特許 5673959 アキシャルギャップモータ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5673959

(24)【登録日】2015年1月9日

(45)【発行日】2015年2月18日

(54)【発明の名称】アキシャルギャップモータ

(51)【国際特許分類】

   H02K 1/27 20060101AFI20150129BHJP

   H02K 21/24 20060101ALI20150129BHJP

【ＦＩ】

   H02K1/27 503

   H02K21/24 M

【請求項の数】6

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2011-536136(P2011-536136)

(86)(22)【出願日】2010年10月12日

(86)【国際出願番号】JP2010067860

(87)【国際公開番号】WO2011046108

(87)【国際公開日】20110421

【審査請求日】2013年8月26日

(31)【優先権主張番号】特願2009-239688(P2009-239688)

(32)【優先日】2009年10月16日

(33)【優先権主張国】JP

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２０年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、ＮＥＤＯ委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願、題目「次世代自動車用高性能蓄電システム技術開発／要素技術開発／脱レアアース次世代モータの研究開発（高速スイッチドリラクタンスモータおよび３次元モータの研究開発）

(73)【特許権者】

【識別番号】504173471

【氏名又は名称】国立大学法人北海道大学

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100113435

【弁理士】

【氏名又は名称】黒木 義樹

(74)【代理人】

【識別番号】100124800

【弁理士】

【氏名又は名称】諏澤 勇司

(74)【代理人】

【識別番号】100154656

【弁理士】

【氏名又は名称】鈴木 英彦

(72)【発明者】

【氏名】竹本 真紹

(72)【発明者】

【氏名】小笠原 悟司

【審査官】 尾家 英樹

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００１−１３６７２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−１５１７２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−３０４５６２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｋ １／００− １／３４

Ｈ０２Ｋ ２１／００− ２１／４８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ロータと、
前記ロータの回転軸の方向からギャップを介して前記ロータを挟むように、前記ロータと対向して設けられた一対のステータと、
を備え、
前記ロータは、
前記回転軸の周方向に沿って互いに離間して設けられた複数の非希土類磁石と、
前記複数の非希土類磁石の間に非磁性体部又は空間ギャップを介して設けられた複数の磁性体部と、
を有し、
前記複数の非希土類磁石の着磁方向は、それぞれ前記回転軸の方向に沿っており、
前記複数の磁性体部の透磁率は、前記複数の非希土類磁石の透磁率よりも大きく、
前記複数の非希土類磁石及び前記複数の磁性体部は、前記ロータの前記一対のステータとの対向面を規定し、
前記複数の非希土類磁石のそれぞれと前記複数の磁性体部のそれぞれとの前記回転軸の周方向に沿った離間距離は、前記ロータと前記一対のステータ間の前記ギャップの前記回転軸に沿った方向の幅よりも大きいことを特徴とするアキシャルギャップモータ。

【請求項2】

前記複数の非希土類磁石の残留磁束密度は、２００ｍＴ以上、６００ｍＴ以下であることを特徴とする請求項１に記載のアキシャルギャップモータ。

【請求項3】

前記複数の非希土類磁石のリコイル透磁率は、１．０以上、２．０以下であ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モータ。

【請求項4】

前記複数の非希土類磁石の着磁方向は、前記回転軸の周方向に沿って交互に反転することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のアキシャルギャップモータ。

【請求項5】

前記複数の非希土類磁石のそれぞれの体積は、前記複数の磁性体部のそれぞれの体積よりも大きいことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のアキシャルギャップモータ。

【請求項6】

前記非希土類磁石は、フェライト磁石であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のアキシャルギャップモータ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、アキシャルギャップモータに関する。

【背景技術】

【0002】

ロータと、ロータの回転軸の方向からギャップを介してロータと対向するステータとを有するアキシャルギャップモータとして、例えば下記特許文献１〜４に記載されたものが知られている。

【0003】

下記特許文献１〜４に記載のアキシャルギャップモータのロータは、回転軸の周方向に互いに離間して設けられた永久磁石と、これらの永久磁石の間に設けられた軟磁性体部（永久磁石間軟磁性体部）とを有している。このように設けられた軟磁性体部に起因して、リラクタンストルクが増大し、モータトルクが増大することが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００６−５０７０６号公報

【特許文献2】特開２００８−２７８６４９号公報

【特許文献3】特開２００８−１９９８９５号公報

【特許文献4】特開２００５−９４９５５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上述のようなアキシャルギャップモータのロータに使用される永久磁石としては、一般に残留磁束密度の大きい希土類磁石が用いられる。しかし、希土類磁石の原材料となるネオジム（Ｎｄ）やジスプロシウム（Ｄｙ）等のレアアースは、産出地が特定の地域に偏在し、また、近年使用量が急激に増加している。そのため、レアアースは、安定供給及び価格の点において難点がある。

【0006】

そのため、アキシャルギャップモータのロータに使用される永久磁石として、希土類磁石に替えてフェライト磁石等の非希土類磁石を用いることが考えられる。しかしながら、従来のアキシャルギャップモータにおいて希土類磁石を非希土類磁石に替えることには、以下のような問題がある。

【0007】

即ち、非希土類磁石の残留磁束密度は希土類磁石の残留磁束密度よりも小さいため、その分マグネットトルクが減少する。そのため、マグネットトルクの減少を抑制することが可能であると共に、リラクタンストルクを増加させることが可能な構成を有するアキシャルギャップモータを採用することが好ましい。しかしながら、従来のアキシャルギャップモータにおいて希土類磁石を非希土類磁石に替えた場合、これらを両立させることが困難であった。

【0008】

例えば、上記特許文献１に記載のアキシャルギャップモータのロータにおいては、永久磁石のステータ側の面には軟磁性材料からなるロータバックコアが設けられている。また、上記特許文献２に記載のアキシャルギャップモータのロータにおいては、永久磁石は軟磁性材料からなる一対の磁性体によって回転軸方向から挟まれている。即ち、永久磁石の一対のステータ側の両面には軟磁性材料からなる一対の磁性体が設けられている。

【0009】

そのため、上記特許文献１及び２に記載のアキシャルギャップモータにおいては、永久磁石のステータ側の面に設けられた部材が原因で、非希土類磁石が薄くなってしまい、ロータ全体の体積のうち非希土類磁石の体積が占める割合を大きくすることができなかった。その結果、ロータ全体の体積のうち非希土類磁石の体積が占める割合を大きくすることが困難であるため、マグネットトルクの減少を抑制することが困難であった。

【0010】

さらに、永久磁石のステータ側の面には軟磁性材料からなる部材が設けられているため、ステータから発生した磁束は、永久磁石のステータ側の面にある磁性体に引き寄せられる。そのため、一方のステータから他方のステータまで至る磁束は、永久磁石間軟磁性体部内だけでなく、永久磁石内もある程度通過する。その結果、永久磁石間軟磁性体部内を通過する磁束が減少することに起因してリラクタンストルクが減少してしまうと共に、永久磁石内を通過する磁束、特に弱め界磁磁束に起因して非希土類磁石に不可逆減磁が生じてしまい、マグネットトルクが減少してしまうという問題があった。

【0011】

また、図１は、上記特許文献３に記載のアキシャルギャップモータにおけるロータ近傍の、回転軸の周方向に沿った模式的な断面を示す図である。上記特許文献３に記載のアキシャルギャップモータにおいては、図１に示すように、ロータ３の永久磁石８は、ロータ３の回転軸と直交する方向（図１の左右方向）に着磁している。即ち、永久磁石８の磁極面８ｍＳは、ステータ４のロータ３との対向面４Ｓと直交している。そのため、永久磁石８から発生する磁束８ｍは、永久磁石８から永久磁石間軟磁性体部９に向かい、さらに、永久磁石間軟磁性体部９から一対のステータ４の方向に向かう。そのため、永久磁石８によって磁化される永久磁石間軟磁性体部９の一対のステータ４側の一対の面は、同極となってしまう。その結果、一対のステータ４から生じる磁束４ｍの多くは一方のステータ４から永久磁石間軟磁性体部９を経由して他方のステータ４へ向かうことができず、ステータ４から発生した磁束は再び同一のステータ４へ戻ってしまう。そのため、ステータ４から発生し永久磁石間軟磁性体部９内を通過する磁束が減少するため、リラクタンストルクが減少してしまうという問題があった。

【0012】

また、上記特許文献４に記載のアキシャルギャップモータにおいては、上記特許文献４の図４に記載されているように、永久磁石と永久磁石間軟磁性体部が直接接している。そのため、永久磁石として非希土類磁石を用いると、その非希土類磁石と永久磁石間軟磁性体部は磁気的に結合してしまう。非希土類磁石の残留磁束密度は希土類磁石の残留磁束密度よりも小さいため、ステータからの磁束、特に弱め界磁磁束が永久磁石間軟磁性体部を通過して永久磁石間軟磁性体部の磁化の向きが変化すると、その変化に引きずられるように非希土類磁石の磁化もある程度変化してしまう。その結果、非希土類磁石に不可逆減磁が生じてしまい、マグネットトルクが減少してしまうという問題があった。

【0013】

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、永久磁石として非希土類磁石を用いたアキシャルギャップモータであって、マグネットトルクの減少を抑制することが可能であると共に、リラクタンストルクを増加させることが可能なアキシャルギャップモータを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0014】

上述の課題を解決するため、本発明に係るアキシャルギャップモータは、ロータと、ロータの回転軸の方向からギャップを介してロータを挟むように、ロータと対向して設けられた一対のステータとを備え、ロータは、回転軸の周方向に沿って互いに離間して設けられた複数の非希土類磁石と、複数の非希土類磁石の間に非磁性体部又は空間ギャップを介して設けられた複数の磁性体部とを有し、複数の非希土類磁石の着磁方向は、それぞれ回転軸の方向に沿っており、複数の磁性体部の透磁率は、複数の非希土類磁石の透磁率よりも大きく、複数の非希土類磁石及び複数の磁性体部は、ロータの一対のステータとの対向面を規定することを特徴とする。

【0015】

本発明に係るアキシャルギャップモータでは、複数の非希土類磁石及び複数の磁性体部は、ロータの一対のステータとの対向面を規定するため、複数の非希土類磁石の一対のステータ側の面には、ロータバックコア等の部材は何も存在しない。そのため、そのような部材のために非希土類磁石が薄くなってしまうことはないため、ロータ全体の体積のうち非希土類磁石の体積が占める割合を大きくすることができる。その結果、ロータ全体の体積のうち非希土類磁石の体積が占める割合が小さいことに起因するマグネットトルクの減少を抑制することが可能となる。

【0016】

また、複数の磁性体部の透磁率は、複数の非希土類磁石の透磁率よりも大きい上に、複数の非希土類磁石の一対のステータ側の面には軟磁性材料からなる部材は存在しないため、ステータから発生した磁束が非希土類磁石のステータ側の面の方向に引き寄せられることは抑制される。そのため、一方のステータから発生し他方のステータへ向かう磁束の大部分は非希土類磁石を経由することなく、複数の非希土類磁石間に設けられた磁性体部内を経由する。その結果、ステータから発生した磁束の大部分は磁性体部内に導かれるため、リラクタンストルクを増加させることが可能である。また、非希土類磁石内を通過する磁束による非希土類磁石の不可逆減磁は抑制される。その結果、非希土類磁石内を通過する磁束による非希土類磁石の不可逆減磁に起因するマグネットトルクの減少を抑制することが可能である。

【0017】

また、非希土類磁石の着磁方向は回転軸の方向に沿っているため、非希土類磁石が発生する磁束によって磁性体部の一対のステータ側の面が同極に磁化されることはない。そのため、一方のステータから他方のステータへ向かう磁束が磁性体部内を経由することは妨げられないため、磁性体部の一対のステータ側の面が同極に磁化された場合に生じるようなリラクタンストルクの減少の問題は生じない。

【0018】

また、複数の磁性体部は、非磁性体部又は空間ギャップを介して複数の非希土類磁石の間に設けられているため、非希土類磁石と磁性体部との磁気的な結合を抑制することができる。そのため、ステータからの磁束、特に弱め界磁磁束が磁性体部を通過して磁性体部の磁化の向きが変化しても、その変化に引きずられるように非希土類磁石の磁化が変化することは抑制される。その結果、非希土類磁石の不可逆減磁は抑制されるため、マグネットトルクの減少を抑制することができる。

【0019】

以上のように、本発明に係るアキシャルギャップモータによれば、マグネットトルクの減少を抑制することが可能であると共に、リラクタンストルクを増加させることが可能となる。

【0020】

さらに、本発明に係るアキシャルギャップモータにおいて、複数の非希土類磁石の残留磁束密度は、２００ｍＴ以上、６００ｍＴ以下であることが好ましい。

【0021】

さらに、本発明に係るアキシャルギャップモータにおいて、複数の非希土類磁石のリコイル透磁率は、１．０以上、２．０以下であることが好ましい。

【0022】

さらに、本発明に係るアキシャルギャップモータにおいて、複数の非希土類磁石の着磁方向は、回転軸の周方向に沿って交互に反転することが好ましい。これにより、一対のステータから発生する回転磁束によって、ロータを効率よく回転させることが可能となる。

【0023】

さらに、本発明に係るアキシャルギャップモータにおいて、複数の非希土類磁石のそれぞれの体積は、複数の磁性体部のそれぞれの体積よりも大きいことが好ましい。これにより、マグネットトルクの減少を十分に抑制することが可能となる。

【0024】

さらに、本発明に係るアキシャルギャップモータにおいて、非希土類磁石は、フェライト磁石であることができる。

【発明の効果】

【0025】

本発明によれば、永久磁石として非希土類磁石を用いたアキシャルギャップモータであって、マグネットトルクの減少を抑制することが可能であると共に、リラクタンストルクを増加させることが可能なアキシャルギャップモータが提供される。

【図面の簡単な説明】

【0026】

【図1】従来のアキシャルギャップモータにおけるロータ近傍の、回転軸の周方向に沿った模式的な断面を示す図である。

【図2】実施形態に係るアキシャルギャップモータの断面構成を模式的に示す図である。

【図3】ロータ及び一対のステータを互いに回転軸の方向に離間させた状態を示す斜視図である。

【図4】ロータを示す斜視図である。

【図5】非希土類磁石の要素、枠部材、及び、ロータ軸の構成を示す図である。

【図6】ロータを示す斜視図である。

【図7】実施形態のアキシャルギャップモータのロータ近傍の、回転軸の周方向に沿った模式的な断面を示す図である。

【図8】解析で用いた実施例の諸条件を示す図である。

【図9】平均トルクの推移の解析結果を示す図である。

【図10】ロータのフェライト磁石の減磁体積比の電流密度依存性の解析結果を示す図である。

【図11】スロット数とＵ相鎖交磁束の減少率の関係を示す図である。

【図12】ターン数と、平均トルク及びＵ相鎖交磁束の減少率との関係を示す図である。

【図13】非希土類磁石の幅と平均トルク及びトルクリプルとの関係を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0027】

以下、実施の形態に係るアキシャルギャップモータについて、添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図面において、可能な場合には同一要素には同一符号を用いる。また、図面中の構成要素内及び構成要素間の寸法比は、図面の見易さのため、それぞれ任意となっている。

【0028】

図２は、本実施形態に係るアキシャルギャップモータの断面構成を模式的に示す図である。図２に示すように、本実施形態のアキシャルギャップモータ１０は、ロータ１１と、一対のステータ２１と、ロータ軸１９と、ケース２９とを備えている。

【0029】

ロータ１１は円筒状の部材であり、その円筒形状の中心線に沿った回転軸１１ａの周りに回転する部材である。ロータ軸１９は、ロータ１１を貫通し、ロータ１１は、その内周面においてロータ軸１９と固定されている。ロータ軸１９は回転軸１１ａに沿った方向、即ち、ロータ１１の高さ（厚さ）方向に延びる部材であり、回転軸１１ａを規定する。

【0030】

一対のステータ２１は、それぞれ円筒状の部材である。一対のステータ２１は、ロータ１１の回転軸１１ａの方向からギャップＧ（空間ギャップ）を介してロータ１１を挟むように、ロータ１１と対向して設けられている。即ち、一対のステータ２１の対向面２１Ｓは、ロータ１１の対向面１１Ｓと対向する。ロータ軸１９は、一対のステータ２１を貫通し、一対のステータ２１の内周面は、ロータ軸１９と固定されていない。

【0031】

ケース２９は、ロータ１１及び一対のステータ２１を内部に収容する部材である。ケース２９は、ベアリング等を介してロータ軸１９を回転可能に支持している。一対のステータ２１は、ケース２９に固定されている。

【0032】

続いて、ロータ１１及びステータ２１について、より詳細に説明する。

【0033】

図３は、ロータ及び一対のステータを互いに回転軸の方向に離間させた状態を示す斜視図であり、図４は、ロータを示す斜視図である。

【0034】

図３及び図４に示すように、ロータ１１は、回転軸１１ａの周方向に沿って互いに離間して設けられた複数の非希土類磁石１３と、複数の非希土類磁石１３の間に設けられた複数の磁性体部１５と、非希土類磁石１３、磁性体部１５、及び、ロータ軸１９を互いに固定するための枠部材１７とを有している。

【0035】

複数の非希土類磁石１３は、それぞれ例えばフェライト磁石やアルニコ磁石等の希土類磁石以外の永久磁石である。非希土類磁石１３の数は、本実施形態では８個であるが、特に制限されない。複数の非希土類磁石１３の着磁方向は、それぞれ回転軸１１ａに沿っている。本実施形態においては、複数の非希土類磁石１３の着磁方向は、回転軸１１ａの周方向に沿って交互に反転している。また、本実施形態においては複数の非希土類磁石１３はそれぞれ、回転軸１１ａに沿った方向を厚さ方向とし、回転軸１１ａと垂直な方向に延びると共に回転軸１１ａ中に中心点を有する円弧帯状をなしている。

【0036】

複数の磁性体部１５は、非希土類磁石１３同様に、回転軸１１ａに沿った方向を厚さ方向とし、回転軸１１ａと垂直な方向に延びると共に回転軸１１ａ中に中心点を有する円弧帯状をなしている。磁性体部１５の数は、本実施形態では８個であるが、特に制限されない。磁性体部１５の透磁率は、非希土類磁石１３の透磁率よりも大きい。磁性体部１５は、例えば圧粉鉄心やＳ４５Ｃ等の鉄や電気機器用磁性材料等の磁性材料で構成されている。

【0037】

また、複数の非希土類磁石１３及び複数の磁性体部１５は、ロータ１１の一対のステータ２１との対向面１１Ｓ（図２参照）を規定する。

【0038】

また、図３に示すように、一対ステータ２１は、それぞれ軟磁性材料からなるステータコア２３と、コイル部２５とを有する。ステータコア２３は、円筒状部材と、円筒状部材からロータ１１の方向に突出した複数のティースとを有する。ティースの回転軸１１ａと垂直な面に沿っての断面は、例えば円弧帯状である。複数のティースの周りには、コイル部２５が捲回されている。コイル部２５は、通電されることにより一方のステータ２１と他方のステータ２１との間の領域において、回転軸１１ａに沿った方向に回転磁束を発生させる。この回転磁束によって生じるトルクによって、ロータ１１は回転軸１１ａの周りに回転する。

【0039】

図５は、非希土類磁石の要素、枠部材、及び、ロータ軸の構成を示す図である。図５では、枠部材１７及びロータ軸１９と、その他の部材とを、回転軸１１ａに沿った方向に離間させた状態を示している。

【0040】

枠部材１７は、ステンレス鋼等の非磁性材料で構成されている。図５に示すように、枠部材１７は、ロータ１１の外形を規定するリング状部材１７ａと、ロータ軸１９を固定するロータ軸固定部材１７ｂと、リング状部材からロータ軸固定部材に延びると共に、非希土類磁石１３と磁性体部１５とを離間させるようにこれらの間に介在する複数の離間部材１７ｃとを有している。また、本実施形態においては、図５に示すように、複数の非希土類磁石１３のそれぞれは、回転軸１１ａの上方と下方にそれぞれに設けられた一対の非希土類磁石要素１３ａからなる。同様に、複数の磁性体部１５のそれぞれは、回転軸１１ａの上方と下方にそれぞれに設けられた一対の磁性体部要素１５ａからなる。そして、回転軸１１ａの上方の複数の非希土類磁石要素１３ａ及び磁性体部要素１５ａは、リング状部材１７ａ、ロータ軸固定部材１７ｂ、及び離間部材１７ｃで規定される領域に、枠部材１７の上方からはめ込まれる。同様に、回転軸１１ａの下方の複数の非希土類磁石要素１３ａ及び磁性体部要素１５ａは、リング状部材１７ａ、ロータ軸固定部材１７ｂ、及び離間部材１７ｃで規定される領域に、枠部材１７の下方からはめ込まれる。

【0041】

なお、非希土類磁石１３は、必ずしも一対の非希土類磁石要素１３ａで構成される必要はなく、一つの部材で構成されてもよい。磁性体部１５は、必ずしも一対の磁性体部要素１５ａで構成される必要はなく、一つの部材で構成されてもよい。

【0042】

図６は、ロータを示す斜視図である。図６においては、非希土類磁石１３の着磁方向を示す符号（Ｎ及びＳ）を付しており、また、非希土類磁石１３、磁性体部１５、及び、枠部材１７の一部を、回転軸１１ａと平行な平面で切断した状態を示している。

【0043】

図６に示すように、非希土類磁石１３と磁性体部１５は、互いに離間している。より具体的には、複数の非希土類磁石１３の間には、非磁性体部としての離間部材１７ｃ及び空間ギャップ１７ｇを介して複数の磁性体部１５が設けられている。即ち、非希土類磁石１３と磁性体部１５の間には、離間部材１７ｃ及び空間ギャップ１７ｇが介在している。

【0044】

なお、本実施形態では、非希土類磁石１３と磁性体部１５の間において、回転軸１１ａに沿った方向の上部及び下部に空間ギャップ１７ｇが存在し、これらの間に離間部材１７ｃが存在するが、例えば、回転軸１１ａに沿った方向の上部及び下部に離間部材１７ｃが存在し、これらの間に空間ギャップ１７ｇが存在してもよい。また、本実施形態では、非希土類磁石１３と磁性体部１５の間には、離間部材１７ｃ及び空間ギャップ１７ｇの両方が介在しているが、離間部材１７ｃのみが介在してもよく、空間ギャップ１７ｇのみが介在してもよい。また、非希土類磁石１３と磁性体部１５の回転軸１１ａの周方向に沿った離間距離（即ち、離間部材１７ｃ及び／又は空間ギャップ１７ｇの回転軸１１ａの周方向に沿った幅）は、ロータ１１とステータ２１間のギャップＧ（図２参照）の回転軸１１ａに沿った方向の幅よりも大きいことが好ましい。何故なら、この条件を満たす場合、非希土類磁石１３の磁束が回転軸１１ａに沿って直線的にステータ２１へ向かう効果が特に大きくなるためである。

【0045】

また、図６に示すように、複数の非希土類磁石１３の着磁方向は、回転軸１１ａの周方向に沿って交互に反転することが好ましい。これにより、一対のステータ２１から発生する回転磁束によって、ロータ１１を効率よく回転させることが可能となる。

【0046】

上述のような本実施形態に係るアキシャルギャップモータ１０によれば、以下のような理由により、マグネットトルクの減少を抑制することが可能であると共に、リラクタンストルクを増加させることが可能となる。

【0047】

図７は、本実施形態のアキシャルギャップモータのロータ近傍の、回転軸の周方向に沿った模式的な断面を示す図である。

【0048】

図７に示すように、本実施形態のアキシャルギャップモータ１０では、複数の非希土類磁石１３及び複数の磁性体部１５は、ロータ１１の一対のステータ２１との対向面１１Ｓを規定するため、複数の非希土類磁石１３の一対の磁性体部１５側の面（対向面１１Ｓの一部）には、ロータバックコア等の部材は何も存在しない。そのため、そのような部材のために非希土類磁石１３が薄くなってしまうことはないため、ロータ１１全体の体積のうち磁性体部１５の体積が占める割合を大きくすることができる。その結果、ロータ１１全体の体積のうち非希土類磁石１３の体積が占める割合が小さいことに起因するマグネットトルクの減少を抑制することが可能となる。

【0049】

また、非希土類磁石１３の着磁方向は回転軸１１ａの方向に沿っているため、非希土類磁石１３が発生する磁束１１ｍによって磁性体部１５の一対のステータ２１側の面（対向面１１Ｓの一部）が同極に磁化されることはない。そのため、一方のステータ２１から他方のステータ２１へ向かう磁束２１ｍが磁性体部１５内を経由することは妨げられないため、磁性体部１５の一対のステータ２１側の面が同極に磁化された場合に生じるようなリラクタンストルクの減少の問題は生じない。

【0050】

また、複数の磁性体部１５の透磁率は、複数の非希土類磁石１３の透磁率よりも大きい上に、複数の非希土類磁石１３の一対のステータ２１側の面（対向面１１Ｓの一部）には軟磁性材料からなる部材は存在しないため、ステータ２１から発生した磁束２１ｍが非希土類磁石１３のステータ２１側の面の方向に引き寄せられることは抑制される。（仮に、複数の非希土類磁石１３の一対のステータ２１側の面において、ｄ軸及びｑ軸に交差する領域にロータバックコア等の軟磁性材料からなる部材が存在すると、ステータ２１から発生した磁束２１ｍは非希土類磁石１３のステータ２１側の面の方向、即ちｄ軸の方向に引き寄せられる。）

【0051】

そのため、一方のステータ２１から発生し他方のステータ２１へ向かう磁束２１ｍの大部分は非希土類磁石１３を経由することなく、複数の非希土類磁石１３間に設けられた磁性体部１５内を経由する。その結果、ステータ２１から発生した磁束２１ｍの大部分は磁性体部１５内に導かれるため、リラクタンストルクを増加させることが可能である。また、非希土類磁石１３内を通過する磁束による非希土類磁石１３の不可逆減磁は抑制される。その結果、非希土類磁石１３内を通過する磁束による非希土類磁石１３の不可逆減磁に起因するマグネットトルクの減少を抑制することが可能である。

【0052】

以上のように、本実施形態に係るアキシャルギャップモータ１０によれば、マグネットトルクの減少を抑制することが可能であると共に、リラクタンストルクを増加させることが可能となる。

【0053】

また、本実施形態に係るアキシャルギャップモータ１０において、複数の非希土類磁石１３の残留磁束密度は、２００ｍＴ以上、６００ｍＴ以下であることが好ましい。ただし、複数の非希土類磁石１３の残留磁束密度が上記範囲外であっても、アキシャルギャップモータ１０は上述の効果を発揮する。

【0054】

また、本実施形態に係るアキシャルギャップモータ１０において、複数の非希土類磁石１３のリコイル透磁率は、１．０以上、２．０以下であることが好ましい。ただし、複数の非希土類磁石１３のリコイル透磁率が上記範囲外であっても、アキシャルギャップモータ１０は上述の効果を発揮する。

【0055】

さらに、本実施形態に係るアキシャルギャップモータ１０において、複数の非希土類磁石１３のそれぞれの体積は、複数の磁性体部１５のそれぞれの体積よりも大きいことが好ましい（図３〜図７参照）。これにより、マグネットトルクの減少を十分に抑制することが可能となる。

【0056】

なお、上述の実施形態においては、ロータ１１は、マグネットトルクを発生させるための永久磁石として非希土類磁石１３のような非希土類磁石のみを有しているが（図３〜図６参照）、このような態様に限られない。例えば、ロータ１１は、マグネットトルクを発生させるための永久磁石として、非希土類磁石に加えて、希土類磁石を有していてもよい。

【0057】

本実施形態のアキシャルギャップモータ１０は、例えばハイブリッド自動車、電気自動車等の自動車や、エアコン、冷蔵庫、洗濯機等の家電製品に利用することができる。

【0058】

次に、実施例のアキシャルギャップモータについて、磁石温度は７５℃で一定、定格電流密度は２２Ａｒｍｓ／ｍｍ^２で一定の条件で、電流位相を０°（０deg）から９０°（９０deg）まで変化させて３Ｄ−ＦＴＡ解析を行った場合の平均トルクの推移について調査した。図８は、本解析で用いた実施例の諸条件を示す図である。図９は、上記解析に基づく、実施例の平均トルク及びマグネットトルクの電流位相角依存である。図９に示すように、平均トルクの最大値は、プロットＡにおける値、即ち、電流位相角が５０°（５０deg）における３５５．０Ｎｍであった。このときのトルク密度は４０．３Ｎｍ／Ｌであり、実用レベルに十分に満たしていた。これにより、例えば出力密度５．６８ｋＷ／Ｌ、即ち、出力５０．２ｋＷを達成するのに、規定速度を１３５０ｒｐｍ程度まで下げられることがわかった。

【0059】

また、図９においては、電流位相角度が０°（０deg）の場合の平均トルクと基準としたマグネットトルクの大まかな推移も示している。図９に示すように、平均トルクが最大となる電流位相角５０°において、平均トルク中のマグネットトルクの割合は約３６％であり、平均トルク中のリラクタンストルクの割合は約６４％であることがわかった。これにより、実施例のアキシャルギャップモータの平均トルクにおいて、リラクタンストルクが支配的であり、リラクタンストルクを有効に利用できていることがわかった。

【0060】

図１０は、上記解析に基づく、ロータのフェライト磁石の減磁体積比の電流密度依存性の解析結果を示す図である。減磁体積比とは、磁石全体に対する不可逆減磁が発生した部分の割合を示す値である。この解析は、回転角度を０°で一定、電流位相角を９０°で一定という不可逆減磁が最も発生しやすい条件において、電流密度を変化させながら行った。また、フェライト磁石は低温状態であると不可逆減磁が生じやすいため、フェライト磁石の温度は、−２０℃で一定とした。

【0061】

図１０に示すように、電流密度が低いときには、不可逆減磁は殆ど発生しなかった。定格電流密度である２２Ａｒｍｓ／ｍｍ^２において減磁体積比は約５．６％であった。実施例においては、コアの永久磁石として不可逆減磁の生じやすいフェライト磁石を用い、さらに低温状態で２２Ａｒｍｓ／ｍｍ^２という大きな電流を流した場合であっても、不可逆減磁は僅かにしか生じないことがわかった。

【0062】

次に、実施例のアキシャルギャップモータについて、スロット数（ステータ２１が有するコイル部２５の数）と、非希土類磁石１３の不可逆減磁に起因するＵ相鎖交磁束の減少率について調べた。

【0063】

具体的には、スロット数が、１５、１８、２４の３個の実施例に係るアキシャルギャップモータを準備した。これらの実施例のコイルの巻線の総量がそれぞれ同一となるように、ステータ２１のステータコア２３とコイル部２５の形状を決定した。その結果、スロット数が１５、１８、２４の実施例に係るアキシャルギャップモータのターン数（コイルの巻数）は、それぞれ順に２０、１７、１３となった。極数（ロータ１１が有する非希土類磁石１３の数）は、３個の実施例全てにおいて１０とした。

【0064】

これらの実施例について、回転角度０deg一定、定格電流密度２２Ａｒｍｓ／ｍｍ^２一定、磁石温度―２０℃、又は、７５℃、電流位相角９０deg一定、の条件で、減磁に関する解析を行い、Ｕ相鎖交磁束の減少率を求めた。

【0065】

図１１は、スロット数とＵ相鎖交磁束の減少率の関係を示す図である。図１１に示すように、スロット数が１５〜２４の範囲の実施例においては、スロット数が増加する程、Ｕ相鎖交磁束の減少率が小さくなった。磁石温度が−２０℃の場合、スロット数が１８の実施例のＵ相鎖交磁束の減少率は約４．９％となり、スロット数が２５の実施例のＵ相鎖交磁束の減少率は約１．７％となった。これにより、スロット数が１５〜２４の範囲の実施例においては、スロット数が増加する程、不可逆減磁に対する耐性が高くなることが分かった。

【0066】

次に、実施例のアキシャルギャップモータについて、スロット数を２４に固定した場合のターン数と平均トルクとの関係を調べた。

【0067】

具体的には、ターン数が１３、１４、１５、１６、１７、１８の６個の実施例に係るアキシャルギャップモータを準備した。スロット数は６個の実施例全てにおいて、２４とした。極数は、６個の実施例全てにおいて１０とした。

【0068】

これらの実施例について、磁石温度７５℃一定、定格電流密度２２Ａｒｍｓ／ｍｍ^２一定、電流位相角４０deg一定の条件で、平均トルクに関する解析を行った。

【0069】

図１２は、実施例のアキシャルギャップモータについて、ターン数と、平均トルク及びＵ相鎖交磁束の減少率との関係を示す図である。図１２に示すように、ターン数が１６場合に、平均トルクは最大値（３３０．３Ｎｍ）となった。Ｕ相鎖交磁束の減少率は、ターン数の増加と共に、増加した。ターン数が１５である場合、平均トルクも十分に大きく、Ｕ相鎖交磁束の減少率は２．７％と非常に小さい値となった。これらの結果より、平均トルクとＵ相鎖交磁束の減少率とを両方考慮した場合、最適なターン数は１５であることがわかった。

【0070】

次に、実施例のアキシャルギャップモータについて、非希土類磁石１３の回転軸１１ａの周方向に沿った方向の幅と、トルクの大きさ及びトルクリプルとの関係を調べた。

【0071】

具体的には、非希土類磁石１３の幅（非希土類磁石１３の回転軸１１ａの周方向に沿った方向の幅）を、１８degから２６．４degまで、１．２deg刻みで変更した８個の実施例に係るアキシャルギャップモータを準備した。スロット数は８個全ての実施例において２４とした。ターン数は８個全ての実施例において１５とした。極数は８個の実施例全てにおいて１０とした。

【0072】

これらの実施例について、磁石温度７５℃一定、定格電流密度２２Ａｒｍｓ／ｍｍ^２一定、電流位相角４０deg一定の条件で、平均トルクに関する解析を行った。

【0073】

図１３は、実施例のアキシャルギャップモータについて、非希土類磁石の幅と平均トルク及びトルクリプルとの関係を示す図である。図１２に示すように、トルクリプルは、非希土類磁石の幅が１８degから２６．４degまでの範囲において、９％未満の非常に小さい値となった。また、平均トルクは、非希土類磁石の幅が２４degである場合に最大値となった。これらの結果より、最適な非希土類磁石の幅が２４degであることがわかった。

【符号の説明】

【0074】

１０・・・アキシャルギャップモータ、１１・・・ロータ、１１Ｓ・・・ロータのステータとの対向面、１３・・・非希土類磁石、１５・・・磁性体部、１７ｃ・・・非磁性体部（離間部材）、１７ｇ・・・空間ギャップ、２１・・・ステータ、Ｇ・・・ギャップ。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】