JP4706854B2 - アキシャルエアギャップ型電動機 - Google Patents

Description

本発明は、ロータとステータとが出力軸の軸線方向に沿って対向的に対置されたアキシャルエアギャップ型電動機に関し、さらに詳しく言えば、ロータのヨークとマグネットの形状を最適化して、渦電流の発生を抑えたアキシャルエアギャップ型電動機に関する。

アキシャルエアギャップ型電動機は、例えば特許文献１に示すように、ステータ（固定子）の一方または両方の側面にロータ（回転子）を所定の空隙をもって出力軸の軸線方向に沿って対向的に配置してなる電動機であり、ラジアルエアギャップ型電動機に比べ、軸方向の厚さを薄くすることができるという特徴がある。

通常、ロータは、磁性体を円盤状に形成したヨークに複数のマグネットを出力軸を中心に円周方向に沿って環状に配置したものからなる。ヨークは、強度の高さや導電率の低さが求められるため、一般には鋼板がよく用いられている。

しかしながら、従来のアキシャルエアギャップ型電動機には次のような問題が生じた。すなわち、ロータのヨークとステータのティース面とが対向するため、ステータの巻線に電流を流すと、電流に含まれる高調波により渦電流が発生するため、エネルギー損失が増加する。また、渦電流によってヨークが発熱するため、温度上昇によってモータの信頼性を損なうおそれもある。

特開平３−２１２１４１号公報

そこで、本発明は上述した課題を解決するためになされたものであって、その目的は、ロータの形状を最適化して、渦電流の発生を抑えよりエネルギー効率のよいアキシャルエアギャップ型電動機を提供することにある。

上述した目的を達成するため、本発明は以下に示すいくつかの特徴を備えている。請求項１に記載の発明は、ステータのティース面とロータのマグネット面とが上記ロータの出力軸の軸線方向に沿って所定の空隙をもって対向配置されているアキシャルエアギャップ型電動機において、上記ロータは、複数個のマグネットが上記出力軸を中心として環状に配置される環状ヨークを有し、上記環状ヨークの外周面は、上記各マグネットの半径方向の外周面の頂部を結ぶ外接円より内側に設けられていることを特徴としている。

請求項２に記載の発明は、上記請求項１において、上記各マグネットは、半径方向の外周が円周方向の両端から中央部にかけて凸となるように形成されていることを特徴としている。

請求項３に記載の発明は、上記請求項２において、上記ヨークの外周面は、隣接する上記各マグネットの凸部の頂点を結ぶ線と平行な辺を有する多角形状に形成されていることを特徴としている。

請求項４に記載の発明は、上記請求項２または３において、上記ヨークの外周面は、上記各マグネットの凸部の外形に沿って形成されていることを特徴としている。請求項５に記載の発明は、請求項１ないし４のいずれか１項において、上記ロータは、上記ステータを挟んで左右一対の２ロータ型であることを特徴としている。

本発明には、さらに別の態様として以下のような態様も含まれる。請求項６に記載の発明は、ステータのティース面とロータのマグネット面とが上記ロータの出力軸の軸線方向に沿って所定の空隙をもって対向配置されているアキシャルエアギャップ型電動機において、上記ロータは、複数個のマグネットが上記出力軸を中心として環状に配置される環状ヨークを有し、上記環状ヨークには、隣接する上記マグネットの間が上記マグネットの外周面に沿って打ち抜かれた打抜孔が設けられていることを特徴としている。

請求項７に記載の発明は、上記請求項６において、上記各マグネットは、半径方向の外周が円周方向の両端から中央部にかけて凸となるように形成されていることを特徴としている。また、請求項８に記載の発明は、上記請求項６または７において、上記ロータは、上記ステータを挟んで左右一対の２ロータ型であることを特徴としている。

請求項１に記載の発明によれば、環状ヨークの外周面が各マグネットの半径方向の外周面の頂部を結ぶ外接円より内側に設けてロータの不要な部分をカットすることにより、渦電流の発生を抑えることができる。

請求項２に記載の発明によれば、マグネットの一部を凸状に形成することにより、高調波の発生が抑制され、トルクリップルおよびコギングトルクが低下する。請求項３に記載の発明によれば、ヨークの外周面は、隣接する上記各マグネットの凸部の頂点を結ぶ線と平行に多角形状に形成されていることにより、比較的簡単な方法で渦電流の発生を抑える効果が得られる。

請求項４に記載の発明によれば、マグネットの凸部に沿ってヨークが形成されていることにより、さらに渦電流の発生を抑えることができる。また、請求項５に記載の発明によれば、２ロータ型であることにより、高出力な電動機を得ることができる。

請求項６に記載の発明によれば、環状ヨークは、隣接する上記マグネットの間が上記マグネットの外周面に沿って打ち抜かれた打抜孔が設けられていることにより、強度を保ちながら渦電流の発生を抑えることができる。

請求項７に記載の発明によれば、高調波の発生が抑制され、トルクリップルおよびコギングトルクが低下する。また、請求項８に記載の発明によれば、２ロータ型であることにより、高出力な電動機を得ることができる。

次に、本発明の具体的な実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は本発明の第１実施形態に係るアキシャルエアギャップ型電動機の中央縦断面図であり、図２はステータの正面図であり、図３（ａ）〜（ｃ）は、ロータの正面図、背面図およびＡ−Ａ線断面図である。

このアキシャルエアギャップ型電動機１は、円盤状に形成されたステータ２と、同ステータ２の両側面に所定の空隙（ギャップ）をもって対向的に配置される一対のロータ３，３とを備えている。各ロータ３，３は、回転駆動力を出力する出力軸４に同軸的に固定されている。

ステータ２およびロータ３は、円筒状のハウジング１０内に格納されている。この例において、ハウジング１０の両端には、図１に示すように、円盤状の蓋部材１０ａ，１０ｂが設けられており、その内部に各モータ機構部が格納されている。

図２に示すように、ステータ２は回転軸線を中心軸として円周方向に沿って環状に配置された複数個（この例では９個）のポールメンバー２１ａ〜２１ｉが含まれている。各ポールメンバー２１ａ〜２１ｉは同一構成であるため、この例ではポールメンバー２１ａを例にとって説明する。

図１を併せて参照して、ポールメンバー２１ａは、左右一対のフランジ状のティース面２２，２２を有するボビンにコイル２４を巻回してなるもので、上記ボビンは、Ｈ字状に形成された複数枚の電磁鋼板を半径方向に沿って積層することにより形成される。なお、各ポールメンバー２１ａ〜２１ｉの隣り合う面（スロット面）には、磁束変化を滑らかにするため、スキューが形成されていることが好ましい。

各ポールメンバー２１ａ〜２１ｉは絶縁樹脂からなるインシュレータ（図示しない）によって全体がティース面２２を残して覆われている。インシュレータには、各ポールメンバー２１ａ〜２１ｉ同士を連結するための図示しない連結手段が設けられており、この固定手段を介して各ポールメンバー２１ａ〜２１ｉが環状に連結される。

各ポールメンバー２１ａ〜２１ｉは、上記連結手段によって環状に連結されたのち、軸受部２３とともにインサート成形によって樹脂で一体にモールドされる。軸受部２３は、一対のラジアルボールベアリング２３１，２３２を有し、出力軸４を回転可能に軸支する。

この例において、各ロータ３，３は同一の出力軸４を共有しているが、各ロータ３，３ごとに出力軸４を有する２出力軸タイプであってもよい。さらには、出力軸４を持たずにステータ２にロータ３を直に取り付けたシャフトレス型であってもよい。いずれにせよ、本発明のアキシャルエアギャップ型電動機は、ステータ２の両側にロータ３，３が取り付けられた２ロータ型が好ましい。

次に、ロータ３，３について説明する。なお、ロータ３，３は同一構成であるため、この例では一方のロータ３を例にとって説明する。この例において、ステータ２のティース面２２に対向する面をロータ３の正面とする。

図３（ａ）に示すように、第１実施形態のロータ３は、ヨーク３１と、同ヨーク３１に一体的に取り付けられるマグネット３２とを備えている。ヨーク３１は、例えば電気亜鉛メッキ鋼板などをプレス成形で打抜加工したものからなり、中心に出力軸４が挿通される軸取付孔３３を有し、軸取付孔３３を中心として半径方向に沿って放射状に伸びる複数のスポーク３１ａ〜３１ｈを備えている。この例において、スポーク３１ａ〜３１ｈは、４５°間隔で８本設けられている。

各スポーク３１ａ〜３１ｈおよびマグネットメンバー３２ａ〜３２ｈはともに同一形状であるため、以下の説明においては、スポーク３１ａとマグネットメンバー３２ａを例にとって説明する。図３（ｂ）に示すように、スポーク３１ａの先端には、マグネットメンバー３２ａが取り付けられるバックヨーク３４ａが設けられている。

バックヨーク３４ａは、マグネットメンバー３２ａの外形とほぼ同じに沿って形成され、外周方向に向かって凸状な扇形に形成されており、そこにマグネットメンバー３２ａが一体的に取り付けられている。この例において、マグネットメンバー３２ａは接着剤などを介してバックヨーク３４ａに貼り付けられているが、これ以外の手法を用いて取り付けてもよい。

マグネット３２は、８つのセグメントのマグネットメンバー３２ａ〜３２ｈから構成されているが、各マグネットメンバー３２ａ〜３２ｈは同一構成であるため、１つのマグネットメンバー３２ａを例にとって説明する。

マグネットメンバー３２ａは、磁束密度が飽和しない磁性材料を用いることが好ましく、この例においてはボンド磁石（ＳｍＦｅＮ，ＮｄＦｅＢ）が用いられているが、それ以外でも焼結磁石（ＮｄＦｅＢ）を貼り付けてもよい。

マグネットメンバー３２ａは、正面側がステータ２のティース面２２に沿ってほぼ平行なマグネット面を有する扇状に形成されている。図４に示すように、マグネットメンバー３２ａは、半径方向の外周面３２１が円周方向の両端面３２２，３２２から中央に向かって凸形状となるように形成されている。

すなわち、外周面３２１は、両端部の半径方向の中間点Ｐ１，Ｐ２と、外周面の中間点Ｐ３とを、中間点Ｐ３を頂点として結んだ線によって形成されている。これによれば、ステータ２の各磁極が切り替わる際に磁束密度の変化を滑らかにでき、トルクリップルおよびコギングトルクを小さく抑えることができる。

この例において、マグネットメンバー３２ａは扇状に形成されているが、例えば図５（ａ）に示すように、外周面３２１の曲率をより緩めて円弧面に形成してもよいし、図５（ｂ）に示すように、単なる扇形形状にしてもよい。また、図５（ｃ）および（ｄ）に示すように、両端面３２２と外周面３２１との角部を面取りしてもよい。

これによれば、必要最低限のヨーク３１であるため、渦電流の発生によるエネルギー損失を最小限にすることができる。なお、図４および図５（ａ）にあるように、マグネットメンバー３２ａ〜３２ｈの半径方向の外周面を凸形状、この例では円弧状に形成すると、ロータ３を回転させたときのマグネットメンバー３２ａ〜３２ｈと軸方向に対向するステータ２のコイル２４に対する磁束密度の変化が滑らかになり、図６に示すように、誘起電圧がほぼ正弦波となる。したがって、トルクリップルやコギングトルクが低減される。

アキシャルエアギャップ型電動機の場合、ステータ２で発生した磁気吸引力によってマグネット３２がステータ２側に吸い寄せられるため、振動が発生しやすく、ヨーク３１は適度な剛性が必要とされる。そこで、例えば図７（ａ）に示すように、スポーク３１ａ〜３１ｈの間には、補強部３５を設けることが好ましい。

これによれば、スポーク３１ａ〜３１ｈの間を補強部３５で補強しているため、ヨーク３１の剛性が飛躍的に向上し、振動抑制効果が高まる。また、別の方法として、図７（ｂ）に示すように、円盤状のヨーク３１の外周面に短いスポーク３１ａ〜３１ｈを突設して、その先端に各マグネットメンバー３２ａ〜３２ｈを形成してもよい。さらに、補強部３５は、隣接するマグネットメンバー３２ａ〜３２ｈの保持部の間を渡らせてもよい。

次に、本発明のアキシャルエアギャップ型電動機のロータの第２実施形態について、図８（ａ）〜（ｃ）を参照しながら説明する。図８（ａ）は、本発明の第２実施形態に係るロータの正面図であり、図８（ｂ）はその正面図であり、図８（ｃ）は図８（ｂ）のＢ−Ｂ線断面図である。なお、上述した第１実施形態と同一もしくは同一と見なされる箇所には、同じ参照符号を付した。

第２実施形態のロータ３Ａは、円盤状に形成されたヨーク５ａと、同ヨーク５ａ一体的に取り付けられる複数個のマグネットメンバー３２ａ〜３２ｈとを備えている。ヨーク５ａは、中央に出力軸４が圧入固定される取付孔５３を有し、スポーク５１ａ〜５１ｈを介してその外側に環状ヨーク５２が設けられている。

環状ヨーク５２は、扁平なドーナツ状に形成されており、そこに各マグネットメンバー３２ａ〜３２ｈが出力軸４を中心に環状に配置されている。環状ヨーク５２の外周面５４は、各マグネットメンバー３２ａ〜３２ｈの半径方向の外周面の頂部を結ぶ外接円Ｃより内側に設けられていることが好ましい。

この例において、環状ヨーク５２の外周面５４は、各マグネットメンバー３２ａ〜３２ｈの頂部を結んだ線に沿って平行となる多角形状（この例では８角形状）に形成されている。なお、環状ヨーク５２の外形は、マグネットメンバー３２ａ〜３２ｈの数によって任意に変更される。

環状ヨーク５２の外周面にはさらに、ロータ３Ａにマグネット３２をインサート成型する際、図示しない金型へのガイド手段としてのノッチ５４１が設けられている。この例において、ノッチ５４１は所定間隔で４カ所設けられており、それぞれがＵ字状に切り欠かれている。

環状ヨーク５２には、各マグネットメンバー３２ａ〜３２のセグメントごとに軸線方向に沿って貫通孔３７が２カ所設けられている。マグネットメンバー３２ａを例にとって、貫通孔３７は、マグネットメンバー３２ａを固定するためのアンカーであるとともに、環状ヨーク５２の裏側（図８（ｂ））にマグネットメンバー３２ａと一体であるアンカーマグネット３６ａを形成するためにも用いられる。

アンカーマグネット３６ａ〜３６ｈは、運転時にマグネットメンバー３２ａ〜３２ｈの抜け落ちを防止する役割と、図１に示す回路基板６に実装された位置検出センサ６１のセンシング対象としての役割も兼ねている。なお、本発明において、アンカーマグネット３６ａの有無および形状は任意的な構成要素である。

図９（ａ）は、上記第２実施形態のロータの変形例を示す正面図であり、図９（ｂ）は、その背面図であり、図９（ｃ）は図９（ｂ）のＣ−Ｃ線断面図である。図９（ａ）に示すように、このロータ３Ｂの基本的な形態は、上述した第２実施形態と同様である。

このロータ３Ｂの特徴は、ヨーク５ｂの外周面５４の形状が各マグネットメンバー３２ａ〜３２ｈの凸部の外形に沿って内接円Ｃよりもさらに内側に形成されていることにある。これによれば、より渦電流の発生を抑制することができる。このような態様も本発明に含まれる。

次に、本発明の第３実施形態について説明する。図１０（ａ）は、本発明の第３実施形態に係るアキシャルエアギャップ型電動機のローターの正面図であり、図１０（ｂ）はその背面図で、図１０（ｃ）は図１０（ｂ）のＤ−Ｄ線断面図である。

このロータ３Ｃも、上記第２実施形態と同じく環状ヨーク５４を備えた円盤状のヨーク５ｃを有し、環状ヨーク５４にはマグネットメンバー３２ａ〜３２ｈが同心円上に環状に設けられている。

この例において、ヨーク５ｃの外周面５４は円状に形成されており、各マグネットメンバー３２ａ〜３２ｈの間には、マグネットメンバー３２ａ〜３２ｈの外形に沿って打ち抜かれた打抜孔５５が形成されている。これによれば、ヨーク５ｃの強度と剛性を保ちつつ、渦電流を減らすことができる。このような態様も本発明に含まれる。

なお、上述した第２実施形態および第３実施形態に示すロータマグネット３２ａ〜３２ｈも、図５（ａ）〜（ｄ）に示す各種変形例を適用してもよい。

本発明のアキシャルエアギャップ型電動機の中央縦断面図。 このアキシャルエアギャップ型電動機のステータの正面図。 （ａ）このアキシャルエアギャップ型電動機のロータの正面図，（ｂ）その背面図，（ｃ）Ａ−Ａ線断面図。 ロータマグネットの拡大図。 ロータマグネットの各種変形例を示す部分拡大図。 誘起電圧−時間を示す。 第１実施形態のロータの変形例を示す正面図。 （ａ）第２実施形態のロータの正面図，（ｂ）その背面図，（ｃ）Ｂ−Ｂ線断面図。 （ａ）第２実施形態のロータの変形を示す正面図，（ｂ）その背面図，（ｃ）Ｃ−Ｃ線断面図。 （ａ）第３実施形態のロータの正面図，（ｂ）その背面図，（ｃ）Ｄ−Ｄ線断面図。

符号の説明

１ アキシャルエアギャップ型電動機
２ ステータ
３，３Ａ，３Ｂ，３Ｃ ロータ
４ 出力軸
３１ ヨーク
３１ａ〜３１ｈ スポーク
３２ マグネット
３２ａ〜３２ｈ マグネットメンバー
３３ 取付孔
３５ 補強部
３６ａ〜３６ｈ アンカーマグネット
５ａ，５ｂ，５ｃ 環状ヨーク
５５ 打抜孔

Claims (8)

1. ステータのティース面とロータのマグネット面とが上記ロータの出力軸の軸線方向に沿って所定の空隙をもって対向配置されているアキシャルエアギャップ型電動機において、
   上記ロータは、複数個のマグネットが上記出力軸を中心として環状に配置される環状ヨークを有し、上記環状ヨークの外周面は、上記各マグネットの半径方向の外周面の頂部を結ぶ外接円より内側に設けられていることを特徴とするアキシャルエアギャップ型電動機。
2. 上記各マグネットは、半径方向の外周が円周方向の両端から中央部にかけて凸となるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載のアキシャルエアギャップ型電動機。
3. 上記ヨークの外周面は、隣接する上記各マグネットの凸部の頂点を結ぶ線と平行な辺を有する多角形状に形成されていることを特徴とする請求項２に記載のアキシャルエアギャップ型電動機。
4. 上記ヨークの外周面は、上記各マグネットの凸部の外形に沿って形成されていることを特徴とする請求項２または３に記載のアキシャルエアギャップ型電動機。
5. 上記ロータは、上記ステータを挟んで左右一対の２ロータ型であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のアキシャルエアギャップ型電動機。
6. ステータのティース面とロータのマグネット面とが上記ロータの出力軸の軸線方向に沿って所定の空隙をもって対向配置されているアキシャルエアギャップ型電動機において、
   上記ロータは、複数個のマグネットが上記出力軸を中心として環状に配置される環状ヨークを有し、上記環状ヨークには、隣接する上記マグネットの間が上記マグネットの外周面に沿って打ち抜かれた打抜孔が設けられていることを特徴とするアキシャルエアギャップ型電動機。
7. 上記各マグネットは、半径方向の外周が円周方向の両端から中央部にかけて凸となるように形成されていることを特徴とする請求項６に記載のアキシャルエアギャップ型電動機。
8. 上記ロータは、上記ステータを挟んで左右一対の２ロータ型であることを特徴とする請求項６または７に記載のアキシャルエアギャップ型電動機。

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