JP2010035326A - アキシャルギャップ型電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】ロータの剛性が低下しないことに留意しつつロータの慣性モーメントを低減させるとともに、マグネットの各磁極間を流れる磁束量を大きくするアキシャルギャップ型電動機を提供する。
【解決手段】略円盤形状ステータと、略円盤形状に形成されたロータバックヨーク８と、略円環形状に形成され、円周方向等ピッチに交互に異なる極性の複数の磁極が形成され、ロータバックヨーク８の一の端面に取り付けられたマグネット９とを有し、マグネット９が、ステータの複数の突極との間に所定の空隙を形成し、ステータに対向して配置されたロータ３とを備えたアキシャルギャップ型電動機において、ロータ３のロータバックヨーク８には、マグネット９が取り付けられた一の端面の他の端面８ｂに、マグネット９の磁極の数と同数で、マグネット９の隣り合う磁極の間に位置し、ロータバックヨーク８に放射状に一体に形成された肉厚のリブ部１０を備えている。
【選択図】図２

Description

この発明は、ロータとステータとを備えるアキシャルギャップ型電動機に関し、特に、前記ロータの慣性モーメントを低下させる技術に関する。

アキシャルギャップ型電動機は、略円盤形状のステータと、ステータに対向配置された略円盤形状のロータとを備えている。このようなアキシャルギャップ型電動機として、以下のようなものがある。ステータは、略円盤形状のステータ本体と、ステータの端面に一体的に配置された複数の突極と、この突極に巻装されたコイルとを備え、一方、ロータは、円盤形状の磁性材料からなるロータバックヨークと、リング形状に一体に形成され、ロータバックヨークの端面に取り付けされたマグネットとを備える。ここで、ステータに備わる複数の突極の外径と、ロータに備わるロータバックヨークおよびマグネットの外径とは略等しい。

マグネットは、円周方向に交互に極性が異なる複数の磁極が形成されている。そして、ステータの突極と、ロータのマグネットとの間には所定の空隙が形成され、ステータに対し、ロータは対向する位置にて回転自在には位置されている。

上述のように、アキシャルギャップ型電動機は、ロータの外径がステータの外径と略等しい。一方、ラジアルギャップ型電動機は、一般に円筒形状のロータの外径は円環形状のステータの内径よりも小さく、ステータの内部にて、ロータが回転自在に配置されている。

上述のようにステータおよびロータの基本構成が異なる両電動機を略同等の出力特性を備えるように設計すると、アキシャルギャップ型電動機のロータの軸長は、ラジアルギャップ型電動機のロータの軸長よりも小さくなる。その一方で、アキシャルギャップ型電動機のロータの外径は、ラジアルギャップ型電動機のロータの外径よりも大きくなる。従って、アキシャルギャップ型電動機の外形は、ラジアルギャップ型電動機に対し、径が大きく軸長が短い扁平な形状となる。

ここで、ロータを中実の円柱であると仮定し、ロータの半径をｒ（ｍ）、ロータの質量をＭ（ｋｇ）であるとき、ロータの慣性モーメントＩは、Ｉ＝２×Ｍｒ^２となる。すなわち、慣性モーメントＩは、半径ｒの２乗に比例する。従って、両電動機のロータの質量が同じであるとした場合には、アキシャルギャップ型電動機のロータの慣性モーメントＩは、ラジアルギャップ型電動機のロータの慣性モーメントＩに比して、かなり大きなものとなりうる。

このように、ロータの慣性モーメントＩが大きくなると、ステータに備えられたコイルにロータの回転駆動を制御するための制御電流が通電されたときに、その制御電流の入力対し、ロータの回転に遅れが生じる。すなわち、制御電流に対するロータの回転動作の応答性能が、低下してしまう。そこで、アキシャルギャップ型電動機において、制御電流に対するロータの回転速度の応答性を高めるため、ロータの慣性モーメントＩを小さくすることが求められる。

特許文献１に記載の発明は、ロータの慣性モーメントＩを小さくするため、薄板の金属板にてロータバックヨークを形成し、ロータの質量を削減する手法が採られている。ここで、薄板の金属板では、曲げ強度等の剛性が低く、ロータが回転したときにロータ自身が振動するおそれがある。そこで、この薄板の金属板をプレス加工し、円形のロータバックヨークの中心から外周面に向けた放射線に沿うように、複数の補強リブが円周方向等ピッチにて形成されている。

この補強リブは、半径方向から見た円周断面の形状がコの字に形成されており、ロータバックヨークの上面は凸形状となり、ロータバックヨークの下面において、この凸形状の裏側は凹部形状となっている。そして、ロータバックヨークの下面には、円環形状に形成され、交互に異なった極性の磁極が形成されたマグネットが、一体的に取り付けられている。ここで、マグネットの磁極の極数と、補強リブの数が同一であり、マグネットの極間部分に補強リブが配置される構造となっている。よって、マグネットの極間部分には、補強リブの凹部形状が配置され、マグネットの極間部分とバックヨークとの間には、空隙が形成されている。その結果、マグネットの極間部分での磁束変化が和らぎ、コギングトルクが低減される。
特開２００４−２９７９０２号公報

上述の従来技術にあっては、確かにコギングトルクの低減によりロータの回転むらは低減される。しかしながら、マグネットの極間部分とロータバックヨークとの間に形成された空隙により、マグネットに形成された各磁極間に流れる磁束量が減少してしまう。そのため、ステータに形成された複数の突極に、マグネットから流れる磁束量も減少してしまい、ロータの回転トルクが減少してしまう。そのため、従来技術のアキシャルギャップ型電動機は、高トルクが必要とされる用途には適さないともいえる。

そこで、ロータの剛性が低下しないことに留意しつつロータの慣性モーメントを低減させ、これによりロータの回転速度の応答性を高めるとともに、マグネットの各磁極間を流れる磁束量を大きくし、高トルクを実現するアキシャルギャップ型電動機を提供するものである。

上記の課題を解決するために、本発明は、略円盤形状のステータ本体部と、円周方向等ピッチの位置にて前記ステータ本体部の端面に一体的に形成された複数の突極と、前記突極に巻装されたコイルとを有するステータと、略円盤形状に形成され、略中央部にシャフト勘合孔が形成されたロータバックヨークと、略円環形状に形成され、円周方向等ピッチに交互に異なる極性の複数の磁極が形成され、前記ロータバックヨークの一の端面に取り付けられたマグネットとを有し、前記マグネットが、前記ステータの前記複数の突極との間に所定の空隙を形成し、前記ステータに対向して配置されたロータと、略円柱形状に形成され、前記ロータの前記シャフト勘合孔に勘合固定された回転軸とを備えたアキシャルギャップ型電動機において、前記ロータの前記ロータバックヨークには、前記マグネットが取り付けられた前記一の端面の他の端面に、前記マグネットの磁極の数と同数で、前記マグネットの隣り合う磁極の間に位置し、前記ロータバックヨークに放射状に一体に形成された肉厚のリブ部を備えている。

このように、ロータバックヨークに肉厚のリブ部を複数設け、リブ部以外のロータバックヨークの部分を薄肉とする構成とすることで、ロータバックヨークを備えるロータの慣性モーメントの低下が実現される。また、マグネットの隣り合う磁極の間に肉厚のリブ部を配置することにより、マグネットの各磁極間を流れる磁束量を大きくする。

次に、この発明の実施形態を図１に基づいて説明する。図１は、本実施形態のアキシャルギャップ型電動機（以下、単に「電動機」という。）の縦断面図である。

電動機１は、ステータ２と、ステータ２に対向して配置されたロータ３とを備える。ステータ２は、軟磁性粉末を加圧成型し形成された所謂圧粉成型体であり、略円環形状のステータ本体部５と、ステータ本体部５の端面５ａに一体に形成された複数の突極部６とを備える。また、突極部６にはコイル７が重ね巻にて巻装されている。なお、本実施形態において突極部の数は、１２である。

ロータ３は、磁性材料からなり略円盤形状のロータバックヨーク８と、略円盤形状に形成され、ロータバックヨーク８の一の端面８ａに取り付けられたマグネット９とを備える。マグネット９は、ネオジウム（Ｎｄ）等の金属粉末を焼結により一体に形成した所謂リングマグネットであり、Ｎ極およびＳ極の異なる磁性の磁極が交互に着磁により形成されており、磁極の数は、８極である。また、マグネット９のロータバックヨーク８の一の端面８ａへの取り付けは、熱硬化性樹脂の接着剤によりなされている。

ロータバックヨーク８の略中央部にはシャフト勘合孔８ｃが形成されており、シャフト勘合孔８ｃに略円柱形状の回転軸４が勘合固定されている。ステータ２とロータ３とは所定の距離を隔てて互いに対向しており、ロータ３のマグネット９と、ステータ３の複数の突極部６との間には、所定の空隙１１が形成されている。

ステータ２およびロータ３は、フロントブラケット２１とエンドブラケット２２とに内包される。フロントブラケット２１は、略有底円筒形状に形成され、ステータ２のステータ本体部５が取り付けら、エンドブラケット２２は、同じく略有底円筒形状に形成され、フロントブラケット２１に圧入にて勘合される。また、回転軸４は、フロントブラケット２１とエンドブラケット２２に軸受２３、２４を介して回転自在に軸支される。

次に、コイル７への制御装置（図示せず）からの電力の給電について説明する。ステータ本体部５には、コイル７への電力の給電のための基板２５が取り付けられている。基板２５には、複数の突極部６を挿通させる挿通孔（図示せず）が、突極部６の位置に対応し、突極部６の数と同数形成されている。そして、基板２５は、複数の突極部６を挿通させつつ、ステータ本体部５に取り付けされている。また、基板２５の一部２５ａは、フロントブラケット２１とエンドブラケット２２とにより形成された基板２５の引出口４１から電動機１の外部に向け突出している。

基板２５には、コイル７からの引出線７ａが接続されるとともに、基板２５の一部２５ａには、モータカプラ２６が取り付けられている。また、制御装置（図示せず）に接続されたリード線２８には、リード線カプラ２７が取り付けられており、モータカプラ２６とリード線カプラ２７とが互いに接続される。そして、リード線２８、基板２５および引出線７ａを介し、制御装置（図示せず）からコイル７に対し、電力が供給される。

回転軸４の一端４ａには、複数の反射スリットが形成されたエンコーダリング５１が取り付けられている。一方、エンドブラケット２２には、エンコーダ基板５３が取り付けられており、エンコーダ基板５３には、反射スリットに対向する位置に光センサ５２が取り付けられている。そして、エンコーダ基板５３を覆うようにしてエンコーダカバー５４がエンドブラケットに取り付けられている。

回転軸４とともにエンコーダリング５１は回転し、光センサ５２により、回転角度を検出し、検出した回転角度に基づき、制御装置（図示せず）は、コイル７に制御された電力を供給する。

次に、本発明の実施形態のロータ３について、図２から図５に基づき説明する。図２は、ロータの斜視図のであり、図３は、図２においてＡ方向から見たロータの斜視図である。図４は、ロータの正面図であり、図５は、図４においてＢ方向から見たロータの要部拡大図である。なお、図３、図５および図６において、実際には外観からは認識することができないが、説明の便宜上のため、マグネット９の交互に異なる磁極の境界を実線にて示している。

上述のように、ロータ３は、略円盤形状のロータバックヨーク８と、略円盤形状に形成され、ロータバックヨーク８の一の端面８ａに取り付けられたマグネット９とを備え、ロータ３の外径φは約４０ｍｍに設定されている。マグネット９が取り付けられたロータバックヨーク８の一の端面８ａの裏面に位置する他の端面８ｂには、ロータバックヨーク８自体に一体に形成された肉厚のリブ部１０が複数備えられている。

リブ部１０は、シャフト勘合孔８ｃから外周面８ｄに向けて、放射状に形成されており、リブ部１０の数は、マグネット９の磁極の数と同数の８であり、マグネット９の隣り合う磁極９ａ、９ａの間に位置される。

ロータバックヨーク８を、このような構造とすることで、リブ部１０が形成された箇所１２は肉厚となり、一方、リブ部１０が形成されていない箇所１３は薄肉とすることができる。本実施形態では、リブ部１０の円周方向長さＬは約５ｍｍに、リブ部１０が形成された箇所１２の厚さＨ１は２ｍｍに、リブ部１０が形成されていない箇所１３の厚さＨ２は１ｍｍに、それぞれ設定されている。

リブ部１０が形成されていない箇所１３を薄肉とすることで、ロータ３の構成部材であるロータバックヨーク８の質量を少なくすることができ、ロータ３の慣性モーメントを小さくすることができる。従って、制御装置（図示せず）から電動機１のコイル７に供給される制御電力に対するロータ３の回転速度の遅れを少なくすることができ、ロータの回転速度の応答性を高めることができる。

さらに、放射状に円周方向等ピッチにてロータバックヨーク８に形成された複数のリブ部１０により、ロータ３の剛性が高まり、ロータ３が回転するときに生じるおそれのあるロータ３の振動を低減することができる。そのため、ロータ３の振動により発生する電動機１の騒音を抑えることができる。

図６は、図４にて断面Ｂ−Ｂで示した部分の拡大図であり、ロータバックヨーク８を流れる磁束を示すものである。ロータバックヨーク８は、隣り合う磁極９ａ、９ａの間を流れる磁力線Φの流路となる。この流路の磁力線Φと直交する断面の面積が小さいと磁束密度が高くなり、所定以上の磁束を流そうとすると磁束飽和となり、所定以上の磁束を流せなくなってしまう。その結果、ステータ２の突極部６に所定以上の磁束を流せなくなり、電動機１の出力トルクを大きくすることができなくなる。

ここで、本発明の実施形態においては、リブ部１０が形成された箇所１２は、リブ部１０が形成されていない箇所１３に対し肉厚となっている。また、リブ部１０は、隣り合う磁極９ａ、９ａの間に形成されている。そのため、リブ部１０が形成された箇所１２では磁力線Φと直交する断面の面積が大きく確保されており、磁束量を大きくすることが可能である。従って、ステータ２の突極部６に多くの磁束を流すことが可能となり、電動機１の出力トルクを大きくすることができる。

本発明の実施形態における電動機の縦断図である。 本発明の実施形態におけるロータの斜視図のである。 図２においてＡ方向から見た本発明の実施形態におけるロータの斜視図である。 本発明の実施形態におけるロータの正面図である。 図４においてＢ方向から見たロータの要部拡大図である。 図４にて断面Ｃ−Ｃで示した部分の拡大図であり、ロータバックヨークを流れる磁束を示すものである。

符号の説明

１ アキシャルギャップ型電動機
２ ステータ
３ ロータ
４ 回転軸
５ ステータ本体部
６ 突極部
７ コイル
８ ロータバックヨーク
９ マグネット
１０ リブ部
１２ リブ部が形成された箇所
１３ リブ部が形成されていない箇所

Claims (2)

1. 略円盤形状のステータ本体部と、円周方向等ピッチの位置にて前記ステータ本体部の端面に一体的に形成された複数の突極と、前記突極に巻装されたコイルとを有するステータと、
   略円盤形状に形成され、略中央部にシャフト勘合孔が形成されたロータバックヨークと、略円環形状に形成され、円周方向等ピッチに交互に異なる極性の複数の磁極が形成され、前記ロータバックヨークの一の端面に取り付けられたマグネットとを有し、前記マグネットが、前記ステータの前記複数の突極との間に所定の空隙を形成し、前記ステータに対向して配置されたロータと、
   略円柱形状に形成され、前記ロータの前記シャフト勘合孔に勘合固定された回転軸とを備えたアキシャルギャップ型電動機において、
   前記ロータの前記ロータバックヨークには、前記マグネットが取り付けられた前記一の端面の他の端面に、前記マグネットの磁極の数と同数で、前記マグネットの隣り合う磁極の間に位置し、前記ロータバックヨークに放射状に一体に形成された肉厚のリブ部を備えていることを特徴とするアキシャルギャップ型電動機。
2. 請求項１記載のアキシャルギャップ型電動機において、前記ロータバックヨークの前記リブ部材が形成されている箇所の厚さをＨ１（ｍｍ）とし、前記ロータバックヨークの前記リブ部が形成されていない箇所の厚さをＨ２（ｍｍ）とした場合、Ｈ１とＨ２と関係は、１．５×Ｈ２≦Ｈ１≦３×Ｈ２であることを特徴とするアキシャルギャップ型電動機。
   
   

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