JP2008099456A - アキシャルギャップ型モータ及びそれを用いた流体ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】ロータマグネットの径方向の大型化及びコアの全高を抑制しながら、巻線の増大によって出力トルクを向上することができるアキシャルギャップ型モータを提供する。
【解決手段】本発明のアキシャルギャップ型モータは、マグネット１６を有するロータ２０と、マグネット１６に対してロータ回転軸方向に離間して対向配置されているステータ４０と、を備えている。ステータ４０は、ティース部３４を有する複数のコア３０と、各コア３０のティース部３４にそれぞれ巻き付けられている巻線３８とを有している。ティース部３４は、そのマグネット側の端部３２が他方の端部３６に対してロータ２０の径方向内側に位置するように傾斜している。
【選択図】図１

Description

本発明は、ブラシレスモータに関する。詳しくは、ロータとステータがロータ回転軸方向に離間して対向配置されているアキシャルギャップ型のブラシレスモータに関する。

従来のアキシャルギャップ型のブラシレスモータの一例が特許文献１に開示されている。図９は特許文献１のブラシレスモータを示す断面図である。特許文献１のブラシレスモータは、図９に示すように、回転軸３３０に固定されたロータマグネット３３３と、ロータマグネット３３３に対して軸方向に離間して配置された複数のコア３３４を有している。コア３３４は、巻線３２５が巻き付けられたティース部３３５と、ティース部３３５の一端に形成された磁束取込み部３３６から構成されている。磁束取込み部３３６は、巻線３２５のロータマグネット３３３側の端面を覆うように形成されており、ロータマグネット３３３に対向している。このブラシレスモータでは、磁束取込み部３３６の総面積がティース部３３５（コイル３２５の空芯部）の断面積より大きくなるため、ティース部３３５の直径を増大させることなく、コア３３４の磁束取込み面積を大きく確保することができる。コア３３４の磁束取込み面積を大きくできると、出力トルクやモータ効率などを向上することができる。
実開平６−７０４７６号公報

特許文献１のブラシレスモータによれば、ある程度は出力トルクを増大することができるが、巻線（コイル）によって発生する起磁力自体は増加しないため、出力トルクの増大には限界がある。このため、出力トルクをさらに増大させるためには、コアに巻き付けられる巻線を増加しなければならない。
しかしながら、巻線を増加するためには、巻線を巻き付けるための空間を確保する必要がある。このため、巻線を増加させると、ブラシレスモータが高さ方向又は径方向に大型化するという問題がある。特に、巻線を増加するためにブラシレスモータを径方向に大きくすると、ロータマグネットの径も大きくなり、ロータの質量の増大並びにロータの慣性力の増大を招く。そのため、回転開始時に必要な起磁力を大きくしなければならず、このことは、さらに巻線を増加させ、モータを大型化する原因となる。
本発明は、モータの大型化を抑制しながら巻線を増大させることができるアキシャルギャップ型のブラシレスモータを提供する。

本発明のアキシャルギャップ型のモータは、マグネットを有するロータと、マグネットに対してロータ回転軸方向に離間して対向配置されているステータと、を備えている。ステータは、ティース部を有する複数のコアと、各コアのティース部にそれぞれ巻き付けられている巻線とを有している。ティース部は、そのマグネット側の端部が他方の端部に対してロータの径方向内側に位置するように傾斜している。
このアキシャルギャップ型モータによれば、ティース部を傾斜させることで、ティース部の全高を抑えながらティース部の長さを長くでき、ティース部に巻き付ける巻線を増大させることができる。また、ティース部のマグネット側の端部を他方の端部に対してロータの径方向内側に位置させるため、ロータが径方向に大きくなることが抑制され、ロータの質量の増加が抑えられる。これらによって、モータの大型化を抑制しながら巻線の増大（すなわち、出力トルクの向上）を実現することができる。

上記のモータでは、ティース部は、そのマグネット側の端部が他方の端部に対してロータの周方向にさらにずれるように傾斜していることが好ましい。
ティース部を更に周方向に傾斜させることによって、同一高さに対するティース部の長さを長くすることができる。これによって、より多くの巻線を巻き付けることができ、出力トルクを増大することができる。

また、ティース部に巻き付けられた巻線の巻数はマグネット側の端部から他方の端部（反マグネット側の端部）に向かって多くなることが好ましい。
反マグネット側の端部はマグネット側の端部より外周側に位置するため、隣接するコア間の間隔（ティース部の間隔）は、マグネット側の端部より反マグネット側の端部の方が広くなる。このため、反マグネット側の端部の方に多くの巻線を巻くことで、隣接するコアのティース部間に形成される空間を有効に利用して巻線を巻くことができる。

また、ティース部のマグネット側の端部には、マグネットに対向するように磁束取込部が形成されており、その磁束取込部の径方向の寸法がマグネットの径方向の寸法とほぼ一致することが好ましい。
このような構造によれば、マグネットからの磁束を効率的にコアに取込むことができ、トルク出力を向上することができる。

さらに、ティース部の反マグネット側の端部には平板状に張り出した基部が形成されており、基部の径方向の寸法が磁束取込部の径方向の寸法より大きいことが好ましい。
このような構造によれば、ティース部の反マグネット側の端部に、より多くの巻線を安定して巻き付けることができ、トルク出力を向上することができる。

上述したアキシャルギャップ型モータは、流体を吸引・昇圧して吐出する流体ポンプに用いることができる。すなわち、本発明の流体ポンプは、前記のいずれかのアキシャルギャップ型のモータと、そのアキシャルギャップ型モータのロータを回転可能に収容するポンプケーシングと、を備えている。アキシャルギャップ型モータのロータの外周部にはポンプ部が形成されている。ポンプケーシングには、ポンプ部の上流端とケーシング外とを連通する流体吸入口と、ポンプ部の下流端とケーシング外とを連通する流体吐出口が形成されている。
この流体ポンプでは、前記のアキシャルギャップ型のモータを適用することによって、コンパクトでありながら大きなトルクでロータを回転することができる。これによって、ロータの外周部に形成したポンプ部によって効率的に流体を昇圧することができる。

上記ポンプ部は、ロータの少なくとも一方の面に形成された羽根溝群と、ポンプケーシングの内面に形成されたポンプ流路によって構成することができる。この場合、羽根溝群は、ロータの外周に沿って周方向に繰返される複数の羽根溝によって構成されており、ポンプ流路は、ロータの羽根溝群と対向する領域を、インペラの回転方向に沿って上流端から下流端まで伸びている。

以下、図面を参照しながら本発明の実施例を説明する。

（第１実施例）
図１は第１実施例のアキシャルギャップ型モータ１０の構成を示す断面図である。アキシャルギャップ型モータ１０は、図１に示すように、ロータ２０と、ロータ２０に対向して配置されたステータ４０と、ロータ２０とステータ４０を収容するケーシング（４２，４８，５０）を備えている。
ケーシングは、円筒状の外周ケーシング４８と、外周ケーシング４８の上端に取付けられた上端ケーシング５０と、外周ケーシング４８の下端に取付けられた下端ケーシング４２から構成されている。上端ケーシング５０の中央には開口５０ａが設けており、下端ケーシング４２ａの中央には凹部４２ａが形成されている。開口５０ａと凹部４２ａには、それぞれロータ２０を支持するためのベアリング６２，４４が配置されている。

ロータ２０は、ロータシャフト１２と、ロータシャフト１２に固定された円盤状のヨーク１４と、ヨーク１４に取付けられたマグネット１６とから構成されている。ヨーク１４とマグネット１６の表面は樹脂１８によって覆われている。
マグネット１６は、鉄粉などの磁性粉を混入した樹脂からなるリング状のプラスチックマグネットである。図３に示すように、マグネット１６は８個の磁極１６ａ，１６ｂを有している。磁極１６ａはＮ極に着磁されており、磁極１６ｂはＳ極に磁極されている。磁極１６ａ，１６ｂは、それぞれ扇形台形状をしており、磁極１６ａと磁極１６ｂは円周方向に交互に配列されている。
ロータシャフト１２の上端１２ａは、ベアリング６２を介して上端ケーシング５０に回転可能に支持されている。ロータシャフト１２の下端１２ｂは、ベアリング４４を介して下端ケーシング４２に回転可能に支持されている。これによって、ロータシャフト１２は、ケーシング（４２，４８，５０）に対して回転可能に支持されている。ロータシャフト１２にはヨーク１４及びマグネット１６が取付けられているため、ロータシャフト１２が回転すると、ヨーク１４及びマグネット１６も回転する。
なお、ロータシャフト１２の下端１２ｂと下端ケーシング４２との間にはスラストベアリング４６が配されている。ロータシャフト１２の軸端はスラストベアリング４６に当接し、スラストベアリング４６はロータシャフト１２に作用するスラスト荷重を受ける。

次に、図１及び図２を参照してステータ４０を説明する。図２はステータ４０を上側から見た平面図である。図１及び図２に示すように、ステータ４０は、下端ケーシング４２の上面に固定されている複数のコア３０（本実施例では６個）と、各コア３０に巻き付けられている巻線３８から構成されている。コア３０は、ロータシャフト１２の周囲に均等に配置されている。各コア３０は、ロータ２０のマグネット１６に対向する磁束取込部３２と、巻線３８が巻き付けられているティース部３４と、下端ケーシング４２に固定されている基部３６を備える。

磁束取込部３２は、ティース部３４の一端（ロータ２０のマグネット１６に近接する側の端部）から平板状に張り出して形成されている。磁束取込部３２は扇形台形状に形成されており、その内縁はマグネット１６の内径と略同一とされ、その外縁はマグネット１６の外径と略同一とされている。磁束取込部３２は、ロータ２０の回転軸方向に所定の間隔を空けてマグネット１６と対向している。また、隣接するコア４０の磁束取込部４４同士の間には所定の隙間が設けられている。
ティース部３４は、断面が略扇形の柱状体であり、その軸線が径方向に傾斜するように形成されている。具体的には、ロータ２０のマグネット１６に近接する側の一端が下側ケーシング４２側の一端より中心軸（ロータシャフト１２）に接近するように傾斜している。つまり、ティース部３４は、マグネット１６から離れるにつれてロータシャフト１２から離れるようになっている。
基部３６は、ティース部３４の他端（下端ケーシング４２に近接する側の端部）から周囲に平板状に張り出して形成されている。基部３６は扇形台形状に形成されており、磁束取込部３２より大きく形成されている。
図１に示すように、巻線３８は、その巻数がマグネット１６側から下端ケーシング４２側に向かって多くなるようにティース部３４に巻き付けられている。これによって、ロータシャフト１２の外周面から巻線３８までの距離が、ティース部３４の高さ方向の位置にかかわらず略一定となっている。

前記の構造のアキシャルギャップ型モータ１０では、ティース部３４は、マグネット１６側の一端が他端よりロータシャフト１２に近接するように傾斜することによって、ティース部３４とロータシャフト１２の間に形成される空間５２は、マグネット１６側から離れる方向に向かって徐々に大きくなる。つまり、巻線３８を配置可能な空間が、マグネット１６側から下端ケーシング４２側に向かって徐々に大きくなっている。ティース部３４に巻き付けられる巻線３８の巻数は、前記の空間５２を最大限利用できるように、マグネット１６側から離れる方向に向かって徐々に多くなっている。また、ティース部３４が傾斜しているために、ティース部３４の軸方向の長さは、ティース部が傾斜しない場合に比較して長くなる。これらによって、コア３０の全高を抑えながら、巻線３８の巻数を増大することができる。従って、アキシャルギャップ型モータ１０の大型化を抑制しながら、出力トルクを増大することができる。
しかも、ティース部３４のマグネット１６側の一端がロータシャフト１２（中心軸）に近接して形成されることによって、磁束取込部３２をロータシャフト１２（中心軸）に近接する位置に配置することができる。それにより、磁束取込部４４に対向するマグネット１６（ロータ２０）をロータシャフト１２（中心軸）から近い位置に配置することができる。つまり、ティース部３４を径方向に傾斜させても、磁束取込部３２とマグネット１６との対向面積を確保でき、かつ、マグネット１６（ロータ２０）の径方向の寸法を抑えることができる。それによって、ロータ１０の質量の増加を防止することができる。ロータ１０の質量の増加が防止できるため、回転開始時に必要な起磁力が増大することもない。即ち、アキシャルギャップ型モータ１０では、ロータ２０の質量増加やステータ４０の全高を抑えながら、コア３０に巻き付ける巻線３８の数を増大することができる。従って、コンパクト化と出力トルクの向上の両者を実現することができる。

なお、上述した実施例では、ティース部３４は径方向に傾斜しているだけであったが、さらにティース部を周方向に傾斜させることができる。図４〜６はティース部を径方向及び周方向に傾斜させたコアを示す図であり、図４はコアをロータシャフト側から見た図であり、図５はコアを周方向から見た図であり、図６は図４のＶＩ−ＶＩ線断面図である。なお、図６では、本来は見えない基部１３６を二点破線で描いている。
図４〜６に示すように、コア１３０は、磁束取込部１３２とティース部１３４と基部１３６を備えている。ティース部１３４は、ロータの径方向に傾斜していると同時に、ロータの周方向にも傾斜している。ティース部１３４の傾斜方向は、ロータ側の端部が他端よりロータの回転方向下流に位置してもよいし、ロータ側の端部が他端よりロータの回転方向上流に位置してもよい。

このような構造のコア１３０によれば、前記のコア４２と同じ効果を達成することができる。さらに、ティース部１３４が径方向と周方向に傾斜することによって、前記のコア４２と比較して、コア１３０とコア４２が同一の高さ（磁束取込部と基部の距離）であるとすると、ティース部１３４の長さをさらに長くすることができる。それにより、ティース部１３４の外周面にはより多くの巻線（未図示）を巻き付けることができる。

ここまで、本発明の好適な一実施例を説明したが、本発明は前記の実施例に限定されるものではない。例えば、コアの数や、マグネットの磁極数などは、前記の実施例に代えて、必要に応じて適宜変更することができる。また、コアの形状（ティース部，磁束取込部，基部の平面形状等）は前記の実施例に限定される必要はなく、例えば、ティース部、磁束取込部、基部の平面形状を円形としてもよい。また、ティース部は、直線状に傾斜していてもよいし、任意な曲線状に傾斜していてもよい。

（第２実施例）
第１実施例のアキシャルギャップ型モータ１０では、コア３０のティース部３４が傾斜することによって、基部３６の径方向寸法が磁束取込部３２の径方向寸法より大きくなる。このため、ケーシング（４２，４８，５０）内には、磁束取込部３２の外周側（すなわち、マグネット１６及びヨーク１４の外周側）にスペースが形成されている。第２実施例では、そのスペースを利用してポンプ部が設けられた流体ポンプを提供する。図７は第２実施例の流体ポンプ２００を示す断面図である。流体ポンプ２００は、図７に示すように、基本的に第１実施例のアキシャルギャップ型モータ１０にポンプ部を付加することによって構成されている。

流体ポンプ２００は、円筒状のハウジング２４８と、ハウジング２４８の上端に取付けられたトップカバー２４２と、ハウジング２４８の下端に取付けられたポンプケーシング（２５０，２５２）を備えている。
トップカバー２４２は、ハウジング２４８の上端開口を液密に閉じている。トップカバー２４２には吐出口２４６ａが形成されている。吐出口２４６ａは、流体ポンプ２００の内部と外部を連通している。トップカバー２４２は、ロータシャフト２１２の上端をベアリング２４４を介して回転自在に支持している。ロータシャフト２１２の下端部にはインペラ２２０が固定されている。

図７，８に示すように、インペラ２２０は、円盤状のヨーク２１４と、ヨーク２１４の上面に取付けられたリング状のマグネット２１６と、ヨーク２１４とマグネット２１６の外表面に一体に成形された樹脂部２１８から構成されている。樹脂部２１８の上面には、インペラ２２０の外周縁に沿って周方向に並ぶ羽根溝群２２８が形成されている（図８参照）。樹脂部２１８の下面には、インペラ２２０の外周縁に沿って周方向に並ぶ羽根溝群２２６が形成されている。羽根溝群２２６，２２８は、ヨーク２１４より外側の位置に配置されている。凹所群２２８は、その底部で凹所群２２６と連通している。インペラ２２０の中心にはロータシャフト２１２と相対回転不能に係合する貫通孔２２１が設けられており、ロータシャフト２１２が回転するとインペラ２２０も回転するようになっている。

インペラ２２０はポンプケーシング（２５０，２５２）に収容されている。ポンプケーシング（２５０，２５２）は、インペラ２２０の下面側に配置される第１ケーシング２５０と、インペラ２２０の上面側に配置される第２ケーシング２５２から構成される。
第１ケーシング２５０の上面には、インペラ２２０の凹所群２２６に対向する領域を、インペラ２２０の回転方向に上流端から下流端まで伸びる溝２６０（請求項でいうポンプ流路に相当）が形成されている。また、第１ケーシング２５０の上面には、溝２６０の上流端に接続された吸入流路２５４が形成されている。吸入流路２５４は、流体ポンプ２００の径方向に伸びている。吸入流路２５４は、ハウジング２４８の側面に形成された開口２４８ａを介して流体ポンプ２０の外部と連通している。第１ケーシング２５０の中央には、ベアリング２６２を介してロータシャフト２１２が回転可能に支持されている。
第２ケーシング２５２は、その上面にステータ２３０の磁束取込部側の端部を配するための開口２５２ａが形成されている。このため、第２ケーシング２５２は、インペラ２２０の側面及び上面外周部を覆うように形成されている。第２ケーシング２５２の下面には、インペラ２２０の凹所群２２８に対向する領域を、インペラ２２０の回転方向に上流端から下流端まで伸びる溝２５８（請求項でいうポンプ流路に相当）が形成されている。また、第２ケーシング２５２には、溝２５８の上流端に接続された吸入流路２５４と、溝２５８の下流端に接続された吐出流路２５６が形成されている。吸入流路２５４は、流体ポンプ２００の径方向に伸びており、ハウジング２４８の側面の開口２４８ａを介して流体ポンプ２０の外部に連通している。吐出流路２５６は、第２ケーシング２５２内を上方に伸びており、溝２５８とハウジング２４８の内部空間２６４とを連通している。
上述したポンプケーシング（２５０，２５２）は、インペラ２２０を収容した状態で、ハウジング２４８の下端に液密に接合されている。

ハウジング２４８とトップカバー２４２とポンプケーシング（２５０，２５２）で囲まれた内部空間２５６には、第１実施例と同様に構成されたステータ２３０が収容されている。ステータ２３０の各コアは、インペラ２２０側の端部の径がトップカバー２４２側の端部の径より小さくされている。各コアのティース部には巻線２３８が巻き付けられており、各コアの磁束取込部はインペラ２２０のマグネット２１６に対向している。

この流体ポンプ２００では、ステータ２３０の各巻線２３８に外部より通電されると、インペラ２２０が回転する。インペラ２２０が回転すると、吸入流路２５４からポンプケーシング（２５０，２５２）内に流体が吸入される。ポンプケーシング（２５０，２５２）内に吸入された流体は、溝２６０，２５８を上流端から下流端まで流れる間に昇圧され、第２ケーシング２５２の吐出流路２５６よりポンプケーシング（２５０，２５２）外に吐出される。ポンプケーシング（２５０，２５２）外に吐出された流体は、内部空間２６４内を流れ、トップカバー２４２の吐出口２４６ａより外部に吐出される。

この流体ポンプ２００では、第１実施例のアキシャルギャップ型モータを利用するため、流体ポンプの大型化を抑制しながら高出力化を図ることができる。さらに、ステータ２３０のコアを傾斜させることによって作り出されたマグネット（ヨーク）の外側の空間にポンプ部を配するため、流体ポンプ２００をより一層コンパクト化している。また、ヨーク及びマグネットとインペラ（羽根溝群）を一体化しているため、部品点数が削減され、構造を簡略化することができる。

上述した流体ポンプ２００では、第１実施例のアキシャルギャップ型モータを利用して流体ポンプを構成する一例を説明したが、本発明の流体ポンプは前記の実施例に限定されない。例えば、上述した実施例では、ヨーク及びマグネットとインペラ（羽根溝群）を一体に形成したが、ヨーク及びマグネットとインペラを別体で構成するようにしてもよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

第１実施例のアキシャルギャップ型モータの断面図。 ステータを上方から見た平面図。 ロータを上側から見た平面図。 コアをロータシャフト側から見た図。 コアを周方向から見た図。 図４のＶＩ−ＶＩ線断面図。 第２実施例の流体ポンプの断面図。 図７に示す流体ポンプのインペラを上側から見た図。 従来のアキシャルギャップ型モータの構成を説明するための図。

符号の説明

１０：アキシャルギャップ型モータ
１２、２１２：ロータシャフト
１４、２１４：ヨーク
１６、２１６：マグネット
４０、２３０：ステータ
３０：コア
３２：磁束取込部
３４：ティース部
３６：基部
３８、２３８：巻線

Claims (7)

1. マグネットを有するロータと、マグネットに対してロータ回転軸方向に離間して対向配置されているステータと、を備えているアキシャルギャップ型のモータであって、
   ステータは、ティース部を有する複数のコアと、各コアのティース部にそれぞれ巻き付けられている巻線とを有しており、
   ティース部は、そのマグネット側の端部が他方の端部に対してロータの径方向内側に位置するように傾斜していることを特徴とするアキシャルギャップ型モータ。
2. ティース部は、そのマグネット側の端部が他方の端部に対してロータの周方向にさらにずれるように傾斜していることを特徴とする請求項１のアキシャルギャップ型モータ。
3. ティース部に巻き付けられた巻線の巻数がマグネット側の端部から他方の端部に向かって多くなることを特徴とする請求項１又は２のアキシャルギャップ型モータ。
4. ティース部のマグネット側の端部には、マグネットに対向するように磁束取込部が形成されており、その磁束取込部の径方向の寸法がマグネットの径方向の寸法とほぼ一致することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかのアキシャルギャップ型モータ。
5. ティース部の反マグネット側の端部には平板状に張り出した基部が形成されており、基部の径方向の寸法が磁束取込部の径方向の寸法より大きいことを特徴とする請求項４のアキシャルギャップ型モータ。
6. 請求項１〜４のいずれかのアキシャルギャップ型モータと、
   そのアキシャルギャップ型モータのロータを回転可能に収容するポンプケーシングと、を備えており、
   アキシャルギャップ型モータのロータの外周部にはポンプ部が形成されており、
   ポンプケーシングには、ポンプ部の上流端とケーシング外とを連通する流体吸入口と、ポンプ部の下流端とケーシング外とを連通する流体吐出口が形成されていることを特徴とする流体ポンプ。
7. ポンプ部は、ロータの少なくとも一方の面に形成された羽根溝群と、ポンプケーシングの内面に形成されたポンプ流路によって構成されており、
   羽根溝群は、ロータの外周に沿って周方向に繰返される複数の羽根溝によって構成されており、
   ポンプ流路は、ロータの羽根溝群と対向する領域を、インペラの回転方向に沿って上流端から下流端まで伸びていることを特徴とする請求項６の流体ポンプ。

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