(57)【要約】【課題】コギングトルクの小さい単相モータを提供する。【解決手段】モータ１０は、全体として円筒状のマグネット１１と、マグネット１１の外周側に配置されるバックヨーク２１と、マグネット１１の内周側に配置される鉄心３１と、マグネット１１およびバックヨーク２１を支持するシャフト４１と、を備えている。マグネット１１は、６つの瓦状のマグネット片１２を所定の隙間１４を置いて円周状に規則的に配置して構成されている。６つのマグネット片１２の各々は、周方向に沿って２極にラジアル着磁されている。また、鉄心３１には、マグネット１１の着磁数に等しい数のティース３４が形成され、単相の巻線が巻回されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のマグネット片を所定の間隔を置いて円筒状に配置してなるマグネットと、
前記マグネットに対向配置される複数のティースを有する電機子と、を備えてなるモータにおいて、
前記複数のマグネット片の各々は、周方向に沿って２極に着磁され、
前記複数のティースの数は、前記マグネットの磁極の数の整数倍であることを特徴とするモータ。
【請求項２】
前記所定の間隔が、電気角として８５°以下である請求項１に記載のモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電機または電動機として機能するモータに関し、詳しくは、コギングトルクが低減された単相モータに関する。
【背景技術】
【０００２】
単相モータは、一般的に作製が容易で安価である反面、コギングトルク（回転むら）が大きいという問題がある。コギングトルクの低減を目的として、種々の方法が提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００３】
特許文献１が開示するモータ６０は、図６に示すように、単極に着磁された６つの瓦状のマグネット６２を円筒状のヨーク６１の内周面に沿って配置させている。そして、図示上側に位置する３つのマグネット６２（基準マグネット群６３）に対して、図示下側に位置する３つのマグネット６２（対向マグネット群６４）を、点対称位置から角度αほど周方向にずらして配置させている。この構成により、基準マグネット群６３に対向しているティース（不図示）と対向マグネット群６４に対向しているティース（不図示）とでコギングの発生タイミングをずらすことによって、コギングトルクを小さくさせるものである。
【０００４】
また、特許文献２が開示するモータは、クローポール型ステッピングモータであり、図７に示すように、円柱状の永久磁石（マグネット）８１と対向し、ステータヨークを構成するフランジ部８２の１０角形状の内周縁から軸方向に突出する極歯（ティース）８３の内周面を平面にしている。このため、極歯８３の内周面の曲率と永久磁石８１の外周面の曲率とが異なり、両者の間隔が大→小→大と滑らかに変化する。この構成により、極歯８３の内周面における磁束密度分布を正弦波形状に近づかせることによって、コギングトルクを小さくさせるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−３０３３２６号公報
【特許文献２】特開２００８−１７８１７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１が開示するモータは、マグネットが周方向に規則周期的に配置されていないために、周方向の磁束密度分布が不均一になる。このため、マグネットと対向して周方向に規則周期的に配置されるティースの励磁が不安定（不均一）となり、騒音や振動の原因となるという問題がある。
【０００７】
また、特許文献２が開示するモータは、極歯の外周側に位置する巻線スペースが狭くなることからコイルの巻数が少なくなるため、モータ出力が低下するという問題がある。また、極歯と永久磁石との間隔の周方向に対する変化率が永久磁石の外周面の曲率によって一意に決まり、任意に変えることができない。このため、変化率の最適化ができないばかりか、永久磁石の外周面の曲率によっては、コギングトルクがかえって大きくなるという問題もある。
【０００８】
そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、励磁が不安定になることなくコギングトルクを低減できるモータを提供することを主目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明に係るモータは、複数のマグネット片を所定の間隔を置いて円筒状に配置してなるマグネットと、前記マグネットに対向配置され複数のティースを有する電機子と、を備えてなるモータにおいて、前記複数のマグネット片の各々は、周方向に沿って２極に着磁され、前記複数のティースの数は、前記マグネットの磁極の数の整数倍であることを特徴する。
【００１０】
この場合、前記所定の間隔が、電気角として８５°以下であるのが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係るモータは、２極着磁された複数のマグネット片を所定の間隔を置いて円筒状に配置させるとともに、ティースの数をマグネットの磁極の数の整数倍としたことによって、後述する理由により、コギングトルクを低減させることができる。また、所定の間隔を電気角として８５°以下に設定することにより、モータの効率を低下させることなく、コギングトルクを低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態に係るモータの構成例を示す横断面図である。
【図２】同モータの要部構成を示す部分拡大平面図である。
【図３】同モータのコギングトルクの周期波形を解析した結果の一例を示すグラフである。
【図４】同解析結果を説明するためのグラフであり、（ａ）は任意に選択されたティースに発生するコギングトルクの解析結果であり、（ｂ）はそのティースに隣接するティースに発生するコギングトルクの解析結果である。
【図５】同モータにおける隣接するマグネット片の隙間と逆起電力定数との関係を解析した結果を示すグラフである。
【図６】従来のモータにおけるステータ（マグネット）の一例を示す平面図である。
【図７】従来のモータの他の例を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態に係るモータ１０を図面を参照して説明する。
【００１４】
モータ１０は、いわゆるアウターロータ型の単相モータであり、図１に示すように、全体として円筒状をしたマグネット１１と、マグネット１１の外周側に配置されるバックヨーク２１と、マグネット１１の内周側に所定の隙間を介して配置され電機子として機能する鉄心３１と、マグネット１１およびバックヨーク２１を支持し回転自在な回転軸としてのシャフト４１と、を備えている。
【００１５】
マグネット１１は、瓦状（断面円弧状）をなす複数（本実施形態では、６つ）のマグネット片１２を、周方向に沿って等間隔に配置することにより全体として円筒状に構成されている。６つのマグネット片１２の各々は、周方向の中心部が磁極の境界部となるように２極のラジアル着磁が施されている。具体的には、本実施形態における各マグネット片１２は、上面視して時計方向側の部分がＮ極に着磁され、反時計方向側の部分がＳ極に着磁されている。したがって、マグネット１１は、全体として、６つのＮ極および６つのＳ極（全体で１２極）が交互に着磁されている。
【００１６】
各マグネット片１２は、隣接するマグネット片１２との間に所定の大きさの隙間１４を置いて配置されている。隙間１４の大きさ（周方向長さ）は、図２に示すように、隙間１４を考慮した一つのマグネット片1２の周方向長さ（機械角６０°）を一周期（電気角３６０°）とした場合の電気角θとして表すことができるが、具体的な隙間の大きさθについては後述する。
【００１７】
次に、マグネット１１とともにロータを構成するバックヨーク２１は、複数（マグネット片１２と同数）に分割され、各マグネット片１２に対応して配置されている。なお、バックヨーク２１は、複数に分割することなく周方向に連続する完全な円筒状であってもよい。また、バックヨーク２１は、軸方向の一端を閉塞する有底筒状（カップ状）に形成されていてもよい。
【００１８】
次に、鉄心３１は、中心部に配置される円筒状の円環部３２と、円環部３２から径方向外側に延在する複数（本実施形態では、マグネット１１の磁極の数と同数の１２個）の突極腕部３３と、突極腕部３３の先端において周方向に対称に延びるティース３４と、から構成されている。突極腕部３３には、図示しない単相の励磁コイルが巻かれている。
【００１９】
次に、シャフト４１は、鉄心３１（円環部３２）の中心部に配置され、スリーブ４２および軸受４３を介して回転自在に配置されている。
【００２０】
以上のように構成されたモータ１０は、従来のモータ（ＤＣブラシレスモータ）と同様に、マグネット１１と鉄心３１との間に働く吸引力と反発力とを利用して出力軸であるシャフト４１を回転駆動させることができる。また、モータ１０は、６つのマグネット片１２の各々に周方向に沿って２極の着磁処理が施され、かつ、鉄心３１のティース３４の数がマグネット１１の磁極の数と同数に設定されている。これにより、モータ１０のコギングトルクを小さくすることができる（理由は後述する）。また、マグネット１１の内周側において周方向に対して規則周期的な着磁波形（磁束密度分布）が得られるので、従来技術のように励磁が不安定になることがない。
【００２１】
ここで、本発明に係るモータのコギングトルクについて、実施例に基づき図３を参照して具体的に説明する。
【００２２】
図３に、マグネットの隙間の大きさθを０から８０°まで変えた場合の、隣り合う２つ（一対）のティースに発生するコギングトルクの周期波形を解析した結果を示す。同図から、マグネットの隙間を大きくするほどコギングトルクが小さくなることが分かる。これにより、本発明に係るモータの上記効果（コギングトルクの低減効果）が立証されたことになる。なお、本実施形態に係るモータ（ティースの数およびマグネットの磁極の数が同数のモータ）においては、隣り合う２つのティースに発生するコギングトルクの総和が全てのティース（１２個）に発生するコギングトルクの総和と相関する。また、周期波形の横軸を電気角（角度軸）としたが、時間軸に置き換えることができる。
【００２３】
次に、本発明に係るモータがコギング性能に優れる理由について検討した結果を図４（ａ）（ｂ）を参照して説明する。
【００２４】
図４（ａ）は、任意に選択された一つのティース（以下、基準ティース）に発生するコギングトルクの周期波形を解析した結果である。具体的には、初期状態（０°）において図２のＡ点（一つのマグネット片の磁極境界部）に位置するティースを、Ｃ点（隣接するマグネット片との隙間の中間部）までマグネットに対して相対的に移動させた場合のコギングトルクの周期波形である。同図から、マグネットの隙間の大きさθが大きいほどコギングトルクが小さくなることが分かる。
【００２５】
ただし、コギングトルクが正となる領域（基準ティースがＡ点からＢ点（Ａ点とＣ点の中間点）まで移動する時間領域）におけるコギングトルクのピーク値（ピーク値の絶対値、以下同様）が、コギングトルクが負となる領域（Ｂ点からＣ点まで移動する時間領域）におけるコギングトルクのピーク値よりも大きくなっている。また、コギングトルクが正となる領域では、隙間の大きさθが大きいほどコギングトルクのピーク位置がＡ点側にずれる傾向にある。
【００２６】
一方、図４（ｂ）は、基準ティースに隣接するティース（以下、隣接ティース）に発生するコギングトルクの周期波形を解析した結果である。具体的には、初期状態（０°）において図２のＣ点に位置するティースを、Ｅ点（隣接するマグネット片の磁極境界部）までマグネットに対して相対的に移動させた場合のコギングトルクの周期波形である。隣接ティースにおいても、基準ティースと同様に、マグネットの隙間の大きさθが大きいほどコギングトルクが小さくなることが分かる。
【００２７】
ただし、コギングトルクが正となる領域（Ｃ点からＤ点（Ｃ点とＥ点の中間点）まで移動する時間領域）におけるコギングトルクのピーク値が、コギングトルクが負となる領域（Ｄ点からＥ点まで移動する時間領域）におけるコギングトルクのピーク値よりも小さくなっている（すなわち、基準ティースとは、ピーク値が大きくなる側の時間領域が異なる）。また、コギングトルクが負となる領域では、隙間の大きさθが大きいほどコギングトルクのピーク位置がＥ点側にずれる傾向にある（すなわち、基準ティースとは、ピーク位置がずれる側の時間領域が異なる）。言い換えれば、隣接ティースにおけるコギングトルクの周期波形は、基準ティースにおけるコギングトルクの周期波形の位相を９０°（半周期）ずらすとともに、正負を反転させた波形である。
【００２８】
ところで、隣り合う２つのティースに発生するコギングトルクの周期波形（図３）は、基準ティースにおけるコギングトルクの周期波形（図４（ａ））と隣接ティースにおけるコギングトルクの周期波形（図４（ｂ））とを重ね合わせたものである。したがって、本発明に係るモータのコギングトルクが小さい理由は、上述の解析結果から、以下のように考えることができる。
【００２９】
まず、各ティースに発生するコギングトルクは、マグネットの隙間の大きさθが大きいほど小さくなる。次に、各ティースに発生するコギングトルクは、時間領域（コギングトルクが正となる領域と負となる領域）ごとでピーク値が異なるが、隣接する２つのティース間では、コギングトルクのピーク値が大きくなる側（または小さくなる側）の時間領域が互いに異なる。このため、隣接する２つのティースにおけるコギングトルクを重ね合わせた周期波形は、時間領域に依存することなく均等化される。また、各ティースに発生するコギングトルクは、いずれか一方の時間領域でピーク位置が中心位置からずれるが、隣接する２つのティース間では、コギングトルクのピーク位置がずれる側の時間領域が互いに異なる。このため、重ね合わせた周期波形は、ピーク値同士が重なることがなくピーク値を低く抑えられる。これらの理由により、モータ全体のコギングトルク（各ティースに生じるコギングトルクの総和）を小さくすることができると考えられる。
【００３０】
次に、モータの効率の尺度となる逆起電力定数と隙間の大きさとの関係を調べた結果を図５を参照して説明する。
【００３１】
図５は、完全な円筒状のマグネット（隙間の大きさθ＝０°）を使用したモータの逆起電力定数に対する本発明に係るモータの逆起電力定数の比を、隙間の大きさθを変数（０〜１２０°）として解析した結果である。同図から明らかなように、隙間の大きさθが０〜８５°の範囲では逆起電力定数を略一定（減少率が２％以内）に維持することができる。この隙間の大きさθの上限値（臨界値）８５°は、本発明者の検討によると、単極に着磁されたマグネット片を周方向に１２個配置した場合の略２倍の値である。これは、本発明に係るマグネット片は、磁極の境界部において高パーミアンスを維持しているからである。
【００３２】
以上、本発明の好ましい実施形態および実施例について説明したが、実施の形態については上記に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更および組み合わせが可能である。
【００３３】
例えば、上記実施形態では、マグネットの磁極の数およびティースの数を同数としたが、これに限定されない。ティースの数は、マグネットの磁極の数の整数倍（正整数倍）であれば同様の効果を奏する。
【００３４】
また、上記実施形態では、マグネットと対向配置される複数のティースは、径方向に突出する突極腕部の先端において径方向に対称に延びる突極として構成されているが、これに限定されない。ティースは、例えば、フランジ部から軸方向に突出するクローポール（図７参照）であってもよい。
【００３５】
また、上記実施形態では、マグネットを回転させる構成（アウターロータ型）としたが、これに代えて、鉄心を回転させる構成（インナーロータ型）としてもよい。
【００３６】
また、複数のマグネット片は、例えば、軸方向の一端側に配置される高さ（軸方向長さ）の低い円筒状のリング部の一端から軸方向に張り出すように形成されることによって、各マグネット片が一体化されるように構成されてもよい。また、複数のマグネット片は、バックヨークと一体に成形されていれもよい。
【符号の説明】
【００３７】
１０  モータ
１１  マグネット
１２  マグネット片
１４  隙間
２１  バックヨーク
３１  鉄心（電機子）
３２  円環部
３３  突極腕部
３４  ティース
４１  シャフト
４２  スリーブ
４３  軸受
【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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