JP2008131682A - アキシャルエアギャップ型電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】電動機の大きさを大きくすることなくトルクアップを実現したアキシャルエアギャップ型電動機を提供すること。
【解決手段】それぞれがほぼ円盤状に形成されており、同一の回転軸に所定の空隙をもって対向的に配置されるステータと２枚のロータとを含むアキシャルエアギャップ型電動機において、前記ステータは、環状に連結される３ｎ（ｎは２以上の整数）個のポールメンバーからなるステータコアを備え、前記ポールメンバーを３相構成で結線する場合に並列接続で結線し、さらに、前記ロータは、前記ステータと対向したときに環状のステータコアに相対する位置に、複数個のマグネットがそれぞれ等間隔で環状に形成してあり、前記ポールメンバーの個数とマグネットの個数との比が３ｎ：４ｎ（ｎは２以上の整数）となるようにした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、それぞれがほぼ円盤状に形成されており、同一の回転軸に所定の空隙をもって対向的に配置されるステータとロータとを含むアキシャルエアギャップ型電動機に関し、詳しくは、巻線径を大径化させること無くトルクアップを実現するためのアキシャルエアギャップ型電動機の構成に関するものである。

従来、電動機の種類の一つとして、アキシャルエアギャップ型電動機（軸方向空隙型電動機）が存在する。アキシャルエアギャップ型電動機は、円盤状のステータ（固定子）にロータ（回転子）を所定の空隙をもって軸方向に対向配置した電動機であり、ラジアルギャップ型電動機に比べて軸方向長さを短くでき、電動機自体を薄型化し得る利点を備えている。例えば、このアキシャルエアギャップ型電動機について本出願人は、特許文献１を既に出願しており、この特許文献１においては、アキシャルエアギャップ型電動機におけるステータの組み立て作業を渡り線処理などを含めて効率よく行えるようにすることを目的としている。

ところで、特許文献２のように、人力による駆動力に電動機による駆動力を加えて補助することで坂道などにおいて快適な走行を可能とする電動自転車が、既に種々提案されている。電動自転車は、その駆動機構がコンパクトに収容され、かつ軽量であることが望ましいが、このような観点から見てアキシャルエアギャップ型電動機は電動機自体を薄型化し得る点で電動自転車に適しており、既に特許文献３が提案されている。
特開２００４−２８２９８９号公報 特開２００３−２１９６０３号公報 特開平０９−１５０７７７号公報

電動自転車においては、前述の小型かつ軽量であるという条件に加えて、大きなトルクが要求される。前記特許文献３においては、アキシャルエアギャップ型電動機を用いているもののステータに対してロータが１つという構成であるため、十分なトルクを得ることが出来ない恐れがある。

一般に、電動機のトルクＴは巻線に流れる電流値Ｉに比例するため、電流値Ｉを大きくすることでトルクアップを実現できる。電流値Ｉを大きくするためには巻線の抵抗値Ｒを小さくすることが有効であり、巻線径を大きくすることで巻線の抵抗値Ｒを小さくすることができる。しかし、これによって同じ巻数とした場合のトルクは向上するが、径の大きな巻線で同じ巻数を実現しようとするとステータ部分の大型化は避けられず、電動自転車に要求される小型かつ軽量であるという条件を満たすことができない。

電流値Ｉを大きくするために、巻線に印加する電圧を高くすることも考えられるが、損失（銅損、鉄損など）も増えてしまい、効率的でない。さらに、高い電圧を印加するためのバッテリが大型化してしまうという問題も生じる。

本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、電動機の大きさを大きくすることなくトルクアップを実現し、かつ、効率の高いアキシャルエアギャップ型電動機を提供することを目的とするものである。

本発明の請求項１は、それぞれがほぼ円盤状に形成されており、同一の回転軸に所定の空隙をもって対向的に配置されるステータと２枚のロータとを含む３相構造のアキシャルエアギャップ型電動機において、前記ステータは、環状に連結される３ｎ（ｎは２以上の整数）個のポールメンバーからなり、前記ポールメンバーは、ティースとこのティースと巻線部分を絶縁するインシュレータとを有し、前記ポールメンバーのうち同相のポールメンバーを並列接続で結線したことを特徴とするアキシャルエアギャップ型電動機である。

本発明の請求項２は、請求項１に加えて、前記ロータは、前記ステータと対向したときに環状のステータコアに相対する位置に、複数個のマグネットがそれぞれ等間隔で環状に形成してあり、前記ポールメンバーの個数とマグネットの個数との比が３ｎ：４ｎ（ｎは２以上の整数）となることを特徴とするアキシャルエアギャップ型電動機である。

本発明の請求項３は、請求項２に加えて、前記ロータは、前記ステータに対して同軸に配置されるバックヨークと、モールド成形可能な磁石材料からなり前記ステータのティースに対向するようにして前記バックヨークに取り付けられるマグネットとを有し、前記バックヨークは、前記マグネットを形成するＭｇ形成孔が設けられており、このＭｇ形成孔は、前記マグネットの各磁極毎に１箇所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である。

本発明の請求項４は、請求項２又は３に加えて、前記マグネットは、ロータを構成するバックヨークに対して、真円でないＭｇ形成孔を前記ティースと対向する位置の円周方向に等間隔に貫通させて形成し、このＭｇ形成孔に対してそれぞれプラスチックマグネットを一体成形したことを特徴とするアキシャルエアギャップ型電動機である。

請求項１記載の発明によれば、ステータコアを構成する３ｎ個のポールメンバーを、並列接続となるように結線したので、直列接続の場合に比べて巻線部分の抵抗値をに軽減でき、巻線に流れる電流値を大きくすることが可能となるため、結果、トルクアップを実現できる。

請求項２記載の発明によれば、ポールメンバーの個数とマグネットの個数との比を３ｎ：４ｎ（ｎは２以上の整数）とすることで、スロット数と極数の間に対称性があって循環電流の生じない組合せとすることができ、かつ、大きな出力が得られる。

請求項３記載の発明によれば、１つのＭｇ形成孔に対して１つのマグネットを形成するようにしたため、これにより波形の中央部分が最も磁束分布の大きい正弦波に近い波形となるため、コギングトルクを防ぐことができ、また、トルクの向上につながるという効果が得られる。

請求項４記載の発明によれば、１つの真円でないＭｇ形成孔に対して１つのマグネットを形成するようにしたため、これにより波形の中央部分が最も磁束分布の大きい正弦波に近い波形となるため、コギングトルクを防ぐことができ、また、トルクの向上につながるという効果が得られ、かつ、真円でない形状とすることで、マグネットが回転するのを防ぐことができる。

本発明によるアキシャルエアギャップ型電動機は、それぞれがほぼ円盤状に形成されており、同一の回転軸に所定の空隙をもって対向的に配置されるステータと２枚のロータとを含むアキシャルエアギャップ型電動機において、前記ステータは、環状に連結される３ｎ（ｎは２以上の整数）個のポールメンバーからなるステータコアを備え、前記ポールメンバーを３相構成で結線する場合に並列接続で結線したことを特徴とし、前記ロータは、前記ステータと対向したときに環状のステータコアに相対する位置に、複数個のマグネットがそれぞれ等間隔で環状に形成してあり、前記ポールメンバーの個数とマグネットの個数との比が３ｎ：４ｎ（ｎは２以上の整数）となることを特徴とするものである。
以下図面に基づいて説明を行う。

本発明の実施例を図面に基づいて説明する。図１に示すのは、本発明によるアキシャルエアギャップ型電動機の内部構造を概略的に示した断面図である。この図１に示すように、アキシャルエアギャップ型電動機１０は、略円盤状をなすステータ１１と、ステータ１１の両側に所定の空隙をもって対向的に配置される一対のロータ１２、１３とを具備し、ロータ１２、１３は同一のロータ出力軸１４を共有しており、ステータ１１は、その内周側にロータ出力軸１４を支持する軸受部１５を備えている。

ステータ１１は、環状（いわゆるドーナツ状）に形成されたステータコア１６と、ステータコア１６の内周側に同軸的に挿入された軸受部１５とを備え、それらが合成樹脂１８によって一体的にモールドされている。
なお、本明細書において軸受部と表現するときは、ボールベアリング、ベアリングハウジング及びベアリングハウジングをモールドした近傍の合成樹脂を含めた軸を固定する構成全体を指すものとする。

図３（ｄ）に示すように、ステータコア１６は、複数個（この実施例では９個）のポールメンバー１７ａ〜１７ｉを環状につなぎ合わせることにより構成されている。各ポールメンバー１７ａ〜１７ｉはすべて同一形状であり、図３（ａ）〜（ｃ）に、そのうちの１つのポールメンバー１７ａの構成を示す。

ポールメンバー１７ａは、図３（ａ）に示すように、略Ｈ字形状の金属板を複数枚積層してなるティース（固定子鉄心）１９を備え、図３（ｂ）に示すように、ティース１９の周りには、その（図面上における）上下面を除いて合成樹脂からなるインシュレータ２０が一体に形成されている。インシュレータ２０は、ティース１９を図示しない成形金型のキャビティ内に入れ、そのキャビティ内に溶融樹脂を注入するインサート成形により形成することができる。
なお、ティース１９は積層によるものの他に、粉体成形などによって一体的に成形することもできる。また、この実施例においては、各ポールメンバー１７ａ〜１７ｉには、中央にティース１９が配置されているが、このティース１９を持たない構造、いわゆる空芯コイルを採用したポールメンバー１７ａ〜１７ｉに本発明の構造を適用してもよい。

このようにして形成されたインシュレータ２０は、ティース１９の上下面に沿って上下一対として配置されるほぼ扇型のフランジ２１、２２を含む全体が断面Ｈ字形のボビン状に形成されている。この実施例において、フランジ２１、２２の扇状の開き角は４０°（３６０°／９）である。このインシュレータ２０があることにより、ティース１９上にコイル２３を整然と巻くことができ、また、ティース１９とコイル２３との間の電気的な絶縁が保たれる。このようにして形成したインシュレータ２０にコイル２３を巻きつけることで、図３（ｃ）に示すようなポールメンバー１７ａが完成する。他のポールメンバー１７ｂ〜１７ｉについても同様である。

また、図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、前記ポールメンバー１７ａ〜１７ｉのそれぞれのフランジ２１、２２には、隣接するポールメンバー同士を互いに連結するための連結手段として、フランジ２１、２２の一方の端縁の外周側に形成されたボス２４と、他方の端縁の外周側に形成された係合溝２５とを備えている。また、フランジ２１、２２の一方の端縁の内周側に形成された係合凸部２６と、他方の端縁の内周側に形成された係合凹部２７とを備えている。これらの連結手段のうち、前記ボス２４は、隣接するポールメンバー側の係合溝２５と係合する関係にあり、前記係合凸部２６は、隣接するポールメンバー側の係合凹部２７と係合する関係にある。

この連結手段を用いて、前記ポールメンバー１７ａ〜１７ｉを９連結することで、環状のステータコア１６の形状が形成される。連結後、各ポールメンバー１７から導出されたコイル２３の渡り線を結線する。なお、フランジ２１には、コイル２３の渡り線を処理するための渡り線支持部材２８が設けられている。

ここで、ポールメンバー１７ａ〜１７ｉの結線方法について説明を行う。図２（ａ）に示すのは、３相の電動機における従来の結線方法を適用した場合の回路図であり、図中の各抵抗素子の記号がポールメンバー（巻線クミ）に相当する。この図２（ａ）に示すように、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相で構成する場合、従来は各相において巻線クミを直列に結線していた。
これに対して、本発明のアキシャルエアギャップ型電動機においては、図２（ｂ）に示すように、ポールメンバー１７ａ〜１７ｉを並列に接続してＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相を構成する結線方法を採用している。このような並列の結線方法を採用することで、ポールメンバー９個で構成する場合には、従来の直列の結線方法と比べて１／９の抵抗値とすることができるため、巻線径を大きくせずに巻線に流れる電流値を大きくすることが可能となり、結果、トルクの向上を実現できる。なお、ポールメンバー１７ａ〜１７ｉについては、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相、・・・となるように順次連結して結線する。ポールメンバー１７ａ〜１７ｉを結線した後、図３（ｄ）に示すように、端子２９を３箇所に接続することで、ステータコア１６が完成する。

ステータコア１６を形成した後に、図４に示すように、ステータコア１６全体に合成樹脂１８を注入してモールドインサート成形を行って、ステータ１１を完成させる。このとき、図４（ａ）に示すように、環状のステータコア１６の中央部分に軸受部１５としてのベアリングハウジング３０も共に配置してモールドを行う。このベアリングハウジング３０は、一方端がロータ出力軸１４が通る部分を残して塞がれた円筒形状であり、他方端に外側に向かってせり出したフランジ３１を有するものである。このフランジ３１は、ロータ出力軸１４から加わる力（本実施例においては、主に負荷からの軸方向反発力とロータとステータの間の磁力による吸引力（図１））を合成樹脂１８に分散させて、モールドインサート成形によりステータ１１と一体に形成されたベアリングハウジング３０がステータ１１から外れてしまう、いわゆる底抜けを防ぐ効果を有する。
また、図４（ａ）に示すように、３箇所に配置したネジ受け部３２もステータコア１６と共にモールドインサート成形される。このネジ受け部３２は、図１に示すバックカバー３３を固定するときに用い、また、図示しない出力側のカバーを固定するために用いるものである。このようにして、モールドインサート成形を行うことで、図４（ｂ）に示すようなステータ１１が完成する。

次に、ロータ１２、１３の構成について、図５を用いて説明する。このロータ１２、１３は同一構造であるため、これらを区別せずに説明を行う。図５（ａ）に示すように、円盤状のバックヨーク３４は、ロータ出力軸１４が通る円形孔３５が中心位置に設けてあり、また、外周に程近い位置で組み立てたときにステータコア１６のティース１９部分に相対する位置に、マグネット３７を形成するためのＭｇ形成孔３６が複数個所（本実施例では１２箇所）に設けてある。このＭｇ形成孔３６は非円形形状であり、それぞれの位置でバックヨーク３４の半径方向に円を潰したような細長い形状で貫通させて形成してある。

このバックヨーク３４の複数設けたＭｇ形成孔３６部分にそれぞれ１つずつマグネット３７を形成する。図５（ｂ）に示すように、マグネット３７の形成は、例えば、磁性材料と熱可塑性樹脂を混合したもの（磁石材料）によるプラスチックマグネット成形によって行う。ここで、図６（ａ）〜（ｃ）に示すのは、それぞれ本発明におけるロータ１２、１３の構成を表した正面図、（ａ）におけるＡ−Ａ’線断面図、背面図であるが、これらに示すように、それぞれのマグネット３７は、ステータ１１に対向する正面側は面積が大きく、背面側は面積が小さく形成してある。
プラマグ成形後に、図５（ｃ）に示すように、隣接するマグネットの磁束方向が逆向きになるように着磁を行って、ロータ１２、１３が完成する。

最後に、形成が完了したステータ１１とロータ１２、１３とを組み立てる。図７に示すように、ロータ出力軸１４は、各部品の抜け止めのために部分ごとに径が異なる構成となっている。先ず、ステータ１１の軸受部１５としてのベアリングハウジング３０にボールベアリング３８を嵌め込んで固定し、その上からロータ出力軸１４を差し込み、ステータ１１の裏面からは、ロータ係止部材３９を介してロータ１３を嵌めこむ。次に、ロータ出力軸１４の上側からロータ１２を嵌め込み、その上から空隙保持部材４０を介して、もう１つの軸受部４２としてのボールベアリング４１を嵌め込むことで、ロータ１２が固定される。最後に、図１に示すように、ロータ１３の外側にバックカバー３３を取り付けることで、本発明のアキシャルエアギャップ型電動機が完成する。

なお、ロータ１２の外側に設けた軸受部４２としてのボールベアリング４１は、図１及び図７の状態では固定されておらず、このままでは軸が安定しない状態であるが、本発明はこのボールベアリング４１が固定された状態で使用されることを前提としたものである。例えば、図示していないが、バックカバーと同様に出力側にもカバーを設けて、そのカバーによってボールベアリング４１を固定するようにしてもよいし、また、本発明のアキシャルエアギャップ型電動機を適用する電動自転車において、接続される相手側の部品によって固定されるものであってもよい。このとき、カバーであっても相手側の部品であっても、これらには、図１に示すようなボールベアリング４１が嵌めこまれるベアリングハウジング４３がモールドされた軸受部４２が設けられている。そして、ボールベアリング４１を嵌め込む際には、ボールベアリング４１の外周側に当接してこの部分をロータ１２側に付勢するバネ部材４４も共にベアリングハウジング４３に嵌め込む。
このバネ部材４４は、図９に示すように、リング状に形成され、かつ、山部４５と谷部４６が交互に形成されて波打った形状となっており、例えば、金属材料によって形成されている。この波打った形状により、軸方向の力に対して弾性力を有し、これによってボールベアリング４１の外周側に予圧を加えることが可能となる。

以上のような構成による本発明のアキシャルエアギャップ型電動機の特徴について説明を行う。先ず、本発明の特徴の１つとして、ステータコア１６を構成するポールメンバー１７ａ〜１７ｉを結線する際に、図２（ｂ）に示すように、並列接続となるように結線した点が挙げられる。これによって、巻線部分の抵抗値を直列の場合に比べて１／９に軽減でき、巻線に流れる電流値を大きくすることが可能となるため、結果、トルクアップを実現できる。

しかし、３相構造に並列接続で結線する場合、ポールメンバーの数（以下、スロット数）とロータ１２、１３上のマグネットの個数（以下、極数）との間に対称性を持たせて構成しないと循環電流が生じてしまい、これがマグネット３７に悪影響を及ぼして、結果、トルクにも悪影響を及ぼす。よって、循環電流を発生させないためにもスロット数と極数に対称性を持たせて構成する必要がある。本発明は３相構造でかつ並列接続で結線する場合を想定しているため、スロット数は３ｎ（ｎは２以上の整数）に決定される。よって、スロット数３ｎに対する極数を検討する必要がある。

図８（ａ）に示すのは、スロット数が３ｎの場合における極数と巻線係数との関係を表した表図である。この図８（ａ）は、スロット１つごとに相が変わるように結線した場合を想定したものである。ここで、巻線係数は電動機の性能（出力）を表すものであり、数値が大きいほど大きなトルクを得ることが出来る。この図８（ａ）において、枠で囲って表した部分はスロット数と極数の間に対称性があって循環電流の生じない組合せであり、さらに、ハッチングの入った部分は対称性のある中で巻線係数が0.866と最も大きい組合せを表している。このハッチングの入った部分は、スロット数：極数が、３ｎ：２ｎの場合、又は、３ｎ：４ｎの場合であることが分かる。

次に、スロット数：極数が、３ｎ：２ｎの場合と３ｎ：４ｎの場合でどちらが大きな出力が得られるかについて、図８（ｂ）〜（ｄ）に示すように、モータの効率について比較検証を行った。ここで、モータ効率＝出力／入力、入力＝出力＋損失としている。一定の出力を得るために必要な入力は、損失の大きさによる、従って、効率が低下する原因として、モータの損失、すなわち（巻線による）銅損、（ステータ鉄心による）鉄損、（インバータ回路による）回路損などが挙げられる。このうち、鉄損は極数が増加すると増加し、銅損と回路損は極数が増加すると減少する関係にある。

図８（ｂ）は、６スロットの場合における４極のモータ効率と８極のモータ効率とを比較したもので、４極の場合のモータ効率を１として表にしたものである。この図８（ｂ）から分かるように、６スロットの場合には８極の方が約１．２倍効率が良いことが分かる。同様に、図８（ｃ）に示す９スロットの場合には１２極の方が、図８（ｄ）に示す１２スロットの場合には１６極の方が若干であるが効率が良い。よって、スロット数：極数は、３ｎ：４ｎの場合の方が大きな出力が得られると言える。このことから、本発明におけるアキシャルエアギャップ型電動機においては、スロット数：極数＝３ｎ：４ｎ（ｎは２以上の整数）を採用している。

また、ロータ１２、１３におけるマグネット３７の構造も本発明の特徴の１つである。
従来の鉄心を有するアキシャルエアギャップ型電動機では、スロット数：極数＝９：８であり、スロット数よりも極数の方が少ないため、鉄心との間で生じる磁力による１つのマグネットに掛かる力は大きい。また、鉄心を有していることによって、コアレスの場合と比較してトルクが大きくなっているため、マグネットをより強固に保持する必要があった。このため、図１０（ａ）乃至（ｃ）に示すように、従来のロータにおいては、２つの孔に対して１つのマグネットを設けていた。しかし、２つの孔に対して１つのマグネットを設ける従来のロータでは、図１０（ｄ）及び（ｅ）に示すように、波形の両端が最も磁束分布が大きく中央部分が平坦となっている磁束分布となって、コギングトルクの原因となり、また、トルクにも悪影響を及ぼす恐れがあった。

しかし、本発明においては、スロット数：極数＝３ｎ：４ｎ（ｎは２以上の整数）であり、スロット数よりも極数の方が多くなる。従って、１つのマグネットに掛かる力が小さくなり、マグネットを保持する孔が１つの極に対して１つの孔で済む。図６（ｄ）及び（ｅ）に示すように、１つの細長いＭｇ形成孔３６に対して１つのマグネット３７を形成するようにしため、中央部分が最もマグネットが厚く、これにより波形の中央部分が最も磁束分布の大きい波形となる。この図６（ｅ）の波形は従来に比べて正弦波に近い波形となるため、コギングトルクを防ぐことができ、トルクの向上につながるという効果が得られる。

また、Ｍｇ形成孔３６をバックヨーク３４の半径方向に円を潰したような細長い形状とすることにより、マグネット３７に対して大きな力が加わったとしても、Ｍｇ形成孔３６が真円でないためマグネット３７が回転してしまうということがない。なお、このＭｇ形成孔３６は、図６（ａ）に示した形状に限定されるものではなく、真円でない形状であればよく、例えば、楕円、三角形、方形、菱形など、様々な形状が適用可能である。

さらに、本発明のアキシャルエアギャップ型電動機は、電動自転車の補助動力用として使用することも想定している。この様な場合、自転車のペダル軸を補助するという構成上、従来技術の特許文献２（特に図４）にもあるように、電動機のロータ出力軸１４に隣接するように負荷が配置されるため、負荷からの反発力により軸受部に力が掛かって破損の原因となる恐れがあった。この問題を解決するために、本発明においては、軸受部としての２つのボールベアリング３８、４１のうち、一方のボールベアリング３８は、回転軸と垂直な方向からのステータの投影面内、即ち、ステータ１１中央の空間にステータコア１６と共にモールドしたベアリングハウジング３０部分に配置し、他方のボールベアリング４１は、回転軸と垂直な方向からのステータの投影面外、即ち、ロータ１２の外側（ロータ１２とロータ出力軸１４に接続される負荷との間）に配置している。

このような配置とすることにより、一方の軸受部１５は、ステータ１１の内周空間に設けられているため外部から衝撃が加わってもボールベアリング３８が破損しないという効果がある。また、他方の軸受部４２は、負荷の近傍に配置されることになるため、ロータ出力軸１４に負荷からの反発力（ロータ径方向反発力と軸方向反発力（図１参照））が加わったとしても、従来に比べてボールベアリング４１に掛かる力を小さくすることが出来る。さらに、一方の軸受部１５と他方の軸受部４２との間隔が従来に比べて大きくなるため、両方の軸受部に掛かる力を小さくすることができる。これにより、軸受部としてのボールベアリングの破損を防止して長寿命化できる。

また、ロータ出力軸１４を軸方向に付勢することで、ボールベアリング３８の内部でのボール接触面を一定に保って、軸受部１５としてのボールベアリング３８の長寿命化を図っている。ロータ出力軸１４を軸方向に付勢する力は、ロータ出力軸１４に接続される負荷に駆動力を伝達する際に負荷から受ける軸方向反発力と、ロータ１２に設けられたマグネット３７とステータコア１６との間に生じる磁力による吸引力とが存在する。本発明のアキシャルエアギャップ型電動機では、上記２つの力が同一方向に掛かるように構成している（図１）。このため、ボールベアリング３８には確実に予圧が掛かり、長寿命化が図れる。上記した磁力による吸引力の具体的な掛け方は、ロータ１２に設けられたマグネット３７とステータコア１６におけるティース１９との距離とロータ１３に設けられたマグネット３７とステータコア１６におけるティース１９との距離に差を設けることで、マグネット３７とティース１９との間に生じる磁力による吸引力を一方のロータ側を強くして、ロータ出力軸１４を付勢する。例えば、図１においては、ロータ１２におけるマグネット３７とティース１９との距離をロータ１３におけるマグネット３７とティース１９との距離よりも近くなるように構成することで、ロータ１２、１３が固定されたロータ出力軸１４全体が図１の右方向に付勢される。これにより、ボールベアリング３８に予圧が加わり、ベアリングの内部でのボール接触面が常に同一個所となるため、ベアリング内部でボールが暴れることが無くなり、結果、軸受部１５としてのボールベアリング３８の長寿命化を実現できる。そして、このロータ出力軸１４を付勢する方向を、接続される負荷から受ける軸方向反発力の方向と合わせる（図１）ことで、より長寿命化の効果が得られる。

ロータ出力軸１４を付勢し、また、接続される負荷から受ける軸方向反発力も加わるとすると、軸受部１５には大きな力が加わることとなり、さらに同じ方向に負荷側から衝撃が加わる可能性もあるため、軸受部１５には耐衝撃性が要求される。そのため、ボールベアリング３８を直接合成樹脂１８でモールドした状態では、合成樹脂１８が衝撃に耐え切れずに底抜けしてしまう恐れがある。このため、本発明においては、ベアリングハウジング３０を合成樹脂１８でモールドして、このベアリングハウジング３０にボールベアリング３８を固定する構成を採用している。このベアリングハウジング３０を金属製とすることで、耐衝撃性を向上させている。また、このベアリングハウジング３０にはフランジ３１が設けてあり、このフランジ３１部分が合成樹脂１８内に迫り出してモールドされているため、ロータ出力軸１４から加わる圧力を分散することが可能となり、耐衝撃性の向上につながる。また、ベアリングハウジング３０を金属製とすることで、同様に金属で構成されたボールベアリング３８との熱膨張の度合いを略同じにすることが可能となり、軸受部１５のがたつきを防止できる。

また、ボールベアリング４１については、付勢手段としてのバネ部材４４を用いて、ベアリングの外周側を前述のロータ出力軸１４を付勢した方向と同一方向に付勢している。図１の例においては、ロータ出力軸１４をマグネット３７の磁力によって右方向に付勢しているが、バネ部材４４を用いてボールベアリング４１の外周側を付勢する方向も右方向としている。
このようにボールベアリングを付勢しているのは、ボールベアリング４１の内部でのボール接触面が常に同一個所にして長寿命化を図るためであるが、この付勢手段としてのバネ部材４４が必要な具体的な理由については、本発明のアキシャルエアギャップ型電動機の組立工程が関連している。

図１及び図７に示すように、ステータ１１のベアリングハウジング３０にボールベアリング３８を嵌め込んだその上からロータ出力軸１４を差し込み、ステータ１１の裏面からロータ係止部材３９を介してロータ１３を嵌めこみ、さらに、ロータ出力軸１４の上側からロータ１２を嵌め込み、その上から空隙保持部材４０を介してボールベアリング４１を嵌め込むことで、ロータ１２が固定される。このようにロータ１２が取り付けられた段階から、ロータ１２とロータ１３のティース１９に対する距離の違いによって、図１の右方向に向かってロータ出力軸１４に対して予圧が加わる。この時点で、ボールベアリング３８は、外周側がベアリングハウジング３０に固定され、内周側はロータ出力軸１４に固定されているため、予圧の影響で内周側が右方向に引っ張られて、図１に示すようにずれが生じる。これに対して、ボールベアリング４１は、内周側はロータ出力軸１４に固定されているものの外周側は固定されていないため、予圧が加わっても内周と外周が連動して影響を受けるため、ずれは生じない。つまり、マグネット３７の磁力による予圧ではボールベアリング４１の内部でのボール接触面を同一個所に設定することはできない。

そこで、ボールベアリング４１とベアリングハウジング４３との間に別途バネ部材４４を用いて、ボールベアリング４１の外周側を右方向に付勢する構成を採用して、ボールベアリング４１の内部でのボール接触面を同一個所に設定して長寿命化を図っている。
なお、バネ部材４４として、図９に示すような波打った形状の部材を採用したが、ボールベアリング４１の外周側を右方向に付勢することが可能であればよく、この形状に限定するものではない。

本発明によるアキシャルエアギャップ型電動機の内部構造を概略的に示した断面図である。 （ａ）は、３相の電動機における従来の直列の結線方法を示した回路図であり、（ｂ）は、本発明で採用する並列の結線方法を示した回路図である。 （ａ）〜（ｃ）は、ポールメンバーの構成を順次表した斜視図であり、（ｄ）は、ポールメンバーを連結して構成したステータコアを表した斜視図である。 （ａ）及び（ｂ）は、ステータコアをモールドインサート成形する場合を表した斜視図である。 （ａ）〜（ｃ）は、ロータの構成を順次表した斜視図である。 本発明のアキシャルエアギャップ型電動機におけるロータの構成を表したものであり、（ａ）は正面図、（ｂ）はＡ−Ａ’線断面図、（ｃ）は背面図、（ｄ）はＢ−Ｂ’線断面図、（ｅ）はＢ−Ｂ’線上の磁束分布を表した模式図である。である。 ステータとロータの組立工程を表した斜視図である。 （ａ）は、スロット数が３ｎの場合における極数と巻線係数との関係を表した表図、（ｂ）〜（ｄ）は、それぞれ３ｎ：２ｎの場合と３ｎ：４ｎの場合のモータ効率を比較したグラフである。 付勢手段としてのバネ部材４４の構成を表した斜視図である。 従来のアキシャルエアギャップ型電動機におけるロータの構成を表したものであり、（ａ）は正面図、（ｂ）はＡ−Ａ’線断面図、（ｃ）は背面図、（ｄ）はＢ−Ｂ’線断面図、（ｅ）はＢ−Ｂ’線上の磁束分布を表した模式図である。

符号の説明

１０…アキシャルエアギャップ型電動機、１１…ステータ、１２…ロータ、１３…ロータ、１４…ロータ出力軸、１５…軸受部、１６…ステータコア、１７ａ〜１７ｉ…ポールメンバー、１８…合成樹脂、１９…ティース、２０…インシュレータ、２１…フランジ、２２…フランジ、２３…コイル、２４…ボス、２５…係合溝、２６…係合凸部、２７…係合凹部、２８…渡り線支持部材、２９…端子、３０…ベアリングハウジング、３１…フランジ、３２…ネジ受け部、３３…バックカバー、３４…バックヨーク、３５…円形孔、３６…Ｍｇ形成孔、３７…マグネット、３８…ボールベアリング、３９…ロータ係止部材、４０…空隙保持部材、４１…ボールベアリング、４２…軸受部、４３…ベアリングハウジング、４４…付勢手段、４５…山部、４６…谷部。

Claims (4)

1. それぞれがほぼ円盤状に形成されており、同一の回転軸に所定の空隙をもって対向的に配置されるステータと２枚のロータとを含む３相構造のアキシャルエアギャップ型電動機において、前記ステータは、環状に連結される３ｎ（ｎは２以上の整数）個のポールメンバーからなり、前記ポールメンバーは、ティースとこのティースと巻線部分を絶縁するインシュレータとを有し、前記ポールメンバーのうち同相のポールメンバーを並列接続で結線したことを特徴とするアキシャルエアギャップ型電動機。
2. 前記ロータは、前記ステータと対向したときに環状のステータコアに相対する位置に、複数個のマグネットがそれぞれ等間隔で環状に形成してあり、前記ポールメンバーの個数とマグネットの個数との比が３ｎ：４ｎ（ｎは２以上の整数）となることを特徴とする請求項１記載のアキシャルエアギャップ型電動機。
3. 前記ロータは、前記ステータに対して同軸に配置されるバックヨークと、モールド成形可能な磁石材料からなり前記ステータのティースに対向するようにして前記バックヨークに取り付けられるマグネットとを有し、前記バックヨークは、前記マグネットを形成するＭｇ形成孔が設けられており、このＭｇ形成孔は、前記マグネットの各磁極毎に１箇所設けられていることを特徴とする請求項２記載のアキシャルエアギャップ型電動機。
4. 前記マグネットは、ロータを構成するバックヨークに対して、真円でないＭｇ形成孔を前記ティースと対向する位置の円周方向に等間隔に貫通させて形成し、このＭｇ形成孔に対してそれぞれプラスチックマグネットを一体成形したことを特徴とする請求項２又は３記載のアキシャルエアギャップ型電動機。

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