JP2019129563A - アキシャルギャップ型トランスバースフラックス式回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】アキシャルギャップ型のトランスバースフラックス式回転電機を実現するための技術を提供すること。【解決手段】固定子は、回転軸を中心として同心円状に配置された径が異なる複数のコイル部と、最小径のコイル部の内側層、半径方向に隣り合うコイル部間のコイル間層、および最大径の前記コイル部の外側層、の各層において、トランスバースフラックス式回転電機としての磁気回路を形成可能な所定の配置間隔パターンで周方向に固定子鉄心突極部が離散的に配置された鉄心層と、を有する。回転子は、対向する複数のコイル部および鉄心層にわたる半径方向に所定の長さを有する永久磁石と回転子鉄心とを周方向に交互に配置して有する。【選択図】図１

Description

本発明は、回転軸の軸方向に固定子と回転子とを対向させて配置したアキシャルギャップ型トランスバースフラックス式回転電機に関する。

回転電機であるモータの分類の１つとして、トランスバースフラックスモータ（ＴＦＭ：Transverse Flux Motor）が知られる。トランスバースフラックスモータは、Wehにより１９８６年に提案された高トルク密度のモータである（例えば、非特許文献１を参照）。近年では、トルク密度が重視される分野において様々な研究開発が行われており、Wehが提案したモータを基に三巻線の三相モータを構成し、通常の三相インバータで駆動することができるラジアルギャップ型のトランスバースフラックスモータが提案されている（例えば、特許文献１を参照）。

H. Weh and H. May, "Achievable force densities for permanent magnet excited machines in new configuration," in International Conference on Electrical Machines - ICEM, Munchen, Sept. 1986, pp. 1107-1111.

特開２０１５−２２８７３０号公報

しかしながら、非特許文献１に記載されているように、元々、Wehによって提案されたトランスバースフラックスモータは、単相モータを円筒状の回転子の表裏に位相を９０°ずらして配置した直交二相のトランスバースフラックスモータであり、その後提案されている従来の三相トランスバースフラックスモータは、インナーロータのラジアルギャップ型ばかりであった。インナーロータのラジアルギャップ型のモータの場合、電磁気回路として利用されている部分は、主に、固定子の内周部と回転子の外周部であり、軸中心部は有効利用されていない構造となる。一方、回転軸の軸方向に固定子と回転子とを対向させて配置したアキシャルギャップ型であれば、軸中心部を有効利用することができるため、ラジアルギャップ型に比べて小型化に有利である。

ところが、アキシャルギャップ型のトランスバースフラックスモータの技術開発は注力されてこなかった。また、モータに関して説明したが、発電機においても同様である。
本発明は、アキシャルギャップ型のトランスバースフラックス式回転電機を実現するための技術を提供することを目的に考案されたものである。

上述した課題を解決するための第１の発明は、回転軸の軸方向に固定子と回転子とを対向させて配置したアキシャルギャップ型トランスバースフラックス式回転電機であって、前記固定子は、前記回転軸を中心として同心円状に配置された径が異なる複数のコイル部と、最小径の前記コイル部の内側層、半径方向に隣り合う前記コイル部間のコイル間層、および最大径の前記コイル部の外側層、の各層において、トランスバースフラックス式回転電機としての磁気回路を形成可能な所定の配置間隔パターンで周方向に固定子鉄心突極部が離散的に配置された鉄心層と、を有し、前記回転子は、対向する前記複数のコイル部および前記鉄心層にわたる半径方向に所定の長さを有する永久磁石と回転子鉄心とを周方向に交互に配置して有する、アキシャルギャップ型トランスバースフラックス式回転電機である。

第１の発明によれば、従来に無いアキシャルギャップ型のトランスバースフラックス式回転電機を実現することができる。

本発明に係るアキシャルギャップ型トランスバースフラックス式回転電機によれば様々な作用効果が期待できる。例えば、回転電機をモータとして説明すると、モータの小型大トルク化のためには、一般的に極数を増やすのが良いとされるが、従来の非トランスバースフラックスモータの構造では、極数を増やすと巻線数が多くなるため、極数を増やす方策には限界がある。しかし、トランスバースフラックス式とすることで、巻線の数が極数と無関係となり、多極化による大出力化が容易となる。コイルの巻線数を増やす必要がないことは、永久磁石同期機として使用した場合の主要な損失である銅損を従来よりも低減できることにも繋がる。

また、アキシャルギャップ型とすることで回転電機の軸中心部まで電磁気回路として有効利用できるため、ラジアルギャップ型に比べて小型化を実現できる。また、そもそもトランスバースフラックス式回転電機は、コイルエンドが無いため、この点も小型化に有利である。

第２の発明として、前記固定子鉄心突極部は、形成される前記磁気回路における前記各層の磁気抵抗が、所定の同程度条件を満たす大きさで構成されている、第１の発明のアキシャルギャップ型トランスバースフラックス式回転電機を構成することとしてもよい。

第２の発明によれば、磁気回路における各層の磁気抵抗を揃えることで、相不均衡を抑制することができる。よって、例えばモータとして使用した場合に生じるであろうトルクリップルを抑制することができる。

第３の発明は、前記配置間隔パターンが、周方向に隣り合う前記固定子鉄心突極部の配置間隔として、前記磁気回路を形成するための所定の標準電気角に対するオフセット角の有無乃至大きさを周期的に変化させたパターンである、第１又は第２の発明のアキシャルギャップ型トランスバースフラックス式回転電機である。

第３の発明によれば、例えばモータとして使用した場合に生じ得るトルクリップルを抑制することができる。

第４の発明として、前記永久磁石は、磁化方向が周方向であり、且つ、周方向に隣り合う前記永久磁石の磁化方向が正逆交互になるように配置された、第１〜第３の何れかの発明のアキシャルギャップ型トランスバースフラックス式回転電機を構成することとしてもよい。

第４の発明によれば、回転子の永久磁石に生じる渦電流損失を低減することができる。

第５の発明は、前記固定子を前記回転軸の軸方向に挟むように配置された２つの前記回転子であって、前記固定子を対称面と見立てた場合に前記永久磁石および前記回転子鉄心の配置位置が面対称となるように構成された２つの前記回転子、を備えた第１〜第４の何れかの発明のアキシャルギャップ型トランスバースフラックス式回転電機である。

第５の発明によれば、１つの固定子の表裏両面に対向させて２つの回転子を設けることができる。例えば、回転電機をモータとする場合には、サイズの増加を抑えつつ、出力トルクの向上を図ることができる。

第６の発明として、前記永久磁石は、磁化方向が周方向であり、且つ、周方向に隣り合う前記永久磁石の磁化方向が正逆交互になるように配置されており、前記２つの回転子において、前記面対称となる位置にある前記永久磁石の磁化方向が反対になるように配置された、第５の発明のアキシャルギャップ型トランスバースフラックス式回転電機を構成することとしてもよい。

第６の発明によれば、固定子の小型化が可能となる。従来のラジアルギャップ型のトランスバースフラックス式回転電機の構成では、固定子に対向する回転子は１つであり、磁束は固定子内を折り返して回転子へ至る格好となる。そのために、固定子には磁束が折り返すための磁路相当部分が必要となる。しかし、本発明のアキシャルギャップ型トランスバースフラックス式回転電機では、２つの回転子が固定子を面対称の位置関係で挟んでいて、且つ、固定子を対称面と見立てた場合に永久磁石および回転子鉄心の配置位置が面対称となるように構成され、更に面対称となる位置にある永久磁石の磁化方向が反対になるように配置されている。このため、固定子には、ラジアルギャップ型の構成のときに必要とされた磁路相当部分を設ける必要がない。よって、その分、小型化を推し進めことができる。

第７の発明は、１つの前記固定子と当該固定子を挟むように配置された前記２つの回転子とを１組として、前記回転軸の軸方向に複数組配置した、第５又は第６の発明のアキシャルギャップ型トランスバースフラックス式回転電機である。

第７の発明によれば、小型化と高出力化との両立を図ることができる。

第８の発明として、各組の前記回転子は、軸方向において前記永久磁石および前記回転子鉄心の配置位置が揃えて構成され、各組の前記固定子は、軸方向において前記固定子鉄心突極部の配置位置が周方向に所定の電気角分ずらして構成されている、第７の発明のアキシャルギャップ型トランスバースフラックス式回転電機を構成することとしてもよい。

第８の発明によれば、回転電機の相不均衡を低減し、回転電機の動作を滑らかにすることができる。

第９の発明として、１つの前記固定子と当該固定子を挟むように配置された前記２つの回転子とを１組として、前記回転軸の軸方向に複数組配置し、各組の前記回転子は、軸方向において前記永久磁石および前記回転子鉄心の配置位置が揃えて構成され、且つ、軸方向に隣り合う組の前記永久磁石の磁化方向が反対になるように構成され、各組の前記固定子は、軸方向において前記固定子鉄心突極部の配置位置が周方向に所定の電気角分ずらして構成されている、第６の発明のアキシャルギャップ型トランスバースフラックス式回転電機を構成することとしてもよい。

第９の発明によれば、１つの固定子と当該固定子を挟む２つの回転子とを１組として、回転軸の軸方向に積層配置するレイアウトを採用するにあたり、隣接する各組の回転子磁石同士が発生する磁場を打ち消し合うことを回避することができ、小型大出力化に寄与できる。

第１０の発明として、前記固定子は、小径および大径の２つの前記コイル部を有し、前記鉄心層である前記内側層と前記コイル間層の間および前記コイル間層と前記外側層の間にそれぞれ電気角で１２０°の位相差が生じるように前記固定子鉄心突極部を配置することで、前記鉄心層である前記内側層、前記コイル間層および前記外側層に三相の磁束ベクトルを生じさせるように構成され、前記２つのコイル部をＶ結線することで、前記鉄心層である前記内側層、前記コイル間層および前記外側層に三相の磁束ベクトルが生じた場合に三相の起電力を発生させるように構成された、第１〜第９の何れかの発明のアキシャルギャップ型トランスバースフラックス式回転電機を構成することとしてもよい。

第１０の発明によれば、大小２つのコイル部で三相巻線を構成し、回転電機として機能させることができる。よって、三相巻線を３つのコイル部で実現する構成よりも、構造を簡単化し、且つ、小型化を進めることができる。

第１１の発明として、前記固定子は、小径および大径の２つの前記コイル部を有し、前記鉄心層である前記内側層と前記コイル間層の間および前記コイル間層と前記外側層の間にそれぞれ電気角で１２０°の位相差が生じるように前記固定子鉄心突極部を配置することで、前記鉄心層である前記内側層、前記コイル間層および前記外側層に三相の磁束ベクトルを生じさせるように構成され、前記複数組は、軸方向に第１組〜第３組までの３組であり、前記第１組と第２組の固定子間および前記第２組と前記第３組の固定子間にそれぞれ電気角で３００°の位相差が生じるように前記複数組の固定子が配置され、前記３組の前記コイル部は、小径のコイル部の他端同士が接続されて中性点が構成され、第１組の小径のコイル部の一端と第３組の大径のコイル部の他端とが接続され、第２組の小径のコイル部の一端と第１組の大径のコイル部の他端とが接続され、第３組の小径のコイル部の一端と第２組の大径のコイル部の他端とが接続され、大径のコイル部の一端それぞれが、回転電機の３相の端子に接続された、第９の発明のアキシャルギャップ型トランスバースフラックス式回転電機を構成することとしてもよい。

第１１の発明によれば、Ｙ結線による三相トランスバースフラックス式回転電機を実現することができる。

第１実施形態のアキシャルギャップ型トランスバースフラックス式回転電機における固定子及び回転子周りの構成例を説明するための斜視図。 第１組の構成例を示す（１）斜視外観図、（２）分解図。 回転子の永久磁石の磁化方向を説明するための図。 第１実施形態における、内側層固定子鉄心突極部と、コイル間層固定子鉄心突極部と、外側層固定子鉄心突極部とが構成する配置間隔パターンを説明するための図。 第１実施形態におけるコイル部（巻線部）の結線関係を説明するための図。 第１組，第２組、第３組それぞれで生じる（１）磁束ベクトルと、（２）電圧ベクトルを示す図。 第２実施形態における固定子の構成例を示す、回転軸方向から見た正面図。 第２実施形態における固定子鉄心突極部の配置間隔パターンを説明するための図。 第２実施形態における固定子の斜視部分拡大図であって、（１）各鉄心層の回転子鉄心突極部のギャップ面の面積が同じになるように設定した比較用の例、（２）コイルを径方向にオフセットし、固定子鉄心突極部を周方向にオフセットした構成例、を示す図。 第２実施形態における磁界解析の結果を示すグラフであって、固定子の構成違いによるトルクの計算結果を示すグラフ。 第２実施形態における磁界解析の結果を示すグラフであって、固定子鉄心突極部の周方向オフセット量を変更した場合のトルクの計算結果を示すグラフ。 回転子の構成の変形例を示す図。 固定子の構成の変形例を示す図。 固定子鉄心突極部の配置間隔パターンの例を示す図。 スキューを適用する場合の説明図。

以下、本発明を適用した実施形態の例を説明するが、本発明を適用可能な形態が以下の実施形態に限られないことは勿論である。

〔第１実施形態〕
図１は、本発明が適用された第１実施形態のアキシャルギャップ型トランスバースフラックス式回転電機（以下、略して「ＡＴＦ回転電機」と言う。）における固定子及び回転子周りの構成例を説明するための斜視図である。なお、構成の理解を容易にするために、回転軸本体や、電気配線、支持構造体との連結構造部の図示は省略している。また、ＡＴＦ回転電機は、モータ（電動機）および発電機の両方の用途に使用可能であるが、理解を容易にするために、作用効果を説明する場合にはモータとしての作用効果を中心に説明する。

本実施形態のＡＴＦ回転電機１０は、回転軸１９の軸方向に、第１組１１と、第２組１２と、第３組１３とを配列した構造を有する。第１組１１、第２組１２、第３組１３は、基本的には同じ構成を有しており、それぞれが単体のアキシャルギャップ型トランスバースフラックスモータ又は同発電機として機能し得る。そして、これらの３つの組が図示されない回転軸１９並びに図示されない支持構造体とで連結されてＡＴＦ回転電機１０は、一体のモータ又は発電機として機能するようにデザインされている。

図２は、第１組１１の構成例を示す（１）斜視外観図、（２）分解図である。なお、構成の理解を容易にするために、回転軸や、電気配線、支持構造体との連結構造部の図示は省略している。

第１組１１は、２つの回転子２０で１つの固定子３０を回転軸方向（図２の左右方向）に挟んで構成される。

１つの回転子２０は、全体として、回転軸方向の厚さが薄く回転軸を中心としたドーナツ形の薄円環形状を有しており、回転軸方向から見て扇型の永久磁石２２及び回転子鉄心２４が、円周方向に交互に配置されている。本実施形態では、永久磁石２２（図中の網掛け部）が３６個用意されている。

永久磁石２２は、ネオジム磁石、サマリウムコバルト磁石、アルニコ磁石、などタイプは適宜選択可能である。
回転子鉄心２４は、絶縁被膜された鉄粉等の磁性材粒子を圧縮成形、或いは、磁性材粒子と絶縁材粒子とを混合して圧縮成形するなどして作られる圧粉磁心とする。すなわち、トランスバースフラックス式では磁束の流れが３次元的になり、且つ流れの方向が時々刻々と変化するため、回転子鉄心を通常のモータ等で使用される電磁鋼板の積層ではなく圧粉磁心とすることで、渦電流損失を低減することができる。

永久磁石２２と回転子鉄心２４は、想定される運転状況において十分な強度を確保するように結合されている。結合方式は適宜選択可能である。例えば、接着や凹凸嵌合による機械的結合でも良い。また、回転子２０の表裏面の少なくとも何れかに同様の薄ドーナツ形の支持板部材（例えば、ＦＲＰやステンレス板、セラミックなどを使用。）を別途用意して、当該支持部材に対して接着や機械的な結合をするとしてもよい。

図３は、回転子２０の永久磁石２２の磁化方向を説明するための図である。なお、便宜上、永久磁石２２及び回転子鉄心２４の数を限定して描いている。

本実施形態の回転子２０では、永久磁石２２の端部に描かれた短い矢印が示すように磁化されている。すなわち、周方向に隣り合う永久磁石２２が、周方向に沿って交互に正方向／逆方向を向くように磁化されている。

そして、図２に示すように、２つある回転子２０は、固定子３０を対称面と見立てた場合に永久磁石２２及び回転子鉄心２４の配置位置が面対称となるように構成されている。２つの回転子２０は、固定子３０を対称面と見立てた場合に永久磁石２２及び回転子鉄心２４の配置位置が面対称となり、且つ、面対称となる位置にある永久磁石２２の磁化方向が反対になるように構成されている。（図２では、一部の永久磁石２２にて吹き出しでその磁化方向の関係を示している。）

従来のラジアルギャップ型の三相トランスバースフラックス式回転電機の一般的な構成では、固定子３０に対向する回転子２０は１つであり、磁束は固定子３０内を折り返して回転子２０へ至る格好となる。そのために、固定子３０には磁束が折り返すための磁路相当部分が必要となる。しかし、本実施形態では、２つ回転子２０が、磁化方向が反対となる永久磁石２２で固定子３０を面対称の関係で挟んでいるので、固定子３０に当該磁路相当部分を設けなくて済む。その分、小型化を推し進めことができる。

なお、本実施形態では、図１に示すように、１つの固定子３０と当該固定子３０を挟むように配置された２つの回転子２０とを１組とする第１組１１・第２組１２・第３組１３の合計３組が回転軸方向に積層配置されている。これら各組の回転子２０は、軸方向において永久磁石２２及び回転子鉄心２４の配置位置が揃えて構成され、且つ、軸方向に隣り合う組の永久磁石２２の磁化方向が丁度反対になるように構成されている（図１では、網掛け表示された永久磁石２２の一部にて、短い矢印で磁化方向の例を図示している。）。これにより、隣接する組の回転子２０の磁石同士がお互いの磁場を打ち消し合うことを回避している。

次に、固定子３０について説明する。
図２に示すように、固定子３０は、全体としては回転子２０と同様の形状、すなわち回転軸方向に薄いドーナツ型を有している。具体的には、第１コイル部３１と、第２コイル部３２と、内側鉄心層３３と、コイル間鉄心層３４と、外側鉄心層３５と、を有する。そして、内側層固定子鉄心突極部３３ｔと、コイル間層固定子鉄心突極部３４ｔと、外側層固定子鉄心突極部３５ｔとについては、トランスバースフラックス式回転電機としての磁気回路を形成可能な所定の配置間隔パターンを構成している。本実施形態における固定子鉄心突極部３３ｔ，３４ｔ、３５ｔは、それぞれが独立した鉄心であるため、それぞれを固定子鉄心と呼ぶこともできるが、一体化した上で、回転子２０との対向面に向けて突極した形態に構成することも可能である。

第１コイル部３１は、回転軸１９を中心とする本実施形態における最小径のコイルの巻線部である。巻回数は適宜設定可能である。
第２コイル部３２は、第１コイル部３１と同心円で第１コイル部３１の外側に配置された本実施形態における最大径のコイル巻線部である。巻回数は適宜設定可能である。

第１コイル部３１及び第２コイル部３２については、発熱密度を同程度にする観点から、コイルの素線断面寸法を同一とし、三相平衡な回路を構成する観点から巻回数は同一とする。そして、コイルの径方向の幅や軸方向の幅は同一とされている。

内側鉄心層３３は、第１コイル部３１の内側層（すなわち第１コイル部３１の内周面）に沿って離散的に配置された１８個の内側層固定子鉄心突極部３３ｔを有する。
コイル間鉄心層３４は、第１コイル部と第２コイル部３２との間に円周方向に沿って離散的に配置された１８個のコイル間層固定子鉄心突極部３４ｔを有する。
外側鉄心層３５は、第２コイル部３２の外側層（すなわり第２コイル部３２の外周面）に沿って離散的に配置された１８個の外側層固定子鉄心突極部３５ｔを有する。

トランスバースフラックス式では磁束の流れが３次元的になり、且つ流れの方向が時々刻々と変化するため、本実施形態の固定鉄心の突極部は、渦電流損失を低減の観点から固定子鉄心２４と同様に圧粉磁心で構成される。但し、図１のような構成した場合には、固定子鉄心内の磁場の流れは基本的に軸方向となるため、例えば径方向に積層した電磁鋼板を鉄心とすることもできる。その場合、磁場の流れが一方向であるため、回転電機で通常用いられる無方向性電磁鋼板では無く、方向性電磁鋼板を用いることで性能の向上を図ることができる。また、製造を容易にするために同一形状に打ち抜いた電磁鋼板を積層して、ギャップ面における形状が長方形となる鉄心を形成してもよい。

また、内側層固定子鉄心突極部３３ｔ、コイル層固定子鉄心突極部３４ｔ及び外側層固定子鉄心突極部３５ｔは、それぞれが磁気回路の一部を形成するため、各層における固定子鉄心（鉄心突極部）の磁気抵抗が、所定の同程度条件を満たす大きさとなるように構成されている。具体的には、軸方向に垂直な断面の面積が等しく又は略等しくなるように設定されている。これにより、各層における固定子鉄心（鉄心突極部）の磁気抵抗が均等化され、相不平衡を抑制する効果が期待できる。

具体的には、内側層固定子鉄心突極部３３ｔ、コイル間層固定子鉄心突極部３４ｔ、及び外側層固定子鉄心突極部３５ｔの形状（回転軸方向から見た形状）は、外周側及び内周側が環状の部分弧を描く扇形状となる。その中心角は各層間で同一とする必要があるため、外半径の自乗と内半径の自乗の差が一定値となるように、各半径を決定することで面積が等しくなるようにしている。

固定子３０におけるコイル部及び固定子鉄心の機械的結合方法は適宜選択可能である。例えば、直接的な接着、樹脂モールド成形、などが考えられる。また、固定子３０の表裏面又は内部に同様の薄板状のドーナツ形の支持構造体（例えば、ＦＲＰ、セラミック板、スレンレス板、などを使用。）を追加した構成とし、当該支持構造体に設けた凹部又は貫通孔に固定子鉄心やコイル部を嵌め込んで組み立てるとしてもよい。例えば、薄板状のドーナツ形の支持構造体２枚を固定子３０の表裏として用い、当該支持構造体に設けた凹部に固定子鉄心やコイル部を嵌め込む構成や、薄板状のドーナツ形の支持構造体１枚を真ん中にして、当該支持構造体に設けた固定子鉄心配置用の貫通孔に固定子鉄心を配置するとともにコイル部の巻線を当該支持構造体の表裏それぞれに配置する構成、等が考えられる。

図４は、本実施形態における、内側層固定子鉄心突極部３３ｔと、コイル間層固定子鉄心突極部３４ｔと、外側層固定子鉄心突極部３５ｔとが構成する配置間隔パターンを説明するための図である。

内側層固定子鉄心突極部３３ｔ、コイル間層固定子鉄心突極部３４ｔ、及び外側層固定子鉄心突極部３５ｔそれぞれに記されたＵ／Ｖ／Ｗの記号は、回転子２０が回転したと仮定した場合に、永久磁石２２が図の左から右に相対的に流れることで、各固定子鉄心に流れる磁束の位相を表している（Ｕ−Ｖ，Ｖ−Ｗ、Ｗ−Ｕ間でそれぞれ１２０°の位相差）。

さて、内側層固定子鉄心突極部３３ｔは、内側層の周方向に隣接する固定子鉄心突極部間が電気角３６０°を成すように離散的に配置されている。同様にして、コイル間層固定子鉄心突極部３４ｔも、コイル間層の周方向に隣接する固定子鉄心突極部間で電気角３６０°を成すように、外側層固定子鉄心突極部３５ｔは外側層の周方向に隣接する固定子鉄心突極部間で電気角３６０°を成すように、配置されている（図４参照）。

そして、径方向に隣接する、内側層固定子鉄心突極部３３ｔと、コイル間層固定子鉄心突極部３４ｔと、外側層固定子鉄心突極部３５ｔとに着目すると、これら３つの固定子鉄心突極部は同じ電気角３６０°内に納まるように配置されている。具体的には、内側層固定子鉄心突極部３３ｔと、コイル間層固定子鉄心突極部３４ｔと、外側層固定子鉄心突極部３５ｔとは、それぞれが周方向に電気角１２０°の長さを有して周方向に順番に１２０°ずつずらすように配置して構成されている。

また、図１に示すように、第１組１１，第２組１２、第３組１３それぞれの回転軸１９の周方向のオフセットに着目すると、第１組１１の外側層固定子鉄心突極部３５ｔと、第２組１２の外側層固定子鉄心突極部３５ｔとは、相対的に電気角３００°（＝１２０°＋１８０°）を成すように構成されている。同様に、第２組１２の外側層固定子鉄心突極部３５ｔと、第３組１３の外側層固定子鉄心突極部３５ｔとが相対的に電気角３００°を成すように構成されている。これにより、ＡＴＦ回転電機１０をモータとして使用した場合に、外部出力されるトルク脈動を低減している。

図５は、本実施形態におけるコイル部（巻線部）の結線関係を説明するための図である。図中のＵ相・Ｖ相・Ｗ相の表記は、本実施形態のＡＴＦ回転電機１０を３相モータとして使用する場合に印加する電流の各相を表している。また、図中の短い矢印は各相においてプラスの電流が流れた場合の電流の向きを表している。

本実施形態のＡＴＦ回転電機１０には、外部からＵ相・Ｖ相・Ｗ相の３本の入力線が引き込まれて、Ｙ結線されている。

Ｕ相に流れるプラスの電流は、第１組１１の第２コイル部３２に入って、第１組１１側の回転軸側（図５の左手）から見て反時計回りに巡り、第２組１２の第１コイル部３１に入る向きとなる。そして、第２組１２の第１コイル部３１を、第１組１１側の回転軸側から見て反時計回りに巡って、中性点へ抜ける。

Ｖ相に流れるプラスの電流は、第２組１２の第２コイル部３２に入って、第１組１１側の回転軸側から見て反時計回りに巡り、第３組１３の第１コイル部３１に入る向きとなる。そして、第３組１３の第１コイル部３１を、第１組１１側の回転軸側から見て反時計回りに巡って、中性点へ抜ける。

Ｗ相に流れるプラスの電流は、第３組１３の第２コイル部３２に入って、第１組１１側の回転軸側から見て反時計回りに巡り、第１組１１の第１コイル部３１に入る向きとなる。そして、第１組１１の第１コイル部３１を、第１組１１側の回転軸側から見て反時計回りに巡って、中性点へ抜ける。

図６は、図５に示した結線関係において、第１組１１，第２組１２、第３組１３それぞれに生じる（１）磁束ベクトルと、（２）電圧ベクトルを示す図である。すなわち、第１組１１，第２組１２、第３組１３それぞれの組における結線関係に着目すると、その内側鉄心層３３、コイル間鉄心層３４及び外側鉄心層３５に三相の磁束ベクトルが生じることで巻線端子に三相電圧を生じさせている。

以上、本実施形態によれば、従来に無い、アキシャルギャップ型の三相ＡＴＦ回転電機を実現する技術を提案できる。

本実施形態に係るＡＴＦ回転電機１０によれば様々な作用効果が期待できる。例えば、回転電機をモータとして説明すると、モータの小型大トルク化のためには、一般的に極数を増やすのが良いとされるが、従来の非トランスバースフラックスモータの構造では、極数を増やすと巻線数が多くなるため、極数を増やす方策は小型化に反する。しかし、トランスバースフラックス式とすることで、巻線の数が極数と無関係となり、多極化による大トルク化が容易となる。コイルの巻線数を増やす必要がないことは、永久磁石同期機として使用した場合の主要な損失である銅損を従来よりも低減できることにも繋がる。

また、アキシャルギャップ型とすることで回転電機の軸中心部まで電磁気回路として有効利用できるため、ラジアルギャップ型に比べて小型化を実現できる。また、そもそもトランスバースフラックス式は、コイルエンドが無いため、この点も小型化に有利であり、アキシャルギャップ型の構造と相性がよい。

〔第２実施形態〕
次に、本発明を適用した第２実施形態について説明する。
本実施形態は、基本的には第１実施形態と同様に構成されるが、１）固定子鉄心の構成が異なる点と、２）固定子３０における固定子鉄心とコイルの機械的結合方法が異なる点と、３）コイル間鉄心層３４の回転子鉄心が内側鉄心層３３や外側鉄心層３５の回転子鉄心よりも、ギャップ面の面積が小さくなっている点と、が異なる。なお、以降では、第１実施形態との差異について主に述べることとし、第１実施形態と同様の構成要素については、第１実施形態と同じ符号を付与して重複する説明を省略する。

先ず、固定子鉄心の構成が異なる点について述べる。
図７は、本実施形態における固定子３０Ｂの構成例を示す、回転軸方向から見た正面図である。なお、固定子鉄心の識別を容易にするために、ハッチングを施している。

固定子３０Ｂが有する内側鉄心層３３、コイル間鉄心層３４、外側鉄心層３５の各層の固定子鉄心突極部は、それぞれ周方向に並ぶ３歯を１つの鉄心組３６として、１つの鉄心組３６で、第１実施形態とは異なる配置間隔パターンである「オフセット配置間隔パターン」を構成している。

図８は、本実施形態における固定子鉄心突極部の配置間隔パターンを説明するための図である。鉄心組３６を構成する３つの固定子鉄心突極部に着目すると、中央の固定子鉄心突極部は、第１実施形態と同様にして、機械角３６０°を当該鉄心層の全固定子鉄心突極部の数（極対数）で均等割りして決定された配置間隔で配置されている。換言すると、中央の固定子鉄心突極部に設定された、ＡＴＦ回転電機としての磁気回路を形成するための所定の標準電気角で表される位置にそのまま配置されている。

対して、鉄心組３６を構成する３つの固定子鉄心突極部のうちの左右端の固定子鉄心突極部は、均等割りして決定された配置間隔の位置（図８中では破線表示された位置）から、それぞれ中央の固定子鉄心突極部へ向けて電気角２０°だけ近づくように設定されている。換言すると、ＡＴＦ回転電機としての磁気回路を形成するための所定の標準電気角に対してオフセット角を付与した位置に配置されている。

具体的には、図８の例において、内側鉄心層３３に着目すると、図に向かって左端の内側層固定子鉄心突極部３３ｔｌ、中央の内側層固定子鉄心突極部３３ｔｍ、右端の内側層固定子鉄心突極部３３ｔｒとで、１つの鉄心組３６を構成している。中央の内側層固定子鉄心突極部３３ｔｍは、機械角３６０°を１８極対で等分した位置に配置されている。換言すると、１つの鉄心組３６の中央の内側層固定子鉄心突極部３３ｔから、隣りの鉄心組３６の中央の内側層固定子鉄心突極部３３ｔまで、電気角１０８０°（＝３６０°×３）を有するように設定されている。

しかし、左端の内側層固定子鉄心突極部３３ｔｌは、機械角３６０°を１８極対で等分した位置から、電気角で２０°だけ中央の内側層固定子鉄心突極部３３ｔｍへ近づくようにオフセットされた位置へ配置されている。逆に、右端の内側層固定子鉄心突極部３３ｔｒは、電気角で２０°だけ中央の内側層固定子鉄心突極部３３ｔｍへ近づくようにオフセットされた位置へ配置されている。

この関係は、コイル間鉄心層３４、外側鉄心層３５についても同様である。但し、本実施形態における固定子鉄心突極部の径方向の配置関係は、第１実施形態のそれ（図４参照）と同様である。

次に、固定子３０における固定子鉄心突極部とコイルの機械的結合方法が異なる点と、コイル間鉄心層３４の固定子鉄心突極部が、内側鉄心層３３や外側鉄心層３５の回転子鉄心よりも、ギャップ面の面積が小さくなっている点について述べる。

図９は、本実施形態における固定子３０Ｂの斜視図であり、部分拡大図である。図９（１）が各鉄心層の回転子鉄心突極部のギャップ面の面積が同じになるように設定した比較用の構成例を示し、図９（２）がコイルを径方向にオフセットし、固定子鉄心突極部を周方向にオフセットした構成例を示している。なお、相対位置関係の理解を容易にするために、固定子の背後に回転子２０の一部を描いている。

図９（１）及び（２）に示す様に、先ず、本実施形態の固定子３０Ｂでは、第１コイル部３１と、第２コイル部３２と、内側鉄心層３３と、コイル間鉄心層３４と、外側鉄心層３５とは、機械的強度に優れた非電導性の支持部３９を介して機械的に結合されている。

支持部３９は、例えば、樹脂モールド、ＦＲＰ、セラミックによって作成される。第１コイル部３１と第２コイル部３２は、それぞれ第１環状溝部３７１、第２環状溝部３７２に巻き付けられて固定される。内側鉄心層３３・コイル間鉄心層３４・外側鉄心層３５の各層の固定子鉄心突極部（３３ｔ、３４ｔ、３５ｔ）は、支持部３９を表裏（軸方向）に貫通する貫通孔に嵌着及び／又は接着される。

図９（１）の構成は、支持部３９の有無こそ違えど、基本的には第１実施形態の固定子３０と同様となる（元構成）。
対して、本実施形態の固定子３０Ｂは、図９（２）の構成を有する。つまり元構成よりも第１コイル部３１が径方向外側に第２コイル部３２が径方向内側にオフセットしている。結果、内側鉄心層３３・コイル間鉄心層３４・外側鉄心層３５の各層の固定子鉄心突極部（３３ｔ、３４ｔ、３５ｔ）のギャップ面（軸方向から見た面）の面積を比較すると、コイル間鉄心層３４のコイル間層固定子鉄心突極部３４ｔの面積は、内側鉄心層３３の内側層固定子鉄心突極部３３ｔや外側鉄心層３５の外側層固定子鉄心突極部３５ｔのそれのほぼ１／２程度となるように設定されている。

図１０は、磁界解析の結果を示すグラフであって、固定子の構成違いによる本実施形態のＡＴＦ回転電機１０によるトルクの計算結果を示している。当該グラフが示すように本実施形態の固定子３０Ｂ（第１コイル部３１を径方向へオフセット＋固定子鉄心突極部の周方向オフセット：図１０の実線グラフ）を採用すると、第１実施形態の固定子３０相当の元構成（図１０の点線グラフ）よりもトルク変動を抑制できることがわかる。同様に、本実施形態の固定子３０Ｂを採用すると、コイルの径方向オフセットのみを採用した構成（図１０の破線グラフ）よりも、トルク変動を抑制できることがわかる。

図１１は、同じく磁界解析の結果を示すグラフであるが、固定子鉄心突極部の周方向オフセット量を変更した場合のトルクの計算結果を示している。当該グラフが示すように、隣接する固定子鉄心突極部の３歯を「プラス２０°・０°・マイナス２０°」オフセットすることで（太実線グラフ）、他の構成よりもトルク変動を低減できていることがわかる。

本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果が得られるとともに、更にＡＴＦ回転電機１０をモータとして使用した場合のトルク変動を抑制することができる。

〔変形例〕
以上、本発明を適用した実施形態について説明したが、本発明を適用可能な形態は上記形態に限定されるものではなく適宜構成要素の追加・省略・変更を施すことができる。

［その１］
例えば、回転子２０の構成は、図１２の何れかの構成を採用することもできる。
図１２は、回転子２０の構成の変形例を説明するための図であって、軸方向から見た回転子の側面を正面として周方向−軸方向の直交座標上に展開表示したものである。上記実施形態の図３に相当する。永久磁石２２の中に描いた短い矢印は磁化方向を示している。なお、便宜上、永久磁石２２、回転子鉄心２４などの数を限定して描いているが、本発明の実施形態がこれに限定されるものではない。また、図１２の各図において、回転子２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄ，２０Ｅは，上側を固定子３０に向けて配置される。

図１２（１）の回転子２０Ｂの構成では、第１実施形態の回転子２０の構成から永久磁石２２を省略して、回転子鉄心２４を磁路部２６で連結した構成とし、リラクタンスモータの回転子として構成している。回転子鉄心２４がティース（歯）部として機能し、回転子鉄心２４の間がスロットとして機能する。磁路部２６は、例えば、回転子２０と同形の薄板状のドーナツ型で回転子鉄心２４と一体に成形されているとしてもよい。

図１２（２）の回転子２０Ｃの構成は、第１実施形態の回転子２０の構成に、磁路部２６を追加した構成である。換言すると、永久磁石埋め込み型の構成を採用することもできる。ただし、磁化方向は第１実施形態の回転子２０とは異なる。

図１２（３）の回転子２０Ｄの構成では、磁路部２６を追加するとともに、永久磁石２２の外側にも第２鉄心部２７を追加する。更に、永久磁石２２と回転子鉄心２４との間にエアギャップを設けている。

図１２（４）の回転子２０Ｅの構成では、第１実施形態の回転子２０の構成から永久磁石２２の軸方向寸法を小さくし、空いた空間に回転子鉄心２４を広げている。このようにすることで回転子鉄心２４の表面がリラクタンスモータのティースおよび磁路部として機能する。

［その２］
また、上記実施形態では、固定子３０、３０Ｂを図１３（１）に示す「鉄心３相巻線２相」の構成としたが、図１３（２）〜図１３（４）に示す構成を採用することもできる。
すなわち、図１３（２）に示すように、固定子３０、３０Ｂを「鉄心３相巻線３相」とすることもできる。図１３（３）に示すように、固定子３０、３０Ｂを「鉄心６相巻線５相」とすることもできる。図１３（４）に示すように、固定子３０、３０Ｂを「鉄心６相巻線６相」とすることもできる。

図１３（２）の「鉄心３相巻線３相」とする構成では、三相不均衡を低減して、トルクリップルを更に抑制することが期待できる。当該構成を第１実施形態に採用した場合の固定子における固定子鉄心の配置間隔パターンは、例えば図１４のように設定することができる。

図１４は、図４と同様に描かれている。図１４に示すように、「鉄心３相巻線３相」の固定子は、第１コイル部３１と、第２コイル部３２と、第３コイル部３８との３の巻線部を備え、内側鉄心層３３と外側鉄心層３５との間に、第１コイル間層３４ａと第２コイル間層３４ｂとの２つの鉄心層が設けられることになる。但し、突極部３５ｔと突極部３３ｔのギャップ面の面積は突極部３４ｔの半分として３相平衡が実現されるようにする。

［その３］
また、上記実施形態では固定子鉄心の歯をオフセットさせてトルク脈動を低減しているが、オフセットを行う代わりに固定子鉄心にスキュー（Skew）を加えて、トルク脈動を低減することとしてもよい。図１５は、上記実施形態に適用可能なスキューの考え方の例を示す図である。図１５は、図４と同じ表記方法により描かれている。すなわち、回転子２０が回転したと仮定した場合に、永久磁石２２が図の左から右に相対的に流れることで、各固定子鉄心に流れる磁束の位相を表している（Ｕ−Ｖ，Ｖ−Ｗ、Ｗ−Ｕ間でそれぞれ１２０°の位相差）。

図１５（１）で示す例では、各固定子鉄心の周方向両端部それぞれに、外向きの電気角１２０°のスキューを設けている。そして、回転軸径方向位置における、外側層固定子鉄心３５ｔの厚さＡｎと、コイル間層固定子鉄心３４ｔの厚さＢｎと、内側層固定子鉄心３３ｔの厚さＣｎと、の合計（ｎ＝１，２，…：周方向の任意位置）が常に一定となるように構成している。例えば、図１５（１）において、厚さＡ１＋Ｂ１＋Ｃ１＝厚さＡ２＋Ｂ２（＝０）＋Ｃ２となる。当該構成では、トルク脈動を６．４％程度に抑制することができる。

図１５（２）で示す例では、各固定子鉄心の周方向両端部それぞれに、外向きの電気角６０°のスキューを設ける。そして、周方向両端部のスキュー間の相対電気角度１８０°の位置における外側層固定子鉄心３５ｔの厚さとコイル間層固定子鉄心３４ｔの厚さの和Ａと、コイル間層固定子鉄心３４ｔの厚さと内側層固定子鉄心３３ｔの厚さの和Ｂと、の合計が常に一定となるように構成している。当該構成では、トルク脈動を３．４％程度に抑制することができる。

図１５（３）で示す例では、各固定子鉄心の周方向両端部それぞれに、内向きの電気角６０°のスキューを設ける。そして、内側層固定子鉄心３３ｔの周方向両端部のすぐ外側にはコイル間層固定子鉄心３４ｔの何れかの周方向両端部が位置し、コイル間層固定子鉄心３４ｔの周方向両端部のすぐ外側には外側層固定子鉄心３５ｔの何れかの周方向両端部が位置するように構成されている。当該構成でもトルク脈動を効果的に抑制することができる。

１０…ＡＴＦ回転電機
１１…第１組
１２…第２組
１３…第３組
１９…回転軸
２０…回転子
２２…永久磁石
２４…回転子鉄心
３０…固定子
３１…第１コイル部
３２…第２コイル部
３３…内側鉄心層
３３ｔ…内側層固定子鉄心
３４…コイル間鉄心層
３４ｔ…コイル間層固定子鉄心
３５…外側鉄心層
３５ｔ…外側層固定子鉄心

Claims (11)

1. 回転軸の軸方向に固定子と回転子とを対向させて配置したアキシャルギャップ型トランスバースフラックス式回転電機であって、
   前記固定子は、
   前記回転軸を中心として同心円状に配置された径が異なる複数のコイル部と、
   最小径の前記コイル部の内側層、半径方向に隣り合う前記コイル部間のコイル間層、および最大径の前記コイル部の外側層、の各層において、トランスバースフラックス式回転電機としての磁気回路を形成可能な所定の配置間隔パターンで周方向に固定子鉄心突極部が離散的に配置された鉄心層と、
   を有し、
   前記回転子は、
   対向する前記複数のコイル部および前記鉄心層にわたる半径方向に所定の長さを有する永久磁石と回転子鉄心とを周方向に交互に配置して有する、
   アキシャルギャップ型トランスバースフラックス式回転電機。
2. 前記固定子鉄心突極部は、形成される前記磁気回路における前記各層の磁気抵抗が、所定の同程度条件を満たす大きさで構成されている、
   請求項１に記載のアキシャルギャップ型トランスバースフラックス式回転電機。
3. 前記配置間隔パターンは、周方向に隣り合う前記固定子鉄心突極部の配置間隔として、前記磁気回路を形成するための所定の標準電気角に対するオフセット角の有無乃至大きさを周期的に変化させたパターンである、
   請求項１又は２に記載のアキシャルギャップ型トランスバースフラックス式回転電機。
4. 前記永久磁石は、磁化方向が周方向であり、且つ、周方向に隣り合う前記永久磁石の磁化方向が正逆交互になるように配置された、
   請求項１〜３の何れか一項に記載のアキシャルギャップ型トランスバースフラックス式回転電機。
5. 前記固定子を前記回転軸の軸方向に挟むように配置された２つの前記回転子であって、前記固定子を対称面と見立てた場合に前記永久磁石および前記回転子鉄心の配置位置が面対称となるように構成された２つの前記回転子、
   を備えた請求項１〜４の何れか一項に記載のアキシャルギャップ型トランスバースフラックス式回転電機。
6. 前記永久磁石は、磁化方向が周方向であり、且つ、周方向に隣り合う前記永久磁石の磁化方向が正逆交互になるように配置されており、
   前記２つの回転子において、前記面対称となる位置にある前記永久磁石の磁化方向が反対になるように配置された、
   請求項５に記載のアキシャルギャップ型トランスバースフラックス式回転電機。
7. １つの前記固定子と当該固定子を挟むように配置された前記２つの回転子とを１組として、前記回転軸の軸方向に複数組配置した、
   請求項５又は６に記載のアキシャルギャップ型トランスバースフラックス式回転電機。
8. 各組の前記回転子は、軸方向において前記永久磁石および前記回転子鉄心の配置位置が揃えて構成され、
   各組の前記固定子は、軸方向において前記固定子鉄心突極部の配置位置が周方向に所定の電気角分ずらして構成されている、
   請求項７に記載のアキシャルギャップ型トランスバースフラックス式回転電機。
9. １つの前記固定子と当該固定子を挟むように配置された前記２つの回転子とを１組として、前記回転軸の軸方向に複数組配置し、
   各組の前記回転子は、軸方向において前記永久磁石および前記回転子鉄心の配置位置が揃えて構成され、且つ、軸方向に隣り合う組の前記永久磁石の磁化方向が反対になるように構成され、
   各組の前記固定子は、軸方向において前記固定子鉄心突極部の配置位置が周方向に所定の電気角分ずらして構成されている、
   請求項６に記載のアキシャルギャップ型トランスバースフラックス式回転電機。
10. 前記固定子は、小径および大径の２つの前記コイル部を有し、前記鉄心層である前記内側層と前記コイル間層の間および前記コイル間層と前記外側層の間にそれぞれ電気角で１２０°の位相差が生じるように前記固定子鉄心突極部を配置することで、前記鉄心層である前記内側層、前記コイル間層および前記外側層に三相の磁束ベクトルを生じさせるように構成され、
    前記２つのコイル部をＶ結線することで、前記鉄心層である前記内側層、前記コイル間層および前記外側層に三相の磁束ベクトルが生じた場合に巻線端子に三相電圧を発生させるように構成された、
    請求項１〜９の何れか一項に記載のアキシャルギャップ型トランスバースフラックス式回転電機。
11. 前記固定子は、小径および大径の２つの前記コイル部を有し、前記鉄心層である前記内側層と前記コイル間層の間および前記コイル間層と前記外側層の間にそれぞれ電気角で１２０°の位相差が生じるように前記固定子鉄心突極部を配置することで、前記鉄心層である前記内側層、前記コイル間層および前記外側層に三相の磁束ベクトルを生じさせるように構成され、
    前記複数組は、軸方向に第１組〜第３組までの３組であり、
    前記第１組と第２組の固定子間および前記第２組と前記第３組の固定子間にそれぞれ電気角で３００°の位相差が生じるように前記複数組の固定子が配置され、
    前記３組の前記コイル部は、
    小径のコイル部の他端同士が接続されて中性点が構成され、
    第１組の小径のコイル部の一端と第３組の大径のコイル部の他端とが接続され、
    第２組の小径のコイル部の一端と第１組の大径のコイル部の他端とが接続され、
    第３組の小径のコイル部の一端と第２組の大径のコイル部の他端とが接続され、
    大径のコイル部の一端それぞれが、回転電機の３相の端子に接続された、
    請求項９に記載のアキシャルギャップ型トランスバースフラックス式回転電機。

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