(57)【要約】【課題】高い起動性能を有する単相ブラシレスモータを提供する。【解決手段】単相ブラシレスモータ及び動力工具が提供される。単相ブラシレスモータは、ステータ及びロータを含む。ステータは、ステータコアと、ステータコアの周りに巻き付けられた巻線とを含む。ステータコアは、ヨーク及び少なくとも２本の歯を含む。歯は歯本体及び歯先端を含む。歯先端は第１の磁極片及び第２磁極片を含む。各歯の２つの磁極片は、歯本体の中心線に関して対称である。各歯は、２つの磁極片の間に、ロータに向かい合う位置決め溝を定める。少なくとも２つの歯の隣接する２つの歯の磁極片は、スロット開口部によって離間される。位置決め溝の幅は、スロット開口部の幅よりも大きい。モータのコギングトルクのピーク値が大きくなり、モータは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】
ステータコアと前記ステータコアに巻き付けられた巻線とを含み、前記ステータコアが、ヨークと前記ヨークから延びる少なくとも２つの歯とを含み、前記歯が、歯本体と前記歯本体の遠位端に配置された歯先端とを含み、前記歯先端が、前記歯の２つの側部までそれぞれ延びる第１の磁極片及び第２の磁極片を含む、ステータと、
前記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であって、
前記歯の各々の前記２つの磁極片は、前記歯の前記歯本体の中心線に関して対称であり、前記歯の各々は、前記２つの磁極片の間に前記ロータに向かい合う位置決め溝を定め、前記少なくとも２つの歯の隣接する２つの歯の前記磁極片は、スロット開口部によって離間され、前記位置決め溝の幅は、前記スロット開口部の幅よりも大きい、単相ブラシレスモータ。
【請求項２】
前記少なくとも２つの歯は、前記ヨークから内向きに延び、前記少なくとも２つの歯の前記第１の磁極片及び前記第２の磁極片は、それらの間に空間を定め、前記ロータは、前記空間に回転可能に収容される、請求項１に記載の単相ブラシレスモータ。
【請求項３】
前記位置決め溝の溝底部に隣接する側壁の部分は、前記位置決め溝の前記溝底部から離れた側壁の部分よりも急勾配である、請求項２に記載の単相ブラシレスモータ。
【請求項４】
前記スロット開口部は、断面が漏斗形であり、半径方向内側の幅は半径方向外側の幅よりも小さく、前記位置決め溝の幅は、前記スロット開口部の前記半径方向外側の幅よりも大きい、請求項２又は３に記載の単相ブラシレスモータ。
【請求項５】
前記位置決め溝の幅は、前記スロット開口部の半径方向外側の幅の２倍よりも大きい、請求項４に記載の単相ブラシレスモータ。
【請求項６】
前記位置決め溝の幅は、前記歯の前記歯本体の幅と等しい又はこれよりも大きい、請求項２から５のいずれかに記載の単相ブラシレスモータ。
【請求項７】
前記ロータは、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、前記歯の各々の前記２つの磁極片と前記ロータとは、それらの間に均一の厚さの隙間を定める、請求項２から６のいずれかに記載の単相ブラシレスモータ。
【請求項８】
前記ロータは、円周方向に沿って配置された複数の永久磁極を備え、前記ロータの外径は、前記各永久磁極の円周方向中心から２つの円周方向側部まで漸減し、前記ロータは、前記永久磁極の円周方向中心に関して対称である、請求項２から６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径は、前記永久磁石の各々の円周方向中心から２つの側部まで漸減する、請求項８に記載の単相ブラシレスモータ。
【請求項１０】
前記ロータは、ロータコアをさらに備え、前記永久磁極は、前記ロータコアの外周面に取り付けられた複数の永久磁石によって形成され、前記ロータコアは円筒体であり、前記各永久磁石の厚さは、前記円周方向中心から２つの側部まで漸減する、請求項８に記載の単相ブラシレスモータ。
【請求項１１】
前記磁極片の各々の内周面から前記ロータの中心までの距離は、対応する歯本体の中心線に接近する方向で漸増する、請求項２から１０のいずれかに記載の単相ブラシレスモータ。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれかに記載の単相ブラシレスモータを備え、前記単相ブラシレスモータは両方向起動能力を有し、前記起動能力はいずれの方向でも同じである、動力工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータに関し、詳細には、単相ブラシレスモータ及び単相ブラシレスモータを利用する動力工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
単相モータには、低価格という長所がある。しかしながら、起動性能が劣るので動力工具のように大きな起動トルクを必要とする用途での単相モータの使用は制限されてきた。従って、高い起動性能を有する単相ブラシレスモータが緊急に望まれている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従って、上記の問題点を解消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含む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含む。ステータコアは、ヨークと、ヨークから延びる少なくとも２つの歯とを含む。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。歯先端は、それぞれ歯の２つの側部に延びる第１の磁極片及び第２の磁極片を含む。各歯の２つの磁極片は、歯の歯本体の中心線に関して対称である。各歯は、２つの磁極片の間にロータに向かい合う位置決め溝を定める。少なくとも２つの歯の隣接する２つの歯の磁極片は、スロット開口部によって離間される。位置決め溝の幅は、スロット開口部の幅よりも大きい。
【０００５】
好ましくは、少なくとも２つの歯は、ヨークから内向きに延び、少なくとも２つの歯の第１の磁極片及び第２の磁極片は、それらの間に空間を定め、ロータは、空間に回転可能に収容される。
【０００６】
好ましくは、位置決め溝の溝底部に隣接する側壁の部分は、位置決め溝の溝底部から離れた側壁の部分よりも急勾配である。
【０００７】
好ましくは、スロット開口部は、断面が漏斗形であり、半径方向内側の幅は半径方向外側の幅よりも小さく、位置決め溝の幅は、スロット開口部の半径方向外側の幅よりも大きい。
【０００８】
好ましくは、位置決め溝の幅は、スロット開口部の半径方向外側の幅の２倍よりも大きい。
【０００９】
好ましくは、スロット開口部は、断面が長方形である。
【００１０】
好ましくは、位置決め溝の幅は、歯の歯本体の幅と等しい又はこれよりも大きい。
【００１１】
好ましくは、位置決め溝の断面は、Ｖ字形又は円弧形である。
【００１２】
好ましくは、ロータは、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位置し、各歯の２つの磁極片とロータとは、それらの間に均一の厚さの隙間を定める。
【００１３】
好ましくは、ロータはロータコアを備え、永久磁極は、ロータコアの外側の周りに配置された永久磁石によって形成される。
【００１４】
好ましくは、各磁極片の内周面からロータの中心までの距離は、対応する歯本体の中心線に接近する方向で漸増する。
【００１５】
好ましくは、ロータは、円周方向に沿って配置された複数の永久磁極を備え、ロータの外径は、各永久磁極の円周方向中心から２つの円周方向側部まで漸減し、ロータは、永久磁極の円周方向中心に関して対称である。
【００１６】
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、ロータコアの外径は、各永久磁石の円周方向中心から２つの側部まで漸減する。
【００１７】
好ましくは、各磁極片の内周面からロータの中心までの距離は、対応する歯本体の中心線に接近する方向で漸増する。
【００１８】
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、ロータコアの外周面に取り付けられた複数の永久磁石によって形成され、ロータコアは円筒体であり、各永久磁石の厚さは、円周方向中心から２つの側部まで漸減する。
【００１９】
好ましくは、各歯の２つの磁極片の半径方向厚さは、位置決め溝から離れる方向で漸減する。
【００２０】
好ましくは、ヨークは、閉じた環形状、閉じたフレーム形状、又は開いたフレーム形状である。
【００２１】
別の態様において、上記の単相ブラシレスモータを使用する動力工具が提供される。単相ブラシレスモータは、いずれの方向でも同じ起動能力を有する（すなわち、電磁トルク加速領域の同じ加速領域を有し、例えば、加速領域は両方向に電気角が９０度である）。
【００２２】
先行技術と比較すると、本発明は、コギングトルクのピーク値が大きくなり、これによりロータが死点位置で停止するのを防止する及びモータの起動トルクが高くなるという利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１の実施形態による単相ブラシレスモータの単純化された概略図である。
【図２】本発明の第１の実施形態による単相ブラシレスモータの単純化された概略図である。
【図３】図１に示すモータのステータコアの単純化された図である。
【図４】図１に示すモータのコギングトルク及び電磁気トルクの曲線を示すグラフである。
【図５】図１に示す単相ブラシレスモータの磁束分布を示す。
【図６】本発明の第２の実施形態による単相ブラシレスモータの単純化された概略図である。
【図７】本発明の第２の実施形態による単相ブラシレスモータの単純化された概略図である。
【図８】図６に示した単相ブラシレスモータの磁束分布を示す。
【図９】本発明の第３の実施形態による単相ブラシレスモータのロータの単純化された図である。
【図１０】図９に示す単相ブラシレスモータの磁束分布を示す。
【図１１】上記単相ブラシレスモータを含む動力工具を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下において、本発明は、図面に例示した実施形態と併せて詳細に説明される。
【００２５】
第１の実施形態
図１を参照すると、本発明の第１の実施形態によ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。
【００２６】
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製されたステータコアと、ステータコアの周りに巻き付けられた巻線２８（図５参照）とを含む。ステータコアは、ヨーク２１と、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２３と、歯本体２３の遠位端に形成された歯先端２４とを含む。巻線２８は、歯本体２３に巻き付けることができる。歯先端２４は、歯の両側にそれぞれ延びる２つの磁極片２５、２６を含む。ロータ３０は、少なくとも２つの歯２２の磁極片２５、２６の間に定められた空間に収容される。各歯２２の２つの磁極片２５、２６は、対応する歯２２の歯本体２３の半径方向中心線に関して対称であり、ロータ３０に向かい合う２つの磁極片２５、２６の磁極面は同じである。本明細書及び特許請求の範囲において、磁極面は、ロータ３０に向かい合う磁極片の内側面を指す。
【００２７】
ロータ３０に向かい合う位置決め溝４０は、２つの磁極片２５、２６の間に形成される。好ましくは、位置決め溝４０の断面は、滑らかなＶ形状である。歯本体２３の半径方向中心線は、位置決め溝４０の中心を通過する。位置決め溝４０の各側壁に関して、溝底部に隣接する側壁部分は、溝底部から離れた側壁部分よりも急勾配である。例えば、図３に示すように、Ｌ１は歯本体２３又は位置決め溝４０の中心線を示し、側壁部分ａは溝底部に隣接し、側壁部分ｂは溝底部から側壁部分ａよりも遠く隔たっており、側壁部分ａの接線ｋａと位置決め溝４０の中心線Ｌ１との間に形成される角度は、側壁部分ｂの接線ｋｂと位置決め溝４０の中心線Ｌ１との間に形成される角度よりも小さい。このデザインにより、コギングトルクのピーク値を大きくすることができる。
【００２８】
この実施形態では、位置決め溝４０の円周幅は、歯２２の歯本体２３の円周幅よりも大きい。代替的な実施形態では、位置決め溝４０の円周幅は、歯２２の歯本体２３の円周幅と等しい又はこれよりも小さい。
【００２９】
スロット開口部５０は、少なくとも２つの別の歯２２の各隣接する２つの磁極片の間に定められる。この実施形態では、スロット開口部５０の断面が漏斗形であり、半径方向内側の幅は半径方向外側の幅よりも小さい。このデザインにより、コギングトルクのピーク値をさらに大きくすることができる。
【００３０】
図２を参照すると、スロット開口部５０の半径方向内側の円周幅はｄ１で示され、スロット開口部５０の半径方向外側の円周幅はｄ２で示され、位置決め溝４０の開口部の円周幅はｄ３で示され、２つの磁極片２５、２６の半径方向厚さはそれぞれｗ１及びｗ２で示される。寸法関係：ｄ１＜ｄ２、及びｄ３＞２ｄ２を満たしており、スロット開口部５０の半径方向内側の円周幅は、スロット開口部５０の半径方向外側の円周幅よりも狭く、位置決め溝４０の円周幅は、スロット開口部５０の半径方向外側の円周幅（即ち、スロット開口部５０の最大幅）よりも広く、好ましくは、スロット開口部５０の最大幅の２倍よりも広い。このような寸法関係は、同様にモータ１０のコギングトルクのピーク値をさらに大きくすることを目的としている。
【００３１】
この実施形態では、好ましくは、各歯２２の２つの磁極片２５、２６の半径方向厚さｗ１、ｗ２は、位置決め溝４０から遠ざかる方向で漸減する。換言すると、各歯２２の２つの磁極片２５及び２６は、対応するスロット開口部５０により近い位置で磁気抵抗がより大きくなる。
【００３２】
好ましくは、ロータ３０の外周面は、同じ円筒面上に位置することが好ましい。具体的には、ロータ３０は、回転軸３３と、回転軸３３の周りに固定されたロータコア３１と、ロータコア３１の外側の周りに固定された永久磁石３２とを含む。永久磁石３２は、ロータ３０の円周方向に沿って複数の永久磁極を形成する。この実施形態では、各歯２２の２つの磁極片２５、２６の磁極面は、位置決め溝４０の領域を除いて、ロータ３０の中心に中心を置く同じ円筒面上に位置するので、磁極片２５、２６の磁極面とロータ３０の外周面との間に均一な厚さの隙間６０が形成される。このデザインにより、ロータ３０の不安定点におけるコギングトルクの増加勾配の増加が助長され、モータ１０のコギングトルクがさらに大きくなる。
【００３３】
図４は、上記の実施形態のモータのコギングトルク及び電磁気トルクの曲線を示すグラフである。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１０のコギングトルク曲線であり、横軸は時間を表し、縦軸はコギングトルク値を表わす。コギングトルクは大きなピーク値を有し、その曲線は滑らかで規則的な正弦曲線である。モータ１０の回転から停止までの過程で、ロータ３０は、コギングトルクが摩擦トルクよりも小さい位置で停止する可能性があることを理解されたい。従って、不安定点において、コギングトルクのピーク値を大きくしてコギングトルクの増加勾配を増加させることにより、モータの非通電時での停止位置が制限され、ロータ３０が死点位置で停止するのを効果的に防止することができる。
【００３４】
図４の下側のグラフは、１つの電気サイクルの間におけるモータ１０の電磁気トルクの曲線を示し、横軸は時間を表し、縦軸は電磁気トルク値を表わす。例えば、ロータ３０が破線Ｌ５で示す位置で停止した場合、コギングトルクは零であり電磁気トルクは最大値である。従って、モータ１０は、この位置で起動トルクが最大となる。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（図示しない）によって逆にできることを理解されたい。起動時のステータ巻線２８の電流の方向が異なると、ロータ３０は異なる方向に起動する。従って、ロータ３０は両方向起動能力を有する。例えば、ステータ巻線２８に左回り方向に電流が供給される場合、電磁気トルクの加速領域は電気角が９０度から１８０度であり、ステータ巻線２８に右回り方向に電流が供給される場合、電磁気トルクの加速領域は電気角が９０度から０度である。従って、何れかの方向に回転するモータは、電気角が９０度以内の十分に大きな電磁気トルクを発生することができるので、モータ１０は大きな起動トルクを有し、それによりモータ１０の起動能力が非常に高くなる。これは、高負荷の下で起動する際に特に好都合であり、大きな起動トルクを必要とする用途での使用に適する。この実施形態では、モータ１０は、単相ブラシレス直流モータである。
【００３５】
図５には、モータが自然状態にある場合のロータ３０が停止する位置が図示される。図５を参照すると、この位置では、永久磁極の中心は、磁極片にできる限り近接してステータ磁極の中心から電気角が９０度だけ偏位し（すなわち、モータの起動角度は電気角が９０度であり）、２つの隣接する永久磁極の各々は、１つの対応する歯２２の２つの磁極片２５、２６を通るより短い磁気回路を形成する。各歯２２の２つの磁極片２５、２６が互いに対称であるので、磁極片２５、２６は、それを通過する同数の磁気回路を有する、すなわち、位置決め溝４０の２つの側部上の磁気回路の数は同じである。図４に示すように、破線Ｌ５で示した位置では、コギングトルクは零であるが、電磁気トルクは最大値であるのでモータ１０の起動能力が向上するが、このことは、動力工具１００（図１１を参照）のような、モータの両方向の起動に対して同じ要求がある用途での使用により適する。
【００３６】
第２の実施形態
図６を参照すると、第１の実施形態と異なり、位置決め溝４０の断面は円弧形状である。
【００３７】
この実施形態では、位置決め溝４０の円周幅は、歯２２の歯本体２３の円周幅と等しい。代替的な実施形態では、位置決め溝４０の円周幅は、歯２２の歯本体２３の円周幅以上又は未満である。
【００３８】
スロット開口部５０は、少なくとも２つの異なる歯２２の２つの隣接する磁極片の間に形成される。この実施形態では、スロット開口部５０の断面は長方形である。位置決め溝４０の円周幅は、スロット開口部５０の円周幅よりも大きい。スロット開口部５０の円周幅は、好ましくは２ｍｍよりも大きく、さらに好ましくは、２．５ｍｍよりも大きい。
【００３９】
図７を参照すると、スロット開口部５０の円周幅はｄ４で示され、位置決め溝の開口部の円周幅はｄ３で示され、ｄ３＞ｄ４である。
【００４０】
この実施形態と第１の実施形態との間の別の相違点は、ロータ３０の外周面が凸凹円弧形状構造であることであり、結果としてロータ３０の外周面は同じ円筒面上に位置しない。具体的には、ロータ３０は、回転軸３３と、回転軸３３の周りに固定されたロータコア３１と、ロータコア３１に埋め込まれた複数の永久磁石３２とを含む。永久磁石３２は、ロータ３０の円周方向に沿って複数の永久磁極を形成する。この実施形態では、各永久磁石３２は、ロータ３０の外周に１つの永久磁極を形成する。永久磁極の数は、歯２２の数と同じ４である。ロータコア３１の外径Ｒは（図７を参照すると、この実施形態ではロータ３０の外径も）、各永久磁石３２の円周方向中心から２つの側部に向かって漸減する。２つの磁極片２５、２６の内周面からロータ中心までの距離は、歯本体２３の中心線に接近する方向で漸増する。従って、ロータ３０が停止した際に、ロータコア３１の最大外径の部分（即ち、永久磁石３２の円周方向中心）は、２つの隣接する歯の２つの磁極片２５、２６の遠位端に隣接する可能性が高く、ロータ３０が死点位置で停止することが防止される。このデザインでは、ロータ３０の不安定点におけるコギングトルクの増加勾配を増加させることができ、モータ１０のコギングトルクが同様に大きくなる。
【００４１】
図８を参照すると、ロータ３０が停止した場合、永久磁極の中心は磁極片にできる限り近接し、各２つの隣接する永久磁極は、１つの対応する歯２２の２つの磁極片２５、２６を通る磁気回路を形成する。各歯２２の２つの磁極片２５、２６が互いに対称であるので、磁極片２５、２６は、これらを通過する同数の磁気回路を有する、すなわち位置決め溝４０の２つの側部上の磁気回路の数は同じである。前述したように、この位置では、コギングトルクは零であるが、電磁気トルクは最大値であるのでモータ１０の起動能力が向上するが、このことは、モータの両方向の起動に対して同じ要求がある用途での使用により適する。
【００４２】
第３の実施形態
図９及び図１０を参照すると、この実施形態では、ロータ３０は、回転軸３３と、回転軸３３の周りに固定的に取り付けられたロータコア３１と、ロータコア３１の外周に取り付けられた複数の永久磁石３２とを含む。各永久磁石３２は、ロータ３０の外周に１つの永久磁極を形成する。この実施形態では、永久磁極の数は歯２２の数と同じ６である。ロータ磁気コア３１は円筒体である。各永久磁石３２の厚さｂは、円周方向中心から２つの側部まで漸減する。従って、ロータ３０の外径Ｒは、各永久磁極の中心から２つの側部まで漸減する。
【００４３】
この実施形態では、各歯２２の２つの磁極片２５、２６の磁極面は、位置決め溝４０の領域を除いて、同じ円筒面上に位置する。ロータ３０が停止した場合、永久磁石３２の最大厚さｂの部分（即ち、永久磁石３２の円周方向中心）が、２つの磁極片２５、２６の遠位端に近接し、２つの隣接する永久磁極の各々は、１つの対応する歯２２の２つの磁極片２５、２６を通る磁気回路を形成してロータ３０が死点位置で停止することを防止する。加えて、この位置では、コギングトルクは零であるが電磁気トルクは最大値であるのでモータ１０の起動能力が向上する。
【００４４】
本発明の上記の実施形態では、ステータコアのヨーク２１は閉じた環状であり、その場合、ステータ巻線は、歯２２の歯本体２３の周りに取り付けることができる。ステータコアのヨーク２１は、長方形等の閉じたフレーム形状とすることができることを理解されたい。この場合、ステータコアは、歯２２の歯本体２３の周りに取り付けることができる。ステータコアのヨークは、Ｕ字形又はＣ字形等の開いたフレーム形状とすることができる。この場合、ステータコアは、歯の歯本体又はヨークの周りに取り付けることができる。
【００４５】
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２つの側部から円周方向に延びる。ステータ歯は非突出タイプとすることができ、磁極片は、歯本体の２つの側部から円周方向外向きに延びるのではなく、歯本体の遠位端に隠れることができることを理解されたい。
【００４６】
本発明は、１つ又はそれ以上の好ましい実施形態を参照して説明されるが、当業者であれば種々の修正が可能であることを理解されたい。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定される。
【符号の説明】
【００４７】
１０  モータ
２０  ステータ
２１  ヨーク
２２  歯
２３  歯本体
２４  歯先端
２５  磁極片
２６  磁極片
３０  ロータ
３１  ロータコア
３２  永久磁石
３３  回転軸
４０  位置決め溝
５０  スロット開口部
６０  隙間
【図１１】
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【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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【図９】
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【図１０】
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【外国語明細書】
2017063599000001.pdf