以下に説明する各実施形態及び変形例は、本開示の一例に過ぎず、本開示は、各実施形態及び変形例に限定されない。これらの実施形態及び変形例以外であっても、本開示に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能である。また、下記の実施形態において説明する各図は、模式的な図であり、図中の各構成要素の大きさ及び厚さそれぞれの比が必ずしも実際の寸法比を反映しているとは限らない。図2Aに示す「上」、「下」の矢印で示す通りに各方向を規定する。ただし、これらの方向はブラシレスモータ1の方向を規定する趣旨ではない。また、図面中の各方向を示す矢印は説明のために表記しているに過ぎず、実体を伴わない。
(実施形態1)
以下、本実施形態に係る機器10について、図1~図8を用いて説明する。
(1)概要
本実施形態に係る機器10は、一例として、電動工具100である。電動工具100は、図1に示すように、ブラシレスモータ1と、ブラシレスモータ1を収容するハウジング11と、を備える。また、図1に示すように、電動工具100は、電源101と、駆動伝達部102と、出力部103と、チャック104と、先端工具105と、トリガボリューム106と、制御回路107と、を更に備える。すなわち、電動工具100は、先端工具105をブラシレスモータ1の駆動力で駆動する工具である。
ブラシレスモータ1は、先端工具105を駆動する駆動源である。電源101は、ブラシレスモータ1を駆動する電流を供給する直流電源である。電源101は、例えば、1又は複数の2次電池を含む。駆動伝達部102は、ブラシレスモータ1の出力(駆動力)を調整して出力部103に出力する。出力部103は、駆動伝達部102から出力された駆動力で駆動(例えば回転)される。チャック104は、出力部103に固定されており、先端工具105が着脱自在に取り付けられる。先端工具105(ビット)は、例えば、ドライバ、ソケット又はドリルである。各種の先端工具105のうち用途に応じた先端工具105が、チャック104に取り付けられて用いられる。これにより、電動工具100の先端工具105は回転する。
トリガボリューム106は、ブラシレスモータ1の回転を制御するための操作を受け付ける。トリガボリューム106に対する操作により、ブラシレスモータ1のオンとオフが切替可能である。ブラシレスモータ1がオフ状態時に、トリガボリューム106が引き込まれることにより、ブラシレスモータ1の状態がオフ状態からオン状態に切り替えられる。ブラシレスモータ1がオン状態時に、トリガボリューム106に対する引き込み操作を止めることにより、ブラシレスモータ1の状態がオン状態からオフ状態に切り替えられる。また、トリガボリューム106を引き込む操作の操作量で、出力部103の回転速度、つまりブラシレスモータ1の回転速度が調整可能である。制御回路107は、トリガボリューム106に入力された操作に応じて、ブラシレスモータ1を回転又は停止させ、また、ブラシレスモータ1の回転速度を制御する。この電動工具100では、先端工具105がチャック104に取り付けられる。そして、トリガボリューム106への操作によってブラシレスモータ1の回転速度が制御されることで、先端工具105の回転速度が制御される。
なお、本実施形態の電動工具100はチャック104を備えることで、先端工具105が、用途に応じて交換可能であるが、先端工具105が交換可能である必要は無い。例えば、電動工具100は、特定の先端工具105のみ用いることができる電動工具であってもよい。
(2)構成
図2~6を参照して、ブラシレスモータ1の概要について説明する。ブラシレスモータ1は、一例として、6極9スロットの3相ブラシレスモータである。極とは、ロータ2の永久磁石21の極数を意味し、N極とS極とが一対で2極である。また、スロット数は、コイル32の数を意味している。3相モータとは、120度間隔で独立したコイルが3個あるモータのことである。
ブラシレスモータ1は、インナーロータ型のブラシレスDCモータである。ブラシレスモータ1は、図5に示すように、ロータ2と、ステータ3と、第1基板4と、インシュレータ5(コイル枠)と、第2基板6と、を備える。また、ブラシレスモータ1は、第1ベアリング14と、第2ベアリング16と、ファン15と、ハウジング11と、を更に備える。
ステータ3は、ステータ鉄心34と、ステータ鉄心34に巻かれた複数(図5では9つ)のコイル32と、を有している。ロータ2は、ステータ3に対して回転する。ステータ鉄心34に巻かれた複数のコイル32から発生する磁束により、ロータ2を回転させる電磁気力が発生する。ブラシレスモータ1は、ロータ2の回転力(駆動力)を駆動伝達部102へ伝達する。
ブラシレスモータ1の各要素について、図2~図6を用いて説明する。
(2-1)ハウジング
ハウジング11は、図2及び図3に示すように、ブラシレスモータ1を収容する外筒である。ハウジング11は、回転軸Cを中心とした円筒状である。ブラシレスモータ1を収容可能にするため、ハウジング11は分割可能に構成されている。ハウジング11は、図2に示すように、出力軸20の回転軸方向Xの一方側と他方側とに分割された第1筐体114及び第2筐体115を有する。つまり、本実施形態では、ハウジング11を上下方向に分割することができる。
ハウジング11の第1筐体114には、排気口12が設けられている。ハウジング11の第2筐体115には、吸気口13が設けられている。吸気口13は、ブラシレスモータ1のファン15の動作に従って、空冷するために外部から空気を吸気する孔である。排気口12は、吸気した空気を熱とともに排気する孔である。
図3にハウジング11の一部を示す。ハウジング11は、第1リブ111及び第2リブ112を備える。具体的には、ハウジング11の第1筐体114は、複数の第1リブ111を備え、ハウジング11の第2筐体115は、第2リブ112を備える。
第1リブ111は、ステータ鉄心34の凹部37と嵌合することで、回転軸方向Xにおいてステータ鉄心34を位置決めする。具体的には、複数の第1リブ111は、円筒状に形成された第1筐体114の内周面から、円周上において等間隔に回転軸Cに向かって内向きに突出している。第1リブ111の各々は、本実施形態では略三角形状をしている。第1リブ111は、回転軸方向Xにおいてステータ鉄心34の長さと同じである。第1リブ111は、ステータ3の凹部37と嵌合する。
第2リブ112は、回転軸方向Xでのステータ鉄心34を位置決めする。第2リブ112は、回転軸方向Xにおいて、空間116を隔てて、第1リブ111と対向している。第2リブ112は、円筒状であり、円筒状に形成された第2筐体115から、回転軸Cの方向に突出している。第2リブ112は、ステータ3を構成する第2インシュレータ51と接触している。
(2-2)ロータ
ロータ2は、円筒状のロータコア22と、複数(図5では6つ)の永久磁石21と、出力軸20と、を備える。
出力軸20は、ロータコア22と、回転軸Cを同軸として、ロータコア22の内部に保持されている。出力軸20は、回転軸Cの周りで回転して回転動力を出力する。
複数の永久磁石21は、ロータコア22に穿たれた複数の孔23にそれぞれ嵌合する。複数の永久磁石21は、ロータコア22の中心を囲む多角形(図5では六角形)のように配置されている。
永久磁石21の各々は、例えば、ネオジム磁石である。永久磁石21の各々の周方向の2つの磁極は、ロータコア22の周方向に並んでいる。永久磁石21の各々は、径方向に着磁されている。ロータコア22の周方向において隣接する2つの永久磁石は、それぞれ異なる極が来るように配置されている。つまり、複数の永久磁石21の周方向の外周には磁石のN極とS極が交互に配置される。
ロータコア22の形状は、ロータコア22の回転軸Cの方向から見て円状であり、ロータコア22の中心とは当該円の中心に相当する。ロータコア22は、複数の鋼板を含んでいる。ロータコア22は、複数の鋼板を厚さ方向に積層して形成されている。各鋼板は、磁性材料により形成されており、例えば、ケイ素鋼板である。ロータコア22の内側には、出力軸20が保持されている。図5に示すように、ロータコア22は、出力軸20が通される軸孔221を有している。ロータコア22は、出力軸20とともにステータ3に対して回転可能であり、ステータ3の複数のコイル32に電流が流れることにより発生する磁界により回転する。つまり、ロータコア22は、永久磁石21を有し、永久磁石21による磁界とステータ3のコイル32に電流が流れることにより発生する磁界とで回転し、発生するトルクを出力軸20に伝える。ロータコア22の材料は、例えば、鉄である。ロータコア22の鉄心は、例えば、ケイ素が混入されたケイ素鋼、パーマロイ、フェライトが用いられる。また、ロータコア22は、発生するトルクを出力軸20に伝えるために高強度が求められることから、鉄、ニッケル、銅、炭素等の合金が使用されることもある。
(2-3-1)ステータ
ステータ3は、複数のコイル32と、ステータ鉄心34と、インシュレータ5と、を備える。
ステータ鉄心34は、中央コア31と、外周部30と、を有している。外周部30は、中央コア31に取り付けられる。中央コア31は、円筒状の連結部33と、複数(図6では9つ)のティース35と、を有している。
連結部33の内側の空間36には、ロータ2が配置される。連結部33は、少なくとも一部の隣り合うティース35を連結する。図6に示すように、連結部33の形状は、円筒状である。連結部33の軸方向は、複数の鋼板の厚さ方向と一致している。連結部33は、周方向において連続している。言い換えると、連結部33は、周方向において途切れることなく繋がっている。
複数のティース35の各々は、胴部351と、2つの先端片352と、を含んでいる。胴部351は、連結部33から連結部33の径方向において、外向きに突出している。複数のティース35の胴部351の形状は、直方体状である。連結部33とティース35とが一体に形成されている。複数のティース35の胴部351は、連結部33の周方向において等間隔に設けられている。
2つの先端片352は、胴部351の先端側の部位から胴部351の突出方向と交差する互いに異なる方向に延びている。より詳細には、2つの先端片352は、胴部351の先端側の部位において、連結部33の周方向の両側に設けられている。そして、2つの先端片352は、連結部33の周方向であって異なる方向に延びている。
先端片352のうち、連結部33の径方向における外側の面は、曲面353を含む。連結部33の軸方向から見て、曲面353の形状は、連結部33と同心円に沿った円弧状である。
先端片352の各々は、胴部351と繋がった部位に、湾曲部354を有している。湾曲部354は、連結部33の径方向において外側ほど、連結部33の周方向において胴部351から離れるように湾曲している。つまり、先端片352の各々のうち、基端側の部分である湾曲部354は、面取りされていてR状になっている。
複数のティース35には、複数のコイル32が、各々、インシュレータ5を介して配置される。つまり、胴部351には、インシュレータ5を介してコイル32が巻かれる。連結部33は、コイル32よりもロータ2の側に位置している。すなわち、コイル32とロータ2との間に連結部33が位置している。
2つの先端片352は、上記構成により、コイル32が胴部351から脱落することを抑制する抜け止めとして設けられている。つまり、胴部351の先端側にコイル32が移動しようとする場合に、コイル32が2つの先端片352に引っ掛かることで、コイル32の脱落を抑制できる。
ステータ3のステータ鉄心34の中央コア31は、複数の鋼材を含む。中央コア31は、複数の鋼板を厚さ方向に蓄積して形成されている。各鋼板は、磁性材料より形成され、例えば、ケイ素鋼板である。
外周部30は、複数の鋼板を含む。外周部30は、複数の鋼板を厚さ方向に積層して形成されている。各鋼板は、磁性材料により形成されており、例えば、ケイ素鋼板である。外周部30の形状は、円筒状である。外周部30は、複数のティース35に取り付けられ、複数のティース35を囲んでいる。
外周部30は、複数(9つ)の嵌合部301を外周部30の内周に有している。外周部30は、ティース35と同数の嵌合部301を有している。複数の嵌合部301の各々は、外周部30の内周面に設けられた窪みである。複数の嵌合部301は、複数のティース35と、一対一で対応している。複数の嵌合部301の各々と、複数のティース35のうちこの嵌合部301と対応するティース35とは、少なくとも一方が連結部33の径方向に移動することで嵌まり合う。これにより、外周部30が複数のティース35に取り付けられる。
嵌合部301の各々には、ティース35のうち2つの先端片352を含む部位が嵌め込まれる。そのため、外周部30の周方向における各嵌合部301の長さは、胴部351から突出した2つの先端片352のうち一方の先端片352の突出先端と、他方の先端片352の突出先端との間の長さと等しい。なお、本明細書において「等しい」とは、複数の値が互いに完全に一致する場合に限定されず、許容される誤差の範囲内で異なっている場合をも含む。例えば、3%以内、5%以内、又は10%以内の誤差がある場合をも含む。
中央コア31にインシュレータ5が装着されコイル32が巻かれた状態で、外周部30は、例えば、焼嵌めにより複数のティース35に取り付けられる。すなわち、外周部30を加熱して径方向に膨張させた状態で、外周部30の内側に中央コア31を配置する。これにより、外周部30の内面は、複数のティース35との間に僅かに隙間を空けて連結部33の径方向における複数のティース35の先端に対向する。その後、外周部30の温度が低下して外周部30が収縮すると、外周部30の内面が複数のティース35の先端に接する。つまり、外周部30の収縮に伴って複数の嵌合部301が外周部30の径方向内向きに移動することにより、複数の嵌合部301と複数のティース35とが嵌まり合う。外周部30は、複数のティース35に対して外周部30の径方向内向きの接圧を加えている。
コイル32は、9つのティース35に対応して9つ備えられている。9つのコイル32は、互いに電気的に接続されている。コイル32は、出力軸20の回転軸方向Xと交差する方向を巻回軸とする。コイル32の各々を構成する巻線は、例えば、エナメル線である。この巻線は、線状の導体と、導体を覆う絶縁被覆と、を有している。
コイル32は、連結部33より外側に位置している。すなわち、コイル32の内側(ロータ2側)に連結部33が位置している。
インシュレータ5は、電気絶縁性を有する部材である。インシュレータ5は、例えば、ガラス繊維等のフィラーを約30重量%含む66ナイロン等の樹脂製である。
インシュレータ5は、ステータ3に第1基板4を固定している。これにより、ステータ3と第1基板4とを電気的に絶縁することができる。
図5,6に示すように、インシュレータ5は、第1インシュレータ50及び第2インシュレータ51を含む。第1インシュレータ50及び第2インシュレータ51は、例えば、インサート成形により、ステータ3のステータ鉄心34と一体化している。第1インシュレータ50と第2インシュレータ51とは、回転軸方向Xで並ぶように配置されている。
第1インシュレータ50は、回転軸方向Xにおけるステータ鉄心34の一端部側(第1端部側)を被覆している。具体的には、第1インシュレータ50は、円環部505と、複数の被覆部506(本実施形態ではティース35と同数の9つ)と、を有する。円環部505の外径は、ステータ鉄心34の円筒状の連結部33の外径と略同一である。円環部505は、回転軸方向Xにおける連結部33とティース35とのそれぞれの一端側を被覆している。被覆部506は、円環部505の周方向において内周面に等間隔で設けられている。
コイル32は、被覆部506,511で被覆されたティース35に巻線が巻回されて形成されている。つまり、インシュレータ5は、出力軸20の回転軸方向Xと交差する方向を巻回軸とするコイル32が巻かれている。
第2インシュレータ51は、回転軸方向Xにおけるステータ鉄心34の第2端部側を被覆している。具体的には、第2インシュレータ51は、円環部510と、複数の被覆部511(本実施形態ではティース35と同数の9つ)と、を有する。円環部510の外径は、ステータ鉄心34の円筒状の連結部33の外径と略同一である。回転軸方向Xにおける連結部33とティース35とのそれぞれの他端側を被覆している。被覆部511は、円環部510の周方向において内周面に等間隔で設けられている。
軸受保持部52とロータ2との間には第1基板4が配置されている。すなわち、回転軸方向Xにおいて、軸受保持部52とロータ2と第1基板4とが並んでおり、第1基板4が軸受保持部52とロータ2との間に配置されている。
第2インシュレータ51は、回転軸方向Xにおけるステータ鉄心34の凹部37の一端に位置し、出力軸20に直交する方向に突出し、ステータ鉄心34を位置決めする位置決め部503を有する。位置決め部503は、回転軸C方向から回転軸方向Xに直交する方向に突出し、ステータ鉄心34における一端の側の面300に接触している。位置決め部503の外縁は、ステータ3の外周部30と同じ大きさの円状である。
位置決め部503は、ステータ鉄心34における一端の側の面300に接触する第1面501と、第1面501と回転軸方向Xで対向する第2面502と、を有する(図7参照)。第1面501と第2面502とのうち少なくとも一方の面は、ステータ鉄心34の外周部30を覆うハウジング11と接触することで、少なくとも回転軸方向Xにおいてハウジング11に対してステータ鉄心34を位置決めする。つまり、位置決め部503の第1面501が第1リブ111と凹部37の下端において接触するか、第2面502が第2リブ112と接触するか、により、少なくとも回転軸方向Xにおいてハウジング11に対してステータ鉄心34を位置決めする。さらに、位置決め部503の第1面501が第1リブ111と凹部37の下端において接触し、第2面502が第2リブ112と接触することにより、回転軸方向Xにおいてハウジング11に対してステータ鉄心34を位置決めする。
(2-3-2)凹部による位置決めと軸方向の位置決め
外周部30は、外周に、複数(本実施形態では、9つ)の凹部37と、外周湾曲部38と、を有する。複数の凹部37は、ステータ鉄心34の回転軸方向Xに沿って形成される。外周部30の回転軸方向Xの上端から下端まで、本実施形態では略三角形状の複数の溝(凹み)が形成されることで、複数の凹部37が形成されている。複数の凹部37は、外周部30の外周に等間隔に形成されている。ブラシレスモータ1の効率が低下することを避けるためと、ステータ鉄心34に傷をつけると磁力線が通らないためと、により、凹部37は、ティース35と位置が合うように設けられている。
各凹部37は、ハウジング11と互いに接触(当接)することで、少なくとも出力軸20の回転方向Rにおいて、ハウジング11に対してステータ鉄心34を位置決めする。つまり、各凹部37は、略三角形状で嵌まり合うようにハウジング11に設けられた各第1リブ111と一対一に嵌合することで、ハウジング11に対してステータ鉄心34が周方向に回転することを抑制している。つまり、複数の第1リブ111は、複数の凹部37とそれぞれ嵌合することで、回転軸方向Xにおいてステータ鉄心34を位置決めしている。
外周湾曲部38は、外周部30の外周を構成している。外周湾曲部38は、中央コア31と同心円に沿った円弧状に形成されている。
次に、第1リブ111と回転軸Cを結ぶ図4のA-A断面図を図7に示す。図7では、第1ベアリング14と、ファン15と、を省略している。図7は、第1リブ111がステータ3の凹部37と嵌合した状態の断面図となっている。このとき、インシュレータ5(第2インシュレータ51)は、凹部37の回転軸方向Xの一端に位置する位置決め部503を有している。位置決め部503は、第1面501と、第2面502と、を有する。第1面501は、第2インシュレータ51の回転軸方向Xのステータ3の側に位置している。本実施形態では、ステータ鉄心34における一端の側の面に接触している。一方、第2面502は、第2インシュレータ51の回転軸方向Xの第2基板6の側に位置している。第2面502は、第1面501と第2インシュレータ51の本体を挟んで反対側に位置している。
第1面501と第2面502とのうち少なくとも1つの面が、ハウジング11に接触することで、ハウジング11に対するステータ鉄心34の少なくとも回転軸方向Xの位置決めを行う。具体的には、ハウジング11の第1リブ111と、第2インシュレータ51の第1面501が接触又は対向し、第2リブ112と第2面502が接触又は対向する。第1リブ111と第2リブ112とは、位置決め部503の一部を回転軸方向Xにおいて挟む。そのため、ハウジング11と、第2インシュレータ51と、は位置決めされる。第2インシュレータ51が位置決め部503によりハウジング11に対して位置決めされると、複数のコイル32により複数のティース35が第2インシュレータ51に対して固定される。さらに、複数のティース35が固定されたことで、上述したように外周部30は、第2インシュレータ51に対して固定される。以上から、外周部30と複数のティース35、つまりステータ鉄心34は第2インシュレータ51に固定され、その結果、ハウジング11に固定される。つまり、第1リブ111と第2リブ112とは、位置決め部503の一部を回転軸方向Xにおいて挟むことで、回転軸方向Xにおけるステータ鉄心34を位置決めする。
要するに、従来は回転止だけに使用していた第1リブ111と、第2インシュレータ51を第1リブ111と第2リブ112とで空間116において挟むことで、回転方向Rの回転止に加えて回転軸方向Xの位置決めにも併用している。ハウジング11側のリブの性質の変化及び機能が増加したと言える。
(2-4)基板
第1基板4は、いわゆるセンサ基板41である。すなわち、センサ基板41は、ロータ2の回転角度を検出する。つまり、センサ基板41は、ロータ2の回転位置を検出するための回路基板である。センサ基板41は、回転軸方向Xにおいてロータ2の第2インシュレータ51側で、ロータ2の端面と平行に配置されている。センサ基板41には、センサ素子43が実装されている。センサ素子43は、例えば、ホール素子又は角度センサ(GMR)等である。センサ素子43は、ロータ2の回転位置を検出する素子である。
図7に示すように、センサ基板41は、インシュレータ5とステータ鉄心34とで挟まれる位置に配置されている。すなわち、回転軸方向Xにおいて、センサ基板41は、インシュレータ5の第2インシュレータ51とステータ鉄心34の端面とで挟まれる位置に配置されている。またセンサ基板41が、インシュレータ5とステータ鉄心34とで挟まれることによって固定されている。すなわち、インシュレータ5の第2インシュレータ51とステータ鉄心34の端面とでセンサ基板41が挟持されている。
センサ基板41に実装されているセンサ素子43が、ロータ2と反対側に向いて配置される。すなわち、センサ素子43が空間7と反対側に向くようにセンサ基板41が配置される。したがって、センサ素子43は第2インシュレータ51側に向いている。
センサ基板41には、片面だけに部品が実装されている。すなわち、センサ素子43及び配線42が接続されるコネクタ等の部品は、センサ基板41の第2インシュレータ51側に向いている面のみに実装され、ステータ3側に向く面にはセンサ素子43及び部品が実装されていない。これにより、センサ基板41をロータ2に近づけて配置することができる。センサ基板41は中央部に厚み方向に貫通する孔部512を有する。孔部512には第2ベアリング16が配置される。
第2基板6は、スイッチングFET(Field Effect Transistor)基板60と、放熱シート61と、ポッティング62と、放熱台63と、を含んでいる。スイッチングFET基板60は、コイル32の各コイルU1~U3、V1~V3、W1~W3に接続され、各コイルU1~U3、コイルV1~V3、コイルW1~W3の電流の流れる方向及び通電の入り切りを制御する。このようなスイッチ回路の各スイッチ素子は、例えばパワーMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor field-effect transistor)を用いて構成することができる。PWM制御回路は、PMW制御されたパルス繰り返し周波数で、スイッチ回路の各スイッチ素子の入り切り動作を繰り返す。演算処理回路は、通電切替タイミングと、回転速度指令と、を含む信号をPWM制御回路に伝達する。放熱シート61は、発熱するスイッチングFET基板からの放熱を促す。ポッティング62により、放熱台63と、放熱シート61と、スイッチングFET基板60とは結合している。ポッティング62は、振動からスイッチングFET基板を保護する場合、湿度や粉塵等の汚れからスイッチングFET基板を保護する場合等に用いられる。ポッティング62の材料は、例えば、ウレタン樹脂である。放熱台63は、スイッチングFET基板60を含めたポッティング62からの放熱を促す。
(2-5)ベアリング
ブラシレスモータ1は、第1ベアリング14と第2ベアリング16との2つの軸受(ベアリング)により出力軸20を回転可能に支持する。第1ベアリング14は、ファン15の窪み部53に配置されている。第2ベアリング16は、インシュレータ5の第2インシュレータ51の軸受保持部52に配置されている。第1ベアリング14と第2ベアリング16とは、内輪が出力軸20に固定され、外輪はブラシレスモータ1の本体に固定される。第1ベアリング14と第2ベアリング16との内輪は、ロータ2の回転とともに出力軸20と一緒に回転する一方で、第1ベアリング14と第2ベアリング16とのリテーナーに保持されたボールと潤滑油をシールしていることにより、回転は滑らかに行いながら第1ベアリング14と第2ベアリング16との外輪は出力軸20を保持することができる。第1ベアリング14と第2ベアリング16との主な材料は、例えば、高炭素クロム鋼、中炭素鋼、窒化シリコンセラミックスである。
(2-6)端子部材
端子部材8は、コイル32と第1基板4とを電気的に接続するための部材である。軸受保持部52の外面側には、コイル32を接続する端子部材8が配置される。すなわち、コイル32を接続する端子部材8は、第2インシュレータ51の軸受保持部52の外面に突出して設けられている。また端子部材8は、コイル32の内側に位置している。すなわち、端子部材8は、複数のコイル32で囲まれる位置に設けられている。図2に示すように、端子部材8は、インシュレータ5の第2インシュレータ51に固定されている。具体的には、端子部材8の少なくとも一部は、インサート成形により、第2インシュレータ51に一部が埋め込まれている。端子部材8は、導電性を有する金属板で形成されている。端子部材8の一端にコイル32の巻線が電気的に接続されている。端子部材8に対してコイル32の巻線の端部は熱溶接することができ、これにより、巻線の被膜除去が不要となる場合がある。
(2-7)ファン
ファン15は、ブラシレスモータ1のステータ3及び駆動基板を空気により冷却するために空気の流れを起こす。ファン15は、回転することで、ハウジング11の内側へ空気を吸気し、吸気した空気を熱とともに排気口12から排気する。
ファン15は、ファン15の中央部において、第1ベアリング14を収容する窪み部53を有する。ファン15は、窪み部53からファン15の径方向に沿って延びる羽根部150が設けられている。
(2-8)拡大図
図7のZ1領域の拡大図を図8に示す。図8は、第1リブ111及び第2リブ112の付近を拡大した説明図である。なお、回転軸方向Xと直交する方向をY方向としている。
コイル32の巻線の抵抗成分により発生する銅損を低減するために、コイル32のスペースであるコイルスペース320を大きくしたいという要望がある。コイル32の巻線を回転軸方向Xに大きくすると図8に示すように、第2基板6と干渉する。
本実施形態を説明する図8では、第1リブ111と第2リブ112とを設けて、第1リブ111と第2リブ112とが第2インシュレータ51を挟み込むことで、ステータ鉄心34の回転軸方向X、回転方向Rをともに位置決めしている。本実施形態では、第2インシュレータ51のY方向に突出している部分(位置決め部503)を挟み込むので、第2インシュレータ51の厚みの強度を十分に確保しておけば、強度を維持したままコイルスペース320をY方向に大きくできる。つまり、ブラシレスモータ1の大きさを維持したまま、コイルスペース320を大きくできる。
(3)動作
本実施形態のブラシレスモータ1及び電動工具100の動作について説明する。
(3-1)概要
まず、ブラシレスモータ1の基本的な構成についての概要を説明する。
ブラシレスモータ1は、3相交流のモータであるので、コイル32は、U相、V相、W相の3相から形成されている。6つの永久磁石21は、N極とS極とが3つずつの6極で形成されている。ブラシレスモータ1のコイル32は9つのコイルU1~U3、コイルV1~V3、コイルW1~W3からなる9スロットのモータである。3相ブラシレスモータは、永久磁石21で構成されたロータ2の周りに、各コイル32を配置する。各コイル32には通電を入り切りするスイッチ回路が接続される。スイッチ回路は、ロータ2の回転に応じて、各コイルU1~U3、コイルV1~V3、コイルW1~W3の通電の切替を実施する。スイッチ回路は、センサ基板41が発生する位置検出信号に基づいて、9個のコイルU1~U3、コイルV1~V3、コイルW1~W3に対する通電の切替タイミングを切替える。センサ基板41は、位置センサを用いてロータ2の回転位置に対応して位置情報を発生する。
(3-2)動作
図5に示すように、コイル32は、コイルU1~U3、コイルV1~V3、コイルW1~W3の9つのコイルで形成されている。コイルU1~U3はそれぞれ接続され、U相コイルを形成する。コイルV1~V3はそれぞれ接続され、V相コイルを形成する。同様に、コイルW1~W3はそれぞれ接続され、W相コイルを形成する。各コイルU1~U3、V1~V3、W1~W3には、通電によって電流が流れると、磁界が発生する。各スイッチ回路は、電流の流れる向き、通電の入り切りを切替えることにより、発生する磁界の向き、大きさを変えることができる。また、各スイッチ回路は、ロータ2の回転位置に応じて駆動電流を供給する。このことにより、ロータ2は、回転位置に応じた駆動力を得ることができる。
コイルU1~U3,V1~V3,W1~W3は、回転軸Cを中心として、同一円周上に、互いに等しい角度間隔で配置される。本実施形態では、コイル32は9つのコイルU1~U3,V1~V3,W1~W3で構成されているため、角度間隔は40°である。コイルU1~U3は、それぞれ互いに120°の角度間隔で配置される。コイルV1~V3は、それぞれ互いに120°の角度間隔で配置される。コイルW1~W3は、それぞれ互いに120°の角度間隔で配置されている。図5に示すように、コイルU1とコイルV1は隣接しており、コイルV1とコイルW1とは隣接している。
ブラシレスモータ1は、9スロットであるので、角度間隔は上述したように40°であるが、ロータ2が6極であるので、コイルU1~U3、コイルV1~V3、コイルW1~W3は、ロータ2が20°回転する毎に通電を切替えることにより、ロータ2の回転を維持している。
ロータ2が回転しているとき、ステータ3が回転することを抑制しているのは、ステータ鉄心34に設けられた凹部37と凹部37に嵌合する第1リブ111である。本実施形態では、第1リブ111がステータ鉄心34の凹部37に嵌合することにより、ステータ鉄心34の回転を抑制している。
一方、ロータ2が回転しているとき、回転軸方向Xの方向にステータ鉄心34が移動することを抑制しているのは、第1リブ111と第2リブ112と第2インシュレータ51の位置決め部503である。本実施形態では、第1リブ111が第1面501と、第2リブ112が第2面502と、それぞれ接触することにより、ステータ鉄心34の軸方向への移動を抑制している。つまり、第1リブ111と第2リブ112とで第2インシュレータ51の位置決め部503の一部を挟み込むことにより、ステータ鉄心34の回転軸方向Xを位置決めしている。
(4)利点
本実施形態の電動工具100では、第1リブ111と凹部37とが嵌合することで回転方向Rを位置決めし、第1リブ111と第2リブ112で第2インシュレータ51の位置決め部503を挟みこむことで、ステータ鉄心34の回転軸方向Xを位置決めすることができる。このため、ステータ鉄心34の回転を抑制しつつ、ステータ鉄心34を位置決めするブラシレスモータ1を提供することができる。
第1リブ111と第2リブ112とで第2インシュレータ51を挟むことにより、回転軸方向Xの移動を抑制できる。第2インシュレータ51の強度が十分であれば、強度を維持したまま、コイルスペース320は大きくなるので、ブラシレスモータ1は高効率化できる。
第1リブ111が設けられていたところに、更に第2リブ112を設けたことで、追加でねじ止め等の必要もなく、ステータ鉄心34が回転軸方向Xに移動することを抑制できる。
ブラシレスモータ1の回転軸方向Xを位置決めするために、追加のリブも必要ないことから、追加のリブが必要なブラシレスモータに比べると、ブラシレスモータ1のサイズを小型化することができる。
ハウジング11は、出力軸20の回転軸方向Xの一方側と他方側とに分割された第1筐体114及び第2筐体115を有する。つまり、ハウジング11は、回転軸方向Xに垂直な方向に分割することができる。
(5)変形例
以下に、変形例について列記する。なお、以下に説明する変形例は、上記実施形態と適宜組み合わせて適用可能である。
複数の凹部37は、複数のティース35の数と同数である構成としたが、この構成に限定されない。凹部37の数は複数のティース35の数に比べて少なくてもよい。また、複数のティース35に比べて数が少ない場合、複数の凹部37の配置は対称性を有しなくてもよい。複数の凹部37の配置には対称性を有している必要はない。
凹部37の形状は、略三角形状である構成としたが、この構成に限定されない。半円形状や楕円形状であってもよいし、方形であってもよい。また、これらの組み合わせであってもよい。
ブラシレスモータ1は、6極9スロットに限定されない。極数は多くても少なくてもよい。例えば、極数は4極や8極がある。スロット数も多くても少なくてもよい。例えば、スロット数は6スロットや12スロットがある。
ハウジング11は、回転軸方向と直交する方向の一方側と他方側とに分割できる構成としたが、この構成に限定されない。図9に示すように、回転軸方向Xと直交する方向の一方側と他方側とに分割された第1筐体117及び第2筐体118を有する構成であってもよい。この場合、第1リブ111と第2リブ112とは、第1筐体117及び第2筐体118のそれぞれに形成されていることが好ましい。また、ハウジング11は分割できずに、円筒状であってもよい。この場合、円状の開口部にブラシレスモータ1を嵌めて、開口部の側から押さえることで、回転方向Rの回転止と、回転軸方向Xの位置決めを兼ねることができる。
ハウジング11は2つに分割できる構成としたが、この構成に限定されない。分割数は3以上であってもよい。
ブラシレスモータ1を備えた機器10は、電動工具100である構成としたが、この構成に限定されない。ブラシレスモータ1は、例えば、電動自転車又は電動アシスト自転車に備えられてもよい。つまり、機器10は電動自転車又は電動アシスト自転車であってもよい。要するに、機器10は、ブラシレスモータ1を備え、回転動力を利用する機器であればよい。
(まとめ)
以上、説明したように、第1の態様に係るブラシレスモータ(1)は、インナーロータ型のブラシレスモータであって、出力軸(20)と、ステータ鉄心(34)と、インシュレータ(5)と、を備える。出力軸(20)は、回転軸(C)の周りで回転して回転動力を出力する。ステータ鉄心(34)は、出力軸(20)の回転方向(R)への回転の抑止に用いられる凹部(37)を外周部(30)に有する。インシュレータ(5)は、出力軸(20)の回転軸方向(X)と交差する方向を巻回軸とするコイル(32)が巻かれている。インシュレータ(5)は、回転軸方向(X)における凹部(37)の一端に位置し、出力軸(20)に直交する方向に突出しステータ鉄心を位置決めする位置決め部(503)を有する。位置決め部(503)は、ステータ鉄心(34)における一端の側の面(300)に接触する。
この構成によると、インシュレータ(5)は、回転軸方向(X)における凹部(37)の一端に位置し、出力軸(20)に直交する方向に突出しステータ鉄心を位置決めする位置決め部(503)を有し、ステータ鉄心(34)における一端の側の面(300)に接触する。そのため、ステータ鉄心(34)の回転を抑制しつつ、ステータ鉄心(34)の回転軸方向(X)を位置決めするブラシレスモータ(1)を提供することができる。
第2の態様のブラシレスモータ(1)では、第1の態様において、位置決め部(503)は、第1面(501)と、第2面(502)と、を有する。第1面(501)は、ステータ鉄心(34)における一端の側の面(300)に接触する。第2面(502)は、第1面(501)と回転軸方向(X)で対向する。第1面(501)と第2面(502)とのうち少なくとも一方の面は、ステータ鉄心(34)の外周部(30)を覆うハウジング(11)と接触することで、少なくとも回転軸方向(X)においてハウジング(11)に対してステータ鉄心(34)を位置決めする。
この構成によると、ねじ止め等の他の手段を用いることなく、少なくとも回転軸方向(X)においてハウジング(11)に対してステータ鉄心(34)を位置決めすることができる。
第3の態様のブラシレスモータ(1)では、第2の態様において、凹部(37)は、ハウジング(11)と互いに接触することで、少なくとも出力軸(20)の回転方向(R)においてハウジング(11)に対してステータ鉄心(34)を位置決めする。
この構成によると、凹部(37)は、ハウジング(11)と嵌合することにより、ステータ鉄心(34)の出力軸(20)の回転方向(R)の回転止としての役割を好適に果たしている。
第4の態様のブラシレスモータ(1)では、第3の態様において、ハウジング(11)は、第1リブ(111)と、第2リブ(112)と、を含む。第1リブ(111)は、回転方向(R)でのステータ鉄心(34)の位置を決める。第2リブ(112)は、回転軸方向(X)でのステータ鉄心(34)を位置決めする。
この構成によると、ハウジング(11)の第1リブ(111)と、第2リブ(112)と、を用いて、ハウジング(11)に対するステータ鉄心(34)を好適に位置決めすることができる。
第5の態様のブラシレスモータ(1)では、第4の態様において、第1リブ(111)は、凹部(37)と嵌合することで、回転軸方向(X)においてステータ鉄心(34)を位置決めする。また、第1リブ(111)と第2リブ(112)とは、位置決め部(503)の一部を回転軸方向(X)において挟むことで、回転軸方向(X)におけるステータ鉄心(34)を位置決めする。
この構成によると、第1リブ(111)は、凹部(37)と嵌合することで、回転軸方向(X)においてステータ鉄心(34)を好適に位置決めすることができる。また、第1リブ(111)と第2リブ(112)とは、位置決め部(503)の一部を回転軸方向(X)において挟むことで、回転軸方向(X)におけるステータ鉄心(34)を好適に位置決めすることができる。第1リブ(111)と第2リブ(112)とは、位置決め部(503)の一部を回転軸方向(X)において挟むことで、コイルスペース(320)を侵すことなくステータ鉄心(34)を位置決めすることが可能となる。このため、ブラシレスモータ(1)は、従来に比べて高効率化することができる。一方、第1リブ(111)と第2リブ(112)とで位置決めすることができるので、従来の回転軸方向(X)の位置を決めるために用いられていたリブは不要になるため、ブラシレスモータ(1)を小型化することができる。
第6の態様のブラシレスモータ(1)では、第1~第5の態様において、凹部(37)は、ステータ鉄心(34)の回転軸方向(X)に沿って形成される。
この構成によると、凹部(37)がステータ鉄心(34)の回転軸方向(X)に沿って形成されることで、凹部(37)とハウジング(11)の第1リブ(111)とが嵌合し、ハウジング(11)に対してステータ鉄心(34)を位置決めすることができ、ステータ鉄心(34)が回転することを抑制できる。
第7の態様の機器(10)は、第1~第6のいずれかの態様のブラシレスモータ(1)と、ブラシレスモータ(1)を収容するハウジング(11)と、を備える。
この構成によると、高効率で小型化が可能なブラシレスモータ(1)を搭載した機器(10)を提供することができる。
第8の態様の機器(10)では、第7の態様において、ハウジング(11)は出力軸(20)の回転軸方向(X)と直交する方向の一方側と他方側とに分割された第1筐体(117)及び第2筐体(118)を有する。
この構成によると、ハウジング(11)を分割することができるので、メンテナンス性に優れた機器(10)を提供することができる。
第9の態様の機器(10)では、第7の態様において、ハウジング(11)は出力軸(20)の回転軸方向(X)の一方側と他方側とに分割された第1筐体(114)及び第2筐体(115)を有する。
この構成によると、ハウジング(11)を分割することができるので、メンテナンス性に優れた機器(10)を提供することができる。また、出力軸(20)の回転軸方向(X)の一方側と他方側に分割できるのは、第1リブ(111)と第2リブ(112)とが回転軸方向(X)において、対向して配置されることから、第1リブ(111)と第2リブ(112)との間で分割することができる。
第10の態様の機器(10)は、第7~第9の態様において、電動工具(100)である。
この構成によると、ハウジング(11)が分割できるようなメンテナンス性に優れた構成を有しており、高効率で小型化が可能なブラシレスモータ(1)を備えた電動工具(100)を提供することができる。