(57)【要約】【課題】本発明は、モータ、特に単相永久磁石ブラシレスモータ及びそれを使用する電気装置を提供する。【解決手段】単相ブラシレスモータとモータを使用する電動ツール及び自動車窓リフターとを提供する。モータは、固定子及び回転子を含む。固定子は、固定子コア及び巻線を含む。固定子コアは、ヨークとヨークから内向きに延びる歯とを含む。歯は、歯先端を含む。歯先端は、第１磁極片及び第２磁極片を含む。歯先端は、第１及び第２磁極片の間に回転子に面する位置決め溝を形成する。回転子は、第１及び第２磁極片の間に定められた空間に受け入れられる。回転子は、回転子の周方向に配置された複数の永久磁極を含む。第１及び第２磁極片は、一方向の回転子始動機能が反対方向の回転子始動機能よりも大きいように、歯本体の中心線に関して対称である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子コア及び巻線を含む固定子であって、該固定子コアが、ヨークと該ヨークから内向きに延びる複数の歯とを含み、該歯が、歯本体と該歯本体の遠位端に配置された歯先端とを含み、該巻線が、該固定子コアの周りに巻き付けられ、該歯先端が、それぞれ該歯の対向する２つの側に位置付けられた第１磁極片及び第２磁極片を含み、該歯先端が、位置決め溝を形成する前記固定子と、
前記固定子に対して回転可能であり、前記歯の前記第１磁極片と前記第２磁極片との間に定められた空間に受け入れられる回転子であって、該位置決め溝が、該回転子に面しており、該回転子が、該回転子の周方向に配置された複数の永久磁極を含み、該第１磁極片及び該第２磁極片が、一方向への該回転子の始動機能が反対方向への該回転子の始動機能よりも大きいように、該歯本体の中心線に関して非対称である前記回転子と、
を含む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及び第２磁極片の各々が、前記回転子に面する磁極面を有し、前記位置決め溝は、該第１磁極片及び該第２磁極片の該磁極面の間に位置付けられ、該第２磁極片の該磁極面は、該第１磁極片の該磁極面よりも大きい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２磁極片の長さが、前記第１磁極片の長さよりも大きいが、該第１磁極片の該長さの２倍よりも短いことを特徴とする請求項２に記載の単相ブラシレスモータ。
【請求項４】
前記第１磁極片及び前記第２磁極片の内周面が、同じ円筒面上に位置付けられ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５】
前記複数の歯において、１つの歯の前記第２磁極片及び別の歯の前記第１磁極片は、互いに隣接して配置され、スロット開口部又は磁気ブリッジが、その間に形成され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６】
間隙が、前記第１磁極片及び前記第２磁極片の内周面と前記回転子の外面との間に形成され、前記スロット開口部の幅が、該間隙の厚みよりも大きいが、前記位置決め溝の幅よりも小さいことを特徴とする請求項５に記載の単相ブラシレスモータ。
【請求項７】
始動段階において、前記一方向の前記回転子の平均出力トルクの前記反対方向の該回転子の平均出力トルクに対する比が、１１：９よりも大きいことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の単相ブラシレスモータ。
【請求項８】
前記位置決め溝の中心線が、前記歯本体の中心線と一致することを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の単相ブラシレスモータ。
【請求項９】
前記第１磁極片及び前記第２磁極片の半径方向厚みが、前記歯本体から離れる方向に徐々に減少す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１０】
前記ヨークは、半フレーム形状ヨーク、閉じたフレーム形状ヨーク、又は環状ヨークを含む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１１】
前記回転子は、回転子コアを更に含み、前記永久磁極は、該回転子コアの面に装着された永久磁石又は該回転子コアに埋め込まれた永久磁石によって形成され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１２】
前記回転子の始動角度が、電気角で４０度よりも大きいことを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の単相ブラシレスモータ。
【請求項１３】
請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の単相ブラシレスモータ、
を含むことを特徴とする電気装置。
【請求項１４】
電動ツールであることを特徴とする請求項１３に記載の電気装置。
【請求項１５】
車両窓リフターであることを特徴とする請求項１３に記載の電気装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータに関し、特に単相永久磁石ブラシレスモータ及びそれを使用する電気装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
単相モータは、費用が低いという利点を有する。しかし、回転子の磁極の方向と固定子極の方向の間の角度が小さすぎる位置で回転子が停止した場合に、回転子の始動時に回転子に加わる回転トルクは、小さくなることになる。回転トルクが摩擦トルクに等しいか又はそれ未満である場合に、モータは、始動することができない。これは、通常は始動不良と呼ばれる。単相モータの始動不良を避ける方法は、緊急に対処すべき問題である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
すなわち、上述の短所を克服することができる単相ブラシレスモータが望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
１つの態様において、固定子と固定子に対して回転可能な回転子とを含む単相ブラシレスモータを提供する。固定子は、固定子コア及び巻線を含む。固定子コアは、ヨーク及びヨークから内向きに延びる少なくとも２つの歯を含む。歯は、歯本体と歯本体の遠位端に配置された歯先端とを含む。巻線は、固定子コアに巻き付けられる。歯先端は、それぞれ歯の２つの反対側に位置付けられた第１磁極片及び第２磁極片を含む。歯先端は、回転子に面する位置決め溝を形成する。回転子は、歯の第１磁極片と第２磁極片の間に定められた空間に受け入れられる。回転子は、回転子の周方向に配置された複数の永久磁極を含む。第１磁極片及び第２磁極片は、一方向への回転子の始動機能が反対方向への回転子の始動機能よりも大きいように、歯本体の中心線に関して対称である。
【０００５】
好ましくは、回転子に面する第２磁極片の磁極面は、回転子に面する第１磁極片の磁極面よりも大きい。
【０００６】
好ましくは、第１磁極片及び第２磁極片の内周面は、同じ円筒面上に位置付けられる。
【０００７】
好ましくは、少なくとも２つの歯２２において、１つの歯の第２磁極片と別の歯の第１磁極片は、互いに隣接して配置され、スロット開口部又は磁気抵抗の大きい磁気ブリッジがその間に形成される。
【０００８】
好ましくは、第１磁極片及び第２磁極片の内周面と回転子は、その間に間隙を定め、スロット開口部の幅は、間隙の厚みより大きいが、位置決め溝の幅よりも小さい。
【０００９】
好ましくは、始動段階において、一方向への回転子の平均出力トルクの反対方向への回転子の平均出力トルクに対する比は、１１：９よりも大きい。
【００１０】
好ましくは、位置決め溝の中心線は、歯本体の中心線と一致する。
【００１１】
好ましくは、位置決め溝の幅は、歯の歯本体に等しいか又はそれよりも大きい。
【００１２】
好ましくは、第２磁極片の長さは、第１磁極片の長さより長いが、第１磁極片の長さの２倍よりも短い。
【００１３】
好ましくは、第１磁極片及び第２磁極片の半径方向厚みは、歯から離れる方向に徐々に減少する。
【００１４】
好ましくは、ヨークは、半フレーム形状ヨーク、閉じたフレーム形状ヨーク、又は環状ヨークを含む。
【００１５】
好ましくは、回転子は、回転子コアを更に含み、永久磁極は、回転子コアの面に装着された永久磁石又は回転子コアに埋め込まれた永久磁石によって形成される。
【００１６】
好ましくは、回転子の始動角度は、４０度よりも大きい電気角である。
【００１７】
別の態様において、上述の単相ブラシレスモータを含む電動ツール又は車両窓リフターのような電気装置を提供する。
【００１８】
従来技術と比較して、本発明の上述の実施形態は次の利点があり、すなわち、固定子の歯先端が、回転子が死点からずれた位置で停止することができるような位置決め溝を形成し、異なるサイズを有する非対称磁極片の具備により、回転子が、異なる双方向始動機能を有し、これは、電動ツール及び車両窓リフターのような双方向始動機能に対して異なる要件を有する用途に対して特に適切である。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態による単相ブラシレスモータの簡略化した概略図である。
【図２】図１の単相ブラシレスモータの平面図である。
【図３】図１の単相ブラシレスモータの固定子コアの上面図である。
【図４】図１の単相ブラシレスモータの磁束分布を説明する図である。
【図５】作動中の図１の単相ブラシレスモータの逆起電力値の変化及び位置決め溝角度を示すグラフである。
【図６】本発明の一実施形態による単相ブラシレスモータの回転子の平面図である。
【図７】本発明の一実施形態による単相ブラシレスモータの分解組立図である。
【図８】本発明の別の一実施形態による単相ブラシレスモータの側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下で本発明を図面に表された実施形態と共に更に説明する。
【００２１】
図１及び図２を参照すると、本発明の一実施形態による単相ブラシレスモータ１０は、固定子２０及び固定子２０に対して回転可能な回転子３０を含む。
【００２２】
固定子２０は、固定子コア及び巻線２８（図６）を含む。固定子コアは、珪素鋼等の磁性導電材料から構成される。固定子コアは、ヨーク２１及びヨーク２１から内向きに延びる少なくとも２つの歯２２を含む。歯２２は、ヨーク２１の周方向に沿って離間する。歯２２の数は実際の要件に従って定めることができる。歯２２はそれぞれ、歯２２の遠位端に歯先端２４を形成する。巻線は、固定子コアに巻き付けられる。この実施形態において、巻線２８は、歯２２の歯本体（ヨーク２１と歯先端２４の間に位置付けられた）に巻き付けることができる。歯先端２４は、それぞれ歯の２つの側に向けて延びる第１磁極片２５及び第２磁極片２６を含む。図３に示すように、第１磁極片２５は、Ｌ１で指す長さ、及び第２磁極片２６は、Ｌ２で指す長さを有し、第２磁極片２６の長さＬ２は、第１磁極片２５の長さＬ１よりも長いことが好ましい。従って、回転子３０に面する第２磁極片２６の磁極面は、回転子３０に面する第１磁極片２５の磁極面よりもサイズが大きい。Ｌ２は、Ｌ１の２倍よりも小さいことが好ましい。
【００２３】
回転子３０は、少なくとも２つの歯２２の第１磁極片２５及び第２磁極片２６によって定められた空間に受け入れられる。回転子３０は、回転子３０の周方向に沿って配置された複数の永久磁極３１を含む。第１磁極片２５及び第２磁極片２６の内周面は、同じ円筒面上に位置付けられることが好ましい。この実施形態において、第１磁極片２５及び第２磁極片２６の両方の内周面は、永久磁極３１の外周面と同心である。特に、第１磁極片２５及び第２磁極片２６の内周面は、回転子の中心を中心とする同じ円筒面上に位置付けられ、永久磁極３１は、回転子の中心を中心とする別の円筒面上に位置付けられる。すなわち、第１磁極片２５及び第２磁極片２６の内周面は、永久磁極３１の外周面と同心であるために、第１磁極片２５及び第２磁極片２６の内周面と回転子３０の間に均一な間隙４０が形成され、それによって振動及びノイズが減少し、モータ１０の作動が滑らかになり、モータの起動時の安定性が高まる。
【００２４】
この実施形態において、少なくとも２つの歯２２において、１つの歯２２の第２磁極片２６と別の歯２２の第１磁極片２５は、互いに隣接して配置され、スロット開口部５０が、その間に形成される。スロット開口部５０は、スロット開口部５０の両側での第２磁極片２６と第１磁極片２５の間の磁気漏れ及びモータのコギングトルクの増加を防止するために、比較的大きい磁気抵抗を有する。より大きい磁気抵抗を有する磁気ブリッジをスロット開口部５０の代わりに使用することができることは理解されるものとする。第１磁極片２５及び第２磁極片２６は、異なる長さを有するので、スロット開口部５０／磁気ブリッジの位置は、隣接する２つの歯２２の歯本体の間の中心線からずれている。すなわち、スロット開口部５０は、隣接する２つの歯のうちの一方の歯本体により近く、隣接する２つの歯のうちの他方の歯本体から離れている。
【００２５】
図３に示すように、第１磁極片２５の半径方向厚みＷ１は、歯本体から離れる方向に沿って徐々に減少し、第２磁極片２６の半径方向厚みＷ２も、歯本体から離れる方向に沿って徐々に減少することが好ましい。すなわち、第１磁極片２５及び第２磁極片２６の磁気抵抗が、歯本体からスロット開口部５０の方向に徐々に増加するように、第１磁極片２５及び第２磁極片２６は、スロット開口部５０に近い位置ではより大きい磁気抵抗を有し、それによって空隙磁場の波形が改善して波形がより滑らかになる。
【００２６】
この実施形態において、歯２２は、第１磁極片２５と第２磁極片２６の間に回転子３０に面する位置決め溝６０を形成する。位置決め溝６０は、円弧状の断面を有することが好ましい。位置決め溝６０の中心線は、歯本体の中心線に一致し、すなわち、位置決め溝６０は、歯２２の歯先端２４の中心線からずれている。位置決め溝６０及び非対称磁極片は、回転子３０の停止位置（すなわち、初期位置）が死点を外れるように制御されるように構成かつ設計される。死点の位置とは、回転子の磁極の中心が固定子極の中心と位置合わせされる位置、すなわち、この実施形態の歯２２の極面の中心を意味する。特に、回転子３０が停止すると、永久磁極の円周の中心は、第２磁極片２６の可能な限り近くに配置され、回転子３０が死点で停止することを防ぐ。この実施形態において、回転子３０の停止位置は、死点から電気角で４０度よりも大きくずれることが好ましい。回転子３０の停止位置が、死点から電気角で４０度よりも大きくずれる条件の下では、回転子３０に加わる磁気トルクが増加し、それによってモータ１０の始動の信頼性が増す。固定子２０の巻線を通電する前に、図４を参照すると、第１及び第２磁極片２５、２６間のインダクタンスの違いにより、第２磁極片２６の磁気飽和程度は、第１磁極片２５の磁気飽和程度よりも大きい。従って、固定子２０の巻線を通電する瞬間に、回転子３０の一方の方向への回転は、第１及び第２磁極片２５、２６の磁気飽和程度の違いの均衡を取ることになり（すなわち、一方向への始動の機能が、相対的に強く／大きく／高い）、同時に他方の方向への回転子３０の回転は、第１及び第２磁極片２５、２６間の磁気飽和程度の違いを増加させることになる（他の方向への始動の機能が、相対的に弱く／小さく／低い）。すなわち、回転子の一方の方向への始動の機能は、他方の方向への始動の機能よりも強く／大きく／高い。巻線に接続したコントローラは、電流が固定子２０の巻線を流れる方向を制御するように使用することができ、従って、回転子３０の始動方向を制御することができる。始動段階では、一方の方向に始動する回転子３０の平均的出力トルクの他方の方向に始動する回転子３０の平均出力トルクに対する比は、１１：９よりも大きいことが好ましい。
【００２７】
この実施形態において、位置決め溝６０の周方向幅は、歯２２の幅と実質的に等しい。代替実施形態において、位置決め溝６０の周方向幅は、歯２２の周方向幅よりも小さく又は大きくすることができる。スロット開口部５０の具備に起因する隣接する２つの歯２２の間の磁気抵抗の急な変化を防ぐために、スロット開口部５０の幅は、位置決め溝６０の幅よりも小さいことが好ましく、それによって空隙磁場の波形が改善し、波形がより滑らかになる。
【００２８】
この実施形態において、モータは、単相ブラシレス直流モータである。
【００２９】
図５は、上述の単相ブラシレス直流モータ１０の作動中の逆起電力値及びコギングトルクの曲線を示すグラフである。曲線ａは、コギングトルクの変化を示し、水平座標は回転子の角度値、垂直座標はトルク値である。曲線ｂは、逆起電力値の変化を示し、水平座標は回転子の角度値、垂直座標は逆起電力値である。上のグラフに見られるように、コギングトルク及び逆起電力の曲線は、両方とも滑らかに変化し、これはモータ１０の作動が安定していることを示すものである。これに加えて、位置決め溝６０と非対称磁極片の具備により、逆起電力のゼロクロス点と回転子の「死点」が重ならず、それによって回転子３０が「死点」に停止することによって始動トルクが発生しないことを防ぐことができる。ここでの「死点」とは、コギングトルク曲線ａの立ち上がりエッジのゼロ点に対応する。更に、回転子が始動の瞬間により大きい始動トルクで駆動されるように、逆起電力の最大値は、コギングトルク曲線ａの立ち下がりエッジのゼロ点に対応する回転子の初期位置の近くの位置に現れ、それによってモータの始動の信頼性が増す。
【００３０】
図１及び図２を参照すると、本発明の一実施形態において、回転子３０は、更に回転子コア３２を含む。回転子コア３２は、その中心に回転シャフト（図示せず）に固定的に装着するための装着孔３３を有する。永久磁極３１は、回転子コア３２の面に装着された永久磁石で形成される。永久磁石は、環状永久磁石であることが好ましい。回転子コア３２の外周面は、環状永久磁石と形状が適合し、環状永久磁石が回転子コア３２の外周を取り囲み、回転子コア３２の外周面は、回転子の中心を中心とする円上に位置付けられ、回転子コア３２の外周面は、環状永久磁石の外周面と同心である。回転シャフトは、回転子３０が固定子２０に対して回転可能であるように回転子の中心の装着孔３３に装着される。本発明は、環状磁石を使用することに限定されないことは理解されるものとする。例えば、回転子３０の永久磁極３１を形成するために、複数の円弧又は直線状の永久磁石を回転子コア３２の外周面に装着することができる。
【００３１】
図６を参照すると、本発明の別の実施形態において、上述の実施形態と異なり、回転子３０の複数の永久磁石は、回転子コア３２の内部に埋め込まれた複数の永久磁石によって形成される。これに加えて、この実施形態において、固定子２０の歯の第１磁極片２５及び第２磁極片２６の内周面と回転子の中心との間の距離は、歯本体の中心線に近づく方向に徐々に増加し、回転子コア３２の外径は、円周中心から各永久磁極３１の２つの周方向端部に向けて徐々に減少する。永久磁極３１の外側に位置付けられた回転子コア３２の周囲部分は、永久磁極３１の円周中心線に対して対称であることが好ましい。従って、回転子３０と固定子歯２２の磁極片の磁極面との間の間隙４０は、不均一な厚みを有する。
【００３２】
上述の実施形態において、固定子コアのヨーク２１は、閉じた環状形状である。固定子コア３２のヨーク２１は、正方形又は矩形形状のような閉じたフレーム形状とすることができることは理解されるものとする。
【００３３】
上述の実施形態において、固定子歯は、突出タイプのものであり、つまり磁極片は、歯本体の２つの側を超えて周方向に延びている。
【００３４】
図７を参照すると、本発明の別の実施形態において、固定子コアのヨーク２１は、Ｕ字形又はＣ字形等の開いたフレーム形状である。少なくとも２つの歯２２が、ヨークから延びている。歯２２は、その遠位端に歯先端２４を含む。歯先端２４は、それぞれ歯の２つの側に向けて延びる第１磁極片及び第２磁極片を含む。回転子３０は、少なくとも２つの歯２２の第１磁極片２５及び第２磁極片２６によって定められた空間に受け入れられる。固定子コアは、一体形成することができ、又は個別に形成されて半田付け又は機械的接続等で組み立てられるいくつかの部分を含むことができる。この実施形態において、固定子コアは、蟻継ぎで組み立てられた３つの部分を含む。すなわち、１つの部分は、蟻穴８０を形成し、他方の２つの部分は、それぞれ、蟻穴８０に対応する蟻ほぞ７０を遠位端に形成し、蟻ほぞ７０と蟻穴８０が接続して蟻継ぎを形成する。この実施形態において、固定子歯２２は、非突出タイプのものであり、すなわち、磁極片は、歯本体の２つの側から外側に延びず、逆に歯本体の端部で隠れている。この実施形態において、回転子の永久磁極は、回転シャフトに直接に固定することができ、従って、回転子コアを排除することができる。
【００３５】
図８を参照すると、本発明の別の実施形態において、固定子コアのヨーク２１は、閉じたフレーム形状である。２つの歯２２は、ヨーク２１から延びている。歯２２は、歯本体２３と歯本体２３の遠位端に形成された歯先端２４とを含む。歯先端２４は、それぞれ歯の歯本体２３の中心線の反対側に位置付けられた第１磁極片２５及び第２磁極片２６を含む。回転子３０は、２つの歯２２の第１磁極片２５及び第２磁極片２６によって定められた空間に受け入れられる。回転子コアは、一体形成することができ、又は個別に形成されて半田付け又は機械的接続等で組み立てられるいくつかの部分を含むことができる。この実施形態において、巻線２８は、ヨーク２１に巻き付けられる。これに代えて、巻線２８は、歯２２の歯本体２３に巻き付けることができる。第１及び第２磁極片２５、２６は、歯本体２３の中心線に対して非対称であり、第２磁極片２６は、第１磁極片２５よりも長い。位置決め溝６０の中心は、歯本体２３の中心線と位置合わせされる。この実施形態において、固定子歯２２は、非突出タイプのものであり、すなわち、磁極片２５、２６は、歯本体２３の２つの側を超えて延びず、逆に歯本体２３の端部で隠れている。
【００３６】
本発明は、単純な構造、大きい始動トルク、及び大きい始動角度を有し、これは、回転子３０が「死点」位置に停止することによる始動トルクの生成不良を実質的に防ぎ、始動死点で停止する可能性を低減し、並びに振動とノイズを低減することができる。これに加えて、双方向始動が達成され、これは、始動信頼性を大幅に高める。異なるサイズの非対称磁極片の設計により、回転子は、異なる双方向始動機能を有し、これは、電動ツール及び自動車窓リフターのような双方向始動機能に対して異なる要件を有する用途に対して特に適切である。
【００３７】
本発明は、１又は２以上の好ましい実施形態を参照して説明したが、様々な修正が可能であることは、当業者によって認められるはずである。従って、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲を参照することによって決められるものとする。
【符号の説明】
【００３８】
１０  単相ブラシレスモータ
２０  固定子
３０  回転子
３１  永久磁極
６０  位置決め溝
【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】
2016220527.tif 000008
【図７】
2016220527.tif 000009
【図８】
2016220527.tif 000010
【外国語明細書】
2016220527000001.pdf