JP2005143276A - アキシャルギャップ回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】リラクタンスタイプと永久磁石同期機としての機能を達成するアキシャルギャップ回転電機を軸線方向にコンパクトな構成で実現する。
【解決手段】アキシャルギャップ回転電機は、空隙を挟んで軸線方向に対向させた回転子１と固定子２を備えてなり、回転子は、磁極の方向を回転子の周方向に向けて配置した永久磁石１１を備え、永久磁石の互いに隣接するものの磁極の方向を相互に逆向きとして、回転子鉄心１２と周方向に交互に配置した。これにより回転子の固定子との対向面にＮ極とＳ極が交互に形成され、かつ永久磁石を通る磁路の抵抗が永久磁石を通らない磁路の抵抗に対して大きくなり、リラクタンスタイプと永久磁石同期機としての機能が軸線方向にコンパクトな構成で達成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータ、ジェネレータ等の回転電機に関し、特に回転子と固定子を軸線方向に対向させたアキシャルギャップ回転電機に関する。

円盤型の回転子と、回転子の軸線方向の端面に空隙を挟んで固定子を対向させて配置したいわゆるアキシャルギャップモータは従来から知られている。このモータは、軸線方向で対向した回転子と固定子の表面間で作用する磁力により回転駆動力を得るものである。アキシャルギャップモータは、在来の円筒状の回転子と回転子の周面を取巻く環状の固定子とで構成されるいわゆるラジアルタイプのモータに対して、軸線方向の厚みを小さくできるという長所がある。

従来知られているアキシャルギャップモータの回転子としては、固定子と対向する端面に磁性体部材により凹凸を形成したリラクタンス型、又は固定子の回転駆動磁極に対応したＮ極及びＳ極を有する永久磁石型、若しくは導体棒を半径方向に配列した誘導体型がある（特許技術文献１、段落００２２参照）。更に、これらの形式を組合わせたものとして、円盤状回転子の軸線方向の一方の端面に永久磁石を配置し、他方の端面に磁性体部材による凹凸を設けたアキシャルギャップモータも知られている（特許文献２参照）。この特許文献２に記載のモータは、回転子の永久磁石を貼り付けた側の面では、巻線を有する固定子と永久磁石との間で永久磁石同期機としてトルクを発生させ、他方の凹凸を設けた端面側では、固定子の巻線により発生する磁界と凹凸の間の磁力作用によりリラクタンスモータとしてトルクを発生させるものである（特許文献２、段落０００３参照）。なお、リラクタンスモータは、回転子と固定子の間で形成される磁路のうち、凹部を通過する磁路（ｑ軸磁路）の磁気抵抗と凸部を通過する磁路（ｄ軸磁路）の磁気抵抗の差が大きいほど大きなリラクタンストルクが得られる。
特開平１０−８０１１３号公報 特開平１１−２１８１３０号公報

ところで、回転子に凹凸を設けた従来のリラクタンス型アキシャルギャップモータは、凹部を通過する磁路の磁気抵抗と凸部を通過する磁路の磁気抵抗の差を大きくするためには、凸部（突極）の突起高さを高くする必要がある。このように突起高さを大きくすると、それだけモータ自体の軸線方向厚さが厚くなり、モータそのものが大きくなるという課題がある。

更に、前述の特許文献１又は特許文献２に記載のモータのように、回転子の片面でリラクタンスモータとして、他方の面で永久磁石型同期機として作用するように構成すると、結局、回転子はリラクタンスモータ用回転子と永久磁石同期機用の回転子を合わせた格好となり、やはり軸方向の厚みが増し、結果軸方向厚さを小さくできないという課題がある。

そこで、本発明は、磁気抵抗の差を大きくするために、従来のように回転子の凹部と凸部（突極）の高さの差を確保することを不要にして、軸線方向にコンパクトであり、かつｄ軸とｑ軸の磁気抵抗の差を大きくできるアキシャルギャップ回転電機を実現することを主たる目的とする。また、本発明は、リラクタンスタイプと永久磁石同期機としての機能を回転子の同一面上に備えて、かつ軸線方向にコンパクトなアキシャルギャップ回転電機を実現することを更なる目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明は、回転子と固定子を空隙を挟んで軸線方向に対向させたアキシャルギャップ回転電機において、前記回転子は、磁極の方向を回転子の周方向に向けて配置した永久磁石を備えることを主要な構成の特徴とする。この構成における前記永久磁石の互いに隣接するものの磁極の方向は、相互に逆向きとされる。これらの構成において、望ましくは、前記回転子は、互いに分離した回転子鉄心の間に、該回転子鉄心と対峙する方向に着磁面を向けて永久磁石を配置した円盤状とされ、永久磁石は、回転子を軸線方向に貫通するものとされる。この場合の前記永久磁石は、着磁面間の距離が回転子の外径方向に広がる扇形とされ、あるいは前記永久磁石は、互いに平行する着磁面を備える矩形断面の棒状とされる。前記いずれかの構成において、前記永久磁石の体積は、隣接する回転子鉄心間の隙間の容積より小さな体積とすることもできる。一方、前記固定子は、望ましくは、磁極を軸線方向に向けた固定子鉄心入りコイルを円周方向に並べて配置してなる構成とされる。更に望ましくは、前記固定子の軸線方向両側に前記回転子を備えてなる構成が採られる。

本発明のアキシャルギャップ回転電機によれば、回転子における永久磁石の磁極の方向を回転子の周方向に向けることで、永久磁石の回転子軸線方向の厚みに依存せずに永久磁石の周方向幅により所期の磁路抵抗を得ることができるため、回転子の軸線方向厚みを小さくしてリラクタンス型回転電機としての機能を達成させることができる。また、永久磁石の互いに隣接するものの磁極の方向を相互に逆向きとすることで、回転子の固定子との対向面に周方向に交互にＮ極とＳ極を生じさせ、永久磁石同期機としての機能を達成させることができる。更に、永久磁石が回転子を軸線方向に貫通する構成とすることで、ロータのバックヨークを不要とし、これによっても回転子の軸線方向の厚みが縮小され、回転電機のコンパクト化が可能となると共に、漏れ磁束の遮断による効率化も可能となる。そして、永久磁石を棒状とした場合、永久磁石の加工が容易となる。また、永久磁石の体積を回転子鉄心間の隙間の容積より小さくした場合、仕様に応じた回転電機出力の設定が容易に可能となる。更に、固定子の両側に回転子を配した構成では、極めてコンパクトな構成で大出力のアキシャルギャップ回転電機を実現することができる。また、回転子の両側に固定子を配した構成でも、極めてコンパクトかつ大出力のアキシャルギャップ回転電機を実現することができる。

本発明における回転子は、互いに分離した回転子鉄心の間に、回転子周方向、すなわち該回転子鉄心と対峙する方向に着磁面を向け、かつ互いに隣接するものの磁極の方向を相互に逆向きとして永久磁石を配置した全体として円盤状の回転子とし、永久磁石が回転子を軸線方向に貫通するものとされる。また、固定子は、磁極を軸線方向に向けた固定子鉄心入りコイルを円周方向に並べて配置してなる構成とされる。そして、回転電機全体の構成としては、固定子の軸線方向両側に回転子を備える構成とされる。この場合の固定子は単数とは限らず複数であってもよい。また、回転子が複数あってもよい。この形態によれば、これらの構成の総合により前記全ての効果を達成することができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施例を説明する。図１〜図３は実施例１を示す。図１の斜視図及び図２の一部分解斜視図を参照して、回転子１は永久磁石１１がその磁極を回転子環状円盤の周方向に向け、換言すれば着磁面１１ａ，１１ｂを回転子１の放射方向に沿わせ、かつ隣接する磁石１１の磁極Ｎ，Ｓが円周方向に交互に反対を向くよう配置されている。そして、磁石と磁石の間には、磁性体部材による回転子鉄心１２が互いに分離して配置されている。即ち、回転子鉄心１２と永久磁石１１が交互に隣り合うように配置してある。この例では、永久磁石１１と回転子鉄心１２は、それらの内周側円弧面と外周側円弧面がそれぞれ同じ曲率を持ち、内外周円弧面をつなぐ両側平面が回転電機の中心に対する放射方向に沿う平面とされた扇形に構成され、同様の軸線方向厚みを有するものとされている。この形状により、永久磁石１１と回転子鉄心１２は、それらが円周方向に相互に連ねられることで、全体として環状円盤形の軸線方向厚みの小さい回転子を構成している。

図２を参照して、回転子１に空隙を挟んで対向させた固定子２は、磁性体からなり、環状円盤形の回転子１と同様の内外周径の環状円盤形とされ、その一方の端面（回転子１に対向する空隙側の端面）から突出する角部を丸めた楔状の突起２１を周方向に一定間隔で配置した構成とされている。各突起２１には、それぞれ突起の周面に巻付けて巻線２２が配置されている。この構成により、各突起２１は固定子の鉄心を構成し、円盤形の環状部２０が固定子バックヨークを構成している。なお、一部の要素を分解して示す図２において、奥側の要素の参照を妨げる手前側の要素は、図示を省略されている。この点は、後続の全ての実施例における一部分解斜視図において同様である。

次に示す図３は、回転電機を周方向に切断した一部断面を平面に展開して構造を示す。図３において、先の図１及び図２に示す各要素に対応する要素に同様の符号を付して説明に代える。この実施例１の構造では、図３に示すように回転子１と固定子２の間の磁路として、永久磁石１１を通過する磁路（図に点線で示す磁路）ａと、磁性体の鉄心１２だけを通過する磁路、すなわち永久磁石１１を通過しない磁路（図に１点鎖線で示す磁路）ｂとに分けることができる。ここで永久磁石１１は磁気抵抗が大きいので、磁路ａと磁路ｂの磁気抵抗の差は、永久磁石１１の厚さ（磁極面間の距離）分だけ生じることになる。これにより、従来のリラクタンストルクを発生するアキシャルギャップモータが、回転子軸線方向表面に設けた突極の高さによりｄ軸とｑ軸の磁気抵抗の差を生じさせていたのに対し、本実施例では、永久磁石１１を通る磁路ａと通らない磁路ｂとに分けることでｄ軸とｑ軸の磁気抵抗差を生じさせている。したがって、本実施例では、磁気抵抗の差を生じさせる凹凸の形成が不要となり、突極を不要とした分だけ薄い回転子で大きなリラクタンストルクを生じさせることができる。

また本実施例では、次の図４に回転子だけを取り出して示すように、永久磁石１１をその磁極の方向が回転子の周方向（図４において左右方向）を向くように、換言すれば着磁面が回転子に対して放射方向（図４において紙面に直交する縦方向）に沿うように配置することで、回転子１の軸線方向端面の鉄心部分にＮ極およびＳ極が交互に生じるようにしている。すなわち、図３に示す磁路ａは永久磁石１１の磁力による磁路でもあり、この磁力と、固定子２の巻線２２により生じる磁力との間の相互作用で永久磁石同期機としてのトルクを発生することができる。この結果、回転子１と固定子２が対峙する面において、リラクタンストルクと永久磁石同期機としてのトルクを同時に発生させることができるので、より大きなトルクを出力できるアキシャルギャップモータを実現することができる。これに対して従来技術では、回転子軸線方向の片面ごとにリラクタンストルクか永久磁石同期機としてのトルクのどちらか一方で生じさせていることと比較すると、本実施例では、片面で、従来の両面分のモータとほぼ同等のトルクを得ることができることになる。

この配置を従来のものと比較するべく、図１３に、永久磁石１１の着磁面１１ａ，１１ｂを回転子軸線方向に向けて配置した場合の磁路構成を図３の表記と同様の表記で示す。図１３に示すように、永久磁石１１の着磁面を回転子軸方向に向けて配置すると、隣接する磁石の間で磁路を閉じるために回転子にバックヨーク１０が必要となり、回転子１の厚さが増してしまう。更に、図３に示す実施例１では、永久磁石１１の磁極の方向を回転子周方向に向けて配置してあるので、回転子周方向の厚さが磁気抵抗の差を決定する要因となっているのに対して、従来の技術を示す図１３の構成では、永久磁石１１の着磁面１１ａ，１１ｂを回転子軸方向に向けているので、図３に示す本実施例の構成と同程度のｄ軸磁気抵抗を得るためには、磁石の着磁方向の長さ分だけ回転子が厚くなってしまう。

また、従来構成では、ｄ軸磁路（図１３に示す磁路ｄ）に沿った磁束の中には、永久磁石１１を迂回する磁束、いわゆる漏れ磁束が生じる。この漏れ磁束はリラクタンストルクを低下させる要因となるが、従来の構造では、磁石の周囲に鉄心があるため漏れ磁束を完全に無くすことはできない。これに対し、図３に示す本実施例の構造では、永久磁石１１が回転子１の軸線方向に貫通するように配置してあるので、磁石の両磁極を結ぶ鉄心部分を完全に無くすことができ、漏れ磁束をほぼ完全に遮断することができる。したがって、ｄ軸磁路（図３に示す磁路ａ参照）に沿った磁束は、必ず磁石１１を通過することになり、リラクタンストルクを有効に発生させることが可能となる。なお、モータ技術の分野では、リラクタンスモータと永久磁石モータでは、ｄ軸とｑ軸の呼び方が逆となる場合がある。したがってリラクタンストルクと永久磁石トルクを併用するモータでは、ｄ軸ｑ軸の定義があいまいである。本発明では、ｄ軸とｑ軸の磁路の磁気抵抗の差を大きくできることに特徴があり、ｄ軸、ｑ軸の定義によってその効果が影響を受けるものではない。

次に図５〜図７を参照して示す実施例２は、巻線２２を有する固定子２の軸線方向両面に実施例１と同様の回転子１を配置したダブルロータ形の配置構成が採られている。この例では、固定子２自体の構成も実施例１に対して変更されている。この例における固定子２は、図５に示すように、鉄心２１に巻線２２を巻付けた鉄心入りコイルを周方向に連ねた構成とされている。詳しくは、各固定子鉄心２１は、実施例１における突起部分と同様の形状の固定子鉄心２１の周面に巻線２２を配した構成とされ、そられを周方向に連結して、固定子バックヨーク無しで、全体として環状円盤形の固定子２が構成されている。

図６に本実施例におけるリラクタンストルクを発生するｄ軸、ｑ軸磁路を示す。この場合、図６に示すように、磁路ｅは上下の回転子１の永久磁石１１を通過する磁路となるので、磁石を通らない磁路ｆとの磁気抵抗の差は、実施例１の場合より大きくなる。すなわちリラクタンストルクをより大きくすることができる。また固定子２の軸線方向両面において、リラクタンストルク、永久磁石同期機としてのトルクの両方を発生することができるので、同等のサイズであれば、従来のアキシャルギャップモータに比べて極めて大きいトルクを発生することができる。更に先に示した図１３との対比から分かるように、固定子２の両面に回転子１を配置することで、固定子２にバックヨークが不要となる。これは、固定子バックヨークがなくとも固定子２とその両側の回転子１の鉄心により閉じた磁路を形成することができるからである。したがって、この実施例２では、バックヨークが不要となる分だけ、モータ単位容積当たりの出力トルクをより大きくすることが可能となる。更に、固定子にバックヨークがない分、磁路を短くすることができるので、磁路全体の磁気抵抗を低減することができ、磁束を効率よく利用することができるので、モータとしての効率も良いものとなる。

次に示す図７は、実施例２のより具体化した構成を模式断面で示す。図示するように、回転子１と固定子２は筐体３内に収容され、筐体３の周壁から径方向内側に張出す支持部３１に外周を支持して固定子２が配置され、筐体３の軸方向両端壁に両端を軸受４を介して支持して回転軸５が配置され、回転軸５の外周に回り止め固定して固定子２を挟み込むように一対の回転子１が配置されている。この場合の回転子１は、図の回転軸５を挟む両側に永久磁石配置部断面と鉄心配置部断面を示すように、回転子ハブ１３を介して回転軸５に連結されている。図において、縦向きの破線を付して示す断面は、固定子鉄心２１の断面を示し、以下同様に、×印の断面は固定子巻線２２の断面、間隔の細かい縦線の断面は回転軸５の断面、点の断面は回転子ハブ１３の断面、間隔の粗い縦線の断面は回転子鉄心１２の断面、斜線の断面は回転子永久磁石１１の断面を示す。なお、回転子ハブ１３は、回転子１の永久磁石１１と回転子鉄心１２を回転子として回転軸５に固定するための部材であるが、非磁性体材料で構成されており、このハブは磁界には影響を与えない。したがって、回転子ハブ１３が存在しても本構造による効果は、図６を参照して説明したとおりのものとなる。

次の図８〜図１２に示す実施例３は、実施例２に対して回転子の構成を変更したものである。なお、この例では、実施例２と同様のダブルロータタイプを例示するが、この例の変更点は回転子にあるので、実施例１のシングルロータタイプにも当然に適用できる。この実施例３では、永久磁石１１を矩形断面の棒状とし、磁石の加工を容易にしている。これに伴い、回転子鉄心１２の放射方向面は、正確に回転子１の中心を通る面とはならず、隣り合う回転子鉄心１２の放射方向面が相互に平行する形状とされている。この実施例３におけるその余の構成は、全て図５を参照して示す先の実施例２の構成と同様であるので、対応する部材に同じ参照符号を付して説明に代える。

図示の各例のうち図８に示す例では、永久磁石１１の体積を隣接する回転子鉄心１２間の隙間の容積に相当する体積とし、図９〜図１２に示す例では、同じく永久磁石１１の体積を隣接する回転子鉄心１２の間の隙間の容積より小さくしている。これらの例において、図９及び図１０に示す例は、永久磁石１１の半径方向の長さを回転子鉄心１２の内外径差より短くし、図９の例では、永久磁石１１の内端側を回転子鉄心１２の内周面位置に合わせて、詳しくは永久磁石外端面の両縦方向縁と隣接する両回転子鉄心１２の外周縦方向縁の位置を一致させて配置してあり、図１０の例では、永久磁石１１の外端側を回転子鉄心１２の外周面位置に合わせて、詳しくは永久磁石内端面の両縦方向縁と隣接する両回転子鉄心１２の内周縦方向縁の位置を一致させて配置している。

また、図１１及び図１２に示す例では、永久磁石１１の軸線方向厚みを回転子鉄心１２の軸線方向厚みより薄くしている。これらの例において、図１１に示すものは、固定子２に対向する側の回転子表面において、永久磁石１１と回転子鉄心１２の表面が段差なく面一となるように配置した例であり、図１２に示すものは、逆に、固定子２に対向する側とは反対側の回転子表面において、永久磁石１１と回転子鉄心１２の表面が段差なく面一となるように配置した例である。

これら図９〜図１２に示す例は、いずれも隣接する回転子鉄心１２の位置関係を変えずに、永久磁石１１の大きさ又は配置を種々変更したものである。本発明ではリラクタンストルクは永久磁石１１によらず、回転子鉄心１２の配置に依存するので、図９〜図１２に示す構成では、いずれも同程度のリラクタンストルクを発生する。これに対して、永久磁石１１による回転トルクは、永久磁石１１の大きさとその配置に依存するので、永久磁石１１の配置により永久磁石トルクの仕様を変更することが可能である。特に、永久磁石１１が大きくなると高回転時の逆起電圧が大きくなり高回転しにくくなる。したがって、隣接する回転子鉄心間の空間容積より、体積の小さい永久磁石１１を配置することで、逆起電圧を小さくすることができ、高回転に適したモータを実現することが可能となる。同様の効果を得るためには、上記形態の他、鉄心間の永久磁石を複数に分割して配置するようにしてもよい。しかも、このように永久磁石を分割すると、永久磁石に発生する渦電流を小さくすることができる利点も得られるので、より効率のよいモータとすることができる。なお、以上の全ての実施例において、永久磁石を隣り合う回転子鉄心と接しさせて配置することは、本発明に必須の要件ではないので、回転子鉄心と永久磁石の間に隙間を設けても良い。実施例２では、固定子の軸線方向両面に回転子を配した構成であるが、逆に回転子の軸線方向両面に固定子を配した構造とすることもできる。そのときの構造は、図１に示す実施例１に更に回転子１の固定子２と反対側に、固定子２と同様の別の固定子を配置したものとなる。本構成により、１つの回転子であっても実施例１より大きなトルクを得ることができる。また本発明は、分布巻や集中巻といった固定子巻線の方法によらずに同様の効果を得ることができる。

本発明は、あらゆる用途のモータ、ジェネレータあるいはモータジェネレータに適用可能であるが、特に回転電機の軸線方向寸法が厳しく制約させる用途、例えば電機自動車においてホイールに内蔵されるホイルモータや、エンジン横置式のハイブリッド車用駆動装置におけるエンジンと同軸上又は平行軸上に配置されるモータ又はジェネレータに用いて特に有効なものである。

本発明の実施例１に係るアキシャルギャップ回転電機の構造を模式化して示す斜視図である。 実施例１のアキシャルギャップ回転電機の一部を分解した構造を模式化して示す一部分解斜視図である。 実施例１の固定子と回転子の原理的構造を示す周方向展開断面である。 永久磁石配置と磁束との関係を示す説明図である。 実施例２に係るアキシャルギャップ回転電機の構造を模式化して示す一部分解斜視図である。 実施例２の固定子と回転子の原理的構造を示す周方向展開断面である。 実施例２のより具体的な構造を示す模式断面図である。 実施例３に係るアキシャルギャップ回転電機の構造を模式化して示す一部分解斜視図である。 実施例３に対する第１変形例の構造を模式化して示す一部分解斜視図である。 実施例３に対する第２変形例の構造を模式化して示す一部分解斜視図である。 実施例３に対する第３変形例の構造を模式化して示す一部分解斜視図である。 実施例３に対する第４変形例の構造を模式化して示す一部分解斜視図である。 従来のアキシャルギャップ回転電機の原理的構造を示す周方向展開断面図である。

符号の説明

１ 回転子
２ 固定子
１１ 永久磁石
１１ａ，１１ｂ 着磁面
１２ 回転子鉄心
２１ 固定子鉄心
２２ 巻線

Claims (9)

1. 回転子と固定子を空隙を挟んで軸線方向に対向させたアキシャルギャップ回転電機において、
   前記回転子は、磁極の方向を回転子の周方向に向けて配置した永久磁石を備えることを特徴とするアキシャルギャップ回転電機。
2. 前記永久磁石の互いに隣接するものの磁極の方向は、相互に逆向きとされた、請求項１記載のアキシャルギャップ回転電機。
3. 前記回転子は、互いに分離した回転子鉄心の間に、該回転子鉄心と対峙する方向に着磁面を向けて永久磁石を配置した円盤状とされ、前記永久磁石は、前記回転子を軸線方向に貫通する、請求項１又は２記載のアキシャルギャップ回転電機。
4. 前記永久磁石は、着磁面間の距離が回転子の外径方向に広がる扇形とされた、請求項３記載のアキシャルギャップ回転電機。
5. 前記永久磁石は、互いに平行する着磁面を備える矩形断面の棒状とされた、請求項３記載のアキシャルギャップ回転電機。
6. 前記永久磁石の体積は、隣接する回転子鉄心間の隙間の容積より小さな体積とされた、請求項１〜５のいずれか１項記載のアキシャルギャップ回転電機。
7. 前記固定子は、磁極を軸線方向に向けた固定子鉄心入りコイルを円周方向に並べて配置してなる、請求項１〜６のいずれか１項記載のアキシャルギャップ回転電機。
8. 前記固定子の軸線方向両側に前記回転子を備えてなる、請求項１〜７のいずれか１項記載のアキシャルギャップ回転電機。
9. 前記回転子の軸線方向両側に前記固定子を備えてなる、請求項１〜７のいずれか１項記載のアキシャルギャップ回転電機。

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