JP2007306782A

JP2007306782A - 単相モータ

Info

Publication number: JP2007306782A
Application number: JP2006315194A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Kadokawa; 滋角川; Shoichi Kawamata; 昭一川又; Fumio Tajima; 文男田島; Osamu Sekiguchi; 治関口; Shoji Oiwa; 昭二大岩; Yukinari Takahashi; 幸成高橋
Original assignee: Japan Servo Corp
Current assignee: Nidec Advanced Motor Corp
Priority date: 2006-04-14
Filing date: 2006-11-22
Publication date: 2007-11-22
Also published as: US20070241644A1

Abstract

【課題】
トルク脈動が小さく、低騒音，低振動の単相モータを提供することである。
【解決手段】
ロータマグネットと、突極を有するステータコアと、前記ステータコアに巻回された巻線とを有する単相モータであって、巻線に印加する電圧の立ち上がり部と立ち下がり部の勾配が異なり、かつ、前記突極が３つの角度部分に分けられて、前記突極の外形の半径がロータの回転方向に関して第１の角度部分では前記ロータの回転方向に関して徐々に減少し、前記ロータの回転方向に関して第２の角度部分では前記ロータの回転方向に関して徐々に増加し、前記ロータの回転方向に関して第３の角度部分では前記ロータの回転方向に関して徐々に増加するが、増加の割合が第２の部分よりは穏やかである事を特徴とする単相モータ。
【選択図】図１

Description

本発明は単相モータに関するものである。

単相モータは、多相モータに比較して構成が簡単なことから一般に低コストである。従って、単相モータは低コスト化が求められる電気機械で用いられてきた。その代表的な例として２相ＤＣブラシレスモータの例が特開平１１−３３２１９３号公報に開示されている。この例では、ステータコアの外径を徐々に増加する部分とほぼ一定にする部分に分けることで誘起電圧の前半を正弦波、後半を矩形にしてトルク脈動を一定限減少させることに成功している。単相モータの利用される電気機械の典型的な例としてファンモータがあげられる。家電製品，各種ＯＡ（オートメーションオフィス）・ＩＴ（インフォメーションテクノロジー）機器には冷却用の軸流ファンモータが多数使用されている。このような製品では発熱量や製品コストの低減のため、大風量化の要求が出ている。風量の増加にともない、電磁加振力や羽根回転による騒音が大きくなる傾向にある。一方、快適環境の追求により騒音低減の要求が大きくなってきており、それに対する技術も開発されている。

軸流ファンモータを組み込んだ製品の振動・騒音低減技術として、特開平１０−１５９７９２号公報では、モータシャフトとファンボスとの間に防振ゴムを設けることで振動の低減を図っている。

特開平１１−３３２１９３号公報特開平１０−１５９７９２号公報

単相モータは、原理的に電気角１サイクルに２回のトルク脈動が発生するために、騒音振動が大きい課題がある。そこで、ステータコアの形状を工夫して誘起電圧及びコギングトルクの波形を制御し出力トルク脈動を小さくする試みや、ロータマグネットの着磁分布を制御する試みなど、多数の試みが行われてきた。いずれの試みも一定の成果を挙げてトルク脈動を小さくすることに貢献してきたが、上記原理的な問題から発生するトルク脈動は依然として単相モータを使う電気機器の騒音振動という形で問題となるレベルにあり、電気機械の低騒音，低振動化に伴い、更に出力トルク脈動を小さくする課題がある。また、モータの出力トルク波形は、誘起電圧波形と電流波形とで決まる。そのため、ステータコアの形状と加える電圧波形を同時に制御することが最良であるが、従来技術ではこの観点からの検討がなされていなかったため、トルク脈動低減が不十分である課題があった。

従って、本発明の目的は、出力トルク脈動が小さく、低騒音，低振動の単相モータを提供することにある。

巻線に印加する電圧の立ち上がり部と立ち下がり部の勾配が異なり、かつ、ステータコアの突極が３つの角度部分に分けられて、前記突極の外形の半径がロータの回転方向に関して第１の角度部分ではロータの回転方向に関して徐々に減少し、前記ロータの回転方向に関して第２の角度部分では前記ロータの回転方向に関して徐々に増加し、前記ロータの回転方向に関して第３の角度部分では前記ロータの回転方向に関して徐々に増加するが、増加の割合が第２の部分よりは穏やかである事を特徴とする単相モータである。

本発明によれば、トルク脈動が小さく、低騒音，低振動の単相モータを提供することができる。

以下、図１〜図５を用いて、本発明の一実施形態による単相モータ構成について説明する。

図１は本発明の一実施形態によるステータコア１である。ステータコア１は４つの突極１ａ，１ｂ，１ｃ及び１ｄから構成される。突極１ａ，１ｂ，１ｃ及び１ｄは同一形状をしている。また図示しないがステータコア１の半径方向外側にはロータマグネットを備えたロータコアがあり、回転方向２の方向に回転する。以下、突極の構造を突極１ａを用いて説明する。突極１ａは回転方向２に関する全角度３を図示のごとく角度領域４，５及び７の部分に分割線８及び９によって形状が分割できる。ここで、全角度３を８０.６度とし、分割線９を規定する角度４は全角度３に対して８％、分割線８を規定する角度６は全角度３に対して３６.５％の位置に決めている。突極１ａの外形１０のステータコア１中心からの半径を、角度領域４の部分では回転方向２に関して徐々に減少するように、角度領域５の部分では回転方向２に関して徐々に増加するように、角度領域７の部分では回転方向２に関して徐々に増加するが角度領域５の部分よりは穏やかに増加するように決めている。ロータコアの形状をこのようにすることによって、後述する印加電圧との組み合わせにおいてトルク脈動の小さな良好な単相モータを構成することができる。

図２は、図１のステータコアのティース部分１１ａ，１１ｂ，１１ｃ及び１１ｄに図示していないが巻回している巻線に印加する印加電圧１２を示している。モータはこの印加電圧によって巻線に電流が流れトルクを発生しロータを回転する。図２のグラフの縦軸は印加電圧、横軸は電気角［度］でありロータの回転方向１３とは図示のような関係にある。横軸の原点は、図示しない誘起電圧の発生点に一致させている。印加電圧１２は誘起電圧の発生点に関して図示のごとく進み角１４の分だけ進んでいる。本実施例では進み角
１４は電気角で４度に設定している。印加電圧１２の立ち上がり部分１５及び立ち下がり部分１６は図示のごとく非対称に決めていて、本実施例では立ち上がり部分の傾きは実質的に矩形状で、立ち下がり部分の傾きは印加電圧１２の半周期の４５％に設定している。なお、図２における各ポイントの電気角［度］を図中に示している。立ち上がり，立ち下がり部分の電圧波形に傾きを設けることをソフトスイッチングと呼ぶ。ソフトスイッチングはインバータによって印加電圧をＰＷＭして達成することも考えられるが、その場合はＰＷＭされた矩形電圧の集合を時間的になめらかにした場合の電圧波形が図示のごとく概ね直線的に傾斜するようにしている。このように、印加電圧の立ち下がり部分にソフトスイッチングを施すことによって、高次のトルク脈動の低減と電圧利用率確保の両立及び、低次のトルク脈動を低減する効果がある。さらに、図示のごとく進み角を持たせることで一層トルク脈動を低減する効果がある。

図１及び図２に示したステータコア形状と印加電圧の波形は相互に依存して変わるものであるが、電磁界解析及び回路解析を組み合わせた最適化計算によって最適値として得られた。

図３に、図２の進み角１４をパラメータとしたとき、モータの出力トルク脈動のｐｐ値
２３を、最低値を１と規格化した値を縦軸２４で表している。横軸は進み角２５であり単位は電気角における［度］である。最低値は横軸の６度の位置にあり、進み角１４がこれより小さくても大きくてもモータの出力トルク脈動のｐｐ値は増加し、性能が劣化する。トルク脈動の増加は２０％許容でき、トルク脈動増加の許容値は最低値の約１.２倍の線２６であり、線２６とグラフ２３の交点の横軸を求めると０度及び１０度となる。従って、進み角が０度から１０度の間にあれば、モータは良好な出力トルク脈動特性を有する。

図４に、図１の分割線９の角度位置をロータの回転方向２に関して突極１１ａの実長に対する割合で示した場合の、モータの出力トルク脈動のｐｐ値１８を、最低値を１と規格化した値を縦軸１７で表している。最低値は横軸の７.９３％にあり、分割線９の角度位置がこれより小さくても大きくてもモータの出力トルク脈動のｐｐ値は増加し、性能が劣化する。トルク脈動の増加は２０％許容でき、トルク脈動増加の許容値は最低値の約1.2倍の線１９であり、線１９とグラフ１８の交点の横軸を求めると４％及び１３％となる。従って、分割線９の角度位置をロータの回転方向に関して突極１１ａの実長に対する割合で表した値が４％から１３％の間であれば、モータは良好な出力トルク脈動特性を有する。

図５に、図１の分割線８の角度位置をロータの回転方向２に関して突極１１ａの実長に対する割合で示した場合の、モータの出力トルク脈動のｐｐ値２１を、最低値を１と規格化した値を縦軸２０で表している。最低値は横軸の３６.５％にあり、分割線８の角度位置がこれより小さくても大きくてもモータの出力トルク脈動のｐｐ値は増加し、性能が劣化する。トルク脈動の増加は２０％許容でき、トルク脈動増加の許容値は最低値の約1.2倍の線２２であり、線２２とグラフ２１の交点の横軸を求めると２９％及び４３％となる。従って、分割線８の角度位置をロータの回転方向に関して突極１１ａの実長に対する割合で表した値が３２％から４２％の間であれば、モータは良好な出力トルク脈動特性を有する。

図６から図８に本実施例の単相モータの特性を示す。図６はロータが回転することで巻線に発生する誘起電圧の波形１２３を示す。横軸１２４は電気角であり図は電気角の１周期分を示している。なお、図６における誘起電圧の発生点は例えば図１６におけるロータ４７が機械角で４.５度回転方向２の方向に回転した位置である。図７は巻線に流れる電流１２５を示す。図２の電圧波形１６のソフトスイッチングに対応する部分で電流がなだらかに下がっていることが分かる。ソフトスイッチングを行わない場合はこの部分の電流が逆にピークを持ち、トルク脈動に悪影響を及ぼす。図８に出力トルク波形１２６を示す。ソフトスイッチングに対応する部分で、トルクのピークを無くし高次のトルク脈動を減少させていて、ステータコアの形状は低次のトルク脈動成分を低減させる効果がある。その結果、トルク脈動が非常に小さい良好な特性が得られていることが分かる。

次に、振動低減の実施例を示す。上述のような単相モータにおいては、モータのトルク脈動による振動伝搬低減を実現するために防振ゴム等の振動減衰部材が必要になるという課題がある。

本発明の他の目的は、軸流ファンモータ単体および各種装置に組み込んだ状態においても、モータ等の振動によって発生する固体伝播音を低減できる低騒音の軸流ファンモータを提供することにある。具体的には、ステータコアとステータコアを支持するスリーブとを分離する、つまり、できる限り支持する際にステータコアとスリーブとの接触面積を少なくし、ステータコアに生じる振動をスリーブへの伝播を極力少なくすることにより、さらにファンやブロワの振動と騒音を低減できるステータコアを提供することを目的とする。

まず、図９に軸流ファンモータの全体構成図を示す。同図に示すように、軸流ファンモータは、回転することにより空気の流れを生じさせるプロペラ２７と、プロペラを駆動するモータ部２８と、前記プロペラの羽根先端から隙間を空けて設けられているベンチュリ２９とから構成されている。図１０に、本発明によるステータコア３０の形状を示す。この図で示されるように、ティース３１とコアバック３２の交差する部分３３に凹部の空間３４を設けている。この空間３４は、図１１に示すスリーブ３５へステータコア３０およびその基板組を固定するときに、このスリーブ３５上部のストッパー部３６を通過させる必要があるためである。プロペラ２７が回転すると、ステータコア３０にはトルク脈動による振動が発生してしまうが、このステータコア３０の振動を直接伝播させないようにして、ファンやブロワの振動低減を実現する。具体的には、ステータコア３０とスリーブ
３５間に空間を設け、ステータコア３０がスリーブ３５に接触しないようにすれば良い。この構成は、まず、図１１に示すような構造を持つスリーブ３５を持つベンチュリ３７およびケーシング３７を対象とする。このベンチュリ３７に対して、バネ３８を挿入すると、図１２のようになる。次に、図１０で示したステータコア３０とその基板組をこのスリーブ３５へ通過させる。このとき、図１０の空間３４をストッパー部３６に通過させ、下部インシュレータ３９とバネ３８が接触したら、ステータコア３０およびその基板組がバネ３８を押すように挿入する。そして、図１０の空間３４がストッパー部３６下部を完全に通過させたら、図１３に示す上部インシュレータ４０のストッパーを保持する溝４１にセットするように回転させ、ストッパー部３６とバネ３８でステータコア３０及びその基板組をスリーブ３５に支持することができる。以上の操作を終了した後の断面図４２を図１４に示す。

このようにして、ステータコアとスリーブを非接触にする構造を得ることができるが、このような構造を考えた場合、ステータコア内径はスリーブ外径とは接触させないため、スリーブ外形よりも多少大きくならざるを得ない。このため、ステータコア内径を大きくすることにより、ストッパーの通過に余裕を持たせることが考えられる。しかし、この方法では、以下の欠点が生じてしまう。まず、ステータコア内径を大きくすることに伴い、ステータコア外径も大きくなってしまうことが考えられる。ステータコア外径が大きくなることは、モータサイズが大きくなる可能性を意味し、この場合、ファンのボス径が必要以上に大きくなり、所望の流体性能が得られない可能性がある。このような現象を防ぐため、図１０のようなステータコア形状を発明した。この形状は所望のステータコアサイズで、所望のモータ性能を満たしている形状である。図１５に図１０の空間３４を保有しないステータコアでの磁界解析結果を示す。一方、図１６に本発明の磁界解析結果を示す。図１５及び図１６では、磁界解析に必要な部分すなわちステータコア４３及び４６，ロータコア４４及び４７，永久磁石４５及び４９のみを示す。図１５及び図１６は磁束線の流れを示している。スリーブのストッパーを通すための空間５０は、ステータコア４６の内径部分の内で磁束密度が最も低い場所に設けているため、空間５０の有無にかかわらず磁束の流れはほぼ同一である。この２つの解析結果から、両方のモータ性能に差異がないことがわかり、本発明の形状は、モータ性能を損なわず、モータ振動を直接スリーブに伝播しない構造に最適であることがわかる。図１７に図１０の空間３４を保有しないモータと本発明のモータとのトルクリプル５１及び５２を示す。本図からもモータ性能に差異は生じないことがわかる。

また、資源の再利用が叫ばれる社会においては、工業製品は分解して再利用できる製品が望ましい。このような観点から、できるだけ部品を再利用できるように製品の製造が重要である。従来のファンモータやブロワの製造においては、ステータコアとステータコアを支持するスリーブとは、接着やカシメ・溶着等の方法で行われていた。これらの方法でステータコアをスリーブに固定されてしまうと、スリーブを破壊しなければ分解できない状況となって、資源の再利用が行えないことになる。本発明は、ステータコアとスリーブが溶着や接着材等で強固に直接接触していないため、分解が容易にできるため、リサイクルが容易に実現可能な構成を提供することができる。

さらに、コアバック内径コアバックの交差する位置に空間を設け、この空間を巻き線のフォーマ用の位置決めとして使用することもできる。

以上のように、本発明によれば、トルク脈動が小さく、低騒音，低振動の単相モータを提供することができる。また、モータステータコアとスリーブが直接接しない構造で、磁束の流れの影響を極力無くし、モータ効率が最大になるようにステータコアの振動が減衰してスリーブに到達する構造を有しているため、ファンの振動が低減できる。このファンの振動低減により、このファンを組み込み搭載したＯＡ（オフィスオートメーション）・ＩＴ（インフォメーションテクノロジー）機器及び家電製品の低振動化及び低騒音化を図ることができる。また、分解が容易にできるため、分解したステータコアやベンチュリ等の再利用が可能となる。

本発明の単相モータの一実施例を示す。本発明の一実施例における単相モータの駆動電圧波形一実施例を示す。駆動電圧の進角とトルク脈動のｐｐ値の関係一実施例を示す。分割線９の角度位置とトルク脈動のｐｐ値の関係一実施例を示す。分割線８の角度位置とトルク脈動のｐｐ値の関係一実施例を示す。本発明の一実施例における単相モータの誘起電圧波形一実施例を示す。本発明の一実施例における単相モータの通電トルク波形一実施例を示す。本発明の一実施例における単相モータの出力トルク波形一実施例を示す。本発明の一実施例における軸流ファンモータの全体構成図一実施例を示す。本発明の一実施例における単相モータのステータコア一実施例を示す。本発明の一実施例におけるスリーブの構成を示す。本発明の一実施例におけるスリーブの構成を示す。本発明の一実施例における単相モータのステータコア一実施例を示す。本発明の一実施例における単相モータの断面図を示す。比較例におけるステータコアの磁界解析結果を示す。本発明の一実施例におけるステータコアの磁界解析結果を示す。比較例及び本発明の実施例のモータのトルクリプルを示す。

符号の説明

１，３０，４３，４６ステータコア
１ａ，１ｂ，１ｃ及び１ｄ突極
２，１３回転方向
３全角度
４，５及び７角度領域
６角度
８，９分割線
１０突極の外形
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ及び１１ｄティース部分
１２印加電圧
１４，２５進み角
１５印加電圧の立ち上がり部分
１６印加電圧の立ち下がり部分
１７，２０，２４最低値を１と規格化した値を示す縦軸
１８，２１，２３出力トルク脈動のｐｐ値
１９，２２，２６最低値の約１.２倍の線
２７プロペラ
２８モータ部
２９ベンチェリ
３１ティース
３２コアバック
３３ティースとコアバックが交差する部分
３４，５０空間
３５スリーブ
３６ストッパー部
３７ベンチェリまたはケーシング
３８バネ
３９下部インシュレータ
４０上部インシュレータ
４１ストッパーを保持する溝
４２断面図
４４，４７ロータコア
４５，４９永久磁石
５１，５２空間５０がある場合及び無い場合の出力トルク波形
１２３誘起電圧の波形
１２４横軸
１２５巻線に流れる電流
１２６出力トルク波形

Claims

ロータマグネットと、突極を有するステータコアと、前記ステータコアに巻回された巻線とを有する単相モータであって、巻線に印加する電圧の立ち上がり部と立ち下がり部の勾配が異なり、かつ、前記突極が３つの角度部分に分けられて、前記突極の外形の半径がロータの回転方向に関して第１の角度部分では前記ロータの回転方向に関して徐々に減少し、前記ロータの回転方向に関して第２の角度部分では前記ロータの回転方向に関して徐々に増加し、前記ロータの回転方向に関して第３の角度部分では前記ロータの回転方向に関して徐々に増加するが、増加の割合が第２の部分よりは穏やかであることを特徴とする単相モータ。
請求項１において、
前記印加電圧は、モータ誘起電圧の発生に対して発生以前に印加しその進み角が電気角において０度から１０度の範囲であることを特徴とする単相モータ。
請求項１において、
前記第１の角度が前記突極の実長の４％から１３％であり、かつ、前記第２の角度が前記突極の実長の２９％から４３％であることを特徴とする単相モータ。
請求項１において、
前記印加する電圧の立ち上がり角度が実質的に矩形状で、立ち下がり部分が印加電圧半周期の４０％から５０％であることを特徴とする単相モータ。
請求項１において、
突起物を有するスリーブに前記ステータコアが固定されており、
前記スリーブの突起物と干渉しないように、コア内径を構成することを特徴とする単相モータ。
請求項１において、
突起物を有するスリーブに前記ステータコアが固定されており、支持極とコアバックの交差する位置に空間を設けることを特徴とする単相モータ。
請求項６において、
少なくとも前記空間の１ヶ所以上をスリーブの突起物が通過する構造を持つことを特徴とする単相モータ。
請求項６において、
前記空間は凹部であり、ステータコア内径側にあることを特徴とする単相モータ。
請求項１において、
突起物を有するスリーブに前記ステータコアが固定されており、コアバック内径コアバックの交差する位置に空間を設け、前記空間を巻き線のフォーマ用の位置決めとして使用することを特徴とする単相モータ。