JP7289535B2 - アキシャルギャップモータ - Google Patents
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Description
ロータが回転すると、ロータとステータとの間の磁束変化によってコギングトルクが発生するため、このコギングトルクは、アキシャルギャップモータの振動や騒音の発生原因となる。
特許文献2及び非特許文献1に開示されているようなスキューを設けたロータを採用すると、例えば磁性粉体を成形加工してロータ用のマグネットを製造した場合、生産効率が低下する。或いは、ドーナツ状に成形された強磁性体からロータのマグネットを切り出した場合、ロータとして使用しない強磁性体が多く残り、強磁性材料の収率が低下し(強磁性材料のロスが増大し)、生産効率の低下に繋がることとなる。
ステータと、前記ステータの少なくとも片側に対向し、回転軸の回りに回転可能なロータとを備え、
前記ロータは、周方向に交互に配置された複数の異なる磁極の第1のマグネット及び第2のマグネットを有し、
前記第1のマグネット及び前記第2のマグネットは、それぞれ周方向に対向する2つの側面を有し、前記2つの側面の形状は、いずれも動径方向軸に対する振幅関数により規定される第1の曲線及び第2の曲線を組み合わせた形状によって確定され、
前記第1の曲線及び前記第2の曲線は、それぞれ動径方向の内周側端部及び外周側端部が動径方向軸上にあり、前記内周側端部及び前記外周側端部の間において前記動径方向軸と交叉する少なくとも1つのノードを有することを特徴とする。
前記第1の曲線及び前記第2の曲線は正弦波であることを特徴とする。
前記第1の曲線及び第2の曲線を組み合わせた形状は、三角波を表す関数により規定されることを特徴とするように構成されていてもよい。
。
前記第1の曲線及び前記第2の曲線は周期関数であり、その周期は、nを自然数として、n又はn+1/2であることを特徴とする。
前記ノードの数が1であり、前記ノードと前記内周側端部との距離は、前記ノードと前記外周端部との距離より短いことを特徴とする。
前記第1の曲線と前記第2の曲線が同一形状であることを特徴とする。
前記第1の曲線と前記第2の曲線が前記動径方向軸に対して互いに反転関係であることを特徴とする。
前記ロータは前記ステータを介して対向する第1のロータ及び第2のロータからなり、前記第1のロータ及び前記第2のロータは、それぞれ前記第1のマグネット及び前記第2のマグネットを備え、
前記第1のマグネットは、周方向右回りに前記第1の曲線及び前記第2の曲線により確定する側面を有し、
前記第2のマグネットは、周方向右回りに前記第2の曲線及び前記第1の曲線により確定する側面を有し、
前記第1のロータの前記第1のマグネットは、前記第2のロータの前記第2のマグネットと対向し、
前記第1のロータの前記第2のマグネットは、前記第2のロータの前記第1のマグネットと対向することを特徴とする。
図1(a)は、アキシャルギャップモータ100の主要構成を示す断面図であり、図1(b)はステータ2の平面図である。
円筒状の筐体1に、互いに対向するステータ2とロータ3とが収容されている。
ロータ3は、シャフト(回転軸芯)4に固定されており、シャフト4は、ベアリング5を介して、筐体1に回転可能に支持されている。シャフト4及びロータ3は、シャフト4の中心軸を回転軸として回転する。
シャフト4の少なくとも一端は、筐体1の開口部11を貫通し、筐体1の外部に突出し、ロータ3の回転運動を出力する。
図1(b)に示すように、各鉄心部22は、扇形状であり、ステータヨーク部21上において周方向に等角度間隔に配置されている。
マグネット32とコイル23とは、シャフト4の回転軸方向に、ギャップ(空隙)Dを介して対向して配置されている。
ロータヨーク部31はシャフト4を貫通させるための開口部Hが中央に設けられている。開口部Hの径は、シャフト4の径と同じ値に設定される。
なお、マグネット32aとマグネット32bの数は5個に限定するものではない。
隣合うマグネット32aとマグネット32bの周方向に対応する2つの側面を確定する各稜線La及びLbは、シャフト4の回転軸に対する動径方向に沿った直線形状である。
また、マグネット32a及びマグネット32bの内周側及び外周側は円弧状であり、従ってマグネット32a及びマグネット32bは扇形形状である。
以下、簡単のためマグネット32(32a、32b)の「側面」を、その形状を確定する「稜線」(「曲線Ca」、「曲線Cb」等)によって表現する(示す)ことがある。
なお、ギャップg部はロータヨーク部31が露出している。
以下、曲線Caについて具体的に説明する。
図3(b)は、図3(a)において楕円で囲んだ曲線Caの拡大図である。
図3(b)の横軸(X軸)は動径方向軸(軸Er)であり、原点0はロータヨーク部31の回転軸(シャフト4の回転軸)であり、原点からマグネット32の内周側端部までの距離をRs、原点からマグネット32の外周側端部までの距離をReとする。
内周側稜線Ariは半径Rsの円弧であり、外周側稜線Aroは半径Reの円弧である。
図3(b)の縦軸(Y軸)は、軸Erに垂直な軸である。
f(x)=A*sin(2π*(x-Rs)/(Re-Rs)) (式1)
例えば、モータの出力、コイル23の形状、数等に応じて、振幅Aを最適化し、最適な曲線Caを算出し、マグネット32の形状を確定する。
なお、図2(b)に示すマグネット32を正弦波型マグネットと称することがある。
このように関数f(x)は、動径方向の内周側端部(Rs)及び外周側端部(Re)で0となり、さらにRsとReの間のx=Rnにおいて0となる。すなわち関数f(x)は、動径方向の両端部でX軸(動径方向軸Er)と重なり、両端部の間に動径方向軸Erと交叉する少なくとも1つのノード(交叉点)を有し、X軸(軸Er)に対して正及び負側に振幅する。
図4(a)は磁束密度の2次元分布を示し、図4(b)、(c)、(d)、(e)は、それぞれ内周側端部及び外周側端部、中央部(ノッチ部)、内周側端部と中央との中間部、外周側端部と中央との中間部での周方向磁束密度分布、図4(f)は積算された磁束密度の周方向磁束密度分布(磁束密度の角度依存性)を示す。図4(b)、(c)、(d)、(e)において、横軸は角度(°)、縦軸は磁束密度(任意単位)を示す。
図4(a)に示すように、実線で囲んだ領域において、基本的扇状マグネットと比較して正弦波型マグネットの方が磁束密度の変化が緩和されている。
正弦波型マグネットにおいて、マグネット32の形状を確定する振幅関数が動径方向軸と交わる内周側端部、外周側端部及びノッチ部での磁束密度分布は、扇状マグネットと同様の分布を示している。
正弦波型マグネットの磁束密度分布は、扇状マグネットと比較して低角度側になだらかにシフトする傾向が見られ、図4(a)中実線で囲んだ領域に相当する角度で、磁束密度分布の変化が緩和していることが理解できる。
正弦波型マグネットの磁束密度分布は、扇状マグネットと比較して高角度側になだらかにシフトする傾向が見られ、図4(a)中実線で囲んだ領域に相当する角度で、磁束密度分布の変化が緩和していることが理解できる。
正弦波型マグネットにおいては、ノッチ部を境に磁束密度分布が反対方向になだらかにシフトする傾向が確認され、従来の扇状マグネットと比較して磁束密度分布の変化を緩和できることが確認された。
図4(f)からも、図4(a)中実線で囲んだ領域に相当する角度で、磁束密度分布の変化が緩和していることが容易に理解できる。
f(x)=A*sin(2n*π*(x-Rs)/(Re-Rs)) (式2)
n:自然数
又は
f(x)=A*sin(2(n+1/2)*π*(x-Rs)/(Re-Rs))(式3)
n:自然数
振幅Aとnをパラメータとして、磁場解析により最適なA及びnを求め曲線Caを確定することができる。
また、これらの振幅関数を複数組み合わせ(線形結合して)曲線Caを構成してもよい。このことは、以下の関数についても同様である。
例えば、以下のようにx=Rnを境に、内周側(x≦Rn)と外周側(x≧Rn)で関数をそれぞれ定義することができる。
f(x)=A*sin(π*(x-Rs)/(Rn-Rs)) (式4-1)
Rs≦x≦Rn
f(x)=A*sin(π*(1+(x-Rn)/(Re-Rn))) (式4-2)
Rn≦x≦Re
また、式2、式3に示すように1周期以上の関数に対して、複数のRnの位置を適宜変更してもよい。
図6(a)において、放射状に延びる一点鎖線は、それぞれ動径方向の軸Erであり、実線は曲線Caを示し、点線は内周側稜線Ari及び外周側稜線Aroを示す。図6(b)は、図6(a)において楕円で囲んだ曲線Caの拡大図である。図6(b)中の実線は上記式4で定義された関数f(x)により定まる曲線Caを示し、比較のため点線は式1で定まる曲線Ca’を示す。
ノードRnと内周側端部との距離は、ノードと外周側端部との距離より小さく、曲線CaのノードRnは、曲線Ca’のノードRn’に対して内周側(シャフト4側)に移動することにより、曲線Caは、全体的に曲線Ca’に比べ内周側に移動していることが理解できる。この場合、隣合うマグネット32aとマグネット32bとの磁束の変化の緩和の効果を内周側に重みを置くことができる。
なお、上記ノードRnの位置は(Re+2*Rs)/3に限定されるものではない。
また、複数のノードを有する振幅曲線についても、適宜ノードの位置を修正できるように上記のように領域分けを行って定義した振幅関数を用いて曲線を規定することができる。
磁束の調整のための領域を設定できるため、平均トルクの低減を極力防止することとコギングトルクを低減することとを両立させる条件を、効果的に求めることを可能とする。
図6(c)は内周側から外周側に向かって振幅幅が減少する曲線Caの例を示す。
例えば式5に示すように振幅する関数(式1)に、動径方向の内周側端部から外周側端部に向かって減少する関数を乗じて、内周側から外周側に向かうに従い振幅幅を減少させ、曲線Caによる内周側と外周側の磁束への効果を調整してもよい。
f(x)=A*sin(π*(x-Rs)/(Re-Rs))/x (式5)
ここでAは定数であり式1の振幅AをA/xとしたものである。Aは、磁場解析により、所望のコギングトルク(例えば最小のコギングトルク)を実現するように求めることができる。
図7(a)に示すように、磁極の異なる2つの円還状の永久磁石であるマグネット30a及びマグネット30bを準備する。例えば、マグネット30aは上面がN極、下面がS極であり、マグネット30bは上面がS極、下面がN極である。
なお、マグネット30bはマグネット30aを上下反対にしたものであり、マグネット30a及びマグネット30bは、実質的に同じ永久磁石である。
永久磁石としてはネオジム磁石が好適に使用できるが、これに限定されるものではない。
以上のように、マグネット30aから分割されたマグネット32a、マグネット30bから分割されたマグネット32bを得ることができる。
特許文献2に開示されているような、従来のスキューを有するマグネットの場合、周方向に対向する稜線の形状が異なるため、マグネット材料のロス(損失量)が多くなり収率が低くなる。しかし、図7に示すように本発明に係るマグネット32a、32bは、マグネット材料の収率が高く、有効に活用できる。
個々の製品仕様に合わせた曲線Ca及びマグネット数を決定し、予め準備された円環状のマグネット30からマグネット32a、32bを切り出すことで、製造工期が短縮され、材料ロスを低減するという効果も得られ、効率的にアキシャルギャップモータ100を製造することができる。
実施形態1においてはマグネット32a(及びマグネット32b)の周方向に対向する2つの稜線(曲線Ca及び曲線Cb)は同じ形状であったが、異なる形状の振幅曲線であってもよい。
図8(a)は、ロータ3に設けられたマグネット32a、マグネト32bの形状を示す図であり、図8(b)は、マグネット32aの周方向に対向する2つの曲線Ca及び曲線Cbの形状を示すグラフである。
曲線Ca及び曲線Cbは動径方向の軸Erに対する振幅曲線であるが、図2に示すマグネット32aとは異なり、本実施形態2のマグネット32aの曲線Caと曲線Cbとは同一形状ではなく、動径方向の軸Er(図8(b)中のX軸)に対して互いに反転させた形状である(反転関係にある)。
fb(x)=-fa(x) (式6)
である。
fa(x)は、例えば式1~5等で表される関数である。fa(x)及びfb(x)は、ともに動径方向の軸Er両端部(Rs、Re)において0となり、さらに、これらの端部の間の少なくとも1箇所で動径方向の軸Erを横切る点(ノード)Rnを有する。
fa(Rs)=fa(Re)=fa(Rn)=0 (式7-1)
fb(Rs)=fb(Re)=fb(Rn)=0 (式7-2)
Rs<Rn<Re
なお、好適には、マグネット32aがステータ2と対向する面の面積とマグネット32bがステータ2と対向する面の面積とは同じ値に設定する。
マグネット32aと周方向に隣合うマグネット32aとマグネット32bとの境界であるギャップgの形状は、周方向に対向する2つの曲線Cb’と曲線Ca又は2つの曲線Ca’と曲線Cbにより確定する。曲線Cb’と曲線Caは同一形状であり、曲線Ca’は曲線Cbと同一形状であるため、マグネット32aとマグネット32bとの間のギャップgは一定幅である。
図9は実施形態3のアキシャルギャップモータ100の主要構成を示す断面図である。図1に示された実施形態1のアキシャルギャップモータ100は、ステータ2の片側の面にロータ3が配置されているのに対し、実施形態3のアキシャルギャップモータ100は、ステータ2の一方の面にロータ3(第1のロータ)、他方の面にロータ6(第2のロータ)が配置されている点で異なる。
シャフト4は、ロータ3及びロータ6の回転運動を出力する。
ロータ3とロータ6との間隔を決定するため、ロータ3とロータ6と間の領域のシャフト4の径を、それ以外の領域の径より大きく設定し、かつロータヨーク部31とロータヨーク部61の中央の開口部Hの径より大きく設定してもよい。
マグネット32及びマグネット62は、実施形態2に開示されるような形状を有する。
すなわち、マグネット32を構成する複数のマグネット32a(第1のマグネット)及びマグネット32b(第2のマグネット)は、周方向に対向する稜線が、それぞれ曲線Ca、Cb及び曲線Ca’、Cb’であり、マグネット62を構成する複数のマグネット62a(第3のマグネット)及びマグネット62b(第4のマグネット)は、周方向に対向する稜線が、それぞれ曲線Ca、Cb及び曲線Ca’、Cb’である。
従って、マグネット32a(62a)は周方向右回りに曲線Ca及び曲線Cbにより確定する側面に囲まれ、マグネット32b(62b)は周方向右回りに曲線Cb及び曲線Caにより確定する側面に囲まれている。マグネット32a(62a)とマグネット32b(62b)とはギャップgを介して隣合い、ギャップgの幅は等幅である。
マグネット32aとマグネット62aとは同じ磁極であり、マグネット32bとマグネット62bとは同じ磁極である。例えば、マグネット32a及びマグネット62aがN極、マグネット32b及びマグネット62bがS極である。
従って、マグネット32a(第1のマグネット)とマグネット62a(第3のマグネット)とは同一(形状及び磁極が同一)であり、マグネット32b(第2のマグネット)とマグネット62b(第4のマグネット)とは同一(形状及び磁極が同一)である。
曲線Caと曲線Cbとは、互いに軸Erに対して反転させた形状であるため、マグネット32a(マグネット62a)は、曲線Caと曲線Cbの周方向に中央に位置する直線A-A(第1の対称軸Aと称す)に対して対称な形状である。
同様に、曲線Ca’と曲線Cb’とは、互いに軸Erに対して反転させた形状であるため、マグネット32b(マグネット62b)は、曲線Ca’と曲線Cb’の周方向に中央に位置する直線B-B(第2の対称軸Bと称す)に対して対称な形状である。
図11は、互いに対向するロータ3とロータ6の各マグネット32a、32b、62a、62bの位置関係を示す図であり、図11(a)はシャフト4の回転軸方向に見たマグネット32とマグネット62の重なりを示す平面図であり、図11(b)は各マグネット32a、32b、62a、62bの互いに対向する配置を示す斜視図である。なお、図11は、各マグネットの対向関係を示すものでありステータ2、ロータヨーク部31及びロータヨーク部61は省略している。
マグネット32aとマグネット62b及びマグネット32bとマグネット62aは互いに磁極が異なるために引力が働き、マグネット32aとマグネット62a及びマグネット32bとマグネット62bは互いに磁極が同じであるために斥力が働く。そのため、ロータ3及びロータ6をシャフト4に組み込む際に、ロータ3及びロータ6の開口部Hにシャフト4を貫通させると、自己整合的にマグネット32aはマグネット62bと対向し、マグネット32bはマグネット62aと対向する。このように整列した状態でロータ3とロータ6とをシャフト4に固定することができ、ロータ3及びロータ6のシャフト4への組み込み時に位置合わせ作業負担が軽減される。
図12は、マグネット32aとマグネット62bの周方向の断面の形状を示す。図12(a)は、図12(c)に示すA-A断面の展開図であり、図12(b)は図12(c)に示すB-B断面の展開図である。
図12(a)に示すようにA-A断面においてはマグネット32aの幅はマグネット62bの幅より広く、B-B断面においてはマグネット32aの幅はマグネット62bの幅より狭い。
従って、マグネット32aとマグネット62bとの間で、図12中上下の磁場に対してスキューが設けられた構成となる。さらに、断面A-Aと断面B-Bとはそのスキューの方向が互いに反対方向に設定される。
また、マグネット32bとマグネット62aとの間についても同様にスキューが設けられる。
実施形態3においては、各ロータ3及びロータ6の周方向のスキューの効果に加え、ロータ3とロータ」6との間のスキューの効果を得ることができる。また、このようなロータ3とロータ6の位置合わせも容易に行うことができる。
曲線Ca、曲線Cbの振幅及びノードRnの位置をパラメータとして、平均トルクの低下を極力防止することとコギングトルクの大幅に低減することとを両立するようなマグネット32a32b及びマグネット62a、62bの設計が容易になる。
また、ロータに使用するマグネットを効率的に製造することを可能とし、産業上の利用可能性は大きい。
1 筐体
2 ステータ
21 ステータヨーク部
22 鉄心部
23 コイル
3 ロータ
31 ロータヨーク部
32、32a、32b マグネット(永久磁石)
30a、30b マグネット
4 シャフト
5 ベアリング
6 ロータ
61 ロータヨーク部
62、62a、62b マグネット(永久磁石)
D ギャップ
g ギャップ
Ari 内周側稜線
Aro 外周側稜線
La、Lb 周方向に対向する稜線(直線)
Ca、Cb、Ca'、Cb' 周方向に対向する稜線(曲線)
Claims (8)
- ステータと、前記ステータの少なくとも片側に対向し、回転軸の回りに回転可能なロータとを備え、
前記ロータは、周方向に交互に配置された複数の異なる磁極の第1のマグネット及び第2のマグネットを有し、
前記第1のマグネット及び前記第2のマグネットは、それぞれ周方向に対向する2つの側面を有し、前記2つの側面の形状は、いずれも動径方向軸に対する振幅関数により規定される第1の曲線及び第2の曲線を組み合わせた形状によって確定され、
前記第1の曲線及び前記第2の曲線は、それぞれ動径方向の内周側端部及び外周側端部が動径方向軸上にあり、前記内周側端部及び前記外周側端部の間において前記動径方向軸と交叉する少なくとも1つのノードを有することを特徴とするアキシャルギャップモータ。 - 前記第1の曲線及び前記第2の曲線は正弦波であることを特徴とする請求項1記載のアキシャルギャップモータ。
- 前記第1の曲線及び第2の曲線を組み合わせた形状は、三角波を表す関数により規定されることを特徴とする請求項1記載のアキシャルギャップモータ。
- 前記第1の曲線及び前記第2の曲線は周期関数であり、その周期は、nを自然数として、n又はn+1/2であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項記載のアキシャルギャップモータ。
- 前記ノードの数が1であり、前記ノードと前記内周側端部との距離は、前記ノードと前記外周端部との距離より短いことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項記載のアキシャルギャップモータ。
- 前記第1の曲線と前記第2の曲線が同一形状であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項記載のアキシャルギャップモータ。
- 前記第1の曲線と前記第2の曲線が前記動径方向軸に対して互いに反転関係であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項記載のアキシャルギャップモータ。
- 前記ロータは前記ステータを介して対向する第1のロータ及び第2のロータからなり、前記第1のロータ及び前記第2のロータは、それぞれ前記第1のマグネット及び前記第2のマグネットを備え、
前記第1のマグネットは、周方向右回りに前記第1の曲線及び前記第2の曲線により確定する側面を有し、
前記第2のマグネットは、周方向右回りに前記第2の曲線及び前記第1の曲線により確定する側面を有し、
前記第1のロータの前記第1のマグネットは、前記第2のロータの前記第2のマグネットと対向し、
前記第1のロータの前記第2のマグネットは、前記第2のロータの前記第1のマグネットと対向することを特徴とする請求項7項記載のアキシャルギャップモータ。
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