JP2010268650A - アキシャルギャップ型回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】コイルを有さない固定子を有し、磁束が当該固定子を周方向に直線的に流れることができるアキシャルギャップ型回転電機を提供する。
【解決手段】回転電機は一つの回転子と第１及び第２の固定子とを備えている。第１及び第２の固定子は互いに反対側から回転子に対面している。第２の固定子はコイルを有さず、略円環状かつ板状のバックヨーク３１を有している。回転子は、周方向で略等間隔に配置され、第２の固定子と対面する磁極面２１ｂを呈する磁極部の複数を備えている。バックヨーク３１の内径Ｒｏは、一の磁極面２１ｂを周方向に二等分した一方側の部分領域２１２ｂの任意の点と、一の磁極面２１ｂと一方側で隣り合う二の磁極面２１ｂの他方側の部分領域２１１ｂの任意の点と、を結ぶ線分と、回転軸Ｑとの距離のうち最小距離ｒｉ１以下である。
【選択図】図３

Description

本発明は、アキシャルギャップ型回転電機に関し、特に電機子巻線が設けられない固定子の構成に関する。

特許文献１には、回転軸において一つの回転子の両側に２つの第１及び第２の固定子を設けたアキシャルギャップ型の回転電機が示されている。第１の固定子と回転子との間、及び第２の固定子と回転子との間にはそれぞれ間隙（エアギャップ）が設けられている。回転子は回転軸の周りで間隔を空けて複数の永久磁石が配置されている。永久磁石は第１固定子へと界磁磁束を与える。第１の固定子は電機子巻線を有し、回転子へと回転磁界を与える。第２の固定子は電機子巻線を有さず、実質的に固定子からの磁束を還流させるバックヨークとしての機能を果たす。第２の固定子は円環状かつ板状の形状を有している。

なお、本発明に関連する技術が特許文献２，３に記載されている。

特開２００８−１９９８１１号公報 特開２００８−２２０１２８号公報 特開２０００−２８７４２３号公報

しかしながら、特許文献１では、第２の固定子の内径と永久磁石の径方向の位置との関係についての考察が欠けている。

回転子から第２の固定子に至る磁束は第２の固定子の内部を周方向に流れるところ、磁束の低減という観点では、第２固定子の内部を周方向で直線的に流れることが望ましい。例えば回転子の内径と第２の固定子の内径が一致している場合、第２の固定子の最も内周側を通る磁束は内径に沿って弧状に流れるため、直線的に流れない。

そこで、本発明は、電機子巻線を有さない固定子を有するアキシャルギャップ型回転電機において、磁束が当該固定子を周方向に直線的に流れることができる構成を提供することを目的とする。

本発明にかかるアキシャルギャップ型回転電機の第１の態様は、回転軸（Ｐ）の周囲で回転する回転子（２０）と、前記回転軸上で相互に反対側から前記回転子に対して対向する電機子（１０）及び固定子（３０）と、を備え、前記回転子は、各々が前記電機子に対向する第１磁極面（２１ａ）と前記固定子に対向する第２磁極面（２１ｂ）とを呈して前記回転軸を中心とした周方向に略等間隔で配置される複数の磁極部（２１）を有し、前記第２磁極面は、前記第２磁極面の位置における前記回転軸を中心とした径方向を対称軸として線対称の所定形状を有し、前記電機子は電機子巻線（１２）を有し、前記固定子は電機子巻線を有さず、渦電流の低減処理が施された円環状の固定子磁心（３１）を有し、前記固定子磁心の内径（Ｒｏ）は、第１の前記複数の磁極部の前記第２磁極面の前記対称軸に対して前記周方向の一方側の部分領域（２１２ｂ）のうち任意の点と、前記第１の前記複数の磁極部と前記周方向の前記一方側で隣り合う第２の前記複数の磁極部の前記第２磁極面の前記対称軸に対して前記周方向の他方側の部分領域（２１１ｂ）のうち任意の点と、を結んだ線分と、前記回転軸との距離のうち最も小さい距離（ｒｉ１）以下である。

本発明にかかるアキシャルギャップ型回転電機の第２の態様は、第１の態様にかかるアキシャルギャップ型回転電機であって、前記固定子磁心（３１）の内径（Ｒｏ）は、前記第１の前記複数の磁極部（２１）の前記第２磁極面の任意の点と、前記第２の前記複数の磁極部の前記第２磁極面の任意の点とを結んだ線分と、前記回転軸（Ｑ）との距離のうち、最も小さい距離（ｒｉ２）以下である。

本発明にかかるアキシャルギャップ型回転電機の第３の態様は、第１又は第２の態様にかかるアキシャルギャップ型回転電機であって、前記固定子（３０）は前記回転子（２０）とは反対側で前記固定子磁心（３１）を補強する底部を含む補強部材（３２）を更に備える。

本発明にかかるアキシャルギャップ型回転電機の第４の態様は、第３の態様にかかるアキシャルギャップ型回転電機であって、前記補強部材（３２）は前記固定子磁心（３１）を前記回転軸（Ｑ）側から保持する内壁（３２ｂ）を更に備える。

本発明にかかるアキシャルギャップ型回転電機の第５の態様は、第４の態様にかかるアキシャルギャップ型回転電機であって、前記内壁（３２ｂ）は鉄である。

本発明にかかるアキシャルギャップ型回転電機の第６の態様は、第４又は第５の態様にかかるアキシャルギャップ型回転電機であって、前記補強部材（３２）は、前記回転子（２０）側から前記内壁（３２ｂ）に固定されて前記回転軸とは反対側に突出し、前記固定子磁心（３１）を前記回転子（２０）側から押さえる固定部材（３４）を更に備える。

本発明にかかるアキシャルギャップ型回転電機の第７の態様は、第６の態様にかかるアキシャルギャップ型回転電機であって、前記第２磁極面（２１ｂ）は前記回転軸（Ｑ）に対する径方向において前記固定部材（３４）に対して前記回転軸（Ｑ）よりも反対側に位置する。

本発明にかかるアキシャルギャップ型回転電機の第８の態様は、第７の態様にかかるアキシャルギャップ型回転電機であって、前記第２磁極面（２１ｂ）は、前記固定部材（３４）の前記回転子（２０）側の一方面に対して前記固定子磁心（３１）側に位置する。

本発明にかかるアキシャルギャップ型回転電機の第９の態様は、第１乃至第８の何れか一つの態様にかかるアキシャルギャップ型回転電機であって、前記磁極部（２１）は永久磁石（２２）を有し、前記永久磁石によって前記第２磁極面（２１ｂ）が呈される。

本発明にかかるアキシャルギャップ型回転電機の第１の態様によれば、第１の磁極部の第２磁極面を二等分した周方向の一方側の部分領域（以下、第１部分領域）と、第２の磁極部の第２磁極面を二等分した周方向の他方側の部分領域（以下、第２部分領域）との間には、固定子磁心を介して磁束が流れる。

第１部分領域からの磁束は、第１部分領域を回転軸に沿って固定子磁心に投影した第１領域へと流れる。第２部分領域からの磁束は、第２部分領域を回転軸に沿って固定子磁心に投影した第２領域へと流れる。

そして、固定子磁心の内径は、第１部分領域の任意の点と第２部分領域の任意の点とを結んだ線分と、回転軸との距離のうち最も小さい距離以下である。よって、第１領域の任意の点と第２領域の任意の点とを結ぶ直線のいずれの位置においても、固定子磁心を介在させることができる。

従って、第１領域と第２領域との間において磁束は直線的な最短距離で固定子磁心の内部を流れることができ、以って固定子磁心の内部での磁束の低減を抑制できる。

また例えば渦電流の低減処理が施されていない軟磁性体からなる補強部材が固定子磁心に対して回転軸側で固定子に接して配置されていたとしても、通常、磁束は補強部材を通らないので渦電流の発生を招かない。

本発明にかかるアキシャルギャップ型回転電機の第２の態様によれば、例えば一の磁極部と周方向の一方側で隣り合う磁極部が毀損し、一の磁極部が発生する磁束が全て周方向の他方側で隣り合う磁極部へと流れる場合であっても、磁束は固定子磁心の内部を直線的に流れることができる。

本発明にかかるアキシャルギャップ型回転電機の第３の態様によれば、固定子の強度を向上することができる。

本発明にかかるアキシャルギャップ型回転電機の第４の態様によれば、内壁によって固定子磁心を保持できると共に、内壁を固定子磁心の芯の基準として採用することができる。

本発明にかかるアキシャルギャップ型回転電機の第５の態様によれば、安価な鉄を用いることで製造コストを低減することができる。また固定子磁心の内径が請求項１を満たすので内壁には磁束が通りにくい。よって鉄による渦電流の発生を考慮しなくてもよい。

本発明にかかるアキシャルギャップ型回転電機の第６の態様によれば、底部と固定部材とが相まって固定子磁心を回転軸方向で固定している。よって、例えば固定子磁心と補強部材とを溶接で固定する場合に比べて、固定子磁心の特性劣化を回避できる。

本発明にかかるアキシャルギャップ型回転電機の第７の態様によれば、第２磁極面と固定子磁心との間を流れる磁束が固定部材を経由しにくい。よって、固定部材として、磁束に起因する渦電流の低減処理を施していない安価な金属などを用いることができる。

本発明にかかるアキシャルギャップ型回転電機の第８の態様によれば、第２磁極面と固定子磁心との間を流れる磁束がより固定部材を経由しにくい。また、固定部材の回転軸方向の厚みに依らずに、第２磁極面と固定子磁心との間の距離を設定できる。

本発明にかかるアキシャルギャップ型回転電機の第９の態様によれば、磁極部として永久磁石を採用しているので、回転電機の効率を向上、あるいはトルクを向上できる。

回転電機の概念的な構成の一例を示す斜視図である。 回転電機の径方向における概念的な断面を示す図である。 回転電機を軸方向から見た概念的な平面を示す図である。 回転電機を軸方向から見た概念的な平面を示す図である。 回転電機の他の一例を軸方向から見た概念的な平面を示す図である。 回転電機の他の一例を軸方向から見た概念的な平面を示す図である。 回転電機の他の一例の径方向における概念的な断面を示す図である。 固定子の一例の径方向における概念的な断面を示す図である。 固定子の他の一例の径方向における概念的な断面を示す図である。 固定子を回転子から見た概念的な平面を示す図である。 固定子の一例の径方向における概念的な断面を示す図である。 固定子の他の一例の径方向における概念的な断面を示す図である。 固定子の他の一例の径方向における概念的な断面を示す図である。 固定子の他の一例の概念的な斜視図である。 回転電機の他の一例の径方向における概念的な断面を示す図である。

第１の実施の形態．
図１，２に示すように、アキシャルギャップ型の回転電機１は、一つの回転子２０と、２つの固定子１０，３０とを備えている。回転子２０及び固定子１０は、それぞれ界磁子及び電機子として機能する。なお図１において、回転子２０は回転軸Ｑに沿って分解して示されている。

図２を参照して、回転子２０はシャフト２８に固定され、シャフト２８は軸受２９によって回転自在に支持されている。よって回転子２０はシャフト２８を介して回転軸Ｑの周りに回転自在に配設されている。図１では視認を容易にするためにシャフト２８の描画を省略した。

回転子２０は回転軸Ｑの周囲に配置される複数の磁極部２１を有する。磁極部２１の各々は固定子１０，３０にそれぞれ対向する一対の磁極面２１ａ，２１ｂを呈している。複数の磁極部２１は回転軸Ｑの周りに略等しい間隔を空けて配置されている。従って磁極面２１ｂも回転軸Ｑを中心とした周方向（以下単に「周方向」と呼ぶ）に略等しい間隔を空けて配置される。また複数の磁極面２１ｂの各々はその位置における回転軸Ｑを中心とした径方向（以下単に「径方向」と呼ぶ）を対称軸として線対称の形状を有している（後述する図３，４も参照）。

図１，２の例示では、複数の磁極部２１の各々は永久磁石２２を備えている。各永久磁石２２は、回転軸Ｑの周りのドーナツ板状部材を複数（ここでは６つ）に分割した形状、即ち、回転軸Ｑ周りに延びる弧状かつ帯状の板形状に形成されている。これらの永久磁石２２は、回転軸Ｑ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。本実施の形態ではこれらの永久磁石２２によって、回転子２０の両面に、固定子１０，３０に対してそれぞれ磁極を呈する磁極面２１ａ，２１ｂが形成される場合が例示されている。磁極部２１として永久磁石２２を採用しているので、回転電機としての効率を高めることができる。

図１，２の例示では複数の磁極部２１の各々は回転子磁心２３を更に備えている。回転子磁心２３は永久磁石２２の固定子１０側に設けられている。各回転子磁心２３は、軟磁性体であって、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の固定子１０側の一方面に重ね合わせ状に配設されている。永久磁石２２の固定子１０側の磁極面は、回転子磁心２３によって実質的に固定子１０側へと移動するので、磁極面２１ａは回転子磁心２３の固定子１０側の一方面に形成される。

各回転子磁心２３は、固定子１０からの外部磁界によって回転子２０に減磁界が作用した場合に、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。

回転子磁心２３は、抵抗率が高い材質、例えば、圧粉鉄心で形成されていることが好ましい。これは次の理由による。つまり、各永久磁石２２が焼結の希土類磁石等、抵抗率が小さい材質で形成され、さらに、回転子磁心２３も抵抗率が小さい材質で形成されていると、これら永久磁石２２や回転子磁心２３で生じた渦電流の減少効果はあまり期待できない。ところが、回転子磁心２３が高抵抗率の材料で形成されていると、回転子磁心２３で生じた渦電流の減少効果を期待できる。

特に、例えば、ＰＷＭインバータ駆動によって固定子１０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２３の表面近傍で発生し易い。そこで、回転子磁心２３を高抵抗率の材料で形成することで、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。

これらの各永久磁石２２及び各回転子磁心２３（すなわち各磁極部２１）は、非磁性によって形成されるホルダ２４によって上記配設形態で保持される。またシャフト２８もホルダ２４に固定される。

２つの固定子１０，３０は、回転軸Ｑ方向における回転子２０の両側に、当該回転子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。各固定子１０，３０は、図示省略のケーシング等に固定されている。

固定子１０は、第１バックヨーク１１と、複数のティース１２と、複数の電機子巻線（以下、コイルとも呼ぶ）１３とを有している。

第１バックヨーク１１は、軟磁性体によって構成されており、略中央部に孔部１１ｈが形成された略円環状かつ板状に形成されている。図２の例示では、孔部１１ｈにはシャフト２８が挿通されている。なおシャフト２８の端部が孔部１１ｈに非貫挿な位置に配置される場合であれば孔部１１ｈは構造的には必須ではない。

第１バックヨーク１１は、圧粉鉄心、積層鋼板等のいずれで形成されていてもよい。この第１バックヨーク１１は、ティース１２を上記回転子２０とは反対側で支持している。

各ティース１２は、第１バックヨーク１１の回転子２０側の面に、回転軸Ｑ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１２は第１バックヨークによって周方向で相互に磁気的に連結される。各ティース１２は、回転軸Ｑと略直交する平面において、等脚台形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Ｑ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１２は、圧粉鉄心、積層鋼板等のいずれで形成されていてもよい。なお、互いに周方向で隣り合う各ティース１２間は、略等間隔である。

各コイル１３は、各ティース１２に巻回されている。

本願で特に断らない限り、コイル１３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。

固定子３０は磁界を発生させるための電機子巻線を持たず、磁気的には略円環状かつ板状の第２バックヨーク３１のみ有している。

第２バックヨーク３１は磁束に起因する渦電流の低減処理が施された軟磁性体によって構成されている。渦電流の低減処理が施された磁性体とは、例えば意図的に絶縁物（例えば樹脂）を含んで成形される圧粉鉄心、又は、磁束の流れる方向に対して垂直な方向に積層される積層鋼板のことを意味する。なお回転軸Ｑの周りで所定の鋼板を巻回して径方向に鋼板が積み重ねられる態様（いわゆる巻鉄心）は、径方向に積層された積層鋼板と把握でき、第２バックヨーク３１に採用できる。圧粉鉄心は絶縁物を含んで成形されるので抵抗値が高く、渦電流を低減できる。積層鋼板は鋼板の相互間に絶縁皮膜が介在するので鋼板の相互間を流れる渦電流を低減できる。なお積層鋼板であれば第２バックヨーク３１は回転軸Ｑ方向および周方向で磁束が流れるので径方向に鋼板が積層される巻鉄心が望ましい。

第２バックヨーク３１には、その略中央部にシャフト２８を挿通可能な軸挿通孔部３１ｈが形成されている。シャフト２８が固定子３０を貫通すべく、軸挿通孔部３１ｈはシャフト２８の外形よりも大きく設定される。

軸受２９は軸挿通孔部３１ｈにまで伸びていてもよく、軸挿通孔部３１ｈにて軸受２９を保持しても良い。また負荷が固定子１０側に設けられる場合、シャフト２８は固定子３０を貫通する必要はないので、軸挿通孔部３１ｈを省略する事もできる。

回転電機１は、回転軸Ｑ方向に沿って１つの回転子２０の両側に２つの固定子１０，３０を設けた構成であるため、両ギャップで働く磁気吸引力は相互に反対向きとなって、回転子２０及びシャフト２８に作用するストラス力を小さくすることができる。これにより、軸受損失を低減し、また、軸受寿命を延すこともできる。

しかも回転子を２つ設けてスラスト力を軽減する構成と比べて、軸受構成の簡易化、及び、回転軸部の短尺化を図ることができ、また、回転軸部のねじり振動を防止できる。

また、固定子１０だけがコイル１３を有し、固定子３０が電機子巻線を有していないので、コイル数の増加を抑制することもできる。また固定子３０側には、回転子磁心を設ける必要が無く、回転子２０を薄型化し易い。

このような回転電機１において、本実施の形態では、固定子３０（より具体的には第２バックヨーク３１）に対向する磁極面２１ｂと第２バックヨーク３１との配置関係を規定する。

図３は回転軸Ｑに沿って見た第２バックヨーク３１の一部の平面図である。図３においては固定子３０側における磁極部２１（より具体的には磁極面２１ｂ）の縁が隠れ線で示されている。

固定子３０と回転子２０との間のスラスト力を相殺するために、磁極面２１ｂと固定子３０との間は、固定子１０と回転子２０との間のギャップ程度にしか空けられない（図２参照）。よって磁極面２１ｂと第２バックヨーク３１との間で、磁束は回転軸Ｑに対してほぼ平行に流れる。従って図３にて第２バックヨーク３１上に描かれた磁極面２１ｂは、磁極面２１ｂからの磁束が第２バックヨーク３１に流入出する領域３１０に相当する。なお領域３１０は磁極面２１ｂを回転軸Ｑ方向について第２バックヨーク３１へと投影した投影領域とも把握できる。

そして、一の磁極面２１ｂからの磁束は第２バックヨーク３１を経由して周方向における両隣の磁極面２１ｂへと流れる。本回転電機においては、複数の磁極面２１ｂはそれぞれ径方向を対称軸として軸対称の同一形状を有し、周方向に略等間隔で配置されている。よって、磁極面２１ｂの対称軸に対して、周方向で一方側の部分領域２１２ｂからの磁束と、周方向で他方側の部分領域２１１ｂからの磁束とは、互いに反対側で隣り合う磁極面２１ｂへと流れる。

従って、領域３１０のうち、部分領域２１１ｂ，２１２ｂにそれぞれ対応する部分領域３１１，３１２の各々に流入される磁束は、互いに周方向の反対方向へと流れる。また磁束は、磁束密度の低下を招かないように磁気抵抗の低い経路、即ち直線的な経路を通ることが望ましい。かかる磁束が図３において片側実線矢印で示されている。

ここで、一の領域３１０を領域３１０Ａと、領域３１０Ａと周方向の一方側で隣り合う領域３１０を領域３１０Ｂと呼ぶ。また領域３１０Ａ，３１０Ｂを対象軸で２等分した部分領域のうち周方向の一方側に位置する部分領域をそれぞれ部分領域３１２Ａ，３１２Ｂと、他方側に位置する部分領域をそれぞれ部分領域３１１Ａ，３１１Ｂと呼ぶ。

第２バックヨーク３１の内径Ｒｏは、領域３１０Ａの部分領域３１２Ａの任意の点と、領域３１０Ｂの部分領域３１１Ｂの任意の点とを結ぶ線分と、回転軸Ｑとの間の距離のうち、最小距離ｒｉ１よりも小さいことが望ましい。ここで線分と回転軸Ｑとの距離とは、次のように規定される。つまり、回転軸Ｑから線分への垂線の足が当該線分上にあれば垂線の長さが当該距離である。垂線の足が当該線分上になければ垂線の足に近いほうの当該線分の端点と回転軸Ｑとの間の距離が当該距離である。

また、領域３１０は磁極面２１ｂを回転軸Ｑ方向で投影した領域なので、第２バックヨーク３１の内径Ｒｏは領域３１０に代えて磁極面２１ｂによっても規定できる。即ち、第２バックヨーク３１の内径Ｒｏは一の領域２１ｂの部分領域２１２ｂの任意の点と、一の領域２１ｂと周方向の一方側で隣り合う二の領域２１ｂの部分領域２１１ｂの任意の点と、を結ぶ線分と、回転軸Ｑとの距離のうち、最小距離ｒｉ１よりも小さいことが望ましい。

図３の例示で言えば、領域３１０Ａのうち周方向における中央かつ回転軸Ｑ側（以下、内周側とも呼ぶ）に位置する中央点３１０ｐと、領域３１０Ｂのうち周方向における中央かつ回転軸Ｑ側に位置する中央点３１０ｐとを結ぶ線分と、回転軸Ｑとの間の距離が最小距離ｒｉ１に相当する。

また例えば図４に示すように、領域３１０のうち周方向の端かつ内周側に位置する端点３１０Ｌ，３１０Ｒが、周方向で隣り合う中央点３１０ｐ同士を結ぶ線分に対して、内周側に位置する場合についても考慮する。この場合、領域３１０Ａの端点３１０Ｌ，３１０Ｒうち周方向の一方側に位置する端点３１０Ｒと、領域３１０Ｂの端点３１０Ｌ，３１０Ｒのうち周方向の他方側に位置する端点３１０Ｌとを結ぶ線分と、回転軸Ｑとの間の距離が最小距離ｒｉ１に相当する。

これによって、部分領域３１２Ａの内周側の任意の点と部分領域３１１Ｂの内周側の任意の点とを結ぶ直線のいずれの位置においても第２バックヨーク３１を介在させることができる。従って、内周側を通る磁束についても、部分領域３１２Ａと部分領域３１１Ｂとの間を最短距離で流れることができる。よって、第２バックヨーク３１の磁気抵抗を低減でき、また、鉄損を低減できる。

次に、例えば一の永久磁石２２の隣の永久磁石２２が減磁し、減磁した永久磁石２２を有する磁極部２１の機能が毀損した場合についても考慮する。この場合、図５に示すように、一の磁極部２１と隣り合う二の磁極部２１の磁極面２１ｂからの磁束の全てが第２バックヨーク３１を経由して、一の磁極部２１とは反対側で隣り合う三の磁極部２１の磁極面２１ｂへと流れ得る。

そこで、第２バックヨーク３１の内径Ｒｏは、領域３１０Ａの任意の点と領域３１０Ｂの任意の点とを結ぶ線分と、回転軸Ｑとの距離のうち、最小距離ｒｉ２以下であることが望ましい。磁極面２１ｂを用いて換言すると、第２バックヨークの内径Ｒｏは、一の磁極面２１ｂの任意の点と一の磁極面２１ｂと周方向で隣り合う磁極面２１ｂの任意の点とを結ぶ線分と、回転軸Ｑとの距離のうち、最小距離ｒｉ２以下であることが望ましい。

図５の例示では、領域３１０Ａのうち周方向の他方側かつ内周側の端点３１０Ｌと、領域３１０Ｂのうち周方向の一方側かつ内周側の端点３１０Ｒとを結ぶ線分と、回転軸Ｑとの距離が、最小距離ｒｉ２に相当する。

これによって、領域３１０Ａの任意の点と領域３１０Ｂの任意の点とを結ぶ直線のいずれの位置においても第２バックヨーク３１を介在させることができる。従って、第２バックヨーク３１の内周側を通る磁束も、領域３１０Ａ，３１０Ｂとの間を最短距離で流れることができる。よって、たとえいくつかの磁極部２１の機能が毀損し、一の磁極部２１からの磁束の全てが隣り合う一つの磁極部２１へと流れる場合であっても、第２バックヨーク３１の磁気抵抗を低減でき、また、鉄損を低減できる。

第２バックヨーク３１の外径は、領域３１０（磁極面２１ｂ）に含まれる任意の点と回転軸Ｑとの間の距離のうち最大距離よりも大きいことが望ましい。図１〜５の例示では、磁極面２１ｂの回転軸Ｑとは反対側（以下、外周側とも呼ぶ）の縁が回転軸Ｑを中心とした弧状を呈している。よってここでは最大距離は磁極面２１ｂの外周側の縁と回転軸Ｑとの間の距離である。第２バックヨーク３１の外径がこの最大距離以上であるので、一の領域３１０の外周側の縁上の任意の点と、これと隣り合う領域３１０の外周側の縁上の任意の点とを結ぶ直線のいずれの位置においても、第２バックヨーク３１を介在させることができる。よって、第２バックヨーク３１の外周側においても磁束は最短距離を通る。

回転子２０は例えば図６，７に示すように回転子磁心２５を備えていてもよい。なお図６において、回転子２０は自身の構成要素を回転軸Ｑに沿って分解して示されている。図７においては固定子１０，３０と回転子２０との相互間を誇張して示している。回転子磁心２５は略円環状かつ板状の形状を有している。回転子磁心２５は固定子３０側で各磁極部２１に対して重ね合わせて設けられる。回転子磁心２５は磁極部２１からの磁束の一部を周方向に流して他の磁極部２１に短絡させ、残りの磁束を回転軸Ｑに沿って固定子３０側へと流す。

図６，７の例示では回転子磁心２５の径方向の幅は磁極部２１の径方向の幅よりも広く、回転子磁心２５は回転軸Ｑに沿って見て磁極部２１を覆っている。よって、磁極部２１の磁極面２１ｂの全面が回転子磁心２５を介して第２バックヨーク３１と対面する。これにより、全ての磁極面２１ｂから発生する磁束について、回転子磁心２５はそれぞれの一部を短絡させることができ、以って第２バックヨーク３１へ流れる磁束に偏りが生じることを抑制できる。

かかる回転子磁心２５の機能は、回転子磁心２５の回転軸Ｑ方向の厚みを調整することで実現される。より具体的に、回転子磁心２５の厚みは、周方向に磁束の一部が流れたときに回転子磁心２５が磁気飽和するように設定される。このとき磁気飽和に寄与しなかった残りの磁束にとって回転子磁心２５は磁気的な空隙と等価とみなせるので、残りの磁束は回転子磁心２５を経由して固定子３０側へと流れる。

従って、固定子３０と対向する磁極面２１ｂは回転子磁心２５の固定子３０側の面に形成されるとも把握できる。なお図７に例示されるように回転子磁心２５が永久磁石２２よりも内周側にも存在している場合、永久磁石２２からの磁束がこの内周側の部分２４１を介して固定子３０側へと流れ得る。かかる場合は、永久磁石２２を回転軸Ｑ方向に回転子磁心２５へと投影した領域と部分２４１とを合わせた領域に磁極面２１ｂが形成される、と把握することもできる。よって、各永久磁石２２と各回転子磁心２３と、回転子磁心２５のうち各永久磁石２２と軸方向で重なる部分と部分２４１とが、それぞれ磁極部２１に相当する、とも把握できる。

このような場合、第２バックヨーク３１の内径は、上述の磁極面２１ｂに対して上述のように設定されるとよい。これによって、第２バックヨーク３１の内部を磁束が最短距離で流れることができ、以って第２バックヨーク３１の磁気抵抗を低減でき、また、鉄損を低減できる。

但し、永久磁石２２から第２バックヨークへと流れる磁束の多くは部分２４１を介さずに回転軸Ｑとほぼ平行に流れる。よって、回転子磁心２５の固定子３０側の面に対して永久磁石２２を回転軸Ｑに沿って投影した領域に、磁極面２１ｂが形成されるものとして把握し、これに基づいて第２バックヨーク３１の内径を設定してもよい。部分２４１を介さない多くの磁束が第２バックヨーク３１を最短距離で流れるので、第２バックヨーク３１の磁気抵抗を低減でき、また、鉄損を低減できるという効果は招来できるからである。

図６，７の例示では、回転子２０は固定部材２６，２７を更に備えている。固定部材２６，２７はそれぞれ例えば略円環状の板状形状を有している。固定部材２６，２７は回転子磁心２３をそれぞれ外周側及び内周側にて固定子１０側から押さえる。固定部材２６，２７はそれぞれホルダ２４に対して固定され、回転子磁心２５もホルダ２４に対して固定される。よって、永久磁石２２及び回転子磁心２３は回転子磁心２５と固定部材２６，２７によって軸方向で挟まれて支持される。

また上述した例では磁極部２１は永久磁石２２を備えていたが、磁極部２１として軟磁性体のみを採用してもよい。この場合、図１，２，６，７の例示において、永久磁石２２及び回転子磁心２３に相当する部分が軟磁性体によって構成される。回転子２０の磁気抵抗は周方向における磁極部２１の相互間で高く、磁極部２１において低い。よって回転子２０は突極性を有する。これによって固定子１０からの回転磁界を受けて回転子２０が回転軸Ｑの周りで回転する。これは、いわゆるスイッチトリラクタンスモータである。かかる回転電機１において、固定子１０からの磁束は磁極部２１を回転軸Ｑ方向に経由して第２バックヨーク３１を流れ、再び軟磁性体を回転軸Ｑ方向に経由して固定子１０へと戻る。従って、固定子１０，３０側の軟磁性体の面には磁極面２１ａ，２１ｂが形成される。なお、このとき回転子２０はいわゆる界磁子としての機能は発揮しない。

第２の実施の形態．
第２の実施の形態では固定子３０の強度を向上させることを目的とする。

図８に示すように固定子３０は補強部材３２を更に備えている。補強部材３２は例えば円環状かつ板状の形状を有している。補強部材３２は回転子２０とは反対側で第２バックヨーク３１に重ね合わされる。そして、第２バックヨーク３１と補強部材３２とは例えば内周側及び外周側の少なくとも何れか一方において両者が隣接する位置で互いに溶接される。溶接としては任意の溶接であってよいが、例えばレーザ溶接であることが望ましい。レーザ溶接では、入熱量が少なく、また溶接の盛り上がりや溶接径が小さいからである。この点については以下で例示する溶接にも適用される。

これにより、第２バックヨーク３１及び底部３２ａの一体物の回転軸Ｑ方向の厚みを増大できるので、当該一体物の強度を向上できる。

なお補強部材３２としては金属を採用することが望ましい。一般的に金属は強度が高いからである。また補強部材３２には磁束を通す機能が期待されない。これは、第２バックヨーク３１の回転軸Ｑ方向の厚みを厚く調整することで、補強部材３２へと磁束が流れないようにできるからである。よって補強部材３２は磁束に起因した渦電流の低減処理が施される必要がなく、補強部材３２として安価な金属を採用できる。

また図９に示すように、補強部材３２は底部３２ａと内壁３２ｂとを備えていてもよい。底部３２ａは例えば図８を参照して説明した補強部材３２の形状と同一の形状を有している。底部３２ａは回転子２０とは反対側で第２バックヨーク３１に重ね合わされる。

内壁３２ｂは例えば円環状かつ柱状の部材であって、内周側から第２バックヨーク３１を保持する。内壁３２ｂは第２バックヨーク３１を保持する力を向上すると共に、例えば第２バックヨーク３１の芯の基準として採用できる。特に第２バックヨーク３１が巻鉄心で形成される場合は、内壁３２ｂに所定の鋼板を巻回することで第２バックヨーク３１を形成できる。

本実施の形態では、第２バックヨーク３１の内径Ｒｏが第１の実施の形態での条件を満たしているので磁束は内壁３２ｂを流れない。よって内壁３２ｂについては、渦電流の低減処理が施されていない金属であってもよい。内壁３２ｂへと磁束が流れることを避けることができるので、内壁３２ｂでの渦電流の発生を避けることができるからである。例えば内壁３２ｂとして鉄を採用するとことが望ましい。鉄は汎用材料であって安価であるからである。

なお、固定子３０をシャフトが挿通する場合、シャフトは内壁３２ｂによって呈される軸挿通孔部３２ｈを挿通する。よってこの場合、軸挿通孔部３２ｈはシャフトの外径よりも大きく形成される。

また底部３２ａと内壁３２ｂとは互いに一体で形成されていることが望ましい。これによって補強部材３２はいわゆるリブ構造を有するので、補強部材３２の強度が向上する。

底部３２ａと内壁３２ｂとが一体で形成されている場合、第２バックヨーク３１と補強部材３２とは例えば固定部材３４によって固定される。固定部材３４は例えば円環状かつ板状の部材であって、その外径が第２バックヨーク３１の内径よりも大きく、その内径が第２バックヨーク３１の内径よりも小さい。かかる固定部材３４は第２バックヨーク３１及び補強部材３２に対して底部３２ａとは反対側から回転軸Ｑ方向に重ね合わされる。そして補強部材３２と固定部材３４とが例えば内周側において両者が隣接する位置で溶接される。かかる状態において、固定部材３４は回転子２０側から内壁３２ｂに固定されて外周側へと突出し、第２バックヨーク３１を回転子２０側から押さえている。これにより、底部３２ａと固定部材３３とは第２バックヨーク３１を回転軸Ｑ方向で挟むので、第２バックヨーク３１を回転軸Ｑ方向で保持できる。しかも、第２バックヨーク３１を溶接せずに固定部材３４及び補強部材３２が補強するので溶接による第２バックヨーク３１の磁気特性の劣化も回避できる。

ここで固定部材３４の外径についても望ましい範囲を規定する。例えば図１０を参照して、固定部材３４の外径Ｒｏ１は、領域３１０と回転軸Ｑとの最小距離ｒｉ３よりも小さいことが望ましい。かかる内容は、領域３１０（即ち磁極面２１ｂ）は径方向において固定部材３４に対して内周側に位置する、とも把握できる。図１０の例示では、領域３１０の周方向における中央かつ内周側に位置する中央点３１０ｐと回転軸Ｑとの間の距離が最小距離ｒｉ３に相当する。これによって、固定部材３４は磁極面２１ｂと第２バックヨーク３１との間の磁束の流れを阻害しにくい。かかる磁束は回転軸Ｑとほぼ平行に流れるところ、この磁束の経路上に固定部材３４が介在しないからである。また、第２バックヨーク３１の内部を磁束は周方向を直線的に流れるところ、かかる磁束は固定部材３４の下を流れるので、固定部材３４がかかる磁束の流れを阻害することもない。

固定部材３４は例えば図１１に示されるように、底部３２ａ及び内壁３２ｂと一体で形成されていてもよい。この場合、固定部材３４の外径は第２バックヨーク３１の内径をわずかに超える程度でよい。固定部材３４は回転軸Ｑ方向で第２バックヨーク３１を掛止するつめ部と把握される。

かかる補強部材３２に対して第２バックヨーク３１を回転軸Ｑに沿って補強部材３２に押し付けることで補強部材３２と第２バックヨーク３１を取り付ける。具体的には、かかる押し付けによって固定部材３４及び内壁３２ｂが内周側に弾性変形し、第２バックヨーク３１が回転軸Ｑ方向で固定部材３４を超えたときに固定部材３４及び内壁３２ｂが外周側の元に位置に戻って第２バックヨーク３１を掛止する。

この場合、固定部材３４は外周側に向かうに従って底部３２ａ側へと傾斜しているとよい。回転軸Ｑに沿って第２バックヨーク３１を補強部材３２に押し付けると、この傾斜よって固定部材３４および内壁３２ｂに対して内周側に力を作用させやすく、以って第２バックヨーク３１を取り付けやすくなるからである。

また図１２に示されるように、固定部材３４が内壁３２ｂと一体で形成され、底部３２ａと内壁３２ｂとが別体で形成されてもよい。この場合、底部３２ａと内壁３２ｂとは例えば内周側において両者が隣接する位置で溶接される。

また図１３，１４に示されるように、補強部材３２は底部３２ａと内壁３２ｂと外壁３２ｃとを備えていてもよい。外壁３２ｃは例えば外周側から第２バックヨーク３１を保持する。また固定子３０は例えば外周側から円柱状のケーシング（図示省略）に焼き嵌め等で固定されるところ、外壁３２ｃはこの固定による第２バックヨーク３１への応力を低減し、以て第２バックヨーク３１の磁気特性の劣化を低減することができる。

外壁３２ｃは底部３２ａと一体で設けられていることが望ましい。このとき補強部材３２はリブ構造を有するので強度を向上できるからである。また底部３２ａと外壁３２ｃとが一体で形成されている場合、第２バックヨーク３１と補強部材３２とは例えば固定部材３３によって固定される。固定部材３３は円環状かつ板状の部材であって、その内径が第２バックヨーク３１の外径より小さく、その外径が第２バックヨーク３１の外径よりも大きい。かかる固定部材３３は第２バックヨーク３１及び補強部材３２に対して底部３２ａとは反対側から回転軸Ｑ方向に重ね合わされる。そして補強部材３２と固定部材３３とが例えば外周側において両者が隣接する位置で溶接される。

なお固定部材３３の内径は、磁極面２１ｂと回転軸Ｑとの間の最大距離よりも大きいことが望ましい。固定部材３３は磁極面２１ｂと第２バックヨーク３１との間の磁束の流れを阻害しにくいからである。

また内壁３２ｂと同様に、外壁３２ｃと底部３２ａと固定部材３３とが一体で形成されてもよく、外壁３２ｃと固定部材３３とが別体であって底部３２ａと外壁３２ｃとが一体で形成されてもよい。

第２バックヨーク３１と補強部材３２とが固定部材３３，３４の少なくともいずれかによって固定されている場合、図１５に示されているように、磁極部２１（より具体的には磁極面２１ｂ）は回転軸Ｑに垂直な面で固定部材３３，３４の間に位置しているとよい。換言すると、磁極面２１ｂは固定部材３３，３４の回転子２０側の面よりも第２バックヨーク３１側に位置しているとよい。これによって、磁極面２１ｂと第２バックヨーク３１との間の距離を、磁極面２１ｂと固定部材３３，３４との間の距離よりも短くしやすい。よって固定部材３３，３４が磁極面２１ｂと第２バックヨーク３１との間の磁束の流れを更に阻害しにくい。また、固定部材３３，３４の軸方向の厚みが大きくとも、この厚みに阻害されずに、磁極面２１ｂと第２バックヨーク３１との間の距離を調整できる。

１ 回転電機
１０，３０ 固定子
２０ 回転子
２１ 磁極部
３１ 第２バックヨーク
３２ 補強部材
３２ａ 底部
３２ｂ 内壁
３４ 固定部材

Claims (9)

1. 回転軸（Ｐ）の周囲で回転する回転子（２０）と、
   前記回転軸上で相互に反対側から前記回転子に対して対向する電機子（１０）及び固定子（３０）と、
   を備え、
   前記回転子は、各々が前記電機子に対向する第１磁極面（２１ａ）と前記固定子に対向する第２磁極面（２１ｂ）とを呈して前記回転軸を中心とした周方向に略等間隔で配置される複数の磁極部（２１）を有し、
   前記第２磁極面は、前記第２磁極面の位置における前記回転軸を中心とした径方向を対称軸として線対称の所定形状を有し、
   前記電機子は電機子巻線（１２）を有し、
   前記固定子は電機子巻線を有さず、渦電流の低減処理が施された円環状の固定子磁心（３１）を有し、
   前記固定子磁心の内径（Ｒｏ）は、第１の前記複数の磁極部の前記第２磁極面の前記対称軸に対して前記周方向の一方側の部分領域（２１２ｂ）のうち任意の点と、前記第１の前記複数の磁極部と前記周方向の前記一方側で隣り合う第２の前記複数の磁極部の前記第２磁極面の前記対称軸に対して前記周方向の他方側の部分領域（２１１ｂ）のうち任意の点と、を結んだ線分と、前記回転軸との距離のうち最も小さい距離（ｒｉ１）以下である、アキシャルギャップ型回転電機。
2. 前記固定子磁心（３１）の内径（Ｒｏ）は、前記第１の前記複数の磁極部（２１）の前記第２磁極面の任意の点と、前記第２の前記複数の磁極部の前記第２磁極面の任意の点とを結んだ線分と、前記回転軸（Ｑ）との距離のうち、最も小さい距離（ｒｉ２）以下である、請求項１に記載のアキシャルギャップ型回転電機。
3. 前記固定子（３０）は前記回転子（２０）とは反対側で前記固定子磁心（３１）を補強する底部を含む補強部材（３２）を更に備える、請求項１又は２に記載のアキシャルギャップ型回転電機。
4. 前記補強部材（３２）は前記固定子磁心（３１）を前記回転軸（Ｑ）側から保持する内壁（３２ｂ）を更に備える、請求項３に記載のアキシャルギャップ型回転電機。
5. 前記内壁（３２ｂ）は鉄である、請求項４に記載のアキシャルギャップ型回転電機。
6. 前記補強部材（３２）は、前記回転子（２０）側から前記内壁（３２ｂ）に固定されて前記回転軸とは反対側に突出し、前記固定子磁心（３１）を前記回転子（２０）側から押さえる固定部材（３４）を更に備える、請求項４又は５に記載のアキシャルギャップ型回転電機。
7. 前記第２磁極面（２１ｂ）は前記回転軸（Ｑ）に対する径方向において前記固定部材（３４）に対して前記回転軸（Ｑ）よりも反対側に位置する、請求項６に記載のアキシャルギャップ型回転電機。
8. 前記第２磁極面（２１ｂ）は、前記固定部材（３４）の前記回転子側の一方面に対して前記固定子磁心（３１）側に位置する、請求項７に記載のアキシャルギャップ型回転電機。
9. 前記磁極部（２１）は永久磁石（２２）を有し、前記永久磁石によって前記第２磁極面（２１ｂ）が呈される、請求項１乃至８の何れか一つに記載のアキシャルギャップ型回転電機。

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