JP2012130086A - アキシャルギャップ型回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】ギャップ可変機構の信頼性を向上させ、ステータとロータ間のギャップ幅を柔軟に変更することが可能なダブルロータ構造のアキシャルギャップ型回転電機を提供する。
【解決手段】ハウジング５００と、ステータコア１０２とコイル１０１とを備えるステータ１００と、ロータコア２０２と永久磁石２０１とを有し、前記ステータ１００を軸方向から挟み込むように、当該ステータ１００にエアギャップを介して設けられた２つのロータ２００と、前記エアギャップの幅を変更するための可変ギャップ機構３００と、を備えたアキシャルギャップ型回転電機において、前記可変ギャップ機構は、前記アキシャルギャップ型回転電機の回転力とは異なる動力源３０１により作動し、前記ロータ２００を軸方向に移動することで前記エアギャップの幅を変更することを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ステータとロータとを軸方向にエアギャップを介して対向させたアキシャルギャップ型回転電機に関するものである。

ロータに永久磁石を設けた回転電機は、回転時に誘起電圧が発生する。誘起電圧は回転速度に比例して増大するため、回転電機の電源電圧（インバータの出力電圧）は、誘起電圧以上とする必要がある。

アキシャルギャップ型回転電機においては、誘起電圧の増大を抑制するため、高回転時にステータとロータとの間のエアギャップを拡大し、磁気抵抗を増大させる技術が知られている。

例えば、特許文献１には、ロータに接続した振り子と力の変換機構からなる可変ギャップ機構を有する回転電機について記載されている。この可変ギャップ機構は、ロータの回転により振り子に発生した遠心力を力の変換機構で軸方向の力に変換し、ステータに印加するものである。これにより、ロータの回転速度に応じ、ステータを移動することでエアギャップを調整できる。

また、特許文献２には、ロータの回転によらず固定された固定部とネジ機構を設けたティース部からなるステータ、および、ティース部に回転力を加える動力源からなる可変ギャップ機構を有する回転電機について記載されている。この可変ギャップ機構により、ロータの回転速度に応じた動力をティースに付与しティース（ステータ）を移動することでエアギャップを調整できる。

特開２００２−３２５４１２号公報 特開２００８−４８５１９号公報

特許文献１の構成は、ギャップ幅がロータの回転速度またはロータの回転のために印加するコイル電流に依存するため、ギャップ幅の柔軟な制御についてはあまり考慮されていない。また、ギャップ可変機構が複雑なため、強度や放熱性を確保するために回転電機構造が複雑化する可能性がある。

一方、特許文献２のギャップ幅は、外部の動力源を用いるため、柔軟な制御が可能である。その半面、ステータコアを分割した構造であるため、ダブルロータ構造の回転電機へ適用することが困難である。

そこで、本発明は、ギャップ可変機構の信頼性を向上させ、ステータとロータ間のギャップ幅を柔軟に変更することが可能なダブルロータ構造のアキシャルギャップ型回転電機を提供することを目的とする。

上記目的を達成すべく、例えば、特許請求の範囲に記載された技術的思想を用いればよい。

本発明によれば、ギャップ可変機構の信頼性を向上させ、ステータとロータとの間のエアギャップ幅を柔軟に変更することが可能なダブルロータ構造のアキシャルギャップ型回転電機を提供できる。

第１実施例の周方向断面図。 第１実施例の軸方向断面図。 第１実施例の鳥瞰図。 第１実施例の鳥瞰図断面。 第１実施例の周方向断面図（通常のギャップ幅の時）。 第１実施例の周方向断面図（ギャップ幅を拡大した時）。 第２実施例の周方向断面図。 第３実施例の周方向断面図。 第４実施例の周方向断面図（通常のギャップ幅の時）。 第４実施例の周方向断面図（ギャップ幅を拡大した時）。 第５実施例の周方向断面図（通常のギャップ幅の時）。 第５実施例の周方向断面図（ギャップ幅を拡大した時）。 回転速度と電圧，トルクの関係を示す図。 回転速度とギャップの関係を示す図。 離散的に制御する場合の回転速度と電圧，トルクの関係を示す図。 離散的に制御する場合の回転速度とギャップの関係を示す図。

以下、本発明の実施形態の例について、図面を用いて説明する。

図１〜図５は、本発明によるアキシャルギャップ型回転電機の一実施例について示している。図１と図５は周方向から見た断面図、図２は軸方向から見た断面図、図３は鳥瞰図、図４は鳥瞰図の断面である。ここで、周方向とはロータの回転方向、軸方向とはロータの回転軸の延伸方向である。

本実施例の回転電機は、ステータ１００，ロータ２００，可変ギャップ機構３００、およびハウジング５００を有する。

ステータ１００は、軸Ａを中心に周方向に複数配置されたコイル１０１、および、コイル１０１内部に配置されたステータコア１０２を備え、ハウジング５００によって保持されている。

ロータ２００は、軸Ａを回転軸とし、軸Ａを中心に周方向に複数配置された永久磁石２０１とロータコア２０２を備え、ステータ１００を軸方向から挟み込むように配置される。ロータコア２０２は、ボールスプライン機構２０３を介し出力シャフト２０４に接続されている。出力シャフト２０４は、ハウジング５００とベアリング５０１を介して接している。なお、図２から図５ではハウジング５００とベアリング５０１とを省略している。

出力シャフト２０４は円筒状であり、その内部には軸Ａを回転軸とした第１調整シャフト３０２がベアリング３０９を介して配置される。第１調整シャフト３０２は、外部の動力源３０１に接続されている。また、第１調整シャフト３０２は、ステータに対向する位置に第１ギヤ３０３を有する。なお、動力源３０１は、軸Ａを回転軸として第１調整シャフト３０２を回転させられるものであり、例えばサーボモータなどである。

ステータ１００の内周には、軸Ｂを回転軸とした第２調整シャフト３１２が軸方向に一対配置されている。第２調整シャフト３１２は、第２ギヤ３０４とネジ部３１０を有する。第２ギヤ３０４は、第１ギヤ３０３と係合している。図２（図１のＳ−Ｓ′断面）に示すように、第２ギヤ３０４は第１ギヤ３０３、すなわち軸Ａを中心に４つ設けられている。

ネジ部３１０は、ステータ１００の固定部１０３に接続されたナット部３１１と係合している。また、図１において上下に位置する（軸方向に対向する）ネジ部３０２は逆ネジの関係、すなわち第２ギヤ３０４を境としてそれぞれ異なる向きにネジ山が設けられている。第２調整シャフト３１２は、軸Ｂを回転軸としたスラストベアリング３０７、および、軸Ａを回転軸としたスラストベアリング３０８を介しロータ２００と接続されている。なお、図４においては固定部１０３，スラストベアリング３０７，３０８を省略している。

第２調整シャフト３１２は、第２ギヤ３０４，第１ギヤ３０３、および、第１調整シャフト３０２を介し、動力源３０１と接続されている。このように、本実施例は可変ギャップ機構３００をステータ１００の内周に設けたものである。

次に本実施例の回転電機の動作を説明する。図５（ａ）は通常のギャップ幅時、図５（ｂ）はギャップ幅拡大時を示すものである。

ステータ１００は、コイル１０１に通電されると、回転磁界を発生する。ロータ２００は、永久磁石２０１により発生する磁界と、回転磁界との吸引，反発により、軸Ａを中心に回転する。ロータ２００の回転トルクは、ボールスプライン機構２０３を介し、出力シャフト２０４に伝達し、外部に出力される。一方、第２調整シャフト３１２は、スラストベアリング３０８を介しロータ２００と接続しているため、ロータ２００の回転の影響を受けず静止している。動力源３０１から、第１ギヤ３０３に回転力を出力すると、第２ギヤ３０４、および、これに接続している上下の第２調整シャフト３１２が回転する。これにより、上下の第２調整シャフト３１２は、相異なる方向の軸方向力を発生する。これにより、ロータ２００がシャフトから軸方向の力を受け、軸方向に移動する。このとき、ステータ１００を挟んで対向する一対のロータ２００は、それぞれ軸方向の異なる向きに移動する。

このように、本実施例の可変ギャップ機構３００は、ロータ２００の回転機構と別個の動力源３０１により駆動する。このため、信頼性，応答性に優れた柔軟なギャップ幅の制御が可能である。また、動力源３０１からの回転力が、上下の第１調整シャフト３０２に、同時刻に、同量だけ伝達する。このため、上下のロータ２００の移動量を一致させることができる。また、上下の異なる方向の動力を１つのサーボモータで出力できるため、小型，低コストである。さらに、サーボモータ以外の可変機構を、回転電機内部に設置しているため、小型である。

図６は、本発明によるアキシャルギャップ型回転電機の別実施例を示した図である。本実施例は、実施例１に示したアキシャルギャップ型回転電機の上下の出力シャフト２０４を、ハウジングの外部で軸Ｃを回転軸とする単一の外部出力シャフト４０１にトルク伝達機構４０２を介して接続したものである。トルク伝達機構４０２は、例えばベベルギヤやベルトなどである。

本実施例では、軸Ａを回転軸とする出力シャフト２０４の出力トルクがトルク伝達機構４０２を通して軸Ｃを回転軸とする外部出力シャフト４０１に伝達される。

このように、上下の出力シャフト２０４の出力トルクを単一の軸に伝達することで、各ロータの結合している出力シャフト２０４が別個であっても、各シャフト２０４の回転、および、トルクを一致させることが可能となる。

図７は、本発明によるアキシャルギャップ型回転電機の別実施例を示した図である。なお、図７においてハウジング５００，ベアリング５０１は省略している。

本実施例は、実施例１に記載したアキシャルギャップ型回転電機の上下のロータ２００の相対位置を周方向で固定したものである（少なくとも軸方向には自由とする）。この固定を行うため、本実施例の回転電機は上下のロータ２００の間にロータ結合機構４０３を有する。ロータ結合機構４０３は、上下のロータ２００の周方向の相対位置を機械的に結合するものであり、例えばシリンダなどである。また、ロータ結合機構４０３は、ロータ２００の外周部に、軸Ａを中心とした周方向に一つ以上配置される。

ロータ結合機構４０３により、上下のロータ２００は、ステータ１００からの回転磁界により上下一致して回転する。

このように、上下のロータを周方向に機械的に結合することで、各ロータが結合している出力シャフト２０４が別個であっても、各シャフト２０４の回転、および、トルクを一致させることが可能である。また、少なくとも軸方向には固定されないため、エアギャップ幅を変更する際に妨げにならない。

図８は、本発明によるアキシャルギャップ型回転電機の別実施例を示した図である。図８（ａ）は通常のギャップ幅時、図８（ｂ）はギャップ幅拡大時である。本実施例は、可変ギャップ機構３００をステータ１００の外周に設けたものである。

実施例１における場合と同じ働きをするものについては説明を省略する。本実施例のステータ１００の外周には、軸Ｄを回転軸とした第２調整シャフト３１２が上下一対配置されている。第２調整シャフト３１２は、軸Ａを中心として周方向に複数配置されている。また、第２調整シャフト３１２は、ネジ部３１０を有し、ステータ１００の固定部１０３に接続されたナット部３１１と結合している。上下の第２調整シャフト３１２のネジ部３１０は、逆ネジの関係となっている。第２調整シャフト３１２は、軸Ｄを回転軸としたスラストベアリング３０７、および、軸Ａを回転軸としたスラストベアリング３０８を介しロータ２００と接続されている。また、第２調整シャフト３１２は、第２ギヤ３０４を有し、軸Ｅを回転軸とした第２ギヤ３０４、および、これと係合する第１調整シャフト３０２を介し、動力源３０１と接続している。

次に本実施例の回転電機の動作を説明する。

ステータ１００は、コイル１０１に通電されると、回転磁界を発生する。ロータ２００は、永久磁石２０１により発生する磁界と、回転磁界との吸引，反発により、軸Ａを中心に回転する。ロータ２００の回転トルクは、ボールスプライン機構２０３を介し、出力シャフト２０４に伝達し、外部に出力される。一方、第２調整シャフト３１２は、スラストベアリング３０８を介しロータ２００と接続しているため、ロータ２００の回転の影響を受けず静止している。動力源３０１から、第１ギヤ３０３に回転力を出力すると、第２ギヤ３０４、および、これに接続している上下の第２調整シャフト３１２が回転する。これにより、上下の第２調整シャフト３１２は、相異なる方向の軸方向力を発生する。これにより、ロータ２００がシャフトから軸方向力を受け、軸方向に移動する。

このように、本実施例の可変ギャップ機構３００は、ロータ２００の回転機構と別個の動力源３０１により駆動する。このため、信頼性，応答性に優れた柔軟なギャップ幅の制御が可能である。また、動力源３０１からの回転力が、上下の第１調整シャフト３０２に、同時刻に、同量だけ伝達する。このため、上下のロータ２００の移動量を一致させることができる。また、上下の異なる方向の動力を１つのサーボモータで出力できるため、小型，低コストである。

図９は、本発明によるアキシャルギャップ型回転電機の別実施例を示した図である。図９（ａ）は通常のギャップ幅時、図９（ｂ）はギャップ幅拡大時である。本実施例は、可変ギャップ機構３００をロータ２００の軸方向外側（ステータ１００と対向する面とは異なる面）に設けたものである。

実施例１における場合と同じ働きをするものについては説明を省略する。本実施例では、空洞の突起部２０５が、ロータコア２０２の端面（ステータ１００と対向する面とは異なる面）に、ロータ２００と機械的に接続した状態で設けられている。突起部２０５の空洞の内側には、軸Ａを回転軸としたスラストベアリング３０７が４組配置されている。これらのスラストベアリング３０７の間には、軸Ｆを回転軸とする第１調整シャフト３０２が、軸Ａを中心として周方向に複数個配置されている。この第１調整シャフト３０２はネジ部３１０を有し、ステータを保持するハウジング５００（図示を省略）の固定部１０３に接続されたナット部３１１と結合している。また、第１調整シャフト３０２は、外部の動力源３０１と接続している。

次に本実施例の回転電機の動作について説明する。ステータ１００は、コイル１０１に通電されると、回転磁界を発生する。ロータ２００は、永久磁石２０１により発生する磁界と、回転磁界との吸引，反発により、軸Ａを中心に回転する。ロータ２００の回転トルクは、ボールスプライン機構２０３を介し、出力シャフト２０４に伝達し、外部に出力される。突起部２０５とスラストベアリング３０７は、ロータ２００の回転と一致して回転する。一方、スラストベアリング３０７を介してロータ２００に接続されている第１調整シャフト３０２には、ロータ２００の回転トルクが伝達しない。第１調整シャフト３０２は、動力源３０１からの回転力を得ると、ネジ機構により軸方向力を発生する。これにより、ロータ２００が第１調整シャフト３０２から軸方向力を受け、軸方向に移動する。

このように、本実施例の可変ギャップ機構３００は、ロータ２００の回転機構と別個の動力源３０１により駆動する。このため、信頼性，応答性に優れた柔軟なギャップ幅の制御が可能である。また、本実施例においては軸方向の上下それぞれのロータ２００について動力源３０１が備わっているため、実施例１から４の構成に比べてより大きな駆動力を得られる。これにより、例えばモータの体格が大きくステータとロータとの間に働く磁気吸引力が大きな場合でも、より確実にギャップ幅の制御を行うことが可能である。

なお、これまでに説明したいずれの実施例においても、可変ギャップ機構３００は、軸Ａを中心に複数個配置するに限らず、単数配置してもよい。ギャップ可変機構３００の動力源として動力源３０１を用いたが、第１調整シャフト３０２に回転力を伝えられるものであって、アキシャルギャップ型回転電機自体の回転力とは異なる、すなわち外部の動力源であれば他のものでもよい。ネジ部３１０とナット部３１１は、ボールを介し摩擦を低減したボールネジ機構としてもよい。

また、ステータコア１０２は、電磁鋼板，アモルファス金属，電磁ステンレス鋼などの軟磁性体とし、ロータコア２０２は、電磁鋼板，アモルファス金属，電磁ステンレス鋼などの軟磁性体とすることが望ましい。また、ロータコア２０２は、永久磁石２０１と略同径のリング状であり、これを保持する構造部材を介しシャフトに接続されていてもよい。構造部材は、Ｓ４５Ｃ，ＳＳ４００、またはＳＵＳなどを用いることが望ましい。さらに、極異方着磁したリング状の永久磁石を用いてもよい。ロータ２００は、永久磁石２０１、永久磁石２０１と磁気回路を形成する軟磁性材のリング状ロータコア、および、これらと出力シャフト２０４とを機械的に結合する部材から構成してもよい。

本願発明によるアキシャルギャップ型回転電機は、２つのロータを用いるダブルロータ構造をとる。このダブルロータ構造により、シングルロータ構造に比べて回転磁界の利用効率が高まり、より大きなトルクを得ることができる。

いずれの場合であっても、上記各実施例のアキシャルギャップ型回転電機は信頼性，応答性に優れた柔軟なギャップ幅の制御が可能である。

次に、ギャップ幅の制御について説明する。動力源３０１には動力源を制御する制御装置（図示しない）が備えられており、当該制御装置は動力源３０１に回転するタイミングを示す制御信号を出力することにより、第１調整シャフト３０２，第１ギヤ３０３及び第２ギヤ３０４を駆動し、ギャップ幅調整を行う。

図１０及び図１１は、ギャップを連続的に制御できるように可変ギャップ機構３００を構成した場合のアキシャルギャップ型回転電機の回転速度と電圧，トルクの関係及び回転速度とギャップの関係を示す図である。図１０は回転速度と電圧，トルクの関係を、図１１は回転速度とギャップの関係を示す。

本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機は、ギャップを拡大することでコイルに鎖交する磁石磁束を弱め、誘起電圧を電源電圧以下に抑制する。

例えば電気自動車やハイブリッド電気自動車の駆動用モータは、自動車の始動や登坂，高速走行などに対応するため、広い回転速度領域で用いられる。この駆動用モータとして本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機を用いる場合、図１０において、低速大トルク領域は始動や登坂時に使用され、高回転速度域は高速走行時に使用される。

駆動用モータは、コイルに鎖交する磁石磁束の時間変化により、回転数に比例した誘起電圧を発生する。誘起電圧が電源電圧を上回る所定の回転数（Ｎ１以上）になると、電源側が必要なトルクを発生するための電流を供給できなくなる。

この場合、上記制御装置は、動力源３０１に対し、ギャップ幅を拡大するための制御信号を与え、当該制御信号を受けた動力源３０１は、それに基づいてギャップ幅が大きくなるよう第１調整シャフト３０２を駆動する。これによって、Ｎ１以上の高回転時にギャップ幅を拡大し、誘起電圧が抑えられ、必要なトルクを発生するための電流を供給できる。

逆に、例えば、ブレーキ動作時、上記制御装置は、動力源３０１に対し、ギャップ幅を縮小するための制御信号を与え、当該制御信号を受けた動力源３０１は、それに基づいてギャップ幅が小さくなるように第１調整シャフト３０２を駆動する。これによって、モータが負荷として機能し、ブレーキ制動が高まる。同時に、運動エネルギーを効率的に回生することができる。

ギャップ制御は離散的に制御してもよい。これにより、動力源３０１の制御系を簡略化することができる。図１２及び図１３に、ギャップを離散的に制御する可変機構とした場合の回転速度と電圧，トルクの関係及び回転速度とギャップの関係を示す。

なお、コイルに通電しない場合（トルクを出力しない場合）もギャップを制御することができる。そこで、ブレーキ動作時にギャップを縮小し制動力を高めたり、慣性力や重力で走行する時にギャップを拡大し損失の発生を低減したりすることが可能である。

１００ ステータ
１０１ コイル
１０２ ステータコア
１０３ 固定部
２００ ロータ
２０１ 永久磁石
２０２ ロータコア
３００ 可変ギャップ機構
３０１ 動力源
３０７，３０８ スラストベアリング
３１０ ネジ部
３１１ ナット部
５００ ハウジング

Claims (15)

1. ハウジングと、
   ステータコアとコイルとを備えるステータと、
   ロータコアと永久磁石とを有し、前記ステータを軸方向から挟み込むように、当該ステータにエアギャップを介して設けられた２つのロータと、
   前記エアギャップの幅を変更するための可変ギャップ機構と、を備えたアキシャルギャップ型回転電機において、
   前記可変ギャップ機構は、前記アキシャルギャップ型回転電機の回転力とは異なる動力源により作動し、前記ロータを軸方向に移動することで前記エアギャップの幅を変更することを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
2. ハウジングと、
   ステータコアとコイルとを備えるステータと、
   ロータコアと永久磁石とを有し、前記ステータを軸方向から挟み込むように当該ステータにエアギャップを介して設けられ、シャフトを備えた２つのロータと、
   前記エアギャップの幅を変更するための可変ギャップ機構と、を備えたアキシャルギャップ型回転電機において、
   前記アキシャルギャップ型回転電機の回転力とは異なる動力源であって、可変ギャップ機構を駆動する動力源を有し、
   前記可変ギャップ機構は、ネジ部と前記ネジ部を保持するナット部とを備え、
   前記ネジ部は、前記動力源と接続され、前記動力源により前記ネジ部が回転することにより前記ロータを移動させることを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
3. 請求項２に記載のアキシャルギャップ型回転電機において、
   前記ロータが、前記ネジ部と係合する係合部を備え、
   前記係合部が、前記ロータの前記ネジ部と対向する面に、前記シャフトを回転軸とするスラストベアリングにより構成されていることを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
4. 請求項３に記載のアキシャルギャップ型回転電機において、
   前記係合部が、前記ネジ部の前記ロータ側に、前記ネジ部を回転軸としたスラストベアリングを備えたことを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
5. 請求項２に記載のアキシャルギャップ型回転電機において、
   前記可変ギャップ機構が、前記ステータの外周に配置され、互いに逆ネジの関係にある２つのネジ部、および、前記ステータに固定されたナット部を有することを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
6. 請求項２に記載のアキシャルギャップ型回転電機において、
   前記可変ギャップ機構が、前記ステータの内周に配置され、互いに逆ネジの関係にある２つのネジ部、および、前記ステータに固定されたナット部を有することを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
7. 請求項６に記載のアキシャルギャップ型回転電機において、
   前記ロータが、ボールスプライン機構を介し、前記ロータごとに設けられた２つのシャフトに各々接続され、
   前記シャフトは、内部に前記動力源から前記ネジ部への動力伝達機構を備えることを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
8. 請求項７に記載のアキシャルギャップ型回転電機において、
   前記動力伝達機構が、前記動力源に接続された第１のギヤと、前記ネジ部に接続され、前記第１のギヤと係合する第２のギヤとから構成されていることを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
9. 請求項６に記載のアキシャルギャップ型回転電機において、
   ２つの前記シャフトは、前記ハウジングの外部で単一のシャフトに結合されることを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
10. 請求項６に記載のアキシャルギャップ型回転電機において、
    ２つの前記ロータの間に、前記ロータ間の周方向の相対位置を機械的に結合するロータ結合機構を設けたことを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
11. 請求項１０に記載のアキシャルギャップ型回転電機において、
    前記ロータ結合機構がシリンダであることを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
12. 請求項２に記載のアキシャルギャップ型回転電機において、
    前記ロータコアは、電磁鋼板，アモルファス金属、または電磁ステンレス鋼から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. 請求項２に記載のアキシャルギャップ型回転電機において、
    前記永久磁石は、リング状の極異方着磁磁石であることを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
14. 請求項２に記載のアキシャルギャップ型回転電機において、
    前記ステータコアは、電磁鋼板，アモルファス金属、または電磁ステンレス鋼からなることを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
15. 請求項２に記載のアキシャルギャップ型回転電機において、
    前記動力源は、サーボモータであ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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