JP2010093929A - アキシャルギャップ型モータ - Google Patents

Abstract

【課題】必要とされる永久磁石量の増大を抑制しつつ、誘起電圧定数を可変とすることが可能なアキシャルギャップ型モータを提供する。
【解決手段】回転軸周りに回転可能なロータ１１と、回転軸方向の一方側からロータ１１に対向配置されるステータ１２と、を備えるアキシャルギャップ型モータ１０であって、ロータ１１は、回転軸方向に着磁され周方向に沿って配置された複数の主永久磁石片４１と、回転軸方向一方側であって周方向で隣り合う主永久磁石片４１、４１間に配置され、回転軸方向および径方向に直交する方向に磁化可能な複数の電磁石４５と、を備える
【選択図】図２

Description

本発明は、アキシャルギャップ型モータに関する。

従来、例えば回転軸方向の両側からロータを挟み込むようにして対向配置された一対のステータを備え、ロータの永久磁石による界磁磁束に対して、一対のステータを介した磁束ループを形成する軸ギャップ型の永久磁石同期機が知られている（例えば、特許文献１、２参照）。

特開平１０−２７１７８４号公報 特開２００１−１３６７２１号公報

しかしながら、上記従来技術に係る永久磁石同期機では、永久磁石を具備するロータの構成等に応じて誘起電圧定数が所定の固定値となることから、高回転領域において誘起電圧定数に応じた所定の逆起電圧が発生してしまい、運転可能な回転数およびトルクが所定の値に制限されてしまうという問題が生じる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、必要とされる永久磁石量の増大を抑制しつつ、誘起電圧定数を可変とすることが可能なアキシャルギャップ型モータを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、
回転軸周りに回転可能なロータ（例えば、後述の実施形態におけるロータ１１）と、
回転軸方向の一方側から前記ロータに対向配置されるステータ（例えば、後述の実施形態におけるステータ１２）と、を備えるアキシャルギャップ型モータ（例えば、後述の実施形態におけるアキシャルギャップ型モータ１０）であって、
前記ロータは、
回転軸方向に着磁され周方向に沿って配置された複数の主磁石片（例えば、後述の実施形態における主永久磁石片４１）と、
回転軸方向一方側であって周方向で隣り合う前記主磁石片間に配置され、回転軸方向および径方向に直交する方向に磁化可能な複数の電磁石（例えば、後述の実施形態における電磁石４５）と、を備える、
ことを特徴とする。

上記目的を達成するために、請求項２に記載の発明は、
回転軸周りに回転可能なロータ（例えば、後述の実施形態におけるロータ１１）と、
回転軸方向の両側から前記ロータに対向配置される一対のステータ（例えば、後述の実施形態におけるステータ１２）と、を備えるアキシャルギャップ型モータ（例えば、後述の実施形態におけるアキシャルギャップ型モータ１０）であって、
前記ロータは、
回転軸方向に着磁され周方向に沿って配置された複数の主磁石片（例えば、後述の実施形態における主永久磁石片４１）と、
回転軸方向両側であって周方向で隣り合う前記主磁石片間に配置され、回転軸方向および径方向に直交する方向に磁化可能な複数の電磁石（例えば、後述の実施形態における電磁石４５）と、を備える、
ことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の構成に加えて、
前記ロータは、前記複数の主磁石片と回転軸方向において対向配置される複数のヨーク部（例えば、後述の実施形態におけるヨーク部４２）と、周方向で隣り合う前記ヨーク部間に位置するボビン部（例えば、後述の実施形態におけるボビン部４３）と、が一体化された回転軸方向視で略円環状のロータコア（例えば、後述の実施形態におけるロータコア１３）をさらに備え、
前記各電磁石は、前記ロータコアの前記ボビン部に絶縁部材（例えば、後述の実施形態における絶縁部材４４）を介して巻線（例えば、後述の実施形態におけるコイル５２、７２）を巻装して構成され、
周方向で隣り合う前記電磁石は前記巻線同士が互いに接続され、
前記巻線の引出線（例えば、後述の実施形態における引出線５２ｂ）はスリップリング（例えば、後述の実施形態におけるスリップリング６１）を介して電源に接続される、
ことを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１又は２に記載の構成に加えて、
前記各電磁石は、それぞれ回転軸方向視で柱状の磁性部材（例えば、後述の実施形態における磁性部材４３Ａ）に絶縁部材（例えば、後述の実施形態における絶縁部材４４）を介して巻線（例えば、後述の実施形態におけるコイル５２、７２）を巻装して構成され、
周方向で隣り合う前記電磁石は前記巻線同士が互いに接続され、
前記巻線の引出線（例えば、後述の実施形態における引出線５２ｂ）はスリップリング（例えば、後述の実施形態におけるスリップリング６１）を介して電源に接続される、
ことを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項３又は４に記載の構成に加えて、
前記各電磁石に巻装される前記巻線は、周方向で隣り合う略Ｕ字形状の複数の巻線部（例えば、後述の実施形態におけるコイル片７２ａ）と、前記周方向で隣り合う前記巻線部の一方の端部と他方の端部とを接続する連結巻線部（例えば、後述の実施形態におけるコイル片７２ｂ）と、を有する、
ことを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項３又は４に記載の構成に加えて、
前記各電磁石に巻装される前記巻線は、周方向で隣り合う略Ｕ字形状の複数の巻線部（例えば、後述の実施形態におけるコイル片７２ａ）を有し、
前記周方向で隣り合う前記巻線部一方の端部と他方の端部を接続する、
ことを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項３〜６のいずれかに記載の構成に加えて、
前記ロータは、周方向に所定の間隔で配置されて径方向に延びる複数のリブ（例えば、後述の実施形態における径方向リブ３５）と、前記複数のリブの内径側及び外径側にそれぞれ設けられるシャフト部（例えば、後述の実施形態におけるシャフト部３６）及びリム部（例えば、後述の実施形態におけるリム部３７）と、を有するロータフレーム（例えば、後述の実施形態におけるロータフレーム３３）を備え、
前記シャフト部の外周面と前記リム部の内周面には、前記電磁石の巻線の一部を収容する凹部（例えば、後述の実施形態における凹溝３６ａ、３７ａ）を有する、
ことを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、請求項３〜７のいずれかに記載の構成に加えて、
前記電源から前記巻線への通電状態を反転可能な通電手段（例えば、後述の実施形態における通電制御装置６２）と、
前記通電手段の通電により、前記主磁石片の磁極と前記主磁石片の周方向両端部近傍に配置された前記電磁石同士が同極の磁極を発生させる強め界磁状態と、前記主磁石片の磁極と前記主磁石片の周方向両端部近傍に配置された前記電磁石同士が異極の磁極を発生させる弱め界磁状態と、を設定する設定手段（例えば、後述の実施形態における通電制御装置６２）と、を備える、
ことを特徴とする。

請求項９に記載の発明は、請求項３〜７のいずれかに記載の構成に加えて、
前記電源から前記巻線への通電状態を反転可能な通電手段（例えば、後述の実施形態における通電制御装置６２）と、
前記通電手段の通電して、前記主磁石片の磁極と前記主磁石片の周方向両端部近傍に配置された前記電磁石同士が同極の磁極を発生させる強め界磁状態と、前記通電手段の通電せずに、前記電磁石の略無磁力化する弱め界磁状態と、を設定する設定手段（例えば、後述の実施形態における通電制御装置６２）と、を備える、
ことを特徴とする。

請求項１０に記載の発明は、請求項１〜９のいずれかに記載の構成に加えて、
前記複数の電磁石への通電状態を前記アキシャルギャップ型モータの負荷状態と回転速度に応じて制御する、
ことを特徴とする。

請求項１及び２の発明によれば、電磁石から発生する磁束の量を増減させることによって、アキシャルギャップ型モータの状態を、所謂主磁石片および電磁石の略ハルバッハ配置による磁束レンズ効果により磁束が収束する強め界磁状態と、主磁石片および電磁石による磁路短絡が発生する又は電磁石を略無磁力化する弱め界磁状態とに設定することができ、主磁石片および電磁石の略ハルバッハ配置による界磁磁束が各ステータの固定子巻線を鎖交する鎖交磁束量を増大あるいは低減させることによっても誘起電圧定数を可変とすることができる。これにより、ロータの構成に要する永久磁石量を増大させる必要無しに、アキシャルギャップ型モータの運転可能な回転数範囲およびトルク範囲を拡大し、運転効率を向上させると共に高効率での運転可能範囲を拡大することができる。

請求項３の発明によれば、電磁石はロータコアに絶縁部材を介して巻線を直接巻装して製造することができ、巻線の引出線にはスリップリングを介して電源から電流が供給される。したがって、アキシャルギャップ型モータの構成が過剰に複雑化することを防止しつつ、誘起電圧定数を可変とすることができる。

請求項４の発明によれば、電磁石は柱状の磁性部材に絶縁部材を介して巻線を巻装して予め製造することができ、分割ヨークの組み付け時に周方向で隣り合う分割ヨーク部間に挟み込むことでロータに組み込むことができ、巻線の引出線にはスリップリングを介して電源から電流が供給される。したがって、アキシャルギャップ型モータの構成が過剰に複雑化することを防止しつつ、誘起電圧定数を可変とすることができる。

請求項５の発明によれば、複数の巻線部を周方向に並べて、周方向で隣り合う巻線部の一方の端部と他方の端部を連結巻線部で接続することにより、一本の巻線を捲回することが困難な場合に、容易にヨーク部に巻線を巻装することができる。

請求項６の発明によれば、複数の巻線部を周方向に並べて、周方向で隣り合う巻線部の一方の端部と他方の端部の少なくとも一方の端部を折り曲げて接続することにより、一本の巻線を捲回することが困難な場合に、容易にヨーク部に巻線を巻装することができる。

請求項７の発明によれば、シャフト部の外周面とリム部の内周面に形成された凹部にコイルの内周部と外周部を収容することで、電磁石をロータフレーム内に容易に収容することができる。

請求項８及び９の発明によれば、設定手段によって、アキシャルギャップ型モータの状態を、所謂主磁石片および電磁石の略ハルバッハ配置による磁束レンズ効果により磁束が収束する強め界磁状態と、主磁石片および電磁石による磁路短絡が発生する又は電磁石を略無磁力化する弱め界磁状態とに適切に設定することができ、主磁石片および電磁石の略ハルバッハ配置による界磁磁束が各ステータの固定子巻線を鎖交する鎖交磁束量を増大あるいは低減させることによって誘起電圧定数を可変とすることができる。

請求項１０の発明によれば、アキシャルギャップ型モータの負荷状態と回転速度に応じて電磁石への通電状態を制御することにより、アキシャルギャップ型モータの効率を上げることができる。

以下、本発明のアキシャルギャップ型モータの各実施形態について添付図面を参照しながら説明する。
＜第１実施形態＞
本実施の形態によるアキシャルギャップ型モータ１０は、例えば図１に示すように、このアキシャルギャップ型モータ１０の回転軸Ｏ周りに回転可能に設けられた略円環状のロータ１１と、回転軸Ｏ方向の両側からロータ１１を挟みこむようにして対向配置され、ロータ１１を回転させる回転磁界を発生する複数相の各固定子巻線を有する１対のステータ１２，１２とを備えて構成されている。

このアキシャルギャップ型モータ１０は、例えばハイブリッド車両や電動車両等の車両に駆動源として搭載され、出力軸がトランスミッション（図示略）の入力軸に接続されることで、アキシャルギャップ型モータ１０の駆動力がトランスミッションを介して車両の駆動輪（図示略）に伝達されるようになっている。

また、車両の減速時に駆動輪側からアキシャルギャップ型モータ１０に駆動力が伝達されると、アキシャルギャップ型モータ１０は発電機として機能していわゆる回生制動力を発生し、車体の運動エネルギーを電気エネルギー（回生エネルギー）として回収する。さらに、例えばハイブリッド車両においては、アキシャルギャップ型モータ１０の回転軸が内燃機関（図示略）のクランクシャフトに連結されると、内燃機関の出力がアキシャルギャップ型モータ１０に伝達された場合にもアキシャルギャップ型モータ１０は発電機として機能して発電エネルギーを発生する。

各ステータ１２は、例えば略円環板状のヨーク部２１と、ロータ１１に対向するヨーク部２１の対向面上で周方向に所定間隔をおいた位置から回転軸Ｏ方向に沿ってロータ１１に向かい突出すると共に径方向に伸びる複数のティース２２，…，２２と、適宜のティース２２，２２間に装着される固定子巻線（図示略）とを備えて構成されている。

各ステータ１２は、例えば主極が６個（例えば、Ｕ^＋，Ｖ^＋，Ｗ^＋，Ｕ⁻，Ｖ⁻，Ｗ⁻）とされた６Ｎ型であって、一方のステータ１２の各Ｕ^＋，Ｖ^＋，Ｗ^＋極に対して、他方のステータ１２の各Ｕ⁻，Ｖ⁻，Ｗ⁻極が回転軸Ｏ方向で対向するように設定されている。例えば回転軸Ｏ方向で対向する１対のステータ１２，１２に対し、Ｕ^＋，Ｖ^＋，Ｗ^＋極およびＵ⁻，Ｖ⁻，Ｗ⁻極の一方に対応する一方のステータ１２の３個のティース２２，２２，２２と、Ｕ^＋，Ｖ^＋，Ｗ^＋極およびＵ⁻，Ｖ⁻，Ｗ⁻極の他方に対応する他方のステータ１２の３個のティース２２，２２，２２とが、回転軸Ｏ方向で対向するように設定され、回転軸Ｏ方向で対向する一方のステータ１２のティース２２と、他方のステータ１２のティース２２とに対する通電状態が電気角で反転状態となるように設定されている。

ロータ１１は、例えば図２及び図３に示すように、一対のロータコア１３、１３と、複数の主磁石部３１，…，３１と、複数の副磁石部３２，…，３２と、非磁性材からなるロータフレーム３３とを備えて構成され、主磁石部３１が一対のロータコア１３、１３に回転軸Ｏ方向両側から挟まれて、かつ、主磁石部３１と副磁石部３２が周方向において交互に配置された状態で、これらロータコア１３、１３と、複数の主磁石部３１，…，３１と、複数の副磁石部３２，…，３２がロータフレーム３３内に収容されている。

そして、ロータフレーム３３は、非磁性材である例えば、ステンレス鋼やアルミニウムなどによって形成されており、周方向に所定間隔をおいて配置された複数の径方向リブ３５，…，３５によって接続された内周側円環状のシャフト部３６と外周側円環状のリム部３７とを備えて構成され、シャフト部３６の内周部には、外部の駆動軸（例えば、車両のトランスミッションの入力軸等）に接続される出力軸が接続可能とされている。また、シャフト部３６の外周面には、隣接する径方向リブ３５，３５間に円弧状凸部３９が形成されている。

ロータコア１３は、テープ状の電磁鋼板からなる磁性板を捲回して構成され、図３に示すように、周方向に複数配置された略扇形形状のヨーク部４２，…，４２と、周方向で隣り合うヨーク部４２、４２間に位置する柱状のボビン部４３とが一体に形成され、ヨーク部４２の周方向両端部は回転軸Ｏ方向外側に向かってヨーク部４２の周方向長さが短くなるようにテーパ状の面取り部４２ａ、４２ａが形成されている。このように形成された２つのロータコア１３は、互いに面取り部４２ａが形成された側が回転軸Ｏ方向外側を向くようにステータ１２、１２と対向配置され、ロータコア１３、１３間には複数の主磁石部３１，…，３１と、径方向リブ３５，…，３５が周方向において交互に配置されている。

主磁石部３１は、厚さ方向（つまり、回転軸Ｏ方向）に磁化された略扇形板状の主永久磁石片４１を備え、周方向で隣り合う各主永久磁石片４１，４１は、図５及び図６に示すように磁化方向が互いに異方向となるように設定されている。

副磁石部３２は、図５及び図６に示すように、回転軸方向および径方向に直交する方向に磁化可能な電磁石４５を備えて構成される。

電磁石４５は、図３に示すように、ロータコア１３のボビン部４３と、ボビン部４３の回転軸Ｏ方向両側面と内・外周面を囲うように配置された絶縁部材４４と、絶縁部材４４上に巻装されたコイル５２とを備えて構成される。

絶縁部材４４は、図４に示すように、ボビン部４３の回転軸Ｏ方向に一方側の側面を覆う第１側壁４４ａと、第１側壁４４ａの径方向一方側の端部が折り曲げられてボビン部４３の内周面又は外周面を覆う第２側壁４４ｂを備えて構成され、第１側壁４４ａの周方向両端部には折り曲げられて回転軸Ｏ方向に伸びるコイル保持部４４ｃが形成されている。このように形成された２つの絶縁部材４４、４４を一組として、一方を径方向リブ３５と対向するボビン部４３の内側面と外周面を覆うように取付け、他方をボビン部４３の外側面と内周面を覆うように取り付けることで、ボビン部４３を囲い、絶縁部材４４、４４上にコイル５２を巻装することでボビン部４３とコイル５２を絶縁する。

そして、ロータフレーム３３内において周方向で隣り合う電磁石４５，４５は、図５及び図６に示すように、発生可能な磁束の方向が互いに異方向となるように設定されている。つまり、図３の矢印で示すように、ボビン部４３に対するコイル５２の巻装状態が右巻きとされた電磁石４５には、ボビン部４３に対するコイル５２の巻装状態が左巻きとされた電磁石４５が周方向で隣り合うように設定されている。

また、ロータフレーム３３内において径方向リブ３５を挟んで回転軸Ｏ方向で隣り合う電磁石４５、４５も、図５及び図６に示すように、発生可能な磁束の方向が互いに異方向となるように設定されている。つまり、ボビン部４３に対するコイル５２の巻装状態が右巻きとされた電磁石４５には、ボビン部４３に対するコイル５２の巻装状態が左巻きとされた電磁石４５が回転軸Ｏ方向で隣り合うように設定されている。

このように周方向で隣り合う複数の電磁石４５は、ロータコア１３のボビン部４３、４３にコイル５２が互いに逆向きに捲回され、また、回転軸Ｏ方向一方側と他方側で隣り合う電磁石４５、４５同士も互いに逆向きに捲回され、周方向で隣り合う電磁石４５、４５同士、及び、回転軸Ｏ方向に隣り合う電磁石４５、４５同士は発生可能な磁束の方向が互いに異方向となるように設定されている。

なお、ロータフレーム３３において、電磁石４５を径方向の両側から挟み込むシャフト部３６とリム部３７には、電磁石４５が配置される位置にボビン部４３に巻装されたコイル５２の内周部と外周部が収容される凹溝３６ａ、３７ａが形成され、さらにシャフト部３６とリム部３７のうち、例えばシャフト部３６の外周面上には周方向に伸びる凹溝３６ｂが形成され（図２及び図７参照）、この凹溝３６ｂには、周方向で隣り合う電磁石４５，４５のコイル５２，５２同士を接続する接続線５２ａあるいは適宜のコイル５２から外部に引き出される引出線５２ｂが装着されるようになっている。また、円弧状凸部３９には凹溝３９ａが形成され（図２及び図７参照）、図７に示すように、回転軸Ｏ方向一方側と他方側を接続する接続線５２ｃが装着されるようになっている。これにより、シャフト部３６の外周面とリム部３７の内周面に形成された凹溝３６ａ、３７ａに各電磁石４５のコイル５２の内周部と外周部を収容し、凹溝３６ｂに周方向で隣り合う電磁石４５，４５のコイル５２，５２同士を接続する接続線５２ａあるいは適宜のコイル５２から外部に引き出される引出線５２ｂを収容することで、電磁石４５をロータフレーム３３内に容易に収容することができる。
また、コイル５２の内周部と外周部を凹溝３６ａ、３７ａに収容することでロータ１１が径方向に大型化するのを避けると共に、非磁性材で後述する磁束レンズ効果に寄与しない部分を覆うことで、本来電磁石としての効果を必要としない部分からの影響を抑制し磁束の短絡を抑制することができる。
なお、円弧状凸部３９には凹溝３９ａの代わりに貫通孔を設けてもよい。

これにより、回転軸Ｏ方向一方側および他方側において、主磁石部３１の主永久磁石片４１の磁極と、周方向で隣り合う電磁石４５、４５により仮想的に設定可能な対向磁極との関係において、主永久磁石片４１の磁極と周方向で隣り合う電磁石４５、４５から発生する対向磁極とが同極である場合には強め界磁状態となり、主永久磁石片４１の磁極と周方向で対向する電磁石４５、４５から発生する対向磁極とが異極である場合には弱め界磁状態となる。

つまり、強め界磁状態では、図５に示すように、例えば回転軸Ｏ方向の一方側がＮ極かつ他方側がＳ極とされた主永久磁石片４１に対して、回転軸Ｏ方向の一方側においてヨーク部４２を周方向から挟み込む一対の電磁石４５，４５は、互いのＮ極が周方向で対向するように磁束を発生し、回転軸Ｏ方向の他方側においてヨーク部４２を周方向から挟み込む一対の電磁石４５、４５は、互いのＳ極が周方向で対向するように磁束を発生する。 これにより、所謂永久磁石の略ハルバッハ配置による磁束レンズ効果により主永久磁石片４１および電磁石４５、４５の各磁束が収束し、各ステータ１２，１２に鎖交する有効磁束が相対的に増大するようになっている。

また、弱め界磁状態では、図６に示すように、例えば回転軸Ｏ方向の一方側がＮ極かつ他方側がＳ極とされた主永久磁石片４１に対して、回転軸Ｏ方向の一方側においてヨーク部４２を周方向から挟み込む一対の電磁石４５，４５は、互いのＳ極が周方向で対向するように磁束を発生し、回転軸Ｏ方向の他方側においてヨーク部４２を周方向から挟み込む一対の電磁石４５、４５は、互いのＮ極が周方向で対向するように磁束を発生する。これにより、主永久磁石片４１と周方向で隣り合う電磁石４５、４５との間で磁路短絡が生じ、各ステータ１２，１２に鎖交する有効磁束が相対的に減少するようになっている。

また、図７に示すように、ロータフレーム３３内に装着された複数の副磁石部３２，…，３２の電磁石４５，…，４５のうち、引出線５２ｂが接続されたコイル５２を具備する電磁石４５は、スリップリング６１を介して外部の通電制御装置６２に接続されている。

このスリップリング６１は、例えばロータ１１に固定されたリング部６１ａと、ステータ１２に固定されたブラシ部６１ｂとを備えて構成され、ブラシ部６１ｂと通電制御装置６２とは接続線６２ａを介して接続されている。

通電制御装置６２は、例えばブリッジ回路等を備え、電源（図示略）からコイル５２への通電状態を反転可能な通電手段と、アキシャルギャップ型モータ１０の強め界磁状態と弱め界磁状態とを適宜に切り換える設定手段と、を兼ねて構成され、アキシャルギャップ型モータ１０の特性を変更することができる。
なお、弱め界磁状態として主永久磁石片４１の磁極と周方向で対向する電磁石４５、４５から発生する対向磁極とが異極である場合を例に説明したが、電磁石４５を無通電状態として略無磁力化することにより弱め界磁状態としてもよい。これにより、副永久磁石片を用いて略ハルバッハ配置とした場合に比べて、有効磁束が相対的に減少させることができる。例えば、小型のモータであれば無通電状態とすることにより弱め界磁状態とし、大型のモータであれば反転して通電し、主永久磁石片４１の磁極と周方向で対向する電磁石４５、４５から発生する対向磁極とが異極とすることにより弱め界磁状態としてもよい。

次に、本発明のアキシャルギャップ型モータ１０の制御方法の一例について説明する。
図８は誘起電圧定数に応じて変化するアキシャルギャップ型モータの回転数及びトルクに応じた運転可能領域示す図である。図８に示すように、強め界磁によって誘起電圧定数Ｋｅが大きくなると、アキシャルギャップ型モータ１０として運転可能な許容回転速度は低下するもの、出力可能な最大トルクは増大し、逆に、弱め界磁によって誘起電圧定数Ｋｅが小さくなると、アキシャルギャップ型モータ１０として出力可能な最大トルクは減少するものの、運転可能な許容回転数は上昇する。

そこで、図８の（１）に示す無負荷運転時においては、引きずり損失（鉄損）を低減するため弱め界磁制御を行なう。具体的には、電磁石４５に流す電流を少なくしたり無通電にして低磁力化又は略無磁力化したり、反転させて通電することによりなされる。反転させて通電させた場合を例に説明すると、図６に示すように、主永久磁石片４１と周方向で隣り合う電磁石４５、４５との間で磁路短絡が生じ、各ステータ１２，１２に鎖交する有効磁束が相対的に減少し、引きずり損失を低減することができる。

また、図８の（２）に示す低・中負荷、低回転域においては、各ステータ１２，１２と電磁石４５での銅損の和が小さくなるように僅かに強め界磁制御を行なう。これにより、各ステータ１２，１２に流す電流を小さくすることで銅損を低減することができる。

また、図８の（３）に示す低負荷、中・高回転域においては、直交領域で運転するためモータ回転数及びバッテリー電圧に応じて適宜弱め界磁制御又は強め界磁制御を行なう。これにより、直交領域での運転を可能とし各ステータ１２、１２に流す界磁弱め電流分銅損を低減することができる。

また、図８の（４）に示す高負荷、低回転域においては、強め界磁制御を行なう。これにより、図５に示すように、主永久磁石片４１と周方向で隣り合う電磁石４５、４５との所謂略ハルバッハ配置による磁束レンズ効果により、主永久磁石片４１と周方向で隣り合う電磁石４５、４５との各磁束が収束し、各ステータ１２，１２に鎖交する有効磁束が相対的に増大し、各ステータ１２、１２に流す電流が少ない状態で高トルクを得ることができる。

また、図８の（５）に示す中負荷、中・高回転域においては、モータ回転数及びバッテリー電圧に応じて適宜適宜弱め界磁制御又は強め界磁制御することにより直交領域と界磁弱め域の境界付近のモータ高効率領域で運転することができ、高効率運転領域を拡大することができる。

上述したように、本実施の形態によるアキシャルギャップ型モータ１０によれば、アキシャルギャップ型モータ１０の状態を、所謂主永久磁石片４１と電磁石４５、４５の略ハルバッハ配置による磁束レンズ効果により磁束が収束する強め界磁状態と、主永久磁石片４１と電磁石４５、４５による磁路短絡が発生する又は電磁石４５を略無磁力化する弱め界磁状態とに設定することができ、主永久磁石片４１および電磁石４５による界磁磁束が各ステータ１２の固定子巻線を鎖交する鎖交磁束量を増大あるいは低減させることによって誘起電圧定数を可変とすることができる。これにより、ロータ１１の構成に要する高価な永久磁石量を増大させる必要無しに、アキシャルギャップ型モータ１０の運転可能な回転数範囲およびトルク範囲を拡大し、運転効率を向上させると共に高効率での運転可能範囲を拡大することができる。

また、通電制御装置６２からスリップリング６１を介して電磁石４５に通電されることにより、電圧変動が相対的に小さく、かつ、低周波数となり、スリップリング６１の消耗が低減されると共に、通電制御装置６２の装置構成が複雑化することを防止することができる。

また、ロータコア１３はテープ状の電磁鋼板からなる磁性板を捲回して構成されるので、容易に製造することができ、ロータコア１３のボビン部４３に絶縁部材４４を介してコイル５２を直接巻装するので、ロータコア１３の一部を電磁石４５のボビンとして兼用することができる。

また、電源からコイル５２への通電状態を反転可能な通電制御装置により、強め界磁状態と弱め界磁状態を適宜設定するので、上述したように主永久磁石片４１および電磁石４５による界磁磁束が各ステータ１２の固定子巻線を鎖交する鎖交磁束量を増大あるいは低減させることによって誘起電圧定数を可変とすることができ、高価な永久磁石量を低減させることができる。また、強め界磁状態と弱め界磁状態を適宜設定することにより、アキシャルギャップ型モータの負荷状態と回転速度に応じて運転効率を向上させることができる。
例えば、無負荷運転時には、弱め界磁状態とすることでロータ１１内で短絡する磁束が増えて各ステータ１２の固定子巻線を鎖交する鎖交磁束量を低減させ、引き摺り損失を低減させることができるとともに、高負荷運転時には、強め界磁状態とすることで主永久磁石片４１と周方向で隣り合う電磁石４５、４５との各磁束が収束し、各ステータ１２，１２に鎖交する有効磁束が相対的に増大し、各ステータ１２、１２に流す電流が少ない状態で高トルクを得ることができる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態のアキシャルギャップ型モータについて図９を参照しながら説明する。なお、第２実施形態のアキシャルギャップ型モータは、電磁石のボビン部がロータコアとは別体に構成される点を除き、第１実施形態のアキシャルギャップ型モータと同一の構成を有する。このため、第１実施形態と同一又は同等部分には同一符号又は相当符号を付して説明を簡略化又は省略する。

ロータコア１３Ａは、周方向に分割して複数配置された略扇形形状のヨーク部４２，…，４２から構成され、ヨーク部４２は、周方向両端部にテーパ状の面取り部４２ａ、４２ａが形成されている。なお、ヨーク部４２は複数の電磁鋼板を積層した構成としてもよく、あるいは、鉄粉などの粉体を成形・焼結して製作することもできる。

電磁石４５Ａは、磁性材からなる柱状の磁性部材４３Ａと、磁性部材４３Ａの回転Ｏ方向両側面と内・外周面を囲うように配置された一組の絶縁部材４４、４４と、一組の絶縁部材４４、４４上に巻装されたコイル５２とを備えて構成される。

このように別体で形成されたロータコア１３Ａの周方向で隣り合うヨーク部４２、４２間に電磁石４５Ａを装着する。

これにより、電磁石４５は柱状の磁性部材４３Ａに絶縁部材４４を介してコイル５２を巻装して予め製造することができ、分割されたヨーク部４２，…，４２の組み付け時に周方向で隣り合うヨーク部４２、４２間に挟み込むことでロータ１１に組み込むことができる。

図１０は第２実施形態の第１変形例のアキシャルギャップ型モータの電磁石の斜視図である。第１変形例の電磁石４５Ｂは、磁性材からなる柱状の磁性部材４３Ａと、磁性部材４３Ａの回転Ｏ方向両側面と内・外周面を囲うように配置された一組の絶縁部材４４、４４と、絶縁部材４４、４４上に巻装されたコイル７２とを備えて構成される。

ここでコイル７２は、略Ｕ字形状に折り曲げられて開口側の一対の端部が磁性部材４３Ａの長手方向長さより長く形成された複数のコイル片７２ａを磁性部材４３Ａの幅方向（周方向）に並べて、隣り合うコイル片７２ａ（巻線部）、７２ａ（巻線部）の一方の端部と他方の端部を折り曲げて、ヒュージング、半田付け、カシメ等により接続する。

これにより、一本のコイルを磁性部材４３Ａに捲回することが困難な場合に、容易に磁性部材４３Ａにコイル７２を巻装することができる。

図１１は第２実施形態の第２変形例のアキシャルギャップ型モータの電磁石の斜視図である。第２変形例の電磁石４５Ｃは、磁性材からなる柱状の磁性部材４３Ａと、磁性部材４３Ａの回転Ｏ方向両側面と内・外周面を囲うように配置された絶縁部材４４、４４と、絶縁部材４４、４４上に巻装されたコイル７２とを備えて構成される。

ここでコイル７２は、略Ｕ字形状に折り曲げられて開口側の一対の端部が磁性部材４３Ａの長手方向長さと略同一又は僅かに長く形成された複数のコイル片７２ａを磁性部材４３Ａの幅方向（ロータ１１の周方向）に並べて、隣り合うコイル片７２ａ（巻線部）、７２ａ（巻線部）の一方の端部と他方の端部を、略Ｕ字形状又は直線状に形成されたコイル片７２ｂ（連結巻線部）により、例えばヒュージング、半田付け、カシメ等することにより接続する。

これにより、一本のコイルを磁性部材４３Ａに捲回することが困難な場合に、容易に磁性部材４３Ａにコイル７２を巻装することができる。

＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態のアキシャルギャップ型モータについて図１２及び図１３を参照しながら説明する。なお、第３実施形態のアキシャルギャップ型モータは、回転軸Ｏ方向一方側にのみステータを備える点で第１実施形態のアキシャルギャップ型モータと相違する。第１実施形態と同一又は同等部分には同一符号又は相当符号を付して説明を簡略化又は省略する。

本実施形態のアキシャルギャップ型モータ１０においては、このアキシャルギャップ型モータ１０の回転軸Ｏ周りに回転可能に設けられた略円環状のロータ１１と、回転軸Ｏ方向の一方側（図１２においては右側）からのみロータ１１に対向配置され、ロータ１１を回転させる回転磁界を発生する複数相の各固定子巻線を有するステータ１２とを備えて構成されている。

ロータ１１は、ロータフレーム３３内に、回転軸Ｏ方向の一方側にロータコア１３と、複数の副磁石部３２，…，３２とを備え、複数の主磁石部３１，…，３１を挟んで回転軸Ｏ方向の他方側には円環状のバックヨーク１４を備えて構成される。

バックヨーク１４は、テープ状の電磁鋼板からなる磁性板を捲回して構成される。

これにより、回転軸Ｏ方向一方側において、第１及び第２実施形態と同様の作用・効果を得ることができる。

なお、本発明は、上記実施形態に例示したものに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。

本発明の第１実施形態に係るアキシャルギャップ型モータの斜視図である。 本発明の第１実施形態に係るアキシャルギャップ型モータの分解斜視図である。 本発明の第１実施形態に係るアキシャルギャップ型モータのロータの部分分解斜視図である。 ロータコアへの絶縁部材の取り付けを説明する説明図である。 強め界磁状態における磁束の流れを説明する説明図である。 弱め界磁状態における磁束の流れを説明する説明図である。 本発明の第１実施形態のアキシャルギャップ型モータの断面図である。 誘起電圧定数に応じて変化するアキシャルギャップ型モータの回転数及びトルクに応じた運転可能領域示す図である。 本発明の第２実施形態に係るアキシャルギャップ型モータのロータを周方向から見た図である。 本発明の第２実施形態の第１変形例に係る電磁石の説明図である。 本発明の第２実施形態の第２変形例に係る電磁石の説明図である。 本発明の第３実施形態に係るアキシャルギャップ型モータのロータの部分分解斜視図である。 本発明の第３実施形態に係るアキシャルギャップ型モータのロータを周方向から見た図である。

符号の説明

１０ アキシャルギャップ型モータ
１１ ロータ
１２ ステータ
１３ ロータコア
３１ 主磁石部
３２ 副磁石部
３３ ロータフレーム
３５ 径方向リブ（リブ）
３６ シャフト部
３６ａ 凹溝（凹部）
３７ リム部
３７ａ 凹溝（凹部）
４１ 主永久磁石片（主磁石片）
４３Ａ 磁性部材
４５ 電磁石
５２、７２ コイル（巻線）
５２ｂ 引出線
６１ スリップリング
６２ 通電制御装置（通電手段、設定手段）

Claims (10)

1. 回転軸周りに回転可能なロータと、
   回転軸方向の一方側から前記ロータに対向配置されるステータと、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、
   回転軸方向に着磁され周方向に沿って配置された複数の主磁石片と、
   回転軸方向一方側であって周方向で隣り合う前記主磁石片間に配置され、回転軸方向および径方向に直交する方向に磁化可能な複数の電磁石と、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。
2. 回転軸周りに回転可能なロータと、
   回転軸方向の両側から前記ロータに対向配置される一対のステータと、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、
   回転軸方向に着磁され周方向に沿って配置された複数の主磁石片と、
   回転軸方向両側であって周方向で隣り合う前記主磁石片間に配置され、回転軸方向および径方向に直交する方向に磁化可能な複数の電磁石と、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。
3. 前記ロータは、前記複数の主磁石片と回転軸方向において対向配置される複数のヨーク部と、周方向で隣り合う前記ヨーク部間に位置するボビン部と、が一体化された回転軸方向視で略円環状のロータコアをさらに備え、
   前記各電磁石は、前記ロータコアの前記ボビン部に絶縁部材を介して巻線を巻装して構成され、
   周方向で隣り合う前記電磁石は前記巻線同士が互いに接続され、
   前記巻線の引出線はスリップリングを介して電源に接続される、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のアキシャルギャップ型モータ。
4. 前記各電磁石は、回転軸方向視で柱状の磁性部材に絶縁部材を介して巻線を巻装して構成され、
   周方向で隣り合う前記電磁石は前記巻線同士が互いに接続され、
   前記巻線の引出線はスリップリングを介して電源に接続される、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のアキシャルギャップ型モータ。
5. 前記各電磁石に巻装される前記巻線は、周方向で隣り合う略Ｕ字形状の複数の巻線部と、前記周方向で隣り合う前記巻線部の一方の端部と他方の端部とを接続する連結巻線部と、を有する、
   ことを特徴とする請求項３又は４に記載のアキシャルギャップ型モータ。
6. 前記各電磁石に巻装される前記巻線は、周方向で隣り合う略Ｕ字形状の複数の巻線部を有し、
   前記周方向で隣り合う前記巻線部の一方の端部と他方の端部を接続する、
   ことを特徴とする請求項３又は４に記載のアキシャルギャップ型モータ。
7. 前記ロータは、周方向に所定の間隔で配置されて径方向に延びる複数のリブと、前記複数のリブの内径側及び外径側にそれぞれ設けられるシャフト部及びリム部と、を有するロータフレームを備え、
   前記シャフト部の外周面と前記リム部の内周面には、前記電磁石の巻線の一部を収容する凹部を有する、
   ことを特徴とする請求項３〜６のいずれかに記載のアキシャルギャップ型モータ。
8. 前記電源から前記巻線への通電状態を反転可能な通電手段と、
   前記通電手段の通電により、前記主磁石片の磁極と前記主磁石片の周方向両端部近傍に配置された前記電磁石同士が同極の磁極を発生させる強め界磁状態と、前記主磁石片の磁極と前記主磁石片の周方向両端部近傍に配置された前記電磁石同士が異極の磁極を発生させる弱め界磁状態と、を設定する設定手段と、を備える、
   ことを特徴とする請求項３〜７のいずれかに記載のアキシャルギャップ型モータ。
9. 前記電源から前記巻線への通電状態を反転可能な通電手段と、
   前記通電手段の通電して、前記主磁石片の磁極と前記主磁石片の周方向両端部近傍に配置された前記電磁石同士が同極の磁極を発生させる強め界磁状態と、前記通電手段の通電せずに、前記電磁石の略無磁力化する弱め界磁状態と、を設定する設定手段と、を備える、
   ことを特徴とする請求項３〜７のいずれかに記載のアキシャルギャップ型モータ。
10. 前記複数の電磁石への通電状態を前記アキシャルギャップ型モータの負荷状態と回転速度に応じて制御する、
    ことを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載のアキシャルギャップ型モータ。

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