JP2011024291A - ステータコア及びアキシャルギャップモータ - Google Patents

Abstract

【課題】ティース部の形状の適正化を図り、モータトルクを十分得ながら鉄損を抑制することができるステータコアを提供する。
【解決手段】ティース部２３の先端対向面２３ａは径方向内側から外側に向かうに連れて拡大する形状をなし、その先端対向面２３ａにおける周方向両端部に径方向内側が幅広となるテーパ部２３ｃを形成した。
【選択図】図２

Description

本発明は、アキシャルギャップモータに係り、詳しくはステータコアのティース部形状の適正化に関するものである。

従来より、ロータのマグネットとステータのコイルとが軸方向に対向配置され、発生する磁束の向きが軸方向となるように構成されたアキシャルギャップモータが知られている（例えば特許文献１参照）。このアキシャルギャップモータに用いられるステータは、ステータベース部の一側面側に突出するように複数個のティース部が周方向等角度間隔に固定されてなるステータコアに対し、各ティース部にそれぞれコイルが装着されて構成されている。

再公表特許２００３−４７０６９号公報

ところで、特許文献１のアキシャルギャップモータでは、軸方向視のティース部形状に長方形状を採用しているが、ロータとの対向面積を極力大きくする等の理由から、隣接のティース部間が径方向に一定幅となる台形状を採用するものがある。

この場合、ロータ回転時のそのロータ（マグネット）と対向するティース部の先端対向面においては、径方向内側部分の方が外側部分よりも単位時間当たりのロータの移動距離が小さいため、径方向内側部分の磁束密度の方が高くなる。そのため、磁束密度の二乗に比例する鉄損の影響を大きく受け、モータ効率が大きく低下する要因となっている。

そこで、ティース部の先端対向面の形状を変更して鉄損の抑制を図る対策を検討しているが、ティース部のやみくもな形状変更はモータトルクを大きく低下させることに繋がるため、ティース部の形状の適正化が望まれている。

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、ティース部の形状の適正化を図り、モータトルクを十分得ながら鉄損を抑制することができるステータコア、及びそのステータコアを備えた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、ステータベース部の一側面側において軸方向に突出するように複数個のティース部が周方向に並設してなるアキシャルギャップモータ用のステータコアであって、前記ティース部は、ロータと対向するその先端対向面が径方向内側から外側に向かうに連れて拡大する形状をなし、その先端対向面における周方向両端部に径方向内側が幅広となるテーパ部が形成されたことをその要旨とする。

この発明では、ティース部の先端対向面は径方向内側から外側に向かうに連れて拡大する形状をなし、その先端対向面における周方向両端部に径方向内側が幅広となるテーパ部が形成される。即ち、先端対向面において磁束密度が高くなる径方向内側部分ほど、ロータとのエアギャップが通常のギャップに設定された対向平面部（テーパ部以外の平面部分）の面積が一層小さくなり、エアギャップが大となるテーパ部の面積が一層大きくなるため、径方向内側部分では磁束を確保しつつ磁束密度の高い部分が一層小さくなる。一方、磁束密度が内側部分よりも低い径方向外側部分では、通常のギャップに設定された対向平面部の面積が大きく確保されて、十分な磁束の確保がなされる。従って、十分な磁束が得られて磁束密度の高い部分が効果的に減少されることから、モータトルクへの影響が小さく鉄損も小さく抑えられ、モータ効率の向上が図られる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のステータコアにおいて、前記ティース部は、その基端部がコイル装着のために幅狭に形成されたことをその要旨とする。
この発明では、ティース部の基端部がコイル装着のために幅狭に形成されることで、コイルの配置スペースが確保されるため、隣接のティース部の間隔を維持しながら、コイルの巻回数を確保することが可能となる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載のステータコアにおいて、前記ティース部は、前記テーパ部を含む部位とそれ以外の部位とで分割形成したことをその要旨とする。

この発明では、ティース部は、テーパ部を含む部位とそれ以外の部位とで分割形成されるため、形状が複雑になりがちなテーパ部を含む部位をそれ以外の部位と切り離して形成することで、各部位の形成が容易となる。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載のステータコアにおいて、前記テーパ部を含む部位が成形にて構成されたことをその要旨とする。
この発明では、テーパ部を含む部位が成形にて構成されるため、形状が複雑な部品の製造を容易に行える成形にてその部位を容易に形成できる。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載のステータコアにおいて、前記テーパ部を含む部位は、周方向両端部にそれぞれ設けられる前記テーパ部をともに含む１部品にて構成されたことをその要旨とする。

この発明では、テーパ部はティース部の先端対向面の周方向両端部にそれぞれ設けられるものであり、テーパ部を含む部位はそれらをともに含む１部品にて構成される。そのため、部品数を少なく構成できる。

請求項６に記載の発明は、請求項３〜５のいずれか１項に記載のステータコアにおいて、前記テーパ部を含む部位以外の部位が電磁鋼板の積層にて構成されたことをその要旨とする。

この発明では、テーパ部を含む部位以外の部位が電磁鋼板の積層にて構成される。このテーパ部を含む部位以外の部位では形状の単純化が可能なため、形状が複雑な部品の製造に若干不向きな電磁鋼板の積層であっても容易に形成できる。

請求項７に記載の発明は、請求項１〜６のいずれか１項に記載のステータコアにおいて、前記ティース部は、径方向内側から外側に向かうに連れて段階的に拡大する形状をなし、その段階毎に前記テーパ部の幅を径方向内側ほど幅広としたことをその要旨とする。

この発明では、ティース部は径方向内側から外側に向かうに連れて段階的に拡大する形状にて形成され、その段階毎にテーパ部の幅が径方向内側ほど幅広とされる。これにより、ティース部を電磁鋼板の積層にて構成した場合、段階毎に電磁鋼板の形状を変えるだけで済むため、部品種類を少なくできる。

請求項８に記載の発明は、請求項１〜７のいずれか１項に記載のステータコアにおいて、前記ティース部は、少なくともその先端対向面が径方向内側から外側に向かうに連れて周方向一方側に傾斜した形状にて構成されたことをその要旨とする。

この発明では、ティース部の少なくともその先端対向面が、径方向内側から外側に向かうに連れて周方向一方側に傾斜した形状、所謂スキュー形状にて形成される。これにより、隣接のティース部間の磁極境界付近においての磁束密度変化が緩やかとなり、トルクリップルの低減、モータ振動の低減が可能となる。

請求項９に記載の発明は、請求項１〜８のいずれか１項に記載のステータコアのティース部にコイルが装着されるステータと、そのティース部と軸方向に対向するマグネットを有するロータとを備えて構成されたアキシャルギャップモータである。

この発明では、請求項１〜８のいずれか１項に記載の発明の作用効果を有するアキシャルギャップモータを提供できる。

本発明によれば、ティース部の形状の適正化を図り、モータトルクを十分得ながら鉄損を抑制することができるステータコア、及びそのステータコアを備えたアキシャルギャップモータを提供することができる。

本実施形態におけるアキシャルギャップモータの断面図である。 同実施形態におけるステータコアの斜視図である。 同実施形態におけるステータコアの部分拡大斜視図である。 別例におけるステータコアの部分拡大斜視図である。 別例におけるステータコアの部分拡大斜視図である。 別例におけるステータコアの部分拡大斜視図である。 別例におけるステータコアの部分拡大斜視図である。 別例におけるステータコアの部分拡大斜視図である。 別例におけるステータコアの部分拡大平面図である。 別例におけるステータコアの部分拡大平面図である。

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は、本実施形態のアキシャルギャップモータ１０を示す。アキシャルギャップモータ１０は、略有底円筒状のケース１１内にステータ２０及びロータ３０を含む各種のモータ構成部品が収容され、該ケース１１の開口部が略円板状のエンドプレート１２にて閉塞されてなる。ケース１１の底部中央及びエンドプレート１２の中央部にはそれぞれ軸受１３ａ，１３ｂが設けられ、各軸受１３ａ，１３ｂはロータ３０の回転軸３１の２箇所を回転可能に支持している。回転軸３１の先端部は、ケース１１の底部中央に形成された貫通孔１１ａから外部に突出している。

ステータ２０は、図２に示すようなステータコア２１を備えている。ステータコア２１は、略円環状のステータベース部２２と、該ステータベース部２２の一側面側に突出するように複数個（本実施形態では９個）のティース部２３が周方向等角度間隔に固定されてなる。因みに、ステータベース部２２は軸方向に電磁鋼板２２ｘを複数枚積層してなり（図１参照）、ティース部２３は径方向に電磁鋼板２３ｘを複数枚積層してなるものである。各ティース部２３には、それぞれ樹脂製のインシュレータ２４を介してコイル２５が装着（巻回）されている。

ティース部２３は、図２及び図３に示すように、ロータ３０（マグネット３３）との対向面積を極力大きくする等の理由から、軸方向視で隣接のティース部２３間が径方向で一定幅となる台形状をなしている。この場合の台形状は、径方向直線に対して線対称となる等脚台形である。また、ティース部２３のステータベース部２２の表面からの突出高さは、コイル２５の形状に対応した所定高さにて構成されている。

ティース部２３の先端部は、ロータ３０（マグネット３３）と対向する部位であり、台形状の各斜辺に相当する部分（周方向両端部）がそれぞれ面取りされた形状をなす先端対向面２３ａを有し、面取り以外の部分が対向平面部２３ｂ、面取り部分がテーパ部２３ｃとして構成されている。テーパ部２３ｃは、周方向外側になるに連れてステータベース部２２に次第に近接（ロータ３０から次第に離間）するような斜面をなし、また径方向内側になるに連れてもステータベース部２２に次第に近接（ロータ３０から次第に離間）するような斜面をなしている。つまり、テーパ部２３ｃの幅が径方向内側になるに連れて次第に大きくなるように構成されている。そのため、対向平面部２３ｂについては、先端対向面２３ａ（ティース部２３）の台形状よりも径方向内側が幅狭の台形状（等脚台形）をなすこととなる。

ロータ３０は、図１に示すように、回転軸３１に円板状のロータヨーク３２が固定され、該ロータヨーク３２におけるステータ２０との対向面にそのステータ２０の磁極に対応する磁極を有するマグネット３３が固着されてなる。マグネット３３は、ステータ２０のティース部２３に軸方向に対向するように配置され、各磁極が等角度間隔（扇形状）に構成されている。

このような構成のアキシャルギャップモータ１０はブラシレスモータであり、ロータ３０の回転位置検出に基づいて制御装置（図示略）にて生成される駆動電流がステータ２０のコイル２５に供給されることでティース部２３にて回転磁界が発生し、発生した回転磁界を受けてロータ３０が回転するものである。

ここで、ロータ３０の回転時のそのロータ３０（マグネット３３）と対向するティース部２３の先端対向面２３ａにおいては、ロータ３０と対向方向である軸方向視で台形状をなすことから、径方向内側部分の方が外側部分よりも単位時間当たりのロータの移動距離が小さくなって、径方向内側部分の磁束密度の方が高くなる。従って、本実施形態ではこれを考慮し、ティース部２３の先端対向面２３ａの周方向両端部に径方向内側ほど幅広となるテーパ部２３ｃを形成している。

即ち、先端対向面２３ａにおいて磁束密度が高くなる径方向内側部分ほど、ロータ３０とのエアギャップが通常のギャップに設定された対向平面部２３ｂの面積が一層小さくなり、エアギャップが大となるテーパ部２３ｃの面積が一層大きくなるため、径方向内側部分では磁束を確保しつつ磁束密度の高い部分が一層小さくなる。一方、磁束密度が内側部分よりも低い径方向外側部分では、通常のギャップに設定された対向平面部２３ｂの面積が大きく確保されて、十分な磁束の確保がなされる。従って、十分な磁束が得られて磁束密度の高い部分が効果的に減少されるため、モータトルクへの影響が小さく、鉄損も小さく抑えられる。

また、先端対向面２３ａの周方向両端部にテーパ部２３ｃを形成していることで、隣接のティース部２３間の磁極境界付近においての磁束密度変化が緩やかになるため、トルクリップルが低減され、モータ振動を低減できる構成となっている。

次に、本実施形態の特徴的な作用効果を記載する。
（１）本実施形態では、ティース部２３の先端対向面２３ａは径方向内側から外側に向かうに連れて拡大する形状をなし、その先端対向面２３ａにおける周方向両端部に径方向内側が幅広となるテーパ部２３ｃが形成されている。即ち、先端対向面２３ａにおいて磁束密度が高くなる径方向内側部分ほど、ロータ３０とのエアギャップが通常のギャップに設定された対向平面部２３ｂの面積が一層小さくなり、エアギャップが大となるテーパ部２３ｃの面積が一層大きくなる。そのため、径方向内側部分では磁束を確保しつつ磁束密度の高い部分が一層小さくなる。一方、磁束密度が内側部分よりも低い径方向外側部分では、通常のギャップに設定された対向平面部２３ｂの面積が大きく確保されて、十分な磁束の確保がなされる。従って、本実施形態においては十分な磁束を得ることができて磁束密度の高い部分を効果的に減少できることから、モータトルクへの影響を小さくしながらも、鉄損を小さく抑えることができ、モータ効率の向上を図ることができる。

（２）本実施形態では、ティース部２３の先端対向面２３ａの周方向両端部にテーパ部２３ｃを形成していることから、隣接のティース部２３間の磁極境界付近においての磁束密度変化が緩やかになる。そのため、トルクリップルを低減でき、モータ振動の低減に寄与できる。

尚、本発明の実施形態は、以下のように変更してもよい。
・上記実施形態のティース部２３の形状及び材質を適宜変更してもよい。例えば、ティース部２３（先端対向面２３ａ）の軸方向視を台形状としていたものを扇形状としてもよい。

また、図４に示すように、ティース部２３の基端部にコイル２５の装着のための幅狭部２３ｄを形成してもよい。このようにすれば、コイル２５の配置スペースが確保されるため、隣接のティース２３部の間隔を維持しながら、コイル２５の巻回数を確保することができる。

また、図５に示すように、ティース部２３を、テーパ部２３ｃを含む部位Ａ１を２つと、それ以外の部位Ａ２とで分割形成してもよい。このようにすれば、形状が複雑になりがちなテーパ部２３ｃを含む部位Ａ１をそれ以外の部位Ａ２と切り離して形成することで、各部位Ａ１，Ａ２の形成が容易となる。具体的に、テーパ部２３ｃを含む部位Ａ１を磁性材料の成形にて構成することで、形状が複雑な部品の製造を容易に行える成形にてその部位Ａ１を容易に形成することができる。また、それ以外の部位（対向平面部２３ｂを有する部位）Ａ２を電磁鋼板２３ｘの積層にて構成することで、テーパ部２３ｃを含む部位Ａ１以外の部位Ａ２では形状の単純化が可能なため、形状が複雑な部品の製造に若干不向きな電磁鋼板２３ｘの積層であっても容易に形成することができる。

また、図６に示すように、ティース部２３の基端部にコイル２５の装着のための幅狭部２３ｄを形成するものにおいて、テーパ部２３ｃを含む部位Ａ１を２つと、それ以外の部位Ａ２とを分割形成してもよい。

また、図７に示すように、テーパ部２３ｃを含む部位Ａ１をその一対のテーパ部２３ｃをともに含む１部品にて構成してもよい。この部位Ａ１は成形により軸方向視で環状に構成され、その内側の部位Ａ２が電磁鋼板２３ｘの積層にて構成される。このようにすれば、テーパ部２３ｃを含む部位Ａ１が１部品となるため、ティース部２３、即ちステータコア２１の部品数を少なくでき、モータ１０の部品数を少なく構成できる。

また、図８に示すように、テーパ部２３ｃを含む部位Ａ１をその一対のテーパ部２３ｃをともに含む１部品にて構成するとともに、該部位Ａ１に対向平面部２３ｂの一部を有して、電磁鋼板２３ｘの積層にて構成するそれ以外の部位Ａ２を長方形状としてより単純形状としてもよい。

また、図３及び図４のようにティース部２３全体を電磁鋼板２３ｘの積層にて構成したり、図５〜図８のようにティース部２３を部分的に電磁鋼板２３ｘの積層と磁性材料の成形とで構成したが、ティース部２３全体を磁性材料の成形にて構成してもよい。

また、図９に示すように、ティース部２３を径方向内側から外側に向かうに連れて段階的（この場合、３段階）に拡大する形状にて形成し、その段階毎にテーパ部２３ｃの幅を径方向内側ほど幅広としてもよい。このようにすれば、ティース部２３を電磁鋼板２３ｘの積層にて構成すると、段階毎に電磁鋼板２３ｘの形状を変えるだけで済むため、部品種類を少なく（３種類の電磁鋼板２３ｘで）構成できる。

また、図１０に示すように、ティース部２３の全体、若しくは先端対向面２３ａ部分を、径方向内側から外側に向かうに連れて周方向一方側に傾斜した形状、所謂スキュー形状にて形成してもよい。このようにすれば、隣接のティース部２３間の磁極境界付近においての磁束密度変化が緩やかとなり、トルクリップルの低減、モータ振動の低減を図ることができる。

・上記実施形態では、ステータ２０及びロータ３０を一対備えるモータ１０の構成であったが、ステータ２０及びロータ３０を二対以上備える構成としてもよい。

２０…ステータ、２１…ステータコア、２２…ステータベース部、２３…ティース部、２３ａ…先端対向面、２３ｂ…対向平面部、２３ｃ…テーパ部、２３ｄ…幅狭部、２３ｘ…電磁鋼板、２５…コイル、３０…ロータ、３３…マグネット、Ａ１…部位（テーパ部を含む部位）、Ａ２…部位。

Claims (9)

1. ステータベース部の一側面側において軸方向に突出するように複数個のティース部が周方向に並設してなるアキシャルギャップモータ用のステータコアであって、
   前記ティース部は、ロータと対向するその先端対向面が径方向内側から外側に向かうに連れて拡大する形状をなし、その先端対向面における周方向両端部に径方向内側が幅広となるテーパ部が形成されたことを特徴とするステータコア。
2. 請求項１に記載のステータコアにおいて、
   前記ティース部は、その基端部がコイル装着のために幅狭に形成されたことを特徴とするステータコア。
3. 請求項１又は２に記載のステータコアにおいて、
   前記ティース部は、前記テーパ部を含む部位とそれ以外の部位とで分割形成したことを特徴とするステータコア。
4. 請求項３に記載のステータコアにおいて、
   前記テーパ部を含む部位が成形にて構成されたことを特徴とするステータコア。
5. 請求項４に記載のステータコアにおいて、
   前記テーパ部を含む部位は、周方向両端部にそれぞれ設けられる前記テーパ部をともに含む１部品にて構成されたことを特徴とするステータコア。
6. 請求項３〜５のいずれか１項に記載のステータコアにおいて、
   前記テーパ部を含む部位以外の部位が電磁鋼板の積層にて構成されたことを特徴とするステータコア。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載のステータコアにおいて、
   前記ティース部は、径方向内側から外側に向かうに連れて段階的に拡大する形状をなし、その段階毎に前記テーパ部の幅を径方向内側ほど幅広としたことを特徴とするステータコア。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載のステータコアにおいて、
   前記ティース部は、少なくともその先端対向面が径方向内側から外側に向かうに連れて周方向一方側に傾斜した形状にて構成されたことを特徴とするステータコア。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載のステータコアのティース部にコイルが装着されるステータと、そのティース部と軸方向に対向するマグネットを有するロータとを備えて構成さ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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