JP2007043864A - 軸方向空隙型同期機 - Google Patents

Abstract

【課題】 ２ロータ１ステータ型の同期機に好適なロータ構造を有する軸方向空隙型同期機を提供する。
【解決手段】 ロータ１００とステータ２００とが出力軸３００の軸方向の間隙を介して対向するよう配置された軸方向空隙型同期機において、前記ロータ１００が、円盤形状で強磁性のバックヨーク１２０と、該バックヨーク１２０の円周方向に等角度ピッチで配置された複数のマグネット１１０と、該複数のマグネット１１０を覆って前記バックヨーク１２０に押し付けるように前記バックヨーク１２０に固着された常磁性乃至非磁性のフロントカバー１３０とを具備し、該フロントカバー１３０が前記ステータ２００と対向するようにした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ステータ（電機子）とロータ（界磁）がロータの出力軸の軸線方向に沿って所定の空隙を介して対向配置されている構造の軸方向空隙型同期機に係り、特にそのマグネットを有するロータ構造について改良を図った軸方向空隙型同期機に関するものである。

軸方向空隙型同期機は、インナーロータ型等のように、ステータとロータがロータの出力軸に直交するラジアル方向に沿って所定の空隙を介して対向配置されている構造のラジアル方向空隙型同期機と比べて、回転軸方向の厚さを薄くでき、またロータとステータの組み合わせを複数段に構成することで高出力を実現できるという特徴がある。そして、このような軸方向空隙型同期機として、１ロータ２ステータ型のものが提案されている（例えば特許文献１，２参照）。
特開２００１−１３６７２１号公報 特開２００５−０９４９５５号公報

ところが、このような１ロータ２ステータ型の同期機は、ロータの両側にそれぞれ配置したステータとの間で発生する磁気的な吸引力と反発力を利用する関係から、ロータのマグネット表裏面の磁極面を両側のステータに作用させるようにロータ枠等に組み込み保持する必要があり、その保持構造に特別の工夫が必要となる。また、このロータ構造では、磁束が巡回する磁路（バックヨーク）がないので、２ロータ１ステータ型の同期機を実現する場合、磁束漏れが多発し、出力低下を招く問題がある。

本発明の目的は、２ロータ１ステータ型の同期機に好適なロータ構造を有する軸方向空隙型同期機を提供することである。

請求項１にかかる発明は、ステータとロータとが回転軸の軸方向の間隙を介して対向するよう配置された軸方向空隙型同期機において、前記ロータが、円盤形状で強磁性のバックヨークと、該バックヨークの円周方向に等角度ピッチで配置された複数のマグネットと、該複数のマグネットを覆うよう前記バックヨークに固着された常磁性乃至非磁性のフロントカバーとを具備し、該フロントカバーが前記ステータと対向するようにしたことを特徴とする。

請求項２にかかる発明は、請求項１に記載の軸方向空隙型同期機において、前記バックヨークは、前記マグネット収納用の凹部が円周方向に等角度ピッチで形成され、該凹部内にその内壁面に対してフラックスバリア用の空隙を残すように前記マグネットが収納されていることを特徴とする。

請求項３にかかる発明は、請求項１に記載の軸方向空隙型同期機において、前記フロントカバーは、前記空隙に対応する部分にリブが形成されていることを特徴とする。

請求項４にかかる発明は、請求項１に記載の軸方向空隙型同期機において、前記フロントカバーを強磁性のフロントカバーに置き換え、前記空隙に対応する位置に複数のフラックスバリア用の開口を形成したことを特徴とする。

請求項５にかかる発明は、請求項４に記載の軸方向空隙型同期機において、前記フロントカバーの前記開口の縁部に、前記空隙側への曲折部を形成したことを特徴とする。
請求項６にかかる発明は、請求項４又は５に記載の軸方向空隙型同期機において、前記フロントカバーの前記マグネットに対応する部分に、渦電流低減用のスリットを形成したことを特徴とする。

請求項７にかかる発明は、請求項１乃至６のいずれか１つに記載の軸方向空隙型同期機において、前記バックヨークは、前記凹部に段部が形成され、該段部に前記マグネットが嵌め込まれていることを特徴とする。

請求項８にかかる発明は、請求項１乃至７のいずれか１つに記載の軸方向空隙型同期機において、前記バックヨークは、前記空隙に常磁性乃至非磁性のスペーサが嵌め込まれていることを特徴とする。

請求項９にかかる発明は、請求項１乃至８のいずれか１つに記載の軸方向空隙型同期機において、前記マグネットと前記フロントヨークとの間に強磁性のフロントヨークを挟持させたことを特徴とする。

請求項１０にかかる発明は、請求項１乃至９のいずれか１つに記載の軸方向空隙型同期機において、前記フロントカバーを、前記バックヨークに対して溶接又はボルトにより一体化したことを特徴とする。

請求項１にかかる発明によれば、ロータは、マグネットがバックヨークとフロントカバーによって挟持された構造となり、簡単な構造ながらマグネットの取付構造が堅牢となり、また磁気漏洩を少なくでき、２ロータ１ステータ型の同期機に好適なロータ構造となる。請求項２にかかる発明によれば、マグネットの周囲にフラックスバリアが形成されるので磁束のバイパス路が遮断されることにより磁束漏れを少なくできる。請求項３にかかる発明によれば、フロントカバーのリブがマグネットの位置決め用およびフロントカバーの補強用として機能する。請求項４にかかる発明によれば、ロータとステータとの間の実質的な空隙を短縮することができ、かつ磁束のバイパス路を遮断して磁気漏れを少なくできる。請求項５にかかる発明によれば、フロントカバーの曲折部がマグネットの位置決め用およびフロントカバーの補強用として機能する。請求項６にかかる発明によれば、フロントカバーのスリットによって渦電流損を低減できる。請求項７および８にかかる発明によれば、マグネットの位置決めが容易となる。請求項９にかかる発明によれば、小型のマグネットが使用可能となる。請求項１０にかかる発明によれば、ロータの構造が堅牢確固となる。

まず、本発明の実施例の２ロータ１ステータ型の軸方向空隙型同期モータの概略構造について図１を参照して説明する。１００はロータ、２００はステータ、３００は出力軸である。ここでは、１個のステータ２００を両側から軸方向空隙を介して挟むように２個のロータ１００が配設されている。ロータ１００には、マグネット１１０とそのマグネット１１０を保持するバックヨーク１２０とフロントカバー１３０が配設されている。ステータ２００にはコイル２１０やステータコア２２０が配設されている。出力軸３００は２個のロータ１００に対しては直接固着され、ステータ２００に対しては軸受け２３０を介して取り付けられている。以下、ロータ１００の実施例について詳しく説明する。

図２は実施例１のロータ１００のバックヨーク１２０の構造を示す図である。このバックヨーク１２０は円盤形状の強磁性体からなり、マグネット１１０の収納用の凹部１２１が円周方向に等角度ピッチで磁極数（図２では４個）だけ形成され、その周囲の土手１２２のうち、隣接する凹部１２１を区画する土手１２２Ａは突極となり、ｑ軸のインダクタンスを大きくしてｄ軸のインダクタンスとの差を大きくし、リラクタンストルクを大きくする作用を呈する。なお、ｄ軸とはマグネット１１０の中心を通る軸、ｑ軸とはｄ軸に対して９０度の電気角だけ離れた位置を通る軸である。また、外径側の土手１２２Ｂは、凹部１２１に納めるマグネット１１０が遠心力で外に飛び出すのを防止するストッパとして機能する。内径側の土手１２２Ｃは、極間の土手１２２Ａと共に軸方向の磁気吸引力に耐える強度を発揮する。そして、中心には出力軸３００に圧入固着するための固定軸孔１２３が形成されている。

図３はロータ１００の全体構造を示す図である。マグネット１１０は、バックヨーク１２０の凹部１２１内にその周囲に空隙Ｇが残るように配置されている。この空隙Ｇは、マグネット１００の端部から主磁束がバックヨーク１２０方向に漏れて磁束のバイパス路が形成されるのを防止するフラックスバリアとして機能する。フロントカバー１３０は、外径と内径がバックヨーク１２０の外径と内径に一致するように形成されたオーステナイト系ステンレス鋼板のように常磁性乃至非磁性の円盤形状の金属板からなり、バックヨーク１２０の土手１２２に接合されることにより、マグネット１１０を凹部１２１内に固定されている。１３１は出力軸３００が圧入する固定軸孔である。このフロントカバー１３０は強磁性体ではないので、フラックスバリア用の空隙を設ける必要はない。このフロントカバー１３０のバックヨーク１２０への固着は、図３(c)に示すようにスポット溶接１３２、あるいは図３(d)に示すようにネジ１３３によって行う。

図４はフロントカバー１３０の一部を変形した例を示す図であり、前述したフラックスバリアとして機能する空隙Ｇを覆う部分の全てにプレスによりリブ１３４を形成したもので、このリブ１３４により、マグネット１１０の位置決めとフロントカバー１３０自体の補強を実現している。

図５はバックヨーク１２０の凹部１２１内へのマグネット１１０の配置構造の変形例を示す図である。図５(a)では、凹部１２１内に更に段差１２４を設けてそこにマグネット１１０をはめ込むようにして、位置決めを容易ならしめている。図５(b)では、空隙Ｇ内に常磁性乃至非磁性のスペーサ１４０を配置すると共にマグネット１１０の正面に強磁性体１５０を配置して、スペーサ１４０によりマグネット１１０の位置決めを行い、強磁性体１５０をフロントヨークとして機能させ、マグネット１１０の小型化を実現している。このフロントヨークとして機能する強磁性体１５０は、鉄心（コア）と同様な磁路となり、リラクタンストルク増大に寄与し、ステータの大電流によって発生する磁束を緩和して減磁防止に寄与し、マグネット１１０の保持用としても寄与する。図５(c)は、図５(b)の構造から強磁性体１５０を外したものである。

以上の実施例１で説明したロータ１００では、フロントカバー１３０として常磁性乃至非磁性の材質を使用したので、このロータ１００の正面とステータ２００との間の実質的な空隙がフロントカバー１３０の厚さ分だけ長くなって、その分だけ磁束が減少し出力トルクの低下を招く。

そこで、実施例２のロータ１００では、強磁性の材質のフロントカバー１３０’を使用することにより、その空隙の長大化を防止する。ただし、強磁性の材質の場合は、マグネット１１０に対して磁束のバイパス路ができないように、対策を施す。

図６は実施例２のロータ１００を示す図である。このロータ１００の正面を閉じるフロントカバー１３０’は、マグネット１１０とバックヨーク１２０の土手１２２との間のフラックスバリヤ用の空隙Ｇに対応する部分に、開口１３５が離散的に複数形成され、その開口１３５同士が隣接する部分はブリッジ１３６となっている。開口１３５は、マグネット１１０の周端部から主磁束がバックヨーク１２０方向に漏れるのを防止するフラックスバリアとして機能する。また、ブリッジ１３６は、フロントカバー１３０’を補強すると共に、その部分を磁気飽和させてフラックスバリアの効果低減を防止している。

図７は図６で説明したフロントカバー１３０’の開口１３５の縁部に内側への折り曲げ部１３５Ａを設けた構造を示す図である。このように曲折部１３５Ａを設けることにより、マグネット１１０の位置決めを行うことができると共に、フロントカバー１３０’を補強することが可能となる。

図８は図６で説明したフロントカバー１３０’にレーザビーム加工、プレス加工等により、円周方向に長いスリット１３８を放射方向に所定ピッチで複数個設けた構造を示す図である。上記したように強磁性のフロントカバー１３０’を使用するときは、そこを流れる磁束が変化することによって渦電流が流れ渦電流損が発生するが、スリット１３８を設けることによりその渦電流が流れにくくなり渦電流損を低減できる。また、スリット１３８は放射方向が長手となるように形成することもできるが、円周方向が長手となるように形成することによって、円周方向に磁束が流れ易くなり、ｄ軸やｑ軸方向の磁束がトルクに寄与し易くなる利点がある。

なお、以上の実施例１，２では同期モータに適用する場合について説明したが、同期発電機にも同様に適用することができることは勿論である。

本発明の実施例１のロータをもつ２ロータ１ステータ方式の軸方向空隙型同期モータの概略構成を示す断面図である。 (a)は実施例１のロータのバックヨークの正面図、(b)は(a)のｂ−ｂ線断面図である。 (a)は実施例１のロータの正面図、(b)は(a)のｂ−ｂ線断面図、(c)，(d)はフロントヨーク取付の説明用の断面図である。 (a)は実施例１の変形例のロータの正面図、(b)は(a)のｂ−ｂ線断面図、(c)は(a)のｃ−ｃ線断面図である。 (a)〜(c)は実施例１のマグネット配置手法の変形例の断面図である。 (a)は実施例２のロータの正面図、(b)は(a)のｂ−ｂ線断面図である。 (a)は実施例２の変形例のロータの正面図、(b)は(a)のｂ−ｂ線断面図、(c)は(a)のｃ−ｃ線断面図である。 (a)は実施例２の別の変形例のロータの正面図、(b)は(a)のｂ−ｂ線断面図である。

符号の説明

１００：ロータ、１１０：マグネット、１２０：バックヨーク、１２１：凹部、１２２：土手、１２３：固定軸孔、１２４：段部、１３０，１３０’：フロントカバー、１３１：固定軸孔、１３２：スポット溶接、１３３：ネジ、１３４：リブ、１３５：開口、１３６：ブリッジ、１３７：曲折部、１３８：スリット、１４０：スペーサ、１５０：強磁性体
２００：ステータ、２１０：コイル、２２０：ステータコア、２３０：軸受け
３００：出力軸

Claims (10)

1. ステータとロータとが回転軸の軸方向の間隙を介して対向するよう配置された軸方向空隙型同期機において、
   前記ロータが、円盤形状で強磁性のバックヨークと、該バックヨークの円周方向に等角度ピッチで配置された複数のマグネットと、該複数のマグネットを覆うよう前記バックヨークに固着された常磁性乃至非磁性のフロントカバーとを具備し、該フロントカバーが前記ステータと対向するようにしたことを特徴とする軸方向空隙型同期機。
2. 請求項１に記載の軸方向空隙型同期機において、
   前記バックヨークは、前記マグネット収納用の凹部が円周方向に等角度ピッチで形成され、該凹部内にその内壁面に対してフラックスバリア用の空隙を残すように前記マグネットが収納されていることを特徴とする軸方向空隙型同期機。
3. 請求項１に記載の軸方向空隙型同期機において、
   前記フロントカバーは、前記空隙に対応する部分にリブが形成されていることを特徴とする軸方向空隙型同期機。
4. 請求項１に記載の軸方向空隙型同期機において、
   前記フロントカバーを強磁性のフロントカバーに置き換え、前記空隙に対応する位置に複数のフラックスバリア用の開口を形成したことを特徴とする軸方向空隙型同期機。
5. 請求項４に記載の軸方向空隙型同期機において、
   前記フロントカバーの前記開口の縁部に、前記空隙側への曲折部を形成したことを特徴とする軸方向空隙型同期機。
6. 請求項４又は５に記載の軸方向空隙型同期機において、
   前記フロントカバーの前記マグネットに対応する部分に、渦電流低減用のスリットを形成したことを特徴とする軸方向空隙型同期機。
7. 請求項２に記載の軸方向空隙型同期機において、
   前記バックヨークは、前記凹部に段部が形成され、該段部に前記マグネットが嵌め込まれていることを特徴とする軸方向空隙型同期機。
8. 請求項１乃至７のいずれか１つに記載の軸方向空隙型同期機において、
   前記バックヨークは、前記空隙に常磁性乃至非磁性のスペーサが嵌め込まれていることを特徴とする軸方向空隙型同期機。
9. 請求項１乃至８のいずれか１つに記載の軸方向空隙型同期機において、
   前記マグネットと前記フロントカバーとの間に強磁性のフロントヨークを挟持させたことを特徴とする軸方向空隙型同期機。
10. 請求項１乃至９のいずれか１つに記載の軸方向空隙型同期機において、
    前記フロントカバーを、前記バックヨークに対して溶接又はボルトにより一体化したことを特徴とする軸方向空隙型同期機。

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