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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B1)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-04-12
(45)【発行日】2024-04-22
(54)【発明の名称】同期回転電機
(51)【国際特許分類】
H02K 1/2753 20220101AFI20240415BHJP
【ＦＩ】
H02K1/2753
【請求項の数】
14
(21)【出願番号】P 2023174376
(22)【出願日】2023-10-06
【審査請求日】2023-10-25
【早期審査対象出願】
(73)【特許権者】
【識別番号】520144842
【氏名又は名称】村井 啓一
(74)【代理人】
【識別番号】110002354
【氏名又は名称】弁理士法人平和国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】村井 啓一
【審査官】池田 貴俊
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１９－１２２１９０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０７－３１２８５２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０２１－０６８７５４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１８－１４２６３５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１６－１７１６７５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０３－０３６９４５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１７－１９５６８３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００９－０４４８６６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１４－１２１１１６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００６－３５３００９（ＪＰ，Ａ）
【文献】実開昭５６－０７１０４４（ＪＰ，Ｕ）
【文献】特開昭６３－０２３５４２（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０２Ｋ １／２７５３
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
回転軸により回転させられるリング状のロータと、ロータの周囲に設けられるステータとを備え、上記ロータを、上記回転軸の外側に該回転軸の中心軸を中心とする円周方向に沿って同極同士を互いに対向させて等角度間隔に配置され同一形状且つ同一の大きさに形成された複数の永久磁石からなる磁石体と、隣接する磁石体間に配置され該磁石体の側面に接合する側面を有するとともに所定の中心角を有した扇状で同一形状且つ同一の大きさに形成された複数のヨークとを備えて構成した同期回転電機において、
上記磁石体のアキシャル方向の長さをＭａ、ラジアル方向の長さをＭｒとし、上記ヨークのアキシャル方向の長さをＹａ、ラジアル方向の長さをＹｒとしたとき、Ｍａ＜Ｙａ、Ｍｒ＜Ｙｒに設定し、上記磁石体のほとんどの磁束を上記ヨークに吸収させることを特徴とする同期回転電機。
【請求項2】
上記磁石体を、その磁束密度をＢとしたとき、１５０ｍＴ≦Ｂの磁石材料で構成し、
上記ヨークの中心角をθとしたとき、２０°＜θ＜４０°に設定し、
上記磁石体の側面をこれに直交する方向から見たとき該磁石体の側面の周縁から上記ヨークの側面の周縁を突出させて該磁石体の側面と上記ヨークの側面とを接合させ、
上記磁石体の側面のアキシャル方向一方側の周縁に対する上記ヨークの側面のアキシャル方向一方側の周縁の突出寸法をＥａとし、上記磁石体の側面のアキシャル方向他方側の周縁に対する上記ヨークの側面のアキシャル方向他方側の周縁の突出寸法をＥｂとし、隣接する磁石体の最小間隔をＧとしたとき、
０．５ｍｍ≦Ｅａ≦５ｍｍ、０．５ｍｍ≦Ｅｂ≦５ｍｍ、０．５ｍｍ≦Ｇ≦５ｍｍに設定したことを特徴とする請求項１記載の同期回転電機。
【請求項3】
上記磁石体の側面のラジアル方向外端側の周縁に対する上記ヨークの側面のラジアル方向外側の周縁の突出寸法をＥｃとしたとき、０．５ｍｍ≦Ｅｃ≦５ｍｍに設定したことを特徴とする請求項２記載の同期回転電機。
【請求項4】
上記ヨークにおいて、２５．７°＜θ≦３６°の範囲であって、該ヨークの数をｎとしたとき、ｎ＝１０，ｎ＝１２，ｎ＝１４の何れかにし、上記磁石体を、略直方体状に形成したことを特徴とする請求項３記載の同期回転電機。
【請求項5】
上記ヨークの側面の外端部に、周方向に沿って突出形成され上記磁石体の外端面が衝止する突片を形成したことを特徴とする請求項４記載の同期回転電機。
【請求項6】
上記ロータを、上記回転軸が挿通されて固定されるとともに上記各ヨークの基端部を保持する非磁性体からなるホルダを備えて構成したことを特徴とする請求項５記載の同期回転電機。
【請求項7】
上記ロータを、上記回転軸が挿通されて固定されるリング状に形成され外周部に上記各ヨークの基端部を保持する非磁性体からなるホルダを備えて構成し、上記ヨークの内端部に周方向左右に突出する係合部を設け、上記ホルダの外周部に上記係合部が該ホルダの上記中心軸に直交する一方面または他方面側から挿入されて係合する被係合部を形成したことを特徴とする請求項５記載の同期回転電機。
【請求項8】
上記ロータを、上記回転軸が挿通されて固定されるとともに上記各ヨークの上記中心軸に直交する一方面及び他方面に夫々付設されて上記各ヨークの基端部を保持する非磁性体からなる一対のプレートを備えたホルダを備えて構成し、上記各ヨークの基端部に上記回転軸の軸方向に沿う第１ボルト挿通孔を形成し、上記ホルダの各プレートに上記第１ボルト挿通孔に対応した複数の第２ボルト挿通孔を形成し、上記一方のプレートの第２ボルト挿通孔、上記各ヨークの第１ボルト挿通孔及び上記他方のプレートの第２ボルト挿通孔に非磁性体からなるボルトを挿通し、各ボルトに非磁性体からなるナットを螺合して、上記各ヨークを一対のプレートで挾持することを特徴とする請求項５記載の同期回転電機。
【請求項9】
上記ステータとして、上記ロータの外周面にエアギャップを介して対面するとともに該ロータの回転軸を中心とした円周上に所定間隔で列設された複数のステータコイルを備えたラジアル位置ステータを備えたことを特徴とする請求項１乃至８何れかに記載の同期回転電機。
【請求項10】
上記ステータとして、上記ロータの中心軸に直交する一方面及び／または他方面にエアギャップを介して対面するとともに該ロータの回転軸を中心とした円周上に所定間隔で列設された複数のステータコイルを備えたアキシャル位置ステータを備えたことを特徴とする請求項１乃至８何れかに記載の同期回転電機。
【請求項11】
上記ステータとして、上記ロータの外周面にエアギャップを介して対面するとともに該ロータの回転軸を中心とした円周上に所定間隔で列設された複数のステータコイルを備えたラジアル位置ステータと、上記ロータの中心軸に直交する一方面及び／または他方面にエアギャップを介して対面するとともに該ロータの回転軸を中心とした円周上に所定間隔で列設された複数のステータコイルを備えたアキシャル位置ステータとを備えたことを特徴とする請求項１乃至８何れかに記載の同期回転電機。
【請求項12】
上記ステータとして、上記ロータの外周面にエアギャップを介して対面するとともに該ロータの回転軸を中心とした円周上に所定間隔で列設された複数のステータコイルと、該複数のステータコイルに夫々対応して設けられステータコイルが巻回される複数のティースとを備えたラジアル位置ステータを備え、該ラジアル位置ステータのティースを、上記ロータの外周面にエアギャップを介して対面する本体と、該本体の上記中心軸方向両端部から該中心軸に向けて突設され上記ロータの一方面及び他方面に夫々エアギャップを介して対面する対面部を有した凸条体とを備えて構成し、上記ステータコイルを、上記ティースに少なくとも上記凸条体の対面部を露出させて巻回したことを特徴とする請求項１乃至８何れかに記載の同期回転電機。
【請求項13】
上記本体と上記凸条体との間に絶縁部材を介装したことを特徴とする請求項１２記載の同期回転電機。
【請求項14】
上記ロータ及びステータの組を、同一の回転軸に複数組列設したことを特徴とする請求項１３記載の同期回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、回転軸により回転させられるリング状のロータとロータの周囲に設けられるステータとを備え電動機あるいは発電機として構成可能な同期回転電機に係り、特に、永久磁石を同極同士が互いに対向するように独立した扇型のヨークを介して周方向に配置した所謂同極反発型のロータを備えた同期回転電機に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、この種の同期回転電機としては、例えば、特開平６－３８４１５号公報（特許文献１）に掲載されたものが知られており、これは、図３１に示すように、回転軸（図示せず）により回転させられるリング状のロータ１００と、ロータ１００の周囲に設けられるステータ（図示せず）とを備え、ロータ１００は、回転軸の外側に回転軸の中心軸Ｐを中心とする円周方向に沿って同極同士を互いに対向させて等角度間隔（４５°）に配置され同一形状且つ同一の大きさで細長の直方体に形成された複数の永久磁石からなる磁石体１０１と、隣接する磁石体１０１間に配置され磁石体１０１の側面に接合する側面を有するとともに所定の中心角（４５°）を有した扇状で同一形状且つ同一の大きさに形成された複数のヨーク１０２とを備えて構成されている。
【0003】
ところで、同期回転電機Ｋａとして、例えばモータ（電動機）の場合、エネルギー効率の高いモータを得るために、ロータ１００の磁石体１０１として、フェライト系のものに代わり、磁束密度の高い例えばネオジム系磁石を用いたい。しかし、この磁束密度の高い磁石体１０１を用いたロータ１００を設計し安価に生産しようとした際に、図３１に示す磁石体１０１を独立したヨーク１０２を介して周方向に配置するタイプのロータ１００においては、磁石体がフェライト系磁石では問題ないものの、高磁束密度の磁石体１０１の場合には、磁力が強力で組み立て実装工程に困難性が生じる。そのため、従来においては、ロータとして磁石体を鉄心に埋め込むタイプにした所謂ＩＰＭモータが普及している（例えば、特開平１０－６６２８５号公報等参照）。しかしながら、例えば、ＥＶやロボットなどの分野においては、出来るだけ低重量で高トルク、高回転のモータを利用することが求められ、磁石体１０１を独立したヨーク１０２を介して周方向に配置するタイプのロータ１００は、単位重量あたりのトルク密度に優れていることから、その普及が望まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開平６－３８４１５号公報
【文献】特開平１０－６６２８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
ここで、再度、磁石体１０１を独立したヨーク１０２を介して周方向に配置するタイプのロータ１００についての問題点を詳しく挙げると、図３１に示すように、このロータ１００においては、磁石体１０１が細長の直方体に形成され、扇型のヨーク１０２の付け根が広くなっているので、磁束が漏れて本来磁束密度を高めたいラジアル方向の磁束密度が高くならない、本来磁石が保有する磁束を有効に利用することができずエネルギー効率が悪い、という問題がある。そのため、扇型のヨークの付け根幅を狭くするようにし、ヨークの付け根の磁束を極端に少なくしてラジアル方向の磁束密度を高めることが考えられるが、反面、磁気飽和し易くなり、この部分から同極磁石が反発することになるので、上記の実装する場合に磁力が強力で組み立て実装工程に困難性が生じてしまう。
【0006】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、永久磁石を同極同士が互いに対向するように独立した扇型のヨークを介して周方向に配置したロータを備えたものにおいて、ネオジム磁石などの高性能磁石を用いても、磁石体及びヨークを反発力に拮抗しながら容易に組み立てることができるようにするとともに、磁石体から放射される磁束をヨークに有効に導いて、同時に磁気飽和を防いで高性能磁石とヨークの最適構造化を達成し、磁気的に自動安定して一体化し、高性能磁石が保有するほとんどの磁束密度をヨークに吸収し駆動力に貢献する磁束として放出し最大限活かすことができる同期回転電機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】
【0007】
本願発明者は、長年の研究により、磁束密度の高い高性能磁石体とヨークとの関係を検討した結果、磁気飽和させること無く最大効率を生み出すことができる条件を見出し、本発明を完成させた。
即ち、上記課題を解決するための本発明の同期回転電機は、回転軸により回転させられるリング状のロータと、ロータの周囲に設けられるステータとを備え、上記ロータを、上記回転軸の外側に該回転軸の中心軸を中心とする円周方向に沿って同極同士を互いに対向させて等角度間隔に配置され同一形状且つ同一の大きさに形成された複数の永久磁石からなる磁石体と、隣接する磁石体間に配置され該磁石体の側面に接合する側面を有するとともに所定の中心角を有した扇状で同一形状且つ同一の大きさに形成された複数のヨークとを備えて構成した同期回転電機において、
上記磁石体のアキシャル方向の長さをＭａ、ラジアル方向の長さをＭｒとし、上記ヨークのアキシャル方向の長さをＹａ、ラジアル方向の長さをＹｒとしたとき、Ｍａ＜Ｙａ、Ｍｒ＜Ｙｒに設定し、上記磁石体のほとんどの磁束を上記ヨークに吸収させる構成としている。
より具体的には、上記磁石体を、その磁束密度をＢとしたとき、１５０ｍＴ≦Ｂの磁石材料で構成し、
上記ヨークの中心角をθとしたとき、２０°＜θ＜４０°に設定し、
上記磁石体のアキシャル方向の長さをＭａ、ラジアル方向の長さをＭｒとし、上記ヨークのアキシャル方向の長さをＹａ、ラジアル方向の長さをＹｒとしたとき、Ｍａ＜Ｙａ、Ｍｒ＜Ｙｒに設定し、
上記磁石体の側面をこれに直交する方向から見たとき該磁石体の側面の周縁から上記ヨークの側面の周縁を突出させて該磁石体の側面と上記ヨークの側面とを接合させ、
上記磁石体の側面のアキシャル方向一方側の周縁に対する上記ヨークの側面のアキシャル方向一方側の周縁の突出寸法をＥａとし、上記磁石体の側面のアキシャル方向他方側の周縁に対する上記ヨークの側面のアキシャル方向他方側の周縁の突出寸法をＥｂとし、隣接する磁石体の最小間隔をＧとしたとき、
０．５ｍｍ≦Ｅａ≦５ｍｍ、０．５ｍｍ≦Ｅｂ≦５ｍｍ、０．５ｍｍ≦Ｇ≦５ｍｍに
設定した構成としている。
即ち、上記課題を解決するための本発明の同期回転電機は、回転軸により回転させられるリング状のロータと、ロータの周囲に設けられるステータとを備え、上記ロータを、上記回転軸の外側に該回転軸の中心軸を中心とする円周方向に沿って同極同士を互いに対向させて等角度間隔に配置され同一形状且つ同一の大きさに形成された複数の永久磁石からなる磁石体と、隣接する磁石体間に配置され該磁石体の側面に接合する側面を有するとともに所定の中心角を有した扇状で同一形状且つ同一の大きさに形成された複数のヨークとを備えて構成した同期回転電機において、
上記磁石体のアキシャル方向の長さをＭａ、ラジアル方向の長さをＭｒとし、上記ヨークのアキシャル方向の長さをＹａ、ラジアル方向の長さをＹｒとしたとき、Ｍａ＜Ｙａ、Ｍｒ＜Ｙｒに設定し、上記磁石体のほとんどの磁束を上記ヨークに吸収させる構成としている。
より具体的には、上記磁石体を、その磁束密度をＢとしたとき、１５０ｍＴ≦Ｂの磁石材料で構成し、
上記ヨークの中心角をθとしたとき、２０°＜θ＜４０°に設定し、
上記磁石体のアキシャル方向の長さをＭａ、ラジアル方向の長さをＭｒとし、上記ヨークのアキシャル方向の長さをＹａ、ラジアル方向の長さをＹｒとしたとき、Ｍａ＜Ｙａ、Ｍｒ＜Ｙｒに設定し、
上記磁石体の側面をこれに直交する方向から見たとき該磁石体の側面の周縁から上記ヨークの側面の周縁を突出させて該磁石体の側面と上記ヨークの側面とを接合させ、
上記磁石体の側面のアキシャル方向一方側の周縁に対する上記ヨークの側面のアキシャル方向一方側の周縁の突出寸法をＥａとし、上記磁石体の側面のアキシャル方向他方側の周縁に対する上記ヨークの側面のアキシャル方向他方側の周縁の突出寸法をＥｂとし、隣接する磁石体の最小間隔をＧとしたとき、
０．５ｍｍ≦Ｅａ≦５ｍｍ、０．５ｍｍ≦Ｅｂ≦５ｍｍ、０．５ｍｍ≦Ｇ≦５ｍｍに
設定した構成としている。
【0008】
ここで、１５０ｍＴ≦Ｂの磁石材料としては、希土類磁石を挙げることができる。希土類磁石は希土類金属（ネオジウム、サマリウム、コバルトなど合計１７元素）の粉末を成型してから焼結した高性能なマグネットを言う。サマリウム・コバルトSm-Co系マグネット（通称：サマコバ磁石）と、ネオジウム・鉄・ボロンNd-Fe-B系マグネット（通称：ネオジム磁石）とがある。
また、ヨークとしては、飽和磁束密度が高い鉄系の材料、電磁軟鉄、圧紛鉄心、電磁鋼板、低炭素鋼、珪素鋼板等、適宜の材質のものが選択される。必要に応じて、熱処理を行ない、あるいは、防錆のためのメッキや塗装処理を施すことができる。
また、ヨークとしては、飽和磁束密度が高い鉄系の材料、電磁軟鉄、圧紛鉄心、電磁鋼板、低炭素鋼、珪素鋼板等、適宜の材質のものが選択される。必要に応じて、熱処理を行ない、あるいは、防錆のためのメッキや塗装処理を施すことができる。
【0009】
これにより、ロータを組み立てるときは、図５に示すように、例えば、予め、１つのヨークの一方側面に１つの磁石体（一方の磁石体）のＳ極側面を接合させ、このヨークの他方側面に別の磁石体（他方の磁石体）のＳ極側面を接合させる。若しくは、図示しないが、予め、１つのヨークの一方側面に１つの磁石体（一方の磁石体）のＮ極側面を接合させ、このヨークの他方側面に別の磁石体（他方の磁石体）のＮ極側面を接合させる。
【0010】
この場合、本発明によれば、一方の磁石体が吸着したヨークに他方の磁石体を近づけてこれらの面同士を接合しようとすると反発を受けて吸着できない状態が一時的に生じても、他方の磁石体を更に近接させて面接合させるようにするとそのＳ極の磁束がヨークに吸収されるようになることから、吸着できるようになる。その理由は、本発明では、図６に示すように、ヨークの中心角θを、２０°＜θ＜４０°に設定するとともに、隣接する磁石体の最小間隔Ｇを０．５ｍｍ≦Ｇ≦５ｍｍにすることにより、扇型のヨークの付け根幅を狭くするようにし、更に、磁石体の側面をこれに直交する方向から見たとき磁石体の側面の周縁からヨークの側面の周縁を突出させて、即ち、ヨークの周縁（ヨークの全周辺）を磁石体の周縁（磁石体の全周辺）に対して、はみ出すような構成にしたので、特に、図６（ｂ）及び図７（ａ）に示すように、ヨークの周縁を磁石体の周縁に対して、ラジアル方向のみならずアキシャル方向においても、０．５ｍｍ～５ｍｍ突出させたので、他方の磁石体を更にヨークに近接させて面接合させると、Ｓ極の磁束がヨークに吸収されるようになるからである。
【0011】
もし、ヨークの磁石体に対するアキシャル方向の突き出しがない場合には、即ち、図７（ｂ）に示すように、アキシャル方向において、ヨークの中心軸方向に直交する一方面及び他方面と、磁石体の中心軸方向に直交する一方面及び他方面とが面一（フラット）な場合には、一般に、ネオジム磁石のような高機能磁石は欠け易いので、コーナ部がアール（Ｒ）状の面取り形成されていることもあって、コーナ部であるアールの部分から磁束がヨークに吸収されず外部に磁束が漏れ、さらにヨークの付け根付近は磁束が飽和し易いことから、ヨークに対峙する磁石体の同極同士が反発し易くなる。そのため、一方の磁石体が吸着したヨークに他方の磁石体のＳ極から発生している全磁束が吸収されず、結果としてヨークの付け根付近は磁束が磁気飽和し、ヨーク表面から放出しているＳ極磁束と反発して吸着させることができない。この状態で無理やり、例えば接着剤で接着したり、拘束手段で拘束しても、磁束を有効に使用することができずに、高磁束密度磁石を使用することの意味が少なくなる。本発明においては、この反発して吸着できなくなる現象を避けることが出来るのである。
【0012】
このようにして、磁石体とヨークとを順次組み付けてリング状のロータにする。そして、組み立てた状態では、扇型ヨークの付け根幅は狭く、ヨークの周縁を磁石体の周縁に対して、ラジアル方向のみならずアキシャル方向においても、０．５ｍｍ～５ｍｍ突出しているので、磁気飽和し易いヨークの付け根付近も磁束がヨークに吸収され吸着し、同様にヨーク全体の周縁部においても磁束がヨークに吸収され吸着し、磁石の磁束をヨークに導くことができるようになる。このため、ラジアル方向の総磁束密度がヨークの付け根より格段に高くなり、その結果、磁石体の磁束密度を最大効率で活かすことができるようになる。５ｍｍを超えると磁束密度が低下傾向になり、５ｍｍ以下の安定吸着のできる範囲に設定することが望ましい。
【0013】
ヨークの周縁の磁石体の周縁に対する突き出し量は、図２０に示すヨークの突き出し量についての試験結果から、３ｍｍ以下の安定吸着のできる範囲に設定することが望ましい。即ち、好ましくは、０．５ｍｍ≦Ｅａ≦３ｍｍ、０．５ｍｍ≦Ｅｂ≦３ｍｍ、０．５ｍｍ≦Ｇ≦３ｍｍ、より望ましくは、０．５ｍｍ≦Ｅａ≦１ｍｍ、０．５ｍｍ≦Ｅｂ≦１ｍｍ、０．５ｍｍ≦Ｇ≦１ｍｍである。Ｅａ＝０であると安定吸着ができない。磁石体の磁束密度を最大効率で活かすためには上限値はできるだけ小さい方が良いが、安定吸着ができる突き出し量の範囲で設定することができる。
【0014】
また、図１４乃至図１９に示す試験結果から、ヨークの中心角度が２０°未満の場合には、ヨークの基端部の磁束が飽和して吸着できないことが分かっており、本発明では、ヨークの中心角θを、２０°＜θ＜４０°に設定したので、確実にヨークの基端部の磁束が飽和して吸着できない状態を回避できるようになるのである。４０°を超えると、磁束密度が低下してくる。望ましくは、２０°＜θ≦３６°である。
【0015】
このため、本発明においては、ヨークに磁石体を外力で押さえるなどせずに安定して吸着できるので、安定して実装し組み立てることができ、生産性を向上させ、コスト低下を図ることができる。組み立てた状態では、磁石体の表面から発生している全磁束をヨークに吸収させて、ヨークを透磁して表面から磁束を放出させることができるので、高磁束密度磁石の磁束を有効に生かすことができる。本発明では、磁束密度が１５０ｍＴ以上あるネオジム磁石などの高性能磁石を用いたモータを、重量あたり最大の効率で駆動させることができ、組み立てが容易で、高トルク、高効率で、低重量のモータを得ることができる。
【0016】
そして、必要に応じ、上記磁石体の側面のラジアル方向外側の周縁に対する上記ヨークの側面のラジアル方向外側の周縁の突出寸法をＥｃとしたとき、０．５ｍｍ≦Ｅｃ≦５ｍｍに設定した構成としている。望ましくは、０．５ｍｍ≦Ｅｃ≦３ｍｍ、より望ましくは、０．５ｍｍ≦Ｅｃ≦１ｍｍである。Ｅｃ＝０であると安定吸着に劣る。磁石体の磁束密度を最大効率で活かすためには上限値はできるだけ小さい方が良いが、安定吸着ができる突き出し量の範囲で設定することができる。
尚、磁石体の側面のラジアル方向内側の周縁に対する上記ヨークの側面のラジアル方向内側の周縁の突出寸法Ｅｄは、０．５ｍｍ≦Ｇ≦５ｍｍに設定していることにより、特に規定しなくても良い。しかし、できるだけ突出寸法Ｅｄを小さくすることが望ましい。
尚、磁石体の側面のラジアル方向内側の周縁に対する上記ヨークの側面のラジアル方向内側の周縁の突出寸法Ｅｄは、０．５ｍｍ≦Ｇ≦５ｍｍに設定していることにより、特に規定しなくても良い。しかし、できるだけ突出寸法Ｅｄを小さくすることが望ましい。
【0017】
また、必要に応じ、上記ヨークにおいて、２５．７°≦θ＜３６°の範囲であって、該ヨークの数をｎとしたとき、ｎ＝１０，ｎ＝１２，ｎ＝１４の何れかにし、上記磁石体を、略直方体状に形成した構成としている。ｎは整数の偶数である。ｎ＝１０（θ＝３６°）、ｎ＝１２（θ＝３０°）、ｎ＝１４（θ≒２５．７°）である。ｎ＝１４の場合、中心角θは割り切れないが、磁石体とヨークの密着性においては誤差範囲であり、作用，効果に影響はなく、ほとんど問題はない。もし、隙間が気になるのであれば、接着剤等を介装すればよい。この範囲で、本発明の作用，効果を最大限に発揮できる。
図１９の試験例からも分かるように、ｎ≦８であると、総磁束密度が有効に使えない。
１６≦ｎであると、ヨークが薄くなり、飽和しやすくなる。
図１９の試験例からも分かるように、ｎ≦８であると、総磁束密度が有効に使えない。
１６≦ｎであると、ヨークが薄くなり、飽和しやすくなる。
【0018】
更に、必要に応じ、上記ヨークの側面の外端部に、周方向に沿って突出形成され上記磁石体の外端面が衝止する突片を形成した構成としている。本発明においては、ヨークに磁石体を外力で押さえるなどせずに磁石体とヨークとを安定吸着できるので、突片は特に必要がないが、組み立て時に磁石体を突片に衝止して位置決めができるので、組み立てをより一層やりやすくすることができる。また、ロータの回転時の遠心力によるずれを確実に防止することができる。
【0019】
更にまた、必要に応じ、上記ロータを、上記回転軸が挿通されて固定されるとともに上記各ヨークの基端部を保持する非磁性体からなるホルダを備えて構成している。回転軸をホルダに固定できるので、回転軸とロータとの軸心合わせが確実になる。そのため、回転軸に対するロータの取り付けを確実かつ容易に行うことができる。そして、回転軸を回転させたときには、ロータの回転を円滑にすることができる。また、回転時には、ヨーク基端部がロータに保持されているので、ロータの回転時の遠心力によるずれを確実に防止することができ、回転を円滑に行うことができる。
【0020】
具体的には、必要に応じ、上記ロータを、上記回転軸が挿通されて固定されるリング状に形成され外周部に上記各ヨークの基端部を保持する非磁性体からなるホルダを備えて構成し、上記ヨークの内端部に周方向左右に突出する係合部を設け、上記ホルダの外周部に上記係合部が該ホルダの上記中心軸に直交する一方面または他方面側から挿入されて係合する被係合部を形成した構成としている。
【0021】
これにより、ロータの組み立て時においては、例えば、予め、１つのヨークの一方側面に１つの磁石体のＮ極側面を接合させて磁石体のＳ極側面を露出させた第１ユニットと、１つのヨークの一方側面に１つの磁石体のＳ極側面を接合させて磁石体のＮ極側面を露出させた第２ユニットとを、必要数作成しておき、この第１ユニットと第２ユニットとを、交互に順番に接合していく。この場合、先ず、第１ユニット若しくは第２ユニットのいずれか一方を、そのヨークの係合部をホルダの被係合部に係合してホルダに取り付ける。次に、第１ユニット若しくは第２ユニットのいずれか他方を、そのヨークの係合部をホルダの被係合部に係合してホルダに取り付ける。
【0022】
この場合、第１ユニット若しくは第２ユニットのいずれか一方のヨークの他方側面に、第１ユニット若しくは第２ユニットのいずれか他方の磁石体がスライドして接合するようになるが、そのスライド初期にはこれらは互いに同極で反発して吸着できない状態が一時的に生じるものの、上述したように、更にスライドさせながら近接させて面接合させるようにすると磁石体の磁束がヨークに吸収されるようになることから、吸着できるようになる。このようにして、第１ユニットと第２ユニットとを、交互に順番に接合していく。この際には、ヨークの係合部をホルダの被係合部に係合して押し込むだけで良いので、位置決めを容易に行って組み付けることができ、組み立てを容易に行うことができる。
【0023】
次に、このロータのホルダを回転軸に取り付ける。この場合、ホルダを回転軸に固定できるので、回転軸とロータとの軸心合わせが確実になる。そのため、回転軸に対するロータの取り付けを確実かつ容易に行うことができる。そして、回転軸を回転させたときには、ロータの回転を円滑にすることができる。また、回転時には、ヨークの係合部がホルダの被係合部に係合しているので、ロータの回転時の遠心力によるずれを確実に防止することができ、回転を円滑に行うことができる。
【0024】
また、必要に応じ、上記ロータを、上記回転軸が挿通されて固定されるとともに上記各ヨークの上記中心軸に直交する一方面及び他方面に夫々付設されて上記各ヨークの基端部を保持する非磁性体からなる一対のプレートを備えたホルダを備えて構成し、上記各ヨークの基端部に上記回転軸の軸方向に沿う第１ボルト挿通孔を形成し、上記ホルダの各プレートに上記第１ボルト挿通孔に対応した複数の第２ボルト挿通孔を形成し、上記一方のプレートの第２ボルト挿通孔、上記各ヨークの第１ボルト挿通孔及び上記他方のプレートの第２ボルト挿通孔に非磁性体からなるボルトを挿通し、各ボルトに非磁性体からなるナットを螺合して、上記各ヨークを一対のプレートで挾持する構成としている。
【0025】
これにより、ロータの組み立て時においては、例えば、予め、１つのヨークの一方側面に１つの磁石体のＮ極側面を接合させて磁石体のＳ極側面を露出させた第１ユニットと、１つのヨークの一方側面に１つの磁石体のＳ極側面を接合させて磁石体のＮ極側面を露出させた第２ユニットとを、必要数作成しておき、この第１ユニットと第２ユニットとを、交互に順番に接合していく。この場合、ホルダの一方のプレートの各第２ボルト挿通孔に夫々ボルトを挿通して取り付けておく。そして、先ず、第１ユニット若しくは第２ユニットのいずれか一方を、そのヨークの第１ボルト挿通孔をボルトに挿通して一方のプレートに取り付ける。次に、第１ユニット若しくは第２ユニットのいずれか他方を、そのヨークの第１ボルト挿通孔をボルトに挿通して一方のプレートに取り付ける。
【0026】
この場合、第１ユニット若しくは第２ユニットのいずれか一方のヨークの他方側面に、第１ユニット若しくは第２ユニットのいずれか他方の磁石体がスライドして接合するようになるが、そのスライド初期にはこれらは互いに同極で反発して吸着できない状態が一時的に生じるものの、上述したように、更にスライドさせながら近接させて面接合させるようにすると磁石体の磁束がヨークに吸収されるようになることから、吸着できるようになる。このようにして、第１ユニットと第２ユニットとを、交互に順番に接合していく。この際には、ヨークの第１ボルト挿通孔をボルトに挿通させて押し込むだけで良いので、位置決めを容易に行って組み付けることができ、組み立てを容易に行うことができる。そして、最後に、他方のプレートを、その第２ボルト挿通孔をボルトに挿通するとともに、ボルトにナットを螺合して取り付ける。これにより、各ヨークが一対のプレートで挾持される。
【0027】
次に、このロータのホルダを回転軸に取り付ける。この場合、ホルダを回転軸に固定できるので、回転軸とロータとの軸心合わせが確実になる。そのため、回転軸に対するロータの取り付けを確実かつ容易に行うことができる。そして、回転軸を回転させたときには、ロータの回転を円滑にすることができる。また、回転時には、各ヨークがその第１ボルト挿通孔にボルトを挿通させて一対のプレートで挾持されているので、ロータの回転時の遠心力によるずれを確実に防止することができ、回転を円滑に行うことができる。また、ヨークの基端部に第１ボルト挿通孔が形成されているので、且つ非磁性体のボルトを使用したことによる磁気抵抗の増大によって、ヨークの基端部の幅が実質的に小さくなることから、磁石の磁束をヨークに導きやすくなる。
【0028】
そしてまた、必要に応じ、上記ステータとして、上記ロータの外周面にエアギャップを介して対面するとともに該ロータの回転軸を中心とした円周上に所定間隔で列設された複数のステータコイルを備えたラジアル位置ステータを備えた構成としている。
【0029】
また、必要に応じ、上記ステータとして、上記ロータの中心軸に直交する一方面及び／または他方面にエアギャップを介して対面するとともに該ロータの回転軸を中心とした円周上に所定間隔で列設された複数のステータコイルを備えたアキシャル位置ステータを備えた構成としている。
【0030】
更に、必要に応じ、上記ステータとして、上記ロータの外周面にエアギャップを介して対面するとともに該ロータの回転軸を中心とした円周上に所定間隔で列設された複数のステータコイルを備えたラジアル位置ステータと、上記ロータの中心軸に直交する一方面及び／または他方面にエアギャップを介して対面するとともに該ロータの回転軸を中心とした円周上に所定間隔で列設された複数のステータコイルを備えたアキシャル位置ステータとを備えた構成としている。
【0031】
これにより、ラジアル位置ステータとアキシャル位置ステータとを備えたので、ステータコイルは、ロータの磁束を捉えやすく、そのため、同期回転電機の効率を向上させることができる。例えば、磁束密度が１５０ｍＴ以上あるネオジム磁石などの高性能磁石を用いたモータであれば、高効率のモータを得ることができる。
【0032】
更にまた、必要に応じ、上記ステータとして、上記ロータの外周面にエアギャップを介して対面するとともに該ロータの回転軸を中心とした円周上に所定間隔で列設された複数のステータコイルと、該複数のステータコイルに夫々対応して設けられステータコイルが巻回される複数のティースとを備えたラジアル位置ステータを備え、
該ラジアル位置ステータのティースを、上記ロータの外周面にエアギャップを介して対面する本体と、該本体の上記中心軸方向両端部から該中心軸に向けて突設され上記ロータの一方面及び他方面に夫々エアギャップを介して対面する対面部を有した凸条体とを備えて構成し、上記ステータコイルを、上記ティースに少なくとも上記凸条体の対面部を露出させて巻回した構成としている。
該ラジアル位置ステータのティースを、上記ロータの外周面にエアギャップを介して対面する本体と、該本体の上記中心軸方向両端部から該中心軸に向けて突設され上記ロータの一方面及び他方面に夫々エアギャップを介して対面する対面部を有した凸条体とを備えて構成し、上記ステータコイルを、上記ティースに少なくとも上記凸条体の対面部を露出させて巻回した構成としている。
【0033】
これにより、ラジアル位置ステータのティースは、ロータの外周面に対面する本体と、ロータの一方面及び他方面に夫々対面する対面部を有した凸条体とを備えて構成されているので、ステータコイルは、ロータの磁束を捉えやすく、そのため、同期回転電機の効率を向上させることができる。例えば、磁束密度が１５０ｍＴ以上あるネオジム磁石などの高性能磁石を用いたモータであれば、高効率のモータを得ることができる。
【0034】
この場合、上記本体と上記凸条体との間に非磁性絶縁部材を介装したことが有効である。ロータの外周面に対面する本体と、ロータの一方面及び他方面に夫々対面する対面部を有した凸条体とから放射される磁束密度量のバランスが執れるようになる。
【0035】
また、この場合、上記ロータ及びステータの組を、同一の回転軸に複数組列設したことが有効である。その結果、高性能磁石からヨークに吸収されて、ロータの外周面とロータの一方面及び他方面に夫々対面する対面部から放射される磁束密度を最大限ステータコイルに導くことができるようになり同期回転電機の効率を向上させることができる。例えば、磁束密度が１５０ｍＴ以上あるネオジム磁石などの高性能磁石を用いたモータであれば、高効率のモータを得ることができる。
【発明の効果】
【0036】
本発明によれば、ネオジム磁石などの高性能磁石を用いても、磁石体及びヨークを反発力に拮抗しながら容易に組み立てることができるようになる。また、磁石体から放射される磁束をヨークに有効に導いて、同時に磁気飽和を防いで高性能磁石とヨークを安定して一体化し、高性能磁石が保有する磁束密度を最大限活かすことができる。これにより、リング状のロータとロータの周囲に設けられるステータとを備えた高効率な電動機（モータ）あるいは発電機として、利用，活用を図ることができる。特に、外形寸法が制限され且つ軽量化が必要な用途、例えば、外形が小さく細長いスピンドルモータ、ロボットの腕関節部やロボットの腕先端に搭載するモータ、医療用モータ等に最適であり、これらを利用することにより、小型軽量が望まれる、工作機械、ロボット、ハンディタイプの手作業ツール、各種医療機器、ドローン等に極めて有用になる。
【図面の簡単な説明】
【0037】
【図1】本発明の第一の実施の形態に係る同期回転電機を示し、（ａ）はロータとステータとを分解して示す分解斜視図、（ｂ）はロータとステータとを組み立てた状態で示す斜視図である。
【図2】本発明の第一の実施の形態に係る同期回転電機のロータの構造を示す分解斜視図である。
【図3】本発明の第一の実施の形態に係る同期回転電機のロータを示す図である。
【図4】本発明の第一の実施の形態に係る同期回転電機のロータとロータをエアーギャップを介して取り囲むように円周に存在するステータとの関係を示す断面図である。
【図5】本発明の同期回転電機のロータにおいて、磁石体とヨークとの基本構造及びこれらの関係を示し、（ａ）は一方の磁石体が吸着したヨークに他方の磁石体を吸着させる前の状態を示す正面図、（ｂ）は一方の磁石体が吸着したヨークに他方の磁石体が吸着した状態を示す正面図である。
【図6】本発明の同期回転電機のロータにおいて、磁石体とヨークとの基本構造及びこれらの関係を示し、（ａ）は一方の磁石体が吸着したヨークに他方の磁石体を吸着した状態を示す正面図、（ｂ）はヨークの側面に直交する方向から見た側面図である。
【図7】本発明の同期回転電機のロータにおいて、磁石体とヨークとの基本構造及びこれらの関係を示し、（ａ）はヨークが磁石体に対してアキシャル方向に突出した本発明の図６（ａ）中Ａ－Ａ線断面図、（ｂ）はヨークが磁石体に対してアキシャル方向に突出していない場合の状態を示す図７（ａ）相当断面図である。
【図8】本発明の第二の実施の形態に係る同期回転電機を示す斜視図である。
【図9】本発明の第二の実施の形態に係る同期回転電機の変形例を示す断面図である。
【図10】本発明の第三の実施の形態に係る同期回転電機を示す正面図である。
【図11】本発明の第四の実施の形態に係る同期回転電機を示し、（ａ）はロータとステータを示す正面図、（ｂ）は１つのロータと１つのステータを組み付けた状態（シングルアキシャル型）を示す断面図、（ｃ）は２つのロータと１つのステータを組み付けた状態（ダブルアキシャル型）を示す断面図である。
【図12】本発明の第五の実施の形態に係る同期回転電機を示すとともにそのロータとステータとの関係を示す図である。
【図13】本発明の各実施の形態に係る同期回転電機において、ロータの別の例を示す分解斜視図である。
【図14】本発明の試験例１（磁石体及びヨーク間距離とヨーク表面の磁束密度との関係に係る試験）において、一方の磁石体が吸着したヨークに他方の磁石体を吸着させる状態を磁束密度センサーとの関係で示す図である。
【図15】本発明の試験例１の測定結果を示すグラフ図である。
【図16】本発明の試験例２（ヨーク表面の磁束密度と磁石体の表面の磁束密度の測定）の測定結果を示すグラフ図である。
【図17】本発明の試験例３（ヨークの中心角θについての試験＜その１＞）に係り、（ａ）は一方の磁石体が吸着したヨークに他方の磁石体を吸着させる状態を磁束密度センサーの測定部位（扇型のラジアル方向に広がった外周部位中心部）との関係で示す図、（ｂ）はヨークの異なる中心角度毎に磁束密度を測定した結果を示すグラフ図である。
【図18】本発明の試験例４（ヨークの中心角θについての試験＜その２＞）に係り、（ａ）は磁束密度センサーの測定部位を示す図、（ｂ）はヨークの異なる中心角度毎に磁束密度を測定した結果を示すグラフ図である。
【図19】本発明の試験例５（ヨークの中心角θについての試験＜その３＞）に係り、ヨークの異なる中心角度毎に磁石体の単位当たりの磁束強度に極数（ヨークの数）を掛けた値を磁極数合計総磁束強度として算出した結果を示すグラフ図である。
【図20】本発明の試験例６（ヨークの磁石体に対する突き出し量についての試験）に係り、磁石体に対してアキシャル方向の幅の異なるヨークについての磁束密度の測定結果（磁束密度の測定部位は試験例１と同様の位置（図１４）である）を示すグラフ図である。
【図21】本発明の試験例７（磁石体の厚さ（磁石体の周方向の長さＭｅ）についての試験）に係り、ネオジム磁石について厚さと磁束密度との関係を測定した結果を示すグラフ図である。
【図22】本発明の試験例８（ホルダの材質についての試験）に係り、（ａ）は磁束密度センサーの測定部位を示す図、（ｂ）はホルダの材質毎の測定結果を示すグラフ図である。
【図23】本発明の試験例９（ロータの大きさについての試験）に係り、（ａ）はネオジム磁石の大きさとヨークの大きさとの異なる組み合わせにおいて、ヨークの角度と磁束密度との関係を測定した結果を示すグラフ図、（ｂ）はその元になるデータを示す表図である。
【図24】本発明の試験例９（ロータの大きさについての試験）に係り、ネオジム磁石の大きさとヨークの大きさとの異なる組み合わせ（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）を、ヨークの面積比及び実ヨークの表面積比（斜線部）との関係で示す図である。
【図25】本発明の試験例９（ロータの大きさについての試験）に係り、重量あたり最大トルクを得るための最適なロータの大きさを決める解析において、ヨーク及びこれを挟むネオジム磁石２個における単位重量当たりのトルク重量比係数Ｆの概念を視覚的に示す図である。
【図26】磁石長Ｍｒとトルク重量比係数Ｆとの関係を示すグラフ図である。
【図27】本発明の各実施の形態に係る同期回転電機に用いることのできるロータの試作品を示す図（ａ）（ｂ）（ｃ）である。
【図28】本発明の実施例を示し、（ａ）は実施例１（試作機１：ラジアルギャップモータ）を示す斜視図、（ｂ）は実施例２（試作機２：シングルアキシャルギャップモータ）を示す斜視図、（ｃ）は実施例３（試作機３：ダブルアキシャルギャップモータ）を示す斜視図である。
【図29】本発明の試験例１０（実施例についてのトルク測定試験）に係り、（ａ）は実施例１～３の試験結果及び実施例４の試算値を示す表図、（ｂ）は比較例１～７（市販されているモータ１～７）のデータを示す表図である。
【図30】本発明の実施の形態に係るロータの変形例を示す図である。
【図31】従来の同期回転電機のロータをその問題点とともに示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0038】
以下、添付図面に基づいて本発明の実施の形態に係る同期回転電機について詳細に説明する。
図１乃至図４には、本発明の第一の実施の形態に係る同期回転電機Ｋを示している。この同期回転電機Ｋは、回転軸Ｓ（図４）により回転させられるリング状のロータ１と、ロータ１の周囲に設けられるステータとしてのラジアル位置ステータ２０とを備えている。
図１乃至図４には、本発明の第一の実施の形態に係る同期回転電機Ｋを示している。この同期回転電機Ｋは、回転軸Ｓ（図４）により回転させられるリング状のロータ１と、ロータ１の周囲に設けられるステータとしてのラジアル位置ステータ２０とを備えている。
【0039】
ロータ１は、回転軸Ｓの外側に該回転軸Ｓの中心軸Ｐを中心とする円周方向に沿って同極同士を互いに対向させて等角度間隔に配置され同一形状且つ同一の大きさに形成された複数の永久磁石からなる磁石体２と、隣接する磁石体２間に配置されこの磁石体２の側面に接合する側面を有するとともに所定の中心角を有した扇状で同一形状且つ同一の大きさに形成された複数のヨーク３と、回転軸Ｓが挿通されて固定され各ヨーク３の基端部を保持する非磁性体からなるホルダ１０とを備えて構成されている。
【0040】
磁石体２は、その磁束密度をＢとしたとき、１５０ｍＴ≦Ｂの磁石材料で構成されている。１５０ｍＴ≦Ｂの磁石材料としては、希土類磁石を挙げることができる。希土類磁石は希土類金属（ネオジウム、サマリウム、コバルトなど合計１７元素）の粉末を成型してから焼結した高性能なマグネットを言う。サマリウム・コバルトSm-Co系マグネット（通称：サマコバ磁石）と、ネオジウム・鉄・ボロンNd-Fe-B系マグネット（通称：ネオジム磁石）とがある。実施の形態では、ネオジム磁石を用いている。磁石体２は、略直方体状に形成されている。
【0041】
ヨーク３はとしては、例えば、透磁率が高く、飽和磁束密度が高い鉄系の材料、電磁軟鉄、圧紛鉄心、低炭素鋼、珪素鋼板等、適宜の材質のものが選択される。必要に応じて、熱処理を行ない、あるいは、防錆のためのメッキや塗装処理を施すことができる。
【0042】
ヨーク３は、その中心角をθとしたとき、２０°＜θ＜４０°に設定されている。望ましくは、２０°＜θ≦３６°である。より望ましくは、２５．７°＜θ≦３６°の範囲であって、ヨーク３の数をｎとしたとき、ｎ＝１０，ｎ＝１２，ｎ＝１４の何れかにしている。実施の形態では、ｎ＝１０（θ＝３６°）にしている。ヨーク３の側面の外端部には、周方向に沿って突出形成され磁石体２の外端面が衝止する突片４が形成されている。ヨーク３の内端部には、周方向左右に突出する係合部５が設けられている一方、ホルダ１０には、係合部５がホルダ１０の中心軸Ｐに直交する一方面または他方面側から挿入されて係合する被係合部６が形成されている。ヨーク３の基端部７と係合部５は一体に形成され、略Ｔ字状に形成されている。一方、被係合部６は、ヨーク３の基端部７と係合部５からなるＴ字状部分が嵌合するように、凹状に形成されている。被係合部６は、実施の形態では、ヨーク３の数（ｎ＝１０）に合致して、等角度間隔に１０個形成されている。
【0043】
そして、図６に示すように、磁石体２のアキシャル方向の長さをＭａ、ラジアル方向の長さをＭｒとし、ヨーク３のアキシャル方向の長さをＹａ、ラジアル方向の長さをＹｒとしたとき、Ｍａ＜Ｙａ、Ｍｒ＜Ｙｒに設定し、磁石体２の側面をこれに直交する方向から見たとき、磁石体２の側面の周縁からヨーク３の側面の周縁を突出させて、磁石体２の側面とヨーク３の側面とを接合させている。尚、実施の形態では、ヨーク３は、上記の係合部５を有するので、ヨーク３のラジアル方向の長さＹｒは、係合部５を含んで設定される。例えば、ロータ１は、その半径Ｒ（図３）は、２０ｍｍ≦Ｒ≦８０ｍｍ程度のものであり、５ｍｍ≦Ｙａ≦１００ｍｍ、５ｍｍ≦Ｙｒ≦５５ｍｍに設定される。また、磁石体２の周方向の長さＭｅ（厚さ）は、半径Ｒの大きさによっても異なるが、２ｍｍ≦Ｍｅ≦２０ｍｍに設定される。また、後述の試験例９から、磁石体２の大きさは、８ｍｍ≦Ｍａ≦１０ｍｍ、５ｍｍ≦Ｍｒ≦２５ｍｍが最適である。各部の寸法は、これらに限定されない。
【0044】
また、磁石体２の側面のアキシャル方向一方側の周縁に対するヨーク３の側面のアキシャル方向一方側の周縁の突出寸法をＥａとし、磁石体２の側面のアキシャル方向他方側の周縁に対するヨーク３の側面のアキシャル方向他方側の周縁の突出寸法をＥｂとし、隣接する磁石体２の最小間隔（１つのヨーク３に対して接合された一対の磁石体２の互いに隣接する内側の周縁間）をＧとしたとき、０．５ｍｍ≦Ｅａ≦５ｍｍ、０．５ｍｍ≦Ｅｂ≦５ｍｍ、０．５ｍｍ≦Ｇ≦５ｍｍに設定している。望ましくは、０．５ｍｍ≦Ｅａ≦３ｍｍ、０．５ｍｍ≦Ｅｂ≦３ｍｍ、０．５ｍｍ≦Ｇ≦３ｍｍ、より望ましくは、０．５ｍｍ≦Ｅａ≦１ｍｍ、０．５ｍｍ≦Ｅｂ≦１ｍｍ、０．５ｍｍ≦Ｇ≦１ｍｍである。
【0045】
また、磁石体２の側面のラジアル方向外側の周縁に対するヨーク３の側面のラジアル方向外側の周縁の突出寸法をＥｃとしたとき、０．５ｍｍ≦Ｅｃ≦５ｍｍに設定した構成としている。望ましくは、０．５ｍｍ≦Ｅｃ≦３ｍｍ、より望ましくは、０．５ｍｍ≦Ｅｃ≦１ｍｍである。Ｅｃ＝０であると安定吸着ができない。磁石体の磁束密度を最大効率で活かすためには上限値はできるだけ小さい方が良いが、安定吸着ができる突き出し量の範囲で設定することができる。
【0046】
尚、磁石体２の側面のラジアル方向内側の周縁に対するヨーク３の側面のラジアル方向内側の周縁の突出寸法Ｅｄは、０．５ｍｍ≦Ｇ≦５ｍｍに設定していることにより、特に規定しなくても良い。しかし、できるだけ突出寸法Ｅｄを小さくすることが望ましい。実施の形態では、係合部５を設けているので、突出寸法Ｅｄは、係合部５を含んで設定される。
【0047】
ステータとしてのラジアル位置ステータ２０は、ロータ１の外周面にエアギャップを介して対面するとともにロータ１の回転軸Ｓを中心とした円周上に所定間隔で列設された複数（実施の形態では１２個）のステータコイル２１と、複数のステータコイル２１に夫々対応して設けられステータコイル２１が巻回される複数（実施の形態では１２個）のティース２２とを備えて構成されている。ティース２２は、ロータ１を囲繞しリング状に形成された非磁性体からなる枠体２３に固定されている。
【0048】
ラジアル位置ステータ２０のティース２２は、図４に示すように、ロータ１の外周面にエアギャップを介して対面する本体２４と、本体２４の中心軸Ｐ方向両端部から中心軸Ｐに向けて突設されロータ１の一方面及び他方面に夫々エアギャップを介して対面する対面部２５ａを有した凸条体２５とを備えて構成されている。本体２４と凸条体２５との間には、非磁性絶縁部材２６が介装されている。ステータコイル２１は、ティース２２に少なくとも凸条体２５の対面部２５ａを露出させて、中心軸Ｐに直交し本体２４を通る放射方向の軸Ｑを中心にして巻回されている。
【0049】
従って、この実施の形態に係る同期回転電機Ｋにおいて、ロータ１を組み立てるときは、図２に示すように、例えば、予め、１つのヨーク３の一方側面に１つの磁石体２のＮ極側面を接合させてこの磁石体２のＳ極側面を露出させた第１ユニットＵ１と、１つのヨーク３の一方側面に１つの磁石体２のＳ極側面を接合させてこの磁石体２のＮ極側面を露出させた第２ユニットＵ２とを、必要数作成しておく。この場合、組み立て時に磁石体２を突片４に衝止して位置決めができるので、組み立てをより一層やりやすくすることができる。
【0050】
そして、ホルダ１０に、第１ユニットＵ１と第２ユニットＵ２とを、交互に順番に組み付けていく。この場合、先ず、第１ユニットＵ１若しくは第２ユニットＵ２のいずれか一方を、そのヨーク３の係合部５をホルダ１０の被係合部６に係合してホルダ１０に取り付ける。次に、第１ユニットＵ１若しくは第２ユニットＵ２のいずれか他方を、そのヨーク３の係合部５をホルダ１０の被係合部６に係合してホルダ１０に取り付ける。
【0051】
この際、第１ユニットＵ１若しくは第２ユニットＵ２のいずれか一方のヨーク３の他方側面に、第１ユニットＵ１若しくは第２ユニットＵ２のいずれか他方の磁石体２がスライドして接合するようになるが、そのスライド初期にはこれらは互いに同極で反発して吸着できない状態が生じる。しかしながら、それは、一時的に生じるものであり、更にスライドさせながら近接させて面接合させるようにすると磁石体２の磁束がヨーク３に吸収されるようになることから、吸着できるようになる。このようにして、第１ユニットＵ１と第２ユニットＵ２とを、交互に順番に接合していく。そのため、ヨーク３の係合部５をホルダ１０の被係合部６に係合して押し込むだけで良いので、位置決めを容易に行って組み付けることができ、組み立てを容易に行うことができる。
【0052】
詳しくは、このように、同極で反発して吸着できない状態が生じるものの、更に近接させて面接合させるようにすると吸着できるようになるのは、図６に示すように、実施の形態では、ヨーク３の中心角θを、２０°＜θ＜４０°に設定するとともに、隣接する磁石体２の最小間隔Ｇを０．５ｍｍ≦Ｇ≦５ｍｍにすることにより、扇型のヨーク３の付け根幅を狭くするようにし、更に、磁石体２の側面をこれに直交する方向から見たとき磁石体２の側面の周縁からヨーク３の側面の周縁を突出させて、即ち、ヨーク３の周縁（ヨーク３の全周辺）を磁石体２の周縁（磁石体２の全周辺）に対して、はみ出すような構成にしたので、特に、図６（ｂ）及び図７（ａ）に示すように、ヨーク３の周縁を磁石体２の周縁に対して、ラジアル方向のみならずアキシャル方向においても、０．５ｍｍ～５ｍｍ突出させたので、一方の磁石体２が吸着したヨーク３に対して他方の磁石体２を更に近接させて面接合させるようにすると、他方の磁石体２のＳ極の磁束がヨーク３に吸収されるようになるからである。また、磁石体２の側面のラジアル方向外側の周縁に対するヨーク３の側面のラジアル方向外側の周縁の突出寸法Ｅｃを、０．５ｍｍ≦Ｅｃ≦５ｍｍに設定しているので、この点でも、安定吸着を行わせることができる。
【0053】
このようにして、磁石体２とヨーク３とを順次組み付けてリング状のロータ１にする。このロータ１の組み立てにおいては、ヨーク３に磁石体２を外力で押さえるなどせずに安定して吸着できるので、安定して実装し組み立てることができ、生産性を向上させ、コスト低下を図ることができる。それから、このロータ１のホルダ１０を回転軸Ｓに取り付ける。この場合、ホルダ１０を回転軸Ｓに固定できるので、回転軸Ｓとロータ１との軸心合わせが確実になる。そのため、回転軸Ｓに対するロータ１の取り付けを確実かつ容易に行うことができる。また、このロータ１をステータ２０とともに組み立てて、同期回転電機Ｋを完成させる。
【0054】
この同期回転電機Ｋにおいては、ロータ１において、扇型ヨーク３の付け根幅は狭く、ヨーク３の周縁を磁石体２の周縁に対して、ラジアル方向のみならずアキシャル方向においても、０．５ｍｍ～５ｍｍ突出しているので、磁束をヨーク３に導くことができるようになる。このため、図６に示すように、ラジアル方向の総磁束密度がヨーク３の付け根（基端部７）より格段に高くなり、その結果、磁石体２の磁束密度を最大効率で活かすことができるようになる。即ち、ロータ１においては、磁石体２の表面から発生している全磁束をヨーク３に吸収させて、ヨーク３を透磁して表面から磁束を放出させることができるので、、高磁束密度磁石の磁束を有効に生かすことができる。例えば、磁束密度が１５０ｍＴ以上あるネオジム磁石などの高性能磁石を用いたモータを、重量あたり最大の効率で駆動させることができ、組み立てが容易で、高トルク、高効率で、低重量のモータを得ることができる。
【0055】
更に、ヨーク３の側面の外端部に、周方向に沿って突出形成され磁石体２の外端面が衝止する突片４を形成しているので、ロータ１の回転時の遠心力による磁石体２のずれを確実に防止することができる。また、ヨーク３の係合部５がホルダ１０の被係合部６に係合しているので、ロータ１の回転時の遠心力によるヨーク３のずれを確実に防止することができ、回転を円滑に行うことができる。
【0056】
更にまた、ステータとして、ラジアル位置ステータ２０を備え、このラジアル位置ステータ２０のティース２２は、ロータ１の外周面に対面する本体２４と、ロータ１の一方面及び他方面に夫々対面する対面部２５ａを有した凸条体２５とを備えて構成されているので、ステータコイル２１は、ロータ１の磁束を捉えやすく、そのため、同期回転電機Ｋの効率を向上させることができる。例えば、磁束密度が１５０ｍＴ以上あるネオジム磁石などの高性能磁石を用いたモータであれば、高効率のモータを得ることができる。また、本体２４と凸条体２５との間に非磁性絶縁部材２６を介装したので、本体２４と凸条体２５とから放射される磁束密度量のバランスが執れるようになる。
【0057】
図８には、第二の実施の形態に係る同期回転電機Ｋを示している。これは、第一の実施の形態に係るロータ１及びステータ２０の組を、同一の回転軸Ｓに複数組列設して構成されている。そのため、同期回転電機Ｋの効率を向上させることができる。例えば、磁束密度が１５０ｍＴ以上あるネオジム磁石などの高性能磁石を用いたモータであれば、高効率のモータを得ることができる。モータ直径を大きくしたくないがトルクを高くしたい仕様の場合には特に有効な構成である。
【0058】
図９には、第二の実施の形態に係る同期回転電機Ｋの変形例を示している。これは、図８に示す各ステータ２０のティース２２を一体化したものであり、隣接するティース２２の凸条体２５を共用し、ステータコイル２１を、凸条体２５の対面部２５ａを露出させて、全体に巻回したものである。これにより、モータの場合では、凸条体２５の両側から発生する磁束を有効に利用でき、電気エネルギーを有効に生かすことができるとともに、単位重量当たりのトルクを高めることができる。
【0059】
図１０には、第三の実施の形態に係る同期回転電機Ｋを示している。これは、ステータとして、ラジアル位置ステータ２０を備え、このラジアル位置ステータ２０は、ロータ１の外周面にエアギャップを介して対面するとともにロータ１の回転軸Ｓを中心とした円周上に所定間隔で列設された複数（実施の形態では１２個）のステータコイル２１と、複数のステータコイル２１に夫々対応して設けられステータコイル２１が巻回される複数（実施の形態では１２個）のティース２２とを備えて構成されている。ティース２２は、ロータ１を囲繞しリング状に形成された非磁性体からなる枠体２７の内側に固定されている。
【0060】
図１１には、第四の実施の形態に係る同期回転電機Ｋを示している。これは、図１１（ａ）に示すように、ステータとして、アキシャル位置ステータ３０を備え、このアキシャル位置ステータ３０は、ロータ１の中心軸Ｐに直交する面にエアギャップを介して対面する一方面及び他方面を有するとともにロータ１の回転軸Ｓを中心とした円周上に所定間隔で列設された複数（実施の形態では１２個）のステータコイル２１と、複数のステータコイル２１に夫々対応して設けられステータコイル２１が巻回される複数（実施の形態では１２個）のティース２２とを備えて構成されている。ロータ１は、ロータ１の中心軸Ｐに直交する一方の面が付設され、中心軸Ｐを中心とした円盤３１に固定されている。図１１（ｂ）は、アキシャル位置ステータ３０を固定体（図示せず）に固定し、回転軸Ｓに１つのロータ１を取り付けて、このロータ１をアキシャル位置ステータ３０の一方面に対面させて設けた例（シングルアキシャル型）を示す。図１１（ｃ）は、アキシャル位置ステータ３０を固定体（図示せず）に固定し、回転軸Ｓにアキシャル位置ステータ３０を挟んで２つのロータ１を取り付けて、一方のロータ１をアキシャル位置ステータ３０の一方面に対面させ、他方のロータ１をアキシャル位置ステータ３０の他方面に対面させた例（ダブルアキシャル型）を示す。
【0061】
図１２には、第五の実施の形態に係る同期回転電機Ｋを示している。これは、第三の実施の形態に係る同期回転電機Ｋのラジアル位置ステータ２０と、第四の実施の形態に係る同期回転電機Ｋのアキシャル位置ステータ３０とを備えて構成されている。そのため、同期回転電機Ｋの効率を向上させることができる。例えば、磁束密度が１５０ｍＴ以上あるネオジム磁石などの高性能磁石を用いたモータであれば、高効率のモータを得ることができる。
【0062】
図１３には、上記各実施の形態に係る同期回転電機において、ロータの別の例を示す。このロータ１においては、上記各実施の形態におけるロータとはホルダの形態が異なっている。詳しくは、このロータ１は、回転軸（図示せず）が挿通されて固定されるとともにロータ１の中心軸Ｐに直交する一方面及び他方面に夫々付設されて各ヨーク３の基端部を保持する非磁性体からなる一対のプレート４１を備えたホルダ４０を備えて構成されている。各ヨーク３の基端部には、回転軸Ｐの軸方向に沿う第１ボルト挿通孔４２が形成されている一方、ホルダ４０の各プレートには、第１ボルト挿通孔４２に対応した複数の第２ボルト挿通孔４３が形成されている。そして、一方のプレート４１の第２ボルト挿通孔４３、各ヨーク３の第１ボルト挿通孔４２及び他方のプレート４１の第２ボルト挿通孔４３に非磁性体からなるボルト４４が挿通され、各ボルト４４に非磁性体からなるナット（図示せず）が螺合されて、各ヨーク３は、一対のプレート４１で挾持されている。
【0063】
これにより、ロータ１の組み立て時においては、例えば、予め、１つのヨーク３の一方側面に１つの磁石体２のＮ極側面を接合させて磁石体２のＳ極側面を露出させた第１ユニットＵ１と、１つのヨーク３の一方側面に１つの磁石体２のＳ極側面を接合させて磁石体のＮ極側面を露出させた第２ユニットＵ２とを、必要数作成しておき、この第１ユニットＵ１と第２ユニットＵ２とを、交互に順番に接合していく。この場合、ホルダ４１の一方のプレート４１の各第２ボルト挿通孔４３に夫々ボルト４４を挿通して取り付けておく。そして、先ず、第１ユニットＵ１若しくは第２ユニットＵ２のいずれか一方を、そのヨーク３の第１ボルト挿通孔４２をボルト４４に挿通して一方のプレート４１に取り付ける。次に、第１ユニットＵ１若しくは第２ユニットＵ２のいずれか他方を、そのヨーク３の第１ボルト挿通孔４２を対応するボルト４４に挿通して一方のプレート４１に取り付ける。
【0064】
この場合、第１ユニットＵ１若しくは第２ユニットＵ２のいずれか一方のヨーク３の他方側面に、第１ユニットＵ１若しくは第２ユニットＵ２のいずれか他方の磁石体２がスライドして接合するようになるが、そのスライド初期にはこれらは互いに同極で反発して吸着できない状態が一時的に生じるものの、上述したように、更にスライドさせながら近接させて面接合させるようにすると磁石体２の磁束がヨーク３に吸収されるようになることから、吸着できるようになる。このようにして、第１ユニットＵ１と第２ユニットＵ２とを、交互に順番に接合していく。この際には、ヨーク３の第１ボルト挿通孔４２をボルト４４に挿通させて押し込むだけで良いので、位置決めを容易に行って組み付けることができ、組み立てを容易に行うことができる。そして、最後に、他方のプレート４１を、その第２ボルト挿通孔４３をボルト４４に挿通するとともに、ボルト４４にナットを螺合して取り付ける。これにより、各ヨーク３が一対のプレート４１で挾持される。
【0065】
次に、このロータ１のホルダ４０を回転軸Ｓに取り付ける。この場合、ホルダ４０を回転軸Ｓに固定できるので、回転軸Ｓとロータ１との軸心合わせが確実になる。そのため、回転軸Ｓに対するロータ１の取り付けを確実かつ容易に行うことができる。そして、回転軸Ｓを回転させたときには、ロータ１の回転を円滑にすることができる。また、回転時には、各ヨーク３がその第１ボルト挿通孔４２にボルト４４を挿通させて一対のプレート４１で挾持されているので、ロータ１の回転時の遠心力によるずれを確実に防止することができ、回転を円滑に行うことができる。また、ヨーク３の基端部に第１ボルト挿通孔４２が形成されているので、さらに非磁性体のボルト４４が貫通しているので磁気抵抗が増加し、貫通穴の効果が相乗してヨーク３の基端部の幅が実質的に小さくなることから、磁石の磁束をヨークに導きやすくなる。
【0066】
＜試験例＞
次に、本発明の裏付けとなる試験例を示す。
（１）試験例１（磁石体２及びヨーク３間距離とヨーク３の表面の磁束密度との関係に係る試験）
図６に示す記号を用い、磁石体２として、ネオジム磁石であって、Ｍａ＝１０ｍｍ、Ｍｒ＝２０ｍｍ、Ｍｅ＝８ｍｍのもの（Ｂ＝４３０ｍＴ）を用いた。ヨーク３として、ＳＳ４００（鉄材）で、Ｙａ＝１１ｍｍ、Ｙｒ＝２２ｍｍのもの（係合部５の無いもの）で、中心角θを、２０°、２５°、３０°、４０°、６０°、８０°にした６種類を用意した（図１５）。
次に、本発明の裏付けとなる試験例を示す。
（１）試験例１（磁石体２及びヨーク３間距離とヨーク３の表面の磁束密度との関係に係る試験）
図６に示す記号を用い、磁石体２として、ネオジム磁石であって、Ｍａ＝１０ｍｍ、Ｍｒ＝２０ｍｍ、Ｍｅ＝８ｍｍのもの（Ｂ＝４３０ｍＴ）を用いた。ヨーク３として、ＳＳ４００（鉄材）で、Ｙａ＝１１ｍｍ、Ｙｒ＝２２ｍｍのもの（係合部５の無いもの）で、中心角θを、２０°、２５°、３０°、４０°、６０°、８０°にした６種類を用意した（図１５）。
【0067】
そして、図１４に示すように、中心角θの異なるヨーク３毎に、種類の異なる磁石体２の１対を同極同士を互いに対向させてヨーク３の両側に吸着させるようにし、ヨーク３の表面の磁束密度を測定した。測定器は株式会社マザーツール製「ＭＴ－８０１」を用いた。磁石体２の吸着においては、先に一方の磁石体２をヨーク３に吸着させておき、この状態で他方の磁石体２をヨーク３の側面に近づけて行き、その距離が、１００ｍｍ、４０ｍｍ、２０ｍｍ、１０ｍｍ、５ｍｍ、２.５ｍｍになるところで、ヨーク３の表面の磁束密度を測定した。磁束密度センサーの厚みが約２ｍｍであるので、２．５ｍｍの隙間を開けて、ヨーク３の中心角θを変化させて測定した。
【0068】
結果を図１５に示す。最初は先にヨーク３に着接させた一方の磁石体２（Ａ）の磁束蜜度がヨーク３表面から放出されていたが、他方の磁石体２（Ｂ）が接近するに伴い磁石体２（Ｂ）の磁束蜜度が有効的にヨーク３に吸収されて行くようになり反転することになることが分かった。５ｍｍ辺りからは、容積の大きな磁束吸収容量のある中心角θが２５°以上のヨーク３は、磁石体２（Ｂ）を吸着させる磁力磁束密度となる。２．５ｍｍの距離では中心角θが２０°以外のヨーク３は強い吸着力を発生するが、２０°のヨーク３はヨーク３の磁気飽和によって、完全に接近しても吸着することは無い。
【0069】
（２）試験例２（ヨーク３表面の磁束密度と磁石体２の表面の磁束密度の測定）
試験例１の磁石体２とヨーク３の組み合わせにおいて、ヨーク３表面の磁束密度と磁石体２（Ｂ）の表面の磁束密度とを、ヨーク３の中心角θを変化させて測定した。結果を図１６に示す。この結果から、中心角θが２０°のヨーク３について、磁石体２（Ｂ）の最接近状態（２．５ｍｍ）の詳細について観察することができた。即ち、中心角θが２０°のヨーク３においては、ヨーク３表面の磁束密度は３８０ｍＴで、磁石体２（Ｂ）の表面の磁束密度４２０ｍＴを完全に吸収できていないことが分かった。その要因として、中心角θが２０°のヨーク３は、その容積が少ないことから、磁石体２（Ａ）と磁石体２（Ｂ）とを合体した磁束密度を完全に吸収できないことにある。そのため、２０°のヨーク３の場合は、磁石体２（Ｂ）の磁束密度は反対極に誘起されず、吸着する磁力密度が不足して、磁石体２（Ａ）の同極に反発されることになる。一方、中心角θが２５°以上のヨーク３では、磁石体２（Ｂ）の表面磁束密度はヨーク３に十分流れ込み、ヨーク３表面が反対極（Ｓ）に誘起されて、磁気吸着をすることができる。
試験例１の磁石体２とヨーク３の組み合わせにおいて、ヨーク３表面の磁束密度と磁石体２（Ｂ）の表面の磁束密度とを、ヨーク３の中心角θを変化させて測定した。結果を図１６に示す。この結果から、中心角θが２０°のヨーク３について、磁石体２（Ｂ）の最接近状態（２．５ｍｍ）の詳細について観察することができた。即ち、中心角θが２０°のヨーク３においては、ヨーク３表面の磁束密度は３８０ｍＴで、磁石体２（Ｂ）の表面の磁束密度４２０ｍＴを完全に吸収できていないことが分かった。その要因として、中心角θが２０°のヨーク３は、その容積が少ないことから、磁石体２（Ａ）と磁石体２（Ｂ）とを合体した磁束密度を完全に吸収できないことにある。そのため、２０°のヨーク３の場合は、磁石体２（Ｂ）の磁束密度は反対極に誘起されず、吸着する磁力密度が不足して、磁石体２（Ａ）の同極に反発されることになる。一方、中心角θが２５°以上のヨーク３では、磁石体２（Ｂ）の表面磁束密度はヨーク３に十分流れ込み、ヨーク３表面が反対極（Ｓ）に誘起されて、磁気吸着をすることができる。
【0070】
（３）試験例３（ヨーク３の中心角θについての試験＜その１＞）
磁石体２の試験片として、ネオジム磁石（Ｂ＝４３０ｍＴ）、ネオジム磁石（Ｂ＝１５３ｍＴ）、フェライト磁石（Ｂ＝１４３ｍＴ）の３種類を用意した。図６に示す記号を用い、磁石体２は、Ｍａ＝１０ｍｍ、Ｍｒ＝２０ｍｍ、Ｍｅ＝８ｍｍのものを用いた。ヨーク３として、Ｙａ＝１１ｍｍ、Ｙｒ＝２２ｍｍのもの（係合部５の無いもの）で、中心角θを、２０°～８０°の範囲で、５°ずつ異なる９種類を用意した（図１７（ｂ））。
磁石体２の試験片として、ネオジム磁石（Ｂ＝４３０ｍＴ）、ネオジム磁石（Ｂ＝１５３ｍＴ）、フェライト磁石（Ｂ＝１４３ｍＴ）の３種類を用意した。図６に示す記号を用い、磁石体２は、Ｍａ＝１０ｍｍ、Ｍｒ＝２０ｍｍ、Ｍｅ＝８ｍｍのものを用いた。ヨーク３として、Ｙａ＝１１ｍｍ、Ｙｒ＝２２ｍｍのもの（係合部５の無いもの）で、中心角θを、２０°～８０°の範囲で、５°ずつ異なる９種類を用意した（図１７（ｂ））。
【0071】
そして、図１７（ａ）に示すように、中心角θの異なるヨーク３毎に、種類の異なる磁石体２の１対を同極同士を互いに対向させてヨーク３の両側に吸着させるようにし、ヨーク３の扇型のラジアル方向に広がった外周部位中心部の磁束密度を測定した。測定器は株式会社マザーツール製「ＭＴ－８０１」を用いた。磁石体２の吸着においては、先に一方の磁石体２をヨーク３に吸着させておき、この状態で他方の磁石体２をヨーク３の側面に近づけて行き、吸着させるようにした。
【0072】
測定結果を図１７（ｂ）に示す。ヨーク３の中心角θが２０°の場合は、フェライト磁石は吸着したが、ネオジム磁石では、何れもヨーク３の基端部Ｘの磁束が飽和して吸着できなかった。しかし、中心角θが２５°以上の磁石体２では、接近接合しようとすると反発を受けて一時的に吸着できないが、更に接近させると吸着できた。これは、一方の磁石体２が吸着したヨーク３に他方の磁石体２を近接させると、この他方の磁石体２のＳ極の磁束がヨーク３に吸収されるからである。また、中心角θが３５°以上になると磁束密度は低下傾向になる。
【0073】
（４）試験例４（ヨーク３の中心角θについての試験＜その２＞）
試験片としては、試験例１と同様に、磁石体２として、ネオジム磁石であって、Ｍａ＝１０ｍｍ、Ｍｒ＝２０ｍｍ、Ｍｅ＝８ｍｍのもの（Ｂ＝４３０ｍＴ）を用いた。ヨーク３として、ＳＳ４００（鉄材）で、Ｙａ＝１１ｍｍ、Ｙｒ＝２２ｍｍのもの（係合部５の無いもの）で、中心角θを、２０°、２５°、３０°、４０°、６０°にした５種類を用意した（図１８（ｂ））。
試験片としては、試験例１と同様に、磁石体２として、ネオジム磁石であって、Ｍａ＝１０ｍｍ、Ｍｒ＝２０ｍｍ、Ｍｅ＝８ｍｍのもの（Ｂ＝４３０ｍＴ）を用いた。ヨーク３として、ＳＳ４００（鉄材）で、Ｙａ＝１１ｍｍ、Ｙｒ＝２２ｍｍのもの（係合部５の無いもの）で、中心角θを、２０°、２５°、３０°、４０°、６０°にした５種類を用意した（図１８（ｂ））。
【0074】
そして、図１８（ａ）に示すように、ヨーク３のラジアル面（外周）の磁束密度とアキシャル位置（中心軸Ｐに直交する一方面及び他方面において、外周から５ｍｍ内側の点）の磁束密度を、上記と同じ測定器を用いて、中心角θの異なるヨーク３毎に測定した。
【0075】
測定結果を図１８（ｂ）に示す。この図において、下の折れ線は、一本であるが、ラジアル面、アキシャル面１（一方面）、アキシャル面２（他方面）の磁束密度が略同じなので、これらの折れ線が重なった線になっている。ヨーク３の中心角θが２０°の場合は、何れも磁束が飽和して吸着できなかった。この結果、総磁束密度とヨーク３の中心角θとの関係からしても、中心角θが２５°以上の磁石体２は、良好であることが分かる。
【0076】
（５）試験例５（ヨーク３の中心角θについての試験＜その３＞）
試験例３と同じ試験片を用い、磁石体２の単位当たりの磁束強度に極数（ヨーク３の数）を掛けた値を磁極数合計総磁束強度として算出し、これとヨーク３の中心角θとの関係を見た。結果を図１９に示す。
試験例３と同じ試験片を用い、磁石体２の単位当たりの磁束強度に極数（ヨーク３の数）を掛けた値を磁極数合計総磁束強度として算出し、これとヨーク３の中心角θとの関係を見た。結果を図１９に示す。
【0077】
この試験例３乃至５の結果から、ヨーク３の中心角θは、２０°＜θ＜４０°の範囲が適正と考えられ、４０°を超えると、磁束密度が低下してくる。望ましくは、２０°＜θ≦３６°である。実質的には、試験例５の結果から、ヨーク３表面積と極数（ヨーク３の数）を勘案し、実用的には、１０極（θ＝３６°）、１２極（θ＝３０°）、１４極（θ≒２５．７°）がネオジム磁石の磁束密度を有効に使うことができると想定できる。中心角θが広がると、極数が減ると同時に総磁束密度が減少して効率が低下する。中心角θが２０°は磁束がヨーク３を飽和させ吸収せず磁石体２の磁束密度が有効に使用できないので非効率になる。即ち、ヨーク３において、２５．７°＜θ≦３６°の範囲であって、ヨーク３の数をｎとしたとき、ｎは整数の偶数であり、ｎ＝１０（θ＝３６°）、ｎ＝１２（θ＝３０°）、ｎ＝１４（θ≒２５．７°）の何れかにする構成が好ましいことが分かった。ｎ＝１４の場合、中心角θは割り切れないが、磁石体２とヨーク３の密着性においては誤差範囲であり、作用，効果に影響はなく、ほとんど問題はない。もし、隙間が気になるのであれば、接着剤等を介装すればよい。
【0078】
また、試験例４の結果から、ラジアル面、アキシャル面１（一方面）、アキシャル面２（他方面）の磁束密度が略同じであるので、第五の実施の形態においては、ラジアル面、アキシャル面１（一方面）及び／またはアキシャル面２（他方面）に、ラジアル位置ステータ２０とアキシャル位置ステータ３０とが夫々面することから、極めて高効率であることが分かる。
【0079】
（６）試験例６（ヨーク３の磁石体２に対する突き出し量についての試験）
磁石体２の試験片として、Ｍａ＝１０ｍｍ、Ｍｒ＝２０ｍｍ、Ｍｅ＝８ｍｍのもので、ネオジム磁石（Ｂ＝４３０ｍＴ）を用いた。ヨーク３として、Ｙｒ＝２２ｍｍのもの（係合部５の無いもの）で、中心角θを、θ＝３０°、θ＝６０°、θ＝８０°の３種類について、夫々、Ｙａ＝１０ｍｍ（Ｅａ＋Ｅｂ＝０ｍｍ）、Ｙａ＝１１ｍｍ（Ｅａ＋Ｅｂ＝１ｍｍ）、Ｙａ＝１２ｍｍ（Ｅａ＋Ｅｂ＝２ｍｍ）、Ｙａ＝１３ｍｍ（Ｅａ＋Ｅｂ＝３ｍｍ）とアキシャル方向の幅の異なる４種類を用意した（図２０）。
磁石体２の試験片として、Ｍａ＝１０ｍｍ、Ｍｒ＝２０ｍｍ、Ｍｅ＝８ｍｍのもので、ネオジム磁石（Ｂ＝４３０ｍＴ）を用いた。ヨーク３として、Ｙｒ＝２２ｍｍのもの（係合部５の無いもの）で、中心角θを、θ＝３０°、θ＝６０°、θ＝８０°の３種類について、夫々、Ｙａ＝１０ｍｍ（Ｅａ＋Ｅｂ＝０ｍｍ）、Ｙａ＝１１ｍｍ（Ｅａ＋Ｅｂ＝１ｍｍ）、Ｙａ＝１２ｍｍ（Ｅａ＋Ｅｂ＝２ｍｍ）、Ｙａ＝１３ｍｍ（Ｅａ＋Ｅｂ＝３ｍｍ）とアキシャル方向の幅の異なる４種類を用意した（図２０）。
【0080】
そして、各ヨーク３毎に、磁石体２の１対を同極同士を互いに対向させてヨーク３の両側に吸着させ、ヨーク３の扇型のラジアル方向に広がった外周部位中心の磁束密度を、上記と同じ測定器を用いて測定した。尚、本試験においては、磁石体２の側面をこれに直交する方向から見たとき、磁石体２の側面の周縁からヨーク３の側面の周縁を突出させて磁石体２の側面とヨーク３の側面とを接合させている。
【0081】
結果を図２０に示す。ヨーク３の磁石体２に対する突き出し量が無い（両側合計で、Ｅａ＋Ｅｂ＝０ｍｍ）ものは、他と比較して磁束密度は高いが、これは、磁石体２を無理に押さえて吸着状態にしたもので、実際は吸着できない。ヨーク３の磁石体２に対する突き出し量があるものは、安定的に吸着できた。また、突き出し量が増すと、磁束密度が低下することが分かった。ヨーク３の突き出し量は、多すぎるとヨーク３の体積が増大し表面積が増大して、磁束密度が低下する。両側合計で１ｍｍ突出しただけで、１０％もヨーク３周方向磁束密度が低下する。更に、ヨーク３の中心角θが大きいもの（θ＝６０°、θ＝８０°）では、小さいもの（θ＝３０°）に比較して磁束密度の低下がみられた。
【0082】
この結果から、ヨーク３の周縁の磁石体２の周縁に対する突き出し量は、０．５ｍｍ≦Ｅａ≦５ｍｍ、０．５ｍｍ≦Ｅｂ≦５ｍｍ、望ましくは、０．５ｍｍ≦Ｅａ≦３ｍｍ、０．５ｍｍ≦Ｅｂ≦３ｍｍ、より望ましくは、０．５ｍｍ≦Ｅａ≦１ｍｍ、０．５ｍｍ≦Ｅｂ≦１ｍｍであると言える。
【0083】
また、このことから、ヨーク３の側面のラジアル方向外側の周縁の突出寸法Ｅｃも、０．５ｍｍ≦Ｅｃ≦５ｍｍに設定することが好ましいと言える。望ましくは、０．５ｍｍ≦Ｅｃ≦３ｍｍ、より望ましくは、０．５ｍｍ≦Ｅｃ≦１ｍｍである。
【0084】
尚、ヨーク３の側面のラジアル方向内側の周縁の突出寸法Ｅｄは、０．５ｍｍ≦Ｇ≦５ｍｍに設定していることにより、特に規定しなくても良い。しかし、できるだけ突出寸法Ｅｄを小さくすることが望ましい。
【0085】
（７）試験例７（磁石体２の厚さ（磁石体２の周方向の長さＭｅ）についての試験）
ネオジム磁石について、厚さと磁束密度との関係を測定した。結果を図２１に示す。この結果から、ネオジム磁石においては、１５０ｍＴ以下になることもあるが、フェライトでは得られない１５０ｍＴ以上に実用的価値がある。厚みを増すことで磁束密度は向上するが、重量あたりの効率を考えると６ｍｍ≦Ｍｅ≦１０ｍｍあたりが良い。即ち、磁石の厚さＭｅは２ｍｍ～２０ｍｍが使用できるが、望ましくは、６ｍｍ～１０ｍｍの範囲である。
ネオジム磁石について、厚さと磁束密度との関係を測定した。結果を図２１に示す。この結果から、ネオジム磁石においては、１５０ｍＴ以下になることもあるが、フェライトでは得られない１５０ｍＴ以上に実用的価値がある。厚みを増すことで磁束密度は向上するが、重量あたりの効率を考えると６ｍｍ≦Ｍｅ≦１０ｍｍあたりが良い。即ち、磁石の厚さＭｅは２ｍｍ～２０ｍｍが使用できるが、望ましくは、６ｍｍ～１０ｍｍの範囲である。
【0086】
（８）試験例８（ホルダ１０の材質についての試験）
図２２に示すように、第一の実施の形態と同様のロータ１（１０極）において、ホルダ１０の材質について試験した。後述する図２７（ｃ）に示すように、ロータ１は、磁石体２として、ネオジム磁石であって、Ｍａ＝１０ｍｍ、Ｍｒ＝２０ｍｍ、Ｍｅ＝８ｍｍのもの（Ｂ＝４３０ｍＴ）を用いた。ヨーク３として、ＳＳ４００（鉄材）で、Ｙａ＝１１ｍｍ、Ｙｒ＝２２ｍｍのもの（係合部５の有るもの）で、中心角θを３６°にしたものを用意した。
ホルダ１０として、その材質が、一般構造用圧延鋼材（ＳＳ４００）、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）、アルミニウム合金（Ａ５０５２）の３種類を作成した（図２２（ｂ））。
図２２に示すように、第一の実施の形態と同様のロータ１（１０極）において、ホルダ１０の材質について試験した。後述する図２７（ｃ）に示すように、ロータ１は、磁石体２として、ネオジム磁石であって、Ｍａ＝１０ｍｍ、Ｍｒ＝２０ｍｍ、Ｍｅ＝８ｍｍのもの（Ｂ＝４３０ｍＴ）を用いた。ヨーク３として、ＳＳ４００（鉄材）で、Ｙａ＝１１ｍｍ、Ｙｒ＝２２ｍｍのもの（係合部５の有るもの）で、中心角θを３６°にしたものを用意した。
ホルダ１０として、その材質が、一般構造用圧延鋼材（ＳＳ４００）、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）、アルミニウム合金（Ａ５０５２）の３種類を作成した（図２２（ｂ））。
【0087】
そして、この種類の異なるホルダ１０を夫々用いて作成した３種類のロータ１（１０極）において、夫々、図２２（ａ）に示すように、ヨーク３の外周面（Ａ表面）、ヨーク３の中心軸Ｐに直交する一方面のうち外側の部位（Ｂ表面）、ヨーク３の中心軸Ｐに直交する一方面のうち内側の部位（Ｃ表面）の磁束密度を、上記と同様の測定器を用いて測定した。
【0088】
結果を図２２（ｂ）に示す。この結果から、ホルダの材質として非磁性体を用いることによって、ヨークの付け根部からの磁束漏れを防ぐことができ、その影響は、ヨークの最も重要な反対側のラジアル円周方向の磁束密度とアキシャル面の磁束密度とを１０％以上も向上させるということが言える。
【0089】
（９）試験例９（ロータの大きさについての試験）
（９－１）ロータの内周円の半径（Ｒａ）について
試験例７の結果から、６ｍｍ≦Ｍｅ≦１０ｍｍの内、最小のＭｅ＝６ｍｍを選択し、０．５ｍｍ≦Ｇ≦５ｍｍの内、最小のＧ＝０．５ｍｍを選択してこれに設定すると、ロータの内側の半径Ｒａは近似的に、
Ｒａ≒（Ｍｅ＋Ｇ）×極数／２π・・・・・・・（式１）
としてよいから、
この式１から、ロータの内周円の周長は、１０極（θ＝３６°）で約６５ｍｍ（半径約１０ｍｍ）、になる。
最大の場合は、１４極（θ≒２５．７°）で、Ｍｅが最大の１０ｍｍ、Ｇが最大の５ｍｍの場合であり、周長は約２１０ｍｍ（半径約３５ｍｍ）になる。従って、ネオジム磁石の場合、ロータの内周円の半径（Ｒａ）は、約１０ｍｍ～約３５ｍｍの範囲が最適になる。
（９－１）ロータの内周円の半径（Ｒａ）について
試験例７の結果から、６ｍｍ≦Ｍｅ≦１０ｍｍの内、最小のＭｅ＝６ｍｍを選択し、０．５ｍｍ≦Ｇ≦５ｍｍの内、最小のＧ＝０．５ｍｍを選択してこれに設定すると、ロータの内側の半径Ｒａは近似的に、
Ｒａ≒（Ｍｅ＋Ｇ）×極数／２π・・・・・・・（式１）
としてよいから、
この式１から、ロータの内周円の周長は、１０極（θ＝３６°）で約６５ｍｍ（半径約１０ｍｍ）、になる。
最大の場合は、１４極（θ≒２５．７°）で、Ｍｅが最大の１０ｍｍ、Ｇが最大の５ｍｍの場合であり、周長は約２１０ｍｍ（半径約３５ｍｍ）になる。従って、ネオジム磁石の場合、ロータの内周円の半径（Ｒａ）は、約１０ｍｍ～約３５ｍｍの範囲が最適になる。
【0090】
（９－２）ロータの外周円の半径（Ｒ）について
そして、磁石の長さ（Ｍｒ）の検討からロータの外周円の直径（半径Ｒ）を決めることができる。先ず、図２３に示すように、Ｍａ＝１０ｍｍ、Ｍｒ＝１０ｍｍ、Ｍｅ＝１０ｍｍのネオジム磁石（２ａ）と、Ｍａ＝１０ｍｍ、Ｍｒ＝２０ｍｍ、Ｍｅ＝１０ｍｍのネオジム磁石（２ｂ）を用い、ヨークの角度（θ）とヨークの扇型のラジアル方向に広がった外周部位中心の磁束密度との関係を上記の要領で測定した。その結果、ネオジム磁石（２ａ）では、ヨークの大きさが小さいため、磁気飽和し易くヨークの角度（θ）が２０°、２５°で吸着が困難になり、３０°から吸着が可能となる。ネオジム磁石（２ｂ）では、ヨークの大きさが大きくなるので、磁気飽和をおこし難くなり、ヨークの角度（θ）が２０°では吸着しないが、２５°で十分な吸着力を得ることができる。
そして、磁石の長さ（Ｍｒ）の検討からロータの外周円の直径（半径Ｒ）を決めることができる。先ず、図２３に示すように、Ｍａ＝１０ｍｍ、Ｍｒ＝１０ｍｍ、Ｍｅ＝１０ｍｍのネオジム磁石（２ａ）と、Ｍａ＝１０ｍｍ、Ｍｒ＝２０ｍｍ、Ｍｅ＝１０ｍｍのネオジム磁石（２ｂ）を用い、ヨークの角度（θ）とヨークの扇型のラジアル方向に広がった外周部位中心の磁束密度との関係を上記の要領で測定した。その結果、ネオジム磁石（２ａ）では、ヨークの大きさが小さいため、磁気飽和し易くヨークの角度（θ）が２０°、２５°で吸着が困難になり、３０°から吸着が可能となる。ネオジム磁石（２ｂ）では、ヨークの大きさが大きくなるので、磁気飽和をおこし難くなり、ヨークの角度（θ）が２０°では吸着しないが、２５°で十分な吸着力を得ることができる。
【0091】
また、磁石の長さ（Ｍｒ）とヨーク、そしてラジアル周方向磁束密度の関係を確認した。図２３の結果から、ヨークの角度が大きくなり体積が増えると磁束密度が低下することが分る。また、例えば、ヨーク（θ＝３０°）で比較検討すると、図２４（ｂ）（ｃ）も参照し、ネオジム磁石（２ａ）のヨークと、ネオジム磁石（２ｂ）のヨークとでは、ネオジム磁石の大きさ（体積）は２倍違うが、ヨークの大きさ（体積）は４倍違うことになる。従って、結果的にはヨークの体積が大きくなると効率が極端に低下することになる。実測値でみると、ネオジム磁石（２ａ）を用いたヨークの中心の磁束密度は３３２ｍＴであり、ネオジム磁石（２ｂ）を用いたヨークの中心の磁束密度は２８５ｍＴであり、磁石の大きさを２倍にしたにも関わらず、磁束密度は約８５％の値に低下する。これは、ネオジム磁石（２ｂ）を用いたヨークにおいては、磁気飽和は起き難くなるが、反面、ヨークの中に磁束が十分吸収され全体に拡散することになり、結果として、ヨーク中心に現れる磁束密度がかなり低下することになるからである。この磁束密度が約８５％低下する点は、図２３の結果から、ヨークの角度θが３０°の場合に限らず、各角度θにおいて共通する。透磁率の良い材料などを用いることでこの低下率を良い方向に変化させることができる。ヨーク材料として高透磁率材料が開発されることが期待される。
【0092】
次に、重量あたり最大トルクを得るための最適なロータの大きさを決める要素関係を解析した。図１に示す実施の形態に係るステータ（ラジアル型という）を想定した場合（Ａ）と、図１１（ａ）に示す実施の形態に係るステータ（アキシャル型という）を想定した場合（Ｂ）とで解析した。
【0093】
（Ａ）図１に示す実施の形態に係るステータ（ラジアル型）を想定した場合
図２５に示すように、ヨーク及びこれを挟むネオジム磁石２個における単位重量当たりのトルク重量比係数をＦとして、これを、
Ｆ≒（Ｒ×Ｂ×Ｈ）÷（Ｍ＋Ｙ）＝［（Ｒａ＋Ｍｒ）×Ｂ×Ｈ］÷（Ｍ＋Ｙ）
・・・・・・（式２）
と定義した。
図２５に示すように、ヨーク及びこれを挟むネオジム磁石２個における単位重量当たりのトルク重量比係数をＦとして、これを、
Ｆ≒（Ｒ×Ｂ×Ｈ）÷（Ｍ＋Ｙ）＝［（Ｒａ＋Ｍｒ）×Ｂ×Ｈ］÷（Ｍ＋Ｙ）
・・・・・・（式２）
と定義した。
【0094】
ここで、
Ｆ：トルク重量比係数
Ｍｒ：磁石体のロータの半径方向の長さ
Ｒａ：ロータの内周円の半径。ここでは、半径を１５ｍｍとする。
Ｒ（≒Ｒａ＋Ｍｒ）：ロータの外周円の半径
Ｈ：実ヨークの表面積比（ステータ寄与表面積比）。ここでは、図１に示す実施の形態に係るステータを想定し、ティース２２の凸条体２５の最大長さを１０ｍｍ程度として、図図２４に示すように、ネオジム磁石（２ａ）を用いたヨークの表面積（図２４（ｂ））をアキシャル面とラジアル面を合計して分り易いように２とした。即ち、図２４（ｂ）中、ヨークの斜線部分が表裏にあるので、この表裏の斜線部分を１とし、ヨークのラジアル周方向面（図示せず）を１とし、これらを足し合わせて２とした。
Ｆ：トルク重量比係数
Ｍｒ：磁石体のロータの半径方向の長さ
Ｒａ：ロータの内周円の半径。ここでは、半径を１５ｍｍとする。
Ｒ（≒Ｒａ＋Ｍｒ）：ロータの外周円の半径
Ｈ：実ヨークの表面積比（ステータ寄与表面積比）。ここでは、図１に示す実施の形態に係るステータを想定し、ティース２２の凸条体２５の最大長さを１０ｍｍ程度として、図図２４に示すように、ネオジム磁石（２ａ）を用いたヨークの表面積（図２４（ｂ））をアキシャル面とラジアル面を合計して分り易いように２とした。即ち、図２４（ｂ）中、ヨークの斜線部分が表裏にあるので、この表裏の斜線部分を１とし、ヨークのラジアル周方向面（図示せず）を１とし、これらを足し合わせて２とした。
【0095】
Ｍ：ネオジム磁石の重量比。ここでは、ネオジム磁石（２ａ）の重量を２とした。
Ｙ：ヨークの重量比。ここでは、ネオジム磁石（２ａ）を用いたヨークの重量を１とした。
Ｂ（＝０．８５ｎ）：ヨークの磁束密度比。ここでは、上記の図２３の結果から、磁束密度がネオジム磁石の長さＭｒが１０ｍｍ長くなると、その都度、約８５％の値に低下することとし、ネオジム磁石（２ａ）を用いた場合のｎを、ｎ=０とし（ヨークの磁束密度比Ｂを１とし）、長さＭｒが１０ｍｍ増えるごとに、ｎに１を加える。ネオジム磁石（２ｂ）を用いた場合は、長さＭｒが２０ｍｍなので、ｎ=１であるから、Ｂ＝０．８５となる。長さＭｒが３０ｍｍの場合は、ｎ＝２であるから、Ｂ＝（０．８５）２＝０．７２となる。
Ｙ：ヨークの重量比。ここでは、ネオジム磁石（２ａ）を用いたヨークの重量を１とした。
Ｂ（＝０．８５ｎ）：ヨークの磁束密度比。ここでは、上記の図２３の結果から、磁束密度がネオジム磁石の長さＭｒが１０ｍｍ長くなると、その都度、約８５％の値に低下することとし、ネオジム磁石（２ａ）を用いた場合のｎを、ｎ=０とし（ヨークの磁束密度比Ｂを１とし）、長さＭｒが１０ｍｍ増えるごとに、ｎに１を加える。ネオジム磁石（２ｂ）を用いた場合は、長さＭｒが２０ｍｍなので、ｎ=１であるから、Ｂ＝０．８５となる。長さＭｒが３０ｍｍの場合は、ｎ＝２であるから、Ｂ＝（０．８５）２＝０．７２となる。
【0096】
そして、ネオジム磁石を２個用いたヨークの場合、ネオジム磁石の長さＭｒを、５ｍｍ、１０ｍｍ（ネオジム磁石（２ａ）を２個用いたヨークの場合）、２０ｍｍ（ネオジム磁石（２ｂ）を２個用いたヨークの場合）、３０ｍｍ、４０ｍｍ、５０ｍｍの各場合において、夫々、トルク重量比係数をＦａ～Ｆｆとして、式２により計算すると、以下のようになる。
尚、磁石長Ｍｒが５ｍｍのネオジム磁石の場合には、側面のティースの形成が難しいので、１０ｍｍのものと比較して比表面積Ｈを０．５とし、磁石重量比Ｍを１．０とした。
Ｆａ≒［（１５＋５）×１．１７×０．５］÷（１．０＋０．２５）≒９．４
Ｆｂ≒［（１５+１０）×１×２］÷（２＋１）≒１６．７
Ｆｃ≒［（１５+２０）×０．８５×５］÷（４＋４）≒１８．６
Ｆｄ≒［（１５+３０）×０．７２×８］÷（６＋９）≒１７．３
Ｆｅ≒［（１５+４０）×０．６１×１１］÷（８＋１６）≒１５．４
Ｆｆ≒［（１５+５０）×０．５１×１４］÷（１０＋２５）≒１３．３
尚、磁石長Ｍｒが５ｍｍのネオジム磁石の場合には、側面のティースの形成が難しいので、１０ｍｍのものと比較して比表面積Ｈを０．５とし、磁石重量比Ｍを１．０とした。
Ｆａ≒［（１５＋５）×１．１７×０．５］÷（１．０＋０．２５）≒９．４
Ｆｂ≒［（１５+１０）×１×２］÷（２＋１）≒１６．７
Ｆｃ≒［（１５+２０）×０．８５×５］÷（４＋４）≒１８．６
Ｆｄ≒［（１５+３０）×０．７２×８］÷（６＋９）≒１７．３
Ｆｅ≒［（１５+４０）×０．６１×１１］÷（８＋１６）≒１５．４
Ｆｆ≒［（１５+５０）×０．５１×１４］÷（１０＋２５）≒１３．３
【0097】
この結果をグラフ化すると、磁石長Ｍｒとトルク重量比係数との関係は、図２６（ａ）に示すようになる。また、図２６（ｂ）に、磁石長Ｍｒとトルク（トルク重量比係数の算出式において、トルクに関与する分子部分）との関係を示す。例えば、ネオジム磁石（２ｂ）を用いたロータはネオジム磁石（２ａ）を用いたロータに比較して、そのトルクは比例して増えると想定されるが、単純な比例関係にはない。
即ち、トルク重量比係数の算出式において、トルクに関与する分子部分（ここではトルクとする）の各要素は１次関数であり、磁石長が長くなると、この分子部分は、図２６（ｂ）のように一次関数的に増加する。分母のヨーク重量は２次関数になるので、トルク重量比係数は、図２６（ａ）のように長さ１０～２０ｍｍを最大にして、磁石の大きさが長くなると分母が大きくなり、徐々に低下することになる。
即ち、トルク重量比係数の算出式において、トルクに関与する分子部分（ここではトルクとする）の各要素は１次関数であり、磁石長が長くなると、この分子部分は、図２６（ｂ）のように一次関数的に増加する。分母のヨーク重量は２次関数になるので、トルク重量比係数は、図２６（ａ）のように長さ１０～２０ｍｍを最大にして、磁石の大きさが長くなると分母が大きくなり、徐々に低下することになる。
【0098】
（Ｂ）図１１（ａ）に示す実施の形態に係るステータ（アキシャル型という）を想定した場合
ここでは、上記と同様にトクル比係数を算出するが、ヨークの大きさに近似してアキシャルタイプは、ステータが大きくなるため、その分を考慮して、ヨークの重量比部分の数値を、２Ｙにした。また、磁石の長さＭｒに変えて、トルクを生じるヨークの重心位置までの長さＬとした。実ヨーク表面積Ｈは、ステータのコイルに実質対峙する部分の面積とした。他は上記と同様である。
ここでは、上記と同様にトクル比係数を算出するが、ヨークの大きさに近似してアキシャルタイプは、ステータが大きくなるため、その分を考慮して、ヨークの重量比部分の数値を、２Ｙにした。また、磁石の長さＭｒに変えて、トルクを生じるヨークの重心位置までの長さＬとした。実ヨーク表面積Ｈは、ステータのコイルに実質対峙する部分の面積とした。他は上記と同様である。
【0099】
よって、ヨーク及びこれを挟むネオジム磁石２個における単位重量当たりのトルク重量比係数Ｆは、
Ｆ≒（Ｒ×Ｂ×Ｈ）÷（Ｍ＋２Ｙ）＝［（Ｒａ＋Ｌ）×Ｂ×Ｈ］÷（Ｍ＋２Ｙ）
・・・・・・（式３）
となる。
Ｆ≒（Ｒ×Ｂ×Ｈ）÷（Ｍ＋２Ｙ）＝［（Ｒａ＋Ｌ）×Ｂ×Ｈ］÷（Ｍ＋２Ｙ）
・・・・・・（式３）
となる。
【0100】
上記と同様に、ネオジム磁石を２個用いたヨークの場合、ネオジム磁石の長さＭｒを、５ｍｍ（Ｌ＝３ｍｍ）、１０ｍｍ（Ｌ＝７ｍｍ）、２０ｍｍ（Ｌ＝１４ｍｍ）、３０ｍｍ（Ｌ＝２０ｍｍ）、４０ｍｍ（Ｌ＝２４ｍｍ）、５０ｍｍ（Ｌ＝３２ｍｍ）の各場合において、夫々、トルク重量比係数をＦａ～Ｆｆとして、式２により計算すると、以下のようになる。
Ｆａ≒［（１５＋３）×１．１７×０．２］÷（１．０＋０．５）≒２．８
Ｆｂ≒［（１５+７）×１×０．７５］÷（２＋２）≒４．１
Ｆｃ≒［（１５+１４）×０．８５×３．５］÷（４＋８）≒７．２
Ｆｄ≒［（１５+２０）×０．７２×８］÷（６＋１８）＝８．４
Ｆｅ≒［（１５+２４）×０．６１×１５］÷（８＋３２）≒８．９
Ｆｆ≒［（１５+３２）×０．５１×２３］÷（１０＋５０）≒９．２
Ｆａ≒［（１５＋３）×１．１７×０．２］÷（１．０＋０．５）≒２．８
Ｆｂ≒［（１５+７）×１×０．７５］÷（２＋２）≒４．１
Ｆｃ≒［（１５+１４）×０．８５×３．５］÷（４＋８）≒７．２
Ｆｄ≒［（１５+２０）×０．７２×８］÷（６＋１８）＝８．４
Ｆｅ≒［（１５+２４）×０．６１×１５］÷（８＋３２）≒８．９
Ｆｆ≒［（１５+３２）×０．５１×２３］÷（１０＋５０）≒９．２
【0101】
この結果をグラフ化すると、磁石長Ｍｒとトルク重量比係数との関係は、図２６（ｃ）に示すようになる。また、図２６（ｄ）に、磁石長Ｍｒとトルク（トルク重量比係数の算出式において、トルクに関与する分子部分）との関係を示す。アキシャル型（図１１（ａ））の場合は、ヨークの面積が磁石長との関係で２次関数的に増加することが分る。磁石長３０ｍｍまでは、ラジアル型（図１）が有利であるが、磁石長４０ｍｍ超えの大径モータでは、アキシャル型（図１１（ａ））、ダブルアキシャル型（図１１（ｂ））が有効であるといえる。
【0102】
（９－３）まとめ
以上の結果をまとめると、６ｍｍ≦Ｍｅ≦１０ｍｍ、０．５ｍｍ≦Ｇ≦５ｍｍの条件下では、ロータの内周円の半径Ｒａは約１０ｍｍ～３５ｍｍの範囲、磁石体のロータの半径方向の長さＭｒは、５ｍｍ～５０ｍｍを使うことができ、その結果、ロータの外周円の半径Ｒは１５ｍｍ～８５ｍｍの範囲が良好であることが分かった。尚、細長い形状の特徴を活かす場合は長さＭｒが５ｍｍのものを使用するメリットはある。
以上の結果をまとめると、６ｍｍ≦Ｍｅ≦１０ｍｍ、０．５ｍｍ≦Ｇ≦５ｍｍの条件下では、ロータの内周円の半径Ｒａは約１０ｍｍ～３５ｍｍの範囲、磁石体のロータの半径方向の長さＭｒは、５ｍｍ～５０ｍｍを使うことができ、その結果、ロータの外周円の半径Ｒは１５ｍｍ～８５ｍｍの範囲が良好であることが分かった。尚、細長い形状の特徴を活かす場合は長さＭｒが５ｍｍのものを使用するメリットはある。
【実施例】
【0103】
次に、実施例について示す。
先ず、図２７に示すようなロータを作成した。ロータは、図２及び図３に示す構造のものであり、中心角θが３６°のヨークを用いた１０極にした。図２７（ａ）に示すロータは、直径が４０ｍｍ、ネオジム磁石は、長さ（Ｍｒ）５ｍｍ×幅（Ｍａ）１０ｍｍ×厚さ（Ｍｅ）６ｍｍで、磁束密度４６０ｍＴである。図２７（ｂ）に示すロータは、直径が５０ｍｍ、ネオジム磁石は、長さ（Ｍｒ）１０ｍｍ×幅（Ｍａ）１０ｍｍ×厚さ（Ｍｅ）８ｍｍである。図２７（ｃ）に示すロータは、直径が７０ｍｍ、ネオジム磁石は、長さ（Ｍｒ）２０ｍｍ×幅（Ｍａ）１０ｍｍ×厚さ（Ｍｅ）８ｍｍである。
先ず、図２７に示すようなロータを作成した。ロータは、図２及び図３に示す構造のものであり、中心角θが３６°のヨークを用いた１０極にした。図２７（ａ）に示すロータは、直径が４０ｍｍ、ネオジム磁石は、長さ（Ｍｒ）５ｍｍ×幅（Ｍａ）１０ｍｍ×厚さ（Ｍｅ）６ｍｍで、磁束密度４６０ｍＴである。図２７（ｂ）に示すロータは、直径が５０ｍｍ、ネオジム磁石は、長さ（Ｍｒ）１０ｍｍ×幅（Ｍａ）１０ｍｍ×厚さ（Ｍｅ）８ｍｍである。図２７（ｃ）に示すロータは、直径が７０ｍｍ、ネオジム磁石は、長さ（Ｍｒ）２０ｍｍ×幅（Ｍａ）１０ｍｍ×厚さ（Ｍｅ）８ｍｍである。
【0104】
そして、図２８に示すように、図１０及び図１１に示す実施の形態に係るロータ及びステータを用いたモータの試作機（実施例１～３）を作成した。各実施例において、ロータ１は、図２７（ａ）に示すロータ（直径Ｒが４０ｍｍ、ネオジム磁石は、長さ（Ｍｒ）５ｍｍ×幅（Ｍａ）１０ｍｍ×厚さ（Ｍｅ）６ｍｍ、磁束密度４６０ｍＴ）を用いた。
【0105】
＜実施例１（試作機：（ラジアルギャップモータ）＞
図２８（ａ）に示すように、これは、図１０に示すタイプのもので、ロータ１及びラジアル位置ステータ２０を備えるとともに、ベース５０と、軸方向の途中にロータ１を固定した回転軸Ｓの両端側を軸支する一対の軸受体５１と、ベース５０に設けられラジアル位置ステータ２０を固定する固定体５２とを備えて構成されている。
図２８（ａ）に示すように、これは、図１０に示すタイプのもので、ロータ１及びラジアル位置ステータ２０を備えるとともに、ベース５０と、軸方向の途中にロータ１を固定した回転軸Ｓの両端側を軸支する一対の軸受体５１と、ベース５０に設けられラジアル位置ステータ２０を固定する固定体５２とを備えて構成されている。
【0106】
＜実施例２（試作機２：シングルアキシャルギャップモータ）＞
図２８（ｂ）に示すように、これは、図１１（ｂ）に示すシングルアキシャルタイプのもので、１つのロータ１及びアキシャル位置ステータ３０とを備えるとともに、ベース５０と、ベース５０に設けられ軸方向の途中にロータ１を固定した回転軸Ｓの両端側を軸支する一対の軸受体５１と、ベース５０に設けられアキシャル位置ステータ３０を固定する固定体５２とを備えて構成されている。ロータ１は、アキシャル位置ステータ３０の一方面に対面させて設けられる。
図２８（ｂ）に示すように、これは、図１１（ｂ）に示すシングルアキシャルタイプのもので、１つのロータ１及びアキシャル位置ステータ３０とを備えるとともに、ベース５０と、ベース５０に設けられ軸方向の途中にロータ１を固定した回転軸Ｓの両端側を軸支する一対の軸受体５１と、ベース５０に設けられアキシャル位置ステータ３０を固定する固定体５２とを備えて構成されている。ロータ１は、アキシャル位置ステータ３０の一方面に対面させて設けられる。
【0107】
＜実施例３（試作機３：ダブルアキシャルギャップモータ）＞
図２８（ｃ）に示すように、これは、図１１（ｃ）に示すダブルアキシャルタイプのもので、２つのロータ１及びアキシャル位置ステータ３０とを備えるとともに、ベース５０と、ベース５０に設けられ軸方向の途中に２つのロータ１を固定した回転軸Ｓの両端側を軸支する一対の軸受体５１と、ベース５０に設けられアキシャル位置ステータ３０を固定する固定体（図示せず）とを備えて構成されている。アキシャル位置ステータ３０を挟んで２つのロータ１が回転軸Ｓに取り付けられ、一方のロータ１をアキシャル位置ステータ３０の一方面に対面させ、他方のロータ１をアキシャル位置ステータ３０の他方面に対面させている。
図２８（ｃ）に示すように、これは、図１１（ｃ）に示すダブルアキシャルタイプのもので、２つのロータ１及びアキシャル位置ステータ３０とを備えるとともに、ベース５０と、ベース５０に設けられ軸方向の途中に２つのロータ１を固定した回転軸Ｓの両端側を軸支する一対の軸受体５１と、ベース５０に設けられアキシャル位置ステータ３０を固定する固定体（図示せず）とを備えて構成されている。アキシャル位置ステータ３０を挟んで２つのロータ１が回転軸Ｓに取り付けられ、一方のロータ１をアキシャル位置ステータ３０の一方面に対面させ、他方のロータ１をアキシャル位置ステータ３０の他方面に対面させている。
【0108】
＜実施例４（仮想の例）＞
これは、図１に示した構造（シングルラジアル＋ダブルアキシャル）の仮想のモータである。
これは、図１に示した構造（シングルラジアル＋ダブルアキシャル）の仮想のモータである。
【0109】
そして、これらの実施例１～３において、ステータのコイルに電流を流し、回転軸に負荷をかけて最大トルクを計測した。実施例４（仮想）については、実施例１～３の計測結果から試算した。また、単位重量当たりの最大トルクを算出した。更に、実装モータでは外装とシャフトの重量が追加されるので、（シャフト＋外装）分について１００ｇの重量増加を見込んだ単位重量当たりの最大トルクも算出した（カッコ内に記載）。結果を図２９（ａ）に示す。また、図２９（ｂ）に、比較例として、市販されている７種のモータについての最大トルク及び単位重量当たりの最大トルクを示す。
【0110】
この結果から、本発明を適用したモータ（実施例１～４）は、市販されているモータ（比較例１～７）に比較して、何れも、単位重量当たりの最大トルクが大きくなることが分かった。また、実施例３（試験機３）の結果及び試算からも分かるように、ダブルアキシャルタイプを採用することで、高効率化が可能となることも分かった。
【0111】
これらの結果から、図２７（ｃ）に示す長さ（Ｍｒ）２０ｍｍのネオジム磁石を用いたロータの場合、図２６（ｂ）の磁石長とトルク比係数試験から想定されることとして、長さ（Ｍｒ）２０ｍｍのネオジム磁石を用いた場合の単純トルク値が１４８であるから、長さ（Ｍｒ）５ｍｍ磁石のトルク値１２からの比例計算を行うと、約１０倍のトルクが得られるものと想定される。従って、例えば、図１に示す構造のモータでは、２４Ｖ駆動で約１０Ｎ・ｍのトルクを発生することができると想定され、外装を入れたモータの重量も約５００ｇにすることができると想定される。更に、２連装ロータ化（図８参照）した場合には、外装を入れた重量が約１ｋｇ相当で、約２０Ｎ・ｍものトルクを得ることができると考えられる。駆動電圧を高く、例えば５０Ｖにすれば１ｋｇ重量のモータで４０Ｎ・ｍの高出力も可能となる。
【0112】
また、図２６（ａ）の磁石長とトルク重量比係数から想定されることとして、図１に示す構成のモータにおいては、磁石長（Ｍｒ）２０ｍｍのネオジム磁石を用いた場合が重量比あたり効率としては最善であることが想定される。重量を考慮しなければ、磁石長をさらに５０ｍｍまで長くすることも可能である。しかし、トルクの立ち上がりや、最大回転数を考えると、磁石長（Ｍｒ）２０ｍｍ前後のロータ径を多段に組み合わせたロータ（図８参照）を用いたモータや、アキシャルタイプ（図１１参照）との組み合わせ、更にこれを多段にした構成が有効であると考えられる。このため、本発明は、重量当りのトルクが大きく、外形が小さく細長い、スピンドルモータ、小型軽量が望まれる、工作機械、ロボット、手作業ツール、ドローン等に極めて有用であると言える。
【0113】
尚、上記実施の形態に係る同期回転電機Ｋのロータ１において、磁石体２は直方体状に形成したが、必ずしもこれに限定されるものではなく、例えば、図３０に示すように、扇型（中心角α）になっていても良く適宜変更して差支えない。また、ヨーク３の数（極数）も上述した数に限定されるものではなく、適宜変更して差支えない。更に、上記実施の形態において、ホルダ１０の形態は上述したものに限定されず適宜変更して差支えない。要するに、本発明は、上述した本発明の実施の形態に限定されず、当業者は、本発明の新規な教示及び効果から実質的に離れることなく、これら例示である実施の形態に多くの変更を加えることが容易であり、これらの多くの変更は本発明の範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【0114】
本発明によれば、リング状のロータとロータの周囲に設けられるステータとを備えた高効率な電動機（モータ）あるいは発電機として、利用，活用を図ることができ、重量当りのトルクが大きく、外形が小さく細長い、スピンドルモータ、小型軽量が望まれる、工作機械、ロボット、手作業ツール、ドローン等に極めて有用である。
【符号の説明】
【0115】
Ｋ 同期回転電機
Ｓ 回転軸
１ ロータ
Ｐ 中心軸
２ 磁石体
３ ヨーク
θ 中心角
４ 突片
５ 係合部
６ 被係合部
７ 基端部
１０ ホルダ
２０ ラジアル位置ステータ
２１ ステータコイル
２２ ティース
２３ 枠体
２４ 本体
２５ 凸条体
２５ａ 対面部
２６ 非磁性絶縁部材
Ｕ１ 第１ユニット
Ｕ２ 第２ユニット
２７ 枠体
３０ アキシャル位置ステータ
３１ 円盤
４０ ホルダ
４１ プレート
４２ 第１ボルト挿通孔
４３ 第２ボルト挿通孔
４４ ボルト
５０ ベース
５１ 軸受体
５２ 固定体
Ｓ 回転軸
１ ロータ
Ｐ 中心軸
２ 磁石体
３ ヨーク
θ 中心角
４ 突片
５ 係合部
６ 被係合部
７ 基端部
１０ ホルダ
２０ ラジアル位置ステータ
２１ ステータコイル
２２ ティース
２３ 枠体
２４ 本体
２５ 凸条体
２５ａ 対面部
２６ 非磁性絶縁部材
Ｕ１ 第１ユニット
Ｕ２ 第２ユニット
２７ 枠体
３０ アキシャル位置ステータ
３１ 円盤
４０ ホルダ
４１ プレート
４２ 第１ボルト挿通孔
４３ 第２ボルト挿通孔
４４ ボルト
５０ ベース
５１ 軸受体
５２ 固定体
【要約】
【課題】 磁石体及びヨークを反発力に拮抗しながら容易に組み立てることができるようにするとともに、磁石体及びヨークを磁気飽和を防いで安定して一体化できるようにする。
【解決手段】 磁石体２が同極同士を互いに対向させて扇型のヨーク３を介して等角度間隔に配置されたロータにおいて、磁石体２として磁束密度Ｂが１５０ｍＴ≦Ｂになるネオジム磁石を用い、ヨーク３の中心角θを２０°＜θ＜４０°に設定し、磁石体２の側面をこれに直交する方向から見たとき、磁石体２の側面の周縁からヨーク３の側面の周縁を突出させて磁石体２の側面とヨーク３の側面とを接合させ、ヨーク３のアキシャル方向の突出寸法Ｅａ、アキシャル方向他方側の突出寸法Ｅｂ、隣接する磁石体２の最小間隔Ｇの関係を、０．５ｍｍ≦Ｅａ≦５ｍｍ、０．５ｍｍ≦Ｅｂ≦５ｍｍ、０．５ｍｍ≦Ｇ≦５ｍｍに設定した。
【選択図】図６
【解決手段】 磁石体２が同極同士を互いに対向させて扇型のヨーク３を介して等角度間隔に配置されたロータにおいて、磁石体２として磁束密度Ｂが１５０ｍＴ≦Ｂになるネオジム磁石を用い、ヨーク３の中心角θを２０°＜θ＜４０°に設定し、磁石体２の側面をこれに直交する方向から見たとき、磁石体２の側面の周縁からヨーク３の側面の周縁を突出させて磁石体２の側面とヨーク３の側面とを接合させ、ヨーク３のアキシャル方向の突出寸法Ｅａ、アキシャル方向他方側の突出寸法Ｅｂ、隣接する磁石体２の最小間隔Ｇの関係を、０．５ｍｍ≦Ｅａ≦５ｍｍ、０．５ｍｍ≦Ｅｂ≦５ｍｍ、０．５ｍｍ≦Ｇ≦５ｍｍに設定した。
【選択図】図６
【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】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】
【図30】
【図31】