JP2019103293A - モータ - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石ロータを用いた単相モータにおいて、ティース部の基部を幅狭にする構造を用いた場合にも、磁束の流れの制限を抑制してモータ出力の向上をできるようにする。【解決手段】永久磁石を有するロータ２と、ロータ２の外周にロータ２と空隙を介して配置されロータ２と対向する少なくとも一対のティース部３２を有するステータコア３０及びティース部３２の周囲に装備されたコイル３４からなるステータ３と、を備えるモータであって、コイル３４はティース部３３の周壁面３３ｂ，３３ｃから離隔した位置に配置されている。【選択図】図１

Description

本発明は、永久磁石ロータを用いたモータに関するものである。

永久磁石ロータを用いたモータは、いわゆるブラシレスモータとして構成できる。中でも、単相モータとして構成すると、駆動回路も含めて簡素に構成することができる。
このようなモータでは、永久磁石ロータの周囲に、ステータコアのティース部にコイルを装備したステータが配置される。ティース部の先端面は、永久磁石ロータの外周面に近接して対向するように配置され、ステータと永久磁石ロータとの間で磁束の流入出を行う。

永久磁石ロータを用いたモータでは、ステータと永久磁石ロータとの間で磁束の流入出量を増大させるためや、トルク脈動を低減させることを目的として、ティース部の先端面（即ち、ロータの外周面と対向する対向面）をティース部の基端部よりも幅広にする構造が提案されている。この場合、ティース部の基端部は、幅狭にくびれることになる。さらに、磁束を増大させるために、このくびれ部の外側の空間も余すことなく利用して巻線を巻回して巻線量の多いコイルを形成するようにしている（以上、特許文献１，２参照）。

特許第４８１５２５９号公報 特許第５６８０３９７号公報

しかしながら、ステータコアのティース部においてコイルの巻線と鎖交する磁束は、幅の狭いくびれ部を通過するため、このくびれ部で流れが制限されてしまう。コイルの巻線量を多くしてもこのくびれ部で磁束の流れが制限されるため、モータの出力も制限され、モータの出力を増大させることが困難になる。

本件は、このような課題に鑑み創案されたもので、永久磁石ロータを用いたモータにおいて、ティース部の基部を先端部よりも幅狭にする構造を用いた場合にも、幅狭の部分による磁束の流れの制限を抑制して、モータ出力の向上を促進できるようにすることを目的とする。

（１）本件明細書で開示するモータは、永久磁石を有するロータと、前記ロータの外周に前記ロータと空隙を介して配置され前記ロータと対向する一対のティース部を有するステータコア及び前記ティース部の周囲に装備されたコイルからなるステータと、を備えるモータであって、前記コイルは前記ティース部の周壁面から離隔した位置に配置されていることを特徴としている。

（２）前記ステータコアは、前記ロータの外周を包囲するヨーク部と、前記ヨーク部の前記ロータを挟んで位置する一対のティース形成箇所からそれぞれ前記ロータに向けて突出した前記ティース部と、を備え、前記ティース部は、前記ティース形成箇所に近い基部よりも前記ロータの外周面に近接配置される先端部の方が幅広に形成されていることが好ましい。

（３）前記ティース部の前記周壁面には、前記ティース形成箇所において前記ヨーク部の内向き壁面と交差する一対の側壁面が含まれ、それぞれの前記側壁面と前記内向き壁面とが交差する箇所には、軸方向視で互いに鋭角な二つの面で隅部空間が形成され、前記隅部空間にはコイルが配置されないことが好ましい。

（４）前記ヨーク部は、閉磁路を形成していることが好ましい。
（５）前記ヨーク部は、前記ロータの軸方向視において一対の長辺部と一対の短辺部とからなる矩形に形成され、前記ティース部は、前記各長辺部にそれぞれ形成されていることが好ましい。

（６）それぞれの前記ティース部の前記突出方向の先端に形成される先端壁面は、前記ロータの外周に沿うように部分円筒状に形成され、前記先端壁面の一縁側と他縁側とは、異なる突出量に設定されていることが好ましい。
（７）入力が単相交流であることが好ましい。

コイルをティース部の周壁面から離隔した位置に配置した場合、コイルとティース部の周壁面との間の空間も磁束が通過しうるため、コイルの巻線量に対して効率よく磁束が発生し、モータ出力を増大するうえで有利になる。

本発明の一実施形態に係る単相モータの要部を軸方向から見た状態で示す構成図である。 単相モータの磁束の流れを模式的に示す図であり、（ａ）は比較例のものを示し、（ｂ）は本実施形態のものを示す。

以下、図面を参照して、実施形態としてのモータについて説明する。以下に示す実施形態はあくまでも例示に過ぎず、以下の実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。本実施形態の各構成は、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。また、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせることができる。

〔実施形態〕
（構成）
図１に示すように、本実施形態に係るモータは入力が単相交流である単相モータであって、この単相モータ（以下、単にモータともいう）１は、内側に配置されたロータ２と、外側に配置されたステータ３と、を有するインナーロータ型の２極２スロットの単相ブラシレスモータである。

ロータ２は、永久磁石を有しており、ロータ２の外周にはＮ極２１とＳ極２２とが１８０度位相をずらして配置されている。このロータ２は回転中心Ｏ_１の周りに回転する。

ステータ３は、複数の薄板（例えば鋼板）が積層されて構成されたステータコア３０とステータコア３０に装備されたコイル３４とを有し、ステータコア３０はロータ２の外周にロータ２と空隙を介して配置されている。
また、ステータコア３０は、軸方向から見て回転中心Ｏ_１に対して点対称に形成され、ロータ２の外周を包囲するヨーク部３１と、ヨーク部３１においてロータ２を挟んで位置する一対のティース形成箇所３２，３２からそれぞれロータ２に向けて突出した一対のティース部３３，３３と、を備えている。

ヨーク部３１は、軸方向から見て矩形の環状に形成され、矩形の各長辺に対応し一定幅で延びる長辺部３１ａ，３１ａと矩形の各短辺に対応し一定幅で延びる短辺部３１ｂ，３１ｂとを有している。ティース形成箇所３２，３２は、各長辺部３１ａ，３１ａに設けられている。ここでは、長辺部３１ａの幅の方が短辺部３１ｂの幅よりも大きく設定されている。

各ティース部３３は、その突出方向先端に形成される先端壁面３３ａが、ロータ２の外周面２ａに沿うように軸方向から見て部分円筒状に形成されている。また、軸方向から見て各ティース部３３の両側方に位置する側壁面３３ｂ，３３ｃは短辺部３１ｂと平行ではなく、先端に行くにしたがって互いに離隔するように、即ち、基部よりも先端部の方が幅広になるように、傾斜している。ティース部３３の側壁面３３ｂ，３３ｃは、基端がくびれた形状になっている。

ティース形成箇所３２，３２において、側壁面３３ｂ，３３ｃはヨーク部３１の内向き面３２ａ，３２ｂと交差するが、これら側壁面３３ｂ，３３ｃと内向き面３２ａ，３２ｂとの交差する箇所には、軸方向視で互いに鋭角（直角よりも小さい角度）な交差角度をなす側壁面３３ｂ，３３ｃと内向き面３２ａ，３２ｂとの二つの面で区画されて隅部空間３５，３６が形成されている。本実施形態では、側壁面３３ｃと内向き面３２ｂとのなす角度と側壁面３３ｂと内向き面３２ａとのなす角度とが異なる大きさに形成されている。具体的には、側壁面３３ｃと内向き面３２ｂとのなす角度の方が、側壁面３３ｂと内向き面３２ａとのなす角度よりも鋭角に形成されている。

これに対応して、本実施形態では、先端壁面３３ａの一縁側の角部３３ｄと他縁側の角部３３ｅとは、対向するティース部３３に向けて異なる突出量に設定されている。具体的には、先端壁面３３ａの一縁側角部３３ｄは他縁側角部３３ｅよりも大きく突出している。なお、ステータコア３０は軸方向から見て回転中心Ｏ_１に対して点対称に形成されているので、一対のティース部３３も軸方向から見て回転中心Ｏ_１に対して点対称に形成されている。

各ティース部３３の周囲には、例えば銅製の巻線３４ａが巻回されて構成されたコイル３４が装備されている。各コイル３４は交流電源に接続され、一方のティース部３３から他方のティース部３３へ、或いは、他方のティース部３３から一方のティース部３３へと、交流周波数に応じて交互に磁束が発生する。特に、特徴的な構成として、巻線３４ａはティース部３３の周壁面（特に、側壁面）３３ｂ，３３ｃの基部から離隔した位置に配置されている。さらに言えば、隅部空間３５，３６には巻線３４ａを配置していない。なお、隅部空間３５，３６は、図１において、ティースの角部３３ｄ，３３ｅから内向き面３２ａ，３２ｂに下した垂線の沿った面と、内向き面３２ａ，３２ｂと、側壁面３３ｂ，３３ｃとで囲まれる空間として規定することができる。

各コイル３４に交流電流が供給されると、ヨーク部３１が、磁路（磁気回路）を形成してこの磁路内を、図１中に矢印で示すように磁束が流通する。磁束の矢印は図１中に左半部のみ１本だけを模式的に示すが、右半部にも左半部と線対称状に磁束が流通する。さらに、各ティース部３３の相互間では、一方のティース部３３からロータ２を介して他方のティース部３３へ流れる磁束、或いは、他方のティース部３３からロータ２を介して一方のティース部３３へ流れる磁束が発生する。ヨーク部３１は、ロータ２を包囲する環状に形成されるので、磁路はロータ２の周囲を閉鎖する閉磁路（閉回路）となっている。なお、図１では、磁束を例示的に一本のみの矢印で示すが、矢印の数に意味はない。

（作用及び効果）
本実施形態に係る単相モータ１は上記のように構成されており、巻線３４ａはティース部３３の側壁面３３ｂ，３３ｃの基部から離隔した位置に配置されているので、巻線３４ａとティース部３３の側壁面３３ｂ，３３ｃとの隙間の空間を含めて磁束が流通しうるため、コイルの巻線量に対して効率よく磁束が発生し、モータ出力を増大するうえで有利になる。

つまり、図２（ａ）に示すモータ１´のように、巻線３４ａ´をティース部３３の側壁面３３ｂ，３３ｃの直近まで或いは側壁面３３ｂ，３３ｃの接触する領域まで巻回してコイル３４´を構成する場合、巻線３４ａ´と鎖交する磁束は、巻線３４ａ´の内部で、矢印で示すように、ステータコア３０のティース部３３内のみに限定されて流通する。このように、側壁面３３ｂ，３３ｃの直近まで巻線３４ａ´を配置して巻線量を増大させても、磁束はティース部３３内に制限されて流通するため、コイルの巻線量に対して磁束を高めることができず、モータ出力の増大も制限される。

一方、図２（ｂ）に示す本単相モータ１のように、巻線３４ａはティース部３３の側壁面３３ｂ，３３ｃの基部から離隔した位置に配置されていると、巻線３４ａと鎖交する磁束は、巻線３４ａの内部で、矢印で示すように、ステータコア３０のティース部３３内だけでなく、ヨーク部３１の内向き面３２ａ，３２ｂとティース部３３の側壁面３３ｂ，３３ｃとで区画される隅部空間３５，３６をも利用して流通する。コイルの巻線量に対して効率よく磁束が発生し、モータ出力を増大するうえで有利になる。

特に、本実施形態では、各ティース部３３の側壁面３３ｂ，３３ｃが先端に行くにしたがって互いに離隔するように傾斜し、基部よりも先端部の方が幅広になるように、基端がくびれた形状になっている。このため、ロータ２の外周面２ａに対向するティース部３３の先端壁面３３ａを外周面２ａの周方向に広く形成することができ、ステータと永久磁石ロータとの間で磁束の流入出量を増大させ、トルク脈動を低減させる効果を得られる。

しかしこの反面、ティース部３３のくびれによって、ティース部３３の基部が幅狭になって、巻線３４ａをティース部３３の側壁面３３ｂ，３３ｃの直近まで巻回すると、幅狭のティース部３３の基部に磁束の流通が制限されて、目的とする磁束の流入出量を増大させることが困難になる。この点、本単相モータ１では、巻線３４ａをティース部３３の側壁面３３ｂ，３３ｃの基部から離隔した位置に配置し、隅部空間３５，３６には巻線３４ａを配置していないので、磁束の流入出量の増大を促進することが可能になり、モータ出力を増大するうえで有利になる。つまり、隅部空間３５，３６は、内向き面３２ａ，３２ｂと側壁面３３ｂ，３３ｃとによって軸方向視で互いに鋭角に区画形成されているので、これらの隅部空間３５，３６を通じて磁束が流通しやすく、磁束の流入出量の増大が促進される。
ただし、隅部空間３５，３６を区画形成する二つの面（内向き面３２ａ，３２ｂと側壁面３３ｂ，３３ｃ）が軸方向視で互いに鋭角にされていない場合（例えば、二つの面が軸方向視で互いに直角）にも、巻線３４ａをティース部３３の側壁面３３ｂ，３３ｃの基部から離隔した位置に配置すれば、一定の磁束の流入出量の増大効果は期待できる。

ヨーク部３１は閉磁路を形成しているので、回転中心Ｏ_１を中心にヨーク部３１を回転方向にバランスよく配置できる。このため、モータ１を高回転化，高出力化，高効率化し易く、モータ１の回転時の振動の発生も抑制される利点がある。
ヨーク部３１は、矩形に形成されているので、モータ１の図示しないケースを各機器への組付性のよい直方体に形成しても、ケース内をスペース効率よく使用することができる利点がある。

本実施形態では、回転中心Ｏ_１に対して点対称の一対のティース部３３の各先端壁面３３ａの一縁側と他縁側とは異なる突出量であるため、ティース部３３における磁路が一縁側と他縁側とで左右非対称に形成されている。このため、ヨーク部３１の一対のティース形成箇所３２，３２を結ぶ基準線方向（短辺部３１ｂの延びる方向に沿った方向）に対して磁路の方向がずれて、モータのトルクが０となる位相と逆誘起電圧が０となる位相とをズラしやすく、モータ１の停止からの始動性を確保し易い利点もある。

〔その他〕
上記の実施形態では、２極２スロットの単相ブラシレスモータを例示したが、本発明は、２極４スロットなど、２極２ｎスロット（ｎは自然数）の単相ブラシレスモータに適用することもでき、さらに、単相ブラシレスモータに限らず、入力が三相交流である三相ブラシレスモータなど三相以上のブラシレスモータにも適用することができる。

また、実施形態のヨーク部３１，１３１は、軸方向から見て矩形の形状であるが、ヨーク部３１，１３１の軸方向視の形状はこれに限定されず、多角形、円形又はほぼ円形にするなど種々の形状に形成することができる。

さらに、上記の実施形態では、閉磁路モータを例示しているが、本発明は開磁路モータに適用することも考えられる。

１ 単相モータ
２ ロータ
３ ステータ
２１ 永久磁石のＮ極
２２ 永久磁石のＳ極
３０ ステータコア（ステータ）
３１ ヨーク部
３１ａ 長辺部
３１ｂ 短辺部
３２ ティース形成箇所
３２ａ，３２ｂ ヨーク部３１の内向き面
３３ ティース部
３３ａ 先端壁面
３３ｂ，３３ｃ 側壁面（軸方向視）
３３ｄ，３３ｅ 角部
３４ コイル
３４ａ 巻線
３５，３６ 隅部空間
ｄ ロータ２の外径
Ｏ_１ 回転中心

Claims (7)

1. 永久磁石を有するロータと、前記ロータの外周に前記ロータと空隙を介して配置され前記ロータと対向する一対のティース部を有するステータコア及び前記ティース部の周囲に装備されたコイルからなるステータと、を備えるモータであって、
   前記コイルは前記ティース部の周壁面から離隔した位置に配置されている
   ことを特徴とするモータ。
2. 前記ステータコアは、前記ロータの外周を包囲するヨーク部と、前記ヨーク部の前記ロータを挟んで位置する一対のティース形成箇所からそれぞれ前記ロータに向けて突出した前記ティース部と、を備え、
   前記ティース部は、前記ティース形成箇所に近い基部よりも前記ロータの外周面に近接配置される先端部の方が幅広に形成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載されたモータ。
3. 前記ティース部の前記周壁面には、前記ティース形成箇所において前記ヨーク部の内向き壁面と交差する一対の側壁面が含まれ、
   それぞれの前記側壁面と前記内向き壁面とが交差する箇所には、軸方向視で互いに鋭角な二つの面で隅部空間が形成され、
   前記隅部空間にはコイルが配置されない
   ことを特徴とする請求項２に記載されたモータ。
4. 前記ヨーク部は、閉磁路を形成している
   ことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載されたモータ。
5. 前記ヨーク部は、前記ロータの軸方向視において一対の長辺部と一対の短辺部とからなる矩形に形成され、
   前記ティース部は、前記各長辺部にそれぞれ形成されている
   ことを特徴とする請求項４に記載されたモータ。
6. それぞれの前記ティース部の前記突出方向の先端に形成される先端壁面は、前記ロータの外周に沿うように部分円筒状に形成され、
   前記先端壁面の一縁側と他縁側とは、異なる突出量に設定されている
   ことを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載されたモータ。
7. 入力が単相交流である
   ことを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載されたモータ。

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