JP2006187055A - アキシャルギャップ型モータ - Google Patents

Abstract

【課題】 高出力、小型軽量、高効率な直列結合同期タイプのアキシャルギャップ型モータを提供する。
【解決手段】 回転軸を主軸として、ロータとステータとが軸線方向に交互に所要の空隙をあけて積層された直列結合同期タイプのアキシャルギャップ型モータであって、前記ロータは前記回転軸に固定されると共に、前記ステータは前記回転軸に対して連動不可に配置され、前記ロータに複数の回転界磁体が軸線回りに取り付られている一方、前記ステータに前記回転界磁体と空隙をあけて対向させて軸線回りに複数の電機子コイルが取り付けられて磁束方向が軸線方向に向けられており、かつ、前記電機子コイルは空芯あるいは磁性体からなる芯材を取り付けている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、アキシャルギャップ型モータに関し、詳しくは、車両や船舶等の駆動源、特に、官公庁船、客船等の大型船舶の推進用モータとして好適に用いられる高出力の直列結合同期型のモータに関するものである。

従来、モータとしてラジアルギャップ型モータとアキシャルギャップ型モータがある。ラジアルギャップ型モータは、断面円環状のステータの中空部にロータを設けてコイルの磁束方向を径方向に向けているもので広く一般に用いられている。一方、アキシャルギャップ型モータは、特開２００４−１４０９３７号公報に開示されているように、ロータの軸線方向にステータを対向配置し、コイルの磁束方向を軸線方向に向けた構成としている。

従来のアキシャルギャップ型モータにおいて、高出力が必要なために、ロータとステータとが軸線方向に交互に所要の空隙をあけて積層された直列結合同期タイプとしたものでは、ロータとステータとの間に所定の空隙を設けて精度よく配置することが困難で、製造上のネックになっている。
即ち、ステータからロータ側へ突設する電機子コイルは鉄心に巻き付けて取り付け、鉄心が電機子コイルの先端より突出しているため、ロータ側に永久磁石を配置していると、
組付時に永久磁石と鉄心とが吸着しあい、ロータとステータとの間に所要のエアギャップが設ける作業に手数がかかる。また、作業者の指が永久磁石と鉄心との間に挟み込まれる危険性もある。

その結果、電機子コイルから突出した鉄心の先端と永久磁石の先端とが干渉しないようステータとロータとの空隙を大とする必要があり、近接配置できないことより、高出力を得にくいと共に、モータ装置自体が回転軸の軸線方向に大型化することとなる。
特に、軸線方向にロータとステータとを交互に空隙をあけて積層配置した直列結合同期タイプでは、多数枚のロータとステータとを交互に大きな空隙をあけて配置していく必要があることより、前記問題を解決する必要がある。
特開２００４−１４０９３７号公報

本発明は、前記問題に鑑みてなされたもので、直列結合同期タイプのアキシャルギャップ型モータにおいて、ステータとロータの間隔を小さくすることによりモータを小型化しながら高出力が得られること、およびロータとステータとの間に所要の小さいギャップをあけて簡単に組みつけができるようにすることを課題としている。

前記課題を解決するため、本発明は、回転軸を主軸として、ロータとステータとが軸線方向に交互に所要の空隙をあけて積層された直列結合同期タイプのアキシャルギャップ型モータであって、
前記ロータは前記回転軸に固定されると共に、前記ステータは前記回転軸に対して連動不可に配置され、
前記ロータに複数の回転界磁体が軸線回りに取り付られている一方、前記ステータに前記回転界磁体と空隙をあけて対向させて軸線回りに複数の電機子コイルが取り付けられて磁束方向が軸線方向に向けられており、かつ、前記電機子コイルは空芯あるいは磁性体（以下、フラックスコレクタと称す）からなる芯材を取り付けていることを特徴とするアキシャルギャップ型モータを提供している。

前記構成のモータでは、電機子コイルの中空部を空芯あるいは磁界内におかれた場合に磁気モーメントを生じるフラックスコレクタを芯材としているため、対向するステータとロータの離反距離（エアギャップ）を小さくしても、組付時に干渉することを抑制、防止できる。その結果、ステータとロータに取り付けた電機子コイルと界磁体とを近接配置して高効率化を図ることができると共に、モータの小型化を図ることができる。
なお、電機子コイルをフラックスコレクタに巻き付けていな場合には、電機子コイルをステータに接着固定するか、ステータに設けた貫通孔もしくは凹部に圧入固定するか、あるいは後述する容器内に封入し、該容器をステータに着脱自在に取り付けている。

前記電機子コイルあるいは／および前記回転界磁体とする界磁コイルを超電導材より形成していることが好ましい。
前記のように超電導コイルで形成すると、大電流を通電することが可能となり、モータトルクの高出力化を図りながらも小型軽量を実現することができる。超電導材の材料としては、ビスマス系やイットリウム系等の高温超電導材等を用いると好適である。かつ、ステータとロータとを小さく空隙をあけて交互に配置する場合に、前記回転界磁体を超電導材からなる界磁コイルとすると、電機子コイルにフラックスコレクタを取り付けても互いに吸着することを防止でき、作業性良く小さい空隙をあけて高精度で位置決め配置することができる。
また、回転界磁体は高温超電導バルク磁石で形成してもよい。該高温超電導バルク磁石を用いても、大きな磁界を形成できモータの高出力化を図ることができる。該高温超電導バルク磁石はＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ高温超電導体の中に非超電導相を分散して溶融成長させた高温超電導体の塊からなり、高性能永久磁石よりも大きな磁場を捕捉、着磁できるものである。

さらに、前記回転界磁体は永久磁石から形成してもよい。この場合、ステータに取り付ける電機子コイルは空芯とするか、磁性体からなる芯材を電機子コイルの先端から突出させずに取り付けることが好ましい。

ステータの電機子コイルと、該電機子コイルと対向する前記回転界磁体とのエアギャップ距離は、０．１ｍｍ〜１ｍｍとしていることが好ましい。
前記のように、電機子コイルを空芯、あるいはフラックスコレクタからなる芯材とし、回転界磁体として永久磁石ではなく超電導コイルを用いると、電機子コイルと回転界磁体とのギャップを前記のように小さい範囲とすることができ、モータを小型化することができる。
前記ギャップ距離の範囲を０．１ｍｍ〜１ｍｍとしているのは、０．１ｍｍより小さいと、ロータが振動等により回転軸の軸線方向に位置ズレしたときに、界磁体と電機子コイルとが接触する恐れがあるためである。また、１ｍｍより大きいと、ロータとステータの間隔が大きくなり過ぎて着磁力が低下し、出力低下が生じると共に、モータが軸線方向に大型化するためである。

前記ステータへの電機子コイルの取り付けは、ステータに軸線方向の貫通孔を設け、該貫通孔に前記電機子コイルを内嵌固定し、該電機子コイルの両端をステータの両側端面から突出させて、該ステータの両側の前記ロータに固定された界磁体に空隙をあけて対向させてもよい。
前記構成とすると、ステータの両側端面にそれぞれ電機子コイルを取り付ける必要はなくなり、作業性を高めることができる。

また、本発明のアキシャルギャップ型モータでは、回転軸を主軸としてステータとロータとを交互に積層配置し、バックヨークは軸線方向の両端にのみ配置し、該バックヨークに軸線方向両端のステータをネジ止めで着脱自在に取り付ける構成とすることが好ましい。
このように、バックヨークは軸線方向の両端にのみ配置し、各ステータにそれぞれバックヨークを設けていないことより、組みつけが容易になると共にステータとロータとを高密度配置でき、径方向にサイズを大きくすることなく高出力を得ることができる。よって、モータの小型化および軽量化を図ることができる。
また、磁束方向が軸線方向であるアキシャルギャップ型モータにおいて、軸線方向両端にバックヨークを配置しているため、ステータを貫通する磁場が外部に漏れるのを遮断でき、磁場の強化を図ってトルクの高出力化を実現することができる。
さらに、回転軸に沿って交互に組みつけるステータとロータとは、最終的に軸線方向両端のステータを固定材に予め固定しているバックヨークに着脱自在に連結することにより、組みつけ及び分解を容易に行うことができる。

なお、前記軸線方向の両端にバックヨークを取り付けず、軸線方向の両端のステータを厚肉とし、該ステータを固定材にネジ等で着脱自在に取り付ける構成としてもよい。

前記回転軸を主軸として交互に積層される前記ロータとステータとは、例えば、ロータの中心穴に回転軸が貫通固定されている一方、前記ロータの軸線方向両側に配置されるステータは連結具を介して間隔をあけて連結され、両側のステータ間の空隙に前記ロータがはめ込まれる構成としている。

前記連結具を介してステータを連結する場合、具体的には、各ステータは回転軸を挟む位置で上下に分割され、上部ステータを上部連結具で連結して上分割材とされる一方、下部ステータを下部連結具で連結して下分割材とされ、上下分割材の間に回転軸に固定されたロータを挟んではめ込まれる構成とすることが好ましい。

前記のように、ロータの両側に配置するステータを連結具で順次連結しておくと、回転軸に間隔をあけて固定したロータを、隣接するステータの間にはめ込んでいくだけで、各ロータとステータとのギャップを精度良く保持しながら、交互に積層配置する多数のロータとステータとビルトインで簡単に組みつけることができる。かつ、軸線方向の両端のロータのみをバックヨークにネジ止め固定するだけで全ステータを所定位置に固定配置することができ、直列結合同期モータを容易に製造することができる。

前記連結具はステータの外周側に配置される外枠部と、該外枠部から所要間隔をあけて突出されて各ステータに連結される連結部とを備えた構成とすることが好ましい。
その場合、隣接するステータ毎に連結するＵ形状の連結具としてもよいし、櫛歯状の１つの連結具としてもよい。
連結具の連結部とステータとの連結は、接着剤を用いて接着固定しても良いし、ビス等の止め具を用い、あるいは連結部とステータとに形成した凹凸嵌合部で嵌合させて連結してもよい。
また、前記連結具の連結部はステータのロータ側対向面に固定し、電機子コイルの配置部分に開口を設け、該開口の軸線方向の厚みをロータ側の回転磁界体とステータ側の電機子コイルとのギャップ寸法としていることが好ましい。該構成とすると、連結部の間にロータを挿入するだけで自動的に所要のギャップが得られることとなる。

前記連結具を用いてステータを予定め連結し、回転軸に固定されたロータに対して軸直角方向よりステータを挟みこむ構成に代えて、回転軸にステータをロータとを順次挿通させて組みつける構成としてもよい。
其の場合、前記回転軸の一端側に前記バックヨークの一方が取り付けられていると共に、該回転軸に前記ステータの中心穴が遊嵌されて貫通され、該ステータと前記ロータとが回転軸に交互に組付けられ、前記ステータは外周側に配置される位置決め固定材で位置決め保持され、前記回転軸の他端側先端の前記ステータが前記バックヨークの他方に取り付けられる構成とされる。

前記構成によれば、回転軸に順次ステータとロータとを差し込んでいくだけで簡単に組みつけが行え、分解時には、軸線方向端のステータとバックヨークとの固定を外せば、簡単にステータとロータとを取りはすしていくことができ、組み立ておよび分解を容易に行うことができる。

前記両端のバックヨークの間に、前記ロータおよびステータの外周側と空隙をあけて配置される周壁が設けられていることが好ましい。
より詳細には、両端のバックヨークの内、一方のバックヨークに下周壁を連結して設けておき、他方側のバックヨークに上周壁を連結して設けておくと、軸線方向両端のステータをバックヨークに固定した状態で、上下周壁によりロータおよびステータが全て囲まれることとなり外部への磁束漏れを確実に防止できる。

前記周壁の内面に凹凸を設けて、前記したステータの位置決め固定材を兼用させてもよい。
例えば、一端のバックヨークに連結される下周壁の内面に凹凸部を設けておくと、回転軸に順次差し込んでいくステータの下端を前記凹凸部の凹部に嵌合すると、ステータを位置決め保持することができる。

なお、本発明は、ロータとステータとを交互に積層配置する直列結合同期型に好適に用いることができるが、１個のロータの軸線方向両側に一対のステータを配置する構成としたアキシャルギャップ型モータにおいても好適に用いられることは言うまでもない。

前記ロータあるいは／およびステータとに周方向に間隔をあけて複数個数配置される前記回転界磁体あるいは／および電機子コイルは、容器内部に所要間隔をあけて予め収容しておき、該容器をロータあるは／及びステータに着脱自在に取り付ける構成とすることが好ましい。
該構成とすると、回転界磁体や電機子コイルのメンテナンスが必要となった際、電機子コイルや回転界磁体をステータやロータに固定している場合と比較して、容器をステータやロータから取り外し、容器内の回転磁性体や電気コイルを交換することで簡単にメンテナンスを行うことができる。

その際、ステータを前記のように上下に分割する場合には、前記容器も上下一対の半円環形状としてステータに取り付けられる。又、ロータも上下に分割して、ロータに取り付ける回転磁性体も上下一対の半円環形状の容器に収容して、ロータに着脱自在に取り付ける構成としている。

前記容器内に収容される回転界磁体あるいは／および電機子コイルが超電導材からなる場合には、前記容器は断熱容器からなると共に、該容器内部に冷媒を充填している。
前記容器は樹脂等の透磁性材からなる本体と蓋とから形成し、蓋を明けることにより内部に密封した電機子コイルや回転界磁体を取り出し、取り入れができるようにしている。

以上の説明より明らかなように、本発明によれば、電機子コイルは空芯、あるいはフラックスコレクタからなる芯材を設けているため、ステータに配置する電機子コイルとロータに配置する回転界磁体とを近接配置でき、高出力化を図ることができると共に、モータの小型化を図ることができる。
特に、回転界磁体あるいは／および電機子コイルを超電導材より形成すると、さらに小型化を図りながら、高出力化を達成することができる。

また、回転軸を主軸としてステータとロータとを交互に配置して、軸方向両端のステータをバックヨークに着脱自在に固定する構成とすると、ステータとロータとを高密度で配置出来ると共に、磁束方向が軸線方向である磁場が外部に漏れるのを遮断でき、磁場の強化を図ってトルクの高出力化を実現することができる。かつ、軸線方向先端のステータをバックヨークから取り外すことで、ステータおよびロータを簡単に分解する事もできる。

また、ステータを連結具を介して所定間隔をあけて連結しておき、該ステータの間の空隙にロータをはめ込む構成とすると、ロータとステータとの間のギャップを所定寸法に精度良く特定することができると共に、多数枚のロータとステータとを簡単に組みつけることができる。
このように、小型でありながら高出力が得られ、しかも、組立、分解が容易でメンテナンス性に優れている点より、官公庁船や客船等の大型船舶の推進用モータとして最適な直列結合同期型のモータとすることができる。

本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
図１乃至図３は本発明の第１実施形態の直列結合同期タイプのアキシャルギャップ型モータ１０を示す。なお、図１および図２は図示を簡略化するため、２枚のロータ１１と軸方向両端のステータ１２と中間部のステータ１３を回転軸３０の軸線方向に交互に配置した構成としているが、図３に示すように、中間部のステータ１３を多数枚設け、隣接するステータ１２と１３、１３と１３の間にそれぞれロータ１１を配置している。

ロータ１１は回転軸３０に固定し、該ロータ１１の軸線方向の両側に所要の空隙（エアギャップ）をあけてステータ１３、１２を配置している。ステータ１２、１３は上下の連結具１４、１５で連結すると共に、軸線方向両端のステータ１２はバックヨーク１６、１７にネジ１９で固定している。

ロータ１１は、ロータヨーク２０の軸受部２０ａの中心より図中垂直方向に突出させた円盤状のロータ部２０ｂを有する備え、軸受部２０ａの軸心に穿設された貫通穴２０ｃに回転軸３０を貫通固定し、ロータ１１と回転軸３０とを共回転させる構成としている。
前記ロータ部２０ｂには軸線回りの周方向に間隔をあけて取付穴２０ｄを設け、これら取付穴２０ｄに永久磁石２２を内嵌固定して取り付け、磁束方向が軸線方向を向くように配置している。これら永久磁石２２の両側端面はロータ部２０ｂの両側端面と同一平面を形成するように取り付け、永久磁石２２がロータ部２０ｂから突出しないようにしている。

複数枚のロータ１１はロータヨーク２０の軸受部２０ａの軸心に形成した貫通穴２０ｄに回転軸３０を順次通して貫通させ、該回転軸３０の軸線方向に所要間隔をあけて複数枚のロータ１１を貫通固定している。かつ、隣接するロータ１１の間の回転軸３０には回転軸受３５を嵌合し、該回転軸受３５の位置にステータ１２、１３の開口が嵌合するようにしている。

前記軸方向両端のステータ１２は対称形状とすると共に、中間位置のステータ１３（図１では１枚であるが、図３に示すように多数枚）は同一形状としている。これらステータ１２、１３は円盤形状とすると共に、図２に示すように、それぞれ上下に分割し、半円盤状の上部ステータ１２ａ、１３ａと下部ステータ１２ｂ、１３ｂとを設けている。これら上部ステータおよび下部ステータ１２ａ〜１３ｂにはロータ対向面に軸線回りの周方向に間隔をあけて、常電導材からなる複数の電機子コイル２４、２５を固定し、軸線方向に突出させている。
軸線方向両端のステータ１２ではロータ１１に対向する一面側にのみ前記電機子コイル２４を固定している一方、中間のステータ１３では両面に電機子コイル２５を固定している。
前記電機子コイル２４、２５はステータ１２、１３に接着剤で固定しているが、ステータに端面に形成した溝に一端側を圧入固定してもよい。

電機子コイル２４、２５は中空部には鉄心を設けずに空芯２４ａ、２５ａとし、鉄心にコイルを巻き付ける構成としていない。
前記永久磁石２２と電機子コイル２４、２５の配置位置は同一軸線上として対向配置し、かつ、永久磁石２２と電機子コイル２４、２５との間隔、即ち、エアギャップ距離Ｌを０，１ｍｍ〜１ｍｍとし、本実施形態では、０．５ｍｍとしている。
なお、電機子コイル２４、２５には図示しない電源から所要の電力が供給される構成としている。

前記ロータ部２０ｂの両側端面と空隙をあけて配置する上部ステータ１２ａと１３ａ、下部ステータ１２ｂと１３ｂとは夫々上部連結具１４、下部連結具１５を介して連結している。
上記上部連結具１４、下部連結具１５は外枠部１４ａ、１５ａより連結部１４ｂ、１５ｂを所定間隔をあけて突設した櫛歯形状としている。上部連結具１４の連結部１４ｂを上部ステータ１２ａ、１３ａにネジ止め固定し、下部連結具１５の連結部１５ｂを下部ステータ１２ｂ、１３ｂにネジ止め固定している。

前記軸方向両端のステータ１２（上部ステータ１２ａ、下部ステータ１２ｂ）の背面面（電機子コイル突設部と反対面）にはネジ穴を設けてナットＮを埋設する一方、前記バックヨーク１６、１７にネジ穴１６ａ、１７ａを設け、それぞれネジ１９を挿入してナットＮに螺嵌して固定している。
上記バックヨーク１６、１７は非磁性材で形成している。

前記構成のアキシャルギャップ型モータ１０の組み立ては、永久磁石２２を取り付けたロータヨーク２０に回転軸１４を貫通固定しておく。
一方、ステータ１２、１３には電機子コイル２４、２５を取り付けておき、上部ステータ１２ａ、１３ａを上部連結具１４で連結すると共に、下部ステータ１２ｂ、１３ｂを下部連結具１５で連結しておく。
この状態で、下部連結具１５で連結された下部ステータ１２ｂ、１３ｂを回転軸３０に固定されたロータ１１に対して下方から被せ、各ロータ１１を下部ステータ１２ｂと１３ｂ、１３ｂと１３ｂの隙間にそれぞれ挿入する。ステータ１２ｂ、１３ｂの上端面に設けられた開口が回転軸受３５の外周面に当接して停止され、下部ステータとロータ１１とが所要のギャップをあけて位置決め保持される。
ついで、ロータ部２０ｂの上半周部に対して、同様に上部連結具１４で連結された上部ステータ１２ａと１３ａを上方より被せて、ステータ１２ａと１３ａ、１３ａと１３ａの間にロータ部２０ａの上側部を挿入する。該ステータ１２ａ、１３ａの下端面の開口が回転軸受３５の外周面に当接して停止され、上部ステータとロータ１１とが所要のギャップをあけて位置決め保持される。
その後、一方のバックヨーク１６に設けた貫通穴に回転軸３０の一端側を通した後、回転軸３０の他端を他方のバックヨーク１７に設けた貫通穴に通す。
バックヨーク１６、１７と軸方向両端のステータ１２とをネジ１９で連結固定して組み立てを終了する。

前記のように、上下の連結具１４、１５で上部ステータ１２ａと１３ａ、下部ステータ１２ｂと１３ｂとを予め組みつけておき、下部ステータ１２ｂと１３ｂ、上部ステータ１２ａと１３ｂの間にロータ１１をはめ込むだけで、所要のエアギャップを保持でき、作業性良く簡単に組みつけを行うことができる。かつ、ロータとステータとのキャップを精度良く保持できる。

前記構成からなるアキシャルギャップ型モータ１０では、ステータ１２、１３の電機子コイル２４、２５は空芯として、電機子コイル２４、２５から永久磁石２２側へ突出する鉄心を設けていないため、組付作業時に永久磁石と電機子コイルとが吸着することがなく、かつ、ステータ１２、１３は予め連結具に連結して位置決め保持しているため、非常に作業性が良くなる。

かつ、対向するロータ１１とステータ１２、１３のエアギャップ距離を小さく出来、モータの小型化を図ることができると共に、モータトルクの高出力化を図ることができる。
一般に、コイル中空部に鉄心を配置した方が界磁が強化されることが知られているが、鉄心を配置した場合、図４に示すように、ある一定の電流値を超えてからは磁束の増加が殆どなくなり、鉄心なしの方が磁束が強くなる傾向がある。即ち、本実施形態のアキシャルギャップ型モータ１０は、電流の上限値を高く設定できる場合に、モータトルクの高出力化を図ることができる。さらに、鉄心を設けないことにより、部品点数の削減、モータの軽量化を図ることもできる。

また、軸線方向両端のステータ１２の背面側にはバックヨーク１６、１７を設けて漏れ磁場の発生を防止しているので、更なる磁場の強化がトルクの高出力化を実現することが可能となる。かつ、バックヨーク１６、１７をステータ１２にボルト締めにより取り付けて着脱自在としているため、メンテナンス時等にロータとステータとを簡単に取り外して分解することができる。

図５は回転界磁体として永久磁石２２を用いた場合の第１実施形態の変形例を示し、電機子コイル２４、２５に芯材としてフラックスコレクタ１１０を配置している。該フラックスコレクタ１１０の先端は電機子コイル２４、２５の先端より突出させず、永久磁石２２と吸着しあわないようにしている。

図６も第１実施形態の変形例を示し、連結具１４’（１５’）の形状を相違させている。連結具１４’はＵ形状とし、隣接するステータ１３と１３（１２と１３）の間を夫々連結している。このように、隣接するステータを順次連結具１４’で連結していく構成とすると、ステータの枚数が相違に対応して汎用することができる。

図７は第２実施形態示す。
第２実施形態では、電機子コイル２５を取り付ける中間位置のステータ１３には軸線方向に貫通孔１３ｄを設け、該貫通孔１３ｄに電機子コイル２５を内嵌固定し、その両端をステータ１３の両側端面より突出させ、両側のロータ１１に固定した超電導材からなる界磁コイル１００と所要の空隙をあけて対向させている。
前記電機子コイル２５、両端のステータ１２は空芯とする一方、界磁コイル１００の中空部にフラックスコレクタ１０１を芯材として配置し、これらフラックスコレクタ１０１は界磁コイル１００の先端と略同一位置としている。なお若干突出させてもよい。

また、左右両端のバックヨーク１６’、１７’も上下に分割して上部バックヨーク１６ａ’、１７ａ’、下部バックヨーク１６ｂ’、１７ｂ’を設けている。左右両端の上部バックヨーク１６ａ’と１７ａ’とを断面半円弧形状の周壁部５５ａで連結している。同様に、下部バックヨーク１６ｂ’と１７ｂ’とを断面半円弧形状の周壁部５５ｂで連結している。
ロータ１１を回転軸３０に軸線方向に間隔をあけて固定している点、ステータ５０を上下に分割して上下連結具１４’、１５’で連結している点は第１実施形態と同様である。

該第２実施形態では複数のロータ１１と複数のステータ１２、１３とを第１実施形態と同様に交互に組みつけたのち、前記周壁部５５ａで連結した上部バックヨーク１６ａ’と１７ａ’を上方から被せると共に、周壁部５５ｂで連結した下部バックヨーク１６ｂ’と１７ｂ’とを下方から被せ、バックヨーク１６’、１７’を両端の上下ステータ１２ａ，１２ｂにネジ１９で固定している。

前記構成とすると、ロータ１１に挟まれるステータ１３の両側端面に取り付ける電機子コイル２５を１つの電機子コイル２５で構成することができ、部品点数の削減および作業手数の低減を図ることができる。
さらに、ロータ１１に固定する回転磁界体として超電導材からなる界磁コイルを用いているため、ロータとステータとを交互に積層配置する際に永久磁石を用いた場合に発生する吸着の問題を解消できる。よって、電機子コイルと回転界磁体とを近接配置でき、しかも回転界磁体にフラックスコレクタを芯材を配置しているため、モータをより高出力化することができる。
また、ロータ１１およびステータ１２、１３をバックヨークおよび周壁部により密閉構造で囲むことができ、磁束の外部漏れを確実に防止できる。かつ、界磁コイルを超電導材で形成しているため、冷却機構（図示せず）を付設する必要があるが、その場合、密閉構造とすることで断熱を図ることができる。他の作用効果は第１実施形態と同様である。

図８は第３実施形態を示し、ロータ１１には第２実施形態と同様に超電導材からなる界磁コイル１００を取り付け、その中空部にフラックスコレクタ１０１を配置している。
一方、ステータ１２、１３に取り付ける電機子コイル２４、２５の中空部２４ａ、２５ａにもフラックスコレクタ１０２を配置し、該フラックスコレクタ１０２の先端を電機子コイル２４、２５の先端より僅かに突出させている。

第３実施形態では、超電導材からなる界磁コイル１００を極低温まで冷却する必要があるため、液体水素タンク６０に貯留した液体水素を回転軸３０の中空部３０ａに導入してバルク磁石２２’を冷却している。
詳しくは、回転軸３０には軸線方向の一端側に開口する中空部３０ａを設け、液体水素タン６０から冷媒流路６２を有するパイプ６３を中空部３０ａへと軸受６４を介して挿入し、ロータ配置位置の手前で終端させている。該パイプ６３は二重管構造とし、中心空間に液体水素を導通させる冷媒流路６２とし、ロータ配置位置では中空部３０ａに液体水素を充填させて界磁コイル１００を冷却している。一方、パイプ６２の外周空間は真空断熱空間とし、ロータ１１と対応する位置以外では真空断熱を図っている。

前記構成によれば、第１実施形態と同様、ステータ１２、１３とロータ１１の間隔を小さくしてモータの小型化を図ることができると共に、界磁コイルを超電導材で形成しているため、磁場を強化してモータの高出力化を図ることができる。
なお、他の構成及び作用効果は第１実施形態と同様のため、同一の符号を付して説明を省略する。
また、ステータ１２、１３に取り付ける電機子コイルを超電導材で構成してもよく、その場合には冷媒流路をステータ側に設けている。

なお、前記第１実施形態の構成を、直列結合同期タイプのアキシャルギャップ型モータとせずに、図９、図１０に示すように、１枚のロータ１１の軸線方向の両側に一対のステータ１２を配置する構成とするアキシャルギャップ型モータにも適用することができる。
なお、図９、図１０は図１〜図３と同一符号を付して説明を省略する。

図１１、図１２は第４実施形態を示す。
第１〜第３実施形態では連結具を用いてステータを予定め連結し、回転軸に固定されたロータに対して軸直角方向よりステータを挟みこむ構成としているが、第４実施形態では回転軸３０にステータ１２→ロータ１１→ステータ１３→ロータ１１→ステータ１３…ロータ１１→ステータ１２を順次挿通させて組みつける構成としている。

軸線方向の一端に配置する一方のバックヨーク１６”には回転軸３０よりも大きな軸穴１６ａ”を設けている一方、他方のバックヨーク１７”には回転軸３０を内嵌する円形の軸穴１７ａ”を設けている。また、前記一方のバックヨーク１６”に下部周壁５５ｂを固定しておき、該下部周壁５５ｂの内周面に凹凸部を設け、凹部５５ｂ−１にステータ１２、１３の下端部をはめ込むようにして位置決め固定材として兼用している。また凸部５５ｂ−２はロータ１１の停止用表示部としている。他方のバックヨーク１７”には上部周壁５５ａを連結している。

軸方向両端のステータ１２、中間位置のステータ１３は上下に分割していない点を除き、第２実施形態と同様な形状とし、空芯の電機子コイル２４、２５を取り付けている。其の中心には回転軸３０を遊嵌する中心穴１２ｋ、１３ｋを設けている。
一方、ロータ１１は第１実施形態と同様な形状とし、超電導材からなる界磁コイル１００を取り付けている。

該第４実施形態では、まず、下部周壁５５ｂを連結したバックヨーク１６”の軸穴１６ａ”に回転軸３０を貫通させる。ついで、軸方向一端側のステータ１２を回転軸３０に通してバックヨーク１６”に接触させる位置まで移動させる。該位置でステータ１２の下端が下部周壁５５ｂの凹部５５ｂ−１に嵌合し位置決めされる。ついで、ロータ１１を回転軸３０に通し、下部周壁５５ｂの凸部５５ｂ−２の位置で停止し、ステータ１２と所要の空隙をあけて位置決めする。該位置でロータ１１の軸受部２０ａと回転軸３０とをネジ止め等で固定する。ついで、ステータ１３を回転軸３０に通し、前記と同様に凹部５５ｂ−１に下端を挿入させて停止、ついで、ロータ１１を回転軸３０に通す。これを繰り返すことで、全てのステータ１３とロータ１１とを回転軸３０に順次組みつけていく。軸方向他端のステータ１２を回転軸３０に取り付けた後、他方のバックヨーク１７”を回転軸３０にと通す。この状態で、バックヨーク１７”に連結した上部周壁５５ａが下部周壁５５ｂに接合すると共にバックヨーク１６”の外周面とも接合し、ロータ１１およびステータ１２、１３を密閉空間で囲むこととなる。最終的に、バックヨーク１６”、１７”からステータ１２、１２にネジ１９を差し込んで連結固定している。

前記構成によれば、回転軸に順次ステータとロータとを差し込んでいくだけで簡単に組みつけが行え、分解時には、軸線方向端のバックヨークとステータとの固定を外せば、簡単にステータとロータとを取り外していくことができ、組み立ておよび分解を容易に行うことができメンテナンス性を高めることができる。かつ、回転軸上に狭いギャップでロータとステータとを高密度配置することができ、高出力が得られる。

図１３は第５実施形態を示し、軸方向両端のバックヨークを廃止して、軸方向両端のステータ１２’を非磁性体からなる厚肉構造としている。該ステータ１２’自体を固定材１１０にネジＮで着脱自在にネジ止め固定している。
他の構成は第１実施形態と同様であるため、同一符号を付して説明を省略する。

前記したいずれの実施形態も、ステータに電機子コイルと直接固定すると共に、ロータに回転界磁体を直接固定しているが、このようにステータやロータに直接固定する代わりに、図１４、図１５に示す第６実施形態図、図１６に示す第７実施形態ように容器２００内に超電導材からなる電機子コイル２０１、回転界磁体の界磁コイル２０２を予め収容しておき、該容器２００をステータ１２（１３）とロータ１１に着脱自在に取り付けることがメンテナンス上で好ましい。

図１５（Ａ）（Ｂ）に示すように、容器２００は、透磁性の樹脂成形品で、一端開口の円環筒形状の容器本体２１０と、該容器本体２１０の開口を閉鎖する蓋体２１１とからなる。該容器本体２１０と蓋体２１１で真空状態に密封される内部は仕切壁２１３でコイル収容部２１７と冷媒充填部２１８に区画され、各コイル収容部２１７に電機子コイル２０１あるいは界磁コイル２０２を１つづつ収容している。冷媒充填部２１８内には液体窒素からなる冷媒２１４を充填している。前記容器本体２１０、蓋体２１１の外面に透磁性の断熱材２１５を取り付けて断熱容器としている。
また、容器本体２１０には取付用フランジ２１０ａを突設し、該フランジ２１０をステータ、ロータにネジ２１６で固定するようにしている。
前記容器２００は第１〜第４実施形態のロータの両面、第４実施形態のステータの両端面に凹設された嵌合部に着脱自在に内嵌し、前記ネジ２１６で固定している。

図１６に示す第７実施形態は、第１〜第３実施形態の上下分割されたステータに容器２００’を取り付ける場合であり、容器２００’を上下一対の半円環形状の容器２００Ａ’、２００Ｂ’となる。他の構成は図１４、１５と同様であるため付して説明を省略する。

このように、電機子コイル、回転界磁体を直接にステータ、ロータに固定せずに、容器内に一括封入しておき、該容器をステータ、ロータに着脱自在に取り付ける構成とすると、メンテナンスが容易となり、かつ、超電導材からなる電機子コイル、界磁コイルの冷却を簡単に図ることができる。

本発明のアキシャルギャップ型モータは、高出力が必要な大型の船舶や車両等の動力源として好適に用いられるものである。さらに発電設備等の各種産業用としても好適に用いることができる。

本発明の第１実施形態のモータを示す断面図である。 第１実施形態の組付方法を示す断面図である。 第１実施形態の概略図である。 コイル電流と磁束の関係を示すグラフである。 第１実施形態の変形例を示す概略図である。 第１実施形態の他の変形例を示す図面である。 第２実施形態のモータを示す断面図である。 第３実施形態のモータを示す断面図である。 他のモータを示す断面図である。 図９のモータの斜視図である。 第４実施形態のモータを示す概略断面図である。 第４実施形態の組付方法を示す断面図である。 第５実施形態のモータを示す断面図である。 第６実施形態を示す概略断面図である。 （Ａ）（Ｂ）は第６実施形態の容器を示す断面図である。 （Ａ）（Ｂ）は第７実施形態の容器を示す図面である。

符号の説明

１０ アキシャルギャップ型超電導モータ
１１ ロータ
１２、１３ ステータ
１４ 上部連結具
１５ 下部連結具
１６、１７ バックヨーク
１９ ネジ
２０ ロータヨーク
２２ 永久磁石
２４、２５ 電機子コイル
３０ 回転軸
１００ 超電導材からなる界磁コイル
１０１、１０２ フラックスコレクタ

Claims (15)

1. 回転軸を主軸として、ロータとステータとが軸線方向に交互に所要の空隙をあけて積層された直列結合同期タイプのアキシャルギャップ型モータであって、
   前記ロータは前記回転軸に固定されると共に、前記ステータは前記回転軸に対して連動不可に配置され、
   前記ロータに複数の回転界磁体が軸線回りに取り付られている一方、前記ステータに前記回転界磁体と空隙をあけて対向させて軸線回りに複数の電機子コイルが取り付けられて磁束方向が軸線方向に向けられており、かつ、前記電機子コイルは空芯あるいは磁性体からなる芯材を取り付け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. 軸線方向両端の前記ステータが一対のバックヨークにネジ止めで着脱自在に結合されている請求項１に記載のアキシャルギャップ型モータ。
3. 前記ステータに軸線方向の貫通孔が設けられ、該貫通孔に前記電機子コイルを内嵌固定し、該電機子コイルの両端をステータの両側端面から突出させて、該ステータの両側の前記ロータに固定された回転界磁体に空隙をあけて対向させている請求項１または請求項２に記載のアキシャルギャップ型モータ。
4. 前記電機子コイルあるいは／および前記回転界磁体とする界磁コイルを超電導材より形成している請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のアキシャルギャップ型モータ。
5. 前記回転界磁体は永久磁石から形成する一方、前記ステータに取り付ける電機子コイルは空芯あるいは磁性体からなる芯材を電機子コイルの先端から突出させずに取り付けている請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のアキシャルギャップ型モータ。
6. 前記回転界磁体と電機子コイルの空隙は、０．１ｍｍ〜１ｍｍとしている請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のアキシャルギャップ型モータ。
7. 前記ロータの中心穴に回転軸が貫通固定されている一方、前記ロータの軸線方向両側に配置されるステータは連結具を介して間隔をあけて連結され、両側のステータ間の空隙に前記ロータがはめ込まれている請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載のアキシャルギャップ型モータ。
8. 前記連結具を介して連結する前記各ステータは回転軸を挟む位置で上下に分割され、上部ステータを上部連結具で連結して上分割材とされる一方、下部ステータを下部連結具で連結して下分割材とされ、上下分割材の間に回転軸に固定されたロータを挟んではめ込まれている請求項７に記載のアキシャルギャップ型モータ。
9. 前記連結具はステータの外周側に配置される外枠部と、該外枠部から所要間隔をあけて突出されて各ステータに連結される連結部とを備えている請求項７または請求項８に記載のアキシャルギャップ型モータ。
10. 前記回転軸の一端側に前記バックヨークの一方が取り付けられていると共に、該回転軸に前記ステータの中心穴が遊嵌されて貫通され、該ステータと前記ロータとが回転軸に交互に組付けられており、前記ステータは外周側に配置される位置決め固定材で位置決め保持され、前記回転軸の他端側先端の前記ステータが前記バックヨークの他方に取り付けられている請求項２に記載のアキシャルギャップ型モータ。
11. 前記両端のバックヨークの間に、前記ロータおよびステータの外周側と空隙をあけて配置される周壁が設けられている請求項２乃至請求項１０のいずれか１項に記載のアキシャルギャップ型モータ。
12. 前記周壁の内面に凹凸を設けて、請求項６に記載の前記位置決め固定材を兼用させている請求項１１に記載のアキシャルギャップ型モータ。
13. 前記ロータあるいは／およびステータとに周方向に間隔をあけて複数個数配置される前記回転界磁体あるいは／および電機子コイルは、容器内部に所要間隔をあけて予め収容され、該容器がロータあるは／及びステータに着脱自在に取り付けられる請求項１乃至請求項１２に記載のアキシャルギャップ型モータ。
14. 前記容器が上下一対の半円環形状とされ、それぞれ独立してロータあるいは／およびステータに着脱自在に取り付けられる請求項１３に記載のアキシャルギャップ型モータ。
15. 前記容器内に収容される回転界磁体あるいは／および電機子コイルは超電導材からなり、前記容器は断熱容器からなると共に、該容器内部に冷媒が充填されている請求項１３または請求項１３または請求項１４に記載のアキシャルギャップ型モータ。

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