JP2018007304A - アキシャルギャップ型回転電機及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】優れた鉄損特性を有し、簡便且つ安価に製造できるアキシャルギャップ型回転電機及びその製造方法を提供する。【解決手段】アキシャルギャップ型回転電機は、回転軸を中心として回転可能なロータと、回転軸の軸長方向にロータに対向して配置されるステータとを備える。ステータは、軟磁性体である複数の線材が束ねられたステータコアを有する。このアキシャルギャップ型回転電機の製造方法は、複数の線材を束にした収束体を金属製の筒状部材に挿入するステップと、複数の線材及び筒状部材を共に伸線加工するステップとを有する。【選択図】図３

Description

本発明は、アキシャルギャップ型回転電機及びその製造方法に関する。

エアギャップを介して回転軸の軸長方向にロータとステータとが対向配置されたアキシャルギャップ型回転電機が知られている。かかるアキシャルギャップ型回転電機には、渦電流損を低減するために、ステータコアに電磁鋼板又はアモルファス金属を使用したものがある。特許文献１には、回転軸の軸長方向に電磁鋼板が積層されたステータコアを有するアキシャルギャップ型モータが開示されており、特許文献２には、アモルファス金属による箔帯を巻回した巻鉄心をステータに有するアキシャルギャップ型モータが開示されている。

特開２０１２−５０２７１号公報 特許第５５６７３１１号公報

しかしながら、電磁鋼板の積層体については曲げ加工が困難であり加工性が低い。また、加工によって電磁鋼板の積層体にひずみが生じ、このひずみが鉄損増加の原因となる。一方、アモルファス金属を用いたステータコアを製造する場合、アモルファス金属の箔帯が薄い上にその硬度が高いため加工が困難であり、しかも高価であることから製造コストが嵩むという問題がある。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、優れた鉄損特性を有し、簡便且つ安価に製造できるアキシャルギャップ型回転電機及びその製造方法を提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明の一の態様のアキシャルギャップ型回転電機は、回転軸を中心として回転可能なロータと、前記回転軸の軸長方向に前記ロータに対向して配置されるステータとを備え、前記ステータは、軟磁性体である複数の線材が束ねられたステータコアを有する。

この態様において、前記ステータは、前記ロータに対向配置される板状の支持部をさらに有し、前記ステータコアは、前記支持部を貫通することにより前記支持部に支持されていてもよい。

また、上記態様において、前記線材は、その直径が０．３ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であってもよい。

また、上記態様において、前記ステータコアは、８０％以上１００％以下の充填率で複数の前記線材が束ねられて形成されていてもよい。

また、上記態様において、前記線材のそれぞれは、六角形の断面を有してもよい。

また、上記態様において、前記ステータコアは、前記複数の線材を束ねた収束体を保持する筒状部材を有してもよい。

また、上記態様において、前記筒状部材は、円環状の断面を有してもよい。

また、上記態様において、前記ステータは、複数の前記ステータコアを有し、前記筒状部材は、扇形の中心側部分が欠落した形状の断面を有し、前記複数のステータコアは、それぞれの筒状部材の円弧部分が前記回転軸を中心とした円に沿って並ぶように、前記円の周方向に配置されていてもよい。

また、上記態様において、前記線材のそれぞれは、表面に絶縁皮膜が形成されていてもよい。

また、上記態様において、前記ステータコアは、端面において防さび処理が施されていてもよい。

また、本発明の他の態様のアキシャルギャップ型回転電機の製造方法は、回転軸を中心として回転可能なロータと、前記回転軸の軸長方向に前記ロータに対向して配置されるステータとを備え、前記ステータが、軟磁性体である複数の線材を束にした収束体が金属製の筒状部材に充填されたステータコアを有するアキシャルギャップ型回転電機の製造方法であって、前記複数の線材を束にした収束体を金属製の筒状部材に挿入するステップと、前記複数の線材及び前記筒状部材を共に伸線加工するステップと、を有する。

また、上記態様において、前記伸線加工するステップでは、前記伸線加工による減面率が０％以上５０％以下であってもよい。

また、上記態様において、前記製造方法は、伸線加工された前記複数の線材及び前記筒状部材に対し、真空、水素ガス、又は不活性ガス雰囲気下において５００℃以上９５０℃以下の温度で熱処理を行うステップをさらに有してもよい。

また、上記態様において、前記製造方法は、伸線加工された前記複数の線材及び前記筒状部材を、板状の支持部に設けられた孔に挿入し、前記筒状部材を前記支持部に接合するステップをさらに有してもよい。

また、上記態様において、前記筒状部材を前記支持部に接合するステップでは、伸線加工された前記複数の線材及び前記筒状部材を、複数の前記支持部に貫通させて接合し、前記製造方法は、隣り合う前記支持部の間において前記複数の線材及び前記筒状部材を切断するステップをさらに有してもよい。

本発明のアキシャルギャップ型回転電機及びその製造方法によれば、優れた鉄損特性を有するアキシャルギャップ型回転電機を簡便且つ安価に製造できる。

実施の形態１に係るアキシャルギャップ型回転電機の構成を示す側面断面図。 実施の形態１に係るアキシャルギャップ型回転電機のロータの構成を示す正面図。 実施の形態１に係るアキシャルギャップ型回転電機のステータの構成を示す正面断面図。 ステータコアの構成を示す拡大正面断面図。 ステータコアに生じる渦電流を示す拡大正面断面図。 電磁鋼板の積層体と電磁鋼の線材の収束体とのそれぞれにおける渦電流損を説明するための図。 コア用棒材の作製工程を示すフローチャート。 コア用棒材の作製工程を模式的に説明するための図。 ステータの製造工程を示すフローチャート。 支持部の構成を示す正面図。 ステータの製造工程の一部を模式的に説明するための図。 ロータの製造工程を示すフローチャート。 実施の形態２に係るアキシャルギャップ型回転電機のロータの構成を示す正面図。 実施の形態２に係るアキシャルギャップ型回転電機のステータの構成を示す正面断面図。 ステータコアの構成を示す拡大正面断面図。 ステータコアに生じる渦電流を示す拡大正面断面図。

以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。

＜アキシャルギャップ型回転電機の構成＞
図１は、本実施の形態に係るアキシャルギャップ型回転電機の構成を示す側面断面図である。なお、ここでいう「回転電機」とは、回転部を有する電気機械であり、電動機、発電機、電動機兼発電機を含む。

図１に示すように、アキシャルギャップ型回転電機１００は、２つのロータ１１０と、ステータ１２０とを備え、ステータ１２０の両側それぞれにロータ１１０が配置されたシングルステータダブルロータ構造のアキシャルギャップ型回転電機である。ロータ１１０は、回転軸１０５を中心にして回転可能に支持されている。また、ロータ１１０とステータ１２０とは、回転軸１０５の軸長方向にエアギャップを介して対向配置されている。なお、以下の説明において、回転軸１０５の軸長方向を「軸長方向」、回転軸１０５を中心とする円の周方向を「周方向」という。

ロータ１１０は、円盤状のロータ基盤１１１と、永久磁石１１２とを備える。ロータ基盤１１１は、帯状の電磁鋼板が巻回された巻鉄心であり、円盤状の軟磁性体である。

図２は、ロータ１１０の構成を示す正面図である。上記のようなロータ基盤１１１におけるステータ１２０との対向面には、図２に示すように複数の永久磁石１１２が周方向に等間隔に並べられる。各永久磁石１１２は、正面視において円形をなしており、厚さ（軸長方向長さ）が一定の板状である。かかる永久磁石１１２の数は１０個である。なお、永久磁石１１２の数、つまり極数は１０以外の偶数であってもよい。

永久磁石１１２には、高トルクを得るためにネオジウム磁石、サマリウムコバルト磁石等の希土類磁石を使用するのが好ましい。また、使用目的によっては安価なフェライト磁石等も使用できる。各永久磁石１１２は一方の面がＮ極、反対側の面がＳ極となっている。かかる永久磁石１１２は、隣り合う永久磁石１１２とは磁極が反対になるように配置される。つまり、ステータ１２０との対向面（以下、「表面」という。また、表面の反対側の面を「裏面」という。）がＮ極となっている永久磁石１１２の隣の永久磁石は、表面がＳ極となっている。このように、各永久磁石１１２は、表面の磁極が交互に反対になるように配置されている。かかる永久磁石１１２はロータ基盤１１１に接着剤によって固定されている。

次に、ステータ１２０の構成について説明する。図３は、ステータ１２０の構成を示す正面断面図である。ステータ１２０は、ステータコア１２２と、コイル１２３と、支持部１２４とを備える。

図４は、ステータコア１２２の構成を示す拡大正面断面図である。図４に示すように、ステータコア１２２は、軟磁性体である複数の線材１２５ａが束ねられた収束体１２５と、アルミニウム又は鉄等の金属製の筒状部材１２６とを有する。筒状部材１２６は、円環状の断面を有しており、その内部に収束体１２５を保持する。収束体１２５において、各線材１２５ａは軸長方向に延びる。

線材１２５ａは磁気特性に優れる材料を使用することが好ましく、純鉄系、低炭素鋼、Ｓｉ添加鋼などを使用できる。磁気特性に優れる材料として電磁ステンレスがあるが、合金成分量が多いことから、硬く成型しにくいため線材１２５ａの材料には適さない。さらに具体的には、線材１２５ａは、主成分の鉄（Ｆｅ）に、０．００１質量％以上、０．０１質量％以下の炭素（Ｃ）、０より多く、２．０質量％以下のシリコン（Ｓｉ）、０．１質量％以上、０．５質量％以下のマンガン（Ｍｎ）、０より多く、０．０３質量％以下のリン（Ｐ）、０より多く、０．０２質量％以下の硫黄（Ｓ）、０より多く、０．１質量％以下の銅（Ｃｕ）、０より多く、０．１質量％以下のニッケル（Ｎｉ）、０より多く、０．０４質量％以下のアルミニウム（Ａｌ）、及び、０より多く、０．００７質量％以下の窒素（Ｎ）の各成分を含有することが好ましい。かかる線材１２５ａのミクロ組織は、フェライト結晶粒の大きさがフェライト結晶粒度番号で２以上、６以下であることが好ましい。

また、各線材１２５ａの断面形状は六角形であり、ステータコア１２２の充填率は１００％である。ステータコア１２２の充填率については、モータの磁気エネルギー密度を高めるためになるべく高いほうがよい。このため、ステータコア１２２の充填率を８０％以上１００％以下とすることが好ましい。また、線材１２５ａの断面形状は六角形に限られず、円形であってもよい。ただし、線材１２５ａの断面形状が円形よりも六角形である方が、線材１２５ａ同士の隙間が小さくなり、充填率を高めることができる。

他方、交流磁界によって発生する鉄損の影響でステータコア１２２が発熱し、温度上昇が問題になることがある。このような場合、ステータコア１２２に隙間を設けるためにあえて充填率を低下させることが可能である。これにより、ステータコア１２２の放熱性を高めることができ、線材１２５ａ間に冷却溶媒を流すことで温度上昇を抑えることができる。かかる温度上昇を考慮する場合、ステータコア１２２の充填率は８０％以上９５％以下とするのがよく、好ましくは８２％以上９３％以下とし、さらに好ましくは８３％以上９１％以下とする。

また、各線材１２５ａの表面は絶縁皮膜でコーティングされている。これにより、線材１２５ａ間が絶縁され、各線材１２５ａにおいて渦電流が形成される。このため、渦電流損をより一層低減できる。かかるステータコア１２２の端面は、メッキ又は合成樹脂をコーティングすることにより防さび処理が施されている。これにより、さびの発生を抑制できる。

再び図３を参照する。支持部１２４は円盤状の部材であり、非磁性材料、例えば、合成樹脂、炭素繊維、ガラス繊維、炭素繊維又はガラス繊維と合成樹脂の母材とを組み合わせた複合材料、オーステナイト系ステンレス鋼、銅、アルミニウム等によって構成される。なお、ここでいう「非磁性」とは、実質的に磁化されない性質をいい、永久磁石に吸着しない程度に微弱に磁化される場合を含む。支持部１２４は、回転軸１０５に軸受１２８を介して取り付けられている（図１参照）。これにより、ロータ１１０はステータ１２０に対して回転軸１０５を中心として相対的に回転可能である。支持部１２４には、周方向に等間隔に円形の孔１２７が設けられており、この孔１２７をステータコア１２２が貫通する。支持部１２４とステータコア１２２とは、溶接、ロウ付け、接着剤等によって互いに固着されている。

また、ステータコア１２２の個数（以下、「スロット数」という）は６である。なお、スロット数を６以外とすることもできる。ただし、アキシャルギャップ型回転電機１００を三相交流で駆動する場合、スロット数は３の倍数である必要がある。また、各ステータコア１２２の回転軸１０５からの距離は、ロータ１１０における各永久磁石１１２の回転軸１０５からの距離と同等である。これにより、ステータコア１２２と永久磁石１１２とが正対する。

支持部１２４の両側に突出したステータコア１２２の両側の部分のそれぞれにはコイル１２３が設けられる（図１参照）。ステータコア１２２およびコイル１２３は電磁石１２１を構成する。コイル１２３に電流が流れると、電磁石１２１のロータ１１０と対向する側がＮ極又はＳ極となるように磁界が発生する。アキシャルギャップ型回転電機１００が三層モータの場合、各コイル１２３には位相が互いに１２０°異なる三層交流が与えられる。各電磁石１２１は、与えられる交流の位相に応じた磁界を生じる。

電磁石１２１により磁界が形成されると、当該磁界が永久磁石１１２から生じた磁界に影響を及ぼす。これにより、電磁石１２１と永久磁石１１２との間で吸引力又は反発力が生じ、ロータ１１０が回転する。このとき、永久磁石１１２によって軸長方向に延びるように磁束が生じる。この磁束は永久磁石１１２に対向するステータコア１２２に入射し、各線材１２５ａを軸長方向に通過する。

図５は、ステータコア１２２に生じる渦電流を示す拡大正面断面図である。上述したように、各線材１２５ａに磁束が通過する。このような磁束の変化によって電磁誘導が生じ、各線材１２５ａの内部に図５に矢印で示すような渦電流が誘起される。ステータコア１２２が複数の線材１２５ａに分割されていることから、電流の経路が分割される。これにより電流の経路が分割されていない場合に比べて抵抗値が増大する。このため、誘起される電流が減少し、ジュール損が減少する。

図６は、電磁鋼板の積層体と電磁鋼の線材（以下、「電磁細線」という）の収束体とのそれぞれにおける渦電流損を説明するための図である。図６では、電磁細線の断面を六角形ではなく円形としている。図６に示すように電磁鋼板の積層体に対し、その積層方向と直交する方向（各電磁鋼板の長さ方向）の磁界が与えられると、磁束の変化によって電磁誘導が生じ、電磁鋼板の断面全体を環状に流れる渦電流が誘起される。このとき、磁束は電磁鋼板の正面に一様に入射し、板中を通過するものとすると、生じる損失Ｐ_ｖは次式（１）で表される。

ただし、ｆは駆動周波数（Ｈｚ）、Ｂ_ｍは磁束密度（Ｔ）、ｄは電磁鋼板の厚さ（ｍ）、ρは電気抵抗率（Ωｃｍ）をそれぞれ示す。

他方、電磁細線の収束体に対し、電磁細線の長さ方向の磁界が与えられると、電磁細線の断面全体を環状に流れる渦電流が誘起される。このときの損失Ｐ_ｖは次式（２）で表される。

ただし、Ｄは電磁細線の直径（ｍ）を示す。

式（１），（２）を比較すると、電磁細線の収束体についての式（２）の分母が大きく、電磁鋼板の厚さｄと線径Ｄとが同程度であれば、電磁細線の収束体の方が渦電流損を抑制できることが分かる。このように、電磁細線の収束体は電磁鋼板の積層体に比べて優れた鉄損特性を有している。

アキシャルギャップ型回転電機１００をモータとして使用する場合、駆動周波数が高くなると鉄損における渦電流損の割合が大きくなるため、周波数が高い場合は線材１２５ａの線径を小さくすることが有効である。また、線径が大きすぎると交流磁界を印加した際に表皮効果によって磁束が内部まで浸透せず、トルク不足になったり、渦電流損が増加して効率が低下したりするおそれがある。このため、線材１２５ａの線径（断面が六角形の場合は対角長。断面が円形の場合は直径。）の上限は２．０ｍｍがよく、好ましくは１．８ｍｍ、さらに好ましくは１．６ｍｍとする。他方、線径が小さすぎると線材における絶縁皮膜の閉める割合が鋼に対して相対的に大きくなり、磁束密度の減少及びトルクの減少の原因となる。このような理由から線材１２５ａの線径の下限は０．３ｍｍとするのがよく、好ましくは０．５mm, さらに好ましくは０．７mm以上とする。このように、線材１２５ａの線径はモータの駆動条件（駆動周波数、必要トルク、効率）に応じて適切な範囲を選択する必要がある。

＜アキシャルギャップ型回転電機の製造方法＞
（ａ）コア用棒材作製工程
次に、上述したアキシャルギャップ型回転電機１００の製造方法について説明する。まず、ステータコア１２２の材料となるコア用棒材を作製する。図７は、コア用棒材の作製工程を示すフローチャートであり、図８は、当該工程を模式的に説明するための図である。線材１２５ａの材料として、線径３ｍｍ程度の断面形状が円形の線材１５１を使用し、これを線径１．２ｍｍ以上１．５ｍｍ以下程度まで熱間又は冷間伸線加工を施し細径化する（ステップＳ１０１）。伸線加工における減面率は０％以上５０％以下とすることが好ましく、１パスあたり１０％以上２０％以下とすることがさらに好ましい。

冷間伸線加工を行った場合、加工ひずみを除去するために５００℃程度の温度で伸線加工後の線材１５１に対してひずみとり焼鈍を行う（ステップＳ１０２）。熱間伸線加工を行った場合、ステップＳ１０２の工程は不要である。

次に、線材１５１の表面に絶縁皮膜を形成する（ステップＳ１０３）。具体的には、潤滑及び電気的絶縁のためリン酸系ボンデ被膜を線材表面に形成する。

次に、上記のようにして加工された線材１５１を筒状部材１２６の材料であるパイプ１５２の中に充填する（ステップＳ１０４）。パイプ１５２は、鉄又はアルミニウム製であり、円環の断面形状を有する。パイプ１５２の外径はステータコア１２２の外径の１．５倍程度までとする。また、最密充填になるように可能な限り多数の線材１５１をパイプ１５２の中にしきつめるのが理想である。このとき、線材１５１を規則正しく整列するためにパイプ１５２を数十Ｈｚの周波数で振動させながら当該パイプ１５２に線材１５１を挿入することが好ましい。

再び熱間又は冷間伸線加工によって、線材１５１が挿入されたパイプ１５２を内部の各線材１５１の線径が１．０ｍｍ程度になるまで細径化する（ステップＳ１０５）。このような細径化を行うことで内部の線材１５１も共に細径化されると共に、互いに接触する線材１５１同士の圧迫により線材１５１の断面形状が六角形に変形する。これにより、線材１５１間のすきまが減少し、充填率が増加する。

このような加工を行うことで図８に示すようにパイプ１５２に充填され、固定された線材１５１の集合体であるコア用棒材１５０が形成される。パイプ１５２に線材１５１を挿入したまま加工を行うことで、線材１５１同士がばらけることを防止でき、取り扱いが容易になる。

上記のようにして得られたコア用棒材１５０に対して最後に磁気焼鈍を実施する（ステップＳ１０６）。磁気焼鈍工程は鋼材成分及び加工率によって異なるが、５００℃以上９５０℃以下の真空、水素ガス、又は不活性ガス雰囲気下で行うのが好ましく、温度を８００℃以上９００℃以下とすることがさらに好ましい。真空、水素ガス、又は不活性ガス雰囲気とするのはコア用棒材１５０の酸化を防ぐためである。かかる磁気焼鈍工程は必須ではなく、省略することもできる。

（ｂ）ステータの製造工程
図９は、ステータ１２０の製造工程を示すフローチャートであり、図１０は、支持部１２４の構成を示す正面図である。ステンレス製の鋼板を切断し、図１０に示すような支持部１２４を作製する（ステップＳ２０１）。支持部１２４の中心には回転軸１０５が貫通する孔１３０が設けられる。孔１３０の周りにはステータコア１２２を配置するための複数（１０個）の孔１２７が周方向に等間隔に設けられる。かかる孔１２７の直径はステータコア１２２の直径よりわずかに大きい。これらの孔１２７及び１３０は金型を用いた打ち抜き加工などによって形成される。

次に、上述したように作製された複数の支持部１２４の全ての孔１２７に、コア用棒材１５０を挿入する（ステップＳ２０２）。図１１は、ステータ１２０の製造工程の一部を模式的に説明するための図である。図１１に示すように、各支持部１２４は、コア用棒材１５０に垂直に貫通され、コア用棒材１５０の長手方向に等間隔に並べられる。隣り合う支持部１２４の間隔は、ステータ１２０の軸長方向長さと同程度とする。

次に、各コア用棒材１５０と各支持部１２４との接続部分を、溶接、ロウ付け、又は接着剤によって固着する（ステップＳ２０３）。固着後、コア用棒材１５０における隣り合う支持部１２４の中間部分を砥石又はワイヤーカット等で切断する（ステップＳ２０４）。図１１において、切断箇所を破線で示している。このようにコア用棒材１５０が切断されることにより、ステータコア１２２が形成される。さらに、切断された端面にニッケル若しくは亜鉛メッキを施し又は合成樹脂をコーティングして、防さび処理を施す（ステップＳ２０５）。

その一方で、ステータコア１２２の直径よりも若干大きい内径のボビンに銅線を所定回数巻回し、コイル１２３を作製する（ステップＳ２０６）。ここで、電気接続用にコイル１２３の両端を１０〜２０ｃｍ程度余らせておく。このようにして作製されたコイル１２３をステータコア１２２に取り付け、接着剤を用いてボビンをステータコア１２２に固着する（ステップＳ２０７）。以上で、ステータ１２０が完成する。

（ｃ）ロータの製造工程
図１２は、ロータ１１０の製造工程を示すフローチャートである。まず、純鉄、炭素鋼又は積層鋼板を用いて支持部１２４とほぼ等しい直径の円盤（ロータ基盤１１１）を作製する（ステップＳ３０１）。この円盤の中心には、回転軸１０５が貫通するための孔を設けておく。

次に、作製されたロータ基盤１１１の一面において、１０個の永久磁石１１２を周方向に等間隔に配置し、接着剤又はロウ付けによって固着する（ステップＳ３０２）。このとき、各永久磁石１１２のロータ基盤１１１の中心からの距離が、ステータ１２０におけるステータコア１２２の支持部１２４の中心からの距離と同程度となるように、各永久磁石１１２を配置する。また、隣り合う永久磁石１１２の表面側の磁極が互いに反対になるようにする。以上で、ロータ１１０が完成する。

（ｄ）ステータとロータとの組み付け
上記のようにして作製したステータ１２０の支持部１２４の中心の孔に軸受を取り付け、当該軸受に回転軸１０５を貫通させる。また、回転軸１０５の両側それぞれをロータ１１０のロータ基盤１１１の中心の孔に挿入し、ステータ１２０の両側に２つのロータ１１０を配置する。ロータ基盤１１１と回転軸１０５とは溶接、ロウ付け、又は接着剤によって互いに固着する。以上で、アキシャルギャップ型回転電機１００が完成する。

上記のように、ステータコアを複数の線材の束として構成するため、線材間での電流の通過が阻害され、各線材において渦電流が生じることになる。このように渦電流損が生じる領域が線材毎に区分されるため、渦電流損を抑制できる。また、安価な線材を束ねることでステータコアを容易に製造できるため、製造コストを抑制できる。

（実施の形態２）
＜アキシャルギャップ型回転電機の構成＞
図１３は、本実施の形態に係るアキシャルギャップ型回転電機のロータの構成を示す正面図である。図１３に示すように、ロータ２１０は、正面視において扇形の中心側部分が円弧状に欠落したような形状の永久磁石２１２を複数有している。つまり、永久磁石２１２は、正面視において、回転軸１０５を中心とする円環の２つの半径と、その２つの半径の間にある２つの円弧（外側の円弧及び内側の円弧）とで囲まれた形状をなす。各永久磁石２１２は、厚さが一定の板状である。

複数の永久磁石２１２は、ロータ基盤１１１におけるステータ２２０との対向面に、正面視において円弧部分が回転軸１０５を中心とした円に沿って並ぶように、周方向に等間隔に配置されている。かかる永久磁石２１２の数は１０個である。なお、永久磁石２１２の数、つまり極数は１０以外の偶数であってもよい。

永久磁石２１２には、高トルクを得るためにネオジウム磁石、サマリウムコバルト磁石等の希土類磁石を使用するのが好ましい。また、使用目的によっては安価なフェライト磁石等も使用できる。各永久磁石２１２は一方の面がＮ極、反対側の面がＳ極となっている。かかる永久磁石２１２は、隣り合う永久磁石２１２とは磁極が反対になるように配置される。つまり、各永久磁石２１２は、表面の磁極が交互に反対になるように配置されている。かかる永久磁石２１２はロータ基盤１１１に接着剤によって固定されている。

次に、ステータ２２０の構成について説明する。図１４は、本実施の形態に係るアキシャルギャップ型回転電機のステータの構成を示す正面断面図である。図１４に示すように、ステータ２２０は、正面視において扇形の中心側部分が円弧状に欠落したような形状のステータコア２２２を複数有している。つまり、ステータコア２２２は、正面視において、回転軸１０５を中心とする円環の２つの半径と、その２つの半径の間にある２つの円弧（外側の円弧及び内側の円弧）とで囲まれた形状をなす。

図１５は、ステータコア２２２の構成を示す拡大正面断面図である。図１５に示すように、ステータコア２２２は、軟磁性体である複数の線材２２５ａが束ねられた収束体２２５と、合成樹脂製の筒状部材２２６とを有する。筒状部材２２６は、正面視において扇形の中心側部分が円弧状に欠落したような形状の断面を有しており、その内部に収束体２２５を保持する。収束体２２５において、各線材２２５ａは軸長方向に延びる。線材２２５ａは磁気特性に優れる材料を使用することが好ましく、純鉄系、低炭素鋼、Ｓｉ添加鋼などを使用できる。磁気特性に優れる材料として電磁ステンレスがあるが、合金成分量が多いことから、硬く成型しにくいため線材２２５ａの材料には適さない。

また、各線材２２５ａの断面形状は円形である。かかる円形断面の線材２２５ａの間には隙間が生じており、これによりステータコア２２２の充填率は約９０％である。このようにステータコア２２２に隙間を設けることで、放熱性を高めることができ、線材２２５ａ間に冷却溶媒を流すことで温度上昇を抑えることができる。

また、各線材２２５ａの表面は絶縁皮膜でコーティングされている。これにより、線材２２５ａ間が絶縁され、各線材２２５ａにおいて渦電流が形成される。このため、渦電流損をより一層低減できる。かかるステータコア２２２の端面は、メッキ又は合成樹脂をコーティングすることにより防さび処理が施されている。これにより、さびの発生を抑制できる。

再び図１４を参照する。支持部２２４は円盤状の部材であり、非磁性材料、例えば、合成樹脂、炭素繊維、ガラス繊維、炭素繊維又はガラス繊維と合成樹脂の母材とを組み合わせた複合材料、オーステナイト系ステンレス鋼、銅、アルミニウム等によって構成される。支持部２２４は、回転軸１０５に軸受１２８を介して取り付けられている。これにより、ロータ２１０はステータ２２０に対して回転軸１０５を中心として相対的に回転可能である。支持部２２４には、周方向に等間隔に上記のステータコア２２２の断面形状に適合する形状の孔２２７が設けられており、この孔２２７をステータコア２２２が貫通する。複数のステータコア２２２は、正面視において円弧部分が回転軸１０５を中心とした円に沿って並ぶように、周方向に等間隔に配置されている。かかるステータコア２２２は、接着剤によって支持部２２４に固着されている。

また、ステータ２２０のスロット数は６である。なお、スロット数は６以外とすることもできる。ただし、アキシャルギャップ型回転電機２００を三相交流で駆動する場合、スロット数は３の倍数とする必要がある。また、各ステータコア２２２の回転軸１０５からの距離は、ロータ２１０における各永久磁石２１２の回転軸１０５からの距離と同等である。これにより、ステータコア２２２と永久磁石２１２とが正対する。

支持部２２４の両側に突出したステータコア２２２の両側の部分のそれぞれにはコイル２２３が設けられる。ステータコア２２２およびコイル２２３は電磁石２２１を構成する。コイル２２３に電流が流れると、電磁石２２１のロータ２１０と対向する側がＮ極又はＳ極となるように磁界が発生する。アキシャルギャップ型回転電機が三層モータの場合、各コイル２２３には位相が互いに１２０°異なる三層交流が与えられる。各電磁石２２１は、与えられる交流の位相に応じた磁界を生じる。

電磁石２２１により磁界が形成されると、当該磁界が永久磁石２１２から生じた磁界に影響を及ぼす。これにより、電磁石２２１と永久磁石２１２との間で吸引力又は反発力が生じ、ロータ２１０が回転する。このとき、永久磁石２１２によって軸長方向に延びるように磁束が生じる。この磁束は永久磁石２１２に対向するステータコア２２２に入射し、各線材２２５ａを軸長方向に通過する。

図１６は、ステータコア２２２に生じる渦電流を示す拡大正面断面図である。上述したように、各線材２２５ａに磁束が通過する。このような磁束の変化によって電磁誘導が生じ、各線材２２５ａの内部に図１６に矢印で示すような渦電流が誘起される。ステータコア２２２が複数の線材２２５ａに分割されていることから、電流の経路が分割される。これにより電流の経路が分割されていない場合に比べて抵抗値が増大する。このため、誘起される電流が減少し、ジュール損が減少する。

なお、線材２２５ａの表面に絶縁被膜を形成しなくてもよい。この場合、互いに接触している線材２２５ａの間は電気絶縁されていないが、線材２２５ａの表面において他の線材２２５ａと接触している部分は一部分であり、かかる接触部分の面積は小さいため抵抗値が高く、電流の通過を阻害する。よって、この場合においても、図１６に示すように線材２２５ａ毎に渦電流が生じ、渦電流損が低減される。

なお、アキシャルギャップ型回転電機のその他の構成については、実施の形態１において説明したアキシャルギャップ型回転電機１００の構成と同様であるので、同一構成要素については同一符号を付し、その説明を省略する。

（その他の実施の形態）
上述した実施の形態１においては、ステータコア１２２の断面形状を円形とし、実施の形態２においては、ステータコア２２２の断面形状を中心側が円弧状に欠落した扇形としたが、これに限定されるものではない。ステータコアの断面形状は、円形又は中心側が円弧状に欠落した扇形以外の任意の形状とすることができる。例えば、ステータコアの断面形状を四角形、三角形、又は台形としてもよいし、中心側が直線状に欠落した扇形としてもよい。これらの場合も、ステータコアの断面の外縁部分を筒状部材によって構成し、その内部に複数の線材を充填することでステータコアが構成される。

また、上述した実施の形態１及び２においては、筒状部材の内部において線材が軸長方向に延びる構成について述べたが、これに限定されるものではない。ステータコアにおいて、筒状部材の内部で複数の線材をより合わせた構成とすることもできる。

本発明のアキシャルギャップ型回転電機及びその製造方法は、ロータ基盤に永久磁石を固定したロータと、ステータコアの周囲にコイルを巻回したステータとを有するアキシャルギャップ型回転電機及びその製造方法として有用である。

１００ アキシャルギャップ型回転電機
１０５ 回転軸
１１０ ロータ
１１１ ロータ基盤
１１２ 永久磁石
１２０ ステータ
１２１ 電磁石
１２２ ステータコア
１２３ コイル
１２４ 支持部
１２５ 収束体
１２５ａ 線材
１２６ 筒状部材
１２７ 孔
１５０ コア用棒材
１５１ 線材
１５２ パイプ
２１０ ロータ
２１２ 永久磁石
２２０ ステータ
２２２ ステータコア
２２４ 支持部
２２５ 収束体
２２５ａ 線材
２２６ 筒状部材

Claims (15)

1. 回転軸を中心として回転可能なロータと、
   前記回転軸の軸長方向に前記ロータに対向して配置されるステータと
   を備え、
   前記ステータは、軟磁性体である複数の線材が束ねられたステータコアを有する、
   アキシャルギャップ型回転電機。
2. 前記ステータは、前記ロータに対向配置される板状の支持部をさらに有し、
   前記ステータコアは、前記支持部を貫通することにより前記支持部に支持されている、
   請求項１に記載のアキシャルギャップ型回転電機。
3. 前記線材は、その直径が０．３ｍｍ以上２．０ｍｍ以下である、
   請求項１又は２に記載のアキシャルギャップ型回転電機。
4. 前記ステータコアは、８０％以上１００％以下の充填率で複数の前記線材が束ねられて形成されている、
   請求項１乃至３の何れかに記載のアキシャルギャップ型回転電機。
5. 前記線材のそれぞれは、六角形の断面を有する、
   請求項４に記載のアキシャルギャップ型回転電機。
6. 前記ステータコアは、前記複数の線材を束ねた収束体を保持する筒状部材を有する、
   請求項１乃至５の何れかに記載のアキシャルギャップ型回転電機。
7. 前記筒状部材は、円環状の断面を有する、
   請求項６に記載のアキシャルギャップ型回転電機。
8. 前記ステータは、複数の前記ステータコアを有し、
   前記筒状部材は、扇形の中心側部分が欠落した形状の断面を有し、
   前記複数のステータコアは、それぞれの筒状部材の円弧部分が前記回転軸を中心とした円に沿って並ぶように、前記円の周方向に配置されている、
   請求項６に記載のアキシャルギャップ型回転電機。
9. 前記線材のそれぞれは、表面に絶縁皮膜が形成されている、
   請求項１乃至８の何れかに記載のアキシャルギャップ型回転電機。
10. 前記ステータコアは、端面において防さび処理が施されている、
    請求項１乃至９の何れかに記載のアキシャルギャップ型回転電機。
11. 回転軸を中心として回転可能なロータと、前記回転軸の軸長方向に前記ロータに対向して配置されるステータとを備え、前記ステータが、軟磁性体である複数の線材を束にした収束体が金属製の筒状部材に充填されたステータコアを有するアキシャルギャップ型回転電機の製造方法であって、
    前記複数の線材を束にした収束体を金属製の筒状部材に挿入するステップと、
    前記複数の線材及び前記筒状部材を共に伸線加工するステップと、
    を有する、
    アキシャルギャップ型回転電機の製造方法。
12. 前記伸線加工するステップでは、前記伸線加工による減面率が０％以上５０％以下である、
    請求項１１に記載のアキシャルギャップ型回転電機の製造方法。
13. 伸線加工された前記複数の線材及び前記筒状部材に対し、真空、水素ガス、又は不活性ガス雰囲気下において５００℃以上９５０℃以下の温度で熱処理を行うステップをさらに有する、
    請求項１１又は１２に記載のアキシャルギャップ型回転電機の製造方法。
14. 伸線加工された前記複数の線材及び前記筒状部材を、板状の支持部に設けられた孔に挿入し、前記筒状部材を前記支持部に接合するステップをさらに有する、
    請求項１１乃至１３の何れかに記載のアキシャルギャップ型回転電機の製造方法。
15. 前記筒状部材を前記支持部に接合するステップでは、伸線加工された前記複数の線材及び前記筒状部材を、複数の前記支持部に貫通させて接合し、
    隣り合う前記支持部の間において前記複数の線材及び前記筒状部材を切断するステップをさらに有する、
    請求項１４に記載のアキシャルギャップ型回転電機の製造方法。

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