JP3741091B2 - Dcブラシレスモータとそれを使用するシールレスポンプ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、モータを駆動させるための磁極位置センサとドライバICを搭載した基板のレイアウト及び固定、組立により、長寿命で効率の高いDCブラシレスモータとそれを使用したシールレスポンプに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来から、ホール素子等の磁極位置センサを使用して磁極位置を検出し、この位置信号に基づき電流方向を切り換えるようにドライバICで制御するDCブラシレスモータは、電機子がモータ用コア(固定子鉄心)の周りに巻線を巻いて構成され、コイルや磁極位置センサを配置する必要からコイルエンド長を短くするのは難しいとされてきた。しかし、最近は小型化・薄型化に対する要求が高まりつつある。
【0003】
以下、従来の薄型化したDCブラシレスモータについて、図6に示す、従来の薄型化したDCブラシレスモータの構成図を用いて説明する(例えば、特許文献1参照。)。
【0004】
図6に示すように、従来のDCブラシレスモータは電機子108周りにマグネットロータ106を配して構成される。この電機子108の巻線コイル110に流す電流を切換えてモータを駆動するドライバIC113が基板112に設けられ、電機子108の中央部に配設される。このドライバIC113を実装した基板112はシールド板114上に置かれ、また電機子108に固定される。回転側のマグネットロータ106はロータフレーム107に保持され、電機子108に対向した位置に配設される。
【0005】
この基板112上には、マグネットロータ106の磁極位置を検出する磁極位置センサ115も配設され、磁極位置センサ115の出力信号を受けて、ドライバIC113は電機子108の巻線コイル110に流す電流を制御する。これにより電機子108が電磁石となり、マグネットロータ106の磁極との吸引・反発が行われ、マグネットロータ106に回転トルクが発生する。
【0006】
従来のDCブラシレスモータはこの構成にすることにより、ドライバIC113からのパターン配線が容易に行え、基板112に対するパターン配線の面積を小さくすることができるため、基板112の外形を小さくすることができ、DCブラシレスモータの小型化が可能になるものであった。また、電機子108に巻回されている巻線コイル110から受ける制約がなく、薄型化されたDCブラシレスモータにすることができるものである。
【0007】
【特許文献1】
特許第3106582号公報
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のDCブラシレスモータは、磁極位置センサとドライバICを搭載する基板が、電機子を構成する固定子鉄心のコイルエンドから適当なギャップを設けて配置されるため、コイルエンドの位置と基板の厚みによりモータの厚みが決定される。この制約のためDCブラシレスモータの薄型化にはどうしても限界が存在していた。
【0009】
また、磁極位置センサを搭載した基板を固定するときに、電機子に対し取付け上のバラツキが発生し、そのためにモータの性能がバラつくという課題を有していた。
【0010】
さらに、DCブラシレスモータをシールレスポンプに採用したとき、シールレスポンプのポンプ作動部と駆動側の電気部とを隔離するための分離板に固定子鉄心を固定するが、圧入するとき固定子鉄心の位置と方向がブレてモータの性能がバラついたり、振動・騒音レベルが上がるといった問題もあった。
【0011】
上記の従来の問題点を解決するために本発明は、モータ性能と振動・騒音レベルの安定性を確保し、モータ効率を向上させることができ、部品の削減及び組立工数の削減が行える薄型のDCブラシレスモータを提供することを目的とする。
【0012】
また、本発明は、モータ性能と振動・騒音レベルの安定性を確保し、部品の削減及び組立工数の削減が行えるシールレスポンプを提供することを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明のDCブラシレスモータは、固定子鉄心の中央部に基板が固定され、基板には、中央基板部と、該中央基板部から突極まで伸びるとともに、巻線コイル間に収まる腕基板部とが設けられ、中央基板部にはドライバICが搭載され、腕基板部には磁極位置センサが搭載されたことを特徴とする。
【0014】
これにより、モータ性能と振動・騒音値の安定性を図ることができ、モータ効率の向上を図ることができ、部品の削減及び組立工数の削減が行える薄型のDCブラシレスモータを実現することができる。
【0015】
また、本発明のシールレスポンプは、上述のDCブラシレスモータを備え、マグネットロータと電機子とのギャップに設けた分離板にコア圧入ストッパーと基板固定用ストッパーが設けられたことを特徴とする。
【0016】
これにより、モータ性能と振動・騒音レベルの安定性を確保し、部品の削減及び組立工数の削減が行える。
【0017】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項1に記載の発明は、複数のティースの先端にそれぞれ突極が設けられた固定子鉄心と該ティースにそれぞれ巻線された巻線コイルを備えた電機子と、突極に対向して配置されたマグネットロータと、マグネットロータの磁極位置を検出する複数の磁極位置センサと、磁極位置センサからの出力信号に従って巻線コイルに流す電流の制御を行うドライバICとを備えたDCブラシレスモータであって、固定子鉄心の中央部に基板が固定され、基板には、巻線コイルの内側に配置された中央基板部と、該中央基板部の所定の場所から巻線コイルの間を通って突極の所定の場所に固定された腕基板部とが設けられ、
前記中央基板部の電機子側に配置されたドライバICが前記孔内に収納されるとともに腕基板部の電機子側に磁極位置センサが配置されたことを特徴とするDCブラシレスモータであるから、従来のDCブラシレスモータのようにコイルエンドを基準にして基板や実装部品の高さ、ギャップが加わってモータの厚さとなるようなことはなく、固定子鉄心を基準にして基板を取付け、モータの厚みはほぼコイルエンド長(巻線コイルの厚さ)にすることができ、DCブラシレスモータの薄型化が飛躍的に図れる。
【0018】
請求項2に記載の発明は、固定子鉄心に位置決め突起部が形成され、基板には該位位置決め突起部と嵌合する穴が形成されたことを特徴とする請求項1記載のDCブラシレスモータであるから、基板の取付け精度が上がり、それにより個々のモータで磁極位置センサの磁極位置検出のバラツキを抑え、モータ性能の安定性を向上させることができる。
【0019】
請求項3に記載の発明は、固定子鉄心が、積層した鋼鈑がカシメ部によってカシメられて一体化されるとともに、該カシメ部によって位置決め突起部が形成されることを特徴とする請求項2記載のDCブラシレスモータであるから、カシメ部が位置決め突起部となって突起の数を減らすことができ、固定子鉄心の磁気抵抗を増大し、それにより固定子鉄心の鉄損が増大するのを防止するため、モータ効率を低下させない。
【0020】
請求項4に記載の発明は、基板の腕基板部と隣接する2つのティース間のピッチ角が、等角度のピッチ角を基準にして互いに離れる方向にそれぞれ角度θ1だけ広げて異なったピッチ角にされたことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のDCブラシレスモータであるから、巻線コイル間のピッチが広がり、磁極位置センサが配置される基板領域が拡大するため、磁極位置センサの進角位置の自由度が増し、モータ効率を向上させることができる。また基板最小幅部分でも十分な幅を確保でき、基板強度の向上を図ることができる。
【0021】
請求項5に記載の発明は、基板の腕基板部と隣接する2つのティース以外のティース間のピッチ角が、等角度のピッチ角を基準にして角度θ2だけ狭められていることを特徴とする請求項4記載のDCブラシレスモータであるから、基板と巻線コイル及びコイル間のピッチを最小に設定でき、モータ効率を向上させることができる。
【0022】
請求項6に記載の発明は、請求項1〜5のいずれかに記載のDCブラシレスモータを備えたシールレスポンプであって、マグネットロータと電機子とのギャップに設けた分離板にコア圧入ストッパーと基板固定用ストッパーが設けられたことを特徴とするシールレスポンプであるから、基板固定用の部品を削減できるとともに、組立工数の低減も図れる。さらに固定子鉄心の圧入位置をポンプに対し精度良く決定できるため、マグネットロータとのマグネットセンタ力をのバラツキの発生を抑え、個々のモータの振動・騒音値の安定性を図れる作用を有する。
【0023】
(実施の形態1)
以下、本発明の実施の形態1について図1,図2を用いて説明する。図1(a)は本発明の実施の形態1のDCブラシレスモータの基板実装部品を電機子とは逆側の基板面に実装した場合の構成図、図1(b)は(a)のDCブラシレスモータの断面図、図2(a)は本発明の実施の形態1のDCブラシレスモータの基板実装部品を電機子側の基板面に実装した場合の構成図、図2(b)は(a)のDCブラシレスモータの断面図である。図1のように基板実装部品を電機子とは逆側の基板面に搭載する場合は実装部品が大きいときに採用するのが好適であり、図2のように基板実装部品を電機子側の基板面に搭載する場合は実装部品が小さいときに採用するとモータの薄型化が更に図れるものである。
【0024】
まず図1(a),(b)において、1は電機子を構成する固定子鉄心、2は固定子鉄心1から伸びた腕の先端に設けられる突極、3は固定子鉄心1の中心から放射状にのびる腕の部分であるティース、4はティース3に巻線された巻線コイル、5はマグネットロータ、6は電機子である。電機子6は、固定子鉄心1(突極2,ティース3を含む)と巻線コイル4等から構成される。固定子鉄心1としては鉄損を低減しモータ効率を向上するために透磁率の大きく、厚さがt=0.2〜0.5mm程度の珪素鋼鈑が一般的に用いられ、この鋼鈑が複数枚積層されて構成される。この固定子鉄心1のティース3に巻線が巻回されて、回転磁界を形成する巻線コイル4が形成する。巻線コイル4として巻かれる巻線材は、銅線に薄い絶縁皮膜を施したものである。固定子鉄心1の中心部分は孔301が形成されている。
【0025】
マグネットロータ5と対向して配設される突極2は、できるだけマグネットの磁束を固定子鉄心1内に取り込み、巻線コイル4の巻線可能な部分をできるだけ大きく確保するため、ティース3に対し幅広い形状となっている。マグネットロータ5のマグネットは永久磁石となりうるフェライトや金属系磁性体(SmCo等)が好適である。このマグネットロータ5は固定子鉄心1に施された巻線コイル4に電流を流すことで発生する電磁磁石との磁力による吸引・反発により回転方向にトルクが発生し、マグネットロータ5を回転させる。
【0026】
7はマグネットロータ5の磁極位置を示すために用いる磁極の切れ目、8はホール素子等の磁極位置センサ、9はドライバIC、10は基板、11はコイルエンド長である。マグネットロータ5に回転トルクを効率よく発生するためには、巻線コイル4に流す電流の向きタイミングよく切換える必要があるが、このタイミング信号を発生させるため、磁極位置センサ8でマグネットロータ5の磁極の切れ目7を検出する。磁極位置センサ8で発生されたタイミング信号は、ドライバIC9に入力され、それを受けてドライバIC9が巻線コイル4に流す電流方向を切換え、それにより4つの突極2に発生する電磁石の磁極の極性が切り換わる。ここで磁極位置センサ8とドライバIC9は、同一の基板10に搭載されている。
図1(a),(b)の場合は、ドライバIC9が固定子鉄心1の中部分の孔301の径よりも大きいため、電機子6とは反対側に向けて搭載されており、同一基板10に磁極位置センサ8も搭載されている。しかし、この場合、電機子6の厚さを決定するコイルエンド長11よりも、固定子鉄心1に固定される基板10の厚さと実装部品の高さの方が大きくなり、これによってモータの厚さが決定される可能性があり、薄型化しても僅かであるがコイルエンド長以上の厚さとなる可能性がある。
【0027】
本発明の実施の形態1のCブラシレスモータでもっとも特徴のある構成は、基板10の形状と電機子6上で行うレイアウトである。図1(a),(b)を見て分かるように、基板10の形状は中央基板部10aと腕基板部10bからなる徳利形をしている。これは次の理由による。磁極位置センサ8は、磁極位置(磁極の切れ目7)を検出するためにできる限りマグネットロータ5に近づけなければならない。また、ドライバIC9は、磁極位置センサ8より数倍の実装面積を必要とするため、固定子鉄心1の中心部分に搭載するレイアウトにする必要がある。このため磁極位置センサ8は腕基板部10bに搭載され、ドライバIC9は中央基板部10aの方に搭載される。そして、固定子鉄心1上に基板10を固定するためには巻線コイル4を避けて固定する必要があるから、腕基板部10bの根元は巻線コイル4の間の最小幅B以下の寸法となっており、腕基板部10bは2つの巻線コイル4の間に確実にすっぽり収まって固定子鉄心1上に基板10が装着される。このような理由から、基板10の形状は徳利形となっている。
【0028】
このように実装部品が搭載された基板10を電機子6上にレイアウトすることで、従来の技術においてはコイルエンド長11に基板10の厚みと実装部品(ドライバIC9または磁極位置センサ8)の高さをすべて加算した長さが、モータの厚みを決定したが、これに対し本実施の形態1では、固定子鉄心1の厚みに基板10の厚みと実装部品の高さとコイルエンド長11の半分の厚みを加算した長さ、または、コイルエンド長11の厚みが、モータの厚みを決定することになるので、モータの薄膜化が可能となる。一例として電源電圧5V、モータ出力200mWのモータを、外径20mmの固定子鉄心1で4mmのモータの厚みとすることができた。なお、同じモータに対して従来の技術では、7.5mmで実現していたものを4mmとするもので、ほぼ半分のモータの厚みにでき、本実施の形態1によれば非常な薄型化を実現できることが分かる。
【0029】
次に、図2(a),(b)に示す実装部品を電機子側の基板面に実装した場合の説明を行うと、図1(a),(b)とほぼ同様であり、相違点は磁極位置センサ8とドライバIC9の基板10の実装面が、電機子6側に搭載していることである。これはドライバIC8が小容量で小型の場合とくに有効で、これによりコイルエンド長11のみがモータの厚みを決定し、確実にDCブラシレスモータの薄型化が可能となる。
【0030】
(実施の形態2)
次に、本発明の実施の形態2について図3(a)に基づき説明する。図3(a)本発明の実施の形態2におけるDCブラシレスモータの固定子鉄心と基板の位置決め固定図、図3(b)は(a)のDCブラシレスモータの固定子鉄心と基板の位置決め固定断面図である。ここで実施の形態1と同一符号の説明は、実施の形態1の説明に譲って省略する。
【0031】
図3(a),(b)に示すように、固定子鉄心1の積層鋼板を1枚1枚が分離しないように位置決め突起部を設ける。この位置決め突起部は、実施の形態2においてはカシメ部として構成され、各鋼板にそれぞれ突起12aが形成されている。鋼板を積層し、プレス機でプレスしてカシめ、この突起12aで位置決め突起部を形成するとともに、固定子鉄心1自体は積層鋼板がカシメられ一体化される。しかし、従来一般の固定子鉄心1では、固定子鉄心1上面(図の断面図のA側)をフラットにするように最も上面側(A側)の鋼板には突起部は設けられておらず、下の鋼板のピンに挿通させる丸穴が設けられて位置決めされている。これに対し、実施の形態2では、最も上面側(A側)にも突起12aの1つである突起12bを設けるとともに、基板10にこの突起12bに対応した切り欠き13を形成し、突起12bを切り欠き13に係合させることで基板10の位置決め固定を行っている。尚、本実施の形態2では、各鋼板にそれぞれ突起12bを3個、基板10に切り欠き13を3個形成したが、1個でもよく、複数形成すればさらに精度よく位置決めがされる。また、基板10に形成した切り欠き13は孔状でもよい。
【0032】
従来のDCブラシレスモータでは、基板10は、電機子6に立てたピンを挿通して半田固定していたため、ピンの設置の精度が悪く、位置精度が回転方向の角度で2.5°(物理角)以上のブレがあり、モータ出力のバラツキが5%も生じていた。これに対し本発明の実施の形態3においては、複数の突起12a,12bと切り欠き13で位置決めを行うので、位置精度が回転方向の角度で、1°(物理角)以内のブレで抑えることができる。これは図3に示す4極のDCブラシレスモータであれば、電気角2°以内に相当し、モータ出力のバラツキとして、1%以内の安定性を得ることができる。
【0033】
(実施の形態3)
次に本発明の実施の形態3について図4に基づいて説明する。図4は本発明の実施の形態3におけるDCブラシレスモータのティースが不等間隔である場合の電機子図である。
【0034】
従来のDCブラシレスモータでは突極2の中央にティース3が配置される。しかし実施の形態3では、基板10が挿入される位置の隣接する2つのティース3a,3bが、突極2の中央位置でなく、角度θ1ずつティース3a,3bが離れた位置に配置されている。すなわち、ティース3aが等ピッチ角の場合よりθ1遅れ、ティース3bがθ1進んだ角度に配置され、ティース3a,3b間の角度が広げられている。これにより基板10の徳利状の形状の中で最小幅の部分Bの幅が十分確保でき、強度が向上する。また、磁極位置センサ8のレイアウト位置の自由度を示す設置可能幅Cが従来2〜3°(物理角)であったのに対し、20°程度と十分大きく取れ、磁極位置センサ8の最適な進角量調整ができ、モータ効率を2%向上させることができる。
【0035】
また図4では、ティース3c,ティース3dも突極2の中央からθ2だけずれて配置されている。すなわち、等ピッチ角で全ティースを設けた場合を基準にして、θ2だけピッチ角が狭められている。仮にティース3a,3b、ティース3c,3dがずれていない場合は、ティース3a,3c間とティース3b,3d間の距離が短くなり、巻線の占積率が低下してしまい、モータ効率が低下する。しかし、実施の形態4においては、ティース3a,3b間、ティース3c,3d間をそれぞれθ1,θ2ずらすことで占積率低下を抑えるものである。ここで図4のように4スロットのモータでは、θ2=θ1/3程度にするとよい。また、一般にnスロットの場合は、θ2は各ティースごとでかわるので、θ1ずらしたティース間以外のティース間角度θを、
θ=(360/n)−2θ1/(n−1)
程度に設定するとよい。
【0036】
(実施の形態4)
次に本発明の実施の形態4のシールレスポンプについて図5に基づいて説明する。図5は本発明の実施の形態4におけるDCブラシレスモータをシールレスポンプ用モータとして使用した構成図である。
【0037】
図5において、60は、シールレスポンプを形成する液体を送り出すポンプ作動部と駆動側の電気部(電機子6及び基板10の実装部品)とを隔離するための分離板である。通常のポンプであれば軸シールを有するが、シールレスポンプでは分離板13を介在させて電機部を全体的にシールする。実施の形態4においては、分離板13の内周面と突極2の外周面を接触させながら圧入して電機子6を固定している。14は、図5に示すようにポンプ下方から分離板13に圧入するとき、突極2の上面と接触し、圧入位置を決定するコア圧入ストッパーで、分離板13と一体になっている。15は、基板10の上面と接触して圧入位置を決定する基板固定用ストッパーである。基板10の圧入時、基板10は、基板10の厚み分だけコア圧入ストッパー14より上部に位置する基板固定用ストッパー15と、突極2に挟まれ正確に固定される。この圧入固定により、組立て工数を低減できる。また、圧入して固定するとき発生する取付けの方向にバラツキが発生することなく、これに起因して発生する振動・騒音がなく、振動・騒音値が安定する。
【0038】
(実施の形態5)
次に本発明の実施の形態5のシールレスポンプについて図7に基づいて説明する。図7は本発明の実施の形態5におけるDCブラシレスモータをシールレスポンプ用モータとして使用した構成図である。
【0039】
実施の形態1〜4と同一符号は基本的に同一構成を示し、説明は省略する。
【0040】
実施の形態5におけるDCブラシレスモータをシールレスポンプ用モータとして使用するものでは、実施の形態1〜4までのものを併せもつもので、さらに、分離板13の突極2側側壁に電機子6の位置決め用に隣接する突極2間に突起310を形成した。
【0041】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、DCブラシレスモータは、薄型化を飛躍的にすることができる。また、DCブラシレスモータのモータ性能及び振動・騒音値のバラツキをなくし、安定性を図ることができる。更にモータ効率の向上を図ることができる。そして、基板を固定するための部品の削減及び組立工数の削減を行え、コストの低減が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 (a)本発明の実施の形態1のDCブラシレスモータの基板実装部品を電機子とは逆側の基板面に実装した場合の構成図
(b)(a)のDCブラシレスモータの断面図
【図2】 (a)本発明の実施の形態1のDCブラシレスモータの基板実装部品を電機子側の基板面に実装した場合の構成図
(b)(a)のDCブラシレスモータの断面図
【図3】 (a)本発明の実施の形態2におけるDCブラシレスモータの固定子鉄心と基板の位置決め固定図
(b)(a)のDCブラシレスモータの固定子鉄心と基板の位置決め固定断面図
【図4】 本発明の実施の形態3におけるDCブラシレスモータのティースが不等間隔である場合の電機子図
【図5】 本発明の実施の形態4におけるDCブラシレスモータをシールレスポンプ用モータとして使用した構成図
【図6】 従来の薄型化したDCブラシレスモータの構成図
【図7】 本発明の実施の形態5におけるDCブラシレスモータをシールレスポンプ用モータとして使用した構成図
【符号の説明】
1 固定子鉄心
2 突極
3 ティース
4,110 巻線コイル
5,106 マグネットロータ
6,108 電機子
7 磁極の切れ目
8,115 磁極位置センサ
9,113 ドライバIC
10,112 基板
10a 中央基板部
10b 腕基板部
11 コイルエンド長
12a,12b 突起
13 切り欠き
14 コア圧入ストッパー
15 基板固定用ストッパー
60 分離版
301 孔
310 突起
Claims (6)
- 複数のティースの先端にそれぞれ突極が設けられ中心部に所定の径をもつ孔が形成された固定子鉄心と該ティースにそれぞれ巻線された巻線コイルを備えた電機子と、
前記突極に対向して配置されたマグネットロータと、
前記マグネットロータの磁極位置を検出する複数の磁極位置センサと、
前記磁極位置センサからの出力信号に従って前記巻線コイルに流す電流の制御を行うドライバICとを備えたDCブラシレスモータであって、
前記固定子鉄心の中央部に基板が固定され、
前記基板には、巻線コイルの内側に配置された中央基板部と、該中央基板部の所定の場所から巻線コイルの間を通って突極の所定の場所に固定された腕基板部とが設けられ、
前記中央基板部の電機子側に配置されたドライバICが前記孔内に収納されるとともに腕基板部の電機子側に磁極位置センサが配置されたことを特徴とするDCブラシレスモータ。 - 前記固定子鉄心に位置決め突起部が形成され、前記基板には該位位置決め突起部と嵌合する穴が形成されたことを特徴とする請求項1記載のDCブラシレスモータ。
- 前記固定子鉄心が、積層した鋼鈑がカシメ部によってカシメられて一体化されるとともに、該カシメ部によって前記位置決め突起部が形成されることを特徴とする請求項2記載のDCブラシレスモータ。
- 前記基板の腕基板部と隣接する2つのティース間のピッチ角が、等角度のピッチ角を基準にして互いに離れる方向にそれぞれ角度θ1だけ広げて
異なったピッチ角にされたことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のDCブラシレスモータ。 - 前記基板の腕基板部と隣接する2つのティース以外のティース間のピッチ角が、等角度のピッチ角を基準にして角度θ2だけ狭められていること
を特徴とする請求項4記載のDCブラシレスモータ。 - 請求項1〜5のいずれかに記載のDCブラシレスモータを備えたシールレスポンプであって、前記マグネットロータと前記電機子とのギャップに設けた分離板にコア圧入ストッパーと基板固定用ストッパーが設けられたことを特徴とするシールレスポンプ。
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