JP2007089270A - アキシャル型電動機及びそのロータ - Google Patents

Abstract

【課題】アキシャル型電動機のロータの剛性を向上させるとともにロータに発生する渦電流を抑える。
【解決手段】ロータ１４には、複数の永久磁石２０がロータ周方向に間隔を空けて配列されており、隣接する一対の永久磁石２０により極対が構成される。リラクタンストルクを得るために、各永久磁石２０の間に磁性体の部分２４が配設されている。ロータ周方向において極対おきに梁状部材３０が配置されていることで、梁状部材３０間を通る磁束量はロータ１４の回転位置の変化に対して変化しないため、梁状部材３０を流れる渦電流を抑えることができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、ロータ及びステータが回転軸に平行な方向において対向配置されたアキシャル型電動機及びそのロータに関する。

この種のアキシャル型電動機の関連技術が下記特許文献１に開示されている。特許文献１においては、ロータには複数の磁石が周方向に間隔を空けて配列されている。そして、ロータの剛性を向上させるために、ロータには放射状に延びる補強手段が周方向において各磁石間ごとに設けられている。

その他の関連技術として、下記特許文献２によるアキシャル型電動機が開示されている。

特開２００４−２９７９０２号公報 特開２００５−９４９５５号公報

ロータには、ロータを通る磁束量の変動により渦電流が発生し、この渦電流が増大するほど損失も増大する。そのため、ロータの剛性を向上させる目的でロータに補強部材を設ける場合は、補強部材に渦電流が流れないように補強部材を設けることが望ましい。

特許文献１のように、ロータの剛性を向上させる目的でロータ周方向において各磁石間ごとに補強部材を設ける場合は、ロータにおける各補強部材間の領域を通る磁束量がロータの回転とともに変動する。そのため、補強部材に渦電流が流れやすくなり、渦電流による損失が生じやすいという問題点がある。

本発明は、ロータの剛性を向上させることができるとともにロータに発生する渦電流を抑えることができるアキシャル型電動機及びそのロータを提供することを目的とする。

本発明に係るアキシャル型電動機及びそのロータは、上述した目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明に係るアキシャル型電動機は、ロータ及びステータが回転軸に平行な方向において対向配置されたアキシャル型電動機であって、ロータは、各々が一対の磁極により構成された複数の極対であって、ロータ周方向に配列された複数の極対と、ステータからの磁束が通る透磁部と、各々がロータ径方向に延設された複数の梁状補強部材であって、ロータ周方向において極対おきに配置された複数の梁状補強部材と、を含むことを要旨とする。

本発明によれば、ロータ周方向において極対おきに梁状補強部材を配置することで、梁状補強部材間を通る磁束量はロータの回転位置の変化に対して変化しないため、梁状補強部材を流れる渦電流を抑えることができる。したがって、ロータの剛性を向上させることができるとともにロータに発生する渦電流を抑えることができる。

本発明の一態様では、ロータは、回転軸の外周に配設された筒状部材をさらに含み、各梁状補強部材のロータ内径側の端部は、筒状部材に結合されていることが好適である。このように、各梁状補強部材のロータ内径側の端部を回転軸の外周に配設された筒状部材に結合することで、ロータの剛性をさらに向上させることができる。さらに、各梁状補強部材のロータ内径側の端部が、非導電材料を介して筒状部材に結合されていることで、梁状補強部材と筒状部材の間を流れる渦電流を抑えることができる。

本発明の一態様では、ロータは、その外周に配設された箍状部材をさらに含み、各梁状補強部材のロータ外径側の端部は、箍状部材に結合されていることが好適である。このように、各梁状補強部材のロータ外径側の端部をロータの外周に配設された箍状部材に結合することで、ロータの剛性をさらに向上させることができる。さらに、各梁状補強部材のロータ外径側の端部が、非導電材料を介して箍状部材に結合されていることで、梁状補強部材と箍状部材の間を流れる渦電流を抑えることができる。

本発明の一態様では、透磁部が、非導電材料を介して箍状部材に結合されていることで、透磁部と箍状部材の間を流れる渦電流を抑えることができる。また、透磁部が、接着剤を介して箍状部材に結合されていることで、透磁部の成形精度が低下してもロータを構成することができる。

本発明の一態様では、透磁部が、少なくとも各磁極間に配設されていることで、ロータにリラクタンストルクを作用させることができる。

本発明の一態様では、透磁部が、圧粉磁心材料により構成されていることで、透磁部に発生する渦電流を抑えることができる。また、透磁部が、電磁鋼板をロータ径方向に積層することで構成されていることによっても、透磁部に発生する渦電流を抑えることができる。

また、本発明に係るアキシャル型電動機のロータは、回転軸に平行な方向においてステータと対向配置されたアキシャル型電動機のロータであって、各々が一対の磁極により構成された複数の極対であって、ロータ周方向に配列された複数の極対と、ステータからの磁束が通る透磁部と、各々がロータ径方向に延設された複数の梁状補強部材であって、ロータ周方向において極対おきに配置された複数の梁状補強部材と、を含むことを要旨とする。

以下、本発明を実施するための形態（以下実施形態という）を図面に従って説明する。

図１〜３は、本発明の実施形態に係るアキシャル型電動機１０の構成の概略を示す図である。図１は電動機１０全体の内部構成の概略を示し、図２はステータ１２の構成の概略を示し、図３はロータ１４の内部構成の概略を示す。本実施形態に係るアキシャル型電動機１０では、ロータ１４及びステータ１２が回転軸１８に平行な方向において対向配置されている。

図１に示すように、ケーシング１６に回動可能に支持された回転軸１８にはロータ１４が固定されている。ロータ１４は、図３に示すように略円板形状であり、その内部には、複数（より具体的には偶数個）の永久磁石２０が磁極としてロータ周方向に間隔を空けて配列されている。各永久磁石２０は、ロータ１４内に完全に埋設されてもよく、またその表面がロータ１４の表面の一部となるように配置されてもよい。また、隣接する永久磁石２０は、それぞれ同一平面上で「Ｓ極」と「Ｎ極」が交互になるように配置されている。同一平面上で「Ｓ極」と「Ｎ極」となる一対の永久磁石２０により極対が構成され、これら複数の極対がロータ周方向において間隔を空けて配列されている。

一方、ケーシング１６の内側には、略環状のステータ１２が、円板状のロータ１４の表裏よりこれを挟むように配置されている。ステータ１２は、図２（ａ）に示すようなステータコア１２ａを中心に構成され、ロータ１４に対向する面には複数のティース２２が突出して設けられている。各ティース２２には、図２（ｂ）に示すように、導線が巻かれてコイル１２ｂが形成され、そこに電流を流すことにより磁極が構成される。すなわち、ステータコア１２ａとコイル１２ｂとによりステータ１２が形成される。コイル１２ｂに順次電流を流すことによりティース２２が順次磁化され、回転磁界が形成される。そして、ロータ１４の永久磁石２０がこの回転磁界と相互作用して、吸引および反発作用が生じロータ１４が回転し、磁石トルクを得ることができる。

さらに、永久磁石２０の存在により発生する磁石トルクに加えてリラクタンストルクを得るために、ロータ１４には磁性体（強磁性体）の部分２４が配設されている。この磁性体の部分２４は、ステータ１２の磁極からの磁束が通る透磁部として設けられ、基本的には、ステータ１２に順次形成される磁極に吸引されロータ１４を回転させる位置に少なくとも存在すればよい。例えば図３に示すように、ロータ１４における各永久磁石２０の間に磁性体の部分２４を配設することで、ステータ１２に形成される回転磁界により磁化されたティース２２に磁性体の部分２４が吸引され、リラクタンストルクが発生する。また、ロータ１４における各永久磁石２０の表面上に磁性体の部分２４を配設することによっても、リラクタンストルクを得ることができる。

ここでの磁性体の部分２４については、例えば図４に示すように、薄い珪素鋼板（電磁鋼板）２６をロータ１４の径方向、つまり磁束と直交する面に沿って積層することで構成することができる。この構成によって、磁性体の部分２４の電気抵抗を高く設定することができ、磁性体の部分２４に生じる渦電流を抑えることができる。なお、図４は、永久磁石２０がロータ１４内に埋設されている例を示しているが、永久磁石２０の表面をロータ１４の表面に露出させてもよい。

また、磁性体の部分２４については、鉄等の強磁性体の微小粒の表面に電気を通さない膜のコーティングを施した粉体を押し固めた圧粉磁心材料により構成することもできる。この圧粉磁心材料により成形された磁性体の部分２４は、三次元方向に磁束を通すが、電流をほとんど通さない。したがって、磁性体の部分２４の電気抵抗を高く設定することができ、磁性体の部分２４に生じる渦電流を抑えることができる。

本実施形態では、ロータ１４の剛性を向上させるために、ロータ１４には補強部材として箍（たが）状部材３２及び複数の梁状部材３０が設けられている。箍状部材３２は、ロータ１４の外周に配設されており、磁性体の部分２４の外周を覆っている。磁性体の部分２４と箍状部材３２は、例えば接着剤（樹脂）等の非導電材料（電気絶縁材料）を介して接合されている。各梁状部材３０は、ロータ１４内に埋設されており、磁性体の部分２４を通されてロータ径方向に延設されている。回転軸１８の外周には筒状のカラー３４（筒状部材）が取り付けられており、各梁状部材３０のロータ内径側の端部がカラー３４に結合されていることで、ロータ１４が回転軸１８に固定される。ここでの各梁状部材３０とカラー３４との結合方法については、例えば焼嵌めやねじ留め等の方法を用いることができる。また、各梁状部材３０とカラー３４とを、接着剤を介して接合することもできる。各梁状部材３０のロータ外径側の端部は、箍状部材３２に結合されている。ここでの各梁状部材３０と箍状部材３２との結合方法についても、例えば焼嵌めやねじ留め等の方法を用いることができる。また、各梁状部材３０と箍状部材３２とを、接着剤を介して接合することもできる。なお、各梁状部材３０及びカラー３４については、ともに汎用の構造材を用いることができ、例えばクロムモリブデン鋼（ＳＣＭ４４０）等の焼なまし材を用いることができる。また、箍状部材３２についても、汎用の構造材を用いることができ、例えばアルミニウム（ＡＰ２０００）を用いることができる。

前述したように、本実施形態では、磁性体の部分２４の電気抵抗を高めることで磁性体の部分２４に生じる渦電流を抑制しているものの、補強用の梁状部材３０を延設することで、この梁状部材３０に渦電流が流れやすくなる。特に、梁状部材３０に電気抵抗の低い材料が用いられ、梁状部材３０の電気抵抗が磁性体の部分２４の電気抵抗よりも低くなる場合は、梁状部材３０を流れる渦電流が増大する。さらに、本実施形態では、各梁状部材３０の両端部がカラー３４及び箍状部材３２にそれぞれ結合されていることで、梁状部材３０−箍状部材３２−梁状部材３０−カラー３４によるループが形成され、この梁状部材３０を含むループに渦電流が流れやすくなる。特に、梁状部材３０、箍状部材３２、及びカラー３４に電気抵抗の低い材料が用いられ、梁状部材３０、箍状部材３２、及びカラー３４の電気抵抗が磁性体の部分２４の電気抵抗よりも低くなる場合は、このループを流れる渦電流が増大する。

そこで、本実施形態では、この梁状部材３０を含むループに発生する渦電流を抑えるために、ロータ周方向において極対おきに梁状部材３０を配置する。ここで、図３は、ロータ周方向において１つの極対（１対の永久磁石２０）間ごとに梁状部材３０が配置された例、つまり各梁状部材３０がロータ周方向においてその間に極対を挟んで配置された例を示している。以下、ロータ周方向において極対おきに梁状部材３０を配置することで、渦電流を抑制できる理由について説明する。

ここで、コイル１２ｂに電流（８０Ａ、進角１５°）を流した場合におけるロータ１４及びステータ１２の磁束線を図５〜７に示す。ここで、図５〜７は、ロータ１４及びステータ１２を周方向に展開した断面を部分的に示している。そして、図５はロータ１４とステータ１２の相対角が０°のときを示し、図６はロータ１４とステータ１２の相対角が３０°のときを示し、図７はロータ１４とステータ１２の相対角が６０°のときを示す。ただし、磁束線１本当たりの磁束量は、図５〜７でそれぞれ異なる。

まず本実施形態との比較対象として、ロータ周方向において各永久磁石２０おきに梁状部材３０を配設した場合、つまりロータ１４における各永久磁石２０間の位置Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに梁状部材３０を配設した場合を考える。その場合において、梁状部材３０の配設位置Ａ，Ｂ間（１極間）における磁束線の数は、ロータ１４とステータ１２の相対角が０°のときは図５に示すように６本（上向き７本、下向き１本）となり、ロータ１４とステータ１２の相対角が３０°のときは図６に示すように６本（上向き７本、下向き１本）となり、ロータ１４とステータ１２の相対角が６０°のときは図７に示すように６本（上向き７本、下向き１本）となる。前述したように、図５〜７では、磁束線１本当たりの磁束量がそれぞれ異なるため、梁状部材３０の配設位置Ａ，Ｂ間（１極間）における磁束量は、ロータ１４の回転位置の変化（ロータ１４とステータ１２の相対角の変化）とともに変化する。この磁束量の変化は、位置Ａに配設された梁状部材３０−箍状部材３２−位置Ｂに配設された梁状部材３０−カラー３４で構成されるループに渦電流を発生させる。このように、ロータ周方向において各永久磁石２０（１極）ごとに梁状部材３０を配設した場合は、この梁状部材３０を含むループに渦電流が発生する。

これに対して、ロータ周方向において１つの極対（１対の永久磁石２０）おきに梁状部材３０を配設した場合、例えばロータ１４における１対の永久磁石２０間の位置Ａ，Ｃに梁状部材３０を配設し且つ位置Ｂ，Ｄに梁状部材３０を配設しない場合を考える。その場合において、梁状部材３０の配設位置Ａ，Ｃ間（１極対間）における磁束線の数は、ロータ１４とステータ１２の相対角が０°のときは図５に示すように０本（上向き８本、下向き８本）となり、ロータ１４とステータ１２の相対角が３０°のときは図６に示すように６本（上向き８本、下向き８本）となり、ロータ１４とステータ１２の相対角が６０°のときは図７に示すように６本（上向き８本、下向き８本）となる。このように、梁状部材３０の配設位置Ａ，Ｃ間（１極対間）では、ロータ１４の回転位置（ロータ１４とステータ１２の相対角）が変化して磁束線１本当たりの磁束量が変化しても、磁束線の数は常に０本に保たれる。したがって、ロータ１４とステータ１２の相対角が変化しても、位置Ａに配設された梁状部材３０−箍状部材３２−位置Ｂに配設された梁状部材３０−カラー３４で構成されるループに渦電流は発生しない。このように、ロータ周方向において１つの極対（１対の永久磁石２０）ごとに梁状部材３０を配設した場合は、この梁状部材３０を含むループに渦電流は発生しない。

このように、本実施形態では、ロータ周方向において極対おきに梁状部材３０を配置する、例えばロータ周方向において１つの極対（１対の永久磁石２０）間ごとに梁状部材３０を配置することで、梁状部材３０間を通る磁束量はロータ１４の回転位置の変化に対して変化しないため、梁状部材３０を流れる渦電流を抑えることができる。したがって、ロータ１４の剛性を向上させることができるとともに、ロータ１４に発生する渦電流を抑えることができ、渦電流による損失（鉄損）の発生を抑えることができる。例えば梁状部材３０に電気抵抗の低い材料が用いられ、梁状部材３０の電気抵抗が磁性体の部分２４の電気抵抗よりも低くなる場合でも、本実施形態では、梁状部材３０に渦電流が流れにくいため、梁状部材３０に用いる材料の自由度を高めることができる。

そして、本実施形態では、各梁状部材３０の両端部をカラー３４及び箍状部材３２にそれぞれ結合することで、ロータ１４の剛性をさらに向上させることができる。その際には、各梁状部材３０と箍状部材３２とを、接着剤（樹脂）等の非導電材料（電気絶縁材料）を介して接合することで、梁状部材３０を含むループに発生する渦電流をさらに抑えることができる。同様に、各梁状部材３０とカラー３４とを、接着剤（樹脂）等の非導電材料（電気絶縁材料）を介して接合することで、梁状部材３０を含むループに発生する渦電流をさらに抑えることができる。また、各梁状部材３０の表面を非導電材料（電気絶縁材料）で被覆することもできる。これによって、各梁状部材３０と磁性体の部分２４の間を流れる渦電流を抑えることができる。

また、本実施形態では、磁性体の部分２４と箍状部材３２とを、非導電材料（電気絶縁材料）を介して接合することで、磁性体の部分２４と箍状部材３２の間を流れる渦電流を抑えることができる。さらに、磁性体の部分２４と箍状部材３２とを、接着剤を介して接合することで、磁性体の部分２４の成形精度が低下しても、ロータ１４を構成することができる。

以上の本実施形態の説明では、ロータ周方向において１つの極対（１対の永久磁石２０）おきに梁状部材３０を配置するものとした。しかし、ロータ周方向において複数の極対（複数対の永久磁石２０）おきに梁状部材３０を配置することによっても、梁状部材３０間を通る磁束量はロータ１４の回転位置の変化に対して変化しないため、梁状部材３０を流れる渦電流を抑えることができる。ただし、ロータ周方向において１つの極対おきに梁状部材３０を配置して梁状部材３０の数を増やした方が、ロータ１４の剛性をより向上させることができる。

また、以上の本実施形態の説明では、複数の永久磁石２０がロータ周方向に間隔を空けて配列され、各永久磁石２０間に磁性体の部分２４が配設されていることでリラクタンストルクを得るものとした。ただし、複数の永久磁石２０は、ロータ周方向に間隔を空けずに配列されていてもよい。この場合は、梁状部材３０は、永久磁石２０の配設位置から回転軸１８に平行な方向にずらして配設される。この場合でも、ロータ周方向において極対おきに梁状部材３０を配置することで、梁状部材３０を流れる渦電流を抑えることができる。

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明の実施形態に係るアキシャル型電動機の内部構成の概略を示す図である。 本発明の実施形態に係るアキシャル型電動機のステータの構成の概略を示す図である。 本発明の実施形態に係るアキシャル型電動機のロータの内部構成の概略を示す図である。 本発明の実施形態に係るアキシャル型電動機のロータの構成の概略を示す図である。 ロータ及びステータを通る磁束線を示す図である。 ロータ及びステータを通る磁束線を示す図である。 ロータ及びステータを通る磁束線を示す図である。

符号の説明

１０ アキシャル型電動機、１２ ステータ、１２ａ ステータコア、１２ｂ コイル、１４ ロータ、１６ ケーシング、１８ 回転軸、２０ 永久磁石、２２ ティース、２４ 磁性体の部分、３０ 梁状部材、３２ 箍状部材、３４ カラー。

Claims (11)

1. ロータ及びステータが回転軸に平行な方向において対向配置されたアキシャル型電動機であって、
   ロータは、
   各々が一対の磁極により構成された複数の極対であって、ロータ周方向に配列された複数の極対と、
   ステータからの磁束が通る透磁部と、
   各々がロータ径方向に延設された複数の梁状補強部材であって、ロータ周方向において極対おきに配置された複数の梁状補強部材と、
   を含むことを特徴とするアキシャル型電動機。
2. 請求項１に記載のアキシャル型電動機であって、
   ロータは、回転軸の外周に配設された筒状部材をさらに含み、
   各梁状補強部材のロータ内径側の端部は、筒状部材に結合されていることを特徴とするアキシャル型電動機。
3. 請求項２に記載のアキシャル型電動機であって、
   各梁状補強部材のロータ内径側の端部は、非導電材料を介して筒状部材に結合されていることを特徴とするアキシャル型電動機。
4. 請求項１〜３のいずれか１に記載のアキシャル型電動機であって、
   ロータは、その外周に配設された箍状部材をさらに含み、
   各梁状補強部材のロータ外径側の端部は、箍状部材に結合されていることを特徴とするアキシャル型電動機。
5. 請求項４に記載のアキシャル型電動機であって、
   各梁状補強部材のロータ外径側の端部は、非導電材料を介して箍状部材に結合されていることを特徴とするアキシャル型電動機。
6. 請求項４または５に記載のアキシャル型電動機であって、
   透磁部は、非導電材料を介して箍状部材に結合されていることを特徴とするアキシャル型電動機。
7. 請求項４〜６のいずれか１に記載のアキシャル型電動機であって、
   透磁部は、接着剤を介して箍状部材に結合されていることを特徴とするアキシャル型電動機。
8. 請求項１〜７のいずれか１に記載のアキシャル型電動機であって、
   透磁部は、少なくとも各磁極間に配設されていることを特徴とするアキシャル型電動機。
9. 請求項１〜８のいずれか１に記載のアキシャル型電動機であって、
   透磁部は、圧粉磁心材料により構成されていることを特徴とするアキシャル型電動機。
10. 請求項１〜８のいずれか１に記載のアキシャル型電動機であって、
    透磁部は、電磁鋼板をロータ径方向に積層することで構成されていることを特徴とするアキシャル型電動機。
11. 回転軸に平行な方向においてステータと対向配置されたアキシャル型電動機のロータであって、
    各々が一対の磁極により構成された複数の極対であって、ロータ周方向に配列された複数の極対と、
    ステータからの磁束が通る透磁部と、
    各々がロータ径方向に延設された複数の梁状補強部材であって、ロータ周方向において極対おきに配置された複数の梁状補強部材と、
    を含むことを特徴とするアキシャル型電動機のロータ。
    

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