KR101355257B1

KR101355257B1 - 축류형 모터

Info

Publication number: KR101355257B1
Application number: KR1020117030807A
Authority: KR
Inventors: 마사쯔구 다께모또; 히로유끼 미따니; 히로후미 호조; 고지 이노우에; 오사무 오자끼
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼; 국립대학법인 홋가이도 다이가쿠
Priority date: 2009-06-23
Filing date: 2010-06-17
Publication date: 2014-01-27
Also published as: JP2011010375A; CN102460905A; TWI420783B; US20120104880A1; CN102460905B; US9071118B2; KR20120023825A; TW201105004A; EP2448089A1; EP2448089A4; WO2010150492A1

Abstract

본 발명의 축류형 모터는, 코일을 구비하는 한 쌍의 고정자 사이에 배치됨과 동시에, 한 쌍의 제1 자성체(21) 사이에 끼워진 영구 자석(23)과 제2 자성체 (22)를 교대로 갭(24, 26, 27)을 형성하여 회전 방향으로 복수 배치된 회전자(2)를 구비하고 있다. 이와 같은 구성의 축류형 모터는, 영구 자석(23)이 제1 자성체(21)에 끼워져 있기 때문에, 약계자 제어를 행할 수 있고, 제2 자성체(22)가 설치되어 있기 때문에, 릴럭턴스 토크를 발생할 수 있고, 그리고, 갭(24, 26, 27)이 형성되어 있기 때문에 영구 자석(23)으로부터 발생하는 자속을, 코일측으로 많이 유출시킬 수 있다. 이 때문에, 이와 같은 구성의 축류형 모터는, 고출력화(고토크화), 고효율화(소형화)를 달성할 수 있다.

Description

축류형 모터{AXIAL MOTOR}

본 발명은 고정자의 자극과, 회전자에 설치된 영구 자석을, 회전축에 평행한 방향으로 대향 배치한 축류형 모터에 관한 것이다.

고정자의 자극과 회전자의 영구 자석을 회전축에 대하여 평행한 방향에 대향 배치한 구성인, 축류형 모터가 알려져 있다. 이러한 축류형 모터는 소형화가 가능함과 동시에, 고출력화도 가능하다고 하는 이점을 갖는다. 그 때문에, 축류형 모터는, 여러가지 용도에 사용되고 있다.

축류형 모터는, 예를 들어, 특허 문헌 1이나 특허 문헌 2 등에 개시되는 바와 같은 구성을 하고 있다. 보다 구체적으로는, 축류형 모터는, 연철 등으로 구성되는 철심의 표면에 부채형의 복수의 영구 자석이 원환상으로 배치된 회전자와, 이들 영구 자석에 대하여 회전축과 평행한 방향에 대향하는 자극을 형성하는 코일을 구비한 고정자를 구비하여 구성되어 있다. 각 영구 자석의 자극의 방향(N극과 S극을 연결하는 방향)은 회전축과 평행하고, 인접하는 영구 자석은 서로 자극의 방향이 반대가 되도록 배치되어 있다. 그리고, 이와 같은 구성의 축류형 모터에 있어서, 고정자의 코일에 의해 회전 자계를 발생시킴으로써, 각 영구 자석에 자기적인 흡인력 및 반발력을 발생시키고, 그 결과 토크가 발생하여 회전자가 회전한다.

이러한 축류형 모터는, 토크의 맥동(코깅 토크)이 발생되기 쉽다고 하는 문제가 있지만, 이 문제를 방지하는 방법은, 예를 들어 특허 문헌 3 등에 의해 제안되어 있다. 특허 문헌 3에는, 코일의 윤곽선 및 영구 자석의 윤곽선 중, 각각, 로터 회전 방향과 교차하는 방향의 윤곽선을 대략 직선 형상으로 하고, 또한, 로터가 회전하고 있을 때에 코일의 윤곽선과 영구 자석의 윤곽선이 서로 비평행 상태에서 로터 회전 방향으로 접촉 분리하도록 설정된 축류형 모터가 기재되어 있다. 이 축류형 모터에 있어서, 로터가 회전하고 있는 경우에 있어서, 영구 자석에 의한 자계가 스테이터의 코일에 의한 자계를 통과할 때의 자속의 변동이, 로터의 회전에 따라 서서히 변화된다. 그 결과, 급격한 토크 변동이 억제되어, 코깅 토크가 완화된다.

또한, 축류형 모터는, 영구 자석에 의한 자석 토크만의 작용으로 모터 토크를 얻는 구조이기 때문에, 토크를 증가시키기 위해서는 영구 자석의 양을 증가시킬 필요가 있다. 그 때문에, 원하는 토크가 큰 경우에는 축류형 모터의 용적이 증대하고, 대형화한다고 하는 문제가 있었다. 또한, 대형화에 따라 비용도 증대한다. 따라서, 이러한 문제를 방지하는 방법, 즉, 축류형 모터에 있어서, 토크를 증대시키기 위하여 필요한 영구 자석의 양을 저감시키기 위한 방법에 대해 각종 제안이 이루어지고 있다. 예를 들어, 특허 문헌 4에는 로터에 있어서, 각 영구 자석 간에 자성체가 배치된 구성의 축류형 모터가 기재되어 있다. 이와 같이, 각 영구 자석 간에 자성체를 설치함으로써, 자성체를 설치한 분만큼 영구 자석의 양을 저감할 수 있다. 영구 자석을 저감한 분만큼, 자석 토크도 감소하지만, 자성체를 설치함으로써 릴럭턴스 토크를 이용할 수 있게 되기 때문에, 토털의 모터 토크를 유지할 수 있다. 이에 의해, 전체적으로 토크를 감소시키는 일이 없으며, 영구 자석의 양을 줄일 수 있다.

또한, 특허 문헌 4에는, 각 영구 자석의 적어도 표면에 자성체를 구비한 구성의 축류형 모터에 관해서도 제안되어 있다. 이와 같은 구성으로 함으로써, 릴럭턴스 토크를 더욱 증대시킬 수 있다. 이 때문에, 영구 자석의 양을 줄이면서, 전체적으로 토크의 감소를 더욱 억제할 수 있다.

그런데, 상기 특허 문헌 4에 기재된 기술에 의해, 영구 자석의 양을 저감한 축류형 모터가 실현되고 있지만, 최근 환경 문제에 관한 의식의 고조 등을 받아 자원 절약 및 에너지 절약의 관점으로부터, 축류형 모터에 있어서도 한층 더 고출력화, 고효율화가 요구되도록 되어 오고 있다.

일본 특허 출원 공개 평6-38418호 공보 일본 특허 출원 공개 제 2001-57753호 공보 일본 특허 출원 공개 제 2005-130692호 공보 일본 특허 출원 공개 제 2005-94955호 공보

본 발명은, 상술한 사정에 감안하여 이루어진 발명이며, 그 목적은 고출력화(고토크화), 고효율화(소형화)를 달성할 수 있는 축류형 모터를 제공하는 것이다.

본 발명에 관한 축류형 모터는, 코일을 구비하는 한 쌍의 고정자 간에 배치됨과 동시에, 한 쌍의 제1 자성체 사에에 끼워진 영구 자석과 제2 자성체를 교대로 갭을 형성시키고 회전 방향으로 복수 배치된 회전자를 구비하고 있다. 이와 같은 구성의 축류형 모터는, 영구 자석이 제1 자성체에 끼워져 있기 때문에, 약계자 제어를 행할 수 있고, 제2 자성체가 설치되어 있기 때문에, 릴럭턴스 토크를 발생시킬 수 있고, 그리고, 갭이 형성되어 있기 때문에, 영구 자석으로부터 발생하는 자속을, 코일측에 많이 유출시킬 수 있다. 이 때문에, 이와 같은 구성의 축류형 모터는, 고출력화(고토크화), 고효율화(소형화)를 달성할 수 있다.

상기 및 그 밖의 본 발명의 목적, 특징 및 이점은, 이하의 상세한 기재와 첨부 도면으로부터 명확하게 될 것이다.

도 1은 본 실시 형태에 따른 축류형 모터의 구성을 도시하는 개략 단면도이다.
도 2는 도1에 도시한 축류형 모터의 일부 단면 사시도이다.
도 3은 도1에 도시한 축류형 모터에 있어서의 스테이터의 구성을 도시하기 위한 도면으로, 도 3의 (A)는 스테이터 코어의 구성을 도시하는 사시도이고, 도 3의 (B)는 스테이터의 구성을 도시하는 평면도이다.
도 4는 도 1에 도시하는 축류형 모터에 있어서의 로터의 구성에 관하여 설명하기 위한 도면으로, 도 4의 (A)는 로터 표면의 구성을 도시하는 평면도이고, 도 4의 (B)는 도 1의 화살표 IVB-IVB의 단면도이다.
도 5는 도 1에 도시하는 축류형 모터에 있어서의 로터의 조립도이다.
도 6은 도 1에 도시하는 축류형 모터에 있어서의, 제1 자성체 및 제2 자성체의 윤곽선과, 코일의 윤곽선의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 실시예에 사용한 축류형 모터의 각 치수에 관하여 도시하는 도면이다.
도 8은 도 7에 도시하는 실시예에 있어서의 축류형 모터 및 종래 모터의 전위 위상과 평균 토크의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 9는 도 7에 도시하는 실시예에 있어서의 축류형 모터 및 종래 모터의 회전 각도와 토크의 관계를 도시하는 그래프이다.

이하, 본 발명에 관한 실시 형태를 도면에 기초하여 설명한다. 또한, 각 도면에 있어서 동일한 번호를 부여한 구성은, 동일한 구성인 것을 도시하며, 그 설명을 생략한다.

도 1은 본 실시 형태에 따른 축류형 모터의 구성을 도시하는 개략 단면도이고, 도 2는 본 실시 형태에 따른 축류형 모터의 일부 단면 사시도이다. 또한, 도 2에서는 케이싱의 내부에 관하여 도시하고 있기 때문에, 상기 케이싱은 도시하지 않는다. 또한, 도 2는 회전축을 포함해 서로 직교하는 평면에 의한 축류형 모터의 단면도이다. 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 축류형 모터(100)는, 케이싱(4)에 회전 가능하게 지지된 회전축(3)에 고정된 원판 형상의 로터[(회전자)(2)]와, 로터(2)의 표면측 및 이면측으로부터 이것을 끼우도록 설치된 한 쌍의 스테이터[(고정자)(1)]를 구비하고 있다. 또한, 로터(2)의 표면측 및 이면측은 로터(2)에 있어서, 스테이터(1)측이다. 또한 구체적으로는, 로터(2)의 표면측 및 이면측은, 로터(2)에 있어서, 회전축(3)에 대하여 대략 수직인 면이고, 한 쌍의 스테이터(1)는 각각 로터(2)에 대하여 회전축(3)에 평행한 방향에 위치한다. 또한, 로터(2)와 스테이터(1)의 사이에는 간극인 갭[(13)(제3 갭)]이 형성되어 있다. 갭(13)은, 예를 들어 0.5mm 정도로 하면 된다.

로터(2)의 표면 및 이면에는, 제1 및 제2 자성체(21 및 22)가 설치되어 있다. 그리고, 제1 자성체(21)에 끼워지도록 복수의 영구 자석(23)이 설치되어 있다. 스테이터(1)는 케이싱(4)의 내측에 고정 배치되어 대략 환형상이다. 스테이터(1)는 영구 자석(23)과, 회전축(3)에 평행한 방향에 대향하는 자극을 형성하는 코일(12)을 갖고 있다.

도 3은 본 실시 형태에 따른 스테이터의 구성을 도시하기 위한 도면으로, 도 3의 (A)는 스테이터 코어의 구성을 도시하는 사시도이고, 도 3의 (B)는 스테이터의 구성을 도시하는 평면도이다. 스테이터(1)는 도 3의 (A)에 도시한 스테이터 코어(1a)를 갖고 있다. 자성체인 스테이터 코어(1a)는 대략 환형상이고, 로터(2)에 대향하는 면에 돌출하여 설치된 복수의 티스(11)를 갖고 있다. 이들 복수의 티스(11)는 대략 환형상인 스테이터(1)의 형상을 따라, 둘레 방향으로 서로 소정의 간격을 두고 대략 원형을 이루도록 배치되어 있다. 도 3의 (B)에 도시하는 바와 같이, 스테이터(1)에 있어서, 각 티스(11)를 중심으로 해서 도선이 감겨 코일(12)이 형성되어 있다. 이 도선에 전류를 흐르게 함으로써 코일(12)에 자극이 형성된다. 그리고, 이 자극과 영구 자석(23)이 회전축(3)에 평행한 방향에 대향하도록 스테이터(1) 및 영구 자석(23)이 배치된다. 따라서, 이들 복수의 코일(12)에 순차 전류를 흐르게 함으로써, 복수의 티스(11)가 순차 자화되어, 회전 자계가 발생한다.

도 4는 본 실시 형태에 따른 로터의 구성에 관하여 설명하기 위한 도면으로, 도 4의 (A)는 로터 표면의 구성을 도시하는 평면도이고, 도 4의 (B)는 도 1의 IVB-IVB에서의 단면도이다. 도 4의 (A)에 도시한 바와 같이, 로터(2)의 표면에는 제1 자성체(21) 및 제2 자성체(22)가 설치되어 있다. 이들 제1 자성체(21) 및 제2 자성체(22)는 평면에서 보아 대략 부채 형상을 갖고, 회전축(3)의 주위에 그 회전 방향을 따라서 교대로 설치되어 있다. 제1 자성체(21)는, 영구 자석(23)을 그 스테이터(1)측으로부터 덮도록 배치되어 있다. 즉, 제1 자성체(21)는, 로터(2)의 표면 및 이면에 각각 설치되고, 영구 자석(23)은, 제1 자성체(21)에 의해 표면 및 이면의 양쪽으로부터 끼워지고, 영구 자석(23)과 제1 자성체는 접촉하고 있다. 또한, 제2 자성체(22)는, 로터(2)의 표면으로부터 이면으로 연속하고 있으며, 로터(2)를 관통하도록 설치되어 있다.

이들 제1 자성체(21)와 제2 자성체(22)의 사이에는, 갭[(24)(제2 갭)]이 형성되어 있다. 여기서 갭(24)이란 자기적인 갭을 말한다. 즉, 갭(24)으로서, 제1 자성체(21) 및 제2 자성체(22)의 사이에 단순히 물리적 공간인 간극이 형성되어도 되고, 이들 사이에 비자성체가 설치되어도 된다. 또한, 제1 자성체(21) 및 제2 자성체(22)는 로터(2)의 본체인 보유 지지 부재(25)에 보유 지지되고, 고정되어 있다.

또한, 도 4의 (B)에 도시하는 바와 같이, 로터(2)의 내부에 있어서는, 복수의 영구 자석(23)이, 회전축(3)의 주위에, 그 회전 방향을 따라서 배치되어 있다. 이들, 영구 자석(23)은, 평면에서 보아 대략 부채 형상인 평판이고, 그 자극의 방향이 회전축(3)에 대하여 대략 평행한 방향이 되도록 설치되어 있다. 또한, 자극의 방향이란 N극 및 S극을 연결하는 방향이며, 구체적으로는, 영구 자석(23)의 N극이 되는 면 및 S극이 되는 면의 법선 방향이다. 그리고, 인접하는 영구 자석(23)의 자극의 방향은, 서로 반대가 되도록 배치되어 있다. 즉, 인접하는 영구 자석(23)은 자극이 상이하도록 배치되어 있다. 구체적으로는, 도 4의 (B)에 도시한 바와 같이, 영구 자석(23)의 한쪽 면에 있어서의 자극은, 인접하는 영구 자석(23)에 있어서, S극과 N극이 교대로 되도록 영구 자석(23)이 배치되어 있다. 또한, 인접하는 영구 자석(23)의 사이에는, 상술하는 바와 같이 로터(2)의 표면으로부터 이면으로 관통하고 있는 제2 자성체(22)가 위치한다. 인접하고 있는 영구 자석(23) 및 제2 자성체(22)의 사이에는 갭[(26)(제1 갭)]이 형성되어 있다. 또한, 인접하는 영구 자석(23)의 사이에 있어서도 갭(27)이 형성되어 있다. 또한, 갭(26, 27)에 관해서도, 갭(24)과 마찬가지로 자기적인 갭을 말하며, 단순히 물리적 공간인 간극이어도 되고, 그 간극에 비자성체가 충전되어 있어도 된다.

상술한 바와 같이, 각 영구 자석(23)은, 스테이터(1)측을 제1 자성체(21)로 덮고, 또한 서로 인접하는 영구 자석(23)의 사이 및 서로 인접하는 제1 자성체(21)의 사이에는 각각 제2 자성체(22)가 설치되어 있다. 그리고, 제2 자성체(22)와 제2 자성체(22)에 인접하는 영구 자석(23)의 사이에는 갭(26)이 형성되고, 제2 자성체(22)와 제2 자성체(22)에 인접하는 제1 자성체(21)의 사이에는 갭(24)이 형성되어 있다.

상술한 바와 같이, 로터(2)는, 그 본체인 보유 지지 부재(25)를 갖고 있고, 제1 자성체(21) 및 제2 자성체(22)는, 보유 지지 부재(25)에 의해 보유 지지되어 있다. 예를 들어, 보유 지지 부재(25)에는 프레임이 형성되어 있고, 그 프레임에 제1 자성체(21) 및 제2 자성체(22)가 끼워 넣어짐으로써, 보유 지지되는 것으로 해도 된다. 여기서, 본 실시 형태에 따른 축류형 모터에 있어서, 제1 자성체(21), 제2 자성체(22) 및 영구 자석(23)을 보유 지지 부재(25)에 설치하는 방법에 관하여 설명한다. 도 5는 본 실시 형태에 따른 축류형 모터의 로터 조립도이다. 도 5에 도시하는 바와 같이, 보유 지지 부재(25)에는 제1 자성체(21) 및 제2 자성체(22)가 끼워 넣어지도록 프레임[(개구부)(21a 및 22a)]이 형성되어 있다. 보다 구체적으로는, 제1 자성체(21)가 영구 자석(23)을 그 표면 및 이면으로부터 끼우도록, 로터(2)의 표면 및 이면으로부터 프레임(21a)에 끼워 넣어진다. 영구 자석(23) 및 제1 자성체(21)에는 나사 산이 형성된 관통 구멍이 형성되어 있고, 영구 자석(23) 및 제1 자성체(21)에 형성된 관통 구멍을 정렬시켜 볼트를 나사 결합함으로써, 영구 자석(23)은 제1 자성체(21)에 고정된다. 또한, 제1 자성체(21)는, 볼트에 의해 조여짐으로써, 보유 지지 부재(25)를 양면으로부터 조이게 되기 때문에, 제1 자성체(21)가 보유 지지 부재(25)에 고정된다.

또한, 제2 자성체(22)는, 프레임(22a)에 끼워넣음으로써 보유 지지 부재(25)에 고정된다. 제2 자성체(22)는 2개로 분할되고, 그들이 로터(2)의 표면 및 이면으로부터 프레임(22a)에 끼워 넣어진다. 이들 분할된 제2 자성체(22)에는, 나사 산이 형성된 관통 구멍이 형성되어 있고, 이들의 관통 구멍을 정렬시켜 볼트를 나사 결합함으로써, 분할된 제2 자성체(22)는 일체가 된다. 또한, 제2 자성체(22)는, 볼트에 의해 조여짐으로써 보유 지지 부재(25)를 양면으로부터 조이게 되기 때문에, 제2 자성체(22)가 보유 지지 부재(25)에 고정된다.

이와 같이, 제1 자성체(21), 제2 자성체(22) 및 영구 자석(23)이 보유 지지 부재(25)에 고정되어 있으므로, 이들의 위치가 변동하는 일이 없다. 특히, 축류형 모터(25)가 동작할 경우에는, 로터(2)에는 영구 자석(23) 및 코일(12)에 의해 발생하는 자계에 의해, 반발력이나 흡인력이 작용한다. 또한, 로터(2)가 회전함으로써, 원심력 등도 로터(2)에 작용한다. 이들에 의해, 제1 자성체(21), 제2 자성체(22) 및 영구 자석(23)에 상기 각 힘이 작용한 경우이더라도, 보유 지지 부재(25)에 의해, 이들은 위치가 규제되어 있기 때문에 위치가 변동하는 일이 없다. 이에 의해, 제1 자성체(21), 제2 자성체(22) 및 영구 자석(23)의 위치를 용이하게 규제할 수 있다. 또한, 갭(24)으로서, 제1 자성체(21) 및 제2 자성체(22)의 사이에 공간을 형성한 경우보다도, 예를 들어, 비자성체를 이 공간에 충전하는 구성으로 함으로써, 갭(24)의 고정이 강화된다.

또한, 보유 지지 부재(25)는, 상기 자계에 의한 반발력이나 흡인력이나 원심력 등을 견디어낼 수 있는 강도를 가질 필요가 있다. 또한, 영구 자석(23) 및 코일(12)에 의한 자속에 영향을 주지 않도록, 보유 지지 부재(25)는 비자성체인 것이 바람직하다. 따라서, 보유 지지 부재(25)의 재료로서는, 예를 들어, 오스테나이트계 스테인리스가 바람직하다. 또한, 도 5에 도시하는 바와 같이, 예를 들어, 보유 지지 부재(25)는, 제1 자성체(21) 및 제2 자성체(22)를 방사선 형상으로 고정하는 프레임(21a 및 22a)이 형성된 형상이며, 원형으로 하면 좋다. 구체적으로는, 보유 지지 부재(25)는, 원환상 부재와, 회전축(3)으로부터 외주 방향으로 방사선 형상으로 신장되는 몇 개의 부재가 일체화된 형상, 즉 예를 들어 자전거의 차륜이나 수차와 같은 형상으로 하면 된다.

상술한 바와 같이, 본 실시 형태에 따른 축류형 모터(100)에 있어서, 갭(24, 26, 27)이 형성되어 있지만, 이와 같이, 갭(24, 26, 27)이 형성됨으로써, 영구 자석(23)으로부터의 자속이, 영구 자석(23)의 법선 방향으로 확산되듯이 유출되는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 영구 자석(23)으로부터의 자속을, 영구 자석(23)의 법선 방향, 즉 회전축(3)에 대하여 평행한 방향으로 많이 유출시킬 수 있다. 그것에 의하여 갭(24, 26, 27)이 형성되어 있지 않은 경우에 비해, 코일(12)과 영구 자석(23)의 사이에 발생하는 자기적인 흡인력 및 반발력을 증대시킬 수 있기 때문에, 축류형 모터(100)의 자석 토크를 크게 할 수 있다. 가령, 갭(24, 26, 27)이 존재하지 않는 경우에는, 영구 자석(23)으로부터의 자속은, 인접(근접)하는 영구 자석(23) 혹은 제2 자성체(22) 등으로 흐르는 성분이 증가하고, 영구 자석(23)의 법선 방향으로 흐르는 성분이 감소하기 때문에 축류형 모터(100)의 자석 토크는 낮아진다.

여기서, 갭(24) 및 갭(26)의 갭 길이는, 로터(2)와 스테이터(1)의 사이에 형성된 갭(13)의 갭 길이보다도 큰 것이 바람직하다. 그 때문에 영구 자석(23)으로부터 유출되는 자속은, 인접하는 영구 자석(23) 혹은 제2 자성체(22) 등으로 흐르는 자속을 감소시켜, 영구 자석(23)의 법선 방향[회전축(3)에 대하여 평행한 방향]의 자속을 증가시킨다고 하는 효과를 발휘한다. 그것에 의하여 축류형 모터(100)의 자석 토크를 증가시킬 수 있다.

또한, 상술한 바와 같이, 갭(24) 및 갭(26)의 갭 길이가, 갭(13)의 갭 길이보다도 크면, 영구 자석(23)의 법선 방향의 자속을 증가시킨다고 하는 효과가 얻어진다. 그러나, 동일 크기의 축류형 모터(100)에 있어서, 갭(24) 및 갭(26)의 갭 길이를 증가시키면, 영구 자석(23), 제1 자성체(21) 및 제2 자성체(22)의 용량은 감소시키게 된다. 따라서, 갭(24) 및 갭(26)의 갭 길이를 과도하게 증대시키면, 반대로 자석 토크가 감소해 버린다. 예를 들어, 갭(24) 및 갭(26)의 갭 길이를 갭(13)의 갭 길이의 10배 보다도 크게 하면, 높은 토크를 얻는 것이 곤란해질 가능성이 있다. 따라서, 갭(24) 및 갭(26)의 갭 길이는, 갭(13)의 갭 길이보다도 크고, 갭(13)의 갭 길이의 10배 이하로 하는 것이 바람직하다.

다음에, 제1 자성체 및 제2 자성체의 윤곽선과, 코일(12)의 윤곽선의 관계에 관해 설명한다. 도 6은, 제1 자성체 및 제2 자성체의 윤곽선과, 코일의 윤곽선의 관계를 설명하기 위한 도면이다. 보다 구체적으로는, 도 6은 로터(2)에 배치된 제1 자성체(21) 및 제2 자성체(22)와, 티스(11)에 도선이 감김으로써 형성된 코일(12)의 위치 관계를 도시하고 있는 도면이다. 또한, 도 6은, 회전축(3)과 평행한 방향에서 본 도면이다. 로터(2)는, 회전하기 때문에, 상기 위치 관계는 수시로 변화하고 있다. 도 6에는, 특히, 로터(2)가 회전했을 경우에 있어서의, 코일(12)의 윤곽선 중, 로터(2)의 회전 방향과 교차하는 윤곽선(12a)과, 제1 자성체(21) 및 제2 자성체(22)의 윤곽선 중, 로터(2)의 회전 방향과 교차하는 윤곽선(2lb 및 22b)의 위치 관계가 도시되어 있다. 도 6에 도시하는 바와 같이, 본 실시 형태에 따른 축류형 모터(100)에 있어서, 로터(2)가 회전함으로써 스테이터(1)의 로터(2)에 대한 상대적인 위치 관계가 변화했다고 해도, 윤곽선(12a)과 윤곽선(2lb 및 22b)은 평행하게 되지 않는다. 또한, 갭(24)에 있어서의 회전 방향의 간격은 대략 균일하기 때문에, 갭(24)은 대략 직선 형상이며, 이 갭(24)과 윤곽선(12a)도 평행하게는 되지 않는다. 이와 같이, 로터(2)가 회전하고 있는 경우에, 코일(12)의 윤곽선(12a)은, 갭(24)과 비평행하게 교차하기 때문에, 코일(12) 및 영구 자석(23)의 사이에 발생하는 자기적인 흡인력 및 반발력에 의해 발생하는 토크의 증감은 서서히 이루어지게 된다. 그것에 의해, 원활하게 로터(2)를 회전시킬 수 있다고 하는 효과를 발휘한다. 즉, 코깅을 감소시킬 수 있다.

또한, 도 6에 있어서는, 갭(24)에 있어서의 회전 방향의 간격이 대략 균일, 즉 갭(24)이 대략 직선 형상인 경우를 예로서 설명했으나, 코깅을 감소시키는 효과에 관해서는, 반드시 갭(24)을 대략 직선 형상으로 할 필요는 없고, 갭(24)의 중심선이, 로터(2)의 회전 방향에 대하여 교차하는, 코일(12)의 윤곽선(12a)과, 비평행 상태를 유지하면서 접촉 분리하도록 구성할 수 있으면, 동일한 효과를 얻을 수 있다. 그러나, 제작의 용이성 등의 관점에서는, 도 6과 같이 갭(24)에 있어서의 회전 방향의 간격을 대략 균일하게 하고, 갭(24)을 대략 직선 형상으로 하도록 구성하는 것이 바람직하다.

다음에, 본 실시 형태에 따른 축류형 모터의 동작에 관해 설명한다. 본 실시 형태에 따른 축류형 모터에 있어서, 코일(12)을 형성하는 도선에 전류를 흐르게 함으로써, 영구 자석(23)과, 회전축(3)에 평행한 방향에 대향하는 자극이 코일(12)에 형성된다. 그리고, 인접하는 티스(11)에 감긴 도선에 순차적으로 전류를 흐르게 함으로써, 복수의 티스(11)가 순차적으로 자화되어, 회전자계를 발생시킨다. 회전 자계가 발생함으로써, 로터(2)의 영구 자석(23)이 회전 자계와 상호 작용하여, 흡인 및 반발 작용이 발생하기 때문에, 로터(2)가 회전하여, 자석 토크를 얻을 수 있다. 또한, 인접하는 영구 자석(23)의 사이에 제2 자성체(22)가 설치되어 있기 때문에, 이들 제2 자성체(22)에 대해서도 회전 자계에 흡인됨으로써, 영구 자석(23)의 존재에 의해 발생하는 자석 토크에 더하여, 릴럭턴스 토크를 얻을 수 있다. 또한, 보다 강한 릴럭턴스 토크를 얻기 위해서, 제2 자성체(22)는 강자성체인 것이 바람직하다. 또한, 제2 자성체(22)의 설치 위치는, 스테이터(1)에 순차적으로 형성되는 자극에 흡인되어, 로터(2)의 회전을 촉진시키는 위치로 하면 된다. 즉, 적어도 인접하는 영구 자석(23)의 사이에 제2 자성체(22)가 존재하면 좋다.

이와 같이, 본 실시 형태에 따른 축류형 모터(100)에 있어서는, 자석 토크뿐만 아니라, 제2 자성체(22)를 설치함으로써, 릴럭턴스 토크가 발생한다. 따라서, 영구 자석(23)의 양을 감소시켰을 경우라도, 그것에 의해 감소한 자석 토크의 분을 릴럭턴스 토크에 의하여 보충할 수 있으며, 전체적으로는 동등한 토크를 얻을 수 있다. 즉, 영구 자석(23)의 양을 감소시켜, 축류형 모터(100)의 용적을 감소시켜 소형화를 도모한 경우이더라도, 감소 전과 같은 토크를 실현할 수 있다고 하는 효과를 발휘한다. 또한, 영구 자석(23)의 양을 증가시키지 않더라도, 토크를 증가시킬 수 있기 때문에, 축류형 모터(100)의 고출력화(고토크화)가 가능하다고 하는 효과를 발휘한다.

또한, 상술한 바와 같이, 본 실시 형태에 따른 축류형 모터(100)에 있어서, 제1 자성체(21)가, 각 영구 자석(23)의 표면 및 이면을 덮도록 설치되어 있음으로써, 소위 약계자 제어를 행하는 것이 가능해진다. 축류형 모터(100)의 로터(2)를 회전시킨 경우, 영구 자석(23)이 코일(12)을 가로지름으로써 자속의 변화에 의해, 코일(12)에는 역기전력이 발생한다. 그 때문에, 로터(2)를 고속 회전시키는 경우에, 이 역기전력이 커지기 때문에, 구동 전류를 높여도 회전수가 증가하지 않게 된다고 하는 현상이 일어난다. 이러한, 고속 회전에서의 출력 저하를 억제하기 위해서는 코일에서 발생시키는 자계(계자)를 약화시킨다, 소위 약계자 제어를 행하는 것이 바람직하다. 그것에 의해, 역기전력을 억제할 수 있기 때문에 출력 저하를 억제할 수 있다. 약계자 제어를 하기 위해서는, 영구 자석(23)의 자력을 약화시키면 되고, 예를 들어, 코일(12)과 영구 자석(23)의 거리를 이격시키면 된다. 그러나, 그와 같이 이들의 거리를 이격시킴으로써, 축류형 모터(100)의 토크는 저하하게 된다. 따라서, 본 실시 형태에 따른 축류형 모터(100)와 같이, 제1 자성체(21)에 의해, 각 영구 자석(23)의 표면 및 이면을 덮음으로써, 제1 자성체(21)의 두께 분만큼 코일(12)과 영구 자석(23)의 거리를 이격시킬 수 있고, 약계자 제어를 행할 수 있다. 또한, 영구 자석(23)과 코일(12)의 사이에는, 제1 자성체(21)가 존재하기 때문에, 서로 영향을 미치는 영구 자석(23) 및 코일(12)의 자속을 약화시키는 일이 없다. 그 때문에, 토크의 저하도 적어도 된다. 이와 같이, 제1 자성체(21)가 영구 자석(23)의 표면 및 이면을 덮도록 설치됨으로써, 약계자 제어가 유효하게 작용하여, 고속 회전에 있어서의 출력 향상을 도모할 수 있다.

또한, 모터의 토크는, 원리상, 영구 자석(23)의 자계와, 코일(12)에 의해 발생한 자계의 흡인력 및 반발력에 의해 발생한다. 즉, 영구 자석(23)의 표면은, 코일(12)에 의해 발생한 자계 중에 들어가게 된다. 코일(12)에 의해 발생한 자계는 교류 자계이기 때문에, 영구 자석(23)의 표면이 도체이면, 와전류가 발생하여, 와전류손이 발생한다. 이 와전류의 발생을 억제할 수 있는 것이 바람직하고, 예를 들어 영구 자석(23)의 표면과 이면을 덮는 제1 자성체(21)의 전기 저항을 크게하면 된다. 따라서, 본 실시 형태에 따른 축류형 모터(100)는, 제1 자성체(21)로서, 전기 저항이 높은 재료인 압분자심 재료를 사용하고 있다. 그것에 의해, 와전류를 억제할 수 있으며, 손실 증대를 억제하면서 고토크가 얻어진다고 하는 효과를 발휘한다. 또한, 마찬가지로, 제2 자성체(22)도, 코일(12)에서 발생시킨 자계 중에 들어가게 된다. 따라서, 제2 자성체(22)도, 와전류손을 억제하는 재료로 구성하는 것이 바람직하다. 따라서, 본 실시 형태에 따른 축류형 모터(100)는 제2 자성체(22)로서, 전기 저항이 높은 재료인 압분자심 재료를 사용하고 있다. 그것에 의하여, 와전류를 억제할 수 있으며, 손실 증대를 억제하면서 고토크가 얻어진다고 하는 효과를 발휘한다.

이상, 본 실시 형태에 따른 축류형 모터(100)에 관해 설명했으나, 이 본 실시 형태에 따른 축류형 모터(100)를 실제로 제작하고, 그 성능 평가를 행한 결과를 실시예로서 이하에 나타낸다. 실시예에 사용한 본 실시 형태에 따른 축류형 모터(100)의 조건은 회전 속도를 2400r/min(규정 속도)으로 하고, 회전 각도를 90deg/5deg로 하고, 전류 밀도를 6A/㎟로 하고, 전류 위상을 0, 20, 30, 40, 60, 70, 80deg로 하고, φ0.6, 13 병렬, 23턴(점적률:45.5%)으로 했다. 또한, 도 7은 실시예에 사용한 축류형 모터의 각 치수에 관해 도시하는 도면이다. 도 7은, 도 2와 대응하는 도면으로서, 각 치수의 단위는 mm이다. 도 8은, 실시예에 있어서의 축류형 모터 및 종래 모터의 전위 위상과 평균 토크의 관계를 도시한 그래프이다. 도 8에 있어서, 실선으로 나타낸 것이, 실시예에 있어서의 축류형 모터에 의한 측정 결과이다. 또한, 도 8에 있어서, 파선으로 나타낸 것이 비교예인 종래의 모터에 의한 측정 결과이다. 또한, 비교예로 한 종래 모터로서는, 실시예에 있어서의 축류형 모터와 동 체격의 래디얼 모터를 사용하고 있다. 도 8로부터 알 수 있는 바와 같이, 전류 위상이 30deg에 있어서, 어느 쪽의 모터도 평균 토크가 최대치로 되어 있다. 실시예에 의한 모터의 평균 토크는 24. 28Nm이지만, 비교예에 의한 모터의 평균 토크는 14.02Nm이다. 따라서, 실시예의 모터는 고출력을 달성하고 있다.

또한, 도 9는, 실시예에 있어서의 축류형 모터 및 종래 모터의 회전 각도와 토크의 관계를 도시한 그래프이다. 도 9에 있어서, 실선으로 표시한 것이, 실시예에 있어서의 축류형 모터에 의한 측정 결과이다. 또한, 도 9에 있어서, 파선으로 나타낸 것이, 비교예인 종래의 축류형 모터에 의한 측정 결과이다. 또한, 세선으로 나타낸 일정한 값은, 이들 모터의 평균 토크이다. 또한, 비교예는 로터(2)가 회전했을 때에, 코일(12)의 윤곽선(12a)이 갭(24)과 평행이 되는 구성이다. 도 9로부터 알 수 있는 바와 같이, 비교예의 쪽이 회전 각도마다의 토크에 편차가 있다. 따라서, 실시예에 비해 비교예의 쪽이 큰 코깅이 발생하고 있는 것을 알 수 있다. 이와 같이, 실시예의 모터는 코깅이 발생하기 어렵다.

이상과 같이, 본 발명의 실시 형태에 따른 축류형 모터(100)는, 지금까지 제안되어 온 축류형 구조를 기초로, 한층 더 고출력화(고토크화)를 실현할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시 형태에 따른 축류형 모터(100)는, 높은 토크를 발생할 수 있기 때문에, 종래에 비해 소형화해도, 종래의 보통, 혹은 그 이상의 토크를 발생시킬 수 있다. 즉, 고효율화(소형화)를 달성할 수 있다.

본 명세서는, 상기와 같이 여러가지 형태의 기술을 개시하고 있지만, 그 중 주된 기술을 이하에 정리한다.

일 형태에 따른 축류형 모터는, 회전축의 주위에 회전 방향을 따라서 배치된, 상기 회전축에 대하여 평행한 방향에 자극의 방향을 갖는 복수의 영구 자석을 구비한 회전자와, 상기 회전자에 배치된 상기 영구 자석과 상기 회전축에 평행한 방향에 대향하는 자극을 형성하는 코일을 갖는 한 쌍의 고정자를 구비하고, 서로 인접하는 상기 영구 자석의 자극의 방향은 반대이고, 상기 각 영구 자석은, 상기 각 고정자측을 제1 자성체로 덮고, 또한 서로 인접하는 영구 자석 사이 및 서로 인접하는 상기 제1 자성체 사이에는 제2 자성체가 설치되고, 상기 제2 자성체와, 상기 제2 자성체에 인접하는 상기 영구 자석의 사이에는 제1 갭이 형성되고, 상기 제2 자성체와, 상기 제2 자성체에 인접하는 상기 제1 자성체의 사이에는 제2 갭이 형성되어 있다. 또한, 갭이란 자기적인 갭이며, 제2 자성체와 영구 자석의 사이 및 제2 자성체와 제1 자성체의 사이에, 반드시 물리적으로 공간이 존재한다고 하는 의미는 아니다. 즉, 갭은 자기 회로로서 차단할 수 있는 구성이면 되고, 공간을 형성하는 구성뿐만 아니라, 공간이 아닌 비자성체를 배치하는 구성으로 해도 된다.

이와 같이, 영구 자석은, 고정자측을 제1 자성체로 덮을 수 있기 때문에, 제1 자성체의 두께 분만큼, 코일 및 영구 자석 간의 거리를 이격할 수 있고, 약계자 제어를 행할 수 있다. 그에 의해 역기전력을 억제할 수 있으며, 고속 회전인 경우에 발생하는 출력 저하를 방지할 수 있다. 즉, 고속 회전이 가능하다. 또한, 영구 자석과 코일의 사이에는 제1 자성체가 설치되어 있는 점에서, 서로 영향을 미치는 영구 자석 및 코일의 자속을 약화시키는 일이 없기 때문에, 토크의 저하도 적다.

또한, 제2 자성체가 설치되어 있기 때문에, 축류형 모터는, 릴럭턴스 토크를 발생시킨다. 그것에 의해, 영구 자석을 줄임으로써, 감소하는 자석 토크를 보충할 수 있다. 따라서, 영구 자석을 감소시킴으로써, 축류형 모터의 소형화를 도모한 경우라도, 토크의 저하를 보충하고, 고출력을 실현할 수 있다. 즉, 소형이고, 또한 고출력인, 축류형 모터를 실현할 수 있다.

또한, 제1 갭 및 제2 갭이 형성되는 점에서, 영구 자석으로부터 발생하는 자속을, 회전축에 대하여 평행한 방향(영구 자석의 법선 방향), 즉 코일측에 많이 유출시킬 수 있다. 그것에 의해, 코일과 영구 자석의 사이에 발생하는 자기적인 흡인력 및 반발력을, 이들 제1 갭 및 제2 갭이 형성되어 있지 않은 경우에 비해 증대시킬 수 있다. 그 때문에, 축류형 모터의 자석 토크를 크게 할 수 있다. 즉, 축류형 모터를 고출력화할 수 있다. 여기서, 제1 갭 및 제2 갭이 형성되어 있지 않은 경우는, 영구 자석으로부터의 자속은, 인접(근접)하는 영구 자석 혹은 제2 자성체 등으로 흐르는 성분이 증가하고, 영구 자석으로부터 발생하는 자속은, 회전축에 대하여 평행한 방향의 성분이 작아지기 때문에, 축류형 모터의 자석 토크가 낮다.

또한, 다른 일 형태에서는, 상술한 축류형 모터에 있어서, 상기 제1 자성체는 압분자심 재료로 구성되어 있는 것이 바람직하다.

이와 같이, 제1 자성체를 압분자심 재료로 구성함으로써, 제1 자성체의 전기 저항이 높다. 그것에 의해, 코일에 의해 발생하는 교류 자계에 있어서 제1 자성체에 발생하는 와전류를 억제하고, 와전류손도 억제할 수 있다. 따라서, 손실의 증대를 방지할 수 있다.

또한, 다른 일 형태에서는 상술한 축류형 모터에 있어서, 상기 제2 자성체는, 압분자심 재료로 구성되어 있는 것이 바람직하다.

이와 같이, 제2 자성체를 압분자심 재료로 구성함으로써, 제2 자성체의 전기 저항이 높다. 그것에 의해, 코일에 의해 발생하는 교류 자계에 있어서 제2 자성체에 발생하는 와전류를 억제하고, 와전류손도 억제할 수 있다. 따라서, 손실의 증대를 방지할 수 있다.

또한, 다른 일 형태에서는, 상술한 축류형 모터에 있어서, 상기 제1 갭 및 상기 제2 갭의 갭 길이는, 상기 고정자와 상기 회전자의 사이에 형성된 제3 갭의 갭 길이보다도 큰 것이 바람직하다.

이와 같이, 제1 갭 및 제2 갭의 갭 길이가 제3 갭의 갭 길이보다도 크기 때문에, 제1 갭 및 제2 갭의 형성 개소보다도 제3 갭의 형성 개소 쪽으로 유출하는 자속이 많다. 따라서, 영구 자석으로부터 발생하는 자속을, 회전축에 대하여 평행한 방향으로 많이 유출시킬 수 있다. 그것에 의해, 코일과 영구 자석의 사이에 발생하는 자기적인 흡인력 및 반발력을 증대시킬 수 있다. 그 때문에, 축류형 모터의 자석 토크를 크게 할 수 있다.

또한, 다른 일 형태에서는, 상술한 축류형 모터에 있어서, 상기 회전자는 상기 제1 자성체 및 상기 제2 자성체를 보유 지지하는, 비자성인 보유 지지 부재를 구비하고 있는 것이 바람직하다.

이에 의해, 제1 자성체 및 제2 자성체가 보유 지지 부재에 고정되어, 자계에 의해 발생하는 반발력이나 흡인력 및 회전자의 회전에 의해 발생하는 원심력에 의해, 제1 자성체 및 제2 자성체의 위치가 변동하는 일이 없다. 또한, 보유 지지 부재는 비자성이기 때문에, 영구 자석 및 코일에 의한 자속에 영향을 미치는 일이 없다.

또한, 다른 일 형태에서는, 상술한 축류형 모터에 있어서, 상기 회전자가 회전했을 때에, 상기 회전자의 회전 방향에 대하여 교차하는 상기 코일의 윤곽선과, 상기 제2 갭의 중심선은, 비평행 상태를 유지하면서 접촉 분리하는 것이 바람직하다.

이와 같이, 회전자가 회전했을 때에, 코일의 윤곽선이, 제2 갭의 중심선과 비평행하게 교차하도록 하면, 서서히 토크가 증감하게 되어, 회전자의 회전이 원활하게 행해지게 된다. 따라서, 코깅을 감소시킬 수 있다.

회전 방향에 대하여 교차하는 상기 코일의 윤곽선과, 상기 제2 갭의 중심선을 비평행 상태를 유지하면서 접촉 분리하도록 하기 위해서는, 구체적으로는, 상기 제2 갭에 있어서, 상기 회전자의 회전 방향의 간격은 대략 균일하게 하고, 상기 제2 갭을 대략 직선 형상으로 하여, 코일의 윤곽선과 상기 대략 직선 형상의 제2 갭이 비평행 상태가 되도록 구성하는 것이 바람직하다.

여기서, 균일이란, 완전한 균일된 상태를 의도하고 있는 것이 아니라, 당해 축류형 모터의 기술 설계에 종사하는 당업자에 있어서, 대략 균일하다고 간주되는 것도 포함하는 것으로 해석되며, 이 의미로 대략 균일이라고 표기되고, 그리고, 직선이란, 완전한 직선의 상태를 의도하고 있는 것이 아니라, 당해 축류형 모터의 기술 설계에 종사하는 당업자에 있어서, 대략 직선이라고 간주되는 것도 포함하는 것으로 해석되며, 이런 의미에서 대략 직선이라고 표기되어 있다.

이 출원은, 2009년 6월 23일에 출원된 일본 특허 출원 특원 제2009-148257호를 기초로 하는 것이고, 그 내용은 본원에 포함되는 것이다.

본 발명을 표현하기 위해서, 상기에 있어서 도면을 참조하면서 실시 형태를 통해 본 발명을 적절하고 또 충분히 설명하였지만, 당업자라면 상술한 실시 형태를 변경 및 / 또는 개량하는 것은 용이하게 할 수 있는 것이라고 인식해야 한다. 따라서, 당업자가 실시하는 변경 형태 또는 개량 형태가, 청구의 범위에 기재된 청구항의 권리 범위를 이탈하는 레벨의 것이 아닌 한, 당해 변경 형태 또는 당해 개량 형태는, 당해 청구항의 권리 범위에 포괄되는 것으로 해석된다.

본 발명에 따르면, 축류형 모터를 제공할 수 있다.

Claims

회전축의 주위에 회전 방향을 따라 배치된, 상기 회전축에 대하여 평행한 방향에 자극의 방향을 갖는 복수의 영구 자석을 구비한 회전자와,
상기 회전자에 배치된 상기 영구 자석과 상기 회전축에 평행한 방향에서 대향하는 자극을 형성하는 코일을 갖는 한 쌍의 고정자를 구비하고,
서로 인접하는 상기 영구 자석의 자극 방향은 반대이며,
상기 각 영구 자석은, 상기 각 고정자측을 제1 자성체로 덮고, 또한 서로 인접하는 영구 자석 사이 및 서로 인접하는 상기 제1 자성체 사이에는 제2 자성체가 설치되어,
상기 제2 자성체와, 상기 제2 자성체에 인접하는 상기 영구 자석의 사이에는 비자성체의 제1 갭이 형성되고,
상기 제2 자성체와, 상기 제2 자성체에 인접하는 상기 제1 자성체의 사이에는 비자성체의 제2 갭이 형성되어 있는, 축류형 모터.
제1항에 있어서, 상기 제1 자성체는, 압분자심 재료로 구성되어 있는, 축류형 모터.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제2 자성체는, 압분자심 재료로 구성되어 있는, 축류형 모터.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 갭 및 상기 제2 갭의 갭 길이는, 상기 고정자와 상기 회전자의 사이에 형성된 제3 갭의 갭 길이보다도 큰, 축류형 모터.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 회전자는, 상기 제1 자성체 및 상기 제2 자성체를 보유 지지하는, 비자성인 보유 지지 부재를 구비하고 있는, 축류형 모터.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 회전자가 회전했을 때에, 상기 회전자의 회전 방향에 대하여 교차하는 상기 코일의 윤곽선과, 상기 제2 갭의 중심선은, 비평행 상태를 유지하면서 접촉 분리하는, 축류형 모터.
제6항에 있어서, 상기 제2 갭에서, 상기 회전자의 회전 방향의 간격은 균일하고, 상기 제2 갭은 직선 형상인, 축류형 모터.