JP2006304532A - 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】ロータの永久磁石の漏れ磁束を低減し、必要な磁石量を確保するとともに、高回転化を可能とす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】複数の略扇形柱状の永久磁石１１を円板状部材１２の周方向に並べて設けた複数の略扇形状の穴１３に挿通させて、隣接する永久磁石１１の間に位置する円板状部材１２に、複数対の磁束透過部１４を軸方向外側から接合して設け、当該円板状部材１２の永久磁石１１よりも内周側に一対のシャフト固定部１５を軸方向外側から接合して設け、当該円板状部材１２の永久磁石１１よりも外周側に一対の外環１６を軸方向外側から接合して設け、前記円板状部材１２を低損失部材とする。
【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。

ロータに永久磁石を設けた回転電機は、損失が少なくかつ効率がよく、出力が大きい等の理由により自動車もしくは産業用機械に数多く使用されている。なかでも、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は、その回転軸方向の厚みの薄型化が可能であるため、特許文献１に記載されているように、レイアウト上の制約がある場合により多く用いられている。
特開平６−３８４１８号公報

特許文献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では、ロータの低イナーシャ化と高回転化のために、丸型の円筒状磁石を複数個配置して樹脂成形によりロータを構成しているが、磁石が離散的にロータ内に配置されるため、漏れ磁束が大きくなるとともに、磁石量の確保が難しくなり、必要トルクの確保が困難となると言う問題点が発生する。また、永久磁石を樹脂により保持するため、高回転化が困難となると言う問題点もあった。

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、ロータの永久磁石の漏れ磁束を低減し、必要な磁石量を確保するとともに、高回転化を可能とす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にある。

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は、複数の永久磁石を円板状部材の周方向に並べて設けた複数の穴に挿通させて、隣接する永久磁石の間に位置する前記円板状部材に、複数対の磁束透過部を軸方向外側から接合して設け、当該円板状部材の永久磁石よりも内周側に一対のシャフト固定部を軸方向外側から接合して設け、当該円板状部材の永久磁石よりも外周側に一対の外環を軸方向外側から接合して設け、前記円板状部材を低損失部材とすることを特徴とする。

これによれば、前記永久磁石を従来技術のように離散的に配置する構成を廃することができるので、漏れ磁束を低減し、必要な磁石量を確保することを容易なものとすることができ、従来技術のように樹脂で永久磁石を保持する構成を廃して、周方向に穴を設けた強度上有利な円板状部材に永久磁石を挿通して、前記外環により、永久磁石の外周側を強固に保持するため、ロータの高回転化を可能とすることが出来る。また、前記円板状部材を低損失部材とすることにより、永久磁石による渦電流損失を低減して、回転電機としてのトルクの低下を抑制することが出来る。

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は一般的なアキシャルギャップ型回転電機の一実施形態を示す模式断面図である。
このアキシャルギャップ型回転電機は、コア１にコイル２を巻装してなるステータ３とロータ４が回転軸に沿って対向して配置されるものであって、ロータ４は、複数の永久磁石５を周方向に等間隔に並べて設けるとともにその内周側にシャフト６を具え、このシャフト６は軸受７を介してケース８により回転自在に支持される。さらにケース８には冷却路９が設けられ、ステータ３の損失による発熱を吸収し冷却するための冷却液が循環される。さらに回転軸６の端部にはロータ４の回転量や位置を検出するための、エンコーダ１０が設けられる。

図１に示すアキシャルギャップ型回転電機において、コイル２を図示しないインバータにより励磁すると、ステータ３の周方向に回転磁界が形成され、周方向に交互に極性が異なる複数の永久磁石５が埋設されたディスク状のロータ４がステータ３の発生する回転磁界に吸引反発されてマグネットトルクが発生するとともに、ロータ４を構成する磁性体の存在に起因してリラクタンストルクをも発生して、それらを動力として、ロータ４は回転磁界と同期速度で回転する。

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構造を詳細に示す模式図である。図２（ａ）は組み立て前の状態を示し、図２（ｂ）は組み立て後の状態を示す。
このアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造は、複数の略扇形柱状の永久磁石１１を円板状部材１２の周方向に並べて設けた複数の略扇形状の穴１３に挿通させて、前記永久磁石１１のギャップ側の周方向端にテーパ形状あるいは段差形状、ここではテーパ形状１１ａを設け、隣接する永久磁石１１の間に位置する円板状部材１２に、当該テーパ形状あるいは段差形状に嵌合するテーパ形状あるいは段差形状、ここではテーパ形状１４ａを有する複数対の磁束透過部１４を軸方向外側から接合して設け、当該円板状部材１２の永久磁石１１よりも内周側に一対のシャフト固定部１５を軸方向外側から接合して設け、当該円板状部材１２の永久磁石１１よりも外周側に一対の外環１６を軸方向外側から接合して設け、前記円板状部材１２を低損失部材としている。（請求項１に相当）さらに、前記円板状部材１２の厚みを、前記永久磁石１１の厚みより薄くしている。（請求項２に相当）

請求項１に相当する構成によれば、前記永久磁石１１を従来技術のように離散的に配置する構成を廃することができるので、漏れ磁束を低減し、必要な磁石量を確保することを容易なものとすることができ、従来技術のように樹脂で永久磁石を保持する構成を廃して、周方向に穴を設けた強度上有利な円板状部材１２に永久磁石１１を挿通して、前記外環１６により、永久磁石１１の外周側を強固に保持するため、ロータの高回転化を可能とすることが出来る。また、前記円板状部材１２を低損失部材とすることにより、永久磁石１１による渦電流損失を低減して、回転電機としてのトルクの低下を抑制することが出来る。
さらに請求項２に相当する構成によれば、永久磁石１１を周方向に保持する円板状部材１２の厚みを永久磁石よりも薄くするため、周方向に隣接する永久磁石の間にエアギャップと等価となる部分を構成して、それにより永久磁石１１間の渦電流損失を低減することが出来る。

なお、円板状部材１２および一対のシャフト固定部１５の内周側には図示しないシャフトを嵌合する穴が設けられ、電磁鋼板を積層して構成される。（請求項３に相当）これによれば、永久磁石１１を保持する円板状部材１２の強度を高めて、ロータを高回転化するとともに、円板状部材１２の渦電流損失を低下することが出来る。
あるいは、円板状部材１２を軟磁性圧粉材料により構成することも可能である。これによってもロータの高回転化をはかり、渦電流損失を低減することが出来る。

もちろん、テーパ形状あるいは段差形状１１ａおよび、それに嵌合するテーパ形状あるいは段差形状１４ａは、永久磁石１１のギャップ面の周方向端を、磁束透過部１４により軸方向外側から被せて、永久磁石１１に軸方向への保持力を作用させる形態のものであれば、テーパ形状や段差形状に限られるものではなく、その他の形態のものとすることも可能である。これにより、当該保持部材１４により前記永久磁石１１を軸方向に強固に保持して、ロータ４の永久磁石１１に対する軸方向の保持強度を高めることができる。

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永久磁石を示す模式図である。図３（ａ）は永久磁石をロータのギャップ側から見た図を示し、図３（ｂ）は永久磁石をロータの周方向から見た図を示し、図３（ｃ）は、図３（ａ）中のＡＡ断面を示す図である。

図３（ａ）に示すように、永久磁石１１は、ロータのギャップ側から見て、略扇形状に形成されており、前述した円板状部材１２の穴１３の、外周側の周方向端部を強度確保のためにＲ形状としていることに対応させて、その外周側の周方向端部をＣ形状に面取り加工している。また、永久磁石１１は、薄板状の永久磁石を径方向に積層して樹脂等により接着したものにより、構成されている。
さらに、図３（ａ）に示すように、ギャップ側の周方向両端にテーパ形状１１ａを設けている。

このため永久磁石１１を周方向から見ると、図３（ｂ）に示すように、その両側にテーパ形状１１ａが形成され、図３（ｃ）に示す径方向に垂直な断面ＡＡ内の形状は、四隅を面取りした長方形をなす。

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磁束透過部を示す模式図である。図４（ａ）は磁束透過部をロータの径方向から見た図を示し、図４（ｂ）は磁束透過部をロータのギャップ側から見た図を示し、図４（ｃ）は磁束透過部をロータの周方向から見た図を示し、図４（ｄ）は磁束透過部のギャップ側を内周側から見て示す斜視図である。

図４に示すように、磁束透過部１４には、ギャップ側から見て反対側の周方向端に、前述した永久磁石１１のテーパ形状１１ａに嵌合するテーパ形状１４ａが形成される。当該テーパ形状１４ａを前述したテーパ形状１１ａに嵌合することにより、磁束透過部１４によって永久磁石１１の軸方向の保持強度を高めることができる。
さらに磁束透過部１４のギャップ側の内周端には後述する付加テーパ形状１４ｂが設けられる。

ここで、この磁束透過部１４を、電磁鋼板を積層して構成する。（請求項４に相当）
これによれば、簡単な構成にて、磁束透過部１４内部に発生する渦電流損失を低減することが出来るとともに、磁束透過部１４を磁性体として、磁気抵抗の低い磁束透過部１４と、磁気抵抗の高い永久磁石とが周方向に交互に設けられることに起因して、リラクタンストルクを得ることが出来る。

あるいは、磁束透過部１４を軟磁性圧粉材料により構成することもできる。（請求項５に相当）
これによっても、簡単な構成にて、磁束透過部１４内部に発生する渦電流損失を低減することが出来るとともに、磁束透過部１４を磁性体として、磁気抵抗の低い磁束透過部１４と、磁気抵抗の高い永久磁石とが周方向に交互に設けられることに起因して、リラクタンストルクを得ることが出来る。加えて、磁束透過部１４を、電磁鋼板を積層した積層コアにて構成することに比べて、磁束透過部１４の形状自由度を高め、製造コストを抑制することができる。
なお、請求項４および５は低損失部材の具体的形態を示すものである。

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円板状部材をロータの中心軸線方向から見て示す模式図である。
図５に示すように、円板状部材１２は、周方向に、前述した複数の扇形状の永久磁石と同数の、複数の扇形状の穴が設けられる。このように周方向に等間隔に穴を設けることにより、穴と穴の間に位置する部分が、当該円板状部材の径方向の強度を高めるため、前述したように、円板状部材１２の強度ひいては、円板状部材１２の永久磁石１１に対する径方向の保持強度を高めることができる。

図６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外環をロータの中心軸線方向から見て示す模式図である。
図６に示すように、外環１６は、円環状に形成され、前述したように、図示しない円板状部材の永久磁石よりも外周側に接合されるべく、その外周面は円板状部材よりも大きく形成され、その内周面には円板状部材の外周側を内包する円環状の溝が形成される。
ここで、外環１６を高強度部材により構成することが好ましい。（請求項６に相当）
これによれば、円板状部材１２の外周側に、高強度部材よりなる外環１６が配置されるので、永久磁石１１と、隣接する永久磁石１１の間に配置される磁束透過部１４のそれぞれに作用する遠心力を、当該外環１６が強固に支持するため、ロータのさらなる高回転化を図ることが出来る。

図７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を、その中心軸線を含む断面にて示す模式断面図である。
前述したように、複数の略扇形柱状の永久磁石１１を円板状部材１２の周方向に並べて設けた複数の略扇形状の穴１３に挿通させて、前記永久磁石１１のギャップ側の周方向端にテーパ形状あるいは段差形状、ここではテーパ形状１１ａを設け、隣接する永久磁石１１の間に位置する円板状部材１２に、当該テーパ形状１１ａ（あるいは段差形状）に嵌合するテーパ形状１４ａ（あるいは段差形状）を有する複数対の磁束透過部１４を軸方向外側から接合して設け、当該円板状部材１２の永久磁石１１よりも内周側に一対のシャフト固定部１５を軸方向外側から接合して設け、当該円板状部材１２の永久磁石１１よりも外周側に一対の外環１６を軸方向外側から接合して設けている。加えて、円板状部材１２および一対のシャフト固定部１５の内周側にはシャフト６がキーを介して嵌合されている。

さらに、磁束透過部１４のギャップ側の内周側端および外周側端の少なくとも一方、ここでは内周側端に、付加テーパ形状１４ｂ（あるいは付加段差形状）を設け、シャフト固定部および外環、ここではシャフト固定部１５に当該付加テーパ形状（あるいは付加段差形状）に嵌合する付加テーパ形状１５ｂ（あるいは付加段差形状）を設けている。

これによれば、磁束透過部１４の付加テーパ形状１４ｂを、シャフト固定部１５の付加テーパ形状１５ｂが軸方向外側から被さって、磁束透過部１４の軸方向の保持強度を高めることができるため、これにより、磁束透過部１４による永久磁石１１の軸方向の保持強度をも高めることができる。この効果は、付加テーパ形状を外周側端に設けた場合も、内周側端及び外周側端の両方に設けた場合においても、同様である。

図８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を、その中心軸線方向から見て示す模式図である。
前述したように、複数の略扇形柱状の永久磁石１１を円板状部材１２の周方向に並べて設けた複数の略扇形状の穴１３に挿通させて、前記永久磁石１１のギャップ側の周方向端にテーパ形状あるいは段差形状、ここではテーパ形状１１ａを設け、隣接する永久磁石１１の間に位置する円板状部材１２に、当該テーパ形状１１ａに嵌合するテーパ形状１４ａを有する複数対の磁束透過部１４を軸方向外側から接合して設け、当該円板状部材１２の永久磁石１１よりも内周側に一対のシャフト固定部１５を軸方向外側からボルト締結により接合して設け、当該円板状部材１２の永久磁石１１よりも外周側に一対の外環１６を軸方向外側から接着剤により接合して設けている。

加えて、円板状部材１２および一対のシャフト固定部１５の内周側にはシャフト６がキーを介して嵌合されている。なお、略扇形状の穴１３と永久磁石１１との間に生じする隙間には、樹脂等が充填される。

さらに、磁束透過部１４のギャップ側の内周側端および外周側端の少なくとも一方、ここでは内周側端に、付加テーパ形状１４ｂを設け、シャフト固定部および外環、ここではシャフト固定部１５に当該付加テーパ形状１４ｂに嵌合する付加テーパ形状１５ｂを設けている。

このため、図８に示すように、永久磁石１１の周方向端と、磁束透過部１４の周方向端は周方向に、前記テーパ形状１１ａの幅だけオーバーラップする。これにより、永久磁石１１の軸方向の保持強度を高めることができる。
さらに、図８に示すように、磁束透過部１４の内周端は、シャフト固定部１５の外周端は、径方向に、前記付加テーパ形状１４ｂの幅だけオーバーラップする。これにより、シャフト固定部１５による、磁束透過部１４の軸方向の保持強度を高め、ひいては、永久磁石１１に対する磁束透過部１５の軸方向の保持強度を高めることができる。

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。
例えば、図１には例示として、１ロータ２ステータの形態のアキシャルギャップ型回転電機を示したが、１ロータ２ステータの形態のアキシャルギャップ型回転電機にも本発明に係るロータ構造を適用することは可能である。

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、ロータの永久磁石による漏れ磁束を低減し、ロータ内部の渦電流損失を低減することができるものである。

一般的なアキシャルギャップ型回転電機の構造を示す模式断面図である。 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模式図である。 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、永久磁石の一実施形態を示す模式図である。 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、磁束透過部の一実施形態を示す模式図である。 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、円板状部材の一実施形態を示す模式図である。 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、外環の一実施形態を示す模式図である。 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を、中心軸線を含む断面で示す模式断面図である。 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を、中心軸線方向から見て示す模式図である。

符号の説明

１ コア
２ コイル
３ ステータ
４ ロータ
５ 永久磁石
６ シャフト
７ 軸受
８ ケース
９ 冷却路
１０ エンコーダ
１１ 永久磁石
１１ａ テーパ形状
１２ 円板状部材
１３ 穴
１４ 磁束透過部
１４ａ テーパ形状
１４ｂ 付加テーパ形状
１５ シャフト固定部
１５ｂ 付加テーパ形状
１６ 外環

Claims (6)

1. 複数の永久磁石を円板状部材の周方向に並べて設けた複数の穴に挿通させて、隣接する永久磁石の間に位置する前記円板状部材に、複数対の磁束透過部を軸方向外側から接合して設け、当該円板状部材の永久磁石よりも内周側に一対のシャフト固定部を軸方向外側から接合して設け、当該円板状部材の永久磁石よりも外周側に一対の外環を軸方向外側から接合して設け、前記円板状部材を低損失部材とす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. 前記円板状部材の厚みを、前記永久磁石の厚みより薄くすることを特徴とする請求項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. 前記円板状部材を、電磁鋼板を積層して構成することを特徴とする請求項１もしくは２に記載のアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造。
4. 前記磁束透過部を、電磁鋼板を積層して構成することを特徴とする請求項１〜３のいずれか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. 前記磁束透過部を、軟磁性圧粉材料により構成することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造。
6. 前記外環を高強度部材により構成することを特徴とする請求項１〜５のいずれか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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