JP2016208817A - アキシャルギャップ型回転機 - Google Patents

Abstract

【課題】生産性の高い仕様であり、かつ低コストで高性能なアキシャルギャップ型回転機を提供する。
【解決手段】具体的には、ハウジング19内に、回転軸11と、回転軸11を中心軸として回転軸11と一体となって回転することが可能であり、回転軸方向に間隔を置いて回転軸11と垂直に配置された少なくとも２つのロータコア13a、13b、及び、少なくとも２つのロータコア13 a、13bの対向する片面又は両面に所定の形態で配設される少なくとも２つの永久磁石14及び少なくとも２つの軟磁性材15を備える、少なくとも２つのロータ12a、12bと、軟磁性材または非磁性材のステータコア17、及び、ステータコア17に巻かれたコイル16を備え、ハウジング19に固定され少なくとも2つのロータ12a、12bが形成する空隙に配置される少なくとも1つのステータ18と、を備えるアキシャルギャップ型回転機10を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータや発電機等に利用可能な同期式の永久磁石回転機に関して、ロータとステータが回転軸方向に対向したアキシャルギャップ型回転機に関する。

永久磁石回転機は、構造上の分類からラジアルギャップ型とアキシャルギャップ型がある。ラジアルギャップ型は、円筒状のロータ（回転子）の周方向に径方向の磁化方向を持つ複数の永久磁石を配置し、永久磁石と対向するようにロータの外周または内周側にステータ（固定子）を配置する。一般に、ステータはロータと対向する面に複数の歯状をもつ鉄芯にコイルが巻かれた構造をしている。鉄芯を用いることでロータの磁極からの磁束を効率よくコイルに鎖交することができ、モータの場合には大きなトルク、発電機の場合には大きな電圧を生ずることができる。

一方、アキシャルギャップ型は、回転軸に円盤状のロータが取り付けられ、ロータと回転軸方向に対向してステータが設けられる構造となっており、ラジアルギャップ型と同様に、ロータには永久磁石が複数取り付けられ、これに対向するようにステータ側にコイルが複数取り付けられている（特許文献１、２）。ラジアルギャップ型と異なり、２つのロータでステータを挟むような構成であるため、回転機全体に占める永久磁石の面積の割合を大きく取る事が可能であり、例えば、トルク密度等回転機の特性を向上させる事が可能である。このような利点から、アキシャルギャップ型回転機は、高出力性能が要求されるハイブリッド車、電気自動車の駆動モータやエアコン、冷蔵庫、冷凍庫、あるいはショーケースなどの圧縮機へ応用される。

しかしながら、現状ではラジアルギャップ型の方が一般的である。その理由の一つに、アキシャルギャップ型は、構造が複雑で組立が難しいことが挙げられる。

一般的なアキシャルギャップ型回転機１００は、図１４に示すように、ハウジング１０９内に、ハウジング１０９によりベアリング１１０を介して回転可能に支持された回転軸１０１と、永久磁石１０４及びロータコア１０３を備える２つのロータ１０２ａ、１０２ｂと、コイル１０６及びステータコア１０７を備えるステータ１０８とを有し、場合によってはスペーサ１１１を介して２つのロータ１０２ａ、１０２ｂを回転軸に配置し、２つのロータ１０２ａ、１０２ｂの間の空隙にステータ１０８を配置する構造をもつ。

モータの場合、ステータコアに固定されたコイルに三相交流正弦波電流を通電することにより、コイルと永久磁石との吸引力／反発力に起因するマグネットトルクに加えてリラクタンストルクによりロータは回転運動を行う。また、発電機の場合、ロ−タを外部から強制的に回転させ、永久磁石が発する磁束をコイルに鎖交させ、誘起電圧を発生させる。

一般的なアキシャルギャップ型回転機１００に用いられるロータ１０２ａ、１０２ｂは、図１５に示すように、ロータコア１０３上に永久磁石１０４を周方向に一定の間隔で配設され、隣り合う永久磁石１０４を異極の磁石で構成される。この構成を有する２つのロータ１０２ａ、１０２ｂを、一方のロータ１０２ａの永久磁石１０４と他方のロータ１０２ｂの永久磁石１０４とを異極となるように対向させて配置することで磁力１１２を発生させる。ロータコア１０３上に配設される永久磁石１０４の相互間距離（間隔）は狭く、磁極の異なる磁石を隣り合わせとしなければならない。組み立て工程を簡便にする為に、未着磁状態の磁石をロ−タコア１０３に接着した後に着磁する後着磁が試みられている。

特開２００９−３３９４６号公報 特開２０１０−２００５１８号公報

しかしながら、ロータコア上に配設される永久磁石の相互間距離が狭い事に起因し、着磁が入り難いという問題が生じる。この問題を改善する為に、磁石間の距離を広げることが考えられるが、体積当たりの出力効率を落としてしまうという別の問題が発生する。従って、現状の製造においては、組み立て工程の生産効率は落ちるが、着磁した磁石を接着する先着磁で行わざるをえない。
また、永久磁石に用いられる希土類磁石は非常に高価である為コストがかかる。そのため、回転機の特性を落とさずに使用量を減らす方策が急務となっている。

本発明の目的は、生産性の高い仕様で後着磁も可能であり、かつ低コストで高性能なアキシャルギャップ型回転機を提供することにある。

本発明者らは上記課題を解決するために鋭意検討を行った結果、生産性の高い仕様であり、かつ永久磁石の使用量を大幅に低減させても高性能となるアキシャルギャップ型回転機を見出した。
すなわち、本発明によれば、ハウジングを備え、前記ハウジング内に、
回転軸と、
前記回転軸を中心軸として前記回転軸と一体となって回転することが可能であり、前記回転軸方向に間隔を置いて前記回転軸と垂直に配置された少なくとも２つのロータコア、及び、前記少なくとも２つのロータコアの対向する片面又は両面に所定の形態で配設される少なくとも２つの永久磁石及び少なくとも２つの軟磁性材を備える、少なくとも２つのロータであって、
前記所定の形態が、前記少なくとも２つのロータコアの対向する少なくとも一方の面に周方向に交互に配設される前記少なくとも２つの永久磁石と前記少なくとも２つの軟磁性材を備え、前記一方の面に配設される前記永久磁石の各々が前記回転軸方向に同じ極性を有する、第一の形態であるか、
前記少なくとも２つのロータコアの対向する一方の面に周方向に配設される前記少なくとも２つの永久磁石を備え、他方の面に前記少なくとも２つの永久磁石と対向する位置に前記少なくとも２つの軟磁性材を備え、前記永久磁石が前記周方向に交互に前記回転軸方向に逆の極性を有する、第二の形態である、少なくとも２つのロータと、
軟磁性材または非磁性材のステータコア、及び、前記ステータコアに巻かれたコイルを備え、前記ハウジングに固定され、前記少なくとも２つのロータが形成する空隙に配置される少なくとも１つのステータと、
を備えるアキシャルギャップ型回転機が提供できる。

本発明により、生産性の高い仕様であり、かつ永久磁石の使用量を大幅に低減させても高性能となるアキシャルギャップ型回転機を得ることができる。このようなアキシャルギャップ型回転機は、産業上その利用価値は極めて高い。

本発明のアキシャルギャップ型回転機全体の一態様を示す模式的断面図である。 本発明のアキシャルギャップ型回転機全体の他の態様を示す模式的断面図である。 図１または２の回転機に採用することができるロータの模式的斜視図である。 図１の回転機に搭載された２つのロータの一態様であって、２つのロータの間を回転軸と垂直な面で展開した斜視図である。 図２の回転機に搭載された２つのロータの一態様であって、２つのロータの間を回転軸と垂直な面で展開した斜視図である。 図２の回転機に搭載された２つのロータの他の態様であって、２つのロータの間を回転軸と垂直な面で展開した斜視図である。 本発明のアキシャルギャップ型回転機全体の他の態様を示す模式的断面図である。 図１の回転機に図４の２つのロータの配置と軟磁性材のステータを用いた場合の誘起電圧の評価結果である。 図１の回転機に図４の２つのロータの配置と非磁性材のステータを用いた場合の誘起電圧の評価結果である。 図２の回転機に図５の２つのロータの配置と軟磁性材のステータを用いた場合の誘起電圧の評価結果である。 図２の回転機に図５の２つのロータの配置と非磁性材のステータを用いた場合の回転機の誘起電圧の評価結果である。 図２の回転機に図６の２つのロータの配置と軟磁性材のステータを用いた場合の誘起電圧の評価結果である。 図２の回転機に図６の２つのロータの配置と非磁性材のステータを用いた場合の誘起電圧の評価結果である。 従来のアキシャルギャップ型回転機全体の一態様を示す模式的断面図である。 図１４の回転機に搭載された２つのロータの間を回転軸と垂直な面で展開した斜視図である。 比較例１の回転機の組み立て時間を１とした場合の、実施例１の回転機の組み立て時間を比較した図である。

以下、本発明を実施するための形態を詳細に説明するが、本発明の範囲は、この形態に限定されるものではない。

本発明によれば、アキシャルギャップ型回転機は、ハウジングを備え、ハウジング内に回転軸と、少なくとも２つのロータコア及び少なくとも２つのロータコアの対向する片面又は両面に所定の形態で配設される少なくとも２つの永久磁石及び少なくとも２つの軟磁性材を備える少なくとも２つのロータと、ハウジングに固定され少なくとも２つのロータが形成する空隙に配置される少なくとも１つのステータとを備えている。

ハウジングは、その内部に、回転軸と少なくとも２つのロータと少なくとも１つのステータとを備えることが可能な形状であれば特に限定されるものではない。回転軸は、ハウジングによりベアリングを介して回動可能に支持されている。この構造であればステータに鉄芯を用いなくても磁極面を大きくすることで出力を大きくとることができる。

ロータコアの材質としては、磁性体片であることが好ましく、例えば、Ｓ１５ＣやＳ４５Ｃなどの低炭素鋼、冷間圧延鋼板（ＳＰＣＣ）、電磁鋼板等が挙げられる。ロータコアを磁性体とすることにより、ロータ間の磁場を強めることが可能となる。

ロータは、ロータコアと、ロータコアに配設される少なくとも２つの永久磁石及び／又は少なくとも２つの軟磁性材を含む。ロータの永久磁石及び／又は軟磁性材を配設する面は、ロータコアの片面、若しくは両面としてもよく、少なくとも片面に配設する。ロータコアに永久磁石及び／又は軟磁性材を配設する際、例えば、接着剤を用いて配設してもよい。接着剤は、例えば、エポキシ系、アクリル系などを用いることができるが、熱サイクルに耐えるために弾性・耐熱性接着剤を用いてもよい。永久磁石または軟磁性材のロータコアと接する面の全面に接着剤を塗布し、ロータコアに永久磁石または軟磁性材を配設する。ロータコアの両面に永久磁石及び／又は軟磁性材を配設する場合は、片面ずつ接着剤を用いて配設してもよいし、ロータコアの永久磁石または軟磁性材を配設する場所を予め回転軸方向に貫通させてはめ込むように配設してもよい。ロータコアに配設した永久磁石または軟磁性材の上面は、ロータコアの上面と水平であることが好ましく、また、ロータコアの上面よりも飛び出した位置若しくは窪んだ位置であってもよいが、この場合、永久磁石または軟磁性材の各々の上面を、ロータコアの上面の位置に対して同じ高低差とすることが好ましい。

永久磁石の材質としては、特に限定されず、従来公知のものを用いることができ、好ましくは希土類元素を含む高性能希土類磁石である。軟磁性材は、外部磁界をかけると磁化されるが、外部磁界を除くと磁化が消えてしまうものであり、材質としては、特に限定されず、ケイ素鋼板若しくは鉄（例えば、ＳＳ４００）等のバルク材若しくは圧粉磁心等で構成することが好ましい。永久磁石及び軟磁性材の形状等は、特に限定されるものではないが、長方形、扇型等のものを用いることができるが、永久磁石及び軟磁性材ともに同じ形状且つ同じ大きさであることが好ましい。

永久磁石及び軟磁性材の配設数は、限定するものではないが、ロータ上の同極と異極の形成数を等しくするために、各々同じ数で配設することが好ましく、各々少なくとも２つであることが好ましい。また、２つのロータの対向する面に形成する磁極の数は、一方のロータの対向面に形成する磁極数と、他方のロータの磁極数とが等しくなるように構成する。後述する第一の態様では、対向する２つのロータのうち、例えば、一方のロータコアに８個の永久磁石と８個の軟磁性材を交互に配設した場合、他方のロータコアにも８個の永久磁石と８個の軟磁性材を交互に配設する。隣り合う永久磁石と軟磁性材の距離（間隔）は、全て等しいことが好ましい。第一の態様の場合、一つのロータ上の永久磁石及び軟磁性材の配設数は、より好ましくは各々２〜１６個であり、さらに好ましくは各々２〜１２個であり、さらに特に好ましくは各々２〜８個である。また、後述する第二の態様では、対向する２つのロータのうち、例えば、一方のロータコアに１６個の永久磁石を磁極が交互となるように配設した場合、他方のロータコアには１６個の軟磁性材を配設する。隣り合う永久磁石同士または軟磁性材同士の距離（間隔）は、全て等しいことが好ましい。第二の態様の場合、一方のロータ上の永久磁石の配設数と他方のロータ上の配設数は等しいことが好ましく、一方のロータ上の永久磁石の配設数は、例えばより好ましくは２〜３２個であり、さらに好ましくは２〜２４個であり、さらに特に好ましくは２〜１６個である。

ロータに永久磁石及び軟磁性材を配設する順番は、特に限定されるものではない。例えば、１つのロータに永久磁石及び軟磁性材を配設する場合は、ロータコアに軟磁性材と、同じ極性に着磁した永久磁石とを同時に交互に配設してもよいし、ロータコアに未着磁の永久磁石を間隔を空けて配設して着磁させた後に、永久磁石の間に軟磁性材を配設してもよいし、ロータコアに軟磁性材と未着磁の永久磁石を交互に配設してから着磁させてもよい。また、例えば、１つのロータに永久磁石のみを配設する場合は、ロータコアに着磁した永久磁石を磁極が交互となるように配設してもよいし、ロータコアに未着磁の永久磁石を間隔を空けて配設して着磁させた後に、着磁した永久磁石の間に逆の磁極となる未着磁のまたは着磁した永久磁石を配設し、未着磁の永久磁石を用いる場合は既に着磁した永久磁石に覆い等をして磁極の変化を防ぎながら着磁してもよい。軟磁性材は、永久磁石を着磁させる手段によって影響を受けるものではなく、着磁した永久磁石と対向または隣接させることで影響を受けて擬似的な磁極（擬似極）を形成する。

本発明にかかる回転機は、少なくとも２つのロータを含んでおり、これらのロータは、回転軸を中心軸として回転軸と一体となって回転することが可能であり、回転軸方向に間隔を置いて回転軸と垂直に互いに対向して配置される。場合によっては、スペーサを介してロータを回転軸に配置してもよい。ロータの数は、特に限定するものではないが、磁力を発生させるために少なくとも２つであることが好ましい。より好ましくは２〜４つであり、さらに好ましくは２〜３つである。

回転機に搭載される少なくとも２つのロータは、少なくとも２つのロータコアの対向する片面又は両面に、少なくとも２つの永久磁石及び少なくとも２つの軟磁性材を所定の形態で配設される。所定の形態としては、第一の形態と第二の形態を有する。所定の形態が第一の形態の場合、少なくとも２つのロータは、少なくとも２つのロータコアの対向する少なくとも一方の面に周方向に交互に配設される少なくとも２つの永久磁石と少なくとも２つの軟磁性材を備え、前記一方の面に配設される永久磁石の各々が回転軸方向に同じ極性を有する。所定の形態が第二の形態の場合、少なくとも２つのロータは、少なくとも２つのロータコアの対向する一方の面に周方向に配設される少なくとも２つの永久磁石を備え、他方の面に少なくとも２つの永久磁石と対向する位置に少なくとも２つの軟磁性材を備え、永久磁石が周方向に交互に前記回転軸方向に逆の極性を有する。

第一の形態において、少なくとも２つの永久磁石と少なくとも２つの軟磁性材を少なくとも２つのロータコアの対向する両方の各面に配設し、各面において周方向に永久磁石と軟磁性材とを交互に配設したコンシクエントポール型の構造としてもよい。ロータをコンシクエントポール型の構造とすることにより、異極の永久磁石を隣り合わせとすることなく、また、一つのロータコアに配設した全ての永久磁石を同じ着磁方向とすることができるため、後着磁が可能となり、従来の構成よりも簡単に組み立てられ、生産効率を向上させることが可能となる。また、２つの永久磁石の間に配設した軟磁性材は、永久磁石とは異極の擬似的な磁極（擬似極）を形成する。このため、コンシクエントポール型の構造は、従来の構成よりも永久磁石の使用量を半減することが可能となる。

コンシクエントポール型の構造を有する２つのロータを用いて、永久磁石を備える面を互いに対向させて配置する際の一態様としては、一方のロータコアの永久磁石が他方のロータコアの永久磁石と対向し、一方のロータコアの軟磁性材が他方のロータコアの軟磁性材と対向し、且つ、一方のロータコアの永久磁石の磁極が他方のロータコアの永久磁石の磁極と異なっていてもよい。他の態様としては、一方のロータコアの永久磁石が他方のロータコアの軟磁性材と対向し、一方のロータコアの軟磁性材が他方のロータコアの永久磁石と対向し、且つ、一方のロータコアの永久磁石の磁極が他方のロータコアの永久磁石の磁極と同じであってもよい。このような構成とすることにより、対向する２つのロータの、一方のロータコアの永久磁石または軟磁性材と、他方のロータコアの永久磁石または軟磁性材との間で、磁力を発生させることができる。

本発明にかかる回転機は、少なくとも２つのロータを対向配置して形成する空隙に、少なくとも１つのステータを配置させる。また、ロータコアの両面に少なくとも２つの永久磁石を備える少なくとも２つのロータを用いる場合は、ロータとハウジングの空隙にもステータを配置してもよい。ステータは、回転軸の回転とは分離され、例えば収納用のケースであるハウジングに固定されている。ステータの数は、特に限定するものではないが、永久磁石を備える面を対向して配置したロータが形成する空隙の数に合わせて配置することが好ましく、少なくとも１つを有する。

ステータは、ステータコアとステータコアに巻かれたコイルで構成される。ステータコアは、例えば、コイルを巻回されるティース（極歯）をロータの周方向に沿って複数設けた構造をとることができ、コイルは、例えば、丸線若しくは平角線で構成してもよい。ステータコアの材質としては、ケイ素鋼板若しくはＳＳ４００等のバルク材若しくは圧粉磁心等の軟磁性材、あるいは、非磁性材で構成しコアレスとしてもよい。非磁性材としては、特に限定されず、アルミニウム、ＳＵＳ３０１、ＳＵＳ３０２、ＳＵＳ３０３、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６等のオーステナイト系ステンレス、または、ベークライト、ＭＣナイロン、及びポリアセタール等の樹脂が挙げられる。

以下、本発明について、図面を参照してさらに詳細に説明するが、例えば、添え字のある符号１２ａと１２ｂを総称して１２と記載するように、添え字のある符号を総称して添え字のない同一符号を用いるものとする。

本発明の一態様のアキシャルギャップ型回転機１０ａは、図１に示すように、ハウジング１９を備え、ハウジング１９内に、回転軸１１と、２つのロータ１２ａ、１２ｂと、１つのステータ１８とを備えている。回転軸１１は、ハウジング１９によりベアリング２０を介して回転可能に支持されている。２つのロータ１２ａ、１２ｂは、２つのロータコア１３ａ、１３ｂ、及び、２つのロータコア１３ａ、１３ｂの対向する片面に所定の形態で配設される少なくとも２つの永久磁石１４及び少なくとも２つの軟磁性材１５を備えている。一方のロータ１２ａのロータコア１３ａに備えた永久磁石１４ａに対向する位置に、他方のロータ１２ｂのロータコア１３ｂは永久磁石１４ｂを備えている。また、一方のロータ１２ａのロータコア１３ａに備えた軟磁性材１５ａに対向する位置に、他方のロータ１２ｂのロータコア１３ｂは軟磁性材１５ｂを備えている。ステータ１８は、軟磁性材または非磁性材のステータコア１７、及び、ステータコア１７に巻かれたコイル１６を備え、ハウジング１９に固定され、２つのロータ１２ａ、１２ｂが形成する空隙に配置されている。

また、本発明の他の態様のアキシャルギャップ型回転機１０ｂは、図２に示すように、図１と同様、ハウジング１９を備え、ハウジング１９内に、回転軸１１と、２つのロータ１２ａ、１２ｂと、１つのステータ１８とを備えている。図１と異なり図２においては、２つのロータ１２ａ、１２ｂは、一方のロータ１２ａのロータコア１３ａに備えた永久磁石１４ａに対向する位置に、他方のロータ１２ｂのロータコア１３ｂは軟磁性材１５ｂを備えている。また、一方のロータ１２ａのロータコア１３ａに備えた軟磁性材１５ａに対向する位置に、他方のロータ１２ｂのロータコア１３ｂは永久磁石１４ｂを備えている。

ロータ１２の一例としては、図３に示すように、ロータコア１３の片面において、周方向に８個の永久磁石１４と８個の軟磁性材１５とを交互に１個ずつ配設して、コンシクエントポール型の構造とする。ロータコア１３上の全ての永久磁石１４を同じ方向に着磁させ、軟磁性材１５に擬似極を形成させる。

回転機１０は、２つのロータ１２ａ、１２ｂを含んでおり、これらのロータ１２ａ、１２ｂは、回転軸１１を中心軸として回転軸１１と一体となって回転することが可能であり、回転軸方向に間隔を置いて回転軸１１と垂直に互いに対向して、場合によってはスペーサ２１を介して回転軸に配置される。

図１の回転機に搭載される２つのロータ１２ａ、１２ｂの配置の一態様として、例えば備える永久磁石と軟磁性材の配置が図３と同じであるロータを用いた場合、図４に示すように、２つのロータ１２ａ、１２ｂのロータコア１３ａ、１３ｂ上の永久磁石１４を備える面を互いに対向して配置させる。この配置において、一方のロ−タ１２ａのロータコア１３ａが備える永久磁石１４ａの磁極を全てＳ極とし、他方のロ−タ１２ｂのロータコア１３ｂが備える永久磁石１４ｂの磁極を全てＮ極とした場合、ロ−タ１２ａが備える軟磁性材１５ａの擬似極は全てＮ極となり、ロ−タ１２ｂが備える軟磁性材１５ｂの擬似極は全てＳ極となる。これらのロータはコンシクエントポール型の構造であるため、ロータ１２ａの永久磁石１４ａとロータ１２ｂの永久磁石１４ｂとを対向させる配置とすると、ロータ１２ａの軟磁性材１５ａとロータ１２ｂの軟磁性材１５ｂとが対向する。この構成とすることにより、ロータ１２ａの永久磁石１４ａとロータ１２ｂの永久磁石１４ｂとの間、及び、ロータ１２ａの軟磁性材１５ａとロータ１２ｂの軟磁性材１５ｂとの間で磁力２２を発生させることができる。

図２の回転機に搭載される２つのロータ１２ａ、１２ｂの配置の一態様として、例えば備える永久磁石と軟磁性材の配置が図３と同じであるロータを用いた場合、図５に示すように、一方のロ−タ１２ａのロータコア１３ａが備える永久磁石１４ａ、及び他方のロ−タ１２ｂのロータコア１３ｂが備える永久磁石１４ｂの磁極を全てＮ極とした場合、ロ−タ１２ａが備える軟磁性材１５ａ、及びロ−タ１２ｂが備える軟磁性材１５ｂの擬似極は全てＳ極となる。これらのロータはコンシクエントポール型の構造であるため、ロータ１２ａの永久磁石１４ａとロータ１２ｂの軟磁性材１５ｂとを対向させる配置とすると、ロータ１２ａの軟磁性材１５ａとロータ１２ｂの永久磁石１４ｂとが対向する。この構成とすることにより、ロータ１２ａの永久磁石１４ａとロータ１２ｂの軟磁性材１５ｂとの間、及び、ロータ１２ａの軟磁性材１５ａとロータ１２ｂの永久磁石１４ｂとの間で磁力２２を発生させることができる。

また、図２の回転機に搭載される２つのロータ１２ａ、１２ｂの配置の他の態様として第二の形態があり、例えば、図６に示すように、一方のロータ１２ａのロータコア１３ａに磁極の極性が周方向に交互となるように永久磁石１４ａを備え、他方のロ−タ１２ｂのロータコア１３ｂに永久磁石と同じ数の軟磁性材１５ｂを備え、ロータ１２ａの永久磁石１４ａを備えた面とロ−タ１２ｂの軟磁性材１５ｂを備えた面を対向させた場合、ロ−タ１２ｂの軟磁性材１５ｂは、対向する永久磁石の対極の擬似極を生じる。この構成とすることにより、一方のロータ１２ａの永久磁石１４ａと他方のロータ１２ｂの軟磁性材１５ｂとの間で磁力２２を発生させることができる。

本発明のアキシャルギャップ型回転機においてロータの数を増加させた態様を、図７に示す。図７に示す回転機５０は、ハウジング５９を備え、ハウジング５９内に、回転軸５１と、３つのロータ５２ａ、５２ｂ、５２ｃと、２つのステータ５８ａ、５８ｂとを備えている。ロータ５２ａ、５２ｂ、５２ｃは、ロータコア５３、及び、ロータコア５３に永久磁石５４及び軟磁性材５５を備え、場合によってはスペーサ６１を介して配置されている。ステータ５８ａ、５８ｂは、軟磁性材または非磁性材のステータコア５７、及び、ステータコア５７に巻かれたコイル５６を備え、ハウジング５９に固定されている。

回転機５０は、片面に永久磁石５４及び軟磁性材５５を備えた２つのロータ５２ａ、５２ｂの永久磁石５４及び軟磁性材５５を備える面を互いに対向して形成した空隙に２つのステータ５８ａ、５８ｂを配置し、ステータ５８ａ、５８ｂの間に両面に永久磁石５４及び軟磁性材５５を備えた１つのロータ５２ｃを配置した構造を有する点で、図２の態様と相違している。

図７の回転機は、片面に永久磁石及び軟磁性材を備えた２つのロータと両面に永久磁石及び軟磁性材を備えた１つのロータを、空間を隔てて永久磁石及び軟磁性材を備えた面を対向させて配置することにより形成される２つの空隙に各々ステータを配置したものであるが、これに限らず、両面に永久磁石及び軟磁性材を備えたロータを２つ以上用いて、空間を隔てて永久磁石及び軟磁性材を備えた面を対向させて配置することにより形成される各空隙に、ステータを１つずつ配置したサンドイッチ構造を有する回転機としてもよい。このようなサンドイッチ構造を有する回転機を発電機として使用する場合、動力源から回転軸に回転力が伝わるとすべてのロータは回転軸と同期して回転し、各ロータ間のギャップ（すきま部）に配置された各ステータにおいて軸方向から見て同じ位置にあるコイルは同期して電圧を発生するので、これらを直列に結線することで、結合したコイルの起電力はステータの段数に比例することになる。このようにして、必要に応じてステータの段数を増やすことにより、容易に高い発電電圧を得ることができる。

＜実施例１＞
[ロータの構成]
ロータは、図３に示すように、ロータコアに８個の永久磁石と８個の軟磁性材を1個ずつ交互に配置し、弾性接着剤（ＥＰ００１、セメダイン社製）で接着して配設するものとした。ロータコアは、材質がＳ１５Ｃで外径２００ｍｍ、厚さ５ｍｍの円盤を用いるものとした。永久磁石としては希土類磁石で、大きさが幅２０ｍｍ、長さ３５ｍｍ、磁化方向の厚さ３ｍｍのものを用いるものとした。軟磁性材としてはＳＳ４００で、大きさが幅２０ｍｍ、長さ３５ｍｍ、磁化方向の厚さ３ｍｍのものを用いるものとした。
[回転機の構成]
上記の方法で構成した２つのロータを用いて、図１に示すアキシャルギャップ型回転機を構成した。回転機内で２つのロータの対向する面は、図４に示すように、一方のロータの永久磁石が他方のロータの永久磁石と対向し、一方のロータの軟磁性材が他方のロータの軟磁性材と対向する配置とした。また、一方のロータの永久磁石の磁極が、他方のロータの永久磁石の磁極と異なる磁極となるよう着磁を行った。２つのロータにより形成された空隙（ギャップ）の幅を８ｍｍとして、ギャップに１つのステータを配置するものとした。ステータは、材質がＳＳ４００で厚さが５ｍｍのコイルベースのステータコアに３０ターン巻かれたコイルが１２個収められている構成とした。
[回転機の評価]
上記の構成の回転機について、１０００ｒｐｍ条件下での誘起電圧をＦＥＭ解析（有限要素法）で算出した。

＜比較例１＞
[ロータの構成]
ロータは、ロータコアに、１６個の永久磁石を着磁させてＳ極面とＮ極面を交互に配置し、弾性接着剤（ＥＰ００１、セメダイン社製）で接着して配設するものとした。ロータは、材質がＳ１５Ｃで外径２００ｍｍ、厚さ５ｍｍの円盤を用いるものとした。永久磁石としては希土類磁石で、大きさが幅２０ｍｍ、長さ３５ｍｍ、磁化方向の厚さ３ｍｍのものを用いるものとした。
[回転機の構成]
上記の方法で構成した２つのロータを用いて、図１４に示すアキシャルギャップ型回転機を構成した。回転機内で２つのロータの対向する面は、図１５に示すように、一方のロータの永久磁石と他方のロータの永久磁石とを異極となるように対向させる配置とした。また、２つのロータにより形成された空隙（ギャップ）の幅を８ｍｍとして、ギャップに１つのステータを配置するものとした。ステータは、材質がＳＳ４００で厚さが５ｍｍのコイルベースのステータコアに３０ターン巻かれたコイルが１２個収められている構成とした。
[回転機の評価]
上記の構成の回転機について、１０００ｒｐｍ条件下での誘起電圧をＦＥＭ解析（有限要素法）で算出した。

実施例１の評価結果として、比較例１における用いた永久磁石の単位体積当たりの誘起電圧を１としたときの、実施例１における用いた永久磁石の単位体積当たりの誘起電圧比を図８に示す。回転機の特性の優劣を表す１つの指標として誘起電圧があり、ＦＥＭ解析により算出することができる。本発明の回転機である実施例１は、比較例１の永久磁石の使用量の半分を軟磁性材に置き換えたにもかかわらず、驚くべきことに、永久磁石の単位体積当たりの誘起電圧は１.２倍に増加していた。

また、比較例１の回転機の組み立て時間を１とした場合の、実施例１の回転機の組み立て作業時間を比較し、図１６に示す。結果から、実施例１は比較例１よりも組み立て作業時間が短くなることがわかった。組み立て作業時間は、ロータコアに磁石等を接着する時間と、着磁する時間の合計である。従来の方法である比較例１は先着磁であるため、磁石を各々着磁した後に、ロータコアへすり込むようにして配置し接着する。一方、本発明は後着磁も可能であるため、未着磁の磁石をロータに接着した後、ロータコアごとに一度に着磁を行うことが可能である。ロータコアに磁石等を接着する時間と着磁する時間を比較すると、着磁作業の方が長くなる傾向である。着磁は、通常、大容量の電源でパルス電流を着磁コイルに通電して行っており、電源に搭載されたコンデンサーへの充電に時間を要することも起因する。よって、本発明は、従来の方法に比べて、接着する時間も着磁する時間も短く、効率良く組み立てることが可能であり、生産性を改善することが可能である。

＜実施例２＞
ステータコアの材質をベークライト製とした以外は、実施例１と同様に行った。
実施例２の評価結果として、比較例１における用いた永久磁石の単位体積当たりの誘起電圧を１としたときの、実施例２における用いた永久磁石の単位体積当たりの誘起電圧比を図９に示す。本発明の回転機である実施例２は、比較例１の永久磁石の使用量の半分を軟磁性材に置き換えたにもかかわらず、驚くべきことに、永久磁石の単位体積当たりの誘起電圧は１.２倍に増加していた。

＜実施例３＞
回転機内で２つのロータの対向する面を、図５に示すように、一方のロータの永久磁石が他方のロータの軟磁性材と対向し、一方のロータの軟磁性材が他方のロータの永久磁石と対向する配置とし、且つ、一方のロータの永久磁石の磁極が他方のロータの永久磁石の磁極と同じ磁極となるよう着磁を行い、図２に示すアキシャルギャップ型回転機を構成した以外は、実施例１と同様にして回転機の作製、及び評価を行った。
実施例３の評価結果として、比較例１における用いた永久磁石の単位体積当たりの誘起電圧を１としたときの、実施例３における用いた永久磁石の単位体積当たりの誘起電圧比を図１０に示す。本発明の回転機である実施例３は、比較例１の永久磁石の使用量の半分を軟磁性材に置き換えたにもかかわらず、驚くべきことに、永久磁石の単位体積当たりの誘起電圧は１.３倍に増加していた。

＜実施例４＞
ステータコアの材質をベークライト製とした以外は、実施例３と同様に行った。
実施例４の評価結果として、比較例１における用いた永久磁石の単位体積当たりの誘起電圧を１としたときの、実施例４における用いた永久磁石の単位体積当たりの誘起電圧比を図１１に示す。本発明の回転機である実施例４は、比較例１の永久磁石の使用量の半分を軟磁性材に置き換えたにもかかわらず、驚くべきことに、永久磁石の単位体積当たりの誘起電圧は１.２倍に増加していた。

＜実施例５＞
[ロータの構成]
ロータは、一方のロータコアに１６個の永久磁石を配置し、他方のロータコアに１６個の軟磁性材を配置し、弾性接着剤（ＥＰ００１、セメダイン社製）で接着して配設するものとした。ロータコアは、材質がＳ１５Ｃで外径２００ｍｍ、厚さ５ｍｍの円盤を用いるものとした。永久磁石としては希土類磁石で、大きさが幅２０ｍｍ、長さ３５ｍｍ、磁化方向の厚さ３ｍｍのものを用いるものとした。軟磁性材としてはＳＳ４００で、大きさが幅２０ｍｍ、長さ３５ｍｍ、磁化方向の厚さ３ｍｍのものを用いるものとした。なお、永久磁石は着磁した後にロータコアにＳ極面とＮ極面を交互に配置した。
[回転機の構成]
上記の方法で構成した２つのロータを用いて、図２に示すアキシャルギャップ型回転機を構成した。回転機内で２つのロータの対向する面は、図６に示すように、一方のロータの永久磁石が他方のロータの軟磁性材と対向する配置とした。２つのロータにより形成された空隙（ギャップ）の幅を８ｍｍとして、ギャップに１つのステータを配置するものとした。ステータは、材質がＳＳ４００で厚さが５ｍｍのコイルベースのステータコアに３０ターン巻かれたコイルが１２個収められている構成とした。
[回転機の評価]
上記の構成の回転機について、１０００ｒｐｍ条件下での誘起電圧をＦＥＭ解析（有限要素法）で算出した。

実施例５の評価結果として、比較例１における用いた永久磁石の単位体積当たりの誘起電圧を１としたときの、実施例５における用いた永久磁石の単位体積当たりの誘起電圧比を図１２に示す。本発明の回転機である実施例５は、永久磁石の単位体積当たりの誘起電圧は１.３倍に増加していた。

＜実施例６＞
ステータコアの材質をベークライト製とした以外は、実施例５と同様に行った。
実施例６の評価結果として、比較例１における用いた単位永久磁石の体積当たりの誘起電圧を１としたときの、実施例６における用いた単位永久磁石の体積当たりの誘起電圧比を図１３に示す。本発明の回転機である実施例６は、永久磁石の単位体積当たりの誘起電圧は１.２倍に増加していた。

本発明のアキシャルギャップ型回転機によれば、生産性の向上、及び永久磁石である希土類磁石の使用量の低減を実現することが可能となり、ハイブリッド車、電気自動単の駆動モータやエアコン、冷蔵庫・冷凍庫、あるいはショーケースなどの圧縮機等に用いるのに好適な回転機となる。

本発明の実施形態については、図を用いて説明してきたが、これらの実施形態に限定されるものではなく、本発明の特許請求の範囲を逸脱しない範囲での設計の変更等も含むものである。

１０、１０ａ、１０ｂ ：本発明のアキシャルギャップ型回転機
１１ ：回転軸
１２、１２ａ、１２ｂ ：ロータ
１３、１３ａ、１３ｂ ：ロータコア
１４、１４ａ、１４ｂ ：永久磁石
１５、１５ａ、１５ｂ ：軟磁性材
１６ ：コイル
１７ ：ステータコア
１８ ：ステータ
１９ ：ハウジング
２０ ：ベアリング
２１ ：スペーサ
２２ ：磁力
５０ ：本発明の他の態様のアキシャルギャップ型回転機
５１ ：回転軸
５２ａ、５２ｂ、５２ｃ：ロータ
５３ ：ロータコア
５４ ：永久磁石
５５ ：軟磁性材
５６ ：コイル
５７ ：ステータコア
５８ａ、５８ｂ ：ステータ
５９ ：ハウジング
６０ ：ベアリング
６１ ：スペーサ
１００ ：従来のアキシャルギャップ型回転機
１０１ ：回転軸
１０２ａ、１０２ｂ ：ロータ
１０３ ：ロータコア
１０４ ：永久磁石
１０６ ：コイル
１０７ ：ステータコア
１０８ ：ステータ
１０９ ：ハウジング
１１０ ：ベアリング
１１１ ：スペーサ
１１２ ：磁力

Claims (4)

1. ハウジングを備え、前記ハウジング内に、
   回転軸と、
   前記回転軸を中心軸として前記回転軸と一体となって回転することが可能であり、前記回転軸方向に間隔を置いて前記回転軸と垂直に配置された少なくとも２つのロータコア、及び、前記少なくとも２つのロータコアの対向する片面又は両面に所定の形態で配設される少なくとも２つの永久磁石及び少なくとも２つの軟磁性材を備える、少なくとも２つのロータであって、
   前記所定の形態が、前記少なくとも２つのロータコアの対向する少なくとも一方の面に周方向に交互に配設される前記少なくとも２つの永久磁石と前記少なくとも２つの軟磁性材を備え、前記一方の面に配設される前記永久磁石の各々が前記回転軸方向に同じ極性を有する、第一の形態であるか、
   前記少なくとも２つのロータコアの対向する一方の面に周方向に配設される前記少なくとも２つの永久磁石を備え、他方の面に前記少なくとも２つの永久磁石と対向する位置に前記少なくとも２つの軟磁性材を備え、前記永久磁石が前記周方向に交互に前記回転軸方向に逆の極性を有する、第二の形態である、少なくとも２つのロータと、
   軟磁性材または非磁性材のステータコア、及び、前記ステータコアに巻かれたコイルを備え、前記ハウジングに固定され、前記少なくとも２つのロータが形成する空隙に配置される少なくとも１つのステータと、
   を備えるアキシャルギャップ型回転機。
2. 前記所定の形態が前記第一の形態であり、
   前記少なくとも２つの永久磁石と前記少なくとも２つの軟磁性材が前記少なくとも２つのロータコアの対向する両方の各面に配設され、一方のロータコアの前記永久磁石が他方のロータコアの前記永久磁石と対向し、前記一方のロータコアの前記軟磁性材が前記他方のロータコアの前記軟磁性材と対向し、且つ、
   前記一方のロータコアの前記永久磁石の磁極が前記他方のロータコアの前記永久磁石の磁極と異なる、請求項１に記載のアキシャルギャップ型回転機。
3. 前記所定の形態が前記第一の形態であり、
   前記少なくとも２つの永久磁石と前記少なくとも２つの軟磁性材が前記少なくとも２つのロータコアの対向する両方の各面に配設され、一方のロータコアの前記永久磁石が他方のロータコアの前記軟磁性材と対向し、前記一方のロータコアの前記軟磁性材が前記他方のロータコアの前記永久磁石と対向し、且つ、
   前記一方のロータコアの前記永久磁石の磁極が前記他方のロータコアの前記永久磁石の磁極と同じである、請求項１に記載のアキシャルギャップ型回転機。
4. 前記所定の形態が前記第二の形態である、請求項１に記載のアキシャルギャップ型回転機。

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