(57)【要約】【課題】高いトルク特性を実現するインナロータ型のモータを提供する。【解決手段】本発明のモータは、回転軸４３と、筒部４１を有するロータ４と、ロータ４を囲むステータ５と、を備え、筒部４の外周部４７には、Ｎ極とＳ極を一対として複数の対を成す磁極部４４ａ，４６ａが設けられており、ステータ５は、導線５３と、導線５３が巻かれた複数の磁性部材５２とを備え、磁性部材５２には、筒部４１の外周部４７に対向する複数の極歯５４が設けられ、ロータ４の磁極部４４ａ，４６ａの対の数（Ｍｎ）と磁性部材５２に設けられた極歯５４の数の合計（ＴＰｎ）との差（|Ｍｎ−ＴＰｎ|）が、１又は２であることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸と、筒部を有するロータと、該ロータを囲むステータと、を備え、
前記筒部の外周部には、Ｎ極とＳ極を一対として複数の対を成す磁極部が設けられており、
前記ステータは、導線と、該導線が巻かれた複数の磁性部材とを備え、
前記磁性部材には、前記筒部の外周部に対向する複数の極歯が設けられ、
前記ロータの磁極部の対の数（Ｍｎ）と前記磁性部材に設けられた極歯の数の合計（ＴＰｎ）との差（|Ｍｎ−ＴＰｎ|）が、１又は２である、モータ。
【請求項２】
前記磁性部材の数（Ｔｎ）に対する１つの前記磁性部材に設けられた極歯の数（Ｐｎ）の比（Ｐｎ／Ｔｎ）が１．５以上である、請求項１に記載のモータ。
【請求項３】
前記ロータの筒部には複数の磁石が設けられており、
前記複数の磁石が、前記複数の磁極部を形成する、請求項１又は２に記載のモータ。
【請求項４】
前記筒部の外周部には、周方向において、前記磁極部としての極歯が複数設けられている、請求項１又は２に記載のモータ。
【請求項５】
前記筒部の外周部には、リング状磁石が設けられており、
前記回転軸方向において、前記磁石の両側には、前記磁極部としての複数の第１極歯及び複数の第２極歯がそれぞれ設けられており、
周方向において、前記複数の第１磁歯に対する前記複数の第２磁歯の位置が異なっている、請求項４に記載のモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばドローンなどに搭載可能なブラシレスのモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ドローン用のモータは、ほぼアウターロータ型のブラシレスモータで構成されている。これは、必要となる軸動力を達成しつつ軽量化するために、トルクを得やすく、モータ内部を空洞化しやすいアウターロータ型が適しているためである。
【０００３】
一方で、商業用のドローンは、様々な気象条件下で屋外を飛行することから、防水性や防塵性が求められる。しかしながら、アウターロータ型のモータは、モータの最外周が回転体であることから、ロータとステータとの間に水滴や異物が入り込みやすく、このような用途において、現状は、トルク特性と防水・防塵性とを両立させることが困難であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１８−９８８６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、以上の背景に鑑みてなされたものであり、高いトルク特性を実現するインナロータ型のモータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題は、以下の本発明により解決される。即ち、本発明のモータは、回転軸と、筒部を有するロータと、該ロータを囲むステータと、を備え、前記筒部の外周部には、Ｎ極とＳ極を一対として複数の対を成す磁極部が設けられており、前記ステータは、導線と、該導線が巻かれた複数の磁性部材とを備え、前記磁性部材には、前記筒部の外周部に対向する複数の極歯が設けられ、前記ロータの磁極部の対の数（Ｍｎ）と前記磁性部材に設けられた極歯の数の合計（ＴＰｎ）との差（|Ｍｎ−ＴＰｎ|）が、１又は２である。
【０００７】
本発明のモータにおいては、前記磁性部材の数（Ｔｎ）に対する１つの前記磁性部材に設けられた極歯の数（Ｐｎ）の比（Ｐｎ／Ｔｎ）が１．５以上であることが好ましい。
【０００８】
本発明のモータにおいては、前記ロータの筒部には複数の磁石が設けられており、前記複数の磁石が、前記複数の磁極部を形成するものとすることができる。
【０００９】
また、前記筒部の外周部には、周方向において、前記磁極部としての極歯が複数設けられているものとすることができる。この場合に、前記筒部の外周部には、リング状の磁石が設けられており、前記回転軸方向において、前記磁石の両側には、前記磁極部としての複数の第１極歯及び複数の第２極歯がそれぞれ設けられており、周方向において、前記複数の第１磁歯に対する前記複数の第２磁歯の位置が異なっているものとすることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一例である第１の実施形態にかかるモータの平面図である。
【図２】本発明の一例である第１の実施形態にかかるモータの斜視図である。
【図３】本発明の一例である第１の実施形態にかかるモータの、図１におけるＡ−Ａ断面図である。
【図４】本発明の一例である第１の実施形態にかかるモータからロータのみを抜き出した斜視図である。
【図５】本発明の一例である第１の実施形態にかかるモータの、ロータの筒部及びその周辺の拡大断面図である。
【図６】本発明の一例である第１の実施形態にかかるモータからステータのみを抜き出した斜視図である。
【図７】第１の実施形態にかかるモータに対して、極歯の数（Ｐｎ）の異なるティースに置き換えて、逆起電力定数を測定した際の結果を示すグラフであり、横軸に比（Ｐｎ／Ｔｎ）を、縦軸に逆起電力定数を取ってプロットしたものである。
【図８】本発明の他の一例である第２の実施形態にかかるモータの平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の一例である第１の実施形態にかかるモータ１の平面図であり、図２は斜視図である。また、図３は、実施形態にかかるモータ１の、図１におけるＡ−Ａ断面図である。なお、図１及び図２においては、カバー２とケース３が取り外された状態で描かれている。
【００１２】
モータ１は、軸Ｘを中心として回転するロータ４と、ロータ４を囲むステータ５と、を備えており、ロータ４とステータ５がケース３及びカバー２に収容されてなる。
まず、ロータ４について説明する。図４は、本実施形態のモータ１からロータ４のみを抜き出した斜視図である。
【００１３】
ロータ４は、回転中心となる回転軸４３と、外縁の筒部４１と、回転軸４３及び筒部４１間を連結する円盤部４２とからなる。円盤部４２は、軽量化のために、開口部４２ａが複数形成されている。この開口部４２ａの数、大きさ、位置は、ロータ４としての強度を確保し得る範囲で最大限開口面積が大きくなるように適宜設計することが望ましい。
【００１４】
回転軸４３は、モータ１による回転力を取り出して、外部に回転力を伝える機能を果たす。
図５は、ロータ４の筒部４１及びその周辺の拡大断面図である。筒部４１は、円盤部４２の外縁から垂直上下方向に切り立った、軸Ｘを中心とする円筒状となっている。
筒部４１の外周部４７には、その軸方向中央に、磁石４５が設けられている。
【００１５】
磁石４５は、中心角９０°の円弧状の磁石４個を組み合わせて、全体としてリング状になっている。この磁石４５は、リング状の１つの部材のみで構成されていてもよいし、４個以外の、例えば中心角１２０°の円弧状の磁石３個や、中心角９０°未満の円弧状の磁石５個以上などを組み合わせてもよく、全体として円弧状になりさえすればよい。磁石相互間については、接触していても、多少離間していても構わない。
【００１６】
磁石４５は、軸Ｘ方向に磁極が異なり、例えば、図面上の上側がＳ極、下側がＮ極になっている。
また、磁石４５を挟んで、軸Ｘ方向の両側に、環状部としての極歯環４４及び極歯環４６が配されている。極歯環４４，４６は、円環状で磁石４５と接触しているヨーク（以下、「ロータ鉄心」と称する。）４４ｂ，４６ｂと、該ロータ鉄心４４ｂ，４６ｂから外方に放射状に突出する極歯４４ａ，４６ａとからなる。
【００１７】
極歯環４４及び極歯環４６は鉄製等の磁性体からなり、磁石４５に吸着している。磁石４５のＳ極側に吸着している極歯環４４の極歯４４ａはＳ極の磁極部となり、磁石４５のＮ極側に吸着している極歯環４６の極歯４６ａはＮ極の磁極部となる。
一方、ロータ４の筒部４１の外周部４７には、周方向において、磁極部としての極歯４４ａ、４６ａが複数設けられている。極歯４４ａ，４６ａは、図４をみればわかるように、筒部４１の周方向における位置が互い違いにずれた状態となっている。即ち、筒部４１の周方向に、極歯４４ａと極歯４６ａとが交互に並ぶように配されている。
【００１８】
極歯４４ａ及び極歯４６ａは、既述のように、それぞれがＳ極あるいはＮ極の磁極となって、Ｎ極とＳ極を一対として複数の対を成す磁極部を形成している。極歯４４ａ及び極歯４６ａは、それぞれ９１個、即ち磁極部の対の数（Ｍｎ）は９１個となっている。
【００１９】
次に、ステータ５について説明する。図６は、本実施形態のモータ１からステータ５のみを抜き出した斜視図である。
ステータ５は、その全体を取り囲む環状部としての円環部５１と、円環部５１の内周面からロータ４に向けて延出し、ロータ４の外周部４７を取り囲む磁性部材（以下、「ティース」と称する。）５２と、ティース５２に巻き付けられる導線５３とを備えている。
【００２０】
ティース５２は、円環部５１の内周面からロータ４に向けて延出する延出部５２ａと、延出部５２ａの先端でロータ４の外周部４７の周方向に二手に分かれ、その外周面に沿って延在しこれに対向するスロット５２ｂと、を有する。この延出部５２ａに、導線５３が巻き付けられて、コイルを形成している。このコイルにおける導線５３の巻き数は、本実施形態では２０となっている。また、スロット５２ｂ同士対向する位置について、導線５３の巻き線は逆方向になっており、これらスロット５２ｂ同士は同相となっている。
【００２１】
ティース５２の数（Ｔｎ）は計６個であり、６０°の角度の間隔で円環部５１から延出して、６個のスロット５２ｂでロータ４の筒部４１の外周部４７を取り囲んでいる。スロット５２ｂには、筒部４１の外周部４７に対向する複数の極歯５４が設けられている。１つのスロット５２ｂに設けられた極歯５４の数（Ｐｎ）は１５個であり、極歯５４の数の合計（ＴＰｎ）は９０個となっている。
【００２２】
本実施形態においては、ティース５２の数（Ｔｎ＝６）に対する１つのティース５２（１つのスロット５２ｂ）に設けられた極歯５４の数（Ｐｎ＝１５）の比（Ｐｎ／Ｔｎ）が、２．５となっている。この比（Ｐｎ／Ｔｎ）が大きいほど極数が増え、モータ１としてのトルクを増大させることができる。
【００２３】
本実施形態において、極歯５４の数（Ｐｎ）が１５個のティース５２（スロット５２ｂ）から、１２個、９個、６個及び４個のティースに置き換えて、逆起電力定数［ｍＶｓ／ｒａｄ］を測定した。具体的には、モータを外部から回転させた際の、モータの端子間（例えば、Ｕ相とＶ相の間）の電圧を、磁界解析ソフトを用いて解析し、逆起電力定数を計算した。なお、ティースの幅や導線の径、巻き数、ならびに導線をまくスペース等の各条件は、全て、第１の実施形態と同様とし、あくまでも極歯の数のみを変えて、計算を行った。結果を下記表１に示す。
【００２４】
また、下記表１には、極歯の数（Ｐｎ）が１５個の時を基準に、極歯の本数から計算上期待される値として、極歯の本数から逆起電力定数［ｍＶｓ／ｒａｄ］を比例計算した値（下記式Ａ参照）も求めて記載している。
（極歯の本数１５本時の値＝0.0504）×（極歯の本数／１５）  ・・・  式Ａ
【００２５】
【表１】
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【００２６】
ここで、「逆起電力定数」とは、モータを外部からある回転数で回転［ｒａｄ／ｓ］させた際に、外部磁界によりコイルに生じる電圧［ｍＶ］と回転数［ｒａｄ/ｓ］の比例係数である。かかる比例係数は、モータのトルク定数と理想的にはイコールになるため、どのくらいの電圧を印加するとどのくらいのトルクを生ずるモータであるかを判別する指標になり得るものである。
【００２７】
また、逆起電力定数は、理論上、磁極部の対の数に比例することが知られており、表中の「計算上期待される値」の結果と、実際の「逆起電力定数」の測定値と理想的には一致するはずのところ、表１を見ればわかる通り、両者の間には乖離がみられる。
表１の結果について、横軸にティースの数（Ｔｎ＝６）に対する１つのティースに設けられた極歯の数の比（Ｐｎ／Ｔｎ）を、縦軸に逆起電力定数［ｍＶｓ／ｒａｄ］を、それぞれ取ってプロットしたグラフを図７に示す。
【００２８】
図７のグラフを見ればわかる通り、比（Ｐｎ／Ｔｎ）が大きくなる、即ち、極歯の数が多くなるにしたがって逆起電力定数は、比例的に大きくなって行く。また、比（Ｐｎ／Ｔｎ）が小さくなる、即ち、極歯の数が少なくなるにしたがって、「計算上期待される値」の結果と、実際の「逆起電力定数」の測定値との乖離が大きくなって行く。この結果から、極歯の数が少ないと、起電力への変換効率が劣ってしまうことが読み取れる。比（Ｐｎ／Ｔｎ）としては、「計算上期待される値」の結果と、実際の「逆起電力定数」の測定値との乖離が少ない１．５以上が好ましく、乖離がほとんどない２．０以上がより好ましく、さらには２．５以上が特に好ましい。
【００２９】
しかし、１つのティース５２（１つのスロット５２ｂ）に極歯５４を多く設ける程、スロット５２ｂ内で異なる磁極のループができやすくなる。本実施形態では、これを解決するために、本実施形態においては、ロータ４の磁極部の数（Ｍｎ＝９１）とティース５２に設けられた極歯５４の数の合計（ＴＰｎ＝９０）との差（|Ｍｎ−ＴＰｎ|）を極力小さく、具体的には１としている。
【００３０】
ロータ４の磁極部の対の数（Ｍｎ）とティース５２に設けられた極歯５４の数の合計（ＴＰｎ）とは、ブラシレスモータとしての推進力を確保するためには、同じにすることはできず、両者に差を持たせなければならないが、この差を極力小さくする、具体的には１又は２にすることで、隣接する極歯５４間で磁力線がループしてしまうことによるロータ４の回転トルクの減衰を抑制することができる。
【００３１】
ロータ４の磁極部の対の数（Ｍｎ）とティース５２に設けられた極歯５４の数の合計（ＴＰｎ）に差を付けるには、ロータ４の極歯４４ａ及び極歯４６ａと、ティース５２（１つのスロット５２ｂ）に設けられた極歯５４とで、歯幅寸法を変えてやればよい。例えば、本実施形態のように、極歯５４の数よりも極歯４４ａ及び極歯４６ａの対の数の方を１大きくするためには、極歯５４の歯幅寸法１に対して、極歯４４ａ及び極歯４６ａの歯幅をおよそ０．９５以下にすればよい。併せて、あるいは、単独で、極歯間のピッチを調整しても構わない。
【００３２】
本実施形態のモータ１は、３層ブラシレスモータの構造をとっており、６つの導線５３への印加電圧を従来公知の手法でインバータ制御する（各相への通電タイミングを適切に切り替える）ことにより、駆動させることができる。
本実施形態では、ロータ４の位置を検出する機構は明記していないが、ホールセンサ、エンコーダ等のロータの位置を検出する電子部品を使用して通電タイミングを切り替えるクローズドループ制御や、逆気電圧の波形等を監視してロータの位置を特定し、通電タイミングを切り替えるセンサレス型のクローズドループ制御、またはロータ位置検出を行わないオープンループ制御のいずれの形態でも駆動させることができる。
本実施形態では、ロータとステータとの間のシーリングが比較的容易なインナロータ型モータにしているため、良好な防水性及び防塵性を実現することが可能になっている。
【００３３】
また、本実施形態によれば、簡単かつ小型でありながら、高トルクのモータを実現している。トルクを増加させるために単純に極数を増やすのでは、極数を増した分、ステータスロット数も増やさなければならず、結果として巻線をすることが困難になってくるが、本実施形態では、極歯を設けることでステータスロット数を増やすことなく極数を増やすことができ、高トルクを実現している。また、ステータスロット数も巻線（コイル）も少ない数で十分なので、高トルクを実現しながら、軽量化をも実現しており、例えば、ドローン用のモータとして、好適なものとなっている。
【００３４】
さらに、本実施形態では、ロータ４に、磁石４５、極歯環４４及び極歯環４６の３層構造からなる磁極部を採用しているため、多数の磁極部を有していながら、部品点数が少なく、また、例えば多数の焼結マグネットを所定の位置に配する必要が無いので、組立が容易であるとともに、低コストで小型かつ高性能なモータを提供することができる。
【００３５】
＜第２の実施形態＞
図８は、本発明の一例である第２の実施形態にかかるモータ１１の平面図である。図８において、第１の実施形態と同じ機能を有する同一形状の部材については、図１と同一の符号を付して、その詳細な説明は、基本的に省略する。
【００３６】
本実施形態にかかるモータ１１では、ロータ４’の構成が第１の実施形態と異なっている。即ち、本実施形態においては、ロータ４’の筒部４１の外周部４７’に、リング状磁石６が、周方向にＮ極とＳ極とが交互に外周方向を向く（スロット５２ｂに対向する）ように９１極の対で着磁されている。ここで、リング状磁石６には、ネオジウム・鉄・ボロン（ＮｄＦｅＢ）粉末を樹脂で結合したボンド磁石、フェライト系のボンド磁石やサマリウム・鉄・窒素（ＳｍＦｅＮ）粉末を樹脂で結合したボンド磁石等を用いることができる。
【００３７】
本実施形態では、このリング状磁石６の磁極（外周方向を向くＮ極またはＳ極）が、本発明に云う「磁極部」を構成する。極歯５４の数の合計（ＴＰｎ）は、第１の実施形態と同様、９０個なので、ロータ４’の磁極部の対の数（Ｍｎ＝９１）とティース５２に設けられた極歯５４の数の合計（ＴＰｎ＝９０）との差（|Ｍｎ−ＴＰｎ|）は、本実施形態においても１である。
【００３８】
本実施形態のモータによれば、第１の実施形態と同様、良好な防水性及び防塵性、高トルク、ならびに、軽量化を実現することができる。ただし、本実施形態では、Ｎ極から出た磁束が同一平面内（短い距離）でＳ極に戻るため磁極のループが生じやすく、特性面で、第１の実施形態のモータに比して不利となる。
【００３９】
以上、本発明のモータについて、好ましい実施形態を挙げて説明したが、本発明のモータは上記実施形態の構成に限定されるものではない。例えば、上記実施形態において、ティース５２（スロット５２ｂ）の数（Ｔｎ）が６個、１つのティース５２（１つのスロット５２ｂ）に設けられた極歯５４の数（Ｐｎ）が１５個、ロータ４の磁極部の数が９２個の例を挙げて説明したが、これら数値はいずれも例示であり、本発明はこれらに限定されることはない。ロータの磁極部の対の数（Ｍｎ）と前記ティースに設けられた極歯の数の合計（ＴＰｎ）との差（|Ｍｎ−ＴＰｎ|）が、１または２でありさえすればよい。
【００４０】
また、上記実施形態では、ロータ４の磁極部の対の数（Ｍｎ）が、ティース５２に設けられた極歯５４の数の合計（ＴＰｎ）よりも１個多い（Ｍｎ＝ＴＰｎ＋１）例を挙げているが、本発明においては、２個多くても（Ｍｎ＝ＴＰｎ＋２）構わないし、ティース５２に設けられた極歯５４の数の合計（ＴＰｎ）の方が１個（Ｍｎ＋１＝ＴＰｎ）あるいは２個（Ｍｎ＋２＝ＴＰｎ）多くても構わない。
【００４１】
その他、当業者は、従来公知の知見に従い、本発明のモータを適宜改変することができる。かかる改変によってもなお本発明の構成を具備する限り、勿論、本発明の範疇に含まれるものである。
【符号の説明】
【００４２】
１…モータ、２…カバー、３…ケース、４…ロータ、４１…筒部、４２…円盤部、４２ａ…開口部、４３…回転軸、４４，４６…極歯環、４４ａ，４６ａ…極歯（磁極部）、４４ｂ，４６ｂ…ロータ鉄心、４５…磁石、４７，４７’…外周部、５…ステータ、５１…円環部、５２…ティース（磁性部材）、５２ａ…延出部、５２ｂ…スロット、５３…導線、５４…極歯、６…リング状磁石（磁石）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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