JP2017046580A - 単相モータ - Google Patents

Abstract

【課題】起動信頼性を改善した単相モータを提供する。【解決手段】単相永久磁石モータが、ステータ及びロータを含む。ステータは、ステータコア及びステータ巻線を含む。ステータコアは、外側ヨークと、外側ヨークから内向きに延びる歯と、歯の内側端部から延びる磁極片とを含む。ロータは、磁極片によって協働的に定められた空間内に受け入れられる。ロータは、円周方向に配置された永久磁極を含む。永久磁極の外周面は、磁極片と磁極との間に均一な空隙が形成されるように磁極片の内周面と同心状である。この単相永久磁石モータは、均一な空隙を形成することによって振動及び騒音を低減する。磁極片は、見えない位置決めスロットを形成し、これによって位置決めスロットが空隙の厚みに及ぼす悪影響が避けられ、起動死点が減少する。【選択図】図１

Description

本発明は、単相永久磁石モータに関し、具体的には、均一な空隙を有する単相永久磁石モータに関する。

従来の単相永久磁石モータでは、ステータコアが一体構造として設けられ、すなわちステータコアは、ヨークと、ヨークから内向き延びる歯とを含み、ヨーク及び歯は、共に一体構造に形成される。隣接する歯の磁極片間には、スロット開口部が形成される。モータは、スロット開口部の存在によって過度に大きなコギングトルクを発生することがある。コギングトルクは、モータに振動及び騒音をもたらすことがある。さらに、スロット開口部の制限によってモータの起動角が小さくなり、起動信頼性に劣ってしまう。

従って、起動信頼性を改善した新たな単相モータが求められている。

ステータと、ステータに対して回転自在なロータとを備えた単相モータであって、ステータは、ステータコアと、ステータコアに巻き回されたステータ巻線とを含み、ステータコアは、外側ヨークと、外側ヨークから内向きに延びる複数の歯と、歯の内側端部から円周方向に延びる磁極片とを有し、磁極片は、これらの間に協働的に空間を定め、ロータは、この空間内に受け入れられ、磁極片とロータとの間には、ロータがステータに対して回転できるように空隙が形成され、ロータは、ロータの円周方向に沿って配置された磁極を含む、単相モータを提供する。磁極片は、ステータ巻線が通電されていない時に、磁極片の中間半径方向線が、選択された歯の中間半径方向線からオフセットされるように、磁極片の内周面によって覆われた位置決めスロットを形成する。

磁極片の内周面は、ロータの中心軸と同軸上に存在することが好ましい。

ロータの磁極の外周面は、磁極片の内周面と同心状であることが好ましい。

或いは、永久磁石の外周面からロータの中心軸までの距離は、外周面の中心部分から外周面の両端部にかけて減少する。

磁極の外周面は、磁極の中間半径方向線に関して対称であることが好ましい。

位置決めスロットは、磁極片においてモータの軸方向に沿って延びる止まり穴又は貫通穴であることが好ましい。

ロータは、ロータコアを含み、ロータの磁極は、ロータコアに取り付けられた複数の永久磁石又は環状の永久磁石によって形成されることが好ましい。

隣接する磁極片が接続されて閉じた内側リング部分を形成し、内側リング部分の内周面は、円筒形の円周面上に位置し、内側リング部分の各２つの隣接する歯間の部分に磁気ブリッジが配置されることが好ましい。

各磁気ブリッジは、２つの隣接する歯間の中間位置に配置され、又は位置決めスロットから離れる方向に中間位置からオフセットされることが好ましい。

内側リング部分は、各磁気ブリッジに対応する領域に、モータの軸方向に沿って延びる貫通穴を有し、又は各磁気ブリッジに対応する領域の外周面に溝を有することが好ましい。

磁気ブリッジは、２つの隣接する歯間の中間位置に最大磁気抵抗を有することが好ましい。

歯は、内側リング部分及びヨークの一方又は両方と別個に形成されることが好ましい。

各隣接する一対の歯間に位置する磁極片に、位置決めスロットのうちの１つが設けられ、位置決めスロットは、モータの軸方向に沿って連続的又は不連続的に延び、各位置決めスロットは、２つの隣接する歯から異なる距離だけ離間することが好ましい。

位置決めスロットの数は、磁極の数と同じであることが好ましい。

磁極片は、接続されて閉じた内側リング部分を形成し、内側リング部分の各２つの隣接する歯間の部分に磁気ブリッジが配置され、内側リング部分の磁気ブリッジにおける磁気抵抗は、位置決めスロットにおける磁気抵抗よりも大きいことが好ましい。

位置決めスロットの中心は、対応する一対の歯の対称中心から４５度〜１３５度の電気角だけオフセットされることが好ましい。

本発明の第１の実施形態による単相永久磁石モータを示す図である。 図１の単相永久磁石モータの外側ハウジングを除去した図である。 図１の単相永久磁石モータの外側のハウジング、ステータ巻線及び回転シャフトを除去した図である。 図１の単相永久磁石モータのステータ巻線を示す図である。 図１の単相永久磁石モータのロータコア及びその永久磁石を示す図である。 本発明の第２の実施形態による分離型ステータコアを示す図である。 本発明の第３の実施形態によるステータコアを示す図である。 本発明の第３の実施形態によるステータコア及びその永久磁石を示す図である。 本発明の第４の実施形態による分離型ステータコアを示す図である。 本発明の第５の実施形態によるステータコアを示す図である。

なお、図は縮尺通りではなく、一般に同様の構造又は機能を有する要素は、図全体を通じて例示を目的として同じ参照番号によって示す。また、図は、好ましい実施形態の説明を支援するものにすぎない。図は、説明する実施形態の全ての態様を示すものではなく、本開示の範囲を限定するものでもない。

第１の実施形態
図１〜図５を参照すると、本発明の第１の実施形態による単相モータ１０が、ステータ２０と、ステータ２０に対して回転自在なロータ５０とを含む。このモータは、単相ブラシレス永久磁石モータであることが好ましい。

ステータ２０は、１つの開口端を有する円筒形の外側ハウジング２１と、外側ハウジング２１の開口端に取り付けられたエンドキャップ２３と、外側ハウジング２１内に取り付けられたステータコア３０と、ステータコア３０に取り付けられた絶縁ブラケット４０と、ステータコアに巻き回されて絶縁ブラケット４０によって支持された巻線３９とを含む。ステータコア３０は、外側ヨーク３１と、外側ヨーク３１から内向きに延びる複数の歯３３と、各歯３３の半径方向内側端部からステータの円周方向に沿って両側に延びる磁極片３５とを含む。この実施形態では、外側ヨーク３１が閉リングの形を取り、従ってステータの外側リング部分と呼ばれる。磁極片３５も閉リングの形に接続され、従ってステータの内側リング部分と呼ばれる。巻線３９は、それぞれの歯３３に巻き回され、絶縁ブラケット４０によってステータコア３０から絶縁されることが好ましい。

ロータ５０は、歯の磁極片３５によって協働的に定められる空間内に収容され、磁極片３５とロータ５０との間には空隙４１が形成される。ロータ５０は、その円周方向に沿って配置された複数の磁極５５を含む。磁極５５の外周面は、磁極片３５の内周面と同心状であり、従ってこれらの間に均一な空隙を定めることが好ましい。具体的には、磁極片３５の内面は、ロータ５０の中心に中心を置く円上に位置する。磁極５５の外面５６も、ロータ５０の中心に中心を置く円上に位置する。すなわち、ステータ３０の磁極片によって形成される内側リング部分の内周面は、ロータの磁極５５の外周面と同心状であり、従って内側リング部分の内周面と磁極の外周面との間には均一な空隙が定められる。

図５を参照すると、この実施形態では、永久磁極５５が単一の環状永久磁石によって形成されている。また、ロータ５０は、回転シャフト５１をさらに含む。ロータがステータに対して回転できるように、回転シャフト５１の一端は、軸受２４を介してエンドキャップ２３に取り付けられ、他端は、別の軸受を介してステータの円筒形の外側ハウジング２１の底部に取り付けられる。

この実施形態では、ロータ５０が、ロータコア５３をさらに含む。回転シャフト５１は、ロータコア５３の中心を通過し、ロータコア５３は、シャフト５１に固定される。永久磁石は、ロータコア５３の外周面に取り付けられる。ロータコア５３の外周面には、複数の軸方向に延びる溝５４が形成される。各溝５４は、磁気漏れを低減するように２つの隣接する永久磁極の接合点に配置される。

ステータコア３０は、磁気導体材料で作製される。例えば、ステータコア３０は、モータの軸方向に沿って磁気積層体（業界で一般的なシリコン積層体）を積み重ねることによって形成される。歯３３は、モータの円周方向に沿って間隔を置いて均一に配置されることが好ましい。磁極片３５の内側端部の内面は、ロータ５０の中心に中心を置く円上に位置し、隣接する磁極片３５同士は接続されて、閉じた内側リング部分を形成する。内側リング部分の隣接する歯３３間の部分には、磁気抵抗の大きな磁気ブリッジ３６が形成される。磁気ブリッジ３６は、対応する２つの隣接する歯間の中間位置に存在することが好ましい。

この実施形態では、磁気ブリッジにおける内側リング部分の半径方向厚さが、内側リング部分の他の部分の半径方向厚さよりも小さく、従って磁気ブリッジ３６の磁気抵抗を高めている。具体的には、内側リング部分の外周面上の各磁気ブリッジ３６に対応する領域に溝３７が形成される。各磁気ブリッジ３６に関連する溝３７の数は１である。溝３７は、円弧形、四角形又は別の好適な形状を有することができる。

この実施形態では、各２つの隣接する歯３５間の磁極片３５が、位置決めスロット３８を形成する。位置決めスロット３８の数は、ステータの極の数及びロータの永久磁極の数と同じであり、この実施形態では４である。この実施形態では、ステータ巻線が集中巻であり、従って歯の数はステータの極の数と同じである。別の実施形態では、１つのステータ巻線が複数の歯に及ぶことができ、複数の歯が１つのステータ極に対応する。従って、ステータの歯の数は、ステータ極の整数倍、すなわち２倍、３倍などになり得る。この実施形態では、位置決めスロット３８がモータの軸方向に沿って延び、磁極片同士を接続することによって形成される内側リング部分の内周面と外周面との間に配置される。従って、位置決めスロット３８は、隠れた位置決めスロットと呼ばれ、すなわち内側リング部分の外周面又は内周面から露出しない。位置決めスロット３８は、内周面に近接して配置されながらも内周面によって覆われる／隠されることが好ましい。別の実施形態では、位置決めスロット３８が、モータの軸方向に沿って連続的に延びる。各位置決めスロット３８は、対応する２つの隣接する歯の対称中心からの中心オフセットを有し、すなわち位置決めスロット３８は、ステータ巻線が通電されていない時にはロータが死点からオフセットされた位置で停止するように、２つの歯から異なる距離だけ離間することが好ましい。死点とは、ステータ巻線が通電された時にロータに加わるトルクがゼロである位置を意味する。各位置決めスロット３８の中心は、対応する２つの隣接する歯の対称中心から４５度〜１３５度の電気角Ｑだけ角度的にオフセットされることが好ましい。すなわち、位置決めスロット３８の中心及びロータの中心を通る線Ｌ１と、隣接する歯３３の対称中心線Ｌ２とが、これらの間に角度Ｑを形成する。

モータが通電されていない時には、隣接するロータ磁極間の中立領域が、対応する２つの隣接する歯３３の対称中心と整列せず、磁極片の位置決めスロット３８とそれぞれ整列する。従って、線Ｌ１、Ｌ２間に形成される上記の角度Ｑは、起動角とも呼ばれる。この実施形態では、起動角が、４５度の電気角よりも大きく１３５度の電気角よりも小さい。モータのステータ巻線３９に電流が一方向に供給されると、ロータ５０は一方向に沿って始動することができる。モータのステータ巻線３９に電流が逆方向に供給されると、ロータ５０は逆方向に沿って始動することができる。起動角が９０度の電気角である（すなわち、位置決めスロット３８が歯の中間半径方向線と整列し、ロータ磁極の中心と対応する隣接する歯３３の対称中心とが互いに一致する）時には、ロータ５０が容易に両方向に始動することができ、すなわちこの角度が双方向始動を最も容易に実現できる角度であると理解されたい。起動角が９０度の電気角からオフセットされると、ロータは、一方向における始動の方が逆方向よりも容易になる。数多くの実験から、起動角が４５度の電気角〜１３５度の電気角の時に、ロータの双方向始動の信頼性が良好であることが分かった。

第２の実施形態
図６を参照すると、この実施形態は、ステータ巻線３９の巻線効率を高めるためにステータコアが分離型構造になっている点で上記の実施形態と異なる。具体的には、歯３３と内側リング部分とが一体構造の形に一体形成され、歯３３と外側ヨーク３１とが分離構造であり、すなわち外側ヨーク３１と歯３３とが別個に形成された後に共に組み立てられる。各歯３３は、溶接又は様々な機械的接続法（例えば、あり継ぎ）によって外側ヨーク３１に固定して接続することができると理解されたい。別の実施形態では、歯３３、ヨーク３１及び内側リング部分が全て別個に形成され、歯３３は、ステータ巻線３９が巻かれた後にヨーク３１及び内側リング部分に固定して接続される。

第３の実施形態
図７及び図８を参照すると、この実施形態と第１の実施形態とでまず違うのは、この実施形態では、内側リング部分の外周面上の各磁気ブリッジ３６に対応する領域に溝３７が形成されている点である。各磁気ブリッジ３６に対応する溝３７の数は１よりも多く、例えば３である。磁気ブリッジ３６は、２つの隣接する歯間の中間位置に最大磁気抵抗を有する。例えば、各磁気ブリッジが３つの溝を有する時には、歯３３から離れた溝の方が大きなサイズを有する。すなわち、溝が歯３３に近ければ近いほど溝のサイズ（特に半径方向深さ）が小さくなり、溝が歯３３から離れれば離れるほど溝のサイズ（特に半径方向深さ）が大きくなる。２つの隣接する歯３３間の内側リング部分には磁気ブリッジ３６が配置されるので、２つの隣接する歯３３間の中間部分の溝が、最も大きなサイズを有する。

この実施形態でも、２つの隣接する歯間の磁極片３５が、同様に位置決めスロット３８を有する。位置決めスロット３８は、外周面と内周面との間に配置された、モータの軸方向に延びる止まり穴又は貫通穴である。

また、この実施形態の磁極は、複数の円弧状の永久磁石５７、例えば４つの円弧状の永久磁石５７によって形成される。複数の円弧状の永久磁石５７は、ロータコア５３の外周面に取り付けられる。同様に、ロータコアの外周面には、各々が磁気漏れを低減するように２つの隣接する永久磁石５７の接合点に配置された軸方向に延びる溝５４が設けられる。永久磁石５７の外周面は、ステータコアの内側リング部分の内周面とロータの磁極５７の外周面との間に均一な空隙が形成されるように、ロータシャフト５１の中心と同軸上に存在することが好ましい。別の例では、永久磁石５７の外周面が、ロータシャフト５１の中心と同軸上に存在しない。例えば、永久磁石５７の外周面からロータシャフトの中心までの距離が、外周面の中心部分から外周面の端部にかけて減少する。磁極５７の外周面は、磁極５７の中間半径方向線に関して対称であることが好ましい。

第４の実施形態
図９に、本発明の第４の実施形態による分離型ステータコアを示す。

この実施形態は、ステータコアが、ステータ巻線３９の巻線効率を高めるために分離型構造になっている点で第３の実施形態と異なる。具体的には、歯３３とヨーク３１とが一体構造の形に一体形成され、歯３３と内側リング部分とが分離構造であり、すなわち内側リング部分と歯３３とが別個に形成された後に共に組み立てられる。各歯３３は、溶接又は様々な機械的接続手段（例えば、あり継ぎ）によって内側リング部分に固定して接続することができると理解されたい。別の実施形態では、歯３３、ヨーク３１及び内側リング部分が全て別個に形成され、歯３３は、ステータ巻線３９が巻かれた後にヨーク３１及び内側リング部分に固定して接続される。

第５の実施形態
図１０には、本発明の第５の実施形態によるステータコアを示す。

この実施形態では、第３の実施形態とは異なり、内側リング部分の磁気ブリッジ３６に対応する領域に貫通穴３２が形成されている。貫通穴３２の数は、１又は２以上とすることができる。磁気ブリッジ３６は、２つの隣接する歯間の中間位置に最大磁気抵抗を有する。例えば、各磁気ブリッジが３つの貫通穴を有する時には、歯３３から離れた貫通穴の方が大きなサイズを有する。すなわち、貫通穴が歯３３に近ければ近いほど貫通穴のサイズ（特に貫通穴の直径）が小さくなり、貫通穴が歯３３から離れれば離れるほど貫通穴のサイズ（特に貫通穴の直径）が大きくなる。２つの隣接する歯３３間の内側リング部分には磁気ブリッジ３６が配置されるので、２つの隣接する歯３３間の中間部分の貫通穴が、最も大きな直径を有する。

なお、上記全ての実施形態では、歯の磁極片３５を接続することによって形成された内側リング部分の磁気ブリッジ３６における半径方向サイズが、位置決めスロット３８における半径方向サイズよりも小さい。たとえ位置決めスロット３８が形成されたとしても、内側リング部分は、磁気ブリッジ３６に最大磁気抵抗を有する。

本発明の実施形態では、単相永久磁石モータが環状の永久磁極を含み、ステータコアの磁極片の内面が、ロータの中心に中心を置く円上に位置して均一な空隙の形成を容易にすることにより、先行技術において隣接する磁極片間に形成されたスロット開口部に起因して発生する振動及び騒音を低減する。また、起動時に必要な起動角及びコギングトルクを所望の要件に従って容易に調整することができ、従って起動死点を減少又は排除してモータ起動の信頼性を高める。例えば、モータ起動角は、内側リング部分の位置決めスロットの位置を調整することによって容易に調整することができる。モータロータは、起動角Ｑが４５度の電気角よりも大きく１３５度の電気角よりも小さい時に双方向に起動することができる。内側リング部分の位置決めスロットの形状、サイズ及び深さを調整することにより、起動前のモータのコギングトルクを調整することができる。ステータコアの内側リング部分が連続構造であり、内側リング部分の２つの隣接する歯間の部分が磁気ブリッジによって接続されることにより、従来のステータの磁極片間に形成されるスロット開口部に起因する磁気抵抗の急激な変化を避け、モータのコギングトルクを低減することができる。ステータコアが分離型構造であることにより、歯とヨークを組み立てる前に二重フライヤ式巻線機を用いて巻線過程を実行することができ、これによって巻線効率が高まる。

本発明における「リング部分」という用語は、円周方向に沿って連続的に延びることによって形成される閉じた構造を意味する。

１又は２以上の好ましい実施形態を参照しながら本発明を説明したが、当業者であれば様々な修正が可能なことを理解するはずである。従って、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲を参照して決定すべきである。

Claims (16)

1. ステータ及びロータを備えた単相モータであって、
   前記ステータは、ステータコアと、該ステータコアに巻き回されたステータ巻線とを含み、前記ステータコアは、複数の歯と、該歯の内側端部から円周方向に延びる磁極片とを有し、該磁極片は、該磁極片間に協働的に空間を定め、
   前記ロータは、前記ステータの前記空間内に回転自在に受け入れられ、前記磁極片と前記ロータとの間には、前記ロータが前記ステータに対して回転できるように空隙が形成され、前記ロータは、該ロータの円周方向に沿って配置された磁極を含み、
   前記磁極片は、前記ステータ巻線が通電されていない時に、前記磁極片の中間半径方向線が対応する歯の中間半径方向線からオフセットされるように、前記磁極片の内周面によって覆われた位置決めスロットを形成する、
   ことを特徴とする単相モータ。
2. 前記磁極片の前記内周面は、前記ロータの中心軸と同軸上に存在する、
   請求項１に記載の単相モータ。
3. 前記ロータの前記磁極の外周面は、前記磁極片の前記内周面と同心状である、
   請求項２に記載の単相モータ。
4. 前記永久磁石の外周面から前記ロータの前記中心軸までの距離は、前記外周面の中心部分から前記外周面の両端部にかけて減少する、
   請求項２に記載の単相モータ。
5. 前記磁極の前記外周面は、前記磁極の中間半径方向線に関して対称である、
   請求項２に記載の単相モータ。
6. 前記位置決めスロットは、前記磁極片において前記モータの軸方向に沿って延びる止まり穴又は貫通穴である、
   請求項１から５のいずれか１項に記載の単相モータ。
7. 前記ロータは、ロータコアを含み、前記ロータの前記磁極は、前記ロータコアに取り付けられた複数の永久磁石又は環状の永久磁石によって形成される、
   請求項１から６のいずれか１項に記載の単相モータ。
8. 隣接する磁極片が接続されて閉じた内側リング部分を形成し、該内側リング部分の内周面は、円筒形の円周面上に位置し、前記内側リング部分の各２つの隣接する歯間の部分に磁気ブリッジが配置される、
   請求項１から７のいずれか１項に記載の単相モータ。
9. 各磁気ブリッジは、２つの隣接する歯間の中間位置に配置され、又は前記位置決めスロットから離れる方向に前記中間位置からオフセットされる、
   請求項８に記載の単相モータ。
10. 前記内側リング部分は、各磁気ブリッジに対応する領域に、前記モータの軸方向に沿って延びる貫通穴を有し、又は各磁気ブリッジに対応する領域の外周面に溝を有する、
    請求項８に記載の単相モータ。
11. 前記磁気ブリッジは、前記２つの隣接する歯間の前記中間位置に最大磁気抵抗を有する、
    請求項１０に記載の単相モータ。
12. 前記ステータコアは、外側ヨークをさらに有し、前記歯は、前記外側ヨークから内向きに延び、前記歯は、前記内側リング部分及び前記ヨークの一方又は両方と別個に形成される、
    請求項８に記載の単相モータ。
13. 各隣接する一対の歯間に位置する前記磁極片に、前記位置決めスロットのうちの１つが設けられ、前記位置決めスロットは、前記モータの軸方向に沿って連続的又は不連続的に延び、各位置決めスロットは、前記２つの隣接する歯から異なる距離だけ離間する、
    請求項１から１２のいずれか１項に記載の単相モータ。
14. 前記位置決めスロットの数は、前記磁極の数と同じである、
    請求項１３に記載の単相モータ。
15. 前記磁極片は、接続されて閉じた内側リング部分を形成し、前記内側リング部分の各２つの隣接する歯間の部分に磁気ブリッジが配置され、前記内側リング部分の前記磁気ブリッジにおける磁気抵抗は、前記位置決めスロットにおける磁気抵抗よりも大きい、
    請求項１３に記載の単相モータ。
16. 前記位置決めスロットの中心は、対応する一対の歯の対称中心から４５度〜１３５度の電気角だけオフセットされる、
    請求項１３に記載の単相モータ。

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