JP2008237011A - クローポール装置 - Google Patents

Abstract

【課題】始動時の信頼性を高め、一方向回転時の動作の安定性を確保できるクローポール装置を提供する。
【解決手段】クローポール装置は、それぞれがヨークと複数のポールクローとを備えた第１及び第２のクローポール板を備えている。第１及び第２のクローポール板は、互いのポールクローが対向し合い、コイルを受け入れるスペースを規定するように、互いに同軸に且つ互いに対向するように設けられている。少なくとも一つのポールクローとヨークとの境界をなすベースラインは、当該ベースラインの中心を通る円周線であってロータの回転軸と中心が一致する円の円周線と交差している。ベースラインの中心における当該円周線の接線は、ベースラインの両端を結ぶ直線に対して０でない角度αを有している。
【選択図】図３

Description

本発明は、クローポール装置に関する。

従来より、クローポール型のモータが知られている。クローポール型のモータは、特許文献１に開示されているように、それぞれがヨークとポールクロー（極歯）とを有する第１及び第２のクローポール板を備えている。これら第１及び第２のクローポール板は、それぞれのポールクローが互いに対向し、またコイルを受け入れるスペースを規定するように、互いに同軸に且つ互いに対向するように設けられている。対向する両クローポール板の間には、円筒状のコイルが配置され、ポールクローとの間で相互作用するようになっている。ロータは、ポールクローの内側に配置されおり、このロータとコイルとの間にポールクローが位置するようになっている。

クローポール型のモータは、単相永久磁石同期モータ及びステッピングモータに適しており、簡単且つ低コストで製造することができる。クローポール板は、単一の金属薄板で形成することができ、そのポールクローは、金属薄板を打ち抜き加工及び曲げ加工することにより形成される。ポールクローによって規定されるスペースに、予め組み立てられたコイルが簡単に挿入される。

単相モータは、簡単な構造と駆動系を有しており、一方向にのみ回転するように設計されることが多い。この種のモータは、高いトルク又は強い駆動力を伝達する必要がなく、また、特に正確な速度制御が要求されない、例えばサーボドライブ、ポンプ及び通風機に用いられる。この比較的低コストの単相モータは、複雑なコイル巻き付け技術を必要とせず、例えばＨ型ブリッジ回路により構成される費用効率の高い電子機器を用いて実現することができる。また、クローポール型のモータは、ＡＣ電力により、更なる通信手段を用いることなく動作させることができる。単相のコイル（ステータコイル）は、回転磁場の代わりに、特定のロータ位置ではモータがトルクを発生しないような、脈動磁場を発生する。単相モータ（すなわちステータが巻き付けストランドを一つだけ有するモータ）の場合には、モータを始動させるために特別な手段を用いる必要がある。２相モータでは、ポールクロー及びコイルが、モータを容易に始動できるように配置されている。単相モータの分野では、確実にモータを始動させるために、ポールクローを取り除くことで非対称な磁場を発生させることが知られている。

しかしながら、ポールクローを取り除くと、トルクを高める役割を担うポールクローが少なくなることにより、トルクが減少し、効率が大きく低下する。ポールクローの総数が少ない場合（例えば６個）には、ポールクローを取り除くことで、比較的大きなトルクの減少がもたらされる。この従来技術の更なる欠点は、非対称性が必要なのは始動時のみであるのに対し、効率低下は永続的であることである。さらに、動作中、少なくとも高速回転時において不快な騒音及び振動が発生するため、当該モータの一般的な応用も制限されている。

特許文献２には、単相同期モータを始動させるための駆動系が開示されている。この駆動系は、比較的複雑である。

特許文献３には、回転方向が一方向のコレクタレスＤＣモータが開示されている。このコレクタレスＤＣモータは、従来のラジアル・フラックス・モータと同様に構成されている。このモータは、ステータバックヨークと、先端に磁極片が形成された２つのステータ歯とを含むステータ体を備えている。ステータ体は、円筒状のロータ体の内側に同軸に挿入されている。ステータ体の磁極片とロータ体との間にはエアギャップが形成されている。始動を容易にし、回転方向を設定するために、ステータ体の磁極面が傾斜するようにエアギャップが形成されている。具体的には、２つの磁極面の間で、エアギャップがまず単調に増加し、次いで減少するように設計されている。この従来技術をさらに発展させたものが、特許文献４に開示されている。しかしながら、この従来技術は、クローポール型のモータに関するものではない。

米国特許公開公報ＵＳ２００２／０００５６７０Ａ１ ドイツ特許公報ＤＥ１９５３３３４４Ａ ドイツ特許公報ＤＥ２３４６３８０Ａ ドイツ特許公報ＤＥ２０２００５００２８０８Ｕ

本発明の目的は、単相運転を行うように設計されたクローポール装置であって、なお且つ、始動時の信頼性を高め、一方向回転時の安定した動作を確保できるクローポール装置を提供することにある。この目的は、請求項１に記載された特徴を有するクローポール装置によって達成される。

本発明に係るクローポール装置は、それぞれがヨークと、ヨークと結合した複数のポールクローとを有する第１及び第２のクローポール板を備えている。これら第１及び第２のクローポール板は、互いのポールクローが対向し、コイルを受け入れるスペースを規定するように、互いに同軸に且つ互いに対向するように設けられている。少なくとも一つのポールクローとヨークとの境界をなすベースラインの中心は、ロータの回転軸と中心が一致する円の円周線と一致している。本発明の一実施の形態では、さらに、ベースラインの両端を結ぶ直線とベースラインの中心における前記円周線の接線とが０でない角度αをなしている。本発明の別の実施の形態では、少なくとも一つのポールクローがベースラインに対して捩れている。いずれの場合も、ポールクローを傾斜させることで、磁気的な非対称性が生じ、その結果、ロータとステータとの間に抵抗力（リラクタンス）が生じる。この抵抗力により、クローポール装置を所定の回転方向に確実に始動させることができ、当該回転方向における安定した動作を確保することができる。なお、このようにポールクローを傾斜させる配置は、一方のクローポール板のみについて行ってもよいし、両方のクローポール板について行ってもよい。

少なくとも一つのベースラインの中心が円周線と一致するという特徴は、各ポールクローのベースラインが円周線と完全に一致することを意味するのではなく、各ポールクローのベースラインが同一の円周線と交差する（言い換えると、当該円周線に沿って環状に配置されている）、又は当該円周線上にあることを意味する。ポールクローのベースラインは、円周線に対して、すなわち円周線の接線に対して傾斜させることができる。ここで、全てのポールクローが、円周線の接線に対して同じ傾斜角度を有している必要はない。すなわち、ベースラインの円周線の接線に対する傾斜角度がゼロとなるように配置されたポールクローがあってもよい。

各ポールクローは、対応するクローポール板に結合されたベース部を有している。本発明の好ましい一実施の形態では、ポールクローのベース部が、円周線の接線に対して傾斜している。本発明の別の実施の形態では、ポールクローのベース部が、円周線上又は円周線の接線上に配置されると共に、ポールクローがベース部に対して捩れている。ポールクローのベース部は、直線的な形状を有していてもよいし、湾曲形状を有していてもよい。ポールクローが湾曲形状を有している場合には、その曲率半径は、上記円周線を有する円の半径に対応していることが好ましい。

本発明の好ましい実施の形態では、クローポール板は金属薄板で形成され、ポールクローは金属薄板を打ち抜き加工及び曲げ加工することにより形成される。上述したように、本発明に係るクローポール装置は、単相永久磁石同期モータ又は単相ステッピングモータとして実現されることが好ましい。この趣旨において、ポールクローにより規定されるスペース内に円筒形のコイルが配置され、当該コイルがクローポール板の間に同軸に配置されてポールクローと相互作用する。円筒状のロータは、ポールクローの内側に同軸に配置され、この状態で、ポールクローはロータとコイルとの間に位置する。

本発明によれば、簡単な装置構成で、始動時の信頼性を高め、一方向回転時の安定した動作を確保することができる。

以下、図面を参照して、好ましい実施の形態に基づき、本発明を詳細に説明する。

図１（ａ）及び（ｂ）は、従来技術のクローポール装置の概略構成を互いに反対の側から見た分解斜視図である。なお、図１（ａ）及び（ｂ）の分解斜視図では、ステータとロータのみを図示し、シャフト及び電気接続系統などは省略している。

従来技術のクローポール装置のステータ１０は、２つの対向するクローポール板１２，１４により構成されており、これらクローポール板１２，１４の間には、コイル１６が挿入されている。クローポール板１２，１４は、それぞれ、ヨーク１８，２０と複数のポールクロー２２，２４とを有している。クローポール板１２，１４は、それぞれのポールクロー２２，２４が互いに対向し、コイル１６を受け入れるスペースを規定するように、互いに同軸に且つ互いに対向するように設けられている。クローポール板１２は、さらに、クローポール装置のステータ及びロータを囲むハウジングウォール２６を有している。

図１に示した構成例では、ロータ２８は、環状のマグネットにより形成されており、この環状のマグネットは、用途に応じた適当な数の磁極対を有している。あるいは、ロータ２８は、複数のマグネットにより形成されていてもよい。ロータ２８は、ポールクロー２２，２４の間に、これらと同軸に配置されている。この状態で、ポールクロー２２，２４は、コイル１６とロータ２８との間に位置している。

図１に示した構成例では、クローポール板１２，１４は、金属薄板により形成されており、ポールクロー２２，２４は、金属薄板を打ち抜き加工及び曲げ加工することにより形成されている。図１（ａ）及び（ｂ）から分かるように、クローポール板１２，１４には、それぞれ５つのポールクローしか設けられておらず、６番目の位置が空いている。さらに、クローポール板１２のポールクロー２２は、その端部が横方向に凹部を有するように打ち抜き加工されている。クローポール装置によりロータを、静止状態から予め決められた方向に確実に始動させるためである。また、ポールクロー２２，２４は、クローポール装置の軸（ロータ２８の回転軸）と中心が一致する円の円周線上に配列されている。

従来技術の単相クローポール装置によれば、ロータがある特定の位置にあるときには、始動時の回転方向が規定されないため、クローポール装置の始動の信頼性を確保するために特殊な手段を用いなければならない。また、この種の単相クローポール装置（モータ）は、通風機やポンプのように、一方向にのみ回転する用途に使用されることが多く、特別な駆動装置を必要とせずＡＣ電力の供給により直接駆動できるが、モータが正しい方向に回転しているか否かの確認に注意が必要である。

このような課題を解決するために、本発明は、例えば図２から図４に示すような単相クローポール装置（モータ）を提供する。

本発明に係るクローポール装置は、従来技術のステータ及びロータと基本的に同様に構成されたステータ３０及びロータ３２を有しているが、ポールクローの構成は従来技術のポールクローとは異なっている。図示された実施の形態では、ステータは、２つのクローポール板３４，３６を有しており、その一方は、ステータ３４の形態を有しており、他方は、ステータキャップ３６の形態を有している。クローポール板３４，３６は、それぞれ、ヨーク３８，４０と複数のポールクロー４２，４４とを有している。ステータキャップ３６は、さらに、クローポール装置を囲むハウジングウォール４６を有している。ハウジングウォール４６は、ポールクロー４２，４４と共に、コイル４８を受け入れるスペースを規定する。

図示された本発明の実施の形態では、ポールクロー４２，４４は、対応するクローポール板３４，３６のヨーク３８，４０を打ち抜き加工し、さらにヨーク３８，４０に対して垂直に突出するようにそれぞれのベース部５０，５２で折り曲げ加工することによって形成される。本発明に係るポールクロー４２，４４の構成例について、図３（ａ）及び（ｂ）、図４（ａ）及び（ｂ）、図５並びに図６を参照して説明する。

図３（ａ）及び（ｂ）は、ポールクロー４２を有するステータ３４を示す平面図及び斜視図である。上述したように、ポールクロー４２は、ステータ３４から打ち抜き加工され、ベース部５０において折り曲げ加工されたものである。図３（ａ）に示すように、ポールクロー４２のベース部５０は、ポールクロー４２とヨーク３８との境界線をなすベースライン５０’を有している。ベースライン５０’は、クローポール装置の軸（ロータ３２の回転軸）と一致する中心を有する円の円周線５４であって、当該ベースライン５０’の中心を通る円周線５４の接線に対して傾斜している。図３（ａ）及び（ｂ）に示した実施の形態では、ポールクロー４２のベース部５０（すなわちベースライン５０’）は、湾曲した形状（例えば円弧形状）を有しており、円周線５４の曲率半径とほぼ同じ曲率半径を有しているが、円周線５４に対して完全に一致しているものではない。ベースライン５０’の両端を結ぶ直線は、円周線５４の接線に対して角度αだけ傾斜している。この角度αは、０°＜α＜４５°の範囲にある。角度αのより好ましい範囲は、約５°〜１５°である。

なお、図３（ａ）及び（ｂ）に示した例では、ステータ３４の全てのポールクロー４２のベースライン５０’が円周線５４の接線に対して傾斜しているが、少なくとも一つのポールクロー４２のベースライン５０’が円周線５４の接線に対して傾斜していればよい。また、図示は省略するが、ステータキャップ３６の少なくとも一つのポールクロー４４のベースラインを、ステータ３４のポールクロー４２と同様に、湾曲形状とし、当該ベースラインの中心を通る円周線の接線に対して傾斜させてもよい。

図４（ａ）及び（ｂ）は、別の実施の形態におけるステータキャップ３６を示す平面図及び斜視図である。この実施の形態では、ステータキャップ３６に、傾斜したポールクロー４４が形成されている。ポールクロー４４は、直線的な形状のベース部５２を有しており、その直線的なベースライン５２’は、クローポール装置の軸（ロータ３２の回転軸）と一致する中心を有する円の円周線５６であって、当該ベースライン５２’の中心を通る円周線５６の接線に対して傾斜している。図４（ａ）及び（ｂ）に示した実施の形態では、ベースライン５２’の円周線５６の接線に対する角度αは、約８°である。この角度αの好ましい範囲は、上述した実施の形態と同様（０°＜α＜４５°の範囲、より好ましくは約５°〜１５°）である。

なお、図４（ａ）及び（ｂ）に示した例では、ステータキャップ３６の全てのポールクロー４４のベースライン５２’が円周線５６の接線に対して傾斜しているが、少なくとも一つのポールクロー４４のベースライン５２’が円周線５６の接線に対して傾斜していればよい。また、図示は省略するが、ステータ３４の少なくとも一つのポールクロー４２のベースライン５０’を、ステータキャップ３６のポールクロー４４と同様に、直線的な形状とし、当該ベースラインの中心を通る円周線の接線に対して傾斜させてもよい。

図５、図６（ａ）及び（ｂ）並びに図７を参照して、本発明のクローポール装置の更なる実施の形態について説明する。図示された実施の形態では、クローポール装置は、クローポール板６４，６６に対して同軸に配置された環状のロータマグネット６０とステータコイル６２とを有している。クローポール板６４，６６は、円筒状のヨーク６８を介して互いに接続されており、それぞれ、ヨーク部６４ａ，６６ａと、ヨーク部６４ａ，６６ａと結合した複数のポールクロー７０，７２とを有している。ポールクロー７０，７２は、互いに同じ数だけ設けられており、また、互いに同じ軸方向を向いている。クローポール板６４，６６の間には、ステータコイル６２が挿入されている。ポールクロー７０，７２は、円周方向において互いにオフセットされた位置にあり、ステータコイル６２及びロータマグネット６０を外側から囲んでいる。以下で図６（ａ）及び（ｂ）を参照して詳細に説明するように、ポールクロー７０，７２は、クローポール板６４，６６における円周線の接線に対して傾斜している。

図６（ａ）及び（ｂ）は、クローポール板６６を示す平面図及び斜視図である。なお、図６（ａ）及び（ｂ）には、クローポール板６６の構成のみを示すが、もう一方のクローポール板６４も同様に構成されている。クローポール板６６は、金属薄板を打ち抜き加工し、ポールクロー７２を軸方向に約９０度折り曲げ加工することにより形成されている。図６（ａ）に最も良く示されているように、ポールクロー７２は、当該ポールクロー７２のベース部７６（従ってベースライン７６’）が、そのベースライン７６’の中心を通る円周線７４の接線に対して角度αで傾斜するように折り曲げ加工されている。角度αは、上述した実施の形態と同様の値をとることができる。

図７（ａ）及び（ｂ）は、クローポール板６６を示す平面図及び斜視図である。なお、図７（ａ）及び（ｂ）には、クローポール板６６の構成のみを示すが、もう一方のクローポール板６４も同様に構成されている。図７（ａ）及び（ｂ）に示すクローポール板６６は、金属薄板を打ち抜き加工し、ポールクロー８２を軸方向に約９０度折り曲げ加工することにより形成されている。ポールクロー８２のベースライン８６’は、クローポール装置の軸（ロータマグネット６０の回転軸）と中心が一致する円の円周線８４と一致する湾曲形状（例えば円弧形状）を有している。あるいは、ポールクロー８２のベースライン８６’は、円周線８４に接する直線的な形状を有していてもよい。

図７（ａ）及び（ｂ）から明らかなように、ポールクロー８２は、ベースライン８６’に対して捩られた構造を有している。すなわち、図７（ａ）から理解されるように、ポールクロー８２のベースライン８６’に対応する先端部の稜線８６”は、この稜線８６”の中心を通る円周線８４に対して角度αだけ傾斜している。なお、稜線８６”は、図７（ａ）に示したような湾曲形状であってもよいし、直線形状であってもよい。

上述した各実施の形態では、図１（ａ）及び（ｂ）に示された従来技術のようにポールクローを取り除く必要がないため、全てのポールクローに磁束を通す機能を発揮させることができ、従ってより大きなトルクを発生し、効率を高めることができる。

本発明では、上述したように傾斜したポールクローを、ステータ３４若しくはステータキャップ３６のいずれかに設けることができ、又は、ステータ３４、ステータキャップ３６の両方に設けることができる。ステータ及び／又はステータキャップのポールクローは、設計に応じて、湾曲形状のベース部を有していても良いし、直線的な形状のベース部を有していてもよい。本発明の範囲には、ベース部が円周線５４（又は円周線５６）に完全に沿うように構成されたポールクローも含まれる。この場合、図７（ａ）及び（ｂ）に示したように、ポールクロー自身が円周線に対して捩れている。

ポールクローを傾斜させることにより、所定の方向に始動する際の信頼性が高く、動作中の安定性のある単相クローポール装置を提供することができる。本発明では、特に、全てのポールクローを傾斜させることにより、始動時の効率をさらに向上し、動作をさらに安定させることができる。本発明のクローポール装置は、単相の永久磁石同期モータ又はステッピングモータとして使用することができる。

上述した発明の詳細な説明、特許請求の範囲及び図面によって明らかにした特徴は、本発明を、種々の実施の形態で、又は任意の実施の形態を組み合わせて実現する上で重要である。

従来技術のクローポール装置の概略構成を示す分解斜視図（ａ）及びその反対方向から見た分解斜視図（ｂ）である。 本発明のクローポール装置の概略構成を示す分解斜視図である。 図２に示したクローポール装置に使用可能な第１の実施の形態におけるクローポール板の概略構成を示す平面図（ａ）及び斜視図（ｂ）である。 図２に示したクローポール装置に使用可能な第２の実施の形態におけるクローポール板の概略構成を示す平面図（ａ）及び斜視図（ｂ）である。 本発明の更なる実施の形態におけるクローポール装置の概略構成を示す分解斜視図である。 図５に示したクローポール装置に使用可能な実施の形態におけるクローポール板の概略構成を示す平面図（ａ）及び斜視図（ｂ）である。 図５に示したクローポール装置に使用可能なクローポール板の概略構成を示す平面図（ａ）及び斜視図（ｂ）である。

符号の説明

３０ ステータ、 ３２ ロータ、 ３４，３６ クローポール板、 ３８，４０ ヨーク、 ４２，４４ ポールクロー、 ４６ ハウジングウォール、 ４８ コイル、 ５０，５２ ベース部、 ５０’，５２’ ベースライン、 ５４，５６ 円周線、 ６０ ロータマグネット、 ６２ ステータコイル、 ６４，６６ クローポール板、 ６８ ヨーク、 ７０，７２ ポールクロー、 ７４ 円周線、 ７６ ベース部、 ８２ ポールクロー。

Claims (8)

1. それぞれがヨーク（３８，４０，６４ａ，６６ａ）と、前記ヨークと結合した複数のポールクロー（４２，４４，７０，７２）とを備えた第１及び第２のクローポール板（３４，３６，６４，６６）を有し、
   前記第１及び第２のクローポール板が、互いのポールクローが対向し、コイル（４８，６２）を受け入れるスペースを規定するように、互いに同軸に且つ互いに対向するように設けられており、
   少なくとも一つのポールクローと前記ヨークとの境界をなすベースライン（５０’，５２’，７６’）が、当該ベースラインの中心を通る円周線であって回転軸と中心が一致する円の円周線と交差し、前記ベースラインの中心における前記円周線の接線が、前記ベースラインの両端を結ぶ直線に対して０でない角度αを有すること
   を特徴とするクローポール装置。
2. それぞれがヨーク（６４ａ，６６ａ）と、前記ヨークと結合した複数のポールクロー（８２）とを備えた第１及び第２のクローポール板（６４，６６）を有し、
   前記第１及び第２のクローポール板が、互いのポールクローが対向し、コイル（６２）を受け入れるスペースを規定するように、互いに同軸に且つ互いに対向するように設けられ、
   前記ポールクロー（８２）と前記ヨークとの境界をなすベースライン（８６’）によって、中心が回転軸と一致する円の円周線が規定され、
   少なくとも一つのポールクロー（８２）の稜線（８６”）が、前記ベースラインに対して捩れていること
   を特徴とするクローポール装置。
3. ポールクロー（４２，４４）の前記ベースライン（５０’，５２’）が、直線的であるか、又は湾曲していることを特徴とする請求項１又は２に記載のクローポール装置。
4. 前記湾曲したベースライン（５０’）の曲率半径が、前記円周線の曲率半径に対応していることを特徴とする請求項３に記載のクローポール装置。
5. 前記クローポール板（３４，３６，６４，６６）が、金属薄板で形成され、前記ポールクロー（４２，４４，７０，７２）が、金属薄板から打ち抜き加工及び曲げ加工されて形成されていることを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項に記載のクローポール装置。
6. 前記クローポール板（３４，３６，６４，６６）の間に配置され、ポールクロー（４２，４４，７０，７２）と相互作用する実質的に円筒状のコイル（４８，６２）を更に備えたことを特徴とする請求項１から５までのいずれか１項に記載のクローポール装置。
7. 前記ポールクロー（４２，４４，７０，７２）の間に同軸に配置された実質的に円筒状のロータ（３２，６０）を更に備え、前記ポールクローが、前記コイル（４８，６２）と前記ロータとの間に配置されていることを特徴とする請求項６に記載のクローポール装置。
8. 単相永久磁石同期モータ又は単相ステッピングモータとして実現されることを特徴とする請求項１から７までのいずれか１項に記載のクローポール装置。
   

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