JP2016063666A - アキシャルギャップ型回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】磁石に作用する遠心力に対する遠心強度低下を抑制しながら、損失の増加によるモータの特性低下を抑制することである。
【解決手段】本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機は、固定子と、前記固定子に対して空隙を介して配置される回転子と、前記回転子と接続される回転軸と、を備え、前記回転子は、バックヨークと、当該バックヨークと前記固定子との間に配置される磁石と、当該磁石を保持する保持部材と、を有し、前記保持部材は、当該保持部材を前記回転軸の軸方向及び径方向に貫通しかつ前記磁石に面する切欠部を形成する。
【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する。

アキシャルギャップ型回転電機は、固定子と、この固定子と所定のギャップを介して回転軸方向に配置される回転子で構成される。回転子は、バックヨークと、このバックヨークに配置される磁石とで構成される。

このような構成のアキシャルギャップ型回転電機では、磁石は分割されて周方向に複数配置されているため、回転子が回転する際には、回転数の２乗に比例する遠心力が磁石に作用する。

磁石に働く遠心力に対する強度を向上するためのロータ構造については、特許文献１で提案されている。

特開2011-130598号公報

しかしながら、特許文献１に記載の構造では、磁石を保持するための保持部材を設けることで耐遠心力強度を向上している。しかしながら、保持部材が金属製である場合、磁石に鎖交した交番磁界に起因して渦電流損失が発生することが課題となる。一方、保持部材を非金属とした場合、渦電流損失は発生しないが、磁石の保持強度の低下を招くことが課題となる。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、磁石に作用する遠心力に対する遠心強度低下を抑制しながら、損失の増加によるモータの特性低下を抑制することである。

上記の目的を達成するために、本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機は、固定子と、前記固定子に対して空隙を介して配置される回転子と、前記回転子と接続される回転軸と、を備え、前記回転子は、前記回転軸の軸方向に形成される凸部及び凹部を設けるバックヨークと、当該凹部に配置される磁石と、当該磁石を保持するとともに当該凸部を収納する空間を形成する保持部材と、を有し、前記保持部材は、当該保持部材を前記回転軸の軸方向及び径方向に貫通しかつ前記凸部を収納する空間に面する第１切欠部を形成する。

また上記の目的を達成するために、本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機は、固定子と、前記固定子に対して空隙を介して配置される回転子と、前記回転子と接続される回転軸と、を備え、前記回転子は、バックヨークと、当該バックヨークと前記固定子との間に配置される磁石と、当該磁石を保持する保持部材と、を有し、前記保持部材は、当該保持部材を前記回転軸の軸方向及び径方向に貫通しかつ前記磁石に面する切欠部を形成する。

磁石に作用する遠心力に対する遠心強度を向上させながら、保持部材に発生する渦電流に起因する損失を抑制することができる。

本実施形態に係る２ロータ-１ステータ型のアキシャルギャップ型回転電機の分解斜視図である。 本実施形態に係る２ロータ-１ステータ型のアキシャルギャップ型回転電機の回転軸６０を通る断面図である。 本実施形態に係る回転子１０ａの分解斜視図であってバックヨーク１２ａの一部拡大図及び保持部材１１ａの一部拡大図を含む。 本実施形態に係る回転子１０ａの磁石１３ａが配置された側から見た斜視図である。 従来技術の回転子における交流磁界ｂ_cと渦電流ａ_cの流れを示す図である。 本実施形態の回転子１０ａにおける交流磁界ｂ_cと渦電流ａ_cの流れを示す図である。 第２実施形態におけるアキシャルギャップ型回転電機の回転子の構造を示す分解斜視図である。 第２実施形態の回転子における交流磁界ｂ_mと渦電流ａ_mの流れを示す図である。 第３実施例におけるアキシャルギャップ型回転電機の回転子の構造を示す分解斜視図である。 第４実施例におけるアキシャルギャップ型回転電機の回転子の構造を示す分解斜視図である。

以下、本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機の実施形態について、図を用いて説明する。

図１は、本実施形態に係る２ロータ-１ステータ型のアキシャルギャップ型回転電機の分解斜視図である。図２は、本実施形態に係る２ロータ-１ステータ型のアキシャルギャップ型回転電機の回転軸６０を通る断面図である。図２は、回転軸６０を通る断面のうち、回転軸６０を中心にした一方側の断面のみを表している。

ここで２ロータ-１ステータ型とは、一つのステータに対して電磁的に作用する２つのロータを設けるタイプである。２ロータ-１ステータ型のアキシャルギャップ型回転電機では、２つの回転子を有するため、１ロータ型のアキシャルギャップ型回転電機と比較し、より多くの磁石磁束を利用できる。そのため、高効率化・高出力密度化の点で有利である。
＜アキシャルギャップ型回転電機構造＞
図１および図２に示されるように、２ロータ-１ステータ型のアキシャルギャップ型回転電機１００は、回転軸６０の方向に一対の円板形状の回転子１０ａと回転子１０ｂを対向するように配置する。さらに回転子１０ａと回転子１０ｂの間に所定のギャップＧａとギャップＧｂを介して固定子２０を挟み込んだ構造を有している。回転軸６０は、軸受５０を介してハウジング４０に固定される。
＜固定子＞
固定子２０は、周方向に配置される複数のコア２２と、各コアの周囲に巻回されるコイル２１ａ及びコイル２１ｂと、コア２２を支持する支持部材２３から構成される。支持部材２３は、その外周側でハウジング４０に保持される。コア２２は、渦電流の発生を抑制するために、例えば電磁鋼板やアモルファス箔帯などの磁性薄板の積層体で構成されており、各磁性薄板間は絶縁層で絶縁されている。
＜回転子＞
回転子１０ａは、バックヨーク１２と、バックヨーク１２ａに保持される磁石１３ａと、を有する。バックヨーク１２は、電磁鋼板やアモルファス箔帯などの磁性薄板で構成され、これら磁性薄板が径方向に積層された積層体であり、各磁性薄板間は絶縁層で絶縁されている。バックヨーク１２ａと磁石１３ａは保持部材１１ａによって保持され、この保持部材１１ａは回転軸６０に固定される。保持部材１１ａは、非磁性の金属材料により構成され、具体的にはＳＵＳ３０４等である。回転子１０ｂについても回転子１０ａと同様の構成である。

なお、本実施形態は2ロータ-1ステータ型のアキシャルギャップ型回転電機について説示しているが、1ロータ-1ステータ型やロータ又はステータが多数型のものであってもよい。

以後、回転子１０ａの構造に関する実施例を説明する。
＜第１実施例＞
図３は、本実施形態に係る回転子１０ａの分解斜視図であってバックヨーク１２ａの一部拡大図及び保持部材１１ａの一部拡大図を含む。図４は、本実施形態に係る回転子１０ａの磁石１３ａが配置された側から見た斜視図である。

バックヨーク１２ａは、固定子２０が配置された方向に突出する複数の凸部１２１と、これら凸部１２１の間に形成されかつ磁石１３ａの一部が嵌め込まれる凹部１２２と、を有する。

カバー１４は、ハウジング４０に面するバックヨーク１２ａの表面を覆っている。またカバー１４は、バックヨーク１２ａと磁石１３ａを挟んだ状態で保持部材１１ａにネジ等（不図示）固定され、バックヨーク１２ａと磁石１３ａを回転軸６０の軸方向に対して強固に固定している。

保持部材１１ａは、内周保持リング１１１と、外周保持リング１１２と、内周保持リング１１１と外周保持リング１１２とを締結する枝部１１３と、により構成される。また保持部材１１ａは、磁石１３ａの一部を挿入するための磁石挿入部１１４と、バックヨーク１２ａの凸部１２１を挿入するための凸部挿入部１１５と、を有する。

ここで凸部挿入部１１５は、固定子２０が配置された側に開口を設けており、バックヨーク１２ａの凸部１２１が固定子２０側に露出するように構成されている。これにより、バックヨーク１２ａの凸部１２１が高速回転時のリラクタンストルクを利用するための突極として機能する。

本実施形態では、バックヨーク１２ａの凸部１２１は、周方向において磁石１３ａの間に挟まれている。このような構成の場合、凸部１２１には、磁石１３ａから発生する回転軸６０の軸方向の磁束によって渦電流が誘起され易い状態となる。そこで、この凸部１２１の周辺に流れる渦電流を抑制するための対策が望まれる。

外周保持リング１１２には、凸部１２１と接する領域に切欠１１６が形成される。ここで本実施形態では、切欠１１６は、凸部挿入部１１５の外周側に形成される。

図５（ａ）は、従来技術の回転子における交流磁界ｂ_cと渦電流ａ_cの流れを示す図である。図５（ｂ）は、本実施形態の回転子１０ａにおける交流磁界ｂ_cと渦電流ａ_cの流れを示す図である。

図５（ｂ）に示されるように、交流磁界ｂ_cが凸部１２１に鎖交した時に発生する渦電流ａ_cを本実施形態に設けられた切欠１１６により遮断することができ、渦電流損失の発生によるモータ性能の低下を抑制することができる。

さらに、この切欠１１６の形成される位置が、保持部材１１ａにおいて、バックヨーク１２ａの凸部１２１と接する領域である。つまり、この切欠１１６の形成される位置が、保持部材１１ａにおいて、磁石１３ａと接する領域を避けている。これにより磁石１３ａを高強度に保持することが可能となる。

ここで切欠１１６は、保持部材１１ａを回転軸６０の軸方向に貫通しかつ凸部１２１を収納する空間である凸部挿入部１１５に繋がるように径方向に貫通するように形成されている。なお本実施形態における切欠１１６の幅は任意の寸法でよく、外周保持リング１１２の一部で電気的にカットされていればよい。
＜第２実施例＞
図６は、第２実施形態におけるアキシャルギャップ型回転電機の回転子の構造を示す分解斜視図である。図７は、第２実施形態の回転子における交流磁界ｂ_mと渦電流ａ_mの流れを示す図である。なお、上述した実施例と同一個所に関しては同一符号を用い、説明を省略する。

本実施例におけるアキシャルギャップ型回転電機の保持部材２０１は、切欠１１６が凸部挿入部１１５に形成されていることに加え、切欠２０２が磁石挿入部１１４の外周側に設けられている。ここで切欠２０２は、保持部材２０１を回転軸６０の軸方向及び径方向に貫通しかつ磁石１３ａの外周面に面する空間を形成するための形状である。

これにより、図７に示されるように、凸部挿入部１１５を構成する保持部材２０１および枝部１１３に発生する渦電流ａ_cを抑制できるのに加えて、磁石挿入部１１４を構成する保持部材２０１におよび枝部１１３に発生する渦電流ａ_mを抑制することができる。
＜第３実施例＞
図８は、第３実施例におけるアキシャルギャップ型回転電機の回転子の構造を示す分解斜視図である。なお、上述した実施例と同一個所に関しては同一符号を用い、説明を省略する。

本実施例におけるアキシャルギャップ型回転電機の保持部材３０１は、外周保持部３０２が磁石１３ａの外周側のみに設けられている。つまり径方向の外周側から見たときに、バックヨーク１２ａの凸部１２１が露出した状態である。

言い換えると、保持部材３０１は、径方向における磁石１３ａの外周面と対向する外周保持部３０２を、これら複数の磁石１３ａに応じて複数設ける。さらに保持部材は、径方向の外周側から見た場合に、バックヨーク１２ａの突極を形成する凸部１２１と重なる開口３０４を隣り合う外周保持部３０２の間に形成する。これにより凸部１２１の周辺に渦電流を流さないようにすることができる。

一方で磁石１３ａを保持するための外周保持部３０２を設け、外周保持部３０２に、切欠３０３が形成されている。なお、この切欠３０３は必要に応じて設けられ、強度を重視する場合には、切欠３０３を設けなくてもよい。

以上に示した第３実施例のアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造によれば、遠心力が作用する磁石１３ａの外周側に外周保持部３０２が設けられているため、耐遠心力強度を確保しつつ、耐遠心力強度を必要としない凸部１２１の外周側にはリング等の保持部を設けないため、部材の材料使用量およびコストを抑制することが可能となる。
＜第４実施例＞
図９は、第４実施例におけるアキシャルギャップ型回転電機の回転子の構造を示す分解斜視図である。なお、上述した実施例と同一個所に関しては同一符号を用い、説明を省略する。

本実施例における保持部材４００は、内周保持部４０１と、この内周保持部４０１とは分離して形成された複数の保持ピース４０２と、により構成される。

保持ピース４０２に形成された締結部４０３は、内周保持部４０１に形成されかつ凹み形状を為す締結部４０４に嵌め合わされる。枝部４０５は、締結部４０３から径方向に向かって形成される。

外周保持部４０５は、枝部４０５の端部に接続される。また外周保持部４０５は、径方向における磁石１３ａの外周面と対向するように形成される。本実施形態においては外周保持部４０５が枝部４０５と締結部４０３と一体に形成される。

以上に示した第４実施例のアキシャルギャップ型回転電機の回転子構造によれば、保持部材を分割で構成しているため、部材の歩留まりが向上し、コストを抑制することが可能となる。また、製造性も向上させることが可能となる。

１０ａ…回転子、１０ｂ…回転子、１１ａ…保持部材、１１ｂ…保持部材、１２ａ…バックヨーク、１２ｂ…バックヨーク、１３ａ…磁石、１３ｂ…磁石、１４…カバー、２０…固定子、２１ａ…コイル、２１ｂ…コイル、２２…コア、２３…支持部材、４０…ハウジング、５０…軸受、６０…回転軸、１００…アキシャルギャップ型回転電機 、１１１…内周保持リング、１１２…外周保持リング、１１３…枝部、１１４…磁石挿入部、１１５…凸部挿入部、１１６…切欠、１２１…凸部、１２２…凹部、２０１…保持部材、２０２…切欠、３０１…保持部材、３０２…外周保持部、３０３…切欠、３０４…開口、４００…保持部材、４０１…内周保持部、４０２…保持ピース、４０３…締結部、４０４…締結部、ａ_c…渦電流、ｂ_c…交流磁界、Ｇａ…ギャップ、Ｇｂ…ギャップ、

Claims (5)

1. 固定子と、
   前記固定子に対して空隙を介して配置される回転子と、
   前記回転子と接続される回転軸と、を備え、
   前記回転子は、前記回転軸の軸方向に形成されかつ前記固定子と対向する突極を形成する凸部を設けるバックヨークと、当該バックヨークに配置される磁石と、当該磁石を保持するとともに当該凸部を収納する空間を形成する保持部材と、を有し、
   前記保持部材は、当該保持部材を前記回転軸の軸方向に貫通しかつ前記凸部を収納する空間に繋がるように径方向に貫通する第１切欠部を形成するアキシャルギャップ型回転電機。
2. 請求項１に記載されたアキシャルギャップ型回転電機であって、
   前記保持部材は、当該保持部材を前記回転軸の軸方向に貫通しかつ前記磁石に面するように径方向に貫通する第２切欠部を形成するアキシャルギャップ型回転電機。
3. 固定子と、
   前記固定子に対して空隙を介して配置される回転子と、
   前記回転子と接続される回転軸と、を備え、
   前記回転子は、前記固定子と対向する突極を形成するバックヨークと、当該バックヨークと前記固定子との間に配置される複数の磁石と、当該複数の磁石を保持する保持部材と、を有し、
   前記保持部材は、径方向における前記磁石の外周面と対向する外周保持部を当該複数の磁石に応じて複数有し、
   さらに前記保持部材は、径方向の外周側から見た場合に、前記バックヨークの突極と重なる開口を隣り合う前記外周保持部の間に形成するアキシャルギャップ型回転電機。
4. 請求項３に記載されたアキシャルギャップ型回転電機であって、
   前記保持部材は、当該保持部材を前記回転軸の軸方向に貫通しかつ前記磁石に面するように径方向に貫通する切欠部を形成するアキシャルギャップ型回転電機。
5. 請求項３に記載されたアキシャルギャップ型回転電機であって、
   前記保持部材は、径方向における前記磁石の内周面と対向する内周保持部と、前記外周保持部と一体に形成されかつ前記内周保持部に固定される枝部と、を有するアキシャルギャップ型回転電機。