JP2009033885A - アキシャルギャップモータ - Google Patents

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真一 内藤
Kaname Egawa
要 江川
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Abstract

【課題】簡単な構成でトルクリップルの低減を図ることができるアキシャルギャップモータを提供する。
【解決手段】第1及び第2ステータ15a,15bは、互いに同形状に形成されるとともに、ロータのトルクが第1のポール(下側のU相のポール32c及び上側のW相のポール42a)、第2のポール(上下のV相のポール33c,43a)、第3のポール(下側のW相のポール34c及び上側のU相のポール41a)の順に大きくなるように構成される。そして、それぞれ対応する相のポールで発生する回転磁界がそれぞれ同期するようになっている。
【選択図】図3

Description

本発明は、クローポール型のアキシャルギャップモータに関するものである。
従来、クローポール型として例えば特許文献1に示すモータは、U相、V相、W相の各相に対応したステータ(U相ステータ、V相ステータ、W相ステータ)を備え、その各相のステータの径方向内側にはロータと対向するポールが形成されている。そして、各相ステータのポールが周方向において順に配置されるように、U相ステータ、V相ステータ及びW相ステータを軸線方向に重ね合わせるとともに、隣り合うステータ間に環状のコイルをそれぞれ配設し、そのコイルを通電制御する。これによって、各相のポールに回転磁界を発生させ、この回転磁界によってロータを回転駆動するようになっている。
特開2005−20981号公報
ところで、上記のようなクローポール型の構成を、ロータとステータとが軸線方向に対向するアキシャルギャップモータに採用した場合、各相ステータは径方向に並設され、それら各相のポールは軸線方向にロータと対向するように形成される。このようなクローポール型のアキシャルギャップモータでは、各相のポールからの回転磁界によってそれぞれ生じるロータのトルクの大きさを各相で等しくすることが難しく、その結果、トルクリップルの増大を招いてしまうといった不具合が生じる。
本発明は、上記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、簡単な構成でトルクリップルの低減を図ることができるアキシャルギャップモータを提供することにある。
上記課題を解決するために、請求項1に記載の発明は、ロータと、該ロータの軸線方向両側にそれぞれ配置されたクローポール型の第1及び第2ステータとを、1組又は前記軸線方向に沿って複数組備え、前記各ステータに前記ロータと対向するようにそれぞれ設けられた第1〜第3のポールにてそれぞれ発生する回転磁界の作用により前記ロータが回転するアキシャルギャップモータであって、組をなす前記第1及び第2ステータは、互いに同形状に形成されるとともに、前記各ポールからの回転磁界によって生じる前記ロータのトルクが第1のポール、第2のポール、第3のポールの順に大きくなるように構成され、前記第1ステータの第1のポールと前記第2ステータの第3のポール、前記第1及び第2ステータのそれぞれの第2のポール、及び前記第1ステータの第3のポールと前記第2ステータの第1のポールで発生する回転磁界がそれぞれ前記第1及び第2ステータで同期することをその要旨とする。
この発明では、組をなす第1及び第2ステータは、互いに同形状に形成されるとともに、各ステータに設けられた第1〜第3のポールからの回転磁界によって生じるロータのトルクが第1のポール、第2のポール、第3のポールの順に大きくなるように構成される。そして、第1ステータの第1のポールと第2ステータの第3のポール、第1及び第2ステータのそれぞれの第2のポール、及び第1ステータの第3のポールと第2ステータの第1のポールで発生する回転磁界がそれぞれ第1及び第2ステータで同期するようになっている。これにより、同一形状の第1及び第2ステータをロータの軸線方向両側に配置させて、各相のポールの通電タイミングを制御するだけで、それぞれのステータの作用によって生じるロータのトルクアンバランスを相殺することができる。従って、簡単な構成でトルクリップルの低減を図ることができる。
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載のアキシャルギャップモータにおいて、前記第1ステータと第2ステータとは、それぞれ対応する相のポール同士が前記軸線方向において重なるように配置されたことをその要旨とする。
この発明では、第1ステータと第2ステータとは、それぞれ対応する相のポール同士が軸線方向において重なるように配置されるため、それぞれのステータの作用によって生じるロータのトルクアンバランスを好適に相殺することができる。
請求項3に記載の発明は、請求項1又は2に記載のアキシャルギャップモータにおいて、前記第1〜第3のポールは、それらの前記ロータと対向する対向面の面積が、前記第1のポールの対向面、前記第3のポールの対向面、前記第2のポールの対向面の順に小さくなるように形成されたことをその要旨とする。
この発明では、第1〜第3のポールは、それらのロータと対向する対向面の面積が、第1のポールの対向面、第3のポールの対向面、第2のポールの対向面の順に小さくなるように形成される。これにより、第1及び第2ステータにおいて、それらの各ポールからの回転磁界によって生じるロータのトルクが第1のポール、第2のポール、第3のポールの順に大きくなるように構成することが可能となる。
請求項4に記載の発明は、請求項1〜3のいずれか1項に記載のアキシャルギャップモータにおいて、前記第1及び第2ステータはそれぞれ、径の異なる3つの環状の基部を有し、前記第1のポールは最も径方向外側の前記基部に形成され、前記第3のポールは最も径方向内側の前記基部に形成され、前記第2のポールは中間径の前記基部に形成されたことをその要旨とする。
この発明では、第1及び第2ステータはそれぞれ、径の異なる3つの環状の基部を有し、第1のポールは最も径方向外側の基部に形成され、第3のポールは最も径方向内側の基部に形成され、第2のポールは中間径の基部に形成される。これにより、それぞれのステータの作用によって生じるロータのトルクアンバランスを好適に相殺することができる。
請求項5に記載の発明は、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モータにおいて、前記第1〜第3のポールは、モータ周方向において等角度間隔に設けられたことをその要旨とする。
この発明では、第1〜第3のポールは、モータ周方向において等角度間隔に設けられるため、トルクのバランスを向上させることができる。
従って、上記記載の発明によれば、簡単な構成でトルクリップルの低減を図ることができる。
以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図1に示すように、本実施形態のアキシャルギャップモータ10は、そのハウジング11の下底部11a及び上底部11bに一対の軸受12がそれぞれ固定されるとともに、該軸受12には回転軸13が回転可能に軸支されている。ハウジング11内部には、回転軸13に固定されたロータ14と、そのロータ14の軸線L方向両側にそれぞれ配置されるようにハウジング11の内側に固定された第1及び第2ステータ15a,15bとが設けられている。
ロータ14は、中心部に回転軸13が挿通固定された円形のロータヨーク21を有している(図2参照)。尚、図2はロータ14及びステータ15a,15bの周方向における1/4を切り取って示した斜視図である。ロータヨーク21の上面及び下面には軸線Lを中心とする環状をなす一対のマグネット22がそれぞれ固定されている。マグネット22は各ステータ15a,15bと対向する面が軸線Lと直交する平面に形成されている。また、マグネット22はN極、S極が周方向に交互に着磁されるとともに、その極数が8極となるように着磁されている。
下側の第1ステータ15aは、そのステータプレート31がハウジング11の下底部11aに固定されている。ステータプレート31は、ロータ14のマグネット22と同様に、軸線Lを中心とする環状に形成されている。そのステータプレート31の上面には、図3に示すように、周方向に沿って凹設された3つの固定部31a,31b,31cが形成されている。3つの固定部31a〜31cの内、最も径方向外側の固定部31aにはU相ステータ32の基部32aが、径方向中央の固定部31bにはV相ステータ33の基部33aが、最も径方向内側の固定部31cにはW相ステータ34の基部34aがそれぞれ接着等により固定されている。
U相ステータ32には、その基部32aの周方向等間隔位置から軸線L方向に延びるティース部32bが形成されている。尚、本実施形態では、ティース部32bは周方向において90°間隔で4つ設けられている。ティース部32bの先端には径方向内側に向かって延びる第1のポールとしてのポール32cが形成されている。U相のポール32cはその先端の両角のみが面取りされた略扇形状に形成されている。また、ポール32cの内周端は、W相ステータ34の基部34aの外周縁上まで延びている。
V相ステータ33にもその基部33aの周方向等間隔位置から軸線L方向に延びるティース部33bが形成されている。尚、このティース部33bは、U相のティース部32b(及びポール32c)と同様に、90°間隔で4つ設けられている。V相のティース部33bには、その先端から断面T字状となるように径方向両側に延びる第2のポールとしてのポール33cが形成されている。V相のポール33cは、四つ角がそれぞれ面取りされた略扇形状に形成されている。尚、V相のポール33cとU相のポール32cとは、その周方向における対向面が互いに平行となっている。また、V相のポール33cは、その内周端がW相ステータ34の基部34aの外周縁上まで延びるとともに、外周端がU相ステータ32の基部32aの内周縁上まで延びている。
W相ステータ34にもその基部34aの周方向等間隔位置から軸線L方向に延びるティース部34bが形成されるとともに、そのティース部34bの先端には径方向外側に向かって延びる第3のポールとしてのポール34cが形成されている。尚、本実施形態では、他の相のものと同様に、W相のティース部34bは90°間隔で4つ設けられている。W相のポール34cは、四つ角をそれぞれ面取りした略四角形状に形成されるとともに、ポール34cの周方向両端は互いに平行に形成されている。即ち、周方向におけるW相のポール34cとV相のポール33cとの隙間は、径方向外側に向かうにつれて拡がっている。また、W相のポール34cの先端は軸線L中心の円弧状をなすとともに、U相ステータ32の基部32aの内周縁上まで延びている。
各相のポール32c〜34cは周方向において30°等間隔で配置されるとともに、各相のポール32c〜34cにおけるマグネット22と対向する対向面(上面)は軸線Lと直交する同一平面上にある。また、各相のポール32c〜34cの軸線L方向の厚みは等しく形成されるとともに、その対向面(上面)の面積は、U相、W相、V相の順に小さくなるように形成されている。
図2に示すように、U相、V相のティース部32b,33b間には、軸線L中心の環状をなすU−V相コイル35が巻回されるとともに、V相、W相のティース部33b,34b間には、U−V相コイル35と同心の環状をなすV−W相コイル36が巻回されている。尚、各コイル35,36は、各相のティース部32b〜34bとの間に隙間を介して設けられるとともに、各相のポール32c〜34c、及びステータプレート31とは接触している。
一方、上側の第2ステータ15bは、上記した下側の第1ステータ15aを裏返して周方向に30°ずらして配置したものであり、その形状は第1ステータ15aと全く同一のものである。第2ステータ15bでは、内側のステータがU相ステータ41に、外側のステータがW相ステータ42に設定されている。即ち、第1ステータ15aのU相ステータ32と第2ステータ15bのW相ステータ42、また、第1ステータ15aのW相ステータ34と第2ステータ15bのU相ステータ41とは、それぞれ形状的に同一のものである。また、径方向中央のステータは、下側の第1ステータ15aと同様にV相ステータ43となっており、形状的にも同一である。即ち、第2ステータ15bにおいて、W相のポール42aが第1のポールであり、V相のポール43aが第2のポールであり、そして、U相のポール41aが第3のポールである。
第1ステータ15aと第2ステータ15bとは、それぞれ対応する相のポール同士が軸線L方向において重なるように設けられている。即ち、第1ステータ15aのU相のポール32cは第2ステータ15bのU相のポール41aの、第1ステータ15aのV相のポール33cは第2ステータ15bのV相のポール43aの、第1ステータ15aのW相のポール34cは第2ステータ15bのW相のポール42aの、それぞれロータ14を挟んだ真上に位置している。
また、第2ステータ15bでは、U相ステータ41とW相ステータ42とが径方向内側と外側とで第1ステータ15aとは反対に設定されたのと同様に、U−V相コイル44とV−W相コイル45とが径方向内側と外側とで第1ステータ15aとは反対に設定されている。即ち、2つの環状コイルのうち径方向内側のものがU−V相コイル44であり、径方向外側のものがV−W相コイル45となっている。
このような第1及び第2ステータ15a,15bにおいて、各U−V相コイル35,44にはU相・V相のそれぞれに対応した位相の駆動電流が供給されるとともに、各V−W相コイル36,45にはV相・W相のそれぞれに対応した位相の駆動電流が供給される。これら各U−V相コイル35,44及び各V−W相コイル36,45への電流の供給は、図示しない制御装置によって通電タイミングが制御されている。これにより、第1及び第2ステータ15a,15bにおける対応した相のポール毎に同期した回転磁界が生じ、この回転磁界の発生を受けてロータ14が回転する。
図4には、ロータ14が回転する際の第1ステータ15aにおける3相毎のトルクの変動と、それらの合成したものとを示している。第1ステータ15aでは、各相ステータ32〜34が上記したような形状及び大きさに形成されることで、ロータ14のトルク変動の振幅がU相、V相、W相の順に大きくなっている。
一方、図5には第2ステータ15bにおける3相毎のトルクの変動と、それらの合成したものとを示している。第2ステータ15bは、第1ステータ15aと同一形状をなし、U・W相が第1ステータ15aとは反対に設定されているため、ロータ14のトルク変動の振幅がW相、V相、U相の順に大きくなっている。
また、このような第1及び第2ステータ15a,15bにおいて、回転磁界が上記のように同期して発生されているため、図4及び図5に示すトルク変動の位相も同期している。これにより、図6に示すように、第1及び第2ステータ15a,15bの作用によって生じるロータ14下側と上側のトルク変動(トルクアンバランス)が相殺され、全体的なロータ14のトルクは一定となる。その結果、コギングトルク及びトルクリップルの発生が抑制されている。
尚、クローポール型のアキシャルギャップモータでは、3相のステータ(ポール)をそれぞれ同形状に形成した場合、U相・W相に挟まれるV相でのトルクが顕著に大きくなってしまう不具合が生じる。それを抑えるべくV相のポール形状を小さくして3相のトルクを等しくすることも考えられるが、その場合、V相のポールを極端に小さくしなければならないため、総合的なトルクが低下してしまう。本実施形態のアキシャルギャップモータ10では、U〜W相まで段階的に異なる大きさのトルクが生じるように各ポール32c〜34c,41a〜43aの形状を設定しているので、総合的なトルクの低下を抑制することができる。
次に、本実施形態の特徴的な作用効果を記載する。
(1)第1及び第2ステータ15a,15bは、互いに同形状に形成されるとともに、ロータ14のトルクが第1のポール(下側のU相のポール32c及び上側のW相のポール42a)、第2のポール(上下のV相のポール33c,43a)、第3のポール(下側のW相のポール34c及び上側のU相のポール41a)の順に大きくなるように構成される。そして、それぞれ対応する相のポールで発生する回転磁界がそれぞれ同期するようになっている。これにより、同一形状の第1及び第2ステータ15a,15bをロータ14の軸線L方向両側に配置させて、各コイル35,36,44,45への通電タイミングを制御するだけで、それぞれのステータの作用によって生じるロータ14のトルクアンバランスを相殺することができる。従って、簡単な構成でコギングトルク及びトルクリップルの低減を図ることができる。
(2)第1ステータ15aと第2ステータ15bとは、それぞれ対応する相のポール同士が軸線L方向において重なるように配置されるため、第1及び第2ステータ15a,15bの作用によって生じるロータ14のトルクアンバランスを好適に相殺することができる。
(3)第1のポール(下側のU相のポール32c及び上側のW相のポール42a)の対向面、第3のポール(下側のW相のポール34c及び上側のU相のポール41a)の対向面、第2のポール(上下のV相のポール33c,43a)の対向面の順にその面積が小さくなるように形成される。これにより、第1及び第2ステータ15a,15bにおいて、ロータ14のトルクが第1のポール、第2のポール、第3のポールの順に大きくなるように構成することが可能となる。
(4)第1及び第2ステータ15a,15bはそれぞれ、径の異なる3つの環状の基部32a〜34aを有し、第1のポールは最も径方向外側の基部32aに形成され、第3のポールは最も径方向内側の基部34aに形成され、第2のポールは中間径の基部33aに形成される。これにより、第1及び第2ステータ15a,15bの作用によって生じるロータ14のトルクアンバランスを好適に相殺することができる。
(5)各ポール32c〜34c,41a〜43aは、モータ周方向において等間隔に設けられるため、ロータ14のトルクのバランスを向上させることができる。
尚、本発明の実施形態は、以下のように変更してもよい。
・上記実施形態では、第1及び第2ステータ15a,15bの各相ステータ32〜34,41〜43はステータプレートと別体に構成されたが、図7に示すように一体に形成してもよい。図7に示す第1及び第2ステータ51a,51bでは、ステータプレート51と各相のティース部52とが一体に形成されている。尚、各ティース部52の先端には、各コイル35,36,44,45を巻回するために、上記実施形態のような径方向に延びるポールは形成されておらず、各ティース部52の先端がポールの役割を果たしている。このような構成によれば、上記実施形態で記載したような作用効果が得られるだけでなく、モータの部品点数を減らすことができる。
・上記実施形態では、隣り合うティース部32b〜34bの間にU−V相コイル35及びV−W相コイル36が設けられたが、これ以外に例えば、各相にそれぞれ対応する3つのコイルを設けてもよい。
・上記実施形態では、マグネット22の極数pは8極に形成され、片側のステータにおけるポールの総数(スロット数s)は12個に形成されたが、それらの数は特に上記実施形態に限定されるものではない。例えば、図8におけるパターンA(極数p:スロット数s=2:3)に示すように、極数p:スロット数sの組み合わせを2:3、4:6、10:15、12:18、14:21、16:24、20:30、24:36としてもよい。極数p:スロット数sの組み合わせにおいて、それら極数p及びスロット数sの最小公倍数が大きくすればする程、コギングトルク及びトルクリップルを低減することができる。また、極数p:スロット数sの組み合わせをパターンB〜Gに示すような比、即ち、10:12、8:9、14:15、10:9、14:12、4:3としてもよい。尚、極数pは偶数に設定される。また、パターンA、Gにおいては、各相のポールはそれぞれ等角度間隔に構成されるが(上記実施形態参照)、パターンB〜Fでは等角度間隔に構成されない。例えば、極数p:スロット数sの組み合わせを16:18(パターンC)となるように構成した場合の第1ステータ61を図9に示す。第1ステータ61には、U相のポール62、V相のポール63及びW相のポール64がそれぞれ6つずつ設けられている。これら各相のポール62〜64はそれぞれ等角度間隔に構成されておらず、U相、V相、W相の順番が上記実施形態とは異なるように構成されている。このような構成によれば、スロット数sを比較的少なくしつつも、極数p及びスロット数sの最小公倍数を大きくすることができるため、スロット数sを増やすことによる総合的なトルクの低下を抑制しつつ、コギングトルク及びトルクリップルを低減することができる。尚、この作用効果は、パターンCに構成した場合だけでなく、例えば極数p:スロット数sをパターンB,D〜Fに示す組み合わせに構成しても同様に得ることができる。
・上記実施形態では、第1ステータ15aと第2ステータ15bとは、それぞれ対応する相のポール同士が軸線L方向において重なるように設けられたが、それぞれ対応する相のポール同士が周方向にずれた状態で設けてもよい。
・上記実施形態における各相ステータ32〜34,41〜43の形状、特に各ポールの対向面の形状(面積)は、ロータ14のトルクが第1のポール、第2のポール、第3のポールの順に大きくなるように構成されていれば、上記実施形態の形状に限定されるものではない。
・上記実施形態では、第1ステータ15aを下側、第2ステータ15bを上側にそれぞれ配置したが、反対に第1ステータ15aを上側、第2ステータ15bを下側にそれぞれ配置してもよい。
・上記実施形態では、ロータ14と第1及び第2ステータ15a,15bとは、1組のみ設けられたが、軸線Lに沿って複数組設けてもよい。
・上記実施形態では、ロータ14にはマグネット22が設けられたが、特にこれに限定されるものではなく、マグネット22を用いないで、周方向に複数の突極を有するリラクタンス型のモータとしてもよい。
本実施形態におけるアキシャルギャップモータを示す断面図。 ロータ及び第1、第2ステータを示す斜視図。 第1及び第2ステータを示す斜視図。 第1ステータにおけるロータの回転角度と各相の作用により生じるトルクとの関係を示す図。 第2ステータにおけるロータの回転角度と各相の作用により生じるトルクとの関係を示す図。 ロータの回転角度と各相の作用により生じるトルクとの関係を示す図。 別例のステータを示す斜視図。 マグネットの極数及びステータのスロット数を示す説明図。 別例の第1ステータを示す平面図。
符号の説明
10…アキシャルギャップモータ、13…回転軸、14…ロータ、15a,51a…第1ステータ、15b,51b…第2ステータ、32,41…U相ステータ、33,43…V相ステータ、34,42…W相ステータ、32a〜34a…基部、32c,62…第1のポールとしてのU相のポール、33c,63…第2のポールとしてのV相のポール、34c,64…第3のポールとしてのW相のポール、41a…第3のポールとしてのU相のポール、42a…第1のポールとしてのW相のポール、43a…第2のポールとしてのV相のポール。

Claims (5)

  1. ロータと、該ロータの軸線方向両側にそれぞれ配置されたクローポール型の第1及び第2ステータとを、1組又は前記軸線方向に沿って複数組備え、
    前記各ステータに前記ロータと対向するようにそれぞれ設けられた第1〜第3のポールにてそれぞれ発生する回転磁界の作用により前記ロータが回転するアキシャルギャップモータであって、
    組をなす前記第1及び第2ステータは、互いに同形状に形成されるとともに、前記各ポールからの回転磁界によって生じる前記ロータのトルクが第1のポール、第2のポール、第3のポールの順に大きくなるように構成され、
    前記第1ステータの第1のポールと前記第2ステータの第3のポール、前記第1及び第2ステータのそれぞれの第2のポール、及び前記第1ステータの第3のポールと前記第2ステータの第1のポールで発生する回転磁界がそれぞれ前記第1及び第2ステータで同期することを特徴とするアキシャルギャップモータ。
  2. 請求項1に記載のアキシャルギャップモータにおいて、
    前記第1ステータと第2ステータとは、それぞれ対応する相のポール同士が前記軸線方向において重なるように配置されたことを特徴とするアキシャルギャップモータ。
  3. 請求項1又は2に記載のアキシャルギャップモータにおいて、
    前記第1〜第3のポールは、それらの前記ロータと対向する対向面の面積が、前記第1のポールの対向面、前記第3のポールの対向面、前記第2のポールの対向面の順に小さくなるように形成されたことを特徴とするアキシャルギャップモータ。
  4. 請求項1〜3のいずれか1項に記載のアキシャルギャップモータにおいて、
    前記第1及び第2ステータはそれぞれ、径の異なる3つの環状の基部を有し、
    前記第1のポールは最も径方向外側の前記基部に形成され、前記第3のポールは最も径方向内側の前記基部に形成され、前記第2のポールは中間径の前記基部に形成されたことを特徴とするアキシャルギャップモータ。
  5. 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モータにおいて、
    前記第1〜第3のポールは、モータ周方向において等角度間隔に設けられたことを特徴とするアキシャルギャップモータ。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012034458A (ja) * 2010-07-29 2012-02-16 Daihatsu Motor Co Ltd アキシャルギャップモータ
KR101842827B1 (ko) * 2017-02-07 2018-03-28 경성대학교 산학협력단 이중 고정자 Axial Field형 스위치드 릴럭턴스 전동기

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