JP2957346B2

JP2957346B2 - アキシャルギャップ回転電機

Info

Publication number: JP2957346B2
Application number: JP4061886A
Authority: JP
Inventors: 和人堺
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1992-03-18
Filing date: 1992-03-18
Publication date: 1999-10-04
Anticipated expiration: 2014-10-04
Also published as: JPH05268754A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超高速回転または大出
力のアキシャルギャップ回転電機に関する。

【０００２】

【従来の技術】20000rpm以上の超高速回転電機は、回転
時の遠心力が相当大きくなるため、界磁に永久磁石を用
いた構成とした場合、この永久磁石が飛散しない様にそ
の遠心力に対抗し得る厚さの非磁性の保持環を永久磁石
の外周面に設けている。図７はこの構成例を示し、１は
ステータで巻線２を設けており、３はロータで界磁に永
久磁石４を用い、この永久磁石４が遠心力で飛散しない
様に相当厚い非磁性の保持環５を永久磁石４の外周面に
設けている。なお、符号６は回転軸、符号７は空隙を示
す。また、ロータにコイルを設けた構成の場合には、こ
のコイルのエンドリングを保持環で押さえるようにして
いる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、20000r
pm以上の超高速回転電機は、回転時の遠心力が相当大き
くなるため、ロータコイルは強度的に耐えられず、破損
する恐れがある。また、上述した図７の構成例に示すよ
うに、界磁に永久磁石を用いた場合、永久磁石が飛散し
ない様に相当厚い非磁性の保持環５が必要となる。この
保持環５には、磁気回路が短絡されない様に非磁性材を
用いるため、磁気的な空隙長は長くなり、空隙部間で消
費される起磁力が大きくなり、回転電機の出力は、低下
する。

【０００４】一方、アキシャルギャップ回転電機は、従
来の構造でロータの円盤を多段にすると、巻線のあるス
テータ円盤とロータ円盤が交互に回転軸方向に並ぶた
め、製作が不可能となる。従ってロータ円盤が１個のみ
で構成されるため、ロータ外径が大きくなり、高速，大
出力のものを製作することが困難である。

【０００５】本発明は、上述した従来技術の欠点に鑑み
なされたものであり、数万rpm の超高速で回転すること
ができ、さらに大出力化を可能とするアキシャルギャッ
プ回転電機を提供することを目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、ステータと、このステータに回転自在に
支持されたロータを備え、ステータは、中空状の枠体
と、この枠体の両端開口部に取付けられる端蓋と、この
端蓋の内面側に取付けられスロットを有しないステータ
鉄心と、枠体およびステータ鉄心上で端蓋にそれぞれ取
付けられ成形された３個以上のステータ巻線を有し、か
つこれらはロータの軸心を含む平面内で２分割以上に分
割されて構成され、ロータは、軸方向の空隙を介して２
個以上の非磁性材より形成された円盤部を有し、この円
盤部に軸方向に沿って磁化された永久磁石を、軸方向に
貫通させて固定するようにしたものである。

【０００７】

【作用】以上のように構成することにより、まず、機械
的な作用として、界磁となる永久磁石が、ロータの円盤
部の平面に対して軸方向に貫通して埋め込まれている。
そのため、ロータの円盤部は、高速時に永久磁石が遠心
力により飛び出すのを押さえるように作用する。従来の
円筒型で半径方向に界磁、巻線をもつ径方向磁気回路の
回転電機では、耐遠心力のため設けられているロータ外
周の保持環を厚くすると、磁気的な空隙長が長くなる。
ところが、本発明では、円盤部のロータ外周部分の厚み
を十分厚くしても、動作磁気回路が軸方向に形成される
ため、動作部の空隙長を長くすることはなく、出力の低
下無しに高速回転が可能となる。また、界磁の極を形成
する永久磁石は、１極当たり１個の永久磁石ではなく、
複数個の永久磁石を分散させて円盤部に設けた複数個の
穴に埋め込んで固定するため、永久磁石の遠心力による
応力が円盤の一部に集中することを避けることが可能と
なり、超高速回転に耐え得る。

【０００８】また、アキシャルギャップのため、ロータ
は、フライホイールに似た独楽の形状となり、円盤部を
支える両サイドの軸受間の距離もかなり短くなるため、
回転する軸の剛性が高くなる。従って、軸のねじり振動
周波数が高くなり、超高速回転においても軸の振動が少
なく安定して回転できる。

【０００９】次に、電磁気的な作用として、ステータ巻
線は、巻線と成形樹脂のみからなり、ロータ鉄心も無い
ため、磁気回路は端蓋の内面に設けたステータ鉄心，永
久磁石および空隙のみからなり、磁路を作る磁性部分が
両側のステータ鉄心のみとなる。従って、２分割以上に
分割可能なステータ巻線とロータの円盤部を２個のステ
ータ鉄心間に次々と設けるだけで、多段の回転電機の動
作部が形成され、高出力化が可能である。

【００１０】また、ステータ鉄心の歯が無く、ロータ鉄
心も無いため、磁気回路はステータ鉄心，永久磁石と空
隙のみからなり、磁路を作る磁性部分が両側の２個のス
テータ鉄心のみで多段の回転電機の動作部を作成でき
る。従って、鉄損は、大幅に減り、効率の上昇，回転電
機の動作時の上昇温度の低下が可能となる。

【００１１】アキシャルギャップ回転電機では、内径側
の円周が当然短くなるため巻線の端部のスペースが狭く
なり、巻線回数を多くできないという問題点がある。し
かしながら、上述した鉄損の低下により、さらに高周波
駆動となる超高速・多極の回転電機を製作することが可
能となり、多極数となると、巻線の端部は短くなり巻線
回数を増やし、高出力となる。

【００１２】ステータ鉄心は、帯状の薄い磁性鋼板を渦
巻状に巻いて構成することにより、渦電流の発生による
鉄損を抑えることができる。ステータ鉄心に歯を設けた
場合には、高速回転時にこの歯により、空隙磁束が脈動
して、ロータ表面に相当大きな渦電流が発生するが、本
発明においては、鉄心の歯がないため、この渦電流が発
生せず、効率が良くなる。

【００１３】ステータ巻線においては、磁路を構成する
軟磁性材は、ステータ鉄心のみとなるので、巻線からみ
た磁気的な空隙が相当大きくなる。従って、巻線のイン
ダクタンスは、かなり小となり、インダクタンスの電圧
降下が小さくなり、同時に端子電圧が小さくなる。従っ
て、駆動電源の小形化が可能である。また、磁気的な空
隙が大きくなると、巻線による電機子反作用も小さくな
るため、ロータに取付けた永久磁石の減磁を防ぐことが
でき、大電流を流すことも可能となる。

【００１４】一方、本発明は、大出力化のため、多段の
動作部とし、ロータの円盤部と成形されたステータ巻線
が交互に軸方向に配列される構成としている。そこで、
ステータを回転軸の軸心を含む平面内で分割が可能な構
造とし、分割された状態でロータを収めることができ
る。同時にステータ巻線も分割可能にするため、一方巻
き方法（または同心巻き方法）を採用し、実極と実極間
に虚極を形成する巻線とし、虚極の中心がステータの分
割線上に存在するようにしている。これにより、ステー
タを分割するために、成形された巻線内の導線を切断さ
れることがなくなる。

【００１５】上述したように本発明は、アキシャルギャ
ップ回転電機であり、回転軸の軸心を含む平面内で２分
割以上に分割できるため、ロータを容易に取出すことが
でき、メンテナンスが容易になる。さらに、ステータ巻
線は、従来のように鉄心の歯に巻き付けずに、ステータ
巻線単独で形成されているため、ステータを分割して、
ステータ巻線のみを容易に取出すことができ、ステータ
巻線の交換が容易となる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面を参照して説
明する。図１は、本発明の一実施例の主要部分を切断し
て示す縦断面図である。同図において、10はアキシャル
ギャップ回転電機で、このアキシャルギャップ回転電機
は、ステータ11と、このステータ11に軸受を介して回転
自在に支持されるロータ12で構成されている。

【００１７】この構成において、ステータ11は、ほぼ円
筒状に形成されたフレーム13と、このフレーム13の両端
開口部に夫々取付けられるブラケット14，14と、それぞ
れのブラケット14に設けた凹部に収容されて取付けら
れ、スロットのないバックヨーク15，15と、バックヨー
ク上でブラケット14に取付けられステータ巻線を構成す
るモールド巻線16Ａ，16Ａと、フレーム13の中央部に取
付けられスタータ巻線を構成するモールド巻線16Ｂで構
成され、これらは、図２に模式的に示すようにロータ12
の軸心を含む平面内で上下に２分割される構造となって
いる。

【００１８】上記したモールド巻線16Ａ，16Ｂは、全体
として円盤状に形成され、図３に示すように上下に２分
割されて半円状とした２個のものから構成され、それぞ
れには３箇所にＵ，Ｖ，Ｗ相の巻線17が設けられ、これ
らの巻線17をエポキシ樹脂の成形樹脂層18で一体にして
いる。ここで、巻線17は、一方巻き方法（または同心巻
き方法）を採用し、同図に示すように実極（Ｎ極）と虚
極（Ｓ極）を形成するものとし、虚極の中心がステータ
11の２分割線上に存在するようにする。

【００１９】また、成形樹脂層18の外周側に近い部分
に、ブラケット14やフレーム13に取付けるためのボルト
の貫通穴19を設ける。さらに、成形樹脂層18には、Ｕ，
Ｖ，Ｗの巻線17に外部電源からフレーム13を貫通して引
込まれるケーブルを接続するための端子（図示しない）
を、側面に設ける（または巻線17の端部からリード線を
引出しておき、このリード線をフレーム13に設けた穴を
貫通させ、フレーム13の外部でケーブルと接続するよう
にしてもよい）。

【００２０】また、上記したバックヨーク15は、図４お
よび図５に示すように帯状の 0.2mm厚さのケイ素鋼板20
を渦巻状に巻き、これを外側リング21と内側リング22の
間に挾んで固定した後、上下に２分割した構造とし、半
円のヨークとしてブラケット14に取付けられている。

【００２１】さらにロータ12は、非磁性材から形成され
た回転軸23と、この回転軸23の軸方向の中間部で一体に
形成された２個のロータ円盤24，24と、それぞれのロー
タ円盤24に図６に示すように等配された12箇所で、１箇
所当たり10個が分散して取付けられている永久磁石25で
構成されている。ここで、永久磁石25は、円柱形状に形
成され、かつ軸方向に沿って磁化されており、ロータ円
盤24の平面に軸方向に沿って設けられた穴に挿入され固
定されている。

【００２２】また、ロータ円盤24は、モールド巻線16
Ａ，16Ｂとの間に軸方向空隙26が形成されるように配置
されている。一方、ロータ円盤24に作られる界磁極は、
10個の永久磁石25を図６に示すように分散させて配置
し、一つの極を形成する。本実施例では、12極であるか
ら１つのロータ円盤当たり 120個の永久磁石25が設けら
れている。

【００２３】次に、以上のように構成された実施例の作
用を説明する。まず、機械的な構造面においては、界磁
となる永久磁石25がロータ円盤24の平面に対して、軸方
向に貫通して埋め込まれている。そのため、ロータ円盤
24は、高速回転時に永久磁石25が遠心力により飛び出す
のを押さえるように作用する。耐遠心力を強くするた
め、ロータ円盤24の厚みを十分に厚くする必要がある。
上述した図７に示す従来の円筒型で半径方向に界磁、巻
線をもつ径方向磁気回路の回転電機は、耐遠心力のため
設けられているロータ外周の保持環５を厚くすると、磁
気的な空隙７が長くなる。

【００２４】ところが、本実施例の回転電機ではロータ
円盤24のロータ外周部分の厚みを十分に厚くしても、永
久磁石25の作る磁界が回転軸方向に形成されるため、磁
気回路の磁気的な空隙が増加することはない。従って、
耐遠心力として機械強度を上げることにより、出力が低
下することが無く、高速回転が可能となる。また、界磁
の極を形成する永久磁石25は、１極当たり１個の永久磁
石ではなく、本実施例では、１極あたり10個の円柱型と
した永久磁石25を分散させて、ロータ円盤24の10個の穴
に埋め込むため、永久磁石25の遠心力による応力がロー
タ円盤24の一部に集中することを避けることが可能とな
り、超高速回転に耐え得る。

【００２５】また、本実施例の回転電機は、アキシャル
ギャップのため、ロータ12は、フライホイールに似た独
楽の形状となり、ロータ円盤24を支える両サイドの軸受
間の距離も相当短くなるため、回転する軸の剛性が高く
なる。従って、軸のねじり振動周波数が高くなり、超高
速回転においても軸の振動が少なく安定して回転でき
る。

【００２６】次に、電磁気的な面においては、巻線部
は、巻線17と成形樹脂層18のみからなり、ロータ鉄心も
無いため、磁気回路はブラケット14の内面に設けた２個
のバックヨーク15，永久磁石25および空隙26のみからな
り、磁路を作る磁性部分が両側の２個のバックヨーク15
のみとなる。従って、２分割以上に分割可能なモールド
巻線16Ａ，16Ｂとロータ円盤24を２個のバックヨーク15
間に次々と交互に配列するだけで、多段の回転電機の動
作部が形成され、高出力化が可能である。

【００２７】また、ステータ鉄心の歯が無く、ロータ鉄
心も無いため、磁気回路はバックヨーク15，永久磁石25
および空隙26のみからなり、磁路を作る磁性部分が両側
の２個のバックヨーク15のみで多段の回転電機の動作部
を形成できる。従って、鉄損は、大幅に減り、効率の上
昇，回転電機の動作時の上昇温度の低下が可能となる。

【００２８】アキシャルギャップ回転電機では、内径側
の円周が当然短くなるため巻線17端部のスペースが狭く
なり、巻線回数を多くできないという問題点がある。し
かしながら、上述した鉄損の低下により、さらに高周波
駆動となる超高速で多極の回転電機を製作することが可
能となり、多極数となるため巻線17の端部は短くなり巻
線回数を増やし、高出力となる。

【００２９】バックヨーク15は、帯状の 0.2mm厚さのケ
イ素鋼板20を渦巻状に巻いて、外側リング21と内側リン
グ22間に挾み込んで、固定することにより、渦電流の発
生による鉄損を抑えている。ステータ鉄心に歯を設けた
回転電機では、高速回転時にステータ鉄心の歯により、
空隙磁束が脈動して、ロータ表面に相当大きな渦電流が
発生するが、本実施例の回転電機は、鉄心の歯がないた
め、この渦電流が発生せず、効率が良くなる。

【００３０】巻線17においては、磁路を構成する軟磁性
材は、バックヨーク15のみとなり、巻線17からみた磁気
的な空隙は、相当大きくなる。従って、巻線17のインダ
クタンスは、かなり小となり、インダクタンスの電圧降
下が小さくなり、同時に端子電圧が小さくなる。従っ
て、駆動電源の小形化が可能である。

【００３１】また、磁気的な空隙が大きくなると、巻線
17による電機子反作用も小さくなるため、ロータ12に取
付けた永久磁石25の減磁を防ぐことができ、大電流を流
すことも可能となる。

【００３２】次に、ステータ11の分割について説明す
る。本発明の回転電機は、高出力化のため、多段の動作
部とし、ロータ円盤24と成形されたモールド巻線16Ａ，
16Ｂが交互に軸方向に並ぶ構成としている。そのため、
ステータ11内にロータ12を収めることが困難である。そ
こで、本発明の回転電機では、ステータ11は、ロータ12
の軸心を含む平面内で２分割して組合わせる構造として
いるため、ステータ11を２分割して、ロータ12を収める
ことが可能となっている。円盤状としたモールド巻線16
Ａ，16Ｂは、２分割した構造としているため、一方巻き
方法（または同心巻き方法）を採用し、実極と虚極を交
互に形成する巻線とし、虚極の中心がステータ11の２分
割線上に存在するようにしている。具体的には、隣接す
る２つの巻線がいずれもＮ極を形成すると、巻線間に
は、虚極のＳ極が形成される。そこで、この虚極の中心
をステータ11の２分割線上とすることにより、ステータ
11を２分割するために、モールド巻線16Ａ，16Ｂ内の導
線を切断されることがなくなり、本発明の回転電機を構
成することが可能となる。

【００３３】本発明は、アキシャルギャップ型であり、
ロータ12の軸心を含む平面内で２分割できるため、ロー
タ12をステータ11から容易に取出すことができ、メンテ
ナンスが容易になる。さらに、巻線17を従来のように鉄
心の歯に巻き付けずに、モールド巻線単独で形成してい
るため、ステータ11を分割して、モールド巻線16Ａ，16
Ｂのみを容易に取出すことができ、巻線17の交換が容易
となる。

【００３４】また、上述したように多数の円柱形状の永
久磁石25を、図６に示すように同一半径方向から任意の
角度分ずらして配置することにより、スキュー効果が容
易に得られ、誘起電圧波形を正弦波にし、出力の脈動を
低減することができる。

【００３５】なお、以上説明した実施例では、エポキシ
樹脂で巻線17をモールドして構成したが、半導体技術を
応用し、薄い電気絶縁物の基板に導線をプリント配線し
た半円状の巻線を積層して構成するようにしても、同様
な効果が得られる。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、界
磁となる永久磁石を複数個としてロータ円盤に埋め込む
ようにしているので、遠心力による応力が一部に集中す
ることがなく超高速回転が可能となり、また、ステータ
を分割構造としているので、ステータ巻線とロータ円盤
を交互に配列して多段とすることができ大出力化を容易
とし、かつステータの上半部を取外すことにより巻線や
ロータのメンテナンスを容易となるアキシャルギャップ
回転電機を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の主要部分を切断して示す縦
断面図。

【図２】本発明の一実施例におけるステータを模式的に
示した説明図。

【図３】本発明の一実施例におけるモールド巻線の構成
図。

【図４】本発明の一実施例におけるバックヨークの構成
図。

【図５】図４のＡ−Ａ線に沿った平面図。

【図６】本発明の一実施例におけるロータ円盤に永久磁
石が埋め込まれた状態を示す平面図。

【図７】従来の永久磁石回転電機を示す縦断面図。

【符号の説明】

11…ステータ、12…ロータ、13…フレーム、14…ブラケ
ット、15…バックヨーク、16Ａ，16Ｂ…モールド巻線、
17…巻線、18…成形樹脂層、20…ケイ素鋼板、21…外側
リング、22…内側リング、23…回転軸、24…ロータ円
盤、25…永久磁石、26…空隙。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ステータと、このステータに回転自在に
支持されたロータを備え、前記ステータは、中空状の枠
体と、この枠体の両端開口部に取付けられる端蓋と、こ
の端蓋の内面側に取付けられスロットを有しないステー
タ鉄心と、前記枠体および前記ステータ鉄心上で前記端
蓋にそれぞれ取付けられ成形された３個以上のステータ
巻線を有し、かつこれらは前記ロータの軸心を含む平面
内で２分割以上に分割されて構成され、前記ロータは、
軸方向の空隙を介して２個以上の非磁性材より形成され
た円盤部を有し、この円盤部に軸方向に沿って磁化され
た永久磁石を埋設して構成したことを特徴とするアキシ
ャルギャップ回転電機。
【請求項２】請求項１に記載のアキシャルギャップ回
転電機において、１極当たりの永久磁石を複数個に分割
し、ロータの円盤部に軸方向に貫通させ固定したことを
特徴とするアキシャルギャップ回転電機。
【請求項３】請求項１に記載のアキシャルギャップ回
転電機において、端蓋の内面側に取付けるステータ鉄心
を、薄い磁性鋼板を渦巻状に巻回して円盤状に形成し、
かつ直径方向に沿って分割した構成としたことを特徴と
するアキシャルギャップ回転電機。
【請求項４】請求項１に記載のアキシャルギャップ回
転電機において、枠体及びステータ鉄心上で端蓋に取付
けられるステータ巻線を、直径方向に沿って分割可能な
一方巻線または同心巻線とし、かつ絶縁樹脂でモールド
したことを特徴とするアキシャルギャップ回転電機。