JP2020089258A - ブラシレスモータ - Google Patents
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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。
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/m3[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。
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/m3[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。
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。
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。
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
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)
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
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