JP2009044941A - アキシャルモータ用コア、ステータおよびアキシャルモータ - Google Patents

Abstract

【課題】ヨーク部とティース部とに分割された、高性能かつ高信頼性のコア、その組立方法、ならびにこれを利用したステータおよびモータを提供する。
【解決手段】ステータ１０は、ヨーク部１１およびティース部１２からなるコア１５と、コイル１３とを備えている。ヨーク部１１は、リング状の部材であり、多数のティース取付部１１ｃを備えている。ティース取付部１１ｃには、それぞれ嵌合穴１１ａが設けられていて、ティース部１２の基部１２ｃを嵌合穴１１ａに嵌合させて、両者を連結する。ティース取付部１１ｃは、ティース部１２の基部１２ｃに接する部位で軸方向ｚに突出し、その表面が周囲に向かって低くなるように傾斜している。これにより、磁流の方向が変化する領域における磁束の飽和が抑制されるので、磁流の利用効率が向上する。
【選択図】図１

Description

本発明は、アキシャルモータ用コア、ステータおよびアキシャルモータの改良に関する。

近年、各種電気機器、電気自動車，ハイブリッド車，ロボットなどの新技術の進展に伴い、それらに用いられる回転電機（モータや発電機）に対する性能の高度化、小型化、コスト低減などの要請も高まっている。

そこで、特許文献１には、小型化（薄型化）に適したモータとして、モータ回転軸の方向においてステータに対してロータを対向させたアキシャルモータが開示されている。このアキシャルモータにおいては、コアを平板リング状のヨーク部と、ティース部とに分割し、ティース部の底部をヨーク部にネジ止めによって連結する構造を採ることで、コアの各パーツの製造および組立の容易化を図っている。

特開２００４−２７４９７１号公報

ところで、特許文献１のようなアキシャルモータにおいては、消費電力の割には、モータ出力が小さいという不具合があった。アキシャルモータのコアでは、コイルに流す電流によってコアに磁束が流れ、コイルに流れる電流によって発生した磁界と、ロータの磁石とによって、コアに磁束が流れる。この磁束が少ないと、モータのトルクが十分得られない。

その原因を調べてみると、たとえば同文献の図４に示す断面において、磁極鉄芯３（ティース部）からベース鉄芯２（ヨーク部）に流れる磁束が、ティース部の基部からヨーク部に移行するコーナー部に集中し、その集中部で磁束が飽和していることが主たる原因であることがわかった。

本発明の目的は、ティース部からヨーク部に移行する領域における磁束の飽和を抑制する手段を講ずることにより、磁束の利用効率が高い高性能のコア、これを利用したステータおよびアキシャルモータを提供することにある。

本発明のアキシャルモータ用コアは、ヨーク部に複数のティース取付部を設けてティース部の基部を取り付けるとともに、ヨーク部のティース取付部に、基部に接する部位から周囲に向かって低くなる傾斜部を設けたものである。ティース取付部へのティース部の取付方法としては、ネジ止め、接着、嵌合などがあり、いずれを用いてもよい。

これにより、ティース部を軸方向に流れる磁束は、ティース取付部の傾斜部を介してヨーク部をラジアル方向に流れる。したがって、磁束の流れ方向が変わるコーナー部における磁束の集中が緩和され、磁束の飽和が抑制される。よって、磁束の利用効率が高い高性能のアキシャルモータ用コアを得ることができる。

ティース部の先端に、内側面が傾斜した鍔部を設けることによって、鍔部とティース部の本体部との境界で、磁束の集中に起因する磁束の飽和が抑制されるので、磁束の利用効率がさらに向上する。

ティース取付部に嵌合穴を設けて、ティース部の基部を嵌合させることにより、ティース部とヨーク部との間で磁束を効率よく流すことができ、磁流の利用効率を高めることができる。

ティース取付部が階段状に傾斜していることにより、階段に合わせてコイルの積み上げることができるので、デッドスペースが低減されて、占積率が向上する。

ティース取付部にコイル導入用溝部を設けることにより、コイルを巻回するときに、コイルの巻き始め側端部の導入が容易となるので、性能の劣化を回避しつつ、コイルを巻いた状態でステータの組立を行うことができる。

本発明のアキシャルモータ用コアを用いたステータまたはアキシャルモータにより、高性能のステータやアキシャルモータが得られる。

本発明のアキシャルモータ用コア，ステータまたはアキシャルモータによると、コアを通過する磁束の利用効率を高めて、性能の向上を図ることができる。

図１は、実施の形態におけるアキシャルモータＭＯの概略的な構造を示す断面図である。同図に示すように、モータＭＯは、モータケースＣＡ内にステータ１０と、ロータ２０とを収納して構成されている。ステータ１０は、圧粉磁性材料を主材料とするヨーク部１１およびティース部１２からなるコア１５と、ティース部１２の周囲にインシュレータ１６を介して巻回されたコイル１３とを備えている。一方、ロータ２０は、モータケースＣＡに取り付けられたベアリングＢＲによって回転自在に支持される回転軸２１と、回転軸２１に固定されたロータ本体２２と、ステータ１０のコア１５に対向してロータ本体２２に取り付けられた永久磁石２３とを備えている。

本明細書においては、図２に示すように、回転軸２１（モータ回転軸）に平行な方向を軸方向ｚとし、軸方向ｚに直交する平面のうち、半径方向をラジアル方向ｒとし、円周の方向を周方向θとする。本実施の形態のモータＭＯは、ステータ１０とコア２０とが（具体的にはステータ１０のコア１５とロータ２０の永久磁石２３とが）、軸方向ｚにおいて相対向しているアキシャルモータである。

図２は、コア１５の一部を拡大して示す斜視図である。同図において、コイルの図示は省略されている。図１および図２に示すように、ヨーク部１１は、リング状の部材であり、多数のティース取付部１１ｃを有している。そして、ティース取付部１１ｃには、底壁部１２ｂを有する底付き穴である嵌合穴１１ａが形成されている。一方、ティース部１２は、本体部１２ａと、本体部１２ａの先端に設けられた鍔部１２ｂと、嵌合穴１２ａに嵌合された基部１２ｃとを有している。

ここで、ティース取付部１１ｃは、ティース部１２の基部１２ｃに接する部位で軸方向ｚに突出し、その表面が周囲に向かって低くなるように傾斜している。また、ティース部１２の鍔部１２ｂの内側面は、ラジアル方向ｒに平行ではなく、軸方向に対して所定角度傾いた傾斜面となっている。ティース取付部１１ｃの軸方向ｚに対する傾斜角は、たとえば６０°程度が好ましい。

なお、本実施の形態においては、ヨーク部１１のティース取付部１１ｃに、嵌合穴１１ａが設けられているが、必ずしも嵌合穴１１ａは必要でなく、先端面がフラットなティース取付部１１ｃにティース部１２が載置され、ネジ止めや接着剤などによって固定される構造であってもよい。ただし、本字氏の形態のごとく、ティース取付部１１ｃに嵌合穴１１ａを設けて、ティース部１２の基部１２ｃを嵌合させることにより、両者がほぼ全面的に接触するので、ティース部１２とヨーク部１１とお間で磁束を効率よく流すことができ、磁流の利用効率を高めることができる。また、圧粉磁性材料を用いる場合には、ネジ止め構造よりも、嵌合構造の方が強度的な信頼性が高い。

本実施の形態のコア１０のヨーク部１１およびティース部は、絶縁被膜を有する磁性粉末を圧縮成形して形成されている。ただし、樹脂絶縁された珪素鋼板を多数積層したものであってもよい。

ティース部１２の軸方向ｚの寸法は２０ｍｍ程度であり、ヨーク部１１やロータ本体２２の径は１００ｍｍ〜１５０ｍｍ程度であり、モータケースＣＡの軸方向ｚの寸法は、４０ｍｍ程度である。つまり、本実施の形態のモータＭＯは、薄型のアキシャルモータであることがわかる。また、ヨーク部１１の厚みは５ｍｍ〜１０ｍｍであり、底壁部１１ｂの厚さは、たとえば１．５ｍｍ〜２ｍｍ程度である。ティース取付部１１ｃの頂上部の突出高さは、たとえば１ｍｍ〜３ｍｍ程度である。

図３（ａ），（ｂ）は、本実施の形態のステータ１０と従来のステータ１００との構造を比較するｚ−θ面における断面図である。図７（ｂ）は、特許文献１の図３の構造を本実施の形態と対比できるように変形したものである。図７（ｂ）に示すように、従来構造のステータ１１０において、ヨーク部１１１は、ほぼ全面がフラットなリング状の部材であり、突出せずにフラットなティース取付部１１１ｃを有している。ティース取付部１１１には、底壁部１１１ｂを有する底付き穴である嵌合穴１１１ａが形成されている。一方、ティース部１１２は、本体部１１２ａと、本体部１１２ａの先端に設けられた鍔部１１２ｂと、嵌合穴１１１ａに嵌合された基部１１２ｃとを有している。そして、ティース部１１２の鍔部１１２ｂの内周面は、ラジアル方向ｒにほぼ平行な平面である。なお、ティース部１１２の周囲には、インシュレータ１１６を介してコイル１１３が巻回されている。

図３（ｂ）に示す従来構造のステータ１１０においては、同図に示す方向に磁流Ｍｇ（磁束の流れ）が流れる場合、磁流Ｍｇの方向が軸方向ｚからラジアル方向ｒに変わる領域Ｒｃにおいて、急峻なコーナーに磁束が集中することで、磁束の飽和が生じる。同図に示す方向とは逆の方向に磁流Ｍｇが流れる場合も同様である。その結果、磁流Ｍｇによって発生する磁界が、消費電力に見合った強度に達しないことになる。言い換えると、磁流Ｍｇの利用効率が劣化している。

それに対し、本実施の形態のステータ１０においては、図３（ａ）に示す方向に磁流Ｍｇ（磁束の流れ）が流れる場合、ティース取付部１１ｃの傾斜した表面に沿って、磁流Ｍｇの方向が滑らかに変化するので、磁束の飽和の発生が緩和される。よって、磁流Ｍｇの利用効率の向上を図ることができる。同図に示す方向とは逆の方向に磁流Ｍｇが流れる場合も同様である。

同様に、図３（ａ）に示す方向に磁流Ｍｇが流れる場合、磁流Ｍｇの方向がラジアル方向ｒから軸方向ｚに変わる領域Ｒｄにおいても、本実施の形態では、従来構造のような急峻なコーナーがなく、鍔部１２ｂの傾斜した内側面に沿って、磁流Ｍｇの方向が滑らかに変化するので、磁束の飽和の発生が緩和される。よって、さらに、磁流Ｍｇの利用効率の向上を図ることができる。

−ステータの組立方法−
図４（ａ）〜（ｃ）は、本実施の形態に係るステータの組立工程を示すｚ−θ面における断面図である。
まず、図４（ａ）に示す工程で、ティース部１２の本体部１２ａおよび鍔部１２ｂを覆うように、インシュレータ１６を取り付ける。

次に、図４（ｂ）に示す工程で、インシュレータ１６を介してティース部１２の周囲にコイル１３を巻回する。また、ヨーク部１１においては、ティース取付部１１ｃに嵌合穴１１ａが形成されたヨーク部１２を準備し、コイル１３が巻回されたティース部１２をヨーク部１１に取り付ける。

そして、図４（ｃ）に示す工程で、ティース部１２の基部１２ｃを嵌合穴１１ａに強嵌合させる。ヨーク部１１の多数の嵌合穴１１ａについて同様の作業を行って、ステータ１５を組み立てる。

（変形例１）
図５は、実施の形態の変形例１に係るステータ１０のｚ−θ面における断面図である。この変形例においては、ヨーク部１１のティース取付部１１ｃが階段状に傾斜している。図５において、上記以外の構造は、実施の形態における図１と同じであり、図１と同じ符号を付して説明を省略する。

この変形例においても、実施の形態と同様に、ティース部１２の基部１２ｃとティース取付部１１ｃとの間で磁流の方向が直角方向に変化する場合、ティース取付部１１ｃの傾斜した表面に沿って、磁流の方向が滑らかに変化するので、磁束の飽和の発生が緩和される。よって、磁流の利用効率の向上を図ることができる。また、ティース部１２の鍔部１２ｂと本体部１２ａとの間で磁流の方向が直角方向に変化する場合にも、鍔部１２ｂの傾斜した内側面に沿って、磁流の方向が滑らかに変化するので、磁束の飽和の発生が緩和される。よって、さらに、磁流の利用効率の向上を図ることができる。

加えて、本変形例では、階段のステップ高さをコイル１３の積層ピッチに合わせておくことにより、デッドスペースを低減して、占積率の向上を図ることができる。よって、ステータ１０，ひいてはモータＭＯの小型化を図ることができる。

（変形例２）
図６は、実施の形態の変形例２に係るヨーク部１１の平面図である。この変形例においては、ヨーク部１１のティース取付部１１ｃに、その外側から嵌合穴１１ａに達するコイル導入用溝１１ｄが形成されている。図６において、上記以外の構造は、実施の形態における図１と同じであり、図１と同じ符号を付して説明を省略する。

この変形例では、コイル導入用溝１１ｄを設けたことにより、ステータ１０の実施の形態の効果に加えて、ステータ１０の性能を劣化させることなく、ティース部１２にコイル１３を巻き付ける作業を迅速かつ正確に行うことができる。

（他の実施の形態）
上記実施の形態およびその変形例では、ヨーク部１１を平板リング状の部材としたが、ティース部１２と同様にヨーク部１１も分割して、各ティース部１２とヨーク部１１とを個別に組み立てた後、各ヨーク部１１をリング状に連結する構造としてもよい。

上記開示された本発明の実施の形態の構造は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むものである。

本発明のコア、ステータおよびモータは、産業用モータ、ハイブリッド車、電気自動車、燃料電池車，ロボット，モータ付き自転車などに配置されるモータに利用することができる。

実施の形態に係るモータＭＯの概略的な構造を示す断面図である。 実施の形態に係るコアの一部を拡大して示す斜視図である。 （ａ），（ｂ）は、実施の形態のステータと従来のステータとの構造を比較するｚ−θ面における断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、実施の形態に係るステータの組立工程を示すｚ−θ面における断面図である。 実施の形態の変形例１に係るステータのｚ−θ面における断面図である。 実施の形態の変形例２に係るヨーク部の平面図である。

符号の説明

１０ ステータ
１１ ヨーク部
１１ａ 嵌合穴
１１ｂ 底壁部
１１ｃ ティース取付部
１２ ティース部
１２ａ 本体部
１２ｂ 鍔部
１２ｃ 基部
１３ コイル
１５ コア
２０ ロータ
２１ 回転軸
２２ ロータ本体
２３ 永久磁石
ＢＲ ベアリング
ＣＡ モータケース
ＭＯ モータ

Claims (7)

1. 複数のティース取付部を有するヨーク部と、
   基部において前記各ティース取付部に取り付けられたティース部と、
   を組み立ててなるアキシャルモータ用コアであって、
   前記ヨーク部のティース取付部は、ティース部の基部に接する部位で軸方向に突出し、かつ、周囲に向かって低くなるように傾斜している、アキシャルモータ用コア。
2. 請求項１記載のアキシャルモータ用コアにおいて、
   前記ティース部の先端には、内側面が傾斜した鍔部が設けられている、アキシャルモータ用コア。
3. 請求項１または２記載のアキシャルモータ用コアにおいて、
   前記ティース取付部は、階段状に傾斜している、アキシャルモータ用コア。
4. 請求項１〜３のうちいずれか１つに記載のアキシャルモータ用コアにおいて、
   前記ティース取付部には、前記ティース部の基部が嵌合する嵌合穴が設けられている、アキシャルモータ用コア。
5. 請求項１〜４のうちいずれか１つに記載のアキシャルモータ用コアにおいて、
   前記ティース取付部には、コイル導入用溝部が設けられている、アキシャルモータ用コア。
6. 請求項１〜５のうちいずれか１つに記載のアキシャルモータ用コアと、
   前記ティース部に巻回されたコイルと、
   を備えている、ステータ。
7. 請求項６記載のステータと、
   前記ステータと軸方向において対向するロータと、
   を備えている、アキシャルモータ。

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