JP2006320051A - ブラシレスモータ - Google Patents

Abstract

【課題】気回路内にボルト孔を設けつつも、高トルク化を達成し得るブラシレスモータの巻線配置を提供する。
【解決手段】ステータ１は、セットボルト孔１７が形成された環状のヨーク部１３と、ヨーク部１３の内周側に突設されたティース１４と、ティース１４に巻装された３相のコイル１２とを備える。ステータ１の内側には、複数個のマグネット１６が取り付けられたロータ２が回転自在に配設される。基部にセットボルト孔１７が形成されたティース１４ａは、各相のティース群１４Ｕ,１４Ｖ,１４Ｗ中の中央以外の位置に配置される。ティース１４ａに巻装されたコイル１２は、基部にセットボルト孔１７のないティース１４ｂに巻装されたコイル１２よりもターン数が少ない。
【選択図】図１

Description

本発明は、ブラシレスモータの巻線に関し、特に、セットボルト孔や積層リベット孔のため、同相ティースの巻線ターン数を異なって設定する必要があるブラシレスモータの巻線配置に関する。

従来より、通常の集中巻のブラシレスモータでは、ロータ磁極数Ｐとステータスロット数Ｓの比が２：３のものが多く使用されている。例えば、電動パワーステアリング装置用のモータでは、８極１２スロット（以下、磁極数とスロット数については８Ｐ１２Ｓのように略記する）のものが比較的多く使用されている。ブラシレスモータではＰとＳとの関係がコギングトルクに大きな影響を与えることが知られており、一般に、ＰとＳの最小公倍数が大きい程コギングトルクが小さくなる傾向がある。

一方、近年、ブラシレスモータには更なる高トルク化が求められており、その観点から、８Ｐ１２Ｓのモータに比して最小公倍数が大きく、しかも、巻線係数が大きく高トルク化に適したブラシレスモータが検討されている。例えば、特開2000-253602号公報（特許文献１）には、高出力トルクを目指した８Ｐ９Ｓのブラシレスモータが示されており、電動パワーステアリング装置などにも、８Ｐ９Ｓやその倍数のモータの使用が検討されている。

また、ブラシレスモータに対しては、更なる高トルク化や小型化が求められる一方、モータ外形を円形とする要求も多く見られる。このため、モータ外径を小さくしたり、多極化を図るべくロータ外径を大きくしたりすると、特開平11-275781号公報（特許文献２）に示されているように、ステータ固定用のセットボルト孔を磁気回路内に設ける必要が生じる場合がある。図５は、ステータ固定用のセットボルト孔を磁気回路内に設けたブラシレスモータのステータ構成を示す説明図である。図５のステータ５１ではセットボルト孔５２が３箇所形成されており、各孔５２はステータ５１の磁気回路内に配置される。セットボルト孔５２に隣接するティース５３ａは、ボルト孔形成のため、他のティース５３ｂとは異なる形状となっている。
特開2000-253602号公報 特開平11-275781号公報

ところが、ティース５３ａのように、その基部にセットボルト孔５２が設けられたティースでは、磁気回路の断面積がセットボルト孔の分だけ減少する。このため、セットボルト孔のある部分は磁束が通りにくくなり、その分、起磁力が低下し出力トルクが減少する。また、ティース５３ａでは、隣接するスロット５４ａの断面積が、ティース５３ｂ間のスロット５４ｂに比して小さくなる。このため、スロット５４ａのコイルターン数がスロット５４ｂのコイルターン数よりも少なくなり、ターン数の少ないティースが同相内に形成される。ターン数の少ないティースでは起磁力の低下は免れず、その分、出力トルクも減少する。

一方、８Ｐ９Ｓのモータは、前述のように高トルク化に適しているものの、図５からも分かるように、同相の巻線と磁極との間にズレが生じる。このため、各相の起磁力ベクトルは、図６に示すように、各巻線分の合成ベクトルとなる。図６は合成起磁力ベクトルを示す説明図であり、(a)はセットボルト孔のないステータ構成の場合、(b)は図５のようにステータ５１にセットボルト孔５２を形成した場合をそれぞれ示している。ここで、図６の(a)と(b)を比較すると、セットボルト孔５２を設けたものは、孔のないものに比して合成起磁力ベクトルが小さくなる。従って、その分、出力トルクも小さくなり、装置の小型化や外径の円形化を図ると、トルクの低下は避けられない。しかしながら、かかる条件下においても可能な限り高トルク化の要請を満たす必要があり、このような相反する要求を満足し得る対策が求められていた。

本発明の目的は、磁気回路内にボルト孔を設けつつも、高トルク化を達成し得るブラシレスモータの巻線配置を提供することにある。

本発明のブラシレスモータは、環状に形成されたヨーク部と、前記ヨーク部に周方向に沿って所定間隔で形成されたティースと、前記ティースに巻装された複数相のコイルとを備えてなるステータと、前記ステータの外周又は内周に回転自在に配設され、複数個の永久磁石が周方向に沿って取り付けられたロータとを有してなるブラシレスモータであって、前記ヨーク部は前記ティースの基部に前記ステータ固定用の孔を有し、前記孔がその基部に形成された前記ティースは、隣接して配置された同相に属する複数個の前記ティースによって形成されるティース群中の中央以外の位置に配置されることを特徴とする。

本発明にあっては、基部にステータ固定用の孔を有するティースを同相ティース群中の中央以外の位置に配置したので、ステータ固定用孔によってスロット断面積が小さくなりターン数が少なくなるコイルが同相ティース群中の中央以外の位置に配される。このため、起磁力ベクトルの小さいコイルを中央から外し、ターン数を所定数確保でき起磁力ベクトルの大きいコイルを中央に配置できる。従って、基部に孔を有するティースを同相ティース群中の中央に配置した場合に比して、各相の合成起磁力ベクトルが大きくなり、より大きなトルクを得ることが可能となる。

前記ブラシレスモータにおいて、その基部に前記孔を有さない前記ティースにおける前記コイルのターン数を、前記孔がその基部に形成された前記ティースにおける前記コイルのターン数よりも多くしても良い。

前記ブラシレスモータにおいて、前記永久磁石の極数と前記ティース間に形成されるスロットの数との関係を、８極９スロットの整数倍や１０極９スロットの整数倍に設定しても良い。

本発明のブラシレスモータによれば、ステータのティースの基部にステータ固定用の孔を有するブラシレスモータにて、ステータ固定用孔がその基部に形成されたティースを、隣接して配置された同相に属する複数個のティースによって形成されるティース群中の中央以外の位置に配置したので、ステータ固定用孔によってスロット断面積が小さくなりターン数が少なくなるコイルが同相ティース群中の中央以外の位置に配することができる。このため、起磁力ベクトルが小さいコイルが中央から外され、ターン数を所定数確保でき起磁力ベクトルの大きいベクトルが中央に配置されるので、基部に孔を有するティースを同相ティース群中の中央に配置した場合に比して、各相の合成起磁力ベクトルを大きくすることができ、ステータに孔が形成されたブラシレスモータであっても、より大きなトルクを得ることが可能となる。

また、基部に孔のないティースのコイルターン数を、基部に孔のあるティースのコイルターン数よりも多くすることにより、起磁力に制限を受けるティースを同相の中央でない位置に配置すると共にそのターン数を減らし、その他のティースにその分多く巻線が施され、基部に孔を有するティースを同相ティース群中の中央に配置した場合に比して、各相の合成起磁力ベクトルを大きくすることができ、ステータに孔が形成されたブラシレスモータであっても、より大きなトルクを得ることが可能となる。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１である８Ｐ９Ｓのブラシレスモータの構成を示す断面図である。図１のブラシレスモータは、いわゆるインナーロータ型の構成となっており、ステータ１の内側にロータ２が回転自在に配置されている。ステータ１はハウジング３内に固定されており、ロータ２はロータコア４を介してシャフト５に固定されている。

ステータ１は、環状の鋼板を積層して形成したステータコア１１と、ステータコア１１に巻装されたコイル１２とから構成されている。ステータコア１１には、環状に形成されたヨーク部１３と、ヨーク部１３から径方向内側に突設されたティース１４とが設けられている。ティース１４は、ヨーク部１３に周方向に沿って一定間隔（４０°ピッチ）で９個形成されている。ティース１４には、図示しない駆動回路と接続されたコイル１２が巻装されている。各ティース１４に巻回されたコイル１２は、隣接するティース１４間に形成されたスロット１５内に収容される。コイル１２は隣接する３個ずつが１組となってＵ,Ｖ,Ｗの３相（複数相）の巻線を形成している（U1〜U3,V1〜V3,W1〜W3）。ティース１４もこれに対応して隣接する３個ずつが１組となって各相のティース群１４Ｕ,１４Ｖ,１４Ｗを形成している。

ロータ２には８個（複数個）のマグネット（永久磁石）１６が周方向に沿って取り付けられ、８極構成となっている。マグネット１６の外周はティース１４の内周面と若干の間隙を空けて対向している。ロータ２の回転位置は、ハウジング３内に配設された図示しないホールセンサによって検出される。ホールセンサはマグネット１６の磁極の変化に伴って信号を出力し、この検出信号に基づいてコイル１２への電流が適宜切り替えられる。これにより、各相のコイル１２が順に励磁されロータ２が回転駆動される。

ステータコア１１のヨーク部１３には、セットボルト孔１７が３個形成されている。セットボルト孔１７には図示しないセットボルトが挿通される。これにより、ステータコア１１の鋼板が積層固定されると共に、ハウジング３内にステータコア１１が固定される。ここで、ティース１４のうち、セットボルト孔１７がその基部に形成されたもの（１４ａ）は、孔周囲の肉厚を確保するため基部がテーパ状になっている。このため、ティース１４ａの両側のスロット１５ａは、他のスロット１５ｂよりも断面積が小さい。従って、ティース１４ａに巻装されるコイル１２ａは、セットボルト孔１７がその基部に形成されていないティース１４ｂに巻装されるコイル１２ｂに比して、そのターン数が少なくなる。この場合、コイル１２ｂのターン数はコイル１２ａのそれよりも多くなるが、コイル１２ａのターン数を断面積減少分よりも多く減らし、その分、コイル１２ｂのターン数をより多くしても良い。

前述のように、コイルのターン数が少なくなると、その分、起磁力が低下しトルクも低下し、図５のようなステータ構成の場合、セットボルト孔がない場合に比して、図６に示すような起磁力低下が生じる。そこで、本発明者らは、セットボルト孔１７を設けざるを得ない状況下においても起磁力の低下を可能な限り抑えるべく検討を重ね、図１のようなステータ構成に至った。すなわち、従来のステータ構成（図５）では、基部にセットボルト孔が形成されたティースが各相のティース群の中心に配されているのに対し、本発明によるブラシレスモータでは、図１に示すように、ティース１４ａは同相のティース群１４Ｕ,１４Ｖ,１４Ｗ中の中央以外の位置に配置されている。

図２(a)は図１のステータ構成の場合の合成起磁力ベクトルを示す説明図、図２(b)は図５のステータ構成の場合の合成起磁力ベクトルを示す説明図である（図６(b)と同一）。なお、図２では起磁力ベクトルとしてＵ相を例にとって説明するが、他の相（Ｖ相,Ｗ相）もこれと同様である。図１に示すように、当該ブラシレスモータでは、ティース１４ａ(U1)がティース群１４Ｕの端部に配置されており、ターン数の少ないコイル１２ａが各相の端部に、ターン数を所定数確保できるコイル１２ｂが各相の中央に配される。このため、図２(a)に示すように、起磁力ベクトルU1〜U3は、中央及び図中左側のベクトルU2,U3が大きくなり、図中右側のベクトルU1が小さくなる。なお、コイル１２ａのターン数を断面積減少分よりも多く減らし、その分、コイル１２ｂのターン数をより多くすると、ベクトルU1がより小さくなるものの、ベクトルU2,U3がその分大きくなり、合成起磁力ベクトルをより大きくすることができる。

３個の起磁力ベクトルを合成するに際し、合成ベクトルの最終的な大きさに対しては、両側のベクトルよりも中央のベクトルの方が影響度が大きい。図１のブラシレスモータでは、ターン数の減少により小さくなったベクトルを中央から外し、合成ベクトルへの影響度の大きい中央位置に大きなベクトルを配置している。このため、図２(a)(b)を比較すれば明らかなように、図２(a)の合成起磁力ベクトルＵの大きさ（Ｌ_１）は図２(b)の場合（Ｌ_２）よりも大きくなる。従って、本発明のブラシレスモータによれば、図５のようなステータ構成のモータよりも大きなトルクを得ることが可能となる。

図２(a)(b)の差を明確にするため、ターン数の比が、U1:U2:U3=0:1:1のもの（図２(a)に相当）と、U1:U2:U3=1:0:1（図２(b)に相当）のものを形成して行った発明者らの実験では、前者の方が4.3％トルクが大きくなった。なお、実際のモータでは巻線を行わないターン数０のティースは形成しない。また、図２(a)の合成起磁力ベクトルＵは図中左方に傾いた形となっているが、ベクトル方向のズレは転流タイミングの制御により調整される。

次に、本発明の実施例２として、１６Ｐ１８Ｓのブラシレスモータに本発明を適用した場合について説明する。図３は本発明の実施例２であるブラシレスモータの構成を示す断面図である。なお、実施例１と同様の部材、部分については同一の符号を付し、その説明は省略する。

ここでは、図３に示すように、ティース群１４Ｕ₁,１４Ｖ₁,１４Ｗ₁中のティース１４ａが中央以外の位置に配置されている。ティース群１４Ｕ₂,１４Ｖ₂,１４Ｗ₂にはティース１４ａは含まれないため、全て同じティース１４ｂが配置される。この場合も、ターン数の比が、U1:U2:U3:U4:U5:U6=2:5:5:5:5:5のものと、U1:U2:U3:U4:U5:U6=5:2:5:5:5:5のものを形成して行った発明者らの実験では、前者の方が1.4％トルクが大きくなった。

本発明は前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
例えば、前述の実施例では、本発明を８Ｐ９Ｓ及び１６Ｐ１８Ｓのブラシレスモータに適用した例を示したが、他の８Ｐ９Ｓの倍数構造を有するブラシレスモータにも適用可能である。また、８Ｐ９Ｓの倍数構造のみならず、１０Ｐ９Ｓの倍数構造を有するブラシレスモータにも適用可能である。

なお、各相の巻線は、狭いスロット１５ａと広いスロット１５ｂの面積に応じて、適宜コイルの線径や線の種類（平角線や丸線）を変えても良い。また、例えば、１６Ｐ１８Ｓのブラシレスモータでは、各相の結線を、図４のように並列と直列を組み合わせて形成しても良い。

本発明の実施例１である８Ｐ９Ｓのブラシレスモータの構成を示す断面図である。 (a)は図１のステータ構成の場合の合成起磁力ベクトルを示す説明図、(b)は図５のステータ構成の場合の合成起磁力ベクトルを示す説明図である。 本発明の実施例２である１６Ｐ１８Ｓのブラシレスモータの構成を示す断面図である。 本発明を適用した１６Ｐ１８Ｓのブラシレスモータにおける１相の結線例を示す説明図である。 ステータ固定用のセットボルト孔を磁気回路内に設けたブラシレスモータのステータ構成を示す説明図である。 (a)はセットボルト孔のないステータ構成の場合の合成起磁力ベクトルを示す説明図、(b)は図５のようにステータにセットボルト孔を形成した場合の合成起磁力ベクトルを示す説明図である。

符号の説明

１ ステータ
２ ロータ
３ ハウジング
４ ロータコア
５ シャフト
１１ ステータコア
１２ コイル
１２ａ,１２ｂ コイル
１３ ヨーク部
１４ ティース
１４ａ,１４ｂ ティース
１４Ｕ,１４Ｖ,１４Ｗ ティース群
１４Ｕ₁,１４Ｖ₁,１４Ｗ₁ ティース群
１４Ｕ₂,１４Ｖ₂,１４Ｗ₂ ティース群
１５ スロット
１５ａ,１５ｂ スロット
１６ マグネット
１７ セットボルト孔
５１ ステータ
５２ セットボルト孔
５３ａ,５３ｂ ティース
５４ａ,５４ｂ スロット
Ｐ ロータ磁極数
Ｓ ステータスロット数
U1〜U3 起磁力ベクトル
Ｕ 合成起磁力ベクトル

Claims (4)

1. 環状に形成されたヨーク部と、前記ヨーク部に周方向に沿って所定間隔で形成されたティースと、前記ティースに巻装された複数相のコイルとを備えてなるステータと、前記ステータの外周又は内周に回転自在に配設され、複数個の永久磁石が周方向に沿って取り付けられたロータとを有してなるブラシレスモータであって、
   前記ヨーク部は、前記ティースの基部に前記ステータ固定用の孔を有し、
   前記孔がその基部に形成された前記ティースは、隣接して配置された同相に属する複数個の前記ティースによって形成されるティース群中の中央以外の位置に配置されることを特徴とするブラシレスモータ。
2. 請求項１記載のブラシレスモータにおいて、その基部に前記孔を有さない前記ティースにおける前記コイルのターン数は、前記孔がその基部に形成された前記ティースにおける前記コイルのターン数よりも多いことを特徴とするブラシレスモータ。
3. 請求項１又は２記載のブラシレスモータにおいて、前記永久磁石の極数と前記ティース間に形成されるスロットの数との関係が、８極９スロットの整数倍であることを特徴とするブラシレスモータ。
4. 請求項１又は２記載のブラシレスモータにおいて、前記永久磁石の極数と前記ティース間に形成されるスロットの数との関係が、１０極９スロットの整数倍であることを特徴とするブラシレスモータ。
   

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