JP2006345627A - 回転電機のロータ構造 - Google Patents

Abstract

【課題】磁石の円盤部材に対する傾きやオフセットがなく、高速回転をしても磁石の抜けがない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】２つのステータの間に、円盤部材の円盤面に円周方向に複数個の磁石を設けてなるロータを、ステータとロータとが対向するように、回転軸に沿って配置されるアキシャルギャップ型の回転電機のロータ構造において、ロータの磁石及び円盤部材を回転軸に対して垂直方向に分割し、分割した磁石１、２及び円盤部材３、４間に薄板５を設け、分割した磁石及び円盤部材を薄板に対し固定する。
【選択図】図５

Description

本発明は、２つのステータの間に、円盤部材の円盤面に円周方向に複数個の磁石を設けてなるロータを、ステータとロータとが対向するように、回転軸に沿って配置されるアキシャルギャップ型の回転電機のロータ構造に関するものである。

従来より、２つのステータの間に、円盤部材の円盤面に円周方向に複数個の磁石を設けてなるロータを、ステータとロータとが対向するように、回転軸に沿って配置されるアキシャルギャップ型の回転電機は、種々の構成のものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−２６２４９５号公報

図７は上述した従来のアキシャルギャップ型回転電機の一例を説明するための図である。図１に示す例では、ケース５０内において、その周囲に巻線５１をもち、巻線５１に電流を与えることで回転軸５２と並行な磁界を発生する突極５３を、円周上に複数個備えたステータ５４と、回転軸５２の周面に円盤部材５５を設け、その円盤部材５５の円盤面の円周方向に複数個の貫通穴を形成すると共に、その貫通穴にＮ極とＳ極とが交互になるように永久磁石５６を埋め込んでなるロータ５７とを有し、２個のステータ５４が互いにその突極５３を所定の間隙を隔てて対向するように回転軸５２を同じにして組み合わされ、その突極５３と突極５３との間の間隙にロータ５７が収まるよう設けることで、アキシャルギャップ型の回転電機を構成している。

しかし、従来の技術では、磁石５６は円盤部材５５（以下プレートと記す）に設けられた貫通穴に挿入された後、接着剤によって固定されるが、磁石５６はプレート５５との接触面のみによって支持されていた。磁石５６には高速回転に伴う円周方向の引張力及び曲げ力が作用するが、これらに対する支持力をプレート５５と磁石５６の接触面のみの接着で受けることは困難であった。また、磁石５６をプレート５５に接着する際には、磁石５６はプレート５５に設けられた貫通穴に対して固定をするため、プレート５５の軸方向の中心面に磁石５６の中心面を高い精度にて合わせた状態で固定することが困難であった。前述の理由により、磁石５６が回転軸に対して傾いた状態にて固定される場合や、図８（ａ）、（ｂ）に示すように、磁石５６がプレート５５に対しオフセットした状態で固定される等の問題があった。

本発明の目的は上述した問題点を解消して、磁石の円盤部材に対する傾きやオフセットがなく、高速回転をしても磁石の抜けがないアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造を提供しようとするものである。

本発明の回転電機のロータ構造は、２つのステータの間に、円盤部材の円盤面に円周方向に複数個の磁石を設けてなるロータを、ステータとロータとが対向するように、回転軸に沿って配置されるアキシャルギャップ型の回転電機のロータ構造において、前記ロータの磁石及び円盤部材を回転軸に対して垂直方向に分割し、分割した磁石及び円盤部材間に薄板を設け、分割した磁石及び円盤部材を薄板に対し固定することを特徴とするものである。

本発明の回転電機のロータ構造では、ロータの磁石及び円盤部材を回転軸に対して垂直方向に分割し、分割した磁石及び円盤部材間に薄板を設け、分割した磁石及び円盤部材を薄板に対し固定することで、磁石は円盤部材との接触面と薄板に対し固定されるため、接着面積の増加による支持力の向上が可能となる。また、薄板の表と裏に固定される磁石の厚みを同等に管理することによって、磁石をロータの軸方向の中心線にて固定することが可能となる。

なお、本発明の回転電機のロータ構造の好適例としては、複数個の磁石をロータ軸一方方向から見て円周方向にＮ極とＳ極が交互になるよう配置し、Ｎ極に着磁された磁石とＳ極に着磁された磁石と間に軟磁性体を設け、軟磁性体を円盤部材に対し固定すること、がある。このように構成することで、磁束は磁石のみならず、軟磁性体を引き付ける力を発生するため、リラクタンストルクを得ることができる。

また、本発明の回転電機のロータ構造の好適例としては、円盤部材の外径より小径に設けられたカラーにて、円盤部材の磁石より内周面の部分を挟みこむこと、がある。このように構成することで、内径部の剛性を向上することができるため、振動等によって磁石にアキシャル方向の引張りが発生した場合におけるロータの変形量を少量に抑えることができる。

さらに、本発明の回転電機のロータ構造の好適例としては、円盤部材の最外周面をリング型部材で保持すること、がある。このように構成することで、遠心力に対する剛性を高強度のリング型部材によって受けるため、高回転化が可能となる。

さらにまた、本発明の回転電機のロータ構造の好適例としては、薄板に磁石と同型の凹凸部を設け、凹凸部の凹凸内に磁石を保持すること、がある。このように構成することで、磁石の支持剛性を向上することができるため、ロータの面剛性をさらに向上させることが可能となる。

以下、本発明の回転電機のロータ構造における実施の形態を、第１実施例、第２実施例として、図面に基づき詳細に説明する。なお、本発明はアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造に特徴があるため、以下の説明ではロータの構造のみを説明する。ロータ以外のアキシャルギャップ型回転電機の構成は、従来から知られている構成、一例として図７で示したアキシャルギャップ型回転電機の構成、と同じである。

＜第１実施例＞
以下、本発明の第１実施例を図１（ａ）〜（ｃ）乃至図４（ａ）〜（ｃ）に基づいて説明する。なお、図１（ａ）〜（ｃ）乃至図４（ａ）〜（ｃ）に示す例において、１、２は分割した磁石、３、４は分割した円盤部材となるプレート、５は薄板、６、７は軟磁性体としてのブリッジ、８、９はカラー、１０、１１はリング型部材としてのリングである。

まず、本発明のアキシャルギャップ型回転電機では、磁石１、２を、図１（ｂ）に示すように、積層鋼板に使用される鉄製の薄板またはＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）製のフィルム等からなる薄板５に対して、接着剤を用いて固定する。磁石１、２は同寸のもの二つを薄板５の表面と裏面の両面において、互いにを背にする様、円周方向において同位置に接着される。磁石１、２のそれぞれの配置は、例えば図１（ａ）に示す複数個の磁石１において、円周方向にＮ極とＳ極が交互になるよう配置している。また、図１（ｂ）、（ｃ）に示すように、磁石１、２の形状と同形状の貫通穴の空いた電磁鋼板製で円盤形状のプレート３、４を、薄板５の表面と裏面に接着する。

さらに、図２（ａ）〜（ｃ）に示すように、軟磁性体であるブリッジ６、７を、例えば電磁鋼板からなるプレート３、４上において、隣り合う磁石１、２間に接着する。次に、ＳＵＳ（ステンレス鋼）等の透磁性の低い材料によって作られたカラー８、９を、図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、磁石１、２の内径にて固定する。カラー８、９には磁束が流れないため、表面のカラー８と裏面のカラー９とはそれぞれボルトによってプレート３、４を挟み込むように締結される。

最後に、図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、磁石１、２の外周において、その断面形状がＬ字形状のリング１０、１１によってプレート３、４及び薄板５を挟み込むように固定する。その際、リング１０と１１との界面、リング１０とプレート３及び薄板５との界面、リング１１とプレート４及び薄板５との界面、のそれぞれを、接着剤によって固定する。リング１０、１１は透磁性が低いＳＵＳやＧＦＲＰ（ガラス繊維強化プラスチック）、または、ＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）やチタン等の材料によって構成される。

次に、上述した構成の本発明の作用について説明する。まず、磁石１及び２は同寸の形状であり、これらを薄板５に対し固定している。また、その上に固定されるプレート３、４も同寸の形状であることから、本ロータの構成は左右対称である。すなわち、磁石１、２のステータと対向するエアギャップ面はロータの中心面から同等の位置にて固定されているため、磁石１、２がロータに対して傾く、または、隣り合う磁石のエアギャップ面が異なった位置で固定される等の問題が起こらない。また、磁石１、２はプレート３、４との接触面のみならず、薄板５との接触面においても接着層を持つため、磁石による円周方向や軸方向の引張りに対しても、遠心力による法線方向の引張りに対しても支持力が高い。

さらに、アキシャルギャップ型の回転電機のロータには、振動モードによって、円盤形状をくの字に曲げようとする曲げモーメントが発生する。これに対する剛性が十分得られていない場合には、ロータとステータとがエアギャップ面にて接触するといった不具合が発生する。この不具合を解消して十分な面剛性を得るために、磁石１、２は例えば電磁鋼板製のプレート３、４によって、磁石の回りを囲むように支持されている。さらにまた、円盤面形状であるロータの曲げに対する変位量を抑えるため、軸心の剛性を強化するように、カラー８、９が設けられている。カラー８、９は、磁束の通り道である磁石１、２をその内周面にて支持している。この時、カラーの透磁性が高いと、磁束がステータからロータへ流れずにカラーへ漏れてしまい、磁気効率が悪化するため、カラーはＳＵＳ等の低透磁性の材料である必要がある。

また、磁石１、２の外周にはリング１０、１１を設けてある。これは、ロータの面剛性を保持するための電磁鋼板のみでは遠心力による引張りに耐えきれず、法線方向にプレート３、４が拡大するのを防ぐ役目をする。磁石１、２とプレート３、４とを接着する接着剤は通常脆いため、遠心力によってプレート３、４が歪み始めるとすぐに接着層にて剥離を発生してしまう。このため、プレート３、４の遠心力による変形を極力抑える必要があるため、プレート３、４の外周を高強度及び高剛性のリング１０、１１で支持している。この時、前述のカラーと同様に、磁束の通り道である磁石１、２の外周をリング１０、１１が保持するため、リングの漏れ磁束を防ぐ観点でリング１０、１１は低透磁性材料である必要がある。このため、リング１０、１１はＧＦＲＰ、ＣＦＲＰやチタン等であることが好ましい。

図５（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ本発明の回転電機のロータ構造における第１実施例の変形例を説明するための図である。図５（ａ）〜（ｃ）に示す例では、プレート３とカラー８及びプレート４とカラー９をそれぞれＧＦＲＰ等で一体成型してプレート部材２１、２２を形成した後、プレート部材２１、２２及び薄板５の外周を、ＣＦＲＰ等からなるリング部材２３で固定している。このように構成することで、部品点数を減らし、簡素化及び軽量化を達成することができる。ロータの軽量化は更なる高回転化を可能にする。

＜第２実施例＞
以下、本発明の第２実施例を図６（ａ）〜（ｃ）に基づいて説明する。図６（ａ）〜（ｃ）に示す第２実施例の基本的構成は上述した第１実施例と変わらない。第２実施例では、薄板５の形状が平たい円盤ではなく、磁石１、２と同形状の凹凸部３１をプレス加工等で設け、この凹凸部３１のへ表面及び裏面の形状に合った磁石１、２を固定している点で第１実施例と異なっている。この時、凹凸部３１の形状に合わせて、磁石１を磁石２より例えば７：３のように厚く設け、薄板５の凹凸部３１の凹部に厚みのある磁石１を固定し、凸部に厚みの少ない磁石２を固定している。

第２実施例の作用を説明すると、薄板５が平板ではなく、凹凸部３１を設けたことにより、面剛性を向上させることができる。そのため、前述の通り振動モードや磁束の流れによって、軸方向のモーメントが発生した場合のロータの軸方向変位量を抑えることが、安価に可能となる。

本発明の回転電機のロータ構造は、２つのステータの間に、円盤部材の円盤面に円周方向に複数個の磁石を設けてなるロータを、ステータとロータとが対向するように、回転軸に沿って配置されるアキシャルギャップ型の回転電機のロータにおいて、磁石の円盤部材に対する傾きやオフセットがなく、高速回転をしても磁石の抜けを防止する用途に好適に用いることができる。

（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ本発明の回転電機のロータ構造における第１実施例の一例を説明するための図である。 （ａ）〜（ｃ）はそれぞれ本発明の回転電機のロータ構造における第１実施例の他の例を説明するための図である。 （ａ）〜（ｃ）はそれぞれ本発明の回転電機のロータ構造における第１実施例のさらに他の例を説明するための図である。 （ａ）〜（ｃ）はそれぞれ本発明の回転電機のロータ構造における第１実施例のさらに他の例を説明するための図である。 （ａ）〜（ｃ）はそれぞれ本発明の回転電機のロータ構造における第１実施例の変形例を説明するための図である。 （ａ）〜（ｃ）はそれぞれ本発明の回転電機のロータ構造における第２実施例の一例を説明するための図である。 従来のアキシャルギャップ型回転電機の一例を説明するための図である。 （ａ）、（ｂ）はそれぞれ従来の回転電機のロータにおける問題点を説明するための図である。

符号の説明

１、２ 磁石
３、４ プレート
５ 薄板
６、７ ブリッジ
８、９ カラー
１０、１１リング
２１、２２ プレート部材
２３ リング部材

Claims (5)

1. ２つのステータの間に、円盤部材の円盤面に円周方向に複数個の磁石を設けてなるロータを、ステータとロータとが対向するように、回転軸に沿って配置されるアキシャルギャップ型の回転電機のロータ構造において、前記ロータの磁石及び円盤部材を回転軸に対して垂直方向に分割し、分割した磁石及び円盤部材間に薄板を設け、分割した磁石及び円盤部材を薄板に対し固定することを特徴とする回転電機のロータ構造。
2. 前記複数個の磁石をロータ軸一方方向から見て円周方向にＮ極とＳ極が交互になるよう配置し、Ｎ極に着磁された磁石とＳ極に着磁された磁石と間に軟磁性体を設け、軟磁性体を前記円盤部材に対し固定することを特徴とする請求項１に記載の回転電機のロータ構造。
3. 前記円盤部材の外径より小径に設けられたカラーにて、前記円盤部材の磁石より内周面の部分を挟みこむことを特徴とする請求項１または２に記載の回転電機のロータ構造。
4. 前記円盤部材の最外周面をリング型部材で保持することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の回転電機のロータ構造。
5. 前記薄板に磁石と同型の凹凸部を設け、凹凸部の凹凸内に磁石を保持することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の回転電機のロータ構造。
   
   
   

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