JP2012029540A - 単相ブラシレスモータ - Google Patents

Abstract

【課題】
単相モータとして起動安定性を保ったまま、コギングトルクを減らすことができる技術を提供することを目的とする。
【解決手段】
軸方向から見て周方向において非対称な構造の突極３と対象な構造の突極４とを交互に配置したステータ１０を備えた単相ブラシレスモータの構成とする。突極３の左右非対称な構造に起因して起動安定性が確保され、構造の異なる突極３と４に起因して発生するコギングトルクの波形がずれることで、コギングトルクが相殺され、その値が低減される。
【選択図】図１

Description

本発明は、起動安定性、低コギングトルク特性を有する単相ブラシレスモータに関する。

単相ブラシレスモータに於けるコギングトルクは、振動、騒音の大きな要因のひとつである。一般的な単相ブラシレスモータはコギングトルクを使い起動安定化を行うため、ブラシ付のモータや３相以上のブラシレスモータで行っているコギング低減の手段である、極数対極歯比を2:3や2:5とすることや、補極、あるいは溝を設けるなどの手段は、起動不安定化を起こすことから、安易に採用することができない。このためコギングトルクを低減させるための手段は、Sin波着磁やスキュー着磁など、逆起電力を大きく下げざるを得ない手段が取られている。

起動安定性や低コギングトルク特性に関する単相モータの手段として、特許文献１に記載された技術が知られている。特許文献１には、ロータがデットポイントに停止した場合であっても、確実に起動できるとともに、コギングトルクの発生を抑制するために、モータ起動時にロータを、デットポイントを回避する位置まで回転駆動する起動コイルを備えた構成が記載されている。

また特許文献２には、通電方法を工夫することで、構造上の工夫を要することなく高い起動信頼性を得る構成が記載されている。

特開２００２−３５９９９５号公報 特開平７−２２７０７３号公報

特許文献１に記載の技術は、起動を安定化するための起動コイルはトルクへの寄与が小さいので、効率がよくない。特許文献２に記載の技術は、駆動回路が複雑化し、また方向性ケイ素鋼板を使用しているのでコスト増となる。

ところで、コギングトルクの周期は、モータのスロット数と磁石の極数の最小公倍数の次数となり、次数が上がっただけコギングトルクのピーク値も少なくなる。このため、多極化すればするほど単相モータのコギングトルクは低減される。しかしながら、量産を考えて巻線の容易化を考慮した場合、巻線を巻くために用意する突極間のエアギャップには限界があるために、多極化に比例して突極間のエアギャップの占める円周上の寸法が増えていく。このエアギャップはリラクタンスを生み、コギングトルクの原因となる。したがって、多極化のメリットは相殺され、多極化の効果は限定的となり、一般に、通例の４極４スロットと変わらない性能となる。これは小型単相モータが通例４極４スロットである理由のひとつである。

このような背景において、本発明は、単相モータとして起動安定性を保ったまま、コギングトルクを減らすことができる技術を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、６以上の偶数の磁極を備えるロータと、前記ロータと隙間を隔てて配置され、前記ロータの前記磁極と同じ数の複数の突極を有するステータと、前記複数の突極のそれぞれに巻かれた駆動コイルとを備えた単相ブラシレスモータであって、前記複数の突極は、軸方向から見て周方向において対称な構造を有する第１の突極と、軸方向から見て周方向において非対称な構造を有する第２の突極とが交互に配置された構造を有することを特徴とする単相ブラシレスモータである。

請求項１に記載の発明によれば、第１の突極と第２の突極に起因して発生するコギングトルクの波形がずれるので、コギングトルクが部分的に相殺され、低コギングトルク特性を得ることができる。また、周方向における形状のバランスを意図的に崩した第２の突極により、安定した起動特性が得られる。このため、低コギングトルク特性と起動安定性が両立された特性が得られる。ここで軸方向から見て、周方向における対称な構造というのは、１８０度異なる軸方向から見た場合に同じ形状である構造をいう。また、軸方向から見て周方向において非対称な構造というのは、１８０度異なる軸方向から見た場合に形状が同じでなく、周方向で形状が反転する構造をいう。

なお、本考案は磁極の数が４以下であると、磁気回路的に不安定性が増大し、安定した回転が得られないので、磁極の数は６極以上とするのが好ましい。磁極の数が６極以上であれば、ロータに加わる力が均一となり、安定した回転を得ることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記第２の突極は、前記ステータに対向する突極面を備え、前記第２の突極は、軸方向から見て、前記突極面と前記ステータとの間の距離が、周方向の一端から他端に向かって漸次大きくなる構造とされていることを特徴とする。

請求項２に記載の発明によれば、突極面とステータとの距離が、周方向で漸次大→小（あるいは小→大）となるので、起動時により回転が起こりやすい状態とすることができ、起動安定性が確保される。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、前記第１の突極は、前記ロータマグネットに対向する極歯面を備え、前記第１の突極は、軸方向から見て、前記突極面と前記ロータマグネットとの間の距離が、周方向の両端で相対的に大きく、中央で相対的に小さい形状を有することを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、前記第１の突極は、前記ロータマグネットに対向する突極面を備え、前記第１の突極は、軸方向から見て、前記突極面と前記ロータマグネットとの間の距離が、周方向で一定であることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の発明において、前記第１の突極に起因するコギングトルクの波形と前記第２の突極に起因するコギングトルクの波形とがずれていることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、単相モータとして起動安定性を保ったまま、コギングトルクを減らすことができる技術が提供される。

請求項２に記載の発明によれば、突極面とロータマグネットとの距離が、周方向で漸次大→小（あるいは小→大）となるので、起動時により回転が起こりやすい状態とすることができる。

請求項３に記載の発明によれば、発生する逆起電力の波形の正弦波への整合性がより高くなり、より高効率で静音、低振動の特性が得られる。

請求項４に記載の発明によれば、よりシンプルな構造で起動安定性と低コギングトルク特性を得ることができる。

請求項５に記載の発明によれば、突極の構造の違いに起因するコギングトルク波形のずれを利用したコギングトルクの低減効果を得ることができる。

実施形態の単相ブラシレスモータの軸方向から見た断面図である。 実施形態の単相ブラシレスモータの軸方向から見た断面図である。 従来品と発明品のコギングトルク特性のグラフである。 従来品と発明品の逆起電力ＦＦＴ特性のグラフである。 従来品の単相ブラシレスモータの軸方向から見た断面図である。

（１）第１の実施形態
図１には、実施形態の単相ブラシレスモータ１の軸方向から見た断面構造が示されている。単相ブラシレスモータ１は、内側がステータ（固定子）１０であり、それに対して外側のロータ２０が回転するアウターロータ型の８スロット、８極の単相ブラシレスモータである。

ステータ１０は、ステータコア２を備えている。ステータコア２は、ラジアル方向に延在する８個の突極を備えている。この８個の突極は、交互に各４個が配置された第１の突極３と第２の突極４により構成されている。

突極３の径方向外側の部分は、周方向に向かって傘型に開いた構造を有した突極先端部３ａとされている。突極先端部３ａの外周は、ロータ２０の側の内周に隙間を有した状態で対向した突極面３ｂとされている。突極面３ｂは、軸方向から見て周方向において非対称な構造とされている。すなわち、突極面３ｂは、１８０度異なる軸方向から見た場合（図１をひっくり返して見た場合）に形状が同じでなく、周方向で形状が反転する構造とされている。この構造においては、突極面３ｂは、突極面３ｂとロータ２０の内周との距離が、図示する視点における時計回りの周方向で考えて、一端（図の左端）から他端（図の右端）に向かって漸次狭くなる構造とされている。

突極４の径方向外側の部分は、周方向に向かって傘型に開いた構造を有した突極先端部４ａとされている。突極先端部４ａの外周は、ロータ２０の側の内周に隙間を有した状態で対向した突極面４ｂとされている。突極面４ｂは、軸方向から見て周方向において対称な構造とされている。すなわち、突極面４ｂは、１８０度異なる軸方向から見た場合（図１をひっくり返して見た場合）に形状が同じになる構造とされている。ここで、突極面４ｂと対向するロータ２０の内周との距離が、一定な値となるように突極面４ｂの形状が選択されている。また、突極３および突極４のそれぞれには、駆動コイルとなるステータコイル７が巻かれている。

ステータコア２の突極３の突極面３ｂおよび突極４の突極面４ｂに隙間を隔てて対向する位置にロータマグネット６が配置されている。ロータマグネット６は、円周方向に交互にＳＮＳＮ・・・と着磁されている。ロータマグネット６は、円筒形状のヨーク５の内側に収められている。

図１の構成によれば、軸方向から見て突極の先端部が周方向において非対称な形状を有する突極３が存在することで、安定した起動特性が得られる。すなわち、突極３の構造によれば、右回り方向と左回り方向で見た場合の形状のアンバランスに起因して、起動し易い電気的な特性が得られる。また、形状の違いに起因して、周方向における非対称形状の突極３と対称形状の突極４が存在することで、形状の異なる２種類の突極に起因するコギングトルクの波形がずれる。そのため、位相のずれたコギングトルク波形の打ち消し作用が得られ、全体として見た場合のコギングトルクの低減が可能となる。こうして、起動安定性と低コギングトルク特性が得られる。

（２）第２の実施形態
図２には、実施形態の単相ブラシレスモータ１１の軸方向から見た断面構造が示されている。単相ブラシレスモータ１１は、内側がステータ（固定子）３０であり、それに対して外側のロータ２０が回転するアウターロータ型の８スロット、８極の単相ブラシレスモータである。

ステータ３０は、ステータコア２２を備えている。ステータコア２２は、ラジアル方向に延在する８個の突極を備えている。この８個の突極は、交互に各４個が配置された第１の突極３３と第２の突極３４により構成されている。

突極３３は、図１の突極３と同じ構造である。突極４４は、図１の突極４と構造が異なっている。すなわち、突極４４の径方向外側の部分は、周方向に向かって傘型に開いた構造を有した突極先端部４４ａとされている。突極先端部４４ａの外周は、ロータ２０の側の内周に隙間を有した状態で対向した突極面４４ｂとされている。突極先端部４４ａは、軸方向から見て周方向において対称な構造とされている。また、突極面４４ｂと対向するロータ２０の内周との距離が、中央で最も短く、左右の端部にゆくに従って徐々に増大する寸法となるように突極面４４ｂの湾曲した構造が決められている。また、突極３３および突極４４のそれぞれには、駆動コイルとなるステータコイル７が巻かれている。

ステータコア２の突極３の突極面３ｂおよび突極４の突極面４ｂに隙間を隔てて対向する位置にロータマグネット６が配置されている。ロータマグネット６は、円周方向に交互にＳＮＳＮ・・・と着磁されている。ロータマグネット６は、円筒形状のヨーク５の内側に収められている。

図２の構成によれば、軸方向から見て突極の先端部が周方向において非対称な形状を有する突極３３が存在することで、安定した起動特性が得られる。すなわち、突極３３の構造によれば、右回り方向と左回り方向で見た場合の形状のアンバランスに起因して、起動し易い電気的な特性が得られる。また、形状の違いに起因して、突極３３と突極４４とのコギングトルクの波形がずれるので、全体として見た場合のコギングトルクの低減が可能となる。

また、軸方向から見て周方向における形状が対称な突極４４における突極面４４ｂとロータマグネット６内周との間の距離が、左右で大であり、中央で小となる寸法関係とされている。こうすることで、出力される逆起電力波形の正弦波への整合率が高くなり、電流波形の制御が容易となり、またＡＣモータとしたときの円滑な動作が行われる様になる。このため、高効率で清音、低振動のモータが得られる。

（３）検証
以下、シミュレーションによって得られた本発明の優位性を検証した結果を説明する。ここでは、図２に示す実施形態の単相ブラシレスモータ１１と、図５に示す比較例の単相ブラシレスモータ１１１の特性を比較した結果を説明する。図５の単相ブラシレスモータは、内側がステータ（固定子）２００であり、それに対して外側のロータ２０が回転するアウターロータ型の８スロット、８極の単相ブラシレスモータである。

単相ブラシレスモータ１１１において、ステータ２００は、ステータコア２２２を備えている。ステータコア２２２は、ラジアル方向に延在する８個の突極３３３を備えている。この８個の突極３３３は、全て図１の極歯３と同じ構造とされている。すなわち、突極３３３は、突極先端部３３３ａと突極面３３３ｂを備えている。そして、突極面３３３ｂは、ロータマグネット６の内周面との距離が、一端から他端に向かって徐々に変化する構造とされている。

図３には、従来品（図５の構造）と本発明品（図２の構造）のコギングトルク特性が示されている。なお、図３の縦軸は相対値であり、横軸はロータの機械角である。図３を見れば明らかなように、本発明品は、従来品に比較して、コギングトルクのピークが抑えられ、コギングトルクが低減されている。特に図３には、ロータの機械角で見た１０度、５５度の付近におけるコギングトルクのピークを抑える効果が現れている。

図４に図３と同様な仕様での従来品と本発明品の逆起電力のＦＦＴを示す。なお、図４の縦軸は、規格化した逆起電力の規格値であり、横軸は、電気角３６０度を１倍とした倍数である。一般的に逆起電力の波形はサイン波形状に近いほど、静音、低振動となる。本発明品である周方向で対称形状の突極４４として、ロータマグネット６との隙間が径方向で、突極の円周方向中心が最小で両端にいくに従い大きくなる構造とした場合、サイン波整合率が７９％から８９％と改善しており、より滑らかな磁束変化となっている。これにより、静音、低振動効果が得られる。さらに回路側による励磁磁界も滑らかに入れる工夫により、単相ブラシレスモータでありながら、静音化性能を更に高めることが可能となる。

図５に示す構造は、軸方向から見た突極の構造を左右非対称な形状とすることで、起動安定性を確保することができるが、図３に示されるようにコギングトルクが大きい。コレに対して、本発明を利用した構造では、突極の構造を２群に分けることで、各群の突極に起因して発生するコギングトルクの波形をずらし、それによりコギングトルクのピークを抑えている。こうすることで、図３に示すような低コギングトルク特性と、軸方向から見て周方向で非対称な形状の突極に起因する起動安定性に優れた特性を両立することができる。

また、軸方向から見て周方向で対称な構造の突極において、突極面とロータマグネットとの間の距離を中央で小さく、左右の端部にゆくに従って大きくなるような構造とすることで、図４に示されるように、逆起電力の波形をサイン波形状に近づけ、それにより更に静音、低振動な特性とすることができる。

本発明の実施例、変形実施例は８スロット、８極の単相ブラシレスモータであるがこれに限定されず、６スロット、６極以上であれば発明を適用できる。また本発明の実施例、変形実施はアウターロータ型であるがインナーロータ型でもよい。インナーロータ型とした場合、内側にロータマグネットを配したロータが配置され、その外側に内側（ロータ）に向かって延在した極歯を有したステータが配置される。そして、ステータの構成に本発明が適用された形態となる。

本発明の態様は、上述した個々の実施形態に限定されるものではなく、当業者が想到しうる種々の変形も含むものであり、本発明の効果も上述した内容に限定されない。すなわち、特許請求の範囲に規定された内容およびその均等物から導き出される本発明の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更および部分的削除が可能である。

本発明は、単相ブラシレスモータに利用することができる。

１、１１…発明を利用したアウターロータ型の単相ブラシレスモータ
１０、３０、２００…ステータ
２０…ロータ
２、２２、２２２…ステータコア
３、３３、３３３…突極
３ａ、３３ａ、３３３ａ…突極先端部
３ｂ、３３ｂ、３３３ｂ…突極面
４、４４、３３３…突極
４ａ、４４ａ、３３３ａ…突極先端部
４ｂ、４４ｂ、３３３ｂ…突極面
５…ヨーク
６…ロータマグネット
７…ステータコイル

Claims (5)

1. ６以上の偶数の磁極を備えるロータと、
   前記ロータと隙間を隔てて配置され、前記ロータの前記磁極と同じ数の複数の突極を有するステータと、
   前記複数の突極のそれぞれに巻かれた駆動コイルと
   を備えた単相ブラシレスモータであって、
   前記複数の突極は、軸方向から見て周方向において対称な構造を有する第１の突極と、軸方向から見て周方向において非対称な構造を有する第２の突極とが交互に配置された構造を有することを特徴とする単相ブラシレスモータ。
2. 前記第２の突極は、前記ステータに対向する突極面を備え、
   前記第２の突極は、軸方向から見て、前記突極面と前記ステータとの間の距離が、周方向の一端から他端に向かって漸次大きくなる構造とされていることを特徴とする請求項１に記載の単相ブラシレスモータ。
3. 前記第１の突極は、前記ステータに対向する突極面を備え、
   前記第１の突極は、軸方向から見て、前記突極面と前記ステータとの間の距離が、周方向の両端で相対的に大きく、中央で相対的に小さい形状を有することを特徴とする請求項１または２に記載の単相ブラシレスモータ。
4. 前記第１の突極は、前記ステータに対向する突極面を備え、
   前記第１の突極は、軸方向から見て、前記突極面と前記ステータとの間の距離が、周方向で一定であることを特徴とする請求項１または２に記載の単相ブラシレスモータ。
5. 前記第１の突極に起因するコギングトルクの波形と前記第２の突極に起因するコギングトルクの波形とがずれていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の単相ブラシレスモータ。

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