(57)【要約】【課題】  本発明は、起動特性を損なうことなく、低トルク脈動，低振動，低騒音，効率の向上に寄与し、さらに生産性に優れた単相永久磁石モータを提供することにある。【解決手段】  磁極を有する固定子鉄心と単相のコイルとを備えた固定子と、回転子鉄心と前記回転子磁石の周方向に配置された永久磁石とを備えた回転子とを有する単相永久磁石モータにおいて、前記永久磁石と前記固定子の磁極との間で形成される磁気回路とは異なるトルク発生手段を有していることである。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁極を有する固定子鉄心と単相のコイルとを備えた固定子と、回転子鉄心と前記回転子磁石の周方向に配置された永久磁石とを備えた回転子とを有する単相永久磁石モータにおいて、
前記永久磁石と前記固定子の磁極との間で形成される磁気回路とは異なるトルク発生手段を有していることを特徴とする単相永久磁石モータ。
【請求項２】
請求項１において、
前記トルク発生手段は永久磁石又は電磁石の起磁力によりトルクを発生することを特徴とする単相永久磁石モータ。
【請求項３】
請求項２において、
前記永久磁石は、前記固定子鉄心の表面に配置又は固定子鉄心に埋め込むことにより配置されていることを特徴とする単相永久磁石モータ。
【請求項４】
請求項１において、
前記トルク発生手段により、回転軸方向の磁気回路を構成することを特徴とする単相永久磁石モータ。
【請求項５】
請求項１において、
回転子鉄心に三日月状の空隙を有していることを特徴とする単相永久磁石モータ。
【請求項６】
請求項１において、
前記回転子鉄心の底部に磁気的な突極性を有していることを特徴とする単相永久磁石モータ。
【請求項７】
請求項６において、
前記磁気的な突極性は、回転子の極数と同数だけ設けられていることを特徴とする単相永久磁石モータ。
【請求項８】
請求項６において、
前記回転子鉄心の底部に、空隙が設けられていることを特徴とする単相永久磁石モータ。
【請求項９】
請求項１において、
前記固定子と前記回転子との間の隙間がほぼ一定であることを特徴とする単相永久磁石モータ。
【請求項１０】
請求項１において、
前記永久磁石の磁極数は、前記固定子の磁極数と同一であることを特徴とする単相永久磁石モータ。
【請求項１１】
請求項１において、
前記回転子の軸方向位置を調整する機能を有していることを特徴とする単相永久磁石モータ。
【請求項１２】
請求項１において、
前記コイルは環状コイルであり、かつ、前記固定子鉄心は、前記環状コイルを挟みこむように、周方向に爪磁極を有することを特徴とする単相永久磁石モータ。
【請求項１３】
請求項１において、
前記固定子は、磁性粉末を圧縮成形した構成であることを特徴とする単相永久磁石モータ。
【請求項１４】
磁極を有する固定子鉄心と単相のコイルとを備えた固定子と、回転子鉄心と前記回転子磁石の周方向に配置された永久磁石とを備えた回転子とを有する単相永久磁石モータにおいて、
前記回転子が正方向及び逆方向に回転可能であることを特徴とする単相永久磁石モータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単相永久磁石モータに関する。
【背景技術】
【０００２】
周方向にＮ極とＳ極からなる磁極が形成される固定子と、この固定子と微小な隙間を介して対向する回転子鉄心に固定子の磁極数と同数のＮ極とＳ極からなる永久磁石を周方向に配置して構成した回転子と、前記固定子内に設けられた単相コイルを備えた単相モータは、例えば特許文献１などで既に知られている。
【０００３】
単相永久磁石モータでは、永久磁石と固定子の磁極間の空隙が周方向に一定であると、永久磁石と固定子磁極の間に生じるコギングトルクにより、永久磁石の周方向の中心と、固定子磁極の周方向の中心が一致する点で回転子は停止する。この停止位置では、コイルに電流を流しても回転子にトルクを発生させることはできず、モータは起動することができない。
【０００４】
上述の問題を回避するための手段として、回転子の停止位置を起動不能の位置からずらす方法が一般的である。例えば特許文献１によると、永久磁石と固定子磁極がなす空隙が不均一になるように固定子磁極の周方向の形状を設定している。これにより、回転子は、永久磁石の周方向の中心と固定子磁極の周方向の中心からずれた点で停止し、上述の問題は回避される。
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２１１８８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記の特許文献１に記載されているような単相永久磁石モータの場合、永久磁石と固定子磁極がなす空隙を不均一にしている。そのため、永久磁石と固定子磁極の間の空隙が周方向に一定である場合と比べ、固定子磁極が永久磁石より受け取る磁束が減少する。これにより、コイルに発生する誘起電圧が低下するため、モータの出力が低下し、効率も低下するという問題がある。
【０００７】
また、コイルに通電した際の単相永久磁石モータのトルクは、電流と永久磁石の相互作用により発生するトルク（通電トルク）と、永久磁石と固定子磁極の間に生じるコギングトルクの和により表される。すなわち、コギングトルクは、起動特性とトルク脈動の両面に影響を及ぼしている。特許文献１に記載されているような単相永久磁石モータの場合、コギングトルクと密接に関係する固定子磁極の形状を、起動特性とトルク脈動の両面を考慮して設計する必要があるため、設計が難しく、起動特性とトルク脈動の両立は困難である。その困難性は、通電トルクとコギングトルクが同じ磁気回路により構成されていることに起因する。以上から、特許文献１に記載されているような構成では、低振動化，低騒音化が困難である。
【０００８】
本発明は上記課題を鑑みなされたもので、その目的は、低トルク脈動，低振動，低騒音を実現し、起動特性，出力，効率，設計の自由度の向上に寄与する単相永久磁石モータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
単相永久磁石モータにおいて、永久磁石とコイルに流れる電流の相互作用により発生する通電トルクと異なる磁気回路により構成するトルク発生手段を有することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１０】
低トルク脈動，低振動，低騒音を実現し、起動特性，出力，効率，設計の自由度の向上に寄与する単相永久磁石モータが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面に沿って実施例を詳細に説明する。
【実施例１】
【００１２】
本発明による４極の単相永久磁石モータの実施の形態について述べる。図１に示す単相永久磁石モータ１は、回転軸２に構成した回転子３と、この回転子３に対し径方向の空隙を介して同心状に設置された固定子４とで構成される。図１には示していないが、固定子４は固定子枠に支持され、この固定子枠には軸方向に間隔をもって軸受が２つ配置され、これら２つの軸受は前記回転軸２を回転自在に支持する。
【００１３】
回転子３は、図１に示すように、回転子鉄心３１と、その内周部に４つの極を持つ永久磁石極３２と、回転子鉄心３１に固着された軸方向に延在する回転軸２とで構成される。永久磁石極３２は径方向に着磁されており、隣り合う極が異なった方向に着磁されているように構成される。
【００１４】
また、図３に示すように、回転子鉄心３１はカップ状に形成されており、カップ状に形成された回転子鉄心３１の底部３５には、空隙部３３Ａと空隙部３３Ｂが回転軸２に対して同心状に配置されている。
【００１５】
さらに、図３に示すように、空隙部３３Ａと空隙部３３Ｂは同一形状の三日月状であり、回転軸２を中心として１８０度ずれた位置に配置される。また、空隙部３３Ａと空隙部３３Ｂの径方向の幅は、周方向端部で最も狭く、永久磁石３２の極が変わる周方向位置で最も広くなるようにし、滑らかに変化している。さらに空隙部３３Ａと空隙部３３Ｂの間に配置される鉄心部３４Ａと鉄心部３４Ｂは、永久磁石３２の極が変わる周方向位置に配置される。このように、空隙部３３Ａ，３３Ｂを設けることによって、回転子鉄心底部に磁気的な突極性を持たせている。
【００１６】
固定子４は図４に示すように、固定子鉄心４１と、固定子鉄心４１に巻き掛けられた環状コイル４２とで構成される。固定子鉄心４１は、第１固定子鉄心４１Ａと第２固定子鉄心４１Ｂから構成され、環状コイル４２は、これら第１固定子鉄心４１Ａと第２固定子鉄心４１Ｂに挟まれて配置される。
【００１７】
これら第１固定子鉄心４１Ａと第２固定子鉄心４１Ｂは、軸方向に延在して固定子枠に支持される内周鉄心部４６と、この内周鉄心部４６から外径側に延在する径方向鉄心部
４５と、この径方向鉄心部４５から前記内周鉄心部４６と同方向に延在する爪磁極４３とを有する。爪磁極４３は回転子３と周方向に均一な空隙を介し対向する爪磁極面４４を有している。このように構成された第１固定子鉄心４１Ａと第２固定子鉄心４１Ｂを、前記環状コイル４２を挟み込むようにして互いの爪磁極４３が噛み合うように配置させることで、固定子鉄心４１を構成している。
【００１８】
さらに、第１固定子鉄心４１Ａの径方向鉄心部４５には、永久磁石により構成された第１補助磁石４８Ａ，第２補助磁石４８Ｂが固着されている。第１補助磁石４８Ａと第２補助磁石４８Ｂは、回転子鉄心３１の底部３５と向かい合うように配置され、回転軸方向に着磁されている。第１補助磁石４８Ａ，第２補助磁石４８Ｂは、互いに逆向きに着磁されている。
【００１９】
本実施例は、４極の単相永久磁石モータであるので、４つの永久磁石３２と、４つの爪磁極４３を有している。
【００２０】
ところで、前記第１固定子鉄心４１Ａと前記第２固定子鉄心４１Ｂは、磁性粉末を成形金型の成形パンチによって圧縮成形される。これにより、回転子３に対する真円度のばらつきが小さく、複雑な磁極形状に対応できる第１固定子鉄心４１Ａと第２固定子鉄心41Ｂを得ることができる。
【００２１】
また、第１固定子鉄心４１Ａと第２固定子鉄心４１Ｂを磁性粉末で圧縮成形する際の磁性粉末密度は７.５ｇ／cm3以上にすることで、磁気特性に優れた第１固定子鉄心４１Ａと第２固定子鉄心４１Ｂを得ることができる。
【００２２】
以上のような構成にすることで、起動特性に優れた単相永久磁石モータを得ることができる。以下、起動特性に関して述べる。
【００２３】
環状コイル４２に電流を流さない状態において、回転子鉄心３１の底部３５に設けられた鉄心部３４Ａと鉄心部３４Ｂは、第１補助磁石４８Ａと第２補助磁石４８Ｂに吸引されることで、回転子３にトルクが発生する。これにより、回転子３は図５に示すような周方向の位置で静止する。すなわち、永久磁石３２の極の中心と爪磁極４３の中心が４５度ずれた位置に静止する。
【００２４】
この状態で、環状コイル４２に電流を流すことで、爪磁極４３と永久磁石３２の間に回転トルクが発生し、回転子３が回転する。さらにホール素子で永久磁石３２の極性を判別することなく、環状コイル４２に流す電流の向きで回転方向が決まる。また、図５に示す回転子３の静止位置は、環状コイル４２に電流を流した際に、回転子３に最もトルクが発生する位置である。そのため、特許文献１に記載されるような永久磁石と固定子磁極がなす空隙を不均一にすることで起動特性を改善する方法と比べ、良好な起動特性を得ることができる。
【００２５】
さらに、特許文献１に記載されるような単相モータは、一方向にのみ回転することができる。本実施例による単相モータは、静止位置において流す電流の向きで回転方向を制御することができる。これにより、正逆方向の回転が可能となる。
【００２６】
また、第１補助磁石４８Ａと第２補助磁石４８Ｂの位置を変更することで、通電しない状態において回転子３を任意の位置に静止させることが可能となる。
【００２７】
また、回転子鉄心３１の底部３５に設けられた空隙部３３Ａと空隙部３３Ｂの径方向の幅は、滑らかに変化させているため、第１補助磁石４８Ａと第２補助磁石４８Ｂが回転子鉄心３１の底部３５を吸引する力は、滑らかに変化する。そのため、第１補助磁石４８Ａと第２補助磁石４８Ｂが回転子鉄心３１の底部３５を吸引することによる振動や騒音は、最小限のものとなる。
【００２８】
また、特許文献１に記載されるような手法では、永久磁石と固定子磁極がなす空隙が不均一であるため、固定子磁極の永久磁石から受ける磁束が減少することでモータ出力の低下を招き、また誘起電圧の歪みによりトルク脈動の増大を招く。しかしながら、本実施例のような構成にすることで、上記の問題が顕在化することはない。
【００２９】
ところで、本実施例において、回転子鉄心３１の底部３５に空隙部３３Ａと空隙部33Ｂを設けることで、回転子３が所望の位置に停止するようにしているが、その手段はこの限りではない。例えば、回転子鉄心３１の底部３５に凹凸を設け、第１補助磁石４８Ａと第２補助磁石４８Ｂが凸部に吸引することで、回転子３が所望の位置に停止するようにしてもよい。回転子鉄心３１の底部３５に凹凸を設ける場合、回転子鉄心３１は磁性粉末を成形金型の成形パンチによって圧縮成形されることで、複雑な形状に対応することが可能となる。
【実施例２】
【００３０】
図６に本発明による単相永久磁石モータ１の第２の実施例における回転子３の構成を示す。固定子４の構成は実施例１と同一である。
【００３１】
実施例１と異なるのは、カップ状に形成された回転子鉄心３１の底部３５に設けられた空隙部３３の個数である。空隙部３３は回転軸２に対して同心状に配置されており、空隙部３３は４箇所に回転軸２を中心として９０度ずれた位置に配置されている。
【００３２】
環状コイル４２に電流を流さない状態において、回転子鉄心３１の底部３５に設けられた鉄心部３４は、補助磁石４８に吸引されることで、回転子３にトルクが発生する。これにより、回転子３は図５に示すような周方向の位置で静止する。この状態で、ホール素子により永久磁石３２の極性を判別することで、環状コイル４２に流す電流の方向を決め、一定方向に回転するトルクが発生する。このように本実施例では、回転子底部の磁気的突極性を回転子の極数と同数だけ設けていることを特徴としている。
【００３３】
ところで、産業，家電，自動車分野で使用されるモータの振動や騒音の低減要求が強く、そのためにモータ回転中のトルク脈動を低減する必要がある。モータ回転中のトルクは、コイルに通電されて生ずる通電トルクとコギングトルクの和である。
【００３４】
本実施例では、回転子３が１８０度回転（電気角１周期）すると、１次の誘起電圧が環状コイル４２に発生する。ここで誘起電圧と同相の正弦波状の電流を環状コイル４２に流すことで、図７に示すように２次の成分をもつ永久磁石３２と電流の相互作用による通電トルクが発生する。また、コギングトルクは、主に第１補助磁石４８Ａと第２補助磁石
４８Ｂと、回転子鉄心３１の底部３５における鉄心部３４との間に働く吸引力により発生する。本実施例では、空隙部３３の形状と配置位置を適切にすることで、図７に示すように、電気角１周期で２次の正弦波状のコギングトルクが発生し、コギングトルクの位相は、通電トルクの位相と電気角で９０度ずれる。これにより、通電トルクとコギングトルクの和であるモータ回転中のトルクは、図７のように理論上平坦になる。実際においても、本実施例の構成により、トルク脈動を極小化することができる。
【００３５】
また、本実施例の単相永久磁石モータには、回転子３と固定子４の間の軸方向距離を調節する機能が備わっていてもよい。これにより、組み立て後にコギングトルクの振幅を調整することが可能となる。すなわち、製造誤差によるバラツキなどで、コギングトルクの振幅値が設計値と異なる場合でも、組み立て後のコギングトルクの振幅を調整することで、所望のコギングトルクを得ることができる。
【００３６】
ところで、特許文献１などの従来の単相永久磁石モータでは、起動特性の点から永久磁石と固定子磁極がなす空隙を不均一になるように固定子磁極の形状を設定しているが、固定子磁極の形状は通電トルクとコギングトルクの両面に影響を及ぼす。そのため特許文献１の構成では、起動特性を良好にしながら、トルク脈動を低減することは困難である。
【００３７】
しかしながら、本発明による単相永久磁石モータの場合、通電トルクとコギングトルクを独立に扱うことが可能である。すなわち、通電トルクは環状コイル４２に電流を流すことで構成される爪磁極４３と永久磁石３２の相互作用で発生する。また、補助磁極４８と回転子底部３５における鉄心部３４の間に働く吸引力が主なコギングトルクの発生要因となる。このように構成することで、通電トルクとコギングトルクは異なる磁気回路により発生する。そのため、通電トルクとコギングトルクを独立に扱うことができ、起動特性の改善とトルク脈動の低減を両面から検討することが容易である。これにより、本発明による単相永久磁石モータは、従来の単相永久磁石モータに比べて、設計の自由度が大きくなり、設計が容易になるという利点を有する。
【００３８】
また、本実施例では、第１補助磁石４８Ａと第２補助磁石４８Ｂを固定子鉄心４１の表面に固着させているが、固定子鉄心４１に埋め込むように配置してもよい。固定子鉄心
４１に第１補助磁石４８Ａと第２補助磁石４８Ｂを埋め込む場合、磁性粉末と磁石粉を圧縮成形することにより、固定子４を一体で製作することにより、製作コストを低減することができる。
【実施例３】
【００３９】
本発明による単相永久磁石モータ１の第３の実施例の構成について述べる。回転子３の構成は実施例１乃至実施例２と同一である。図８は、実施例１の回転子３を用いた場合の本実施例の構成を示しており、図３に示すＡ−Ａ′線における断面図である。
【００４０】
本実施例において、固定子４は、実施例１乃至実施例２のいわゆるクローポール型モータの構成とは違い、いわゆるスロット型モータと呼ばれるモータで電磁鋼板を積層した固定子鉄心４１のティースにコイル４２を巻きつけられることで構成されている。固定子鉄心４１のティースの外周形状は、周方向に対称に構成されている。
【００４１】
さらに、固定子補助部材４９が固定子鉄心４１に固着されており、固定子補助部材４９には、永久磁石により構成された第１補助磁石４８Ａ，第２補助磁石４８Ｂが固着されている。第１補助磁石４８Ａと第２補助磁石４８Ｂは、回転子鉄心３１の底部３５と向かい合うように配置され、回転軸方向に着磁されている。第１補助磁石４８Ａ，第２補助磁石４８Ｂは、互いに逆向きに着磁されている。
【００４２】
このように固定子４を構成することで、実施例１乃至実施例２の回転子３と組み合わせることで、実施例１乃至実施例２と同様の効果を得ることができる。
【００４３】
上記の実施例では、軸方向に着磁をした第１補助磁石４８Ａと第２補助磁石４８Ｂを用いているが、同様の機能を電流による界磁で構成してもよい。つまり、永久磁石の変わりにコイルに電流を流すことにより起磁力を発生させる電磁石を配置することである。
【００４４】
また、上記の実施例では、軸方向に着磁をした第１補助磁石４８Ａと第２補助磁石48Ｂを固定子４に配置しているが、第１補助磁石４８Ａと第２補助磁石４８Ｂを回転子鉄心
３１の底部３５に配置し、第１補助磁石４８Ａと第２補助磁石４８Ｂと固定子鉄心４１との吸引力によりコギングトルクを発生させてもよい。
【００４５】
また、上記の実施例では、主なコギングトルクの発生要因を軸方向の磁気回路により構成しているが、通電トルクを発生させる磁気回路と異なる磁気回路でコギングトルクを発生させることで、本発明の効果は得られる。
【００４６】
つまり、本発明は永久磁石と固定子の磁極との間で形成される磁気回路とは異なる位置に設けられ、コイルに通電していない状態で、永久磁石と固定子の磁極の周方向中心位置が、周方向に所定の角度でずれるように作用するトルク発生手段を有していることが特徴である。
【００４７】
以上、本発明について詳述したが、特許請求の範囲を逸脱しない限りにおいて、本発明の形態は上記の実施の形態に限定されるものではない。
【００４８】
例えば、これまで説明した実施例において、回転子３の極数は４極であったが、任意の偶数の極数にしてもよい。
【００４９】
また、これまで説明した実施例において、外転型の単相永久磁石モータについて扱ったが、内転型でもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明による単相永久磁石モータの第１の実施例の構成図。
【図２】図１の分解斜視図。
【図３】第１の実施例の回転子を回転軸方向から見た図。
【図４】第１の実施例の固定子の分解斜視図。
【図５】第１の実施例における静止時のモータを回転軸方向から見た図。
【図６】本発明による単相永久磁石モータの第２の実施例の回転子を回転軸方向から見た図。
【図７】第２の実施例における発明の効果を示すグラフ。
【図８】本発明による単相永久磁石モータの第３の実施例の分解図。
【符号の説明】
【００５１】
１  単相永久磁石モータ
２  回転軸
３  回転子
４  固定子
６  軸受
７  固定子枠
３１  回転子鉄心
３２  永久磁石
３３  空隙部
３４  鉄心部
３５  底部
４１  固定子鉄心
４２  コイル
４３  爪磁極
４４  爪磁極面
４５  径方向鉄心部
４６  内周鉄心部
４７  ボス部
４８  補助磁石
４９  固定子補助部材
【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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