減少し最小値１６に近づく、他方、制動定数変
化率Ｄｒは断面形状特性係数Ｒとは逆に、Ｘが小さくな
るほど急激に減少するが、Ｘが１に近づくにつれて緩や
かに増加し最大値１に近づ＜、Ｄｒとしては出来る限り
１（１００％、即ち正方形であること）が望ましいが、
実用上は１０％ダウンまでは顕著な差が見られないため
、これが限界となる。

この時の制動定数りはＲ−１６，３以下であり、その値
が急激に一定値に近づいていることがわかる。

第９図は試作実験した結果を示している。同図から第８
図に示すものとほぼ同様の傾向になることがわかる。

第８図及び第９図より断面形状特性係数Ｒは実質的には
１６．３以下（特に四角形の場合、短辺／長辺が０．７
５）までがモータとして制動定数りの減少が少ないこと
がわかる０以上のようにシミュレーシッン及び実験から
断面形状特性係数Ｒの値を１６．３までとするとモータ
制動定数の低下が少ない分、高効率のモータが実現され
る。

本発明は前記実施例のみに限られるものではない、特に
コーナ二部の面取り切り落としによる断面形状・特性係
数の低減は実施例の形状、寸法にかかわりなく効果的で
ある０本発明は磁束の通過する方向に平行に穴や溝等が
ある場合にも適用でき、断面形状特性係数Ｒを低減する
ことにより同様の効果が得られる。ステータヨークの構
造、即ちモータの種類に対応した形状や突極部の数など
は、前記実施例の構造に限られるものではない。

〔発明の効果〕

本発明は上記のように、Ｎ／Ｐ　（ステータ巻線を施す
突極数／ロータ磁極の磁極数）を１より小さ（し、突極
部のコイル巻装部分の断面積をＡ、その断面を取り囲む
周囲の長さをＬとしたとき、断面形状特性係数Ｒ＝Ｌ”
／Ａが、４π≦Ｒ：５１６．３なる関係を満たすように
したブラシレスＤＣモータであるから、モータのコイル
励磁に伴う励磁損失が減少し、トルク定数、誘起電圧定
数を大きくできる。更に突極部のコイルＳ装部のなす角
のうちの最大値θを（１７２，５）Ｘ　（３６０°／Ｎ
）以下とすると、ステータ中の突極と突極との間に空間
ができ、ロータ磁極位置検出器や付属の電子回路部品を
前記空間内に効果的に収容することができ、小型化、薄
型化に効果が大きい。

また本発明では同一起磁力を発生する場合、ｌターン当
たりのコイル長を短くできるからコイル全長が短くて済
み、コストダウンとなる。

更に突極部の断面形状が四角形の場合、短辺と長辺との
長さの差が小さくなり、巻線作業時のコイルの断線が少
なくなり、効率の良い巻線が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るブラシレスＤＣモータの一実施例
の概略構成を示す分解斜視図、第２図はそれに用いるス
テータヨークを示す一部破断斜視図である。第３図、第
４図、第５図、第６図、第７図はそれぞれ突極部の断面
形状の例を示す説明図である。また第８図は突極部の短
辺／長辺の比Ｘと断面形状特性係数Ｒ及びモータ制動定
数変化率Ｄｒの関係を示すグラフ、第９図は突極部の短
辺／長辺の比Ｘとモータ制動定数りの関係を示すグラフ
である。 ｌ・・・ハウジング、２・・・駆動回路板、３・・・ス
テータ、４・・・ロータ、６・・・ステータヨーク、７
・・・ステータコイル、１６・・・突極部。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. １．板状の強磁性体を複数枚積層したステータヨークの
   突極部にステータコイルを巻装したステータと、永久磁
   石を備えたロータとを組み合わせたモータにおいて、ロ
   ータ磁石の磁極数Ｐ（Ｐは偶数）とステータ巻線を施す
   突極数Ｎ（Ｎは駆動相数の整数倍）との比がＮ／Ｐ＜１
   という関係を満たし、ステータヨークの突極部のコイル
   巻装部分の断面積をＡ、その断面を取り囲む周囲の長さ
   をＬとしたとき、断面形状特性係数Ｒ＝Ｌ＾２／Ａが、
   ４π≦Ｒ≦１６．３という関係を満たすようにしたこと
   を特徴とするブラシレスＤＣモータ。
2. ２．ラジアル方向にエアギャップを有する請求項１記載
   のブラシレスＤＣモータにおいて、突極部のコイル巻装
   部のなす中心角のうちの最大値をθとしたとき、 θ≦（１／２．５）×（３６０゜／Ｎ） となるブラシレスＤＣモータ。
3. ３．突極部は、そのコイル巻装部分の断面がほぼ円形を
   なしている請求項１記載のブラシレスＤＣモータで用い
   るステータヨーク。
4. ４．突極部は、そのコイル巻装部分の断面が正方形状ま
   たは長方形状をなし、４個所のコーナー部に面取り又は
   切り落としを形成した請求項１記載のブラシレスＤＣモ
   ータで用いるステータヨーク。