JP2011078202A - アキシャルギャップモータ - Google Patents

Abstract

【課題】ステータの両端面側にロータを配置した構造のアキシャルギャップモータにおいて、安価な磁石（永久磁石）を用いて小型化、高効率化を図る。
【解決手段】モータ軸２の軸方向に配置された２個のロータ３ａ、３ｂの間に１個のステータ４を配置し、ステータ４、ロータ３ａ、３ｂおよびロータ３ａ、３ｂ間をつなぐ磁路形成部材５間の磁路中に、コイル８の励磁による磁界と同じ向きの界磁を発生する磁石を配置し、磁石の減磁を防止するとともに、磁石の界磁を利用してモータトルクを増大する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ステータの両端面側にロータを配置したアキシャルギャップモータに関し、詳しくは、磁石（永久磁石）を用いて小型化、高効率化を図る新規な構造に関する。

従来、電気自動車の駆動モータ等に有用なアキシャルギャップモータは、最も簡単なロータとステータを１個ずつ備える場合、ロータとステータの対向する端面側にロータ磁極、ステータ磁極それぞれが円周方向に配設される。ステータ磁極の集中巻きのコイルが相順に通電励磁されることにより、ステータ磁極とロータ磁極の磁気的な作用にしたがって、ロータが回転してモータ軸が回転する。

そして、アキシャルギャップモータは、高出力化に伴う軸方向の長さの増加がラジアル型のスイッチドリラクタンスモータより小さく、軽量、小型になる利点がある。

ところで、この種のアキシャルギャップモータには、ロータ磁極を永久磁石で構成したものがある。

図２１は従来のそのようなアキシャルギャップモータの一例を示す。図２１のアキシャルギャップモータ（アキシャルギャップ回転電機）１００は、円盤状のロータ（回転子）１１０とステータ（固定子）１２０を空隙を挟んで軸線方向に対向させた構成であり、ロータ１１０は周方向に離散的に配置された突極１１２と永久磁石１１１をロータ磁極として備える。そのため、マグネットトルクとリラクタンストルクを併用できる。なお、図中の１１３はロータ１１０のバックヨーク、１２１はステータ１２０ステータ磁極としての突起、１２２は突極１２１を励磁するコイル（巻線）、１２３はステータ１２０のバックヨークである（例えば、特許文献１（段落[００１０]−［００１３］、図１等）参照）。

図２２は従来のアキシャルギャップモータの他の例のロータ構造を示す。図２２のロータ構造の従来のアキシャルギャップモータは、ロータの各ロータ磁極を永久磁石により形成したものであり、そのロータ２００は、両端面側にステータを配置するため、１つのロータコア２４０と、該ロータコア２４０を挟み込むように両側に設けた２つのフレーム部材２４１、２４２と、該フレーム部材２４１、２４２の複数の磁石型枠穴２４１ａ、２４２ａにそれぞれ設けた永久磁石２４３、２４４とにより構成される。

この場合、永久磁石２４３に作用する遠心力をロータコア２４０とフレーム部材２４１とが分担するので堅牢な構造になり、遠心力を受けるけるフレーム枠の太さを小さくすることで、永久磁石２４３のサイズを大きくでき、トルク、出力を向上できるというものである（例えば、特許文献２（要約書、段落［００３１］、［００５４］、図１、図２等）参照）。

つぎに、本願の出願人は、ロータの両端面側にステータを配設する構造のアキシャルギャップモータを既に出願している（特願２００９−０１１５２３号）。

図２３は前記既出願の３相駆動のアキシャルギャップモータ３００の構造を示し、アキシャルギャップモータ３００は、ステータ３１０の両端面側にロータ３２０、３３０を配置し、ロータ磁極３２１、３３１を軟磁性材等で形成された突極構造としたものである。

そして、アキシャルギャップモータ３００は、ステータ３１０の軸方向の一方の端面および他方の端面に周方向に各相のステータ磁極３１１、３１２が相順のくり返しで配置され、それらの集中巻きのコイル（図示せず）の通電励磁により、一方の端面の各相のステータ磁極３１１がＮ極、他方の端面の各相のステータ磁極３１２がＳ極に相順に励磁される。また、ステータ３１０の両側にステータ３１０に対向してロータ３２０、３３０が配置され、ロータ３２０、３３０は、それぞれ周方向に突極構成の複数のロータ磁極３２１、３３１が配置される。また、ステータ３１０の心孔を貫通する環状の磁路形成部材３４０によりロータ３２０、３３０間の磁路が形成される。

そして、ステータ３１０の両端面のステータ磁極３１１、３１２の集中巻きのコイルが相順に通電励磁されることにより、ステータ３１０は一方の端面の磁極位置が円周方向に移動しながらＮ極に励磁され、他方の端面の磁極位置が円周方向に移動しながＳ極に励磁され、ステータ磁極３１１、３１２と対向するロータ磁極３２１、３３１の磁気的な作用によりロータ３２０、３３０が回転する。

特開２００５−１５１７２５号公報 特開２００６−１４５６３号公報

特許文献１、２に記載のアキシャルギャップモータ等のロータ磁極を永久磁石で構成した従来のアキシャルギャッブモータは、つぎのような問題がある。

＜１＞ロータ磁極を形成する永久磁石１１１、２４３、２４４は減磁の恐れがある。そのため、永久磁石１１１、２４３、２４４には保磁力の高い磁石が必要となり、その結果、モータが高価になる問題がある。

（１）永久磁石１１１、２４３、２４４の内部に渦電流損失が生じて高温になる。スロットリプルやスイッチングによる電流脈動等で生じる磁界の変動に、永久磁石１１１、２４３、２４４の表面が直接さらされることが原因である。

（２）永久磁石１１１、２４３、２４４に逆方向の磁界がかかる。ステータ磁極のコイルが交番磁界(Ｎ極とＳ極のくり返し)を発生させるものであるため、永久磁石１１１、２４３、２４４の磁極に逆磁界がかかることは避けられない。特許文献１のアキシャルギャップモータの場合は、逆突極ロータ構造（Ｌｄ＜Ｌｑ）でリラクタンストルクを活用するため、永久磁石１１１の磁束を全体的に打ち消す向きの磁界がステータ１２０のコイル１２２により発生する。特許文献２のアキシャルギャップモータの場合は、永久磁石２４３、２４４の磁束とは位相のずれた磁界をステータのコイルにより発生してトルクを発生させるため、永久磁石１１１、２４３、２４４に部分的に反対向きの磁界がかかる。

そして、高温で逆方向の磁界を受けると、ロータ磁極を形成する永久磁石１１１、２４３、２４４は減磁の恐れがある。この滅磁に対して保磁力を高めるため、永久磁石１１１、２４３、２４４はレアアース元素（Ｄｙ、Ｔｂ等）の添加が必要であり、永久磁石１１１、２４３、２４４が高価になる。

＜２＞ロータが高回転すると、永久磁石１１１、２４３、２４４に遠心力がかかるので、その保持・破損防止の策が必要になる問題もある。

具体的には、特許文献２のように永久磁石２４３、２４４に作用する遠心力をロータコア２４０とフレーム部材２４１とが分担する堅牢な磁石保持構造が必要である。永久磁石１１１、２４３、２４４に生じる応力が避けられないため、何らかの破損防止策(例えば、最高回転数の制限や堅牢な磁石保持構造)が必要になる。

本発明は、ステータの両端面側にロータを配置した構造のアキシャルギャップモータにおいて、安価な磁石（永久磁石）を用いて小型化、高効率化を図ることを目的とし、さらには、堅牢な磁石保持構造を不要にすることも目的とする。

上記した目的を達成するために、本発明のアキシャルギャップモータは、軸方向の一方の端面に周方向に配置された各ステータ磁極をＮ極、前記軸方向の他方の端面に周方向に配置された各ステータ磁極をＳ極に励磁するコイルを有するステータと、前記ステータの両側に前記ステータに対向して配置され、それぞれ周方向に複数のロータ磁極が配置されたロータと、前記ステータの中心孔を貫通して両ロータ間の磁路を形成する磁路形成部材とを備えたアキシャルギャップモータであって、前記ステータ、前記ロータ間の磁路中に、前記コイルの励磁による磁界と同じ向きの界磁を発生する磁石が配置されていることを特徴としている（請求項１）。

また、本発明のアキシャルギャップモータは、前記ステータが一方の端面側部分と他方の端面側部分とからなり、前記ステータの前記両端面側部分間に磁石が配置されていることを特徴としている。（請求項２）。

また、本発明のアキシャルギャップモータは、前記ステータの前記両端面側部分間の磁石はリング形状であり、前記ステータの前記両端面側部分および該両端面側部分間の磁石は、前記ロータ磁極より径方向に幅広であることを特徴としている（請求項３）。

また、本発明のアキシャルギャップモータは、前記磁路形成部材の少なくとも一部が磁石で形成されていることを特徴としている（請求項４）。さらに、前記磁路形成部材の少なくとも一部を形成する磁石は、リング形状であることを特徴としている（請求項５）。

また、本発明のアキシャルギャップモータは、前記磁路形成部材の少なくとも一部を形成する磁石が、前記ロータの通電相の前記ロータ磁極の総和面積より端面積が大きいことを特徴としている（請求項６）。

また、本発明のアキシャルギャップモータは、前記磁路形成部材と前記ロータの磁極の内周側との間に磁石が配置されていることを特徴としている（請求項７）。

また、本発明のアキシャルギャップモータは、前記ロータの前記ロータ磁極を囲むように磁石が配置されていることを特徴としている（請求項８）。

請求項１に係る本発明のアキシャルギャップモータの場合、ステータ、ロータ間の磁束は一方向に進み、交番しない。そして、ステータ、ロータおよびロータ間をつなぐ磁路形成部材間の磁路中に、ステータ磁極のコイルの励磁による磁界と同じ向きの界磁を発生する磁石（永久磁石）を配置する構成であるため、磁石は減磁されない。

また、ステータ、ロータ間のモータの磁路中に直列に界磁を発生する磁石(コイルからみた磁気抵抗は大きく、大ギャップに相当)が挿入されるため、コイルのインダクタンスが小さくなって電流の立上りが速くなる。

さらに、ステータの両端側のステータ磁極の配置（位相）をずらし、両端面側のステータ磁極を軸方向に重ねて見た場合にＮ極とＳ極とが周方向に交互に倍の個数配置されるのと等価の状態にすることにより、励磁を切り替えた相の磁路がすでに励磁されている相の磁路を跨ぐことになり、磁路の共通部分が磁気飽和してインダクタンスが低下し、電流の立上りがより速まる利点もある。

したがって、安価で厚みの薄い磁石を用いた安価な構成で小型化、高効率化を図ることができる。

請求項２に係る本発明のアキシャルギャップモータの場合、ステータをヨーク中央で分割し、ステータの一方の端面側と他方の端面側との間に、ステータ磁極のコイルの励磁による磁界と同じ向きの界磁を発生する磁石が配置されているため、磁石は減磁されない。また、磁束の脈動に磁石がさらされることもなく、ステータにより磁束が平均化される利点もある。しかも、ステータは回転しないので堅牢な磁石保持構造が不要である。

したがって、堅牢な磁石保持構造が不要な構成で、一層安価に小型化、高効率化を図ることができる。

請求項３に係る本発明のアキシャルギャップモータの場合、ステータの両端面側部分間の磁石がリング形状で簡単に実現できる。しかも、ステータの両端面側部分および該両端面側部分間の磁石がロータ磁極より径方向に幅広であるので、磁束を分散でき、局所的な磁気飽和が起こりにくく、磁束の低下(トルク低下)を防止できる利点も生じ、一層の小型化、高効率化を図ることができる。

請求項４に係る本発明のアキシャルギャップモータの場合、ステータ磁極のコイルの励磁による磁界と同じ向きの界磁を発生する磁石として、磁路形成部材の少なくとも一部に代わるモータ軸方向に長く大きな磁石を配置できるので、減磁に強い構造で一層高効率に形成でき、さらに、その磁石として低グレードの一層安価な磁石を用いることができる。また、ステータやロータから離して磁石を配置するのでステータのコイルや磁極の発熱の影響を受けることもない。また、磁束の変動が少なく、磁石自体の発熱(渦損失)も小さくなって磁石の温度を低くできる。その上、その磁石がモータ軸に近い位置に設けられ、遠心力の影響も受けにくい。

したがって、一層安価な構成で一層の小型化、高効率化を図ることができる。

請求項５に係る本発明のアキシャルギャップモータの場合、磁路形成部材の少なくとも一部を形成する磁石を、リング形状で簡単に実現でき、しかも、遠心力に一層強い構造に形成できる。

請求項６に係る本発明のアキシャルギャップモータの場合、磁路形成部材の少なくとも一部を形成する磁石は、ロータの通電相の前記ロータ磁極の総和面積より端面積が大きいため、磁石の十分な磁路断面積を確保して磁束の漏れを防止し、また、磁石の表面密度磁束よりもロータ磁極とステータ磁極間のギャップ磁束密度を高めることができるので、一層の小型化、高効率化を図ることができる。

請求項７に係る本発明のアキシャルギャップモータの場合、磁路形成部材とロータの磁極の内周側との間に空いたスペースを有効利用して、ステータ磁極のコイルの励磁による磁界と同じ向きの界磁を発生する磁石を配置し、安価な構成で小型化、高効率化を図ることができる。

請求項８に係る本発明のアキシャルギャップモータの場合、ロータ磁極を囲むように配置された磁石により、ステータ磁極のコイルの励磁による磁界と同じ向きの界磁を発生し、逆磁界がからないようにして、安価な構成で小型化、高効率化を図ることができる。

（ａ）は第１の実施形態のアキシャルギャップモータの側面図、（ｂ）はその軸端面から見た正面図である。 （ａ）、（ｂ）は図１のアキシャルギャップモータのステータの一方、他方の端面側のステータ磁極の配置例の説明図である。 （ａ）、（ｂ）は図１のアキシャルギャップモータの一方、他方のロータのロータ磁極の配置例の説明図である。 図１のロータの補助磁石の配置例の説明図である。 図１のロータの磁性体でロータ磁極を覆った状態の一部の斜視図である。 図１のロータの他の磁性体の配置例の斜視図である。 図６のロータをロータハウジングに固定した状態の斜視図である。 （ａ）は第２実施形態のアキシャルギャップモータの側面図、（ｂ）はその軸端面から見た正面図である。 （ａ）、（ｂ）は図８のアキシャルギャップモータのステータの一方、他方の端面側のステータ磁極の配置例の説明図である。 図９の磁石の一例の形状を示す斜視図である。 図９のロータの同時に励磁される磁極例の説明図である。 （ａ）は第３の実施形態のアキシャルギャップモータの側面図、（ｂ）はその軸端面から見た正面図である。 （ａ）、（ｂ）は図１２のアキシャルギャップモータのステータの一方、他方の端面側のステータ磁極の配置例の説明図である。 （ａ）、（ｂ）は図１２の磁性シム、磁石の一例の形状を示す斜視図である。 図１２のロータの同時に励磁される磁極例を示す斜視図である。 （ａ）は第４の実施形態のアキシャルギャップモータの側面図、（ｂ）はその軸端面から見た正面図である。 （ａ）、（ｂ）は図１６のアキシャルギャップモータのステータの一方、他方の端面側のステータ磁極の配置例の説明図である。 図１６の磁石の一例の形状を示す斜視図である。 図１６のロータの斜視図である。 全ての磁石を配置したアキシャルギャップモータの分解斜視図である。 従来の一例例の斜視図である。 従来の他の例のロータの斜視図である。 従来のさらに他の例の斜視図である。

つぎに、本発明をより詳細に説明するため、実施形態について、図１〜図２０を参照して詳述する。なお、それらの図面においては、モータ軸等は適宜省略している。

（第１の実施形態）
第１の実施形態について、図１〜図７を参照して説明する。

図１（ａ）は本実施形態の３相Ａ、Ｂ、Ｃ駆動のアキシャルギャップモータ１ａの構成を示す軸方向の断面図であり、同図（ｂ）はアキシャルギャップモータ１ａのモータ軸２の出力側（紙面左側）から見た端面図である。それらの図面に示すように、２個のロータ（ロータコア）３ａ、３ｂは円盤状のヨーク３１が図２のモータ軸２に出力側から順に間隔を設けて軸着されている。なお、モータ軸２は非磁性体で形成され、抜け止め等を考慮して出力側から順に径が大、中、小になっている。両ロータ３ａ、３ｂ間には１個のステータ４が配置されている。ステータ４は円盤状のヨーク４１を有し、ヨーク４１の径大の中心孔４２がモータ軸２に遊挿状態で貫通している。円筒状の磁路形成部材５はモータ軸２に装着された状態で中心孔４２を貫通し、磁路形成部材５の両端面がロータ３ａ、３ｂのヨーク３１に対向する端面に当接して延長部をなす接合面を形成し、磁路形成部材５はロータ３ａ、３ｂに接続されてロータ３ａ、３ｂ間の磁路を形成する。なお、ヨーク３１、４１等は軟磁性体で形成されている。

さらに、両ロータ３ａ、３ｂは、ステータ４に対向する端面に例えば８個のロータ磁極６が周方向に等間隔に配設されている。ステータ４は、ロータ３ａに対向する一方の端面４１ａ側および、ロータ３ｂに対向する他方の端面４１ｂ側に、Ａ相、Ｂ相、Ｃ相の順の例えば１２個のステータ磁極７ａ、７ｂが周方向に等間隔に配設されている。

図２（ａ）、（ｂ）は図１（ａ）の矢印線Ｄ、Ｅの方向に見たステータ４の端面４１ａ、４１ｂの平面図である。それらの図面に示すように、ステータ４の一方の端面４１ａ側には、それぞれの集中巻きのコイル８の通電により全てＮ極に励磁される１２個のステータ磁極７ａが周方向に等間隔に配設され、ステータ４の他方の端面４１ｂ側にはそれぞれの集中巻きのコイル８の通電により全てＳ極に励磁される１２個のステータ磁極７ｂが周方向に等間隔に配設されている。

図３（ａ）、（ｂ）は図１（ａ）の矢印線Ｆ、Ｇの方向に見たロータ３ａ、３ｂのステータ４に対向する端面３１ａ、３１ｂの平面図である。それらの図面に示すように、ロータ３ａの端面３１ａの各ロータ磁極６は全てＳ極であり、ロータ３ｂの端面３１ｂの各ロータ磁極６は全てＮ極である。

このとき、ステータ４の一方の端面４１ａ側のステータ磁極７ａと、他方の端面４１ｂ側のステータ磁極７ｂとの配置が周方向にずらされ、モータ軸２方向からステータ４を見ると、ステータ磁極７ａの間にステータ磁極７ｂが位置し、アキシャルギャップモータ１ａはステータ４の磁極数が倍の２４極になったのと等価の状態になり、その分磁束が分散してヨーク４１の厚みを薄くすることができる。

端面３１ａ、３１ｂの各ロータ磁極６は、いわゆる突極であってもよいが、本実施形態の場合、界磁を発生して積極的にロータ３ａ、３ｂ、ステータ４間の磁路の磁束を増大するため、それぞれ磁石（永久磁石）により形成され、対向するステータ磁極７ａ、７ｂと逆の極性である。そして、各ロータ磁極６の磁石はステータ４、ロータ３ａ、３ｂ間の磁路中に、コイル８の励磁による磁界と同じ向きの界磁を発生する。

そして、アキシャルギャップモータ１ａは３相駆動により、ステータ４の各ステータ磁極７ａ、７ｂのコイル８が電気角１２０度毎にＡ相、Ｂ相、Ｃ相の相順に励磁される。このとき、ステータ４は両端面４１ａ、４１ｂのステータ磁極７ａ、７ｂをヨーク４１により繋いだ構成であり、アキシャルギャップモータ１ａは、ステータ４と、ロータ３ａ、３ｂと、ロータ３ａ、３ｂ間の軸方向の磁路を形成する磁路形成部材５とにより、磁束が軸方向および周方向に進む立体磁路が形成される。

そして、前記した３相駆動により、電気角１２０度ずれて、４つのＡ相の各ステータ磁極７ａ、７ｂの通電励磁、Ａ相の各ステータ磁極７ａ、７ｂの隣の４つのＢ相の各ステータ磁極７ａ、７ｂの通電励磁、それらの隣の４つのＣ相の各ステータ磁極７ａ、７ｂの通電励磁が順にくり返されてモータ軸２が回転する。このとき、コイル８の励磁による磁界により、磁束は、Ｎ極のステータ磁極７ｂから出てロータ３ｂのロータ磁極６、磁路形成部材５、ロータ３ａのロータ磁極６を通ってＳ極のステータ磁極７ａに入る。

この場合、各ロータ磁極６にはコイル８の励磁による磁界と同じ向きの界磁が発生する。また、磁束はステータ４、ロータ３ａ、３ｂ間の磁路を一方向に進み、交番しないので、各ロータ磁極６の磁石は減磁されることがない。すなわち、[ｉ]磁石に逆磁界がかからない。[ｉｉ]磁石の磁束の変動が抑えられ、磁石内部の渦電流を防ぎ温度上昇を抑えることができる。［ｉｉｉ］磁路に直列に磁石(コイル８から見た磁気抵抗は大きく、大ギャップに相当)が挿入されるため、コイル８のインダクタンスが小さ<なったのと等価の状態になり、電流の立上りが速くなる。［ｉｖ］ステータ４の両端面４１ａ、４１ｂのステータ磁極７ａ、７ｂの配置（位相）をずらし、モータ軸２方向に重ねてみた場合に、周方向に異なる相の異なる磁極のステータ磁極７ａ、７ｂが配置されるようになるので、励磁相を切り替えたたときに、新たに励磁される相の磁路がすでに励磁されている相の磁路を跨ぐことになり、磁路の共通部分が磁気飽和してインダクタンスが低下し、電流の立上りをより速めることもできる。

したがって、アキシャルギャップモータ１ａは、つぎのような効果を奏する。

（１）各ロータ磁極６の磁石の界磁磁束を活用してトルクを向上でき、軽量、小型で高効率になる。

（２）電流の立上りを速くできるので、特に高回転での出力を大きくできる利点がある。

（３）ギャップ磁束が高まるので、一層小型になる。

（４）各ロータ磁極６の磁石に逆磁界がかからないので、磁石の滅磁率を向上でき、信頼性を高めることができる。保磁力を高めるためのレアアース元素添加量を抑えた低グレードの安価な磁石を使用できる。

（５）各ロータ磁極６の磁石内部の渦電流を低減して温度上昇を抑えることができる。この点からも、各ロータ磁極６の磁石に低グレードの安価な磁石を使用することができ、磁石コストを低減して安価にアキシャルギャップモータ１ａを形成できる。

（６）遠心力がかからない個所、または遠心力を低減できる個所に磁石を配置すること等により、堅牢な磁石保持構造を備えることなく磁石の破損を防止でき、信頼性を高めることができる。

そして、各ロータ磁極６の磁石は、１つの塊状磁石でも、複数の磁石片の集合磁石であってもよい。

ところで、各ロータ磁極６は、磁極の少なくとも径方向または周方向の側面に、補助磁石を配置してもよい。補助磁石の極性は、各ロータ磁極６に接する面を各ロータ磁極６の磁石の端面の磁極と同じにすればよい。

図４はロータ磁極６の周囲の径方向および周方向の３側面に補助磁石９を配置した場合を示し、この場合、補助磁石９により、磁極の磁束密度を高めることができるため、トルクが一層向上する。

また、各ロータ磁極６の磁極面を電磁鋼板等の磁性体で覆ってもよい。

図５はロータ磁極６の磁極面を電磁鋼板等の磁性体１０で覆った場合を示し、この場合、ロータ磁極６の磁石内部の渦電流を低減し、磁石温度の上昇を抑制できる。すなわち、スロットリブルやスイッチングによる電流脈動等で生じる磁界の変動を、磁性体１０で受けて平滑化し、ロータ磁極６の磁石表面に分散できるので、ロータ磁極６の磁石の渦電流損を低減でき、磁石温度の上昇を抑制できる。

また、ロータ磁極６の磁極面を磁性体１０で覆った場合、ロータ磁極６の磁極表面の磁束密度を高くできる。磁性体(例えば電磁鋼板)１０の飽和磁束密度は、ロータ磁極６の磁石（永久磁石）の残留磁束密度よりも高いので、磁性体１０の磁極表面積よりも磁石（永久磁石）の磁極面積を大きくすれば、ロータ磁極６の磁石の磁束を、磁性体１０の磁束に集中させることによりロータ磁極６の磁極表面の磁束密度を高くできる。

さらに、各ロータ磁極６より内周側に、ヨーク３１よりも突出した磁性体１１を設けてもよい。

図６は各ロータ磁極６より内周側にヨーク３１よりも突出してリング状に繋がった磁性体１１を設けた場合を示し、この場合、十分な磁路断面積を確保して磁束の低下を防止できる。ロータ３ａ、３ｂの磁路は半径方向の内向き(あるいは外向き)であり、その際、内周側は扇形の中心寄りとなるので、磁路断面積が小さくなるが、磁性体１１により、各ロータ磁極６から内側に突き出してリング状に繋がった延長部を形成すると、各ロータ磁極６と磁路形成部材５との接合面の磁路を幅広にして内側の磁路断面積を補い、出力を一層大きくできる。なお、磁性体１１の突出部は、放射状のリブ形状や、リング状のみであってもよい。また、突出した磁性体１１は各ロータ磁極６の磁石や、同時に設けた補助磁石９に接していてもよい。

そして、ロータ磁極６の磁石、ヨーク３１、補助磁石９、および突出した磁性体１１は、ロータハウジング内に収納して保持すればよい。

図７はロータハウジング１２内に、ロータ磁極６の磁石、ヨーク３１および、補助磁石９（図示省略）、突出した磁性体１１（図示省略）を収容し、樹脂モールド等により固着してロータ３ａを形成した場合を示し、ロータ３ｂも同様にして形成できる。この場合、簡単かつ安価な樹脂モールド等により、遠心力に耐える堅牢な磁石保持構造を実現できる利点がある。

（第２の実施形態）
第２の実施形態について、図８〜図１１を参照して説明する。なお、以下の各実施形態においては、主に第１の実施形態と相違する構成、効果等について説明する。

図８（ａ）は本実施形態の３相Ａ、Ｂ、Ｃ駆動のアキシャルギャップモータ１ｂの構成を示す軸方向の側面図であり、同図（ｂ）はアキシャルギャップモータ１ｂのモータ軸２の出力側（紙面左側）から見た端面図である。それらの図面において、図１（ａ）、（ｂ）と同一符号は同一もしくは相当するものを示す。

そして、アキシャルギャップモータ１ｂは、アキシャルギャップモータ１ａまたは、アキシャルギャップモータ１ａの各ロータ磁極６を磁性体の突極としたものにおいて、ステータ４が、一方の端面４１ａ側部分（表側部分）のヨーク４１αと他方の端面４１ｂ側部分（裏側部分）のヨーク４１βとからなり、ヨーク４１α、４１β間に磁石１３が配置された構造である。

図９（ａ）、（ｂ）は図８（ａ）の矢印線Ｈ、Ｉの方向に見たステータ４の端面４１ａ、４１ｂの平面図であり、図２（ａ）、（ｂ）と同じ構成、磁極配列である。

そして、磁石１３は、例えば厚みの薄いリング状であり、ステータ４、ロータ３ａ、３ｂ間の磁路中に、コイル８の励磁による磁界と同じ向きの界磁を発生するため、一方の端面４１ａ側の片端面はＮ極、他方の端面４１ｂ側の片端面はＳ極に着磁され、コイル８で励磁される磁束を強める。

このようにすることで、磁石１３のコストを低減しつつ、アキシャルギャップモータ１ｂを軽量、小型で高出力にできる。磁石１３は、逆方向の磁界がかからないため、レアアース元素の添加量を抑えた低グレード品を使用できる。また、同じグレードの磁石を使用した場合は、磁石１３を薄くしてアキシャルギャップモータ１ｂを軽量、小型にできる。

図１０は磁石１３の形状の一例を示し、磁石１３は１枚のリング型磁石で形成されていてもよく、複数の部分円弧形状の分割磁石片を集めてリング状に形成されていてもよい。

つぎに、アキシャルギャップモータ１ｂのヨーク４１α、４１βは、磁石１３との接合面積を大きくするように、図８（ａ）に矢印線で示したようにステータ磁極４１ａ、４１ｂよりも外周側および内周側に延長され径方向に幅広である。そして、磁石１３の面積は、同時に励磁されるロータ磁極６の磁極の面積の合計より大きい。

図１１はアキシャルギャップモータ１ｂの同時に励磁されるロータ磁極６を示し、塗りつぶし状態の４個のロータ磁極６が同時に励磁される。

そして、ヨーク４１α、４１βをステータ磁極４１ａ、４１ｂよりも外周側および内周側に延長することで、局所的な磁気飽和が起こりにくくなり、磁束の低下(トルク低下)を防止できる。磁石１３からヨーク４１α、４１βヘの立上り部の磁路として、周方向だけでなく、径方向（外周側、内周側）も利用できるようになり、磁束を分散できるためである。

また、磁石１３の面積を、同時に励磁されるロータ磁極６の磁極の面積の合計より大きくすることにより、ギャッブ磁束密度を高めることができ、アキシャルギャップモータ１ｂを小型化できる。一般的に、鉄心コアの飽和磁束密度は、磁石の残留磁束密度Brよりも高い。そのため、広い磁石１３の表面から集めた磁束を鉄心コアのステータ磁極７ａ、７ｂに集中させることにより、ステータ磁極７ａ、７ｂを磁石で形成する場合よりも、ギャッブ磁束密度を高くすることができるからである。そして、ステータ４は回転しないので、堅牢な磁石保持構造を備える必要がない。

（第３の実施形態）
第３の実施形態について、図１２〜図１５を参照して説明する。

図１２（ａ）は本実施形態の３相Ａ、Ｂ、Ｃ駆動のアキシャルギャップモータ１ｃの構成を示す軸方向の側面図であり、同図（ｂ）はアキシャルギャップモータ１ｃのモータ軸２の出力側（紙面左側）から見た端面図である。それらの図面において、図１（ａ）、（ｂ）および、図８（ａ）、（ｂ）、と同一符号は同一もしくは相当するものを示す。

そして、アキシャルギャップモータ１ｃは、例えばアキシャルギャップモータ１ａまたは、アキシャルギャップモータ１ａの各ロータ磁極６を磁性体の突極としたものにおいて、磁路形成部材５の少なくとも一部がリング状の磁石１４で形成され、残りの部分に長さ調整用の磁性シム１５を配置し、磁路形成部材５を磁石１４と磁性シム１５とに置換した構造である。

図１３（ａ）、（ｂ）は図８（ａ）の矢印線Ｊ、Ｋの方向に見たステータ４の端面４１ａ、４１ｂの平面図であり、図２（ａ）、（ｂ）と同じ構成、磁極配列である。

図１４（ａ）、（ｂ）は磁性シム１５、磁石１４を示し、それぞれリング状であり、ステータ４、ロータ３ａ、３ｂ間の磁路中に、コイル８の励磁による磁界と同じ向きの界磁を発生するため、ステータ４の一方の端面４１ａ側の片端面はＳ極、ステータ４の他方の端面４１ｂ側の片端面はＮ極に着磁され、コイル８で励磁される磁束を強める。

さらに、磁石１４の軸方向断面積は、同時に励磁されるロータ磁極の表面積合計より大きい。そのため、モータトルクや出力のばらつきを低減できる。

図１５はアキシャルギャップモータ１ｃの同時に励磁されるロータ磁極６を示し、塗りつぶし状態の４個のロータ磁極６が同時に励磁される。

そして、磁路形成部材５に代えて磁石１４を配置するので、コストを低減して磁束を強めることができる。

また、磁石１４には低グレードの安価な磁石(例えばフェライト磁石など)を用いることができる。すなわち、磁石１４には逆方向の磁界がかからない。また、磁石１４は長く(厚く)できる。それにより、パーミアンス係数を大きくできるため、減磁しない動作点に設定することが容易である。また、コイル８や磁極７ａ、７ｂなどの発熱個所から遠ざかった位置にあり、また磁束の変動が少ないことから磁石１４自体の発熱(渦損失)も小さくなり、磁石１４の温度を低くできる。これらの理由により、磁石１４に安価な磁石を用いることができる。

さらに、磁石１４はモータ軸２に近いので遠心力に対して強く堅牢である。

つぎに、磁石１４の内部の渦電流による発熱を防止できる。図１５に示したように、磁石１４、磁性シム１５がロータ磁極６に接合することによって、ロータ磁極６からの(あるいはロータ磁極６への)磁束が平滑される。磁路断面積を確保して、磁束の低下を防止できる。接合した部分がロータ３ａ、３ｂの磁路の延長部となってロータ磁極６から接合面への磁路を補うことができるためである。

なお、磁石１４のような永久磁石の形状の公差等は磁性シム１５を用いて簡単に管理できる利点もある。

そして、磁路形成部材５の全部を磁石１４に置換してもよく、図１２に示したように、磁石１４の外周を非磁性のスリープ５１等で補強することも好ましい。

（第４の実施形態）
第４の実施形態について、図１６〜図２０を参照して説明する。

図１６（ａ）は本実施形態の３相Ａ、Ｂ、Ｃ駆動のアキシャルギャップモータ１ｄの構成を示す軸方向の側面図であり、同図（ｂ）はアキシャルギャップモータ１ｄのモータ軸２の出力側（紙面左側）から見た端面図である。それらの図面において、図１（ａ）、（ｂ）、図８（ａ）、（ｂ）、図１２（ａ）、（ｂ）と同一符号は同一もしくは相当するものを示す。

そして、アキシャルギャップモータ１ｄは、例えばアキシャルギャップモータ１ａまたは、アキシャルギャップモータ１ａの各ロータ磁極６を磁性体の突極としたものにおいて、磁路形成部材５とロータ３ａ、３ｂのロータ磁極６の内周側との間に磁石１６を配置した構造である。なお。磁石１６を配置するため、ロータ３ａ，３ｂのロータハウジング１２は非磁性体で形成される。

そして、間隙となっている個所に磁石１６を配置するので、アキシャルギャップモータ１ｄが大型化することがない。

図１７（ａ）、（ｂ）は図１６（ａ）の矢印線Ｌ、Ｍの方向に見たステータ４の端面４１ａ、４１ｂの平面図であり、図２（ａ）、（ｂ）等と同じ構成、磁極配列である。

図１８は磁石１６を示し、磁石１６はそれぞれリング状であり、ステータ４、ロータ３ａ、３ｂ間の磁路中に、コイル８の励磁による磁界と同じ向きの界磁を発生するため、磁路形成部材５から磁束が流入するロータ３ａ側の磁石１６は、磁路形成部材５側がＮ極、ロータ磁極６の内周側がＳ極であり、磁路形成部材５に磁束が流出するロータ３ｂ側の磁石１６は、磁路形成部材５側がＳ極、ロータ磁極６の内周側がＮ極である。このようにすることで磁束が強められて出力が増大する。なお、磁石１６はいずれか一方を設けてもよい。

また、ロータ３ａ、３ｂは磁石１６により、その外側のロータ磁極６を含む部分と、磁石１６より内周側の磁路形成部材５の接合個所を含むリング状に繋がった部分とに分断された状態になるようにしてもよいが、磁石１６より内周側の部分を省略し、磁石１６の内周面あるいは端面が直接、磁路形成部材５の外周面または端面に接合されるようにしてもよい。

図１９に示すように、ロータ磁極６や磁石１６は非磁性のロータハウジング１２に収納され、モールド樹脂等により固着される。

そして、磁石１６の内周表面積（本発明の端面積）は、同時に励磁されるロータ磁極６の表面積合計より大きいことが好ましい。

この場合、磁石１６は低グレードの磁石(例えばフェライト磁石など)を利用できるため、安価になる。すなわち、磁石１６には逆方向の磁界がかからない。また、コイル８やステータ磁極７ａ、７ｂなどの発熱個所から遠ざかった位置に配置される。また、磁束の変動が少ないこと等により、磁石１６自体の発熱(渦電流損失)も小さく、磁石１６の温度を低くできるからである。

また、非磁性のロータハウジング１２により、磁石１６の短絡磁路を防止できる等により、磁石１６の磁束の低下を防止できる。さらに、ロータ３ａ、３ｂの強度を確保できる利点もある。

さらに、ロータ３ａ、３ｂとの接合面でロータ磁極６からの（あるいはロータ磁極６への）磁束が平滑されるため、磁石１６の内部の渦電流による発熱を防止できる。

また、磁石１６の内周表面積が、同時に励磁されるロータ磁極６の表面積合計より大きいと、十分な磁路断面積を確保して磁束の低下を防止できる。

図２０は上記第１〜第４の実施形態の磁石配置を実施したアキシャルギャップモータ１ｅを示し、磁束は矢印線に示すように交番することなく、また、励磁通電の跨ぎもなくロータ３ａ、３ｂ、ステータ４、磁路形成部材５を通流する。

そして、本発明は上記した各実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行なうことが可能であり、例えば、第１〜第４の実施形態のいずれか１つまたは複数の磁石配置を実施することにより、安価な磁石（永久磁石）を用いて小型化、高効率化を図ることができる。

また、本発明のアキシャルギャップモータは４相以上の多相で駆動される構成であってもよいのは勿論である。また、ロータ磁極６やステータ磁極７ａ、７ｂの個数等は、上記各実施形態のものに限るものではない。さらに、ステータ磁極７ａ、７ｂの磁極が各実施形態と逆であってもよい。

そして、本発明は、電気自動車の駆動モータ等の種々の用途のアキシャルギャップモータに適用することができる。

１ａ〜１ｅ アキシャルギャップモータ
２ モータ軸
３ａ、３ｂ ロータ
４ ステータ
５ 磁路形成部材
６ ロータ磁極
７ａ、７ｂ ステータ磁極
９ 補助磁石
１３、１４、１６ 磁石

Claims (8)

1. 軸方向の一方の端面に周方向に配置された各ステータ磁極をＮ極、前記軸方向の他方の端面に周方向に配置された各ステータ磁極をＳ極に励磁するコイルを有するステータと、
   前記ステータの両側に前記ステータに対向して配置され、それぞれ周方向に複数のロータ磁極が配置されたロータと、
   前記ステータの中心孔を貫通して両ロータ間の磁路を形成する磁路形成部材とを備えたアキシャルギャップモータであって、
   前記ステータ、前記ロータ間の磁路中に、前記コイルの励磁による磁界と同じ向きの界磁を発生する磁石が配置されていることを特徴とするアキシャルギャップモータ。
2. 請求項１に記載のアキシャルギャップモータにおいて、
   ステータは、一方の端面側部分と他方の端面側部分とからなり、
   前記ステータの前記両端面側部分間に磁石が配置されていることを特徴とするアキシャルギャップモータ。
3. 請求項２に記載のアキシャルギャップモータにおいて、
   前記ステータの前記両端面側部分間の磁石はリング形状であり、
   前記ステータの前記両端面側部分および該両端面側部分間の磁石は、前記ロータ磁極より径方向に幅広であることを特徴とするアキシャルギャップモータ。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載のアキシャルギャップモータにおいて、
   前記磁路形成部材の少なくとも一部が磁石で形成されていることを特徴とするアキシャルギャップモータ。
5. 請求項４に記載のアキシャルギャップモータにおいて、
   前記磁路形成部材の少なくとも一部を形成する磁石は、リング形状であることを特徴とするアキシャルギャップモータ。
6. 請求項４または５に記載のアキシャルギャップモータにおいて、
   前記磁路形成部材の少なくとも一部を形成する磁石は、前記ロータの通電相の前記ロータ磁極の総和面積より端面積が大きいことを特徴とするアキシャルギャップモータ。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載のアキシャルギャップモータにおいて、
   前記磁路形成部材と前記ロータの磁極の内周側との間に磁石が配置されていることを特徴とするアキシャルギャップモータ。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載のアキシャルギャップモータにおいて、
   前記ロータの前記ロータ磁極を囲むように磁石が配置されていることを特徴とするアキシャルギャップモータ。

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