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公開番号2020099168
公報種別公開特許公報(A)
公開日20200625
出願番号2018237443
出願日20181219
発明の名称バーニアモータ
出願人川崎重工業株式会社
代理人特許業務法人 有古特許事務所
主分類H02K 1/16 20060101AFI20200529BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】バーニアモータの高いトルク性能を維持しつつ固定子鉄心の軽量化及び冷却性能の向上の両立を図る。
【解決手段】
バーニアモータ1は、複数のティース22が一定間隔で突設されたステータコア20、及び、隣接するティース22間に設けられたZ1個(Z1は1以上の自然数)のスロット23のそれぞれに配置され、極対数がp(pは1以上の自然数)のコイル4を有するステータ2と、極対数Z2(Z2は1以上の自然数)の永久磁石が形成されたロータ3と、を備え、Z2=Z1±pの関係が成立する。バーニアモータ1の軸方向に垂直な断面において、ティース22の中央から軸方向に貫通するスリット5が設けられる。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
複数のティースが一定間隔で突設されたステータコア、及び、隣接するティース間に設けられたZ

個(Z

は1以上の自然数)のスロットのそれぞれに配置され、極対数がp(pは1以上の自然数)のコイルを有するステータと、極対数Z

(Z

は1以上の自然数)の永久磁石が形成されたロータと、を備え、Z

=Z

±pの関係が成立するバーニアモータであって、
前記バーニアモータの軸方向に垂直な断面において、前記ティースの中央から軸方向に貫通するスリットが設けられる、バーニアモータ。
続きを表示(約 770 文字)【請求項2】
前記スリットは、前記バーニアモータの軸方向に垂直な断面が矩形状である、請求項1に記載のバーニアモータ。
【請求項3】
前記ステータコアが、円環状のヨークを備え、
前記スリットが、前記ティースの中央内部から、当該ティースと前記ヨークとの境界を越えて径方向外側に延びるように設けられる、請求項1に記載のバーニアモータ。
【請求項4】
前記スリットが、前記ティースの中央内部から、前記ヨークの外周面を貫通するように設けられる、請求項3に記載のバーニアモータ。
【請求項5】
前記ステータコアが、軸方向に分割され、
分割された前記ステータコア同士が、所定の間隔を空けて配置される、請求項1乃至4のいずれか一項に記載のバーニアモータ。
【請求項6】
前記ティースの周方向の幅をW

、前記スリットの周方向の幅をW

としたとき、
前記スリットが、0.1≦W

/W

≦0.9の関係を満たすように設けられる、請求項1乃至5のいずれか一項に記載のバーニアモータ。
【請求項7】
前記ティースの径方向長さをL

、前記スリットの径方向の長さをL

としたとき、
前記スリットが、0.1≦L

/L

≦0.9の関係を満たすように設けられる、請求項1乃至6のいずれか一項に記載のバーニアモータ。
【請求項8】
前記ロータの永久磁石が前記ロータの鉄心の表面に設けられる、又は、前記ロータの鉄心の内部に埋め込まれる、請求項1乃至7のいずれか一項に記載のバーニアモータ。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、バーニアモータに関する。
続きを表示(約 8,900 文字)【背景技術】
【0002】
一般に、モータは、内部に永久磁石を備えたロータと、ロータの外周部に固定され、略円環形状のバックヨーク、及び、該バックヨークから内周方向へ突出する複数のティースを備えたステータコアと、ティース間のスロット内に挿入してティースに巻装されるコイルとを有するステータと、を備える(例えば特許文献1及び特許文献2参照)。モータにより低速回転で大きなトルクを要する巻き上げ機や搬送機等の負荷を駆動する場合、一般的に減速ギアを付加する。しかし、減速ギアを付加することにより、コストが高くなる、重量が増える、メンテナンスが必要となる、ギアのバックラッシュがあるため精密な制御ができない等の様々な問題が生じる。このため、負荷を直接駆動することにより低速で大きなトルクを発生させることができるモータが、従来から要請されていた。
【0003】
そのようなモータの一つとしてバーニアモータの開発が進められている。バーニアモータは、1963年にC.H.Leeによって考案された。バーニアモータの駆動原理は、固定子電機子巻線の励磁で得られる回転磁界の高調波成分に、回転子の磁極を同期させて回転力を得る。このため、バーニアモータは、磁気的な減速機構がついているような仕組みとなり、低速高トルクの用途に適している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
特開2004−304988号公報
特開2008−278551号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
上記従来のバーニアモータには、ステータスロットの数をZ

、ロータの永久磁石の極対数をZ

、コイルの極対数をpとすると、バーニアモータ100では、Z

=Z

±pの関係が成立する。しかし、上記の条件を満たし、かつ、トルク性能を向上させるには、ステータスロット数Z

に対して極対数Z

が必ず大きくなる。このため、磁石間で電機子巻線に鎖交しない短絡磁路が形成され、鎖交磁束量が減少する。ゆえに、ステータコアには、トルクに寄与せず重量のみに寄与する無駄な部分が発生することが課題となる。
【0006】
本発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、バーニアモータの高いトルク性能を維持しつつ固定子鉄心の軽量化及び冷却性能の向上の両立を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記目的を達成するために、本発明のある形態に係るバーニアモータは、複数のティースが一定間隔で突設されたステータコア、及び、隣接するティース間に設けられたZ

個(Z

は1以上の自然数)のスロットのそれぞれに配置され、極対数がp(pは1以上の自然数)のコイルを有するステータと、極対数Z

(Z

は1以上の自然数)の永久磁石が形成されたロータと、を備え、Z

=Z

±pの関係が成立するバーニアモータであって、前記バーニアモータの軸方向に垂直な断面において、前記ティースの中央から軸方向に貫通するスリットが設けられる。
【0008】
ここで通常の同期モータであれば、ティース面積が減少することで磁気飽和の影響が顕著となりトルクは減少傾向となる。一方、バーニアモータの場合は、電機子巻線への鎖交磁束量が低いため、トルクが減少しない範囲においてもティース近傍におけるレイアウト自由度が高くなる。上記構成によれば、バーニアモータの軸方向に垂直な断面において、ティースの中央から軸方向に貫通するスリットを設けることで、ステータコアを軽量化することができる。また、スリットにより、ステータコアの軸方向に冷媒の流路が形成され、冷却性能を向上することができる。
【0009】
尚、前記スリットは、前記バーニアモータの軸方向に垂直な断面が矩形状であってもよい。
【0010】
前記ステータコアが、円環状のヨークを備え、前記Z

個のティースが、前記ヨークから径方向内側へ突出するように構成され、前記スリットが、前記ティースの中央内部から、当該ティースと前記ヨークとの境界を越えて径方向外側に延びるように設けられてもよい。
【0011】
上記構成によれば、スリットを、ステータコアにおいて、ティースの中央内部から、そのティースとヨークとの境界を越えて径方向外側に延びるように設けることで、ステータコアをより軽量化することができる。また、ステータコアにおいてスリットの内部空間が拡大するので、冷媒の流路が拡大し、冷却性能が更に高まる。
【0012】
前記スリットが、前記ティースの中央内部から、前記ヨークの外周面を貫通するように設けられてもよい。
【0013】
上記構成によれば、スリットを、ステータコアにおいて、ティースの中央内部から、円環状のヨークの外周面を貫通するように設けることで、ステータコアをより軽量化することができる。また、ステータの表面積が増大するので、冷却性能が更に高まる。
【0014】
前記ステータコアが、軸方向に分割され、分割された前記ステータコア同士が、所定の間隔を空けて配置されてもよい。
【0015】
上記構成によれば、ステータコアを軸方向に分割し、所定の間隔を空けて配置することで、周方向に冷媒の流路が形成されるので、冷却性能が更に高まる。
【0016】
前記ティースの周方向の幅をW

、前記スリットの周方向の幅をW

としたとき、前記スリットが、0.1≦W

/W

≦0.9の関係を満たすように設けられてもよい。
【0017】
前記ティースの径方向長さをL

、前記スリットの径方向の長さをL

としたとき、前記スリットが、0.1≦L

/L

≦0.9の関係を満たすように設けられてもよい。
【0018】
前記ロータの永久磁石が前記ロータの鉄心の表面に設けられてもよいし(表面磁石型バーニアモータ)、又は、前記ロータの鉄心の内部に埋め込まれてもよい(埋め込み磁石型バーニアモータ)。
【発明の効果】
【0019】
本発明は、以上に説明した構成を有し、モータの小型化と軽量化をより簡単な構成で実現可能なモータステータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0020】
図1は、本発明の第1実施形態に係るバーニアモータの軸方向と垂直な面で切断した断面の半周分を示した図である。
図2は、図1のバーニアモータの中心軸に沿って切断した断面を示した図である。
図3は、本発明の第2実施形態に係るバーニアモータの軸方向と垂直な面で切断した断面を示した図である。
図4は、図3のバーニアモータの中心軸に沿って切断した断面を示した図である。
図5は、従来のバーニアモータの軸方向と垂直な面で切断した断面の半周分を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【0021】
(本発明の基礎となった知見)
本発明者等は、バーニアモータの性能を向上すべく鋭意検討した。図5は、従来のバーニアモータの構成を示した図である。図5(A)は、バーニアモータの軸方向と直交する面で切断した断面の半周分を示した図である。図5(A)に示すように、バーニアモータ100は、ロータ鉄心121の外周面に、周方向に沿ってN極及びS極が交互に並ぶように永久磁石130が配置されているロータ300と、ギャップ(空隙)を介してロータ300の永久磁石130に対向するステータ200とを備えている。ステータ200は、ステータコア111の内周面に、周方向に沿ってティース112とステータスロット113とが交互に形成されており、ステータスロット113にはコイル(図示せず)が配置されている。
【0022】
ステータスロット113の数をZ

、ロータ300の永久磁石130の極対数をZ

、コイルの極対数をpとすると、バーニアモータ100では、Z

=Z

±pの関係が成り立つ。上記の条件を満たし、かつ、トルクを向上させるには、スロット数Z

に対して極対数Z

が必ず大きくなる。図5(B)は、図5(A)のバーニアモータ100の駆動時にステータ200及びロータ300に発生する磁束線を示している。図5(B)に示すように、磁石間で電機子巻線に鎖交しない短絡磁路が形成され、鎖交磁束量が減少する。ゆえに、バーニアモータ100において、ステータコア111には、トルクに寄与せず重量のみに寄与する無駄な部分が発生することが課題となる。
【0023】
本発明者等は、通常の同期モータでは、ティースの面積が減少することで磁気飽和の影響が顕著となりトルクは減少傾向となる一方、バーニアモータでは、電機子巻線への鎖交磁束量が低いため、トルクが減少しない範囲ではティース近傍におけるレイアウト自由度が高くなることを発見した。
【0024】
これらの知見によれば、バーニアモータの軸方向に垂直な断面において、ティースの中央から軸方向に貫通するスリットを設けることにより、ステータコアを軽量化することができる。また、スリットにより、ステータコアの軸方向に冷媒の流路が形成され、冷却性能を向上することができる。
【0025】
なお、以上の知見を、ロータの永久磁石がロータの鉄心の表面に設けられた表面磁石型バーニアモータに限らず、ロータの永久磁石がロータの鉄心の内部に埋め込まれた埋め込み磁石型バーニアモータにも適用できることは明らかである。
【0026】
本発明者等は、以上の知見に基づいて本発明を想到した。以下、本発明を具体化した実施形態を、添付図面を参照しつつ説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。
【0027】
(第1実施形態)
図1は、本発明の第1実施形態に係るバーニアモータの軸方向に垂直な面で切断した断面の半周分を示した図である。図1に示すように、バーニアモータ1は、ステータ2と、ロータ3と、を備える。
【0028】
ステータ2は、複数のティース22が一定間隔で突設されたステータコア20と、隣接するティース22間に設けられたZ

個(Z

は1以上の自然数)のスロット23のそれぞれに配置され、極対数がp(pは1以上の自然数)のコイル4とを有する。ステータコア20は、円環状のヨーク21を備え、ヨーク21から複数のティース22が径方向内側へ突出するように構成される。ロータ3は、永久磁石31が形成される。ロータ3の永久磁石31はロータ3の鉄心30の表面に設けられる。永久磁石31の極対数はZ

(Z

は1以上の自然数)である。バーニアモータ1は、Z

=Z

±pの関係が成立する。
【0029】
本実施形態では、バーニアモータ1の軸方向に垂直な断面において、ティース22の中央から軸方向に貫通するスリット5が設けられる。スリット5は、バーニアモータ1の軸方向に垂直な断面が矩形状である。L

はティース22の径方向長さを示し、L

はスリット5の径方向の長さを示している。また、W

は、ティース22の周方向の幅を示し、W

はスリット5の周方向の幅を示している。各ティース22の断面形状は円環扇形である。このため、ティース22の周方向の幅は、ティース22の径方向の内側と外側で異なる。具体的には、W

は、ティース22の径方向の中央部における周方向の幅を示し、W
1α
は、ティース22の径方向内側の端部における周方向の幅を示し、W
1β
は、ティース22の径方向外側の端部における周方向の幅を示している。
【0030】
スリット5は、0.1≦W

/W

≦0.9の関係を満たし、且つ、0.1≦L

/L

≦0.9の関係を満たすように設けられる。ここではスリット5は、ティース22の中央内部から、ティース22とヨーク21との境界40(図1の破線)を越えて径方向外側に延びるように設けられている。これにより、ステータコア20を軽量化することができる。また、ステータコア20の軸方向に設けられた冷媒の流路が拡大するので、冷却性能が高まる。
【0031】
図2は、バーニアモータ1の中心軸に沿って切断した断面を示した図である。図2に示すように、ステータコア20が、軸方向に分割されている。ここではステータコア20は、3つのコア20a、20b及び20cに分割されている。分割されたステータコア20a、20b及び20cは所定の間隔50を空けて配置される。図中の矢印は冷媒の流れを示している。このように、ステータコア20の軸方向に加え、周方向に冷媒の流路が形成されるので、冷却性能が更に高まる。
【0032】
(第2実施形態)
次に、第2実施形態について説明する。本実施形態のバーニアモータ1Aの基本的な構成は、第1実施形態と同様である。以下では、第1実施形態と共通する構成の説明は省略し、相違する構成についてのみ説明する。
【0033】
図3は、本発明の第2実施形態に係るバーニアモータ1Aの軸方向と垂直な面で切断した断面を示した図である。図3に示すように、本実施形態のスリット5Aは、ティース22の中央内部から、ヨーク21Aの外周面を貫通するように設けられる点が第1実施形態(図1)の構成と異なる。本実施形態では、円環状のヨーク21Aが周方向に分割され、分割されたヨーク21Aが、周方向に所定の間隔を空けて配置される。ヨーク21Aの分割されたヨーク21Aの間隙の一部がスリット5Aを構成している。ここでもL

はティース22の径方向長さを示し、L

はスリット5Aの径方向の長さを示している。また、W

は、ティース22の周方向の幅を示し、W

はスリット5Aの周方向の幅を示している。スリット5Aは、0.1≦W

/W

≦0.9の関係を満たし、且つ、0.1≦L

/L

≦0.9の関係を満たすように設けられる。
【0034】
本実施形態によれば、スリット5Aを、ステータコア20Aにおいて、ティース22の中央内部から、ヨーク21Aの外周面を貫通するように設けることで、ステータコアをより軽量化することができる。また、ステータの表面積が増大するので、冷却性能が更に高まる。
【0035】
また、本実施形態のステータコア20Aも第1実施形態(図2)の構成と同様に、軸方向に分割されている。図4は、バーニアモータ1Aの中心軸に沿って切断した断面を示した図である。図4に示すように、ステータコア20Aは、3つのコア20a、20b及び20cに分割されている。分割されたステータコア20a、20b及び20cは所定の間隔50を空けて配置される。図中の矢印は冷媒の流れを示している。図中の破線矢印はステータコア20Aのみの冷媒の流れを示している。このように、本実施形態では、スリット5Aが、ステータコア20Aにおいて、ティース22の中央内部から、ヨーク21Aの外周面を貫通しているので、ステータコア20のみの冷媒の流路が形成される。これにより、冷却性能が更に高まる。
【0036】
(本発明の効果の確認)
本発明者等は、第1実施形態及び第2実施形態のバーニアモータ1,1Aにおいてトルク性能が維持されているかどうかを確認するため、コンピュータによる解析を行った。ここで比較例として従来のバーニアモータの構造(図5参照)をモデル化したものをModelAとする。また、第1実施形態の構造(図1参照)をモデル化したものをModelBとする。第2実施形態の構造(図3参照)をモデル化したものをModelCとする。ModelAに対し、ModelB及びModelCは、ステータの構造のみを変更し、解析条件については同じである。
下の表はその結果を示している。
【0037】
【0038】
表1に示す解析結果より、ステータコア20,20Aにスリット5,5Aを設けたとしても各モデルの平均トルクに変化は無い。これにより、同様なトルク性能を維持しつつ軽量化が実現されていることがわかる。また、ModelBにおいて仮に冷却性能が向上し、電流通電量を1.2倍に増大させたとすると平均トルクは1.2倍程度増大している。
【0039】
次に、本発明者等は、第1実施形態のスリット5(図1)及び第2実施形態のスリット5A(図3)の寸法の割合を変更しつつ同様な解析を行った。その結果、ティース22の周方向の幅をW

、スリット5又はスリット5Aの周方向の幅をW

としたとき、スリット5又はスリット5Aの幅が0.1≦W

/W

≦0.9の範囲で、バーニアモータ1,1Aは、同様なトルク性能が維持された。尚、この結果は、ティース22の径方向内側の端部における周方向の幅をW
1α
、ティース22の径方向外側の端部における周方向の幅をW
1β
としたとき(図1)、0.1≦W

/W
1α
≦0.9、又は、0.1≦W

/W
1β
≦0.9の範囲でも同様である。
【0040】
また、ティース22の径方向長さをL

、スリット5又はスリット5Aの径方向の長さをL

としたとき、スリット5又はスリット5Aの径方向の長さが0.1≦L

/L

≦0.9の範囲で、バーニアモータ1,1Aは、同様なトルク性能が維持された。
【0041】
従って、第1実施形態及び第2実施形態によれば、バーニアモータの高いトルク性能を維持しつつ固定子鉄心の軽量化及び冷却性能の向上を実現することができる。
【0042】
(その他の実施形態)
尚、上記実施形態のバーニアモータ1,1Aは、ロータ3の永久磁石31がロータ3の鉄心30の表面に設けられた表面磁石型バーニアモータであったが、これに限られない。例えば、バーニアモータは、ロータ3の永久磁石31がロータ3の鉄心30の内部に埋め込まれた埋め込み磁石型バーニアモータであってもよい。
【0043】
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造および/または機能の詳細を実質的に変更できる。
【産業上の利用可能性】
【0044】
本発明は、バーニアモータの軽量化及び冷却性能の向上に有用である。
【符号の説明】
【0045】
1,1A バーニアモータ
2,2A ステータ
3 ロータ
4 コイル
5,5A スリット
6 シャフト
20,20A ステータコア
20a,20b,20c 分割されたコア
21,21A ヨーク
22 ティース
23 スロット
30 ロータの鉄心
31 永久磁石
40 境界線(ヨークとティース)
50 間隙


,W
1α
,W
1β
ティースの幅,


スリットの幅


ティースの径方向長さ


スリットの径方向長さ

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