JP5997928B2 - 単相ブラシレスモータ - Google Patents

Description

本発明は、ステータの突極の構造に特徴がある単相ブラシレスモータに関する。

特許文献１には、アウターロータ側の単相ブラシレスモータにおけるステータコアの突極の構造において、回転方向両端部におけるロータとの間の隙間の値を、一方の端部で最小にし、他方の端部で最大となるように周方向で連続的に隙間寸法を変化させた構造が記載されている。

特開２００６−３３３５８５号公報

単相ブラシレスモータにおいては、良好な起動安定性と低いコギングトルクを両立ことが課題となる。起動安定性とは、停止した状態から通電を開始した際に、安定に起動する特性のことである。起動安定性を得るためには、特許文献１に記載されているようなステータコアの突極の先端部分における形状を、周方向において非対称にする構造が有効となる。しかしながら、特許文献１に記載されているような構造は、起動安定性を高める上で有効であるが、コギングトルクが大きくなる問題が生じる。コギングトルクは、回転トルクのムラであり、モータ回転時の振動や騒音の原因となる。

このような背景において、本発明は、単相ブラシレスモータにおいて、良好な起動安定性と低コギングトルクを両立することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、アウターロータ型の単相ブラシレスモータであって、内周面に複数の磁極を備えた筒形状のロータと、回転中心から離れる方向に延在しステータコイルを巻回するための延在部および前記ロータの側の磁極に対向した突極面を備えた複数の突極を備え、前記ロータの内側に配置されたステータコアとを有し、軸方向から見て、前記複数の突極における前記突極面のそれぞれは、一つの円の円弧の一部であり、前記突極面の一方の端部における前記ロータとの空隙の寸法をｄ_１、前記突極面の他方の端部における前記ロータとの空隙の寸法をｄ_２、前記突極面と前記ロータとの空隙の最小寸法をｄ_３とした場合に、ｄ_３＜ｄ_１＜ｄ_２であり、前記空隙がｄ_３となるのは、前記突極面を構成する前記円弧の中央から前記一方の端部の側に寄った位置であり、軸方向から見た前記ロータの内周面は、回転中心を中心とする円であり、前記複数の突極のそれぞれにおける前記突極面を構成する前記円弧の曲率中心の位置と、前記ロータの内周面を構成する前記円の中心の位置とが異なっていることを特徴とする単相ブラシレスモータである。

請求項１に記載の発明によれば、ｄ_１≠ｄ_２とすることで、単相駆動でありながら自起動を容易とし、またｄ_３の位置を空隙がｄ_１である端部の側に寄せた位置とすることでコギングトルクを低減することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記突極の数が４個であり、前記突極面を構成する円弧の曲率中心から見て、前記突極面は、８０°±２°の角度範囲にあり、前記ｄ_３の位置が、前記角度範囲の中心の位置から前記一方の端部の方向に２７°±３°ずれた位置にあることを特徴とする。請求項２に記載の発明によれば、起動の容易性と低コギングトルク特性を更に追求することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記４つの突極における周方向で隣接する突極それぞれの突極面端部間のギャップ寸法が１ｍｍ以上であり、且つ、周方向の角度で捉えて１０°以下であることを特徴とする。請求項３に記載の発明によれば、突極に巻回される巻線のターン数が稼げるので、同じトルクを得るのに必要な駆動電流の値を抑えることができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の発明において、前記ステータコアには、軸方向から見た左右の違いを識別するためのマークが設けられていることを特徴とする。本願発明のステータコアは、軸方向から見た形状が左右非対称であるので、組み立て時に注意が必要である。請求項４に記載の発明によれば、軸方向から見た左右の違いを容易に認識することができるので、組み立て性が向上し、更に左右を間違えて組み付けてしまう事故の発生が防止される。

本発明によれば、単相ブラシレスモータにおいて、良好な起動安定性と低いコギングトルクを両立することができる。

実施形態の単相ブラシレスモータにおけるパラメータの関係を示す概念図である。 図１の一部を拡大した拡大図である。 実施形態の単相ブラシレスモータのステータコアの斜視図である。

（構成）
図１には、単相ブラシレスモータ１００が示されている。単相ブラシレスモータ１００は、アウターロータ型の単相ブラシレスモータである。単相ブラシレスモータ１００は、ステータコア１０１を備えている。

図３には、ステータコア１０１の斜視図が示されている。ステータコア１０１は、図１に示す形状に加工された磁性材料（例えば、電磁鋼板等）の薄板を複数毎積層することで構成されている。ステータコア１０１は、４つの突極１０２を備えている。突極１０２は、軸中心（回転中心）から離れる方向に延在した延在部１０３、延在部の先端の部分にあり、軸方向から見て傘型に開いた形状を有する先端部１０４、先端部１０４の外側の面であり、後述するロータの内周面に隙間を隔てて対向する突極面１０５を備えている。突極１０２の延在部１０３には、図示省略したステータコイル（駆動コイル）が巻回される。各突極１０２における巻回されたステータコイルの結線方法は、一般的な４極のアウターロータ型単相ブラシレスモータの場合と同じである。

ステータコア１０１は、円筒形状のロータ１２０の内側に収められている。ロータ１２０は、円筒形状のロータヨーク１２１、ロータヨーク１２１の内側に配置され、周方向に沿ってＳ極１２２とＮ極１２３が交互に位置する状態に着磁がされた円筒形状の永久磁石を備えている。ロータ１２０は、図示省略した保持構造により、ステータコア１０１に対して回転自在な状態で保持されている。すなわち、ロータ１２０は、内側にステータコア１０１を納めた状態で、ステータコア１０１に対して回転可能な構造を有している。

軸方向から見た（図１の視点から見た）突極面１０５の形状は、円弧である。また、軸方向から見たロータ１２０の内周面の形状は、円形である。図１では明確でないが、突極面１０５を構成する円弧の中心（曲率中心）Оと、１２０の内周面の中心Ｏ’(円の中心)とは一致しておらず僅かにずれている。このため、周方向における突極面１０５とロータ１２０の内周面との間の距離は一定ではない。以下、この点について説明する。

図２には、図１の一部を拡大したものが示されている。まず、突極面１０５を構成する円弧の中心Ｏを定義する。前述したように、点Ｏは、軸方向から見たロータ１２０の内周面を構成する円の中心Ｏ’（ロータ１２０の回転中）とは位置がずれている。点Ｏから見た、突極面１０５の角度範囲(左右両端の間の角度範囲)を開角θ_１とする。θ_２は、開角θ_１を４等分した角度範囲である。θ_４は、θ_１の角度範囲の中央の部分ａ（軸方向から見た突極面の中央の位置）から後述する空隙寸法ｄ_３の位置ｂまでの角度距離（角度で把握した離間距離）である。

図２には、軸方向から見た突極面１０５の両端におけるロータ１２０との間の空隙の値ｄ_１およびｄ_２が示されている。ここで、ｄ_１が左端における空隙の寸法であり、ｄ_２が右端における空隙の寸法である。この例において、ｄ_１＜ｄ_２に設定されている。ここで、突極面１０５とロータ１２０内周面との間の距離が最小値ｄ_３となる部分ｂは、開角θ_１の中央の位置ａから左側の端部（空隙の値がｄ_１の部分）に向かって角度でθ_４進んだ位置に設定されている。なお、ｄ_３は、突極面１０５とロータ１２０内周面との間の空隙の値の最小値であるので、ｄ_３＜ｄ_１＜ｄ_２の関係が成立している。この構造は、突極面１０５を構成する円弧の中心Ｏと、軸方向から見たロータ１２０の内周面を構成する円の中心Ｏ’（ロータ１２０の回転中心）との位置を意図的にずらすことで実現されている。

すなわち、軸方向から見た最小の空隙値ｄ_３の位置ｂは、一方の端部（空隙ｄ_１の位置）と突極面１０５の中心部ａ（開角θ_１の中央の位置ａ）との中央の位置ｃよりも、前記一方の端部（空隙ｄ_１の位置）に近い位置にある。言い換えると、空隙値ｄ_３の位置ｂは、突極面１０５を四等分した角度範囲の一方の端部側（図２の場合は、一番左側）の範囲にある。

開角θ_１の値は、７５°〜８５°の範囲から選択が可能であるが、好ましくは８０°±２°の範囲から選択される。θ_４の値は、θ１＝８０°±２°とした場合に、θ_４＝２７°±３°の範囲から選択される。後述するように、この角度設定とすることで、起動安定性と低コギングトルク特性を両立させることができる。

また、周方向で隣接する突極面１０５同士の空隙ｄ_４は、角度で捉えて（この値をθ_５とする）１０°以下とする。なお、θ_５は、ロータ１２０の回転中心から見た角度範囲として把握される。θ_５≦１０°とすることで、各突極１０２の延在部１０３に巻回できる巻線のターン数を多く確保でき、より高い効率を得ることができる。具体的には、同じトルクを得るために必要な電流値を抑えることができる。なお、ｄ_４の下限は、１ｍｍ程度が限界である。ｄ_４の値が、１ｍｍより小さくなると、ステータコイルを巻くための巻線機のノズルが隙間に入らなくなり、ステータコイルの巻回作業が困難となる。

軸方向から見た突極１０２の延在部１０３の片側には、ステータコア１０１（突極１０２）の向きを特定するためのマーク（切り欠きマーク）１０６が形成されている。図１や図２に示す軸方向の視点から見たステータコア１０１は、突極１０２の形状に関連して説明したように、左右非対称な形状であり、裏返して用いることはできない。そこで、組み立て時に向きを判別し易いように、延在部１０３の側面に切り欠き構造により構成されるマーク１０６が設けられている。

(作用)
ｄ_１とｄ_２に差を設けることで、安定した起動を行なうことができる。仮に、ｄ_１とｄ_２に差がなく、突極面１０５とロータ１２０の内周面との間の空隙の値が場所により変化しない一定値であるとすると、単相駆動とした場合にロータ１２０の回転が生じない（つまり起動できない）状況が有りうる。それに対して、本実施形態のように、ｄ_１とｄ_２に差を設けた構造とすると、突極面１０５の左右で働く磁力がアンバランスになるので、単相駆動であっても安定した起動を行なうことができる。

また、安定した起動を優先した場合、コギングトルクが増大するが、突極面１０５とロータ１２０の内周面との間の空隙が最小となる位置ｂを図示する位置とすることで、安定した起動が得られ、且つ、コギングトルクを抑えることができる。

（実験データ）
各パラメータを振ったサンプルを試作し、評価を行った結果を表１に示す。なお、比較例３は、θ_４＞（θ_１／２）であり、図２のｂに相当する部分が、突極面１０５の左端より仮想的に更に外側にある場合である。この場合、ｄ１が空隙の最小値となる。

表１から明らかなように、θ_４が２２°を下回った場合（比較例１）、および３２°を上回った場合（比較例２）に安定した起動の特性およびコギングトルクの点で評価が低くなる。また、θ_４が２７°程度の場合に良好な特性が得られることが分かる。このことから、θ_４が２７°±３°の範囲程度にある場合に自起動の容易性と低いコギングトルク特性が得られると結論される。なお、比較例３のように、突極面の端部で突極面とロータとの間の空隙が最小となる構造は、良好な起動安定性を得る上では適しているが、軸方向から見た突極の左右のアンバランスの影響が顕著になるので、コギングトルクの点で満足する特性が得られない。

（優位性）
アウターロータ型の単相ブラシレスモータにおいて、起動安定性を保ち、且つ、コギングトルクを低減することができる。また、θ５の値を１０°以下とすることで、突極１０２に巻回するステータコイルのターン数を多く確保でき、同じトルクを得るのに必要な駆動電流の電流値を低減することができる。また、ステータコア１０１には向きがあり、軸方向から見た左右の向きに注意が必要であるが、マーク１０６を設けることで、高い組み立て性と向きを間違えての組み付けが防止される。

（その他）
本発明の態様は、上述した個々の実施形態に限定されるものではなく、当業者が想到しうる種々の変形も含むものであり、本発明の効果も上述した内容に限定されない。すなわち、特許請求の範囲に規定された内容およびその均等物から導き出される本発明の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更および部分的削除が可能である。

本発明は、アウターロータ型の単相ブラシレスモータに利用することができる。

１００…単相ブラシレスモータ、１０１…ステータコア、１０２…突極、１０３…延在部、１０４…先端部、１０５…突極面、１０６…マーク、１２０…ロータ、１２１…ロータヨーク、１２２…ロータマグネットのＳ極、１２３…ロータマグネットのＮ極。

Claims (4)

1. アウターロータ型の単相ブラシレスモータであって、
   内周面に複数の磁極を備えた筒形状のロータと、
   回転中心から離れる方向に延在しステータコイルを巻回するための延在部および前記ロータの側の磁極に対向した突極面を備えた複数の突極を備え、前記ロータの内側に配置されたステータコアと
   を有し、
   軸方向から見て、前記複数の突極における前記突極面のそれぞれは、一つの円の円弧の一部であり、
   前記突極面の一方の端部における前記ロータとの空隙の寸法をｄ_１、前記突極面の他方の端部における前記ロータとの空隙の寸法をｄ_２、前記突極面と前記ロータとの空隙の最小寸法をｄ_３とした場合に、ｄ_３＜ｄ_１＜ｄ_２であり、
   前記空隙がｄ_３となるのは、前記突極面を構成する前記円弧の中央から前記一方の端部の側に寄った位置であり、
   軸方向から見た前記ロータの内周面は、回転中心を中心とする円であり、
   前記複数の突極のそれぞれにおける前記突極面を構成する前記円弧の曲率中心の位置と、前記ロータの内周面を構成する前記円の中心の位置とが異なっていることを特徴とする単相ブラシレスモータ。
2. 前記突極の数が４個であり、
   前記突極面を構成する円弧の曲率中心から見て、前記突極面は、８０°±２°の角度範囲にあり、
   前記ｄ_３の位置が、前記角度範囲の中心の位置から前記一方の端部の方向に２７°±３°ずれた位置にあることを特徴とする請求項１に記載の単相ブラシレスモータ。
3. 前記４の突極における周方向で隣接する突極それぞれの突極面端部間のギャップ寸法が１ｍｍ以上であり、且つ、周方向の角度で捉えて１０°以下であることを特徴とする請求項２に記載の単相ブラシレスモータ。
4. 前記ステータコアには、軸方向から見た左右の違いを識別するためのマークが設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の単相ブラシレスモータ。

Images