JP2009044866A - アキシャルエアギャップ型電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】アキシャルエアギャップ型電動機のロータにおいて、異なる種類の永久磁石を半径方向に複数並べて配置する場合の配置や形状を特定することでトルクアップを図り、結果的に安価で効率的なアキシャルエアギャップ型電動機を提供する。
【解決手段】アキシャルエアギャップ型電動機は、側面に複数の磁極部を円周状に配置したステータと、同磁極部に所定の空隙をもって対向的に配置され、永久磁石を用いた永久磁石グループを円周方向に複数配置したロータとを備えており、永久磁石グループを、磁力の異なる複数の永久磁石を半径方向に並べて配置すると共に、隣接する永久磁石グループの極性が円周方向で同極となるように配置する。また、永久磁石グループをロータの内周側に磁力の強い永久磁石が配置される構造にする。さらに、永久磁石グループの内周から外周へ向かう一側の面積は、永久磁石グループの半径方向の断面積よりも広くする。
【選択図】図４

Description

本発明は、アキシャルエアギャップ型電動機に関し、より詳細には、種類が異なる複数の永久磁石のロータへの配置に関する。

従来、アキシャルエアギャップ型電動機は、例えばロータが２つ備えられたものとして図５の断面図に示されるものがあった。また、この電動機に用いられるロータを図６に示す。

このアキシャルエアギャップ型電動機は、図５に示すように、ほぼリング状をなすステータ２０と、ステータ２０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円盤状のロータ３１、３２とを含み、ロータ３１、３２は同一の回転軸２４を共有しており、ステータ２０は、その内周側に回転軸２４を支持する軸受部２６を備えている。また、図６（Ａ）に示すように、ロータ３１の内面には４個の永久磁石３１ａが、円周方向に配置されている。

一方、図５に示すように、ステータ２０は、合成樹脂により環状にモールド成形されており、ステータ２０の内周側に同軸的に挿入された軸受部２６を備えている。

また、ステータ２０の内部には、環状につなぎ合わされた６個のコアメンバー２５ａが配置されている。従ってこの例は所謂４極６スロットの電動機である。なお、各コアメンバー２５ａはすべて同一形状である。また、１つのコアメンバー２５ａは、複数枚の金属板を台形状に積層してなるティース（鉄心）５１を備え、ティース５１の周りには、その両側面を除いて合成樹脂からなるインシュレータ５０が一体に形成されている。この１つのコアメンバー２５ａがステータ２０の１つの磁極部である。

インシュレータ５０は、ティース５１の両側面に沿って左右一対として配置されるほぼ扇型のフランジ５２、５３を含む、全体が断面Ｈ字形のボビン状に形成されている。このフランジ５２、５３との間にコイル２７が巻回される構造になっている。

また、インサート成形により各コアメンバーの外周部分および内周部分は、合成樹脂２１によって固められている。また、ステータ２０の一方の内周側と軸受部２６との間に、断面波形のリング状の板バネ（波ワッシャバネ）３３が配置されている。

そして、円柱形のステータ２０の両側面にロータ３１と３２とが配置され、回転軸２４にそれぞれのロータが固定されている。各ロータの内面側、つまり、ステータ２０のティース５１と対向する面には、それぞれ同じ大きさの４個の矩形の永久磁石３１ａ、永久磁石３２ａが配置されている。なお、この１つの永久磁石は複数の永久磁石が集まったグループで構成されるため、このグループを永久磁石グループと呼称する。

図６（Ａ）に示すようにこのロータ３１は、円板状の非磁性体からなるバックヨーク３１ｂの面上に、方形状に形成された希土類磁石からなる永久磁石３１ａが、その長辺を半径方向となるように配置されて接着材で固定されており、円周方向がＳ極、又はＮ極となるように固定されている。そして、円周方向に均等に配置されて隣接する４つの永久磁石３１ａの極性は、互いに同極となっている。この場合、１つの永久磁石グループ３１ｆは３つの永久磁石である永久磁石３１ａ１、永久磁石３１ａ２、永久磁石３１ａ３が順次、隣接する極性が異なるように構成されているため、永久磁石グループ３１ｆとしての極性と永久磁石３１ａとの磁極は同じになる。

そして、強磁性体からなる扇型のロータコア３１ｃが、隣り合う永久磁石３１ａを機械的、及び磁気的に接続するように接着剤でバックヨーク３１ｂに固定されている。扇型のロータコア３１ｃの円周方向の端部は、永久磁石３１ａの円周方向の端部と嵌合するように切欠が設けられている。従って１つの永久磁石３１ａの円周方向のそれぞれの端部は、隣接するそれぞれのロータコア３１ｃの円周方向の端部で押さえられており、遠心力による永久磁石３１ａの脱落を防止する構造となっている。

図６（Ｂ）は図６（Ａ）の永久磁石３１ａの要部拡大図である。永久磁石３１ａ１と永久磁石３１ａ２と永久磁石３１ａ３とは、それぞれ、円周方向に磁化されており、貼り合わされる各永久磁石の隣接面は、互いに異なる磁極となるように配置されている。

図６（Ｃ）は永久磁石３１ａの別の構造を示す要部拡大図である。図６（Ｂ）との違いは磁石の配置方向にある。図６（Ｃ）の永久磁石３１ａは、同じ特性の複数の永久磁石３１ａ１、永久磁石３１ａ２、永久磁石３１ａ３を順に並べて配置し、半径方向に積層して貼り合わせた構造になっている（例えば、特許文献１参照）。

ところで、このように、アキシャルエアギャップ型電動機で、ロータの１つの磁極部を複数の永久磁石で構成するものとしては、図７に示す構造が開示されている。

図７はロータを回転軸方向から見たものであり、このロータの中心には図示しない回転軸が固定される。また、このロータは、円盤状のヨーク１１の表面に２つの永久磁石１２、１３からなる磁極が、円周方向に複数極設けられている。また、永久磁石１２と永久磁石１３とはロータの半径方向に隣接して配置されている。また、これらの永久磁石の磁力線の方向は回転軸方向であり、円周方向に隣り合う永久磁石の極性は異極となっている。

永久磁石１２と永久磁石１３とは異なる外形や異なる種類、例えば正方形と長方形との組合せや、一方を希土類磁石で、他方をフェライト磁石で構成することができる。このため、専用金型を用いなくても半径が長いロータの磁極部を汎用品で構成できるため、アキシャルエアギャップ型電動機のコストを低減することができる（例えば、特許文献２参照）。

しかしながら、図６（Ｃ）のように同じ特性の複数の永久磁石を半径方向に積層して貼り合わせた構造では、うず電流を低減させて熱に弱い希土類磁石を効率的に利用できるが、トルクアップの効果は少なかった。

一方、図７の構造では半径方向の２つの永久磁石について、コストを低減させるための形状について記載されているが、本願の前提となるロータの円周方向に磁力線がある場合にトルクアップを図ったり、コストを低減させる問題については、何も解決されていなかった。
特開２００６−３５３００９号公報（第５−７頁、図４） 実開昭５７−１０８６７１号公報（第５−７頁、図２）

本発明は以上述べた問題点を解決し、アキシャルエアギャップ型電動機のロータにおいて、異なる種類の永久磁石を半径方向に複数並べて配置する場合の配置や形状を特定することでトルクアップを図り、結果的に安価で効率的な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。

本発明は上述の課題を解決するため、側面に複数の磁極部を円周状に配置したステータと、同磁極部に所定の空隙をもって対向的に配置され、永久磁石を用いた永久磁石グループを円周方向に複数配置したロータとを備え、前記永久磁石グループが、磁力の異なる複数の永久磁石を半径方向に並べて構成されると共に、隣接する前記永久磁石グループの極性が円周方向で同極となるように配置されたアキシャルエアギャップ型電動機において、
前記永久磁石グループは、前記ロータの内周側に磁力の強い前記永久磁石が配置されてなる構造にする。

また、前記永久磁石グループの内周から外周へ向かう一側面の面積は、前記永久磁石グループの半径方向の断面積よりも広くしてなる構造にする。

以上の手段を用いることにより、本発明によるアキシャルエアギャップ型電動機によれば、請求項１に係わる発明は、
磁力の強いものと磁力の弱い永久磁石との体積を一定とした場合、ロータの外周側に磁力の強い永久磁石を配置するよりもロータの内周側に配置した方が、磁力の強い永久磁石の磁力線が出入りする面積を広くすることができ、結果的にトルクアップを図ることができる。また、従来のロータと本発明のロータとで同一のトルクを発生させる場合、本発明の構成により磁力の強い永久磁石の使用量を削減し、コストダウンを図ることができる。

請求項２に係わる発明は、
永久磁石グループの磁力線が出入りする面積を請求項１の構造よりも広げることにより、永久磁石グループの磁力線が出入りする面積をさらに広くすることができ、結果的にトルクアップを図ることができる。また、従来のロータと本発明のロータとで同一のトルクを発生させる場合、本発明の構成により磁力の強い永久磁石の使用量を削減し、コストダウンを図ることができる。

以下、本発明の実施の形態を、添付図面に基づいた実施例として詳細に説明する。

図１は本発明によるアキシャルエアギャップ型電動機のロータ構造を示す分解斜視図、図２は回転軸方向から見たロータの正面図である。

このロータは、円板１ａの外周に沿って壁１ｂを備え、中心に図示しない回転軸が挿通される孔１ｄを備えた円柱のボス１ｃが円板１ａの中心に設けられたバックヨーク１と、扇型にそれぞれ形成された永久磁石グループ３とロータコア２とが円周方向に交互に等間隔で８個ずつリング状に配置された磁極リング４とで構成されている。

磁極リング４は、バックヨーク１の壁１ｂの内側とボス１ｃの外周との間に隙間なく固定され、８つの磁極を備えた円盤状のロータとなる。このロータは図５に示すロータ３１、及びロータ３２に代替して使用する。

一方、磁極リング４の永久磁石グループ３は、ロータの半径方向に隣接する永久磁石３ａと永久磁石３ｂとで構成されている。これらの磁石は異なる種類の材料、例えば永久磁石３ｂを磁力は弱いが安価なフェライト磁石で、また、永久磁石３ａを磁力が強いが高価な希土類磁石で形成している。さらに、永久磁石３ａをロータの内周側に、また、永久磁石３ｂをロータの外周側にそれぞれ配置している。

なお、永久磁石３ａと永久磁石３ｂとは同じ方向、具体的には円周方向に磁化されており、円周方向に隣接する他の永久磁石グループ３の極性と同じ磁極となるように配置されている。つまり、互いに隣接する永久磁石グループ３は、Ｓ極同士、または、Ｎ極同士で向かい合うようになっている。

このように、永久磁石３ａをロータの内周側に、また、永久磁石３ｂをロータの外周側にそれぞれ配置した時に電動機のトルクアップを図ることができる。当然ながら、永久磁石グループ３をすべて永久磁石３ａ、つまり希土類磁石で構成すれば容易にトルクアップを図ることができるが、前述したようにコストが増加してしまう。

また、永久磁石グループ３をすべて永久磁石３ｂ、つまりフェライト磁石で構成すればコストダウンを図ることができるが、所定のトルクを発生できなくなってしまう。そこで、これらの磁石を組み合わせて使用することになるが、発生するトルクが同じであれば希土類磁石はできるだけ少ない方がよいし、また、ある一定量の希土類磁石を使用するのであれば、発生するトルクが大きい方がよい。

この実施例では、ある一定量の希土類磁石を使用する場合に、発生するトルクを大きくする構造について説明する。当然のことながら、発生トルクが決定されていれば、希土類磁石の量を減らしてコストダウンを図ることができる。

図３は図１、図２で説明したロータの実験データであり、図３（Ａ）はフェライト磁石を外周側に、希土類磁石を内周側にそれぞれ配置した磁極リングの要部拡大図を、図３（Ａ’）はフェライト磁石を内周側に、希土類磁石を外周側にそれぞれ配置した磁極リングの要部拡大図を、図３（Ｂ）はそれぞれの配置での測定データを、図３（Ｃ）は誘起電圧の特性比較グラフを、図３（Ｄ）はトルク特性比較グラフを、図３（Ｅ）はコギングトルク特性比較グラフをそれぞれ示している。

図３（Ａ）において、フェライト磁石は外周側に、希土類磁石は内周側にそれぞれ配置されており、各々の磁石はロータの回転軸中心からロータの外周に伸びる２つの仮想線の間に配置されている。また、図３（Ａ’）において、フェライト磁石は内周側に、希土類磁石は外周側にそれぞれ配置されており、各々の磁石はロータの回転軸中心からロータの外周に伸びる２つの仮想的線の間に配置されている。なお、２つの仮想的線の間の角度θは、それぞれの電動機の仕様によって決定されるものである。

また、図３（Ａ）と図３（Ａ’）のそれぞれの配置において、磁石グループ全体の体積を１００％とした場合の希土類磁石の含有比率を０〜１００％まで変化させ、それぞれの含有比率の時のコギングトルク［ｍＮｍ］（ミリニュートンメートル）、誘起電圧［Ｖ］（ボルト）、トルク［Ｎｍ］（ニュートンメートル）を測定した。これを図３（Ｂ）の測定データに示す。なお、コギングトルクはピーク・トゥー・ピーク値を、誘起電圧は実効値を、トルクは平均値をそれぞれ示している。

なお、ここで示す希土類磁石の含有比率とは、フェライト磁石と希土類磁石とを混ぜ合わすことでなく、磁石グループ全体に対する体積比率をいう。体積比率といっても、本実施例ではそれぞれの磁石の厚みは同じであるため、正面図、又は側断面図での面積の比率としても同じである。

図３（Ｂ）の測定データにおいて、表の左側が図３（Ａ）の配置によるデータを、表の右側が図３（Ａ’）の配置によるデータを示している。そして、各データは左から順に、希土類磁石の含有比率、コギングトルク、誘起電圧、トルクの項がそれぞれ記載され、縦方向は、希土類磁石の含有比率を０〜１００％の中の５種類の割合とした場合を示している。

このデータで希土類磁石の含有比率が５６．５％の項において、図３（Ａ）の配置と図３（Ａ’）の配置とを比較してみると、誘起電圧（９２．０に対して９７．２）及びトルク（１．４４に対して１．４９）とが図３（Ａ’）の配置よりも図３（Ａ）の配置の方が値が高くなっていることがわかる。この様子を図３（Ｃ）の誘起電圧の特性比較グラフ、図３（Ｄ）のトルク特性比較グラフ、図３（Ｅ）のコギングトルク特性比較グラフで示す。

図４は図３で説明した永久磁石グループの他の実施例での実験データであり、図４（Ａ）はフェライト磁石を外周側に、希土類磁石を内周側にそれぞれ配置した磁極リングの要部拡大図を、図４（Ａ’）はフェライト磁石を内周側に、希土類磁石を外周側にそれぞれ配置した磁極リングの要部拡大図を、図４（Ｂ）はそれぞれの配置での測定データを、図４（Ｃ）は誘起電圧の特性比較グラフを、図４（Ｄ）はトルク特性比較グラフを、図４（Ｅ）はコギングトルク特性比較グラフをそれぞれ示している。

図４（Ａ）において、フェライト磁石は外周側に、希土類磁石は内周側にそれぞれ配置されており、各々の磁石はロータの回転軸中心からロータの外周に伸びる２つの仮想線の間、及びこの仮想線の外側に配置されている。また、図４（Ａ’）において、フェライト磁石は内周側に、希土類磁石は外周側にそれぞれ配置されており、各々の磁石はロータの回転軸中心からロータの外周に伸びる２つの仮想的線の間、及びこの仮想線の外側に配置されている。なお、２つの仮想的線の間の角度θは、それぞれの電動機の仕様によって決定されるものである。

また、図４（Ａ）と図４（Ａ’）のそれぞれの配置において、磁石グループ全体の体積を１００％とした場合の希土類磁石の含有比率を０〜１００％まで変化させ、それぞれの含有比率の時のコギングトルク［ｍＮｍ］（ミリニュートンメートル）、誘起電圧［Ｖ］、トルク［Ｎｍ］（ニュートンメートル）を測定した。これを図４（Ｂ）の測定データに示す。なお、コギングトルクはピーク・トゥー・ピーク値を、誘起電圧は実効値を、トルクは平均値をそれぞれ示している。

図４（Ｂ）の測定データにおいて、表の左側が図４（Ａ）の配置によるデータを、表の右側が図４（Ａ’）の配置によるデータを示している。そして、各データは左から順に、希土類磁石の含有比率、コギングトルク、誘起電圧、トルクの項がそれぞれ記載され、縦方向は、希土類磁石の含有比率を０〜１００％の中の５種類の割合とした場合を示している。

このデータを図４（Ｃ）の誘起電圧の特性比較グラフ、図４（Ｄ）のトルク特性比較グラフ、図４（Ｅ）のコギングトルク特性比較グラフで示す。これらのグラフからわかるように、誘起電圧とトルクの項目において図４（Ａ）で示す希土類磁石を内周側に配置した構造が、図４（Ａ’）で示す希土類磁石を外周側に配置する構造よりも特性が優れていることがわかる。

また、図３と図４とのデータを比較すると、図４の磁石構造の方が、磁石の配置の差による特性の差が大きく、改善の度合いが大きいと判断される。これは希土類磁石が内周側に配置された方が永久磁石の円周方向の断面積が広くなるためである。この理由は図３において、希土類磁石を内周側に配置することで特性が改善される理由と同じである。

一般的に永久磁石における磁力線の強さは永久磁石の体積に比例するが、磁力線が出入りする場所の面積、つまり、Ｓ極とＮ極となる面の面積の影響を受ける。従って、この磁力を有効に活用するためには、永久磁石の磁力線が通過する方向の断面積ができるだけ広いことが望ましい。

例えば図３（Ａ）の永久磁石グループと図３（Ａ’）の永久磁石グループとは、同じ体積で、かつ、回転軸方向の厚みも同じであるので、回転軸方向から見ると同じ面積を有する。そして、各々の永久磁石グループの希土類磁石とフェライト磁石との回転軸方向から見た場合の面積比率が同じであれば、図３（Ａ）の希土類磁石の面積と図３（Ａ’）の希土類磁石との面積、及び、図３（Ａ）のフェライト磁石の面積と図３（Ａ’）のフェライト磁石との面積とはそれぞれ同じになる。

しかしながら、永久磁石グループを円周方向から見た場合、例えば希土類磁石に関して図３（Ａ）と図３（Ａ’）とでは内周側に配置したほうが磁力線が出入りするＳ極とＮ極となる面の面積が大きいことがわかる。つまり、同じ体積で、かつ、回転軸方向の厚みも同じ永久磁石グループである図３（Ａ）と図３（Ａ’）との構造を比較すると、希土類磁石を外周側に配置すると円周方向に細長く、内周側に配置すると円周方向に短くて太い磁石に形成することができる。

このため、希土類磁石のように磁力の強い方の磁石をロータの内周側に、また、フェライト磁石のように磁力の弱い方の磁石をロータの外周側に配置することで、磁力の強い磁石の磁力線が出入りする面の面積を広くすることができるので、トルクアップを図ることができる。

また、図４（Ａ）のように、磁力の強い方の磁石をロータの内周側に、また、磁力の弱い方の磁石をロータの外周側に配置すると共に、回転軸中心からの２本の仮想線よりも外側に磁力線が出入りするＳ極とＮ極との面を備えるように、内周から外周に向かうに従って永久磁石グループの面積を広げる構造とする。

このように、２つの仮想的線の中だけでなく外側に各々の磁石が配置されることにより、複数の磁石の内周から外周へ向かう一側の長さ合計は、永久磁石グループの半径方向の長さよりも長くなる。つまり、これは磁力線が出入りする面が広がることを意味しており、この結果、図３（Ａ）よりも図４（Ａ）の希土類磁石の磁力線が出入りするＳ極とＮ極となる面の面積が大きくなり、トルクアップを図ることができる。

なお、この実施例では永久磁石グループの磁石の種類を２つとして説明しているが、これに限るものでなく、磁力が異なる複数の永久磁石を組み合わせて永久磁石グループとして構成してもよい。また、その場合は、磁力が強い永久磁石をできるだけロータの内周側に配置することにより、本発明の効果を得ることができる。

また、本実施例では回転軸中心からの２本の仮想線よりも外側に磁力線が出入りする面を備えるように、内周から外周に向かうに従って永久磁石グループの面積を広げる構造としているが、これに限るものでなく、トルクアップを図るためには、複数の磁石の内、少なくとも１つの磁石について、内周から外周へ向かう一側の長さを長くする、つまり、回転軸中心からの仮想線に対してこの一側を傾斜させる構造により、磁力線が出入りする面の面積を広くすることができ、本発明の効果を得ることができる。

さらに、本実施例では２ロータ式のアキシャルエアギャップ型電動機として説明しているが、これに限るものでなく、１ロータ式、もしくは、複数のロータを備えた構造であっても同様の効果を得ることができる。

本発明によるアキシャルエアギャップ型電動機のロータ構造を示す分解斜視図である。 本発明によるロータを回転軸方向から見た正面図である。 本発明によるロータの実験データであり、（Ａ）はフェライト磁石を外周側に、希土類磁石を内周側にそれぞれ配置した磁極リングの要部拡大図を、（Ａ’）はフェライト磁石を内周側に、希土類磁石を外周側にそれぞれ配置した磁極リングの要部拡大図を、（Ｂ）はそれぞれの配置での測定データを、（Ｃ）は誘起電圧の特性比較グラフを、（Ｄ）はトルク特性比較グラフを、（Ｅ）はコギングトルク特性比較グラフをそれぞれ示している。 本発明による別のロータの実験データであり、（Ａ）はフェライト磁石を外周側に、希土類磁石を内周側にそれぞれ配置した磁極リングの要部拡大図を、（Ａ’）はフェライト磁石を内周側に、希土類磁石を外周側にそれぞれ配置した磁極リングの要部拡大図を、（Ｂ）はそれぞれの配置での測定データを、（Ｃ）は誘起電圧の特性比較グラフを、（Ｄ）はトルク特性比較グラフを、（Ｅ）はコギングトルク特性比較グラフをそれぞれ示している。 従来のアキシャルエアギャップ型電動機を示す側断面図である。 従来のアキシャルエアギャップ型電動機のロータを示す、（Ａ）は正面図、（Ｂ）はその磁石グループを示す要部拡大図、（Ｃ）は別の磁石グループを示す要部拡大図である。 従来のアキシャルエアギャップ型電動機の別のロータを示す正面図である。

符号の説明

１ バックヨーク
１ａ 円板
１ｂ 壁
１ｃ ボス
１ｄ 孔
２ ロータコア
３ 永久磁石グループ
３ａ 永久磁石
３ｂ 永久磁石
４ 磁極リング
１１ ヨーク
１２ 永久磁石
１３ 永久磁石
２０ ステータ
２１ 合成樹脂
２４ 回転軸
２５ａ コアメンバー
２６ 軸受部
２７ コイル
３１ ロータ
３１ａ 永久磁石
３１ｂ バックヨーク
３１ｃ ロータコア
３１ｆ 永久磁石グループ
３１１ａ 永久磁石
３１２ａ 永久磁石
３１３ａ 永久磁石
３２ ロータ
３２ａ 永久磁石
５０ インシュレータ
５１ ティース
５２ フランジ

Claims (2)

1. 側面に複数の磁極部を円周状に配置したステータと、同磁極部に所定の空隙をもって対向的に配置され、永久磁石を用いた永久磁石グループを円周方向に複数配置したロータとを備え、前記永久磁石グループが、磁力の異なる複数の永久磁石を半径方向に並べて構成されると共に、隣接する前記永久磁石グループの極性が円周方向で同極となるように配置されたアキシャルエアギャップ型電動機において、
   前記永久磁石グループは、前記ロータの内周側に磁力の強い前記永久磁石が配置されて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。
2. 前記永久磁石グループの内周から外周へ向かう一側面の面積は、前記永久磁石グループの半径方向の断面積よりも広くして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。

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