JP2016005412A - バーニアモータ - Google Patents

Abstract

【課題】ロータに設置した磁石からの磁束を有効に利用することを可能としたバーニアモータを提供する。
【解決手段】複数のロータコア１１及び磁石１２が周方向に交互に配されてなるロータ１０と、ロータ１０の外周側、内周側に設けられた外周側、内周側のステータ２０，３０とを備え、磁石１２はロータの周方向に磁化されて隣り合う磁石１２の磁化の向きが逆であり、外周側のステータ２０及び内周側のステータ３０は、ロータ１０に対向する面に周方向に等間隔に形成された複数のスロット２１ｂ及び３１ｂと、スロット２１ｂ及び３１ｂに収められた巻線２２及び３２とを有し、スロット２１ｂ，３１ｂの数が同一で、スロット２１ｂ，３１ｂの周期をａとしたときスロット２１ｂとスロット３１ｂとが相対的に周方向の位置が周期ａの半分（ａ／２）ずれるように外側のステータ２０に対して内側のステータ３０を配置した。
【選択図】図１

Description

本発明は、低速大トルクを得ることが可能なバーニアモータに関する。

図６に従来のバーニアモータの構造を示す。図６に示すように、従来のバーニアモータにおいて、ステータ２００には、ステータコア２０１のロータ１００との対向面にＺ１個のティース（歯部）２０１ａが形成され、隣接するティース２０１ａ間のスロット（溝）２０１ｂに極対数ｐの巻線２０２が納められている。また、ロータ１００には、ロータコア１０１のステータ２００との対向面に、周方向に交互にＮ極とＳ極の磁極が形成されるように磁石１０２が設置され、極対数Ｚ２の磁極が形成された構造となっている。なお、スロット２０１ｂの数Ｚ１、極対数Ｚ２および極対数ｐの間には、下式（１）または（２）の関係がある。

Ｚ２＝Ｚ１＋ｐ ・・・（１）
Ｚ２＝Ｚ１−ｐ ・・・（２）

このような従来のバーニアモータでは、ロータ１００の極数が多くなることにより、ロータ１００の極間での磁束の漏れが増え、磁石１０２の磁束が有効に使われないという問題があった。そして、下記非特許文献１に記載されているように、その磁石１０２の磁束の利用率の低さがバーニアモータの力率の低下を招き、トルクの増大を妨げていた。

これに対し、下記特許文献１には、磁石の磁束を有効に利用するための方法が提案されている。すなわち、磁極がティースに対向したときとスロットに対向したときの発生磁束の差を大きくすることにより、磁石に起因するコイル鎖交磁束数を増大させることができるとしており、その方法として二つの構造が提案されている。

一つ目は、スロットの側面に導体を配置する構造である。このような構造とすることにより、スロットに対向する磁極の磁束が側面の導体を貫いたときに、導体に渦電流が生じ、反発磁界が発生して磁束の通過を妨げることが可能となる。このことにより、スロットに対向する磁極が発する磁束を減少させ、ティースに対向する磁極が発する磁束のより多くが巻線と鎖交するようになるというものである。

二つ目は、スロット内に磁気短絡具を設置する構造である。磁気短絡具を設置することにより、スロットに対向する磁極の磁束は当該磁気短絡具を通るようになり、ティースに対向する磁極が発する磁束のより多くが巻線と鎖交するようになるというものである。

特開２００４−５６９７５号公報

鳥羽、渡部、小金井、大沢著「5kW級低速大トルク表面磁石バーニアモータの特性評価」、T. IEE Japan、2002年、vol. 122-D、No. 2、pp. 162〜168

しかしながら、上述した特許文献１に記載の構造は、二つとも、スロットに対向する磁極から発生する磁束が鉄心に到達するのを抑制するための構造であり、磁極から発生する磁束を有効に利用することができていない。

このようなことから本発明は、ロータに設置した磁石からの磁束を有効に利用することを可能としたバーニアモータを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するための本発明に係るバーニアモータは、複数のロータコア及び磁石が周方向に交互に配されて円環状に形成されたロータと、前記ロータの外周側にエアギャップを介して設けられた第一のステータと、前記ロータの内周側にエアギャップを介して設けられた第二のステータとを備え、前記磁石は、ロータの周方向に磁化されて隣り合う磁石の磁化の向きが逆であり、前記第一のステータは、前記ロータに対向する面に周方向に等間隔に形成された複数の第一スロットと、前記第一スロットに収められた巻線とを有し、前記第二のステータは、前記ロータに対向する面に周方向に等間隔に形成された複数の第二スロットと、前記第二スロットに収められた巻線とを有し、前記第一スロットの数と前記第二スロットの数とが同一であり、前記スロットの周期をａとしたとき、前記第一スロットの周方向の位置と前記第二スロットの周方向の位置とが相対的に前記スロットの周期ａの半分（ａ／２）ずれるように前記第一のステータに対して前記第二のステータを配置したことを特徴とする。

本発明に係るバーニアモータによれば、ロータの磁石による磁束を有効に利用して磁石に起因する巻線の鎖交磁束数を増やすことができ、力率の改善及びトルクの増加が可能となる。

本発明の一実施例に係るバーニアモータを示す構造図である。 図１の要部拡大図である。 図２のIII−III断面図である。 ステータのティースへの磁束の流れを示す説明図である。 本発明の一実施例に係るバーニアモータと従来のバーニアモータとのトルク解析結果を示すグラフである。 従来のバーニアモータの一例を示す構造図である。

以下、図面を参照しつつ本発明に係るバーニアモータについて詳細に説明する。

図１ないし図５を用いて本発明に係るバーニアモータの一実施例について説明する。
図１に示すように、本実施例に係るバーニアモータは、ロータ１０と、ロータ１０の外周側にエアギャップを介して設けられた第一のステータ（以下、外周側のステータという）２０と、ロータ１０の内周側にエアギャップを介して設けられた第二のステータ（以下、内周側のステータという）３０とを備えている。すなわち、本実施例においてバーニアモータは、ロータ１０の外周側と内周側の両側にステータ２０，３０を設置したダブルステータ型となっている。

ロータ１０は、周方向に等間隔に配設された多数のロータコア１１と、隣接するロータコア１１間に固定された多数の永久磁石１２とから構成されている。すなわち、本実施例においては、永久磁石１２による磁束を増やすために、ロータコア１１と永久磁石１２とが周方向に交互に配置されて円環状のロータ１０を形成している。そして図２に示すように、永久磁石１２は周方向に磁化され、隣り合う永久磁石１２の磁化の向きが逆となるように、換言すると、周方向に向かい合う面の磁極が同じ磁性となるように配置されている。

外周側のステータ２０は、ロータ１０側の対向面に周方向に等間隔に形成されたＺ１個のティース（歯部）２１ａを有するステータコア２１と、隣接するティース２１ａ間の溝であるスロット（第一スロット）２１ｂに収められた極対数ｐの巻線２２とから構成されている。

また、内周側のステータ３０は、ロータ１０側の対向面に周方向に等間隔に形成されたＺ１個のティース（歯部）３１ａを有するステータコア３１と、隣接するティース３１ａ間の溝であるスロット（第二スロット）３１ｂに収められた極対数ｐの巻線３２とから構成されている。すなわち、内周側のステータ３０のティース３１ａ、スロット（第二スロット）３１ｂ及び巻線３２は外周側のステータ２０のティース２１ａ、スロット（第一スロット）２１ｂ及び巻線２２と同一の周期ａで配置されている。

さらに、本実施例において内周側のステータ３０は、そのティース３１ａ及びスロット３１ｂの周方向の位置が外周側のステータ２０のティース２１ａ及びスロット２１ｂの周方向の位置に対して前記周期ａの半分（ａ／２）だけずれるように配設されている。これにより、内周側のステータ３０のティース３１ａは、ロータ１０を挟んでそれぞれ外側のステータ２０のスロット２１ｂに対向し、内周側のステータ３０のスロット３１ｂは、ロータ１０を挟んでそれぞれ外周側のステータ２０のティース２１ａに対向した状態となっている。

ここで、図３に示すように、ロータコア１１はシャフト１に固定された端板２にボルト３を用いて固定する等、外周側のステータ２０および内周側のステータ３０との間にエアギャップを有するように固定するものとする。また、外周側のステータ２０および内周側のステータ３０は、軸受４を介して回転自在にシャフト１を支持するフレーム５に固定される。

以下に、図４及び図５を用いて本実施例に係るバーニアモータによる作用効果を説明する。

まず、図６に一例を示した従来のバーニアモータでは、ステータ２００のティース２０１ａに対向する磁極からの磁束がスロット２０１ｂに対向する隣の磁極へ漏れてしまうことにより、巻線２０２の鎖交磁束数が小さくなっていた。

これに対し、本実施例に係るバーニアモータでは、ロータ１０の外周側と内周側にそれぞれステータ２０，３０を設置し、外周側のステータ２０のティース２１ａ及びスロット２１ｂの周方向の位置を内周側のステータ３０のティース３１ａ及びスロット３１ｂの周方向の位置に対して前記周期ａの半分（ａ／２）だけずらす構造とした。

このような構造としたことにより、図４（ａ）に示すようにロータコア１１が外周側のステータ２０のスロット２１ｂに対向する位置にきたとき、ロータ１０の磁極は、内周側のステータ３０のティース３１ａと対向することになり、磁束は磁気抵抗の小さい内周側のステータ３０のティース３１ａを通る。
また、図４（ｂ）に示すようにロータ１０が図４（ａ）に示した位置から前記周期ａの半分（ａ／２）だけ回転してロータコア１１が内周側のステータ３０のスロット３１ｂに対向する位置にきたとき、ロータ１０の磁極は、外周側のステータ２０のティース２１ａと対向することになり、磁束は磁気抵抗の小さい外周側のステータ２０のティース２１ａを通る。
その結果、永久磁石１２から発生する磁束が有効に利用され、巻線２２，３２の鎖交磁束数が大きくなり、バーニアモータの力率の改善、トルクの増大が可能となる。

ここで、本実施例に係るバーニアモータのトルクと従来の表面磁石形バーニアモータとを磁界解析によって求めた結果を図５に示す。図５において実線で示す値が本実施例に係るバーニアモータのトルク、破線で示す値が従来の表面磁石形バーニアモータのトルクである。図５に示すように、本実施例に係るバーニアモータは、従来のバーニアモータに比べて３．２倍程度のトルクを得られており、本実施例のように二つのステータ２０，３０を用いる構造とすることにより、永久磁石１２から発せられた磁束を有効に利用することが可能となっていることが分かる。

以上に説明したように、本実施例に係るバーニアモータによれば、ロータ１０の永久磁石１２による磁束を有効に利用して永久磁石１２に起因する巻線２２，３２の鎖交磁束数を増やすことができ、力率の改善及びトルクの増加が可能となる。

本発明は、低速大トルクを得ることが可能なバーニアモータに適用して好適なものである。

１ シャフト
２ 端板
３ ボルト
４ 軸受
５ フレーム
１０ ロータ
１１ ロータコア
１２ 磁石
２０，３０ ステータ
２１，３１ ステータコア
２１ａ，３１ａ ティース
２１ｂ，３１ｂ スロット
２２，３２ 巻線

Claims (1)

1. 複数のロータコア及び磁石が周方向に交互に配されて円環状に形成されたロータと、
   前記ロータの外周側にエアギャップを介して設けられた第一のステータと、
   前記ロータの内周側にエアギャップを介して設けられた第二のステータと
   を備え、
   前記磁石は、ロータの周方向に磁化されて隣り合う磁石の磁化の向きが逆であり、
   前記第一のステータは、前記ロータに対向する面に周方向に等間隔に形成された複数の第一スロットと、前記第一スロットに収められた巻線とを有し、
   前記第二のステータは、前記ロータに対向する面に周方向に等間隔に形成された複数の第二スロットと、前記第二スロットに収められた巻線とを有し、
   前記第一スロットの数と前記第二スロットの数とが同一であり、
   前記スロットの周期をａとしたとき、前記第一スロットの周方向の位置と前記第二スロットの周方向の位置とが相対的に前記スロットの周期ａの半分（ａ／２）ずれるように前記第一のステータに対して前記第二のステータを配置した
   ことを特徴とするバーニアモータ。

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