(57)【要約】【課題】  コギングトルクを低減して、振動や騒音の低減を可能とするアキシャルギャップ型電動機の提供する。【解決手段】  複数個の固定子鉄心２４を環状に配置してなる磁力生成部２１を有し、各固定子鉄心２４のティース２５にローター３１，３２の半径方向に対して所定角度傾けられたスキュー２６を設ける。【選択図】  図３
2005185075.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータおよびロータが上記ロータの回転軸線方向に沿って所定の空隙（ギャップ）をもって互いに対向配置されたアキシャルギャップ型電動機において、
上記ステータは、磁性体からなる複数個の固定子鉄心が上記ロータの回転軸線を中心軸とする同心円上に環状に配置された磁力生成部を有し、上記固定子鉄心の各ティースには、スキューが設けら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】
上記スキューは、上記ロータの回転方向に対して正方向もしくは逆方向に傾けられている請求項１に記載のアキシャルギャップ型電動機。
【請求項３】
上記固定子鉄心の各ティース同士が対向するギャップ面が円弧形状である請求項１または２に記載のアキシャルギャップ型電動機。
【請求項４】
上記固定子鉄心の各ティース同士が対向するギャップ面が直線形状と円弧形状の組み合わせからなる請求項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】
上記固定子鉄心は、鋳型成型されたものからなる請求項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】
上記各ティースのギャップ面の端縁が、上記固定子鉄心の外径線上に形成されている請求項１〜５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７】
上記ステータは、９個の上記固定子鉄心を環状に配置したものからなり、上記ロータの極数が８極である請求項１〜６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８】
上記ティースのスキュー角が２°以上である請求項７に記載のアキシャルギャップ型電動機。
【請求項９】
上記ティースのスキュー角が７°以下である請求項７または８に記載のアキシャルギャップ型電動機。
【請求項１０】
上記ステータは、１２個の上記固定子鉄心を環状に配置したものからなり、上記ロータの極数が８極である請求項１〜６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１１】
上記ティースのスキュー角が４°以上である請求項１０に記載のアキシャルギャップ型電動機。
【請求項１２】
上記ティースのスキュー角が９°以下である請求項１０または１１に記載のアキシャルギャップ型電動機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ステータとロータとが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、さらに詳しくいえば、コギングトルクの低減を可能とする固定子鉄心構造に関する。
【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所定の空隙（ギャップ）をもって互いに対向配置されており、通常のモータに比べて薄型に設計できることから、電動機付き自転車のハブモータやＦＤドライブなどの駆動用モータとして好ましく用いられている。
【０００３】
ところで、磁性材からなる固定子鉄心とマグネットロータで構成されるブラシレスモータでは、ロータの回転に伴ってロータとステータとの間の磁気抵抗が変化する場合、回転方向への吸引反発力によってコギングトルクを生じる。このコギングトルクが大きいと、振動や騒音が発生する。
【０００４】
とりわけ、アキシャルギャップ型電動機の場合においては、ロータとステータとの間のギャップ面が非常に狭く設計されているため、振動によってロータがステータに接触するおそれがあり、破損などの原因の一因となるおそれがある。
【０００５】
そこで、このコギングトルクを低減する方法の一つとして、固定子鉄心にスキュー（傾斜）を設けた固定子鉄心構造がある。すなわち、スキューは、固定子鉄心の一部をロータの回転方向に沿って所定角度傾けることにより、コギングトルクの低減させる効果が得られるが、他方において、回転エネルギーへの変換効率の低下を招くという欠点を持つ。
【０００６】
アキシャルギャップ型電動機においては、固定子鉄心へのコイルの結線や組立性などの観点から、固定子鉄心にスキューを設ける固定子鉄心構造は確立されていないため、図６のコギングトルクと電気角のグラフに示すように、各固定子鉄心の通電を切り換える際にロータには大きなコギングトルクが発生し、これを解決することが急務とされている。
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−２５３６３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
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、コギングトルクを低減して、振動や騒音の低減を可能とするアキシャルギャップ型電動機の提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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。まず、請求項１の発明は、ステータおよびロータが上記ロータの回転軸線方向に沿って所定の空隙（ギャップ）をもって互いに対向配置されたアキシャルギャップ型電動機において、上記ステータは、磁性体からなる複数個の固定子鉄心が上記ロータの回転軸線を中心軸とする同心円上に環状に配置された磁力生成部を有し、上記固定子鉄心の各ティースには、スキューが設けられていることを特徴としている。
【００１０】
請求項２の発明は、上記スキューは、上記ロータの回転方向に対して正方向もしくは逆方向に傾けられていることを特徴としている。
【００１１】
請求項３または４の発明は、上記固定子鉄心の各ティース同士が対向するギャップ面が円弧形状または円弧形状と直線形状の組み合わせであることを特徴としている。
【００１２】
請求項５の発明は、上記固定子鉄心は、鋳型成型されたものからなることを特徴としている。
【００１３】
請求項６の発明は、上記各ティースのギャップ面の端縁が、上記固定子鉄心の外径線上に形成されていることを特徴としている。
【００１４】
請求項７，８および９の発明は、上記ステータは、９個の上記ティースを環状に配置したものからなり、上記ロータの極数が８極であり、さらに上記ティースのスキュー角が３°以上および／または７°以下であることを特徴としている。
【００１５】
請求項１０，１１および１２の発明は、上記ステータは、１２個の上記ティースを環状に配置したものからなり、上記ロータの極数が８極であり、さらに上記ティースのスキュー角が４°以上および／または９°以下であることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１に記載の発明によれば、固定子鉄心のティースにスキューが設けられていることにより、コギングトルクの発生が低減され、ロータの振動や騒音を低減することができる。また、請求項２に記載の発明によれば、スキューはロータの回転方向に対して正方向または逆方向いずれであっても、その作用効果を得ることができる。
【００１７】
請求項３または４に記載の発明によれば、各ティースの対向面同士を円弧形状や円弧と直線の組み合わせ面とすることにより、よりコギングトルクにより生じる振動を小さくすることができる。
【００１８】
請求項５に記載の発明によれば、固定子鉄心を鋳込みで成型することで、より安価に製造することができる。
【００１９】
請求項６に記載の発明によれば、ティースの外径が外径線上に沿って揃っているため、固定子鉄心の一部が突出することなく、コギングトルクの増加を防止することができる。
【００２０】
請求項７，８および９に記載の発明によれば、一般的な９スロット８極型のアキシャルギャップ型電動機のスキュー角を３°以上とすることにより、コギングトルクが低減する。また、スキュー角が７°以下とすることにより、エネルギーの変換効率がよい。
【００２１】
請求項１０，１１および１２に記載の発明によれば、９スロット８極型のアキシャルギャップ型電動機のスキュー角を４°以上とすることにより、コギングトルクが低減する。また、スキュー角が９°以下とすることにより、エネルギーの変換効率がよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
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係るアキシャルギャップ型電動機の要部断面図である。
【００２３】
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）をもって対向配置される一対のロータ３１，３２とを備え、各ロータ３１，３２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。この実施形態において、アキシャルギャップ型電動機１は、ロータ３１，３２にそれぞれ永久磁石３３を備える永久磁石電動機である。
【００２４】
この実施形態において、ロータ３１，３２はステータ２の両側に配置されているが、いずれか一方のみであってもよい。本発明において、ロータ３１，３２の構成は任意であってよく、その説明は省略する。
【００２５】
ステータ２やロータ３１，３２を含む各種機構は、実際には図示しないブラケット内に収納されており、ステータ２はその周縁がブラケットに固定されている。
【００２６】
図２に示すように、ステータ２は、環状（いわゆるドーナツ状）に形成された磁力生成部２１と、ロータ出力軸４に対する軸受手段として磁力生成部２１の中心に配置される軸受部２２とを備え、それらが合成樹脂２３によって一体的にモールド成型されている。
【００２７】
磁力生成部２１は、複数個の固定子鉄心２４を出力軸Ｏを中心軸とする同心円上に沿って環状に配置したものからなり、この実施形態において、磁力生成部２１は、ロータ３１，３２のマグネット部３３に対向するように形成されている。
【００２８】
軸受部２２は、例えば一対のラジアルボールベアリング２２１，２２２を有し、それらがロータ出力軸４を中心軸として所定間隔をもって同軸的に配置されている。この実施形態において、出力軸４は、２つのラジアルボールベアリング２２１，２２２によって軸支されているが、１つのラジアルボールベアリングのみによって支持されていてもよい。
【００２９】
この実施形態において、各ロータ３１，３２は、ロータ出力軸４によって同期的に回転するように連結されているが、これ以外にロータ出力軸４を持たずにステータ２にラジアルベアリングを介して各ロータ３１，３２が直に支持されるようなタイプ（いわゆるシャフトレス型）に本発明を適用してもよい。
【００３０】
次に、固定子鉄心２４の具体的な形状について説明する。図２には、磁力生成部２１の固定子鉄心２４のみを取り出した状態の斜視図が示されており、図３（ａ）〜（ｃ）には、固定子鉄心２４の構造が示されている。
【００３１】
この実施形態において、固定子鉄心２４は、ティース２５の数が１２で、極数が８であり、互いに所定ピッチで配置されている。なお、固定子鉄心２４の数および極数は、固定子鉄心の数が３ｎに対して極数が２ｎ（ｎは正の整数）として定義可能であり、これを満足するものであれば、特にその数に制限はない。
【００３２】
各固定子鉄心２４は、図３（ｃ）に示すように、１片が断面Ｈ字状の電磁鋼板２４１を中心軸Ｏの半径方向に沿って複数積層した積層体からなり、電磁鋼板２４１の軸方向の両端には、ロータ３１，３２のマグネット３３に対向するティース２５が形成されている。電磁鋼板２４１の中央部には、コイル２４２を巻回するためのボビン（図示しない）を形成するための凹部２４３が形成されている。
【００３３】
この実施形態において、固定子鉄心２４は電磁鋼板の積層体からなるが、これ以外に鋳型によって一体に鋳込んで形成してもよい。このような態様も本発明に含まれる。
【００３４】
各固定子鉄心２４は、互いに同一形状であり、それらを環状に配置して１つの磁力生成部２１を構成しており、以下の説明においては１つの固定子鉄心２４にのみ説明を行い、他の構成については同様であるため説明は省略する。
【００３５】
図３（ｂ）に示すように、固定子鉄心２４の各ティース２５同士が対向するギャップ面２４２，２４３には、ロータ３１，３２の回転方向（図中矢印方向）に対して正方向に向かって傾斜されたスキュー２６が設けられている。なお、スキュー２６は、ロータ３１，３２の回転軸線を中心軸として、その半径方向に対して所定角度傾けてもよい。
【００３６】
固定子鉄心２４の各ティース２５間の中心線をＬ１、中心線Ｌ１と固定子鉄心２４の内径線との交点２６１と中心軸Ｏとを２点間で結ぶ仮想線をＬ２、中心線Ｌ１と固定子鉄心２４の外径線との交点２６２と中心軸Ｏとを２点間で結ぶ仮想線をＬ３としたとき、スキュー２６は、仮想線Ｌ２に対して仮想線Ｌ３の相対的な角度（スキュー角：θ）である。この実施形態において、スキュー角はθ＝５°に設定されている。
【００３７】
また、スキュー２６は、ロータ３１，３２の回転方向に対して正方向に設けられているが、逆方向に設けられていてもよく、逆方向に設けても同様の効果が得られる。このような態様も本発明に含まれる。
【００３８】
ギャップ面２４２は、スキュー２６に沿って円弧形状に形成されており、これに伴い、ギャップ面２４２に対向するギャップ面２４３も円弧形状に形成されている。これによれば、よりコギングトルクの発生をより効果的に抑えることができる。
【００３９】
なお、この実施形態においてギャップ面２４２，２４３は円弧形状に形成されているが、図４に示すように、各ギャップ面２４２ａ，２４３ａを直線形状としてもよい。また、図５に示すように、円弧面と直線面との組み合わせ面からなるギャップ面２４２ｂ、２４３ｂとしてもよい。このような態様も本発明に含まれる。
【実施例】
【００４０】
次に、本発明の具体的な実施例ついて比較例とともに比較検討する。実施例は、まず、仕様の異なる２種類のアキシャルギャップ型電動機を用いて行った。第１のアキシャルギャップ型電動機は、固定子鉄心が９スロット８極タイプのものであり、第２のアキシャルギャップ型電動機は、固定子鉄心が１２スロット８極のタイプのものをそれぞれ用意した。
【００４１】
実施手順は、まず、各モータの出力条件が一定となるように入力電流値などを制御した状態で、固定子鉄心のスキュー角をそれぞれ変えて、その磁気特性などのモータパラメータを測定した。磁界解析は、日本総合研究所製の解析ソフトＪＭＡＧ−Ｓｔｕｄｉｏ（Ｖｅｒ．７．２）を用いて行った。
【００４２】
各モータのスキュー角θは、以下のとおり。
〔１２スロット８極〕２．５°，４．５°，６．１°，７．７°，８．９°，１３°
〔９スロット８極〕１．８３°，３．３１°，４．８２°，６．３５°，９．５５°，１３．３°
さらに、上記各スキュー角に加えて、比較例としてスキューなし（スキュー角０°）の場合も測定した。その測定結果を以下に示す。
【００４３】
〈１２スロット８極〉
図６は、１２スロット８極の場合において、スキュー角７．７°のときのコギングトルク〔Ｎｍ〕と電気角〔ｄｅｇ〕との相対関係を示す図面である。図６に示すように、固定子鉄心にスキュー角を設けると、図６のスキューなし（θ＝０°）と比べて、コングトルクが約１／５程度に低く抑えられていることが明らかに分かる。
【００４４】
また、図８には、各スキュー角におけるピークコギンクトルクが示されている。これによれば、コギングトルクは、スキュー角θが増加するほどに低下し、約４°以上のスキュー角θで効果が最も顕著に表れる。
【００４５】
また、図１２に示すように、スキュー角を大きく付けすぎると、逆にエネルギー変換効率が低下する。そこで、エネルギー変換効率を考えた場合、スキュー角は、９°以下に設定することが好ましい。
【００４６】
〈９スロット８極〉
図９は、９スロット８極の場合において、スキュー角θ＝４．８°のときのコギンクトルク〔Ｎｍ〕と電気角〔ｄｅｇ〕との相対関係を示す図面である。図９に示すように、この場合も、スキュー角θを設定することで、図１０に示すスキュー角なしのとき比較して、約１／１０と極めて小さくなっていることが分かる。
【００４７】
また、図１１には、各スキュー角におけるピークコギンクトルクが示されている。これによれば、コギングトルクは、スキュー角θが増加するほど、逆に減少してゆき、スキュー角θが２°以上あれば、スキューなしと比較して約１／２のコギングトルクの軽減効果が生まれる。
【００４８】
また、図１３に示すように、スキュー角を大きく付けすぎると、逆にエネルギー変換効率が低下する。そこで、エネルギー変換効率を考えた場合、スキュー角は、７°以下に設定することが好ましい。
【００４９】
以上の結果から、各実施形態において、固定子鉄心のスキュー角θを大きく設定すればするほど、コギングトルクは減少する。また、１２スロット８極の場合は、スキュー角θを４°〜９°以下に設定することにより、コギングトルクが著しく低下する。９スロット８極の場合は、スキュー角θを２°〜７°以上に設定することで、コギングトルクが少なくとも半減する。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【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構造を概略的に示した要部断面図。
【図２】上記アキシャルギャップ型電動機の固定子鉄心の斜視図。
【図３】固定子鉄心を正面側から見た部分正面図、拡大図および電磁鋼板の正面図。
【図４】固定子鉄心の変形例を説明する正面図。
【図５】固定子鉄心の変形例を説明する正面図。
【図６】第１実施例（１２スロット８極）のスキュー角なしの場合のコギングトルクと電気角との関係を示すグラフ。
【図７】第１実施例（１２スロット８極）のスキュー角θ＝７．７°の場合のコギングトルクと電気角との関係を示すグラフ。
【図８】第１実施例（１２スロット８極）のコギングトルクとスキュー角の関係を示すグラフ。
【図９】第２実施例（９スロット８極）のスキュー角なしの場合のコギングトルクと電気角との関係を示すグラフ。
【図１０】第３実施例（９スロット８極）のスキュー角θ＝４．８°の場合のコギングトルクと電気角との関係を示すグラフ。
【図１１】第４実施例（９スロット８極）のコギングトルクとスキュー角の関係を示すグラフ。
【図１２】１２スロット８極のスキューとエネルギー効率の関係を示すグラフ。
【図１３】９スロット８極のスキューとエネルギー効率の関係を示すグラフ。
【符号の説明】
【００５１】
１  アキシャルギャップ型電動機
２  ステータ
２１  磁力生成部
２２  軸受部
２３  合成樹脂
２４  ティース
２５  固定子鉄心
２５１  スキュー
３１，３２  ロータ
４  出力軸
【図１】
2005185075.tif 000003
【図２】
2005185075.tif 000004
【図３】
2005185075.tif 000005
【図４】
2005185075.tif 000006
【図５】
2005185075.tif 000007
【図６】
2005185075.tif 000008
【図７】
2005185075.tif 000009
【図８】
2005185075.tif 000010
【図９】
2005185075.tif 000011
【図１０】
2005185075.tif 000012
【図１１】
2005185075.tif 000013
【図１２】
2005185075.tif 000014
【図１３】
2005185075.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】平成16年3月1日(2004.3.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
請求項７，８および９の発明は、上記ステータは、９個の上記ティースを環状に配置したものからなり、上記ロータの極数が８極であり、さらに上記ティースのスキュー角が２°以上および／または７°以下であることを特徴としている。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
請求項７，８および９に記載の発明によれば、一般的な９スロット８極型のアキシャルギャップ型電動機のスキュー角を２°以上とすることにより、コギングトルクが低減する。また、スキュー角が７°以下とすることにより、エネルギーの変換効率がよい。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２１】
請求項１０，１１および１２に記載の発明によれば、１２スロット８極型のアキシャルギャップ型電動機のスキュー角を４°以上とすることにより、コギングトルクが低減する。また、スキュー角が９°以下とすることにより、エネルギーの変換効率がよい。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４３】
〈１２スロット８極〉
図７は、１２スロット８極の場合において、スキュー角７．７°のときのコギングトルク〔Ｎｍ〕と電気角〔ｄｅｇ〕との相対関係を示す図面である。図７に示すように、固定子鉄心にスキュー角を設けると、図６のスキューなし（θ＝０°）と比べて、コングトルクが約１／５程度に低く抑えられていることが明らかに分かる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４６】
〈９スロット８極〉
図１０は、９スロット８極の場合において、スキュー角θ＝４．８°のときのコギンクトルク〔Ｎｍ〕と電気角〔ｄｅｇ〕との相対関係を示す図面である。図１０に示すように、この場合も、スキュー角θを設定することで、図９に示すスキュー角なしのとき比較して、約１／１０と極めて小さくなっていることが分かる。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４９】
以上の結果から、各実施形態において、固定子鉄心のスキュー角θを大きく設定すればするほど、コギングトルクは減少する。また、１２スロット８極の場合は、スキュー角θを４°〜９°に設定することにより、コギングトルクが著しく低下する。９スロット８極の場合は、スキュー角θを２°〜７°に設定することで、コギングトルクが少なくとも半減する。