JP6995690B2

JP6995690B2 - 電動機及びその製造方法

Info

Publication number: JP6995690B2
Application number: JP2018092748A
Authority: JP
Inventors: 拓也松本; 俊平林; 貴士徳山
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2018-05-14
Filing date: 2018-05-14
Publication date: 2022-01-17
Anticipated expiration: 2038-05-14
Also published as: JP2019201441A

Description

本発明は、電動機及びその製造方法に関する。

特許文献１には、回転子の中心軸から放射状に板状の永久磁石を周方向に複数配置し、各永久磁石の間に鉄心を配置した回転電機が開示されている。

特開２０１５－２７１６０号公報

電動機の出力を向上させるために、電機子と可動子との間に生じる磁束の更なる増大が求められている。

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、電機子と可動子との間に生じる磁束の増大を図ることが可能な電動機及びその製造方法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の製造方法は、第１コアと、前記第１コアの電機子対向面を除く面に第１極が前記第１コアを向くように取り付けられた永久磁石と、を含む第１磁極ユニットセルを用意し、第２コアと、前記第２コアの電機子対向面を除く面に第２極が前記第２コアを向くように取り付けられた永久磁石と、を含む第２磁極ユニットセルを用意し、前記第１磁極ユニットセルを配置し、前記第２磁極ユニットセルを、前記第２磁極ユニットセルの前記永久磁石が前記第１磁極ユニットセルの前記永久磁石と隣接するように配置する。

また、本発明の他の態様の電動機は、電機子と、可動子と、を備え、前記可動子は、第１コアと、前記第１コアの前記電機子に対向する電機子対向面を除く面に第１極が前記第１コアを向くように取り付けられた永久磁石と、を含む第１磁極ユニットセルと、第２コアと、前記第２コアの前記電機子に対向する電機子対向面を除く面に第２極が前記第２コアを向くように取り付けられた永久磁石と、を含む第２磁極ユニットセルと、を備え、前記第１磁極ユニットセルと前記第２磁極ユニットセルとは、前記第１磁極ユニットセルの前記永久磁石と前記第２磁極ユニットセルの前記永久磁石とが互いに隣接するように配置される。

本発明によれば、電機子と可動子との間に生じる磁束の増大を図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。電動機に含まれる可動子の例を示す斜視図である。可動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。可動子の磁路の例を示す断面図である。電動機の磁路の例を示す断面図である。実施形態に係る電動機の製造方法の例を示す図である。図７に続く図である。図８に続く図である。図９に続く図である。図１０に続く図である。可動子の変形例を示す図である。可動子の変形例を示す図である。可動子の変形例を示す図である。可動子の変形例を示す図である。可動子の変形例を示す図である。可動子の変形例を示す図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下に示す各実施の形態は、本発明の技術的思想を具体化するための方法及び装置を例示するものであって、本発明の技術的思想は下記のものに限定されるわけではない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された技術的範囲内において種々の変更を加えることができる。

［電動機の構成］
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に含まれる可動子２０の例を示す斜視図である。図４は、可動子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３及び図４は、Ｙ１－Ｙ２軸回りに反転した状態を示している。図５は、可動子２０の磁路の例を示す断面図である。図６は、電動機１の磁路の例を示す断面図である。図５及び図６は、図１中のＶ－Ｖ線で切断したときの断面を示している。

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。前後方向は可動子２０の可動方向であり、上下方向は電機子１０と可動子２０の配列方向である。

図１に示すように、電動機１は、電機子１０と可動子２０とを備えている。電機子１０は可動子２０の下方に配置されており、可動子２０は電機子１０の上方に配置されている。本実施形態において電動機１は直動電動機であり、可動子２０は電機子１０に対して前後方向に移動する。

図２に示すように、電機子１０は、複数の電機子コイル１１と、複数のティース部１２と、ヨーク部１３とを備えている。ヨーク部１３は、水平方向に広がる板状に形成されている。ティース部１２は、ヨーク部１３から上方に突出した直方体状に形成されており、前後方向及び左右方向にマトリクス状に配列している。ヨーク部１３とティース部１２と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。電機子コイル１１は、各ティース部１２を囲むように配置されている。

図３に示すように、可動子２０は、複数のＳ型磁極ユニットセル２１Ａと、複数のＮ型磁極ユニットセル２１Ｂとを備えている（総称して「磁極ユニットセル２１」ともいう）。Ｓ型磁極ユニットセル２１ＡとＮ型磁極ユニットセル２１Ｂとは、下方に開放された直方箱状の軟磁性体からなるヨーク２５に収容され、前後方向及び左右方向にマトリクス状に配列している。Ｓ型磁極ユニットセル２１ＡとＮ型磁極ユニットセル２１Ｂとは、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コア（鉄心）２２と、コア２２の５つの面に取り付けられる５つの板状の永久磁石２３とを備えている。各永久磁石２３は、コア２２の各面と同じ又は若干大きい主面を有しており、コア２２の各面全体を覆うように取り付けられる。つまり、コア２２には、一面を開放して囲繞するように永久磁石２３が取り付けられる。

また、各永久磁石２３は、同一の磁極がコア２２を向くように取り付けられる。コア２２の開放された一面は、下方を向いて電機子１０と対向する電機子対向面２４となる。電機子対向面２４の磁極は、各永久磁石２３の内側の面（コア２２を向く面）の磁極と同一となる。各永久磁石２３の外側の面（コア２２と反対側の面）の磁極は、電機子対向面２４の磁極とは反対となる。

Ｓ型磁極ユニットセル２１ＡとＮ型磁極ユニットセル２１Ｂとは、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Ｓ型磁極ユニットセル２１ＡとＮ型磁極ユニットセル２１Ｂとが配列した可動子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。

図５に可動子２０の磁路の例を示す。Ｓ型磁極ユニットセル２１Ａでは、コア２２の電機子対向面２４を除く５面にＳ極がコア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。Ｎ型磁極ユニットセル２１Ｂでは、コア２２の電機子対向面２４を除く５面にＮ極がコア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。

Ｎ型磁極ユニットセル２１Ｂにおいて各永久磁石２３からコア２２に進入した磁界は、電機子対向面２４から外部に放出される。Ｎ型磁極ユニットセル２１Ｂの電機子対向面２４から外部に放出された磁界は放射状に分岐し、隣接するＳ型磁極ユニットセル２１Ａの電機子対向面２４からコア２２に進入する。Ｓ型磁極ユニットセル２１Ａにおいて電機子対向面２４からコア２２に進入した磁界は各面に向かって分岐し、各永久磁石２３に進入する。

Ｎ型磁極ユニットセル２１Ｂとヨーク２５とが隣接するところでは、Ｎ型磁極ユニットセル２１Ｂの電機子対向面２４から放出された磁界は、ヨーク２５にも進入する。また、Ｓ型磁極ユニットセル２１Ａとヨーク２５とが隣接するところでは、Ｓ型磁極ユニットセル２１Ａの電機子対向面２４には、ヨーク２５から放出された磁界も進入する。

図６に電動機１の磁路の例を示す。電機子１０の左右方向に隣り合うティース部１２の電機子コイル１１に互いに逆向きに電流を供給すると、これらのティース部１２とその間のヨーク部１３とを通る磁路が形成され、一方のティース部１２の可動子対向面１４がＳ極となり、他方のティース部１２の可動子対向面１４がＮ極となる。

電機子１０の各可動子対向面１４の左右方向の位置と、可動子２０の各電機子対向面２４の左右方向の位置とは対応している。つまり、正面視において、可動子対向面１４と電機子対向面２４とは一対一で対向している。したがって、電機子コイル１１に電流が流れると、可動子対向面１４とこれに対向する電機子対向面２４とが磁力によって吸引又は反発する（図６は、吸引の場合の磁路を示している）。

電機子コイル１１により生じた磁界は、可動子２０の内部を通過する。つまり、Ｎ極の可動子対向面１４から放出された磁界は、Ｓ型磁極ユニットセル２１ＡのＳ極の電機子対向面２４に進入し、可動子２０の内部を通過して、Ｎ型磁極ユニットセル２１Ｂ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２１ＢのＮ極の電機子対向面２４から放出された磁界は、Ｓ極の可動子対向面１４に進入する。電機子コイル１１に供給する電流を制御し、可動子対向面１４の磁極を変化させることにより、可動子２０を前後方向に移動させることができる。

本実施形態では、磁極ユニットセル２１においてコア２２の５つの面に永久磁石２３が取り付けられているため、電機子対向面２４に生じる磁界が増大し、電動機１の磁気効率を向上させることが可能となる。

なお、本実施形態では電動機１は直動電動機であるが、これに限らず、ラジアルギャップ電動機又はアキシャルギャップ電動機であってもよい。ラジアルギャップ電動機においては、扇形板状のコアの外側円弧面を除く５つの面に永久磁石が取り付けられた磁極ユニットセルが回転軸を中心とした環状方向に並べられる。アキシャルギャップ電動機においては、扇形板状のコアの一方の主面を除く５つの面に永久磁石が取り付けられた磁極ユニットセルが回転軸を中心とした環状方向に並べられる。

［製造方法］
以下、電動機１の可動子２０の製造方法について説明する。図７～図１１は、可動子２０の製造方法の例を示す図である。

図７及び図８に示す工程では、Ｓ型磁極ユニットセル２１ＡとＮ型磁極ユニットセル２１Ｂとが用意される。Ｓ型磁極ユニットセル２１ＡとＮ型磁極ユニットセル２１Ｂとは、どちらが先に用意されてもよい。

Ｓ型磁極ユニットセル２１Ａは、直方体状のコア２２の電機子対向面２４を除く５面に、Ｓ極がコア２２を向くように永久磁石２３が取り付けられることにより用意される。Ｎ型磁極ユニットセル２１Ｂは、直方体状のコア２２の電機子対向面２４を除く５面に、Ｎ極がコア２２を向くように永久磁石２３が取り付けられることにより用意される。

具体的には、コア２２と永久磁石２３とにはねじ穴２７，２８が形成されており、ねじ穴２７，２８にねじ２９がねじ込まれることによって、永久磁石２３がコア２２に取り付けられる。これに限らず、永久磁石２３は接着剤等によってコア２２に取り付けられてもよい。

図９～図１１に示す工程では、Ｓ型磁極ユニットセル２１ＡとＮ型磁極ユニットセル２１Ｂとが配置される。Ｓ型磁極ユニットセル２１ＡとＮ型磁極ユニットセル２１Ｂとは、直方箱状のヨーク２５に収容される。まず、図９に示すように、Ｓ型磁極ユニットセル２１Ａが任意の位置（例えば隅）に配置される。

次に、図１０に示すように、Ｎ型磁極ユニットセル２１ＢがＳ型磁極ユニットセル２１Ａに隣接する位置に配置される。すなわち、Ｎ型磁極ユニットセル２１Ｂは、Ｎ型磁極ユニットセル２１Ｂの永久磁石２３がＳ型磁極ユニットセル２１Ａの永久磁石２３と接するように配置される。Ｎ型磁極ユニットセル２１Ｂは、Ｓ型磁極ユニットセル２１Ａの左右方向に隣接してもよいし、前後方向に隣接してもよい。

このとき、Ｓ型磁極ユニットセル２１Ａの永久磁石２３とＮ型磁極ユニットセル２１Ｂの永久磁石２３との間に吸引力が働くため、Ｎ型磁極ユニットセル２１Ｂを容易に配置することが可能である。

次に、図１１に示すように、Ｓ型磁極ユニットセル２１ＡがＮ型磁極ユニットセル２１Ｂに隣接する位置に配置される。すなわち、Ｎ型磁極ユニットセル２１Ｂは、Ｎ型磁極ユニットセル２１Ｂの永久磁石２３がＳ型磁極ユニットセル２１Ａの永久磁石２３と接するように配置される。Ｎ型磁極ユニットセル２１Ｂは、Ｓ型磁極ユニットセル２１Ａの左右方向に隣接してもよいし、前後方向に隣接してもよい。

このときも、Ｓ型磁極ユニットセル２１Ａの永久磁石２３とＮ型磁極ユニットセル２１Ｂの永久磁石２３との間に吸引力が働くため、Ｓ型磁極ユニットセル２１Ａを容易に配置することが可能である。

このようにＳ型磁極ユニットセル２１Ａの配置とＮ型磁極ユニットセル２１Ｂの配置とを繰り返すことで可動子２０が完成する。

本実施形態では、Ｓ型磁極ユニットセル２１Ａの永久磁石２３とＮ型磁極ユニットセル２１Ｂの永久磁石２３との間に働く吸引力を利用してＳ型磁極ユニットセル２１Ａの配置とＮ型磁極ユニットセル２１Ｂの配置とを行うため、コア２２と永久磁石２３とを個別に配置していくよりも組み立てが容易である。

なお、以上に説明した例では、Ｓ型磁極ユニットセル２１Ａから先に配置したが、これに限らず、Ｎ型磁極ユニットセル２１Ｂから先に配置してもよい。

［変形例］
図１２に示す変形例では、磁極ユニットセル２１に含まれる各永久磁石２３が幅方向（前後方向又は左右方向）に広がり、隙間が形成されないように稠密充填されている。

具体的には、コア２２の電機子対向面２４を囲む４つの側面に取り付けられる永久磁石２３は、コア２２の側面よりも幅広く、隣の側面に取り付けられた永久磁石２３の端面も覆っている。コア２２の側面に取り付けられる永久磁石２３の幅は、コア２２の側面の幅と永久磁石２３の厚さとの合計と同じになっている。

永久磁石２３の幅方向の一端はコア２２の側面の一端と揃えられており、永久磁石２３の幅方向の他端はコア２２の側面の他端を超え、隣の側面に取り付けられた永久磁石２３の外側の面と揃えられている。また、永久磁石２３の幅方向の一端は、隣の側面に取り付けられた永久磁石２３の端部と垂直に接している。

また、図示しないが、コア２２の電機子対向面２４とは反対側の底面に取り付けられる永久磁石２３は、コア２２の底面と、コア２２の各側面に取り付けられた永久磁石２３の下面とを覆うように設けられる。

図１３及び図１４に示す変形例では、磁極ユニットセル２１がスキュー配置されている。すなわち、Ｓ型磁極ユニットセル２１ＡとＮ型磁極ユニットセル２１Ｂの一方は、他方に対して隣接方向と直交する方向にオフセットして配置されている。磁極ユニットセル２１がスキュー配置されることで、コギングトルクの低減を図ることが可能である。

図１３の例では、Ｓ型磁極ユニットセル２１Ａに対して左方向（Ｘ１方向）に隣接するＮ型磁極ユニットセル２１Ｂが前方向（Ｙ１方向）にオフセットして配置されており、同様に、Ｎ型磁極ユニットセル２１Ｂに対して左方向に隣接するＳ型磁極ユニットセル２１Ａが前方向にオフセットして配置されている。磁極ユニットセル２１のオフセット量は、永久磁石２３の厚さ分となっている。

図１４の例では、Ｓ型磁極ユニットセル２１Ａに対して左方向（Ｘ１方向）に隣接するＮ型磁極ユニットセル２１Ｂが前方向（Ｙ１方向）にオフセットして配置されており、Ｎ型磁極ユニットセル２１Ｂに対して左方向に隣接するＳ型磁極ユニットセル２１Ａは後方向（Ｙ２方向）にオフセットして配置されている。

磁極ユニットセル２１のオフセット量は、磁極ユニットセル２１の前後方向の幅の半分となっている。コギングトルクの低減のためには、磁極ユニットセル２１のオフセット量は、磁極ユニットセル２１の前後方向の幅の半分以下であることが好ましい。

図１５に示す変形例では、磁極ユニットセル２１がスキュー配置されるとともに、永久磁石２３の着磁方向がオフセット方向に傾斜している。これにより、コギングトルクの更なる低減を図ることが可能である。

具体的には、Ｓ型磁極ユニットセル２１Ａに対して左方向（Ｘ１方向）に隣接するＮ型磁極ユニットセル２１Ｂが前方向（Ｙ１方向）にオフセットして配置されており、これらのコア２２の間に位置する永久磁石２３の着磁方向も前方向に傾斜している。また、永久磁石２３の断面形状も、前方向に傾斜した平行四辺形となっている。

一方、Ｎ型磁極ユニットセル２１Ｂに対して左方向に隣接するＳ型磁極ユニットセル２１Ａは後方向（Ｙ２方向）にオフセットして配置されており、これらのコア２２の間に位置する永久磁石２３の着磁方向も後方向に傾斜している。また、永久磁石２３の断面形状も、後方向に傾斜した平行四辺形となっている。

なお、図示の例では、永久磁石２３はオフセット方向に傾斜した平行四辺形の断面形状を有し、着磁方向も同方向に傾斜していたが、これに限らず、永久磁石２３が平行四辺形の断面形状を有していても、着磁方向は傾斜せずに左右方向を向いていてもよい。

図１６及び図１７に示す変形例では、隣接するＳ型磁極ユニットセル２１ＡとＮ型磁極ユニットセル２１Ｂとが境界に位置する永久磁石２３を共有している。

具体的には、例えば左右方向に隣接するＳ型磁極ユニットセル２１Ａのコア２２とＮ型磁極ユニットセル２１Ｂのコア２２との間には１つの永久磁石２３が配置されている。この永久磁石２３は、Ｓ極がＳ型磁極ユニットセル２１Ａのコア２２を向き、Ｎ極がＮ型磁極ユニットセル２１Ｂのコア２２を向くように配置されている。

この永久磁石２３は、Ｓ型磁極ユニットセル２１Ａに取り付けられてもよいし、Ｎ型磁極ユニットセル２１Ｂに取り付けられてもよいし、どちらにも取り付けられなくてもよい。

このように、隣接するＳ型磁極ユニットセル２１ＡとＮ型磁極ユニットセル２１Ｂとの境界に位置する永久磁石２３を１つにすることで、省スペース化を図ることが可能となる。

１電動機、１０電機子、１１電機子コイル、１２ティース部、１４可動子対向面、２０可動子、２１磁極ユニットセル、２１ＡＳ型磁極ユニットセル、２１ＢＮ型磁極ユニットセル、２２コア、２３永久磁石、２４電機子対向面、２７，２８ねじ穴、２９ねじ

Claims

直方体状の第１コアと、前記第１コアの電機子対向面を除く５つの面に第１極が前記第１コアを向くように取り付けられた５つの永久磁石と、を含む第１磁極ユニットセルを用意するステップと、
直方体状の第２コアと、前記第２コアの電機子対向面を除く５つの面に第２極が前記第２コアを向くように取り付けられた５つの永久磁石と、を含む第２磁極ユニットセルを用意するステップと、
複数の前記第１磁極ユニットセルと複数の前記第２磁極ユニットセルとを、互いに直交する第１方向及び第２方向に格子状に配置するステップであって、前記第１磁極ユニットセルを、前記第１方向に前記第２磁極ユニットセルと隣接し、前記第２方向にも前記第２磁極ユニットセルと隣接する位置に、前記第１磁極ユニットセルの前記第１方向の前記永久磁石が前記第１方向に隣接する前記第２磁極ユニットセルの前記永久磁石と接し、前記第１磁極ユニットセルの前記第２方向の前記永久磁石が前記第２方向に隣接する前記第２磁極ユニットセルの前記永久磁石と接するように配置することを含むステップと、
を備える、電動機の製造方法。
前記第１磁極ユニットセルと前記第２磁極ユニットセルとを格子状に配置するステップは、前記第２磁極ユニットセルを、前記第１方向に前記第１磁極ユニットセルと隣接し、前記第２方向にも前記第１磁極ユニットセルと隣接する位置に、前記第２磁極ユニットセルの前記第１方向の前記永久磁石が前記第１方向に隣接する前記第１磁極ユニットセルの前記永久磁石と接し、前記第２磁極ユニットセルの前記第２方向の前記永久磁石が前記第２方向に隣接する前記第１磁極ユニットセルの前記永久磁石と接するように配置することをさらに含む、
請求項１に記載の電動機の製造方法。
電機子と、可動子と、を備え、
前記可動子は、
直方体状の第１コアと、前記第１コアの前記電機子に対向する電機子対向面を除く５つの面に第１極が前記第１コアを向くように取り付けられた５つの永久磁石と、を含む第１磁極ユニットセルと、
直方体状の第２コアと、前記第２コアの前記電機子に対向する電機子対向面を除く５つの面に第２極が前記第２コアを向くように取り付けられた５つの永久磁石と、を含む第２磁極ユニットセルと、
を備え、
複数の前記第１磁極ユニットセルと複数の前記第２磁極ユニットセルとは、互いに直交する第１方向及び第２方向に格子状に配置され、
前記第１磁極ユニットセルの前記第１方向の前記永久磁石が前記第１方向に隣接する前記第２磁極ユニットセルの前記永久磁石と接し、前記第１磁極ユニットセルの前記第２方向の前記永久磁石が前記第２方向に隣接する前記第２磁極ユニットセルの前記永久磁石と接し、
前記第２磁極ユニットセルの前記第１方向の前記永久磁石が前記第１方向に隣接する前記第１磁極ユニットセルの前記永久磁石と接し、前記第２磁極ユニットセルの前記第２方向の前記永久磁石が前記第２方向に隣接する前記第１磁極ユニットセルの前記永久磁石と接する、
電動機。
前記第１コア又は前記第２コアは、前記電機子対向面を囲む複数の側面を有し、
前記複数の側面のうちの１つの側面に取り付けられる前記永久磁石の幅は、前記１つの側面の幅よりも広い、
請求項３に記載の電動機。
前記第１コア又は前記第２コアは、前記電機子対向面を囲む複数の側面を有し、
前記複数の側面のうちの１つの側面に取り付けられる前記永久磁石は、前記１つの側面の隣の側面に取り付けられる前記永久磁石と接する、
請求項３又は４に記載の電動機。
前記第１磁極ユニットセルは、前記第２磁極ユニットセルに対して隣接方向と直交する方向にオフセットして配置される、
請求項３ないし５の何れかに記載の電動機。
前記第１磁極ユニットセルのオフセット量は、前記第２磁極ユニットセルのオフセット方向の幅の半分以下である、
請求項６に記載の電動機。
前記第１コアと前記第２コアとの間に位置する前記永久磁石の着磁方向は、オフセット方向に傾斜する、
請求項６又は７に記載の電動機。
電機子と、可動子と、を備え、
前記可動子は、
直方体状の第１コアと、
前記第１コアに隣接して配置される直方体状の第２コアと、
前記第１コアの前記電機子に対向する電機子対向面と前記第２コアに対向するコア対向面とを除く、前記電機子対向面と反対の面を含む面に第１極が前記第１コアを向くように配置された永久磁石と、
前記第２コアの前記電機子に対向する電機子対向面と前記第１コアに対向するコア対向面とを除く、前記電機子対向面と反対の面を含む面に第２極が前記第２コアを向くように配置された永久磁石と、
前記第１コアの前記コア対向面と前記第２コアの前記コア対向面との間に、第１極が前記第１コアを向き、第２極が前記第２コアを向くように配置された永久磁石と、
を備える、
電動機。