JP2011010375A - アキシャル型モータ - Google Patents

Abstract

【課題】高出力化（高トルク化）、高効率化（小型化）を達成できるアキシャル型モータを提供する。
【解決手段】アキシャル型モータ１００において、回転軸３に対して平行な方向に磁極の方向を有する複数の永久磁石２３を備えた回転子２と、永久磁石２３と、回転軸３に平行な方向に対向する磁極を形成するコイル１２を有する一対の固定子１とを備え、互いに隣接する永久磁石２３の磁極の向きは逆であり、各永久磁石２３は固定子１側を第１磁性体２１で覆われ、かつ互いに隣接する永久磁石２３間および互いに隣接する第１磁性体２１間には第２磁性体２２が設置され、第２磁性体２２と、第２磁性体２２に隣接する永久磁石２３との間には第１ギャップ２６が形成され、第２磁性体２２と、第２磁性体２２に隣接する第１磁性体２１との間には第２ギャップ２４が形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、固定子の磁極と、回転子に設置された永久磁石とを、回転軸に平行な方向に対向配置したアキシャル型モータに関する。

固定子の磁極と回転子の永久磁石とを回転軸に対して平行な向きに対向配置された構成である、アキシャル型モータが知られている。このようなアキシャル型モータは小型化ができる上、高出力化も可能であるという利点を有する。そのため、アキシャル型モータは様々な用途に用いられている。

アキシャル型モータは、例えば、特許文献１や特許文献２等に示されるような構成をしている。具体的には、アキシャル型モータは、軟鉄等で構成される鉄心の表面に扇形の複数の永久磁石が円環状に配置された回転子と、これら永久磁石に対して、回転軸と平行な方向に対向する磁極を形成するコイルを備えた固定子とを備えて構成されている。各永久磁石の磁極の方向（Ｎ極とＳ極を結ぶ方向）は、回転軸と平行であって、隣接する永久磁石は、互いに磁極の向きが逆となるように配置されている。そして、このような構成のアキシャル型モータにおいて、固定子のコイルにより回転磁界を発生させることで、各永久磁石に磁気的な吸引力および反発力を生じさせ、その結果トルクが生じて回転子が回転する。

このようなアキシャル型モータは、トルクの脈動（コギングトルク）が生じやすいという問題があるが、この問題を防ぐ方法は、例えば特許文献３等により提案されている。特許文献３には、コイルの輪郭線および永久磁石の輪郭線のうち、それぞれ、ロータ回転方向と交差する方向の輪郭線を略直線状とし、また、ロータの回転時にコイルの輪郭線と永久磁石の輪郭線とが互いに非平行状態でロータ回転方向に接離するように設定されたアキシャル型モータが記載されている。このアキシャル型モータにおいて、ロータの回転時に、永久磁石による磁界がステータのコイルによる磁界を通過する際の磁束の変動が、ロータの回転に伴い徐々に変化する。その結果、急激なトルク変動が抑制され、コギングトルクが緩和される。

また、アキシャル型モータは、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る構造であるため、トルクを増加させるには、永久磁石の量を増加させる必要がある。そのため、所望とするトルクが大きい場合には、アキシャル型モータの容積が増大し、大型化するという問題があった。また、大型化に伴い、コストも増大する。そこで、このような問題を防ぐ方法、すなわち、アキシャル型モータにおいて、トルクを増大するために必要な永久磁石の量を低減させるための方法について種々の提案がなされている。例えば、特許文献４には、ロータにおいて、各永久磁石間に磁性体が配置された構成のアキシャル型モータが記載されている。このように、各永久磁石間に磁性体を設けることにより、磁性体を設けた分だけ永久磁石の量を低減することができる。永久磁石を低減した分だけ、磁石トルクも減少するが、磁性体を設けることにより、リラクタンストルクを利用できることとなるため、トータルのモータトルクを維持することができる。これにより、全体としてトルクを減少させることなく、永久磁石の量を減らすことができる。

さらに、特許文献４には、各永久磁石の少なくとも表面に磁性体を備えた構成のアキシャル型モータについても提案されている。このような構成とすることで、リラクタンストルクをさらに増大させることができる。これにより、永久磁石の量を減らしながら、全体としてトルクの減少をさらに抑制することができる。

特開平６−３８４１８号公報 特開２００１−５７７５３号公報 特開２００５−１３０６９２号公報 特開２００５−９４９５５号公報

上記、特許文献４に記載の技術により、永久磁石の量を低減したアキシャル型モータが実現されているが、最近の環境問題に関する意識の高まりなどを受けて、省資源・省エネルギーの観点から、アキシャル型モータにおいてもより一層の高出力化、高効率化が求められるようになってきている。

本発明は、上述の事情に鑑みて為された発明であり、その目的は、高出力化（高トルク化）、高効率化（小型化）を達成できるアキシャル型モータを提供するものである。

本発明者は、種々検討した結果、上記目的は、以下の本発明により達成されることを見出した。すなわち、本発明の一態様に係るアキシャル型モータは、回転軸の周りに、回転方向に沿って配置された、前記回転軸に対して平行な方向に磁極の方向を有する複数の永久磁石を備えた回転子と、前記回転子に配置された前記永久磁石と、前記回転軸に平行な方向に対向する磁極を形成するコイルを有する一対の固定子とを備え、互いに隣接する前記永久磁石の磁極の向きは逆であり、前記各永久磁石は前記固定子側を第１磁性体で覆われ、かつ互いに隣接する永久磁石間および互いに隣接する前記第１磁性体間には第２磁性体が設置され、前記第２磁性体と、前記第２磁性体に隣接する前記永久磁石との間には第１ギャップが形成され、前記第２磁性体と、前記第２磁性体に隣接する前記第１磁性体との間には第２ギャップが形成されている。なお、ギャップとは磁気的なギャップであり、第２磁性体と永久磁石との間および第２磁性体と第１磁性体との間に、必ずしも物理的に空間が存在するという意味ではない。つまり、ギャップは、磁気回路として遮断できる構成であればよく、空間を形成するのではなく非磁性体を配置する構成としてもよい。

このように、永久磁石は固定子側を第１磁性体で覆われていることから、第１磁性体の厚さ分だけ、コイルおよび永久磁石間の距離を離すことができ、弱め界磁制御を行うことができる。それにより、逆起電力を抑制することができ、高速回転時に生じる出力低下を防ぐことができる。つまり、高速回転が可能である。また、永久磁石とコイルとの間には、第１磁性体が設置されていることから、相互に影響し合う永久磁石およびコイルの磁束を弱めることがないため、トルクの低下も少なくてすむ。

また、第２磁性体が設けられていることから、アキシャル型モータはリラクタンストルクを生じる。それにより、永久磁石を減らすことにより、減少する磁石トルクを補うことができる。したがって、永久磁石を減少させることで、アキシャル型モータの小型化を図った場合でも、トルクの低下を補い、高出力を実現できる。つまり、小型であって、かつ高出力である、アキシャル型モータを実現できる。

また、第１ギャップおよび第２ギャップが形成されることから、永久磁石から発生する磁束を、回転軸に対して平行である方向（永久磁石の法線方向）、すなわちコイル側に多く流出させることができる。それにより、コイルと永久磁石との間に生じる磁気的な吸引力および反発力を、これら第１ギャップおよび第２ギャップが形成されていない場合に比べて増大させることができる。そのため、アキシャル型モータの磁石トルクを大きくすることができる。つまり、アキシャル型モータを高出力化できる。しかし、第１ギャップおよび第２ギャップが形成されていない場合は、永久磁石からの磁束は、隣接（近接）する永久磁石あるいは第２磁性体等へと流れる成分が増加し、永久磁石から発生する磁束は、回転軸に対して平行である方向の成分が小さくなるため、アキシャル型モータの磁石トルクが低い。

また、上述のアキシャル型モータにおいて、前記第１磁性体は、圧粉磁心材料で構成されていることが好ましい。

このように、第１磁性体を圧粉磁心材料で構成することで、第１磁性体の電気抵抗が高い。それにより、コイルにより発生する交流磁界において第１磁性体に生じる渦電流を抑制し、渦電流損も抑制することができる。したがって、損失の増大を防ぐことができる。

また、上述のアキシャル型モータにおいて、前記第２磁性体は、圧粉磁心材料で構成されていることが好ましい。

このように、第２磁性体を圧粉磁心材料で構成することで、第２磁性体の電気抵抗が高い。それにより、コイルにより発生する交流磁界において第２磁性体に生じる渦電流を抑制し、渦電流損も抑制することができる。したがって、損失の増大を防ぐことができる。

また、上述のアキシャル型モータにおいて、前記第１ギャップおよび前記第２ギャップのギャップ長は、前記固定子と前記回転子との間に形成された第３ギャップのギャップ長よりも大きいことが好ましい。

このように、第１ギャップおよび第２ギャップのギャップ長が第３ギャップのギャップ長よりも大きいことから、第１ギャップおよび第２ギャップの形成箇所よりも第３ギャップの形成箇所の方へと流出する磁束が多い。したがって、永久磁石から発生する磁束を、回転軸に対して平行である方向に多く流出させることができる。それにより、コイルと永久磁石との間に生じる磁気的な吸引力および反発力を、増大させることができる。そのため、アキシャル型モータの磁石トルクを大きくすることができる。

また、上述のアキシャル型モータにおいて、前記回転子は、前記第１磁性体および前記第２磁性体を保持する、非磁性である保持部材を備えていることが好ましい。

これにより、第１磁性体および第２磁性体が保持部材に固定され、磁界により生じる反発力や吸引力および回転子の回転により生じる遠心力によって、第１磁性体および第２磁性体の位置が変動することがない。また、保持部材は、非磁性であることから、永久磁石およびコイルによる磁束に影響を与えることがない。

また、上述のアキシャル型モータにおいて、前記回転子が回転した際に、前記回転子の回転方向に対して交差する前記コイルの輪郭線と、前記第２ギャップの中心線とは、非平行状態を保ちながら接離することが好ましい。

このように、回転子が回転した際に、コイルの輪郭線が、第２ギャップの中心線と非平行に交差するようにすると、徐々にトルクが増減することになり、回転子の回転がスムーズに行われることとなる。したがって、コギングを減少させることができる。

回転方向に対して交差する前記コイルの輪郭線と、前記第２ギャップの中心線とを非平行状態を保ちながら接離するようにするためには、具体的には、前記第２ギャップにおいて、前記回転子の回転方向の間隔は略均一とし、前記第２ギャップを略直線状として、コイルの輪郭線と前記略直線状の第２ギャップとが非平行状態となるように構成することが好ましい。

本発明によれば、高出力化（高トルク化）、高効率化（小型化）を達成できるアキシャル型モータを提供することができる。

本実施の形態に係るアキシャル型モータの構成を示す概略断面図である。 本実施の形態に係るアキシャル型モータの一部断面斜視図である。 本実施の形態に係るステータの構成を示すための図であって、図３（Ａ）はステータコアの構成を示す斜視図であり、図３（Ｂ）はステータの構成を示す平面図である。 本実施の形態に係るロータの構成について説明するための図であって、図４（Ａ）はロータの表面の構成を示す平面図であり、図４（Ｂ）は図１のIVＢ−IVＢ矢示断面図である。 本実施の形態に係るアキシャル型モータのロータの組み立て図である。 第１磁性体および第２磁性体の輪郭線と、コイルの輪郭線との関係を説明するための図である。 実施例に用いたアキシャル型モータの各寸法について示した図である。 実施例におけるアキシャル型モータおよび従来のモータの電位位相と平均トルクとの関係を示すグラフである。 実施例におけるアキシャル型モータおよび従来のモータの回転角度とトルクとの関係を示すグラフである。

以下、本発明に係る実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。

図１は本実施の形態に係るアキシャル型モータの構成を示す概略断面図であり、図２は本実施の形態に係るアキシャル型モータの一部断面斜視図である。なお、図２においてはケーシングの内部について示しているため、ケーシングは図示していない。また、図２は、回転軸を含み互いに直交する平面によるアキシャル型モータの断面図である。図１および図２に示すように、アキシャル型モータ１００は、ケーシング４に回動可能に支持された回転軸３に固定された円板状のロータ（回転子）２と、ロータ２の表面側および裏面側よりこれを挟むように設置された一対のステータ（固定子）１とを備えている。なお、ロータ２の表面側および裏面側とは、ロータ２において、ステータ１側である。さらに具体的には、ロータ２において、回転軸３に対して略垂直である面であり、一対のステータ１はそれぞれロータ２に対して、回転軸３に平行な方向に位置する。また、ロータ２とステータ１との間には、間隙であるギャップ１３（第３ギャップ）が形成されている。ギャップ１３は、例えば０．５ｍｍ程度とすればよい。

ロータ２の表面および裏面には、第１および第２磁性体２１および２２が設置されている。そして、第１磁性体２１に挟まれるように、複数の永久磁石２３が設置されている。ステータ１は、ケーシング４の内側に固定配置され、略環状である。ステータ１は、永久磁石２３と、回転軸３に平行な方向に対向する磁極を形成するコイル１２を有している。

図３は本実施の形態に係るステータの構成を示すための図であって、図３（Ａ）はステータコアの構成を示す斜視図であり、図３（Ｂ）はステータの構成を示す平面図である。ステータ１は、図３（Ａ）に示すステータコア１ａを有している。磁性体であるステータコア１ａは略環状であり、ロータ２に対向する面に突出して設けられた複数のティース１１を有している。ティース１１は略環状であるステータ１の形状に沿って、略円形を描くように配置されている。図３（Ｂ）に示すように、ステータ１において、各ティース１１を中心として導線が巻かれてコイル１２が形成されている。この導線に電流を流すことによりコイル１２に磁極が形成される。そして、この磁極と永久磁石２３とが、回転軸３に平行な方向に対向するように、ステータ１および永久磁石２３が配置される。したがって、これら複数のコイル１２に順次電流を流すことにより、ティース１１が順次磁化され、回転磁界が生じる。

図４は本実施の形態に係るロータの構成について説明するための図であって、図４（Ａ）はロータの表面の構成を示す平面図であり、図４（Ｂ）は図１のIVＢ−IVＢ矢示断面図である。図４（Ａ）に示すように、ロータ２の表面には第１磁性体２１および第２磁性体２２が設置されている。これら第１磁性体２１および第２磁性体２２は、平面視において略扇形状を有し、回転軸３の周りに、その回転方向に沿って交互に設置されている。第１磁性体２１は永久磁石２３を、そのステータ１側から覆うように配置されている。つまり、第１磁性体２１はロータ２の表面および裏面にそれぞれ設置され、永久磁石２３は第１磁性体２１により表面および裏面の両方から挟まれ、永久磁石２３と第１磁性体とは接触している。また、第２磁性体２２は、ロータ２の表面から裏面へと連続しており、ロータ２を貫通するように設置されている。

これら第１磁性体２１と第２磁性体２２との間にはギャップ２４（第２ギャップ）が形成されている。ここで、ギャップ２４とは磁気的なギャップをいう。つまり、ギャップ２４として、第１磁性体２１および第２磁性体２２の間に単に物理的空間である間隙を形成してもよいし、これらの間に非磁性体を設置してもよい。なお、第１磁性体２１および第２磁性体２２はロータ２の本体である保持部材２５に保持され、固定されている。

また、図４（Ｂ）に示すように、ロータ２の内部においては、複数の永久磁石２３が回転軸３の周りに、その回転方向に沿って配置されている。これら、永久磁石２３は平面視において略扇形状である平板であって、その磁極の方向が回転軸３に対して略平行な方向となるように設置されている。なお、磁極の方向とはＮ極およびＳ極を結ぶ方向であり、具体的には、永久磁石２３のＮ極となる面およびＳ極となる面の法線方向である。そして、隣接する永久磁石２３の磁極の向きは互いに逆となるように配置されている。つまり、隣接する永久磁石２３は、磁極が異なるように配置されている。具体的には、図４（Ｂ）に示すように、永久磁石２３の一方の面における磁極は、隣接する永久磁石２３において、Ｓ極とＮ極とが交互になるように永久磁石２３が配置されている。さらに、隣接する永久磁石２３の間には、上述したようにロータ２の表面から裏面へと貫通している第２磁性体２２が位置する。隣接している永久磁石２３および第２磁性体２２の間には、ギャップ２６（第１ギャップ）が形成されている。なお、隣接する永久磁石２３間においても、ギャップ２７が形成されている。なお、ギャップ２６、２７についても、ギャップ２４と同様に、磁気的なギャップをいい、単に物理的空間である間隙であってもよいし、その間隙に非磁性体が充填されていてもよい。

上述のように、各永久磁石２３はステータ１側を第１磁性体２１で覆われ、かつ互いに隣接する永久磁石２３間および互いに隣接する第１磁性体２１間にはそれぞれ第２磁性体２２が設置されている。そして、第２磁性体２２と、第２磁性体２２に隣接する永久磁石２３との間にはギャップ２６が形成され、第２磁性体２２と、第２磁性体２２に隣接する第１磁性体２１との間にはギャップ２４が形成されている。

上述のように、ロータ２はその本体である保持部材２５を有しており、第１磁性体２１および第２磁性体２２は保持部材２５により保持されている。例えば、保持部材２５には枠が形成されていて、その枠に第１磁性体２１および第２磁性体２２が嵌り込むことで、保持されることとしてもよい。ここで、本実施の形態に係るアキシャル型モータにおいて、第１磁性体２１、第２磁性体２２および永久磁石２３を保持部材２５に設置する方法について説明する。図５は本実施の形態に係るアキシャル型モータのロータの組み立て図である。図５に示すように、保持部材２５には第１磁性体２１および第２磁性体２２が嵌り込むように枠２１ａおよび２２ａが形成されている。具体的には、第１磁性体２１が永久磁石２３をその表面および裏面から挟むように、ロータ２の表面および裏面から枠２１ａに嵌り込む。永久磁石２３および第１磁性体２１には、ネジ切りがなされた貫通孔が形成されていて、永久磁石２３および第１磁性体２１に形成された貫通孔を合わせてボルトを螺合することで、永久磁石２３は第１磁性体２１に固定される。また、第１磁性体２１は、ボルトにより締め付けられることで、保持部材２５を両面から挟みつけることになるため、第１磁性体２１が保持部材２５に固定される。

また、第２磁性体２２は、枠２２ａに嵌り込むことで、保持部材２５に固定される。第２磁性体２２は２つに分割され、それらがロータ２の表面および裏面から枠２２ａに嵌り込む。これら分割された第２磁性体２２には、ネジ切りがなされた貫通孔が形成されていて、これらの貫通孔を合わせてボルトを螺合することで、分割された第２磁性体２２は、一体となる。また、第２磁性体２２は、ボルトにより締め付けられることで、保持部材２５を両面から挟みつけることになるため、第２磁性体２２が保持部材２５に固定される。

このように、第１磁性体２１、第２磁性体２２および永久磁石２３が保持部材２５に固定されているので、これらの位置が変動することがない。特に、アキシャル型モータ２５が動作する場合には、ロータ２には永久磁石２３およびコイル１２により生じる磁界により、反発力や吸引力が作用する。また、ロータ２が回転することにより、遠心力等もロータ２に作用する。これらにより、第１磁性体２１、第２磁性体２２および永久磁石２３に、上記各力が作用した場合であっても、保持部材２５により、これらは位置が規制されていて、位置が変動することがない。これにより、第１磁性体２１、第２磁性体２２および永久磁石２３の位置を容易に規制することができる。また、ギャップ２４として、第１磁性体２１および第２磁性体２２間に空間を形成した場合よりも、例えば、非磁性体をこの空間に充填する構成とすることで、ギャップ２４の固定が強化される。

また、保持部材２５は、上記磁界による反発力や吸引力や遠心力等に耐え得る強度を有する必要がある。さらに、永久磁石２３およびコイル１２による磁束に影響を与えないように、保持部材２５は非磁性体であることが好ましい。したがって、保持部材２５の材料としては、例えば、オーステナイト系ステンレスが好ましい。また、図５に示すように、例えば保持部材２５は、第１磁性体２１および第２磁性体２２を放射線状に固定する枠２１ａおよび２２ａが形成された形状であって、円形とすればよい。具体的には、円環状部材と、回転軸３から外周方向へと放射線状に伸びる数本の部材とが一体化された形状、つまり自転車の車輪や水車のような形状とすればよい。

上述のように、本実施の形態に係るアキシャル型モータ１００において、ギャップ２４、２６、２７が形成されているが、このように、ギャップ２４、２６、２７が形成されることによって、永久磁石２３からの磁束を、永久磁石２３の法線方向から広がるように流出することを抑制することができる。したがって、永久磁石２３からの磁束を、永久磁石２３の法線方向、すなわち回転軸３に対して平行である方向に多く流出させることができる。それにより、ギャップ２４、２６、２７が形成されていない場合に比べて、コイル１２と永久磁石２３との間に生じる磁気的な吸引力および反発力を増大させることができるため、アキシャル型モータ１００の磁石トルクを大きくすることができる。かりに、ギャップ２４、２６、２７が存在しない場合は、永久磁石２３からの磁束は、隣接（近接）する永久磁石２３あるいは第２磁性体２２等へと流れる成分が増加し、永久磁石２３の法線方向へと流れる成分が減少するため、アキシャル型モータ１００の磁石トルクは低くなる。

ここで、ギャップ２４およびギャップ２６のギャップ長は、ロータ２とステータ１との間に形成されたギャップ１３のギャップ長よりも大きいことが好ましい。それにより、永久磁石２３から流出される磁束は、隣接する永久磁石２３あるいは第２磁性体２２等へと流れる磁束を減少させ、永久磁石２３の法線方向（回転軸３に対して平行な方向）の磁束を増加させるという効果を奏する。それにより、アキシャル型モータ１００の磁石トルクを増加させることができる。

なお、上述のように、ギャップ２４およびギャップ２６のギャップ長が、ギャップ１３のギャップ長よりも大きければ、永久磁石２３の法線方向の磁束を増加させるという効果が得られる。しかし、同じ大きさのアキシャル型モータ１００において、ギャップ２４およびギャップ２６のギャップ長を増加させると、永久磁石２３、第１磁性体２１および第２磁性体２２の容量は減少させることになる。したがって、ギャップ２４およびギャップ２６のギャップ長を増大しすぎると、逆に磁石トルクが減少してしまう。例えば、ギャップ２４およびギャップ２６のギャップ長を、ギャップ１３のギャップ長の１０倍よりも大きくすると、高トルクを得ることが困難になる可能性がある。したがって、ギャップ２４およびギャップ２６のギャップ長は、ギャップ１３のギャップ長よりも大きく、ギャップ１３のギャップ長の１０倍以下とすることが好ましい。

次に、第１磁性体および第２磁性体の輪郭線と、コイル１２の輪郭線との関係について説明する。図６は、第１磁性体および第２磁性体の輪郭線と、コイルの輪郭線との関係を説明するための図である。より具体的には、図６は、ロータ２に配置された第１磁性体２１および第２磁性体２２と、ティース１１に導線が巻かれることで形成されたコイル１２との位置関係を示している図である。なお、図６は回転軸３と平行な方向から見た図である。ロータ２は回転するため、上記位置関係は、随時変化している。図６には、特に、ロータ２が回転した場合における、コイル１２の輪郭線のうち、ロータ２の回転方向と交差する輪郭線１２ａと、第１磁性体２１および第２磁性体２２の輪郭線のうち、ロータ２の回転方向と交差する輪郭線２１ｂおよび２２ｂとの位置関係が示されている。図６に示すように、本実施の形態に係るアキシャル型モータ１００において、ロータ２が回転することによりステータ１のロータ２に対する相対的な位置関係が変化したとしても、輪郭線１２ａと輪郭線２１ｂおよび２２ｂとは、平行とはならない。また、ギャップ２４における回転方向の間隔は略均一であることから、ギャップ２４は略直線状であり、このギャップ２４と輪郭線１２ａとも平行にはならない。このように、ロータ２が回転している場合に、コイル１２の輪郭線１２ａは、ギャップ２４と非平行に交差することから、コイル１２および永久磁石２３の間に生じる磁気的な吸引力・反発力により生じるトルクの増減は徐々になされることとなる。それにより、スムーズにロータ２を回転させることができるという効果を奏する。つまり、コギングを減少させることができる。

なお、図６においては、ギャップ２４における回転方向の間隔が略均一、すなわちギャップ２４が略直線状である場合を例に説明したが、コギングを減少させる効果については、必ずしもギャップ２４を略直線状とする必要はなく、ギャップ２４の中心線が、ロータ２の回転方向に対して交差する、コイル１２の輪郭線１２ａと、非平行状態を保ちながら接離するように構成できれば、同様の効果を得ることができる。しかし、作製の容易さなどの観点からは、図６のようにギャップ２４における回転方向の間隔が略均一として、ギャップ２４を略直線状とするように構成することが好ましい。

次に、本実施の形態に係るアキシャル型モータの動作について説明する。本実施の形態に係るアキシャル型モータにおいて、コイル１２を形成する導線に電流を流すことで、永久磁石２３と、回転軸３に平行な方向に対向する磁極がコイル１２に形成される。そして、隣接するティース１１に巻かれた導線に順次電流を流すことで、ティース１１が順次磁化され、回転磁界を発生させる。回転磁界が発生することで、ロータ２の永久磁石２３が回転磁界と相互作用して、吸引および反発作用が生じるため、ロータ２が回転し、磁石トルクを得ることができる。また、隣接する永久磁石２３の間に第２磁性体２２が設置されていることから、これら第２磁性体２２についても回転磁界に吸引されることで、永久磁石２３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ことができる。なお、より強いリラクタンストルクを得るために、第２磁性体２２は強磁性体であることが望ましい。また、第２磁性体２２の設置位置は、ステータ１に順次形成される磁極に吸引されて、ロータ２の回転を促す位置とすればよい。すなわち、少なくとも隣接する永久磁石２３の間に第２磁性体２２が存在すればよい。

このように、本実施の形態に係るアキシャル型モータ１００においては、磁石トルクだけでなく、第２磁性体２２を設けたことにより、リラクタンストルクが生じる。したがって、永久磁石２３の量を減少した場合でも、それにより減少した磁石トルクの分をリラクタンストルクにより補うことができ、全体としては同等のトルクを得ることができる。つまり、永久磁石２３の量を減少させて、アキシャル型モータ１００の容積を減少させて小型化を図った場合であっても、減少前と同様のトルクを実現することができるという効果を奏する。また、永久磁石２３の量を増加させなくとも、トルクを増加させることができるため、アキシャル型モータ１００の高出力化（高トルク化）が可能であるという効果を奏する。

また、上述のように、本実施の形態に係るアキシャル型モータ１００において、第１磁性体２１が、各永久磁石２３の表面および裏面を覆うように設置されていることにより、いわゆる弱め界磁制御を行うことが可能となる。アキシャル型モータ１００のロータ２を回転させた場合、永久磁石２３がコイル１２を横切ることによる磁束の変化により、コイル１２には逆起電力が発生する。そのため、ロータ２を高速回転させる場合に、この逆起電力が大きくなるために、駆動電流を高めても回転数が上がらなくなるという現象が起きる。このような、高速回転での出力低下を抑制するためにはコイルで発生させる磁界（界磁）を弱める、いわゆる弱め界磁制御を行うことが好ましい。それにより、逆起電力を抑制することができることから、出力低下を抑制できる。弱め界磁制御を行うためには、永久磁石２３の磁力を弱めればよく、例えば、コイル１２と永久磁石２３の距離を離せばよい。しかし、そのように、これらの距離を離すことで、アキシャル型モータ１００のトルクは低下することになる。そこで、本実施の形態に係るアキシャル型モータ１００のように、第１磁性体２１により、各永久磁石２３の表面および裏面を覆うことで、第１磁性体２１の厚さ分だけコイル１２と永久磁石２３との距離を離すことができ、弱め界磁制御を行うことができる。さらに、永久磁石２３とコイル１２との間には、第１磁性体２１が存在することから、相互に影響し合う永久磁石２３およびコイル１２の磁束を弱めることがない。そのため、トルクの低下も少なくてすむ。このように、第１磁性体２１が永久磁石２３の表面および裏面を覆うように設置されることにより、弱め界磁制御が有効に作用し、高速回転における出力向上を図ることができる。

また、モータのトルクは原理上、永久磁石２３の磁界と、コイル１２により生じた磁界との吸引・反発力により発生する。すなわち、永久磁石２３表面はコイル１２により生じた磁界中に入ることになる。コイル１２により生じた磁界は交流磁界であるため、永久磁石２３表面が導体であれば渦電流が生じ、渦電流損が発生する。この渦電流の発生を抑制できることが好ましく、例えば永久磁石２３の表面と裏面とを覆う第１磁性体２１の電気抵抗を大きくすればよい。そこで、本実施の形態に係るアキシャル型モータ１００においては、第１磁性体２１として、電気抵抗が高い材料である圧粉磁心材料を用いている。それにより、渦電流を抑制することができ、損失増大を抑制しつつ高トルクが得られるという効果を奏する。また、同様に、第２磁性体２２においても、コイル１２で発生させた磁界中に入ることになる。したがって、第２磁性体２２においても、渦電流損を抑制する材料で構成することが好ましい。そこで、本実施の形態に係るアキシャル型モータ１００においては、第２磁性体２２として、電気抵抗が高い材料である圧粉磁心材料を用いている。それにより、渦電流を抑制することができ、損失増大を抑制しつつ高トルクが得られるという効果を奏する。

以上、本実施の形態に係るアキシャル型モータ１００について説明したが、この本実施の形態に係るアキシャル型モータ１００を実際に作製してその性能評価を行った結果を、実施例として以下に示す。実施例に用いた本実施の形態に係るアキシャル型モータ１００の条件は、回転速度を２４００ｒ／ｍｉｎ（規定速度）とし、回転角度を９０ｄｅｇ／５ｄｅｇとし、電流密度を６Ａ／ｍｍ^２とし、電流位相を０、２０、３０、４０、６０、７０、８０ｄｅｇとし、φ０．６、１３並列、２３ターン（占積率：４５．５％）とした。また、図７は、実施例に用いたアキシャル型モータの各寸法について示した図である。図７は図２と対応する図とし、各寸法の単位はｍｍである。図８は、実施例におけるアキシャル型モータおよび従来のモータの電位位相と平均トルクとの関係を示すグラフである。図８において、実線で表したものが、実施例におけるアキシャル型モータによる測定結果である。また、図８において、破線で表したものが、比較例である従来のモータによる測定結果である。なお、比較例とした従来のモータとしては、実施例におけるアキシャル型モータと同体格のラジアルモータを用いている。図８より分かるように、電流位相が３０ｄｅｇにおいて、どちらのモータも平均トルクが最大値となっている。実施例によるモータの平均トルクは２４．２８Ｎｍであるが、比較例によるモータの平均トルクは、１４．０２Ｎｍである。したがって、実施例のモータは高出力を達成している。

また、図９は、実施例におけるアキシャル型モータおよび従来のモータの回転角度とトルクとの関係を示すグラフである。図９において、実線で表したものが、実施例におけるアキシャル型モータによる測定結果である。また、図９において、破線で表したものが、比較例である従来のアキシャル型モータによる測定結果である。また、細線で表した一定の値は、これらのモータの平均トルクである。なお、比較例は、ロータ２が回転した際に、コイル１２の輪郭線１２ａがギャップ２４と平行となる構成である。図９より分かるように、比較例の方が、回転角度ごとのトルクにばらつきがある。したがって、実施例に比べて比較例の方が、大きなコギングが生じていることがわかる。このように、実施例のモータはコギングが生じにくい。

以上のように、本発明の実施の形態に係るアキシャル型モータ１００は、これまで提案されてきたアキシャル型構造をベースに、より一層の高出力化（高トルク化）を実現できる。また、本発明の実施の形態に係るアキシャル型モータ１００は、高いトルクを発生できることから、従来に比して小型化しても、従来並、あるいはそれ以上のトルクを発生させることができる。すなわち、高効率化（小型化）を達成できる。

本発明を表現するために、上述において図面を参照しながら実施形態を通して本発明を適切且つ十分に説明したが、当業者であれば上述の実施形態を変更および／または改良することは容易に為し得ることであると認識すべきである。したがって、当業者が実施する変更形態または改良形態が、請求の範囲に記載された請求項の権利範囲を離脱するレベルのものでない限り、当該変更形態または当該改良形態は、当該請求項の権利範囲に包括されると解釈される。

１ ステータ
１ａ ステータコア
２ ロータ
３ 回転軸
４ ケーシング
１１ ティース
１２ コイル
１２ａ、２１ｂ、２２ｂ 輪郭線
１３、２４、２６、２７ ギャップ
２１ 第１磁性体
２１ａ、２２ａ 枠
２２ 第２磁性体
２３ 永久磁石
２５ 保持部材
１００ アキシャル型モータ

Claims (7)

1. 回転軸の周りに、回転方向に沿って配置された、前記回転軸に対して平行な方向に磁極の方向を有する複数の永久磁石を備えた回転子と、
   前記回転子に配置された前記永久磁石と、前記回転軸に平行な方向に対向する磁極を形成するコイルを有する一対の固定子とを備え、
   互いに隣接する前記永久磁石の磁極の向きは逆であり、
   前記各永久磁石は前記固定子側を第１磁性体で覆われ、かつ互いに隣接する永久磁石間および互いに隣接する前記第１磁性体間には第２磁性体が設置され、
   前記第２磁性体と、前記第２磁性体に隣接する前記永久磁石との間には第１ギャップが形成され、
   前記第２磁性体と、前記第２磁性体に隣接する前記第１磁性体との間には第２ギャップが形成されている、アキシャル型モータ。
2. 前記第１磁性体は、圧粉磁心材料で構成されている、請求項１に記載のアキシャル型モータ。
3. 前記第２磁性体は、圧粉磁心材料で構成されている、請求項１または請求項２に記載のアキシャル型モータ。
4. 前記第１ギャップおよび前記第２ギャップのギャップ長は、前記固定子と前記回転子との間に形成された第３ギャップのギャップ長よりも大きい、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のアキシャル型モータ。
5. 前記回転子は、前記第１磁性体および前記第２磁性体を保持する、非磁性である保持部材を備えている、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のアキシャル型モータ。
6. 前記回転子が回転した際に、前記回転子の回転方向に対して交差する前記コイルの輪郭線と、前記第２ギャップの中心線とは、非平行状態を保ちながら接離する、請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のアキシャル型モータ。
7. 前記第２ギャップにおいて、前記回転子の回転方向の間隔は略均一であって、前記第２ギャップは略直線状である、請求項６に記載のアキシャル型モータ。

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