JP4707696B2 - アキシャルギャップ型モータ - Google Patents

Description

本発明は、アキシャルギャップ型モータに関する。

従来、例えば回転軸方向の両側からロータを挟み込むようにして対向配置された１対のステータを備え、ロータの永久磁石による界磁磁束に対して、１対のステータを介した磁束ループを形成する軸ギャップ型の永久磁石発電機が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特表平６−５００４５７号公報

ところで、上記従来技術の一例に係る永久磁石発電機においては、ロータの永久磁石による界磁磁束をいわば１対のステータ間で掃引するようにしてロータ内を直線的に貫通させることによってロータ内での磁束漏洩量を低減させ、ステータの固定子巻線を鎖交する鎖交磁束量を増大させるようになっている。
このような永久磁石発電機においては、ステータに対する通電時に発生する電機子磁束による渦電流損失を低減して永久磁石発電機の運転効率を向上させつつ、ステータの固定子巻線を鎖交する鎖交磁束量をさらに増大させて、トルクポテンシャルを増大させることが望まれている。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、通電時に発生する渦電流損失を低減して運転効率を向上させつつ、ステータの固定子巻線を鎖交する鎖交磁束量を増大させることが可能なアキシャルギャップ型モータを提供することを目的とする。

上記課題を解決して係る目的を達成するために、本発明の第１態様に係るアキシャルギャップ型モータは、回転軸周りに回転可能なロータ（例えば、実施の形態でのロータ１１）と、前記ロータの回転軸に平行な回転軸方向の両側から前記ロータを挟み込むようにして対向配置された第１ステータ（例えば、実施の形態での一方のステータ１２）および第２ステータ（例えば、実施の形態での他方のステータ１２）とを備えるアキシャルギャップ型モータであって、前記ロータは、磁化方向が前記回転軸方向となるようにして周方向に配置された複数の主永久磁石（例えば、実施の形態での主永久磁石片４１）と、周方向で隣り合う前記主永久磁石同士間に配置される非磁性材からなる仕切り部材（例えば、実施の形態での径方向リブ３４）と、磁化方向が前記回転軸方向よび前記径方向に直交する方向となるようにして前記仕切り部材の前記回転軸方向の両端部に配置された副永久磁石（例えば、実施の形態での副永久磁石片４３）とを備える。

さらに、本発明の第２態様に係るアキシャルギャップ型モータでは、前記仕切り部材は中空状の形状を有する。

さらに、本発明の第３態様に係るアキシャルギャップ型モータでは、前記仕切り部材は絶縁性の前記非磁性材（例えば、実施の形態での電気絶縁性の非磁性材３４ｂ）と非絶縁性の前記非磁性材（例えば、実施の形態での非電気絶縁性の非磁性材３４ａ）とが積層された積層体からなる。

さらに、本発明の第４態様に係るアキシャルギャップ型モータは、前記ロータの内周側に配置された内周側リング（例えば、実施の形態での内周側筒状部３５）と、前記ロータの外周側に配置された外周側リング（例えば、実施の形態での外周側筒状部３６）とを備え、前記内周側リングと前記外周側リングとは、互いに同軸に配置された状態で、前記仕切り部材によって結合されている。

本発明の第１態様に係るアキシャルギャップ型モータによれば、周方向で隣り合う主永久磁石同士間に非磁性材からなる仕切り部材を配置し、この仕切り部材の回転軸方向の両端部に、主永久磁石の磁化方向と直交する方向に磁化された副永久磁石を配置することにより、構造体としての所望の剛性を確保しつつ、所謂永久磁石のハルバッハ配置による磁束レンズ効果によって各永久磁石の磁束を収束させることができる。これにより、ステータの固定子巻線に鎖交する磁束量を増大させ、トルクポテンシャルを増大させることができ、アキシャルギャップ型モータの運転効率を向上させることができる。

さらに、本発明の第２態様に係るアキシャルギャップ型モータによれば、仕切り部材を中空状の形状とすることにより、磁気絶縁性を向上させることができ、各永久磁石の磁束を効率よく収束させることができると共に、通電時に発生する電機子磁束による渦電流損失を低減することができ、ジュール熱による過剰な温度上昇を防止することができる。

さらに、本発明の第３態様に係るアキシャルギャップ型モータによれば、仕切り部材を電気絶縁性の非磁性材と非電気絶縁性の非磁性材とが積層された積層体とすることにより、通電時に発生する電機子磁束による渦電流損失を低減することができ、ジュール熱による過剰な温度上昇を防止することができる。

さらに、本発明の第４態様に係るアキシャルギャップ型モータによれば、主永久磁石および副永久磁石を径方向の両側から挟み込む内周側リングと外周側リングとを仕切り部材によって結合することにより、構造体としての所望の剛性を容易に確保することができる。

以下、本発明のアキシャルギャップ型モータの一実施形態について添付図面を参照しながら説明する。
本実施の形態によるアキシャルギャップ型モータ１０は、例えば図１および図２に示すように、このアキシャルギャップ型モータ１０の回転軸Ｏ周りに回転可能に設けられた略円環状のロータ１１と、回転軸Ｏ方向の両側からロータ１１を挟みこむようにして対向配置され、ロータ１１を回転させる回転磁界を発生する複数相の各固定子巻線を有する１対のステータ１２，１２とを備えて構成されている。

このアキシャルギャップ型モータ１０は、例えばハイブリッド車両や電動車両等の車両に駆動源として搭載され、出力軸がトランスミッション（図示略）の入力軸に接続されることで、アキシャルギャップ型モータ１０の駆動力がトランスミッションを介して車両の駆動輪（図示略）に伝達されるようになっている。

また、車両の減速時に駆動輪側からアキシャルギャップ型モータ１０に駆動力が伝達されると、アキシャルギャップ型モータ１０は発電機として機能していわゆる回生制動力を発生し、車体の運動エネルギーを電気エネルギー（回生エネルギー）として回収する。さらに、例えばハイブリッド車両においては、アキシャルギャップ型モータ１０の回転軸が内燃機関（図示略）のクランクシャフトに連結されると、内燃機関の出力がアキシャルギャップ型モータ１０に伝達された場合にもアキシャルギャップ型モータ１０は発電機として機能して発電エネルギーを発生する。

各ステータ１２は、略円環板状のヨーク部２１と、ロータ１１に対向するヨーク部２１の対向面上で周方向に所定間隔をおいた位置から回転軸Ｏ方向に沿ってロータ１１に向かい突出すると共に径方向に伸びる複数のティース２２，…，２２と、適宜のティース２２，２２間に装着される固定子巻線とを備えて構成されている。

各ステータ１２は、例えば主極が６個（例えば、Ｕ^＋，Ｖ^＋，Ｗ^＋，Ｕ⁻，Ｖ⁻，Ｗ⁻）とされた６Ｎ型であって、一方のステータ１２の各Ｕ^＋，Ｖ^＋，Ｗ^＋極に対して、他方のステータ１２の各Ｕ⁻，Ｖ⁻，Ｗ⁻極が回転軸Ｏ方向で対向するように設定されている。
例えば回転軸Ｏ方向で対向する１対のステータ１２，１２に対し、Ｕ^＋，Ｖ^＋，Ｗ^＋極およびＵ⁻，Ｖ⁻，Ｗ⁻極の一方に対応する一方のステータ１２の３個のティース２２，２２，２２と、Ｕ^＋，Ｖ^＋，Ｗ^＋極およびＵ⁻，Ｖ⁻，Ｗ⁻極の他方に対応する他方のステータ１２の３個のティース２２，２２，２２とが、回転軸Ｏ方向で対向するように設定され、回転軸Ｏ方向で対向する一方のステータ１２のティース２２と、他方のステータ１２のティース２２とに対する通電状態が電気角で反転状態となるように設定されている。

そして、周方向で隣り合うティース２２，２２同士間の周方向での間隔、つまり周方向で隣り合うティース２２，２２間に形成されて径方向に伸びるスロット２３のスロット幅は、径方向において所定の一定値となるように設定されている。

ロータ１１は、複数の主磁石極部３１，…，３１と、複数の副磁石部３２，…，３２と、非磁性材からなるロータフレーム３３とを備えて構成され、主磁石極部３１と副磁石部３２とは、周方向において交互に配置された状態で、ロータフレーム３３内に収容されている。

ロータフレーム３３は、周方向に所定間隔をおいて配置された複数の径方向リブ３４，…，３４によって接続された内周側筒状部３５と外周側筒状部３６と、内周側筒状部３５の内周面上から内方に向かい突出する円環板状に形成され、外部の駆動軸（例えば、車両のトランスミッションの入力軸等）に接続される接続部３７とを備えて構成されている。
この実施の形態では、ロータフレーム３３の内周側筒状部３５が外部の駆動軸に接続されることから、径方向リブ３４の径方向の内方側がシャフト部側となり、径方向リブ３４の径方向の外方側がリム部側となる。

径方向リブ３４は、例えば図３に示すように、中空状の形状を有し、非磁性材によって径方向に伸びる筒状に形成されている。

主磁石極部３１は、例えば図４〜図６に示すように、厚さ方向（つまり、回転軸Ｏ方向）に磁化された略扇形板状の主永久磁石片４１と、この主永久磁石片４１を厚さ方向の両側から挟み込む１対の略扇形板状の磁性材部材４２，４２とを備えて構成され、周方向で隣り合う主磁石極部３１，３１の各主永久磁石片４１，４１は、例えば図６に示すように、磁化方向が互いに異方向となるように設定されている。

そして、ロータフレーム３３内に収容された複数の主磁石極部３１，…，３１は、径方向の両側から内周側筒状部３５と外周側筒状部３６とにより挟み込まれると共に、径方向リブ３４を介して周方向で隣り合うように配置されている。
つまり、ロータフレーム３３内において、各主磁石極部３１の主永久磁石片４１は２つの径方向リブ３４によって周方向の両側から挟み込まれている。

副磁石部３２は、例えばロータフレーム３３内において回転軸Ｏ方向の両側から径方向リブ３４を挟み込む１対の副永久磁石片４３，４３を備えて構成され、回転軸Ｏ方向で対向する１対の副永久磁石片４３，４３は、例えば図５、図６に示すように、それぞれ回転軸Ｏ方向および径方向に直行する方向（略周方向）に磁化され、互いに磁化方向が異方向とされている。

そして、ロータフレーム３３内において、周方向で隣り合う副磁石部３２，３２の副永久磁石片４３，４３同士は、主磁石極部３１の磁性材部材４２を周方向の両側から挟み込んでいる。
なお、ロータ１１のロータフレーム３３とロータフレーム３３以外の構成要素（つまり、主磁石極部３１および副磁石部３２）とを分離して示す図２と、ロータ１１のロータフレーム３３以外の構成要素（つまり、主磁石極部３１および副磁石部３２）を示す図４とにおいては、回転軸Ｏ方向で対向する１対の副永久磁石片４３，４３間および周方向で隣り合う主永久磁石片４１，４１間に、ロータフレーム３３の径方向リブ３４が配置される空間部３４ａが形成されている。

磁性材部材４２を介して周方向で対向する１対の副永久磁石片４３，４３同士は、例えば図５、図６に示すように、互いに磁化方向が異方向とされている。
そして、回転軸Ｏ方向の一方側に配置された１対の副永久磁石片４３，４３同士は、回転軸Ｏ方向に磁化された主永久磁石片４１の一方側の磁極と同極の磁極を対向させ、回転軸Ｏ方向の他方側に配置された１対の副永久磁石片４３，４３同士は、回転軸Ｏ方向に磁化された主永久磁石片４１の他方側の磁極と同極の磁極を対向させるように配置されている。

つまり、例えば回転軸Ｏ方向の一方側がＮ極かつ他方側がＳ極とされた主永久磁石片４１に対して、回転軸Ｏ方向の一方側において磁性材部材４２を周方向の両側から挟み込む１対の副永久磁石片４３，４３は、互いのＮ極が周方向で対向するように配置され、回転軸Ｏ方向の他方側において磁性材部材４２を周方向の両側から挟み込む１対の副永久磁石片４３，４３は、互いのＳ極が周方向で対向するように配置されている。
これにより、所謂永久磁石のハルバッハ配置による磁束レンズ効果により主永久磁石片４１および各副永久磁石片４３，４３の各磁束が収束し、各ステータ１２，１２に鎖交する有効磁束が相対的に増大するようになっている。

上述したように、本実施の形態によるアキシャルギャップ型モータ１０によれば、周方向で隣り合う主永久磁石片４１，４１同士間に非磁性材からなる中空状の形状の径方向リブ３４を配置し、この径方向リブ３４の回転軸方向の両端部に、主永久磁石片４１の磁化方向と直交する方向に磁化された副永久磁石片４３を配置することにより、構造体としての所望の剛性を確保しつつ、磁気絶縁性を向上させることができる。これにより、所謂永久磁石のハルバッハ配置による磁束レンズ効果によって各永久磁石の磁束を収束させる際に、各永久磁石の磁束を効率よく収束させることができ、ステータ１２の固定子巻線に鎖交する磁束量を増大させることができると共に、通電時に発生する電機子磁束による渦電流損失を低減することができ、トルクポテンシャルを増大させることができ、ジュール熱による過剰な温度上昇を防止することができ、アキシャルギャップ型モータ１０の運転効率を向上させることができる。

なお、上述した実施の形態では、単に、径方向リブ３４を非磁性材により中空状の形状に形成するとしたが、これに限定されず、例えば図７に示すように、さらに、径方向リブ３４を電気絶縁性の非電気磁性材と非絶縁性の非磁性材とが積層された積層体から形成してもよい。例えば図７に示す第１変形例では、筒状の径方向リブ３４は、例えば非電気絶縁性である金属系の環状の非磁性材（例えば、銅等）３４ａと電気絶縁性の環状の非磁性材３４ｂとが径方向に交互に積層されて構成されている。
この第１変形例によれば、径方向リブ３４を非電気絶縁性の非磁性材３４ａと電気絶縁性の非磁性材３４ｂとが積層された積層体とすることにより、通電時に発生する電機子磁束による渦電流損失を、より一層、低減することができ、ジュール熱による過剰な温度上昇を防止することができる。

また、この第１変形例においては、径方向リブ３４を中空状としたが、これに限定されず、径方向リブ３４を電気絶縁性の非磁性材と非電気絶縁性の非磁性材とが積層された積層体から形成する場合には、例えば図８に示す第２変形例のように、径方向リブ３４を径方向に伸びる柱状に形成してもよい。この第２変形例では、柱状の径方向リブ３４は、例えば非電気絶縁性である金属系の板状の非磁性材（例えば、銅等）３４ａと電気絶縁性の板状の非磁性材３４ｂとが径方向に交互に積層されて構成されている。
この第２変形例によれば、非電気絶縁性の非磁性材３４ａと電気絶縁性の非磁性材３４ｂとが積層された積層体から柱状の径方向リブ３４を形成することにより、通電時の電機子磁束による渦電流損失の発生を抑制しつつ、構造体としての剛性を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係るアキシャルギャップ型モータの斜視図である。 本発明の一実施形態に係るアキシャルギャップ型モータのロータの分解斜視図である。 本発明の一実施形態に係るアキシャルギャップ型モータの径方向リブの斜視図である。 本発明の一実施形態に係るアキシャルギャップ型モータのロータの要部分解斜視図である。 本発明の一実施形態に係るアキシャルギャップ型モータのロータの要部分解斜視図である。 本発明の一実施形態に係るアキシャルギャップ型モータの径方向に対する要部断面図である。 本発明の一実施形態の第１変形例に係るアキシャルギャップ型モータの径方向リブの斜視図である。 本発明の一実施形態の第２変形例に係るアキシャルギャップ型モータの径方向リブの斜視図である。

符号の説明

１０ アキシャルギャップ型モータ
１１ ロータ
１２ ステータ（ステータ、第１ステータ、第２ステータ）
２２ ティース
２３ スロット
３４ 径方向リブ（仕切り部材）
３４ａ 非電気絶縁性の非磁性材
３４ｂ 電気絶縁性の非磁性材
３５ 内周側筒状部（内周側リング）
３６ 外周側筒状部（外周側リング）
４１ 主永久磁石片（主永久磁石）
４３ 副永久磁石片（副永久磁石）

Claims (4)

1. 回転軸周りに回転可能なロータと、前記ロータの回転軸に平行な回転軸方向の両側から前記ロータを挟み込むようにして対向配置された第１ステータおよび第２ステータとを備えるアキシャルギャップ型モータであって、
   前記ロータは、磁化方向が前記回転軸方向となるようにして周方向に配置された複数の主永久磁石と、周方向で隣り合う前記主永久磁石同士間に配置される非磁性材からなる仕切り部材と、磁化方向が前記回転軸方向よび前記径方向に直交する方向となるようにして前記仕切り部材の前記回転軸方向の両端部に配置された副永久磁石とを備えることを特徴とするアキシャルギャップ型モータ。
2. 前記仕切り部材は中空状の形状を有することを特徴とする請求項１に記載のアキシャルギャップ型モータ。
3. 前記仕切り部材は絶縁性の前記非磁性材と非絶縁性の前記非磁性材とが積層された積層体からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のアキシャルギャップ型モータ。
4. 前記ロータの内周側に配置された内周側リングと、前記ロータの外周側に配置された外周側リングとを備え、
   前記内周側リングと前記外周側リングとは、互いに同軸に配置された状態で、リブを成す前記仕切り部材によって結合されていることを特徴とする請求項１から請求項３の何れか１つに記載のアキシャルギャップ型モータ。

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