JP2006296048A - アキシャルギャップ型モータ - Google Patents

Abstract

【課題】スラスト軸受を省略し、コアとロータとの間の摩耗信頼性を確保すること。
【解決手段】アキシャルギャップ型モータ１は、ハウジング２と、ハウジング２に固定されたステータ３と、隙間４を介してステータ３に対向して配置されたロータ５とを備える。ステータ３は、磁性材料よりなるコア６と、コア６に設けられたコイル７とを含む。コア６の中心には、ラジアル軸受８を介して出力軸９が回転可能に支持される。ロータ５は、出力軸９の一端部に固定され、隙間４を介してコア６に対向して配置された磁石１０を含む。磁石１０との間で磁路を形成するヨーク１１は、磁石１０に対しコア６とは反対側にて隙間１２を介して磁石１０に対向してハウジング２に固定される。
【選択図】 図１

Description

この発明は、ステータとロータが隙間を介して対向して配置されてなるアキシャルギャップ型モータに関する。

従来、この種のアキシャルギャップ型モータとしては、例えば、下記の特許文献１及び２に記載されたモータをはじめ種々提案されている。図１１に、この種のモータの代表例を断面図により示す。このアキシャルギャップ型モータ４１は、ハウジング４２と、ハウジング４２に固定されたステータ４３と、隙間４４を介してステータ４３に対向して配置されたロータ４５とを備える。ここで、ステータ４３の中心には、ラジアル軸受４６及びスラスト軸受４７を介して出力軸４８が回転可能に支持される。ロータ４５は、この出力軸４８の一端部に固定される。ステータ４３は、磁性材料よりなるコア４９と、コア４９に設けられたコイル５０とを含む。ロータ４５は、出力軸４８に固定されたヨーク５１と、ヨーク５１に固定された磁石５２とを含む。すなわち、磁石５２と、その磁石５２側の磁路を形成するヨーク５１とが一体をなしてロータ４５が構成される。そして、磁石５２が、コア４９と軸線方向に分かれて対向して配置され、コア４９と磁石５２との間に磁路が形成される。ここで、コア４９と磁石５２との間の隙間４４には、軸線方向に磁束が流れ、両者４９，５２の間には、軸線方向に強力な吸引力が発生することとなる。
特開２００２−１６５４３０号公報 実開平５−２９２７９号公報

ところが、上記したアキシャルギャップ型モータ４１は、コア４９と磁石５２との間で軸線方向に強力な吸引力が発生するので、その吸引力を受けるためにスラスト軸受４７が不可欠な構成要素となっている。また、スラスト軸受４７の摩耗に対する信頼性を確保することが必要になっている。今回、磁場解析によりコア４９と磁石５２との間の吸引力を算出したところ、解析モデルとなった従来例のモータ４１が出力３０Ｗと比較的小型であるにもかかわらず、平均で６７Ｎという比較的大きな力が発生することが分かった。従って、このような軸線方向の力を受けるために、スラスト軸受４７等の部品が不可欠であり、この部品の摩耗に対する信頼性を確保する必要性が再確認された。

一方、上記したコア４９と磁石５２との間に発生する吸引力の大きさは、コア４９のティース部とスロット部で多少異なっている。従って、この吸引力の違いがコギングトルクとなってロータ４５の回転速度を不均一にする原因となっている。このため、安定回転が要求されるアクチュエータとしてアキシャルギャップ型モータを使用した場合、コギングトルクの改善が必要になってくる。ここで、モータをコアレスとすることで、コギングトルクの発生をなくすことが考えられる。しかし、モータをコアレスとすれば総磁束量が減少することになり、トルク低下、効率低下等を招いてしまう。また、上記したアキシャルギャップ型モータ４１のように、磁石５２に極異方性の磁石を使用し、磁界を正弦波状に変化させることで、コギングトルクを低減させることが可能である。しかし、モータトルクとなるのは、スラスト方向の磁束のみであるので、極異方性の磁石を使用した場合は、円周方向の磁束成分を比較的多く含み、ラジアル又はスラストに着磁された磁石のみで構成されたモータに比べれば、性能が低下してしまう。この他にも、コアあるいは磁石の形状により、隙間（エアギャップ）を不均一にし、上記した極異方性の磁石を使用して、磁束の変化を正弦波状にする場合と同様の効果を得る手段が一般に用いられる。しかし、この場合も、エアギャップを拡げる方向となるので、性能は低下することとなる。

この発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その第１の目的は、スラスト軸受を省略し、コアとロータとの間の摩耗に対する信頼性を確保可能としたアキシャルギャップ型モータを提供することにある。この発明の第２の目的は、第１の目的に加え、コギングトルクを低減することを可能としたアキシャルギャップ型モータを提供することにある。

上記第１の目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、ハウジングと、ハウジングに固定されたステータと、隙間を介してステータに対向して配置されたロータと、ステータは、磁性材料よりなるコアと、そのコアに設けられたコイルとを含むことと、コアの中心にてラジアル軸受を介して回転可能に支持された出力軸と、ロータは、出力軸の一端部に固定され、隙間を介してコアに対向して配置された磁石を含むこととを備えたアキシャルギャップ型モータであって、磁石との間で磁路を形成するヨークと、ヨークは、磁石に対しコアとは反対側にて隙間を介して磁石に対向してハウジングに固定されることとを備えたことを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、ヨークと磁石との間には、コアと磁石との間とは逆向きの力が生じる。また、ヨークと磁石との間には、磁束の漏れがほとんどなく、ヨークと磁石との間、コアと磁石との間のそれぞれに同等の磁束が流れたならば、ヨークと磁石との間の力、コアと磁石との間の力はほぼ同等となる。このため、ロータに加わる力は、ヨークと磁石との間に生じる力と、コアと磁石との間に生じる力との差となり、相対的に小さくなる。

上記第１の目的を達成するために、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、ヨークの厚みを減少させ、その減少分の厚みを有する補助ヨークを隙間を介してヨークに対向してロータに固定したことを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、請求項１に記載の発明の作用に加え、磁束の一部がロータに固定した補助ヨークを通り、ハウジングに固定したヨークに向かう磁束が減少することになる。これにより、ヨークと磁石との間に生じる力が減少して、ロータが常にコアに引き付けられた状態となる。

上記第２の目的を達成するために、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、ヨークにおけるロータ又は補助ヨークとの対向面に、複数の凹みを放射状に設けたことを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、請求項１又は２に記載の発明の作用に加え、例えば、コアのティース部とスロット部によるギャップの凹凸とは異なる位置に対応してヨークに複数の凹みを放射状に設けることにより、ロータとヨークとの間に、ロータとコアとの間とは異なるトルク変動を発生させることが可能となる。これにより、ロータとコアとの間のコギングトルクと、ロータとヨークとの間のコギングトルクとが互いに力を打ち消し合うことになる。

上記第２の目的を達成するために、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、複数の凹みは、ロータの回転に伴いロータとコアとの間のトルク変動が相対的に大きくなる位置にてロータとヨークとの間のトルク変動が相対的に小さくなるように位置決めされたことを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、ロータとコアとの間のコギングトルクと、ロータとヨークとの間のコギングトルクとが互いに力を打ち消し合うことになる。

請求項１に記載の発明によれば、スラスト軸受を省略することができ、併せてコアとロータとの間の摩耗に対する信頼性を確保することができる。

請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の効果に加え、必要に応じて軸力を調整することができ、最適な軸力を確保することができる。

請求項３に記載の発明によれば、請求項１又は２に記載の発明の効果に加え、コギングトルクを低減することができる。

請求項４に記載の発明によれば、請求項３に記載の発明と同様の効果を得ることができる。

［第１実施形態］
以下、本発明のアキシャルギャップ型モータを具体化した第１実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。

図１に、この実施形態のアキシャルギャップ型モータ１の構造を断面図により示す。このモータ１は、ハウジング２と、ハウジング２の内側に固定されたステータ３と、ハウジング２の内側にて所定の隙間４を介してステータ３に対向して配置されたロータ５とを備える。ステータ３は、磁性材料よりなるコア６と、コア６に設けられた複数のコイル７とを含む。コイル７は、コア６のスロット部に巻線を装着することで構成される。コア６の中心には、ラジアル軸受８を介して出力軸９が回転可能に支持される。ロータ５は、出力軸９の一端部に固定され、隙間４を介してコア６に対向して配置された磁石１０を含む。磁石１０は、スラスト着磁されている。その他、このモータ１は、ブラシや整流子等の基本構成を備えるが、ここではそれらの図示と説明を省略する。

ここで、図１において、ロータ５に対しステータ３とは反対側、すなわちロータ５の上側には、ロータ５の磁石１０との間で磁路を形成するヨーク１１が設けられる。このヨーク１１は、磁石１０に対しコア６とは反対側にて隙間１２を介して磁石１０に対向して配置され、ハウジング２に固定される。つまり、この実施形態では、従来例のアキシャルギャップ型モータ４１とは異なり、磁石１０とヨーク１１とが分離し、ヨーク１１が磁石１０に対し、コア６とは反対側にて軸線方向において対向し、ハウジング２に固定される。

従って、この実施形態のモータ１によれば、ヨーク１１と磁石１０との間には、コア６と磁石１０との間とは逆向きの力が生じる。また、ヨーク１１と磁石１０との間には、磁束の漏れがほとんどなく、ヨーク１１と磁石１０との間、コア６と磁石１０との間のそれぞれに同等の磁束が流れたならば、ヨーク１１と磁石１０との間に生じる力と、コア６と磁石１０との間に生じる力はほぼ同等となる。これにより、ロータ５に加わる力は、ヨーク１１と磁石１０との間に生じる力と、コア６と磁石１０との間に生じる力との差となり、相対的に小さくなる。このため、ロータ５がその軸線方向においてコア６に接触する部分Ｐ１での摩擦が小さくなり、従来例のモータ４１では不可欠となっていたスラスト軸受４７を省略することができる。このようにスラスト軸受４７を省略出来る分だけモータ１を低コストにすることができる。また、スラスト軸受がなくても、ロータ５とコア６との間に摩耗による問題が発生することがなく、摩耗に対する信頼性を確保することができる。

図２に、ロータ５に加わる軸力（スラスト）を磁場解析によって算出した結果をグラフに示す。このグラフで、縦軸は軸力を示し、横軸はロータ５の回転角度を示す。このグラフにおいて、軸力は、ロータ５に加わる力であり、コア６の側に向かう方向を「正」としている。従って、ヨーク１１とロータ５との間に発生する力は、負の力となるため、従来例のモータ４１に比べると、本実施形態では、ロータ５に加わる力が低減することが分かる。ここで、横軸の回転角度は、複数のコイル７のうち、あるコイル７に対する通電を開始し、次のコイル７に対する通電を開始するまでの１区間分における計算結果を示す。コイル７に通電が開始される初期段階には、電機子と磁石１０との間に反発力が発生することから、図２に示すように、本実施形態でも、軸力は負の値となる。従来例のモータ４１では、通電開始の初期段階に、軸力がわずかに低下するだけであることが分かる。

［第２実施形態］
次に、本発明のアキシャルギャップ型モータを具体化した第２実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。

尚、以下に説明する各実施形態において、第１実施形態と同じ構成要素については、同一の符号を付して説明を省略し、以下には異なった点を中心に説明する。

図３に、この実施形態のアキシャルギャップ型モータ２１の構造を断面図により示す。この実施形態では、ヨーク１１に関する構成の点で第１実施形態と異なる。すなわち、この実施形態では、ヨーク１１の厚みを第１実施形態のそれよりも減少させ、その減少分の厚みを有する補助ヨーク２２を隙間２３を介してヨーク１１に対向してロータ５に固定した点で第１実施形態と構成が異なる。

従って、上記した第１実施形態のモータ１では、通電開始の前半と後半で、軸力（スラスト）の方向が変わり、ロータ５に多少の振動が生じることが懸念されていた。ところが、この実施形態のモータ２１では、ハウジング２に固定したヨーク１１の厚みを少し減らし、その減少分だけロータ５に補助ヨーク２２を設けることで、磁束の一部が補助ヨーク２２を通ることになり、ハウジング２に固定したヨーク１１に向かう磁束が減少することになる。これにより、ヨーク１１と磁石１０との間に生じる吸引力が減少し、軸力が正の力となり、ロータ５が常にコア６に引き付けられた状態となる。このため、必要に応じて軸力を調整することができ、最適な軸力を確保することができる。このような軸力の調整は、第１実施形態において、ロータ５とヨーク１１との隙間１２の大きさを調整することでも達成することができ、補助ヨーク２２を設けた場合と同様の効果を得ることができる。この他の作用効果は、第１実施形態のそれと基本的に同じである。

［第３実施形態］
次に、本発明のアキシャルギャップ型モータを具体化した第３実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。

図４に、この実施形態のアキシャルギャップ型モータ３１の構造を断面図により示す。この実施形態でも、ヨーク１１に関する構成の点で第１実施形態と異なる。すなわち、この実施形態では、ヨーク１１におけるロータ５との対向面１１ａに、複数の凹み３２を放射状に設けた点で第１実施形態と構成が異なる。

図５に、図４のＡ−Ａ線断面図の一部分を示す。図６に、図４のＢ−Ｂ線断面図の一部分を示す。図５に示すように、各凹み３２は、細い扇形をなし、等角度間隔に配置される。これら複数の凹み３２は、コア６に設けた複数のスロット部に対応して配置される。すなわち、図６に実線で示すように、コア６のティース部６ａ及びスロット部６ｂは等角度間隔に放射状に配置される。一方、図６に２点鎖線で示すように、ヨーク１１の各凹み３２は、各スロット部６ｂの中心から各ティース部６ａの方へ若干偏った状態、すなわちスロットル部６ｂからずれた状態で配置される。これら複数の凹み３２は、ロータ５の回転に伴ってロータ５とコア６との間のトルク変動が相対的に大きくなる位置において、ロータ５とヨーク１１との間のトルク変動が相対的に小さくなるように位置決めされる。

従って、この実施形態のモータ３１によれば、コア６のティース部６ａとスロット部６ｂによるギャップの凹凸とは異なる位置に対応してヨーク１１に複数の凹み３２を放射状に設けたので、ロータ５とヨーク１１との間に、ロータ５とコア６との間とは異なるトルク変動を発生させることが可能となる。ここで、ロータ５とコア６との間のトルク変動が大きくなる位置で、ロータ５とヨーク１１との間のトルク変動が小さくなるようにヨーク１１に凹み３２を設けてやればよい。これにより、ロータ５とコア６との間のコギングトルクと、ロータ５とヨーク１１との間のコギングトルクとが互いに力を打ち消し合うことになる。この結果、アキシャルギャップ型モータ３１としてのコギングトルクを低減することができる。

図７，８に、磁場解析により算出したトルク波形をグラフに示す。図７のグラフには、本実施形態のトルク波形と従来例のトルク波形を比較して示す。図８のグラフは、本実施形態に係り、ヨーク１１の凹み３２によるトルク波形のみを取り出して示す。図７，８のグラフにおいて、縦軸はトルクを示し、横軸はロータ５の回転角度を示す。従って、図８に示すトルク波形を、図７に示す振動の大きい従来例のトルク波形と合成することにより、図７に示す振動の小さい本実施形態のトルク波形が得られる。

ここで、図７において、「トルク変動率」を次式（１）に示すように定義したとすると、従来例のトルク変動率が「３６．１％」であったのに対し、本実施形態のトルク変動率は、「７．５％」と約１／４にまで低減した。
トルク変動率＝（（最大トルク−最小トルク）／平均トルク）＊１００ ・・・（１）

この実施形態のモータ２１では、従来例のモータ４１に対し、ヨーク１１を磁石１０から引き離して構成し、コア６のスロット部６ｂから少しずれた位置に対応してヨーク１１の対向面１１ａに凹み３２を設けるだけで、上記のような好適な結果を得ることができた。

ここで、図９，１０に、ヨークの凹みによる効果を確認するために解析したトルク波形を示す。図９は、図７に示す場合と比べ、ヨークの凹みの位置を、ロータ回転方向とは逆方向へ「−３°」ずらした場合のトルク波形を示し、図１０は、ロータ回転方向へ「＋３°」ずらした場合のトルク波形を示す。図９，１０とも、図７と同様に従来例のトルク波形と比較して示す。

上記した図７の場合では、従来例のトルク波形の谷と、図８に示す凹みによるトルク波形の山が一致する特性であることから、両トルク波形を合成することにより、脈動（コギングトルク）の少ないトルク波形とすることができた。これに対し、凹みが少しずれるだけで、図９，１０に示すように、凹みの効果が逆に作用して従来例の場合よりも脈動（コギングトルク）が大きくなってしまうことが分かる。従って、ヨークの凹みの位置や大きさは、磁場解析により、トルク波形の脈動（コギングトルク）が最低となるように、その他の構成要素（コア、コイル、ロータ及び磁石）の諸元に合わせて適宜選択すればよい。

尚、この発明は前記各実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱することのない範囲で構成の一部を適宜に変更して実施することもできる。

例えば、図５に示す凹み３２の形状は、これに限られるものではなく、ティース部やスロット部の形状に応じて適宜変更してもよい。

アキシャルギャップ型モータを示す断面図。 軸力の変化を示す示すグラフ。 アキシャルギャップ型モータを示す断面図。 アキシャルギャップ型モータを示す断面図。 図４のＡ−Ａ線断面図の一部分。 図４のＢ−Ｂ線断面図の一部分。 トルク波形を示すグラフ。 トルク波形を示すグラフ。 トルク波形を示すグラフ。 トルク波形を示すグラフ。 従来例のアキシャルギャップ型モータを示す断面図。

符号の説明

１ アキシャルギャップ型モータ
２ ハウジング
３ ステータ
４ 隙間
５ ロータ
６ コア
６ａ ティース部
６ｂ スロット部
７ コイル
８ ラジアル軸受
９ 出力軸
１０ 磁石
１１ ヨーク
１１ａ 対向面
１２ 隙間
２１ アキシャルギャップ型モータ
２２ 補助ヨーク
２３ 隙間
３１ アキシャルギャップ型モータ
３２ 凹み

Claims (4)

1. ハウジングと、
   前記ハウジングに固定されたステータと、
   隙間を介して前記ステータに対向して配置されたロータと、
   前記ステータは、磁性材料よりなるコアと、そのコアに設けられたコイルとを含むことと、
   前記コアの中心にてラジアル軸受を介して回転可能に支持された出力軸と、
   前記ロータは、前記出力軸の一端部に固定され、前記隙間を介して前記コアに対向して配置された磁石を含むことと
   を備えたアキシャルギャップ型モータであって、
   前記磁石との間で磁路を形成するヨークと、
   前記ヨークは、前記磁石に対し前記コアとは反対側にて隙間を介して前記磁石に対向して前記ハウジングに固定されることと
   を備えたことを特徴とするアキシャルギャップ型モータ。
2. 前記ヨークの厚みを減少させ、その減少分の厚みを有する補助ヨークを隙間を介して前記ヨークに対向して前記ロータに固定した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モータ。
3. 前記ヨークにおける前記ロータ又は前記補助ヨークとの対向面に、複数の凹みを放射状に設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載のアキシャルギャップ型モータ。
4. 前記複数の凹みは、前記ロータの回転に伴い前記ロータと前記コアとの間のトルク変動が相対的に大きくなる位置にて前記ロータと前記ヨークとの間のトルク変動が相対的に小さくなるように位置決めされた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モータ。

Images