JP7244270B2 - バーニアモータ - Google Patents

Description

本発明は、バーニアモータに関する。

一般に、モータは、内部に永久磁石を備えたロータと、ロータの外周部に固定され、略円環形状のバックヨーク、及び、該バックヨークから内周方向へ突出する複数のティースを備えたステータコアと、ティース間のスロット内に挿入してティースに巻装されるコイルとを有するステータと、を備える（例えば特許文献1及び特許文献２参照）。モータにより低速回転で大きなトルクを要する巻き上げ機や搬送機等の負荷を駆動する場合、一般的に減速ギアを付加する。しかし、減速ギアを付加することにより、コストが高くなる、重量が増える、メンテナンスが必要となる、ギアのバックラッシュがあるため精密な制御ができない等の様々な問題が生じる。このため、負荷を直接駆動することにより低速で大きなトルクを発生させることができるモータが、従来から要請されていた。

そのようなモータの一つとしてバーニアモータの開発が進められている。バーニアモータは、１９６３年にＣ．Ｈ．Ｌｅｅによって考案された。バーニアモータの駆動原理は、固定子電機子巻線の励磁で得られる回転磁界の高調波成分に、回転子の磁極を同期させて回転力を得る。このため、バーニアモータは、磁気的な減速機構がついているような仕組みとなり、低速高トルクの用途に適している。

特開２００４－３０４９８８号公報 特開２００８－２７８５５１号公報

上記従来のバーニアモータには、ステータスロットの数をＺ_１、ロータの永久磁石の極対数をＺ_２、コイルの極対数をｐとすると、バーニアモータ１００では、Ｚ_２＝Ｚ_１±ｐの関係が成立する。しかし、上記の条件を満たし、かつ、トルク性能を向上させるには、ステータスロット数Ｚ_１に対して極対数Ｚ_２が必ず大きくなる。このため、磁石間で電機子巻線に鎖交しない短絡磁路が形成され、鎖交磁束量が減少する。ゆえに、ステータコアには、トルクに寄与せず重量のみに寄与する無駄な部分が発生することが課題となる。

本発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、バーニアモータの高いトルク性能を維持しつつ固定子鉄心の軽量化及び冷却性能の向上の両立を図ることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のある形態に係るバーニアモータは、複数のティースが一定間隔で突設されたステータコア、及び、隣接するティース間に設けられたＺ_１個（Ｚ_１は１以上の自然数）のスロットのそれぞれに配置され、極対数がｐ（ｐは１以上の自然数）のコイルを有するステータと、極対数Ｚ_２（Ｚ_２は１以上の自然数）の永久磁石が形成されたロータと、を備え、Ｚ_２＝Ｚ_１±ｐの関係が成立するバーニアモータであって、前記バーニアモータの軸方向に垂直な断面において、前記ティースの中央から軸方向に貫通するスリットが設けられる。

ここで通常の同期モータであれば、ティース面積が減少することで磁気飽和の影響が顕著となりトルクは減少傾向となる。一方、バーニアモータの場合は、電機子巻線への鎖交磁束量が低いため、トルクが減少しない範囲においてもティース近傍におけるレイアウト自由度が高くなる。上記構成によれば、バーニアモータの軸方向に垂直な断面において、ティースの中央から軸方向に貫通するスリットを設けることで、ステータコアを軽量化することができる。また、スリットにより、ステータコアの軸方向に冷媒の流路が形成され、冷却性能を向上することができる。

尚、前記スリットは、前記バーニアモータの軸方向に垂直な断面が矩形状であってもよい。

前記ステータコアが、円環状のヨークを備え、前記Ｚ_１個のティースが、前記ヨークから径方向内側へ突出するように構成され、前記スリットが、前記ティースの中央内部から、当該ティースと前記ヨークとの境界を越えて径方向外側に延びるように設けられてもよい。

上記構成によれば、スリットを、ステータコアにおいて、ティースの中央内部から、そのティースとヨークとの境界を越えて径方向外側に延びるように設けることで、ステータコアをより軽量化することができる。また、ステータコアにおいてスリットの内部空間が拡大するので、冷媒の流路が拡大し、冷却性能が更に高まる。

前記スリットが、前記ティースの中央内部から、前記ヨークの外周面を貫通するように設けられてもよい。

上記構成によれば、スリットを、ステータコアにおいて、ティースの中央内部から、円環状のヨークの外周面を貫通するように設けることで、ステータコアをより軽量化することができる。また、ステータの表面積が増大するので、冷却性能が更に高まる。

前記ステータコアが、軸方向に分割され、分割された前記ステータコア同士が、所定の間隔を空けて配置されてもよい。

上記構成によれば、ステータコアを軸方向に分割し、所定の間隔を空けて配置することで、周方向に冷媒の流路が形成されるので、冷却性能が更に高まる。

前記ティースの周方向の幅をＷ_１、前記スリットの周方向の幅をＷ_２としたとき、前記スリットが、０．１≦Ｗ_２／Ｗ_１≦０．９の関係を満たすように設けられてもよい。

前記ティースの径方向長さをＬ_１、前記スリットの径方向の長さをＬ_２としたとき、前記スリットが、０．１≦Ｌ_２／Ｌ_１≦０．９の関係を満たすように設けられてもよい。

前記ロータの永久磁石が前記ロータの鉄心の表面に設けられてもよいし（表面磁石型バーニアモータ）、又は、前記ロータの鉄心の内部に埋め込まれてもよい（埋め込み磁石型バーニアモータ）。

本発明は、以上に説明した構成を有し、モータの小型化と軽量化をより簡単な構成で実現可能なモータステータを提供することができる。

図１は、本発明の第１実施形態に係るバーニアモータの軸方向と垂直な面で切断した断面の半周分を示した図である。 図２は、図１のバーニアモータの中心軸に沿って切断した断面を示した図である。 図３は、本発明の第２実施形態に係るバーニアモータの軸方向と垂直な面で切断した断面を示した図である。 図４は、図３のバーニアモータの中心軸に沿って切断した断面を示した図である。 図５は、従来のバーニアモータの軸方向と垂直な面で切断した断面の半周分を示した図である。

（本発明の基礎となった知見）
本発明者等は、バーニアモータの性能を向上すべく鋭意検討した。図５は、従来のバーニアモータの構成を示した図である。図５（Ａ）は、バーニアモータの軸方向と直交する面で切断した断面の半周分を示した図である。図５（Ａ）に示すように、バーニアモータ１００は、ロータ鉄心１２１の外周面に、周方向に沿ってＮ極及びＳ極が交互に並ぶように永久磁石１３０が配置されているロータ３００と、ギャップ（空隙）を介してロータ３００の永久磁石１３０に対向するステータ２００とを備えている。ステータ２００は、ステータコア１１１の内周面に、周方向に沿ってティース１１２とステータスロット１１３とが交互に形成されており、ステータスロット１１３にはコイル（図示せず）が配置されている。

ステータスロット１１３の数をＺ_１、ロータ３００の永久磁石１３０の極対数をＺ_２、コイルの極対数をｐとすると、バーニアモータ１００では、Ｚ_２＝Ｚ_１±ｐの関係が成り立つ。上記の条件を満たし、かつ、トルクを向上させるには、スロット数Ｚ_１に対して極対数Ｚ_２が必ず大きくなる。図５（Ｂ）は、図５（Ａ）のバーニアモータ１００の駆動時にステータ２００及びロータ３００に発生する磁束線を示している。図５（Ｂ）に示すように、磁石間で電機子巻線に鎖交しない短絡磁路が形成され、鎖交磁束量が減少する。ゆえに、バーニアモータ１００において、ステータコア１１１には、トルクに寄与せず重量のみに寄与する無駄な部分が発生することが課題となる。

本発明者等は、通常の同期モータでは、ティースの面積が減少することで磁気飽和の影響が顕著となりトルクは減少傾向となる一方、バーニアモータでは、電機子巻線への鎖交磁束量が低いため、トルクが減少しない範囲ではティース近傍におけるレイアウト自由度が高くなることを発見した。

これらの知見によれば、バーニアモータの軸方向に垂直な断面において、ティースの中央から軸方向に貫通するスリットを設けることにより、ステータコアを軽量化することができる。また、スリットにより、ステータコアの軸方向に冷媒の流路が形成され、冷却性能を向上することができる。

なお、以上の知見を、ロータの永久磁石がロータの鉄心の表面に設けられた表面磁石型バーニアモータに限らず、ロータの永久磁石がロータの鉄心の内部に埋め込まれた埋め込み磁石型バーニアモータにも適用できることは明らかである。

本発明者等は、以上の知見に基づいて本発明を想到した。以下、本発明を具体化した実施形態を、添付図面を参照しつつ説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係るバーニアモータの軸方向に垂直な面で切断した断面の半周分を示した図である。図１に示すように、バーニアモータ１は、ステータ２と、ロータ３と、を備える。

ステータ２は、複数のティース２２が一定間隔で突設されたステータコア２０と、隣接するティース２２間に設けられたＺ_１個（Ｚ_１は１以上の自然数）のスロット２３のそれぞれに配置され、極対数がｐ（ｐは１以上の自然数）のコイル４とを有する。ステータコア２０は、円環状のヨーク２１を備え、ヨーク２１から複数のティース２２が径方向内側へ突出するように構成される。ロータ３は、永久磁石３１が形成される。ロータ３の永久磁石３１はロータ３の鉄心３０の表面に設けられる。永久磁石３１の極対数はＺ_２（Ｚ_２は１以上の自然数）である。バーニアモータ１は、Ｚ_２＝Ｚ_１±ｐの関係が成立する。

本実施形態では、バーニアモータ１の軸方向に垂直な断面において、ティース２２の中央から軸方向に貫通するスリット５が設けられる。スリット５は、バーニアモータ１の軸方向に垂直な断面が矩形状である。Ｌ_１はティース２２の径方向長さを示し、Ｌ_２はスリット５の径方向の長さを示している。また、Ｗ_１は、ティース２２の周方向の幅を示し、Ｗ_２はスリット５の周方向の幅を示している。各ティース２２の断面形状は円環扇形である。このため、ティース２２の周方向の幅は、ティース２２の径方向の内側と外側で異なる。具体的には、Ｗ_１は、ティース２２の径方向の中央部における周方向の幅を示し、Ｗ_１αは、ティース２２の径方向内側の端部における周方向の幅を示し、Ｗ_１βは、ティース２２の径方向外側の端部における周方向の幅を示している。

スリット５は、０．１≦Ｗ_２／Ｗ_１≦０．９の関係を満たし、且つ、０．１≦Ｌ_２／Ｌ_１≦０．９の関係を満たすように設けられる。ここではスリット５は、ティース２２の中央内部から、ティース２２とヨーク２１との境界４０（図１の破線）を越えて径方向外側に延びるように設けられている。これにより、ステータコア２０を軽量化することができる。また、ステータコア２０の軸方向に設けられた冷媒の流路が拡大するので、冷却性能が高まる。

図２は、バーニアモータ１の中心軸に沿って切断した断面を示した図である。図２に示すように、ステータコア２０が、軸方向に分割されている。ここではステータコア２０は、３つのコア２０ａ、２０ｂ及び２０ｃに分割されている。分割されたステータコア２０ａ、２０ｂ及び２０ｃは所定の間隔５０を空けて配置される。図中の矢印は冷媒の流れを示している。このように、ステータコア２０の軸方向に加え、周方向に冷媒の流路が形成されるので、冷却性能が更に高まる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態について説明する。本実施形態のバーニアモータ１Ａの基本的な構成は、第１実施形態と同様である。以下では、第１実施形態と共通する構成の説明は省略し、相違する構成についてのみ説明する。

図３は、本発明の第２実施形態に係るバーニアモータ１Ａの軸方向と垂直な面で切断した断面を示した図である。図３に示すように、本実施形態のスリット５Ａは、ティース２２の中央内部から、ヨーク２１Ａの外周面を貫通するように設けられる点が第１実施形態（図１）の構成と異なる。本実施形態では、円環状のヨーク２１Ａが周方向に分割され、分割されたヨーク２１Ａが、周方向に所定の間隔を空けて配置される。ヨーク２１Ａの分割されたヨーク２１Ａの間隙の一部がスリット５Ａを構成している。ここでもＬ_１はティース２２の径方向長さを示し、Ｌ_２はスリット５Ａの径方向の長さを示している。また、Ｗ_１は、ティース２２の周方向の幅を示し、Ｗ_２はスリット５Ａの周方向の幅を示している。スリット５Ａは、０．１≦Ｗ_２／Ｗ_１≦０．９の関係を満たし、且つ、０．１≦Ｌ_２／Ｌ_１≦０．９の関係を満たすように設けられる。

本実施形態によれば、スリット５Ａを、ステータコア２０Ａにおいて、ティース２２の中央内部から、ヨーク２１Ａの外周面を貫通するように設けることで、ステータコアをより軽量化することができる。また、ステータの表面積が増大するので、冷却性能が更に高まる。

また、本実施形態のステータコア２０Ａも第１実施形態（図２）の構成と同様に、軸方向に分割されている。図４は、バーニアモータ１Ａの中心軸に沿って切断した断面を示した図である。図４に示すように、ステータコア２０Ａは、３つのコア２０ａ、２０ｂ及び２０ｃに分割されている。分割されたステータコア２０ａ、２０ｂ及び２０ｃは所定の間隔５０を空けて配置される。図中の矢印は冷媒の流れを示している。図中の破線矢印はステータコア２０Ａのみの冷媒の流れを示している。このように、本実施形態では、スリット５Ａが、ステータコア２０Ａにおいて、ティース２２の中央内部から、ヨーク２１Ａの外周面を貫通しているので、ステータコア２０のみの冷媒の流路が形成される。これにより、冷却性能が更に高まる。

（本発明の効果の確認）
本発明者等は、第１実施形態及び第２実施形態のバーニアモータ１，１Ａにおいてトルク性能が維持されているかどうかを確認するため、コンピュータによる解析を行った。ここで比較例として従来のバーニアモータの構造（図５参照）をモデル化したものをModelAとする。また、第１実施形態の構造（図１参照）をモデル化したものをModelBとする。第２実施形態の構造（図３参照）をモデル化したものをModelCとする。ModelAに対し、ModelB及びModelCは、ステータの構造のみを変更し、解析条件については同じである。
下の表はその結果を示している。

表１に示す解析結果より、ステータコア２０，２０Ａにスリット５，５Ａを設けたとしても各モデルの平均トルクに変化は無い。これにより、同様なトルク性能を維持しつつ軽量化が実現されていることがわかる。また、ModelBにおいて仮に冷却性能が向上し、電流通電量を1.2倍に増大させたとすると平均トルクは1.2倍程度増大している。

次に、本発明者等は、第１実施形態のスリット５（図１）及び第２実施形態のスリット５Ａ（図３）の寸法の割合を変更しつつ同様な解析を行った。その結果、ティース２２の周方向の幅をＷ_１、スリット５又はスリット５Ａの周方向の幅をＷ_２としたとき、スリット５又はスリット５Ａの幅が０．１≦Ｗ_２／Ｗ_１≦０．９の範囲で、バーニアモータ１，１Ａは、同様なトルク性能が維持された。尚、この結果は、ティース２２の径方向内側の端部における周方向の幅をＷ_１α、ティース２２の径方向外側の端部における周方向の幅をＷ_１βとしたとき（図１）、０．１≦Ｗ_２／Ｗ_１α≦０．９、又は、０．１≦Ｗ_２／Ｗ_１β≦０．９の範囲でも同様である。

また、ティース２２の径方向長さをＬ_１、スリット５又はスリット５Ａの径方向の長さをＬ_２としたとき、スリット５又はスリット５Ａの径方向の長さが０．１≦Ｌ_２／Ｌ_１≦０．９の範囲で、バーニアモータ１，１Ａは、同様なトルク性能が維持された。

従って、第１実施形態及び第２実施形態によれば、バーニアモータの高いトルク性能を維持しつつ固定子鉄心の軽量化及び冷却性能の向上を実現することができる。

（その他の実施形態）
尚、上記実施形態のバーニアモータ１，１Ａは、ロータ３の永久磁石３１がロータ３の鉄心３０の表面に設けられた表面磁石型バーニアモータであったが、これに限られない。例えば、バーニアモータは、ロータ３の永久磁石３１がロータ３の鉄心３０の内部に埋め込まれた埋め込み磁石型バーニアモータであってもよい。

上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造および／または機能の詳細を実質的に変更できる。

本発明は、バーニアモータの軽量化及び冷却性能の向上に有用である。

１，１Ａ バーニアモータ
２，２Ａ ステータ
３ ロータ
４ コイル
５，５Ａ スリット
６ シャフト
２０，２０Ａ ステータコア
２０ａ，２０ｂ，２０ｃ 分割されたコア
２１，２１Ａ ヨーク
２２ ティース
２３ スロット
３０ ロータの鉄心
３１ 永久磁石
４０ 境界線（ヨークとティース）
５０ 間隙
Ｗ_１，Ｗ_１α，Ｗ_１β ティースの幅，
Ｗ_２ スリットの幅
Ｌ_１ ティースの径方向長さ
Ｌ_２ スリットの径方向長さ

Claims (6)

1. 複数のティースが一定間隔で突設されたステータコア、及び、隣接するティース間に設けられたＺ_１個（Ｚ_１は１以上の自然数）のスロットのそれぞれに配置され、極対数がｐ（ｐは１以上の自然数）のコイルを有するステータと、極対数Ｚ_２（Ｚ_２は１以上の自然数）の永久磁石が形成されたロータと、を備え、Ｚ_２＝Ｚ_１±ｐの関係が成立するバーニアモータであって、
   前記ステータコアは、円環状のヨークを備え、前記複数のティースが前記ヨークから径方向内側へ突出し、
   前記ステータコアに前記バーニアモータの軸方向に貫通するスリットが設けられ、
   前記スリットは、前記バーニアモータの軸方向に垂直な断面において、前記ティースの中央内部から、当該ティースと前記ヨークとの境界を越えて径方向外側に延びるように設けられる、
   バーニアモータ。
2. 前記スリットは、前記バーニアモータの軸方向に垂直な断面が矩形状である、請求項１に記載のバーニアモータ。
3. 前記ステータコアが、軸方向に分割され、
   分割された前記ステータコア同士が、所定の間隔を空けて配置される、請求項１または２に記載のバーニアモータ。
4. 前記ティースの周方向の幅をＷ_１、前記スリットの周方向の幅をＷ_２としたとき、
   前記スリットが、０．１≦Ｗ_２／Ｗ_１≦０．９の関係を満たすように設けられる、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のバーニアモータ。
5. 前記ティースの径方向長さをＬ_１、前記スリットの径方向の長さをＬ_２としたとき、
   前記スリットが、０．１≦Ｌ_２／Ｌ_１≦０．９の関係を満たすように設けられる、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のバーニアモータ。
6. 前記ロータの永久磁石が前記ロータの鉄心の表面に設けられる、又は、前記ロータの鉄心の内部に埋め込まれる、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のバーニアモータ。

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