JP4706350B2 - 誘導子型モータ - Google Patents

Description

本発明は、誘導子型モータに関し、詳しくは、界磁側の磁束を所要位置に誘導する磁性体からなる誘導子を備えたアキシャルギャップタイプのモータに関するものである。

従来、特開昭５４−１１６６１０号公報（特許文献１）や特開平６−８６５１７号公報（特許文献２）において、誘導子を用いた発電機が開示されている。該発電機では、図７に示すように、駆動軸１が外筒となるブラケット２にベアリング３を介して貫通し、駆動軸１に外嵌固定された継鉄４の外周に界磁巻線５を設けていると共に界磁巻線５の左右から交互に突出する爪形磁極６、７（誘導子）を設け、全体として回転子を形成している。一方、ブラケット２には、爪形磁極６、７に対向して固定子巻線８を設けている。また、界磁巻線５への電力供給は、スリップリング９を介して摺動自在に給電する構成としている。

前記構成によれば、スリップリング９を介して界磁巻線５に直流を供給することで界磁巻線５の図中右側にＮ極が発生し、図中左側にＳ極が発生する場合を考えると、右側から突出する爪形磁極６にＮ極が誘導され、左側から突出する爪形磁極７にＳ極が誘導される。即ち、駆動軸１を中心として巻回された界磁巻線５を１つ設けるだけで、回転子の外周側に複数のＮ極およびＳ極を周方向の交互に発生させることが可能となる。
また、モータにおいても誘導子を用いたものがある。

前記特許文献１及び特許文献２のように、爪形磁極（誘導子）を金属板を所要形状に打ち抜いて折曲形成している場合には、誘導子を容易に形成することができる。
しかしながら、例えば、アキシャルギャップタイプのモータで誘導子を用いる場合、誘導子が塊状となることがある。このような塊状の誘導子は、塊状の磁性体を切削して所要形状の誘導子を形成したり、溶融した金属を鋳型に流し込んで所要形状の誘導子を形成しているが、これらの方法では誘導子の作製に多大な労力とコストがかかり、また、これらの方法で形成された誘導子に交流磁場が作用すると渦電流が発生し、エネルギー損失が生じることとなる。

特開昭５４−１１６６１０号公報 特開平６−８６５１７号公報

本発明は前記問題に鑑みてなされたものであり、アキシャルギャップタイプのモータに好適に用いられる誘導子の作製を容易にし、かつ、誘導子に交流磁場が作用したときに発生する渦電流を低減する誘導子型モータを提供することを課題としている。

前記課題を解決するため、本発明は、中心孔が駆動軸に固定されると共に誘導子が取り付けられる回転子と、該回転子の軸線方向の両側に配置した電機子側固定子と界磁側固定子を備えたアキシャルギャップタイプの誘導子型モータであって、
前記電機子側固定子には周方向に間隔をあけて電機子コイルが配置されていると共に、前記界磁側固定子には円環形状の界磁体が配置され、
前記回転子には、その回転子本体に周方向に間隔をあけて且つ軸線方向に貫通して前記誘導子が取り付けられ、これら誘導子の一端面は前記電機子コイルと対向させると共に他端面は前記界磁体の外周側と内周側とに周方向で交互に対向配置させ、周方向に交互に逆極性となる磁極が形成される構成とし、
前記各誘導子は、複数本の線状磁性体を集束して形成し、これら線状磁性体の長さ方向の一端面が前記電機子コイルとの対向面とする一方、他端面を前記界磁体との対向面とし、これら線状磁性体の長さ方向となる磁束方向に対する垂直方向の断面積は同一とされると共に、該垂直方向の断面形状は前記一端面と他端面とで相違させていることを特徴とする誘導子型モータを提供している。

前記構成によれば、柔軟性を有する線状磁性体を集束して所要形状の誘導子を形成しているため、一端面と他端面とで断面形状が相違する誘導子でも容易に形成することができる。
また、線状磁性体の長さ方向と磁束方向を一致させているため、所定方向の磁束の流れを良くすることができる。また、誘導子に交流磁場が作用したときに発生する渦電流が異なる線状磁性体間を流れるため、この渦電流を低減することができ、エネルギー損失を低減することができる。
さらに、誘導子を通る磁束方向に対する垂直方向の断面積が異なると、断面積が小さな箇所で磁束が飽和してしまい、該誘導子をモータ等に用いた場合にトルクが小さくなってしまう。逆に、断面積が大きな箇所では必要以上に断面積が大きくなって誘導子に無駄が生じ、誘導子が重量化してしまう。これに対し、本発明で用いる誘導子では、線状磁性体を集束させて形成しているため、線状磁性体の長さ方向となる磁束方向に対する垂直方向の断面積が常に一定となり、トルクの低下や誘導子の不要な重量化を防止できる。

前記線状磁性体の外周面は樹脂で絶縁被覆され、これら絶縁被覆された複数本の線状磁性体は長さ方向に対する垂直方向の形状を相違させて集束させて樹脂モールドしていることが好ましい。
前記構成によれば、線状磁性体が磁束方向と異なる方向は全て樹脂で絶縁されているため、誘導子に交流磁場が作用したときに発生する渦電流を低減することができる。
また、各線状磁性体の外周面を樹脂で被覆しているため、樹脂を硬化させることにより誘導子を所要形状に型決めすることができる。なお、各線状磁性体の外周面を樹脂で被覆していない場合には、型決めのために所要形状に形成した誘導子の両端面以外の外周面を樹脂でモールドすることが好ましい。

前記線状磁性体は、珪素鋼、パーメンダー、鉄、パーマロイ等からなる金属とし、直径を０．１〜１．０ｍｍ、より好ましくは０．３〜０．７ｍｍとしていることが好ましい。

前記線状磁性体の直径を０．１ｍｍ以上としているのは、直径が０．１ｍｍより小さいと所要の断面積を有する誘導子を形成するのに必要な線状磁性体の本数が多くなりすぎ誘導子を形成しにくくなると共に、線状磁性体を樹脂で被覆した場合には、磁性体部分の断面積が小さくなるからである。また、線状磁性体の直径を１．０ｍｍ以下としているのは、１．０ｍｍより大きいと、線状磁性体の剛性が高くなり、所要形状の誘導子を形成しにくくなるからである。
特に、線状磁性体の長さ方向に磁束が流れやすくするように線状磁性体に異方性を持たせていることが好ましく、例えば、珪素鋼を温度を上げずに引き伸ばすとよい。
また、珪素鋼は脆くて硬いが、針金状とすることで柔軟性を得られ、複雑な形状の誘導子も容易に形成することができる。

前記誘導子の一端面は円形あるいは円弧形のいずれか一方とすると共に、他端面いずれか他方としていることが好ましい。
前記構成によれば、誘導子の端面を円形あるいは円弧形として、電機子コイルあるいは界磁体の磁束発生領域に誘導子を対向させているため、誘導子が効率良く磁化され、該誘導子を用いたモータ等では高効率で回転子を回転させることができる。
また、本発明のように線状磁性体を集束して誘導子を形成しているため、両端面の形状が異なる誘導子であっても容易に形成することができる。

本発明で用いる誘導子の形成方法としては、例えば、外周面を熱硬化性樹脂で絶縁被覆された線状磁性体を複数本集束し、この集束した線状磁性体を金型内に配置するなどして所要形状にし、加熱することにより樹脂を一体化して硬化させている。その後、不要な部分がある場合には、該部分を切り取って所要形状の誘導子としている。

前記のようなアキシャルギャップタイプの誘導子型モータでは誘導子が塊状となるが、前記のように誘導子を線状磁性体を集束して形成しているため、誘導子を容易に形成することができる。

前記誘導子の前記電機子コイルとの対向面となる一端面を円形としている一方、界磁体との対向面となる他端面を前記界磁体の外周側あるいは内周側に対向する円弧形状としていることが好ましい。
前記構成によれば、前記と同様、電機子コイルと界磁体の磁束発生領域に誘導子の両端面を対向させているため、誘導子が効率良く磁化され、誘導子型モータの回転子を高効率で回転させることができる。

前記界磁体あるいは／および電機子コイルを超電導材で形成していることが好ましい。
界磁体あるいは／および電機子コイルを超電導材で形成すると、大電流を給電することが可能となり、発生する磁束を大幅に強化でき、高出力化を図ることができる。また、超電導化を図ることで大電流密度が得られるため、界磁体および電機子コイルを小さくすることができ、誘導子型モータを小型軽量化できる。なお、超電導材としてはビスマス系やイットリウム系等の高温超電導材を用いると好適である。

前述したように、本発明によれば、柔軟性を有する線状磁性体を集束して所要形状の誘導子を形成しているため、一端面と他端面とで断面形状が相違する誘導子でも容易に形成することができる。
また、線状磁性体を集束させて誘導子を形成しているため、線状磁性体の長さ方向となる磁束方向に対する垂直方向の断面積が常に一定となり、磁束が誘導子内で飽和しにくくなる。よって、該誘導子をモータに用いると、界磁体で発生した磁束を電機子コイル側に効率良く導くことができる。

各線状磁性体の外周面は樹脂で絶縁被覆すると、磁束方向と異なる方向は全て樹脂で絶縁されているため、誘導子に交流磁場が作用したときに発生する渦電流を低減することができる。

また、前記誘導子を備えると共に中心孔が駆動軸に固定された回転子と、該回転子の軸線方向の両側に配置した電機子側固定子と界磁側固定子を備えたアキシャルギャップタイプの誘導子型モータとし、誘導子の電機子コイルとの対向面となる一端面を円形としている一方、界磁体との対向面となる他端面を界磁体の外周側あるいは内周側に対向する円弧形状とすると、誘導子が効率良く磁化され、回転子を高効率で回転させることができる。

本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
図１は実施形態の誘導子型モータ１０を示す。
誘導子型モータ１０はアキシャルギャップタイプであり、界磁側固定子１１、回転子１２、電機子側固定子１３、回転子１４、界磁側固定子１５の順番に駆動軸３４で貫通し、界磁側固定子１１、１５および電機子側固定子１３は設置面Ｇに固定すると共に駆動軸３４と空隙をあけ、回転子１２、１４は駆動軸３４に外嵌固定している。

界磁側固定子１１と界磁側固定子１５とは左右対称であり、図４（Ａ）（Ｂ）には一方の界磁側固定子１５について代表して記載している。
界磁側固定子１１、１５は、設置面Ｇに固定された磁性体からなるヨーク１６、２９と、ヨーク１６、２９に埋設された真空断熱構造の断熱冷媒容器１７、３０と、断熱冷媒容器１７、３０に収容された超電導材からなる巻線である界磁コイル１８、３１とを備えている。
ヨーク１６、２９は、中央に駆動軸３４の外径より大きく穿設された遊嵌穴１６ｂ、２９ｂと、遊嵌穴１６ｂ、２９ｂを中心として円環状に凹設された溝部１６ａ、２９ａとを備えている。断熱冷媒容器１７、３０には液体窒素を循環させた状態で界磁コイル１８、３１を収容しており、その断熱冷媒容器１７、３０を溝部１６ａ、２９ａに埋設している。
なお、ヨーク１６、２９は、パーメンダー、珪素鋼板、鉄、パーマロイ等の磁性体で形成している。また、界磁コイル１８、３１を形成する超電導材としては、ビスマス系やイットリウム系等の超電導材を用いている。

回転子１２、１４は左右対称であり、図２（Ａ）〜（Ｄ）には一方の回転子１４について代表して記載している。
回転子１２、１４は、円盤形状で非磁性材料からなり中心孔１９ａ、２６ａを有する回転子本体１９、２６と、中心孔１９ａ、２６ａを中心として点対称位置に埋設された一対のＳ極誘導子２１、２７と、Ｓ極誘導子２１、２７から９０°回転した位置に埋設された一対のＮ極誘導子２０、２８とを備えている。

Ｓ極誘導子２１、２７、Ｎ極誘導子２０、２８は、外周面を熱硬化性樹脂４１で絶縁被覆された線状磁性体４０を、図３（Ａ）に示すように複数本集束し、この集束した線状磁性体４０を金型内に配置するなどして図３（Ｂ）に示すように所要形状にし、加熱することにより、図３（Ｃ）に示すように樹脂４１を一体化して硬化させている。このようにして所要形状に形成されたＳ極誘導子２１、２７とＮ極誘導子２０、２８を回転子本体１９、２６にモールドしている。なお、図３（Ａ）〜（Ｃ）は、Ｎ極誘導子２０、２８の形成過程を示したものであり、一端面２０ａ、２８ａを円形、他端面２０ｂ、２８ｂを円弧形としており、Ｓ極誘導子２１、２７では他端面２１ｂ、２７ｂをＮ極誘導子２０、２８よりも細長い円弧形としている。
Ｓ極誘導子２１、２７、Ｎ極誘導子２０、２８は、同一の線状磁性体４０を同一本数集束している。よって、Ｓ極誘導子２１、２７、Ｎ極誘導子２０、２８は、通過する磁束の磁束方向に対する垂直方向の断面積がいずれの箇所でも同一となる。具体的には、直径０．１ｍｍ〜１．０ｍｍの線状磁性体４０を１０〜１０^８本集束していることが好ましく、本実施形態では、直径０．５ｍｍの線状磁性体４０を１２万本集束している。
なお、線状磁性体４０は、珪素鋼、パーメンダー、鉄、パーマロイ等の磁性体で形成しており、特に、針金状の珪素鋼を温度を上げずに引き伸ばし異方性を持たせていることが好ましい。

Ｓ極誘導子２１、２７およびＮ極誘導子２０、２８は、図２（Ａ）に示すように、電機子側固定子１３と対向する円形の一端面２０ａ、２１ａ、２７ａ、２８ａをそれぞれ同心円上の等間隔に配置している。

Ｓ極誘導子２１、２７の他端面２１ｂ、２７ｂは、界磁コイル１８、３１のＳ極発生位置に対向するように配置され、例えばＳ極誘導子２７の他端面２７ｂは、図２（Ｃ）および図５（Ｂ）に示すように、界磁コイル３１の外周側に対向配置される円弧形としている。
Ｎ極誘導子２０、２８の他端面２０ｂ、２８ｂは、界磁コイル１８、３１のＮ極発生位置に対向するように配置され、例えばＮ極誘導子２８の他端面２８ｂは、図２（Ｃ）および図５（Ｃ）に示すように、界磁コイル３１の内周側に対向配置される円弧状としている。

即ち、Ｓ極誘導子２１、２７およびＮ極誘導子２０、２８は、円弧状の他端面２０ｂ、２１ｂ、２７ｂ、２８ｂから軸線方向に向けて断面形状を変化させることで一端面２０ａ、２１ａ、２７ａ、２８ａでは円形となる立体形状としている。また、Ｓ極誘導子２１、２７およびＮ極誘導子２０、２８の磁束方向に対する垂直方向の断面積は、他端面２０ｂ、２１ｂ、２７ｂ、２８ｂから一端面２０ａ、２１ａ、２７ａ、２８ａまで一定としている。また、Ｓ極誘導子２０、２８の他端面２０ｂ、２８ｂは、Ｎ極誘導子２１、２７の他端面２１ｂ、２７ｂと同一面積としている。
なお、回転子本体１９、２６は、ＦＲＰやステンレス等の非磁性材料で形成している。

電機子側固定子１３は、図１（Ａ）（Ｂ）及び図６に示すように、設置面Ｇに固定された非磁性体からなる支持部２２と、支持部２２に埋設された真空断熱構造の断熱冷媒容器２３と、断熱冷媒容器２３に収容された超電導材からなる巻線である電機子コイル２４とを備えている。
支持部２２は、中央に駆動軸３４の外径より大きく穿設された遊嵌穴２２ｂと、遊嵌穴２２ｂを中心として周方向に等間隔に穿設された４つの取付穴２２ａとを備えている。断熱冷媒容器２３には液体窒素を循環させた状態で電機子コイル２４を収容していると共に電機子コイル２４の中空部には磁性体からなるフラックスコレクタ２５を配置している。内部に電機子コイル２４を収容した４つの断熱冷媒容器２３を各コイル取付穴２２ａにそれぞれ埋設している。
なお、フラックスコレクタ２５は、パーメンダー、珪素鋼板、鉄、パーマロイ等の磁性体で形成している。また、電機子コイル２４を形成する超電導材としては、ビスマス系やイットリウム系等の超電導材を用いている。また、支持部２２は、ＦＲＰやステンレス等の非磁性材料で形成している。

界磁コイル１８、３１と電機子コイル２４には配線を介して給電装置３２が接続され、界磁コイル１８、３１には直流を供給すると共に、電機子コイル２４には三相交流を供給している。
断熱冷媒容器１７、２３、３０には断熱配管を介して液体窒素タンク３３が接続され、液体窒素を冷媒として循環している。

次に、誘導子型モータ１０の動作原理について説明する。
図１中右側の界磁コイル３１に直流を給電すると、外周側にＳ極が発生すると共に内周側にＮ極が発生する。すると、図５（Ａ）（Ｂ）に示すように、Ｓ極側の磁束が他端面２７ｂよりＳ極誘導子２７内に導入され、一端面２７ａにＳ極磁束が現れる。また、図５（Ａ）（Ｃ）に示すように、Ｎ極側の磁束は他端面２８ｂよりＮ極誘導子２８内に導入され、一端面２８ａにＮ極磁束が現れる。ここで、他端面２７ｂ、２８ｂは界磁コイル３１の内外周に沿った同心円上に配置されているので、回転子１４が回転してもＳ極誘導子２７の一端面２７ａには常にＳ極が現れ、Ｎ極誘導子２８の一端面２８ａには常にＮ極が現れることとなる。
同様の原理により、図１中左側の界磁コイル１８に直流を給電すると、回転子１２のＮ極誘導子２０の一端面２０ａには常にＮ極が現れ、Ｓ極誘導子２１の一端面２１ａには常にＳ極が現れる。

この状態から電機子コイル２４に三相交流を給電すると、三相間の給電位相ズレにより電機子側固定子１３の軸線回りに回転磁界が発生し、この回転磁界の影響で回転子１２、１４のＮ極誘導子２０、２８およびＳ極誘導子２１、２７に軸線回りの回転力が発生し、回転子１２、１４が回転して駆動軸３４が回転駆動される。

前記構成によれば、柔軟性を有する線状磁性体４０を集束して所要形状の誘導子２０、２１、２７、２８を形成しているため、一端面と他端面とで断面形状が相違する誘導子でも容易に形成することができる。
また、線状磁性体４０を集束させて誘導子２０、２１、２７、２８を形成しているため、線状磁性体４０の長さ方向となる磁束方向に対する垂直方向の断面積が常に一定となり、磁束が誘導子内で飽和しにくくなる。よって、界磁コイル１８、３１で発生した磁束を電機子コイル２４側に効率良く導くことができ、回転子１３を高効率で回転させることができる。また、Ｎ極誘導子２０、２８の断面積とＳ極誘導子２１、２７の断面積とは同一であるため、電機子コイル２４との間で発生する吸引力／反発力が一定となり、回転子１２、１４の回転バランスが安定する。
さらに、各線状磁性体４０の外周面を樹脂４１で絶縁被覆して、磁束方向と異なる方向は全て樹脂で絶縁されているため、誘導子２０、２１、２７、２８に交流磁場が作用したときに発生する渦電流を低減することができる。

なお、界磁コイル１８、３１あるいは電機子コイル２４のいずれか一方は、銅線等の常電導材で形成してもよく、その場合には常電導線について冷却構造を不要とすることができる。
また、本実施形態では、電機子側固定子の両側に誘導子を備えた回転子を配置し、これら回転子の両外側に界磁側固定子を配置しているが、界磁側固定子を中央に配置し、該界磁側固定子の両側に誘導子を備えた回転子を配置し、これら回転子の両外側に電機子側固定子を配置した構造としてもよい。
さらに、本実施形態ではモータとしているが、同構造で発電機として利用してもよい。

本発明の誘導子型モータは自動車や船舶等の駆動源として用いられるものである。

（Ａ）は本発明の実施形態の誘導子型モータの断面図、（Ｂ）は９０°回転させた位置での断面図である。 （Ａ）は回転子の正面図、（Ｂ）は（Ａ）のＩ−Ｉ線断面図、（Ｃ）は背面図、（Ｄ）は（Ａ）のＩＩ−ＩＩ線断面図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は誘導子の作製過程を示す図面である。 （Ａ）は界磁側固定子の正面図、（Ｂ）は（Ａ）のＩ−Ｉ線断面図である。 （Ａ）は回転子および界磁側固定子を駆動軸で貫通した状態の正面図、（Ｂ）は（Ａ）のＩ−Ｉ線断面図、（Ｃ）は（Ａ）のＩＩ−ＩＩ線断面図である。 電機子側固定子の正面図である。 従来例を示す図面である。

符号の説明

１０ 誘導子型モータ
１１、１５ 界磁側固定子
１２、１４ 回転子
１３ 電機子側固定子
１７、２３、３０ 真空断熱容器
１８、３１ 界磁コイル
２０、２８ Ｎ極誘導子
２１、２７ Ｓ極誘導子
２４ 電機子コイル
３４ 駆動軸

Claims (6)

1. 中心孔が駆動軸に固定されると共に誘導子が取り付けられる回転子と、該回転子の軸線方向の両側に配置した電機子側固定子と界磁側固定子を備えたアキシャルギャップタイプの誘導子型モータであって、
   前記電機子側固定子には周方向に間隔をあけて電機子コイルが配置されていると共に、前記界磁側固定子には円環形状の界磁体が配置され、
   前記回転子には、その回転子本体に周方向に間隔をあけて且つ軸線方向に貫通して前記誘導子が取り付けられ、これら誘導子の一端面は前記電機子コイルと対向させると共に他端面は前記界磁体の外周側と内周側とに周方向で交互に対向配置させ、周方向に交互に逆極性となる磁極が形成される構成とし、
   前記各誘導子は、複数本の線状磁性体を集束して形成し、これら線状磁性体の長さ方向の一端面が前記電機子コイルとの対向面とする一方、他端面を前記界磁体との対向面とし、これら線状磁性体の長さ方向となる磁束方向に対する垂直方向の断面積は同一とされると共に、該垂直方向の断面形状は前記一端面と他端面とで相違させていることを特徴とする誘導子型モータ。
2. 前記誘導子の線状磁性体の外周面は樹脂で絶縁被覆され、これら絶縁被覆された複数本の線状磁性体は長さ方向に対する垂直方向の形状を相違させて集束させて樹脂モールドしている請求項１に記載の誘導子型モータ。
3. 前記誘導子の線状磁性体は、珪素鋼、パーメンダー、鉄、パーマロイからなる金属とし、直径を０．１〜１．０ｍｍとしている請求項１または請求項２に記載の誘導子型モータ。
4. 前記誘導子の一端面は円形あるいは円弧形のいずれか一方とすると共に、他端面はいずれか他方としている請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の誘導子型モータ。
5. 前記誘導子の前記電機子コイルとの対向面となる一端面を円形としている一方、界磁体との対向面となる他端面を前記界磁体の外周側あるいは内周側に対向する円弧形状としている請求項４に記載の誘導子型モータ。
6. 前記界磁体あるいは／および電機子コイルを超電導材で形成している請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の誘導子型モータ。

Images