JP2010178493A - アウターロータ型ブラシレスモータ - Google Patents

Abstract

【課題】モータ質量が軽減され、かつ、モータ効率が向上されたアウターロータ型ブラシレスモータ提供する。
【解決手段】ロータ２０は、有底円筒形状のロータ本体２１と、ロータ本体２１の内周面２１ｃ１に取り付けられ、薄板状の磁性材料からなるヨークコア材２２ａを複数枚積層し形成されたバックヨーク２２と、バックヨーク２２の内周面２２ｂ２に取り付けられ、円周方向に交互に極性の異なる複数の磁極が形成されたマグネット２３とを有する。バックヨーク２２は、円環形状のバックヨーク本体部２２ｂと、バックヨーク本体部２２ｂの外周面から半径方向外側に向けて円周方向等間隔に形成され、磁極の数と同数の凸形状の延出部２２ｃとを有する。マグネット２３の隣接する磁極の間に形成された境界部は、バックヨーク２２に形成された延出部２２ｃの径方向内側の位置に配置される。
【選択図】図２

Description

この発明は、アウターロータ型ブラシレスモータに関するものである。

アウターロータ型ブラシレスモータは、ステータと、ステータを外側から囲み、回転自在に配置されたロータを備える。ステータは、薄板状の磁性材を複数枚積層し形成されたステータコアと、ステータコアに装着されたステータコイルとを備える。

ステータコアは、円環形状のステータコア本体部と、ステータコア本体部の外周面から半径方向外側に向けて放射状に一体形成された複数のティース部とを備える。そして、複数のティース部のそれぞれには、巻線が集中巻きにて巻装され、これらの巻線によりステータコイルが形成される。

ロータは、円筒形状のバックヨークを有するロータ本体と、ロータ本体に形成されたバックヨークの内周面に取り付けられたマグネットを備える。マグネットには、円周方向に交互に極性の異なる磁極が形成される。そして、バックヨークは磁気回路の一部を構成し、バックヨークを経由し、隣接する磁極間に磁束が流れる。すなわち、隣接する磁極間の境界部が内側に配置されるバックヨークの部分に磁束が集中する（例えば、特許文献１参照）。

上記のように、隣接する磁極間の境界部が内側に配置されるバックヨークの部分に磁束が集中する一方で、機械的な強度を確保するために、回転体であるロータ本体に形成されるバックヨークの径方向の厚さは、全周に亘り均一の厚さに設定される。そのため、隣接する磁極間の境界部が内側に配置されるバックヨークの部分以外の部分、すなわち、各磁極の中央部が内側に配置されるバックヨークの部分は、前記の境界部が内側に配置される部分に比して磁束密度が低い。従って、各磁極の中央部が内側に配置されるバックヨークの部分は、磁気回路の観点からは過剰な厚さとなっている。

次に、ロータヨークに形成されたバックヨークに生じる損失について言及する。ロータの回転に伴い、マグネットが取り付けられたバックヨークと、ステータに備えられたティース部との相対的な位置関係は逐次変化される。そのため、バックヨークを流れる磁束の磁束量もロータの回転に伴い逐次変化する。このように、流れる磁束の磁束量が逐次変化するバックヨークが形成されるロータ本体は、一般に、鋼板からプレス機による絞り加工により成形されるか、または、ブロック形状の鋼材から旋盤による切削加工により成形される。すなわち、単一の部材によりロータ本体は成形される。そのため、バックヨークを流れる磁束の磁束量が変化することにより、バックヨークに磁束量の変化による渦電流が形成され、この渦電流により電気的な損失が生じる。

特開２００８−２９０９７号公報

アウターロータ型ブラシレスモータにおいても、他のモータと同様に、モータ質量を軽減するとともに、モータ効率を向上させたいという課題がある。このような課題に対し、上記のように、ロータ本体に形成されたバックヨークには、磁束密度が低い部分があり、磁気回路の面からは、不要な部分があるため軽量化の余地がある。また、ロータ本体が単一の部材により形成されることにより、渦電流による電気的な損失が生じている。そのため、この電気的な損失を低減し、モータ効率の向上を図ることが求められる。

そこで、この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、ロータに備わるバックヨークの形状および構造を改良し、モータ質量が軽減され、かつ、モータ効率が向上されたアウターロータ型ブラシレスモータ提供するものである。

上記の課題を解決するために、本発明のアウターロータ型ブラシレスモータは、薄板状の磁性材料からなるステータコア材を複数枚積層し形成され、略円環形状のステータコア本体部と、前記ステータコア本体部の外周面から半径方向外側に向けて円周方向等間隔に形成された複数のティースとを有するステータコアと、前記ステータコアに形成された前記ティースのそれぞれ集中巻きにて巻装された複数の巻線からなるステータコイルとを備えるステータと、有底円筒形状のロータ本体と、前記ロータ本体の内周面に取り付けられ、薄板状の磁性材料からなるヨークコア材を複数枚積層し形成されたバックヨークと、前記バックヨークの内周面に取り付けられ、円周方向に交互に極性の異なる複数の磁極が形成されたマグネットとを有し、前記ステータを外側から囲み、回転自在に配置されたロータとを備え、前記バックヨークは、円環形状のバックヨーク本体部と、前記バックヨーク本体部の外周面から半径方向外側に向けて円周方向等間隔に形成され、前記磁極の数と同数の凸形状の延出部とを有し、前記マグネットに備わる隣接する前記磁極の間に形成された境界部は、前記バックヨークに形成された前記延出部の径方向内側の位置に配置されること特徴とする。

このように、隣接する磁極の境界部が内側に配置され、多くの磁束が流れるバックヨークの部分には、円周方向等間隔に径方向の幅の大きい延出部を設け、磁束の流れを確保するとともに、磁束の流れが少ない部分のバックヨークの径方向の幅を小さくすることで、バックヨークの質量を軽減することができる。

バックヨークが、薄板の磁性材料からなるヨークコア材を複数枚積層して形成されることで、バックヨークを流れる磁束の磁束量の変化により、バックヨークに形成される渦電流を低減することができ、渦電流により形成される電気的な損失を減少させることができる。

本発明によれば、バックヨークの質量を軽減するとともに、バックヨークに形成される電気的な損失を減少させることができる。このため、モータ質量が軽減され、かつ、モータ効率が向上されたアウターロータ型ブラシレスモータ提供することができる。

本発明の実施の形態におけるアウターロータ型ブラシレスモータの正面図である。 図１にて断面Ａ−Ａで示す本発明の実施の形態におけるアウターロータ型ブラシレスモータの縦断面図である。 本発明の実施の形態におけるアウターロータ型ブラシレスモータに備わるバックヨークの正面図である。 図３にて一点鎖線Ｂにて示すバックヨークの拡大図である。 本発明の実施の形態におけるアウターロータ型ブラシレスモータに備わるバックヨークに流れる磁束を説明するアウターロータ型ブラシレスモータの一部拡大図である図である。

次に、この発明の実施の形態を図１、図２、図３および図４に基づいて説明する。図１は、本発明の実施の形態のアウターロータ型ブラシレスモータの正面図である。図２は、図１にて断面Ａ−Ａで示す本発明の実施の形態のアウターロータ型ブラシレスモータの縦断面図である。図３は、本発明の実施の形態におけるアウターロータ型ブラシレスモータに備わるバックヨークの正面図である。図４は、図３にて一点鎖線Ｂにて示すバックヨークの拡大図である。

アウターロータ型ブラシレスモータ１は、ステータ１０と、ステータ１０を外側から囲み回転自在に配置されたロータ２０とを備える。ステータ１０は、薄板の磁性材料からなるステータコア材１１を複数枚積層し形成されたステータコア１２と、ステータコア１２に樹脂製のインシュレータ１４を介して装着されたステータコイル１３とを備える。なお、本実施の形態では、ステータコア材１１としてケイ素鋼板が用いられるが、冷間圧延鋼板であるＳＰＣＣ材が用いられても良い。

ステータコア１２は、略円環形状のステータコア本体部１２ａと、ステータコア本体部１２ａの外周面から半径方向外側に向けて円周方向等間隔に形成された複数のティース部１２ｂとを備える。複数の巻線１３ａのそれぞれは、各ティース部１２ｂに集中巻きにて巻装され、複数の巻線１３ａによりステータコイル１３は形成される。なお、本実施の形態において、ティース部１２ｂの数は、「２４」に設定される。

ロータ２０は、鉄からなる有底円筒形状のロータ本体２１と、ロータ本体２１の内周面２１ｃ１に取り付けられたバックヨーク２２と、バックヨーク２２の内周面２２ｂ２に取り付けられたマグネット２３とを備える。なお、本実施の形態では、ロータ本体は、鉄により形成されるが、鉄に限定されずアルミニウムであってもよい。

ロータ本体２１は、円盤形状の底部２１ａと、底部２１ａの端部２１ａ１に一体形成された円筒形状の円筒部２１ｂと、円筒部２１ｂの端部２１ｂ１の外周に一体形成された薄肉円筒形状の薄肉部２１ｃとを有する。そして、円筒部２１ｂの端部２１ｂ１には、平面形状の突き当て部２１ｂ２が形成される。

次に、図３および図４に基づき本実施の形態のバックヨーク２２について説明する。バックヨーク２２は、薄板の磁性材料からなるヨークコア材２２ａを複数枚積層し形成される。バックヨーク２２は、円環形状のバックヨーク本体部２２ｂと、バックヨーク本体部２２ｂの外周面２２ｂ１に、半径方向外側に向けて円周方向等間隔に凸形状に形成された複数の延出部２２ｃを備える。

本実施の形態では、ヨークコア材２２ａとしてケイ素鋼板が用いられるが、冷間圧延鋼板であるＳＰＣＣ材が用いられても良い。また、複数の延出部２２ｃの数は、後述するマグネット２３に形成される磁極２３ａの数と同数に設定されており、本実施の形態においては、複数の延出部２２ｃの数は「１６」に設定される。

上記のように、バックヨーク２２に凸形状の延出部２２ｃが形成されることで、バックヨーク２２は、図４にて一点鎖線で示される径方向の幅が広い拡幅部２２ｄが形成される。拡幅部２２ｄの径方向の幅を幅ｄ２とし、バックヨーク本体部２２ｂの径方向の幅を幅ｄ１としたとき、本実施の形態では、幅ｄ２は幅ｄ１に対し、２倍以上となるように設定されている（ｄ２≧２×ｄ１）。

次に、バックヨーク２２のロータ本体２１への取り付けについて説明する。バックヨーク２２は、バックヨーク２２の最外径を形成する複数の先端部２２ｅが、ロータ本体２１に形成された薄肉部２１ｃの内周面２１ｃ１の内側に挿入され、バックヨーク２２の端部２２ｆがロータ本体２１に形成された円筒部２２ｂの突き当て部２１ｂ２に突き当てられ、バックヨーク２２はロータ本体２１に勘合される。そして、先端部２２ｅと内周面２１ｃ１の間に塗布された接着剤によりバックヨーク２２は、ロータ本体２１に取り付けられる。

本実施の形態では、マグネット２３は、円周方向に交互に極性の異なる複数のマグネット片２３ｂにより形成されており、これらのマグネット片２３ｂにより、円周方向に交互に極性が異なる複数の磁極２３ａが形成される。また、本実施の形態では、磁極２３ａの数、すなわち、マグネット片２３ｂの数は、「１６」に設定される。

次に、図１に基づきロータ２０に備わるバックヨーク２２と、マグネット２３の位置関係について説明する。本実施の形態において、マグネット２３は、磁極２３ａを形成する複数のマグネット片２３ｂにより構成される。これらの磁極２３ａのうち隣接する磁極２３ａ、２３ａの間には、それぞれ境界部２３ｃが形成される。そして、本実施の形態においては、マグネット２３に形成された境界部２３ｃは、バックヨーク２２に形成された各延出部２２ｃの径方向内側の位置に配置される。より詳細には、本実施の形態においては、マグネット２３に形成された境界部２３ｃは、上記の径方向の幅が広い拡幅部２２ｄの径方向内側の位置に配置される。

本実施の形態のアウターロータ型ブラシレスモータ１は、ハウジング３０を備え、ハウジング３０は、円環形状の本体部３０ａと、本体部３０ａの端部３０ａ１に一体形成された略円筒形状の筒部３０ｂと、本体部３０ａの外周に一体形成された円盤形状のフランジ部３０ｃとを備える。

ステータコア１２に形成されたステータ本体部１２ａは、ハウジング３０に形成されたフランジ部３０ｃと、円環形状のプレート３１で挟み込まれるとともに、ボルト３２によりフランジ部３０ｂおよび円環形状のプレート３１に狭持される。このように、ステータ本体部１２ａを、フランジ部３０ｃおよび円環形状のプレート３１とで狭持することにより、ステータ１０はハウジング３０に固定される。

第１の軸受３３は、ハウジング３０に備わる筒部３０ｂの開口側に形成された挿入穴３０ｂ１に挿入され、突き当て固定されるとともに、第２の軸受３４は、ハウジング３０に備わる本体部３０ａの開口側に形成された挿入穴３０ａ２に挿入され、突き当て固定される。

回転軸４０は、略円柱形状の本体部４１と、本体部４１の端部４１ａに一体形成された円盤形状のフランジ部４２とを有する。回転軸４０に形成された本体部４１が、第１および第２の軸受３３、３４に挿入され、本体部４１の端部４１ａに形成された段付き部４１ｂが第１の軸受３３に突き当てるとともに、本体部４１に形成された溝部４１ｃに勘合された止め輪４３が第２の軸受３４に突き当てられる。そして、本体部４１に形成された段付き部４１ｂと、本体部４１に勘合された止め輪４３により、第１および第２の軸受３３、３４が軸方向の外側から狭持され、それにより、第１および第２の軸受３３、３４を介して、回転軸４０は、ハウジング３０に対し回転自在に配置される。

ロータ本体２１に形成された円盤形状の底部２１ａが、回転軸４０に形成されたフランジ部４２とボルト４４により締結されことにより、ロータ本体２１を備えるロータ２０は、回転軸４０に取り付けられる。そして、ステータ１０が固定されたハウジング３０に対し、回転自在に配置された回転軸４０にロータ２０が取り付けられることにより、ステータ１０を外側から囲むロータ２０は、ステータ１０に対し回転自在に配置される。

次に、本実施の形態のアウターロータ型ブラシレスモータ１に備わるロータ２０の回転検出の構造について図２に基づき説明する。回転検出素子５１を有するセンサ基板５０は、金属材からなる薄板のプレート５２に取り付けられる。そして、センサ基板５０が取り付けられたプレート５３が、ボルト３２の先端に形成された縮径部３２ａにスペーサ５３を挟んで配置され、ナット５４を縮径部３２ａに締め付けることにより、プレート５３は縮径部３２ａに取り付けられる。

また、円環形状のセンサマグネット５６が取り付けられたリング部材５５は、ロータ本体２１に形成された底部２１ａの内側の面２１ａ2にネジ５７により取り付けられる。上記の回転検出素子２１は、センサマグネット５６に対し、径方向外側に近接して配置される。そして、ロータ２０に取り付けられたセンサマグネット５６の磁束の変化を、回転検出素子５１で検出することにより、ロータ２０の回転角度が検出される。

図５は、本実施の形態のバックヨークを流れる磁束について説明するアウターロータ型ブラシレスモータの一部拡大図である。本実施の形態のマグネット２３は、交互に極性の異なる複数のマグネット片２３ｂにより形成されており、同図においては、交互に極性のことなる第１から第４のマグネット片（Ｍ１からＭ４）が示される。

第１から第４のマグネット片（Ｍ１からＭ４）には、バックヨーク２２を経由して、第１のマグネット片Ｍ１から第２のマグネット片Ｍ２に向けて第１の磁束φ１が流れ、第３のマグネット片Ｍ３から第２のマグネット片Ｍ２に向けて第２の磁束φ２が流れ、第３のマグネット片Ｍ３から第４のマグネット片Ｍ４に向けて第３の磁束φ３が流れる。そして、第１から第３の磁束（φ１からφ３）は、それぞれ境界部２３ｃが径方向内側に配置されるバックヨーク２２の部分の近傍で磁束量が大きくなる。

上記のように形成される第１から第３の磁束（φ１からφ３）に対し、同図に示すように、第１および第２のマグネット片（Ｍ１、Ｍ２）の境界部２３ｃは、延出部２２ｃが形成され、径方向の幅が大きいバックヨーク２２の拡幅部２２ｄの内側の位置に配置される。第２および第３のマグネット片（Ｍ２、Ｍ３）の境界部２３ｃ、並びに第３および第４のマグネット片（Ｍ２、Ｍ３）の境界部２３ｃも、同様の位置に配置される。そのため、本実施の形態においては、第１から第３の磁束（φ１からφ３）は磁束飽和されることなく円滑にバックヨーク２２を流れることができる。

前記のように、第１および第２のマグネット片（Ｍ１、Ｍ２）の境界部２３ｃは、延出部２２ｃが形成され、径方向の幅が大きいバックヨーク２２の拡幅部２２ｄの内側の位置に配置される。その一方で、第１および第２のマグネット片（Ｍ１、Ｍ２）の中央部２３が内側に配置されるバックヨーク２２の部分には、延出部２２ｃは形成されずバックヨーク２２の径方向の幅が小さなものとなっている。しかしながら、第１および第２のマグネット片（Ｍ１、Ｍ２）の中央部２３が内側に配置されるバックヨーク２２の部分には、ほとんど磁束がながれないため、径方向の幅が小さくしても磁路を確保する観点からは問題はない。

このように、磁路に確保に影響を与えない第１および第２のマグネット片（Ｍ１、Ｍ２）の中央部２３が内側に配置されるバックヨーク２２の部分の径方向の幅が小さくされることで、バックヨーク２２の質量を低減することができ、アウターロータ型ブラシレスモータ１全体としての軽量化を図ることができる。

次に、本実施の形態のアウターロータ型ブラシレスモータ１の高効率化について、上記と同様に図５に基づき説明する。同図に示す第１から第３の磁束（φ１からφ３）の磁束量は、ロータ２０に備わる各マグネット片２３ｂと、ステータ１０に備わる各ティース部１２ｂとの相対的な位置関係により変化する。

例えば、同図において示される各マグネット片２３ｂと各ティース部１２ｂとの位置関係においては、第１および第２のマグネット（Ｍ１，Ｍ２）は、境界部２３ｃを挟んで、第１のマグネット片Ｍ１と第１のティース部Ｔ１とが対向し、第２のマグネット片Ｍ２と第２のティース部Ｔ２が対向する。そのため、第１のマグネット片Ｍ１からバックヨーク２２、第２のマグネット片Ｍ２、第１のティース部Ｔ１、第２のティース部Ｔ２へと通じる磁路が形成され、磁束φ１の磁束量は大きくなる。

しかしながら、同図において、第２および第３のマグネット（Ｍ２、Ｍ３）は、境界部２３ｃを挟んで、第２および第３のマグネット片（Ｍ２、Ｍ３）はともに、第３のティース部Ｔ３と対向される。そのため、第３のマグネット片Ｍ３からバックヨーク２２、第２のマグネット片Ｍ２へと流れる磁束φ２の磁路は、第３のティース部Ｔ３で折り返されるように形成され、磁束φ２の磁束量は、第３のティース部Ｔ３を流れることができる磁束量に留まる。その結果、磁束φ２の磁束量は、磁束φ１の磁束量に比して小さなものとなる。

上記のように、バックヨーク２２を流れる磁束φは、ロータ２０に備わる各マグネット片２３ｂと、ステータ１０に備わる各ティース部１２ｂとの相対的な位置関係により変化し、ロータ２０が回転することにより、磁束φの磁束量の大きさは周期的に変化する。そのため、バックヨーク２０を流れる磁束φの磁束量の変化により、バックヨーク２０には渦電流が形成され、この渦電流により形成される電気的な損失により、アウターロータ型ブラシレスモータの効率が低下されるおそれがある。

この点に関し、本実施の形態のアウターロータ型ブラシレスモータ１のバックヨーク２２は、薄板形状の磁性材料からなるヨークコア材２２ａを複数枚用い、それらを積層し形成される。そのため、バックヨーク２０を流れる磁束φの変化により生じる渦電流を低減することができ、渦電流により形成される電気的な損失を低減でき、アウターロータ型ブラシレスモータ１の効率を向上させることができる。

さらに、本実施の形態のアウターロータ型ブラシレスモータ１のバックヨーク２２は、上述のように円環形状のバックヨーク本体部２２ｂの外周面２２ｂ１に凸形状の延出部２２ｃが複数形成される。そのため、バックヨーク２２の外周面２２ｇの周長さは長くなっており、バックヨーク２２の外周面２２ｇの表面積は、延出部２２ｃが形成されることにより拡張されている。そのため、バックヨーク２２に生じる熱を外部に伝達する効率が高くなり、ロータ２０の放熱性能を高めることができる。

なお、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述の実施形態に種々の変更を加えたものを含む。

１ アウターロータ型ブラシレスモータ
１０ ステータ
１１ ステータコア材
１２ ステータコア
１２ａ ステータコア本体部
１２ｂ ティース部
１３ ステータコイル
１３ａ 巻線
１４ インシュレータ
２０ ロータ
２１ ロータ本体
２１ａ 底部
２１ａ1 端部
２１ａ２ 内側の面
２１ｂ 円筒部
２１ｂ１ 端部
２１ｂ２ 突き当て部
２１ｃ 薄肉部
２１ｃ１ 内周面
２２ バックヨーク
２２ａ ヨークコア材
２２ｂ バックヨーク本体部
２２ｂ１ 外周面
２２ｂ２ 内周面
２２ｃ 延出部
２２ｄ 拡幅部
２２ｅ 先端部
２２ｆ 端部
２３ マグネット
２３ａ 磁極
２３ｂ マグネット片
２３ｃ 境界部
２３ｄ 中央部
３０ ハウジング
３０ａ 本体部
３０ａ１ 端部
３０ａ２ 挿入穴
３０ｂ 筒部
３０ｂ１ 挿入穴
３０ｃ フランジ部
３１ プレート
３２ ボルト
３２ａ 縮径部
３３ 第１の軸受
３４ 第２の軸受
４０ 回転軸
４１ 本体部
４１ａ 端部
４１ｂ 段付き部
４１ｃ 溝部
４２ フランジ部
４３ 止め輪
４４ ボルト
５０ センサ基板
５１ 回転検出素子
５２ プレート
５３ スペーサ
５４ ナット
５５ リング部材
５６ センサマグネット
５７ ネジ
M1 第１のマグネット片
M2 第２のマグネット片
M3 第３のマグネット片
M4 第４のマグネット片
φ１ 第１の磁束
φ２ 第２の磁束
φ３ 第３の磁束
Ｔ１ 第１のティース部
Ｔ２ 第２のティース部
Ｔ３ 第３のティース部
Ｔ４ 第４のティース部
Ｔ５ 第５のティース部

Claims (2)

1. 薄板状の磁性材料からなるステータコア材を複数枚積層し形成され、略円環形状のステータコア本体部と、前記ステータコア本体部の外周面から半径方向外側に向けて円周方向等間隔に形成された複数のティースとを有するステータコアと、前記ステータコアに形成された前記ティースのそれぞれ集中巻きにて巻装された複数の巻線からなるステータコイルとを備えるステータと、
   有底円筒形状のロータ本体と、前記ロータ本体の内周面に取り付けられ、薄板状の磁性材料からなるヨークコア材を複数枚積層し形成されたバックヨークと、前記バックヨークの内周面に取り付けられ、円周方向に交互に極性の異なる複数の磁極が形成されたマグネットとを有し、前記ステータを外側から囲み、回転自在に配置されたロータとを備え、
   前記バックヨークは、円環形状のバックヨーク本体部と、前記バックヨーク本体部の外周面から半径方向外側に向けて円周方向等間隔に形成され、前記磁極の数と同数の凸形状の延出部とを有し、
   前記マグネットに備わる隣接する前記磁極の間に形成された境界部は、前記バックヨークに形成された前記延出部の径方向内側の位置に配置されること特徴とするアウターロータ型ブラシレスモータ。
2. 前記マグネットは、前記磁極の数と同数であり、かつ、円周方向に交互に異なる極性の磁極を有するマグネット片からなることを特徴とする請求項１に記載のアウターロータ型ブラシレスモータ。

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