JPWO2003065549A1 - アキシャルギャップ電動機 - Google Patents
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Abstract
アキシャルギャップ電動機は、ベース（１０）と、シャフト（１４）と、ステータフレーム（１２）と、複数の電磁石ユニット（１９）と、ベアリング（１１Ａ，１１Ｂ）と、ステータフレーム（１２）に所定の距離を存するロータフレーム（１３）と、前記電磁石ユニット（１９）と所定のアキシャルギャップを介して対向する複数の永久磁石ユニット（１８）と、ロータリエンコーダ（１７）と、このロータリエンコーダ（１７）の出力に基づき電磁石ユニット（１９）の磁極と永久磁石ユニット（１８）の磁極とが略対向する位置から永久磁石ユニット（１８）が所定角度に至ったことを検出し、該検出角度から例えば２０°だけ、電磁石ユニット（１９）の磁極と永久磁石ユニット（１８）の磁極とが電磁反発するように電磁石ユニット（１９）に励磁電流を供給する駆動ユニット（２２）とを具備し、電磁石ユニット（１９）の磁極中心を通る磁場中心線と、永久磁石ユニット（１８）の磁極中心を通る磁場中心線とが所定角度で交差している。
Description
技術分野
本発明は、ステータにアキシャルギャップを介して設けられたロータを、電磁反発力を利用して回転させるアキシャルギャップ電動機に関する。
背景技術
アキシャル方向にギャップが存在するアキシャルギャップ電動機が知られている。
また、このようなアキシャルギャップ電動機には、永久磁石ユニットを用い且つブラシレスで構成したものが多く製作されるようになってきている。
かかる電動機は、永久磁石ユニットを用いることで省エネルギーを達成し、ブラシレスを採用することでメンテナンスフリーを実現している。
このような電動機において、一般に、回転トルクは、ロータとステータとの間で生成される回転磁界で得るものが多い。このため、永久磁石ユニットを用いて省エネルギーを図ったとしても、回転磁界を生成する必要がある。このため、この回転磁界の生成に要するエネルギーの節減が、電動機としての省エネルギーの達成のキーとなっている。
発明の開示
本発明の目的は、省エネルギーを達成し得るアキシャルギャップ電動機を提供することにある。
上記目的は、次のようなアキシャルギャップ電動機により達成される。本発明は、ステータフレームと、
このステータフレームに配置された複数の電磁石ユニットと、
前記ステータフレームと所定の距離を存して設けられたロータフレームと、
このロータフレームに設けられるものであって、前記電磁石ユニットと所定のアキシャルギャップを介して対向し、且つ、ラジアル方向に見たとき、前記電磁石ユニットの磁場中心線と所定角度で交差する磁場中心線を有する複数の永久磁石ユニットと、
前記電磁石ユニットと前記永久磁石ユニットとの相対位置を検出するセンサユニットと、
このセンサユニットの出力に基づき、前記電磁石ユニットの磁極と前記永久磁石ユニットの磁極とが略対向する位置から前記永久磁石ユニットが所定角度に至ったことを検出し、該検出角度から所定角度だけ、前記電磁石ユニットの磁極と前記永久磁石ユニットの磁極とが電磁反発するように前記電磁石ユニットに励磁電流を供給する駆動ユニットと
を具備するアキシャルギャップ電動機、である。
本発明によれば、電磁石ユニットの磁場中心線と永久磁石ユニットの磁場中心線とが所定角度で交差するように、電磁石ユニット及び永久磁石ユニットを配置して、電磁石ユニットの磁極と永久磁石ユニットの磁極とが略対向する位置から前記永久磁石ユニットが所定角度に至り、該角度から所定角度だけ電磁石ユニットの磁極と永久磁石ユニットの磁極とが電磁反発するように電磁石ユニットに励磁電流を供給することで、永久磁石ユニット及びロータフレームを回転させることができる。
前述した構成のアキシャルギャップ電動機において、好ましくは、前記駆動ユニットは、θ１１＋θ１２＋θ１３＝３６０°／ロータ極数としたとき、前記θ１１は前記電磁石ユニットと前記永久磁石ユニットとが接近した状態における前記励磁電流の非供給期間、前記θ１２は前記励磁電流の供給期間であって、前記電磁石ユニットの磁場と前記永久磁石ユニットの磁場とが反発するように設定されている、前記θ１３は前記励磁電流の非供給期間となるように、前記検出ユニットの出力に基づき前記電磁石ユニットに励磁電流を供給する手段を具備することができる。
前述した構成のアキシャルギャップ電動機において、好ましくは、前記駆動ユニットは、θ２１＋θ２２＋θ２３＋θ２４＝３６０°／ロータ極数としたとき、前記θ２１は前記電磁石ユニットと前記永久磁石ユニットとが接近した状態における前記励磁電流の非供給期間、前記θ２２は前記励磁電流の供給期間であって電磁反発する期間、前記θ２３は前記励磁電流の非供給期間、前記θ２４は前記励磁電流の供給期間であって電磁吸引する期間となるように、前記検出ユニットの出力に基づき前記電磁石ユニットに励磁電流を供給する手段を具備することができる。
前述した構成のアキシャルギャップ電動機において、好ましくは、前記複数の電磁石ユニット夫々は磁極面を有し、該磁極面はアキシャル方向を向くように設定される得る。
前述した構成のアキシャルギャップ電動機において、好ましくは、前記複数の電磁石ユニット夫々は、周方向に沿って、等間隔、非等間隔又は等間隔と非等間隔とを組み合わせてステータフレームに配置され得る。
前述した構成のアキシャルギャップ電動機において、好ましくは、前記複数の電磁石ユニット夫々は、ラジアル方向に沿って、１段又は２段以上にてステータフレームに配置され得る。
前述した構成のアキシャルギャップ電動機において、好ましくは、前記複数の電磁石ユニット夫々は、Ｉ字形状コア及びＵ字形状コアのうち少なくとも一方と、該コアに巻かれるコイルとを具備することができる。
前述した構成のアキシャルギャップ電動機において、好ましくは、前記複数の電磁石ユニット夫々は、前記ロータフレームの永久磁石ユニットが配置されるギャップを有するＣ字形状のヨークと、このヨークの両端部それぞれに巻かれるコイルとを具備することができる。
前述した構成のアキシャルギャップ電動機において、好ましくは、前記複数の電磁石ユニット夫々は、前記ロータフレームの永久磁石ユニットを挟むように前記ステータフレームの一側に配置される複数のＣ字形状のヨークと、前記ロータフレームの永久磁石ユニットを挟むように前記ステータフレームの他側に配置される複数のＣ字形状のヨークと、これらヨークの両端部それぞれに巻かれるコイルとを具備することができる。
前述した構成のアキシャルギャップ電動機において、好ましくは、前記複数の電磁石ユニット夫々は、前記ロータフレームの永久磁石ユニットを挟むように前記ステータフレームの一側に配置され且つ端部が前記ロータフレームの永久磁石ユニットを臨む第１のヨークと、前記ロータフレームの永久磁石ユニットを挟むように前記ステータフレームの他側に配置され且つ端部が前記ロータフレームの永久磁石ユニットを臨む第２のヨークとを具備することができる。
前述した構成のアキシャルギャップ電動機において、好ましくは、前記ロータフレームは、前記ステータフレームに臨む壁面と、該壁面のラジアル方向に沿って形成され且つ前記永久磁石ユニットを配置する複数の溝とを有することができる。
前述した構成のアキシャルギャップ電動機において、好ましくは、前記複数の永久磁石ユニット夫々は磁極面を有し、該磁極面はアキシャル方向を向くように設定され得る。
前述した構成のアキシャルギャップ電動機において、好ましくは、前記複数の永久磁石ユニット夫々は、周方向に沿って配置され且つ隣り合う磁極が、互いに同極、異極又は同極と異極との組合せとなるように且つ等間隔、非等間隔又は等間隔と非等間隔とを組み合わせてロータフレームに配置され得る。
前述した構成のアキシャルギャップ電動機において、好ましくは、前記複数の永久磁石ユニット夫々は、周方向に沿って配置され且つ隣り合う磁極が、互いに同極、異極又は同極と異極との組合せとなるように且つ１段又は２段以上にてロータフレームに配置され得る。
前述した構成のアキシャルギャップ電動機において、好ましくは、前記複数の永久磁石ユニット夫々は、前記ロータフレームのアキシャル方向に沿う一の壁面と他の壁面とに夫々配置され得る。
前述した構成のアキシャルギャップ電動機において、好ましくは、前記複数の永久磁石ユニット夫々は、前記ロータフレームのアキシャル方向に沿う一の壁面に配置される第１の永久磁石片と、前記ロータフレームのアキシャル方向に沿う他の壁面に配置される第２の永久磁石片と、前記第１の永久磁石片と前記第２の永久磁石片との間に配置される第３の永久磁石片とを具備することができる。
前述した構成のアキシャルギャップ電動機において、好ましくは、前記複数の永久磁石ユニット夫々が設けられる前記ロータフレームは、少なくとも一部がチタン製である。
前述した構成のアキシャルギャップ電動機において、好ましくは、更に、前記ステータフレームにおける前記ロータフレームと反対側に、所定の距離を存して設けられる別のロータフレームと、該ロータフレームに前記永久磁石ユニットと所定のアキシャルギャップを介して設けられる複数の電磁石ユニットとを具備することができる。
前述した構成のアキシャルギャップ電動機において、好ましくは、更に、前記ロータフレームに連結されるシャフトと、
このシャフトを支持するベアリングと、
このベアリングが設けられるベースとを具備することができる。
前述した構成のアキシャルギャップ電動機において、好ましくは、更に、前記ロータフレームに配置されるフライホイールを具備することができる。
前述した構成のアキシャルギャップ電動機において、好ましくは、更に、前記ロータフレームと前記シャフトとを一体及び分離する機構を具備することができる。
前述した構成のアキシャルギャップ電動機において、好ましくは、更に、前記シャフトの回転を変速する変速ギヤを具備することができる。
発明を実施するための最良の態様
以下、本発明の実施の形態を説明する。
図１は本発明に係るアキシャルギャップ電動機の一実施形態を示す断面図である。
本実施形態のアキシャルギャップ電動機は、図１に示すように、ステータとロータとがアキシャルギャップを介して対向配置されており、ロータ側の永久磁石の磁極に、同極のステータ側の電磁石を作用させて電磁反発力を発生させ、この電磁反発力によりロータと、シャフトとを回転させる電動機である。
本実施形態のアキシャルギャップ電動機は、シャフト１４と、ベース１０に設けられたステータフレーム１２と、このステータフレーム１２に配置された複数の電磁石ユニット１９と、シャフト１４及びベース１０に設けられたベアリング１１Ａ，１１Ｂと、ステータフレーム１２に対向しつつ回転するように、シャフト１４のアキシャル方向３００の中間部に設けられたロータフレーム１３と、このロータフレーム１３に設けられた複数の永久磁石ユニット１８とを有する。ここに、永久磁石ユニット１８と電磁石ユニット１９とは、所定のアキシャルギャップを介して対向している。
また本実施形態のアキシャルギャップ電動機は、電磁石ユニット１９と永久磁石ユニット１８との相対位置を検出するロータリエンコーダ１７と、このロータリエンコーダ１７の出力に基づき電磁石ユニット１９に励磁電流を供給する駆動ユニット２２とを具備する。
かかる構成の下、ステータ側の電磁石ユニット１９の磁極中心を通る磁場中心線と、ロータ側の永久磁石ユニット１８の磁極中心を通る磁場中心線とが例えば５０度で交差している。
以下、図１乃至図４を参照して本実施形態のアキシャルギャップ電動機を詳細に説明する。
図１及び図２に示すように、本実施形態のアキシャルギャップ電動機は、ベース１０を有する。ベース１０は、第１壁板１０Ａと、この第１壁板１０Ａに離間し且つ向かい合う第２壁板１０Ｂと、第１壁板１０Ａ及び第２壁板１０Ｂ夫々の一端部を連結する底板１０Ｃとからなる。
このベース１０は、鋳物による一体物又は、板状の第１壁板１０Ａ、第２壁板１０Ｂ及び底板１０Ｃを夫々製作し、溶接又はネジにより三者を組み立てることにより、製作され得る。
ベース１０の第１壁板１０Ａ及び第２壁板１０Ｂ夫々の他端部には、ベアリング１１Ａ，１１Ｂの静止部が固定されている。
ステータフレーム１２は、図３に示すように、穴１６を有する。ステータフレーム１２は、鋳物による一体物又は板材の加工等により製作され得る。
第１壁板１０Ａに設けたベアリング１１Ａの回転部と、第２壁板１０Ｂに設けたベアリング１１Ｂの回転部とには、シャフト１４が挿通されている。シャフト１４のアキシャル方向３００の中間部には、図４に示すロータフレーム１３が嵌入されている。
また、ロータフレーム１３とシャフト１４とには、ビス２０が嵌め込まれ、ロータフレーム１３をシャフト１４に固定している。
これにより、ステータフレーム１２に対向するようにロータフレーム１３が設けられた構造となっている。
このシャフト１４の一端部は、この電動機の出力軸であり、他端部にはセンサユニットであるロータリエンコーダ１７の円盤１７Ａが嵌め込まれている。ロータリエンコーダ１７の検出部１７Ｂは、ステータフレーム１２に設けられている。
ロータリエンコーダ１７は、円盤１７Ａに形成されたスリットや光反射部材等を、検出部１７Ｂに内蔵された光送受信素子により検出し、リード線１７Ｃに電気信号を出力する。
このようにロータリエンコーダ１７は、永久磁石ユニット１８と電磁石ユニット１９との相対位置を検出することができ、具体的には、ロータフレーム１３の回転位置、ひいてはロータフレーム１３に設けられた永久磁石ユニット１８（１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ及び１８Ｄ）の磁極の相対位置を検出する。
なお、本例における永久磁石ユニット１８は、周方向３０２及びラジアル方向３０１に沿って配置され且つ隣り合う磁極が互いに異極となるようにロータフレーム１３に配置されている。
なお、センサユニットとしては、上述した光学式ロータリエンコーダのほかに、磁気を用いた例えばホール素子等により、永久磁石ユニット１８と電磁石ユニット１９との相対位置を検出することができる。
ロータフレーム１３は、図４に示すように、円盤状をなしている。ロータフレーム１３は、鋳物による一体物又は、板材の加工等により製作され得る。
ロータフレーム１３のステータフレーム１２に対向する側には、周方向に３６０°／４＝９０°間隔でラジアル方向３０１に永久磁石ユニット１８を取り付けるための溝１５が形成されている。
従って、図４に示すように、溝１５は周方向３０２且つラジアル方向３０１に沿って４ヶ所形成されている。
永久磁石ユニット１８は、溝１５内に配置されるが、その固定法は、ビス止め機構、ネジ止め機構や樹脂による固定等、各種の固定法を採用することができる。
また、ロータフレーム１３に形成される溝１５の形状を工夫することにより、永久磁石ユニット１８の飛び出しを抑制することができる。
この場合、溝１５内における永久磁石ユニット１８の向きを変えることができる機構を付設することにより、永久磁石ユニット１８の向きを適宜変えて、本実施形態の電動機における電磁反発力が効果的に作用する位置を選定することができる。
また、形状が異なる永久磁石ユニット１８を溝１５内に配置することにより、本実施形態の電動機における電磁反発力が効果的に作用する条件を設定することができる。
また、ロータフレーム１３には、フライホイール２１が取り付けられている。このフライホイール２１は、円滑な回転に寄与する機能を有するものであり、必要に応じて設置することができる。もっとも、極数が小さい場合は円滑な回転を得るために、設置することが好ましい。
ステータフレーム１２には、電磁石ユニット１９（１９Ａ、１９Ｂ、１９Ｃ及び１９Ｄ）が設置され、これらのリード線１９Ｅは、ベース１０の外部に導出されている。
一方、図５に示すように、電磁石ユニット１９の磁場中心線２００と永久磁石ユニット１８の磁場中心線２０１とは、角度θで交差している。
この例の場合、電磁石ユニット１９の磁場中心線は、シャフト１４のアキシャル方向に一致している。なお、θは、永久磁石ユニット１８の磁場と電磁石ユニット１９の磁場とが効果的に反発し合う位置であり、発明者らは、θを例えば５０°としている。
従って、通常のアキシャルギャップ電動機では、ロータ側磁極とステータ側の磁極とが対向しているが、本実施形態ではロータ側磁極とステータ側の磁極とが非対向となっていることが特徴である。
次に、図６乃至図９を参照して本実施形態のアキシャルギャップ電動機の電気システムについて説明する。
図６は、本実施形態のアキシャルギャップ電動機の電気回路図であり、電磁石ユニット１９は、駆動ユニット２２のスイッチング部２２Ａから出力される励磁電流により駆動される。
スイッチング部２２Ａは、制御部２２Ｂからのスイッチング制御信号によりスイッチング制御される。制御部２２Ｂは、ロータリエンコーダ１７からの信号を入力する。
スイッチング部２２Ａは、交流電源２３を入力して直流を生成し、該直流を半導体スイッチング素子によりスイッチング又はチョッピングすることで、電磁石ユニット１９に与える励磁電流を生成する。
この励磁電流は、（３６０°／ロータ極数）×２の周期のパルス波形であり、各電磁石ユニットそれぞれに供給される。
また、電磁石ユニット１９は４ヶ設けてあり、図７のようにコイルが接続されている。
駆動ユニット２２は、ロータリエンコーダ１７の出力に基づき、電磁石ユニット１９の磁極と永久磁石ユニット１８の磁極とが略対向する位置から永久磁石ユニット１８が角度θ１に至ったことを検出し、該角θ１から角度θ２だけ、電磁石ユニット１９の磁極と永久磁石ユニット１８の磁極とが電磁反発するように電磁石ユニット１９に励磁電流を供給する構成である。
さらに具体的に説明すると、図８に示すように、駆動ユニット２２は、θ１１＋θ１２＋θ１３＝３６０°／周方向のロータ極数（本例の場合は極数は４）としたとき、θ１１は電磁石ユニット１９と永久磁石ユニット１８とが接近した状態における励磁電流の非供給期間、θ１２は励磁電流の供給期間であって電磁石ユニット１９の磁場と永久磁石ユニット１８の磁場とが反発するように設定されている、θ１３は励磁電流の非供給期間となるように、ロータリエンコーダ１７の出力に基づき電磁石ユニット１９に励磁電流を供給する構成である。
図８に示す励磁法を、ロータ側が一定方向に３６０°／ロータ極数４＝９０°回転する経緯を説明する。
図８において、ロータ側の永久磁石ユニット１８と、ステータ側の電磁石ユニット１９とが最接近した位置、つまりロータ側の永久磁石ユニット１８の磁場中心と、ステータ側の電磁石ユニット１９の磁場中心とが最接近した位置を０°とする。
このときをθ１１の始点とすると、θ１１の始点から終点までは、電磁石ユニット１９に励磁電流は供給されない。従って、永久磁石ユニット１８の磁力だけで、電磁石ユニット１９の磁性材であるコアを吸引するだけである。
次に、ロータ側の永久磁石ユニット１８と、ステータ側の電磁石ユニット１９とがθ１１の終点、つまりθ１２の始点から終点まで期間では、電磁石ユニット１９に励磁電流が供給される。
この場合、永久磁石ユニット１８がＳ極であると、電磁石ユニット１９もＳ極となるように、励磁電流及び電磁石ユニット１９のコイル巻回方向が設定されている。従って、永久磁石ユニット１８と電磁石ユニット１９とが共にＳ極であることによる電磁反発力は、前記非励磁時の吸引力に打ち勝って、永久磁石ユニット１８及びロータフレーム１３を一定方向に回転させる。
次に、ロータ側の永久磁石ユニット１８と、ステータ側の電磁石ユニット１９とがθ１２の終点、つまりθ１３の始点から終点までの期間では、電磁石ユニット１９に励磁電流は供給されない。この期間は、フライホイール２１の慣性力等により、永久磁石ユニット１８及びロータフレーム１３を一定方向に回転させる。
以上の励磁法を、ロータ側が９０°回転する毎に、その極性を反転させて各電磁石ユニット１９に適用することにより、永久磁石ユニット１８及びロータフレーム１３を連続的に一定方向に回転させることが可能となる。
なお、図８に示す励磁法では、θ１１は例えば略２０°、θ１２は例えば略２０°、θ１３は例えば略５０°である。ここで、励磁電流の供給期間θ１２による電磁石ユニット１９の磁場と永久磁石ユニット１８の磁場とによる電磁反発力が、ロータフレーム１３を回転させる力となる。
図９は、電磁石ユニット１９Ａと、１９Ｂと、１９Ｃと、１９Ｄへの励磁電流を示したものであり、電磁石ユニット１９夫々に、３６０°／周方向のロータ極数（本例の場合は極数は４）の一部の期間θ１２だけ励磁電流を流すだけで、ロータフレーム１３を電磁反発力により回転させることができる。しかも、ロータ側は永久磁石ユニットであることから、エネルギーを大きく節減している。
次に、図１０を参照して図８と異なる電磁石ユニット１９の励磁について説明する。図８では、電磁石ユニット１９の磁場と永久磁石ユニット１８の磁場とが電磁反発してロータフレーム１３を回転させるように、電磁石ユニット１９を励磁するものであった。
これに対し、図１０においては、電磁反発力と電磁吸引力とをロータフレーム１３の回転に用いる。すなわち、θ２１＋θ２２＋θ２３＋θ２４＝３６０°／周方向のロータ極数としたとき、θ２１は電磁石ユニット１９と永久磁石ユニット１８とが接近した状態における励磁電流の非供給期間、θ２２は励磁電流の供給期間として電磁反発が発生する期間、θ２３は励磁電流の非供給期間、θ２４は励磁電流の供給期間として電磁吸引が発生する期間となるように、ロータリエンコーダ１７の出力に基づき電磁石ユニット１９に励磁電流を供給する構成である。
図１０に示す励磁法を、ロータ側が一定方向に３６０°／ロータ極数４＝９０°回転する経緯を説明する。この励磁法が適用される電動機は、周方向に隣り合う永久磁石ユニット１８がＳ極、Ｎ極というように異極となっている。
図１０において、ロータ側の永久磁石ユニット１８と、ステータ側の電磁石ユニット１９とが最接近した位置、つまりロータ側の永久磁石ユニット１８の磁場中心と、ステータ側の電磁石ユニット１９の磁場中心とが最接近した位置を０°とする。このときをθ２１の始点とすると、θ２１の始点から終点までは、電磁石ユニット１９に励磁電流は供給されない。従って、永久磁石ユニット１８の磁力だけで、電磁石ユニット１９の磁性材であるコアを吸引するだけである。
次に、ロータ側の永久磁石ユニット１８と、ステータ側の電磁石ユニット１９とがθ２１の終点、つまりθ２２の始点から終点までの期間では、電磁石ユニット１９に励磁電流が供給される。
この場合、永久磁石ユニット１８がＳ極であると、電磁石ユニット１９もＳ極となるように、励磁電流及び電磁石ユニット１９のコイル巻回方向が設定されている。
従って、永久磁石ユニット１８と電磁石ユニット１９とが共にＳ極であることによる電磁反発力は、前記非励磁時の吸引力に打ちかって、永久磁石ユニット１８及びロータフレーム１３を一定方向に回転させる。
次に、ロータ側の永久磁石ユニット１８と、ステータ側の電磁石ユニット１９とがθ２２の終点、つまりθ２３の始点から終点までの期間では、電磁石ユニット１９に励磁電流は供給されない。この期間は、フライホイール２１の慣性力等により、永久磁石ユニット１８及びロータフレーム１３を一定方向に回転させる。
次に、ロータ側の永久磁石ユニット１８と、ステータ側の電磁石ユニット１９とがθ２３の終点、つまりθ２４の始点から終点まで期間では、電磁石ユニット１９に励磁電流を供給する。
この期間は、次の永久磁石ユニット１８と電磁石ユニット１９とがＳ極，Ｎ極であることによる電磁吸引力が、永久磁石ユニット１８に作用し、永久磁石ユニット１８及びロータフレーム１３を一定方向に回転させる。
以上の励磁法を、極性を９０°毎に反転させて各電磁石ユニット１９に適用することにより、永久磁石ユニット１８及びロータフレーム１３を連続的に一定方向に回転させることが可能となる。
この励磁法によれば、電磁石ユニット１９夫々に、電磁反発に寄与する期間θ２２と、電磁吸引に寄与する期間θ２４だけ励磁電流を流すだけで、ロータフレーム１３を電磁反発力及び電磁吸引により回転させることができる。
図１０に示す励磁法では、θ２１は例えば略２０°、θ２２は例えば略２０°、θ２３は例えば略３０°、θ２４は例えば略２０°である。
本発明において、複数の電磁石ユニット夫々は、ラジアル方向に沿って、１段又は２段以上にてステータフレームに配置される。
次に、上述した例で用いることができる電磁石ユニットの周方向配置の例を説明する。すなわち、本発明において、複数の電磁石ユニット夫々は、周方向に沿って、等間隔、非等間隔又は等間隔と非等間隔とを組み合わせてステータフレームに配置される。
次に、永久磁石ユニットの周方向配置の例を説明する。
本発明において、複数の永久磁石ユニット夫々は、周方向に沿って配置され且つ隣り合う磁極が、互いに同極、異極又は同極と異極との組合せとなるように且つ等間隔、非等間隔又は等間隔と非等間隔とを組み合わせてロータフレームに配置される。
また、複数の永久磁石ユニット夫々は、周方向に沿って配置され且つ隣り合う磁極が、互いに同極、異極又は同極と異極との組合せとなるように且つラジアル方向に１段又は２段以上にてロータフレームに配置される。
次に、図１１を参照して、先の例と異なるステータの構造を説明する。図１１に示すように、この例では、ステータフレーム１２に、ラジアル方向に１段であって、周方向に１２０°間隔で電磁石ユニット１９Ａ、１９Ｂ、１９Ｃを配置している。
このような、ステータ構造を採用した場合、図８〜図１０とは異なり、ステータに関し、１２０°毎に、励磁電流の非供給期間、供給期間、非供給期間等を設定することになる。
次に、図１２を参照して、先の例と異なるロータの構造を説明する。図１２に示すように、この例では、ロータフレーム１３に、永久磁石ユニット１８（１８Ａ，１８Ｂ）を周方向に沿って１８０°間隔で溝１５内に配置し、且つ隣り合う磁極が互いに異極となるようにしている。
このような、ロータ構造を採用した場合、図８〜図１０とは異なり、ロータに関し１８０°毎に、励磁電流の非供給期間、供給期間、非供給期間等を設定することになる。
次に、図１３を参照して、先の例と異なるステータの構造を説明する。図１３に示すように、この例では、ステータフレーム１２に、ラジアル方向に２段であって、周方向に９０°間隔で電磁石ユニット１９（１９Ａ、１９Ｂ、１９Ｃ，１９Ｄ、１９Ｅ、１９Ｆ，１９Ｇ、１９Ｈ）を配置している。
ここで、電磁石ユニット１９Ａと１９Ｅとの対、電磁石ユニット１９Ｂと１９Ｆとの対、電磁石ユニット１９Ｃと１９Ｇとの対、電磁石ユニット１９Ｄと１９Ｈとの対を、図３における電磁石ユニット１９Ａ，１９Ｂ、１９Ｃ、１９Ｄとに対応させると、図８〜図１０と同様に、ステータに関し、９０°毎に、励磁電流の非供給期間、供給期間、非供給期間等を設定することになる。
もちろん、上述した電磁石ユニットの対を設定しない場合は、図８〜図１０と異なる、ステータに関し、９０°毎に、励磁電流の非供給期間、供給期間、非供給期間等を設定することになる。
次に、図１４を参照して、先の例と異なるロータの構造を説明する。図１４に示すように、この例では、ロータフレーム１３に、ラジアル方向に２段であって、永久磁石ユニッ１８（１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ，１８Ｄ、１８Ｅ、１８Ｆ，１８Ｇ、１８Ｈ）を周方向に沿って９０°間隔で溝１５内に配置し、且つ隣り合う磁極が互いに異極となるようにしている。
ここで、永久磁石ユニット１８Ａと１８Ｅとの対、永久磁石ユニット１８Ｂと１８Ｆとの対、永久磁石ユニット１８Ｃと１８Ｇとの対、永久磁石ユニット１８Ｄと１８Ｈとの対を、図３における永久磁石ユニット１８Ａ，１８Ｂ、１８Ｃ、１８Ｄとに対応させると、図８〜図１０と同様に、ロータに関し、９０°毎に、励磁電流の非供給期間、供給期間、非供給期間等を設定することになる。もちろん、上述した電磁石ユニットの対を設定しない場合は、図８〜図１０と異なる、ロータに関し、９０°毎に、励磁電流の非供給期間、供給期間、非供給期間等を設定することになる。
次に、図１と異なる本発明に係るアキシャルギャップ電動機の実施形態を、図１と同一部分には同一符号を付した図１５及び図１６を参照して説明する。
図１５に示すように、本実施形態のアキシャルギャップ電動機は、ベース１０を有する。ベース１０は、第１壁板１０Ａと、この第１壁板１０Ａに離間し且つ向かい合う第２壁板１０Ｂと、第１壁板１０Ａ及び第２壁板１０Ｂ夫々の一端部を連結する底板１０Ｃとからなる。
このベース１０は、鋳物による一体物又は、板状の第１壁板１０Ａ、第２壁板１０Ｂ及び底板１０Ｃを夫々製作し、溶接又はネジにより三者を組み立てることにより、製作され得る。
ベース１０の第１壁板１０Ａ及び第２壁板１０Ｂ夫々の他端部には、ベアリング１１Ａ，１１Ｂの静止部が固定されている。
ステータフレーム１２′は、図１６に示すように、中心にシャフト１４を通す穴１６と、４つの電磁石ユニット１０１を組み込む４つの穴１６Ａを有する。この４つの穴１６Ａは、ステータフレーム１２′上に、ラジアル方向に一段で、周方向に９０°間隔で形成されている。ステータフレーム１２′は、鋳物による一体物又は板材の加工等により製作され得る。なお、ステータフレーム１２′は、ロータフレーム１３とロータフレーム１３′との間に位置することになる。
電磁石ユニット１０１は、図１７Ｂに示すものを採用することができ、Ｉ字形状コア１１１にコイル１２０を巻装したものであり、Ｉ字形状コア１１１の両端を磁極として用いている。
第１壁板１０Ａに設けたベアリング１１Ａの回転部と、第２壁板１０Ｂに設けたベアリング１１Ｂの回転部とには、シャフト１４が挿通されている。
シャフト１４のアキシャル方向３００であって、ステータフレーム１２′を中間にして、図４に示すロータフレーム１３と、該ロータフレーム１３と同様のロータフレーム１３′が嵌入されている。また、ロータフレーム１３，１３′とシャフト１４とには、ビス２０，２０′が嵌め込まれ、ロータフレーム１３，１３′をシャフト１４に固定している。
これにより、ステータフレーム１２に対向するようにアキシャルギャップを介してロータフレーム１３，１３′が設けられた構造となっている。
このシャフト１４の一端部は、図１と同様に電動機の出力軸であり、他端部にはセンサユニットであるロータリエンコーダ１７が設けられている。
ロータリエンコーダ１７は、ロータフレーム１３の永久磁石ユニット１８及びロータフレーム１３′の永久磁石ユニットと、電磁石ユニット１９との相対位置を検出することができ、具体的には、ロータフレーム１３，１３′の回転位置、ひいてはロータフレーム１３，１３′に設けられた永久磁石ユニット１８の磁極の相対位置を検出する。
なお、本例におけるロータフレーム１３，１３′に設けられる永久磁石ユニット１８は、周方向３０２及びラジアル方向３０１に沿って配置され且つ隣り合う磁極が互いに異極となるようにロータフレーム１３，１３′に配置されている。
また、ロータフレーム１３，１３′には、フライホイール２１，２１′が取り付けられている。このフライホイール２１，２１′は、円滑な回転に寄与する機能を有するものであり、必要に応じて設置することができる。もっとも、極数が小さい場合は円滑な回転を得るために、設置することが好ましい。
電磁石ユニット１９の磁場中心線２００と永久磁石ユニット１８の磁場中心線２０１とは、角度θで交差している。
この例の場合、電磁石ユニット１９の磁場中心線は、シャフト１４のアキシャル方向に一致している。なお、θは、永久磁石ユニット１８の磁場と電磁石ユニット１９の磁場とが効果的に反発し合う位置であり、発明者らは、θを例えば５０°としている。これについては図１の例と同様である。
以上の通り、本実施形態ではロータ側磁極とステータ側の磁極とが非対向であり、また一つのステータを中間に置いて２つのロータが対向配置されることになり、ステータの電磁石ユニット１９と２つのロータの永久磁石とにより、効率的に電磁力がロータに作用させることができ、高効率の電動機とすることが可能となる。
次に、図１７Ａ〜図１７Ｅ及び図１８Ａ及び図１８Ｂを参照して上述した例で用いることができる電磁石ユニットについて詳細に説明する。
図１７Ａに示す電磁石ユニット１００は、Ｉ字形状コア１１０にコイル１２０を巻装したものであり、Ｉ字形状コア１１０の一端を磁極として用いている。この電磁石ユニット１００は、図１の構成に適用できる。
図１７Ｂに示す電磁石ユニット１０１は、Ｉ字形状コア１１１にコイル１２０を巻装したものであり、Ｉ字形状コア１１１の両端を磁極として用いている。この電磁石ユニット１０１は、図１５の構成に適用できる。
図１７Ｃに示す電磁石ユニット１０２は、２つのＩ字形状コア１１０にコイル１２０を巻装したものであり、２つのＩ字形状コア１１０夫々の一端を磁極として用い且つ両磁極が反対向きとなるようにしている。
図１７Ｄに示す電磁石ユニット１０３は、２つのＩ字形状コア１１０にコイル１２０を巻装したものであり、２つのＩ字形状コア１１０夫々の一端を磁極として用い且つ両磁極が同じ向きとなるようにしている。
図１７Ｅに示す電磁石ユニット１０４は、２つのＩ字形状コア１１１にコイル１２０を巻装したものであり、２つのＩ字形状コア１１１夫々の両端を磁極として用いている。
図１８Ａに示す電磁石ユニット１０５は、Ｕ字形状コア１１２にコイル１２０を巻装し、Ｕ字形状コア１１２の両端を磁極として用いている。
図１８Ｂに示す電磁石ユニット１０６は、２つのＵ字形状コア１１２にコイル１２０を巻装し、２つのＵ字形状コア１１２夫々の両端を磁極として用いている。
図１９は、図１のシャフト１４の出力軸に、変速機２４を設けて、シャフト１４の出力よりもトルク上昇を図った出力を得るようにしたものである。
このような構成の本実施形態のアキシャルギャップ電動機によれば、ロータフレーム１３の回転と、変速機２４の出力軸２４Ａの回転とによる２系統の回転を得ることができる。
この場合、例えば、ロータフレーム１３の外側にフィンを設けると、ロータフレーム１３による高速、低トルクのファン機構と、変速機２４の出力軸２４Ａによる低速、高トルクの回転機構とを得ることができる。
以上の構成では、ステータ側の電磁石ユニット１９の磁極中心を通る磁場中心線と、ロータ側の永久磁石ユニット１８の磁極中心を通る磁場中心線とが例えば５０度で交差しており、より具体的には、ステータ側の電磁石ユニット１９の磁極中心を通る磁場中心線は、シャフト１４のアキシャル方向に沿っている。
次に、図２０を参照して、ロータ側の永久磁石ユニット１８の磁極中心を通る磁場中心線が、シャフト１４のアキシャル方向に沿っている例を説明する。
図２０に示すように、ロータフレーム１３に溝１５′が形成され、該溝１５′に永久磁石ユニット１８が組み込まれている。この永久磁石ユニット１８磁極中心を通る磁場中心線２０１は、シャフト１４のアキシャル方向に沿っている。
ステータ側の電磁石ユニット１９の磁極中心を通る磁場中心線２００が、永久磁石ユニット１８磁極中心を通る磁場中心線２０１に例えば５０度で交差するように、電磁石ユニット１９をステータフレームに取り付ける構成としている。
このような構成は、図１〜図１９に示した電動機の構成に適用することができ、図１〜図１９に示した電動機と同様の作用効果を発揮するものとなる。
次に、図１，図１５，図１９と異なる本発明に係るアキシャルギャップ電動機の実施形態を、図２１〜図２５を参照して説明する。
図２１は、本発明に係わるアキシャルギャップ電動機の他の実施形態を示す断面図である。
本実施形態のアキシャルギャップ電動機は、ベース４１０を有する。ベース４１０は、第１壁板４１０Ａと、この第１壁板４１０Ａに離間し且つ向かい合うよう第２壁板４１０Ｂと、さらに第１壁板４１０Ａと第２壁板４１０Ｂとの間に第１壁板４１０Ａに向かい合うよう第３壁板４１０Ｃと、第２壁板４１０Ｂに向かい合うように第４壁板４１０Ｄと、第１壁板４１０Ａ、第２壁板４１０Ｂ、第３壁板４１０Ｃ及び第４壁板４１０Ｄ夫々の一端部を連結する底板４１０Ｅとからなる。
このベース４１０は、鋳物による一体ものまたは板状の第１壁板４１０Ａ、第２壁板４１０Ｂ、第３壁板４１０Ｃ、第４壁板４１０Ｄ及び底板４１０Ｅを夫々製作し、溶接又はネジにより五者を組み立てることにより、製作され得る。
ベース４１０の第１壁板４１０Ａ及び第２壁板４１０Ｂ夫々の他端部には、ベアリング４１１Ａ、４１１Ｂの静止部が固定されている。また、第３壁板４１０Ｃ及び第４壁板４１０Ｄには、シャフト４１４を挿通するための孔が設けられている。
第３壁板４１０Ｃと第４壁板４１０Ｄとの間には、ステータフレーム４１２がビス等により固定されている。ステータフレーム４１２は、詳細は図２４で詳述する電磁石ユニット４１８のヨーク４１９を支持する支持部４１２Ａと、中心にシャフト４１４を通すための孔が空いた端板４１２Ｂ、４１２Ｃとからなり、鋳物による一体物または、支持部４１２Ａ及び端板４１２Ｂ、４１２Ｃを夫々製作し、溶接又はネジにより三者を組み立てることにより、製作され得る。
図２１に示すように、第１壁板４１０Ａに設けられたベアリング４１１Ａの回転部及び第２壁板４１０Ｂに設けられたベアリング４１１Ｂの回転部にシャフト４１４が設けられている。このシャフト４１４は、第３壁板４１０Ｃ、第４壁板４１０Ｄ及びステーターフレーム４１２の端板４１２Ｂ、４１２Ｃの孔に挿通されている。
また、図２１に示すように、シャフト４１４における第３壁板４１０Ｃと第４壁板４１０Ｄとの間には、図２１には表れていない永久磁石ユニット４１６を組み込んだローターフレーム４１３が固定具４１４Ａにより固定されている。このローターフレーム４１３の全部又は一部は、非磁性特性を顕著に示すチタン材で製作することができる。チタン材のローターフレーム４１３であると、永久磁石ユニット４１６の磁力線は、漏洩が少なくして効果的に電磁石ユニット４１８に作用することになり、回転力の発生に大きく寄与する。
このシャフト４１４の一端部は、この電動機の出力軸であり、他端部にはセンサユニットであるロータリーエンコーダー４１７の円盤４１７Ａが嵌め込まれている。
ロータリーエンコーダー４１７の検出部４１７Ｂは、第１壁板４１０Ａに設けられている。ロータリーエンコーダー４１７は、電磁石ユニット４１８と永久磁石ユニット４１６のとの相対位置を検出するものであり、円盤４１７Ａに形成されたスリットや光反射部材等を、検出部４１７Ｂに内蔵された光送受信素子により検出し、リード線４１７Ｃにより電気信号を出力する。なお、センサユニットとしては、上述した光学式ロータリーエンコーダーの他に、磁気を用いた例えばホール素子等により、永久磁石ユニット４１６と電磁石ユニット４１８との相対位置を検出することができる。
本実施形態の永久磁石ユニット４１６は、ロータフレーム４１３における電磁石ユニット４１８に対向する各面それぞれに周方向に３６０°／４＝９０°間隔で４つ設けてあり、具体的にはロータフレーム４１３の一面を示す図２２に示すように、ロータフレーム４１３の一面に溝４１５を形成し、該溝４１５に例えば菱形状の永久磁石片を組み込んでいる。
なお、本例における永久磁石ユニット４１６は、両面で隣り合う磁極、各面で隣り合う磁極が互いに同極又は異極となるようにローターフレーム４１３に配置されている。
永久磁石ユニット４１６は、溝４１５内に配置されるが、その固定方法は、ビス止め機構、ネジ止め機構や樹脂による固定等、各種の固定法を採用することができる。
また、ローターフレーム４１３に形成される溝４１５の形状を、永久磁石ユニット４１６を完全に埋め込まれるように形成することで、永久磁石ユニット４１６の飛び出しを抑制することができる。
この場合、溝４１５内における永久磁石ユニット４１６の向きを変えることができる機構を付設することにより、永久磁石ユニット４１６の向きを適宜変えて、本実施形態の電動機における電磁反発力が効果的に作用する位置を選定することができる。
また、形状が異なる永久磁石ユニット４１６を溝４１５内に配置することにより、本実施形態の電動機における電磁反発力が効果的に作用する条件を設定することができる。
本実施形態の電磁石ユニット４１８は、ステータフレーム４１２に周方向に３６０°／４＝９０°間隔で４つ設けてあり、具体的にはステータフレーム４１２の一面を示す図２３のように、４つの電磁石ユニット４１８の磁極が、ロータフレーム４１３の永久磁石ユニット４１６に対向するように配置されている。また、図２１及び図２４に示すように、電磁石ユニット４１８は、永久磁石ユニット４１６が配置されるギャップを有するＣ字形状のヨーク４１９と、このヨーク４１９の両端部それぞれに巻かれるコイル４２０とを有する。
次に、図２５を参照し、ロータ側の永久磁石ユニット４１６と、ステータ側の電磁石ユニット４１８との位置関係を説明する。図２５に示すように、ロータフレーム４１３の両面に設けた永久磁石ユニット４１６の磁場中心線と、電磁石ユニット４１８の磁場中心線とは、角度θで交差している。
この例の場合、電磁石ユニット４１８Ａ１及び４１８Ａ２の磁場中心線は、シャフト４１４のアキシャル方向に一致している。なお、θは永久磁石ユニット４１６の磁場と電磁石ユニット４１８の磁場とが効果的に反発しあう位置であり、発明者らは、θを例えば５０°としている。
上記のように構成された本実施形態のアキシャルギャップ電動機において、付設される電気回路は、図６と同様であり、また電磁石ユニット４１８に与える励磁電流も同様である。この励磁電流は、（３６０°／ロータ極数）の周期のパルス波形であり、各電磁石ユニット夫々に供給される。
本実施形態のアキシャルギャップ電動機によれば、電磁石ユニット４１８の磁場中心線と永久磁石ユニット４１６の磁場中心線とが角度θで交差するように、電磁石ユニット４１８及び永久磁石ユニット４１６を配置して、電磁石ユニット４１８の磁極と永久磁石ユニット４１６の磁極とが略対向する位置から永久磁石ユニット４１６が所定角度に至り、該角度から所定角度だけ電磁石ユニット４１８の磁極と永久磁石ユニット４１６の磁極とが電磁反発するように電磁石ユニット４１６に励磁電流を供給することで、ロータフレーム４１３を回転させることができる。
また、永久磁石ユニット４１６を設けたロータフレーム４１３を、対向する２つの磁極を有する電磁石ユニット４１８のギャップに配置する構成としていることにより、永久磁石ユニット４１６の磁力と電磁石ユニット４１８の磁力とが効果的に反発することになり、高効率の電動機となり得る。
次に、図２５と同一部分には、同一符号を付した図２６を参照してロータ部の変形例を説明する。図２６では、アキシャル方向にも永久磁石片４２１を配置することができる溝４１５′をロータフレーム４１３に形成している。
この永久磁石片４２１と、ロータフレーム４１３の両面の永久磁石ユニット４１６とにより磁路が形成されることから、ロータフレーム４１３の磁力を、ステータ側の電磁石ユニット４１８に効果的に作用させることが可能となり、高効率の電動機となり得る。
次に、図２７〜図３０を参照して別の電磁石ユニットの例を説明する。
図２７及び図２８に示す電磁石ユニットは、ロータフレーム４１３の一面に、コイル４２０を巻いた磁極が対向するように２つのＣ字形状ヨーク４２２，４２３を設けると共に、ロータフレーム４１３の他面にコイル４２０を巻いた磁極が対向するように２つのＣ字形状ヨーク４２２，４２３を設けた構成である。
図２９及び図３０に示す電磁石ユニットは、ロータフレーム４１３の一面に、コイル４２０を巻いた４つの磁極が対向するようにヨーク４２４を設けると共に、コイル４２０を巻いた４つの磁極が対向するようにヨーク４２４を設けた構成である。
これらの電磁石ユニットによれば、漏洩磁気が少ない磁気回路を構成することができ、高効率の電動機となり得る。
次に、図３１を参照して別のロータフレーム４２５及び永久磁石ユニット４２６の例を説明する。
図３１に示すように、ロータフレーム４２５は、ロータバー４２５Ａの中心に図示しないシャフトを通す孔４２５が形成され、ロータバー４２５Ａの両端部それぞれに、間隙を介して対向した脚４２５Ｂ，４２５ＣからなるＵ字形状部が設けられている。脚４２５Ｂ，４２５Ｃにおける図示しない電磁ユニットと対向する面には溝４２５Ｅが形成され、該溝４２５Ｅそれぞれには永久磁石ユニット４２６が取り付けられている。
なお、図３１における電磁ユニットと永久磁石ユニット４２６との固定関係は図２５及び図２６と同様であり、また溝４２５Ｅの形状は永久磁石ユニット４２６に応じて各種のものを採用することができ、さらに溝４２５Ｅへの永久磁石ユニット４２６の固定方法については、ビス止め機構、ネジ止め機構や樹脂による固定等、各種の固定法を採用することができる。
このよう構成のロータフレーム４２５によると、２極ロータとして軽量化を図ることが可能となる。
なお、本願発明は、上記図示し且つ説明した実施形態に限定されるものでなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。
また、ロータ側の永久磁石ユニットに関し、周方向及びラジアル方向の極数及び極配列は、ステータ側の極数等を考慮して適宜選定できる。
同様に、ステータ側の電磁石ユニットに関し、周方向及びラジアル方向の極数及び極配列は、ロータ側の極数等を考慮して適宜選定できる。
また、永久磁石ユニット及び電磁石ユニットは、各種の形態及び形状を採用することができ、コイルの結線形態も本発明の電磁反発力及び吸引力が機能するように適宜選定できるものである。
さらに、上記図示し且つ説明した実施形態は可能な限り適宜組み合わせて実施してもよく、その場合、組み合わされた効果が得られる。
さらに、上記各実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成用件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。
例えば実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が省略されることで発明が抽出された場合には、その抽出された発明を実施する場合には省略部分が周知慣用技術で適宜補われるものである。
産業上の利用の可能性
以上述べたように、本発明は、ステータフレームと、
このステータフレームに配置された複数の電磁石ユニットと、
前記ステータフレームと所定の距離を存して設けられたロータフレームと、
このロータフレームに設けられるものであって、前記電磁石ユニットと所定のアキシャルギャップを介して対向し、且つ、ラジアル方向に見たとき、前記電磁石ユニットの磁場中心線と所定角度で交差する磁場中心線を有する複数の永久磁石ユニットと、
前記電磁石ユニットと前記永久磁石ユニットとの相対位置を検出するセンサユニットと、
このセンサユニットの出力に基づき、前記電磁石ユニットの磁極と前記永久磁石ユニットの磁極とが略対向する位置から前記永久磁石ユニットが所定角度に至ったことを検出し、該検出角度から所定角度だけ、前記電磁石ユニットの磁極と前記永久磁石ユニットの磁極とが電磁反発するように前記電磁石ユニットに励磁電流を供給する駆動ユニットと
を具備するアキシャルギャップ電動機である。
このように構成したことにより、電磁石ユニットの磁場中心線と永久磁石ユニットの磁場中心線とが所定角度で交差するように、電磁石ユニット及び永久磁石ユニットを配置して、電磁石ユニットの磁極と永久磁石ユニットの磁極とが略対向する位置から前記永久磁石ユニットが所定角度に至り、該角度から所定角度だけ電磁石ユニットの磁極と永久磁石ユニットの磁極とが電磁反発するように電磁石ユニットに励磁電流を供給するようになる。
よって、本発明によれば、少ない電流で永久磁石ユニット及びロータフレームを回転させることが可能となり、省エネルギーの観点から優れた特性を有するアキシャルギャップ電動機を提供することができるものである。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明に係るアキシャルギャップ電動機の一実施形態を示す断面図。
図２は、同実施形態の斜視図。
図３は、アキシャル方向に見たステータ部の構成図。
図４は、アキシャル方向に見たロータ部の構成図。
図５は、ロータ側の永久磁石ユニットの磁場方向とステータ側の電磁石ユニットの磁場方向との交差を示す図。
図６は、同実施形態における電気回路を示す図。
図７は、同実施形態における電磁石ユニットの回路図。
図８は、同実施形態における電磁石ユニットの励磁の一例を示す図。
図９は、同実施形態における４つの磁石ユニットの励磁電流の波形図。
図１０は、同実施形態における電磁石ユニットの励磁の他の例を示す図。
図１１は、同実施形態におけるアキシャル方向に見たステータ部の他例の構成図。
図１２は、同実施形態におけるアキシャル方向に見たロータ部の他例の構成図。
図１３は、同実施形態におけるアキシャル方向に見たステータ部の他例の構成図。
図１４は、同実施形態におけるアキシャル方向に見たロータ部の他例の構成図。
図１５は、本発明に係るアキシャルギャップ電動機の他の実施形態を示す断面図。
図１６は、同実施形態におけるアキシャル方向に見たステータ部の一例の構成図。
図１７Ａ〜図１７Ｅは、本発明のアキシャルギャップ電動機におけるＩ字形状コアを用いた電磁石ユニットの形態を示す図。
図１８Ａ及び図１８Ｂは、本発明のアキシャルギャップ電動機におけるＵ字形状コアを用いた電磁石ユニットの形態を示す図。
図１９は、本発明のアキシャルギャップ電動機における他の実施形態を示す断面図。
図２０は、本発明に係るアキシャルギャップ電動機のさらに他の実施形態を示すものであって、ロータ側の永久磁石ユニットの磁場方向とステータ側の電磁石ユニットの磁場方向との交差を示す図。
図２１は、本発明に係るアキシャルギャップ電動機の他の実施形態を示す断面図。
図２２は、アキシャル方向に見たロータ部の構成図。
図２３は、アキシャル方向に見たステータ部の構成図。
図２４は、本発明のアキシャルギャップ電動機におけるＣ字形状コアを用いた電磁石ユニットの形態を示す図。
図２５は、ロータ側の永久磁石ユニットの磁場方向とステータ側の電磁石ユニットの磁場方向との交差を示す図。
図２６は、図２４と異なる、ロータ側の永久磁石ユニットの構成を示す図。
図２７は、図２１と異なる、電磁石ユニットにおけるヨークの一例の構成を示す図。
図２８は、図２７のヨークの一部斜視図。
図２９は、図２１と異なる、電磁石ユニットにおけるヨークの他例の構成を示す図。
図３０は、図２９のヨークの一部斜視図。
図３１は、ロータフレームの他の例を示す斜視図。
本発明は、ステータにアキシャルギャップを介して設けられたロータを、電磁反発力を利用して回転させるアキシャルギャップ電動機に関する。
背景技術
アキシャル方向にギャップが存在するアキシャルギャップ電動機が知られている。
また、このようなアキシャルギャップ電動機には、永久磁石ユニットを用い且つブラシレスで構成したものが多く製作されるようになってきている。
かかる電動機は、永久磁石ユニットを用いることで省エネルギーを達成し、ブラシレスを採用することでメンテナンスフリーを実現している。
このような電動機において、一般に、回転トルクは、ロータとステータとの間で生成される回転磁界で得るものが多い。このため、永久磁石ユニットを用いて省エネルギーを図ったとしても、回転磁界を生成する必要がある。このため、この回転磁界の生成に要するエネルギーの節減が、電動機としての省エネルギーの達成のキーとなっている。
発明の開示
本発明の目的は、省エネルギーを達成し得るアキシャルギャップ電動機を提供することにある。
上記目的は、次のようなアキシャルギャップ電動機により達成される。本発明は、ステータフレームと、
このステータフレームに配置された複数の電磁石ユニットと、
前記ステータフレームと所定の距離を存して設けられたロータフレームと、
このロータフレームに設けられるものであって、前記電磁石ユニットと所定のアキシャルギャップを介して対向し、且つ、ラジアル方向に見たとき、前記電磁石ユニットの磁場中心線と所定角度で交差する磁場中心線を有する複数の永久磁石ユニットと、
前記電磁石ユニットと前記永久磁石ユニットとの相対位置を検出するセンサユニットと、
このセンサユニットの出力に基づき、前記電磁石ユニットの磁極と前記永久磁石ユニットの磁極とが略対向する位置から前記永久磁石ユニットが所定角度に至ったことを検出し、該検出角度から所定角度だけ、前記電磁石ユニットの磁極と前記永久磁石ユニットの磁極とが電磁反発するように前記電磁石ユニットに励磁電流を供給する駆動ユニットと
を具備するアキシャルギャップ電動機、である。
本発明によれば、電磁石ユニットの磁場中心線と永久磁石ユニットの磁場中心線とが所定角度で交差するように、電磁石ユニット及び永久磁石ユニットを配置して、電磁石ユニットの磁極と永久磁石ユニットの磁極とが略対向する位置から前記永久磁石ユニットが所定角度に至り、該角度から所定角度だけ電磁石ユニットの磁極と永久磁石ユニットの磁極とが電磁反発するように電磁石ユニットに励磁電流を供給することで、永久磁石ユニット及びロータフレームを回転させることができる。
前述した構成のアキシャルギャップ電動機において、好ましくは、前記駆動ユニットは、θ１１＋θ１２＋θ１３＝３６０°／ロータ極数としたとき、前記θ１１は前記電磁石ユニットと前記永久磁石ユニットとが接近した状態における前記励磁電流の非供給期間、前記θ１２は前記励磁電流の供給期間であって、前記電磁石ユニットの磁場と前記永久磁石ユニットの磁場とが反発するように設定されている、前記θ１３は前記励磁電流の非供給期間となるように、前記検出ユニットの出力に基づき前記電磁石ユニットに励磁電流を供給する手段を具備することができる。
前述した構成のアキシャルギャップ電動機において、好ましくは、前記駆動ユニットは、θ２１＋θ２２＋θ２３＋θ２４＝３６０°／ロータ極数としたとき、前記θ２１は前記電磁石ユニットと前記永久磁石ユニットとが接近した状態における前記励磁電流の非供給期間、前記θ２２は前記励磁電流の供給期間であって電磁反発する期間、前記θ２３は前記励磁電流の非供給期間、前記θ２４は前記励磁電流の供給期間であって電磁吸引する期間となるように、前記検出ユニットの出力に基づき前記電磁石ユニットに励磁電流を供給する手段を具備することができる。
前述した構成のアキシャルギャップ電動機において、好ましくは、前記複数の電磁石ユニット夫々は磁極面を有し、該磁極面はアキシャル方向を向くように設定される得る。
前述した構成のアキシャルギャップ電動機において、好ましくは、前記複数の電磁石ユニット夫々は、周方向に沿って、等間隔、非等間隔又は等間隔と非等間隔とを組み合わせてステータフレームに配置され得る。
前述した構成のアキシャルギャップ電動機において、好ましくは、前記複数の電磁石ユニット夫々は、ラジアル方向に沿って、１段又は２段以上にてステータフレームに配置され得る。
前述した構成のアキシャルギャップ電動機において、好ましくは、前記複数の電磁石ユニット夫々は、Ｉ字形状コア及びＵ字形状コアのうち少なくとも一方と、該コアに巻かれるコイルとを具備することができる。
前述した構成のアキシャルギャップ電動機において、好ましくは、前記複数の電磁石ユニット夫々は、前記ロータフレームの永久磁石ユニットが配置されるギャップを有するＣ字形状のヨークと、このヨークの両端部それぞれに巻かれるコイルとを具備することができる。
前述した構成のアキシャルギャップ電動機において、好ましくは、前記複数の電磁石ユニット夫々は、前記ロータフレームの永久磁石ユニットを挟むように前記ステータフレームの一側に配置される複数のＣ字形状のヨークと、前記ロータフレームの永久磁石ユニットを挟むように前記ステータフレームの他側に配置される複数のＣ字形状のヨークと、これらヨークの両端部それぞれに巻かれるコイルとを具備することができる。
前述した構成のアキシャルギャップ電動機において、好ましくは、前記複数の電磁石ユニット夫々は、前記ロータフレームの永久磁石ユニットを挟むように前記ステータフレームの一側に配置され且つ端部が前記ロータフレームの永久磁石ユニットを臨む第１のヨークと、前記ロータフレームの永久磁石ユニットを挟むように前記ステータフレームの他側に配置され且つ端部が前記ロータフレームの永久磁石ユニットを臨む第２のヨークとを具備することができる。
前述した構成のアキシャルギャップ電動機において、好ましくは、前記ロータフレームは、前記ステータフレームに臨む壁面と、該壁面のラジアル方向に沿って形成され且つ前記永久磁石ユニットを配置する複数の溝とを有することができる。
前述した構成のアキシャルギャップ電動機において、好ましくは、前記複数の永久磁石ユニット夫々は磁極面を有し、該磁極面はアキシャル方向を向くように設定され得る。
前述した構成のアキシャルギャップ電動機において、好ましくは、前記複数の永久磁石ユニット夫々は、周方向に沿って配置され且つ隣り合う磁極が、互いに同極、異極又は同極と異極との組合せとなるように且つ等間隔、非等間隔又は等間隔と非等間隔とを組み合わせてロータフレームに配置され得る。
前述した構成のアキシャルギャップ電動機において、好ましくは、前記複数の永久磁石ユニット夫々は、周方向に沿って配置され且つ隣り合う磁極が、互いに同極、異極又は同極と異極との組合せとなるように且つ１段又は２段以上にてロータフレームに配置され得る。
前述した構成のアキシャルギャップ電動機において、好ましくは、前記複数の永久磁石ユニット夫々は、前記ロータフレームのアキシャル方向に沿う一の壁面と他の壁面とに夫々配置され得る。
前述した構成のアキシャルギャップ電動機において、好ましくは、前記複数の永久磁石ユニット夫々は、前記ロータフレームのアキシャル方向に沿う一の壁面に配置される第１の永久磁石片と、前記ロータフレームのアキシャル方向に沿う他の壁面に配置される第２の永久磁石片と、前記第１の永久磁石片と前記第２の永久磁石片との間に配置される第３の永久磁石片とを具備することができる。
前述した構成のアキシャルギャップ電動機において、好ましくは、前記複数の永久磁石ユニット夫々が設けられる前記ロータフレームは、少なくとも一部がチタン製である。
前述した構成のアキシャルギャップ電動機において、好ましくは、更に、前記ステータフレームにおける前記ロータフレームと反対側に、所定の距離を存して設けられる別のロータフレームと、該ロータフレームに前記永久磁石ユニットと所定のアキシャルギャップを介して設けられる複数の電磁石ユニットとを具備することができる。
前述した構成のアキシャルギャップ電動機において、好ましくは、更に、前記ロータフレームに連結されるシャフトと、
このシャフトを支持するベアリングと、
このベアリングが設けられるベースとを具備することができる。
前述した構成のアキシャルギャップ電動機において、好ましくは、更に、前記ロータフレームに配置されるフライホイールを具備することができる。
前述した構成のアキシャルギャップ電動機において、好ましくは、更に、前記ロータフレームと前記シャフトとを一体及び分離する機構を具備することができる。
前述した構成のアキシャルギャップ電動機において、好ましくは、更に、前記シャフトの回転を変速する変速ギヤを具備することができる。
発明を実施するための最良の態様
以下、本発明の実施の形態を説明する。
図１は本発明に係るアキシャルギャップ電動機の一実施形態を示す断面図である。
本実施形態のアキシャルギャップ電動機は、図１に示すように、ステータとロータとがアキシャルギャップを介して対向配置されており、ロータ側の永久磁石の磁極に、同極のステータ側の電磁石を作用させて電磁反発力を発生させ、この電磁反発力によりロータと、シャフトとを回転させる電動機である。
本実施形態のアキシャルギャップ電動機は、シャフト１４と、ベース１０に設けられたステータフレーム１２と、このステータフレーム１２に配置された複数の電磁石ユニット１９と、シャフト１４及びベース１０に設けられたベアリング１１Ａ，１１Ｂと、ステータフレーム１２に対向しつつ回転するように、シャフト１４のアキシャル方向３００の中間部に設けられたロータフレーム１３と、このロータフレーム１３に設けられた複数の永久磁石ユニット１８とを有する。ここに、永久磁石ユニット１８と電磁石ユニット１９とは、所定のアキシャルギャップを介して対向している。
また本実施形態のアキシャルギャップ電動機は、電磁石ユニット１９と永久磁石ユニット１８との相対位置を検出するロータリエンコーダ１７と、このロータリエンコーダ１７の出力に基づき電磁石ユニット１９に励磁電流を供給する駆動ユニット２２とを具備する。
かかる構成の下、ステータ側の電磁石ユニット１９の磁極中心を通る磁場中心線と、ロータ側の永久磁石ユニット１８の磁極中心を通る磁場中心線とが例えば５０度で交差している。
以下、図１乃至図４を参照して本実施形態のアキシャルギャップ電動機を詳細に説明する。
図１及び図２に示すように、本実施形態のアキシャルギャップ電動機は、ベース１０を有する。ベース１０は、第１壁板１０Ａと、この第１壁板１０Ａに離間し且つ向かい合う第２壁板１０Ｂと、第１壁板１０Ａ及び第２壁板１０Ｂ夫々の一端部を連結する底板１０Ｃとからなる。
このベース１０は、鋳物による一体物又は、板状の第１壁板１０Ａ、第２壁板１０Ｂ及び底板１０Ｃを夫々製作し、溶接又はネジにより三者を組み立てることにより、製作され得る。
ベース１０の第１壁板１０Ａ及び第２壁板１０Ｂ夫々の他端部には、ベアリング１１Ａ，１１Ｂの静止部が固定されている。
ステータフレーム１２は、図３に示すように、穴１６を有する。ステータフレーム１２は、鋳物による一体物又は板材の加工等により製作され得る。
第１壁板１０Ａに設けたベアリング１１Ａの回転部と、第２壁板１０Ｂに設けたベアリング１１Ｂの回転部とには、シャフト１４が挿通されている。シャフト１４のアキシャル方向３００の中間部には、図４に示すロータフレーム１３が嵌入されている。
また、ロータフレーム１３とシャフト１４とには、ビス２０が嵌め込まれ、ロータフレーム１３をシャフト１４に固定している。
これにより、ステータフレーム１２に対向するようにロータフレーム１３が設けられた構造となっている。
このシャフト１４の一端部は、この電動機の出力軸であり、他端部にはセンサユニットであるロータリエンコーダ１７の円盤１７Ａが嵌め込まれている。ロータリエンコーダ１７の検出部１７Ｂは、ステータフレーム１２に設けられている。
ロータリエンコーダ１７は、円盤１７Ａに形成されたスリットや光反射部材等を、検出部１７Ｂに内蔵された光送受信素子により検出し、リード線１７Ｃに電気信号を出力する。
このようにロータリエンコーダ１７は、永久磁石ユニット１８と電磁石ユニット１９との相対位置を検出することができ、具体的には、ロータフレーム１３の回転位置、ひいてはロータフレーム１３に設けられた永久磁石ユニット１８（１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ及び１８Ｄ）の磁極の相対位置を検出する。
なお、本例における永久磁石ユニット１８は、周方向３０２及びラジアル方向３０１に沿って配置され且つ隣り合う磁極が互いに異極となるようにロータフレーム１３に配置されている。
なお、センサユニットとしては、上述した光学式ロータリエンコーダのほかに、磁気を用いた例えばホール素子等により、永久磁石ユニット１８と電磁石ユニット１９との相対位置を検出することができる。
ロータフレーム１３は、図４に示すように、円盤状をなしている。ロータフレーム１３は、鋳物による一体物又は、板材の加工等により製作され得る。
ロータフレーム１３のステータフレーム１２に対向する側には、周方向に３６０°／４＝９０°間隔でラジアル方向３０１に永久磁石ユニット１８を取り付けるための溝１５が形成されている。
従って、図４に示すように、溝１５は周方向３０２且つラジアル方向３０１に沿って４ヶ所形成されている。
永久磁石ユニット１８は、溝１５内に配置されるが、その固定法は、ビス止め機構、ネジ止め機構や樹脂による固定等、各種の固定法を採用することができる。
また、ロータフレーム１３に形成される溝１５の形状を工夫することにより、永久磁石ユニット１８の飛び出しを抑制することができる。
この場合、溝１５内における永久磁石ユニット１８の向きを変えることができる機構を付設することにより、永久磁石ユニット１８の向きを適宜変えて、本実施形態の電動機における電磁反発力が効果的に作用する位置を選定することができる。
また、形状が異なる永久磁石ユニット１８を溝１５内に配置することにより、本実施形態の電動機における電磁反発力が効果的に作用する条件を設定することができる。
また、ロータフレーム１３には、フライホイール２１が取り付けられている。このフライホイール２１は、円滑な回転に寄与する機能を有するものであり、必要に応じて設置することができる。もっとも、極数が小さい場合は円滑な回転を得るために、設置することが好ましい。
ステータフレーム１２には、電磁石ユニット１９（１９Ａ、１９Ｂ、１９Ｃ及び１９Ｄ）が設置され、これらのリード線１９Ｅは、ベース１０の外部に導出されている。
一方、図５に示すように、電磁石ユニット１９の磁場中心線２００と永久磁石ユニット１８の磁場中心線２０１とは、角度θで交差している。
この例の場合、電磁石ユニット１９の磁場中心線は、シャフト１４のアキシャル方向に一致している。なお、θは、永久磁石ユニット１８の磁場と電磁石ユニット１９の磁場とが効果的に反発し合う位置であり、発明者らは、θを例えば５０°としている。
従って、通常のアキシャルギャップ電動機では、ロータ側磁極とステータ側の磁極とが対向しているが、本実施形態ではロータ側磁極とステータ側の磁極とが非対向となっていることが特徴である。
次に、図６乃至図９を参照して本実施形態のアキシャルギャップ電動機の電気システムについて説明する。
図６は、本実施形態のアキシャルギャップ電動機の電気回路図であり、電磁石ユニット１９は、駆動ユニット２２のスイッチング部２２Ａから出力される励磁電流により駆動される。
スイッチング部２２Ａは、制御部２２Ｂからのスイッチング制御信号によりスイッチング制御される。制御部２２Ｂは、ロータリエンコーダ１７からの信号を入力する。
スイッチング部２２Ａは、交流電源２３を入力して直流を生成し、該直流を半導体スイッチング素子によりスイッチング又はチョッピングすることで、電磁石ユニット１９に与える励磁電流を生成する。
この励磁電流は、（３６０°／ロータ極数）×２の周期のパルス波形であり、各電磁石ユニットそれぞれに供給される。
また、電磁石ユニット１９は４ヶ設けてあり、図７のようにコイルが接続されている。
駆動ユニット２２は、ロータリエンコーダ１７の出力に基づき、電磁石ユニット１９の磁極と永久磁石ユニット１８の磁極とが略対向する位置から永久磁石ユニット１８が角度θ１に至ったことを検出し、該角θ１から角度θ２だけ、電磁石ユニット１９の磁極と永久磁石ユニット１８の磁極とが電磁反発するように電磁石ユニット１９に励磁電流を供給する構成である。
さらに具体的に説明すると、図８に示すように、駆動ユニット２２は、θ１１＋θ１２＋θ１３＝３６０°／周方向のロータ極数（本例の場合は極数は４）としたとき、θ１１は電磁石ユニット１９と永久磁石ユニット１８とが接近した状態における励磁電流の非供給期間、θ１２は励磁電流の供給期間であって電磁石ユニット１９の磁場と永久磁石ユニット１８の磁場とが反発するように設定されている、θ１３は励磁電流の非供給期間となるように、ロータリエンコーダ１７の出力に基づき電磁石ユニット１９に励磁電流を供給する構成である。
図８に示す励磁法を、ロータ側が一定方向に３６０°／ロータ極数４＝９０°回転する経緯を説明する。
図８において、ロータ側の永久磁石ユニット１８と、ステータ側の電磁石ユニット１９とが最接近した位置、つまりロータ側の永久磁石ユニット１８の磁場中心と、ステータ側の電磁石ユニット１９の磁場中心とが最接近した位置を０°とする。
このときをθ１１の始点とすると、θ１１の始点から終点までは、電磁石ユニット１９に励磁電流は供給されない。従って、永久磁石ユニット１８の磁力だけで、電磁石ユニット１９の磁性材であるコアを吸引するだけである。
次に、ロータ側の永久磁石ユニット１８と、ステータ側の電磁石ユニット１９とがθ１１の終点、つまりθ１２の始点から終点まで期間では、電磁石ユニット１９に励磁電流が供給される。
この場合、永久磁石ユニット１８がＳ極であると、電磁石ユニット１９もＳ極となるように、励磁電流及び電磁石ユニット１９のコイル巻回方向が設定されている。従って、永久磁石ユニット１８と電磁石ユニット１９とが共にＳ極であることによる電磁反発力は、前記非励磁時の吸引力に打ち勝って、永久磁石ユニット１８及びロータフレーム１３を一定方向に回転させる。
次に、ロータ側の永久磁石ユニット１８と、ステータ側の電磁石ユニット１９とがθ１２の終点、つまりθ１３の始点から終点までの期間では、電磁石ユニット１９に励磁電流は供給されない。この期間は、フライホイール２１の慣性力等により、永久磁石ユニット１８及びロータフレーム１３を一定方向に回転させる。
以上の励磁法を、ロータ側が９０°回転する毎に、その極性を反転させて各電磁石ユニット１９に適用することにより、永久磁石ユニット１８及びロータフレーム１３を連続的に一定方向に回転させることが可能となる。
なお、図８に示す励磁法では、θ１１は例えば略２０°、θ１２は例えば略２０°、θ１３は例えば略５０°である。ここで、励磁電流の供給期間θ１２による電磁石ユニット１９の磁場と永久磁石ユニット１８の磁場とによる電磁反発力が、ロータフレーム１３を回転させる力となる。
図９は、電磁石ユニット１９Ａと、１９Ｂと、１９Ｃと、１９Ｄへの励磁電流を示したものであり、電磁石ユニット１９夫々に、３６０°／周方向のロータ極数（本例の場合は極数は４）の一部の期間θ１２だけ励磁電流を流すだけで、ロータフレーム１３を電磁反発力により回転させることができる。しかも、ロータ側は永久磁石ユニットであることから、エネルギーを大きく節減している。
次に、図１０を参照して図８と異なる電磁石ユニット１９の励磁について説明する。図８では、電磁石ユニット１９の磁場と永久磁石ユニット１８の磁場とが電磁反発してロータフレーム１３を回転させるように、電磁石ユニット１９を励磁するものであった。
これに対し、図１０においては、電磁反発力と電磁吸引力とをロータフレーム１３の回転に用いる。すなわち、θ２１＋θ２２＋θ２３＋θ２４＝３６０°／周方向のロータ極数としたとき、θ２１は電磁石ユニット１９と永久磁石ユニット１８とが接近した状態における励磁電流の非供給期間、θ２２は励磁電流の供給期間として電磁反発が発生する期間、θ２３は励磁電流の非供給期間、θ２４は励磁電流の供給期間として電磁吸引が発生する期間となるように、ロータリエンコーダ１７の出力に基づき電磁石ユニット１９に励磁電流を供給する構成である。
図１０に示す励磁法を、ロータ側が一定方向に３６０°／ロータ極数４＝９０°回転する経緯を説明する。この励磁法が適用される電動機は、周方向に隣り合う永久磁石ユニット１８がＳ極、Ｎ極というように異極となっている。
図１０において、ロータ側の永久磁石ユニット１８と、ステータ側の電磁石ユニット１９とが最接近した位置、つまりロータ側の永久磁石ユニット１８の磁場中心と、ステータ側の電磁石ユニット１９の磁場中心とが最接近した位置を０°とする。このときをθ２１の始点とすると、θ２１の始点から終点までは、電磁石ユニット１９に励磁電流は供給されない。従って、永久磁石ユニット１８の磁力だけで、電磁石ユニット１９の磁性材であるコアを吸引するだけである。
次に、ロータ側の永久磁石ユニット１８と、ステータ側の電磁石ユニット１９とがθ２１の終点、つまりθ２２の始点から終点までの期間では、電磁石ユニット１９に励磁電流が供給される。
この場合、永久磁石ユニット１８がＳ極であると、電磁石ユニット１９もＳ極となるように、励磁電流及び電磁石ユニット１９のコイル巻回方向が設定されている。
従って、永久磁石ユニット１８と電磁石ユニット１９とが共にＳ極であることによる電磁反発力は、前記非励磁時の吸引力に打ちかって、永久磁石ユニット１８及びロータフレーム１３を一定方向に回転させる。
次に、ロータ側の永久磁石ユニット１８と、ステータ側の電磁石ユニット１９とがθ２２の終点、つまりθ２３の始点から終点までの期間では、電磁石ユニット１９に励磁電流は供給されない。この期間は、フライホイール２１の慣性力等により、永久磁石ユニット１８及びロータフレーム１３を一定方向に回転させる。
次に、ロータ側の永久磁石ユニット１８と、ステータ側の電磁石ユニット１９とがθ２３の終点、つまりθ２４の始点から終点まで期間では、電磁石ユニット１９に励磁電流を供給する。
この期間は、次の永久磁石ユニット１８と電磁石ユニット１９とがＳ極，Ｎ極であることによる電磁吸引力が、永久磁石ユニット１８に作用し、永久磁石ユニット１８及びロータフレーム１３を一定方向に回転させる。
以上の励磁法を、極性を９０°毎に反転させて各電磁石ユニット１９に適用することにより、永久磁石ユニット１８及びロータフレーム１３を連続的に一定方向に回転させることが可能となる。
この励磁法によれば、電磁石ユニット１９夫々に、電磁反発に寄与する期間θ２２と、電磁吸引に寄与する期間θ２４だけ励磁電流を流すだけで、ロータフレーム１３を電磁反発力及び電磁吸引により回転させることができる。
図１０に示す励磁法では、θ２１は例えば略２０°、θ２２は例えば略２０°、θ２３は例えば略３０°、θ２４は例えば略２０°である。
本発明において、複数の電磁石ユニット夫々は、ラジアル方向に沿って、１段又は２段以上にてステータフレームに配置される。
次に、上述した例で用いることができる電磁石ユニットの周方向配置の例を説明する。すなわち、本発明において、複数の電磁石ユニット夫々は、周方向に沿って、等間隔、非等間隔又は等間隔と非等間隔とを組み合わせてステータフレームに配置される。
次に、永久磁石ユニットの周方向配置の例を説明する。
本発明において、複数の永久磁石ユニット夫々は、周方向に沿って配置され且つ隣り合う磁極が、互いに同極、異極又は同極と異極との組合せとなるように且つ等間隔、非等間隔又は等間隔と非等間隔とを組み合わせてロータフレームに配置される。
また、複数の永久磁石ユニット夫々は、周方向に沿って配置され且つ隣り合う磁極が、互いに同極、異極又は同極と異極との組合せとなるように且つラジアル方向に１段又は２段以上にてロータフレームに配置される。
次に、図１１を参照して、先の例と異なるステータの構造を説明する。図１１に示すように、この例では、ステータフレーム１２に、ラジアル方向に１段であって、周方向に１２０°間隔で電磁石ユニット１９Ａ、１９Ｂ、１９Ｃを配置している。
このような、ステータ構造を採用した場合、図８〜図１０とは異なり、ステータに関し、１２０°毎に、励磁電流の非供給期間、供給期間、非供給期間等を設定することになる。
次に、図１２を参照して、先の例と異なるロータの構造を説明する。図１２に示すように、この例では、ロータフレーム１３に、永久磁石ユニット１８（１８Ａ，１８Ｂ）を周方向に沿って１８０°間隔で溝１５内に配置し、且つ隣り合う磁極が互いに異極となるようにしている。
このような、ロータ構造を採用した場合、図８〜図１０とは異なり、ロータに関し１８０°毎に、励磁電流の非供給期間、供給期間、非供給期間等を設定することになる。
次に、図１３を参照して、先の例と異なるステータの構造を説明する。図１３に示すように、この例では、ステータフレーム１２に、ラジアル方向に２段であって、周方向に９０°間隔で電磁石ユニット１９（１９Ａ、１９Ｂ、１９Ｃ，１９Ｄ、１９Ｅ、１９Ｆ，１９Ｇ、１９Ｈ）を配置している。
ここで、電磁石ユニット１９Ａと１９Ｅとの対、電磁石ユニット１９Ｂと１９Ｆとの対、電磁石ユニット１９Ｃと１９Ｇとの対、電磁石ユニット１９Ｄと１９Ｈとの対を、図３における電磁石ユニット１９Ａ，１９Ｂ、１９Ｃ、１９Ｄとに対応させると、図８〜図１０と同様に、ステータに関し、９０°毎に、励磁電流の非供給期間、供給期間、非供給期間等を設定することになる。
もちろん、上述した電磁石ユニットの対を設定しない場合は、図８〜図１０と異なる、ステータに関し、９０°毎に、励磁電流の非供給期間、供給期間、非供給期間等を設定することになる。
次に、図１４を参照して、先の例と異なるロータの構造を説明する。図１４に示すように、この例では、ロータフレーム１３に、ラジアル方向に２段であって、永久磁石ユニッ１８（１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ，１８Ｄ、１８Ｅ、１８Ｆ，１８Ｇ、１８Ｈ）を周方向に沿って９０°間隔で溝１５内に配置し、且つ隣り合う磁極が互いに異極となるようにしている。
ここで、永久磁石ユニット１８Ａと１８Ｅとの対、永久磁石ユニット１８Ｂと１８Ｆとの対、永久磁石ユニット１８Ｃと１８Ｇとの対、永久磁石ユニット１８Ｄと１８Ｈとの対を、図３における永久磁石ユニット１８Ａ，１８Ｂ、１８Ｃ、１８Ｄとに対応させると、図８〜図１０と同様に、ロータに関し、９０°毎に、励磁電流の非供給期間、供給期間、非供給期間等を設定することになる。もちろん、上述した電磁石ユニットの対を設定しない場合は、図８〜図１０と異なる、ロータに関し、９０°毎に、励磁電流の非供給期間、供給期間、非供給期間等を設定することになる。
次に、図１と異なる本発明に係るアキシャルギャップ電動機の実施形態を、図１と同一部分には同一符号を付した図１５及び図１６を参照して説明する。
図１５に示すように、本実施形態のアキシャルギャップ電動機は、ベース１０を有する。ベース１０は、第１壁板１０Ａと、この第１壁板１０Ａに離間し且つ向かい合う第２壁板１０Ｂと、第１壁板１０Ａ及び第２壁板１０Ｂ夫々の一端部を連結する底板１０Ｃとからなる。
このベース１０は、鋳物による一体物又は、板状の第１壁板１０Ａ、第２壁板１０Ｂ及び底板１０Ｃを夫々製作し、溶接又はネジにより三者を組み立てることにより、製作され得る。
ベース１０の第１壁板１０Ａ及び第２壁板１０Ｂ夫々の他端部には、ベアリング１１Ａ，１１Ｂの静止部が固定されている。
ステータフレーム１２′は、図１６に示すように、中心にシャフト１４を通す穴１６と、４つの電磁石ユニット１０１を組み込む４つの穴１６Ａを有する。この４つの穴１６Ａは、ステータフレーム１２′上に、ラジアル方向に一段で、周方向に９０°間隔で形成されている。ステータフレーム１２′は、鋳物による一体物又は板材の加工等により製作され得る。なお、ステータフレーム１２′は、ロータフレーム１３とロータフレーム１３′との間に位置することになる。
電磁石ユニット１０１は、図１７Ｂに示すものを採用することができ、Ｉ字形状コア１１１にコイル１２０を巻装したものであり、Ｉ字形状コア１１１の両端を磁極として用いている。
第１壁板１０Ａに設けたベアリング１１Ａの回転部と、第２壁板１０Ｂに設けたベアリング１１Ｂの回転部とには、シャフト１４が挿通されている。
シャフト１４のアキシャル方向３００であって、ステータフレーム１２′を中間にして、図４に示すロータフレーム１３と、該ロータフレーム１３と同様のロータフレーム１３′が嵌入されている。また、ロータフレーム１３，１３′とシャフト１４とには、ビス２０，２０′が嵌め込まれ、ロータフレーム１３，１３′をシャフト１４に固定している。
これにより、ステータフレーム１２に対向するようにアキシャルギャップを介してロータフレーム１３，１３′が設けられた構造となっている。
このシャフト１４の一端部は、図１と同様に電動機の出力軸であり、他端部にはセンサユニットであるロータリエンコーダ１７が設けられている。
ロータリエンコーダ１７は、ロータフレーム１３の永久磁石ユニット１８及びロータフレーム１３′の永久磁石ユニットと、電磁石ユニット１９との相対位置を検出することができ、具体的には、ロータフレーム１３，１３′の回転位置、ひいてはロータフレーム１３，１３′に設けられた永久磁石ユニット１８の磁極の相対位置を検出する。
なお、本例におけるロータフレーム１３，１３′に設けられる永久磁石ユニット１８は、周方向３０２及びラジアル方向３０１に沿って配置され且つ隣り合う磁極が互いに異極となるようにロータフレーム１３，１３′に配置されている。
また、ロータフレーム１３，１３′には、フライホイール２１，２１′が取り付けられている。このフライホイール２１，２１′は、円滑な回転に寄与する機能を有するものであり、必要に応じて設置することができる。もっとも、極数が小さい場合は円滑な回転を得るために、設置することが好ましい。
電磁石ユニット１９の磁場中心線２００と永久磁石ユニット１８の磁場中心線２０１とは、角度θで交差している。
この例の場合、電磁石ユニット１９の磁場中心線は、シャフト１４のアキシャル方向に一致している。なお、θは、永久磁石ユニット１８の磁場と電磁石ユニット１９の磁場とが効果的に反発し合う位置であり、発明者らは、θを例えば５０°としている。これについては図１の例と同様である。
以上の通り、本実施形態ではロータ側磁極とステータ側の磁極とが非対向であり、また一つのステータを中間に置いて２つのロータが対向配置されることになり、ステータの電磁石ユニット１９と２つのロータの永久磁石とにより、効率的に電磁力がロータに作用させることができ、高効率の電動機とすることが可能となる。
次に、図１７Ａ〜図１７Ｅ及び図１８Ａ及び図１８Ｂを参照して上述した例で用いることができる電磁石ユニットについて詳細に説明する。
図１７Ａに示す電磁石ユニット１００は、Ｉ字形状コア１１０にコイル１２０を巻装したものであり、Ｉ字形状コア１１０の一端を磁極として用いている。この電磁石ユニット１００は、図１の構成に適用できる。
図１７Ｂに示す電磁石ユニット１０１は、Ｉ字形状コア１１１にコイル１２０を巻装したものであり、Ｉ字形状コア１１１の両端を磁極として用いている。この電磁石ユニット１０１は、図１５の構成に適用できる。
図１７Ｃに示す電磁石ユニット１０２は、２つのＩ字形状コア１１０にコイル１２０を巻装したものであり、２つのＩ字形状コア１１０夫々の一端を磁極として用い且つ両磁極が反対向きとなるようにしている。
図１７Ｄに示す電磁石ユニット１０３は、２つのＩ字形状コア１１０にコイル１２０を巻装したものであり、２つのＩ字形状コア１１０夫々の一端を磁極として用い且つ両磁極が同じ向きとなるようにしている。
図１７Ｅに示す電磁石ユニット１０４は、２つのＩ字形状コア１１１にコイル１２０を巻装したものであり、２つのＩ字形状コア１１１夫々の両端を磁極として用いている。
図１８Ａに示す電磁石ユニット１０５は、Ｕ字形状コア１１２にコイル１２０を巻装し、Ｕ字形状コア１１２の両端を磁極として用いている。
図１８Ｂに示す電磁石ユニット１０６は、２つのＵ字形状コア１１２にコイル１２０を巻装し、２つのＵ字形状コア１１２夫々の両端を磁極として用いている。
図１９は、図１のシャフト１４の出力軸に、変速機２４を設けて、シャフト１４の出力よりもトルク上昇を図った出力を得るようにしたものである。
このような構成の本実施形態のアキシャルギャップ電動機によれば、ロータフレーム１３の回転と、変速機２４の出力軸２４Ａの回転とによる２系統の回転を得ることができる。
この場合、例えば、ロータフレーム１３の外側にフィンを設けると、ロータフレーム１３による高速、低トルクのファン機構と、変速機２４の出力軸２４Ａによる低速、高トルクの回転機構とを得ることができる。
以上の構成では、ステータ側の電磁石ユニット１９の磁極中心を通る磁場中心線と、ロータ側の永久磁石ユニット１８の磁極中心を通る磁場中心線とが例えば５０度で交差しており、より具体的には、ステータ側の電磁石ユニット１９の磁極中心を通る磁場中心線は、シャフト１４のアキシャル方向に沿っている。
次に、図２０を参照して、ロータ側の永久磁石ユニット１８の磁極中心を通る磁場中心線が、シャフト１４のアキシャル方向に沿っている例を説明する。
図２０に示すように、ロータフレーム１３に溝１５′が形成され、該溝１５′に永久磁石ユニット１８が組み込まれている。この永久磁石ユニット１８磁極中心を通る磁場中心線２０１は、シャフト１４のアキシャル方向に沿っている。
ステータ側の電磁石ユニット１９の磁極中心を通る磁場中心線２００が、永久磁石ユニット１８磁極中心を通る磁場中心線２０１に例えば５０度で交差するように、電磁石ユニット１９をステータフレームに取り付ける構成としている。
このような構成は、図１〜図１９に示した電動機の構成に適用することができ、図１〜図１９に示した電動機と同様の作用効果を発揮するものとなる。
次に、図１，図１５，図１９と異なる本発明に係るアキシャルギャップ電動機の実施形態を、図２１〜図２５を参照して説明する。
図２１は、本発明に係わるアキシャルギャップ電動機の他の実施形態を示す断面図である。
本実施形態のアキシャルギャップ電動機は、ベース４１０を有する。ベース４１０は、第１壁板４１０Ａと、この第１壁板４１０Ａに離間し且つ向かい合うよう第２壁板４１０Ｂと、さらに第１壁板４１０Ａと第２壁板４１０Ｂとの間に第１壁板４１０Ａに向かい合うよう第３壁板４１０Ｃと、第２壁板４１０Ｂに向かい合うように第４壁板４１０Ｄと、第１壁板４１０Ａ、第２壁板４１０Ｂ、第３壁板４１０Ｃ及び第４壁板４１０Ｄ夫々の一端部を連結する底板４１０Ｅとからなる。
このベース４１０は、鋳物による一体ものまたは板状の第１壁板４１０Ａ、第２壁板４１０Ｂ、第３壁板４１０Ｃ、第４壁板４１０Ｄ及び底板４１０Ｅを夫々製作し、溶接又はネジにより五者を組み立てることにより、製作され得る。
ベース４１０の第１壁板４１０Ａ及び第２壁板４１０Ｂ夫々の他端部には、ベアリング４１１Ａ、４１１Ｂの静止部が固定されている。また、第３壁板４１０Ｃ及び第４壁板４１０Ｄには、シャフト４１４を挿通するための孔が設けられている。
第３壁板４１０Ｃと第４壁板４１０Ｄとの間には、ステータフレーム４１２がビス等により固定されている。ステータフレーム４１２は、詳細は図２４で詳述する電磁石ユニット４１８のヨーク４１９を支持する支持部４１２Ａと、中心にシャフト４１４を通すための孔が空いた端板４１２Ｂ、４１２Ｃとからなり、鋳物による一体物または、支持部４１２Ａ及び端板４１２Ｂ、４１２Ｃを夫々製作し、溶接又はネジにより三者を組み立てることにより、製作され得る。
図２１に示すように、第１壁板４１０Ａに設けられたベアリング４１１Ａの回転部及び第２壁板４１０Ｂに設けられたベアリング４１１Ｂの回転部にシャフト４１４が設けられている。このシャフト４１４は、第３壁板４１０Ｃ、第４壁板４１０Ｄ及びステーターフレーム４１２の端板４１２Ｂ、４１２Ｃの孔に挿通されている。
また、図２１に示すように、シャフト４１４における第３壁板４１０Ｃと第４壁板４１０Ｄとの間には、図２１には表れていない永久磁石ユニット４１６を組み込んだローターフレーム４１３が固定具４１４Ａにより固定されている。このローターフレーム４１３の全部又は一部は、非磁性特性を顕著に示すチタン材で製作することができる。チタン材のローターフレーム４１３であると、永久磁石ユニット４１６の磁力線は、漏洩が少なくして効果的に電磁石ユニット４１８に作用することになり、回転力の発生に大きく寄与する。
このシャフト４１４の一端部は、この電動機の出力軸であり、他端部にはセンサユニットであるロータリーエンコーダー４１７の円盤４１７Ａが嵌め込まれている。
ロータリーエンコーダー４１７の検出部４１７Ｂは、第１壁板４１０Ａに設けられている。ロータリーエンコーダー４１７は、電磁石ユニット４１８と永久磁石ユニット４１６のとの相対位置を検出するものであり、円盤４１７Ａに形成されたスリットや光反射部材等を、検出部４１７Ｂに内蔵された光送受信素子により検出し、リード線４１７Ｃにより電気信号を出力する。なお、センサユニットとしては、上述した光学式ロータリーエンコーダーの他に、磁気を用いた例えばホール素子等により、永久磁石ユニット４１６と電磁石ユニット４１８との相対位置を検出することができる。
本実施形態の永久磁石ユニット４１６は、ロータフレーム４１３における電磁石ユニット４１８に対向する各面それぞれに周方向に３６０°／４＝９０°間隔で４つ設けてあり、具体的にはロータフレーム４１３の一面を示す図２２に示すように、ロータフレーム４１３の一面に溝４１５を形成し、該溝４１５に例えば菱形状の永久磁石片を組み込んでいる。
なお、本例における永久磁石ユニット４１６は、両面で隣り合う磁極、各面で隣り合う磁極が互いに同極又は異極となるようにローターフレーム４１３に配置されている。
永久磁石ユニット４１６は、溝４１５内に配置されるが、その固定方法は、ビス止め機構、ネジ止め機構や樹脂による固定等、各種の固定法を採用することができる。
また、ローターフレーム４１３に形成される溝４１５の形状を、永久磁石ユニット４１６を完全に埋め込まれるように形成することで、永久磁石ユニット４１６の飛び出しを抑制することができる。
この場合、溝４１５内における永久磁石ユニット４１６の向きを変えることができる機構を付設することにより、永久磁石ユニット４１６の向きを適宜変えて、本実施形態の電動機における電磁反発力が効果的に作用する位置を選定することができる。
また、形状が異なる永久磁石ユニット４１６を溝４１５内に配置することにより、本実施形態の電動機における電磁反発力が効果的に作用する条件を設定することができる。
本実施形態の電磁石ユニット４１８は、ステータフレーム４１２に周方向に３６０°／４＝９０°間隔で４つ設けてあり、具体的にはステータフレーム４１２の一面を示す図２３のように、４つの電磁石ユニット４１８の磁極が、ロータフレーム４１３の永久磁石ユニット４１６に対向するように配置されている。また、図２１及び図２４に示すように、電磁石ユニット４１８は、永久磁石ユニット４１６が配置されるギャップを有するＣ字形状のヨーク４１９と、このヨーク４１９の両端部それぞれに巻かれるコイル４２０とを有する。
次に、図２５を参照し、ロータ側の永久磁石ユニット４１６と、ステータ側の電磁石ユニット４１８との位置関係を説明する。図２５に示すように、ロータフレーム４１３の両面に設けた永久磁石ユニット４１６の磁場中心線と、電磁石ユニット４１８の磁場中心線とは、角度θで交差している。
この例の場合、電磁石ユニット４１８Ａ１及び４１８Ａ２の磁場中心線は、シャフト４１４のアキシャル方向に一致している。なお、θは永久磁石ユニット４１６の磁場と電磁石ユニット４１８の磁場とが効果的に反発しあう位置であり、発明者らは、θを例えば５０°としている。
上記のように構成された本実施形態のアキシャルギャップ電動機において、付設される電気回路は、図６と同様であり、また電磁石ユニット４１８に与える励磁電流も同様である。この励磁電流は、（３６０°／ロータ極数）の周期のパルス波形であり、各電磁石ユニット夫々に供給される。
本実施形態のアキシャルギャップ電動機によれば、電磁石ユニット４１８の磁場中心線と永久磁石ユニット４１６の磁場中心線とが角度θで交差するように、電磁石ユニット４１８及び永久磁石ユニット４１６を配置して、電磁石ユニット４１８の磁極と永久磁石ユニット４１６の磁極とが略対向する位置から永久磁石ユニット４１６が所定角度に至り、該角度から所定角度だけ電磁石ユニット４１８の磁極と永久磁石ユニット４１６の磁極とが電磁反発するように電磁石ユニット４１６に励磁電流を供給することで、ロータフレーム４１３を回転させることができる。
また、永久磁石ユニット４１６を設けたロータフレーム４１３を、対向する２つの磁極を有する電磁石ユニット４１８のギャップに配置する構成としていることにより、永久磁石ユニット４１６の磁力と電磁石ユニット４１８の磁力とが効果的に反発することになり、高効率の電動機となり得る。
次に、図２５と同一部分には、同一符号を付した図２６を参照してロータ部の変形例を説明する。図２６では、アキシャル方向にも永久磁石片４２１を配置することができる溝４１５′をロータフレーム４１３に形成している。
この永久磁石片４２１と、ロータフレーム４１３の両面の永久磁石ユニット４１６とにより磁路が形成されることから、ロータフレーム４１３の磁力を、ステータ側の電磁石ユニット４１８に効果的に作用させることが可能となり、高効率の電動機となり得る。
次に、図２７〜図３０を参照して別の電磁石ユニットの例を説明する。
図２７及び図２８に示す電磁石ユニットは、ロータフレーム４１３の一面に、コイル４２０を巻いた磁極が対向するように２つのＣ字形状ヨーク４２２，４２３を設けると共に、ロータフレーム４１３の他面にコイル４２０を巻いた磁極が対向するように２つのＣ字形状ヨーク４２２，４２３を設けた構成である。
図２９及び図３０に示す電磁石ユニットは、ロータフレーム４１３の一面に、コイル４２０を巻いた４つの磁極が対向するようにヨーク４２４を設けると共に、コイル４２０を巻いた４つの磁極が対向するようにヨーク４２４を設けた構成である。
これらの電磁石ユニットによれば、漏洩磁気が少ない磁気回路を構成することができ、高効率の電動機となり得る。
次に、図３１を参照して別のロータフレーム４２５及び永久磁石ユニット４２６の例を説明する。
図３１に示すように、ロータフレーム４２５は、ロータバー４２５Ａの中心に図示しないシャフトを通す孔４２５が形成され、ロータバー４２５Ａの両端部それぞれに、間隙を介して対向した脚４２５Ｂ，４２５ＣからなるＵ字形状部が設けられている。脚４２５Ｂ，４２５Ｃにおける図示しない電磁ユニットと対向する面には溝４２５Ｅが形成され、該溝４２５Ｅそれぞれには永久磁石ユニット４２６が取り付けられている。
なお、図３１における電磁ユニットと永久磁石ユニット４２６との固定関係は図２５及び図２６と同様であり、また溝４２５Ｅの形状は永久磁石ユニット４２６に応じて各種のものを採用することができ、さらに溝４２５Ｅへの永久磁石ユニット４２６の固定方法については、ビス止め機構、ネジ止め機構や樹脂による固定等、各種の固定法を採用することができる。
このよう構成のロータフレーム４２５によると、２極ロータとして軽量化を図ることが可能となる。
なお、本願発明は、上記図示し且つ説明した実施形態に限定されるものでなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。
また、ロータ側の永久磁石ユニットに関し、周方向及びラジアル方向の極数及び極配列は、ステータ側の極数等を考慮して適宜選定できる。
同様に、ステータ側の電磁石ユニットに関し、周方向及びラジアル方向の極数及び極配列は、ロータ側の極数等を考慮して適宜選定できる。
また、永久磁石ユニット及び電磁石ユニットは、各種の形態及び形状を採用することができ、コイルの結線形態も本発明の電磁反発力及び吸引力が機能するように適宜選定できるものである。
さらに、上記図示し且つ説明した実施形態は可能な限り適宜組み合わせて実施してもよく、その場合、組み合わされた効果が得られる。
さらに、上記各実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成用件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。
例えば実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が省略されることで発明が抽出された場合には、その抽出された発明を実施する場合には省略部分が周知慣用技術で適宜補われるものである。
産業上の利用の可能性
以上述べたように、本発明は、ステータフレームと、
このステータフレームに配置された複数の電磁石ユニットと、
前記ステータフレームと所定の距離を存して設けられたロータフレームと、
このロータフレームに設けられるものであって、前記電磁石ユニットと所定のアキシャルギャップを介して対向し、且つ、ラジアル方向に見たとき、前記電磁石ユニットの磁場中心線と所定角度で交差する磁場中心線を有する複数の永久磁石ユニットと、
前記電磁石ユニットと前記永久磁石ユニットとの相対位置を検出するセンサユニットと、
このセンサユニットの出力に基づき、前記電磁石ユニットの磁極と前記永久磁石ユニットの磁極とが略対向する位置から前記永久磁石ユニットが所定角度に至ったことを検出し、該検出角度から所定角度だけ、前記電磁石ユニットの磁極と前記永久磁石ユニットの磁極とが電磁反発するように前記電磁石ユニットに励磁電流を供給する駆動ユニットと
を具備するアキシャルギャップ電動機である。
このように構成したことにより、電磁石ユニットの磁場中心線と永久磁石ユニットの磁場中心線とが所定角度で交差するように、電磁石ユニット及び永久磁石ユニットを配置して、電磁石ユニットの磁極と永久磁石ユニットの磁極とが略対向する位置から前記永久磁石ユニットが所定角度に至り、該角度から所定角度だけ電磁石ユニットの磁極と永久磁石ユニットの磁極とが電磁反発するように電磁石ユニットに励磁電流を供給するようになる。
よって、本発明によれば、少ない電流で永久磁石ユニット及びロータフレームを回転させることが可能となり、省エネルギーの観点から優れた特性を有するアキシャルギャップ電動機を提供することができるものである。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明に係るアキシャルギャップ電動機の一実施形態を示す断面図。
図２は、同実施形態の斜視図。
図３は、アキシャル方向に見たステータ部の構成図。
図４は、アキシャル方向に見たロータ部の構成図。
図５は、ロータ側の永久磁石ユニットの磁場方向とステータ側の電磁石ユニットの磁場方向との交差を示す図。
図６は、同実施形態における電気回路を示す図。
図７は、同実施形態における電磁石ユニットの回路図。
図８は、同実施形態における電磁石ユニットの励磁の一例を示す図。
図９は、同実施形態における４つの磁石ユニットの励磁電流の波形図。
図１０は、同実施形態における電磁石ユニットの励磁の他の例を示す図。
図１１は、同実施形態におけるアキシャル方向に見たステータ部の他例の構成図。
図１２は、同実施形態におけるアキシャル方向に見たロータ部の他例の構成図。
図１３は、同実施形態におけるアキシャル方向に見たステータ部の他例の構成図。
図１４は、同実施形態におけるアキシャル方向に見たロータ部の他例の構成図。
図１５は、本発明に係るアキシャルギャップ電動機の他の実施形態を示す断面図。
図１６は、同実施形態におけるアキシャル方向に見たステータ部の一例の構成図。
図１７Ａ〜図１７Ｅは、本発明のアキシャルギャップ電動機におけるＩ字形状コアを用いた電磁石ユニットの形態を示す図。
図１８Ａ及び図１８Ｂは、本発明のアキシャルギャップ電動機におけるＵ字形状コアを用いた電磁石ユニットの形態を示す図。
図１９は、本発明のアキシャルギャップ電動機における他の実施形態を示す断面図。
図２０は、本発明に係るアキシャルギャップ電動機のさらに他の実施形態を示すものであって、ロータ側の永久磁石ユニットの磁場方向とステータ側の電磁石ユニットの磁場方向との交差を示す図。
図２１は、本発明に係るアキシャルギャップ電動機の他の実施形態を示す断面図。
図２２は、アキシャル方向に見たロータ部の構成図。
図２３は、アキシャル方向に見たステータ部の構成図。
図２４は、本発明のアキシャルギャップ電動機におけるＣ字形状コアを用いた電磁石ユニットの形態を示す図。
図２５は、ロータ側の永久磁石ユニットの磁場方向とステータ側の電磁石ユニットの磁場方向との交差を示す図。
図２６は、図２４と異なる、ロータ側の永久磁石ユニットの構成を示す図。
図２７は、図２１と異なる、電磁石ユニットにおけるヨークの一例の構成を示す図。
図２８は、図２７のヨークの一部斜視図。
図２９は、図２１と異なる、電磁石ユニットにおけるヨークの他例の構成を示す図。
図３０は、図２９のヨークの一部斜視図。
図３１は、ロータフレームの他の例を示す斜視図。
Claims (22)
- ステータフレームと、
このステータフレームに配置された複数の電磁石ユニットと、
前記ステータフレームと所定の距離を存して設けられたロータフレームと、
このロータフレームに設けられるものであって、前記電磁石ユニットと所定のアキシャルギャップを介して対向し、且つ、ラジアル方向に見たとき、前記電磁石ユニットの磁場中心線と所定角度で交差する磁場中心線を有する複数の永久磁石ユニットと、
前記電磁石ユニットと前記永久磁石ユニットとの相対位置を検出するセンサユニットと、
このセンサユニットの出力に基づき、前記電磁石ユニットの磁極と前記永久磁石ユニットの磁極とが略対向する位置から前記永久磁石ユニットが所定角度に至ったことを検出し、該検出角度から所定角度だけ、前記電磁石ユニットの磁極と前記永久磁石ユニットの磁極とが電磁反発するように前記電磁石ユニットに励磁電流を供給する駆動ユニットと
を具備するアキシャルギャップ電動機。 - 前記駆動ユニットは、θ１１＋θ１２＋θ１３＝３６０°／ロータ極数としたとき、前記θ１１は前記電磁石ユニットと前記永久磁石ユニットとが接近した状態における前記励磁電流の非供給期間、前記θ１２は前記励磁電流の供給期間であって、前記電磁石ユニットの磁場と前記永久磁石ユニットの磁場とが反発するように設定されている、前記θ１３は前記励磁電流の非供給期間となるように、前記検出ユニットの出力に基づき前記電磁石ユニットに励磁電流を供給する手段を具備する請求項１記載のアキシャルギャップ電動機。
- 前記駆動ユニットは、θ２１＋θ２２＋θ２３＋θ２４＝３６０°／ロータ極数としたとき、前記θ２１は前記電磁石ユニットと前記永久磁石ユニットとが接近した状態における前記励磁電流の非供給期間、前記θ２２は前記励磁電流の供給期間であって電磁反発する期間、前記θ２３は前記励磁電流の非供給期間、前記θ２４は前記励磁電流の供給期間であって電ち磁吸引する期間となるように、前記検出ユニットの出力に基づき前記電磁石ユニットに励磁電流を供給する手段を具備する請求項１記載のアキシャルギャップ電動機。
- 前記複数の電磁石ユニット夫々は磁極面を有し、該磁極面はアキシャル方向を向くように設定される請求項１記載のアキシャルギャップ電動機。
- 前記複数の電磁石ユニット夫々は、周方向に沿って、等間隔、非等間隔又は等間隔と非等間隔とを組み合わせてステータフレームに配置される請求項１記載のアキシャルギャップ電動機。
- 前記複数の電磁石ユニット夫々は、ラジアル方向に沿って、１段又は２段以上にてステータフレームに配置される請求項１記載のアキシャルギャップ電動機。
- 前記複数の電磁石ユニット夫々は、Ｉ字形状コア及びＵ字形状コアのうち少なくとも一方と、該コアに巻かれるコイルとを具備する請求項１記載のアキシャルギャップ電動機。
- 前記複数の電磁石ユニット夫々は、前記ロータフレームの永久磁石ユニットが配置されるギャップを有するＣ字形状のヨークと、このヨークの両端部それぞれに巻かれるコイルとを具備する請求項１記載のアキシャルギャップ電動機。
- 前記複数の電磁石ユニット夫々は、前記ロータフレームの永久磁石ユニットを挟むように前記ステータフレームの一側に配置される複数のＣ字形状のヨークと、前記ロータフレームの永久磁石ユニットを挟むように前記ステータフレームの他側に配置される複数のＣ字形状のヨークと、これらヨークの両端部それぞれに巻かれるコイルとを具備する請求項１記載のアキシャルギャップ電動機。
- 前記複数の電磁石ユニット夫々は、前記ロータフレームの永久磁石ユニットを挟むように前記ステータフレームの一側に配置され且つ端部が前記ロータフレームの永久磁石ユニットを臨む第１のヨークと、前記ロータフレームの永久磁石ユニットを挟むように前記ステータフレームの他側に配置され且つ端部が前記ロータフレームの永久磁石ユニットを臨む第２のヨークとを具備する請求項１記載のアキシャルギャップ電動機。
- 前記ロータフレームは、前記ステータフレームに臨む壁面と、該壁面のラジアル方向に沿って形成され且つ前記永久磁石ユニットを配置する複数の溝とを有する請求項１記載のアキシャルギャップ電動機。
- 前記複数の永久磁石ユニット夫々は磁極面を有し、該磁極面はアキシャル方向を向くように設定される請求項１記載のアキシャルギャップ電動機。
- 前記複数の永久磁石ユニット夫々は、周方向に沿って配置され且つ隣り合う磁極が、互いに同極、異極又は同極と異極との組合せとなるように且つ等間隔、非等間隔又は等間隔と非等間隔とを組み合わせてロータフレームに配置される請求項１記載のアキシャルギャップ電動機。
- 前記複数の永久磁石ユニット夫々は、周方向に沿って配置され且つ隣り合う磁極が、互いに同極、異極又は同極と異極との組合せとなるように且つ１段又は２段以上にてロータフレームに配置される請求項１記載のアキシャルギャップ電動機。
- 前記複数の永久磁石ユニット夫々は、前記ロータフレームのアキシャル方向に沿う一の壁面と他の壁面とに夫々配置される請求項１記載のアキシャルギャップ電動機。
- 前記複数の永久磁石ユニット夫々は、前記ロータフレームのアキシャル方向に沿う一の壁面に配置される第１の永久磁石片と、前記ロータフレームのアキシャル方向に沿う他の壁面に配置される第２の永久磁石片と、前記第１の永久磁石片と前記第２の永久磁石片との間に配置される第３の永久磁石片とを具備する請求項１記載のアキシャルギャップ電動機。
- 前記複数の永久磁石ユニット夫々が設けられる前記ロータフレームは、少なくとも一部がチタン製である請求項１記載のアキシャルギャップ電動機。
- 更に、前記ステータフレームにおける前記ロータフレームと反対側に、所定の距離を存して設けられる別のロータフレームと、該ロータフレームに前記永久磁石ユニットと所定のアキシャルギャップを介して設けられる複数の電磁石ユニットとを具備する請求項１記載のアキシャルギャップ電動機。
- 更に、前記ロータフレームに連結されるシャフトと、
このシャフトを支持するベアリングと、
このベアリングが設けられるベースとを具備する請求項１記載のアキシャルギャップ電動機。 - 更に、前記ロータフレームに配置されるフライホイールを具備する請求項１又は１８記載のアキシャルギャップ電動機。
- 更に、前記ロータフレームと前記シャフトとを一体及び分離する機構を具備する請求項１又は１８記載のアキシャルギャップ電動機。
- 更に、前記シャフトの回転を変速する変速ギヤを具備する請求項２０記載のアキシャルギャップ電動機。
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Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20061017 |
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| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20070306 |