JP2006211853A - アキシャルギャップ型電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】ポールメンバーの内周空間に軸受部を配置する場合に、リング状の板バネがバネ性を失わず、また、最悪の場合でもロータとステータとが接触しないアキシャルギャップ型電動機を提供する。
【解決手段】同一の回転軸４に所定の空隙をもって対向的に配置されるリング状のステータ２及び円盤状のロータ８、９とで電動機を構成し、ステータ２をティース５１の外周にコイル２７が巻回され、環状に連結される複数個のポールメンバーと、リング状の内周空間である左右の軸受穴２ｄ、２ｅにそれぞれ配置される軸受部２６とで構成し、ロータ出力軸４の右の回転軸方向への摺動を規制するストッパ２ｃを設け、また、軸受穴２ｄの底面と軸受部２６との間に、リング状の板バネ３３を配置し、ロータ８、９、及びロータ出力軸４を左の軸方向へ付勢する構造にする。
【選択図】図１

Description

本発明は、アキシャルギャップ型電動機の固定子に係わり、より詳細には、巻線を巻回した複数のポールメンバーを円周状に配置し、その内周空間に備えられた軸受の摺動防止構造に関する。

従来、３相９スロットのアキシャルギャップ型電動機は図７及び図８に示すように、ほぼ円盤状をなすステータ２０と、ステータ２０の両側に所定の空隙をもって対向的に配置される一対のプラスチックマグネットからなるロータ３１、３２とを含み、ロータ３１、３２は同一のロータ出力軸（回転軸）２４を共有しており、ステータ２０は、その内周側にロータ出力軸２４を支持する軸受部２６を備えている。

なお実際には、ステータ２０およびロータ３１、３２は、図示しないブラケット（筐体）内に収納され、ステータ２０は、その外周側がブラケットに固定されている。

ステータ２０は、環状（いわゆるドーナツ状）に形成されたステータコア２５と、ステータコア２５の内周側に同軸的に挿入された軸受部２６とを備え、ステータコア２５は、合成樹脂２１によって一体的にモールドされている。この例において、それぞれの軸受部２６は、１つのラジアルボールベアリングを備えている。

図８に示すように、ステータコア２５は、９個のポールメンバー２５ａ〜２５ｉを環状につなぎ合わせることにより構成されている。各ポールメンバー２５ａ〜２５ｉはすべて同一形状である。

また、１つのポールメンバー２５ｄは、図７に示すように、複数枚の金属板を台形状に積層してなるティース（鉄心）５１を備え、ティース５１の周りには、その両側面を除いて合成樹脂からなるインシュレータ５０が一体に形成されている。

インシュレータ５０は、ティース５１の両側面に沿って左右一対として配置されるほぼ扇型のフランジ５２、５３を含む全体が断面Ｈ字形のボビン状に形成されている。このフランジ５２、５３との間にコイル２７が巻回される構造になっている。

そして、３相分のポールメンバーユニットを形成した後、図８に示すように、Ｕ相用ポールメンバーを順次円弧状に配置する。そしてその隣にＶ相、その隣にＷ相の各ポールメンバーをそれぞれ円弧状に配置して、これらの各ポールメンバー両隣をそれぞれ連結する。これにより、９個のポールメンバーが環状に組み立てられる。

なお、Ｕａ、ＵｂはＵ相用の引出線、Ｖａ、ＶｂはＶ相用の引出線、Ｗａ、ＷｂはＷ相用の引出線であり、各引出線をステータコア２５に保持するための樹脂性の保持体３０を介して図示しない電動機用の駆動回路基板に接続される。

そして、インサート成形により各ポールメンバーの外周部分および内周部分、引出線用の保持体３０を合成樹脂２１によって固める。その後、ステータコア２５の一方の内周側と軸受部２６との間に、断面波形のリング状の板バネ（波ワッシャバネ）３３を配置し、次にステータコア２５の左右の内周側に軸受部２６をそれぞれ圧入してステータ２０を作成する。これにより、ロータ出力軸２４の軸方向への摺動を抑制するようになっている（例えば、特許文献１参照。）。

このように、ロータ出力軸２４の軸方向への摺動に付勢手段、つまり、波ワッシャバネ３３を用いてわざと遊びを設けているが、この理由はベアリングの外輪に対する予圧の効果だけでなく、振動の防止にもある。つまり、電動機には、回転軸の偏芯やロータのアンバランス、磁束密度のアンバランスなどが存在し、ロータの回転によりこれらが機械的な変移として現れてくる。従って、このような機械的な変移を機械的な遊びなしで押さえ込む構造にすると、逃げ場のない機械的な変移が振動として現れる。

そして、このような機械的な変移は１回転ごとに周期的に発生するため、１回転の中で機械的な変移を柔らかく受け止めることにより、振動の発生を低減させることができる。このため、逃げ場のない機械的な変移を回転軸方向の摺動へ導き、この摺動を板バネで抑制することにより、振動を低減させて騒音を抑制する構造になっている。

また、以上説明した従来例のように、ポールメンバーにティースを備えたステータは、ティース自体に、ある程度の回転軸方向の厚みが必要であり、結果的に円形に配置されたポールメンバーの内周空間に軸受部を配置することができる。このようにアキシャルギャップ型電動機は、回転軸方向の厚みを小さくできることが特徴であり、ラジアルギャップ型電動機のようにブラケットの両端で軸受を保持する構造でなく、ステータ内周に軸受部を配置する構造が採用される場合が多い。従って、この軸受部と共に板バネがステータ内周に配置されている。

しかしながら、リング状の板バネにより、ロータ出力軸の軸方向への摺動を抑制する構造になっているが、リング状の板バネが長期間の過度の押圧により板状となってバネ性を失ってしまったり、また、ロータとステータとが接触して信頼性を損ねたり、最悪の場合にロータとステータとが噛み合って回転がロックする場合があった。

特開２００４−２８２９８９号公報（第９−１２頁、図１）

本発明は以上述べた問題点を解決し、ポールメンバーの内周空間に軸受部を配置する場合に、リング状の板バネがバネ性を失わず、また、最悪の場合でもロータとステータとが接触しないアキシャルギャップ型電動機を提供することを目的とする。

本発明は上述の課題を解決するため、同一の回転軸に所定の空隙をもって対向的に配置されるリング状のステータ及び円盤状のロータとを含み、
前記ステータのリング状の内周空間である軸受穴に軸受部が配置され、前記軸受穴と前記軸受部側面との空間に、前記ロータを前記回転軸方向に付勢する付勢手段を設けてなるアキシャルギャップ型電動機において、
前記軸受穴の内面に、前記ロータの前記回転軸方向の摺動を規制するストッパを設ける。

また、前記ストッパは、前記軸受穴を形成する前記ステータの前記回転軸方向の面に設けられ、前記軸受穴の開口面に向かう凸形状にする。

また、前記付勢手段を円周方向波形からなるリング状の板バネで構成し、同板バネの波型の頂点部分が前記ストッパを跨ぐように配置する。

また、前記ストッパは、前記ステータの円周方向の左右に傾斜面を備えてなる構造にする。

以上の手段を用いることにより、本発明によるアキシャルギャップ型電動機によれば、
請求項１に係わる発明は、軸受穴の内面に、ロータの回転軸方向の摺動を規制するストッパを設けることにより、
摺動による大きな回転軸方向の移動が発生した場合、ロータとステータとが接触すること、またこれによるロータ回転のロックを防止することができる。

請求項２に係わる発明は、ストッパが、軸受穴を形成するステータの回転軸方向の面に設けられ、軸受穴の開口面に向かう凸形状にすることにより、ストッパをステータの一部としてモールドで一体に形成でき、組立の工数を削減できる。

請求項３に係わる発明は、付勢手段を円周方向波形からなるリング状の板バネで構成し、同板バネの波型の頂点部分がストッパを跨ぐように配置することにより、
付勢手段のバネ性を保持しつつ、摺動による大きな回転軸方向の移動が発生した場合、ロータとステータとが接触すること、またこれによるロータ回転のロックを防止することができる。

請求項４に係わる発明は、ストッパがステータの円周方向の左右に傾斜面を備えてなる構造にすることにより、リング状の板バネを軸受穴内に装着する場合に、ストッパの位置に対応させるため、リング状の板バネの回転方向の位置を気にする必要がなくなり、作業性が向上する。

以下、本発明の実施の形態を、添付図面に基づいた実施例として詳細に説明する。なお背景技術で説明した図７〜図８と同じ部品については同じ番号を付与し、詳細な説明を省略する。

本発明の特徴は、アキシャルギャップ型電動機において、リング状のステータの内周空間に軸受部を配置する場合に、リング状の板バネがバネ性を失わず、また、最悪の場合でもロータとステータとが接触してロータ回転がロックしないように、ステータの軸受部付近に回転軸の軸方向への摺動を規制するストッパを設けた構造にある。このための構造を以下に説明する。

本発明による３相９スロットのアキシャルギャップ型電動機１は図１に示すように、ほぼ円盤状をなすステータ２と、ステータ２の両側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８、９とを含み、ロータ８、９は同一のロータ出力軸（回転軸）４を共有しており、ステータ２は、その内周側に同軸的に挿入され、ロータ出力軸４を支持する軸受部２６を備えている。この例において、それぞれの軸受部２６は、１つのラジアルボールベアリングを備えている。

そして、この電動機は、ロータ出力軸４を中心にしてそれぞれが円形の、ブラケット蓋１５、モータの駆動回路が実装されたプリント基板１４、ロータ８、ステータ２、ロータ９、ブラケット蓋１６が順次配設されている。

そして、ロータ８の位置検出用の永久磁石８ｃと対向するプリント基板１４にはホール素子１４ｃが配置されており、ロータ８の回転位置を検出するようになっている。また、プリント基板１４の外周近辺では、結線体１１の巻線接続端子１１ａがハンダ付けされており、ステータ２のコイル２７の引出し線を結線体１１を介してプリント基板１４に接続する構造になっている。

また、ブラケット蓋１５、１６は鋼板をプレスして形成されており、ステータ２の両側にそれぞれ嵌着される構造になっている。当然のことながら、ブラケット蓋１５、１６を装着するか、しないかは電動機の仕様により決定されるべきものである。

一方、ステータ２は、ティース５１に施されたインシュレータ１０の周囲にコイル２７を巻回した９個のポールメンバーを環状（いわゆるドーナツ状）に配置したステータコア５を、合成樹脂７によって一体的にモールドして形成されている。その際、ステータ２は、軸受部２６を保持するための軸受穴２ｄと軸受穴２ｅとをロータ出力軸４と同心になるように、合成樹脂７によって一体的にモールドして形成されている。

そしてステータ２の一方の側面には、軸受穴２ｄとその内部に配置された軸受部２６とをロータ８に向かって突出させた突出部２ｆが、また他方の側面には、軸受穴２ｅとその内部に配置された軸受部２６とをロータ９に向かって突出させた突出部２ｇが、それぞれ合成樹脂７によって一体的にモールドして形成されている。これらの突出部は軸受穴の外周を保持しており、軸受部を確実にステータに保持すると共に、２つの軸受部の軸芯を精度よく合わせることができる

ロータ８は円形の鋼板からなるバックヨーク８ａのステータコア５と対向する一方の面に、扇型の永久磁石８ｂをリング状に、また他方の面に位置検出用の永久磁石８ｃをそれぞれ備えている。また、ロータ９は鋼板からなるバックヨーク９ａのステータコア５と対向する一方の面に扇型の永久磁石９ｂをリング状に備えている。この結果、永久磁石８ｂと永久磁石９ｂとの内周付近に、これらの永久磁石と同じ厚さの円柱状の空間である凹部８ｄ、凹部９ｄとがそれぞれ形成される。また、これらの凹部の空間には、突出部２ｆ、２ｇが配置される構造になっている。

このように、電動機の性能への影響が比較的少ないロータの永久磁石内周付近に空間を設け、軸受部を含むステータの一部をこの空間に配置することにより、電動機全体の回転軸方向の厚みを小さくできるため、小型化が可能になる。

次にステータコアについて説明する。
図２に示すようにステータコア５は、９個のポールメンバー５ａ〜５ｉを環状につなぎ合わせることにより構成されている。各ポールメンバー５ａ〜５ｉは、５ａと５ｄと５ｇとに固定されている巻線を電気的に中継して接続する結線体１１を除けばすべて同一形状である。

ポールメンバー５ｅは、図１に示すように、複数枚の金属板を台形状に積層してなるティース（鉄心）５１を備え、ティース５１の周りには、その両側面を除いて合成樹脂からなるインシュレータ１０が一体に形成されている。インシュレータ１０は、ティース５１の両側面に沿って左右一対として配置されるほぼ扇型のフランジ１２、１３を含む全体が断面Ｈ字形のボビン状に形成されている。

そして、任意のポールメンバー、例えばＵ相ならばポールメンバー５ｄの後方（ステータを形成した場合の外周側）のフランジ１２表面にＬ字型の巻線接続端子１１ａを左右両端に固定した結線体１１を装着する。そして、水平方向に突出した一方の巻線接続端子１１ａにポールメンバー５ｅのコイル巻終わり、つまり、Ｕ相の巻線終端Ｕｂを絡げてハンダ付けし、他方の巻線接続端子１１ａにＵ相の巻線始端Ｕａを絡げてハンダ付けする。

このようにして、３相分のポールメンバーユニットを形成した後、図２に示すように、Ｕ相用のポールメンバーを円弧状に配置し、この隣にＶ相、そしてその隣にＷ相用の各ポールメンバーをそれぞれ円弧状に配置して、これらの各ポールメンバー両隣をそれぞれ連結する。これにより、９個のポールメンバーが環状に組み立てられる。

そして図３の斜視図に示すように、インサート成形により各ポールメンバーの外周部分および、軸受穴２ｄと軸受穴２ｅを含む内周部分と、引出線用の結線体１１とを合成樹脂によって固めてステータ２を作成する。この時、ステータ２の軸受穴２ｄの底面に回転軸方向の摺動を規制する凸形状のストッパ２ｃを同時にインサート成形により設ける。

このステータ２にはブラケット蓋１５が嵌着する段部２ａと、プリント基板の外周付近が嵌着する段部２ｂとが備えられている。また、インサート成形後には、結線体１１の巻線接続端子１１ａと基板位置決めボス１１ｃとが露出する構造になっている。

そして、結線体１１の垂直方向に突出した巻線接続端子１１ａが、電動機用の駆動回路が実装されたプリント基板１４の孔１４ａを挿通し、このプリント基板１４のランドパターンにハンダ付けされる。また、同時に結線体１１の基板位置決めボス１１ｃとプリント基板１４の切欠１４ｂとが嵌合する。なお、図３で図示しているプリント基板１４は、各ロータが装着されてから実装される。

次に、ステータ２と軸受部２６との構造を図４の分解斜視図を用いて説明する。
図４の斜視図に示すように、一方の軸受部２６を固定したロータ出力軸４に、円周に沿って断面が波型であるリング状の板バネ（波ワッシャバネ）３３が挿通され、ステータコア２の軸受穴２ｄに軸受部２６が装着されている。そして、ステータコア２のもう一方の軸受穴２ｅに軸受部２６が装着されると共に、ロータ出力軸４に軸受部２６が固定されている。

なお、図１に示すように、軸受孔２ｅにはストッパやリング状の板バネは配置されておらず、軸受部２６の一方の側面は、リング状の板バネ３３の影響により、つねに軸受孔２ｅの底面に向かって押圧された状態になっている。また、軸受部２６の一方の側面が軸受孔２ｅの底面と当接した状態になっても、ロータ９とステータ２とは接触しないように各部の寸方が規定されている。

次に、図６の説明図を用いてストッパ２ｃと板バネ３３の構造を説明する。
図６（Ａ）の右側の図はステータ２の軸受穴２ｄを軸方向から見た平面図である。軸受穴２ｄの底面には、モールド成形によりステータ２と一体に形成された矩形のストッパ２ｃが底面から突出して設けられ、またこのストッパ２ｃは円周方向に均等に４個配置されている。そして、図６（Ａ）の左側の図に示す、円周に沿って断面が波型であるリング状の板バネ３３が、この軸受穴２ｄの底面に被さるように装着される。

このように、ストッパが軸受穴を形成するステータの回転軸方向の面に設けられ、板バネに向かう凸形状にすることにより、ストッパをステータの一部としてモールドで一体に形成でき、組立の工数を削減できる。

一方、板バネ３３は、軸受穴２ｄの底面に向かう４つの波形の頂点（−記号で図示）と、軸受穴２ｄの開口に向かう４つの波形の頂点（＋記号で図示）を備えており、２種類の頂点が円周方向に交互に、また、均等に配置されており、ストッパ２ｃの位置と対応している。

図６（Ｂ）の斜視図はストッパ２ｃと板バネ３３の位置関係を示しており、４つのストッパ２ｃを跨ぐように板バネ３３の４つの波型の頂点（＋記号で図示）が配置されている。従って図示しない軸受部２６の一方の側面は、板バネ３３の４つの波型の頂点（＋記号で図示）に当接し、板バネ３３の４つの波型の頂点（−記号で図示）は、軸受穴２ｄの底面に当接することになり、軸受部２６をロータ出力軸４の軸方向に付勢する構造になる。

図５は本発明によるステータの軸受部周辺を表す要部断面図であり、図５（Ａ）は矩形のストッパを、図５（Ｂ）は他の実施例である三角形状のストッパをそれぞれ示した例である。
図５（Ａ）において、インサート成形された樹脂７からなるステータ２の軸受穴２ｄの底面と軸受部２６との間の空間には、リング状の板バネ３３が配置されており、前述したように、ロータ８、９、及びロータ出力軸４を図１における左の軸方向へ付勢する構造になっている。

また、インサート成形により、ロータ８、９、及びロータ出力軸４を図１おける右の回転軸方向の摺動を規制するストッパ２ｃを設けた構造になっている。このストッパ２ｃは、ステータ２の軸受穴２ｄの底面の円周方向に設けた矩形の４つの突起として形成されている。このため、このストッパ２ｃの先端と軸受穴２ｄの底面との間には、リング状の板バネ３３が配置される空間が存在することになる。
また、このストッパ２ｃの先端と軸受部２６の一方の側面との間も所定の空間が存在しており、リング状の板バネ３３はこの空間内と、前述したストッパ２ｃの先端と軸受穴２ｄの底面との間の空間内で弾性変形、つまり、バネとしての動作を行なうことになる。

従って、ロータ出力軸４が大きく摺動して、軸受部２６の一方の側面がリング状の板バネ３３を軸受穴２ｄの底面方向に押圧し、ストッパ２ｃの先端に当接した状態になっても、リング状の板バネ３３は前述した空間内で弾性変形の途中段階で停止した状態になっている。これにより、リング状の板バネ３３は押しつぶされることがないため、バネ性を保持できる構造になっている。また、ストッパ２ｃが存在するため、ロータ出力軸４の摺動、つまり、軸受部２６の摺動は停止され、結果的にロータ８とステータ２とが接触することがなく、これによるロータ回転のロックを防止することができる。

さらに、図５（Ａ）のストッパ２ｃの変形例として図５（Ｂ）に示すストッパ２ｃ’の構造がある。ストッパ２ｃ’は、円周方向を左右の傾斜面に、かつ、板バネ３３に向かう方向を頂点とする三角形状にステータ２の軸受穴２ｄの底面外周に形成されている。
このようにストッパ２ｃ’をステータ２の円周方向の左右に傾斜面を備える構造にすることにより、リング状の板バネ３３を軸受穴２ｄ内に装着する場合に、リング状の板バネ３３の回転方向の位置を気にする必要がなくなり、作業性が向上する。

つまり、図５（Ａ）に示す矩形のストッパ２ｃでは装着の際、ストッパ２ｃを跨ぐようにリング状の板バネ３３の波型の断面部分を配置しなければならないが、図５（Ｂ）に示すストッパ２ｃ’では装着の際、波型の頂点部分を意識しなくても任意の回転方向で配置すれば、波型の頂点部分がストッパ２ｃ’の三角形の傾斜で滑り落ちるため、結果的にリング状の板バネ３３の波型の断面部分がストッパ２ｃ’を跨ぐように配置されるからである。

以上のように、軸受穴２ｄを形成するステータ２のロータ出力軸４（回転軸）方向の面に、ロータの回転軸方向の摺動を規制するストッパ２ｃを設け、軸受穴２ｄと軸受部２６との間に、ステータ２をストッパ２ｃの反対方向に付勢する付勢手段であるリング状の板バネ３３とを設ける構造にすると、このストッパ２ｃにより、板バネ３３のバネ性を保持しつつ、摺動による大きなロータ出力軸４方向の移動が発生した場合、永久磁石８ｂ、９ｂがティース５１と接触することや、この接触によるロータ回転のロックを防止することができる。なお、付勢手段はリング状の板バネでなくても、スプリングなどで代替してもよい。

なお、本発明は以上説明した３相９スロットの電動機に限るものでなく、３相１２スロットや、リング状のステータ内部に軸受部を有するアキシャルギャップ型電動機などに広く適用することができる。
また、本発明は本実施例で説明したロータやステータの形状に限定するものでなく、例えば突出部２ｆ、２ｇや凹部８ｄ、９ｄがなくても本発明の効果を有するものである。
また、本実施例ではストッパ２ｃやリング状の板バネ３３を軸受穴２ｄ内のみに備えているが、軸受穴２ｅ内にのみ備えてもいいし、両方の軸受穴に備えてもよい。
さらに、本実施例では各ロータ８、９は同一のロータ出力軸４を共有しているが、ロータを１つのみ備えた電動機であってもよい。

本発明によるアキシャルギャップ型電動機の実施例を示す断面図である。 本発明によるステータコア示す斜視図である。 本発明によるステータと駆動用プリント基板を示す斜視図である。 本発明によるステータと軸受部、回転軸を示す分解斜視図である。 本発明によるステータの軸受部周辺を表す要部断面図であり、（Ａ）は矩形のストッパを、（Ｂ）は三角形状のストッパをそれぞれ示した例である。 本発明によるストッパの構造を説明する（Ａ）は平面図、（Ｂ）は斜視図である。 従来のアキシャルギャップ型電動機を示す断面図である。 従来のアキシャルギャップ型電動機のステータを示す平面図である。

符号の説明

１ アキシャルギャップ型電動機
２ ステータ
２ａ、２ｂ 段部
２ｃ、２ｃ’ ストッパ
２ｄ、２ｅ 軸受穴
２ｆ、２ｇ 突出部
４ ロータ出力軸（回転軸）
５ ステータコア
５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ、５ｆ、５ｇ、５ｈ、５ｉ ポールメンバー
７ 合成樹脂
８ ロータ
８ａ バックヨーク
８ｂ 永久磁石
８ｃ 永久磁石
８ｄ 凹部
９ ロータ
９ａ バックヨーク
９ｂ 永久磁石
９ｄ 凹部
１０ インシュレータ
１１ 結線体
１１ａ 巻線接続端子
１１ｃ 基板位置決めボス
１２ フランジ
１２ａ 孔
１４ プリント基板
１４ａ 孔
１４ｂ 切欠
１４ｃ ホール素子
１５ ブラケット蓋
１６ ブラケット蓋
２６ 軸受部（ラジアルボールベアリング）
３３ リング状の板バネ（付勢手段）
２７ コイル
５１ ティース

Claims (4)

1. 同一の回転軸に所定の空隙をもって対向的に配置されるリング状のステータ及び円盤状のロータとを含み、
   前記ステータのリング状の内周空間である軸受穴に軸受部が配置され、前記軸受穴と前記軸受部側面との空間に、前記ロータを前記回転軸方向に付勢する付勢手段を設けてなるアキシャルギャップ型電動機において、
   前記軸受穴の内面に、前記ロータの前記回転軸方向の摺動を規制するストッパを設けてなることを特徴とするアキシャルギャップ型電動機。
2. 前記ストッパは、前記軸受穴を形成する前記ステータの前記回転軸方向の面に設けられ、前記軸受穴の開口面に向かう凸形状としてなることを特徴とする請求項１記載のアキシャルギャップ型電動機。
3. 前記付勢手段を円周方向波形からなるリング状の板バネで構成し、同板バネの波型の頂点部分が前記ストッパを跨ぐように配置されてなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のアキシャルギャップ型電動機。
4. 前記ストッパは、前記ステータの円周方向の左右に傾斜面を備えてなることを特徴とする請求項３記載のアキシャルギャップ型電動機。

Images