WO2014188737A1 - 永久磁石型同期電動機 - Google Patents

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WO2014188737A1
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radial
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成田　憲治
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Narita Kenji
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Definitions

  • the present invention relates to an outer rotor type permanent magnet synchronous motor in which a rotor is disposed around a stator. More specifically, the present invention relates to a torque density and an output density by effectively utilizing both a radial air gap and an axial air gap. The present invention relates to a permanent magnet type synchronous motor having an increased number of.
  • An outer rotor type permanent magnet synchronous motor is an electric motor in which a rotor is arranged around a stator.
  • a stator 110 having an armature 111 and a permanent magnet are connected as a basic structure.
  • the armature 111 includes a rotor 120 serving as a magnet 121, and the armature core yoke portion 112 is fixed to the fixed shaft 130 in a state where an armature winding (not shown) is applied.
  • the magnetic field 121 on the rotor 120 side is a radial that is an outer diameter surface of the armature 111 on the inner surface of a bracket 123 that is rotatably supported by a fixed shaft 130 via a bearing member 122 such as a radial bearing. It arrange
  • the torque density and the output density are basically such that the field and the armature face each other, regardless of whether a rare earth magnet such as a neodymium magnet is used as the permanent magnet. Depends on the area of the air gap.
  • the air gap is not formed on the portion surrounded by the ellipse indicated by the chain line, that is, on both axial surfaces of the armature 111, so it is difficult to increase the torque density and the output density. Not only is there a waste of space.
  • an outer rotor type permanent magnet type having a double radial air gap in which field elements 121, 121 are disposed on both radial sides of the armature 111 via air gaps G 1, G 2, respectively.
  • a synchronous motor has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
  • the armature 111 of the stator 110 is connected between two rotors 120 and 120 having a disk-shaped field 121 via air gaps G1 and G2.
  • the armature 111 of the stator 110 is connected between two rotors 120 and 120 having a disk-shaped field 121 via air gaps G1 and G2.
  • the force (torque) of the motor is an attractive force-repulsive force (Maxwell) generated by the interaction between the magnetic flux generated by the field and the AC magnetic flux generated by the armature in the air gap formed by the field and the armature facing each other. It is proportional to the sum of the motion direction components of (stress). That is, Motor force (torque) ⁇ [size of AC magnetic flux of armature] x [size of DC magnetic flux of field] It is represented by
  • an object of the present invention is to increase the area of an effective air gap where the armature and the field oppose each other in order to obtain a large torque density and output density in an outer rotor type permanent magnet synchronous motor. .
  • the present invention includes a stator having an armature fixed to a fixed shaft, and a rotor having a field on the inner surface of a bracket rotatably supported by the fixed shaft through a bearing member.
  • a stator having an armature fixed to a fixed shaft
  • a rotor having a field on the inner surface of a bracket rotatably supported by the fixed shaft through a bearing member.
  • a rotating magnetic field having the same polarity in space and time is generated from the child, and a magnetic field having the same polarity in space is generated from the field, and the air gap on the radial surface side and the two airs on the axial surface are generated.
  • a feature is that torque and rotational output in the same rotational direction are obtained by three air gaps including the gap.
  • the armature has an annular core having a quadrangular cross section, and an annular slot that rotates around the center line of the core is formed in the circumferential direction on the surface of the annular core.
  • a plurality of slots are formed at predetermined intervals, and in each of the slots, a toroidal winding for generating a rotating magnetic field having the same polarity spatially and temporally is applied, and the armature core is supported by a non-magnetic material.
  • the aspect fixed to the said fixed shaft via the member is contained.
  • the armature has an annular iron core having a square cross section, and the annular iron core has a slot in which an armature winding is provided along a circumferential direction.
  • Fan-shaped armature teeth are formed between the adjacent slots that are arranged at a predetermined interval and include the outer diameter surface and both side surfaces of the annular core, and the circumferential width gradually increases outward in the radial direction.
  • Concentrated winding armature windings that generate rotating magnetic fields having the same polarity spatially and temporally along the outer peripheral surfaces of the armature teeth and the peripheral edges of both side surfaces in each slot. A mode of being wound is included.
  • the bracket is made of a ferromagnetic material, and the first permanent magnet and the armature facing the radial surface on the outer diameter side of the armature as the field.
  • a plurality of permanent magnet units each of which is composed of a combination of two second permanent magnets facing the axial surfaces on both sides of the first and second permanent magnets, the magnetization directions of the first and second permanent magnets being the same direction and perpendicular to the air gap surface.
  • the permanent magnet units are integrally attached to the inner surface of the bracket with a predetermined interval in the circumferential direction with the magnetization direction reversed alternately.
  • the bracket is made of a non-magnetic material, and the first permanent magnet facing the radial surface on the outer diameter side of the armature is used as the field.
  • a plurality of permanent magnet units composed of a combination of two second permanent magnets facing the axial surfaces on both sides of the armature, a first field tooth facing the radial surface on the outer diameter side of the armature, and the armature
  • a plurality of field tooth units composed of a combination of two second field teeth facing the axial surfaces on both sides, and the permanent magnet unit and the field teeth unit are arranged circumferentially on the inner surface of the bracket
  • the poles of the permanent magnet units adjacent to each other with the field teeth unit interposed therebetween are alternately arranged along the magnetization direction of the permanent magnet units.
  • There are included embodiments are opposite.
  • a radial air gap and two axial air gaps are provided between the stator side armature and the rotor side field, and the polarity of the magnetic field in the three air gaps is set in the armature.
  • a synchronous motor can be obtained.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view along the line BB in FIG. 1 showing a half circumference of the rotor in the first embodiment.
  • A Front view of stator included in permanent magnet type synchronous motor according to second embodiment of the present invention, (b) CC sectional view, (c) Schematic showing winding form of armature winding Perspective view.
  • connection diagram which shows the connection state of the armature winding and AC power supply in the said 2nd Embodiment.
  • Typical sectional drawing which shows the structure of the outer-rotor type permanent magnet synchronous motor which has one radial air gap as a 1st prior art example.
  • FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing an outer rotor type permanent magnet synchronous motor having two radial air gaps as a second conventional example.
  • Typical sectional drawing which shows the permanent-magnet-type synchronous motor which has two axial air gaps as a 3rd prior art example.
  • the permanent magnet type synchronous motor 1A includes, as a basic configuration, a stator 2A and a rotor 3A arranged around the outside of the stator 2A, and is entirely a bracket.
  • 4 is an outer rotor type electric motor covered by 4.
  • the bracket 4 is divided into two along the axial direction of the fixed shaft 23 to which the stator 2A is fixed.
  • One of the first brackets 41 is formed in a cylindrical cup shape and has a central portion. Is provided with an insertion hole 411 through which the fixed shaft 23 is inserted.
  • the other second bracket 42 is formed as a lid member that closes the opening of the first bracket 41, and an insertion hole 421 through which the fixed shaft 23 is inserted is provided at the center.
  • Flange portions 412 and 422 are formed on the opening side of the first bracket 41 and the second bracket 42, and the flange portions 412 and 422 are abutted with each other, and are screwed with screws (not shown), for example.
  • the brackets 41 and 42 are firmly connected to each other.
  • Each bracket 41, 42 may be welded.
  • the bracket 4 has radial bearings 5 and 5 at the portions of the insertion holes 411 and 421, and is rotatably supported by the fixed shaft 23 via the radial bearings 5 and 5.
  • the stator 2A according to the first embodiment includes an iron core 21 formed in an annular shape as an armature. It is fixed to the fixed shaft 23 via a support member 22 made of a nonmagnetic material such as a synthetic resin material.
  • the annular iron core 21 is formed by laminating a plurality of, for example, electromagnetic steel plates punched in a disk shape in the axial direction (left and right in FIG. 2B), and the cross section along the radial direction in the laminated state is a square shape. It is.
  • the annular core 21 may be a dust core or a sintered core in addition to the electromagnetic steel sheet laminated core.
  • a slot (groove) 211 for winding the armature winding C is formed in the annular iron core 21 in an annular shape so as to turn around the center line of the annular iron core 21. That is, the slot 211 is formed in series on the outer diameter surface, both side surfaces, and the inner diameter surface of the annular core 21 on the same radial line.
  • a plurality of the slots 211 are arranged at predetermined intervals along the circumferential direction of the annular iron core 21, and an armature winding C is wound around each of the slots 211 as a toroidal winding.
  • the permanent magnet type synchronous motor 1 according to the first embodiment has three phases and eight poles, and slots 211 are provided at 24 positions at intervals of 15 °, and an iron core portion between adjacent slots 211 and 211 is Acts as an armature tooth 212.
  • FIG. 3 shows a connection state between the three-phase eight-pole toroidal winding in FIG. 2A and the three-phase AC power supply (Vu, Vv, Vw).
  • the windings with the upper line in the U phase, V phase, and W phase are reverse to the windings without the upper line. ing.
  • the annular core 21 has a rotating magnetic field having the same polarity in space and time on the radial portion on the outermost surface side and the axial portions on both side surfaces. And Maxwell's stress acts between the rotor 3A and the field, and rotational torque is generated in a predetermined direction.
  • the rotor 3A in the first embodiment includes a permanent magnet unit 30 including three permanent magnets 31, 32, and 33 as field magnets for each pole (eight poles in this example).
  • the permanent magnet 31 is arranged on the radial side and opposed to the radial surface on the outer diameter side of the annular core 21 as an armature via an air gap (radial air gap) G1.
  • the permanent magnets 32 and 33 are on the axial side, and the permanent magnet 32 is disposed opposite to the left side surface of the annular core 21 in FIG. 1 via an air gap (axial air gap) G2. Similarly, the permanent magnet 33 is disposed to face the right side surface of the annular core 21 in FIG. 1 via an air gap (axial air gap) G3.
  • the air gaps G1, G2 and G3 are preferably of equal width.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the line BB of FIG. 1, and FIG. 4 does not show the left permanent magnet 32 in FIG. 1, but the permanent magnet 32 is in front of the permanent magnet 33 in FIG. It should be understood that they are arranged on the side.
  • the bracket 4 is made of a ferromagnetic material, and the permanent magnets 31, 32, and 33 are attached to the inner surface of the bracket 4 as an SPM (Surface Parent Magnet) method, but the magnetization thereof
  • the direction (magnetization direction) is a unit of the permanent magnet unit 30, and the permanent magnets 31, 32, 33 are oriented in the same direction toward the annular core 21, and are perpendicular to the rotation direction.
  • the permanent magnet units 30 (permanent magnets 31, 32, 33) are arranged along the circumferential direction with a predetermined interval, but their magnetization directions are alternately reversed. That is, in the case of 8 poles, for example, if the poles are odd poles and the air gap surface side is N poles, the air gap face sides are S poles for even poles.
  • the field of the rotor 3A is opposed to the three surfaces of the radial surface on the outer diameter surface side of the stator (armature) 2A and the two axial surfaces on both side surfaces.
  • a stator (armature) is provided with a stator 2B having the configuration shown in FIGS. 5A and 5B in the second embodiment.
  • the same reference is given to the element which may be considered the same as that of the stator 2A in the said 1st Embodiment, or the same.
  • the stator 2B has an iron core 21 having a quadrangular cross section formed in an annular shape, and this annular iron core 21 is fixed to a fixed shaft 23 via a support member 22 made of a non-magnetic material as in the first embodiment. .
  • the annular iron core 21 may be directly fixed to the fixed shaft 23 without using the nonmagnetic support member 22.
  • the support member 22 may be made of a magnetic material. Further, for the annular magnetic core 21, an electromagnetic steel sheet laminated iron core, a dust core, a sintered magnetic core, or the like may be used.
  • the permanent magnet type synchronous motor 1B of the second embodiment is also a three-phase eight-pole as in the first embodiment, and the annular iron core 21 is provided with nine armature teeth 21a to 21i at intervals of 40 °.
  • Concentrated winding armature winding C is applied to each of the armature teeth 21a to 21i. Since the armature teeth 21a to 21i have the same shape, the armature teeth 220 are collectively referred to when it is not necessary to distinguish them.
  • slots 211 to which the armature winding C is applied are arranged at a predetermined interval along the circumferential direction (in this example, the number of slots is nine).
  • the armature tooth 220 is composed of an outer diameter surface and three side surfaces of the annular core 21 (one surface on the radial side and one on the axial side). 2 sides), and is formed in a saddle shape (a three-dimensional trapezoidal fan shape) in which the circumferential width gradually increases outward in the radial direction.
  • this armature tooth 220 includes one radial teeth portion and two axial teeth portions.
  • the armature winding C is wired in the slot 211.
  • the armature winding C is connected to the outer diameter surface (radial teeth) of the armature tooth 220. Part) and both side surfaces (axial teeth part) are wound as a three-dimensional concentrated winding along each peripheral edge.
  • FIG. 6 shows a connection state between the three-phase concentrated winding armature winding in FIG. 5A and the three-phase AC power supply (Vu, Vv, Vw).
  • the windings with the upper line in the U phase, the V phase, and the W phase are reverse to the windings without the upper line. ing.
  • Three-phase AC power supply provides three-phase power for the U-phase (U1, U2 , U3), V-phase (V1, V2 , V3), and W-phase (W1, W2 , W3).
  • the annular iron core 21 has the same spatial and temporal polarity in the radial teeth portion on the outermost surface side and the axial teeth portions on both side surfaces, and the field of the rotor 3.
  • the same 8-pole rotating magnetic field is generated, and Maxwell's stress acts between the rotating magnetic field and the rotor 3B side field, and rotational torque is generated in a predetermined direction.
  • the rotor 3B includes a permanent magnet unit 310 and a field tooth unit 320 that is magnetized by the permanent magnet to become a magnetic pole.
  • the bracket 4 is made of a nonmagnetic material.
  • the permanent magnet unit 310 includes three permanent magnets 311, 312, and 313, and these permanent magnets exist along the same radial surface.
  • the permanent magnet 311 is arranged on the radial side so as to be opposed to the radial surface on the outer diameter side of the annular core 21 of the stator (armature) 2B via an air gap (radial air gap) G1.
  • the permanent magnets 312 and 313 are on the axial side, and the permanent magnet 312 is disposed opposite to the left side surface of the annular core 21 in FIG. 7A via an air gap (axial air gap) G2. Similarly, the permanent magnet 313 is disposed to face the right side surface of the annular core 21 in FIG. 7A via an air gap (axial air gap) G3.
  • the air gaps G1, G2 and G3 are preferably of equal width.
  • FIG. 7B is a cross-sectional view taken along the line DD in FIG. 7A, and FIG. 7B does not show the left permanent magnet 312 in FIG. 7A. 7B, it is understood that the permanent magnet 312 is disposed on the front side of the permanent magnet 313 in the drawing.
  • the permanent magnet units 310 are arranged at eight positions in the bracket 4 at 45 ° intervals, and the field tooth units 320 are arranged between the adjacent permanent magnet units 310. Is done.
  • the field tooth unit 320 includes three field teeth 321, 322, and 323, and these field teeth exist along the same radial surface.
  • the field teeth 321 are arranged on the radial side so as to be opposed to the radial surface on the outer diameter side of the annular core 21 of the stator (armature) 2B via an air gap (radial air gap) G1. .
  • the field teeth 322 and 323 are disposed on the axial side, and the field teeth 322 are disposed opposite to the left side surface of the annular core 21 in FIG. 7A via an air gap (axial air gap) G2.
  • FIG. 7B is a cross-sectional view taken along the line DD of FIG. 7A, and FIG. 7B does not show the left field tooth 322 in FIG. 7A.
  • FIG. 7B it is understood that the field teeth 322 are disposed on the front side of the permanent magnet 313 in the drawing.
  • the field teeth 321, 322, and 323 may be any of an electromagnetic steel sheet laminated iron core, a dust core, or a sintered iron core, but when an electromagnetic steel sheet laminated iron core is employed, the radial-side field teeth 321
  • the stacking direction is the left-right direction in FIG. 7A, and the stacking direction of the axial-side field teeth 322, 323 is preferably the vertical direction (radial direction) in FIG. (Axial direction) may be sufficient.
  • the magnetization directions (magnetization directions) of the permanent magnets 311, 312, and 313 included in the permanent magnet unit 310 are the same in the circumferential direction, but the magnetization directions are alternately reversed in units.
  • the permanent magnet units 310 are arranged at eight positions at 45 ° intervals with three-phase eight poles as described above, for example, if the odd-numbered permanent magnet units 310 are magnetized clockwise.
  • the even-numbered permanent magnet units 310 are magnetized in the counterclockwise direction.
  • the field teeth 321, 322, and 323 included in the field tooth unit 320 are alternately magnetized to have opposite polarities.
  • the odd-numbered field tooth unit 320 is magnetized to the N-pole
  • the even-numbered field tooth unit 320 is magnetized to the S-pole.
  • the permanent magnet unit 310 is provided on the rotor 3B side so as to face the three surfaces of the radial surface on the outer diameter surface side of the stator (armature) 2B and the two axial surfaces on both side surfaces.
  • the field teeth unit 320 magnetized to the polarities of the two, it has a composite type air gap that effectively utilizes both the radial air gap and the axial air gap, and has a larger torque density and power density.
  • the obtained outer rotor type permanent magnet type synchronous motor can be provided.
  • the present invention includes a stator (armature) 2A shown in FIG. 2 in the first embodiment and a rotor (FIG. 7 according to the second embodiment) shown in FIG. A combination of the stator (armature) 2B shown in FIG. 5 in the second embodiment and the rotor (field) 3A shown in FIG. 4 according to the first embodiment.

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Abstract

　トルク密度・出力密度のより大きいアウターロータ型の永久磁石型同期電動機を提供する。固定軸２３に直接、もしくは非磁性体の支持部材２２を介して固定された電機子を有するステータ２Ａ，２Ｂと、固定軸２３に軸受け部材５を介して回転可能に支持されたブラケット４の内面に永久磁石からなる界磁を有するロータ３Ａ，３Ｂとを含むアウターロータ式の永久磁石型同期電動機において、電機子２Ａ，２Ｂの外径側のラジアル面と、電機子２Ａ，２Ｂの両側のアキシャル面とに、それぞれエアギャップＧ１～Ｇ３を介してロータ３Ａ，３Ｂを対向して配置し、電機子２Ａ，２Ｂから空間的および時間的に同一極性となる回転磁界を発生させるとともに、ロータ３Ａ，３Ｂから空間的に同一極性となる磁界を発生させ、ラジアル面側のエアギャップおよびアキシャル面の２つのエアギャップを含む３つのエアギャップで同一回転方向のトルクおよび回転出力を得る。

Description

永久磁石型同期電動機
　本発明は、ステータの周りにロータを配置したアウターロータ式の永久磁石型同期電動機に関し、さらに詳しく言えば、ラジアルエアギャップとアキシャルエアギャップの両エアギャップを有効に利用してトルク密度・出力密度を増大させた永久磁石型同期電動機に関するものである。
　アウターロータ式の永久磁石型同期電動機は、ステータの周りにロータを配置してなる電動機で、図８に示すように、基本的な構成として、電機子１１１を有するステータ１１０と、永久磁石を界磁１２１とするロータ１２０とを備え、電機子１１１は、図示しない電機子巻線が施された状態で、電機子鉄心のヨーク部１１２が固定軸１３０に固定される。
　これに対して、ロータ１２０側の界磁１２１は、ラジアルベアリング等の軸受け部材１２２を介して固定軸１３０に回転可能に支持されたブラケット１２３の内面に、電機子１１１の外径面であるラジアル面と所定空隙幅であるエアギャップ（ラジアルエアギャップ）Ｇを介して対向するように配置される。
　アウターロータ式の永久磁石型同期電動機において、トルク密度および出力密度は、永久磁石にネオジム磁石などの希土類系磁石を用いるかどうかは別として、基本的には、界磁と電機子とが対向するエアギャップの面積に依存する。
　しかしながら、図８の構成では、鎖線で示す楕円で囲んだ部分、すなわち電機子１１１の両アキシャル面側にエアギャップが形成されていないため、トルク密度および出力密度をより増大させることが困難であるばかりでなく、スペース的にも無駄がある。
　そこで、図９に示すように、電機子１１１のラジアル側の両面に、それぞれエアギャップＧ１，Ｇ２を介して界磁１２１，１２１を配置した二重ラジアルエアギャップを有するアウターロータ式の永久磁石型同期電動機が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
　この永久磁石型同期電動機によれば、２つのラジアルエアギャップＧ１，Ｇ２を有し、エアギャップ面積が増える分、トルク密度および出力密度を増大させることができるが、上記と同様に、図９に鎖線で示す楕円で囲んだ部分の電機子１１１の両アキシャル面側にエアギャップが形成されていないため、トルク密度および出力密度を増大をはかるにしても限界がある。また、スペース的にも無駄がある。
　また、アウターロータ式とは別に、図１０に示すように、円板型の界磁１２１を有する２つのロータ１２０，１２０の間に、エアギャップＧ１，Ｇ２を介してステータ１１０の電機子１１１を配置した二層アキシャルエアギャップ式のアキシャル永久磁石型同期電動機がある（例えば、特許文献２参照）。
　しかしながら、このアキシャルエアギャップ式の永久磁石型同期電動機においては、図１０に鎖線で示す楕円で囲んだ部分、すなわち電機子１１１のラジアル面にエアギャップが形成されない。したがって、ラジアルトルクが得られず、トルク密度および出力密度をより大きくすることができない。また、上記アウターロータ式と同様に、スペース的にも無駄がある。
特開２００４－３０４９５８号公報 特開２００８－３０４４７４号公報
　モータの力（トルク）は、界磁による直流磁束と電機子による交流磁束とが、界磁と電機子とが対向して形成されるエアギャップにおいて相互に作用して発生する引力－斥力（マクスウェル応力）の運動方向成分の総和に比例する。すなわち、
　モータの力（トルク）∝〔電機子の交流磁束の大きさ〕×〔界磁の直流磁束の大きさ〕
で表される。
　ここで、モータのサイズ、電気装荷、磁気装荷およびエアギャップ長をほぼ一定と仮定すると、電機子の交流磁束密度および界磁の直流磁束密度はほぼ一定になるので、次の２つの式が成立する。
　〔電機子の交流磁束の大きさ〕∝〔電機子と界磁が対向する有効なエアギャップ面積〕　〔界磁の直流磁束の大きさ〕∝〔電機子と界磁が対向するエアギャップ面積〕
　これらの式から、電機子および界磁の磁束の大きさを大きくするには、電機子と界磁とが対向する有効なエアギャップの面積を大きくすればよいことが分かる。
　したがって、本発明の課題は、アウターロータ式の永久磁石型同期電動機において、大トルク密度・出力密度を得るため、電機子と界磁とが対向する有効なエアギャップの面積を大きくすることにある。
　上記課題を解決するため、本発明は、固定軸に固定された電機子を有するステータと、上記固定軸に軸受け部材を介して回転可能に支持されたブラケットの内面に界磁を有するロータとを含み、上記ロータが上記ステータの外側に配置されているアウターロータ式の永久磁石型同期電動機において、
　上記電機子の外径側のラジアル面と、上記固定軸の軸方向に沿った上記電機子の両側のアキシャル面とに、それぞれエアギャップを介して上記界磁が対向的に配置され、上記電機子から空間的および時間的に同一極性となる回転磁界を発生させるとともに、上記界磁から空間的に同一極性となる磁界を発生させ、上記ラジアル面側のエアギャップおよび上記アキシャル面の２つのエアギャップを含む３つのエアギャップで同一回転方向のトルクおよび回転出力を得るようにしたことを特徴としている。
　本発明には、上記電機子の第１態様として、上記電機子は、断面四角形の環状鉄心を有し、上記環状鉄心の表面には、その鉄心中心線を旋回する環状のスロットが周方向に所定の間隔をもって複数形成されており、上記各スロット内に、空間的および時間的に同一極性となる回転磁界を発生させるトロイダル巻線が施され、上記電機子鉄心は、非磁性体からなる支持部材を介して上記固定軸に固定されている態様が含まれる。
　本発明には、上記電機子の第２態様として、上記電機子は、断面四角形の環状鉄心を有し、上記環状鉄心には、電機子巻線が施されるスロットが円周方向に沿って所定の間隔をもって配置され、隣接する上記スロット間には、上記環状鉄心の外径面および両側面を含み、円周方向の幅が半径方向外側に向けて漸次大きくなる扇状の電機子ティースが形成されており、上記各スロット内で上記電機子ティースの外径面および両側面の各周縁に沿わせて、空間的および時間的に同一極性となる回転磁界を発生させる集中巻電機子巻線が巻回されている態様が含まれる。
　本発明には、上記界磁側の第１態様として、上記ブラケットが強磁性体からなり、上記界磁として、上記電機子の外径側のラジアル面に対向する第１永久磁石および上記電機子の両側のアキシャル面に対向する２つの第２永久磁石の組み合わせからなり、上記第１，第２永久磁石の磁化方向がともに同方向でかつ上記エアギャップ面と垂直である永久磁石ユニットを複数備え、上記各永久磁石ユニットが交互に磁化方向を逆として円周方向に所定の間隔をもって上記ブラケットの内面に一体的に貼着されている態様が含まれる。
　また、本発明には、上記界磁側の第２態様として、上記ブラケットが非磁性体からなり、上記界磁として、上記電機子の外径側のラジアル面に対向する第１永久磁石および上記電機子の両側のアキシャル面に対向する２つの第２永久磁石の組み合わせからなる複数の永久磁石ユニットと、上記電機子の外径側のラジアル面に対向する第１界磁ティースおよび上記電機子の両側のアキシャル面に対向する２つの第２界磁ティースの組み合わせからなる複数の界磁ティースユニットとを備え、上記永久磁石ユニットと上記界磁ティースユニットとが、上記ブラケットの内面に円周方向に沿って交互に配置され、かつ、上記各永久磁石ユニットの磁化方向が円周方向であり、上記界磁ティースユニットを挟んで隣接する上記永久磁石ユニットの極性が逆向きである態様が含まれる。
　本発明によれば、ステータ側の電機子とロータ側の界磁との間に、ラジアルエアギャップと２つのアキシャルエアギャップを設け、この３つのエアギャップにおける磁界の極性を、電機子にあっては時間的・空間的に同極性となるようにし、界磁にあっては空間的に同極性となるようにしたことにより、トルク密度・出力密度をより増大させたアウターロータ式の永久磁石型同期電動機を得ることができる。
本発明の第１実施形態に係る永久磁石型同期電動機を示す模式的な断面図。 上記第１実施形態におけるステータの（ａ）正面図，（ｂ）そのＡ－Ａ線断面図。 上記第１実施形態における電機子巻線と交流電源の接続状態を示す結線図。 上記第１実施形態におけるロータの半周分を示す図１のＢ－Ｂ線に沿った模式的な断面図。 本発明の第２実施形態に係る永久磁石型同期電動機が備えるステータの（ａ）正面図，（ｂ）そのＣ－Ｃ線断面図，（ｃ）電機子巻線の巻線形態を示す模式的な斜視図。 上記第２実施形態における電機子巻線と交流電源の接続状態を示す結線図。 上記第２実施形態におけるロータの半周分を示す（ａ）模式的な断面図，（ｂ）そのＤ－Ｄ線断面図。 第１従来例として、１つのラジアルエアギャップを有するアウターロータ式の永久磁石型同期電動機の構成を示す模式的な断面図。 第２従来例として、２つのラジアルエアギャップを有するアウターロータ式の永久磁石型同期電動機を示す模式的な断面図。 第３従来例として、２つのアキシャルエアギャップを有する永久磁石型同期電動機を示す模式的な断面図。
　次に、図１ないし図７を参照して、本発明のいくつかの実施形態について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
　図１に示すように、第１実施形態に係る永久磁石型同期電動機１Ａは、基本的な構成として、ステータ２Ａと、ステータ２Ａの外側の周りに配置されたロータ３Ａとを備え、全体がブラケット４によって覆われたアウターロータ式の電動機である。
　この実施形態において、ブラケット４は、ステータ２Ａが固定される固定軸２３の軸線方向に沿って２分割されており、一方の第１ブラケット４１は、円筒カップ状に形成されており、その中央部分には、固定軸２３が挿通される挿通孔４１１が設けられている。
　他方の第２ブラケット４２は、第１ブラケット４１の開口部を塞ぐ蓋部材として形成され、その中央部分には、固定軸２３が挿通される挿通孔４２１が設けられている。
　第１ブラケット４１と第２ブラケット４２の開口部側にはともに、フランジ部４１２，４２２が形成されており、フランジ部４１２，４２２同士を互いに突き合わせた状態で図示しない例えばネジによってネジ止めすることにより、ブラケット４１，４２同士が強固に連結される。各ブラケット４１，４２は溶接されてもよい。
　ブラケット４は、上記挿通孔４１１，４２１の部分にラジアル軸受け５，５を有し、ラジアル軸受け５，５を介して固定軸２３に回転可能に支持される。
　図２（ａ），（ｂ）を併せて参照して、この第１実施形態におけるステータ２Ａは、電機子としての環状に形成された鉄心２１を有し、この環状鉄心２１は、アルミニウム材や合成樹脂材等の非磁性体からなる支持部材２２を介して固定軸２３に固定される。
　環状鉄心２１は、円盤状に打ち抜かれた例えば電磁鋼板を、軸線方向（図２（ｂ）では左右方向）に複数枚積層することにより構成され、積層状態における半径方向に沿った断面は四角形状である。環状鉄心２１は、電磁鋼鈑積層鉄心のほかに、圧粉鉄心もしくは焼結鉄心であってもよい。
　この第１実施形態において、環状鉄心２１には、電機子巻線Ｃを巻回するためのスロット（溝）２１１が、環状鉄心２１の中心線を旋回するように環状に形成されている。すなわち、スロット２１１は、同一の半径線上において環状鉄心２１の外径面、両側面および内径面にかけて一連に形成されている。
　スロット２１１は、その複数個が環状鉄心２１の円周方向に沿って所定の間隔で配置されており、その各々に電機子巻線Ｃがトロイダル巻線として巻線される。この第１実施形態に係る永久磁石型同期電動機１は三相８極であり、スロット２１１は、１５°間隔で２４箇所に設けられており、隣接するスロット２１１，２１１の間の鉄心部分が、電機子ティース２１２として作用する。
　図３の結線図に、図２（ａ）における三相８極のトロイダル巻線と、三相交流電源（Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗ）との接続状態を示す。なお、図２（ａ），図３において、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相中のアッパーラインが付されている巻線は、アッパーラインが付されていない巻線とは逆巻きであることを示している。
　このトロイダル巻線のＵ相（Ｕ１＋Ｕ２＋Ｕ３＋Ｕ４，Ｕ１＋Ｕ２＋Ｕ３＋Ｕ４）、Ｖ相（Ｖ１＋Ｖ２＋Ｖ３＋Ｖ４，Ｖ１＋Ｖ２＋Ｖ３＋Ｖ４）、Ｗ相（Ｗ１＋Ｗ２＋Ｗ３＋Ｗ４，Ｗ１＋Ｗ２＋Ｗ３＋Ｗ４）に対して、三相交流電源より三相交流を通電することにより、環状鉄心２１には、最外径面側のラジアル部と、両側面のアキシャル部とに、空間的・時間的に同極の回転磁界が発生し、ロータ３Ａ側の界磁との間でマックスウェルの応力が働き、所定方向に回転トルクが発生する。
　次に、図１および図４を参照して、この第１実施形態におけるロータ３Ａについて説明する。ロータ３Ａは、各極（この例では８極）ごとに、界磁としての３つの永久磁石３１，３２，３３を含む永久磁石ユニット３０を備えている。
　このうち、永久磁石３１はラジアル側で、電機子としての環状鉄心２１の外径側のラジアル面に対して、エアギャップ（ラジアルエアギャップ）Ｇ１を介して対向的に配置される。
　永久磁石３２，３３はアキシャル側で、永久磁石３２は、環状鉄心２１の図１において左側の側面に対して、エアギャップ（アキシャルエアギャップ）Ｇ２を介して対向的に配置される。同様、永久磁石３３は、環状鉄心２１の図１において右側の側面に対して、エアギャップ（アキシャルエアギャップ）Ｇ３を介して対向的に配置される。エアギャップＧ１，Ｇ２，Ｇ３は、それぞれ等幅であることが好ましい。
　なお、図４は図１のＢ－Ｂ線断面図であるため、図４には図１において左側の永久磁石３２が示されていないが、図４において永久磁石３２は永久磁石３３の紙面手前側に配置されていると理解されたい。
　この第１実施形態において、ブラケット４は強磁性体からなり、永久磁石３１，３２，３３は、ＳＰＭ（Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｐａｒｍａｎｅｎｔ　Ｍａｇｎｅｔ：表面磁石型）方式としてブラケット４の内面に貼着されるが、その磁化方向（着磁方向）は、永久磁石ユニット３０単位で、永久磁石３１，３２，３３ともに同方向で環状鉄心２１側に向き、回転方向に対しては直角である。
　図４に示すように、永久磁石ユニット３０（永久磁石３１，３２，３３）は、所定の間隔をもって円周方向に沿って配置されるが、その磁化方向は交互に逆となる。すなわち、８極の場合、例えば奇数極でエアギャップ面側がＮ極であるとすれば、偶数極ではエアギャップ面側がＳ極となる。
　このように、上記第１実施形態によれば、ステータ（電機子）２Ａの外径面側のラジアル面と、両側面側の２つのアキシャル面の３面に対向させて、ロータ３Ａの界磁である永久磁石を配置して、ラジアルエアギャップとアキシャルエアギャップの複合型エアギャップを採用することにより、より大きなトルク密度・出力密度が得られるアウターロータ式の永久磁石型同期電動機を提供することができる。
　次に、図５ないし図７を参照して、第２実施形態に係る永久磁石型同期電動機１Ｂについて説明する。
　まず、ステータ（電機子）について、この第２実施形態では、図５（ａ），（ｂ）に示す構成のステータ２Ｂを備える。このステータ２Ｂにおいて、上記第１実施形態でのステータ２Ａと同一もしくは同一と見なされてよい要素には同じ参照を付している。
　ステータ２Ｂは、環状に形成された断面四角形の鉄心２１を有し、この環状鉄心２１は、上記第１実施形態と同じく、非磁性体からなる支持部材２２を介して固定軸２３に固定される。なお、環状鉄心２１は、非磁性体の支持部材２２を介さず固定軸２３に直接固定されてもよい。また、支持部材２２は磁性体材料が用いられてもよい。さらに、環状磁心２１には、電磁鋼鈑積層鉄心、圧粉磁心もしくは焼結磁心などが用いられてよい。
　この第２実施形態の永久磁石型同期電動機１Ｂも、上記第１実施形態と同じく三相８極であり、環状鉄心ア２１には、４０°間隔で９個の電機子ティース２１ａ～２１ｉが設けられるが、ロータ３側の界磁との間で、ラジアルギャップ面と２つのアキシャルギャップ面の３面のギャップ面において有効な回転トルクが得られるようにするため、電機子ティース２１ａ～２１ｉをサドル形状とし、各電機子ティース２１ａ～２１ｉに集中巻電機子巻線Ｃを施すようにしている。なお、電機子ティース２１ａ～２１ｉは同一形状であるため、区別する必要がない場合には、総称として電機子ティース２２０とする。
　環状鉄心２１には、電機子巻線Ｃが施されるスロット２１１が円周方向に沿って所定の間隔をもって配置されている（この例で、そのスロット数は９個）。
　隣接するスロット２１１間が電機子ティース２２０となるが、この第２実施形態において、電機子ティース２２０は、環状鉄心２１の外径面および両側面の３面（ラジアル側の１面とアキシャル側の２面）を含み、円周方向の幅が半径方向外側に向けて漸次大きくなるサドル状（立体台形の扇状）に形成されている。すなわち、この電機子ティース２２０は、１つのラジアルティース部と２つのアキシャルティース部とを備える。
　スロット２１１内に電機子巻線Ｃが配線されるが、この第２実施形態において、電機子巻線Ｃは、図５（ｃ）に示すように、電機子ティース２２０の外径面（ラジアルティース部）および両側面（アキシャルティース部）の各周縁に沿わせて三次元集中巻きとして巻線される。
　図６の結線図に、図５（ａ）における三相集中巻電機子巻線と、三相交流電源（Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗ）との接続状態を示す。なお、図５（ａ），図６において、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相中のアッパーラインが付されている巻線は、アッパーラインが付されていない巻線とは逆巻きであることを示している。
　この三相集中巻電機子巻線のＵ相（Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３）、Ｖ相（Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３）、Ｗ相（Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３）に対して、三相交流電源より三相交流を通電することにより、環状鉄心２１には、最外径面側のラジアルティース部と、両側面のアキシャルティース部とに、空間的・時間的に同一極性で、かつ、ロータ３の界磁と同じ８極の回転磁界が発生し、ロータ３Ｂ側の界磁との間でマックスウェルの応力が働き、所定方向に回転トルクが発生する。
　次に、図７（ａ），（ｂ）を参照して、この第２実施形態におけるロータ３Ｂの構成について説明する。ロータ３Ｂは、永久磁石ユニット３１０と、永久磁石により磁化されて磁極となる界磁ティースユニット３２０とを備える。なお、この第２実施形態において、ブラケット４は非磁性体よりなる。
　永久磁石ユニット３１０には、３つの永久磁石３１１，３１２，３１３が含まれ、これらの各永久磁石は、同一半径面に沿って存在している。このうち、永久磁石３１１はラジアル側で、ステータ（電機子）２Ｂの環状鉄心２１の外径側のラジアル面に対して、エアギャップ（ラジアルエアギャップ）Ｇ１を介して対向的に配置される。
　永久磁石３１２，３１３はアキシャル側で、永久磁石３１２は、環状鉄心２１の図７（ａ）において左側の側面に対して、エアギャップ（アキシャルエアギャップ）Ｇ２を介して対向的に配置される。同様、永久磁石３１３は、環状鉄心２１の図７（ａ）において右側の側面に対して、エアギャップ（アキシャルエアギャップ）Ｇ３を介して対向的に配置される。エアギャップＧ１，Ｇ２，Ｇ３は、それぞれ等幅であることが好ましい。
　なお、図７（ｂ）は図７（ａ）のＤ－Ｄ線断面図であるため、図７（ｂ）には図７（ａ）において左側の永久磁石３１２が示されていないが、図７（ｂ）において永久磁石３１２は永久磁石３１３の紙面手前側に配置されていると理解されたい。
　この第２実施形態も三相８極であることから、永久磁石ユニット３１０は、４５゜間隔でブラケット４内の８個所に配置され、隣接する永久磁石ユニット３１０間に界磁ティースユニット３２０が配置される。
　界磁ティースユニット３２０には、３つの界磁ティース３２１，３２２，３２３が含まれ、これらの各界磁ティース、同一半径面に沿って存在している。このうち、界磁ティース３２１はラジアル側で、ステータ（電機子）２Ｂの環状鉄心２１の外径側のラジアル面に対して、エアギャップ（ラジアルエアギャップ）Ｇ１を介して対向的に配置される。
　界磁ティース３２２，３２３はアキシャル側で、界磁ティース３２２は、環状鉄心２１の図７（ａ）において左側の側面に対して、エアギャップ（アキシャルエアギャップ）Ｇ２を介して対向的に配置される。同様、界磁ティース３２３は、環状鉄心２１の図７（ａ）において右側の側面に対して、エアギャップ（アキシャルエアギャップ）Ｇ３を介して対向的に配置される。
　なお、図７（ｂ）は図７（ａ）のＤ－Ｄ線断面図であるため、図７（ｂ）には図７（ａ）において左側の界磁ティース３２２が示されていないが、図７（ｂ）において界磁ティース３２２は永久磁石３１３の紙面手前側に配置されていると理解されたい。
　界磁ティース３２１，３２２，３２３は、電磁鋼鈑積層鉄心、圧粉鉄心もしくは焼結鉄心のいずれであってもよいが、電磁鋼鈑積層鉄心を採用する場合、ラジアル側の界磁ティース３２１の積層方向は、図７（ａ）において左右方向であり、アキシャル側の界磁ティース３２２，３２３の積層方向は、図７（ａ）において上下方向（半径方向）であることが好ましいが、左右方向（軸線方向）であってもよい。
　永久磁石ユニット３１０に含まれる永久磁石３１１，３１２，３１３の磁化方向（着磁方向）は、ともに円周方向で同一方向であるが、ユニット単位で交互に磁化方向が逆向きとされる。
　すなわち、上記したように三相８極で、永久磁石ユニット３１０が４５゜間隔で８個所に配置されるとした場合、例えば奇数番目の永久磁石ユニット３１０が時計回り方向に磁化されるとすれば、偶数番目の永久磁石ユニット３１０は反時計回り方向に磁化される。
　これにより、界磁ティースユニット３２０に含まれる界磁ティース３２１，３２２，３２３が交互に逆極性に磁化される。８極のうち、奇数極目の界磁ティースユニット３２０がＮ極に磁化されるとすれば、偶数極目の界磁ティースユニット３２０はＳ極に磁化されることになる。
　上記第２実施形態においても、ステータ（電機子）２Ｂの外径面側のラジアル面と、両側面側の２つのアキシャル面の３面に対向して、ロータ３Ｂ側に永久磁石ユニット３１０により所定の極性に磁化された界磁ティースユニット３２０が配置されることにより、ラジアルエアギャップとアキシャルエアギャップの両エアギャップを有効に利用した複合型エアギャップを有し、より大きなトルク密度・出力密度が得られるアウターロータ式の永久磁石型同期電動機を提供することができる。
　なお、本発明には、上記第１，第２実施形態のほかに、上記第１実施形態での図２に示すステータ（電機子）２Ａと、上記第２実施形態による図７に示すロータ（界磁）３Ｂとの組み合わせ、または、上記第２実施形態での図５に示すステータ（電機子）２Ｂと、上記第１実施形態による図４に示すロータ（界磁）３Ａとの組み合わせも含まれ、いずれの組み合わせによるにしても、ラジアルエアギャップとアキシャルエアギャップの両エアギャップを有効に利用した、より大きなトルク密度・出力密度が得られるアウターロータ式の永久磁石型同期電動機を提供することができる。
　１Ａ，１Ｂ　永久磁石型同期電動機
　２Ａ，２Ｂ　ステータ（電機子）
　２１　環状鉄心
　２２　支持部材
　２３　固定軸
　３Ａ，３Ｂ　ロータ（界磁）
　４　ブラケット
　５　軸受け

Claims (5)

  1. 　固定軸に固定された電機子を有するステータと、上記固定軸に軸受け部材を介して回転可能に支持されたブラケットの内面に界磁を有するロータとを含み、上記ロータが上記ステータの外側に配置されているアウターロータ式の永久磁石型同期電動機において、
    　上記電機子の外径側のラジアル面と、上記固定軸の軸方向に沿った上記電機子の両側のアキシャル面とに、それぞれエアギャップを介して上記界磁が対向的に配置され、上記電機子から空間的および時間的に同一極性となる回転磁界を発生させるとともに、上記界磁から空間的に同一極性となる磁界を発生させ、上記ラジアル面側のエアギャップおよび上記アキシャル面の２つのエアギャップを含む３つのエアギャップで同一回転方向のトルクおよび回転出力を得るようにしたことを特徴とする永久磁石型同期電動機。
  2. 　上記電機子は、断面四角形の環状鉄心を有し、上記環状鉄心の表面には、その鉄心中心線を旋回する環状のスロットが周方向に所定の間隔をもって複数形成されており、上記各スロット内に、空間的および時間的に同一極性となる回転磁界を発生させるトロイダル巻線が施され、上記電機子鉄心は、非磁性体からなる支持部材を介して上記固定軸に固定されていることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石型同期電動機。
  3. 　上記電機子は、断面四角形の環状鉄心を有し、上記環状鉄心には、電機子巻線が施されるスロットが円周方向に沿って所定の間隔をもって配置され、隣接する上記スロット間には、上記環状鉄心の外径面および両側面を含み、円周方向の幅が半径方向外側に向けて漸次大きくなる扇状の電機子ティースが形成されており、上記各スロット内で上記電機子ティースの外径面および両側面の各周縁に沿わせて、空間的および時間的に同一極性となる回転磁界を発生させる集中巻電機子巻線が巻回されていることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石型同期電動機。
  4. 　上記ブラケットが強磁性体からなり、上記界磁として、上記電機子の外径側のラジアル面に対向する第１永久磁石および上記電機子の両側のアキシャル面に対向する２つの第２永久磁石の組み合わせからなり、上記第１，第２永久磁石の磁化方向がともに同方向でかつ上記エアギャップ面と垂直である永久磁石ユニットを複数備え、上記各永久磁石ユニットが交互に磁化方向を逆として円周方向に所定の間隔をもって上記ブラケットの内面に一体的に貼着されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずか１項に記載の永久磁石型同期電動機。
  5. 　上記ブラケットが非磁性体からなり、上記界磁として、上記電機子の外径側のラジアル面に対向する第１永久磁石および上記電機子の両側のアキシャル面に対向する２つの第２永久磁石の組み合わせからなる複数の永久磁石ユニットと、上記電機子の外径側のラジアル面に対向する第１界磁ティースおよび上記電機子の両側のアキシャル面に対向する２つの第２界磁ティースの組み合わせからなる複数の界磁ティースユニットとを備え、
    　上記永久磁石ユニットと上記界磁ティースユニットとが、上記ブラケットの内面に円周方向に沿って交互に配置され、かつ、上記各永久磁石ユニットの磁化方向が円周方向であり、上記界磁ティースユニットを挟んで隣接する上記永久磁石ユニットの極性が逆向きであることを特徴とする請求項１ないし３のいずか１項に記載の永久磁石型同期電動機。
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