JP4680708B2 - アキシャル型モータ - Google Patents

Description

本発明は、アキシャル型モータに関し、詳しくは、界磁側の磁束を所要位置に誘導する磁性体からなる誘導子を備えたものであって、電機子の極性変化と駆動軸の回転とが同期して回転するモータに関するものである。

従来、特開昭５４−１１６６１０号公報や特開平６−８６５１７号公報に開示された発電機では、図８に示すように、駆動軸１が外筒となるブラケット２にベアリング３を介して貫通し、駆動軸１に外嵌固定された継鉄４の外周に界磁巻線５を設けていると共に界磁巻線５の左右から交互に突出する爪形磁極６、７を設け、全体として回転子を形成している。一方、ブラケット２には、爪形磁極６、７に対向して固定子巻線８を設けている。また、界磁巻線５への電力供給は、スリップリング９を介して摺動自在に給電する構成としている。

前記構成によれば、スリップリング９を介して界磁巻線５に直流を供給することで界磁巻線５の図中右側にＮ極が発生し、図中左側にＳ極が発生する場合を考えると、右側から突出する爪形磁極６にＮ極が誘導され、左側から突出する爪形磁極７にＳ極が誘導される。即ち、駆動軸１を中心として巻回された界磁巻線５を１つ設けるだけで、回転子の外周側に複数のＮ極およびＳ極を周方向の交互に発生させることが可能となる。
なお、モータにおいても誘導子を備えた前記発電機と同様の構成のものがある。

しかしながら、界磁巻線５は回転子の一部として形成されており、回転運動を行う界磁巻線５への給電はスリップリング９を介して摺動接触にて行わねばならず、構造が複雑化してしまうと共に、スリップリング９での接触摩耗による低寿命化の問題や、スリップリング９での摺動接触が不安定化すると給電も安定しないという問題がある。
特開昭５４−１１６６１０号公報 特開平６−８６５１７号公報

本発明は、前記問題に鑑みてなされたもので、モータにおけるコイルへの給電構造等を簡素化できるようにし、かつ、漏れ磁束を低減してエネルギーの損失を低減することを課題としている。

前記課題を解決するため、本発明は、電機子側固定子、該電機子側固定子の両側に配置される誘導子を備えた一対の第１回転子と第２回転子、これら第１回転子と第２回転子の他側にそれぞれ配置される一対の第１界磁側固定子と第２界磁側固定子を、駆動軸の軸線方向に空隙をあけて配置し、前記第１、第２回転子を前記駆動軸に配置しているアキシャル型モータであって、
前記電機子側固定子には、周方向に間隔をあけて複数の電機子コイルが配置され、
前記第１、第２界磁側固定子には、前記駆動軸の軸線回りに円環状に第１、第２界磁コイルがそれぞれ配置され、これら第１、第２界磁コイルには逆方向に電流が通電され、
前記第１回転子には、一端面が前記電機子コイルに対向すると共に他端面が前記第１界磁コイルの外周側に対向する磁性体からなる第１誘導子と、一端面が前記電機子コイルに対向すると共に他端面が前記第１界磁コイルの内周側に対向する磁性体からなる第２誘導子とが、周方向に交互に配置され、
前記第２回転子には、一端面が前記電機子コイルの他端面と対向すると共に他端面が前記第２界磁コイルの内周側に対向する磁性体からなる第３誘導子と、一端面が前記電機子コイルの他端面と対向すると共に他端面が前記第２界磁コイルの外周側に対向する磁性体からなる第４誘導子とが、周方向に交互に配置され、
前記第１、第２界磁側固定子に設けた第１、第２界磁コイルに発生する磁束方向が逆方向であることを特徴とするアキシャル型モータを提供している。

前記構成によれば、界磁コイルと電機子コイルとの両方が固定子に取り付けられているため、コイルへの給電にスリップリング等の摺接部材を用いる必要がなくなり、給電構造を簡素化できると共に、スリップリング等での接触摩耗による低寿命化の問題や給電不安定の問題も解消することが可能となる。
また、第１界磁コイルと第２界磁コイルとで通電する電流の方向を逆方向としているため、第１界磁コイルと第２界磁コイルへの通電により発生する磁束の方向も逆方向となり、２つの第１、第２界磁コイルへの通電により両方の界磁コイルの周囲に発生する漏れ磁束が発生しない。よって、漏れ磁束を低減して、エネルギーの損失を低減することができる。

前記界磁コイルあるいは／および電機子コイルを超電導材で形成していることが好ましい。
前記構成によれば、界磁コイルあるいは／および電機子コイルを超電導材で形成することで、発熱の心配がなく大電流を給電することが可能となり、発生する磁束を大幅に強化でき、高出力化を図ることができる。
また、超電導化を図ることで大電流密度が得られるため、界磁体および電機子コイルを小さくすることができ、モータを小型軽量化できる。
なお、超電導材としてはビスマス系やイットリウム系等の高温超電導材を用いると好適である。

前記誘導子の前記軸線方向と直交する方向の断面積を同一としていることが好ましい。
前記構成によれば、磁束が誘導子内で飽和しにくくなり、界磁コイルで発生した磁束を電機子コイル側に効率良く導くことができ、回転子を高効率で回転させることができる。

また、前記第１〜第４誘導子の断面積は略同一としていると好ましい。
前記構成によれば、各誘導子の断面積を均一にすることで、電機子コイルとの間で発生する吸引力／反発力が一定となり、回転子の回転バランスを安定化することができる。

以上の説明より明らかなように、本発明によれば、界磁コイルと電機子コイルとの両方が固定子に取り付けられているため、コイルへの給電にスリップリング等の摺接部材を用いる必要がなくなり、給電構造を簡素化できると共に、スリップリング等での接触摩耗による低寿命化の問題や給電不安定の問題も解消することが可能となる。
また、第１界磁コイルと第２界磁コイルとで通電する電流の方向を逆方向としているため、第１界磁コイルと第２界磁コイルへの通電により発生する磁束の方向も逆方向となり、２つの第１、第２界磁コイルへの通電により両方の界磁コイルの周囲に発生する漏れ磁束が発生しない。よって、漏れ磁束を低減して、エネルギーの損失を低減することができる。

本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
図１乃至６は本発明の実施形態を示し、誘導子を備えたのアキシャル型モータ１０は、第１界磁側固定子１１、第１回転子１２、電機子側固定子１３、第２回転子１４、第２界磁側固定子１５の順番に駆動軸３４で貫通し、第１、第２界磁側固定子１１、１５および電機子側固定子１３は設置面Ｇに固定すると共に駆動軸３４と空隙をあけ、第１、第２回転子１２、１４は駆動軸３４に外嵌固定している。

図２及び図３に示すように、第１界磁側固定子１１と第２界磁側固定子１５とは左右対称である。
第１、第２界磁側固定子１１、１５は、設置面Ｇに固定された磁性体からなるヨーク１６、２９と、ヨーク１６、２９に埋設された真空断熱構造の断熱冷媒容器１７、３０と、該断熱冷媒容器１７、３０に収容された超電導材からなる巻線である第１、第２界磁コイル１８、３１とを備えている。
図２（Ａ）及び図３（Ａ）に示すように、第１、第２界磁側固定子１１、１５を第１、第２界磁コイル１８、３１を配置した側の正面から見た状態で、第１、第２界磁コイル１８、３１には共に時計回り方向に電流が通電される。第１界磁側固定子１１と第２界磁側固定子１５とは、図１に示すように、コイル配置側を対向させて配置しているため、第１界磁コイル１８と第２界磁コイル３１とには逆方向に電流が通電される。

第１、第２界磁側固定子１１、１５のヨーク１６、２９は、中央に駆動軸３４の外径より大きく穿設された遊嵌穴１６ｂ、２９ｂと、遊嵌穴１６ｂ、２９ｂを中心として円環状に凹設された溝部１６ａ、２９ａとを備えている。断熱冷媒容器３０には液体窒素を循環させた状態で界磁コイル１８、３１を収容しており、その断熱冷媒容器１７、３０を溝部１６ａ、２９ａに埋設している。
なお、ヨーク１６、２９は、パーメンダー、珪素鋼板、鉄、パーマロイ等の磁性体で形成している。また、界磁コイル１８、３１を形成する超電導材としては、ビスマス系やイットリウム系等の超電導材を用いている。

第１界磁側固定子１１と電機子側固定子１３との間に配置される第１回転子１２は、円盤形状で非磁性材料からなり駆動軸の取付穴１９ａを有する支持部１９と、取付穴１９ａを中心として点対称位置に埋設された一対の第１誘導子２０と、該第１誘導子２０から９０°回転した位置に埋設された一対の第２誘導子２１とを備えている。
第１、第２誘導子２０、２１は、電機子側固定子１３と対向する扇形状の一端面２０ａ、２１ａをそれぞれ同心円上の等間隔に配置すると共に互いに同一面積としている。
第１誘導子２０の他端面２０ｂは、第１界磁コイル１８の外周側のＮ極発生位置に対向するように配置され、図４（Ｃ）に示すように、第１界磁コイル１８の外周側に対向配置される円弧状としている。
第２誘導子２１の他端面２１ｂは、第１界磁コイル１８の内周側のＳ極発生位置に対向するように配置され、図４（Ｃ）に示すように、第１界磁コイル１８の内周側に対向配置される円弧状としている。

一方、第２界磁側固定子１５と電機子側固定子１３との間に配置される第２回転子１４は、円盤形状で非磁性材料からなり駆動軸の取付穴２６ａを有する支持部２６と、取付穴２６ａを中心として点対称位置に埋設された一対の第３誘導子２７と、該第３誘導子２７から９０°回転した位置に埋設された一対の第４誘導子２８とを備えている。
第３誘導子２７および第４誘導子２８は、電機子側固定子１３と対向する扇形状の一端面２７ａ、２８ａをそれぞれ同心円上の等間隔に配置すると共に互いに同一面積としている。
第３誘導子２７の他端面２７ｂは、第２界磁コイル３１の内周側のＳ極発生位置に対向するように配置され、図５（Ｃ）に示すように、第２界磁コイル３１の内周側に対向配置される円弧状としている。
第４誘導子２８の他端面２８ｂは、第２界磁コイル３１の外周側のＮ極発生位置に対向するように配置され、図５（Ｃ）に示すように、第２界磁コイル３１の外周側に対向配置される円弧状としている。

即ち、第１〜第４誘導子２０、２１、２７、２８は、円弧状の他端面２０ｂ、２１ｂ、２７ｂ、２８ｂから軸線方向に向けて断面形状を変化させることで一端面２０ａ、２１ａ、２７ａ、２８ａでは扇形状となる立体形状としている。また、第１〜第４誘導子２０、２１、２７、２８の断面積は、他端面２０ｂ、２１ｂ、２７ｂ、２８ｂから一端面２０ａ、２１ａ、２７ａ、２８ａまで一定としている。また、第１、第４誘導子２０、２８の他端面２０ｂ、２８ｂは、第２、第３誘導子２１、２７の他端面２１ｂ、２７ｂと同一面積としている。

前記第１回転子１２の第１誘導子２０と第２回転子１４の第３誘導子２７とは周方向の同一箇所に配置されており、電機子コイル２４を介して対抗配置されている。同様に、第１回転子１２の第２誘導子２１と第２回転子１４の第４誘導子２８とは周方向の同一箇所に配置されており、電機子コイル２４を介して対抗配置されている。
なお、支持部２６は、ＦＲＰやステンレス等の非磁性材料で形成している。また、各誘導子は、パーメンダー、珪素鋼板、鉄、パーマロイ等の磁性体で形成している。

電機子側固定子１３は、図１及び図６に示すように、設置面Ｇに固定された非磁性体からなる支持部２２と、該支持部２２に埋設された真空断熱構造の断熱冷媒容器２３と、該断熱冷媒容器２３に収容された超電導材からなる巻線である電機子コイル２４とを備えている。
支持部２２は、中央に駆動軸３４の外径より大きく穿設された遊嵌穴２２ｂと、該遊嵌穴２２ｂを中心として周方向に等間隔に穿設された４つの取付穴２２ａとを備えている。断熱冷媒容器２３には液体窒素を循環させた状態で電機子コイル２４を収容していると共に電機子コイル２４の中空部には磁性体からなるフラックスコレクタ２５を配置している。内部に電機子コイル２４を収容した４つの断熱冷媒容器２３を各コイル取付穴２２ａにそれぞれ埋設している。
なお、フラックスコレクタ２５は、パーメンダー、珪素鋼板、鉄、パーマロイ等の磁性体で形成している。また、電機子コイル２４を形成する超電導材としては、ビスマス系やイットリウム系等の超電導材を用いている。また、支持部２２は、ＦＲＰやステンレス等の非磁性材料で形成している。

第１、第２界磁コイル１８、３１と電機子コイル２４には配線を介して給電装置３２が接続され、第１、第２界磁コイル１８、３１に直流を供給すると共に、電機子コイル２４には三相交流を供給している。
断熱冷媒容器１７、２３、３０には断熱配管を介して液体窒素タンク３３が接続され、液体窒素を冷媒として循環している。

次に、アキシャル型モータ１０の動作原理について説明する。
第１界磁コイル１８に直流を給電すると、外周側にＮ極が発生すると共に内周側にＳ極が発生する。すると、図１（Ａ）に示すように、Ｎ極側の磁束が他端面２０ｂより第１誘導子２０内に導入され、一端面２０ａにＮ極磁束が現れる。また、図１（Ｂ）に示すように、Ｓ極側の磁束は他端面２１ｂより第２誘導子２１内に導入され、一端面２１ａにＳ極磁束が現れる。ここで、他端面２０ｂ、２１ｂは第１界磁コイル１８の内外周に沿った同心円上に配置されているので、回転子１２が回転しても第１誘導子２０の一端面２０ａには常にＮ極が現れ、第２誘導子２１の一端面２１ａには常にＳ極が現れることとなる。
同様の原理により、第２界磁コイル３１に直流を給電すると、回転子１４の第３誘導子２７の一端面２７ａには常にＳ極が現れ、第４誘導子２８の一端面２８ａには常にＮ極が現れる。

この状態から電機子コイル２４に三相交流を給電すると、三相間の給電位相ズレにより電機子側固定子１３の軸線回りに回転磁界が発生し、この回転磁界の影響で回転子１２、１４の第１〜第４誘導子２０、２１、２７、２８に軸線回りの回転力が発生し、回転子１２、１４が回転して駆動軸３４が回転駆動される。

前記構成によれば、図７（Ａ）に示すように、第１界磁コイル１８と第２界磁コイル３１とで逆方向に電流を通電しているため、回転子の誘導子を通過する磁束以外にそれぞれ矢印で示す逆方向の磁束Ｂ１、Ｂ２が発生する。
これに対し、図７（Ｂ）の比較例に示すように、第１界磁コイル１８’と第２界磁コイル３１’とで同一方向に電流を通電すると、第１界磁コイル１８’への通電により発生する磁束と第２界磁コイル３１’への通電により発生する磁束とが同一方向となるため、漏れ磁束Ｂ３が発生する。
このように、本実施形態のアキシャル型モータ１０では、第１界磁コイル１８と第２界磁コイル３１とで逆方向に電流を通電することにより、図７（Ｂ）に示すような漏れ磁束の発生を防止することができ、エネルギーの損失を低減することができる。

また、第１、第２界磁コイル１８、３１が取り付けられた第１、第２界磁側固定子１１、１５と電機子コイル２４が取り付けられた電機子側固定子は回転せず、第１〜第４誘導子２０、２１、２７、２８が固定された第１、第２回転子１２、１４のみが駆動軸３４と共に回転するため、各コイル１８、３１、２４への給電にスリップリング等の摺接部材が不要となり、給電構造の簡素化および給電安定化を図ることができると共に、モータの長寿命化にも貢献する。

なお、第１、第２界磁コイル１８、３１あるいは／および電機子コイル２４は、銅線等の常電導材で形成してもよく、その場合には常電導線について冷却構造を不要とすることができる。

（Ａ）は本発明の実施形態のアキシャル型モータの断面図、（Ｂ）は９０°回転させた位置での断面図である。 第１界磁側固定子を示し、（Ａ）は正面図、（Ｂ）はＡ−Ａ線断面図である。 第２界磁側固定子を示し、（Ａ）は正面図、（Ｂ）はＢ−Ｂ線断面図である。 第１回転子を示し、（Ａ）は正面図、（Ｂ）はＣ−Ｃ線断面図、（Ｃ）は背面図、（Ｄ）はＤ−Ｄ線断面図である。 第２回転子を示し、（Ａ）は正面図、（Ｂ）はＥ−Ｅ線断面図、（Ｃ）は背面図、（Ｄ）はＦ−Ｆ線断面図である。 電機子側固定子の正面図である。 （Ａ）は界磁コイルへの通電により発生する磁束の一部を示す概略図、（Ｂ）は比較例を示す図面である。 従来例を示す図面である。

符号の説明

１０ アキシャル型モータ
１１ 第１界磁側固定子
１２ 第１回転子
１３ 電機子側固定子
１４ 第２回転子
１５ 第２界磁側固定子
１８ 第１界磁コイル
２０ 第１誘導子
２１ 第２誘導子
２４ 電機子コイル
２７ 第３誘導子
２８ 第４誘導子
３１ 第２界磁コイル
３４ 駆動軸

Claims (3)

1. 電機子側固定子、該電機子側固定子の両側に配置される誘導子を備えた一対の第１回転子と第２回転子、これら第１回転子と第２回転子の他側にそれぞれ配置される一対の第１界磁側固定子と第２界磁側固定子を、駆動軸の軸線方向に空隙をあけて配置し、前記第１、第２回転子を前記駆動軸に配置しているアキシャル型モータであって、
   前記電機子側固定子には、周方向に間隔をあけて複数の電機子コイルが配置され、
   前記第１、第２界磁側固定子には、前記駆動軸の軸線回りに円環状に第１、第２界磁コイルがそれぞれ配置され、これら第１、第２界磁コイルには逆方向に電流が通電され、
   前記第１回転子には、一端面が前記電機子コイルに対向すると共に他端面が前記第１界磁コイルの外周側に対向する磁性体からなる第１誘導子と、一端面が前記電機子コイルに対向すると共に他端面が前記第１界磁コイルの内周側に対向する磁性体からなる第２誘導子とが、周方向に交互に配置され、
   前記第２回転子には、一端面が前記電機子コイルの他端面と対向すると共に他端面が前記第２界磁コイルの内周側に対向する磁性体からなる第３誘導子と、一端面が前記電機子コイルの他端面と対向すると共に他端面が前記第２界磁コイルの外周側に対向する磁性体からなる第４誘導子とが、周方向に交互に配置され、
   前記第１、第２界磁側固定子に設けた第１、第２界磁コイルに発生する磁束方向が逆方向であることを特徴とするアキシャル型モータ。
2. 前記界磁コイルあるいは／および電機子コイルを超電導材で形成している請求項１に記載のアキシャル型モータ。
3. 前記誘導子の前記軸線方向と直交する方向の断面積を同一としている請求項１または請求項２に記載のアキシャル型モータ。

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