JP2011078202A - Axial gap motor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ステータの両端面側にロータを配置したアキシャルギャップモータに関し、詳しくは、磁石(永久磁石)を用いて小型化、高効率化を図る新規な構造に関する。 The present invention relates to an axial gap motor in which a rotor is disposed on both end surfaces of a stator, and more particularly, to a novel structure that achieves miniaturization and high efficiency using a magnet (permanent magnet).
従来、電気自動車の駆動モータ等に有用なアキシャルギャップモータは、最も簡単なロータとステータを1個ずつ備える場合、ロータとステータの対向する端面側にロータ磁極、ステータ磁極それぞれが円周方向に配設される。ステータ磁極の集中巻きのコイルが相順に通電励磁されることにより、ステータ磁極とロータ磁極の磁気的な作用にしたがって、ロータが回転してモータ軸が回転する。 Conventionally, an axial gap motor useful for a drive motor of an electric vehicle or the like is provided with one simplest rotor and stator, and the rotor magnetic pole and the stator magnetic pole are respectively arranged in the circumferential direction on the opposite end surfaces of the rotor and the stator. Established. When the concentrated winding coil of the stator magnetic pole is energized and excited in order, the rotor rotates and the motor shaft rotates in accordance with the magnetic action of the stator magnetic pole and the rotor magnetic pole.
そして、アキシャルギャップモータは、高出力化に伴う軸方向の長さの増加がラジアル型のスイッチドリラクタンスモータより小さく、軽量、小型になる利点がある。 The axial gap motor has the advantage that the increase in the axial length associated with higher output is smaller than that of the radial type switched reluctance motor, and is lighter and smaller.
ところで、この種のアキシャルギャップモータには、ロータ磁極を永久磁石で構成したものがある。 By the way, in this type of axial gap motor, there is one in which the rotor magnetic pole is constituted by a permanent magnet.
図21は従来のそのようなアキシャルギャップモータの一例を示す。図21のアキシャルギャップモータ(アキシャルギャップ回転電機)100は、円盤状のロータ(回転子)110とステータ(固定子)120を空隙を挟んで軸線方向に対向させた構成であり、ロータ110は周方向に離散的に配置された突極112と永久磁石111をロータ磁極として備える。そのため、マグネットトルクとリラクタンストルクを併用できる。なお、図中の113はロータ110のバックヨーク、121はステータ120ステータ磁極としての突起、122は突極121を励磁するコイル(巻線)、123はステータ120のバックヨークである(例えば、特許文献1(段落[0010]−[0013]、図1等)参照)。
FIG. 21 shows an example of such a conventional axial gap motor. An axial gap motor (axial gap rotating electric machine) 100 in FIG. 21 has a configuration in which a disc-shaped rotor (rotor) 110 and a stator (stator) 120 are opposed to each other in the axial direction with a gap interposed therebetween. Salient poles 112 and permanent magnets 111 arranged discretely in the direction are provided as rotor magnetic poles. Therefore, magnet torque and reluctance torque can be used together. In the figure, 113 is a back yoke of the rotor 110, 121 is a projection as a
図22は従来のアキシャルギャップモータの他の例のロータ構造を示す。図22のロータ構造の従来のアキシャルギャップモータは、ロータの各ロータ磁極を永久磁石により形成したものであり、そのロータ200は、両端面側にステータを配置するため、1つのロータコア240と、該ロータコア240を挟み込むように両側に設けた2つのフレーム部材241、242と、該フレーム部材241、242の複数の磁石型枠穴241a、242aにそれぞれ設けた永久磁石243、244とにより構成される。
FIG. 22 shows a rotor structure of another example of a conventional axial gap motor. The conventional axial gap motor having the rotor structure shown in FIG. 22 is one in which each rotor magnetic pole of the rotor is formed by a permanent magnet, and the
この場合、永久磁石243に作用する遠心力をロータコア240とフレーム部材241とが分担するので堅牢な構造になり、遠心力を受けるけるフレーム枠の太さを小さくすることで、永久磁石243のサイズを大きくでき、トルク、出力を向上できるというものである(例えば、特許文献2(要約書、段落[0031]、[0054]、図1、図2等)参照)。
In this case, the
つぎに、本願の出願人は、ロータの両端面側にステータを配設する構造のアキシャルギャップモータを既に出願している(特願2009−011523号)。 Next, the applicant of the present application has already filed an application for an axial gap motor having a structure in which a stator is disposed on both end faces of a rotor (Japanese Patent Application No. 2009-011523).
図23は前記既出願の3相駆動のアキシャルギャップモータ300の構造を示し、アキシャルギャップモータ300は、ステータ310の両端面側にロータ320、330を配置し、ロータ磁極321、331を軟磁性材等で形成された突極構造としたものである。
FIG. 23 shows the structure of the already-applied three-phase drive
そして、アキシャルギャップモータ300は、ステータ310の軸方向の一方の端面および他方の端面に周方向に各相のステータ磁極311、312が相順のくり返しで配置され、それらの集中巻きのコイル(図示せず)の通電励磁により、一方の端面の各相のステータ磁極311がN極、他方の端面の各相のステータ磁極312がS極に相順に励磁される。また、ステータ310の両側にステータ310に対向してロータ320、330が配置され、ロータ320、330は、それぞれ周方向に突極構成の複数のロータ磁極321、331が配置される。また、ステータ310の心孔を貫通する環状の磁路形成部材340によりロータ320、330間の磁路が形成される。
In the
そして、ステータ310の両端面のステータ磁極311、312の集中巻きのコイルが相順に通電励磁されることにより、ステータ310は一方の端面の磁極位置が円周方向に移動しながらN極に励磁され、他方の端面の磁極位置が円周方向に移動しながS極に励磁され、ステータ磁極311、312と対向するロータ磁極321、331の磁気的な作用によりロータ320、330が回転する。
Then, the concentrated winding coils of the stator
特許文献1、2に記載のアキシャルギャップモータ等のロータ磁極を永久磁石で構成した従来のアキシャルギャッブモータは、つぎのような問題がある。
The conventional axial gab motor in which the rotor magnetic poles such as the axial gap motors described in
<1>ロータ磁極を形成する永久磁石111、243、244は減磁の恐れがある。そのため、永久磁石111、243、244には保磁力の高い磁石が必要となり、その結果、モータが高価になる問題がある。
<1> The
(1)永久磁石111、243、244の内部に渦電流損失が生じて高温になる。スロットリプルやスイッチングによる電流脈動等で生じる磁界の変動に、永久磁石111、243、244の表面が直接さらされることが原因である。
(1) Eddy current loss occurs in the
(2)永久磁石111、243、244に逆方向の磁界がかかる。ステータ磁極のコイルが交番磁界(N極とS極のくり返し)を発生させるものであるため、永久磁石111、243、244の磁極に逆磁界がかかることは避けられない。特許文献1のアキシャルギャップモータの場合は、逆突極ロータ構造(Ld<Lq)でリラクタンストルクを活用するため、永久磁石111の磁束を全体的に打ち消す向きの磁界がステータ120のコイル122により発生する。特許文献2のアキシャルギャップモータの場合は、永久磁石243、244の磁束とは位相のずれた磁界をステータのコイルにより発生してトルクを発生させるため、永久磁石111、243、244に部分的に反対向きの磁界がかかる。
(2) A magnetic field in the reverse direction is applied to the
そして、高温で逆方向の磁界を受けると、ロータ磁極を形成する永久磁石111、243、244は減磁の恐れがある。この滅磁に対して保磁力を高めるため、永久磁石111、243、244はレアアース元素(Dy、Tb等)の添加が必要であり、永久磁石111、243、244が高価になる。
When receiving a reverse magnetic field at a high temperature, the
<2>ロータが高回転すると、永久磁石111、243、244に遠心力がかかるので、その保持・破損防止の策が必要になる問題もある。
<2> When the rotor rotates at a high speed, centrifugal force is applied to the
具体的には、特許文献2のように永久磁石243、244に作用する遠心力をロータコア240とフレーム部材241とが分担する堅牢な磁石保持構造が必要である。永久磁石111、243、244に生じる応力が避けられないため、何らかの破損防止策(例えば、最高回転数の制限や堅牢な磁石保持構造)が必要になる。
Specifically, as in
本発明は、ステータの両端面側にロータを配置した構造のアキシャルギャップモータにおいて、安価な磁石(永久磁石)を用いて小型化、高効率化を図ることを目的とし、さらには、堅牢な磁石保持構造を不要にすることも目的とする。 The present invention aims to reduce the size and increase the efficiency by using an inexpensive magnet (permanent magnet) in an axial gap motor having a structure in which a rotor is arranged on both end sides of a stator. Another object is to eliminate the need for a holding structure.
上記した目的を達成するために、本発明のアキシャルギャップモータは、軸方向の一方の端面に周方向に配置された各ステータ磁極をN極、前記軸方向の他方の端面に周方向に配置された各ステータ磁極をS極に励磁するコイルを有するステータと、前記ステータの両側に前記ステータに対向して配置され、それぞれ周方向に複数のロータ磁極が配置されたロータと、前記ステータの中心孔を貫通して両ロータ間の磁路を形成する磁路形成部材とを備えたアキシャルギャップモータであって、前記ステータ、前記ロータ間の磁路中に、前記コイルの励磁による磁界と同じ向きの界磁を発生する磁石が配置されていることを特徴としている(請求項1)。 In order to achieve the above-described object, the axial gap motor of the present invention is arranged such that each stator magnetic pole arranged circumferentially on one end face in the axial direction has N poles and circumferentially arranged on the other end face in the axial direction. A stator having a coil for exciting each stator magnetic pole to the S pole, a rotor disposed on both sides of the stator so as to face the stator, and a plurality of rotor magnetic poles disposed in the circumferential direction, and a center hole of the stator An axial gap motor having a magnetic path forming member that forms a magnetic path between the rotors through the stator, the magnetic path between the stator and the rotor having the same orientation as the magnetic field generated by excitation of the coil A magnet for generating a field is arranged (claim 1).
また、本発明のアキシャルギャップモータは、前記ステータが一方の端面側部分と他方の端面側部分とからなり、前記ステータの前記両端面側部分間に磁石が配置されていることを特徴としている。(請求項2)。 In the axial gap motor of the present invention, the stator includes one end surface side portion and the other end surface side portion, and magnets are disposed between the both end surface side portions of the stator. (Claim 2).
また、本発明のアキシャルギャップモータは、前記ステータの前記両端面側部分間の磁石はリング形状であり、前記ステータの前記両端面側部分および該両端面側部分間の磁石は、前記ロータ磁極より径方向に幅広であることを特徴としている(請求項3)。 Further, in the axial gap motor of the present invention, the magnet between the both end face side portions of the stator is ring-shaped, and the magnet between the both end face side portions and the both end face side portions of the stator is formed from the rotor magnetic pole. It is wide in the radial direction (claim 3).
また、本発明のアキシャルギャップモータは、前記磁路形成部材の少なくとも一部が磁石で形成されていることを特徴としている(請求項4)。さらに、前記磁路形成部材の少なくとも一部を形成する磁石は、リング形状であることを特徴としている(請求項5)。 In addition, the axial gap motor of the present invention is characterized in that at least a part of the magnetic path forming member is formed of a magnet (claim 4). Furthermore, the magnet forming at least a part of the magnetic path forming member has a ring shape (Claim 5).
また、本発明のアキシャルギャップモータは、前記磁路形成部材の少なくとも一部を形成する磁石が、前記ロータの通電相の前記ロータ磁極の総和面積より端面積が大きいことを特徴としている(請求項6)。 Further, the axial gap motor of the present invention is characterized in that the magnet forming at least a part of the magnetic path forming member has an end area larger than the total area of the rotor magnetic poles of the energized phase of the rotor. 6).
また、本発明のアキシャルギャップモータは、前記磁路形成部材と前記ロータの磁極の内周側との間に磁石が配置されていることを特徴としている(請求項7)。 Moreover, the axial gap motor of the present invention is characterized in that a magnet is disposed between the magnetic path forming member and the inner peripheral side of the magnetic pole of the rotor.
また、本発明のアキシャルギャップモータは、前記ロータの前記ロータ磁極を囲むように磁石が配置されていることを特徴としている(請求項8)。 Moreover, the axial gap motor of the present invention is characterized in that a magnet is arranged so as to surround the rotor magnetic pole of the rotor.
請求項1に係る本発明のアキシャルギャップモータの場合、ステータ、ロータ間の磁束は一方向に進み、交番しない。そして、ステータ、ロータおよびロータ間をつなぐ磁路形成部材間の磁路中に、ステータ磁極のコイルの励磁による磁界と同じ向きの界磁を発生する磁石(永久磁石)を配置する構成であるため、磁石は減磁されない。 In the axial gap motor according to the first aspect of the present invention, the magnetic flux between the stator and the rotor advances in one direction and does not alternate. And, in the magnetic path between the stator, the rotor, and the magnetic path forming member that connects the rotors, a magnet (permanent magnet) that generates a field in the same direction as the magnetic field generated by excitation of the stator magnetic pole coil is arranged. The magnet is not demagnetized.
また、ステータ、ロータ間のモータの磁路中に直列に界磁を発生する磁石(コイルからみた磁気抵抗は大きく、大ギャップに相当)が挿入されるため、コイルのインダクタンスが小さくなって電流の立上りが速くなる。 In addition, a magnet that generates a magnetic field in series in the magnetic path of the motor between the stator and the rotor (the magnetic resistance seen from the coil is large and corresponds to a large gap) is inserted, so that the inductance of the coil is reduced and the current is reduced. Rise is faster.
さらに、ステータの両端側のステータ磁極の配置(位相)をずらし、両端面側のステータ磁極を軸方向に重ねて見た場合にN極とS極とが周方向に交互に倍の個数配置されるのと等価の状態にすることにより、励磁を切り替えた相の磁路がすでに励磁されている相の磁路を跨ぐことになり、磁路の共通部分が磁気飽和してインダクタンスが低下し、電流の立上りがより速まる利点もある。 Further, when the arrangement (phase) of the stator magnetic poles on both ends of the stator is shifted and the stator magnetic poles on both ends are overlapped in the axial direction, double the number of N poles and S poles are alternately arranged in the circumferential direction. In this state, the magnetic path of the phase to which excitation is switched crosses the magnetic path of the already excited phase, the common part of the magnetic path is magnetically saturated, and the inductance is reduced. There is also an advantage that the rise of current is faster.
したがって、安価で厚みの薄い磁石を用いた安価な構成で小型化、高効率化を図ることができる。 Therefore, it is possible to reduce the size and increase the efficiency with an inexpensive configuration using an inexpensive and thin magnet.
請求項2に係る本発明のアキシャルギャップモータの場合、ステータをヨーク中央で分割し、ステータの一方の端面側と他方の端面側との間に、ステータ磁極のコイルの励磁による磁界と同じ向きの界磁を発生する磁石が配置されているため、磁石は減磁されない。また、磁束の脈動に磁石がさらされることもなく、ステータにより磁束が平均化される利点もある。しかも、ステータは回転しないので堅牢な磁石保持構造が不要である。
In the case of the axial gap motor of the present invention according to
したがって、堅牢な磁石保持構造が不要な構成で、一層安価に小型化、高効率化を図ることができる。 Therefore, it is possible to achieve downsizing and high efficiency at a lower cost with a configuration that does not require a robust magnet holding structure.
請求項3に係る本発明のアキシャルギャップモータの場合、ステータの両端面側部分間の磁石がリング形状で簡単に実現できる。しかも、ステータの両端面側部分および該両端面側部分間の磁石がロータ磁極より径方向に幅広であるので、磁束を分散でき、局所的な磁気飽和が起こりにくく、磁束の低下(トルク低下)を防止できる利点も生じ、一層の小型化、高効率化を図ることができる。 In the case of the axial gap motor according to the third aspect of the present invention, the magnet between the end face side portions of the stator can be easily realized in a ring shape. In addition, since both end side portions of the stator and the magnet between the both end side portions are wider in the radial direction than the rotor magnetic poles, magnetic flux can be dispersed, local magnetic saturation is unlikely to occur, and magnetic flux is reduced (torque reduction). As a result, it is possible to further reduce the size and increase the efficiency.
請求項4に係る本発明のアキシャルギャップモータの場合、ステータ磁極のコイルの励磁による磁界と同じ向きの界磁を発生する磁石として、磁路形成部材の少なくとも一部に代わるモータ軸方向に長く大きな磁石を配置できるので、減磁に強い構造で一層高効率に形成でき、さらに、その磁石として低グレードの一層安価な磁石を用いることができる。また、ステータやロータから離して磁石を配置するのでステータのコイルや磁極の発熱の影響を受けることもない。また、磁束の変動が少なく、磁石自体の発熱(渦損失)も小さくなって磁石の温度を低くできる。その上、その磁石がモータ軸に近い位置に設けられ、遠心力の影響も受けにくい。
In the case of the axial gap motor of the present invention according to
したがって、一層安価な構成で一層の小型化、高効率化を図ることができる。 Therefore, further downsizing and higher efficiency can be achieved with a more inexpensive configuration.
請求項5に係る本発明のアキシャルギャップモータの場合、磁路形成部材の少なくとも一部を形成する磁石を、リング形状で簡単に実現でき、しかも、遠心力に一層強い構造に形成できる。
In the case of the axial gap motor of the present invention according to
請求項6に係る本発明のアキシャルギャップモータの場合、磁路形成部材の少なくとも一部を形成する磁石は、ロータの通電相の前記ロータ磁極の総和面積より端面積が大きいため、磁石の十分な磁路断面積を確保して磁束の漏れを防止し、また、磁石の表面密度磁束よりもロータ磁極とステータ磁極間のギャップ磁束密度を高めることができるので、一層の小型化、高効率化を図ることができる。
In the case of the axial gap motor of the present invention according to
請求項7に係る本発明のアキシャルギャップモータの場合、磁路形成部材とロータの磁極の内周側との間に空いたスペースを有効利用して、ステータ磁極のコイルの励磁による磁界と同じ向きの界磁を発生する磁石を配置し、安価な構成で小型化、高効率化を図ることができる。
In the case of the axial gap motor of the present invention according to
請求項8に係る本発明のアキシャルギャップモータの場合、ロータ磁極を囲むように配置された磁石により、ステータ磁極のコイルの励磁による磁界と同じ向きの界磁を発生し、逆磁界がからないようにして、安価な構成で小型化、高効率化を図ることができる。
In the case of the axial gap motor of the present invention according to
つぎに、本発明をより詳細に説明するため、実施形態について、図1〜図20を参照して詳述する。なお、それらの図面においては、モータ軸等は適宜省略している。 Next, in order to describe the present invention in more detail, embodiments will be described in detail with reference to FIGS. In these drawings, the motor shaft and the like are omitted as appropriate.
(第1の実施形態)
第1の実施形態について、図1〜図7を参照して説明する。
(First embodiment)
A first embodiment will be described with reference to FIGS.
図1(a)は本実施形態の3相A、B、C駆動のアキシャルギャップモータ1aの構成を示す軸方向の断面図であり、同図(b)はアキシャルギャップモータ1aのモータ軸2の出力側(紙面左側)から見た端面図である。それらの図面に示すように、2個のロータ(ロータコア)3a、3bは円盤状のヨーク31が図2のモータ軸2に出力側から順に間隔を設けて軸着されている。なお、モータ軸2は非磁性体で形成され、抜け止め等を考慮して出力側から順に径が大、中、小になっている。両ロータ3a、3b間には1個のステータ4が配置されている。ステータ4は円盤状のヨーク41を有し、ヨーク41の径大の中心孔42がモータ軸2に遊挿状態で貫通している。円筒状の磁路形成部材5はモータ軸2に装着された状態で中心孔42を貫通し、磁路形成部材5の両端面がロータ3a、3bのヨーク31に対向する端面に当接して延長部をなす接合面を形成し、磁路形成部材5はロータ3a、3bに接続されてロータ3a、3b間の磁路を形成する。なお、ヨーク31、41等は軟磁性体で形成されている。
FIG. 1A is an axial sectional view showing a configuration of a three-phase A, B, C drive axial gap motor 1a of this embodiment, and FIG. 1B is a diagram of the
さらに、両ロータ3a、3bは、ステータ4に対向する端面に例えば8個のロータ磁極6が周方向に等間隔に配設されている。ステータ4は、ロータ3aに対向する一方の端面41a側および、ロータ3bに対向する他方の端面41b側に、A相、B相、C相の順の例えば12個のステータ磁極7a、7bが周方向に等間隔に配設されている。
Further, in each of the rotors 3a and 3b, for example, eight rotor
図2(a)、(b)は図1(a)の矢印線D、Eの方向に見たステータ4の端面41a、41bの平面図である。それらの図面に示すように、ステータ4の一方の端面41a側には、それぞれの集中巻きのコイル8の通電により全てN極に励磁される12個のステータ磁極7aが周方向に等間隔に配設され、ステータ4の他方の端面41b側にはそれぞれの集中巻きのコイル8の通電により全てS極に励磁される12個のステータ磁極7bが周方向に等間隔に配設されている。
2A and 2B are plan views of the end faces 41a and 41b of the
図3(a)、(b)は図1(a)の矢印線F、Gの方向に見たロータ3a、3bのステータ4に対向する端面31a、31bの平面図である。それらの図面に示すように、ロータ3aの端面31aの各ロータ磁極6は全てS極であり、ロータ3bの端面31bの各ロータ磁極6は全てN極である。
3A and 3B are plan views of end faces 31a and 31b facing the
このとき、ステータ4の一方の端面41a側のステータ磁極7aと、他方の端面41b側のステータ磁極7bとの配置が周方向にずらされ、モータ軸2方向からステータ4を見ると、ステータ磁極7aの間にステータ磁極7bが位置し、アキシャルギャップモータ1aはステータ4の磁極数が倍の24極になったのと等価の状態になり、その分磁束が分散してヨーク41の厚みを薄くすることができる。
At this time, the arrangement of the stator
端面31a、31bの各ロータ磁極6は、いわゆる突極であってもよいが、本実施形態の場合、界磁を発生して積極的にロータ3a、3b、ステータ4間の磁路の磁束を増大するため、それぞれ磁石(永久磁石)により形成され、対向するステータ磁極7a、7bと逆の極性である。そして、各ロータ磁極6の磁石はステータ4、ロータ3a、3b間の磁路中に、コイル8の励磁による磁界と同じ向きの界磁を発生する。
Each of the rotor
そして、アキシャルギャップモータ1aは3相駆動により、ステータ4の各ステータ磁極7a、7bのコイル8が電気角120度毎にA相、B相、C相の相順に励磁される。このとき、ステータ4は両端面41a、41bのステータ磁極7a、7bをヨーク41により繋いだ構成であり、アキシャルギャップモータ1aは、ステータ4と、ロータ3a、3bと、ロータ3a、3b間の軸方向の磁路を形成する磁路形成部材5とにより、磁束が軸方向および周方向に進む立体磁路が形成される。
In the axial gap motor 1a, the
そして、前記した3相駆動により、電気角120度ずれて、4つのA相の各ステータ磁極7a、7bの通電励磁、A相の各ステータ磁極7a、7bの隣の4つのB相の各ステータ磁極7a、7bの通電励磁、それらの隣の4つのC相の各ステータ磁極7a、7bの通電励磁が順にくり返されてモータ軸2が回転する。このとき、コイル8の励磁による磁界により、磁束は、N極のステータ磁極7bから出てロータ3bのロータ磁極6、磁路形成部材5、ロータ3aのロータ磁極6を通ってS極のステータ磁極7aに入る。
Then, by the above-described three-phase driving, the electrical angle is shifted by 120 degrees, and the four A-phase stator
この場合、各ロータ磁極6にはコイル8の励磁による磁界と同じ向きの界磁が発生する。また、磁束はステータ4、ロータ3a、3b間の磁路を一方向に進み、交番しないので、各ロータ磁極6の磁石は減磁されることがない。すなわち、[i]磁石に逆磁界がかからない。[ii]磁石の磁束の変動が抑えられ、磁石内部の渦電流を防ぎ温度上昇を抑えることができる。[iii]磁路に直列に磁石(コイル8から見た磁気抵抗は大きく、大ギャップに相当)が挿入されるため、コイル8のインダクタンスが小さ<なったのと等価の状態になり、電流の立上りが速くなる。[iv]ステータ4の両端面41a、41bのステータ磁極7a、7bの配置(位相)をずらし、モータ軸2方向に重ねてみた場合に、周方向に異なる相の異なる磁極のステータ磁極7a、7bが配置されるようになるので、励磁相を切り替えたたときに、新たに励磁される相の磁路がすでに励磁されている相の磁路を跨ぐことになり、磁路の共通部分が磁気飽和してインダクタンスが低下し、電流の立上りをより速めることもできる。
In this case, a field having the same direction as the magnetic field generated by the excitation of the
したがって、アキシャルギャップモータ1aは、つぎのような効果を奏する。 Therefore, the axial gap motor 1a has the following effects.
(1)各ロータ磁極6の磁石の界磁磁束を活用してトルクを向上でき、軽量、小型で高効率になる。
(1) Torque can be improved by utilizing the field magnetic flux of the magnet of each rotor
(2)電流の立上りを速くできるので、特に高回転での出力を大きくできる利点がある。 (2) Since the rise of the current can be made faster, there is an advantage that the output can be increased particularly at a high speed.
(3)ギャップ磁束が高まるので、一層小型になる。 (3) Since the gap magnetic flux is increased, the size is further reduced.
(4)各ロータ磁極6の磁石に逆磁界がかからないので、磁石の滅磁率を向上でき、信頼性を高めることができる。保磁力を高めるためのレアアース元素添加量を抑えた低グレードの安価な磁石を使用できる。
(4) Since no reverse magnetic field is applied to the magnet of each rotor
(5)各ロータ磁極6の磁石内部の渦電流を低減して温度上昇を抑えることができる。この点からも、各ロータ磁極6の磁石に低グレードの安価な磁石を使用することができ、磁石コストを低減して安価にアキシャルギャップモータ1aを形成できる。
(5) The eddy current inside the magnet of each rotor
(6)遠心力がかからない個所、または遠心力を低減できる個所に磁石を配置すること等により、堅牢な磁石保持構造を備えることなく磁石の破損を防止でき、信頼性を高めることができる。 (6) By arranging the magnet at a place where centrifugal force is not applied or a place where the centrifugal force can be reduced, it is possible to prevent breakage of the magnet without providing a robust magnet holding structure, and to improve reliability.
そして、各ロータ磁極6の磁石は、1つの塊状磁石でも、複数の磁石片の集合磁石であってもよい。
And the magnet of each rotor
ところで、各ロータ磁極6は、磁極の少なくとも径方向または周方向の側面に、補助磁石を配置してもよい。補助磁石の極性は、各ロータ磁極6に接する面を各ロータ磁極6の磁石の端面の磁極と同じにすればよい。
By the way, each rotor
図4はロータ磁極6の周囲の径方向および周方向の3側面に補助磁石9を配置した場合を示し、この場合、補助磁石9により、磁極の磁束密度を高めることができるため、トルクが一層向上する。
FIG. 4 shows a case where
また、各ロータ磁極6の磁極面を電磁鋼板等の磁性体で覆ってもよい。
The magnetic pole surface of each rotor
図5はロータ磁極6の磁極面を電磁鋼板等の磁性体10で覆った場合を示し、この場合、ロータ磁極6の磁石内部の渦電流を低減し、磁石温度の上昇を抑制できる。すなわち、スロットリブルやスイッチングによる電流脈動等で生じる磁界の変動を、磁性体10で受けて平滑化し、ロータ磁極6の磁石表面に分散できるので、ロータ磁極6の磁石の渦電流損を低減でき、磁石温度の上昇を抑制できる。
FIG. 5 shows a case where the magnetic pole surface of the rotor
また、ロータ磁極6の磁極面を磁性体10で覆った場合、ロータ磁極6の磁極表面の磁束密度を高くできる。磁性体(例えば電磁鋼板)10の飽和磁束密度は、ロータ磁極6の磁石(永久磁石)の残留磁束密度よりも高いので、磁性体10の磁極表面積よりも磁石(永久磁石)の磁極面積を大きくすれば、ロータ磁極6の磁石の磁束を、磁性体10の磁束に集中させることによりロータ磁極6の磁極表面の磁束密度を高くできる。
Further, when the magnetic pole surface of the rotor
さらに、各ロータ磁極6より内周側に、ヨーク31よりも突出した磁性体11を設けてもよい。
Further, the magnetic body 11 protruding from the
図6は各ロータ磁極6より内周側にヨーク31よりも突出してリング状に繋がった磁性体11を設けた場合を示し、この場合、十分な磁路断面積を確保して磁束の低下を防止できる。ロータ3a、3bの磁路は半径方向の内向き(あるいは外向き)であり、その際、内周側は扇形の中心寄りとなるので、磁路断面積が小さくなるが、磁性体11により、各ロータ磁極6から内側に突き出してリング状に繋がった延長部を形成すると、各ロータ磁極6と磁路形成部材5との接合面の磁路を幅広にして内側の磁路断面積を補い、出力を一層大きくできる。なお、磁性体11の突出部は、放射状のリブ形状や、リング状のみであってもよい。また、突出した磁性体11は各ロータ磁極6の磁石や、同時に設けた補助磁石9に接していてもよい。
FIG. 6 shows a case where the magnetic body 11 protruding from the
そして、ロータ磁極6の磁石、ヨーク31、補助磁石9、および突出した磁性体11は、ロータハウジング内に収納して保持すればよい。
The magnet of the rotor
図7はロータハウジング12内に、ロータ磁極6の磁石、ヨーク31および、補助磁石9(図示省略)、突出した磁性体11(図示省略)を収容し、樹脂モールド等により固着してロータ3aを形成した場合を示し、ロータ3bも同様にして形成できる。この場合、簡単かつ安価な樹脂モールド等により、遠心力に耐える堅牢な磁石保持構造を実現できる利点がある。
7, the
(第2の実施形態)
第2の実施形態について、図8〜図11を参照して説明する。なお、以下の各実施形態においては、主に第1の実施形態と相違する構成、効果等について説明する。
(Second Embodiment)
A second embodiment will be described with reference to FIGS. In the following embodiments, configurations, effects, and the like that are different from those of the first embodiment will be mainly described.
図8(a)は本実施形態の3相A、B、C駆動のアキシャルギャップモータ1bの構成を示す軸方向の側面図であり、同図(b)はアキシャルギャップモータ1bのモータ軸2の出力側(紙面左側)から見た端面図である。それらの図面において、図1(a)、(b)と同一符号は同一もしくは相当するものを示す。
FIG. 8A is an axial side view showing the configuration of the three-phase A, B, and C drive axial gap motor 1b of this embodiment, and FIG. 8B is a diagram of the
そして、アキシャルギャップモータ1bは、アキシャルギャップモータ1aまたは、アキシャルギャップモータ1aの各ロータ磁極6を磁性体の突極としたものにおいて、ステータ4が、一方の端面41a側部分(表側部分)のヨーク41αと他方の端面41b側部分(裏側部分)のヨーク41βとからなり、ヨーク41α、41β間に磁石13が配置された構造である。
The axial gap motor 1b includes an axial gap motor 1a or a
図9(a)、(b)は図8(a)の矢印線H、Iの方向に見たステータ4の端面41a、41bの平面図であり、図2(a)、(b)と同じ構成、磁極配列である。
FIGS. 9A and 9B are plan views of the end surfaces 41a and 41b of the
そして、磁石13は、例えば厚みの薄いリング状であり、ステータ4、ロータ3a、3b間の磁路中に、コイル8の励磁による磁界と同じ向きの界磁を発生するため、一方の端面41a側の片端面はN極、他方の端面41b側の片端面はS極に着磁され、コイル8で励磁される磁束を強める。
The magnet 13 has a thin ring shape, for example, and generates a field in the same direction as the magnetic field generated by excitation of the
このようにすることで、磁石13のコストを低減しつつ、アキシャルギャップモータ1bを軽量、小型で高出力にできる。磁石13は、逆方向の磁界がかからないため、レアアース元素の添加量を抑えた低グレード品を使用できる。また、同じグレードの磁石を使用した場合は、磁石13を薄くしてアキシャルギャップモータ1bを軽量、小型にできる。 By doing in this way, the axial gap motor 1b can be reduced in weight, size, and high output, reducing the cost of the magnet 13. FIG. Since the magnet 13 is not subjected to a magnetic field in the reverse direction, a low-grade product in which the amount of rare earth element added is suppressed can be used. When the same grade magnet is used, the axial gap motor 1b can be reduced in weight and size by making the magnet 13 thinner.
図10は磁石13の形状の一例を示し、磁石13は1枚のリング型磁石で形成されていてもよく、複数の部分円弧形状の分割磁石片を集めてリング状に形成されていてもよい。 FIG. 10 shows an example of the shape of the magnet 13, and the magnet 13 may be formed by a single ring-shaped magnet, or may be formed in a ring shape by collecting a plurality of partial arc-shaped divided magnet pieces. .
つぎに、アキシャルギャップモータ1bのヨーク41α、41βは、磁石13との接合面積を大きくするように、図8(a)に矢印線で示したようにステータ磁極41a、41bよりも外周側および内周側に延長され径方向に幅広である。そして、磁石13の面積は、同時に励磁されるロータ磁極6の磁極の面積の合計より大きい。
Next, the yokes 41α and 41β of the axial gap motor 1b are arranged on the outer and inner sides of the stator
図11はアキシャルギャップモータ1bの同時に励磁されるロータ磁極6を示し、塗りつぶし状態の4個のロータ磁極6が同時に励磁される。
FIG. 11 shows the rotor
そして、ヨーク41α、41βをステータ磁極41a、41bよりも外周側および内周側に延長することで、局所的な磁気飽和が起こりにくくなり、磁束の低下(トルク低下)を防止できる。磁石13からヨーク41α、41βヘの立上り部の磁路として、周方向だけでなく、径方向(外周側、内周側)も利用できるようになり、磁束を分散できるためである。
Further, by extending the yokes 41α and 41β to the outer peripheral side and the inner peripheral side with respect to the stator
また、磁石13の面積を、同時に励磁されるロータ磁極6の磁極の面積の合計より大きくすることにより、ギャッブ磁束密度を高めることができ、アキシャルギャップモータ1bを小型化できる。一般的に、鉄心コアの飽和磁束密度は、磁石の残留磁束密度Brよりも高い。そのため、広い磁石13の表面から集めた磁束を鉄心コアのステータ磁極7a、7bに集中させることにより、ステータ磁極7a、7bを磁石で形成する場合よりも、ギャッブ磁束密度を高くすることができるからである。そして、ステータ4は回転しないので、堅牢な磁石保持構造を備える必要がない。
Further, by making the area of the magnet 13 larger than the total area of the magnetic poles of the rotor
(第3の実施形態)
第3の実施形態について、図12〜図15を参照して説明する。
(Third embodiment)
A third embodiment will be described with reference to FIGS.
図12(a)は本実施形態の3相A、B、C駆動のアキシャルギャップモータ1cの構成を示す軸方向の側面図であり、同図(b)はアキシャルギャップモータ1cのモータ軸2の出力側(紙面左側)から見た端面図である。それらの図面において、図1(a)、(b)および、図8(a)、(b)、と同一符号は同一もしくは相当するものを示す。
FIG. 12A is an axial side view showing the configuration of the three-phase A, B, C drive axial gap motor 1c of this embodiment, and FIG. 12B is a diagram of the
そして、アキシャルギャップモータ1cは、例えばアキシャルギャップモータ1aまたは、アキシャルギャップモータ1aの各ロータ磁極6を磁性体の突極としたものにおいて、磁路形成部材5の少なくとも一部がリング状の磁石14で形成され、残りの部分に長さ調整用の磁性シム15を配置し、磁路形成部材5を磁石14と磁性シム15とに置換した構造である。
The axial gap motor 1c is, for example, an axial gap motor 1a or a magnetic pole forming member 14 in which each rotor
図13(a)、(b)は図8(a)の矢印線J、Kの方向に見たステータ4の端面41a、41bの平面図であり、図2(a)、(b)と同じ構成、磁極配列である。
FIGS. 13A and 13B are plan views of the end surfaces 41a and 41b of the
図14(a)、(b)は磁性シム15、磁石14を示し、それぞれリング状であり、ステータ4、ロータ3a、3b間の磁路中に、コイル8の励磁による磁界と同じ向きの界磁を発生するため、ステータ4の一方の端面41a側の片端面はS極、ステータ4の他方の端面41b側の片端面はN極に着磁され、コイル8で励磁される磁束を強める。
FIGS. 14A and 14B show the magnetic shim 15 and the magnet 14, respectively, which are ring-shaped, and in the magnetic path between the
さらに、磁石14の軸方向断面積は、同時に励磁されるロータ磁極の表面積合計より大きい。そのため、モータトルクや出力のばらつきを低減できる。 Furthermore, the axial cross-sectional area of the magnet 14 is greater than the total surface area of the rotor poles that are excited simultaneously. Therefore, variations in motor torque and output can be reduced.
図15はアキシャルギャップモータ1cの同時に励磁されるロータ磁極6を示し、塗りつぶし状態の4個のロータ磁極6が同時に励磁される。
FIG. 15 shows the rotor
そして、磁路形成部材5に代えて磁石14を配置するので、コストを低減して磁束を強めることができる。
And since the magnet 14 is arrange | positioned instead of the magnetic
また、磁石14には低グレードの安価な磁石(例えばフェライト磁石など)を用いることができる。すなわち、磁石14には逆方向の磁界がかからない。また、磁石14は長く(厚く)できる。それにより、パーミアンス係数を大きくできるため、減磁しない動作点に設定することが容易である。また、コイル8や磁極7a、7bなどの発熱個所から遠ざかった位置にあり、また磁束の変動が少ないことから磁石14自体の発熱(渦損失)も小さくなり、磁石14の温度を低くできる。これらの理由により、磁石14に安価な磁石を用いることができる。
The magnet 14 can be a low-grade inexpensive magnet (for example, a ferrite magnet). That is, no reverse magnetic field is applied to the magnet 14. The magnet 14 can be long (thick). Thereby, since the permeance coefficient can be increased, it is easy to set the operating point so as not to demagnetize. In addition, the magnet 14 itself is less heated (vortex loss) due to the position away from the heating points such as the
さらに、磁石14はモータ軸2に近いので遠心力に対して強く堅牢である。
Furthermore, since the magnet 14 is close to the
つぎに、磁石14の内部の渦電流による発熱を防止できる。図15に示したように、磁石14、磁性シム15がロータ磁極6に接合することによって、ロータ磁極6からの(あるいはロータ磁極6への)磁束が平滑される。磁路断面積を確保して、磁束の低下を防止できる。接合した部分がロータ3a、3bの磁路の延長部となってロータ磁極6から接合面への磁路を補うことができるためである。
Next, heat generation due to eddy current inside the magnet 14 can be prevented. As shown in FIG. 15, when the magnet 14 and the magnetic shim 15 are joined to the rotor
なお、磁石14のような永久磁石の形状の公差等は磁性シム15を用いて簡単に管理できる利点もある。 The tolerance of the shape of the permanent magnet such as the magnet 14 has an advantage that it can be easily managed using the magnetic shim 15.
そして、磁路形成部材5の全部を磁石14に置換してもよく、図12に示したように、磁石14の外周を非磁性のスリープ51等で補強することも好ましい。
Then, the entire magnetic
(第4の実施形態)
第4の実施形態について、図16〜図20を参照して説明する。
(Fourth embodiment)
A fourth embodiment will be described with reference to FIGS.
図16(a)は本実施形態の3相A、B、C駆動のアキシャルギャップモータ1dの構成を示す軸方向の側面図であり、同図(b)はアキシャルギャップモータ1dのモータ軸2の出力側(紙面左側)から見た端面図である。それらの図面において、図1(a)、(b)、図8(a)、(b)、図12(a)、(b)と同一符号は同一もしくは相当するものを示す。
FIG. 16A is a side view in the axial direction showing the configuration of the three-phase A, B, C drive axial gap motor 1d of the present embodiment, and FIG. 16B is a diagram of the
そして、アキシャルギャップモータ1dは、例えばアキシャルギャップモータ1aまたは、アキシャルギャップモータ1aの各ロータ磁極6を磁性体の突極としたものにおいて、磁路形成部材5とロータ3a、3bのロータ磁極6の内周側との間に磁石16を配置した構造である。なお。磁石16を配置するため、ロータ3a,3bのロータハウジング12は非磁性体で形成される。
The axial gap motor 1d includes, for example, the axial gap motor 1a or the rotor
そして、間隙となっている個所に磁石16を配置するので、アキシャルギャップモータ1dが大型化することがない。
And since the
図17(a)、(b)は図16(a)の矢印線L、Mの方向に見たステータ4の端面41a、41bの平面図であり、図2(a)、(b)等と同じ構成、磁極配列である。
17 (a) and 17 (b) are plan views of the end faces 41a and 41b of the
図18は磁石16を示し、磁石16はそれぞれリング状であり、ステータ4、ロータ3a、3b間の磁路中に、コイル8の励磁による磁界と同じ向きの界磁を発生するため、磁路形成部材5から磁束が流入するロータ3a側の磁石16は、磁路形成部材5側がN極、ロータ磁極6の内周側がS極であり、磁路形成部材5に磁束が流出するロータ3b側の磁石16は、磁路形成部材5側がS極、ロータ磁極6の内周側がN極である。このようにすることで磁束が強められて出力が増大する。なお、磁石16はいずれか一方を設けてもよい。
FIG. 18 shows a
また、ロータ3a、3bは磁石16により、その外側のロータ磁極6を含む部分と、磁石16より内周側の磁路形成部材5の接合個所を含むリング状に繋がった部分とに分断された状態になるようにしてもよいが、磁石16より内周側の部分を省略し、磁石16の内周面あるいは端面が直接、磁路形成部材5の外周面または端面に接合されるようにしてもよい。
Further, the rotors 3a and 3b are divided by the
図19に示すように、ロータ磁極6や磁石16は非磁性のロータハウジング12に収納され、モールド樹脂等により固着される。
As shown in FIG. 19, the rotor
そして、磁石16の内周表面積(本発明の端面積)は、同時に励磁されるロータ磁極6の表面積合計より大きいことが好ましい。
And it is preferable that the inner peripheral surface area (end area of the present invention) of the
この場合、磁石16は低グレードの磁石(例えばフェライト磁石など)を利用できるため、安価になる。すなわち、磁石16には逆方向の磁界がかからない。また、コイル8やステータ磁極7a、7bなどの発熱個所から遠ざかった位置に配置される。また、磁束の変動が少ないこと等により、磁石16自体の発熱(渦電流損失)も小さく、磁石16の温度を低くできるからである。
In this case, since the
また、非磁性のロータハウジング12により、磁石16の短絡磁路を防止できる等により、磁石16の磁束の低下を防止できる。さらに、ロータ3a、3bの強度を確保できる利点もある。
In addition, the
さらに、ロータ3a、3bとの接合面でロータ磁極6からの(あるいはロータ磁極6への)磁束が平滑されるため、磁石16の内部の渦電流による発熱を防止できる。
Furthermore, since the magnetic flux from the rotor magnetic pole 6 (or to the rotor magnetic pole 6) is smoothed at the joint surface with the rotors 3a and 3b, heat generation due to the eddy current inside the
また、磁石16の内周表面積が、同時に励磁されるロータ磁極6の表面積合計より大きいと、十分な磁路断面積を確保して磁束の低下を防止できる。
Moreover, if the inner peripheral surface area of the
図20は上記第1〜第4の実施形態の磁石配置を実施したアキシャルギャップモータ1eを示し、磁束は矢印線に示すように交番することなく、また、励磁通電の跨ぎもなくロータ3a、3b、ステータ4、磁路形成部材5を通流する。
FIG. 20 shows the axial gap motor 1e in which the magnet arrangements of the first to fourth embodiments are implemented, and the magnetic flux does not alternate as shown by the arrow lines, and there is no straddle of excitation energization, and the rotors 3a, 3b. The
そして、本発明は上記した各実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行なうことが可能であり、例えば、第1〜第4の実施形態のいずれか1つまたは複数の磁石配置を実施することにより、安価な磁石(永久磁石)を用いて小型化、高効率化を図ることができる。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications other than those described above can be made without departing from the spirit thereof, for example, the first to fourth embodiments. By implementing any one or a plurality of magnet arrangements in the form, it is possible to reduce the size and increase the efficiency by using an inexpensive magnet (permanent magnet).
また、本発明のアキシャルギャップモータは4相以上の多相で駆動される構成であってもよいのは勿論である。また、ロータ磁極6やステータ磁極7a、7bの個数等は、上記各実施形態のものに限るものではない。さらに、ステータ磁極7a、7bの磁極が各実施形態と逆であってもよい。
Of course, the axial gap motor of the present invention may be configured to be driven in multiple phases of four or more phases. Further, the number of rotor
そして、本発明は、電気自動車の駆動モータ等の種々の用途のアキシャルギャップモータに適用することができる。 The present invention can be applied to an axial gap motor for various uses such as a drive motor for an electric vehicle.
1a〜1e アキシャルギャップモータ
2 モータ軸
3a、3b ロータ
4 ステータ
5 磁路形成部材
6 ロータ磁極
7a、7b ステータ磁極
9 補助磁石
13、14、16 磁石
1a to 1e
Claims (8)
前記ステータの両側に前記ステータに対向して配置され、それぞれ周方向に複数のロータ磁極が配置されたロータと、
前記ステータの中心孔を貫通して両ロータ間の磁路を形成する磁路形成部材とを備えたアキシャルギャップモータであって、
前記ステータ、前記ロータ間の磁路中に、前記コイルの励磁による磁界と同じ向きの界磁を発生する磁石が配置されていることを特徴とするアキシャルギャップモータ。 A stator having a coil for exciting each stator magnetic pole arranged in the circumferential direction on one end face in the axial direction to N pole, and each stator magnetic pole arranged in the circumferential direction on the other end face in the axial direction to S pole;
A rotor disposed on both sides of the stator so as to face the stator, and a plurality of rotor magnetic poles disposed in the circumferential direction;
An axial gap motor provided with a magnetic path forming member that forms a magnetic path between the rotors through the center hole of the stator,
An axial gap motor, wherein a magnet that generates a field having the same direction as a magnetic field generated by excitation of the coil is disposed in a magnetic path between the stator and the rotor.
ステータは、一方の端面側部分と他方の端面側部分とからなり、
前記ステータの前記両端面側部分間に磁石が配置されていることを特徴とするアキシャルギャップモータ。 The axial gap motor according to claim 1,
The stator consists of one end face side portion and the other end face side portion,
An axial gap motor, wherein magnets are disposed between the both end face side portions of the stator.
前記ステータの前記両端面側部分間の磁石はリング形状であり、
前記ステータの前記両端面側部分および該両端面側部分間の磁石は、前記ロータ磁極より径方向に幅広であることを特徴とするアキシャルギャップモータ。 The axial gap motor according to claim 2,
The magnet between the both end face side portions of the stator has a ring shape,
The axial gap motor characterized in that the both end face side portions of the stator and the magnet between the both end face side portions are wider in the radial direction than the rotor magnetic poles.
前記磁路形成部材の少なくとも一部が磁石で形成されていることを特徴とするアキシャルギャップモータ。 In the axial gap motor in any one of Claims 1-3,
An axial gap motor, wherein at least a part of the magnetic path forming member is formed of a magnet.
前記磁路形成部材の少なくとも一部を形成する磁石は、リング形状であることを特徴とするアキシャルギャップモータ。 The axial gap motor according to claim 4,
The axial gap motor, wherein the magnet forming at least a part of the magnetic path forming member has a ring shape.
前記磁路形成部材の少なくとも一部を形成する磁石は、前記ロータの通電相の前記ロータ磁極の総和面積より端面積が大きいことを特徴とするアキシャルギャップモータ。 The axial gap motor according to claim 4 or 5,
An axial gap motor characterized in that a magnet forming at least a part of the magnetic path forming member has an end area larger than a total area of the rotor magnetic poles of the energized phase of the rotor.
前記磁路形成部材と前記ロータの磁極の内周側との間に磁石が配置されていることを特徴とするアキシャルギャップモータ。 In the axial gap motor according to any one of claims 1 to 6,
An axial gap motor, wherein a magnet is disposed between the magnetic path forming member and the inner peripheral side of the magnetic pole of the rotor.
前記ロータの前記ロータ磁極を囲むように磁石が配置されていることを特徴とするアキシャルギャップモータ。 In the axial gap motor according to any one of claims 1 to 7,
The axial gap motor characterized by the magnet being arrange | positioned so that the said rotor magnetic pole of the said rotor may be enclosed.
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