JP2020089258A - ブラシレスモータ - Google Patents

Abstract

【課題】渦電流を低減することが可能なブラシレスモータを提供する。【解決手段】外周面に複数の磁極を有するロータ２０と、励磁コイル３４が巻回される巻線部とロータ２０の外周面に対向する非巻線部３３１を有するティース部３３とロータ２０の端面に対向するベース部３２とが一体化された積層コア３１を有するステータ３０を備え、ティース部３３は、厚さの異なる複数の鋼板３１１、３１２が半径方向に積層され、ロータ２０から発生する磁束の向きと直交する方向に積層されている。【選択図】 図１

Description

本発明は、複数の鋼板を積層して形成されたコアを有するステータと複数の磁極を有するロータを備えたブラシレスモータに関する。

情報機器や産業機器などにおいては、ステータの内部にロータを配置した構造を有するインナーロータ型のブラシレスモータが使用されている。インナーロータ型のブラシレスモータは、慣性力が小さいので、制御性に優れているという利点がある。

上記ブラシレスモータの小型化及び高出力化を図るために、種々の構造が提案されている。例えば特許文献１には、周方向に複数の磁極を有するロータと、コイル巻線体が巻回される複数の突条鉄心部を有するステータとを備え、突条鉄心部をロータ側に延在させることにより、ロータと突条鉄心部のコイル巻線領域とが回転軸方向において上下に配置され、各突条鉄心部の先端部を介してコイルから発生する磁力線をロータの外周面に作用させるようにしたラジアルギャップ型のモータが記載されている。この構成によれば、モータの組み付け作業が容易であり、且つ、モータ外径を大きくすることなく、従来に比して高出力化を図ることができるといった利点を有するとされている。

ブラシレスモータでは、鉄損を少なくするために、例えば特許文献２に記載されているように、透磁率の高い材料である電磁鋼板を軸方向に積層したステータコアを使用し、高出力化を図ることが行われている。

特開２０１３−２０１８８４号公報 特開２０１０−１７８４８９号公報

ブラシレスモータでは、例えば、巻数を変えて（但し巻線の占積率は変えない）抵抗値を変化させることにより、モータの回転数やトルクなどの特性を変えることができ、Ｔ−Ｎ曲線を平行移動させることが可能である。例えば線径を小さくして巻き数を増大させる（抵抗値を上げて電流を抑える）場合、回転数は巻き数に反比例して低下し、トルクは線径の2乗に比例して下がる。線径を大きくして、巻き数を減少させる（抵抗値を下げて電流を上げる）場合、回転数は巻き数に反比例して上昇し、トルクは線径の2乗に比例して上昇する。

しかし、特許文献１に記載のブラシレスモータにおいては、その図４に示すように、1枚の鋼板を折り曲げて突条鉄心部（コア）を形成しているため、コア表面の渦電流損が大きいので、このような通常の特性変化ができず、特に線径を太くして、抵抗を下げると、無負荷電流が大幅に増大し、回転数も設計値以上に増大し、所望のトルクが得られないといった不具合がある。無負荷電流が増加することで、発熱も大きくなり、効率も低下するといった問題も生じる。

特許文献１に記載のモータにおいては、渦電流損（鉄損）を軽減することができず、無負荷電流の増大を招くことで、トルク低下をもたらす。しかもこの構造では、ステータコア（回転軸と平行な複数の突条鉄心部）を電磁鋼板で形成することは困難である。これは、電磁鋼板は極めて硬い材料であるため、突条鉄心部を円環部の外周から立設するような形状に曲加工することにより、クラックや微細なヒビ割れ等が発生し、磁路としての本来の機能が阻害されることから、トルク低下の原因となる。

特許文献２に記載のように軸方向に電磁鋼板を積層させる構造は、特許文献１に記載のブラシレスモータのようなカップ状のコアに適用できない。

したがって本発明の目的は、無負荷電流を低減することが可能なブラシレスモータを提供することである。

本発明に係わるブラシレスモータは、外周面に複数の磁極を有するロータと、励磁コイルが巻回される巻線部と前記ロータの外周面に対向する非巻線部を有するティース部と前記ロータの端面に対向するベース部とが一体化された積層コアを有するステータを備え、前記ティース部は、鋼板が半径方向に積層され、前記ロータから発生する磁束の向きと直交する方向に積層されたことを特徴とする。

上記ブラシレスモータにおいて、前記積層コアは、複数の鋼板が積層された状態から折り曲げられた構造とすることができる。

上記ブラシレスモータにおいて、前記積層コアは、電磁鋼板又は冷間圧延鋼板からなる複数の鋼板が積層された構造とすることができる。

上記ブラシレスモータにおいて、前記積層コアは、２層構造であり、前記ロータの外周面に対向する側の鋼板は電磁鋼板とし、他方の鋼板は冷間圧延鋼板または電磁鋼板とすることができる。

上記ブラシレスモータにおいて、前記積層コアは、複数の鋼板が積層され、前記ロータの外周面に対向する前記鋼板の方が、他方の鋼板よりも薄い構造とすることができる。

上記ブラシレスモータにおいて、前記ロータは、希土類焼結磁石からなる多極磁石を有することができる。

本発明によれば、特定の積層コアを使用することから、渦電流損を最小限に抑えることができるため、無負荷電流を低下させることで、トルク損失が抑えられ、トルクを理論値に近い値まで引き出すことができる。

本発明のブラシレスモータの分解斜視図である。 図１に示すブラシレスモータの平面図である。 図２のＡ−Ａ線断面図である。 ステータの分解斜視図である。 積層コアの平面図である。 図５のＢ−Ｂ線断面図である。 積層コア及びロータの一部を拡大した断面図である。 実施例１及び比較例のモータ特性を示す図である。 実施例２及び比較例のモータ特性を示す図である。 実施例３及び比較例のモータ特性を示す図である。 多極磁石の磁束線の流れを示す模式図である。 図１１をＣ方向から見た矢視図である。

本発明を実施するための形態を図１〜図１０を参照して説明する。

図１〜３に示すように、ブラシレスモータは、１２極９スロットタイプの３相ＤＣモータであり、シャフト２１に嵌装されたスリーブ２２の外周面に固定された多極磁石２３を有するロータ２０と、ロータ２０を取り囲むステータ３０を有する。開放端側がエンドカバー１１で密閉されたカップ状のケース１０の内部に、ロータ２０と、ステータ３０とこれらを支持するための部材が収容されている。軸受１４が圧入固定されたケース１０の密閉端側には、第１のコアガイド１２が内装され、そこにステータ３０の一端側が支持される。ケース１０の開放端側には、軸受１４を有する第２のコアガイド１３が内装され、そこにステータ３０の他端側が支持される。ロータ２０は軸受１４を介してステータ３０の内部に回転自在に支持される。ケース１０の開放端側では、多極磁石２３の端面に対向するホール素子１６が実装される回路基板１５が、エンドカバー１１と第２のコアガイド１３との間に挟着される状態で装着される。

図３及び図４に示すように、ステータ３０は、磁路形成部材となる、２枚の鋼板が積層された積層コア３１と励磁コイル３４を有する。積層コア３１は、第１のコアガイド１２に当接する円環状のベース部３２と、ベース部３２からロータ２０の軸方向に延びる複数のティース部３３を有する。複数のティース部３３はロータ２０を取り囲むように円周方向に沿って等角度間隔で配置される。ティース部３３の先端は、第２のコアガイド１３のガイド溝１３１に嵌装され、磁石に対向する非巻線部３３１と空芯状の励磁コイル３４が装着される巻線部を有する。非巻線部３３１の長さは、多極磁石２３からの磁束が有効に流入させるために、多極磁石２３の軸方向長さとほぼ同様の長さを有するように設定されている。

図５〜図７に示すように、積層コア３１は、厚さの異なる複数の鋼板（同じ材質の鋼板でもあるいは異なる材質の鋼板でもよい）、例えば厚さｔ１を有する第１の鋼板３１１と厚さｔ２（＜ｔ１）を有する第２の鋼板３１２が積層されているので、渦電流を低減することができる。積層コア３１は同じ厚さ（ｔ１＝ｔ２）の鋼板で形成しても良く、更には３枚以上の複数枚の鋼板で形成しても良い。

上記の積層コア３１は、例えば絶縁処理を施した電磁鋼板又は構造用鋼板などの鋼板を所定形状（円環状のベース部３２の外周に放射状にティース部３３を形成）にプレス加工で打ち抜く、これらの鋼板を加締めて一体化し、ついでティース部３３を曲げ加工することにより、形成することができる。

ステータ３０においては、図４に示されるように、積層コア３１に巻回された励磁コイル３４は、各々が空芯コイルとして形成されており、コントローラ（不図示）から印加される電圧の位相によって、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相に分類される３群のコイルであり、それぞれがティース部３３の根元部まで挿入されている。

各相のコイルの信号線（図示を省略）と接続される円環状の回路基板１５は、ホール素子１６が実装される。ホール素子１６は、ロータ２０の回転位置を検出するために、磁石２２の端面に対向するように配置される。ホール素子１６は、ロータ２０の磁極位置の検出を行い、磁極位置に対応する検出信号を出力するために、永久磁石２２の端面に対向するように、着磁極数の２極分を1周期とした電気角３６０°の内の、電気角１２０°分に相当する機械角分（今回の１２極着磁では、６周期分が機械角３６０°に相当するため、電気角１２０°に相当する機械角は２０°に相当する）に、円周方向に所定の間隔で配置されている。回路基板１５は、図示を省略するが、ホール素子１６から出力された位置信号（電圧）を比較する比較回路と、比較回路の出力に基づいてＰＷＭ信号を出力する制御回路と、ＰＷＭ信号により励磁コイル３４への通電を制御するインバータ回路を有するように構成して、ロータの回転角に応じて駆動電圧を正弦波状に変化させることができる。

多極磁石２３は、全体が一体に形成されたリング磁石の外周面に多極着磁を施すことにより、作製することができる。これに限らず、半径方向に磁化したアークセグメント磁石を、円周方向に沿って異極性の磁極が並ぶようにスリーブ２２の外周面に固定することにより作製することができる。多極磁石２３は、コキングトルク低減の観点、及び、ロータイナーシャ軽減による機械的時定数低減の観点から、公知の永久磁石材料、例えば希土類ボンド磁石で形成することが望ましい。更に高トルク化を図るためにエネルギー積の高いＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系焼結磁石（ネオジム系焼結磁石）を使用することもできる。

上記のブラシレスモータによれば、３個のホール素子１６によりロータの磁極位置を検出し、磁極位置にあった正弦波電圧を出力し、比較回路で正弦波電圧を比較し、制御回路でＰＷＭ信号を出力し、次いでインバータ回路から１２０°位相の異なる駆動電圧を出力して、３相コイルを適切なタイミングで励磁することで、正弦波駆動される。このように各相のコイルに選択的に通電し、また通電電流の向きを変えることで、２相間（例えばＵ相とＶ相）に通電すると、発生した磁束の強さに応じて、一方の相における積層コア３１の先端部分にＮ極が、他方の相の積層コア３１の先端部分にＳ極が夫々形成される。すなわちＵ相からＶ相へ通電するとＵ相はＮ極に、Ｗ相はＳ極に励磁される。続いてＵ相はＮ極に、Ｗ相はＳ極に励磁される。そしてＷ相からＵ相に通電すると、Ｗ相はＮ極に、Ｕ相はＳ極に励磁される。このように隣り合うスロットに存在する２相のコイルが順に励磁されて、隣接する２相間を磁束が通り、それが順に隣の相へ移って励磁状態を切り替えることで、積層コア３１と多極磁石２３の磁極とが吸引・反発し、モータに回転トルクが発生する。本発明においては、ホール素子を用いずに、ホール素子レス（センサーレス）でも、センサーレス専用ドライブＩＣ等を用いることで駆動できることは勿論である。更には、ステップ信号入力による、断続的又は連続的なステップ駆動も可能である。

ブラシレスモータでは、磁極数とスロット数の最小公倍数がコギングトルクの周波数（山数）となるので、１２極９スロットの構成では大きな値となるため、コギングの振幅は相殺される（分散される）ことから、コギングトルクが抑制され、滑らかに回転することができる。なお、磁極数とスロット数の関係は、モータのサイズ、出力、コストを考慮して、定められる。全体形状や磁極形状により適宜変更される。磁極数とスロット数の関係は、例えば、８極９スロット、１０極９スロット、１６極９スロット、又は１０極１２スロットなどとしても良い。

上記のブラシレスモータによれば、励磁コイル３４への通電により、積層コア３１に発生した磁束が非巻線部３３１に流れると、多極磁石２３に流入する。ステータコアとして複数の鋼板が積層された積層コア３１を使用することにより、渦電流を低減することができる。特に図７に示すように、ティース部３３において、鋼板３１１、３１２は半径方向に積層されるとともに、多極磁石２３はティース部３３との空隙側には正弦波状の磁束密度分布を有し、鋼板の積層方向は多極磁石から発生する磁束と直交する（積層方向と磁束の向きとのなす角度が厳密に９０°でない場合も含まれる）。すなわち、１つのティース部３３に注目すると、多極磁石２３から発生した磁束は、ティース部３３の内部を通り、円環状のベース部３２を経て（図１１参照）、隣接するティース部３３に流れ込むような経路で通過する。従って磁束がティース部３３の内部を通過する方向は鋼板の積層方向に直交し、ティース部３３は積層されて各々の断面積は小さくなっているため、渦電流が流れにくくなるので、トルク損失を大幅に低減することができる。図１１において、破線は磁束線の流れを示す。図１２に多極磁石（１２極）の磁極配置を示す

上記の積層コア３１は、多極磁石２３と対向する内側の鋼板３１２として電磁鋼板を使用し、外側の鋼板３１１として一般的な冷間圧延鋼板を使用し、これらを積層後折り曲げることによって形成することが好ましい。電磁鋼板はケイ素を含んだ鋼板であるため、通常の冷間圧延鋼板より鉄損が極めて小さいため、多極磁石２３と対向する側に電磁鋼板を配置することで、鉄損を下げる効果を十分に発揮することができる。電磁鋼板は難加工性の材料であるが、冷間圧延鋼板と共に折り曲げることにより、冷間圧延鋼板が機械的及び磁気的にも補助的な機能を果たし、折れやクラックの発生を大幅に低減することができる。本発明においては、これに限らず、複数枚の冷間圧延鋼板または複数枚の電磁鋼板を使用し、あるいは冷間圧延鋼板を内側の鋼板３１２、電磁鋼板を外側の鋼板３１１として使用し、これらの鋼板を積層後折り曲げて形成することができる。冷間圧延鋼板が多極磁石２３と対向した場合でも、鋼板はティース部３３において半径方向に積層されており、磁束は鋼板の積層方向に直交するので、渦電流損を低減する効果を得ることができる。

（実施例１）
図１に示す構造を有し、外径１２ｍｍ、長さ１７ｍｍ（ケース１０の寸法）のブラシレスモータを作成した。このモータにおいて、ロータ２０は多極磁石２３として１２個のアークセグメント状の希土類ボンド磁石（外径７．５ｍｍ、内径２．７ｍｍ、厚さ６．０ｍｍ、９６ｋＪ／ｍ^３［１２ＭＧＯｅ］の最大エネルギー積を有する。）を使用し、厚さ０．５ｍｍの冷間圧延鋼板（ＳＰＣＣ）（鋼板３１１）と厚さ０．３５ｍｍの電磁鋼板（鋼板３１２）とを積層して形成した幅１．４ｍｍ、厚さ０．８５ｍｍのティース部３３を有し、１７Ωの抵抗値を有するモータとした。コイルに１２Ｖの直流電圧を供給してモータを回転させて、モータ特性を測定した。その結果を図８に破線で示す。図８において、ａ１はＴ−Ｉ曲線であり、ｂ１はＴ−Ｎ曲線である。

（実施例２）
厚さ０．５ｍｍの電磁鋼板（鋼板３１１）と厚さ０．３５ｍｍの電磁鋼板（鋼板３１２）を積層して形成した幅１．４ｍｍ、厚さ０．８５ｍｍのティース部３３を有する以外は実施例１と同様のブラシレスモータとし、実施例１と同様の条件で、モータ特性を測定した。その結果を図９に破線で示す。図８において、ａ２はＴ−Ｉ曲線であり、ｂ２はＴ−Ｎ曲線である。

（実験例３）
多極磁石２３として１２個のアークセグメント状の希土類焼結磁石で多極磁石（外径 ７．５ｍｍ、内径２．７ｍｍ、厚さ６．０ｍｍ、３１０ｋＪ／ｍ３［４０ＭＧＯｅ］の最大エネルギー積を有する。）２３を形成した以外は、実験例１と同様のブラシレスモータを使用し、実施例１と同じ条件で、モータ特性を測定した。その結果を図１０に破線で示す。図８において、ａ３はＴ−Ｉ曲線であり、ｂ３はＴ−Ｎ曲線である。

（比較例）
比較のために、積層コア３１の代わりに厚さ０．８ｍｍの冷間圧延鋼板（ＳＰＣＣ）を折り曲げて形成したコアを使用した以外は、実験例と同様の構成としたブラシレスモータを作成し、実施例１と同様の条件で、モータ特性を測定した。その結果を図８〜１０に実線で示す。図８において、ａ４はＴ−Ｉ曲線であり、ｂ４はＴ−Ｎ曲線である。

表１に各実施例及び比較例のトルク定数、無負荷電流、無負荷回転数及び起動トルクを示す。

表１から、本発明（実施例１〜３）により、従来のコア（比較例）と対比すると、約７０％の無負荷電流を約７０％低減することができるとともに、トルク定数を約２〜８％向上できることがわかる。無負荷電流を低減することで、図示はないが、入力に対する出力効率も向上することができ、効率向上により、モータの発熱も低減できることは言うまでもない。

１０：ケース、１１：エンドカバー、１２：第１のコアガイド、１２１：カバー部、１２２：ネック部、１３：第２のコアガイド、１３１：ガイド溝、１４：軸受、１５：回路基板、１６：ホール素子、２０：ロータ、２１：シャフト、２２：スリーブ、２３：多極磁石
３０：ステータ、３１：積層コア、３１１：第１の鋼板、３１２：第２の鋼板、３２：ベース部、３３：ティース部、３３１：非巻線部、３４：励磁コイル

Claims (6)

1. 外周面に複数の磁極を有するロータと、励磁コイルが巻回される巻線部と前記ロータの外周面に対向する非巻線部を有するティース部と前記ロータの端面に対向するベース部とが一体化された積層コアを有するステータを備え、前記ティース部は、鋼板が半径方向に積層され、前記ロータから発生する磁束の向きと直交する方向に積層されたことを特徴とするブラシレスモータ。
2. 前記積層コアは、複数の鋼板が積層された状態から折り曲げられた構造であることを特徴とする請求項１に記載のブラシレスモータ。
3. 前記積層コアは、電磁鋼板又は冷間圧延鋼板からなる複数の鋼板が積層された構造であることを特徴とする請求項２に記載のブラシレスモータ。
4. 前記積層コアは、複数の鋼板が積層され、前記ロータの外周面に対向する鋼板は電磁鋼板とし、他方の鋼板は冷間圧延鋼板または電磁鋼板とすることを特徴とする請求項１に記載のブラシレスモータ。
5. 前記積層コアは２層構造であり、前記ロータの外周面に対向する側の鋼板の方が、他方の鋼板よりも薄いことを特徴とする請求項１に記載のブラシレスモータ。
6. 前記ロータは、希土類焼結磁石からなる多極磁石を有することを特徴とする請求項１に記載のブラシレスモータ。