JP2005269831A

JP2005269831A - ブラシレスｄｃモータ

Info

Publication number: JP2005269831A
Application number: JP2004081507A
Authority: JP
Inventors: Tomoyoshi Sawada; 知良澤田
Original assignee: Nidec Shibaura Corp
Current assignee: Nidec Shibaura Corp
Priority date: 2004-03-19
Filing date: 2004-03-19
Publication date: 2005-09-29
Also published as: KR20060044394A; CN1671029A; KR100668946B1

Abstract

【課題】太いコイルであっても整列巻きを行うことができ、かつ、回転子の径を出来るだけ大きくして高いトルクを得ることができるブラシレスＤＣモータを提供する。
【解決手段】各ティース１８が基部３４と励磁部３６からなる略Ｔ字状であり、かつ、隣接するティース１８の励磁部３６の一部が互いに連結されてティースセット部材２０が構成され、ティースセット部材２０における各ティース１８の基部３４に絶縁性のボビン３２に巻回されたコイル３０が外周側からそれぞれ嵌め込まれ、筒状のコアバック１６の軸方向にｎ個の固定溝３８が設けられ、筒状のコアバック１６の各固定溝３８の開口部から複数のティース１８の基部３４の外端部をそれぞれ挿入して、コアバック１６の内周にティースセット部材２０を配するものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動工具やホビー用に用いられているブラシレスＤＣモータに関するものである。

従来より、電動工具などの駆動源としてはモータが用いられている（例えば、特許文献１参照）。

この駆動源となるモータは、低電圧駆動及び高出力のブラシレスＤＣモータ（以下、単にモータという）がよく用いられ、このモータは、入力の電流を多く流さなければ出力が出ないため、太い径の銅線よりなるコイルを用いる必要がある。そのため、このコイルを固定子に巻くためのスペースを大きく取って、回転子の径を小さくし、低いトルクの高速使用によって出力を稼ぐモータとなっている。すなわち、このモータは、トルクは出るが効率が悪く、高いトルク域ではブラシレスＤＣモータとしてのメリットが低くなっている。
特開２００２−１８７４７公報

上記したように従来のモータにおいては、高いトルクを得るためには回転子の径を出来るだけ大きくするのが有効であるが、固定子のコイルの巻線を行うためのスペースも大きく取る必要があるため、その両者の兼ね合いが難しく、特に、インナーロータ型のモータにおいて太い径のコイルを整列巻きで行うことができないという問題点がある。

そこで、本発明は上記問題点に鑑み、太いコイルであっても整列巻きを行うことができ、かつ、回転子の径を出来るだけ大きくして高いトルクを得ることができるブラシレスＤＣモータを提供する。

請求項１に係る発明は、筒状のコアバックから内周に向かってｎ個のティースが突出し、前記各ティースにコイルがそれぞれ巻回された固定子と、前記固定子内周側に回転自在に配された回転子と、を有するブラシレスＤＣモータにおいて、前記ｎ個のティースが前記コアバックとは別体であり、前記各ティースが基部とこの基部の内周端から周方向に一対の励磁部が突出した略Ｔ字状であり、かつ、前記隣接するティースの励磁部の一部が互いに連結されてティースセット部材が構成され、前記ティースセット部材における各ティースの基部に絶縁性のボビンに巻回された前記コイルが外周側からそれぞれ嵌め込まれ、前記筒状のコアバックの軸方向にｎ個の固定溝が設けられ、これら固定溝の一端は前記コアバックの一端部で開口し、前記筒状のコアバックの各固定溝の開口部から前記各ティースの基部の外端部をそれぞれ挿入して、前記コアバックの内周に前記ティースセット部材を配することを特徴とするブラシレスＤＣモータである。

請求項２に係る発明は、前記ティースセット部材は、ｎ個に分割された略Ｔ字状の鋼板と、前記略Ｔ字状のティースにおける前記励磁部に対応する部分が互いに連結されたリング状の鋼板とを積層してなることを特徴とする請求項１記載のブラシレスＤＣモータである。

請求項３に係る発明は、前記ｎ個のティースの中の少なくとも２個のティースの基部が前記コアバックよりさらに突出し、前記突出した基部が電動工具のフレームに嵌合することを特徴とする請求項１記載のブラシレスＤＣモータである。

請求項４に係る発明は、前記コイルを前記ボビンに整列巻きすることを特徴とする請求項１記載のブラシレスＤＣモータである。

請求項５に係る発明は、筒状のコアバックから内周に向かってｎ個のティースが突出し、前記各ティースにコイルがそれぞれ巻回された固定子と、前記固定子内周側に回転自在に配された回転子と、を有するブラシレスＤＣモータにおいて、前記回転子の回転子コアの中心の軸方向に回転軸の軸孔が貫通し、前記軸孔の断面の少なくとも一部が略Ｄ字状であり、前記Ｄ字状の軸孔に対応した前記回転軸の断面形状が略Ｄ字状であることを特徴とするブラシレスＤＣモータである。

請求項６に係る発明は、前記回転子コアの軸方向にマグネット挿入孔が複数設けられ、前記各マグネット挿入孔に回転用マグネットがそれぞれ挿入され、前記回転子の両端部に一対の冷却ファンが配され、前記一対の冷却ファンで前記各マグネット挿入孔内部の回転用マグネットが挟持されることを特徴とする請求項４記載のブラシレスＤＣモータである。

請求項７に係る発明は、前記一対の冷却ファンの一方にリング状の位置検出用マグネットが設けられ、前記位置検出用マグネットの近傍に前記回転子の回転位置を検出するための磁気検出素子が設けられていることを特徴とする請求項４記載のブラシレスＤＣモータである。

請求項８に係る発明は、前記筒状のコアバックが、リング状の鋼板をかしめることにより積層して、筒状に形成したものであることを特徴とする請求項１記載のブラシレスＤＣモータである。

請求項９に係る発明は、前記筒状のコアバックが、鉄を鋳造、または、プレスして一体に形成したものであることを特徴とする請求項１記載のブラシレスＤＣモータである。

請求項１に係る発明のブラシレスＤＣモータについて説明する。

このブラシレスＤＣモータの固定子のコアバックとティースは別体であり、また、各ティースが略Ｔ字状であり、かつ、前記隣接するティースの励磁部の一部が互いに連結されて筒状のティースセット部材が構成されている。

そして、絶縁性のボビンにコイルを巻回し、このコイルが巻回されたボビンを各ティースの基部に外周側からそれぞれ嵌め込む。筒状のコアバックの軸方向には、ｎ個の固定溝が設けられ、この固定溝の開口部から、前記複数のティースの基部の外端部をそれぞれ挿入して、コアバックの内周にコイルを有するティースを配する。

これによって、ブラシレスＤＣモータの固定子の組立が簡単となり、コイルの巻線スペースを最小限に留め、回転子の径を大きくすることができるので、発生トルクの増大を図ることができる。

請求項２に係る発明のブラシレスＤＣモータにおいては、ティースセット部材が、ｎ個に分割された略Ｔ字状の鋼板と、励磁部の一部が互いに連結されて一体となったｎ個の略Ｔ字状の鋼板とを積層してなるものであるため、ティースセット部材を容易に構成できる。

請求項３に係る発明のブラシレスＤＣモータにおいては、ｎ個のティースの中の少なくとも２個のティースの基部がコアバックより更に突出しているため、この突出した基部を電動工具のフレームに嵌合することにより、ブラシレスＤＣモータを電動工具のフレームに固定できる。

請求項４に係る発明のブラシレスＤＣモータにおいては、ボビンにコイルが整列巻きされており、コイルはボビンに単に巻回するだけであるため整列巻きを容易に行うことができる。

請求項５に係る発明のブラシレスＤＣモータにおいては、Ｄ字状の挿入孔に対応した断面形状がＤ字状の回転軸を回転子コアに圧入するだけであるため、その圧入作業を容易に行うことができ、回転軸の曲がりの発生も防止することができる。また、モータの発生トルクに関して回転子の回り止め機能を確実に行うことができる。

請求項６に係る発明のブラシレスＤＣモータにおいては、一対の冷却ファンで回転子を挟持する構造であるため、各マグネット挿入孔内部の回転用マグネットが挟持される。

請求項７に係る発明のブラシレスＤＣモータにおいては、位置検出用マグネットと冷却ファンを一体に設けているため、回転子の大きさを小さくすることができ、また、組立も容易となる。

請求項８に係る発明のブラシレスＤＣモータにおいては、前記筒状のコアバックが、リング状の鋼板をかしめることにより積層して、筒状に形成したものであるため、製造が行いやすく、また、モータ効率がよい。

請求項９に係る発明のブラシレスＤＣモータにおいては、前記筒状のコアバックが、鉄を鋳造、または、プレスして一体に形成したものであるため、製造が行いやすい。

（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態について図１から図１６に基づいて説明する。

本実施形態の３相のブラシレスＤＣモータ（以下、単にモータという）１０は、電動工具用のモータであり、電動工具のフレーム内部に収納して使用する。

以下、モータ１０の構造について、固定子１２と回転子１４に分けて説明する。

（１）固定子１２
固定子１２の構造について、製造方法と共に説明する。

固定子１２は、筒状のコアバック１６と、コアバック１６の内周側から突出した６個のティース１８とにより構成され、６個のティース１８は、一体となってティースセット部材２０を構成している。

（１−１）ティースセット部材２０
まず、ティースセット部材２０について図８〜１２に基づいて説明する。

ティースセット部材２０は、複数枚（例えば、８５枚）の鋼板を積層したものであり、この鋼板は図８〜図１１に示すように４種類のタイプの鋼板２２，２４，２６，２８から形成されている。

図８に示すように、タイプ１の鋼板２２は、略Ｔ字状の鋼板部２２ａが６個連結されたものである。ティース１８の基部の内周端から周方向に突出した励磁部２２ｂの両端で互いに連結され、リング状に形成されている。ティース１８の６個の基部の中で４個の基部２２ｃがコアバック１６の外径と同じ長さであり、残りの２枚の基部２２ｄがコアバック１６の外径よりも長く、コアバック１６より突出する。この基部２２ｄ，２２ｄは相対向する位置に設けられている。

図９に示すように、タイプ２の鋼板２４は、６個の鋼板部２４ａより構成され、各鋼板部２４ａは独立している。この鋼板部２４ａは略Ｔ字状であり、基部２４ｃの内周端の両側から励磁部２４ｂが突出している。基部２４ｃの長さはコアバック１６の外径と同じ長さである。

図１０に示すように、タイプ３の鋼板２６は、６個の鋼板部２６ａから構成され、各鋼板部２６ａは独立している。鋼板部２６ａは略Ｔ字状であり、基部２６ｃの内周端の両側から励磁部２６ｂが突出している。基部２６ｃの長さは、コアバック１６の内径と同じ長さである。

図１１に示すように、タイプ４の鋼板２８は、６個の鋼板部２８ａを連結してリング状に形成されたものである。鋼板部２８ａは略Ｔ字状であり、基部２８ｃの内周端の両側から励磁部２８ｂが突出し、この励磁部２８ｂで隣接する鋼板部２８ａと連結されている。基部２８ｃの長さは、コアバック１６の内径と同じ長さである。

上記のように打ち抜かれた各タイプの鋼板２４〜２８をカシメつつ積層してティースセット部材２０を形成する。タイプ１の鋼板２２を１５枚積層した後、タイプ２の鋼板２４を２８枚積層し、その後タイプ３の鋼板２６を２７枚積層し、最後にタイプ４の鋼板２８を１５枚積層する。

以上により、図１２に示すように、ティースセット部材２０が構成される。ティースセット部材２０は、これら鋼板２２〜２８の積層により、６個のティース１８が一体となった構造となり、このＴ字状の各ティース１８は、放射状に伸びた基部３４と、その内周端の両側から突出した励磁部３６から形成される。

（１−２）コイル３０の巻回
次に、このティースセット部材２０にコイル３０を巻回する。この巻回の方法は、６個の絶縁性のボビン３２に銅線よりなるコイル３０を整列巻きする。その後、このコイル３０を巻回したボビン３２を、ティースセット部材２０における６個の基部３４の外周側からそれぞれ挿入する。

（１−３）ティースセット部材２０と筒状のコアバック１６の組立
次に、図２〜４に示すように、６個のコイル３０を取り付けたティースセット部材２０を筒状のコアバック１６の内周に挿入する。

筒状のコアバック１６は、リング状の鋼板をかしめることにより積層して、筒状に形成したものである。筒状のコアバック１６の軸方向には、６個の固定溝３８が設けられている。この固定溝３８は、それぞれコアバック１６の一端部で開口している。

ティースセット部材２０の６個の基部３４を、固定溝３８の開口部から挿入する。この場合に固定溝３８の軸方向の長さは、タイプ１の鋼板２２とタイプ２の鋼板２４とを積層した寸法と同じ長さになっている。すなわち、ティースセット部材２０をコアバック１６の内周側に挿入した場合に、固定溝３８からタイプ１の鋼板２２の基部２２ｃとタイプ２の鋼板２４の基部２４ｃが突出し、タイプ３の鋼板２６の基部２６ｃとタイプ４の鋼板２８の基部２８ｃは、コアバック１６の内周側に配される。

（１−４）渡り配線とコモン配線
以上のようにコアバック１６内部にティースセット部材２０を配した後に、次に渡り配線とコモン配線を行う。この配線について図１６に基づいて説明する。

モータ１０のコイル３０は、Ｙ結線であるため、その中心の接続となるコモン配線と各相の渡り配線を行う必要がある。

Ｕ相については、１番目のティース１８に反時計回りで巻回されたコイル３０を、４番目のティース１８に反時計回りで巻回されたコイル３０と接続する。

Ｖ相については、６番目のティース１８に反時計回りで巻回されたコイル３０を、３番目のティース１８に反時計回りで巻回されたコイル３０と接続する。

Ｗ相においては、５番目のティース１８に反時計回りで巻回されたコイル３０を、２番目のティース１８に反時計回りで巻回されたコイル３０と接続する。

その後、三相のコイル３０、３０，３０の一端を接続してコモン配線を行う。

以上により、固定子１２が組立てられる。なお、コアバック１６からは、タイプ１の鋼板２２の２個の基部２２ｄが突出している。この突出した基部２２ｄは、後から説明するように、電動工具のフレームの溝に挿入して、固定子１２を電動工具のフレームに対し固定できる。

（２）回転子１４
回転子１４の構造について製造方法と共に説明する。なお、回転子１４の前端は出力側であり、後端は反出力側とする。

（２−１）回転子コア４０の形成
図５〜７に示すように、円形の鋼板を複数枚積層して回転子コア４０を形成する。この回転子コア４０の中心部には軸孔４２と、この軸孔４２の外方向には、Ｓ極とＮ極の棒状の回転用マグネット７４，７６を挿入するためのマグネット挿入孔４４が８個貫通している。また、軸孔４２と８個のマグネット挿入孔４４との間には、固定孔４８が貫通している。

軸孔４２の形状は、回転子コア４０の軸方向の約半分の長さの部分が断面形状円形であり（図５，７参照）、残りの半分が断面形状Ｄ字状となっている（図６参照）。

（２−２）回転軸５０と回転用マグネット７４、７６の取り付け
この回転子コア４０の軸孔４２に回転軸５０を圧入する。回転軸５０は、断面円形の部分と断面Ｄ字状の部分があり、Ｄ字状の回転軸５０が断面Ｄ字状の軸孔４２に嵌合する（図６参照）。この嵌合によって、回転子コア４０と回転軸５０の回り止めを行うことができ、回転軸５０の曲がりを発生させるのを防止できる。

次に、８個のマグネット挿入孔４４にそれぞれＳ極の回転用マグネット７４とＮ極の回転用マグネット７６を交互に挿入する。

（２−３）冷却ファン５２，５４の取り付け
次に、回転子コア４０の両端への合成樹脂製の冷却ファン５２，５４の取り付けについて、図１〜４と図１３〜１５に基づいて説明する。

回転子１４の前端に取り付ける冷却ファン５２は、図１に示すように、その中心に回転軸５０が貫通する貫通孔５６があり、その周囲に図３に示すように８枚の羽根５８が設けられている。また、冷却ファン５４の回転子１４側には、４つの固定突部７０が設けられ、固定子コア４０に開口している４つの固定孔４８に挿入され、冷却ファン５４を回転子コア４０に対し所定の位置で固定できる。

回転子１４の後端部に取り付ける冷却ファン５４は、図１及び図２に示すように、冷却ファン５４の中心に回転軸５０が貫通する貫通孔６０が設けられ、その周囲に８枚の羽根６２が設けられている。

この８枚の羽根６２の中央部分には凹部６４が形成され、図４に示すようにリング状の位置検出用マグネット６４が嵌め込まれる。この凹部６４には、図１３及び図１５に示すように、係合孔６６が設けられ、位置検出用マグネット６４から突出した突部６８が嵌合し、位置検出用マグネット６４を凹部６４に対し位置決めできる。そして、位置検出用マグネット６４の固定は、凹部６４の縁部に突部６５が設けられ、この突部６５を熱で溶かして、位置検出用マグネット６４の縁部を覆うようにして固定する。

また、冷却ファン５２の回転子１４側にも４つの固定突部７２が突出し、固定子コア４０の固定孔４８に挿入される。

一対の冷却ファン５４，５６によって、８個の回転用マグネット７４、７６が挟持されて回転子コア４０から抜脱しない。

最後に、回転軸５０の前端部と後端部にそれぞれベアリング７８，８０を取り付ける。

（３）モータ１０の最終組立
以上のように製造した固定子１２の内周側に回転子１４を配し、その後に電動工具のフレーム内部にモータ１０を挿入する。

この場合に上記したようにタイプ１の鋼板２２の基部２２ｄが電動工具のフレームの溝に嵌合するようにして、モータ１０を電動工具のフレームの内側に固定する。

なお、モータ１０を電動工具のフレーム内部に配した場合に、位置検出用マグネット６４の近傍に、ホールＩＣが配され、このホールＩＣによって回転子１４の回転状態を検出する。

（５）本実施形態の効果
上記構成のモータ１０であると下記のような効果がある。

コイル３０を巻くための巻線スペースを最小限に留めているため、回転子１４の径を大きくできて発生トルクを増大させることができる。そのため、高トルク化でのモータ効率が改善でき、大きな負荷でも対応することができる。また、回転速度を落として同じトルクを得ることができるため騒音振動を抑えることができる。

コイル３０を整列巻きでボビン３２に巻いて、ティースセット部材２０に嵌め込むだけであるため、巻線作業が簡単となる。また、同じ出力で従来より外径の小さいモータ１０を形成することができる。

回転軸がＤ字状であり、固定子コア４０の軸孔４２がＤ字状であるため、回転子１４の回り止め機能を確実に果たすことができる。また、回転子１４の組立も容易に行うことができる。さらに、回転軸５０の曲がりを防止できる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態のモータ１０について図１７〜２１に基づいて説明する。

本実施形態のモータ１０は、第１の実施形態の電動工具よりも細いフレームに対応する細型タイプのモータ１０であり、回転子１４及び固定子１２の径を小さくしたものである。

本実施形態のモータ１０であっても、その組立を容易に行うことができ、巻線作業も簡単になる。

また、モータ１０の径が小さくても、従来より高いトルクを得ることができる。

（変更例）
上記実施形態では、筒状のコアバック１６は、リング状の鋼板をかしめることにより積層して、筒状に形成したものであるが、これに代えて、筒状のコアバック１６は、鉄を鋳造、または、プレスして一体に形成してもよい。

本発明のブラシレスＤＣモータは、電動工具やホビー用のモータに好適であり、特にバッテリー駆動方式で回転するモータに好適である。

第１の実施形態のモータの縦断面図である。同じくモータの側面図である。モータの正面図である。モータの背面図である。図２におけるＡ−Ａ線断面図である。図２におけるＢ−Ｂ線断面図である。図２におけるＣ−Ｃ線断面図である。タイプ１の鋼板の正面図である。タイプ２の鋼板の正面図である。タイプ３の鋼板の正面図である。タイプ４の鋼板の説明図である。ティースセット部材の縦断面図である。冷却ファンの縦断面図である。冷却ファンの正面図である。冷却ファンの背面図である。巻線方法を説明する図である。第２の実施形態のモータの縦断面図である。図１７におけるＤ−Ｄ線断面図である。図１７におけるＥ−Ｅ線断面図である。図１７におけるＦ−Ｆ線断面図である。図１７におけるＧ−Ｇ線断面図である。

符号の説明

１０モータ
１２固定子
１４回転子
１６コアバック
１８ティース
２０ティースセット部材
２２タイプ１の鋼板
２４タイプ２の鋼板
２６タイプ３の鋼板
２８タイプ４の鋼板
３０コイル
３２ボビン
３４基部
３６励磁部
３８固定溝
４０固定子コア
４２挿入孔
４４マグネット挿入孔
４８固定孔
５０回転軸
５２冷却ファン
５４冷却ファン
６４位置検出用マグネット

Claims

筒状のコアバックから内周に向かってｎ個のティースが突出し、前記各ティースにコイルがそれぞれ巻回された固定子と、
前記固定子内周側に回転自在に配された回転子と、
を有するブラシレスＤＣモータにおいて、
前記ｎ個のティースが前記コアバックとは別体であり、
前記各ティースが基部とこの基部の内周端から周方向に一対の励磁部が突出した略Ｔ字状であり、かつ、前記隣接するティースの励磁部の一部が互いに連結されてティースセット部材が構成され、
前記ティースセット部材における各ティースの基部に絶縁性のボビンに巻回された前記コイルが外周側からそれぞれ嵌め込まれ、
前記筒状のコアバックの軸方向にｎ個の固定溝が設けられ、これら固定溝の一端は前記コアバックの一端部で開口し、
前記筒状のコアバックの各固定溝の開口部から前記各ティースの基部の外端部をそれぞれ挿入して、前記コアバックの内周に前記ティースセット部材を配する
ことを特徴とするブラシレスＤＣモータ。
前記ティースセット部材は、
ｎ個に分割された略Ｔ字状の鋼板と、前記略Ｔ字状のティースにおける前記励磁部に対応する部分が互いに連結されたリング状の鋼板とを積層してなる
ことを特徴とする請求項１記載のブラシレスＤＣモータ。
前記ｎ個のティースの中の少なくとも２個のティースの基部が前記コアバックよりさらに突出し、
前記突出した基部が電動工具のフレームに嵌合する
ことを特徴とする請求項１記載のブラシレスＤＣモータ。
前記コイルを前記ボビンに整列巻きする
ことを特徴とする請求項１記載のブラシレスＤＣモータ。
筒状のコアバックから内周に向かってｎ個のティースが突出し、前記各ティースにコイルがそれぞれ巻回された固定子と、
前記固定子内周側に回転自在に配された回転子と、
を有するブラシレスＤＣモータにおいて、
前記回転子の回転子コアの中心の軸方向に回転軸の軸孔が貫通し、
前記軸孔の断面の少なくとも一部が略Ｄ字状であり、
前記Ｄ字状の軸孔に対応した前記回転軸の断面形状が略Ｄ字状である
ことを特徴とするブラシレスＤＣモータ。
前記回転子コアの軸方向にマグネット挿入孔が複数設けられ、
前記各マグネット挿入孔に回転用マグネットがそれぞれ挿入され、
前記回転子の両端部に一対の冷却ファンが配され、
前記一対の冷却ファンで前記各マグネット挿入孔内部の回転用マグネットが挟持される
ことを特徴とする請求項４記載のブラシレスＤＣモータ。
前記一対の冷却ファンの一方にリング状の位置検出用マグネットが設けられ、
前記位置検出用マグネットの近傍に前記回転子の回転位置を検出するための磁気検出素子が設けられている
ことを特徴とする請求項４記載のブラシレスＤＣモータ。
前記筒状のコアバックが、リング状の鋼板をかしめることにより積層して、筒状に形成したものである
ことを特徴とする請求項１記載のブラシレスＤＣモータ。
前記筒状のコアバックが、鉄を鋳造、または、プレスして一体に形成したものである
ことを特徴とする請求項１記載のブラシレスＤＣモータ。