(57)【要約】      （修正有）【課題】高い起動能力を備えた単相ブラシレスモータを提供すること。【解決手段】単相ブラシレスモータ１０及び電気装置が提供される。モータは、ステータ２０及びロータ３０を含む。ステータは、ステータコア及び巻線２８を含む。ステータコアは、ヨーク２１及び少なくとも２つの歯２２を含む。歯は、歯本体２６及び歯先端２３を含む。歯先端は、第１の磁極片２４及び第２磁極片２５を含む。ロータは、第１の磁極片と第２の磁極片との間に定めた空間に収容される。各歯は、第１の磁極片と第２の磁極片との間で、ロータに向かい合う位置決め溝５０を形成する。第１磁極片と第２の磁極片とは歯本体の中心線に関して非対称であり、位置決め溝は第１の磁極片に向かって偏位し、一方向のロータ起動能力が反対方向のロータ起動能力よりも高くなっている。単相モータは、起動能力が強化されたより大きな起動トルクを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータコアと該ステータコアに巻き付けられた巻線とを備えるステータであって、前記ステータコアは、ヨークと該ヨークから内向きに延びる少なくとも２つの歯とを備え、前記歯は、歯本体と該歯本体の遠位端に配置された歯先端とを備え、前記歯先端は、円周方向の反対側にそれぞれ位置する第１の磁極片及び第２の磁極片を備え、前記少なくとも２つの歯の前記第１の磁極片の内周面及び前記第２の磁極片の内周面は、協働してそれらの間に空間を定めるステータと、
前記ステータに対して回転可能であり、前記空間内に収容されたロータと、
を備える単相ブラシレスモータであって、
前記歯の各々の前記歯先端は、前記ロータに向かい合う位置決め溝を定め、前記第２の磁極片は前記第１の磁極片よりも大きく、一方向のロータ起動能力は反対方向のロータ起動能力よりも高いことを特徴とする、単相ブラシレスモータ。
【請求項２】
前記位置決め溝の中心は、前記歯の前記歯本体の中心線から前記第１の磁極片に向かう方向に偏位し、前記第１の磁極片及び前記第２の磁極片の各々は、前記ロータに向かい合う磁極面を有し、前記第２の磁極片の前記磁極面は、前記第１の磁極片の前記磁極面よりも大きい、請求項１に記載の単相ブラシレスモータ。
【請求項３】
前記ロータは、該ロータの円周方向に沿って配置された複数の永久磁極を備え、前記ロータの外周面は同じ円筒面上に位置しておらず、前記第１の磁極片の前記内周面及び前記第２の磁極片の前記内周面と、前記ロータの前記外周面とは、それらの間に厚さが不均一な隙間を形成する、請求項１又は２に記載の単相ブラシレスモータ。
【請求項４】
前記ロータはロータコアをさらに備え、前記永久磁極は、前記ロータコアに埋め込まれた複数の永久磁石によって形成され、前記ロータコアの外半径は、前記各永久磁極の円周方向中心から両側に向かって漸減する、請求項３に記載の単相ブラシレスモータ。
【請求項５】
前記隙間の最小厚さに対する最大厚さの比率は２から４の範囲である、請求項３又は４に記載の単相ブラシレスモータ。
【請求項６】
前記ロータは、該ロータの円周方向に沿って配置された複数の永久磁極を備え、前記ロータの外半径は、前記永久磁極の円周方向中心から両側に向かって漸減する、請求項１に記載の単相ブラシレスモータ。
【請求項７】
前記ロータはロータコアをさらに備え、前記永久磁極は、前記ロータコアに埋め込まれた複数の永久磁石によって形成され、前記ロータコアの外半径は、前記各永久磁極の円周方向中心から両側に向かって漸減する、請求項６に記載の単相ブラシレスモータ。
【請求項８】
前記モータは、前記ステータ巻線に接続されたコントローラをさらに備え、前記コントローラは、前記ステータ巻線を流れる電流の方向を反転させて前記ロータの起動方向を変更するように構成され、前記ロータの一方向の前記起動能力は、前記ロータの反対方向の前記起動能力よりも高い、請求項１から７のいずれかに記載の単相ブラシレスモータ。
【請求項９】
前記少なくとも２つの歯において、第１の歯の前記第１の磁極片及び第２の歯の前記第２の磁極片は、互いに隣接して配置されかつスロット開口部によって相隔たり、前記スロット開口部は、全体的に、前記第１の磁極片と、該第１の磁極片に隣接する前記第２の磁極片との間の中心線の一方側に位置する、請求項１から８のいずれかに記載の単相ブラシレスモータ。
【請求項１０】
前記少なくとも２つの歯において、第１の歯の前記第１の磁極片及び第２の歯の前記第２の磁極片は、互いに隣接して配置されかつスロット開口部によって相隔たり、前記位置決め溝の幅は、前記スロット開口部の幅の１倍から２倍である、請求項１から９のいずれかに記載の単相ブラシレスモータ。
【請求項１１】
前記スロット開口部の幅は２ｍｍよりも大きい、請求項９又は１０に記載の単相ブラシレスモータ。
【請求項１２】
前記位置決め溝の中心位置は、前記歯の前記歯本体の中心線から１０度から１５度だけ偏位している、請求項１に記載の単相ブラシレスモータ。
【請求項１３】
前記位置決め溝の幅は、前記歯の前記歯本体の幅に等しいか又は大きい、請求項１に記載の単相ブラシレスモータ。
【請求項１４】
前記第１の磁極片及び／又は前記第２の磁極片の前記内周面から前記ロータの中心までの距離は、前記歯本体の前記中心線に接近する方向で漸増する、請求項１に記載の単相ブラシレスモータ。
【請求項１５】
前記ステータコアのヨークは、閉じたリング形状、閉じたフレーム形状、又は開いたフレーム形状である、請求項１に記載の単相ブラシレスモータ。
【請求項１６】
請求項１から１５のいずれかに記載の単相ブラシレスモータを備える電気装置。
【請求項１７】
電動工具又は車両のウィンドウリフターである、請求項１６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、特に単相ブラシレスモータと、単相ブラシレスモータを使用する電気装置とに関する。
【背景技術】
【０００２】
単相モータには低コストという長所がある。しかしながら、電動工具のように高い起動トルクが要求される用途に単相モータを使用することは、起動能力が劣るという理由で制限される。従って、高い起動能力を備えた単相ブラシレスモータが緊急に望まれる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従って、上記の欠点を克服することができる単相ブラシレスモータに対する要望がある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
１つの態様において、ステータと、ステータに対して回転可能なロータとを備える単相ブラシレスモータが提供される。ステータは、ステータコアと、ステータコアに巻き付けられた巻線とを備える。ステータコアは、ヨークと、ヨークから内向きに延びる少なくとも２つの歯とを備える。歯は、歯本体と、歯本体の遠位端に配置された歯先端とを備える。歯先端は、円周方向の反対側にそれぞれ位置する第１の磁極片及び第２の磁極片を備え、少なくとも２つの歯の第１の磁極片の内周面及び第２の磁極片の内周面は、協働してそれらの間に空間を定める。ロータは空間内に収容される。各歯の歯先端は、ロータに向かい合う位置決め溝を定め、第２の磁極片は第１の磁極片よりも大きく、一方向のロータ起動能力は反対方向のロータ起動能力よりも高くなっている。
【０００５】
好ましくは、位置決め溝の中心は、歯の歯本体の中心線から第１の磁極片に向かう方向に偏位し、第１の磁極片及び第２の磁極片の各々は、ロータに向かい合う磁極面を有し、第２の磁極片の磁極面は、第１の磁極片の磁極面よりも大きい。
【０００６】
好ましくは、ロータは、該ロータの円周方向に沿って配置された複数の永久磁極を備え、ロータの外周面は同じ円筒面上に配置されず、第１の磁極片の内周面及び第２の磁極片の内周面とロータの外周面とは、それらの間に厚さが不均一な隙間を形成する。
【０００７】
好ましくは、ロータはロータコアをさらに備え、永久磁極は、ロータコアに埋め込まれた複数の永久磁石によって形成され、ロータコアの外半径は、各永久磁極の円周方向中心から両側に向かって漸減する。
【０００８】
好ましくは、隙間の最小厚さに対する最大厚さの比率は２から４の範囲である。
【０００９】
好ましくは、ロータは、該ロータの円周方向に沿って配置された複数の永久磁極を備え、ロータの外半径は、永久磁極の円周方向中心から両側に向かって漸減する。
【００１０】
好ましくは、ロータはロータコアをさらに備え、永久磁極は、ロータコアに埋め込まれた複数の永久磁石によって形成され、ロータコアの外半径は、各永久磁極の円周方向中心から両側に向かって漸減することが好ましい。
【００１１】
好ましくは、モータは、ステータ巻線に接続されたコントローラをさらに備え、コントローラは、ステータ巻線を流れる電流の方向を反転させてロータの起動方向を変更するように構成され、ロータの一方向の起動能力はロータの反対方向の起動能力よりも高い。
【００１２】
好ましくは、少なくとも２つの歯において、第１の歯の第１の磁極片及び第２の歯の第２の磁極片は、互いに隣接して配置されかつスロット開口部によって相隔たり、スロット開口部は、全体的に、第１の磁極片と該第１の磁極片に隣接する第２の磁極片との間の中心線に対して第１の磁極片に隣接する一方側に位置する。
【００１３】
好ましくは、スロット開口部の幅は２ｍｍよりも大きい。
【００１４】
好ましくは、少なくとも２つの歯において、第１の歯の第１の磁極片及び第２の歯の第２の磁極片は、互いに隣接して配置されかつスロット開口部によって相隔たり、位置決め溝の幅は、スロット開口部の幅の１倍から２倍である。
【００１５】
好ましくは、スロット開口部の幅は２ｍｍよりも大きい。
【００１６】
好ましくは、位置決め溝の中心位置は、歯の歯本体の中心線から１０度から１５度だけ偏位する。
【００１７】
好ましくは、位置決め溝の幅は、歯の歯本体の幅と等しいか又は大きい。
【００１８】
好ましくは、第１の磁極片及び／又は第２の磁極片の内周面からロータの中心までの距離は、歯本体の中心線に接近する方向で漸増する。
【００１９】
別の態様において、電動工具のような電気装置が提供され、電気装置は、上述した単相ブラシレスモータを利用する。
【００２０】
本発明の上記実施形態の単相モータは、以下の長所を有する。すなわち、モータのコギングトルクは、ステータの歯及び隙間の非対称性を高めることで大きくなり、非通電時に、モータの停止位置が制限される。コギングトルクの立ち下がりエッジ零点を電磁トルクの零交差点から遠くへ偏位させることで、及びコギングトルクの立ち上がりエッジの零点を最大の電磁トルク位置に可能な限り近づけることで、モータの起動能力が高くなる。非対称性に起因して、一方向のロータ起動能力は、別方向のロータ起動能力よりも高くなり、モータは、電動工具等の用途での使用に特に適するようになる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の単相ブラシレスモータの単純化した概要図である。
【図２】本発明の単相ブラシレスモータの単純化した概要図である。
【図３】図１のロータの単純化した図である。
【図４】図１のモータにおけるコギングトルクと電磁トルクとの関係を示すグラフである。
【図５】図１のモータロータの固有の停止位置における磁束分布を示す図である。
【図６】図１のモータロータの不安定な位置での磁束分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下において、本発明は、図面に示した実施形態と併せて詳しく説明される。
【００２３】
図１を参照すると、本発明の１つの実施形態にいける単相ブラシレスモータ１０は、ステータ２０と、ステータ２０に対して回転可能なロータ３０とを含む。ステータ２０は、ケイ素鋼のような磁気伝導性の軟磁性材料で作られたステータコアと、該ステータコアの周りに巻き付けられた巻線２８（図面には３本の巻線のみを示す）とを含む。ステータコアは、ヨーク２１と、該ヨーク２１から内向きに延びる少なくとも２つの歯２２とを含む。歯２２は、歯本体２６と、該歯本体２６の遠位端に配置された歯先端２３とを含む。歯先端２３は、それぞれ歯の両側に向かって延びる第１の磁極片２４及び第２の磁極片２５を含む。各磁極片２４、２５は、ロータ３０に向かい合う磁極面を有する。第１の磁極片２４の磁極面の長さは、第２の磁極片２５の磁極面の長さよりも短い。好ましくは、第１の磁極片２４及び第２の磁極片２５の内周面は、同じ円上に位置しない。
【００２４】
さらに、各歯２２の歯先端２３は、第１の磁極片２４と第２の磁極片２５との間でロータ３０に向かい合う位置決め溝５０を形成する。
【００２５】
２つの隣接する歯２２では、１つの歯の第１の磁極片２４は別の歯の第２の磁極片２５に隣接して配置され、第１の磁極片２４と第２の磁極片２５とはスロット開口部６０によって離間される、すなわち２つの隣接する歯２２の歯先端２３は、スロット開口部６０によって遮られる／分離される。
【００２６】
図２に示すように、第１の磁極片２４及び第２の磁極片２５の長さは、それぞれＬ１及びＬ２で示し、第１の磁極片２４及び第２の磁極片２５の半径方向の厚さは、それぞれＷ１とＷ２示し、位置決め溝５０の幅はａで示し、スロット開口部６０の幅はｂで示す。この実施形態では、Ｌ２＞Ｌ１であり、Ｌ２＞＝Ｌ１＋ｂであることが好ましい。すなわち、隣接する２つの歯２２の間のスロット開口部６０は、全体的に２つの歯２２の間の中心線の片側に位置し、第１の磁極片２４に隣接している
【００２７】
この実施形態では、位置決め溝５０は、歯２２の第１の磁極片２４に向かって偏位している。特に、位置決め溝５０の中心位置は、歯２２の歯本体２６の中心線から角度θだけ偏位しており（ロータ３０の中心Ｏは中心角の頂点であり、角度θの一方側は歯２２の歯本体２６の中心線ｌ１であり、他方側は、ロータの中心Ｏ及び位置決め溝５０の中心点を通過する線ｌ２である）、歯２２の非対称性をさらに高めるようになっている。好ましくは、角度θは１０度から１５度の範囲である。
【００２８】
本実施形態では、位置決め溝５０の幅ａは、歯２２の歯本体２６の幅と実質的に等しい。別の実施形態では、位置決め溝５０の幅ａは、歯２２の歯本体２６の幅未満とすること又はこれよりも大きくすることができる。
【００２９】
本実施形態では、位置決め溝５０の幅ａは、スロット開口部６０の幅ｂよりも大きいが、スロット開口部６０の幅ｂの２倍未満、即ちｂ＜ａ＜２ｂである。好ましくは、スロット開口部６０の幅ｂは２ｍｍ以上、より好ましくは２．５ｍｍ以上である。大きな寸法のスロット開口部６０により、ステータ巻線の巻き付けが容易になり、さらにモータのコギングトルクを増大させることができるので、非通電時のモータの停止領域、即ちコギングトルクが摩擦トルク未満である停止位置の範囲を制限することができる。
【００３０】
本実施形態では、好ましくは、第１の磁極片２４の半径方向厚さＷ１は、歯本体から離れる方向に沿って漸減し、第２の磁極片２５の半径方向厚さＷ２は、歯本体から離れる方向に沿って漸減する。すなわち、第１の磁極片２４及び第２の磁極片２５は、スロット開口部６０に近い位置でより大きな磁気抵抗を有する。
【００３１】
図１から図３を参照すると、ロータ３０は、少なくとも２つの歯の第１の磁極片２４及び第２の磁極片２５によって定まる空間に収容される。ロータ３０は、円周方向に沿って配置された複数の永久磁極３２を含む。ロータ３０の外周面は同じ円筒面上に位置しない。従って、第１の磁極片２４の内周面及び第２の磁極片２５の内周面と、ロータ３０の外周面とは、それらの間に厚さが不均一な隙間４０を定める。好ましくは、隙間４０の最小厚さに対する最大厚さの比率は２倍から４倍である。この構成は、モータ１０のコギングトルクが増大すること及び非通電時のモータの停止領域を制限するのを助長する。
【００３２】
本実施形態では、ロータ３０はロータコア３１をさらに含む。ロータコア３１の中心には、回転軸（図示せず）を固定的に取り付けるための取付け穴３３が設けられる。永久磁極３２は、ロータコア３１に埋め込まれた複数の永久磁石３２によって形成され、永久磁極３２の数は、ステータ歯２２の数と等しいことが好ましい。本実施形態では、永久磁極３２の数及びステータ歯２２の数は、両方とも４である。
【００３３】
本実施形態では、図３に示すように、ロータコア３１の外周面は、同じ円上に位置しない凸凹の円弧状構造である。詳細には、ロータコア３１の外半径Ｒ（図２）は、円周方向中心から永久磁極３２の両側まで漸減する。好ましくは、ロータコア３１の外周面は、永久磁極３２の円周方向中心を通過するロータ半径に関して対称である。第１の磁極片２４の内周面及び第２の磁極片２５の内周面からロータの中心への距離は、歯本体の中心線に近づく方向で漸増する。従って、ロータコア３１の外周面と、第１の磁極片２４の内周面及び第２の磁極片２５の内周面との間には、厚さが不均一の隙間４０が形成される。従って、ロータ３０の停止時、最大の外半径を有するロータコア３１の部分（即ち永久磁極３２の円周方向中心）は、第１の磁極片２４又は第２の磁極片２５により隣接する可能性があるので、ロータ３０が死点位置に停止することが阻止される。
【００３４】
上記構成の利点は、ロータ３０が死点位置に停止するのを阻止すると共に、起動時の電磁トルクを増大する点にある。詳細には、図４に示すように、図４の上側のグラフは、１つの電気サイクルの間のモータのコギングトルクの曲線を示し、水平座標は時間を表し、垂直座標はコギングトルクを表わす。モータ１０の回転から停止までの過程において、コギングトルクが摩擦トルクよりも小さい場合、ロータ３０は停止する可能性があることを理解されたい。本発明の上記構成は、コギングトルクの最高値を増大させるので、ロータ３０の殆どの位置でコギングトルクが摩擦トルクよりも大きくなり、非通電時に起こり得或るモータの停止位置／領域が制限され、結果的にロータ３０が死点位置で停止することが有効に阻止される。
【００３５】
図４の下側のグラフは、１つの電気サイクルの間のモータ１０の電磁トルク（逆起電力に基づく、即ち逆起電力に正比例する）を示し、水平座標は時間を表し、垂直座標は電磁トルクを表わす。ロータ３０は、電磁トルクがコギングトルク及び摩擦トルクの合計よりも大きい場合に始動可能であることを理解されたい。
【００３６】
図４の指示線Ｌ５は、コギングトルクが零であるロータ３０の停止位置を示す。好ましくは、停止位置は、電磁トルク曲線の零交差点から４０度を超える電気角で離間する。好ましくは、起動フェーズでは、一方向に始動するロータの平均出力トルクと別方向に始動するロータの平均出力トルクとの比率は、１１：９よりも大きい。
【００３７】
ロータ３０は、コギングトルクが零に等しいか又は零に近い位置で、例えば図４の指示線Ｌ５で示す位置で停止する可能性が高い。この位置／領域では、電磁トルクは零よりも非常に大きいので、通電時、モータ１０のステータ巻線は、十分に大きな起動トルクを発生することができる。
【００３８】
本発明のロータ３０は、双方向起動能力をさらに有すること、すなわち起動時にステータ２０の巻線２８を流れる電流の方向はステータ巻線２８に接続されたモータコントローラ（図示せず）によって反転可能であり、ロータ３０を所望の方向に起動できることを理解されたい。ロータ３０の回転方向の制御は、ステータ２０の巻線２８を流れる電流の方向を制御することによって行う。歯が非対称であるので、電流がステータ巻線を異なる方向に流れることにより異なる値の電磁トルクが発生する。すなわちモータの一方向の起動トルクは反対方向の起動トルク以上であり、モータの起動トルクは方向が異なると相違しうる。このデザインは、特に、電動工具又は車両のウィンドウリフターで使用するのに適する。
【００３９】
図５及び図６は、それぞれ、モータロータ３０における２つの可能性のある停止位置を例示する。図５は、自然状態（すなわち、摩擦トルクが非常に小さい状態）におけるロータの停止位置を示し、ロータコア３１の最大外半径位置は、第２の磁極片２５に隣接する。この位置におけるコギングトルク及び電磁トルクは、図５の左側のグラフに示すコギングトルク曲線及び電磁トルク曲線を参照して求めることができる。この図において、指示線Ｌ５はロータ３０の停止位置を示す。
【００４０】
図６は、ロータの不安定地点、すなわちロータが大きな摩擦力をうけた場合に停止できる位置を示す。ロータコア３１の最大外半径位置は第１の磁極片２４に隣接し、この位置におけるコギングトルク及び電磁トルクは、図６の左側のグラフのコギングトルク曲線及び電磁気のトルク曲線を参照して求めることができる。この図では、指示線Ｌ６は、ロータ３０の停止位置を示す。図６に示すロータ３０の位置は、モータの逆起電力が最大である位置に接近しており、これにより図５のロータ位置で発生する電磁トルクよりも大きな電磁トルクの発生が助長されることが分かる。
【００４１】
本発明の上記実施形態において、ステータコアのヨーク２１は閉じたリング形状である。この場合、ステータ巻線は、歯２２の歯本体２６に巻き付けることができる。ステータコアのヨーク２１は、矩形形状等の閉じたフレーム形状にすることができ、この場合、ステータ巻線は、歯２２の歯本体２６に巻き付けることができることを理解されたい。また、ステータコアのヨーク２１は、Ｕ形状又はＣ形状等の開いたフレーム形状とすることができる。この場合、ステータ巻線は、ヨーク２１の歯２２又は歯本体２６に巻き付けることができる。ステータコアは、一体タイプとすること又は別体タイプとすることができることを理解されたい。ステータコアのヨーク及び歯は、一体に形成すること又は別々に形成することができる。
【００４２】
本発明の上記実施形態において、永久磁石３２はロータコア３１に埋め込まれている。永久磁石３２は、ロータコア３１の外側面に取り付けることができることを理解されたい。
【００４３】
上記の実施形態では、ステータ歯は突出タイプであり、磁極片は歯本体の両側を越えて円周方向に延びている。ステータ歯を非突出タイプとすること、すなわち磁極片は歯本体の両側を越えて外側に円周方向に延びていないが、歯本体の遠位端に隠れることを理解されたい、
【００４４】
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されるが、当業者であれば、様々な修正が可能であることを理解できる。従って、本発明の範囲は、特許請求の範囲を参照することによって決定される。
【符号の説明】
【００４５】
１０  単相ブラシレスモータ
２０  ステータ
２１  ヨーク
２２  歯
２３  歯先端
２４  第１の磁極片
２５  第２の磁極片
２６  歯本体
２８  ステータ巻線
３０  ロータ
３１  ロータコア
３２  永久磁石
３３  取付け孔
４０  隙間
５０  位置決め溝
６０  スロット開口部
【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】
2017022972.tif 000008
【外国語明細書】
2017022972000001.pdf