JP2017143721A - 単相永久磁石ブラシレスモータ - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性の高いモータを提供する。
【解決手段】単相永久磁石ブラシレスモータは、ステータ及びロータを含む。ステータは、外側ハウジング３１と、外側ハウジング３１に取り付けられたステータコアと、ステータコアの周りに巻き付けられた巻線とを含む。ステータコアは、ヨークと、ヨークから内向きに延びる複数の磁極とを含む。ヨークは、外側ハウジング３１へ溶接によって固定される。これによりモータの信頼性が高くなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータ、特に高速回転可能な単相永久磁石ブラシレスモータの分野に関する。

本技術分野における単相永久磁石ブラシレスモータのステータコアは、通常、外側ハウジングに対して接着することで組み付けられので、剥がれ落ちるリスク及び熱放散が劣るという問題がある。本発明は、この問題を解決するための単相永久磁石ブラシレスモータを提供することを目的とする。

従って、信頼性が高いモータに対する要望がある。

１つの態様において、ステータと、ステータに対して回転可能なロータとを含む、単相永久磁石ブラシレスモータが提供される。ステータは、外側ハウジングと、外側ハウジングに取り付けられたステータコアと、ステータコアの周りに巻き付けられた巻線とを含む。ステータコアは、ヨークと、ヨークから内向きに延びる複数の磁極とを含む。ヨークは、外側ハウジングへ溶接によって固定される。

好ましくは、複数の磁極は第１の磁極及び第２の磁極を備え、第１の磁極の端面は第１の円弧面を備え、第２の磁極の端面は第２の円弧面を備え、第１の円弧面及び第２の円弧面は互いに向かい合いかつ協働して収容空間を定め、ロータは、収容空間内に収容され、軸と、軸上に固定された永久磁極とを備える。

好ましくは、ヨークは複数の連結部分を備え、外側ハウジングは、ヨークの連結部分に対応する複数のスロットを定め、連結部分は、ヨークの対応するスロットの周縁部へ溶接によって固定される

好ましくは、外側ハウジングは、内部にステータコアを取り付けるための開放端を備え、外側ハウジングの内面は、ステータコアを支持するための突出支持台を形成する。

好ましくは、スロットは、支持台と外側ハウジングの開放端との間に配置される。

好ましくは、連結部分はヨークから外向きに延びる。

好ましくは、連結部分は、モータの半径方向に沿ってヨークの外側縁から外向きに延びる。

好ましくは、外側ハウジングは樽形であり、連結部分は、円弧形の外面又は面取りした外面を形成し、外側ハウジングの内面に接触する。

好ましくは、ヨークはリング状であり、第１の磁極及び第２の磁極は、ヨークに係合する。

好ましくは、第１の磁極は、ヨークに係合するあり継ぎ端部を形成し、第２の磁極は、ヨークに係合するあり継ぎ端部を形成する。

好ましくは、ステータコアは、２つの重ね継ぎのＦ形部材を備え、Ｆ形部材の一方は、ヨークの一方の半分及び第１の磁極を形成し、Ｆ形部材の他方は、ヨークの他方の半分及び第２の磁極を形成する。

好ましくは、各Ｆ形部材の一端にあり継ぎ連結溝部が定められ、各Ｆ形部材の他端にあり継ぎ連結部分が定められ、一方のＦ形部材のあり継ぎ連結溝部及び連結部分は、他方のＦ形部材のあり継ぎ連結部分及び連結溝部にそれぞれ係合する。

好ましくは、ヨークと外側ハウジングの内面との間に隙間が定められて軸方向通路が形成され、外側ハウジングは、軸方向通路と連通する複数の開口部を定める。

好ましくは、ステータは、外側ハウジングに取り付けられた支持ブラケットと、支持ブラケット及び外側ハウジングの少なくとも一方に取り付けられた軸受座とをさらに備え、ロータは、軸受を介して軸受座によって支持された軸を備える。

好ましくは、支持ブラケットは十字形状であり、外側ハウジングの側壁は、４つの開口部を定め、各開口部の間に形成された連結壁を備え、支持ブラケットは、連結壁へ溶接によって固定される。

別の態様において、ステータ及びロータを含む単相永久磁石ブラシレスモータが提供される。ステータは、外側ハウジングと、外側ハウジングに取り付けられた支持ブラケットと、支持ブラケット及び外側ハウジングの少なくとも一方に取り付けられた軸受座と、外側ハウジングに取り付けられたステータコアと、ステータコアに巻き付けられた巻線とを備える。ロータは、ステータに回転可能に結合され、軸受を介して軸受座によって支持された軸を含む。

好ましくは、支持ブラケットは十字形状であり、外側ハウジングの側壁は、４つの開口部を定め、各開口部の間に形成された連結壁を備え、支持ブラケットは、連結壁へ溶接によって固定される。

好ましくは、ステータコアと外側ハウジングとは溶接によって連結される。

本発明を実施することで、モータの信頼性が高くなり、モータ内部の熱放散が向上する。

以下、本発明は、添付図面を参照して、例示的に詳細に説明される。図面において、構成又は機能が類似する要素には同じ符号が付される。図面に示す構成要素及び特徴部の寸法は、一般的に説明の便宜上及び明瞭化のために選択され、必ずしも縮尺通りではないことを理解されたい。

本発明の第１の実施形態による単相永久磁石ブラシレスモータの概略図である。 図１に示した単相永久磁石ブラシレスモータの外側ハウジングの概略図である。 外側ハウジングに組み付けられた単相永久磁石ブラシレスモータの支持ブラケットを示す概略図である。 図１の単相永久磁石ブラシレスモータの外側ハウジングを取り外した状態の概略図である。 回路基板を取り外した状態で図１の単相永久磁石ブラシレスモータを別の角度から見た図である。 回路基板を取り外した状態の図１の単相永久磁石ブラシレスモータの断面概略図である。 図１の単相永久磁石ブラシレスモータのステータコア及びステータ巻線の概略図である。 図７に示したステータコアの概略図である。 図７のステータコアの別の構成の概略図である。 第２の実施形態による単相永久磁石ブラシレスモータのステータコア及びステータ巻線の概略図である 第３の実施形態による単相永久磁石ブラシレスモータの概略図である。

図１及び図２を参照すると、本発明の実施形態による単相永久磁石ブラシレスモータはステータ及びロータを含む。ステータは外側ハウジング３１を含む。外側ハウジング３１は、一端にカバー３３が形成され、他端が開放している。ステータは、外側ハウジング３１の開放端に取り付けられた回路基板３５と、外側ハウジング３１へ取り付けられかつ磁気伝導性の軟磁性材料で作製されたステータコア５１と、ステータコア５１の周りに巻き付けられた巻線５３とをさらに含む。ロータは、軸６１と、軸６１に固定された永久磁極（図６の永久磁極６３を参照）とを含む。ロータは、ステータ内に回転可能に取り付けられて、ステータに対して回転することができる。軸６１の出力端は、インペラ等の被駆動部材に結合することができる。

図２を参照すると、本実施形態では、外側ハウジング３１は樽形である。外側ハウジング３１のカバー３３に隣接する環状側壁の一部は、複数の開口部３７を定め、各開口部３７の間に形成された連結壁３９を備える。外側ハウジング３１の開口部３７は、ステータコア５１と外側ハウジング３１の内面との間に形成された通路と連通して、モータ内部の熱放散を助長する。

図２及び図３を参照すると、支持ブラケット４１は、外側ハウジング３１内に取り付けられている。支持ブラケット４１は、内部に貫通穴を定めるリング部分４１ａと、リング部分４１ａから外向きに延びる複数の連結部材４１ｂとを含む。リング部分４１ａは、軸受座４５（図４を参照）を支持するために使用される。連結部材４１ｂは、外側ハウジング３１の内面に連結される。具体的には、複数の支持部分３２は、支持ブラケット４１の連結部材４１ｂを支持するために外側ハウジング３１の内面上に形成され、支持ブラケット４１をカバー３３から所定距離だけ離隔する。好ましくは、連結部材４１ｂと外側ハウジング３１の内面とは溶接によって固定される。リング部４１ａの縁部及び連結部材４１ｂの縁部にはフランジ４１ｃが形成され、支持ブラケット４１の強度を高めるようになっている。支持ブラケット４１は、４つの連結部材４１ｂを含む十字形状であり、連結部材４１ｂはそれぞれ外側ハウジング３１の連結壁３９に固定的に連結される。

図２、図４及び図５を参照すると、ステータコア５１は、外側ハウジング３１の開放端を経て外側ハウジング３１に取り付けることができる。外側ハウジング３１の内面は、ステータコア５１を支持するための複数の突出支持台３４を形成する。支持台３４の支持面は同一平面内にある。支持台３４は、外側ハウジング３１を内向きに型打ちすることによって形成できる。また、外側ハウジング３１の内面の環状段部は、支持台３４として使用できることを理解されたい。本実施形態では、各支持台３４は、外側ハウジング３１の円周方向に沿って互いに離間される。スロット３６は、各支持台３４と外側ハウジング３１の開放端との間に形成される。好ましくは、各支持台３４の中心線は、対応するスロット３６の中心線と一致する。ステータコア５１は複数の連結部分５２を形成する。好ましくは、連結部分５２、支持台３４、及びスロット３６の数は同じである。各連結部分５２は、１つの対応するスロット３６と整列し、外側ハウジング３１の内面に近接する。好ましくは、ステータコア５１の円周方向に沿う各連結部分５２の幅は、対応するスロット３６の幅よりも大きい。ステータコア５１と外側ハウジング３１とは、ステータコア５１の取付け後に、スロット３６の周縁部でレーザー溶接される。

図４及び図６を参照すると、単相永久磁石ブラシレスモータは、カバー３３及び支持ブラケット４１に取り付けられた転がり支持構造体をさらに含む。転がり支持構造体は、ロータを転がり支持するためのものである。本実施形態では、転がり支持構造体は、外側ハウジング３１のカバー３３及び支持ブラケット４１に固定された軸受座４５と、軸受座４５に取り付けられた転がり軸受４７とを含む。転がり軸受４７はロータの軸６１を支持する。好ましくは、軸受座４５は、中空かつ円筒形である。転がり軸受４７と軸受座４５とは、溶接によって互いに固定される。軸受座４５と支持ブラケット４１とは、溶接によって互いに固定される。外側ハウジング３１のカバー３３は、開口部を定める。軸受座４５の一端は、外側ハウジング３１のカバー３３の開口部に挿入されて溶接される。永久磁極６３は軸６１に固定される。釣り合い重り６５は、永久磁極６３のカバー３３から離れている端部に配置される。本実施形態では、永久磁極６３は、焼結されたネオジム−鉄−ボロンにより一体形成され、円筒形である。随意的に、永久磁極６３及び釣り合い重り６５はスリーブの中に固定することができ、ロータの高速回転中に永久磁極６３が破損した場合に、永久磁極６３の破片が飛散するのを防止するようになっている。ホールセンサ等のセンサは、永久磁極６３の軸方向端部に近接した回路基板３５に組み込まれる。永久磁極６３の軸方向端部は、ステータコア５１の軸方向端部を、好ましくは２ｍｍだけ越えて延びることができる。従って、ステータコア５１を越えて延びる永久磁極６３の軸方向端部は、ホールセンサと協働する磁気誘導リングとして機能するので、モータのコントローラは、ロータの位置を決定することができる。

図７及び図８を参照すると、ステータコア５１は、リング状（本開示で用いる場合、リング状は、長方形及び円形のような閉じた形状を含む）のヨーク５５と、該ヨーク５５から内向きに延びる第１の磁極５６及び第２の磁極５７とを含むことができる。好ましくは、第１の磁極５６及び第２の磁極５７は同じ幅である。第１の磁極及び第２の磁極５６、５７の中心線は互いに一致し、第１の磁極及び第２の磁極５６、５７の端面は互いに向かい合う。本実施形態では、ステータは、第１の磁極及び第２の磁極５６、５７の反対側でそれぞれヨーク５５に巻き付けられた２つの巻線５３を含む。巻線５３に通電すると、各巻線５３は、ロータを通る磁気ループを発生させるので、経路が異なる全部で２つの磁気ループが形成される。巻線５３とステータコア５１との間には、絶縁ブラケット５８を配置することができる。

本実施形態では、ステータコア５１の軸方向に直交する断面は、略θ形である。突出した連結部分５２は、ステータコア５１のコーナ部に形成される。好ましくは、各連結部分５２の外側ハウジング３１の内面に近接する表面は、外側ハウジング３１の内面の形状と一致する形状である。

本実施形態では、第１の磁極５６の端面は、第１の円弧面５６と、それぞれ第１の円弧面５６ａの両側の第１の平面及び第２平面５６ｂ、５６ｃとを含む。

第２の磁極５７の端面は、第２の円弧面５７ａと、それぞれ第２の円弧面５７ａの両側の第３の平面及び第４の平面５７ｂ、５７ｃとを含む。

第１の円弧面５６ａと第２の円弧面５７ａとは互いに向かい合い、協働してロータを収容するための、詳細には永久磁極６３を収容するための空間を形成する。第１の平面５６ｂと第３の平面５７ｂとは実質的に平行であり、それらの間に均一幅の第１のスロット５９ａを定める。第２の平面５６ｃと第４の平面５７ｃとは実質的に平行であり、それらの間に均一幅の第２のスロット５９ｂを定める。第１のスロット及び第２スロット５９ａ、５９ｂは、第１の磁極５６と第２の磁極５７との間の大きな磁気抵抗の磁気ブリッジとして機能して、磁気短絡を防止するようになっている。

好ましくは、第１のスロット５９ａの幅（すなわち、第１の平面５６ｂに対して直交する方向に沿った第１のスロット５９ａの寸法）は、第２のスロット５９ｂの幅（すなわち第２の平面５６ｃに対して直交する方向に沿った第２のスロット５９ｂの寸法）と等しい。第１のスロット及び第２スロット５９ａ、５９ｂの中心線は互いに一致し、ロータの軸６１の中心Ｏを通過する。第１のスロット及び第２スロット５９ａ、５９ｂの中心線Ｐ１は、第１の磁極及び第２の磁極５６、５７の中心線Ｐ２（中心線Ｐ２は同様にロータの中心Ｏを通過する）に対して傾斜している。中心線Ｐ１と中心線Ｐ２との間の挟角は９０°以下である。中心線Ｐ１と中心線Ｐ２との間の挟角が９０°よりも小さい場合、第１の磁極５６は中心線Ｐ２に関して非対称であり、第２の磁極５７は同様に中心線Ｐ２に関して非対称であり、これはモータの誘導起電力を低減することができ結果的にモータの軸トルクが大きくなる。

第１の円弧面５６ａは円弧形の第１の凹所５６ｄを定め、第２の円弧面５７ａは円弧形の第２の凹所５７ｄを定める。第１の凹所及び第２の凹所５６ｄ、５７ｄの寸法、形状、及び位置は、必要に応じて変更することができる。この第１の凹所及び第２の凹所５６ｄ、５７ｄは、ロータの初期位置を決定するために用いることができる。本実施形態では、２つの永久磁極６３が存在する。ロータが初期位置にある場合、各永久磁極６３のうちの一方（Ｓ極又はＮ極）の中心線ＯＡは、第１の凹所５６ｄと第２のスロット５９ｂとの間の第１の円弧面５６ａの一部の中心線ＯＢから外れる。本実施形態では、永久磁極６３の中心線ＯＡは、第１の凹所５６ｄにより近接している。従って、図７に示すように、ロータは、時計回りの方向ではなく、反時計回りの方向に沿って起動しやすい。もしくは、永久磁極６３の中心線ＯＡは、第２のスロット５９ｂに近接するように設計することもでき、従って、ロータは、反時計回りの方向ではなく、時計周りの方向に沿って起動しやすい。

好ましくは。第１の円弧面５６ａの各部分及び第２の円弧面５７ａの各部分は、第１の凹所及び第２凹所５６ｄ、５７ｄを除いて、実質的に同じ円筒面上に配置される。永久磁極６３の外面は、実質的に第１の円弧面５６ａ及び第２の円弧面５７ａに対して半径方向に向かい合う同じ円筒面上に配置される。従って、ステータとロータとの間には実質的に均一な空隙が形成される。本開示で用いる場合、実質的に均一な空隙とは、ロータの大部分とステータの大部分との間の空隙が均一であり、更に、第１の凹所及び第２の凹所５６ｄ、５７ｄ、第１のスロット及び第２スロット５９ａ、５９ｂ、並びに永久磁極６３の遠位端の面取り部に対応する空隙部分といった空隙の小部分のみが不均一であることを意味する。

好ましくは、第１のスロット５９ａの幅は、ロータとステータとの間の空隙の均一部分の３倍未満である。より好ましくは、第１のスロット５９ａの幅は、ロータとステータとの間の空隙の均一部分の２倍未満である。

図９を参照すると、ステータコアは、同じ形状の２つのＦ形部材で構成することができ、一方は、ヨークの一方の半分及び第１の磁極を形成し、他方は、ヨークの他方の半分及び第２の磁極を形成する。各部材は、一端にあり継ぎ連結溝部５１ａを定め、他端にあり継ぎ連結部分５１ｂを含む。組立時、一方の部材のあり継ぎ連結溝部５１ａ及び連結部分５１ｂは、他方の部材のあり継ぎ連結部分５１ｂ及び連結溝部５１ａにそれぞれ係合する。

図１０を参照すると、別の実施形態において、ステータ巻線５３は、第１の磁極５６及び第２の磁極５７の周りに巻き付けることができる。

本発明では、２つの巻線５３は単相電流源に接続することができ、本発明の単相永久磁石ブラシレスモータを単相ブラシレス直流モータとして用いることができ、単相ブラシレス直流モータは、手乾燥機又は真空掃除機のような高速電気器具（例えば、１００ｋｒｐｍよりも速い）に特に適合する。本発明のモータの最大速度は、１２０ｋｒｐｍとすることができる。本発明のデザインは、単相同期モータでも使用できることを理解されたい。

図１１を参照すると、別の実施形態では、ステータコア５１は、一体化されたリング状ヨーク５５と、ヨーク５５に組み付けられた第１の磁極及び第２の磁極５６、５７とを含む。第１の磁極及び第２の磁極５６、５７は、各々、ヨーク５５に係合する継ぎ端部を形成する。巻線５３は、第１の磁極５６及び第２の磁極５７の周りに巻き付けられる。本実施形態では、ヨーク５５は正方形であり、ヨーク５５のコーナ部は、連結部分５２として機能しかつ整形されて平面状の又は湾曲した外面を形成し、これにより外側ハウジング３１の内面への連結又は近接配置が助長され、従って、ステータコア５１をスロット３６の周縁部において外側ハウジング３１に対して溶接することが容易になる。

ヨーク５５と外側ハウジング３１の内面とは、その間に隙間を定め、軸方向通路が形成される。外側ハウジング３１の開口部３７は、軸方向通路と連通して、モータ内部の熱放散を改善する。

本実施形態では、ステータコア５１と外側ハウジング３１とは溶接によって連結されるので、連結信頼性並びに熱伝達が向上する。加えて、ステータコア５１の外面と外側ハウジング３１の内面との間に形成された軸方向通路は、モータの熱放散をさらに改善する。

当業者には、本発明の範囲から逸脱しない様々な他の修正が明らかである。例えば、第１のスロット及び第２スロット５９ａ、５９ｂは、第１の磁極及び第２の磁極５６、５７中に半径方向に沿って延在する必要はなく、第１の磁極５６と第２の磁極５７との間に磁気抵抗が大きな磁気ブリッジが形成される限り、第１の磁極及び第２の磁極５６、５７の内面又は外面に形成することができる。第１のスロット及び第２スロット５９ａ、５９ｂの形状は変更することができ、第１のスロット及び第２スロット５９ａ、５９ｂの幅は、均一又は不均一とすることができる。幅が不均一である場合、第１のスロット及び第２スロット５９ａ、５９ｂの幅は、第１の磁極及び第２の磁極５６、５７の内面の隣接端の間の幅を指す。また、第１の凹所及び第２凹所５６ｄ、５７ｄの形状を変更することもできる。ステータコア５１の断面は、四角形に加えて、円形のような別のリング状とすることができる。そのような全ての修正は、本発明の範囲内に含まれるものである。

本発明が１又は２以上の実施形態を参照して説明されるが、実施形態の上記説明は、当業者が本発明を実行又は使用できるようにするためだけに用いられる。当業者であれば、本発明の精神又は範囲から逸脱することなく様々な修正が可能であることを理解できるはずである。本明細書に例示された実施形態は、本発明の限定として解釈されるべきではなく、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲を参照することによって決定される。

３１ 外側ハウジング
３３ カバー
３４ 支持台
３５ 回路基板
３６ スロット
３７ 開口部
３９ 連結壁
５１ ステータコア
５２ 連結部分
５３ ステータ巻線
５５ ヨーク
５６、５７ 磁極

Claims (11)

1. 外側ハウジングと、前記外側ハウジングに取り付けられたステータコアと、前記ステータコアの周りに巻き付けられた巻線とを含むステータと、
   前記ステータに対して回転可能なロータと、
   を備える単相永久磁石ブラシレスモータであって、
   前記ステータコアは、ヨークと、前記ヨークから内向きに延びる複数の磁極とを備え、前記ヨークは、前記外側ハウジングへ溶接によって固定される、単相永久磁石ブラシレスモータ。
2. 前記複数の磁極は、第１の磁極及び第２の磁極を備え、前記第１の磁極の端面は第１の円弧面を備え、前記第２の磁極の端面は第２の円弧面を備え、前記第１の円弧面及び前記第２の円弧面は互いに向かい合いかつ協働して収容空間を定め、前記ロータは、前記収容空間内に収容され、軸と、前記軸に固定された永久磁極とを備える、請求項１に記載の単相永久磁石ブラシレスモータ。
3. 前記ヨークは複数の連結部分を備え、前記外側ハウジングは、前記ヨークの前記連結部分に対応する複数のスロットを定め、前記連結部分は、前記ヨークに対応する前記スロットの周縁部へ溶接によって固定される、請求項１又は２に記載の単相永久磁石ブラシレスモータ。
4. 前記外側ハウジングは、内部に前記ステータコアを取り付けるための開放端を備え、前記外側ハウジングの内面は、前記ステータコアを支持するための突出支持台を形成する、請求項３に記載の単相永久磁石ブラシレスモータ。
5. 前記外側ハウジングは樽形であり、前記連結部分は、円弧形の外面又は面取りした外面を形成して、前記外側ハウジングの内面に接触するようになっている、請求項３又は４に記載の単相永久磁石ブラシレスモータ。
6. 前記ヨークはリング状であり、前記第１の磁極及び前記第２の磁極は、前記ヨークに係合する、請求項２から５のいずれかに記載の単相永久磁石ブラシレスモータ。
7. 前記ステータコアは、２つの重ね継ぎのＦ形部材を備え、前記Ｆ形部材の一方は、前記ヨークの一方の半分及び前記第１の磁極を形成し、前記Ｆ形部材の他方は、前記ヨークの他方の半分及び前記第２の磁極を形成する、請求項２から５のいずれかに記載の単相永久磁石ブラシレスモータ。
8. 前記ヨークと前記外側ハウジングの内面との間に隙間が定められ、軸方向通路を形成するようになっており、前記外側ハウジングは、前記軸方向通路と連通する複数の開口部を定める、請求項１から７のいずれかに記載の単相永久磁石ブラシレスモータ。
9. 前記ステータは、前記外側ハウジングに取り付けられた支持ブラケットと、前記支持ブラケット及び前記外側ハウジングの少なくとも一方に取り付けられた軸受座とをさらに備え、前記ロータは、軸受を介して前記軸受座によって支持された軸を備える、請求項１から８のいずれかに記載の単相永久磁石ブラシレスモータ。
10. 前記支持ブラケットは十字形状であり、前記外側ハウジングの側壁は、４つの開口部を定め、前記開口部の間に形成された連結壁を備え、前記支持ブラケットは、前記連結壁へ溶接によって固定される、請求項９に記載の単相永久磁石ブラシレスモータ。
11. 外側ハウジングと、前記外側ハウジングに取り付けられた支持ブラケットと、前記支持ブラケット及び前記外側ハウジングの少なくとも一方に取り付けられた軸受座と、前記外側ハウジングに取り付けられたステータコアと、前記ステータコアに巻き付けられた巻線と含むステータと、
    前記ステータに回転可能に結合され、軸受を介して前記軸受座によって支持された軸を含むロータと、
    を備える、単相永久磁石ブラシレスモータ。