JP2004304958A

JP2004304958A - 永久磁石電動機

Info

Publication number: JP2004304958A
Application number: JP2003096864A
Authority: JP
Inventors: Kenji Narita; 憲治成田; Takushi Fujioka; 琢志藤岡; Yoichi Tanabe; 洋一田邉; Akihiro Ito; 彰浩伊藤; Michihiro Shibamoto; 道宏芝本; Yusuke Kikuchi; 祐介菊地
Original assignee: Fujitsu General Ltd
Current assignee: Fujitsu General Ltd
Priority date: 2003-03-31
Filing date: 2003-03-31
Publication date: 2004-10-28

Abstract

【課題】ラジアルエアギャップ型の永久磁石電動機で２層エアギャップ構造として高出力、高トルク化を図る。
【解決手段】固定子１４の外周側および内周側にそれぞれ回転子１０，１１を配置して２層のエアギャップを有しており、各々が外周側の歯１４ａと内周側の歯１４ｂとの間に三相の集中巻線１４ｃが施された電磁鋼板の積層体からなり、円周方向に等間隔に配置された３ｍ（ｍ；正の整数）個のティース部１４ｄから固定子１４を構成するとともに、２個の回転子１０，１１をそれらの一端側で一体的に連結し、少なくとも一方の回転子に２ｎ（ｎ；正の整数）極の極数を有する永久磁石を設ける。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ラジアルギャップ型の永久磁石電動機（ブラシレスＤＣモータ）に関し、さらに詳しく言えば、固定子（電機子）の外周側と内周側とに２つの回転子（界磁）を配置してなる２層のエアギャップを有する永久磁石電動機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在のところ、永久磁石電動機は、巻線を有する固定子の内側に永久磁石を有する１つの回転子を配置し、１層のエアギャップとしたインナーロータ型が主流であり、この種の永久磁石電動機機は省エネルギーなどの観点から家電製品や産業機械に多く利用されている。
【０００３】
しかしながら、永久磁石電動機は、同一サイズにおいて高出力、高トルクを得るには限界があり、特に高効率化に限界がある。特に、搭載する機器からの要請によりサイズ的な制限を受けると、その分、効率がどうしても低くなるという問題がある。
【０００４】
そこで、１つの固定子に対して回転子を２つとし、固定子からの磁束を有効的に利用して高出力、高トルク、高効率化を図ることが提案されており、この種の先行公知技術文献としては例えば下記の特許文献１が知られている。
【０００５】
特許文献１においては、外周側のロータと内周側のロータとを連結板を介して同軸的に連結し、内周側のロータをブッシュを介して回転軸に固定し、その各ロータ間に巻線を有するステータを挿入している。
【０００６】
ステータには、Ｈ型のボビンにコイルを巻回したステータコイルが円周方向に等間隔に４個設けられ、各ステータコイルは円弧状とされ、各ロータの外周面と内周面に沿うように配置される。これによれば、ステータの磁束を面で利用して２つのロータを回転することから、１つのロータのモータよりも小型で高出力を得ることが可能である。
【０００７】
【特許文献１】
実開昭５５―８３８７０号公報（第１図および第２図）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記のモータは外周側および内周側の各ロータ部が磁性体で、ステータがボビンにコイルを施したステータコイルであることから、鉄心を有しないコアレスモータということができ、小型化の観点で有利であるが、対サイズ的にトルクや出力に限界がある。すなわち、高トルクや高出力を得ようとすると、モータサイズをそれに見合った大きさにしなければならない。
【０００９】
したがって、本発明の課題は、種々損失を抑えて高トルク，高出力，高効率化を実現し得る小型で、かつ、大出力の１ステータ，２ロータのラジアルギャップ型永久磁石電動機を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、リング形状の固定子（電機子）の外周側と内周側とに、リング形状の回転子（界磁）を２個同軸的に配置してなり、ラジアル方向に２層のエアギャップを備えている永久磁石電動機において、上記固定子は、各々が外周側の歯と内周側の歯との間に三相の集中巻線が施された電磁鋼板の積層体からなり、円周方向に等間隔に配置された３ｍ（ｍ；正の整数）個のティース部を含み、上記２個の回転子はそれらの一端側で一体的に連結されており、少なくとも一方の回転子には、２ｎ（ｎ；正の整数）極の極数を有する永久磁石が設けられていることを特徴としている。
【００１１】
三相巻線に対応して２つの回転子を回転させるうえで、上記固定子のティース部の数を３ｎ個（ｎ；正の整数）とし、上記回転子の極数を２ｎ極とし、あるいはその固定子のティース部の数を９ｎ個（ｎ；正の整数）とし、上記回転子の極数を１０ｎ極もしくは８ｎ極とすることが好ましい。
【００１２】
上記固定子の各ティース部は、一列状につながるように上記外周側の歯間が屈曲可能に連結されていることが好ましい。これによれば、各ティース部を容易に環状に組み立てることができ、また、磁束を上記従来例のボビンに巻線を施して固定子とした場合よりも有効に利用でき高出力，高トルクが得られる。
【００１３】
固定子がモータブラケット（外郭）に安定して固定するため、上記固定子の各ティース部は、リング状に配列された状態でモータブラケットを形成する樹脂材により一体に固められていることが好ましい。
【００１４】
本発明において、上記各回転子にはそれぞれ複数の永久磁石が、隣接するもの同士が異極で、かつ、上記固定子を挟んで対向するもの同士が異極となるように設けられている。
【００１５】
上記各回転子はプラスチックマグネットより成形することができるが、その成形に際して極異方性に磁化された状態で着磁される。これによって、モータの製造コストが大幅に削減され、低コストのモータを実現することができる。
【００１６】
上記各回転子は、強磁性体のヨークに永久磁石を固着してなる態様であってもよいし、電磁鋼板の積層体からなるコア内に永久磁石を埋設してなるＩＰＭ型ロータ形式のいずれであってもよい。
【００１７】
上記外周側の回転子の永久磁石と上記内周側の回転子の永久磁石とを異なる磁石材料とすることもできる。これによれば、所望とするモータ出力、トルクを有する永久磁石電動機を設計することができる。また、上記回転子に埋設された永久磁石の両端部にフラックスバリアを設けることにより、永久磁石の磁束漏れが低減され、磁束が有効利用が図れる。
【００１８】
本発明には、上記外周側の回転子は永久磁石を備えているとともに、上記内周側の回転子は上記外周側の回転子の永久磁石と対向する位置に頂点を同回転子の中心側に向けた円弧形状のスリットを備え、ｄ軸のリラクタンスが小さく、ｑ軸のリラクタンスが大きくなるように磁路が形成されている態様の永久磁石電動機も含まれる。これによれば、内周側の回転子に永久磁石を設ける必要がないため、その分のコストが低減され、しかも高出力、高トルクが実現される。
【００１９】
また、上記外周側の回転子および上記内周側の回転子において、永久磁石の相互間に磁束を通す磁路を確保することにより、外周側および内周側の回転子に永久磁石があるにもかかわらず、リラクタンストルクが発生することから、高出力、高トルクがより向上するという効果が奏される。
【００２０】
この他に、本発明には、上記外周側の回転子は鋼板をカップ状に加工してなる外側ヨークの内側円筒面に永久磁石を固着してなり、上記内周側の回転子は電磁鋼板の積層体あるいは棒鋼を切削してなるヨークに永久磁石を固着してなり、上記内周側の回転子の中央には回転軸固定用の孔を設けて同孔に回転軸を固定するとともに、上記カップ状の外側ヨークの底部中央を上記内周側の回転子に固定してなる態様が含まれる。
【００２１】
また、本発明には、上記外周側および上記内周側の回転子は、ともに電磁鋼板の積層体を備え、その各積層体の一端側がアーム部を介して一体的に連結され、上記内周側の回転子の中央には回転軸固定用の孔を設けて同孔に回転軸を固定してなる態様も含まれる。
【００２２】
また、本発明には、上記固定子には樹脂よりなるエンドブラケットを一体的に形成し、上記内周側の回転子に固着される回転軸には２個の軸受を上記回転子の両側に配置し、上記回転子および固定子を覆うように形成されたブラケットの開口部に上記エンドブラケットを嵌合して結合し、上記エンドブラケットおよびブラケットには軸受けハウジングを設けて、その内部に内輪回転型の軸受けを収納し、上記回転子と上記固定子との間に所定のエアギャップを確保して回転トルクを発生し得るようにした態様も含まれる。
【００２３】
また、本発明には、上記固定子には同固定子および上記回転子を覆う形状のブラケットを樹脂により一体的に形成し、上記内周側の回転子に固着される回転軸には２個の軸受を上記回転子の両側に配置し、上記ブラケットの開口部にエンドブラケットを嵌合して固着し、上記エンドブラケットおよびブラケットには軸受けハウジングを設けて、その内部に内輪回転型の軸受けを収納し、上記回転子と上記固定子との間に所定のエアギャップを確保して回転トルクを発生し得るようにした態様も含まれる。
【００２４】
また、本発明には、上記固定子に樹脂よりなるエンドブラケットを一体的に形成する際、そのエンドブラケットを介して上記固定子を固定軸に連結し、上記内周側の回転子の内径部両端に軸受けハウジングをそれぞれ設けて、それらの内部に外輪回転型の軸受けを収納し、上記外輪回転型の軸受けにより上記回転子が軸方向に移動しないように上記固定軸に取り付け、上記回転子と上記固定子との間に所定のエアギャップを確保して回転トルクを発生し得るようにした態様も含まれる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
次に、図１ないし図１４を参照して、本発明の実施形態を説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００２６】
図１および図２に示すように、本発明の第１実施態様に係る永久磁石電動機は、外周側にリング状の回転子１０を配置し、内周側に同じリング状の回転子１１を配置し、これら回転子１０，１１の一端側を連結部材としての円板１２で連結してシャフト１３に固定し、回転子１０，１１の間に、その開口側から固定子１４を挿入してエンドブラケット（保持手段）１５で保持するするとともに、エンドブラケット１５を軸受部１６を介してシャフト１３に支持させ、エンドブラケット１５と接合する外郭としてのブラケット１７を軸受部１８を介してシャフト１３に支持してなる。
【００２７】
この第１実施態様において、外周側回転子１０は、内径の大きい中空円板（電磁鋼板）を積層してなるコア部１０ａを備え、その内周面には径方向を磁極として固着した永久磁石（例えばフェライト系磁石）１０ｂが設けられている。永久磁石１０ｂは、コア部１０ａの内周面に沿った扇形状に形成されており、当該モータの極数ｎに応じて円周方向で等間隔に複数個（２ｎ個、ｎ；正の整数、例えば８個）設けられ、これらの隣接同士を逆磁極としてなる。
【００２８】
内周側回転子１１は、シャフト１３と嵌合する孔を有する円板（電磁鋼板）を積層してなるコア部１１ａを備え、その外周面には固定子１４側を磁極として固着した永久磁石（例えばフェライト系磁石）１１ｂが設けられている。永久磁石１１ｂは、コア部１１ａの外周面に沿った扇形状に形成されており、外周側回転子１０の永久磁石１０ｂと同数で円周方向に等間隔に設けられ、外周側回転子１０が備えている永久磁石１０ｂに対向する磁極を異極としてなる。
【００２９】
固定子１４は、円周方向に沿って等間隔に配列された複数個（３ｍ個、ｍ；正の整数、例えば１２個）のティース部１４ｄを備えている。各ティース部１４ｄは、外周側回転子１０および内周側回転子１１の各々に対向した対の歯１４ａ，１４ｂを一体化した工字形状を呈し、その歯１４ａ，１４ｂの間に巻線１４ｃが集中巻きされている。この例において、各ティース部１４ｄはエンドブラケット１５を構成する樹脂により一体的に固定されている。
【００３０】
各ティース部１４ｄは、例えば自動プレス方式を採用し電磁鋼板を工字形状に打ち抜いて積層するが、一方の歯１４ａは外周側回転子１０の内周面に沿った円弧の凸形状とし、他方の歯１４ｂは内周側回転子１１の外周面に沿った円弧の凹形状とする。巻線１４ｃは、少なくとも各歯１４ａ，１４ｂの間に絶縁を施した後に集中巻きし、モータの制御方式に対応して接続し、例えば三相モータの巻線となるように接続する。
【００３１】
ここで、一般的な１層エアギャップの永久磁石電動機について、そのトルクＴは次式（１）で表せ、その出力Ｐは次式（２）で表せる。
Ｔ＝（６０／２π）Ｋ・Ｄ^２・Ｌ・Ｂ・Ａｃ……（１）
Ｐ＝Ｔ・ω＝Ｋ・Ｄ^２・Ｌ・Ｂ・Ａｃ・ｎ……（２）
なお、Ｋは定数，Ｄはエアギャプ直径，Ｌはコア長さ，Ａｃはアンペア導体数，Ｂはエアギャップの平均磁束密度，ωは角速度（ω＝２πｆ＝２π・ｎ／６０），ｎは回転速度である。
【００３２】
損失は、電機子銅損，界磁による鉄損，電機子による鉄損，機械損および漂遊負荷損を合算したものである。機械損および漂遊負荷損を無視すると、損失は（電機子銅損Ｗ_ｃ１）＋（界磁による鉄損Ｗ_ｆ１）＋（電機子による鉄損Ｗ_ｆ２）ということになる。
【００３３】
電機子銅損Ｗ_ｃ１は電機子巻線に発生する銅損であって下記式（３）表せ、界磁による鉄損Ｗ_ｆ１は永久磁石を有するロータが回転することにより発生する鉄損であって下記式（４）で表せ、電機子による鉄損Ｗ_ｆ２は電機子巻線に電流が流れることにより発生する鉄損であって下記式（５）で表せる。
Ｗ_ｃ１＝Ｉ^２・Ｒ≒Ｋ_１・（Л／Ｓ）・Ａｃ^２……（３）
Ｗ_ｆ１≒Ｋ_２・Ｂ^２・ｎ・（ｎ＋１）……（４）
Ｗ_ｆ２≒Ｋ_３・Ａｃ^２・ｎ・（ｎ＋１）……（５）
なお、Ｉは電機子巻線電流，ＲはЛ・巻数／（線径の二乗）に比例する値，Лはコイル平均周長，ＡｃはＩ・巻数，Ｓはステータ溝面であって巻数・（線径の二乗）に比例し、Ｋ_１，Ｋ_２，Ｋ_３は定数，Ｂは磁束密度，ｎは回転速度である。
【００３４】
これにより、上記式（３）〜（５）の損失合計（Ｗ_ｃ１＋Ｗ_ｆ１＋Ｗ_ｆ２）は次式（６）で表せる。

【００３５】
効率ηは、出力÷入力＝出力÷（出力＋損失）であることから、次式（７）で表せる。

【００３６】
上記式（２）と式（７）により、次のことが分かる。まず第１としてＢとＡｃを変えることなく、つまり一定とした場合（Ｄ^２・Ｌ）を大きくすれば、出力が大きくなる。第２として、（Ｄ^２・Ｌ）を大きくし、その分ＢまたはＡｃを小さくすると出力が変わらないものの、損失が小さくなり効率が向上する。
【００３７】
上記２つのことを具体化する方法としては、環状ステータの内周側と外周側とにそれぞれロータを設けて２層エアギャップにし、（Ｄ^２・Ｌ）を大きくする。
その場合、（Ｄ^２）は（Ｄ_１ ^２＋Ｄ_２ ^２）に置き換え、Ｌは変えないようにすればよく、特にＤ_１，Ｄ_２も極力大きくするとよい。なお、Ｄ_１は外側エアギャップ直径、Ｄ_２は内側エアギャップ直径である。
【００３８】
また、磁束密度Ｂを変えない方法を採り、エアギャップが２層になった分、永久磁石の量を多くし、あるいは磁化力の強い永久磁石を用いる。その場合、モータの径を勘案して永久磁石のロータ径方向を厚くし、あるいは希土類磁石を用いるとよい。さらに、Ａｃ（＝Ｉ・巻数）を変えない方法がある。
【００３９】
本発明は、上述したことを考慮してなされたもので、固定子１４と２つの回転子１０，１１の間に２層のエアギャップを備えている。したがって、このモータ出力は、次式記（８）で表すことができる。
Ｔ＝Ｋ（Ｄ_１ ^２＋Ｄ_２ ^２）・Ｌ・Ｂ・Ａｃ・ｎ……（８）
Ｄ_１は外周側回転子１０と固定子１４の間のエアギャップの直径，Ｄ_２は固定子１４と回転子１１の間のエアギャップの直径である。
【００４０】
上記式（８）のモータ出力と、上記式（２）の１層エアギャップのモータ出力とを比較すれば、ＢやＡｃを一定にしても、（Ｄ_１ ^２＋Ｄ_２ ^２）が（Ｄ^２）の２倍程度になることが分かる。したがって、本発明による永久磁石電動機にあっては、出力およびトルクを２層のエアギャップとした分だけ大きくすることができる。
【００４１】
また、（Ｄ^２）・Ｌ・Ｂ・Ａｃ＝（Ｄ_１ ^２＋Ｄ_２ ^２）・Ｌ・Ｂ・Ａｃとなるようにし、例えばＢまたＡｃ、あるいはその両方を減らしてもよい。その場合、モータ出力は変わらず、Ｂおよび／またはＡｃが減ることにより、その分、損失が低減し、これに伴って相対的にモータ効率が向上することになる。
【００４２】
上記第１実施形態においては、固定子１４のティース部１４ｃの数を３ｍ個にするとともに、外周回転子１０および内周側回転子１１の極数をそれぞれ２ｎとしているが、そのティース部１４ｃの数を３ｎ個とし、回転子１０，１１の極数をそれぞれ２ｎとしてもよい。また、ティース部１４ｃの数を９ｎ個とし、外周回転子１０および内周側回転子１１の極数をそれぞれ１０ｎあるいは８ｎとしてもよい。
【００４３】
製造にあたっては、各回転子１０，１１は、それぞれのコア部１０ａ，１１ａを電磁鋼板を打ち抜いて積層し、外側の鉄心の内周面には永久磁石１０ｂを固着し、内側の鉄心の外周面には永久磁石１１ｂを固着する。固定子１４については、各ティース部１４ｃを環状に組み合わせて図示しない金型内に配置し、モールド樹脂によりその周囲を一体に固めると同時に、エンドブラケット１５を一体に成形する。
【００４４】
そして、外周側回転子１０と内周側回転子１１とを同軸配置として円板１２により一体的に連結し、内周側回転子１１の軸挿通孔にシャフト（回転出力軸）１３を固着する。シャフト１３には、内周側回転子１１を挟んでその両側にそれぞれ軸受部１６，１８を取り付け、回転子１０，１１や固定子１４を覆うようにブラケット１７を被せるが、その際、ブラケット１７の開口部にエンドブラケット１５を嵌合して一体的に結合する。
【００４５】
エンドブラケット１５およびブラケット１７には、軸受ハウジングを設けてその内部に軸受部１６，１８を収納する。軸受部１６，１８にはラジアルボールベアリングが用いられるが、この場合、ラジアルボールベアリングはシャフト１３に固着される内輪側が転動する。
【００４６】
これにより、２層のエアギャップが確保され、回転トルクを確実に発生させることができる。なお、回転子１０，１１のコア部１０ａ，１１ａは一体化した形状としてシャフト１３に直接的に固着するようにしてもよい。このようにするこにより、連結部材としての円板１２が省けるため、より一層のコストダウンが達成できる。
【００４７】
上記第１実施形態はＳＰＭ型モータ（ＳｕｒｆａｃｅＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔＴｙｐｅＭｏｔｏｒ）についてのものであるが、次に、本発明をＩＰＭ型モータ（ＩｎｔｅｒｉｏｒＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔＴｙｐｅＭｏｔｏｒ）に適用した第２実施形態について説明する。
【００４８】
図３は第２実施形態に係る永久磁石電動機を示す概略的平面図で、図４はその片側半分の構成を示す概略的な断面図である。なお、図中、図１および図２と同一部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
【００４９】
第２実施形態においては、外周側回転子２０を肉厚とした円筒形状とし、内周側回転子２１を円柱形状にするとともに、それらを一端側で一体に連結し、各回転子２０，２１にのコア部２０ａ，２１ａに永久磁石２０ｂ，２１ｂをそれぞれ埋め込んでなる。
【００５０】
外周側回転子２０の永久磁石２０ｂは断面扇形状であり、内周側回転子２１の永久磁石２１ａについても断面扇形状であるが、埋め込み型であることから、ロータ径方向に厚くなっている。各永久磁石２０ｂ，２１ｂの磁極は上記第１実施形態と同じく、例えば外周側の永久磁石２０ｂの磁極がＮ極であれば、これに対向している内周側の永久磁石２１ｂの磁極をＳ極とする。なお、永久磁石２０ｂ，２１ｂにプラスチック磁石を用いてもよい。
【００５１】
各回転子２０，２１のコア部２０ａ，２１ａは、電磁鋼板を打ち抜いて積層することにより得られるが、永久磁石２０ｂ，２１ｂにプラスチック磁石を用いる場合、それら永久磁石とともに、回転子２０，２１のコア部２０ａ，２１ａを一体成形してシャフト１３と固着してもよい。
【００５２】
この第２実施形態によれば、上記第１実施形態と同様を効果が得られるだけなく、内周側回転子２１に埋め込む磁石量を上記第１実施形態よりも多くすることができるため、より高出力，高トルクのモータが実現できる。
【００５３】
図５は、第３実施形態に係る永久磁石電動機を示す概略的平面図である。なお、図中、図１と同一部分には同一符号を付して重複説明を省略する。この第３実施形態においては、外周側回転子３０をプラスチック磁石材料で肉厚の円筒形状に成形し、内周側回転子３１も同じプラスチック磁石材料でほぼ円柱形状に成形するとともに、それら回転子３０，３１を一体成形し、この成形時に極異方性に磁化してこれを着磁してなる。
【００５４】
この極異方性の磁化においては、図５の破線に示すように、上記第２実施形態の永久磁石２０ｂ，２１ｂと同様の磁極を形成するように磁気配向を設定して磁化３０ａ，３１ａを行い、しかる後着磁する。
【００５５】
なお、上記回転子３０，３１をプラスチック磁石材料で成形する際、シャフト１３をも一体成形することができる。また、回転子３０，３１を個々に成形した後、上記第１実施形態と同様に、それらの一端側を円板（アーム部）で連結してもよい。
【００５６】
図６は、第４実施形態に係る永久磁石電動機を示す概略的平面図である。なお、図中、図３と同一部分には同一符号を付して重複説明を省略する。この永久磁石電動機は、上記第２実施形態と同じＩＰＭ型モータであるが、内周側回転子４０に埋め込む永久磁石４０ｂを外周側回転子２０の永久磁石２０ｂと異なる磁石材料とする。例えば、永久磁石２０ｂが比較的磁力が弱いフェライト系磁石である場合、永久磁石４０ｂには例えば希土類磁石を採用する。
【００５７】
永久磁石４０ｂは断面長方形の角柱形状とし、その長辺側をロータ外周側とシャフト１３側に向けて奥側（シャフト１３側）に埋め込み、また上述した各実施形態と同じく所定極数分だけ埋め込む。なお、各永久磁石４０ｂは外周側回転子２０の永久磁石２０ｂに対向しており、それら永久磁石４０ｂの磁極は永久磁石２０ａの磁極と異極としてなる。
【００５８】
各永久磁石４０ｂの両端部（短辺部）には、磁束の漏れ低減を考慮してフラックスバリア４０ｃ，４０ｃを形成する。フラックスバリア４０ｃ，４０ｃは永久磁石４０ｂの両端部から外周側に直線的に延ばしてなるが、そのフラックスバリア４０ｃ，４０ｃとロータ外周との間には、例えば電磁鋼板（コアシート）の厚さ以下のブリッジを形成することが好ましい。
【００５９】
この第４実施形態によれば、永久磁石電動機の使用目的に応じて外側ロータと内側ロータの永久磁石の磁石材料が変えられるため、性能やコストなどに応じたモータが得られる。
【００６０】
図７は、第５実施形態に係る永久磁石電動機を示す概略的平面図である。なお、図中、図３と同一部分には同一符号を付して重複説明を省略する。この永久磁石電動機も上記第２実施形態と同じＩＰＭ型モータであるが、マグネットトルクだけでなく、リラクタンストルクを発生させるトルク併用可能とするため、外周側回転子５０および内周側回転子５１に埋め込む永久磁石５０ｂ，５１ｂを断面円弧形状とし、これら永久磁石５０ｂ，５１ｂの両端側にフラックスバリア５０ｃ，５０ｃ；５１ｃ，５１ｃを設けてなる。
【００６１】
この第５実施形態において、永久磁石５０ｂ，５１ｂはともに成形が容易であるフェライト系磁石から円弧状に形成されている。外周側回転子５０の永久磁石５０ｂは、その内周面を固定子１４側とし、外周面をロータ外周側とし、所定の極数分だけ円周方向に所定距離置いて等間隔に埋め込まれている。
【００６２】
内周側回転子５１の永久磁石５１ｂは、その内周面を固定子１４側とし、外周面をシャフト１３側とし、外周側回転子５０と同じく円周方向に所定距離置いて等間隔に埋め込まれている。永久磁石５０ｂと永久磁石５１ｂは、その内周面側で対向しており、この対向している永久磁石５０ｂ，５１ｂは異極としてなる。
【００６３】
また、永久磁石５０ｂ，５１ｂの両端には、フラックスバリア５０ｃ，５０ｃ；５１ｃ，５１ｃがそれぞれ形成されている。これにより、固定子１４からの磁束は、外周側回転子５０の隣接する永久磁石５０ｂの間（矢印Ａ参照）を通り、また、内周側回転子５１の隣接する永久磁石５１ｂの間（矢印Ｂ参照）を通るが、他の部分では永久磁石５０ｂ，５１ｂによって阻まれるため、ｄ軸インダクタンスが小さく、ｑ軸インダクタンスが大きい。
【００６４】
したがって、ｄ軸インダクタンスＬｄとｑ軸インダクタンスＬｑの差が生じるために、リラクタンストルクが発生する。このように、第５実施形態の永久磁石電動機にあっては、マグネットトルクだけなく、そのリラクタンストルクも発生することから、高出力，高トルクのモータが実現できる。
【００６５】
図８は、第６実施形態に係る永久磁石電動機を示す概略的平面図である。なお、図中、図３と同一部分には同一符号を付して重複説明を省略する。この永久磁石電動機は、上記第５実施形態と同様に、マグネットトルクとリラクタンストルクの併用を目的とするＩＰＭ型モータであり、外周側回転子６０には永久磁石６０ｂがその内周面側で当該極数分だけ円周方向に所定距離置いて等間隔に埋め込まれ、内周側回転子６１には永久磁石６１ｂが永久磁石６０ｂと同数だけ、シャフト１３側で所定距離置いて等間隔に埋め込まれている。
【００６６】
外周側回転子６０の永久磁石６０ｂは、例えばフェライト系磁石で断面扇形状に形成し、その内周面側を同回転子６０の内側に向けて埋め込み、その両端側には磁束の漏れ低減等を考慮してフラックスバリア６０ｃ，６０ｃを設け、しかも隣接する永久磁石６０ａの間を所定距離置いてなる（矢印Ｃ参照）。
【００６７】
内周側回転子６１の永久磁石６１ｂは、例えば希土類磁石で断面長方形に形成し、その長辺をシャフト１３および同回転子６０の外周側に向けて埋め込み、その両短辺側には磁束の漏れ低減を考慮して回転子６０の外周側に直線的に延びたフラックスバリア６１ｃ，６１ｃを設け、しかも隣接する永久磁石６０ａの間を所定距離置いてなる（矢印Ｄ参照）。
【００６８】
永久磁石６０ｂおよび永久磁石６１ｂはそれぞれ隣接同士が異極であり、永久磁石６０ｂと永久磁石６１ｂとは対向しており、その対向している磁極が異極としてなる。また、フラックスバリア６０ｃとロータ内周の間、フラックスバリア６１ｃとロータ外周との間には、例えば電磁鋼板（コアシート）の厚さ以下のブリッジを形成することによってフラックスバリアを形成する。
【００６９】
なお、回転子６０，６１の製造については、上述したように、自動プレス方式を採用し、電磁鋼板を打ち抜いて金型内で積層し、回転子６０，６１のコアを得る際、永久磁石６０ｂ，６１ｂを埋め込む孔およびフラックスバリア６０ｃ，６０ｃ；６１ｂ，６１ｃの孔も打ち抜くとよい。
【００７０】
この第６実施形態において、固定子１４からの磁束は、外周側回転子６０の隣接する２つの永久磁石６０ｂの間並びに内周側回転子６１の隣接する２つの永久磁石６１ｂの間を通りやすくなる。
【００７１】
したがって、ｄ軸インダクタンスが小さく、ｑ軸インダクタンスが大きくなり、その差によりリラクタンストルクが発生する。このように、第６実施形態の永久磁石電動機にあっては、マグネットトルクだけなく、リラクタンストルクも寄与し、高出力、高トルクのモータが実現でき、特に永久磁石６１ｂに希土類磁石を用いることから、マグネットトルクが上記第５実施形態よりも大きくなるという特徴がある。
【００７２】
図９は、第７実施形態に係る永久磁石電動機を示す概略的平面図である。なお、図中、図３と同一部分には同一符号を付して重複説明を省略する。この永久磁石電動機は、外周側回転子と内周側回転子のうち、いずれかを永久磁石を埋設したＩＰＭ型ロータとし、他方を永久磁石のないスリットのみからなるバックヨーク機能を有するロータとし、主としてマグネットトルクを発生する。
【００７３】
外周側回転子７０には、断面扇形状の永久磁石７０ｂがその内周面側で当該極数分だけ円周方向に等間隔に埋め込まれているが、この場合、それら永久磁石７０ｂの間隔を狭くしている。なお、上記各実施形態と同様に隣接する永久磁石７０ｂの磁極を異極としてなる。
【００７４】
内周側回転子７１には、頂点をシャフト１３に向けた逆円弧形状（あるいはほぼ半楕円形状）の細いスリット、またはそのスリットを多層としたスリット部７１ｂの中心線が、外周側回転子７０の２つの永久磁石７０ｂの中間（ｑ軸）に位置するように対向して同数だけ等間隔に形成されている。
【００７５】
これによれば、外周側回転子７０に埋め込まれた永久磁石７０ｂによって発生する磁束は、固定子１４のティース部を通り、内周側回転子７１の隣接するスリット部７１ｂの間の磁路を通り、再び固定子１４を通って外周側回転子７０の隣の極の永久磁石に戻る。
【００７６】
このように発生する磁束と、固定子１４の巻線に流れる電流によって発生する磁束とによってマグネットトルクが発生する。また、内周側回転子７１には永久磁石が設けられていないことから、その分、コストの低減が図られる。
【００７７】
ここで、固定子１４について説明を加えると、固定子１４は複数のティース部１４ｄを含むが、各ティース部１４ｄが独立した形であると、固定子１４を樹脂でエンドブラケット１５と一体的成形する場合に、各ティース部１４ｄの固定位置精度が出しにくくなることがある。
【００７８】
そこで、図１０に変形例としての固定子８０を示す。この固定子８０は、上記各ティース部１４ｄの外周側の歯１４ａの端部間を屈曲可能な連結部８０ａで連結してなる。この連結部８０ａは、第１番目のティース部１４ｄと最後のティース部１４ｄには一方の端部だけに設け、残りのティース部１４ｄには両端部に設けられる。
【００７９】
上記固定子８０を製造する場合、自動プレス方式を採用し、各ティース部１４ｄを歯１４ａ，歯１４ｂを含めて電磁鋼板を打ち抜いて積層するが、それを連続して一列状に打ち抜けばよい。そして、各ティース部１４の歯ａ，歯１４ｂの間に巻線１４ｃを集中巻きし、しかる後これを円形として固定子８０とする。これによれば、各ティース部１４ｄを個々に製造する場合と比較して電磁鋼板の無駄が減少し、巻線１４ｃを容易に施すことができ製造コストの低下が図れる。
【００８０】
図１１は、第８実施形態に係る永久磁石電動機の片側半分の構成を示す概略的断面図である。なお、図中、図２と同一部分には同一符号を付して重複説明を省略する。この第８実施形態はＳＰＭモータについてのもので、外周側回転子９０は、図２中のコア部１０ａおよび円板１２を一体化したカップ形状の固定部９０ａを備えており、この内周面に永久磁石１０ｂが固着されている。固定部９０ａは、鋼板をカップ形状にプレスワークで絞り加工して得ることができる。
【００８１】
内周側回転子９１については、上述したように自動プレス方式を採用して金型内で電磁鋼板（または鋼板）を打ち抜き積層し、あるいは棒鋼を切削して円柱形状（または多角柱状）のヨーク部９１ａを形成し、これに永久磁石１１ｂを外周側回転子９０の永久磁石１０ｂに対向して固着してなる。
【００８２】
内周側回転子９１をシャフト１３に固定する方法としては、その中央（ヨーク部９１ａの中心）に軸挿通孔を設けてシャフト１３を焼ばめ圧入するか、かしめ接着などで固着する。
【００８３】
図１２は、ＩＰＭ型モータの変形例としての第９実施形態に係る永久磁石電動機の片側半分の構成を示す概略的側断面図である。なお、図中、図４と同一部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
【００８４】
この第９実施形態において、外周側回転子１００と内周側回転子１０１は、ともに電磁鋼板を打ち抜いて積層してなるコア部１００ａ，１０１ａを備えているが、これらコア部１００ａ，１０１ａの一端側はアーム部１０２にて一体に連結されている。なおこの例では、アーム部１０２には固定子１４と対向する部位に凹部が設けられている。
【００８５】
コア部１００ａ，１０１ａには、永久磁石１０ｂ，１１ｂがそれぞれ埋め込まれており、内周側のコア部１０１ａは軸挿通孔を備え、その軸挿通孔にシャフト１３が焼ばめ圧入もしくはかしめ接着などの方法で固着される。
【００８６】
図１３は、上記第３実施形態（図４）の変形例としての第１０実施形態に係る永久磁石電動機の片側半分の構成を示す概略的断面図である。なお、図中、図４と同一部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
【００８７】
この第１０実施形態においては、固定子１４（あるいは固定子８０）側に一体的に形成された有底円筒状のブラケット１１０と、同ブラケット１１０の開口部に嵌合固着されるエンドブラケット１１１とを備えている。
【００８８】
すなわち、図４に示すブラケット１７とエンドブラケット１５とが逆になった構造で、ブラケット１１０は一方の軸受部１６を介してシャフト１３に支持され、また、エンドブラケット１１１は他方の軸受部１８を介してシャフト１３に支持される。
【００８９】
ところで、上記各実施形態では、シャフト１３から回転出力を得るようにしているが、シャフト１３を固定軸とし、その周りを回転子が回転する構成も本発明に含まれる。その構成を第１１実施形態として図１４により説明する。なお、図１４は第１１実施形態に係る永久磁石電動機の片側半分を示す概略的な断面図である。
【００９０】
この第１１実施形態においては、固定子１４（あるいは固定子８０）と固定軸１２０とを、インサート成形法により樹脂成形されるエンドブラケット１２１にて一体的に連結し、外周側回転子１２２と一体に連結された内周側回転子１２３の内径部両側２カ所に軸受部１２４，１２５を設けてなる。
【００９１】
軸受部１２４，１２５にはラジアルボールベアリングが用いられるが、この場合、その内輪は固定軸１２０に圧入固定されるため外輪側が回転子１２２，１２３とともに回転する。すなわち、ラジアルボールベアリングは外輪転動型として動作する。
【００９２】
回転子が固定軸１２０の軸方向に移動しないようにするため、この例においては、内周側回転子１２３の内周面には、２つの軸受部１２４，１２５の間に入り込んで軸方向に移動を阻止する凸状のストッパ１２６が設けられている。これにより、エアギャップが確保され、回転トルクが発生する。なお、この第１１実施形態はＩＰＭ型モータだけなく、ＳＰＭ型モータにも適用可能である。
【００９３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のラジアルエアギャップ型の永久磁石電動機は、固定子の外周側および内周側にそれぞれ回転子を配置して２層のエアギャップを有しており、固定子は、各々が外周側の歯と内周側の歯との間に三相の集中巻線が施された電磁鋼板の積層体からなり、円周方向に等間隔に配置された３ｍ（ｍ；正の整数）個のティース部を含み、２個の回転子はそれらの一端側で一体的に連結されており、少なくとも一方の回転子には、２ｎ（ｎ；正の整数）極の極数を有する永久磁石が設けられている構成としたことにより、損失分が少なく、したがって高トルク，高出力，高効率で、しかも小型化が可能であるという効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による永久磁石電動機の第１実施形態を示す概略的平面図。
【図２】上記第１実施形態の概略的断面図。
【図３】本発明の第２実施形態を示す概略的平面図。
【図４】上記第２実施形態の概略的断面図。
【図５】本発明の第３実施形態を示す概略的平面図。
【図６】本発明の第４実施形態を示す概略的平面図。
【図７】本発明の第５実施形態を示す概略的平面図。
【図８】本発明の第６実施形態を示す概略的平面図。
【図９】本発明の第７実施形態を示す概略的平面図。
【図１０】本発明が備える固定子の変形例を示す模式図。
【図１１】本発明の第８実施形態の片側半分の構成を示す概略的断面図。
【図１２】本発明の第９実施形態の片側半分の構成を示す概略的断面図。
【図１３】本発明の第１０実施形態の片側半分の構成を示す概略的断面図。
【図１４】本発明の第１１実施形態の片側半分の構成を示す概略的断面図。
【符号の説明】
１０外周側回転子
１０ａ外周側回転子のコア部
１０ｂ外周側回転子の永久磁石
１１内周側回転子
１１ａ内周側回転子のコア部
１２円板（連結部材）
１３シャフト
１４固定子
１４ａ外周側の歯
１４ｂ内周側の歯
１４ｃ巻線
１４ｄティース部
１５エンドブラケット
１６，１８軸受部
１７ブラケット

Claims

リング形状の固定子（電機子）の外周側と内周側とに、リング形状の回転子（界磁）を２個同軸的に配置してなり、ラジアル方向に２層のエアギャップを備えている永久磁石電動機において、
上記固定子は、各々が外周側の歯と内周側の歯との間に三相の集中巻線が施された電磁鋼板の積層体からなり、円周方向に等間隔に配置された３ｍ（ｍ；正の整数）個のティース部を含み、上記２個の回転子はそれらの一端側で一体的に連結されており、少なくとも一方の回転子には、２ｎ（ｎ；正の整数）極の極数を有する永久磁石が設けられていることを特徴とする永久磁石電動機。
上記固定子のティース部の数が３ｎ個で、上記回転子の極数が２ｎ極であり、あるいは上記固定子のティース部の数が９ｎ個で、上記回転子の極数が１０ｎ極もしくは８ｎ極（ｎはいずれも正の整数）である請求項１に記載の永久磁石電動機。
上記固定子の各ティース部は、一列状につながるように上記外周側の歯間が屈曲可能に連結されている請求項１または２に記載の永久磁石電動機。
上記固定子の各ティース部は、リング状に配列された状態でモータブラケットを形成する樹脂材により一体に固められている請求項１ないし３のいずれか１項に記載の永久磁石電動機。
上記各回転子にはそれぞれ複数の永久磁石が、隣接するもの同士が異極で、かつ、上記固定子を挟んで対向するもの同士が異極となるように設けられている請求項１ないし４のいずれか１項に記載の永久磁石電動機。
上記各回転子はプラスチックマグネットより成形され、その成形に際して極異方性に磁化された状態で着磁される請求項５に記載の永久磁石電動機。
上記各回転子は強磁性体のヨークに永久磁石を固着してなる請求項１ないし５のいずれか１項に記載の永久磁石電動機。
上記回転子は電磁鋼板の積層体からなるコアを備え、そのコア内に永久磁石を埋設してなるＩＰＭ型ロータである請求項１ないし５のいずれか１項に記載の永久磁石電動機。
上記外周側の回転子の永久磁石と上記内周側の回転子の永久磁石は異なる磁石材料からなる請求項１ないし５のいずれか１項，７または８に記載の永久磁石電動機。
上記回転子に埋設された永久磁石の両端部には、上記固定子側に向けてフラックスバリアが形成されている請求項１ないし５のいずれか１項，８または９に記載の永久磁石電動機。
上記外周側の回転子は永久磁石を備えているとともに、上記内周側の回転子は永久磁石を備えず、かつ、上記外周側の回転子の永久磁石と対向する位置に頂点を同回転子の中心側に向けた円弧形状のスリットを備え、ｄ軸のリラクタンスが小さく、ｑ軸のリラクタンスが大きくなるように磁路が形成されている請求項１，２，３，４，８，９または１０に記載の永久磁石電動機。
上記外周側の回転子および上記内周側の回転子は、ともに永久磁石の相互間に磁束を通す磁路が確保されており、マグネットトルクとともにリラクタンストルクを発生可能とした請求項１，２，３，４，５，８，９または１０に記載の永久磁石電動機。
上記外周側の回転子は鋼板をカップ状に加工してなる外側ヨークの内側円筒面に永久磁石を固着してなり、上記内周側の回転子は電磁鋼板の積層体あるいは棒鋼を切削してなるヨークに永久磁石を固着してなり、上記内周側の回転子の中央には回転軸固定用の孔を設けて同孔に回転軸を固定するとともに、上記カップ状の外側ヨークの底部中央を上記内周側の回転子に固定してなる請求項１，２，３，４，５，７または９に記載の永久磁石電動機。
上記外周側および上記内周側の回転子は、ともに電磁鋼板の積層体を備え、その各積層体の一端側がアーム部を介して一体的に連結され、上記内周側の回転子の中央には回転軸固定用の孔を設けて同孔に回転軸を固定してなる請求項１，２，３，４，５，７，８または９に記載の永久磁石電動機。
上記固定子には樹脂よりなるエンドブラケットを一体的に形成し、上記内周側の回転子に固着される回転軸には２個の軸受を上記回転子の両側に配置し、上記回転子および固定子を覆うように形成されたブラケットの開口部に上記エンドブラケットを嵌合して結合し、上記エンドブラケットおよびブラケットには軸受けハウジングを設けて、その内部に内輪回転型の軸受けを収納し、上記回転子と上記固定子との間に所定のエアギャップを確保して回転トルクを発生し得るようにした請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の永久磁石電動機。
上記固定子には同固定子および上記回転子を覆う形状のブラケットを樹脂により一体的に形成し、上記内周側の回転子に固着される回転軸には２個の軸受を上記回転子の両側に配置し、上記ブラケットの開口部にエンドブラケットを嵌合して固着し、上記エンドブラケットおよびブラケットには軸受けハウジングを設けて、その内部に内輪回転型の軸受けを収納し、上記回転子と上記固定子との間に所定のエアギャップを確保して回転トルクを発生し得るようにした請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の永久磁石電動機。
上記固定子に樹脂よりなるエンドブラケットを一体的に形成する際、そのエンドブラケットを介して上記固定子を固定軸に連結し、上記内周側の回転子の内径部両端に軸受けハウジングをそれぞれ設けて、それらの内部に外輪回転型の軸受けを収納し、上記外輪回転型の軸受けにより上記回転子が軸方向に移動しないように上記固定軸に取り付け、上記回転子と上記固定子との間に所定のエアギャップを確保して回転トルクを発生し得るようにした請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の永久磁石電動機。