JP6457198B2

JP6457198B2 - ブラシレスモータ

Info

Publication number: JP6457198B2
Application number: JP2014092782A
Authority: JP
Inventors: 佑哉岩▲崎▼
Original assignee: Mabuchi Motor Co Ltd
Current assignee: Mabuchi Motor Co Ltd
Priority date: 2014-04-28
Filing date: 2014-04-28
Publication date: 2019-01-23
Anticipated expiration: 2034-04-28
Also published as: US20150311760A1; US10418873B2; CN105048754B; CN105048754A; DE102015106451A1; JP2015211587A

Description

本発明は、ブラシレスモータに関する。

従来、様々な装置や製品の駆動源としてモータが用いられている。例えば、プリンタや複写機等の事務機器、様々な家電製品、自動車や電動自転車等の車両のアシストを含めた動力源の用途で採用されている。特に、動作頻度の高い可動部品の駆動源として、耐久性や電気ノイズの観点からブラシレスモータが使われる場合がある。

ブラシレスモータの一種として、インナーロータタイプが知られている。ロータの周囲にはステータが配置されており、ステータに設けられた複数のステータ歯にそれぞれコイルが巻かれている。複数のステータ歯のそれぞれにコイルを巻く方法は種々考案されているが、例えば、コイルがデルタ結線やスター結線されている同期機が開示されている（特許文献１参照）。

特表２０１２−５１７２０９号公報

上述の同期機の一つには、連続した結線によりデルタ結線を実現したものがあるが、同相の離れたステータ歯にコイルを渡す渡り線の数が多く、渡り線を配置するスペースやバスバー等の代替部品が必要となる。また、渡り線は、ステータの磁力の発生に寄与しないため、可能な限り減らすことが望ましい。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ステータにおけるコイルの工夫によって小型で高トルクなブラシレスモータを実現する技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様のブラシレスモータは、環状のステータコアと、ステータコアの内周側に、周方向に順に設けられている第１〜第１２のティースと、を有するステータと、第１〜第１２のティースにそれぞれ巻き回され、デルタ結線された第１〜第１２のコイルと、ステータの中心部に設けられているロータと、を備える。第１〜第１２のコイルは、第１２、第１、第６および第７のコイルが直列接続されたＷ相を構成し、第８、第９、第２および第３のコイルが直列接続されたＵ相を構成し、第４、第５、第１０および第１１のコイルが直列接続されたＶ相を構成し、ティースにおける配置において隣接する異相のコイルは互いに巻き回し方向が同じであり、隣接する同相のコイルは互いに巻き回し方向が逆向きである。Ｗ相は、第１のコイルと第６のコイルとを結ぶ第１の渡り線を有している。Ｕ相は、第９のコイルと第２のコイルとを結ぶ第２の渡り線を有している。Ｖ相は、第５のコイルと第１０のコイルとを結ぶ第３の渡り線を有している。

この態様によると、離れたコイル同士を結ぶ渡り線を短くできる。また、Ｕ相の末線とＶ相の始線とが隣接するコイルから引き出され、あるいは、Ｖ相の末線とＷ相の始線とが隣接するコイルから引き出され、あるいは、Ｗ相の末線とＵ相の始線とが隣接するコイルから引き出されるため、コイルを各ティースに巻き回した後の始末線の処理が容易で結線も短くなる。そのため、磁力の発生に寄与しないコイルの量を減らすことができ、コイル抵抗を低減できるとともに、コイルの配置スペースも低減できる。

第１〜第３の渡り線は、互いに交差しないように配置されていてもよい。これにより、絶縁信頼性の向上が図られるとともに、モータの薄型化、小型化にも寄与する。

第１〜第３の渡り線は、ステータコアの軸方向両端面の一方の端面の外縁部に配置されていてもよい。第１の渡り線および第３の渡り線は、軸方向から見て一部が重畳するとともに、軸方向に異なる位置に配置されていてもよい。第２の渡り線は、軸方向から見て第３の渡り線の下方から第１の渡り線の上方に位置するように折り曲げ部を有してもよい。これにより、ステータを上方から見た場合に重畳している渡り線の本数は２本以下となり、モータの薄型化、小型化にも寄与する。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を部品、製造方法、システムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、小型で高トルクなブラシレスモータを実現できる。

第１の実施の形態に係るブラシレスモータの全体斜視図である。第１の実施の形態に係るブラシレスモータの側面図である。第１の実施の形態に係るブラシレスモータの分解斜視図である。ステータコアの上面図である。ステータの斜視図である。本実施の形態に係るステータのデルタ結線を模式的に示した図である。第２の実施の形態に係るステータのデルタ結線を模式的に示した図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。以下では、インナーロータタイプのブラシレスモータを例に説明する。

［第１の実施の形態］
（ブラシレスモータ）
図１は、第１の実施の形態に係るブラシレスモータの全体斜視図である。図２は、第１の実施の形態に係るブラシレスモータの側面図である。図３は、第１の実施の形態に係るブラシレスモータの分解斜視図である。

第１の実施の形態に係るブラシレスモータ（以下、「モータ」と称する場合がある。）１０は、マグネットを有する円柱状のロータ１２と、ロータ１２が配置される空間を中央部に有するステータ１４と、フロントベル１６と、ハウジング本体１８と、給電部１９と、を備える。

フロントベル１６は、板状の部材であり、中央に回転シャフト２０が貫通できるように孔１６ａが形成されているとともに、孔１６ａの近傍に軸受２２を保持する凹部１６ｂが形成されている。そして、フロントベル１６は、ロータ１２の回転シャフト２０の一部を軸受２２を介して支持する。また、ハウジング本体１８は、円筒状の部材であり、基部１８ａの中央に軸受（不図示）を保持する凹部１８ｂが形成されている。そして、ハウジング本体１８は、ロータ１２の回転シャフト２０の他部を軸受を介して支持する。第１の実施の形態では、フロントベル１６およびハウジング本体１８は、ロータ１２およびステータ１４を収容する収容部材を構成する。

（ステータ）
次に、ステータ１４の構造について説明する。図４は、ステータコアの上面図である。図５は、ステータ１４の斜視図である。なお、図４に示すステータコアの形状は概略であり細部を省略している。

ステータコア３６は、円筒状（環状）の部材であり、複数枚の板状のステータヨーク３８が積層されたものである。ステータヨーク３８の内周側には、周方向に順に設けられている１２本のティースＴ１〜Ｔ１２が中心に向かって形成されている。

各ティースＴ１〜Ｔ１２には、インシュレータ４０が取り付けられる。次に、ティースＴ１〜Ｔ１２ごとにインシュレータ４０の上から導体（銅線）を巻き付けて第１のコイルＣ１〜第１２のコイルＣ１２（図５参照）を形成する。そして、このような工程を経て完成したステータ１４の中央部にロータ１２を配置する。

図６は、本実施の形態に係るステータ１４のデルタ結線を模式的に示した図である。

図５、図６を参照してコイルの巻き回し状態について詳述する。なお、図６に示す結線構造は、ノズルタイプの巻線機で行った例である。また、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相が入れ替わっても本質的には同一である。以下では、第１２のコイルＣ１２から形成する場合について説明する。

図６に示すように、はじめにＷ相として、第１２のコイルＣ１２を反時計回り（ＣＣＷ）に形成し、第１のコイルＣ１を時計回り（ＣＷ）に形成し、第１の渡り線Ｆ１を経て第６のコイルＣ６を時計回りに形成し、第７のコイルＣ７を反時計回りに形成する。ここで、第１２のコイルＣ１２、第１のコイルＣ１、第６のコイルＣ６および第７のコイルＣ７は、この順で直列接続されたＷ相を構成している。

第７のコイルＣ７を形成後、引き続き第８のコイルＣ８を反時計回りに形成し、第９のコイルＣ９を時計回りに形成し、第２の渡り線Ｆ２を経て第２のコイルＣ２を時計回りに形成し、第３のコイルＣ３を反時計回りに形成する。ここで、第８のコイルＣ８、第９のコイルＣ９、第２のコイルＣ２および第３のコイルＣ３は、この順で直列接続されたＵ相を構成している。

第３のコイルＣ３を形成後、引き続き第４のコイルＣ４を反時計回りに形成し、第５のコイルＣ５を時計回りに形成し、第３の渡り線Ｆ３を経て第１０のコイルＣ１０を時計回りに形成し、第１１のコイルＣ１１を反時計回りに形成する。ここで、第４のコイルＣ４、第５のコイルＣ５、第１０のコイルＣ１０および第１１のコイルＣ１１は、この順で直列接続されたＶ相を構成している。その後、Ｗ相の始線Ｌ１と、Ｖ相の末線Ｌ２とを結線処理し、デルタ結線が形成される。

また、隣接する異相（Ｗ相とＵ相、Ｕ相とＶ相、Ｖ相とＷ相）のコイルは互いに巻き回し方向が同じであり、隣接する同相のコイルは互いに巻き回し方向が逆向きである。

このように、第１の実施の形態に係るステータ１４の第１のコイルＣ１〜第１２のコイルＣ１２は、巻き線機の連続した動作によりデルタ結線が実現されている。また、ステータ１４においては、離れたコイル同士を結ぶ渡り線を短くできる。また、Ｕ相の末線とＶ相の始線とが隣接するコイルの同じティース間から引き出され、あるいは、Ｖ相の末線とＷ相の始線とが隣接するコイルの同じティース間から引き出され、あるいは、Ｗ相の末線とＵ相の始線とが隣接するコイルの同じティース間から引き出されるため、コイルを各ティースに巻き回した後の始末線の処理が容易で結線も短くなる。そのため、磁力の発生に寄与しないコイルの量を減らすことができ、コイル抵抗を低減できるとともに、コイルの配置スペースも低減できる。つまり、ステータにおけるコイルの巻き方の工夫によって小型で高トルクなブラシレスモータを実現できる。

また、本実施の形態に係る第１の渡り線Ｆ１〜第３の渡り線Ｆ３は、互いに交差しないように配置されている。これにより、渡り線同士が接触することがなく、絶縁信頼性の向上が図られるとともに、モータの薄型化、小型化にも寄与する。より詳述すると、図５に示すように、第１〜第３の渡り線Ｆ１〜Ｆ３は、ステータコア３６の軸方向Ａｘの両端面の一方の端面のインシュレータの外縁部１４ａに円弧状に配置されている。第１の渡り線Ｆ１および第３の渡り線Ｆ３は、軸方向Ａｘから見て一部が重畳するとともに、軸方向に異なる位置に配置されている。そして、第２の渡り線Ｆ２は、軸方向から見て第３の渡り線Ｆ３の下方から第１の渡り線Ｆ１の上方に位置するように折り曲げ部Ｆ’を有している。これにより、ステータを上方から見た場合に重畳している渡り線の本数は２本以下となり。モータの薄型化、小型化にも寄与する。

なお、各インシュレータ４０の背面部（外周面）には、各渡り線の移動を制御するための係止部４０ａが形成されている。これにより、各渡り線を所望の位置で固定できる。特に、本実施の形態に係る第２の渡り線Ｆ２は、折り曲げ部Ｆ’の前後で２つの係止部４０ａにより異なる方向から支持されることで、テンションがかかった状態を実現できるため、所望の位置に強固に固定される。

［第２の実施の形態］
図７は、第２の実施の形態に係るステータのデルタ結線を模式的に示した図である。なお、図７に示す結線構造は、フライヤタイプの巻線機で行った例である。以下では、第１２のコイルＣ１２から形成する場合について説明する。また、第１の実施の形態と同様の構成については説明を適宜省略する。

図７に示すように、はじめにＷ相として、第１２のコイルＣ１２を反時計回り（ＣＣＷ）に形成し、第１のコイルＣ１を時計回り（ＣＷ）に形成し、ステータの一方の端面側（図７の上側）に形成された第１の渡り線Ｆ１’を経て第６のコイルＣ６を時計回りに形成し、第７のコイルＣ７を反時計回りに形成する。ここで、第１２のコイルＣ１２、第１のコイルＣ１、第６のコイルＣ６および第７のコイルＣ７は、この順で直列接続されたＷ相を構成している。

第７のコイルＣ７を形成後、引き続き第８のコイルＣ８を反時計回りに形成し、第９のコイルＣ９を時計回りに形成し、ステータの他方の端面側（図７の下側）に形成された第２の渡り線Ｆ２’を経て第２のコイルＣ２を時計回りに形成し、第３のコイルＣ３を反時計回りに形成する。ここで、第８のコイルＣ８、第９のコイルＣ９、第２のコイルＣ２および第３のコイルＣ３は、この順で直列接続されたＵ相を構成している。

第３のコイルＣ３を形成後、引き続き第４のコイルＣ４を反時計回りに形成し、第５のコイルＣ５を時計回りに形成し、ステータの一方の端面側から他方の端面側に向けて形成された第３の渡り線Ｆ３’を経て第１０のコイルＣ１０を時計回りに形成し、第１１のコイルＣ１１を反時計回りに形成する。ここで、第４のコイルＣ４、第５のコイルＣ５、第１０のコイルＣ１０および第１１のコイルＣ１１は、この順で直列接続されたＶ相を構成している。その後、Ｗ相の始線Ｌ１と、Ｖ相の末線Ｌ２とを結線処理し、デルタ結線が形成される。

このように、フライヤタイプの巻き線機を用いても第１の実施の形態と同様の作用効果が得られる。

上述のように、実施の形態に係るブラシレスモータは、モータ特性に寄与しない渡り線の数を少なく、また長さも短くできる。そのため、巻線（コイル）抵抗減少によりモータ効率が向上する。また、各相毎の巻回手順が同様である事から、各相の巻線抵抗値のばらつきが少なく、モータ性能の安定化に繋がる。また、渡り線の数をステータ両端面側の合計で２段以下にできるため、結線や渡り線を配置するためのスペースが小さくなり、モータ全体の薄型化にも寄与する。また、始末線処理の際の無駄な電線を必要とせずに連続した電線で全コイルを形成することができる。また、いずれの相であっても始線と末線とが同じ位置になるため、巻き回し後の結線処理が容易となる。また、巻き回し構造を工夫していることにより各ティースに巻き回されたコイルが緩むことがなく、電線ほぐれのない高品質のモータを実現できる。また、実施の形態に係るブラシレスモータは、バスバーや複雑な接続機構を必要とせずに所望の結線構造を実現できる。

以下に、本願発明を好適に用いることができるブラシレスモータの諸元について説明する。本実施の形態に係るブラシレスモータは、外径が３０〜１４０ｍｍ程度、好ましくは３５〜８５ｍｍ程度である。また、ステータの溝（ティース）の数は１２である。また、マグネットの数は１０または１４が好ましい。また、マグネットの主面の磁力は、８ＭＧＯｅ以上、好ましくは１０ＭＧＯｅ以上、より好ましくは３０ＭＧＯｅ以上である。また、ロータの直径は、２０〜７０ｍｍ程度が好ましい。

以上、本発明を上述の各実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の各実施の形態に限定されるものではなく、各実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて各実施の形態における組合せや処理の順番を適宜組み替えることや各種の設計変更等の変形を各実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうる。

Ｃ１第１のコイル、Ｆ１第１の渡り線、Ｔ１ティース、Ｃ２第２のコイル、Ｆ２第２の渡り線、Ｃ３第３のコイル、Ｆ３第３の渡り線、Ｃ４第４のコイル、Ｃ５第５のコイル、Ｃ６第６のコイル、Ｃ７第７のコイル、Ｃ８第８のコイル、Ｃ９第９のコイル、Ｃ１０第１０のコイル、Ｃ１１第１１のコイル、１２ロータ、Ｃ１２第１２のコイル、１４ステータ、１４ａ外縁部、３６ステータコア。

Claims

環状のステータコアと、前記ステータコアの内周側に、周方向に順に設けられている第１〜第１２のティースと、を有するステータと、
前記第１〜第１２のティースにそれぞれ巻き回され、デルタ結線された第１〜第１２のコイルと、
前記ステータの中央部に設けられているロータと、を備え、
前記第１〜第１２のコイルは、
前記第１２、第１、第６および第７のコイルがこの順で直列接続されたＷ相を構成し、
前記第８、第９、第２および第３のコイルがこの順で直列接続されたＵ相を構成し、
前記第４、第５、第１０および第１１のコイルがこの順で直列接続されたＶ相を構成し、
前記ティースにおける配置において隣接する異相のコイルは互いに巻き回し方向が同じであり、
隣接する同相のコイルは互いに巻き回し方向が逆向きであり、
前記Ｗ相は、前記第１２のコイルと前記第１のコイルとの間から前記第６のコイルと前記第７のコイルとの間に設けられ、前記第１のコイルと前記第６のコイルとを結ぶ第１の渡り線を有し、
前記Ｕ相は、前記第８のコイルと前記第９のコイルとの間から前記第２のコイルと前記第３のコイルとの間に設けられ、前記第９のコイルと前記第２のコイルとを結ぶ第２の渡り線を有し、
前記Ｖ相は、前記第４のコイルと前記第５のコイルとの間から前記第１０のコイルと前記第１１のコイルとの間に設けられ、前記第５のコイルと前記第１０のコイルとを結ぶ第３の渡り線を有し、
前記第１〜第３の渡り線は、前記ステータコアの軸方向の一方の端面側に配置されており、
前記Ｗ相の始線と前記Ｖ相の末線とが隣接するコイルの間から引き出され、前記ステータコアの軸方向の一方の端面側で結線されており、
前記Ｖ相の始線と前記Ｕ相の末線とが隣接するコイルの間から引き出され、前記ステータコアの軸方向の一方の端面側で結線されており、
前記Ｕ相の始線と前記Ｗ相の末線とが隣接するコイルの間から引き出され、前記ステータコアの軸方向の一方の端面側で結線されており、
前記第１〜第３の渡り線は、互いに交差しないように配置されており、かつ、前記ステータコアの軸方向両端面の一方の端面の外縁部に配置されており、
前記第１の渡り線および前記第３の渡り線は、軸方向から見て一部が重畳するとともに、軸方向に異なる位置に配置されており、
前記第２の渡り線は、軸方向から見て前記第３の渡り線の下方から前記第１の渡り線の上方に位置するように折り曲げ部を有し、
前記折り曲げ部は、前記第１のコイルと前記第１２のコイルとの間に設けられている、
ことを特徴とするブラシレスモータ。
前記第１〜第３の渡り線は、同一の第１の円周に沿って配置されており、
前記Ｗ相の始線と前記Ｖ相の末線、前記Ｖ相の始線と前記Ｕ相の末線、および、前記Ｕ相の始線と前記Ｗ相の末線は、前記第１の円周と直径が異なる第２の円周に沿って配置されてい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。
前記ステータコアは、環状部が一体的に繋がっている円筒状のコア（ただし、分割コアを除く）であり、
前記第１〜第１２のコイルおよび前記第１〜第３の渡り線（ただし、接点が設けられている渡り線を除く）は、連続した電線であることを特徴とする請求項１または２に記載のブラシレスモータ。