JP5510079B2

JP5510079B2 - アキシャルギャップモータ

Info

Publication number: JP5510079B2
Application number: JP2010126601A
Authority: JP
Inventors: 英樹大口; 圭吾木村
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2010-06-02
Filing date: 2010-06-02
Publication date: 2014-06-04
Anticipated expiration: 2030-06-02
Also published as: JP2011254618A

Description

本発明は、軸方向にロータとステータコアが配設され、ロータとステータコア間にアキシャルギャップを形成してアキシャル方向に流れる磁束を制御してトルクを得るアキシャルギャップモータの改良に関する。

ロボットや産業機械などにおいては、小さいスペースにモータを配置して装置の小型化を図る必要がある。その一形態としてモータの偏平化がある。扁平モータの代表際としてアキシャルギャップモータが挙げられる。
この種のアキシャルギャップモータとして、所定の回転軸に対して略直行する略環状の磁性体からなるヨークと、そのヨークの一方の端面側に軸方向に規律するように、周方向に設けられた磁性体からなるティースと、そのティースに巻回されたコイルとを有するステータと、このステータのティースの先端に所定のエアギャップを隔てて対向すると共に、所定の回転軸を中心に回転するロータと、ステータとロータとを収納するケーシングとを備えたアキシャルギャップ型モータが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−３３００９２号公報

ところで、上記特許文献１に記載された従来例にあっては、ロータとステータとが軸方向のエアギャップを隔てて対向しているので、永久磁石面積を大きく取ることが可能であり、小型化が可能であるという利点を有するものであるが、ステータの一方の軸方向端面に円周方向に形成した複数のティースの回りに個別にコイルを巻装するので、コイル数が多くなり、製造コストが嵩むと共に、コイルを巻装する分ティースの面積を小さくする必要があり、トルクを増加させるために極対数を増加させても、永久磁石の面積を低減しなければならないため、極対数の増加によるトルクの増加が困難であるという未解決の課題がある。
そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、ステータのコイル数を削減してコストダウンを図るとも同時に小型化の要求に応えることができるアキシャルギャップモータを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の一の形態に係るアキシャルギャップモータは、回転軸から放射状に延長して形成された互いに扇状の磁石とロータ磁性ヨークとを円周方向に交互に配列したロータと、該ロータの軸方向端面と対向する一対の対向板部と該対向板部の外周部間を連結する円筒状連結板部とでコ字状に形成されたステータコアとを備え、前記ロータの磁石は隣り合う磁石の着磁方向が逆方向となり、且つ当該磁石が円周方向に着磁され、前記ステータコアは、前記一対の対向板部の一方の前記ロータとの対向面に前記ロータ磁性ヨークと一つ置きに対向するティースが形成されているとともに、他方の前記ロータとの対向面に残りの前記ロータ磁性ヨークに対向するティースが形成され、さらに前記円筒状連結板部に前記ロータの外周面と対向するリング状のコイルが配置されていることを特徴としている。

また、本発明の他の形態に係るアキシャルギャップモータは、前記ロータ及びステータコアで構成されるモータユニットが複数ｎ組軸方向に配設され、各ステータコアの各ティースがティースピッチの１／２ｎずつずらして配置されていることを特徴としている。
さらに、本発明の他の形態に係るアキシャルギャップモータは、前記ロータ及びステータコアで構成されるモータユニットが複数ｎ組軸方向に配設され、各ロータの前記ロータ磁性ヨークがティースピッチの１／２ｎずつずらして配置されていることを特徴としている。
また、本発明の他の形態に係るアキシャルギャップモータは、前記ロータ磁性ヨーク及びステータコアは、圧粉磁心によって形成されていることを特徴としている。

本発明によれば、ロータとこのロータを挟むコ字状のステータコアとを設け、ステータコアのロータの外周面に対向する位置にコイルを巻装することにより、１組のロータとステータコアに対して１つのコイルを巻装するだけで済み、この分コストダウンを図ることができる。また、永久磁石の表面積を大きく維持したまま極対数を増加させることが可能となるので、極対数の粗を化によるトルク増加効果が大きい。さらには、ステータコアとロータで構成されるモータユニットを複数組軸方向に配設することで、一方のモータユニットで発生するコギングトルクを他方のモータユニットで相殺することが可能となり、原理的にコギングトルクを零にすることが可能となるという効果を有する。

本発明の一実施形態に係るアキシャルギャップモータを軸方向に切断した状態を示す斜視図である。図１におけるステータコア及びロータで構成されるモータユニットの拡大断面図である。ロータを示す平面図である。モータユニットにおけるロータ及びステータコアの外周面を展開した展開図である。モータユニットにおけるロータの着磁位置とロータ磁性ヨークとの位置関係による磁束方向を示す説明図である。モータユニットにおけるロータの着磁位置とロータ磁性ヨークとの位置関係による他の磁束方向を示す説明図である。モータユニットの誘起電圧波形を示す特性線図である。２組のモータユニットのロータ及びステータコアの外周面における展開図である。２組のモータユニットの合計電力を示す特性線図である。２組のモータユニットのコギングトルクを示す特性線図である。モータユニットの分解斜視図である。２極のロータを示す平面図である。４極のロータを示す平面図である。６極のロータを示す平面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明に係るアキシャルギャップモータの一実施形態を示す軸方向で断面とした斜視図である。
この図１において、１はアキシャルギャップモータであって、このアキシャルギャップモータ１は、中心軸（図示せず）を嵌合する中心開口２を有して円板状に形成されたロータ３と、このロータ３を囲むように断面コ字状に形成されたステータコア４とで構成される２組のモータユニット５Ａ及び５Ｂが軸方向に連接されて配置された構成を有する。

ロータ３は、図３及び図４に示すように、中心軸６を嵌合した中心開口２から放射状に延長して扇状に形成された複数例えば１２個の永久磁石７と、これら永久磁石７間に配設された永久磁石７と同形に形成された複数例えば１２個のロータ磁性ヨーク８とで構成されている。
ここで、永久磁石７は図４で矢印によって示すように円周方向の一端がＮ極で他端がＳ極となるように円周方向に着磁されており、隣接する永久磁石７間で逆極性となるように配置されている。

また、ロータ磁性ヨーク８は、軸方向の高さが永久磁石７の軸方向の高さより高く形成され、ロータ３の軸方向の両端面で、それぞれロータ磁性ヨーク８の軸方向端面が永久磁石７の軸方向端面より等距離だけ外方に突出されている。
また、ステータコア４は、図１及び図２に示すように、ロータ３の軸方向両端面に対向し、中心軸（図示せず）を挿通する中心開口１１を有する円板状の一対の対向板部１２ａ及び１２ｂと、両対向板部１２ａ及び１２ｂの外周側端部を連結する円筒状の連結板部１２ｃとが溶接、嵌合等の任意の固定手段で結合されて断面コ字状に形成されている。

対向板部１２ａのロータ３の軸方向端面との対向面には、１つ置きのロータ磁性ヨーク８と対向可能なロータ磁性ヨーク８間のピッチの２倍のピッチで中心開口１１から放射状に延長し、扇状に形成されたティース１３ａがロータ３側に突出形成されている。このため、ティース１３ａの下端面とロータ３のロータ磁性ヨーク８の上端との間にアキシャルギャップｇ１が形成されている。
同様に、対向板部１２ｂのロータ３の軸方向端面との対向面には、対向板部１２ａのティース１３ａのピッチに対して１／２ピッチだけずれた位置に中心開口１１から放射状に延長し、扇状に形成されたティース１３ｂがロータ３側に突出形成されている。このため、ティース１３ｂの上端面とロータ３のロータ磁性ヨーク８の下端との間にアキシャルギャップｇ２が形成されている。

さらに、ステータコア４の連結板部１２ｃの内周面には円周方向に巻装されたドーナツ状のコイル１５がその内周面がロータ３の外周面に所定間隔を保って対向する状態で対向板部１２ａ及び１２ｂで挟まれた状態で固定配置されている。
また、軸方向に連接されているモータユニット５Ａ及び５Ｂは、図８に示すように、ステータコアのティース１３ａ及び１３ｂがティースピッチの１／４だけ円周方向にずれるように配置されている。このとき、ロータ３の永久磁石７は軸方向に同一着磁方向の永久磁石７同士が重なるように配置されている。

したがって、例えばモータユニット５Ａで、ステータコア４における対向板部１２ａ及び１２ｂのティース１３ａ及び１３ｂが夫々ロータ磁性ヨーク８と対向している状態で、他方のモータユニット５Ｂでは、ロータ磁性ヨーク８間の永久磁石７がステータコア４における対向板部１２ａ及び１２ｂのティース１３ａ及び１３ｂに対向するようになる。
本実施形態のアキシャルギャップモータ１は、構造が三次元的であるので、ロータ磁性ヨーク８やステータコア４には圧粉磁針（焼結軟磁性体）を用いて構成することが製造容易性の点で好ましい。しかし、従来の電磁鋼板を積層して構成することも可能であるし、ロータ磁性ヨーク８にはＳ４５Ｃ等の磁性材を用いることもできる。

次に、上記実施形態の動作を説明する。
先ず、モータユニット５Ａ及び５Ｂを組み立てるには、図１１に示すように、モータユニット５Ａ及び５Ｂを分解した状態で、回転軸（図示せず）を嵌合したロータ３の外周側にステータコア４の連結板部１２ｃを対向させ、この連結板部１２ｃ内にコイル１５を挿通し、この状態で対向板部１２ａ及び１２ｂを連結板部１２ｃの軸方向端面に嵌合、接着、溶接等の固定手段で固定することにより、モータユニット５Ａ又は５Ｂを構成することができる。
このようにしてモータユニット５Ａ及び５Ｂの組み立てが完了すると、図８に示すように、モータユニット５Ａ及び５Ｂのティース１３ａ及び１３ｂを夫々ティースピッチの１／４だけ円周方向にずらした状態で、モータユニット５Ａ及び５Ｂを連結して、アキシャルギャップモータ１を構成する。

このように構成されたアキシャルギャップモータ１は、一つのモータユニット例えば５Ａに着目すると、図５に示すように、隣接する永久磁石７のＳ極同士が対向しているロータ磁性ヨーク８がステータコア４の対向板部１２ａにおけるティース１３ａと対向しており、隣接する永久磁石７のＮ極同士が対向しているロータ磁性ヨーク８がステータコア４の対向板部１２ｂにおけるティース１３ｂと対向している状態であるものとする。この状態では、隣接永久磁石７のＮ極同士が対向しているロータ磁性ヨーク８ｉから出た磁束がティース１３ｂに入り、対向板部１２ｂ、連結板部１２ｃ及び対向板部１２ａを通って、ティース１３ａから隣接永久磁石７のＳ極同士が対向しているロータ磁性ヨーク８ｊに戻る磁路が形成される。

逆に、図６に示すように隣接する永久磁石７のＮ極同士が対向しているロータ磁性ヨーク８ｉがステータコア４の対向板部１２ａのティース１３ａと対向し、隣接する永久磁石７のＳ極同士が対向しているロータ磁性ヨーク８ｊがステータコア４の対向板部１２ｂのティース１３ｂと対向している状態では、上記図５とは逆に、ロータ磁性ヨーク８ｉからでた磁束がティース１３ａ、対向板部１２ａ、連結板部１２ｃ及び対向板部１２ｂを通ってティース１３ｂからロータ磁性ヨーク８ｊに戻る磁路が形成される。

したがって、コイル１５には交流の磁束が鎖交することになるので、交流電圧が誘起される。この交流誘起電圧は、図７で太い実線に示すように正弦波となり、このときの電流は細い実線図示のように、誘起電圧と同相で振幅の小さい正弦波となる。このため、図７で破線図示の零から正方向の正弦波の電力が得られることになる。
しかしながら、１相だけでは電力が零になる電気角が存在するため、１つのモータユニットで回転を維持することは困難となる。
このため、前述したようにモータユニット５Ａ及び５Ｂを誘起電圧の位相が電気角で９０度ずれるように、図８に示すように、両者のステータコア４のティース１３ａ及び１３ｂを互いにティース間のピッチに対して１／４ピッチ分円周方向にずらすように配置することにより、一方のモータユニット５Ａ（又は５Ｂ）で電力が零となる時に他方のモータユニット５Ｂ（又は５Ａ）で電力が最大となるように構成する。

この図８から明らかなように、モータユニット５Ａ及び５Ｂ間で、ステータコア４のティース１３ａ及び１３ｂをティースピッチの１／４だけ円周方向にずらすことにより、モータユニット５Ａでは、例えばロータ磁性ヨーク８ｉから出た磁束がティース１３ａに入り、対向板部１２ａ、連結板部１２ｃ及び対向板部１２ｂを通ってティース１３ｂからロータ磁性ヨーク８ｊに戻る磁路を形成しており、モータユニット５Ａのコイル１５に鎖交する磁束が最大となっている。
これに対して、モータユニット５Ｂでは、ロータ磁性ヨーク８ｉから出た磁束がティース１３ａ及び１３ｂを通って隣りのロータ磁性ヨーク８ｊに入ることになり、モータユニット５Ｂのコイル１５に鎖交する磁束は零となる。すなわち、一方の誘起電圧が最大の時に、他方の誘起電圧が零となるので、モータユニット５Ａ及び５Ｂ間で、誘起電圧の位相が９０度ずれることになる。

図９にモータユニット５Ａ及び５Ｂの電力を合計した合計電力を示す。この図９より、モータ全体の電力を一定に保つことができることは明らかであり、トルクを一定とすることが可能となる。
なお、上記実施形態では、ステータコア４のティース１３ａ及び１３ｂをモータユニット５Ａ及び５Ｂ間でティースピッチの１／４だけ円周方向にずらす場合について説明したが、これに限定されるものではなく、図示しないが、モータユニット５Ａ及び５Ｂのティース１３ａ及び１３ｂを軸方向で互いに対向するように配置し、これに代えてモータユニット５Ａ及び５Ｂにおけるロータ３のロータ磁性ヨーク８を円周方向にティースピッチの１／４だけ円周方向にずらすようにしても上記と同様の作用効果を得ることができる。

ところで、一方のモータユニット５Ａ（又は５Ｂ）に着目すると、電気角０度の時と電気角１８０度の時では、磁束密度分布は上下対称となることは明らかである。すなわち、電気角０度と１８０度におけるコギングトルクの値は同じとなる。したがって、電気角の１周期において、コギングトルクは図１０に示すように、２倍の周波数で振動する。ここで、一方のモータユニット５Ａ（又は５Ｂ）のコギングトルクが正のピークとなる時に、他方のモータユニット５Ｂ（又は５Ａ）のコギングトルクは負のピークとなる。したがって、本実施形態のように２組のモータユニット５Ａ及び５Ｂを組み合わせてアキシャルギャップモータ１を構成することにより、モータ全体のコギングトルクを相殺して“０”にできるという効果を有する。

上記構成を有する本発明のアキシャルギャップモータ１は、従来のモータよりも大きなトルクが得られ、同一のトルクを得るための構成を小型化できる。
その理由は、モータのトルクＴは下記（１）式で表される。
Ｔ＝Ｐ_nΨ_aｉ_q＋Ｐ_n（Ｌ_d−Ｌ_q）ｉ_dｉ_q …………（１）
ただし、Ｐ_nは極対数、Ψ_aは永久磁石による電機子鎖交磁束、ｉ_dはｄ軸電流、ｉ_qはｑ軸電流、Ｌ_dはｄ軸インダクタンス、Ｌ_qはｑ軸インダクタンスである。
この（１）式より、極対数Ｐ_nを増加させるとトルクは増加する。しかし、永久磁石面積を大きく取れるアキシャルギャップモータ１でさえ、その構造から極対数Ｐ_nを例えば２倍とすると１極当たりの永久磁石の面積を半分にする必要がある。すなわち、永久磁石による電機子鎖交磁束Ψ_aが半分となるので、従来のアキシャルギャップモータで極対数Ｐ_nを増加させても大きなトルクを得ることは困難である。

例えば、図１２に示すように４極のロータ３を、図１３に示すように８極のロータ３とすると、永久磁石７の１極当たりの面積が半分になることが分かる。
一方、本発明のアキシャルギャップモータ１では、永久磁石７の表面積を大きく維持したまま極対数Ｐ_nを増加させることが可能となる。すなわち、永久磁石７による電機子鎖交磁束Ψ_aを維持したまま極対数Ｐ_nを増加させることが可能となるので、従来のアキシャルギャップモータに対して大きなトルクが得られる。すなわち、同一トルクが必要な場合には小型化が可能となる。例えば、図１４に示す６極のロータを、図３に示す１２極としても、永久磁石７の全体の面積を維持することが可能となる。

このように、上記実施形態によると、モータユニット５Ａ及び５Ｂについてそれぞれ１つのコイルを巻装するだけでよく、従来例のようにティース毎にコイルを巻装する必要がないので、コストダウンを図ることができる。また、上述したように、極対数Ｐ_nを変更する場合でも永久磁石７の全体面積は変化せず、大きなトルクを維持することができる。
なお、上記実施形態においては、ロータ３の開口２とステータコア４の対向板部１２ａ及び１２ｂの開口１１との径が異なる場合について説明したが、これに限定されるものではなく、組み立てを考えると対向板部１２ａ及び１２ｂの開口１１を大きくする方が好ましい。

また、上記実施形態では、ステータコア４が対向板部１２ａ及び１２ｂと連結板部１２ｃとの３つの部品で構成する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、何れか一方の対向板部１２ａ又は１２ｂと連結板部１２ｃとを一体に形成して２つの部品でステータコア４を構成するようにしてもよい。
さらに、上記実施形態においては、２組のモータユニット５Ａ及び５Ｂを組み合わせてアキシャルギャップモータ１を構成した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、４組以上の偶数ｎ組のモータユニットを組み合わせてアキシャルギャップモータ１を構成するようにしても良く、この場合には各モータユニットのティース１３ａ及び１３ｂ又はロータ磁性ヨーク８をティースピッチの１／２ｎ分円周方向にずらして配置するようにすればよい。あるいは上述したモータユニット５Ａ及び５Ｂの組を複数組設けるようにしてもよい。

１…アキシャルギャップモータ、３…ロータ、４…ステータコア、６…回転軸、７…永久磁石、８…ロータ磁性ヨーク、１２ａ，１２ｂ…対向板部、１２ｃ…連結板部、１３ａ，１３ｂ…ティース、１５…コイル

Claims

回転軸から放射状に延長して形成された互いに扇状の磁石とロータ磁性ヨークとを円周方向に交互に配列したロータと、
該ロータの軸方向端面と対向する一対の対向板部と該対向板部の外周部間を連結する円筒状連結板部とでコ字状に形成されたステータコアとを備え、
前記ロータの磁石は隣り合う磁石の着磁方向が逆方向となり、且つ当該磁石が円周方向に着磁され、
前記ステータコアは、前記一対の対向板部の一方の前記ロータとの対向面に前記ロータ磁性ヨークと一つ置きに対向するティースが形成されているとともに、他方の前記ロータとの対向面に残りの前記ロータ磁性ヨークに対向するティースが形成され、さらに前記円筒状連結板部に前記ロータの外周面と対向するリング状の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。
前記ロータ及びステータコアで構成されるモータユニットが複数ｎ組軸方向に配設され、各ステータコアの各ティースがティースピッチの１／２ｎずつずらして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モータ。
前記ロータ及びステータコアで構成されるモータユニットが複数ｎ組軸方向に配設され、各ロータの前記ロータ磁性ヨークがティースピッチの１／２ｎずつずらして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モータ。
前記ロータ磁性ヨーク及びステータコアは、圧粉磁心によって形成されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のアキシャルギャップモータ。