WO2021241525A1

WO2021241525A1 - 回転電動機

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Publication number: WO2021241525A1
Application number: PCT/JP2021/019681
Authority: WO
Inventors: 成人足立; 俊平林; 祐之輔小林; 英樹眞保
Original assignee: 株式会社神戸製鋼所
Priority date: 2020-05-29
Filing date: 2021-05-24
Publication date: 2021-12-02
Also published as: JP2021191122A

Abstract

回転電動機（１００）において、高速回転による遠心力によって可動子の回転が不安定になることを抑止する。回転電動機（１００）は、複数の電機子コイル（１１１）を有する電機子（８１１０）と、複数の磁極ブロック（１２１）を有する可動子（１２０）とを備える。複数の磁極ブロック（１２１）のそれぞれは、電機子（１１０）と対向して配置される鉄心（１２２）と、電機子（１１０）との対向面を開放して鉄心（１２２）を囲繞する複数の永久磁石（１２３）とを具備し、複数の永久磁石（１２３）が鉄心（１２２）に同じ極性の磁極を向けて配置される。可動子（１２０）は、電機子（１１０）に対して回転軸を中心とした円の半径方向外側に配置され、円の周方向である回転方向に回転可能である。

Description

回転電動機

　本発明は、永久磁石を含む可動子を備える回転電動機に関する。

　特許文献１には、回転子と電機子とを有するラジアルギャップ電動機が開示されている。前記回転子は、複数の磁極ブロックが回転軸を中心とした周方向に並べられることで構成されている。各磁極ブロックは、先端が欠落した扇形板状をなす鉄心と、当該鉄心の外側円弧面以外の５つの面のそれぞれに取り付けられた複数の永久磁石とをそれぞれ含む。電機子は、前記回転子を半径方向外側から囲繞するように配置されている。このような電動機では、回転子が回転軸回りに回転し高速回転による遠心力が回転子に作用すると、回転子の回転が不安定になることや磁石ブロックが損傷しやすいという問題がある。

特開２０１９－７５８４８号公報

　本発明の目的は、永久磁石を含む可動子と、当該可動子の半径方向外側に配置される電機子とを備える回転電動機と比較して、高速回転による遠心力によって可動子の回転が不安定になることを抑止することにある。

　本発明によって提供されるのは、回転電動機である。当該回転電動機は、複数の電機子コイルを有する電機子と、複数の磁極ブロックを有する可動子であって、複数の磁極ブロックのそれぞれは、電機子と対向して配置される対向面と当該対向面に接続される複数の側面とを含む鉄心と、前記対向面を開放して鉄心を囲繞するように前記複数の側面にそれぞれ対向する複数の永久磁石とを具備し、複数の永久磁石は前記鉄心の前記複数の側面に同じ極性の磁極を向けてそれぞれ配置されている、可動子とを備え、前記可動子は、回転中心軸を有し、当該回転中心軸を中心とする円の半径方向外側から前記電機子を囲むように配置され、前記回転中心軸を中心として前記円の周方向である可動方向に回転可能である。

図１は、本発明の実施の形態１に係るラジアルギャップ電動機の構成を示す側断面図である。図２は、本発明の実施の形態１に係るラジアルギャップ電動機の構成を示す平断面図である。図３は、本発明の実施の形態１に係るラジアルギャップ電動機の磁極ブロックの構成を示す分解斜視図である。図４は、本発明の実施の形態１に係るラジアルギャップ電動機の回転子における磁路を説明するための平断面図である。図５は、図４の回転子の矢印Ｖ－Ｖに沿って見た展開断面図である。図６は、本発明の実施の形態１に係るラジアルギャップ電動機の電機子コイルから生じた磁路を示す側断面図である。図７は、本発明の実施の形態２に係るラジアルギャップ電動機の構成を示す側断面図である。図８は、本発明の実施の形態２に係るラジアルギャップ電動機の変形例の構成を示す側断面図である。図９は、本発明の実施の形態２に係るラジアルギャップ電動機の電機子コイルから生じた磁路を示す側断面図である。図１０は、本発明の実施の形態２に係るラジアルギャップ電動機の変形例の電機子コイルから生じた磁路を示す側断面図である。図１１は、本発明の実施の形態３に係るラジアルギャップ電動機の構成を示す側断面図である。図１２は、本発明の実施の形態３に係るラジアルギャップ電動機の変形例の構成を示す側断面図である。図１３は、本発明の実施の形態４に係るラジアルギャップ電動機の構成を示す側断面図である。図１４は、本発明の実施の形態４に係るラジアルギャップ電動機の構成を示す側断面図である。図１５は、本発明の実施の形態４に係るラジアルギャップ電動機の変形例の構成を示す側断面図である。図１６は、本発明の実施の形態４に係るラジアルギャップ電動機の変形例の構成を示す側断面図である。

　以下、添付図面を参照して、本発明の各実施の形態について詳細に説明する。

　（発明の背景）
　可動子（回転子）の外側に電機子を配置した場合、可動子が高速で回転すると、以下の問題が生じる。

　第一に、可動子の高速回転による遠心力で、鉄心及び永久磁石が半径方向において同じ位置に保持されにくいという問題がある。鉄心及び永久磁石が保持されにくいことで、可動子と電機子とのギャップが変化し、高速回転にブレーキが掛かり、必要なトルクが出ないこととなる。

　第二に、可動子の高速回転により、可動子に使用されるヨークにおける渦電流損が大きくなるという問題がある。これにより、発熱量が大きくなって、エネルギー損失が起こるとともに、磁石の減磁、絶縁物の破損等が発生する。また、渦電流損を防ぐには、ヨークにアモルファス合金を使用する必要があるが、アモルファス合金は強度が弱いため、ヨークが高速回転の遠心力により破損する可能性がある。

　（実施の形態１）
　本実施の形態では、回転子と、回転子の内側に配置された電機子とを有するラジアルギャップ電動機について説明する。前記回転子は、複数の磁極ブロックが回転軸を中心とした環状方向（周方向）である可動方向に並べて構成されている。前記複数の磁極ブロックは、先端が欠落した扇形板状をなす鉄心と、当該鉄心の内側円弧面以外の面にそれぞれ取り付けられた複数の永久磁石とを含む。以下では、鉄心の内側円弧面以外の面の数が５つの場合について説明するが、本発明は必ずしもこれに限定されない。

　図１は、本発明の実施の形態１に係るラジアルギャップ電動機の構成を示す側断面図であり、図２はその平断面図である。ラジアルギャップ電動機１００は、電機子１１０と、可動子である回転子１２０とを備える。回転子１２０は、軟磁性体の回転軸１２７を有しており、回転軸１２７を中心として回転可能であり、電機子１１０に対して相対的に回転する。

　また、回転子１２０は、外箱１２８を更に有する。回転軸１２７と回転子１２０の本体部分（磁極ブロック）とは外箱１２８でつながっており、回転軸１２７の回転は外箱１２８を介して回転子１２０に伝達される。一方、電機子１１０は、回転軸１２７、回転子１２０とは接触していない。

　なお、以下の説明において、回転子１２０の回転方向を周方向、回転子１２０の回転半径方向を半径方向、回転軸１２７の長手方向を軸方向という。

　電機子１１０は、電流を受け入れ磁界を発生する複数の電機子コイル１１１と、複数のティース部１１２と、ヨーク部１１３とを有する。ヨーク部１１３は円環状をなしており、その外周面からは周方向に等間隔に並ぶように複数のティース部１１２が半径方向外側にそれぞれ突出している。

　ヨーク部１１３と複数のティース部１１２とは電機子部材として一体的に形成されている。かかる電機子部材は、軟鉄、ソフトフェライト等の軟磁性体によって構成される。また、各ティース部１１２は、断面視において四角形状をなしており、各ティース部１１２に導線が巻回されることで各電機子コイル１１１が形成される。この図では、６個の電機子コイル１１１が、周方向に沿って設けられている。

　次に、回転子１２０の構成について説明する。図２に示すように、回転子１２０は、電機子１１０の半径方向外側に配置される。回転子１２０は、中央部が空いた円盤乃至円柱状をなしている。かかる回転子１２０は、回転中心軸と複数の磁極ブロック１２１とを有しており、これらの磁極ブロック１２１が周方向に並べられた構造となっている。回転子１２０は、前記回転中心軸を中心とする円の半径方向外側から電機子１１０を囲むように配置され、前記回転中心軸を中心として前記円の周方向である回転方向（可動方向）に回転可能である。

　図３は、一の磁極ブロック１２１の構成を示す分解斜視図である。磁極ブロック１２１は、軸方向視において先端が円弧状に欠落した扇形（以下、環状扇形という。なお、円環扇形ともいう。）の板状をなしており、環状扇形の板状をなす軟磁性体の鉄心１２２と、５つの板状の永久磁石１２３ａ～１２３ｅとを有している。鉄心１２２は、電機子１１０と対向して配置される対向面（内周面）と、当該対向面に接続される複数の側面とを含む。詳しくは、鉄心１２２は、一対の環状扇形面と、前記一対の環状扇形面同士を互いに接続する外周面および内周面と、前記外周面および前記内周面との間において、前記一対の環状扇形面同士を互いに接続する一対の端面とをそれぞれ含む。

　永久磁石１２３ａ及び１２３ｂは、鉄心１２２の一面（環状扇形面）と同じ又は若干大きい環状扇形の主面を有しており、鉄心１２２の２つの環状扇形面を覆うようにそれぞれ鉄心１２２に取り付けられる。永久磁石１２３ｃ及び１２３ｄは、鉄心１２２の厚さと同一又は若干大きい幅を有しており、鉄心１２２の側面（端面）を覆うようにそれぞれ鉄心１２２に取り付けられる。また、永久磁石１２３ｅは、鉄心１２２の大きい方の円弧面、即ち外側円弧面（外周面）と同一の外径の円弧板状をなしており、鉄心１２２の外側円弧面を覆うようにこれに取り付けられる。つまり、鉄心１２２には、内側円弧面（対向面、内周面）を開放して当該鉄心１２２を囲繞するように、内側円弧面以外の側面に永久磁石１２３ａ～１２３ｅがそれぞれ取り付けられる（対向して配置される）。また、各永久磁石１２３ａ～１２３ｅは、鉄心１２２の各側面に同じ極性の磁極を向けて配置される。鉄心１２２の開放された内側円弧面は回転子磁極１２４となる。後述するように、回転子磁極１２４は、各永久磁石１２３ａ～１２３ｅのうち鉄心１２２を向く面の磁極と同じ極性の磁極となる。また、各永久磁石１２３ａ～１２３ｅの外側を向く面（鉄心１２２とは反対側の面）は回転子磁極１２４とは反対の極性の磁極となる。

　図２を参照する。環状扇形板状の磁極ブロック１２１のそれぞれは、互いの側面同士が接するように互いに接続される。すなわち、前記円の半径方向内側に複数の磁極ブロック１２１の内側円弧面がそれぞれ向くように、複数の磁極ブロック１２１が電機子１１０を囲んで周方向に並べて配置される。なお、隣接する２つの磁極ブロック１２１の回転子磁極１２４は互いに異なる（反対の）極性の磁極とされる。つまり、回転子磁極１２４の極性が１つずつ交互に反転するように各磁極ブロック１２１が周方向に並べられる。このため、隣り合う２つの磁極ブロック１２１の接合面は一方の接合面がＳ極となり他方の接合面がＮ極となる。したがって、隣り合う２つの磁極ブロック１２１が磁力によって互いに引きつけ合い、複数の磁極ブロック１２１を容易に周方向に並べて配置することができる。

　また、回転子１２０は、ヨーク１２５と、バックヨーク１２６とを更に有する。複数の磁極ブロック１２１が並んで配置されることで構成される構造体は、軸方向の両側から円盤状の軟磁性体からなるヨーク１２５に挟まれる。さらに、複数の磁極ブロック１２１が並んだ構造体を囲繞するように円筒状のバックヨーク１２６が外側に配置される。したがって、各磁極ブロック１２１は回転子磁極１２４（対向面）以外の磁極が外部に露出せず、このためヨーク１２５及びバックヨーク１２６内に磁路が形成される。

　図２に示すように、例えば、鉄心１２２における回転子磁極１２４の面（対向面）の幅は、ティース部１１２の幅より大きくてもよい。このような構成により、例えば三相交流を用いた際の磁気効率を向上させることができる。ただし、鉄心１２２における回転子磁極１２４の面の幅と、ティース部１１２の幅との大小関係はこれに限定されず、回転子磁極１２４の面の幅がティース部１１２の幅より小さくてもよいし、これらの幅が略同一であってもよい。

　外箱１２８は、回転子１２０の複数の磁極ブロック１２１を半径方向外側から囲う。すなわち、外箱１２８は、複数の磁極ブロック１２１が高速回転による遠心力によって半径方向外側に変位することを阻止するように、複数の磁極ブロック１２１を支持している。ここで、外箱１２８は、軽く、高速遠心力に耐え得る金属又は樹脂により形成されているのが望ましい。換言すれば、外箱１２８は、比重が小さく引張強度が高い金属又は樹脂により形成されているとよい。この場合、「比重が小さい」とは、比重が例えば８（ｇ／ｃｍ^３）以下であることをいい、「引張強度が高い」とは、引張強度が例えば５５（ｔ／ＭＰａ）以上であることをいう。このように、電機子１１０の外側に磁極ブロック１２１を配置し、磁極ブロック１２１の外側に円周状かつ高速回転による遠心力に耐え得る金属又は樹脂からなる外箱１２８を配置することで、遠心力を受けても磁極ブロック１２１が外に飛び出すことがなくなる。また、外箱１２８を設けたことで、遠心力に耐え得るようになり、後述するように、ヨーク１２５及びバックヨーク１２６で発生する渦電流損を軽減するため、ヨーク１２５及びバックヨーク１２６にアモルファス合金を使用することが可能となる。

　また、外箱１２８と磁極ブロック１２１との間の空間には、樹脂が注入される又はスペーサが挿入されるとよい。これには、外箱１２８と磁極ブロック１２１との間の空間を樹脂でモールドすることも含まれる。これにより、磁極ブロック１２１が遠心力で半径方向へ動き難くなるので、電機子１１０と磁極ブロック１２１の鉄心１２２との間の距離を一定に保つことができる。

　さらに、ヨーク１２５及びバックヨーク１２６は、アモルファス合金により形成されていることが望ましい。アモルファス合金は、鉄等からなる合金を溶融状態から急激に冷却することで非結晶のまま固体化したものである。これをヨーク１２５及びバックヨーク１２６に用いると、鉄心１２２に交番磁界が通る際のエネルギー損失（ヒステリシス損）が小さくなる。また、ヨーク１２５及びバックヨーク１２６の板厚が薄いため、渦電流損も小さくなる。

　図４は回転子１２０の磁路を説明するための平断面図であり、図５は図４の回転子１２０を矢印Ｖ－Ｖ線に沿って見た展開断面図である。図４及び図５において、矢印は磁化方向（磁力線が延びる方向）を示しており、極性がＳ→Ｎとなるように示されている。鉄心１２２は、その周囲を取り囲む永久磁石１２３ａ～１２３ｅによって磁化される。Ｓ極が鉄心１２２に面する永久磁石１２３ａ～１２３ｅ（例えば図の左上の鉄心１２２に面する永久磁石１２３ａ～１２３ｅ）から出た磁束が鉄心１２２内を進む。鉄心１２２には５面に永久磁石１２３ａ～１２３ｅが取り付けられているため、これらの５つの永久磁石１２３ａ～１２３ｅからそれぞれ出た磁束が鉄心１２２の内部を進み、それぞれの磁束が半径方向内向きに進行して回転子磁極１２４（対向面）から内側の空間（電機子１１０とのギャップ）に出る。かかる磁束は放射状に周方向及び軸方向に分岐し、隣の磁極ブロック１２１のＮ極の回転子磁極１２４から鉄心１２２の内部に進入する。この鉄心１２２には、隣り合う２つの磁極ブロック１２１からの磁束が進入する。この鉄心１２２には永久磁石１２３ａ～１２３ｅのＮ極が面しているため、磁束はさらにこの鉄心１２２の内部を進み、軸方向、周方向、及び半径方向外向きのそれぞれに分岐して各永久磁石１２３ａ～１２３ｅに入る。永久磁石１２３ｃ及び１２３ｄからは隣接する永久磁石１２３ｃ及び１２３ｄへと磁束が戻る。永久磁石１２３ａ及び１２３ｂから出た磁束はヨーク１２５を進行し、隣の磁極ブロック１２１の永久磁石１２３ａ及び１２３ｂに入る。また、永久磁石１２３ｅから出た磁束はバックヨーク１２６を進行し、隣の磁極ブロック１２１の永久磁石１２３ｅに入る。

　回転子磁極１２４は、当該回転子磁極１２４を含む鉄心１２２に面した永久磁石１２３ａ～１２３ｅの磁極と同じ極性となる。つまり、鉄心１２２に永久磁石１２３ａ～１２３ｅのＳ極が面している場合、当該鉄心１２２の回転子磁極１２４はＳ極となり、鉄心１２２に永久磁石１２３ａ～１２３ｅのＮ極が面している場合、当該鉄心１２２の回転子磁極１２４はＮ極となる。

　上記のような構成のラジアルギャップ電動機１００において、電機子コイル１１１に電流を流すと、電機子コイル１１１の周囲に磁界が発生する。図６は、電機子コイル１１１から生じた磁路を示す側断面図である。各電機子コイル１１１の断面の周りに環状の磁路が形成される。このとき、ティース部１１２のうち回転子１２０と対向する面が磁極（電機子磁極１１４）となる。

　図６の右側を参照して、電機子コイル１１１によって生じた磁束は、ギャップを通じて回転子磁極１２４から鉄心１２２に入り、永久磁石１２３ａ～１２３ｅを通過する。永久磁石１２３ａ，１２３ｂを通過した磁束はヨーク１２５からヨーク部１１３に入る。また、永久磁石１２３ｃ，１２３ｄを通過した磁束は、隣の磁極ブロック１２１の永久磁石１２３ｃ，１２３ｄを介して鉄心１２２に入り、Ｓ極の回転子磁極１２４からギャップに出て、これに対向するＮ極の電機子磁極１１４に入る。さらに、永久磁石１２３ｅを通過した磁束は、バックヨーク１２６からヨーク１２５を介してヨーク部１１３に入る。このように本実施の形態に係るラジアルギャップ電動機１００は、各鉄心１２２を永久磁石１２３ａ～１２３ｅが取り囲んでいる（密接している）ため、従来型の鉄心の２面にのみ永久磁石が取り付けられた構造の回転子に比べて、回転子磁極１２４に生じる磁束が増大される。したがって、ラジアルギャップ電動機１００における磁気効率が向上する。

　また、回転子１２０（磁極子）が電機子１１０の半径方向外側に配置され、両者の間に形成される磁場の影響を受けて高速回転する。この際、回転子１２０では、外箱１２８が複数の磁極ブロック１２１を径方向外側から押さえつけているため、高速回転による遠心力が掛かっても、回転子１２０内で鉄心１２２及び複数の永久磁石１２３を安定して保持することができる。したがって、前記遠心力によって回転子１２０の回転が不安定になることを抑止することができる。

　また、複数の磁極ブロック１２１では、鉄心１２２を複数の永久磁石１２３が取り囲み、各永久磁石１２３が回転子磁極１２４と同じ極性の磁極を鉄心１２２に向けている。このため、回転子１２０と電機子１１０との間で閉じた磁場が安定して形成され、回転子１２０に使用されるヨーク１２５における渦電流損が大きくなることを抑止することができる。

　（実施の形態２）
　本実施の形態では、実施の形態１の電機子１１０及び回転子１２０を回転中心軸の軸方向に２つ以上連ねたラジアルギャップ電動機について説明する。換言すれば、本実施の形態では、回転電動機が、電機子１１０及び回転子１２０（可動子）に対して、回転中心軸の軸方向にそれぞれ連ねて配置された他の電機子１１０および他の回転子１２０を更に備える。

　図７は本実施の形態に係るラジアルギャップ電動機２００の構成を示す側断面図である。ラジアルギャップ電動機２００は、軸方向に連ねられた２つの電機子２１０と、軸方向に連ねられた可動子である２つの回転子２２０とを備える。この図では、２つの電機子２１０及び２つの回転子２２０が連ねられているが、３つ以上の電機子２１０及び回転子２２０が連ねられていてもよい。これらの回転子２２０は、共通の軟磁性体の回転軸２２７を有しており、回転軸２２７を中心として回転可能である。

　また、回転軸２２７と回転子２２０（磁極ブロック）は外箱２２８でつながっており、回転軸２２７の回転は外箱２２８を介して回転子２２０に伝達される。一方、電機子２１０は、回転軸２２７、回転子２２０とは接触していない。

　電機子２１０の構成は、実施の形態１において説明した電機子１１０の構成と同様であるので、同一構成要素については同一符号を付し、その説明を省略する。

　回転子２２０の構成は、実施の形態１において説明した回転子１２０の構成と同様であるので、同一構成要素については同一符号を付し、その説明を省略する。

　なお、軸方向に連なる２つの回転子２２０において、複数の磁極ブロックのそれぞれは、各々の回転子磁極１２４（内周面）の極性が、前記回転中心軸の軸方向に沿って１つずつ反転するように配置されている。また、軸方向に連なる２つの電機子１１０において、複数の電機子コイル１１１のそれぞれは、各々の電機子磁極１１４の極性が、前記回転中心軸の軸方向に沿って１つずつ反転するように配置されている。

　図７では、軸方向において互いに隣り合うヨーク部１１３及び互いに隣り合うヨーク１２５がそれぞれ接続されていることとしたが、これらはそれぞれ一体となっていてもよい。或いは、軸方向において互いに隣り合うヨーク部１１３及び互いに隣り合うヨーク１２５はそれぞれ分離していてもよい。図８はこの場合のラジアルギャップ電動機２００の変形例の構成を示す側断面図である。この変形例の構成要素は、図７のラジアルギャップ電動機２００の構成要素と同じなので、説明を省略する。

　ここで、ラジアルギャップ電動機２００では、回転子２２０と電機子２１０との間のギャップ（ギャップＲＳとする）に磁場のエネルギーが集められることで、効率的に電気と運動のエネルギー変換が行われる。しかしながら、ヨーク部１１３間等の磁束の流入路に新たなギャップ（ギャップＬとする）が存在すると、ギャップＲＳに蓄えられるはずだった磁場のエネルギーの一部がギャップＬに蓄えられることになる。電気と運動のエネルギー変換は主にギャップＲＳに蓄えられる磁場のエネルギーが担うため、ギャップＬの存在によって、変換できるエネルギー量が減少する。つまり、ラジアルギャップ電動機２００が作動するために多くの電力が必要になるので、ラジアルギャップ電動機２００全体の効率低下を招く。以上のことから、ヨーク部１１３間及びヨーク１２５間のギャップは無い方がよい。すなわち、図７に示した構成の方が、図８に示した構成よりも好ましい。

　上記のような構成のラジアルギャップ電動機２００において、電機子コイル１１１に電流を流すと、電機子コイル１１１の周囲に磁界が発生する。図９及び図１０はそれぞれ、図７及び図８において電機子コイル１１１から生じた磁路を示す側断面図である。磁路は図９と図１０とで同じである。各電機子コイル１１１の断面の周りに環状の磁路が形成される。このとき、ティース部１１２のうち回転子２２０と対向する面が磁極（電機子磁極１１４）となる。

　図９または図１０の右側を参照して、電機子コイル１１１によって生じた磁束は、ギャップを通じて回転子磁極１２４から鉄心１２２に入り、永久磁石１２３ａ～１２３ｅを通過する。永久磁石１２３ａを通過した磁束は、隣の磁極ブロック１２１の永久磁石１２３ｂを介して鉄心１２２に入り、Ｓ極の回転子磁極１２４からギャップに出て、これに対向するＮ極の電機子磁極１１４に入る。或いは、永久磁石１２３ａを通過した磁束はヨーク１２５からヨーク部１１３に入る。永久磁石１２３ｂを通過した磁束はヨーク１２５からヨーク部１１３に入る。或いは、永久磁石１２３ｂを通過した磁束は、隣の磁極ブロック１２１の永久磁石１２３ａを介して鉄心１２２に入り、Ｓ極の回転子磁極１２４からギャップに出て、これに対向するＮ極の電機子磁極１１４に入る。また、永久磁石１２３ｃ，１２３ｄを通過した磁束は、隣の磁極ブロック１２１の永久磁石１２３ｃ，１２３ｄを介して鉄心１２２に入り、Ｓ極の回転子磁極１２４からギャップに出て、これに対向するＮ極の電機子磁極１１４に入る。さらに、永久磁石１２３ｅを通過した磁束は、バックヨーク１２６からヨーク１２５を介してヨーク部１１３に入る。或いは、永久磁石１２３ｅを通過した磁束は、隣の磁極ブロック１２１の永久磁石１２３ｅを介して鉄心１２２に入り、Ｓ極の回転子磁極１２４からギャップに出て、これに対向するＮ極の電機子磁極１１４に入る。本実施の形態に係るラジアルギャップ電動機２００は、各鉄心１２２を永久磁石１２３ａ～１２３ｅが取り囲んでいるため、従来型の鉄心の２面にのみ永久磁石が取り付けられた構造の回転子に比べて、回転子磁極１２４に生じる磁束が増大される。したがって、ラジアルギャップ電動機２００における磁気効率が向上する。

　このように、２つ以上の電機子２１０及び回転子２２０を軸方向に連ねることで、漏れ磁場が減り、電機子２１０と回転子２２０との間の磁束密度がさらに増加する。これにより、磁場抵抗が増加し、トルクを増加させることができる。

　（実施の形態３）
　実施の形態３では、実施の形態２から部品点数を削減したラジアルギャップ電動機について説明する。

　図１１は本実施の形態に係るラジアルギャップ電動機３００の構成を示す側断面図である。ラジアルギャップ電動機３００は、軸方向に連ねられた２つの電機子３１０と、軸方向に連ねられた可動子である２つの回転子３２０とを備える。これらの回転子３２０は、共通の軟磁性体の回転軸３２７を有しており、回転軸３２７を中心として回転可能である。

　また、回転軸３２７と回転子３２０（磁極ブロック）とは外箱３２８でつながっており、回転軸３２７の回転は外箱３２８を介して回転子３２０に伝達される。一方、電機子３１０は、回転軸３２７、回転子３２０とは接触していない。

　電機子３１０の構成は、実施の形態１において説明した電機子１１０の構成と同様であるので、同一構成要素については同一符号を付し、その説明を省略する。

　回転子３２０の構成は、実施の形態１において説明した回転子１２０の構成と同様であるので、同一構成要素については同一符号を付し、その説明を省略する。

　図１１では、互いに隣り合うヨーク部１１３が接続されていることとしたが、これらは一体となっていてもよい。或いは、互いに隣り合うヨーク部１１３は分離していてもよい。図１２は、この場合のラジアルギャップ電動機３００の変形例の構成を示す側断面図である。この変形例の構成要素は、図１１のラジアルギャップ電動機３００の構成要素と同じなので、説明を省略する。

　ここで、ラジアルギャップ電動機３００では、回転子３２０と電機子３１０との間のギャップ（ギャップＲＳとする）に磁場のエネルギーが集められることで、効率的に電気と運動のエネルギー変換が行われる。しかしながら、ヨーク部１１３間等の磁束の流入路に新たなギャップ（ギャップＬとする）が存在すると、ギャップＲＳに蓄えられるはずだった磁場のエネルギーの一部がギャップＬに蓄えられることになる。電気と運動のエネルギー変換は主にギャップＲＳに蓄えられる磁場のエネルギーが担うため、ギャップＬの存在によって、変換できるエネルギー量が減少する。つまり、ラジアルギャップ電動機３００が運動を行うのに多くの電力が必要になるので、ラジアルギャップ電動機３００全体の効率低下を招く。以上のことから、ヨーク部１１３間のギャップは無い方がよい。すなわち、図１１に示した構成の方が、図１２に示した構成よりも好ましい。

　また、本実施の形態では、隣接する磁極ブロック１２１間の永久磁石１２３ａ，１２３ｂが１つの永久磁石で構成されている（共有されている）。

　これにより、隣接する磁極ブロック１２１間の距離を短く構成することが可能になるため、永久磁石１２３ａ，１２３ｂ，１２３ｅの表面積を広く確保することができる。したがって、磁束数が増加することでトルク増加が行えるようになる。

　（実施の形態４）
　実施の形態４では、実施の形態３からさらに部品点数を削減したラジアルギャップ電動機について説明する。

　図１３，図１４は本実施の形態に係るラジアルギャップ電動機４００の構成を示す側断面図である。ラジアルギャップ電動機４００は、図１３に示すように、軸方向に連ねられた２つの電機子４１０と、軸方向に連ねられた可動子である２つの回転子４２０とを備える。或いは、図１４に示すように、軸方向に連ねられた３つの電機子４１０と、軸方向に連ねられた可動子である３つの回転子４２０とを備える。これらの回転子４２０は、共通の軟磁性体の回転軸４２７を有しており、回転軸４２７を中心として回転可能である。

　また、回転軸４２７と回転子４２０（磁極ブロック）は外箱４２８でつながっており、回転軸４２７の回転は外箱４２８を介して回転子４２０に伝達される。一方、電機子４１０は、回転軸４２７、回転子４２０とは接触していない。

　電機子４１０の構成は、実施の形態１において説明した電機子１１０の構成と同様であるので、同一構成要素については同一符号を付し、その説明を省略する。

　回転子４２０の構成は、実施の形態１において説明した回転子１２０の構成と同様であるので、同一構成要素については同一符号を付し、その説明を省略する。

　図１３、図１４では、互いに隣り合うヨーク部１１３が接続されていることとしたが、これらは一体となっていてもよい。或いは、互いに隣り合うヨーク部１１３は分離していてもよい。図１５、図１６はこの場合のラジアルギャップ電動機４００の変形例の構成を示す側断面図である。この変形例の構成要素は、図１３、図１４のラジアルギャップ電動機４００の構成要素と同じなので、説明を省略する。

　ここで、ラジアルギャップ電動機４００では、回転子４２０と電機子４１０との間のギャップ（ギャップＲＳとする）に磁場のエネルギーが集められることで、効率的に電気と運動のエネルギー変換が行われる。しかしながら、ヨーク部１１３間等の磁束の流入路に新たなギャップ（ギャップＬとする）が存在すると、ギャップＲＳに蓄えられるはずだった磁場のエネルギーの一部がギャップＬに蓄えられることになる。電気と運動のエネルギー変換は主にギャップＲＳに蓄えられる磁場のエネルギーが担うため、ギャップＬの存在によって、変換できるエネルギー量が減少する。つまり、ラジアルギャップ電動機４００が運動を行うのに多くの電力が必要になるので、ラジアルギャップ電動機４００全体の効率低下を招く。以上のことから、ヨーク部１１３間のギャップは無い方がよい。すなわち、図１３、図１４に示した構成の方が、図１５、図１６に示した構成よりも好ましい。

　本実施の形態でも、隣接する磁極ブロック１２１間の永久磁石１２３ａ，１２３ｂが１つの永久磁石で構成されている。また、本実施の形態では、上端部に位置する磁極ブロック１２１が永久磁石１２３ａを有さず、下端部に位置する磁極ブロック１２１が永久磁石１２３ｂを有しない。これによっても、永久磁石１２３ａ，１２３ｂ，１２３ｅの表面積を広く確保することができる。したがって、磁束数が増加することでトルク増加が行えるようになる。

　すなわち、本発明は、磁極ブロックの鉄心のうち前記対向面以外のすべての側面が永久磁石によって覆われているものに限定されるものではない。ただし、前記対向面以外のすべての側面が永久磁石によって覆われていることが望ましい。

　以上、本発明によって提供されるのは、回転電動機である。当該回転電動機は、複数の電機子コイルを有する電機子と、複数の磁極ブロックを有する可動子とを備える。当該複数の磁極ブロックのそれぞれは、前記電機子と対向して配置される対向面と当該対向面に接続される複数の側面とを含む鉄心と、前記対向面を開放して当該鉄心を囲繞するように前記複数の側面にそれぞれ対向する複数の永久磁石とを具備する、当該複数の永久磁石は前記鉄心の前記複数の側面に同じ極性の磁極を向けてそれぞれ配置されている。前記可動子は、回転中心軸を有し、当該回転中心軸を中心とする円の半径方向外側から前記電機子を囲むように配置され、前記回転中心軸を中心として前記円の周方向である可動方向に回転可能である。

　上記の構成において、前記複数の磁極ブロックの前記鉄心は、一対の環状扇形面と前記一対の環状扇形面同士を互いに接続する外周面および内周面と前記一対の環状扇形面同士を互いに接続する一対の端面とをそれぞれ含み、前記複数の磁極ブロックのそれぞれにおいて、前記鉄心の前記内周面が前記対向面となるように、前記内周面以外の面にそれぞれ前記複数の永久磁石が取り付けられており、前記円の半径方向内側に前記複数の磁極ブロックの前記内周面がそれぞれ向くように、前記複数の磁極ブロックが前記可動方向に並べて配置されていることが望ましい。

　上記の構成において、前記複数の磁極ブロックは、各々の前記対向面の極性が前記可動方向に沿って１つずつ反転するように配置されていることが望ましい。

　上記の構成において、前記電機子及び前記可動子に対して、前記回転中心軸の軸方向にそれぞれ連ねて配置された他の電機子および他の可動子を更に備えることが望ましい。

　上記の構成において、前記可動子および前記他の可動子における前記複数の磁極ブロックは、各々の前記対向面の極性が前記回転中心軸の軸方向に沿って１つずつ反転するように配置されていることが望ましい。

　上記の構成において、前記可動子は、前記複数の磁極ブロックを前記半径方向外側から囲う外箱を更に有することが望ましい。

　上記の構成において、前記外箱は、比重が小さく引張強度が高い金属又は樹脂により構成されていることが望ましい。

　上記の構成において、前記外箱と前記複数の磁極ブロックとの間の空間に樹脂が注入されている、又は、スペーサが挿入されていることが望ましい。

　上記の構成において、前記可動子は、前記外箱内で前記複数の磁極ブロックのうちの前記電機子との対向面以外の面を覆うヨークを有し、前記ヨークは、アモルファス合金により構成されていることが望ましい。

Claims

　複数の電機子コイルを有する電機子と、
　複数の磁極ブロックを有する可動子であって、当該複数の磁極ブロックのそれぞれは、前記電機子と対向して配置される対向面と当該対向面に接続される複数の側面とを含む鉄心と、前記対向面を開放して当該鉄心を囲繞するように前記複数の側面にそれぞれ対向する複数の永久磁石とを具備し、当該複数の永久磁石は前記鉄心の前記複数の側面に同じ極性の磁極を向けてそれぞれ配置されている、可動子とを備え、
　前記可動子は、回転中心軸を有し、当該回転中心軸を中心とする円の半径方向外側から前記電機子を囲むように配置され、前記回転中心軸を中心として前記円の周方向である可動方向に回転可能である、回転電動機。
　前記複数の磁極ブロックの前記鉄心は、一対の環状扇形面と前記一対の環状扇形面同士を互いに接続する外周面および内周面と前記一対の環状扇形面同士を互いに接続する一対の端面とをそれぞれ含み、
　前記複数の磁極ブロックのそれぞれにおいて、前記鉄心の前記内周面が前記対向面となるように、前記内周面以外の面にそれぞれ前記複数の永久磁石が取り付けられており、
　前記円の半径方向内側に前記複数の磁極ブロックの前記内周面がそれぞれ向くように、前記複数の磁極ブロックが前記可動方向に並べて配置されている、請求項１に記載の回転電動機。
　前記複数の磁極ブロックは、各々の前記対向面の極性が前記可動方向に沿って１つずつ反転するように配置されている、請求項１に記載の回転電動機。
　前記電機子及び前記可動子に対して、前記回転中心軸の軸方向にそれぞれ連ねて配置された他の電機子および他の可動子を更に備える、請求項１乃至３の何れか１項に記載の回転電動機。
　前記可動子および前記他の可動子における前記複数の磁極ブロックは、各々の前記対向面の極性が前記回転中心軸の軸方向に沿って１つずつ反転するように配置されている、請求項４に記載の回転電動機。
　前記可動子は、前記複数の磁極ブロックを前記半径方向外側から囲う外箱を更に有する、請求項１に記載の回転電動機。
　前記外箱は、比重が小さく引張強度が高い金属又は樹脂により構成されている、請求項６に記載の回転電動機。
　前記外箱と前記複数の磁極ブロックとの間の空間に樹脂が注入されている、又は、スペーサが挿入されている、請求項６に記載の回転電動機。
　前記可動子は、前記外箱内で前記複数の磁極ブロックのうちの前記電機子との対向面以外の面を覆うヨークを有し、
　前記ヨークは、アモルファス合金により構成されている、請求項６に記載の回転電動機。