JP2019193322A - アキシャルギャップ型回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】ヨークやティースを分離する加工作業を不要とし、異なるタイプのアキシャルギャップ型回転電機間で鉄心を共用できることで、コストを削減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、巻線が巻かれた鉄心であるティースと、前記ティースと分離された鉄心であるヨークとを有する固定子と、前記固定子と回転軸方向にギャップを介して配置された回転子と、前記ティースと、前記巻線と、前記固定子の周囲に設けたハウジングとを、樹脂で固定した第１の固定部と、前記ヨークと前記ハウジングとを固定する第２の固定部とを有する。【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関し、特に、固定子に特徴を有するアキシャルギャップ型回転電機に関する。

回転軸方向に、所定のギャップを介して固定子と、回転子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。アキシャルギャップ型回転電機は、薄型（扁平）な構造において、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である。また、同回転電機には、固定子と回転子の組み合わせが複数存在するが、２枚の円盤状の回転子で固定子を軸方向から挟み込んだ構造では（以下、２ロータ−１ステータ型）、固定子鉄心を柱状の単純な構造とすることが可能である。

アキシャルギャップ型回転電機の従来技術として、特許文献１が知られている。特許文献１は、ヨークと巻線用磁芯（ティース）の分割構造が開示されている。分割により、磁気吸引力やトルク反力に対する保持が必要になるため分割面に、係合溝を設け、ヨークとティースを機械的に締結している。

特開２０１０−２９０１７号公報

特許文献１の技術では、ヨークに係合溝を設ける必要があるため、加工作業を必要とし、コストがかかる。ところで、２ロータ−１ステータ型アキシャルギャップ型回転電機と、１枚の回転子と固定子が対向して配置される１ロータ−１ステータ型アキシャルギャップ型回転電機の部品を共通化することができれば、コストは削減できる。例えば、高出力仕様には、２ロータ構造を、低出力仕様には、１ロータ構造を適用することが考えられる。さらに、回転電機では、永久磁石が占めるコスト比率が大きいため、１ロータ化によりコスト低減が可能になる。

しかし、２ロータ−１ステータ型アキシャルギャップ型回転電機では、柱状の鉄心の構成であり、１ロータ−１ステータ型アキシャルギャップ型回転電機では、ティースとヨークからなる鉄心の構成となっており、構成が相違していたことから、アキシャルギャップ型回転電機の異なるタイプ間で部品の共通化はされてはいなかった。

本発明の目的は、ヨークやティースを分離する加工作業を不要とし、異なるタイプのアキシャルギャップ型回転電機間で鉄心を共用できることで、コストを削減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、巻線が巻かれた鉄心であるティースと、前記ティースと分離された鉄心であるヨークとを有する固定子と、前記固定子と回転軸方向にギャップを介して配置された回転子と、前記ティースと、前記巻線と、前記固定子の周囲に設けたハウジングとを、樹脂で固定した第１の固定部と、前記ヨークと前記ハウジングとを固定する第２の固定部とを有するアキシャルギャップ型回転電機である。

本発明によれば、ヨークやティースを分離する加工作業を不要とし、異なるタイプのアキシャルギャップ型回転電機間で鉄心を共用できることで、コストを削減することができる。

実施例１の１ロータ−１ステータ型アキシャルギャップ型回転電機を示す内部構成図である。 実施例２の１ロータ−１ステータ型アキシャルギャップ型回転電機を示す内部構成図である。 実施例３の１ロータ−１ステータ型アキシャルギャップ型回転電機を示す内部構成図である。 実施例４の１ロータ−１ステータ型アキシャルギャップ型回転電機を示す内部構成図である。 実施例５の１ロータ−１ステータ型アキシャルギャップ型回転電機を示す内部構成図である。 実施例６の制御装置一体型１ロータ−１ステータ型アキシャルギャップ型回転電機を示す内部構成図である。 実施例７の機械装置一体型１ロータ−１ステータ型アキシャルギャップ型回転電機を示す内部構成図である。 比較例の２ロータ−１ステータ型アキシャルギャップ型回転電機を示す内部構成図である。 比較例の１ロータ−１ステータ型アキシャルギャップ型回転電機を示す内部構成図である。 １ロータ-２ステータの型アキシャルギャップ型回転電機に適用した場合の内部構成図である。

以下、本発明の実施例を、図面を用いて説明する。

図１（ａ）および図１（ｂ）は、実施例１である１ロータ−１ステータ型のアキシャルギャップ型回転電機2000の内部構成図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）の部品を軸方向にずらした分解図である。

実施例１の１ロータ−１ステータ型アキシャルギャップ型回転電機2000では、図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、概略円筒形状の内径を有するハウジング300の内周に、環状のドーナツ形状を有する固定子100が固定される。回転子200は、永久磁石210と、ヨーク220とからなる円盤形状を有する。永久磁石210は、回転軸方向101に着磁されており、隣接する永久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。回転子200の着磁面は、回転軸方向101に所定のギャップを介して、固定子と対向している。また、回転子200は、シャフト500と共回りするように接続される。シャフトの回転軸方向外側は、軸受600を介してエンドブラケット400と接続される。エンドブラケット400は、ハウジング300の両端部に固定され、回転子200を回転可能に支持するようになっている。固定子100は、鉄心110と鉄心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を環状に配列し、ハウジング300と一体的にモールド樹脂140により固定されるようになっている。

さらに、固定子100の鉄心110は、ティース111とヨーク112に分割されており、ティース111は、ボビン130、巻線120とともに、ハウジング300とが一体にモールド樹脂140で固定される。ティース111とヨーク112は、回転軸に垂直な平面で分割されており、ティース111は、断面が台形の柱状、ヨーク112は、リング状となる。ヨーク112外周には、固定子100側に、凸の段部113を設け、ハウジング300内周に設けた段部301に固定している。段部301により回転軸方向101でのヨークの112の位置を決める役割をもつ。段部113の寸法を調整することで、ティース111とヨーク112の間に、回転軸方向101に所望の空隙を設けることが可能である。

このように構成された１ロータ−１ステータ型アキシャルギャップ型回転電機の動作を、モータを例に以下に述べる。まず、インバータ等を介して巻線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。

次に、比較例としての２ロータ−１ステータ型アキシャルギャップ型回転電機1000を、図８（ａ）および図８（ｂ）に基づいて説明する。図１と異なる点を中心に説明する。回転子200の着磁面は、固定子の回転軸方向の両端面と所定のギャップを介して対向している。固定子100は、鉄心110と、鉄心の外周を覆うボビン130、およびボビンに巻回された巻線120を環状に配列しており、ハウジング300と固定子100は一体的にモールド樹脂140により固定されるようになっている。なお、環状に配列した鉄心を一体的に樹脂モールドした後に、ハウジング300にボルト等で固定するようにしてもよい。

本回転電機では、鉄心110を、単純な柱状に構成できるため、プレス打ち抜きが困難なアモルファス金属やナノ結晶などの低損失材を適用することが可能である。また、理想的には鉄心が両方の回転子200に等しい力で吸引されるため、固定子100に軸方向の荷重がかからない。

図９（a）および図９（ｂ）を用いて、比較例としての１ロータ−１ステータ型アキシャルギャップ型回転電機2000を説明する。１ロータ−１ステータ型アキシャルギャップ型回転電機2000は、固定子100に、ティース111とヨーク112からなる鉄心110を用いることで、１枚の回転子200で構成したものである。鉄心は、ヨーク112をエンドブラケット400に締結することで保持されている。永久磁石210を含む回転子200の使用量を二分の一に削減できる反面、鉄心形状が複雑化するため、難加工性の低損失材の適用が困難になる。また、鉄心は、回転子200側に一方的に吸引されるため、強固な保持が必要となる。特許文献１の構成でもヨークとティースは係合されており、図９の構成と同様に、回転子200側に一方的に吸引されるため、強固な保持が必要となる。さらには、インダクタンスが大幅に増加するため、比較例である２ロータ−１ステータ型アキシャルギャップ型回転電機1000と同一の巻線仕様だと電圧が増加する。

図８および図９に示したように、比較例としての２ロータ−１ステータ型アキシャルギャップ型回転電機1000と、１ロータ−１ステータ型アキシャルギャップ型回転電機2000の鉄心などの構成が異なっており、そのままでは共用はできない。

次いで、実施例１の効果を説明する。まず、実施例１の構成では、鉄心が単純な柱状のティース111とリング状のヨーク112からなるため、簡易な加工で製作できる。また、独立したティース111をボビン130や巻線120と一体でモールドするため、組立ても容易である。さらに、実施例１の１ロータ−１ステータ型のアキシャルギャップ型回転電機2000のティース111は、２ロータ−１ステータ型アキシャルギャップ型モータと共用することができる。

分割によるデメリットである吸引力に対しても、実施例１では、ヨーク112とハウジング300とを樹脂層を介して固定する第１の固定部と、ティース111とハウジング300とを段部を接触させて固定する第２の固定部とは異なる手段を用いて固定されている。そのため、ティース111には、回転子200方向への吸引力とヨーク112方向への吸引力がはらたく。これにより、全体として回転子200方向にかかる力が低減するため、ティース111を支える樹脂部、特に、ハウジング300との界面に働くせん断力が低減する。結果として、樹脂部の長寿命化が可能になる。

また、ティース111とヨーク112間の空隙の変更により、有効磁束やインダクタンスを調整することが可能である。１ロータ−１ステータ型アキシャルギャップ型モータとして、巻線を専用設計する場合には、空隙を可能な限り縮小することで、有効磁束を最大化することができる。一方、２ロータ−１ステータ型アキシャルギャップ型モータと巻線を共通化する場合には、空隙を拡大しインダクタンスを低減することで電圧の増加を抑制することが可能である。

なお、本実施例のティース111およびヨーク112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たなかで複雑な形状を製作することが困難なため、本実施例を適用する効果は大きい。

実施例１のティース111、ボビン130、巻線120は、ハウジング300と一体でモールド樹脂により固定しているが、ハウジング300とは別体でモールド樹脂により固定したあとボルトなどでハウジング300に締結してもよい。ヨーク112は、ハウジング300の段部301に固定したが、回転軸方向101に固定されていれば良く、ボルトやネジなどで固定されていても良い。

実施例１では、２ロータ−１ステータおよび１ロータ−１ステータのアキシャルギャップ型モータにおけるティース共用の例を示したが、その他の構成にも適用可能である。例えば、１枚の円盤回転子を軸方向から２つの固定子で挟み込んだ１ロータ−２ステータの固定子に、本実施例の固定子100を適用しても良い。

以下に、実施２を説明する。実施例１と重複する記載は省略する。
図２（ａ）および図２（ｂ）は、実施例２の１ロータ−１ステータ型アキシャルギャップ型回転電機2000の内部構成図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）の部品を軸方向にずらした分解図である。本実施例では、ヨーク112をティース111に対向した周辺部とそれ以外の部分で分割し、ティース111周辺は、ヨーク112として絶縁性の高い磁性体、即ち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、圧粉磁心などで構成する。一方、それ以外の部分は、ヨーク112を保持する保持部材150として、鉄やＳＵＳ、アルミ、樹脂などで構成する。保持部材150の外周には、回転軸方向101に凸の段部151を設け、ここでハウジング300の段部301に固定している。

本構造により、ヨーク112に段部を設ける必要がなく、単純な一定厚みのリング形状とすることができる。これにより、ヨーク112の製作が容易になる。また、ヨーク112を巻鉄心のような積層構造とした場合にも、機械的な保持が容易になる。これにより、ヨーク112として難加工なアモルファス金属やナノ結晶材を利用し易くなり、高効率化を図ることができる。

実施例１と同様に、実施例２では、２ロータ−１ステータおよび１ロータ−１ステータのアキシャルギャップ型モータにおけるティース共用の例を示したが、その他の構成にも適用可能である。例えば、図１０の（ａ）、（ｂ）に示すように、１枚の円盤回転子を軸方向から２つの固定子で挟み込んだ１ロータ−２ステータ3000の固定子に本実施例の固定子を適用しても良い。ここで、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）の部品を軸方向にずらした分解図である。本モータ構成では、それぞれの固定子に対向する面に回転子の磁極を形成する必要がある。本図では、回転軸方向に着磁した磁石の側面を保持部材で支持することで、回転子の両面に磁極を形成している。なお、本実施例では、少なくともティースとヨークを備えた固定子鉄心を備えたモータであれば良く、回転子と固定子の組み合わせは任意である。以降の実施例に関しても同様である。

以下に、実施例３を説明する。実施例１と重複する記載は省略する。図３（ａ）および図３（ｂ）は、実施例３の１ロータ−１ステータ型アキシャルギャップ型回転電機2000の内部構成図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）の部品を軸方向にずらした分解図である。実施例３では、保持部材150とエンドブラケット400を共通化し、保持部材150を、エンドブラケット400として前記ハウジングの端部に配置している。

本構造により、部品点数が削減されるため、コスト低減を図れる。ハウジング300内での作業が、不要になるため、組立て性も向上する。また、モータを薄型化することも可能である。

以下に、実施例４を説明する。実施例１と重複する記載は省略する。図４は、実施例４の１ロータ−１ステータ型アキシャルギャップ型回転電機の概要構成を示す。

インバータ駆動のモータでは、コモンモード電圧が巻線から回転子200に静電結合することで、軸受けの内外輪間に電圧が発生する（以下、軸電圧）。この軸電圧が大きくなると、放電による油膜の絶縁破壊を引き起こし、軸受け表面の損傷、軸受け寿命の低下を招く。

今までは、巻線120から引き出された電線は、渡り線121として、回転子200とハウジング300の間の空間で周方向に這いまわされている。この場合、渡り線121の電圧も回転子200側面と静電結合し、軸電圧の増加要因になることがわかっている。

そこで、実施例４では、回転子200側とは反対の方向で、回転子200とは離れた位置にある保持部材150とハウジング300との間に、渡り線121を配置するための溝を設け、渡り線121を配置している。本構造により、軸電圧が低減し軸受けの長寿命化を図れる。

以下に、実施例５を説明する。実施例１と重複する記載は省略する。図５（ａ）は、実施例５の１ロータ−１ステータ型アキシャルギャップ型回転電機2000の内部構成図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）の熱伝導体160周辺を拡大した図である。
本実施例では、ティース111と、ヨーク112との間の空隙に、熱伝導体160を配置している。

本構造により、ティース111からヨーク112への熱抵抗が低減する。これにより、主熱源である巻線から放熱性が向上する。結果として、１ロータ−１ステータ型アキシャルギャップ型回転電機2000の出力向上や高効率化、小型化が図れる。

空隙には、磁束が鎖交するため、熱伝導体は、非導電性の部材で形成することがのぞましい。例えば、薄板の電磁ＳＵＳやシリコーンやセラミックなどの熱伝導シート、シリコーン接着剤などを用いても良い。また、インダクタンスの低減のため積極的に空隙を設ける場合には、非磁性の熱伝導体が望ましいので、シリコーンやセラミックなどの熱伝導シート、シリコーン接着剤などを用いても良い。

以下に、実施例６を説明する。実施例１と重複する記載は省略する。図６は、実施例６の１ロータ−１ステータ型アキシャルギャップ型回転電機2000の内部構成図である。本実施例では、保持部材150に対して、固定子100とは反対の側に、１ロータ−１ステータ型アキシャルギャップ型回転電機2000の駆動に用いる制御装置700を配置した。

本構造により、斜線を施して示した制御装置700、１ロータ−１ステータ型アキシャルギャップ型回転電機2000を、よりコンパクトに構成することができる。また、ハウジング300、エンドブラケット400に覆われた回転電機内に制御装置を格納しているため、制御装置個別の防塵防水対策が不用になる。制御装置と回転電機間の配線が縮小するため、放射ノイズの削減やコスト低減につながる。

以下に、実施例７を説明する。実施例１と重複する記載は省略する。図７は、実施例７の１ロータ−１ステータ型アキシャルギャップ型回転電機2000の内部構成図である。本実施例では、機械装置を、回転子200の先に配置し、モータとして機能する１ロータ−１ステータ型アキシャルギャップ型回転電機2000と、機械装置の一例である、斜線を施して示したスクロール空気圧縮機の圧縮機構800を一体化している。

本構造により、機械装置とモータをよりコンパクトに構成することができる。なお、本実施形態ではスクロール空気圧縮機の圧縮機構を一体化したが、ファンやポンプなど他の機械装置を一体化してもよい。

2000 １ロータ−１ステータ型アキシャルギャップ型回転電機、100 固定子、110 鉄心、111 ティース、112 ヨーク、113 段部、120 巻線、121 渡り線、140 モールド樹脂、150 保持部材、151 段部、160 熱伝導体、200 回転子、220 ヨーク、300 ハウジング、301 段部、400 エンドブラケット、500 シャフト

Claims (12)

1. 巻線が巻かれた鉄心であるティースと、前記ティースと分離された鉄心であるヨークとを有する固定子と、
   前記固定子と回転軸方向にギャップを介して配置された回転子と、
   前記ティースと、前記巻線と、前記固定子の周囲に設けたハウジングとを、樹脂で固定した第１の固定部と、
   前記ヨークと前記ハウジングとを固定する第２の固定部とを有することを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
2. 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、
   前記第２の固定部は、前記ハウジングに設けた段部と、前記ヨークの段部と接触させて固定したことを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
3. 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、
   前記ヨークを保持する保持部材を設け、前記保持部材を前記ハウジングに固定したことを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
4. 請求項３に記載のアキシャルギャップ型回転電機において、前記保持部材を、エンドブラケットとして前記ハウジングの端部に配置をしたことを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
5. 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、
   前記ハウジングの周方向に、前記巻線からの引き出し線を這いまわした渡り線を、前記回転子とは反対の方向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。
6. 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、
   前記ティースと前記ヨークとの間に、熱伝導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。
7. 請求項３に記載のアキシャルギャップ型回転電機において、前記保持部材に対して、前記固定子とは反対側に、駆動に用いる制御装置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。
8. 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、
   前記回転子の先に機械装置を結合したことを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
9. 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、
   前記ティース、もしくは前記ヨークは、アモルファス金属、ナノ結晶といった低損失材から選択された材料で形成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。
10. 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、
    前記ティースは、２ロータ−１ステータ型もしくは１ロータ−１ステータ型といった異なるタイプで共用できることを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
11. 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、
    前記巻線は、２ロータ−１ステータ型もしくは１ロータ−１ステータ型といった異なるタイプで共用できることを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
12. 請求項２に記載のアキシャルギャップ型回転電機において、
    前記第２の固定部により、前記ティースと前記ヨークとの間に形成された空隙を変更することで、異なるタイプで共用することを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。

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