(57)【要約】【課題】始動信頼性を改善することができる新型の単相モータのロータと、そのようなロータを用いる単相モータとを提供する。【解決手段】単相モータは、ステータ及びロータを備える。ステータはステータコアを含む。ステータコアは、外側ヨークと、複数のステータ歯とを含む。各ステータ歯は、巻付部分と、巻付部分に結合された磁極片とを含む。ロータは、ロータコアと、複数の永久磁石とを含む。複数永久磁石は、ロータコアに埋め込まれ、ロータコアの円周方向において均等に分配される。各永久磁石は、ストリップ形状の非対称な構造とされ、各永久磁石の両端における横断面積同士は等しくない。ロータの初期位置は、死点位置を回避することができ、モータの始動は安定している。本発明はまた、単相モータ用のロータを提供する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単相モータのロータであって、
ロータコアと、
前記ロータコアに埋め込まれ、前記ロータコアの円周方向において均等に分配された複数の永久磁石であって、各該永久磁石は、ストリップ形状の非対称な構造とされ、各該永久磁石の両端における横断面積同士が等しくない複数の永久磁石と、
を備えることを特徴とする単相モータのロータ。
【請求項２】
各前記永久磁石の横断面の形状は、長方形の１つの角部を切り取り、前記永久磁石の前記切取り角部にノッチが形成された形状である、請求項１に記載の単相モータのロータ。
【請求項３】
前記複数ノッチは、対応する前記複数永久磁石の磁極軸線の同じ側部に位置する、請求項２に記載の単相モータのロータ。
【請求項４】
前記ノッチは、長方形、三角形、直角台形又はファンの形状である、請求項２又は３に記載の単相モータのロータ。
【請求項５】
前記ロータの軸方向における各前記永久磁石の横断面積をＭ１とし、前記ノッチの面積をＭ２とすると、２*Ｍ２＜Ｍ１＜５*Ｍ２である、請求項２〜４の何れか１つに記載の単相モータのロータ。
【請求項６】
各前記ノッチは、前記対応する永久磁石のうち前記ロータコアの外周壁に隣接する側面に定まる、請求項２〜５の何れか１つに記載の単相モータのロータ。
【請求項７】
単相モータであって、
ステータコアを含むステータであって、前記ステータコアは、外側ヨークと、複数のステータ歯とを含み、各前記ステータ歯は、巻付部分と、前記巻付部分に結合された磁極片とを含むステータと、
請求項１〜６の何れか１つに記載のロータと、
を備えることを特徴とする単相モータ。
【請求項８】
前記ロータコアの外周壁と前記磁極片の内側面との間に均一な空隙が定まり、前記ロータの軸方向中心は、前記ステータの軸方向中心と一致する、請求項７に記載の単相モータ。
【請求項９】
隣接する２つの前記磁極片間にスロットが定まり、前記スロットの最小円周方向距離をａとし、前記空隙の幅をｂとすると、ｂ＜ａ＜３ｂである、請求項８に記載の単相モータ。
【請求項１０】
前記モータの始動角度は、電気角６０°と電気角９０°との間にある、請求項７〜９の何れか１つに記載の単相モータ。
【請求項１１】
前記ロータコアの前記外周壁は連続的な円筒面上に位置し、前記永久磁石は半径方向に二極化される、請求項７から９の何れか１つに記載の単相モータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[0001]  本開示は、モータの分野に、より具体的には単相モータ及びそのロータに関する。
【背景技術】
【０００２】
[0002]  単相ブラシレスＤＣモータは、近年急速に発達しており、一般にステータコア上にステータ巻線を巻き付けた構造であり、それにより電源のオン後、変化する磁界が生成されて、永久磁石が埋め込まれたロータを駆動して回転させる。ステータコアにステータ巻線を巻き付ける必要があるので、ステータコアには自動巻付けのプロセスを開始するためにスロットが通常設けられる。
【０００３】
[0003]  しかしながら、スロットが存在するせいで、ステータコアのうちスロットを定める部分とロータの永久磁石との間の磁気抵抗が増大し、ステータコアは始動死点を有することになる。換言すると、モータが非通電状態であり又はモータに著しい回転ブロックがないとき、すなわちロータの磁極軸線がスロットの軸方向から外れるとき、ロータの磁極軸線は、磁気抵抗が小さい方向に向かって自動的にそれる。このポイントでは、ロータはトルクを受けず、その結果モータの始動が不安定になる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
[0004]  これを考慮して、本開示は、始動信頼性を改善することができる新型の単相モータのロータと、そのようなロータを用いる単相モータとを提供することを意図する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
[0005]  単相モータのロータは、ロータコアと、複数の永久磁石とを備える。複数永久磁石は、ロータコアに埋め込まれ、ロータコアの円周方向において均等に分配される。各永久磁石は、ストリップ形状の非対称な構造とされ、各永久磁石の両端における横断面積同士は等しくない。
【０００６】
[0006]  好ましい実施形態として、各永久磁石の横断面の形状は、長方形の１つの角部を切り取り、永久磁石の切取り角部にノッチが形成された形状である。
【０００７】
[0007]  好ましい実施形態として、好ましい実施形態として、 複数ノッチは、対応する複数永久磁石の磁極軸線の同じ側部に位置する。
【０００８】
[0008]  好ましい実施形態として、ノッチは、長方形、三角形、直角台形又はファンの形状である。
【０００９】
[0009]  好ましい実施形態として、ロータの軸方向における各永久磁石の横断面積をＭ１とし、ノッチの面積をＭ２とすると、２*Ｍ２＜Ｍ１＜５*Ｍ２である。
【００１０】
[0010]  好ましい実施形態として、各ノッチは、対応する永久磁石のうちロータコアの外周壁に隣接する側面に定まる。
【００１１】
[0011]  単相モータは、ステータと、上述したロータとを備える。ステータはステータコアを含む。ステータコアは、外側ヨークと、複数のステータ歯とを含む。各ステータ歯は、巻付部分と、巻付部分に結合された磁極片とを含む。
【００１２】
[0012]  好ましい実施形態として、ロータコアの外周壁と磁極片の内側面との間に均一な空隙が定まり、ロータの軸方向中心は、ステータの軸方向中心と一致する。
【００１３】
[0013]  好ましい実施形態として、隣接する２つの磁極片間にスロットが定まり、スロットの最小円周方向距離をａとし、空隙の幅をｂとすると、ｂ＜ａ＜３ｂである。
【００１４】
[0014]  好ましい実施形態として、ロータの極弧係数をｃとすると、電気角１００°＜ｃ＜電気角１５０°である。
【００１５】
[0015]  好ましい実施形態として、モータの始動角度は、電気角６０°と電気角９０°との間である。
【００１６】
[0016]   好ましい実施形態として、ステータ歯は外側ヨークと一体に形成され、又はステータ歯は外側ヨークに取外し可能に連結される。
【００１７】
[0017]  好ましい実施形態として、ロータコアの外周壁は連続的な円筒面上に位置し、永久磁石は半径方向に二極化される。
【００１８】
[0018]  本開示のモータでは、永久磁石は、その一端にノッチを設けることによって非対称な構造を有し、永久磁石の両端とステータ磁極との間の磁気抵抗同士は等しくなく、その結果ロータの初期位置は、モータの始動死点を回避することができ、それによりモータの始動がより安定し、始動電流が小さく、しかも始動信頼性が良い。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】[0019]  本開示の第１の実施形態によるステータ及びロータの概要斜視図である。
【図２】[0020]  図１に示したステータ及びロータの平面図である。
【図３】[0021]  本開示の別の実施形態によるステータ及びロータの平面図である。
【図４】[0022]  既存のステータ及びロータが非励磁状態であるという前提の下に、ロータが発生した磁力線の分布マップである。
【図５】[0023]  本開示の実施形態のステータ及びロータが非励磁状態であるという前提の下に、ロータが発生した磁力線の分布マップである。
【図６】[0024]  図４に示したステータ及びロータのコギングトルク曲線グラフである。
【図７】[0025]  本開示の実施形態によるステータ及びロータのコギングトルク曲線グラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
[0026]  以下において、本発明の実施形態の技術的解決法が、本開示の実施形態の添付図面を参照して明確にかつ完全に説明され、明らかに、本明細書に説明する実施形態は、本発明の実施形態の全てというよりも、本発明の実施形態の一部に過ぎない。他のあらゆる実施形態は、当技術の通常の技術者が本発明の実施形態に基づき何らの創造的努力なしになすとの前提の下に、本発明の保護範囲に属する。
【００２１】
[0027]  ある構成部品が別の構成部品に「固定された」ことを説明するとき、それは別の構成部品に直接固定することができ、又は中間の構成部品があっても良いことに注意されたい。ある構成部品が別の構成部品に「連結された」ことを特定するとき、それは別の構成部品に直接連結することができ、又は中間の構成部品があっても良い。ある構成部品が別の構成部品に「配置された」ことを考慮するとき、それは別の構成部品に直接配置することができ、又は中間の構成部品があっても良い。
【００２２】
[0028]  別段の定めがない限り、本明細書にて用いる技術用語及び科学用語は、本発明が属する技術分野の技術者が理解するのと共通の意味を有する。本発明の説明につき本明細書の記載中で用いる用語は、特定の実施形態を説明することを目的とし、本発明を限定することを意図しない。
【００２３】
[0029]  本発明の技術的な解決策及び利点は、添付図面を参照する、本発明の好ましい実施形態に関する以下の詳しい説明から明らかとなる。添付図面は、単に参照及び例示のためであり、本発明の限定ではでない。添付図面に示す寸法は、例示の便宜のために過ぎず、比例的な関係を限定しない。
【００２４】
[0030]  図１を参照して、本開示の実施形態によるモータ１００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とを備える。ステータ２０は、ステータコア２１と、ステータコア２１の両端にある２つのエンドキャップと、円筒状ケーシング（図示しない）とを備える。ステータコア２１は、ケーシングの内側壁に取り付ける。２つのエンドキャップは、ケーシングの両端に取り付ける。ロータ３０は、ステータ２０内に回転可能に収納され、ロータ３０の回転軸（図示しない）の両端は、軸受（図示しない）を介してエンドキャップに取り付ける。モータ１００は、単相ブラシレスＤＣモータであることが好ましい。
【００２５】
[0031]  ステータ２０は、絶縁されたワイヤホルダと、ステータ巻線（図示しない）とをさらに備える。絶縁ワイヤホルダはステータコア２１に取り付け、ステータ巻線は対応する絶縁ワイヤホルダ上に配置される。ステータコア２１及びステータ巻線は、絶縁ワイヤホルダによって隔離されて、ステータコア２１及び対応するステータ巻線を絶縁する。
【００２６】
[0032]  図２を参照して、ステータコア２１は、外側ヨーク２１１と、ステータ歯２１３とを備える。本実施形態では、ステータコアは、４極、４スロット構造であり、この構造では、外側ヨーク２１１の内側面上に４つのステータ歯２１３が形成され、４つのステータ歯２１３間に４つの巻線スロットが定まる。外側ヨーク２１１は、閉ループであるため、ステータ２０の外輪部分と呼ばれる。
【００２７】
[0033]  ステータ歯２１３の各々は、一体に形成された、巻付部分２１３１及び磁極片２１３３を備える。本実施形態では、各ステータ歯２１３は、外側ヨーク２１１から半径方向内方に延びることによって形成できる。ステータコア２１の軸方向における巻付部分２１３１の投影は、実質的に正方形である。他の実施形態では、図３に示すように、モータ１００のステータコア２１は、スプリット型構造を採用することができ、すなわち、ステータ歯２１３と外側ヨーク２１１とは取外し可能に連結され、取外し可能な連結の採用により、ステータ巻線の巻付けが助長される。巻付部分２１３１のうち対応する磁極片２１３３から遠い端部は、例えばあり溝埋込みによって外側ヨーク２１１の内側面に連結される。
【００２８】
[0034]  磁極片２１３３は巻付部分２１３１の一端に設け、磁極片２１３３の各々は、ロータ円周方向に沿って巻付部分２１３３の一端から延びる弧形構造であり、各巻線２１３３のうち外側ヨーク２１１から遠い端部は、対応する磁極片２１３３の外側円弧の中央部に連結される。本実施形態では、４つのステータ歯２１３は、外側ヨーク２１１の内側に均等に離間して取り付け、４つの磁極片２１３３は、外側ヨーク２１１と同心の円を実質的に取り囲む。ここで、隣接する２つの磁極片２１３３間には、磁束が磁極片２１３３から漏れるのを防ぐためにスロット２１５が定まる。加えて、図２に示すように、ステータコアの一体構造が採用されたとき、スロット２１５は、ステータ巻線を形成するためのワイヤが通過してステータ巻線を巻き付けるのを許すように構成され、スロット２１５の幅はワイヤの幅よりも大きい。
【００２９】
[0035]  本実施形態では、磁極片２１３３は、その内側円弧である極弧面２１３３１を備える。極弧面２１３３１の弧長さは、極弧面２１３３１が位置する円周長さの四分の一に近い。複数の極弧面２１３３１は、収納空間を取り囲み、ロータ３０が収納空間内に回転可能に収納されるのを可能にする。
【００３０】
[0036]  ロータ３０は、ロータコア３１と、複数の永久磁石３３で作製された永久磁石極とを備える、埋め込まれた永久磁石ロータである。本実施形態では、ロータコア３１は、実質的に中空な円筒であり、ロータコア３１を通って回転軸（図示しない）が延びてロータコア３１に固定される。永久磁石３３は、ロータコア３１内に、ロータコア３１の軸方向に沿って埋め込まれたストリップ形状の永久磁石３３である。本実施形態では、永久磁極の数は、ステータ歯２１３の数と同じであり、すなわち、ステータ２０の磁極の数は、ロータ３０の磁極の数と同じである。本実施形態では、永久磁極はロータの半径方向に二極化され、永久磁極の数は４であり、４つの永久磁極は、ロータコア３１の内側にロータコア３１の円周方向に沿って均等に分配される。永久磁極の各々は、１つの永久磁石で形成され、もちろん永久磁極の各々は、複数の永久磁石で形成することができる。
【００３１】
[0037]  ロータ３０は、ステータ２０の収納空間内に回転可能に収納される。ロータコア３１の外周壁と磁極片２１３３との間に空隙５０が定まり、結果としてステータ２０に対してロータ３０が回転可能となっている。本実施形態では、ロータ３０の軸線は、ステータ２０の軸線と一致する。空隙５０は均一な空隙であり、すなわち、全ての極弧面２１３３１は同じ円筒面上にあり、円筒面はロータと同心であり、複数磁極片２１３３の複数極弧面２１３３１とロータコア３１の外周壁との間の距離同士は等しい。
【００３２】
[0038]  永久磁石３３の各々の一端は、ロータコア３１の軸方向においてノッチ３３２（図面中の点線）を定める。この実施形態では、各ノッチ３３２は、対応する永久磁石３３のうちロータコア３１の外周壁に近い側面に設ける。永久磁石３３の断面図及びノッチ３３２の断面図は、ロータ３０の軸方向に見たとき長方形を形成する。永久磁石３３の断面図の形状は、長方形の１つの角部が切り取られ、切取り部分の切取り位置にノッチ３３２を形成した形状である。永久磁石３３の投影面積はＭ１であり、ノッチ３３２の投影面積はＭ２である。本実施形態では、永久磁石３３の投影面積は、ノッチ３３２の面積の２倍よりも大きく、しかもノッチ３３２の面積の５倍よりも小さく、すなわち、２*Ｍ２＜Ｍ１＜５*Ｍ２である。
【００３３】
[0039]  本実施形態では、各ノッチ３３２は、ロータの軸方向において長方形である。他の実施形態では、ノッチ３３２は、三角形、直角台形又はファンの形状で形成することができる。各永久磁石はストリップ形状の非対称な構造とされ、各永久磁石の両端における横断面積同士は等しくない。
【００３４】
[0040]  本実施形態では、複数ノッチ３３２は、対応する複数永久磁石３３の磁極軸線（図２中の破線Ｂ）の同じ側部に位置する。各ノッチ３３２は、ロータコアを設けない場所に位置し、すなわち、ノッチ３３２の場所は、空気又は他の非透過性の媒体である。
【００３５】
[0041]  モータの分野において、いわゆる死点位置は、ステータ巻線の通電時にロータのトルクがゼロとなる位置である。所定の前提の下での磁力線の分布マップである図４を参照することができ、前提は、既存技術の永久磁石３３のロータ３０の軸方向における投影が長方形であるとき、モータは非通電状態にあるということである。モータが非通電状態にあるとき、隣接する２つの永久磁石３３の中立領域の中央線（図２中の破線Ａ）は、スロット２１５の１つにおける中央線と一致し、すなわちモータ１００は始動死点位置にある。
【００３６】
[0042]  スロット２１５と永久磁石３３の円周壁との間の磁気抵抗は、スロット２１５が存在するせいで増大し、一方、ステータ２０の極弧面２１３３１の中間部と対応する永久磁石３３との間の磁気抵抗は最小であるので、永久磁石３３の各々は、その磁極軸線（図面中破線Ｂにて示す）が極弧面２１３３１の１つにおける中央線と一致する位置へ自動的に回転する。換言すれば、隣接する２つの永久磁石３３の中立領域の中央線は、スロット２１５の１つにおける中央線と一致し、モータ１００のロータ３０は、始動死点位置にある。
【００３７】
[0043]  本開示の実施形態によるモータ１００が非通電状態にある場合における、磁力線の分布図である図５を参照されたい。各永久磁石３３の磁極のノッチ位置とステータの対応する磁極片との間の磁気抵抗は、ノッチ３３２（ノッチにおける空気又は他の非透過性の媒体）が存在するおかげで増大する。そのため、ロータは、各永久磁石３３の磁極軸線がスロット２１５の１つにおける中央線と一致する位置へ自動的に回転し、すなわち、永久磁石３３の磁極軸線は、隣接する巻付部分２１３１の中央線から一定角度だけずれ、モータ１００のロータ３０は、始動死点位置を回避する。永久磁石３３の磁極軸線が隣接する巻付部分２１３１の中央線から外れる角度は、始動角度と呼ばれる。
【００３８】
[0044]  始動角度の大きさは、複数のノッチ３３２の大きさに応じて変更することができ、すなわち、永久磁石３３の磁極軸線が永久磁石３３に隣接する巻付部分２１３１の中央線から外れた角度は変更できることを理解されたい。例示の便宜上、図２を再度参照して、各スロット２１５の最小円周方向距離をａと定義し、空隙５０の最大幅をｂと定義する。すると、ｂ＜ａ＜３ｂであり、すなわち、各スロット２１５の円周方向幅ａは、ロータコア３１の外周壁から極弧面２１３３１までの最小距離ｂよりも大きく、ロータコア３１の外周壁から極弧面２１３３１までの最小距離ｂの３倍よりも小さい。
【００３９】
[0045]  本実施形態では、ロータの極弧係数をｃとすると、電気角１００°＜ｃ＜電気角１５０°であり、始動角度は、電気角６０°と電気角９０°との間である。
【００４０】
[0046]  図６及び図７を参照すると、図６は、モータが図４に示す通りに、モータの永久磁石３３がノッチ３３２を定めない場合おける、モータのコギングトルク曲線グラフである。図６において、縦座標はロータ３０が受けるトルクであり、横座標は四半分電気期間の時間であり、時間は、２つの隣接する永久磁石３３の中立領域の中央線が隣接するスロット２１５の中央線から外れる角度に対応して、１秒が電気角１度に対応する。永久磁石３３がノッチ３３２を定めない場合、隣接する２つの永久磁石３３の中立領域の中央線が隣接するスロット２１５の中央線と一致する安定した時点があることが分かる。
【００４１】
[0047]  図７は、モータが図５に示す通りに、モータの永久磁石３３がノッチ３３２を定める場合における、モータのコギングトルク曲線グラフである。図７において、縦座標は本開示のロータ３０が受けるトルクであり、横座標は半電気期間の時間であり、時間は、隣接する２つの永久磁石３３の中立領域の中央線が隣接する巻付部分２１３１の中央線から外れる角度に対応して、１秒は電気角１度に対応する。永久磁石３３がノッチ３３２を定める場合、隣接する２つの永久磁石３３の中立領域の中央線が隣接する巻付部分２１３１の中央線と一致する安定した時点があることが分かる。
【００４２】
[0048]  本実施形態では、ステータコア２１は、複数の磁気積層構造をモータ１００の軸方向に沿って積み重ねることによって形成され、磁気積層構造は、透磁率を有する軟磁性材料（産業ではケイ素鋼板が一般に使用される）で作製されるが、磁気積層構造はケイ素鋼板などであっても良い。
【００４３】
[0049]  本開示のモータ１００は、各永久磁石３３にノッチ３３２が定まり、ロータコア３１の軸方向における各ノッチ３３２の投影面積Ｍ２、及び永久磁石３３の横断面積Ｍ１は、２*Ｍ２＜Ｍ１＜５*Ｍ２であり、その結果、ロータ３０は、モータ１００の始動死点を回避し、モータ１００の始動はより安定し、始動電流は小さく、しかも始動信頼性は良好である。
【００４４】
[0050]  上述したことは、本発明の好ましい実施形態に過ぎず、いかなる点でも本発明を限定しない。例えば、ステータコアは、上述した積層構造のやり方の他に、粉末冶金によって一体に形成した、ステータヨーク及びステータ歯を採用することもできる。さらに、当業者であれば、本発明の精神内において他の変更を行うことができる。もちろん、本発明の精神に従って行なわれるそのような変更は、特許請求の範囲に記載された発明の保護範囲内に包含される。
【符号の説明】
【００４５】
２０  ステータ
２１  ステータコア
３０  ロータ
３１  ロータコア
３３  永久磁石
５０  空隙
２１１  外側ヨーク
２１３  ステータ歯
２１５  スロット
３３２  ノッチ
２１３１  巻付部分
２１３３  磁極片
２１３３１  極弧面
Ａ  隣接する永久磁石の中立領域の中央線
Ｂ  永久磁石の磁極軸線
ａ  スロットの最小円周方向距離
ｂ  空隙の最大幅
Ｍ１  永久磁石の投影面積
Ｍ２  ノッチの投影面積
【図１】
2017158425.tif 000003
【図２】
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【図３】
2017158425.tif 000005
【図４】
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【図５】
2017158425.tif 000007
【図６】
2017158425.tif 000008
【図７】
2017158425.tif 000009
【外国語明細書】
2017158425000001.pdf