JP5703168B2 - モータ - Google Patents

Description

この発明の実施形態は、電磁型モータに係り、特に、回転軸方向に沿って磁路を形成してなる横方向磁束型回転電動機（トランスバーサル・フラックス・モータ）に関する。

省エネやＣＯ_２削減等の理由から、電磁モータには更なる高性能化が求められ、小型軽量化、高効率化、高トルク化、高出力化などに代表されるこれらの性能が日々飛躍的に向上している。電磁モータを磁束の方向で大別すると、（１）ラジアル・フラックス・モータ、（２）アキシャル・フラックス・モータ、（３）トランスバーサル・フラックス・モータに分類できる。この中で、ラジアル・フラックス・モータは特にコストパフォーマンスに優れ、汎用型アクチュエータの代表的な機械要素として産業界の様々な製品に従来から幅広く使用されている。また、アキシャル・フラックス・モータは、３次元方向の複雑な磁路構成に対応できる反面、従来から広く使用されている積層鋼鈑の使用が難しいと言った構造的特徴を有し、特に中型・大型用の薄型大口径モータ分野に適用されている。

さらに、トランスバーサル・フラックス・モータは、永久磁石を備えたロータと、このロータの回転軸を中心に形成された環状コイルおよび回転軸回りの円周上でかつ環状コイルを取り囲む様に複数個設けられた概ねＵ字形状の固定子鉄心（以下、Ｕ字固定子鉄心）からなる電機子（分割型トロイダルコアを構成）を基本ユニットとして、この基本ユニットを回転軸上に２段以上でかつ回転軸回りに所定の相対位相角を持って多段化して成る構成を特徴としており、多極化による高トルク化と分割型トロイダルコア構造による高効率磁場発生を比較的容易に実現できる。つまり、回転軸回りの円周上に複数のスロットを備えた固定子鉄心とこのスロット部に巻かれたコイルおよびコイル組立挿入等のためのデットスペースが必要なラジアル・フラックス・モータやアキシャル・フラックス・モータに比べ、トランスバーサル・フラックス・モータは、回転軸回りの円周上に複数のＵ字固定子鉄心を設けるだけで良いので、一般的に多極化が容易である。また、環状コイルとＵ字固定子鉄心（分割型トロイダルコア）からなる電機子は、コイルで発生する磁束が外部に漏れ難い構造であるため、コイルによる磁場発生効率が高く、コイルエンドを有するラジアル・フラックス・モータやアキシャル・フラックス・モータに比べて、小型化が期待できる。

従来モータとしては、例えば特許文献１がある。

特許第４０８５０５９号公報

しかしながら、従来のトランスバーサル・フラックス・モータにあっては、Ｕ字固定子鉄心を用い、このＵ字固定子鉄心における２つの磁極部が回転軸方向に沿って配置された構成を基本形態として、このＵ字固定子鉄心からなる電機子に対応した適切な位置のロータ部には、トルク発生のための少なくとも２組の永久磁石が回転軸方向に沿って更に設けられており、この結果、ロータの軸長は長く、基本ユニットの小型化を妨げている。

また、磁気的な干渉を防止する観点から、多段化した際の隣接する基本ユニットは所定の磁気空隙を持って配設する必要があり、その結果として更なるモータの大型化を招いている。

回転機械としてのロータの長軸化は、ロータ慣性の増加による高速度応答性の低下ならびにロータの機械振動特性に起因した回転安定性の劣化の観点から、性能面で必ずしも満足するものではない。さらに、モータ装置は大きく、高価なものとなっている。

そこで、発明が解決しようとする課題は、上記に鑑みてなされたものであって、従来型モータの課題を解決し、ロータの軸長が短く、基本ユニットの小型化が容易に達成でき、基本ユニットの多段化において磁気干渉防止のための磁気空隙が不要な構造であって、装置全体の小型化を図るモータを提供することにある。

実施形態によれば、モータは、ロータ部および電機子部を具備する基本ユニットを前記回転軸に沿って少なくとも２組以上設置し、隣接する基本ユニットがロータ部または電機子部の何れか一方において回転方向にある値の相対角だけ相対的にずらして連結されている。ロータ部は、回転軸に沿って回転自在に支持され、該回転軸を中心とした円盤の形状であり永久磁石を備えている。電機子部は、前記ロータ部との間にある空隙を有して前記ロータ部の複数の面にそれぞれ対向配置された第一から第三磁極部を有する３極構成の電機子鉄心、および前記回転軸を中心に形成された第一および第二環状コイルを備えている。電機子鉄心は前記回転軸回りの前記ロータ部の円周上に複数個配置されていると共に、前記第一磁極部と前記第二磁極部とが前記ロータ部に対向配置して形成される全体として環状の中空域に前記第一環状コイルを配設し、かつ前記第一磁極部と前記第三磁極部とが前記ロータ部に対向配置して形成される全体として環状の中空域に前記第二環状コイルを配設し、前記第一環状コイルと前記第二環状コイルには互いに逆向きの電流を印加する。

本実施形態のモータの基本ユニットを示す斜視図。 （ａ）は図１のロータ部を示す斜視図であり、（ｂ）は図１の電機子部を示す斜視図であり、（ｃ）は図１の電機子鉄心を示す斜視図であり、（ｄ）は図１の第一および第二環状コイル示す斜視図。 （ａ）は回転軸ｚを通る基本ユニットの縦断面を含んだ斜視図であり、（ｂ）は図３（ａ）のＡの部分断面図であり第一環状コイルが作る磁束Ｍ１，Ｍ２を説明するための図であり、（ｃ）は図３（ａ）のＡの部分断面図であり第二環状コイルが作る磁束Ｍ３，Ｍ４を説明するための図であり、（ｄ）は図３（ａ）のＡの部分断面図であり第一および第二環状コイルが作る磁束Ｍ１，Ｍ３を説明するための図。 （ａ）は永久磁石１１が作る磁束の磁路構成を示し回転軸ｚに垂直な面の断面図（左半分のみ図示）であり、（ｂ）は図３（ａ）のＡの部分断面図であり永久磁石１１が作る磁束Ｍ５，Ｍ５１，Ｍ５２，Ｍ５３を含む磁束を示す図。 本実施形態によるモータ２０を示す斜視図。 （ａ）は図５のロータ部の斜視図であり、（ｂ）は図５の電機子部を示す斜視図であり、（ｃ）は図６（ｂ）の電機子鉄心群２４の斜視図。 （ａ）はケーシングを含むモータの斜視図であり、（ｂ）は回転軸ｚを通るモータの縦断面を含んだ斜視図。 図７（ｂ）の断面図における部分拡大図であり、永久磁石が作る磁束と第一および第二環状コイルが作る磁束の磁路構成を示す図。 本実施形態のモータ２０の動作を説明するための図で、コイル全磁束の時刻暦を示す図。 （ａ）は図９の時刻ｔ１における上段の基本ユニット（１段目）で発生されるトルクの様子を示す図であり、（ｂ）は図９の時刻ｔ１における下段の基本ユニット（２段目）で発生されるトルクの様子を示す図。 （ａ）は図９の時刻ｔ２における上段の基本ユニット（１段目）で発生されるトルクの様子を示す図であり、（ｂ）は図９の時刻ｔ２における下段の基本ユニット（２段目）で発生されるトルクの様子を示す図。 本実施形態のモータ４０を示す斜視図。 （ａ）は図１２のロータ部を示す斜視図であり、（ｂ）は図１２の電機子部を示す斜視図。 本実施形態のモータ４０の動作を説明するための図で、コイル全磁束の時刻暦を示す図。 （ａ）は図１４の時刻ｔ３における上段の基本ユニット（１段目）で発生されるトルクの様子を示す図であり、（ｂ）は図１４の時刻ｔ３における中段の基本ユニット（２段目）で発生されるトルクの様子を示す図であり、（ｃ）は図１４の時刻ｔ３における下段の基本ユニット（３段目）で発生されるトルクの様子を示す図。 モータ４０を更に変形してなるモータ４０Ａの動作を説明するための図で、コイル全磁束の時刻暦を示す図。 （ａ）は図１６の時刻ｔ３における上段の基本ユニット（１段目）で発生されるトルクの様子を示す図であり、（ｂ）は図１６の時刻ｔ３における中段の基本ユニット（２段目）で発生されるトルクの様子を示す図であり、（ｃ）は図１６の時刻ｔ３における下段の基本ユニット（３段目）で発生されるトルクの様子を示す図。 基本ユニット１を更に変形してなる基本ユニット１Ａを説明するための図。

以下、図面を参照しながら実施形態に係るモータについて詳細に説明する。なお、以下の実施形態では、同一の番号を付した部分については同様の動作を行うものとして、重ねての説明を省略する。
本実施形態におけるモータの基本ユニット１について、図１から図４までを参照して説明する。
図１は、本実施形態によるモータの基本ユニット１の構成を示す斜視図である。基本ユニット１は、ロータ部２、および電機子部３を含み、電機子部３は、電機子鉄心４、第一環状コイル５、および第二環状コイル６を含んでいる。

図２は図１の基本ユニット１の構成要素を個々に示す斜視図である。また、図２（ａ）はロータ部２を示し、図２（ｂ）は電機子部３を示し、図２（ｃ）は電機子鉄心４を示し、図２（ｄ）は第一および第二環状コイル５，６のそれぞれを示す。

ロータ部２は、回転軸ｚに沿って図示しない軸受により回転自在に支持されている。ロータ部２は円盤の形状であり永久磁石を備えている。電機子部３は、このロータ部２を全体として取り囲むように配置されている。

電機子鉄心４は、ロータ部２に所定の空隙を持って対向配置され、図１および図２では１２個配置されている。

第一および第二環状コイル５，６は、図１、図２（ｂ）、図２（ｄ）に示されるように、回転軸ｚを中心に形成されたコイルである。

ロータ部２は、図２（ａ）に示されるように、回転軸ｚまわりの円周上に１２個のロータ鉄心部１０（１２個の歯車形状を構成している）と１２個の永久磁石１１が３０ｄｅｇの回転方向ピッチにて交互に配設されていると共に、回転軸ｚを中心にした環状のロータ鉄心部１２を備えている。なお、ロータ鉄心部１０とロータ鉄心部１２は機械的および磁気的に一体化した構成で形成されている。またロータ鉄心部１０とロータ鉄心部１２は、機械的に分割されていて磁気的に連結されていてもよい。電機子鉄心４とロータ鉄心部１０およびロータ鉄心部１２は、強磁性体からなり、永久磁石１１が作る磁束と第一および第二環状コイル５，６が作る磁束で形成される磁路を構成する役割を持っている。これらの鉄心部は、モータ回転時の鉄損を低減する目的からは、圧粉鉄心を用いることがさらに望ましい。圧粉鉄心の場合には、これらの鉄心部は一体形成でよい。また、１２個のロータ鉄心部１０と１２個の永久磁石１１で３０ｄｅｇの回転方向ピッチを構成したが、これに限定する必要はなく、ロータ鉄心部１０と永久磁石１１の個数や回転方向ピッチは設計パラメータであり、所望の装置仕様から決定されるものである。

電機子鉄心４は、図２（ｃ）に示すような形状である。第一磁極部４ａは、ロータ部２の外周側面に対して所定の空隙を持って対向配置されている。第二磁極部４ｂは、回転軸ｚに垂直なロータ部２の上面に対して所定の空隙を持って対向配置されている。第三磁極部４ｃは、回転軸ｚに垂直なロータ部２の下面に対して所定の空隙を持って対向配置されている。第一環状コイル５は、第一磁極部４ａと第二磁極部４ｂとがロータ部２に対向配置して形成される全体として環状の中空域７に配設されて、第二環状コイル６は、第一磁極部４ａと第三磁極部４ｃがロータ部２に対向配置して形成される全体として環状の中空域８に配設される。

次に、基本ユニット１における第一および第二環状コイル５，６が作る磁束の磁路について図３（ａ）から図３（ｄ）を参照して説明する。
図３に基本ユニット１における第一および第二環状コイル５，６が作る磁束の磁路構成を示す。図３（ａ）は回転軸ｚを通る基本ユニット１の縦断面を含んだ斜視図、図３（ｂ）〜（ｄ）は、図３（ａ）に示す記号Ａ部の部分断面図である。図３（ｂ）は第一環状コイル５が作る磁束Ｍ１，Ｍ２を説明するための図であり、図３（ｃ）は第二環状コイル６が作る磁束Ｍ３，Ｍ４を説明するための図であり、図３（ｄ）は第一および第二環状コイル５，６が作る磁束Ｍ１，Ｍ３を説明するための図である。ここで、第一環状コイル５と第二環状コイル６には互いに逆向きの電流が印加されている。

第一環状コイル５に電流が印加されると、電機子鉄心４の第一磁極部４ａから第二磁極部４ｂを通り、ロータ部２の上面における所定の空隙を経てロータ鉄心部１０に入り、かつロータ部２の外周面における所定の空隙を経て第一磁極部４ａに戻る閉ループ磁束Ｍ１が形成される。また、電機子鉄心４の第二磁極部４ｂからロータ部２の上面における所定の空隙を経てロータ鉄心部１０に入り、かつロータ部２の下面における所定の空隙を経て第三磁極部４ｃを介して第二磁極部４ｂに戻る閉ループ磁束Ｍ２が形成される。同様に、第二環状コイル６に電流が印加されると、電機子鉄心４の第一磁極部４ａから第三磁極部４ｃを通って構成される閉ループ磁束Ｍ３が形成されると共に、第三磁極部４ｃから第二磁極部４ｂを通って構成される閉ループ磁束Ｍ４が形成される。

これにより、閉ループ磁束Ｍ２とＭ４は互いに逆向きの磁束なので打ち消し合うため、図３（ｄ）に示すように、理想的な条件では閉ループ磁束Ｍ１とＭ３のみが残ることになる。この結果、ロータ部２の外周面と第一磁極部４ａとの空隙部の磁束は、第二磁極部４ｂおよび第三磁極部４ｃにおける空隙部の磁束に比べて大きくなる。

次に、モータの基本ユニット１における永久磁石１１が作る磁束の磁路について図４を参照して説明する。
図４にモータの基本ユニット１における永久磁石１１が作る磁束の磁路構成を示す。図４（ａ）は回転軸ｚに垂直な面の断面図（左半分のみ図示）であり、永久磁石１１が作る磁束Ｍ５，Ｍ５３を説明するための図である。図４（ｂ）は、図３（ａ）に示す記号Ａ部の部分断面図であり、永久磁石１１が作る磁束Ｍ５，Ｍ５１，Ｍ５２，Ｍ５３を含む磁束を示す図である。

永久磁石１１はラジアル方向（動径方向、半径方向と同義）に沿って放射状に着磁され、ロータ部２の外周面となる一端面をＳ極に、回転軸ｚに向かう方向の他端面をＮ極に形成されている。そして、Ｎ極からロータ鉄心部１２を経てロータ鉄心部１０を通り、ロータ部２の外周面における空隙部を介して第一磁極部４ａに入り、電機子鉄心４の回転軸ｚ回りの周方向側面から空間部を介して永久磁石１１のＳ極を経てＮ極に戻る閉ループ磁束Ｍ５を形成している。この閉ループ磁束Ｍ５は、１２個の永久磁石１１のそれぞれにおいて形成され、環状のロータ鉄心部１２で回転軸ｚ回りの周方向の図４（ａ）に示す時計回りと反時計回りに分かれて、回転軸ｚ回りの周方向で隣り合うロータ鉄心部１０にそれぞれ形成される。このように、回転軸回りの円周上に複数のロータ鉄心部１０と複数の永久磁石１１が所定の回転方向ピッチにて交互に配設されていると共に、永久磁石１１の着磁方向がロータ部２内においてラジアル方向で全て正方向に着磁されているか、または全て負方向に着磁されているかの何れかの構成としているので、複数異なる着磁方向を有した従来型モータの回転部に比べて、着磁作業が容易でかつ着磁性能の劣化を最小化できる。これにより、モータの駆動性能の劣化を抑え、製作費を含めた低コスト化の実現が期待できる。

さらに、永久磁石１１は、ロータ磁極部１０から所定の空隙を経て第二磁極部４ｂに入る磁束Ｍ５１と、所定の空隙を経て第三磁極部４ｃに入る磁束Ｍ５２を有し、これら磁束Ｍ５１，Ｍ５２はさらに第一磁極部４ａ近傍の電機子鉄心４で合流して磁束Ｍ５３を形成する。そして、磁束Ｍ５３は、磁束Ｍ５同様に電機子鉄心４の回転軸ｚ回りの周方向側面から空間部を介して永久磁石１１のＳ極を経てＮ極に戻る閉ループ磁束を形成している。この時、永久磁石１１の磁束Ｍ５１と、第一環状コイル５の磁束Ｍ１は互いに逆向きの磁束なので打ち消し合うため、理想的な条件では第二磁極部４ｂの磁束はゼロ若しくは非常に小さい値に定めることができ、この結果、第二磁極部４ｂの磁路を形成する鉄心面積を小さくので、電機子鉄心４の小型軽量化が図れる。

同様に、永久磁石１１の磁束Ｍ５２と、第二環状コイル６の磁束Ｍ３は互いに逆向きの磁束なので打ち消し合うため、理想的な条件では第三磁極部４ｃの磁束はゼロ若しくは非常に小さい値に定めることができ、この結果、第三磁極部４ｃの磁路を形成する鉄心面積を小さくできるので、電機子鉄心４の小型軽量化が図れる。

ロータ部の外周面に第一磁極部を、回転軸に垂直なロータ部の上下面に第二および第三磁極部を対向して配置した電機子鉄心からなる基本ユニットを用いた構成としているので、回転部の回転軸方向長さを更に短くでき、上述した回転機械としての作用と効果を更に高めることができる。

次に、本実施形態における基本ユニット１を用いて構成したモータ２０について、図５から図１１を参照して説明する。
図５は本実施形態によるモータ２０の構成を示す斜視図で、図６は図５のモータ２０の構成要素を個々に示す斜視図である。また、図６（ａ）はロータ部２２の斜視図であり、図６（ｂ）は電機子部２３の斜視図であり、図６（ｃ）は電機子鉄心群２４の斜視図である。モータ２０は、図１から図４に示した基本ユニット１を基に構成しているので、既に説明した細部の内容については割愛する。

このモータ２０は、ロータ部２２と電機子部２３から構成されている。ロータ部２２は、基本ユニット１のロータ部２が回転軸ｚ方向に所定の間隔を経て２組固定された２段構成となっており、２組のロータ部２は回転方向に相対的なズレ角Ｐ１を持って共通のロータシャフト２５に固定されている。ここで、相対角Ｐ１は、１２個のロータ鉄心部１０と１２個の永久磁石１１から定まる３０ｄｅｇの回転方向ピッチから算出でき、７．５ｄｅｇとなる。また、電機子鉄心群２４は、基本ユニット１の電機子鉄心４が回転軸ｚ方向に所定の間隔を経て機能的に２組配置された２段構成となっており、上段の電機子鉄心４の第三磁極部４ｃを形成する磁路の一部が回転軸方向に隣接する下段の電機子鉄心４の第二磁極部４ｂを形成する磁路の一部と機械的にかつ磁気的に連結された共通磁気回路部２４ａを備えている。

基本ユニットを回転軸上に少なくとも２組以上配置した多段化構造による構成としているので、例えば、２段構成では永久磁石を備えた分割型２枚ディスク構造のロータ部を２段設置すればよく、回転軸方向に計４枚のディスク構造の回転子が必要となるＵ字電機子鉄心を用いた構成の従来型モータに比べて、ロータ部全体の軸方向長さを短くできる。これにより、ロータ部の慣性の増加による高速度応答性の低下ならびにロータ部の機械振動特性に起因した回転安定性の劣化に係る従来型モータの課題を改善でき、モータ駆動特性の向上と共に、モータ装置の小型軽量化ならびに低コスト化が期待できる。また、３段以上に段数を増加して高トルク化、高出力化を図った設計によれば、多段化した分だけのロータ部の軸長差がモータ駆動性能および小型軽量化、低コスト化の差として現れ、従来型モータとの大きな差異化技術となり得る。

図７（ａ）はケーシング２６を含むモータ２０の斜視図で、図７（ｂ）は回転軸ｚを通るモータ２０の縦断面を含んだ斜視図である。電機子部２３はケーシング２６内に配置され、軸受２７によってロータ部２２が回転軸ｚ回りに回転自在に支持されている。図８は、図７（ｂ）の断面図における部分拡大図で、永久磁石１１が作る磁束と第一および第二環状コイルが作る磁束の磁路構成を示したものである。永久磁石１１が作る磁束については図３で既に説明の通りで、第一および第二環状コイル５，６が作る磁束についても図４で既に説明の通りであるので、異なる部分についてのみを以下で説明する。

電機子鉄心群２４の共通磁気回路部２４ａでは、上段の基本ユニットにおける磁束Ｍ３と下段の基本ユニットにおける磁束Ｍ１が同一方向で強め合う構成となるが、同時に、上段の基本ユニットにおける磁束Ｍ５２と下段の基本ユニットにおける磁束Ｍ５１が同一方向で強め合う構成となり、Ｍ３とＭ１およびＭ５２とＭ５１は互いに逆向きの磁束なので打ち消し合うため、理想的な条件では共通磁気回路部２４ａの磁束はゼロ若しくは非常に小さい値に定めることができ、この結果、共通磁気回路部２４ａの磁路を形成する鉄心面積を小さくできるので、ロータ部全体の軸方向長さを短くできる。これにより、多段化構成におけるロータ部の軸長の増加を最小限に抑え、ロータ部の慣性の増加による高速度応答性の低下ならびにロータ部の機械振動特性に起因した回転安定性の劣化などに係る課題を改善し、モータ駆動特性の向上とモータ装置の小型軽量化ならびに低コスト化の実現が期待できる。多段化数が大きいほど共通磁気回路部による効果は大きくなる。

次に、本実施形態によるモータ２０の動作について図９から図１１までを参照して説明する。
図９の上段は、基本ユニット（１段目）の第一および第二環状コイル５，６の交流電流印加によって発生するコイル全磁束φ２１と、図９の下段は、基本ユニット（２段目）の第一および第二環状コイル５，６の交流電流印加によって発生するコイル全磁束φ２２の時刻暦である。上記２つの交流電流は電気角で９０ｄｅｇの相対位相角を有している。磁束φ２１とφ２２が正の値である時、各基本ユニット１の第一磁極部４ａにはＮ極が形成される。また、磁束φ２１とφ２２が負の値である時、各基本ユニット１の第一磁極部４ａにはＳ極が形成される。図１０に図９の時刻ｔ１における上段の基本ユニット（１段目）および下段の基本ユニット（２段目）で発生されるトルクの様子を示す。同様に、図１１に図９の時刻ｔ２における上段の基本ユニット（１段目）および下段の基本ユニット（２段目）で発生されるトルクの様子を示す。

ここで、ロータ部２の外周部には、ロータ鉄心部１０にＮ極が、永久磁石１１にＳ極が形成されており、これらロータ部２におけるロータ鉄心部１０のＮ極と、永久磁石１１のＳ極が、交流電流に伴って時間的に変化する第一磁極部４ａの極性との磁気的な関係（作用）によって、吸引力に伴うトルクまたは反発力に伴うトルクをロータ部２に付与することになる。つまり、図１０（ａ）に示す時刻ｔ１における上段の基本ユニット（１段目）の場合、第一磁極部４ａにはＮ極が形成されており、ロータ鉄心部１０のＮ極との間に反発力が作用し、永久磁石１１のＳ極との間に吸引力が作用し、ロータ部２にトルクを付与することができる。同時刻ｔ１における下段の基本ユニット（２段目）では、図１０（ｂ）に示す通り、第一磁極部４ａに極性が形成されないので、ロータ部２にトルクは発生しない。また、図１１に示す時刻ｔ２における上段および下段の基本ユニットの場合は、図１０の場合と逆の作用により、上段の基本ユニット（１段目）にはトルクが発生しないが、下段の基本ユニット（２段目）にはトルクが発生される。この様に、上段の基本ユニット（１段目）と下段の基本ユニット（２段目）には交互にトルクが発生されるので、モータとして連続的な回転運動を実現できる。

さらに、本実施形態における基本ユニット１を用いた他の構成によるモータ４０について、図１２から図１５を参照して説明する。
図１２は本実施形態によるモータ４０の構成を示す斜視図で、図１３は図１２のモータ４０の構成要素を個々に示す斜視図である。図１３（ａ）はロータ部４２の斜視図である。図１３（ｂ）は電機子部４３のそれぞれの斜視図である。モータ４０は、図１から図４に示した基本ユニット１を基に構成し、図５から図１１に示した基本ユニット１の２段構成からなるモータ２０と多段化のための基本概念は同じであるので、既に説明した細部の内容については割愛する。

このモータ４０は、ロータ部４２と電機子部４３から構成されている。ロータ部４２は、基本ユニット１のロータ部２が回転軸ｚ方向に所定の間隔を経て３組固定された３段構成となっており、３組のロータ部２は回転方向に相対的なズレ角Ｐ２とＰ３を持って共通のロータシャフト４５に固定されている。ここで、相対角Ｐ２とＰ３は、１２個のロータ鉄心部１０と１２個の永久磁石１１から定まる３０ｄｅｇの回転方向ピッチから算出でき、Ｐ２とＰ３はそれぞれ１０ｄｅｇとなる。また、電機子鉄心群４４は、基本ユニット１の電機子鉄心４が回転軸ｚ方向に所定の間隔を経て機能的に３組配置された３段構成となっており、上段と中段および下段の電機子鉄心４が回転軸方向に隣接する電機子鉄心４と機械的にかつ磁気的に連結された共通磁気回路部を２箇所備えている。このモータ４０は、モータ２０の作用と効果は基本的に等しく、３段に段数を増加している分、２段構成のモータ２０に比べて高トルク化、高出力化が期待できる。

また、２組以上のロータ部が隣り合うロータ部と回転方向に所定の相対的なズレ角を持ってロータシャフトに固定され、一体的に回動すると共に、電機子部が隣り合う電機子部と回転方向に相対的なズレ角のない位置関係にて全ての電機子部を一体的に固定してなるステータの構成としているので、ケーシングの製作加工が容易であり、かつケーシングと複数の電機子部または電機子鉄心群の組立作業も容易となる。特に、電機子鉄心群においては、複数の電機子部を機械的に一体化した構成であるので、組立作業の容易性と共に組立精度の向上が期待でき、この結果、モータ駆動特性の向上、例えば、回転時振動の抑制などが容易に実現できる。

さらに、第１共通磁気回路部および第２共通磁気回路部を備え、第1共通磁気回路部を備えた電機子鉄心群、または、第２共通磁気回路部を備えた電機子鉄心群、あるいは、第１共通磁気回路部と第２共通磁気回路部の両方を備えた電機子鉄心群を備えるとしているので、多段化構造における電機子鉄心の回転軸方向長さを短くでき、上述した回転機械としての作用と効果を得ることができる。

次に、本実施形態によるモータ４０の動作について図１４および図１５を参照して説明する。
図１４は、上段の基本ユニット（１段目）の第一および第二環状コイル５，６の交流電流印加によって発生するコイル全磁束φ３１と、中段の基本ユニット（２段目）におけるコイル全磁束φ３２と、下段の基本ユニット（３段目）におけるコイル全磁束φ３３の時刻暦である。上記３つの交流電流は電気角で１２０ｄｅｇの相対位相角を有した３相駆動構成となっている。磁束φ３１，φ３２，φ３３が正の値である時、各基本ユニット１の第一磁極部４ａにはＮ極が形成される。また、磁束φ３１，φ３２，φ３３が負の値である時、各基本ユニット１の第一磁極部４ａにはＳ極が形成される。

図１５に図１４の時刻ｔ３における上段（１段目）と中段（２段目）および下段（３段目）の各基本ユニットで発生されるトルクの様子を示す。図１５（ａ）に示す時刻ｔ３における上段の基本ユニット（１段目）の場合、第一磁極部４ａには極性が形成されずトルクの発生はない。図１５（ｂ）に示す時刻ｔ３における中段の基本ユニット（２段目）の場合、第一磁極部４ａにはＮ極が形成されており、ロータ鉄心部１０のＮ極との間に反発力が作用し、永久磁石１１のＳ極との間に吸引力が作用し、ロータ部２にトルクを付与することができる。同時刻ｔ３における下段の基本ユニット（３段目）では、図１５（ｃ）に示す通りで、第一磁極部４ａにはＳ極が形成されており、ロータ部２にトルクを付与することができる。この様に、モータ４０における時刻ｔ３においては、中段（２段目）と下段（３段目）の各基本ユニットでトルクが発生されるので、モータ２０に比べて高トルク化を実現できることがわかる。また、２段構成の基本ユニットが交互にトルクを発生するモータ２０に比べて、３段構成のモータ４０によれば、モータ回転動作中のトルク変動が低減されるので、より安定した回転動作の実現が期待できる。ロータ部における永久磁石の着磁方向が回転軸方向で隣り合うロータ部における永久磁石の着磁方向と同一方向であるので、回転軸方向で隣り合うロータ部同士の組立時における永久磁石の磁気吸引力を小さく抑えることができる。この結果、組立作業の安全性の確保が図られると共に、作業効率の低下防止が期待できる。

次に、本実施形態のモータ４０を更に変形してなるモータ４０Ａを図１６および図１７を参照して説明する。図１６は中段の基本ユニット（２段目）の第一および第二環状コイル５，６の交流電流印加によって発生するコイル全磁束φ３２ａがモータ４０の磁束φ３２と極性が異なっており、これに合わせて、ロータ部２の外周部には、ロータ鉄心部１０にＳ極が、永久磁石１１にＮ極が形成されている。駆動原理などの動作概念はモータ４０と全く同じである。このモータ４０Ａの構成によれば、回転軸ｚ方向で隣り合う基本ユニットの磁束の流れが相対的に逆方向に構成されている（換言すれば、ロータ部における永久磁石の着磁方向が回転軸方向で隣り合うロータ部における永久磁石の着磁方向と相対的に逆方向である）ので、回転軸ｚ方向で隣り合う電機子鉄心４の磁束が互いに打ち消す方向に作用する。この結果、電機子鉄心４の磁束飽和、つまり、共通磁気回路部の磁束飽和が緩和され、図１５の場合よりもモータ装置全体としてより一層の小型軽量化の実現に寄与できる。

次に、本実施形態の基本ユニット１を更に変形してなる基本ユニット１Ａについて図１８を参照して説明する。電機子鉄心４Ａとロータ鉄心部１０Ａおよびロータ鉄心部１２Ａは積層鋼鈑からなり、基本ユニット１Ａはロータ部２Ａと電機子部３Ａから構成されている。より詳しくは、以下の通りである。電機子鉄心４Ａとロータ鉄心部１０Ａは、回転軸を含み回転軸が通る平面と略平行な一つの面を基準面（図示しない）として定め、この基準面を積層面として積層鋼鈑が形成されている。電機子鉄心４Ａとロータ鉄心部１０Ａは、動径方向に延伸して積層面が形成され、積層面はロータ部２Ａに垂直に積層鋼鈑が形成される。また、ロータ鉄心部１２Ａは回転軸ｚと垂直な平面と略平行な面を積層面として積層鋼鈑が形成されているものである。この基本ユニット１Ａの構成によれば、電機子鉄心４Ａと電機子鉄心群、およびロータ鉄心部１０Ａとロータ鉄心部１２Ａは積層鋼鈑からなる構成としているので、モータ回転に伴う鉄損、特に渦電流損を効果的に抑制できる。これにより、電機子磁束とロータ磁束が３次元方向の磁路構成であるにも係らず、ラジアル・フラックス・モータと同程度の低減効果を実現できるので、高トルク化、大出力化に加えて、高効率化の実現が期待できる。なお、ロータ鉄心部１２に対応する部分とロータシャフトとは非磁性体でも構わない。

以上述べたように本実施形態によれば、ロータ部の軸長が短く、基本ユニットの小型化が容易に達成でき、基本ユニットの多段化において磁気干渉防止のための磁気空隙が不要な構造であって、装置全体の小型化を図ったモータを提供することができる。このモータは例えば、トランスバーサル・フラックス・モータであり、回転軸方向に沿って磁路を形成してなる横方向磁束型回転電動機である。特に、電機子鉄心の磁気飽和の緩和による基本ユニットの小型化とモータの高出力化を達成しつつ、隣接する基本ユニットにおける電機子鉄心の共用化による多段構造の小型化を実現する新構造のモータを提供することができる。

このように、従来型のモータでは実現が難しかった駆動性能、特に高出力化、高トルク化などの駆動性能を向上しつつ、装置全体の小型化を図ったモータであるので、極めて大きなトルクや出力密度が求められる分野、例えば、工作機械や船舶、自動車、ロボット、その他幅広い分野の高トルク高出力駆動源としての利用が期待できる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１，１Ａ・・・基本ユニット、２，２２，４２，２Ａ・・・ロータ部、３，２３，４３，３Ａ・・・電機子部、４，４Ａ・・・電機子鉄心、４ａ・・・第一磁極部、４ｂ・・・第二磁極部、４ｃ・・・第三磁極部、５・・・第一環状コイル、６・・・第二環状コイル、７，８・・・中空域、１０，１０Ａ，１２Ａ・・・ロータ鉄心部、１１・・・永久磁石、１２・・・ロータ鉄心部、２０，４０，４０Ａ・・・モータ、２４，４４・・・電機子鉄心群、２４ａ・・・共通磁気回路部、２５，４５・・・ロータシャフト、２６・・・ケーシング。

Claims (7)

1. 回転軸に沿って回転自在に支持され、該回転軸を中心とした円盤の形状であり永久磁石を備えたロータ部と、
   前記ロータ部との間にある空隙を有して前記ロータ部の複数の面にそれぞれ対向配置された第一から第三磁極部を有する３極構成の電機子鉄心、および前記回転軸を中心に形成された第一および第二環状コイルを備えた電機子部と、
   を具備する基本ユニットを前記回転軸に沿って少なくとも２組以上設置し、
   隣接する基本ユニットがロータ部または電機子部の何れか一方において回転方向にある値の相対角だけ相対的にずらして連結され、前記電機子鉄心は前記回転軸回りの前記ロータ部の円周上に複数個配置されていると共に、前記電機子鉄心と前記ロータ部とで形成される２つの中空域において、前記円盤の対向する一方の面側の第一の中空域及び前記円盤の対向する他方の面側の第二の中空域にそれぞれ前記第一環状コイル及び前記第二環状コイルを配設し、前記第一環状コイルと前記第二環状コイルには互いに逆向きの電流を印加することを特徴とするモータ。
2. 前記第一磁極部は、空隙を有して、前記ロータ部の前記円盤の外側側面に対向配置され、
   前記第二磁極部および前記第三磁極部は、空隙を有して、前記回転軸に垂直な円盤面の上下面のそれぞれに対向配置されていることを特徴とする請求項１に記載のモータ。
3. 前記モータを取り囲むケーシングをさらに具備し、
   隣接する前記基本ユニットでは、隣接するロータ部の間で回転方向に前記相対角だけ相対的なズレ角を有して、隣接するロータ部は一体として回動すると共に、前記ロータ部と同数の隣接する電機子部の間で回転方向に相対的なズレ角がなく、隣接する電機子部は一体として固定されていて、
   前記ケーシングは、隣接する電機子部を固定するか、もしくは回転方向に同位相の複数の電機子鉄心が全て機械的および磁気的に連結され一体的な電機子鉄心群を固定することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のモータ。
4. 前記電機子鉄心群は、
   第１電機子鉄心の第二磁極部に形成される磁路の一部と、該第１電機子鉄心に隣接する第２電機子鉄心の第三磁極部に形成される磁路の一部とを磁気的に連結する第１共通磁気回路部、および
   第１電機子鉄心の第三磁極部に形成される磁路の一部と、該第１電機子鉄心に隣接する第３電機子鉄心の第二磁極部に形成される磁路の一部とを磁気的に連結する第２共通磁気回路部のうちの少なくともいずれか１つの回路部を備えることを特徴とする請求項３に記載のモータ。
5. 前記ロータ部は、前記円盤の一部に複数の第１ロータ鉄心部と複数の永久磁石とを含み、該第１ロータ鉄心部と該永久磁石とは回転方向のある値のピッチにて交互に配置されていて、該永久磁石はラジアル方向に着磁されているか、または前記永久磁石のそれぞれで定めるラジアル方向の代表軸に平行に着磁されていて、かつ前記ロータ部内においては回転軸からロータ部外周に向うラジアル方向を正方向の着磁と定めた場合、全て正方向に着磁されているか、または全て負方向に着磁されているかの何れかであり、
   前記ロータ部は、回転軸回りの周方向に前記永久磁石の磁路を形成する環状の第２ロータ鉄心部をさらに備え、
   前記永久磁石と前記第１ロータ鉄心部は前記第２ロータ鉄心部を介して磁気的に連結する磁路を形成し、前記第１ロータ鉄心部と前記第２ロータ鉄心部は、機械的に分割されていて磁気的に連結されているか、または、機械的および磁気的に一体であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のモータ。
6. 前記電機子鉄心および前記第１ロータ鉄心部は、前記回転軸を通る平面に平行なそれぞれ個々に定められる基準面を積層面として積層鋼鈑が形成され、
   前記第２ロータ鉄心部は、前記回転軸に垂直な平面に平行な基準面を積層面として積層鋼鈑が形成されることを特徴とする請求項５に記載のモータ。
7. 前記永久磁石の着磁方向は、回転軸方向で隣り合うロータ部における永久磁石の着磁方向と同一方向であるか、または逆方向であることを特徴とする請求項５に記載のモータ。

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