JP2021145466A - 電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】周縁部における磁束の乱れや不足を抑制することが可能な電動機を提供する。【解決手段】電動機は、磁極子と、電機子とを備え、磁極子は、電機子と対向する電機子対向面を有し、電機子対向面の面内方向に配列する複数の磁極子コアと、複数の磁極子コアのうちの隣り合う磁極子コアの間に配置される永久磁石と、複数の磁極子コアの面内方向の外方に面した側面に配置され、複数の磁極子コアを保持する非磁性体で形成された保持体とを備える。【選択図】図６

Description

本発明は、電動機に関する。

特許文献１には、ステータを形成するステータコア及びロータを形成するロータコアが、互いに対向して両コア間に径方向及び軸方向のギャップを形成する凹凸部をそれぞれ有した回転電気機械が開示されている。

特許第５５９３７８７号公報

電動機の磁極子は、配列した複数の磁極子コア及びそれぞれの磁極子コアの側面に配置される永久磁石を含むが、周縁部において磁束が乱れたり不足しやすい。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、周縁部における磁束の乱れや不足を抑制することが可能な電動機を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の一の態様の電動機は、磁極子と、電機子とを備え、前記磁極子は、前記電機子と対向する電機子対向面を有し、前記電機子対向面の面内方向に配列する複数の磁極子コアと、前記複数の磁極子コアのうちの隣り合う磁極子コアの間に配置される永久磁石と、前記複数の磁極子コアの前記面内方向の外方に面した側面に配置され、前記複数の磁極子コアを保持する非磁性体で形成された保持体とを備える。

また、本発明の他の態様の電動機は、磁極子と、電機子とを備え、前記磁極子は、前記電機子と対向する電機子対向面を有し、前記電機子対向面の面内方向に配列する複数の磁極子コアと、前記複数の磁極子コアのそれぞれの前記電機子対向面に隣接する側面に配置される永久磁石と、前記複数の磁極子コアの前記面内方向の外方に面した側面に配置された前記永久磁石に配置され、前記複数の磁極子コアを保持する磁性体で形成された保持体とを備える。

本発明によれば、周縁部における磁束の乱れや不足を抑制することが可能となる。

実施形態に係る電動機の例を示す斜視図である。 電動機に含まれる電機子の例を示す斜視図である。 電動機に含まれる磁極子の例を示す斜視図である。 磁極子に含まれる磁極ユニットセルの例を示す分解斜視図である。 磁極子における磁路の例を示す分解斜視図である。 磁極子の第１具体例を示す図である。 同例を示す図である。 磁極子の第２具体例を示す図である。 同例を示す図である。 磁極子の第３具体例を示す図である。 磁極子の第４具体例を示す図である。 磁極子の第５具体例を示す図である。 磁極子の第６具体例を示す図である。 磁極子の第７具体例を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、実施形態に係る電動機１の例を示す斜視図である。図２は、電動機１に含まれる電機子１０の例を示す斜視図である。図３は、電動機１に含まれる磁極子２０の例を示す斜視図である。図４は、磁極子２０に含まれる磁極ユニットセル２１の例を示す分解斜視図である。図５は、磁極子２０における磁路の例を示す分解斜視図である。

以下の説明では、図中のＸ１−Ｘ２方向を左右方向、Ｙ１−Ｙ２を前後方向、Ｚ１−Ｚ２方向を上下方向という。図３ないし図５は、図１と比較して上下方向が反転した状態を示している。なお、図１ないし図５は、電動機１の基本的な構成を説明するための図であり、後述する具体例の一部の特徴が省略されている。

図１に示すように、電動機１は、電機子１０及び磁極子２０を備えている。電機子１０は磁極子２０の下方に配置され、磁極子２０は電機子１０の上方に配置されている。本実施形態では、電動機１は直動電動機であり、電機子１０に対して磁極子２０が前後方向に移動する（以下では、前後方向を可動方向ともいう）。すなわち、電機子１０が固定子とされ、磁極子２０が可動子とされる。これとは逆に、磁極子２０に対して電機子１０が移動してもよい。

図２に示すように、電機子１０は、複数の電機子コア（ティース部）１２、各電機子コア１２を囲む複数のコイル１１、及びヨーク部１３を備えている。ヨーク部１３と電機子コア１２は一体的に形成されており、軟鉄などの軟磁性体で形成されている。電機子コア１２は、水平方向に広がる板状のヨーク部１３から上方に突出しており、前後方向と左右方向とにマトリクス状に配列している。電機子コア１２の磁極子２０と対向する面を、磁極子対向面１４という。

図３に示すように、磁極子２０は、複数の磁極ユニットセル２１を備えている。複数の磁極ユニットセル２１は、前後方向及び左右方向にマトリクス状に配列しており、下方に向けて開放された保持体３に収容されている。磁極ユニットセル２１は、Ｎ型磁極ユニットセル２１ＡとＳ型磁極ユニットセル２１Ｂの総称である。Ｎ型磁極ユニットセル２１ＡとＳ型磁極ユニットセル２１Ｂは、前後方向及び左右方向のそれぞれにおいて交互に出現する。

図４に示すように、磁極ユニットセル２１は、直方体状の軟磁性体の磁極子コア（鉄心）２２、及び磁極子コア２２の５つの面に配置される５つの板状の永久磁石２３を備えている。すなわち、磁極子コア２２には、一面を開放して囲繞するように永久磁石２３が配置される。磁極子コア２２の開放された一面は、電機子１０と対向する電機子対向面２４である。また、磁極子コア２２の電機子対向面２４に隣接する（辺を共有する）４つの面を、側面２５という。

永久磁石２３は、同一の磁極が磁極子コア２２を向くように取り付けられる。電機子対向面２４の磁極は、永久磁石２３の内側の面（磁極子コア２２を向く面）の磁極と同一となる。永久磁石２３の外側の面（磁極子コア２２とは逆の面）の磁極は、電機子対向面２４の磁極とは反対となる。

図５に示すように、Ｎ型磁極ユニットセル２１ＡとＳ型磁極ユニットセル２１Ｂとは、磁極子コア２２を向く永久磁石２３の磁極、ひいては電機子対向面２４の磁極が互いに異なっている。このため、図３に示すようにＮ型磁極ユニットセル２１ＡとＳ型磁極ユニットセル２１Ｂとが配列した磁極子２０では、電機子対向面２４の磁極が前後方向及び左右方向のそれぞれにおいて交互に反転している。

具体的には、Ｎ型磁極ユニットセル２１Ａでは、磁極子コア２２の電機子対向面２４を除く５面にＮ極が磁極子コア２２を向くように永久磁石２３が取り付けられており、電機子対向面２４がＮ極となっている。Ｓ型磁極ユニットセル２１Ｂでは、磁極子コア２２の電機子対向面２４を除く５面にＳ極が磁極子コア２２を向くように永久磁石２３が取り付けられており、電機子対向面２４がＳ極となっている。

電機子１０の磁極子対向面１４の左右方向の位置と、磁極子２０の電機子対向面２４の左右方向の位置とは対応する。すなわち、前後方向に見たとき、磁極子対向面１４と電機子対向面２４とは一対一で対向する。このため、コイル１３に電流が流れると、磁極子対向面１４とこれに対向する電機子対向面２４とが磁力により吸引又は反発する。したがって、コイル１３に供給する電流を制御し、磁極子対向面１４の磁極を変化させることで、磁極子２０を前後方向に移動させることができる。

コイル１３により生じた磁界は、磁極子２０の内部を通過する。すなわち、Ｎ極の電機子コア１２の磁極子対向面１４から放出された磁界は、Ｓ型磁極ユニットセル２１ＢのＳ極の電機子対向面２４に進入し、磁極子２０の内部を通過して、Ｎ型磁極ユニットセル２１ＡのＮ極の電機子対向面２４から放出される。Ｎ型磁極ユニットセル２１ＡのＮ極の電機子対向面２４から放出された磁界は、Ｓ極の電機子コア１２の磁極子対向面１４に進入する。

図５に示す例では、隣接する２つの磁極子コア２２の間に２つの永久磁石２３が介在している。すなわち、一方の磁極ユニットセル２１の永久磁石２３と他方の磁極ユニットセル２１の永久磁石２３とが隣接している。これに限らず、隣接する２つの磁極子コア２２の間に１つの永久磁石２３のみが介在してもよい。すなわち、隣接する２つの磁極ユニットセル２１に１つの永久磁石２３が共用されてもよい。

以下、磁極子２０の具体例について説明する。

［第１具体例］
図６及び図７は、第１具体例の磁極子２０Ｐを示す図である。図６は、複数の磁極子コア２２から保持体３Ｐが離れた状態を示している。図７は、複数の磁極子コア２２に保持体３Ｐが接した状態を示している。図示の例では、磁極子コア２２が左右方向に２列で前後方向（可動方向）に並んでいる。

磁極子２０Ｐでは、配列した複数の磁極子コア２２の左右方向の外方に面した側面２５ｅ（すなわち他の磁極子コア２２と対向しない側面、外側面ともいう）に永久磁石２３が配置されず、側面２５ｅが露出している。この露出した側面２５ｅには、保持体３Ｐが配置される。

具体的には、配列した複数の磁極子コア２２のうち、左端に位置する磁極子コア２２の左の側面２５ｅと、右端に位置する磁極子コア２２の右の側面２５ｅに、永久磁石２３が配置されずに保持体３Ｐが配置されている。保持体３Ｐは、磁極子コア２２の側面２５ｅと接している。

図示の例では、配列した複数の磁極子コア２２の前後方向の外方に面した側面２５ｆには永久磁石２３が配置されているが、これに限らず、この側面２５ｆにも永久磁石２３が配置されずに保持体３Ｐが配置されてもよい。

保持体３Ｐは、アルミ、チタン又は樹脂等の非磁性体で形成されており、磁極子コア２２の側面２５ｅにボルト又は溶接等によって締結される。保持体３Ｐは、配列した複数の磁極子コア２２の左右両側に位置し、左右両方の側面２５ｅに接して固定される。

また、保持体３Ｐは、左右方向の内方に突出して永久磁石２３の端部を覆う介在部３４を有している。介在部３４は、永久磁石２３の端部だけでなく、磁極子コア２２の角部を覆ってもよい。

本例によれば、磁極子コア２２の外方に面した側面２５ｅに非磁性の保持体３Ｐを配置することで、磁極子コア２２に磁性体が近づいたときに生じる磁束の漏れを抑制することが可能となる。

すなわち、磁極子コア２２の側面２５ｅが露出する場合、磁極子コア２２に磁性体が近づくと、露出した側面２５ｅから磁束が漏れる、つまり出力に寄与しない磁束が増えてしまうが、磁極子コア２２の側面２５ｅに非磁性の保持体３Ｐを配置することで、磁極子コア２２に対する磁性体の接近ないし接触を防ぐことができるので、磁束の漏れを抑制することが可能となる。

また、本例によれば、磁極子コア２２の側面２５ｅに永久磁石２３を配置せずに保持体３Ｐを配置するので、永久磁石２３の破損を抑制し、耐衝撃性を向上させることが可能となる。特に、本例によれば、磁極子コア２２の側面２５ｅに保持体３Ｐを締結するので、永久磁石２３に穴を開ける必要がなく、永久磁石２３の性能や強度の劣化を抑制することが可能となる。

また、本例によれば、永久磁石２３よりも寸法精度が高い磁極子コア２２の側面２５ｅに保持体３Ｐを締結するので、磁極子２０全体の寸法精度を向上させることが可能となる。これにより、磁極子コア２２の位置決め精度を向上させ、磁極子コア２２の周期間隔のばらつきを抑制することができるので、その結果、電動機１の出力性能を向上させることが可能となる。

また、本例によれば、保持体３Ｐの介在部３４が永久磁石２３の端部を覆い、永久磁石２３と電機子１０の間に介在するので、永久磁石２３が電機子１０側に抜け出ないように固定することが可能となる。このため、永久磁石２３に穴を開けてネジ等で固定する必要がない。さらに、介在部３４が磁極子コア２２の角部も覆うことで、磁極子コア２２の位置ずれを抑制することも可能となる。

なお、磁極子コア２２は、上下方向に２段に重ねられてもよい。すなわち、磁極子コア２２は、左右方向に２列、上下方向に２段で前後方向に並んでもよい。

［第２具体例］
図８及び図９は、第２具体例の磁極子２０Ｑを示す図である。図８では、保持体３Ｑを省略している。図９は、複数の磁極子コア２２に保持体３Ｑが接した状態を示している。上記の例と重複する構成については、同番号を付すことで詳細な説明を省略する。

磁極子２０Ｑでは、磁極子コア２２が左右方向に４列で前後方向（可動方向）に並んでいる。これに限らず、磁極子コア２２は左右方向に３列であってもよいし、５列以上であってもよい。

磁極子２０Ｑでは、上記第１具体例と同様、配列した複数の磁極子コア２２の左右方向の外方に面した側面２５ｅに永久磁石２３が配置されず、保持体３Ｑが配置されている。このため、本例においても、上記第１具体例と同様の効果を得ることが可能である。

［第３具体例］
図１０は、第３具体例の磁極子２０Ｒを示す図である。上記の例と重複する構成については、同番号を付すことで詳細な説明を省略する。

磁極子２０Ｒでは、配列した複数の磁極子コア２２の左右方向の外方に面した側面２５ｅに配置された永久磁石２３に、磁性体で形成された保持体３Ｒが配置されている。保持体３Ｒは、Ｓ４５Ｃ等の鋼材又は電磁鋼板等の磁性体で形成されている。

具体的には、配列した複数の磁極子コア２２のうち、左端に位置する磁極子コア２２の左側に配置された永久磁石２３と、右端に位置する磁極子コア２２の右側に配置された永久磁石２３に、保持体３Ｒが接している。保持体３Ｒは、介在部３４を有してもよい。

また、配列した複数の磁極子コア２２の前後方向の外方に面した側面２５ｆに配置された永久磁石２３にも、磁性体で形成された保持体３Ｒが配置されてもよい。

本例によれば、磁極子コア２２の外方に面した側面２５ｅに配置された永久磁石２３に磁性体で形成された保持体３Ｒを配置することで、保持体３Ｒを磁束が通る経路に利用でき、磁束の漏れを低減することが可能となる。

すなわち、磁性体がない場合、左端又は右端の永久磁石２３により周縁部に形成される磁路は、透磁率が低い（磁気抵抗が高い）経路を通る必要があり、磁束数が低下するおそれがあるが、本例のように磁性体の保持体３Ｒを設けることで、周縁部に形成される磁路Ｃは透磁率が高い（磁気抵抗が低い）経路を通ることになるため、中央部に形成される磁路Ｄと同等の磁束数を維持することが可能となる。

また、本例によれば、保持体３Ｒを配置することで、永久磁石２３の破損を抑制し、耐衝撃性を向上させることが可能となる。保持体３Ｒの材料としては、永久磁石２３よりも強度に優れるＳ４５Ｃ等や、強度及び磁気特性に優れる電磁鋼板などが好ましい。

［第４具体例］
図１１は、第４具体例の磁極子２０Ｓを示す図である。上記の例と重複する構成については、同番号を付すことで詳細な説明を省略する。

磁極子２０Ｓでは、上記第３具体例と同様の保持体３Ｓに加えて、複数の磁極子コア２２のうちの左右方向に隣り合う磁極子コア２２の間に磁性体で形成された壁部３１が配置されている。壁部３１は、前後方向に延びる板状に形成されており、前後方向に延びる磁極子コア２２の列と列の間に挟まれている。

本例によれば、特に前後方向の衝撃が磁極子２０Ｓに加わった場合に、衝撃を壁部３１が受けるので、永久磁石２３の破損を抑制することが可能となる。

［第５具体例］
図１２は、第５具体例の磁極子２０Ｔを示す図である。上記の例と重複する構成については、同番号を付すことで詳細な説明を省略する。

磁極子２０Ｔでは、上記第４具体例と同様の保持体３Ｔ及び壁部３１に加えて、複数の磁極子コア２２のうちの前後方向に隣り合う磁極子コア２２の間にも磁性体で形成された壁部３２が配置されている。

壁部３２は、左右方向に延びる板状に形成されており、左右方向に延びる磁極子コア２２の列と列の間に挟まれている。保持体３Ｔ、壁部３１及び壁部３２は、一体的に形成される。

本例によれば、磁極子２０Ｓに前後方向の衝撃が加わった場合にも左右方向の衝撃が加わった場合にも、衝撃を壁部３１，３２が受けるので、永久磁石２３の破損を抑制することが可能となる。

また、本例によれば、左右方向と前後方向の両方に壁部３１，３２が配置されるので、磁気回路をどちらの方向においても同一に設計しやすくなる。

［第６具体例］
図１３は、第６具体例の磁極子２０Ｕを示す図である。上記の例と重複する構成については、同番号を付すことで詳細な説明を省略する。

磁極子２０Ｕでは、上記第１及び第２具体例と同様に、配列した複数の磁極子コア２２の左右方向の外方に面した側面２５ｅに永久磁石２３が配置されず、保持体３Ｑが配置されている。

さらに、磁極子２０Ｕでは、上記第４具体例と同様に、複数の磁極子コア２２のうちの左右方向に隣り合う磁極子コア２２の間に、磁性体で形成された壁部３１が配置されている。

このため、本例においては、上記第１及び第２具体例と同様の効果と、上記第4具体例と同様の効果とを共に得ることが可能である。

［第７具体例］
図１４は、第７具体例の磁極子２０Ｗを示す図である。上記の例と重複する構成については、同番号を付すことで詳細な説明を省略する。

磁極子２０Ｗでは、上記第１及び第２具体例と同様に、保持体３Ｗが、左右方向の内方に突出して永久磁石２３の端部を覆う介在部３４を有している。これによれば、永久磁石２３が電機子１０側に抜け出ないように固定することが可能となる。

また、磁極子コア２２の電機子対向面２４には、前後方向に延びる溝部２２ａが形成されてもよい。これによれば、電機子コア１２の磁極子対向面１４（図２参照）に当該溝部２２ａに対応する突起部を設けることで、可動方向を矯正することが可能となる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は以上に説明した実施形態に限定されるものではなく、種々の変更が当業者にとって可能であることはもちろんである。

１ 電動機、１０ 電機子、１２ 電機子コア、１４ 磁極子対向面、１５ ヨーク部、２０ 磁極子、２１（２１Ａ，２１Ｂ） 磁極ユニットセル、２２ 磁極子コア、２３ 永久磁石、２４ 電機子対向面、２５ 側面、３ 保持体、３４ 介在部

Claims (8)

1. 磁極子と、電機子と、を備え、
   前記磁極子は、
   前記電機子と対向する電機子対向面を有し、前記電機子対向面の面内方向に配列する複数の磁極子コアと、
   前記複数の磁極子コアのうちの隣り合う磁極子コアの間に配置される永久磁石と、
   前記複数の磁極子コアの前記面内方向の外方に面した側面に配置され、前記複数の磁極子コアを保持する非磁性体で形成された保持体と、
   を備える、電動機。
2. 前記保持体は、前記複数の磁極子コアの前記側面に締結される、
   請求項１に記載の電動機。
3. 前記隣り合う磁極子コアの間に複数の前記永久磁石が配置される、
   請求項１または２に記載の電動機。
4. 前記保持体は、前記複数の磁極子コアに対して可動軸方向と直交する方向の両側に配置される、
   請求項１ないし３の何れかに記載の電動機。
5. 前記隣り合う磁極子コアの間に磁性体で形成された壁部が配置される、
   請求項１ないし４の何れかに記載の電動機。
6. 磁極子と、電機子と、を備え、
   前記磁極子は、
   前記電機子と対向する電機子対向面を有し、前記電機子対向面の面内方向に配列する複数の磁極子コアと、
   前記複数の磁極子コアのそれぞれの前記電機子対向面に隣接する側面に配置される永久磁石と、
   前記複数の磁極子コアの前記面内方向の外方に面した側面に配置された前記永久磁石に配置され、前記複数の磁極子コアを保持する磁性体で形成された保持体と、
   を備える、電動機。
7. 前記複数の磁極子コアのうちの隣り合う磁極子コアの間に磁性体で形成された壁部が配置される、
   請求項６に記載の電動機。
8. 前記保持体は、前記永久磁石と前記電機子との間に介在する介在部を有する、
   請求項１ないし７に記載の電動機。
   
   

Images