JP4904736B2

JP4904736B2 - 回転電機の固定子

Info

Publication number: JP4904736B2
Application number: JP2005211282A
Authority: JP
Inventors: 雄太郎金子; 裕介中山
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2005-07-21
Filing date: 2005-07-21
Publication date: 2012-03-28
Anticipated expiration: 2025-07-21
Also published as: US7595575B2; CN100578892C; JP2007028868A; CN1901327A; US20070018520A1

Description

この発明は、回転電機の固定子に関し、特に、コギングトルクの低減に寄与する回転電機の固定子に関する。

従来、回転子に永久磁石を装着した構造を有する回転電機が知られている。このような構造の回転電機は、損失が少なく効率も良く、その上、大きな出力が得られる等の理由により数多く使用されている。
ところで、この永久磁石型回転電機にあっては、「コギングトルク」の発生が避けられず、例えば、コギングトルクが大きい回転電機は、高速で回転すると振動・騒音を生じてしまう。そこで、このコギングトルクを減らすための対策を講じたものとして、例えば、「永久磁石式回転電機」（特許文献１参照）や「永久磁石式回転電機」（特許文献２参照）が知られている。

図９は、従来の永久磁石式回転電機の構造を示す断面図である。図１０は、他の従来の永久磁石式回転電機の構造を示す断面図である。
図９に示すように、従来の永久磁石式回転電機１（特許文献１参照）には、固定子ティース部２の先端形状を工夫して対応すること、即ち、従来、絶縁体により構成していた部位を熱伝達率の良い磁性粉末により構成して、回転電機の放熱性能を高めていることが開示されている。また、図１０に示すように、従来の永久磁石式回転電機３（特許文献２参照）には、同一の２つの回転電機（モータＡ，モータＢ）を用い、それぞれのコギングトルクが打ち消し合うようにずらして配置して対応することが開示されている。なお、この例は、径方向に固定子と回転子が配設されたラジアルギャップ型モータである。
特開２０００−３３３３９１号公報特開２００３−１２５５６６号公報

しかしながら、従来の永久磁石式回転電機１（特許文献１参照）においては、固定子ティース部２の先端形状のみの工夫であって、ティースの巻線部位にのみ磁性粉末が配設されているため、ティース形状の自由度（変更範囲）が少なく、ティース先端の突起部の磁束を効率よくティースに伝えられないことから、コギングトルクの大幅な低減効果を得ることができない。

また、従来の永久磁石式回転電機３（特許文献２参照）においては、コギングトルクの低減効果は大きいが、同一の回転電機を２つ（モータＡ，モータＢ）用いるために、形状が大型化すると共にコスト等も増加してしまう。
この発明の目的は、大型化することなくコスト等も増加することなくコギングトルクの大幅な低減効果を得ることができる回転電機の固定子を提供することである。

上記目的を達成するため、この発明に係る回転電機の固定子は、永久磁石が装着された回転子と、固定子巻線が巻回された固定子ティース部を有する固定子とを、回転軸方向に対向して配置したアキシャルギャップ型の回転電機の固定子において、前記固定子を前記回転子の回転軸方向両側に配置し、前記永久磁石に対向して円環状に複数並置した前記固定子ティース部と前記回転子との間に形成される、前記回転子の回転軸方向両側のエアギャップに臨む、前記固定子ティース部の先端突起部の形状を、前記回転子を挟んで対向する前記固定子ティース部同士で異ならせ、且つ、固定子周方向で隣り合う同士で異ならせたことを特徴としている。

この発明によれば、永久磁石が装着された回転子と、固定子巻線が巻回された固定子ティース部を有する固定子とを、回転軸方向に対向して配置したアキシャルギャップ型の回転電機の固定子は、前記固定子を前記回転子の回転軸方向両側に配置し、前記永久磁石に対向して円環状に複数並置した前記固定子ティース部と前記回転子との間に形成される、前記回転子の回転軸方向両側のエアギャップに臨む、前記固定子ティース部の先端突起部の形状を、前記回転子を挟んで対向する前記固定子ティース部同士で異ならせ、且つ、固定子周方向で隣り合う同士で異ならせている。このため、大型化することなくコスト等も増加することなくコギングトルクの大幅な低減効果を得ることができる。

以下、この発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。
（第１実施の形態）
図１は、この発明の第１実施の形態に係る回転電機の固定子の軸方向に沿う断面図である。図２は、図１の固定子の軸方向に直交する方向の断面図である。図１に示すように、回転電機１０は、回転子（ロータ）１１、回転子１１を両側から挟み込むように対向して配置した一対の固定子（ステータ）１２，１２、及びケース１３を有しており、回転子１１と一対の固定子１２，１２の各対向面が、回転軸１４の中心軸線方向に対し直交配置されたアキシャルギャップ型構造を有している。

回転子１１は、盤面中心を回転軸１４が貫通する円盤状の回転子コア１５と、回転子コア１５に装着された複数の永久磁石１６を有しており、一対の固定子１２，１２は、それぞれ強磁性体、例えば、電磁鋼板からなる固定子コア１７を有している。
図２に示すように、固定子コア１７は、円環状盤体からなるバックコア部１８と、バックコア部１８の表面に略等間隔互いに離間して突設された複数の固定子ティース部１９により形成されている。各固定子ティース部１９には、絶縁体２０を介して固定子巻線（コイル）２１が巻回されている。

図１に示すように、ケース１３は、円筒状の外周ケース１３ａと、外周ケース１３ａの両端開口を塞ぐ一対のサイドケース１３ｂ，１３ｂを有しており、外周ケース１３ａと各サイドケース１３ｂは、両ケース１３ａ，１３ｂに設けられた、例えば、フランジ状取付け部を介してボルト２２ａとナット２２ｂにより締め付け固定されている。また、一方のサイドケース１３ｂの外側面には、回転軸１４の回転状態を検出する回転センサ２３が装着されている。

これら両サイドケース１３ｂ、１３ｂに、ベアリング２４を介して、回転軸１４が回転自在に保持されており、この回転軸１４を中心に、一対の固定子１２，１２から与えられる回転磁束に対し永久磁石１７が発生させる反力によって、回転子１１が回転する。永久磁石１７は、隣接する永久磁石１７の磁極が互いに異なるように、配置されている。回転子１１と一対の固定子１２，１２のそれぞれの間にはエアギャップ（隙間）ａが存在しており、両者が互いに接触することはない（図１参照）。

図３は、回転子を挟んで位置する固定子の一部を展開して示す説明図である。図３に示すように、回転子１１を挟んで位置する一対の固定子１２，１２の、固定子巻線２１が巻回された各固定子ティース部１９には、エアギャップａ側先端面に、先端面を拡径した外向きフランジ（鍔）状の先端突起部２５が形成されている。

一対の固定子１２，１２の、回転子１１を挟んで対向する、即ち、各エアギャップａに臨んで向き合う各固定子ティース部１９は、対向する各固定子ティース部１９の中心線が同一となるように配置されると共に、対向する各固定子ティース部１９の先端突起部２５の固定子コア周方向幅（ティース幅）を異ならせている。つまり、例えば、一方の固定子ティース部１９の先端突起部２５のティース幅ｄ１を、他方の固定子ティース部１９の先端突起部２５のティース幅ｄ２より狭くすることにより、回転子１１を挟んで対向する各固定子ティース部１９は、それぞれの固定子１２，１２側のエアギャップａ毎に同一の形状を有しているが、対向する各先端突起部２５は異なった形状になるように形成されている。

このように、一方の固定子１２側のエアギャップａに面する先端突起部２５と、他方の固定子１２側のエアギャップａに面する先端突起部２５が、異なった形状になるように形成されているので、コギングトルクの波形を調整することが可能になる。なお、各固定子ティース部１９は、それぞれの固定子１２側のエアギャップａ毎に同一の形状を有することにより、構造の簡素化が可能となり、コストを抑えることができる。

図４は、一対の固定子のそれぞれのコギングトルクと合計コギングトルクをグラフで示す説明図である。図４に示すように、一方の固定子１２によるコギングトルクｔ１と、他方の固定子１２によるコギングトルクｔ２とが互いに打ち消しあって、コギングトルクｔ１とコギングトルクｔ２の合計コギングトルクｔ０は、コギングトルクｔ１或いはコギングトルクｔ２に比べて遙かに小さくなる。
つまり、各固定子ティース部１９の、一方の固定子１２側のエアギャップａに面する先端突起部２５と、他方の固定子１２側のエアギャップａに面する先端突起部２５を、コギングトルクの波形が正逆異なるように、異なった形状に形成することで、コギングトルクを互いに打ち消し合うことが可能になり、その結果、コギングトルクを低減することができる。

なお、回転子１１の隣接する永久磁石１７間の距離ｄ３（図３参照）と、先端突起部２５のティース幅ｄ１，ｄ２について、例えば、それぞれの固定子１２側のエアギャップａ毎に、一方が、０．５＞（ｄ３÷ｄ１）の範囲に、他方が、０．５＜（ｄ３÷ｄ２）の範囲になるようにすることで、コギングトルクの波形を正逆異なるようにすることができる。

（第２実施の形態）
図５は、この発明の第２実施の形態に係る回転電機の回転子を挟んで位置する固定子の一部を展開して示す説明図である。図５に示すように、一方の固定子１２側のエアギャップａに面する先端突起部２５と、他方の固定子１２側のエアギャップａに面する先端突起部２５が、異なった形状になるように形成されているのに加え、回転子１１を挟んで対向する各固定子ティース部１９が、その中心線が同一線上に位置しないように、互いにずれて配置されている。このため、コギングトルク波形の調整が可能になり、コギングトルクをより低減することができる。

（第３実施の形態）
図６は、この発明の第３実施の形態に係る回転電機の固定子コアの一つを内径側から見た説明図である。図６に示すように、固定子３５は、各固定子ティース部３６のエアギャップａに面する先端突起部３７の形状が、固定子コア周方向の両側で異なっている。つまり、固定子コア周方向の一方側３７ａでは、外側への突出量が少なく、他方側３７ｂでは、外側への突出量が大きく形成されている。このため、コギングトルク波形の調整が可能になり、コギングトルクをより低減することができる。

なお、各固定子ティース部３６は、回転子１１を挟んで、一方の固定子３５側のエアギャップａに面する先端突起部３７と、他方の固定子３５側のエアギャップａに面する先端突起部３７が、異なった形状になるように配置する。即ち、回転子１１を挟んで対向する固定子ティース部３６同士は、先端突起部３７の一方側３７ａと他方側３７ｂが向き合うように、先端突起部３７の向きを１８０度変えて配置する。

（第４実施の形態）
図７は、この発明の第４実施の形態に係る回転電機の回転子を挟んで位置する固定子の一部を展開して示す説明図である。図７に示すように、一方の固定子１２側のエアギャップａに面する先端突起部２５と、他方の固定子１２側のエアギャップａに面する先端突起部２５が、異なった形状になるように形成されているのに加え、固定子コア周方向で隣り合う固定子ティース部１９同士でも、先端突起部２５の形状が異なっている。

つまり、例えば、回転子１１を挟んで対向する各固定子ティース部１９は、一方の先端突起部２５がティース幅ｄ１で、他方の先端突起部２５がティース幅ｄ２に形成されており、固定子コア周方向で隣り合う固定子ティース部１９は、ティース幅ｄ１の先端突起部２５とティース幅ｄ２の先端突起部２５が交互に配置されている。このため、コギングトルク波形の調整が可能になり、コギングトルクをより低減することができる。

（第５実施の形態）
図８は、この発明の第５実施の形態に係る回転電機の固定子を挟んで位置する回転子の一部を展開して示す説明図である。図８に示すように、この回転電機は、一つの固定子４５と、この固定子４５を挟んで配置された２つの回転子４６，４６を有しており、固定子４５の複数の固定子ティース部４７は、両端を、固定子４５と各回転子４６の間に形成された２つのエアギャップａに臨ませている。

固定子４５は、固定子巻線４８が巻回された各固定子ティース部４７の両端に位置するエアギャップａ側先端面に、先端面を拡径した外向きフランジ（鍔）状の先端突起部４９ａ，４９ｂを有している。先端突起部４９ａと先端突起部４９ｂは、例えば、固定子周方向幅（ティース幅）を異ならせており、２つのエアギャップａのそれぞれに臨む各先端突起部４９ａ，４９ｂが異なった形状になるように形成されている。
各回転子４６は、円盤状の回転子コア５０と、エアギャップａ側に露出するように回転子コア５０に装着した複数の永久磁石５１を有している。

つまり、この回転電機は、１つの固定子４５と２つの回転子４６で構成することにより、２箇所のエアギャップａを有することになり、各エアギャップａに面する先端突起部４９ａ，４９ｂが異なった形状になるように形成されているので、コギングトルクの波形を調整することが可能になり、コギングトルクを低減することができる。

このように、この発明によれば、複数の固定子ティース部に固定子巻線を巻回して形成し、永久磁石を装着した回転子との間にエアギャップを有する回転電機の固定子は、エアギャップが複数設けられ、各固定子ティース部の各エアギャップに臨んで対向配置された先端突起部が、異なった形状に形成されているため、大型化することなくコスト等も増加することなくコギングトルクの大幅な低減効果を得ることができる。

なお、上記実施の形態において、回転電機は、回転子と固定子の間に形成されるエアギャップ（隙間）ａを２箇所有しているが、このエアギャップａは、２箇所に限るものではなく、３箇所以上の複数個有する構造のものでも良い。また、回転電機は、電動機或いは発電機の何れでも良く、また、極数も問わない。また、アキシヤルギャップモータにより説明しているが、ラジアルギャップモータでも良く、また、固定子が２つで回転子が１つの構成或いは固定子が１つで回転子が２つの構成に限らず、これらの構成を複数個組合せたものとしても良い。

この発明の第１実施の形態に係る回転電機の固定子の軸方向に沿う断面図である。図１の固定子の軸方向に直交する方向の断面図である。回転子を挟んで位置する固定子の一部を展開して示す説明図である。一対の固定子のそれぞれのコギングトルクと合計コギングトルクをグラフで示す説明図である。この発明の第２実施の形態に係る回転電機の回転子を挟んで位置する固定子の一部を展開して示す説明図である。この発明の第３実施の形態に係る回転電機の固定子コアの一つを内径側から見た説明図である。この発明の第４実施の形態に係る回転電機の回転子を挟んで位置する固定子の一部を展開して示す説明図である。この発明の第５実施の形態に係る回転電機の固定子を挟んで位置する回転子の一部を展開して示す説明図である。従来の永久磁石式回転電機の構造を示す断面図である。他の従来の永久磁石式回転電機の構造を示す断面図である。

符号の説明

１０回転電機
１１，４６回転子
１２，３５，４５固定子
１３ケース
１３ａ外周ケース
１３ｂサイドケース
１４回転軸
１５，５０回転子コア
１６，５１永久磁石
１７固定子コア
１８バックコア部
１９，３６，４７固定子ティース部
２０絶縁体
２１，４８固定子巻線
２２ａボルト
２２ｂナット
２３回転センサ
２４ベアリング
２５，３７，４９ａ，４９ｂ先端突起部
３７ａ一方側
３７ｂ他方側
ａエアギャップ
ｄ１，ｄ２ティース幅
ｄ３距離
ｔ１，ｔ２コギングトルク
ｔ０合計コギングトルク

Claims

永久磁石が装着された回転子と、固定子巻線が巻回された固定子ティース部を有する固定子とを、回転軸方向に対向して配置したアキシャルギャップ型の回転電機の固定子において、
前記固定子を前記回転子の回転軸方向両側に配置し、前記永久磁石に対向して円環状に複数並置した前記固定子ティース部と前記回転子との間に形成される、前記回転子の回転軸方向両側のエアギャップに臨む、前記固定子ティース部の先端突起部の形状を、前記回転子を挟んで対向する前記固定子ティース部同士で異ならせ、且つ、固定子周方向で隣り合う同士で異ならせたことを特徴とする回転電機の固定子。
前記各先端突起部は、前記各エアギャップ毎にコギングトルク波形が正逆異なる波形になる形状に形成されている請求項１に記載の回転電機の固定子。
前記各固定子ティース部は、その中心線が同一線上に位置しないように、互いにずれて配置されている請求項１または２に記載の回転電機の固定子。
前記各先端突起部は、固定子周方向の両側で異なった形状を有する請求項１から３のいずれか一項に記載の回転電機の固定子。
前記回転子が１個で前記固定子が２個であり、前記エアギャップを前記回転子の回転軸方向両側に１個ずつ設けている請求項１から４のいずれか一項に記載の回転電機の固定子。