JP2005094955A - アキシャル型永久磁石モータ - Google Patents

Abstract

【課題】所望のモータトルクを確保しつつ、永久磁石の量を低減することが可能な構造を提供する。
【解決手段】ロータは、回転軸の回転方向に沿い所定間隔毎に配置され磁極が交互する複数の永久磁石２０を有し、各永久磁石２０の間に、磁性体２４を配置する。この時、ロータに対向する位置に配置されたステータに回転磁界を発生させると、磁化されたステータのティースと永久磁石２０との間で磁石トルクが発生すると共に、ティースと磁性体２４との間でリラクタンストルクが発生する。その結果、永久磁石２０の量を低減して、磁石トルクを低減してもリラクタンストルクの発生により、それを補い、所望のモータトルクを確保することができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、ステータの磁極とロータの永久磁石を回転軸に平行な向きに対向配置したアキシャル型永久磁石モータ、特に効率的なモータトルクの発生を可能とするアキシャル型永久磁石モータの改良に関する。

従来からステータの磁極とロータの永久磁石を回転軸に平行な向きに対向配置したアキシャル型永久磁石モータが知られている。このアキシャル型永久磁石モータのロータは、例えば、特許文献１、特許文献２に示されるように、軟鉄等で構成されるロータ鉄心の表面に略扇形の複数の永久磁石を円環状に配置している。各永久磁石の磁極は、隣接する永久磁石に対し異なるように交互に配置されている。そして、ステータ側のコイルにより回転磁界を発生することにより、ステータのティースの磁化状態が順次回転し、ティースと各永久磁石との間で磁気的な吸引及び反発が生じる。その結果トルクが生じ、ロータを回転させている。

特開平６−３８４１８号公報 特開２００１−５７７５３号公報

従来のアキシャル型永久磁石モータにおいては、永久磁石による磁石トルクのみの作用でモータトルクを得ているため、所望のモータトルクを得ようとする場合、永久磁石の量を増加させる必要があり、製造コスト的に好ましくないと共に、所望のモータトルクを得るためにモータ容積が増大していた。また、ロータの高速回転時には、増大させて永久磁石の磁石磁束による渦電流損が増大し、駆動効率の低下を招いていた。

そこで、本発明は、アキシャル型永久磁石モータにおいて、所望のモータトルクを確保しつつ、永久磁石の量を低減することが可能な構造を提供することを目的とする。また、他の目的は、所望のモータトルクを確保しつつ、渦電流損を抑制し効率的な駆動を行うことが可能なアキシャル型永久磁石モータを提供することを目的とする。さらに、効率的な駆動により所望のトルクを容易に得ることのできるアキシャル型永久磁石モータを提供することを目的とする。

本発明にかかるアキシャル型永久磁石モータにおいて、そのロータは、回転軸の回転方向に沿い所定間隔毎に配置され磁極が交互する複数の永久磁石を有し、各永久磁石の間には、磁性体を有している。また、他の態様では、アキシャル型永久磁石モータにおいて、そのロータは、回転軸の回転方向に沿い配置され磁極が交互する複数の永久磁石を有し、各永久磁石の少なくとも表面に磁性体を有している。

このように、ロータに磁性体を設けることにより、リラクタンストルクを得ることが可能となる。例えば、隣接する永久磁石との間のスペースに磁性体を配置することにより、永久磁石の量を低減することが可能となる。この時、永久磁石の量の減少により磁石トルクは減少するが、その分リラクタンストルクが利用可能となるので、トータルのモータトルクを維持しつつ、永久磁石の量の低減に寄与することができる。

また、永久磁石の表面に磁性体を例えば薄くコーティングしたり配置することにより同様にリラクタンストルクの利用が可能になる。

なお、前記磁性体は、磁束と直交する面の電気抵抗が高いことが望ましい。磁束と直交する面の電気抵抗を高くすることで、ロータの回転時に磁性体部分で発生する渦電流損の抑制が可能にあり、モータの駆動効率の向上ができる。電気抵抗の高い磁性体は、例えば、圧粉磁心材料や珪素鋼板をロータの径方向に積層して形成することで得ることができる。

なお、磁性体を圧粉磁心材料や珪素鋼板の積層で形成する場合、ロータの形状維持のために補強部材を用いることが好ましい。補強部材としては、例えば、ロータの径方向に延設される梁状部材やロータの外周面を覆うタガ状部材を用いることができる。この場合、リラクタンストルクを利用するために、ロータに磁性体を配置しても、ロータの形状維持が容易に可能で、ロータの高速回転を安定的に行うことができる。

さらに、上述のような構成のロータとステータを回転軸に平行な向きに交互に複数配列することにより、容易にアキシャル型永久磁石モータの総合トルクを所望のトルクに増大することができる。また、ロータとステータとを交互に配置することによりロータを挟むステータを表裏のロータに対し共用することができるので、本来、１枚のロータに対し２枚のステータを配置していて場合に比してステータ数を低減することが可能となり、モータ容積の低減、つまり、アキシャル型永久磁石モータの小型化に寄与することができる。

以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）を、図面に従って説明する。

図１は、基本的なアキシャル型永久磁石モータ１０の全体を示す概略構成図であり、図２は、アキシャル型永久磁石モータ１０のステータ１２のみを図示したもの、図３は、ロータ１４のみを図示したものである。図１に示すように、アキシャル型永久磁石モータ１０は、ケーシング１６に回動可能に支持された回転軸１８にロータ１４が固定されている。ロータ１４は、図３に示すように略円板形状であり、その内部には、永久磁石２０が周方向に配列されている。永久磁石２０は、ロータ１４内に完全に埋設されてもよく、また表面がロータ１４の表面の一部となるように配置されてもよい。また、隣接する永久磁石２０は、それぞれ同一平面上で「Ｓ極」と「Ｎ極」が交互になるように配置されている。

一方、ケーシング１６の内側には、略環状のステータ１２が、円板状のロータ１４の表裏よりこれを挟むように配置されている。ステータ１２は、図２（ａ）に示すようなステータコア１２ａを中心に構成され、ロータ１４に対向する面には複数のティース２２が突出して設けられている。各ティース２２には、図２（ｂ）に示すように、導線が巻かれてコイル１２ｂが形成され、そこに電流を流すことにより磁極が構成される。すなわち、ステータコア１２ａ、コイル１２ｂとによりステータ１２が形成される。このように、アキシャル型永久磁石モータ１０は、ステータ１２の磁極とロータ１４の永久磁石２０が、モータの回転軸である回転軸１８に平行な方向において対向するように配置される。

そして、コイル１２ｂに順次電流を流すことによりティース２２が順次磁化され、回転磁界が形成される。そして、ロータ１４の永久磁石２０が前記回転磁界と相互作用して、吸引および反発作用が生じロータ１４が回転し、磁石トルクを得ることができる。以上のアキシャル型永久磁石モータ１０の基本構成は、以下に述べる各実施形態に共通するものである。

本実施形態において、アキシャル型永久磁石モータ１０は、永久磁石２０の存在により発生する磁石トルクに加え、リラクタンストルクを得るために、ロータ１４の所定位置に磁性体（強磁性体）を配置している。この磁性体は、基本的には、ステータ１２に順次形成される磁極に吸引されロータ１４を回転させる位置に存在すればよい。すなわち、図４に示すように、少なくとも隣接する永久磁石２０の間の位置にステータ１２の磁極に吸引される磁性体２４が存在すればよい。

前述したように、ステータ１２に形成される回転磁界とロータ１４の永久磁石２０との相互作用により吸引・反発作用が生じロータ１４に磁石トルクが発生するが、この時同時に、ステータ１２に形成される回転磁界により磁化されたティース２２に磁性体２４が吸引され、リラクタンストルクが発生する。すなわち、上述のような磁性体２４を有するアキシャル型永久磁石モータ１０は、磁石トルクとリラクタンストルクの合計をモータトルクとすることができる。言い換えれば、従来と同じモータトルクを発生させようとした場合、発生するリラクタンストルク分だけ、磁石トルクを小さくすることが可能になる。すなわち、永久磁石２０の量を減少させることが可能になり、アキシャル型永久磁石モータ１０の低コスト化に寄与することが可能となる。また、永久磁石２０の量を減少させない場合には、モータトルクの増加に寄与することが可能になる。

ところで、アキシャル型永久磁石モータ１０の場合、磁束は、回転軸１８と平行な方向を向くが、上述のように隣接する永久磁石２０の間に磁性体２４を存在させる場合、磁性体２４に渦電流が生じることになる。渦電流の発生は発熱等エネルギーロスの原因になる。そこで、渦電流の発生を抑制するため、磁束と直交する面内の磁性体２４の電気抵抗を高く設定することが望ましい。

磁性体２４の部分の電気抵抗を高くする手段として、図５に示すように、薄い珪素鋼板２６をロータ１４の径方向、つまり磁束と直交する面に沿って積層してロータ１４のコアを形成することで実現することができる。ここで用いる珪素鋼板２６は、例えば、その厚み（ロータ１４の径方向の厚み）が０．５ｍｍ以下であり、図５（ａ）に示すように直径の異なるリング状の珪素鋼板２６を軸（後に回転軸１８が挿入される）を中心に順次径方向に重ね合わせて適宜溶接等により各珪素鋼板２６を固定することによりロータコアを形成することができる。また、リボン状の珪素鋼板を軸の周りに巻回して、図５（ａ）のロータコアと同様な形状に成形してもよい。さらに、図５（ａ）のように積層したコアを、図５（ｂ）に示すように、４個組み合わせ、外形をロータの外形に応じて加工して、円盤状のロータコアを形成することもできる。

図４、図５（ａ），（ｂ）のように、珪素鋼板をロータ１４の径方向に積層することにより、各永久磁石２０の間に、磁性体２４を配置できると共に、磁束と直交する面内の磁性体２４の電気抵抗が高くなる。この時、各珪素鋼板の厚みに対し垂直に通過する磁束によって生じる渦電流は、各珪素鋼板の厚み面内で発生するため、渦電流の導電経路は著しく短くなる。その結果、渦電流に起因するエネルギーロスが軽減される。つまり、ロータ１４を構成する各永久磁石２０の間に磁性体２４を配置することにより、リラクタンストルクを用いたモータトルクの改善に併せ、その磁性体２４に対する渦電流抑制対策を行うことにより、アキシャル型永久磁石モータ１０のモータ効率を向上することができる。

なお、本実施形態で使用するロータ１４のロータコアは、珪素鋼板２６をロータ１４の径方向に積層する形態をとれば、任意の方法で成形可能であり、上述と同様な渦電流抑制効果を得ることができる。

なお、図５（ａ）、（ｂ）に示すロータ１４には、永久磁石２０が埋め込まれた状態が図示されているが、この永久磁石２０は、例えば、珪素鋼板２６を積層し、適宜溶接や形状加工を行った後、図５（ｃ）に示すように、ロータコア２８の径方向に沿って２分割し、永久磁石２０を収納可能な凹部２８ａを形成することによりロータコア２８内に永久磁石２０を収納配置することができる。そして、永久磁石２０を配置した後溶接等の接合手段により接合することにより、図５（ａ）、（ｂ）の状態にすることができる。

図６には、隣接する永久磁石２０の間に磁性体を介在させる他の構成が示されている。前述したように、アキシャル型永久磁石モータ１０のモータ効率を良好に向上させるためには、隣接する永久磁石２０の間に磁性体を介在させると同時に、磁性体の電気抵抗を高く設定することが必要となる。そこで、鉄等の強磁性体の微小粒の表面に電気を通さない膜のコーティングを施した粉体を押し固めた圧粉磁心材料によりロータコア形成する。この圧粉磁心材料により形成したロータコアは、三次元方向に磁束を通すが、電流はほとんど通さないので、ステータ１２の発生する磁界を受けても渦電流を流さない。つまり、図５（ａ）、（ｂ）に示す珪素鋼板２６を積層して形成したロータコア同様に、渦電流の抑制を良好に行うことができる。

なお、圧粉磁心材で図６（ａ）に示すような永久磁石２０を埋設したロータ１４を作成する場合、図６（ｂ）に示すように、粉体を押し固める際に、永久磁石２０を埋設することが可能であり、任意の形状のロータ１４を容易に形成することができる。

上述したように、永久磁石２０は、ロータコアの内部に埋設することが可能である。その結果、永久磁石２０の表面にも磁性体を設けることができる。つまり、ステータ１２の回転磁界により移動する磁極は、永久磁石２０そのものを吸引・反発し磁石トルクを発生すると共に、永久磁石２０の表面に存在する磁性体をも吸引してリラクタンストルクを発生する。この場合、永久磁石２０は、図４のように所定間隔をあけて配置しても、各永久磁石２０を密着配置してもよい。永久磁石２０の表面に磁性体が存在する場合、永久磁石２０内部の磁束の変動が緩和されるので、ロータ１４の回転時の永久磁石２０表面の発熱を緩和することができる。

ところで、アキシャル型永久磁石モータ１０のロータ１４が回転した場合、ロータ１４に作用する力は、磁石による吸引力と回転時に発生する遠心力である。汎用のラジアルモータ等では、磁石吸引力の主成分はロータの径方向成分となる。また、遠心力の向きも同じロータ径方向である。従って、回転軸方向に積層した珪素鋼板の板面内に磁石吸引力と遠心力とが存在することとなるため、珪素鋼板による剛性で磁石吸引力や遠心力に対抗することが可能となる。そのため、汎用のラジアルモータ等では、特に磁石吸引力や遠心力を考慮したロータの補強はほとんど必要ない。ところが、アキシャル型永久磁石モータ１０の場合、遠心力の向きは、ロータの径方向となるが、磁石吸引力の主成分は、ロータの軸方向に向き、両者は略直交してしまう。そのため、積層した珪素鋼板の剛性のみでは、特に磁石吸引力に十分対抗することができない。図６（ａ）のように、圧粉磁心材料でロータコアを構成する場合には、磁石吸引力に加え遠心力にも十分に対抗することができない虞がある。

そこで、本実施形態では、例えば、図７（ａ）〜（ｄ）に示すように、ロータ１４に適宜補強を施している。例えば、図７（ａ）の場合、リング状の珪素鋼板２６を径方向に積層して形成したロータ１４の内部に径方向に延在する補強部材としての補強バー（梁状部材）３０を例えば、９０°間隔（ロータ１４の回転のバランスを崩さない等間隔であれば、４５°や６０°等でもよい）で配置している。この補強バー３０は、ＦＲＰ等の非磁性体で構成することが好ましく、永久磁石２０やその磁路、磁性体２４（図４参照）と干渉しない位置に配置することが望ましい。補強バー３０を配置することにより、ロータ１４が、磁束と直交する方向に働く磁石吸引力による変形を抑制防止することができる。なお、この補強バー３０は、剛性が高く、電気を流しにくい材質であればよく、この条件が揃えば磁性体（軟磁性体、例えばステンレス等）で構成することも可能である。また、この場合、リラクタンストルクを得るための磁性体２４の機能を補強バー３０で得ることが可能となるので、両者を共用して一部材とすることも可能となる。

この補強バー３０は、ロータコアの表面に配置するとステータ１２との間に形成する所定のギャップ形成の妨げとなるため、ロータコア内に埋設することが好ましい。この場合、永久磁石２０を埋設する場合に凹部２８ａ（図５（ｃ）参照）を形成する時に、同様に、埋設用の凹部を形成すればよい。もちろん、前記ギャップ形成の妨げにならない場合、ロータコアの表面に補強バーを形成することも可能である。

また、図７（ａ）の場合、積層した珪素鋼板２６の最外周に補強部材としてリング状のタガ（タガ状部材）３２を嵌めることにより、ロータ１４の剛性をさらに向上することができる。このタガ３２は、補強バー３０と同様に、非磁性体（例えば、ＦＲＰ）または上述の条件を備えた磁性体で構成することができる。このように、補強バー３０やタガ３２等の補強部材によりロータ１４の剛性を向上させることによりロータ１４の回転速度を向上させることが可能となり、モータ性能の向上にも寄与することができる。

図７（ｂ）は、珪素鋼板を径方向に積層した変形例を示すものであり、図５（ｂ）で示した積層珪素鋼板のロータコアに補強バー３０を埋設した例である。また、図７（ｃ）は、図７（ｂ）の構成において、さらにタガ３２を装着した例である。また、図７（ｄ）は、図６（ａ）に示す圧粉磁心材料で形成したロータコアにタガ３２を装着した例である。なお、図７（ａ）〜（ｄ）に示した例は、一例であり、この他、ロータ１４の磁路の妨げや回転の妨げにならないように適宜補強部材を追加することができる。なお、磁路の妨げになる場合には、補強部材を磁性体でかつ電気対抗の高い材料で形成することにより、発生する渦電流を低減しながら磁路の確保を良好に行うことができる。また、例えば、図７（ｄ）の構成において、補強バー３０を追加してもよい。

図８は、上述した本実施形態のロータ１４とステータ１２とを交互に複数配置してアキシャル型永久磁石モータ３４を構成し、そのモータトルクの増大を図った例である。両端のステータ１２は、バックヨーク１２ｃ（ティース２２以外の部分：図２（ａ）参照）の背面部がケーシング１６に固定されている。それ以外のステータ１２は、ティース２２を支持するフランジ１２ｄがケーシング１６に固定されている。つまり、両端以外のステータ１２は、バックヨーク１２ｃがなく、磁束が通過するようになっている。また、各ステータ１２は、所定のギャップを介して配置され、そのギャップに回転軸１８に固定されたロータ１４が回転自在に配置されている。

このように、ステータ１２とロータ１４とを交互に積層配置することにより、アキシャル型永久磁石モータ３４を動作させた場合、ステータ１２が発生する磁束は、例えば図８中に破線矢印で示すように、ステータ１２とロータ１４とを貫通し、各ロータ１４それぞれに磁石トルク及びリラクタンストルクを発生させる。その結果、ロータ１４の数に応じたモータトルクを発生する。なお、図８の場合、ロータ１４は５枚回転軸１８に固定されているが、この場合、磁束の飽和がない状況で漏れ電流が少ない場合、ロータ１４が１枚の場合のトルクの概ね５倍のトルクを発生することができる。

図８のように、ステータ１２とロータ１４とを交互に配置し、磁束が全体を貫通する構成にすることにより、両端以外のステータ１２は、表裏のロータ１４に関与することが可能になり、ステータ１２の共有化ができる。その結果、モータトルクの効率的な発生が可能となると共に、所望の大きなモータトルクを確保しつつ、ステータ１２の共用によりアキシャル型永久磁石モータ３４の容積を抑制することができる。

このように、ロータ１４に磁性体２４を設けると共に、複数のステータ１２とロータ１４とを積層配置することにより、効率的なモータの駆動を実現し、所望のモータトルクを得るアキシャル型永久磁石モータを構成することができる。

なお、本実施形態で示した構成は一例であり、ロータ１４の永久磁石２０の間に磁性体２４を配置し、磁石トルクに加えリラクタンストルクを得るように構成すれば、ロータコアの構成や形状、永久磁石２０の配置数、ステータ１２の構成等は適宜変更可能であり、本実施形態と同様な効果を得ることができる。なお、永久磁石２０の量と磁性体２４の量は、必要とする合計のモータトルクに応じて、そのバランスを適宜選択決定することが望ましい。また、図８の積層型のアキシャル型永久磁石モータ３４も一例であり、必要トルクに応じて、積層数やステータ１２やロータ１４の構成も適宜選択可能である。

アキシャル型永久磁石モータの基本的構成を説明する説明図である。 アキシャル型永久磁石モータのステータコアの形状及び、コイルを装着した状態を説明する説明図である。 アキシャル型永久磁石モータのロータの基本的構成を説明する説明図である。 本実施形態のアキシャル型永久磁石モータのロータ構造を説明する説明図である。 本実施形態のアキシャル型永久磁石モータのロータにおいて、磁束と直交する面内の磁性体の電気抵抗を高くする構造を説明する説明図である。 本実施形態のアキシャル型永久磁石モータのロータにおいて、磁束と直交する面内の磁性体の電気抵抗を高くする構造を圧粉磁心材料を用いて実現した例を説明する説明図である。 本実施形態のアキシャル型永久磁石モータのロータに補強部材を使用した例を説明する説明図である。 本実施形態のアキシャル型永久磁石モータをステータとロータを積層して構成した構成例を説明する説明図である。

符号の説明

１０，３４ アキシャル型永久磁石モータ、１２ ステータ、１２ａ ステータコア、１２ｂ コイル、１２ｃ バックヨーク、１２ｄ フランジ、１４ ロータ、１６ ケーシング、１８ 回転軸、２０ 永久磁石、２２ ティース、２４ 磁性体、２６ 珪素鋼板、２８ ロータコア、２８ａ 凹部、３０ 補強バー、３２ タガ。

Claims (10)

1. ステータの磁極とロータの永久磁石を回転軸に平行な向きに対向配置したアキシャル型永久磁石モータであって、
   前記ロータは、前記回転軸の回転方向に沿い所定間隔毎に配置され磁極が交互する複数の永久磁石を有し、各永久磁石の間に、磁性体が配置されていることを特徴とするアキシャル型永久磁石モータ。
2. ステータの磁極とロータの永久磁石を回転軸に平行な向きに対向配置したアキシャル型永久磁石モータであって、
   前記ロータは、前記回転軸の回転方向に沿い配置され磁極が交互する複数の永久磁石を有し、各永久磁石の少なくとも表面に磁性体を有することを特徴とするアキシャル型永久磁石モータ。
3. 請求項１または請求項２記載のアキシャル型永久磁石モータであって、
   前記磁性体は、磁束と直交する面の電気抵抗が高いことを特徴とするアキシャル型永久磁石モータ。
4. 請求項３記載のアキシャル型永久磁石モータであって、
   前記磁性体は、圧粉磁心材料で構成することを特徴とするアキシャル型永久磁石モータ。
5. 請求項３記載のアキシャル型永久磁石モータであって、
   前記磁性体は、珪素鋼板をロータの径方向に積層して形成することを特徴とするアキシャル型永久磁石モータ。
6. 請求項１〜請求項５のいずれか一つに記載のアキシャル型永久磁石モータであって、
   前記ロータは、ロータの形状維持のために補強部材を有することを特徴とするアキシャル型永久磁石モータ。
7. 請求項６記載のアキシャル型永久磁石モータであって、
   前記補強部材は、ロータの径方向に延設される梁状部材であることを特徴とするアキシャル型永久磁石モータ。
8. 請求項６または請求項７記載のアキシャル型永久磁石モータであって、
   前記補強部材は、ロータの外周面を覆うタガ状部材であることを特徴とするアキシャル型永久磁石モータ。
9. 請求項６〜請求項８のいずれか一つに記載のアキシャル型永久磁石モータであって、
   前記補強部材は、磁性体でかつ電気抵抗が高い材料で形成することを特徴とするアキシャル型永久磁石モータ。
10. 請求項１〜請求項９のいずれか一つに記載のアキシャル型永久磁石モータであって、
    回転軸に平行な向きに、ステータとロータを交互に複数配列したことを特徴とするアキシャル型永久磁石モータ。
    

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