JP5483340B2 - アキシャルギャップモータ - Google Patents

Description

本発明は、ステータの表裏の両面側にロータを配置したアキシャルギャップモータに関し、詳しくは、ステータの新規なコイル構造およびロータの新規な磁極構造を提供して小型、軽量、安価で、製造が容易な構成を実現する。

従来、アキシャルギャップモータには、ステータの表裏の両面それぞれに外径側の磁極と内径側の磁極とが形成する複数の磁極対を周方向に配列し、ステータの表裏の両面側にロータを対向するように配置したものがある（例えば、特許文献１（段落［００１０］−［００１５］、［００２９］−［００３２］、図１、図５等）参照）。

図１４は特許文献１の図１に記載のこの種のアキシャルギャップモータ２００を示し、（ａ）はそのステータ２１１から見たロータ２１２ａの磁極面の平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線に沿って切断したアキシャルギャップモータ２００の断面図である。アキシャルギャップモータ２００は、ステータ２１１と、その表裏の両面にギャップ（隙間）を設けて配置された一対のロータ２１２ａ、２１２ｂを備え、ロータ２１２ａ、２１２ｂは、モータ軸２１３に軸支されている。

ステータ２１１は、各相のコイル（励磁コイル）２１４を巻回した複数の外径側コア（ステータコア）２１５が周方向に略等間隔に配置され、各外径側コア２１５の内側にコイル２１４を巻回した内径側コア（ステータコア）２１６が配置されている。すなわち、ステータ２１１は周方向の略等間隔の各相の磁極位置にコイル２１４を巻回した外径側コア２１５と内径側コア２１６が同心円状に接近して配置されている。そして、各相の磁極位置のコア２１５、２１６のコイル２１４は通電の電気角が１８０度異なり、例えばＵ相の＋Ｕ（Ｎ極）、−Ｕ（Ｓ極）のように励磁されてそれぞれ磁極対を形成する。

なお、ロータ２１２ａ、２１２ｂは、ヨーク２１７ａ、２１７ｂと、磁極を形成するそれぞれ複数個の外側永久磁石２１８ａ、内側永久磁石２１８ｂを備え、それぞれ非磁性部材からなる隔壁部２１９により略４等分され、磁気的に隔離された４つの区画を有する。なお、ステータ２１１に対向する永久磁石２１８ａ、２１８ｂは、ステータ２１１のコア２１５、２１６に対応して配置され、周方向及び半径方向に異なる極性である。

そして、各相のコイル２１４の順次の通電により、例えば、図１４（ｂ）の磁路ｒ、同図１４（ａ）の磁路ｒ２が形成されてロータ２１２ａ、２１２ｂが回転する。このとき、モータ軸２１３に直交する端面を通る磁路ｒ２が短くなってモータ損失が減少する。

図１５は特許文献１の図５に記載の他の例のアキシャルギャップモータ２５０を示し、（ａ）はステータ２４６側から見たロータ２１２ａの平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。

図１５に示すように、アキシャルギャップモータ２５０は、ステータ２４６の周方向の各磁極対を、それぞれ励磁用のコイル２１４を縦巻きした一つのコア２４７により形成している。その他の構成および作用は、図１４のアキシャルギャップモータ２００と同様である。

コア２４７は複数個（この例では４個）が周方向に略等間隔に配置され、各コア２４７の半径方向の中央部には、コイル２１４をモータ軸２１３方向に沿って縦巻きするための溝２４７ａが形成されている。この溝２４７ａに、縦方向（軸方向）にコイル２１４が巻回されている。また、各コア２４７の溝２４７ａの部分以外の端部２４７ｂは、ロータ２１２ａ、２１２ｂの外径側永久磁石２１８ａ、内径側永久磁石２１８ｂに対向している。

アキシャルギャップモータ２５０は、ステータ２４６の各コア２４７において、ロータ２１２ｂの内径側永久磁石２１８ｂから、コア２４７を通ってロータ２１２ａの外径側永久磁石２１８ａへ向かい、ヨーク２１７ｂを通ってロータ２１２ｂの内径側永久磁石２１８ｂへ向かう磁路ｒと、回転子２１２ａの内径側永久磁石２１８ｂから、コア２４７を通ってロータ２１２ａの外径側永久磁石２１８ａへ向かい、ヨーク２１７ａを通ってロータ２１２ａの内径側永久磁石２１８ｂへ向かう磁路ｒが形成されて回転する。

特開２００７−２３６１３０号公報

図１４に示した特許文献１の図１の構成のアキシャルギャップモータ２００の場合、ステータ２１１の外径側、内径側のコア２１５、２１６の磁極部分にそれぞれ表裏の両面の磁極の励磁用のコイル２１４が巻かれているため、これらのコイル２１４の厚さ等に基づき、その分、各磁極の外径側、内径側および、磁極間の磁極面積が小さくなってモータ出力が小さくなる。しかも、ステータ２１１の外径側、内径側のコア２１５、２１６の磁極部分に個別にコイル２１４を巻く必要があるため、手間がかかり、製造コストが高くなる。また、多数のコイル２１４によって嵩張り、コイル質量も大きくなり、アキシャルギャップモータ２００の体格や質量が大きくなる問題もある。

また、図１５に示した特許文献１の図５の構成のアキシャルギャップモータ２５０の場合、ステータ２４６の励磁用のコイル２１４をステータ２４６の磁極面よりも後退した位置に巻回するため、その分、ステータ２４６がモータ軸方向に延長されて突き出る。そのため、ステータ２４の体積と質量が大きくなる。しかも、コイル２１４はステータ２４６の各コア２４７に巻き付けなければならず、具体的には、各コア２４７を巻線機スピンドルに取り付けて回転し、各コア２４７にコイル２１４を巻き付ける必要がある。そのため、手間がかかり、製造コストが高くなる。さらに、アキシャルギャップモータ２５０も一般的なアキシャルギャップモータと同様に磁束の方向が複雑になるため、各コア２４７は磁束を通す方向が限定されない圧粉磁心により形成することが好ましいが、圧粉磁心は機械的な強度が弱く、前記巻線機スピンドルに取り付けたりする作業工程中に壊れ易い。そのため、アキシャルギャップモータ２５０を容易に製造できない問題もある。

なお、アキシャルギャップモータ２００、２５０において、磁極に重量のある永久磁石を用いたロータ２１２ａ、２１２ｂは、遠心力などに耐えるための機械的構造でなければならないが、特許文献１にはそのための構成は示されていない。

そして、ステータの表裏の両面側にロータを配置したこの種のアキシャルギャップモータにおいては、極力、小型、軽量で製造し易い構成により、より大きなモータ出力が得られるようにすることが望まれている。

本発明は、圧粉磁心を用いて形成されるアキシャルギャップモータを、小型、軽量で製造し易く、より大きなモータ出力が得られるようにすることを目的とする。

上記した目的を達成するために、本発明のアキシャルギャップモータは、モータ軸方向の表裏の両面それぞれに外径側の磁極と内径側の磁極とが形成する複数の磁極対を周方向に配列したステータと、前記ステータの表裏の両面に対向して配置されたロータとを備えたアキシャルギャップモータであって、前記ステータは、圧粉磁心で形成された楔形の複数のステータコアを、隙間を設けて磁気的に独立した状態で周方向に配設して形成され、前記各ステータコアの表裏の両面それぞれの半径方向外径側部分が前記外径側の磁極を形成し、前記各ステータコアの表裏の両面それぞれの半径方向内径側部分が前記内径側の磁極を形成し、前記各ステータコアの前記外径側の磁極と前記内径側の磁極との間のヨーク部に、表裏の両面の前記磁極対を一括して励磁するカセットコイルが装着されていることを特徴としている（請求項１）。

また、本発明のアキシャルギャップモータは、前記各ステータコアが、前記外径側の磁極が前記内径側の磁極よりモータ軸方向に長く形成されていることを特徴としている（請求項２）。

また、本発明のアキシャルギャップモータは、前記各ステータコアが、一方の片面コアと他方の片面コアとを、磁極間隔の調節プレートを挟んで背中合せに接合して形成されていること特徴としている（請求項３）。

また、本発明のアキシャルギャップモータは、前記ステータの表裏の両面それぞれに環状の界磁コイルが配置されていることを特徴としている（請求項４）。

また、本発明のアキシャルギャップモータは、各ステータの表裏の両面それぞれの各磁極対は、周方向に順に各駆動相の磁極対を形成し、前記外径側の磁極と前記内径側の磁極の極性は、周方向に順次に配置された駆動相の相数の磁極対群毎に逆になり、前記ステータの表裏の両面の前記各磁極対に界磁を与える複数の環状の界磁コイルを備え、前記両面の界磁コイルは、前記磁極対群の磁極対毎に交差して相互に逆に前記ステータの表面から裏面、その逆に入れ替わるように、前記ステータに配設されることを特徴としている（請求項５）。

さらに、本発明のアキシャルギャップモータは、前記ステータの表裏の両面に対向して配置された前記ロータが、周方向に配設されて外径側の磁極を形成する圧粉磁心の楔形の外径側ロータコアと、周方向に配設されて内径側の磁極を形成する圧粉磁心の楔形の内径側ロータコアを、それぞれの外周側に非磁性の外周リングを嵌め付けて個別に保持し、前記両ロータコアを、モータ軸方向に重ね合わせ、前記両ロータコアの内周側に共通リングを嵌めて組み付けた構成であることを特徴としている（請求項６）。

請求項１に係る本発明のアキシャルギャップモータの場合、ステータの表裏の両面にロータを配置したこの種のアキシャルギャップモータにおいて、ステータは隙間を設けて磁気的に独立した状態で周方向に配設された圧粉磁心の各ステータコアを備える。また、各ステータコアは、表裏の両面それぞれの半径方向外径側部分が外径側の磁極を形成し、半径方向内径側部分が内径側の磁極を形成する。そして、各ステータコアの外径側の磁極と内径側の磁極との間のヨーク部に装着されたカセットコイルにより、各ステータコアは表裏の両面の磁極対が一括して励磁される。

この場合、各ステータコアの表裏の両面それぞれの磁極毎あるいは磁極対毎にコイルを集中巻きしなくてよく、ステータのコイルの個数およびコイル質量が少なくなる。しかも、ステータコア毎に１個のカセットコイルを装着する構成であり、前記したように各ステータコアを巻線機スピンドルに取り付けて回転し、各ステータコア２４７の表裏の両面の磁極にコイルを巻き付ける等する必要がなく、手間がかからず、製造コストが安価になる。さらに、機械的な強度が弱い圧粉磁心が作業中に壊れる可能性がほとんどなく、アキシャルギャップモータを容易に製造できる。また、ステータの各磁極対が、各ステータコアの半径方向外径側の磁極と内径側の磁極とによって形成されるので、磁極が半径方向に分割されていない場合に比して、各磁極対の磁極間のヨーク部分の磁束量が半減し、ステータおよびロータのヨーク磁路断面積は小さくなり、ステータが小型、軽量になる。

したがって、圧粉磁心を用いて形成されるステータの表裏の両面の各磁極対を、磁気的に独立した状態で周方向に配設された圧粉磁心の各ステータコアの表裏の両面の外径側の磁極と内径側の磁極とにより形成し、各ステータコアの表裏の両面の磁極対を、各ステータコアのヨーク部に装着した１個のカセットコイルにより一括して励磁してアキシャルギャップモータを形成することができ、圧粉磁心を用いて形成されるステータの新規な励磁構造を提供し、小型、軽量で製造し易く、より大きなモータ出力が得られる従来にないアキシャルギャップモータを提供できる。

請求項２に係る本発明のアキシャルギャップモータの場合、各ステータコアは、外径側の磁極が内径側の磁極よりモータ軸方向に長く突き出ている。換言すれば、各ステータコアは、内径側が外径側より薄く、カセットコイルは各ステータコアに内径側から差し込んで簡単に装着することができる。また、ステータの表裏の両面に対向するロータは、ステータとは逆に、遠心力の作用が大きくなる外周側が内周側より薄くなるので、ロータコア外周部にかかる遠心力は小さくなり、一層速い高速回転が可能になる。

請求項３に係る本発明のアキシャルギャップモータの場合、圧粉磁心で形成したコアの寸法誤差が比較的大きくなることを考慮し、各ステータコアが、一方の片面コアと他方の片面コアとを、磁極間隔の調節プレートを挟んで背中合せに接合して形成される。このとき、周方向に配列された各ステータコアの表裏の両面の磁極面の前記寸法誤差によるばらつきを解消して精度の高い平面度を保つように、磁極間隔の調節プレートとして、適切な厚み、傾斜の楔形のプレートを選定し、ステータとロータとのモータ軸方向の磁極間隔を調節し、ステータの両面の磁極面を精度よく平面にすることができる。

請求項４に係る本発明のアキシャルギャップモータの場合、製作が容易な環状の界磁コイルによりステータの表裏の両面の磁束を増加してトルクアップを図り、モータ出力を向上できる。

請求項５に係る本発明のアキシャルギャップモータの場合、各ステータの表裏の両面それぞれの各磁極対は、例えばＵ、Ｖ、Ｗの３相駆動の場合、周方向にＵ、Ｖ、Ｗ、Ｕ、ＶＷの順に磁極対を形成し、しかも、それらの磁極対の外径側の磁極と内径側の磁極の極性は、Ｕ、Ｖ、Ｗの一組の磁極対群毎に逆になる。さらにそれに合せて、複数の環状の界磁コイルが、Ｕ、Ｖ、Ｗの一組の磁極対群毎に交差して相互に逆にステータの表面から裏面、その逆に入れ替わるようにしてステータに配設されるので、表裏面の界磁コイルによってステータの表裏の両面の各磁極に磁極の励磁を強める界磁を与え、トルクアップを図ってモータ出力を向上できる。また、Ｕ、Ｖ、Ｗの一組の磁極対の単位で磁極対の極性方向が逆になるので、両界磁コイルが交差して表裏を往復する個所（回数）は少なく、界磁コイルによる質量増加を防止できる。なお、Ｕ、Ｖ、Ｗの一組の磁極対の単位で磁極対の極性方向を逆にするのは、各カセットコイルの渡り線による接続を簡単にするためである。

請求項６に係る本発明のアキシャルギャップモータの場合、ステータに対向する圧粉磁心のロータが、外径側ロータコアと内径側ロータコアとに分けて形成され、それらのロータコアの外周側が、ロータのコアどうしを磁気的に独立させるように、それぞれ非磁性体の外周リングで個別に環状に保持され、さらに、両ロータコアはモータ軸方向に重ね合わせて内周側が共通リングで保持される。

そして、圧粉磁心を圧縮してモータ軸方向の長さ（高さ）が異なる磁極部分とヨーク部分とを有するロータを一体成形しようとすると、とくに高さのある内径側の磁極は圧縮成形時に金型の側面に横方向の力を受けたパンチが当たって金型が損傷し易く、また、成形したコアの圧縮密度もばらつくが、外径側ロータコアと内径側ロータコアとを別個に形成して重ね、内径側の磁極を形成すると、金型が損傷を受けにくくして形成することができ、圧縮密度も均一になり、遠心力を受けるロータを精度よく形成してモータ性能を向上できる。しかも、内周側の共通リングに金属等を使用すれば、圧入等によって簡単に共通リングを嵌めて両ロータコアを一体化して保持することができる。

本発明の第１の実施形態のアキシャルギャップモータの断面図である。 （ａ）、（ｂ）は図１のステータ、ロータの磁極面側の正面図である。 図１のステータの磁極面側の拡大した正面図である。 （ａ）、（ｂ）は図３のステータのステータコアの斜視図、その形成説明図である。 本発明の第２の実施形態のステータの磁極面側の正面図である。 図５のステータの界磁コイルの説明図である。 本発明の第３の実施形態のアキシャルギャップモータの断面図である。 （ａ）、（ｂ）は図７のステータ、ロータの磁極面側の正面図である。 図７のステータの磁極面側の拡大した正面図である。 図７のステータの界磁コイルの説明図である。 （ａ）、（ｂ）は本発明の第４の実施形態のロータの斜視図、その磁束の説明図である。 図１１（ａ）のロータの組み付けを説明する分解斜視図である。 図１１（ａ）のロータの一部の分解した状態の斜視図である。 （ａ）、（ｂ）は従来の一例のロータの磁極面側の平面図、そのＢ−Ｂ線で切断したモータ全体の断面図である。 （ａ）、（ｂ）は従来の他の例のロータの磁極面側の平面図、そのＢ−Ｂ線で切断したモータ全体の断面図である。

つぎに、本発明をより詳細に説明するため、実施形態について、図１〜図１３を参照して詳述する。なお、それらの図面においては、モータ軸等は適宜省略している。

（第１の実施形態）
第１の実施形態について、図１〜図４を参照して説明する。

図１は本実施形態のアキシャルギャップモータ１ａを示し、アキシャルギャップモータ１ａは、モータ軸２の出力側（紙面左側）から順に、ロータ３ａ、ステータ４、ロータ３ｂを一定の隙間（ギャップ）を設けて磁極面が対向するように配設されている。なお、ロータ３ａ、３ｂはモータ軸２に軸支されて回転する。ステータ４はモータ軸２との間に隙間を有し固定されている。

図２（ａ）はステータ４を示し、ステータ４は、平面視円形であり、圧粉磁心で形成された楔形の複数（本実施形態の場合、Ｕ、Ｖ、Ｗの３相１２極構成で駆動相一相当たりの後述する磁極対数を偶数としているので、１２個）のステータコア５を、隙間を設けて磁気的に独立した状態で周方向に配設して形成されている。

各ステータコア５は非磁性体の外側ホルダ６１と内側ホルダ６２によって環状に保持されている。また、各ステータコア５の隙間は、本実施形態の場合は軽量化を図るために空間であるが、より堅牢に構成する場合は適当な非磁性体の樹脂等で埋めてもよい。

各ステータコア５について、さらに説明すると、各ステータコア５は、表裏の両面それぞれのモータ軸方向（以下、軸方向という）に突出した半径方向外径側部分が外径側の磁極７を形成し、半径方向内径側部分が内径側の磁極８を形成する。そして、後述するカセットコイル１０の通電励磁により、磁極７、８はいずれか一方がＮ極、他方がＳ極に励磁されて磁極対１１を形成する。

ところで、磁極７、８間の凹部が磁極７、８を半径方向に繋ぐヨーク部９であり、このヨーク部９に、各ステータコア５の両面の磁極対１１を一括して励磁する集中巻のカセットコイル１０が装着されている。

この場合、（１）カセットコイル１０によりステータコア５の表裏の両面の磁極７、８の磁極対１１を一括して励磁するため、励磁コイルの個数および質量が低減される。（２）磁極対１１の磁極７、８が一つのステータコア５の外径側と内径側に分割して配置されることにより、磁極対の磁極をそれぞれ１個のステータコアで形成する周知の一般的なアキシャルギャップモータの場合より、ロータ３ａ、３ｂおよびステータ４のヨーク部分を通る磁束が半減する。そのため、ステータコア５のヨーク部９およびロータ３ａ、３ｂの後述するロータコアのヨーク部を薄くすることができ、ステータコア５およびロータコアが軽量になる。（３）カセットコイル１０の内側にステータコア５を差し込んでカセットコイル１０をステータコア５に装着するので、組み付けが容易である。さらに、各ステータコア５において、外径側の磁極７は内径側の磁極８よりも軸方向に長くステータ３ａ、３ｂの方向に突出し、その結果、磁極対１１は外径側が内径側よりも軸方向に短く（薄く）なっている。したがって、カセットコイル１０は各ステータコア５に内周部側から差し込んで簡単に装着することができ、組み付けが一層簡単である。また、カセットコイル１０は、ジグを用いて空芯コイルを製作する要領でステータコア５と別個に形成され、その後にステータコア５に装着される。この場合、ステータコア５を巻線機スピンドルに取り付けてコイルを巻き付ける必要がなく、ステータコア５の圧粉磁心を作業中に壊したりすることがない。（４）各カセットコイル１０が各ステータコア５の磁極面よりも軸方向に突出するので、各ステータコア５は、磁極面がカセットコイル１０よりモータ軸方向に突出するように構成する場合より軽量になる。（５）各カセットコイル１０が各ステータコア５の磁極面よりも軸方向に突出するので、ステータ４の磁極面の高さを低くでき、圧粉磁心の金型圧縮成形が容易になる利点がある。圧粉磁心は、高さの違いが大きい凹凸があると、金型での圧縮成形時にパンチが横方向の力を受けて金型が傷み易く、また、成形品の密度も圧縮個所毎にばらつき易くなるが、ステータ４の磁極面の高さを低くできるので、圧粉磁心を圧縮して各ステータコア５を歩留まりよく製造することができる。

ステータコア５およびカセットコイル１０について、さらに具体的に説明する。

図３はステータ４の磁極面を拡大して示し、例えば図中の破線で囲んだステータコア５を抜き出して示すと、図４（ａ）に示すようになる。

図４（ａ）はカセットコイル１０が装着された状態のステータコア５を示し、ステータコア５は、１個のコア片で形成してもよいが、一般に圧粉磁心を圧縮加工して成形されるコアの誤差が比較的大きくなることを考慮し、本実施形態では、一方（表側）の片面コア５１と他方（裏側）の片面コア５２とを、磁極間隔の調節プレート１２を挟んで背中合せに接合して形成される。片面コア５１、５２は、それぞれ表面側が磁極７、８およびヨーク部９の凹凸形状であり、背面側（貼り合わせ面側）が面一の平面である。

図４（ｂ）はステータコア５の組付け手順例を示し、丸で囲んだ数字「１」、「２」、「３」の順に従い、まず、片面コア５１、５２を背中合せに合せる。つぎに、規定の内径寸法で矩形状に形成されたカセットコイル１０に背中合せの片面コア５１、５２を内周側から嵌入してカセットコイル１０をヨーク部９に装着する。さらに、片面コア５１、５２の合わせ面間に、（片面コア５１、５２の厚み）＋（調節プレート１２の厚み）が前記規定の内径寸法に合う所定範囲の厚みになるように選定した適切な厚みの調節プレート１２を挟み込み、ステータコア５を、片面コア５１、５２の間に調節プレート１２を挟んだ形状に組付ける。これにより、（６）各ステータコア５を配設したステータ４の磁極面の平面度を確保し、アキシャルギャップモータ１のモータ特性のばらつきを低減することができる。（７）カセットコイル１０は、軸方向に突出した磁極７、８の間のヨーク部９に保持されて、脱落することがない。

各ステータコア５に装着されたカセットコイル１０は、例えば図２（ａ）の破線のＵ相配線路に示すように、同相のもの同士が各渡り線１３やリード線１４により直列に接続されてコイル群を構成し、各相のリード線１４に接続された各相の一対の端子１５ｕ、１５ｖ、１５ｗから給電される。また、図１に示すように、各ステータコア５は軸方向の中央部分が外周部、内周部とも切欠かれて窪んだ形状であり、この切り欠き部分を渡り線１３やリード線１４が通る。この場合、（８）コイル群の各カセットコイル１０を渡り線１３で繋ぐ構成であるので、例えば各カセットコイル１０の両端を端子１５ｕ〜１５ｗの位置まで引き出して配線する場合よりコイル結線個所数が少なく、製作が容易になる。（９）図１の破線矢印に示すように、磁束の磁路は、ステータ４と、その表裏の対向するロータ３ａ、３ｂそれぞれとの間に形成され、各ステータコア５の軸方向の中央部（略調節プレート１２の位置の近傍部分）は磁束密度が低い個所になる。そして、この磁束密度が低い個所に前記切欠き部が形成されるので、磁束に影響を与えることなく、ステータコア５を軽量化できる利点もある。（１０）渡り線１３を前記コア切欠き部に収容することにより、ステータ４の体格の配線による増加を防止できる。

つきに、ロータ３ａ、３ｂについて説明する。なお、ロータ３ａ、３ｂは同じ構成である。

図２（ｂ）はロータ３ａを示し、ロータ３ａによってロータ３ａ、３ｂを説明する。

ロータ３ａ、３ｂは例えば８極構成であり、それぞれモータ軸２に軸支される非磁性体の円板状のロータカバー１６に、圧粉磁心で形成された楔形の８個のロータコア１７を、隙間を設けて磁気的に独立した状態で周方向に配設して形成されている。なお、各ロータコア１７の隙間は、本実施形態の場合は軽量化を図るために空間であるが、より堅牢に構成する場合は圧粉磁心や積層鋼板のヨークで各ロータコア１７を繋ぐようにしてもよい。

各ロータコア１７について、さらに説明すると、各ロータコア１７は、ステータ４に対向する磁極面の半径方向外径側部分が外径側の磁極１８を形成し、半径方向内径側部分が内径側の磁極１９を形成する。各ロータコア１７の磁極１８、１９が磁極対２０を形成する。さらに、各ロータコア１７は、磁極１８、１９間の凹部および左右の縁部がヨーク部２１ａ、２１ｂ、２１ｃを形成する。ヨーク部２１ａは磁極１８、１９を繋ぐものであり、モータ１ａに組付けられると、ヨーク部２１ａの凹部にステータ４の各磁極対１１の磁極面より軸方向に突出した各カセットコイル１０が回転自在に嵌入するようになっている。また、ヨーク部２１ｂ、２１ｃはロータ３ａ、３ｂのヨーク面積を広くするものである。なお、各ステータコア５の磁極対１１のうち、外径側の磁極７が内径側の磁極８よりも軸方向に長いので、その逆に、各ロータコア１７の磁極対２０は、外径側の磁極１８が内径側の磁極１９よりも軸方向に短い。

そして、（１１）各ロータコア１７の磁極対２０の外径側の磁極１８が内径側の磁極１９よりも軸方向に短いので、つぎの利点がある。すなわち、各ロータコア１７の外径側の磁極１８と、それより内径側のヨーク部２０ａや磁極１９とでは、質量や質点位置が異なり、回転時の遠心力の大きさが異なる。一方、圧粉磁心はヤング率が比較的小さいので、遠心力を受けると比較的容易に歪みによる変位が生じる。そして、ロータコア１７の遠心力による変位が外径側ほど大きくなり、引張り応力が大きくなってロータ３ａ、３ｂのコア破壊が発生し易くなる。しかしながら、アキシャルギャップモータ１ａは遠心力が大きく作用する外径側の磁極１８の部分が軸方向に短く軽量であるので、遠心力に強い。（１２）各カセットコイル１０の軸方向に突出した部分が、各ロータコア１７の磁極１８、１９間のヨーク部（凹部）２１ａに回転自在に嵌入されるので、その分、アキシャルギャップモータ１ａの体格や質量が低減される。なお、各ロータコア１７の磁極面の高さ（軸方向の高さ）は、ヨーク部２１ａ〜２１ｃのヨーク面に対する磁気的凹凸を付ける高さであればよい。そして、ステータ４の磁極面を各カセットコイル１０の突出面よりも後退し、各ロータコア１７の磁極１８、１９間のヨーク部（凹部）２１ａに各カセットコイル１０の突出部分が嵌入することにより、アキシャルギャップモータ１ａは、前記したように、軸方向の長さ（体格）と質量とが低減される。なお、ロータ３ａ、３ｂのヨーク部分を磁極１８、１９の背面近傍にのみ形成し、ロータ３ａ、３ｂとステータ４の磁極非対向時のインダクタンスが十分に小さくできる場合には、ロータ３ａ、３ｂの磁極面の必要高さも緩和される。そこで、この場合には、圧粉磁心のステータコア５とロータコア１７の両方の金型成形性を考慮して、ステータコア５、ロータコア１７の磁極面の高さを決定することが好ましい。

以上説明したように、アキシャルギャップモータ１ａは、各ステータコア５の表裏の両面の磁極対１１が一括して励磁されるので、それぞれの磁極毎あるいは磁極対毎にコイルを集中巻きしなくてよく、ステータ４の励磁用のコイルの個数およびコイル質量が少なくなる。しかも、ステータコア５毎に１個のカセットコイル１０を装着して簡単に組み付けでき、手間がかからず、製造コストが安価になる。さらに、機械的な強度が弱い圧粉磁心が作業中に壊れる可能性がほとんどなく、アキシャルギャップモータ１ｂを容易に製造できる。また、ステータ４の各磁極対１１が、各ステータコア５の外径側の磁極７と内径側の磁極８とによって形成されるので、磁極７、８を別個のコアによって形成する場合に比して、各磁極対１１の磁極７、８間のヨーク部分９の磁束量が半減し、ステータ４の軸方向のヨーク厚が薄くなってステータ４が小型、軽量になる。

したがって、圧粉磁心を用いて形成されるステータ４の表裏の両面の各磁極対１１を、磁気的に独立した状態で周方向に配設された圧粉磁心の各ステータコア５の表裏の両面の磁極７、８により形成し、各ステータコア５の表裏の両面の磁極対１１を、各ステータコア５のヨーク部９に装着した１個のカセットコイル１０により一括して励磁してアキシャルギャップモータ１ａを形成することができ、圧粉磁心を用いて形成されるステータ４の新規な励磁構造を提供し、小型、軽量で製造し易く、より大きなモータ出力が得られる従来にないアキシャルギャップモータ１ａを提供できる。

また、各ステータコア５は、外径側の磁極７が内径側の磁極８より軸方向に長く突き出し、各ステータコア５は、内周部が外周部より薄く、カセットコイル１０は各ステータコア５に内周部側から差し込んで簡単に装着することができる。また、ステータ４の表裏の両面に対向するロータ３ａ、３ｂは、ステータ４とは逆に、遠心力の作用が大きくなる外周側が内周側より薄くなり、遠心力に強くなって一層速い高速回転が可能になる。

つぎに、圧粉磁心で形成したコアの寸法誤差が比較的大きくなることを考慮し、各ステータコア５が、一方の片面コア５１と他方の片面コア５２とを、磁極間隔の調節プレート１２を挟んで背中合せに接合して形成されるため、ステータ４の両面の磁極面を精度よく平面にすることができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態について、図１および図５、図６を参照して説明する。

図５は本実施形態のステータ４の磁極面を示し、本実施形態においては、各カセットコイル１０の渡り線１３による繋ぎ方および通電方向を適当に設定し、図１のステータ４の各ステータコア５の表裏の両面の外径側の磁極７を全てＮ極、内径側の磁極８を全てＳ極にする。なお、磁極７、８の励磁磁極性は逆向きであってもよく、要するに、磁極７は全て同じ極性に励磁し、磁極８も全て磁極７の極性とは逆の同じ極性に励磁する。さらに、ステータ４の表裏のヨーク部９が形成する凹部の隙間を利用するか凹部を半径方向に広げ、ヨーク部９に、励磁用のカセットコイル１０と、ステータ４の表裏の面それぞれの図６に示す環状の界磁コイル２２ａ、２２ｂを取り付け、界磁コイル２２ａ、２２ｂによって磁束を増加する向きの界磁を常時発生する。なお、ステータ４の裏表で同じ向きの界磁磁束を発生するため、端子ａ、ａおよび端子ｂ、ｂからの界磁コイル２２ａ、２２ｂの通電方向は逆になる。また、図１のロータ３ａ、３ｂの各ロータコア１７のヨーク部２１ａも凹部の隙間を利用するか凹部を半径方向に広げられることにより、界磁コイル２２ａ、２２ｂの軸方向に突き出ている部分が各ロータコア１７のヨーク部２１ａに回転自在に嵌入する。

この場合、（１）界磁コイル２２ａ、２２ｂによりステータ４の磁束に界磁のバイアス磁束が重畳されるので、モータ出力がより向上する。（２）界磁コイル２２ａ、２２ｂはは簡単な円環状であるので、製作が容易である。

したがって、本実施形態の場合、製作が容易な環状の界磁コイル２２ａ、２２ｂにより、ステータ４の表裏の両面の磁束を増加してトルクアップを図り、アキシャルギャップモータ１ａのモータ出力を一層向上できる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態について、図７〜図１０を参照して説明する。図７〜図１０において、図１〜図６と同一の符号は、同一又は相当するものを示す。

図７は本実施形態のアキシャルギャップモータ１ｂを示し、図８（ａ）、（ｂ）はそのステータ４、ロータ３ａの磁極面を示す。本実施形態のアキシャルギャップモータ１ｂは、ステータ４の各ステータコア５の表裏の両面の磁極対１１が、周方向に順にＵ、Ｖ、Ｗの各駆動相の磁極対１１を形成する。

そして、本実施形態のアキシャルギャップモータ１ｂが第１、第２の実施形態のアキシャルギャップモータ１ａと異なる点は、第１には、各カセットコイル１０の通電方向の設定により、各ステータコア５の表裏の両面の外径側の磁極７と内径側の磁極８の極性が、周方向に順次に配置された駆動相の相数（実施形態の場合は３相なので３個）の磁極対群毎に逆になる点である。

図９は各ステータコア５の例えば表面の外径側の磁極７と内径側の磁極８の極性を示し、周方向に隣り合うＷ、Ｕ、Ｖ相の３個のステータコア５の磁極対１１が一つの磁極対群＃１を形成し、その隣のＷ、Ｕ、Ｖ相の３個のステータコア５の磁極対１１がつぎの一つの磁極対群＃２を形成し、同様にして、磁極対群＃３、＃４も形成される。そして、磁極対群＃１のステータコア５の磁極対１１は、いずれも磁極７がＳ極、磁極８がＮ極に励磁される。隣の磁極対群＃２のステータコア５の磁極対１１は、いずれも磁極７がＮ極、磁極８がＳ極に励磁される。さらに隣の磁極対群＃３のステータコア５の磁極対１１は、いずれも磁極７がＳ極、磁極８がＮ極に励磁され、その隣の磁極対群＃４のステータコア５の磁極対１１は、いずれも磁極７がＮ極、磁極８がＳ極に励磁される。なお、実際には、各カセットコイル１０がＵ、Ｖ、Ｗの相順に通電されるので、例えば、Ｕ相通電時には、磁極対群＃１のＵ相の磁極対１１の磁極７がＳ極、磁極８がＮ極に励磁され、磁極対群＃２のＵ相の磁極対１１の磁極７がＮ極、磁極８がＳ極に励磁され、磁極対群＃３のＵ相の磁極対１１の磁極７がＳ極、磁極８がＮ極に励磁され、磁極対群＃４のＵ相の磁極対１１の磁極７がＮ極、磁極８がＳ極に励磁される。

すなわち、各カセットコイル１０の巻き方向が同じ場合、同じ相の各カセットコイル１０は渡り線１３で周方向に上側、下側から交互に繋ぐのが最も簡単で効率的であるが、このように繋ぐことによって、同じ相の各カセットコイル１０が通電によって発生する磁束の向きは、周方向に交互に逆になる。そのため、前記したように、Ｕ相通電時には、磁極対群＃１のＵ相の磁極対１１の磁極７がＳ極、磁極８がＮ極に励磁され、磁極対群＃２のＵ相の磁極対１１の磁極７がＮ極、磁極８がＳ極に励磁され、磁極対群＃３のＵ相の磁極対１１の磁極７がＳ極、磁極８がＮ極に励磁され、磁極対群＃４のＵ相の磁極対１１の磁極７がＮ極、磁極８がＳ極に励磁される。

本実施形態のアキシャルギャップモータ１ｂが第１、第２の実施形態のアキシャルギャップモータ１ａと異なる第２の点は、第２の実施形態の界磁コイル２２ａ、２２ｂに代えて、ステータ４の表裏の両面の各磁極対１１に界磁を与える２個の環状の界磁コイル２２ｃ、２２ｄを備え、界磁コイル２２ｃ、２２ｄが、磁極対群＃１〜＃４の磁極対１１毎に交差して相互に逆にステータコア５の表面から裏面、その逆に入れ替わるように配設される点である。なお、界磁コイル２２ｃ、２２ｄの通電方向も界磁コイル２２ａ、２２ｂと同様に逆向きである。

図１０は界磁コイル２２ｃ、２２ｄの交差した組付け状態を示し、環状の界磁コイル２２ｃ、２２ｄは、磁極対群＃１〜＃４の境目で交差して相互に逆にステータ（図示せず）の表面から裏面、その逆に入れ替わるようにしてステータに配設される。

したがって、界磁コイル２２ｃ、２２ｄは、ステータ４の表裏の両面の各磁極対１１に磁極７、８の励磁を強める界磁を与え、トルクアップを図ってモータ出力を向上できる。また、Ｕ、Ｖ、Ｗの一組の磁極対の単位（磁極対群＃１〜＃４の単位）で磁極対の極性方向が逆になるので、界磁コイル２２ｃ、２２ｄが交差して表裏を往復する個所（回数）は４個所（４回）と少なく、界磁コイル２２ｃ、２２ｄによる質量増加を最小電に抑えることができる。

そのため、各カセットコイル１０を共通の同じカセットコイルで形成し、さらにそれらの繋ぎを簡単にしてトルクアップした高性能のアキシャルギャップモータ１ｂを提供できる。

（第４の実施形態）
第４の実施形態について、図１１〜図１３を参照して説明する。

図１１（ａ）は前記アキシャルギャップモータ１ａ、１ｂのロータ３ｂ、３ｂに置き換えられる本実施形態のロータ３ｃを示し、ロータ３ｃは例えば図１のステータ４の表裏の両面に対向して配置される。ロータ３ｃは、外周部材２３と内周部材２４とで構成される。

図１２はロータ３ｃの組み付けを示し、外側部材２３は、周方向に配設されて外径部の突出した磁極２５およびそれより内径側のヨーク部２６を形成する圧粉磁心の楔形の外径側ロータコア２７を、外周側に非磁性の外周リング２８を嵌め付けて保持した構造であり、内側部材２４は、周方向に配設されて内径側の磁極２９を形成する圧粉磁心の楔形の内径側ロータコア３０を、外周側に非磁性の外周リング３１を嵌め付けて保持した構造である。さらに、外側部材２３と内側部材２４は、外側部材２３の磁極面側に内側部材２４を重ねて軸方向に重ね合わせ、その重ね合せの内周側に例えば金属の共通リング３２を嵌めて組み付けられ、ロータ３ｃが形成される。

図１３は外径側ロータコア２７と内径側ロータコア３０の重なりを示し、内径側ロータコア３０の磁極２９は外径側ロータコア２７のヨーク部２６の内周寄りの部分に重なり、磁極２５、２９間がヨーク部２６で繋がっている。

このように構成されたロー３ｃは、少なくとも内径側の磁極２９が外径側の磁極２５およびヨーク部２６とは分離された別体構造であり、しかも、内周側の金属の共通リング３２の圧入等により、容易に一体化されて形成される。

そして、ロー３ｃをこのような構成にするのは、（１）ロータ３ｃには回転による遠心力が作用するが、突極状の磁極２５、２９と凹部のヨーク部２７とでは作用する遠心力の大きさが違い、しかも、圧粉磁心はヤング率が低く、遠心力による変形量もロータ３ｃの外側と内側では異なる。そして、とくに軸方向に長くなる内径側の磁極２９については、外径側ロータコア２７と内径側ロータコア３０とを別個に形成して重ね、ヨーク部２７と別体とすることで、前記した変形量の相違による引張り応力を低減し、さらに、圧縮密度も均一にして機械的に強くすることができ、その結果、ロータ３ｃが遠心力に強くできるからである。また、圧粉磁心の金型による圧縮成形時に高さのある磁極２９の側面の金型が側面から横方向の力を受けたパンチと擦れることにより損傷するの防ぎ、ロータの磁極２５、２６を圧粉磁心で一体成形する場合より金型を損傷しにくくして生産性を向上できる。（２）また、内径側ロータコア３０を、非磁性体の外周リング３１で保持するのは、まず、遠心力に対して内径側ロータコア３０を圧縮方向の力で確実に保持するためである。また、ロータ３ｃに対向するステータは第３の実施形態のステータ４のように、磁極対群＃１〜＃４の単位で磁極対の極性方向が逆になるものとし、この場合、ロータ３ｃを通る磁束は図１１（ａ）の波線矢印のように、前記した磁極対群＃１〜＃４の励磁磁極対１１に対向する個所の磁極２５、２９の磁極対毎に向きが異なる。しかも、ステータの各相の磁極対数１１は偶数（具体的には４個）である。そのため、図１１（ｂ）に示すように内側ロータコア３０を保持する外周リング３１（磁束に対してループコイルとみなすことができる）では、矢印線で示した鎖交磁束が相殺され、内側ロータコア３０を保持する外周リング３１に誘導電流が生じず、電磁誘導を防止できるからである。

したがって、本実施形態のロータ３ｃを、第３の実施形態の構成のアキシャルギャップモータ１ｂのような構造のアキシャルギャップモータのロータの代わりに用いることにより、遠心力を受けるロータを精度よく形成してモータ性能を一層向上することができでき、しかも、内周側の共通リング３２が金属等であるので、圧入等によって簡単に共通リング３２を嵌めて両ロータコア２７、３０を一体化して保持することができる。

そして、本発明は上記した各実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行なうことが可能であり、例えば、ロータ３ａ、３ｂ、３ｃの磁極対やステータ４の磁極対１１の個数は、８個、１２個に限るものではない。また、駆動相の相数も３相に限るものではない。さらに、各コア５、２７、３０、５１、５２や磁極７、８、２５、２９の形状等も各実施形態の形状等に限るものではない。また、各カセットコイル１０の構造や形状もどのようであってもよい。

つぎに、第１〜第３の実施形態において、ロータは圧粉磁心で構成されていなくてもよい。また、第４の実施形態において、ステータは圧粉磁心で形成されていなくてもよい。

つぎに、例えば第１の実施形態のロータ３ａ、ステータ４、ロータ３ｂの構成を、複数組み合わせていわゆる多段構成にすることも可能であり、他の実施形態についても同様である。そして、これらの場合も、前記各実施形態と同様の効果を得ることができる。

そして、本発明は、電気自動車の駆動モータ等の種々の用途のアキシャルギャップモータに適用することができる。

１ａ、１ｂ アキシャルギャップモータ
３ａ、３ｂ、３ｃ ロータ
４ ステータ
５ ステータコア
１０ カセットコイル
１１ 磁極対
１２ 調節プレート
２２ａ〜２２ｄ 界磁コイル
２６ 外径側ロータコア
２８ 外周リング
３０ 内径側ロータコア
３１ 内側ロータコアを保持する外周リング
３２ 共通リング
５１、５２ 片面コア

Claims (6)

1. 軸方向の表裏の両面それぞれに外径側の磁極と内径側の磁極とが形成する複数の磁極対を周方向に配列したステータと、前記ステータの表裏の両面に対向して配置されたロータとを備えたアキシャルギャップモータであって、
   前記ステータは、
   圧粉磁心で形成された楔形の複数のステータコアを、隙間を設けて磁気的に独立した状態で周方向に配設して形成され、
   前記各ステータコアの表裏の両面それぞれの半径方向外径側部分が前記外径側の磁極を形成し、
   前記各ステータコアの表裏の両面それぞれの半径方向内径側部分が前記内径側の磁極を形成し、
   前記各ステータコアの前記外径側の磁極と前記内径側の磁極との間のヨーク部に、表裏の両面の前記磁極対を一括して励磁するカセットコイルが装着されてい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、
   前記各ステータコアは、前記外径側の磁極が前記内径側の磁極より軸方向に長く形成されている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または２に記載のアキシャルギャップモータにおいて、
   前記各ステータコアは、一方の片面コアと他方の片面コアとを、磁極間隔の調節プレートを挟んで背中合せに接合して形成されていること特徴とするアキシャルギャップモータ。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載のアキシャルギャップモータにおいて、
   前記ステータの表裏の両面それぞれに環状の界磁コイルが配置されていることを特徴とするアキシャルギャップモータ。
5. 請求項１〜３のいずれかに記載のアキシャルギャップモータにおいて、
   前記各ステータコアの表裏の両面それぞれの各磁極対は、周方向に順に各駆動相の磁極対を形成し、
   前記外径側の磁極と前記内径側の磁極の極性は、周方向に順次に配置された駆動相の相数の磁極対群毎に逆になり、
   前記ステータの表裏の両面の前記各磁極対に界磁を与える複数の環状の界磁コイルを備え、
   前記両面の界磁コイルは、前記磁極対群毎に交差して相互に逆に前記ステータの表面から裏面、その逆に入れ替わるように前記ステータに配設されることを特徴とするアキシャルギャップモータ。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載のアキシャルギャップモータにおいて、
   前記ステータの表裏の両面に対向して配置された前記ロータは、
   周方向に配設されて外径側の磁極を形成する圧粉磁心の楔形の外径側ロータコアと、周方向に配設されて内径側の磁極を形成する圧粉磁心の楔形の内周部側ロータコアを、それぞれの外周側に非磁性の外周リングを嵌め付けて個別に保持し、
   前記両ロータコアを、軸方向に重ね合わせ、前記両ロータコアの内周側に共通リングを嵌めて組み付けた構成であることを特徴とするアキシャルギャップモータ。

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