JP2017189090A - 単相モータ及びそのロータ - Google Patents

Abstract

【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、ロータコア内に均等に離間して埋め込まれる。ロータコアの外周壁は、不規則な円柱であり、複数の離間した円弧面及び移行面を含む。単相モータの始動は、安定しておりしかも信頼性がある。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

Description

[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。

[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] 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。

[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。

[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。永久磁石は、ロータコア内に均等に離間して埋め込まれる。ロータコアの外周壁は、不規則な円柱であり、複数の離間した円弧面及び移行面を含む。

[0006] 好ましい実施形態として、隣接する２つの永久磁石の中立領域の中央線が、対応する１つの移行面における中央線と一致する。

[0007] 好ましい実施形態として、各永久磁石の磁極軸線が、永久磁石の近くにある円弧面の中央線と一致する。

[0008] 好ましい実施形態として、複数の円弧面は、同じ円柱の表面上に設ける。

[0009] 好ましい実施形態として、移行面は、円弧面に対して内方にくぼんだ短い平坦面であり、又は移行面は、円弧面に対して内方にくぼんだ複数の短い平坦面を連結することによって形成される。

[0010] 好ましい実施形態として、各移行面は実質的に円弧面であり、移行面の曲率は円弧面の曲率よりも小さく、移行面及び円弧面の湾曲方向は同じである。

[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、巻付部分の一端に連結された磁極片とを含む。

[0012] 好ましい実施形態として、２つの隣接する磁極片間にスロットが定まり、磁極片とロータとの間に不均等な間隔で不均一な空隙が定まる。

[0013] 好ましい実施形態として、移行面と磁極片との間の距離が、円弧面と磁極片との間の距離を越える。

[0014] 好ましい実施形態として、モータは非通電状態であるという条件の下に、隣接する２つの永久磁石の中立領域の中央線が、対応する１つの移行面における中央線、及び対応する１つの巻付部分における中央線と実質的に一致する。

[0015] 好ましい実施形態として、スロットの最小円周方向距離をａとし、移行面からロータコアの半径方向に沿って対応する磁極片までの最大距離をｂ１とし、円弧面からロータコアの半径方向に沿って磁極片までの最小距離をｂ２とすると、ｂ２＜ａ＜ｂ１である。

[0016] 好ましい実施形態として、移行面からロータコアの半径方向に沿って磁極片までの最大距離は、ロータコアの円弧面から磁極片まで最小距離よりも大きいが、最大距離は、ロータコアの円弧面から磁極片までの最小距離の３倍よりも小さい。

[0017] 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°＜電気角＜１５０°である。

[0018] 好ましい実施形態として、モータの始動角度は、電気角７０°と電気角１１０°との間である。

[0019] 好ましい実施形態として、磁極片の各々は、ロータに向いた極弧面を備え、複数磁極片の複数極弧面は、同じ円柱面上に位置して一緒に収納空間を取り囲み、ロータは、収納空間内に回転可能に収納される。

[0020] 本開示のモータは、ロータコアの外周壁上に複数の円弧面及び複数の移行面が設けられ、その結果、ロータの開始位置はモータの始動死点を回避して、モータの始動がより安定してかつより信頼できるようになり、要求される始動電流がより低くなる。

[0021] 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。 [0022] 図１に示したステータ及びロータの平面図である。 [0023] 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。 [0024] 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。 [0025] 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。 [0026] 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。 [0027] 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。

[0028] 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。

[0029] 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。

[0030] 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。

[0031] 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。

[0032] 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。

[0033] 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。

[0034] 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。

[0035] 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。巻付部分２１３１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。

[0036] 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の幅は巻線の幅よりも大きい。

[0037] 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。

[0038] ロータ３０は、ロータコア３１と、複数の永久磁石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の内側に軸方向に沿って埋め込まれた角型の永久磁石である。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。

[0039] ロータコア３１の外周壁は不規則な円柱である。本実施形態では、ロータコア３１の外周壁は、複数の円弧面３１２及び複数の移行面３１３を備え、それらは交互に配置される。移行面３１３は短い平坦面である。

[0040] 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。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。ロータコア３１の円周壁と磁極片２１３３との間に空隙５０が形成され、その結果ロータはステータ２０に対して回転することができる。ロータコア３１の円周壁に沿って円弧面３１２から極弧面２１３３１までの最小距離は、ロータコア３１に沿って移行面３１３から極弧面２１３３１までの最小距離よりも小さいので、空隙５０は不均一な空隙であり、ロータは始動死点をうまく避ける。

[0041] 引き続き図２を参照して、本実施形態ではロータコア３１の軸線方向から見れば、２つの隣接する永久磁石３３の中立領域の中央線（図面中破線Ａにて示す）は、そのような２つの永久磁石３３に近い移行面３１３の中央線と一致する。各永久磁石３３の磁極軸線（図面中破線Ｂにて示す）は、円弧面３１２の１つにおける中央線と一致する。

[0042] 理解できるように、他の実施形態ではロータコア３１の軸線方向から見れば、各移行面３１３は、複数の短い平坦面を連結することによって形成された近似の曲面とすることができ、或いは円弧面３１２とは曲率が異なる円弧面又は他の形状によって形成される。複数の円弧面３１２は、同じ円柱の円周壁上に位置する。

[0043] 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、既存技術のロータコア３１が円柱であるとき、すなわち、ステータとロータ３０との間の空隙は均一な空隙であるとき、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は、スロット２１５の１つにおける中央線と一致し、ロータ磁極３３の磁極軸線Ｂは、ステータ歯２１３の１つにおける磁極軸線と一致し、ロータ位置はこの時まで死点位置である。

[0044] 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。

[0045] 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。移行面３１３が存在するおかげで、各永久磁石３３の磁極軸線の位置がスロット２１５の１つにおける中央線の位置と整列するとき、ロータの永久磁極が発生する磁界によって磁気回路が受ける磁気抵抗は最小である。そのため、永久磁石３３の各々は、そ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、換言すれば、２つの隣接する永久磁石３３の中立領域の中央線が巻付部分２１３１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、その結果モータ１００のロータ３０は、始動死点位置であることが妨げられる。永久磁石３３の磁極軸線が隣接する巻付部分２１３１の中央線から外れた角度は、始動角度と呼ばれる。

[0046] 始動角度の大きさは、複数の円弧面３１２の大きさ及び移行面３１３の大きさに応じて変化することができる。例示の便宜上、図２を再度参照すると、各スロット２１５の最小円周方向距離がａと定義され、空隙５０の最大幅がｂ１と定義され、空隙５０の最小幅がｂ２と定義され、すなわち、移行面３１３からロータコア３１の半径方向に沿って極弧面２１３３１までの最大距離をｂ１とし、円弧面３１２から対応する極弧面２１３３１までの最小距離をｂ２とすると、ｂ２＜ａ＜ｂ１であり、すなわち、各スロット２１５の円周方向幅ａは、円弧面３１２から極弧面２１３３１までの最小距離ｂ２よりも大きいが、円周方向幅ａは、移行面３１３からロータコア３１の半径方向に沿って極弧面２１３３１までの最大距離ｂ１よりも小さい。さらに、ｂ２＜ｂ１＜３^*ｂ２であり、すなわち、移行面３１３からロータコア３１の半径方向に沿って極弧面２１３３１までの最大距離ｂ１は、円弧面３１２から極弧面２１３３１までの最小距離ｂ２よりも大きいが、最大距離ｂ１は、円弧面３１２から極弧面２１３３１までの最小距離ｂ２の３倍よりも小さい。

[0047] 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°である。

[0048] 始動角度は、電気角７０°と電気角１１０°との間である。モータ１００の始動角度が９０°に設定されたとき、ステータ２０の巻線に電流が一方向に流れると、ロータ３０は、第１の方向に沿って始動することができ、モータステータ２０の巻線に電流が反対方向に流れると、ロータ３０は、第１の方向とは反対の第２の方向に沿って始動することができる。

[0049] 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、モータのロータコア３１の外側壁が円筒状である場合における、モータ１００のコギングトルク曲線グラフである。図６にて、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。ロータコア３１が移行面３１３を有しない場合、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。

[0050] 図７にて、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。ロータコア３１が複数の円弧面３１２及び複数の移行面３１３を備える場合、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。

[0051] 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。

[0052] 本開示のモータ１００は、ロータコア３１の円周壁上に複数の円弧面３１２及び複数の移行面３１３を備え、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、より安定してかつより信頼できるようになり、要求される始動電流がより低くなる。モータ１００の電磁気ノイズ、鉄損は、温度上昇と同様に低減され、モータ１００は、モータのロータ３０の打抜き周囲形状を変更することによって高機能を維持する。

[0053] 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ができる。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。

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
３１２ 円弧面
３１３ 移行面
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
ｂ１ 移行面から磁極片までの最大距離
ｂ２ 円弧面から磁極片までの最小距離

Claims (10)

1. 単相モータのロータであって、
   ロータコアであって、その外周壁は、不規則な円柱であり、複数の離間した円弧面及び移行面を含むロータコアと、
   前記ロータコア内に均等に離間して埋め込まれた複数の永久磁石と、
   を備えることを特徴とする単相モータのロータ。
2. 隣接する２つの前記永久磁石の中立領域の中央線は、対応する前記移行面の１つにおける中央線と一致する、請求項１に記載の単相モータのロータ。
3. 各前記永久磁石の磁極軸線は、前記永久磁石の近くにある円弧面の中央線と一致する、請求項１又は２に記載の単相モータのロータ。
4. 前記複数の円弧面は同じ円柱の表面上に設ける、請求項１〜３の何れか１つに記載の単相モータのロータ。
5. 前記移行面は、前記円弧面に対して内方にくぼんだ短い平坦面であり、又は前記移行面は、前記円弧面に対して内方にくぼんだ複数の短い平坦面を連結することによって形成される、請求項１〜４の何れか１つに記載の単相モータのロータ。
6. 各前記移行面は実質的に弧面であり、前記移行面の曲率は、前記円弧面の曲率よりも小さく、前記移行面及び前記円弧面の湾曲方向は同じである、請求項１から５の何れか１つに記載の単相モータのロータ。
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、前記外側ヨークから内方に延びた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、前記巻付部分の一端に連結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。
8. ２つの隣接する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、前記移行面から前記ロータコアの前記半径方向に沿って対応する前記磁極片までの最大距離をｂ１とし、前記円弧面から前記ロータコアの前記半径方向に沿って前記磁極片までの最小距離をｂ２とすると、ｂ２＜ａ＜ｂ１である、請求項７に記載の単相モータ。
9. 前記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、請求項７又は８に記載の単相モータ。
10. 前記モータの始動角度は、電気角７０°と電気角１１０°との間である、請求項７又は８に記載の単相モータ。