JP7820737B2 - 電動機 - Google Patents

Description

本発明は、電動機に関するものである。

電動機として、軸方向の両端が閉鎖された円筒状のケースと、ケースに軸支されている回転軸と、ケースの内周面に取付けられており回転軸を中心とした等角度の間隔で中心へ向かって突出している複数のティースを有する環状のコアと、コアの各ティースに巻かれているコイルと、各ティースに対面するように回転軸を中心とした等角度の間隔で回転軸に取付けられている複数の永久磁石と、を備えたものが知られている（例えば、特許文献１）。

しかしながら、特許文献１のような従来の電動機では、環状のコアにおける中心へ向かって突出している複数のティースそれぞれに、エナメル線のような被覆電線を巻いてコイルを形成しているため、それらコイルの形成に手間がかかり、コストの増加を抑制することが困難であった。

特開２０２２－１１６５６３号公報

そこで、本発明は、上記の実情に鑑み、コストの増加を抑制することが可能な電動機の提供を課題とするものである。

上記の課題を解決するために、本発明にかかる電動機は、
「中空のケーシングと、
該ケーシングにより回転可能に軸支されている回転シャフトと、
該回転シャフトの軸芯と同軸上の円環状に形成されており、前記ケーシング内に取付けられているステーターユニットと、
該ステーターユニットとの間に隙間をあけた状態で、前記ケーシング内において前記回転シャフトに取付けられているローターユニットと、
を具備し、
前記ステーターユニットは、
円環状のコア、該コアの全周にわたってトロイダル巻きされている全周コイル、及び、該全周コイルの複数箇所で部分的にトロイダル巻きされており前記軸芯を中心とした等角度間隔に設けられている複数の部分コイル、を有する円環状のコイルユニットと、
該コイルユニットにおける軸方向の一方の端面側において、前記軸芯を中心とした等角度間隔に配置されており、それぞれの磁極を軸方向に向けていると共に、前記コイルユニットの端面と対面する磁極の向きが周方向において交互に逆転している複数のステーター磁石と
を備えており、
前記ローターユニットは、
複数の前記ステーター磁石とは前記コイルユニットを間にした反対側において、前記軸芯を中心とした等角度間隔に配置されており、それぞれの磁極を軸方向に向けていると共に、前記コイルユニットの端面と対面する磁極の向きが周方向において交互に逆転している複数の第一ローター磁石と、
前記コイルユニットの環内において、前記軸芯を中心として複数の前記第一ローター磁石と同じ等角度間隔に配置されており、それぞれの磁極を前記軸芯を中心とした半径方向に向けていると共に、前記コイルユニットの内周面と対面する磁極の向きが周方向において交互に逆転している複数の第二ローター磁石と
を備え、
前記第一ローター磁石と前記第二ローター磁石は、前記軸芯を中心とした同じ角度位置に設けられていると共に、
前記第二ローター磁石は、前記コイルユニットの内周面と対面する磁極が、前記軸芯を中心とした同じ角度位置に設けられている前記第一ローター磁石における前記コイルユニットの端面と対面する磁極と同じである」ものである。

本構成の電動機によれば、コイルユニットにおいて、円環状のコアに、全周コイルや部分コイルをトロイダル巻きしているため、従来の電動機のように中心へ向かって突出している複数のティースそれぞれに被覆電線を巻いてコイルを形成する場合と比較して、コイルを容易に形成することができ、電動機にかかるコストの増加を抑制することができる。

本発明にかかる電動機は、上記の構成に加えて、
「一つの前記ステーターユニットと一つの前記ローターユニットとからなるベースユニットを複数組備えており、
各組の該ベースユニットは、
一つの前記回転シャフトに対して、それぞれ配置されていると共に、それぞれの前記ステーターユニットは、前記コイルユニットの外周面を囲むように円筒状に巻かれている外周コイルを備えている」ものである。

本構成によれば、一つの回転シャフトに対して、ステーターユニットとローターユニットとを備えたベースユニットを複数組備えているため、ベースユニットが一組の場合と比較して、回転シャフトの回転トルクが高くなる。

また、各組のベースユニットそれぞれに円筒状の外周コイルを備えていることから、例えば二組（二組以上の場合は偶数組が望ましい）のベースユニットを備える場合は同じ半径の二つの外周コイルが同軸上に並んでいるため、二つの外周コイル同士の距離を外周コイルの半径と同じ距離にすることで、二つの外周コイルすなわち一対の外周コイルによりヘルムホルツコイルを構成することが可能となる。これにより、一対の外周コイルによりヘルムホルツコイルを構成するようにした場合、一対の外周コイルに電流を流して同じ向きの磁場を発生させると、一対の外周コイルの軸芯上で均一な磁場を得ることができるため、その磁場により一対の外周コイルの環内それぞれに設けられているコイルユニットなどで発生する磁場を打ち消すことが可能となり、外部への磁気漏れが少ない電動機を提供することができる。

以上のように、本発明によれば、コストの増加を抑制することが可能な電動機を提供することができる。

本発明の一実施形態である電動機の斜視図である。 電動機の断面図である。 電動機を主な構成毎に分解して示す分解斜視図である。 （ａ）は電動機におけるステーターユニットの斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のステーターユニットを反対側から示す斜視図である。 （ａ）はステーターユニットを分解して示す分解斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のステーターユニットを反対側から示す分解斜視図である。 （ａ）はステーターユニットにおけるコイルユニットのコアの正面図であり、（ｂ）はコアに全周コイルを巻き付けた状態を示す正面図であり、（ｃ）は（ｂ）に部分コイルを巻き付けてコイルユニットにした状態を示す正面図である。 ステーターユニットにおけるステーター磁石の配置を示す説明図である。 （ａ）は電動機におけるはローターユニットの斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のローターユニットを反対側から示す斜視図である。 ローターユニットにおける第一ローター磁石及び第二ローター磁石の配置を示す説明図である。

以下、本発明の一実施形態である電動機１について、図面を参照して詳細に説明する。電動機１は、中空のケーシング１０と、ケーシング１０により回転可能に軸支されている回転シャフト２０と、回転シャフト２０の軸芯と同軸上の円環状に形成されており、ケーシング１０に取付けられているステーターユニット３０と、ステーターユニット３０との間に隙間をあけた状態で、ケーシング１０内において回転シャフト２０に取付けられているローターユニット５０と、を具備している。

本実施形態の電動機１は、一つのステーターユニット３０と一つのローターユニット５０とからなる組を、二組備えている。この一組のステーターユニット３０及びローターユニット５０は、本発明のベースユニットに相当している。以下では、回転シャフト２０が延びている方向を軸方向、回転シャフト２０の中心軸線を軸芯、その軸芯を中心にした円の円周に沿った方向を周方向、とそれぞれ称する。

まず、ケーシング１０は、図１～図３に示すように、軸方向に離隔して設けられている一対の端部プレート１１と、一対の端部プレート１１の間に設けられている中間プレート１２と、各端部プレート１１及び中間プレート１２それぞれの上辺付近同士を繋いでいる二つの上ケース１３と、各端部プレート１１及び中間プレート１２それぞれの下辺付近同士を繋いでいる二つの下ケース１４と、各端部プレート１１及び中間プレート１２それぞれの側辺付近同士を繋いでいる計四つの側ケース１５と、を備えている。

つまり、本実施形態では、一対の端部プレート１１の間に中間プレート１２が設けられていることから、一つの上ケース１３と一つの下ケース１４と二つの側ケース１５とにより構成される組が、二組設けられている。

このケーシング１０は、組立てた状態で、中間プレート１２を間にして軸方向の両側に空間を形成することができ、それぞれの空間には一組のステーターユニット３０及びローターユニット５０がそれぞれ収容される。

また、ケーシング１０は、回転シャフト２０を回転可能に軸支するためのシャフト用軸受１６と、ローターユニット５０を回転可能に軸支するためのローター用軸受１７と、を端部プレート１１に備えている。

具体的には、一対の端部プレート１１は、軸方向に直交する面と平行な平板状で、外形が正方形に形成されている。端部プレート１１は、中央において軸方向に貫通しており回転シャフト２０が挿通される貫通孔１１ａと、中央を中心とした等角度間隔に設けられており軸方向に貫通している複数の通気孔１１ｂと、を有している。複数の通気孔１１ｂは、コイルユニット３１からの熱を外部へ逃すためのものである。各端部プレート１１には、シャフト用軸受１６とローター用軸受１７とが取付けられている。

中間プレート１２は、軸方向に直交する面と平行な平板状で、外形が端部プレート１１の外形と同じ正方形である。中間プレート１２は、中央において軸方向に貫通しており回転シャフト２０が挿通される貫通孔１２ａと、中央を中心とした等角度間隔に設けられており軸方向に貫通している複数の通気孔１２ｂと、を有している。複数の通気孔１２ｂは、ケーシング１０内の通気性をよくするためのものである。なお、中間プレート１２における軸方向の厚さは、中間プレート１２を間にして両側に配置されるステーターユニット３０に対して、それぞれのステーターユニット３０に設けられている後述する外周コイル４１同士の距離が、外周コイル４１の半径と同じ距離になるように設定されている。

一組の上ケース１３、下ケース１４、及び二つの側ケース１５は、軸方向の長さがそれぞれ同じであり、それぞれの回転シャフト２０を向いている面（内側面）が、軸芯を中心にした円弧状に湾曲している。上ケース１３、下ケース１４、及び二つの側ケース１５は、それぞれの内側面から回転シャフト２０側へ突出し、内側面に沿って周方向へ延出しているフランジ部１８を有している。フランジ部１８は、上ケース１３、下ケース１４、及び二つの側ケース１５それぞれにおいて、軸方向の中央よりも一方側へ片寄った位置に設けられている。

また、上ケース１３、下ケース１４、及び二つの側ケース１５それぞれには、フランジ部１８から軸方向へ突出している位置決突起１８ａが少なくとも一つ設けられている。位置決突起１８ａは、上ケース１３、下ケース１４、及び二つの側ケース１５それぞれにおいて、軸方向の中央側へ向かって突出している。これら位置決突起１８ａは、ケーシング１０に組立てた時に、軸芯を中心とした等角度（ここでは６０度）間隔に設けられている。位置決突起１８ａは、ステーターユニット３０における後述する第二カバー部３７の位置決切欠部３７ｅに挿入することにより、軸芯周りに対するケーシング１０とステーターユニット３０との回転角度位置を位置決めすることができる。

また、上ケース１３、下ケース１４、及び二つの側ケース１５は、それぞれの内側面から肉厚方向に貫通している複数の通気スリット１９を有している。複数の通気スリット１９は、コイルユニット３１からの熱を外部へ逃すためのものである。これら上ケース１３、下ケース１４、及び二つの側ケース１５は、ステーターユニット３０の外周を囲むように設けられている。

回転シャフト２０は、図３に示すように、軸方向の両端に設けられている円柱状の円柱部２１と、両端の円柱部２１に挟まれている角柱状の角柱部２２と、を有している。円柱部２１は、ケーシング１０のシャフト用軸受１６に挿入することにより軸支される。一方、角柱部２２は、ローターユニット５０における後述する基部５１の角孔部５１ｂに挿入することにより、ローターユニット５０を一体回転させることができる。

ステーターユニット３０は、図４及び図５に示すように、円環状のコイルユニット３１と、コイルユニット３１を覆っているコイルカバー３５と、コイルカバー３５に取付けられている複数のステーター磁石４０と、コイルカバー３５の外周に巻かれている外周コイル４１と、コイルカバー３５に取付けられておりローターユニット５０を回転可能に軸支するためのローター用軸受４２と、を備えている。

コイルユニット３１は、円環状のコア３２と、コア３２の全周にわたってトロイダル巻きされている全周コイル３３と、全周コイル３３の複数個所で部分的にトロイダル巻きされている複数の部分コイル３４と、を備えている（図６参照）。円環状のコイルユニット３１は、その内径が、ローターユニット５０の後述する基部５１の外径よりも大きい。

コア３２は、円環状のコア本体３２ａと、コア本体３２ａの内周及び外周それぞれに設けられている円環状のガイド部３２ｂと、を有している。コア本体３２ａは、電磁鋼板を積層したものである。ガイド部３２ｂは、合成樹脂により形成されている。ガイド部３２ｂは、コア本体３２ａと接している周面とは反対側の周面における軸方向の両端辺が、全周にわたってＲ面取りされており、全周コイル３３の形成時において被覆電線をトロイダル巻きする際に、被覆電線が直角に折れ曲がることがないものとされている。本実施形態のコア３２は、従来の電動機のコアとは異なり、軸芯（中心）に向かって突出しているティースのような突起を有していない。

全周コイル３３は、コア３２に対して隙間なく全周にわたってトロイダル巻きされている。本実施形態の全周コイル３３は、三重巻きされている。複数の部分コイル３４は、全周コイル３３の上からトロイダル巻きされており、軸芯を中心とした等角度間隔に設けられている。周方向に隣接している部分コイル３４同士の間には、隙間が設けられている。なお、その数を限定するものではないが、本実施形態では、複数の部分コイル３４を６個設けており、それぞれを三重巻きしている。

コイルカバー３５は、軸方向へ二つに分割されており、第一カバー部３６と第二カバー部３７とからなる。

第一カバー部３６は、円環状のベース部３６ａと、ベース部３６ａの外周面及び内周面における軸方向の一方の端部側から半径方向へそれぞれ延出している外フランジ部３６ｂ及び内フランジ部３６ｃと、外フランジ部３６ｂから軸芯と同軸上で軸方向におけるベース部３６ａとは反対側に延出している筒状のボビン部３６ｄと、を備えている。ボビン部３６ｄは、内径がベース部３６ａの外径よりも大きい。

また、第一カバー部３６は、ベース部３６ａにおける軸方向の両端面のうちボビン部３６ｄに近い側の端面において凹んでおり、軸芯を中心とした等角度間隔に設けられている複数の収容凹部３６ｅと、隣接している収容凹部３６ｅ同士の間の部位においてベース部３６ａを軸方向に貫通している複数の貫通口３６ｆと、を備えている。複数の収容凹部３６ｅには、ステーター磁石４０がそれぞれ収容される。複数の収容凹部３６ｅは、軸芯からの距離が、コイルユニット３１におけるコア３２の軸芯からの距離と略同じであり、ベース部３６ａの端面からの深さが、ステーター磁石４０における磁極の方向（二つの磁極が離隔している方向）の長さと同じである。複数の貫通口３６ｆは、コイルユニット３１からの熱を外部へ逃すためのものである。なお、それらの数を限定するものではないが、本実施形態では、複数の収容凹部３６ｅ及び複数の貫通口３６ｆを、それぞれ６個ずつ設けている。更に、一つの収容凹部３６ｅは、周方向の長さを、軸芯を中心とした３０度の角度範囲に設けている。

第二カバー部３７は、平板で円環状のベース部３７ａと、ベース部３７ａの外周縁から軸方向の一方側へ延出している筒状のボビン部３７ｂと、ボビン部３７ｂの外周面における軸方向の基端から半径方向の外方へ延出している外フランジ部３７ｃと、ベース部３７ａの内周縁から軸方向におけるボビン部３７ｂと同じ方向へ延出している内筒部３７ｄと、を備えている。第二カバー部３７のボビン部３７ｂは、外径及び内径が、第一カバー部３６のボビン部３６ｄの外径及び内径と同じである。内筒部３７ｄは、ボビン部３７ｂの先端を第一カバー部３６のボビン部３６ｄの先端に突き合わせた時に、内筒部３７ｄの先端が第一カバー部３６の内フランジ部３６ｃに当接する長さに設定されている。この内筒部３７ｄは、軸方向におけるベース部３７ａ側の端部付近の内径が、反対側の端部付近の内径よりも大きく形成されており、その内径の大きい部分にローター用軸受４２が取付けられている。

また、第二カバー部３７は、外フランジ部３７ｃの外周側から軸芯へ向かって切欠かれており、軸芯を中心とした等角度（ここでは３０度）間隔に設けられている複数の位置決切欠部３７ｅを備えている。位置決切欠部３７ｅは、上ケース１３、下ケース１４、及び二つの側ケース１５に設けられている位置決突起１８ａが挿入されることにより、軸芯周りに対するケーシング１０とステーターユニット３０との回転角度位置を位置決めすることができる。

更に、第二カバー部３７は、ベース部３７ａにおいて軸方向に貫通しており、軸芯を中心とした等角度間隔に設けられている複数の貫通口３７ｆと、隣接している貫通口３７ｆ同士の間の部位においてベース部３７ａを軸方向に貫通している複数のスリット３７ｇと、を備えている。複数のスリット３７ｇは、軸芯を中心とした円弧状に延びていると共に、その軸芯を中心とした半径方向に複数が列設されている。複数の貫通口３７ｆ及び複数のスリット３７ｇは、コイルユニット３１からの熱を外部へ逃すためのものである。

このコイルカバー３５は、第一カバー部３６と第二カバー部３７とを、それぞれのボビン部３６ｄ，３７ｂの先端同士を突き合わせることにより組立てることができる。コイルカバー３５に組立てた状態では、二つのベース部３６ａ，３７ａと、二つの外フランジ部３６ｂ，３７ｃと、内筒部３７ｄとで囲まれた円環状の空間を形成することができ、その空間内にコイルユニット３１が収容される。また、コイルカバー３５は、組立てた状態では、ボビン部３６ｄ，３７ｂそれぞれの外周面が連続した同一面となり、その外周面に外周コイル４１が巻かれる。

複数のステーター磁石４０は、磁極を軸方向へ向けた状態で、コイルカバー３５における第一カバー部３６の各収容凹部３６ｅに一つずつ収容されていると共に、それぞれの磁極の向きが周方向において交互に逆転するように向けられている（図７参照）。ステーター磁石４０を収容凹部３６ｅに収容して取付けた状態では、軸方向の端面がベース部３７ａの軸方向の端面と同一面上に位置している。複数のステーター磁石４０は、コイルカバー３５に取付けることにより、軸芯を中心とした等角度間隔に配置された状態になる。また、複数のステーター磁石４０は、ステーターユニット３０に組立てた状態で、軸方向の両端面のうち収容凹部３６ｅの開口側の端面が、コイルユニット３１における軸方向の一方の端面と接するように対面している（図２参照）。

外周コイル４１は、コイルカバー３５における第一カバー部３６の外フランジ部３６ｂと第二カバー部３７の外フランジ部３７ｃとの間において、ボビン部３６ｄ，３７ｂの外周面に巻かれている。この外周コイル４１は、ヘルムホルツコイルを構成するためのものである。

ローターユニット５０は、図８に示すように、回転シャフト２０が挿通される取付孔５１ａを有する基部５１と、基部５１から軸芯と直交する方向の外方へ延出している円盤状の支持板部５２と、支持板部５２に取付けられている複数の第一ローター磁石５３と、基部５１に取付けられている複数の第二ローター磁石５４と、を備えている。

基部５１は、取付孔５１ａが角孔部５１ｂと丸孔部５１ｃとの二つの部位により構成されている。詳述すると、角孔部５１ｂは、取付孔５１ａにおける軸方向の一方の端部から反対側の端部へ向かって途中までの部位に設けられており、回転シャフト２０における角柱部２２の外周形状と一致する内周形状に形成されている。丸孔部５１ｃは、取付孔５１ａにおける角孔部５１ｂを除いた残りの部位に設けられており、角柱部２２の外周よりも大きい直径の内周形状に形成されている。この基部５１は、取付孔５１ａの角孔部５１ｂに回転シャフト２０の角柱部２２を挿入することにより、回転シャフト２０と一体回転することが可能となる。

また、基部５１は、軸方向における丸孔部５１ｃ側の端部付近の外周面に設けられている第一軸支部５１ｄと、軸方向における中央付近の外周面に設けられている第二軸支部５１ｅと、軸方向における第二軸支部５１ｅを間にして第一軸支部５１ｄとは反対側において、角孔部５１ｂ側の端部側の外周面から凹んでいる複数の収容凹部５１ｆと、を備えている。

第一軸支部５１ｄは、ケーシング１０のローター用軸受１７により軸支される。第二軸支部５１ｅは、ステーターユニット３０のローター用軸受４２に支持される。複数の収容凹部５１ｆは、軸芯を中心とした等角度間隔に設けられており、それぞれに第二ローター磁石５４が収容される。複数の収容凹部５１ｆは、基部５１の外周面からの深さが、第二ローター磁石５４における磁極の方向の長さよりも若干深い。なお、複数の収容凹部５１ｆは、それぞれが基部５１における軸方向の一方側へ開放されている。本実施形態では、複数の収容凹部５１ｆが、後述する取付凹部５２ａの数と同じ６個設けられている。

支持板部５２は、基部５１における第一軸支部５１ｄと第二軸支部５１ｅとの間の部位に設けられており、外径がコイルユニット３１の外径と略同じである。支持板部５２は、軸方向を向いている両端面のうち、基部５１における複数の収容凹部５１ｆが設けられている側の端面において凹んでおり、軸芯を中心とした等角度間隔に設けられている複数の取付凹部５２ａと、隣接している取付凹部５２ａ同士の間の部位において軸方向に貫通している複数の貫通口５２ｂと、を備えている。

複数の取付凹部５２ａには、第一ローター磁石５３がそれぞれ取付けられる。複数の取付凹部５２ａは、軸芯からの距離が、コイルユニット３１におけるコア３２の軸芯からの距離と略同じであり、支持板部５２の端面からの深さが、第一ローター磁石５３における磁極の方向の長さよりも浅い。また、複数の取付凹部５２ａは、その数が基部５１の収容凹部５１ｆの数（ここでは６個）と同じであり、軸芯を中心として収容凹部５１ｆと同じ角度位置に設けられている。複数の貫通口５２ｂは、コイルユニット３１からの熱を外部へ逃すためのものである。

複数の第一ローター磁石５３は、磁極を軸方向へ向けた状態で、支持板部５２における各取付凹部５２ａに一つずつ取付けられていると共に、それぞれの磁極の向きが周方向において交互に逆転するように向けられている（図９参照）。複数の第一ローター磁石５３は、支持板部５２に取付けることにより、軸芯を中心とした等角度間隔に配置された状態になる。複数の第二ローター磁石５４は、軸芯を中心とした半径方向に磁極を向けた状態で、基部５１の各収容凹部５１ｆに一つずつ収容されていると共に、それぞれの磁極の向きが周方向において交互に逆転するように向けられている（図９参照）。

また、軸芯を中心とした同じ角度位置に設けられている第一ローター磁石５３と第二ローター磁石５４は、第一ローター磁石５３における支持板部５２から遠い側の磁極と、第二ローター磁石５４における軸芯を中心とした半径方向の外方を向いている磁極とが、同じ極となるように取付けられている。

続いて、本実施形態の電動機１の組立てについて、主に図１～図３を参照して説明する。まず、上ケース１３、下ケース１４、及び二つの側ケース１５を枠状に組立てた上で、その枠内におけるフランジ部１８から位置決突起１８ａが突出している側にステーターユニット３０を挿入する。なお、図２では、各磁石の磁極の違い網掛けの濃淡により表している。

この際に、ステーターユニット３０を、その第二カバー部３７側から枠内に挿入し、第二カバー部３７の位置決切欠部３７ｅに位置決突起１８ａを挿入させると共に、第二カバー部３７をフランジ部１８に当接させる。これにより、ステーターユニット３０の外周が、上ケース１３、下ケース１４、及び二つの側ケース１５により囲まれた第一仮組体が形成される。本実施形態では、この第一仮組体を二組用意する。なお、二組の第一仮組体は、軸芯を中心にした同じ特定角度の位置に設けられているステーター磁石４０の磁極の向きが異なるように組立てる。具体的には、例えば、軸芯を中心にした同じ特定角度の位置において、コイルユニット３１へ向いているステーター磁石４０の磁極が、一方の第一仮組体ではＮ極が、他方の第一仮組体ではＳ極がそれぞれ向いているように組立てる。

そして、中間プレート１１の軸方向の両側に、第一仮組体をそれぞれ取付けて第二仮組体を形成する。この際に、それぞれの第一仮組体を、ステーターユニット３０の第一カバー部３６が中間プレート１１と対面するように向けて取付ける。

次に、第二仮組体の軸方向の両外側から、それぞれのステーターユニット３０の環内に、支持板部５２を軸方向の外方へ向けたローターユニット５０の基部５１をそれぞれ挿入し、ローターユニット５０の第二軸支部５１ｅをステーターユニット３０のローター用軸受４２に軸支させる。

第二仮組体の軸方向の両側それぞれにローターユニット５０を取付けたら、回転シャフト２０を軸方向の一方側から二つのローターユニット５０の取付孔５１ａに通して、第二仮組体を貫通している状態にする。この回転シャフト２０に二つのローターユニット５０を取付ける際に、軸芯を中心にした同じ所定角度の位置に設けられている二つ第一ローター磁石５３それぞれの磁極の向きが同じ向きになるように取付ける。

その後、軸方向の両外側から、第二仮組体の上ケース１３及び下ケース１４に端部プレート１１を取付ける。この際に、端部プレート１１に取付けられているシャフト用軸受１６及びローター用軸受１７に、回転シャフト２０の円柱部２１及びローターユニット５０の第一軸支部５１ｄを、それぞれ軸支させる。このようにすることで、電動機１に組立てることができる。

上記のようにして組立てた電動機１は、ケーシング１０における二つの端部プレート１１により回転シャフト２０が回転可能に軸支されており、この回転シャフト２０に二つのローターユニット５０が一体回転するように取付けられている。また、この電動機１では、一つのステーターユニット３０と一つのローターユニット５０とからなる組を二組備えていると共に、その二組が中間プレート１２を間にして対称に配置されている。換言すると、それぞれの組において、軸方向における複数のステーター磁石４０が設けられている側の端部同士が、互いに向き合うように配置されている。

また、この電動機１は、図２に示すように、ローターユニット５０の支持板部５２に取付けられている複数の第一ローター磁石５３が、ステーターユニット３０に設けられている複数のステーター磁石４０とはコイルユニット３１を間にした反対側に位置している。複数のステーター磁石４０及び複数の第一ローター磁石５３は、磁極の向きがそれぞれ軸方向に向いている。また、中間プレート１２を間にして軸方向の両側それぞれに設けられている複数のステーター磁石４０同士は、軸芯と平行に軸方向へ並んでいる二つのステーター磁石４０それぞれの磁極が同じ方向を向いている。更に、中間プレート１２を間にして軸方向の両側それぞれに設けられている複数の第一ローター磁石５３同士は、軸芯と平行に軸方向へ並んでいる二つの第一ローター磁石５３それぞれの磁極が同じ方向を向いている。

また、ローターユニット５０の基部５１に取付けられている複数の第二ローター磁石５４は、磁極の向きが軸芯を中心とした半径方向を向いた状態で、ステーターユニット３０におけるコイルユニット３１の環内に位置している。また、複数の第二ローター磁石５４は、コイルユニット３１の内周面を向いている磁極が、軸芯を中心とした同じ角度位置に設けられている第一ローター磁石５３におけるコイルユニット３１に向いている磁極と同じである。

従って、中間プレート１２を間にして対称に配置されている二組のステーターユニット３０及びローターユニット５０は、ステーター磁石４０、第一ローター磁石５３及び第二ローター磁石５４それぞれの磁極の向きが、中間プレート１２を間にして逆向きになっている。

また、電動機１は、二つのコイルユニット３１それぞれの外周を囲むように二つの外周コイル４１が設けられている。そして、二つの外周コイル４１は、その半径と同じ距離で軸方向に離隔している。従って、二つ（一対）の外側コイル４１により、ヘルムホルツコイルが構成されている。

なお、回転シャフト２０（ローターユニット５０）が自由に回転できる状態では、ステーターユニット３０に設けられているステーター磁石４０の磁気により、コイルユニット３１を間にして反対側に設けられているローターユニット５０の第一ローター磁石５３の磁極の向きが、軸方向に離隔しているステーター磁石４０の磁極の向きと対応する回転位置で、ローターユニット５０が停止する。

続いて、本実施形態の電動機１の使用方法について説明する。本実施形態の電動機１は、コイルユニット３１における全周コイル３３及び複数の部分コイル３４の少なくとも一方にパルス電流を流すことにより、ローターユニット５０を介して回転シャフト２０を回転させることができる。この電動機１は、以下のような原理により回転すると考えられる。本実施形態のコイルユニット３１は、円環状のコアに被覆電線をトロイダル巻きして全周コイル３３及び複数の部分コイル３４を形成しているため、全周コイル３３などに電流を流すと、磁束が円環に沿って周方向へ循環し、外部に放出されることは殆んどない。

このコイルユニット３１に所定以上の電流（電圧）を印加すると、磁気飽和が発生して磁束（磁気）が外部に放出される。ここでは、パルス電流を印加するため、そのパルス幅に対応した短時間の間、コイルユニット３１から磁気が放出される。この際に、コイルユニット３１を間にして複数の第一ローター磁石５３とは反対側に複数のステーター磁石４０を設けているため、複数のステーター磁石４０からの磁気の影響を受けた磁気がコイルユニット３１から外部へ放出される。そして、コイルユニット３１から放出された磁気にローターユニット５０の第一ローター磁石５３及び第二ローター磁石５４が反応（吸引・反発）し、これを繰り返すことでローターユニット５０（回転シャフト２０）が回転する。なお、中間プレート１２を間にして軸方向の両側に配置されている二組のステーターユニット３０及びローターユニット５０は、ステーター磁石４０、第一ローター磁石５３及び第二ローター磁石５４それぞれの磁極の向きを、中間プレート１２を間にして逆向きにしているため、回転力を打ち消し合うことはない。因みに、本願発明者等は、本実施形態の電動機１に、パルス電流を印加することで、回転シャフト２０が回転することを確認している。

また、この電動機１では、コイルユニット３１にパルス電流を印加するタイミングに合わせて、二つの（一対の）外周コイル４１に電流を印加するようにしている。これにより、一対の外周コイル４１に電流を流して同じ向きの磁場が発生すると、一対の周コイル４１の軸芯上で均一な磁場を得ることができるため、その磁場により一対の外周コイル４１の環内それぞれに設けられているコイルユニット３１などで発生する磁場を打ち消すことが可能となり、外部への磁気漏れが少なくなる。

このように、本実施形態によれば、コイルユニット３１において、円環状のコア３２に、全周コイル３３や部分コイル３４をトロイダル巻きしているため、従来の電動機のように中心へ向かって突出している複数のティースそれぞれに被覆電線を巻いてコイルを形成する場合と比較して、コイルを容易に形成することができ、電動機１にかかるコストの増加を抑制することができる。

また、本実施形態によれば、コイルユニット３１におけるコア３２を、突起のない単純な円環状の形態としているため、複数の突起（ティース）を有する従来の電動機のコアと比較して、コアの製造にかかるコストを低減することができる。

更に、本実施形態によれば、一つの回転シャフト２０に対して、ステーターユニット３０とローターユニット５０とからなる組を二組備えているため、一組しか備えていない場合と比較して、回転シャフト２０の回転トルクが高くなる。

また、本実施形態によれば、ローターユニット５０に、コイルユニット３１に対して軸方向の一方の端面側に配置された複数の第一ローター磁石５３と、コイルユニット３１の環内に配置された複数の第二ローター磁石５４と、を備えているため、コイルユニット３１から外部へ放出される磁力を可能な限り利用することができる。

以上、本発明について好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、以下に示すように、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計の変更が可能である。

例えば、上記の実施形態では、ステーターユニット３０とローターユニット５０とからなる組を二組備えている電動機１を示したが、これに限定するものではなく、ステーターユニット３０とローターユニット５０とからなる組を一組、或いは、三組以上備えるようにしてもよい。

また、上記の実施形態では、複数の部分コイル３４の数と、複数のステーター磁石４０及び複数の第一ローター磁石５３及び複数の第二ローター磁石５４それぞれの数と、を同じ数のものを示したが、これに限定するものではなく、部分コイル３４の数と磁石の数とを異ならせてもよい。

また、上記の実施形態では、ステーターユニット３０に外周コイル４１を備えているものを示したが、これに限定するものではなく、外周コイル４１を備えていないステーターユニット３０としてもよい。

更に、上記の実施形態では、複数の通気孔１１ｂ，１２ｂや複数の通気スリット１９などを設けて熱を外部へ排出する空冷のものを示したが、これに限定するものではなく、水冷（例えば、水循環方式のウォータージャケットの装備、冷却ジェルの装着）のものとしてもよい。

１ 電動機
１０ ケーシング
２０ 回転シャフト
３０ ステーターユニット
３１ コイルユニット
３２ コア
３３ 全周コイル
３４ 部分コイル
４０ ステーター磁石
４１ 外周コイル
５０ ローターユニット
５３ 第一ローター磁石
５４ 第二ローター磁石

Claims (2)

1. 中空のケーシングと、
   該ケーシングにより回転可能に軸支されている回転シャフトと、
   該回転シャフトの軸芯と同軸上の円環状に形成されており、前記ケーシング内に取付けられているステーターユニットと、
   該ステーターユニットとの間に隙間をあけた状態で、前記ケーシング内において前記回転シャフトに取付けられているローターユニットと、
   を具備し、
   前記ステーターユニットは、
   円環状のコア、該コアの全周にわたってトロイダル巻きされている全周コイル、及び、該全周コイルの複数箇所で部分的にトロイダル巻きされており前記軸芯を中心とした等角度間隔に設けられている複数の部分コイル、を有する円環状のコイルユニットと、
   該コイルユニットにおける軸方向の一方の端面側において、前記軸芯を中心とした等角度間隔に配置されており、それぞれの磁極を軸方向に向けていると共に、前記コイルユニットの端面と対面する磁極の向きが周方向において交互に逆転している複数のステーター磁石と
   を備えており、
   前記ローターユニットは、
   複数の前記ステーター磁石とは前記コイルユニットを間にした反対側において、前記軸芯を中心とした等角度間隔に配置されており、それぞれの磁極を軸方向に向けていると共に、前記コイルユニットの端面と対面する磁極の向きが周方向において交互に逆転している複数の第一ローター磁石と、
   前記コイルユニットの環内において、前記軸芯を中心として複数の前記第一ローター磁石と同じ等角度間隔に配置されており、それぞれの磁極を前記軸芯を中心とした半径方向に向けていると共に、前記コイルユニットの内周面と対面する磁極の向きが周方向において交互に逆転している複数の第二ローター磁石と
   を備え、
   前記第一ローター磁石と前記第二ローター磁石は、前記軸芯を中心とした同じ角度位置に設けられていると共に、
   前記第二ローター磁石は、前記コイルユニットの内周面と対面する磁極が、前記軸芯を中心とした同じ角度位置に設けられている前記第一ローター磁石における前記コイルユニットの端面と対面する磁極と同じである
   ことを特徴とする電動機。
2. 一つの前記ステーターユニットと一つの前記ローターユニットとからなるベースユニットを複数組備えており、
   各組の該ベースユニットは、
   一つの前記回転シャフトに対して、それぞれ配置されていると共に、それぞれの前記ステーターユニットは、前記コイルユニットの外周面を囲むように円筒状に巻かれている外周コイルを備えている
   ことを特徴とする請求項１に記載の電動機。