JP5128928B2 - ブラシレスモータ - Google Patents

Description

本発明は、安価で出力トルクを大幅に向上できるブラシレスモータに関するものである。

従来、ブラシレスモータに関しては、磁石の性能向上、低損失の鉄心材料、あるいは、巻線の占積率を向上して銅損を低減する技術等の開発により高性能化が図られてきている。例えば、洗濯機等のダイレクトドライブ用のモータは、モータの出力軸にギヤ等の加減速機構を設けず直接負荷に接続されるため、負荷の特性上、モータは低速時に大トルクを出力する必要がある。そのためには低速運転時の温度上昇を抑える必要があるところ、従来の技術では、モータの多極化（例えばロータ４８極、ステータ３６スロット）によって、ステータの巻線の周長を短くし、抵抗値を下げるようにしている。すなわち、ステータを多極化（多スロット化）することで、多極化しない場合と比べて、ティースの太さを薄くし、巻線１ターン当りの周長をティースの太さ分短くして、１相あたりの巻数を等しく設計した場合に、１相当りの抵抗値を小さくするようにしている。

また、近年では、ブラシレスモータの大トルク化、低価格化に対する要求がさらに大きくなってきており、上述した構成での対応にも限界がきていることから、最近では、基本構造を大幅に変更したブラシレスモータが開発されつつある。例えば、これまで主としてステッピングモータに使用されてきたバーニヤ型のモータ（特許文献１参照）を、特許文献２に示すように、ブラシレスモータに応用したものが考えだされている。

このブラシレスモータＡ１００は、図１２に示すように、回転方向にN極、Ｓ極を交互に着磁した着磁面Ａ１１を有するロータＡ１と、コイルＡ３１が巻回された突極Ａ３を複数有したステータとを具備したものであり、異なる位相で駆動される各突極Ａ３が、N極、Ｓ極に対して互いにずれた位置となるように構成してある。突極Ａ３の先端面は、前記着磁面Ａ１１に対してラジアル方向に対向させてあり、当該先端面には、軸方向に延びるとともに回転方向の幅がＮ極又はＳ極の回転方向の幅と略合致する凹溝Ａ３３及び突条Ａ３２が、回転方向に交互に設けてある。そして、ロータＡ１の位置に応じて、対応する突極Ａ３のコイルＡ３１に通電することで、ロータＡ１が回転駆動されるように構成してある。

かかる構成によれば、凹溝Ａ３３と着磁面Ａ１１とのギャップＡ６が、突条Ａ３２と着磁面Ａ１１とのギャップＡ６よりも長くなるため、各ティースに鎖交する磁束が向上し、同一巻線（１相当り巻数）であっても、各極に突極Ａ３をそれぞれ対向させた従来のブラシレスモータＡ１００に比べて、高トルク化を図ることができる（図１２参照）。
特許第３１４０８１４号公報 特開２００６−６１３２６号公報

しかしながら、前述した特許文献２記載のブラシレスモータＡ１００では、なお、高トルク化に問題がある。図１２に示すように、例えばＵ相巻線の中心に対向しているＳ極と突極Ａ３とのラジアル方向の空隙距離は、その両端のＮ極における空隙距離と比較して大きいため、Ｓ極の磁束は、Ｎ極の磁束ほど大きくはならないが発生し、その磁束は、両隣のＮ極へ流れる漏れ磁束Ｍとなる。そして、この漏れ磁束Ｍが、Ｕ相巻線に鎖交する有効磁束を大幅に減少させてしまう。

本発明は、かかる問題点を解決すべくなされたものであって、バーニヤ型を基本構成として、ブラシレスモータの飛躍的な高トルク化を、大型化や複雑化を招くことなく、簡単な構成で実現することを、その主たる所期課題としたものである。

すなわち、本発明に係るブラシレスモータは、回転方向にN極、Ｓ極を交互に着磁した着磁面を有するロータと、コイルが巻回された突極を複数有し、各突極の先端面を前記着磁面に対してラジアル方向に対向させたステータと、前記突極の先端面に回転方向に交互に並ぶように形成されたものであって、軸方向に延びるとともに回転方向の幅がＮ極又はＳ極の回転方向の幅と略合致する凹溝及び突条と、前記着磁面及び凹溝の間に形成される空隙に、当該着磁面及び凹溝のいずれにも非接触状態で介装された磁性体と、前記ステータから軸方向に離間して配置され複数の磁性体を磁気的に連結する環状の磁気連結部材と、を具備していることを特徴とする。

このようなものであれば、前記凹溝に対向する前記着磁面から出る磁束が前記磁性体及び前記磁気連結部材を介して磁気回路を形成するので、両隣の前記着磁面に磁束が流れる漏れ磁束を大幅に減少させることができる。その結果、前記磁性体と前記磁気連結部材とを配置しない場合には、前記突条に入らない磁束を前記突条に入れることができ、コイルに鎖交する有効磁束を増やすことができる。従って、ブラシレスモータの高トルク化を図ることができる。

しかも、この効果を、前記凹溝の空隙に磁性体を入れ、その磁性体を磁気連結部材で連結するだけという簡単な構成のみで実現することができる。

ブラシレスモータの高トルク化をより図るためには、前記連結部材が各磁性体を連結する環状のものであるのが好ましい。

高トルク化を実現するための最も好ましい態様としては、前記磁性体が、各空隙に配置されているものを挙げることができる。

また、前記磁性体を設けるコストを抑えるなどの場合は、前記磁性体を、一定間隔毎に空隙に配置してもよい。

高トルク化を実現するためのその他の態様としては、互いに分かれている複数の磁気連結部材を具備してなり、各磁気連結部材から複数の磁性体が延出するように構成してあるものを挙げることができる。

前記磁性体を介して前記磁気連結部材がモータ内の磁界から受ける力をつり合わせるとともに、渦電流が流れないようにするためには、前記磁気連結部材が、ステータを中心にして軸方向の両側に略対称に配置された対をなすものであり、各磁気連結部材から互いに略同一形状の磁性体が、同一空隙内にそれぞれ延出するように構成してあるものが好ましい。

前記磁性体を介して前記磁気連結部材がモータ内の磁界から受ける力をつり合わせる別の態様としては、前記磁気連結部材が、磁性体の軸方向における一端及び他端から回転方向に互いに逆向きに延出され、当該磁性体を中心とする両隣の磁性体にそれぞれ接続されるように構成してあるものも考えられる。

このように構成した本発明によれば、凹溝に対向する着磁面から出る磁束が、磁性体及び磁気連結部材を介して磁気回路を形成することによって、漏れ磁束を大幅に減少させることができる。従って、コイルに鎖交する有効磁束を増やすことができるので、ブラシレスモータのトルクを向上させることができる。さらに、従来のブラシレスモータに磁性体と磁気連結部材とを設けるという簡単な構成のみでトルクを向上させることができる。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

第１実施形態に係るブラシレスモータ１００は、図１及び図２に示すように、ロータ１と、ステータ２と、漏れ磁束を減少させるための磁性体４と、その磁性体４を磁気的に連結し、磁束が流れる磁気連結部材５と、を具備している。このブラシレスモータ１００は、前記ロータ１と前記ステータ２との位置に応じて通電することによって、ロータ１が回転駆動されるように構成されている。

前記ロータ１は、円環状のバックヨーク１１と、そのバックヨーク１１の内周面の円周方向に略等間隔で設けられた永久磁石１２とから構成される。

前記永久磁石１２は、その着磁面１２１がラジアル方向にＮ極とＳ極とが交互に向くように設けられており、極数が５０となるように構成されている。

前記ステータ２は、中央に設けられた円環状のコア２１と、そのコア２１からラジアル方向へ放射状に等間隔で突出する突極３から構成されるものである。この突極３はお互いに接触せず、Ｎ極、Ｓ極に対して互いにずれた位置になるように１５個配置されており、本実施形態のスロットコンビネーション（前記突極３の数と前記着磁面１２１の数の比）は３：１０で構成されている。

前記突極３は、ラジアル方向に延伸する支柱部材と、その支柱部材の先端部から周方向に互いに逆向きに延伸する周方向突起部とを具備する概略Ｔ字形のものであって、前記支持部材にはコイルが巻回されるものである。この実施形態では、先端面の中央に凹溝３３を形成した形状をしたものである。その支柱部分にはコイル３１が巻回されており、前記凹溝３３によって形成される２つの突条３２の先端面は前記着磁面１２１と対向するように構成されている。

前記突条３２のロータ回転方向の幅と、軸方向の幅は、前記永久磁石１２のそれらと略同じになるように構成されている。

前記凹溝３３は、軸方向に貫通しており、前記着磁面１２１との間に空隙６を形成するものである。

前記磁性体４は、図３及び図４に示すように、回転方向に電気角で１２０度の幅を有し、軸方向には前記凹溝３３と略同じ長さを有する前記ロータ１側が凸の薄曲板状のものである。この磁性体４は、前記突条３２の先端面が形成する仮想平面より前記凹溝３３の底面側に配置され、前記凹溝３３の２つの側面から漏れ磁束を低減するのに適切な距離で等距離離間して、凹溝３３及び着磁面１２１に接触しないように各空隙６に１つずつ配置されている。

前記磁気連結部材５は、各磁性体４の端面と物理的、磁気的に連結し、各突条３２の軸方向上側を経由して、各磁性体４と同じ厚みを有する円環を構成している。この実施形態では、磁気連結部材５は、各突条３２の側面に非磁性体である樹脂（図示しない）によって固定されたものである。

次に、第１実施形態での前記凹溝３３に対向する前記着磁面１２１から出る磁束について詳述する。

図４は第１実施形態のブラシレスモータ１００を直線状に展開し、Ｕ相巻線、Ｖ相巻線、Ｗ相巻線がそれぞれ巻線された前記突極３Ｕ、３Ｖ、３Ｗの周辺を拡大したものであり、Ｕ相巻線された前記突極３Ｕの前記凹溝３３の対面にＳ極がある状態を示している。

Ｕ相巻線された突極３Ｕに配置された磁性体４の図面視で右側、電気角６０度の部分に入る磁束について注目する。

Ｓ極から出た磁束はＵ相巻線された突極３Ｕに配置された磁性体４に入り、前記磁気連結部材５を介して、隣接するＷ相巻線がされた突極３に配置された磁性体４から、その磁性体４が対向するＮ極に入る。そして、磁束は、Ｎ極から隣接するＳ極に流れた後にＷ相巻線された突極３Ｗの内部に流入し、Ｕ相巻線された突極３Ｕの突条３２から対向するＮ極に入るという磁気回路７を形成する。

Ｕ相巻線された突極３Ｕに配置された磁性体４の図面視で左側、電気角６０度の部分に入る磁束も同様のＵ相巻線された突極３ＵとＶ相巻線された突極３Ｖとの間で磁気回路７を形成する。

Ｖ相巻線された突極３に配置されている磁性体４に注目すると、１２０度の幅のうち３０度がＳ極に、９０度がＮ極に対向しており、Ｓ極からでた３０度分の磁束のみが、隣接するＮ極と打ち消しあうことになる。

Ｗ相巻線された突極３に配置された磁性体４に注目すると、１２０度の幅のうち、３０度がＮ極に、９０度がＳ極に対向しており、Ｖ相と同様に、Ｓ極からでた３０度分の磁束のみが、隣接するＮ極と打ち消しあうことになる。

このように構成された第１実施形態によれば、図４に示すように、磁性体４を配置しなかった場合には漏れ磁束により打ち消されていた磁束を、前記磁性体４及び前記磁気連結部材５を経由する図４に示すような磁気回路７を形成することによって、大幅に減少させることができる。

その結果、前記突条３２に入り、巻線と鎖交する有効磁束の量を増加させることができるため、モータの高トルク化を図ることができる。

具体的に、２００ｒ／ｍｉｎで回転させたときのモータの誘起電圧の解析結果を図５に示す。第１実施形態におけるモータは巻線と鎖交する有効磁束の量を増加させることができるので、磁性体４及び磁気連結部材５を配置していないモータと比較して、誘起電圧が約３０％改善できていることが分かる。

また、図６に示す電流−トルク特性の解析結果の比較からも、第１実施形態のモータは、従来のモータに比べて、同一電流時のトルクが約３０％向上し、最大出力トルクが約３０％向上していることが分かる。

さらに、凹溝３３とロータ１によってできる空隙６の全てに磁性体４が設けられているので、最もトルク向上を図ることができ、一部の突極３だけでトルクが向上することによるトルクむらが発生することもない。

加えて、このようなトルクの向上を、前記磁性体４と前記磁気連結部材５を従来のバーニヤ型のブラシレスモータ１００に配置するだけで実現することができる。

ところで、前記磁気連結部材５が各突極３に固定されていることによって、ステータ２の剛性を向上させることもできる。その結果、例えば、ステータ２の固有振動数が高くなり、発振しにくくなるため、モータの低騒音化にも効果がある。

次に、本発明の第２実施形態について説明する。以下に示す説明において、第１実施形態に対応する部材には同一の符号を付すこととする。

この第２実施形態でのブラシレスモータ１００は、突極３をラジアル方向から見た図７に示すように、一対の磁気連結部材５がステータ２を中心として軸方向の両側に一定距離離間して配置され、各磁気連結部材５から互いに略同一形状の磁性体４が同一空隙６内に延出したものである。各磁性体４は、ステータ２の軸方向の略中央で互いに接触しておらず、軸方向に上下に配置された前記磁気連結部材５及び前記磁性体４はそれぞれ、電気的に独立している。

このように構成された第２実施形態によれば、前記磁性体４を通過する磁束の変化によって生じる渦電流を流れないようにすることができる。

さらに、軸方向にステータ２を中心として軸方向に対象に前記磁性体４及び前記磁気連結部材５が配置されているので、モータ内の磁界によってそれら磁性体４及び磁気連結部材５にかかる力をキャンセルさせることができる。

次に、本発明の第３実施形態について説明する。以下に示す説明においても、第１実施形態に対応する部材には同一の符号を付すこととする。

この第３実施形態でのブラシレスモータ１００は、突極３をラジアル方向から見た図８で示すように、一対の磁気連結部材５がステータ２を中心として軸方向の両側に一定距離離間して配置され、各磁気連結部材５から略同一形状の磁性体４が同一の空隙６に延出するものである。各磁性体４は、その延出位置が回転方向で互いにずらされており、前記磁性体４が接触しないように構成されている。

この第３実施形態のブラシレスモータ１００でも、第２実施形態のブラシレスモータ１００と略同一の効果を発揮することができる。

次に、本発明の第４実施形態について説明する。以下に示す説明においても、第１実施形態に対応する部材には同一の符号を付すこととする。

この第４実施形態でのブラシレスモータ１００を、突極３をラジアル方向から見た図９で示す。このブラシレスモータ１００は、空隙６に配置された磁性体４の軸方向における一端及び他端から回転方向に互いに逆向きに延出し、当該磁性体４を中心とする両隣の磁性体４にそれぞれ接続されるように構成したものである。

この第４実施形態でも、前記磁性体４及び前記磁気連結部材５がステータ２を中心として対称に配置されているので、モータ内の磁界によってそれら磁性体４及び磁気連結部材５にかかる力をキャンセルさせることができる。

次に、本発明の第５実施形態について説明する。以下に示す説明において、第１実施形態に対応する部材には同一の符号を付すこととする。

この第５実施形態でのブラシレスモータ１００は、極数が３８極でスロット数が１２に構成している。図１０の平面展開図に示すように、一対の突極３において、片方には右巻きのコイル３１を、もう片方には左巻きのコイル３１をそれぞれ巻回しているものが複数配置されているものである。この一対の突極３のコイル３１には、同相の電圧が印加されており、発生する磁極の向きがお互いに逆向きになるように構成されている。

この第５実施形態では、互いに分かれた複数の磁気連結部材５が配置してある。それら磁気連結部材５からそれぞれ複数の磁性体４がお互いに異なる空隙６に延出している。より具体的には、一対の突極３Ｕ、３Ｕ’に注目すると、磁気連結部材５がステータ２から軸方向に一定距離離間して配置してあり、この磁気連結部材５は、片方の突極３に設けてある凹溝３３からもう片方の突極３に設けてある凹溝３３まで円周方向に延びている。それら磁気連結部材５の端からそれぞれ、互いに略同一形状の磁性体４が空隙６に、凹溝３３の軸方向の長さと略同じ長さだけ同じ長さだけ延出するように構成している。ラジアル方向から視ると、図１１に示すように磁気連結部材５と磁性体４が概略コの字型の形状を構成している。

このようなものであっても、漏れ磁束を小さくすることができ、ブラシレスモータ１００のトルクを向上させることができる。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

磁性体を配置することによるコストを抑えつつ、トルクを向上させるには、磁性体を一定間隔ごとに空隙に配置すればよい。例えば、１つ置きや、２つ置きに空隙に磁性体を配置することが考えられる。このとき、トルクむらが発生しないようにするには、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の巻線がされた突極群間で発生するトルクが均一になるように、スロットコンビネーションと磁性体の配置との関係を考慮すればよい。

前記実施形態では、スロットコンビネーションが３：１０のものであったが、勿論、これ以外のものであっても構わない。

前記実施形態では、１つの突極には２つの突条と１つの凹溝が設けられたものであったが、例えば、１つの突極に３つの突条とそれぞれの間に凹溝が２つ設けられたものであってもよい。

磁性体及び磁気連結部材が積層鋼板で構成されるものであれば、渦電流が流れないようにすることができる。

磁気連結部材が、２つの部材から構成され、磁気的に連結されるものであっても構わない。

第５実施形態のブラシレスモータでは、同相の電圧がかけられている隣り合う突極に配置されている磁性体を連結するように磁気連結部材を配置しているが、相の異なる電圧をかけている隣の突極の磁性体と連結するようにしても構わない。

もちろん、３８極１２スロットのブラシレスモータにおいても、各磁性体を環状の連結部材で連結しても構わない。

その他、本発明は前記図示例や実施形態に限られず、その主旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。

本発明の第１実施形態に係るブラシレスモータの模式図。 同実施形態におけるブラシレスモータの模式的斜視図。 同実施形態におけるブラシレスモータのラジアル方向から見た模式図。 同実施形態におけるブラシレスモータの平面展開図。 同実施形態におけるブラシレスモータの誘起電圧の解析結果を示すグラフ。 同実施形態におけるブラシレスモータの電流−トルク特性の解析結果を示すグラフ。 本発明の第２実施形態に係るブラシレスモータのラジアル方向から見た模式図。 本発明の第３実施形態に係るブラシレスモータのラジアル方向から見た模式図。 本発明の第４実施形態に係るブラシレスモータのラジアル方向から見た模式図。 本発明の第５実施形態に係るブラシレスモータの平面展開図。 本発明の第５実施形態に係るブラシレスモータのラジアル方向から見た模式図。 従来のブラシレスモータの平面展開図。

符号の説明

１００・・・ブラシレスモータ
１・・・ロータ
１２１・・・着磁面
２・・・ステータ
３・・・突極
３１・・・コイル
３２・・・突条
３３・・・凹溝
４・・・磁性体
５・・・磁気連結部材
６・・・空隙

Claims (7)

1. 回転方向にN極、Ｓ極を交互に着磁した着磁面を有するロータと、
   コイルが巻回された突極を複数有し、各突極の先端面を前記着磁面に対してラジアル方向に対向させたステータと、
   前記突極の先端面に回転方向に交互に並ぶように形成されたものであって、軸方向に延びるとともに回転方向の幅がＮ極又はＳ極の回転方向の幅と略合致する凹溝及び突条と、
   前記凹溝及び着磁面の間に形成される空隙に、当該凹溝及び着磁面のいずれにも非接触状態で介装された磁性体と、
   前記ステータから軸方向に離間して配置され複数の磁性体を磁気的に連結する磁気連結部材と、を具備していることを特徴とするブラシレスモータ。
2. 前記磁気連結部材が各磁性体を連結する環状のものである請求項１記載のブラシレスモータ。
3. 前記磁性体が、各空隙に配置されている請求項１又は２記載のブラシレスモータ。
4. 前記磁性体が、一定間隔毎に空隙に配置されている請求項１又は２記載のブラシレスモータ。
5. 互いに分かれている複数の磁気連結部材を具備してなり、各磁気連結部材から複数の磁性体が延出するように構成してある請求項１、２、３又は４記載のブラシレスモータ。
6. 前記磁気連結部材が、ステータを中心にして軸方向の両側に略対称に配置された対をなすものであり、各磁気連結部材から互いに略同一形状の磁性体が、同一空隙内にそれぞれ延出するように構成してある請求項１、２、３又は４記載のブラシレスモータ。
7. 前記磁気連結部材が、磁性体の軸方向における一端及び他端から回転方向に互いに逆向きに延出され、当該磁性体を中心とする両隣の磁性体にそれぞれ接続されるように構成してある請求項１、２、３又は４記載のブラシレスモータ。