JP2006271142A - 回転機 - Google Patents

Abstract

【課題】 設計自由度が高く、簡易且つ低コストに実現可能な外側回転子を備えた回転機を提供する。
【解決手段】 本電動機１は、回転子ヨーク３０の内周に磁石３１が略円環状に配設されてなる外側回転子７と、外側回転子７の内側に配設され、各々にコイル２１が巻回されたティース部２４が外側へ放射線状に突設されてなる内側固定子６とを具備し、回転子ヨーク３０は、内周に磁極数に対応した複数の平面を有する多角筒形状のものであり、該平面に平板形状の磁石３１がそれぞれ固着されたものである。
【選択図】 図２

Description

本発明は、回転支持体の内周に磁石が略円環状に配設されてなる外側回転子と、該外側回転子の内側に配設され、各々に巻線が巻回された複数の極部が外側へ放射線状に突設されてなる内側固定子とを具備する回転機に関する。

従来より、円環状の外側回転子の内側に、複数の極部を有する内側固定子を配設した回転機として、アウターロータ型のブラシレスモータが知られている。このようなアウターロータ型のブラシレスモータは電動自転車用のモータや、他の目的のダイレクトドライブ式モータ等に用いられている（例えば、特許文献１参照）。

図６は、従来のアウターロータ型のブラシレスモータ９０の構成を示している。図に示すように、ブラシレスモータ９０は、内側固定子９１の外周側に所定の磁気ギャップを隔てて外側回転子９２が配設され、内側固定子９１により形成される回転磁界により外側回転子９２が回転するように構成されている。上記外側回転子９２は、内側固定子９１の軸９３周りに回転する回転子ヨーク９４と、該回転子ヨーク９４の内周面に固定された複数の磁石９５とからなる。

特開２００２−３３１９８６号公報

上記回転子ヨーク９４は円筒状のものであり、鋼管を所謂輪切りに切断して形成される。回転子ヨーク９４の厚みはモータ特性に影響する電気設計要因の一つであり、回転子ヨーク９４の径は、モータの用途や外形に応じて設計するものである。しかし、回転子ヨーク９４の材料として一般に流通する鋼管の径や厚みは限定的であり、必ずしも所望の径及び厚みの鋼管を入手できないという問題がある。

また、円筒状の回転子ヨーク９４の内面は円周面であるので、回転子ヨーク９４の内面に固定する磁石３１の固定面も、該内面に合致する円弧状に形成する必要がある。一般に、モータ用の磁石は、磁石粒子を焼結して形成される永久磁石であるが、円弧状に形成された磁石は高価である。また、モータを小型化し且つ高出力とするには希土類磁石のような高性能磁石を使用することとなるが、この高性能磁石を円弧状に形成したものは更に高価なものとなり、モータのコストが大幅に上がる。

さらには、アウターロータ型のブラシレスモータ９０では、回転子ヨーク９４の内面側に磁石３１を固定するために、回転子ヨーク９４に磁石３１を配設してから着磁する工法が採用し難く、先に着磁した磁石３１を回転子ヨーク９４の内面に固定することとなるが、円弧状の磁石３１の位置決めが難しい等、作業性がよくないという問題がある。

本発明は、かかる問題に鑑みてなされたものであり、設計自由度が高く、簡易且つ低コストに実現可能な外側回転子を備えた回転機を提供することを目的とする。

本発明は、回転支持体の内周に磁石が略円環状に配設されてなる外側回転子と、該外側回転子の内側に配設され、各々に巻線が巻回された複数の極部が外側へ放射線状に突設されてなる内側固定子とを具備する回転機であって、上記回転支持体は、内周に磁極数に対応した複数の平面を有する多角筒形状のものであり、該平面に平板形状の磁石がそれぞれ固着されたものである。ここで、多角筒形状とは、回転支持体が全体として筒形状であり、その内周面が、磁極数すなわち磁石の個数に対応した平面からなる多角形状となっていることをいう。このように、回転支持体の内周に平面を形成することにより、該平面に固着する磁石の固定面も平面となるので、安価な平板状の磁石を用いることができる。

また、本発明は、上記回転機において、上記回転支持体は、平板帯状の磁性部材を多角筒形状に曲成してなるものである。これにより、平板帯状の磁性部材として厚み等の自由度が高い鋼板等を採用することができ、また、回転支持体の径も自由に設定することができるので、回転支持体の設計自由度が高くなる。

また、本発明は、上記回転機において、上記回転支持体は、上記磁性部材の継ぎ目が上記平面の略中央に配置されたものである。上記平面の略中央は、該平面に固着される磁石の略中央であり、磁束密度の最も低い位置である。したがって、平板帯状の磁性部材の継ぎ目により切断される磁束が最も少なくなる。これにより、該継ぎ目が回転支持体に形成される磁束の分布に与える影響を小さくすることができる。

また、好ましくは、上記回転機は、電動機又は発電機である。

本発明に係る回転機によれば、外側回転子を構成する回転支持体を、内周に磁極数に対応した複数の平面を有する多角筒形状のものとし、該平面に平板形状の磁石をそれぞれ固着したので、高価な円弧状の磁石を必要とせず、安価な平板状の磁石を用いて外側回転子を実現することができる。また、平板帯状の磁性部材を多角筒形状に曲成して回転支持体とすることにより、回転支持体の設計自由度が高くなるので、電動機又は発電機としての回転機の設計自由度も高くなる。さらに、上記平板帯状の磁性部材の継ぎ目を上記平面の略中央に配置することにより、該継ぎ目が回転支持体に形成される磁束の分布に与える影響を小さくして、電動機又は発電機の特性の劣化を防ぐことができる。

以下、本発明の好ましい実施形態について、適宜図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態においては、本発明に係る回転機を電動機として説明するが、本発明に係る回転機を同様の構成で発電機としても実施できる。

図１は、本発明の実施の形態に係る電動機１（回転機）の構成を示すものである。本実施の形態において、電動機１は、電動自転車に車輪のハブを構成するものであり、ハブ軸となるシャフト２周りにベアリング３を介してケース４が回転自在に設けられている。また、ケース４には、その外周面から径方向へ突出する鍔部５が、シャフト２の軸方向に隔てて並設されており、図には表れていないが、該鍔部５に穿設されたスポーク孔に自転車の車輪のスポークが挿通される。なお、本実施の形態では、電動機１を電動自転車用のものとして説明しているが、本発明に係る電動機の用途が電動自転車に限定されるものではないことは当然である。

シャフト２の略中央には、連結部材２０を介してコイル２１（巻線）が巻回されたステータコア２２が固定されており、これらにより内側固定子６が構成されている。一方、ケース４の内周面には、回転子ヨーク３０（回転支持体）を介して磁石３１が固定されており、これらにより外側回転子７が構成されている。すなわち、電動機１は、内側固定子６と外側回転子７とから構成されるアウターロータ型のものであり、内側固定子６により形成される回転磁界により外側回転子７が回転するように構成されている。なお、本実施の形態では、２０極・１８スロットの電動機１を例に説明するが、本発明において回転機の極数及びスロット数は特に限定されるものではない。

図２に示すように、内側固定子６のステータコア２２は、１８個の分割コア２３が円環状に連結されてなるものである。各分割コア２３は、円環状に連結される配置が異なる他は同形状のものである。図３に示すように、分割コア２３は、コイル２１が巻回されるティース部２４が、他の分割コア２３と円環状に連結されるコアヨーク部２５から突出したものであり、平面視において同一形状の複数の鋼板が積層され、半抜きされたカシメ部２６が上下方向の鋼板と嵌合することにより一体とされている。コアヨーク部２５は、円環状のステータコア２２の周方向の幅の１８分の１となる弧状に形成されている。ティース部２４は、該コアヨーク部２５からステータコア２２の径方向外側へ突出しており、絶縁のためのインシュレータ等を介してコイル２１が巻回される。

コイル２１の巻回は、各分割コア２３が独立した状態でなされる。これにより、各分割コア２３のティース部２４周りに巻線作業のための空間を確保することができるので、ティース部２４にコイル２１を密に巻回することができる。コイル２１の巻回方法は特に限定されるものではないが、フライヤ式又はノズル式の巻線機を用いて複数の分割コア２３に対して１本の銅線を連続して巻回し、該複数の分割コア２３をコイル２１間の渡り線により連結させて１群のものとすれば、複数の分割コア２３の１群を、例えばＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各相に対応させて所定の配置で円環状に連結することができ、結線作業が簡略化されるので好適である。

図３に示すように、分割コア２３のコアヨーク部２５の隣接面２７には係合凹部２８及び係合凸部２９がそれぞれ形成されている。隣接面２７は、各分割コア２３が、図２に示すような円環状のステータコア２２として組み合わされる場合に、隣り合う分割コア２３のコアヨーク部２５と接触する面であり、ステータコア２２の周方向となるコアヨーク部２５の両端において、ステータコア２２の軸方向となる平面をなしている。この隣接面２７の径方向略中央に、上下方向、換言すれば円環状のステータコア２２の軸方向に沿って係合凹部２８及び係合凸部２９がそれぞれ形成されている。

上記係合凹部２８及び係合凸部２９は、所謂あり形状である。係合凹部２８が隣接面２７に開口する開口部の径方向の幅に対して、その奥部の径方向の幅が幅広となっており、開口部から奥部へは連続的に拡幅されるあり面が形成されている。一方、係合凸部２９は、隣接面２７に沿った基部の径方向の幅に対して、係合凸部２９の先端部の径方向の幅が幅広となっており、基部から先端部へは連続的に拡幅されるテーパ面が形成されている。

上記係合凹部２８と係合凸部２９とは、互いに対応した凹凸形状であり、図２に示すように、分割コア２３がステータコア２２として円環状に組み付けられた際には、係合凹部２８及び係合凸部２９が、それぞれ隣り合う他の分割コア２３の係合凸部２９又は係合凹部２８と係合する。これにより、隣接する分割コア２３は、ステータコア２２の径方向及び周方向に対して互いのコアヨーク部２５が固定される。

そして、１８個の分割コア２３を、互いの係合凹部２８と係合凸部２９とを係合させて組み付けることにより、１８個の分割コア２３がコイル２１が巻回されたティース部２４を外側へ放射線状に突出させた円環状のステータコア２２となる。そして、該ステータコア２２の中空部に、シャフト２０及び連結部２０が圧入されて内側固定子６となる。

なお、本実施の形態では、ステータコア２２は、ティース部２４毎に分割された分割コア２３が連結されてなるものとしたが、本発明においてステータコア２２は必ずしも分割コア２３からなる必要はなく、例えば、１８極のティース部２４を有するステータコア２２を一体として成形することとしてもよい。

外側回転子７は、図２に示すように、ケース４の内周面に固定された回転子ヨーク３０と、該回転子ヨーク３０の内面に固定された２０極の磁石３１とからなる。磁石３１は、磁石粒子が焼結された永久磁石であり、周方向にＮ極とＳ極とが交互となって２０極の磁極が形成されている。

回転子ヨーク３０は、磁石３１を略円環状に配置した状態で支持するものであり、図に示すように、２０極の磁極、すなわち２０個の磁石３１に対応して内面が２０面の多角筒形状に形成されている。このような回転子ヨーク３０は、平板帯状の鋼板（磁性部材）を多角筒形状にロール加工することにより得られる。したがって、回転子ヨーク３０の径を自由に設定することができ、また、ロール加工の際に鋼板を圧延等することにより、回転子ヨーク３０の厚みも自由に設定することができる。したがって、回転子ヨーク３０の設計自由度が高い。なお、回転子ヨーク３０の材料は、磁性部材であれば、鋼板以外の素材のものを用いることができる。

このように形成された回転子ヨーク３０の内面には２０個の平面があり、各平面に１個の磁石３１が固着されている。磁石３１を固着する面が平面であるので、磁石３１は、断面形状が長方形の外形が平板形状のものであり、該平板形状の外面である幅広の平面を回転子ヨーク３０の平面に密着させて接着剤等により固着されている。磁石３１を平板形状とすることにより、従来の円弧状の磁石のように所定の型による焼結が不要であり、例えば、スリッターやワイヤカット等の各種工法により安価に磁石３１を形成することができる。

また、図２に示すように、回転子ヨーク３０において、多角筒形状に加工された平板帯状の鋼板の継ぎ目３２は、内面に形成された平面の略中央に配置されている。前述したように、平板帯状の鋼板を多角筒形状に加工して回転子ヨーク３０とすれば、該鋼板の両端において継ぎ目３２ができる。

図４に示すように、回転子ヨーク３０には、隣り合う磁石３１間に磁束Ｇが通る。該磁束Ｇの密度は、隣り合う磁石３１の両端部分で高く、各磁石３１の中央部分では低くなる。仮に、固定子ヨーク３０の継ぎ目３２が隣り合う磁石３１間に位置した場合には、高い密度の磁束Ｇが継ぎ目３２により切断され、磁気飽和等により電動機１の特性が低下することとなる。したがって、隣り合う磁石３１間で通ずる磁束Ｇの密度が最も低い磁石３１の中央部分、すなわち回転子ヨーク３０の内周に形成された平面の中央に継ぎ目３２を配置することにより、該継ぎ目３２により切断される磁束Ｇが最も少なくなる。これにより、該継ぎ目３２が回転子ヨーク３０に形成される磁束Ｇの分布に与える影響を小さくして、電動機１の特性が劣化することが防止できる。

このように、本実施の形態に係る電動機１によれば、外側回転子７を構成する回転子ヨーク３０を、内周に磁極数に対応した２０個の平面を有する多角筒形状のものとし、該平面に平板形状の磁石３１をそれぞれ固着したので、高価な円弧状の磁石を必要とせず、安価な平板状の磁石３１を用いて外側回転子７を実現することができる。

また、平板帯状の鋼板を多角筒形状に曲成して回転子ヨーク３０とすることにより、回転子ヨーク３０の電気設計の自由度が高くなるので、電動機１の設計自由度も高くなる。さらに、上記平板帯状の鋼板の継ぎ目３２を上記平面の略中央に配置することにより、該継ぎ目３２が回転子ヨーク３０に形成される磁束Ｇの分布に与える影響を小さくして、電動機１の特性の劣化を防ぐことができる。

なお、本実施の形態では、回転子ヨーク３０は、１枚の帯状平板の鋼板を多角筒形状に曲折してなるものとし、該鋼板による継ぎ目３２も１箇所にのみ形成されるものとしたが、回転子ヨーク３０は、必ずしも１枚の鋼板から形成する必要はなく、複数枚の鋼板をそれぞれ多角形状に曲折して、回転子ヨーク３０全体として多角筒形状となるように組み合わせるようにしてもよい。例えば、図５に示すように、３枚の鋼板を多角形状に曲折し、これらを組み合わせて多角筒形状の回転子ヨーク３０を形成した場合には、回転子ヨーク３０の３箇所に継ぎ目３２ができることとなる。この場合も、各継ぎ目３２は、磁石３１の中央部分、すなわち回転子ヨーク３０の内周に形成された平面の中央に配置することにより、該継ぎ目３２により切断される磁束Ｇが最も少なくなり、該継ぎ目３２が回転子ヨーク３０に形成される磁束Ｇの分布に与える影響を小さくして、電動機１の特性が劣化することを防止できる。

図１は、本発明の実施の形態に係る電動機１の概略構成を示す部分断面を有する正面図である。 図２は、電動機１の主要構成を示す概略断面図である。 図３は、分割コア２３の外観構成を示す斜視図である。 図４は、継ぎ目３２における磁束Ｇの分布を示す拡大図である。 図５は、電動機１の変形例を示す概略断面図である。 図６は、従来のブラシレスモータ９０の主要構成を示す概略断面図である。

符号の説明

１・・・電動機（回転機）
６・・・内側固定子
７・・・外側回転子
２１・・・コイル（巻線）
２４・・・ティース部（極部）
３０・・・回転子ヨーク（回転支持体）
３１・・・磁石
３２・・・継ぎ目

Claims (5)

1. 回転支持体の内周に磁石が略円環状に配設されてなる外側回転子と、該外側回転子の内側に配設され、各々に巻線が巻回された複数の極部が外側へ放射線状に突設されてなる内側固定子とを具備する回転機であって、
   上記回転支持体は、内周に磁極数に対応した複数の平面を有する多角筒形状のものであり、該平面に平板形状の磁石がそれぞれ固着されたものである回転機。
2. 上記回転支持体は、平板帯状の磁性部材を多角筒形状に曲成してなるものである請求項１に記載の回転機。
3. 上記回転支持体は、上記磁性部材の継ぎ目が上記平面の略中央に配置されたものである請求項２に記載の回転機。
4. 上記回転機は、電動機である請求項１から３のいずれかに記載の回転機。
5. 上記回転機は、発電機である請求項１から３のいずれかに記載の回転機。
   

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