JP4424186B2 - アキシャルギャップ型回転電機のロータ構造 - Google Patents

Description

本発明は、回転軸に沿ってステータとディスク状のロータとが対向して配置されるアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造に関するものである。

一般にロータに永久磁石を使用した同期型の回転電機では、永久磁石をステータにより発生する回転磁界が吸引反発して発生するマグネットトルクを利用するほか、隣接する永久磁石の間に磁性体を配置して、ロータの周方向に、磁気抵抗が小さい部分と、磁気抵抗の大きい部分を交互に設けて、ロータに磁気的な突極性を持たせて、ステータを構成するコイルの自己インダクタンスおよび相互インダクタンスをロータの位置により変化させ、ロータとステータとの間の空隙に蓄えられた磁気エネルギーを機械エネルギーに変換することにより発生するいわゆるリラクタンストルクを利用して、回転電機としてのトルクを向上させることが行われている。このリラクタンストルクはロータの周方向の、磁気抵抗が大きい部分と小さい部分との磁気抵抗の差（以下、磁気抵抗の差と言う）が大きいほど大きくできる。

アキシャルギャップ型回転電機でもこれは同様であり、例えば、特許文献１に記載され、図１２に示すような形態のロータでは、平板状の周方向に着磁された永久磁石５１と扇形状の磁性体５２とを周方向に交互に隣接させて並べるとともに、隣り合う永久磁石５１の極性を相互に異ならせて、隣接する永久磁石５１の間に位置する磁性体から永久磁石により形成される磁束Φを出して、図示しないステータにより形成される回転磁界により当該磁束を吸引反発させてマグネットトルクを発生させるとともに、ロータを構成する磁性体と永久磁石との磁気抵抗の違いにより、リラクタンストルクを発生させて、それらの双方を利用している。

特開平１１−１８７６３５号公報

ところが、このような形態のロータを、一つのロータにその中心軸線方向に対向する一つのステータを設けた形態のアキシャルギャップ型回転電機に適用する場合においては、当該ロータでは永久磁石により形成される磁束が、ロータのステータに対向する側（以下ギャップ側という）と、その反対側（以下背面側という）の両側からロータ外に出るため、磁束をロータのギャップ側に集中させることができず、回転電機としての効率を高めることができないという問題点があった。

この問題を解決するために、図１３に示すように、周方向着磁された永久磁石５１を、隣接する永久磁石５１のロータの背面側と、ロータのギャップ側に位置する部分とを、交互に近接させながら屏風状に配置し、ロータのギャップ側に面する複数対の永久磁石５１の極性を周方向に交互に異ならせて、永久磁石により発生する磁束を、ロータのギャップ側に集中させることも考えられるが、図示のごとく、それぞれの永久磁石を、その外周側を長く、内周側を短くしたねじれ平板状に形成する必要があり、永久磁石および磁性体がともに形成が困難となり、ロータ全体としての構成が困難になるという問題点も生じた。

本発明では、上述した課題を解決することを目的とするものであり、その目的は、構成が容易であって、ロータの永久磁石により形成される磁束を、ロータのギャップ側に集中させて、回転電機としての効率を高めることができるアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造を提供することにある。

請求項１に係るアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造は、複数の周方向着磁された永久磁石を磁性体よりなるディスク状のロータコアに周方向に交互に極性を異ならせて間隔をおいて設けてなるロータと、ロータにロータの中心軸線に沿って対向して配置され、コイルを巻装した複数のステータコアを周方向に配置してなるステータと、当該ステータを固定するとともに前記ロータを回転自在に支持するケースとからなるアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造において、
前記永久磁石の周方向長さを、前記ロータのギャップ側から、背面側に向けて、階段状に増大させてなることを特徴とする。

これによれば、ロータ内において周方向に隣接して、相互に極性の異なる周方向着磁された複数対の永久磁石により発生する磁束を、ロータのギャップ側に集中させることにより、回転電機としての効率を高めることができる。また、ギャップ側に面する磁性体よりなるロータコアの、ステータにより発生する回転磁界が通過しうる体積を大きくして、リラクタンストルクを高めることができる。これとともに、永久磁石をねじれ平板状とすることを避けることができるため、ロータの構成を容易なものとすることができる。さらに永久磁石を階段状に形成することにより、永久磁石とロータコアとの間の接合面積を増やすことができるため、ロータ全体としての剛性を高めることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機の一実施形態を示す、アキシャルギャップ型回転電機の略式断面図であり、図２は、本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造の一実施形態を示す、アキシャルギャップ型回転電機のロータを中心軸線方向から見て示す模式図である。図２（ｂ）は図２（ａ）の周方向断面を示す模式断面図である。なお、ここで言う周方向断面は永久磁石を含んでいれば良く、永久磁石の最内周側から最外周側に至るいずれの周方向断面でも良い。

本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造は、図１に示すように、複数の周方向着磁された永久磁石１を磁性体よりなるディスク状のロータコア２に周方向に交互に極性を異ならせて間隔をおいて設けてなるロータ３と、ロータ３にロータ３の中心軸線に沿って対向して配置され、コイル４を巻装した複数のステータコア５をバックコア６に挿入接合して周方向に配置してなるステータ７と、当該ステータ７を固定するとともに前記ロータ３をロータ３の一部をなす回転軸８および軸受９を介して回転自在に支持するケース１０とからなるアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造において、
前記永久磁石１の周方向長さを、図２に示すように、前記ロータ３のギャップ側から、背面側に向けて、階段状に増大させてなることを特徴とする。（請求項１に相当）

これによれば、ロータ３内において周方向に隣接して、相互に極性の異なる周方向着磁された複数対の永久磁石１により発生する磁束を、ロータ３のギャップ側に集中させて、周方向に交互に異なる磁極をギャップ側のロータコア２に形成することにより、回転電機としての効率を高めることができる。また、ギャップ側に面する磁性体よりなるロータコア２の、ステータ７により発生する回転磁界が通過しうる体積を大きくして、リラクタンストルクを高めることができる。これとともに、図１３に示したロータ構造のように、永久磁石１をねじれ平板状とすることを避けることができるため、ロータ３の構成を容易なものとすることができる。さらに永久磁石１を階段状に形成することにより、永久磁石１とロータコア２との間の接合面積を増やすことができるため、ロータ３全体としての剛性を高めることができる。

なお、図１に示す形態のアキシャルギャップ型回転電機では、ロータ３を構成する複数の扇形状の永久磁石１およびディスク状のロータコア２の外周側には、アウターロータリング１１が設けられて、当該アウターロータリング１１は永久磁石１に作用する遠心力を支持して、ロータ３の剛性を高めて高回転化を可能としている。さらに、ディスク状のロータコア２の内周側には、インナーロータリング１２が設けられて、ディスク状のロータコア２を回転軸８に連結している。また、ステータ７はロータ３にギャップを挟んで対向するように一つ設けられ、ケース１０のステータ７の背面側（ロータ３に対向する側と反対側）には冷却路１３が設けられ、当該冷却路１３に冷却液を循環することにより、ステータコア５およびコイル４の損失による発熱を吸収し冷却する。さらに回転軸８の端部にはロータ３の回転量や位置を検出するための、エンコーダ１４が設けられる。

図３〜５は、図２に示した本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造の、それぞれの断面における形状を示す模式断面図である。図４は図２（ｂ）中のａ断面を示し、図５は図２（ｂ）中のｂ断面を示し、図６は図２（ｂ）中のｃ断面を示す。
図３〜５に示すように、永久磁石１は各断面において扇形状をなし、最もギャップ側に位置するａ断面から、ギャップ側と背面側のほぼ中間に位置するｂ断面を経て、背面側に位置するｃ断面へと移行するにつれて、その周方向長さを階段状に増大させている。
なお、ここでは永久磁石１のロータの中心軸線方向に垂直な各断面ａ、ｂ、ｃにおける形状を、扇形状としているが、台形もしくは長方形状その他の形状としても良い。

図６は、図２に示した本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造の、永久磁石のみを取り出して示す模式斜視図である。
図６に示すように、永久磁石１は、異なる周方向長さを有する複数の、ここでは三つの扇形柱を組み合わせた形状をなし、周方向長さをギャップ側から背面側に向けて階段状に増大させている。
図６（ａ）に示す永久磁石１は、扇形柱の時計回り側をＮ極として、周方向着磁されており、図６（ｂ）に示す永久磁石１は、扇形柱の反時計回り側をＮ極として、周方向着磁されている。

ここで、図２〜図５に示したロータ構造において、ロータコアを、電磁鋼板を積層して構成する。（請求項２に相当）この場合、電磁鋼板を積層した後、あらかじめ図６に示した階段扇形状に形成した永久磁石１を挿入接合するための穴を、プレス加工等で打ち抜き加工して、ロータコアを形成する。
これにより、一般的な電磁鋼板により上述したようなアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造を構成することができる。

あるいは、図２〜図６に示したロータ構造において、ロータコアを、圧粉材により構成する。（請求項３に相当）
なお、圧粉材とは、鉄粉などの磁性粉末と、樹脂などの絶縁物を混ぜて固めたものである。
これによれば、電磁鋼板でロータコアを形成することに比べて、圧粉材特有の形状自由度の高さに起因して、ロータコアの形成をより容易にすることができる。

図７は、本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造の他の実施形態を示す、アキシャルギャップ型回転電機のロータを中心軸線方向から見て示す模式図である。図７（ｂ）は図７（ａ）の周方向断面を示す模式断面図である。なお、ここで言う周方向断面は永久磁石を含んでいれば良く、永久磁石の最内周側から最外周側に至るいずれの周方向断面でも良い。

このアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造は、図１に示すように、複数の周方向着磁された永久磁石１を磁性体よりなるディスク状のロータコア２に周方向に交互に極性を異ならせて間隔をおいて設けてなるロータ３と、ロータ３にロータ３の中心軸線に沿って対向して配置され、コイル４を巻装した複数のステータコア５をバックコア６に挿入接合して周方向に配置してなるステータ７と、当該ステータ７を固定するとともに前記ロータ３をロータ３の一部をなす回転軸８および軸受９を介して回転自在に支持するケース１０とからなるアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造において、
前記永久磁石１の周方向長さを、図７に示すように、前記ロータ３のギャップ側から、背面側に向けて、階段状に増大させてなることを特徴とする。（請求項１に相当）
請求項１に相当する構成による作用効果は前述したので省略する。

さらに、前記ロータ３を、前記永久磁石１の階段ごとに形成された複数のここでは三つのロータ部分１５、１６、１７を中心軸線方向に積層して構成する。（請求項４に相当）
このように、永久磁石１の階段ごとにロータ部分を形成することにより、それぞれのロータ部分に形成する、永久磁石１を挿入するための穴の成形をより容易なものとし、ロータ全体としての構成をより容易なものとして、製造コストを低減することができる。

図８〜１０は、図７に示した本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造の、それぞれのロータ部分の構造を中心軸線方向から見て示す模式矢視図である。図８は図７（ｂ）中のギャップ側に位置する一段目のロータ部分１５を示し、図９は図７（ｂ）中の二段目のロータ部分１６を示し、図１０は図７（ｂ）中の背面側に位置する三段目のロータ部分１７を示す。

図７〜１０に示すように、永久磁石１を、同一の扇形柱状の扇形磁石部分１８を挿入接合する穴を、ギャップ側のロータ部分１５を構成するロータコア部分１９には、一つ設け、その背面側に位置するロータ部分１６を構成するロータコア部分２０においては、ロータコア部分１９に設けた扇形磁石部分１８を挿入接合する穴の周方向両側に隣接する位置に二つ設け、さらにその背面側に位置するロータ部分１７を構成するロータコア部分２１においては、ロータコア部分２０に設けた扇形磁石部分１８を挿入する穴の周方向両側に隣接する位置に二つ設けて、当該穴にそれぞれ扇形磁石部分１８を挿入接合することにより構成している。

このように、永久磁石１を同一形状の扇形磁石部分１８を組み合わせて構成することにより、図２および図６に示したように、永久磁石１を一体物の扇形階段状の永久磁石とすることに比べて、永久磁石１のトータルの体積を減らしてコストを削減するとともに、成形および製造が容易な、単純な扇形柱状をなす扇形磁石部分を組み合わせて永久磁石１を構成することにより、製造コストを削減することができる。また、それぞれのロータ部分１５、１６、１７を構成するロータコア部分１９、２０、２１の、扇形磁石部分１８を挿入接合するための穴の形成をも、容易なものとすることができるので、これによっても製造コストを低減することができる。

ここでも、図７〜図１０に示したロータ構造において、それぞれのロータ部分１５、１６、１７を構成するロータコア部分１９、２０、２１を、電磁鋼板を半径方向に積層して構成する。（請求項２に相当）この場合、電磁鋼板を積層した後、扇形磁石部分１８を挿入接合する穴を、プレス加工等で打ち抜き加工して、ロータコア部分１９、２０、２１を形成する。
これにより、一般的な電磁鋼板により上述したようなアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造を実現することができる。

あるいは、図７〜図１０に示したロータ構造において、それぞれのロータ部分１５、１６、１７を構成するロータコア部分１９、２０、２１を、圧粉材により構成する。（請求項３に相当）
なお、圧粉材とは、鉄粉などの磁性粉末と、樹脂などの絶縁物を混ぜて固めたものである。
これによれば、電磁鋼板でロータコアを形成することに比べて、圧粉材特有の形状自由度の高さに起因して、ロータコアの形成をより容易にすることができる。

図１１は、本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造のさらに他の実施形態を示す、アキシャルギャップ型回転電機のロータを中心軸線方向から見て示す模式図である。図１１（ｂ）は図１１（ａ）の周方向断面を示す模式断面図である。なお、ここで言う周方向断面は永久磁石を含んでいれば良く、永久磁石の最内周側から最外周側に至るいずれの周方向断面でも良い。

このアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造は、図１に示すように、複数の周方向着磁された永久磁石１を磁性体よりなるディスク状のロータコア２に周方向に交互に極性を異ならせて間隔をおいて設けてなるロータ３と、ロータ３にロータ３の中心軸線に沿って対向して配置され、コイル４を巻装した複数のステータコア５をバックコア６に挿入接合して周方向に配置してなるステータ７と、当該ステータ７を固定するとともに前記ロータ３をロータ３の一部をなす回転軸８および軸受９を介して回転自在に支持するケース１０とからなるアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造において、
前記永久磁石１の周方向長さを、図１１に示すように、前記ロータ３のギャップ側から、背面側に向けて、階段状に増大させてなることを特徴とする。（請求項１に相当）
請求項１に相当する構成による作用効果は前述したので省略する。

さらに、前記ロータ３を、前記永久磁石１の階段ごとに形成された複数のここでは三つのロータ部分１５、１６、１７を中心軸線方向に積層して構成する。（請求項４に相当）
このように、永久磁石１の階段ごとにロータ部分１５、１６、１７を形成することにより、それぞれのロータ部分に形成する、永久磁石１を挿入するための穴の成形をより容易なものとし、ロータ全体としての構成をより容易なものとして、製造コストを低減することができる。

ここでは、永久磁石１も、階段ごとに形成された複数の、ここでは三つの扇形磁石部分２２、２３、２４から形成し、扇形磁石部分２２〜２４はこの順番に、その周方向長さを段階的に増大させている。

このように、永久磁石１を、単純な扇形柱状の扇形磁石部分を成形してそれらを組み合わせて構成することにより、図２および図６に示しように、永久磁石１を一体物の、階段扇形状の永久磁石とすることに比べて、永久磁石の製造コストを低減することができる。
なお、扇形磁石部分２２、２３、２４は、それぞれの周方向中心を一致させて、ロータ部分１５、１６、１７をなすロータコア部分２５、２６、２７に設けた扇形状の穴に挿入接合されて設けられる。

ここでも、図１１に示したロータ構造において、それぞれのロータ部分１５、１６、１７を構成するロータコア部分２５、２６、２７を、電磁鋼板を半径方向に積層して構成する。（請求項２に相当）この場合、電磁鋼板を積層した後、扇形磁石部分２２、２３、２４を挿入接合する穴を、プレス加工等で打ち抜き加工して、ロータコア部分２５、２６、２７を形成する。
これにより、一般的な電磁鋼板により上述したようなアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造を実現することができる。

あるいは、図１１に示したロータ構造において、それぞれのロータ部分１５、１６、１７を構成するロータコア部分２５、２６、２７を、圧粉材により構成する。（請求項３に相当）
なお、圧粉材とは、鉄粉などの磁性粉末と、樹脂などの絶縁物を混ぜて固めたものである。
これによれば、電磁鋼板でロータコアを形成することに比べて、圧粉材特有の形状自由度の高さに起因して、ロータコアの形成をより容易にすることができる。

ここで、電磁鋼板または圧粉材よりなるロータコアに永久磁石を接合するにあたっては、ロウ付け、接着剤等の方法が用いられ、ロータコアが圧粉材により形成される場合には、焼結により、含有される金属粉を拡散結合させて接合することも可能である。

図１に示すアキシャルギャップ型回転電機において、コイル４を図示しないインバータにより励磁すると、ステータ７の周方向に回転磁界が形成され、図２、図７あるいは図１１に示す、周方向に交互に極性が異なる複数の永久磁石１が埋設され、周方向に交互にｄ軸およびｑ軸が形成されたロータ３は回転磁界に吸引反発されて回転磁界と同期速度で回転する。

なお、本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。

本発明は、一ロータ一ステータの構造の、アキシャルギャップ型回転電機のロータ構造に用いて好適なものであり、ロータの永久磁石により発生する磁束をギャップ側に集めて、回転電機としての効率を高めることができるものである。

本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機の一実施形態を示す、略式断面図である。 本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造の一実施形態を示す模式図である。 本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造の一実施形態を示す模式断面図である。 本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造の一実施形態を示す模式断面図である。 本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造の一実施形態を示す模式断面図である。 本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造をなす永久磁石を示す模式図である。 本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造の他の実施形態を示す模式図である。 本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造の一実施形態を示す模式断面図である。 本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造の一実施形態を示す模式断面図である。 本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造の一実施形態を示す模式断面図である。 本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造の他の実施形態を示す模式図である。 従来のアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造を示す模式図である。 従来のアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造を示す模式図である。

符号の説明

１ 永久磁石
２ ロータコア
３ ロータ
４ コイル
５ ステータコア
６ ステータバックコア
７ ステータ
８ 回転軸
９ 軸受
１０ ケース
１１ アウターロータリング
１２ インナーロータリング
１３ 冷却路
１４ エンコーダ
１５ ロータ部分（ギャップ側）
１６ ロータ部分
１７ ロータ部分（背面側）
１８ 扇形磁石部分
１９ ロータコア部分（ギャップ側）
２０ ロータコア部分
２１ ロータコア部分（背面側）
２２ 扇形磁石部分（ギャップ側）
２３ 扇形磁石部分
２４ 扇形磁石部分（背面側）
２５ ロータコア部分（ギャップ側）
２６ ロータコア部分
２７ ロータコア部分（背面側）
５１ 永久磁石
５２ ロータコア

Claims (4)

1. 複数の周方向着磁された永久磁石を磁性体よりなるディスク状のロータコアに周方向に交互に極性を異ならせて間隔をおいて設けてなるロータと、ロータにロータの中心軸線に沿って対向して配置され、コイルを巻装した複数のステータコアを周方向に配置してなるステータと、当該ステータを固定するとともに前記ロータを回転自在に支持するケースとからなるアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造において、
   前記永久磁石の周方向長さを、前記ロータのギャップ側から、背面側に向けて、階段状に増大させてなるアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造。
2. 前記ロータコアを、電磁鋼板を積層して構成してなる請求項１に記載のアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造。
3. 前記ロータコアを、圧粉材により構成してなる請求項１に記載のアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造。
4. 前記ロータを、前記永久磁石の階段ごとに形成されたロータ部分を中心軸線方向に積層して構成してなる請求項１〜３のいずれかに記載のアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造。

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