JP2010004635A - 界磁子及びその製造方法並びに回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】透磁率が高く、また、鉄損の少ない界磁子を提供する。
【解決手段】アキシャルギャップ型回転電機１０は、回転軸５０ａの周囲で回転する界磁子２０と、回転軸５０ａ上で界磁子２０に対向する電機子３０とを備える。界磁子２０は界磁発生部２８を有する。界磁発生部２８は、永久磁石２２及びこれを電機子３０側から覆う回転磁心２４を有する。回転磁心２４はそれが設けられた位置において回転軸５０ａに垂直に積層された弧状の鋼板で構成される。回転磁心２４の電機子３０側における磁極面２１ａの、回転軸５０ａを中心とした外径は、電機子３０の磁極の外径に、鋼板の厚さの２倍を加算した値よりも大きい。
【選択図】図１

Description

この発明は界磁子に関し、特にアキシャルギャップ型回転電機に採用される界磁子の構成に関する。

薄型化しても高出力や高効率が実現できる、アキシャルギャップ型モータが近年注目されている。しかし、高出力であるために、電流を多く流せば減磁界も増大する。よって界磁子に磁石を有する場合、磁石を電機子側から覆う磁性体を設けることがある（例えば特許文献１）。

特開２００７−２６７５９８号公報 特開平１−１７４２４８号公報 特開２００６−３５３０７８号公報

この磁性体を、従来のラジアルギャップ型モータのヨークのように、電磁鋼板を回転軸に平行な方向（以下「回転軸方向」と称す）に沿って積層して形成することは望ましくない。当該磁性体を通る界磁磁束は、回転軸を中心とした周方向の成分を有するものの、電機子へと向かう回転軸方向の成分を主としている。そして回転軸方向に沿って積層された電磁鋼板は、界磁磁束の回転軸方向成分に対して大きな磁気抵抗を与えることになる。

このような問題を解決する方法として、たとえば当該磁性体に圧粉鉄心を用いることが考えられる。しかし圧粉鉄心は透磁率が低い。また、他の構造体と当該磁性体とを接合するのに採用される手法では、焼きばめや圧入など強い応力がかかったり、溶接など入熱が大きかったりするため、圧粉鉄心を当該磁性体に用いることは適していない。

そこで本発明においては、アキシャルギャップ型モータにおける磁束の流れに適応して、透磁率が高く、また、鉄損の少ない界磁子（ひいては回転電機）を、簡単な方法にて提供するものである。

この発明にかかる界磁子の第１の態様は、回転軸（５０ａ）の周囲で回転する界磁子（２０）であって、前記回転軸の周囲で周方向に複数個配置され、その各々が前記回転軸に沿った方向である回転軸方向の一方側に呈する第１磁極面と、前記回転軸方向の他方側に呈する第２磁極面とを有する永久磁石（２２）と、前記第１磁極面を前記一方側から覆って設けられた第１の磁性体（２４）とを備える。前記第１の磁性体は、前記回転軸に沿って見て前記回転軸に対して凹となる弧状の鋼板（９１）の複数を有し、前記鋼板は、その属する前記第１の磁性体が設けられた位置において前記回転軸に垂直に積層される。

この発明にかかる界磁子の第２の態様は、その第１の態様であって、前記第１の磁性体（２４）の前記永久磁石（２２）側の外径（ｒｏ３；ｒｏ４）は、前記永久磁石の前記磁性体側の外径（ｄｏ３；ｄｏ４）に対し、前記鋼板（９１）の厚み（ｔ）の２倍以上大きい。

この発明にかかる界磁子の第３の態様は、その第１の態様であって、前記第１の磁性体（２４）の前記永久磁石（２２）側の外径（ｒｏ３；ｒｏ４）は、前記永久磁石の前記磁性体側の外径（ｄｏ３；ｄｏ４）に対し、前記鋼板（９１）の厚みの３倍以上大きい。

この発明にかかる界磁子の第４の態様は、その第１乃至第３の態様のいずれかであって、前記第１の磁性体（２４）の前記永久磁石（２２）側の内径（ｒｉ３；ｒｉ４）は、前記永久磁石の前記磁性体側の内径（ｄｉ３；ｄｉ４）に対し、前記鋼板（９１）の厚み（ｔ）の２倍以上小さい。

この発明にかかる界磁子の第５の態様は、その第１乃至第３の態様のいずれかであって、前記第１の磁性体（２４）の前記永久磁石（２２）側の内径（ｒｉ３；ｒｉ４）は、前記永久磁石の前記磁性体側の内径（ｄｉ３；ｄｉ４）に対し、前記鋼板（９１）の厚みの３倍以上小さい。

この発明にかかる界磁子の第６の態様は、その第１乃至第５の態様のいずれかであって、前記鋼板（９１）の前記回転軸に垂直な面内での曲率半径（ｒｉ０；ｒｏ０）は、その前記回転軸（５０ａ）からの距離（ｒｉ１；ｒｏ１）よりも小さい。

この発明にかかる界磁子の第７の態様は、その第１乃至第６の態様のいずれかであって、前記回転軸（５０ａ）の周囲で前記第１の磁性体（２４）と前記周方向に交互に配置される第２の磁性体（２９）を更に備える。

この発明にかかる界磁子の第８の態様は、その第７の態様であって、前記第２の磁性体（２９）は積層された複数の鋼板を有する。

この発明にかかる回転電機の第１の態様は、この発明にかかる界磁子の第１乃至第８の態様のいずれかと、電機子巻線（３６）が巻回されて前記回転軸（５０ａ）の周囲に複数個配置されたティース（３８）を有し、前記ティースを前記界磁子へと前記一方側から対向させる電機子（３０）とを備える回転電機（１０）である。そして前記磁性体（２４）の前記ティース側の外径（ｒｏ１；ｒｏ２）は、前記ティースの前記磁性体側の外径（Ｒｏ１；Ｒｏ２）に対し、前記鋼板（９１）の厚み（ｔ）の２倍以上大きい。

この発明にかかる回転電機の第２の態様は、その第１の態様であって、前記磁性体（２４）の前記ティース側の外径（ｒｏ１；ｒｏ２）は、前記ティースの前記磁性体側の外径（Ｒｏ１；Ｒｏ２）に対し、前記鋼板（９１）の厚み（ｔ）の３倍以上大きい。

この発明にかかる回転電機の第３の態様は、この発明にかかる界磁子の第１乃至第８の態様のいずれかと、電機子巻線（３６）が巻回されて前記回転軸（５０ａ）の周囲に複数個配置されたティース（３８）を有し、前記ティースを前記界磁子へと前記一方側から対向させる電機子（３０）とを備える回転電機（１０）である。そして前記磁性体（２４）の前記ティース側の内径（ｒｉ１；ｒｉ２）は、前記ティースの前記磁性体側の内径（Ｒｉ１；Ｒｉ２）に対し、前記鋼板（９１）の厚み（ｔ）の２倍以上小さい。

この発明にかかる回転電機の第４の態様は、その第３の態様であって、前記磁性体（２４）の前記ティース側の内径（ｒｉ１；ｒｉ２）は、前記ティースの前記磁性体側の内径（Ｒｉ１；Ｒｉ２）に対し、前記鋼板（９１）の厚み（ｔ）の３倍以上小さい。

この発明にかかる回転電機の第５の態様は、その第１乃至第４の態様のいずれかであって、前記ティース（３８）は鋼板を巻いて形成した円環状の巻きコア以外の構造を採る。

この発明にかかる界磁子の製造方法の第１の態様は、この発明にかかる界磁子の第６の態様を製造する方法であって、（ａ）前記鋼板（９１）を巻いて形成した円環状の巻きコア（２４０）を形成する工程と、（ｂ）前記巻きコアを径方向に沿った切断位置（２４１）で切断して前記第１磁性体を切り出す工程とを備える。

この発明にかかる界磁子の製造方法の第２の態様は、その第１の態様であって、（ｃ）前記工程（ａ）後、前記工程（ｂ）前に、前記切断位置（２４１）の前記周方向における両側の位置（２４２）において前記鋼板（９１）同士を溶接する工程を更に備える。

この発明にかかる界磁子の製造方法の第３の態様は、その第２の態様であって、前記工程（ｃ）において溶接される前記位置（２４２）は、前記永久磁石（２２）よりも前記周方向において外側にある。

この発明にかかる界磁子の製造方法の第４の態様は、その第１の態様であって、（ｃ）前記工程（ａ）後、前記工程（ｂ）前に、前記鋼板（９１）同士を絶縁体で固着する工程を更に備える。

この発明にかかる界磁子の製造方法の第５の態様は、この発明にかかる界磁子の第８の態様を製造する方法であって、（ａ）前記鋼板（９１）を巻いて形成した円環状の巻きコア（２４０）を形成する工程と、（ｂ）前記巻きコアを放射状の切断位置（２４３）で切断し、前記第１磁性体と前記第２磁性体とを切り出す工程とを備える。

この発明にかかる界磁子の製造方法の第６の態様は、その第５の態様であって、前記鋼板の巻き端は前記第１磁性体に含められる。

この発明にかかる界磁子の第１の態様によれば、当該界磁子の一方側に電機子を配置して回転電機を構成することができる。しかも永久磁石は当該電機子から供給される磁界から第１磁性体によって遮蔽されるので、当該永久磁石の減磁を低減できる。更に第１磁性体は弧状の鋼板が積層されているので、鋼板を巻いて形成した円環状の巻きコアを分断して容易に作製できる。

この発明にかかる界磁子の第２の態様及び第４の態様並びに回転電機の第１の態様及び第３の態様によれば、円環状の巻きコアの径方向端部においては磁気抵抗が大きくなる傾向がある。これは鋼板の不連続性、あるいは巻きコアから鋼板が剥がれないように止める溶接による歪みに起因する。当該界磁子によれば、このような磁気抵抗が大きくなる位置を、磁束が通ることを回避する。

この発明にかかる界磁子の第３の態様及び第５の態様並びに回転電機の第２の態様及び第４の態様によれば、円環状の巻きコアの鋼板の値の公差は板厚程度となるので、円環状の巻きコアの径方向端部における磁気抵抗が大きい位置を、磁束が通ることを回避する効果が高い。

この発明にかかる界磁子の第６の態様及び界磁子の製造方法の第１の態様によれば、円環状の巻きコアを分断して第１の磁性体を容易に作製できる。

この発明にかかる界磁子の第７の態様によれば、いわゆるｑ軸インダクタンスを高め、リラクタンストルクを利用するモータの実現に資する。

この発明にかかる界磁子の第８の態様及び界磁子の製造方法の第５の態様によれば、第２の磁性体を第１の磁性体と同じ鋼板を用いて製造することで材料の無駄を低減する。

この発明にかかる回転電機の第５の態様によれば、ティースと第１の磁性体との間の位置関係を複雑にしない。

この発明にかかる界磁子の製造方法の第２の態様及び第４の態様によれば、巻きコアを切断した後に鋼板が剥がれることを防止する。

この発明にかかる界磁子の製造方法の第１３態様によれば、溶接に起因して溶接位置で第１磁性体に変形が生じても、当該変形は第１磁性体が永久磁石を覆う邪魔にならない。

この発明にかかる界磁子の製造方法の第６の態様によれば、第１磁性体と比較して細くなる第２磁性体の、径方向端部における鋼板の強度不足を防止する。

本発明が適用される回転電機の構成．
図１は本発明を適用可能なアキシャルギャップ型回転電機１０を示す分解斜視図であり、回転軸５０ａに沿って分解して構成を示している。図２は同回転電機を示す側面図であり、図３は同回転電機を示す斜視図であり、図４は同回転電機を概念的に示す断面図である。図２〜図４は回転軸５０ａ方向に分解して描いてはいない。ここではアキシャルギャップ型回転電機１０として、３相交流で駆動される構成を例示した。アキシャルギャップ型回転電機１０は、例えば冷媒を圧縮する圧縮機の駆動源として採用される。

アキシャルギャップ型回転電機１０は、回転子として機能する界磁子２０と、固定子として機能する電機子３０とを備えている。回転子２０は略円盤状に形成されており、電機子３０も略円盤状に形成されている。

図４を参照して、界磁子２０はシャフト５０に固定され、回転軸５０ａ周りに回転自在に配設されている。図１〜図３ではシャフト５０の図示を省略している。

界磁子２０は回転軸５０ａの周囲に配置される界磁発生部２８を有しており、界磁発生部２８の各々は、電機子３０に対向する磁極面２１ａを呈している。

具体的には界磁子２０は、回転軸５０ａ周りに間隔をあけて複数の永久磁石２２を有している。各永久磁石２２は、回転軸５０ａ周りのドーナツ板状部材を複数（ここでは８つ）に分割した形状、即ち、回転軸５０ａ周りに延びる弧状かつ帯状の板形状に形成されている。各永久磁石２２は、回転軸５０ａに沿った方向、即ち、永久磁石２２の厚み方向に着磁されている。これらの永久磁石２２は、回転軸５０ａの周囲で環状かつ交互の磁極を呈するように配設されている。

電機子３０は、回転軸５０ａ方向において界磁子２０に対してギャップを隔てて対向するように配設されている。電機子３０は図示省略のケーシング等に固定されている。

電機子３０は、バックヨーク３２と、複数のティース３４と、複数のコイル３６とを有している。

バックヨーク３２は、磁性体によって構成されており、略中央部に孔部３２ｈが形成された略円盤板状に形成されている。孔部３２ｈは、シャフト５０の端部が、電機子３０の非貫通な位置に設けられている場合は必須ではない。バックヨーク３２は、圧粉鉄心、積層された電磁鋼板等のいずれで形成されていてもよい。このバックヨーク３２は、ティース３４を、上記界磁子２０とは反対側で支持している。

各ティース３４は、バックヨーク３２の界磁子２０側の面に、回転軸５０ａ周りの周方向に沿って間隔をあけて環状に配設されている。各ティース３４は、回転軸５０ａと略直交する平面において、２等辺三角形状の各頂点を丸めた形状を有する板状に形成されており、回転軸５０ａから外方向に向けて順次幅広になる姿勢で配設されている。このティース３４は、圧粉鉄心、積層電磁鋼板等のいずれで形成されていてもよい。なお、互いに周方向に隣接する各ティース３４間は、略等間隔である。

各コイル３６は、各ティース３４に巻回されている。なお、各コイル３６同士を結線する渡り配線部３７は、第１バックヨーク３２の略中央部であって界磁子２０側の部分に設けられている。また、この渡り配線部３７からの外部配線３７ａは、孔部３２ｈを通って外部に引き出されている。

本願で特に断らない限り、コイルは、これを構成する導線の一本一本を指すのではなく、導線が一纏まりに巻回された態様を指す。これは図面においても同様である。また、巻き始め及び巻き終わりの引き出し線、及びそれらの結線も図面においては省略した。

シャフト５０は界磁子２０を回転自在に支持しており、電機子３０に達しない程度の長さに形成されているため、バックヨーク３２の略中央部であって界磁子２０側の部分に結線用の空間を設けることができる。

なお、各コイル３６同士を結線する渡り配線部３７は、各ティース３４及びコイル３６の外周側に設けられてもよく、この渡り配線部３７からの外部配線３７ａも、バックヨーク３２の外側または、バックヨーク３２の外側に設けられた切り欠き等を通して外部に引き出されてもよい。

電機子３０では、各ティース３４の界磁子２０側の面に幅広磁心３８がそれぞれ設けられている。各幅広磁心３８は、回転軸５０ａと略直交する平面において、ティース３４よりも大きな広がりを有する板状に形成されている。

幅広磁心３８は、電機子３０と界磁子２０との対向面積を増す機能を果す。よって界磁子２０と電機子３０との間で、磁束密度の向上を図ることができる。また幅広磁心３８は、界磁子２０に対する電機子３０の平面度を高めることにも資するので、界磁子２０と電機子３０との間の実質的なギャップ長をより小さくできる。但し各幅広磁心３８は必ずしも必須ではないし、幅広磁心３８がティース３４と一体化されていてもよい。

ここでは各幅広磁心３８はティース３４毎に分離して設けられている。この態様の他、電機子３０の内周側と外周側で薄肉の連結部により連結されることにより、全ての幅広磁心３８を一体物として取扱ってもよい。もっとも、当該連結部は、各幅広磁心３８間で容易に磁気飽和するように、薄肉に仕上げる等、十分に断面積が小さくなるように形成されている。つまり連結部３８によって機構的には連結されているものの、各幅広磁心３８は磁気的には実質的に分離されるのである。

負荷が電機子３０側に設けられる場合、シャフト５０が電機子３０を貫通すべく、電機子３０の孔部３２ｈはシャフト５０の外形よりも大きく設定される。また渡り配線部３７の占める位置がシャフト５０の占める位置と干渉しないように、渡り配線は電機子３０の外周側に配置することが望ましい。

各永久磁石２２の電機子３０側には、磁性体たる回転子磁心２４が設けられている。各回転子磁心２４は、各永久磁石２２の形状に対応する弧状かつ帯状の板形状に形成されており、永久磁石２２の一方面に重ね合せ状に配設されている。永久磁石２２の電機子３０側の磁極面は、回転子磁心２４によって実質的に電機子３０側に移動するので、永久磁石２２と回転子磁心２４とが相まって界磁発生部２８を構成していると把握できる。つまり回転子磁心２４の電機子３０側が磁極面２１ａを呈していることになる。

界磁子２０はバックヨーク２３をも有しており、この上で各永久磁石２２及び各回転子磁心２４が上記配設形態で保持される。バックヨーク２３は、永久磁石２２の電機子３０とは反対側の磁極面２１ｂを磁気的に連結する。

バックヨーク２３は孔２３ｈを有しており、これにシャフト５０が貫通して固定されている。図１〜図３ではシャフト５０の図示を省略している。

電機子３０からの外部磁界によって界磁子２０に減磁界が作用した場合に、各回転子磁心２４によって、各永久磁石２２に作用する減磁界の影響を緩和し、もって、各永久磁石２２が減磁するのを防止している。永久磁石２２と回転子磁心２４とは例えば接着剤で固着される。

第１の実施の形態．
本実施の形態では回転子磁心２４の構成及び製造方法の好ましい態様について説明する。

図５は回転軸５０ａの周囲に配置された回転子磁心２４のみを取り出して示す斜視図である。回転子磁心２４は、回転軸５０ａに沿って見て、回転軸５０ａに対して凹となる、弧状の電磁鋼板の複数を有している。そしてこれらの電磁鋼板は、その属する回転子磁心２４が設けられた位置において回転軸５０ａに垂直に積層される。

これは次の理由による。つまり回転子磁心２４を通る界磁磁束は、回転軸５０ａを中心とした周方向の成分と、電機子１０（図１参照）へと向かう回転軸方向の成分とを有している。よってこれらの成分に対する磁気抵抗を小さくするためには、回転子磁心２４は回転軸５０ａに対する周方向及び回転軸方向の両方に延在する面において磁気障壁を有していない事が望ましい。よって透磁率の高い電磁鋼板を用い、かつ鉄損が小さな界磁子を得ることができる。また、一般的に、ティース３４一つ当たりに比べて、回転子磁心２４一つ当たりの中心角は大きい。従って、あるティース３４から回転子磁心２４を経由して、永久磁石２２を通ることなく他のティース３４へと戻る磁束が存在する。そして平板の電磁鋼板を積層して回転子磁心２４を形成すると、当該磁束は電磁鋼板の積層方向を通ることになり、渦電流損が増大する。しかしながら、かかる渦電流損は、弧状の電磁鋼板を積層することによって回避できる。

他方、例えば、ＰＷＭインバータ駆動によって電機子３０が発生させるキャリア高周波数成分の磁束は、永久磁石２２まで作用し難く、その磁束による渦電流は表皮効果によって回転子磁心２４の表面近傍で発生し易い。電機子３０から界磁子２０へと向かう磁束は回転軸方向に主たる成分を有しており、当該磁束によって回転子磁心２４に発生する渦電流は回転軸方向に垂直な面内に発生することになる。しかし、回転子磁心２４において電磁鋼板は径方向に積層されているため、回転子磁心２４は径方向に大きな電気抵抗を有しており、そのような高周波数成分の渦電流を有効に減少させることができる。永久磁石の渦電流損の低減は鉄損の低減に加え、ネオジム系の磁石など高温で減磁する材料を用いた場合における、永久磁石の発熱による熱減磁を防止できるという効果を有する。

また、回転子磁心２４は弧状の電磁鋼板が積層されているので、電磁鋼板を巻回して形成した円環状の巻きコアを分断して容易に作製できる。図６に当該巻きコア２４０の斜視図を、図７に平面図を、それぞれ示す。当該平面図は、巻きコア２４０を分断して得られる回転子磁心２４が環状に配置される中心となる回転軸５０ａ（図５参照）に垂直な面を示す。ここでは簡単のために電磁鋼板が巻回されている様子は図示していない。

図７において、巻きコア２４０は、その中心から内周までの距離（即ち内径）ｒｉ０と、その中心から外周までの距離（即ち外径）ｒｏ０とによって形状が定まる円環として表される。回転子磁心２４の製作には、まず、このように電磁鋼板を巻いて形成した円環状の巻きコア２４０を形成する。その後、巻きコア２４０を径方向に沿った切断位置２４１で切断して回転子磁心２４を切り出す。よって回転子磁心２４の内周端及び外周端は、それぞれ曲率半径ｒｉ０，ｒｏ０を有する。

図８は回転子磁心２４の配置を示す平面図であり、図５に示された構造を回転軸５０ａに沿って見た図に相当する。巻きコア２４０から切り出された回転子磁心２４は、巻きコア２４０の外側へと径方向にずれて配置される。よって回転子磁心２４の内径、即ち回転軸５０ａから内周端までの距離ｒｉ１は、内周端における回転子磁心２４の曲率半径ｒｉ０よりも大きい。同様にして、回転子磁心２４の外径、即ち回転軸５０ａから外周端までの距離ｒｏ１は、外周端における回転子磁心２４の曲率半径ｒｏ０よりも大きい。

上述のように、巻きコア２４０、及びこれから切り出された回転子磁心２４は、径方向に積層された電磁鋼板で形成されるので、回転軸に垂直な面内での電磁鋼板の曲率半径は、回転軸５０ａからの距離よりも小さいことになる。以上のように円環状の巻きコア２４０を分断して回転子磁心２４を容易に作製できる。

図９は回転子磁心２４を巻きコア２４０から切り出すときの、好ましい工程を説明する平面図であり、図７に相当する平面を示している。まず鋼板を巻いて円環状の巻きコア２４０を形成する。そして巻きコア２４０から回転子磁心２４を切り出す前に、切断位置２４１の周方向における両側の位置（以下「溶接位置」）２４２において電磁鋼板同士を溶接することが望ましい。巻きコア２４０を切断した後に電磁鋼板同士が剥がれることを防止するためである。図１０は溶接位置２４２において溶接された回転子磁心２４の一つを示す平面図である。

図１１は界磁発生部２８の構成を示す側面図であり、径方向に沿って見ている。当該構成において、溶接位置２４２は永久磁石２２よりも周方向において外側にある。これは溶接に起因して溶接位置２４２で回転子磁心２４に変形が生じても、当該変形は回転子磁心２４が永久磁石２２を覆う邪魔にならない点で好ましい。

なお、巻きコア２４０を形成後、回転子磁心２４を切り出す前に、積層された電磁鋼板同士を固着してもよい。たとえば電着塗装や粉体塗装してもよい。あるいは比較的粘度の小さいワニスを含浸、具体的には積層された電磁鋼板の間に浸透させてコーティングを行っても良い。このような電着塗装材料、粉体塗装材料、コーティング材としては、渦電流の低減の観点からは絶縁体が望ましい。

第２の実施の形態．
本実施の形態では、回転磁心２４の内径や外径の、永久磁石２２や電機子３０の寸法との好ましい関係について説明する。

図１２は、巻きコア２４０を形成する場合に必要な工程を示す図であり、電磁鋼板９１を巻回する軸方向に沿って見た平面図である。

電磁鋼板９１を渦巻き状に積層するためには、軸Ｑを中心とした半径ｒｉの円筒９０に電磁鋼板９１を巻き付けていく工程が必要である。即ち巻きコア２４０は最内周となる位置から外側へと順次に形成されることになる。電磁鋼板９１を巻きコア２４０の最外周となる位置から順に内側へと巻き込んで積層する工程は大きな困難を伴うからである。

そして上記の工程を実施すれば、円筒９０に最も近い電磁鋼板９１が円筒９０をほぼ一周して巻回することで第１層を形成した後、円筒９０とは反対側から第１層に電磁鋼板９１が更に巻回されて第２層を形成することになる。

この第２層の形成においては、円筒９０から見て第１層の端部に乗り上げる態様で電磁鋼板９１が巻回される。つまり、電磁鋼板９１が第１層から第２層へと向かう位置において、電磁鋼板９１の厚みｔで円筒９０から離れて第１層の端部へと至ることになる。そしてこのような乗り上げは、軸Ｑを中心とした径ｒｉと径ｒｉ＋ｔの間の領域で、第１層が存在しないギャップＧｉを形成してしまう。

図１３はギャップＧｉ近傍で電磁鋼板９１が積層される態様を拡大して部分的に示す平面図である。上述のように、回転磁心２４に流れる磁束は軸方向成分を除けばほぼ円周方向に沿って流れることになる。

そしてもし、巻きコア２４０の径ｒｉと径ｒｉ＋ｔの間の領域に、回転磁心２４として切り出された後に磁束Φｉが流れることになれば、第１層を流れていた磁束Φｉは大きな磁気抵抗を有する経路を流れることになる。即ち、第１層を流れていた磁束Φｉは、ギャップＧｉを経由するか、あるいは電磁鋼板９１同士の境界を超えて第２層の電磁鋼板９１へと流れ、当該電磁鋼板９１が第２層から第１層へと移るに従って再び第１層に流れることになる。

一方、電磁鋼板９１が第１層の端部に乗り上げることによって、円周方向から歪む現象は、電磁鋼板９１が積層される位置が外周側にあるほど緩和される。よって補助ヨークの最外周において積層された電磁鋼板９１はほぼ円周状を呈している。

しかしながら、その最外周の層（以下「最外層」と称す）の端部は、最外層と隣接して円筒９０側に近い側にある層の電磁鋼板９１とギャップを形成することになる。

図１４はかようなギャップＧｏ近傍で電磁鋼板９１が積層される態様を拡大して部分的に示す平面図である。

そしてもし、巻きコア２４０の径ｒｏと径ｒｏ−ｔの間の領域に、回転磁心２４として切り出された後に磁束Φｏが流れることになれば、最外層を流れていた磁束Φｏは大きな磁気抵抗を有する経路を流れることになる。即ち、最外層を流れていた磁束Φｏは、ギャップＧｏを経由するか、あるいは電磁鋼板９１同士の境界を超えて隣接する電磁鋼板９１へと流れ、当該電磁鋼板９１が最外層へと移るに従って再び最外層に流れることになる。

回転磁心２４において、このように磁気抵抗が大きい経路を磁束が通ることは、当該磁束がロータとステータとの間をも通って回転電機の動作に直接に影響することに鑑みれば、当然に望ましくない。また、積層方向に磁束が流れると渦電流が電磁鋼板９１の面内を流れ、渦電流損が増大する。

以上のように、円環状の巻きコア２４０の径方向端部のギャップＧｉ，Ｇｏにおいて磁束Φｉ，Φｏに対する磁気抵抗が大きくなる傾向がある。これは上述の電磁鋼板９１の不連続性の他、巻きコア２４０から電磁鋼板９１が剥がれないように止める溶接による歪みにも起因する。

そこで、本実施の形態では回転磁心２４の外径から内側へ向かって幅２ｔ〜３ｔ程度の領域、内径から外側へ向かって幅２ｔ〜３ｔ程度の領域に磁束が通ることを回避する配置を規定する。

図１５は回転磁心２４において永久磁石２２が配置される領域２２１を示す平面図である。第１の実施の形態で述べたように、溶接位置２４２は永久磁石２２よりも周方向において外側にあることが望ましいため、領域２２１は回転磁心２４において溶接位置２４２に挟まれて位置している。

また、上述のように、ギャップＧｉ，Ｇｏ（図１３、図１４参照）に界磁磁束が流れないように、領域２２１の外周端と回転磁心２４の外周端との距離Δｏ１、領域２２１の内周端と回転磁心２４の内周端との距離Δｉ１のいずれもが、幅２ｔ以上であることが望ましい。

図１６は回転磁心２４と幅広磁心３８との位置関係を示す平面図である。ギャップＧｉ，Ｇｏに磁束が流れないように、幅広磁心３８の最外周と回転磁心２４の外周端との距離Δｏ２、幅広磁心３８の最内周と回転磁心２４の内周端との距離Δｉ２のいずれもが、幅２ｔ以上であることが望ましい。

なお、電磁鋼板９１を渦巻き状に積層して形成される巻きコア２４０の径方向における公差は電磁鋼板９１の厚さｔ程度と考えられる。よってこの公差が存在し得ることを考えれば、磁気抵抗が大きい領域に磁束が通ることを回避する観点からは、距離Δｉ２，Δｉ１，Δｏ１，Δｏ２は幅３ｔ以上であることが望ましい。

図１７は界磁子２０の界磁発生部２８近傍を拡大して示す断面図であり、シャフト５０は側面図として描いている。

永久磁石２２の回転磁心２４側の面２１ｇは回転軸５０ａを基準として、内径ｄｉ３、外径ｄｏ３を呈している。また回転磁心２４の永久磁石２２側の面２１ｆは回転軸５０ａを基準として、内径ｒｉ３、外径ｒｏ３を呈している。図１５を用いて距離Δｉ１，Δｏ１についてなされた説明は、ｒｉ３＋２ｔ＜ｄｉ３＜ｄｏ３＜ｒｏ３−２ｔの関係が望ましく、更には回転磁心２４の径方向の公差を考慮して、ｒｉ３＋３ｔ＜ｄｉ３＜ｄｏ３＜ｒｏ３−３ｔの関係が望ましいことと同義である。

図１８は電機子３０のティース３４近傍を拡大して示す断面図であり、図１９は界磁子２０の界磁発生部２８近傍を拡大して示す断面図であり、図１８及び図１９においてシャフト５０は側面図として描いている。

幅広磁心３８の界磁子２０側の面は回転軸５０ａを基準として、内径Ｒｉ１、外径Ｒｏ１を呈している（図１８）。回転磁心２４の電機子３０側の面は磁極面２１ａとなっており、回転軸５０ａを基準として、内径ｒｉ１、外径ｒｏ１を呈している（図１９、図８）。
図１６を用いて距離Δｉ２，Δｏ２についてなされた説明は、ｒｉ１＋２ｔ＜Ｒｉ１＜Ｒｏ１＜ｒｏ１−２ｔの関係が望ましく、更には回転磁心２４の径方向の公差を考慮して、ｒｉ１＋３ｔ＜Ｒｉ１＜Ｒｏ１＜ｒｏ１−３ｔの関係が望ましいことと同義である。

本実施の形態で説明された好適な位置関係は、回転子を両側から固定子で挟む、いわゆるダブルステータ型のアキシャルギャップ形モータに適用することもできる。図２０はアキシャルギャップ型回転電機１０の他の構成を例示する斜視図であり、回転軸５０ａに沿って分解して示している。但し、回転電機の分野の通常の技術知識を有する者であれば、当該回転電機の構成を図２０から認識することができる。

当該構成においては、界磁子２０を回転軸５０ａに沿って界磁子２０両側から電機子３０及び固定子４０で挟む構成を採っており、固定子４０は電機子として機能する（例えば上述の特許文献２参照）。図２１は固定子４０の磁極近傍を拡大して示す断面図であり、図２２及び図２３は界磁子２０の界磁発生部２８近傍を拡大して示す断面図である。図２１乃至図２３においてシャフト５０は側面図として描いている。

固定子４０は電機子３０と同様の構成を採っており、具体的にはバックヨーク４２と、複数のティース４４と、複数のコイル４６とを有している。また図２０では幅広磁心３８と同様にして、幅広磁芯４８が設けられている場合を例示しているが、図２１では幅広磁芯４８を設けない場合を例示している。

バックヨーク４２はバックヨーク３２と同様に構成されており、略中央部に孔部４２ｈが形成された略円盤板状の磁性体が採用される。バックヨーク４２はティース４４を、界磁子２０とは反対側で支持している。固定子４０に対して界磁子２０と反対側に負荷が設けられない場合には、シャフト５０は固定子４０を貫通する必要がないので、バックヨーク４２に孔部４２ｈを設ける必要もない。

ティース４４も、ティース３４と同様に回転軸５０ａ周りの周方向に沿って間隔をあけて環状に配設されている。各コイル４６は、各ティース４４に巻回されている。

界磁子２０が固定子４０と対向することから、界磁子２０はバックヨーク２３を有さず、界磁発生部２８は永久磁石２２の固定子４０側に回転磁心２４と同様に形成された回転子磁心２５を有している。即ち回転子磁心２５は、回転軸５０ａに沿って見て、回転軸５０ａに対して凹となる、弧状の電磁鋼板の複数を有している。

各永久磁石２２及び各回転子磁心２４，２５は、非磁性体によって形成されるホルダ２６によって上記配設形態で保持され、シャフト５０もホルダ２６に固定される（図２２、図２３）。図２０ではホルダ２６及びシャフト５０の図示を省略している。

図２１を参照して、ティース４４の界磁子２０側の面は回転軸５０ａを基準として、内径Ｒｉ２、外径Ｒｏ２を呈している。図２２を参照して、回転磁心２５の固定子４０側の面は磁極面２１ｃとなっており、回転軸５０ａを基準として、内径ｒｉ２、外径ｒｏ２を呈している。よって図１８及び図１９で行った説明から明白なように、ｒｉ２＋２ｔ＜Ｒｉ２＜Ｒｏ２＜ｒｏ２−２ｔの関係が望ましく、更には回転磁心２５の径方向の公差を考慮して、ｒｉ２＋３ｔ＜Ｒｉ２＜Ｒｏ２＜ｒｏ２−３ｔの関係が望ましい。

図２３を参照して、永久磁石２２の回転磁心２５側の面２１ｄは回転軸５０ａを基準として、内径ｄｉ４、外径ｄｏ４を呈している。また回転磁心２５の永久磁石２２側の面２１ｅは回転軸５０ａを基準として、内径ｒｉ４、外径ｒｏ４を呈している。よって図１７で行った説明から明白なように、ｒｉ４＋２ｔ＜ｄｉ４＜ｄｏ４＜ｒｏ４−２ｔの関係が望ましく、更には回転磁心２５の径方向の公差を考慮して、ｒｉ４＋３ｔ＜ｄｉ４＜ｄｏ４＜ｒｏ４−３ｔの関係が望ましい。

図２４は、アキシャルギャップ型回転電機１０の更に他の構成を例示する斜視図であり、固定子４０は電機子としては機能せず、バックヨーク４２のみで構成されている。かかるアキシャルギャップ型回転電機１０では、磁極面２１ｂとバックヨーク４２との間の磁気的吸引力によって、回転軸５０ａに沿った方向での電機子３０と界磁子２０との磁気的な吸引力を相殺する。かかる技術は例えば上述の特許文献３に紹介されている。

このような構造のアキシャルギャップ型回転電機１０においても、永久磁石２２と回転磁心２４の間で、また回転磁心２４と幅広磁心３８との間で、上述の寸法関係が成立することが望ましいことは明白である。

第３の実施の形態．
本実施の形態では、いわゆるｑ軸インダクタンスを高める工夫について説明する。ｑ軸インダクタンスを高めることによって、いわゆるｄ軸インダクタンスとｑ軸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得やすくする。

図２５は本実施の形態が採用される界磁子２０の構成を示す斜視図である。界磁子２０は界磁発生部２８として上述の永久磁石２２及び各回転子磁心２４，２５を有している他、磁性体２９をも有している。界磁発生部２８と磁性体２９とは回転軸５０ａの周囲で交互に環状に配設されている。界磁発生部２８と磁性体２９とは、非磁性体のホルダ（図示省略）によって上記配設形態で保持され、図示されないシャフトも当該ホルダに固定される。

図２５においては永久磁石２２と各回転子磁心２４，２５とは回転軸５０ａから見てほぼ同じ形状を呈している。但し第１の実施の形態、第２の実施の形態で説明したような、永久磁石２２と各回転子磁心２４，２５の内径、外径、周方向の寸法についての関係が、満足されることが望ましい。

このように、回転軸５０ａの周囲で、磁性体たる回転磁心２４と周方向に交互に配置される磁性体２９を更に備えることにより、ｑ軸インダクタンスが高まる。よってこのような構成を採る界磁子２０を採用することにより、リラクタンストルクを利用するモータが実現できる。

磁性体２９は、圧粉磁心や、打ち抜かれた電磁鋼板を単に径方向に積層して形成してもよい。特に磁性体２９は、積層された複数の鋼板を有することが望ましい。磁性体２９を回転磁心２４と同じ鋼板を用いて製造することで、材料の無駄が低減するからである。

図２６は磁性体２９を製造する工程を示す平面図であり、巻きコア２４０をその中心軸に平行に見た図である。

磁性体２９は回転磁心２４と共に、巻きコア２４０から切り出して得られる。まず巻きコア２４０を、電磁鋼板９１を巻いて円環状に形成する（図１２参照）。その後、巻きコア２４０を放射状の切断位置２４３（図中一点鎖線で示す）で切断する。切断位置２４３の両側で、第１の実施の形態で説明したように、積層された鋼板同士を予め溶接しておくことが望ましい。

これにより、狭く隣接した切断位置２４３に挟まれた巻きコア２４０が磁性体２９として切り出され、それ以外の巻きコア２４０が回転磁心２４として切り出される。

なお、磁性体２９の軸方向の厚さは、回転磁心２４の軸方向の厚さと永久磁石２２の軸方向の厚さの和程度を有することが望ましい。この厚さを得るために、磁性体２９は、狭く隣接した切断位置２４３に挟まれた巻きコア２４０を更に径方向に延びた切断位置２４４（図中二点鎖線で示す）で切断し、切断された部位の二つを軸方向に重ねて配置してもよい。

図２７は磁性体２９の径方向端部の一方の近傍を拡大して示す平面図である。磁性体２９は回転磁心２４と比較して細くなる。よって、磁性体２９の、径方向端部における鋼板の強度不足を防止するためには、図２９で示されるような電磁鋼板９１の巻き端が磁性体２９に存在することは望ましくない。換言すれば、電磁鋼板９１の巻き端は回転磁心２４に含められることが望ましい。

変形．
幅広磁心３８，４８は回転軸５０ａ方向に積層された電磁鋼板、あるいは圧粉鉄心を採用することが望ましい。電磁鋼板を巻いて形成した円環状の巻きコア以外の構造を採ることにより、幅広磁心３８，４８と回転磁心２４，２５との間の位置関係を複雑にしないためである。

本発明が適用されるアキシャルギャップ型回転電機を示す分解斜視図である。 本発明が適用されるアキシャルギャップ型回転電機を示す側面図である。 本発明が適用されるアキシャルギャップ型回転電機を示す斜視図である。 本発明が適用されるアキシャルギャップ型回転電機を概念的に示す断面図である。 本発明の第１の実施の形態で採用される回転子磁心を示す斜視図である。 本発明の第１の実施の形態で採用される巻きコアを示す斜視図である。 巻きコアを示す平面図である。 回転子磁心の配置を示す平面図である。 回転子磁心を巻きコアから切り出すときの、好ましい工程を説明する平面図である。 溶接された回転子磁心の一つを示す平面図である。 界磁発生部の構成を示す側面図である。 本発明の第２の実施の形態で採用される工程を示す平面図である。 ギャップ近傍で電磁鋼板が積層される態様を拡大して示す平面図である。 ギャップ近傍で電磁鋼板が積層される態様を拡大して示す平面図である。 回転子磁心において永久磁石が配置される領域を示す平面図である。 回転子磁心と幅広磁心との位置関係を示す平面図である。 界磁発生部近傍を拡大して示す断面図である。 ティース近傍を拡大して示す断面図である。 界磁発生部近傍を拡大して示す断面図である。 アキシャルギャップ型回転電機の他の構成を例示する斜視図である。 固定子の磁極近傍を拡大して示す断面図である。 界磁発生部近傍を拡大して示す断面図である。 界磁発生部近傍を拡大して示す断面図である。 アキシャルギャップ型回転電機の更に他の構成を例示する斜視図である。 本発明の第３の実施の形態が採用される界磁子の構成を示す斜視図である。 本発明の第２の実施の形態で採用される工程を示す平面図である。 磁性体の径方向端部の一方の近傍を拡大して示す平面図である。

符号の説明

１０ アキシャルギャップ型回転電機
２０ 界磁子
２２ 永久磁石
２４，２５ 回転子磁心
２８ 界磁発生部
５０ａ 回転軸
３０ 電機子
９１ 電磁鋼板

Claims (19)

1. 回転軸（５０ａ）の周囲で回転する界磁子（２０）であって、
   前記回転軸の周囲で周方向に複数個配置され、その各々が前記回転軸に沿った方向である回転軸方向の一方側に呈する第１磁極面と、前記回転軸方向の他方側に呈する第２磁極面とを有する永久磁石（２２）と、
   前記第１磁極面を前記一方側から覆って設けられた第１の磁性体（２４）と
   を備え、
   前記第１の磁性体は、前記回転軸に沿って見て前記回転軸に対して凹となる弧状の鋼板（９１）の複数を有し、
   前記鋼板は、その属する前記第１の磁性体が設けられた位置において前記回転軸に垂直に積層された界磁子。
2. 前記第１の磁性体（２４）の前記永久磁石（２２）側の外径（ｒｏ３；ｒｏ４）は、前記永久磁石の前記磁性体側の外径（ｄｏ３；ｄｏ４）に対し、前記鋼板（９１）の厚み（ｔ）の２倍以上大きい、請求項１記載の界磁子。
3. 前記第１の磁性体（２４）の前記永久磁石（２２）側の外径（ｒｏ３；ｒｏ４）は、前記永久磁石の前記磁性体側の外径（ｄｏ３；ｄｏ４）に対し、前記鋼板（９１）の厚みの３倍以上大きい、請求項１記載の界磁子。
4. 前記第１の磁性体（２４）の前記永久磁石（２２）側の内径（ｒｉ３；ｒｉ４）は、前記永久磁石の前記磁性体側の内径（ｄｉ３；ｄｉ４）に対し、前記鋼板（９１）の厚み（ｔ）の２倍以上小さい、請求項１乃至請求項３のいずれか一つに記載の界磁子。
5. 前記第１の磁性体（２４）の前記永久磁石（２２）側の内径（ｒｉ３；ｒｉ４）は、前記永久磁石の前記磁性体側の内径（ｄｉ３；ｄｉ４）に対し、前記鋼板（９１）の厚みの３倍以上小さい、請求項１乃至請求項３のいずれか一つに記載の界磁子。
6. 前記鋼板（９１）の前記回転軸に垂直な面内での曲率半径（ｒｉ０；ｒｏ０）は、その前記回転軸（５０ａ）からの距離（ｒｉ１；ｒｏ１）よりも小さい、請求項１乃至請求項５のいずれか一つに記載の界磁子。
7. 前記回転軸（５０ａ）の周囲で前記第１の磁性体（２４）と前記周方向に交互に配置される第２の磁性体（２９）を更に備える、請求項１乃至請求項６のいずれか一つに記載の界磁子。
8. 前記第２の磁性体（２９）は積層された複数の鋼板を有する、請求項７記載の界磁子。
9. 請求項１乃至請求項８のいずれか一つに記載の界磁子（２０）と、
   電機子巻線（３６）が巻回されて前記回転軸（５０ａ）の周囲に複数個配置されたティース（３８）を有し、前記ティースを前記界磁子へと前記一方側から対向させる電機子（３０）と
   を備える回転電機（１０）であって、
   前記磁性体（２４）の前記ティース側の外径（ｒｏ１；ｒｏ２）は、前記ティースの前記磁性体側の外径（Ｒｏ１；Ｒｏ２）に対し、前記鋼板（９１）の厚み（ｔ）の２倍以上大きい回転電機。
10. 前記磁性体（２４）の前記ティース側の外径（ｒｏ１；ｒｏ２）は、前記ティースの前記磁性体側の外径（Ｒｏ１；Ｒｏ２）に対し、前記鋼板（９１）の厚み（ｔ）の３倍以上大きい、請求項９記載の回転電機。
11. 請求項１乃至請求項８のいずれか一つに記載の界磁子（２０）と、
    電機子巻線（３６）が巻回されて前記回転軸（５０ａ）の周囲に複数個配置されたティース（３８）を有し、前記ティースを前記界磁子へと前記一方側から対向させる電機子（３０）と
    を備える回転電機（１０）であって、
    前記磁性体（２４）の前記ティース側の内径（ｒｉ１；ｒｉ２）は、前記ティースの前記磁性体側の内径（Ｒｉ１；Ｒｉ２）に対し、前記鋼板（９１）の厚み（ｔ）の２倍以上小さい回転電機。
12. 前記磁性体（２４）の前記ティース側の内径（ｒｉ１；ｒｉ２）は、前記ティースの前記磁性体側の内径（Ｒｉ１；Ｒｉ２）に対し、前記鋼板（９１）の厚み（ｔ）の３倍以上小さい、請求項１１記載の回転電機。
13. 前記ティース（３８）は鋼板を巻いて形成した円環状の巻きコア以外の構造を採る、請求項９乃至請求項１２のいずれか一つに記載の回転電機。
14. 請求項６記載の界磁子を製造する方法であって、
    （ａ）前記鋼板（９１）を巻いて形成した円環状の巻きコア（２４０）を形成する工程と、
    （ｂ）前記巻きコアを径方向に沿った切断位置（２４１）で切断して前記第１磁性体を切り出す工程と
    を備える界磁子の製造方法。
15. （ｃ）前記工程（ａ）後、前記工程（ｂ）前に、前記切断位置（２４１）の前記周方向における両側の位置（２４２）において前記鋼板（９１）同士を溶接する工程
    を更に備える、請求項１４記載の界磁子の製造方法。
16. 前記工程（ｃ）において溶接される前記位置（２４２）は、前記永久磁石（２２）よりも前記周方向において外側にある、請求項１５記載の界磁子の製造方法。
17. （ｃ）前記工程（ａ）後、前記工程（ｂ）前に、前記鋼板（９１）同士を絶縁体で固着する工程
    を更に備える、請求項１４記載の界磁子の製造方法。
18. 請求項８記載の界磁子を製造する方法であって、
    （ａ）前記鋼板（９１）を巻いて形成した円環状の巻きコア（２４０）を形成する工程と、
    （ｂ）前記巻きコアを放射状の切断位置（２４３）で切断し、前記第１磁性体と前記第２磁性体とを切り出す工程と
    を備える、界磁子の製造方法。
19. 前記鋼板の巻き端は前記第１磁性体に含められる、請求項１８記載の界磁子の製造方法。

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