JPS62201034A - ダイレクトドライブモ−タ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、ダイレクトドライブモータにおける冷却方
式の改良に関する。

（従来の技術とその問題点） ロボットや自動車のパワーステアリングなどの負荷に直
結されて、これらの負荷に低速微小な精密変位を与える
ためのダイレクトドライブモータでは、減速機を介さず
に負荷の駆動を行なうために大きなトルクを発生させる
必要がある。ところが、このような大きなトルクを得よ
うとしてモータを大型化するとモータ自身の寸法・重量
も増大してしまうため、さらに大きなトルクを発生させ
なければならない。したがって、このような形での改善
は問題の根本的な解決とはならない。

このため、ダイレクトドライブモータでは、モータの極
数を増加させることによって、小型・低回で大きなトル
クを得るように構成することが多い。そして、この場合
には、コアの歯数も増加し、狭いスロット中に多くの巻
線を巻回させることになる。

ところが、ロボット等に使用されるダイレクトドライブ
モータでは、上述のように大きなトルクを得・なければ
ならない上に、加減速や正逆転の動作が頻繁に繰返され
るためにトルクの変動も太きく、それに応じてモータへ
の励磁電流もかなり大きなものとなる。したがって、上
述のように極数を増加させたモータでは、多数の巻線に
大きな電流が流れ、それによって銅損（１２Ｒ）が増大
する。さらに、極数が多いために励磁電流の周波数も高
くなって鉄損も増大する。

このため、モータの巻線付近の温度は著しく上昇するこ
とになり、モータの冷却を有効に行なわなければならな
いが、従来の空冷方式ではモータのハウジング外部から
冷却するにとどまり、最も温度上昇の大きな巻線付近の
冷却効率が低いという問題がある。また、従来の水冷方
式の場合には、モータ内部に冷却水通路を確保しなけれ
ばならないが、上述のように極数が多いとこのような通
路を有効な位置に設けることが困難であるばかりでなく
、冷却水（冷却媒体）循環のための循環駆動機構を設け
なければならないという問題がある。

（発明の目的） この発明は従来技術における上述の問題の克服を意図し
ており、冷却媒体の循環駆動機構を設けることなく、モ
ータ内部を有効に冷却することができるダイレクトドラ
イブモータを提供することを目的とする。

（目的を達成するための手段） 上述の目的を達成するため、この発明においては、まず
、固定子と回転子との間の空隙と、モータ冷却面（たと
えば空冷フィンが設けられたハウジング面）付近に設け
られた空隙とを結ぶ循環通路を当該モータに形成する。

そして、モータ回転時のモータ温度に近いキューリー濃
度を有する磁性流体を上記各空隙および上記循環通゛路
に充填する。

このようにすると、後述する原理によって磁性流体が上
記各空隙間を循環駆動機構なしで遠流し、モータ内部の
冷却が自動的に行なわれるようになる。

（発明の原理） そこで、この発明の詳細な説明する前に、この発明の原
理を具体例に即して説明する。第１図はこの原理を説明
するための模式図であって、磁性流体１が充填された閉
管路２のうち、図示の左側の部分が高温域３日内に、ま
た、右側の部分が低温域３Ｌ内に、それぞれ設けらけれ
ているものとする。そして、上記閉管路２の上下の横行
部のうちの一方（図示の場合には上部横行部４）の周囲
には磁石５が設けられており、それによって、上記横行
部４の内部には、磁界Ｈが管路方向に沿って生成されて
いる。なお、この磁界Ｈは、横行部４のうち高温域３日
および低温域３しに存在する各部分にも及んでいるよう
な磁界である。

すると、磁界Ｈが一定値となっている状況下で、磁性流
体１のエネルギー保存則により、Ｐ＋１／２（ρｖ２）
＋ρｇｈ−μｏＨＭ−Ｃ・・・（１） が成立する。ここで、 Ｐ＝圧力、ｑ−重力定数、Ｃ＝定定 数−磁性流体１の密度、■＝速度 ｈ＝高さ、μ０−透磁率、Ｍ＝磁化 であり、管路抵抗は無視している。

この関係を第１図中で磁界Ｈが印加された横行部４のう
ち、高温域３日と低温域３Ｌとにそれぞれ仮想的に設け
られた２つの面６Ｈ，６Ｌについて適用すると、次の（
２）式を得る。

＝Ｐ＋１／２（ρ■　　）＋ρｇｈ　　−μｏ）ＩＭＥ
しＬＬ ・・・（２） ただし、添字ＩＩ　Ｈ＊１．“Ｌ　Ｉ＋はそれぞれ仮想
面６８．６Ｌについての値であることを示している。

ところで、第１図の閉管路２の断面積がこの閉管路２の
全体にわたって均一であるとすると、磁性流体１が非圧
縮性流体であるために■。−■。

が成立する。また、ｈ□−り、である。したがって、（
２）式は次の（３）式となる。

ΔＰ＝μ０ΔＭ　　　　　　　　　　・・・（３）ただ
し、ΔＰおよびΔＭは、 ΔＰ＝ＰＨ−Ｐ、　　　　　　　　　　　・・・（４）
ΔＭ＝Ｍ、−Ｍ、　　　　　　　　　　・・・（５）で
定義される。

・、一方、周知のように、磁性流体１を形成する強磁性
粒子（分散質）の磁化曲線は第２図（ａ）のような形を
とる。ここでＴ。はキューリー濃度である。したがって
、Ｔ　　＞ＴＬであることにより、Ｍ、＞Ｍ□となり、
（５）式よりΔＭ＜Ｏが成立する。このため、（３）式
よりΔＰ＜Ｏとなり、（４）式よりｐ＃Ｉ＜ｐＬとなる
。

つまり、上記の条件下においては第１図の低温域３Ｌ内
の仮想面６Ｌ上の圧力Ｐ、の方が、高温域３日内の仮想
面６Ｈ上の圧力ＰＨよりも大きくなり、横行部４に存在
する磁性流体１には、低温域３Ｌから低ｌｉ域３Ｈへと
押し出されるような力が働く。このため、閉管路２内の
磁性流体１は、第１図中に矢印Ｐで示す方向に循環し、
高温域３Ｈの熱を低温域３Ｌへと移す作用を行なうこと
になる。なお、管路抵抗などによって生ずるエネルギー
損失は、ａ温域３Ｈと低温域３Ｌどの温度差エネルギー
によってまかなわれる。

この発明は、このような原理を応用して、モータ内部と
モータ冷却面との間で磁性流体を自動的に還流させ、そ
れによってモータの冷却を行なおうとするものである。

この場合において、磁性流体１のキューリー濃度Ｔｃは
モータ回転時におけるモータ内部温度（上記ＴＦＩに相
当する。）に近いことが必要である。それは、キューリ
ー濃度ＴＣが高いと、第２図（ｂ）かられかるように、
Ｍ［とＭ□との差が極めて小さくなり、それに従って圧
力差ΔＰも小さくなるために、モータ冷却に必要とされ
る程度の磁性流体循環速度が得られないためである。な
お、キューリー濃度Ｔｃは、Ｔ■以上である必要はなく
、第２図（Ｃ）のように、Ｔ〈Ｔ　＜ＴＨであってもよ
く、この場合の方がＣ 圧力差ΔＰが大きくなるために、この発明にとっては最
も好ましいと言える。

なお、磁界と温度差が存在する部分が第１図のような横
行部４つまり水平部分でないときなどには、（１）式に
おける位置エネルギー環なども考慮しなければならない
が、このような場合にも上記と同様の解析によって循環
作用が生ずることが確認されている。

侑お、この発明に使用される磁性流体として望ましい他
の条件およびそ゛の具体例は、以下の実施例の説明の中
で述べることとする。

（第１の実施例） 第３図はこの発明の第１の実施例であるダイレクトドラ
イブモータの縦断面の概略図を示し、第４図はそのＴＶ
−ｒＶ断面の概略図を示す。

このダイレクトドライブモータは、永久磁石形同期電動
機であって、銅やアルミなどで形成された自然空冷フィ
ン１１がその全周にわたって設けられた円筒状ハウジン
グ１２の内周面に沿って固定子１３が設けられており、
この固定子１３は固定子支持枠１４を介して、上記ハウ
ジング１２の両端のブラケット１５に支持されている。

この固定子１３は、固定子鉄心１６とこれに巻回された
固定子巻線１７とからなり、この固定子巻線１７に供給
される交流電源の周波数に同期した回転磁界を回転子１
８の周囲に生起させるよう構成されている。

この回転子１８は、ハウジング１２の軸心位置に軸受１
９を介して支承された回転軸２０の全周に永久磁石２１
を配列して構成されており、第４図に示すように、これ
らの各永久磁石２１の配列間隙には電気的絶縁材２２が
設けられている。また、第４図の部分拡大図である第５
図に示すように、固定子１３の巻線スロット２３の内周
面開口部にも電気的絶縁材２４が設けられている。巻線
１７には絶縁塗料等のコーティングがなされており、こ
れによって各巻線は互いに絶縁されている。

一方、上記固定子１３と回転子１８との間には、回転子
１８の回転を許容するための空ＦＪｉ２２（第３図）が
設けられており、また、ハウジング１２の内周面と固定
子支持枠１４との間にも空隙２３が設けられている。そ
して、固定子１３と両端のブラケット１５との間の空間
２４と、固定子支持枠１４の端部に設けられた透孔２５
とによって、上記２つの空隙２２．２３は互いに連通さ
れている。

さらに、固定子鉄心１６の内部には、このモータの半径
方向に伸びる透孔（細孔）２６が設けられ、・、この透
孔２６は、固定子支持枠１４の中央付近に設けられた凹
部空間２７と、透孔２８とを介して空隙２３へと連通し
ている。なお、この固定子鉄心１６中の透孔２６は、第
５図に示すように、固定子鉄心１６の歯状部２９の内部
と、巻線スロット２３の奥端に相当する歯間部３０との
双方に設けられている。

したがって、このモータにおいては、固定子１３と回転
子１８との間の空隙２２と、冷却面（空冷面）としての
ハウジング１２の付近に設けられた空隙２３とが、上記
複数の連通路によって連通されて、これらの空隙２２．
２３を結ぶ循環通路が形成されていることになる。

そして、これらの循環通路と空隙２２．２３とには、磁
性流体３１（第３図）が充填されている。

ただし、磁性流体３１の熱膨張余裕を見込んで、この充
填は、若干の空間３２を残して行なわれている。また、
この磁性流体３１が器外へ洩れるのを防止するために、
軸受１９に隣接して磁性流体シール３３が設けられてい
る。この磁性流体シール３３に使用される磁性流体の溶
媒としては、上記充填用の磁性流体３１の溶媒と混合し
にくいものを用いることが望ましい。

次に、モータ回転時における磁性流体３１の動作を説明
する。この説明にあたっては、理解を容易にするために
、第３図の空隙２２．２３と上記各連通路を誇張して描
いた部分模式図である第６図を参照する。同図において
、固定子巻線１７に通電すると、回転子１８が回転する
とともに、上記固定子巻線１７およびその周辺の部材が
、銅損および鉄損によって発熱する。したがって、固定
子１３と回転子１８との間の空隙２２の温度も上昇する
が、その温度上昇度は中心部２２ａで高く、上下端部２
２ｂでは温度の上昇は比較的小さい。

それは、中心部２２ａでは全面的に加熱されるのに対し
て、上下端部２２ｂでは、空隙２２の外部領域３５に接
しているためである。

一方、回転子１８と固定子１３との間には、これからの
磁束φが存在する。したがって、上記空隙２２では、磁
界と温度勾配が存在することになりシ、第１図で説明し
た原理によって、低温側°（つまり上Ｆ端部２２ｂから
高温側（つまり中心部２２ａ）へと磁性流体３１の流れ
が発生する。この流れを第７図中に矢印Ａで示す。

ところが、上下端部２２ｂから流入した磁性流体３１は
その退路が他に存在しないために、固定子鉄心１６内に
設けられた透孔２６を通って、ハウジング１２側の空隙
２３に流出しく第７図の矢印Ｂ）、この空隙２３でハウ
ジング１２の内周面に接することによって冷却された後
、ブラケット１５側の透孔２５および空間２４を通って
、空隙２２に戻る（第７図の矢印Ｃ，Ｄ）。

このようにして、このモータ内部では、Ａ−＋Ｂ→Ｃ−
＋Ｄの方向の磁性流体の循環流が生じ、固定子１３およ
び回転子１８付近で発生した熱がこの循環流によってハ
ウジング１２表面で冷却された後、磁性流体３１が再び
回転子１８と固定子１３との間の空隙２２に戻り、以下
、同様の動作を繰返す。

この動作において、空隙２２の中心部２２ａ付近の湿層
（第２図におけるＴＩＩに相当）が高いほど磁性流体３
１の磁化の変化分ΔＭが大きくなり、それに従って圧力
差ΔＰも大きくなって、循環は短い周期で行なわれるよ
うになる。つまり、高温になるほど冷却作用が高まると
いう望ましい作用が生ずることになる。

また、第５図で説明したように、巻線スロット２３の歯
間部３０にも透孔２６を設けているため、最も発熱性の
高い巻［１１７からの熱がハウジング１２側へ逃がされ
ことになり、この点でも望ましいことになる。この場合
の巻線スロット１７の歯端部に設けられた電気的絶縁物
２４は巻線スロット１７の全長にわたって設けるのでは
なく、適宜、開口部分を残すことによって、磁性流体３
１が巻線スロット１７を通って歯間部３０の透孔２６か
ら流出する杆路を大きくとった方が望ましい。

なお、上記のように磁性流体３１を充填することにより
、モータ全体としての磁気損失が軽減するほか、モータ
停止時には、永久磁石２１からの磁界を固定子鉄心１６
に有効に伝達させて、回転子１．１８の遊動を防止でき
るという効果もある。ダイレクトドライブモータでは、
その回転数が比較的低いため、磁性流体の粘性による回
転効率の低下という問題はほとんど生じない。

次に、この実施例および後述する他の実施例に使用され
る磁性流体の具体例を説明する。この発明に使用される
磁性流体としては、そのキューリーｉ度Ｔ。が、１モ一
タ回転時のモータ内温度付近となっていることが必要で
あるが、それ以外にも次のような性質を有することが望
ましい。

■　分散質（磁性粒子）の溶媒に対する比率（密度）が
高いこと。

現在、商業的に入手可能な磁性流体としては、容積比と
して１８％程度の密度のものが多いが、３０％〜５０％
程度の密度を有する磁性流体も技術的に製作可能である
。密度の高い磁性流体を使用すれば、上記磁化の差ΔＭ
（したがって圧力差ΔＰ）を高め、循環動作の効率を上
げることができる。また、一般に、溶媒に比べて分散質
の熱伝導率は大きいため、分散質を高めるほど冷却効果
は増大する。ただし、磁性流体は、一般に、空気の熱伝
導率の６倍以上の熱伝導率を有するため、特に高い密度
の磁性流体を用いない場合であっても、単なる空気循環
に比べれば、はるかに高い冷却効率を有している。

■　溶媒としては、（ア）モータの各部分を腐蝕させな
いこと、（イ）粘度が比較的低いこと、（つ）電気的絶
縁性を有すること、（１）沸点が比較的高いこと、など
の条件を満すことが望ましい。

以上のような性質を有する磁性流体としては、たとえば
次のようなものがある。まず、分散質の例としては以下
のものをあげることができる。

■（Ｚｎ　）　　　（Ｃｏ　）　１−Ｘ　ｌ”ｅ　２０
４・（ｘ　＝　０．５０〜０．５８　） ■（Ｚｎ）　　　（Ｎｉ）　　　Ｆｅ　　Ｏｘ　　　　
　１−ｘ２４ −（ｘ−０，７０〜０．７５） ■（Ｚｎ　）　　　（Ｃｕ　）　１−ｘ　ｌ”ｅ　２０
４・・・（ｘ−０，６２〜０．７２） ■（Ｃｄ　）　　　（Ｃｕ　）　　　Ｆｅ２Ｏ４×１−
× ・・・（ｘ−０，５２〜０．６２　） これらは、いずれもＴｃ＝５０℃〜１００℃のキューリ
ー濃度を有するフェライト系分散質である。実際、これ
らの物質の含有比Ｘとキューリー濃度Ｔｃとの関係を実
測すると第８図のようになっており、この図から上記事
実が確認される。ただし、この第８図において、曲線０
１〜Ｃ４はそれぞれ、上記■〜■の各分散質についての
キューリー濃度の実測曲線である。

また、ｗｊ媒の例としては、■潤滑油、■切削オイル、
■シリコン合成油、■パラフィン油、■スピンドル油、
■その他の炭化水素系合成油などがある。特にパラフィ
ン油は粘度が低いという点で優れた溶媒である。

（第２の実施例） 第９図は第２の実施例の縦断面を示す概略図である。こ
の実施例が第１の実施例と異なるのは、ブラケット１５
°と固定子支持枠１４との間を通る磁性流体通路４０を
はさんで、上記ブラケット１５と固定子支持枠１４とに
、それぞれ永久磁石４１．４２を設けていることである
。このようにすると、この通路４０に磁界が印加される
ため、低湯側（空隙２３）から高温側（空隙２２）へ向
う磁性流体の流れをこの位置においても生ぜしめ、全体
としての磁性流体循環能力（したがってモータ冷部能力
）がざらに向上することになる。

このような補助的磁石は、磁性流体の循環通路のうち、
低温側から高温側へ磁性流体を流したい部分に任意に設
けることができる。

（第３の実施例） 第１０図は第３の実施例の分解断面図を示す。

この実施例では、回転子５１を軸方向に沿って上下２つ
の部分５１ａ、５１ｂに領域分けするとともに、永久磁
石５２を、回転子５１の回転方向Ｒに傾斜させて配列す
る。ただし、この実施例では、その傾斜角は上下２つの
部分５１ａ、５１ｂで対称的なものとする。そして、こ
れに応じて、固定子５３も上、下の２つの部分５３ａ、
５３ｂに領域分けされ、固定子鉄心５４も上下別個に設
けると共に、対称的に傾斜させる。この第１０図のうち
回転子５１は正面図として描かれており、固定子５３は
断面図として描かれているため、双方の傾斜方向は逆に
見えるが、回転子５１を固定子５３内に挿入したときに
は、各傾斜方向は一致する。

さらに、第１および第２の実施例と同様に、ハウジング
５５の内周側には空隙５６が設けられている。そして、
この空隙５６は、中央横面内に同心円状に配列された中
央透孔５７と、上下端部にやはり同心円状に配列された
端部透孔５８とを通して、固定子５３と回転子５１との
間に形成される空隙（図示せず）に連通されている。

このため、回転子５１がＲ方向に回転すれば、第１およ
び第２の実施例と同様にして、これらの空隙と循環通路
内に充填された磁性流体５９を図示の破線矢印のように
還流させ、それによってモータの冷却を行なうことがで
きる。また、特に、この実施例では、磁極（永久磁石５
２および固定子鉄心５４）をモータ回転方向に傾斜させ
ているため、これらの磁極と、その間に介挿された絶縁
材６１．６２とが、あたかもスクリューポンプ（ねじ形
ポンプ）のスクリューのような機能を果し、図中矢印Ｇ
、Ｇ’で示す方向への磁性流体５７の流れを助長する。

したがって、この実施例では磁性流体５７の循環がより
効果的になり、冷却効率がさらに向上することになる。

なお、上記第１〜第３の実施例では自然空冷されたハウ
ジング面を「冷却面」としているが、水冷用パイプをハ
ウジング外部または内部に設け、これを冷却面として、
その付近に空隙を形成してもよい。

（発明の効果） 以上説明したように、この発明によれば、磁界と温度差
とが存在する場所での磁性流体の自動的な流れを利用し
てモータの冷却を行なうため、冷却媒体の循環駆動機構
を設けることなく、モータ内部を有効に冷却することが
できるダイレクトドライブモータを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は、この発明の詳細な説明するため
の図、 築３図および第４図はそれぞれ、この発明の第１の実施
例の縦断面図およびｒＶ−ｒｔ／断面概略図、第５図は
、第４図の部分拡大図、 第６図および第７図は、第１の実施例の動作説明図、 第８図は、フェライト系分散質についての含有比とキュ
ーリー濃度との関係を示すグラフである。 第９図は、第２の実施例の縦断面図、 第１０図は、第３の実施例の分解断面図である。 １３．５３・・・固定子、１８．５１・・・回転子、２
２．２３．５６・・・空隙、 １６．５３ａ、５３ｂ・・・固定子鉄心、３１．５９・
・・磁性流体、

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）固定子と回転子との間の空隙と、モータ冷却面付
   近に設けられた空隙とを結ぶ循環通路を当該モータに形
   成し、モータ回転時のモータ温度に近いキューリー濃度
   を有する磁性流体を前記各空隙および前記循環通路に充
   填したことを特徴とするダイレクトドライブモータ。
2. （２）前記モータ冷却面はモータのハウジング面である
   、特許請求の範囲第１項記載のダイレクトドライブモー
   タ。
3. （３）前記循環通路には、モータ駆動用磁石とは別の磁
   石が取付けられた、特許請求の範囲第１項または第２項
   記載のダイレクトドライブモータ。
4. （４）前記固定子と前記回転子とのそれぞれの磁極配列
   方向をモータ回転方向に傾斜させた、特許請求の範囲第
   １項ないし第３項のいずれかに記載のダイレクトドライ
   ブモータ。
5. （５）前記磁性流体の分散質はフェライト系分散質であ
   る、特許請求の範囲第１項ないし第４項のいずれかに記
   載のダイレクトドライブモータ。
6. （６）前記フェライト系分散質は、 （Ｚｎ）＿ｘ（Ｃｏ）＿１＿−＿ｘＦｅ＿２Ｏ＿４（ｘ
   ＝０．５０〜０．５８）、 （Ｚｎ）＿ｘ（Ｎｉ）＿１＿−＿ｘＦｅ＿２Ｏ＿４（ｘ
   ＝０．７０〜０．７５）、 （Ｚｎ）＿ｘ（Ｃｕ）＿１＿−＿ｘＦｅ＿２Ｏ＿４（ｘ
   ＝０．６２〜０．７２）、 （Ｃｄ）＿ｘ（Ｃｕ）＿１＿−＿ｘＦｅ＿２Ｏ＿４（ｘ
   ＝０．５２〜０．６２）、 から成るグループの中から選択された物質を含む、特許
   請求の範囲第５項記載のダイレクトドライブモータ。