JP2009247158A - アキシャルエアギャップ型電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】ロータマグネットの内径側における磁束の集中を抑えて、鉄損を低減したアキシャルエアギャップ型電動機を提供する。
【解決手段】ロータマグネット３２のステータ２のティース面２２に対向するマグネット面３２１の軸方向の厚さを半径方向の内側から外側に向かって漸次厚くする。
【選択図】図５

Description

本発明は、ロータとステータとが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的に配置されるアキシャルエアギャップ型電動機に関し、さらに詳しく言えば、１マグネット当たりマグネットとステータコアとの間の距離を変えて、磁束集中による鉄損の増加を抑制したアキシャルエアギャップ型電動機に関する。

アキシャルエアギャップ型電動機は、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）をロータの出力軸の軸線方向に所定の空隙をもって対向的に配置した電動機であり、回転軸方向の長さを短くできるという特徴がある。

例えば特許文献１に記載されているアキシャルエアギャップ型電動機において、ステータは、内部に電磁鋼板の積層体からなるコア部材を有する複数のポールメンバーを出力軸の軸線を中心に環状に連結したものからなり、側面にはローターマグネットに対向するコア部材のティース面が露出している。

また、ロータは、円板状のロータバックヨークに複数のロータマグネットが出力軸の軸線を中心に環状に配置されている。各ロータマグネットは、内径側から外径側に向けて周方向の幅が拡がる扇状に形成されている。

特許文献１のロータマグネットは、トルクリップルおよびコギングトルクを低減する目的のために、ロータマグネットの外径側が外側に向かってさらに円弧状に張り出されている。

しかしながら、ステータコアのティース面の周方向の幅は、内径側から外径側に向かって広がる扇状に形成されているため、ロータマグネットの内径側では、ティース面の内径寄りでは幅が狭く、マグネットの磁束が集中し、これによって鉄損を伴ってしまう。

これを防止する方法の１つとして、特許文献２では、ローターマグネットの内径側の幅を、中心軸と外径側の幅方向の両端とを結んだ角度θよりも小さい角度範囲内に設けて、内径側の磁束集中を抑えているようにしている。

しかしながら、ロータマグネットの内径側の周方向の幅をさらに小さくしたとしても、その変化量は微少であるため、磁束の集中を理想的に抑えることは困難であった。

特開２００６−２８８０８１号公報 特開２００４−１５９１６号公報

そこで、本発明は上述した課題を解決するため、ロータマグネットの内径側における磁束の集中を抑えて、鉄損を低減したアキシャルエアギャップ型電動機を提供することにある。

上述した目的を達成するため、本発明は以下に示すいくつかの特徴を備えている。請求項１に記載の発明は、ステータとロータとが上記ロータの出力軸の軸線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エアギャップ型電動機において、上記ロータは、上記軸線を中心として環状に配置された複数のロータマグネットを含み、上記ロータマグネットは、上記ステータに対向するマグネット面の軸方向の厚さが半径方向の内径側から外径側に向かって漸次厚くなるように形成されていることを特徴としている。

請求項２に記載の発明は、上記請求項１において、上記ステータは、内径側と外径側とで周方向の幅が異なるボビン状のコア部材を含む複数のポールメンバーが、上記軸線を中心に環状に配置されており、上記ローターマグネットの内径側の厚みをｔｍ，外径側の厚みをＴｍ，上記コア部材の巻線部の内径側の周方向の幅をｔｋ，外径側の周方向の幅をＴｋとしたとき、上記ローターマグネットは、
（ｔｋ／Ｔｋ）＜１のとき、（ｔｍ／Ｔｍ）＜１
の条件を満足することを特徴としている。

請求項３に記載の発明は、上記請求項１または２において、上記マグネット面は、側面視にて少なくとも一部が直線状に傾斜していることを特徴としている。

請求項４に記載の発明は、上記請求項１または２において、上記マグネット面は、側面視にて少なくとも一部が階段状に傾斜していることを特徴としている。

請求項５に記載の発明は、上記請求項１または２において、上記マグネット面は、側面視にて少なくとも一部が円弧状に傾斜していることを特徴としている。

請求項１に記載の発明によれば、ロータマグネットのステータに対向するマグネット面の軸方向の厚さが半径方向の内側から外側に向かって漸次厚くなるように形成されていることにより、ロータマグネットの軸方向の厚さが、半径方向の内側で薄くなる。したがって、コア部材の内径側での磁束を集中しないようにでき、鉄損の増加を抑制することができる。

請求項２に記載の発明によれば、ステータは、内部に内径側と外径側とで周方向の幅が異なるボビン状のコア部材を含む複数のポールメンバーが軸線を中心に環状に配置されており、ローターマグネットが
（ｔｋ／Ｔｋ）＜１のとき、（ｔｍ／Ｔｍ）＜１
の条件を満足することにより、内径側に集中する磁束を低減させることができ、鉄損の増加を抑制することができる。

請求項３に記載の発明によれば、マグネット面は、少なくとも一部が直線状に傾斜していることにより、マグネットの加工も用意であり、内径側から外径側に向かう磁束変化もスムーズである。

請求項４に記載の発明によれば、マグネット面の少なくとも一部が階段状に傾斜していることにより、内径側の磁束密度と、外径側の磁束密度の明確に変えることができる。

請求項５に記載の発明によれば、マグネット面の一部を円弧状に形成することにより、より磁束変化をスムーズにすることができる。

図１は本発明の一実施形態に係るアキシャルエアギャップ型電動機の要部断面図であり、図２はステータの正面図であり、図３はポールメンバーとコア部材の斜視図であり、図４はロータの正面図、背面図および側面図であり、図５はロータマグネットの要部拡大側面図である。図６はロータマグネットの変形例を示す要部拡大断面図であり、図７はロータマグネットとコア部材の条件を説明する説明図であり、図８は本発明と従来の単位面積当たりの磁束密度の変化率を表したグラフである。

図１に示すように、このアキシャルエアギャップ型電動機１は、円板状に形成されたステータ２と、同ステータ２の軸方向（図１では左右方向）の両側面に所定の空隙をもって対向配置された一対のロータ３，３とを備えている。各ロータ３，３は回転駆動力を出力するロータ出力軸４に同軸的に連結されている。

ステータ２およびロータ３，３は、円筒状のハウジング１０内に収納されている。この例において、ハウジング１０は、インサート成形によって樹脂と一体化されたステータ２の外周面を外殻の一部として用い、ステータ２の両端に円板状の蓋部材１０ａ，１０ｂを取り付けることにより構成されている。

図２に示すように、ステータ２は、回転軸線を中心軸として環状に配置された複数個（この例では９個）のポールメンバー２１ａ〜２１ｉが含まれている。各ポールメンバー２１ａ〜２１ｉは、同一構成のため、この例ではポールメンバー２１ａを例にとって説明する。

図３（ａ），（ｂ）を併せて参照して、ポールメンバー２１ａは、左右一対のフランジ状のティース面２２，２２を有するボビン状のコア部材２３と、コア部材２３をティース面２２を残して覆うインシュレータ２４とを有する。

コア部材２３は、Ｈ字状に打ち抜かれた電磁鋼板を半径方向に沿って多数積層することにより形成されている。コア部材２３の各ティース面２２の円周方向の端縁は、隣り合うポールメンバー２１ａ〜２１ｉをロータマグネット３２ａ〜３２ｈが移動する際に磁束変化を滑らかにするため、スキュー（傾斜）が形成されていることが好ましい。

インシュレータ２４は絶縁樹脂からなり、ティース面２２を残してコア部材２３の全体を覆い隠している。インシュレータ２４は、ティース面２２とほぼ同一面となるフランジ部２５，２５が設けられており、これによりポールメンバー２１ａはボビン状に形成され、ボビンに沿ってコイル２６（図１参照）が巻回される。

再び図１を参照し、ステータ２の中心部には、ロータ出力軸４を軸受する軸受部２７が配置されている。軸受部２７は、一対のラジアルボールベアリング２７１，２７２をステータ２の両側面にそれぞれ配し、その内輪にロータ出力軸４が圧入され、外輪側は合成樹脂内に埋設されている。本発明において、軸受部２７の構成は任意である。

この例において、ロータ３，３は、１つのロータ出力軸４を共有しているが、各ロータ３，３ごとにロータ出力軸を有する２出力軸タイプであってもよい。さらには、ローラ出力軸４を持たずステータ２に対して直に支持させるシャフトレス型としてもよい。また、ロータ３は、１つであってもよいし、複数であってもよい。

次に、ロータ３，３について説明するが、ロータ３，３は同一構成であるため、この例では一方のロータ３についてのみ説明する。以下において、ロータ３の正面とは、ステータ２のティース面２２に対向する面をいう。

図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、ロータ３は、円板状のロータバックヨーク３１と、このロータバックヨーク３１に支持されるロータマグネット３２とを備えており、ステータ２の軸線に同軸的に配置されている。

ロータバックヨーク３１は、例えば電気亜鉛メッキ鋼板などの磁性材料を円板状に形成したものからなり、中央には、ロータ出力軸４が圧入固定される軸固定孔３３が設けられている。ロータバックヨーク３１には、ロータバックヨーク３１の軽量化と防振特性を向上させるため、複数の打抜孔３４が軸固定孔３３を中心に環状に形成されている。

この例において、打抜孔３４は、それぞれ扇状に８箇所形成されているが、打抜孔３４の形状は、仕様に応じて任意に変更可能であり、その設置数が大きさなども自由に設計できる。

ロータバックヨーク３１にはさらに、ロータマグネット３２をインサート成形などによって一体的に固定するための貫通孔３５が設けられている。貫通孔３５は、ロータバックヨーク３１の軸方向に貫通し、この例において、ロータマグネット３２の各セグメントごとにセグメントの回転防止のため２個１組で８極（８個）設けられている。

ロータマグネット３２は、上述した８セグメント（極）のマグネットメンバー３２ａ〜３２ｈから構成されているが、各マグネットメンバー３２ａ〜３２ｈは、それぞれ同一構成であるため、以下においては１つのマグネットメンバー３２ａを例にとって説明する。

マグネットメンバー３２ａは、磁束密度が飽和しない磁石材料が用いられており、この例では、ＳｍＦｅＮプラスチックマグネットが用いられている。なお、マグネットメンバー３２ａの素材は仕様に応じて任意であり、焼結磁石などであってもよい。

図４（ａ）に示すように、マグネットメンバー３２ａは、ステータ２のティース面２２に対向する面３２１が、半径方向の内側から外側に向けて周方向の幅が大きくなる扇状に形成されており、半径方向の外周面側がさらに凸状に張り出すように形成されている。

これによれば、マグネットメンバー３２ａのティース対向面３２１が、半径方向に内径側から外径側に向かって凸状に形成されていることにより、誘起電圧波形が正弦波状になり、トルクリップルやコギングトルクを小さく抑えることができる。上述した特許文献２に記載されているマグネット形状の場合は、誘起電圧波形が矩形状にあり、トルクリップルやコギングトルクを抑えることができない。

図５を併せて参照して、マグネットメンバー３２ａは、ティース対向面３２１の軸方向の厚さが半径方向の内側から外側に向かって漸次厚くなるように形成されている。この例において、ティース対向面３２１は、側面視において内径側から外径側に向けて直線状に厚さが増している。

図９（ａ）〜（ｄ）を用いて、ロータマグネット３２の半径ｒ上で発生する磁束がコア部材２３の内径側でいかに分散されるかを述べる。図９（ａ）および（ｂ）は、ロータマグネット３２の内径側の周方向の幅を小さくした場合（特許文献２のような場合）のロータマグネット３２からコア部材２３の内径側への磁束の流れを表している。

図９（ａ）から分かるように、ロータ３が回転軸を中心に回転してコア部材２３を横切るとき、ロータマグネット３２の半径ｒ上で発生する磁束φがティース面２２を介してコア部材２３の巻線部２５を流れる。このとき、磁束φは、コア部材２３はＨ字状の電磁鋼板が半径方向に沿って積層されて構成されているため、半径方向（積層方向）よりも軸方向（電磁鋼板内）に流れようとする。

図９（ａ）のロータマグネット３２の場合、ロータマグネット３２の内径側の周方向の幅が外径側よりも小さくされているので、ロータマグネット３２がコア部材２３の上を横切る間、電磁鋼板には磁束φが流れてゆく。したがって、電磁鋼板の周方向の断面で磁気飽和の状態となった場合、鉄損が大きくなり、損失が発生する。

次に、本発明のロータマグネットである図９（ｃ）について述べる。本発明のロータマグネット３２は、マグネット面の軸方向の厚さが半径方向の内側から外側にかけて漸次厚くなるように形成されている。換言すれば、内径側のマグネット面２３１の軸方向の厚さは薄くなっている。

このとき、半径ｒ上でのロータマグネット３２の周方向の磁束がφであるとき、マグネットの軸方向の厚さは薄くなっているので、周方向の幅は、図９（ａ）と比較して大きくなり、ロータマグネット３２がコア部材２３上を横切って電磁鋼板に磁束φが流れる区間は小さくなる。したがって、電磁鋼板の周方向の断面を通過する磁束φが周方向に分散されて、磁束飽和の状態が改善され、鉄損の発生を抑えられる。

これによれば、上述した条件を満足するようにロータマグネット３２の内径側から外径側に向けて厚さを変えてゆくことで、図８に示すように、単位面積当たりの磁束密度の変化率を従来と比較した場合、従来は台形状のピーク曲線となるのに対し、実施例は、両端から中央に向かって半円状のピーク曲線となり、鉄損が大きくなる領域にピーク曲線がかかる領域が少なくなる。

さらに、本発明によれば、コア部材２３での磁気飽和を緩和するには、マグネットの軸方向の厚みを薄くするだけでよく、ステータ２と対向するロータマグネット３２のマグネット面３２１の形状を自由に設計できる。

なお、この例において、ティース対向面３２は、その厚みが内径側から外径側に向かって直線状に増すように形成されているが、これ以外に図６（ａ）に示すように、内径側から中央にかけての一部が傾斜するように形成されていてもよい。

さらには、図６（ｂ）に示すように、ティース対向面３２を内径側から外径側に向かって階段状に厚さを変化させるようにしてもよい。さらには、図６（ｃ）および（ｄ）に示すように、内径側から外径側に向かって凸曲面または凹曲面状に形成されていてもよく、内径側から外径側に向かって厚さが厚くなるように形成されていれば、これら変形例も本発明に含まれる。

図７（ａ）〜（ｃ）を参照して、上記実施例でのロータマグネット３２の軸方向の厚みと、コア部材２３の巻線部の周方向の幅との関係は、以下の式により表すことができる。すなわち、ローターマグネット３２ａの内径側の厚みをｔｍ，外径側の厚みをＴｍ，ローターマグネット３２ａの内径側の周方向の幅をｌｍ，外径側の周方向の幅をＬｍ，コア部材２３の巻線部の内径側の周方向の幅をｔｋ，外径側の周方向の幅をＴｋとしたとき、ローターマグネット３２ａは、
（ｔｋ／Ｔｋ）＜１のとき、（ｔｍ／Ｔｍ）＜１
の条件を満足するように設計されている。

なお、本実施例では、コア部材２３の巻線部の周方向の幅ｔｋは、内径側に向かうにつれて小さくなっている（コア部材２３のティース面形状がほぼ台形状となっている）が、本発明はこの実施例に限定されない。例えば、コア部材２３の巻線の周方向の幅ｔｋと、外径側の幅Ｔｋとが同じになる条件であってもよい。すなわち、（ｔｋ／Ｔｋ）＝１となり、コア部材２３のティース面形状が方形状となる。

このような場合においては、コア部材２３の巻線部の周方向の幅が、径方向で同じになり、磁束の通りやすさに差は生じないように思われるが、ロータマグネット３２の周方向の幅が内径と外径で異なる場合は、例えば図７（ａ）に示すように、内径側の周方向の幅ｌｍが、外径側の周方向の幅Ｌｍよりも大きくなる場合には、コア部材２３の巻線部の内径側で磁気飽和の状態となり得る。このような場合には、ロータマグネット３２の内径側の磁気飽和を抑えるため、厚みｔｍを小さくすることが好ましい。すなわち、以下の式で表される条件を満足すればよい。
（Ｌｍ／ｌｍ）＜１のときに、（ｔｍ／Ｔｍ）＜１

本発明の一実施形態に係るアキシャルエアギャップ型電動機の要部断面図。 上記実施形態のステータの側面図。 （ａ）上記ステータのポールメンバーの斜視図、（ｂ）ポールメンバーのコア部材の斜視図。 （ａ）ロータの正面図、（ｂ）ロータの背面図、（ｃ）Ａ−Ａ線断面図。 上記実施例のロータマグネットの要部拡大図。 （ａ）〜（ｄ）ロータマグネットの各種変形例を示す要部拡大図。 ロータマグネットとコア部材の条件を説明する説明図。 本発明と従来の単位面積当たりの磁束密度の変化率を表したグラフ。 （ａ）〜（ｄ）ロータマグネットからコア部材の内径側への磁束の流れと、その動きを説明する説明図。

符号の説明

１ アキシャルエアギャップ型電動機
２ ステータ
２１ａ〜２１ｉ ポールメンバー
２２ ティース面
２３ コア部材
３ ロータ
３１ ロータバックヨーク
３２ａ〜３２ｈ ロータマグネット
３２１ ティース対向面
４ ロータ出力軸
５ 回路基板

Claims (5)

1. ステータとロータとが上記ロータの出力軸の軸線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エアギャップ型電動機において、
   上記ロータは、上記軸線を中心として環状に配置された複数のロータマグネットを含み、上記ロータマグネットは、上記ステータに対向するマグネット面の軸方向の厚さが半径方向の内径側から外径側に向かって漸次厚くなるように形成されていることを特徴とするアキシャルエアギャップ型電動機。
2. 上記ステータは、内径側と外径側とで周方向の幅が異なるボビン状のコア部材を含む複数のポールメンバーが、上記軸線を中心に環状に配置されており、
   上記ローターマグネットの内径側の厚みをｔｍ，外径側の厚みをＴｍ，上記コア部材の巻線部の内径側の周方向の幅をｔｋ，外径側の周方向の幅をＴｋとしたとき、上記ローターマグネットは、
   （ｔｋ／Ｔｋ）＜１のとき、（ｔｍ／Ｔｍ）＜１
   の条件を満足することを特徴とする請求項１に記載のアキシャルエアギャップ型電動機。
3. 上記マグネット面は、側面視にて少なくとも一部が直線状に傾斜していることを特徴とする請求項１または２に記載のアキシャルエアギャップ型電動機。
4. 上記マグネット面は、側面視にて少なくとも一部が階段状に傾斜していることを特徴とする請求項１または２に記載のアキシャルエアギャップ型電動機。
5. 上記マグネット面は、側面視にて少なくとも一部が円弧状に傾斜していることを特徴とする請求項１または２に記載のアキシャルエアギャップ型電動機。

Images