JP2019004627A - 積層型コアレスモータ - Google Patents

Abstract

【課題】コアレス同期モータにおいて、モータの径を増すことなく、コイルとの鎖交磁束数の低下を抑制して、高トルクで小型の回転モータを構成する。【解決手段】積層型コアレスモータは、磁界を形成する強磁性体（磁石）とコアレスの巻線とを備える永久磁石同期モータにおいて、複数の磁石を円環状に配列した磁石層と、複数の巻線を円環状に配列した巻線層とを備え、磁石層と巻線層の各層を径方向に交互に積層して構成される。複数の磁石層及び巻線層を径方向に交互に積層する構成とすることによって、磁石層間に挟まれた巻線層での磁束数の低減は、磁石層が単層である構成よりも抑制される。この構成によって、磁石層間に挟まれた巻線層において、巻線と鎖交する磁束数の低減が抑制され、積層型コアレスモータのトルクが向上する。【選択図】図２

Description

本願発明は、電気自動車、エレベータ、鉄道車両等の産業機器の分野で用いられる、磁界に強磁性体（永久磁石）を用いた永久磁石同期モータ（PMSM:Permanent magnet synchronous motors）に関する。

介護士や理学療法士の負担を軽減する手段として、例えば、電動車いす、パワーアシストスーツ、生活支援ロボット等のハプティック技術を用いたリハビリテーション機器等のハプティック機器が知られている。このようなハプティック機器に用いられる電動アクチュエータには、軽量であることや、柔軟性にかかわるバックドライバビリティを備えることが求められている。

また、ハプティック機器では、利用者の使用感を向上させるためにダイレクトドライブが用いられ、歯車や減速機等の間接的機構を介することなく回転機の回転力を直接に伝達する機構が用いられている。このような機構では、バックドライバビリティを実現しつつも、高トルクであることが求められる。

一般に、トルクを高めるためにコアに電磁鋼板等の高透磁率材が用いられるが、コアに高透磁率材を用いた構成では重量が嵩むためハプティック機器等、軽量が求められる用途には適当ではないという問題がある。また、コアを有するモータではコギングトルクが発生する。このコギングトルクは位置決め精度や力精度を低下させるため、ハプティック機器や精密度が求められる産業機器への適用には不向きであるという問題がある。

このようなコアにより生じる重量の問題や、コギングトルクによる位置決め精度および力精度の問題は、同期モータをコアレスモータとすることで低減されるが、
(a) コアレスモータは、その機構上からモータの径が大径となるため小型化が難しい。
(b) コアレスモータは、コイルとの鎖交磁束数が低下するためトルクが低下する。
という課題がある。

トルク低下の課題に対して、ロータ磁石を積層させることでトルクを高める構成（非特許文献１−３）が提案されている。

一方、ダブルステータ型モータ（特許文献１）には内側ステータと外側ステータとを備える構成が示されているが、このステータの積層はコアを有するモータにおいて鉄損を抑制する構成である。

特開２０１１−２４４６４３号公報（段落0009）

Z. Bingyi, F. Guihong, W. Fengxiang, W. Yiquan, W. Lifeng, L. Yan and Z. Yu, "Optimized design of inner potential waveform of PMSM for low-speed high-torque drive systems" proceedings of International conference on Power System Technology, pp. 1204-1209, Oct. 2002. T. Inoue, Y. Inoue, S. Morimoto and M. Sanada, "Maximum Torque Per Ampere Control of a Direct Torque-Controlled PMSM in a Stator Flux Linkage Synchronous Frame" IEEE Transactions on Industry Applications, Volume: 52, Issue: 3, pp. 2360 - 2367, May-June 2016. Y. Honda, T. Higaki, S. Morimoto and Y. Takeda, "Rotor design optimisation of a multi-layer interior permanent-magnet synchronous motor" IEEE Proceedings of Electric Power Applications, Volume:145, Issue: 2, pp. 119-124, Mar. 1998.

上記のトルク低下の課題に対して、トルク低下を抑制するためにロータ磁石を積層させる構成が提案されているが、この積層構成は、単に、磁石の個数を増やすことによってその分だけ磁束量を増加するに過ぎないため、増加した個数以上の効果は望めない。

また、ダブルステータ型モータは、内側ステータ及び外側ステータによる磁束ループの増加によって磁気回路の磁気抵抗を小さくし、これによって鉄心の鉄損を抑制するものであり、コアレスモータにおいてコイルの鎖交磁束数の低下によるトルク低下を抑制する構成ではない。

また、ダブルステータ型モータはステータにコアを用いる構成であり、コアレスモータへの適用は困難である。

したがって、本願発明は、コアレス同期モータにおいて、モータの径を増すことなく、コイルとの鎖交磁束数の低下を抑制して、高トルクで小型の回転モータを構成することを目的とする。

本願発明の積層型コアレスモータは、磁界を形成する強磁性体（磁石）とコアレスの巻線とを備える永久磁石同期モータにおいて、複数の磁石を円環状に配列した磁石層と、複数の巻線を円環状に配列した巻線層とを備え、磁石層と巻線層の各層を径方向（ラジアル方向）に交互に積層して構成される。

複数の磁石層及び巻線層を径方向に交互に積層する構成とすることによって、磁石層間に挟まれた巻線層での磁束数の低減は、磁石層が単層である構成よりも抑制される。この構成によって、磁石層間に挟まれた巻線層において、巻線と鎖交する磁束数の低減が抑制され、積層型コアレスモータのトルクが向上する。

本願発明の積層型コアレスモータは、
(a) 極性が径方向（ラジアル方向）に着磁された複数の磁石が周方向に第１の等角度間隔で配列された複数の磁石層
(b) 多相巻線を構成する複数のコアレスの巻線が周方向に第２の等角度間隔で配列された複数の巻線層
とを備え、
(c) 複数の磁石層と複数の巻線層とが同心円状に径方向に交互に積層された積層構成
(d) 磁石層と巻線層の各積層は、一体で互いに相対的に回転自在である構成
の各構成を備える。

複数の磁石層と複数の巻線層は径方向に交互に積層されているため、巻線層の巻線は両側で挟む磁石層の磁石間を通る磁路と鎖交し、巻線を流れる電流によって周方向にトルクが発生する。巻線層を通過する磁路の磁束は、両側に磁石層が存在することで磁束数の低減が抑制されるため、発生するトルクは磁石層が単層である場合より増加する。

（磁石層の構成）
磁石層において、周方向の同一角度位置にある各磁石の極性は径方向で同一であり、周方向で隣接する磁石の極性は周方向で交互に反転する。

この磁石層の構成によって、周方向の同一角度位置の磁束方向は同一方向で、周方向の磁束方向が交互に入れ替わる磁束が発生する。

（巻線層の構成）
巻線層において、周方向の同一角度位置にある各巻線の励磁は同相であり、周方向で隣接する巻線の励磁は周方向に順に位相ずれした励磁である。

周方向の同一角度位置において、磁石層が発生する磁束の磁束方向が同一方向であり、巻線層の各巻線の励磁は同相であることから、各巻線層において同一角度位置での磁束と巻線を流れる電流の関係は周方向の同一角度位置で同じ関係となるため、同様のトルク動作を行う。

多相巻線をｍ相巻線としてｍ相で励磁する場合には、２以上の整数ｎに対して、各磁石層の磁石の個数は（２×ｎ）個であり、各巻線層の巻線の個数は（ｍ×ｎ）個である。３相励磁の場合には、例えば、磁石層を２個の磁石によって２極としたときには巻線層の巻線の個数は３個であり、磁石層を４個の磁石によって４極としたときには巻線層の巻線の個数は６個であり、磁石層を６個の磁石によって６極としたときには巻線層の巻線の個数は９個である。

積層された複数の磁石層は連結されて磁石積層部が構成され、積層された複数の巻線層は連結されて巻線積層部が構成される。磁石積層部と巻線積層部とは一体で互いに相対的に回転自在であり、何れか一方をロータ（回転子）とし他方をステータ（固定子）とすることができる。

（磁石間のギャップ構成）
本願の積層型コアレスモータは、各磁石層において周方向に隣接する磁石間にギャップを備えた構成とすることができる。このギャップの周方向の幅は、各磁石層において同一の角度幅、又は同一の長さとすることができる。

周方向に隣接する磁石間に設けたギャップは、隣接する磁石間での磁束漏れを抑制し、径方向に隣接する磁石間の磁束数が低減することを抑制し、これによりトルクの低下を抑制する。

磁石の径方向の厚みを増やすことで磁束数を高めて高トルクを得る構成では、モータの径が増し、モータの大型化を招くことになるが、本願発明の積層型コアレスモータは、巻線と鎖交する磁束数の低減を抑制することで高トルクが得られるため、モータの径が増加することを抑えることができる。したがって、モータの径が同径の同一体積の永久磁石同期モータ（PMSM）あるいは表面永久磁石同期モータ（SPMSM）と比較して、高いトルクを得ることができる。

以上説明したように、本願発明の積層型コアレスモータによれば、モータの径を増すことなくコイルとの鎖交磁束数の減少を抑制して、高トルクで小型の回転モータを構成することができる。

本願発明の積層型回転モータの概略構成を説明するための概略図である。 本願発明の積層型コアレスモータの概略構成を説明するための図である。 本願発明の積層型コアレスモータの動作例を説明するための図である。 本願発明の積層型コアレスモータの全体構成、及び部分構成を説明するための図である。 積層された磁石層、及び積層された巻線層を連結する成を説明するための図である。 本願発明の積層型コアレスモータと表面永久磁石同期モータ（SPMSM）の磁束密度を比較するための図である。 本願発明の積層型コアレスモータと表面永久磁石同期モータ（SPMSM）の構成を比較するための図である。 本願発明の積層型コアレスモータの４層モデルの各相のトルク、及び総合トルクを示す図である。 本願発明の積層型コアレスモータと表面永久磁石同期モータ（SPMSM）とのトルク特性を比較するための図である。 本願発明の積層型コアレスモータのギャップの構成例を示す図である。 本願発明の積層型コアレスモータのギャップによる磁束の変化を説明するための図である。 ギャップの角度θを０°から１０°の間で変化させたときのトルク変化を示す図である。

以下、本願発明の実施の形態について、図を参照しながら詳細に説明する。以下、図１，２を用いて本願発明の積層型コアレスモータの概略構成を説明し、図３を用いて動作例を説明し、図４〜６を用いて本願発明の積層型コアレスモータの構成例を説明し、図７〜９を用いて本願発明の積層型コアレスモータのトルクを説明し、図１０〜図１２を用いて本願発明の積層型コアレスモータのギャップの構成及び作用を説明する。

［積層型コアレスモータの概略構成］
図１はコアレスモータの動作を説明するための図であり、図２は本願発明の積層型コアレスモータの概略構成を説明するための概略図である。

（コアレスモータの動作説明）
図１は、コアレスモータを構成する磁石２０及び巻線３０を示している。ここでは、円環状に配置される複数の磁石及び巻線の一部分のみを示している。

磁石２０は極性が径方向に着磁された磁石２１と磁石２２を、極性が逆方向となるように反転させて周方向に隣接させて配置する。この配置により、磁石２１及び磁石２２は径方向に、磁束方向が互いに逆方向の磁束を発生する。

巻線３０は磁石２１，２２が発生する磁束と鎖交する方向に電流路を備える。図１中の電流路ａには磁石２１のＮ極からの磁束が鎖交し、図１中の電流路ｂには磁石２２のＳ極に向かう磁束が鎖交する。この電流と磁束との鎖交による電磁作用によって、巻線３０には図１中の"Ｔ"で示す方向のトルクが発生する。

（積層型コアレスモータの概略構成）
図２は本願発明の積層型コアレスモータの概略構成を示している。ここでは、巻線を３相で励磁する例を示し、図２（ａ）は各層において２個の２極の磁石及び３個の巻線の例を示し、図２（ｂ）は各層において４個の４極の磁石及び６個の巻線の例を示し、図２（ｃ）は各層において６個の６極の磁石及び９個の巻線の例を示している。

積層型コアレスモータ１は、複数の磁石層２と複数の巻線層３とが同心円状に径方向に交互に積層された積層構成である。

磁石層２は、極性が径方向に着磁された複数の磁石が周方向に第１の等角度間隔で配列され、巻線層３は、多相巻線を構成する複数のコアレスの巻線が周方向に第２の等角度間隔で配列され、複数の磁石層２と複数の巻線層３とは同心円状に径方向に交互に積層される。磁石層２が備える各磁石において、周方向で隣接する磁石間には所定幅のギャップ４が設けられる。また、積層型コアレスモータ１の回転中心には回転軸５が設けられる。

（２極の構成例）
図２（ａ）は２極の磁石について積層を２層とした例を示している。磁石層２は第１の磁石層２ａ及び第２の磁石層２ｂを径方向に積層し、第１の磁石層２ａの磁石と第２の磁石層２ｂの磁石の極性の着磁方向は、周方向の同一角度位置において同一である。この構成例では、各層において２個の磁石を備えるため、各層の磁石が周方向で配列される第１の等角度間隔は１８０°であり、同じ角度範囲にある磁石層２ａと磁石層２ｂとは同じ極性の着磁方向である。

磁石層２ａが備える２つの磁石において、周方向に隣接する磁石の間には第１ギャップ４ａが設けられ、また、磁石層２ｂが備える２つの磁石においても、周方向に隣接する磁石の間には第２ギャップ４ｂが設けられる。

巻線層３は第１の巻線層３ａ及び第２の巻線層３ｂを径方向に積層し、第１の巻線層３ａの巻線と第２の巻線層３ｂの巻線の励磁は、周方向の同一角度位置において同相であり、周方向で隣接する巻線は周方向に順に位相ずれして励磁される。図２（ａ）では巻線層３を３相励磁する場合の励磁相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）がそれぞれ１個ずつ合計３個の巻線が周方向に配列される。

この構成例では、各層において３個の巻線を備えるため、各層の巻線が周方向で配列される第１の等角度間隔は１２０°であり、同じ角度範囲にある巻線層３ａと巻線層３ｂの巻線は同一の励磁相である。

（４極の構成例）
図２（ｂ）は４極の磁石について積層を２層とした例を示している。磁石層２は第１の磁石層２ａ及び第２の磁石層２ｂを径方向に積層し、第１の磁石層２ａの磁石と第２の磁石層２ｂの磁石の極性の着磁方向は、周方向の同一角度位置において同一である。この構成例では、各層において４個の磁石を備えるため、各層の磁石が周方向で配列される第１の等角度間隔は９０°であり、同じ角度範囲にある磁石層２ａと磁石層２ｂとは同じ極性の着磁方向である。

磁石層２ａが備える４つの磁石において、周方向に隣接する磁石の間には第１ギャップ４ａが設けられ、また、磁石層２ｂが備える４つの磁石においても、周方向に隣接する磁石の間には第２ギャップ４ｂが設けられる。

巻線層３は第１の巻線層３ａ及び第２の巻線層３ｂを径方向に積層し、第１の巻線層３ａの巻線と第２の巻線層３ｂの巻線の励磁は、周方向の同一角度位置において同相であり、周方向で隣接する巻線は周方向に順に位相ずれして励磁される。図２（ｂ）では巻線層３を３相励磁する場合の励磁相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）がそれぞれ２個ずつ合計６個の巻線が周方向に配列される。

この構成例では、各層において６個の巻線を備えるため、各層の巻線が周方向で配列される第１の等角度間隔は６０°であり、同じ角度範囲にある巻線層３ａと巻線層３ｂの巻線は同一の励磁相である。

（６極の構成例）
図２（ｃ）は６極の磁石について積層を３層とする例を示している。磁石層２は第１の磁石層２ａ、第２の磁石層２ｂ、及び第３の磁石層２ｃを径方向に積層し、第１の磁石層２ａの磁石と第２の磁石層２ｂの磁石と第３の磁石層２ｃの磁石の極性の着磁方向は、周方向の同一角度位置において同一である。この構成例では、各層において６個の磁石を備えるため、各層の磁石が周方向で配列される第１の等角度間隔は６０°であり、同じ角度範囲にある磁石層２ａと磁石層２ｂとは同じ極性の着磁方向である。

磁石層２ａが備える６つの磁石において、周方向に隣接する磁石の間には第１ギャップ４ａが設けられ、磁石層２ｂが備える６つの磁石においても、周方向に隣接する磁石の間には第２ギャップ４ｂが設けられ、磁石層２ｃが備える６つの磁石においても、周方向に隣接する磁石の間には第３ギャップ４ｃが設けられる。

巻線層３は第１の巻線層３ａ、第２の巻線層３ｂ、及び第３の巻線層３ｃを径方向に積層し、第１の巻線層３ａの巻線と第２の巻線層３ｂの巻線と第３の巻線層３ｃの巻線の励磁は、周方向の同一角度位置において同相であり、周方向で隣接する巻線は周方向に順に位相ずれして励磁される。図２（ｃ）では巻線層３を３相励磁する場合の励磁相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）がそれぞれ３個ずつ合計９個の巻線が周方向に配列されている。

この構成例では、各層において９個の巻線を備えるため、各層の巻線が周方向で配列される第１の等角度間隔は４０°であり、同じ角度範囲にある巻線層３ａと巻線層３ｂの巻線は同一の励磁相である。

磁石層２と巻線層３とは同心円状に径方向に交互に積層する。積層された磁石層２の極性の着磁方向は周方向の同一角度位置において同一であり、また、積層された巻線層３のは周方向の同一角度位置において同相であるため、同一角度位置では磁石層２と巻線層３とは各層において磁束方向と電流方向は同様の関係となり、トルク発生は同様に行われる。

多相巻線をｍ相巻線としてｍ相で励磁する場合には、２以上の整数ｎに対して、各磁石層の磁石の個数は（２×ｎ）個であり、各巻線層の巻線の個数は（ｍ×ｎ）個である。上記した２極、４極、及び６極の構成は、３相励磁においてｎをそれぞれ１，２，及び３とした例である。

（積層型コアレスモータの動作例）
図３を用いて積層型コアレスモータの動作例について説明する。なお、積層型コアレスモータの動作は、磁石が巻線に対して形成する磁束態様の他は、通常の永久磁石同期モータ（PMSM）あるいは表面永久磁石同期モータ（SPMSM）の動作と同様である。

図３（ａ）は積層された磁石が形成する巻線に対する磁束を示し、図３（ｂ）〜（ｇ）は巻線の励磁によって形成されるトルクの状態を示し、図３（ｈ）は巻線の励磁電流を示している。なお、ここでは、Ｕ，Ｖ，Ｗの３相励磁について示している。

図３（ａ）において、３相巻線Ｕ，Ｖ，Ｗの巻線層３ａは積層された磁石層２ａ及び磁石層２ｃの間に配置され、対向して配置された磁石層２ａ，２ｂによる磁束と鎖交する。同位置にある磁石層２ａ，２ｂの磁石は同方向に着磁され、所定の角度間隔で極性が交互に反転することで、巻線層３ａの各巻線に効果する磁束方向は交互に入れ替わる。

図３（ｂ）〜（ｇ）は、図３（ｈ）で"Ａ"〜"Ｆ"で示した各時点での各相の巻線Ｕ，Ｖ，Ｗの電流方向と、鎖交磁束との電磁作用によって発生するトルクの方向を示している。なお、図において○内に・を記載した印は図面の奥から手前方向に向かって流れる電流方向を示し、○内に×を記載した印は図面の手前から奥に向かって流れる電流方向を示している。

図３（ｂ），（ｅ）では３相巻線Ｕに流れる電流と磁束との鎖交によりトルクが発生し、図３（ｃ），（ｆ）では３相巻線Ｖに流れる電流と磁束との鎖交によりトルクが発生し、図３（ｄ），（ｇ）では３相巻線Ｗに流れる電流と磁束との鎖交によりトルクが発生する。

（積層型コアレスモータの構成例）
次に、図４〜図６を用いて積層型コアレスモータの構成例について説明する。
図４（ａ）は積層型コアレスモータの全体構成を示している。この構成例の積層型コアレスモータ１は、磁石層２と巻線層３とがそれぞれ２層分だけ積層されている。各磁石層は８個の磁石で構成され、巻線層は１２個の巻線で構成される。

図４（ｂ）は積層型コアレスモータの磁石層を示し、同一の角度位置にある磁石の極性の着磁方向は同方向である。図４（ｃ）は積層型コアレスモータの巻線層を示し、同一の角度位置にある巻線の励磁相は同相である。

図５は、積層された磁石層と積層された巻線層とを連結して一体とするための、磁石積層部及び巻線積層部の構成を示している。なお、図５では、磁石層２ａ及び磁石層２ｂの一部の磁石、及び巻線層３ａ及び巻線層３ｂの一部の巻線のみを示している。

図５（ａ）は、積層された磁石層を連結して磁石積層部を構成するための磁石ステータ６を示している。磁石ステータ６は、円盤状部材に、磁石層２ａ，２ｂの複数の磁石を収納し保持する径方向に区切られた磁石保持部６Ａ、及び巻線ステータ７に取り付けられた巻線層３ａ，３ｂを組み込む巻線組み込み部６Ｂが設けられて構成され、各磁石保持部６Ａ内に各磁石層２ａ，２ｂの磁石を収納することによって所定位置に固定すると共に、積層された磁石層２を一体に連結する。また、磁石ステータ６の巻線組み込み部６Ｂ内には、巻線ステータ７に固定された巻線層３ａ，３ｂが収納され組み込まれる。

図５（ｂ）は、積層された巻線層を連結して巻線積層部を構成するための巻線ステータ７を示している。巻線ステータ７は、円盤状部材に、巻線層３ａ．３ｂの複数の巻線を収納し保持する径方向に区切られた巻線収納部７Ａ、及び磁石ステータ６に取り付けられた磁石層２ａ，２ｂを組み込む磁石組み込み部７Ｂが設けられて構成され、各巻線保持部７Ａ内に各巻線層３ａ，３ｂの巻線を収納することによって所定位置に固定すると共に、積層された巻線層３を一体に連結する。また、巻線ステータ７の磁石組み込み部７Ｂ内には、磁石ステータ６に固定された磁石層２ａ，２ｂが収納され組み込まれる。

磁石ステータ６に固定された磁石層２ａ，２ｂの磁石積層部と巻線ステータ７に固定された巻線層３ａ，３ｂの巻線積層部とは連結されておらず、また、接触もしてもいないため、互いに回転自在である。磁石積層部及び巻線積層部は、何れか一方が回転軸５と連結されて回転体（ロータ）を構成し、他方は固定子（ステータ）を構成する。

なお、磁石ステータ６及び巻線ステータ７は、磁石積層部及び巻線積層部を構成するための例であり、この構成例に限られるものではない。

（本願発明の積層型コアレスモータと表面永久磁石同期モータ（SPMSM）との比較）
図６は本願発明の積層型コアレスモータと表面永久磁石同期モータ（SPMSM）の磁束密度を比較するための図である。

図６（ａ）は表面永久磁石同期モータ（SPMSM）の単一磁石が形成する磁束密度の変化を示し、図６（ｂ）は本願発明の積層型コアレスモータの一対の磁石が形成する磁束密度の変化を示している。

図６（ａ），（ｂ）は、表１に示すパラメータの単一磁石及び一対の磁石を用いた磁束密度変化を示している。

図６（ａ），（ｂ）の磁束密度変化によれば、例えば、磁石表面から１０mmの位置における磁束密度で比較すると、単一磁石による磁束密度は０．０１７Ｔに減衰するのに対して、一対の磁石による磁束密度の減衰は０．０８２Ｔであり、平均磁束密度で換算すると一対の磁石によれば磁束密度は１８．５％上昇する。

この比較は、本願発明の積層型コアレスモータによれば、磁石層を多層に積層させることによって巻線層に鎖交する磁束数が増加することを示している。

次に、本願発明の積層型コアレスモータと表面永久磁石同期モータ（SPMSM）との比較を図７〜図９を用いて説明する。
図７は２層〜４層モデルについて、本願発明の積層型コアレスモータと表面永久磁石同期モータ（SPMSM）の構成を比較する。

図７（ａ），（ｂ）は４層モデルでの構成比較であり、図７（ａ）は本願発明の積層型コアレスモータの構成を示し、図７（ｂ）は４層モデルに相当する表面永久磁石同期モータ（SPMSM）の構成を示している。図７（ｃ），（ｄ）は３層モデルでの構成比較であり、図７（ｃ）は本願発明の積層型コアレスモータの構成を示し、図７（ｄ）は３層モデルに相当する表面永久磁石同期モータ（SPMSM）の構成を示している。図７（ｅ），（ｆ）は４層モデルでの構成比較であり、図７（ｅ）は本願発明の積層型コアレスモータの構成を示し、図７（f）は４層モデルに相当する表面永久磁石同期モータ（SPMSM）の構成を示している。

図７（ａ），（ｃ），（ｅ）に示す本願発明の積層型コアレスモータ１の各層モデルは、何れも磁石層２と巻線層３とを径方向に積層して構成される。一方、図７（ｂ），（ｄ），（ｆ）に示す表面永久磁石同期モータ（SPMSM）の等価モデルは、何れも磁石層１０２と巻線層１０３とを単層で備える構成である。なお、図７（ｇ）は、多層モデルと比較するために単層モデルの表面永久磁石同期モータ（SPMSM）の構成を示している。

図７に示す各層モデルにおいて、径方向及び軸方向のサイズを共通して同一体積とした際の比較を行う。

上記した２層〜４層モデルについて、表２に示すモータ仕様のパラメータを用い、表３に示す条件によるシミュレーションで得られた結果を図８，９に示す。なお、表２においてMLPMSMは本願発明の積層型コアレスモータを示している。

図８は、本願発明の積層型コアレスモータの４層モデルの各相（Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相）、のトルク、及び総合トルクを示している。各相で得られたトルクを合わせた総合トルクは、ほぼ１０．９５Ｎｍであり、本願発明の積層型コアレスモータによる所定のトルクが得られることを示している。

次に、図９を用いて本願発明の積層型コアレスモータと表面永久磁石同期モータ（SPMSM）とのトルク特性について比較する。

図９（ａ）は、本願発明の積層型コアレスモータと表面永久磁石同期モータ（SPMSM）のトルク、及びトルク比（ratio）について層数による変化を示している。図９（ａ）は、本願発明の積層型コアレスモータ及び表面永久磁石同期モータ（SPMSM）のトルクは共に層数の増加に伴って増加することを示し、さらに、本願発明の積層型コアレスモータのトルク増加は、表面永久磁石同期モータ（SPMSM）よりも大きいことを示している。４層モデルでは、本願発明の積層型コアレスモータのトルクは表面永久磁石同期モータ（SPMSM）よりも約３３．９％高いことを示している。

図９（ｂ）は重量当たりのトルクの層数による変化を示している。図９（ｂ）に示す２層、３層、及び４層の各層モデルにおいて、本願発明の積層型コアレスモータの重量当たりのトルクは表面永久磁石同期モータ（SPMSM）よりも大きいことを示している。このことは、同一体積で比較すると、本願発明の積層型コアレスモータは表面永久磁石同期モータ（SPMSM）よりも大きいトルクを得られることを示し、また、同一のトルクで比較すると、本願発明の積層型コアレスモータは表面永久磁石同期モータ（SPMSM）よりも小型となることを示している。

なお、図９（ｂ）において、本願発明の積層型コアレスモータの層数が"１"の１層モデルは表面永久磁石同期モータ（SPMSM）と同じ構成であり、重量当たりのトルクは同一である。

（積層型コアレスモータのキャップ）
本願発明の積層型コアレスモータの磁石層が備えるギャップ構成について図１０〜図１２を用いて説明する。

図８に示した総合トルクは角度に応じて変動するリップル成分を有している。トルクに含まれるリップル成分はモータの回転ムラの要因となるため、リップル成分は小さいことがのぞましい。

本発明の発明者は、リップル成分の要因として、磁石層において周方向に隣接する磁石間で漏れる磁束にあることを見いだした。この磁石間の漏れ磁束に鑑みて、本願発明の積層型コアレスモータの磁石層は、この漏れ磁束を抑制する構成として周方向で隣接する磁石間にギャップを備える。ギャップを設けることで、周方向で隣接する磁石間の漏れ磁束は低減され、巻線と鎖交する磁束数の低減及び変動が抑制され、リップル成分を低減すると共に、トルクが高まる。

図１０（ａ），（ｂ）はギャップの構成例を示している。図１０（ａ）に示す構成例は、各磁石層において、周方向で隣接する磁石間のギャップ幅を等角度θで定める構成である。この構成では、回転軸から遠い外側にギャップほどギャップ幅が広く設定される。図１０（ｂ）に示す構成例は、各磁石層において、周方向で隣接する磁石間のギャップ幅を等しい距離ｄで定める構成である。この構成では、何れの磁石層においてもギャップ幅は等距離で設定される。

磁石層の周方向で隣接する磁石間にギャップを備える構成は、周方向で隣接する磁石間で漏れる磁束を抑制する。漏れ磁束を抑制することによって、径方向で隣接する磁石層から巻線層の巻線に向かう磁束の漏れ磁束による低減及び変動を抑制し、巻線と鎖交する磁束数の変動を低下させてトルク変動を抑制すると共に、磁束数を増加させて発生するトルクを高める。

図１１は、ギャップによる磁束の変化を説明するための図である。図１１（ａ）は、周方向で隣接する磁石２ａと磁石２ｂの間にギャップが無く、磁石間で磁束が漏れた状態を示している。この漏れ磁束は、巻線と鎖交する磁束数を減らすことになる。

図１１（ｂ）は周方向で隣接する磁石２ａと磁石２ｂとの間にギャップを設けた状態を示している。ギャップを設けることで、各磁石の磁束は漏れることなく巻線層３の巻線と鎖交する。図１１（ｂ）は、磁石２ａと磁石２ｂとのギャップの角度θが７．０°である場合を示している。

図１２は、ギャップの角度θを０°から１０°の間で変化させたときのトルク変化を示している。なお、このトルク変化は図７（ｃ）の３層モデルの例である。

図１２の結果によれば、ギャップ角θが０°の場合のリップル分は約−２．９０％であるのに対して、ギャップ角θが７．０°の場合のリップル分は約０．４６％に改善される。

なお、本願発明は前記各実施の形態に限定されるものではない。本願発明の趣旨に基づいて種々変形することが可能であり、これらを本願発明の範囲から排除するものではない。

本願発明の積層型コアレスモータは、電動車いす、パワーアシストスーツ、生活支援ロボット等のハプティック機器の他、電気自動車、エレベータ、鉄道車両等の産業機器の分野に適用することができる。

１ 積層型コアレスモータ
２，２ａ，２ｂ 磁石層
３，３ａ，３ｂ 巻線層
４ ギャップ
４ａ 第１ギャップ
４ｂ 第２ギャップ
４ｃ 第３ギャップ
５ 回転軸
６ 磁石ステータ
７ 巻線ステータ
２１，２２ 磁石
３０ 巻線
Ｕ，Ｖ，Ｗ 相巻線
１０２ 磁石
１０３ 巻線

Claims (6)

1. 極性が径方向に着磁された複数の磁石が周方向に第１の等角度間隔で円環状に配列された複数の磁石層と、
   多相巻線を構成する複数のコアレスの巻線が周方向に第２の等角度間隔で円環状に配列された複数の巻線層とを備え、
   前記磁石層と前記巻線層とは同心円状に径方向に交互に積層され、
   積層された各層は一体で互いに相対的に回転自在である、
   積層型コアレスモータ。
2. 各磁石層において、周方向の同一角度位置にある各磁石の極性は径方向で同一であり、周方向で隣接する磁石の極性は周方向で交互に反転し、
   各巻線層において、周方向の同一角度位置にある各巻線の励磁は同相であり、周方向で隣接する巻線の励磁の相は周方向に順に位相ずれした請求項１に記載の積層型コアレスモータ。
3. 各磁石層(において、周方向に隣接する磁石間にギャップを備えた、請求項１に記載の積層型コアレスモータ。
4. 前記ギャップの周方向の幅は、各磁石層において同一の角度幅、又は同一の長さである、請求項３に記載の積層型コアレスモータ。
5. 前記積層された複数の磁石層が連結された磁石積層部と、積層された複数の巻線層が連結された巻線積層部の内、一方はロータを構成し他方はステータを構成する、請求項１から４の何れか一つに記載の積層型コアレスモータ。
6. ｍ相の多相巻線において、２以上の整数ｎに対して、
   各磁石層の磁石の個数は（２×ｎ）個であり、
   各巻線層の巻線の個数は（ｍ×ｎ）個である、請求項１から５の何れか一つに記載の積層型コアレスモータ。