JP2024030907A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】掃除機やプロペラファンの動力源として使用可能な高出力密度な単相モータの放熱性を高め、かつ、コイル導体の抵抗値を低下させて発熱量を低減でき、かつ、人に耳障りに感じる振動・騒音を低減するために、振動周波数を高次にシフトさせて振動次数を高めることが可能な回転電機を実現する。【解決手段】単相で駆動される回転電機１００において、回転子２２と、複数の回転子磁石４と、シャフト５と、固定子鉄心１と、複数の固定子コイル２と、を有する。回転子磁石４の数と、固定子コイル２の数との比が３：１である単相モータを複数備え、複数の単相モータ１００ａ、１００ｂ、１００ｃが、シャフト５の軸方向に配置されている。【選択図】図４Ｃ

Description

本発明は、単相の回転電機に関する。

近年、回転電機（モータ）の出力密度を向上させるトレンドとして、回転電機の高速化が進められている。回転電機の出力は、回転数とトルクの積であり、トルクは電流に比例して増加する。電流を少なくして、すなわち、トルクを小さくして、代わりに回転数を高めることで小さな電流で同等の出力を得ることができる。

自動車駆動用の回転電機は、回転数を高め、ギヤの減速比率を大きくすることでモータを小型化して軽量化する方向で開発が進められている。

自動車のような移動体では、モータなどの駆動系自体の重量も燃費に寄与するため、小型軽量が求められている。同様に、ドローンや、航空機向けモータにおいても小型で軽量のものが必要である。ドローンや、航空機向けモータにおいては、モータの回転数を高めることによって、プロペラの仕事量を増やすような使われ方となっている。

移動体以外でも、高速化によるモータの小型軽量化が進んでいる。家庭で使用される掃除機は、スティック型やコードレス型が好まれるようになってきており、スティックタイプは使用者が扱える重量である必要があり、電池と電動送風機を併せて軽くする必要がある。

また、コードレスタイプの掃除機においても、電池を追加で搭載する必要があり、これまでの掃除機に使用していた電動送風機よりも軽量の駆動系が必要となってきている。

このため、モータを高速にして小型化する必要性が高まっており、掃除機では各メーカとも１分間あたり約１０万回転超のモータが使用されるようになっている。

モータの高速化では、駆動周波数が高くなることから、軟磁性材料には、鉄損が低い材料の利用が望まれる。薄手の電磁鋼板や６．５％Ｓｉを含有した電磁鋼板、鉄基アモルファス材料、鉄基の高Ｂｓナノ結晶材料などが候補となる。

また、小型にすることで、モータの放熱面積が低下するため、放熱性能の向上が必要となる。

掃除機用のモータでは、吸引する空気をモータの表面にあてることで放熱性を確保している設計がなされており、モータの内部に空気の流路を大きく取るような設計となっている。

特許文献１では、４極の単相ブラシレスモータの構造が示されている。送風機などのプロペラファンを有する用途では、単相モータが使用されることが多い。これは、同一方向の回転しかしないことと、ファンとして使用する回転数が概ね決まっているため、細かな制御を必要としないためである。

単相モータは、一般的に使用されている３相モータよりもスイッチの素子数が少なく、安価なシステムとできるなどの利点を有している。単相ブラシレスモータの極数とスロット数は、同一であり、特許文献１に示されている例では、固定子極が４極、回転子磁石極数が４となっている。

特許文献２では、固定子鉄心の外周側に空隙を設けることによって、固定子保持ケースと固定子鉄心の間に空気が流れるようにして、鉄心で発生する鉄損による熱を放熱する構成がとられている。

また、固定子が１極ごとに分割されたＹ型分割コアとすることで、ティースへの巻き線を容易にし、かつ、占積率の高い巻線ができるようにしている。これによって，銅損を低減できるため、モータの発熱を抑え、高速のモータを構成することができるとして提案されている。

特許文献３および特許文献４には掃除機に適用される単相モータが示されている。
特許文献３は、４極４スロットの単相モータが示されている。モータの内部を通風路とするために、モータの構造を長方形状にすることで、吸い込み風の流路を大きく構成している。

特許文献４は、磁石極数８、固定子極ティースが８の単相モータが示されている。固定子の巻き線を集中させることによって固定子極間に大きな通風路を設けている構造としている。

このように、回転数で出力を確保する出力密度の高い送風機用モータは、モータの軸方向に風を流すことで冷却性能を得る構造となっている。

特開２０１７－１８９０９０号公報 特開２０２１－１００３７７号公報 特開２０１７－１２３７７２号公報 特開２０２０－１４１５５７号公報

特許文献１や特許文献２に示されている単相モータは、固定子のティースに巻線を巻き付ける構造となっており、スロットと呼ばれる巻線スペースに巻線が配置される構造となる。

このため、軸方向に風を通して冷却しようとしても、通風路の断面積が小さく、冷却性能を高くすることができないといった課題がある。

特許文献２では、その課題を克服するために、コアの外側に通風路を設けているが、コイルのジュール損失によって発生する熱を、コアへの熱伝導を経て、コアの表面から放熱させなければならないために、放熱性能を高くできない構造となっている。

一方、特許文献３および特許文献４は、モータを構成する断面に大きな通風流路を設けているため、吸い込み風をスムーズに流せる構造となっている。また、通風路にコイル部分も露出しているため、冷却効果も高くなる構成となっている。

しかし、特許文献３および特許文献４に示されるモータ構造では，固定子鉄心で囲まれた部分の導体以外の導体は，コイルエンドと呼ばれる必須胴体部分同士をつなぐ部分であり、抵抗の増加を招く構造となっている。

このため、導体コイルの抵抗値に比例して、ジュール損失を発生させるため発熱自体が大きくなってしまう問題がある。

また、特許文献４に示された構造では、メインの通風路にコイルの表面は露出していないためにコイル表面からの放熱性が低下するという課題がある。

上述した単相モータはいずれも、高速回転、かつ、導体断面積の増加によってモータの出力密度を高めることを目的としている。

しかし、単相モータは、その駆動原理より、極数に応じたギャップ部での電磁加振力が発生し、耳障りな低次の振動・騒音が問題となる。

本発明の目的は、掃除機やプロペラファンの動力源として使用可能な高出力密度な単相モータの放熱性を高め、かつ、コイル導体の抵抗値を低下させて発熱量を低減でき、かつ、人に耳障りに感じる振動・騒音を低減するために、その振動の周波数を高次にシフトさせて振動次数を高めることが可能な回転電機を実現することである。

本発明は、上記目的を達成するため、次のように構成される。

単相で駆動される回転電機において、回転子と、複数の回転子磁石と、シャフトと、固定子鉄心と、複数の固定子コイルと、を有し、前記回転子磁石の数と、前記固定子コイルの数との比が３：１である単相モータを複数備え、複数の前記単相モータが、前記シャフトの軸方向に配置されている。

本発明によれば、掃除機やプロペラファンの動力源として使用可能な高出力密度な単相モータの放熱性を高め、かつ、コイル導体の抵抗値を低下させて発熱量を低減でき、かつ、人に耳障りに感じる振動・騒音を低減するために、その振動の周波数を高次にシフトさせて振動次数を高めることが可能な回転電機を実現することができる。

本発明の実施例１に係る単相回転電機の固定子鉄心形状やコイルの配置構造を示す断面図である、および、それらの軸方向の関係を示す斜視図である。 本発明の実施例１に係る単相回転電機の固定子鉄心形状やコイルの配置構造を示す斜視図である。 本発明とは異なる例における３相モータの鉄心形状、コイル配置構造を示す断面図である。 本発明とは異なる例における単相同期電動機の鉄心形状、コイル配置構造を示す断面図である。 本発明とは異なる例における単相モータの鉄心形状、コイル配置構造を示す断面図である。 本発明とは異なる例における単相モータの鉄心形状、コイル配置構造を示す断面図である。 一般的な３相モータの駆動回路を説明する図である。 一般的な３相モータの駆動原理を説明する図である。 一般的な単相モータの駆動回路を説明する図である。 一般的な単相モータの駆動原理を説明する図である。 本発明の実施例１に係る単相回転電機を軸方向２段に重ねる場合の例の断面図である。 本発明の実施例１に係る単相回転電機を軸方向２段に重ねる場合の例の斜視図である。 本発明の実施例１に係る単相回転電機を軸方向２段に重ねる場合の例の一部を切り取って示した斜視図である。 本発明の実施例１に係る１２極タイプの単相モータの回転子構造を示す斜視図である。 本発明の実施例１に係る１２極タイプの単相モータの回転子構造を示す斜視図である。 本発明の実施例１に係る１２極タイプの単相モータの回転子の配置関係を示す斜視図である。 本発明の実施例１に係る１２極タイプの単相モータの駆動状態を説明するための、モータ誘起電圧波形、モータ電流波形、モータが発生するトルク波形を示す図である。 本発明の実施例１に係る１２極タイプの単相モータの固定子外周面に発生する振動モード変形図である。 本発明の実施例１に係る１２極タイプの単相モータの固定子外周面に発生する振動モード変形図である。 本発明の実施例２に係る１２極タイプの単相モータのロータ形状を示す図である。 本発明の実施例２に係る１２極タイプの単相モータの電流波形を示す図である。 本発明の実施例２に係る１２極タイプの単相モータのトルク波形を示す図である。 本発明の実施例３に係る１２極タイプ単相回転電機を軸方向に３段重ねて配置する場合のコイル実装形状を示す斜視図である。 本発明の実施例３に係る１２極タイプ単相回転電機を軸方向に３段重ねて配置する場合の固定子断面図である。 本発明の実施例３に係る１２極タイプ単相回転電機を軸方向に３段重ねて配置する場合の実装構造の斜視図である。 本発明の実施例３に係る１２極タイプ単相回転電機を軸方向に３段重ねて配置する場合の断面図である。 本発明の実施例３に係る１２極タイプ単相回転電機を軸方向に３段重ねて配置する場合の断面図である。 本発明の実施例３に係る１２極タイプ単相回転電機を軸方向に３段重ねて配置する場合のコイルの誘起電圧を示す図である。 本発明の実施例３に係る１２極タイプ単相回転電機を軸方向に３段重ねて配置する場合のコイルの通電電流を示す図面である。 本発明の実施例３に係る１２極タイプ単相回転電機を軸方向に３段重ねて配置する場合のトルク波形を示す図面である。 本発明の実施例１、実施例２または実施例３による多段構成された回転電機の外観を示す斜視図である。 本発明の実施例１、実施例２または実施例３による多段構成された回転電機のモータの固定子や回転子を保持するためのハウジング、エンドブラケットの基本構成を示す分解斜視図である。 本発明をアウターロータ型単相回転電機として構成した場合の固定子、回転子の構造を説明する構造断面図である。 本発明の実施例１、２、３に係る回転電機をスティックタイプ掃除機に適用する場合の斜視図である。 本発明の実施例１、２、３に係る回転電機を、多翼ファンを有する回転電機に適用する場合の例を示す斜視図である。 本発明の実施例１、２、３に係る回転電機を、電動航空機の回転電機に適用する場合の例を示す斜視図である。

以下、図面を用いて、本発明の実施形態について説明する。

以下の説明は本発明の内容の具体例を示すものであり、本発明がこれらの説明に限定されるものではなく、本明細書に開示される技術的思想の範囲内において当業者による様々な変更および修正が可能である。

また、本発明を説明するための全図において、同一の機能を有するものは、同一の符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。

（実施例１）
図１Ａは、本発明の実施例１に係る単相ブラシレス回転電機（単相モータ）１００の断面構造を説明する断面図であり、図１Ｂは、単相ブラシレス回転電機１００の軸方向において各部品の位置関係を示す斜視図である。

図１Ａは、固定子鉄心１と、複数の固定子コイル２と、複数の回転子磁石４と、の位置関係を示す断面図を示している。本実施例１の単相ブラシレス回転電機１００においては、回転子磁石４は１２極で、周方向均一な角度で、極が構成された単相モータとなっている。このときの回転子磁石４の配向は、ラジアル配向、極異方性配向、極ごとの平行着磁など様々な配向が構成可能である。

これに対し、固定子ティース１８に巻き回された集中巻き固定子コイル２は４つとなっており、回転子磁石４の極数と固定子コイル２の数との比率は３：１となっている。固定子ティース１８は、その先端が２つに分かれており、回転子磁極４の１極分の周方向幅を空けてティース先端が配置される構造としている。

これにより、図１Ａに示すように、ティース先端中央部には、空隙３が設けられた構造となる。固定子の集中巻きコイルは、固定子ティース１８の根本部分にコンパクトに集中巻きされた固定子コイル２となっている。

このため、この固定子コイル２の両脇には、大きなコイル間空隙６が存在し、通風路を形成する構造となっている。回転子２２は、回転磁石４と、シャフト５とを備えている。

図１Ｂは、図１Ａで示した単相ブラシレス回転電機１００の斜視図を示している。回転子２２の中心には、シャフト（軸）５が配置されており、その周囲に、多極の回転子磁石４が実装されて回転子２２を構成していることがわかる。

本実施例１では、回転子磁石４の軸方向長と、固定子鉄心１の軸方向長とは同一の寸法として図示しているが、回転子磁石４の強さや固定子鉄心１の材質などによっては、これらの軸長が異なる場合も本発明は適用される。

また、図１Ａおよび図１Ｂでは、固定子コイル２と固定子鉄心１との関係を示しているが、実際には、エナメル被覆電線などで構成された固定子コイル２と固定子鉄心１は、樹脂や絶縁紙などの絶縁物で電気的に絶縁された状態で保持される構造となる。

本発明の実施例１は、図面上では、絶縁ボビンなどの構成材を省略して示している。図１Ａおよび図１Ｂより、軸方向を貫く通風路であるティース先端部空隙３およびコイル間空隙６が形成されており、コイル鉄心の冷却に効果がある構造となっている。

図２Ａ～図２Ｄは、本発明とは異なる一般的なモータの断面構造を示す図であり、図２Ａ～図２Ｄを参照して図１Ａおよび図１Ｂで示した本発明の実施例１の構造との違いを説明する。

図２Ａは、一般的な３相永久磁石同期モータの断面構造を示している。回転子磁石極が８極、固定子極が１２極の構造である。固定子は、３相モータなので、３の倍数の極数で構成される。

また、回転子磁石極数は、回転子磁石４はＮ極とＳ極で１対なので、２の倍数極となる。回転子２２が２極に対して固定子が３極となるのが、集中巻きの永久磁石同期モータの基本形である。集中巻きは、固定子ティースに巻線１９を巻き回す構造であり、図２Ａのようにティースに巻き付けた巻線１９が、固定子鉄心１のスロットの中に配置される構造となる。

図２Ａに示す例では、磁石極数とコイル数の比率は、２：３となる。３相モータの場合、この図２Ａを見るとわかるとおり、固定子の中を風が通ることはかなり困難ということが予想できる。

図２Ｂは、一般的な単相同期電動機の断面図を示している。図２Ｂに示す例は、単相なので、固定子極の数は極数と一致する数となる。図２Ｂに示す例では回転子磁石８極、固定子磁極８の場合を図示している。このときの磁石極数とコイル数の比率は、１：１となる。図２Ｂに示す例も、図２Ａに示した例と同様に、集中巻きとなるため、ティースに巻き付けたコイル導体が、スロットに配置されて固定子断面の中に空気のり大きな流路をとることが困難であることが理解できる。

図２Ｃは、特許文献１に示された分割コアで、かつ、固定子鉄心の外周側に空気の流路を設けた構造を示している。回転子磁石が４極で、固定子磁極が４の事例である。固定子鉄心１は、磁極ごとに分割されているため、コイル１９をティースに巻き付けやすい構造となっている。このことから、ティースにしっかり高占積率にコイル１９を巻くことで、スロット内に隙間を設ける構造となっている。また、鉄心の外側にも空気が流れる流路を設けている。

しかし、コアの外側に設けられた外側の流路２０は狭く、通風損失が大きくなるといった欠点があると思われる。また、通風路を通る冷却風は、固定子コアの表面を冷却するので、コイルの冷却が弱いと考えられる。

図２Ｄは、特許文献４の磁石極数８極、固定子鉄心極数８の単相モータ構造を示す。こちらでは、図２Ａ、図２Ｂおよび図２Ｃに示した３例と同様の領域に鉄心とコイル１９を構成しているが、周方向の４か所にかなり大きめの空気の流路が構成できていることがわかる。コイル１９を固定子極２極ごとにまとめることで、その配置を周方向の４か所として、残りの４か所に大きなスペースを確保した構造となっている。

図２Ｄに示した例の構造の場合の磁石極数とコイル数の比率は、２：１となる。この構造では、空気の流路が大きいために、その流路に接する部品の冷却性能が向上できると思われる。

ただし、コイル１９をスロット外に巻き回しており、コイル１９の利用率を低下させる構造となっているため、モータの効率向上を図るためには少々改善の余地がある。

図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃおよび図３Ｄは、３相モータと単相モータの駆動回路とその通電方式の違いを説明する図面である。図２Ａに示した３相永久磁石同期モータは、図３Ａに示す回路で駆動される。図３Ａの左側に示した直流電源を６個のスイッチを切り替えることによって、ＵＶＷ各相の電流を、１２０度ごとに切り替えて通電することによって、電流と誘起電圧を重ねたトルク波形が得られる。

図３Ｂに示すように、３相の誘起電圧と電流の積でトルクは電気角１周期当たりのトルクの脈動は、６次となり平均トルクに６次の脈動が重畳されたトルク波形で駆動される。モータ鉄心の形状設計や通電電流制御などでトルク脈動を小さくすることが可能である。

図３Ｃは、単相モータの駆動回路を示す図である。図３Ｃに示す駆動回路は、４個のスイッチによって駆動される。図３Ｄに示すように、一つの相の誘起電圧Ｅ０に電流を印加することによって２つの大きなトルク脈動を持つトルクが正の方向に発生し回転が可能となる。トルクは最大値とゼロトルクを電気角１周期に２回繰り返すトルク波形となる。高速で駆動される送風機用途では、このトルク脈動が問題にならないことが多いために、スイッチの素子数が少なくて良いことや、ホール素子２１で磁極位置を検出するだけで制御できる手軽さなどで単相モータが使用されることが多い。

次いで、図４Ａ～図４Ｃを参照して本発明の回転電機である単相ブラシレス回転電機１００の構成について説明する。図４Ａは、図１で示した本発明の実施例１における単相モータを軸方向に２段重ねて配置したモータを軸方向から投影して見た図である。

本発明の単相モータは、磁石極１２極に対して、固定子集中巻きコイル数が４の単相モータであり、磁石極数とコイル数の比率は、３：１とコイル数が、図２Ａ～図２Ｃで説明した各種モータよりも少ないモータとなっている。

図４Ａに示した例では、固定子コイル２の周方向の開き角度を４５度とした場合を示している。４つのコイル２を有する固定子で、一つのコイル開き角度が４５度であることは、残りの部分が１８０度分あることが理解できる。

すなわち、周方向に４５度ずらして重ねることで、軸方向に見たときに周方向すべての部分にコイル２が配置できる構成となる。回転子磁極数が１２極の場合、電気角１周期は、機械角の６０度（磁石１極対の角度）に相当する。ずらし角や、コイルの周方向開き角度である４５度の機械角は、電気角の２７０度（－９０度）に相当する。

図４Ｂは、２つの同じ単相モータ１００ａおよび１００ｂを、軸方向に重ねた構造の単相ブラシレス回転電機１００の斜視図を示す。本実施例１では、単相モータ１００ａの固定子鉄心１と、単相モータ１００ｂの固定子鉄心１とは、磁気的に絶縁するための磁気絶縁板７を介して配置した構造としている。

図４Ｃは、固定子コアの一部を切り取って内部のコイル配置が見えるように図示した斜視図を示す。

図４Ｂおよび図４Ｃにおいて、上部の単相モータのコイル２ａのコイルエンド部は、下部の単相モータのコイル２ｂの脇の通風路６に入り込むことで、固定子コアや、固定子コイル２と干渉しないで軸方向に重ねることが可能となっている。

また、複数の単相モータ１００ａおよび１００ｂのそれぞれは、互いに隣接する固定子コイル２のコイル間空隙６により通風路が形成されている。

図５Ａ～図５Ｃは、図４Ａ～図４Ｃに示した単相モータの回転子２２の構成例を示す。

図５Ａは、１２極の回転子磁石４が軸方向に一体となっている構造を示す図である。図５Ａに示した例では、磁石４が１極ごとに３０度の開き角を持った扇形として示されているが、リング状の磁石として、それに着磁配向で１２極の磁極を構成することも可能である。磁石極の配向は、極異方性配向やラジアル配向、平行配向などの配向が考えられる。

磁石４の軸方向長は、固定子に合わせた軸方向長とすることが望ましいが、固定子鉄心１の軸方向長と磁気絶縁板７の厚み分を足した軸方向長とすることや、更にオーバーハングさせて、固定子の軸方向長よりも長めに設定する設計も考えられる。

図５Ｂは、軸方向で回転子磁石４を分割して構成した例を示す図である。固定子鉄心１を軸方向に重ねて実装する場合に、磁気的な磁気絶縁板７を実装しているが、その位置に対応する箇所に回転子側磁気絶縁板８を構成して、軸方向にそれぞれの単相モータの磁気回路を独立させる設計が考えられる。このとき、回転子磁石４の軸方向長は、図５Ｃの斜視図に示すように、固定子鉄心１の軸方向長と併せた設計とすることができる。互いに隣接する単相モータの一方の単相モータの回転子２２は、他方の単相モータの回転子２２と磁気絶縁部材８を介して配置されている。

図６Ａ～図６Ｃは、本発明の実施例１による単相モータ軸方向実装構造のモータの動作原理を示す図である。

図６Ａは、図４Ａ～図４Ｃ、図５Ａ～図５Ｃに示したように、軸方向に本発明による、極数とコイル数の比が３：１の単相モータを軸方向に２段構成としたモータの誘起電圧と、コイル電流と、出力トルクとを示す。

図６Ｂに示す固定子Ａが１段構成の場合には、図６Ａに示す固定子Ａのようなそれぞれの波形（実線）が得られる。

誘起電圧は、電気角１周期あたりに１周期の誘起電圧波形が得られ、その誘起電圧と同位相の電流をコイルに通電することによって、トルクは細い実線で示されるトルクＡのような全波整流波形のようなトルクが発生する。駆動周波数は回転数を１０で除した値（８００００ｒ／ｍｉｎであれば８０００Ｈｚ）となり、トルクの振動周波数は、その２次の振動数の１６ｋＨｚとなる。このときの円環モード変形は、周方向に４次となるような変形モード（図６Ｂに示す）となる。

本発明の実施例１の様に２段構成とした場合には、図４Ａ～図４Ｃで示したとおり、固定子Ａと固定子Ｂが機械角度で４５度ずれて実装されるため、電気角では、－９０度の差が発生して動作することになる。このため、図６Ａに示すように、固定子Ｂには電気角で固定子Ａから９０度ずれた位置に誘起電圧（点線）が発生し、その誘起電圧に合わせて電流を印加することで、トルク波形も、固定子Ａから電気角で９０度ずれた位置に固定子Ｂ部分で発生するトルク（点線）が現れることになる。

この固定子Ａと固定子Ｂのトルクの和が合成トルクになり、太い実線で示すような４次の周期をもつトルク波形となる。振動周波数は、３２ｋＨｚと高周波となり、人の聴感では聞き取れない領域へと振動周波数をシフトさせることができる。図６Ｃに示すように、円環モード変形の次数も見かけ上、８次と１段構成の場合の２倍に大きくできる。円環次数の増大は、振動の振幅を次数の－４乗で小さくすることが出来るので振動騒音の低減に寄与できる。

以上のように、本発明の実施例１によれば、単相ブラシレスモータの磁石極数と集中巻き固定子コイル数の比を３：１として構成し、磁石極３極に対して１つの固定子コイルを持つ単相モータを構成し、磁石極１極分の固定子側には、固定子冷却用の空隙が構成されるような固定子鉄心形状とする。

また、集中巻き固定子コイルは、すべてのコイルの配置領域は周方向領域３６０度の半分（１８０度）以下として構成し、軸方向に固定子冷却用の通風路が形成される構造とする。

そして、このように構成した単相モータを周方向に一定の角度をずらして軸方向に重ねて配置する。

よって、単相モータの放熱性を高め、かつ、コイル導体の抵抗値を低下させて発熱量を低減でき、かつ、人に耳障りに感じる振動・騒音を低減するために、その振動の周波数を高次にシフトさせて振動次数を高めることが可能な回転電機を実現することができる。

なお、実施例１において、固定子コイル２の周方向の開き角度は、４５度（電気角２７０度）以下であり、４０度（電気角で２４０度）を超える角度であれば適用可能である。

そして、２個の単相モータの一方の単相モータの固定子コイル２の周方向位置と、他方の単相モータの固定子コイル２の周方向位置とが、周方向開き角度だけずれて配置されている。

（実施例２）
次に、本発明の実施例２について説明する。

図７Ａ～図７Ｃは、軸方向に、極数とコイル数の比が３：１の単相モータを軸方向に２段構成とする場合の実施例２を示す図である。

図７Ａは、軸方向２段の回転子磁石４の磁極位置を回転方向に、１段目と２段目とを互いに、機械角度で１５度（電気角９０度）ずらした構造の回転子２２を示す図である。磁石中央部には、回転子側磁気絶縁板８を配置し、磁石磁束の漏れが無いようにしている。その他の構成は実施例１と同様となっている。

この構造の回転子２２を、図４Ａ～図４Ｃ、図５Ａ～図５Ｃで示した固定子に組立てた場合、固定子コイル２にはそれぞれ、図７Ｂに示すように、固定子Ａと固定子Ｂに同一の誘起電圧が現れる（固定子Ａを実線で示し、固定子Ｂを点線で示すが、互いに同一の誘起電圧となっているため、実線のみ表示となる）。

この固定子コイル２に電流を通電すると、それぞれの固定子Ａおよび固定子Ｂには、同一形状のトルク波形が現れ、合成トルクは、図７Ｃの太い実線に示すようなトルク波形となる。この場合、トルクの振動周波数は、２次となるので、１６ｋＨｚであるが、固定子の変形モード次数は、８次となるので、振動周波数を高められ、かつ、前述したようにその振幅を低減することができる。

実施例２においては、互いに隣接する単相モータ１００ａ、１００ｂの一方の単相モータ１００ａの複数の回転子磁石４ａの周方向位置と、他方の単相モータ１００ｂの複数の回転子磁石４ｂの周方向位置とは、互いに電気角で９０度ずれて配置され、一方の単相モータ１００ａの固定子コイル２と、他方の単相モータ１００ｂの固定子コイル２とに同一の位相の電流が印加される。

実施例２によれば、実施例と同様な効果を得ることができる他、単相モータの構成をとりつつも、円環変形モード次数を高められる構成も採用することができる。

（実施例３）
次に、本発明の実施例３について説明する。

本発明の実施例３として、単相モータを軸方向に３段重ねする構造について説明する。

図８Ａおよび図８Ｂは、図１Ａおよび図１Ｂに示したのと同様の固定子鉄心極を持った単相モータの構造を示す、斜視図および軸方向投影図である。図１Ａ、図１Ｂ、図４Ａ、図４Ｂおよび図４Ｃに示した実施例１と実施例３との異なる点は、集中巻きコイルの周方向開き角度である。図４Ａ～図４Ｃに示した実施例１では、コイルの開き角度は４５度に設定したが、図８Ｂに示す実施例３におけるコイルの開き角度は機械角度で４０度としている。この機械角度４０度は、電気角では、２４０度（－１２０度）に相当する。その他の構成は、実施例１と同様となっている。

図９Ａ、図９Ｂおよび図９Ｃは、図８Ａおよび図８Ｂに示した構造の単相モータ１００ａ、１００ｂおよび１００ｃを軸方向に３段重ねて構成した例を示す図である。

図９Ａは、斜視図であり、上から順に固定子Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相を構成している例を示した。コイルは、Ｕ相の上部とＷ相の下部コイルエンドしか見えていないが、図９Ｂおよび図９Ｃでコイルの重なりを説明する。

図９Ｂは、Ｕ相とＶ相の重なりを、Ｕ相の上部より投影した図を示している（この図９ＢではＷ相は図示範囲から外している）。コイルの開き角が周方向４０度であるため、周方向に４０度ずらして配置すればコイルエンド部分を干渉しないで重ねることが出来る。

図９Ｂでは、軸方向中央に配置されたＶ相の固定子コイルに対して、時計回りで４０度ずらした位置にＵ相の固定子コイルが配置されるように実装されている。このとき、固定子コイル間の空隙６は、開き角度で１０度分の空隙部が残ることになる。

図９Ｃは、Ｕ相の固定子を消去して、Ｖ相とＷ相の固定子をＶ相側から投影した図を示している。Ｖ相のコイル位置は、図９Ｂに示した位置と同一となっている。これに対して、Ｗ相のコイルが、反時計周り方向に４０度ずらした位置にＷ相の固定子コイルが配置されるように実装されている。

これによって、電気角２４０度ずれた位置にコイルが配置されることになる。この場合も、コイルエンドの干渉無く軸方向に組立が出来る構成とできるので、軸方向に無駄なスペースを作ることなく実装が可能となる。

図１０Ａ、図１０Ｂおよび図１０Ｃは、図９Ａ、図９Ｂおよび図９Ｃで示した３相構成のモータの誘起電圧波形、通電電流波形、トルク波形を示す図である。１段当たりの誘起電圧から、右方向と左方向に２４０度ずつずれた波形となるので、結果として、図１０Ａに示すような１２０度ずつずれた３相交流状の誘起電圧波形が得られることとなる。それぞれのコイルに位相を合せて正弦波の電流を流すと、それぞれのトルクは図１０Ｃに示すように、３つの全波整流トルク波形となり、それらの合成トルク波形は６次の次数を持ったトルク波形となる。これによってトルクの振動数は４８ｋＨｚとすることができ、高い周波数域に振動を持っていくことができる。

本発明の実施例３によれば、実施例１と同様な効果を得ることができる他、より高い周波数域に振動を持っていくことができる。

なお、実施例３において、固定子コイル２の周方向の開き角度は、４０度（電気角で２４０度）以下であり、３５度（電気角で２１０度）を超える角度であれば適用可能である。

実施例３においては、３つの単相モータ１００ａ、１００ｂおよび１００ｃを備え、３つの単相モータ１００ａ、１００ｂおよび１００ｃの固定子コイル２の周方向開き角度は、電気角で２１０度を超え、２４０度以下であり、３つの単相モータ１００ａ、１００ｂおよび１００ｃのうち、互いに隣接する単相モータ（１００ａと１００ｂ、１００ｂと１００ｃ）の一方の単相モータ１００ａ、１００ｂまたは１００ｃの固定子コイル２の周方向位置と、他方の単相モータ１００ａ、１００ｂまたは１００ｃの固定子コイル２の周方向位置とが、周方向開き角度だけずれて配置されている。

図１１Ａは、本発明の実施例１、実施例２または実施例３による多段構成された回転電機１００の外観を示す図であり、図１１Ｂは、本発明のモータの回転子２２と、固定子との組立構造であり、固定子や回転子２２を保持するためのベリング９、ハウジング１０、エンドブラケット１１、反出力軸側エンドブラケット１２の基本構成を示す斜視図である。

モータの内部に風が通るようにするために、出力軸側のエンドブラケット１１には通風路１１Ａが形成され、反出力軸側エンドブラケット１２にも通風路１２Ａが形成されていることがわかる。

本発明のモータ構成を外転型のモータに適用した例を示す。図１２（ａ）は外転型の磁石極１２極、固定子コイル数４個の例を示している。外転型においても内転型同様にコイルの開き角度を４５度に設定することで、２段構成が実現でき、コイルの開き角度を４０度とすることで、３段構成が可能であることがわかる。

図１２は、本発明の構造をアウターロータ型単相回転電機として構成した場合の固定子、回転子２２の構造を説明する構造断面図である。つまり、図１２に示した例は、固定子鉄心１が回転子磁石４の内側に配置された外転型の単相回転電機である。

本発明の実施例１～３は、インナーロータ型単相回転電機のみならず、アウターロータ型単相回転電機にも適用することができる。

図１３Ａ、図１３Ｂおよび図１３Ｃは、本発明の単相モータの応用例を示す図である。

スティックタイプ掃除機１４の電動送風機のモータや、多翼ファン１７を有するドローン（電動航空機）１５などの電動航空機用プロペラファン駆動用の単相モータ１３などに使用する事例である。これらのモータはモータを風で冷却することができることと、高速化によって小型としなければならない点で本発明のモータの利用が適している分野であると考えられる。

図１３Ｂでは、モータの次数増加に加えて、羽根の枚数を増加させた例を示している。回転翼の枚数を磁極数と同数に増加させる例である。羽根の翼通過周波数を増加させることで可聴音を低減できる構成となっており、本発明のモータ構成と併せて効果が高い。

以上のように、本発明においては、単相ブラシレスモータの磁石極数と集中巻き固定子コイル数の比を３：１として構成し、磁石極３極に対して１つの固定子コイルを持つ単相モータを構成し、磁石極１極分の固定子側には、固定子冷却用の空隙が構成されるような固定子鉄心形状とする。また、集中巻き固定子コイルは、すべてのコイルの配置領域は周方向領域３６０度の半分（１８０度）以下として構成し、軸方向に固定子冷却用の通風路が形成される構造とする。

このように構成した単相モータを周方向に一定の角度をずらして軸方向に重ねて配置することで、円環振動次数を見かけ上、２倍３倍に高めることができる。

２段重ねとする場合には、電気角で周方向に２７０度ずらして重ね、その時の集中巻きコイルの周方向開き角度を電気角で２７０度以下とする。３段重ねる場合には、電気角で周方向に２４０度ずらして重ね、その時のコイルの周方向開き角度は電気角で２４０度以下となる構造にする。

なお、磁気絶縁板７や回転子側磁気絶縁板８は、非磁性、非導電性部材、ゴム、合成樹脂等の磁気絶縁材で形成することができる。よって、磁気絶縁板７や回転子側磁気絶縁板８を磁気絶縁部材と総称することができる。

１・・・固定子鉄心、２・・・固定子コイル、３・・・ティース先端部空隙、４・・・回転子磁石、５・・・シャフト、６・・・コイル間空隙（通風路）、７・・・固定子側磁気絶縁板、８・・・回転子側磁気絶縁板、９・・・ベアリング、１０・・・モータハウジング、１１・・・出力軸側エンドブラケット、１１Ａ、１２Ａ・・・通風路、１２・・・反出力軸側エンドブラケット、１３・・・単相モータ、１４・・・スティックタイプ掃除機、１５・・・ドローン（電動航空機）、１６・・・プロペラファン、１７・・・多翼ファン、１８・・・固定子ティース、１９・・・コイル、２０・・・流路、２１・・・ホール素子、２２・・・回転子、１００・・・回転電機、１００ａ、１００ｂ、１００ｃ・・・単相モータ

Claims (11)

1. 単相で駆動される回転電機において、
   回転子と、
   複数の回転子磁石と、
   シャフトと、
   固定子鉄心と、
   複数の固定子コイルと、
   を有し、前記回転子磁石の数と、前記固定子コイルの数との比が３：１である単相モータを複数備え、複数の前記単相モータが、前記シャフトの軸方向に配置されていることを特徴とする回転電機。
2. 請求項１に記載の回転電機において、
   前記固定子コイルの周方向開き角度は、電気角で２４０度を超え、２７０度以下であり、複数の前記単相モータのうち、互いに隣接する前記単相モータの一方の前記単相モータの前記固定子コイルの周方向位置と、他方の前記単相モータの前記固定子コイルの周方向位置とが前記周方向開き角度だけずれて配置されていることを特徴とする回転電機。
3. 請求項１または２に記載の回転電機において、
   複数の前記単相モータのうち、互いに隣接する前記単相モータの一方の前記単相モータの前記固定子鉄心は、他方の前記単相モータの前記固定子鉄心と磁気絶縁部材を介して配置されていることを特徴とする回転電機。
4. 請求項１または２に記載の回転電機において、
   複数の前記単相モータのうち、互いに隣接する前記単相モータの一方の前記単相モータの前記回転子は、他方の前記単相モータの前記回転子と磁気絶縁部材を介して配置されていることを特徴とする回転電機。
5. 請求項１または２に記載の回転電機において、
   複数の前記単相モータのうち、互いに隣接する前記単相モータの一方の前記単相モータの前記複数の回転子磁石の周方向位置と、他方の前記単相モータの前記複数の回転子磁石の周方向位置とは、互いに電気角で９０度ずれて配置され、一方の前記単相モータの前記固定子コイルと、他方の前記単相モータの前記固定子コイルとに同一の位相の電流が印加されることを特徴とする回転電機。
6. 請求項１に記載の回転電機において、
   ３つの前記単相モータを備え、３つの前記単相モータの前記固定子コイルの周方向開き角度は、電気角で２１０度を超え、２４０度以下であり、３つの前記単相モータのうち、互いに隣接する前記単相モータの一方の前記単相モータの前記固定子コイルの周方向位置と、他方の前記単相モータの前記固定子コイルの周方向位置とが、前記周方向開き角度だけずれて配置されていることを特徴とする回転電機。
7. 請求項１または６に記載の回転電機において、
   複数の前記単相モータのそれぞれは、互いに隣接する固定子コイルの間に通風路が形成されていることを特徴とする回転電機。
8. 請求項１、２または６のうちのいずれか一項に記載の回転電機において、
   通風路が形成された出力軸側エンドブラケットと、通風路が形成された反出力軸側エンドブラケットと、を備えること特徴とする回転電機。
9. 請求項１に記載の回転電機において、
   前記固定子鉄心が前記回転子磁石の内側に配置された外転型の単相回転電機であることを特徴とする回転電機。
10. 請求項１、２または６のうちのいずれか一項に記載の回転電機において、
    掃除機および電動航空機に用いられることを特徴とする回転電機。
11. 請求項１０に記載の回転電機において、
    回転翼を有し、前記回転翼の枚数が、前記回転子磁石の数と同数であることを特徴とする回転電機。

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