(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータと、
ステータに対して回転するロータと、を備え、
前記ステータは、
複数の突極を有するコアと、
前記複数の突極に巻き線されて形成されるコイルと、を備え、
前記ロータは、前記突極と半径方向に対向し、前記突極側の面に周方向に複数の磁極を有するマグネットを含み、
前記突極は、コイルが巻かれる基部と、前記基部より前記マグネット側に設けられ、前記基部よりも周方向に広がる先端部と、を含み、
前記先端部と前記ロータとの半径方向の隙間は、前記先端部の周方向の両端部のうちの前記ロータの回転方向の前側の第１端部と後側の第２端部とで異なっており、
前記ロータの回転軸に垂直な断面において、
前記基部の両側面のうちの前記ロータの回転方向の前側に位置する側面に実質的に平行で前記回転軸を通る第１直線と、前記回転軸と前記第１端部とを通る第２直線とがなす角が、前記第１直線と、前記回転軸と前記第２端部とを通る第３直線とがなす角よりも大きく、
前記基部は、前記第１直線と前記基部の両側面のうちの前記ロータの回転方向の後側の側面とが半径方向外側ほど離れるよう構成されることを特徴とする単相ブラシレスモータ。
【請求項２】
前記第１直線と前記第２直線とがなす角に対する前記第１直線と前記第３直線とがなす角の比が０．８１〜０．９９で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。
【請求項３】
前記第１直線と前記第２直線とがなす角に対する前記第１直線と前記第３直線とがなす角の比が０．９で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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単相ブラシレスモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
コイルが単一の相で構成された単相ブラシレスモータが知られている。単相ブラシレスモータでは、安定した起動を実現するために、ステータコアの突極とロータとの半径方向における隙間を突極の周方向の両端部で異ならせることがある。従来では、安定した起動の実現に加えてコギングトルクを低減するために、突極の周方向の両端部とロータとの半径方向における隙間が所定の関係を満たすよう構成された単相ブラシレスモータが提案されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−２３６４６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した従来の単相ブラシレスモータは、コギングトルクを低減することができ、ひいては振動およびそれに伴う騒音を低減できる。
【０００５】
しかしながら、単相ブラシレスモータの振動・騒音を低減することへの要求が絶えることはなく、より振動・騒音を低減することが要求されている。単相ブラシレスモータの振動・騒音の原因の１つに、ステータコアの突極とマグネットとの間で生じる電磁力、特にその高調波成分を起振力とする電磁振動がある。本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、電磁力の高調波成分、ひいては電磁振動を低減できることを知見した。
【０００６】
本発明は、こうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、電磁力の高調波成分を起振力とする電磁振動を低減でき、ひいては振動・騒音を低減することができるとともに、コギングトルクを低減できる単相ブラシレス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】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明のある態様の単相ブラシレスモータは、ステータと、ステータに対して回転するロータと、を備える。ステータは、複数の突極を有するコアと、複数の突極に巻き線されて形成されるコイルと、を備える。ロータは、突極と半径方向に対向し、突極側の面に周方向に複数の磁極を有するマグネットを含む。突極は、コイルが巻かれる基部と、基部よりマグネット側に設けられ、基部よりも周方向に広がる先端部と、を含む。先端部とロータとの半径方向の隙間は、先端部の周方向の両端部のうちのロータの回転方向の前側の第１端部と後側の第２端部とで異なっており、ロータの回転軸に垂直な断面において、基部の両側面のうちのロータの回転方向の前側に位置する側面に実質的に平行で回転軸を通る第１直線と、回転軸と第１端部とを通る第２直線とがなす角が、第１直線と、回転軸と第２端部とを通る第３直線とがなす角よりも大きい。
【０００８】
この態様によると、電磁力の高調波成分が低減される。
【０００９】
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや、本発明の構成要素や表現を方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、電磁力の高調波成分を起振力とする電磁振動およびそれに伴う騒音を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施の形態に係る単相ブラシレスモータを示す断面図である。
【図２】図１のステータコアの突極の１つとその周辺を拡大して示す拡大断面図である。
【図３】図３（ａ）はステータコアとマグネットとの間に生じる半径方向の電磁力の４の倍数の高調波成分を示し、図３（ｂ）はステータコアとマグネットとの間に生じる回転方向の電磁力の４の倍数の高調波成分を示す図である。
【図４】コギングトルクを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、工程には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、各図面における部材の寸法は、理解を容易にするために適宜拡大、縮小して示される。また、各図面において実施の形態を説明する上で重要ではない部材の一部は省略して表示する。
【００１３】
図１は、実施の形態に係る単相ブラシレスモータ１００を示す断面図である。図１では、ロータ２０の回転軸Ｒに垂直な断面を示す。単相ブラシレスモータ１００は、ステータ１０と、ステータ１０に対して回転するロータ２０と、を備える。本実施の形態では、ロータ２０は、矢印で示したＤ方向（すなわち図１では時計回りの方向）に回転する。ステータ１０は、ステータコア１１と、コイル１２と、を含む。ロータ２０は、ロータヨーク２１と、マグネット２２と、を含む。
【００１４】
以降では、ロータ２０の回転軸Ｒに平行な方向を軸方向とし、回転軸Ｒに垂直な平面上で回転軸Ｒを通る任意の方向を半径方向とし、半径方向において回転軸Ｒに近い方を内周側、回転軸Ｒから遠い方を外周側とし、回転軸Ｒに垂直な平面上において回転軸Ｒを中心とする円の円周に沿った方向を周方向として説明する。
【００１５】
ステータコア１１は、円環部１３とそこから外周側に伸びる４本の突極１４とを有する。ステータコア１１は、例えば、複数枚の薄型電磁鋼板を積層しカシメにより一体化して形成される。ステータコア１１の各突極１４は、円環部１３から外周側に伸びる基部１５と、基部１５よりもマグネット２２側すなわち基部１５よりも外周側に設けられ、基部１５よりも周方向に広がる先端部１６と、を含む。各基部１５にはインシュレータ（不図示）を介してコイル１２が巻回される。このコイル１２に駆動電流が流れることにより突極１４に沿って駆動磁束が発生する。
【００１６】
ロータヨーク２１は、軟磁性材料を用いて、略カップ状の所定の形状に形成される。マグネット２２は、円筒状に形成され、ロータヨーク２１の円筒状の内周面２１ａに接着固定される。マグネット２２は、例えば、希土類磁石材料やフェライト磁石材料によって形成される。マグネット２２にはその周方向に４極の駆動用着磁が施される。マグネット２２は、ステータコア１１の４本の突極１４と所定の隙間を介して半径方向に対向する。したがって、実施の形態に係る単相ブラシレスモータ１００は４極４スロット構造となっている。
【００１７】
図２は、ステータコア１１の突極１４の１つとその周辺を拡大して示す拡大断面図である。図２では、コイル１２の表示は省略している。図２において、第１直線Ｌ１は、基部１５の両側面（すなわち第１側面１５ｃおよび第２側面１５ｄ）のうちロータ２０の回転方向（すなわちＤ方向）の前側に位置する第１側面１５ｃに平行で回転軸Ｒを通る直線である。第２直線Ｌ２は、回転軸Ｒと、先端部１６の周方向の両端部のうちロータ２０の回転方向の前側に位置する端部（特に先端部１６の外周面１６ｃの周方向の第１端部Ｅ１）と、を通る直線である。第３直線Ｌ３は、回転軸Ｒと、先端部１６の周方向の両端部のうちロータ２０回転方向の後側に位置する端部（特に先端部１６の外周面１６ｃの周方向の第２端部Ｅ２）と、を通る直線である。
【００１８】
基部１５は、軸方向から見て略矩形状に形成される。具体的には、基部１５は、外周側ほど、周方向の幅が広くなるよう形成される。基部１５は特に、回転軸Ｒに垂直な断面において、第１直線Ｌ１よりもロータ２０の回転方向の前側の第１部分１５ａは半径方向の位置によらずに周方向の幅が実質的に一定で、第１直線Ｌ１よりもロータ２０の回転方向の後側の第２部分１５ｂは外周側ほど周方向の幅が広くなるよう（別の言い方をすると基部１５の第２側面１５ｄと第１直線Ｌ１とが外周側ほど離れるよう）形成される。本実施の形態では特に、第２部分１５ｂは、その内周側の端部の周方向の幅Ｗ２が第１部分１５ａの周方向の幅Ｗ１よりも狭く、外周側の端部の周方向の幅Ｗ３が第１部分１５ａの周方向の幅Ｗ１よりも広くなるよう形成される。
【００１９】
先端部１６は、軸方向から見て傘形状を有する。先端部１６は、ロータ２０の回転方向の後側の第２端部Ｅ２におけるロータ２０との半径方向の隙間と、ロータ２０の回転方向の前側の第１端部Ｅ１におけるロータ２０との半径方向の隙間とが異なるように形成される。本実施の形態では、先端部１６は、第２端部Ｅ２におけるロータ２０との半径方向の隙間が、第１端部Ｅ１におけるロータ２０との半径方向の隙間よりも広くなるよう形成される。より具体的には、本実施の形態では、先端部１６は、第１端部Ｅ１から第２端部Ｅ２に向かうほどロータ２０との半径方向の隙間が広くなるよう形成される。例えば、マグネット２２の内周面２２ａを回転軸Ｒを中心とする円弧状に形成し、先端部１６の外周面１６ｃを回転軸Ｒとは異なる点を中心とする円弧状に形成することにより、これが実現される。
【００２０】
また、先端部１６は、第１直線Ｌ１よりもロータ２０の回転方向の前側の第１部分１６ａの周方向の幅が、第１直線Ｌ１よりもロータ２０の回転方向の後側の第２部分１６ｂの周方向の幅よりも広くなるよう形成される。言い換えると、先端部１６は、第１直線Ｌ１と第２直線Ｌ２とがなす角度θ１が、第１直線Ｌ１と第３直線Ｌ３とがなす角度θ２よりも大きくなるよう形成される。
【００２１】
以上のように構成された単相ブラシレスモータ１００の動作を説明する。駆動電流がコイル１２に供給される。その駆動電流がコイル１２を流れることにより、４本の突極１４に沿って磁束が発生し、ロータ２０が回転する。
【００２２】
以上説明した本実施の形態に係る単相ブラシレスモータ１００によると、先端部１６は第１部分１６ａの周方向の幅が第２部分１６ｂの周方向の幅よりも大きくなるよう形成される。言い換えると、先端部１６は、角度θ１が角度θ２よりも大きくなるよう形成される。これにより、角度θ１と角度θ２とが等しい場合と比べて、電磁振動を低減できる。
【００２３】
また、本実施の形態に係る単相ブラシレスモータ１００によると、基部１５は、外周側ほど、周方向の幅が広くなるよう形成される。また、基部１５は、第２部分１５ｂの内周側の端部の周方向の幅Ｗ２は第１部分１５ａの内周側の端部の周方向の幅Ｗ１よりも狭く、第２部分１５ｂの外周側の端部の周方向の幅Ｗ３は第１部分１５ａの外周側の周方向の幅Ｗ１よりも広くなるよう形成される。これにより、電磁振動をより一層低減できる。
【００２４】
本発明者らは、本実施の形態に係る単相ブラシレスモータ１００による電磁振動の低減効果を確かめるため、単相ブラシレスモータ１００と、比較例として、本実施の形態と略同じ構造の４極４スロット構造の単相ブラシレスモータについてシミュレーションを行った。単相ブラシレスモータ１００と比較例に係る単相ブラシレスモータとの違いは、ステータコアの構成である。各ステータコアの構成は以下の通りである。
＜本実施の形態に係る単相ブラシレスモータ１００のステータコア１１＞
θ１＝４３°
θ２＝３９°
Ｄ１／Ｄ２＝１．３６
Ｗ１／Ｄ１＝０．１３
Ｗ２／Ｄ１＝０．１１
Ｗ３／Ｄ１＝０．１６
ここで、Ｄ１は円環部１３の外径、Ｄ２は円環部１３の内径である。
＜比較例に係る単相ブラシレスモータのステータコア＞
θ１＝θ２＝４０°
Ｄ１／Ｄ２＝１．３６
Ｗ１／Ｄ１＝０．１５
Ｗ２／Ｄ１＝０．１２
Ｗ３／Ｄ１＝０．１５
【００２５】
図３、４はシミュレーション結果を示すグラフである。図３（ａ）はステータコアとマグネットとの間に生じる半径方向の電磁力の４の倍数の高調波成分を示し、図３（ｂ）はステータコアとマグネットとの間に生じる回転方向の電磁力の４の倍数の高調波成分を示す。図３（ａ）、（ｂ）において縦軸は電磁力の振幅を示す。特に、図３（ｂ）に示されるように、本実施の形態に係る単相ブラシレスモータ１００では、比較例に係る単相ブラシレスモータに比べて、ステータコアとマグネットとの間に生じる回転方向の電磁力の４の倍数の高調波成分のうち、電磁力の振幅の大きい８次、１２次、１６次、２０次の高調波成分における電磁力が低減されている。
【００２６】
また、本発明者らは、ステータコア１１の形状を種々変えながら電磁力を計算し、θ２／θ１が０．８１〜０．９９の範囲の場合、従来と同程度のトルクを得ることができ、かつ、電磁振動を低減できることを確認した。また発明者らは、θ２／θ１＝０．９の場合は特に、従来と同程度のトルクを得ることができ、かつ、電磁振動を最も低減できることを確認した。
【００２７】
図４は、コギングトルクを示す。図４において横軸は回転角度を示し、縦軸はコギングトルクを示す。図４に示されるように、本実施の形態に係る単相ブラシレスモータ１００によると、比較例に係る単相ブラシレスモータに比べ、電磁力のみならず、コギングトルクも低減（図４の例では２４％低減）することができる。
【００２８】
以上、実施の形態に係る単相ブラシレスモータについて説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下変形例を示す。
（変形例１）
実施の形態では、ステータコア１１の突極１４の数が４本である場合について説明したが、これに限られない。ステータコア１１の突極１４の数は、例えば６本であってもよい。この場合にも、θ２／θ１が０．８１〜０．９９の範囲であれば、従来と同程度のトルクを得ることができ、かつ、電磁振動を低減できる。
【００２９】
（変形例２）
実施の形態では、マグネット２２がステータコア１１の外側に位置する、いわゆるアウターロータ型の単相ブラシレスモータについて説明したが、これに限られない。たとえばマグネットがステータコアの内側に位置する、いわゆるインナーロータ型の単相ブラシレスモータであってもよい。
【００３０】
（変形例３）
実施の形態では、ステータコア１１が積層コアである場合について説明したが、これに限られない。例えば、ステータコア１１はソリッドコアであってもよい。
【００３１】
上述した実施の形態と変形例の任意の組み合わせもまた本発明の実施の形態として有用である。組み合わせによって生じる新たな実施の形態は、組み合わされる実施の形態および変形例それぞれの効果をあわせもつ。
【符号の説明】
【００３２】
１０  ステータ、  １１  ステータコア、  １２  コイル、  １３  円環部、  １４  突極、  １５  基部、  １６  先端部、  ２０  ロータ、  ２２  マグネット、  １００  単相ブラシレスモータ、  Ｒ  回転軸。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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