JP6151171B2 - ステータ構造およびブラシレスモータ - Google Patents

Description

本発明は、突極の形状に特徴のあるステータ構造および、これを用いたブラシレスモータの技術に関する。

インナーロータ型のブラシレスモータは、外周側にステータ、内周側にロータが配置され、ステータの内側でロータが回転するモータである。このステータは、ロータの方向に向かって複数の突極が形成されている。そしてこの突極は、ロータの外周面と対向する突極面を有している。一般的に軸方向から見た突極面の形状は、ロータの回転中心を曲率中心とする円弧形状が採用されている。

他方において、コギングトルクおよびトルクリップルの軽減や高調波の軽減を目的に、突極面の円弧形状の曲率中心の位置を回転軸の位置と異ならせた構造（例えば、特許文献１を参照）や軸方向から見た突極面の形状を円弧でない形状とした構造（例えば、特許文献２を参照）が公知である。

特開２０１３−２７２４０号公報 特開２０１３−１２１２７１号公報

ところで、本発明者は、コギングトルクおよびトルクリップルを低減する観点から、ロータを外力によって強制的に回転させた際に駆動コイルに生じる逆起電圧に着目し、数々の検討を行った。この結果、これまで知られている軸方向から見た突極面の形状では、観測される逆起電圧が正弦波とならず、この正弦波形からのずれがトルクリップルに相関していることが判明した。すなわち、トルクリップルは、逆起電圧の波形が正弦波からずれる程、大きなものとなる。

このような背景において、本発明は、インナーロータ型のブラシレスモータにおける逆起電圧の波形がより正弦波に近い波形とすることで、これによってコギングトルクおよびトルクリップルの低減、騒音、振動の抑制および効率的なモータ駆動が実現できる技術の提供を目的とする。

請求項１に記載の発明は、インナーロータ型ブラシレスモータのステータ構造であって、環状の構造を有し、この環状の構造から内周方向に向かって突出した複数の突極を備え、前記複数の突極のそれぞれは、軸中心側に向けて突極面を有し、軸方向から見て、前記突極面は同一形状の２つの円弧によって形成された形状を有し、前記突極面に形成された２つの円弧の曲率中心は、前記ロータの回転中心と前記突極面の周方向における中央の位置とを結ぶ線に対して線対称な位置にあり、且つ、前記ロータの回転中心よりも前記突極面に寄った位置にあることを特徴とするステータ構造である。請求項１に記載の発明によれば、逆起電圧の波形をより正弦波に近い波形にできる。また、逆起電圧の波形を更に正弦波に近い波形にできる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のステータ構造と、前記ステータ構造の内側に回転自在な状態で配置されたロータとを有することを特徴とするブラシレスモータである。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記ロータと前記突極の先端部との隙間の最短距離であるエアギャップと、前記ロータと前記突極面の中央の最深部との隙間の距離である円弧高とによって表わされる円弧高／エアギャップ比が、１．２〜２．２の範囲であることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記円弧高／エアギャップ比が、１．５であることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項２乃至４のうちいずれか１項に記載の発明において、前記ロータはロータヨークとロータマグネットで構成されており、前記ロータマグネットは、軸方向から見て１８０度分割、または９０度分割、もしくは（３６０度／ｎ（ｎは自然数））分割の構造を有することを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の発明において、前記ロータマグネットが２極構造であり、前記複数の突極が６スロット構造であることを特徴とする。

本発明によれば、インナーロータ型のブラシレスモータにおける逆起電圧の波形がより正弦波に近い波形とすることで、これによってコギングトルクおよびトルクリップルの低減、騒音、振動の抑制および効率的なモータ駆動が実現できる技術が得られる。

実施形態のブラシレスモータの正面図（Ａ）および、この断面図（Ｂ）である。 ステータの突極の拡大図である。 ロータマグネットの正面図であり、（Ａ）は２分割の正面図、（Ｂ）は４分割の正面図である。 ステータとロータの位置関係を表す概略図である。 エアギャップと円弧高との比による、モータ効率、コギングトルクおよび正弦波偏差の変化を表すグラフである。 図５におけるブラシレスモータの逆起電圧波形である。

（構成）
図１には、実施形態のブラシレスモータ１が示されている。ブラシレスモータ１は、インナーロータ型の２極６スロットのブラシレスモータである。ブラシレスモータ１は、ステータコア２を有している。軸方向から見たステータコア２の構造は、環状の部分と、この環状の部分から内周側（回転中心の方向）に向かって突出する６個の突極３を有している。６個の突極３は、周方向において等角な角度位置（６０°間隔）にある。ステータコア２は、図１（Ａ）に示す形状の板状の軟磁性材料（例えば、電磁鋼鈑）を図１（Ｂ）に示すように軸方向で複数枚積層した構造を有している。

図２には、軸方向から見た突極３の拡大図が示されている。突極３は、ステータコア２の環状の部分から内周側に向かって延長した延長部３ａ、この延長部３ａの先端の部分であり、周方向に開いた形状の先端部３ｂ、この先端部３ｂのロータ側（軸中心側）に対向した面である突極面３ｃを有している。突極３の延長部３ａには、図示しない絶縁用のインシュレータを介して駆動コイル４が巻回されて、ステータが形成される。なお、絶縁用のインシュレータの代わりに粉体塗装を行ってもよい。

ステータコア２の内側には、突極面３ｃに対向するように隙間を隔ててロータ５が配置されている。ロータ５は、ステータコア２に対して回転自在な状態で保持されている。ロータ５は、ロータヨークとなる略円筒形状のロータコア６、ロータコア６の中心に貫通した状態で固定された回転軸となるシャフト７、ロータコア６の外周に固定された略円筒形状のロータマグネット８を有している。ロータマグネット８は、Ｓ極８ａとＮ極８ｂの２極に着磁されている。軸方向から見たＳ極８ａとＮ極８ｂの周方向における角度範囲は、それぞれ１８０°である。シャフト７は、ロータコア６から軸方向の前後に突出しており、このシャフト７の突出した部分が軸受によって回転自在な状態で保持されている。なお、この図示しない軸受は、例えば玉軸受や磁気軸受でもよく、ステータコア２を内側に収めた図示しないケーシングに取り付けられている。

ロータマグネット８は、図１に示すように２極に着磁した構造が示されている。このロータマグネット８は、図３（Ａ）に示すように周方向で２分割（１８０°分割）したロータマグネット片４０１，４０２により、ロータマグネット４００を構成してもよく、また、図３（Ｂ）に示す４分割（９０°分割）したロータマグネット片５０１，５０２，５０３，５０４により、ロータマグネット５００を構成してもよい。このロータマグネット８は、分割された片を接着等により結合し、円筒形状に形成される。なお、分割を更に細かくすることも可能である。分割数は、一般式（３６０度／ｎ（ｎは自然数））によって示される。このようにロータマグネットの分割数を増やすことで、ロータの組み立てが容易になる。

ステータコア２の６個の突極３に巻回された駆動コイル４に、駆動電流を供給することでロータ５が回転する。この原理は、通常のブラシレスモータの場合と同じである。

ここで、本発明者は、コギングトルクおよびトルクリップルを低減する観点から、ロータを外力によって強制的に回転させた際に駆動コイルに生じる逆起電圧に着目し、数々の検討を行った。その結果を以下に説明する。本実施形態において、ステータコア２の突極面３ｃは、２つの円弧αおよびβにより構成することで、本発明の効果を得られることが分かった。突極面３ｃを構成する２つの円弧αとβは、同じ半径ｒ_２の円弧であり、円弧αの曲率中心Ｃ_１と円弧βの曲率中心Ｃ_２とは、その位置がずれている。曲率中心Ｃ_１と曲率中心Ｃ_２の位置は、曲率中心Ｃ_０よりも突極面３ｃに近い位置、すなわちステータに近い位置にある。また、円弧αとβは、左右対称な位置関係にあり、曲率中心Ｃ_０と突極面３ｃの周方向における中央の部分とを結んだ線に対して、曲率中心Ｃ_１と曲率中心Ｃ_２は線対称な位置にある。また、図２の例では、ｒ_０＝ｒ_２に設定されている。

次に、ステータコア２の突極面３ｃは、軸方向から見て左右対称であり、２つの円弧αおよびβによって形成されているため、ロータ５と反対の方向に向かって凹型に窪んだ形状を有している。この構造では、突極面３ｃの周方向における中央の部分が最深部（ロータ５から最も離れた部分）となっている。また、ロータ５の回転中心Ｃ_０を軸として突極面３ｃの周方向における両端に接する円弧９が示されている。円弧９の半径がｒ_０で示され、円弧９の曲率中心Ｃ_０（つまりロータ５の回転中心）から突極面３ｃの最深部（周方向における中央部）までの距離がｒ_１で示されている。突極面３ｃは、窪んでいるので、ｒ_１＞ｒ_０である。

図４はステータとロータの位置関係を表す概略図である。ここでロータマグネット８の半径をｒ_３とした時、ｒ_０−ｒ_３をエアギャップＧ_１とする。エアギャップＧ_１はロータマグネット８と先端部３ｂとの隙間の最短距離である。また、ｒ_１−ｒ_３を円弧高Ｇ_２とする。円弧高Ｇ_２はロータマグネット８と突極面３ｃ中央の最深部との隙間の距離である。

本発明者は、２つの円弧αおよびβによって形成されるステータ形状で、円弧高Ｇ_２／エアギャップＧ_１の比（Ｇ_２／Ｇ_１比）をパラメータとしてシミュレーションを実施した。その結果を図５に示す。図５には、Ｇ_２／Ｇ_１比に対して、モータ効率、コギングトルクおよび正弦波偏差の変化が示されている。また、それぞれの逆起電圧波形を図６に示す。この結果より、Ｇ_２／Ｇ_１比が１に近いと正弦波偏差は大きく、図６（Ａ）のように正弦波形は崩れ、Ｇ_２／Ｇ_１比が大きくなるにつれ正弦波偏差は小さくなり、図６（Ｂ）の状態を経由してきれいな正弦波形（図６（Ｃ））になる。コギングトルクについても、Ｇ_２／Ｇ_１比に対して同様の傾向を示す。これらの結果に対し、モータ効率はＧ_２／Ｇ_１比が１に近いと効率が上がり、Ｇ_２／Ｇ_１比が大きくなるとモータ効率は下がる。これらの結果より、Ｇ_２／Ｇ_１比が１．５の時がモータとしてコギングトルクおよびトルクリップルの低減、騒音、振動の抑制および効率的なモータ駆動が実現できることが分かり、またＧ_２／Ｇ_１比が１．２〜２．２の範囲内でもそれに準じたモータを得ることができる。なお、円弧高／エアギャップ比の最適値は、１．５から±１０％程度の範囲の誤差が許容される。

本発明の態様は、上述した個々の実施形態に限定されるものではなく、当業者が想到しうる種々の変形も含むものであり、本発明の効果も上述した内容に限定されない。すなわち、特許請求の範囲に規定された内容およびその均等物から導き出される本発明の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更および部分的削除が可能である。

１…ブラシレスモータ、２…ステータコア、３…突極、３ａ…延長部、３ｂ…先端部、３ｃ…突極面、４…駆動コイル、５…ロータ、７…シャフト、８…ロータマグネット、８ａ…Ｓ極、８ｂ…Ｎ極、９…円弧、α…円弧、β…円弧、Ｃ_０…円弧９の曲率中心（ロータ５の回転中心）、Ｃ_１…円弧αの曲率中心、Ｃ_２…円弧βの曲率中心、ｒ_０…円弧９の曲率半径、ｒ_１…ロータの回転中心から突極面３ｃ中央部分までの距離、ｒ_２…円弧αおよびβの曲率半径、ｒ_３…ロータの回転半径、Ｇ_１…エアギャップ、Ｇ_２…円弧高。

Claims (6)

1. インナーロータ型ブラシレスモータのステータ構造であって、
   環状の構造を有し、この環状の構造から内周方向に向かって突出した複数の突極を備え、
   前記複数の突極のそれぞれは、軸中心側に向けて突極面を有し、
   軸方向から見て、前記突極面は同一形状の２つの円弧によって形成された形状を有し、
   前記突極面に形成された２つの円弧の曲率中心は、前記ロータの回転中心と前記突極面の周方向における中央の位置とを結ぶ線に対して線対称な位置にあり、且つ、前記ロータの回転中心よりも前記突極面に寄った位置にあることを特徴とするステータ構造。
2. 請求項１に記載のステータ構造と、
   前記ステータ構造の内側に回転自在な状態で配置されたロータと
   を有することを特徴とするブラシレスモータ。
3. 前記ロータと前記突極の先端部との隙間の最短距離であるエアギャップと、
   前記ロータと前記突極面の中央の最深部との隙間の距離である円弧高とによって表わされる円弧高／エアギャップ比が、１．２〜２．２の範囲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. 前記円弧高／エアギャップ比が、１．５であることを特徴とする請求項３に記載のブラシレスモータ。
5. 前記ロータはロータヨークとロータマグネットで構成されており、
   前記ロータマグネットは、軸方向から見て１８０度分割、または９０度分割、もしくは（３６０度／ｎ（ｎは自然数））分割の構造を有することを特徴とする請求項２乃至４のうちいずれか１項に記載のブラシレスモータ。
6. 前記ロータマグネットが２極構造であり、
   前記複数の突極が６スロット構造であることを特徴とする請求項５に記載のブラシレスモータ。

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