JP4687871B2 - アキシャルギャップ型電動機 - Google Patents

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、ロータマグネットをロータバックヨークに対して確実に固定することができる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ロータバックヨークに対して接着剤などによって一体的に取り付けられている。

また、アキシャルギャップ型電動機を含むブラシレスモータには、その回転位置（回転位相）を検出するために回転位置検出手段が設けられている。その一例として特許文献２では、ロータの外周面に位置検出用マグネットを設けるとともに、ロータの周りに位置検出センサを設けている。

また、特許文献２には別の方法として、ロータバックヨークの背面側に位置検出センサを取り付けて位置検出（センシング）を行う技術も開示されている。さらに別の方法として、特許文献３にはステータのコイルの内部に位置検出センサを配置したものも提案されている。

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、アキシャルギャップ型電動機は運転時にコイルの磁気吸引力によってロータがステータ側に吸い寄せられるため、特許文献１に記載のようなロータマグネットを接着によって固定しただけでは剥離するおそれがあった。この剥離現象はモータの高トルク化に伴ってその発生率が高まる。

また、特許文献２に記載の方法では、位置検出専用のマグネットや取付部材を必要とするため、その分製造コストが高くなるばかりでなく、検出用マグネットが増えた分、ロータ自体の重量が増し、消費電力が増えることも否めない。

また、ロータの背面側に位置検出センサを取り付ける場合、ロータバックヨークの一部に磁気空隙を得るための連通孔を設けることになるが、この連通孔は孔開け工程において位置のばらつきが生じやすいばかりでなく、マグネットと位置検出センサとの距離が長くなる分、精度の高いセンシングは困難である。

さらには特許文献３に示すようなステータ側に位置検出センサを取り付けた場合には、位置検出センサがステータにより発生する磁場による影響を受けやすく、正確な位置検出ができないという問題もある。

特開平３−２１２１４１号公報 特開昭６３−９２２５０号公報 特開昭６２−１８９９６０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、その目的はマグネットの脱落を防止するとともに、より確実な位置検出を行うことができるアキシャルギャップ型電動機を安価に提供することにある。

上述した目的を達成するため、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、上記ステータに対して同軸的に配置されるロータバックヨークと、上記ステータのティース面に対向するように上記ロータバックヨークに取り付けられるモールド成型可能な磁石材からなるロータマグネットとを有し、上記ロータマグネットは、各磁極毎に分割された複数個のマグネットメンバーからなり、上記各マグネットメンバーが上記回転軸線を中心に環状に配置されており、上記ロータバックヨークには、上記各磁極毎に貫通孔が２カ所以上設けられており、上記各マグネットメンバーには、上記貫通孔を介して上記ロータバックヨークの背面側に配置されるアンカーマグネットが一体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、上記アンカーマグネットは上記各貫通孔を覆うように１つのパターンとして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、上記ステータは各ティース毎に分割された複数個のコアメンバーからなり、上記各コアメンバーが上記回転軸線を中心に環状に配置されていることを特徴としている。

請求項４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スラスト方向に着磁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において、上記ロータマグネットの厚さは各磁極毎に回転方向の両端が薄く、中心が円周方向の両端よりも厚く形成さ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背面側にロータマグネットと一体に形成されたアンカーマグネットを設けたことにより、ロータマグネットの脱落を簡単かつ確実に防止できる。また、ロータマグネットを各磁極毎に分割して配置したことにより、ロータバックヨークとロータマグネットの線膨張係数の違いによるロータマグネットの割れを効果的に防止することができる。また、各磁極毎に貫通孔が２カ所以上設けられていることにより、各マグネットメンバーの回転を防止することができる。

請求項２に記載の発明によれば、各貫通孔を覆うようにアンカーマグネットを１つのパターンとして形成したことにより、ロータマグネットの抜け落ちをより確実に防止できるばかりでなく、高精度なセンシングも行うことができる。

請求項３に記載の発明によれば、ステータコアを複数個のコアメンバーを回転軸線を中心に環状に配置して形成したことにより、組み立て作業が簡単になり、より安価に製造することができる。

請求項４に記載の発明によれば、バックヨーク面に対して垂直方向に磁石が着磁されるため、ロータバックヨーク面の磁気的な影響をほとんど受けずに磁石の配向を決めることができ、結果、磁石を確実に着磁することができる。

請求項５に記載の発明によれば、中央の厚みを増すことにより、ロータマグネットにより生成される磁束密度波形をより正弦波に近づけることができ、運転時の騒音や振動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は本発明の第１実施形態に係るアキシャルギャップ型電動機の分解斜視図であり、図２は第１実施形態の中央縦断面図である。図３はステータの側面図であり、図４（ａ）〜（ｃ）は第１実施形態のロータの正面図、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２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３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。

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（図２参照）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。この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２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。

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４（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。

この例において、ロータマグネット３２はモールド成型可能な磁石材（例えばＳｍ−Ｆｅ−Ｎｅ系のボンド磁石）によって８セグメントに分割されて形成されている。ロータマグネット３２はスラスト方向に着磁されていることが好ましいが、極異方性着磁であってもよい。

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８個でそれぞれが扇形状に形成されているが、これ以外の形状であってもよく、その大きさや数などは仕様に応じて任意に変更可能である。

ロータバックヨーク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を軸方向（図４（ａ）では紙面方向）に貫通した孔であり、ロータ出力軸４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合計１６カ所設けられている。

ところで、これら軸固定孔３３と打抜孔３４はロータマグネット３２をインサート成形する際にインサート成型機の金型内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固定し、次に各打抜孔３４を金型内に設けられたガイドリブにはめ込むことで、円周方向の位置出しを行い確実に位置決めを行うことができる。さらに、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、より成型作業を行いやすい。

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は正面側がステータ２のティース面２２に沿って平行なマグネット面を有するほぼ扇形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形によってロータバックヨーク３１に一体的に形成されている。

図４（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、後述する回路基板５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、例えば図５（ａ）に示すように、１つの貫通孔３５ａに対して１つのアンカーマグネット３６ａを形成してもよい。これによってもマグネットメンバー３２ａの抜け落ちを確実に防止することができる。この場合、各セグメントの回転を防止するため貫通孔３５の形状を楕円状もしくは多角形状にすることが好ましい。

また、この例において貫通孔３５ａ，３５は円周方向に沿って設けられているが、これ以外に図５（ｂ）に示すように、貫通孔３５ｂ，３５ｂを半径方向に沿って形成するようにして、そこにアンカーマグネット３６ｂを設けてもよい。さらにはアンカーマグネット３６ｂを図４（ｂ）のように貫通孔３５ｂ，３５ｂ間を塞ぐように形成してもよい。

この例において、貫通孔３５ｂ，３５ｂは円周方向（図４および図５（ａ））または半径方向（図５（ｂ））に沿って２カ所設けられているがさらに多く設けられていてもよい。すなわち、図５（ｃ）に示すように、このロータバックヨーク３１には１つのセグメントに対して３カ所の貫通孔３５ｃ〜３５ｅが設けられており、各貫通孔３５ｃ〜３５ｅ毎にアンカーマグネット３６ｃが形成されている。

この例において、各貫通孔３５ｃ〜３５ｅは正三角形の頂点を結ぶように配置されており、それが各セグメント毎に環状に配置されている。なお、この例においてアンカーマグネット３６ｃは各貫通孔３５ｃ〜３５ｅ毎に形成されているが、図５（ｄ）に示すように、１つの貫通孔３５ｃを独立としてアンカーマグネット３６ｄを形成し、残りの貫通孔３５ｄ，３５ｅを覆う１つのパターンのアンカーマグネット３６ｅを形成してもよく、これによれば、より強固に固定できるばかりでなく、外周側のアンカーマグネット３６ｅを位置検出として利用すると、部品精度などから生じるバラツキに対して検出誤差の影響（割合）を小さくできるので安定的な位置検出を行うことができる。

図５（ａ）や図５（ｃ）に示すように、アンカーマグネット３６ａ、３６ｃ〜３６ｅが独立して設けられている場合には、偶数番または奇数番のアンカーマグネット３６ａ、３６ｃ〜３６ｅを指定して位置検出センサ５１にて検出するようにすればよい。

すなわち、隣接する同極のアンカーマグネットは同極を検出する。その間の磁石のないところは無視するため、極毎の位置検出が可能である。ただし、強力な磁石を使用した場合に磁石間を異極と判断するおそれもあるので、一体に塞いで形成することが好ましい。

再び図１および図２を参照して、一方のロータ３（図２では左側）の反ステータ側にはアキシャルギャップ型電動機１の運転を制御するための回路基板５が配置されている。回路基板５はハウジング１０の内径に沿って挿入される円盤体からなり、実装面には各種電子部品（図示しない）が実装されている。

図２に示すように、回路基板５のロータ３に対向する面にはロータ３の回転位置検出用の位置検出センサ５１が実装されている。位置検出センサ５１は例えばホールセンサなどの磁気変化を検出するセンサからなり、ロータ３のアンカーマグネット３６の回転軌跡上に相対的に配置されている。

これによれば、ロータ３の回転を簡単に検知することができるばかりでなく、ロータ３に取り付けられたアンカーマグネット３６から直にロータ３の回転位置を検出することができ、より高精度な位置検出を行うことができる。

次に、本発明の第２実施形態（参考実施形態）に係るアキシャルギャップ型電動機について説明する。なお、第１実施形態と同一もしくは同一と見なされる箇所には同じ参照符号を付し、その説明は省略する。

第２実施形態において、アキシャルギャップ型電動機１ａはステータは上述した第１実施形態と同じであるため、ロータのみを図示する。図６は本発明の第２実施形態に係るアキシャルギャップ型電動機の断面図であり、図７（ａ）〜（ｃ）は第２実施形態のロータの正面図、背面図およびＢ−Ｂ線断面図である。

図７（ａ）に示すように、第２実施形態のロータマグネット３２はロータバックヨーク３１の一方の面（図７（ａ）では紙面手前側）に一体的にドーナツ状に形成されている。なお、第１実施形態のようにセグメント毎に形成してもよい。

第２実施形態のロータ３は円盤状に形成されたロータバックヨーク３１と、同ロータマグネット３１に一体的に取り付けられるロータマグネット３２とを有し、ロータマグネット３２の一部がロータバックヨーク３１の外周側に露出するようにして固定されている。

なお、この第２実施形態においても、ロータバックヨーク３１には、図７（ｂ）に示すように、中央に軸固定孔３３が設けられ、その外周に複数個の打抜孔３４が環状に配置されており、さらにその外周には所定間隔をもって複数個の貫通孔３５が環状に配置されている。

ロータバックヨーク３１にはさらに、その外周縁に４５°間隔で８カ所の切欠溝３７が形成されている。図７（ｃ）に示すように、切欠溝３７はロータバックヨーク３１の外周縁から中心に向かって形成された凹溝からなる。

この例において、ロータマグネット３２の一部はロータバックヨーク３１の切欠部３７を介してロータバックヨーク３１の側面側から背面側にかけて（図７（ｂ）では紙面手前側）に形成されたアンカーマグネット３６と、貫通孔３５を通って形成された第２アンカーマグネット３８とを備えている。

これに合わせて、回路基板５の位置検出センサ５１は図６に示すようにロータ３の外周側、すなわち、アンカーマグネット３６に対向する外周側に配置されている。これによれば、切欠部３７を介してロータマグネット３２が半径方向および円周方向に移動するのを防止しつつ、位置検出を行うことができる。

この第２実施形態において、位置検出センサ５１はロータ３の外周側に設けられているが、例えば図８に示すように、第１実施形態のようにアンカーマグネット３６のロータ３の背面側（反ステータ側）に対向する位置に設けてもよい。

さらに別の方法として、第２アンカーマグネット３８に位置検出センサを設けてもよく、これによれば、回路基板の回路パターンを複数用意することができ、電動機の仕様に応じて任意に検出位置を変えることができる。

上述した実施形態において、ロータマグネット３２は、図９（ａ）に示すように、ロータマグネット３２とアンカーマグネット３６とが貫通孔３５（もしくは切欠溝３７）を介して連結されており、それらが互いに一定厚さの扁平体となっているが、これ以外に図９（ｂ）に示すように、アンカーマグネット３６をロータバックヨーク３１側に埋設してもよく、これによれば、ロータ３全体をより薄型に形成することができる。

さらにより好ましい態様としては、ロータマグネットにより生成される磁束密度波形をより正弦波に近づけ、運転時の騒音や振動を低減することを目的として、ロータマグネット３２の厚さを円周方向の外側を薄くし、中心を厚くなるように形成することが望ましい。

すなわち、図９（ｃ）に示すように、ロータマグネット３２の両端側にテーパー面を形成して中央側の厚みを厚くすしてもよいし、また別の方法として、図９（ｄ）に示すように、テーパー面を円弧状に形成してもよい。

さらに別の態様としては、図９（ｅ）に示すように、ロータバックヨーク３１に凹部を形成して、その凹部内にロータマグネット３２を埋設するように形成してもよい。このとき、凹部の両端にテーパー面を形成することにより両端を薄く、中央部を厚くすることができる。

上述した実施形態において、補助マグメンバー３６は丸状や楕円状に形成されているが、本発明のようにロータマグネット３２の一部を貫通孔３５を利用して背面側（もしくは側面側）に露出させるようにしていれば、その形状および大きさ、数などは仕様に応じて任意に変更できる。

また、上述した実施形態では、コギングトルクの低減など効率のよいステータのティース面が９スロット、ロータ極数が８極の構成からなるアキシャルギャップ型電動機を用いているが、これ以外のスロット極構成であってもよく、基本的なアキシャルギャップ型の構造を備える電動機に適用可能である。

本発明の第１実施形態に係るアキシャルギャップ型電動機の分解斜視図。 上記第１実施形態のアキシャルギャップ型電動機の縦断面図。 上記第１実施形態のアキシャルギャップ型電動機のステータの正面図。 上記第１実施形態のロータの正面図、背面図およびＡ−Ａ線断面図。 ロータの変形例を示す正面図。 本発明の第２実施形態（参考実施形態）に係るアキシャルギャップ型電動機の縦断面図。 上記第２実施形態のロータの正面図、背面図およびＡ−Ａ線断面図。 上記第２実施形態の変形例を示す縦断面図。 ロータマグネット３２の変形例を説明する説明図。

符号の説明

１，１ａ 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
３２ａ〜３２ｈ マグネットメンバー
３３ 軸固定孔
３４ 打抜孔
３５ 貫通孔
３６ アンカーマグネット
３７ 切欠溝
４ ロータ出力軸
５ 回路基板
５１ 位置検出センサ

Claims (5)

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、上記ステータに対して同軸的に配置されるロータバックヨークと、上記ステータのティース面に対向するように上記ロータバックヨークに取り付けられるモールド成型可能な磁石材からなるロータマグネットとを有し、
   上記ロータマグネットは、各磁極毎に分割された複数個のマグネットメンバーからなり、上記各マグネットメンバーが上記回転軸線を中心に環状に配置されており、
   上記ロータバックヨークには、上記各磁極毎に貫通孔が２カ所以上設けられており、
   上記各マグネットメンバーには、上記貫通孔を介して上記ロータバックヨークの背面側に配置されるアンカーマグネットが一体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. 上記アンカーマグネットは上記各貫通孔を覆うように１つのパターンとして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. 上記ステータは各ティース毎に分割された複数個のコアメンバーからなり、上記各コアメンバーが上記回転軸線を中心に環状に配置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スラスト方向に着磁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。
5. 上記ロータマグネットの厚さは磁極毎に回転方向の両端が薄く、中心が円周方向の両端よりも厚く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。

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