(57)【要約】【課題】小形ファン・ブロワ用ブラシレスＤＣモータの有効鎖交磁束を増加させて効率アップと低振動化を図る。【解決手段】２組のステータヨークの主磁極・磁極片を互いに電気角で１８０度ずれるように配置し、磁極片の先端方向に向かって磁極面積を減少せしめる切り欠を持ち、且つ、磁極片面積アップと主磁極と磁極片の境界を極力大きく設定しる。又ステータヨークの中央部のセンターヨークの材質を軟磁性ステンレス鋼板として、モータ有効鎖交磁束を増加させ、磁極片の振動を低減する構造。【選択図】　　　　図１
2004007868.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータシャフトに取付けられたロータヨークと、該ロータヨークに取付けられ、円周方向に多極着磁されているリング状マグネットとを有するロータと、夫々中心から径方向外方に延び、その先端から該マグネットの内周面に対向して軸方向に延びる磁極片を備えマグネット磁極数の半数の主磁極を有し、該磁極片が互いに向き合い夫々の該主磁極が電気角でほぼ１８０度ずれるように回転中心に対して等間隔に配置されるステータヨークと、前記モータシャフトに軸受けを介して嵌合し、２組のステータヨークの中央部を連通して磁気的に短絡するためのセンターヨークと、該２組のステータヨークの前記主磁極で挟持され、前記磁極片でその外周が覆われるようにして設けられる円環状コイルと、磁電変換素子とを有し、前記マグネットの内周面に空隙を介して対向するように構成される前記ステータヨークと、駆動回路を搭載するプリント配線基板とを具備するラジアルエアギャップ形ブラシレスＤＣモータにおいて、前記２組のステータヨークを形成する前記磁極片の、夫々少なくとも一つが、該磁極片の先端方向に向かって磁極面積を減少せしめる切り欠きを備えることを、特徴とするラジアルエアギャップ形ブラシレスＤＣモータ。
【請求項２】
モータシャフトに取付けられたロータヨークと、該ロータヨークに保持され、円周方向に多極着磁されているリング状マグネットとを有するロータと、円板状電磁鋼板の外周縁から、該マグネットの内周面に対向して軸方向に延びマグネット磁極数の半数の磁極片を有し、該磁極片が互いに向き合い電気角でほぼ１８０度ずれるように回転中心に対して等間隔に配置される２組のステータヨークと、前記モータシャフトに軸受けを介して嵌合し、該２組のステータヨークの中央部を連通して磁気的に短絡するためのセンターヨークと、該２組のステータヨークの円板状部で挟持され、磁極片でその外周が覆われるようにして設けられる円環状コイルと、磁電変換素子とを有し、該マグネットの内周面に空隙を介して対向するように構成されるステータと、駆動回路を搭載するプリント配線基板とを具備するし、前記リング状マグネットの厚みの、対向配置される２組のステーヨーク絞り部内面間距離に対する比が、０．７から０．９の範囲となるように形成されていること、を特徴とするラジアルエアギャップ形ブラシレスＤＣモータ。
【請求項３】
前記センターヨークが、クロムが１０〜１５％、鉄が８５〜９０％からなる軟磁性ステンレス鋼板で形成されていること、を特徴とする請求項１から２のいずれかに記載のラジアルエアギャップ形のブラシレスＤＣモータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は小形のファン・ブロワに使用され、円周方向に多極着磁されたマグネットを用いたラジアルエアギャップ形ブラシレスＤＣモータに関する。更に詳しくは、２組のステータヨークの中心部間に互いを磁気的に短絡するセンターヨークを設け、２組のステータヨーク間に円環状コイルを配置する構造のラジアルエアギャップ形ブラシレスＤＣモータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種の従来のラジアルエアギャップ形ブラシレスＤＣモータの構造は実開昭６１−１５３４８６号、特開昭５８−６３０６５号、特開昭６１−２１４７５９号、特公平７−４６８９４号、特開平６−３０３７５０号他で提案されている。図６は特公平７−４６８９４号で提案されているモータの分解斜視図である。
【０００３】
図６において、磁性材料の円筒状ロータヨーク２と、このロータヨーク２に嵌入される、円周方向に多極着磁されているマグネット３と、モータシャフト４によってロータ１が構成されている。また、５は複数の主磁極１３と磁極片２１とを有する第１のステータヨーク、２３は巻線用のボビン、２４はこのボビン２３に巻線された円環状コイル、２５はボビン２３に植設された端子であり、コイル２４の引出線はこの端子２５にからげて半田付けされている。６は複数の主磁極１４と磁極片２２とを有する第２のステータヨークであり、第１及び２のステータヨーク５と６の中心部には両者を磁気的に短絡するため互いに入れ子式に嵌合する円筒状のセンターヨーク７が夫々形成されている。また、センターヨークには軸方向のスリット１２が設けられている。９はマグネットの磁極を検出する磁電変換素子であるホール素子、１１はホール素子９と端子２５を駆動回路に電気的に配線するためのプリント配線基板である。
【０００４】
また、図７は電気角１８０度位相差の２個のコイル２４ａ，２４ｂを交互に通電する２相半波駆動回路を示す。図中、６０はモータ部、６１と６２は夫々モータ駆動ＩＣの信号で動作するトランジスタ、６３はモータ駆動用ＩＣ、６４はＤＣ電源、６５はプリント配線基板に実装されて配線される電気関連部品を示す。
【０００５】
また、特公平７−４６８９４号の（２）頁４の３０行から３８行に第１のステータヨークと第２のステータヨークの磁極片の形状と配置について記載され、同公報の第３図に示されている。本構造のモータは原理的に起動不可能となるマグネットと磁極片の位置関係があり、そのデットポイントの回避と回転中のトルクリップル低減を考慮して配置されている。図４はその内容を説明する位置関係図で、マグネット３と第１のステータヨークと第２のステータヨークの位置関係を示す。磁極片の開き角ａはマグネットの一磁極の１／５〜４／５で、第１のステータヨークの磁極片と第２のステータヨークの磁極片間の小さい方の空間角ｂは電気角でπ／４〜３π／４の範囲内にすることが望ましいとされている。
また、センターヨーク７には軸方向にスリット１２を設け、軸方向に流れる磁束により生じる渦電流を減少させ、渦電流損を低減し高速回転対応のブラシレスＤＣモータに適すると提案してしる。
【０００６】
また、特開平６−３０３７５０号の（３）頁３の「０００６」に、通電トルクとコギングトルクの和がモータトルクであり、そのモータトルクのリップルと負トルクの問題を指摘し、図４のように、第１のステータヨークと第２のステータヨークの磁極片の開き角ａとｃが異なった値が良いと提案している。
【０００７】
また、図５には特開昭５８−６３０６５号で提案されている方法を図示した第１のステータヨークと第２のステータヨークで、上述の例とは異なり磁極片の開き角ではなく、磁極片にマグネットの回転方向とは逆向きに突出部２０を延設することを提案している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
然しながら、このような構造では、次のような欠点が生じる。特公平７−４６８９４号は、第１のステータヨークと第２のステータヨークの空間角に大小があり、結果としてマグネットの一磁極の角度に対して磁極片の開き角ａが小さくなりマグネットから生じる磁束を有効に使用することが出来ない。また、図４の位置関係でマグネットＮ極から生じる磁束は第１のステータヨークからセンターヨーク７を通して軸方向に向かい第２のステータヨークの磁極片を通してマグネットＳ極に帰る。ところが、第２のステータヨークの磁極片の一部はマグネットＮＳ極の境界にあり、そのためにＮ極から出る磁束量の全てはＳ極に帰れず制限されてしまう。センタ−ヨーク７を通る磁束が、円環状コイルに鎖交するため、モータ有効鎖交磁束が減少して、モータ効率が低下してしまうことになる。
【０００９】
また、図８はセンターヨーク材質と形状を変えた場合の、モータ回転数に対するモータの逆起電力とモータコイルの鎖交磁束特性を示すものである。一般的な電磁軟鉄を使用した場合の逆起電力は▲１▼であり、鎖交磁束は▲４▼である。回転数の増加によりセンターヨークに流れる交番磁束の周波数が高くなり、渦電流により鎖交する磁束が抑制され、結果として逆起電力が飽和現象を示す。また、センターヨークに軸方向にスリットを１本入れた場合の逆起電力は▲２▼であり、鎖交磁束は▲５▼である。渦電流遮断の効果が現れ、高速回転数領域では逆起電力・鎖交磁束共に改善されるが、低速領域では鎖交磁束が減少してしまう。
更に、センターヨークにスリットを設けるとセンターヨークの外形寸法の精度に影響をあたえる。
【００１０】
また、特開平６−３０３７５０号においても、第１のステータヨークと第２のステータヨークの磁極片の開き角ａとｃを異なった値にするためには、片方の開き角を小さくすることであり、磁極片の幅が小さくなり、結果として上記例と同様にモータ有効鎖交磁束が低減して、モータ効率が低下してしまう。
【００１１】
また、特開昭５８−６３０６５号で提案されている方法を図示した図５で、磁極片に突出部２０を延設するが磁極片の面積は低下し、上記例と同様に有効鎖交磁束が減少する。更に本方式のモータでは、２組のステータヨークの電磁鋼板の厚みにあまり余裕が取れない場合が多く、電磁鋼板の磁気飽和の懸念が存在する。マグネット３からの磁束は、磁極片先端から主磁極へと流れ、磁束密度もそれにつれて増加するため、途中で磁束通路が狭くなることは磁気飽和の可能性が生じる。
【００１２】
また、円環状コイルが通電されると、マグネット３と磁極片２１，２２の突起部２０間に回転力だけでなく、ステータヨーク中心方向の吸引・反発力が生じ、磁極片は振動を伴うことになり、磁極片２１，２２と主磁極１３，１４の境界の幅が小さいと、振動は大きくなり結果としてモータ振動・騒音に悪影響を及ぼすことになる。
【００１３】
更にステータヨークの材料として電磁鋼板を使用するが、主磁極と磁極片の境界に電磁鋼板の加工歪みの問題が折り曲げ部４０に生じ、これは上述の従来方式に共通して存在する。この加工歪みは、電磁鋼板の透磁率の著しい低下として現れ、結果として、上記例と同様にモータ有効鎖交磁束が減少して、モータ効率が著しく低下してしまう。これを対策するには、折り曲げ加工後に焼鈍と呼ばれる熱処理が必要になりコストアップの要因となる。
【００１４】
本発明は上述の問題を解決して，コストアップすることなく、モータ有効鎖交磁束の減少と磁極片の振動を防止するモータ構造を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明に成るラジアルエアギャップ形ブラシレスＤＣモータは、モータシャフトに取付けられたロータヨークと、ロータヨークに取付けられ円周方向に多極着磁されているリング状マグネットとを有するロータと、夫々中心から径方向外方に延び、その先端からマグネットの内周面に対向して軸方向に延びる磁極片を備えマグネット磁極数の半数の主磁極を有し、磁極片が互いに向き合い夫々の主磁極が電気角でほぼ１８０度ずれるように回転中心に対して等間隔に配置されるステータヨークと、モータシャフトに軸受けを介して嵌合し、２組のステータヨークの中央部を連通して磁気的に短絡するためのセンターヨークと、２組のステータヨークの主磁極で挟持され、磁極片でその外周が覆われるようにして設けられる円環状コイルと、磁電変換素子とを有し、マグネットの内周面に空隙を介して対向するように構成されるステータヨークと、駆動回路を搭載するプリント配線基板とを具備し、２組のステータヨークを形成する磁極片の、夫々少なくとも一つが、磁極片の先端方向に向かって磁極面積を減少せしめる切り欠きを備えことに特徴を有するものである。
【００１６】
また別途構造として、モータシャフトに取付けられたロータヨークと、ロータヨークに保持され、円周方向に多極着磁されているリング状マグネットとを有するロータと、円板状電磁鋼板の外周縁から、マグネットの内周面に対向して軸方向に延びマグネット磁極数の半数の磁極片を有し、磁極片が互いに向き合い電気角でほぼ１８０度ずれるように回転中心に対して等間隔に配置される２組のステータヨークと、モータシャフトに軸受けを介して嵌合し、２組のステータヨークの中央部を連通して磁気的に短絡するためのセンターヨークと、２組のステータヨークの円板状部で挟持され、磁極片でその外周が覆われるようにして設けられる円環状コイルと、磁電変換素子とを有し、マグネットの内周面に空隙を介して対向するように構成されるステータと、駆動回路を搭載するプリント配線基板とを具備するし、リング状マグネットの厚みの、対向配置される２組のステーヨーク絞り部内面間距離に対する比が、０．７から０．９の範囲となるように形成されていることに特徴を有するものである。
【００１７】
もしくはセンターヨークが、クロムが１０〜１５％、鉄が８５〜９０％からなる軟磁性ステンレス鋼板で形成されていることに特徴を有するものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下図面によって本発明の実施例を説明する。図１は本発明の請求項１に関する４極のラジアルエアギャップ形ブラシレスＤＣモータに適用した第１の実施例を示す分解斜視図であり、図２は本発明の位置関係図である。図１において、２組のステータヨーク５，６の磁極片２１，２２にはマグネット３の回転方向に向かって、磁極片２１の端面から主磁極１３方向に磁極片２１を切り欠きがある。また、図２において２組のステータヨーク５，６はそれぞれの磁極片が電気角で１８０度ずれて配置されている。磁極片の開き角ａはマグネットの一磁極の７／１０〜９／１０で、２組のステータヨークとも同一である。
【００１９】
図２の位置関係から、マグネットＮ極から生じる磁束は第１のステータヨークからセンターヨーク７を通して軸方向に向かい第２のステータヨークの磁極片を通してマグネットＳ極に帰る。従来の例とは異なり、磁極片２１の開き角が大きく取れ、各磁極片もマグネット３の磁極と同一角度で配置されるため、従来技術の問題点で指摘した磁束を制限する要素が減り、モータ有効鎖交磁束を増加させることが可能である。
【００２０】
また、図２のマグネット３の磁極とステータヨーク５，６の位置関係は、本構造のモータの起動不能位置であるが、磁極片に設けた切り欠き２７によりコギングトルクが生じる位置関係がずれて、図２の位置関係でモータが停止することはなく起動不能は生じない。
【００２１】
また、本発明の磁極片２１，２２の切り欠き２７は、主磁極１３，１４との折り曲げ部４０までは及ばない位置となっているため、ステータヨークの中心方向への吸引・反発力に対する支持力が大きくなり振動が少ない。
【００２２】
また、図３は本発明の請求項２，３に関する第２の実施例を示す分解斜視図である。図において５｀、６｀は円板状の電磁鋼板の外周を短く絞り４１、その先端４２から、該マグネットの内周面に空隙を介して対向されるように軸方向に延びる複数の磁極片２１、２２を夫々有する２組のステータヨークである。またこの２組のステーヨーク絞り部内面間距離４２の長さｈ１とマグネット３の厚みｈ２との比率は、ｈ２／ｈ１＝０．７〜０．９となるように設定されている。
【００２３】
本第２の実施例では、従来の実施例の主磁極部を排除し、円板状の電磁鋼板の外周を短く絞りその先端から、直接磁極片を生成している点に特徴がある。従来技術で問題になった電磁鋼板の加工歪みによる透磁率低下を補い、且つ磁極片の振動を抑制できる。
【００２４】
マグネット３から磁束は磁極片２１，２２を通して、絞り部４１を通過して、ステータヨーク５｀６｀に流れる。加工歪みの発生する絞り部４１の透磁率は低下しているが、絞り部４１は円板状の全周にあり透磁率の低下を磁束通過断面積の増加で補うことが可能となり、ステータヨークの焼鈍処理無しで使用することも可能となる。また、磁極片の支持部も強化されモータ振動を低減できる。
【００２５】
また、また２組のステーヨーク絞り部内面間距離４２の長さｈ１とマグネット３の厚みｈ２との比率は、マグネット３からの漏れ磁束を制限し、モータ有効鎖交磁束を最大に取り出すため、実験的に確認した結果ｈ２／ｈ１＝０．７〜０．９が最適と言える。
【００２６】
また、図８にセンターヨークの材料として、クロムが１０〜１５％、鉄が８５〜９０％からなる軟磁性ステンレス鋼板を使用した場合の逆起電力▲６▼・鎖交磁束▲７▼特性を示す。一般的な電磁軟鉄の電気抵抗率１４００（μΩ・ｍ）に対して軟磁性ステンレス鋼板の電気抵抗率は６３００（μΩ・ｍ）と高い。その結果、図に示すように低速から高速の全回転数領域で逆起電力・鎖交磁束共に特性が改善されていることが確認できる。
【００２７】
【発明の効果】
以下本発明のブラシレスＤＣモータの効果を列挙する。
（１）磁極片の開き角が大きくとれてモータ有効鎖交磁束が増加できる。
（２）第１のステータヨークの磁極片と第２のステータヨークが１８０度に配置できモータ有効鎖交磁束が増加できる。
（３）磁極片の面積低下と磁気飽和を最小限にできモータ有効鎖交磁束が増加出来る。
（４）磁束通路の減少が無くモータ有効鎖交磁束が増加できる。
（５）電磁鋼板の曲げ加工による透磁率の低下を補いモータ有効鎖交磁束が増加できる。
（６）磁極片の支持部を増加させてモータの振動を抑制できる。
（７）センターヨークに軟磁性ステンレス鋼板を使用することで、高速回転領域でのモータ有効鎖交磁束が増加出来る。
【００２８】
このように、本発明によれば、コストを極力抑えて、小形で高効率・低振動のブラシレスＤＣモータを製作することが可能となり、小形のファン・ブロワに使用するとその効果は大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に成る第１の実施例に関する分解斜視図である。
【図２】図１の例の位置関係図である。
【図３】本発明に成る第２の実施例に関する分解斜視図である。
【図４】従来技術に成る例の位置関係図である。
【図５】図４に対応するステータヨークの例の説明図である。
【図６】図４の例の分解斜視図である。
【図７】従来技術に成る駆動回路説明図である。
【図８】本願発明に係るモータ逆起電力と鎖交磁束特性の例を示す説明図である。
【符号の説明】
１　ロータ
２　ロータヨーク
３　マグネット
４　モータシャフト
５　第１のステータヨーク
６　第２のステータヨーク
５｀　第１のステータヨーク
６｀　第２のステータヨーク
７　センターヨーク
８　コイル
９　ホール素子
１０　電気部品
１１　プリント配線基板
１２　スリット
１３　主磁極
１４　主磁極
２１　磁極片
２２　磁極片
２３　ボビン
２４　コイル
２５　端子
３１　軸受け
４０　折り曲げ部
４１　絞り部
４２　絞り端面
６０　モータ部
６１　トランジスタ
６２　トランジスタ
６３　モータ駆動用ＩＣ
６４　ＤＣ電源
６５　電気関連部品
【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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