JP2006320090A - モータ - Google Patents

Abstract

【課題】トルクリップルが発生しないモータを提供する。
【解決手段】同一の回転軸１６に外嵌固定されて軸線回りの周方向に交互に逆極性となる磁極が形成される一対の回転子１２、１４と、回転子１４に対向配置されて軸線回りの周方向に交互に逆極性となる磁極が励磁される固定子１３とを備え、回転子１２、１４の極数をＮ個とすると、一対の回転子１２、１４は、回転軸１６に対して互いに１８０°／Ｎの回転角だけ取付角度をずらして固定し、一方の回転子１２に形成される磁極と他方の回転子１４に形成される磁極の位相をずらしている。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転軸に外嵌固定される回転子を少なくとも一対設けているモータに関するものである。

従来、特開昭５４−１１６６１０号公報や特開平６−８６５１７号公報に開示された発電機では、図１５に示すように、外筒となるブラケット２に回転軸１がベアリング３を介して貫通し、回転軸１に外嵌固定された継鉄４の外周に界磁巻線５を設けていると共に界磁巻線５の左右から交互に突出する爪形磁極６、７を設け、全体として回転子を形成している。一方、ブラケット２には、爪形磁極６、７に対向して固定子巻線８を設けている。また、界磁巻線５への電力供給は、スリップリング９を介して摺動自在に給電する構成としている。

前記構成によれば、スリップリング９を介して界磁巻線５に直流を供給することで界磁巻線５の図中右側にＮ極が発生し、図中左側にＳ極が発生する場合を考えると、右側から突出する爪形磁極６にＮ極が誘導され、左側から突出する爪形磁極７にＳ極が誘導される。即ち、回転軸１を中心として巻回された界磁巻線５を１つ設けるだけで、回転子の外周側に複数のＮ極およびＳ極を周方向の交互に発生させることが可能となる。

ところで、Ｎ極が誘導される爪形磁極６とＳ極が誘導される爪形磁極７との間が近接しすぎると、隣接する爪形磁極６、７間で磁気回路が形成されてしまい、固定子巻線８に向けたトルクに寄与する磁束が低減する。そこで、このような磁場漏れを防ぐべく爪形磁極６、７の間には周方向にある程度の空隙を設けることが求められる。しかしながら、爪形磁極６、７の隣接間隔が大きくなると、図１６に示すように、回転軸１の回転トルクは回転角によって変動し、不安定なトルクリップル（コギングトルク）を生じる問題がある。
特開昭５４−１１６６１０号公報 特開平６−８６５１７号公報

本発明は、前記問題に鑑みてなされたもので、トルクリップルが発生しないモータを提供することを課題としている。

前記課題を解決するため、本発明は、同一の回転軸に外嵌固定され、軸線回りの周方向に交互に逆極性となる磁極が形成される一対の回転子と、
前記回転子に対向配置され、軸線回りの周方向に交互に逆極性となる磁極が励磁される固定子とを備え、
前記回転子の極数をＮ個とすると、前記一方の回転子に形成される磁極と、前記他方の回転子に形成される磁極とは、互いに１８０°／Ｎの回転角だけ位相がずれていることを特徴とするモータを提供している。

前記構成とすると、一対の回転子の各Ｎ個の磁極を回転軸回りに１８０°／Ｎだけ位相をずらしているので、一方の回転子で生じる磁極の弱い部分は他方の回転子で生じる磁極の強い部分が補完し、他方の回転子で生じる磁極の弱い部分は一方の回転子で生じる磁極の強い部分が補完する。したがって、回転角によって個々の回転子に生じるトルクに変動があっても、互いのトルクの位相をずらして重ね合わせることで、全体として回転軸のトルクが平坦化され、トルクリップルの発生を防止することができる。

前記一対の回転子は、前記回転軸に対して互いに１８０°／Ｎだけ回転方向の取付角度をずらして固定していると好ましい。

前記構成とすると、一方の回転子の回転軸に対する軸線回りの取付角度を他方の回転子に対して１８０°／Ｎだけずらして固定するだけでトルクリップルを防止でき、各回転子に発生する磁極はそれぞれ同様に励磁すればよく特別な制御等を行う必要がなくなる利点がある。
なお、各回転子の回転軸に対する取付角度は同一とし、夫々の回転子に励磁される正弦波形の磁極の位相が１８０°／Ｎずれるように電流制御等を行う構成としてもよい。

軸線回りの内周側と外周側とで互いに逆極性の同心円状の磁極を励磁させる励磁手段を有する誘導源固定子が、前記回転子の一側に配置され、
前記回転子には、一端面が前記励磁手段の外周側に対向すると共に他端面が前記固定子の磁極に対向する磁性体からなる第１誘導子と、一端面が前記励磁手段の内周側に対向すると共に他端面が前記固定子の磁極に対向する磁性体からなる第２誘導子とを周方向に交互に配置していると好ましい。

前記構成とすると、誘導源固定子で円環状の内周側と外周側とに逆極性が同心円上に励磁されるため、回転子が回転しても第１誘導子の一端面は誘導源固定子の例えばＮ極発生地点の円周上を移動すると共に、第２誘導子の一端面は誘導源固定子の例えばＳ極発生地点の円周上を移動するので、第１誘導子と第２誘導子の他端面には互いに逆極性の一定磁極が誘導される。よって、第１、第２誘導子と固定子との間で吸引／反発力が発生して回転子の駆動力が生成される。
また、第１誘導子と第２誘導子は互いを近接させすぎるとその間で磁気回路が形成されて磁場漏れが発生し、固定子に向けたトルクに寄与する磁束が低減する可能性があるため、各誘導子間にはある程度の空隙を設けることが求められる。このように各誘導子の隣接間隔を大きくするとトルクリップルが発生し易くなるので、前述した各回転子の位相を１８０°／Ｎずらす工夫がより効果的となる。

前記固定子の軸線方向の両側に前記一対の回転子を配置すると共に、前記各回転子の軸線方向の外側に一対の前記誘導源固定子を配置するアキシャルギャップ構造としていると好ましい。

前記構成とすると、固定子の両側に各回転子と各誘導源固定子を挟設配置するアキシャルギャップ構造としているので、中央で共用化された固定子で発生する磁場をトルク発生に有効利用することができる。

前記固定子は、超電導線材が巻回された超電導コイルを周方向に等間隔をあけて配置して前記磁極を励磁していると好ましい。
即ち、固定子の磁極を発生させるコイルを超電導化することで、磁場の強化が図られてモータトルクを大幅にアップすることができる。

前記誘導源固定子の前記励磁手段は、超電導線材が軸線回りの円環状に巻回された超電導コイルとしていると好ましい。
即ち、誘導源固定子のコイルも超電導化することで大電流を流すことが可能となり、コイルの巻数を大幅に低減することができる。

以上の説明より明らかなように、本発明によれば、各回転子の各Ｎ個の磁極を互いに回転軸回りに１８０°／Ｎだけ位相をずらしているので、一方の回転子で生じる磁極の弱い部分は他方の回転子で生じる磁極の強い部分に補完される。よって、個々の回転子の発生トルクに変動があっても、互いのトルクの位相をずらして重ね合わせることで回転軸のトルクが平坦化され、トルクリップルの発生を防止することが可能となる。

本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
図１乃至図９は第１実施形態を示す。
第１実施形態のモータ１０はアキシャルギャップ構造であり、誘導源固定子１１、回転子１２、固定子１３、回転子１４、誘導源固定子１５がこの順番に並設され、回転軸１６が各回転子１２、１４に貫通固定されていると共に、各誘導源固定子１１、１５および固定子１３に対しては回転自在としている。また、各誘導源固定子１１、１５および固定子１３はケーシング等の設置面Ｇに固定されている。

両側の誘導源固定子１１、１５は左右対称であり、設置面Ｇに固定された磁性体からなるヨーク１７、３１と、ヨーク１７、３１の軸線回りの円環状に埋設された真空断熱構造の断熱冷媒容器１９、３３と、断熱冷媒容器１９、３３に収容された超電導線材からなる軸線回りの界磁コイル１８とを備えている。なお、界磁コイル１８、３２にはビスマス系やイットリウム系等の超電導線材を用いている。

ヨーク１７、３１は、中央に回転軸１６の外径より大きく穿設された遊嵌穴１７ａ、３１ａと、遊嵌穴１７ａ、３１ａを中心として内側対向面より円環状に凹設された溝部１７ｂ、３１ｂとを備えている。
断熱冷媒容器１９、３３には液体窒素を循環させた状態で界磁コイル１８、３２が収容されており、その断熱冷媒容器１９、３３がヨーク１７、３１の溝部１７ｂ、３１ｂに埋設されている。界磁コイル１８、３２には直流を供給する第１給電装置３５が接続されている。また、断熱冷媒容器１９、３３には冷媒となる液体窒素を貯留した液体窒素タンク３４が接続されている。

一対の回転子１２、１４は左右対称の同構造であり、図８に示すように、互いに４５°（＝１８０°／極数（４））だけ回転角をずらして回転軸１６に外嵌固定している。
回転子１２、１４は、図４（Ａ）〜（Ｄ）に示すように、円盤形状で非磁性材料からなり回転軸１６の固定用の中心軸穴２０ａ、２８ａを有する支持部２０、２８と、中心軸穴２０ａ、２８ａを中心として点対称位置に埋設された一対のＮ極誘導子２１、２９（第１誘導子）と、Ｎ極誘導子２１、２９から９０°回転した位置に埋設された一対のＳ極誘導子２２、３０（第２誘導子）とを備えている。

Ｎ極誘導子２１、２９の一端面２１ｂ、２９ｂは、図７（Ｂ）に示すように、界磁コイル１８、３２の外周側に対向配置される円弧状とすることで、界磁コイル１８、３２のＮ極発生位置に対向配置させている。
Ｓ極誘導子２２、３０の一端面２２ｂ、３０ｂ、図７（Ｃ）に示すように、界磁コイル１８、３２の内周側に対向配置される円弧状とすることで、界磁コイル１８、３２のＳ極発生位置に対向配置させている。
Ｎ極誘導子２１、２９およびＳ極誘導子２２、３０の他端面２１ａ、２２ａ、２９ａ、３０ａは扇形状で、固定子１３の電機子コイル２５、２６と対向する同一円周上に等間隔に配置されている。

Ｎ極誘導子２１、２９およびＳ極誘導子２２、３０は、円弧状の一端面２１ｂ、２２ｂ、２９ｂ、３０ｂから軸線方向に向けて断面形状を変化させることで他端面２１ａ、２２ａ、２９ａ、３０ａでは扇形状となる立体形状としている。
Ｎ極誘導子２１、２９およびＳ極誘導子２２、３０の軸線方向に直交する断面積は、一端面２１ｂ、２９ｂから他端面２２ａ、３０ａまで一定としている。また、Ｎ極誘導子２１、２９およびＳ極誘導子２２、３０の軸線方向に直交する断面積は互いに同一としている。

固定子１３は、設置面Ｇに固定された非磁性体からなる支持部２３と、支持部２３に周方向に等間隔をあけて４つ埋設された真空断熱構造で円環状の断熱冷媒容器２４と、断熱冷媒容器２４に収容された超電導線材からなる電機子コイル２５、２６とを備えている。
支持部２３は、中央に回転軸１６の外径より大きく穿設された遊嵌穴２３ａを穿設していると共に、外周側の周方向に等間隔に穿設された４つの取付穴２３ｂを備えている。円環状で真空断熱構造の４つの断熱冷媒容器２４を内部に電機子コイル２５、２６を収容した状態で取付穴２３ｂに夫々埋設しており、断熱冷媒容器２４の中空部には磁性体からなる磁心２７を配置している。また、図６に示すように、上下の電機子コイル２５と左右の電機子コイル２６とは巻き方向を逆転させることで、周方向に交互に逆磁性が励磁されるようにしている。電機子コイル２５、２６には交流を供給する第２給電装置３６が接続されている。また、断熱冷媒容器２４には冷媒となる液体窒素を貯留した液体窒素タンク３４が接続されている。

ヨーク１７、３１、各誘導子２１、２２、２９、３０および磁心２７は、磁性粉末（鉄粉等）を絶縁樹脂でプレス結合して加熱処理を施した圧粉磁性体、あるいは、被膜（燐酸化合物被膜等）で覆った磁性粉末（鉄粉等）を絶縁樹脂で結合して加熱処理を施した圧粉磁性体としている。圧粉磁性体の結合用樹脂としては、ポリフェニレンサルファイドや可溶性ポリイミド等の樹脂が好適に用いられる。また、支持部２０、２３、２８は、ＦＲＰやステンレス等の非磁性材料で形成している。

次に、モータ１０の動作原理について説明する。
界磁コイル１８、３２に直流を給電すると、界磁コイル１８、３２の外周側にＮ極が発生すると共に内周側にＳ極が発生する。そうすると、例えば図７（Ａ）（Ｂ）に示すように、Ｎ極側の磁束が一端面２１ｂよりＮ極誘導子２１内に導入され、他端面２１ａにＮ極磁束が現れる。また、図７（Ａ）（Ｃ）に示すように、Ｓ極側の磁束は一端面２２ｂよりＳ極誘導子２２内に導入され、他端面２２ａにＳ極磁束が現れる。ここで、各誘導子２１、２２の一端面２１ｂ、２２ｂは界磁コイル１８の内外周に沿った同心円上に配置されているので、回転子１２が回転してもＮ極誘導子２１の他端面２１ａには常にＮ極が現れ、Ｓ極誘導子２２の他端面２２ａには常にＳ極が現れることとなる。なお、図７では一方の回転子１２について説明しているが、他方の回転子１４についても同様である。

この状態から電機子コイル２５、２６に給電すると、図６に示すように、あるタイミングでは上下の電機子コイル２５と左右の電機子コイル２６とに互いに逆磁性が励磁される。そして、電機子コイル２５、２６に給電される電流を交流とすることで周期的に磁性が反転される。この電機子コイル２５、２６の周期的な磁極変化の影響で、回転子１２、１４のＮ極誘導子２１、２９およびＳ極誘導子２２、３０に周方向の吸引／反発力が発生し、回転軸１６が回転駆動される。

さらに本発明の特徴的事項として、一対の回転子１２，１４は、回転軸１６に対して互いに４５°だけ回転方向の取付角度をずらして固定しているので、各誘導子２１、２２、２９、３０により回転子１２と回転子１４に形成される各４個の磁極は、軸線回りに４５°だけ位相ズレを起こす。これにより、一方の回転子１２で生じる磁極の弱い部分は他方の回転子１４で生じる磁極の強い部分に補完される。したがって、図９に示すように、個々の回転子１２，１４の発生トルクに変動があっても、互いのトルクの位相をずらして重ね合わせることで回転軸１６のトルクが平坦化され、トルクリップルの発生が防止される。

図１０は第２実施形態を示す。
第１実施形態との相違点は、回転子１２，１４、固定子１３および誘導源固定子１５を軸線方向に直列追加して多段化している点である。

即ち、本実施形態のモータ４０は、図１０の左半分と右半分とで第１実施形態のモータ１０が２つ直列配置された構造とし、かつ、中央の誘導源固定子４１は右半分と左半分とで共用している。なお、回転子１２、１４、固定子１３および誘導源固定子１５は第１実施形態と同構造であるため説明を省略する。
中央の誘導源固定子４１は、設置面Ｇに固定された磁性体からなるヨーク４２と、ヨーク４２の軸線回りの円環状に埋設された真空断熱構造の断熱冷媒容器４３と、断熱冷媒容器４３に収容された超電導線材からなる軸線回りの界磁コイル４４とを備えている。
ヨーク４２は、中央に回転軸１６の外径より大きく穿設された遊嵌穴４２ａと、遊嵌穴４２ａを中心として円環状に穿設された取付穴４２ｂとを備えている。断熱冷媒容器４３には液体窒素を循環させた状態で界磁コイル４４が収容されており、その断熱冷媒容器４３がヨーク４２の取付穴４２ｂに埋設されている。
以上の構成のようにモータを多段化すれば、第１実施形態に比べて磁場が強化されて出力トルクの増大を図ることができる。

図１１および図１２は第３実施形態を示す。
第１実施形態との相違点は、誘導子を使用していない点である。
本実施形態のモータ５０は、固定子５１の軸線方向の両側に一対の回転子５２、５３を対向配置したアキシャルギャップ構造とし、回転子５２、５３の中心に回転軸５４を固定している。

固定子５１は略円盤形状で、ケーシング等の固定部Ｇに固定されたＦＲＰ等の非磁性体からなる支持部５５の中心に遊嵌穴５５ａを形成し、その外周側には周方向に等間隔をあけて取付穴５５ｂを複数設けている。これら取付穴５５ｂに円環状で真空断熱構造の断熱冷媒容器５６を埋設し、断熱冷媒容器５６に超電導線材からなる電機子コイル５７を収容している。また、断熱冷媒容器５６の中空部には磁性体からなる磁心６４を配置している。このように、複数の電機子コイル５７を軸線回りの周方向に間隔をあけて取り付け、夫々の電機子コイル５７の磁束方向が軸線方向を向くように配置している。断熱冷媒容器５６には、図示しない液体水素タンクから極低温の液体窒素が冷媒として供給されている。また、電機子コイル５７には、図示しない給電装置から交流が供給されている。

一対の回転子５２、５３は左右対称の略円盤形状で、図１２に示すように、互いに４５°だけ回転角をずらして回転軸５４に外嵌固定している。
詳しくは、回転子５２、５３のヨーク５８、６１は、中心に回転軸取付用の中心軸穴５８ａ、６１ａを穿設していると共に、固定子５１との対向面側には周方向に等間隔をあけてコイル取付穴５８ｂ、６１ｂを設けている、これらコイル取付穴５８ｂ、６１ｂに円環状で真空断熱構造の断熱冷媒容器５９、６２を埋設し、断熱冷媒容器５９、６２に超電導線材からなる界磁コイル６０、６３を収容している。このように、４つの界磁コイル６０、６３を軸線回りの周方向に間隔をあけて取り付け、かつ、一方の回転子５２と他方の回転子５３とで界磁コイル６０、６３の取付角度が回転方向に４５°ずれるように回転軸５４に固定している。

以上の構成とすれば、一対の回転子５２、５３は、回転軸５４に対して互いに４５°だけ回転方向の取付角度がずれているので、界磁コイル６０、６３に形成される各４個の磁極は、軸線回りに４５°だけ位相ズレを起こす。これにより、一方の回転子５２で生じる磁極の弱い部分は他方の回転子５３で生じる磁極の強い部分に補完される。したがって、個々の回転子５２、５３の発生トルクに変動があっても、互いのトルクの位相をずらして重ね合わせることで回転軸５４のトルクが平坦化され、トルクリップルの発生が防止される。

図１３および図１４は第４実施形態を示す。
第１実施形態との相違点は、誘導子を使用せず且つラジアルギャップ構造としている点である。

本実施形態のモータ７０は、略円筒状の固定子７１と、固定子７１内に空隙をあけて配置された一対の回転子７２、７３と、回転子７２、７３の中心に固定されて且つ固定子７１に対しては軸受７７を介して回転自在な回転軸７４とを備えている。
固定子７１は、略円筒状の磁性体からなるヨーク７１の内周面に周方向に等間隔をあけて４つの電機子コイル８１を取り付けている。
回転子７２、７３は、回転軸７４に外嵌固定された円柱状の磁性体からなるヨーク７８、８０と、ヨーク７８、８０の外周面に周方向に等間隔をあけて取り付けられた各４つの界磁コイル７９、８１とを備えている。夫々の回転子７２、７３は、図１４（Ａ）（Ｂ）に示すように、界磁コイル７９、８１の取付角度が互いに回転方向に４５°ずれるようにして回転軸７４に固定している。

以上の構成とすれば、一対の回転子７２、７３の界磁コイル７９、８１に形成される各４個の磁極は、軸線回りに４５°だけ位相ズレを起こすので、一方の回転子７２で生じる磁極の弱い部分は他方の回転子７３で生じる磁極の強い部分に補完される。したがって、個々の回転子７２、７３の発生トルクに変動があっても、互いのトルクの位相をずらして重ね合わせることで回転軸７４のトルクが平坦化されてトルクリップルの発生が防止される。

本発明の第１実施形態のモータの断面図である。 モータの４５°回転させた位置における断面図である。 モータの更に４５°回転させた位置における断面図である。 （Ａ）は回転子の正面図、（Ｂ）は（Ａ）のＩ−Ｉ線断面図、（Ｃ）は背面図、（Ｄ）は（Ａ）のＩＩ−ＩＩ線断面図である。 （Ａ）は誘導源固定子の正面図、（Ｂ）は（Ａ）のＩ−Ｉ線断面図である。 固定子の正面図である。 （Ａ）は回転子および誘導源固定子を回転軸で貫通した状態の正面図、（Ｂ）は（Ａ）のＩ−Ｉ線断面図、（Ｃ）は（Ａ）のＩＩ−ＩＩ線断面図である。 一対の回転子の回転軸への取付角度を説明する図面である。 発生トルクを説明する図面である。 第２実施形態のモータを示す断面図である。 第３実施形態のモータを示す断面図である。 一対の回転子の取付角度を説明する図面である。 第４実施形態のモータを示す断面図である。 （Ａ）は図１３のＩ−Ｉ線断面図、（Ｂ）は図１３のＩＩ−ＩＩ線断面図である。 従来例を示す図面である。 従来の問題点を示すグラフである。

符号の説明

１０、４０、５０、７０ モータ
１１、１５、４１ 誘導源固定子
１２、１４、５２、５３、７２、７３ 回転子
１３、５１、７１ 固定子
１６、５４、７４ 回転軸
１８、３２、６０、６３、７９、８１ 界磁コイル（超電導コイル）
１９、２４、３３、５６、５９、６２ 断熱冷媒容器
２１、２９ Ｎ極誘導子（第１誘導子）
２２、３０ Ｓ極誘導子（第２誘導子）
２５、５７、７６ 電機子コイル（超電導コイル）

Claims (6)

1. 同一の回転軸に外嵌固定され、軸線回りの周方向に交互に逆極性となる磁極が形成される一対の回転子と、
   前記回転子に対向配置され、軸線回りの周方向に交互に逆極性となる磁極が励磁される固定子とを備え、
   前記回転子の極数をＮ個とすると、前記一方の回転子に形成される磁極と、前記他方の回転子に形成される磁極とは、互いに１８０°／Ｎの回転角だけ位相がずれていることを特徴とするモータ。
2. 前記一対の回転子は、前記回転軸に対して互いに１８０°／Ｎだけ回転方向の取付角度をずらして固定している請求項１に記載のモータ。
3. 軸線回りの内周側と外周側とで互いに逆極性の同心円状の磁極を励磁させる励磁手段を有する誘導源固定子が、前記回転子の一側に配置され、
   前記回転子には、一端面が前記励磁手段の外周側に対向すると共に他端面が前記固定子の磁極に対向する磁性体からなる第１誘導子と、一端面が前記励磁手段の内周側に対向すると共に他端面が前記固定子の磁極に対向する磁性体からなる第２誘導子とを周方向に交互に配置している請求項１または請求項２に記載のモータ。
4. 前記固定子の軸線方向の両側に前記一対の回転子を配置すると共に、前記各回転子の軸線方向の外側に一対の前記誘導源固定子を配置するアキシャルギャップ構造としている請求項３に記載のモータ。
5. 前記固定子は、超電導線材が巻回された超電導コイルを周方向に等間隔をあけて配置して前記磁極を励磁している請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のモータ。
6. 前記誘導源固定子の前記励磁手段は、超電導線材が軸線回りの円環状に巻回された超電導コイルとしている請求項３乃至請求項５のいずれか１項に記載のモータ。

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