(57)【要約】【課題】単相モータとして起動安定性を保ったまま、コギングトルクを大きく減らすことができる技術を提供することを目的とする。【解決手段】複数の磁極を備えるロータ４と、ロータ４と隙間を隔てて配置され、ロータ４の磁極と同じ数の突極５を有するステータ９と、複数の突極５に巻かれたステータコイル５ａを備えたアウターロータ型の単相ブラシレスモータ１であって、ロータ４の複数の磁極のそれぞれは、両端が傾斜した傾斜部と、この傾斜部の間の平坦な平坦部により構成される表面磁束密度分布を有し、突極５のそれぞれは、傘型に開きロータ４に対向する突極面６を有し、突極面６には、円周方向の中央から端の方向に寄った位置に溝７が設けられていることを特徴とする。【選択図】図１
2012029515.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の磁極を備えるロータと、
前記ロータと隙間を隔てて配置され、前記ロータの前記複数の磁極と同じ数の突極を有するステータと、
前記複数の突極に巻かれた駆動コイルと
を備えた単相ブラシレスモータであって、
前記ロータの複数の磁極のそれぞれの表面磁束の波形は、両端が傾斜した傾斜部と、この傾斜部の間の平坦な平坦部により構成される表面磁束密度分布を有し、
前記突極のそれぞれは、傘型に開き前記ロータに対向する突極面を有し、
前記突極面には、円周方向の中央から端の方向に寄った位置に溝が設けられていることを特徴とする単相ブラシレスモータ
【請求項２】
前記溝が前記突極面における円周方向の中央の両側に設けられてい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】
周方向で隣接する突極間の中央の位置と前記溝の突極面端部側の端との間の回転中心から見た角度幅をθＡ、周方向で隣接する突極面端部間の回転中心から見た角度幅を２θＹ、前記ロータの磁極の傾斜部の回転中心から見た角度幅をθＺとした場合に、θＡ≧θＹ＋θＺであることを特徴とする請求項１または２に記載の単相ブラシレスモータ。
【請求項４】
前記突極面における円周方向の中央から端の方向に寄った位置に設けられた前記溝により、前記溝が設けられていない場合に生じるコギングトルクの正または負のいずれか一方のピークが抑えられ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。
【請求項５】
アウターロータ型またはインナーロータ型であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項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、起動安定性、低コギングトルク特性を有する単相ブラシレスモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
コギングトルクは、モータの振動や騒音の原因となるので、低減されることが望まれる。ところで、起動安定性や低コギングトルク特性に関する単相モータとして、特許文献１に記載された技術が知られている。特許文献１には、ロータがデットポイントに停止した場合であっても、確実に起動できるとともに、コギングトルクの発生を抑制するために、モータ起動時にロータを、デットポイントを回避する位置まで回転駆動する起動コイルを備えた構成が記載されている。
【０００３】
また特許文献２には、ステータ側のティースの偶数個は、鍔部を有し、この鍔部の円周方向中間部に径方向外側に向けて凹む溝が形成された構成とすることで、回転むらを抑える技術が記載されている。特許文献３には、通電方法を工夫することで、構造上の工夫を要することなく高い起動信頼性を得る構成が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−３５９９９５号公報
【特許文献２】実開平６−６６２８１号公報
【特許文献３】特開平７−２２７０７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載の技術は、起動を安定化するための起動コイルはトルクへの寄与が小さいので、効率がよくない。特許文献２や特許文献３に記載の技術は、単相ブラシレスモータに適用した場合、起動不安定性が増大する。
【０００６】
ところで、コギングトルクの周期は、モータのスロット数と磁石の極数の最小公倍数の次数となり、次数が上がっただけコギングトルクのピーク値も少なくなる。このため、多極化すればするほど単相モータのコギングトルクは低減される。しかしながら、量産を考えて巻線の容易化を考慮した場合、巻線を巻くために用意する突極間のエアギャップには限界があるために、多極化に比例して突極間のエアギャップの占める円周上の寸法が増えていく。このエアギャップはリラクタンスを生み、コギングトルクの原因となる。したがって、多極化のメリットは相殺され、多極化の効果は限定的となり、一般に、通例の４極４スロットと変わらない性能となる。これは小型単相モータが通例４極４スロットである理由のひとつである。
【０００７】
このような背景において、本発明は、単相モータとして起動安定性を保ったまま、コギングトルクを大きく減らすことができる技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に記載の発明は、複数の磁極を備えるロータと、前記ロータと隙間を隔てて配置され、前記ロータの前記複数の磁極と同じ数の突極を有するステータと、前記複数の突極に巻かれた駆動コイルとを備えた単相ブラシレスモータであって、前記ロータの複数の磁極のそれぞれの表面磁束の波形は、両端が傾斜した傾斜部と、この傾斜部の間の平坦な平坦部により構成される表面磁束密度分布を有し、前記突極のそれぞれは、傘型に開き前記ロータに対向する突極面を有し、前記突極面には、円周方向の中央から端の方向に寄った位置に溝が設けられていることを特徴とする単相ブラシレスモータである。
【０００９】
請求項１に記載の発明によれば、突極面の中央から端に寄った部分に溝を設けることで、コギングトルクを相殺するトルクを生じさせ、コギングトルクのピークを低減できる。また、溝を設けない場合に比較して、逆起電力の低下が小さいので、起動安定性を確保できる。
【００１０】
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、前記溝が前記突極面における円周方向の中央の両側に設けられていることを特徴とする。請求項１に記載の突極面の中央から端に寄った部分に溝を設けた効果は、コギングトルクの正負の一方側のピークを抑える作用がある。請求項２に記載の発明によれば、突極面の中央の両側に溝を形成することで、一方の溝がコギングトルクの正負のピークの一方側、他方の溝がコギングトルクの正負のピーク他方側を抑える機能を発揮し、それによりコギングトルクの正負両方のピークを抑える効果が得られる。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、周方向で隣接する突極間の中央の位置と前記溝の突極面端部側の端との間の回転中心から見た角度幅をθＡ、周方向で隣接する突極面端部間の回転中心から見た角度幅を２θＹ、前記ロータの磁極の傾斜部の回転中心から見た角度幅をθＺとした場合に、θＡ≧θＹ＋θＺであることを特徴とする。
【００１２】
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、前記突極面における円周方向の中央から端の方向に寄った位置に設けられた前記溝により、前記溝が設けられていない場合に生じるコギングトルクの正または負のいずれか一方のピークが抑えられることを特徴とする。
【００１３】
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の発明の単相ブラシレスモータが、アウターロータ型またはインナーロータ型の単相ブラシレスモータであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１に記載の発明によれば、単相モータとして起動安定性を保ったまま、コギングトルクを大きく減らすことができる技術が提供される。
【００１５】
請求項２に記載の発明によれば、コギングトルクの正負のピークを抑えることができる構成が提供される。
【００１６】
請求項３に記載の発明によれば、効果的なコギングトルクの低減作用が得られる溝の位置が限定される。
【００１７】
請求項４に記載の発明によれば、ピンポイントでコギングトルクのピークを抑える構成が提供される。
【００１８】
請求項５に記載の発明によれば、外側が回転子として回転するアウターロータ型の単相ブラシレスモータまたは内側が回転子として回転するインナーロータ型の単相ブラシレスモータが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施形態の単相ブラシレスモータの軸方向から見た内部構造を示す内部構造図である。
【図２】実施形態におけるパラメータの関係を示す概念図である。
【図３】ロータ永久磁石の表面磁束密度の分布状態を示す概念図である。
【図４】図１の一部を拡大した内部構造図である。
【図５】他の実施形態の単相ブラシレスモータの軸方向から見た内部構造を示す内部構造図である。
【図６】実施形態と比較例の特性を示すグラフである。
【図７】実施形態と比較例の特性を示すグラフである。
【図８】溝の無い比較例の単相ブラシレスモータの軸方向から見た内部構造を示す内部構造図である。
【図９】他の実施形態の単相ブラシレスモータの軸方向から見た内部構造を示す内部構造図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
（１）第１の実施形態
図１には、実施形態の単相ブラシレスモータ１の軸方向から見た断面構造が示されている。単相ブラシレスモータ１は、内側がステータ（固定子）であり、それに対して外側が回転するアウターロータ型の４スロット４極の単相ブラシレスモータである。単相ブラシレスモータ１は、内側に配置されたステータ９と、隙間を隔ててその外側に配置され、ステータ９に対して回転するロータ４を備えている。
【００２１】
ステータ９は、ステータ鉄芯８を備えている。ステータ鉄芯８は、ラジアル方向に延在する４個の突極５を備えている。突極５のそれぞれには、駆動コイルとなるステータコイル５ａが巻かれている。突極５の径方向外側の部分は、傘型に周方向に延在しており、その外周は、ロータ側の内周に隙間を有した状態で対向した突極面６とされている。傘型に開いたその外側の部分である突極面６の周方向の中心からずれた部分（周方向の端に近い部分）には、径方向に窪んだ凹部である溝７が設けられている。この例において、溝７は、軸方向に延在し、突極面６の軸方向の幅全部に渡って設けられている。
【００２２】
ロータ４は、円筒形状のロータヨーク２の内側にロータ永久磁石３が収められた構造とされている。ロータ永久磁石３は、図示するように４極に着磁されている。
【００２３】
溝７は、４個ある突極面６のそれぞれに設けられている。以下、溝７の位置について説明する。図２は、溝７の位置を決めるパラメータの関係を示す概念図である。図３は、ある角度位置におけるロータ永久磁石３の表面磁束密度の分布の状態と、図２のＡ点およびＢ点との関係を示す概念図である。図３は、理解し易いように、ロータ永久磁石３を直線状に延ばした状態が示されている。
【００２４】
まず溝７は、突極面６の円周方向で考えたセンターからずれた位置（端に寄った位置）に設けられている。ここで、図３に示すようにロータ永久磁石３の磁束は、円周方向に沿った磁束密度の分布が平坦部とその両側の傾斜部（図３の図面で見ると台形）を有する形状となるように着磁がされている。
【００２５】
図２において、Ｘは、オープニングスロットの円周方向の中心（隣接する突極の隙間の円周方向における中心）である。そしてθＹは、オープニングスロットの１／２の角度幅である。つまり、θＹの２倍の角度幅がオープニングスロットの角度幅となる。ここで、θＡは、溝７の角度位置ＡのＸからの角度幅である。ここで角度位置Ａは、傘型に開いた突極面６の円周方向で考えた端に近い部分における溝７の端部の角度位置である。そして、θＢは、溝７の角度位置ＢのＸからの角度幅である。ここで角度位置Ｂは、傘型に開いた突極面６の周方向で考えた突極面６の中心に近い部分における溝７の端部の角度位置である。また、図３に示されるように、ロータ永久磁石３の磁極の両端の部分における傾斜部の角度幅がθＺとされている。
【００２６】
ここで、（１）溝７は突極面６の円周方向における中心を外した位置にあり、（２）θＡ≧θＹ＋θＺを満たす構造とされている。以下、これらの条件について説明する。
【００２７】
コギングトルクは、回転トルクのムラであり、その原因は、突極とそれに対向するマグネットとの相対的な移動おいて、磁極の切り替わりが滑らかに行われないことに起因する。よって、傘型に開いた突極の端の部分がマグネットの磁極の境の付近に近い位置にある状況においてコギングトルクが生じる。図示する例では、突極面６に溝７を設けることで、溝７の両側において作用する磁力のバランスを調整し、それによりコギングトルクを打ち消すトルクを生じさせることで、コギングトルクのピークを抑えている。
【００２８】
以下、その詳細を説明する。図４には、ロータ永久磁石３がステータ鉄芯８に対して図の時計回り方向に回転しつつある状態が示されている。ここで、ロータ永久磁石３の磁極の境３ａが突極面６の端の部分に近づいた状態が示されている。この際、溝７の部分は、ロータ永久磁石３との間において、周囲に比較してより大きな隙間を形成することになるので、磁束密度が他の部分に比較して弱くなる。つまり、符号６１の部分に作用する磁束密度に比較して、符号６２の部分に作用する磁束密度が相対的に弱くなる。この磁束密度の差に起因してコギングトルクのピークを抑えるトルクが発生する。
【００２９】
つまり、図４に示すモデルでは、溝７があることで、ロータ永久磁石３を理想的な状態よりも強く右方向に回転しようとするトルクを打ち消すトルクが生じる（コギングトルクと逆方向のトルク）。これによりコギングトルクのピークが抑えられる。
【００３０】
また、更に回転していった状態において、┃θＡ−θＢ┃（絶対値）≦θＺであると、図３に示すように溝７の外側の端部Ａに作用する磁束密度の大きさが溝７の内側の端部Ｂに作用する磁束密度の大きさよりも大きくなる。この磁束密度の大きさの差に起因して発生するトルクもコギングトルクのピークを抑える方向に作用する。なお、図３の状態から更にロータが回転すると、溝７の外側の端部Ａに作用する磁束密度の大きさが溝７の内側の端部Ｂに作用する磁束密度の大きさよりも大きくなる関係は逆転するが、その状態は、もはや鋭いコギングトルクのピークが発生する状態でないので、溝７によるコギングトルクを低減する効果は特に発揮されず、逆に溝７が存在することで発生するピークの小さいコギングトルクが発生する。
【００３１】
ところで、本実施形態では、ロータ永久磁石３に対して、その磁極が、図３に示すような平坦部とその両側の傾斜部を有した磁束分布となるように着磁を行っている。この傾斜部は、磁極の切り替わりが行われる遷移領域として捉えられる。このようなロータ永久磁石３の着磁がされている場合、磁極の切り替わりの影響は、上記の傾斜領域に突極面６の端の部分が近づいた状況で生じる。したがって、溝７が突極面６の円周方向における中心を外した位置（つまり、端部に寄った位置）にないと、上述したコギングトルクを抑える作用は有効に生じない。
【００３２】
また、上述した傾斜部が緩やかであれば、それだけ円周方向で見た突極面６の中心に寄った位置まで、上述したコギングトルクの要因となる磁束分布の影響が及ぶ。したがって、その場合は、溝７を突極面６の中心に近付けた位置に設けた方が効果的となる。他方で、傾斜部の傾斜が急峻である場合、溝７を突極面６の端に近付けた方が効果的となる。この程度を定量的に決めているのが、θＡ≧θＹ＋θＺの条件である。この条件によれば、θＺが相対的に小さい場合（つまり傾斜部が急峻）であれば、溝７の端の部分（点Ａ）を突極面６の端部により近付けた方がよく、θＺが相対的に大きい場合（つまり傾斜部が緩やか）であれば、溝７の端の部分（点Ａ）を突極面６の端部から遠ざけ、中央に近付けた方がよいことが示される。
【００３３】
（２）第２の実施形態
図５に変形実施例を示す。図５には、単相ブラシレスモータ１０が示されている。単相ブラシレスモータ１０は、ロータヨーク２０およびロータ永久磁石３０により構成されるロータ４０を備えている。ロータ４０の構成は、第１の実施形態の場合と同じである。ロータ永久磁石３０の内側には、ステータ９０が配置されている。ステータ９０は、ステータ鉄芯８０を備え、ステータ鉄芯８０は、４個の突極５０を備えている。突極５０のそれぞれは、突極面６０を備えている。ここまでのステータ９０の構成は、第１の実施形態と同じである。
【００３４】
以下、第１の実施形態と異なる部分を説明する。突極面６０は、２つの溝７０を備えている。溝７０を片方だけとすれば、第１の実施形態と同じとなる。２つの溝７０は、突極面６０の中央（センター）に対して対象な位置に形成され、また対称な構造とされている。
【００３５】
後述するように、突極面の端部に寄った位置に設けられた溝は、＋または−側のコギングトルクのピークを抑える機能を発揮する。したがって、左右に溝を設けることで、正負のコギングトルクを抑えることができる。
【００３６】
（３）検証
以下、シミュレーションによって得られた本発明の優位性を検証した結果を説明する。ここでは、図１に示す実施形態の単相ブラシレスモータ１０において、θＡ＝θＹ＋θＺとしたサンプルと、図８に示す比較例を用意した。図８には、比較例の単相ブラシレスモータ１００が示されている。図８に示す単相ブラシレスモータ１００は、突極面に溝が設けられていない点を除いて、図１の単相ブラシレスモータ１０と同じである。
【００３７】
図６には、ロータの角度（横軸）と発生するコギングトルク（縦軸）との関係が示されている。図６における「溝なし」は、図８の比較例の単相ブラシレスモータ１００であり、「溝あり」は、上述した図１の発明の実施形態のブラシレスモータ１において、θＡ＝θＹ＋θＺとしたサンプルである。この点は、後述する図７の場合も同じである。図６に示されるように図１に示す溝７を設けることで、コギングトルクのピークが低下する。
【００３８】
図７には、横軸にロータ永久磁石３の表面磁束密度が平坦な部分の電気角度範囲をとり、縦軸に溝なしで上記電気角度範囲が１８０°（つまり、着磁波形が矩形波形状）である場合のコギングトルクを１とした場合の比率が示されている。言い換えれば、図７の横軸は、表面磁束密度の平端部の生じないサイン着磁から、表面磁束密度の平端部１００％の矩形波着磁までの平端部の割合を電気角で示したものである。
【００３９】
図７からは、溝を設けても起動時に必要な逆起電力の低下は、溝がない場合に比較して少ないことが分かる。また、コギングトルクは、溝を設けることで、大幅に低下できることが分かる。つまり、溝を設けた場合、溝を設けない場合に比較して、起動不安定を生じさせずにコギングトルクを低下させることが可能となることが図７から読み取れる。このようにコギングトルクを低下させることで、動作時の振動が低減され、より静音な状態で動作するモータを得ることができる。
【００４０】
（その他）
図６には、溝７を設けることで、＋側のコギングトルクのピークが大きく抑えられている点が読み取れる。このことは、突極面の端部に寄った側に設けられた一つの溝は、＋側または−側における一方の側のコギングトルクを低下させる機能を有することが示唆される。事実、このことは、シミュレーションによる調査により確かめられている。よって、図５に示すように突極面の中央を挟んだ両サイドに溝を設けることで、±両側のコギングトルクのピークを抑えることができる。
【００４１】
このことから、溝の無い構造のコギングトルクを測定した際に、＋側または−側の極性の側のみに強くコギングトルクのピークが出る場合、そのピークを抑えるように突極面の左右のいずれかの側に溝を設ければよい。こうすることで、最終的に正負のコギングトルクのピークが小さい特性を得ることができる。また、溝の無い構造のコギングトルクを測定した際に、コギングトルクのピークの現れ方がアンバランスである場合、そのアンバランスに応じて、図５に示す構成における２つの溝の形状をアンバランスとし、それによりアンバランスな正負のコギングトルクのピークを抑える構成も可能である。
【００４２】
本発明は、インナーロータ型の単相ブラシレスモータに適用することもできる。図９に本発明を利用したインナーロータ型の単相ブラシレスモータの一例を示す。図９には、単相ブラシレスモータ２００が示されている。単相ブラシレスモータ２００は、ステータ２０３を備えている。ステータ２０３は、ステータヨーク２０１とステータ鉄芯２０２を備えている。ステータ鉄芯２０２は、軸中心方向に延在する４つの突極２０３を備えている。突極２０３には、ステータコイル２０４が巻かれている。突極２０３の先端部分は、傘型に開いた形状とされ、後述するロータ２０７の外周に対向する突極面２０５とされている。突極面２０５のセンターを外した部分に溝２０６が設けられている。４つの突極面２０５の内側に隙間を隔ててロータ２０７が配置されている。ロータ２０７の外周は、４極に着磁されている。ロータ２０７の中心には、回転軸２０８が取り付けられ、ステータ２０３に対してロータ２０７が回転可能な構造とされている。
【００４３】
ここで、ロータ２０７の磁極は、図３に示すような平坦部とその両側の傾斜部を備えた表面磁束密度分布となるように着磁されている。また、溝２０６は、第１の実施形態の場合と同様な条件を満たす構造とされている。
【００４４】
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。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明は、単相ブラシレスモータに利用することができる。
【符号の説明】
【００４６】
１、１０…アウターロータ型の単相ブラシレスモータ
２、２０…ロータヨーク
３、３０…ロータ永久磁石
４、４０…ロータ  
５、５０…突極
５ａ…ステータコイル
６、６０…突極面
７、７０…溝
８、８０…ステータ鉄芯
９、９０…ステータ
１００…比較例のアウターロータ型の単相ブラシレスモータ
２００…インナーロータ型の単相ブラシレスモータ
２０１…ステータヨーク
２０２…ステータ鉄芯
２０３…突極
２０４…ステータコイル
２０５…突極面
２０６…溝
２０７…ロータ
２０８…回転軸
【図１】
2012029515.tif 000003
【図２】
2012029515.tif 000004
【図３】
2012029515.tif 000005
【図４】
2012029515.tif 000006
【図５】
2012029515.tif 000007
【図６】
2012029515.tif 000008
【図７】
2012029515.tif 000009
【図８】
2012029515.tif 000010
【図９】
2012029515.tif 000011