JP2022178605A

JP2022178605A - アキシャルギャップモーター、ラジアルギャップモーターおよびロボット

Info

Publication number: JP2022178605A
Application number: JP2021085532A
Authority: JP
Inventors: 長子兒嶋; Nagako Kojima; 太志沖田; Futoshi Okita
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2021-05-20
Filing date: 2021-05-20
Publication date: 2022-12-02
Also published as: CN115378214A

Abstract

【課題】出力効率の向上が図られたアキシャルギャップモーターおよびラジアルギャップモーター、ならびに、これらのモーターを備えるロボットを提供すること。【解決手段】回転軸に沿う第１方向に磁化されている第１主磁極および前記第１方向とは反対の第２方向に磁化されている第２主磁極を１周期に含み、ハルバッハ配列を構成している複数の磁極を有し、円環状をなす界磁と、前記回転軸に沿う方向において、前記界磁と対向して配置されている電機子と、を備え、前記界磁の外半径に対する内半径の比が、０．２以上０．８以下であり、前記ハルバッハ配列の周期数を極対数とするとき、前記極対数が８以上であることを特徴とするアキシャルギャップモーター。【選択図】図３

Description

本発明は、アキシャルギャップモーター、ラジアルギャップモーターおよびロボットに関するものである。

特許文献１には、第一ステーターおよび第二ステーターと、それぞれハルバッハ配列されている第一磁石層および第二磁石層を有するローターと、を備えるアキシャルギャップモーターが開示されている。このような磁石層を設けることにより、モーターギャップにおける磁場強度を強めることができる。これにより、アキシャルギャップモーターのトルク密度を高めることができる。

特開２０１９－３３５７８号公報

しかしながら、特許文献１では、磁石層の内外径寸法比や磁石数について、特に言及されていない。したがって、これらの要素に関して、モーターのトルクを改善させる余地が残っている。

本発明の適用例に係るアキシャルギャップモーターは、
回転軸に沿う第１方向に磁化されている第１主磁極および前記第１方向とは反対の第２方向に磁化されている第２主磁極を１周期に含み、ハルバッハ配列を構成している複数の磁極を有し、円環状をなす界磁と、
前記回転軸に沿う方向において、前記界磁と対向して配置されている電機子と、
を備え、
前記界磁の外半径に対する内半径の比が、０．２以上０．８以下であり、
前記ハルバッハ配列の周期数を極対数とするとき、前記極対数が８以上であることを特徴とする。

本発明の適用例に係るラジアルギャップモーターは、
回転軸に直交する第３方向に磁化されている第３主磁極および前記第３方向とは反対の第４方向に磁化されている第４主磁極を１周期に含み、ハルバッハ配列を構成している複数の磁極を有し、円環状をなす界磁と、
前記回転軸に直交する方向において、前記界磁と対向して配置されている電機子と、
を備え、
前記ハルバッハ配列の周期数を極対数とするとき、前記極対数が８以上であることを特徴とする。

本発明の適用例に係るロボットは、
アームと、
前記アームを動かす関節と、
を備えるロボットであって、
前記関節にはハルバッハモーターが設けられ、
前記ハルバッハモーターは、本発明の適用例に係るアキシャルギャップモーター、または、本発明の適用例に係るラジアルギャップモーターであることを特徴とする。

第１実施形態に係るアキシャルギャップモーターの概略構成を示す断面図である。図１のアキシャルギャップモーターの電機子を示す平面図である。図１のアキシャルギャップモーターの界磁を示す平面図である。図３のＩＶ－ＩＶ線から見た界磁の磁化方向を説明するための模式図である。アキシャルギャップモーターの界磁と電機子とのギャップｇが０．５ｍｍであり、ｌ＝１～４であり、内半径Ｒｒが４０ｍｍであり、外半径Ｒｍが５０ｍｍであるモデルの、極対数ｐとトルク定数Ｋ_ｔとの関係を示すグラフである。アキシャルギャップモーターの界磁と電機子とのギャップｇが１．０ｍｍであり、ｌ＝１～４であり、内半径Ｒｒが４０ｍｍであり、外半径Ｒｍが５０ｍｍであるモデルの、極対数ｐとトルク定数Ｋ_ｔとの関係を示すグラフである。アキシャルギャップモーターの界磁と電機子とのギャップｇが１．５ｍｍであり、ｌ＝１～４であり、内半径Ｒｒが４０ｍｍであり、外半径Ｒｍが５０ｍｍであるモデルの、極対数ｐとトルク定数Ｋ_ｔとの関係を示すグラフである。アキシャルギャップモーターの界磁と電機子とのギャップｇが２．０ｍｍであり、ｌ＝１～４であり、内半径Ｒｒが４０ｍｍであり、外半径Ｒｍが５０ｍｍであるモデルの、極対数ｐとトルク定数Ｋ_ｔとの関係を示すグラフである。アキシャルギャップモーターの界磁と電機子とのギャップｇが０．５ｍｍであり、ｌ＝１～４であり、内半径Ｒｒが３０ｍｍであり、外半径Ｒｍが５０ｍｍであるモデルの、極対数ｐとトルク定数Ｋ_ｔとの関係を示すグラフである。アキシャルギャップモーターの界磁と電機子とのギャップｇが１．０ｍｍであり、ｌ＝１～４であり、内半径Ｒｒが３０ｍｍであり、外半径Ｒｍが５０ｍｍであるモデルの、極対数ｐとトルク定数Ｋ_ｔとの関係を示すグラフである。アキシャルギャップモーターの界磁と電機子とのギャップｇが１．５ｍｍであり、ｌ＝１～４であり、内半径Ｒｒが３０ｍｍであり、外半径Ｒｍが５０ｍｍであるモデルの、極対数ｐとトルク定数Ｋ_ｔとの関係を示すグラフである。アキシャルギャップモーターの界磁と電機子とのギャップｇが２．０ｍｍであり、ｌ＝１～４であり、内半径Ｒｒが３０ｍｍであり、外半径Ｒｍが５０ｍｍであるモデルの、極対数ｐとトルク定数Ｋ_ｔとの関係を示すグラフである。アキシャルギャップモーターの界磁と電機子とのギャップｇが０．５ｍｍであり、ｌ＝１～４であり、内半径Ｒｒが２０ｍｍであり、外半径Ｒｍが５０ｍｍであるモデルの、極対数ｐとトルク定数Ｋ_ｔとの関係を示すグラフである。アキシャルギャップモーターの界磁と電機子とのギャップｇが１．０ｍｍであり、ｌ＝１～４であり、内半径Ｒｒが２０ｍｍであり、外半径Ｒｍが５０ｍｍであるモデルの、極対数ｐとトルク定数Ｋ_ｔとの関係を示すグラフである。アキシャルギャップモーターの界磁と電機子とのギャップｇが１．５ｍｍであり、ｌ＝１～４であり、内半径Ｒｒが２０ｍｍであり、外半径Ｒｍが５０ｍｍであるモデルの、極対数ｐとトルク定数Ｋ_ｔとの関係を示すグラフである。アキシャルギャップモーターの界磁と電機子とのギャップｇが２．０ｍｍであり、ｌ＝１～４であり、内半径Ｒｒが２０ｍｍであり、外半径Ｒｍが５０ｍｍであるモデルの、極対数ｐとトルク定数Ｋ_ｔとの関係を示すグラフである。アキシャルギャップモーターの界磁と電機子とのギャップｇが０．５ｍｍであり、ｌ＝１～４であり、内半径Ｒｒが１０ｍｍであり、外半径Ｒｍが５０ｍｍであるモデルの、極対数ｐとトルク定数Ｋ_ｔとの関係を示すグラフである。アキシャルギャップモーターの界磁と電機子とのギャップｇが１．０ｍｍであり、ｌ＝１～４であり、内半径Ｒｒが１０ｍｍであり、外半径Ｒｍが５０ｍｍであるモデルの、極対数ｐとトルク定数Ｋ_ｔとの関係を示すグラフである。アキシャルギャップモーターの界磁と電機子とのギャップｇが１．５ｍｍであり、ｌ＝１～４であり、内半径Ｒｒが１０ｍｍであり、外半径Ｒｍが５０ｍｍであるモデルの、極対数ｐとトルク定数Ｋ_ｔとの関係を示すグラフである。アキシャルギャップモーターの界磁と電機子とのギャップｇが２．０ｍｍであり、ｌ＝１～４であり、内半径Ｒｒが１０ｍｍであり、外半径Ｒｍが５０ｍｍであるモデルの、極対数ｐとトルク定数Ｋ_ｔとの関係を示すグラフである。アキシャルギャップモーターの界磁と電機子とのギャップｇが０．５ｍｍであり、ｌ＝１～４であり、内半径Ｒｒが８０ｍｍであり、外半径Ｒｍが１００ｍｍであるモデルの、極対数ｐとトルク定数Ｋ_ｔとの関係を示すグラフである。アキシャルギャップモーターの界磁と電機子とのギャップｇが１．０ｍｍであり、ｌ＝１～４であり、内半径Ｒｒが８０ｍｍであり、外半径Ｒｍが１００ｍｍであるモデルの、極対数ｐとトルク定数Ｋ_ｔとの関係を示すグラフである。アキシャルギャップモーターの界磁と電機子とのギャップｇが１．５ｍｍであり、ｌ＝１～４であり、内半径Ｒｒが８０ｍｍであり、外半径Ｒｍが１００ｍｍであるモデルの、極対数ｐとトルク定数Ｋ_ｔとの関係を示すグラフである。アキシャルギャップモーターの界磁と電機子とのギャップｇが２．０ｍｍであり、ｌ＝１～４であり、内半径Ｒｒが８０ｍｍであり、外半径Ｒｍが１００ｍｍであるモデルの、極対数ｐとトルク定数Ｋ_ｔとの関係を示すグラフである。図２１に示すグラフの部分拡大図である。第２実施形態に係るアキシャルギャップモーターの概略構成を示す断面図である。第３実施形態に係るラジアルギャップモーターの概略構成を示す断面図である。第３実施形態に係るラジアルギャップモーターの概略構成を示す平面図である。図２８に示す界磁を回転軸に沿う方向から見たとき、界磁の磁化方向を説明するための模式図である。図２８に示す界磁を回転軸に沿う方向から見たとき、界磁の磁化方向を説明するための模式図である。図２８に示す界磁を回転軸に沿う方向から見たとき、界磁の磁化方向を説明するための模式図である。図２８に示す界磁を回転軸に沿う方向から見たとき、界磁の磁化方向を説明するための模式図である。ラジアルギャップモーターの界磁と電機子とのギャップが１．０ｍｍであり、ｌ＝１～４であるモデルの、極対数ｐと、界磁の表面磁束密度の基本波成分ｐＢ_１，ｌと、の関係を示すグラフである。第４実施形態に係るロボットを示す斜視図である。図３４に示すロボットの概略図である。

以下、本発明のアキシャルギャップモーター、ラジアルギャップモーターおよびロボットを添付図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。

１．第１実施形態
まず、第１実施形態に係るアキシャルギャップモーターについて説明する。

図１は、第１実施形態に係るアキシャルギャップモーターの概略構成を示す断面図である。図２は、図１のアキシャルギャップモーターの電機子を示す平面図である。図３は、図１のアキシャルギャップモーターの界磁を示す平面図である。図４は、図３のＩＶ－ＩＶ線から見た界磁の磁化方向を説明するための模式図である。

図１に示すように、第１実施形態に係るアキシャルギャップモーター１は、シャフト１０、電機子１１、第１界磁１２Ａ、第１バックヨーク１３ａ、第２界磁１２Ｂおよび第２バックヨーク１３ｂを備える。アキシャルギャップモーター１では、回転軸Ａに沿う方向、すなわちシャフト１０に沿って、第１界磁１２Ａ、電機子１１および第２界磁１２Ｂがこの順で並んでいる。したがって、電機子１１は、回転軸Ａに沿う方向において第１界磁１２Ａおよび第２界磁１２Ｂのそれぞれに対向する。そして、電機子１１と第１界磁１２Ａとの間、および、電機子１１と第２界磁１２Ｂとの間に、それぞれギャップが設けられている。アキシャルギャップモーター１では、電機子１１が固定子、第１界磁１２Ａおよび第２界磁１２Ｂがそれぞれ回転子である。

第１界磁１２Ａは、電機子１１と第１バックヨーク１３ａとの間に配置される。第２界磁１２Ｂは、電機子１１と第２バックヨーク１３ｂとの間に配置される。第１界磁１２Ａおよび第２界磁１２Ｂは、互いに同様の構造を有する。アキシャルギャップモーター１では、電機子１１を挟み込むように配置された第１界磁１２Ａおよび第２界磁１２Ｂを備えるが、界磁の数は１つでも３つ以上でもよい。以下、第１界磁１２Ａおよび第２界磁１２Ｂのいずれかを単に界磁１２という。

図２に示すように、電機子１１は、円環状をなしている。電機子１１は、複数のコア１４および複数のコイル１５を有する。各コア１４は、シャフト１０に沿う高さを有する角柱状をなしている。各コア１４は、例えば、軟磁性体からなる複数の板の積層体や軟磁性粉末の圧粉体で構成される。複数のコア１４は、例えばボビンに支持されることにより互いの位置関係が固定される。各コイル１５は、コア１４の側面に沿って巻かれた巻線を有する。

コア１４の数は、コイル１５に流される電流の相数に応じて設定されるが、本実施形態では、１８である。この場合、コア１４およびコイル１５は、回転軸Ａについて１８回の回転対称性を有するように、回転軸Ａを中心とする円周に沿って等間隔に配列している。そして、コイル１５には、配列方向において循環的に、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相の電流が流される。

図３に示すように、界磁１２は、円環状をなしている。界磁１２は、回転軸Ａを中心とする円周に沿って配列される複数の磁極２０を有する。磁極２０は、例えば永久磁石である。複数の磁極２０は、配列方向において周期的に異なる磁化方向を有する。具体的には、複数の磁極２０は、回転軸Ａに沿う第１方向に磁化されている第１主磁極と、第１方向とは反対の第２方向に磁化されている第２主磁極とを、１周期当たり１つずつ含む。したがって、図３に示す界磁１２は、６周期分の磁極２０を有する。

図４に示すように、配列方向における半周期当たりの磁極２０の数をｌとすると、ｌ＝１である界磁１２ａは、１周期当たり、２つの磁極２０を有する。一方の磁極２０は、第１主磁極２１ａを含み、他方の磁極２０は、第２主磁極２２ａを含む。したがって、界磁１２ａが有する複数の磁極２０は、それぞれ、回転軸Ａに沿う第１方向または第２方向に磁化されている。

ｌ＝２である界磁１２ｂは、１周期当たり、２つの磁極２０を有する。一方の磁極２０は、２つのセグメントとして、第１主磁極２１ｂおよび補助磁極２３ｂを含む。他方の磁極２０は、２つのセグメントとして、第２主磁極２２ｂおよび補助磁極２４ｂを含む。界磁１２ｂの各セグメントは、回転軸Ａに直交する方向から見て、隣接するセグメントと９０°異なる磁化方向を有する。また、界磁１２ｂの各セグメントは、配列方向において順に、回転軸Ａに直交する方向を軸として９０°ずつ回転するように変化する磁化方向を有する。

ｌ＝３である界磁１２ｃは、１周期当たり、２つの磁極２０を有する。一方の磁極２０は、３つのセグメントとして、第１主磁極２１ｃ、補助磁極２３ｃおよび補助磁極２４ｃを含む。他方の磁極２０は、３つのセグメントとして、第２主磁極２２ｃ、補助磁極２５ｃおよび補助磁極２６ｃを含む。界磁１２ｃの各セグメントは、回転軸Ａに直交する方向から見て、隣接するセグメントと６０°異なる磁化方向を有する。また、界磁１２ｃの各セグメントは、配列方向において順に、回転軸Ａに直交する方向を軸として６０°ずつ回転するように変化する磁化方向を有する。

ｌ＝４である界磁１２ｄは、１周期当たり、２つの磁極２０を有する。一方の磁極２０は、４つのセグメントとして、第１主磁極２１ｄ、補助磁極２３ｄ、補助磁極２４ｄおよび補助磁極２５ｄを含む。他方の磁極２０は、４つのセグメントとして、第２主磁極２２ｄ、補助磁極２６ｄ、補助磁極２７ｄおよび補助磁極２８ｄを含む。界磁１２ｄの各セグメントは、回転軸Ａに直交する方向から見て、隣接するセグメントと４５°異なる磁化方向を有する。また、界磁１２ｄの各セグメントは、配列方向において順に、回転軸Ａに直交する方向を軸として４５°ずつ回転するように変化する磁化方向を有する。

界磁１２ｂ、１２ｃ、１２ｄがそれぞれ有する複数の磁極２０は、ハルバッハ配列を構成する。このように、ｌ≧２である界磁１２が有する複数の磁極２０は、ハルバッハ配列を構成する。ハルバッハ配列を有するアキシャルギャップモーター１において、電機子１１は、ハルバッハ配列の強磁界側に配置される。すなわち、図１に示す例において、第１界磁１２Ａおよび第２界磁１２Ｂは、それぞれの強磁界側が互いに向き合うように配置される。

ハルバッハ配列を構成する磁極２０を有するアキシャルギャップモーター１は、界磁１２の表面における磁束密度を増大できるため、トルク定数を向上できる。特に、ｌが３以上である場合、配列方向における磁束密度の変化を滑らかにすることができ、トルク定数をさらに向上できる。

一般に、コイルに入力電流Ｉが流れるとき、ローター磁石に発生するトルクＴは、トルク定数Ｋ_ｔを用いて下記式（１）により表される。

トルク定数Ｋ_ｔは、ローレンツ力の定義により、下記式（２）により表される。

上記式（２）を踏まえると、複数の磁極２０の配列における周期数とトルク定数Ｋ_ｔとの関係を導くことができる。以下、この関係について説明する。

ｐは、複数の磁極２０の配列における周期数である。本明細書では、ｐを極対数という。ｑは、電機子１１に流れる電流の相数であり、本実施形態では３である。Ｎは、コイル１５の巻数である。αは、スロットピッチに対するコイル１５の開角、すなわち、回転軸Ａに関してコイル１５の配列ピッチがなす角度である。Ｒｒは、界磁１２の内半径である。Ｒｍは、界磁１２の外半径である。Ｂ_１，ｌ（ｒ）は、第ｌセグメントの磁極２０のギャップにおける磁束密度の基本波振幅である。

図５は、アキシャルギャップモーター１の界磁１２と電機子１１とのギャップｇが０．５ｍｍであり、ｌ＝１～４であり、内半径Ｒｒが４０ｍｍであり、外半径Ｒｍが５０ｍｍであるモデルの、極対数ｐとトルク定数Ｋ_ｔとの関係を示すグラフである。なお、ギャップｇは、界磁１２ａと電機子１１との回転軸Ａに沿う離間距離である。

複数の磁極２０がハルバッハ配列を構成している界磁１２ｂ、１２ｃ、１２ｄでは、図５のｌ＝２～４のマーカーからわかるように、極対数ｐの増加に応じてトルク定数Ｋ_ｔが単調に増加している。単調に増加とは、増加の過程で減少を伴わないことをいう。また、極対数ｐが概ね８以上であるとき、ｌ＝２～４のトルク定数Ｋ_ｔが、ｌ＝１のトルク定数Ｋ_ｔを上回っている。

一方、複数の磁極２０がハルバッハ配列を構成していない、すなわち通常の配列を構成している界磁１２ａでは、図５のｌ＝１のマーカーからわかるように、極対数ｐ＝９０近傍でトルク定数Ｋ_ｔが極大値をとる。ただし、その極大値は、ｌ＝２～４のトルク定数Ｋ_ｔに比べて低い。

図６は、アキシャルギャップモーター１の界磁１２と電機子１１とのギャップｇが１．０ｍｍであり、ｌ＝１～４であり、内半径Ｒｒが４０ｍｍであり、外半径Ｒｍが５０ｍｍであるモデルの、極対数ｐとトルク定数Ｋ_ｔとの関係を示すグラフである。

複数の磁極２０がハルバッハ配列を構成している界磁１２ｂ、１２ｃ、１２ｄでは、図６のｌ＝２～４のマーカーからわかるように、極対数ｐ＝５０～７０でトルク定数Ｋ_ｔが極大値をとる。また、極対数ｐが概ね８以上であるとき、ｌ＝２～４のトルク定数Ｋ_ｔが、ｌ＝１のトルク定数Ｋ_ｔを上回っている。

一方、複数の磁極２０が通常の配列を構成している界磁１２ａでは、図６のｌ＝１のマーカーからわかるように、極対数ｐ＝６０～８０でトルク定数Ｋ_ｔが極大値をとる。ただし、その極大値は、ｌ＝２～４の極大値に比べて低い。

図７は、アキシャルギャップモーター１の界磁１２と電機子１１とのギャップｇが１．５ｍｍであり、ｌ＝１～４であり、内半径Ｒｒが４０ｍｍであり、外半径Ｒｍが５０ｍｍであるモデルの、極対数ｐとトルク定数Ｋ_ｔとの関係を示すグラフである。

複数の磁極２０がハルバッハ配列を構成している界磁１２ｂ、１２ｃ、１２ｄでは、図７のｌ＝２～４のマーカーからわかるように、極対数ｐ＝２５～４０でトルク定数Ｋ_ｔが極大値をとる。また、極対数ｐが概ね８以上であるとき、ｌ＝２～４のトルク定数Ｋ_ｔが、ｌ＝１のトルク定数Ｋ_ｔを上回っている。

一方、複数の磁極２０が通常の配列を構成している界磁１２ａでは、図７のｌ＝１のマーカーからわかるように、極対数ｐ＝３０～４５でトルク定数Ｋ_ｔが極大値をとる。ただし、その極大値は、ｌ＝２～４の極大値に比べて低い。

図８は、アキシャルギャップモーター１の界磁１２と電機子１１とのギャップｇが２．０ｍｍであり、ｌ＝１～４であり、内半径Ｒｒが４０ｍｍであり、外半径Ｒｍが５０ｍｍであるモデルの、極対数ｐとトルク定数Ｋ_ｔとの関係を示すグラフである。

複数の磁極２０がハルバッハ配列を構成している界磁１２ｂ、１２ｃ、１２ｄでは、図８のｌ＝２～４のマーカーからわかるように、極対数ｐ＝２０～３０でトルク定数Ｋ_ｔが極大値をとる。また、極対数ｐが概ね８以上であるとき、ｌ＝２～４のトルク定数Ｋ_ｔが、ｌ＝１のトルク定数Ｋ_ｔを上回っている。

一方、複数の磁極２０が通常の配列を構成している界磁１２ａでは、図８のｌ＝１のマーカーからわかるように、極対数ｐ＝１５～２５でトルク定数Ｋ_ｔが極大値をとる。ただし、その極大値は、ｌ＝２～４の極大値に比べて低い。

図９は、アキシャルギャップモーター１の界磁１２と電機子１１とのギャップｇが０．５ｍｍであり、ｌ＝１～４であり、内半径Ｒｒが３０ｍｍであり、外半径Ｒｍが５０ｍｍであるモデルの、極対数ｐとトルク定数Ｋ_ｔとの関係を示すグラフである。

複数の磁極２０がハルバッハ配列を構成している界磁１２ｂ、１２ｃ、１２ｄでは、図９のｌ＝２～４のマーカーからわかるように、極対数ｐの増加に応じてトルク定数Ｋ_ｔが単調に増加している。また、極対数ｐが概ね８以上であるとき、ｌ＝２～４のトルク定数Ｋ_ｔが、ｌ＝１のトルク定数Ｋ_ｔを上回っている。

一方、複数の磁極２０が通常の配列を構成している界磁１２ａでは、図９のｌ＝１のマーカーからわかるように、極対数ｐ＝７０～９０でトルク定数Ｋ_ｔが極大値をとる。ただし、その極大値は、ｌ＝２～４のトルク定数Ｋ_ｔに比べて低い。

図１０は、アキシャルギャップモーター１の界磁１２と電機子１１とのギャップｇが１．０ｍｍであり、ｌ＝１～４であり、内半径Ｒｒが３０ｍｍであり、外半径Ｒｍが５０ｍｍであるモデルの、極対数ｐとトルク定数Ｋ_ｔとの関係を示すグラフである。

複数の磁極２０がハルバッハ配列を構成している界磁１２ｂ、１２ｃ、１２ｄでは、図１０のｌ＝２～４のマーカーからわかるように、極対数ｐ＝４５～６５でトルク定数Ｋ_ｔが極大値をとる。また、極対数ｐが概ね８以上であるとき、ｌ＝２～４のトルク定数Ｋ_ｔが、ｌ＝１のトルク定数Ｋ_ｔを上回っている。

一方、複数の磁極２０が通常の配列を構成している界磁１２ａでは、図１０のｌ＝１のマーカーからわかるように、極対数ｐ＝５０～７０でトルク定数Ｋ_ｔが極大値をとる。ただし、その極大値は、ｌ＝２～４の極大値に比べて低い。

図１１は、アキシャルギャップモーター１の界磁１２と電機子１１とのギャップｇが１．５ｍｍであり、ｌ＝１～４であり、内半径Ｒｒが３０ｍｍであり、外半径Ｒｍが５０ｍｍであるモデルの、極対数ｐとトルク定数Ｋ_ｔとの関係を示すグラフである。

複数の磁極２０がハルバッハ配列を構成している界磁１２ｂ、１２ｃ、１２ｄでは、図１１のｌ＝２～４のマーカーからわかるように、極対数ｐ＝２０～４０でトルク定数Ｋ_ｔが極大値をとる。また、極対数ｐが概ね８以上であるとき、ｌ＝２～４のトルク定数Ｋ_ｔが、ｌ＝１のトルク定数Ｋ_ｔを上回っている。

一方、複数の磁極２０が通常の配列を構成している界磁１２ａでは、図１１のｌ＝１のマーカーからわかるように、極対数ｐ＝２５～４５でトルク定数Ｋ_ｔが極大値をとる。ただし、その極大値は、ｌ＝２～４の極大値に比べて低い。

図１２は、アキシャルギャップモーター１の界磁１２と電機子１１とのギャップｇが２．０ｍｍであり、ｌ＝１～４であり、内半径Ｒｒが３０ｍｍであり、外半径Ｒｍが５０ｍｍであるモデルの、極対数ｐとトルク定数Ｋ_ｔとの関係を示すグラフである。

複数の磁極２０がハルバッハ配列を構成している界磁１２ｂ、１２ｃ、１２ｄでは、図１２のｌ＝２～４のマーカーからわかるように、極対数ｐ＝１５～２５でトルク定数Ｋ_ｔが極大値をとる。また、極対数ｐが概ね８以上であるとき、ｌ＝２～４のトルク定数Ｋ_ｔが、ｌ＝１のトルク定数Ｋ_ｔを上回っている。

一方、複数の磁極２０が通常の配列を構成している界磁１２ａでは、図１２のｌ＝１のマーカーからわかるように、極対数ｐ＝１５～２５でトルク定数Ｋ_ｔが極大値をとる。ただし、その極大値は、ｌ＝２～４の極大値に比べて低い。

図１３は、アキシャルギャップモーター１の界磁１２と電機子１１とのギャップｇが０．５ｍｍであり、ｌ＝１～４であり、内半径Ｒｒが２０ｍｍであり、外半径Ｒｍが５０ｍｍであるモデルの、極対数ｐとトルク定数Ｋ_ｔとの関係を示すグラフである。

複数の磁極２０がハルバッハ配列を構成している界磁１２ｂ、１２ｃ、１２ｄでは、図１３のｌ＝２～４のマーカーからわかるように、極対数ｐの増加に応じてトルク定数Ｋ_ｔが単調に増加している。また、極対数ｐが概ね８以上であるとき、ｌ＝２～４のトルク定数Ｋ_ｔが、ｌ＝１のトルク定数Ｋ_ｔを上回っている。

一方、複数の磁極２０が通常の配列を構成している界磁１２ａでは、図１３のｌ＝１のマーカーからわかるように、極対数ｐ＝６５～８５でトルク定数Ｋ_ｔが極大値をとる。ただし、その極大値は、ｌ＝２～４のトルク定数Ｋ_ｔに比べて低い。

図１４は、アキシャルギャップモーター１の界磁１２と電機子１１とのギャップｇが１．０ｍｍであり、ｌ＝１～４であり、内半径Ｒｒが２０ｍｍであり、外半径Ｒｍが５０ｍｍであるモデルの、極対数ｐとトルク定数Ｋ_ｔとの関係を示すグラフである。

複数の磁極２０がハルバッハ配列を構成している界磁１２ｂ、１２ｃ、１２ｄでは、図１４のｌ＝２～４のマーカーからわかるように、極対数ｐ＝４０～６０でトルク定数Ｋ_ｔが極大値をとる。また、極対数ｐが概ね８以上であるとき、ｌ＝２～４のトルク定数Ｋ_ｔが、ｌ＝１のトルク定数Ｋ_ｔを上回っている。

一方、複数の磁極２０が通常の配列を構成している界磁１２ａでは、図１４のｌ＝１のマーカーからわかるように、極対数ｐ＝５０～７０でトルク定数Ｋ_ｔが極大値をとる。ただし、その極大値は、ｌ＝２～４の極大値に比べて低い。

図１５は、アキシャルギャップモーター１の界磁１２と電機子１１とのギャップｇが１．５ｍｍであり、ｌ＝１～４であり、内半径Ｒｒが２０ｍｍであり、外半径Ｒｍが５０ｍｍであるモデルの、極対数ｐとトルク定数Ｋ_ｔとの関係を示すグラフである。

複数の磁極２０がハルバッハ配列を構成している界磁１２ｂ、１２ｃ、１２ｄでは、図１５のｌ＝２～４のマーカーからわかるように、極対数ｐ＝２０～３５でトルク定数Ｋ_ｔが極大値をとる。また、極対数ｐが概ね８以上であるとき、ｌ＝２～４のトルク定数Ｋ_ｔが、ｌ＝１のトルク定数Ｋ_ｔを上回っている。

一方、複数の磁極２０が通常の配列を構成している界磁１２ａでは、図１５のｌ＝１のマーカーからわかるように、極対数ｐ＝２５～４０でトルク定数Ｋ_ｔが極大値をとる。ただし、その極大値は、ｌ＝２～４の極大値に比べて低い。

図１６は、アキシャルギャップモーター１の界磁１２と電機子１１とのギャップｇが２．０ｍｍであり、ｌ＝１～４であり、内半径Ｒｒが２０ｍｍであり、外半径Ｒｍが５０ｍｍであるモデルの、極対数ｐとトルク定数Ｋ_ｔとの関係を示すグラフである。

複数の磁極２０がハルバッハ配列を構成している界磁１２ｂ、１２ｃ、１２ｄでは、図１６のｌ＝２～４のマーカーからわかるように、極対数ｐ＝１２～２２でトルク定数Ｋ_ｔが極大値をとる。また、極対数ｐが概ね８以上であるとき、ｌ＝２～４のトルク定数Ｋ_ｔが、ｌ＝１のトルク定数Ｋ_ｔを上回っている。

一方、複数の磁極２０が通常の配列を構成している界磁１２ａでは、図１６のｌ＝１のマーカーからわかるように、極対数ｐ＝１２～２２でトルク定数Ｋ_ｔが極大値をとる。ただし、その極大値は、ｌ＝２～４の極大値に比べて低い。

図１７は、アキシャルギャップモーター１の界磁１２と電機子１１とのギャップｇが０．５ｍｍであり、ｌ＝１～４であり、内半径Ｒｒが１０ｍｍであり、外半径Ｒｍが５０ｍｍであるモデルの、極対数ｐとトルク定数Ｋ_ｔとの関係を示すグラフである。

複数の磁極２０がハルバッハ配列を構成している界磁１２ｂ、１２ｃ、１２ｄでは、図１７のｌ＝２～４のマーカーからわかるように、極対数ｐの増加に応じてトルク定数Ｋ_ｔが単調に増加している。また、極対数ｐが概ね８以上であるとき、ｌ＝２～４のトルク定数Ｋ_ｔが、ｌ＝１のトルク定数Ｋ_ｔを上回っている。

一方、複数の磁極２０が通常の配列を構成している界磁１２ａでは、図１７のｌ＝１のマーカーからわかるように、極対数ｐ＝６０～８０でトルク定数Ｋ_ｔが極大値をとる。ただし、その極大値は、ｌ＝２～４のトルク定数Ｋ_ｔに比べて低い。

図１８は、アキシャルギャップモーター１の界磁１２と電機子１１とのギャップｇが１．０ｍｍであり、ｌ＝１～４であり、内半径Ｒｒが１０ｍｍであり、外半径Ｒｍが５０ｍｍであるモデルの、極対数ｐとトルク定数Ｋ_ｔとの関係を示すグラフである。

複数の磁極２０がハルバッハ配列を構成している界磁１２ｂ、１２ｃ、１２ｄでは、図１８のｌ＝２～４のマーカーからわかるように、極対数ｐ＝３５～５５でトルク定数Ｋ_ｔが極大値をとる。また、極対数ｐが概ね８以上であるとき、ｌ＝２～４のトルク定数Ｋ_ｔが、ｌ＝１のトルク定数Ｋ_ｔを上回っている。

一方、複数の磁極２０が通常の配列を構成している界磁１２ａでは、図１８のｌ＝１のマーカーからわかるように、極対数ｐ＝４５～６５でトルク定数Ｋ_ｔが極大値をとる。ただし、その極大値は、ｌ＝２～４の極大値に比べて低い。

図１９は、アキシャルギャップモーター１の界磁１２と電機子１１とのギャップｇが１．５ｍｍであり、ｌ＝１～４であり、内半径Ｒｒが１０ｍｍであり、外半径Ｒｍが５０ｍｍであるモデルの、極対数ｐとトルク定数Ｋ_ｔとの関係を示すグラフである。

複数の磁極２０がハルバッハ配列を構成している界磁１２ｂ、１２ｃ、１２ｄでは、図１９のｌ＝２～４のマーカーからわかるように、極対数ｐ＝２０～３０でトルク定数Ｋ_ｔが極大値をとる。また、極対数ｐが概ね８以上であるとき、ｌ＝２～４のトルク定数Ｋ_ｔが、ｌ＝１のトルク定数Ｋ_ｔを上回っている。

一方、複数の磁極２０が通常の配列を構成している界磁１２ａでは、図１９のｌ＝１のマーカーからわかるように、極対数ｐ＝２５～４０でトルク定数Ｋ_ｔが極大値をとる。ただし、その極大値は、ｌ＝２～４の極大値に比べて低い。

図２０は、アキシャルギャップモーター１の界磁１２と電機子１１とのギャップｇが２．０ｍｍであり、ｌ＝１～４であり、内半径Ｒｒが１０ｍｍであり、外半径Ｒｍが５０ｍｍであるモデルの、極対数ｐとトルク定数Ｋ_ｔとの関係を示すグラフである。

複数の磁極２０がハルバッハ配列を構成している界磁１２ｂ、１２ｃ、１２ｄでは、図２０のｌ＝２～４のマーカーからわかるように、極対数ｐ＝１０～２０でトルク定数Ｋ_ｔが極大値をとる。また、極対数ｐが概ね８以上であるとき、ｌ＝２～４のトルク定数Ｋ_ｔが、ｌ＝１のトルク定数Ｋ_ｔを上回っている。

一方、複数の磁極２０が通常の配列を構成している界磁１２ａでは、図２０のｌ＝１のマーカーからわかるように、極対数ｐ＝１０～２０でトルク定数Ｋ_ｔが極大値をとる。ただし、その極大値は、ｌ＝２～４の極大値に比べて低い。

図２１は、アキシャルギャップモーター１の界磁１２と電機子１１とのギャップｇが０．５ｍｍであり、ｌ＝１～４であり、内半径Ｒｒが８０ｍｍであり、外半径Ｒｍが１００ｍｍであるモデルの、極対数ｐとトルク定数Ｋ_ｔとの関係を示すグラフである。

複数の磁極２０がハルバッハ配列を構成している界磁１２ｂ、１２ｃ、１２ｄでは、図２１のｌ＝２～４のマーカーからわかるように、極対数ｐの増加に応じてトルク定数Ｋ_ｔが単調に増加している。また、極対数ｐが概ね８以上であるとき、ｌ＝２～４のトルク定数Ｋ_ｔが、ｌ＝１のトルク定数Ｋ_ｔを上回っている。

一方、複数の磁極２０が通常の配列を構成している界磁１２ａでも、図２１のｌ＝１のマーカーからわかるように、極対数ｐの増加に応じてトルク定数Ｋ_ｔが単調に増加している。ただし、そのトルク定数Ｋ_ｔは、ｌ＝２～４のトルク定数Ｋ_ｔに比べて低い。

図２２は、アキシャルギャップモーター１の界磁１２と電機子１１とのギャップｇが１．０ｍｍであり、ｌ＝１～４であり、内半径Ｒｒが８０ｍｍであり、外半径Ｒｍが１００ｍｍであるモデルの、極対数ｐとトルク定数Ｋ_ｔとの関係を示すグラフである。

複数の磁極２０がハルバッハ配列を構成している界磁１２ｂ、１２ｃ、１２ｄでは、図２２のｌ＝２～４のマーカーからわかるように、極対数ｐの増加に応じてトルク定数Ｋ_ｔが単調に増加している。また、極対数ｐが概ね８以上であるとき、ｌ＝２～４のトルク定数Ｋ_ｔが、ｌ＝１のトルク定数Ｋ_ｔを上回っている。

一方、複数の磁極２０が通常の配列を構成している界磁１２ａでも、図２２のｌ＝１のマーカーからわかるように、極対数ｐの増加に応じてトルク定数Ｋ_ｔが単調に増加している。ただし、そのトルク定数Ｋ_ｔは、ｌ＝２～４のトルク定数Ｋ_ｔに比べて低い。

図２３は、アキシャルギャップモーター１の界磁１２と電機子１１とのギャップｇが１．５ｍｍであり、ｌ＝１～４であり、内半径Ｒｒが８０ｍｍであり、外半径Ｒｍが１００ｍｍであるモデルの、極対数ｐとトルク定数Ｋ_ｔとの関係を示すグラフである。

複数の磁極２０がハルバッハ配列を構成している界磁１２ｂ、１２ｃ、１２ｄでは、図２３のｌ＝２～４のマーカーからわかるように、極対数ｐ＝５５～７５でトルク定数Ｋ_ｔが極大値をとる。また、極対数ｐが概ね８以上であるとき、ｌ＝２～４のトルク定数Ｋ_ｔが、ｌ＝１のトルク定数Ｋ_ｔを上回っている。

一方、複数の磁極２０が通常の配列を構成している界磁１２ａでは、図２３のｌ＝１のマーカーからわかるように、極対数ｐ＝６５～８５でトルク定数Ｋ_ｔが極大値をとる。ただし、その極大値は、ｌ＝２～４の極大値に比べて低い。

図２４は、アキシャルギャップモーター１の界磁１２と電機子１１とのギャップｇが２．０ｍｍであり、ｌ＝１～４であり、内半径Ｒｒが８０ｍｍであり、外半径Ｒｍが１００ｍｍであるモデルの、極対数ｐとトルク定数Ｋ_ｔとの関係を示すグラフである。

複数の磁極２０がハルバッハ配列を構成している界磁１２ｂ、１２ｃ、１２ｄでは、図２４のｌ＝２～４のマーカーからわかるように、極対数ｐ＝３５～５０でトルク定数Ｋ_ｔが極大値をとる。また、極対数ｐが概ね８以上であるとき、ｌ＝２～４のトルク定数Ｋ_ｔが、ｌ＝１のトルク定数Ｋ_ｔを上回っている。

一方、複数の磁極２０が通常の配列を構成している界磁１２ａでは、図２４のｌ＝１のマーカーからわかるように、極対数ｐ＝３０～４５でトルク定数Ｋ_ｔが極大値をとる。ただし、その極大値は、ｌ＝２～４の極大値に比べて低い。

以上の図５から図２４に示すグラフから、界磁１２の外半径Ｒｍに対する内半径Ｒｒの比ＶＲについて考察する。図５から図８に示すモデルでは、比ＶＲが０．８である。図９から図１２に示すモデルでは、比ＶＲが０．６である。図１３から図１６に示すモデルでは、比ＶＲが０．４である。図１７から図２０に示すモデルでは、比ＶＲが０．２である。図２１から図２４に示すモデルでは、比ＶＲが０．８である。したがって、図５から図２４に示すモデルでは、比ＶＲが０．２以上０．８以下である。また、比ＶＲは、好ましくは０．３以上０．７以下であり、より好ましくは０．４以上０．６以下である。

また、図５から図２４に示すグラフから、極対数ｐとトルク定数Ｋ_ｔとの関係について考察する。図５から図２４に示すモデルでは、いずれも、極対数ｐが概ね８以上であるとき、ｌ＝２～４のトルク定数Ｋ_ｔが、ｌ＝１のトルク定数Ｋ_ｔを上回っている。

図２５は、図２１に示すグラフの部分拡大図である。
この図２５では、極対数ｐが８以上になると、ｌ＝２～４に対応するマーカーとｌ＝１に対応するマーカーとの間に有意差が付いていることが、より明らかに認められる。

以上のように、比ＶＲが上記範囲内であって、かつ、極対数ｐが８以上であるとき、アキシャルギャップモーター１の出力効率、すなわち、アキシャルギャップモーター１の入力電流Ｉに対するトルクＴの比率を十分に向上させることができる。換言すれば、比ＶＲおよび極対数ｐの双方が上記範囲内であれば、ハルバッハ配列を構成する磁極２０の作用によって、磁束密度の十分な向上を果たすことができるので、出力効率を十分に高めることができる。

なお、比ＶＲが前記下限値を下回る場合には、磁束密度の分布が不均一になりやすく、出力効率が低下する場合がある。比ＶＲが前記上限値を上回る場合には、磁極２０の体積が特に小さくなるため、磁束密度が低下しやすくなり、出力効率が低下する場合がある。

また、極対数ｐが前記下限値を下回る場合には、ハルバッハ配列を構成する磁極２０が十分に作用せず、磁極２０が通常の配列を構成する場合に比べて、磁束密度を向上させることができない。

以上のように、本実施形態に係るアキシャルギャップモーター１は、円環状をなす界磁１２と、界磁１２と対向して配置されている電機子１１と、を備える。界磁１２は、回転軸Ａに沿う第１方向に磁化されている第１主磁極２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、および、第１方向とは反対の第２方向に磁化されている第２主磁極２２ｂ、２２ｃ、２２ｄを１周期に含み、ハルバッハ配列を構成している複数の磁極２０を有する。電機子１１は、回転軸Ａに沿う方向において、界磁１２と対向して配置されている。そして、このアキシャルギャップモーター１では、界磁１２の外半径Ｒｍに対する内半径Ｒｒの比ＶＲが、０．２以上０．８以下である。また、ハルバッハ配列の周期数を、前述したように極対数ｐとするとき、アキシャルギャップモーター１では、極対数ｐは８以上である。

このような構成によれば、図５から図２４に示すグラフにおいてｌ＝２～４のトルク定数Ｋ_ｔがｌ＝１のトルク定数Ｋ_ｔを上回っていることから明らかなように、出力効率の向上が図られたアキシャルギャップモーター１が得られる。つまり、一定のトルクＴを得るための入力電流Ｉを削減することができるので、入力電流Ｉの２乗に比例する消費電力を削減することができる。また、比ＶＲを前記範囲内に設定することにより、アキシャルギャップモーター１の小型化および軽量化を図ることができる。このようなアキシャルギャップモーター１を例えば移動ロボットや電気自動車等に搭載することで、航続距離や運転時間の延長、加減速性能の向上、製造コストの低減等に寄与することができる。

図５から図２４に示すように、界磁１２の外半径Ｒｍが５０ｍｍ以上１００ｍｍ以下であるのが好ましい。また、界磁１２と電機子１１との距離（ギャップｇ）は、０．７５ｍｍ以上２．２５ｍｍ以下であるのが好ましい。

界磁１２の外半径Ｒｍおよびギャップｇが前記範囲内であれば、出力効率が比較的高く、かつ、比較的小型で製造しやすいアキシャルギャップモーター１を実現することができる。

さらに、界磁１２と電機子１１との距離（ギャップｇ）は、１．２５ｍｍ以上２．２５ｍｍ以下であるのが好ましい。また、極対数ｐは、８以上６０以下であるのが好ましく、１０以上５０以下であるのがより好ましく、１５以上３５以下であるのがさらに好ましい。

ギャップｇおよび極対数ｐが前記範囲内であれば、出力効率と製造しやすさとのバランスが良好なアキシャルギャップモーター１を実現することができる。また、極対数ｐが多くなりすぎると、界磁１２の小型化が困難になる。極対数ｐが前記範囲内であれば、アキシャルギャップモーター１の小型化が容易になる。

一方、界磁１２と電機子１１との距離（ギャップｇ）は、０．２５ｍｍ以上０．７５ｍｍ未満であってもよい。

ギャップｇが前記範囲内であれば、出力効率が特に高いアキシャルギャップモーター１を実現することができる。

また、磁極２０は、複数のセグメントを含んでいる。このうち、前述したｌ＝３の場合、磁極２０は、３つのセグメントを含む。また、前述したｌ＝４の場合、磁極２０は、４つのセグメントを含む。このように、磁極２０が含むセグメントの数は、３または４であるのが好ましい。

磁極２０が含むセグメントの数がこの範囲内であれば、図５から図２４に示すように、ハルバッハ配列を構成する磁極２０によって得られる高い磁束密度が、より顕著になる。また、セグメント数が著しく多くなることによる弊害、例えば製造容易性が低下するのを防止することができる。したがって、出力効率と製造しやすさとのバランスが特に良好なアキシャルギャップモーター１を実現することができる。

また、本実施形態に係るアキシャルギャップモーター１は、界磁１２を２つ備える。これにより、アキシャルギャップモーター１は、２つの界磁１２と電機子１１との間にそれぞれギャップを有するものとなる。この２つのギャップにおいて、界磁１２と電機子１１との相互作用を利用することができ、アキシャルギャップモーター１の高トルク化を図ることができる。なお、アキシャルギャップモーターは、２つの電機子と１つの界磁とを備えるものであってもよい。

２．第２実施形態
次に、第２実施形態に係るアキシャルギャップモーターについて説明する。

図２６は、第２実施形態に係るアキシャルギャップモーターの概略構成を示す断面図である。

以下、第２実施形態について説明するが、以下の説明では第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項についてはその説明を省略する。なお、以下の各図において、第１実施形態と同様の構成については、同一の符号を付している。

前述した第１実施形態は、２つの界磁１２としての第１界磁１２Ａおよび第２界磁１２Ｂと、１つの電機子１１と、を備えているのに対し、本実施形態は、２つの界磁１２としての第１界磁１２Ａおよび第２界磁１２Ｂと、２つの電機子１１としての第１電機子１１Ａおよび第２電機子１１Ｂと、を備えている。

すなわち、本実施形態に係るアキシャルギャップモーター１Ａは、図２６に示すように、シャフト１０、第１電機子１１Ａ、第１界磁１２Ａ、バックヨーク１３、第２界磁１２Ｂおよび第２電機子１１Ｂを備える。したがって、アキシャルギャップモーター１Ａは、第１界磁１２Ａおよび第２界磁１２Ｂと、バックヨーク１３とが、１つの回転子を構成し、第１電機子１１Ａおよび第２電機子１１Ｂが、それぞれ固定子を構成する。そして、第１電機子１１Ａと第２電機子１１Ｂとの間に、回転子が配置されている。

第１電機子１１Ａおよび第２電機子１１Ｂは、互いに同様の構造を有する。すなわち、第１電機子１１Ａは、複数のコア１４ａおよび複数のコイル１５ａを有する。第２電機子１１Ｂは、複数のコア１４ａおよび複数のコイル１５ａと同様の複数のコア１４ｂおよび複数のコイル１５ｂを有する。第１電機子１１Ａは、回転軸Ａに沿う方向において第１界磁１２Ａと対向する。同様に、第２電機子１１Ｂは、回転軸Ａに沿う方向において第２界磁１２Ｂと対向する。

以上のように、本実施形態に係るアキシャルギャップモーター１Ａは、界磁１２および電機子１１をそれぞれ２つ備える。これにより、アキシャルギャップモーター１Ａは、２つの界磁１２と２つの電機子１１との間にそれぞれギャップを有するものとなる。この２つのギャップにおいて、界磁１２と電機子１１との相互作用を利用することができ、アキシャルギャップモーター１Ａの高トルク化を図ることができる。
以上のような第２実施形態においても、第１実施形態と同様の効果が得られる。

３．第３実施形態
次に、第３実施形態に係るラジアルギャップモーターについて説明する。

図２７は、第３実施形態に係るラジアルギャップモーターの概略構成を示す断面図である。図２８は、第３実施形態に係るラジアルギャップモーターの概略構成を示す平面図である。図２９ないし図３２は、それぞれ、図２８に示す界磁を回転軸に沿う方向から見たとき、界磁の磁化方向を説明するための模式図である。

以下、第３実施形態について説明するが、以下の説明では第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項についてはその説明を省略する。なお、以下の各図において、第１実施形態と同様の構成については、同一の符号を付している。

前述した第１、第２実施形態は、アキシャルギャップモーター１、１Ａであるのに対し、本実施形態は、ラジアルギャップモーター１Ｂである。

図２７に示すように、第３実施形態に係るラジアルギャップモーター１Ｂは、シャフト６０と、電機子６１と、界磁６２と、バックヨーク６３と、を備える。ラジアルギャップモーター１Ｂでは、回転軸Ａに直交する方向、すなわちシャフト６０の半径方向において、界磁６２と電機子６１とが対向している。バックヨーク６３は、界磁６２の電機子６１とは反対側に配置されている。

電機子６１と界磁６２との間のギャップは、回転軸Ａと直交する方向に設けられている。図２７に示す例では、略円柱状をなす電機子６１が、円筒状（円環状）をなす界磁６２の内側に配置されている。ただし、電機子６１は、界磁６２の外側に配置されていてもよい。ラジアルギャップモーター１Ｂでは、電機子６１が回転子、界磁６２が固定子である。なお、電機子６１が固定子、界磁６２が回転子であってもよい。シャフト６０は、回転子の回転軸に相当する。

図２８に示すように、電機子６１は、コア６４および複数のコイル６７を有する。コア６４は、円筒状をなすヨーク部６５と、ヨーク部６５の側面から外側に突出する複数のリブ部６６と、を有する。コア６４は、例えば軟磁性体で構成される。各リブ部６６は、回転軸Ａに沿って延伸する。各リブ部６６は、例えば、回転軸Ａに沿う方向に積層される複数の板の積層体や軟磁性粉末の圧粉体で構成される。各コイル６７は、リブ部６６に巻かれた巻線を有する。リブ部６６およびコイル６７の数は、コイル６７に流される電流の相数に応じて設定されるが、本実施形態では、１８である。この場合、リブ部６６およびコイル６７は、回転軸Ａについて１８回の回転対称性を有するように、回転軸Ａを中心とする円周に沿って等間隔に配置される。

界磁６２は、回転軸Ａを中心とする円周に沿って配列される複数の磁極６８を有する。磁極６８は、例えば永久磁石である。複数の磁極６８は、配列方向において周期的に異なる磁化方向を有する。具体的には、複数の磁極６８は、回転軸Ａに直交する第３方向に磁化される第３主磁極と、第３方向とは反対の第４方向に磁化される第４主磁極とを、１周期当たり１つずつ含む。したがって、図２８に示す界磁６２は、６周期分の磁極６８を有する。

図２９に示すように、配列方向における半周期当たりの磁極６８の数をｌとすると、ｌ＝１である界磁６２ａは、１周期当たり、２つの磁極６８を有する。一方の磁極６８は、第３主磁極６８ａを含み、他方の磁極６８は、第４主磁極６９ａを含む。したがって、界磁６２ａが有する複数の磁極６８は、それぞれ、回転軸Ａに直交する第３方向または第４方向に磁化されている。

図３０に示すように、ｌ＝２である界磁６２ｂは、１周期当たり、２つの磁極６８を有する。一方の磁極６８は、２つのセグメントとして、第３主磁極６８ｂおよび補助磁極７０ｂを含む。他方の磁極６８は、２つのセグメントとして、第４主磁極６９ｂおよび補助磁極７１ｂを含む。界磁６２ｂの各セグメントは、回転軸Ａに沿う方向から見て、隣接するセグメントと９０°異なる磁化方向を有する。また、界磁６２ｂの各セグメントは、配列方向において順に９０°ずつ回転するように変化する磁化方向を有する。

図３１に示すように、ｌ＝３である界磁６２ｃは、１周期当たり、２つの磁極６８を有する。一方の磁極６８は、３つのセグメントとして、第３主磁極６８ｃ、補助磁極７０ｃおよび補助磁極７１ｃを含む。他方の磁極６８は、３つのセグメントとして、第４主磁極６９ｃ、補助磁極７２ｃおよび補助磁極７３ｃを含む。界磁６２ｃの各セグメントは、回転軸Ａに沿う方向から見て、隣接するセグメントと６０°異なる磁化方向を有する。また、界磁６２ｃの各セグメントは、配列方向において順に６０°ずつ回転するように変化する磁化方向を有する。

図３２に示すように、ｌ＝４である界磁６２ｄは、１周期当たり、２つの磁極６８を有する。一方の磁極６８は、４つのセグメントとして、第３主磁極６８ｄ、補助磁極７０ｄ、補助磁極７１ｄおよび補助磁極７２ｄを含む。他方の磁極６８は、４つのセグメントとして、第４主磁極６９ｄ、補助磁極７３ｄ、補助磁極７４ｄおよび補助磁極７５ｄを含む。界磁６２ｄの各セグメントは、回転軸Ａに沿う方向から見て、隣接するセグメントと４５°異なる磁化方向を有する。また、界磁６２ｄの各セグメントは、配列方向において順に４５°ずつ回転するように変化する磁化方向を有する。

界磁６２ｂ、６２ｃ、６２ｄがそれぞれ有する複数の磁極６８は、ハルバッハ配列を構成する。このように、ｌ≧２である界磁６２が有する複数の磁極６８は、ハルバッハ配列を構成する。ハルバッハ配列を有するラジアルギャップモーター１Ｂにおいて、電機子６１は、ハルバッハ配列の強磁界側に配置される。一方、バックヨーク６３は、ハルバッハ配列の弱磁界側に配置される。

ハルバッハ配列を構成する磁極６８を有するラジアルギャップモーター１Ｂは、界磁６２の表面における磁束密度を増大できるため、トルクを向上できる。特に、ｌが３以上である場合、配列方向における磁束密度の変化を滑らかにすることができ、トルクをさらに向上できる。

以上のようなラジアルギャップモーター１Ｂにおいても、前述したアキシャルギャップモーター１、１Ａと同様の効果が得られる。

すなわち、ラジアルギャップモーター１Ｂは、円環状をなす界磁６２と、界磁６２と対向して配置されている電機子６１と、を備える。界磁６２は、回転軸Ａに直交する第３方向に磁化されている第３主磁極６８ｂ、６８ｃ、６８ｄ、および、第３方向とは反対の第４方向に磁化されている第４主磁極６９ｂ、６９ｃ、６９ｄを１周期に含み、ハルバッハ配列を構成している複数の磁極６８を有する。電機子６１は、回転軸Ａに直交する方向において、界磁６２と対向して配置されている。そして、このラジアルギャップモーター１Ｂでは、ハルバッハ配列の周期数を極対数ｐとするとき、極対数ｐが８以上である。

このような構成によれば、出力効率の向上が図られたラジアルギャップモーター１Ｂが得られる。つまり、一定のトルクを得るための入力電流を削減することができるので、入力電流の２乗に比例する消費電力を削減することができる。したがって、ラジアルギャップモーター１Ｂを例えば移動ロボットや電気自動車等に搭載することで、航続距離や運転時間の延長、加減速性能の向上、製造コストの低減等に寄与することができる。

図３３は、ラジアルギャップモーター１Ｂの界磁６２と電機子６１とのギャップが１．０ｍｍであり、ｌ＝１～４であるモデルの、極対数ｐと、界磁６２の表面磁束密度の基本波成分ｐＢ_１，ｌと、の関係を示すグラフである。

複数の磁極６８がハルバッハ配列を構成している界磁６２ｂ、６２ｃ、６２ｄでは、図３３のｌ＝２～４のマーカーからわかるように、極対数ｐ＝３０～６５で界磁６２の表面磁束密度の基本波成分ｐＢ_１，ｌが極大値をとる。

一方、複数の磁極６８がハルバッハ配列を構成していない、すなわち通常の配列を構成している界磁６２ａでは、図３３のｌ＝１のマーカーからわかるように、極対数ｐ＝３０～６５で界磁６２の表面磁束密度の基本波成分ｐＢ_１，ｌが極大値をとる。ただし、その極大値は、ｌ＝２～４の値に比べて低い。

ここで、図３３に示すグラフから、極対数ｐと界磁６２の表面磁束密度の基本波成分ｐＢ_１，ｌとの関係について考察する。図３３に示すモデルでは、極対数ｐが概ね８以上であるとき、ｌ＝２～４の表面磁束密度の基本波成分ｐＢ_１，ｌが、ｌ＝１の表面磁束密度の基本波成分ｐＢ_１，ｌを上回っている。

したがって、複数の磁極６８がハルバッハ配列を構成し、極対数ｐが８以上であるとき、ラジアルギャップモーター１Ｂの出力効率、すなわち、入力電流に対するトルクの比率を十分に向上させることができる。

なお、極対数ｐが前記下限値を下回る場合には、ハルバッハ配列を構成する磁極６８が十分に作用せず、磁極６８が通常の配列を構成する場合に比べて、磁束密度を向上させることができない。

また、ラジアルギャップモーター１Ｂの極対数ｐは、８以上８０以下であるのが好ましく、１０以上７０以下であるのがより好ましく、３０以上６５以下であるのがさらに好ましい。

ラジアルギャップモーター１Ｂの極対数ｐが前記範囲内であれば、出力効率が特に良好なラジアルギャップモーター１Ｂを実現することができる。

さらに、ラジアルギャップモーター１Ｂでは、界磁６２と電機子６１との距離（ギャップ）が、０．５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下であるのが好ましく、０．８ｍｍ以上１．２ｍｍ以下であるのがより好ましい。

ギャップが前記範囲内であれば、出力効率と製造しやすさとのバランスが良好なラジアルギャップモーター１Ｂを実現することができる。

４．第４実施形態
次に、第４実施形態に係るロボットについて説明する。

図３４は、第４実施形態に係るロボットを示す斜視図である。図３５は、図３４に示すロボットの概略図である。

図３４に示すロボット１００は、例えば、各種ワーク（対象物）の搬送、組立、検査等の各作業で用いられる。

図３４および図３５に示すように、ロボット１００は、基台４００、ロボットアーム１０００、駆動部４０１～４０６と、を有する。

図３４および図３５に示す基台４００は、水平な床１０１に載置されている。なお、基台４００は、床１０１ではなく、壁、天井、架台等に載置されていてもよい。

図３４および図３５に示すロボットアーム１０００は、第１アーム１１０、第２アーム１２０、第３アーム１３０、第４アーム１４０、第５アーム１５０および第６アーム１６０を備えている。第６アーム１６０の先端には、図示しないエンドエフェクターを着脱可能に取り付けることができ、そのエンドエフェクターでワークを把持等することができる。エンドエフェクターで把持等するワークとしては、特に限定されず、例えば、電子部品、電子機器等が挙げられる。なお、本明細書では、第６アーム１６０を基準にしたときの基台４００側を「基端側」とし、基台４００を基準にしたときの第６アーム１６０側を「先端側」とする。

エンドエフェクターとしては、特に限定されないが、ワークを把持するハンド、ワークを吸着する吸着ヘッド等が挙げられる。

ロボット１００は、基台４００と、第１アーム１１０と、第２アーム１２０と、第３アーム１３０と、第４アーム１４０と、第５アーム１５０と、第６アーム１６０とが、基端側から先端側に向ってこの順に連結された単腕の６軸垂直多関節ロボットである。以下では、第１アーム１１０、第２アーム１２０、第３アーム１３０、第４アーム１４０、第５アーム１５０および第６アーム１６０をそれぞれ「アーム」とも言う。第１アーム１１０～第６アーム１６０の長さは、それぞれ、特に限定されず、適宜設定可能である。なお、ロボットアーム１０００が有するアームの数は、１～５本または７本以上であってもよい。また、ロボット１００は、スカラロボットであってもよく、２つまたはそれ以上のロボットアーム１０００を備える双腕ロボットであってもよい。

基台４００と第１アーム１１０とは、関節１７１を介して連結されている。第１アーム１１０は、基台４００に対し、鉛直軸と平行な第１回動軸Ｏ１を回動中心として回動可能となっている。第１アーム１１０は、モーター４０１Ｍおよび図示しない減速機を有する駆動部４０１の駆動により回動する。モーター４０１Ｍは、第１アーム１１０を回動させる推力を発生する。

第１アーム１１０と第２アーム１２０とは、関節１７２を介して連結されている。第２アーム１２０は、第１アーム１１０に対し、水平面と平行な第２回動軸Ｏ２を回動中心として回動可能となっている。第２アーム１２０は、モーター４０２Ｍおよび図示しない減速機を有する駆動部４０２の駆動により回動する。モーター４０２Ｍは、第２アーム１２０を回動させる推力を発生する。

第２アーム１２０と第３アーム１３０とは、関節１７３を介して連結されている。第３アーム１３０は、第２アーム１２０に対し、水平面と平行な第３回動軸Ｏ３を回動中心として回動可能となっている。第３アーム１３０は、モーター４０３Ｍおよび図示しない減速機を有する駆動部４０３の駆動により回動する。モーター４０３Ｍは、第３アーム１３０を回動させる推力を発生する。

第３アーム１３０と第４アーム１４０とは、関節１７４を介して連結されている。第４アーム１４０は、第３アーム１３０に対し、第３アーム１３０の中心軸と平行な第４回動軸Ｏ４を回動中心として回動可能となっている。第４アーム１４０は、モーター４０４Ｍおよび図示しない減速機を有する駆動部４０４の駆動により回動する。モーター４０４Ｍは、第４アーム１４０を回動させる推力を発生する。

第４アーム１４０と第５アーム１５０とは、関節１７５を介して連結されている。第５アーム１５０は、第４アーム１４０に対し、第４アーム１４０の中心軸と直交する第５回動軸Ｏ５を回動中心として回動可能となっている。第５アーム１５０は、モーター４０５Ｍおよび図示しない減速機を有する駆動部４０５の駆動により回動する。モーター４０５Ｍは、第５アーム１５０を回動させる推力を発生する。

第５アーム１５０と第６アーム１６０とは、関節１７６を介して連結されている。第６アーム１６０は、第５アーム１５０に対し、第５アーム１５０の先端部の中心軸と平行な第６回動軸Ｏ６を回動中心として回動可能となっている。第６アーム１６０は、モーター４０６Ｍおよび図示しない減速機を有する駆動部４０６の駆動により回動する。モーター４０６Ｍは、第６アーム１６０を回動させる推力を発生する。

また、駆動部４０１～４０６には、図示しない角度センサーが設けられている。これらの角度センサーとしては、例えば、ロータリーエンコーダー等の各種エンコーダーが挙げられる。角度センサーは、駆動部４０１～４０６のモーター４０１Ｍ～４０６Ｍまたは減速機の出力軸の回動角度を検出する。

駆動部４０１～４０６および角度センサーは、それぞれ、図示しないロボット制御装置と電気的に接続されている。ロボット制御装置は、駆動部４０１～４０６の動作を独立して制御する。

以上のように、ロボット１００は、第１アーム１１０～第６アーム１６０と、第１アーム１１０～第６アーム１６０を動かす関節１７１～１７６と、を備える。そして、関節１７１～１７６のうちの少なくとも１つには、ハルバッハモーターが設けられている。すなわち、前述したモーター４０１Ｍ～４０６Ｍのうちの少なくとも１つがハルバッハモーターである。ハルバッハモーターとは、前述したアキシャルギャップモーター１、１Ａまたはラジアルギャップモーター１Ｂである。

ハルバッハモーターは、前述したように出力効率が高い。このため、ハルバッハモーターを備えるロボット１００では、消費電力の削減が可能になる。また、ハルバッハモーターは、小型化や軽量化が容易であるため、ロボット１００の設計自由度を高めやすい。

なお、関節１７１～１７６の全てにハルバッハモーターを設ける必要はなく、一部には、非ハルバッハモーターが設けられていてもよい。前述したように、ロボット１００が、第１アーム１１０を介して直列に配置されている関節１７１（第１関節）および関節１７２（第２関節）を備えるとき、関節１７１には、非ハルバッハモーターが設けられ、関節１７２には、ハルバッハモーターが設けられていてもよい。非ハルバッハモーターとは、ハルバッハ配列を構成していない複数の磁極を備えるモーターである。なお、関節１７１は、第１アーム１１０の基端側に位置し、関節１７２は、第１アーム１１０の先端側に位置している。

このような構成によれば、非ハルバッハモーターに比べて小型化が容易なハルバッハモーターを、第１アーム１１０の先端側に配置し、非ハルバッハモーターを、第１アーム１１０の基端側に配置することになる。これにより、第１アーム１１０の先端側の軽量化が図られる。その結果、ロボット１００の消費電力のさらなる削減を図ることができ、また、ロボット１００の運動性能をより高めることができる。

なお、ハルバッハモーターや非ハルバッハモーターが設けられる関節は、関節１７３～１７６であってもよい。

以上、本発明のアキシャルギャップモーター、ラジアルギャップモーターおよびロボットを図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。

例えば、本発明のアキシャルギャップモーター、ラジアルギャップモーターおよびロボットは、それぞれ、前記実施形態の各部が同様の機能を有する任意の構成物に置換されたものであってもよく、前記実施形態に任意の構成物が付加されたものであってもよい。

１…アキシャルギャップモーター、１Ａ…アキシャルギャップモーター、１Ｂ…ラジアルギャップモーター、１０…シャフト、１１…電機子、１１Ａ…第１電機子、１１Ｂ…第２電機子、１２…界磁、１２Ａ…第１界磁、１２Ｂ…第２界磁、１２ａ…界磁、１２ｂ…界磁、１２ｃ…界磁、１２ｄ…界磁、１３…バックヨーク、１３ａ…第１バックヨーク、１３ｂ…第２バックヨーク、１４…コア、１４ａ…コア、１４ｂ…コア、１５…コイル、１５ａ…コイル、１５ｂ…コイル、２０…磁極、２１ａ…第１主磁極、２１ｂ…第１主磁極、２１ｃ…第１主磁極、２１ｄ…第１主磁極、２２ａ…第２主磁極、２２ｂ…第２主磁極、２２ｃ…第２主磁極、２２ｄ…第２主磁極、２３ｂ…補助磁極、２３ｃ…補助磁極、２３ｄ…補助磁極、２４ｂ…補助磁極、２４ｃ…補助磁極、２４ｄ…補助磁極、２５ｃ…補助磁極、２５ｄ…補助磁極、２６ｃ…補助磁極、２６ｄ…補助磁極、２７ｄ…補助磁極、２８ｄ…補助磁極、６０…シャフト、６１…電機子、６２…界磁、６２ａ…界磁、６２ｂ…界磁、６２ｃ…界磁、６２ｄ…界磁、６３…バックヨーク、６４…コア、６５…ヨーク部、６６…リブ部、６７…コイル、６８…磁極、６８ａ…第３主磁極、６８ｂ…第３主磁極、６８ｃ…第３主磁極、６８ｄ…第３主磁極、６９ａ…第４主磁極、６９ｂ…第４主磁極、６９ｃ…第４主磁極、６９ｄ…第４主磁極、７０ｂ…補助磁極、７０ｃ…補助磁極、７０ｄ…補助磁極、７１ｂ…補助磁極、７１ｃ…補助磁極、７１ｄ…補助磁極、７２ｃ…補助磁極、７２ｄ…補助磁極、７３ｃ…補助磁極、７３ｄ…補助磁極、７４ｄ…補助磁極、７５ｄ…補助磁極、１００…ロボット、１０１…床、１１０…第１アーム、１２０…第２アーム、１３０…第３アーム、１４０…第４アーム、１５０…第５アーム、１６０…第６アーム、１７１…関節、１７２…関節、１７３…関節、１７４…関節、１７５…関節、１７６…関節、４００…基台、４０１…駆動部、４０１Ｍ…モーター、４０２…駆動部、４０２Ｍ…モーター、４０３…駆動部、４０３Ｍ…モーター、４０４…駆動部、４０４Ｍ…モーター、４０５…駆動部、４０５Ｍ…モーター、４０６…駆動部、４０６Ｍ…モーター、１０００…ロボットアーム、Ａ…回転軸、Ｏ１…第１回動軸、Ｏ２…第２回動軸、Ｏ３…第３回動軸、Ｏ４…第４回動軸、Ｏ５…第５回動軸、Ｏ６…第６回動軸、Ｒｍ…外半径、Ｒｒ…内半径

Claims

回転軸に沿う第１方向に磁化されている第１主磁極および前記第１方向とは反対の第２方向に磁化されている第２主磁極を１周期に含み、ハルバッハ配列を構成している複数の磁極を有し、円環状をなす界磁と、
前記回転軸に沿う方向において、前記界磁と対向して配置されている電機子と、
を備え、
前記界磁の外半径に対する内半径の比が、０．２以上０．８以下であり、
前記ハルバッハ配列の周期数を極対数とするとき、前記極対数が８以上であることを特徴とするアキシャルギャップモーター。
前記界磁の外半径が５０ｍｍ以上１００ｍｍ以下であり、
前記界磁と前記電機子との距離が０．７５ｍｍ以上２．２５ｍｍ以下である請求項１に記載のアキシャルギャップモーター。
前記界磁と前記電機子との距離が１．２５ｍｍ以上２．２５ｍｍ以下であり、
前記極対数が８以上６０以下である請求項２に記載のアキシャルギャップモーター。
前記界磁と前記電機子との距離が０．２５ｍｍ以上０．７５ｍｍ未満である請求項１に記載のアキシャルギャップモーター。
前記磁極は、複数のセグメントを含み、
前記磁極が含む前記セグメントの数は、３または４である請求項１ないし４のいずれか１項に記載のアキシャルギャップモーター。
前記界磁および前記電機子の少なくとも一方を２つ備える請求項１ないし５のいずれか１項に記載のアキシャルギャップモーター。
回転軸に直交する第３方向に磁化されている第３主磁極および前記第３方向とは反対の第４方向に磁化されている第４主磁極を１周期に含み、ハルバッハ配列を構成している複数の磁極を有し、円環状をなす界磁と、
前記回転軸に直交する方向において、前記界磁と対向して配置されている電機子と、
を備え、
前記ハルバッハ配列の周期数を極対数とするとき、前記極対数が８以上であることを特徴とするラジアルギャップモーター。
前記極対数が８以上８０以下である請求項７に記載のラジアルギャップモーター。
前記界磁と前記電機子との距離が０．５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下である請求項７または８に記載のラジアルギャップモーター。
アームと、
前記アームを動かす関節と、
を備えるロボットであって、
前記関節にはハルバッハモーターが設けられ、
前記ハルバッハモーターは、請求項１ないし６のいずれか１項に記載のアキシャルギャップモーター、または、請求項７ないし９のいずれか１項に記載のラジアルギャップモーターであることを特徴とするロボット。
前記アームを介して直列に配置されている複数の前記関節として第１関節および第２関節を備え、
前記第１関節は、前記アームの基端側に位置し、
前記第２関節は、前記アームの先端側に位置し、
前記第１関節には、非ハルバッハモーターが設けられ、
前記第２関節には、前記ハルバッハモーターが設けられ、
前記非ハルバッハモーターは、ハルバッハ配列を構成していない複数の磁極を備えるモーターである請求項１０に記載のロボット。