JP2006288012A - アキシャルギャップ型電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】ステータの両側面にロータを備えたアキシャルギャップ型電動機において、コギングトルクを低減させる構造を備えた電動機を提供する。
【解決手段】ステータには、ティースの外周にコイルが巻回され、環状に連結される複数個のポールメンバーを備え、ロータには、互いに異なる極性を備えて隣接する同一形状の永久磁石が円周方向に複数配置されてなるアキシャルギャップ型電動機において、対向する永久磁石を円周方向に所定の機械角だけずらして配設する。所定の機械角は、２つのロータで発生するコギングトルクのそれぞれの周期の位相差角が７２°〜３２４°、もしくは、−３２４°〜−７２°の範囲の何れかと対応する角度にする。
【選択図】図８

Description

本発明は、アキシャルギャップ型電動機の回転子に係わり、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て固定子を形成し、その両側に隙間を隔てて配置された永久磁石を備えた回転子の構造に関する。

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１０の断面図、及び図１１に示すステータコアの上面図に示すように、ほぼリング状をなすステータ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円盤状のロータ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。また、図１２に示すように、ロータ３１の内面には８個の永久磁石３１ａが、また、ロータ３２の内面には８個の永久磁石３２ａが、それぞれ隣接する磁極が異なるように円周方向に配置されている。

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１１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おり、又、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、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。なお、ティース５１の円周方向の両端は、回転軸の回転中心位置Ｐから外周へ向かう仮想線と平行になっておらず、所謂スキューを施した形状になっている。

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１１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。

そして、概略の斜視図である図１２に示すように、円柱形のステータ２０の両側面にロータ３１と３２とを配置し、ロータ出力軸２４にそれぞれのロータを固定する。各ロータの内面側、つまり、ステータ２０のティース５１と対向する面には、それぞれ同じ大きさの８個の扇型の永久磁石３１ａと３２ａとがＮ極、Ｓ極、Ｎ極、Ｓ極と、交互に配置されている。また、対向する２つのロータでは、対向する永久磁石が互いに異なる極性に配置されており、また、対向するそれぞれの永久磁石はロータ出力軸２４の回転方向の同一位置に、同一の大きさで固定されている（例えば、特許文献１参照。）。

ところで、アキシャルギャップ型の電動機において、２つのロータを備えた構造を有するものとして、図１３（Ａ）に示すロータの構造が開示されている。この電動機は図示しない空芯巻線を複数備えたステータの側面に、それぞれロータ８１とロータ８２とを配置し、回転軸８４にそれぞれのロータをねじ９４で固定している。そして、各ロータの内面側にＮ極、Ｓ極、Ｎ極、Ｓ極と、４個の扇型の永久磁石が交互に配置されている。また、対向する２つのロータでは、図１３（Ｂ）の断面説明図に示すように、対向する永久磁石が互いに異なる極性に配置されている。

そして、ロータ８１とロータ８２とを円周方向に所定の機械角Ｄ°だけシフトさせ、ロータ８１とロータ８２との対向する磁場の相対位置を変移させることにより、電機子電流による反作用と渦電流による磁気損失とが抑制されるために電動機の効率が向上し、また、ステータ側にスキューを施さなくてもよい構造にしている（例えば、特許文献２参照。）。

この特許文献２に記載されている効果を検証するため、特許文献１に記載されている構造を変形し、ロータの磁極数が８極でティースが１２個の電動機、所謂８極１２スロットの電動機を用いて磁気解析を行なった。なお、固定子の隣接するティースは互いに異なる極性となるように配置されている。

図１４から図１７のグラフがこの解析結果である、そして、図１４から図１６において、縦軸がコギングトルク値であり、また、横軸が電気角を示しており、一目盛りが１０度で０°〜６０°の間をグラフにしている。また、２つのロータのコギングトルク波形の位相差の角度をαとし、これを位相差角αと呼称している。なお、コギングトルクはロータが１回転する間に、磁極の変化する回数だけ繰り返して発生する。そして、この１回のコギングトルクの発生において、ゴギングトルクの値は１周期の変化を示しており、ここでは、この１周期を０〜３６０°とし、位相差角αはこの周期のずれを表している。（詳細は実施例を参照されたい。）

図１４は、２つのロータの機械的な角度のずれない場合（機械角Ｄ＝０°）、つまり、２つのコギングトルク波形の位相差角α＝０°の場合のコギングトルクを測定している。これによると、ロータ１、及びロータ２のコギングトルクの変化は同じに推移し、グラフ上では重なって表示されている。従って、この２つのロータのトータルトルクは、それぞれのトルクが加算されて推移している。そして、トータルトルクの振幅の絶対値は、約１．３［Ｎｍ］（ニュートンメートル）となっている。

図１５は、機械角Ｄをある値にし、結果的にロータ１とロータ２とのコギングトルク波形の位相差角α＝９６°にした場合を示している。この場合のトータルトルクの振幅の絶対値は、約１．５［Ｎｍ］となっている。

同様に図１６はさらに機械角Ｄを大きくして、結果的にロータ１とロータ２とのコギングトルク波形の位相差角α＝１８０°にした場合を示している。この場合のトータルトルクの振幅の絶対値は、２．０［Ｎｍ］以上となっている。（最大振幅はグラフの表示外となる。）

図１７は以上のように、２つのロータの機械的な角度のずれ（機械角Ｄ）、つまり、２つのコギングトルク波形の位相を徐々にずらしたときのトータルコギングの変化を表したグラフである。そして、縦軸はコギングトルクの相対値であり、位相差角α＝０°の時のコギングトルクの振幅値を基準とし、この場合の値を１としている。また、横軸はロータ１とロータ２とのコギングトルク波形の位相差角αを示している。

図１７を参照すると、ロータ１とロータ２とのコギングトルク波形の位相差角α＝０°の時、つまり、２つのロータの機械角Ｄ＝０°の時が最もコギングトルクが減少していることが解る。従って、特許文献２に記載されている技術的内容だけでは、コギングトルクを低減させることができなかった。この原因としては、今回検証した８極１２スロット（ティースを使用）の電動機と比較し、図１３の電動機のステータが空芯型であることや、永久磁石の極数やティース数の違いによる駆動方式の違いなどがあると考えられる。

以上の従来技術に関して、図１０の電動機では、ティース５１の外周にインシュレータ５０を介してコイル２７が巻回される構造になっているため、図１３に示す空芯巻線のステータを備えた電動機に比較してトルクが大きく、このためこのトルクに比例してコギングトルクが大きくなるという問題があった。

また、図１３に示す電動機では、ロータ８１とロータ８２とを回転軸８４方向に所定の機械角Ｄだけシフトさせる構造については記載されているが、コギングトルクについては具体的な作用や効果を証明する実験データなどの記載がない。また、実際に確認した結果では、２つのロータの機械的なずれ、つまり、機械角Ｄ＝０°からずらすと、かえってコギングトルクが大きくなってしまうという問題があった。

特開２００４−２８２９８９号公報（第９−１２頁、図１） 実開平２−１３３１８２号公報（第７−９頁、図５）

本発明は以上述べた問題点を解決し、ステータの両側面にロータを備えたアキシャルギャップ型電動機において、コギングトルクを低減させる構造を備えた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、
リング状のステータと、同ステータの両端面に空隙を持って対向的に配置され、前記ステータの中心を挿通する回転軸に固定された一対の円盤状のロータとを含み、
前記ステータは、ティースの外周にコイルが巻回され、環状に配置される複数個のポールメンバーを備え、前記ロータには、互いに異なる極性で隣接する磁極が円周方向に複数極配置された永久磁石が備えられてなるアキシャルギャップ型電動機において、
対向する前記永久磁石の磁極を円周方向に所定の機械角だけずらして配設する。

また、前記ステータは９個のポールメンバを備え、前記ロータは８つの前記磁極を備えてなる構造にする。

また、前記所定の機械角は、前記２つのロータで発生するコギングトルクのそれぞれの周期の位相差角が１２０°〜２８０、もしくは、−１３０°〜−２９０°の範囲の何れかと対応する角度にする。

もしくは、前記所定の機械角は、前記２つのロータで発生するコギングトルクのそれぞれの周期の位相差角が７２°〜３２４°、もしくは、−３２４°〜−７２°の範囲の何れかと対応する角度にする。

また、前記ステータの前記ティースには、スキューが施されてなる構造にする。

また、スキューが施されている場合の前記所定の機械角は、前記２つのロータで発生するコギングトルクのそれぞれの周期の位相差角が２１０°〜３００°、もしくは、−１５０°〜−３００°の範囲の何れかと対応する角度にする。

もしくは、スキューが施されている場合の前記所定の機械角は、前記２つのロータで発生するコギングトルクのそれぞれの周期の位相差角が６０°〜３６０°、もしくは、−６０°〜−３６０°の範囲の何れかと対応する角度にする。

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、対向する永久磁石の磁極を円周方向に所定の機械角だけずらして配設することにより、対向する２枚のロータを備えたアキシャルギャップ型電動機のコギングトルクを低減させることができる。

請求項２に係わる発明は、ステータは９個のポールメンバを備え、ロータは８つの磁極を備えてなる構造にすることにより、この組合せによるコギングトルクを低減させることができる。

請求項３に係わる発明は、所定の機械角は、２つのロータで発生するコギングトルクのそれぞれの周期の位相差角が１２０°〜２８０°、もしくは、−１３０°〜−２９０°の範囲の何れかと対応する角度にすることにより、ステータにスキューが施されていない場合でも、スキューだけ実施した場合と比較して、コギングトルクを低減させることができる。

請求項４に係わる発明は、所定の機械角は、２つのロータで発生するコギングトルクのそれぞれの周期の位相差角が７２°〜３２４°、もしくは、−３２４°〜−７２°の範囲の何れかと対応する角度にすることにより、ステータにスキューが施されていない場合に、コギングトルクを２０％以上低減させることができる。

請求項５に係わる発明は、ステータのティースには、スキューが施されてなる構造にすることにより、スキューが施されてない電動機よりも、さらにコギングトルクを低減させることができると共に、コギングトルクの変化が穏やかなために２ロータの機械角の許容範囲が広がって、ロータを実際に製造する時にロータ位置決め作業が容易になる。

請求項６に係わる発明は、スキューが施されている場合の所定の機械角は、２つのロータで発生するコギングトルクのそれぞれの周期の位相差角が２１０°〜３００°、もしくは、−１５０°〜−３００°の範囲の何れかと対応する角度にしてなることにより、ステータにスキューが施されていない場合に比較して、さらにコギングトルクを低減させることができる。

請求項７に係わる発明は、スキューが施されている場合の所定の機械角は、２つのロータで発生するコギングトルクのそれぞれの周期の位相差角が６０°〜３６０°、もしくは、−６０°〜−３６０°の範囲の何れかと対応する角度にしてなることにより、ステータにスキューが施されている場合に、コギングトルクを２０％以上低減させることができる。

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１０〜図１１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、ステータの両側面にロータを備えたアキシャルギャップ型電動機において、コギングトルクを低減させるため、対向するロータの磁極の相対位置を実験データに基づいた角度にし、また、所定の磁極数とスロット数で電動機を構成することにある。例えば永久磁石の極数が８極で、固定子のスロット数（ティース）が９個の電動機の場合、機械角で約３．３度だけ円周方向にずらして配置させることにある。

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、ほぼリング状をなすステータ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円盤状のロータ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。

また、ロータ８は、図４（Ａ）の概略構造を示す斜視図の構造になっており、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、同じ大きさの８個の扇型の永久磁石８ｂがＮ極、Ｓ極、Ｎ極、Ｓ極と、交互に配置されている。なお、ロータ９もロータ８と同じ構造に形成されている。ただし、ロータ９には位置検出用の永久磁石が取り付けられていない。また、本実施例では８個の永久磁石を円周方向に配置しているが、これに限るものでなく、リング状の磁性体に８つの磁極を着磁により形成してもよい。

そして、図４（Ｂ）に示すように、円柱形のステータ２（図示せず）の両側面にロータ８と９とを配置し、ロータ出力軸４にそれぞれのロータが固定されている。各ロータの内面側、つまり、ステータ２のティース５１と対向する面には、２つのロータの対向する永久磁石が互いに異なる極性で、かつ、ロータ出力軸４方向から透視した場合に、それぞれの永久磁石が重なるように一旦配置され、さらに、対向するそれぞれの永久磁石８ｂと９ｂとはロータ出力軸４の回転方向に、この重なる位置から機械角Ｄだけずらして配置されている。

なお、前述のように着磁により磁極を形成した場合は、この磁極の極性位置から機械角Ｄだけずらして配置されることになる。また、機械角Ｄの具体的な値については後で詳細に説明する。さらに、ロータ８のバックヨーク８ａには、外周面に溝状の切欠８ｅが設けられている。これはロータ９も同様であり、バックヨーク９ａには、切欠９ｅが設けられている。これらの切欠には電動機の組立時に、図示しない位置決め治具の凸部が嵌着されるようになっており、２つのロータの機械角Ｄを正確に位置決めすることができる。

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。

なお、このティース５１は背景技術で説明した図１１のティース５１と同じ形状のため、スキューが施された形状となっているが、後述するコギングトルクの理論値や解析値のグラフ説明では、このスキューが有るものとないものとを区別して説明している。

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１を用いて説明する。
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、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。

次に以上説明した構造の電動機を用いた場合のコギングトルクについて説明する。なお、特に断らない限り、以下の説明では前述したティース５１にはスキューが施されていないことを前提とする。

図５から図７のグラフは、背景技術の項で説明した８極１２スロットの電動機と同様に、本実施例の８極９スロットの電動機でのコギングトルク解析結果である。グラフに記載されたロータ１は図１に示すロータ８のコギングトルク波形であり、ロータ２は図１に示すロータ９のコギングトルク波形である。また、縦軸がコギングトルク値であり、横軸が電気角を示しており、一目盛りが３０度で、ゴギングトルクの１周期を０〜３６０°としてグラフ化している。なお、図５から図７において、（Ａ）は理論値でのグラフ、また、（Ｂ）は実際の解析結果を示している。

コギングトルクはロータの永久磁石の極性の切り替わり位置と、ティースの磁極の切り替わり位置とで発生するため、ロータの１回転の中で発生するコギングトルクの回数は永久磁石の極数とティース数の最小公倍数となり、例えば８極９スロットの電動機ではロータの１回転、つまり機械角３６０°で、７２回（８極×９スロット）発生することになり、これは、ロータが機械角５°（３６０°／７２回）回転するごとに１周期のコギングトルクが発生することになる。また、２つのロータで発生するトータルのコギングトルクはその和となる。従って、コギングトルクの波形は正弦波である程度近似できる。

つまり、位相角度をθ、２つのロータのコギングトルク波形の位相差の角度をαとすると、
ロータ１のコギングトルク波形 Ｔ１＝ｓｉｎ（θ＋α）
ロータ２のコギングトルク波形 Ｔ２＝ｓｉｎ（θ）
トータルのコギングトルク波形 Ｔ＝ｓｉｎ（θ＋α）＋ｓｉｎ（θ）
の関係が成り立つ。図５から図９において、理論値のグラフはこの式を使用してグラフ化している。

また、前述したように、永久磁石の極数とティース数からロータの１回転でのコギングトルク数が求められ、さらにこのコギングトルクの１周期の機械角が求められれば、位相差角と対応する機械角を求めることができる。ここで、コギングトルクの１周期の機械角をＤ、求める機械角をＤα、位相差角をαとそれぞれ定義すると、

Ｄα＝Ｄ・α／３６０ となる。

以降に説明する位相差角と対応する機械角はこの式を用いて算出している。

図５は、２つのロータの機械的な角度のずれない場合（機械角Ｄ＝０°）、つまり、２つのコギングトルク波形の位相差角α＝０°の場合のコギングトルクを示している。これによると、図５（Ａ）の理論値のグラフと図５（Ｂ）の解析値のグラフともほぼ同じ傾向となる。つまり、ロータ１、及びロータ２のコギングトルクの変化は同じに推移し、グラフ上では重なって表示されている。従って、この２つのロータのトータルトルクは、それぞれのトルクが加算されて推移している。そして、トータルトルクの振幅の絶対値は、１．０となっている。なお、この振幅の絶対値は後で比較を容易にするため、実際の解析値を最大振幅が１．０となるように変換して表示している。これは、図５から図９において共通である。

図６は、機械角Ｄをある値にずらし、結果的にロータ１とロータ２とのコギングトルク波形の位相差角α＝７２°にした場合を示している。解析値におけるトータルトルクの振幅の絶対値は、約０．７５となっている。

同様に図７はさらに機械角Ｄをずらし、結果的にロータ１とロータ２とのコギングトルク波形の位相差角α＝１８０°にした場合を示している。解析値におけるトータルトルクの振幅の絶対値は、約０．４となっている。なお、図７（Ａ）の理論値のグラフでは、２つのロータのコギングトルクが打ち消し合ってトータルのコギングトルクはゼロとなっているが、図７（Ｂ）の実際の解析値では２つのロータ特性のアンバランスにより、完全に打ち消し合わないことが解る。

図８は以上のように、２つのロータの機械的な角度のずれ（機械角Ｄ）、つまり、２つのコギングトルク波形の位相を徐々にずらしたときのトータルコギングの変化を表したグラフである。そして、縦軸はコギングトルクの相対値であり、位相差角α＝０°の時のコギングトルクの振幅値を基準とし、この場合の値を１としている。また、横軸はロータ１とロータ２とのコギングトルク波形の位相差角αを示している。

図８を参照すると、ロータ１とロータ２とのコギングトルク波形の位相差角α＝０°の時、つまり、２つのロータの機械的な角度のずれである機械角Ｄ＝０°の時が最もコギングトルクが大きいことが解る。そして、２つのコギングトルク波形の位相を徐々にずらし、図８（Ａ）の理論値のグラフでは位相差角α＝１８０°でコギングトルクが最低となるが、実際の解析値グラフ図８（Ｂ）では、位相差角α＝２４０°付近が最もコギングトルクが低下していることが解る。

前述のように８極９スロットの電動機のコギングトルクの周期は、ロータ１回転におい機械角で５°刻みで発生するため、コギングトルクの１周期、つまり３６０°がロータ回転における機械角５°となる。これは、機械角Ｄ＝１°が位相差角α＝７２°と等しいことになる。この関係を図８（Ｂ）の解析値のグラフに当てはめると、最もコギングトルクが低下する位相差角α＝２４０°付近は２つのロータのずれである機械角Ｄ＝３．３°となる。従って、機械角Ｄ＝３．３°の場合にコギングトルクは０．３となり、機械角Ｄ＝０．０°の場合のコギングトルクの１．０に比較して約７０％低減させることができる。
また、位相差角α＝−２２０°付近もコギングトルクが０．３に低下し、この場合もコギングトルクを約７０％低減させることができる。

このように、２つのロータのずれである機械角Ｄ＝３．３°を備えた８極９スロットの電動機にするとコギングトルクを最大限に低減させることができる。また、一般的にコギングトルクが減少したと判断する場合は、測定誤差、及び材料や組立の誤差を考慮し、もとの値に対して、コギングトルクが値が８０％以下になる場合をいう。なおこの場合は低減率が２０％であると規定する。

従って本発明では、図８（Ｂ）において、コギングトルクの振幅が０．８以下となる位相差角αの範囲（ロータずれの機械角Ｄの範囲）をコギングトルク低減の効果ありと判断する。この範囲は位相差角α＝７２°〜３２４°であり、ロータずれの機械角Ｄに換算すると機械角Ｄ＝１．０°〜４．５°の範囲となる。また、位相差角αがマイナス方向でも同じ傾向となるため、位相差角α＝−３２４°〜−７２°、つまり、機械角Ｄ＝−４．５°〜−１．０°の範囲も同じく効果があると判断できる。

図９（Ａ）は図８（Ａ）の理論値と図８（Ｂ）の解析値とのグラフを重ね合わせたものを示しており、理論値では位相角α＝±１８０°の場合がコギングトルクの最低を示しているが、現実には解析値で示すように位相角α＝±２４０°付近にずれ込むことが解る。

図９（Ｂ）は、ティース５１にスキューが施されているステータと施されていないステータを用いた場合を比較した解析値のグラフである。図８と同様に縦軸は相対的なコギングトルクの振幅を、横軸はロータ１とロータ２とのコギングトルク波形の位相差角αを、それぞれ示している。

図９（Ｂ）を参照するとスキューなしに比較して、スキューありの場合は、さらにコギングトルクが低減されることが解る。そして、スキューありの場合のコギングトルクの最低値は、位相差角α＝２５０°と位相差角α＝−２９０°の付近にあることがわかる。これを機械角Ｄにそれぞれ換算すると、機械角Ｄ＝３．５°、機械角Ｄ＝−４．０°に相当する。また、スキューありの場合は、コギングトルクの変化がスキューありの場合と比較してグラフの変化が穏やかである。

そしてスキューなしの場合と同様に、機械角Ｄによるコギングトルクの低減の効果かあると判断される範囲は、スキューありの場合の最もコギングトルクが大きい位相角α＝０°でのコギングトルク値０．５８の８０％、つまり、コギングトルクが０．４６以下の範囲となる。これは位相差角α＝６０°〜３６０°、及び、位相差角α＝−６０°〜−３６０°の範囲となり、機械角Ｄにそれぞれ換算すると、機械角Ｄ＝０．８°〜５．０°、及び、機械角Ｄ＝−０．８°〜−５．０°になる。

従って、スキューの有無に係わらず、位相差角α＝７２°〜３２４°の範囲、及び、位相差角α＝−３２４°〜−７２°の範囲がコギングトルク低減の効果があると判断できる。そして、この範囲は８極９スロットの電動機において、２つのロータのずれである機械角Ｄ＝１．０°〜４．５°の範囲、及び、機械角Ｄ＝−４．５°〜−１．０°の範囲である。

また、目標とする低減率を設定し、これを満足する位相差角αをグラフから読み取り、これに対応する機械角Ｄの範囲を容易に算出するとができる。例えば、図８（Ｂ）において、低減率を５０％と設定した場合の機械角Ｄの範囲を求めると、コギングトルクが０．５以下の範囲は、位相差角α＝１４０°〜２７０°の範囲、及び、位相差角α＝−１５０°〜−２８０°の範囲であり、機械角Ｄにそれぞれ換算すると、機械角Ｄ＝１．９°〜３．８°、及び、機械角Ｄ＝−２．１°〜−３．９°になる。

ところで、図９（Ｂ）において、スキューが施されて、かつ、位相差角α＝０°の場合、コギングトルクは０．５８である。これはスキューだけのコギングトルク低減の効果を示す値である。従って、位相差角αを変化させ、この０．５８より小さくなる場合は、この複雑な構造のスキューを施す必要がないため、ステータの構造が簡単になる。

従って、スキューが施されていない場合で、かつ、コギングトルクが０．５８以下となる範囲はグラフを参照すると、位相差角α＝１２０°〜２８０°の範囲、及び位相差角α＝−１３０°〜−２９０°の範囲となる。これらの範囲が複雑な構造のスキューを施す必要がない範囲である。

一方、スキューが施されていない場合において、位相差角αを変化させてもコギングトルクは約０．３までの低減が限界となる。これ以上、コギングトルクを低減させるには、スキューを施すと共に、位相差角αの変化によるコギングトルクの低減効果とを合わせて実施するしか方法がない。

従って、スキューなしの場合のコギングトルク低減の限界よりも、スキューを施すことにより、さらにコギングトルクを低減できる範囲をグラフから読み取ると、位相差角α＝２１０°〜３００°の範囲、及び位相差角α＝−１５０°〜−３００°の範囲となる。これらの範囲が実質的なコギングトルク低減の限界である。

このように、スキューありの場合は、スキューが施されてない電動機よりも、さらにコギングトルクを低減させることができると共に、コギングトルクの変化が穏やかなために２ロータの機械角の許容範囲が広がって、ロータを実際に製造する時にロータ位置決め作業が容易になる。

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の構造を示す斜視図であり、（Ａ）はロータの永久磁石の配置を示し、（Ｂ）は、２つのロータの位置関係を示している。 コギングトルクの１周期のトルク変化を表すグラフであり、２つのロータの磁極位置を同じにした場合を示す、（Ａ）は理論値を、（Ｂ）は解析値をそれぞれ示している。 コギングトルクの１周期のトルク変化を表すグラフであり、２つのロータの磁極位置を１周期内でコギングトルクの位相が７２°ずれるようにした場合を示す、（Ａ）は理論値を、（Ｂ）は解析値をそれぞれ示している。 コギングトルクの１周期のトルク変化を表すグラフであり、２つのロータの磁極位置を１周期内でコギングトルクの位相が１８０°ずれるようにした場合を示す、（Ａ）は理論値を、（Ｂ）は解析値をそれぞれ示している。 ２つのロータの磁極位置のずれによる２つのロータのトータルコギングトルクの変化を表すグラフであり、（Ａ）は理論値を、（Ｂ）は解析値をそれぞれ示している。 ２つのロータの磁極位置のずれによる２つのロータのトータルコギングトルクの変化を表すグラフであり、（Ａ）は理論値と解析値を、（Ｂ）はステータにスキューを施した場合と、スキューなしの場合を示す、それぞれの解析値を示している。 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。 従来のアキシャルギャップ型電動機を示すロータとステータとの概略の斜視図である。 従来の他のアキシャルギャップ型電動機のロータの構造を示す、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は２つのロータの磁石の位置関係を説明する説明図である。 ８極１２スロット電動機のコギングトルクの１周期のトルク変化を表すグラフであり、２つのロータの磁極位置を同じにした場合を示す。 ８極１２スロット電動機のコギングトルクの１周期のトルク変化を表すグラフであり、２つのロータの磁極位置を１周期内でコギングトルクの位相が７２°ずれるようにした場合を示す。 ８極１２スロット電動機のコギングトルクの１周期のトルク変化を表すグラフであり、２つのロータの磁極位置を１周期内でコギングトルクの位相が１８０°ずれるようにした場合を示す。 ８極１２スロット電動機の２つのロータの磁極位置のずれによるトータルコギングトルクの変化を表すグラフである。

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
８ｅ 切欠
９ ロータ
９ａ バックヨーク
９ｂ 永久磁石
９ｄ 凹部
９ｅ 切欠
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
２７ コイル
５１ ティース

Claims (7)

1. リング状のステータと、同ステータの両端面に空隙を持って対向的に配置され、前記ステータの中心を挿通する回転軸に固定された一対の円盤状のロータとを含み、
   前記ステータは、ティースの外周にコイルが巻回され、環状に配置される複数個のポールメンバーを備え、前記ロータには、互いに異なる極性で隣接する磁極が円周方向に複数極配置された永久磁石が備えられてなるアキシャルギャップ型電動機において、
   対向する前記永久磁石の磁極を円周方向に所定の機械角だけずらして配設し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. 前記ステータは９個のポールメンバを備え、前記ロータは８つの前記磁極を備え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. 前記所定の機械角は、前記２つのロータで発生するコギングトルクのそれぞれの周期の位相差角が１２０°〜２８０°、もしくは、−１３０°〜−２９０°の範囲の何れかと対応する角度にしてなることを特徴とする請求項２記載のアキシャルギャップ型電動機。
4. 前記所定の機械角は、前記２つのロータで発生するコギングトルクのそれぞれの周期の位相差角が７２°〜３２４°、もしくは、−３２４°〜−７２°の範囲の何れかと対応する角度にしてなることを特徴とする請求項２記載のアキシャルギャップ型電動機。
5. 前記ステータの前記ティースには、スキューが施されてなることを特徴とする請求項２記載のアキシャルギャップ型電動機。
6. 前記所定の機械角は、前記２つのロータで発生するコギングトルクのそれぞれの周期の位相差角が２１０°〜３００°、もしくは、−１５０°〜−３００°の範囲の何れかと対応する角度にしてなることを特徴とする請求項５記載のアキシャルギャップ型電動機。
7. 前記所定の機械角は、前記２つのロータで発生するコギングトルクのそれぞれの周期の位相差角が６０°〜３６０°、もしくは、−６０°〜−３６０°の範囲の何れかと対応する角度にしてなることを特徴とする請求項５記載のアキシャルギャップ型電動機。

Images