JP2019075952A

JP2019075952A - アキシャルギャップ型回転電機

Info

Publication number: JP2019075952A
Application number: JP2017202558A
Authority: JP
Inventors: 博洋床井; Hirooki Tokoi; 榎本　裕治; Yuji Enomoto; 裕治榎本; 三上　浩幸; Hiroyuki Mikami; 浩幸三上; 憲一相馬; Kenichi Soma
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2017-10-19
Filing date: 2017-10-19
Publication date: 2019-05-16
Anticipated expiration: 2037-10-19
Also published as: JP7007150B2; WO2019077983A1

Abstract

【課題】
コア間の短絡磁束をなくすることで、コア間に配置する磁性体の特性を活かし、高効率化や小型化を可能にしたアキシャルギャップ型回転電機を提供することにある。
【解決手段】
アキシャルギャップ型回転電機は、回転軸に固定されたロータと、
前記回転軸の軸方向に沿って、前記ロータに対向して配置されたステータとを有し、
前記ステータは、前記回転軸の周方向に配置された複数のコアと、前記コアを覆うボビンと、前記ボビンの周囲に設けた巻線とを有し、
前記ボビンは、前記コアを保持する筒部と、前記筒部の端部に設けた鍔部とを有し、
前記鍔部の前記ロータに対向する面内に、絶縁性の磁性体を配置したものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、アキシャルギャップ型回転電機に係り、特に、アキシャルギャップ型回転電機のステータの構造に関する。

回転軸径方向に所定のギャップを介してステータと、ロータとが面対向するアキシャルギャップ型回転電機が知られている。構造が薄型（扁平）になるという利点に加え、体格あたりのステータとロータの対向面積を大きくとることが可能であるため、高出力密度化や高効率化に好適な構造であるといえる。従来のラジアルギャップ構造のモータの場合、コア形状が複雑となるため、アモルファス金属を加工しようとすると、プレス打ち抜きの金型の磨耗や打ち抜いたコアの欠けが課題であった。アキシャルギャップ構造の場合、コアを台形柱状の単純形状とすることができるため、箔帯のアモルファス金属を短冊状に切断し積層することで比較的容易にコアを製造することが可能である。

上記した台形柱状のコアは、その周囲に巻回される巻線がロータと対向するように配置される。このような構造をオープンスロット構造と呼ぶ。オープンスロット構造では、コアの断面積を大きくすると巻線を格納する空間が減少するため、コアの断面積が比較的小さい。このため、ロータ側の磁石磁束を有効に活用しきれない場合がある（以下、有効磁束の減少という）。また、コアがある場所とない場所で周方向に大きな磁気抵抗の分布があるため、空間高調波成分が増加し、ロータ側の導電体、即ち、鉄製のヨークや導電性のあるネオジム焼結磁石などに渦電流損失が発生する。

従来、オープンスロット形状に起因する有効磁束の減少や渦電流損失の増加に対する対策として、特許文献１が開示する構造が知られている。特許文献１では、環状成形体と称するコアを有し、コアに形成された巻線を施すための空間（スロット）のロータ対向部に、板状成形体と称する磁性体の薄板を配置している。磁性体には、樹脂に鉄分をまぜて成型した磁性楔を用いている。本構造により、等価的にコア断面が拡大するため有効磁束を増加することができる。また、空間高調波成分も減少しロータ側導体の渦電流損が低減する。

特開昭６１−１５０６２８号公報

特許文献１が開示するような磁性体構造では、樹脂材料に鉄粉を混入した比透磁率が極めて小さい磁性体、以下磁性楔を用いている。これは、磁性体の比透磁率が高すぎるとコア間の短絡磁束が増加し、有効磁束がかえって減少してしまうためである。発明者らもシミュレーションにより、この現象を確認している。本来、比透磁率が高い磁性体のほうが、磁束を流しやすいことを考えると、特許文献１の技術では、スロットのロータ対向部に配置した磁性体の薄板の特性を、十分に活かしきれていないと考えられる。

本発明は、コア間の短絡磁束をなくし、コア間に配置する磁性体の特性を活かし、高効率化や小型化を可能にしたアキシャルギャップ型回転電機を提供することにある。

本発明の好ましい一例は、回転軸に固定されたロータと、
前記回転軸の軸方向に沿って、前記ロータに対向して配置されたステータとを有し、
前記ステータは、前記回転軸の周方向に配置された複数のコアと、前記コアを覆うボビンと、前記ボビンの周囲に設けた巻線とを有し、
前記ボビンは、前記コアを保持する筒部と、前記筒部の端部に設けた鍔部とを有し、
前記鍔部の前記ロータに対向する面内に、絶縁性の磁性体を配置したアキシャルギャップ型回転電機である。

本発明によれば、コア間の短絡磁束をなくし、コア間に配置する磁性体の特性を活かし、アキシャルギャップ型回転電機の高効率化、小型化が可能になる。

実施例に係るアキシャルギャップ型回転電機の概要構成を示す斜視図である。実施例１であるアキシャルギャップ型回転電機のステータを示す斜視図である。ステータ構造によるモータ損失の低減効果についてシミュレーションでの評価を説明する図である。（ａ）は、実施例１のモールドステータの説明図であり、（ｂ）は、（ａ）の一部の拡大図である。実施例１の変形例を示すコアメンバおよび磁性体の斜視図である。実施例２のアキシャルギャップ型回転電機の概要構成を示す斜視図である。実施例３のコアメンバおよび磁性体構造を示す斜視図である。実施例４のコアメンバおよび磁性体構造を示す斜視図である。実施例５のコアメンバおよび磁性体を示す斜視図である。実施例５の変形例のボビンおよび磁性体の構成を説明する図である。実施例５の変形例のコアメンバおよび磁性体構造を説明する図である。実施例６のコアメンバおよび磁性体構造を示す斜視図である。実施例６の変形例のコアメンバおよび磁性体構造を示す斜視図である。実施例７のアキシャルギャップ型回転電機のステータ構造を示す図である。

以下に、各実施例を、図面を用いて、詳細に説明する。

図１、図２（ａ）から図２（ｃ）、図３（ａ）から図３（ｄ）、図４（ａ）から図４（ｂ）を用いて、実施例１を説明する。図１は、実施例１のダブルロータ型のアキシャルギャップ型回転電機1000（以下、単に「回転電機」という場合がある。）の斜視図を示す。図２（ａ）は、ステータ１００の斜視図である。図２（ｂ）は、コアメンバおよび磁性体の構成を示す。コアメンバとは、コアとボビンと巻線とを組み合わせた構成である。図２（ｃ）は、図２（ｂ）から巻線を除いた図である。図４（ａ）は、モールドステータを切断した場合の斜視図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）の一部を拡大した図である。

図１に示すように、アキシャルギャップ型回転電機1000は、概略円筒形状の内径を有する図示しないハウジングの内周に、環状のドーナツ形状を有するステータ100が固定される。ロータ200は、永久磁石210と、ヨーク220とからなるディスク形状を有する。永久磁石210は、回転軸方向に着磁されており、隣接する磁石の磁極向きが反対になるように周方向に複数配置されている。永久磁石210は、ヨーク220に結合されている。

ロータ200は、着磁面がステータ100を出力軸側及び反出力軸側から挟むように配置され、ステータ100の回転軸方向の両端部平面と所定のギャップを介して面対向するようになっている。図示しないが、ロータ200は、シャフトと共に回転するように接続される。シャフトの回転軸方向外側は、図は省略したが、軸受を介してエンドブラケットと接続される。エンドブラケットは、図４（a）に示したハウジング300の両端部に固定され、ロータを回転可能に支持するようになっている。

図１（ａ）および図１（ｂ）に示す様に、ステータ100は、コア110とコア110の外周を覆うボビン130およびボビン130に巻回された巻線120からなるコアメンバを環状に配列し、ハウジングと一体的に樹脂モールド（不図示）されて固定されるようになっている。ボビン130は、コア110を保持する筒部131と巻線120の端部とコア110との絶縁を確保するための鍔部132からなる。なお、環状に配列したコア110を一体的に樹脂モールドした後に、ハウジングにボルト等で固定するようにしてもよい。

実施例１の回転電機では、図２（ａ）、図２（ｂ）、図２（ｃ）に示すように、ボビンの鍔部132上にコア110に隣接するように直方体状の磁性体150を配置している。磁性体150は、電気を流しにくい絶縁性の材料である。また、磁性体150の周方向側面および径方向側面には、鍔部132から突起133が設けられている。

このように構成されたアキシャルギャップ型回転電機は、以下のように動作する。インバータ等を介して巻線120に流れる交流電流が、回転磁界を発生させる。永久磁石により形成されたロータの直流磁界と、コイルの回転磁界とを吸引・反発させることでトルクが発生する。永久磁石モータのトルクは、磁石とコア110の形状に依存する有効磁束と、巻数と電流の積に比例して発生する。また、コア110やヨーク220には、磁束の時間変化に伴う鉄損が発生する。ヨーク220内の磁束は永久磁石210による直流成分が主であるが、ステータ100側のコア110の有無に伴う磁気抵抗の変化により磁束変動が生じ、損失を発生する。また、巻線120にも電流を通電することでジュール損失が発生する。

次いで、実施例１の効果を説明する。コア110に隣接した配置された磁性体150は、ロータ200に対向するコア110の表面積を等価的に拡大する。これにより、より多くの磁石磁束を有効に活用することができる。即ち、有効磁束が増大する。また、回転方向の磁気抵抗分布が滑らかになるため空間高調波成分が低減し、これに伴うロータ200の損失が減少する。

次に、ステータ構造によるモータ損失の低減効果についてシミュレーションの評価について、図３（ａ）、図３（ｂ）、図３（ｃ）、図３（ｄ）を用いて説明する。図３（ａ）〜図３（ｃ）は、シミュレーションのステータ部の形状である。計算時には、ロータやハウジングもモデル化しているが、図示は省略する。ロータ、ハウジング、コアは、いずれの計算でも同じ形状である。図３（ａ）は、磁性体がないステータである。図３（ｂ）は、コア間に磁性体を配置した比較例の構造である。図３（ｃ）は、コア110ごとに独立した磁性体を配置した実施例１の構造である。つまり、鍔部のロータに対向する面内で、絶縁性の磁性体150を配置している。さらに述べると、磁性体150は、周方向に複数配置され、隣り合う磁性体150の間には、間隙を設けることで、コア110間で磁束が短絡しないようにしている。図３（ｄ）には、各構造のモータ損失を比較して示す。

図３（ｄ）に示すように、磁性体がない構造に対し、比較例の対策では12%、実施例１の構成では、20%モータ損失が、低減することがわかる。これは、比較例の対策構造では、磁性体の比透磁率を高めると隣接するコア間で磁束が短絡してしまう。このため、通常、樹脂に鉄粉を混ぜて成型した磁性楔を用いる。一方、実施例１の構成は、磁性体が分割されているため、コア間で磁束が短絡することがない。このため、計算には磁性楔に対し透磁率が極めて大きい圧粉磁心を用いている。もちろん、磁性楔を用いても良い。したがって、実施例１は、より磁性体を有効に活用することが可能であり、モータの低損失化、即ち高効率化や小型化が実現できる。

また、比較例の対策構造では、コアメンバを全周配置してから磁性体を配置することになるため、部品や組み立ての寸法精度により、磁性体を配置するスペースにばらつきが発生する。これにより、組み立ての作業性が悪い。一方、実施例１は、ボビンごとに磁性体を配置するため組み立ての作業性を向上できる。

図４（ａ）は、コアメンバと磁性体をハウジング300とを一体でモールドしたステータの説明図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）の一部を拡大した図である。モールドの量産性を確保するには、高圧のモールド樹脂180を短時間で注入するトランスファーモールドが有効であるが、各部品にはモールド樹脂180から大きな圧力がかかるため、しっかりと保持する必要がある。実施例１の構成では、コア110およびボビンの鍔部132に設けた突起133により磁性体150が周方向、径方向に保持されるため、磁性体がモールド樹脂180によりずれることがない。これにより、モールドの歩留まり向上やモータの特性ばらつきの低減を図ることができる。また、隣接する磁性体150の間に空隙があるため、モールド樹脂180の流路が確保される。これにより、均一かつ高密度に樹脂を充填することができるため、ステータ100の強度の信頼性を高めることができる。

実施例１のコア110は、絶縁性の高い磁性体であれば良く、電磁鋼板やアモルファス金属、ナノ結晶材などを径方向に積層したもの、または、圧分磁心などであってよい。特に、軟加工性のアモルファス金属やナノ結晶材は、高い量産性を確保し、かつ複雑な形状を製作することが困難なため、オープンスロット形状にすることが望ましく、実施例１を適用した場合の効果が大きい。

また、実施例１の磁性体150は、絶縁性の高い磁性体であれば良く、磁性楔や圧粉磁心、さらには、コアと同方向に積層した電磁鋼板や、コアと同方向に積層したアモルファス金属、コアと同方向に積層したナノ結晶材などであっても良い。磁性体150は、軟磁性体であっても良い。また、実施例１では直方体状の磁性体を示したが、少なくともコア間に配置されていれば良く、形状は、実施例１に限定されない。導電性の磁性体は、渦電流損失が生じるので用いない。

実施例１のヨーク220は、磁性体であれば良く、電磁鋼板やアモルファス金属、ナノ結晶材の積層体、もしくは、バルクの鉄やステンレスなどでも良い。バルク材の方が、大きな渦電流損失が発生しモータの総損失に占める必要が大きくなるため、実施例１による損失の低減効果が大きくなる。

突起133により磁性体150を保持するのではなく、鍔部132に磁性体150を収容する溝を形成することで、溝の側面で磁性体150を保持するようにしてもよい。つまり、鍔部132に凸部もしくは凹部を設けて磁性体150を周方向、および径方向に保持するようにしてよい。

図５には、磁性体150をボビンの鍔部132に設けた突起133により固定するための実施例１の変形例の構造を示す。図５では、磁性体150に、２つの開孔151を設け、これに対応する突起133を、ボビンの鍔部132に設けている。これにより、両者を嵌合することで、磁性体150をボビンに固定している。

本構成は、磁性体150の形状を変更する際にも、ボビンの突起133の形状を変更する必要がないため、設計変更に対応しやすい。実施例１および実施例１の変形例では、ダブルロータ型のアキシャルギャップ型回転電機を記載したが、オープンスロット形状であればよく、１ロータ、１ステータ型や１ロータ、２ステータ型のアキシャルギャップ型回転電機であってもよい。

以下に、実施例２を説明する。なお、各実施例の説明では、実施例１と重複する記載は省略する。図６（ａ）、図６（ｂ）、図６（ｃ）に、実施例２におけるアキシャルギャップ型回転電機1000を示す。図６（ａ）は、コアメンバと磁性体150の斜視図、図６（ｂ）はボビン130と磁性体150の斜視図、図６（ｃ）は、図６（ｂ）のボビン130の内部を示す図である。実施例２では、磁性体150とボビン130を一体成型することで、磁性体150をボビン130の鍔部に埋め込んでいる。これにより、磁性体150を周方向、径方向および軸方向に固定している。

本構成により、磁性体150を、ボビン130に組み込む必要がなくなり作業性や組み立て性が向上する。また、磁性体150の保持力も高まるため、モールド時の位置づれを抑制でき、歩留まりの向上、モータ特性のばらつき抑制に寄与する。

以下に、実施例３を説明する。図７は、実施例３におけるアキシャルギャップ型回転電機1000のコアメンバと磁性体150の斜視図である。実施例３では、磁性体150をコア110の全周を覆う台形リング形状としている。コア110の側面を利用し、磁性体150を周方向、径方向に固定している。

本構成により、コア110の内径側、外形側の磁束を集めることができるため、有効磁束が増加し、高効率化する。特に、磁石の内外をコア110よりも小さく、磁石の外径をコア110よりも大きくオーバーハングした場合に、効果が大きい。

以下に、実施例４を説明する。図８（ａ）、図８（ｂ）は、実施例４におけるアキシャルギャップ型回転電機1000のコアメンバと磁性体の斜視図である。図８（ａ）では、コア110に隣接する磁性体150の側面に凹凸153を設け、コア110と磁性体150の間にモールド樹脂が充填するようにしている。図８（ｂ）では、コア110と磁性体150の間のボビンの鍔部132に、突起144を設け、コアと磁性体の間にモールド樹脂が充填するようにしている。

本構成により、コアの側面にモールド樹脂との接着面を確実に設けることができるため、コアとモールド樹脂の接着面積が拡大し、コアの保持力が向上する。同様に、磁性体とモールド樹脂との接着面も拡大するため磁性体の保持力も向上する。これにより、モータ駆動時にコアおよび磁性体が脱離することを防止できる。

以下に、実施例５を説明する。図９、図１１（ａ）は、実施例５におけるアキシャルギャップ型回転電機1000のコアメンバと磁性体の斜視図である。ここでは、ロータに対向する磁性体150の端面を、コア110の端面よりも下げ、段差152を設けることで、磁性体150のロータ側端面の上に図示しないモールド樹脂が充填するようにしている。図１０は、磁性体150と、筒部131と鍔部132を有するボビンの構成を説明する図である。ここでは、磁性体150と対向するボビンの鍔部132の表面に、溝145を設け、モールド樹脂が充填するようにしている。

図１１（ａ）は、磁性体150とボビンの斜視図である。図１１（ｂ）は、図１１（ａ）の磁性体150とボビンを切り出した構成の説明図である。ここでは、磁性体に２つの開孔151を設け、ここにモールド樹脂が充填するようになっている。これにより、磁性体150とモールド樹脂の接着面積を拡大し、磁性体150の保持強度を高め、モータ駆動時に磁性体が脱落することを防止できる。

以下に、実施例６を説明する。図１２、図１３に、実施例６のアキシャルギャップ型回転電機1000を示す。図１２は、コアメンバと磁性体の斜視図である。ここでは、ロータに対向する磁性体表面に凹凸153を設けている。図１３は、コアメンバと磁性体の斜視図である。ここでは、ロータに対向する磁性体表面に十字形状の溝154を設けている。

磁性体の端面とコアの端面が一致している場合、製造上の公差の観点から、ロータ側をプラスとした場合、磁性体の端面がコアの端面よりもマイナスとなるように設計する。このため、磁性体の表面には、薄いモールド樹脂層が形成されやすい。この樹脂層は、モータ駆動時に剥離する懸念がある。実施例６の構造では、磁性体表面に凹凸153や十字形状の溝154を設けることで、積極的に磁性体表面にモールド樹脂を充填し、同時に磁性体とモールド樹脂の接着面積を拡大することで、磁性体表面のモールド樹脂層が脱落することを防止できる。

以下に、実施例７を説明する。図１４（ａ）、図１４（ｂ）、図１４（ｃ）に、実施例７のアキシャルギャップ型回転電機1000のステータ構造を示す。図１４（ａ）は、ハウジングやモールド樹脂を省略したステータの斜視図である。図１４（ｂ）は、１つのコアメンバ（コア110、ボビン130、巻線120、磁性体150、冷却板170）を示し、ステータの１極分を切り出してきた斜視図である。図１４（ｃ）は、ボビン、磁性体150、導電体部の構成を説明する図である。以下、実施例1との構造的差分のみ説明する。

ロータに対向するボビンの鍔部132表面には、薄い導電体160が配置されている。また、コア110の外径側には、導電体160よりも厚い冷却板170が配置されている。図１４（ａ）に示すように、１２個の冷却板170を配置し、隣接する冷却板170同士は、リベット171により締結されている。導電体160、冷却板170は、図示しないハウジングと電気的に接続されており、ハウジングは接地されている。導電体160のロータ側には直方体状の磁性体150が、配置されている。

実施例７によれば、鍔部132に配置された導電体160と冷却板170は、巻線とロータが静電結合することを抑制する（静電遮蔽）。これにより、インバータの出力電圧のコモンモード成分がロータ側に結合し、軸受けに過大な電圧（軸電圧）を発生することを抑制できる。さらに、軸電圧に伴う軸受け電食を防止し、軸受けの長寿命化を図れる。

また、磁性体150は、前述のような有効磁束の増加や高調波成分の低減により、アキシャルギャップ型回転電機1000の損失を低減することができる。即ち、アキシャルギャップ型回転電機1000の高効率化、小型化に寄与するとともに、導電体160に鎖交する漏れ磁束を低減する。これにより、導電体160での渦電流損失の発生を抑制しさらなる高効率化が図れる。また、冷却板170は、巻線とハウジング間の平均的な熱抵抗を低減する役割を果たし、主要熱源である巻線からの放熱性を向上する。これにより、モータの小型化、高効率化に貢献する。

1000 アキシャルギャップ型回転電機、100 ステータ、110 コア、120 巻線、130 ボビン、150 磁性体、180 モールド樹脂、200 ロータ

Claims

回転軸に固定されたロータと、
前記回転軸の軸方向に沿って、前記ロータに対向して配置されたステータとを有し、
前記ステータは、前記回転軸の周方向に配置された複数のコアと、前記コアを覆うボビンと、前記ボビンの周囲に設けた巻線とを有し、
前記ボビンは、前記コアを保持する筒部と、前記筒部の端部に設けた鍔部とを有し、
前記鍔部の前記ロータに対向する面内に、絶縁性の磁性体を配置したことを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
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、
前記ステータは、前記コアと前記ボビンと前記巻線との組み合わせであるコアメンバを、前記回転軸を中心に環状に複数配列した構成であり、
前記磁性体は、周方向に複数配置され、隣り合う前記磁性体の間には、間隙を設けたことを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
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、
前記鍔部には、前記磁性体の周方向側面および径方向側面を保持する、凸部もしくは凹部の保持部を配置したことを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
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、
前記鍔部には、突起を設け、前記磁性体には、前記突起と嵌合する開孔を設けたことを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
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、
前記鍔部に前記磁性体が一体となった構成であることを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
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、
前記磁性体は、前記コアの外周形状と略一致した内周形状を有し、前記コアの側面で前記磁性体を保持したことを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
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、
前記磁性体の前記コアに対向する面に凹凸を設け、前記磁性体とコア間にモールド樹脂が充填されたことを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
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、
前記磁性体と前記コアの間に前記鍔部の突起を設け、前記磁性体とコア間にモールド樹脂が充填されたことを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
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、
前記コアの端面を前記磁性体の端面より、ロータ側に突出させ、前記磁性体がモールド樹脂で覆われたことを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
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、
前記磁性体と対向する前記鍔部の表面に溝が形成されており、前記溝にモールド樹脂が充填されたことを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
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、
前記磁性体に開孔部を設け、前記開孔部にモールド樹脂が充填されたことを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
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、
前記磁性体の前記ロータと対向する端面に凹凸を設けたことを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
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、
前記磁性体の前記ロータに対向する面に、十字形状の溝を設けたことを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
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、
前記鍔部に電気的に接地された導電体を配置し、前記磁性体は、前記導電体よりもロータ側に配置したことを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
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、
前記磁性体は、樹脂と鉄粉を混合した磁性楔、圧分磁心、積層した電磁鋼板、または、積層したアモルファス金属で構成したことを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。