説明

アキシャルエアギャップ型電動機

【課題】ロータの形状を最適化して、渦電流の発生を抑えよりエネルギー効率のよいアキシャルエアギャップ型電動機を提供する。
【解決手段】出力軸4の取付孔33を中心に半径方向に沿って放射状に伸びる複数のスポーク31a〜31hの先端にマグネットメンバー32a〜32hを独立した状態で保持する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ロータとステータとが出力軸の軸線方向に沿って対向的に対置された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、ロータのヨークとマグネットの形状を最適化して、渦電流の発生を抑えたアキシャルエアギャップ型電動機に関する。
【背景技術】
【0002】
アキシャルエアギャップ型電動機は、例えば特許文献1に示すように、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)を所定の空隙をもって出力軸の軸線方向に沿って対向的に配置してなる電動機であり、ラジアルエアギャップ型電動機に比べ、軸方向の厚さを薄くすることができるという特徴がある。
【0003】
通常、ロータは、磁性体を円盤状に形成したヨークに複数のマグネットを出力軸を中心に円周方向に沿って環状に配置したものからなる。ヨークは、強度の高さや導電率の低さが求められるため、一般には鋼板がよく用いられている。
【0004】
しかしながら、従来のアキシャルエアギャップ型電動機には次のような問題が生じた。すなわち、ロータのヨークとステータのティース面とが対向するため、ステータの巻線に電流を流すと、電流に含まれる高調波により渦電流が発生するため、エネルギー損失が増加する。また、渦電流によってヨークが発熱するため、温度上昇によってモータの信頼性を損なうおそれもある。
【0005】
【特許文献1】特開平3−212141号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
そこで、本発明は上述した課題を解決するためになされたものであって、その目的は、ロータの形状を最適化して、渦電流の発生を抑えよりエネルギー効率のよい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。
【課題を解決するための手段】
【0007】
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、ステータのティース面とロータのマグネット面とが上記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、上記出力軸を中心に環状に配置される複数個のマグネットと、上記各マグネットを支持するヨークとを有し、上記ヨークは、上記出力軸の取付孔を中心に半径方向に沿って放射状に伸びる複数のスポークを備え、上記各スポークの先端にそれぞれ上記マグネットの保持部が設けられていることを特徴としている。
【0008】
請求項2に記載の発明は、上記請求項1において、上記各マグネットは、半径方向の外周が円周方向の両端から中央部にかけて凸となるように形成されていることを特徴としている。
【0009】
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、上記スポークの先端は、上記マグネットの外形とほぼ同じ形状を備えていることを特徴としている。さらに、請求項4に記載の発明は、上記請求項1,2または3において、上記スポークを補強する補強部がさらに設けられていることを特徴としている。
【0010】
請求項5に記載の発明は、上記請求項1ないし4のいずれか1項において、上記ロータは、上記ステータを挟んで左右一対の2ロータ型であることを特徴としている。
【0011】
本発明には、次のような態様も含まれる。すなわち、請求項6に記載の発明は、ステータのティース面とロータのマグネット面とが上記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、複数個のマグネットが上記出力軸を中心として環状に配置される環状ヨークを有し、上記環状ヨークの外周面は、上記各マグネットの半径方向の外周面の頂部を結ぶ外接円より内側に設けられていることを特徴としている。
【0012】
請求項7に記載の発明は、上記請求項6において、上記各マグネットは、半径方向の外周が円周方向の両端から中央部にかけて凸となるように形成されていることを特徴としている。
【0013】
請求項8に記載の発明は、上記請求項7において、上記ヨークの外周面は、隣接する上記各マグネットの凸部の頂点を結ぶ線と平行な辺を有する多角形状に形成されていることを特徴としている。
【0014】
請求項9に記載の発明は、上記請求項7または8において、上記ヨークの外周面は、上記各マグネットの凸部の外形に沿って形成されていることを特徴としている。請求項10に記載の発明は、請求項6ないし9のいずれか1項において、上記ロータは、上記ステータを挟んで左右一対の2ロータ型であることを特徴としている。
【0015】
本発明には、さらに別の態様として以下のような態様も含まれる。請求項11に記載の発明によれば、ステータのティース面とロータのマグネット面とが上記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、複数個のマグネットが上記出力軸を中心として環状に配置される環状ヨークを有し、上記環状ヨークには、隣接する上記マグネットの間が上記マグネットの外周面に沿って打ち抜かれた打抜孔が設けられていることを特徴としている。
【0016】
請求項12に記載の発明は、上記請求項11において、上記各マグネットは、半径方向の外周が円周方向の両端から中央部にかけて凸となるように形成されていることを特徴としている。また、請求項13に記載の発明は、上記請求項11または12において、上記ロータは、上記ステータを挟んで左右一対の2ロータ型であることを特徴としている。
【発明の効果】
【0017】
請求項1に記載の発明によれば、ヨークの各スポークの先端にマグネットが取り付けられていることにより、ステータに対向する部分に渦電流が発生する鋼板が無くなるため、渦電流の発生を最小限に抑えて、エネルギー損失を抑えることができる。
【0018】
請求項2に記載の発明によれば、マグネットの一部を凸状に形成することにより、高調波の発生が抑制され、トルクリップルおよびコギングトルクが低下する。
【0019】
請求項3に記載の発明によれば、スポークの先端がマグネットとほぼ同じ形状を備えていることにより、バックヨークとしての機能を確保しつつ、渦電流の発生を最小限に抑えることができる。
【0020】
請求項4に記載の発明によれば、スポークを補強する補強部を備えることにより、ロータの剛性を高めて、振動の抑制や、破損などを防止することができる。また、請求項5に記載の発明によれば、2ロータ型であることにより、高出力な電動機を得ることが出来る。
【0021】
本発明には、次のような態様も含まれる。請求項6に記載の発明によれば、環状ヨークの外周面が各マグネットの半径方向の外周面の頂部を結ぶ外接円より内側に設けてロータの不要な部分をカットすることにより、渦電流の発生を抑えることができる。
【0022】
請求項7に記載の発明によれば、マグネットの一部を凸状に形成することにより、高調波の発生が抑制され、トルクリップルおよびコギングトルクが低下する。請求項8に記載の発明によれば、ヨークの外周面は、隣接する上記各マグネットの凸部の頂点を結ぶ線と平行に多角形状に形成されていることにより、比較的簡単な方法で渦電流の発生を抑える効果が得られる。
【0023】
請求項9に記載の発明によれば、マグネットの凸部に沿ってヨークが形成されていることにより、さらに渦電流の発生を抑えることができる。また、請求項10に記載の発明によれば、2ロータ型であることにより、高出力な電動機を得ることができる。
【0024】
本発明には次のような態様もさらに含まれる。請求項11に記載の発明によれば、環状ヨークは、隣接する上記マグネットの間が上記マグネットの外周面に沿って打ち抜かれた打抜孔が設けられていることにより、強度を保ちながら渦電流の発生を抑えることができる。
【0025】
請求項12に記載の発明によれば、高調波の発生が抑制され、トルクリップルおよびコギングトルクが低下する。また、請求項13に記載の発明によれば、2ロータ型であることにより、高出力な電動機を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0026】
次に、本発明の具体的な実施形態について図面を参照しながら説明する。図1は本発明の第1実施形態に係るアキシャルエアギャップ型電動機の中央縦断面図であり、図2はステータの正面図であり、図3(a)〜(c)は、ロータの正面図、背面図およびA−A線断面図である。
【0027】
このアキシャルエアギャップ型電動機1は、円盤状に形成されたステータ2と、同ステータ2の両側面に所定の空隙(ギャップ)をもって対向的に配置される一対のロータ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出力軸4に同軸的に固定されている。
【0028】
ステータ2およびロータ3は、円筒状のハウジング10内に格納されている。この例において、ハウジング10の両端には、図1に示すように、円盤状の蓋部材10a,10bが設けられており、その内部に各モータ機後部が格納されている。
【0029】
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円周方向に沿っ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は同一構成であるため、この例ではポールメンバー21aを例にとって説明する。
【0030】
図1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を有するボビンにコイル24を巻回してなるもので、上記ボビンは、H字状に形成された複数枚の電磁鋼板を半径方向に沿って積層することにより形成される。なお、各ポールメンバー21a〜21iの隣り合う面(スロット面)には、磁束変化を滑らかにするため、スキューが形成されていることが好ましい。
【0031】
各ポールメンバー21a〜21iは絶縁樹脂からなるインシュレータ(図示しない)によって全体がティース面22を残して覆われている。インシュレータには、各ポールメンバー21a〜21i同士を連結するための図示しない連結手段が設けられており、この固定手段を介して各ポールメンバー21a〜21iが環状に連結される。
【0032】
各ポールメンバー21a〜21iは、上記連結手段によって環状に連結されたのち、軸受部23とともにインサート成形によって樹脂で一体にモールドされる。軸受部23は、一対のラジアルボールベアリングを有し、出力軸4を回転可能に軸支する。
【0033】
この例において、各ロータ3,3は同一の出力軸4を共有しているが、各ロータ3,3ごとに出力軸4を有する2出力軸タイプであってもよい。さらには、出力軸4を持たずにステータ2にロータ3を直に取り付けたシャフトレス型であってもよい。いずれにせよ、本発明のアキシャルエアギャップ型電動機は、ステータ2の両側にロータ3,3が取り付けられた2ロータ型が好ましい。
【0034】
次に、ロータ3,3について説明する。なお、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を例にとって説明する。この例において、ステータ2のティース面22に対向する面をロータ3の正面とする。
【0035】
図3(a)に示すように、第1実施形態のロータ3は、円盤状のヨーク31と、同ロータバックヨーク31に一体的に取り付けられるマグネット32とを備えている。ヨーク31は、例えば電気亜鉛メッキ鋼板などをプレス成形で打抜加工したものからなり、中心に出力軸4が挿通される軸取付孔33を有し、取付孔31を中心として半径方向に沿って放射状に伸びる複数のスポーク31a〜31hを備えている。この例において、スポーク31a〜31hは、45°間隔で8本設けられている。
【0036】
各スポーク31a〜31hおよびマグネット32a〜32hはともに同一形状であるため、以下の説明においては、スポーク31aとマグネット32aを例にとって説明する。図3(b)に示すように、スポーク31aの先端には、マグネット32が取り付けられるバックヨーク34aが設けられている。
【0037】
バックヨーク34aは、マグネット31aの外形とほぼ同じに沿って形成され、外周方向に向かって凸状な扇形に形成されており、そこにマグネットメンバー31aが一体的に取り付けられている。この例において、マグネットメンバー31aは接着剤などを介してバックヨーク34aに貼り付けられているが、これ以外の手法を用いて取り付けてもよい。
【0038】
マグネット32は、8つのセグメント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は同一構成であるため、1つのマグネットメンバー32aを例にとって説明する。
【0039】
マグネットメンバー32aは、磁束密度が飽和しない磁性材料を用いることが好ましく、この例においてはボンド磁石(SmFeN,NdFeB)が用いられているが、それ以外でも焼結磁石(NdFeB)を貼り付けてもよい。
【0040】
マグネットメンバー32aは、正面側がステータ2のティース面22に沿ってほぼ平行なマグネット面を有する扇状に形成されている。図4に示すように、マグネットメンバー32aは、半径方向の外周面321が円周方向の両端面322,322から中央に向かって凸形状となるように形成されている。
【0041】
すなわち、外周面321は、両端部の半径方向の中間点P1,P2と、外周面の中間点P3とを、中間点P3を頂点として結んだ線によって形成されている。これによれば、ステータ2の各磁極が切り替わる際に磁束密度の変化を滑らかにでき、トルクリップルおよびコギングトルクを小さく抑えることができる。
【0042】
この例において、マグネットメンバー32aは扇状に形成されているが、例えば図5(a)に示すように、外周面321の曲率をより緩めて円弧面に形成してもよいし、図5(b)にしめすように、単なる扇形形状にしめてもよい。また、図5(c)および(d)にしめすように、両端面322と外周面321との角部を面取りしてもよい。
【0043】
これによれば、必要最低限のヨーク31であるため、渦電流の発生によるエネルギー損失を最小限にすることができる。なお、図4および図5(a)にあるように、マグネットメンバー32a〜32hの半径方向の外周面を凸形状、この例では円弧状に形成すると、ロータ3を回転させたときのマグネットメンバー32a〜32hと軸方向に対向するステータ2のコイル24に対する磁束密度の変化が滑らかになり、図6に示すように、誘起電圧がほぼ正弦波となる。したがって、トルクリップルやコギングトルクが低減される。
【0044】
アキシャルエアギャップ型電動機の場合、ステータ2で発生した磁気吸引力によってマグネット32がステータ2側に吸い寄せられるため、振動が発生しやすく、ヨーク31は適度な剛性が必要とされる。そこで、例えば図7(a)に示すように、スポーク31a〜31hの間には、補強部35を設けることが好ましい。
【0045】
これによれば、スポーク31a〜31hの間を補強部35で補強しているため、ヨーク31の剛性が飛躍的に向上し、振動抑制効果が高まる。また、別の方法として、図7(b)に示すように、円盤状のヨーク31の外周面に短いスポーク31a〜31hを突設して、その先端に各マグネットメンバー32a〜32hを形成してもよい。さらに、補強部35は、隣接するマグネットメンバー32a〜32hの保持部の間を渡らせてもよい。
【0046】
次に、本発明のアキシャルエアギャップ型電動機のロータの第2実施形態について、図8(a)〜(c)を参照しながら説明する。図8(a)は、本発明の第2実施形態に係るロータの正面図であり、図8(b)はその正面図であり、図8(c)は図8(b)のB−B線断面図である。なお、上述した第1実施形態と同一もしくは同一と見なされる箇所には、同じ参照符号を付した。
【0047】
第2実施形態のロータ3Aは、円盤状に形成されたヨーク5aと、同ヨーク5a一体的に取り付けられる複数個のマグネットメンバー32a〜32hとを備えている。ヨーク5aは、中央に出力軸4が圧入固定される取付孔53を有し、スポーク51a〜51hを介してその外側に環状ヨーク52が設けられている。
【0048】
環状ヨーク52は、扁平なドーナツ状に形成されており、そこに各マグネットメンバー32a〜32hが出力軸4を中心に環状に配置されている。環状ヨーク52の外周面54は、各マグネットメンバー32a〜32hの半径方向の外周面の頂部を結ぶ外接円Cより内側に設けられていることが好ましい。
【0049】
この例において、環状ヨーク52の外周面54は、各マグネットメンバー32a〜32hの頂部を結んだ線に沿って平行となる多角形状(この例では8角形状)に形成されている。なお、環状ヨーク52の外形は、マグネットメンバー32a〜32hの数によって任意に変更される。
【0050】
環状ヨーク52の外周面にはさらに、ヨーク3Aにマグネット32をインサート成型する際、図示しない金型へのガイド手段としてのノッチ541が設けられている。この例において、ノッチ541は所定間隔で4カ所設けられており、それぞれがU字状に切り欠かれている。
【0051】
環状ヨーク52には、各マグネットメンバー32a〜32のセグメントごとに軸線方向に沿って貫通孔35が2カ所設けられている。マグネットメンバー32aを例にとって、貫通孔35は、マグネットメンバー32aを固定するためのアンカーであるとともに、環状ヨーク52の裏側(図8(b))にマグネットメンバー32aと一体であるアンカーマグネット36aを形成するためにも用いられる。
【0052】
アンカーマグネット36a〜36hは、運転時にマグネットメンバー32a〜32hの抜け落ちを防止する役割と、図1に示す回路基板6に実装された位置検出センサ61のセンシング対象としての役割も兼ねている。なお、本発明において、アンカーマグネット36aの有無および形状は任意的な構成要素である。
【0053】
図9(a)は、上記第2実施形態のロータの変形例を示す正面図であり、図9(b)は、その背面図であり、図9(c)は図9(b)のC−C線断面図である。図9(a)に示すように、このロータ3Bの基本的な形態は、上述した第2実施形態と同様である。
【0054】
このロータ3Bの特徴は、ヨーク5bの外周面54の形状が各マグネットメンバー32a〜32hの凸部の外形に沿って内接円Cよりもさらに内側に形成されていることにある。これによれば、より渦電流の発生を抑制することができる。このような態様も本発明に含まれる。
【0055】
次に、本発明の第3実施形態について説明する。図10(a)は、本発明の第3実施形態に係るアキシャルエアギャップ型電動機のローターの正面図であり、図10(b)はその背面図で、図10(c)は図10(b)のD−D線断面図である。
【0056】
このロータ3Cも、上記第2実施形態と同じく環状ヨーク54を備えた円盤状のヨーク5cを有し、環状ヨーク54にはマグネットメンバー32a〜32hが同心円上に環状に設けられている。
【0057】
この例において、ヨーク5cの外周面54は円状に形成されており、各マグネットメンバー32a〜32hの間には、マグネットメンバー32a〜32hの外形に沿って打ち抜かれた打抜孔55が形成されている。これによれば、ヨーク5cの強度と剛性を保ちつつ、渦電流を減らすことができる。このような態様も本発明に含まれる。
【0058】
なお、上述した第2実施形態および第3実施形態に示すロータマグネット32a〜32hも、図5(a)〜(d)に示す各種変形例を適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【0059】
【図1】本発明のアキシャルエアギャップ型電動機の中央縦断面図。
【図2】このアキシャルエアギャップ型電動機のステータの正面図。
【図3】(a)このアキシャルエアギャップ型電動機のロータの正面図,(b)その背面図,(c)A−A線断面図。
【図4】ロータマグネットの拡大図。
【図5】ロータマグネットの各種変形例を示す部分拡大図。
【図6】誘起電圧−時間を示す。
【図7】第1実施形態のロータの変形例を示す正面図。
【図8】(a)第2実施形態のロータの正面図,(b)その背面図,(c)B−B線断面図。
【図9】(a)第2実施形態のロータの変形を示す正面図,(b)その背面図,(c)C−C線断面図。
【図10】(a)第3実施形態のロータの正面図,(b)その背面図,(c)D−D線断面図。
【符号の説明】
【0060】
1 アキシャルエアギャップ型電動機
2 ステータ
3,3A,3B,3C ロータ
4 出力軸
31 ヨーク
31a〜31h スポーク
32 マグネット
32a〜32h マグネットメンバー
33 取付孔
35 補強部
36a〜36h アンカーマグネット
5a,5b,5c 環状ヨーク
55 打抜孔

【特許請求の範囲】
【請求項1】
ステータのティース面とロータのマグネット面とが上記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、上記出力軸を中心に環状に配置される複数個のマグネットと、上記各マグネットを支持するヨークとを有し、上記ヨークは、上記出力軸の取付孔を中心に半径方向に沿って放射状に伸びる複数のスポークを備え、上記各スポークの先端にそれぞれ上記マグネットの保持部が設けら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。
【請求項2】
上記各マグネットは、半径方向の外周が円周方向の両端から中央部にかけて凸となるように形成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エアギャップ型電動機。
【請求項3】
上記スポークの先端は、上記マグネットの外形とほぼ同じ形状を備え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。
【請求項4】
上記スポークを補強する補強部がさらに設けられている請求項1,2または3に記載のアキシャルエアギャップ型電動機。
【請求項5】
上記ロータは、上記ステータを挟んで左右一対の2ロータ型であることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項に記載のアキシャルエアギャップ型電動機。
【請求項6】
ステータのティース面とロータのマグネット面とが上記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、複数個のマグネットが上記出力軸を中心として環状に配置される環状ヨークを有し、上記環状ヨークの外周面は、上記各マグネットの半径方向の外周面の頂部を結ぶ外接円より内側に設けら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。
【請求項7】
上記各マグネットは、半径方向の外周が円周方向の両端から中央部にかけて凸となるように形成されていることを特徴とする請求項6に記載のアキシャルエアギャップ型電動機。
【請求項8】
上記ヨークの外周面は、隣接する上記各マグネットの凸部の頂点を結ぶ線と平行な辺を有する多角形状に形成されていることを特徴とする請求項7に記載のアキシャルエアギャップ型電動機。
【請求項9】
上記ヨークの外周面は、上記各マグネットの凸部の外形に沿って形成されていることを特徴とする請求項7または8に記載のアキシャルエアギャップ型電動機。
【請求項10】
上記ロータは、上記ステータを挟んで左右一対の2ロータ型であることを特徴とする請求項6ないし9のいずれか1項に記載のアキシャルエアギャップ型電動機。
【請求項11】
ステータのティース面とロータのマグネット面とが上記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、複数個のマグネットが上記出力軸を中心として環状に配置される環状ヨークを有し、上記環状ヨークには、隣接する上記マグネットの間が上記マグネットの外周面に沿って打ち抜かれた打抜孔が設けら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。
【請求項12】
上記各マグネットは、半径方向の外周が円周方向の両端から中央部にかけて凸となるように形成されていることを特徴とする請求項11に記載のアキシャルエアギャップ型電動機。
【請求項13】
上記ロータは、上記ステータを挟んで左右一対の2ロータ型であることを特徴とする請求項11または12に記載のアキシャルエアギャップ型電動機。

【図1】
image rotate

【図2】
image rotate

【図3】
image rotate

【図4】
image rotate

【図5】
image rotate

【図6】
image rotate

【図7】
image rotate

【図8】
image rotate

【図9】
image rotate

【図10】
image rotate


【公開番号】特開2007−274800(P2007−274800A)
【公開日】平成19年10月18日(2007.10.18)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2006−96439(P2006−96439)
【出願日】平成18年3月31日(2006.3.31)
【出願人】(000006611)株式会社富士通ゼネラル (1,266)
【Fターム(参考)】