JP6598628B2 - 電動モータ - Google Patents

Description

ロータ磁石とロータ磁石の周囲に配置されるコイルとを備える電動モータに関する。

従来の電動モータは、回転軸を中心に回転するロータ磁石と、軸方向が回転軸と一致するようにロータ磁石に接続される出力軸と、ロータ磁石の周囲に配置されるコイルとから構成され、コイルに流れる電流の向きを制御することによりロータ磁石および出力軸を回転させる。このような電動モータは各種の電動装置に用いられる。

例えば、三相ブラシレスモータは耐久性、静音声、制御性に優れるため、車載用モータをはじめ、様々な用途のモータに用いられる。
ここで、通常の電動モータでは、電流の供給を停止してもモータの出力軸は慣性によりある程度回転を続け、電流の供給を停止してもすぐには出力軸が停止しない。特に、三相ブラシレスモータは、三相の電流の位相のずれによりコイルで発生する磁界の位相がずれ、合計の磁界が０に近くなってコギングトルクが低減される。コギングトルクは、電流の供給を停止した際にロータ磁石の回転を停止する方向に作用するが、三相ブラシレスモータは一般的にコギングトルクが小さいため、出力軸の回転を停止させる方向に力が及ばない傾向がある。これに対して、車載用等の電動モータにおいて、電流の供給を停止することにより直ちに出力軸の回転を停止させたいとの要求がある。つまり、ドアやハッチバックドアにおいて、開閉中に電動モータへの電流の供給を停止させても、出力軸の回転が直ちに停止せずにドア等の開閉動作が継続し、特にハッチバックドアのドアを閉じている場合、ドアが途中で止まらずその自重によりドアが閉じてしまう。

特開平４−１９７０７０号公報

本発明の電動モータは、電流の供給を停止する際に迅速にモータの出力軸の回転を停止させることを目的とする。

本発明の電動モータは、異なる磁極が交互に形成されるロータ磁石と、前記ロータ磁石に保持される出力軸と、前記ロータ磁石の周面と向かい合うように前記ロータ磁石を囲んで形成されて複数のスロットを備える駆動用ステータと、前記駆動用ステータの前記スロットに設けられるコイルと、前記ロータ磁石の周面と向かい合うように前記ロータ磁石を囲んで形成されて１または複数のティースを備える制動用ステータとを有し、駆動用ステータと制動用ステータとは、出力軸の軸心方向において相対向するとともに、ロータ磁石の径方向における外側に配置されていることを特徴とする。

以上のように、ロータ磁石を制動させるための制動用ステータを設けることにより、電流の供給を停止した際に迅速にモータの出力軸の回転を停止することができる。

本発明の電動モータの構成を例示する断面斜視図 本発明の電動モータの要部構成を例示する斜視図 本発明の電動モータの構成を例示する断面図 実施の形態２におけるティースの構成例を示す図 実施の形態２におけるティースの構成例を示す図 実施の形態２におけるティースの構成例を示す図 実施の形態２におけるティースの構成例を示す図 ティースの幅が広い場合のティースと磁極の状態を示す図 ティースによりロータ磁石が停止する様子を説明する図 ティースの幅と制動力との関係を示す図 実施の形態３における駆動用ステータと制動用ステータとの配置関係を説明する図 実施の形態３における各ティースのスロットとのずれを説明する図 実施の形態３におけるトルク差を示す図 実施の形態３における回転数に対するトルク差の変化をずらし角度ごとに示す図

本発明の電動モータは、周囲に逆磁極の磁極が交互に形成された円筒形のロータ磁石と、ロータ磁石の両底面の中心を結ぶ線と軸心方向が一致するようにロータ磁石に接続される出力軸と、ロータ磁石の周囲に形成されて複数のコイルが巻き付けられる駆動用ステータと、ロータ磁石の周囲に形成されるティースを備える制動用ステータとを少なくとも備える構成である。ロータ磁石は、出力軸と一致する回転軸を中心に回転可能に保持され、ロータ磁石の回転に伴って出力軸は軸心方向を中心に回転する。駆動用ステータはロータ磁石の方向に突出する複数のステータコアを備え、各ステータコアにコイルが巻き付けられる。各コイルは電流を流す方向が制御され、各コイルに発生する磁極とロータ磁石に形成される磁極の吸引力および反発力によりロータ磁石は回転し、出力軸が回転する。制動用ステータのティースはロータ磁石の方向に突出し、磁性を有することが特徴である。制動用ステータがない場合、コイルに供給される電流の供給が停止してもロータ磁石は慣性によりしばらくは回転を続けるが、制動用ステータを有することにより、ロータ磁石の磁極がティースを吸引してロータ磁石の回転を制動し、出力軸の回転を制動する力が働き、電流の供給を停止する際に迅速にモータの出力軸の回転を停止することができる。

なお、本発明の電動モータは三相モータに限らず相の数は任意であるが、三相モータの場合、コギングトルクが小さいので慣性によりロータ磁石の回転が容易に停止せず制動用ステータを設けることはより効果的である。また、三相モータの極およびスロットの数も任意である。また、本発明の電動モータはブラシレスモータでもブラシ付きモータでもかまわない。また、ティースの数や配置位置、形状についても任意であり、ティースは磁性を有する材料であれば材料も任意である。

以下、８極６スロットの三相ブラシレスモータを例に本発明の電動モータの各実施の形態について図面を用いて説明する。
（実施の形態１）
図１は本発明の電動モータの構成を例示する断面斜視図である。図２は本発明の電動モータの要部構成を例示する斜視図であり、透視的に制動用ステータを図示している。図３は本発明の電動モータの構成を例示する断面図であり、電動モータの縦断面と制動用ステータのＡ−Ａ’断面および駆動用ステータのＢ−Ｂ’断面を図示している。

図１〜図３に示すように、本発明の電動モータの本実施の形態における三相ブラシレスモータ５は、制動用ステータ１、駆動用ステータ２、ロータ磁石３、出力軸４を備える。ロータ磁石３は２つの底面が円形の円筒形状である。出力軸４はロータ磁石３の２つの円形の底面の中心を通るようにロータ磁石３に配設され、ロータ磁石３と共に回転するようにロータ磁石３に固定されている。ロータ磁石３は２つの底面の中心を通る線を回転軸として回転し、出力軸４は回転軸と一致する方向に配設される。ロータ磁石３はその外周部分に磁極が形成され、磁極はＮ極、Ｓ極、Ｎ極・・・のように、隣接する磁極が互いに逆磁極になるように８つ形成される。ここでは、磁極が８極である８極６スロットの三相ブラシレスモータ５を例に説明するが、電動モータの磁極は４極でも良く、電動モータの構成に応じて極数は任意である。駆動用ステータ２はロータ磁石３の側面を囲うように配設される。駆動用ステータ２はロータ磁石３の方向である内側に突出するスロット６を備え、スロット６はコイル７が巻き付けられる。８極６スロットの三相ブラシレスモータ５では、スロット６は６つ設けられるが、スロット６の数は電動モータの構成に応じて任意である。スロット６は、ロータ磁石３に近い側である先端が突出する断面がＴ字型であっても良いし、突出する部分がない構成でも良い。コイル７はスロット６に線材を巻きつけて形成しても良いし、突出する部分がない場合、コイル７をスロット６にはめ込んで形成しても良い。制動用ステータ１は、ロータ磁石３の側面の一部の周囲にロータ磁石３の側面を囲んで配設される。例えば、制動用ステータ１は駆動用ステータ２と平行に配設される。制動用ステータ１は、ロータ磁石３の方向に突出し、磁性を有する１または複数のティース１０を備える。制動用ステータ１は全体が磁性を有する材料の磁性体で形成されても良いが、少なくともティース１０全体、あるいはティース１０のロータ磁石３の方向の先端部分が磁性体で形成されていれば良い。磁性体としては、例えば、ケイ素鋼や鉄系材料等の電磁鋼を用いることができる。なお、制動用ステータ１および駆動用ステータ２は三相ブラシレスモータ５内で固定され、ロータ磁石３は回転軸を中心に回転可能に保持されている。さらに、三相ブラシレスモータ５では、ロータ磁石３の回転位置を検出するセンサを備え、コイル７に通電する電流の量と向きとを制御する制御基板８が設けられる。制御基板８は端子９を介して各コイル７の両端に接続される。制御基板８の配置位置は任意である。電動モータがブラシレスモータでない場合は必ずしも制御基板８は必要ではなく、別途ブラシ等を設けても良い。

以上のような構成の三相ブラシレスモータ５は、６つのコイル７に通電する電流の向きを調整することにより、コイル７に発生する磁極とロータ磁石３の８極の磁極との作用により、ロータ磁石３を回転させて出力軸４を回転させる。そして、コイル７への通電を停止する際には、従来の三相ブラシレスモータではコギングトルクが小さく、ロータ磁石３を制動する力が働きにくいところ、本実施の形態における三相ブラシレスモータ５は、制動用ステータ１を設けることによりロータ磁石３に制動力が働き、迅速にモータの出力軸４の回転を停止することができる。すなわち、制動用ステータ１のティース１０は磁性を有するため、ロータ磁石３の磁極がティース１０を吸引する力が生じる。コイル７に電流が通電されている場合、コイル７に生じる磁界とロータ磁石３の磁極との間に生じる吸引力または反発力がロータ磁石３の磁極がティース１０を吸引する力を凌駕し、ロータ磁石３は回転する。そして、コイル７への通電が停止すると、コイル７に生じる磁界とロータ磁石３の磁極との間に生じる吸引力と反発力がなくなり、ロータ磁石３の磁極がティース１０を吸引する力のみが残り、ロータ磁石３の磁極がティース１０を吸引する力によりロータ磁石３が制動されるため、慣性に抗して迅速にモータの出力軸４の回転を停止することができる。ここで、ティース１０は１枚でもロータ磁石３に対する制動力が働くが、複数枚あることにより制動力は大きくなる。さらに、制動力の大きさという点ではロータ磁石３の磁極の数と同数のティース１０を設けることが好ましく、ロータ磁石３の磁極の配置に対応する位置、すなわち、全ての磁極とティース１０とが向かい合う位置にティース１０を設けることが好ましい。ロータ磁石３の磁極の配置に対応する位置にティース１０を設けることにより、各ティース１０が最短距離で磁極と向かい合うことができるため、各ティース１０においてロータ磁石３の磁極とティース１０との吸引力を最大にし、ロータ磁石３に対する制動力を大きくすることができる。詳細には、ロータ磁石３の底面の中心から見た隣接する磁極に向かう２つの線の成す角度である角度間隔が各磁極で同じになるように磁極を形成し、同じ角度間隔でティース１０を配置することにより、磁極とティース１０が対応する位置に配置される。本実施の形態における三相ブラシレスモータ５の場合は、ロータ磁石３が８極なのでティース１０を８箇所に設けることが好ましく、その角度間隔を同じにしてその配置位置を磁極の位置に対応させることが好ましい。
（実施の形態２）
次に、実施の形態２としてティースの構成例について、図３〜図１０を用いて説明する。

図４〜図７は実施の形態２におけるティースの構成例を示す図、図８はティースの幅が広い場合のティースと磁極の状態を示す図、図９はティースによりロータ磁石が停止する様子を説明する図、図１０はティースの幅と制動力との関係を示す図である。

ティースによるロータ磁石３の制動力は、ティースの幅、厚み、ティースとロータ磁石３との隙間の大きさを調整して、ロータ磁石３の磁極がティースに及ぼす吸引力を調整することにより最適化できる。ティースとロータ磁石３との隙間の大きさは、小さい方が吸引力は大きくなるため、コイル７に電流が通電している時のロータ磁石３の回転への影響を考慮して決定される。

ティースの厚みは厚い方が、ロータ磁石３の磁極とティースとが向かい合う面積が大きくなり、ティースによるロータ磁石３の制動力が大きくなる。そのため、ティースの厚みは、コイル７に電流が通電している時のロータ磁石３の回転への影響を考慮して決定される。ティースの厚みを調整する場合、制動用ステータ１１の厚み自体を調整することによりティース１２の厚みｔを調整することができる。また、制動用ステータ１１は、図４に示すように、薄い制動用ステータ１１ａを複数枚積層することにより、所望の厚みの制動用ステータ１１とすることもできる。この場合、ティース１２の厚みｔを積層する薄い制動用ステータ１１ａの枚数で容易に調整することができる。また、図５に示すように、制動用ステータ１３のティース１４のロータ磁石３と向かい合う先端部分のみの厚みｔを調整することによりロータ磁石３の制動力を調整することもできる。例えば、薄板状の制動用ステータ１３およびティース１４において、ティース１４の先端を折り曲げる構成で、ティース１４の先端のロータ磁石３と向き合う部分の面積を調整する。この場合、ティース１４を折り曲げる位置でティース１４とロータ磁石３との間隔およびティース１４の先端のロータ磁石３と向き合う部分の面積を調整することができる。そのため、それらに応じてティース１４の長さをあらかじめ決定する。このようにティース１４の先端部分のみでロータ磁石３と向かい合う部分の面積を調整することにより、ティースによるロータ磁石３の制動力を最適化することができると共に、制動用ステータ１３の軽量化及び材料コストの低減を図ることができる。

また、図３〜図５に示すティースの形状は、図６に示すように、各ティース１５に１または複数のスリット１６が設けられ、複数の部分から構成されても良い。また、図３〜図６に示すティースの形状は、図７に示すように、各ティース１７のロータ磁石３と向かい合う部分の角部１８をＲ形状にしても良い。

ティースの幅ｗについては、大きい方がロータ磁石３の磁極の影響を受けやすくなる。しかし、ロータ磁石３には複数の磁極が形成されているため、ティースの幅ｗが大きすぎるとロータ磁石３の回転方向に隣接する磁極の影響により、回転を促進する吸引力の影響が大きくなり、回転を制動する吸引力の影響が減殺され、回転を停止させ難くなる。つまり、図３に示すティース１０を例に図８を用いて説明すると、ティース１０の幅が大きすぎる場合、ティース１０にＮ極から吸引力ＰＮが働きロータ磁石３に制動力が働いたとしても、ロータ磁石３の回転方向に隣接するＳ極もティース１０に吸引力ＰＳを及ぼし、ロータ磁石３の回転を維持する方向の力が働いてしまう。そのため、ロータ磁石３を制動する力が阻害される。逆にティースの幅ｗが狭すぎると、ロータ磁石３の磁極からの吸引力が小さくなり、ロータ磁石３を制動する力が弱くなる。そのためティースの幅ｗを適切な長さにする必要がある。図９に示すように、ティース１０の幅ｗが適切であると、ティース１０がＮ極とＳ極との中間付近に位置する場合、Ｎ極とＳ極とがティース１０に及ぼす吸引力Ｐは同等であり、ロータ磁石３は回転しているためロータ磁石３は矢印の方向に回転を続ける。次に、Ｓ極がティース１０と向かい合う位置になるようにロータ磁石３が回転した状態で、Ｓ極がティース１０に及ぼす吸引力ＰＳは隣り合うＮ極がティース１０に及ぼす吸引力ＰＮより大きくなり、十分な制動力がロータ磁石３に働く。このように、隣り合う磁極からの吸引力に十分に差が出るようにティース１０の幅ｗを設定することが好ましい。

ティースの幅ｗは、磁極間距離の１０％以上５０％以下とすることが好ましく、磁極間距離の２０％以上４０％以下とすることがより好ましい。例えば、図１０は、ロータ磁石３の底面の直径が１２ｍｍで磁極間距離が５．０ｍｍ、ロータ磁石３とティース１０との間隔が０．５ｍｍ、ティース１０の厚みｈが４ｍｍの三相ブラシレスモータ５で、ティース１０の幅ｗを変化させた場合の制動力である磁極とティース１０との吸引力をシミュレーションした結果である。図１０からわかるように、ティース１０の幅ｗは、磁極間距離の３０％である１．５ｍｍで制動力が最も大きくなることがわかる。

なお、ティースの長さｈは任意であり、ティースとロータ磁石３との間隔を制御できれば良い。例えば、ティースの長さｈを長くするほど制動用ステータ１の本体部分の幅を小さくでき、制動用ステータ１の強度を確保できる範囲でティースの長さｈを長くすることにより、制動用ステータ１の軽量化を図ることができる。
（実施の形態３）
次に、実施の形態３における電動モータについて、図３，図１１〜図１４を用いて説明する。

図１１は実施の形態３における駆動用ステータと制動用ステータとの配置関係を説明する図、図１２は実施の形態３における各ティースのスロットとのずれを説明する図、図１３は実施の形態３におけるトルク差を示す図、図１４は実施の形態３における回転数に対するトルク差の変化をずらし角度ごとに示す図である。

実施の形態３における電動モータは、駆動用ステータのスロットの中心位置と制動用ステータのティースの中心位置とがずれるように駆動用ステータと制動用ステータとを配置する。

本発明の電動モータでは制動用ステータを設けることにより、電動モータの制動力が向上する。その反面、制動力はコギングトルクを発生させることにより生じていると言い換えることもできるため、コギングトルクを抑制したい用途に電動モータを用いる場合は問題となることがある。特に、通常、駆動用ステータのスロットの数とロータ磁石の磁極の数は異なる。そのため、駆動用ステータのスロットの数と制動用ステータのティースの数は異なり、ロータ磁石の回転中に１つの磁極から見たスロットの位置とティースの位置とは、回転に伴い常に変化する。つまり、１つの磁極から最短のスロットまでの距離と最短のティースまでの距離の差は回転に伴い常に変化する。それにより、制動力を含めた見かけ上のコギングトルクは回転に伴い一定の振幅をもって変化する。また、このコギングトルクの振幅は、電動モータ回転数によっても変化する。

コギングトルクの振幅を抑制するために、本実施の形態の電動モータでは、実施の形態１，２における電動モータにおいて、駆動用ステータのスロットの中心位置と制動用ステータのティースの中心位置とがずれるように駆動用ステータと制動用ステータとを配置する。これにより、全てのティースがスロットとずれて配置され、駆動トルクの振幅と制動トルクの振幅を一致しない状態にすることができる為、コギングトルクの振幅を低減することができる。ずらす角度αは、隣り合うスロット間の角度と隣り合うティース間の角度との振幅の半分にすることにより、もっともコギングトルクの差を小さくすることができる。

図３に示す８極６スロットの三相ブラシレスモータを例に、本実施の形態の駆動用ステータと制動用ステータとの配置例について図１１〜図１３を用いて説明する。
図１１に示すように、駆動用ステータ２は６つのスロットを有するため、隣り合うスロットの中心線１９が成す角度はいずれも６０°である。制動用ステータ１は８つのティースを有するため、隣り合うティースの中心線２０が成す角度はいずれも４５°である。そのため、あるスロット６ａの中心線１９に対してあるティース１０ａの中心線２０を、ずらす角度α＝（６０−４５）／２＝７．５°ずらすように駆動用ステータ２と制動用ステータ１とを配置する。これにより、図１２に示すように、ずらさずに配置した場合に各ティース１０における最も近接するスロット６との成す角度は、０°−１５°−３０°−１５°−０°−１５°−３０°−１５°とその最大角度差が３０°となるのに対し、７．５°ずらして配置した場合に各ティース１０における最も近接するスロット６との成す角度は、７．５°−２２．５°−２２．５°−７．５°−７．５°−２２．５°−２２．５°−７．５°とその最大角度差が１５°となり、７．５°ずらすことにより最大角度差が半減する。そのため、コギングトルクの振幅を小さくすることができる。

次に、実施の形態３における電動モータにおいて、回転数とコギングトルクの振幅との関係を駆動用ステータと制動用ステータとをずらす角度を変えてシミュレーションした結果について、図１３，図１４を用いて説明する。図１４において、ずらす角度は、０°、３．７５°、７．５°とした。まず、図１３に示すように、電動モータが一定の回転数、例えば３０００ｒｐｍで回転している時に、回転角度に応じてコギングトルクが変化する。ずらす角度が０°の時のトルク振幅を２１、ずらす角度が７．５°の時のトルク振幅を２２とすると、トルク振幅２２の方がトルク振幅２１より小さくなる。そして、ずらす角度が０°、３．７５°、７．５°で比較すると、図１４に示すように、７．５°ずらした場合が、最もコギングトルクの振幅が小さくなることが分かる。

なお、８極６スロットの三相ブラシレスモータに限らず、任意の極数、任意のスロット数の場合でも、隣り合うスロット間の角度と隣り合うティース間の角度との差の約半分にすることにより、もっとも最大角度差を小さくすることができ、コギングトルクの振幅を小さくすることができる。例えば、４極６スロットの場合、（９０°−６０°）／２＝１５°ずらすことにより、最もコギングトルクの振幅を小さくすることができる。

１ 制動用ステータ
２ 駆動用ステータ
３ ロータ磁石
４ 出力軸
５ 三相ブラシレスモータ
６ スロット
６ａ スロット
７ コイル
８ 制御基板
９ 端子
１０ ティース
１０ａ ティース
１１ 制動用ステータ
１１ａ 制動用ステータ
１２ ティース
１３ 制動用ステータ
１４ ティース
１５ ティース
１６ スリット
１７ ティース
１８ 角部
１９ 中心線
２０ 中心線
２１ トルク振幅
２２ トルク振幅

Claims (9)

1. 異なる磁極が交互に形成されるロータ磁石と、
   前記ロータ磁石に保持される出力軸と、
   前記ロータ磁石の周面と向かい合うように前記ロータ磁石を囲んで形成されて複数のスロットを備える駆動用ステータと、
   前記駆動用ステータの前記スロットに設けられるコイルと、
   前記ロータ磁石の周面と向かい合うように前記ロータ磁石を囲んで形成されて１または複数のティースを備える制動用ステータと
   を有し、
   駆動用ステータと制動用ステータとは、出力軸の軸心方向において相対向するとともに、ロータ磁石の径方向における外側に配置されていることを特徴とする電動モータ。
2. 前記ティースが前記磁極と同じ数だけ設けられることを特徴とする請求項１記載の電動モータ。
3. 前記磁極が配置される角度間隔と同じ角度間隔で前記ティースが配置されることを特徴とする請求項２記載の電動モータ。
4. スロットとティースの個数が異なっており、
   １つの前記スロットと１つの前記ティースにおいて、前記スロットと前記ティースとがあらかじめ定めた間隔でずれるように前記駆動用ステータと前記制動用ステータとが配置されており、全ての前記スロットと全ての前記ティースとの配置位置がずれており、
   出力軸の周方向において隣り合うスロットの中心線が成す角度をＡ°とし、出力軸の周方向において隣り合うティースの中心線が成す角度をＢ°とすると、（Ａ°−Ｂ°）／２に相当する角度だけ、あるティースの中心線があるスロットの中心線に対してずれるように、駆動用ステータと制動用ステータとを配置することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の電動モータ。
5. 前記ティースの先端部分の厚みは前記制動用ステータの他の部分の厚みより厚いことを
   特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の電動モータ。
6. 前記制動用ステータは前記ティースを有する複数枚のステータが積層される構成である
   ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の電動モータ。
7. 前記ティースはスリットを備えることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項
   に記載の電動モータ。
8. 三相ブラシレスモータであることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１項に記
   載の電動モータ。
9. 前記三相ブラシレスモータが８極６スロットの前記三相ブラシレスモータであることを
   特徴とする請求項８記載の電動モータ。

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