JP2011139600A - アキシャルギャップ型回転電機及びそれに用いるロータ - Google Patents

Abstract

【課題】アキシャルギャップ型回転電機のロータに発生する渦電流損を低減するとともに、製造工程の簡略化、低コストのロータを提供する。
【解決手段】アキシャルギャップ型回転電機において、ロータ２０は、アモルファス磁性金属リボンを渦巻状に積層したアモルファス渦巻積層体よりなるロータヨーク２を有する。アモルファス渦巻積層体２０におけるステータと対向する面に複数極の磁石４がロータ周方向に配置される。
【選択図】図６

Description

本発明は、回転軸の軸方向にギャップを介してステータとロータとが対向配置されるアキシャルギャップ型の回転電機及びそのロータに関する。

アキシャルギャップ型のモータなどの回転電機については、様々な構造と関連技術が知られている。

例えば、特許文献１には、ロータ磁極となる複数の永久磁石を、磁性体よりなるロータコアの周方向に交互に極性を異ならせて配置したアキシャルギャップモータのロータ構造において、ロータ側の永久磁石による磁束を、ロータのエアギャップに臨む側（ステータと対向する側）に集中させるため、永久磁石の周方向の長さを、ロータのギャップ側からその反対側に向けて、テーパ状に増大させている。ロータコアは、プレス加工により成形した穴（永久磁石嵌め込み穴）付きの電磁鋼板を積層したもの、または穴を開けている圧粉磁心（鉄粉などの磁性粉末と樹脂などの絶縁物を混ぜて固めたもの）を使用している。

特許文献２には、アキシャルギャップモータのロータの剛性を向上するために、ロータ径方向に梁状補強部材とそれを保持するため筒状部材（箍状部材）が設けられている。梁状補強部材と筒状部材の間を流れる渦電流損を抑えるために、梁状補強部材は、非導電材料を介して筒状部材に接合されている。ロータの透磁部は、積層した電磁鋼板や圧粉磁心などを用いて渦電流の流れにくい材料を使用している。

特開2006-166634 特開2007-89270

アキシャルギャップ型の回転電機においては、ロータの回転に伴い、ロータ側の磁石（永久磁石）とステータコアの対向位置が変わることにより、ロータを通る磁束量が変化する。磁束の変化により、ロータで渦電流損が発生する。

渦電流損を低減するため、渦電流が流れにくい材料の使用が望ましい。積層した電磁鋼板と圧粉磁心は渦電流が流れにくい透磁材料として、一般的に使われている。ただし、ロータの径方向に積層した電磁鋼板は、ロータ遠心力が大きいため、ロータヨークとして使用すると金属の維持部材、プレス加工や熱処理が必要である。

また、プレス成形した電磁鋼板の積層体は、残留応力が大きいため、接着材以外の保持手段が必要である。磁石とロータヨークの接合も、接合強度を高めるための工夫が必要とされる。

特許文献１に示すように、積層した電磁鋼板に穴を加工して、階段扇形の永久磁石を穴に挿入する場合には、ロータヨークと磁石形状が複雑になり、製造工程が多くコスト高になり、また、磁石の形状変更の自由度が低い。

特許文献２には、ロータヨークとして使用される積層電磁鋼板の強度を保持するため、対の磁石間に複数の梁状補強部材を設け、ロータコアの外周側は箍状部材が設けられている。梁状部材と箍状部材間に非磁性材料が介在するため、補強部材ループには渦電流が流れない。ただし、箍状部材は円筒状ものであるため、何らの配慮がない場合には、自身で外周部分に対して渦電流が流れる可能性が高い。また、補強部材により組立工程が複雑になり、コスト高になり易い。

本発明は、ロータヨークに発生する渦電流損を低減するとともに、ロータの強度が保持でき、しかも構造が複雑にならず、組み立ての簡略化、容易性、低コストを実現できるアキシャルギャップ型回転電機及びそのロータを提供する。

本発明は、基本的には、アキシャルギャップ型回転電機のロータを、アモルファス磁性金属リボンを渦巻積層状に巻き回し形成したアモルファス渦巻積層体と、そのアモルファス渦巻積層体におけるステータ対向面にロータ周方向に配置される磁石とによって構成する。

本発明のアキシャルギャップ型回転電機におけるロータ構造によれば、アキシャルギャップ型回転電機のロータに発生する渦電流損を低減するとともに、製造工程の簡略化、低コストのロータを提供することができる。

本発明の第１実施例に係るアキシャルギャップモータの全体構成を示す断面図を示す。 上記実施例のアキシャルギャップモータに用いるロータヨーク（アモルファス渦巻積層体）の巻取り工程時のイメージを示す斜視図。 上記アモルファス渦巻積層体の巻取り完了後の状態を示す斜視図。 上記アモルファス渦巻積層体に組み込まれるロータシャフト用の締結ボスの一例を示す斜視図。 上記アモルファス渦巻積層体に接合されるロータ磁極としての磁石の一つを一例として示す図。 上記実施例におけるアキシャルギャップモータのロータの組み立て過程の例を示す斜視図。 上記実施例におけるアキシャルギャップモータのロータの外装樹脂を施した後を示す正面図及びそのＡ−Ａ´断面図。 本発明の第２の実施例に係るアキシャルギャップモータのロータシャフトの一例を示す斜視図。 上記第２の実施例にアキシャルギャップモータに用いるロータシャフトとロータヨークの組合せの例を示す斜視図。 上記第２の実施例におけるアキシャルギャップモータのロータの組み立て過程の一例を示す斜視図。 上記第２の実施例におけるアキシャルギャップモータのロータの外装樹脂を施した後を示す正面図及びそのＡ−Ａ´断面図。 本発明の第３実施例に係るアキシャルギャップモータのロータシャフトとロータヨークの組合せを示す斜視図。 上記第３の実施例におけるアキシャルギャップモータのロータの組み立て過程の一例を示す斜視図。 上記第３の実施例におけるアキシャルギャップモータのロータとステータとの配置関係を示す概略断面図。

以下に本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機の一例として、アキシャルギャップモータについて説明するが、以下に述べる構成は、モータに代わって発電機として利用することも可能である。

一般的にアキシャルギャップモータは、一対のロータをステータの軸方向の両側にエアギャップを介して配置できる構成を実現できることから、体積あたりのトルク密度を向上できることが特徴である。しかし、磁石貼りつけ面のロータヨークにはロータの回転にともなってスロット高調波による渦電流が流れることが知られている。使用されるロータ回転数が低い場合には問題はないが、回転数の高いところで使用される場合には、用途によっては、この渦電流損失が効率低下の原因となっている。そこで本実施例では、下記のようなアキシャルギャップモータを提案する。
＜第１実施例＞
本発明の第１実施例を図１〜図７により説明する。

図１は本発明に関するアキシャルギャップモータの一例を示すものである。図１では、モータハウジング（図示省略）を外してロータとステータとを示している。

アキシャルギャップモータ１０は、ロータ２０とステータ３０とがロータシャフト６の軸心に平行な方向にギャップＧを介して対向配置されるが、本実施例では、さらに、モータ効率を高めるために、２ロータ／１ステータ型のアキシャルギャップモータを例示する。

図１において、ステータ３０を構成するそれぞれの電磁石は、各ステータコア７に電磁コイル８を装着したコイル付きステータコアにより構成される。各コイル８は、その中心がロータシャフト６の軸心に沿うように巻かれている。このコイル付きのステータコア（電磁石）７がロータシャフト６の周囲に該シャフトの周方向に等間隔で複数、固定配置される。

ロータ２０は、ロータシャフト６の軸線に平行な方向で対向する少なくとも一つのロータであればよいが、本実施例では、モータ効率を高める好ましい例として、二つの（一対の）ロータを使用する。すなわち、一対のロータ２０は、ロータシャフト６の軸線に平行な方向でエアギャップＧを介してステータ３０を挟み込むように、ロータシャフト６に固着される。このようにして、本実施例では、コイル付きステータコア７の集合体からなる一つのステータと、その両側に配置した二つの（一対の）ディスク状のロータ２０とで、２ロータ／１ステータ型のアキシャルギャップモータを例示する。

エアギャップＧは、ロータシャフト６の中間位置に設けた環状部６ｃとロータ２０間に配置したスリーブ状のスペーサ９を介して確保されている。ロータシャフト６のうちロータ取付部より外側に突出する部分６a，６ｂが図示されないベアリングを介してモータハウジングに保持されている。

ロータ２０は、ロータヨーク２と、ロータシャフト締結用のボス３と、ロータの周方向に等間隔に複数配置される永久磁石４とからなる。実施例では、一例として扇形の板状の永久磁石を６個（６極）、周方向に配置したものを例示しているが、これに限定されるものではない。複数の磁石４はＮ極、Ｓ極が交互に周方向に配置される。ステータ３０を構成する電磁石により回転磁界を形成することで、ステータ３０側の複数の電磁石とロータ２０側の永久磁石とが回転軸を中心に磁力による吸引、反発を繰り返すことでロータ２０が回転する。

本実施例におけるロータ２０は、ロータヨーク２が磁性を有するアモルファス磁性金属リボンを渦巻状に積層したアモルファス渦巻積層体よりなる。以下に、図２から図７を用いて、ロータ２０の製造過程と完成体について説明する。

図２はロータヨークとしてのアモルファス渦巻積層体を形成するための過程におけるアモルファス磁性金属リボンの巻取り工程を示す。図２に示すように、例えば鉄基アモルファス或いはコバルト基アモルファスなどの厚み0.025ｍｍのアモルファス金属リボン１を、高速巻取り機を使用して、必要なロータヨーク径になるまで渦巻積層状に巻き取る。巻き取り後に、リボン１を切断し、巻き始めと巻き終わり（切り口）を、それぞれの位置で渦巻積層体２に接着することによって図３に示すようなロータヨーク２が形成される。本実施例に係る磁性金属リボンはアモルファス材質を使用したことに特徴がある。一般的に使われる電磁鋼板は巻取ることはできるが、アキシャルギャップモータのロータヨークとして使用するには次のような不具合がある。すなわち、電磁鋼板の厚みは0.2mm〜0.5mmであり、アモルファスの約１０倍以上厚い。また、電磁鋼板はアモルファス磁性金属リボンより、柔軟度が低いため曲げにくい。そのため、電磁鋼板を巻取る時、残留応力より円形から真直ぐに戻る力が大きく、接着材だけで固定することができない。そして、熱処理などの後処理工程が必要であるため、製造コストが高くなる。電磁鋼板積層体はロータヨークとして使用する場合には、磁石との接合が複雑になる。特許文献１には、積層した電磁鋼板に穴を開けて、磁石の背部は突起を設け、穴の中に挿入している。開示された方法によると、磁石の形状が複雑になり、製造コストが更に上がる可能性がある。また、積層した電磁鋼板の積層面に穴が開けると、積層面にバリができて、層間の絶縁が無効になくなる可能性がある。そのため、穴を開けた面で渦電流が流れることが考えられるので、バリ除去などの工程を必要とすることが予想される。これに対して、アモルファス磁性金属リボンは巻きやすいため、接着材だけで形成できるメリットがある。また、アモルファスは電磁鋼板より、抵抗率が高いため、渦電流損による損失が低減できる。

図４は本実施例に関するロータシャフト用の締結ボス３の一例を示す。ボス３は、図６に示すように、アモルファス渦巻積層体（ロータヨーク）２の内径部に嵌め込まれるが、樹脂５（図１、図７参照）を介してアモルファス渦巻積層体２と結合できるように、その結合強度を高めるために、中心部分からリブ３１を設けた構成とした。ボス外径とロータヨーク内径間のリブ以外の部分に樹脂５が入り込み、ボスとロータヨークとの結合強度を高めることができる。シャフト締結ボス３については、図示したような汎用の構造材を用いることができる。

図５は本実施例に用いるロータ磁石（磁極）４のうちの一片の一例を示す。本実施例では、一例として６極のモータを例示するために、１個の磁石形状は５０°の角度で扇形板状に構成されているが、リング状で一体的に構成することも可能である。磁石４は、表裏面（回転軸方向）にＮ極、Ｓ極が着磁されている。

かような磁石４が、各アモルファス渦巻積層体（ロータヨーク）２のステータ対向側の面にロータヨーク周方向に６極分、Ｎ極、Ｓ極と交互に固定配置される。本実施例では、ロータ磁石４は、多極分割磁石構造を示したが、これに限定されるものではなく、例えば、円盤状の磁石にして、着磁スキュー効果を出すことも可能である。本実施例における磁石の形状、材質や厚みは任意に設定可能であり、特別な制限はない。

図６に示すように、アモルファス渦巻積層体２の内側（内径部）にシャフト締結ボス３を設け、アモルファス渦巻積層体２の一面に磁石４を配置した後に、これらの部材を、図７に示すように樹脂５を介して一体的に結合する。

図７は、アモルファス渦巻積層体２、ボス３、磁石４からなるロータ組立体に樹脂含浸を施してこれらの組立体要素を接着したロータ完成体の正面図及びそのＡ−Ａ´断面を示すものである。なお、図７のロータ２０のＡ−Ａ´断面図は、図１のロータ２０の各部材をデフォルメして表している。

本実施例では含浸樹脂５が接着材として機能する。樹脂５については、絶縁性、流動性が良く強度が確保できるものであれば、その種類を問うものではない。一例をあげれば、例えば、熱可塑性であれば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＣ（ポリカーボネート）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）などのエンジニアリングプラスチックが適している。また、熱硬化性樹脂であれば、エポキシ樹脂や不飽和ポリエステルが適しているものと考えられる。また、その接着方法としては、次のような工程が考えられる。
（１）接着方法１：i) アモルファス渦巻積層体２に、樹脂を真空含浸させる。ii)磁石４は樹脂含浸したアモルファス渦巻積層体３の一面の所定位置に配置してアモルファス渦巻積層体の表面含浸樹脂を介して接着させる。iii）その後、シャフト締結用のボス３をアモルファス渦巻積層体３の内側に配置し、樹脂を含浸させる。
（２）接着方法２：i）磁石４をアモルファス渦巻積層体２の一面の所定位置に載せ、ii）シャフト締結ボス３はアモルファス渦巻積層体２の内側に配置する。iii)
その後、アモルファス渦巻積層体２、磁石４、及びシャフト締結用ボス３に樹脂を一緒に真空含浸させる。
（３）接着方法３：i)アモルファス渦巻積層体２に樹脂を真空含浸させる。ii)シャフト締結用ボス３を、アモルファス渦巻積層体内側にネジなどの固着具を介して留める。iii)磁石をアモルファス渦巻積層体２の一面に載せて、樹脂を含浸させる。

いずれの方法でも、図７に示すように含浸樹脂５は、その一部がアモルファス渦巻積層体２の磁石４を固定した側の面とアモルファス渦巻積層体２の周面および反磁石面に、磁石表面を除いて層状に形成され、この樹脂層のうち、アモルファス渦巻積層体２の磁石４を配置した側（すなわち、ステータ対向面側およびエアギャップ側）の面の樹脂層は、エアギャップ上での空気抵抗を抑えるために、磁石４の表面とほぼ同等または磁石面よりもいくぶん低くしてある。いずれの方法においても図７に示したロータを製造できる。ロータの３つの部品（ロータヨーク、磁石、ボス）は樹脂５を介して一体的に結合することにより、ロータの強度が補強でき、高速で回転させることができるようになる。また、アモルファス積層面で加工が不要なため、樹脂真空含浸だけで、アモルファス渦巻積層体２の層間絶縁が可能になる。

本実施例に係るロータ部材の樹脂を介した一体結合構造は、他のロータ構造のアキシャルギャップモータにも適用可能である。なお、樹脂に代わって溶接によってもアモルファス積層体と磁石を一体結合することも可能である。

本実施例によれば、
（１）ロータヨーク２がアモルファス渦巻積層体から構成され、その積層方向は磁石の鎖交磁束と垂直になっているため、渦電流が流れにくい。
（２）アモルファス磁性金属リボン１は、市販のものが、代表的には厚み0.025ｍｍであって、電磁鋼板よりはるかに薄いため、渦巻積層状に巻回した後の応力を小さくでき、接着材だけで、積層体を成形することもできる。または、アモルファスの抵抗率は電磁鋼板の３倍以上高いため、渦電流が流れにくくなるため損失低減よりモータの高効率に貢献できる。
（３）アモルファス渦巻積層体２と磁石４とシャフト締結ボス３とを樹脂で結合することで、ロータ全体の強度が向上でき、高速で回転させることができる。さらに、ロータと金属シャフトの結合が簡単にできる。ロータ磁極を構成する磁石は、積層したアモルファスのロータヨークを簡単に固定できるため、磁石形状の変更の自由度が高い。
（４）樹脂５で磁石間を充填させることも可能であり、このようにした場合には、ロータ表面の凹凸がなくなるため、風損が低減できる。また、シャフト締結ボスは汎用品を用いれば、ロータのコストが低減できる。
＜第２実施例＞
図８〜図１１は本発明の第２実施例に係るアキシャルギャップモータ用のロータ構造を説明するための図である。

本実施例に関するロータは、第１実施例同様に、ロータヨーク２として、アモルファス渦巻積層体を使用する。第１実施例と異なる点は、シャフト締結用のボスを用いずに、図９に示すように、ロータシャフト６´にアモルファス磁性金属リボン１を直接巻き回すことによりアモルファス渦巻積層体２が形成されている。換言すれば、アモルファス渦巻積層体を構成するロータヨーク２がロータシャフト６´に直接装着されている。

図８は本実施例に用いるロータシャフト６´であって、シャフト部における６ａ´，６ｂ´，６ｃ´はそれぞれ、図１の６ａ，６ｂ，６ｃに対応する部分である。ロータシャフトにおける符号６ｃ´で示す部分は、アモルファス金属リボン１を直接シャフト６´に巻きつけ部分であり、リボン１の始端部を巻取部６ｄ´に接着材、溶接などの適宜手段で固着した後にリボン１を巻取り、ロータヨークの必要な径だけ渦巻き積層状に巻き取った後にリボン巻き取り終端箇所を切断して、その部分を接着する。

本実施例では、１ロータ／１ステータ型のアキシャルギャップモータを例示するものである。

図１０はシャフト６´、アモルファス渦巻積層体（ロータヨーク）２、及び磁石４の組わせたロータ２０を示す。図１０に示すように、本実施例では、複数磁極となる磁石４は、アモルファス渦巻積層体２の片面（ステータ対向面）に密着して接着する。上記磁石４をアモルファス渦巻積層体２に配置した後に磁石４の表面を残して樹脂が含浸される。図１１は樹脂含浸させた後のロータ２０の正面図とそのＡ−Ａ´断面図を示す。

本実施例においても、図１１のＡ−Ａ´断面図は、図７同様にデフォルメして示してある。含浸樹脂５のうちアモルファス渦巻積層体２の磁石４の配置側の面に形成される樹脂層の表面は、磁石４の表面とほぼ同レベルにあるように形成される。

複数のステータ３０は、エアギャップＧを介して磁石側のロータヨーク２表面と対向するように固定配置される。なお、エアギャップＧの確保、ステータ３０の固定配置、ロータのラジアル軸受支持構造については、既存の種々の慣用技術を利用することができるので、図示及びその説明を省略する。

本実施例によれば、第１実施例同様に、ロータヨークをアモルファス渦巻積層体で構成することにより、ロータヨークの渦電流損を抑えるとともに、シャフト締結用ボスを省略できるのでモータの組立工程の簡便化を図ることができる。
＜第３実施例＞
図１２〜図１４は本発明の第３実施例に係るアキシャルギャップモータ用のロータ構造を説明するための図である。

本実施例に関するアキシャルギャップモータでは、一つのロータと二つのステータの組み合わせよりなるアキシャルギャップモータを例示するものである。

図１２は、ロータシャフト６”の軸方向の中央部６ｄ”（図１４参照）のロータヨーク位置でアモルファス金属リボンを図９同様に直接シャフト６に巻きつけて、ロータヨークとなるべくアモルファス渦巻積層体２を形成する。ロータシャフト６”のうち、６ａ”及び６ｂ”は、第１実施例の６ａ，６ｂに相当する部分で、図示されないラジアル軸受（ベアリング）を介してモータハウジングに支持される部分を示す。アモルファス渦巻積層体２に含浸樹脂５が施される点は、既述の実施例と同様である。

本実施例では、ディスク状のアモルファス渦巻積層体２の両面に第１実施例および第２実施例同様の磁石４が接合され、エアギャップＧを介して、ロータ２０の両側に各ステータ３０が、ロータシャフトの軸線に平行な方向でエアギャップＧを介して、ステータ対向配置される。ステータ３０の構成は、既述の実施例同様である。本実施例においても、既述した実施例同様の効果及びモータ効率の向上を図ることができる。

１…アモルファス磁性金属リボン、２…アモルファス渦巻積層体（ロータヨーク）、３…シャフト締結ボス、４…磁石、５…樹脂、６、６´、６”…ロータシャフト、７…ステータコア、８…コイル、２０…ロータ、３０…ステータ。

Claims (13)

1. ロータとステータとがロータシャフトの軸線に平行な方向でエアギャップを介して対向配置されるアキシャルギャップ型回転電機に使用されるロータにおいて、
   前記ロータは、アモルファス磁性金属リボンを渦巻状に積層したアモルファス渦巻積層体よりなるロータヨークと、前記アモルファス渦巻積層体における前記ステータと対向する面にロータ周方向に配置される磁石とを有して成ることを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機用のロータ。
2. 前記アモルファス渦巻積層体の内径部に、ロータシャフト締結用のボスが設けられている請求項１記載のアキシャルギャップ型回転電機用のロータ。
3. 前記ロータシャフトに前記アモルファス磁性金属リボンを直接巻き回すことにより前記アモルファス渦巻積層体が形成されて、該アモルファス渦巻積層体が前記ロータシャフトに直接装着されている請求項１記載のアキシャルギャップ型回転電機用のロータ。
4. 前記ロータヨークは、樹脂含浸された前記アモルファス渦巻積層体よりなる請求項１ないし３のいずれか１項記載のアキシャルギャップ型回転電機用のロータ。
5. 前記アモルファス渦巻積層体と前記シャフト締結用のボスとが樹脂含浸により一体的に結合されている請求項２記載のアキシャルギャップ型回転電機用のロータ。
6. 前記アモルファス渦巻積層体と前記磁石とが樹脂含浸又は溶接により一体的に結合されている請求項１ないし５のいずれか１項記載のアキシャルギャップ型回転電機用のロータ。
7. 前記アモルファス渦巻積層体と前記磁石と前記シャフト締結ボスとが、それらの間に含浸される含浸樹脂を介して一体的に結合されている請求項２記載のアキシャルギャップ型回転電機用のロータ。
8. 前記含浸樹脂の一部が前記アモルファス渦巻積層体の前記磁石を固定した側の面に層状に形成され、この樹脂層の面は、前記磁石の面と同等また磁石面よりも低くしてある請求項４ないし７のいずれか１項記載のアキシャルギャップ型回転電機用のロータ。
9. 前記ロータヨークは、鉄基アモルファス或いはコバルト基アモルファスの渦巻積層体である請求項１ないし８のいずれか１項記載のアキシャルギャップ型回転電機用のロータ。
10. 前記ロータは、前記ロータシャフトの軸線に平行な方向で、前記ステータをエアギャップを介して挟み込む一対のロータよりなる請求項１ないし９のいずれか１項記載のアキシャルギャップ型回転電機用のロータ。
11. 前記ロータは、その両面側にエアギャップを介して配置された一対のステータの間に配置されるアキシャルギャップ型回転電機に用いられ、前記アモルファス渦巻積層体の両面に前記磁石が配置されている請求項１ないし９のいずれか１項記載のアキシャルギャップ型回転電機用のロータ。
12. アキシャルギャップ型回転電機において、
    ロータシャフトの周囲に該シャフトの周方向に固定配置される複数のコイル付きステータコアからなるステータと、
    前記ロータシャフトの軸線に平行な方向でエアギャップを介して前記ステータを挟み込むように前記ロータシャフトに固着される一対のディスク状のロータと、を備え、
    前記一対のロータが、請求項１０記載のロータよりなることを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
13. アキシャルギャップ型回転電機において、
    ロータシャフトに固着されるディスク状のロータと、
    前記ロータの両面側にエアギャップを介して配置された一対のステータと、を備え、
    前記ロータが、請求項１１記載のロータよりなることを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。

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