JP4715305B2 - 単相ブラシレスモータ - Google Patents

Description

本発明は単相ブラシレスモータに関するものであり、特に、ステータコアとロータマグネットとの相互作用によるコギングトルクの低減化を図った単相ブラシレスモータに関するものである。

一般にブラシレスモータは、直流モータの特徴であるトルクが大きいこと、制御性が良いことなどに加え、信頼性が高いことから、産業界で幅広く用いられている。その中でも、特に広く一般化しているものとして、単相タイプと３相タイプのブラシレスモータがある。

殊に、３相ブラシレスモータは、電気角で互いに１２０°だけ位相をずらした３相交流にて通電する必要がある。そのためには、３個の磁気センサと、この磁気センサを用いてコイル通電の切り換えを行うべく、３相分の切り替え機能を持つ駆動回路とが必要となる。したがって、例えば、送風冷却用モータのように、安価に形成しなければならないモータに適用するのは、経済面から得策ではない。

この場合、磁気センサが１個で済み、さらに１相分の安価な駆動回路で構成できる、単相ブラシレスモータを用いるのが望ましい。

図１２は従来の単相形ブラシレスモータの一例を示す磁気回路模式図で、図１３は図１２におけるモータの部分を拡大した図である。図１２および図１３において、このブラシレスモータ１は装置(不図示)側へ取り付けて固定されるステータ２と、このステータ２に対して回転駆動されるロータ３とからなる。

ロータ３は、６極に着磁された環状の永久磁石４とヨーク部５とで構成されている。一方、ステータ２は、永久磁石４の内周面側に配置されるステータコア６を有する。

ステータコア６は、例えば珪素鋼板を積層して形成してなり、ロータ３のシャフト(不図示)の軸方向に延びる６個のスロット７，７…およびスリット８，８…を円周方向に沿って等分位置に配設し、このスロット７，７…およびスリット８，８…で円周方向に等分に分離された概略Ｔ字状の６個の突極歯９，９…を設けている。各突極歯９，９…には、導線を巻回し、巻線としてのコイル１０が形成されている。

そして、この単相形ブラシレスモータ１の場合では、コイル１０，１０…への通電を、ロータ３の位置に応じて順次切り替え、連続的な回転力を得るようにしている。

図１４は、ブラシレスモータ１におけるロータ３の回転位置と発生トルクとの関係を示す特性図で、縦軸がトルク[gf・cm]、横軸がロータ３の回転角度[deg]である。図１２に例示するタイプの単相ブラシレスモータ１は、図１４に示すような発生トルクＴ１が得られるが、通電切り換え点(図１４Ａ部)において、トルクＴ１が０となる回転位置、いわゆる「死点」がある。この「死点」にロータ３が停止した場合、トルク発生が不可能となり、かつ、磁気センサによる位置検出も不可能となるため、自起動することはできない。

そこで、ロータ３の回転方向において、ステータコア６と永久磁石４の空隙長に変化ができるように、ステータコア６の突極歯９の歯先面を加工して、例えば図１５に示すようなディテントトルク(コギングトルク)Ｔ２が発生するようにし、これを発生トルクＴ１に
付加して図１６に示す合成トルクＴ３を作り、「死点」を無くして自起動をスムーズに行わせるようにする技術も知られている（例えば、特許文献１参照）。なお、図１５および図１６も、縦軸がトルク[gf・cm]、横軸がロータ３の回転角度[deg]である。ここで、モータの合成トルクＴ３は、ディテントトルクＴ２の位相と発生トルクＴ１の位相差により、トルクリップル量が変化する。
米国特許第３８７３８９７号明細書。

特許文献１記載の発明による従来型モータは、ディテントトルクの位相は、コアと永久磁石の空隙長の傾斜によって変化するが、ディテントトルクの位相とディテントトルクの位相差が不十分である場合、トルクリップルが大きくなり、振動・騒音の原因となり、モータ品質上大きな問題となることがある。

そこで、振動・騒音の誘因となる発生トルクとディテントトルクの位相差の減少を抑制し、トルクリップルを小さくするために解決すべき技術的課題が生じてくるのであり、本発明はこの課題を解決することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するために提案されたものであり、請求項１記載の発明は、ステータコアの突極歯にコイルが巻回されたステータと、該ステータコアと半径方向へ空隙をもって対向配置された環状の永久磁石を有するロータとを備え、かつ、前記空隙の大きさに前記突極歯の回転方向両端部間で差が出るように前記ステータコアの中心から前記突極歯の歯先面までの距離を前記突極歯の回転方向両端部間で異ならせてなる単相ブラシレスモータにおいて、
前記突極歯の回転方向の一端部で形成される最小の空隙長をｄ１、前記回転方向の他端部で形成される最大の空隙長をｄ２とした場合に、前記突極歯の回転方向の一端部で形成される最小の空隙長をｄ１と前記回転方向の他端部で形成される最大の空隙長ｄ２との関係をｄ１：ｄ２＝１：２から１：３とした単相ブラシレスモータとなし、
且つ、前記突極歯の歯先表面は、最小空隙長側一端部から最大空隙長側端部に亘って上記空隙が漸次大きくなるよう凸状曲面に形成されている単相ブラシレスモータを提供する。

この構成によれば、ディテントトルクと発生トルクの位相差は、磁極間角度の４分の１の角度、すなわち１５°となり、位相ずれの効果により、ディテントトルクと発生トルクとの合成トルクのリップル量が低減する。

この構成によれば、最大の空隙長が作られる突極歯の歯先表面から最小の空隙長が作られる突極歯の歯先表面に亘って連続する凸状の曲面により、突極歯の歯先表面が形成されるので、前記空隙長がロータ回転方向において連続して異なるモータが得られる。

請求項２記載の発明は、上記凸状曲面が断面円弧状であり、該円弧状は、上記ステータコアの中心から所定方向に偏位した点を中心とする円弧と同一又は近似する略円弧として形成されている請求項１記載の単相ブラシレスモータを提供する。

この構成によれば、上記連続曲面の断面外周形状は、ステータコア中心近傍の偏位点を中心として描かれる円弧又はこれに類似した略円弧を有する凸状曲線であるので、前記空隙長の大きさが回転方向において漸次変化する歯先表面を有する突極歯が容易に作成される。

請求項３記載の発明は、上記隣り合う突極歯間の回転方向におけるスロット幅を７°とした請求項１または２記載の単相ブラシレスモータを提供する。

この構成によれば、隣り合う突極歯間の回転方向におけるスロット幅を７°とすることにより、発生トルクとディテントトルクの位相差の減少が抑制される。

請求項４記載の発明は、上記ステータコアは、周方向に等間隔で設けられた６個の突極歯を有し、上記永久磁石はＮ極とＳ極とが周方向へ交互に、計６つの磁極が等分に着磁されている単相ブラシレスモータを提供する。

この構成によれば、Ｎ極とＳ極とが周方向へ交互に均等に着磁された６磁極・６突極構造の単相ブラシレスモータが得られ、これによっても、各磁極に対し磁極の１／４の位相ずれを発生させることができる。

請求項１記載の発明は、ディテントトルクと発生トルクの位相差が大きくなって、合成トルクのリップル量が低減するので、モータの振動・騒音を抑えることができる。また、単相ブラシレスモータは、構造上、磁極とコア突極の数は同数であるが、各磁極に対し磁極の４分の１の位相ずれを発生させることができるので、磁極数によらず前記リップル量の低減効果効率よく発揮できる。

この発明は、突極一端部が最小空隙長となる構造にすることにより、ディテントトルクと発生トルクの位相差を大きくすることが可能であるので、上記の効果に加えて用途に見合ったトルクリップル低減効果を有するモータが容易に得られる。

請求項２記載の発明は、前記空隙長がロータ回転方向にいくに従って漸次異なるので、上記の効果に加えて、モータの振動・騒音を一層効果的に抑えることができる。

請求項３記載の発明は、発生トルクとディテントトルクの位相差の減少が効率よく抑制されるので、請求項１，２の発明の効果に加えて、モータの振動・騒音の抑制効果が高いうえに、モータの回転特性が向上して、モータの制御精度が一層高くなる。

請求項４記載の発明は、請求項１，２または３の発明によって得られる上記格別の効果を有する６磁極・６突極構造の単相ブラシレスモータを容易に製造することができる。

以下、本発明の単相ブラシレスモータについて、好適な実施例をあげて説明する。本発明の最良の形態は、振動・騒音を誘発する原因となる発生トルクとディテントトルクの位相差の減少を抑制し、合成トルクリップルを効果的に小さくするという目的を達成するために、ステータコアと半径方向へ空隙をもって対向配置された環状永久磁石を有するロータを具備し、前記空隙の大きさが突極歯の回転方向両端部間で異なるように、ステータコアの中心Ｏから突極歯の歯先面までの距離を前記回転方向両端部間で異ならせ、突極歯の回転方向の一端部で形成される最小の空隙長をｄ１、回転方向の他端部で形成される最大の空隙長をｄ２とした場合に、上記突極歯の回転方向の一端部で形成される最小の空隙長ｄ１と上記回転方向の他端部で形成される最大の空隙長ｄ２との関係をｄ１:ｄ２＝１：
２から１：３に設定し、上記歯先表面は、最小空隙長側一端部から最大空隙長側他端部に亘って、上記空隙を漸次大きくさせる断面略円弧状の凸状曲面に形成され、該略円弧状には、上記中心Ｏから上記歯先表面と反対側の所定偏位点を中心とする円弧と同一又は近似する略円弧が含まれ、隣り合う突極歯間の回転方向におけるスロット幅を７°としたことにより実現した。

上記連続曲面の断面形状は、前記空隙の大きさが回転方向において漸次異なるように形成されればよく、例えば、次の方法で描かれる（図５参照）。すなわち、最小空隙長側一端と前記コア中心Ｏ間の距離寸法Ｌを有する可動直線をＴとし、最小空隙長側一端Ｅから最大空隙長側他端Ｆに進むに従って、該歯先表面が中心Ｏ側に緩やかに傾斜するように、可動直線Ｔの基端を所定方向、即ち、中心Ｏと最小空隙長側一端Ｅを結ぶ方向と略直角であって、最小空隙長側一端Ｅと反対側（図５中下側）に位置移動させつつ、可動直線Ｔの先端を最大空隙長に回転させたときに前記先端の円弧状軌跡曲線として描かれる。

勿論、本発明の前記曲面はこれに限定されず、最小空隙長側の歯先表面から最大空隙長側の歯先表面に亘って前記空隙を次第に大きくさせる略円弧状曲面であれば、全て本発明モータに包含される。

図１は本発明の第１の実施形態として示す単相ブラシレスモータの外観図で、図２は図１に示す単相ブラシレスモータの分解斜視図である。図３〜図５は、その各部の詳細を示す。尚、図示形態は、電子機器の送風冷却用アウターロータ型ブラシレスモータに適用したものであるが、勿論、本発明はこれに限定されない。

図１および図２に示す単相ブラシレスモータ１１は、アウターロータ形で、６磁極・６突極形の単相ブラシレスモータである。単相ブラシレスモータ１１は、装置(不図示)側に基板１２を介して固着されるハウジング１３に対して取り付けられるステータ１４と、このステータ１４に対して回転駆動されるロータ１５とからなる。また、基板１２上には、駆動電流の供給等を制御しモータを駆動する回路が組み込まれているドライバーＩＣ１６と、ロータ１５の回転位置を検出する磁気センサ１７の他に、ロータ用の軸受１８および軸受１９が装着されている。

ロータ１５は、ロータケース２０と永久磁石２１とシャフト２２とからなる。ロータケース２０はカップ形をなし、内部にはシャフト２２の一端が同軸的に固着されている。このシャフト２２は、その他端側が軸受１８および軸受１９に嵌め込まれて、ステータ１４に対して回転可能に保持されている。また、ロータケース２０の内周面には環状の永久磁石２１が固着されている。永久磁石２１は、円周方向に向かってＮ極，Ｓ極を交互に等間隔で配し、内周面に６個の磁極を設けている。

ステータ１４は、永久磁石２１の内周面側に同心的に配置され、ハウジング１３の外周に固着された環状のステータコア２３を有する。このステータコア２３は、例えば珪素鋼板を積層して形成してなり、シャフト２２の軸方向に延びる６個のスロット２４，２４…および６個のスリット２５，２５…を円周方向に沿って等分に設けている。このスロット２４，２４…およびスリット２５，２５…により、円周方向に等分に分離された概略Ｔ字状の突極となる突極歯２６，２６…を６個、６０°間隔で設けている。各突極歯２６，２６…には、導線を所定数巻回してなる、巻線としてのコイル２７が形成されている。各コイル２７，２７…は、ドライバーＩＣ１６に各々接続されており、ドライバーＩＣ１６の制御を介して駆動用の電流が供給され、連続的な回転力を得るように構成されている。

ステータ１４の突極歯２６，２６…の各歯先面（歯の外側端面）３０は、図４に拡大し
て示すように、前記突極歯２６，２６…と永久磁石２１の内周面との空隙長に、ロータ１５の回転方向、すなわち突極歯２６，２６の回転方向両端部２８，２９間で差がでるようにしている。本実施形態では、前記ステータコア２３の中心Ｏから前記突極歯の歯先面３０までの距離(空隙長)は、前記突極歯２６の回転方向両端部２８，２９間で互いに異なるように形成されている。具体的には、突極歯２６の回転方向一端２８側に最小空隙長ｄ１が作られ、回転方向他端２９側に最大空隙長ｄ２が作られるようにして、回転方向一端２８側から回転方向他端２９側まで連続する曲面Ｓで形成している。

なお、本実施形態例では、回転方向一端２８側の最小空隙長ｄ１と回転方向他端２９の最大空隙長ｄ２との関係をｄ１：ｄ２＝１：３に設定している。又、前記歯先面３０の曲面Ｓ形状は、ここでは、コア中心Ｏ近傍の偏位点Ｃを中心とする円弧面状に形成されているために、最小空隙長側端部２８の曲率半径Ｌと最大空隙長側端部２９の曲率半径Ｒは同等である。

図５に示すように、前記突極歯２６の最大空隙長側端部２９に隣接する側の突極歯２６Ａの回転方向中心Ｐと、ステータコア２３の中心Ｏとを結ぶ径方向直線をＤとすると、図５中、上記偏位点Ｃは径方向直線Ｄ上において中心Ｏから下方側（突極歯２６Ａと反対側）に若干量変位した位置にある。

曲面Ｓの正面視略円弧状曲線は、例えば、次の手法で描かれる。即ち、最小空隙長側一端２８から中心Ｏまでの距離と略同じ長さの定直線Ｈの内側（コア中心Ｏ側）端点をＨ１、外側側端点をＨ２とすると、内側端点Ｈ１を、コア中心Ｏを起点として径方向直線Ｄに沿って下側方向（最大空隙長側他端２９から遠ざかる径方向）に連続変位させつつ、定直線Ｈを最大空隙長側他端２９側に回転移動させたときに、外側端点Ｈ２が描く凸状曲線により、前記曲線が形成される。この場合、外側端点Ｈ２の軌跡曲線は、コア中心Ｏと歯先面３０間の距離が図中時計方向へ向かうに伴って小さくなる略円弧形状であり、上述のように、コア中心Ｏから図中下側へ偏位した点Ｃを中心として描かれる円弧と類似する。

さらに、隣り合う突極歯２６，２６間のスリット２５の幅θは７°となるように設定している。このように形成すると、発生トルクとディテントトルクの位相差の減少を抑制し、モータの振動・騒音を抑えることができる。

次に、本発明の単相ブラシレスモータ１１の作用・効果を確認するために、下記の実施例１，２，３について、検証を行った。その実施例１〜３の結果について説明する。

図６は、本実施形態の構造と同様に、回転方向一端２８側の最小空隙長ｄ１と回転方向他端２９の最大空隙長ｄ２との関係をｄ１：ｄ２＝１：３、隣り合う突極歯２６，２６間のスリット２５の幅θを７°に設定した場合における、回転角度に対する発生トルクおよびディテントトルクとの関係を示す特性図である。なお、図中、Ｔ１は発生トルク、Ｔ２はディテントトルクを示す。図７は、図６における発生トルクＴ１とディテントトルクＴ２の合成トルクＴ３を示す。図６および図７において、縦軸がトルク[gf・cm]、横軸がロータ３の回転角度[deg]である。

図６及び図７から明らかなように、実施例１、すなわち本実施形態の構造では、発生トルクＴ１とディテントトルクＴ２の位相差は、磁極間角度の４分の１の角度、すなわち１５°となり、位相ずれの効果により合成トルクのリップルが３５％以上低減できることが分かる。

図８は比較例であって、回転方向一端２８側の最小空隙長ｄ１と回転方向他端２９の最
大空隙長ｄ２との関係をｄ１：ｄ２＝１：１.５、隣り合う突極歯２６，２６間のスリット２５の幅θを７°に設定した場合における、回転角度に対する発生トルクおよびディテントトルクとの関係を示す特性図である。なお、図中、Ｔ１は発生トルク、Ｔ２はディテントトルクを示す。図９は、図８における発生トルクＴ１とディテントトルクＴ２の合成トルクＴ３を示す。

ここで、回転方向一端２８側の最小空隙長ｄ１と回転方向他端２９の最大空隙長ｄ２との関係をｄ１：ｄ２＝１：３とした図６および図７に示す実施例１(本実施の形態)の結果と、ｄ１：ｄ２＝１：１.５とした図８および図９に示す比較例の結果とを比較する。ｄ１：ｄ２＝１：１.５とした比較例の構造では、発生トルクＴ１とディテントトルクＴ２の位相差は１１°にとどまり、実施例１の構造と比較して４°少ない。その結果、４０ＡＴ(例えば巻線が８０ターンで、入力電流が0.5Ａ)のとき、入力時のトルクリップルに関しては、比較例では７７．７gf・cmであるのに対して、実施例１では６４．２gf・cmとなる。よって、本実施形態の構造を用いることにより、トルクリップルを１７．４％低減できることが分かる。

図１０は、本発明の第２の実施形態に係るもので、回転方向一端２８側の最小空隙長ｄ１と回転方向他端２９の最大空隙長ｄ２との関係をｄ１：ｄ２＝１：２、隣り合う突極歯２６，２６間のスリット２５の幅θを７°に設定した場合における、回転角度に対する発生トルクおよびディテントトルクとの関係を示す特性図である。なお、図中、Ｔ１は発生トルク、Ｔ２はディテントトルクを示す。図１１は、図１０における発生トルクＴ１とディテントトルクＴ２の合成トルクＴ３を示す。

実施例２の構造の結果では、発生トルクＴ１とディテントトルクＴ２の位相差は、１３°となり、４０ＡＴ(例えば巻線が８０ターンで、入力電流が0.5Ａ)のとき、入力時のトルクリップルは６８．０gf・cmとなる。これは前記比較例のｄ１：ｄ２＝１：１.５のものと比べて、トルクリップルを１２．５％低減できる効果がある。

なお、本発明においては、トルクリップルを低減するためには、実起動時の発生トルクとディテントトルクのピーク値を同値とすることが望ましい。ディテントトルクは、永久磁石の形状、材質および全体の磁気回路(磁路幅，磁極数)によって変化するため、それに合わせて最小空隙長ｄ１と最大空隙長ｄ２との関係を維持し、エアギャップの大きさを変化させればよい。単相ブラシレスモータは、構造上、磁極と突極歯２６の数は同数であるが、本発明は、各磁極に対し、磁極の４分の１の位相ずれを発生させることができるため、磁極数によらず、トルクリップル低減効果を効率よく発揮できる。

また、本発明は、本発明の精神を逸脱しない限り種々の改変を為すことができ、そして、本発明が該改変されたものに及ぶことは当然である。

本発明の第１の実施形態として示す単相ブラシレスモータの外観図。 図１に示す単相ブラシレスモータの斜視図。 図１に示す単相ブラシレスモータの内部構造を示す磁気回路模式図。 図３に示す磁気回路の部分拡大図。 図３に示すステータコアの平面図。 最小空隙長ｄ１と最大空隙長ｄ２との関係をｄ１：ｄ２＝１：３とした図１に示す単相ブラシレスモータの発生トルクとディテントトルクの特性図。 最小空隙長ｄ１と最大空隙長ｄ２との関係をｄ１：ｄ２＝１：３とした図１に示す単相ブラシレスモータの発生トルクとディテントトルクを合成した合成トルク特性図。 最小空隙長ｄ１と最大空隙長ｄ２との関係をｄ１：ｄ２＝１：１.５とした単相ブラシレスモータの発生トルクとディテントトルクの特性図。 最小空隙長ｄ１と最大空隙長ｄ２との関係をｄ１：ｄ２＝１：１.５とした単相ブラシレスモータの発生トルクとディテントトルクを合成した合成トルク特性図。 最小空隙長ｄ１と最大空隙長ｄ２との関係をｄ１：ｄ２＝１：２とした本発明の第２の実施形態に係る単相ブラシレスモータの発生トルクとディテントトルクの特性図。 最小空隙長ｄ１と最大空隙長ｄ２との関係をｄ１：ｄ２＝１：２とした本発明の第２の実施形態に係る単相ブラシレスモータの発生トルクとディテントトルクを合成した合成トルク特性図。 従来の単相ブラシレスモータの内部構造を示す磁気回路模式図。 図１２に示す磁気回路の部分拡大図。 図１２に示すブラシレスモータの発生トルクの特性図。 図１２に示すブラシレスモータのディテント発生トルクの特性図。 図１２に示すブラシレスモータの発生トルクとディテントトルクを合成した合成トルク特性図。

符号の説明

１１ 単相ブラシレスモータ
１２ 基板
１３ ハウジング
１４ ステータ
１５ ロータ
１６ ドライバーＩＣ
１７ 磁気センサ
１８ 軸受
１９ 軸受
２０ ロータケース
２１ 永久磁石(ロータマグネット)
２２ シャフト
２３ ステータコア
２４ スロット
２５ スリット
２６ 突極歯
２７ コイル
２８ 突極歯の一端部
２９ 突極歯の他端部
３０ 歯先面
ｄ 空隙長
ｄ１ 最小空隙長
ｄ２ 最大空隙長
Ｌ 距離
θ スリット幅

Claims (4)

1. ステータコアの突極歯にコイルが巻回されたステータと、
   該ステータコアと半径方向へ空隙をもって対向配置された環状の永久磁石を有するロータとを備え、かつ、前記空隙の大きさに前記突極歯の回転方向両端部間で差が出るように前記ステータコアの中心から前記突極歯の歯先面までの距離を前記突極歯の回転方向両端部間で異ならせてなる単相ブラシレスモータにおいて、
   前記突極歯の回転方向の一端部で形成される最小の空隙長をｄ１、前記回転方向の他端部で形成される最大の空隙長をｄ２とした場合に、前記突極歯の回転方向の一端部で形成される最小の空隙長をｄ１と前記回転方向の他端部で形成される最大の空隙長ｄ２との関係をｄ１：ｄ２＝１：２から１：３とした単相ブラシレスモータとなし、
   且つ、前記突極歯の歯先表面は、最小空隙長側一端部から最大空隙長側端部に亘って上記空隙が漸次大きくなるよう凸状曲面に形成されていることを特徴とする単相ブラシレスモータ。
2. 上記凸状曲面が断面円弧状であり、該円弧状は、上記ステータコアの中心から所定方向に偏位した点を中心とする円弧と同一又は近似する略円弧として形成されていることを特徴とする請求項１記載の単相ブラシレスモータ。
3. 上記隣り合う突極歯間の回転方向におけるスロット幅を７°としたことを特徴とする請求項１または２記載の単相ブラシレスモータ。
4. 上記ステータコアは、周方向に等間隔で設けられた６個の突極歯を有し、上記永久磁石はＮ極とＳ極とが周方向へ交互に、計６つの磁極が等分に着磁されていることを特徴とする請求項１，２または３記載の単相ブラシレスモータ。

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