JP5471621B2 - 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、インナーロータ型等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、ロータは円板体からなるロータバックヨークと、該ロータバックヨークのステータに対向する面に接着剤等で一体的に固定して取り付けられたロータマグネットとよりなる。

図１１及び図１２は従来のアキシャルギャップ型電動機におけるロータの一例を示し、図１１はそのロータの正面図、図１２は図１１のD−D線断面図である。同図において、ロータ５１は、ドーナツ形状の円板体をしたロータバックヨーク５２と、該ロータバックヨーク５２のスタータ(図示せず)に対向する面に一体的に取り付けたロータマグネット５３とよりなる。また、ロータマグネット５３は、扇形状に分割された複数個(本例では８個)のマグネットセグメント５３ａ,５３ａ…からなる。そして、これら８個のマグネットセグメント５３ａ,５３ａ…をロータバックヨーク５１の面に等間隔で取り付け、その後、中心の出力軸用孔５４にロータ出力軸５５を圧入嵌めして該ロータ出力軸５５と一体化される。

すなわち、従来におけるロータ５１の製造工程を、図１３を用いてさらに説明すると、まず、同図(ａ)に示すようにドーナツ状をし、かつ、マグネットセグメント５３ａを取り付ける複数個のマグネット用貫通孔５６,５６…を有するロータバックヨーク５２を、一枚物として、原材料である鋼板３０からプレスして打ち抜く。次いで、同図(ｂ)に示すようにロータバックヨーク５２にマグネットセグメント５３ａ,５３ａ…をモールド成形等して取り付ける。

特開平３−２１２１４１号公報 特開２００６−１５８０３０号公報

しかしながら、従来のドーナツ状をしたロータバックヨーク５２を、鋼板３０から一枚物としてプレスして打ち抜く構造では、原材料である鋼板３０に対してロータバックヨーク５２が得られる比率、すなわち材料歩留まりが３〜４割程度と低く、経済性の面で問題となっていた。

そこで、本発明は、上記の問題点に鑑みなされたものであって、ロータバックヨークの材料歩留まりを良くして、経済性の向上を改善する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を目的とする。

上記課題を解決するために、ステータのティース面とロータのマグネット面とが前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であって、前記ロータは、前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、前記ステータのティース面に対向するように前記ロータバックヨークに取り付けられるロータマグネットを有し、前記ロータバックヨークは、扇形状に分割された複数のヨークセグメントを円板形状に配設してなる。

この構成によれば、ロータバックヨークは、最初からは一枚物として用意しないで、扇形状に分割された複数のヨークセグメントを用意し、この複数のヨークセグメントを順に円板形状に配設して形成することができる。したがって、ヨークセグメントとして準備される段階では、円板体をした一体物としてプレス打ち抜きをして形成される従来の電動機におけるロータバックヨークに比べると、その従来の電動機における材料歩留まりが３〜４割であったのに対して、本発明の電動機における材料歩留まりは６割程度であり、材料歩留まりが飛躍的に改善される。

上記構成において、前記円板形状に配設された複数のヨークセグメント間を樹脂材で連結してなる、構成を採用できる。

この構成によれば、ヨークセグメント間を樹脂材で連結することにより、ロータの強度を高めることができる。

上記構成において、前記ロータマグネットは磁極毎に分割された複数個のマグネットセグメントからなり、各マグネットセグメントを前記複数のヨークセグメント上に配設し、かつ、前記マグネットセグメントと前記ヨークセグメントを樹脂材で円板形状にモールド成形して一体化した、構成を採用できる。

この構成によれば、ロータマグネットを磁極毎に分割して複数個のマグネットセグメントにしているので、各マグネットセグメントの取り扱いがし易く、また組立が容易になる。さらに、マグネットセグメントとヨークセグメントを樹脂材で円板形状にモールド成形して一体化したことにより、ロータの強度をより一層高めることができる。

上記構成において、前記ロータマグネットは磁極毎に分割された複数個のマグネットセグメントからなり、各マグネットセグメントは上記円板形状に配設された隣接し合うヨークセグメントを跨いで配置されて該隣り合うヨークセグメント間を連結してなる、構成を採用できる。

この構成によれば、ロータマグネットを磁極毎に分割して複数個のマグネットセグメントにしているので、各マグネットセグメントの取り扱いがし易く、また組立が容易になる。また、各マグネットセグメントが隣接し合うヨークセグメントを跨いで連結配置されていることにより、ヨークセグメント間の繋ぎ目部分における磁束は主にマグネットセグメント内を通って隣のヨークセグメントへ流れる。したがって、ロータヨークが複数のヨークセグメントに分割されていることで透磁率に大きな影響を与えることもなく、磁気損失が抑えられる。

上記構成において、前記ヨークセグメントには前記ロータの出力軸方向に貫通する貫通孔または各ヨークセグメント間に形成される切欠孔が設けられ、前記ロータマグネットは樹脂成型可能な磁石材からなるとともに、前記マグネットセグメントの成型時に前記ヨークセグメントの前記貫通孔または前記切欠孔に前記磁石材の一部が流し込まれて前記ヨークセグメントと前記マグネットセグメントを一体化してなる、構成を採用できる。

この構成によれば、ロータマグネットが樹脂成型可能な磁石材でなり、マグネットセグメントの成型時にヨークセグメントの貫通孔または切欠孔に磁石材の一部を流し込ませて、マグネットセグメントをヨークセグメントと一体化させることができる、あるいは隣接するヨークセグメント間を連結固定することができる。

上記構成において、前記ロータは、前記マグネットセグメントと前記ヨークセグメントを樹脂材で円板形状にモールド成形して一体化した、構成を採用できる。

この構成によれば、マグネットセグメントとヨークセグメントを樹脂材で円板形状にモールドして一体化することにより、ロータの強度をより一層高めることができる。

本発明によれば、ロータバックヨークの材料歩留まりを良くして、経済性の向上を改善する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ができる。

本発明の実施形態に係るアキシャルギャップ型電動機の中央縦断面図である。 同上実施形態の電動機におけるロータの正面図である。 図２のＡ−Ａ線断面図である。 同上実施形態の電動機におけるロータの製造工程の一例を説明する説明図である。 同上実施形態の電動機におけるロータの第１の変形例を説明する正面図である。 図５のＢ−Ｂ線拡大断面図である。 同上第１の変形例のロータにおけるヨークセグメントの正面図である。 同上実施形態の電動機におけるロータの第２の変形例を説明する正面図である。 図８のＣ−Ｃ線拡大断面図である。 同上実施形態の電動機におけるロータの第３の変形例を説明する正面図である。 従来のアキシャルギャップ型電動機におけるロータの正面図である。 図１１のＤ−Ｄ線断面図である。 従来のアキシャルギャップ型電動機におけるロータの製造工程の一例を説明する説明図である。

以下、本発明に係る好適な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は本発明の実施形態に係るアキシャルギャップ型電動機の中央縦断面図である。同図において、アキシャルギャップ型電動機１１は、円板形状に形成されたステータ１２と、該ステータ１２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１３，１３と、該１対のロータ１３，１３が同軸的に固定されているロータ出力軸１４と、を備えている。

ステータ１２及び１対のロータ１３，１３並びにロータ出力軸１４の一部は、円筒状のハウジング１５内に収納されており、該ハウジング１５の両端には円板形状の蓋部材１６ａ、１６ｂが取り付けられている。また、ハウジング１５内におけるステータ１２側には、アキシャルギャップ形電動機１１の運転を制御する回路基板１７が配置されている。該回路基板１７は、ハウジング１５の内径に沿って挿入される円板体からなり、実装面には位置検出センサ１８の他、各種電子部品(図示せず)が実装されている。

ステータ１２は、左右一対のフランジ状のティース面１９，１９を有するステータコア１２１に絶縁部材２０を介してコイル２１を巻回してなるものであり、ステータコア１２１は図示しない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。また、該ステータ１２の中心部には１対のラジアルボールベアリングでなる軸受部２２,２２が配置されており、該軸受部２２の内輪はロータ出力軸１４に圧入嵌めされ、外輪側はステータ１２側に固設されている。

ロータ１３，１３は、同一構成のため、この例では一方のロータ１３を例にとって説明する。なお、本例では、ステータ１２のティース面１９に対向する側の面をロータ１３の正面として以下説明をする。

ロータ１３は、図２に示すように、ロータ出力軸１４に同軸的に配置される円板体からなるロータバックヨーク２３と、該ロータバックヨーク２３に一体的に取り付けられるロータマグネット２４と、該ロータバックヨーク２３と該ロータマグネット２４を一体に覆って円板形状の外殻を形成する合成樹脂材２５とからなる。

ロータバックヨーク２３は、例えば電気亜鉛メッキ鋼板等の磁性材料からなり、中央部に孔を設けてドーナツ形状をしたロータバックヨークとして形成されている。なお、このロータバックヨーク２３は、本発明の最も特徴とするところであり、ステータ１２側に形成される磁極数(本例では８個)に対応して、各セグメントが概略扇形状をしたヨークセグメント２３ａ，２３ａ…となるように放射状に８分割し、この分割された８個のヨークセグメント２３ａ，２３ａ…を順に隣同士隙間無く円形に並べることによってドーナツ形状にされて形成されている。

一方、ロータマグネット２４は、モールド成形可能な磁石材（例えばＳｍ−Ｆｅ−Ｎ系のボンド磁石）を個々に所定の金型に流し込んで扇形状に固めることによって、それぞれが扇形状をした８個のマグネットセグメント２４ａ，２４ａ…に分割されて形成されている。そして、各マグネットセグメント２４ａ，２４ａ…は、ステータ１２側のティース面１９に対向するロータバックヨーク２３の面側において、隣り合っている各ヨークセグメント２３ａ，２３ａを跨ぎ、この各ヨークセグメント２３ａ，２３ａ間を連結し、かつ、各ヨークセグメント２３ａ，２３ａに密着した状態にして配設されている。なお、各マグネットセグメント２４ａ，２４ａ…は、本例ではロータの出力軸方向に着磁されており、また各マグネットセグメント２４ａ，２４ａ…は、図２に示すようにティース面１９と対向する面の磁極がN極，S極交互に並ぶようにして配置されている。

合成樹脂材２５は、ロータバックヨーク２３とロータマグネット２４の全体を覆って一体に固めて円板形状の外殻を形成している樹脂材であり、本例では、ヨークセグメント２３ａ，２３ａ…と、マグネットセグメント２４ａ，２４ａ…を図示しない所定の金型内にセットした後、この金型内に合成樹脂材２３を流し込んで円板状に固める、いわゆるモールド成形を行う。また、本例では、合成樹脂材２５によるモールド成形時に、ロータ出力軸１４に圧入嵌めされる中央取付孔２６も同時に形成する。

このように構成されたアキシャルギャップ型電動機１１では、回路基板１７に設けられている位置検出センサ１８で検出されるロータ１３の磁極位置に応じて、ステータ１２側のコイル２１に流す電流を制御してロータ１３に回転力を与え、このロータ１３と一体に回転するロータ出力軸１４を介して回転出力が得られるようになっている。なお、ヨークセグメント２３ａ，２３ａ…とマグネットセグメント２４ａ，２４ａ…の個数は、ステータ１２側の極数等によって変わるものである。

次に、図４を用いて図１乃至図３に示したロータ１３の成形方法の一例を(ａ)〜(ｄ)の順に説明する。まず、同図(ａ)では、電気亜鉛メッキ鋼板等の磁性板材３０から扇形状をしたヨークセグメント２３ａ，２３ａ…をプレス打ち抜きして形成する。この場合、各ヨークセグメント２３ａ，２３ａ…は、例えば同図(ａ)に示すように、左右方向に向かって交互に上下反転させて、いわば波打つ状態とし、この波打つ状態の列を上下方向に複数列(本例では４列)並ぶようにして打ち抜く。

ここで、本例のような形にして、ヨークセグメント２３ａ，２３ａ…を１枚の磁性板材３０から打ち抜くと、図１３に示した従来のロータバックヨーク５２が１個のロータバックヨークを１枚の磁性板材３０で形成していたときと同じ大きさの磁性板材３０を使用して、１２個のヨークセグメント２３ａ，２３ａ…を打ち抜くことができる。この打ち抜いたヨークセグメント２３ａ，２３ａ…は、１個のロータ１３で８個使用することになるので、残りの４個のヨークセグメント２３ａは別のロータ１３に使用することができる。したがって、本例のロータバックヨーク２３では、従来のロータバックヨーク５２に比べて材料歩留まりが約５割改善されていることがわかる。

次に、図４の(ｂ)では、プレス打ち抜きされた複数個のヨークセグメント２３ａ，２３ａ…の中、８個のヨークセグメント２３ａ_１〜２３ａ_８を図示しない金型または治具等を使用して順に隣同士隙間無く円形に並べて配置し、ドーナツ形状をしたロータバックヨーク２３にする。続いて、図４の(ｃ)では、ドーナツ形状に並べられたロータバックヨーク２３を図示しない所定の金型内にセットして、ロータバックヨーク２３上に一体的にマグネットセグメント２４ａ，２４ａ…をモールド成形する。このとき隣り合っている各ヨークセグメント２３ａ，２３ａを跨ぎ、この各ヨークセグメント２３ａ，２３ａ間を連結した状態にして、マグネットセグメント２４ａを各ヨークセグメント２３ａ，２３ａの上にそれぞれ密着させて配置し、ロータバックヨーク２３とロータマグネット２４を一体化する。この場合、上述したようにマグネットセグメント２４ａ，２４ａ…は、ティース面１９と対向する面の磁極、すなわちN極，S極が交互に並ぶようにして配置される。

なお、このように隣り合うヨークセグメント２３ａ，２３ａ間を跨いで各間にマグネットセグメント２４ａを各々配置し、ロータバックヨーク２３とロータマグネット２４を一体化したロータ１３では、ロータバックヨーク２３を介して隣接するマグネットセグメント２４ａ，２４ａ間を流れる磁束、例えばマグネットセグメント２４ａ_１からマグネットセグメント２４ａ_２へ流れる磁束は、主としてヨークセグメント２３ａ_１だけを流れる。したがって、ロータバックヨーク２３がヨークセグメント２３ａ，２３ａ…に分割されていてもヨークセグメント２３ａ，２３ａ間を磁束が流れることがないので、ロータバックヨーク２３を流れる従来の磁気抵抗を小さくすることができる。

次に、図４の(ｄ)では、ヨークセグメント２３ａ，２３ａ…とマグネットセグメント２４ａ，２４ａ…が一体化した状態でセットされた金型内に合成樹脂材２５を流し込んでモールド成形を行い、円板形状のロータ１３として固定するとともに、ロータ出力軸１４に圧入嵌めされる中央取付孔２６を同時に形成する。

なお、図４の(ｃ)の工程において、マグネットセグメント２４ａとヨークセグメント２３ａ，２３ａ間を接着剤等で固定した場合は、図４の(ｄ)での合成樹脂材２５による成形工程は省略することも可能であるが、合成樹脂材２５で固めた構造にすると、より強固なロータ１３が得られる。

したがって、図４の(ａ)〜(ｄ)に示した工程を経ることにより、図１乃至図３に示したアキシャルギャップ型電動機１１のロータ１３の構造を得ることができる。このようなロータ構造を使用することにより、ロータ１３における材料歩留まりが改善されて経済性が向上し、アキシャルギャップ型電動機１１を安価に提供することができることになる。

図５乃至図７は、ロータ１３の第１の変形例を示すものである。図５乃至図７に示すロータ１３は各ヨークセグメント２３ａの両端面、すなわち隣り合うヨークセグメント２３，２３ａ同士が連結し合う面に、プレス成型時に、互いに半円形をした切欠部２７を各々設けたものである。

そして、第１の変形例では、プレス打ち抜きをして作られた８個のヨークセグメント２３ａ，２３ａ…を、図示しない金型等を使用し、順に隣同士隙間無く円形に並べて配置し、ドーナツ形状をしたロータバックヨーク２３にすると、ヨークセグメント２３ａの両端面に形成された切欠部２７，２７が円形の孔を画成した状態とする。

次いで、モールド成形可能な磁石材を金型内に流し込み、該磁石材が、隣り合っている各ヨークセグメント２３ａ，２３ａを跨いで各ヨークセグメント２３ａ，２３ａ間を連結するとともに、切欠部２７，２７内を各々埋め、また、ヨークセグメント２３ａの裏面にも一部が流れ込むようにして、マグネットセグメント２４ａ，２４ａ…をモールド形成し、ロータバックヨーク２３とロータマグネット２４を一体化する。したがって、この第１の変形例のロータ構造では、各ヨークセグメント２３ａ，２３ａ間は、切欠部２７，２７を通して表裏面側に流れ込んだマグネットセグメント２４ａ，２４ａ…で互いに接続されて一体化される。また、各ヨークセグメント２３ａ，２３ａ間の接続が、マグネットセグメント２４ａによる連結だけで十分でないときには、ロータバックヨーク２３とロータマグネット２４を、図示しない所定の金型内で合成樹脂２５によりモールド成形して、円板形状に一体成形して合成樹脂材２５内にインサートさせ、該合成樹脂材２５と一体に成形して固定してもよい。

図８及び図９は、ロータ１３の第２の変形例を示すものである。図８及び図９に示すロータ１３は、各ヨークセグメント２３ａの両端面の近傍、すなわち隣り合うヨークセグメント２３ａ，２３ａ同士が連結し合う面の両端面の近傍に、プレス成型時に、互いに円形をした貫通孔２８，２８を各々設けたものである。

そして、第２の変形例では、プレス打ち抜きをして作られた８個のヨークセグメント２３ａ，２３ａ…を、図示しない金型等を使用し、順に隣同士隙間無く円形に並べて配置し、ドーナツ形状をしたロータバックヨーク２３にする。

次いで、モールド成形可能な磁石材を金型内に流し込み、該磁石材が、隣り合っている各ヨークセグメント２３ａ，２３ａを跨いで各ヨークセグメント２３ａ，２３ａ間を連結するとともに、貫通孔２８，２８内を各々埋め、また、ヨークセグメント２３ａの裏面にも一部が流れ込むようにして、マグネットセグメント２４ａ，２４ａ…をモールド形成し、ロータバックヨーク２３とロータマグネット２４を一体化する。したがって、この第２の変形例のロータ構造では、各ヨークセグメント２３ａ，２３ａ間は、貫通孔２８，２８を通して表裏面側に流れ込んだマグネットセグメント２４ａ，２４ａ…で互いに接続されて一体化される。

また、隣り合うヨークセグメント２３ａ，２３ａ間を跨いで各間にマグネットセグメント２４ａが各々配置されるのに加えて、貫通通２８，２８を通して表裏面側に流れ込んだマグネットセグメント２４ａ，２４ａ…が、隣り合うヨークセグメント２３ａを強固に連結する。なお、この第２の変形例においても、各ヨークセグメント２３ａ，２３ａ間の接続が、連結マグネットセグメント２４ａの連結だけでは十分でないときには、ロータバックヨーク２３とロータマグネット２４を、図示しない所定の金型内で合成樹脂２５によりモールド成形して、円板形状に一体成形してもよい。

図１０は、ロータ１３の第３の変形例を示すものである。図１０に示すロータ１３は、図１乃至図９に示すアキシャルギャップ型電動機１１のロータ１３において、ロータマグネット２４の各マグネットセグメント２４ａを、隣り合うヨークセグメント２３ａ，２３ａ間を跨いで各間に設けていたのに対して、各間を跨がずにヨークセグメント２３ａ毎に，各々マグネットセグメント２４ａを各ヨークセグメント２３ａ上に重ねて設けたものである。このロータ１３では、プレス成型時に、各ヨークセグメント２３ａのほぼ中央部分に円形をした貫通孔２８を各々設けて、該貫通孔２８を有するヨークセグメント２３ａを使用する。

そして、この第３の変形例では、プレス打ち抜きをして貫通孔２８と共に作られた８個のヨークセグメント２３ａ，２３ａ…を、図示しない金型等を使用して順に隣同士隙間無く円形に並べて配置し、ドーナツ形状をしたロータバックヨーク２３にする。

次いで、モールド成形可能な磁石材を金型内に流し込み、該磁石材が、各ヨークセグメント２３ａ，２３ａ…のほぼ中央に位置するようにして、貫通孔２８内を各々埋め、また、ヨークセグメント２３ａの裏面にも一部が流れ込むようにして、マグネットセグメント２４ａ，２４ａ…をモールド成形し、ロータバックヨーク２３とロータマグネット２４を一体化する。また、必要に応じてロータバックヨーク２３とロータマグネット２４を、図示しない所定の金型内で合成樹脂２５によりモールド成形して、円板形状に一体成形して、ロータ１３が形成される。

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。

１１ アキシャルギャップ型電動機
１２ ステータ
１２１ ステータコア
１３ ロータ
１４ ロータ出力軸
１５ ハウジング
１９ ティース面
２０ 絶縁部材
２１ コイル
２３ ロータバックヨーク
２３ａ ヨークセグメント
２４ ロータマグネット
２４ａ マグネットセグメント
２５ 合成樹脂材
２６ 中央取付穴
２７ 切欠部
２８ 貫通孔
３０ 鋼板

Claims (3)

1. ステータのティース面とロータのマグネット面とが前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であって、前記ロータは、前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、前記ステータのティース面に対向するように前記ロータバックヨークに取り付けられるロータマグネットを有し、
   前記ロータバックヨークは、扇形状に分割された複数のヨークセグメントを円板形状に
   配設してなると共に、前記ロータマグネットは磁極毎に分割された複数個のマグネットセグメントからなり、各マグネットセグメントは前記円板形状に配設された隣接し合うヨークセグメントを跨いで配置されて該隣り合うヨークセグメント間を連結してなることを特徴とするアキシャルギャップ型電動機。
2. 前記ヨークセグメントには前記ロータの出力軸方向に貫通する貫通孔または各ヨークセグメント間に形成される切欠孔が設けられ、前記ロータマグネットは樹脂成型可能な磁石材からなるとともに、前記マグネットセグメントの成型時に前記ヨークセグメントの前記貫通孔または前記切欠孔に前記磁石材の一部が流し込まれて前記ヨークセグメントと前記マグネットセグメントを一体化してな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. 前記ロータは、前記マグネットセグメントと前記ヨークセグメントを樹脂材で円板形状にモールド成形して一体化したことを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載のアキシャルギャップ型電動機。