JP2017139924A - アキシャルギャップ回転電機 - Google Patents
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Abstract
【課題】アキシャルロータ径の増大を招くことなく、アキシャルロータのギャップ長の増大を抑制し得るアキシャルギャップ回転電機を提供する。【解決手段】ステータ112と、回転軸122に連結される環状のアキシャルコア186、及びアキシャルコア186の外周部に回転軸122方向においてステータ112とギャップを挟んで対向配置されたアキシャル永久磁石188を有するアキシャルロータ184を備える。アキシャルコア186のステータ112と反対側の端面186aの内周部の高さは外周部に比べて低く設定され、回転時の遠心力によるギャップ長を拡大する方向のアキシャルコア186の変形を抑制する。【選択図】図1
Description
本発明はアキシャルギャップ回転電機に関し、特にそのロータ構造に関する。
従来から、円盤型のロータに対して、ロータの軸線方向の端面に空隙を挟んでステータを対向させて配置したアキシャルギャップ回転電機が提案されている。
図8は、特許文献1に記載されたアキシャルギャップ回転電機の断面図を示す。ロータ1とステータ2を収容するケース3は、ロータ1の支持部材13を嵌め込む回転軸10の両端をベアリング6を介して回転自在に支持する。
ステータ2は、軸線方向にみて概ね扇形の鉄心21の周りにコイル22を巻付けたものを所期の極数分だけ周方向に並べて、全体として円環状とされ、板状の支持部材23を介してケース3に取付け支持した構成とされる。ステータ2の鉄心21は、薄板電磁鋼板を周方向又は径方向に積層するか、軟磁性複合材料の成型品で構成される。
一対のロータ1は、極数に応じた永久磁石11と、同数の鉄心12と、それらを支持する支持部材13とから構成されている。永久磁石11は、矩形断面の棒状とされ、長手方向を放射方向(ロータ径方向)に向けて、ロータ支持部材13のスポーク部13cの前面、すなわち、スポーク部13cがステータと対峙する面側に配置される。永久磁石をこのように配置すると、スポーク部13cはステータとロータの間の空隙から永久磁石の厚さ分だけ軸線方向に離れた位置に配置できる。
鉄心12は、電磁鋼板を積層したもの又は軟磁性粉末材料を使用して形成されたもので構成される。その形状は、軸方向視で概ね扇形とされ、その軸線方向の厚さは、永久磁石11の厚さと、支持部材13のスポーク部13cの厚を合わせた厚さより更に厚みのあるものとされる。鉄心12がステータ2の鉄心21と対峙する面とは反対側(裏側)の端面側には、支持部材13と当接する係合部12aが設けられる。この係合部12aは、各鉄心12から張出す突起で構成されている。
支持部材13は、非磁性金属材から構成され、回転軸10に嵌め込む部分を構成するハブ部13aと、永久磁石11及び鉄心12の外周側に接する環状部13bと、それらをつなぐスポーク部13cを一体的に備える構成とされる。ハブ部13aは、ロータの空隙に面する面の面ぶれを防止すべく、スポーク部13cとの連結部から軸線方向一方側に所定の長さ延びるものとされ、回転軸10に対してスプライン係合等の回り止め手段で固定される。環状部13bは、支持部材において最も薄肉部となるスポーク部より軸線方向に長い幅を持ち、径方向厚さは、強度保持上必要な肉厚とされる。
永久磁石11、鉄心12及び支持部材13は、鉄心11を前記扇形スペースに嵌めて鉄心の係合部12aがスポーク部13cの背面に当接するまで押し込み、隣り合う鉄心12間とスポーク部13cの前面に形成されるスペースに永久磁石11を嵌めて、鉄心11又はスポーク部13c若しくはそれら両方に接着固定することで一体化されたロータ1が構成される。
また、図9は、特許文献2に記載されたアキシャルギャップ回転電機の断面図を示す。ステータ112は、環状コア部126と、この環状コア部126にトロイダル巻きされた複数相(例えば3相)の電機子巻線128と、を含む。ステータ112には、環状コア部126の内周面から径方向(径方向内側)にラジアルロータ114へ向けて突出する複数のラジアルティース130がロータ回転軸線まわりの周方向に沿って互いに間隔をおいて(等間隔で)配列されており、各ラジアルティース130間にスロットが形成されている。さらに、ステータ112には、環状コア部126の両側面から回転軸方向(回転軸方向外側)にアキシャルロータ164へ向けて突出する複数のアキシャルティース180が周方向に沿って互いに間隔をおいて配列され、各アキシャルティース180間にスロットが形成されている。ラジアルティース130とアキシャルティース180は、周方向に関する位置が互いにずれることなく配置され、ラジアルティース130間のスロットとアキシャルティース180間のスロットも、周方向に関する位置が互いにずれることなく配置されている。3相の電機子巻線128は、ラジアルティース130間のスロット及びアキシャルティース180間のスロットを通って(例えば分布巻等で)トロイダル巻きされている。ここでの環状コア部126、ラジアルティース130、及びアキシャルティース180、つまりステータ112の鉄心部分については、例えば、鉄等の強磁性体の微小粒の表面に電気を通さない膜のコーティングを施した粉体を押し固めた圧粉磁心材料等の3次元等方性磁性材料により成形される。
ラジアルロータ114は、略円筒形状のラジアルコア116と、径方向においてステータ112(ラジアルティース130)と対向してラジアルコア116の外周部に配設された複数のラジアル永久磁石を含む。ラジアルコア116の外周部には、ステータ112(ラジアルティース130)へ向けて径方向外側に突出した複数のラジアル突極部119が周方向に沿って互いに間隔をおいて配列される。各ラジアル突極部119は、径方向においてステータ112(ラジアルティース130)と対向している。複数のラジアル永久磁石は、周方向に沿って互いに間隔をおいて配列され、周方向に関して各ラジアル突極部119間の位置に配置されている。つまり、各ラジアル永久磁石は、ラジアル突極部119に対して周方向に関する位置をずらして配置されており、周方向においてラジアル永久磁石とラジアル突極部119とが交互に並んでいる。各ラジアル永久磁石の着磁方向は互いに同方向であり、各ラジアル永久磁石の表面(ステータ112と対向する磁極面)は互いに同じ極性(例えばN極)に着磁されている。
アキシャルロータ164は、略環状のアキシャルコア166と、回転軸方向においてステータ112(アキシャルティース180)と対向してアキシャルコア166の側面に配設された複数のアキシャル永久磁石168を含む。アキシャルコア166は、ラジアルコア116と機械的且つ磁気的に連結されている。アキシャルコア166の側面には、ステータ112(アキシャルティース180)へ向けて回転軸方向(回転軸方向内側)に突出した複数(アキシャル永久磁石168と同数)のアキシャル突極部が周方向に沿って互いに間隔をおいて配列される。各アキシャル突極部は、回転軸方向においてステータ112(アキシャルティース180)と対向している。複数のアキシャル永久磁石168は、周方向に沿って互いに間隔をおいて配列され、周方向に関して各アキシャル突極部間の位置に配置されている。つまり、各アキシャル永久磁石168は、アキシャル突極部に対して周方向に関する位置をずらして配置されており、周方向においてアキシャル永久磁石168とアキシャル突極部が交互に並んでいる。各アキシャル永久磁石168の着磁方向は互いに同方向であり、各アキシャル永久磁石168の表面(ステータ112と対向する磁極面)は互いに同じ極性(例えばS極)に着磁されている。
同様に、アキシャルロータ184は、略環状のアキシャルコア186と、回転軸方向においてステータ112(アキシャルティース180)と対向してアキシャルコア186の側面に配設された複数のアキシャル永久磁石188と、を含む。アキシャルコア186は、ラジアルコア116と機械的且つ磁気的に連結されている。アキシャルコア186の側面には、ステータ112(アキシャルティース180)へ向けて回転軸方向(回転軸方向内側)に突出した複数のアキシャル突極部が周方向に沿って互いに間隔をおいて配列される。各アキシャル突極部は、回転軸方向においてステータ112(アキシャルティース180)と対向している。複数のアキシャル永久磁石188は、周方向に沿って互いに間隔をおいて配列され、周方向に関して各アキシャル突極部間の位置に配置される。各アキシャル永久磁石188は、アキシャル突極部に対して周方向に関する位置をずらして配置されており、周方向においてアキシャル永久磁石188とアキシャル突極部とが交互に並んでいる。各アキシャル永久磁石188の着磁方向は互いに同方向であり、各アキシャル永久磁石188の表面(ステータ112と対向する磁極面)は互いに同じ極性(例えばS極)に着磁されている。
アキシャル永久磁石188はアキシャル永久磁石168と同数設けられている。アキシャル永久磁石188は、アキシャル永久磁石168に対して周方向に関する位置をずらすことなく配置され、回転軸方向においてステータ112を挟んでアキシャル永久磁石168と対向している。アキシャル突極部も、アキシャル突極部に対して周方向に関する位置をずらすことなく配置され、回転軸方向においてステータ112を挟んでアキシャル突極部と対向している。各アキシャル永久磁石188の表面(ステータ112と対向する磁極面)は、各アキシャル永久磁石168の表面(ステータ112と対向する磁極面)と同じ極性(例えばS極)に着磁されている。
複数相(3相)の電機子巻線128に複数相(3相)の交流電流を流すことで、ラジアルティース130及びアキシャルティース180が順次磁化され、周方向に回転する回転磁界がステータ112に形成される。ステータ112に発生した回転磁界は、ラジアルティース130及びアキシャルティース180からラジアルロータ114及びアキシャルロータ164,184にそれぞれ作用し、ラジアル永久磁石及びアキシャル永久磁石168,188の発生する磁界(界磁磁束)がこの回転磁界と相互作用して、吸引及び反発作用が生じる。このラジアルティース130及びアキシャルティース180の回転磁界とラジアル永久磁石及びアキシャル永久磁石168,188の界磁磁束との電磁気相互作用(吸引及び反発作用)により、ラジアルロータ114及びアキシャルロータ164,184にトルク(磁石トルク)を作用させることができる。したがって、回転電機を、電機子巻線128への供給電力を利用してラジアルロータ114及びアキシャルロータ164,184に動力(機械的動力)を発生させる電動機として機能させることができる。一方、回転電機を、ラジアルロータ114及びアキシャルロータ164,184の動力を利用して電機子巻線128に電力を発生させる発電機として機能させることもできる。
さらに、ステータ112の回転磁界と相互作用する界磁磁束の制御を行うために、界磁巻線170,190がステータ112に設けられている。各界磁巻線170,190は周方向に沿って環状に巻回されている。界磁巻線170が通る(巻回された)位置は、径方向に関して環状コア部126よりもラジアルロータ114寄りの位置で、且つ回転軸方向に関して環状コア部126よりもアキシャルロータ164寄りの位置である。そして、界磁巻線190が通る(巻回された)位置は、径方向に関して環状コア部126よりもラジアルロータ114寄りの位置で、且つ回転軸方向に関して環状コア部126よりもアキシャルロータ184寄りの位置である。界磁巻線170,190は、絶縁体により電機子巻線128と電気的に絶縁されている。さらに、各電機子巻線128の外周面における界磁巻線170,190に近接する部分には、凸曲面128aが形成されている。各電機子巻線128の凸曲面128aに近接する界磁巻線170の外周面の外径は、回転軸方向に関してアキシャルロータ164側から環状コア部126側へ(外側から内側へ)向かうにつれて徐々に減少し、各電機子巻線128の凸曲面128aに近接する界磁巻線190の外周面の外径は、回転軸方向に関してアキシャルロータ184側から環状コア部126側へ向かうにつれて徐々に減少している。
上記従来技術のいずれにおいても、アキシャルロータは.アキシャルコアとアキシャル永久磁石を有し、アキシャル永久磁石は、回転軸方向のギャップを挟んでステータに対向する構成であり、アキシャルロータの回転時に作用する遠心力によってギャップが拡がる方向にアキシャルロータが変形する問題がある。
図10は、図9に示す従来技術のアキシャルロータ184を部分的に抜き出した断面図である。アキシャルロータ184は、略環状のアキシャルコア186と、回転軸方向においてステータ112と対向してアキシャルコア186の側面、つまりステータ112に対向する面に配設された複数のアキシャル永久磁石188を含む。アキシャルロータ184の高速回転時には、図11に示すように、アキシャル永久磁石188の遠心力192とアキシャルコア186の遠心力192が支配的となり、図中破線で示すような反時計回りのモーメント200が支配的となり、ギャップが拡がる方向にアキシャルロータ184が変形してしまう。図において、バネ195は、アキシャルコア186の内周部(回転軸122寄りの部分)の剛性による復元力を模式的に示す。
図8に示す従来技術では、アキシャルロータの径方向外側に突起13bを設けることでギャップ長の増大を抑制しているが、このような径方向の突起はアキシャルロータ径の増大、すなわち体積の増大を招く問題がある。
本発明は、かかる従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、アキシャルロータ径の増大を招くことなく、アキシャルロータのギャップ長の増大を抑制し得るアキシャルギャップ回転電機を提供することにある。
本発明は、ステータと、回転軸に連結される環状コア、及び環状コアの外周部に回転軸方向においてステータとギャップを挟んで対向配置された永久磁石を有するアキシャルロータとを備えるアキシャルギャップ回転電機であって、環状コアのステータと反対側の端面の内周部の高さは外周部に比べて低く設定されることを特徴とする。
本発明の1つの実施形態では、環状コアのステータ側の端面の内周部は、径方向に空間を有する。
本発明の他の実施形態では、環状コアのステータと反対側の端面の内周部の外周部に比べて低く設定された部位に、環状コアと別個の磁性材からなるコアが配置される。
本発明によれば、アキシャルロータ径の増大を招くことなく、アキシャルロータのギャップ長の増大を抑制することができる。
以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
本実施形態のアキシャルギャップ回転電機の全体構成は、図9に示すアキシャルギャップ回転電機と略同一である。
すなわち、ステータ112は、環状コア部126と、この環状コア部126にトロイダル巻きされた複数相(例えば3相)の電機子巻線128を含む。ステータ112には、環状コア部126の内周面から径方向(径方向内側)にラジアルロータ114へ向けて突出する複数のラジアルティース130がロータ回転軸線まわりの周方向に沿って互いに間隔をおいて配列されており、各ラジアルティース130間にスロットが形成されている。さらに、ステータ112には、環状コア部126の両側面から回転軸方向(回転軸方向外側)にアキシャルロータ164へ向けて突出する複数のアキシャルティース180が周方向に沿って互いに間隔をおいて配列され、各アキシャルティース180間にスロットが形成されている。3相の電機子巻線128は、ラジアルティース130間のスロット及びアキシャルティース180間のスロットを通って(例えば分布巻等で)トロイダル巻きされている。ラジアルロータ114は、略円筒形状のラジアルコア116と、径方向においてステータ112と対向してラジアルコア116の外周部に配設された複数のラジアル永久磁石を含む。ラジアルコア116の外周部には、ステータ112へ向けて径方向外側に突出した複数のラジアル突極部119が周方向に沿って互いに間隔をおいて配列される。各ラジアル突極部119は、径方向においてステータ112と対向している。複数のラジアル永久磁石は、周方向に沿って互いに間隔をおいて配列され、周方向に関して各ラジアル突極部119間の位置に配置されている。各ラジアル永久磁石の着磁方向は互いに同方向であり、各ラジアル永久磁石の表面(ステータ112と対向する磁極面)は互いに同じ極性(例えばN極)に着磁されている。アキシャルロータ184は、略環状のアキシャルコア186と、回転軸方向においてステータ112と対向してアキシャルコア186の側面に配設された複数のアキシャル永久磁石188を含む。アキシャルコア186は、ラジアルコア116と機械的且つ磁気的に連結されている。アキシャルコア186の側面には、ステータ112へ向けて回転軸方向(回転軸方向内側)に突出した複数のアキシャル突極部が周方向に沿って互いに間隔をおいて配列される。各アキシャル突極部は、回転軸方向においてステータ112と対向している。複数のアキシャル永久磁石188は、周方向に沿って互いに間隔をおいて配列され、周方向に関して各アキシャル突極部間の位置に配置される。各アキシャル永久磁石188は、アキシャル突極部に対して周方向に関する位置をずらして配置されており、周方向においてアキシャル永久磁石188とアキシャル突極部とが交互に並んでいる。各アキシャル永久磁石188の着磁方向は互いに同方向であり、各アキシャル永久磁石188の表面(ステータ112と対向する磁極面)は互いに同じ極性(例えばS極)に着磁されている。アキシャル永久磁石188はアキシャル永久磁石168と同数設けられている。アキシャル永久磁石188は、アキシャル永久磁石168に対して周方向に関する位置をずらすことなく配置され、回転軸方向においてステータ112を挟んでアキシャル永久磁石168と対向している。各アキシャル永久磁石188の表面(ステータ112と対向する磁極面)は、各アキシャル永久磁石168の表面(ステータ112と対向する磁極面)と同じ極性(例えばS極)に着磁されている。複数相(3相)の電機子巻線128に複数相(3相)の交流電流を流すことで、ラジアルティース130及びアキシャルティース180が順次磁化され、周方向に回転する回転磁界がステータ112に形成される。ステータ112に発生した回転磁界は、ラジアルティース130及びアキシャルティース180からラジアルロータ114及びアキシャルロータ164,184にそれぞれ作用し、ラジアル永久磁石及びアキシャル永久磁石168,188の発生する磁界(界磁磁束)がこの回転磁界と相互作用して、吸引及び反発作用が生じる。このラジアルティース130及びアキシャルティース180の回転磁界とラジアル永久磁石及びアキシャル永久磁石168,188の界磁磁束との電磁気相互作用(吸引及び反発作用)により、ラジアルロータ114及びアキシャルロータ164,184にトルク(磁石トルク)が作用する。さらに、ステータ112の回転磁界と相互作用する界磁磁束の制御を行うために、界磁巻線170,190がステータ112に設けられている。
他方、本実施形態におけるアキシャルロータ184(アキシャルロータ164についても同様)では、図10に示す従来のアキシャルロータ184のようにアキシャルコア186の回転軸122方向の端面の高さが均一ではなく、内周部(回転軸122寄りの部分)と外周部(回転軸122から遠い部分)とで端面の高さを変化させている。
図1は、本実施形態におけるアキシャルロータ184の断面図を示す。図10に対応するものである。
アキシャルロータ184は、略環状のアキシャルコア186と、略環状のアキシャルコア186の外周部に回転軸方向においてステータ112とギャップを挟んで対向配置された複数のアキシャル永久磁石188を含む。アキシャルコア186は、回転軸122の外周面と、ラジアルロータ114の端面で固定される。アキシャルコア186とラジアルロータ114は、既述したように機械的かつ磁気的に結合される。
アキシャルコア186の端面186a、つまり略環状のアキシャルコア186の回転軸122方向でステータ112と反対側の面の高さは均一ではなく、略環状のアキシャルコア186の回転軸122よりの内周部の高さは、外周部の高さよりも低く設定される。図において、内周部における矢印は、内周部において外周部よりも高さが低く設定されて段差が生じていることを示す。このことは、アキシャルコア186の端面186aにおいて内周部に凹部が形成されており、アキシャルコア186は内周部において肉薄になっているといえる。
図2は、本実施形態におけるアキシャルロータ184の回転時に作用する遠心力及びトルクを示す。図11に対応するものである。本実施形態では、アキシャルコア186の端面186aの内周部の高さを外周部に比べて低くしているため、外周部の慣性が内周部に対して増大し、かつ、内周部の剛性が外周部に対して相対的に低くなるので、時計回りのモーメント210を優勢にし、遠心力192による反時計回りのモーメントを打ち消して
ギャップが拡がる方向へのアキシャルロータ184の変形を抑制できる。
ギャップが拡がる方向へのアキシャルロータ184の変形を抑制できる。
なお、アキシャルコア186の端面186aの内周部における高さと外周部における高さの差は、遠心力192によるアキシャルロータ184の反時計回りのモーメントによる変形を抑制しつつ、内周部における剛性を維持できる程度に調整すればよい。また、アキシャルコア186の内周部と外周部の区別は必ずしも厳密である必要はないが、一例として、略環状のアキシャルコア186の径を2等分し、内周側を内周部、外周側を外周部とすることができる。あるいは、略環状のアキシャルコア186のうち、ラジアルロータ114と略同一径の部分を内周部とし、それ以外を外周部としてもよい。
また、本実施形態における略環状のアキシャルコア186のステータ112側の端面の内周部は、径方向に空間を有する。すなわち、図3に示すように、空間300及び空間400が形成されている。空間300はアキシャル永久磁石188からの漏れ磁束を防止するための空間であり、空間400はステータ112の回転磁界と相互作用する界磁磁束の制御を行うための界磁巻線170,190を巻回するための空間であり、これらの空間300,400の存在により、アキシャルコア186の形状が図1のように規定され、結果として遠心力によるアキシャルロータ184の反時計回りのモーメントが顕著となる可能性があるが、本実施形態のように端面186aの内周部の高さを外周部よりも低く設定することで、アキシャルロータ184の変形を効果的に抑制し得る。
本実施形態では、アキシャルコア186の端面186aの内周部の高さを外周部に比べて相対的に低く設定することでギャップ長の増大を抑制するため、アキシャルロータ径の増大や回転電機の体積、質量を増大させることなくギャップ長の増大を抑制することができ、回転電機のさらなる小型化及び高回転化を実現し得る。
ここで、アキシャルコア186の変形によるギャップ長の増大を防止するとの観点からは、例えば特開2012−244671号公報に記載されているように、回転軸方向にアキシャルコアの変形を防止するような保持プレートを配置することも考えられるが、この場合にはロータの回転軸方向の長さの増大を招くため、その適用範囲には限りがある。これに対し、本実施形態では、アキシャルコア186の端面186aの内周部を加工するだけでよく、ロータの回転軸方向の長さも増大しない。
本実施形態のアキシャルコア186は、上記のように回転軸122の外周面と、ラジアルロータ114の端面で固定されるが、その固定方法は任意である。
例えば、図4に示すように、アキシャルコア186の回転軸122の近傍に回転軸方向にボルト500を差し込んで締結することで固定してもよく、あるいは図5に示すように、フランジナット600で締結してもよい。さらに、図6に示すように、回転軸122の外周面に雄ねじ700、アキシャルコア186の内周面に雌ねじ700を形成して締結固定してもよい。
図7は、他の実施形態におけるアキシャルロータ184の断面図を示す。図1と異なる点は、アキシャルコア186の端面186aの内周部の高さを外周部に比べて低く設定して凹部を形成するとともに、この凹部に、アキシャルコア186とは別個の磁性材からなるコア800を配置した点である。コア800は、回転軸122にその端部が固定されており、例えば回転軸122に焼きばめされる。アキシャルコア186は磁束が通る磁路を形成しているので、図1に示すようにアキシャルコア186の内周部を肉薄とすると、その分だけ磁気抵抗が増大することになる。そこで、内周部の凹部に磁性材からなるコア800を配置することで磁束が通る断面積を維持して磁気飽和を抑制することができる。なお、コア800はアキシャルコア186とは別個のコアとして配置されるものであり、アキシャルコア186の慣性は変化しないため、図1と同様に遠心力によるアキシャルコア186の変形を抑制し、ギャップ長の増大を抑制できる。
112 ステータ、114 ラジアルロータ、122 回転軸、184 アキシャルロータ、186 アキシャルコア、188 アキシャル永久磁石。
Claims (3)
- ステータと、
回転軸に連結される環状コア、及び環状コアの外周部に回転軸方向においてステータとギャップを挟んで対向配置された永久磁石を有するアキシャルロータと、
を備えるアキシャルギャップ回転電機であって、
環状コアのステータと反対側の端面の内周部の高さは外周部に比べて低く設定される
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回転電機において、
環状コアのステータ側の端面の内周部は、径方向に空間を有する
ことを特徴とするアキシャルギャップ回転電機。 - 請求項1,2のいずれかに記載のアキシャルギャップ回転電機において、
環状コアのステータと反対側の端面の内周部の外周部に比べて低く設定された部位に、環状コアと別個の磁性材からなるコアが配置される
ことを特徴とするアキシャルギャップ回転電機。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2016020773A JP2017139924A (ja) | 2016-02-05 | 2016-02-05 | アキシャルギャップ回転電機 |
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