(57)【要約】【課題】スロットに鉄心を有したアキシャルギャップ型電動モータでありながら、コギングトルクの低減を、誘起電圧の低下を招かず、かつ安価に実現する。【解決手段】コイル５が巻回されるティース本体部４１及び該ティース本体部４１の先端に設けたティース先端部４２からなるティース４を有するステータ１と、Ｎ極、Ｓ極が交互に配置された磁石６を有するロータ２とを具備してなり、前記ティース先端部４２と磁石６とが回転軸Ｃの軸方向に所定のエアギャップを介して互いに対向配置されたアキシャルギャップ型電動モータ１００において、回転軸Ｃ方向から視たときの前記ティース先端部４２の周方向開角が、該ティース先端部４２の内周縁４２ａから外周縁４２ｂにかけての少なくとも一部分において異なるようにした。【選択図】  図３
2010130736.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コイルが巻回されるティース本体部及び該ティース本体部の先端に設けたティース先端部からなるティースを有するステータと、Ｎ極、Ｓ極が交互に配置された磁石を有するロータとを具備してなり、前記ティース先端部と磁石とが回転軸の軸方向に所定のエアギャップを介して互いに対向配置されたアキシャルギャップ型電動モータにおいて、
回転軸方向から視たときの前記ティース先端部の周方向開角が、該ティース先端部の内周縁から外周縁にかけての少なくとも一部分において異なることを特徴とするアキシャルギャップ型電動モータ。
【請求項２】
ギャップ面に対向する前記ティース先端部の周方向の幅寸法が、外周縁から内周縁に亘って略同一であることを特徴とするアキシャルギャップ型電動モータ。
【請求項３】
前記ティース先端部の磁石に対向する表面が平面であることを特徴とするアキシャルギャップ型電動モータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ステータとロータが回転軸の軸方向に所定のエアーギャップを介して互いに対向配置されたアキシャルギャップ型電動モータにおいて、誘起電圧高調波及びコギングトルクの低減を好適に図れるものに関する。
【背景技術】
【０００２】
アキシャルギャップ型電動モータとは、ステータとロータがロータ回転軸（以下、単に回転軸とも言う）の軸方向に所定のエアーギャップを介して互いに対向配置されたものであり、ラジアルギャップ型電動モータと比較してギャップ面積を大きくできる特長があることから、モータの薄型化や高トルク化が可能となるため音響機器や家電製品等多くの用途に用いられている。
【０００３】
かかるアキシャルギャップ型電動モータには、小型のものでは円盤又は円環形状の一体型の簿板状磁石が使用され、大型のモータでは周方向に複数個分割された扇型の簿板状磁石が使用される。いずれの場合も磁石の加工を容易にするため、ギャップ面に凹凸をもたない形状が一般的である。
【０００４】
ところで、この様な形状の磁石でモータを構成すると、磁極の切り替わり近傍での磁束変化が大きくなり、コギングトルクが増大して、騒音や振動が問題となるケースある。
【０００５】
そこで、コギングトルクを発生させない従来の技術としては、ステータスロットに鉄心を用いないスロットレスモータがある。例えば、特許文献１に示すスロットレスモータでは、巻線の周方向開角を360/5×nとすることで誘起電圧の5次高調波を除去し、モータの静音化をさらに推し進めた構成が記載されている。
【０００６】
一方、スロットに鉄心を有するモータにおいては、特許文献２に示すように、ギャップ面に対向するティース先端部を、内周部分から外周部分に向けて回転方向もしくは反回転方向にスキューしたものが知られている（図１参照）。この様にステータティースを構成することで、ステータスロットパーミアンス高調波が低減されてその結果コギングトルクが低減される。
【０００７】
また、特許文献３には、各磁石の極と極の境目に溝部を設けることで磁石を周方向に向かって偏肉形状とした構成が開示されている（図２参照）。この様な構成によれば、磁石の起磁力高調波が低減されて、その結果コギングトルクが低減される。つまり、磁極の切り替わり近傍の磁束変化が滑らかになってトルクの脈動を抑制できる。
【特許文献１】特開平４−２６１３４７
【特許文献２】特開２００５−１８５０７５
【特許文献３】特開２００１−５７７５３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、スロットレスモータはスロットに鉄心を持たないため、ギャップ長が長くなり、磁石の磁束を有効に利用できない。そのため、スロットに鉄心を有するモータと比較すると出力可能なトルク範囲が非常に狭くなるという問題があり、また、同一トルクのモータで比較するとスロットレスモータは、価格が非常に高価となって価格面で課題が残る。
【０００９】
一方、特許文献２に記載のモータは、スロットに鉄心を有するため、前述したスロットレスモータに係る不具合は解消できる。しかしながら、ギャップ面に対向するティース先端部の周方向の幅が内周部から外周部にかけて徐々に広がっていくと共にスキューされており、非常に複雑なステータコア形状になる。例えばこれを積層鋼板で構成する場合、径方向に沿って電磁鋼板を積層するが、金型構造が非常に複雑で高価なものになり、価格面での課題が生じる。また、圧粉鉄心をステータコアに用いた場合は、磁気特性が電磁鋼板と比較して劣るという不具合が発生する。その他、製造に関しても成型、熱処理工程が必要で簡単な工程にはならないことからモータ価格面での問題を完全には解決し得ない。
【００１０】
さらに、特許文献３に記載のモータでは、磁石を各極毎に分割して構成する必要があり、多極化されたモータでは磁石の加工費が増大する。また、磁石の溝部の追加加工も必要となり、加工費の増大を招くという問題点がある。さらにこのようなものであれば、コギングトルクは確かに低減されるが、同時に誘起電圧（一次成分）も小さくなり、モータ自体の駆動トルクが低減するという不具合も生じ得る。
【００１１】
本発明はかかる問題点を鑑みてなされたものであって、その主たる所期課題は、スロットに鉄心を有したアキシャルギャップ型電動モータでありながら、コギングトルクの低減を、誘起電圧の低下を招かず、かつ安価に実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
すなわち、本発明に係るアキシャルギャップ型電動モータは、コイルが巻回されるティース本体部及び該ティース本体部の先端に設けたティース先端部からなるティースを有するステータと、Ｎ極、Ｓ極が交互に配置された磁石を有するロータとを具備してなり、前記ティース先端部と磁石とが回転軸の軸方向に所定のエアギャップを介して互いに対向配置されたものにおいて、回転軸方向から視たときの前記ティース先端部の周方向開角が、該ティース先端部の内周縁から外周縁にかけての少なくとも一部分において異なることを特徴とする。
【００１３】
このようなものであると、トルク脈動や騒音、あるいは効率低下の原因となるコギングトルクや誘起電圧の高調波成分について、ティース先端部における開角が異なる部分同士での位相差によるキャンセル作用を得ることができる。
【００１４】
安価でありながら磁気特性を良好にするためには、ギャップ面に対向するティース先端部の周方向の幅寸法を、外周縁から内周縁に亘って略同一にすることが望ましい。ティースを同一形状をなす複数の積層鋼板を積層させて容易に構成することができるからである。
そのためには、前記ティース先端部の磁石に対向する表面が平面であれば、より好適である。
【発明の効果】
【００１５】
このように構成した本発明によれば、トルク脈動や騒音、あるいは効率低下の原因となるコギングトルクや誘起電圧の高調波成分について、ティース先端部における開角が異なる部分同士での位相差によるキャンセル作用を営ませて、それらの低減を図ることができる。また、コギングトルクや誘起電圧の高調波成分の絶対値を下げるのではなく、前述したようにキャンセル作用を利用してそれらの低減を図っていることから、誘起電圧そのもの（一次成分）にほとんど影響を及ぼさないため、回転トルクを良好に保つことができる。さらに、ティース先端部において、開角が異なる部分を形成するだけであるから、簡単で安価な実現が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
【００１７】
この実施形態では、本発明の原理について、まず説明し、その後、それを実現したより具体的な実施例について説明する。
図３は、本実施形態に係る電動モータ１００の内部構造を示す部分斜視図である。
本実施形態のモータは、ステータ１及びロータ２が、ロータ回転軸Ｃ（以下、単に回転軸Ｃとも言う）の軸方向に所定のエアーギャップを介して互いに対向配置されたアキシャルギャップ型のものである。
【００１８】
前記ステータ１は、回転軸Ｃと軸線を合致させて配置した円環板状のヨーク部３と、該ヨーク部３から回転軸Ｃ方向に延伸するティース４と、該ティース４に巻回されたコイル５とを有するものである。ティース４は、ヨーク部３から立ち上がる柱状のティース本体部４１と、この本体部材の先端に取り付けられた板状のティース先端部４２とからなるものであり、前記ティース本体部４１に例えば３相結線された前記コイル５が巻きつけてある。
【００１９】
前記ロータ２は、N極とＳ極とが交互に着磁され回転軸Ｃの周方向に略均等配置された扇形板状をなす永久磁石６（以下、単に磁石６とも言う）と、これら磁石６を支持する円盤状のフレーム７とを有するものであり、回転軸Ｃを中心に回転可能に設けてある。なお、永久磁石６（又はその着磁領域）は、回転軸Ｃ方向から視たときの内周縁及び外周縁の円弧中心が回転軸Ｃに合致し、かつ、回転軸Ｃを中心とする周方向開角が、内周縁から外周縁に亘るどの部分においても同一となる形状をなす。
【００２０】
そして、前記磁石６の表面とティース先端部４２の表面とが、前記エアーギャップを介して対向する。
【００２１】
しかしてこの実施形態では、図４に示すように、ティース先端部４２を回転軸Ｃ方向から視たとき、該ティース先端部４２の回転軸Ｃを中心とする周方向開角αが、その内周縁４２ａから外周縁４２ｂにかけての少なくとも一部分において異なるような形状としている。ここでは、例えばティース先端部４２が扇形板状をなし、回転軸Ｃを中心とする周方向開角αが、その内周縁４２ａから外周縁４２ｂにかけて逐次大きくなるようにしてある。
【００２２】
そして、このような構成であれば、ティース先端部４２の広角部分（ここでは外周縁４２ｂ近傍）と狭角部分（ここでは内周縁４２ａ近傍）のそれぞれで発生する誘起電圧高調波及び／又はコギングトルクの少なくとも一部を互いにキャンセルすることが可能になる。
【００２３】
その理由について以下に説明する。
磁石６が発生する起磁力波形は、磁石６の形状が平面状でＮ極、Ｓ極が対称形状となるように作成されたモータにおいては、矩形波となるため、奇数次高調波のみとなる。ギャップ磁束密度Brは、磁石６の起磁力と平滑パーミアンスの積で主に計算されるため、半径Rにおけるギャップ磁束密度Br(R)は式（数１）で表される。
【数１】
2010130736.tif 000003
n＝4ｍ±1
ここで
n：高調波次数
An(R)：n次高調波磁束密度の半径R部における振幅値
a：ギャップ部の空間角度
ω：角周波数
t：時間
ψ(Ｒ)n：半径Ｒにおけるｎ次高調波の初期位相
m：空間高調波次数が負にならない任意の整数
【００２４】
また、ステータ１のスロット高調波の半径Ｒにおけるギャップ磁束密度Bs(R)はスロットパーミアンス高調波×基本波気磁力で主に計算されて式（数２）で表される。
【数２】
2010130736.tif 000004
i = Ns±1
ここで
i：高調波次数
Ns：スロット数
Si(R)：i次高調波磁束密度の半径Rにおける振幅値
j：正の整数
Φ(Ｒ)i：半径Rにおけるi次高調波の初期位相
【００２５】
次に、計算式を簡略化するため２極３スロットの組合せで検討する。
コギングトルクは上式（数１）と（数２）で示される高調波の相互作用により発生するため、式（数１）×式（数２）に比例すると考えることができる。また、コギングトルクは空間１周期分の積分値で表されるため、式（数１）×式（数２）の計算結果の空間高調波次数が０となる式（数１）、式（数２）の高調波の組み合わせで計算できる。コギングトルクは次数が低いほど値が大きくなる傾向があるため、次数が最も低くなる５次高調波で式（数１）×式（数２）を計算すると、半径RにおけるコギングトルクC(R)は、式（数３）で表される。
【数３】
2010130736.tif 000005
ここでγ(R)は半径Rにおける初期位相である。
【００２６】
アキシャルギャップモータ１００のギャップ部（又はティース先端部４２）の最小半径をRi、最大半径をRoとすると、コギングトルクCは、C(R)をRiからRoまで積分した値で、式（数４）で表される
【数４】
2010130736.tif 000006
【００２７】
上式（数２）のΦ(R)iは、i次高調波の初期位相で、この値はステータ１のギャップ面に対向するティース先端部４２の開角によって決定される値である。すなわち、上式（数４）中のγ(R)は半径Rにおけるコギングトルクの初期位相であり、この値はティース４の開角によって可変可能な値となる。従って本実施形態のモータ１００の様に、ギャップ面に対向するティース先端部４２の周方向開角を少なくとも１部分以上内周縁４２ａから外周縁４２ｂにかけて異なる構成とすることで、ティース先端部４２の広角部分と狭角部分のコギングトルクの位相γ(R)を反転する構成が可能となり、それぞれで発生するコギングトルクの少なくとも一部を互いにキャンセルすることができる。
【００２８】
次に誘起電圧高調波のキャンセル方法について説明する。
半径Rにおけるギャップ磁束密度Br(R)を式（数１）とした時、半径Rにおける鎖交磁束Φ(R)は式（数５）で表される。
【数５】
2010130736.tif 000007
k = 4l ± 1
ここで
k：高調波次数
Dk(R)：半径Rにおける鎖交磁束k次高調波の振幅値
α(R)：半径Rにおけるティース先端部４２の周方向開角
ζ(R)k：半径Rにおけるk次高調波の初期位相
l：空間高調波次数が負にならない任意の整数
【００２９】
誘起電圧は鎖交磁束の微分であり、半径Rにおける誘起電圧は式（数６）で表される。
【数６】
2010130736.tif 000008
ここで
Ek(R)：半径Rにおける誘起電圧k次高調波の振幅値
【００３０】
誘起電圧ＥはＥ(R)を、前記RiからRoまで積分した値で、式（数７）で表される。
【数７】
2010130736.tif 000009
【００３１】
上式（数７）のζ(R)kはステータ１のギャップ面に対向するティース先端部４２の開角によって決定される値であり、ティース先端部４２の開角によって可変可能な値である。従って本実施形態のモータ１００の様に、ギャップ面に対向するティース先端部４２の周方向開角を少なくとも１部分以上内周縁４２ａから外周縁４２ｂにかけて異なる構成とすることで、ティース先端部４２の広角部分と狭角部分に発生する誘起電圧高調波の位相ζ(R)を反転する構成が可能となり、それぞれで発生する誘起電圧高調波の少なくとも一部を互いにキャンセルすることができる。
【００３２】
本発明の原理は以上から理解できよう。
次に、ティース先端部の具体的に設計した形状例及びその性能解析結果について、実施例欄で説明する。
【実施例】
【００３３】
＜第１実施例＞
この第１実施例では、図７、図８に示すように、ティース先端部４２を、回転軸Ｃ方向から視て、２つの異なる開角を有した扇形を接続した形状としている。より具体的には、このティース先端部４２は、径方向における外側略半分に形成された開角の広い扇形形状をなす外側部４２２と、径方向における内側略半分に形成された開角の狭い扇形形状をなす内側部４２１とからなるものである。なお、外側部４２２、内側部４２１にそれぞれにおける開角は一定である。
【００３４】
次に、前記ティース先端部４２の外周縁４２ｂにおける開角β、及び内周縁４２ａにおける開角γを変化させたときのコギングトルク及び誘起電圧の変化を解析した結果を以下に詳述する。
【００３５】
図５は、前記ティース先端部４２の表面（ギャップ面に対向する面）における外周縁４２ｂ近傍で発生する誘起電圧及びコギングトルクの解析結果を示したものである。この図５に示すグラフにおいて、横軸βは、ティース先端部４２における外周縁４２ｂ近傍の円周方向開角である。つまり、この解析結果は、前記開角βを変化させたときの誘起電圧の１次、５次、７次成分とコギングトルクの変化を示すものであり、モデルとしては、外周縁４２ｂ近傍のみのティース先端部４２を備えたものを想定している。なお、解析に用いたモータの仕様の概略を表１に示す。
【表１】
2010130736.tif 000010
【００３６】
図６は、前記ティース先端部４２の表面（ギャップ面に対向する面）における内周縁４２ａ近傍で発生する誘起電圧及びコギングトルクの解析結果を示したものである。この図６に示すグラフにおいて、横軸γは、ティース先端部４２における内周縁４２ａ近傍の円周方向開角である。つまり、この解析結果は、前記開角γを変化させたときの誘起電圧の１次、５次、７次成分とコギングトルクの変化を示すものであり、モデルとしては、内周縁４２ａ近傍のみのティース先端部４２を備えたものを想定している。
【００３７】
図５及び図６のグラフにおいて、ポイントを塗りつぶした箇所同士、及び塗りつぶしていない箇所同士はそれぞれの成分の位相が図５と図６とで同じであることを示している。
そして、このグラフから読み取れるように、単純に誘起電圧の１次成分を極大にするには前記ティース先端部４２における外周縁４２ｂ近傍の開角βと、内周縁４２ａ近傍の開角γをそれぞれ１９０°近辺に設定すれば良い。但し、この場合は図５、図６から明らかなように、コギングトルクが大きくなる。このため従来は、前述した従来例に示す様に、ティース４にスキューを設けたり、磁石６を偏肉形状にしたりするといった対策を施している。
【００３８】
そこで、この実施例では、前記解析結果に基づき、例えば、ティース先端部４２における外周縁４２ｂ近傍の円周方向開角β（外側部４２２の開角β）を２００°、内周縁４２ａ近傍の円周方向開角γ（内側部４２１の開角γ）を１４０°としている。図５及び図６中にそれぞれ「第１実施例のモータ」としたハッチング領域で、その位置を示す。図５に示すように、開角β＝２００°におけるコギングトルクは●印で示された領域であり、他方、図６に示すように開角γ＝１４０°におけるコギングトルクは○印で示された領域となっている。つまり、外周縁４２ｂ近傍で発生するコギングトルクと内周縁４２ａ近傍で発生するコギングトルクとが互いに逆位相になって、打ち消しあい効果が生じることを確認できる。
さらに、誘起電圧５次高調波についても、図５に示す開角β＝２００°における誘起電圧５次高調波は□印である一方、図６に示す開角γ＝１４０°における誘起電圧５次高調波は■印となっており、互いに逆位相になって、コギングトルク同様、打ち消しあい効果が生じていることがわかる。
また、誘起電圧７次高調波については、図５、図６からわかるように、それぞれ極小値近辺となっている。
【００３９】
さらに、この第１実施例でのモータ１００の、従来例と比較した性能解析結果を表２に示す。ここで示す従来のモータは、前記ティース先端部の回転軸を中心とした開角が１９０°一定で、なおかつ、従来の対策手段である、磁石を偏肉形状にしたモータである。磁石の偏肉形状は、磁石のギャップ面に対向する磁石面の周方向円の弧角度をＲ５０，Ｒ３０，Ｒ１５[mm]に設定している。
【表２】
2010130736.tif 000011
【００４０】
この表２から明らかなように、この第１実施例でのモータ１００は、従来の対策を施したモータ（偏肉磁石の円弧をＲ１５としたモータ）と比較して、誘起電圧の１次成分を大きくでき、かつ誘起電圧高調波成分及びコギングトルクを小さくできている。
【００４１】
この様に、第１実施例に係るモータ１００は、従来例と比較して高トルクでかつ低騒音、低振動なモータと言える。また、従来例のモータの様に磁石を偏肉形状にしていないため、磁石の加工工程の簡素化が可能で、従来例と比較して安価なモータを提供できる。
【００４２】
＜第２実施例＞
図９は、本発明に係る第２実施例のモータの内部構造を示す部分斜視図である。
この第２実施例では、ティース先端部４２を周方向に積み重ねた積層鋼板で構成するとともに、該ティース先端部４２の表面（ギャップ面に対向する面）の周方向の幅を、図９、図１０に示すように、外周縁４２ｂから内周縁４２ａにかけて略同一寸法としている。このような形状であると、当然のことながら、ティース先端部４２における外周縁４２ｂの、回転軸Ｃを中心とした円周方向開角βよりも、内周縁４２ａの円周方向開角γの方が大きくなる。ここでは、開角β＝１１７°、開角γ＝１７５°としている。
【００４３】
このときのコギングトルク及び誘起電圧の値を、図５及び図６のグラフ中に、「第２実施例のモータ」として、それぞれハッチングして示す。図５の開角β＝１１７°におけるコギングトルクは○印で、図６の開角γ＝１７５°におけるコギングトルクは○印となっており、これらが互いに逆位相になって、打ち消しあい効果が生じていることが確認できる。
【００４４】
誘起電圧５次高調波についても、図５の開角β＝１１７°における誘起電圧５次高調波は□印で、図６の開角γ＝１７５°における誘起電圧５次高調波は■印となっており、これらが互いに逆位相になって、打ち消しあい効果を生じせしめていることがわかる。また、誘起電圧７次高調波についても、図５の開角β＝１１７°における誘起電圧５次高調波は△印で、図６の開角γ＝１７５°における誘起電圧５次高調波は▲印となっており、やはりこれらが互いに逆位相になって、打ち消しあい効果を生じせしめている。
【００４５】
この第２実施例に係る電動モータ１００の効果を表３にまとめて示す。表３中の比較モータは、前記ティース先端部４２の回転軸Ｃを中心とした開角が１９０°一定のものである。この表３から明らかなように、誘起電圧の１次成分は３．９％しか低減していないのに対して、誘起電圧高調波成分及びコギングトルク成分は大幅に低減できていることが分かる。
【表３】
2010130736.tif 000012
【００４６】
この様に第２実施例のモータ１００は、トルク脈動の発生源である誘起電圧高調波成分とコギングトルクを低減することが可能であるため、第１実施例同様、低騒音、低振動化に効果がある。
また、特にこの第２実施例のティース４は電磁鋼板で構成されており、しかも、周方向の幅寸法が等しいことから同一形状の電磁鋼板を円周の接線方向に積層することで極めて容易に構成が可能なため、金型構造の簡素化が可能で、安価なモータを提供できる。
【００４７】
なお、本発明は、前記図示例に限定されるものではない。例えば例えばティース４の形状の変形例を図１１に示す。また、前記実施例では、表１に示すモータ仕様で説明を行ったが、モータの内径、外径、ギャップ長、巻数、極数、スロット数等は本値に限定されるものではない。
その他、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】従来のアキシャルギャップ型電動モータの一例を示す内部構造図。
【図２】従来のアキシャルギャップ型電動モータの一例を示す内部構造図。
【図３】本発明の第１実施形態におけるアキシャルギャップ型電動モータを内部構造を示す部分斜視図。
【図４】同実施形態におけるティース先端部を回転軸方向から視た平面図。
【図５】ティース先端部における外周縁の開角を変化させたときのコギングトルク及び誘起電圧の高調波の変化を解析した解析グラフ。
【図６】ティース先端部における内周縁の開角を変化させたときのコギングトルク及び誘起電圧の高調波の変化を解析した解析グラフ。
【図７】本発明の第１実施例におけるアキシャルギャップ型電動モータを内部構造を示す部分斜視図。
【図８】同実施例におけるティース先端部を回転軸方向から視た平面図。
【図９】本発明の第２実施例におけるアキシャルギャップ型電動モータを内部構造を示す部分斜視図。
【図１０】同実施例におけるティース先端部を回転軸方向から視た平面図。
【図１１】本発明におけるティースの変形例を示す斜視図。
【符号の説明】
【００４９】
１００・・・アキシャルギャップ型電動モータ
１・・・ステータ
２・・・ロータ
４・・・ティース
４１・・・ティース本体部
４２・・・ティース先端部
５・・・コイル
６・・・磁石
【図１】
2010130736.tif 000013
【図２】
2010130736.tif 000014
【図３】
2010130736.tif 000015
【図４】
2010130736.tif 000016
【図５】
2010130736.tif 000017
【図６】
2010130736.tif 000018
【図７】
2010130736.tif 000019
【図８】
2010130736.tif 000020
【図９】
2010130736.tif 000021
【図１０】
2010130736.tif 000022
【図１１】
2010130736.tif 000023