JP2005304245A - アキシャルギャップ型回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】回転子に永久磁石を取り付けたアキシャルギャップ型回転電機において、マグネットトルクおよびリラクタンストルクを合算して発生トルクを増大させるために、永久磁石間の漏れ磁束を低減する。
【解決手段】ロータ軸２に回転子３の本体を固定する。回転子３の本体は強磁性体である電磁鋼板１１を積層して形成する。回転子３の本体である電磁鋼板１１には、周方向に複数の永久磁石１２を取り付け、周方向で隣り合う各永久磁石１２，１２に挟まれた箇所における永久磁石１２と電磁鋼板１１の間には、周方向に開いたエアギャップ１４を設ける。
【選択図】図２

Description

本発明は、少なくとも一対の固定子および回転子を、回転軸方向に対向して配置したアキシャルギャップ型回転電機において、その発生トルクを増大させる技術に関するものである。

アキシャルギャップ型回転電機の回転子の発明としては従来、例えば特許文献１のごときものが知られている。
特許文献１に記載のアキシャルギャップ型回転電機は、回転子のロータ円盤および回転軸を非磁性体材料で一体に形成し、円柱形状に形成された永久磁石を、回転子のロータ円盤に回転軸方向に貫通して埋め込む。このように回転子を一体強固に形成することで、高速回転時に永久磁石が遠心力により飛散するのを防止するようにしたものである。
特開平５−２６８７５４号公報 段落番号００２１

特許文献１に記載のアキシャルギャップ型回転電機において、回転子の上記ロータ円盤を非磁性体の材料により形成すると、その発生トルクはマグネットトルクだけとなる。発生トルクの増大のためには、マグネットトルクの他、リラクタンストルクも得るとよい。そこで、上記ロータ円盤を強磁性体の材料により形成し、リラクタンストルクも得ることが考えられる。
しかし、上記従来のようなアキシャルギャップ型回転電機にあっては、以下に説明するような問題を生ずる。つまり、ロータ円盤の材質を非磁性体材料から強磁性体材料に変更すると、永久磁石間の漏れ磁束、特に周方向で隣にある永久磁石同士の漏れ磁束、がロータ円盤を介して多くなり、ロータ円盤を非磁性体材料で形成する場合よりも、かえって発生トルクが減少してしまうという問題があった。

本発明は、永久磁石間の漏れ磁束を低減することにより、マグネットトルクおよびリラクタンストルクを得て、これらを合算して発生トルクを増大させることができるアキシャルギャップ型回転電機を提案することを目的とする。

この目的のため本発明によるアキシャルギャップ型回転電機は、請求項１に記載のごとく、
強磁性体からなる回転子本体に永久磁石を埋設して取り付けた回転子と、界磁巻線を具えた固定子とを、前記回転子の回転軸方向に対向して配設したアキシャルギャップ型回転電機において、
前記回転子のうち周方向で隣り合う前記永久磁石間に、非磁性体層を設けたことを特徴としたものである。

かかる本発明の構成によれば、回転子に設けた非磁性体層が、周方向で隣り合う永久磁石間の漏れ磁束を抑制するため、マグネットトルクおよびリラクタンストルクを得ることが可能となり、発生トルクを大幅に増大させることができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面に示す実施例に基づき詳細に説明する。
図１は本発明の一実施例になるアキシャルギャップ型回転電機を、回転子の回転軸を含む平面で断面にして示す縦断面図である。本実施例において、回転軸となるロータ軸２と、ロータ軸２に固定された円盤形状の回転子３と、回転子３と対向して設けられた固定子４とを、ケース５内に収納して、アキシャルギャップ型回転電機１を構成する。

ここで、ロータ軸２はベアリング６を介してケース５に回転自在に装着され、ケース５のロータ軸２上にはロータ軸２の回転位置等を検出するための回転センサ７を設ける。
固定子４は、バックコア部８と、固定子ティース部９と、巻線１０とから構成される。バックコア部８は、固定子ティース部９をケース５に固定するとともに、固定子ティース部９の磁束を周方向に回して別の固定子ティース部９へ流す役割を果す。また固定子ティース部９は、磁束を周方向に流す部位で巻線１０を巻回している。巻線１０は図示しない絶縁紙および絶縁体を介して、固定子ティース部９から絶縁される。

回転子３は、０．２ｍｍ厚さのケイ素鋼板などの電磁鋼板１１をロータ軸２の軸方向に積層して形成し、固定子４と対向する表面３ｍから回転子３内部にかけて、複数の埋込型永久磁石１２を埋設して取り付ける。このため電磁鋼板１１には後述のように永久磁石１２を埋設して取り付けるための穴１１ｈを型抜きしておく。なお、電磁鋼板１１の少なくとも一部を一般鋼板とすることで、製造コスト削減が可能である。
回転子３および固定子４はロータ軸２の軸方向に配設し、互いに接触することがないよう両者の間にはアキシャルギャップ（隙間）１３を設ける。

図２は本実施例の回転子３を固定子４側からロータ軸２の軸方向に見た状態を示す正面図である。回転子３には、永久磁石１２を設けるための穴１１ｈを周方向に配設する。したがって回転子３のうち固定子４に近い側には、後述するように永久磁石１２を取り付けるための穴１１ｈおよびロータ軸２が貫通する穴１１ｒを具えた電磁鋼板１１ａを、ロータ軸２の軸方向に積層する。
本実施例では回転子３を８極とし、１極あたり１個の永久磁石を取り付けるものである。このため、回転子３には８個の穴１１ｈを周方向均等に設け、それぞれの穴１１ｈには扇形状の永久磁石１２を取り付ける。穴１１ｈの周方向の寸法は、永久磁石１２の周方向の寸法よりも大きいものとする。したがって、永久磁石１２を取り付けた状態で、永久磁石１２の表面のうち周方向を向く両側側面１２ｓには、電磁鋼板１１と接触しないようにエアギャップ（空隙）１４をそれぞれ設けるものとする。空気は非磁性体であることから、エアギャップ１４は非磁性体層に等しい。

また、永久磁石１２のロータ軸２の軸方向の磁束が、周方向で隣にある永久磁石同士で互いに逆向きになるよう、図２に示す永久磁石１２の磁極面を、周方向でNとS交互に取り付ける。

回転子３を、周方向に延在する図２中のＡ−Ａ線で断面とし、矢の方向から見た展開断面図を図３に示す。回転子３のうち固定子４に近い側には、永久磁石１２を取り付けるための穴１１ｈおよびロータ軸２が貫通する穴１１ｒを具えた電磁鋼板１１ａを積層する。一方、固定子４から遠い側には、ロータ軸２が貫通する穴１１ｒのみを具えた（ロータ軸２の軸方向から見たときにはドーナツ形状の）電磁鋼板１１ｂを積層する。永久磁石１２の表面のうち固定子４から遠い側の底面１２ｂは、電磁鋼板１１ｂに接触する。

しかして、永久磁石１２の側面１２ｓに設けたエアギャップ１４により、周方向で隣にある永久磁石１２同士の漏れ磁束を低減することが可能となり、マグネットトルクおよびリラクタンストルクを得て発生トルクを増大させることができる。

なお、本実施例では１極当たり１個の永久磁石を配設したが、図３に示した本実施例の他にも、図４に示すように永久磁石１２をロータ軸２の軸方向で２分割して、表面３ｍ側にある永久磁石１２ａおよび回転子３の内部にある永久磁石１２ｂとし、両者の間に電磁鋼板１１ｂを介挿することにより、電磁鋼板１１を通過する磁束が増加してより大きなリラクタンストルクを得ることが可能となり、アキシャルギャップ型回転電機１の発生トルクを増大させることができる。

あるいは、同様の技術的思想を適用して、永久磁石１２をロータ軸２の軸方向で３分割以上として、分割した永久磁石１２間にそれぞれ電磁鋼板１１ｂを介挿してもよく、これによりさらに大きなリラクタンストルクを得てアキシャルギャップ型回転電機１の発生トルクを増大させることができる。

なお、本実施例においても、電磁鋼板１１ａ，１１ｂの少なくとも一部を一般鋼板とすることにより、製造コスト削減が可能である。

次に、本発明の他の実施例になるアキシャルギャップ型回転電機について説明する。
本実施例では、図１および上記した実施例たる回転子３に、後述するエアギャップ１５を追加して設けたものであり、図５はこの回転子３を、固定子４側から見た状態を示す正面図である。
回転子３の周縁３ｓとロータ軸２との中程には、永久磁石１２を埋設し、回転子３の周縁３ｓには電磁鋼板１１を残しておく。そして、永久磁石１２よりも径方向外方にあって、周縁３ｓよりも径方向内方にある電磁鋼板１１ｓの周方向中央部には、周方向に開いた空隙であるエアギャップ１５を設ける。

このように、回転子３の周縁３ｓにエアギャップ１５を設けることにより、周縁３ｓを流れるうず電流の経路を遮断することが可能となり、回転子３の鉄損を低減することができる。したがって、より大きなマグネットトルクおよびリラクタンストルクを得て発生トルクを増大させることができる。
なお、図には示さなかったが、永久磁石１２とロータ軸２の間にある電磁鋼板１１に、周方向に開いたエアギャップを設けても、上記と同様にうず電流を低減して回転子３の鉄損を低減することができる。

次に、本発明の更に他の実施例になるアキシャルギャップ型回転電機について説明する。
図６は本実施例の回転子３を、ロータ軸２の軸方向から見た状態を示す正面図である。本実施例では、図１および上記した実施例たる回転子３と基本的には共通するが、異なる部分については新たに符号を付して説明すると、エアギャップ１４の中央部には電磁鋼板１１から永久磁石１２に向けて突出するよう凸部１１ｔを設ける。凸部１１ｔの突出高さはエアギャップ１４の空隙幅と同じであり、凸部１１ｔは永久磁石１２がエアギャップ１４の空隙を塞ぐ方向に穴１１ｈ内を移動することを防止して、永久磁石１２を穴１１ｈ内の周方向中央位置に固定する。

また図６中、穴１１ｈを画成する表面のうち径方向内方にある表面の中央部には、電磁鋼板１１から永久磁石１２へ向けて突出するよう凸部１１ｕを設け、永久磁石１２にはこの凸部１１ｕと同じ寸法の凹部１２ｕを設ける。そして、電磁鋼板１１の凸部１１ｕを永久磁石１２の凹部１２ｕに嵌合させることにより、穴１１ｈに永久磁石１２を埋設して取り付ける。

このように電磁鋼板１１に凸部１１ｔ，１１ｕを設けるとともに、永久磁石１２に凹部１２ｕを設けることにより、工場組み立て時には、永久磁石１２の配置および位置決めが容易となり、回転子３に永久磁石１２を正確かつ迅速に組み付けることが可能となる。更にエアギャップ１４の空隙幅を正確に品質管理することができる。また、回転子３の高速回転中に永久磁石１２がエアギャップ１４の空隙を塞ぐ方向に穴１１ｈ内を移動することを防止することができる。
なお図には示さなかったが、上記の技術的思想を適応して、永久磁石１２に凸部を設けるとともに、電磁鋼板１１に凹部を設けて両者を嵌合させても同様の作用および効果を奏することができること勿論である。

本発明のアキシャルギャップ型回転電機は、上述のとおり１つの回転子３と１つの固定子４からなる一対の固定子および回転子の組み合わせにおいて適用することができるが、別の組み合わせにおいても適用することができる。そこで、本発明の別の実施例になるアキシャルギャップ型回転電機について説明する。
図７は本発明の別の実施例になるアキシャルギャップ型回転電機を、回転子の回転軸を含む平面で断面にして示す縦断面図である。本実施例では、ロータ軸２中央部に回転子３を固定して設け、この回転子３をロータ軸２の軸方向両側から挟むように２つの固定子４を対向して設けたものである。
このため回転子３は正面および背面とも固定子４と対向し、両面にはそれぞれアキシャルギャップ１３を設ける。
回転子３本体である電磁鋼板１１には、ロータ軸２の軸方向に貫通するような穴１１ｈを設け、穴１１ｈには、ロータ軸２の軸方向に永久磁石１２を貫通させて設ける。

本実施例においても、固定子４側から見た回転子３の正面図は上記の図２と同様であり、正面および背面とも同様である。
図８は本実施例の回転子３を、周方向に延在する図２中のＡ−Ａ線で断面とし、矢の方向から見た展開断面図である。固定子３を貫通するように永久磁石１２を設けたため、永久磁石１２のうち周方向を向く両側側面１２ｓには、電磁鋼板１１と接触しないようにエアギャップ１４をそれぞれ設ける。

しかして、永久磁石１２の側面１２ｓに設けたエアギャップ１４により、周方向で隣にある永久磁石１２同士の漏れ磁束を低減することが可能となり、マグネットトルクおよびリラクタンストルクを得て発生トルクを増大させることができる。

また、図８に示した本実施例の他にも、図９に示すようにエアギャップ１４の中央部には電磁鋼板１１から永久磁石１２に向けて突出するよう凸部１１ｔを設けてもよい。凸部１１ｔの突出高さはエアギャップ１４の空隙幅と同じであり、永久磁石１２がエアギャップ１４の空隙を塞ぐ方向に穴１１ｈ内を移動することを防止する。
このように電磁鋼板１１に凸部１１ｔを設けることにより、工場組み立て時には、永久磁石１２の配置および位置決めが容易となり、回転子３に永久磁石１２を正確かつ迅速に組み付けることが可能となる。更にエアギャップ１４の空隙幅を正確に品質管理することができる。

あるいは、図１０に示すように永久磁石１２をロータ軸２の軸方向で２等分割し、両者の間に電磁鋼板１１ｂを介挿することにより、電磁鋼板１１を通過する磁束が増加してより大きなリラクタンストルクを得ることが可能となり、アキシャルギャップ型回転電機１の発生トルクを増大させることができる。

あるいは、図１１に示すように周方向で隣り合う永久磁石エアギャップ１２同士の中間にある電磁鋼板１１には、周方向に開いたエアギャップ１６を追加して設けてもよい。
このように、隣り合う永久磁石１２同士の中央部にエアギャップ１６を設けることにより、永久磁石１２同士の漏れ磁束およびうず電流による鉄損を低減することができる。したがって、より大きなマグネットトルクおよびリラクタンストルクを得て発生トルクを増大させることができる。

ところで、上記した各実施例によれば、強磁性体である電磁鋼板１１に永久磁石１２を取り付けた回転子３において、回転子３のうち周方向で隣り合う永久磁石１２，１２に挟まれた箇所に、非磁性体層であるエアギャップ１４，１６を設けたことから、永久磁石１２，１２同士の漏れ磁束を低減することが可能になり、マグネットトルクおよびリラクタンストルクを得て、アキシャルギャップ型回転電機１の発生トルクを増大させることができる。
なお図には示さなかったが、周方向で隣り合う永久磁石１２，１２に挟まれた箇所の両側側面１２ｓ，１２ｓにエアギャップ１４をそれぞれ設けるよりもその効果は劣るものの、永久磁石１２の片側表面１２ｓにエアギャップ１４を設けてもよい。

また本実施例では、周方向で隣り合う永久磁石１２，１２の間にエアギャップ１４，１６を設けたが、エアギャップ（空隙）は、一般には空気などの気体で満たされているため、請求項１の「非磁性体層」は空気を用いた非磁性体層たるエアギャップ（空隙）を含むとともに、他の気体や固体も含むものである。
また請求項２以下の「空隙」とは、エアギャップ１４，１５，１６に何も充填しない真空状態であってもよい。真空も非磁性体であるからである。

また、永久磁石１２の表面のうち周方向を向く表面１２ｓと、電磁鋼板１１との間にエアギャップ１４を設けることで、永久磁石１２を取り付けるための穴１１ｈがエアギャップを兼用することが可能となる。したがって、電磁鋼板１１にエアギャップのみのための型抜き加工をする必要がなく、工数を減らすことができる。

また上記の実施例では、エアギャップ１４の中央部において、電磁鋼板１１から永久磁石１２の表面１２ｓに向けて突出するよう凸部１１ｔを設ける。
これにより、工場組み立て時には、永久磁石１２の配置および位置決めが容易となり、回転子３に永久磁石１２を正確かつ迅速に組み付けることが可能となる。更にエアギャップ１４の空隙幅を正確に品質管理することができ、回転子３の回転中には、永久磁石１２が穴１１ｈ内でずれることを防止することができる。
なお、図には示さなかったが、永久磁石１２の表面１２ｓに凸部を設けてもよい。あるいはエアギャップ１４の両端に凸部を設けてもよい。

また上記の実施例では、永久磁石１２よりも径方向外方にある電磁鋼板１１ｓの周方向中央部に、周方向に開いた空隙であるエアギャップ１５を設けたことにより、
周縁３ｓを流れるうず電流の経路を遮断することが可能となり、回転子３の鉄損を低減することができる。したがって、より大きなマグネットトルクおよびリラクタンストルクを得て発生トルクを増大させることができる。
なお、図には示さなかったが、永久磁石１２とロータ軸２の間にある電磁鋼板１１に、周方向に開いたエアギャップを設けても、上記と同様にうず電流を低減して回転子３の鉄損を低減することができる。

また、永久磁石１２を取り付ける穴１１ｈには、電磁鋼板１１から永久磁石１２へ向けて突出するよう凸部１１ｕを設け、この凸部１１ｕを永久磁石１２に設けた凹部１２ｕに嵌合させるため、
工場組み立て時には、永久磁石１２の配置および位置決めが容易となり、回転子３に永久磁石１２を正確かつ迅速に組み付けることが可能となる。更にエアギャップ１４の空隙幅を正確に品質管理することができ、回転子３の回転中には、永久磁石１２が穴１１ｈ内でずれることを防止することができる。

またリラクタンストルクを得るため、強磁性体材料で回転子３の本体を形成するにあたり、電磁鋼板１１を積層して形成することにより、鉄損を低減することができる。

特に、永久磁石１２をロータ軸２の軸方向に２分割乃至複数分割して、これらの分割された永久磁石１２の間に強磁性体である電磁鋼板１１を介挿することにより、電磁鋼板１１を通過する磁束が増加してより大きなリラクタンストルクを得ることが可能となり、アキシャルギャップ型回転電機１の発生トルクを増大させることができる。

更に、穴１１ｈを設ける電磁鋼板１１ａの材質および穴１１ｈを設けない電磁鋼板１１ｂの材質のうち、一方を一般鋼板とすることや、電磁鋼板１１の少なくとも一部を一般鋼板とする等、２種類以上の材質の強磁性体を組み合わせることで、製造コスト削減が可能である。

なお、上記実施例においては、ロータ軸２の軸方向から見た場合に１極当たり１個の永久磁石１２を配設したが、上記実施例の他、回転子３の径方向に複数の永久磁石を配設し、これらの永久磁石が１極当たりの永久磁石を構成するものであっても同様の作用効果を奏することができる。

本発明の一実施例になるアキシャルギャップ型回転電機を説明するための縦断面図である。 同実施例の回転子を説明するための正面図である。 同実施例の回転子を、周方向断面で展開して示す断面図である。 他の実施例になる回転子を、周方向断面で展開して示す断面図である。 本発明の他の実施例になるアキシャルギャップ型回転電機を説明するため、その回転子を示す正面図である。 本発明の更に他の実施例になるアキシャルギャップ型回転電機を説明するため、その回転子を示す正面図である。 本発明の別の実施例になるアキシャルギャップ型回転電機を説明するための縦断面図である。 同実施例の回転子を、周方向断面で展開して示す断面図である。 本発明の更に別の実施例になるアキシャルギャップ型回転電機を説明するため、その回転子を周方向断面で展開して示す断面図である。 本発明の更に別の実施例になるアキシャルギャップ型回転電機を説明するため、その回転子を周方向断面で展開して示す断面図である。 本発明の更に別の実施例になるアキシャルギャップ型回転電機を説明するため、その回転子を周方向断面で展開して示す断面図である。

符号の説明

１ アキシャルギャップ型回転電機
２ ロータ軸
３ 回転子
４ 固定子
５ ケース
６ ベアリング
７ 電磁鋼板
８ 永久磁石
９ バックコア部
１０ 固定子ティース部
１１ 巻線
１２ 永久磁石
１３ アキシャルギャップ
１４，１５，１６ エアギャップ

Claims (9)

1. 強磁性体からなる回転子本体に永久磁石を埋設して取り付けた回転子と、界磁巻線を具えた固定子とを、前記回転子の回転軸方向に対向して配設したアキシャルギャップ型回転電機において、
   周方向で隣り合う前記永久磁石の間にある前記回転子に、非磁性体層を設けたことを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
2. 請求項１に記載のアキシャルギャップ型回転電機において、
   前記非磁性体層とは、周方向に開いた空隙であることを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
3. 請求項２に記載のアキシャルギャップ型回転電機において、
   前記永久磁石と前記回転子本体の間に、前記空隙を設けたことを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
4. 請求項３に記載のアキシャルギャップ型回転電機において、
   前記空隙を形成する永久磁石の表面および回転子本体の表面のうち、少なくともいずれか一方に永久磁石位置決め用の凸部を設けたことを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
5. 請求項２乃至４のいずれか１項に記載のアキシャルギャップ型回転電機において、
   前記回転子本体の周縁と回転中心との中程に、前記永久磁石を埋設し、該永久磁石よりも径方向外方および径方向内方の少なくとも一方にある前記回転子本体に、周方向に開いた空隙を設けたことを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載のアキシャルギャップ型回転電機において、
   前記永久磁石の表面および前記回転子本体の表面のうち、両者が相互に接触する表面に永久磁石位置決め用の凹凸部を設けたことを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載のアキシャルギャップ型回転電機において、
   前記回転子本体は、電磁鋼板を積層してなることを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載のアキシャルギャップ型回転電機において、
   前記永久磁石を回転軸方向に複数分割し、該分割した永久磁石間に前記強磁性体を介挿したことを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載のアキシャルギャップ型回転電機において、
   前記強磁性体が複数種類の材質の強磁性体を組み合わせてなることを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。

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