JP5384144B2 - アキシャルギャップ型モータ - Google Patents
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Description
そこで、この逆起電力を抑えるために、ステータコイルにモータ駆動用の磁界に加えて逆起電力を生じさせる磁界を打ち消すための磁界を発生させるように電圧を加える。この方法は、通常、弱め界磁制御と呼ばれる。この弱め界磁制御により、モータをより高速に回転させることが可能となる。
また、弾性部材の付勢力(弾性力)は、ロータとステータとの磁気吸引力に応じて設定する必要があり、大きなトルクを発生させるようなアキシャルギャップ型モータの場合、磁気吸引力も大きくなるので、それに応じて付勢力(斥力)が大きな弾性部材が必要となる。その場合に、弾性部材としてコイルバネを考えると、コイルバネの線材径を太くするとともに、外径も大きくする必要がある。そうすると、ステータの周方向に周期的に複数配置されたコアの領域の内径を小さくすることがより強く制約される。
請求項1に記載の発明によれば、位置設定部材をロータの内周部に配置するので、ステータのコアを径方向内方側に広げ、従来よりも広い磁路面積を確保しつつ、径方向にコンパクトで回転中心軸方向の空隙を拡大、縮小できるギャップ可変のアキシャルギャップ型モータを構成できる。
また、位置設定部材は、同一磁極の面を対向して配置した一対の永久磁石を備えるので、例えば、S極同士、または、N極同士を対向して配置することにより磁気斥力が発生し、空隙の間隔と付勢力の関係を非線形にすることができる。
特に、位置設定部材としてコイルバネと、同一磁極の面を対向して配置した一対の永久磁石とを組み合わせることにより、空隙の間隔と付勢力の関係を非線形に、特に、永久磁石間の距離と磁気斥力の特性から、空隙の間隔が最小に近づくと急激に位置設定部材の付勢力が増加する特性にすることができる。これにより、ロータの永久磁石部およびステータのコイルに通電する電流による吸引力が強い場合も、空隙の間隔を最小値より大きく維持することも可能となる。
特に、位置設定部材として、圧電素子のスタックと、同一磁極の面を対向して配置した一対の永久磁石とを組み合わせることにより、空隙の間隔と付勢力の関係を非線形に、特に、永久磁石間の距離と磁気斥力の特性から、空隙の間隔が最小に近づくと急激に位置設定部材の付勢力が増加する特性にすることができる。また、圧電素子を組み合わせて用いることにより、ロータとステータとの空隙の間隔を、圧電素子に通電する電圧により任意に制御できる。
《第1の実施形態》
まず、図1から図3を参照して本発明の第1の実施形態に係るアキシャルギャップ型モータについて説明する。図1は、本発明の第1の実施形態に係るアキシャルギャップ型モータの模式断面であり、図2は、第1の実施形態に係るアキシャルギャップ型モータにおける空隙の間隔の制御の説明図である。
本実施形態におけるモータ100Aは、アキシャルギャップ型モータであり、コア2bとコイル22が配置されて電磁石を構成するステータ2と、ロータシャフト(シャフト)10の軸方向にステータ2と空隙を挟んで対向し、永久磁石(永久磁石部)11を有し、回転中心軸Lの方向(以下、「軸線方向」と称する)に摺動可能にロータシャフト10に支持されたロータ1と、空隙を軸線方向に拡大する方向にロータ1を付勢する弾性部材(位置設定部材)3Aと、を備える。ここで、弾性部材3Aは、その軸方向に等ピッチの円筒コイルバネで構成されている。
図1では、ロータ1とステータ2のそれぞれの対向面101,103の間の空隙の最小間隔LGminの状態を示し、二点鎖線の仮想線で空隙の最大間隔の状態位置を示す。
このモータ100Aにおける空隙の間隔LGに対する弾性部材3Aの反発力FSの変化を示す荷重特性は、図2に直線X1Aで示すように線形である。そして、コイル22への非通電時に、永久磁石11とステータ2のコア2bとの間に働く磁気吸引力FMは、図2に曲線X2で示すように、空隙の間隔LGが増大すると急速に減衰する非線形である。ここで、空隙の間隔LGは最小間隔LGminと最大間隔LGmaxとの間、つまり、ΔLGの区間に後記するように規制されている。
そして、弾性部材3Aを構成するコイルバネの線材径やコイルバネの内径および線材の材質などによって決まるバネ定数(荷重特性)は空隙の間隔LGが最小間隔LGminに近い場合は、反発力FSが磁気吸引力FMよりも下回り、空隙の間隔LGが大きくなると、逆に反発力FSが磁気吸引力FMを上回るように、つまり、直線X1Aと曲線X2がクロスするように設定する。
ロータ1は、主にハブ部1aと、ハブ部1aの径方向外方側に設けられ、極数に応じて周方向に複数固定配置された永久磁石11を保持する円盤部1bとで構成されている。ハブ部1aは、ほぼ環状体の形状をしており、内周側がロータシャフト10にスプライン係合構造51などの回り止め手段で係合し、それによりハブ部1aがロータシャフト10に対して軸線方向に摺動可能に、かつ、周方向に相対回転不能に支持されている。
永久磁石11は、例えば、内周部が空所となった透磁率の高い材質で構成されたロータコア42に埋め込まれ、磁極表面をステータ2側に露出させて固定されている。そして、ロータコア42に放射状に穿かれた固定部材孔と連通するハブ部1aの外周側の固定用孔に、ネジ孔を有する固定用部材40を挿通し、その後に固定リング43をロータコア42の外周に嵌め、ネジ41で前記ネジ孔に締付け固定することによって、ロータコア42がハブ部1aに固定されている。
ロータシャフト10には、ハブ部1aのステータ2から遠ざかる軸方向への移動量、つまり、空隙の最大間隔LGmaxを規制するストッパ13が固定配置されている。このストッパ13は、ハブ部1aのステータ2と反対側のスプライン係合構造51部分に設けられたストッパ当て座33と当接する配置とされている。
そして、ストッパ13と前記した支持部53Aとによりハブ部1aの軸方向の移動可能な範囲が規制される。
次に、図2、図3を参照しながら、モータ運転時に、ロータ1とステータ2との空隙の間隔を2段階、つまり、最小間隔LGminと、ステータ2のコイル22に流れる電流に応じて発生するロータ1とステータ2との磁気吸引力と弾性部材3Aの付勢力とがバランスする空隙の間隔と、の2段階に制御する方法について説明する。
ステータ2のコア2bに発生する界磁磁束Φaは、コイル22に流される界磁電流Iaによって決まる。界磁電流Iaは、ベクトルとしてIa=[Id,Iq]Tと表わされる。ここで、Idはd軸電流成分を、Iqはq軸電流成分を示す。電流位相差βは、回転磁界Φaを作る界磁電流Iaおよび回転磁界Φaと、q軸との位相差である。
また、比較例のモータ150では、ステータ2の内周部に配置するため、バネ153の巻き径が本実施形態の弾性部材3Aのコイルスプリングよりも小さくなり、空隙の間隔を拡大する方向のバネ反発力(付勢力)を大きくする上でも不利な構成である。逆に言えば、本実施形態は、図17の比較例に比して、バネ反発力(付勢力)を大きくする上で有利な構成である。
次に、図1、図4および図5を参照しながら本発明の第2の実施形態に係るアキシャルギャップ型モータについて説明する。
本実施形態におけるモータ100Bは基本的に、第1の実施形態における弾性部材3Aが弾性部材(位置設定部材)3Bに置き換わり、弾性部材3Bの荷重特性曲線が変わった点を除いて、第1の実施形態と同じ構成である。第1の実施形態と同じ構成については、同じ符号を付し、重複する説明を省略する。
図4に示すように本実施形態における弾性部材3Bは、複数のコイルバネ3B1,3B2,3B3を、環状の板材46A,46Bを介して直列に重ねた多段バネで構成されている。そして、コイルバネ3B1,3B2,3B3のそれぞれの線材径をdB1,dB2,dB3とすると、dB2>dB3>dB1の配置としている。これは、線材径の一番大きいものを軸方向中央に配置することにより、コイルバネ3B2の座屈を防止するためである。
次に、図1、図6および図7を参照しながら本発明の第3の実施形態に係るアキシャルギャップ型モータについて説明する。
本実施形態におけるモータ100Cは基本的に、第1の実施形態における弾性部材3Aが弾性部材(位置設定部材)3Cまたは弾性部材3Dに置き換わり、弾性部材3Bまたは弾性部材3Dの荷重特性曲線が変わった点を除いて、第1の実施形態と同じ構成である。第1の実施形態と同じ構成については、同じ符号を付し、重複する説明を省略する。
このように、非等ピッチ円筒コイルバネや、円錐コイルバネを用いることにより、図7に曲線X1Cで示すような、非線形の荷重特性が得られる。そして、本実施形態では、空隙の間隔LGの最小間隔LGminと最大間隔LGmaxとの間(ΔLG)で、第1の実施形態のように荷重特性の直線X1Aと磁気吸引力の曲線X2をクロスさせることなく、荷重特性の曲線X1Cが磁気吸引力の曲線X2を常に上回るように、バネ定数を設定する。
次に、図8、図9を参照しながら第2の実施形態および第3の実施形態における空隙の間隔LGの制御方法について説明する。この説明においては、代表的に弾性部材3D、つまり、円錐コイルバネを用いた第3の実施形態のモータ100Cとし、弾性部材3Cの荷重特性の曲線X1Cを例に説明する。
図8は、第2および第3の実施形態に係るアキシャルギャップ型モータにおけるロータとステータの回転中心軸Lの上半分を模式的に示したものであり、(a)は、コイルに非通電時の空隙の間隔が最大の状態の説明図、(b)は、ロータとステータとの磁気吸引力を増して空隙の間隔を縮小する状態の説明図、(c)は、トルク制御に応じたロータとステータとの磁気吸引力により弾性部材の反発力とバランスしている状態の説明図である。
図9は、第2および第3の実施形態に係るアキシャルギャップ型モータにおける空隙の間隔の制御方法の説明図である。
例えば、ロータ1が空隙の最大間隔LGmax、図9におけるポイントP1にある場合に、空隙の間隔LGをより縮小したい場合は、移動電流として界磁電流Iaにおいて、電流位相差βが遅角90°のd軸電流成分を増大させる(図8における移動電流通電の状態)。つまり、強め界磁電流成分の多い90°遅角に近い界磁電流Iaとして、強め界磁制御を行い、ポイントP2の状態に移行させる(Step1)。
すると、磁気吸引力FMが反発力FSを上回るので、図9において左上方向に磁気吸引力を増大させながら移動する(Step2)。
ちなみに、図8の(a),(b)における左側の図が、このロータ1が空隙の最大間隔LGmaxである初期状態を示している。そして、前記したStep1,Step2の状態が図8の(a),(b)における左右中央の図である。
なお、トルク通電状態において、ロータ1とステータ2の空隙の間隔LGを最大間隔LGmaxとしたい場合は、界磁電流Iaを90°進角のd軸電流成分、つまり、弱め界磁電流成分の多い弱め界磁制御をすることにより、容易に曲線X1Cに沿って右下方向に移動し、空隙の最大間隔LGmaxとするモータ100Cの運転ができる。
さらに、弾性部材3B,3C,3Dの荷重特性を図17の比較例よりも大きな付勢力とでき、かつ、非線形にすることができ、空隙の間隔調整のため一時的に前記した移動電流の制御(d軸電流成分の制御)を行い、トルク制御の上でモータ効率の良い空隙の間隔LGに任意に移動させることができる。
次に、図10、図11を参照しながら本発明の第4の実施形態に係るアキシャルギャップ型モータ100Dについて説明する。図10は、本発明の第4の実施形態に係るアキシャルギャップ型モータの模式断面であり、図11は、図10におけるB部拡大図である。
本実施形態のモータ100Dは、第1の実施形態のモータ100Aと以下の点が異なる。(1)第1の実施形態のモータ100Aにおける弾性部材3Aの代わりに、一対の永久磁石(位置設定部材)54(54A,54B)を、同一磁極を対向して、永久磁石54Aを位置設定部材配置室35Bと支持部53Bに設けた溝56に嵌め込んだ点である。
第1の実施形態と同じ構成には同じ符号を付し、重複する説明を省略する。
本実施形態では、フランジ状の支持部53Bの軸方向の厚みは、第1の実施形態の鍔状の支持部53Aよりも厚く、その分、突き当て部31は、対向面101よりもステータ2側と反対側の軸方向により深く後退させてあり、支持部53Bのロータ1側の面と突き当て部31のステータ2側の面が当接するとき、支持部53Bはハブ部1aの軸方向の長さの中に含まれるように構成してあり、モータ100Dの外形の軸方向長さを短くできる構成としてある。
次に、図12を参照しながら第4の実施形態の変形例を説明する。図12は、第4の実施形態の変形例に係るアキシャルギャップ型モータの図10におけるB部拡大図である。
ハブ部1aの位置設定部材配置室35Bの形状や、支持部53Bの形状は、第1の実施形態に寸法的に近い。つまり、環状の位置設定部材配置室35Bの軸方向の長さは、第1の実施形態並みに長く、支持部53Bは鍔状であり、溝56はロータ1側に開口した浅い軸方向深さの環状の溝である。
このように円筒コイルバネの弾性部材3Aと一対の永久磁石54とを組み合わせることによって、一対の永久磁石54だけの場合よりも移動可能な空隙の間隔ΔLGを拡大でき、かつ、図7に示すような非線形の荷重特性を実現できる。
さらに、一対の永久磁石54、または、弾性部材3Aと一対の永久磁石54を組み合わせたものの荷重特性を図17の比較例よりも大きな付勢力とでき、かつ、非線形にすることができ、空隙の間隔調整のため一時的に前記した移動電流の制御(d軸電流成分の制御)を行い、トルク制御の上でモータ効率の良い空隙の間隔LGに任意に移動させることができる。特に一対の永久磁石54をもちいることにより、空隙の最小間隔LGminに近づくほど急激に反発力の増大する特性を位置設定部材に持たせることができる。
なお、比較例として、図16に示すように、一対の永久磁石54A,54Bを、ステータ2のコア2bおよびコイル22を含むほぼ環状体の領域よりも内方側に配置することも考えられる。その場合、ロータシャフト10の外周面から拡径して、ロータ1の突き当て部31に当接する段差部と、さらに拡径して、永久磁石54A,54Bを収容可能なスペースと他方の永久磁石54Bを固定する支持部155Bを設ける。この場合、一方の永久磁石54Aを、ロータ1の突き当て部31より径方向外側のステータ2に面する面に固定する。
このように、一対の永久磁石54をステータ2のコア2bおよびコイル22を含むほぼ環状体の領域よりも内方側に配置するので、図10におけるコア2bを周方向に配置する領域の内周径はD3の方が小さな値となっている。つまり、第4実施形態およびその変形例によれば、図16に示す比較例よりも径方向に小型のモータとすることができる。
次に、図13を参照しながら本発明の第5の実施形態に係るアキシャルギャップ型モータ100Eについて説明する。図13は、本発明の第5の実施形態に係るアキシャルギャップ型モータの模式断面である。
本実施形態のモータ100Eは、第4の実施形態のモータ100Dと以下の点が異なる。(1)第4の実施形態のモータ100Dにおける一対の永久磁石54の代わりに、永久磁石54Aを位置設定部材配置室35Bに配置し、支持部53Bに設けた溝56に電磁石57を嵌め込んだ点である。
ここで、永久磁石54Aと電磁石57が、特許請求の範囲に記載の「位置設定部材」に対応する。
第4の実施形態と同じ構成には同じ符号を付し、重複する説明を省略する。
次に、図14を参照しながら本発明の第6の実施形態に係るアキシャルギャップ型モータ100Fについて説明する。図14は、本発明の第6の実施形態に係るアキシャルギャップ型モータの模式断面である。
本実施形態のモータ100Fは、第4の実施形態のモータ100Dと以下の点が異なる。(1)第4の実施形態のモータ100Dにおける一対の永久磁石54の代わりに、環状体をしたピエゾ素子スタック(圧電素子)59の軸方向長さのほぼ半分長を位置設定部材配置室35Cに嵌め込み、支持部53Cに設けた溝56に前記したピエゾ素子スタック59の軸方向長さの残りほぼ半分長を嵌め込んだ点である。
ここで、ピエゾ素子スタック59が、特許請求の範囲に記載の「位置設定部材」に対応する。
第4の実施形態と同じ構成には同じ符号を付し、重複する説明を省略する。
そして、ピエゾ素子スタック59は、伸縮両方向の電圧をかけることによって空隙の間隔LGを調節可能としている。
なお、図14では、ピエゾ素子スタック59の軸方向長さが最小長さに縮小した状態を示している。
なお、ロータ1とステータ2との間には、コイル22に通電、非通電に係りなく、永久磁石11による常にロータ1とステータ2との間の磁気吸引力が働いていて、ピエゾ素子スタック59には圧縮力が作用しており、ピエゾ素子スタック59を縮小させる電圧を印加しても、ピエゾ素子スタック59に引張り応力が発生することはない。
次に、図15を参照しながら第6の実施形態の変形例を説明する。図15の(a),(b)は、第6の実施形態の変形例に係るアキシャルギャップ型モータの図14におけるC部拡大図である。
図15の(a)に示す変形例は、例えば、軸方向に等ピッチの円筒コイルバネである弾性部材3Aの一端が、位置設定部材配置室35Cの底部に当接し、他端がピエゾ素子スタック59の一端に固定された環状の金属製座板59aに溶接されている。そして、ピエゾ素子スタック59のほぼ全体が支持部53Cの溝56に格納され、底部にその他端が固定されている。ここで、弾性部材3Aとピエゾ素子スタック59の組み合わせが、特許請求の範囲に記載の「位置設定部材」に対応する。
このように円筒コイルバネの弾性部材3Aとピエゾ素子スタック59とを組み合わせることによって、ピエゾ素子スタック59だけの場合よりも移動可能な空隙の間隔ΔLGを拡大でき、かつ、図7に示すような非線形の荷重特性を実現できる。
ちなみに、ピエゾ素子スタック59と組み合わせる弾性部材は、軸方向等ピッチの円筒コイルバネに限定されることは無く、前記した軸方向に不等ピッチの円筒コイルバネ、円錐コイルバネなどでも良い。
このように一対の永久磁石54とピエゾ素子スタック59とを組み合わせることによって、ピエゾ素子スタック59だけの場合よりも移動可能な空隙の間隔ΔLGを拡大でき、かつ、図7に示すような非線形の荷重特性を実現できる。
さらに、弾性部材とピエゾ素子スタック59の組み合わせ、または、一対の永久磁石54とピエゾ素子スタック59の組み合わせたものの荷重特性を非線形にすることができ、空隙の間隔調整のためにd軸電流成分の制御を行うことなく、ピエゾ素子スタック59に印加する電圧を制御することで、トルク制御の上でモータ効率の良い空隙の間隔LGに任意に移動させることができる。
1a ハブ部
1b 円盤部
2 ステータ
2a バックヨーク部
2b コア
3A,3B,3C,3D 弾性部材(位置設定部材)
3B1,3B2,3B3 コイルバネ
10 ロータシャフト(シャフト)
11 永久磁石(永久磁石部)
13 ストッパ
22 コイル(コイル)
31 突き当て部
33 ストッパ当て座
35A,35B,35C 位置設定部材配置室
40 固定用円盤部材
43 固定リング
46A 板材
51 スプライン係合構造
53A,53B,53C 支持部
54 一対の永久磁石
54A、54B 永久磁石
54a 金属製保持リング
55A,55Bカラー
56 溝
57 電磁石
57a コイル
57b コア
58 配線
59 ピエゾ素子スタック(圧電素子)
59a 金属製座板
59b 接続部材
100A,100B,100C,100D,100E,100F モータ
101 対向面(ロータの対向面)
103 対向面(ステータの対向面)
105 配線孔
107A、107B スリップリング
L 回転中心軸
Claims (5)
- 回転中心軸周りに回転可能なシャフトの外周上を、前記回転中心軸方向に摺動可能に配置されたロータと、前記回転中心軸方向の一方側から前記ロータと空隙を挟んで対向配置され、コイルを巻回するためのコアとして用いられるステータと、を備えるアキシャルギャップ型モータであって、
前記ロータは、前記ステータとの対向面に周方向に配列され、前記回転中心軸方向に磁化されるとともに、前記周方向に隣接する磁極が互いに反転するように配置された複数の永久磁石部を有し、
前記空隙の間隔を拡大する方向に前記回転中心軸に沿って前記ロータを付勢する位置設定部材を前記ロータの内周部に配置し、
前記位置設定部材は、同一磁極の面を対向して配置した一対の永久磁石を備えることを特徴とするアキシャルギャップ型モータ。 - 回転中心軸周りに回転可能なシャフトの外周上を、前記回転中心軸方向に摺動可能に配置されたロータと、前記回転中心軸方向の一方側から前記ロータと空隙を挟んで対向配置され、コイルを巻回するためのコアとして用いられるステータと、を備えるアキシャルギャップ型モータであって、
前記ロータは、前記ステータとの対向面に周方向に配列され、前記回転中心軸方向に磁化されるとともに、前記周方向に隣接する磁極が互いに反転するように配置された複数の永久磁石部を有し、
前記空隙の間隔を拡大する方向に前記回転中心軸に沿って前記ロータを付勢する位置設定部材を前記ロータの内周部に配置し、
前記シャフトは、その外周面に、前記位置設定部材を支持するための径方向外方に拡径された位置設定支持部を有し、
前記ロータは、前記永久磁石部が周方向に配列された領域よりも径方向内方側に、前記ステータと対向する面に開口し、前記回転中心軸方向に伸びる環状かつ有底の位置設定部材配置室を有し、
前記位置設定部材は、一対の永久磁石であり、一方の永久磁石を前記位置設定部材配置室に固定し、他方の永久磁石を前記位置設定支持部の前記ロータと対向する面に、同一磁極が対向するように当接または固定することによって、付勢力を前記ロータに与えることを特徴とするアキシャルギャップ型モータ。 - 前記位置設定部材配置室の前記開口の縁部は、前記位置設定支持部の前記ロータと対向する面と当接可能に配置し、
前記開口の縁部と前記位置設定支持部の前記ロータと対向する面とが当接することにより、前記ロータと前記ステータとの空隙を最小間隔に規定することを特徴とする請求項2に記載のアキシャルギャップ型モータ。 - 前記一対の永久磁石内の一方の永久磁石を、前記位置設定部材配置室に圧入された第1のカラーで固定し、
前記他方の永久磁石を、前記位置設定支持部の前記ロータと対向する面に開口するように形成した環状の位置設定部材配置溝に挿入し、その後に、第2のカラーを前記位置設定部材配置溝に圧入して固定されることを特徴とする請求項2に記載のアキシャルギャップ型モータ。 - 前記シャフトの外周面に、前記ロータが前記空隙の許容される最大間隔以上前記ステータと離れないようにストッパを設けたことを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載のアキシャルギャップ型モータ。
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