JP2017005935A

JP2017005935A - アキシャルギャップ型回転電機

Info

Publication number: JP2017005935A
Application number: JP2015119881A
Authority: JP
Inventors: 卓男王; Zhuonan Wang; 榎本　裕治; Yuji Enomoto; 裕治榎本
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2015-06-15
Filing date: 2015-06-15
Publication date: 2017-01-05
Anticipated expiration: 2035-06-15
Also published as: TW201644154A; JP6484507B2; WO2016203783A1; TWI601361B

Abstract

【課題】強度を確保しつつ漏れ磁束を抑えることの出来るアキシャルギャップ型回転電機を提供する。
【解決手段】
アキシャルギャップ型回転電機において、ステータと、前記ステータを貫通する軸と、軸方向に空隙を介して前記ステータと対向するロータと、を備え、前記ロータは、ロータ鉄心と、前記ロータ鉄心に重ねて固定された磁石と、前記ロータ鉄心を保持する磁性体である保持ヨークと、を備え、前記保持ヨークは、軸方向で前記磁石の厚みより小さい、前記磁石の外周を補強する壁部を有する。
【選択図】図７（ａ）

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円盤状ロータと固定子は軸方向で平行に配置して構成される。出力トルクはロータと固定子の対向面積によって決まる。対向面積が大きいほど、出力トルクが大きくなる。アキシャルギャップ型回転電機は二つロータまたは二つステータは持つことができる。そのため、アキシャルギャップ型回転電機はトルクを出せる有効対向面積が２つを設けることが可能である。従って、アキシャルギャップモータは薄型で大トルクが出せる。空気圧縮機、エレベータやフライホイール蓄電などの分野に実用化することが期待されている。

アキシャルギャップ型回転電機のロータは表面磁石型が多く、遠心力による応力で磁石は飛散、破壊しやすい。そのため、磁石の対遠心力対策が必要である。特開２０１１−０５５５７７号公報（特許文献１）には「界磁磁石１２２のそれぞれが固定子２０側に呈する磁極面Ａのうち、その外縁部Ａｏは、固定子２０の外縁２０ｏよりも径方向Ｒの外側に位置している。そして、外縁部Ａｏは、周方向Ｃにおける第１の位置においては露出し、第１の位置とは異なる第２の位置で非磁性ホルダ１４によって係止される。」と記載されている。また、特開２０１１−１３０５９８号公報（特許文献２）には「ロータ２０は、さらに磁性体１４のステータ対向面を露出面として残して、永久磁石・磁性体の複合部品の周囲を覆うようにモールド成形されている円板形の非磁性モールド成形体１５を有する。」と記載されている。

特開２０１１−０５５５７７特開２０１１−１３０５９８

モータは、例えば空気圧縮機やフライホイールなどの大型機器に適用するとき、大型化・高速化に対応する必要がある。遠心力は回転物の外径と回転速度と関係し、回転物の外径と回転速度が大きいほど、遠心力が大きい。そのため、回転電機の大型化と高速化に対応させるために、回転電機の強度向上が求められている。

特許文献１と２には、ロータの磁石の周りを非磁性体で保持する構成が開示されている。しかし、特許文献１、２はいずれも、保持ヨークは磁石を保持していないため、保持ヨークが磁石を保持する場合に比べて強度的に不利となる。一方、保持ヨークで磁石の全てを覆って全周を保持してしまうと、保持ヨークは磁性体であるため漏れ磁束が増加し、効率が低下してしまう。

そこで、本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、強度を確保しつつ漏れ磁束を抑えることの出来るアキシャルギャップ型回転電機を提供する。

本発明は、その一例として、アキシャルギャップ型回転電機において、ステータと、前記ステータを貫通する軸と、軸方向に空隙を介して前記ステータと対向するロータと、を備え、前記ロータは、ロータ鉄心と、前記ロータ鉄心に重ねて固定された磁石と、前記ロータ鉄心を保持する磁性体である保持ヨークと、前記磁石の外周を補強する非磁性部と、を備え、前記保持ヨークは、軸方向で前記磁石の厚みより小さい、前記磁石の外周を補強する壁部を有する。

この発明によれば、強度を確保しつつ漏れ磁束を抑えることの出来るアキシャルギャップ型回転電機を提供することが出来る。

上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

実施例１に関する回転電機の全体図。実施例１に関するステータ構造実施例１に関するロータ構造実施例１に関するロータ磁石の着磁方向実施例１に関するロータ鉄心の構造実施例１に関するロータの分解図実施例１に関するロータの断面図実施例１に関するロータの断面図実施例１に関するロータの断面図実施例１に関するロータ遠心力図実施例１に関する非磁性リングによる応力図実施例２に関する回転電機の全体図。実施例２に関するロータ構造実施例２に関するロータの分解図実施例３に関するスクリュー流体機械の断面図

以下、図面等を用いて、本発明の実施形態について説明する。以下の説明は本発明の内容の具体例を示すものであり、本発明がこれらの説明に限定されるものではなく、本明細書に開示される技術的思想の範囲内において当業者による様々な変更および修正が可能である。また、本発明を説明するための全図において、同一の機能を有するものは、同一の符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。

図１に本発明の一実施形態に係るアキシャルギャップ型回転電機の全体図を示す。アキシャルギャップ型回転電機1は、ステータ100と、ステータ100を軸方向から挟み込むように配置された２枚の円盤状のロータ200とからなる。ロータ200とステータ100は平行な軸方向に沿って対向し、２枚のロータ200はステータ100を、空隙を介して挟む構造となる。ハウジング300に、ステータ100とロータ200が収納される。

図２にステータ100を構成するステータユニット115について示す。ステータ100は、軟磁性体で構成されたステータ鉄心110と、ステータ鉄心110を囲むボビン（図示しない）と、ボビンを巻回す巻線コイル120とを有するステータユニット115を周方向に複数個配置する。

図３はロータ200の構造を示す。ロータ200は磁石210、磁石210の下側に配置されたロータ鉄心240(図６で示す)、円板形の保持ヨーク220と非磁性補強部材230から構成される。

ロータ磁石210はリング状の円板であり、図４に示すようにＮ極とＳ極は交差して軸方向と平行して着磁される。ロータ鉄心240は磁性材料の円板、例えば、鉄の塊や圧粉磁心などから構成される。ロータ200の鉄損を低減するため、ロータ鉄心240は磁性材料の薄いリボンや板から巻回して構成することが好ましい。

ここで、ロータ磁石210とステータ鉄心110は、回転軸方向に対向している構造となり、エアギャップを挟んで平行に対向する。なお、本実施例は一つのロータ200と一つステータ100との組合せ、一つロータと二つステータとの組合せにも適用できる。

ステータ100は扇型断面を持ち鉄心と巻線コイル120、とそれぞれの保持部材から構成されるが、アキシャルギャップ回転電機の出力トルクはロータ磁石とステータ鉄心の対向面積の大きさと関係あるため、なるべくその面積を大きくする。また、出力トルクはロータ磁石とステータ鉄心の対向距離が短いほど大きい。そのため、ロータ200とステータは対向している面で磁石と鉄心を、文献２等のような樹脂等を用いずに完全に露出させることが望ましい。

図５にロータ鉄心240の一例（渦巻き状ロータ鉄心）を示す。リング状の磁石210はリング状のロータ鉄心240に固定する。磁石の漏れ磁束を減少するため、ロータ鉄心240の外径は磁石210の外径より小さく、ロータ鉄心240の内径は磁石210の内径より大きくしてもよい。磁石210とロータ鉄心240は同様な形状であるため、複数磁石を間隔を設けて構成する場合に比べて、二つ部品間の接着面積が大きい。磁石とロータ鉄心間の固定できる面積が大きいため、磁石は鉄心から剥離や磁石の滑りによる極間のずれが防止できる。

また、リング状の磁石210を用いることで磁石の対遠心力が強くなる。保持ヨーク220は鋳物などの磁性体である。保持ヨーク220は強度確保のためモータ回転軸に設けられる図示しないシャフトと同じ素材であることが望ましい。シャフトは鉄である場合が多いため、保持ヨーク220も鉄等の磁性体となる。

図６にロータ200の構成を示す。なお、本図においては、構造を分かりやすくするため、各部が分離された状態を示す。磁石210はロータ鉄心240に重ねて固定され、これらは保持ヨーク220により固定される。固定方法は接着また圧入がある。例えば、磁石210、ロータ鉄心240と保持ヨーク220の外周に補強の為の非磁性補強部230を圧入する。これにより強度が更に向上する。

図７にロータ200の断面図を示す。図７(ａ)はロータ200の断面図の斜視図及びその一部拡大図を示す。保持ヨーク220はロータ鉄心240を保持する。非磁性補強部230に段部231を設け、保持ヨーク220の壁部221が非磁性補強部230に嵌まる形となる。

図７(ｂ)を用いて、より詳細に説明する。図７(ｂ)はロータ200の断面図及びその一部拡大図を示す。保持ヨーク220は、ロータ鉄心240の側面を補強する側面部からロータ回転軸方向に延びる壁部221を有する。つまり、保持ヨーク220の側面部の高さはロータ鉄心240より長い。この壁部221により、磁石の遠心力に対する強度を向上できる。

ここで、この壁部221は回転軸方向で磁石210の厚みより小さくする。例えば、磁石210の厚みの1/3程度以下になるように壁部221の高さを設ける。このように構成することで、磁石の漏れ磁束により渦電流損の発生が抑制でき、効率が向上する。

さらに、非磁性補強部230は、壁部221の外側に対遠心力補強の為に段部231を有する。保持ヨーク220の磁石210の厚みよりも小さい壁部221が非磁性補強部230に嵌まるように構成することで、対遠心力に対する強度を確保すると共に、漏れ磁束の影響を抑えることが出来る。

なお、磁石210の面は出力確保の観点から完全にエアギャップに露出することが望ましい。

また、図７（ｃ）に示すように、保持ヨーク220と非磁性補強部230の外周側の側面部が直線上となるように構成してもよい。これにより、ロータ200の回転の際に、周りの配線等との干渉や空気抵抗の抑制を図ること出来る。

図８（ａ）にロータ200を回転時働く遠心力を示す。非磁性補強部230である非磁性リングは外周で圧入することで、図８（ｂ）に示すような応力が発生する。非磁性リングと保持ヨーク220の壁部221などの応力により回転遠心力を相殺することができる。非磁性リングの材料は繊維強化プラスチック(FRP)や炭素繊維強化プラスチック (CFRP)などの高強度材料が好ましい。また、外周の非磁性リングを圧入することにより、磁石210、ロータ鉄心240と保持ヨーク220をしっかり固定できる。

なお、モータの使用環境と駆動する負荷によって、軸の振れ、ロータのアンバランスや高温で接着力を弱める問題が出てくる。本実施例によれば、非磁性補強部230と保持ヨーク220の壁部221の組合せによりロータ200の強度を高めることができるため、上記の使用環境でロータの破壊、磁石の飛散や磁石の滑りを防止できる。また、環境温度や負荷側のアンバランス力の影響で、遠心力以外の応力が与えられる場合があるが、このような場合にも強度を確保することが出来る。

実施例２を説明する。図９に本実施例に関するアキシャルギャップ型回転電機の一例を示す。実施例１と異なる点は、非磁性補強部230に炭素繊維の糸を設けている点である。実施例１と同一の構成については説明を省略する。

ステータ100の巻線コイル120に結線500が設けられている。また、非磁性部230として高い引っ張り力持つ炭素繊維の糸231を設けている。

図１０に本実施例に関するロータを示す。図１１に分解したロータ部品を示す。本実施例は、保持ヨーク220と磁石210の外周に炭素繊維の糸231が巻かれることを特徴とする。炭素繊維の糸231は高い引っ張り力持つため強度が向上し、炭素繊維の糸231がロータ200の外周を巻くことにより、磁石の遠心力を緩和できる。また、糸は薄いため、ロータ200の外周に置いても、ステータ100の結線500と干渉しない。ハウジング300の内部の空間を有効に利用できる。また、炭素繊維の糸231で磁石210を巻きつけた後に樹脂でモールドすることにより、更なる強度を確保することができる。また、炭素繊維の糸231は樹脂に練り込んで使用してもよい。

図１２に上記実施例１または２のアキシャルギャップ型回転電機をスクリュー流体機械に適用した場合の一例を示す。図１２はスクリュー流体機械の断面図である。

スクリュー流体機械の構造について説明する。図１２において，スクリュー流体機械は，負荷部となる圧縮部１０と駆動部２０から構成される。圧縮部１０は，メインケーシング３内に，ケーシングボア４，雄ロータ５，雌ロータ(図示せず)で作動室を構成し，雄ロータ５が駆動部２０により回転駆動されると雌ロータと噛み合って圧縮動作を行う。スクリュー流体機械に吸込まれる気体は，吸込口６や吸込口拡張部６aを通過して作動室へ吸込まれ，圧縮された後は，吐出口７を経由して吐出する。圧縮部１の吐出口側には，Ｄケーシング８を配置している。Ｄケーシング８内には，雄雌ロータの回転軸が突出し，この回転軸を回転自在に支持する吐出側軸受部が配設されている。図１２では，雄ロータ５の吐出側回転軸９ａが，Ｄケーシング８内に突出して，吐出側軸受部１９にて回転自在に係合している状態を表わしている。

駆動部２０は，モータケーシング１１とケーシングフタ１２からなる空間内に，軸方向にギャップを構成するアキシャルギャップ回転子を有するモータ１３と雄ロータ５のモータ側回転軸９ｂとモータ側回転軸９ｂを回転自在に支持するモータ側軸受１７とを配設する。アキシャルギャップ回転子を有するモータ１３は，アキシャルギャップ回転子１５ａ，１５ｂとステータ１４からなり，アキシャルギャップ回転子１５ａ，１５ｂは，磁石１６ａ，１６ｂが配設され，また，ステータ１４を挟むようにモータ側回転軸９ｂへ系合されている。なお，アキシャルギャップ回転子１５ａ，１５ｂは，片側だけで構成しても良い。モータ側軸受１７は，ケーシングフタ１２に配設され，モータ側回転軸９ｂを回転自在に係合する。本実施例では，モータ側回転軸９ｂを介して軸封装置１８をメインケーシング３とモータケーシング１１の間に設け，圧縮部１０側の油が駆動部２０側へ漏洩しない構造である。

以上本実施例によれば、上記実施例のアキシャルギャップ型回転電機をスクリュー流体機械に適用することにより、信頼性の高いスクリュー流体機械を実現出来る。

なお、上記実施例のアキシャルギャップ型回転電機は、スクロール圧縮機等の空気圧縮機やその他の回転電機を収納可能な機械にも適用出来る。

100・・・ステータ
200・・・ロータ
300・・・ハウジング

Claims

アキシャルギャップ型回転電機において、
ステータと、
前記ステータを貫通する軸と、
軸方向に空隙を介して前記ステータと対向するロータと、を備え、
前記ロータは、
ロータ鉄心と、
前記ロータ鉄心に重ねて固定された磁石と、
前記ロータ鉄心を保持する磁性体である保持ヨークと、を備え、
前記保持ヨークは、軸方向で前記磁石の厚みより小さい、前記磁石の外周を補強する壁部を有することを特徴とするアキシャルギャップ回転電機。
請求項１に記載のアキシャルギャップ型回転電機において、
前記磁石の外周を補強する非磁性補強部を備え、
前記非磁性補強部は、前記壁部の外周を補強する段部を有することを特徴とするアキシャルギャップ回転電機。
請求項１に記載のアキシャルギャップ型回転電機において、
前記磁石はリング状の磁石であることを特徴とするアキシャルギャップ回転電機。
請求項１に記載のアキシャルギャップ型回転電機において、
前記磁石は前記保持ヨークに圧入されていることを特徴とするアキシャルギャップ回転電機。
請求項１に記載のアキシャルギャップ型回転電機において、
前記非磁性部は炭素繊維の糸で構成されることを特徴とするアキシャルギャップ回転電機。
請求項１に記載のアキシャルギャップ型回転電機が搭載された空気圧縮機。