JP2007318885A - ブラシレスモータ - Google Patents

Abstract

【課題】ハーネス及び結線により占有されていた容積を減少させてモータの小型を図ると共に、モータケース内に生じる冷却風が磁極スロット空間を流れやすくして、冷却効率の向上を図る
【解決手段】ステータ磁極コアに巻回した複数の巻線をバスバーを用いて結線すると共に出力線に接続する。全体的には円筒形状の本体部分を有するバスバーは、磁極コアスロット内に隙間が形成されるように巻線をしたステータ磁極の一方の軸方向端において、巻線とは軸方向に隙間を空けて配置すると共に、本体部の径方向長さを、磁極コアスロット内の隙間の少なくとも一部を覆うことのない長さにする。ステータ磁極コアの両側において、モータハウジングには風穴を空けて、磁極コアスロット内を通る冷却流路を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ステータ巻線をバスバーを用いて結線すると共に出力線に接続したブラシレスモータ、特にその冷却構成に関する。

モータを、例えば、電動工具駆動用等に用いる場合は、比較的に大きな電流を流すために、それによって生じる巻線の発熱の冷却が必要となる。発熱を放置しておくと、巻線抵抗の増加により電流が減少し、これに伴いモータ出力トルクの低下を招くことになる。従来のモータの冷却装置としては、図１１に示すような構成が知られている（特許文献１参照）。モータケース及びその端蓋には、複数の通孔が径方向及び軸方向に形成されている。また、モータケースの内壁面には、磁極コアに巻線を巻回して構成されるステータ、及び駆動回路を構成するスイッチ素子が取り付けられている。回転シャフトには、ロータが固設され、また、ロータに隣接して送風ファンが固設される。ロータとステータ磁極コアとの間には冷却風路を構成する微小の隙間が形成される。ステータ巻線が駆動回路を介して通電されてロータが回転する時、巻線および駆動回路等は発熱するが、送風ファンがロータと一体に回転し、この送風ファンの回転で、通孔からの冷却風が流れ、巻線および駆動回路等を冷却することができる。

しかしながら、冷却風は、ロータとステータとの間の隙間を通過するのみで、発熱源である巻線表面上を流れない。このため、巻線からの発熱を直接冷却することができず、十分な冷却効果を上げることができない。

一方、従来、外部電源からの配線を巻線に接続するために、ワイヤーハーネス或いはバスバーが用いられているが、いずれの場合にも、モータ冷却には不利な構成となっている。

図１２は、ワイヤーハーネスを用いる例を説明する図であり、ステータ側面を巻線引き出し側から見た図である。ブラシレスモータのＵ相、Ｖ相、Ｗ相の巻線は、Ｙ結線接続をするためにそれぞれの巻線の他端を一緒にして、Ｙ結線用絶縁スリーブを用いて接続される。さらに、これら巻線の他端は、外部引き出し線としての３相出力用ワイヤーハーネスに、それぞれ絶縁スリーブを用いて接続される。この３本の３相出力用ワイヤーハーネスは、１箇所からまとめてモータハウジング外部に引き出すために、図示したように、ステータ巻線の端面上で引き回されることになる。このため、モータ長が長くなり、モータが大型化するだけでなく、結線の煩雑さのために、工程及び部品点数が増加して、コスト上昇を招くことになる。さらに、これらのワイヤーハーネスの引き回し及び巻線やワイヤーハーネスを接続するスリーブによって、ステータコアに巻かれた巻線間の隙間が塞がれて、ここに冷却風路を形成することができない。

図１３は、バスバーを用いた結線方法を説明する図である（特許文献２参照）。図示したように、ステータ磁極コアには、巻線が巻回されている。バスバーは、巻線を構成する多数の部分コイル間を接続する配線バー群と、各配線バー群をそれぞれの空間位置にて電気絶縁しつつ支持する絶縁部材とから構成される。配線バー群はバスバーから突出する３本の出力線を有している。このようなバスバーを用いることにより、巻線を結線すると共に出力線に接続することができる。しかし、ワイヤーハーネスを用いた上述の例と同様に、ステータ磁極コアに巻かれた巻線間の隙間が、バスバーによって塞がれて、ここに冷却風路を形成することができない。
特許第２８８２５９４号公報 特開２００５−３２８６６１号公報

本発明は、係る問題を解決して、ハーネス及び結線により占有されていた容積を減少させてモータの小型化を図ると共に、モータケース内に生じる冷却風が磁極スロット空間を流れやすくして、冷却効率の向上を図ることを目的としている。

本発明のブラシレスモータは、モータケース内に固定したステータ及び回転シャフト上に固定されたロータを有し、ステータ磁極コアに巻回した複数の巻線をバスバーを用いて結線すると共に出力線に接続する。このバスバーは、絶縁体の中に溝を設けた本体部分を有し、その溝内に結線端子を一体に形成した導電性金属製の配線バーを配置して構成する。このバスバーは、磁極コアスロット内に隙間が形成されるように巻線をしたステータ磁極の一方の軸方向端において、巻線とは軸方向に隙間を空けて配置すると共に、本体部の径方向長さを、磁極コアスロット内の隙間の少なくとも一部を覆うことのない長さにする。ステータ磁極コアの両側において、モータハウジングには風穴を空けて、磁極コアスロット内を通る冷却流路を形成する。

また、バスバーの本体部内径側において、該内径よりも小さな外径の円盤形状を有する位置検出用センサーロータをロータに備え、かつ、バスバーの本体部外径を、磁極コア外径よりも小さくする。バスバーは、ステータ磁極外周面に設けた溝に取り付けるための複数のバスバー脚部を、本体部と一体に形成し、該バスバー脚部は、ステータ磁極コアの巻線が巻回されるコアアーム部に重なるように配置する。巻線端が接続されるバスバーのバスバー端子を、モータ軸方向に見た際にコアアーム間隙間に重なるように配置して、該隙間を通って流れる流路上に位置させる。バスバーの配線バーの断面積は、巻線を構成する電線の断面積よりも大きくする。

モータハウジングを、円筒形状のモータケースと、その両側開口部に嵌着されるエンドベル及びフロントベルとによって構成し、ロータの一方の側において回転シャフト上に冷却用ファンを固定し、かつ、排出用及び吸入用の風穴を、ステータ磁極コアの両側において、円筒形状モータケース、エンドベル、或いはフロントベルに空ける。

本発明によれば、冷却用ファンの回転等によりモータケース内に生じる冷却風がコアスロット空間を流れやすくなり、モータ巻線の冷却効率を向上させることができる。また、冷却用ファン等による強制冷却が無い場合であっても、空気の流れを良くして熱の滞留を改善することができる。

さらに、本発明によれば、ハーネス及び結線により占有されていた容積が減少し、給電配線を簡略化して、コスト低減及びモータ小型化を達成するだけでなく、冷却効率を改善して、モータ性能及び信頼性を向上させることができる。

以下、例示に基づき本発明を説明する。図１は、第１の例のバスバーを備えたブラシレスモータの全体構成を示す断面図である。モータハウジングは、金属或いは樹脂製の円筒形状のケースと、その一端開口部に嵌着される金属或いは樹脂製のフロントベルと、円筒形状ケースの他端開口部に嵌着される金属或いは樹脂製エンドベルによって構成される。円筒形状ケースの内壁面には、磁極コアにインシュレータ等の絶縁手法を介して巻線をすることにより構成されるステータが固定されている。フロントベル及びエンドベルには、それぞれその中央に、ロータの回転シャフトを支持する軸受を収容し固定している。シャフトの一端は、フロントベルからモータハウジング外部に突出して、そこに結合される外部装置を駆動することになる。

図１に例示のブラシレスモータには、ロータの一方の端（例えば、図示したようにフロントベル側）において、冷却用ファンが回転シャフト上に固定されている。磁極コアスロットの巻線間隙間を通る流路を形成する風穴は、ステータ磁極コアの両側において、モータハウジングに空けられる。図示の例では、冷却用ファンの径方向外側の位置において、円筒形状ケースに排出用の風穴が空けられ、また、吸入用の風穴が、冷却用ファンとは反対側に位置するエンドベルに空けられている。この吸入用の風穴は、径方向には巻線及び巻線間隙間にほぼ対向する円周上の位置に備えられる。さらに、位置検出用センサーロータの径は、流路を塞がないように、エンドベルの風穴が位置する径より小さく構成される。なお、モータハウジングに空けられる風穴は、例示した場合に限らず、冷却用ファンの羽根形状によって種々に変更可能であり、例えば吸入用の風穴を図示したエンドベルではなく、円筒形状ケースに空けることもできるし、若しくは、排出用の風穴を、図示した円筒形状ケースではなく、冷却用ファン側のフロントベルに空ける一方、その吸入用の風穴を、ステータ磁極コアに対して反対側に位置する円筒形状ケース或いはエンドベルに空けることができる。また、位置検出用センサー（ロータ及びステータ）を、ステータ磁極コアに対して冷却用ファンの反対側に備えるものとして例示したが、位置検出用センサーを冷却用ファンと同じ側、即ち、冷却用ファンとフロントベル又はエンドベルの間に備えることもできる。

図２は、ロータのみを取り出して示す斜視図である。ステータ磁極コアに対面するロータ表面上には、回転子磁極となる複数のマグネット（４個として例示）が、回転シャフトに固定されたヨーク上に取り付けられている。ロータの一方の端において、回転シャフト上に冷却用ファンが固定されている。円周上等間隔に複数の羽根を固定した冷却用ファン自体は、この技術分野で用いられている通常のものを用いることができる。また、位置検出用のセンサーロータが、図中で冷却用ファンとは反対側において回転シャフト上に固定されている。位置検出用のセンサーロータは、例えば、等間隔にＮ，Ｓ交互に４極着磁されたマグネットにより構成される。周知のように、このマグネットによる磁束をステータ側に取り付けたホール素子のような位置検出用センサーにより検出することにより、回転位置の検出が可能となる。

図３（Ａ）は、巻線した磁極コアにバスバーを取り付けた状態を示す図であり、（Ｂ）及び（Ｃ）は、それぞれ異なる方向から見た同一のバスバーを単独で示す全体図であり、（Ｄ）はバスバーを取り外した状態で示す磁極コア及び巻線を示す図である。バスバーの内部構成は後述するが、図示したように、バスバー外形は、円筒形状の樹脂製のバスバー本体と、それと一体に形成される３個以上の（３個として図示）バスバー脚部を備える。この脚部が、磁極コア外周面の軸方向に設けたコア溝に挿入されて取り付けられ、そして、図１に示されるように、このバスバーを取り付けたステータが円筒形状ケース内に圧入や接着，カシメ等で固定される。バスバー脚部は、バスバーが巻線に接しない距離を保つためにバスバー本体部から径方向外側に伸びた後、モータ軸方向のコア側に伸びて、コア溝内に取り付けられる。バスバー脚部は、コアアーム部（図４（Ｂ）参照）位置上に配置し、それ故、バスバー脚部が取り付けられるコア溝位置は、周方向にはコアアーム部と一致している。バスバー脚部の幅は、コアアーム部幅よりも狭くして、極力流路を塞がないように構成するのが望ましい。なお、ここではバスバー本体を円筒形状のものを例として説明したが、この形状に限らず、円弧形状（Ｃ字状）とか多角形状等の他の形状にすることもできる。

このバスバー本体部内径内には、ロータへ取り付けた位置検出用センサーロータを配置するようにすることにより、モータの内部スペースを有効利用することができ、それ故、バスバー本体部内径は、位置検出用センサーロータ径よりも大きくする必要がある。バスバー本体部外径側には、冷却風の流路を確保する為に、その本体部外径は、コア外径よりも小さくする必要がある。バスバー本体部の内外径寸法が前述の範囲において、本体部の径方向長さを磁極コアスロット内の隙間の少なくとも一部を覆うことのないように狭いものとする。径方向長さは、図７を参照して後述するように、バスバーの配線バーを軸方向に２段以上重ねて配置することにより、小さくすることができる。

図４（Ａ）は、巻線をしたステータコアを端面側から見た図であり、（Ｂ）は、このステータコアの軸方向中央で切断した断面図である。ステータコアは、図４（Ｂ）の断面図に見られるように、円筒形状ケース内に固定されるコア円筒部から６個のコアアーム部が一体に形成され、さらにそれぞれのアーム部先端には両側に向けてコア羽根部を形成した断面形状のものを、磁性鋼板を積層することにより構成されている。図示の例は、３相ブラシレスモータと称されているもので、６個のアーム部のそれぞれに巻線が巻かれ、中心に対して１８０°反対側に位置する２つずつを直列に接続して、Ｙ結線接続のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各巻線を構成している。図示したように、各巻線間には隙間が形成されている。言い換えると、巻線は、コアアーム部の回りに、かつコアアーム部間の磁極スロットに巻回されるが、この巻線が磁極スロット断面積の全てを占めずに、磁極スロットには隙間がある。

図５（Ａ）は、ロータ無しのステータの平面図であり、（Ｂ）は、さらにロータを備えた状態で見た同様な図である。本発明は、磁極スロット間の隙間に形成される冷却流路を塞ぐことの無いように、バスバーを固定する。図５（Ａ）及び（Ｂ）に見られるように、バスバーを取り付けた状態で見た平面図においても、バスバーは、径方向にはコアの内周面側に位置するコア羽根部（図４（Ｂ）参照）上に、モータ軸方向に間隔を空けて配置されているため、巻線間隙間は塞がれていない。さらに、巻線端が接続されて発熱し易いバスバー端子も、モータ軸方向に見た際にコアアーム部に重ならないように配置して、冷却風が流れる流路上に位置させる。

図６は、ＤＣブラシレスモータの電気的接続を説明する図である。ステータ巻線が６個配置され、その巻線はＹ結線に接続される。Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相をそれぞれ構成する２個ずつの巻線（回転シャフトに対して１８０°反対側に位置する）の相互の接続は、バスバーの内部配線を利用して行うこともできるが、バスバーを用いないで第１の巻線の終端と第２の巻線の始端とを直接接続することもできる。このバスバーで接続しない場合には、ステータのバスバー取付側でコア円筒部上に巻線を這わせたり、ステータのバスバー取付側とは反対側（図１に示す冷却用ファン側）の端面で巻線を引き回したりすることになる。また、第１の巻線と第２の巻線とは、連続した巻線で続けて巻回しても、一旦切り離して分断しても良い。各相それぞれ２個直列にした巻線の一端は、それぞれバスバーの巻線側端子に接続され、このバスバー内の配線バーによりそれぞれ（駆動回路の）出力側端子に接続される。各相それぞれの巻線の他端は、バスバーの巻線側端子に接続して、バスバー内の配線バーを使って一緒に接続することによりＹ結線される。モータハウジング外部へ導出されるバスバーの３個の出力側端子はそれぞれ駆動回路出力線に接続されて、例示したような駆動回路を介してＤＣ電源に接続される。

この駆動回路自体は、通常のものにすることができ、例えば、例示したような６個のスイッチングトランジスタを用いて構成することができる。その駆動回路のスイッチングトランジスタの切り替え制御をする制御装置は、また、周知のように、モータ回転位置を検出する位置検出手段からの信号に基づき制御することができる。

例えば、６極ステータ磁極モータにおいてＵ相Ｖ相Ｗ相のそれぞれを構成する２個の巻線の相互の接続にバスバーを用いない場合、図３（Ｂ）に示すように、バスバーには、３個の出力側端子と、６個の巻線側端子が備えられている。図７は、バスバーの内部構成を示すための断面図である。図７（Ａ）は、軸方向（図中の上下方向）に２段配置した例を示し、また、図７（Ｂ）は３段配置した例を示している。図示省略しているが、４段以上でも可能である。また、図７（Ｂ）に示すように、バスバー本体の径方向サイズが規定以内であれば、径方向に２列以上でも可能である。バスバーは、樹脂製絶縁体の中に溝を設け、その溝内に結線端子を一体に形成した導電性金属（例えば、スズめっきした銅板）製の配線バーを軽く圧入する等して構成される。配線バーの断面積は、発熱を抑えるために、巻線を構成する電線の断面積に等しいか、それよりも大きくする。図６を参照して説明したように、各巻線から６個の結線端子（巻線側端子）に接続し（例えば溶接）、バスバー本体内の配線バーを用いて、Ｙ結線すると共に３個の出力側端子を介して出力線に接続（例えば溶接）する。なお、結線端子はバスバー本体の外径側、内径側の双方へ出すことが可能である。

以上説明した第１の例では、バスバー本体をロータ寄り（コア羽根上）に配置し、巻線を結線する端子をバスバー外径側から出しているが、図８は、バスバー本体をコア外径よりに配置して、巻線側端子をバスバー内周側から内径方向に出す第２の例を示している。図８（Ａ）は、ロータ無しの状態で見た平面図であり、図８（Ｂ）は、さらにロータを備えた状態で見た同様な図である。図９（Ａ）（Ｂ）は、それぞれ異なる方向から見た第２の例の同一のバスバーを、単独で示す斜視図である。

この第２の例のバスバーも、図９に示すように、バスバー外形は、円筒形状の樹脂製のバスバー本体と、それと一体の３個以上の（３個として図示）バスバー脚部を備える。この脚部が、磁極コア外周面の軸方向に設けたコア溝に挿入されて取り付けられ、そして、図１に示されるように、このバスバーを取り付けたステータが円筒形状ケース内に固定される。

第１の例のバスバーと同様に、巻線間隙間を塞ぐことの無いように、本体部の径方向長さを狭いものとするが、冷却流路を、バスバー本体部内径側に確保する点で第１の例とは異なっている。第１の例と同様に、バスバーの配線バーを軸方向に２段或いはそれ以上重ねて配置することにより、占有面積を小さくすることができる。

図９に示すように、巻線側端子（６個として例示）は、バスバー本体の内径側に引き出され、かつ、３個の出力側端子は、軸方向にステータ巻線とは反対側に引き出されている。バスバー本体は、円筒形状ケース内で径方向には外より（コア円筒部上）に配置されていて、その径方向長さを、巻線間隙間を塞ぐことのない長さとしている。さらに、巻線端が接続されて発熱し易い巻線側端子を内径側に引き出し、モータ軸方向に見た際にコアアーム部に重ならないように配置して、冷却風が流れる流路上に位置させる。

図１０は、バスバー本体を径方向コア中央部付近に配置した第３の例を示す図であり、ロータを備えた状態で見た平面図である。この第３の例のバスバーも、バスバー外形は、円筒形状の樹脂製のバスバー本体と、それと一体の３個以上の（３個として図示）バスバー脚部を備える。この脚部が、磁極コア外周面の軸方向に設けたコア溝に挿入されて取り付けられ、そして、このバスバーを取り付けたステータが円筒形状ケース内に固定される。

第１、第２の例のバスバーと同様に、巻線間隙間を塞ぐことの無いように、本体部の径方向長さを狭いものとするが、冷却流路を、バスバー本体部内径側と外径側の両側に確保する点で第１、第２の例とは異なっている。第１、第２の例と同様に、バスバーの配線バーを軸方向に２段或いはそれ以上重ねて配置することにより、占有面積を小さくすることができる。

図１０に示すように、巻線側端子は、外径側に引き出され、かつ、３個の出力側端子は、軸方向にステータ巻線とは反対側に引き出されている。バスバーは、径方向にはコアアーム部（図４（Ｂ）参照）の中央部付近に配置されていて、その径方向長さを、巻線間隙間を塞ぐことのない長さとしている。さらに、巻線端が接続されて発熱し易い巻線側端子をバスバー本体の内外周面より引き出し（全て外径側に引き出されている場合を例示）、ロータ軸方向に見た際にコアアーム部に重ならないように配置して、冷却風が流れる流路上に位置させる。

第１の例のバスバーを備えたブラシレスモータの全体構成を示す断面図である。 ロータのみを取り出して示す斜視図である。 （Ａ）は、巻線した磁極コアにバスバーを取り付けた状態を示す図であり、（Ｂ）及び（Ｃ）は、それぞれ異なる方向から見た同一のバスバーを単独で示す全体図であり、（Ｄ）はバスバーを取り外した状態で示す磁極コア及び巻線を示す図である。 （Ａ）は、巻線をしたステータコアを端面側から見た図であり、（Ｂ）は、このステータコアの軸方向中央で切断した断面図である。 （Ａ）は、ロータ無しのステータの平面図であり、（Ｂ）は、さらにロータを備えた状態で見た同様な図である。 ＤＣブラシレスモータの電気的接続を説明する図である。 バスバーの内部構成を示すための断面図である。 バスバー本体をコア外径よりに配置して、巻線側端子をバスバー内周側から内径方向に出す第２の例を示す図である。 それぞれ異なる方向から見た第２の例の同一のバスバーを、単独で示す斜視図である。 バスバー本体を径方向コア中央付近に配置した第３の例を示す図である。 従来のモータの冷却装置構成を示す図である。 ワイヤーハーネスを用いる例を説明する図であり、ステータ側面を巻線引き出し側から見た図である。 バスバーを用いた結線方法を説明する図である。

Claims (7)

1. モータケース内に固定したステータ及び回転シャフト上に固定されたロータを有し、ステータ磁極コアに巻回した複数の巻線をバスバーを用いて結線すると共に出力線に接続したブラシレスモータにおいて、
   前記バスバーは、絶縁体の中に溝を設けた本体部分を有し、その溝内に結線端子を一体に形成した導電性金属製の配線バーを配置して構成し、
   前記バスバーは、磁極コアスロット内に隙間が形成されるように巻線をした前記ステータ磁極の一方の軸方向端において、巻線とは軸方向に隙間を空けて配置すると共に、前記本体部の径方向長さを、前記磁極コアスロット内の隙間の少なくとも一部を覆うことのない長さにし、
   ステータ磁極コアの両側において、モータハウジングには風穴を空けて、前記磁極コアスロット内を通る冷却流路を形成したことから成るブラシレスモータ。
2. 前記バスバーの本体部内径側において、該内径よりも小さな外径の円盤形状を有する位置検出用センサーロータを前記ロータに備え、かつ、前記バスバーの本体部外径を、磁極コア外径よりも小さくした請求項１に記載のブラシレスモータ。
3. 前記バスバーは、前記モータハウジングを構成する円筒形状のモータケース内壁に沿って固定される請求項１に記載のブラシレスモータ。
4. 前記バスバーは、ステータ磁極外周面に設けた溝に取り付けるための複数のバスバー脚部を、前記本体部と一体に形成し、該バスバー脚部は、前記ステータ磁極コアの巻線が巻回されるコアアーム部に重なるように配置した請求項１に記載のブラシレスモータ。
5. 巻線端が接続される前記バスバーのバスバー端子を、モータ軸方向に見た際にコアアーム間隙間に重なるように配置して、該隙間を通って流れる流路上に位置させた請求項１に記載のブラシレスモータ。
6. 前記バスバーの配線バーの断面積を、巻線を構成する電線の断面積よりも大きくした請求項１に記載のブラシレスモータ。
7. 前記モータハウジングを、円筒形状のモータケースと、その両側開口部に嵌着されるエンドベル及びフロントベルとによって構成し、ロータの一方の側において回転シャフト上に冷却用ファンを固定し、かつ、排出用及び吸入用の風穴を、ステータ磁極コアの両側において、円筒形状モータケース、エンドベル、或いはフロントベルに空けた請求項１に記載のブラシレスモータ。
   

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