JP2005348577A - アキシャルギャップ型回転電機のロータ構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 うず電流およびそれに起因するフリクションを低減して、効率を高めることができるアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造を提供する。
【解決手段】 複数の永久磁石１をディスク状の保持部材２に周方向に設けるとともに当該保持部材２を回転軸３に連結してなるロータ４と、ロータ４にロータの中心軸線に沿って対向して配置されるステータとからなるアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造において、
前記永久磁石１を周方向に平行に分割して、二以上の永久磁石部分１ａ〜１ｄから構成し、隣接する永久磁石部分を相互に電気的に絶縁してなることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、回転軸に沿ってステータとディスク状のロータとが対向して配置されるアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造に関するものである。

一般に、ロータに永久磁石を使用した同期回転電機は、損失が少ない、効率も良い、出力が大きい、可変速範囲が大きい等の理由により産業機械、車両等に数多く使用されている。このような同期回転電機のうち、例えば特許文献１に示すような、ロータとステータをその回転軸に沿って対向させたアキシャルギャップ型のものは、その回転軸方向の寸法を小さくして薄型タイプとすることが可能であるため、特には自動車等において搭載レイアウトに制限がある場合によく使用される。
特開平１０−２４３６１７号公報 特開平１１−２２０８４７号公報

ところが、このような永久磁石を使用したアキシャルギャップ型回転電機のロータの構造によっては、図６に示すように、導体である永久磁石５１に回転磁界に起因するうず電流が発生し、うず電流による損失が増大するとともに、そのうず電流と回転磁界の電磁力により、ロータにその回転方向と逆方向に作用するフリクションが発生して、回転電機としての効率が低下するという問題点があった。

永久磁石を使用した回転電機のロータのうず電流を抑制する方策として、特許文献２に記載されているように、永久磁石を回転電機の軸線方向に分割して積層することが提案されているが、これは、いわゆるラジアルギャップ型の回転電機に適用して好適な技術であり、アキシャルギャップ型回転電機においてはそのまま適用できるものではなかった。

本発明は上述したところの課題を解決することを目的とするものであり、その目的は、うず電流およびフリクションを低減して、効率を高めることができるアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造を提供することである。

請求項１に係るアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造は、複数の永久磁石をディスク状の保持部材に周方向に設けるとともに当該保持部材を回転軸に連結してなるロータと、ロータにロータの中心軸線に沿って対向して配置されるステータとからなるアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造において、
前記永久磁石を周方向に平行に分割して、二以上の永久磁石部分から構成し、隣接する永久磁石部分を相互に電気的に絶縁してなることを特徴とする。

請求項３に係るアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造は、複数対の永久磁石をディスク状の保持部材の軸方向両端面に周方向に設けるとともに当該保持部材を回転軸に連結してなるロータと、ロータにロータの中心軸線に沿って対向して配置されるステータとからなるアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造において、
前記複数対の永久磁石の一方のみを周方向に平行に分割して、二以上の永久磁石部分から構成し、隣接する永久磁石部分を相互に電気的に絶縁してなることを特徴とする。

請求項１もしくは３に係るアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造によれば、永久磁石を周方向に平行に分割して、二以上の永久磁石部分から構成して、それらを相互に電気的に絶縁する構成とすることにより、回転磁界の磁束に垂直な方向の電気抵抗を高めて、回転磁界内で永久磁石内に発生するうず電流を抑制してうず電流による損失を抑制するとともに、うず電流と回転磁界により発生する電磁力たるフリクションを抑制して、回転電機としての効率を高めることができる。

さらに、請求項３に係るロータ構造によれば、分割タイプの永久磁石のそれぞれの永久磁石部分が、相互に反発しあって分離してしまうことを、保持部材を挟んで反対側に位置する一体タイプの永久磁石によりそれぞれの永久磁石部分を吸引して拘束することにより、防止することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機を示す略式断面図であり、図２は本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機のロータの一実施形態を図１の右方向から見て示す略式矢視図である。

このアキシャルギャップ型回転電機は、複数の扇形状の永久磁石１を、ディスク状の保持部材２の軸方向端面に周方向に等間隔に設けるとともに、当該保持部材２を回転軸３に連結してなるロータ４と、ロータ４にロータ４の中心軸線に沿って、所定のギャップを介して対向して配置される、コア５に図示しないインシュレータを介してコイル６を巻装してなるステータ７と、前記ロータ４の回転軸３の両端部を軸受８を介して回転自在に支持するとともに、ステータ７をバックコア５ａを介して支持するケース９と、回転センサ１０とから構成される。ここで永久磁石１は、図２に示すように、周方向に交互に極性を異ならせて配設され、八極の回転電機としている。

さらに、永久磁石１はロータ４の周方向に平行に分割され、二以上の、ここでは四つの永久磁石部分１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄから構成し、隣接する永久磁石部分を相互に電気的に絶縁している。（請求項１に相当）なお、図２では回転軸３は省略している。
電気的に絶縁する手法としては、特に限定するものではないが、隣接する永久磁石部分に絶縁紙を介挿して永久磁石部分と保持部材とを絶縁樹脂からなる接着剤で接合することや、それぞれの永久磁石部分を絶縁被膜によりコーティングすること等が挙げられる。

このように構成された回転電機において、それぞれのコイル６に図示しないインバータにより三相交流を印加すると、ステータ７は回転磁界を発生し、ロータ４の周方向に極性の異なる永久磁石１がその回転磁界に吸引・反発されて、ロータ４は回転磁界の速度に同期する速度で回転する。保持部材２は、強磁性体または非磁性体を用いることができるが、強磁性体を使用して、周方向に隣接する永久磁石間に隙間を設けた場合は、永久磁石は透磁率が空気とほぼ同様に小さいため、前述した永久磁石１によるマグネットトルクの他、ロータ周方向の磁気抵抗の周期的な相違によるリラクタンストルクを得ることができ、トルクを増大することができる。

図２に示す、請求項１に係るアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造によれば、永久磁石１をロータ４の周方向に平行に分割して、二以上の永久磁石部分１ａ〜１ｄから構成して、それらを相互に電気的に絶縁する構成とすることにより、回転磁界の磁束に垂直な方向の電気抵抗を高めて、回転磁界内で永久磁石１内に発生するうず電流を抑制してうず電流による損失を抑制するとともに、うず電流と回転磁界により発生する電磁力たるフリクションを抑制して、回転電機としての効率を高めることができる。

このように、うず電流ひいてはフリクションを抑制するために、永久磁石を周方向に平行に分割することは効果的であるが、この分割数を大きくしすぎると、永久磁石ひいてはロータの製作コストが高くなるというデメリットが生じる。また、永久磁石を半径方向内方から外方に向けて均等な長さに分割することは、分割した永久磁石部分の内、外周側に位置する永久磁石部分は内周側に位置する永久磁石部分に比して、回転速度が大きいため、発生するうず電流が大きくなり、かつ、それによる電磁力も大きくなって、フリクションに大きく寄与してしまうため、フリクションを低減するにあたり、必ずしも最適の形態であるとは言えなかった。
そこで、本発明は以下に示す構成をも包含するものとする。

図３は、本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造の他の実施形態を中心軸線方向から見て示す、略式矢視図である。
扇形状の永久磁石１はロータ４の周方向に平行に分割され、二以上の、ここでは五つの扇形状の永久磁石部分１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅから構成し、隣接する永久磁石部分を相互に電気的に絶縁している。（請求項１に相当）なお、図２では回転軸３は省略している。さらに永久磁石部分１ａ〜１ｅの半径方向長さｄ１ａ〜ｄ１ｅを、最内周側に位置する永久磁石部分１ａから最外周側に位置する永久磁石部分１ｅに向けて短くしている。（請求項２に相当）

これによれば、回転速度が高いことに起因してフリクションの増大に寄与しやすい、外周側の永久磁石部分に発生するうず電流を、その半径方向長さを内周側の永久磁石部分の半径方向長さよりも短くして、電気抵抗を外周側の永久磁石部分においてより大きくすることにより抑制して、それにより回転磁界とうず電流との相互作用により発生する電磁力をも抑制し、よってフリクションの増大を抑制することができる。
これとともに、永久磁石の内周側は回転速度が小さいことに起因して起電力が小さく、フリクションの増大にも寄与しにくいことを鑑み、内周側の永久磁石部分を細かく分割しない構成とすることにより、永久磁石全体としての分割数を低減して、製造コストを抑制することができる。
請求項１に相当する構成による作用効果は、図２に示したものと同様であるため説明は割愛する。

図４は、本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造の他の実施形態を示す、模式矢視図であり、図４（ａ）はその一方の軸方向端面を、図４（ｂ）は外周側面を、図４（ｃ）は他方の軸方向端面を示す。なお図中、図４（ａ）の上半分は、図４（ｃ）の下半分に対応し、図４（ａ）の下半分は、図４（ｃ）の上半分と対応するものとする。

このアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造は、複数対の永久磁石１Ａ、１Ｂをディスク状の保持部材２の軸方向両端面に周方向に設けるとともに当該保持部材２を回転軸３に連結してなるロータ４と、ロータ４にロータの中心軸線に沿って対向して配置される図示しないステータとからなるアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造において、
前記複数対の永久磁石の一方１Ａを周方向に平行に分割して、二以上の永久磁石部分１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅから構成し、隣接する永久磁石部分を相互に電気的に絶縁して、永久磁石１Ａの保持部材２を挟んで反対側に位置する他方の永久磁石１Ｂは分割しない一体タイプとしている。（請求項３に相当）

ここで、保持部材２を挟んで対をなす永久磁石１Ａと永久磁石１Ｂの極性の方向は同方向とし、保持部材２の同一の軸方向端面内において、永久磁石１Ａと１Ｂをロータ４の周方向に交互に設け、ロータ４の周方向に隣接する永久磁石１Ａおよび１Ｂは交互に極性を異ならせている。もちろん、保持部材２の一方の軸方向端面側を全て分割タイプの永久磁石１Ａとし、他方の軸方向端面側を全て一体タイプの永久磁石１Ｂとすることも可能である。

これによれば、分割タイプの永久磁石１Ａのそれぞれの永久磁石部分１ａ〜１ｅが、相互に反発しあって分離してしまうことを、保持部材２を挟んで反対側に位置する一体タイプの永久磁石１Ｂによりそれぞれの永久磁石部分１ａ〜１ｅを吸引して拘束することにより、防止することができる。なお、この作用効果を得るためには、保持部材２は強磁性体にて構成することが好ましい。保持部材２を強磁性体とする場合は、電磁鋼板または一般鋼板により構成することが一般的であるが、圧粉コア用磁粉により構成することも可能である。この場合保持部材の成形自由度を高めることができる。

さらに、永久磁石部分１ａ〜１ｅの半径方向長さｄ１ａ〜ｄ１ｅを、最内周側に位置する永久磁石部分１ａから最外周側に位置する永久磁石部分１ｅに向けて短くしている。（請求項４に相当）

これによれば、フリクションの増大に寄与しやすい、外周側の永久磁石部分に発生するうず電流を、その半径方向長さを内周側の永久磁石部分の半径方向長さよりも短くして、電気抵抗を永久磁石の外周側においてより大きくすることにより抑制して、それにより回転磁界とうず電流との相互作用により発生する電磁力をも抑制し、よってフリクションの増大を抑制することができる。
これとともに、永久磁石の内周側は起電力が小さく、フリクションの増大にも寄与しにくいことを鑑み、永久磁石の内周側を細かく分割しない構成とすることにより、永久磁石全体としての分割数を低減して、製造コストを抑制することができる。

図５は、本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造の他の実施形態を示す、模式矢視図であり、図５（ａ）はその一方の軸方向端面を、図５（ｂ）は外周側面を、図５（ｃ）は他方の軸方向端面を示す。なお図中、図５（ａ）の上半分は、図５（ｃ）の下半分に対応し、図５（ａ）の下半分は、図５（ｃ）の上半分と対応するものとする。
図４に示したロータ構造との違いは、複数対の永久磁石の他方、つまり図５に示す一体タイプの永久磁石１Ｂの厚みｔ１Ｂを、一方の永久磁石１Ａの厚みｔ１Ａより薄くしていることである。（請求項５に相当）その他の部分の構成は図４に示すロータ構造と同様であるため説明は割愛する。ここで厚みとは、永久磁石１Ａおよび１Ｂの、ロータ４の中心軸線方向の長さを示すものとする。

これによれば、回転磁界中でより大きなうず電流およびフリクションを発生する、一体タイプの永久磁石１Ｂの回転磁界を切る中心軸線方向長さをなるべく小さなものとすることができるため、ロータ全体としての永久磁石内に発生するうず電流およびフリクションを抑制することができる。

なお、本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。
本明細書中の回転電機は電動機および発電機の双方を含むものとし、極数も八極以外のものとしても構わない。

また、ロータとステータの組み合わせについても、図１に示すような一のロータと一のステータの組み合わせの他、一のロータと二のステータ、二のロータと一のステータ、二のロータと三のステータの組み合わせとしてもよく、それ以外の組み合わせとすることも可能である。

本発明は、アキシャルギャップ型回転電機のロータに用いて好適なものであり、うず電流およびフリクションを抑制して、効率を高めることを可能としたものである。

本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造の一実施形態を示す、略式断面図である。 本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造の一実施形態を示す略式矢視図である。 本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造の他の実施形態を示す、略式断面図である。 本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造の他の実施形態を示す略式断面図である。 本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造の他の実施形態を示す略式断面図である。 従来のアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造におけるうず電流の発生態様を示す略式斜視図である。

符号の説明

１ 永久磁石
２ 保持部材
３ 回転軸
４ ロータ
５ コア
５ａ バックコア
６ コイル
７ ステータ
８ 軸受
９ ケース
１０ 回転センサ
１ａ 永久磁石部分
１ｂ 永久磁石部分
１ｃ 永久磁石部分
１ｄ 永久磁石部分
１ｅ 永久磁石部分
１Ａ 永久磁石（分割側）
１Ｂ 永久磁石（一体側）

Claims (5)

1. 複数の永久磁石をディスク状の保持部材に周方向に設けるとともに当該保持部材を回転軸に連結してなるロータと、ロータにロータの中心軸線に沿って対向して配置されるステータとからなるアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造において、
   前記永久磁石を周方向に平行に分割して、二以上の永久磁石部分から構成し、隣接する永久磁石部分を相互に電気的に絶縁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のロータ構造。
2. 前記永久磁石部分の半径方向長さを、最内周側に位置する永久磁石部分から最外周側に位置する永久磁石部分に向けて短くしてなる請求項１に記載のアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造。
3. 複数対の永久磁石をディスク状の保持部材の軸方向両端面に周方向に設けるとともに当該保持部材を回転軸に連結してなるロータと、ロータにロータの中心軸線に沿って対向して配置されるステータとからなるアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造において、
   前記複数対の永久磁石の一方のみを周方向に平行に分割して、二以上の永久磁石部分から構成し、隣接する永久磁石部分を相互に電気的に絶縁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のロータ構造。
4. 前記永久磁石部分の半径方向長さを、最内周側に位置する永久磁石部分から最外周側に位置する永久磁石部分に向けて短くしてなる請求項３に記載のアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造。
5. 前記複数対の永久磁石の他方の厚みを、前記一方の永久磁石の厚みより薄くしてなる請求項３もしくは４に記載のアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造。

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