WO2016075728A1 - アキシャルギャップ型モータ - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to an axial gap type motor, and more particularly, to an axial gap type motor composed of one stator and two rotors.
- Patent Document 1 discloses an axial gap type motor in which one rotor and two stators having the same shape face each other in the rotation axis direction and are driven by using reluctance torque effectively.
- Patent Document 2 to Patent Document 4 also disclose an axial gap type motor including one rotor and two stators.
- Patent Document 1 reduces torque ripple and cogging torque by configuring magnetic material pole portions 32 (for example, 32A, 32B, and 32C) having different magnetic characteristics in one rotor, and makes the motor smooth and stable. To rotate.
- Patent Document 1 also discloses that two sets of axial gap type motors are used to adjust the characteristics of each rotor by changing the rotor shape or changing the phase, thereby reducing the cogging torque.
- Patent Document 5 discloses a configuration of an axial gap type motor in which two rotors having the same shape are opposed to each other on both surfaces in the axial direction with respect to one stator, and utilizes the torque that combines the rotor's magnet torque and reluctance.
- the technology to do is disclosed. It has the feature that it can be made smaller and thinner with high output.
- Patent Document 1 discloses that in a configuration using two motors, torque ripples and cogging torque are reduced by changing the angles of two identically shaped rotors or by using two different rotors. In this configuration, since the total number of stators is four for two motors, the motor shaft length increases accordingly. In addition, since two motors are used, the currents are controlled separately. Therefore, it is not considered to increase the efficiency by reducing the current of one motor.
- Patent Document 5 has the advantage that the shaft length does not need to be increased because two rotors are used in one motor, but it is assumed that the same two rotors are used for one stator. And does not assume the use of different rotors.
- the direction in which the magnetic flux of the magnet is generated is called the d-axis, and the direction electrically orthogonal to it is called the q-axis. Since the magnet torque is proportional to the q-axis current that flows in the q-axis direction, only the q-axis current needs to flow.
- the reluctance torque is generated by flowing current in the direction in which the reluctance is maximized and the direction in which the reluctance is minimized.
- a region where the magnet exists can be regarded as the same as a gap. Therefore, the reluctance is small in the d-axis direction where the magnet is present, and is often minimized.
- reluctance is relatively large in the q-axis direction without a magnet and having a magnetic material, and is often maximum.
- the reluctance torque is generated in proportion to the product of the d-axis current, which is the direction in which the magnetic flux of the magnet is increased or decreased, and the q-axis current orthogonal to the electrical angle. Therefore, in order to utilize the reluctance torque and the magnet torque at the same time, it is necessary to flow a d-axis current that does not affect the magnet torque simultaneously with the q-axis current. In general, when utilizing reluctance torque, it is necessary to flow a d-axis current that is not related to an increase in magnet torque.
- a stator formed by arranging a core through which a magnetic flux passes and a plurality of stator core members formed of windings wound around the outer periphery of the core in an annular shape around the rotation axis;
- a first rotor in which magnets having different polarities are alternately arranged on a surface opposed to one end surface in the axial direction of the stator via a gap;
- the axial gap type motor includes a second rotor having a surface facing the other end surface different from the end surface through a gap, and having a reluctance that varies depending on a rotation angle.
- a magnet is provided in the first rotor facing both sides of the stator in the rotation axis direction, and the reactance of the second rotor varies depending on the rotation angle.
- the reluctance torque is increased.
- FIG. 5 is a schematic diagram showing the configuration of the stator, the first rotor, and the second rotor in the axial direction and the outer peripheral side surface according to the first embodiment, and the relational magnetization state and reluctance state of the stator and the rotor in the axial direction.
- It is a vector diagram showing the relationship between the magnetic flux generated by two rotors and the back electromotive force when a current is passed in the q-axis direction of the stator. According to the phase relationship between the d-axis and d′-axis of the two rotors shown in FIG.
- FIG. 7 is a schematic diagram showing the configuration of the axial direction and outer peripheral side surfaces of the stator, the first rotor, and the second rotor according to the second embodiment, and the relational magnetization state and reluctance state of the stator and the rotor in the axial direction.
- FIG. 7 is a vector diagram showing a relationship between magnetic flux generated by two rotors and counter electromotive force when a current is passed in the q-axis direction of the stator of FIG. 6.
- FIG. 1 shows a configuration of a motor 1 having an axial gap structure which is a first embodiment to which the present invention is applied.
- This figure is a schematic diagram in which each part is exploded in the direction of the rotation axis of the motor 1.
- the motor 1 has a configuration in which the first rotor 3 and the second rotor 4 are disposed so as to face each other on the opposite surfaces in the axial direction with respect to the stator 2, and the shaft 5 passes through each center.
- the motor 1 shows the structure of 4 poles and 6 slots, the number of poles and the number of slots are not limited to this.
- a bearing, a housing, and the like that indicate that the shaft 5 is rotatable are omitted.
- the stator 2 is composed of a plurality of core members 2 a arranged in an annular shape around the shaft 5.
- Each core member 2a includes a coil (three-phase coil) in which a copper wire or an aluminum wire is wound around an outer periphery of an iron core in which steel plate pieces made of an amorphous metal are laminated in a radial direction while ensuring insulation.
- Consists of The iron core is not limited to the amount of amorphous metal, and the molding is not limited to the radial lamination of the steel sheet pieces, it may be formed by winding a metal plate in the form of a roll, or molding using metal powder, Various configurations are applicable. Various configurations such as using a resin bobbin or insulating paper between the iron core and the coil can be applied to the insulation.
- FIG. 2 shows the outer peripheral side surfaces of the stator 2, the first rotor 3, and the second rotor 4, and a corresponding arrow view from the arrow direction of FIG. 1.
- first rotor 3 of FIG. 2A fan-shaped magnets having different polarities are alternately arranged on the side of the yoke 3 a facing the stator 2.
- the center direction of the N pole of the magnet is d-axis
- the intermediate direction between the N pole and S pole is q axis. If the counterclockwise direction is defined as positive rotation, the q axis is a direction advanced by 90 ° as an electrical angle with respect to the d axis.
- the second rotor 4 in FIG. 2 (c) is made of a magnetic material, and the surface facing the stator 2 is alternately arranged in a fan shape around the axis, and has a shape that is uneven in the axial direction ( Convex part 4a, concave part 4b).
- the center in the direction of the concave portion 4b where the magnetic body constituting the second rotor 4 is concave is defined as the d ′ axis
- the center in the direction of the convex portion 4a where the magnetic body is convex is defined as the q ′ axis.
- the d ′ axis is arranged at an angle of 45 ° clockwise with an electrical angle with respect to the d axis. That is, the d ′ axis has an electrical angle difference of ⁇ 45 ° with respect to the d axis.
- the configuration in which the rotor 4 is arranged with an angular difference is one of the features of this embodiment.
- the d′-axis direction of the recess 4b is a gap, and the inductance Ld ′ is small. Since the convex portion 4a has a magnetic body in the q′-axis direction and easily passes a magnetic flux, the inductance Lq ′ becomes a value larger than Ld ′. That is, [Equation 1] holds.
- the torque ⁇ 1 generated in the first rotor 3 is expressed by the following [Equation 3 ]. Note that the torque generated by the magnetic flux of the magnet is magnet torque.
- FIG. 3 (c) and 3 (d) are voltage vector diagrams by the first rotor 3 and the second rotor 4, respectively, and FIG. 3 (e) is a voltage vector diagram of the motor 1 obtained by synthesizing them. However, the voltage drop due to the resistance of the coil is omitted.
- the direction of the d ′ axis is ⁇ 45 with respect to the d axis.
- the largest torque is generated with the same current.
- FIG. 4 shows the torque characteristics of the motor 1.
- the horizontal axis indicates the direction (angle) in which the same current i flows with respect to the d-axis, and the vertical axis indicates the motor torque corresponding thereto.
- 4A, 4B, 4C, and 4D show the characteristics when the angle of the d ′ axis with respect to the d axis is changed to 0 °, ⁇ 45 °, ⁇ 15 °, and ⁇ 30 °, respectively. Show.
- the d-axis and the d′-axis coincide with each other, which is a characteristic of a reluctance torque motor that utilizes reluctance torque and magnet torque, and is not so different from normal.
- This characteristic shows a case where the maximum value of the magnet torque is 1, and the maximum value of the reluctance torque is 0.3.
- the maximum current angle is not 90 °, but around 120 °. The characteristics are well known in Patent Document 1 and others.
- FIGS. 4B, 4C, and 4D are characteristic characteristics of the present embodiment, and the d ′ axis is at a different angle with respect to the d axis.
- the maximum torque value of the motor 1 is 1.3 times the magnet torque.
- this characteristic has a feature that the maximum torque value can be maximized.
- the angle of the current i is the minimum value near 220 °, and the torque becomes a torque up to ⁇ 0.7 times the magnet torque.
- the motor 1 having the rotor arrangement shown in FIG. 2 has a characteristic that can generate a large torque when driven in the forward direction or braked in the reverse direction. Is suitable. In other words, when each of the two rotors has magnets, twice the torque can be generated, but even when half of the magnets are used, the torque can be increased up to 1.3 times. Can be generated. In other words, it can be said that the motor is capable of generating a large torque with a small number of magnets.
- FIG. 4C by setting the d ′ axis to ⁇ 15 ° with respect to the d axis, it is possible to generate substantially the same motor torque as in the case of only the magnet torque for the reverse rotation drive and It has the feature that the rotational drive torque can be 1.2 times or more of the magnet torque. That is, the torque can be increased during normal rotation driving and acceleration while performing normal operation in normal and reverse rotation. Therefore, a motor having an angle difference between two rotors has an advantage that the applicable application can be widened.
- FIG. 4D has intermediate characteristics between FIGS. 4B and 4C. That is, the angle difference between the two rotors can be optimized according to the application destination.
- a motor having different torque characteristics can be realized by one type of motor only by changing the angle difference between the two rotors.
- the reluctance torque can be increased with a small current.
- torque can be increased even if the amount of magnet used is reduced.
- FIG. 5 shows the configuration of the motor 11.
- the motor 11 is an 8-pole, 9-slot axial gap motor.
- the main difference from the motor 1 according to the first embodiment is that the number of poles and the number of slots are different, and the magnets 14c and 14d are alternately arranged on the unevenness 14b of the second rotor 14. .
- the stator 12 has nine stator core members 12a arranged in an annular shape around the shaft 5.
- magnets 13 a having different magnetic poles are alternately arranged in a ring shape at equal intervals on the side facing the yoke 13 a and the stator 2.
- the second rotor 14 is made of a magnetic material, and a total of 16 convex portions 14a and concave portions 14b that are uneven in the axial direction are alternately formed.
- the second rotor 14, the stator 122, and the first rotor 13 are different in reluctance because the rotation angles are in phase, and can generate reluctance torque.
- magnets 14c having different magnetic poles are alternately arranged in the recesses 14b of the second rotor 14, and the second rotor 14 can generate magnet torque. It is known that the relationship between the stator 12 and the rotor 14 has the same characteristics as those of a normal embedded magnet type motor, that is, the characteristics shown in FIG.
- FIG. 6 shows the outer peripheral side surfaces of the stator 12, the first rotor 13, and the second rotor 14, and a corresponding arrow view from the arrow direction of FIG.
- the first rotor 13 and the stator 12 in FIGS. 6A and 6B are the same as in the first embodiment, and the center direction of the N pole of the magnet is the d-axis, and the intermediate direction between the N and S poles
- the q axis is assumed. If the counterclockwise direction is defined as positive rotation, the q axis is a direction advanced by 90 ° as an electrical angle with respect to the d axis.
- the electrical angle 90 ° in FIG. 6 is a mechanical angle compared to the electrical angle 90 ° in the first embodiment (FIG. 2). It becomes 1/2 of 22.5 °.
- the center in the direction of the N pole of the magnet 14c installed in the concave portion 14b is defined as the d ′ axis
- the center of the convex portion 14a is defined as the q ′ axis.
- the d ′ axis is arranged at an angle rotated clockwise in the range of 10 ° to 45 ° in electrical angle with respect to the d axis.
- the d ′ axis has an electrical difference of ⁇ 30 ° with respect to the d axis. This angular difference will be described.
- the magnet 14 c exists in the d′-axis direction of the recess 14 b, but the direction can be regarded as the same as the gap, and the inductance Ld ′ is small. Since the convex portion 14a has a magnetic body in the q′-axis direction and easily passes a magnetic flux, the inductance Lq ′ becomes a value larger than Ld ′. This is the same as the case of the second rotor 4 of the first embodiment described with reference to FIG. 3, and [Equation 1] shown in the first embodiment is established.
- FIG. 7A and 7B show current vector diagrams of the first rotor 13 and the second rotor 14, respectively. Only the q-axis current flows to the first rotor 3 and the current i flowing through the stator 12 is given by [Equation 4] shown in the first embodiment. Further, with respect to the second rotor 14, the current of the stator 2 is given by the following [Equation 10] in consideration of an angle difference of 30 °.
- FIGS. 7C and 7D are voltage vector diagrams by the first rotor 13 and the second rotor 14, respectively, and FIG. 7E is a voltage vector diagram of the motor 11 obtained by synthesizing them.
- the d-axis In order to maximize the torque ⁇ 1 that is the magnet torque generated by the first rotor 13 and maximize the torque ⁇ 2 that is the sum of the reluctance torque generated by the second rotor 14 and the magnet torque, the d-axis On the other hand, by setting the direction of the d ′ axis to ⁇ 30 °, the largest torque can be generated with the same current.
- FIG. 8 shows torque characteristics as in FIG. 4 of the first embodiment.
- the horizontal axis indicates the direction (angle) in which the current i of the same magnitude flows with respect to the d axis, and the vertical axis indicates the motor corresponding thereto. Torque is shown.
- FIGS. 8A, 8B, 8C and 8D show the characteristics when the angle of the d ′ axis with respect to the d axis is changed to 0 °, ⁇ 30 °, ⁇ 10 ° and ⁇ 20 °, respectively. Show.
- FIG. 8A uses the torque of the first rotor 13 that uses only the magnet torque, the reluctance torque, and the torque of the second rotor 14 that generates the magnet torque, where the d-axis and the d′-axis coincide with each other.
- This is a characteristic of a reluctance torque motor. This characteristic shows a case where the maximum magnet torque value of the first rotor 13 is 1, the maximum magnet torque value of the second rotor 14 is 0.5, and the maximum value of the reluctance torque is 0.3.
- the maximum current angle is not 90 °, but near 100 °.
- the d ′ axis is different from the d axis.
- the torque of the first rotor 13 and the second rotor 14 has a current angle of 90 °, that is, almost the maximum value in the q-axis direction. 1.69 times the torque.
- this characteristic has a feature that the maximum torque value can be maximized.
- the angle of the current i becomes a minimum value near 230 °, and the torque is output up to -1.36 times the torque of the first rotor 13.
- the rotor arrangement shown in FIG. 8B has a characteristic capable of generating a large torque when driving in the forward rotation or braking in the reverse rotation. Therefore, it is suitable for applications in which rotation in one direction is important.
- FIG. 8D has an intermediate characteristic between FIGS. 8B and 8C. That is, the angle difference between the two rotors can be optimized according to the application destination.
- the angle of the d ′ axis with respect to the d axis shows a characteristic from ⁇ 10 ° to ⁇ 30 °.
- the forward rotation is performed while generating a large torque.
- a motor having the same physique and generating a larger torque and having different torque characteristics is realized by using only one type of motor by changing the angle difference between the two rotors. be able to. Accordingly, the width of the motor application destination is widened.
- the present invention can also be applied to an axial gap motor in which one is a rotor that uses reluctance torque and magnet torque and the other is a rotor that uses reluctance torque.
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Abstract
１つのステータと２つのロータを有するアキシャルギャップ型モータで、ステータに流す電流を抑制しつつ出力トルクを増加させる。アキシャルギャップモータを、磁束を通すコアと、該コアの外周に巻いた巻線からなる複数のステータコアメンバを、回転軸を中心として環状に配置してなるステータと、前記ステータの軸方向の一方端面とギャップを介して対抗する面に、極性の異なる磁石を交互に配置する第１ロータと、前記端面と異なる他方端面とギャップを介して対向する面を有し、リラクタンスが回転角により異なる第２ロータとから構成する。
Description
本発明は、アキシャルギャップ型モータに係り、特に、1つのステータと２つのロータから構成されるアキシャルギャップ型モータに関する。
特許文献１は、1つのロータと、同じ形状の２つのステータを回転軸方向で対面させ、リラクタンストルクを有効利用して駆動するアキシャルギャップ型モータを開示する。同様に、特許文献２から特許文献４も、１つのロータと２つのステータから構成されるアキシャルギャップ型モータを開示する。特に、特許文献１は、１つのロータにおいて、磁気特性が異なる磁性材極部３２（例えば、３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ）を構成することでトルクリップルやコギングトルクを低減し、モータを滑らかに安定して回転させることを開示する。また、特許文献１は、２組のアキシャルギャップ型モータを用いて、夫々のロータの特性をロータ形状の変更や位相の変更により調整し、コギングトルクを低減することも開示する。
特許文献５は、１つのステータに対し、軸方向の両面に同じ形状の２つのロータを面対向させるアキシャルギャップ型モータの構成を開示し、ロータの磁石トルクと、リラクタンスとを合わせたトルクを活用する技術を開示する。高出力で小型化、薄型化することができる特長を有する。
特許文献１は、２つのモータを用いた構成において、２つの同一形状のロータの角度を変えたり、異なる２つのロータを活用したりして、トルクリップルやコギングトルクを低減することを開示するが、この構成は、ステータの数が２つのモータで合計４つになることから、その分、モータの軸長が増加する。また、２つのモータを用いるため、別々に電流を制御することになるので、1つのモータの電流を低減して高効率化を図ることは考慮されていない。
特許文献５は、１つモータで２つのロータを用いることから軸長を増加させる必要はない利点を有しているが、１つのステータに対しては、同一の２つのロータを用いることを前提としており、異なるロータを用いることを想定していない。
一般的に、磁石の磁束が発生する方向をｄ軸、それに電気的に直交する方向をｑ軸と呼ぶ。磁石トルクは、ｑ軸方向に流すｑ軸電流に比例するので、ｑ軸電流だけを流せばよい。
これに対し、リラクタンストルクは、リラクタンスが最大になる方向と最小になる方向に電流を流すことでトルクが発生する。通常、磁束を通す磁路として磁石を考えた場合、磁石が存在する領域は空隙と同じと見なすことができる。従って、磁石があるｄ軸方向はリラクタンスが小さく、最小となることが多い。これに対し、磁石が無く且つ磁性体を有するｑ軸方向はリラクタンスが相対的に大きく、最大となることが多い。この場合、リラクタンストルクは、磁石の磁束を増減させる方向であるｄ軸電流と、それに電気角的に直交するｑ軸電流との積に比例して発生する。よって、リラクタンストルクと磁石トルクを同時に活用するために、磁石トルクに影響しないｄ軸電流を、ｑ軸電流と同時に流す必要がある。一般的には、リラクタンストルクを活用する場合には、磁石トルクの増加に関与しないｄ軸電流を流す必要がある。
このため、１つのステータを有する１つのモータにおいて、リラクタンストルクを発生するためには、磁石トルクに関与しない電流が必要になるという１つの課題がある。ステータに流す電流を抑制し、高トルクを得るアキシャルギャップ型モータが望まれる。
上記課題を解決するために、例えば、特許請求の範囲に記載の構成を適用する。即ち磁束を通すコアと、該コアの外周に巻いた巻線からなる複数のステータコアメンバを、回転軸を中心として環状に配置してなるステータと、
前記ステータの軸方向の一方端面とギャップを介して対抗する面に、極性の異なる磁石を交互に配置する第１ロータと、
前記端面と異なる他方端面とギャップを介して対向する面を有し、リラクタンスが回転角により異なる第２ロータとを備えるアキシャルギャップ型モータである。
前記ステータの軸方向の一方端面とギャップを介して対抗する面に、極性の異なる磁石を交互に配置する第１ロータと、
前記端面と異なる他方端面とギャップを介して対向する面を有し、リラクタンスが回転角により異なる第２ロータとを備えるアキシャルギャップ型モータである。
本発明の一側面によれば、ステータの回転軸方向両側と対向する第１ロータに磁石を備え、第２ロータのリアクタンスが回転角により異なるため、アキシャルギャップ型モータのステータに流す電流を抑制しつつリラクタンストルクが増加するという効果を奏する。
本発明の他の構成、課題及び効果は、以下の記載から明らかになる。
本発明の他の構成、課題及び効果は、以下の記載から明らかになる。
以下、本発明の実施の形態について具体的に説明する。
〔第1実施形態〕
図１に、本発明を適用した第１実施形態であるアキシャルギャップ構造のモータ１の構成を示す。本図は、モータ１の回転軸方向に各部を分解した模式図である。
モータ１は、ステータ２に対して、軸方向の対向する両面に、第１ロータ３と、第２ロータ４とが面対向して配置され、夫々の中央にシャフト５が貫通してなる構成を有する。なお、モータ１は、４極、６スロットの構造を示すが、極数、スロット数はこれに限定するものではない。また、同図において、シャフト５を回転可能に指示する軸受及びハウジング等は省略するものとする。
〔第1実施形態〕
図１に、本発明を適用した第１実施形態であるアキシャルギャップ構造のモータ１の構成を示す。本図は、モータ１の回転軸方向に各部を分解した模式図である。
モータ１は、ステータ２に対して、軸方向の対向する両面に、第１ロータ３と、第２ロータ４とが面対向して配置され、夫々の中央にシャフト５が貫通してなる構成を有する。なお、モータ１は、４極、６スロットの構造を示すが、極数、スロット数はこれに限定するものではない。また、同図において、シャフト５を回転可能に指示する軸受及びハウジング等は省略するものとする。
ステータ２は、シャフト５を中心として環状に配列された複数のコアメンバ２ａからなる。各コアメンバ２ａは、非結晶（アモルファス）金属からなる鋼板片を径方向に積層させた鉄心の外周に、銅線やアルミ線を、絶縁性を確保して巻き回したコイル（３相コイル）とから構成される。鉄心は、材量を非結晶金属に限定するものではなく又成形も鋼板片の径方向積層のみならず、ロール状に金属板を巻取った構成でも、金属粉体を用いた成形でもよく、種々の構成が適用可能である。絶縁も、鉄心とコイル間に樹脂性のボビンや絶縁紙を用いる等、種々の構成が適用できる。
図２に、ステータ２、第１ロータ３及び第２ロータ４の外周側面の様と、それに対応する図１の矢印方向からの矢視図とを夫々示す。
図２（ａ）の第１ロータ３は、ヨーク３ａのステータ２との対向面側に極性の異なる扇型形状の磁石を交互に配置する。第１ロータ３及びステータ２は、磁石のＮ極の中心方向をｄ軸、Ｎ極とＳ極の中間方向をｑ軸とする。反時計方向を正回転として定義すると、ｄ軸に対してｑ軸は電気角として９０°進んだ方向となる。
図２（ａ）の第１ロータ３は、ヨーク３ａのステータ２との対向面側に極性の異なる扇型形状の磁石を交互に配置する。第１ロータ３及びステータ２は、磁石のＮ極の中心方向をｄ軸、Ｎ極とＳ極の中間方向をｑ軸とする。反時計方向を正回転として定義すると、ｄ軸に対してｑ軸は電気角として９０°進んだ方向となる。
図２（ｃ）の第２ロータ４は、磁性体からなり、ステータ２との対向面が、軸心を中心として、扇形の形状で交互に配置し、軸方向に凹凸となる形状を有する（凸部４ａ、凹部４ｂ）。ここで、第２ロータ４を構成する磁性体が凹状になった凹部４ｂ方向の中心をｄ´軸とし、磁性体が凸状になった凸部４ａ方向の中心をｑ´軸と定義する。そして、ｄ´軸は、ｄ軸に対して電気角で時計方向に４５°回転した角度に配置するようになっている。つまり、ｄ軸に対して、ｄ´軸は電気角で－４５°の角度差になっている。ロータ４が、角度差をもって配置される構成が、本実施形態の特徴の一つである。
以下、ｄ軸とｄ´軸に角度差があることによって発生するモータトルクが変化する原理を説明する。第２ロータ４において、凹部４ｂのｄ´軸方向は空隙であり、インダクタンスＬｄ´が小さい。凸部４ａのq´軸方向は磁性体があり、磁束を通しやすいので、インダクタンスＬｑ´がＬｄ´よりも大きい値となる。つまり、〔数1〕が成立する。
ステータ２の３相のコイルに電流を流し、ステータ２に磁束を発生させた場合を考える。ステータ２に発生した磁束は、磁束を通しやすいｑ´軸を通すようにロータ４にトルクτ２が発生する。そのときのトルクτ２はｄ´軸電流をｉｄ´、ｑ´軸電流をｉｑ´とすると、下記の〔数２〕で与えられる。
なお、リラクタンスは、磁束の通しにくさであるので、その違いにより発生する〔数２〕のトルクをリラクタンストルクという。
第１ロータ３については、磁石のＮ極の方向をｄ軸としており、その磁束をΦとし、ｑ軸に流れる電流をｉｑとすると、第1ロータ３で発生するトルクτ１は、下記〔数３〕となる。なお、この磁石の磁束により発生するトルクは、磁石トルクである。
このとき、ステータ２のｑ軸方向に電流ｉを流すと、図３に示すようなベクトル図となる。図３の（ａ）、（ｂ）は、夫々第1ロータ３、第２ロータ４の電流ベクトルを示す。ステータ２に流れる電流ｉは、第１ロータ３に対しては、ｑ軸電流だけが流れることになる。従って、〔数４〕になる。
また、第２のロータ４に対して、ステータ２の電流は、下記〔数５〕となる。
ここで、ｊは、虚数項をｄ´軸に直交するｑ´軸を示す。以上を用いて第１ロータ３と、第２ロータ４との夫々のトルクτ１、τ２は、夫々〔数６〕、〔数７〕となる。
ステータ２のｑ軸方向に電流ｉを流したとき、第１ロータ３については、〔数６〕に示すように、磁束Φに直交する電流を流すことになるので、トルクτ１は他の方向に電流を流すよりも最も大きい値となる。第２ロータ４についても、トルクτ２はｉｄ´とｉｑ´の積で決まるので、図３（ｂ）のｉｄ´とｉｑ´の面積（ベクトル積）から〔数８〕の場合が最も大きくなる。
なお、図３（ｃ）、（ｄ）は、夫々第１ロータ３、第２ロータ４による電圧ベクトル図であり、図３（ｅ）は、それらを合成したモータ１の電圧ベクトル図である。ただし、コイルの抵抗による電圧降下は省略する。
以上のことから、第１ロータ３が発生する磁石トルクτ1が最大且つ第２ロータ４が発生するリラクタンストルクトルクτ２が最大とする為に、ｄ軸に対して、ｄ´軸の方向を－４５°とすることにより、同一の電流で最も大きいトルクが発生することになる。
図４に、モータ１のトルク特性を示す。横軸は、ｄ軸に対して同じ大きさの電流ｉを流す方向（角度）を示し、縦軸は、それに対するモータトルクを示す。図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）は、それぞれｄ軸に対するｄ´軸の角度を０°、－４５°、－１５°、－３０°に変更したときの特性を示す。
図４（ａ）では、ｄ軸とｄ´軸が一致しており、リラクタンストルクと、磁石トルクとを活用するリラクタンストルクモータの特性であり、通常とあまり差は無い。この特性は磁石トルクの最大値を１とし、リラクタンストルクの最大値が０.３の場合を示している。この最大値となる電流の角度は９０°でなく、１２０°付近となる。特性としては特許文献１他でよく知られたものである。
これに対して、図４（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、本実施形態の特徴的な特性であり、ｄ軸に対してｄ´軸を異なる角度にしている。
図４（ｂ）については、上述したとおり磁石トルクとリラクタンストルクが角度９０°、つまりq軸方向で最大値となる為、モータ1のトルク最大値は磁石トルクの１．３倍になる。ｄ軸に対するｄ´軸の角度を変更したとき、この特性がトルク最大値を最も大きい値にできる特徴がある。なお、このロータ配置の場合、時計方向にトルクを発生すると、電流ｉの角度が２２０°付近で最少の値であり、磁石トルクの－０．７倍までのトルクとなる特性である。
図４（ｂ）については、上述したとおり磁石トルクとリラクタンストルクが角度９０°、つまりq軸方向で最大値となる為、モータ1のトルク最大値は磁石トルクの１．３倍になる。ｄ軸に対するｄ´軸の角度を変更したとき、この特性がトルク最大値を最も大きい値にできる特徴がある。なお、このロータ配置の場合、時計方向にトルクを発生すると、電流ｉの角度が２２０°付近で最少の値であり、磁石トルクの－０．７倍までのトルクとなる特性である。
従って、図２に示すロータ配置のモータ１は、正回転で駆動するとき或いは逆回転で制動するときに、大きいトルクを発生できる特性を有しているので、一方方向の回転を重視する用途に適している。また、見方を変えると、２つのロータにそれぞれ磁石を有する場合には、２倍のトルクを発生することができるのに対して、その半分の磁石を用いても、１．３倍までのトルクを発生できる。つまり、少ない磁石でも大きいトルクを出すことが可能なモータであるという特徴を有するといえる。
図４（ｃ）については、ｄ軸に対してｄ´軸を－１５°とすることにより、逆回転の駆動についても、磁石トルクだけの場合とほぼ同じモータトルクを発生することができ且つ正回転の駆動トルクを磁石トルクの１．２倍以上にできる特徴を有する。つまり、正逆回転で通常の運転をしながら、正回転の駆動時及び加速時にトルクを大きくすることができる。従って、２つのロータの角度差を有するモータは適用できる応用先を広くすることができるという利点がある。
図４（ｄ）については、図４（ｂ）と（ｃ）の中間の特性を有する。つまり、適用先に応じて、２つのロータの角度差を最適にできる。
図４（ｄ）については、図４（ｂ）と（ｃ）の中間の特性を有する。つまり、適用先に応じて、２つのロータの角度差を最適にできる。
以上のように、第１実施形態のモータ１によれば、２つのロータの角度差を変えるだけで、異なるトルク特性を有するモータを１種類のモータで実現することができる。
また、小さい電流でリラクタンストルクを増加させることができる。
更には、磁石の使用量を低減してもトルクを増加させることができる。
また、小さい電流でリラクタンストルクを増加させることができる。
更には、磁石の使用量を低減してもトルクを増加させることができる。
〔第２実施形態〕
次に、第２実施形態によるモータ１１を説明する。
図５に、モータ１１の構成を示す。モータ１１は、８極・９スロット構成のアキシャルギャップモータである。第１の実施形態であるモータ１との主な相異は、極数・スロット数が異なる点と、第２ロータ１４の凹凸１４ｂに、磁石１４ｃ、１４ｄが交互に配置されている点である。
次に、第２実施形態によるモータ１１を説明する。
図５に、モータ１１の構成を示す。モータ１１は、８極・９スロット構成のアキシャルギャップモータである。第１の実施形態であるモータ１との主な相異は、極数・スロット数が異なる点と、第２ロータ１４の凹凸１４ｂに、磁石１４ｃ、１４ｄが交互に配置されている点である。
ステータ１２には、シャフト５を中心として、９つのステータコアメンバ１２ａが環状に配置される。第１ロータ１３は、ヨーク１３ａと、そのステータ２との対向面側に、異なる磁極の磁石１３ａが交互にリング状に等間隔で配置される。
第２ロータ１４は、第１実施形態と同様に、磁性体からなり、軸方向に凹凸となる凸部１４ａと、凹部１４ｂとが交互に合計で１６個形成される。この構成により、第２ロータ１４と、ステータ１２２及び第１ロータ１３とは回転角度が位相することからリラクタンスが相違し、リラクタンストルクを発生することができるようになっている。
また、第２ロータ１４の凹部１４ｂには、磁極の異なる磁石１４ｃが交互に配置され、第２ロータ１４でも磁石トルクが発生させられるようになっている。ステータ１２とロータ１４の関係は、通常の埋め込み磁石型モータの特性、つまり、図４(ａ)に示したものと同様の特性になることが知られている。
図６に、ステータ１２、第１ロータ１３及び第２ロータ１４の外周側面の様と、それに対応する図１の矢印方向からの矢視図とを夫々示す。
図６（ａ）及び（ｂ）の第１ロータ１３及びステータ１２の様は、第１実施形態ど同様であり、磁石のＮ極の中心方向をｄ軸、Ｎ極とＳ極の中間方向をｑ軸とする。反時計方向を正回転として定義すると、ｄ軸に対してｑ軸は電気角として９０°進んだ方向となる。なお、第２実施形態では、極数が４極から８極に変わっているため、第１実施形態（図２）の電気角９０°と比して、図６の電気角９０°は機械角で１／２の２２．５°となる。
図６（ａ）及び（ｂ）の第１ロータ１３及びステータ１２の様は、第１実施形態ど同様であり、磁石のＮ極の中心方向をｄ軸、Ｎ極とＳ極の中間方向をｑ軸とする。反時計方向を正回転として定義すると、ｄ軸に対してｑ軸は電気角として９０°進んだ方向となる。なお、第２実施形態では、極数が４極から８極に変わっているため、第１実施形態（図２）の電気角９０°と比して、図６の電気角９０°は機械角で１／２の２２．５°となる。
図６（ｃ）の第２ロータ１４は、凹部１４ｂに設置された磁石１４ｃのＮ極がある方向の中心をｄ´軸とし、凸部１４ａの中心をｑ´軸と定義する。ｄ軸に対して、ｄ´軸は、電気角で１０°から４５°の範囲で、時計方向に回転した角度に配置する。また、第２ロータ１４は、ｄ軸に対して、ｄ’軸は電気角で－３０°の角度差としている。この角度差について説明する。
第２ロータ１４において、凹部１４ｂのｄ´軸方向には磁石１４ｃが存在するが、その方向は空隙と同様と見なすことができ、インダクタンスＬｄ´は小さい。凸部１４ａのq´軸方向は磁性体があり、磁束を通しやすいので、インダクタンスＬｑ´がＬｄ´よりも大きい値となる。このことは、図３を用いて説明した第１実施形態の第２ロータ４の場合と同じであり、第１実施形態し示した〔数１〕が成立する。
ステータ１２の３相のコイルに電流を流して、ステータ１２に磁束を発生させた場合を考える。ステータ１２の電流により発生した磁束は、磁束を通しやすいｑ´軸を通すように、第２ロータ１４にトルクτ２を発生させる。更に、ロータ１４は、ｄ´軸方向に磁束Φ´があるので、そのときのトルクτ２は、下記〔数９〕で与えられる。
つまり、第２ロータ１４には、磁石トルクとリラクタンストルクが発生する。第１ロータ１３については、ｑ軸に流れる電流をｉｑとすると、第１ロータ３の場合と同様に発生するトルクτ１は、第１実施形態で示した〔数３〕で表される。
このとき、ステータ２のｑ軸方向に電流ｉを流すと、図７に示すようなベクトルの関係となる。図７(ａ)、(ｂ)に、夫々第１ロータ１３、第２ロータ１４の電流ベクトル図を示す。ステータ１２に流れる電流ｉは第１のロータ３に対しては、ｑ軸電流だけが流れ、第１実施形態で示した〔数４〕で与えられる。
また、第２ロータ１４に対して、ステータ２の電流は、角度差３０°を考慮して、下記〔数１０〕で与えられる。
また、第２ロータ１４に対して、ステータ２の電流は、角度差３０°を考慮して、下記〔数１０〕で与えられる。
これらの式から、第１ロータ１３、第２ロータ１４のトルクτ１、τ２はそれぞれ、第１実施形態で示した〔数６〕と、下記〔数１１〕とになる。
ステータ１２のｑ軸方向に電流ｉを流したとき、第１ロータ１３については、第１実施形態（図２）の場合と同様に、トルクτ１は、ｑ軸方向に電流を流すとき最も大きい値となる。第２ロータ１４についても、トルクτ２はリラクタンストルクと磁石トルクの和となり、図７（ｂ）のようにｑ´軸より略３０°進んだ方向に電流ｉを流すと、そのトルクτ２は最大となる。なお、図７（ｃ）、（ｄ）は、夫々第１ロータ１３、第２ロータ１４による電圧ベクトル図であり、図７（ｅ）は、それらを合成したモータ１１の電圧ベクトル図である。
以上のことから、第１ロータ１３が発生する磁石トルクであるトルクτ1が最大で且つ第２ロータ１４が発生するリラクタンストルクと磁石トルクの和であるトルクτ２を最大にするためには、ｄ軸に対して、ｄ´軸の方向を－３０°とすることで、同一の電流で最も大きいトルクを発生することができる。
図８は、第１実施形態の図４と同様にトルク特性であり、横軸がｄ軸に対して同じ大きさの電流ｉを流す方向（角度）を示し、縦軸が、それに対応するモータトルクを示す。図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）は、夫々ｄ軸に対するｄ´軸の角度を０°、－３０°、－１０°、－２０°に変更したときの特性を示す。
図８（ａ）は、ｄ軸とｄ´軸が一致しており、磁石トルクだけを用いる第1ロータ１３のトルクと、リラクタンストルクと磁石トルクを発生する第２ロータ１４のトルクとを活用するリラクタンストルクモータの特性である。この特性は第１ロータ１３の磁石トルク最大値を１とし、第２ロータ１４の磁石トルク最大値０．５、リラクタンストルクの最大値が０．３の場合を示している。この最大値となる電流の角度は９０°でなく、１００°付近となる。
これに対して図８（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）では、ｄ軸に対してｄ´軸を異なる角度としている。図８（ｂ）については、第１ロータ１３と第２ロータ１４のトルクが電流の角度９０°、即ちq軸方向でほぼ最大値となるため、モータ１１のトルク最大値は第１ロータ１３のトルクに対して１．６９倍になる。ｄ軸に対するｄ´軸の角度を変更したとき、この特性がトルク最大値を最も大きい値にできる特徴がある。なお、このロータ配置の場合、時計方向にトルクを発生すると、電流ｉの角度が２３０°付近で最少の値となり、第１ロータ１３のトルクに対して－１．３６倍までのトルクを出す特性である。第１実施形態の図４(ｂ)の場合と同様に、図８(ｂ)に示したロータ配置は、正回転で駆動するとき或いは逆回転で制動するときに、大きいトルクを発生できる特性を有しているので、一方方向の回転を重視する用途に適している。
図８（ｃ）については、ｄ軸に対してｄ´軸を－１０°とすることで、逆回転の駆動についても、第1ロータ１３のトルクに対して－１．５３倍を発生することができ且つ正回転の駆動トルクは１．６５倍以上となる特徴を有する。正・逆回転で通常の運転をしながら、正回転の駆動時及び加速時にトルクを大きくすることができる。従って、２つのロータの角度差を有するモータは適用できる応用先を広くすることができる利点がある。
図８（ｄ）については、図８（ｂ）と（ｃ）の中間の特性を有する。つまり、適用先に応じて、２つのロータの角度差を最適にできる。
また、本実施形態ではｄ軸に対してｄ´軸の角度は‐１０°から‐３０°までの特性を示したが、－４５°まで変更しても、大きいトルクを発生させながら、正回転と逆回転で異なる駆動特性となるトルク特性を得ることが可能である。
このように第２実施形態によれば、同じ体格で更に大きいトルクを発生しながら、且つ異なるトルク特性を有するモータを、２つのロータの角度差を変えるだけで１種類のモータを用いて実現することができる。よって、モータ適用先の幅が広がることとなる。
特に、２つのロータの相対的な角度関係を変更するだけで、正回転の駆動力だけを大きくすることができ、同じ大きさ、同じロータを用いても、特性を向上することができる。
また、小さい電流でリラクタンストルクを増加させることができる。
更には、磁石の使用量を低減してもトルクを増加させることができる。
また、小さい電流でリラクタンストルクを増加させることができる。
更には、磁石の使用量を低減してもトルクを増加させることができる。
以上のように、本発明の実施形態を説明したが、本発明は、上記種々の例に限定されるものでははく、その趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変更や組合せが可能であることは言うまでもない。
例えば、一方をリラクタンストルクと磁石トルクを用いるロータとし、他方をリラクタンストルクを用いるロータを組合せたアキシャルギャップモータについても、適用可能である。
１・１１…アキシャルギャップモータ、２・１２…ステータ、２ａ・１２ａ…スレータコアメンバ、３・１３…第１ロータ、３ａ・１３ａ…ヨーク、３ｂ…磁石（Ｎ／Ｓ）、４・１４…第２ロータ、４ａ・１４ａ…凸部、４ｂ・１４ｂ…凹部、１４ｃ…磁石（Ｎ／Ｓ）、５…シャフト
Claims (5)
- 磁束を通すコアと、該コアの外周に巻いた巻線からなる複数のステータコアメンバを、回転軸を中心として環状に配置してなるステータと、
前記ステータの軸方向の一方端面とギャップを介して対抗する面に、極性の異なる磁石を交互に配置する第１ロータと、
前記端面と異なる他方端面とギャップを介して対向する面を有し、リラクタンスが回転角により異なる第２ロータとを備えるアキシャルギャップ型モータ。 - 請求項１に記載のアキシャルギャップ型モータであって、前記第２ロータの前記他方端面と対向する面が、回転軸を中心として等間隔で、該回転軸方向に凸凹を形成する複数の凸部及び凹部を有するアキシャルギャップ型モータ。
- 請求項２に記載のアキシャルギャップ型モータであって、前記複数の凹部に極性の異なる磁石を交互に配置するアキシャルギャップ型モータ。
- 請求項１～３の何れか一項に記載のアキシャルギャップ型モータであって、前記第１ロータにおける磁石の磁極中心の角度に対して、前記第２のロータにおけるリラクタンスが最大及び最小となる角度が異なるアキシャルギャップ型モータ。
- 請求項４に記載のアキシャルギャップ型モータであって、
前記リラクタンスが最大及び最少となる角度の差が、１５°～４５°までであるアキシャルギャップ型モータ。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114614587A (zh) * | 2016-07-12 | 2022-06-10 | Lg伊诺特有限公司 | 马达 |
| US20220263393A1 (en) * | 2019-11-08 | 2022-08-18 | Denso Corporation | Rotating electrical machine |
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| JP2005151725A (ja) * | 2003-11-17 | 2005-06-09 | Equos Research Co Ltd | アキシャルギャップ回転電機 |
| JP2010166745A (ja) * | 2009-01-17 | 2010-07-29 | Nissan Motor Co Ltd | 可変特性回転電機 |
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2014
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