JP4432616B2 - アキシャルギャップ型回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、強磁性体からなる回転子コアと永久磁石とを有する回転子と、固定子ティース部と固定子ティース部に巻きつけた、固定子コイルとを有する固定子と、を有し、回転子と固定子とがアキシャル方向に配設されたアキシャルギャップ型回転電機に関するものである。

従来、アキシャルギャップ型回転電機の回転子の構成について、回転子のロータ円盤および回転軸を非磁性体材料で一体に形成し、円柱形状に形成した永久磁石を、回転子のロータ円盤に貫通して埋め込むことが知られている（例えば、特許文献１参照）。このように回転子を一体強固に形成することで、高速回転時に永久磁石が遠心力により飛散するのを防止するようにしている。
特開平５−２６８７５４号公報

上述したアキシャルギャップ型回転電機において、回転子のロータ円盤を非磁性体の材料により形成すると、その発生トルクはマグネットトルクだけとなる。発生トルクの増大のためには、マグネットトルクの他、リラクタンストルクも得るとよい。そこで、ロータ円盤を強磁性体の材料により形成し、リラクタンストルクも得ることが考えられる。しかし、上述した従来のアキシャルギャップ型回転電機にあっては、以下に説明するような問題を生ずる。つまり、ロータ円盤の材質を非磁性体材料から強磁性体材料に変更すると、永久磁石間の漏れ磁束、特に周方向に隣り合う永久磁石同士の漏れ磁束が、ロータ円盤を介して多くなり、ロータ円盤を非磁性体材料で形成する場合よりも、かえって発生トルクが減少していしまうという問題があった。

本発明の目的は上述した問題点を解消して、マグネットトルクおよびリラクタンストルクを得て、これらを合算して発生トルクを増大させることができるアキシャルギャップ型回転電機を提供しようとするものである。

本発明のアキシャルギャップ型回転電機は、強磁性体からなる回転子コアと永久磁石とを有する回転子と、固定子ティース部と固定子ティース部に巻きつけた固定子コイルとを有する固定子と、を有し、回転子と固定子とがアキシャル方向に配設されたアキシャルギャップ型回転電機において、永久磁石の固定子と対向する面に凹部を設け、その凹部に強磁性体を配設することで、永久磁石の固定子と対向する面の少なくとも一部を強磁性体で覆ったことを特徴とするものである。

本発明のアキシャルギャップ型回転電機によれば、永久磁石の固定子と対向する面に凹部を設け、その凹部に強磁性体を配設して、永久磁石の固定子と対向する面の少なくとも一部を強磁性体で覆ったことで、マグネットトルクとリラクタンストルクとを得られ、発生トルクを大幅に増加させることが可能である。

以下に、この発明の実施の形態を、図面に基づき詳細に説明する。
図１は本発明のアキシャルギャップ型回転電機の一例を説明するための図である。図１に示す例において、回転軸２と、回転軸２に固定された円盤状の回転子３と、回転子３に対向して設けられた円盤状の固定子４とを、外周ケース５−１及びサイドケース５−２からなるケース５内に収納して、アキシャルギャップ型回転電機１を構成している。

本例において、回転軸２は、ベアリング６−１、６−２を介してサイドケース５−２に回転自在に装着されている。また、回転子３は、円盤状の回転子コア７と、回転子コア７の周方向に複数個設けられた永久磁石８と、から構成されている。回転子コア７は、電磁鋼板の積層体、鉄粉等の粉体を成型した圧粉コア等から構成されている。さらに、固定子４は、サイドケース５−２に設けられた円筒形状の固定子バックコア部９に、固定子コイル１０を巻回した固定子ティース部１１を複数個、等間隔で円周状に配置して構成されている。さらにまた、回転軸２には回転センサ１２が設けられている。

図１に示すアキシャルギャップ型回転電機１において、回転子３は、固定子４から与えられる回転磁束に対して、永久磁石８に反力を発生させ、回転軸２を中心に回転するように構成されている。この永久磁石８は、隣接する永久磁石の磁極は互いに相違するよう配置されている。ここで、回転子３と固定子４の間にはエアギャップと呼ばれる隙間１３が存在し、互いに接触することはない。

本発明の特徴は、上述した構成のアキシャルギャップ型回転電機１において、永久磁石８の固定子４と対向する面の少なくとも一部（全部でも良い）を強磁性体で覆った点にある。以下、その具体例を説明する。

図２は本発明のアキシャルギャップ型回転電機における回転子の一例を説明するための図であり、図３は図２においてＡ−Ａ線に沿った断面を展開して示す図である。図２及び図３に示す例において、回転子３は、第１の電磁鋼板を積層してなる回転子コア７上に、８極の永久磁石８（ここでは回転子４に対向する面がＳ極のものを８Ｓ、Ｎ極のものを８Ｎとも記載する）を、無着磁領域２１を介して円周状等間隔に配置して構成されている。本例の特徴は、各永久磁石８の固定子４と対向する面に、内周側から外周側へと貫通する凹部２２を設け、その凹部２２に、第２の電磁鋼板を積層してなる強磁性体層２３を設けることで、永久磁石８の固定子４と対向する面の少なくとも一部を強磁性体で覆った点である。

図２及び図３に示す例においては、永久磁石８の着磁方向は、各永久磁石８におけるＮ極からＳ極に向く図中矢印で示す方向となる。また、強磁性体層２３を構成する第２の電磁鋼板の積層方向が着磁方向と同じで、永久磁石８の磁束の流れを妨げる方向となっているが、第２の電磁鋼板を積層してなる強磁性体層２３の厚みが小さいため、問題にならない。本例では、永久磁石８の固定子４側の面に設けた凹部２２に強磁性体層２３を配設して、永久磁石８の一部を強磁性体で覆うことで、マグネットトルクとリラクタンストルクを得ることができるため、発生トルクの増大が可能となる。なお、本例において、回転子コア７を形成する第１の電磁鋼板を一般鋼板に置き換えることで、コスト削減が可能である。

図４は本発明のアキシャルギャップ型回転電機における回転子の他の例を説明するための図であり、図３と同様の部分を展開して示した図である。図４に示す例では、第１の電磁鋼板を積層してなる回転子コア７上に、扇形で板状の第１の永久磁石２４を、無着磁領域２１を介して円周上等間隔に配設し、無着磁領域２１上隣り合う第１の永久磁石２４にまたがって、着磁方向が第１の永久磁石２４と９０度異なる第２の永久磁石２５を配設することで、凹部２２を有する永久磁石８を形成している。そして、凹部２２に第２の電磁鋼板を積層してなる強磁性体層２３を設けることで、永久磁石８の固定子４と対向する面の少なくとも一部を強磁性体で覆った本発明の回転子３を構成している。

図４に示す例においては、図２及び図３に示す効果に加えて、凹部２２を有する永久磁石８を第１の永久磁石２４と第２の永久磁石２５の複数の磁石から構成することで、より容易かつ安価に凹部２２を有する永久磁石８を製作することができる。

図５は本発明のアキシャルギャップ型回転電機における回転子のさらに他の例を説明するための図であり、図３と同様の部分を展開して示した図である。図５に示す例では、第１の電磁鋼板を積層してなる回転コア７上に、図３に示した例と同様に製作した凹部２２を有する永久磁石８を、第２の電磁鋼板を積層してなる強磁性体層２６を介して、円周状等間隔に配設している。さらに、本例では、永久磁石８と強磁性体層２６との間に、非磁性体層としてのエアーギャップ２７を設けている。そして、凹部２２に第３の電磁鋼板を積層してなる強磁性体層２３を設けることで、永久磁石８の固定子４と対向する面の少なくとも一部を強磁性体で覆った本発明の回転子３を構成している。

図５に示す例においては、図２及び図３に示す効果に加えて、永久磁石８と強磁性体層２６との間に非磁性体としてのエアギャップ２７を設けることで、よりリラクタンストルクを得ることができる。なお、非磁性体層は非磁性体の材料から構成されていれば、エアーギャップ２７以外の構成をもとることができる。

図６は本発明のアキシャルギャップ型回転電機における回転子のさらに他の例を説明するための図であり、図３と同様の部分を展開して示した図である。図６に示す例では、第１の電磁鋼板を積層してなる回転子コア７上に、扇形で板状の第１の永久磁石２４を、第２の電磁鋼板を積層してなる強磁性体層２６を介して、円周状等間隔に配設している。さらに、本例では、永久磁石８と強磁性体層２６との間に、非磁性体層としてのエアーギャップ２７を設けている。さらにまた、エアーギャップ２７上に、着磁方向が第１の永久磁石２４と９０度異なる第２の永久磁石２５を第２の電磁鋼板を積層してなる強磁性体層２６を介して配設することで、凹部２２を有する永久磁石８を形成している。そして、凹部２２に第３の電磁鋼板を積層してなる強磁性体層２３を設けることで、永久磁石８の固定子４と対向する面の少なくとも一部を強磁性体で覆った本発明の回転子３を構成している。

図６に示す例においては、図２及び図３に示す効果に加えて、凹部２２を有する永久磁石８を第１の永久磁石２４と第２の永久磁石２５の複数の磁石から構成することで、より容易かつ安価に凹部２２を有する永久磁石８を製作することができるとともに、第１の永久磁石２４と強磁性体層２６との間に非磁性体としてのエアギャップ２７を設けることで、よりリラクタンストルクを得ることができる。

図７は本発明のアキシャルギャップ型回転電機における回転子のさらに他の例を説明するための図であり、図３と同様の部分を展開して示した図である。図７に示す例では、第１の電磁鋼板を積層してなる回転子コア７の上に、扇形で板状の第１の永久磁石２４を、第２の電磁鋼板を積層してなる強磁性体層２６及びエアーギャップ２７を介して、円周状等間隔に配設している。さらに、本例では、第１の永久磁石２４、エアギャップ２７及び強磁性体層２６の上に、第１の電磁鋼板を積層してなる強磁性体層２８を配設し、さらにその上に、第１の永久磁石２４と同じ形状の第２の永久磁石２５を、第２の電磁鋼板を積層してなる強磁性体層２６及びエアギャップ２７を介して、円周状等間隔に配設している。さらにまた、本例では、第２の永久磁石２５上であってエアギャップ２７の間に、第３の電磁鋼板を積層してなる強磁性体層２９により第２の永久磁石２５の表面全体を覆うことで、永久磁石８の固定子４と対向する面の全体を強磁性体で覆った本発明の回転子３を構成している。

図７に示す例においては、図２及び図３に示す効果に加えて、一極の永久磁石８を第１の永久磁石２４と第２の永久磁石２５と厚さ方向に複数個に分割して構成することで、よりリラクタンストルクを得ることができる。

図８は本発明のアキシャルギャップ型回転電機の他の例を説明するための図である。図８に示す例において、図１に示す例と同一の部材には同一の符号を付し、その説明を省略する。図８に示す例において図１に示す例と異なる点は、図１に示した例では、１つの回転子３と１つの固定子４との組合せであるのに対し、図８に示す例では、１つの回転子３の両側に１つの回転子３を挟むように２つの固定子４を設けた点である。そのため、回転子３の両表面が固定子４と対向する面となるため、永久磁石８を回転子３の両表面に露出して設ける必要がある。以下、図８に示す構成のアキシャルギャップ型回転電機１に好適に用いることのできる本発明の回転子３について、さらに具体的に説明する。

図９は本発明のアキシャルギャップ型回転電機における回転子のさらに他の例を説明するための図であり、図３と同様の部分を展開して示した図である。図９に示す例では、第１の電磁鋼板を積層してなる回転コア７内に、両表面の同じ位置に凹部２２を有する永久磁石８を、第２の電磁鋼板を積層してなる強磁性体層２６を介して、円周状等間隔に配設している。さらに、本例では、永久磁石８と強磁性体層２６との間に、非磁性体層としてのエアーギャップ２７を設けている。そして、両表面の凹部２２に第２の電磁鋼板を積層してなる強磁性体層２３を設けることで、永久磁石の固定子４と対向する両表面のそれぞれにおいて少なくとも一部を強磁性体で覆った本発明の回転子３を構成している。本例では、図５で得られる効果と同様の効果を得ることができる。

図１０は本発明のアキシャルギャップ型回転電機における回転子のさらに他の例を説明するための図であり、図３と同様の部分を展開して示した図である。図１０に示す例では、第１の電磁鋼板を積層してなる回転コア７内に、扇形で板状の第１の永久磁石２４を円周状等間隔に配設し、回転コア７上隣り合う第１の永久磁石２４の間の両表面に、着磁方向が第１の永久磁石２４と９０度異なる第２の永久磁石２５を配設することで、両表面に凹部２２を有する永久磁石８を形成している。そして、両表面の凹部２２に第２の電磁鋼板を積層してなる強磁性体層２３を設けることで、永久磁石８の固定子４と対向する面のそれぞれにおいて少なくとも一部を強磁性体で覆った本発明の回転子３を構成している。本例では、図４で得られる効果と同様の効果を得ることができる。

図１１は本発明のアキシャルギャップ型回転電機における回転子のさらに他の例を説明するための図であり、図３と同様の部分を展開して示した図である。図１１に示す例では、第１の電磁鋼板を積層してなる回転コア３７の両表面に、凹部２２を有する永久磁石８を、第２の電磁鋼板を積層してなる強磁性体層２６を介して、円周状等間隔に配設している。さらに、本例では、永久磁石８と強磁性体層２６との間に、非磁性体層としてのエアーギャップ２７を設けている。そして、凹部２２に第３の電磁鋼板を積層してなる強磁性体層２３を設けることで、永久磁石８の固定子４と対向する面の少なくとも一部を強磁性体で覆った本発明の回転子３を構成している。本例では、図５で得られる効果に加えて、電磁鋼板として３種類の形状のものを使用することで、永久磁石８の固定が容易になる。

図１２は本発明のアキシャルギャップ型回転電機における回転子のさらに他の例を説明するための図であり、図３と同様の部分を展開して示した図である。図１２に示す例では、第１の電磁鋼板を積層してなる回転コア７内に、両表面の回転方向に沿ってずれた位置に凹部２２を有する永久磁石８を、第２の電磁鋼板を積層してなる強磁性体層２６を介して、円周状等間隔に配設している。さらに、本例では、永久磁石８と強磁性体層２６との間に、非磁性体層としてのエアーギャップ２７を設けている。そして、両表面の回転方向に沿ってずれた位置に設けた凹部２２に第２の電磁鋼板を積層してなる強磁性体層２３を設けることで、永久磁石８の固定子４と対向する両表面のそれぞれにおいて少なくとも一部を強磁性体で覆った本発明の回転子３を構成している。本例では、図９で得られる効果に加えて、永久磁石８の両表面に設けた凹部２２の位置を回転方向にずらすことで、コギングトルクを低減することができる。

本発明は上述した実施例にのみ限定されるものではなく、幾多の変形、変更が可能である。例えば、上述した実施例では回転電機と述べているが、それは電動機でも発電機でもかまわない。また、上述した実施例では、８極であるが、他の極数でもかまわない。さらに、上述した実施例では、回転子コア７を構成する強磁性体として電磁鋼板または一般鋼板を例示しているが、圧粉コアでも構成することが可能である。さらにまた、上述した実施例では、回転子３が１つ、固定子４が１つの場合と、回転子３が１つ、固定子４が２つの場合の２通りを述べているが、例えば回転子３が２つ、固定子４が１つの場合、回転子３が２つ、固定子４が３つの場合、回転子３が３つ、固定子４が２つの場合等、それら以外の組合せでもかまわない。

本発明のアキシャルギャップ型回転電機は、回転軸に沿って少なくとも一対のステータと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において、マグネットトルクおよびリラクタンストルクを得て、これらを合算して発生トルクを増大させる用途に好適に使用することができる。

本発明のアキシャルギャップ型回転電機の一例を説明するための図である。 本発明のアキシャルギャップ型回転電機における回転子の一例を説明するための図である。 図２においてＡ−Ａ線に沿った断面を展開して示す図である。 本発明のアキシャルギャップ型回転電機における回転子の他の例を説明するための図である。 本発明のアキシャルギャップ型回転電機における回転子のさらに他の例を説明するための図である。 本発明のアキシャルギャップ型回転電機における回転子のさらに他の例を説明するための図である。 本発明のアキシャルギャップ型回転電機における回転子のさらに他の例を説明するための図である。 本発明のアキシャルギャップ型回転電機の他の例を説明するための図である。 本発明のアキシャルギャップ型回転電機における回転子のさらに他の例を説明するための図である。 本発明のアキシャルギャップ型回転電機における回転子のさらに他の例を説明するための図である。 本発明のアキシャルギャップ型回転電機における回転子のさらに他の例を説明するための図である。 本発明のアキシャルギャップ型回転電機における回転子のさらに他の例を説明するための図である。

符号の説明

１ アキシャルギャップ型回転電機
２ 回転軸
３ 回転子
４ 固定子
５ ケース
５−１ 外周ケース
５−２ サイドケース
６−１、６−２ ベアリング
７ 回転子コア
８、８Ｓ、８Ｎ 永久磁石
９ 固定子バックコア部
１０ 固定子コイル
１１ 固定子ティース部
１２ 回転センサ
１３ 隙間
２１ 無着磁領域
２２ 凹部
２３、２６、２８、２９ 強磁性体層
２４ 第１の永久磁石
２５ 第２の永久磁石
２７ エアギャップ

Claims (6)

1. 強磁性体からなる回転子コアと永久磁石とを有する回転子と、固定子ティース部と固定子ティース部に巻きつけた固定子コイルとを有する固定子と、を有し、回転子と固定子とがアキシャル方向に配設されたアキシャルギャップ型回転電機において、永久磁石の固定子と対向する面に凹部を設け、その凹部に強磁性体を配設することで、永久磁石の固定子と対向する面の少なくとも一部を強磁性体で覆ったことを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
2. 凹部を有する永久磁石が、複数個の磁石により構成されていることを特徴とする請求項１記載のアキシャルギャップ型回転電機。
3. 周方向で隣り合う永久磁石の間に強磁性体を配設し、永久磁石と配設した強磁性体との間に非磁性体層を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載のアキシャルギャップ型回転電機。
4. 回転子を構成する回転子コアが、２種類以上の形状の電磁鋼板を組み合わせて構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のアキシャルギャップ型回転電機。
5. 回転子を構成する回転子コアが、圧粉コアにより構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のアキシャルギャップ型回転電機。
6. 回転子が固定子に挟み込まれた構成で、回転コアの両面に永久磁石を配置してなるアキシャルギャップ型回転電機であって、一方の固定子に対向する永久磁石を覆った強磁性体の位置と、他方の固定子に対向する永久磁石を覆った強磁性体の位置とが、回転方向にずれていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のアキシャルギャップ型回転電機。

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