JP2020156130A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】軟磁性非晶質合金を磁極ティースとしたラジアルギャップ型回転電機において、磁極ティースを容易に作製可能で、かつ、トルク変動やコギングトルクなどの回転電機の性能劣化を抑制でき、高効率なラジアルギャップ型回転電機を提供する。【解決手段】円筒状のステータコアの同軸内側にロータが配置されたラジアルギャップ型回転電機であって、ステータコアに、非晶質合金箔またはナノ結晶合金箔を積層した磁極ティース１が配置され、ロータに対向する磁極ティース１の端面縁から軸方向に突出する磁性部材５を配置する。さらに、ロータに対向する磁極ティース１の端面の一部が、磁性部材５に覆われるように配置する。磁性部材５は樹脂製ボビンに保持される。これによりトルク増大、トルク変動低減、渦電流損失低減（高効率化）の効果が得られ、ラジアルギャップ型回転電機の高性能化に寄与する。【選択図】図４

Description

本発明はラジアルギャップ型回転電機に関する。

ハイブリッド自動車や電気自動車に使用される回転電機（モータ）には、外周側にステータ、内周側にロータを配した、ラジアルギャップ型回転電機がある。

このようなラジアルギャップ型回転電機のステータには、磁心の軟磁性材料に電磁鋼板の積層体を使用した磁極ティースを用いるものが一般的であり、磁極ティースのロータに近接する側の端縁からロータの周方向に、磁性鍔部を設けたり、「磁性楔」と呼ばれる磁性部材を延在させたりする場合がある（例えば、特許文献１や特許文献２を参照）。
上述のような磁極ティースは、コイル付近にまで広がった磁束を、磁極ティースに効果的に導くことができ、回転電機として、トルク低下、トルク変動やコギングトルクといった性能劣化を抑制することができる。

一方、その他の軟磁性材料には、軟磁性アモルファス材料や軟磁性ナノ結晶材料（以下、軟磁性非晶質合金材料にて総称する）が知られており、電磁鋼板を軟磁性非晶質合金材料に置き換えることで、渦電流損失をより低損失にすることができ、高効率の回転電機にできることが知られている（例えば、特許文献３を参照）。

特開２０１２−０８０７２９号公報 特開２０１１−２４４６４４号公報 特開２００８−２３６９１８号公報

しかし、軟磁性非晶質合金材料は、ビッカーズ硬度が９００程度の非常に硬い材料であるために、磁性鍔部を有する様な複雑な形状を加工するのは困難であり、磁性鍔部を有する軟磁性非晶質合金材料の個片を製造する上で、歩留まりが大幅に低下してしまう状況であった。その結果、磁極ティースに軟磁性非晶質合金材料を用いたラジアルギャップ型回転電機は、製作コストが掛かって高価になってしまうという問題があった。

そこで本発明では、磁極ティースに軟磁性非晶質合金材料を用いたラジアルギャップ型回転電機において、磁極ティースを容易に作製可能で、かつ、トルク変動やコギングトルクなどの回転電機の性能劣化を抑制でき、高効率なラジアルギャップ型回転電機を提供する。

本発明は、円筒状のステータコアの同軸内側にロータが配置されたラジアルギャップ型回転電機であって、ステータコアに、非晶質合金箔またはナノ結晶合金箔（以下、非晶質合金箔にて総称する）を積層した磁極ティースが配置され、ロータに対向する磁極ティースの端面縁から軸方向に突出する磁性部材が配置されている。

また、本発明では、前記磁極ティースが、等脚台形柱形状であることが好ましい。

また、本発明では、前記磁性部材が、磁極ティースのロータに対向する端面の少なくとも一部を覆っていることが好ましい。

また、本発明では、前記磁性部材が、磁極ティースに近接する樹脂部材に保持されていることが好ましい。

また、本発明では、前記樹脂部材が、磁性を有する材料を含んでいることが好ましい。

本発明によれば、軟磁性非晶質合金材料を磁極ティースに用いたラジアルギャップ型回転電機において、磁極ティースを容易に作製可能で、かつ、トルク変動やコギングトルクなどの回転電機の性能劣化を抑制でき、高効率なラジアルギャップ型回転電機にすることができる。本発明は、安価で、高性能なラジアルギャップ型回転電機の製造にとって、きわめて有用である。

本発明における磁極ティースの実施形態の一例を示す模式図。 本発明の実施形態の一例を示す断面図。 本発明の別の実施形態を示す断面図。 本発明の実施形態を示す斜視図。 本発明の別の実施形態を示す斜視図。 本発明の別の実施形態を示す斜視図。 従来の磁極ティースと磁性部材の位置関係を示す模式図。

上述した通り、本発明の重要な特徴の一つは、磁性部材をロータに対向する磁極ティースの端面縁から軸方向に突出する位置に配置したことにある。
本発明により、軟磁性非晶質合金のような非常に硬い材料でも加工し易い、単純な形状（例えば、長方形や等脚台形のような形状）の個片を、磁極ティースとして用いることができる。これが本発明における、軟磁性非晶質合金材料を用いた磁極ティースを容易に作製することをできる一つの作用である

また、本発明により、磁極ティースのロータ側対向面の中央部においても、磁性部材の位置においても、ロータとの距離を均一とすることができる。これが本発明における、トルク変動やコギングトルクなどの回転電機の性能劣化を抑制することができる一つの作用である。

加えて、本発明では、磁性部材を磁極ティースのロータに対向する端面の少なくとも一部を覆うように配置することが好ましい。これにより、磁極ティースや磁極部材とロータとの距離を、より一層均一に保つことができるため、ラジアルギャップ型回転電機の更なる高効率化を図ることが可能となる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の磁極ティース１の一実施形態を示した模式図である。
磁極ティース１は、等脚台形柱形状であり、等脚台形形状の非晶質合金箔１１を積層することにより構成されている。

ここで、等脚台形形状の非晶質合金箔１１は、複雑な形状ではないので、アモルファス合金薄帯またはナノ結晶合金薄帯（以下、非晶質合金薄帯と総称する）から切断や打抜きの加工によって、容易に得ることが可能である。また、切断や打抜きをする前に、複数の非晶質合金薄帯を積層することにより、一回の加工で多数の非晶質合金箔を得ることができる。この際、非晶質合金薄帯の積層を、接着剤や接着剤の含侵によって固定すると、加工時に下層側の非晶質合金薄帯が層間で滑ることに起因した割れや欠けが発生しづらくなり、多くの非晶質合金箔を、効率よく入手することが可能となる。

これにより、非常に硬い軟磁性非晶質合金材料を用いた磁極ティース１を、容易に作製することが可能となる。

図２は、本発明の一実施形態を示した断面図である。
磁極ティース１は、バックヨーク２から半径方向内向きに延出し、ボビン４を介して導線が巻回されて集中巻きのコイル６が形成され、磁極ティース１のロータ３側の先端部には磁性部材５が配置されている。

ここで、磁性部材５は、磁極ティースのロータ側対向面１２を延長した平面よりも、ロータ３に近い場所に位置している。

これにより、磁極ティースのロータ側対向面１２の中央部においても、磁性部材５の位置においても、ロータ３との距離が均一になり、トルク低下やトルク変動、コギングトルクの発生を抑制することができる。

図３は、本発明のもう一つの実施形態を示した断面図である。
この実施形態では、磁性部材５が、単に磁極ティースのロータ側対向面１２よりもロータ３側に近い位置にあるだけでなく、磁極ティースのロータ側対向面１２の少なくとも一部が、磁極部材５によって覆われている形態となっている。

本構成により、磁極ティースのロータ側対向面１２の中央部と磁性部材５の位置において、ロータ３との距離がより一層均一になり、トルク低下やトルク変動、コギングトルクの発生を、さらに効果的に抑制することができる。

図４及び図５は、本発明の実施形態をより具体的に示した実施例の斜視図である。
図４では、ティースボビン４１のロータ側開口部の両側に、図に示した形状の磁性部材５を取り付けておき、磁極ティース１に磁性部材５付きティースボビン４１をはめ込む。

その結果、磁極ティースのロータ側対向面１２の両端付近を磁性部材５が覆うとともに、磁極ティースのロータ側対向面１２を延長した平面よりもロータ（図示せず）に近い位置に磁性部材５を位置させることもできる。

図５では、ティース間ボビン４２のロータ側両端部に、図に示した形状の磁性部材５を取り付けておき、ティース間ボビン４２を磁極ティース１と隣接する磁極ティースとの間に挿入して設置する。

その結果、磁極ティースのロータ側対向面１２の両端付近を磁性部材５が覆うとともに、磁極ティースのロータ側対向面１２を延長した平面よりもロータ（図示せず）に近い位置に磁性部材５を位置させることもできる。

なお、図４では、磁極ティース１の側面を全周に渡ってティースボビン４１が覆う構成となっていて、図５では磁極ティース１の側面部と上下面両端付近の一部のみにティース間ボビン４２が存在し、磁極ティース１の上下面中央付近にはティース間ボビン４２が存在しない構成となる。

ただし、図５の場合でもボビン鍔部４３の厚さ分だけティース１と銅線（図示せず）が隔離されているので、磁極ティース１と銅線間の絶縁は確保される。

また、図４のボビンは集中巻きのモータ、図５のボビンは分布巻きのモータにそれぞれ適している。

図７は、特許文献１に記載されている従来の磁性部材の位置関係を示す模式図である。図 のように磁性部材５の位置は、磁極ティースのロータ側対向面１２の両端から横方向に延長した延長線上に位置しており、磁性部材５の表面と磁極ティースのロータ側対向面１２は同一平面を形成するような構成となっている。

このような構成の場合、磁極ティースのロータ側対向面１２の中央付近に比べて磁性部材５の位置の方がロータ３との距離が拡がってしまい、トルク低下やトルク変動、コギングトルクなどが発生し、モータ性能の低下につながってしまう。

以下、本発明の他の特徴について説明する。
磁性部材５の材質は特に限定されないが、ロータからの磁束を効果的にティースに導くためには、比透磁率は５以上、飽和磁束密度はティースの飽和磁束密度の半分以上を有する磁性体を使用するのが好ましい。
更に望ましくは、比透磁率は２０以上で、飽和磁束密度はティースの飽和磁束密度と同程度の磁性体を使用するのが良い。
また、磁性部材自体に生じる渦電流損失をなるべく抑制するためには、電気抵抗の高い磁性体を使用するのが好ましい。
以上のことから、軟磁性金属粉末を樹脂中に分散させたメタルコンポジット材や、粒間に絶縁処理を施した軟磁性金属粉末の圧粉体を磁性部材として使用するのが好適である。

軟磁性金属粉末に特に制限はないが、例えばＦｅ，Ｆｅ−Ｓｉ合金、Ｆｅ−Ａｌ−Ｓｉ合金、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｃｒ合金、Ｆｅ−Ａｌ−Ｃｒ合金、アモルファス合金、ナノ結晶合金、などの粉末が使用可能である。
使用する粉末の粒度に特に制限はないが、磁気特性と製造の容易性との兼ね合いを考慮すれば、平均粒径で１〜１００μｍの粉末を用いることが好ましく、さらに５〜５０μｍの粉末を使用することがより好ましい。
また、例えば平均粒径で３０μｍの粉末を主体とし、平均粒径５μｍの微細粉末を添加するなどして高密度化による磁気特性の向上を図ってもよい。
粉末の製造方法としては、母合金の塊や薄帯を機械的に粉砕する方法や、溶湯にガスや水の流体を高速で衝突させて粉砕する方法（アトマイズ法）が利用可能である。

上記の軟磁性金属粉末に樹脂を混合または混練して所望の形状に成形して磁性部材を得ることができる。樹脂としては、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）などの熱可塑性樹脂、および、エポキシ、フェノール、シリコン樹脂などの熱硬化性樹脂が使用可能である。
成形方法としては、使用する樹脂に応じて射出成形、トランスファー成形、プレス成形などを適宜選択すれば良い。

ボビン４本体の樹脂についても特に制限はなく、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）などの熱可塑性樹脂、および、エポキシ、フェノールなどの熱硬化性樹脂が使用可能である。
成形方法としては、使用する樹脂に応じて射出成形、トランスファー成形などを適宜選択すれば良い。また、ボビン強度を増すために、グラスファイバーや炭素繊維などのフィラーが添加されても良い。

また、図６に示したように、樹脂中に軟磁性金属粉末を分散させた上記メタルコンポジット材で、ボビン全体を構成することも可能である。この場合はボビン全体が磁性部材となるため、部品点数の削減や、樹脂ボビンと磁性部材の接着などの工程が削減でき、モータの製造コスト低減に一層寄与する。このようなボビン全体を磁性部材で構成する方法は、図５のティース間に設置するタイプのボビンにおいても有効である。

磁極ティース１は、電磁鋼板より保磁力が低く軟磁気特性に優れた非晶質合金薄帯の積層体であるが、非晶質合金の材料について特に限定はない。例えば日立金属株式会社製のアモルファス合金薄帯であるＭｅｔｇｌａｓ ２６０５ＳＡ１（組成：Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ）、Ｍｅｔｇｌａｓ ２６０５ＨＢ１（組成：Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ）を用いることが好ましい。ここで、「Ｍｅｔｇｌａｓ」は、日立金属株式会社のグループ会社であるＭｅｔｇｌａｓ Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄの登録商標である。
また、上記アモルファス合金薄帯よりも高い飽和磁束密度を有するナノ結晶合金薄帯（組成：Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ−Ｃｕ、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ−Ｎｂ−Ｃｕ等）を用いることがより好ましい。
ここで言うナノ結晶合金とは、粒径が５〜５０ｎｍのナノ結晶粒からなる軟磁性合金であり、交換相互作用の及ぶ範囲よりも結晶粒径が小さいことで結晶磁気異方性が平均化されて小さくなり、軟磁気特性が発現するタイプの軟磁性合金のことである。
なお、ナノ結晶粒の粒界には非晶質合金の強磁性粒界相が存在していても良い。

有限要素法による電磁界シミュレーションを用いて、トルク平均値、トルク変動、渦電流損失を計算した。
ここで、シミュレーションの解析条件には、実施例１として図２の構成を、実施例２として図３の構成を、比較例として図７の構成を設定し、磁性部材の磁気特性は、現時点において製造可能な磁性部材を想定し、比透磁率を２０、飽和磁束密度を１．１Ｔとした。

その結果、表１に示すように、実施例１及び２は比較例よりもトルクが増大するとともに、トルク変動が改善されていることが分かる。また、ロータからの磁束がコイルに鎖交して生じる渦電流損失も、比較例に比べて実施例１及び２の方が小さくなっており、モータの低損失化（高効率化）においても効果がある。

以上のように、磁性部材をロータに対向する磁極ティースの端面縁から軸方向に突出する位置に配置したことで、磁極ティースのロータ側対向面においても、磁性部材においても、ロータとの距離を均一とすることができるために、回転電機の性能劣化を抑制することが分かった。また、本発明により、軟磁性非晶質合金材料を磁極ティースとして用いることができるため、高効率なラジアルギャップ型回転電機を製造することが可能となる。更に、非常に硬い軟磁性非晶質合金材料を、複雑な形状の個片に加工しなくても良いため、ラジアルギャップ型回転電機の製作に掛かる工数やコストの削減も期待できる。

ここまで、発明の実施形態について説明してきたが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記した実施例は本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。
また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。
また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１：磁極ティース
１１：非晶質合金箔、１２：磁極ティースのロータ側対向面
２：バックヨーク
３：ロータ
４：ボビン（樹脂部材）
４１：ティースボビン、４２：ティース間ボビン、４３：ボビン鍔部
５：磁性部材
６：コイル

Claims (5)

1. 円筒状のステータコアの同軸内側にロータが配置されたラジアルギャップ型回転電機であって、
   前記ステータコアに、非晶質合金箔、または、ナノ結晶合金箔を積層した磁極ティースが配置され、前記ロータに対向する前記磁極ティースの端面縁から前記軸方向に突出する磁性部材が配置されている
   ことを特徴とするラジアルギャップ型回転電機。
   
2. 前記磁極ティースが、等脚台形柱形状であることを特徴とする請求項１に記載のラジアルギャップ型回転電機。
   
3. 前記磁性部材が、前記磁極ティースの前記ロータに対向する端面の少なくとも一部を覆うことを特徴とする請求項１及び請求項２に記載のラジアルギャップ型回転電機。
   
4. 前記磁性部材が、前記磁極ティースに近接する樹脂部材に保持されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のラジアルギャップ型回転電機。
   
5. 前記樹脂部材が、磁性を有する材料を含むことを特徴とする請求項４に記載のラジアルギャップ型回転電機。