JPWO2014192609A1 - インナーロータ型ブラシレスモータ - Google Patents

Abstract

【課題】 細身な複数段のステータにより高トルクを得ることができる上、巻線のリード線の取り回しを簡素化する。【解決手段】 磁石を有するとともに回転可能に支持されたロータ２０と、ロータ２０の周囲に位置するステータコアと、該ステータコアの内径側に巻かれた巻線６２ａと、巻線６２ａから延びるリード線６２ｃとを備えたインナーロータ型モータにおいて、単一のロータ２０の周囲に、複数の前記ステータコアを軸方向へ並ぶように設け、これら複数のステータコアのうち、少なくとも一つのステータコアの外周面に、周方向に交差する方向へわたる凹溝６１ａ１を設け、この凹溝６１ａ１内に、他のステータコアのリード線６２ｃを沿わせた。【選択図】 図４

Description

本発明は、例えば、ロボットや小型の産業機器、医療機器、模型飛行機等、特に細身で小型の駆動源を用いる機器に好適なインナーロータ型ブラシレスモータに関するものである。

従来、この種の発明には、例えば、特許文献１に記載されるもののように、ドライブシャフト（２）と、ドライブシャフト（２）の周囲に配置された複数のステータ（１５，１６）と、ドライブシャフト（２）の軸方向の中心部から径外方向へ延出したドライブホイール（２１）と、ドライブホイール（２１）の外周部に固定されるとともに軸方向の両側に延出してステータ（１５，１６）の周囲に位置する円筒状の複数のロータ（２６，２７）と、これら複数のロータ（２６，２７）を前記ドライブシャフト（２）の軸方向両側からそれぞれ支持する複数のベアリング（３３，３４）と、を備えたブラシレスモータがある。
このブラシレスモータによれば、ロータの回転力を軸方向において複数箇所で得ることができるため、比較的小さな径サイズであっても大きな出力を得ることができる。また、単一のステータとした場合に比較して、ステータ毎の巻線コイルの電流値が小さくなるため、巻線コイルの線径を細くしたり、巻線コイルの長さを短くすることもできる。さらには、径サイズを小さくして、ロータの最大回転数を大きく確保することもできる。また、何れかの巻線コイルが断線した場合であっても、他の巻線コイルによる運転が可能であり、例えば、航空機の推進用として適用した場合に信頼性を向上することができる。

前記従来技術は、上記したように様々な利点を有するものではあるが、複数のステータ、及びステータ毎に対応する複数の巻線コイルを具備するため、巻線コイルを外部へ引き出すリード線の取り回しを簡素化し難いという問題があった。
より具体的に説明すれば、隣り合う二つのステータ間にはドライブシャフト及びロータと共に回転するドライブホイール（２１）があるため、二つのステータの巻線コイル（１７，１８）を、同一方向へ引き出し難く、それぞれ軸方向の一方と他方へ延ばして両側のガイドプレート（１１，１２）に挿通し外部へ引き出し、二方向へ引き出されたリード線を電源へ繋ぐ必要があった。
そこで、単一のドライブシャフト及びロータの周囲に、軸方向へ並ぶ複数のステータを具備したインナーロータ型のモータを構成し、前記複数のステータにおける巻線コイルのリード線を外径側で同一方向へ導くことが提案されるが、リード線をコンパクトに収納した細身のモータにするには工夫を要する。

特開２００９−２９１０３１号公報

本発明は上記従来事情に鑑みてなされたものであり、その課題とする処は、細身な複数段のステータにより高トルクを得ることができる上、巻線のリード線の取り回しを簡素化することができるインナーロータ型ブラシレスモータを提供することにある。

上記課題を解決するための一手段は、磁石を有するとともに回転可能に支持されたロータと、該ロータの周囲に位置するステータコアと、該ステータコアの内径側に巻かれた巻線と、該巻線から延びるリード線とを備えたインナーロータ型モータにおいて、単一の前記ロータの周囲に、複数の前記ステータコアを軸方向へ並ぶように設け、これら複数のステータコアのうち、少なくとも一つのステータコアの外周面に、周方向に交差する方向へわたる凹溝を設け、この凹溝内に、他のステータコアの前記リード線を沿わせたことを特徴とする。

本発明は、以上説明したように構成されているので、複数段のステータにより細身（小径）な構成にて高トルクを得ることができる上、巻線のリード線の取り回しを簡素化することができる。

本発明に係るインナーロータ型ブラシレスモータの一例を示す縦断面図である。 同インナーロータ型ブラシレスモータの側面図である。 図１の(III)‐(III)に沿う断面図である。 ステータ構成ユニットの一例を示す側面図である。 ステータ構成ユニットの他例を示す側面図である。 ステータ構成ユニットの他例を示す側面図である。

本実施の形態の第一の特徴は、磁石を有するとともに回転可能に支持されたロータと、該ロータの周囲に位置するステータコアと、該ステータコアの内径側に巻かれた巻線と、該巻線から延びるリード線とを備えたインナーロータ型モータにおいて、単一の前記ロータの周囲に、複数の前記ステータコアを軸方向へ並ぶように設け、これら複数のステータコアのうち、少なくとも一つのステータコアの外周面に、周方向に交差する方向へわたる凹溝を設け、この凹溝内に、他のステータコアの前記リード線を沿わせた。
この構成によれば、軸方向に並ぶ複数のステータのリード線を、ステータコア外周面の凹溝内に沿わせて同一方向へ導くことができる。

第二の特徴としては、前記ステータコアの内周側に、径内方向へ突出する突極部を周方向へ間隔を置いて複数設け、これら突極部の各々に前記巻線を巻いたインナーロータ型ブラシレスモータであって、前記凹溝を、前記突極部に対応する位置に設けた。
この構成によれば、前記凹溝が、比較的径方向の厚みの大きい位置に設けられるため、前記凹溝によるステータコアの機械的強度及び磁力の低下を軽減することができ、その結果、細身な構成にした場合であっても強度低下を軽減することができる。

第三の特徴としては、前記凹溝は、前記突極部の外径側で、前記ステータコアを軸方向へ貫通している。
この構成によれば、リード線の取り回しをより良好にすることができる。

第四の特徴としては、前記ステータコアは、環状に配設された複数の独立した分割コアからなり、前記分割コア毎に、前記凹溝を有する。
この構成によれば、突極部に巻線を巻く際の作業性や、突極部を原材料から加工する際の歩留まり等を向上することができる。

次に、上記特徴を有する本実施の形態の好ましい実施例を、図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明に係るインナーロータ型ブラシレスモータ１の一例を示す。
このインナーロータ型ブラシレスモータ１は、中心軸上に延設された回転軸１０と、この回転軸１０の外周部に一体回転可能に固定されたロータ２０と、回転軸１０を回転可能に支持する軸受３０と、該軸受３０を保持する軸受ブラケット４０と、軸受ブラケット４０を介して外径側に固定されたケーシング５０と、ロータ２０の周囲に位置するとともにケーシング５０の内周面に回転不能に固定された複数（図示例によれば二つ）のステータ６０とを備え、ステータ６０にブラシレスモータ用三相電源の電力が通電された際に、ステータ６０内の磁気的作用によりロータ２０を回転させる。

回転軸１０は、剛性材料（例えば、鉄やステンレス等の金属材料）により中実円柱状又は中空円筒状に形成された長尺部材であり、図示例によれば、軸方向の一端側に軸受ブラケット４０から突出した駆動部１１を有する。この回転軸１０の他例としては、駆動部１１を軸方向の両側に有する態様としてもよい。
そして、この回転軸１０は、軸方向の両端側が後述する軸受３０，３０によって回転自在に支持されている。

また、ロータ２０は、磁性体からなる円柱状のコアの外周側に永久磁石を固定するとともに、同コアの中心部を回転軸１０に固定しており、回転軸１０と共に回転自在に保持される。
このロータ２０には、後述するステータ６０の回転磁界により回転力を得るように、図示しない複数極（例えば、２極、４極、６極、８極、１２極等）の磁石が組み込まれている。

軸受３０は、図示例によればボールベアリングであり、回転軸１０をロータ２０の両側で回転自在に支持している。この軸受３０の他例としては、すべり軸受けやコロ軸受け等、他の構成の軸受とすることが可能である。

そして、回転軸１０外周におけるロータ２０と軸受３０の間には、スペーサ２１が環状に装着されている。このスペーサ２１は、圧入等の固定手段によって回転軸１０に対し軸方向へ移動不能に固定され、回転軸１０及びロータ２０をスラスト方向において位置決めする。
このスペーサ２１は、軸受３０の端面に摺接した際の摩擦抵抗を軽減するように適宜材料（例えば、アルミニウム合金や耐摩耗性の比較的高い剛性樹脂材料等）から形成される。

また、軸受ブラケット４０は、その中心部に回転軸１０を遊びを有する状態で挿入するとともに、軸受３０を外周側から保持する環状の部材である。この軸受ブラケット４０は、その中心部側に、軸受３０を保持する環状の軸受保持凹部４１を有するとともに、外径側には、ケーシング５０を環状に嵌め合せるケーシング保持凹部４２を有する。さらに、これら軸受保持凹部４１とケーシング保持凹部４２の間には、単数又は複数の貫通孔４３を有する（図２参照）。
貫通孔４３は、後述するステータ６０のリード線を外部へ引き出したり、ケーシング５０内の熱を放熱したりするための孔であり、図示例によれば、円形状に形成され周方向に間隔を置いて複数設けられる。この貫通孔４３の他例としては、円弧状の長孔や、その他の形状の貫通孔とすることが可能である。

ケーシング５０は、例えば、鉄やパーマロイ等の金属材料や合成樹脂材料から薄肉円筒状に形成され、その両端側が、左右両側の軸受ブラケット４０の外周側（詳細には前記ケーシング保持凹部４２）に対し、環状に嵌め合せられ固定される。

また、ステータ６０は、ロータ２０の周囲において、軸方向へ所定間隔を置いて複数（図示例によれば二つ）配設される。これらステータ６０の各々は、ロータ２０の外周面に対し適宜なクリアランスを介在するとともに、ケーシング５０の内周面に対し回転不能且つ軸方向移動不能に固定される。

隣り合う二つのステータ６０，６０の間には、これらの間隔を一定に保持する環状スペーサ６０ａが設けられる。この環状スペーサ６０ａは、その外周側に、周方向に並ぶ複数の切欠部６０ａ１を有する略環状（例えば、中央に貫通孔を有する星形状等）に形成され、その径外方向の端面６０ａ２をケーシング５０内面に圧入して固定されている（図１参照）。
前記複数の切欠部６１ａ１は、ステータ６０内径側の突極部６１ｂに対応するように、周方向に所定間隔を置いて配置され、後述する巻線６２ａやリード線６２ｃ等を挿通する空間として用いられる（図１参照）。

また、各ステータ６０は、複数（図示例によれば三つ）の独立したステータ構成ユニットＡを環状に配設してなる（図３及び図４参照）。
各ステータ構成ユニットＡは、ステータコアの一部分を構成する分割コア６１や、該分割コア６１の内径側に巻装された巻線６２ａ等を具備している。

分割コア６１は、例えば、珪素鋼板等の薄板状磁性体を、軸方向へ複数積層するとともに、各鋼板間を接着やダボ止め（凹凸による嵌合）等の接合手段によって接合してなる。
そして、この分割コア６１は、ケーシング５０の内周面に沿うように形成された分割環状部６１ａと、該分割環状部６１ａから径内方向へ突出するとともに周方向へ間隔を置いた複数の突極部６１ｂとを有する略扇形状に形成される。

分割環状部６１ａは、環状部材を周方向において所定数（図示例によれば三つ）に分割した形状を呈し、その外周面に、周方向に対し交差する方向へわたって連続する凹溝６１ａ１を複数有する。

各凹溝６１ａ１は、図示例によれば、断面半円状を呈し、ステータ６０の中心軸に略平行する方向へわたって連続するとともに、分割コア６１を貫通している。
各凹溝６１ａ１は、径内方向へ向く突極部６１ｂに対し、周方向の位置を略同位置にしている。すなわち、周方向において、各凹溝６１ａ１の中心位置と、突極部６１ｂの中心位置とは略一致である。
この凹溝６１ａ１の幅及び深さ等は、挿通されるリード線を内在するように適宜に設定される。

また、各突極部６１ｂは、径内方向へ突出する断面Ｔ字状に形成され、突端側の張出し部分よりも外径側に、巻線６２ａを巻き付けている。

巻線６２ａは、複数の突極部６１ｂに対しそれぞれ巻装される。周方向に隣り合う二つの巻線６２ａの間は、接続線部６２ｂによって接続される。また、複数の巻線６２ａの両端側からはそれぞれリード線６２ｃが延設されている。
これら複数の巻線６２ａ、接続線部６２ｂ及びリード線６２ｃは、一本の連続する電線（例えば、エナメル被覆銅線等）とすればよい。なお、他例としては、リード線６２ｃを、巻線６２ａに対し接続された別体の電線とすることも可能である。

そして、各ステータ構成ユニットＡにおける隣り合う二つの巻線６２ａ，６２ａは、互いに反対の極を構成するように巻かれている。すなわち、図４に示す一例によれば、左側の一方の巻線６２ａは、径外方向に向かって反時計方向へ巻かれ、右側の他方の巻線６２ａは、径外方向に向かって時計方向へ巻かれている。そして、左側の巻線６２ａの径外方向側の端部が、接続線部６２ｂを介して、右側の巻線６２ａの径内方向側の端部に接続されている。
したがって、これら連続する二つの巻線６２ａ，６２ａが通電されると、対応する二つの突極部６１ｂ，６１ｂは、互いに反対の極（一方の突端がＮ極の時に他方の突端がＳ極）に励磁されることになる。

上記構成の複数のステータ構成ユニットＡは、円筒状のケーシング５０内に緩圧入されるとともに、周方向に隣り合う分割コア６１，６１同士を接触させて、ステータ６０を構成する（図３参照）。そして、この状態において、ステータ構成ユニットＡ毎の複数（図示例によれば二つ）の巻線６２ａ，６２ａは、周方向に隣接する他のステータ構成ユニットＡの複数の巻線６２ａ，６２ａに対し、分離しており、独立した異なる相を構成している。
すなわち、図示例によれば、三つのステータ構成ユニットＡは、それぞれ独立して、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相を構成する。

軸方向に並ぶ二つのステータ６０のうち、一方（図１によれば左側）のステータ６０の各相の（換言すれば、ステータ構成ユニットＡ毎の）リード線６２ｃは、一方の軸受ブラケット４０の貫通孔４３に挿通されて外部へ引き出される。
また、他方（図１におよれば右側）のステータ６０の各相のリード線６２ｃは、前記一方（図１によれば左側）のステータ６０の凹溝６１ａ１に挿通され、さらに前記一方の軸受ブラケット４０の貫通孔４３に挿通されて外部へ引き出される。
そして、これらリード線６２ｃは、同相のものがそれぞれ電気的に接続されて、図示しないブラシレスモータ用三相電源の各相に接続される。すなわち、複数のステータ６０は、ブラシレスモータ用三相電源に対し並列接続される。

よって、上記構成のインナーロータ型ブラシレスモータ１によれば、ステータコア内側の突極部６１ｂに対し巻線６２ａを巻く作業を、それぞれ独立した分割コア６１毎に行うことができるため、その作業性が良好である（図４参照）。
また、各分割コア６１が円環を等分割した形状であるため、一体円環状のステータコアを用いた場合と比較し、原材料からコアを加工する際の歩留まりを向上することができる。
また、ステータ構成ユニットＡ毎に複数の巻線６２ａが同相を構成して連続しているため、例えば同相の複数の巻線６２ａを複数のステータ構成ユニットＡに跨って接続した場合と比較し、製造性を向上するとともに部品管理を容易にできる。しかも、同相を構成して連続する複数の巻線６２ａが、複数の分割コア６１に跨らないため、電気的又は磁気的な抵抗や損失等を軽減して、モータ効率を向上することができる。
その上、軸方向及び周方向へ並ぶ複数のステータ構成ユニットＡを、円筒状のケーシング５０により頑強に固定する構造であるため、長手方向における撓み等を抑制することができ、その結果、高出力且つ細身（小径）なインナーロータ型ブラシレスモータを提供することが可能である。

また、軸方向に並ぶ複数のステータ６０のリード線６２ｃを、分割コア６１外周面の凹溝６１ａ１内に沿わせて同一方向へ導くことができ、その結果、当該インナーロータ型ブラシレスモータ１の製造性を更に向上できる上、周方向に隣り合う突極部６１ｂ間の巻線６２ａの占積率を比較的大きくして、モータ効率を向上することも可能である。
しかも、凹溝６１ａ１が、比較的径方向の厚みの大きい突極部６１ｂの基端側に設けられるため、凹溝６１ａ１によるステータコアの機械的強度及び磁力の低下を軽減することができ、より細身な構成が可能となる。

なお、上記実施例によれば、凹溝６１ａ１をステータ６０の中心線に対し略平行な直線状に設けたが、他例としては、凹溝６１ａ１をステータ６０の中心線に対し傾斜させた態様や、凹溝６１ａ１を曲線状に形成した態様等とすることも可能である。

また、上記実施例によれば、特に好ましい具体例として、凹溝６１ａ１を突極部６１ｂに対応させて配置したが、他例としては、凹溝６１ａ１を、周方向に隣り合う突極部６１ｂの間の部分等、突極部６１ｂに対応しない位置に設けることも可能である。

また、上記実施例によれば、周方向に隣り合う分割コア６１，６１間を接触させて、これらの間から外部へ磁束が漏れて電子機器等に悪影響を与えないようにしているが、他例としては、周方向に隣り合う分割コア６１，６１間に隙間を形成し、この隙間にリード線６２ｃを挿通させる構造とすることも可能である。

また、上記実施例によれば、複数のステータ６０をブラシレスモータ用三相電源に対し並列接続したが、他例としては、複数のステータ６０をブラシレスモータ用三相電源に対し直列接続することも可能である。

また、上記実施例によれば、全ての分割コア６１に対し凹溝６１ａ１を設けたが、他例としては、周方向に並ぶ複数のステータ構成ユニットＡのうちの一部を、凹溝６１ａ１のない分割コア６１'を用いたステータ構成ユニットＡ'（図５参照）に置換することも可能である。

また、上記実施例によれば、ステータ構成ユニットＡ毎の隣り合う巻線６２ａ，６２ａを互いに反対の極に構成する一例として、隣り合う巻線６２ａ，６２ａを互いに逆方向に巻いたが、結線方法等によっては、図６に示す他例のように、隣り合う巻線６２ａ，６２ａを互いに同方向に巻いて、互いに反対の極に励磁されるようにすることも可能である。
すなわち、図６に示すステータ構成ユニットＡ"では、左右の巻線６２ａが双方とも、径外方向に向かって同方向（反時計方向）へ巻かれ、左側の巻線６２ａの径内方向側の端部が、接続線部６２ｂを介して、右側の巻線６２ａの径内方向側の端部に接続されている。
したがって、これら連続する二つの巻線６２ａ，６２ａが通電されると、対応する二つの突極部６１ｂ，６１ｂは、互いに反対の極（一方の突端がＮ極の時に他方の突端がＳ極）に励磁されることになる。

さらに、他例としては、隣り合う二つの巻線６２ａ，６２ａを、連続しない独立した構成とするとともに同方向に巻き、これら独立した二つの巻線６２ａ，６２ａを、それぞれ、電流方向が逆向きの二つの電源に接続して、ステータ構成ユニットＡ毎の隣り合う巻線６２ａ，６２ａが、互いに反対の極に励磁されるようにすることも可能である。

また、上記実施例によれば、ステータコアを凹溝６１ａ１を有する複数の分割コア６１によって構成したが、他例としては、ステータコアを一体の環状部材とし（図示せず）、その外周面に、周方向に交差する方向へわたる凹溝６１ａ１を設け、この凹溝６１ａ１内に、リード線６２ｃを沿わせた態様とすることも可能である。

１：インナーロータ型ブラシレスモータ
２０：ロータ
６０：ステータ
６１，６１'：分割コア（ステータコア）
６１ａ：分割環状部
６１ａ１：凹溝
６１ｂ：突極部
６２ａ：巻線
６２ｃ：リード線
Ａ，Ａ' ，Ａ"：ステータ構成ユニット

Claims (4)

1. 磁石を有するとともに回転可能に支持されたロータと、該ロータの周囲に位置するステータコアと、該ステータコアの内径側に巻かれた巻線と、該巻線から延びるリード線とを備えたインナーロータ型モータにおいて、
   単一の前記ロータの周囲に、複数の前記ステータコアを軸方向へ並ぶように設け、これら複数のステータコアのうち、少なくとも一つのステータコアの外周面に、周方向に交差する方向へわたる凹溝を設け、この凹溝内に、他のステータコアの前記リード線を沿わせたことを特徴とするインナーロータ型ブラシレスモータ。
2. 前記ステータコアの内周側に、径内方向へ突出する突極部を周方向へ間隔を置いて複数設け、これら突極部の各々に前記巻線を巻いたインナーロータ型ブラシレスモータであって、前記凹溝を、前記突極部に対応する位置に設けたことを特徴とする請求項１記載のインナーロータ型ブラシレスモータ。
3. 前記凹溝は、前記突極部の外径側で、前記ステータコアを軸方向へ貫通していることを特徴とする請求項２記載のインナーロータ型ブラシレスモータ。
4. 前記ステータコアは、環状に配設された複数の独立した分割コアからなり、
   前記分割コア毎に、前記凹溝を有することを特徴とする請求項１〜３何れか１項記載のインナーロータ型ブラシレスモータ。

Images