JP6796474B2 - ブラシレスモータ - Google Patents

Description

本発明は、ステータとロータを有して、ステータに生じさせた回転磁界によりロータを回転させるブラシレスモータに関する。

産業用のＤＣモータとしては、近年ブラシを省いてメンテナンスフリー化、長寿命化を図ったブラシレスモータが広く使用されている。
ブラシレスモータの応用分野は多岐にわたっており、その一つとして、小型の無人飛行機や無人ヘリコプターのプロベラや回転翼を駆動する用途があった。こうした無人飛行機等は、モータに十分な駆動力を発生させるための電力供給の難しさから、以前はホビーや模型の範囲にとどまるものであった。しかし、近年のバッテリーや駆動制御に係る技術の進歩により、複数の回転翼を備えて重量物を積載した状態でも十分な推進力を有して飛翔可能なマルチコプター（ドローン）が実用の域に達している。

こうしたマルチコプターに適用可能な従来のブラシレスモータの一例として、特開２０１６−１５２７５０号公報に開示されるものがある。

特開２０１６−１５２７５０号公報

従来のブラシレスモータは、前記特許文献に示される構成を有しており、特にマルチコプター（ドローン）の回転翼駆動用途では、飛翔に必要な力（揚力）が発生するように回転翼を駆動するために大電流を必要とする分、コイルで発生する熱量も大きかった。

こうした回転翼の駆動用の場合、ブラシレスモータのコイルで発生する熱を効率よく放散するために、前記特許文献に示されるように、コイルの一部が外部に現れるようにし、これに風を当てて強制冷却が行える、アウターロータタイプとされていた。しかしながら、アウターロータタイプのブラシレスモータはコイルを露出させる構造を採用したことで、防水、防塵構造とすることができなかった。

一方、インナーロータタイプのブラシレスモータは、ステータ及びロータをケースで覆うことで、防水、防塵構造とすることができるものの、回転翼のような高負荷の駆動対象物を駆動するために必要となる電流をコイルに通電した場合に発生する熱を適切に外部に放出することが構造上難しく、放出しきれない熱によるケース内の温度上昇で焼き付き等を生じやすいことから、従来はインナーロータタイプのブラシレスモータをマルチコプターの回転翼駆動用には用いる例は見られなかった。

このように、従来のマルチコプター用ブラシレスモータとしては、放熱による作動状態維持を優先させてアウターロータタイプが採用されていたことで、防水及び防塵性の確保が難しく、こうしたブラシレスモータの制約によってマルチコプターの利用環境が限定され、様々な環境条件に適応させて使用することが難しいという課題を有していた。

本発明は前記課題を解消するためになされたもので、インナーロータタイプの構造を採用しつつコイルから外部への放熱を可能として、回転翼駆動のような負荷の大きい用途においても継続的な作動を実現させられ、防水、防塵性能を活かしてモータ採用装置を様々な環境で利用できるようにするブラシレスモータを提供することを目的とする。

本発明の開示に係るブラシレスモータは、回転磁界を発生する略円環状のステータと、当該ステータの内側に回転可能に配設され、回転磁界に基づいて回転するロータとを備えるブラシレスモータにおいて、前記ロータの回転中心と同じ中心軸周りに対称形となる中空円柱台状に形成され、前記ステータ及びロータを覆うケースを備え、前記ステータが、ケースの円筒面状の側面内周に沿って配設され、ロータの回転中心について径方向となる向きに突出する複数のティース部を形成されてなる磁性材料製のコア部と、前記各ティース部に巻回配設されて磁界を生じさせるコイルとを少なくとも有し、前記ケースの少なくともロータの回転軸方向における端面部が良熱伝導性材質製とされ、前記ステータのケース内配設状態で、コイル外周部のうちロータの回転軸方向における端部とケースの前記端面部の内面との間の隙間に、熱伝導可能な絶縁材質製の伝熱体が、コイル表面とケース内面にそれぞれ密着する状態で収容配設され、前記コイルが、当該コイル外周部とケースの端面部の内面との間隔を、通電状態でケースに対する絶縁を維持可能な最小限の大きさとするように配置され、コイルから伝熱体を介してケースの端面に伝熱可能とされるものである。

このように本発明の開示によれば、インナーロータタイプのモータで、ケース内に位置するステータのコイル巻線表面とケース端面部内面との間に熱伝導性のある伝熱体を配設し、コイルからケースへの熱の伝導経路を確保することにより、コイルで発生する熱を伝熱体を通じてケースに逃がし、ケースから外部に放熱させられ、ケース内部の温度上昇を抑えて、モータを熱による悪影響なく継続的に作動させられることとなり、インナーロータタイプとして防水、防塵性能を確保しつつ、駆動対象物の高い負荷に対応でき、例えば回転翼の駆動に用いても問題なく作動を継続でき、様々な環境条件に対応してブラシレスモータを駆動源として使用することができる。

また、本発明の開示に係るブラシレスモータは必要に応じて、前記コア部の各ティース部が、前記径方向の突出寸法を前記ロータ回転軸方向の寸法より大きくして形成され、各ティース部のコイルを巻かれる被巻回部分のうち、ロータ回転軸方向における端部が、ケースの前記端面部の内面と平行をなす平面状に形成され、少なくとも当該平面状部分に対しコイルの巻線が密に整列させて巻かれ、前記平面状部分に沿ってコイルの並列状態の巻線が平らに配置されるものである。

このように本発明の開示によれば、コア部をその各ティース部の径方向突出寸法がロータ回転軸方向寸法より大きくなる扁平形状とすると共に、コイルのケース端面部内面に対向する部位をティース部に沿わせて平面状に配置することにより、ケース端面に近接するコイル巻線の数を最大限確保し、且つコイルの並列する巻線とケース端面部とを一様に近付けられ、コイルの熱をケース側に伝えやすくして放熱の効率を高められ、熱による悪影響を起こりにくくしてモータの作動を安定させることができる。

また、本発明の開示に係るブラシレスモータは必要に応じて、前記ロータが、駆動対象物取付用のシャフトを中心に一体に取付けられて、前記ケースに軸受を介して回転可能に支持されると共に、前記シャフトの駆動対象物を取付可能な端部を、少なくともケースの一方の端面部側から外部に突出させて配設されてなり、前記コア部が、各ティース部ごとの巻線同士を結線するために引き回される導線を、ロータ回転軸方向の一方の端部側にまとめて配置されると共に、前記導線を配置した側をケースの他方の端面部側に向けてケース内に配設され、前記駆動対象物が回転翼であり、ロータと共に回転する回転翼により生じる流体の流れが、少なくともケースの一方の端面部外面に接触するようにされるものである。

このように本発明の開示によれば、ロータと一体のシャフトに駆動対象物として回転翼が取付けられ、回転翼により生じる流体の流れを、コア部における結線用の導線を配置せずコイル巻線とケース内面がより近接しているケースの一方の端面部の外面に到達させることにより、コイルで発生した熱が伝わりやすいケースの一方の端面部に沿って継続的に流体が流れることとなり、気流や水流など流体の流れで端面部からの放熱が促され、効率よく放熱を実行させてケース内部の温度を問題ない状態に維持できる。

また、本発明の開示に係るブラシレスモータは必要に応じて、前記伝熱体が、良熱伝導性材質製の微粒子である添加材を、絶縁材製の母材に加えた複合材であり、前記添加材が、酸化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化ホウ素、窒化アルミニウムのうち少なくとも一つを含むものである。

このように本発明の開示によれば、コイルとケース端面部との間に配設される伝熱体が、添加材の微粒子を母材に加えた複合構造とされ、熱伝導性に優れる添加材同士が母材中で連なって熱の通り道を形成することにより、伝熱体中の添加材を通じて熱をコイルからケース端面外部に速やかに到達させて放熱を促進させられる。

本発明の一実施形態に係るブラシレスモータの正面図である。 本発明の一実施形態に係るブラシレスモータの平面図である。 本発明の一実施形態に係るブラシレスモータの底面図である。 本発明の一実施形態に係るブラシレスモータの縦断面図である。 本発明の一実施形態に係るブラシレスモータにおけるケースの一の分割体及びシャフト取外し状態での概略平面図である。 本発明の一実施形態に係るブラシレスモータにおける伝熱状態説明図である。

以下、本発明の一実施形態に係るブラシレスモータを前記図１ないし図６に基づいて説明する。
前記各図において本実施形態に係るブラシレスモータ１は、回転磁界を発生する略円環状のステータ１０と、このステータ１０の内側に回転可能に配設され、回転磁界に基づいて回転するロータ２０と、これらステータ１０及びロータ２０を覆う中空円柱台状のケース３０とを備える構成である。

この本実施形態に係るブラシレスモータ１は、ロータの回転に伴って生じる逆起電力に基づいてロータ位置や回転速度を推測する、公知のいわゆるセンサレス方式で駆動されるものである。

前記ステータ１０は、ケース３０の円筒面状の側面内周に沿って配設される磁性材料製のコア部１１と、このコア部１１の内周側に巻回配設されて磁界を生じさせるコイル１３と、コイル１３に電気的に接続しつつケース外に一部延出させて配設されるリード線１５とを備える構成である。

なお、本実施形態に係るブラシレスモータ１では、内蔵センサを省略できるなどモータ構成を簡略化できるセンサレス駆動方式を採用しているが、これに限らず、ステータ１０にロータ２０の回転角度を検出するホール素子等の検出手段を設けると共に、ロータ２０に検出手段と対をなす磁石等の被検出手段とを設け、検出手段での測定に基づいてロータ位置等を取得してモータ駆動を行うようにすることもできる。

前記コア部１１は、薄板状の磁性金属材を積層して形成され、ロータ２０の回転中心について径方向となる向きに複数のティース部（突極）１２を突設される構成である。これら各ティース部１２の周囲に、所定の絶縁体（インシュレータ）を介してコイル１３が巻回配設される。

このティース部１２は、前記径方向の突出寸法をロータ回転軸方向の寸法より大きくして形成される。また、コア部１１における各ティース部１２のコイル１３を巻かれる被巻回部分のうち、ロータの回転軸方向における端部は、ケース３０の端面と平行をなす平面状部分１２ａとして形成される。
こうした各ティース部１２の平面状部分１２ａに対しコイル１３の巻線が密に整列させて巻かれることで、平面状部分１２ａに沿ってコイル１３の並列状態の巻線が平らに配置される。

このようなコア部１１は、モータ完成時まで外形変化のない最終完成形状に至ってから、各ティース部１２にコイル１３を巻回配設するものとなっているが、これに限らず、半完成状態のコア部における各ティース部にコイルを巻回配設した後で、コア部を組立又は変形させて最終完成形状に至らせる構成とすることもでき、コイルの巻回配設作業が行いやすい半完成形態のコア部に対し、コイルを配設するようにすれば、製造効率を向上させてコストダウンが図れる。

また、コア部１１は、各ティース部１２ごとの巻線同士を結線するために引き回される導線１４を、ロータ回転軸方向の一方の端部側にまとめて配置されると共に、前記導線を配置した側をケース３０の他方の端面部３２側に向けてケース３０内に配設される。

このようなステータ１０のケース内配設状態で、コイル１３外周部のうちロータ回転軸方向における両端部とケース３０の二つの端面部３１、３２の内面との間の隙間に、熱伝導可能な絶縁材質製の伝熱体４０が、コイル１３表面とケース３０内面にそれぞれ密着する状態で収容配設される。

この場合、コイル１３は、コイル外周部とケース３０の端面部３１、３２の内面との間隔を、通電状態でケース３０に対する絶縁を維持可能な最小限の大きさとするように配置される。このコイル１３に通電することで、磁界が生じる一方、熱も発生するが、コイル１３の熱は、伝熱体４０を介してケース３０の端面部３１、３２に伝熱可能となっている。

前記ロータ２０は、中心のハブ部２１と最外周の環状ヨーク部２２とを一体に連結した磁性金属材製の回転対称体として形成され、回転駆動用の永久磁石２３を外周面に複数並べて配設され、ケース３０の中央に配設された軸受２４で回転可能に支持される構成である。

このロータ２０は、駆動対象物としての回転翼５０取付用の金属製シャフト２５を中心のハブ部２１に一体に取付け固定され、このシャフト２５を軸受２４で支持されることで、ケース３０に対し回転可能とされる構成である。そして、シャフト２５における回転翼５０を取付可能な端部を、ケース３０の一方の端面部３１側から外部に突出させて配設されてなる構成である。

シャフト２５のケース外に突出した端部には回転翼５０取付け用の取付具２６が固定される。この取付具２６とケース３０との間はラビリンスやフリンガなどの外部からケース内に水や塵埃が入らないようにする機構を設けており、ケース３０の防水、防塵状態が確保される仕組みである。

このシャフト２５に回転翼５０を取り付けることで、ロータ２０と共に回転する回転翼５０により生じる流体の流れが、少なくともケース３０の一方の端面部３１外面に接触することとなる。

ロータ２０は、シャフト２５を含めて良熱伝導性を有する金属製とされて、モータの作動に伴って永久磁石２３で生じた熱をヨーク部２２やハブ部２１を介してシャフト２５に伝導可能であり、さらにケース３０外部に一部突出したシャフト２５から熱がモータの外部に放出されることで、ロータ２０における永久磁石２３の過熱とそれに伴う性能低下などの悪影響を防いでいる。

前記ケース３０は、ロータ２０の回転中心と同じ中心軸周りに対称形となる中空円柱（円筒）台状に形成され、ロータ回転軸方向における両端の端面部３１、３２を含む全体が、金属等の良熱伝導性材質製とされる構成である。

ケース３０の一方の端面部３１にはロータ２０と一体のシャフト２５が貫通してその一部を外部に突出させている。この一方の端面部３１におけるシャフト貫通部分は、ラビリンスシール等の機構が設けられており、シャフト２５の回転を許容しつつシャフト２５と端面部３１間から水や塵埃をケース内部に侵入させない仕組みである。そして、ケース３０の他方の端面部３２には、モータ設置用のねじ穴３４等が設けられるのみであり、ケース内に通じる孔等は設けられず閉じた構造とされる。

また、ケース３０の他方の端面部３２寄りの側面部所定箇所には、リード線１５が防水状態を確保しつつ貫通して外部に延出しており、リード線１５の端部が外部のモータドライバ等の機器に接続される。

このケース３０は、ロータ回転軸方向に二分割構造とされており、一方の端面部３１を含む一の分割体３０ａと他方の端面部３２を含む他の分割体３０ｂとを、円筒状のケース側面部の所定箇所において一体に連結して組合せてなる構成である。詳細には、組合せ状態でケース側面部の中間所定箇所となる、ケースの一の分割体３０ａの端部と他の分割体３０ｂの端部とにそれぞれ設けた雄ねじ部と雌ねじ部とを螺合させることで、防水状態を確保しつつ連結一体化されることとなる。このように、ケース３０はロータ回転軸方向に二分割構造としているが、これに限らず、ケース内外を隔離可能な構造であれば、より多数の分割体を組み合わせる構造（例えば、単純な押出形材の板や筒を組み合わせた構造）とすることもできる。
なお、ケース３０における一方の端面部３１には、図２、図４に示すように、周囲への放熱を促すフィン３３を複数突出配設するのが好ましい。

前記伝熱体４０は、良熱伝導性材質製の添加材を絶縁材製の母材（マトリックス）に加えた複合材であり、コイル巻線やケース内面の表面形状に沿ってこれらに密着可能であり、且つその密着状態を安定的に維持することのできる性質を有するものである。

前記添加材としては、例えば、酸化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化ホウ素、窒化アルミニウムなどの、熱伝導性を有すると共に電気抵抗の大きいセラミック材の微粒子が用いられる。また、前記母材としては、例えばシリコーンなどの樹脂材の他、ゴムやエラストマーを用いることができる。

伝熱体４０として添加剤と母材とを組み合わせた状態では、一定の流動性のある高粘度のグリス様物質（コンパウンド）や、柔軟で弾性変形性に富むゴム状シート体をなすこととなる。この伝熱体４０の状態での熱伝導率は、例えば１Ｗ／ｍ・Ｋ以上とするのが望ましく、５Ｗ／ｍ・Ｋ以上であればさらに望ましい。

なお、伝熱体４０をシート体とする構成においては、添加材の配向を調整して熱伝導性に方向性を付与するようにしてもよい。その場合、伝熱体４０の熱伝導性が良好となる向きは、伝熱体４０のケース内配置状態でコイルからケース端面部に向かう方向と一致するように、シート体の厚さ方向に合わせるのが望ましい。

次に、本実施形態に係るブラシレスモータにおけるコイルからケース外への伝熱状態について説明する。
モータを回転作動させるために、コイル１３に電流を流すと、モータ各部の抵抗成分に基づいてコイル１３の巻線で熱が発生する。コイル１３で生じた熱は、コイル外周とケース内面との間に介在する伝熱体４０における熱伝導性が、コイル周囲の空気や、コイルとコア部との間の絶縁体における熱伝導性より優れることから、主に伝熱体４０を介して他へ伝わる。

すなわち、コイル１３で生じた熱は、コイル１３外周部のうちロータ回転軸方向における両端部から、その表面に密着する伝熱体４０に伝わり、さらに、伝熱体４０から、これと密着するケース３０の二つの端面部３１、３２の内面側に伝わることとなる。

ここで、ティース部１２が、径方向の突出寸法をロータ回転軸方向の寸法より大きくして形成されることに加え、ティース部１２のコイル１３を巻かれる被巻回部分のうち、ロータの回転軸方向における端部は、ケース３０の端面と平行をなす平面状部分１２ａとして形成されており、こうした平面状部分１２ａに対し、コイル１３の巻線が密に整列させて巻かれ、平面状部分１２ａに沿ってコイルの並列状態の巻線が平らに配置される。

これにより、このコイル１３のケース端面部内面に対向する部位では、ケース端面に近接するコイル巻線の数を最大限確保できる。また、ケースの一方の端面部３１側では、コイル１３の並列する巻線と一方の端面部３１の内面とを一様に近付けることができる。このため、コイル１３の熱が一方の端面部３１へ伝わりやすくなり、放熱の効率を高められる。

一方、コア部１１では、各ティース部１２ごとのコイル巻線同士を結線するために引き回される導線を、ケース３０の他方の端面部３２寄りとなる端部側にまとめて配置していることで、こうした導線の存在の分、ケース３０の他方の端面部３２側ではコイルの巻線が端面部３２の内面に一様に近付く状態が得られていない。このため、多くの巻線が端面部３１の内面に接近した状態となっている一方の端面部３１側で、コイルの熱がより効率よくケース側に伝わる仕組みとなっている。

伝熱体４０を通じてコイル１３からケース端面部３１、３２に伝わった熱は、端面部の外面から周囲の空気中に放出されると共に、ケースにおける熱伝導でケース側面部にも伝わり、こうした側面部外面からも周囲に放出される。

特に、ケース３０における一方の端面部３１の外面側では、回転翼５０の回転駆動に伴い、気流が発生し、その一部が端面部３１外面側に沿って流れることで、高温のケース外面と空気との接触が促される強制冷却状態となって、さらに効率よく冷却が図れることとなる。

このように、本実施形態に係るブラシレスモータは、インナーロータタイプのモータで、ケース３０内に位置するステータ１０のコイル１３巻線表面とケース端面部３１、３２内面との間に熱伝導性のある伝熱体４０を配設し、コイル１３からケース３０への熱の伝導経路を確保することから、コイル１３で発生する熱を伝熱体４０を通じてケース３０に逃がし、ケース３０から外部に放熱させられ、ケース３０内部の温度上昇を抑えて、モータを熱による悪影響なく継続的に作動させられることとなり、インナーロータタイプとして防水、防塵性能を確保しつつ、駆動対象物の高い負荷に対応でき、回転翼５０の駆動に用いても問題なく作動を継続できるなど、様々な環境条件に対応してブラシレスモータを駆動源として使用することができる。

１ ブラシレスモータ
１０ ステータ
１１ コア部
１２ ティース
１２ａ 平面状部分
１３ コイル
１４ 導線
１５ リード線
２０ ロータ
２１ ハブ部
２２ ヨーク部
２３ 永久磁石
２４ 軸受
２５ シャフト
２６ 取付具
３０ ケース
３０ａ、３０ｂ 分割体
３１、３２ 端面部
３３ フィン
３４ ねじ穴
４０ 伝熱体
５０ 回転翼

Claims (2)

1. 回転磁界を発生する略円環状のステータと、当該ステータの内側に回転可能に配設され、回転磁界に基づいて回転するロータとを備えるブラシレスモータにおいて、
   前記ロータの回転中心と同じ中心軸周りに対称形となる中空円柱台状に形成され、前記ステータ及びロータを覆うケースを備え、
   前記ステータが、ケースの円筒面状の側面内周に沿って配設され、ロータの回転中心について径方向となる向きに突出する複数のティース部を形成されてなる磁性材料製のコア部と、前記各ティース部に巻回配設されて磁界を生じさせるコイルとを少なくとも有し、
   前記ケースの少なくともロータの回転軸方向における端面部が良熱伝導性材質製とされ、
   前記ステータのケース内配設状態で、コイル外周部のうちロータの回転軸方向における端部とケースの前記端面部の内面との間の隙間に、熱伝導可能な絶縁材質製の伝熱体が、コイル表面とケース内面にそれぞれ密着する状態で収容配設され、
   前記コイルが、当該コイル外周部とケースの端面部の内面との間隔を、通電状態でケースに対する絶縁を維持可能な最小限の大きさとするように配置され、コイルから伝熱体を介してケースの端面に伝熱可能とされ、
   前記ロータが、駆動対象物取付用のシャフトを中心に一体に取付けられて、前記ケースに軸受を介して回転可能に支持されると共に、前記シャフトの駆動対象物を取付可能な端部を、少なくともケースの一方の端面部側から外部に突出させて配設されてなり、
   前記コア部が、各ティース部ごとの巻線同士を結線するために引き回される導線を、ロータ回転軸方向の一方の端部側にまとめて配置されると共に、前記導線を配置した側をケースの他方の端面部側に向けてケース内に配設され、
   前記駆動対象物が回転翼であり、ロータと共に回転する回転翼により生じる流体の流れが、少なくともケースの一方の端面部外面に接触するようにされることを
   特徴とするブラシレスモータ。
2. 前記請求項１に記載のブラシレスモータにおいて、
   前記コア部の各ティース部が、前記径方向の突出寸法を前記ロータ回転軸方向の寸法より大きくして形成され、
   各ティース部のコイルを巻かれる被巻回部分のうち、ロータ回転軸方向における端部が、ケースの前記端面部の内面と平行をなす平面状に形成され、少なくとも当該平面状部分に対しコイルの巻線が密に整列させて巻かれ、前記平面状部分に沿ってコイルの並列状態の巻線が平らに配置されることを
   特徴とするブラシレスモータ。

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