JP4501664B2

JP4501664B2 - 回転電機

Info

Publication number: JP4501664B2
Application number: JP2004355864A
Authority: JP
Inventors: 雄太郎金子
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2004-12-08
Filing date: 2004-12-08
Publication date: 2010-07-14
Anticipated expiration: 2024-12-08
Also published as: JP2006166636A

Description

この発明は、回転電機に関し、特に、回転子に永久磁石を装着した構造を有し電動機或いは発電機として用いられる回転電機に関する。

従来、回転子に永久磁石を装着した構造を有する回転電機が知られている。このような構造の回転電機は、損失が少なく効率も良く、その上、大きな出力が得られる等の理由により数多く使用されている。その中でも、回転子と固定子をアキシャル方向に配置したアキシャルギャップモータは、薄型化が可能であることから、モータのレイアウトに制限があるような場合に使用されている。例えば、「電動式動力ユニット、電動車両および電動二輪車」（特許文献１参照）では、オートバイの駆動用にアキシャルギャップモータを使用している。
特開２００３−２２７７号公報

しかしながら、従来のアキシャルギャップモータの場合、固定子巻線を装着する固定子コアのバックコア部は、中心を回転軸が貫通する円盤状を有しており、その厚さは、一般的に一定、即ち、縦断面が長方形状を有していることから、そのままでは、磁気飽和により厚さ方向の寸法が決定してしまうため、厚さを薄くしての更なる小型化は不可能であった。
この発明の目的は、全体として更に小型化することができる回転電機を提供することである。

上記目的を達成するため、この発明に係る回転電機は、回転軸を中心として回転自在に配設される回転子コアと永久磁石とを有する回転子が、固定子ティース部と前記固定子ティース部に巻回された固定子巻線と前記固定子ティース部が装着される固定子バックコア部とを有する固定子との間にエアギャップをもって回転可能に保持され、前記回転子と前記固定子がアキシャル方向に対向して配設されたアキシャルギャップ型回転電機において、前記固定子バックコア部の回転軸の軸線方向に対する厚みは、前記回転軸の中心側と外周側とで異なり、前記固定子ティース部は、前記回転軸の軸線方向に同じ高さの段差を有していることを特徴としている。

この発明によれば、回転電機は、固定子ティース部が装着される固定子バックコア部の回転軸の軸線方向に対する厚みは、回転軸の中心側と外周側とで異なり、固定子ティース部は、回転軸の軸線方向に同じ高さの段差を有していることにより、固定子ティース部の横断面積を増やすことができるため、出力・トルクの増大が可能である。この結果、回転電機を全体として更に小型化することができる。

以下、この発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。
（第１実施の形態）
図１は、この発明の第１実施の形態に係る回転電機の軸方向断面による概略説明図であり、図２は、図１の固定子ティース部の拡大説明図である。図１に示すように、回転電機１０は、回転子１１、固定子１２、及びケース１３を有している。回転子１１は、例えば鋼板を積層した厚肉円盤状の回転子コア１４と、回転子コア１４に埋め込まれた複数の永久磁石１５を有している。各永久磁石１５は、回転子コア１４の周方向に沿って略等間隔離間すると共に、隣り合う同士の磁極が互いに異なるように配置される。回転子コア１４は、その平面中心を貫通する回転軸１６に固着されており、回転軸１６は、ベアリング１７を介してケース１３に回転自在に保持されている（図１参照）。この回転軸１６を介して回転子１１の回転が外部に伝えられる。

固定子１２は、強磁性体、例えば圧粉コアからなる固定子コア１８と、固定子コア１８に巻回された固定子巻線１９を有している。固定子コア１８は、回転軸１６が貫通する孔２０ａが開けられた孔開き円盤状の固定子バックコア部２０と、固定子バックコア部２０に突設された複数の固定子ティース部２１からなる。固定子バックコア部２０は、孔２０ａが開けられた平面中心部分の方が外周縁より厚く外周縁に向かう下り傾斜の傾斜面２０ｂを有する、半径部分の縦断面が略直角三角形状に形成されている（図２参照）。
つまり、固定子バックコア部２０は、円環状円盤形状を有し、盤面中心部と盤面外周縁部が回転軸１６の軸線方向に厚みを異ならせており、その中心部分と周縁部分で高さが異なる、中央部が頂点となる山形状に形成されている。

各固定子ティース部２１は、横断面が略矩形状の立方体からなり、傾斜面２０ｂに対し略直交して、即ち、後述するサイドケース１３ｂに対し外周ケース１３ａ側に傾いた状態（図１参照）で、周方向に略等間隔離間して配置されている。この各固定子ティース部２１の回転子１１側端面は、離間して隣接する回転子１１の永久磁石１５に対向すると共に、永久磁石１５の対向面に対し略等間隔離間して略平行に位置するように、固定子バックコア部２０の傾斜とは傾斜角度が同一で傾斜方向が逆向きに傾斜し、且つ、拡径されている（図１参照）。そして、各固定子ティース部２１の周囲に、絶縁体及び絶縁紙（図示しない）を介して、固定子巻線１９が傾斜面２０ｂに沿う方向に巻き付けられている（図２参照）。

また、固定子バックコア部２０は、外周縁が各固定子ティース部２１の側面と略一致しているが、孔２０ａが開けられた平面中心部分を、各固定子ティース部２１の側面より内側、即ち、各固定子ティース部２１に巻回された固定子巻線１９の側面と略一致する位置まで拡大している（図２参照）。従って、固定子バックコア部２０の最大厚さが変わらないまま（即ち、拡大部分の頂部は底面と略平行に形成されている）、その体積は、半径部分の縦断面が略直角三角形状でない長方形の場合と略同一に形成されており、磁気飽和条件に変わりはない。

ケース１３は、円筒状の外周ケース１３ａ、及び外周ケース１３ａの両端を塞ぐ２個のサイドケース１３ｂからなり、両ケース１３ａ，１３ｂは、両ケース１３ａ，１３ｂに設けられた、例えば、フランジ状取付け部を介してボルトとナットにより締め付け固定されている（図１参照）。また、一方のサイドケース１３ｂの外側面には、回転軸１６の回転を検出する回転センサ２２が装着されている。
回転子１１は、固定子１２から与えられる回転磁束に対し永久磁石１５が発生させる反力によって、回転軸１６を中心に回転する。ここで、回転子１１と固定子１２の間にはエアギャップ（隙間）が存在しており（図１参照）、両者が互いに接触することはない。

このように、回転電機１０は、固定子１２の固定子バックコア部２０を、外向き下り傾斜面を有する半径部分縦断面を略三角形状に形成して、固定子ティース部２１の上端を外側に向けるように傾斜しており、この固定子ティース部２１に合わせて固定子巻線１９を回転軸（モータ軸）１５に対し傾けて巻回している。

従って、固定子ティース部２１を傾けた分、固定子ティース部２１が傾斜しないで縦軸が回転軸１６と平行である場合に比べ、固定子ティース部２１の横断面積を増やすことができるため、出力・トルクの増大が可能である。この結果、出力・トルクが同じ場合、固定子ティース部２１が傾斜しないで縦軸が回転軸１６と平行である形状、即ち、従来の平面中央部及び周縁部が同一高さの円柱形状に比べ、固定子１２をより薄型にすることができ、その結果、回転電機全体の更なる小型化が可能になる。

また、固定子バックコア部２０が、従来の平面中央部及び周縁部が同一高さの円柱形状から、円錐形状の上部が底面と平行に切除された台形状縦断面の略円柱形状になることで、その体積を円柱形状の場合の約２／３にすることができる。また、固定子ティース部２１に巻回された固定子巻線１９は、固定子コア１８の内周側、即ち、回転軸１６側が回転子１１に最も接近しており、この固定子巻線１９の固定子コア１８の内周側を磁束が通ることで、磁束の流れも最短になるため、出力・トルクも増大する。

（第２実施の形態）
図３は、この発明の第２実施の形態に係る回転電機の軸方向断面による固定子ティース部の拡大説明図である。図３に示すように、回転電機の固定子３０は、固定子巻線１９を装着する周面を段差形状とした固定子ティース部３１を有し、その形状に合わせて固定子巻線１９を巻線している。その他の構成及び作用は、固定子１２と同様である。

固定子ティース部３１は、内外周面が、高さ方向、即ち、軸線方向に略同じ高さの複数の段差を有し、各段差分が固定子ティース部３１の中心である回転軸１６（図１参照）側にずれて、各段差分の内外周面が回転軸１６と略平行になる、階段状に形成されている。従って、巻回された固定子巻線１９は、各段差部分では内外周面側が傾斜しているが、各段差部分で回転軸１６側にずれることにより、固定子ティース部３１全体では、内外周面は回転軸１６と略平行になっている。

このように、固定子ティース部３１は、外周面を段差形状とすることで、外周面の傾きが直線ではなく各段差部分毎の折れ線（図中、破線参照）で形成することができ、各段差部分毎に半径方向長さを最大にすることができる。よって、固定子ティース部３１の断面積を、外周面が段差の無い直線形状の場合よりも広くすることができ、その結果、外周面が段差の無い直線形状の場合よりも、回転電機の出力・トルクをより増大させ、効率をより向上させることができる。また、固定子巻線１９が巻き易くなり、更に、固定子巻線１９を巻き終えた形状が略長方形になって、固定子の一層の小型化が可能になる。

（第３実施の形態）
図４は、この発明の第３実施の形態に係る回転電機の軸方向断面による固定子ティース部の拡大説明図である。図４に示すように、回転電機の固定子３５は、周面を段差形状とした固定子ティース部３１の代わりに、固定子巻線１９を巻回する際に固定子巻線１９と固定子ティース部の間に装着する絶縁体３６の周面を、固定子ティース部３１と同様の段差形状に形成している。その他の構成及び作用は、固定子３０と同様である。

絶縁体３６は、外周面が段差の無い直線形状を有する固定子ティース部２１（第１実施の形態、図２参照）に装着されており、周面が、高さ方向、即ち、軸線方向に略同じ高さの複数の段差を有し、各段差分が固定子ティース部２１の中心である回転軸１６（図１参照）側にずれて外周面が回転軸１６と略平行になる、階段状に形成されている。この固定子ティース部２１に絶縁体３６を装着することにより、固定子ティース部３１（第２実施の形態、図３参照）と同様の外形形状を形成することができる。

このように、固定子ティース部２１に絶縁体３６を装着し、絶縁体３６を介して固定子巻線１９を固定子ティース部２１に巻回すれば、固定子ティース部を特に加工することなく固定子巻線１９を巻き終えた形状を容易に略長方形にすることができ、固定子の一層の小型化が可能になる。

（第４実施の形態）
図５は、この発明の第４実施の形態に係る回転電機の軸方向断面による概略説明図である。図５に示すように、回転電機４０は、巻回した固定子巻線１９の傾斜形状に対応する形状に形成した固定子ティース部４１を備えた固定子４２、及び固定子ティース部４１に対応する形状に対向面を形成した回転子４３を有している。その他の構成及び作用は、回転電機１０と同様である。

固定子ティース部４１は、回転子４３側の端面を、巻回した固定子巻線１９の傾斜形状に対応させて、外側、即ち、外周ケース１３ａ側に向かって下がり傾斜となる傾斜面により形成している。また、回転子４３は、固定子ティース部４１の端面に対向する永久磁石１５を装着した面を、固定子ティース部４１の端面に対応させて、外周ケース１３ａ側に向かう上り傾斜面により形成している。

この回転子４３の対向面を、外周ケース１３ａ側に向かう上り傾斜面により形成したことで、回転子４３は、永久磁石１５が装着されていない平面中心部分が同一厚さを有し、永久磁石１５が装着されている平面外周部分が、平面中心部分より一定傾斜角度で厚くなり周縁が最大厚さとなるように形成されている。この傾斜に合わせて、永久磁石１５の固定子ティース部４１端面との対向面も形成されており、固定子ティース部４１と永久磁石１５は、略等間隔離間して略平行に向き合った状態に配置されている（図５参照）。

このように、回転子４３を、周縁が最大厚さとなる傾斜面により形成したので、永久磁石１５が配置された、固定子ティース部４１の端面との対向面の面積が、回転子４３が傾斜面ではない平坦面の場合（図１参照）に比べて拡大し、その結果、回転子４３が平坦面の場合よりも、回転電機の出力・トルクをより増大させることができる。

（第５実施の形態）
図６は、この発明の第５実施の形態に係る回転電機の軸方向断面による概略説明図である。図６に示すように、回転電機４５は、固定子ティース部４１及び回転子４２の代わりに、固定子ティース部４１とは傾斜方向を逆向きにした固定子ティース部４６、及びこの固定子ティース部４６に対応させた回転子４７を有している。その他の構成及び作用は、回転電機４０と同様である。

回転電機４５の固定子４８は、複数の固定子ティース部４６が突設された固定子バックコア部４９を有しており、固定子バックコア部４９は、孔４９ａが開けられた平面中心部分の方が外周縁より薄く外周縁に向かう上り傾斜の傾斜面４９ｂを有する、半径部分の縦断面が略直角三角形状に形成されている（図６参照）。つまり、固定子バックコア部４９は、固定子バックコア部２０とはその傾斜方向が逆向きの、周縁部が頂点となる擂鉢型状に形成されており、傾斜面４９ｂは、固定子バックコア部２０の傾斜面２０ｂとは傾斜方向が逆向きとなる。各固定子ティース部４６は、この傾斜面４９ｂに対し略直交して、即ち、サイドケース１３ｂに対し回転軸１６側に傾いた状態（図６参照）で、周方向に略等間隔離間して配置されている。

回転子４７は、固定子ティース部４６の端面に対向する永久磁石１５を装着した面を、固定子ティース部４６の端面に対応させた、外周ケース１３ａ側に向かう下り傾斜面により形成している。つまり、回転子４７は、回転子４７の対向面が外周ケース１３ａ側に向かう下り傾斜面となる、回転軸１６が貫通する平面中心部が固定子ティース部４６側に突出する山形状に形成されている。これら回転子４７と固定子４８の間には、エアギャップ（隙間）が存在しており（図６参照）、両者が互いに接触することはない。

このように、回転電機４５は、各固定子ティース部４６をサイドケース１３ｂに対し回転軸１６側に傾いた状態に形成し、傾斜した固定子ティース部４６の端面に合わせて、その端面に対向する回転子４７の対向面を傾斜面により形成し、この固定子ティース部４６に合わせて固定子巻線１９を回転軸１６に対し傾けて巻回している。

従って、固定子ティース部４６を傾けた分、固定子ティース部４６が傾斜しないで縦軸が回転軸１６と平行である場合に比べ、固定子ティース部４６の横断面積を増やすことができるため、出力・トルクの増大が可能である。この結果、出力・トルクが同じ場合、固定子ティース部４６が傾斜しないで縦軸が回転軸１６と平行である形状、即ち、従来の平面中央部及び周縁部が同一高さの円柱形状に比べ、固定子４８をより薄型にすることができ、その結果、回転電機全体の更なる小型化が可能になる。

また、半径部分の縦断面が略三角形状である固定子バックコア部４９の外周側を肉厚形状とすることで、固定子４８の強度の向上が可能であり、更に、回転子４７の内周側、即ち、回転軸１６側の厚さが周縁部より厚くなるため、回転子４７の強度の向上及び回転数の増加が可能である。

（第６実施の形態）
図７は、この発明の第６実施の形態に係る回転電機の軸方向断面による固定子ティース部周辺の拡大説明図である。図７に示すように、この回転電機は、外周ケース１３ａ側に傾斜した固定子ティース部２１（図１参照）の代わりに、傾斜せずに回転軸１６と略平行に突設した固定子ティース部５０を有し、サイドケースに冷却水路５１を備えている。その他の構成及び作用は、回転電機１０と同様である。

固定子ティース部５０が突設された固定子バックコア部５２は、固定子ティース部５０を設置した面が、回転軸１６と略直交する平面、即ち、回転子１４の固定子ティース部５０との対向面と平行になるように、形成されている。つまり、固定子バックコア部５２は、恰も固定子バックコア部２０を、固定子ティース部２１の設置面とサイドケース１３ｂ側面を逆にした形状を有している。そして、固定子バックコア部５２は、サイドケース１３ｂに形成した円環状の突条部５３に装着されている。この突条部５３は、固定子バックコア部５２側に突出する、固定子バックコア部５２のサイドケース１３ｂ側に面する傾斜面５２ａとは傾斜方向が逆向きのケース傾斜面５３ａを有しており、傾斜面５３ａに傾斜面５２ａを載置した状態で、固定子バックコア部５２が配置されている。

従って、固定子バックコア部５２に突設された固定子ティース部５０は、傾斜することなく回転軸１６（即ち、外周ケース１３ａ）と略平行に設置されており、固定子ティース部５０の回転子１４側端面は、離間して隣接する回転子コア１４の永久磁石１５に対向すると共に、永久磁石１５の対向面に対し略等間隔離間して略平行に位置している。そして、各固定子ティース部５０の周囲に、絶縁体及び絶縁紙（図示しない）を介して、固定子巻線１９が永久磁石１５の対向面（図示しない）とほぼ平行に巻き付けられている（図７参照）。

また、半径部分の縦断面が略直角三角形状の突条部５３は、内部に、その外形形状に合わせた、縦断面が略直角三角形状の通路を有しており、この通路は、冷却水を通す冷却水路５４として使用することができる。

このように、サイドケース１３ｂに形成した半径部分の縦断面が略直角三角形状の突条部５３に、固定子バックコア部５２を装着して、縦断面が略直角三角形状の固定子ティース部５０を傾斜させずに回転軸１６（図１参照）と略平行に突設している。その上、突条部５３の内部に冷却水路５１を設けている。

つまり、固定子バックコア部５２を、盤面中心部と盤面外周縁部が回転軸１６の軸線方向に厚みを異ならせて形成し、回転子と固定子を収納するサイドケース１３ｂに、固定子バックコア部５２を載置状態に装着する、固定子バックコア部５２の傾斜面５２ａとは傾斜方向が逆向きのケース傾斜面５３ａを形成すると共に、ケース傾斜面５３ａの内側に冷却水を通す冷却水路５１を形成した。従って、通常の回転電機（モータ）と同様に、容易に作成することができ、回転電機全体として小型化することが可能である。

上記各実施の形態に説明したように、この発明に係る回転電機は、盤面中心を回転軸が貫通する円盤状の回転子コアに磁石を装着した回転子と、固定子コアの固定子ティース部に固定子巻線を巻回した固定子とを有し、回転子と固定子がアキシャル方向に配設され、回転子が固定子との間にエアギャップをもって回転可能に保持された回転電機において、固定子コアの円環状円盤形状を有する固定子バックコア部を、盤面中心部と盤面外周縁部が回転軸の軸線方向に厚みを異ならせて形成している。

このように、回転電機は、固定子コアの円環状円盤形状を有する固定子バックコア部を、盤面中心部と盤面外周縁部が回転軸の軸線方向に厚みを異ならせて、即ち、固定子バックコア部を傾斜面を有する形状に形成したことにより、この固定子バックコア部に形成した固定子ティース部が傾斜する分、固定子ティース部が傾斜しない場合に比べ、固定子ティース部の横断面積を増やすことができるため、出力・トルクの増大が可能である。この結果、回転電機を全体として更に小型化することができる。

上記各実施形態において、固定子ティース部のエアギャップ面が、固定子ティース部の傾斜軸と略直交し、エアギャップ面に合わせて回転子面を傾けている場合（図５、図６参照）、回転子面が拡大することで、出力・トルクをより増加させることが可能である。また、固定子バックコア部の外周側を厚く形成し、それに合わせて回転子の内周側を厚く形成することにより（図６参照）、回転子の強度を向上させると共に回転数を増加させることが可能である。更に、固定子コアを圧粉コアにより形成することで、回転電機を容易に作製することができる。

なお、上記実施の形態においては、回転電機について説明しているが、それは電動機（モータ）或いは発電機の何れでも良く、極数についても、個数を限定するものではない。また、固定子コアは、圧粉コアにより形成するものに限らず、電磁鋼板やアモルファス等或いは他の強磁性体により形成しても良い。

更に、その構造においても、アキシャルギャップ型モータに限るものではなく、ラジアルギャップ型モータでも良く、回転子及び固定子の数も、それぞれ１つに限らず、例えば回転子が２つで固定子が１つ、回転子が１つで固定子が２つ、或いは回転子が２つで固定子が２つ等、各々が１個或いは複数個の様々な数の組合せでも良い。

この発明の第１実施の形態に係る回転電機の軸方向断面による概略説明図である。図１の固定子ティース部の拡大説明図である。この発明の第２実施の形態に係る回転電機の軸方向断面による固定子ティース部の拡大説明図である。この発明の第３実施の形態に係る回転電機の軸方向断面による固定子ティース部の拡大説明図である。この発明の第４実施の形態に係る回転電機の軸方向断面による概略説明図である。この発明の第５実施の形態に係る回転電機の軸方向断面による概略説明図である。この発明の第６実施の形態に係る回転電機の軸方向断面による固定子ティース部周辺の拡大説明図である。

符号の説明

１０，４０，４５回転電機
１１，４３，４７回転子
１２，３０，３５，４２，４８固定子
１３ケース
１３ａ外周ケース
１３ｂサイドケース
１４回転子コア
１５永久磁石
１６回転軸
１７ベアリング
１８固定子コア
１９固定子巻線
２０ａ，４９ａ孔
２０ｂ，４９ｂ，５２ａ傾斜面
２０，４９固定子バックコア部
２１，３１，４１，４６，５０，５２固定子ティース部
３６絶縁体
５１冷却水路
５３突条部
５３ａケース傾斜面

Claims

回転軸を中心として回転自在に配設される回転子コアと永久磁石とを有する回転子が、固定子ティース部と前記固定子ティース部に巻回された固定子巻線と前記固定子ティース部が装着される固定子バックコア部とを有する固定子との間にエアギャップをもって回転可能に保持され、前記回転子と前記固定子がアキシャル方向に対向して配設されたアキシャルギャップ型回転電機において、
前記固定子バックコア部の回転軸の軸線方向に対する厚みは、前記回転軸の中心側と外周側とで異なり、前記固定子ティース部は、前記回転軸の軸線方向に同じ高さの段差を有していることを特徴とする回転電機。
前記固定子ティース部を、前記固定子バックコア部の傾斜面に複数個それぞれ離間して突設し、前記回転軸に対し傾斜配置した請求項１に記載の回転電機。
前記固定子バックコア部は、盤面中心部側が盤面外周縁部側より厚く形成されている請求項１または２に記載の回転電機。
前記固定子バックコア部は、盤面外周縁部側が盤面中心部側より厚く形成されている請求項１または２に記載の回転電機。
前記固定子ティース部は、前記固定子ティース部の配置方向である周方向に沿うと共に固定子半径方向に直交する内外周面が、前記回転軸の軸線方向に略同じ高さで高さ方向中心が前記回転軸の軸線と略平行に位置する複数の段差を有し、前記回転軸の軸線方向に沿って階段状に屈曲して形成されている請求項１〜４のいずれか一項に記載の回転電機。
前記固定子ティース部と前記固定子巻線の間に、前記固定子ティース部の配置方向である周方向に沿うと共に固定子半径方向に直交する内外周面が、前記回転軸の軸線方向に略同じ高さで高さ方向中心が前記回転軸の軸線と略平行に位置する複数の段差を有し、前記回転軸の軸線方向に沿って階段状に屈曲して形成されている絶縁体を介する請求項１〜５のいずれか一項に記載の回転電機。
前記固定子に対向する前記回転子のエアギャップ面を、前記固定子ティース部の傾きに合わせた傾斜面により形成した請求項１〜６のいずれか一項に記載の回転電機。
前記固定子コアを、圧粉コアにより形成した請求項１〜７のいずれか一項に記載の回転電機。
回転軸を中心として回転自在に配設される回転子コアと永久磁石とを有する回転子が、固定子ティース部と前記固定子ティース部に巻回された固定子巻線と前記固定子ティース部が装着される固定子バックコア部とを有する固定子との間にエアギャップをもって回転可能に保持され、前記回転子と前記固定子がアキシャル方向に対向して配設されたアキシャルギャップ型回転電機において、
前記固定子バックコア部の回転軸の軸線方向に対する厚みは、前記回転軸の中心側と外周側とで異なり、前記固定子ティース部は、前記回転軸の軸線方向に同じ高さの段差を有し、前記回転子と前記固定子を収納するケースに、前記固定子バックコア部を載置状態に配置する、前記固定子バックコア部の傾斜面とは傾斜方向が逆向きのケース傾斜面を形成すると共に、前記ケース傾斜面の内側に冷却水を通す冷却水路を形成した回転電機。