アキシャルギャップ型電動機
【課題】 ロータマグネットの形状を最適化して、誘起電圧を正弦波状にし、トルクリップルおよびコギングトルクを低減する。
【解決手段】 ステータ2のティース面22に対向して環状に配置される複数個のロータマグネット32a〜32hを、その半径方向の外周面321が円周方向の両端部322,322から中央部にかけて凸となるように形成する。
【解決手段】 ステータ2のティース面22に対向して環状に配置される複数個のロータマグネット32a〜32hを、その半径方向の外周面321が円周方向の両端部322,322から中央部にかけて凸となるように形成する。
【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ロータ出力軸の軸線方向に沿って対向配置されたアキシャルギャップ型電動機に関し、さらに詳しく言えば、ロータマグネットの形状を最適化し、低騒音、かつ、低振動なアキシャルギャップ型電動機に関する。
【背景技術】
【0002】
アキシャル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対向的に配置してなる電動機であって、インナーロータ型などのラジアルギャップ型電動機に比べて回転軸方向の厚さを薄くする、すなわち扁平にすることができるという特徴がある。
【0003】
通常、ロータは円盤体からなるロータバックヨークと、同ロータバックヨークのステータに対向する面に一体的に取り付けられたロータマグネットとからなり、ロータマグネットは、その複数個がロータバックヨークに対して環状に配置され、接着剤などによって一体的に取り付けられている。
【0004】
しかしながら、従来のアキシャルギャップ型電動機には次のような問題があった。すなわち、従来のロータマグネットは、各々がほぼ台形状に形成されており、それらをロータバックヨークに沿って環状に配置していたため、ステータのティースに鎖交するロータマグネットの磁束がN→S(またはS→N)に変化する際に、単位時間当たりの磁束変化量が大きく、三次高調波やトルクリップルおよびコギングトルクが発生しやすかった。
【0005】
トルクリップルおよびコギングトルクが発生した場合、ロータはステータに対しての吸引・反発力によって振動し、モーター全体から騒音が発生しやすかった。また、正弦波駆動によって回転をよりスムーズにしたとしても、物理的なトルクリップルおよびコギングトルクを根本的に抑えることができないため、振動が発生してしまうことは否めない。
【0006】
【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】
【0007】
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、ロータマグネットの形状を最適化して、誘起電圧を正弦波状にし、トルクリップルおよびコギングトルクを低減することにある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
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ギャップ型電動機において、上記ロータは上記ステータのティース面に対向して環状に配置される複数個のロータマグネットを有し、上記各ロータマグネットは、半径方向の外周面が円周方向の両端部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2に記載の発明は、上記請求項1において、上記各ロータマグネットは、外周面側が円弧状に形成されていることを特徴としている。
【0010】
請求項3に記載の発明は、上記請求項1において、上記ロータマグネットは、外周面側が多角形状に形成されていることを特徴としている。
【0011】
請求子4に記載の発明は、上記請求項1,2または3において、上記ロータマグネットは、内周面側が台形状に形成されていることを特徴としている。
【0012】
請求項5に記載の発明は、上記請求項1〜4のいずれか1項において、上記ステータのティース面には、スキューが設けられていることを特徴としている。
【0013】
請求項6に記載の発明は、上記請求項1において、上記各ロータマグネットは、外周面側の円周方向の両端が切り欠かれていることを特徴としている。
【発明の効果】
【0014】
請求項1に記載の発明によれば、ロータマグネットの半径方向の外周面が円周方向の両端部から中央部にかけて凸状に形成されていることにより、誘起電圧が正弦波形となり、トルクリップルおよびコギングトルクが低減され、結果的に低騒音・低振動が可能となる。さらには、磁石体積が減るため、生産コストを抑えることができる。
【0015】
請求項2または3に記載の発明によれば、ロータマグネットの外周面側が円弧状(または多角形状)に形成されていることにより、磁束変化が滑らかになるため、トルクリップルおよびコギングトルクの低減に寄与する。
【0016】
請求項4に記載の発明によれば、ロータマグネットの内周面側はトルクリップルおよびコギングトルクに対する影響がほとんど無いため、できる限り磁束密度を増やすため、台形状に形成されていることが好ましい。
【0017】
請求項5に記載の発明によれば、ステータ側のティース面にスキューをさらに設けることにより、より磁束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の低減とともに、低騒音・低振動化することができる。
【0018】
請求項6に記載の発明によれば、ロータマグネットの円周方向の端部を切り欠くことによっても、トルクリップルおよびコギングトルクを低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0019】
次に、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。図1は本発明の一実施形態にかかるアキシャル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。
【0020】
このアキシャルギャップ型電動機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ロータ出力軸4に同軸的に固定されている。
【0021】
ステータ2およびロータ3は円筒状のハウジング10内に収納されている。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構部が格納されている。
【0022】
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。
【0023】
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。各ポールメンバー21a〜21iの隣り合うギャップ面には、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。
【0024】
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22,22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。
【0025】
各ポールメンバー21a〜21iは上記連結手段によって軸線を中心に環状に連結された後、インサート成型による樹脂で一体的に固められることにより、ステータ2が組み立てられる。この例において、ステータ2の外周を固定する合成樹脂はハウジング10も兼務している。
【0026】
再び図1を参照して、ステータ2の中心部には軸受部23が配置されている。この例において、軸受部23は一対のラジアルボールベアリング231,232を有し、その内輪はロータ出力軸4に圧入嵌めされ、外輪側は合成樹脂材によって埋設されている。本発明において軸受部23の構成は任意であってよい。
【0027】
この例において、各ロータ3,3は同一のロータ出力軸4を共有しているが、各ロータ3,3毎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、ロータ出力軸4を持たずにステータ2に対してロータ3,3をラジアルボールベアリングを介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。
【0028】
次に、ロータ3,3について説明する。ロータ3,3は同一構成のため、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に対向する側の面をロータ3の正面とする。
【0029】
図3(a)に示すように、ロータ3は、ステータ2に同軸的に配置される円盤体からなるロータバックヨーク31と、このロータバックヨーク31に一体的に取り付けられるロータマグネット32とからなる。
【0030】
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からなり、中央にはロータ出力軸4に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にはさらに、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の複数の打抜孔34が軸固定孔33を中心に環状に配置されている。
【0031】
この例において、打抜孔34はそれぞれが扇形状に形成され、8箇所設けられているが、打抜孔34の形状は仕様に応じて任意に変更可能であり、その大きさや数も自由に設計できる。
【0032】
ローターバックヨーク31にはロータマグネット32を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(図3(a)では紙面垂直方向)に貫通した孔であり、ロータ出力軸41の軸線を中心に環状に形成されている。この例において、貫通孔35はロータマグネット32の各セグメント毎にそれぞれ各セグメントの回転を防止するため二個一組となって8極分の合計16箇所設けられている。
【0033】
なお、これら軸固定孔33と打抜孔34はロータマグネット32をインサート成型する際にインサート成型機の金型へのガイド孔としても利用可能である。すなわち、まず中央の軸固定孔33を利用して中心位置を位置出しし、次に各打抜孔33を金型内に設けられた図示しないガイドリブに嵌め込むことにより、円周方向の位置出しを行うことができる。さらには、貫通孔35を金型のゲート位置に合わせて配置しておけば、金型内での樹脂の浸透がスムーズになり、より成型作業が行いやすくなる。
【0034】
ロータマグネット32は上述したように8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はそれぞれ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。
【0035】
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を用いることが好ましく、この例においてはSmFeNのプラスチックマグネットが用いられている。これによれば、着磁電流を大きくして磁束量を大きくでき、トルクの低下を防ぐことができる。なお、ロータマグネット32は、インサート成型以外に焼結磁石によって一体化してもよい。また、材質は、焼結磁石や希土類Nd系磁石など仕様に応じて任意に用いられる。
【0036】
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かまぼこ状に形成されている。このマグネットメンバー32aはロータバックヨーク31を所定の金型内に入れて樹脂を流し込む、いわゆるインサート成型によってロータバックヨーク31に一体的に形成することができる。
【0037】
すなわち、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側が円周方向の両端322,322から中央にかけて凸形状となるように形成されていることが好ましい。
【0038】
これによれば、マグネットメンバー32aの半径方向の外周面321を凸形状、この例では円弧状に形成したことにより、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。また、磁石体積が減るため、コストを抑えることができる。なお、高トルク化するためには、マグネットメンバー32aの形状を変えずに、厚みを増すことで可能である。
【0039】
図4に示すように、この例において、外周面321は、両端部の半径方向の中間点P1,P2と、外周面321の円周方向の中間点P3とを、中間点P3を頂点として結んだ仮想線を接線勾配とする曲率線によって描かれている。すなわち、ロータマグネット32の両端部から中央部にかけて凸とするためには、外周面321の曲率をロータ3の円周の曲率よりも大きくすることが好ましい。なお、外周面321が多角形の場合は、その内接円または外接円の曲率である。
【0040】
この実施形態において、マグネットメンバー32aは、かまぼこ状に形成されているが、例えば図5(a)および(b)に示すように、外周面321の曲率を変えてもよい。また、図5(c)および(d)に示すように、外周面321を三角形や5角形などの多角形状に形成しても、ほぼ同様の効果が得られる。すなわち、ロータマグネット32は、半径方向の外周面321が円周方向の両端部322から中央部にかけて凸となるように形成されていればよい。
【0041】
マグネットメンバー32aの両端部322,322から内径側の外周面323かけては、台形状に形成されていることが好ましい。これによれば、マグネットメンバー32aの面積をできるだけ大きく取ることにより、磁束密度を大きくすることができる。
【0042】
図3(b)に示すように、ロータバックヨーク31の背面側にはマグネットメンバー32aと貫通孔35を介して一体であるアンカーマグネット36が形成されている。アンカーマグネット36は各貫通孔35,35を覆うように1つのパターンとして楕円状に形成されている。アンカーマグネット36は各マグネットメンバー32a〜32hのセグメント毎に合計8カ所形成されている。
【0043】
このアンカーマグネット36は運転時にマグネットメンバー32aの抜け落ちを防止する役割と、回路基板5(図1参照)上に実装された位置検出センサ51の被検出部としての検出用マグネットとしての役割も兼ねている。
【0044】
この例において、アンカーマグネット36は2つの貫通孔35,35を覆うように1つのパターンとして形成されているが、例えば多角形状の1つの貫通孔35を覆うようにパターン形成しても抜け落ちを防止することができる。本発明において、貫通孔35の形状は任意的事項である。
【実施例】
【0045】
次に、本発明のより具体的な実施例について比較例とともに検討する。図3(a)に示すロータマグネット形状を第1実施例を実施例1とした。次に、図6(a)に示すロータマグネットを実施例2、図6(b)に示すロータマグネットを比較例1、図6(c)に示すロータマグネットを実施例3、図6(d)に示すロータマグネットを実施例4とした。
【0046】
(ロータの作製)
図3(a)に示す電気亜鉛メッキ鋼板などの磁性材料からなるロータバックヨークをインサート成型機の金型内に設置し、各実施例および各比較例の形状を有するSmFeNプラスチックマグネットからなるロータマグネットを一体的に形成した。
【0047】
次に、作製した各種類のロータを図1に示すステータに組み付けてアキシャルギャップ型電動機を得た。この各アキシャルギャップ型電動機を軸を直結したモータで駆動した場合の誘起電圧(図7(a)〜図11(a))および電圧振幅−周波数特性(図7(b)〜図11(b))をそれぞれオシロスコープにて計測した。以下に、その測定結果に示す。
【0048】
《実施例1》
〔ロータマグネット形状〕:図3(a)
〔測定結果〕:図7(a),(b)
〔誘起電圧〕:正弦波
〔トルクリップル〕:小さい
〔コギングトルク〕:小さい
〔磁石表面積〕:小さい
〔騒音・振動〕:◎
〔高調波〕:◎
【0049】
《実施例2》
〔ロータマグネット形状〕:図6(a)
〔測定結果〕:図8(a),(b)
〔誘起電圧〕:正弦波
〔トルクリップル〕:小さい
〔コギングトルク〕:小さい
〔磁石表面積〕:小さい
〔騒音・振動〕:◎
〔高調波〕:◎
【0050】
《実施例3》
〔ロータマグネット形状〕:図6(c)
〔測定結果〕:図10(a),(b)
〔誘起電圧〕:台形波
〔トルクリップル〕:中間
〔コギングトルク〕:中間
〔磁石表面積〕:中間
〔騒音・振動〕:○
〔高調波〕:○
【0051】
《実施例4》
〔ロータマグネット形状〕:図6(d)
〔測定結果〕:図11(a),(b)
〔誘起電圧〕:台形波
〔トルクリップル〕:中間
〔コギングトルク〕:中間
〔磁石表面積〕:中間
〔騒音・振動〕:○
〔高調波〕:○
【0052】
〈比較例1〉
〔ロータマグネット形状〕:図6(b)
〔測定結果〕:図9(a),(b)
〔誘起電圧〕:台形波
〔トルクリップル〕:大きい
〔コギングトルク〕:大きい
〔磁石表面積〕:大きい
〔騒音・振動〕:△
〔高調波〕:△
【0053】
参考までに、上記実施例1〜4と比較例1の仕様および測定結果をまとめて表1に示す。
【0054】
【表1】
【0055】
以上、実施例1〜4および比較例1により以下のような知見を得た。
(1)実施例1,2によれば、ロータマグネットの外径側を滑らかな凸形状にすることにより、トルクリップルおよびコギングトルクの低減し、騒音・振動を低減することができる。
また、実施例2では、実施例1に比べて磁石体積が減っているため、実施例2を採用することにより、実施例1によるトルクリップルおよびコギングトルクを維持したまま、コストダウンを図ることができる。
(3)実施例3によれば、ローターマグネットの外径側の半径方向の両端の一部を除くだけでは、正弦波形にはならない。しかしながら、完全な正弦波形にはならないものの、トルクリップルおよびコギングトルクは比較例1と比べて同等以下であり、誘起電圧波形は改善されている。また、磁石体積が低減できるメリットもあり、低コスト化が可能となる。
(3)実施例4によれば、ローターマグネットの内径側を滑らかにしても、トルクリップルおよびコギングトルクへの影響はほとんど見られない。しかしながら、トルクリップルおよびコギングトルクを維持したまま、コストダウンを図ることができる。
したがって、本発明の具体的形状は、用途により適宜選択され、低振動、低騒音、低コストを図ることが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【0056】
【図1】本発明の一実施形態に係るアキシャルギャップ型電動機の中央縦断面図。
【図2】上記実施形態のステータの側面図。
【図3】(a)上記実施形態のロータの正面図、(b)ローターの背面図、(c)A−A線断面図。
【図4】ローターマグネットの拡大図。
【図5】ローターマグネットの各種変形例を示す部分拡大図。
【図6】実施例2および比較例1〜3のローターマグネットの部分拡大図。
【図7】実施例1の(a)誘起電圧−時間、(b)電圧振幅−周波数特性図。
【図8】実施例2の(a)誘起電圧−時間、(b)電圧振幅−周波数特性図。
【図9】比較例1の(a)誘起電圧−時間、(b)電圧振幅−周波数特性図。
【図10】実施例3の(a)誘起電圧−時間、(b)電圧振幅−周波数特性図。
【図11】実施例4の(a)誘起電圧−時間、(b)電圧振幅−周波数特性図。
【符号の説明】
【0057】
1 アキシャルギャップ型電動機
2 ステータ
3 ロータ
31 ロータバックヨーク
32 ロータマグネット
321 外周面
4 ロータ出力軸
5 回路基板
【技術分野】
【0001】
本発明はロータとステータとがロータ出力軸の軸線方向に沿って対向配置されたアキシャルギャップ型電動機に関し、さらに詳しく言えば、ロータマグネットの形状を最適化し、低騒音、かつ、低振動なアキシャルギャップ型電動機に関する。
【背景技術】
【0002】
アキシャル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対向的に配置してなる電動機であって、インナーロータ型などのラジアルギャップ型電動機に比べて回転軸方向の厚さを薄くする、すなわち扁平にすることができるという特徴がある。
【0003】
通常、ロータは円盤体からなるロータバックヨークと、同ロータバックヨークのステータに対向する面に一体的に取り付けられたロータマグネットとからなり、ロータマグネットは、その複数個がロータバックヨークに対して環状に配置され、接着剤などによって一体的に取り付けられている。
【0004】
しかしながら、従来のアキシャルギャップ型電動機には次のような問題があった。すなわち、従来のロータマグネットは、各々がほぼ台形状に形成されており、それらをロータバックヨークに沿って環状に配置していたため、ステータのティースに鎖交するロータマグネットの磁束がN→S(またはS→N)に変化する際に、単位時間当たりの磁束変化量が大きく、三次高調波やトルクリップルおよびコギングトルクが発生しやすかった。
【0005】
トルクリップルおよびコギングトルクが発生した場合、ロータはステータに対しての吸引・反発力によって振動し、モーター全体から騒音が発生しやすかった。また、正弦波駆動によって回転をよりスムーズにしたとしても、物理的なトルクリップルおよびコギングトルクを根本的に抑えることができないため、振動が発生してしまうことは否めない。
【0006】
【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】
【0007】
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、ロータマグネットの形状を最適化して、誘起電圧を正弦波状にし、トルクリップルおよびコギングトルクを低減することにある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
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ギャップ型電動機において、上記ロータは上記ステータのティース面に対向して環状に配置される複数個のロータマグネットを有し、上記各ロータマグネットは、半径方向の外周面が円周方向の両端部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2に記載の発明は、上記請求項1において、上記各ロータマグネットは、外周面側が円弧状に形成されていることを特徴としている。
【0010】
請求項3に記載の発明は、上記請求項1において、上記ロータマグネットは、外周面側が多角形状に形成されていることを特徴としている。
【0011】
請求子4に記載の発明は、上記請求項1,2または3において、上記ロータマグネットは、内周面側が台形状に形成されていることを特徴としている。
【0012】
請求項5に記載の発明は、上記請求項1〜4のいずれか1項において、上記ステータのティース面には、スキューが設けられていることを特徴としている。
【0013】
請求項6に記載の発明は、上記請求項1において、上記各ロータマグネットは、外周面側の円周方向の両端が切り欠かれていることを特徴としている。
【発明の効果】
【0014】
請求項1に記載の発明によれば、ロータマグネットの半径方向の外周面が円周方向の両端部から中央部にかけて凸状に形成されていることにより、誘起電圧が正弦波形となり、トルクリップルおよびコギングトルクが低減され、結果的に低騒音・低振動が可能となる。さらには、磁石体積が減るため、生産コストを抑えることができる。
【0015】
請求項2または3に記載の発明によれば、ロータマグネットの外周面側が円弧状(または多角形状)に形成されていることにより、磁束変化が滑らかになるため、トルクリップルおよびコギングトルクの低減に寄与する。
【0016】
請求項4に記載の発明によれば、ロータマグネットの内周面側はトルクリップルおよびコギングトルクに対する影響がほとんど無いため、できる限り磁束密度を増やすため、台形状に形成されていることが好ましい。
【0017】
請求項5に記載の発明によれば、ステータ側のティース面にスキューをさらに設けることにより、より磁束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の低減とともに、低騒音・低振動化することができる。
【0018】
請求項6に記載の発明によれば、ロータマグネットの円周方向の端部を切り欠くことによっても、トルクリップルおよびコギングトルクを低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0019】
次に、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。図1は本発明の一実施形態にかかるアキシャル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。
【0020】
このアキシャルギャップ型電動機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ロータ出力軸4に同軸的に固定されている。
【0021】
ステータ2およびロータ3は円筒状のハウジング10内に収納されている。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構部が格納されている。
【0022】
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。
【0023】
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。各ポールメンバー21a〜21iの隣り合うギャップ面には、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。
【0024】
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22,22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。
【0025】
各ポールメンバー21a〜21iは上記連結手段によって軸線を中心に環状に連結された後、インサート成型による樹脂で一体的に固められることにより、ステータ2が組み立てられる。この例において、ステータ2の外周を固定する合成樹脂はハウジング10も兼務している。
【0026】
再び図1を参照して、ステータ2の中心部には軸受部23が配置されている。この例において、軸受部23は一対のラジアルボールベアリング231,232を有し、その内輪はロータ出力軸4に圧入嵌めされ、外輪側は合成樹脂材によって埋設されている。本発明において軸受部23の構成は任意であってよい。
【0027】
この例において、各ロータ3,3は同一のロータ出力軸4を共有しているが、各ロータ3,3毎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、ロータ出力軸4を持たずにステータ2に対してロータ3,3をラジアルボールベアリングを介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。
【0028】
次に、ロータ3,3について説明する。ロータ3,3は同一構成のため、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に対向する側の面をロータ3の正面とする。
【0029】
図3(a)に示すように、ロータ3は、ステータ2に同軸的に配置される円盤体からなるロータバックヨーク31と、このロータバックヨーク31に一体的に取り付けられるロータマグネット32とからなる。
【0030】
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からなり、中央にはロータ出力軸4に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にはさらに、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の複数の打抜孔34が軸固定孔33を中心に環状に配置されている。
【0031】
この例において、打抜孔34はそれぞれが扇形状に形成され、8箇所設けられているが、打抜孔34の形状は仕様に応じて任意に変更可能であり、その大きさや数も自由に設計できる。
【0032】
ローターバックヨーク31にはロータマグネット32を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(図3(a)では紙面垂直方向)に貫通した孔であり、ロータ出力軸41の軸線を中心に環状に形成されている。この例において、貫通孔35はロータマグネット32の各セグメント毎にそれぞれ各セグメントの回転を防止するため二個一組となって8極分の合計16箇所設けられている。
【0033】
なお、これら軸固定孔33と打抜孔34はロータマグネット32をインサート成型する際にインサート成型機の金型へのガイド孔としても利用可能である。すなわち、まず中央の軸固定孔33を利用して中心位置を位置出しし、次に各打抜孔33を金型内に設けられた図示しないガイドリブに嵌め込むことにより、円周方向の位置出しを行うことができる。さらには、貫通孔35を金型のゲート位置に合わせて配置しておけば、金型内での樹脂の浸透がスムーズになり、より成型作業が行いやすくなる。
【0034】
ロータマグネット32は上述したように8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はそれぞれ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。
【0035】
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を用いることが好ましく、この例においてはSmFeNのプラスチックマグネットが用いられている。これによれば、着磁電流を大きくして磁束量を大きくでき、トルクの低下を防ぐことができる。なお、ロータマグネット32は、インサート成型以外に焼結磁石によって一体化してもよい。また、材質は、焼結磁石や希土類Nd系磁石など仕様に応じて任意に用いられる。
【0036】
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かまぼこ状に形成されている。このマグネットメンバー32aはロータバックヨーク31を所定の金型内に入れて樹脂を流し込む、いわゆるインサート成型によってロータバックヨーク31に一体的に形成することができる。
【0037】
すなわち、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側が円周方向の両端322,322から中央にかけて凸形状となるように形成されていることが好ましい。
【0038】
これによれば、マグネットメンバー32aの半径方向の外周面321を凸形状、この例では円弧状に形成したことにより、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。また、磁石体積が減るため、コストを抑えることができる。なお、高トルク化するためには、マグネットメンバー32aの形状を変えずに、厚みを増すことで可能である。
【0039】
図4に示すように、この例において、外周面321は、両端部の半径方向の中間点P1,P2と、外周面321の円周方向の中間点P3とを、中間点P3を頂点として結んだ仮想線を接線勾配とする曲率線によって描かれている。すなわち、ロータマグネット32の両端部から中央部にかけて凸とするためには、外周面321の曲率をロータ3の円周の曲率よりも大きくすることが好ましい。なお、外周面321が多角形の場合は、その内接円または外接円の曲率である。
【0040】
この実施形態において、マグネットメンバー32aは、かまぼこ状に形成されているが、例えば図5(a)および(b)に示すように、外周面321の曲率を変えてもよい。また、図5(c)および(d)に示すように、外周面321を三角形や5角形などの多角形状に形成しても、ほぼ同様の効果が得られる。すなわち、ロータマグネット32は、半径方向の外周面321が円周方向の両端部322から中央部にかけて凸となるように形成されていればよい。
【0041】
マグネットメンバー32aの両端部322,322から内径側の外周面323かけては、台形状に形成されていることが好ましい。これによれば、マグネットメンバー32aの面積をできるだけ大きく取ることにより、磁束密度を大きくすることができる。
【0042】
図3(b)に示すように、ロータバックヨーク31の背面側にはマグネットメンバー32aと貫通孔35を介して一体であるアンカーマグネット36が形成されている。アンカーマグネット36は各貫通孔35,35を覆うように1つのパターンとして楕円状に形成されている。アンカーマグネット36は各マグネットメンバー32a〜32hのセグメント毎に合計8カ所形成されている。
【0043】
このアンカーマグネット36は運転時にマグネットメンバー32aの抜け落ちを防止する役割と、回路基板5(図1参照)上に実装された位置検出センサ51の被検出部としての検出用マグネットとしての役割も兼ねている。
【0044】
この例において、アンカーマグネット36は2つの貫通孔35,35を覆うように1つのパターンとして形成されているが、例えば多角形状の1つの貫通孔35を覆うようにパターン形成しても抜け落ちを防止することができる。本発明において、貫通孔35の形状は任意的事項である。
【実施例】
【0045】
次に、本発明のより具体的な実施例について比較例とともに検討する。図3(a)に示すロータマグネット形状を第1実施例を実施例1とした。次に、図6(a)に示すロータマグネットを実施例2、図6(b)に示すロータマグネットを比較例1、図6(c)に示すロータマグネットを実施例3、図6(d)に示すロータマグネットを実施例4とした。
【0046】
(ロータの作製)
図3(a)に示す電気亜鉛メッキ鋼板などの磁性材料からなるロータバックヨークをインサート成型機の金型内に設置し、各実施例および各比較例の形状を有するSmFeNプラスチックマグネットからなるロータマグネットを一体的に形成した。
【0047】
次に、作製した各種類のロータを図1に示すステータに組み付けてアキシャルギャップ型電動機を得た。この各アキシャルギャップ型電動機を軸を直結したモータで駆動した場合の誘起電圧(図7(a)〜図11(a))および電圧振幅−周波数特性(図7(b)〜図11(b))をそれぞれオシロスコープにて計測した。以下に、その測定結果に示す。
【0048】
《実施例1》
〔ロータマグネット形状〕:図3(a)
〔測定結果〕:図7(a),(b)
〔誘起電圧〕:正弦波
〔トルクリップル〕:小さい
〔コギングトルク〕:小さい
〔磁石表面積〕:小さい
〔騒音・振動〕:◎
〔高調波〕:◎
【0049】
《実施例2》
〔ロータマグネット形状〕:図6(a)
〔測定結果〕:図8(a),(b)
〔誘起電圧〕:正弦波
〔トルクリップル〕:小さい
〔コギングトルク〕:小さい
〔磁石表面積〕:小さい
〔騒音・振動〕:◎
〔高調波〕:◎
【0050】
《実施例3》
〔ロータマグネット形状〕:図6(c)
〔測定結果〕:図10(a),(b)
〔誘起電圧〕:台形波
〔トルクリップル〕:中間
〔コギングトルク〕:中間
〔磁石表面積〕:中間
〔騒音・振動〕:○
〔高調波〕:○
【0051】
《実施例4》
〔ロータマグネット形状〕:図6(d)
〔測定結果〕:図11(a),(b)
〔誘起電圧〕:台形波
〔トルクリップル〕:中間
〔コギングトルク〕:中間
〔磁石表面積〕:中間
〔騒音・振動〕:○
〔高調波〕:○
【0052】
〈比較例1〉
〔ロータマグネット形状〕:図6(b)
〔測定結果〕:図9(a),(b)
〔誘起電圧〕:台形波
〔トルクリップル〕:大きい
〔コギングトルク〕:大きい
〔磁石表面積〕:大きい
〔騒音・振動〕:△
〔高調波〕:△
【0053】
参考までに、上記実施例1〜4と比較例1の仕様および測定結果をまとめて表1に示す。
【0054】
【表1】
【0055】
以上、実施例1〜4および比較例1により以下のような知見を得た。
(1)実施例1,2によれば、ロータマグネットの外径側を滑らかな凸形状にすることにより、トルクリップルおよびコギングトルクの低減し、騒音・振動を低減することができる。
また、実施例2では、実施例1に比べて磁石体積が減っているため、実施例2を採用することにより、実施例1によるトルクリップルおよびコギングトルクを維持したまま、コストダウンを図ることができる。
(3)実施例3によれば、ローターマグネットの外径側の半径方向の両端の一部を除くだけでは、正弦波形にはならない。しかしながら、完全な正弦波形にはならないものの、トルクリップルおよびコギングトルクは比較例1と比べて同等以下であり、誘起電圧波形は改善されている。また、磁石体積が低減できるメリットもあり、低コスト化が可能となる。
(3)実施例4によれば、ローターマグネットの内径側を滑らかにしても、トルクリップルおよびコギングトルクへの影響はほとんど見られない。しかしながら、トルクリップルおよびコギングトルクを維持したまま、コストダウンを図ることができる。
したがって、本発明の具体的形状は、用途により適宜選択され、低振動、低騒音、低コストを図ることが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【0056】
【図1】本発明の一実施形態に係るアキシャルギャップ型電動機の中央縦断面図。
【図2】上記実施形態のステータの側面図。
【図3】(a)上記実施形態のロータの正面図、(b)ローターの背面図、(c)A−A線断面図。
【図4】ローターマグネットの拡大図。
【図5】ローターマグネットの各種変形例を示す部分拡大図。
【図6】実施例2および比較例1〜3のローターマグネットの部分拡大図。
【図7】実施例1の(a)誘起電圧−時間、(b)電圧振幅−周波数特性図。
【図8】実施例2の(a)誘起電圧−時間、(b)電圧振幅−周波数特性図。
【図9】比較例1の(a)誘起電圧−時間、(b)電圧振幅−周波数特性図。
【図10】実施例3の(a)誘起電圧−時間、(b)電圧振幅−周波数特性図。
【図11】実施例4の(a)誘起電圧−時間、(b)電圧振幅−周波数特性図。
【符号の説明】
【0057】
1 アキシャルギャップ型電動機
2 ステータ
3 ロータ
31 ロータバックヨーク
32 ロータマグネット
321 外周面
4 ロータ出力軸
5 回路基板
【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ギャップ型電動機において、
上記ロータは上記ステータのティース面に対向して環状に配置される複数個のロータマグネットを有し、上記各ロータマグネットは、半径方向の外周が円周方向の両端部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アキシャルギャップ型電動機。
【請求項2】
上記各ロータマグネットは、外周面側が円弧状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ギャップ型電動機。
【請求項3】
上記ロータマグネットは、外周面側が多角形状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ギャップ型電動機。
【請求項4】
上記ロータマグネットは、内周面側が台形状に形成されていることを特徴とする請求項1,2または3に記載のアキシャルギャップ型電動機。
【請求項5】
上記ステータのティース面には、スキューが設けられていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のアキシャルギャップ型電動機。
【請求項6】
上記各ロータマグネットは、外周面側の円周方向の両端が切り欠か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型電動機。
【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ギャップ型電動機において、
上記ロータは上記ステータのティース面に対向して環状に配置される複数個のロータマグネットを有し、上記各ロータマグネットは、半径方向の外周が円周方向の両端部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アキシャルギャップ型電動機。
【請求項2】
上記各ロータマグネットは、外周面側が円弧状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ギャップ型電動機。
【請求項3】
上記ロータマグネットは、外周面側が多角形状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ギャップ型電動機。
【請求項4】
上記ロータマグネットは、内周面側が台形状に形成されていることを特徴とする請求項1,2または3に記載のアキシャルギャップ型電動機。
【請求項5】
上記ステータのティース面には、スキューが設けられていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のアキシャルギャップ型電動機。
【請求項6】
上記各ロータマグネットは、外周面側の円周方向の両端が切り欠か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型電動機。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【公開番号】特開2006−288081(P2006−288081A)
【公開日】平成18年10月19日(2006.10.19)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2005−104913(P2005−104913)
【出願日】平成17年3月31日(2005.3.31)
【出願人】(000006611)株式会社富士通ゼネラル (1,266)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成18年10月19日(2006.10.19)
【国際特許分類】
【出願日】平成17年3月31日(2005.3.31)
【出願人】(000006611)株式会社富士通ゼネラル (1,266)
【Fターム(参考)】
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