JPWO2005112226A1 - 4極同期モータ - Google Patents
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Abstract
ボビンが装着されるステータコアに十分な磁束通路を確保してトルクを向上させた4極同期モータを提供する。ステータコア14は、第1の磁極コア22と十字状に交差する第2の磁極コア23を備えた主コア19の当該第2の磁極コア23に、分割コア20が両側へ各々分離可能に組み付けられる。
Description
本発明は4極同期モータに関する。
近年、例えばOA機器には、冷却用のDC或いはACファンモータが装備されており、特に高回転数を要する機器には2極或いは4極のACファンモータが好適に用いられる。
このACファンモータの構成について説明すると、運転回路制御部(マイクロコンピュータ)による通電制御により、起動運転回路のAコイル及びBコイルに流れる整流電流の電流方向を交互に切換えて起動運転し、或いは起動運転回路の電機子コイルに交互に流れる整流電流が反転する範囲内でスイッチング制御して非反転側に対して反転側の入力を抑えて起動運転し、光センサにより検出された永久磁石ロータの回転数が同期回転数付近に到達したときに、運転切換えスイッチを同期運転回路に切り換えて同期運転に移行するよう制御する同期モータが提案されている(特許文献1、特許文献2参照)。
特開2000−125580号公報
特開2000−166287号公報 これらの同期モータにおいて、ステータコア(積層コア)の溝部には絶縁樹脂製のボビンが嵌め込まれており、該ボビンには電機子巻線としてのコイル巻線が巻き回されている。この電機子コイルは、自動機などを用いてモータの回転方向に合わせて所定の巻き方向に所定の巻数でボビンに巻き付けられる。
このACファンモータの構成について説明すると、運転回路制御部(マイクロコンピュータ)による通電制御により、起動運転回路のAコイル及びBコイルに流れる整流電流の電流方向を交互に切換えて起動運転し、或いは起動運転回路の電機子コイルに交互に流れる整流電流が反転する範囲内でスイッチング制御して非反転側に対して反転側の入力を抑えて起動運転し、光センサにより検出された永久磁石ロータの回転数が同期回転数付近に到達したときに、運転切換えスイッチを同期運転回路に切り換えて同期運転に移行するよう制御する同期モータが提案されている(特許文献1、特許文献2参照)。
上述した同期モータにおいて、モータのトルク特性を向上させるためには、ステータコアに十分な磁束通路を確保する必要がある。しかしながら、ロータに囲まれた狭い空間内でステータにボビンを介してコイルを巻き回すため、ボビンを装着するステータコア、とりわけロータに対向する磁束作用面部に十分な磁束通路を確保することが難しい。
また、コイル巻線をボビンに巻き回す場合、ボビンの撓みや外形歪み等によりコイル巻線を整列巻きすることが難しくコイル巻線を整列巻きできないことから、コイル巻線の外周側とボビンの壁面との間に隙間(空間)が形成され易い。かかる空間部は断熱空間としてコイル巻線から発生した熱を蓄熱するため、モータ効率の低下が顕著になる。
また、小型のステータコアにボビンを装着し、該ボビンにコイル巻線を巻き回す一連の作業を自動化するのは難しく、モータの組立工数が多く生産性が低いという課題もあった。
本発明の第1の目的は、ボビンが装着されるステータコアに十分な磁束通路を確保してトルクを向上させること、第2の目的はボビンとコイル巻線間の隙間を可及的に減らして熱放散性を向上させること、第3の目的はモータの組立工程を簡略化して生産性向上を図ることが可能な4極同期モータを提供することにある。
上記目的を達成するため本発明は次の構成を有する。
ハウジング内に出力軸を中心に回転可能に支持されたロータと、該ロータに囲まれた空間内に配置され、ステータコアにコイル巻線が巻き回されたステータとを備えた4極同期モータにおいて、前記ステータコアは、両端部にロータと対向する第1の磁極部を備えた第1の磁極コアと該第1の磁極コアと十字状に交差する第2の磁極コアを備えた主コアの当該第2の磁極コアに、ロータと対向する第2の磁極部が形成された分割コアが両側へ各々分離可能に組み付けられることを特徴とする。
また、主コア及び分割コアのロータに対向する第1、第2の磁極部は、各コアの長手方向の中心線に対して磁気的に非対称となるように該中心線の両側で形状が異なっていることを特徴とする。
また、主コア及び分割コアには、連結プレートが積層されて一体に組み付けられることを特徴とする。
また、第2の磁極コアと分割コアとが突き当てられる端面形状は、凹凸面、段差面、テーパー面の何れかに形成されていることを特徴とする。
また、コイル巻線が結線基板に固着され当該コイル巻線が結線基板上でモールド樹脂に覆われて一体成形されるボビンが、各第2の磁極コアを巻心部へ挿入することにより主コアの両側で各々装着されることを特徴とする。更には、第2の磁極コアに装着されたボビンの巻心部へ分割コアが両側から各々嵌め込まれて組み付けられることを特徴とする。
また、コイル巻線をボビンに巻き回す場合、ボビンの撓みや外形歪み等によりコイル巻線を整列巻きすることが難しくコイル巻線を整列巻きできないことから、コイル巻線の外周側とボビンの壁面との間に隙間(空間)が形成され易い。かかる空間部は断熱空間としてコイル巻線から発生した熱を蓄熱するため、モータ効率の低下が顕著になる。
また、小型のステータコアにボビンを装着し、該ボビンにコイル巻線を巻き回す一連の作業を自動化するのは難しく、モータの組立工数が多く生産性が低いという課題もあった。
本発明の第1の目的は、ボビンが装着されるステータコアに十分な磁束通路を確保してトルクを向上させること、第2の目的はボビンとコイル巻線間の隙間を可及的に減らして熱放散性を向上させること、第3の目的はモータの組立工程を簡略化して生産性向上を図ることが可能な4極同期モータを提供することにある。
上記目的を達成するため本発明は次の構成を有する。
ハウジング内に出力軸を中心に回転可能に支持されたロータと、該ロータに囲まれた空間内に配置され、ステータコアにコイル巻線が巻き回されたステータとを備えた4極同期モータにおいて、前記ステータコアは、両端部にロータと対向する第1の磁極部を備えた第1の磁極コアと該第1の磁極コアと十字状に交差する第2の磁極コアを備えた主コアの当該第2の磁極コアに、ロータと対向する第2の磁極部が形成された分割コアが両側へ各々分離可能に組み付けられることを特徴とする。
また、主コア及び分割コアのロータに対向する第1、第2の磁極部は、各コアの長手方向の中心線に対して磁気的に非対称となるように該中心線の両側で形状が異なっていることを特徴とする。
また、主コア及び分割コアには、連結プレートが積層されて一体に組み付けられることを特徴とする。
また、第2の磁極コアと分割コアとが突き当てられる端面形状は、凹凸面、段差面、テーパー面の何れかに形成されていることを特徴とする。
また、コイル巻線が結線基板に固着され当該コイル巻線が結線基板上でモールド樹脂に覆われて一体成形されるボビンが、各第2の磁極コアを巻心部へ挿入することにより主コアの両側で各々装着されることを特徴とする。更には、第2の磁極コアに装着されたボビンの巻心部へ分割コアが両側から各々嵌め込まれて組み付けられることを特徴とする。
発明の効果
本発明に係る4極同期モータを用いると、第1の磁極コアと十字状に交差する第2の磁極コアを備えた主コアの当該第2の磁極コアに、分割コアが両側へ各々分離可能に組み付けられるので、ボビンが装着されるステータコアの磁束通路、とりわけ磁気抵抗を可及的に小さくすることができるので、主コア及び分割コアの双方に同等な磁束通路を確保して、モータのトルク特性を向上させることができる。
また、主コア及び分割コアのロータに対向する第1、第2の磁極部は、各コアの長手方向の中心線に対して磁気的に非対称となるように該中心線の両側で形状が異なっているので、起動回転方向が安定する。
主コア及び分割コアには、連結プレートが積層されて一体に組み付けられるので、分割された各コアを一体に組み付ける際の組立性が良い。また、主コアと分割コアとが突き当てられる端面は、凹凸面、段差面、テーパー面の何れかに形成されているので、分割されたコアどうしを位置精度良く組み付けることができる。
また、コイル巻線が結線基板に固着され当該コイル巻線が結線基板上でモールド樹脂に覆われて一体成形されるボビンが用いられるので、ボビンとコイル巻線間の隙間を可及的に減らしてコイル巻線が発熱してもボビンを通じた熱放散性を向上させることにより、モータ効率の低下を防ぐことができる。
また、各ボビンの巻心部へ各々嵌め込まれる分割コアが左右で部品形状を共通化して使用できるので部品点数を削減でき、分割コアとボビンとが主コアの両側へ分離可能に組み付けられるので組立性が良く、モータの組立工程を簡略化でき、モータの組立自動化を図って生産性を向上させることができる。
本発明に係る4極同期モータを用いると、第1の磁極コアと十字状に交差する第2の磁極コアを備えた主コアの当該第2の磁極コアに、分割コアが両側へ各々分離可能に組み付けられるので、ボビンが装着されるステータコアの磁束通路、とりわけ磁気抵抗を可及的に小さくすることができるので、主コア及び分割コアの双方に同等な磁束通路を確保して、モータのトルク特性を向上させることができる。
また、主コア及び分割コアのロータに対向する第1、第2の磁極部は、各コアの長手方向の中心線に対して磁気的に非対称となるように該中心線の両側で形状が異なっているので、起動回転方向が安定する。
主コア及び分割コアには、連結プレートが積層されて一体に組み付けられるので、分割された各コアを一体に組み付ける際の組立性が良い。また、主コアと分割コアとが突き当てられる端面は、凹凸面、段差面、テーパー面の何れかに形成されているので、分割されたコアどうしを位置精度良く組み付けることができる。
また、コイル巻線が結線基板に固着され当該コイル巻線が結線基板上でモールド樹脂に覆われて一体成形されるボビンが用いられるので、ボビンとコイル巻線間の隙間を可及的に減らしてコイル巻線が発熱してもボビンを通じた熱放散性を向上させることにより、モータ効率の低下を防ぐことができる。
また、各ボビンの巻心部へ各々嵌め込まれる分割コアが左右で部品形状を共通化して使用できるので部品点数を削減でき、分割コアとボビンとが主コアの両側へ分離可能に組み付けられるので組立性が良く、モータの組立工程を簡略化でき、モータの組立自動化を図って生産性を向上させることができる。
以下、発明を実施するための最良の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。本発明に係る4極同期モータは、ケース内に出力軸を中心に回転可能に支持されたロータと、該ロータに囲まれた空間内に配置され、ステータコアにコイル巻線が巻き回されたステータとを備えたアウターロータ型の同期モータに広く適用される。
先ず、図1及び図4を参照してアウターロータ型の4極同期モータの全体構成について説明する。図1において、回転子(ロータ)1及び固定子(ステータ)2は上ケース3及び下ケース4が上下に重ね合わされ、止めねじ5によりねじ止めされて形成されるモータケース6内に収容されている。上ケース3には出力軸7が嵌め込まれている。出力軸7は、上ケース3に嵌め込まれた上部ベアリング8によりボス部9が回転可能に軸支されている。図4において、ロータ1は、上ケース3及び下ケース4に出力軸7が回転可能に軸支されている。本実施例では、出力軸7はステータ2を貫通して設けられ、出力軸7の一端に嵌め込まれたボス部9が上ケース3に嵌め込まれた上部ベアリング8に、他端が下ケース4に嵌め込まれた下部ベアリング10に回転可能に支持されている。出力軸7は、上ケース3側がケース外へ突設されているが、下ケース4側へ突設されていても良いし、両側へ突設されていても良い。
先ず、ロータ1の構成について説明する。図1及び図2において、ボス部9はロータケース11にかしめられており、ロータケース11はボス部9を介して出力軸7に一体的に連繋している。ロータケース11は下端側が開放されたカップ状に形成されており、内周面には円筒状の永久磁石12が固着されている。永久磁石12は周方向に略90度ずつN・S交互に4極に着磁されている。この永久磁石12としては、例えば、フェライト、ゴムマグネット、プラスチックマグネット、サマリュウムコバルト、希土類のマグネット、ネオジ鉄ボロンなどを原材料として安価に製造することができる。ロータ1は通電によりステータ2側に形成される磁極との反発により出力軸7を中心に起動回転するようになっている。上部ベアリング8及び下部ベアリング10としては、ステータコイルに形成される磁界の乱れを考慮して、非磁性の材料、例えばステンレスなどが好適に用いられる。また、上部ベアリング8の軸方向上端と上ケース3との間には予圧バネ13が介装されており、上部ベアリング8を軸方向下側に向けて付勢してロータ1の浮き上がりを抑えている。
ステータ2の構成について説明する。図2において、ステータ2はロータケース11に囲まれた空間部に設けられている。ステータコア14は、コイル巻線15が巻き回されるボビン16の軸心方向両側へ分離可能に組み付けられる。また、各ボビン16のコイル巻線15が収容された外側端部には、当該コイル巻線15どうしを結線する結線基板17が各々配設される。ステータコア14は、下ケース4に載置され固定ボルト18によりねじ止め固定される。
図9において、ステータコア14は、主コア19と分割コア20とが分離可能に組み付けられている。主コア19と分割コア20としては、例えば珪素鋼鈑などからなる積層コアが好適に用いられる。主コア19は、図6A、Bにおいて、両端部にロータ1と対向する第1の磁極部21を備えた第1の磁極コア22と、該第1の磁極コア22と十字状に交差する第2の磁極コア23とが形成されている。また、第2の磁極コア23の端面には、凹部23a及び凸部23bが形成されている。また、主コア19の第1の磁極コア22と第2の磁極コア23とが十字状に交差する交差部分には、出力軸7を挿通する軸孔22aが穿孔されている。
分割コア20は、図7A、Bにおいて、ロータ1と対向する第2の磁極部24が形成され、反対面側に第2の磁極コア23の端面に突き当てられる凸部25a及び凹部25bが形成されている。図2において、分割コア20とボビン16は、第2の磁極コア23の両側へ各々分離可能に組み付けられる。分割コア20と第2の磁極コア23とは、凸部25aを凹部23aへ挿入し、凹部25bへ凸部23bを嵌め込むことで、端面どうしが突き当てられて組み付けられる。また、分割コア20は、ボビン16の巻心部26へ第2の磁極コア23と共に嵌め込まれ、当該巻心部26内において端面どうしが突き当たるまで嵌め込まれて組み付けられる。
図6A及び図7Aにおいて、主コア19及び分割コア20のロータに対向する第1、第2の磁極部21、24は、各コアの長手方向の中心線M−Mに対して各々磁気的に非対称となるように該中心線の両側で形状が異なっている。即ち、第1、第2の磁極部21、24の外周面(磁束作用面)には、凹面部21a、24aが外周長の半分程度まで形成されており、永久磁石12に対向する磁束作用面の磁束密度が偏る、即ち磁気抵抗が少ない(空隙部の小さい)図6A及び図7Aの時計回り方向側の磁束作用面へ磁束が偏って作用するようになっている。主コア19及び分割コア20には、固定用の貫通孔19a、20aが各々形成されている。主コア19及び分割コア20の形状は任意であるが、作り易さを考慮するとロータ1の回転中心に対して互いに点対象となる形状にするのが好ましい。
図2において、主コア19及び分割コア20には、非磁性材料(例えば、ステンレス、アルミ合金など)からなる連結プレート27が積層されて一体に組み付けられる。連結プレート27は、図8A、Bにおいて、リング形状をしており、主コア19に組み付けられる分割コア20が傾倒するのを防ぐために設けられる。連結プレート27には、主コア19及び分割コア20に対応して固定用の貫通孔27aが形成され、ボビン16や結線基板17との干渉を避けるための抜き孔27bが形成されている。
尚、第2の磁極コア23と分割コア20とが突き当てられる端面は、凹凸面に限らず図10に示す段差面どうしを突き当てるようにするものや、図11に示すテーパー面どうしを突き当てるようにするものなど何れであっても良い。
図12において、ボビン16は、後述するように、コイル巻線15が結線基板17に接着固定され電気的に接続された後に、該結線基板17ごとモールド金型(図示せず)へ搬入して当該コイル巻線15が結線基板17上でモールド樹脂に覆われて一体成形されるボビン16が用いられる。このボビン16の成形によりモールド樹脂が結線基板17の孔に進入してボビン16と結線基板17とが一体化される(図14A参照)。図2において、ボビン16及び結線基板17は、巻心部26へ第2の磁極コア23を嵌め込むことによりステータコア14へ各々組み付けられる。また、結線基板17の配線接続部(例えば温度ヒューズ28など)を保護し、基板配線が電気的にショートするのを防ぐため、結線基板17には絶縁フィルム29が重ね合わされる。この絶縁フィルム29を介して、分割コア20がボビン16の巻心部26へ嵌め込まれる(図18参照)。
また、図1において、結線基板17どうしはボビン16の外面に沿って配線されたコイル外結線30により接続されている(図16参照)。また、コイル巻線15へ通電する外部接続線31は結線基板17のランド部と接続されて、当該結線基板17にあけた貫通孔17a(図16参照)を通じてボビン16の外へ取り出され、図1、図3Aに示す下ケース4に設けられた配線引出孔に嵌め込まれた配線ガイド(樹脂筒、グロメットなど)32を通じて下ケース4外へ引き出される。また、図3A、Bにおいて、下ケース4には、センサ基板33が止めねじ34にて固定される。センサ基板33にはホール素子35が搭載されている。ホール素子35はロータ1の回転数及び磁極位置を検出し、回転数に応じたパルスを発生させ、磁極位置に応じて後述するマイクロコンピュータなどの運転回路制御部により所定のタイミングで起動運転回路のスイッチング制御が行われる。尚、ホール素子35に代えて光透過型若しくは反射型の光センサ、磁気抵抗素子、コイルなどを用いた磁気センサ、高周波誘導による方法、キャパシタンス変化による方法など様々なセンサが利用可能である。
図3B、Cにおいて、センサ基板33に接続するセンサ引出し線36は基板直下に設けられる引出し孔に嵌め込まれた配線ガイド(樹脂筒、グロメットなど)37を通じて下ケース4外へ引き出される。更には、図3A及び図4において、下ケース4には、主コア19の第2の磁極コア23へ両側からボビン16及び結線基板17が装着される際に、結線基板17の内側面に当接してガイドする基板ガイド4aが突設されている。
4極同期モータの組立工程の一例について図18を基にして図12乃至図17を参照しながら説明する。図18において、先ずマグネットロータ1の組立工程の一例について説明する。ロータケース11の中心部にはボス部9が嵌め込まれ、内壁面には円筒状の永久磁石12が嵌め込まれて接着される。また、ボス部9には出力軸7が一体に嵌め込まれる。上ケース3の中心部には、予圧バネ13を介して上部ベアリング8が嵌め込まれている、ロータケース11は、ボス部9が上部ベアリング8に回転可能に軸支される。
次に図18において、ステータ2の組立工程の一例について説明する。
先ず、ボビン16及び結線基板17の成形工程について、図12乃至図15を参照して説明する。図12A、B、Cにおいて、コイル巻線15には例えば自己融着線(マグネットワイヤ)が好適に用いられる。自己融着線は、予め巻線治具にコイル状に巻き回された状態で加熱することにより融着してコイル状に形成されるか或いは自己融着線にアルコールを塗付しながらコイル状に巻き回して融着剤が溶け出すことによりコイル状に形成される。このようにして形成されたコイル巻線15を結線基板17に接着剤を介して接着固定する。次いで図13A、B、Cにおいて、コイル巻線15の口出し線15aが4箇所で基板ランド部17bへはんだ付けされてコイル巻線15が基板配線と電気的に接続される。結線基板17には、ボビン16の巻心部26を成形できるように抜き孔17cが形成されている。
次に、図14A、B、Cにおいて、コイル巻線15が固着された結線基板17をモールド金型(図示しない)へ搬入して、当該コイル巻線15が結線基板17上でモールド樹脂により覆ってボビン16を一体成形する。図14Aで樹脂モールドされたD部の拡大断面を図15Aに示す。モールド樹脂44は、結線基板17の封止孔17dへも充填されるため、ボビン16が結線基板17と一体化されて成形される。また、モールド樹脂44は、トランスファー成形による樹脂圧が加わるためコイル巻線15を取り囲むボビン16の壁面との隙間に進入する。また、巻線間は、予め整列巻きされておりしかも自己融着線によりコイルを形成した際に巻線どうしの隙間が極めて少ない構造をしているため、コイル巻線15とボビン16との隙間を可及的に減らして封止することができる。これに対し、図15Bのようにボビン16を予め成形しておいて、コイル巻線15を嵌め込む場合には、コイル巻線15が整列巻きされていてもこれを取り囲むボビン16の壁面とのあいだに隙間49が形成されてしまう。このように、ボビン16はコイル巻線15及び結線基板17と一体成形されるので、コイル巻線15が発熱してもボビン16を通じた熱放散性を向上させることにより、モータ効率の低下を防ぐことができる。
図18において、下ケース4の底面中央部には下部ベアリング10が嵌め込まれ、外部接続線30やセンサ引出し線36の配線ガイド32、37が貫通孔に各々嵌め込まれる。また、ホール素子35を搭載したセンサ基板33が下ケース4に止めねじ34にてねじ止めされ、センサ引出し線36を配線ガイド37を通じて下ケース4外へ引き出しておく(図17参照)。
また、図18において、主コア19の第1の磁極コア22に十字状に交差する第2の磁極コア23の両側から、一体成形されたボビン16及び結線基板17が巻心部26を通じて各々嵌め込まれる。このとき、結線基板17は、下ケース4の基板ガイド4aに係止する位置まで嵌め込まれる。次いで、結線基板17の両側に絶縁フィルム29を重ね合わせた状態で、ボビン16の巻心部26へ両側から分割コア20が嵌め込まれる。このとき、図9において、第2の磁極コア23と分割コア20の端面部は、凹部23aと凸部25a、凸部23bと凹部25bとが各々突き当てられてステータコア14が組み付けられる。
上記ボビン16が組み付けられたステータコア14に連結プレート27を貫通孔19a、20aと貫通孔27aとを各々位置合わせして重ね合わせ(図16参照)、下ケース4のステータ載置部4bへ位置合わせして載置する。このとき、外部接続線30は配線ガイド32を通じて下ケース4外へ引き出す。そして、固定ボルト18を連結プレート27の貫通孔27aから挿入してステータ載置部4bとねじ嵌合することにより、ステータ2が下ケース4へ固定される(図17参照)。
最後に、図18において、ロータケース11を収容した上ケース3とステータ2が固定された下ケース4とを、貫通孔45とねじ孔46とを位置合わせしてフランジ部47、48どうしを重ね合わせ、止めねじ5をねじ嵌合させることにより4極同期モータが組み立てられる(図4、図5参照)。尚、止めねじ5は8箇所に設けられているが、これらのうち例えば4箇所を上下ケース3、4の固定用として用い、残りの4箇所を、モータ取付面への取付ねじと兼用することも可能である。
次に、4極同期モータの運転回路の一例について図19の回路図に基づいて説明する。起動運転回路38は、単相交流電源39の交流電流を整流ブリッジ回路40により全波整流し、ロータ1の回転角度に応じてスイッチング手段(トランジスタTr1〜Tr4)を切り換えて整流電流の向き(図19の矢印(1)(2)参照)を変えるようにコイル巻線15のうちAコイルのみへ通電してロータ1を直流ブラシレスモータとして起動運転する。或いは起動運転回路は図示しないが、コイル巻線(Aコイル及びBコイル)15に交互に流れる整流電流が反転する範囲内でスイッチング制御して非反転側に対して反転側の入力を抑えて起動運転しても良い。
運転回路制御部41による通電制御により、起動運転回路38のAコイル及びBコイルに流れる整流電流の電流方向を交互に切換えて起動運転し、ホール素子35により検出されたロータ1の回転数が電源周波数検出部42により検出される周波数と同期する回転数付近に到達したときに、運転切換えスイッチSW1、SW2を同期運転回路43に切り換えてコイル巻線(Aコイル及びBコイル)15による同期運転に移行するよう制御する(図19の矢印(3)参照)。
また、同期モータが負荷の変動などにより脱調した場合には、運転回路制御部41は一旦永久磁石ロータ5の回転数が同期回転移行時より所定値まで落ち込んだ後起動運転に移行し、再度同期運転に移行するよう繰り返し制御を行うようになっている。
また、本実施例に示す4極同期モータは、起動運転から同期運転への移行動作を運転回路制御部41に制御されて行われるため、電源周波数が50Hz、60Hz、100Hz等に変化しても細かい機械設計を変更することなく同一の4極同期モータを用いることができるので、極めて汎用性の高い同期モータを提供することができる。
本発明に係る4極同期モータは、上述した形態に限定されるものではなく、磁気的に非対称となるように形成される第1、第2の磁極部21、24の形状や磁束作用面に形成される凹部21a,24aの形状、位置、大きさ、範囲等は可能な範囲で変更可能である。また、モータを駆動制御する運転回路制御部41を当該モータと一体に装備している場合であっても、或いはモータが用いられる電機機器の装置本体に内蔵した制御回路の一部(交流電源、起動運転回路、同期運転回路などを含む)を用いてモータを駆動制御するタイプのいずれであっても良い。
また、結線基板17を含む制御回路には、過負荷時の安全を保証するために、温度ヒューズ28の他に、運転動作中に常時通電する回路部分にバイメタル式の高温検出スイッチを組み込むこともできる。
先ず、図1及び図4を参照してアウターロータ型の4極同期モータの全体構成について説明する。図1において、回転子(ロータ)1及び固定子(ステータ)2は上ケース3及び下ケース4が上下に重ね合わされ、止めねじ5によりねじ止めされて形成されるモータケース6内に収容されている。上ケース3には出力軸7が嵌め込まれている。出力軸7は、上ケース3に嵌め込まれた上部ベアリング8によりボス部9が回転可能に軸支されている。図4において、ロータ1は、上ケース3及び下ケース4に出力軸7が回転可能に軸支されている。本実施例では、出力軸7はステータ2を貫通して設けられ、出力軸7の一端に嵌め込まれたボス部9が上ケース3に嵌め込まれた上部ベアリング8に、他端が下ケース4に嵌め込まれた下部ベアリング10に回転可能に支持されている。出力軸7は、上ケース3側がケース外へ突設されているが、下ケース4側へ突設されていても良いし、両側へ突設されていても良い。
先ず、ロータ1の構成について説明する。図1及び図2において、ボス部9はロータケース11にかしめられており、ロータケース11はボス部9を介して出力軸7に一体的に連繋している。ロータケース11は下端側が開放されたカップ状に形成されており、内周面には円筒状の永久磁石12が固着されている。永久磁石12は周方向に略90度ずつN・S交互に4極に着磁されている。この永久磁石12としては、例えば、フェライト、ゴムマグネット、プラスチックマグネット、サマリュウムコバルト、希土類のマグネット、ネオジ鉄ボロンなどを原材料として安価に製造することができる。ロータ1は通電によりステータ2側に形成される磁極との反発により出力軸7を中心に起動回転するようになっている。上部ベアリング8及び下部ベアリング10としては、ステータコイルに形成される磁界の乱れを考慮して、非磁性の材料、例えばステンレスなどが好適に用いられる。また、上部ベアリング8の軸方向上端と上ケース3との間には予圧バネ13が介装されており、上部ベアリング8を軸方向下側に向けて付勢してロータ1の浮き上がりを抑えている。
ステータ2の構成について説明する。図2において、ステータ2はロータケース11に囲まれた空間部に設けられている。ステータコア14は、コイル巻線15が巻き回されるボビン16の軸心方向両側へ分離可能に組み付けられる。また、各ボビン16のコイル巻線15が収容された外側端部には、当該コイル巻線15どうしを結線する結線基板17が各々配設される。ステータコア14は、下ケース4に載置され固定ボルト18によりねじ止め固定される。
図9において、ステータコア14は、主コア19と分割コア20とが分離可能に組み付けられている。主コア19と分割コア20としては、例えば珪素鋼鈑などからなる積層コアが好適に用いられる。主コア19は、図6A、Bにおいて、両端部にロータ1と対向する第1の磁極部21を備えた第1の磁極コア22と、該第1の磁極コア22と十字状に交差する第2の磁極コア23とが形成されている。また、第2の磁極コア23の端面には、凹部23a及び凸部23bが形成されている。また、主コア19の第1の磁極コア22と第2の磁極コア23とが十字状に交差する交差部分には、出力軸7を挿通する軸孔22aが穿孔されている。
分割コア20は、図7A、Bにおいて、ロータ1と対向する第2の磁極部24が形成され、反対面側に第2の磁極コア23の端面に突き当てられる凸部25a及び凹部25bが形成されている。図2において、分割コア20とボビン16は、第2の磁極コア23の両側へ各々分離可能に組み付けられる。分割コア20と第2の磁極コア23とは、凸部25aを凹部23aへ挿入し、凹部25bへ凸部23bを嵌め込むことで、端面どうしが突き当てられて組み付けられる。また、分割コア20は、ボビン16の巻心部26へ第2の磁極コア23と共に嵌め込まれ、当該巻心部26内において端面どうしが突き当たるまで嵌め込まれて組み付けられる。
図6A及び図7Aにおいて、主コア19及び分割コア20のロータに対向する第1、第2の磁極部21、24は、各コアの長手方向の中心線M−Mに対して各々磁気的に非対称となるように該中心線の両側で形状が異なっている。即ち、第1、第2の磁極部21、24の外周面(磁束作用面)には、凹面部21a、24aが外周長の半分程度まで形成されており、永久磁石12に対向する磁束作用面の磁束密度が偏る、即ち磁気抵抗が少ない(空隙部の小さい)図6A及び図7Aの時計回り方向側の磁束作用面へ磁束が偏って作用するようになっている。主コア19及び分割コア20には、固定用の貫通孔19a、20aが各々形成されている。主コア19及び分割コア20の形状は任意であるが、作り易さを考慮するとロータ1の回転中心に対して互いに点対象となる形状にするのが好ましい。
図2において、主コア19及び分割コア20には、非磁性材料(例えば、ステンレス、アルミ合金など)からなる連結プレート27が積層されて一体に組み付けられる。連結プレート27は、図8A、Bにおいて、リング形状をしており、主コア19に組み付けられる分割コア20が傾倒するのを防ぐために設けられる。連結プレート27には、主コア19及び分割コア20に対応して固定用の貫通孔27aが形成され、ボビン16や結線基板17との干渉を避けるための抜き孔27bが形成されている。
尚、第2の磁極コア23と分割コア20とが突き当てられる端面は、凹凸面に限らず図10に示す段差面どうしを突き当てるようにするものや、図11に示すテーパー面どうしを突き当てるようにするものなど何れであっても良い。
図12において、ボビン16は、後述するように、コイル巻線15が結線基板17に接着固定され電気的に接続された後に、該結線基板17ごとモールド金型(図示せず)へ搬入して当該コイル巻線15が結線基板17上でモールド樹脂に覆われて一体成形されるボビン16が用いられる。このボビン16の成形によりモールド樹脂が結線基板17の孔に進入してボビン16と結線基板17とが一体化される(図14A参照)。図2において、ボビン16及び結線基板17は、巻心部26へ第2の磁極コア23を嵌め込むことによりステータコア14へ各々組み付けられる。また、結線基板17の配線接続部(例えば温度ヒューズ28など)を保護し、基板配線が電気的にショートするのを防ぐため、結線基板17には絶縁フィルム29が重ね合わされる。この絶縁フィルム29を介して、分割コア20がボビン16の巻心部26へ嵌め込まれる(図18参照)。
また、図1において、結線基板17どうしはボビン16の外面に沿って配線されたコイル外結線30により接続されている(図16参照)。また、コイル巻線15へ通電する外部接続線31は結線基板17のランド部と接続されて、当該結線基板17にあけた貫通孔17a(図16参照)を通じてボビン16の外へ取り出され、図1、図3Aに示す下ケース4に設けられた配線引出孔に嵌め込まれた配線ガイド(樹脂筒、グロメットなど)32を通じて下ケース4外へ引き出される。また、図3A、Bにおいて、下ケース4には、センサ基板33が止めねじ34にて固定される。センサ基板33にはホール素子35が搭載されている。ホール素子35はロータ1の回転数及び磁極位置を検出し、回転数に応じたパルスを発生させ、磁極位置に応じて後述するマイクロコンピュータなどの運転回路制御部により所定のタイミングで起動運転回路のスイッチング制御が行われる。尚、ホール素子35に代えて光透過型若しくは反射型の光センサ、磁気抵抗素子、コイルなどを用いた磁気センサ、高周波誘導による方法、キャパシタンス変化による方法など様々なセンサが利用可能である。
図3B、Cにおいて、センサ基板33に接続するセンサ引出し線36は基板直下に設けられる引出し孔に嵌め込まれた配線ガイド(樹脂筒、グロメットなど)37を通じて下ケース4外へ引き出される。更には、図3A及び図4において、下ケース4には、主コア19の第2の磁極コア23へ両側からボビン16及び結線基板17が装着される際に、結線基板17の内側面に当接してガイドする基板ガイド4aが突設されている。
4極同期モータの組立工程の一例について図18を基にして図12乃至図17を参照しながら説明する。図18において、先ずマグネットロータ1の組立工程の一例について説明する。ロータケース11の中心部にはボス部9が嵌め込まれ、内壁面には円筒状の永久磁石12が嵌め込まれて接着される。また、ボス部9には出力軸7が一体に嵌め込まれる。上ケース3の中心部には、予圧バネ13を介して上部ベアリング8が嵌め込まれている、ロータケース11は、ボス部9が上部ベアリング8に回転可能に軸支される。
次に図18において、ステータ2の組立工程の一例について説明する。
先ず、ボビン16及び結線基板17の成形工程について、図12乃至図15を参照して説明する。図12A、B、Cにおいて、コイル巻線15には例えば自己融着線(マグネットワイヤ)が好適に用いられる。自己融着線は、予め巻線治具にコイル状に巻き回された状態で加熱することにより融着してコイル状に形成されるか或いは自己融着線にアルコールを塗付しながらコイル状に巻き回して融着剤が溶け出すことによりコイル状に形成される。このようにして形成されたコイル巻線15を結線基板17に接着剤を介して接着固定する。次いで図13A、B、Cにおいて、コイル巻線15の口出し線15aが4箇所で基板ランド部17bへはんだ付けされてコイル巻線15が基板配線と電気的に接続される。結線基板17には、ボビン16の巻心部26を成形できるように抜き孔17cが形成されている。
次に、図14A、B、Cにおいて、コイル巻線15が固着された結線基板17をモールド金型(図示しない)へ搬入して、当該コイル巻線15が結線基板17上でモールド樹脂により覆ってボビン16を一体成形する。図14Aで樹脂モールドされたD部の拡大断面を図15Aに示す。モールド樹脂44は、結線基板17の封止孔17dへも充填されるため、ボビン16が結線基板17と一体化されて成形される。また、モールド樹脂44は、トランスファー成形による樹脂圧が加わるためコイル巻線15を取り囲むボビン16の壁面との隙間に進入する。また、巻線間は、予め整列巻きされておりしかも自己融着線によりコイルを形成した際に巻線どうしの隙間が極めて少ない構造をしているため、コイル巻線15とボビン16との隙間を可及的に減らして封止することができる。これに対し、図15Bのようにボビン16を予め成形しておいて、コイル巻線15を嵌め込む場合には、コイル巻線15が整列巻きされていてもこれを取り囲むボビン16の壁面とのあいだに隙間49が形成されてしまう。このように、ボビン16はコイル巻線15及び結線基板17と一体成形されるので、コイル巻線15が発熱してもボビン16を通じた熱放散性を向上させることにより、モータ効率の低下を防ぐことができる。
図18において、下ケース4の底面中央部には下部ベアリング10が嵌め込まれ、外部接続線30やセンサ引出し線36の配線ガイド32、37が貫通孔に各々嵌め込まれる。また、ホール素子35を搭載したセンサ基板33が下ケース4に止めねじ34にてねじ止めされ、センサ引出し線36を配線ガイド37を通じて下ケース4外へ引き出しておく(図17参照)。
また、図18において、主コア19の第1の磁極コア22に十字状に交差する第2の磁極コア23の両側から、一体成形されたボビン16及び結線基板17が巻心部26を通じて各々嵌め込まれる。このとき、結線基板17は、下ケース4の基板ガイド4aに係止する位置まで嵌め込まれる。次いで、結線基板17の両側に絶縁フィルム29を重ね合わせた状態で、ボビン16の巻心部26へ両側から分割コア20が嵌め込まれる。このとき、図9において、第2の磁極コア23と分割コア20の端面部は、凹部23aと凸部25a、凸部23bと凹部25bとが各々突き当てられてステータコア14が組み付けられる。
上記ボビン16が組み付けられたステータコア14に連結プレート27を貫通孔19a、20aと貫通孔27aとを各々位置合わせして重ね合わせ(図16参照)、下ケース4のステータ載置部4bへ位置合わせして載置する。このとき、外部接続線30は配線ガイド32を通じて下ケース4外へ引き出す。そして、固定ボルト18を連結プレート27の貫通孔27aから挿入してステータ載置部4bとねじ嵌合することにより、ステータ2が下ケース4へ固定される(図17参照)。
最後に、図18において、ロータケース11を収容した上ケース3とステータ2が固定された下ケース4とを、貫通孔45とねじ孔46とを位置合わせしてフランジ部47、48どうしを重ね合わせ、止めねじ5をねじ嵌合させることにより4極同期モータが組み立てられる(図4、図5参照)。尚、止めねじ5は8箇所に設けられているが、これらのうち例えば4箇所を上下ケース3、4の固定用として用い、残りの4箇所を、モータ取付面への取付ねじと兼用することも可能である。
次に、4極同期モータの運転回路の一例について図19の回路図に基づいて説明する。起動運転回路38は、単相交流電源39の交流電流を整流ブリッジ回路40により全波整流し、ロータ1の回転角度に応じてスイッチング手段(トランジスタTr1〜Tr4)を切り換えて整流電流の向き(図19の矢印(1)(2)参照)を変えるようにコイル巻線15のうちAコイルのみへ通電してロータ1を直流ブラシレスモータとして起動運転する。或いは起動運転回路は図示しないが、コイル巻線(Aコイル及びBコイル)15に交互に流れる整流電流が反転する範囲内でスイッチング制御して非反転側に対して反転側の入力を抑えて起動運転しても良い。
運転回路制御部41による通電制御により、起動運転回路38のAコイル及びBコイルに流れる整流電流の電流方向を交互に切換えて起動運転し、ホール素子35により検出されたロータ1の回転数が電源周波数検出部42により検出される周波数と同期する回転数付近に到達したときに、運転切換えスイッチSW1、SW2を同期運転回路43に切り換えてコイル巻線(Aコイル及びBコイル)15による同期運転に移行するよう制御する(図19の矢印(3)参照)。
また、同期モータが負荷の変動などにより脱調した場合には、運転回路制御部41は一旦永久磁石ロータ5の回転数が同期回転移行時より所定値まで落ち込んだ後起動運転に移行し、再度同期運転に移行するよう繰り返し制御を行うようになっている。
また、本実施例に示す4極同期モータは、起動運転から同期運転への移行動作を運転回路制御部41に制御されて行われるため、電源周波数が50Hz、60Hz、100Hz等に変化しても細かい機械設計を変更することなく同一の4極同期モータを用いることができるので、極めて汎用性の高い同期モータを提供することができる。
本発明に係る4極同期モータは、上述した形態に限定されるものではなく、磁気的に非対称となるように形成される第1、第2の磁極部21、24の形状や磁束作用面に形成される凹部21a,24aの形状、位置、大きさ、範囲等は可能な範囲で変更可能である。また、モータを駆動制御する運転回路制御部41を当該モータと一体に装備している場合であっても、或いはモータが用いられる電機機器の装置本体に内蔵した制御回路の一部(交流電源、起動運転回路、同期運転回路などを含む)を用いてモータを駆動制御するタイプのいずれであっても良い。
また、結線基板17を含む制御回路には、過負荷時の安全を保証するために、温度ヒューズ28の他に、運転動作中に常時通電する回路部分にバイメタル式の高温検出スイッチを組み込むこともできる。
Claims (6)
- ハウジング内に出力軸を中心に回転可能に支持されたロータと、該ロータに囲まれた空間内に配置され、ステータコアにコイル巻線が巻き回されたステータとを備えた4極同期モータにおいて、
前記ステータコアは、両端部にロータと対向する第1の磁極部を備えた第1の磁極コアと該第1の磁極コアと十字状に交差する第2の磁極コアを備えた主コアの当該第2の磁極コアに、ロータと対向する第2の磁極部が形成された分割コアが両側へ分離可能に各々組み付けられることを特徴とする4極同期モータ。 - 主コア及び分割コアのロータに対向する第1、第2の磁極部は、各コアの長手方向の中心線に対して磁気的に非対称となるように該中心線の両側で形状が異なっていることを特徴とする請求項1記載の4極同期モータ。
- 主コア及び分割コアには、連結プレートが積層されて一体に組み付けられることを特徴とする請求項1記載の4極同期モータ。
- 第2の磁極コアと分割コアとが突き当てられる端面形状は、凹凸面、段差面、テーパー面の何れかに形成されていることを特徴とする請求項1記載の4極同期モータ。
- コイル巻線が結線基板に固着され当該コイル巻線が結線基板上でモールド樹脂に覆われて一体成形されるボビンが、各第2の磁極コアを巻心部へ挿入することにより主コアの両側で各々装着されることを特徴とする請求項1記載の4極同期モータ。
- 第2の磁極コアに装着されたボビンの巻心部へ分割コアが両側から嵌め込まれて各々組み付けられることを特徴とする請求項5記載の4極同期モータ。
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