JP2006288081A - アキシャルギャップ型電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】 ロータマグネットの形状を最適化して、誘起電圧を正弦波状にし、トルクリップルおよびコギングトルクを低減する。
【解決手段】 ステータ２のティース面２２に対向して環状に配置される複数個のロータマグネット３２ａ〜３２ｈを、その半径方向の外周面３２１が円周方向の両端部３２２，３２２から中央部にかけて凸となるように形成する。
【選択図】 図３

Description

本発明はロータとステータとがロータ出力軸の軸線方向に沿って対向配置された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、ロータマグネットの形状を最適化し、低騒音、かつ、低振動なアキシャルギャップ型電動機に関する。

アキシャル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対向的に配置してなる電動機であって、インナーロータ型などのラジアルギャップ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。

通常、ロータは円盤体からなるロータバックヨークと、同ロータバックヨークのステータに対向する面に一体的に取り付けられたロータマグネットとからなり、ロータマグネットは、その複数個がロータバックヨークに対して環状に配置され、接着剤などによって一体的に取り付けられている。

しかしながら、従来のアキシャルギャップ型電動機には次のような問題があった。すなわち、従来のロータマグネットは、各々がほぼ台形状に形成されており、それらをロータバックヨークに沿って環状に配置していたため、ステータのティースに鎖交するロータマグネットの磁束がＮ→Ｓ（またはＳ→Ｎ）に変化する際に、単位時間当たりの磁束変化量が大きく、三次高調波やトルクリップルおよびコギングトルクが発生しやすかった。

トルクリップルおよびコギングトルクが発生した場合、ロータはステータに対しての吸引・反発力によって振動し、モーター全体から騒音が発生しやすかった。また、正弦波駆動によって回転をよりスムーズにしたとしても、物理的なトルクリップルおよびコギングトルクを根本的に抑えることができないため、振動が発生してしまうことは否めない。

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、ロータマグネットの形状を最適化して、誘起電圧を正弦波状にし、トルクリップルおよびコギングトルクを低減することにある。

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ギャップ型電動機において、上記ロータは上記ステータのティース面に対向して環状に配置される複数個のロータマグネットを有し、上記各ロータマグネットは、半径方向の外周面が円周方向の両端部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２に記載の発明は、上記請求項１において、上記各ロータマグネットは、外周面側が円弧状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１において、上記ロータマグネットは、外周面側が多角形状に形成されていることを特徴としている。

請求子４に記載の発明は、上記請求項１，２または３において、上記ロータマグネットは、内周面側が台形状に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、上記請求項１〜４のいずれか１項において、上記ステータのティース面には、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６に記載の発明は、上記請求項１において、上記各ロータマグネットは、外周面側の円周方向の両端が切り欠かれてい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、ロータマグネットの半径方向の外周面が円周方向の両端部から中央部にかけて凸状に形成されていることにより、誘起電圧が正弦波形となり、トルクリップルおよびコギングトルクが低減され、結果的に低騒音・低振動が可能となる。さらには、磁石体積が減るため、生産コストを抑えることができる。

請求項２または３に記載の発明によれば、ロータマグネットの外周面側が円弧状（または多角形状）に形成されていることにより、磁束変化が滑らかになるため、トルクリップルおよびコギングトルクの低減に寄与する。

請求項４に記載の発明によれば、ロータマグネットの内周面側はトルクリップルおよびコギングトルクに対する影響がほとんど無いため、できる限り磁束密度を増やすため、台形状に形成されていることが好ましい。

請求項５に記載の発明によれば、ステータ側のティース面にスキューをさらに設けることにより、より磁束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の低減とともに、低騒音・低振動化することができる。

請求項６に記載の発明によれば、ロータマグネットの円周方向の端部を切り欠くことによっても、トルクリップルおよびコギングトルクを低減することができる。

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。図１は本発明の一実施形態にかかるアキシャル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ロータ出力軸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内に収納されている。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は同一構成のため、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。各ポールメンバー２１ａ〜２１ｉの隣り合うギャップ面には、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２２，２２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軸線を中心に環状に連結された後、インサート成型による樹脂で一体的に固められることにより、ステータ２が組み立てられる。この例において、ステータ２の外周を固定する合成樹脂はハウジング１０も兼務している。

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、その内輪はロータ出力軸４に圧入嵌めされ、外輪側は合成樹脂材によって埋設されている。本発明において軸受部２３の構成は任意であってよい。

この例において、各ロータ３，３は同一のロータ出力軸４を共有しているが、各ロータ３，３毎にロータ出力軸を有する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を持たずにステータ２に対してロータ３，３をラジアルボールベアリングを介して直に支持させるシャフトレス型としてもよい。また、ロータ３は１つであってもよい。

次に、ロータ３，３について説明する。ロータ３，３は同一構成のため、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に対向する側の面をロータ３の正面とする。

図３（ａ）に示すように、ロータ３は、ステータ２に同軸的に配置される円盤体からなるロータバックヨーク３１と、このロータバックヨーク３１に一体的に取り付けられるロータマグネット３２とからなる。

ロータバックヨーク３１は、例えば電気亜鉛メッキ鋼板などの磁性材料からなり、中央にはロータ出力軸４に圧入固定される軸固定孔３３が設けられている。ロータバックヨーク３１にはさらに、ロータバックヨーク３１の軽量化と防振特性を向上させるための複数の打抜孔３４が軸固定孔３３を中心に環状に配置されている。

この例において、打抜孔３４はそれぞれが扇形状に形成され、８箇所設けられているが、打抜孔３４の形状は仕様に応じて任意に変更可能であり、その大きさや数も自由に設計できる。

ローターバックヨーク３１にはロータマグネット３２を一体的に固定するための貫通孔３５が設けられている。貫通孔３５はロータバックヨーク３１の軸方向（図３（ａ）では紙面垂直方向）に貫通した孔であり、ロータ出力軸４１の軸線を中心に環状に形成されている。この例において、貫通孔３５はロータマグネット３２の各セグメント毎にそれぞれ各セグメントの回転を防止するため二個一組となって８極分の合計１６箇所設けられている。

なお、これら軸固定孔３３と打抜孔３４はロータマグネット３２をインサート成型する際にインサート成型機の金型へのガイド孔としても利用可能である。すなわち、まず中央の軸固定孔３３を利用して中心位置を位置出しし、次に各打抜孔３３を金型内に設けられた図示しないガイドリブに嵌め込むことにより、円周方向の位置出しを行うことができる。さらには、貫通孔３５を金型のゲート位置に合わせて配置しておけば、金型内での樹脂の浸透がスムーズになり、より成型作業が行いやすくなる。

ロータマグネット３２は上述したように８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はそれぞれ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石材料を用いることが好ましく、この例においてはＳｍＦｅＮのプラスチックマグネットが用いられている。これによれば、着磁電流を大きくして磁束量を大きくでき、トルクの低下を防ぐことができる。なお、ロータマグネット３２は、インサート成型以外に焼結磁石によって一体化してもよい。また、材質は、焼結磁石や希土類Ｎｄ系磁石など仕様に応じて任意に用いられる。

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かまぼこ状に形成されている。このマグネットメンバー３２ａはロータバックヨーク３１を所定の金型内に入れて樹脂を流し込む、いわゆるインサート成型によってロータバックヨーク３１に一体的に形成することができる。

すなわち、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側が円周方向の両端３２２，３２２から中央にかけて凸形状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、マグネットメンバー３２ａの半径方向の外周面３２１を凸形状、この例では円弧状に形成したことにより、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。また、磁石体積が減るため、コストを抑えることができる。なお、高トルク化するためには、マグネットメンバー３２ａの形状を変えずに、厚みを増すことで可能である。

図４に示すように、この例において、外周面３２１は、両端部の半径方向の中間点Ｐ１，Ｐ２と、外周面３２１の円周方向の中間点Ｐ３とを、中間点Ｐ３を頂点として結んだ仮想線を接線勾配とする曲率線によって描かれている。すなわち、ロータマグネット３２の両端部から中央部にかけて凸とするためには、外周面３２１の曲率をロータ３の円周の曲率よりも大きくすることが好ましい。なお、外周面３２１が多角形の場合は、その内接円または外接円の曲率である。

この実施形態において、マグネットメンバー３２ａは、かまぼこ状に形成されているが、例えば図５（ａ）および（ｂ）に示すように、外周面３２１の曲率を変えてもよい。また、図５（ｃ）および（ｄ）に示すように、外周面３２１を三角形や５角形などの多角形状に形成しても、ほぼ同様の効果が得られる。すなわち、ロータマグネット３２は、半径方向の外周面３２１が円周方向の両端部３２２から中央部にかけて凸となるように形成されていればよい。

マグネットメンバー３２ａの両端部３２２，３２２から内径側の外周面３２３かけては、台形状に形成されていることが好ましい。これによれば、マグネットメンバー３２ａの面積をできるだけ大きく取ることにより、磁束密度を大きくすることができる。

図３（ｂ）に示すように、ロータバックヨーク３１の背面側にはマグネットメンバー３２ａと貫通孔３５を介して一体であるアンカーマグネット３６が形成されている。アンカーマグネット３６は各貫通孔３５，３５を覆うように１つのパターンとして楕円状に形成されている。アンカーマグネット３６は各マグネットメンバー３２ａ〜３２ｈのセグメント毎に合計８カ所形成されている。

このアンカーマグネット３６は運転時にマグネットメンバー３２ａの抜け落ちを防止する役割と、回路基板５（図１参照）上に実装された位置検出センサ５１の被検出部としての検出用マグネットとしての役割も兼ねている。

この例において、アンカーマグネット３６は２つの貫通孔３５，３５を覆うように１つのパターンとして形成されているが、例えば多角形状の１つの貫通孔３５を覆うようにパターン形成しても抜け落ちを防止することができる。本発明において、貫通孔３５の形状は任意的事項である。

次に、本発明のより具体的な実施例について比較例とともに検討する。図３（ａ）に示すロータマグネット形状を第１実施例を実施例１とした。次に、図６（ａ）に示すロータマグネットを実施例２、図６（ｂ）に示すロータマグネットを比較例１、図６（ｃ）に示すロータマグネットを実施例３、図６（ｄ）に示すロータマグネットを実施例４とした。

（ロータの作製）
図３（ａ）に示す電気亜鉛メッキ鋼板などの磁性材料からなるロータバックヨークをインサート成型機の金型内に設置し、各実施例および各比較例の形状を有するＳｍＦｅＮプラスチックマグネットからなるロータマグネットを一体的に形成した。

次に、作製した各種類のロータを図１に示すステータに組み付けてアキシャルギャップ型電動機を得た。この各アキシャルギャップ型電動機を軸を直結したモータで駆動した場合の誘起電圧（図７（ａ）〜図１１（ａ））および電圧振幅−周波数特性（図７（ｂ）〜図１１（ｂ））をそれぞれオシロスコープにて計測した。以下に、その測定結果に示す。

《実施例１》
〔ロータマグネット形状〕：図３（ａ）
〔測定結果〕：図７（ａ），（ｂ）
〔誘起電圧〕：正弦波
〔トルクリップル〕：小さい
〔コギングトルク〕：小さい
〔磁石表面積〕：小さい
〔騒音・振動〕：◎
〔高調波〕：◎

《実施例２》
〔ロータマグネット形状〕：図６（ａ）
〔測定結果〕：図８（ａ），（ｂ）
〔誘起電圧〕：正弦波
〔トルクリップル〕：小さい
〔コギングトルク〕：小さい
〔磁石表面積〕：小さい
〔騒音・振動〕：◎
〔高調波〕：◎

《実施例３》
〔ロータマグネット形状〕：図６（ｃ）
〔測定結果〕：図１０（ａ），（ｂ）
〔誘起電圧〕：台形波
〔トルクリップル〕：中間
〔コギングトルク〕：中間
〔磁石表面積〕：中間
〔騒音・振動〕：○
〔高調波〕：○

《実施例４》
〔ロータマグネット形状〕：図６（ｄ）
〔測定結果〕：図１１（ａ），（ｂ）
〔誘起電圧〕：台形波
〔トルクリップル〕：中間
〔コギングトルク〕：中間
〔磁石表面積〕：中間
〔騒音・振動〕：○
〔高調波〕：○

〈比較例１〉
〔ロータマグネット形状〕：図６（ｂ）
〔測定結果〕：図９（ａ），（ｂ）
〔誘起電圧〕：台形波
〔トルクリップル〕：大きい
〔コギングトルク〕：大きい
〔磁石表面積〕：大きい
〔騒音・振動〕：△
〔高調波〕：△

参考までに、上記実施例１〜４と比較例１の仕様および測定結果をまとめて表１に示す。

以上、実施例１〜４および比較例１により以下のような知見を得た。
（１）実施例１，２によれば、ロータマグネットの外径側を滑らかな凸形状にすることにより、トルクリップルおよびコギングトルクの低減し、騒音・振動を低減することができる。
また、実施例２では、実施例１に比べて磁石体積が減っているため、実施例２を採用することにより、実施例１によるトルクリップルおよびコギングトルクを維持したまま、コストダウンを図ることができる。
（３）実施例３によれば、ローターマグネットの外径側の半径方向の両端の一部を除くだけでは、正弦波形にはならない。しかしながら、完全な正弦波形にはならないものの、トルクリップルおよびコギングトルクは比較例１と比べて同等以下であり、誘起電圧波形は改善されている。また、磁石体積が低減できるメリットもあり、低コスト化が可能となる。
（３）実施例４によれば、ローターマグネットの内径側を滑らかにしても、トルクリップルおよびコギングトルクへの影響はほとんど見られない。しかしながら、トルクリップルおよびコギングトルクを維持したまま、コストダウンを図ることができる。
したがって、本発明の具体的形状は、用途により適宜選択され、低振動、低騒音、低コストを図ることが可能となった。

本発明の一実施形態に係るアキシャルギャップ型電動機の中央縦断面図。 上記実施形態のステータの側面図。 （ａ）上記実施形態のロータの正面図、（ｂ）ローターの背面図、（ｃ）Ａ−Ａ線断面図。 ローターマグネットの拡大図。 ローターマグネットの各種変形例を示す部分拡大図。 実施例２および比較例１〜３のローターマグネットの部分拡大図。 実施例１の（ａ）誘起電圧−時間、（ｂ）電圧振幅−周波数特性図。 実施例２の（ａ）誘起電圧−時間、（ｂ）電圧振幅−周波数特性図。 比較例１の（ａ）誘起電圧−時間、（ｂ）電圧振幅−周波数特性図。 実施例３の（ａ）誘起電圧−時間、（ｂ）電圧振幅−周波数特性図。 実施例４の（ａ）誘起電圧−時間、（ｂ）電圧振幅−周波数特性図。

符号の説明

１ アキシャルギャップ型電動機
２ ステータ
３ ロータ
３１ ロータバックヨーク
３２ ロータマグネット
３２１ 外周面
４ ロータ出力軸
５ 回路基板

Claims (6)

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ギャップ型電動機において、
   上記ロータは上記ステータのティース面に対向して環状に配置される複数個のロータマグネットを有し、上記各ロータマグネットは、半径方向の外周が円周方向の両端部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アキシャルギャップ型電動機。
2. 上記各ロータマグネットは、外周面側が円弧状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. 上記ロータマグネットは、外周面側が多角形状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。
4. 上記ロータマグネットは、内周面側が台形状に形成されていることを特徴とする請求項１，２または３に記載のアキシャルギャップ型電動機。
5. 上記ステータのティース面には、スキューが設けられていることを特徴とする請求項１〜４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. 上記各ロータマグネットは、外周面側の円周方向の両端が切り欠か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。
   

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