JP5401753B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、回転子コアと磁石と軸とを有する回転子と、固定子コアと固定子コアにコイルを巻きつけた固定子コイルとを有する固定子と、から構成され、回転子が固定子にエアギャップをもって回転可能に保持された回転電機に関するものである。

従来、回転子に磁石を埋め込んだ回転電機は、損失が少なく効率が良い、出力が大きい等の理由により数多く使用されている。磁石式回転電機のトルクを増やすためには、磁束を増やす、電流を増やすことが必要である。従来例では、出来る限りエアギャップ面の磁束を増やすために磁石の配置や形状を工夫している。例えば、ラジアルギャップタイプの回転電機では、Ｕ字形状やＶ字形状などが実施されている。しかしながら、上述した従来例では、径方向に着磁された磁石によってのみ構成されている。その場合では形状の問題から、磁束量は限られる。また、磁束量を増やすために、エアギャップ面の面積を増やすことで磁束を増やしている例もある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−１６８２４５号公報

図１２は従来の回転電機の一例を説明するための軸方向の断面図である。図１２に示す例は特許文献１に記載の回転電機の例であり、回転子５１内に径方向に着磁した磁石５２と、回転子５１端部に軸方向に着磁した磁石５３を配設し、それに対向するように固定子５４の固定子コイル５５を配設することで、発生トルクを大きくしている。しかし、固定子コイル５５の巻き方が複雑であり、結線場所がないため、固定子５４が大きくなる等の問題点があった。なお、５６は回転軸、５７はケース、５８は回転軸５６をケース５７に受けるためのベアリング、５９は回転センサである。

本発明の目的は上述した問題点を解消して、固定子の寸法を大きくせずに、磁束量を増やすことができ、発生トルクを増加することができる磁石式の回転電機を提供しようとするものである。

本発明の回転電機は、回転子コアと磁石と軸とを有する回転子と、固定子コアと前記固定子コアにコイルを巻きつけた固定子コイルとを有する固定子と、から構成され、前記回転子が前記固定子にエアギャップをもって回転可能に保持された回転電機において、軸方向に着磁方向を持つ永久磁石と径方向に着磁方向をもつ永久磁石とから構成され、一方の永久磁石が他方の永久磁石に挟まれるように配設するとともに、該他方の永久磁石の周方向外側に、周方向に着磁方向を持つ永久磁石をさらに備え、一方の永久磁石が、他方の永久磁石及び周方向に着磁方向を持つ２個の磁石の表面積の略半分の表面積となる間隔になるよう配設した回転子を有し、一方の永久磁石は軸方向に着磁方向を持つ永久磁石であり、他方の永久磁石は径方向に着磁方向をもつ永久磁石であることを特徴とするものである。

本発明では、軸方向に着磁方向を持つ永久磁石と径方向に着磁方向をもつ永久磁石とから構成され、一方の永久磁石が他方の永久磁石に挟まれるように配設した回転子を構成することで、軸方向に着磁された磁石の磁束と、径方向に着磁された磁石の磁束とを集束して固定子に導くことができるため、エアギャップの磁束密度が増加し、発生トルクの増加が可能である。

なお、本発明の回転電機の好適例としては、前記軸方向に着磁方向を持つ磁石が、前記径方向に着磁方向をもつ磁石に挟まれて配設したラジアルギャップ式の回転電機を構成することがある。このように構成することで、軸方向に着磁された磁石が、径方向に着磁された磁石に挟まれて配設され、軸方向の磁束を確実に径方向に導くことができるため、ラジアルギャップ式回転電機において、よりエアギャップの磁束密度が増加し、発生トルクの増加が可能である。

また、本発明の回転電機の好適例としては、前記径方向に着磁方向を持つ磁石が、前記軸方向に着磁方向をもつ磁石に挟まれて配設したアキシャルギャップ式の回転電機を構成することがある。このように構成することで、径方向に着磁された磁石が、軸方向に着磁された磁石に挟まれて配設され、径方向の磁束を確実に軸方向に導くことができるため、アキシャルギャップ式回転電機において、よりエアギャップの磁束密度が増加し、発生トルクの増加が可能である。

さらに、本発明の回転電機の好適例としては、挟まれて配設した磁石が、挟んだ磁石の極ピッチと同等の間隔で配設したことがある。このように構成することで、挟まれた磁石、ラジアルギャップ式回転電機では軸方向に着磁された磁石、が挟んだ磁石、ラジアルギャップ式回転電機では径方向に着磁された磁石、の極ピッチと同等の間隔で配設されることで、磁石の磁束を効率よく固定子に導くことができるため、よりエアギャップの磁束密度が増加し、発生トルクの増加が可能である。

さらにまた、本発明の回転電機の好適例としては、挟まれて配設した磁石が、挟んだ永久磁石の表面積の略半分の表面積となる間隔で配設されることがある。このように構成することで、挟まれた磁石、ラジアルギャップ式回転電機では軸方向に着磁された磁石、が挟んだ磁石、ラジアルギャップ式回転電機では径方向に着磁された磁石、の表面積の略半分の表面積となる間隔で配設され、磁石の磁束を効率よく固定子に導くことができるため、よりエアギャップの磁束密度が増加し、発生トルクの増加が可能である。

また、本発明の回転電機の好適例としては、前記回転子の端部にも磁石を配設したことがある。このように構成することで、回転子端部の磁束の漏れを防止し、よりエアギャップの磁束密度が増加し、発生トルクの増加が可能である。

さらに、本発明の回転電機の好適例としては、挟まれて配設した磁石組を、複数組で構成したことがある。このように構成することで、寸法を容易に調整することが可能となる。

さらにまた、本発明の回転電機の好適例としては、挟んだ磁石の一極が、複数の磁石により構成したことがある。このように構成することで、よりエアギャップの磁束密度が増加し、発生トルクの増加が可能である。

また、本発明の回転電機の好適例としては、挟んだ磁石の一極がＶ字状に構成され、挟まれて配設した磁石とともに箱形状の磁石配置を有することがある。このように構成することで、よりエアギャップの磁束密度が増加し、発生トルクの増加が可能である。

さらに、本発明の回転電機の好適例としては、挟んだ磁石の一極が凹字状に構成され、挟まれて配設した磁石とともに箱形状の磁石配置を有することがある。このように構成することで、よりエアギャップの磁束密度が増加し、発生トルクの増加が可能である。

さらにまた、本発明の回転電機の好適例としては、挟んだ磁石の回転方向に合わせて、固定子を複数配設したことがある。このように構成することで、回転電機を容易に作製することが可能である。

また、本発明の回転電機の好適例としては、挟んだ磁石の回転方向と垂直方向に、複数の固定子を配設したことがある。このように構成することで、より小さい回転電機を作製することが可能である。

さらに、本発明の回転電機の好適例としては、挟んだ磁石の回転方向に合わせて、円筒形巻線を複数配設したことがある。このように構成することで、より小さい回転電機を作製す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。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る回転電機の軸方向の断面を示す図である。図２（ａ）、（ｂ）は、それぞれ本発明の第１の実施の形態に係る回転電機の径方向のＡ−Ａ線に沿った断面およびＢ−Ｂ線に沿った断面を示す図である。図３（ａ）、（ｂ）はそれぞれ本発明の第１の実施の形態に係る回転電機の回転子の斜視投影拡大図である。図１〜図３に示す例において、回転電機１は、大きく分けて回転子１１、固定子２１、軸３１、ケース４１によって構成されている。

回転子１１は外径方向に設けられている固定子２１の内部で、固定子２１から与えられる回転磁束に対して、磁石１２〜１４に反力を発生させ、回転軸３１を中心に回転するように構成されている。これらの磁石１２〜１４は、隣接する磁石の磁極が互いに相違するよう配置されている。また、回転子１１は軸３１、ベアリング１６を通じてケース４１に保持される。固定子２１は、巻線２２を絶縁体２３を介して固定子歯部２４に巻いて構成されており、その外周面を通じてケース４１に保持される。ここで、回転子１１と固定子２１の間にはエアギャップと呼ばれる隙間が存在し、互いに接触することはない。なお、１７は回転センサである。

図１、図２および図３に示す通り、エアギャップ面に向けて（＝径方向に向けて）着磁された磁石１２および周方向に着磁した補助的な２個の磁石１３の組により、ここでは、３つの磁石で１極を構成している。そして、隣り合う極の径方向に着磁した磁石１２および補助的な磁石１３に挟まれて、軸方向に着磁した磁石１４を配設している。本例では、磁石１２および補助的な磁石１３の組と、磁石１４とにより、１極の凹形状で箱形状の空間を構成し、ある１極の箱形状の空間を構成する磁石１２〜１４のすべての磁束が空間内を向き空間の内部に磁束が集中し、その隣の箱形状の空間を構成する磁石１２〜１４のすべての磁束が空間の外側へ向き磁束が発散するよう構成している。このようにして、径方向に着磁した磁石１２と軸方向に着磁した磁石１４の磁束が重なることでエアギャップ面での磁束密度を通常より高めることが可能となり、発生トルクを増加することができる。なお、固定子２１は磁石の磁極に合わせて径方向に着磁した磁石１２の組と同数配設する。

なお、ここでは径方向に着磁した磁石１２を補助的な磁石１３とともに凹形状かつ箱形状に配設したが、横の磁石１３が空気でも、また、磁石１３をなくして磁石１２をＶ字状に配設して、Ｖ状かつ箱形状としてもよい。

（第２の実施の形態）
図４は、本発明の第２の実施の形態に係る回転電機の軸方向の断面を示す図である。図５（ａ）、（ｂ）は、それぞれ本発明の第２の実施の形態に係る回転電機の径方向のＡ−Ａ線に沿った円径方向の断面およびＢ−Ｂ線に沿った円径方向の断面の展開図である。図６は本発明の第２の実施の形態に係る回転電機の回転子の斜視投影拡大図である。図４〜図６に示す例において、図１〜図３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４、図５および図６に示す通り、エアギャップ面に向けて着磁された（＝軸方向に着磁された）磁石１２および周方向に着磁した補助的な２個の磁石１３の組により、ここでは、３つの磁石で１極を構成している。隣り合う極の径方向に着磁した磁石１２および補助的な磁石１３に挟まれて、軸方向に着磁した磁石１４を配設している。本例では、磁石１２および補助的な磁石１３の組と、磁石１４とにより、１極の凹形状で箱形状の空間を構成し、ある１極の箱形状の空間を構成する磁石１２〜１４のすべての磁束が空間内を向き空間の内部に磁束が集中し、その隣の箱形状の空間を構成する磁石１２〜１４のすべての磁束が空間の外側へ向き磁束が発散するよう構成している。このようにして、径方向に着磁した磁石１４と軸方向に着磁した磁石１２の磁束が重なることでエアギャップ面での磁束密度を通常より高めることが可能となり、発生トルクを増加することができる。このように、アキシャルギャップ式回転電機でも、ラジアルギャップ式回転電機と同様に構成可能である。

（第３の実施の形態）
図７（ａ）、（ｂ）は、それぞれ本発明の第３の実施の形態に係る回転電機の回転子の斜視投影拡大図である。図７（ａ）、（ｂ）に示す例において、図１〜図３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７（ａ）、（ｂ）に示す通り、ラジアルギャップ式回転電機では、軸方向に着磁された磁石１４が径方向に着磁された磁石１２の極ピッチと同等の間隔になるよう配設している。本例では、エアギャップ面での軸方向と周方向の磁石の磁束がほぼ同等となることで、磁束密度のアンバランスを出来るだけ少なくエアギャップ面の磁束密度より高めることが可能となり、発生トルクを増加することができる。

（第４の実施の形態）
図８（ａ）、（ｂ）は、それぞれ本発明の第４の実施の形態に係る回転電機の回転子の斜視投影拡大図である。図８（ａ）、（ｂ）に示す例において、図１〜図３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（ａ）、（ｂ）に示す通り、ラジアルギャップ式回転電機では、軸方向に着磁された磁石１４が、径方向に着磁された磁石１２および周方向に着磁された補助的な２個の磁石１３の表面積の略半分の表面積となる間隔になるよう配設している。本例では、エアギャップ面での軸方向と径方向の磁石の磁束がほぼ同等となることで、磁束密度のアンバランスを出来るだけ少なくエアギャップ面の磁束密度より高めることが可能となり、発生トルクを増加することができる。

（第５の実施の形態）
図９は、本発明の第５の実施の形態に係る回転電機の軸方向の断面を示す図である。図９に示す例において、図１〜図３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。本例では、図９に示す通り、回転子１１の端部にも磁石１５を配設している。このとき端部磁石１５の背面には、磁束を通すためのコアを設けた方が良い。この部位の磁束は径方向に向かうため、磁性粉末、またはドーナツ状電磁鋼板で構成した方が良い。本例では、回転子端部の磁束の漏れを防止し、よりエアギャップ面の磁束密度より高めることが可能となり、発生トルクを増加することができる。

（第６の実施の形態）
図１０（ａ）、（ｂ）は、本発明の第６の実施の形態に係る回転電機の軸方向の断面を示す図である。図１０（ａ）、（ｂ）に示す例において、図１〜図３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１０に示す通り、回転子１１の回転方向と垂直方向に複数の固定子を配設することで、図１に示す例のように、軸方向に巻線２２がはみ出ることがなく、より小さい回転電機を容易に作製することが可能である。

（第７の実施の形態）
図１１（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ本発明の第７の実施の形態に係る回転電機の軸方向の断面を示す図である。図１１（ａ）〜（ｃ）に示す例において、図１〜図３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１１（ａ）〜（ｃ）に示す通り、円筒形コア２１と固定子コイル（巻線）２２を用いたトロイダル巻の固定子２１を、回転子の回転方向に合わせて、周方向に着磁した磁石組と同数配設することで、より小さい回転電機を作成することが可能である。また、図１１（ｃ）に示すように、回転子コイル２２が互い違いになるよう配設すると、更なる小型化、コギングトルクの低減が可能である。

なお、上述した実施例では、内側に回転子、外側に固定子が配置してあるインナーロータ型回転電機として説明しているが、内側に固定子、外側に回転子が配置してあるアウターロータ型回転電機でもかまわない。また、上述した実施例は、極数は８極で説明しているが、何極でもかまわない。さらに、上述した実施例は、固定子コアが一体構造でも分割構造の固定子コアでもかまわない。さらにまた、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。

本発明の回転電機によれば、軸方向に着磁方向を持つ永久磁石と径方向に着磁方向をもつ永久磁石とから構成され、一方の永久磁石が他方の永久磁石に挟まれるように配設した回転子を有することで、固定子の寸法を大きくせずに、磁束量を増やすことができ、発生トルクを増加することができるため、そのような用途の磁石式の回転電機として好適に使用することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る回転電機の軸方向の断面を示す図である。 （ａ）、（ｂ）は、それぞれ本発明の第１の実施の形態に係る回転電機の径方向のＡ−Ａ線に沿った断面およびＢ−Ｂ線に沿った断面を示す図である。 （ａ）、（ｂ）はそれぞれ本発明の第１の実施の形態に係る回転電機の回転子の斜視投影拡大図である。 本発明の第２の実施の形態に係る回転電機の軸方向の断面を示す図である。 （ａ）、（ｂ）は、それぞれ本発明の第２の実施の形態に係る回転電機の径方向のＡ−Ａ線に沿った円径方向の断面およびＢ−Ｂ線に沿った円径方向の断面の展開図である。 本発明の第２の実施の形態に係る回転電機の回転子の斜視投影拡大図である。 （ａ）、（ｂ）は、それぞれ本発明の第３の実施の形態に係る回転電機の回転子の斜視投影拡大図である。 （ａ）、（ｂ）は、それぞれ本発明の第４の実施の形態に係る回転電機の回転子の斜視投影拡大図である。 本発明の第５の実施の形態に係る回転電機の軸方向の断面を示す図である。 （ａ）、（ｂ）は、本発明の第６の実施の形態に係る回転電機の軸方向の断面を示す図である。 （ａ）〜（ｃ）は、それぞれ本発明の第７の実施の形態に係る回転電機の軸方向の断面を示す図である。 従来の回転電機の一例を説明するための軸方向の断面図である。

符号の説明

１ 回転電機
１１ 回転子
１２〜１５ 永久磁石
１６ ベアリング
１７ 回転センサ
２１ 固定子
２２ 巻線
２３ 絶縁体
２４ 固定子歯部
３１ 軸
４１ ケース

Claims (11)

1. 回転子コアと磁石と軸とを有する回転子と、固定子コアと前記固定子コアにコイルを巻きつけた固定子コイルとを有する固定子と、から構成され、前記回転子が前記固定子にエアギャップをもって回転可能に保持された回転電機において、軸方向に着磁方向を持つ永久磁石と径方向に着磁方向をもつ永久磁石とから構成され、一方の永久磁石が他方の永久磁石に挟まれるように配設するとともに、該他方の永久磁石の周方向外側に、周方向に着磁方向を持つ永久磁石をさらに備え、前記一方の永久磁石が、前記他方の永久磁石及び周方向に着磁方向を持つ２個の磁石の表面積の略半分の表面積となる間隔になるよう配設した回転子を有し、
   前記一方の永久磁石は前記軸方向に着磁方向を持つ永久磁石であり、前記他方の永久磁石は前記径方向に着磁方向をもつ永久磁石であることを特徴とする回転電機。
2. 前記軸方向に着磁方向を持つ磁石が、前記径方向に着磁方向をもつ磁石に挟まれて配設したラジアルギャップ式の回転電機を構成することを特徴とする請求項１記載の回転電機。
3. 挟まれて配設した磁石が、挟んだ磁石の極ピッチと同等の間隔で配設したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回転電機。
4. 前記回転子の端部にも磁石を配設したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の回転電機。
5. 挟まれて配設した磁石組を、複数組で構成したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の回転電機。
6. 挟んだ磁石の一極が、複数の磁石により構成したことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の回転電機。
7. 挟んだ磁石の一極がＶ字状に構成され、挟まれて配設した磁石とともに箱形状の磁石配置を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の回転電機。
8. 挟んだ磁石の一極が凹字状に構成され、挟まれて配設した磁石とともに箱形状の磁石配置を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の回転電機。
9. 挟んだ磁石の回転方向に合わせて、固定子を複数配設したことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の回転電機。
10. 挟んだ磁石の回転方向と垂直方向に、複数の固定子を配設したことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の回転電機。
11. 挟んだ磁石の回転方向に合わせて、円筒形巻線を複数配設したことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の回転電機。

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