(57)【要約】【課題】高速回転駆動におけるトルク不足を解消するとともに、マグネットの飛散を防止できるモータを提供することを目的とする。【解決手段】非磁性体により固定された複数個のコアレスコイル２１を等間隔に配置し、コアレスコイル２１の内周側に突極性を有する内ヨーク２３と、コアレスコイル２１の外周側にバックヨーク２５とを備え、溝孔部２４に複数個の第１マグネット２６を埋め込み、マグネットトルクとこのマグネットトルクより小さいリラクタンストルクとで回転駆動する。【選択図】　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
非磁性体により固定された複数個のコアレスコイルを等間隔に配置した固定子と、前記コアレスコイルの内周面および外周面と隙間を介して対向し、回転自在に保持された回転子とを備え、前記回転子はコアレスコイルの内周側に突極性を有する内ヨークと、コアレスコイルの外周側にバックヨークとを備えたことを特徴とするモータ。
【請求項２】
突極性を有する内ヨークの溝孔部に複数個の第１マグネットを埋め込み、マグネットトルクとこのマグネットトルクより小さいリラクタンストルクとで回転駆動する請求項１に記載のモータ。
【請求項３】
突極性を有する内ヨークの外周面に複数個の第２マグネットを固着し、この第２マグネットを非磁性体からなる円筒状リングで固定した請求項１に記載のモータ。
【請求項４】
バックヨークは内ヨークと対応する突極性を有し、リラクタンストルクのみで回転駆動する請求項１に記載のモータ。
【請求項５】
バックヨークの内周面に第３マグネットを固着した請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のモータ。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のモータを搭載して、高速回転駆動するモータ応用機器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コアレスコイルを備えた周対向型のブラシレスモータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のコアレス型のブラシレスモータの構造について図を参照しながら説明する。
【０００３】
図７において、７１はシャフト、７２は内ヨーク、７３はバックヨーク、７４はマグネット、７５はコアレスコイル、７６は非磁性材料、７７、７８はブラケット、７９はフレーム、８０は軸受である。
【０００４】
円筒状の内ヨーク７２およびバックヨーク７３の片端部を磁気連結したヨークをシャフト７１に固定し、内ヨーク７２の外周面に着磁したマグネット７４を固着して回転子を構成している。一方、固定子は絶縁した銅線を巻回した複数個のコアレスコイル７５を等間隔に非磁性材料７６で略環状に固定配置している。
【０００５】
そして、固定子の内側をブラケット７７に固定、外周部をフレーム７９、開口部をブラケット７８で覆うとともに、ブラケット７７およびブラケット７８に設けた軸受８０で回転子のシャフト７１を回転自在に保持する。このときマグネット７４の外周面とコアレスコイル７５の内周面、コアレスコイル７５の外周面とバックヨーク７３の内周面、バックヨーク７３の外周面とフレーム７９の内周面の隙間を確保する。
【０００６】
回転子は軸受８０で支持されたシャフト７１を中心にして固定子のコアレスコイル７５に流れる電流による回転磁界によって、マグネットトルクで回転する。コアレスモータは、固定子にコア（鉄心）を用いないため鉄損が無く、高速回転時に固定子にコアを用いたモータに比べ、高効率であり、発熱も少ないため長時間の使用も可能という特徴を有している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のコアレスモータにおいては、マグネットトルクのみで回転駆動するため誘起電圧が高くなり高速回転時にトルクが不足するという問題があった。
【０００８】
また、回転子の表面にマグネットを固着しているため、高速回転時に、マグネットが飛散する可能性があった。
【０００９】
本発明は前記従来の問題を解決するもので、高速回転駆動におけるトルク不足を解消するとともに、マグネットの飛散を防止できるコアレス型のブラシレスモータを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するために本発明は、非磁性体により固定された複数個のコアレスコイルを等間隔に配置した固定子と、前記コアレスコイルの内周面および外周面と隙間を介して対向し、回転自在に保持された回転子とを備え、前記回転子はコアレスコイルの内周側に突極性を有する内ヨークと、コアレスコイルの外周側にバックヨークとを備えたものである。また、突極性を有する内ヨークの溝孔部に複数個の第１マグネットを埋め込み、マグネットトルクとこのマグネットトルクより小さいリラクタンストルクとで回転駆動するものである。また、バックヨークは内ヨークと対応する突極性を有し、リラクタンストルクのみで回転駆動するものである。さらに、バックヨークの内周面に第３マグネットを固着したものである。
【００１１】
これらにより、高速回転時の高効率・高トルクが得られる。また、マグネットトルクにリラクタンストルクを併用したものではマグネットの飛散を防止できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
前記の課題を解決するため請求項１に記載のモータは、非磁性体により固定された複数個のコアレスコイルを等間隔に配置した固定子と、前記コアレスコイルの内周面および外周面と隙間を介して対向し、回転自在に保持された回転子とを備え、前記回転子はコアレスコイルの内周側に突極性を有する内ヨークと、コアレスコイルの外周側にバックヨークとを備えたもので、リラクタンストルクにより高速回転を実現できる。
【００１３】
また、請求項２に記載のモータは、突極性を有する内ヨークの溝孔部に複数個の第１マグネットを埋め込み、マグネットトルクとこのマグネットトルクより小さいリラクタンストルクとで回転駆動するもので、マグネットトルクとリラクタンストルクを合わせて用いることができるので高い効率が得られる。
【００１４】
また、請求項３に記載のモータは、突極性を有する内ヨークの外周面に複数個の第２マグネットを固着し、この第２マグネットを非磁性体からなる円筒状リングで固定したもので、円筒状リングによってマグネットの飛散を防止できる。
【００１５】
また、請求項４に記載のモータは、バックヨークは内ヨークと対応する突極性を有し、リラクタンストルクのみで回転駆動するもので、マグネットトルクを用いないため、マグネットの減磁や温度依存性などがなく、高速回転駆動を実現できる。
【００１６】
また、請求項５に記載のモータは、バックヨークの内周面に第３マグネットを固着したもので、コアレスコイルと対向する両側にマグネットを固着することにより、強力な磁界による高トルクと高速運転でもマグネットの飛散の恐れがない高出力モータが得られる。
【００１７】
さらに、請求項６に記載の発明は、前記のモータを高速回転駆動するモータ応用機器に搭載したもので、小型化・高出力化・高信頼性を実現できる。
【００１８】
【実施例】
以下、本発明の実施例について、図を参照して説明する。
【００１９】
（実施例１）
実施例１は突極性を得るために内ヨークに溝孔部を設けたものである。
【００２０】
図１において、１１は固定子のコアレスコイル、１２は回転子のシャフト、１３は内ヨーク、１４は内ヨークに設けた溝孔部、１５はバックヨークである。
【００２１】
非磁性体に巻回したコアレスコイル１１を３相分（Ｕ，Ｖ，Ｗ）円周方向に均等配置して固定、Ｕ相コイルはＵ１とＵ２を対辺にもち電流の向きが反対となる分布巻線である。同様にＶ相はＶ１とＶ２を対辺にもつ分布巻線、Ｗ相はＷ１とＷ２を対辺にもつ分布巻線である。そして３相のコアレスコイル１１はスター結線され、三相電圧が印加される。
【００２２】
コアレスコイル１１と僅かな隙間を介して軸方向に磁性鋼板を積層した内ヨーク１３とバックヨーク１５とを片側端部で磁気結合してシャフト１２に固定し回転子を構成している。
【００２３】
突極性を得るために内ヨーク１３の片側半分に逆円弧状の溝孔部１４を複数形成（実施例１は３つ）して、反対側にも対象に設ける。溝孔部１４は打ち抜き加工により形成されるが、高速回転時の強度確保のために非磁性樹脂などを埋め込んでもよい。また、溝孔部１４の形状を保持するために内ヨーク１３外周部にブリッジ部を設けてもよいが、ブリッジ部をなくして樹脂など非磁性体で一体的に外周部を成形すれば、ブリッジ部における磁束漏れがなくなり、リラクタンストルクを向上させることができる。
【００２４】
この溝孔部１４は、鉄心との透磁率の差により図１のｄ軸方向には磁束を妨げるバリア効果を有し、ｄ軸から９０度離れたｑ軸方向は磁路が鉄心で形成されるため磁束が通りやすくなる。
【００２５】
そこで、三相コイルのＵ，Ｖ，Ｗ相に三相交流電圧を印可したとき、ある瞬間のコイル電流がＵ相とＶ相に図のように流れ、それによって発生する磁束の合成ベクトルが図１に示す方向に発生したとすると、ｑ軸が磁束の合成ベクトルと一致する方向（図１では時計方向）にリラクタンストルクが発生し、回転子が回転する。そして、三相交流電圧を回転子の回転位置に同期させて変化させることにより回転を維持することができる。
【００２６】
なお、予め巻回したコアレスコイルを樹脂モールドなどで等間隔に配置して固定子とすることもできる。また、占積率を向上するためコアレスコイルに平角線を用いてもよい。さらに、かかるモータはマグネットを用いないため容易に鉄と銅を分離できるため環境負荷も低減できる。
【００２７】
（実施例２）
実施例２は内ヨークに設けた突極性を得るための溝孔部に第１マグネットを設けたものである。
【００２８】
図２において、２１は固定子のコアレスコイル、２２は回転子のシャフト、２３は内ヨーク、２４は内ヨークに設けた方形の溝孔部、２５はバックヨーク、２６は板状の第１マグネットである。
【００２９】
実施例１とは、内ヨーク２３に設けた溝孔部２４の形状、数および溝孔部２４内に第１マグネット２６を設けた点が異なる。
【００３０】
実施例２では、溝孔部２４を内ヨーク２３の外周付近に等間隔に８ヶ所設け、着磁した板状の第１マグネット２６を溝孔部２４に固着する。第１マグネット２６は連続した半分（４ヶ所）が同極、残り半分（４ヶ所）が反対極になるよう溝孔部２４に配置する。このため、第１マグネット２６で発生する磁力線は１８０度で外周向きと内周向きに方向が反転する。
【００３１】
図２のように磁力線の方向が外周方向と内周方向に切り替わる付近にあるＷ相コイルに流す電流をほぼ０とし、Ｖ相コイルの対辺Ｖ１とＶ２およびＵ相コイルの対辺Ｕ１とＵ２に図示した方向の電流を流すとＵ相コイル、Ｖ相コイルに反時計方向の力が作用し、その結果、回転子は反力により時計方向に回転する。したがって、第１マグネットの磁力線の向きに応じてＵ、Ｖ、Ｗ相コイル内の２相に流す電流の位相を変化させれば回転を持続することができる。
【００３２】
なお、第１マグネット２６は溝孔部に埋め込むため、高速回転時にも飛散の恐れがなく、希土類などの強力な磁石材料を用いることによりマグネットトルクとリラクタンストルクの併用による高トルクの実現が可能となる。
【００３３】
（実施例３）
実施例３は内ヨークに突極性の溝孔部を備え、コアレスコイルの内側に隙間を介して内ヨーク外周に第２マグネットを備えたものである。
【００３４】
図３において、３１は固定子のコアレスコイル、３２は回転子のシャフト、３３は内ヨーク、３４は内ヨークに設けた溝孔部、３５はバックヨーク、３６は円弧状セグメントの第２マグネット、３７は非磁性体からなる円筒状リングである。
【００３５】
第２マグネット３６の外側には非磁性体の円筒状リング３７を設けており、この円筒状リング３７により、第２マグネット３６が発生する磁界に悪影響を与えることもなく高速回転時における第２マグネット３６の飛散を防止することができる。
【００３６】
溝孔部３４の配置および形状は実施例１と同じで、内ヨーク３３の外周に第２マグネット３６を８つ等間隔に固着する。このとき、連続する４つの第２マグネット３６の同極および反対極を溝孔部３４の左右半分に均等配置し、溝孔部３４の上下半分で磁力線の方向が外周方向と内周方向に切り替わるようにする。そして、Ｖ相コイルの対辺Ｖ１とＶ２およびＵ相コイルの対辺Ｕ１とＵ２に図示した方向の電流を流すとＵ相コイル、Ｖ相コイルに反時計方向の力が作用し、その結果、回転子は反力により時計方向に回転する。
【００３７】
このマグネットトルクと実施例１で説明したリラクタンストルクが同じ回転方向に発生しマグネットトルクとリラクタンストルクの和によって回転する。そして三相交流電圧を回転子の回転位置に同期させて変化させることにより回転を維持することができる。このため、マグネットトルクとリラクタンストルクの両方を有効に利用でき、小型で高トルクを実現できるモータとなる。
【００３８】
（実施例４）
実施例４は内ヨークとバックヨークの両方に突極性を得るための溝孔部を備えたものである。
【００３９】
図４において、４１は固定子のコアレスコイル、４２は回転子のシャフト、４３は内ヨーク、４４は内ヨークに設けた溝孔部、４５はバックヨーク、４６はバックヨークに設けた溝孔部である。
【００４０】
コアレスコイル４１および内ヨーク４３の溝孔部４４は実施例１と同様に配置している。バックヨーク４５の溝孔部４６と内ヨークの溝孔部４４とを関連させることでｄ軸方向に磁束を妨げるバリア効果を得て、ｄ軸から９０度離れたｑ軸方向は磁路が鉄心で形成されるため磁束が通りやすくなる。
【００４１】
そして、三相コイルのＵ，Ｖ，Ｗ相に三相交流電圧を印可したとき、ある瞬間のコイル電流がＵ相とＶ相に図１と同じように流れ、それによって発生する磁束の合成ベクトルが図１と同じように発生したとすると、ｑ軸が磁束の合成ベクトルと一致する方向にリラクタンストルクが発生し、三相交流電圧を回転子の回転位置に同期させて変化させることにより回転を維持することができる（実施例１と同じ）。
【００４２】
なお、内ヨークに突極性を得るため溝孔部に変えて、内ヨーク５３の形状を図５のように変形させても同様に実施できる。
【００４３】
（実施例５）
実施例５は内ヨークに突極性を有し、コアレスコイル外側のバックヨーク内周面に第３マグネットを備えたものである。
【００４４】
図６において、６１は固定子のコアレスコイル、６２は回転子のシャフト、６３は内ヨーク、６４は内ヨークに設けた溝孔部、６５はバックヨーク、６６は環状の第３マグネットである。
【００４５】
コアレスコイル６１および内ヨーク６３は実施例１と同じで、バックヨーク６５内周に第３マグネット６６を設けたところが異なる。第３マグネット６６は溝孔部６４に対して磁束を妨げるｄ軸方向を境にして着磁され、コアレスコイル６１に流す電流の向きにより（図６はＵ相とＶ相に通電）、実施例３と同じようにマグネットトルクとリラクタンストルクが同じ回転方向に発生し、マグネットトルクとリラクタンストルクの和によって回転する。そして三相交流電圧を回転子の回転位置に同期させて変化させることにより回転を維持することができる。
【００４６】
【発明の効果】
前記の実施例から明らかなように、請求項１および請求項４に記載の発明によれば、回転子は突極性を有する内ヨークおよび、またはバックヨークを備えており、リラクタンストルクにより高速回転を実現できる。
【００４７】
また、請求項２記載の発明によれば、マグネットトルクとリラクタンストルクとを同じ方向に発生させて用いるため容易に高い効率を得ることができ、突極性を有する回転子にマグネットを埋め込むことで遠心力が働いてもマグネットは飛散することはない。
【００４８】
また、請求項３記載の発明によれば、円筒状リングによってマグネットの飛散を防止できる。
【００４９】
また、請求項５記載の発明によれば、強力な磁界による高トルクと高速運転でもマグネットの飛散の恐れがない高出力モータが得られ、小型・軽量化を実現できる。
【００５０】
さらに、請求項６記載の発明によれば、半導体製造装置や工作機械のスピンドル駆動、掃除機のように高速回転駆動を必要とする機器に本発明のモータを搭載することで、高速回転駆動におけるトルク不足を解消できるとともに、マグネットの飛散を防止できる信頼性の高いモータを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１におけるモータ出力部の横断面図
【図２】本発明の実施例２におけるモータ出力部の横断面図
【図３】本発明の実施例３におけるモータ出力部の横断面図
【図４】本発明の実施例４におけるモータ出力部の横断面図
【図５】本発明の実施例４における他のモータ出力部の横断面図
【図６】本発明の実施例５におけるモータ出力部の横断面図
【図７】従来のモータの構成図
【符号の説明】
１１、２１、３１、４１、６１　コアレスコイル
１３、２３、３３、４３、５３、６３　内ヨーク
１４、２４、３４、４４、６４　溝孔部
１５、２５、３５、４５、６５　バックヨーク
２６　第１マグネット
３６　第２マグネット
３７　円筒状リング
６６　第３マグネット
【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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