JP2005224054A - アキシャルギャップ型電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】 ステーコアの磁束密度の分布を均一化するとともに、無駄な材料を省いてエネルギー変換効率の向上を図ることができるアキシャルギャップ型電動機を提供する。
【解決手段】 ティース面２４を有する一対のフランジ部２５，２５と、各フランジ部２５，２５間にあってコイルが巻回されるネック部２６とを含むステータコア２１において、少なくともネック部２６にその内周側２６１と外周側２６２との中間部分で最大幅を示す拡幅部２６３を設ける。
【選択図】 図５

Description

本発明はアキシャルギャップ型電動機に関し、さらに詳しく言えば、磁束密度の分布を均一化するとともに、無駄な材料を省いてエネルギー変換効率の向上および最適化を図る技術に関するものである。

電動機はステータ（固定子）とロータ（回転子）とを備えているが、そのステータとロータとをロータの回転軸線方向に沿って所定の空隙をもって対向的に配置してなる電動機がアキシャルギャップ型と呼ばれる電動機で、インナーロータ型もしくはアウタロータ型電動機に比べて回転軸方向の厚さを薄くする、すなわち扁平にすることができるという特徴がある。

アキシャルギャップ型電動機では、通常、ともに円盤状に形成されたステータとロータとが用いられるが、高トルクを得るためコイルの占有率を上げようとすると外径を大きくする必要がある。特許文献１はこの点を解決するひとつの手法を開示している。

すなわち、特許文献１に記載の発明おいては、固定子鉄心にコイルを巻回した複数の小固定子をあらかじめ作製し、その各小固定子を非磁性体からなる円筒状ブラケットの内周面に等角度間隔で固定することにより円盤状のステータを得るようにしている。

特開２０００−２５３６３５（図２）

特許文献１に記載の発明によれば、確かにひとつの小固定子あたりのコイル占有率を高めることができるが、小固定子の間に無駄なスペースが生ずるため磁束を有効に利用できず、その結果、コギングトルクも増加する。

したがって、本発明の課題は、ともに円盤状に形成されたステータとロータとをロータの回転軸線方向に沿って所定の空隙をもって対向的に配置してなるアキシャルギャップ型電動機において、磁束の有効利用を図るためステータコアの磁束密度の分布を均一化するとともに、ステータコアから無駄な材料を省いてエネルギー変換効率の向上を図ることにある。

上記課題を解決するため、本発明は以下に示すいくつかの特徴を備えている。すなわち、請求項１に係る発明は、ステータとロータとが上記ロータの回転軸線方向に沿って所定の空隙をもって対向的に配置されているアキシャルギャップ型電動機において、上記ステータにはティースごとに分割され上記回転軸線を中心として環状に配置された複数のステータコアが含まれ、上記各ステータコアはコイルが巻回されるネック部と、上記ネック部の両端に形成され上記ロータと対向するティース面を有する一対のフランジ部とを含み、上記ネック部はその内周側と外周側との中間部分で最大幅を示す拡幅部を備えていることを特徴としている。

請求項２に係る発明は、上記ネック部は上記回転軸線と直交する垂直面に分布する断面形状が上記ステータの同ネック部の中心を通る直径線を挟んで左右対称に形成されていることを特徴としている。

請求項３に係る発明は、上記ネック部の上記回転軸線と直交する垂直面に分布する断面形状が上記拡幅部と上記外周側との間および上記拡幅部と上記内周側との間に底辺を共通としてそれぞれ存在する２つの二等辺台形を含む６角形状であることを特徴としている。

また、請求項４に係る発明は、上記２つの二等辺台形の面積がほぼ同一であることを特徴としている。

請求項５に係る発明は、上記フランジ部はその内周側と外周側との中間部分で最大幅を示す拡幅部を備えていることを特徴としている。

請求項６に係る発明は、上記フランジ部のティース面が上記ネック部の上記回転軸線と直交する垂直面に分布する断面形状と相似形であることを特徴としている。

請求項７に係る発明は、上記フランジ部の隣接するフランジ部との間で所定幅のギャップを形成するギャップ面には所定角度のスキューが設けられていることを特徴としている。

請求項８に係る発明は、上記ステータコアは上記ステータの半径方向に沿って積層された電磁鋼板の積層体からなることを特徴としている。

請求項９に係る発明は、上記ステータコアに含まれる上記各電磁鋼板の上記フランジ部は、上記ネック部側の基端部から上記ネック部に対して離反する方向に向かって延設され、上記基端部から先端に至るまでの長さが一定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１０に係る発明は、上記ネック部および／または上記フランジ部の上記拡幅部とその内周側との間もしくは上記拡幅部とその外周面側との間の少なくとも一方が所定曲率の曲面状に形成されていることを特徴としている。

請求項１〜４に係る発明によれば、ネック部の外周側の断面積を狭めるようにしたことにより内周側と外周側の磁束密度分布の格差を減らすことができる。したがって、磁路を有効に使うことができるばかりでなく鉄損も低減できる。

また、ネック部の外周長さが減ることにより同じターン数でもコイル巻線の長さが短くてよいため銅損が低減されエネルギー変換効率の向上につながる。さらには、磁束密度分布の格差が少なくなることにより磁性材料を同じ動作点で使用できるため透磁率が均一化され突極性を低減できる。よって、コギングトルクを低減でき振動、騒音の少ない電動機を提供できる。

請求項５および請求項６に係る発明によれば、フランジ部の外形をネック部と同様の形状とすることにより、磁束密度分布の格差が少なくなるため鉄損が低減されエネルギー変換効率の向上が図れる。

請求項７に係る発明によれば、フランジ部にスキューが設けられていることにより、磁極の変化を滑らかにすることができコギングトルクの低減が図れ、振動、騒音の少ない電動機を得ることができる。

請求項８に係る発明によれば、従来の設備をそのまま利用してステータコアを作製することができる。また、請求項９に係る発明によれば、拡幅部やスキューの形成にかかわらず、フランジ部の長さを一定にすることで、ネック部の周りに巻回される巻線をはみ出すことなく均等に納めることができる。

請求項１０に記載の発明によれば、コギングトルクを低減するうえでフランジ部に好ましい形状のスキューを持たせることができる。

次に、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。図１は本発明によるアキシャルギャップ型電動機の内部構造を概略的に示す断面図で、図２はそのステータおよびロータの相対的な位置関係を示す斜視図である。

このアキシャルギャップ型電動機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をもって対向的に配置される一対のロータ３１，３２とを備えている。各ロータ３１，３２は回転駆動力を出力するロータ出力軸４に同軸的に固定されている。

この例おいて、アキシャルギャップ型電動機１はロータ３１，３２にそれぞれロータマグネット３３を備える２ロータ型の永久磁石電動機であるが、ステータ２の片側にのみロータを配置した１ロータ型であってもよい。

ステータ２およびロータ３１，３２は図示しない非磁性体からなるブラケット内に収納され、ステータ２はその外縁がブラケットの内周面に固定される。なお、図２はロータ３１，３２のロータマグネット３３のみを抜き出した状態を示している。

ステータ２にはロータ３１，３２と対向するティース面２４を有する複数個のステータコア２１（固定子鉄心）が含まれている。各ステータコア２１はロータ出力軸４の回転軸線Ｏを中心とする同心円上に環状に配置されている。図１に示すように、各ステータコア２１は合成樹脂材２２によって一体的にモールドされている。なお、図２はステータコア２１を樹脂モールドする前の状態を示している。

再び図１を参照して、ステータ２の中心部には軸受部２３が配置されている。この例において、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、詳しくは図示しないが、その内輪はロータ出力軸４に圧力嵌めされ、外輪側は合成樹脂材２２に埋設されている。本発明において、軸受部２３の構成は任意であってよい。

また、各ロータ３１，３２は同一のロータ出力軸４を共有しているが、各ロータごとにロータ回転軸を持つ２出力軸タイプであってもよい。さらには、ロータ出力軸４を持たずにロータ３１，３２をステータ２に対してラジアルボールベアリングを介して支持させるシャフトレス型としてもよい。

次に、ステータコア２１の具体的な構成について説明する。図３はステータ２からステータコア２１のみを取り出した斜視図，図４はその平面図，図５（ａ）はステータコア２１単体の斜視図，図５（ｂ）はその横断面図である。

この例において、ステータコア２には９個のステータコア２１が含まれているが、各ステータコア２１は同一構成であるため、そのひとつについて図５（ａ），（ｂ）により説明する。ステータコア２１はティース面２４を含む一対のフランジ部２５，２５と、フランジ部２５，２５同士を連結するネック部２６とを含むボビン状に形成されており、ネック部２６にコイル５（図１参照）が巻回される。

この例において、ステータコア２１はフランジ部２５，２５とネック部２６とを有するＨ字状の電磁鋼板２２１をステータ２の半径方向に沿って積層した積層体として構成されているが、磁性粉末の粉体成形によって構成することもできる。

図５（ｂ）の横断面図を参照して、ネック部２６の内周側２６１の幅をＷ２，外周側２６２の幅をＷ３（Ｗ２＜Ｗ３）として、ネック部２６は内周側２６１と外周側２６２との間でＷ２，Ｗ３よりも大きな最大幅Ｗ１を示す拡幅部２６３を備えている。

ネック部２６はロータ出力軸４と直交する垂直面内に分布する図５（ｂ）の断面形状が図４に示すステータ２の同ネック部２６の中心を通る直径線Ｌを挟んで左右対称に形成されていることが好ましく、この例では断面６角形状を採用している。

これによれば、ネック部２６の上記断面形状を内周側２６１の幅Ｗ２を上辺とし外周側２６２の幅Ｗ３を底辺とする二等辺台形とした場合に比べてネック部２６の外周長さが短くなるため、ネック部２６の巻回されるコイルのターン数が同じであってもコイル線の長さが短くなりその分銅損を低減することができる。

また、ネック部２６を上記の断面６角形状とした場合、その中には拡幅部２６３と外周側２６２との間および拡幅部２６３と内周側２６１との間に幅Ｗ１なる底辺を共通としてそれぞれ存在する２つの二等辺台形が含まれることになるが、その２つの二等辺台形の面積がほぼ同一であることが好ましく、これによれば磁束密度分布をより均一化できる。

この例ではネック部２６を断面６角形状としているが、拡幅部２６３と内周側２６１との間に幅Ｗ２よりも幅の広い中間拡幅部、また、拡幅部２６３と外周側２６２との間に幅Ｗ３よりも幅の広い中間拡幅部を設けてもよく、その一例として断面８角形を挙げることができる。また、多角形状に限定されるものではなく、内周側２６１と外周側２６２との間に最大幅を示す拡幅部を備えていることを条件として例えば断面楕円形などの曲線が含まれてもよい。

なお、ステータコア２１を電磁鋼板２２１を積層して作製する場合には、最大幅Ｗ１の拡幅部２６３を折り返し点として内周側に含まれる電磁鋼板と外周側に含まれる電磁鋼板の一部分を共用することができるため低コスト化が図れる。

次に、図４および図５（ａ）によりフランジ部２５について説明する。なお、フランジ部２５の内周側と外周側はネック部２６のそれと同じ側であるため、フランジ部２５の内周側にも参照符号２６１を用い，外周側にも参照符号２６２を用いる。

フランジ部２５はその内周側２６１と外周側２６２との間の両端に、隣接するフランジ部２５と所定のギャップ（空隙）を介して対向するギャップ面２５１，２５２を備えているが、このギャップ面２５１，２５２にもその内周側２６１と外周側２６２との間で最大幅を示す拡幅部が設けられている。

すなわち、ギャップ面２５１，２５２は内周側２６１から上記拡幅部側に向けて漸次幅が広くなり、これとは反対に上記拡幅部から外周側２６２に行くにしたがって幅が漸次狭くなっており、ギャップ面２５１，２５２の外周側２６２の両端には切欠部２５１ａ、２５２ａが形成されることになる。

これによれば、切欠部２５１ａ、２５２ａに相当する部分のティース面積が削減されることになり、フランジ部２５の内周側２６１と外周側２６２の磁束密度分布をほぼ均一にすることができる。また、面積を削減した分の鉄損が低減されるためエネルギー変換効率の向上にもつながる。

本発明において、フランジ部２５はネック部２６と相似形、すなわちギャップ面２５１，２５２はネック部２６のこの例ではくの字状に形成されている両端面と平行であることがことが好ましい。

さらに言えば、フランジ部２５のティース面２４にも上記拡幅部の最大幅を底辺とする内周側２６１と外周側２６２とに存在する二等辺台形が含まれるが、その二等辺台形の面積がほぼ同一であることが好ましく、これによればティース面２４の磁束密度分布をより均一化することができる。

この例において、フランジ部２５のティース面２４はネック部２６と相似の６角形状に形成されているが、ネック部２６同様に直線面もしくは曲線面のいずれかまたはその組み合わせ面であってよい。

また、図４に示すように、フランジ部２５は、ネック部２６側の基端部２５３を付け根として、基端部２５３から先端（ギャップ面２５１，２５２）側に向かってほぼ水平に延設されているが、基端部２５３から先端（ギャップ面２５１，２５２）に至るまでの長さＸが一定となるように形成されていることが好ましい。これによれば、ネック部の周りに巻回される巻線をはみ出すことなく均等に納めることができる。

次に、図６および図７を参照して本発明のアキシャルギャップ型電動機に用いられるステータコアの変形例について説明する。

この変形例によるステータコア２１ａのギャップ面２５１，２５２にはスキュー２７が設けられている。ロータ３１，３２の回転方向が時計方向であるとして、このスキュー２７には反時計方向に向かって傾斜されたスキュー面２７１と、時計方向に向かって傾斜されたスキュー面２７２とが含まれている。このように、ギャップ面２５１，２５２にスキュー２７を形成することにより、磁極の変化を滑らかにすることができコギングトルクの低減が図れ、振動、騒音の少ない電動機を得ることができる。

この実施形態において、スキュー２７のスキュー角θは、θ＝５°であるが、スキュー角θは仕様に応じて任意に変更可能である。また、ギャップ面２７１，２７２は直線形状に形成されているが、図８（ａ）および（ｂ）に示すように、各ギャップ面２７１，２７２の一部を円弧形状に形成してもよい。さらには、直線形状と円弧形状の組み合わせ形状であってもよい。これによれば、回転をより滑らかにできる。

本発明の第１実施形態に係るアキシャルギャップ型電動機の要部断面図。 上記第１実施形態のアキシャルギャップ型電動機のロータとステータの斜視図。 上記第１実施形態のステータコアを環状に配置した状態を示す斜視図。 上記第１実施形態のステータコアを環状に配置した状態を示す正面図。 上記第１実施形態のステータコアの斜視図および断面図。 本発明の第２実施形態に係るアキシャルギャップ型電動機のステータコアを環状に配置した状態を示す斜視図。 上記第２実施形態のステータコアの正面図。 上記第２実施形態のステータコアの変形例を示す正面図および斜視図。

符号の説明

１ アキシャルギャップ型電動機
２ ステータ
２１，２１ａ ステータコア
２２ 合成樹脂
２３ 軸受部
２４ ティース面
２５ フランジ部
２６ ネック部
２７ スキュー
３１，３２ ロータ
４ ロータ出力軸
５ コイル
Ｏ 回転軸線

Claims (10)

1. ステータとロータとが上記ロータの回転軸線方向に沿って所定の空隙をもって対向的に配置されているアキシャルギャップ型電動機において、
   上記ステータにはティースごとに分割され上記回転軸線を中心として環状に配置された複数のステータコアが含まれ、上記各ステータコアはコイルが巻回されるネック部と、上記ネック部の両端に形成され上記ロータと対向するティース面を有する一対のフランジ部とを含み、上記ネック部はその内周側と外周側との中間部分で最大幅を示す拡幅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. 上記ネック部は上記回転軸線と直交する垂直面に分布する断面形状が上記ステータの同ネック部の中心を通る直径線を挟んで左右対称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ギャップ型電動機。
3. 上記ネック部の上記回転軸線と直交する垂直面に分布する断面形状が上記拡幅部と上記外周側との間および上記拡幅部と上記内周側との間に底辺を共通としてそれぞれ存在する２つの二等辺台形を含む６角形状であることを特徴とする請求項１または２に記載のアキシャルギャップ型電動機。
4. 上記２つの二等辺台形の面積がほぼ同一であることを特徴とする請求項３に記載のアキシャルギャップ型電動機。
5. 上記フランジ部はその内周側と外周側との中間部分で最大幅を示す拡幅部を備えてい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ギャップ型電動機。
6. 上記フランジ部のティース面が上記ネック部の上記回転軸線と直交する垂直面に分布する断面形状と相似形であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載のアキシャルギャップ型電動機。
7. 上記フランジ部の隣接するフランジ部との間で所定幅のギャップを形成するギャップ面には所定角度のスキューが設けられていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載のアキシャルギャップ型電動機。
8. 上記ステータコアは上記ステータの半径方向に沿って積層された電磁鋼板の積層体からなることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載のアキシャルギャップ型電動機。
9. 上記ステータコアに含まれる上記各電磁鋼板の上記フランジ部は、上記ネック部側の基端部から上記ネック部に対して離反する方向に向かって延設され、上記基端部から先端に至るまでの長さが一定となるように形成されていることを特徴とする請求項８項に記載のアキシャルギャップ型電動機。
10. 上記ネック部および／または上記フランジ部の上記拡幅部とその内周側との間もしくは上記拡幅部とその外周面側との間の少なくとも一方が所定曲率の曲面状に形成されていることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項に記載のアキシャルギャップ型電動機。

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