JP4217790B2 - 単相ブラシレスｄｃモータ - Google Patents

Description

本発明は，ファンやブロワの駆動源として使用される，永久磁石を用いた単相のアウターロータ型モータの構造に関するものである。

従来のファンやブロワの駆動用単相モータとしては，ロータマグネットの極数とステータコアのティース数を４程度とし，ロータマグネットの磁極位置を検出する磁気センサに１個のホール素子を用い，半導体により単相モータコイルに通電方向を交互に反転させて，ロータマグネットを回転させている。このモータ構成は単相であるため，回転トルクを発生しない点が存在する。

またロータマグネットとティース突極間の間隙が円周方向に一定であると，突極とマグネット間に生じるコギングトルクが０になる点と，上記回転トルクの生じない点とが同じ位置で発生するために，いわゆる，デットポイントと呼ばれるモータが起動できない点が存在する。
図１１は，上記従来のファン用の単相モータの構造を示す図であって，３１はロータ，３２は円環状のマグネットで４極に着磁が施されている。３３はマグネット３２の磁極を検出するホール素子で，プリント基板（図示せず）に取り付けられている。３４は珪素鋼板を打ち抜いて積層したステータコアで，４個のティース３５と突極３６を有し，突極３６とマグネット３２の間のエアギャップは，図１１に示すように，一定ではなく不均一になっている。３７はステータコアに装巻されたモータコイルである。この不均一なエアギャップにより，モータ無通電時の停止位置が上記デットポイントに一致しないように工夫されている。

また，モータのステータコアの材料に圧粉磁心材を使用すると，渦電流損失が低減されこと，金型により様々な形状を形成することが可能であることが，特開２００４−４０８７１号に開示されている。この圧粉磁心材とは，絶縁処理した軟磁性粉末と樹脂の複合材から成るもので，金型を用いて圧縮成形で形成されるものである。

また，本発明者等は特開２００５−１６０２６４号広報で遠心ブロワに使用されるモータについて，モータを構成するステータの外径を遠心ブロワの吸込口に向かって小さくなるように形成し，エアギャップを介して対向するロータマグネットの内径も同様に吸込口に向かって小さくなるよう形成するモータ構造を開示し，遠心ブロワの形状を大きくすることなく，吸込の気流が十分に，且つ滑らかに羽根車のブレードに吸込できて，羽根車の振動が少ないブロワ用モータを提案した。
特開２００４−４０８７１号 特開２００５−１６０２６４号

ファン・ブロワの高風量化に伴い，その中央部分に配置されるモータのサイズが大きいと風量低下・騒音大等の問題が生じる。その改善策としてモータの小型化が考えられる。モータの小型化にはマグネットの磁束密度を高く設定することが考えられるが，その場合にステータティースの磁気飽和の問題が生じる。また，磁気飽和しない範囲で磁束密度を高くしたとしても，高速回転する場合のステータヨークの渦電流損失が大きくなり効率に悪影響を与える。

また，上述した遠心ブロワにおいてはモータを構成するステータの外径を吸込口に向かって小さくなるように形成するため，モータの製作方法に難点があった。

上述のステータティースの磁気飽和を解決する方法として，モータ鉄心を使用しないコアレスモータが考えられる。このコアレスモータ構造を単相ブラシレスＤＣモータに適用する。

ステータヨークを絶縁処理した軟磁性粉末と樹脂の複合材から成る圧粉磁心材を使用して構成し，空心で集中巻きされたモータコイルをステータヨークの外周面に等間隔にマグネットの極数と同数だけ固着し，モータコイルの空心部分を基準に位置を決めるガイドをステータヨークの外周にモータコイルの厚みよりも薄くステータヨークと一体に形成して配置する。

また，モータのデットポイントが発生しないように，ガイドの厚みを不均一とし，ガイド外周表面とリング状のマグネット内周のエアギャップが不均一になる構造とする。

圧粉磁心で成形されたステータヨークの表面には粉体樹脂コーティング法により，絶縁皮膜を形成すると同時に，ステータヨークの機械的強度の補強を兼ねる。

また，遠心ブロワに使用する場合には，吸込口側に向かって，リング状のマグネットと圧粉磁心材から成るステータヨークの径が，小さくなるように形成する。

本発明のモータでは，下記のような特性改善と製作容易化が図れる。
（１）残留磁束密度の高いマグネットが使用可能となり，モータの小型化が可能で，ファン・ブロワの風量アップと低騒音化が可能となる。
（２）圧粉磁心材は渦電流の発生が少なく，高速回転域での高効率運転が可能になる。
（３）モータコイルをステータヨークに固着する際に，ステータヨークと一体に成形されたガイドにより精度良く配置できる。
（４）ガイドの厚みを不均一とすることで，モータのデットポイント発生を回避できる。
（５）圧粉磁心で成形されたステータヨークの表面には，絶縁処理が可能で直接モータコイルを固着できるため，モータコイルの放熱に効果がある。
（６）ステータヨークは金型により成形するため，径方向のテーパ加工が容易であり，別工程で巻線された，モータコイルはステータヨークと一体に成形されたガイドにより精度良く容易に配置できる。

ステータヨークを絶縁処理した軟磁性粉末と樹脂の複合材から成る圧粉磁心材を使用して構成し，モータコイルの空心部分を基準に位置を決めるガイドをステータヨークの外周にモータコイルの厚みよりも薄くステータヨークと一体に形成する。またガイドの厚みを不均一とし，該ガイド外周表面とリング状のマグネット内周のエアギャップが不均一になる構造とする。更にステータヨークのモータコイルとの接触面を，粉体樹脂コーティング法などにより，絶縁皮膜を形成し直接モータコイルを固着する。

遠心ブロワに適用するには，ケーシングとその内部に回転自在に軸支し，外周に複数のブレードを付加した羽根車を準備し，ケーシングの一方の側壁に形成された吸込口から空気を吸入し，羽根車の回転により吸入気流に遠心力を与え，ケーシング外周面の一部に形成された吐出口から高圧空気を吐出し，羽根車の中央部に単相ブラシレスＤＣモータを配置する遠心ブロワに，吸込口側に向かって，リング状のマグネットと圧粉磁心材から成るステータヨークの径が，小さくなるように形成する。

本発明に係わる実施の形態を図１の単相ブラシレスＤＣモータを搭載した遠心ブロワの断面図を用いて説明する。１は自己融着のマグネットワイヤ等を用いて集中巻きされた空心のモータコイルであり，４個でモータ一台分を構成する。２は絶縁処理した軟磁性粉末と樹脂の複合材から成る圧粉磁心材を用いて圧縮成形により造られたステータヨークであり，その表面は粉体樹脂コーティングにより絶縁皮膜を形成してあり，ステータヨークの電気的絶縁の他にステータヨークの機械的強度の補強を兼ねるものである。３はステータヨークの外周面に設けられたガイドであり，ステータヨーク２と一体に成形されていて，モータコイル１をステータヨーク２の外周に配置して固着する際の位置決めのガイドになるもので，モータコイル１の空心部部分と接する形状に成形されている。

４はロータ，５はネオジム系の高残留磁束密度を有するリングマグネットでロータ４の内径に挿入され内周面が４極に着磁されている。６はホール素子であり，７のプリント配線基板上に搭載され，マグネット５の磁極位置を検出している。

８はモータ軸，９は軸受け，１０はハウジング，１１はケーシング，１２は羽根車である。更に図２に示すように羽根車１２の外周には複数のブレード（翼）１３を有する。また，図３は遠心ブロワの外形であり，羽根車１２の回転による遠心力で側方の吸込口１５から羽根車１２の外周面への空気の流れを生じさせて，吐出口１４から排出するものである。

また，図４は図１のモータ部のモータ軸方向の断面図で，マグネット５の磁極とステータヨークガイド３の位置関係を示し，従来のモータ図１１と対比するものである。

ステータヨーク２の外周径に合わせて，モータコイル１の固着面は１−１のように円弧状に曲げられている。また，ガイド３の厚みはモータコイル１より薄く，厚い部分３−１，薄い部分３−２のように不均一に成形されている。これは図１１の従来のステータコア突極とマグネットのエアギャップの不均一化に相当するものである。

図５はガイド３の厚みが均一の場合の無通電時のマグネット５の磁極位置とモータコイル１の停止位置関係を示す展開図である。磁気回路の構成からモータコイルの中心位置とマグネット磁極の中心は一致するように停止する。この位置ではホール素子６はマグネット磁極の切り換え部分に位置することになり，モータコイルへの通電方向が確定出来ず起動するための回転トルクが得られない。

図６はガイド３の厚みを不均一にすることで，無通電時の停止位置がをずれすことが可能になり，この位置ではホール素子６はマグネット５の磁極を確実に検出できて，モータコイル１への通電方向が確定し，起動するための回転トルクが確実に得られる。

図７はモータに発生する回転トルクを示すものであり，不均一エアギャップ等により生じるコギングトルク２０と，通電トルク２１により合成された，モータ回転トルク２２を示すものである。Ｔ１はモータ回転トルク２２のトルクリップル値である。このトルクリップル値がモータの加振源となり，大きいほどモータの振動騒音が大きくなる。

図８はガイドの厚みを適切に変えた場合のトルクリップル値Ｔ２を示すもので，コギングトルクを適正値化したものでトルクリップルＴ２が小さくなり，その結果低騒音化が図れる。

図９は請求項３に係わるモータコイル１とガイド３の配置関係を示す図である。デッドポイントの回避方法としては，上述のガイド外周表面とリング状のマグネット内周のエアギャップを不均一にする方法とは別に，モータコイル１の配置で周方向の中心位置とガイド３の中心位置をずらしたことでも同様の効果が得られる。この場合にはモータコイルの位置決めはガイドの片側に寄せることで製作が可能である。

また，図１０は請求項４に係わる遠心ブロワの断面図である。ステータヨーク２を吸入口１５に向かって外径を小さくしている。ステータヨーク２には圧粉磁心材で金型により成形されているため，外径を変化させることは容易である。モータコイル１はステータヨーク２の外周表面に固着されるため，モータ軸８と傾いて配置されている。マグネット５は射出成形のネオジム系プラスチックマグネットでステータヨーク２と同じ傾きで成形され４極に着磁されている。マグネット５を保持するロータ４も同じ傾きに絞り加工により成形されている。本発明のモータはこのように構成されているため，吸入口に向かってモータ径を小さく製作することが容易である。

本発明によれば，空心で集中巻きされたモータコイルをステータヨークに固着する際に，ステータヨークと一体に成形されたガイドにより配置でき，ガイドの厚みを不均一とすることで，モータのデットポイント発生を回避できる単相ブラシレスＤＣモータの構成が可能であり，モータの基本構成はコアレスモータでステータヨークの磁気飽和が生じにくく，磁束密度の高いマグネットが使用可能になり，モータが小型化できる。また，圧粉磁心材は渦電流の発生が少なく，高速回転域での高効率化が可能である。また，ステータヨークは金型により成形するため，径方向のテーパ加工が容易であり，別工程で巻線された，モータコイルはステータヨークと一体に成形されたガイドにより精度良く容易に配置できる。
このような特徴を持つ単相ブラシレスＤＣモータであるから，モータが小型化でき，気流の吸入特性が向上し，ファン・ブロワに使用することで風量アップと低騒音化が可能を実現することが可能である。

本発明の請求項１〜４に係わる単相ブラシレスＤＣモータを搭載した遠心ブロワの断面図 本発明に係わる羽根車とブレード（翼）の図 本発明に係わる遠心ブロワの外形図 本発明のモータ部のモータ軸方向断面図 無通電時のマグネット磁極位置とモータコイルの停止位置関係を示す展開図 無通電時のマグネット磁極位置とモータコイルの停止位置関係を示す展開図 モータトルク波形 モータトルク波形 本発明のモータコイルとガイドの配置関係を示す図 本発明の単相ブラシレスＤＣモータを搭載した遠心ブロワの断面図 従来の単相モータの構造図

符号の説明

１ モータコイル
１−１ 円弧状の曲げ
２ ステータヨーク
３ ガイド
３−１ ガイドの厚い部分
３−２ ガイドの薄い部分
４ ロータ
５ マグネット
６ ホール素子
７ プリント配線基板
８ モータ軸
９ 軸受け
１０ ハウジング
１１ ケーシング
１２ 羽根車
１３ ブレード
１４ 吐出口
１５ 吸込口
２０ コギングトルク
２１ 通電トルク
２２ モータ回転トルク
Ｔ１ トルクリップル
Ｔ２ トルクリップル
３１ ロータコア
３２ ロータマグネット
３３ ホール素子
３４ ステータコア
３５ ティース
３６ 突極
３７ モータコイル

Claims (2)

1. 回転自在に支持され内周面に多極着磁されたリング状のマグネットと，該マグネットの内周側に対向配置される円筒状のステータヨークと，該ステータヨークの外周面に等間隔に前記マグネットの極数と同数だけ固着された空心で集中巻きされたモータコイルを具備する単相ブラシレスＤＣモータにおいて，前記ステータヨークを絶縁処理した軟磁性粉末と樹脂の複合材から成る圧粉磁心材を使用して構成し，モータコイルの空心部分を基準に位置を決めるガイドをステータヨークの外周にモータコイルの厚みよりも薄くステータヨークと一体に形成して配置し、前記ガイドの厚みを不均一とし，該ガイド外周表面とリング状のマグネット内周のエアギャップが不均一になる構造としたことを特徴とする単相ブラシレスＤＣモータ。
2. 前記ガイドの厚みを均一とし，該ガイド外周表面とリング状のマグネット内周のエアギ
   ャップが均一になる構造とし，モータコイルの配置で周方向の中心位置とガイドの中心位
   置をずらしたことを特徴とする請求項１に記載の単相ブラシレスＤＣモータ。
   

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