JP2020137387A - 回転モーター及びリニアモーター - Google Patents

Abstract

【課題】磁石量を増やすことなくシングルハルバッハ配列回転モーターの出力増大とコギングの解消を実現することのできる回転モーターを提供する。【解決手段】回転モーターは、円筒状部を有し、該円筒状部の内周側に環状に構成した複数のコイル２０３を持つステーター２００と、前記複数のコイルの内周側に、断面円形の外周面を持つ非磁性材料によるローター本体３０１の前記外周面に複数の永久磁石３０３によりハルバッハ配列磁石体を一体的に回転可能に構成したローター３００と、を含み、前記複数のコイルの外周側と前記ステーターの前記円筒状部の内周側との間に、強磁性材料による円筒状のヨーク２０２を配置して前記ステーターの一部とした。【選択図】図４

Description

本発明は、回転モーター及びリニアモーターに関し、特にハルバッハ配列磁石体を備えた回転モーター及びリニアモーターに関する。

図１を参照して一般的な同期回転モーターについて説明し、続いて一般的な同期回転モーターとハルバッハ配列磁石体を備えた回転モーターとの違いについて説明する。なお、通常のハルバッハ配列磁石体を備えた回転モーターをシングルハルバッハ配列回転モーターと呼び、図２を参照して説明されるダブル（あるいはデュアル）ハルバッハ配列回転モーターと区別することとする。図１、図２のいずれも、三相回転モーターのローター及びステーターを、回転軸に垂直な断面で示している。

図１において、この同期回転モーターはＳＰＭ（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）モーターとも呼ばれ、ステーター１００と、その内側に回転可能に設置されたローター１１０を有する。ステーター１００は、円筒状のステーターコア１０１の内周に周方向に間隔を置いて形成された複数のティース（コア）１０２を有し、各ティース１０２にコイル１０３を設置して成る。ローター１１０はインナーローターであり、強磁性体による円筒状のローターコア１１１の外周に複数の永久磁石（以下、磁石と略称する）１１２を周方向に並べて接着、固定して成る。このような同期回転モーターは、コアがあることによりコギングが現れるという問題点がある。

一方、シングルハルバッハ配列回転モーターは、図１の複数の磁石１１２をハルバッハ配列としたものである。つまり、複数の磁石１１２を、その磁極を周方向に略９０度ずつ回転させながら周方向に配列してハルバッハ配列磁石体を形成する。これにより、ハルバッハ配列磁石体の内側（又は外側）の磁場を弱くし、その分ハルバッハ配列磁石体の外側（又は内側）の磁場を強くして、ハルバッハ配列磁石体の外側（又は内側）に強い磁場を発生させることができる。この種の回転モーターは、特許文献１に示されている。

上記説明のようなステーターを持つシングルハルバッハ配列回転モーターは、図１に示されるような同期回転モーターと比較して出力が約１．５倍大きいというメリットがある。ただし、図１の同期回転モーターと同様、コアがあることで、コギングが現れる。

次に、図２を参照して、本発明者により提案されているダブル（あるいはデュアル）ハルバッハ配列磁石体を持つダブルハルバッハ配列回転モーターについて説明する。

図２は、ダブルハルバッハ配列回転モーターのローター及びステーターを、回転軸に垂直な断面で示している。

図２において、ダブルハルバッハ配列回転モーターの場合、環状に組み合わせた複数のコイル１５０を持つステーター１６０を間にして、その内周側にはインナーローター１７０が、外周側にはアウターローター１８０が、それぞれ、一体的に回転可能に設置されている。インナーローター１７０は、筒状のインナーローターコア１７１の外周に、複数のインナー磁石１７２を９０度ずつ磁極が回転するように周方向に並べて内側ハルバッハ配列磁石体を形成するように固定して成る。一方、アウターローター１８０は、筒状のアウターローターコア１８１の内周に、複数のアウター磁石１８２を９０度ずつ磁極が回転するように周方向に並べて外側ハルバッハ配列磁石体を構成するように固定して成る。

インナー磁石１７２とアウター磁石１８２の数は同じであり、インナーローター１７０とアウターローター１８０は一体的に回転するように構成される。

複数のインナー磁石１７２のうち径方向に着磁したインナー磁石１７２の磁極方向と、複数のアウター磁石１８２のうち径方向に着磁したアウター磁石１８２の磁極方向は、半径方向に関して同じ位置に配置されているもの同士は同じである。一方、複数のインナー磁石１７２のうち周方向に着磁したインナー磁石１７２の磁極方向と、複数のアウター磁石１８２のうち周方向に着磁したアウター磁石１８２の磁極方向は、半径方向に関して同じ位置に配置されているもの同士は反対である。

インナーローター１７０では、前述したように、インナー磁石１７２を、その磁極を周方向に略９０度ずつ回転させながら配列すると、配列の内側の磁場が弱まり、配列の外側では、その分磁場が強くなって、インナー磁石１７２の配列の外側に強い磁場を発生させることができる。一方、アウターローター１８０では、アウター磁石１８２を、その磁極を周方向に略９０度ずつ回転させながら配列しているが、周方向に略平行な磁化方向を持つ磁石の磁化方向を、インナー磁石１７２の磁化方向に対して１８０度反転させている。これにより、アウター磁石１８２の配列の外側の磁場が弱まり、配列の内側では、その分磁場が強くなって、アウター磁石１８２の配列の内側に強い磁場を発生させることができる。その結果、インナーローター１７０の内径側とアウターローター１８０の外径側には磁場は殆ど漏れず、コイル１５０が配置されている空間の磁場が強くなる。

特開２０１１−２４３７９号公報

図２に示されるようなダブルハルバッハ配列回転モーターによれば、図１に示されるような通常の同期回転モーターの約２倍の出力を得ることができる。しかも、ステーター１６０においてコイル１５０の保持をコアレス構造で実現しているためコギングが現れない。

しかし、図２に示されるようなダブルハルバッハ配列回転モーターは、出力は増大するものの、磁石の使用量が通常のシングルハルバッハ配列回転モーターに比べて約２倍になりコストも増大する。

そこで、本発明の目的は、磁石量を増やすことなくシングルハルバッハ配列回転モーターの出力増大とコギングの解消を実現することのできる回転モーターを提供することにある。

本発明の他の目的は、上記回転モーターと同様の効果を得ることのできるリニアモーターを提供することにある。

本発明の第１の態様によれば、円筒状部を有し、該円筒状部の内周側（又は外周側）に環状に構成した複数のコイルを持つステーターと、前記複数のコイルの内周側（又は外周側）に、断面円形の外周面（又は内周面）を持つ非磁性材料によるローター本体の前記外周面（又は前記内周面）に複数の永久磁石によりハルバッハ配列磁石体を一体的に回転可能に構成したローターと、を含み、前記複数のコイルの外周側（又は内周側）と前記ステーターの前記円筒状部の内周側（又は外周側）との間に、強磁性材料による円筒状のヨークを配置して前記ステーターの一部としたことを特徴とする回転モーターが提供される。

上記第１の態様においては、前記複数の永久磁石を、前記ハルバッハ配列磁石体を構成するように、非磁性材料による円筒状の補助部材を介して前記ローター本体の前記内周面に設置することが望ましい。

本発明の第２の態様によれば、環状に構成した複数のコイルを持つステーターと、前記複数のコイルの内周側に、断面円形の外周面を持つ非磁性材料による内側ローターコアの前記外周面に複数の永久磁石によりハルバッハ配列磁石体を一体的に回転可能に構成したローターと、を含み、前記ローターは更に、前記複数のコイルの外周側に対向する内周面を持つ外側ローターコアを有し、該外側ローターコアの内周面に強磁性材料による円筒状のヨークを配置したことを特徴とする回転モーターが提供される。

上記第２の態様においては、前記複数の永久磁石を、前記ハルバッハ配列磁石体を構成するように、非磁性材料による円筒状の補助部材を介して前記内側ローターコアの前記外周面に設置し、前記円筒状のヨークを、非磁性材料による円筒状の保持部材を介して前記外側ローターコアの前記内周面に設置することが望ましい。

本発明の第３の態様によれば、ハルバッハ配列磁石体を構成するように直線状に配列した複数の永久磁石を持つ固定子と、前記複数の永久磁石に対向しつつ該複数の永久磁石の配列方向に移動可能に設置した複数のコイルを持つ可動子とを有するリニアモーターであって、前記固定子は、前記可動子の可動範囲に亘る長さを持つ断面コ字形の部材であって、その開口を下側に向けて設置されたフレームと、前記フレームにおいて互いに対向する２つの内側面の一方に、全長に亘って前記ハルバッハ配列磁石体を構成するように設置された前記複数の永久磁石と、前記２つの内側面の他方に、全長に亘って設置された強磁性材料によるヨークと、を有することを特徴とするリニアモーターが提供される。

上記第３の態様においては、前記複数の永久磁石を、前記フレームの全長に亘って延びる、非磁性材料による補助部材を介して前記２つの内側面の前記一方に設置し、前記ヨークを、前記フレームの全長に亘って延びる、非磁性材料による保持部材を介して前記２つの内側面の前記他方に設置することが望ましい。

本発明によれば、磁石量を増やすことなくシングルハルバッハ配列回転モーターの出力増大とコギングの解消を実現できる回転モーターを提供することができる。また、コアレスモーターとしたことによりコギングの発生も全くない。本発明によればまた、上記回転モーターと同様の効果を得ることのできるリニアモーターを提供することができる。

一般的な同期回転モーターのローター及びステーターの断面構造を示した図である。 本発明者により提案されているダブルハルバッハ配列回転モーターのローター及びステーターの断面構造を示した図である。 本発明の第１の実施形態であるシングルハルバッハ配列回転モーターのローター及びステーターの断面構造を示した図である。 図３のＡ−Ａ’線による断面図である。 図４に示されたローターの斜視図である。 図５のＣ−Ｃ’線による部分縦断面図である。 本発明の第２の実施形態であるシングルハルバッハ配列回転モーターのローター及びステーターの断面構造を示した図である。 図７のＤ−Ｄ’線による断面図である。 本発明の第３の実施形態であるシングルハルバッハ配列回転モーターのローター及びステーターの断面構造を示した図である。 図９のＦ−Ｆ’線による断面図である。 第３の実施形態に係る回転モーターのアウター磁石と補助部材及び磁石押さえ部を抜き出して示した斜視図である。 図１１のＨ−Ｈ’線による部分縦断面図である。 本発明の第４の実施形態であるシングルハルバッハ配列リニアモーターの可動子及び固定子の構造を示した側面図である。 図１３ＡのＩ−Ｉ’線による断面図である。 図１３ＡのＪ−Ｊ’線による断面図である。

図３、図４を参照して、本発明の第１の実施形態であるシングルハルバッハ配列回転モーター（以下では回転モーターと略称することがある）について説明する。図３は三相回転モーターのローター及びステーターを回転軸に垂直な断面で示し、図４は図３のＡ−Ａ’線による断面（但し、中心軸が縦方向になるように９０度回転）を示している。なお、図３は、図４のＢ−Ｂ’線による断面であるとも言える。

第１の実施形態に係る回転モーターは、図１に関連して説明したシングルハルバッハ配列回転モーターにおいてコイルを保持しているコアを省くことができるようにコイルの固定構造に改良を加えると共に、ローターの軽量化を実現するために磁石の固定構造も改良している。

はじめに、ステーター２００の構造について説明する。ステーター２００は、円筒状部を持つドラム状のステーターコア２０１と、ステーターコア２０１の円筒状部の内周面に固定された強磁性材料による円筒状のヨーク２０２と、ヨーク２０２の内周面とステーターコア２０１の内側端面（図４における回転軸方向の両端のうち、下側の閉端部の内面側）とに環状になるように固定された複数のコイル２０３と、を有する。ステーターコア２０１の内周面へのヨーク２０２の固定は樹脂系接着剤による接着等でも良いが、経年劣化による剥離を防止するためにはボルト等による固定が望ましい。ステーターコア２０１は純鉄、工業用純鉄、電気鉄、低炭素鋼、ケイ素鋼等の材料から成る。図４において、本実施形態では、ステーターコア２０１は、有底の円筒体とすることで円筒状部の下端側を閉じ、円筒状部の上端側開口については開口端部に蓋部材２０１ｂをボルト等により複数箇所で固定することで閉じているが、上下両側の閉端部の中心にはローター３００の回転軸３０２を通すための開口２０１ａが形成されている。

ヨーク２０２は純鉄、工業用純鉄、電気鉄、低炭素鋼、ケイ素鋼等の強磁性材料から成り、本実施形態のようにステーターの一部とする場合には、渦電流損を考慮して０．５ｍｍ〜１．５ｍｍの板状部材の積層構造とすることが望ましい。しかし、後述するように、ヨークをローターの一部とする場合には、渦電流損は発生しないので積層構造に限らず、バルク体でも良い。コイル２０３は、レーストラック形状に巻回したものを樹脂でモールドして成り、ヨーク２０２の内周面とステーターコア２０１の内側端面に形成された溝（あるいは凹部）２０２ｂに、樹脂系接着剤による接着で固定されている。

ローター３００は、アルミニウム及びアルミニウム合金の他、合成樹脂、特にＦＲＰ（繊維強化プラスチック）、チタン、ステンレス等の非磁性材料で作られるが、以下では、軽量化を企図してアルミニウムで作られている場合について説明する。ローター３００は、ここでは、円柱状のローター本体３０１とその中心軸方向に延びる回転軸３０２とを有する。ローター本体３０１の外周部には、複数の磁石３０３がハルバッハ配列磁石体を形成するように環状に配列されて固定されている。ローター３００は、回転軸３０２がステーターコア２０１の開口２０１ａにおいてベアリング３０４により支持されている。

ステーターコア２０１の内側面へのコイル２０３の組み付けや、ステーターコア２０１内へのローター３００の収容は、図４で言えば、ステーターコア２０１の蓋部材２０１ｂを外した状態で行い、組み付け、収容作業の修了後、蓋部材２０１ｂをステーターコア２０１の円筒状部の上端側開口にボルトで固定することで実現できる。

ハルバッハ配列磁石体について簡単に説明する。図３に磁石３０３の磁極を矢印で示したように、複数の磁石３０３を、その磁極を周方向に略９０度ずつ回転させながら周方向に配列してハルバッハ配列磁石体を形成する。これにより、ここでは、ハルバッハ配列磁石体の内側の磁場を弱くし、その分ハルバッハ配列磁石体の外側の磁場を強くして、ハルバッハ配列磁石体の外側に強い磁場を発生させることができるようにしている。磁石の材料としては、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ磁石の他、Ｓｍ−Ｃｏ磁石、フェライト磁石等が挙げられる。

次に、図５、図６を参照して、ローター３００における磁石３０３の固定構造について説明する。本例では、ローター３００が非磁性材料であることからローター３００と磁石３０３との間に吸着力が発生せず、接着のみでは磁石３０３の固定強度が十分でない。そのため、磁石３０３の固定構造を改良して十分な固定強度を得るようにしている。

図５は、ハルバッハ配列磁石体を持つ回転モーターにおけるローター３００の斜視図である。図６は、図５の線Ｃ−Ｃ’による部分縦断面図である。図５、図６においては、磁石の磁化方向は図示を省略している。

非磁性材料によるローター本体３０１の外周に複数の磁石３０３が周方向に並んでハルバッハ配列磁石体を形成するように接着、固定されている。複数の磁石３０３は、それぞれ、ローター本体３０１の軸心方向の長さと同じ長さを有する。ローター本体３０１の両端には、それぞれ、環状の磁石押さえ部３１０が複数のネジ３２０でローター本体３０１に取り付けられている。上述したように、軽量化を企図した場合の非磁性材料としては、アルミニウム及びアルミニウム合金の他、合成樹脂、特にＦＲＰ（繊維強化プラスチック）、チタン等が挙げられる。

図６において、ローター本体３０１の外周に、周方向に並べて接着、固定された複数の磁石３０３は、それぞれ、ローター本体３０１と接する面とは反対側の面であってローター本体３０１の軸心と同じ方向の両端縁が面取り加工されて略台形状の縦断面を持つように形成されている。磁石押さえ部３１０は、図６中の上側について言えば、ローター本体３０１の外径より少し小さめの内径及びローター本体３０１の外径より少し大きめの外径を有する環状体である。磁石押さえ部３１０はまた、ローター本体３０１の軸心方向の端面及び同じ方向の複数の磁石３０３の端面に接する面を有すると共に、複数の磁石３０３の面取りされた部分、ここでは斜面、の少なくとも一部と接してローター本体３０１から離れる方向への磁石３０３のずれを掛止する爪３１１を、外周側の全周にわたって持つ。磁石押さえ部３１０は、周方向に間隔をおいた複数個所で、頭部埋め込み型のネジ３２０によりローター本体３０１に取り付けられる。図６中の下側の磁石押さえ部３１０についても同様である。磁石押さえ部３１０は、ローター本体３０１と同様の、密度が１．５〜５．０ｇ／ｃｍ^３の非磁性材料が望ましい。

以上のように、環状の磁石押さえ部３１０で複数の磁石３０３をローター本体３０１側に押さえつつ、磁石押さえ部３１０をローター本体３０１の軸心方向の端面にネジ３２０で固定することで、複数の磁石３０３を一括して物理的に固定することができる。特に、磁石押さえ部３１０は、その一部が、磁石３０３とコイル２０３との間のギャップに突出することなく磁石３０３を押さえることができる。

なお、磁石押さえ部３１０の爪３１１は、磁石押さえ部３１０の周方向に間隔をおいて磁石３０３毎に少なくとも１個ずつ設けるようにしても良い。また、磁石３０３の面取りを斜面では無く段部とし、磁石押さえ部３１０の爪を、前記段部の少なくとも一部と接する断面逆Ｌ字形状としても良い。

次に、本例の組立作業を説明する。はじめに、回転軸３０２を持つローター本体３０１と、その軸心方向に関して同じ長さを持つ複数の磁石３０３を用意し、これらの磁石３０３に対して、それぞれ、ローター本体３０１と接する面とは反対側の面であって前記軸心方向の両端縁を面取りする。続いて、ローター本体３０１の外周に、面取りされた磁石３０３をエポキシ樹脂等の樹脂系接着剤で１個おきに接着した後、初期硬化時間５分〜３０分後に次の面取りされた磁石３０３を、１個おきの空いている箇所に同じ接着剤で接着する。そして、初期硬化時間後に爪３１１付きの磁石押さえ部３１０をローター本体３０１にネジ３２０で装着することでローター３００の組立作業が終了する。その結果、これまでの組立作業に比べて磁石の接着作業時間の短縮が著しく、接着後は接着剤の硬化時間を待たずに次の工程に移ることができる。

以上説明した第１の実施形態に係る回転モーターは、コイル２０３を収容するスロットが無くコアレスモーターの構造を持つ。コアレスモーターであればコギングが無く、インピーダンスが低いために応答速度が速くなる。一般的な磁石配列でコアレスモーター構造にするとコア付きモーターに比べて出力が約１／２に低下するが、第１の実施形態に係る回転モーターは、ハルバッハ配列磁石体を採用したことで出力が改善され、しかも円筒状に構成した複数のコイル２０３の外周側と円筒状のステーターコア２０１の内周側との間に強磁性材料による円筒状のヨーク２０２を対向させて配置したことにより、磁石量を増やすことなく回転モーターの出力増大を実現することができる。

なお、複数のコイル２０３をデルタ又はスター結線にしてＵ相、Ｖ相、Ｗ相の三相交流電源に接続して三相回転モーターとするための配線、接続形態については周知であるので、説明を省略する。これは、後述する第２、第３の実施形態でも同じである。また、第１の実施形態で挙げたローター、ステーター、ヨーク、磁石の各材料は、後述する第２〜第４の実施形態にも適用される。

次に、図７、図８を参照して、本発明の第２の実施形態である回転モーター（シングルハルバッハ配列回転モーター）について説明する。図７は三相回転モーターのローター及びステーターを回転軸に垂直な断面で示し、図８は図７のＤ−Ｄ’線による断面（但し、中心軸が縦方向になるように９０度回転）を示している。なお、図７は、図８のＥ−Ｅ’線による断面であるとも言える。

第２の実施形態に係る回転モーターは、図２に関連して説明したダブルハルバッハ配列回転モーターにおけるコイルの固定構造に改良を加えると共に、ローターの軽量化を実現するために磁石の固定構造も改良し、更に、複数のアウター磁石による外側ハルバッハ配列磁石体を、強磁性材料によるヨークに置き換えている。

はじめに、ステーター４００の構造について説明する。ステーター４００は、円筒体４１０とその一端側に一体化された円形のステーター基板４２０とで形成されている。ステーター基板４２０には複数のコイル４３０が環状になるように配置され、樹脂系接着剤等により接着されている。コイル４３０はレーストラック形状に巻回したものを樹脂でモールドして成り、その一端部をステーター基板４２０に形成された溝（あるいは凹部）４２０ａに埋め込んだ状態で接着することにより、ステーター基板４２０から立ち上がった状態でステーター４００に固定されている。ステーター４００は、純鉄、工業用純鉄、電気鉄、低炭素鋼、ケイ素鋼等の材料からなる。

ローター５００は、アルミニウム及びアルミニウム合金の他、合成樹脂、特にＦＲＰ（繊維強化プラスチック）、チタン、ステンレス等の非磁性材料で作られるが、以下では、軽量化を企図してアルミニウムで作られている場合について説明する。ローター５００は、回転軸５１０と、円筒状のインナーローターコア５２０及びアウターローターコア５３０を有し、これらを円形の主板５４０で一体化してなる。インナーローターコア５２０は、円筒体４１０とコイル４３０の間にあって、その外周側に、図２で説明した内側ハルバッハ配列磁石体を構成するための複数のインナー磁石５２１がコイル４３０と所定のギャップを介して対向するように環状に配列、固定されている。

インナー磁石５２１は、それぞれ、コイル４３０と対向する面であってローター５００の軸心と同じ方向の両端縁が面取り加工されて略台形状の縦断面を持つように形成されている。具体的には、インナーローターコア５２０の外周面に、非磁性材料による円筒状の補助部材５２２が固着され、この補助部材５２２の外周面に、環状の磁石押さえ部５２３を用いて複数のインナー磁石５２１が固定されている。インナーローターコア５２０への補助部材５２２の固着は、樹脂系接着剤による接着等でも良いが、経年劣化による剥離を防止するためにはボルト等による固定が望ましい。本実施形態においてはまた、補助部材５２２が非磁性材料であることからインナー磁石５２１との間に吸着力が発生せず、接着のみではインナー磁石５２１の固定強度が十分でないため、インナー磁石５２１の固定構造を改良して十分な固定強度を得るようにしている。

磁石押さえ部５２３によるインナー磁石５２１の固定は、図５、図６で説明した構造、手法と同じ構造、手法であるので説明は省略する。補助部材５２２の非磁性材料も、アルミニウム及びアルミニウム合金の他、合成樹脂、特にＦＲＰ（繊維強化プラスチック）、チタン等が挙げられる。

回転軸５１０は、円筒体４１０の両端にそれぞれ設置されたベアリング４１１で回転可能に支持されている。

図７を参照して、内側ハルバッハ配列磁石体について簡単に説明する。図７にインナー磁石５２１の磁極を矢印で示したように、複数のインナー磁石５２１を、その磁極を周方向に略９０度ずつ回転させながら周方向に配列して内側ハルバッハ配列磁石体を形成する。これにより、ここでは、内側ハルバッハ配列磁石体の内側の磁場を弱くし、その分、内側ハルバッハ配列磁石体の外側の磁場を強くして、内側ハルバッハ配列磁石体の外側に強い磁場を発生させることができるようにしている。インナー磁石５２１の材料としては、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ磁石の他、Ｓｍ−Ｃｏ磁石、フェライト磁石等が挙げられる。

アウターローターコア５３０は、コイル４３０の外周側に対向する位置にあって、その内周側には、保持部材５２４を介して強磁性材料による円筒状のヨーク５２５がコイル４３０と所定のギャップを介して対向するように配列、固定されている。保持部材５２４の材料としては、補助部材５２２の非磁性材料と同様、アルミニウム及びアルミニウム合金の他、合成樹脂、特にＦＲＰ（繊維強化プラスチック）、チタン等が挙げられる。ヨーク５２５は、純鉄、工業用純鉄、電気鉄、低炭素鋼、ケイ素鋼等の強磁性材料から成り、前述したように、０．５ｍｍ〜１．５ｍｍの板状部材の積層構造で得られるが、本実施形態ではヨーク５２５はローターの一部で、渦電流損が無いので、バルク体で実現されても良い。

アウターローターコア５３０への保持部材５２４の固着及び保持部材５２４へのヨーク５２５の固着は、樹脂系接着剤による接着等でも良いが、経年劣化による剥離を防止するためには接着に加えてボルト等による固定が望ましい。

ところで、ヨーク５２５をローター側に設置しているのは、ヨーク５２５を固定部側、例えばステーター基板４２０に設置すると、ローター５００側の磁石５２１との間に吸着力が発生し、ベアリング４１１に大きな負担がかかるからである。これに対し、ヨーク５２５をローター側に設置すると、磁石５２１との間に吸着力は発生しているが、ベアリング４１１には負担がかからない。

以上説明した第２の実施形態に係る回転モーターも、コイル４３０を収容するスロットの無いコアレスモーターの構造を持つので、コギングが無く、インピーダンスが低いために応答速度が速くなる。そして、第２の実施形態に係る回転モーターも、ハルバッハ配列磁石体を採用したことで出力が改善され、しかも円筒状に構成した複数のコイル４３０の外周側に、ダブルハルバッハ配列回転モーターにおける外側ハルバッハ配列磁石体に代えて、強磁性材料による円筒状のヨーク５２５を対向させて、配置したことにより、磁石量を増やすことなく回転モーターの出力増大を実現することができる。

次に、図９、図１０を参照して、本発明の第３の実施形態である回転モーター（シングルハルバッハ配列回転モーター）について説明する。図９は三相回転モーターのローター及びステーターを回転軸に垂直な断面（但し、中心軸が縦方向になるように９０度回転）で示し、図１０は図９のＦ−Ｆ’線による断面を示している。なお、図９は、図１０のＧ−Ｇ’線による断面であるとも言える。

第３の実施形態に係る回転モーターは、図２に関連して説明したダブルハルバッハ配列回転モーターにおけるコイルの固定構造に改良を加えると共に、ローターの軽量化を実現するために磁石の固定構造も改良している。第３の実施形態に係る回転モーターは、更に、図２のダブルハルバッハ配列回転モーターにおける複数のインナー磁石による内側ハルバッハ配列磁石体を、強磁性材料によるヨークに置き換えている。図７、図８に示された第２の実施形態の構成要素と同じ構成要素については同じ参照番号を付すこととし、詳しい説明は省略することがある。

はじめに、ステーター４００の構造について説明する。ステーター４００は、円筒体４１０とその一端側に一体化されたステーター基板４２０とで形成されている。ステーター基板４２０には複数のコイル４３０が環状になるように配置、固定されている。コイル４３０は、その一端部をステーター基板４２０に形成された溝（あるいは凹部）４２０ａに埋め込んだ状態で樹脂系接着剤等で接着すると共に、コイル４３０の内周側と円筒体４１０の外周側との間に強磁性材料による円筒状のヨーク４３１を介在させて樹脂系接着剤等で接着することにより、ステーター基板４２０から立ち上がった状態でステーター４００に固定されている。

ローター６００は、アルミニウム及びアルミニウム合金の他、合成樹脂、特にＦＲＰ（繊維強化プラスチック）、チタン、ステンレス等の非磁性材料で作られるが、ここでも、軽量化を企図してアルミニウムで作られている場合について説明する。ローター６００は、回転軸６１０と円筒状のローター本体６２０を有し、これらを円形の主板６３０で一体化してなる。ローター本体６２０は、コイル４３０の外周に対向する位置にあって、その内周側に、図２で説明した外側ハルバッハ配列磁石体を構成するための複数のアウター磁石６２１がコイル４３０と所定のギャップを介して対向するように環状に配列、固定されている。具体的には、ローター本体６２０の内周面に、非磁性材料による円筒状の補助部材６２２が固定され、この補助部材６２２の内周面に、環状の磁石押さえ部６２３を用いて複数のアウター磁石６２１が固定されている。

ローター本体６２０への補助部材６２２の固着は、樹脂系接着剤による接着等でも良いが、経年劣化による剥離を防止するためには接着に加えてボルト等による固定が望ましい。本実施形態においても、補助部材６２２が非磁性材料であることからアウター磁石６２１との間に吸着力が発生せず、接着のみではアウター磁石６２１の固定強度が十分でないため、磁石押さえ部６２３を用いてアウター磁石６２１を補助部材６２２に固定することにより十分な固定強度を得るようにしている。

磁石押さえ部６２３によるアウター磁石６２１の固定について、図１１、図１２を参照して説明する。図１１は、第３の実施形態に係る回転モーターのアウター磁石６２１と補助部材６２２及び磁石押さえ部６２３を抜き出して示した斜視図である。図１２は、図１１のＨ−Ｈ’線による部分縦断面図である。

図１１において、円筒状の補助部材６２２の内周に複数のアウター磁石６２１が周方向に並んで外側ハルバッハ配列磁石体を形成するように接着、固定されている。複数のアウター磁石６２１は、それぞれ、補助部材６２２の軸心方向の長さと同じ長さを有する。補助部材６２２の両端には、それぞれ、環状の磁石押さえ部６２３が複数のネジ６２４で補助部材６２２に取り付けられている。前述したように、補助部材６２２の非磁性材料としては、密度が１．５〜５．０ｇ／ｃｍ^３のアルミニウム及びアルミニウム合金、合成樹脂、特にＦＲＰ（繊維強化プラスチック）、チタン等が挙げられる。

図１２をも参照して、補助部材６２２の内周に、周方向に並べて接着固定された複数のアウター磁石６２１は、それぞれ、補助部材６２２と接する面とは反対側の面であって補助部材６２２の軸心と同じ方向の両端縁が面取り加工されて略台形状の縦断面を持つように形成されている。磁石押さえ部６２３は、補助部材６２２の外径と同じ外径及び補助部材６２２の内径より少し小さめの内径を有する環状体である。磁石押さえ部６２３はまた、補助部材６２２の軸心方向の端面及び同じ方向の複数のアウター磁石６２１の端面に接する面を有すると共に、複数のアウター磁石６２１の面取りされた部分、ここでは斜面の少なくとも一部と接して補助部材６２２から離れる方向へのアウター磁石６２１のずれを掛止する爪６２３−１を、内周側の全周にわたって持つ。磁石押さえ部６２３は、周方向に間隔をおいた複数個所で、頭部埋め込み型のネジ６２４により補助部材６２２に取り付けられる。磁石押さえ部６２３は、補助部材６２２と同様、密度が１．５〜５．０ｇ／ｃｍ^３の非磁性材料が望ましい。

以上のように、環状の磁石押さえ部６２３で複数のアウター磁石６２１を補助部材６２２側に押さえつつ、磁石押さえ部６２３を補助部材６２２の軸心方向の端面にネジ６２４で固定することで、複数のアウター磁石６２１を一括して物理的に固定することができる。本実施形態においても、磁石押さえ部６２３は、その一部が、アウター磁石６２１とコイル４３０との間のギャップに突出することなくアウター磁石６２１を押さえることができる。

図９を参照して、外側ハルバッハ配列磁石体について簡単に説明する。図９にアウター磁石６２１の磁極を矢印で示したように、複数のアウター磁石６２１を、その磁極を周方向に略９０度ずつ回転させながら周方向に配列して外側ハルバッハ配列磁石体を形成する。これにより、外側ハルバッハ配列磁石体の外側の磁場を弱くし、その分、外側ハルバッハ配列磁石体の内側の磁場を強くして、外側ハルバッハ配列磁石体の内側に強い磁場を発生させることができるようにしている。アウター磁石６２１の材料としては、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ磁石の他、Ｓｍ−Ｃｏ磁石、フェライト磁石等が挙げられる。

コイル４３０の内周側には、強磁性材料によるヨーク４３１が接着、固定されている。ヨーク４３１は、純鉄、工業用純鉄、電気鉄、低炭素鋼、ケイ素鋼等の強磁性材料から成り、前述したように、０．５ｍｍ〜１．５ｍｍの板状部材の積層構造で得ることができる。

回転軸６１０は、円筒体４１０の両端にそれぞれ設置されたベアリング４１１で回転可能に支持されている。

以上説明した第３の実施形態に係る回転モーターも、コイル４３０を収容するスロットの無いコアレスモーターの構造を持つので、コギングが無く、インピーダンスが低いために応答速度が速くなる。そして、第３の実施形態に係る回転モーターも、ハルバッハ配列磁石体を採用したことで出力が改善され、しかも円筒状に構成した複数のコイル４３０の内周側に、ダブルハルバッハ配列回転モーターにおける内側ハルバッハ配列磁石体に代えて、強磁性材料による円筒状のヨーク４３１を対向させて、配置したことにより、磁石量を増やすことなく回転モーターの出力増大を実現することができる。

次に、図１３Ａ〜図１３Ｃを参照して、本発明の第４の実施形態であるシングルハルバッハ配列リニアモーターについて説明する。図１３Ａは三相リニアモーターの側面図、図１３Ｂは図１３ＡのＩ−Ｉ’線による断面図、図１３Ｃは図１３ＡのＪ−Ｊ’線による断面図である。図１３Ｃにおいては、可動部となるコイル側の構成要素を中心に示している。

第４の実施形態に係る三相リニアモーターは、複数の磁石７１０を持つ固定子（ステーター）７００と、コイル８１０を持つ可動子８００とを有する。固定子７００は、可動子８００の可動範囲に亘る長さを持つ断面コ字形の非磁性材料による部材であって、その開口を下側に向けて設置されたフレーム７２０と、フレーム７２０において互いに対向する２つの内側面の一方に、非磁性材料による板状の補助部材７３０を介して全長に亘って設置された複数の磁石７１０と、上記２つの内側面の他方に、非磁性材料による板状の保持部材７４０を介して全長に亘って設置された強磁性材料によるヨーク７５０とを有する。

複数の磁石７１０は、樹脂系接着剤等で補助部材７３０に接着のみにより固定されても良いが、ここでは、接着に加えて、図５、図６で説明したように、磁石押さえ部７６０とネジ７７０とを用いて補助部材７３０に固定するようにしている。ただし、複数の磁石７１０は直線状に配置されるので、磁石押さえ部７６０は環状ではなく、直線形状である。補助部材７３０及び保持部材７４０は、樹脂系接着剤による接着で固定されても良いが、経年劣化による剥離を防止するためには接着に加えてボルト等による固定が望ましい。

リニアモーターの場合、ブロック状の複数の磁石７１０が直線状のハルバッハ配列磁石体を構成するように配列、固定される。特に、磁石７１０として、図（ｂ）に示すように、補助部材７３０側からコイル８１０側に向かう異方性（磁極）を持つ第１の磁石と、４５度方向に異方性（磁極）を持つ第２の磁石（４５度方向異方性磁石）と、コイル８１０側から補助部材７３０側に向かう異方性（磁極）を持つ第３の磁石とによる３種類の磁石を使用してハルバッハ配列磁石体を構成することで、磁界の磁束分布を正弦波に近づけることができるようにしている。また、このような磁石配列により、ハルバッハ配列磁石体の補助部材７３０側の磁場を弱くし、その分、ハルバッハ配列磁石体のコイル８１０側の磁場を強くして、コイル８１０側に強い磁場を発生させることができる。勿論、ハルバッハ配列磁石体は、第１〜第３の実施形態における磁石と同様、複数の磁石を、その磁極を長さ方向に略９０度ずつ回転させながら配列して構成しても良い。

磁石７１０の材料としては、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ磁石の他、Ｓｍ−Ｃｏ磁石、フェライト磁石等が挙げられる。

可動子８００は、磁石７１０とヨーク７５０との間に所定のギャップを介して移動可能に設置されたコイル８１０と、コイル８１０を固定した保持板８２０と、保持板８２０の長さ方向の下部両端側に設けられてリニアガイド８３０により移動を案内される２つのリニアスライダー８４０とを有する。コイル８１０は、保持板８２０及びリニアスライダー８４０と共にリニアガイド８３０に沿ってスライド移動する。コイル８１０は、ここでは、６個のコイルを有し、これらのコイルをデルタ又はスター結線にしたうえでＵ相、Ｖ相、Ｗ相の三相交流電源に接続される。各コイルはレーストラック形状に巻回したものを樹脂でモールドして成り、その一端部を保持板８２０に形成された溝（あるいは凹部）に埋め込んだ状態にて樹脂系接着剤等で接着することにより、保持板８２０から立ち上がった状態でしかも磁束生成面が磁石７１０、ヨーク７５０に対向するように保持板８２０に固定されている。

三相リニアモーターの構成に必要なコイルの最小限の個数は３個であり、可動子側のコイルは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の三相１組を単位とし、必要推力に応じて複数組設置される。

フレーム７２０は、純鉄、工業用純鉄、電気鉄、低炭素鋼、ケイ素鋼等の磁性材料からなり、補助部材７３０及び保持部材７４０はステンレス、アルミニウム及びアルミニウム合金の他、合成樹脂、特にＦＲＰ（繊維強化プラスチック）、チタン等の非磁性材料が用いられる。ヨーク７５０は、純鉄、工業用純鉄、電気鉄、低炭素鋼、ケイ素鋼等の強磁性材料から成り、前述したように、０．５ｍｍ〜１．５ｍｍの板状部材の積層構造で得られる。

６個のコイルに対する三相交流電源の接続形態や可動子８００の位置あるいは速度制御方式は周知であるので、詳しい説明は省略し、簡単に説明すると、可動子８００の位置制御や速度制御を行うために、可動子８００側、例えばコイル８１０に、可動子８００の位置を検出する位置センサ（図示省略）が設置される。また、可動子８００の位置制御や速度制御機能を有する制御装置（図示省略）が設置される。制御装置は、駆動電流供給用の三相交流電源（図示省略）に接続されると共に、位置センサからの位置検出信号を用いて複数のコイルに供給する駆動電流を制御することにより、可動子８００を指令値で指定された位置に位置決めするための位置制御や速度制御を実行する。

以上説明した第４の実施形態に係るリニアモーターも、コアレスモーターの構造を持つので、コギングが無く、インピーダンスが低いために応答速度が速くなる。そして、ハルバッハ配列磁石体を採用したことで出力が改善され、しかもコイル８１０の移動スペースを確保しつつ磁石７１０と対向するようにヨーク７５０を配置したことにより、磁石量を増やすことなくリニアモーターの出力増大を実現することができる。

本発明は、磁石を用いる回転モーター及びリニアモーター全般において、有用に利用することができる。

２００、４００ ステーター
２０１ ステーターコア
２０２、４３１、５２５、７５０ ヨーク
２０３、４３０ コイル
３００、５００、６００ ローター
３０１、６２０ ローター本体
３０２、５１０、６１０ 回転軸
３０３、５２１、６２１、７１０ 永久磁石
３０４、４１１ ベアリング
３１０、５２３、６２３、７６０ 磁石押さえ部
４１０ 円筒体
４２０ ステーター基板
５２０ インナーローターコア
５２２、６２２、７３０ 補助部材
５２４、７４０ 保持部材
５３０ アウターローターコア
５４０、６３０ 主板
７００ 固定子
７２０ フレーム
８００ 可動子
８２０ 保持板
８３０ リニアガイド
８４０ リニアスライダー

Claims (6)

1. 円筒状部を有し、該円筒状部の内周側（又は外周側）に環状に構成した複数のコイルを持つステーターと、
   前記複数のコイルの内周側（又は外周側）に、断面円形の外周面（又は内周面）を持つ非磁性材料によるローター本体の前記外周面（又は前記内周面）に複数の永久磁石によりハルバッハ配列磁石体を一体的に回転可能に構成したローターと、を含み、
   前記複数のコイルの外周側（又は内周側）と前記ステーターの前記円筒状部の内周側（又は外周側）との間に、強磁性材料による円筒状のヨークを配置して前記ステーターの一部としたことを特徴とする回転モーター。
2. 前記複数の永久磁石を、前記ハルバッハ配列磁石体を構成するように、非磁性材料による円筒状の補助部材を介して前記ローター本体の前記内周面に設置したことを特徴とする請求項１に記載の回転モーター。
3. 環状に構成した複数のコイルを持つステーターと、
   前記複数のコイルの内周側に、断面円形の外周面を持つ非磁性材料による内側ローターコアの前記外周面に複数の永久磁石によりハルバッハ配列磁石体を一体的に回転可能に構成したローターと、を含み、
   前記ローターは更に、前記複数のコイルの外周側に対向する内周面を持つ外側ローターコアを有し、該外側ローターコアの内周面に強磁性材料による円筒状のヨークを配置したことを特徴とする回転モーター。
4. 前記複数の永久磁石を、前記ハルバッハ配列磁石体を構成するように、非磁性材料による円筒状の補助部材を介して前記内側ローターコアの前記外周面に設置し、
   前記円筒状のヨークを、非磁性材料による円筒状の保持部材を介して前記外側ローターコアの前記内周面に設置したことを特徴とする請求項３に記載の回転モーター。
5. ハルバッハ配列磁石体を構成するように直線状に配列した複数の永久磁石を持つ固定子と、前記複数の永久磁石に対向しつつ該複数の永久磁石の配列方向に移動可能に設置した複数のコイルを持つ可動子とを有するリニアモーターであって、
   前記固定子は、前記可動子の可動範囲に亘る長さを持つ断面コ字形の部材であって、その開口を下側に向けて設置されたフレームと、
   前記フレームにおいて互いに対向する２つの内側面の一方に、全長に亘って前記ハルバッハ配列磁石体を構成するように設置された前記複数の永久磁石と、
   前記２つの内側面の他方に、全長に亘って設置された強磁性材料によるヨークと、を有することを特徴とするリニアモーター。
6. 前記複数の永久磁石を、前記フレームの全長に亘って延びる、非磁性材料による補助部材を介して前記２つの内側面の前記一方に設置し、
   前記ヨークを、前記フレームの全長に亘って延びる、非磁性材料による保持部材を介して前記２つの内側面の前記他方に設置したことを特徴とする請求項５に記載のリニアモーター。

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