JP2010142000A - ステータコア，ステータおよびアキシャル型モータ - Google Patents

Abstract

【課題】アキシャル型モータにおいて、積層磁性鋼板で構成されるヨーク部を備え、磁流の損失を抑制しうるステータコア等を提供する。
【解決手段】モータＭＯは、アキシャル型モータであり、ロータ２０とステータ１０とが回転軸の軸方向ｚに対向して配置されている。ステータコア１５は、環状のヨーク部１１と、ヨーク部１１から軸方向ｚに突出するティース部１２とから構成されている。ティース部１２は、ヨーク部１１から突出している突出部１２ａと、ヨーク部１１の嵌合穴１１ａに嵌合する基部１２ｂとを有している。ティース部１２の基部１２ｂは、突出部１２ａよりも大面積に設けられている。これにより、ヨーク部１１の各磁性鋼板からの磁流が上層側の磁性鋼板を通過する量が低減され、磁流の損失が低減される。モータの高出力化と小型化に、有利な構造である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、アキシャル型モータ用のステータコア，ステータ，およびこれらを用いたアキシャル型モータに関する。

アキシャル型モータは、ロータとステータとが軸方向に対峙する構造を有している。ステータの一般的な構造としては、環状のヨーク部と、ヨーク部から突出するティース部とを備えている。ヨーク部およびティース部は、いずれも磁性材料から構成され、ティース部に巻回されたコイルに流れる電流に応じた磁流を生じさせるものである。
ところで、ヨーク部、ティース部を構成する材料には、磁性鋼板を積層したものと、圧粉磁性材料を成形したものとがある。

特許文献１には、ヨーク部を積層磁性鋼板で、ティース部を圧粉磁性材料で構成している。そして、ヨーク部に底付きの嵌合穴（同文献の図４）または貫通穴である嵌合穴（同文献の図２３）を形成し、各嵌合穴にティース部の基部を嵌合させている。その際、比較的強度の弱いティース部を保護するために、両者の間に、ティース補強材料を介在させている。
特許文献２には、ヨーク部およびティース部を圧粉磁性材料によって、一体成形した構造が開示されている（同文献の図１参照）。
特許文献３には、ヨーク部，ティース部共に圧粉磁性材料を用いるが、個別に形成した構造が開示されている。そして、ヨーク部に嵌合穴を形成し、各嵌合穴にティース部の基部を嵌合させている。
特開２００７−３２５３６２号公報 特開２００５−３４１７７９号公報 特開２００５−３４８４７２号公報

最近では、性能，コストの面で、ヨーク部に積層磁性鋼板を用い、ティース部に圧粉磁性材料を用いる構造が有利とされている。つまり、特許文献１の構造が有利とされている。

しかしながら、特許文献１において、以下のような不具合があった。
図４（ａ）は、上記特許文献１の図２３を変形して示す図である。この図では、ティース補強材料は、ティース部に含まれるように描かれている。同図に示すように、積層磁性鋼板中では、磁流は各磁性鋼板の板面にほぼ平行に生じる。そして、ヨーク部からティース部に流れる際には、磁流は各磁性鋼板から垂直にティース部に入るのではなく、ある曲率をもって曲がる。つまり、積層磁性鋼板のうち下層に位置する磁性鋼板の磁流は、上層側の磁性鋼板を横切ることになる。しかも、磁束として流れるので、下方の磁性鋼板の磁流ほどティース部から離れた部位から曲がる。その結果、図４（ａ）に破線で示すような損失大の領域が存在する。ヨーク部に、貫通穴ではない底付きの嵌合穴を設けた構造でも、同様の不具合がある。

本発明の目的は、積層磁性鋼板で構成されるヨーク部を備え、磁流の損失を抑制しうるステータコア，このステータコアを有するステータ，およびアキシャル型モータを提供することにある。

本発明のステータコアは、ステータとロータとが軸方向において相対向するアキシャル型モータのステータコアである。そして、軸方向に直交する面に沿って延びる環状のヨーク部と、ヨーク部から軸方向に突出するティース部とを備えている。ティース部は、突出部と、突出部よりも断面積が大きい基部とを有している。一方、ヨーク部は、磁性鋼板を積層して構成され、かつ、ティース部の基部が嵌合する嵌合穴を有している。
嵌合穴には、貫通穴と底付き穴とが含まれる。

これにより、積層磁性鋼板で構成されるヨーク部において、下層側の磁性鋼板から流れる磁流が、ティース部の突出部よりも外側でティース部の基部に到達する。したがって、上層側の磁性鋼板を通過せずに、ティース部に流れ込む磁流が増加する。すなわち、全体として、各磁性鋼板の磁流が上層側の磁性鋼板を通過する量が低減され、磁流の損失を低減することができる。

上記嵌合穴が貫通穴であることにより、ヨーク部の底部付近の層からの磁流も、低損失でティース部に到達する。よって、確実に磁流の損失を低減することができる。

ティース部は、磁性鋼板を円周方向に積層して構成されていてもよい。その場合には、軸方向に直交する断面における断面形状を矩形状にすれば、同じパターンの磁性鋼板を用いてティース部を形成することができる。

ティース部の構成材料として、形状自由度が高くて加工が容易な圧粉磁性材料を用いることも可能である。このような構成とすることで、ステータコアをハイブリッドステータコアとすることができる。したがって、このステータコアを用いたモータの駆動時における騒音を効果的に軽減することができる。よって、モータが配置される空間の静寂化を図ることができる。

ティース部の基部が、突出部から離れるほど断面積が増大するテーパを有していることにより、損失をより確実に低減することができる。

本発明のステータは、上記ステータコアのティース部にコイルを巻回したものである。また、本発明のアキシャル型モータは、上記ステータに加えて、上記ステータと軸方向において対向するロータをさらに設けたものである。
本発明のステータ，アキシャル型モータにより、上述の作用効果を発揮するステータコアを用いて、高出力化と小型化とに適したステータ，アキシャル型モータが得られる。

本発明のステータコア，ステータおよびアキシャル型モータによれば、積層磁性鋼板で構成されるヨーク部を備え、磁流の損失を抑制することができる。ひいては、さらなるモータの高出力化と小型化とを図ることができる。

（実施の形態）
図１は、実施の形態に係るアキシャル型モータＭＯの概略的な構造を示す断面図である。図２は、ティース部１２の斜視図である。図３は、ステータ１１の側面図である。
図１に示すように、モータＭＯは、アキシャル型モータであり、ロータ２０と、ステータ１０と、軸受けＢＲと、ケースＣＡと、回転軸２１とから構成される。
本明細書においては、図１に示すように、回転軸２１に平行な方向を軸方向ｚ（スラスト方向）とする。回転軸２１に直交する方向を半径方向（ラジアル方向ｒ）とする。図３に示すように、ステータ１０の円周の方向（回転方向）を周方向θとする。

ここで、「アキシャル型モータ」とは、このように、ロータ２０とステータ１０とが回転軸の軸方向ｚに対向して配置されるモータのことを示す。このような構成とすることで、モータＭＯの偏平化を図ることができる。さらに、コイルの巻数増加がモータＭＯの厚みの増加につながらない。よって、本実施の形態のモータＭＯは、高出力化と小型化との両立を図ることが可能なモータである。

ロータ２０は、図１に示すように、回転軸２１に固定されて回転軸２１と共に回転するものである。ロータ２０は、ロータ本体２２と、ロータ本体２２に取り付けられる回転子としての複数の永久磁石２３とから構成される。
ロータ本体２２の材質としては、例えば鉄等の軟磁性体材料等、ロータ本体として通常用いられるものを適宜用いることができる。

永久磁石２３の材質としては、フェライト磁石や希土類磁石等で構成することができる。特に、軽くて磁力の大きいもの、また所定形状への加工が容易なものであることが好ましい。

ステータ１０は、ケースＣＡ側に固定されて不動状態に保持されるものであり、ステータコア１５と、コイル１３とから構成される。
ステータコア１５は、環状のヨーク部１１と、ヨーク部１１から軸方向ｚに突出するティース部１２とから構成されている。ティース部１２は、ヨーク部１１から突出している突出部１２ａと、ヨーク部１１の嵌合穴１１ａに嵌合する基部１２ｂとを有している。

また、本実施の形態においては、ティース部１２は、金属性磁性粉末を加圧成形による粒子同士のネッキングによる結合もしくは樹脂で結合した圧粉磁性材料によって構成されている。形状自由度が高く加工が容易な圧粉磁心を用いることで、生産効率も向上する。また、熱伝導率のよい圧粉磁心を用いることで、モータＭＯの放熱性を向上させることができる。さらに、衝撃荷重をかけることで容易に破壊できることから、リサイクル可能にすることができる。

このように、ヨーク部１１を積層磁性鋼板で、ティース部１２を圧粉磁性材料で形成する構成とすることで、ステータコア２２１をハイブリッドステータコアとすることができる。従ってモータＭＯの駆動時における騒音を効果的に軽減することができる。よって、モータＭＯが配置される空間の静寂化を図ることができるモータＭＯとすることができる。
ここで「ハイブリッドステータコア」とは、異なる特徴を持つ２つ以上の磁性材料を一体化して構成するステータコアのことを示す。

コイル１３は絶縁被覆導線であり、導線としては、丸線、平角線等、通常用いられるものであれば如何なるものであってもよい。

ここで、本実施の形態の特徴は、図２に示すように、ティース部１２の基部１２ｂは、突出部１２ａよりも大面積に設けられている点である。つまり、基部１２ｂは、突出部１２ａよりも外側に拡大した形状を有している。その特徴によって奏される作用効果について、以下に説明する。

図４（ａ），（ｂ）は、特許文献１のような従来構造のステータコアと、本発明のステータコアにおける磁流損失の相違を説明するための断面図である。この図では、磁流の状態をわかりやすくするために、環状のヨーク部をリボン状として表示している。

図４（ａ）に示すように、積層磁性鋼板中では、磁流は各磁性鋼板の板面にほぼ平行に生じる。そして、ヨーク部からティース部に流れる際には、磁流は各磁性鋼板から垂直にティース部に入るのではなく、ある曲率をもって曲がる。そのとき、下方の磁性鋼板の磁流ほどティース部から離れた部位から曲がる。よって、従来構造では、積層磁性鋼板のうち下層に位置する磁性鋼板からの磁流は、上層側の磁性鋼板を横切ることになる。その結果、図４（ａ）に破線で示すような損失大の領域が存在する。

それに対し、図４（ｂ）に示すように、本発明の構造では、下層側の磁性鋼板から流れる磁流が、ティース部の突出部から離れた位置でティース部の基部に到達する。したがって、上層側の磁性鋼板を通過せずに、ティース部に流れ込む磁流が増加する。
すなわち、本実施の形態により、各磁性鋼板からの磁流が上層側の磁性鋼板を通過する量が低減され、磁流の損失を低減することができる。よって、本実施の形態により、さらなるモータの高出力化と小型化とを図ることができる。

−実施の形態の変形例１−
図５は、実施の形態の変形例１に係るステータコア１０の断面図である。図５において、実施の形態と同じ構造の部材については、図１と同じ符号を付して、説明を省略する。
本変形例においては、ステータコア１０のティース部１２の基部１２ｂは、突出部１２ａから離れるほど拡大するテーパを有している。また、ヨーク部１１の嵌合穴１１ａもティース部１２ｂに係合するテーパを有している。つまり、下層側の磁性鋼板１１ｘほど開口が広くなっている。

このように、ティース部１２の基部１２ｂが基端に向かうほど断面積が増大しているので、基部１２ｂとヨーク部との境界が、基端に向かうほど外側に位置する。したがって、テーパの度合いを調整すると、図５に示すように、磁流の曲がる位置を基部１２ｂとヨーク部との境界に一致させるか、より内側に位置させることが可能になる。そうすると、ある磁性鋼板１２ｘを流れる磁流がほとんど上層側の磁性鋼板１２ｘを通過することなく、ティース部１２に流れ込む。
よって、本変形例により、磁流の損失をほとんどなくすことが可能になり、より顕著な効果を発揮することができる。

−実施の形態の変形例２−
図６は、実施の形態の変形例２に係るティース部１２の斜視図である。
本変形例おいては、ティース部１２を軸方向ｚに直交する面（ｒ−θ面）上に伸びる磁性鋼板１２ｘを積層する。磁性鋼板１２ｘにおいて、突出部１２ａを構成する部分よりも、基部１２ｂを構成する部分の方が、広幅である。このような構造により、共通の形状の磁性鋼板１２ｘを用いて、ティース部１２を容易に形成することができる。

本変形例に係る積層鋼板からなるティース部１２を用いても、ヨーク部１１からの磁流の流れは、図４（ｂ）に示すとおりである。このとき、磁性鋼板１１ｘを軸方向ｚに流れる磁流が上層側の磁性鋼板１１ｘを通過する量を低減でき、損失も低減できる。
よって、本変形例によっても、実施の形態とほぼ同じ効果を得ることができる。

（実施の形態のその他の変形構造）
実施の形態においても、圧粉磁性材料からなるティース部１２を、円柱状ではなく角柱状にしてもよい。その場合には、変形例２とは異なり、軸方向ｚを含む全方向において基部１２ｂが突出部１２ａより外側に拡大した形状とすることができる。
また、ティース部１２を、コイルサイド面が半径方向ｒに一致した扇形の平面形状としてもよい。その場合にも、基部１２ｂを突出部１２ａよりも拡大させることにより、実施の形態と同じ効果を得ることができる。

上記実施の形態および変形例２では、本発明における嵌合穴として、ヨーク部１１に、貫通穴である嵌合穴１１ａを設けたが、嵌合穴１１ａは底付き穴であってもよい。

上記開示された本発明の実施の形態の構造は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むものである。

本発明のステータコア，ステータ，およびアキシャル型モータは、各種産業機器のモータに利用することができる。

実施の形態１に係るアキシャル型モータの概略的な構造を示す断面図である。 実施の形態１に係るティース部の斜視図である。 実施の形態１におけるステータコアの側面図である。 （ａ），（ｂ）は、特許文献１のような従来構造のステータコアと、本発明のステータコアにおける磁流損失の相違を説明するための断面図である。 実施の形態の変形例１に係るステータコアの断面図である。 実施の形態の変形例２に係るティース部の斜視図である。

符号の説明

１０ ステータ
１１ ヨーク部
１１ａ 嵌合穴
１１ｘ 磁性鋼板
１２ ティース部
１２ａ 突出部
１２ｂ 基部
１２ｘ 磁性鋼板
１３ コイル
１５ コア
２０ ロータ
２１ 回転軸
２２ ロータ本体
２３ 永久磁石
ＢＲ ベアリング
ＣＡ モータケース
ＭＯ アキシャルモータ

Claims (7)

1. ステータとロータとがロータの回転軸の軸方向において相対向するアキシャル型モータに配置されるステータコアであって、
   前記軸方向に直交する面に沿って延びる板状のヨーク部と、
   前記ヨーク部から軸方向に突出するティース部とを備え、
   前記ティース部は、突出部と、該突出部よりも断面積が大きい基部とを有しており、
   前記ヨーク部は、磁性鋼板を積層して構成され、かつ、上記ティース部の基部が嵌合する嵌合穴を有している、ステータコア。
2. 請求項１記載のステータコアにおいて、
   前記嵌合穴は、貫通穴である、ステータコア。
3. 請求項１または２記載のステータコアにおいて、
   前記ティース部は、磁性鋼板を円周方向に積層して構成され、かつ、前記軸方向に直交する断面における断面形状が矩形状である、ステータコア。
4. 請求項１〜３のうちいずれか１つに記載のステータコアにおいて、
   前記ティース部は、圧粉磁性材料により構成されている、ステータコア。
5. 請求項１〜４のうちいずれか１つに記載のステータコアにおいて、
   前記ティース部の基部は、前記突出部から離れるほど断面積が増大するテーパを有しており、
   前記ヨーク部の嵌合穴は、前記ティース部の基部と係合するテーパを有している、ステータ。
6. 請求項１〜５のうちいずれか１つに記載のステータコアと、
   前記ティース部に巻回されたコイルと、
   を備えている、ステータ。
7. 請求項６記載のステータと、
   前記ステータと軸方向において対向するロータと、
   を備えている、アキシャル型モータ。

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