JP6282479B2

JP6282479B2 - アキシャルギャップ形モータ

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Publication number: JP6282479B2
Application number: JP2014026199A
Authority: JP
Inventors: 浅野　能成; 能成浅野; 小坂　卓; 卓小坂
Original assignee: Daikin Industries Ltd; Nagoya Institute of Technology NUC
Current assignee: Daikin Industries Ltd; Nagoya Institute of Technology NUC
Priority date: 2014-02-14
Filing date: 2014-02-14
Publication date: 2018-02-21
Anticipated expiration: 2034-02-14
Also published as: JP2015154587A

Description

この発明はアキシャルギャップ形モータに関し、特にその界磁磁束を供給する技術に関する。

モータにおける界磁磁束の供給源として、永久磁石と界磁巻線とを併用する技術が公知である。界磁巻線に流れる電流によって強さが可変となる界磁磁束（以下、「副界磁磁束」と仮称する）は、永久磁石が供給して（減磁効果を考慮しなければ）強さが固定した界磁磁束（以下、「主界磁磁束」と仮称する）に対する、いわゆる弱め界磁、あるいは強め界磁として作用する。

主界磁磁束と共に副界磁磁束を採用することにより、副界磁磁束を採用しない場合と比較して、広い運転範囲(例えばトルクや回転速度の範囲)で、効率よく運転させることができる。

特開２００６−１４１１０６号公報特開２００８−０４３０９９号公報特開２００８−１８７８２６号公報特開２０１２−１５７１８２号公報特開２０１２−１８２９４４号公報特開２０１２−１８２９４５号公報

小坂、松井、「省希土類系磁石ハイブリッド界磁モータのＨＥＶ応用への可能性」、平成２２年電気学会産業応用部門大会、２−Ｓ８−４、Ｐ．II-81−II-86、平成２２年

他方、モータの用途によっては、例えばインホイールモータとして、その回転軸方向に扁平なモータが望まれる場合がある。かかる観点では、固定子たる電機子と、回転子たる界磁子とが回転軸方向において対向する、アキシャルギャップ形モータが適している。

永久磁石の性能を維持して主界磁磁束を多く得るためには、永久磁石の磁極面を広く採ることが必要となる。しかしアキシャルギャップ形モータで磁極面を広く採ることは径方向の寸法の制限がある場合には困難であり、かかる制限はしばしば要求される。

かかる事情からも、アキシャルギャップ形モータにおいて副界磁磁束を得るための界磁巻線を設けることが望ましい。そして上述のように、アキシャルギャップ形モータにおいて界磁巻線を設けるとき、ラジアルギャップ形モータと比較して、副界磁磁束が主界磁磁束に対する強め界磁として機能することが期待される。

しかしながら、従来採用されていたアキシャルギャップ形モータの構成において、単に界磁巻線を設けるだけでは、固定子が有する電機子コアが形成する磁気回路が容易に飽和する。つまり従来の構成は、界磁巻線を設けることによる広範囲な運転領域には適していなかった。

そこでこの発明は、界磁巻線を用いたアキシャルギャップ形モータにおいて、広範囲な運転領域に適した固定子（電機子）や回転子（界磁子）の形態を提供することを目的とする。

この発明にかかるアキシャルギャップ形モータは、第１固定子（１）と、第２固定子（２）と、回転子（３）と、界磁巻線（４０，４１，４２）とを備える。

そして前記回転子は、所定の回転軸（Ｐ）の周りで回転し、前記回転軸に対する周方向において永久磁石（３１）と軟磁性体（３２）とが交互に配列され、前記回転軸の一方側において前記永久磁石の全てが第１の極性の磁極面を呈し、前記回転軸の他方側において前記永久磁石の全てが前記第１の極性とは異なる第２の極性の磁極面を呈する。

そして前記第１固定子は、前記回転軸の前記一方側から前記回転子に対向し、第１電機子巻線（１３）と、前記第１電機子巻線が巻回されて前記周方向に配列される第１ティース（１１）の複数と、前記回転子とは反対側で前記第１ティース同士を磁気的に短絡させる第１バックヨーク（１２）とを有し、前記第１電機子巻線に交流電流が流れて前記回転子に対して第１回転磁界を供給する。

そして前記第２固定子は、前記回転軸の前記他方側から前記回転子に対向し、第２電機子巻線（２３）と、前記第２電機子巻線が巻回されて前記周方向に配列される第２ティース（２１）の複数と、前記回転子とは反対側で前記第２ティース同士を磁気的に短絡させる第２バックヨーク（２２）とを有し、前記第２電機子巻線に交流電流が流れて前記回転子に対して第２回転磁界を供給する。

そして前記界磁巻線は、前記回転軸の周りに配置され、前記回転軸に沿って磁界を発生させる。前記第１バックヨークと前記第２バックヨークとは磁気的に短絡される。

そしてその第１の態様では、前記第１固定子（１）はその内縁に第１短絡用環（１４）を更に有し、前記第２固定子（２）はその内縁に第２短絡用環（２４）を更に有する。前記第１短絡用と前記環第２短絡用環とは、前記界磁巻線の径方向内側で磁気的に短絡する。

この発明にかかるアキシャルギャップ形モータの第２の態様では、前記第１固定子（１）はその外縁に第１短絡用環（１４）を更に有し、前記第２固定子（２）はその外縁に第２短絡用環（２４）を更に有する。

そして前記第１短絡用環と前記第２短絡用環とは、前記界磁巻線の径方向外側で磁気的に短絡する。前記第１短絡用環（１４）及び前記第２短絡用環（２４）は電磁鋼板を巻回した鉄心である。

この発明にかかるアキシャルギャップ形モータの第３の態様では、前記第１固定子（１）はその内縁に第１短絡用環（１４）を更に有し、前記第２固定子（２）はその内縁に第２短絡用環（２４）を更に有する。

そして前記第１短絡用環と前記第２短絡用環とは、前記界磁巻線の径方向内側で磁気的に短絡する。

そして、前記第１短絡用環（１４）及び前記第２短絡用環（２４）は電磁鋼板を巻回した鉄心である。

アキシャルギャップ形モータにおいて界磁巻線によって発生した磁界によって運転領域を拡げることができる。

第１の実施の形態にかかるアキシャルギャップ形モータの構成を示す斜視図である。界磁子の構成の一部を示す斜視図である。第１の実施の形態にかかるアキシャルギャップ形モータの構成を例示する断面図である。第１の実施の形態の変形にかかるアキシャルギャップ形モータの構成を例示する断面図である。界磁子の断面を展開した図である。第２の実施の形態にかかるアキシャルギャップ形モータの構成を示す斜視図である。第２の実施の形態にかかるアキシャルギャップ形モータの構成を例示する断面図である。

第１の実施の形態．
図１は第１の実施の形態にかかるアキシャルギャップ形モータの構成を示す斜視図である。構造の理解を容易にするため、回転電機を回転軸Ｐに沿って分解して示している。但し、モータの分野の通常の技術知識を有する者であれば、当該アキシャルギャップ形モータの構造を図１から認識することができる。

当該アキシャルギャップ形モータは固定子たる電機子１，２と、回転子たる界磁子３と、界磁巻線４１，４２を備える。電機子１，２が供給する回転磁界と、主界磁磁束と、副界磁磁束とによって界磁子３は回転軸Ｐの周りで回転する。

電機子１は回転軸Ｐの一方側（図１では上側）から界磁子３に、電機子２は回転軸Ｐの他方側（図１では下側）から界磁子３に、それぞれいわゆるエアギャップと称される空隙を空けて対向する。

界磁子３は保持体３０と、永久磁石３１と、軟磁性体３２とを有する。永久磁石３１は、減磁を考慮しなければ大きさが一定となる、主界磁磁束を供給する。

永久磁石３１と軟磁性体３２とは、回転軸Ｐに対する周方向において交互に配列される。本実施の形態では永久磁石３１と軟磁性体３２とはそれぞれ１０個設けられる場合を例示する。

保持体３０は非磁性であり、外環３３、内環３４、隔壁３５を有している。隔壁３５は永久磁石３１と軟磁性体３２との間に位置してこれらを周方向で保持する。外環３３は回転軸Ｐの径方向の外側から、内環３４は回転軸Ｐの径方向の内側から、それぞれ永久磁石３１と軟磁性体３２を保持する。

図２は界磁子３の構成の一部を示す斜視図である。ここでは当該構成を視認し易くするため、周方向において１９２°で拡がる部分を除去して示した。これにより、図面左側には永久磁石３１の断面が、図面右側には軟磁性体３２の断面が、それぞれ現れている。

図３は当該アキシャルギャップ形モータの構成を例示する断面図である。当該断面は回転軸Ｐを含み、回転軸Ｐに平行な面であり、かつ永久磁石３１が現れる位置にある。

回転軸Ｐの一方側において永久磁石３１の全てが第１の極性の磁極面を呈する。回転軸Ｐの他方側において永久磁石３１の全てが第１の極性とは異なる第２の極性の磁極面を呈する。例えば第１の極性及び第２の極性は、それぞれＮ極とＳ極である。

外環３３には丸い形状が周方向に並んで示されている。これは保持体３０が、その厚み方向（図１に即して言えば回転軸Ｐに沿った方向）に積層された電磁鋼板で構成されるときの、締結部位を例示する。

内環３４には回転シャフトが挿入され、かつ固定される。図１、図２、図３では回転シャフトは省略される。当該回転シャフトは界磁子３の回転と共に回転する。

電機子１は、ティース１１と、バックヨーク１２と、電機子巻線１３とを備える。ティース１１は環状に複数設けられる。ティース１１には電機子巻線１３が巻回される。バックヨーク１２は界磁子３とは反対側でティース１１を磁気的に短絡させる。

例えばティース１１はバックヨーク１２に対して貫通する底部を有しており、図１ではその底部が現れている。

バックヨーク１２は回転軸Ｐにおいて内環３４と対向する位置に孔１０が空いている。回転シャフト（不図示）が孔１０において回転可能に挿入される。電機子巻線１３には交流電流が流れ、界磁子３に対して回転磁界を供給する。

電機子２は、ティース２１と、バックヨーク２２と、電機子巻線２３とを備える。ティース２１は環状に複数設けられる。ティース２１には電機子巻線２３が巻回される。バックヨーク２２は界磁子３とは反対側でティース２１を磁気的に短絡させる。バックヨーク２２は回転軸Ｐにおいて内環３４と対向する位置に孔２０が空いている。回転シャフト（不図示）が孔２０において回転可能に挿入される。電機子巻線２３には交流電流が流れ、界磁子３に対して回転磁界を供給する。

本実施の形態ではティース１１，２１のいずれもが２４個設けられる場合を例示する。

電機子１はその外縁に短絡用環１４を、電機子２はその外縁に短絡用環２４を、それぞれ更に備える。短絡用環１４，２４は図１では回転軸Ｐに沿って離れて示されるが、実際のアキシャルギャップ形モータでは両者は接触して短絡する。

短絡用環１４，２４はバックヨーク１２，２２同士を磁気的に短絡させるためのものであるので、必ずしも両者の接触を前提とはしない。

また当該アキシャルギャップ形モータのケースがバックヨーク１２，２２をその径方向外側から保持する場合、当該ケースによって両者を磁気的に短絡してもよい。この場合、短絡用環１４，２４は省略可能である。

本実施の形態において、界磁巻線４１は周方向に配置された一群の電機子巻線１３よりも径方向外側に設けられ、短絡用環１４よりも回転軸Ｐ寄りに配置される。界磁巻線４２は周方向に配置された一群の電機子巻線２３よりも径方向外側に設けられ、短絡用環２４よりも回転軸Ｐ寄りに配置される。換言すれば短絡用環１４，２４は界磁巻線４１，４２の径方向外側で磁気的に短絡する。

界磁巻線４１，４２に電流が流れることにより、回転軸Ｐに沿って磁界を発生させる。当該磁界によって副界磁磁束が得られるので、以下では簡単に、界磁巻線４１，４２によって副界磁磁束が発生する、との表現を採用する。

但し、界磁巻線４１，４２によって発生する副界磁磁束は、回転軸Ｐに沿った方向において同じ向きである。よって界磁巻線４１，４２は一対設ける必要はない。図４では本実施の形態の変形として、界磁巻線４１，４２に代えて一つの界磁巻線４０を設けたときの断面図を示す。

なお、電機子巻線１３，２３及び界磁巻線４０，４１，４２は、これを構成する導線の一本一本を指すのではなく、導線が一纏まりに巻回された態様を指す。これは図面においても同様である。また、巻き始め及び巻き終わりの引き出し線、及びそれらの結線も図面においては省略した。

図５は界磁子３の、隔壁３５が存在する径方向の位置での周方向の断面を展開した図であり、電機子巻線１３，２３が省略される。

図３、図４及び図５では主界磁磁束φｍの流れと、副界磁磁束φａの流れとを、模式的に示している。

主界磁磁束φｍは、ティース１１，２１、バックヨーク１２，２２を介して、永久磁石３１と軟磁性体３２との間を流れる。これにより軟磁性体３２は主界磁磁束φｍによって着磁される。

他方、副界磁磁束φａの大部分は、ティース１１，２１、バックヨーク１２，２２及び短絡用環１４，２４を介して、軟磁性体３２を流れる。これにより、軟磁性体３２は副界磁磁束φａの大部分によっても着磁される。

即ち、軟磁性体３２は、主界磁磁束φｍと副界磁磁束φａの大部分とによって着磁され、誘発された磁極（以下「軟磁性極」と仮称）として機能する。よって副界磁磁束φａの大きさや向きを変えることにより、軟磁性極の強さは増減する。副界磁磁束φａは短絡用環１４，２４に流れる電流によって制御されるので、当該電流によって界磁子３に対して弱め界磁、あるいは強め界磁を施すことができる。

図３、図４，図５で示された態様では、軟磁性体３２に流れる主界磁磁束φｍと副界磁磁束φａとは、向きが反対なので、弱め界磁が施されている場合に対応する。

従来のアキシャルギャップ形モータの構造は、短絡用環１４，２４や軟磁性体３２が設けられず、永久磁石３１がその極性を交互に反転して周方向に配置される。よって、ティース１１は主界磁磁束φｍによって飽和しやすくなっており、副界磁磁束φａによる磁界が界磁子３を通りにくくなっている。つまり副界磁磁束φａによる強め磁束には適していない。

これに対して、本実施の形態の構造では、短絡用環１４，２４や軟磁性体３２が設けられており、副界磁磁束φａがこれらの間を流れやすい。よって副界磁磁束φａによる強め磁束にも適している。

なお、図３に示されるように、永久磁石３１には副界磁磁束φａが流れ得る。しかしながら永久磁石３１は硬磁性体で形成され、その透磁率が小さい。よって、副界磁磁束φａの大部分は、磁気抵抗が小さい軟磁性体３２を経由する。これにより、永久磁石３１に流れる副界磁磁束φａは小さい。よって強め界磁であっても弱め界磁であっても、永久磁石３１近傍におけるティース１１が受ける影響は小さい。

また強め界磁が施される場合においても、永久磁石３１に印加される逆方向の磁界は小さい。しかも、通常、界磁子３に採用される永久磁石３１の保磁力は大きい。よって永久磁石３１における減磁の程度は低い。

よって本実施の形態にかかる構成によれば、アキシャルギャップ形モータにおいて界磁巻線４１，４２（あるいは界磁巻線４０）を用いた副界磁磁束φａによって運転領域を拡げることができる。

第２の実施の形態．
図６は第２の実施の形態にかかるアキシャルギャップ形モータの構成を示す斜視図である。図１と同様に、構造の理解を容易にするため、回転電機を回転軸Ｐに沿って分解して示している。また回転シャフト５をも図示した。

本実施の形態では、短絡用環１４は電機子１の内縁に備えられ、短絡用環２４は電機子２の内縁に備えられる。

界磁巻線４１は周方向に配置された一群の電機子巻線１３よりも径方向内側に設けられ、短絡用環１４は界磁巻線４１よりも回転軸Ｐ側に配置される。界磁巻線４２は周方向に配置された一群の電機子巻線２３よりも径方向内側に設けられ、短絡用環２４は界磁巻線４２よりも回転軸Ｐ側に配置される。換言すれば短絡用環１４，２４は界磁巻線４１，４２の径方向内側で磁気的に短絡する。

回転シャフト５は内環３４に挿入され、かつ固定される。回転シャフト５は孔１０，２０のみならず短絡用環１４，２４において回転可能に挿入される。

図７は当該アキシャルギャップ形モータの構成を例示する断面図である。当該断面は回転軸Ｐを含み、回転軸Ｐに平行な面であり、かつ永久磁石３１が現れる位置にある。

第１の実施の形態と同様にして主界磁磁束φｍが流れ、副界磁磁束φａが短絡用環１４，２４を流れて軟磁性体３２を着磁する。よって第１の実施の形態と同様にして強め界磁、弱め界磁を実現しやすく、界磁巻線４１，４２を用いた副界磁磁束φａによって運転領域を拡げることができる。

変形１．
上記いずれの実施の形態においても、短絡用環１４，２４としては、電磁鋼板を巻回した鉄心を採用することができる。かかる鉄心は軸方向において磁気抵抗が小さいためバックヨーク１２，２２同士の磁気的な短絡に適している。

変形２．
実施の形態２において、回転シャフト５として軟磁性体を採用することにより、短絡用環１４，２４を省略することができる。回転シャフト５がバックヨーク１２，２２同士の磁気的な短絡経路として機能するからである。

適用．
上述の実施の形態、変形はアキシャルギャップ形モータにおいて構成される。よってこれらは、例えばインホイールモータなど、自動車用モータに適用することができる。

１，２電機子
１１，２１ティース
１２，２２バックヨーク
１３，２３電機子巻線
１４，２４短絡用環
３界磁子
３０保持体
３１永久磁石
３２軟磁性体
３３外環
３４内環
３５隔壁
４０，４１，４２界磁巻線

Claims

所定の回転軸（Ｐ）の周りで回転し、前記回転軸に対する周方向において永久磁石（３１）と軟磁性体（３２）とが交互に配列され、前記回転軸の一方側において前記永久磁石の全てが第１の極性の磁極面を呈し、前記回転軸の他方側において前記永久磁石の全てが前記第１の極性とは異なる第２の極性の磁極面を呈する回転子（３）と、
前記回転軸の前記一方側から前記回転子に対向し、第１電機子巻線（１３）と、前記第１電機子巻線が巻回されて前記周方向に配列される第１ティース（１１）の複数と、前記回転子とは反対側で前記第１ティース同士を磁気的に短絡させる第１バックヨーク（１２）とを有し、前記第１電機子巻線に交流電流が流れて前記回転子に対して第１回転磁界を供給する第１固定子（１）と、
前記回転軸の前記他方側から前記回転子に対向し、第２電機子巻線（２３）と、前記第２電機子巻線が巻回されて前記周方向に配列される第２ティース（２１）の複数と、前記回転子とは反対側で前記第２ティース同士を磁気的に短絡させる第２バックヨーク（２２）とを有し、前記第２電機子巻線に交流電流が流れて前記回転子に対して第２回転磁界を供給する第２固定子（２）と、
前記回転軸の周りに配置され、前記回転軸に沿って磁界を発生させる界磁巻線（４０，４１，４２）と
を備え、
前記第１固定子（１）はその内縁に第１短絡用環（１４）を更に有し、
前記第２固定子（２）はその内縁に第２短絡用環（２４）を更に有し、
前記第１短絡用環と前記第２短絡用環とは、前記界磁巻線の径方向内側で磁気的に短絡し、
前記第１バックヨークと前記第２バックヨークとは磁気的に短絡される、アキシャルギャップ形モータ。
所定の回転軸（Ｐ）の周りで回転し、前記回転軸に対する周方向において永久磁石（３１）と軟磁性体（３２）とが交互に配列され、前記回転軸の一方側において前記永久磁石の全てが第１の極性の磁極面を呈し、前記回転軸の他方側において前記永久磁石の全てが前記第１の極性とは異なる第２の極性の磁極面を呈する回転子（３）と、
前記回転軸の前記一方側から前記回転子に対向し、第１電機子巻線（１３）と、前記第１電機子巻線が巻回されて前記周方向に配列される第１ティース（１１）の複数と、前記回転子とは反対側で前記第１ティース同士を磁気的に短絡させる第１バックヨーク（１２）とを有し、前記第１電機子巻線に交流電流が流れて前記回転子に対して第１回転磁界を供給する第１固定子（１）と、
前記回転軸の前記他方側から前記回転子に対向し、第２電機子巻線（２３）と、前記第２電機子巻線が巻回されて前記周方向に配列される第２ティース（２１）の複数と、前記回転子とは反対側で前記第２ティース同士を磁気的に短絡させる第２バックヨーク（２２）とを有し、前記第２電機子巻線に交流電流が流れて前記回転子に対して第２回転磁界を供給する第２固定子（２）と、
前記回転軸の周りに配置され、前記回転軸に沿って磁界を発生させる界磁巻線（４０，４１，４２）と
を備え、
前記第１バックヨークと前記第２バックヨークとは磁気的に短絡され、
前記第１固定子（１）はその外縁に第１短絡用環（１４）を更に有し、
前記第２固定子（２）はその外縁に第２短絡用環（２４）を更に有し、
前記第１短絡用環と前記第２短絡用環とは、前記界磁巻線の径方向外側で磁気的に短絡し、
前記第１短絡用環（１４）及び前記第２短絡用環（２４）は電磁鋼板を巻回した鉄心である、アキシャルギャップ形モータ。
所定の回転軸（Ｐ）の周りで回転し、前記回転軸に対する周方向において永久磁石（３１）と軟磁性体（３２）とが交互に配列され、前記回転軸の一方側において前記永久磁石の全てが第１の極性の磁極面を呈し、前記回転軸の他方側において前記永久磁石の全てが前記第１の極性とは異なる第２の極性の磁極面を呈する回転子（３）と、
前記回転軸の前記一方側から前記回転子に対向し、第１電機子巻線（１３）と、前記第１電機子巻線が巻回されて前記周方向に配列される第１ティース（１１）の複数と、前記回転子とは反対側で前記第１ティース同士を磁気的に短絡させる第１バックヨーク（１２）とを有し、前記第１電機子巻線に交流電流が流れて前記回転子に対して第１回転磁界を供給する第１固定子（１）と、
前記回転軸の前記他方側から前記回転子に対向し、第２電機子巻線（２３）と、前記第２電機子巻線が巻回されて前記周方向に配列される第２ティース（２１）の複数と、前記回転子とは反対側で前記第２ティース同士を磁気的に短絡させる第２バックヨーク（２２）とを有し、前記第２電機子巻線に交流電流が流れて前記回転子に対して第２回転磁界を供給する第２固定子（２）と、
前記回転軸の周りに配置され、前記回転軸に沿って磁界を発生させる界磁巻線（４０，４１，４２）と
を備え、
前記第１バックヨークと前記第２バックヨークとは磁気的に短絡され、
前記第１固定子（１）はその内縁に第１短絡用環（１４）を更に有し、
前記第２固定子（２）はその内縁に第２短絡用環（２４）を更に有し、
前記第１短絡用環と前記第２短絡用環とは、前記界磁巻線の径方向内側で磁気的に短絡し、
前記第１短絡用環（１４）及び前記第２短絡用環（２４）は電磁鋼板を巻回した鉄心である、アキシャルギャップ形モータ。