JP7300525B2 - アキシャルギャップ型モータ - Google Patents

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Description

本発明は、アキシャルギャップ型モータに関する。
複数の界磁用磁石を有し且つ回転軸を中心として回転可能なロータと、ステータコア及びステータコイルを有するステータとが、前記回転軸の軸線方向に位置するアキシャルギャップ型モータが知られている。このようなアキシャルギャップ型モータとして、例えば特許文献1に開示されているアキシャルギャップ型モータが知られている。
前記アキシャルギャップ型モータでは、ロータは、シャフトに取り付けられた円環状のバックヨークと、このバックヨークのステータ側の一面に設けられた複数の永久磁石とを有する。前記特許文献1の図1等に開示されているように、前記永久磁石の形状は、円弧状である。前記ロータは、ステータに対して、前記ロータの回転軸の軸線方向に位置する。
前記ステータのステータコアは、前記シャフトに対して略直交するように配置された円環状のバックヨークと、このバックヨークにおいてロータに近い一面に設けられた圧粉鉄心のティースとを有する。このティースは、前記シャフトに沿って延びており、前記シャフトの周りに複数個設けられている。前記ティースには、軸周りにコイルが巻回されている。前記ティースは、前記バックヨークに対して、圧入や接着等によって固定されている。
なお、前記特許文献1の図1等に開示されているように、前記ティースの形状は、三角形状である。
特許5040407号公報
ところで、上述のような構成を有するアキシャルギャップ型モータは、小型化等の観点から、できるだけ出力トルクを大きくすることが望まれている。このようにアキシャルギャップ型モータの出力トルクを増大する場合には、前記特許文献1に開示されているように、ロータの永久磁石をできるだけ大きくすることが好ましい。
ロータの永久磁石及びステータのティースのそれぞれの形状を前記特許文献1のような形状にした場合、アキシャルギャップ型モータの出力トルクの増大は可能であるが、前記アキシャルギャップ型モータの出力トルクに含まれるコギングトルク及びトルクリプルも増大する。
出力トルクに含まれるコギングトルク及びトルクリプルは、モータの性能に大きく影響を与える。そのため、前記出力トルクに含まれるコギングトルク及びトルクリプルを低減することが求められている。しかしながら、前記出力トルクに含まれるコギングトルク及びトルクリプルを低減しようとすると、前記出力トルク自体も低下する可能性がある。よって、前記出力トルクの低下を抑制しつつ、前記出力トルクに含まれるコギングトルク及びトルクリプルを低減可能なアキシャルギャップ型モータが求められている。
本発明は、出力トルクの低下を抑制しつつ、前記出力トルクに含まれるコギングトルク及びトルクリプルを低減可能なアキシャルギャップ型モータを提供することを目的とする。
本願発明者らは、出力トルクの低下を抑制しつつ、前記出力トルクに含まれるコギングトルク及びトルクリプルを低減可能なアキシャルギャップ型モータの構成について検討した。本願発明者らは、鋭意検討の結果、以下のような構成に想到した。
本発明の一実施形態に係るアキシャルギャップ型モータは、複数の界磁用磁石を有し、回転軸を中心として回転可能なロータと、前記ロータに対して前記回転軸の軸線方向に位置し、ヨーク及び該ヨークに対して前記回転軸の周りに周方向に並んだ複数のティースを有する筒状のステータコアと、前記複数のティースにそれぞれ巻回されるステータコイルと、を備えたアキシャルギャップ型モータである。前記複数のティースは、それぞれ、圧粉粒子によって形成されていて、前記複数のティースを前記軸線方向に見て、前記ステータコアの径方向に延びるとともに、各ティースの径方向外端に位置するティース径方向外端部の周方向長さが、各ティースの径方向内端に位置するティース径方向内端部の周方向長さよりも大きい台形状である。前記複数のティースのうち周方向に隣り合うティースは、前記ステータコイルを収容可能で且つ前記複数のティースを前記軸線方向に見て長方形状のスロットを構成する。前記複数の界磁用磁石は、各界磁用磁石の径方向内端に位置する磁石径方向内端部の周方向長さが、各界磁用磁石の径方向外端に位置する磁石径方向外端部の周方向長さと同等以上であり、前記ロータと前記ステータコアとが前記回転軸を中心として相対回転した際に、前記複数の界磁用磁石及び前記複数のティースを前記軸線方向に見て、前記界磁用磁石の一部が、前記ティースにおいて径方向中央よりも径方向内方に位置するティース径方向内部に対して最初に重なり、前記ティースに対して前記界磁用磁石がq軸位置に位置している際に、前記複数の界磁用磁石及び前記複数のティースを前記軸線方向に見て、前記複数の界磁用磁石のうち隣り合う界磁用磁石が1つのティースとそれぞれ重なるように構成されている。
ティースは、圧粉粒子によって形成されていて、前記ティースを軸線方向に見て、ステータコアの径方向に延びるとともにティース径方向外端部の周方向長さがティース径方向内端部の周方向長さよりも大きい台形状である。前記界磁用磁石は、磁石径方向内端部の周方向長さが磁石径方向外端部の周方向長さと同等以上である。このような前記ティース及び前記界磁用磁石の形状により、ロータがステータに対して回転軸を中心として回転した際に、前記ロータ及び前記ステータを前記軸線方向に見て、前記界磁用磁石は、前記ティースに対して前記ティース径方向内部に最初に重なる。アキシャルギャップ型モータの出力トルクは、前記界磁用磁石によって、前記ティースのティース径方向内部に生じる磁束に大きく影響を受ける。上述のように、前記ロータと前記ステータとが回転軸を中心として相対回転した際に、前記ロータ及び前記ステータを前記軸線方向に見て、前記界磁用磁石は、前記ティース径方向内部に最初に重なることにより、前記アキシャルギャップ型モータの出力トルクの低下を抑制できる。
しかも、上述の構成では、前記ティースに対して前記界磁用磁石がq軸位置に位置している際に、複数の界磁用磁石及び複数のティースを前記軸線方向に見て、前記複数の界磁用磁石のうち隣り合う界磁用磁石が1つのティースとそれぞれ重なる。これにより、前記複数の界磁用磁石によって前記ティースに生じる磁束が大きく変化するのを抑制できる。このように、前記ロータの界磁用磁石によって前記ステータのティースに生じる磁束の変化を抑制することにより、前記ロータに生じるトルク脈動を抑制することができる。したがって、前記アキシャルギャップ型モータの出力トルクに含まれるコギングトルク及びトルクリプルを低減することができる。
したがって、出力トルクの低下を抑制しつつ、前記出力トルクに含まれるコギングトルク及びトルクリプルを低減可能なアキシャルギャップ型モータを提供することができる。
他の観点によれば、本発明のアキシャルギャップ型モータは、以下の構成を含むことが好ましい。前記複数の界磁用磁石は、前記ティースに対して前記界磁用磁石がq軸位置に位置している際に、前記ロータ及び前記ステータコアを前記軸線方向に見て、前記界磁用磁石が前記ティースの径方向に延びるティース周方向端部を覆うように構成されている。
これにより、ティースに対して界磁用磁石がq軸位置に位置している際に、ロータ及びステータコアを軸線方向に見て、前記ステータコアのティースのティース周方向端部には、前記ロータの界磁用磁石が重なっている。よって、前記界磁用磁石によって前記ティースに生じる磁束が、前記q軸位置で大きく変動するのを抑制できる。
しかも、上述の構成により、ティースに対して界磁用磁石が前記q軸位置に位置している状態で前記ステータコアのティースのティース周方向端部に前記ロータの界磁用磁石が重なっていない場合に比べて、アキシャルギャップ型モータの出力トルクを増大させることができる。
したがって、出力トルクの低減を抑制しつつ、前記出力トルクに含まれるコギングトルク及びトルクリプルを低減可能なアキシャルギャップ型モータを提供することができる。
他の観点によれば、本発明のアキシャルギャップ型モータは、以下の構成を含むことが好ましい。前記複数の界磁用磁石は、前記ロータと前記ステータコアとが前記回転軸を中心として相対回転した際に、前記ロータ及び前記ステータコアを前記軸線方向に見て、前記複数のティースにおける各ティース径方向内部に対し、前記複数の界磁用磁石のうち少なくとも一つの界磁用磁石の前記磁石径方向内端部が常時重なるような大きさを有する。
これにより、ロータとステータコアとが回転軸を中心として相対回転した際に、前記ロータの界磁用磁石によって前記ステータコアのティースに生じる磁束が、q軸位置で大きく変動するのを抑制できる。しかも、上述の構成により、前記ロータが前記ステータコアに対して回転軸を中心として回転した際に、前記ロータ及び前記ステータコアを軸線方向に見て前記磁石径方向内端部が前記複数のティースに常時重ならない場合に比べて、アキシャルギャップ型モータの出力トルクを増大させることができる。
他の観点によれば、本発明のアキシャルギャップ型モータは、以下の構成を含むことが好ましい。前記複数の界磁用磁石は、前記ロータを前記軸線方向に見て、前記磁石径方向内端部の周方向長さが前記磁石径方向外端部の周方向長さと同等である矩形状である。
これにより、ロータとステータコアとが回転軸を中心として相対回転した際に、出力トルクに含まれるコギングトルク及びトルクリプルを低減しつつ、前記ロータ及び前記ステータコアを軸線方向に見て、前記ロータの界磁用磁石と前記ステータコアのティースとが重なる領域をできるだけ大きくすることができる。
したがって、出力トルクの低下を抑制しつつ、前記出力トルクに含まれるコギングトルク及びトルクリプルを低減可能なアキシャルギャップ型モータを提供することができる。
他の観点によれば、本発明のアキシャルギャップ型モータは、以下の構成を含むことが好ましい。前記複数の界磁用磁石は、前記ロータ及び前記ステータコアを前記軸線方向に見て、前記磁石径方向内端部が前記ティース径方向内端部よりも径方向外方に位置するように構成されている。
これにより、ロータ及びステータコアを軸線方向に見て界磁用磁石の磁石径方向内端部がティース径方向内端部よりも径方向内方に位置する場合に比べて、出力トルクを増大することができる。
本明細書で使用される専門用語は、特定の実施例のみを定義する目的で使用されるのであって、前記専門用語によって発明を制限する意図はない。
本明細書で使用される「及び/または」は、一つまたは複数の関連して列挙された構成物のすべての組み合わせを含む。
本明細書において、「含む、備える(including)」「含む、備える(comprising)」または「有する(having)」及びそれらの変形の使用は、記載された特徴、工程、要素、成分、及び/または、それらの等価物の存在を特定するが、ステップ、動作、要素、コンポーネント、及び/または、それらのグループのうちの1つまたは複数を含むことができる。
本明細書において、「取り付けられた」、「接続された」、「結合された」、及び/または、それらの等価物は、広義の意味で使用され、“直接的及び間接的な”取り付け、接続及び結合の両方を包含する。さらに、「接続された」及び「結合された」は、物理的または機械的な接続または結合に限定されず、直接的または間接的な接続または結合を含むことができる。
他に定義されない限り、本明細書で使用される全ての用語(技術用語及び科学用語を含む)は、本発明が属する技術分野の当業者によって一般的に理解される意味と同じ意味を有する。
一般的に使用される辞書に定義された用語は、関連する技術及び本開示の文脈における意味と一致する意味を有すると解釈されるべきであり、本明細書で明示的に定義されていない限り、理想的または過度に形式的な意味で解釈されることはない。
本発明の説明においては、いくつもの技術および工程が開示されていると理解される。これらの各々は、個別の利益を有し、他に開示された技術の1つ以上、または、場合によっては全てと共に使用することもできる。
したがって、明確にするために、本発明の説明では、不要に個々のステップの可能な組み合わせをすべて繰り返すことを控える。しかしながら、本明細書及び特許請求の範囲は、そのような組み合わせがすべて本発明の範囲内であることを理解して読まれるべきである。
本明細書では、本発明に係るアキシャルギャップ型モータの実施形態について説明する。
以下の説明では、本発明の完全な理解を提供するために多数の具体的な例を述べる。しかしながら、当業者は、これらの具体的な例がなくても本発明を実施できることが明らかである。
よって、以下の開示は、本発明の例示として考慮されるべきであり、本発明を以下の図面または説明によって示される特定の実施形態に限定することを意図するものではない。
[アキシャルギャップ型モータ]
本明細書において、アキシャルギャップ型モータとは、ロータとステータとが前記ロータの回転軸の軸線方向に並んで位置し、前記ロータが前記回転軸を中心として回転するモータを意味する。前記ロータは、前記回転軸の周りに周方向に並んだ複数の界磁用磁石を有する。前記ステータは、前記回転軸の周りに周方向に並んだ複数のティースを有する。前記複数のティースには、それぞれ、ステータコイルが巻回されている。前記ロータの前記複数の界磁用磁石と前記ステータの前記複数のティースとは、前記軸線方向に対向して配置されている。これにより、前記アキシャルギャップ型モータは、前記複数の界磁用磁石と前記複数のティースとの間に前記軸線方向にギャップ(アキシャルギャップ)を有する。
[圧粉粒子]
本明細書において、圧粉粒子とは、磁性材料の粒子を含む粉粒体である。圧粉粒子を加圧成形することにより、例えば、圧粉ティースが形成される。圧粉粒子によって、ベースヨークが形成されてもよい。
[ティース径方向外端部]
本明細書において、ティース径方向外端部とは、ステータコアの径方向に延びるティースにおいて、径方向の外端に位置する部分を意味する。前記ティース径方向外端部の周方向長さは、例えば、前記ティース径方向外端部のうち最外周に位置する部分の周方向長さを意味する。
[ティース径方向内端部]
本明細書において、ティース径方向内端部とは、ステータコアの径方向に延びるティースにおいて、径方向の内端に位置する部分を意味する。前記ティース径方向内端部の周方向長さは、例えば、前記ティース径方向内端部のうち最内周に位置する部分の周方向長さを意味する。
[ティース径方向内部]
本明細書において、ティース径方向内部とは、ステータコアの径方向に延びるティースにおいて、径方向中央よりも径方向内方に位置する部分を意味する。前記ティース径方向内部は、前記ティース径方向内端部を含む。
[磁石径方向外端部]
本明細書において、磁石径方向外端部とは、ステータコアの径方向において界磁用磁石の径方向の外端に位置する部分を意味する。前記磁石径方向外端部の周方向長さは、例えば、前記磁石径方向外端部のうち最外周に位置する部分の周方向長さを意味する。
[磁石径方向内端部]
本明細書において、磁石径方向内端部とは、ステータコアの径方向において界磁用磁石の径方向の内端に位置する部分を意味する。前記磁石径方向内端部の周方向長さは、例えば、前記磁石径方向内端部のうち最内周に位置する部分の周方向長さを意味する。
[q軸位置]
本明細書において、ティースに対して界磁用磁石がq軸位置に位置するとは、ロータ及びステータコアを軸線方向に見て、前記ティースの周方向中央が、前記ロータの複数の界磁用磁石のうち周方向に隣り合う界磁用磁石の間隔の周方向中央と重なる位置に位置している状態を意味する。
本発明の一実施形態によれば、出力トルクの低下を抑制しつつ、前記出力トルクに含まれるコギングトルク及びトルクリプルを低減可能なアキシャルギャップ型モータを提供することができる。
図1は、実施形態に係るアキシャルギャップ型モータを第1方向に見た図である。 図2は、図1におけるII-II線断面図である。 図3は、ベースヨークの概略構成を示す図である。 図4Aは、圧粉ティースの概略構成を示す斜視図である。 図4Bは、圧粉ティースを軸線方向に見た図である。 図5は、樹脂ボビンの概略構成を示す斜視図である。 図6は、樹脂ボビンの圧粉ティース収容空間内に圧粉ティースが挿入され、且つ、樹脂ボビンの側面上にステータコイルが巻回された状態を示す斜視図である。 図7は、ステータを、第1方向に見た図である。 図8は、ステータを、第2方向に見た図である。 図9は、ステータに対して、ロータが回転軸線を中心として回転する様子を軸線方向に見た図である。 図10は、(a)本実施形態の界磁用磁石とステータの圧粉ティースとの位置関係、(b)台形の界磁用磁石とステータの圧粉ティースとの位置関係、(c)本実施形態の界磁用磁石よりも狭い幅を有する界磁用磁石とステータの圧粉ティースとの位置関係を、それぞれ示す図である。 図11は、台形状の界磁用磁石の斜辺の傾きを変えることにより、界磁用磁石が圧粉ティースに対してq軸位置に位置している際に、前記界磁用磁石及び前記圧粉ティースを軸線方向に見て、前記界磁用磁石と前記圧粉ティースとの交点位置が変化することを模式的に示す図である。 図12は、図11に示すように交点位置が変化した場合に、前記交点位置と、アキシャルギャップ型モータの出力トルクの平均トルク及び該出力トルクに含まれるトルクリップル及びコギングトルクとの関係を示すグラフである。
以下で、実施形態について、図面を参照しながら説明する。各図において、同一部分には同一の符号を付して、その同一部分の説明は繰り返さない。なお、各図中の構成部材の寸法は、実際の構成部材の寸法及び各構成部材の寸法比率等を忠実に表したものではない。
以下、アキシャルギャップ型モータ1の回転軸線Pが延びる方向を「軸線方向」といい、アキシャルギャップ型モータ1の回転子の径方向を「径方向」という。また、アキシャルギャップ型モータ1のロータ2が回転軸線Pを中心として回転する方向を「周方向」という。なお、前記径方向は、アキシャルギャップ型モータ1の回転軸線Pに直交する方向である。
また、以下の説明において、前記軸線方向のうち、ステータ3及びロータ2の順に並ぶ方向を第1方向という。前記軸線方向のうち、ロータ2及びステータ3の順に並ぶ方向を第2方向という。
<全体構成>
図1及び図2を用いて、実施形態1に係るアキシャルギャップ型モータ1を説明する。図1は、アキシャルギャップ型モータ1の概略構成を示す平面図である。この図1は、アキシャルギャップ型モータ1のステータ3を、第1方向に見た図である。図2は、アキシャルギャップ型モータ1を径方向にII-II線で切断した場合の断面を示す断面図である。
図2に示すように、本実施形態に係るアキシャルギャップ型モータ1は、例えば、ロータ2とステータ3とが軸線方向に並んで位置し、ロータ2が回転軸線Pを中心として回転するモータである。
アキシャルギャップ型モータ1は、ロータ2と、ステータ3とを有する。ロータ2及びステータ3は、前記軸線方向に対向して位置する。ロータ2及びステータ3は、前記軸線方向に所定のギャップ4を有するように配置されている。
ロータ2は、ステータ3に対し、回転軸線Pを中心として回転する。ロータ2は、ロータヨーク21と、複数の界磁用磁石22とを有する。
ロータヨーク21は、例えば、強磁性体の鋼板によって構成されたハット状の部材である。すなわち、ロータヨーク21は、有底円筒状のロータヨーク突出部21aと、ロータヨーク突出部21aを囲むように設けられている円環状のロータヨーク鍔部21bとを有する。
ロータヨーク突出部21aには、図示しないロータシャフトが貫通している。前記ロータシャフトは、ロータヨーク突出部21aと接続されている。これにより、ロータヨーク21は、前記ロータシャフトと一体で回転する。前記ロータシャフトの軸線は、回転軸線Pと一致している。ロータヨーク突出部21aの突出方向は、回転軸線Pの軸線方向のうち第2方向である。ロータヨーク突出部21a及びロータヨーク鍔部21bは一体で形成されている。アキシャルギャップ型モータ1において、ロータヨーク突出部21aは、後述する円環状のステータ3の径方向内方に位置する。
なお、ロータヨークの形状は、円盤状や円筒状などのように、ハット状以外の形状であってもよい。ロータヨークは、後述の界磁用磁石22を保持した状態でロータシャフトとともに回転可能な形状であれば、どのような形状を有していてもよい。
界磁用磁石22は、矩形の平板部材である。界磁用磁石22は、ロータヨーク鍔部21bに固定されている。本実施形態では、界磁用磁石22は、ロータヨーク鍔部21bにおいてロータヨーク突出部21aの突出方向に位置する面上に固定されている。ロータヨーク鍔部21b上には、複数の界磁用磁石22が、周方向に所定の間隔で並んでいる。これにより、ロータ2が回転軸線Pを中心として回転すると、界磁用磁石22も、回転軸線Pを中心として回転する。界磁用磁石22の詳しい説明は後述する。
なお、ロータヨーク鍔部21bに対する界磁用磁石22の固定方法は、接着、ねじ止め、溶接、溶着など、どのような固定方法でもよい。界磁用磁石22の形状は、丸形などのように他の形状であってもよいし、棒状などのように板状以外の形状であってもよい。
界磁用磁石22は、厚み方向に磁束を生じる。すなわち、本実施形態では、界磁用磁石22によって生じる磁束の方向は、ロータ2において、軸線方向である。なお、界磁用磁石22によって生じる磁束の方向は、モータの構造に応じて変えてもよい。
ステータ3は、全体として円筒状に構成されている。ステータ3は、その径方向内方にロータヨーク突出部21aが位置するように、ロータ2に対して軸線方向に並んで位置する。ステータ3は、ステータコア30と、ステータコイル33と、樹脂ボビン34とを有する。ステータコア30は、ベースヨーク31と、複数の圧粉ティース32(ティース)とを有する。本実施形態のステータ3では、ベースヨーク31と複数の圧粉ティース32とは別体である。
図3は、ベースヨーク31の概略構成を示す平面図である。ベースヨーク31は、例えば電磁鋼板などの円環板状の磁性体によって構成されている。なお、ベースヨーク31は、磁性体であれば、電磁鋼板を厚み方向に積層することによって構成されていてもよいし、圧粉やアモルファス材料等によって構成されていてもよい。
ベースヨーク31は、周方向に並ぶ複数の挿入孔としての複数のティース孔35を有する。複数のティース孔35内には、それぞれ、後述の圧粉ティース32が挿入されている。ステータ3は、隣り合う圧粉ティース32間に、該圧粉ティース32に巻回されたステータコイル33が収容されるスロット37を有する。本実施形態では、図1に破線で示すように、スロット37は、ステータ3を軸線方向に見て、長方形状である。すなわち、詳しくは後述するように、圧粉ティース32は、ステータ3を軸線方向に見て、長方形状のスロット37を構成するような断面台形状を有する。なお、図1では、スロット37を1つのみ図示しているが、隣り合う圧粉ティース32間には、それぞれ、長方形状のスロット37が形成構成される。
図1に示すように、ティース孔35は、ステータ3を軸線方向に見て、ベースヨーク31の径方向に延びている。また、ティース孔35では、ステータ3を前記軸線方向に見て、各ティース孔35の径方向外端を構成するベースヨーク31の端面を含むティース孔径方向外端部35aの周方向長さが、各ティース孔35において径方向内端を構成するベースヨーク31の端面を含むティース孔径方向内端部35bの周方向長さよりも大きい。つまり、ティース孔35は、ステータ3を前記軸線方向に見て、ベースヨーク31の径方向外方に向かうほど周方向の幅が大きい台形状である。
ティース孔35は、円環板状のベースヨーク31の最内周部に、径方向に延びるスリット35cを有する。これにより、ティース孔35は、ベースヨーク31の内方に向かって開口している。スリット35cの周方向の幅は、ティース孔のティース孔径方向内端部35bの周方向長さよりも小さい。
ベースヨーク31は、周方向に並ぶ複数の位置決め部挿入孔36を有する。複数の位置決め部挿入孔36には、それぞれ、後述の樹脂ボビン34の圧粉ティース位置決め部34cが挿入されている。ベースヨーク31は、ティース孔35の数と同じ数の位置決め部挿入孔36を有する。位置決め部挿入孔36は、ティース孔35よりもベースヨーク31の径方向外方に位置している。つまり、圧粉ティース32がティース孔35内に挿入された状態で、位置決め部挿入孔36は、圧粉ティース32よりも径方向外方に位置している。
本実施形態では、位置決め部挿入孔36は、ティース孔35のティース孔径方向外端部35aに設けられた切り欠きによって構成されている。すなわち、位置決め部挿入孔36は、ティース孔径方向外端部35aの少なくとも一部に連続して設けられている。位置決め部挿入孔36の周方向長さは、ティース孔径方向外端部35aの周方向長さよりも小さい。
なお、位置決め部挿入孔は、ティース孔35よりもベースヨーク31の径方向内方に位置していてもよい。つまり、圧粉ティース32がティース孔35内に挿入された状態で、位置決め部挿入孔36は、圧粉ティース32よりも径方向内方に位置していてもよい。
図4Aは、圧粉ティース32の概略構成を示す斜視図である。図4Bは、圧粉ティース32を軸線方向に見た図である。圧粉ティース32は、磁性材料の粒子を含む粉粒体によって構成されている。具体的には、圧粉ティース32は、成形型を用いて前記粉粒体を所定の圧力で柱状に成形することによって構成されている。
圧粉ティース32は、台形の断面を有し且つ回転軸線Pの軸線方向に延びる柱状部品である。圧粉ティース32は、ベースヨーク31のティース孔35内に、ベースヨーク31の厚み方向と圧粉ティース32の軸線方向とが一致するように挿入されている。これにより、圧粉ティース32は、ベースヨーク31に対して回転軸線Pの周りに周方向に並んで配置されている。
圧粉ティース32は、圧粉ティース32をベースヨーク31のティース孔35内に挿入した状態で、圧粉ティース32を回転軸線Pの軸線方向に見て、ステータ3の径方向に延びるとともに、圧粉ティース32の径方向外端に位置する圧粉ティース径方向外端部32a(ティース径方向外端部)の周方向長さが、各圧粉ティース32において径方向内端に位置する圧粉ティース径方向内端部32b(ティース径方向内端部)の周方向長さよりも大きい。
圧粉ティース32は、台形の断面において短辺を構成する圧粉ティース径方向内端部32bの表面である圧粉ティース底面41と、前記断面において長辺を構成する圧粉ティース径方向外端部32aの表面である圧粉ティース上面42と、前記断面において圧粉ティース底面41と圧粉ティース上面42とを結ぶ斜辺を構成する圧粉ティース周方向端部32c(ティース周方向端部)の表面である圧粉ティース側面43とを有する。圧粉ティース周方向端部32cは、圧粉ティース32の周方向の端部に位置し且つ圧粉ティース32がベースヨーク31に取り付けられた状態でステータコア30の径方向に延びている。本実施形態では、圧粉ティース32の断面形状及び断面積は、回転軸線Pの軸線方向において同じである。
なお、柱状の圧粉ティース32は、前記軸線方向において前記断面の縦寸法及び横寸法の少なくとも一方が徐々に小さくなっていてもよい。すなわち、圧粉ティース32は、前記軸線方向に抜き勾配(draft angle)を有していてもよい。
上述の構成を有するアキシャルギャップ型モータ1において、圧粉ティース32は、以下の寸法関係を有する台形状であってもよい。
ステータ3のスロット数:S
オフセット量:w
ステータ3の中心から圧粉ティース底面41までの距離:r1
ステータ3の中心から圧粉ティース上面42までの距離:r2
としたとき、圧粉ティース32は、以下で定義される台形状であってもよい。
コア高さ:r1-r2
斜辺のなす角:2π/S
上面長さ:2×(r2-w/sin(π/S) )×tan(π/S)
底面長さ:2×(r1-w/sin(π/S) )×tan(π/S)
上述の関係を有する台形状の圧粉ティース32を、ベースヨーク31のティース孔35内に挿入することにより、周方向に隣り合う圧粉ティース32の圧粉ティース側面43は、平行である。これにより、周方向に隣り合う圧粉ティース32同士の間に、圧粉ティース32にステータコイル33を巻線する空間を確保することができる。
なお、前記平行は、隣り合う圧粉ティース32の圧粉ティース側面43同士が完全に交わらない場合だけでなく、隣り合う圧粉ティース32の圧粉ティース側面43同士のなす角が90度未満の場合も含む。
上述の構成により、ステータ3におけるステータコイル33の占積率が増えるため、同一断面積のステータコイル33の巻き数を増やすことができる。よって、アキシャルギャップ型モータ1の出力トルクを向上することができる。また、上述のようにステータコイル33の占積率を大きくできることにより、ステータコイル33の径を大きくしたり、ステータコイル33として角線やエッジワイズ線を巻線したりすることができる。また、ステータコイル33の占積率が増えると、ステータコイル33の電気抵抗を小さくすることができ、ステータコイル33の発熱の原因となる銅損の低減も可能となる。
また、上述の構成により、ステータコイル33の抵抗を合わせるために巻き線径を大きくする必要はあるが、Alのコイルも巻くことができる。これにより、アキシャルギャップ型モータ1の軽量化も図れる。
複数の圧粉ティース32には、それぞれ、樹脂ボビン34が装着されている。図5は、樹脂ボビン34の概略構成を示す斜視図である。樹脂ボビン34は、有底筒状の樹脂製部材である。詳しくは、樹脂ボビン34は、側面部34aと、底面部34bと、圧粉ティース位置決め部34cとを有する。本実施形態では、側面部34a、底面部34b及び圧粉ティース位置決め部34cは、一体で形成されている。
側面部34aは、断面台形状の圧粉ティース32を収容可能な断面台形状の圧粉ティース収容空間Sを区画形成するように構成されている。底面部34bは、側面部34aに対して、樹脂ボビン34の軸線方向の一方に設けられていて、圧粉ティース収容空間Sにおける前記軸線方向の一方を区画する。圧粉ティース収容空間Sにおける前記軸線方向の他方は、樹脂ボビン34の側面部34aによって囲まれた開口部34dによって構成されている。なお、前記軸線方向は、アキシャルギャップ型モータ1における回転軸線Pの軸線方向と一致している。
圧粉ティース収容空間Sにおける前記軸線方向の長さは、圧粉ティース32における前記軸線方向の長さよりも小さい。よって、圧粉ティース収容空間S内に圧粉ティース32が収容された状態で、圧粉ティース32は、側面部34aに対して前記軸線方向に突出する。
圧粉ティース位置決め部34cは、開口部34dを構成する側面部34aから前記軸線方向に延びるように突出する突出部である。圧粉ティース位置決め部34cは、ベースヨーク31の位置決め部挿入孔36内に挿入可能な形状を有する。
図6は、樹脂ボビン34の圧粉ティース収容空間S内に圧粉ティース32が挿入され、且つ、樹脂ボビン34の側面34a上にステータコイル33が巻回された状態を示す斜視図である。図6に示すように、樹脂ボビン34の圧粉ティース収容空間S内に圧粉ティース32が挿入されることにより、圧粉ティース32は、樹脂ボビン34によって覆われる。樹脂ボビン34の側面部34a上には、ステータコイル33が巻回される。これにより、圧粉ティース32は、ステータコイル33に対して電気的に絶縁される。
図7は、樹脂ボビン34及び圧粉ティース32を、ベースヨーク31に対して取り付けた状態を、第1方向に見た図である。図8は、樹脂ボビン34及び圧粉ティース32を、ベースヨーク31に対して取り付けた状態を、第2方向に見た図である。図7及び図8に示すように、圧粉ティース収容空間S内に圧粉ティース32が収容され且つ側面部34a上にステータコイル33が巻回された樹脂ボビン34は、圧粉ティース位置決め部34cがベースヨーク31の位置決め部挿入孔36内に挿入されるように、ベースヨーク31に対して取り付けられる。これにより、圧粉ティース32は、ベースヨーク31のティース孔35内に、圧粉ティース32の圧粉ティース径方向内端部32bがティース孔35のティース孔径方向内端部35bと接触するように、位置付けられる。したがって、ベースヨーク31に対する樹脂ボビン34及び圧粉ティース32の位置が決まる。
また、周方向に隣り合う圧粉ティース32を覆う樹脂ボビン34の間には、ステータ3を軸線方向に見て、長方形状のスロット37が形成される。よって、スロット37内に、樹脂ボビン34の側面部34a上に巻回されたステータコイル33が収容される。
以上の構成により、ベースヨーク31の複数のティース孔35内にそれぞれ圧粉ティース32が挿入されたステータ3が構成される。
なお、上述の構成を有するステータ3は、特に図示しないが、樹脂を用いたインサート成形によって、樹脂封止されてもよい。
このようにステータ3のベースヨーク31及び圧粉ティース32を、ステータ組み立ての最終工程で樹脂封止することにより、アキシャルギャップ型モータ1で生じるトルク反力に対して、ベースヨーク31及び圧粉ティース32に応力集中が生じることを抑制できる。これにより、脆性な性質を有する圧粉ティース32の強度の担保も可能である。
<界磁用磁石>
次に、ロータ2の界磁用磁石22について、図9及び図10を用いて詳しく説明する。図9は、ステータ3に対して、ロータ2が回転軸線Pを中心として回転する様子を、軸線方向に見た図である。図10は、(a)本実施形態の界磁用磁石22とステータ3の圧粉ティース32との位置関係、(b)台形の界磁用磁石122とステータ3の圧粉ティース32との位置関係、(c)本実施形態の界磁用磁石22よりも狭い幅を有する界磁用磁石222とステータ3の圧粉ティース32との位置関係を、それぞれ示す図である。なお、図10の(a)、(b)、(c)の各図において、上図、中央図及び下図の順に、界磁用磁石22,122,222が圧粉ティース32に対して周方向に移動する様子を示している。
本実施形態のアキシャルギャップ型モータ1では、ロータ2は、上述の構成を有するステータ3に対し、軸線方向に離間した位置に位置する。ロータ2は、ステータコイル33に対する通電により圧粉ティース32に生じる磁束とロータ2の界磁用磁石22によって生じる磁束とにより、回転軸線Pを中心として回転する方向に力を受ける。アキシャルギャップ型モータ1では、このようなロータ2の回転によって生じるトルクが、出力トルクとして出力される。
図9に白抜き矢印で示すように、ロータ2の界磁用磁石22は、ステータ3の圧粉ティース32に対して、回転軸線Pを中心として相対回転する。なお、説明のために、図9では、ロータ2のロータヨーク21及びステータ3の樹脂ボビン34の図示を省略し、ステータコイル33を一点鎖線で示す。
界磁用磁石22は、長方形状の板部材である。界磁用磁石22の径方向内端に位置する磁石径方向内端部22bの周方向長さと界磁用磁石22の径方向外端に位置する磁石径方向外端部22aの周方向長さとは同等である。なお、磁石径方向内端部22bの周方向長さと磁石径方向外端部22aの周方向長さとが同等であれば、界磁用磁石は、平面視で円弧状の辺を有する形状であってもよいし、互いの辺が平行でなくてもよい。
界磁用磁石において、磁石径方向内端部の周方向長さが磁石径方向外端部の周方向長さよりも大きくてもよい。
界磁用磁石22は、ロータヨーク21のロータヨーク鍔部21bに、周方向に等間隔に並んで複数設けられている。界磁用磁石22は、ロータ2の径方向において、磁石径方向内端部22bが圧粉ティース径方向内端部32bよりも径方向外方に位置する。すなわち、ロータ2及びステータ3を軸線方向に見て、圧粉ティース32の圧粉ティース径方向内端部32bは、界磁用磁石22の磁石径方向内端部22bと重ならない部分を含む。界磁用磁石22は、ロータ2の径方向において、磁石径方向外端部22aが圧粉ティース径方向外端部32aよりも径方向外方に位置する。
ロータ2がステータ3に対して回転軸線Pを中心として回転して、図10(a)に示すように、界磁用磁石22及び圧粉ティース32を軸線方向に見て、界磁用磁石22が圧粉ティース32に対して重なる際に、最初に、界磁用磁石22の磁石径方向内端部22bが圧粉ティース32において径方向中央よりも径方向内方に位置する圧粉ティース径方向内部Uに対して重なる。界磁用磁石22が圧粉ティース32に対してq軸位置に位置している際に、界磁用磁石22及び圧粉ティース32を軸線方向に見て、周方向に隣り合う界磁用磁石22は、1つの圧粉ティース32に重なっている。
このような構成により、ステータコイル33に対する通電により圧粉ティース32に生じる磁束と界磁用磁石22に生じる磁束とによってロータ2に生じる回転力を、大きくすることができる。したがって、上述の構成を有さないアキシャルギャップ型モータに比べて、出力トルクを増大させることができる。
しかも、界磁用磁石22及び圧粉ティース32を軸線方向に見て、界磁用磁石22が圧粉ティース32と重なる際に、重なる範囲が急激に増加するのを防止できる。よって、アキシャルギャップ型モータ1の出力トルクに含まれるコギングトルク及びトルクリプルを低減することができる。
これに対し、例えば、図10(b)に示すように、界磁用磁石として、平面視で磁石径方向外端部122aの周方向長さが磁石径方向内端部122bの周方向長さよりも大きい台形状の界磁用磁石122を用いた場合には、ロータがステータ3に対して回転軸線Pを中心として回転して、界磁用磁石122及び圧粉ティース32を軸線方向に見て、界磁用磁石122が圧粉ティース32に対して重なり始める際に、界磁用磁石122の磁石周方向端部122cにおける径方向内端部及び径方向中央部がティース32の圧粉ティース側面43に重なる。
よって、図10(b)に示すような界磁用磁石122及び圧粉ティース32の組み合わせの場合には、界磁用磁石122及び圧粉ティース32を軸線方向に見て、界磁用磁石122が圧粉ティース32と重なる際に、それらの重なる範囲が急激に増加する。よって、アキシャルギャップ型モータの出力トルクに含まれるコギングトルク及びトルクリプルが増大する。
なお、図10(b)に示す場合には、界磁用磁石122が圧粉ティース32に対してq軸位置に位置している際に、界磁用磁石122及び圧粉ティース32を軸線方向に見て、周方向に隣り合う界磁用磁石122は、1つの圧粉ティース32に重なっている。よって、本実施形態の界磁用磁石22と同様、アキシャルギャップ型モータの出力トルクとして十分なトルクを得ることができる。
図10(c)に示すように、界磁用磁石として、上述の本実施形態の界磁用磁石22に比べて幅が小さい界磁用磁石222を用いた場合には、界磁用磁石222が圧粉ティース32に対してq軸位置に位置している際に、界磁用磁石222及び圧粉ティース32を軸線方向に見て、周方向に隣り合う界磁用磁石222は、1つの圧粉ティース32に重なっていない。よって、図10(c)の構成では、本実施形態の界磁用磁石22の場合に比べて、アキシャルギャップ型モータの出力トルクは小さい。
また、図10(c)に示すような界磁用磁石222及び圧粉ティース32の組み合わせの場合には、図10(b)と同様、ロータがステータ3に対して回転軸線Pを中心として回転して、界磁用磁石222及び圧粉ティース32を軸線方向に見て、界磁用磁石222が圧粉ティース32に対して重なり始める際に、界磁用磁石222の磁石周方向端部222cにおける径方向内端部及び径方向中央部が圧粉ティース32の圧粉ティース側面43に重なる。
よって、図10(c)に示すような界磁用磁石222及び圧粉ティース32の組み合わせの場合にも、界磁用磁石222及び圧粉ティース32を軸線方向に見て、界磁用磁石222が圧粉ティース32と重なる際に、それらの重なる範囲が急激に増加する。よって、アキシャルギャップ型モータの出力トルクに含まれるコギングトルク及びトルクリプルが増大する。
さらに、図10(c)に示す構成では、ロータがステータ3に対して回転軸線Pを中心として回転した際に、前記ロータ及びステータ3を軸線方向に見て、界磁用磁石222の磁石径方向内端部222bが、圧粉ティース32の圧粉ティース径方向内部に対して重なっていない場合がある(例えば、q軸位置)。これに対し、図10(a)に示す本実施形態の構成では、ロータ2がステータ3に対して回転軸線Pを中心として回転した際に、ロータ2及びステータ3を軸線方向に見て、複数の界磁用磁石22のうち少なくとも一つの界磁用磁石22の磁石径方向内端部22bは、圧粉ティース32の圧粉ティース径方向内部Uに対し、常時重なっている。
これにより、界磁用磁石222の磁石径方向内端部222bが圧粉ティース32の圧粉ティース径方向内部に対して重ならない状態が発生する図10(c)の構成に比べて、アキシャルギャップ型モータの出力トルクを増大させることができるとともに、前記出力トルクに含まれるコギングトルク及びトルクリプルをより確実に低減できる。
図11は、台形状の界磁用磁石の斜辺の傾きを変えることにより、界磁用磁石が圧粉ティース32に対してq軸位置に位置している際に、前記界磁用磁石及び圧粉ティース32を軸線方向に見て、前記界磁用磁石と圧粉ティース32との交点位置が変化することを模式的に示す図である。図12は、図11に示すように交点位置が変化した場合に、前記交点位置と、アキシャルギャップ型モータの出力トルクの平均トルク、及び該出力トルクに含まれるトルクリップル及びコギングトルクとの関係を示すグラフである。なお、図12における交点位置AからEは、図11に模式的に示す交点位置AからEに対応している。
図12に示すように、界磁用磁石が圧粉ティース32に対してq軸位置に位置している際に、前記界磁用磁石及び圧粉ティース32を軸線方向に見て、前記界磁用磁石と圧粉ティース32との交点位置が圧粉ティース上面42に位置している場合は、前記交点位置が圧粉ティース側面43に位置している場合よりも、平均トルクが大きく且つトルクリップル及びコギングトルクが小さい。
したがって、ロータ2の界磁用磁石22は、圧粉ティース32に対して界磁用磁石22がq軸位置に位置している際に、ロータ2及びステータ3を軸線方向に見て、圧粉ティース32の圧粉ティース周方向端部32cを覆うように構成されているのが好ましい。
(その他の実施形態)
以上、実施の形態を説明したが、上述した実施の形態は例示に過ぎない。よって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変形して実施することが可能である。
前記実施形態では、圧粉ティース32は、略台形の断面を有する柱状の部材である。しかしながら、圧粉ティースは、他の断面形状を有する柱状の部材であってもよい。また、圧粉ティースは、角部分にR部や面取り部などを有していてもよい。
前記実施形態では、樹脂ボビン34は、側面部34aと、底面部34bと、圧粉ティース位置決め部34cとを有する。しかしながら、樹脂ボビンは、底面部を有していなくてもよい。樹脂ボビンは、断面台形状の側面部の一部を有していなくてもよい。樹脂ボビンは、圧粉ティース位置決め部を有していなくてもよい。
前記実施形態では、界磁用磁石22は、ロータ2の径方向において、磁石径方向内端部22bが圧粉ティース径方向内端部32bよりも径方向外方に位置する。しかしながら、界磁用磁石は、磁石径方向内端部が圧粉ティース径方向内端部と径方向の同じ位置に位置していてもよいし、前記圧粉ティース径方向端部よりも径方向内方に位置していてもよい。
前記実施形態では、界磁用磁石22は、圧粉ティース32に対して界磁用磁石22がq軸位置に位置している際に、ロータ2及びステータ3を軸線方向に見て、圧粉ティース32の圧粉ティース周方向端部32cを覆うように構成されている。しかしながら、界磁用磁石は、圧粉ティースに対して界磁用磁石がq軸位置に位置している際に、ロータ及びステータを軸線方向に見て、圧粉ティースの圧粉ティース周方向端部の一部を覆うように構成されていてもよい。
前記実施形態では、複数の界磁用磁石22は、ロータ2がステータコア30に対して回転軸線Pを中心として回転した際に、ロータ2及びステータコア30を軸線方向に見て、複数の圧粉ティース32における各圧粉ティース径方向内部Uに対し、複数の界磁用磁石22のうち少なくとも一つの界磁用磁石22の磁石径方向内端部22bが常時重なるような大きさを有する。しかしながら、複数の界磁用磁石は、ロータがステータコアに対して回転軸線を中心として回転した際に、ロータ及びステータコアを軸線方向に見て、複数の圧粉ティースにおける各圧粉ティース径方向内部に対し、複数の界磁用磁石のうち少なくとも一つの界磁用磁石の磁石径方向内端部が常時重なっていなくてもよい。
前記実施形態では、ロータ2がステータ3に対して回転軸線Pを中心として回転して、界磁用磁石22及び圧粉ティース32を軸線方向に見て、界磁用磁石22が圧粉ティース32に対して重なる際に、最初に、界磁用磁石22の磁石径方向内端部22bが圧粉ティース32の圧粉ティース径方向内部Uに対して重なる。しかしながら、界磁用磁石が圧粉ティースに対して重なる際に、最初に、前記界磁用磁石の磁石径方向内端部以外の部分が圧粉ティースに対して重なってもよい。
前記実施形態では、ロータ2がステータ3に対して回転軸線Pを中心として回転した際に、ロータ2及びステータ3を軸線方向に見て、複数の界磁用磁石22のうち少なくとも一つの界磁用磁石22の磁石径方向内端部22bは、圧粉ティース32の圧粉ティース径方向内部Uに対し、常時重なっている。しかしながら、界磁用磁石22の磁石径方向内端部22b以外の部分が、圧粉ティースに対して重なっていてもよい。
1 アキシャルギャップ型モータ
2 ロータ
3 ステータ
4 ギャップ
21 ロータヨーク
21a ロータヨーク突出部
21b ロータヨーク鍔部
22、122、222 界磁用磁石
22a、122a 磁石径方向外端部
22b、122b、222b 磁石径方向内端部
122c、222c 磁石周方向端部
30 ステータコア
31 ベースヨーク
32 圧粉ティース(ティース)
32a 圧粉ティース径方向外端部(ティース径方向外端部)
32b 圧粉ティース径方向内端部(ティース径方向内端部)
32c 圧粉ティース周方向端部(ティース周方向端部)
33 ステータコイル
34 樹脂ボビン
34a 側面部
34b 底面部
34c 圧粉ティース位置決め部
34d 開口部
35 ティース孔
35a ティース孔径方向外端部
35b ティース孔径方向内端部
35c スリット
36 位置決め部挿入孔
37 スロット
41 圧粉ティース底面
42 圧粉ティース上面
43 圧粉ティース側面
P 回転軸線
S 圧粉ティース収容空間
U 圧粉ティース径方向内部

Claims (5)

  1. 周方向に並ぶ複数の界磁用磁石を有し、回転軸を中心として回転可能なロータと、
    前記ロータに対して前記回転軸の軸線方向に位置し、ヨーク及び該ヨークに対して前記回転軸の周りに周方向に並んだ複数のティースを有する筒状のステータコアと、
    前記複数のティースにそれぞれ巻回されるステータコイルと、
    を備えたアキシャルギャップ型モータであって、
    前記複数のティースは、それぞれ、
    圧粉粒子によって形成されていて、
    前記複数のティースを前記軸線方向に見て、前記ステータコアの径方向に延びるとともに、各ティースの径方向外端に位置するティース径方向外端部の周方向長さが、各ティースの径方向内端に位置するティース径方向内端部の周方向長さよりも大きい台形状であり、
    前記複数のティースのうち周方向に隣り合うティースは、前記ステータコイルを収容可能で且つ前記複数のティースを前記軸線方向に見て長方形状のスロットを構成し、
    前記複数の界磁用磁石は、
    各界磁用磁石の径方向内端に位置する磁石径方向内端部の周方向長さが、各界磁用磁石の径方向外端に位置する磁石径方向外端部の周方向長さと同等以上であり、
    前記ロータと前記ステータコアとが前記回転軸を中心として相対回転した際に、前記複数の界磁用磁石及び前記複数のティースを前記軸線方向に見て、前記界磁用磁石の一部が、前記ティースにおいて径方向中央よりも径方向内方に位置するティース径方向内部に対して最初に重なり、前記ティースに対して前記界磁用磁石がq軸位置に位置している際に、前記複数の界磁用磁石及び前記複数のティースを前記軸線方向に見て、前記複数の界磁用磁石のうち隣り合う界磁用磁石が1つのティースとそれぞれ重なるように構成されている、
    アキシャルギャップ型モータ。
  2. 請求項1に記載のアキシャルギャップ型モータにおいて、
    前記複数の界磁用磁石は、前記ティースに対して前記界磁用磁石がq軸位置に位置している際に、前記ロータ及び前記ステータコアを前記軸線方向に見て、前記ティースの周方向の端部に位置し且つ前記径方向に延びるティース周方向端部を覆うように構成されている、
    アキシャルギャップ型モータ。
  3. 請求項1または2に記載のアキシャルギャップ型モータにおいて、
    前記複数の界磁用磁石は、前記ロータと前記ステータコアとが前記回転軸を中心として相対回転した際に、前記ロータ及び前記ステータコアを前記軸線方向に見て、前記複数のティースにおける各ティース径方向内部に対し、前記複数の界磁用磁石のうち少なくとも一つの界磁用磁石の前記磁石径方向内端部が常時重なるような大きさを有する、
    アキシャルギャップ型モータ。
  4. 請求項1から3のいずれか一つに記載のアキシャルギャップ型モータにおいて、
    前記複数の界磁用磁石は、前記ロータを前記軸線方向に見て、前記磁石径方向内端部の周方向長さが前記磁石径方向外端部の周方向長さと同等である矩形状である、
    アキシャルギャップ型モータ。
  5. 請求項1から4のいずれか一つに記載のアキシャルギャップ型モータにおいて、
    前記複数の界磁用磁石は、前記ロータ及び前記ステータコアを前記軸線方向に見て、前記磁石径方向内端部が前記ティース径方向内端部よりも径方向外方に位置するように構成されている、
    アキシャルギャップ型モータ。
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