JP2009240127A

JP2009240127A - アキシャル型回転機

Info

Publication number: JP2009240127A
Application number: JP2008086001A
Authority: JP
Inventors: Matahiro Nakae; 亦鴻中江; Nobuyuki Shinpo; 信之眞保; Takamitsu Tsuna; 隆満綱; Hiroshi Sachi; 洋幸
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2008-03-28
Filing date: 2008-03-28
Publication date: 2009-10-15

Abstract

【課題】十分なコギングトルク低減効果を得られるスロットを有するステータコアを有するアキシャル型回転機を提供すること。
【解決手段】本発明によるアキシャル型回転機は、回転軸に垂直な主面内の周方向に交互にＮ極とＳ極とが現れるようにした永久磁石群を有するロータと、コイルが巻回された複数のティース１４２を有し、各ティースは前記主面に対向して設けられるステータコア１４０とを備え、ティース１４２のロータ対向面にラジアル方向に加工されたスロット１４４を有し、スロット１４４の深さ＝Ｓｌｉｔが１ｍｍ以上であることを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明はアキシャル型回転機に関し、特にコギングトルク低減のために好適なアキシャル型回転機に関する。

アキシャル型回転機は、ステータコアとロータとのギャップを回転軸方向に有する回転機であり、モータやジェネレータの用途で用いられるものである。特許文献１，２にはアキシャル型回転機の一例が開示されている。

図８は背景技術によるアキシャル型回転機１を示す図である。なお、同図はアキシャル型回転機１を軸方向に切断した断面図である。同図に示すように、アキシャル型回転機１は、主面周方向に交互にＮ極とＳ極とが現れるようにした永久磁石群２を有するロータ３と、コイル４が巻回された複数のティース５を有し、各ティース５は永久磁石群２に対向して設けられるステータコア６とを備えている。

ところで、永久磁石を用いる回転機のトルクはコギングトルクと呼ばれるリップル成分を含むことが知られている。このコギングトルクは周方向のリアクタンスが不均一であるために生ずるもので、ロータが回転する際の引っ掛かりとなって現れる。例えば回転機を風力発電機用途で用いる場合、このコギングトルクがあるために風速がある程度以上にならないとロータの回転が始らない。このため従来から、コギングトルクを低減するための技術が研究されている。

例えば特許文献３には、ラジアル型回転機の例ではあるが、突極（ティース）の外表面（ロータ対向面）に補助溝（スロット）を設けることによってコギングトルクを低減した例が開示されている。
特開２００７−５０３７０号公報特表２００７−５２７６８８号公報実開昭６１−５８８７０号公報

しかしながら、アキシャル型回転機のティースに上記特許文献３に開示されるようなスロットをつけたとしても、スロットの加工方向や深さによってはコギングトルクを十分に低減できない場合があった。

したがって、本発明の課題は、十分なコギングトルク低減効果を得られるスロットを有するステータコアを有するアキシャル型回転機を提供することにある。

本発明によるアキシャル型回転機は、回転軸に垂直な主面内の周方向に交互にＮ極とＳ極とが現れるようにした永久磁石群を有するロータと、コイルが巻回された複数のティースを有し、各ティースは前記主面に対向して設けられるステータコアとを備え、前記ティースのロータ対向面にラジアル方向に加工されたスロットを有し、前記スロットの深さが１ｍｍ以上であることを特徴とする。

本発明によれば、十分なコギングトルク低減効果（スロットがない場合に比べて８割以上の低減）を得ることが可能になる。

また、上記アキシャル型回転機において、前記スロットの数は前記ティースの数の自然数倍であり、かつ前記スロットの数Ｓ'及び前記ティースの数Ｓの合計値と前記永久磁石群の極数Ｐとの最少公倍数は、前記ティースの数Ｓと前記永久磁石群の極数Ｐとの最少公倍数より大きいことが好ましい。

ロータが１回転するときのコギングトルクの発生回数はＳ'＋ＳとＰとの最少公倍数に等しく、発生回数が大きいほど１回あたりのコギングトルクの大きさは小さくなる。上記アキシャル型回転機によれば、Ｓ'＋ＳとＰとの最少公倍数をＳとＰとの最少公倍数（スロットがないときのコギングトルク発生回数）よりも大きくしているので、コギングトルクの発生回数をスロットがないときに比べて大きくすることができ、１回あたりのコギングトルクの大きさをスロットがないときに比べて小さくすることができる。

本発明によれば、十分なコギングトルク低減効果を得ることが可能になる。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の好ましい実施の形態によるアキシャル型回転機１００を軸方向に切断した断面図である。同図に示すように、アキシャル型回転機１００は、同図に示したＸ軸を中心に回転自在に構成されたシャフト１１０及びロータ１２０と、ケース１３０に固定されて回転しないステータコア１４０とを備えている。このアキシャル型回転機１００は、例えばプリンタ、ファンと車載用モータ等に用いられるものである。

シャフト１１０は２つのベアリング１１１によって支持されており、このベアリング１１１の内周に沿って回転する。なお、ベアリング１１１はケース１３０と一体をなす枠１３１によって機能している。また、枠１３１の先端部はベアリング１１１を入れるために開放されており、この先端部は、ベアリング１１１を入れた後にはドーナツ状の部品１３２によって密閉される。

ロータ１２０はＸ軸（回転軸）に垂直な主面を有する円盤形状の部材であり、主面中央部においてシャフト１１０と嵌合している。ロータ１２０とシャフト１１０とが嵌合しているとき、ロータ１２０はシャフト１１０とともに回転する。また、ロータ１２０の主面は、微小な間隙（この間隙の幅＝Ｇａｐとする。）を介してステータコア１４０に対向している。

図２（ａ）はロータ１２０の主面の平面図である。同図に示すように、ロータ１２０の主面には、扇型の永久磁石１２１ａ，１２１ｂが複数配置されており、永久磁石群１２２を構成する。永久磁石１２１ａ，１２１ｂはそれぞれステータコア１４０側の面がＮ極，Ｓ極となるよう設置されるとともに、ロータ１２０の主面の周方向に交互に同数ずつ（ここでは８個ずつ。）配置されている。これにより、ロータ１２０の主面の周方向には交互にＮ極とＳ極とが現れ、その極数（永久磁石群１２２の極数）は永久磁石１２１ａ，１２１ｂの全個数（ここでは１６個。）に等しくなる。

図２（ｂ）にはステータコア１４０のロータ１２０対向面の平面図を示している。また、図３はステータコア１４０の外形を示す斜視図である。なお、図１に示したステータコア１４０の絵は、図３のＡ−Ａ'線断面図となっている。また、図２（ｂ），図３の上側が図１の左側に対応している。

図３に示すように、ステータコア１４０はドーナツ形状の部材である。ステータコア１４０は、ケース１３０に固定されたベース１４１と、ベース１４１からロータ１２０側に向けて突出している複数（ここでは１２個。）のティース１４２とを有している。なお、ベース１４１は金属材料で、各ティース１４２は軟磁性材料でそれぞれ作られており、力学的、化学的接合法によって互いに固着している。各ティース１４２はティース間スロット１４３によって互いに分離されている。各ティース１４２は互いに同形であり、ステータコア１４０のロータ１２０対向面の周方向に等間隔で配置されている。

各ティース１４２にはそれぞれコイル１５０が巻回される（図１参照）。各コイル１５０に方向を適宜切り替えながら電流を流した場合、ステータコア１４０に回転磁界が生じ、その回転磁界に追従するようにしてロータ１２０及びシャフト１１０が回転する。これにより、アキシャル型回転機１００はモータとして機能する。一方、シャフト１１０を外力によって回転させると、電磁誘導作用によって各コイル１５０に電流が流れる。これにより、アキシャル型回転機１００はジェネレータとしても機能する。

図２（ｂ）及び図３に示すように、各ティース１４２の上面（ロータ１２０対向面）には、ラジアル（放射）方向に加工されたティース上スロット１４４が同数ずつ設けられている（したがって、スロット１４４の数はティース１４２の数の自然数倍になる。）。そして、各スロット１４４は、ステータコア１４０のロータ１２０対向面の周方向に、スロット１４３と合わせて等間隔となるよう配置されている。

ティース１４２の数Ｓ（＝スロット１４３の数）、スロット１４４の数Ｓ'、及び永久磁石群１２２の極数Ｐは、次の式（１）を満たすように決定される。なお、ＬＣＭ（ｘ，ｙ）は変数ｘと変数ｙの最少公倍数を求める関数である。
ＬＣＭ（Ｓ'＋Ｓ，Ｐ）＞ＬＣＭ（Ｓ，Ｐ）・・・（１）

図２の例では、式（１）の左辺＝ＬＣＭ（２４＋１２，１６）＝１４４であり、式（１）の右辺＝ＬＣＭ（１２，１６）＝４８であるので、式（１）が満たされている。

スロット１４４の深さ（＝Ｓｌｉｔとする。）は、上記ＧＡＰの値によらず、Ｓｌｉｔ≧１ｍｍとすることが好適である。Ｓｌｉｔの値をこのようにすることで、十分なコギングトルク低減効果（スロットがない場合に比べて８割以上の低減）を得ることが可能になる。以下、この点について、シミュレーション結果を参照しながら詳しく説明する。なお、以下のシミュレーションでは、Ｓ＝１２、Ｓ'＝２４、Ｐ＝１６とし、アキシャル型回転機１００としては半径５０ｍｍのものを用いた。

以下では、まずシミュレーション結果を列挙し、その後Ｓｌｉｔの値の最適値について説明する。

初めに、図４は、ＧＡＰを０．７８ｍｍに固定し、Ｓｌｉｔの値を振った場合における回転角度（°）とコギングトルク（Ｎ・ｍ）の関係についてのシミュレーション結果を示す図である。なお、同図には、６種類のＳｌｉｔ（０ｍｍ，０．７８ｍｍ，１ｍｍ，１．５ｍｍ，２ｍｍ，４ｍｍ）についてシミュレーションを行った結果を示している。

このシミュレーション結果では、図４に示されるように、回転角度７．５°（一周３６０°の１／４８）の間に上下各１つ、計２つのコギングトルクの大ピークと、大ピーク間に３つずつの小ピークがある。大ピークは、図４の場合と同様、ＬＣＭ（Ｓ，Ｐ）＝ＬＣＭ（１２，１６）＝４８であることに対応しており、小ピークは、ＬＣＭ（Ｓ'＋Ｓ，Ｐ）＝ＬＣＭ（１２＋２４，１６）＝１４４（＝４８×３）であることに対応している。

図４のシミュレーション結果から、Ｓｌｉｔごとにコギングトルクの最大値（ピークトゥーピーク値）とコギングトルク比率をまとめると、表１のようになる。なお、コギングトルク比率は、スロット１４４を設けない場合（Ｓｌｉｔ＝０）を１００％とする百分率で示している。

次に、図５は、ＧＡＰを１ｍｍに固定し、Ｓｌｉｔの値を振った場合における回転角度（°）とコギングトルク（Ｎ・ｍ）の関係についてのシミュレーション結果を示す図である。なお、同図には、５種類のＳｌｉｔ（０ｍｍ，０．７８ｍｍ，１ｍｍ，１．５ｍｍ，２ｍｍ）についてシミュレーションを行った結果を示している。この場合のピーク数は図４の場合と同様である。

図５のシミュレーション結果から、Ｓｌｉｔごとにコギングトルクの最大値（ピークトゥーピーク値）とコギングトルク比率をまとめると、表２のようになる。なお、コギングトルク比率は、スロット１４４を設けない場合（Ｓｌｉｔ＝０）を１００％とする百分率で示している。

次に、図６は、ＧＡＰを２ｍｍに固定し、Ｓｌｉｔの値を振った場合における回転角度（°）とコギングトルク（Ｎ・ｍ）の関係についてのシミュレーション結果を示す図である。なお、同図には、５種類のＳｌｉｔ（０ｍｍ，０．７８ｍｍ，１ｍｍ，１．５ｍｍ，２ｍｍ）についてシミュレーションを行った結果を示している。この場合のピーク数も図４の場合と同様である。

図６のシミュレーション結果から、Ｓｌｉｔごとにコギングトルクの最大値（ピークトゥーピーク値）とコギングトルク比率をまとめると、表３のようになる。なお、コギングトルク比率は、スロット１４４を設けない場合（Ｓｌｉｔ＝０）を１００％とする百分率で示している。

さて、以上のシミュレーション結果を参照すると、表１，表２，表３いずれにおいても、Ｓｌｉｔの値が１ｍｍ以上になると、コギングトルク比率が２０％以下となっていることが分かる。このことから、スロットがない場合に比べて８割以上のコギングトルク低減率を得るためには、Ｇａｐの値によらず、Ｓｌｉｔの値を１ｍｍ以上とすればよいことが分かる。すなわち、Ｓｌｉｔの値の最適値は１ｍｍ以上となる。

なお、表１において、Ｓｌｉｔ＝２ｍｍのコギングトルク比率７．９９％とＳｌｉｔ＝４ｍｍのコギングトルク比率８．０８％とを比べると、Ｓｌｉｔ＝４ｍｍのコギングトルク比率８．０８％の方が大きくなっている。このように、Ｓｌｉｔの値がある程度以上大きくなると、Ｓｌｉｔの値を大きくしてもコギングトルク比率はほとんど変化しなくなる。一方で、Ｓｌｉｔの値を大きくすればするほどティース１４２の物理的強度が弱くなるので、Ｓｌｉｔの値は、１ｍｍ以上の範囲で、あまり大きくない値（ティース１４２の物理的強度が十分に確保できる程度の値）に抑えることが好ましい。

以上、本発明の好ましい実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に何等限定されるものではなく、本発明が、その要旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施され得ることは勿論である。

例えば、上記実施の形態では、ステータコア１４０を１つだけ備えるアキシャル型回転機１００（シングルギャップ型という。）を取り上げて説明したが、ステータコア１４０を２つ備えるアキシャル型回転機（デュアルギャップ型という。）にも本発明は適用可能である。以下、デュアルギャップ型のアキシャル型回転機について簡単に説明する。

図７は、デュアルギャップ型のアキシャル型回転機２００を軸方向に切断した断面図である。同図に示すように、アキシャル型回転機２００は、同図に示したＹ軸を中心に回転自在に構成されたシャフト２１０及びロータ２２０と、ケース２３０に固定されて回転しないステータコア２４０及びステータコア２５０とを備えている。

ロータ２２０では永久磁石群２２２が貫通しており、主面及びその反対面の両面ともに、周方向に交互にＮ極とＳ極とが現れる。ステータコア２４０及びステータコア２５０それぞれの構造はステータコア１４０と同様であるが、それぞれロータ２２０の両側に微小な間隙を介して配置される。

以上の構成により、各ステータコアの各ティースに巻回されたコイルに方向を適宜切り替えながら電流を流した場合、各ステータコアに回転磁界が生じ、その回転磁界に追従するようにしてロータ２２０及びシャフト２１０が回転する。これにより、アキシャル型回転機２００はモータとして機能する。一方、シャフト２１０を外力によって回転させると、電磁誘導作用によって上記各コイルに電流が流れる。これにより、アキシャル型回転機２００はジェネレータとしても機能する。

このようなアキシャル型回転機２００においても、ステータコア２４０及びステータコア２５０に上記実施の形態で説明したような１ｍｍ以上の深さのティース上スロットを設けることにより、Ｇａｐによらず十分なコギングトルク低減効果（スロットがない場合に比べて８割以上の低減）を得ることが可能になる。

本発明の好ましい実施の形態によるアキシャル型回転機を軸方向に切断した断面図である。（ａ）は本発明の好ましい実施の形態によるロータの主面の平面図である。（ｂ）は本発明の好ましい実施の形態によるステータコアのロータ対向面の平面図である。本発明の好ましい実施の形態によるステータコアの外形を示す斜視図である。本発明の好ましい実施の形態によるロータ−ステータコア間の間隙の幅を０．７８ｍｍに固定し、ティース上スロットの深さを振った場合における回転角度（°）とコギングトルク（Ｎ・ｍ）の関係についてのシミュレーション結果を示す図である。本発明の好ましい実施の形態によるロータ−ステータコア間の間隙の幅を１ｍｍに固定し、ティース上スロットの深さを振った場合における回転角度（°）とコギングトルク（Ｎ・ｍ）の関係についてのシミュレーション結果を示す図である。本発明の好ましい実施の形態によるロータ−ステータコア間の間隙の幅を２ｍｍに固定し、ティース上スロットの深さを振った場合における回転角度（°）とコギングトルク（Ｎ・ｍ）の関係についてのシミュレーション結果を示す図である。本発明の好ましい実施の形態によるデュアルギャップ型のアキシャル型回転機を軸方向に切断した断面図である。本発明の背景技術によるアキシャル型回転機の構成例を示す図である。

符号の説明

１００シングルギャップ型のアキシャル型回転機
１１０，２１０シャフト
１１１ベアリング
１２０，２２０ロータ
１２１ａ，１２１ｂ永久磁石
１２２，２２２永久磁石群
１３０，２３０ケース
１３１枠
１４０，２４０，２５０ステータコア
１４１ベース
１４２ティース
１４３ティース間スロット
１４４ティース上スロット
１５０コイル
２００デュアルギャップ型のアキシャル型回転機

Claims

回転軸に垂直な主面内の周方向に交互にＮ極とＳ極とが現れるようにした永久磁石群を有するロータと、コイルが巻回された複数のティースを有し、各ティースは前記主面に対向して設けられるステータコアとを備え、
前記ティースのロータ対向面にラジアル方向に加工されたスロットを有し、
前記スロットの深さが１ｍｍ以上であることを特徴とするアキシャル型回転機。
前記スロットの数は前記ティースの数の自然数倍であり、かつ前記スロットの数及び前記ティースの数の合計値と前記永久磁石群の極数との最少公倍数は、前記ティースの数と前記永久磁石群の極数との最少公倍数より大きいことを特徴とする請求項１に記載のアキシャル型回転機。