(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024154982
(43)【公開日】2024-10-31
(54)【発明の名称】電動機
(51)【国際特許分類】
H02K 21/12 20060101AFI20241024BHJP
【FI】
H02K21/12 M
【審査請求】未請求
【請求項の数】2
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2023069265
(22)【出願日】2023-04-20
(71)【出願人】
【識別番号】322004359
【氏名又は名称】合資会社エムデザイン
(71)【出願人】
【識別番号】323013804
【氏名又は名称】合同会社TOM企画
(74)【代理人】
【識別番号】100140671
【弁理士】
【氏名又は名称】大矢 正代
(72)【発明者】
【氏名】水谷 貞盛
(72)【発明者】
【氏名】宮澤 市郎
(72)【発明者】
【氏名】秋本 潔
(72)【発明者】
【氏名】酒井 義光
(72)【発明者】
【氏名】丹羽 活男
【テーマコード(参考)】
5H621
【Fターム(参考)】
5H621BB05
5H621BB10
5H621GA04
5H621HH01
(57)【要約】
【課題】コストの増加を抑制することが可能な電動機を提供する。
【解決手段】電動機1に、ケーシング10と、回転シャフト20と、ステーターユニット30と、ローターユニット50とを具備させ、ステーターユニット30には、円環状のコア32、コア32の全周にトロイダル巻きされている全周コイル33、及び、全周コイル33に部分巻きされている複数の部分コイル34を有する円環状のコイルユニット31と、コイルユニット31の一方の端面側において軸芯を中心とした等角度間隔に配置されている複数のステーター磁石40とを備え、ローターユニット50には、コイルユニット31の他方の側面側において、軸芯を中心とした等角度間隔に配置されている複数の第一ローター磁石53と、コイルユニット31の環内において、軸芯を中心として等角度間隔に配置されている複数の第二ローター磁石54とを備えている。
【選択図】
図2
【特許請求の範囲】
【請求項1】
中空のケーシングと、
該ケーシングにより回転可能に軸支されている回転シャフトと、
該回転シャフトの軸芯と同軸上の円環状に形成されており、前記ケーシング内に取付けられているステーターユニットと、
該ステーターユニットとの間に隙間をあけた状態で、前記ケーシング内において前記回転シャフトに取付けられているローターユニットと、
を具備し、
前記ステーターユニットは、
円環状のコア、該コアの全周にわたってトロイダル巻きされている全周コイル、及び、該全周コイルの複数箇所で部分的にトロイダル巻きされており前記軸芯を中心とした等角度間隔に設けられている複数の部分コイル、を有する円環状のコイルユニットと、
該コイルユニットにおける軸方向の一方の端面側において、前記軸芯を中心とした等角度間隔に配置されており、それぞれの磁極を軸方向に向けていると共に、前記コイルユニットの端面と対面する磁極の向きが周方向において交互に逆転している複数のステーター磁石と
を備えており、
前記ローターユニットは、
複数の前記ステーター磁石とは前記コイルユニットを間にした反対側において、前記軸芯を中心とした等角度間隔に配置されており、それぞれの磁極を軸方向に向けていると共に、前記コイルユニットの端面と対面する磁極の向きが周方向において交互に逆転している複数の第一ローター磁石と、
前記コイルユニットの環内において、前記軸芯を中心として複数の前記第一ローター磁石と同じ等角度間隔に配置されており、それぞれの磁極を前記軸芯を中心とした半径方向に向けていると共に、前記コイルユニットの内周面と対面する磁極の向きが周方向において交互に逆転している複数の第二ローター磁石と
を備えていることを特徴とする電動機。
【請求項2】
一つの前記ステーターユニットと一つの前記ローターユニットとからなるベースユニットを複数組備えており、
各組の該ベースユニットは、
一つの前記回転シャフトに対して、それぞれ配置されていると共に、それぞれの前記ステーターユニットは、前記コイルユニットの外周面を囲むように円筒状に巻かれている外周コイルを備えている
ことを特徴とする請求項1に記載の電動機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電動機に関するものである。
【背景技術】
【0002】
電動機として、軸方向の両端が閉鎖された円筒状のケースと、ケースに軸支されている回転軸と、ケースの内周面に取付けられており回転軸を中心とした等角度の間隔で中心へ向かって突出している複数のティースを有する環状のコアと、コアの各ティースに巻かれているコイルと、各ティースに対面するように回転軸を中心とした等角度の間隔で回転軸に取付けられている複数の永久磁石と、を備えたものが知られている(例えば、特許文献1)。
【0003】
しかしながら、特許文献1のような従来の電動機では、環状のコアにおける中心へ向かって突出している複数のティースそれぞれに、エナメル線のような被覆電線を巻いてコイルを形成しているため、それらコイルの形成に手間がかかり、コストの増加を抑制することが困難であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
そこで、本発明は、上記の実情に鑑み、コストの増加を抑制することが可能な電動機の提供を課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上記の課題を解決するために、本発明にかかる電動機は、
「中空のケーシングと、
該ケーシングにより回転可能に軸支されている回転シャフトと、
該回転シャフトの軸芯と同軸上の円環状に形成されており、前記ケーシング内に取付けられているステーターユニットと、
該ステーターユニットとの間に隙間をあけた状態で、前記ケーシング内において前記回転シャフトに取付けられているローターユニットと、
を具備し、
前記ステーターユニットは、
円環状のコア、該コアの全周にわたってトロイダル巻きされている全周コイル、及び、該全周コイルの複数箇所で部分的にトロイダル巻きされており前記軸芯を中心とした等角度間隔に設けられている複数の部分コイル、を有する円環状のコイルユニットと、
該コイルユニットにおける軸方向の一方の端面側において、前記軸芯を中心とした等角度間隔に配置されており、それぞれの磁極を軸方向に向けていると共に、前記コイルユニットの端面と対面する磁極の向きが周方向において交互に逆転している複数のステーター磁石と
を備えており、
前記ローターユニットは、
複数の前記ステーター磁石とは前記コイルユニットを間にした反対側において、前記軸芯を中心とした等角度間隔に配置されており、それぞれの磁極を軸方向に向けていると共に、前記コイルユニットの端面と対面する磁極の向きが周方向において交互に逆転している複数の第一ローター磁石と、
前記コイルユニットの環内において、前記軸芯を中心として複数の前記第一ローター磁石と同じ等角度間隔に配置されており、それぞれの磁極を前記軸芯を中心とした半径方向に向けていると共に、前記コイルユニットの内周面と対面する磁極の向きが周方向において交互に逆転している複数の第二ローター磁石と
を備えている」ものである。
【0007】
本構成の電動機によれば、コイルユニットにおいて、円環状のコアに、全周コイルや部分コイルをトロイダル巻きしているため、従来の電動機のように中心へ向かって突出している複数のティースそれぞれに被覆電線を巻いてコイルを形成する場合と比較して、コイルを容易に形成することができ、電動機にかかるコストの増加を抑制することができる。
【0008】
本発明にかかる電動機は、上記の構成に加えて、
「一つの前記ステーターユニットと一つの前記ローターユニットとからなるベースユニットを複数組備えており、
各組の該ベースユニットは、
一つの前記回転シャフトに対して、それぞれ配置されていると共に、それぞれの前記ステーターユニットは、前記コイルユニットの外周面を囲むように円筒状に巻かれている外周コイルを備えている」ものである。
【0009】
本構成によれば、一つの回転シャフトに対して、ステーターユニットとローターユニットとを備えたベースユニットを複数組備えているため、ベースユニットが一組の場合と比較して、回転シャフトの回転トルクが高くなる。
【0010】
また、各組のベースユニットそれぞれに円筒状の外周コイルを備えていることから、例えば二組(二組以上の場合は偶数組が望ましい)のベースユニットを備える場合は同じ半径の二つの外周コイルが同軸上に並んでいるため、二つの外周コイル同士の距離を外周コイルの半径と同じ距離にすることで、二つの外周コイルすなわち一対の外周コイルによりヘルムホルツコイルを構成することが可能となる。これにより、一対の外周コイルによりヘルムホルツコイルを構成するようにした場合、一対の外周コイルに電流を流して同じ向きの磁場を発生させると、一対の外周コイルの軸芯上で均一な磁場を得ることができるため、その磁場により一対の外周コイルの環内それぞれに設けられているコイルユニットなどで発生する磁場を打ち消すことが可能となり、外部への磁気漏れが少ない電動機を提供することができる。
【発明の効果】
【0011】
以上のように、本発明によれば、コストの増加を抑制することが可能な電動機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【
図1】本発明の一実施形態である電動機の斜視図である。
【
図3】電動機を主な構成毎に分解して示す分解斜視図である。
【
図4】(a)は電動機におけるステーターユニットの斜視図であり、(b)は(a)のステーターユニットを反対側から示す斜視図である。
【
図5】(a)はステーターユニットを分解して示す分解斜視図であり、(b)は(a)のステーターユニットを反対側から示す分解斜視図である。
【
図6】(a)はステーターユニットにおけるコイルユニットのコアの正面図であり、(b)はコアに全周コイルを巻き付けた状態を示す正面図であり、(c)は(b)に部分コイルを巻き付けてコイルユニットにした状態を示す正面図である。
【
図7】ステーターユニットにおけるステーター磁石の配置を示す説明図である。
【
図8】(a)は電動機におけるはローターユニットの斜視図であり、(b)は(a)のローターユニットを反対側から示す斜視図である。
【
図9】ローターユニットにおける第一ローター磁石及び第二ローター磁石の配置を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下、本発明の一実施形態である電動機1について、図面を参照して詳細に説明する。電動機1は、中空のケーシング10と、ケーシング10により回転可能に軸支されている回転シャフト20と、回転シャフト20の軸芯と同軸上の円環状に形成されており、ケーシング10に取付けられているステーターユニット30と、ステーターユニット30との間に隙間をあけた状態で、ケーシング10内において回転シャフト20に取付けられているローターユニット50と、を具備している。
【0014】
本実施形態の電動機1は、一つのステーターユニット30と一つのローターユニット50とからなる組を、二組備えている。この一組のステーターユニット30及びローターユニット50は、本発明のベースユニットに相当している。以下では、回転シャフト20が延びている方向を軸方向、回転シャフト20の中心軸線を軸芯、その軸芯を中心にした円の円周に沿った方向を周方向、とそれぞれ称する。
【0015】
まず、ケーシング10は、
図1~
図3に示すように、軸方向に離隔して設けられている一対の端部プレート11と、一対の端部プレート11の間に設けられている中間プレート12と、各端部プレート11及び中間プレート12それぞれの上辺付近同士を繋いでいる二つの上ケース13と、各端部プレート11及び中間プレート12それぞれの下辺付近同士を繋いでいる二つの下ケース14と、各端部プレート11及び中間プレート12それぞれの側辺付近同士を繋いでいる計四つの側ケース15と、を備えている。
【0016】
つまり、本実施形態では、一対の端部プレート11の間に中間プレート12が設けられていることから、一つの上ケース13と一つの下ケース14と二つの側ケース15とにより構成される組が、二組設けられている。
【0017】
このケーシング10は、組立てた状態で、中間プレート12を間にして軸方向の両側に空間を形成することができ、それぞれの空間には一組のステーターユニット30及びローターユニット50がそれぞれ収容される。
【0018】
また、ケーシング10は、回転シャフト20を回転可能に軸支するためのシャフト用軸受16と、ローターユニット50を回転可能に軸支するためのローター用軸受17と、を端部プレート11に備えている。
【0019】
具体的には、一対の端部プレート11は、軸方向に直交する面と平行な平板状で、外形が正方形に形成されている。端部プレート11は、中央において軸方向に貫通しており回転シャフト20が挿通される貫通孔11aと、中央を中心とした等角度間隔に設けられており軸方向に貫通している複数の通気孔11bと、を有している。複数の通気孔11bは、コイルユニット31からの熱を外部へ逃すためのものである。各端部プレート11には、シャフト用軸受16とローター用軸受17とが取付けられている。
【0020】
中間プレート12は、軸方向に直交する面と平行な平板状で、外形が端部プレート11の外形と同じ正方形である。中間プレート12は、中央において軸方向に貫通しており回転シャフト20が挿通される貫通孔12aと、中央を中心とした等角度間隔に設けられており軸方向に貫通している複数の通気孔12bと、を有している。複数の通気孔12bは、ケーシング10内の通気性をよくするためのものである。なお、中間プレート12における軸方向の厚さは、中間プレート12を間にして両側に配置されるステーターユニット30に対して、それぞれのステーターユニット30に設けられている後述する外周コイル41同士の距離が、外周コイル41の半径と同じ距離になるように設定されている。
【0021】
一組の上ケース13、下ケース14、及び二つの側ケース15は、軸方向の長さがそれぞれ同じであり、それぞれの回転シャフト20を向いている面(内側面)が、軸芯を中心にした円弧状に湾曲している。上ケース13、下ケース14、及び二つの側ケース15は、それぞれの内側面から回転シャフト20側へ突出し、内側面に沿って周方向へ延出しているフランジ部18を有している。フランジ部18は、上ケース13、下ケース14、及び二つの側ケース15それぞれにおいて、軸方向の中央よりも一方側へ片寄った位置に設けられている。
【0022】
また、上ケース13、下ケース14、及び二つの側ケース15それぞれには、フランジ部18から軸方向へ突出している位置決突起18aが少なくとも一つ設けられている。位置決突起18aは、上ケース13、下ケース14、及び二つの側ケース15それぞれにおいて、軸方向の中央側へ向かって突出している。これら位置決突起18aは、ケーシング10に組立てた時に、軸芯を中心とした等角度(ここでは60度)間隔に設けられている。位置決突起18aは、ステーターユニット30における後述する第二カバー部37の位置決切欠部37eに挿入することにより、軸芯周りに対するケーシング10とステーターユニット30との回転角度位置を位置決めすることができる。
【0023】
また、上ケース13、下ケース14、及び二つの側ケース15は、それぞれの内側面から肉厚方向に貫通している複数の通気スリット19を有している。複数の通気スリット19は、コイルユニット31からの熱を外部へ逃すためのものである。これら上ケース13、下ケース14、及び二つの側ケース15は、ステーターユニット30の外周を囲むように設けられている。
【0024】
回転シャフト20は、
図3に示すように、軸方向の両端に設けられている円柱状の円柱部21と、両端の円柱部21に挟まれている角柱状の角柱部22と、を有している。円柱部21は、ケーシング10のシャフト用軸受16に挿入することにより軸支される。一方、角柱部22は、ローターユニット50における後述する基部51の角孔部51bに挿入することにより、ローターユニット50を一体回転させることができる。
【0025】
ステーターユニット30は、
図4及び
図5に示すように、円環状のコイルユニット31と、コイルユニット31を覆っているコイルカバー35と、コイルカバー35に取付けられている複数のステーター磁石40と、コイルカバー35の外周に巻かれている外周コイル41と、コイルカバー35に取付けられておりローターユニット50を回転可能に軸支するためのローター用軸受42と、を備えている。
【0026】
コイルユニット31は、円環状のコア32と、コア32の全周にわたってトロイダル巻きされている全周コイル33と、全周コイル33の複数個所で部分的にトロイダル巻きされている複数の部分コイル34と、を備えている(
図6参照)。円環状のコイルユニット31は、その内径が、ローターユニット50の後述する基部51の外径よりも大きい。
【0027】
コア32は、円環状のコア本体32aと、コア本体32aの内周及び外周それぞれに設けられている円環状のガイド部32bと、を有している。コア本体32aは、電磁鋼板を積層したものである。ガイド部32bは、合成樹脂により形成されている。ガイド部32bは、コア本体32aと接している周面とは反対側の周面における軸方向の両端辺が、全周にわたってR面取りされており、全周コイル33の形成時において被覆電線をトロイダル巻きする際に、被覆電線が直角に折れ曲がることがないものとされている。本実施形態のコア32は、従来の電動機のコアとは異なり、軸芯(中心)に向かって突出しているティースのような突起を有していない。
【0028】
全周コイル33は、コア32に対して隙間なく全周にわたってトロイダル巻きされている。本実施形態の全周コイル33は、三重巻きされている。複数の部分コイル34は、全周コイル33の上からトロイダル巻きされており、軸芯を中心とした等角度間隔に設けられている。周方向に隣接している部分コイル34同士の間には、隙間が設けられている。なお、その数を限定するものではないが、本実施形態では、複数の部分コイル34を6個設けており、それぞれを三重巻きしている。
【0029】
コイルカバー35は、軸方向へ二つに分割されており、第一カバー部36と第二カバー部37とからなる。
【0030】
第一カバー部36は、円環状のベース部36aと、ベース部36aの外周面及び内周面における軸方向の一方の端部側から半径方向へそれぞれ延出している外フランジ部36b及び内フランジ部36cと、外フランジ部36bから軸芯と同軸上で軸方向におけるベース部36aとは反対側に延出している筒状のボビン部36dと、を備えている。ボビン部36dは、内径がベース部36aの外径よりも大きい。
【0031】
また、第一カバー部36は、ベース部36aにおける軸方向の両端面のうちボビン部36dに近い側の端面において凹んでおり、軸芯を中心とした等角度間隔に設けられている複数の収容凹部36eと、隣接している収容凹部36e同士の間の部位においてベース部36aを軸方向に貫通している複数の貫通口36fと、を備えている。複数の収容凹部36eには、ステーター磁石40がそれぞれ収容される。複数の収容凹部36eは、軸芯からの距離が、コイルユニット31におけるコア32の軸芯からの距離と略同じであり、ベース部36aの端面からの深さが、ステーター磁石40における磁極の方向(二つの磁極が離隔している方向)の長さと同じである。複数の貫通口36fは、コイルユニット31からの熱を外部へ逃すためのものである。なお、それらの数を限定するものではないが、本実施形態では、複数の収容凹部36e及び複数の貫通口36fを、それぞれ6個ずつ設けている。更に、一つの収容凹部36eは、周方向の長さを、軸芯を中心とした30度の角度範囲に設けている。
【0032】
第二カバー部37は、平板で円環状のベース部37aと、ベース部37aの外周縁から軸方向の一方側へ延出している筒状のボビン部37bと、ボビン部37bの外周面における軸方向の基端から半径方向の外方へ延出している外フランジ部37cと、ベース部37aの内周縁から軸方向におけるボビン部37bと同じ方向へ延出している内筒部37dと、を備えている。第二カバー部37のボビン部37bは、外径及び内径が、第一カバー部36のボビン部36dの外径及び内径と同じである。内筒部37dは、ボビン部37bの先端を第一カバー部36のボビン部36dの先端に突き合わせた時に、内筒部37dの先端が第一カバー部36の内フランジ部36cに当接する長さに設定されている。この内筒部37dは、軸方向におけるベース部37a側の端部付近の内径が、反対側の端部付近の内径よりも大きく形成されており、その内径の大きい部分にローター用軸受42が取付けられている。
【0033】
また、第二カバー部37は、外フランジ部37cの外周側から軸芯へ向かって切欠かれており、軸芯を中心とした等角度(ここでは30度)間隔に設けられている複数の位置決切欠部37eを備えている。位置決切欠部37eは、上ケース13、下ケース14、及び二つの側ケース15に設けられている位置決突起18aが挿入されることにより、軸芯周りに対するケーシング10とステーターユニット30との回転角度位置を位置決めすることができる。
【0034】
更に、第二カバー部37は、ベース部37aにおいて軸方向に貫通しており、軸芯を中心とした等角度間隔に設けられている複数の貫通口37fと、隣接している貫通口37f同士の間の部位においてベース部37aを軸方向に貫通している複数のスリット37gと、を備えている。複数のスリット37gは、軸芯を中心とした円弧状に延びていると共に、その軸芯を中心とした半径方向に複数が列設されている。複数の貫通口37f及び複数のスリット37gは、コイルユニット31からの熱を外部へ逃すためのものである。
【0035】
このコイルカバー35は、第一カバー部36と第二カバー部37とを、それぞれのボビン部36d,37bの先端同士を突き合わせることにより組立てることができる。コイルカバー35に組立てた状態では、二つのベース部36a,37aと、二つの外フランジ部36b,37cと、内筒部37dとで囲まれた円環状の空間を形成することができ、その空間内にコイルユニット31が収容される。また、コイルカバー35は、組立てた状態では、ボビン部36d,37bそれぞれの外周面が連続した同一面となり、その外周面に外周コイル41が巻かれる。
【0036】
複数のステーター磁石40は、磁極を軸方向へ向けた状態で、コイルカバー35における第一カバー部36の各収容凹部36eに一つずつ収容されていると共に、それぞれの磁極の向きが周方向において交互に逆転するように向けられている(
図7参照)。ステーター磁石40を収容凹部36eに収容して取付けた状態では、軸方向の端面がベース部37aの軸方向の端面と同一面上に位置している。複数のステーター磁石40は、コイルカバー35に取付けることにより、軸芯を中心とした等角度間隔に配置された状態になる。また、複数のステーター磁石40は、ステーターユニット30に組立てた状態で、軸方向の両端面のうち収容凹部36eの開口側の端面が、コイルユニット31における軸方向の一方の端面と接するように対面している(
図2参照)。
【0037】
外周コイル41は、コイルカバー35における第一カバー部36の外フランジ部36bと第二カバー部37の外フランジ部37cとの間において、ボビン部36d,37bの外周面に巻かれている。この外周コイル41は、ヘルムホルツコイルを構成するためのものである。
【0038】
ローターユニット50は、
図8に示すように、回転シャフト20が挿通される取付孔51aを有する基部51と、基部51から軸芯と直交する方向の外方へ延出している円盤状の支持板部52と、支持板部52に取付けられている複数の第一ローター磁石53と、基部51に取付けられている複数の第二ローター磁石54と、を備えている。
【0039】
基部51は、取付孔51aが角孔部51bと丸孔部51cとの二つの部位により構成されている。詳述すると、角孔部51bは、取付孔51aにおける軸方向の一方の端部から反対側の端部へ向かって途中までの部位に設けられており、回転シャフト20における角柱部22の外周形状と一致する内周形状に形成されている。丸孔部51cは、取付孔51aにおける角孔部51bを除いた残りの部位に設けられており、角柱部22の外周よりも大きい直径の内周形状に形成されている。この基部51は、取付孔51aの角孔部51bに回転シャフト20の角柱部22を挿入することにより、回転シャフト20と一体回転することが可能となる。
【0040】
また、基部51は、軸方向における丸孔部51c側の端部付近の外周面に設けられている第一軸支部51dと、軸方向における中央付近の外周面に設けられている第二軸支部51eと、軸方向における第二軸支部51eを間にして第一軸支部51dとは反対側において、角孔部51b側の端部側の外周面から凹んでいる複数の収容凹部51fと、を備えている。
【0041】
第一軸支部51dは、ケーシング10のローター用軸受17により軸支される。第二軸支部51eは、ステーターユニット30のローター用軸受42に支持される。複数の収容凹部51fは、軸芯を中心とした等角度間隔に設けられており、それぞれに第二ローター磁石54が収容される。複数の収容凹部51fは、基部51の外周面からの深さが、第二ローター磁石54における磁極の方向の長さよりも若干深い。なお、複数の収容凹部51fは、それぞれが基部51における軸方向の一方側へ開放されている。本実施形態では、複数の収容凹部51fが、後述する取付凹部52aの数と同じ6個設けられている。
【0042】
支持板部52は、基部51における第一軸支部51dと第二軸支部51eとの間の部位に設けられており、外径がコイルユニット31の外径と略同じである。支持板部52は、軸方向を向いている両端面のうち、基部51における複数の収容凹部51fが設けられている側の端面において凹んでおり、軸芯を中心とした等角度間隔に設けられている複数の取付凹部52aと、隣接している取付凹部52a同士の間の部位において軸方向に貫通している複数の貫通口52bと、を備えている。
【0043】
複数の取付凹部52aには、第一ローター磁石53がそれぞれ取付けられる。複数の取付凹部52aは、軸芯からの距離が、コイルユニット31におけるコア32の軸芯からの距離と略同じであり、支持板部52の端面からの深さが、第一ローター磁石53における磁極の方向の長さよりも浅い。また、複数の取付凹部52aは、その数が基部51の収容凹部51fの数(ここでは6個)と同じであり、軸芯を中心として収容凹部51fと同じ角度位置に設けられている。複数の貫通口52bは、コイルユニット31からの熱を外部へ逃すためのものである。
【0044】
複数の第一ローター磁石53は、磁極を軸方向へ向けた状態で、支持板部52における各取付凹部52aに一つずつ取付けられていると共に、それぞれの磁極の向きが周方向において交互に逆転するように向けられている(
図9参照)。複数の第一ローター磁石53は、支持板部52に取付けることにより、軸芯を中心とした等角度間隔に配置された状態になる。複数の第二ローター磁石54は、軸芯を中心とした半径方向に磁極を向けた状態で、基部51の各収容凹部51fに一つずつ収容されていると共に、それぞれの磁極の向きが周方向において交互に逆転するように向けられている(
図9参照)。
【0045】
また、軸芯を中心とした同じ角度位置に設けられている第一ローター磁石53と第二ローター磁石54は、第一ローター磁石53における支持板部52から遠い側の磁極と、第二ローター磁石54における軸芯を中心とした半径方向の外方を向いている磁極とが、同じ極となるように取付けられている。
【0046】
続いて、本実施形態の電動機1の組立てについて、主に
図1~
図3を参照して説明する。まず、上ケース13、下ケース14、及び二つの側ケース15を枠状に組立てた上で、その枠内におけるフランジ部18から位置決突起18aが突出している側にステーターユニット30を挿入する。なお、
図2では、各磁石の磁極の違い網掛けの濃淡により表している。
【0047】
この際に、ステーターユニット30を、その第二カバー部37側から枠内に挿入し、第二カバー部37の位置決切欠部37eに位置決突起18aを挿入させると共に、第二カバー部37をフランジ部18に当接させる。これにより、ステーターユニット30の外周が、上ケース13、下ケース14、及び二つの側ケース15により囲まれた第一仮組体が形成される。本実施形態では、この第一仮組体を二組用意する。なお、二組の第一仮組体は、軸芯を中心にした同じ特定角度の位置に設けられているステーター磁石40の磁極の向きが異なるように組立てる。具体的には、例えば、軸芯を中心にした同じ特定角度の位置において、コイルユニット31へ向いているステーター磁石40の磁極が、一方の第一仮組体ではN極が、他方の第一仮組体ではS極がそれぞれ向いているように組立てる。
【0048】
そして、中間プレート11の軸方向の両側に、第一仮組体をそれぞれ取付けて第二仮組体を形成する。この際に、それぞれの第一仮組体を、ステーターユニット30の第一カバー部36が中間プレート11と対面するように向けて取付ける。
【0049】
次に、第二仮組体の軸方向の両外側から、それぞれのステーターユニット30の環内に、支持板部52を軸方向の外方へ向けたローターユニット50の基部51をそれぞれ挿入し、ローターユニット50の第二軸支部51eをステーターユニット30のローター用軸受42に軸支させる。
【0050】
第二仮組体の軸方向の両側それぞれにローターユニット50を取付けたら、回転シャフト20を軸方向の一方側から二つのローターユニット50の取付孔51aに通して、第二仮組体を貫通している状態にする。この回転シャフト20に二つのローターユニット50を取付ける際に、軸芯を中心にした同じ所定角度の位置に設けられている二つ第一ローター磁石53それぞれの磁極の向きが同じ向きになるように取付ける。
【0051】
その後、軸方向の両外側から、第二仮組体の上ケース13及び下ケース14に端部プレート11を取付ける。この際に、端部プレート11に取付けられているシャフト用軸受16及びローター用軸受17に、回転シャフト20の円柱部21及びローターユニット50の第一軸支部51dを、それぞれ軸支させる。このようにすることで、電動機1に組立てることができる。
【0052】
上記のようにして組立てた電動機1は、ケーシング10における二つの端部プレート11により回転シャフト20が回転可能に軸支されており、この回転シャフト20に二つのローターユニット50が一体回転するように取付けられている。また、この電動機1では、一つのステーターユニット30と一つのローターユニット50とからなる組を二組備えていると共に、その二組が中間プレート12を間にして対称に配置されている。換言すると、それぞれの組において、軸方向における複数のステーター磁石40が設けられている側の端部同士が、互いに向き合うように配置されている。
【0053】
また、この電動機1は、
図2に示すように、ローターユニット50の支持板部52に取付けられている複数の第一ローター磁石53が、ステーターユニット30に設けられている複数のステーター磁石40とはコイルユニット31を間にした反対側に位置している。複数のステーター磁石40及び複数の第一ローター磁石53は、磁極の向きがそれぞれ軸方向に向いている。また、中間プレート12を間にして軸方向の両側それぞれに設けられている複数のステーター磁石40同士は、軸芯と平行に軸方向へ並んでいる二つのステーター磁石40それぞれの磁極が同じ方向を向いている。更に、中間プレート12を間にして軸方向の両側それぞれに設けられている複数の第一ローター磁石53同士は、軸芯と平行に軸方向へ並んでいる二つの第一ローター磁石53それぞれの磁極が同じ方向を向いている。
【0054】
また、ローターユニット50の基部51に取付けられている複数の第二ローター磁石54は、磁極の向きが軸芯を中心とした半径方向を向いた状態で、ステーターユニット30におけるコイルユニット31の環内に位置している。また、複数の第二ローター磁石54は、コイルユニット31の内周面を向いている磁極が、軸芯を中心とした同じ角度位置に設けられている第一ローター磁石53におけるコイルユニット31に向いている磁極と同じである。
【0055】
従って、中間プレート12を間にして対称に配置されている二組のステーターユニット30及びローターユニット50は、ステーター磁石40、第一ローター磁石53及び第二ローター磁石54それぞれの磁極の向きが、中間プレート12を間にして逆向きになっている。
【0056】
また、電動機1は、二つのコイルユニット31それぞれの外周を囲むように二つの外周コイル41が設けられている。そして、二つの外周コイル41は、その半径と同じ距離で軸方向に離隔している。従って、二つ(一対)の外側コイル41により、ヘルムホルツコイルが構成されている。
【0057】
なお、回転シャフト20(ローターユニット50)が自由に回転できる状態では、ステーターユニット30に設けられているステーター磁石40の磁気により、コイルユニット31を間にして反対側に設けられているローターユニット50の第一ローター磁石53の磁極の向きが、軸方向に離隔しているステーター磁石40の磁極の向きと対応する回転位置で、ローターユニット50が停止する。
【0058】
続いて、本実施形態の電動機1の使用方法について説明する。本実施形態の電動機1は、コイルユニット31における全周コイル33及び複数の部分コイル34の少なくとも一方にパルス電流を流すことにより、ローターユニット50を介して回転シャフト20を回転させることができる。この電動機1は、以下のような原理により回転すると考えられる。本実施形態のコイルユニット31は、円環状のコアに被覆電線をトロイダル巻きして全周コイル33及び複数の部分コイル34を形成しているため、全周コイル33などに電流を流すと、磁束が円環に沿って周方向へ循環し、外部に放出されることは殆んどない。
【0059】
このコイルユニット31に所定以上の電流(電圧)を印加すると、磁気飽和が発生して磁束(磁気)が外部に放出される。ここでは、パルス電流を印加するため、そのパルス幅に対応した短時間の間、コイルユニット31から磁気が放出される。この際に、コイルユニット31を間にして複数の第一ローター磁石53とは反対側に複数のステーター磁石40を設けているため、複数のステーター磁石40からの磁気の影響を受けた磁気がコイルユニット31から外部へ放出される。そして、コイルユニット31から放出された磁気にローターユニット50の第一ローター磁石53及び第二ローター磁石54が反応(吸引・反発)し、これを繰り返すことでローターユニット50(回転シャフト20)が回転する。なお、中間プレート12を間にして軸方向の両側に配置されている二組のステーターユニット30及びローターユニット50は、ステーター磁石40、第一ローター磁石53及び第二ローター磁石54それぞれの磁極の向きを、中間プレート12を間にして逆向きにしているため、回転力を打ち消し合うことはない。因みに、本願発明者等は、本実施形態の電動機1に、パルス電流を印加することで、回転シャフト20が回転することを確認している。
【0060】
また、この電動機1では、コイルユニット31にパルス電流を印加するタイミングに合わせて、二つの(一対の)外周コイル41に電流を印加するようにしている。これにより、一対の外周コイル41に電流を流して同じ向きの磁場が発生すると、一対の周コイル41の軸芯上で均一な磁場を得ることができるため、その磁場により一対の外周コイル41の環内それぞれに設けられているコイルユニット31などで発生する磁場を打ち消すことが可能となり、外部への磁気漏れが少なくなる。
【0061】
このように、本実施形態によれば、コイルユニット31において、円環状のコア32に、全周コイル33や部分コイル34をトロイダル巻きしているため、従来の電動機のように中心へ向かって突出している複数のティースそれぞれに被覆電線を巻いてコイルを形成する場合と比較して、コイルを容易に形成することができ、電動機1にかかるコストの増加を抑制することができる。
【0062】
また、本実施形態によれば、コイルユニット31におけるコア32を、突起のない単純な円環状の形態としているため、複数の突起(ティース)を有する従来の電動機のコアと比較して、コアの製造にかかるコストを低減することができる。
【0063】
更に、本実施形態によれば、一つの回転シャフト20に対して、ステーターユニット30とローターユニット50とからなる組を二組備えているため、一組しか備えていない場合と比較して、回転シャフト20の回転トルクが高くなる。
【0064】
また、本実施形態によれば、ローターユニット50に、コイルユニット31に対して軸方向の一方の端面側に配置された複数の第一ローター磁石53と、コイルユニット31の環内に配置された複数の第二ローター磁石54と、を備えているため、コイルユニット31から外部へ放出される磁力を可能な限り利用することができる。
【0065】
以上、本発明について好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、以下に示すように、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計の変更が可能である。
【0066】
例えば、上記の実施形態では、ステーターユニット30とローターユニット50とからなる組を二組備えている電動機1を示したが、これに限定するものではなく、ステーターユニット30とローターユニット50とからなる組を一組、或いは、三組以上備えるようにしてもよい。
【0067】
また、上記の実施形態では、複数の部分コイル34の数と、複数のステーター磁石40及び複数の第一ローター磁石53及び複数の第二ローター磁石54それぞれの数と、を同じ数のものを示したが、これに限定するものではなく、部分コイル34の数と磁石の数とを異ならせてもよい。
【0068】
また、上記の実施形態では、ステーターユニット30に外周コイル41を備えているものを示したが、これに限定するものではなく、外周コイル41を備えていないステーターユニット30としてもよい。
【0069】
更に、上記の実施形態では、複数の通気孔11b,12bや複数の通気スリット19などを設けて熱を外部へ排出する空冷のものを示したが、これに限定するものではなく、水冷(例えば、水循環方式のウォータージャケットの装備、冷却ジェルの装着)のものとしてもよい。
【符号の説明】
【0070】
1 電動機
10 ケーシング
20 回転シャフト
30 ステーターユニット
31 コイルユニット
32 コア
33 全周コイル
34 部分コイル
40 ステーター磁石
41 外周コイル
50 ローターユニット
53 第一ローター磁石
54 第二ローター磁石