JP5450361B2 - アキシャルギャップ型回転機及びアキシャルギャップ型発電機 - Google Patents

Description

本発明は回転軸（又は固定軸）の円周方向に複数のマグネットとセグメントコイルを放射状に対向配列して軸方向にギャップを形成して対向させた電動機或いは発電機などのアキシャルギャップ型回転機に関する。

一般にモータ、発電機などの回転機は、ステータとロータの一方に永久磁極を、他方にコイルを対向配置させ、ロータの回転で回転力を出力するか、起電力を出力している。特に最近ではこの種の回転機をハイブリッド駆動として発電と同時に駆動出力を得る装置として使用されている。

従来、このような回転機としてアキシャルギャップ型回転機が知られている。この回転機は回転軸の軸方向にセグメント磁極とセグメントコイルを、ギャップを形成して対向させ、このセグメント磁石をロータとして回転させる回転機構として知られている。例えば特許文献１には回転軸に軟磁性材の回転ディスクを一体形成し、この回転ディスクにセグメント磁石を周方向に配列し、この回転ディスクと距離を隔てて対向する位置に固定ディスクを配置（同公報のものは２枚のディスク）し、これにセグメントコイルを周方向に配列する構造が開示されている。

このような磁石とコイルを対向配置させて回転軸を駆動回転或いは発電する回転機は、コイルを過ぎる方向に磁石の磁界を形成する必要がある。このためコイルを挟んで一対の磁石を対向させる構造と、コイルを挟んで一方に磁石を、他方に軟磁性材のヨークを配置する構造が知られている。

特開２００９−３３９４６号公報

一般に回転機として高出力を得るためにはコイルの線径を大きくするか、巻数（ターン数）を増大させるか、いずれもモータ長・径を大きくすることが知られ、いずれもコイル容積を増大させることとなる。このようにコイルの占有スペースを大きくすると、コイルを過ぎるように磁界形成するマグネット間ギャップが広がることとなる。このマグネットギャップの増大は磁気抵抗の増大をもたらし磁束低下となり高出力化の弊害となっている。

一方、この種の回転機は滑らかな起動が求められ、セグメントコイルを空芯コイルで構成することも知られている。ところが従来は特許文献１に開示されているように回転ディスクに、その周方向に複数のセグメント磁石を配列し、この回転ディスクとギャップを設けて対向する固定ディスクにセグメントコイルを配置している。このため高出力化を得るためにコイル容積を増大させるとコイルを挟んで磁界を形成する磁極間距離が長くなる。このため磁気抵抗が増大し、コイル容積の増大によって装置を大型化させたにも拘わらず所望の出力が得られない問題があった。

そこで本発明者は上述の問題を、コイルを過ぎる磁力線を増大させることによって高出力化を得ることが出来るとの知見に基づいて空芯コイルのコイル中心（非巻線部）を通過する磁界を巻線部に磁気集中させるとの着想に至った。

本発明は、ロータ軸の軸方向に磁石とコイルを対向配置する際に、磁界がコイルを有効的に過ぎるようにして小型化と高出力化が可能であるアキシャルギャップ型回転機の提供をその課題としている。

上記課題を達成するため本発明は、互いにロータ軸の周方向に複数のセグメント磁石とセグメントコイルを放射状に対向配置する際に、各セグメントコイルを中心に非巻線部を有する空芯コイルで構成し、その非巻線部に巻線と非接触状態で軟磁性材のセグメントヨーク片を設け、このセグメントヨーク片を複数のセグメントコイルの非巻線部毎に分離した状態で不連続に配列することを特徴としている。

更にその構成を詳述すると、ステータ（３０）と、ロータ（２０）をロータ軸の軸方向にギャップを形成して対向配置したアキシャルギャップ型回転機であって、ステータとロータの一方に、ロータ軸の周方向に放射状に配列された複数のセグメントコイルと、ステータとロータの他方に、ロータ軸の周方向に放射状に配列された複数のセグメント磁石（２３）と、を備える。

上記各セグメントコイルを、中心に非巻線部（３２Ｃｏ）を有する空芯コイルで構成すると共に、この非巻線部には巻線と非接触状態で軟磁性材のセグメントヨーク片（３３）を配置し、このセグメントヨーク片は、各セグメントコイルの非巻線部毎に分離した不連続状態で放射状に配列する。

本発明は、ロータ軸の円周方向に放射状に複数のセグメントコイルとセグメント磁石を配置し、各セグメントコイルを空芯コイルで構成し、その非巻線部に巻線と非接触状態で軟磁性材のセグメントヨーク片を、非巻線部毎に分離した不連続状態で配列したものであるから以下の効果を奏する。

セグメントコイルとセグメント磁石をロータ回転軸の軸方向にキャップを形成して対向配置し、ロータを回転して回転出力若しくは発電力を得る際に、コイルを過ぎるセグメント磁石の磁極間にコイルと共にコイル中心の非巻線部に軟磁性材のヨーク片が配置されることとなる。従ってコイルの非巻線部を通過する磁束をヨーク片によってコイルを過ぎる磁束に集中させることが可能となる。

このように本発明はコイルを挟んで対向する磁極間に軟磁性材のヨーク片を設けたものであるから磁極間ギャップを大きくしてもヨーク片の磁気集中作用によってコイルを過ぎる磁束を増大させることが可能である。

更に本発明は、ロータ軸の軸方向にセグメントコイルを積層状に複数配置し、この積層状のコイル群をロータ軸の周方向に所定角度変位させることによって各セグメントコイルの非巻線部に配置したヨーク片は、隣接する層のコイルを過ぎる方向に磁気集中する。これによってコイルを軸方向に平行に過ぎる磁束を増大させることが可能となり、更なる高出力化が可能である。

本発明に係わるアキシャルギャップ型回転機の組立て分解図。 図１の装置の組立て状態の断面図。 図１の装置における平面構成を示し、（ａ）はセグメント磁石の配列状態（ｂ）はセグメントコイルの配列状態（ｃ）、（ｄ）はセグメントコイルの単一構成を示す。 図１の装置におけるロータとステータの構成を示す概念説明図。 図１の装置における一実施形態（第１実施形態）を示し、（ａ）はその断面構成を（ｂ）は要部の拡大説明図である。 図１の装置における異なる実施形態（第２実施形態）を示し、（ａ）は要部の拡大説明図であり、（ｂ）はセグメントコイルの層状配列の説明図。 図１の装置における異なる実施形態（第３実施形態）を示し、（ａ）は要部の拡大説明図であり、（ｂ）は（ａ）と異なる形態の説明図。 各実施形態の有効磁束密度の特性実験データ。 発電システムの概念構成図。

以下、図示の好適な実施の形態に基づいて本発明を説明する。図１は本発明に係わるアキシャルギャップ型回転機の組み立て分解図である。図示の回転機は、ハウジング１０と、ロータ２０とステータ３０で構成されている。ハウジング１０はカップ形状の上部フレーム１１と下部フレーム１２で封止パッキング１３を介して両者がボルトなどで結合される。

上記ハウジング１０には内部にロータ２０とステータ３０が内蔵される。その構造はアウタロータ構成若しくはインナロータ構成で内蔵される。図示のものはアウタロータ構造を示すがインナロータ構成であっても良い。ハウジング１０には固定軸１４（ロータ軸；以下同様）が固定され、この固定軸１４にロータ２０は回転可能に軸受け支持され、ステータ３０は固定されている。固定軸１４の端部は上部フレーム１１と下部フレーム１２に固定され、パッキングなどで封止されている。図示の固定軸１４は後述するステータ３０と一体に構成されハウジング１０に固定されているが、ロータ２０に回転軸を一体形成してハウジング１０に回転可能に軸支持しても良い。この固定軸１４若しくは回転軸をロータ軸と称する。

ロータ２０は、一対のコアヨーク２１、２２とセグメント磁石２３（２３ａ、２３ｂ・・・２３ｎ）で構成される。ロータ軸（回転軸又は固定軸）１４の軸方向（図２ｘ−ｘ方向）に距離ｄ１を隔てて一対のコアヨーク２１、２２が回転可能に軸支持され、この一対のコアヨークそれぞれにセグメント磁石２３（２３ａ、２３ｂ・・・２３ｎ）が固定されている。図示のコアヨーク２１、２２は円板形状の軟磁性材で構成され、対向する内表面２１ａ、２２ａに複数のセグメント磁石２３が接着剤などで固着されている。この一対のコアヨーク２１、２２は一体的にジョイント部材で結合され、後述する入力軸（又は出力軸）に連結される。

図示のコアヨーク２１、２２は上部フレーム１１と下部フレーム１２に固定され、この上下フレームがボルトで一体化されている。この上部フレーム１１とコアヨーク２１との間及び下部フレーム２２とコアヨーク２２との間には非磁性材のシールド板を設けて磁気的にシールドするか、或いはコアヨークと上下フレームを磁気的に一体化する。そして上部フレーム１１と下部フレーム１２は軸受１６、１７で固定軸１４に回転可能に支持されている。この他、一対のコアヨーク２１、２２はハウジング１０に固定することなくジョイント部材で両者を一体的に連結しても良い。上記セグメント磁石２３の配列構造については後述する。

ステータ３０は、コイルホルダ３１とセグメントコイル３２（３２ａ、３２ｂ・・・３２ｍ）で構成され、ハウジング１０に固定したロータ軸１４に固定されている。図示のコイルホルダ３１は円板形状で非磁性体の樹脂で構成されている。ロータ軸１４にはスリーブ形状のカラー１４ａが一体に取付けられ、このカラー１４ａのフランジに円板形状のコイルホルダ３１が固定されている。そしてコイルホルダ３１には、セグメントコイル３２が樹脂成形で内蔵されている。このセグメントコイル３２の配列については後述する。

このように構成されたロータ２０とステータ３０は図２に示すように固定軸１４にコイルホルダ３１は固定され、コアヨーク２１、２２は回転可能に支持されている。そして一対のコアヨーク２１、２２間は距離ｄ１でエアーギャップが構成され、コイルホルダ３１は各コアヨークから距離ｄ２を隔てて配置されている。また、それぞれ円板形状に構成されているコアヨーク２１、２２及びコイルホルダ３１はギャップｄ１、ｄ２を形成して平行な平面に配置されている。

次に上記セグメント磁石２３とセグメントコイル３２の配列関係について図３、図４に従って説明する。図３（ａ）はセグメント磁石２３の配列構造を、同図（ｂ）はセグメントコイル３２の配列構造を、（ｃ）（ｄ）はコイル素子の形状を示す。図４はセグメント磁石２３とセグメントコイル３２の対向配列を示す。

セグメント磁石２３は図３（ａ）に示すように円板形状のコアヨーク２１（２２）にロータ軸１４の軸心１４ｘを中心に等ピッチで放射状に複数のセグメント磁石２３（２３ａ、２３ｂ・・・２３ｎ）が配列されている。各磁石は永久磁極片で構成され、同図表裏面に磁極が形成されている。各磁石片は隣接する磁極がＮ極とＳ極が交互に配列されている。図示のものは発電機用の回転機を構成する関係で、セグメント磁石２３を３２個の倍数に設定し、後述するセグメントコイル３２（２４個の倍数）と４対３の関係にしている。

セグメントコイル３２は図３（ｂ）に示すように円板形状のコイルホルダ３１にロータ軸１４の軸心１４ｘを中心に等ピッチで放射状に複数のコイル素子３２（３２ａ、３２ｂ・・・３２ｍ）が配列されている。図示のコイル素子数は２４個（又はその倍数）でコイル素子数ｍと前述の永久磁極片数ｎは、コイル素子数ｍ対磁石片数ｎ＝３対４に設定されている。

図３（ｃ）（ｄ）にコイル素子の形状を示すが、コイル素子３２はリボン線又はワイヤ線をループ状に巻回して構成され、その中央部には非巻線部３２Ｃｏを有している。そしてこのコア中心の非巻線部３２Ｃｏには巻線と非接触状態でセグメントヨーク片３３（３３ａ、３３ｂ・・・３３ｍ）が配置されている。このセグメントヨーク片３３は軟磁性材の板状材で構成されている。コイルホルダ３１とコイル素子３２とヨーク片３３は、例えば合成樹脂で円板形状に一体成型されている。

次に図４に従ってセグメント磁石２３とセグメントコイル３２とヨーク片３３の関係を説明する。同図は、この三者の関係を示す概念図である。先に説明したようにセグメント磁石２３は一対のコアヨーク２１、２２に距離ｄ１を隔てて対向配置されている。そして各コアヨーク２１（２２）にはセグメント磁石２３が複数配列されている。この第１のコアヨーク２１のセグメント磁石２３は、第２のコアヨーク２２のセグメント磁石２３と対極関係に、一方がＮ極であるときには他方がＳ極に設定されている。従って一対のコアヨーク２１、２２との間に磁極が形成されることとなる。

一方セグメントコイル３２は、一対のコアヨーク２１、２２間に配置される。この場合セグメントコイル３２は各コアヨーク２１（２２）から等距離に配置されることが好ましい。また、セグメントコイル３２は後述する第１実施形態では、一層構造に、第２実施形態では２層構造に形成してあるように同一構造で軸方向に上下複数層で構成される。そして放射状に配列されているセグメントコイル３２（３２ａ、３２ｂ・・・３２ｍ）は図示の場合３相の出力線（又は入力線）を備えている。

上記第１第２のコアヨーク２１、２２は固定軸１４に軸受１６（１７）で回動可能に支持され、セグメントコイル３２は固定軸１４に固定されている。そこで発電機として使用する場合には一対のコアヨーク２１、２２に入力軸（不図示）を連結し、電動機として使用する場合にはセグメントコイル３２に電流（図示のものは三相電流）を印加する。

上述した本発明の基本構成に従ってその具体的実施形態を説明する。図５は第１の実施形態を、図６は第２の実施形態を、図７は第３の実施形態を示す。

［第１実施形態］
図５に示す実施形態は、セグメントコイル３２を一層構造で構成する場合を示す。固定軸１４に距離ｄ１を隔てて一対のコアヨーク２１、２２が位置されている。各コアヨーク２１，２２には互いに対向する磁極を形成するように磁石片２３ｘ、２３ｙが配置されている。この第１第２のコアヨーク２１、２２の間にはコイル素子３２が固定軸１４に固定された状態で配置されている。

磁石片２３ｘ、２３ｙはエアーギャップｄ１を隔てて対向磁極が形成され、その中央（ｄ１／２）にコイル素子３２が配置されている。各コイル素子３２にはコア中心の非巻線部３２Ｃｏにヨーク片３３が巻線と非接触状態で配置されている。このヨーク片３３は一対のコアヨーク２１（２２）から等距離に配置されている。

この磁石片２３ｘ、２３ｙとコイル素子３２とヨーク片３３は、前述したように固定軸１４の円周方向に放射状に配列され、特にヨーク片３３は各コイル素子の非巻線部３２Ｃｏ毎に分離して不連続状態で放射状に配列されている。

このような構成において図５（ｂ）に示すように、磁石片２３ｘと２３ｙの間に発生する磁界はヨーク片３３がないときには同図破線の状態となる。しかし磁石片２３ｘと２３ｙの間にヨーク片３３が存在する図示の形態では、磁界は同図実線のようにヨーク片３３に磁気集中する。これによってコイルを過ぎる有効磁束密度が増大し、高出力が得られることとなる。

［第２実施形態］
図６に示す実施形態は、セグメントコイル３２を二層構造で構成する場合を示す。前述の第１実施形態と同ように構成された一対のコアヨーク２１、２２間にロータ軸１４の軸方向に第１コイル層３２ｘと第２コイル層３２ｙが配置されている。各コイル素子の非巻線部３２Ｃｏにはヨーク片３３ｘ、３３ｙが配置されている。そして第１コイル層３２ｘと第２コイル層３２ｙはロータの回転方向にオフセット量δで位相差が形成してある。つまり第１コイル層３２ｘと第２コイル層３２ｙはロータ軸の軸方向に上下積層配置され、第１コイル層３２ｘのコイル素子と第２コイル層３２ｙのコイル素子距離δだけオフセットしている。

このオフセット状態を同図（ｂ）に示すが第１コイル層３２ｘのコイル素子（同図実線）と第２コイル層３２ｙのコイル素子（同図破線）とは距離δだけ位置ズレさせて、ロータの回転角度方向に位相差が形成してある。このように構成することによって第１コイル層３２ｘの非巻線部３２Ｃｏに配置したヨーク片３３ｘは、第２コイル層３２ｙのコイルに磁力線を偏向することとなる。

［第３実施形態］
図７に示す実施形態は、図５で示す実施例１の変形例であり、図６の実施形態と同様にセグメントコイル３２を二層構造で構成する場合を示す。図７（ａ）に示す実施形態では第１コイル層３２ｘと第２コイル層３２ｙそれぞれの非巻線部にヨーク片３３を位相差を形成せずに配置してある。また同図（ｂ）では第１コイル層３２ｘと第２コイル層３２ｙとの間に位相差を形成せずに１つのヨーク片を配置した。その他の構成は第２実施形態と同一であり、同一符合を付して説明を省略する。

［各実施形態における出力特性］
図８は、各実施形態の有効磁束密度の特性である。同図において横軸はマグネットの位置で、中央の点線はその中心を示し、縦軸はマグネット間中央での磁束密度を示している。図中ｄａｔａ１はセグメントヨークを備えない従来構造の磁束密度分布を示し、ｄａｔａ２は第２実施形態の構造を採用した磁束密度分布を示す。またｄａｔａ３は第３実施形態の構造を採用した磁束密度分布を示す。

セグメントヨークを備えないｄａｔａ１に対して、セグメントヨークを有するｄａｔａ２ではピーク値が２倍近く増加し、更にｄａｔａ３ではピーク値の増加と全体利用域での増加となる。そして第３実施形態におけるコイルの磁束は第２実施形態までのコイル領域１からコイル領域２も加わった磁束の平均化となり、２倍近くの有効磁束の増加となる。

［発電システム］
図１乃至図８の回転機を用いた発電システムについて説明する。図９は発電システムの概念構成図である。図９に示す発電システムは［駆動源Ａ］と［発電部Ｂ］と［出力部Ｃ］とから構成されている。駆動源Ａは風力、水力、蒸気などの発電源からのエネルギーを回転運動に変換する。図示のシステムは風力発電を示し、駆動源Ａは、タワーフレーム４０と、これに搭載されたナセル４１と、このナセル４１に回転自在に取付けられたブレード（風力羽根）４２とから構成されている。

システムの設置条件によって異なるが、タワーフレーム４０は地上の所定高さ位置にブレード４２を位置決めするように堅牢に構成される。このタワーフレーム４０にはナセル４１が風力方向に回転可能に取付けられている。このナセル４１には駆動回転軸４３とハブ４１と増速機４４と発電機４５（発電部Ｂ）が内蔵されている。

上記駆動回転軸４３にはハブ４６が設けられ、このハブ４６にブレード４２が固定されている。ブレード４２は風力を回転力に変換する効率の優れた羽根形状に構成されている。そしてこのブレード４２で回転する駆動回転軸４３には増速機４４とブレーキ４７を介して発電機４５に連結される。図示４８は風力計であり、その時点の風力を測定し制御部に伝達する。図示４９は制御盤であり、図示５０は出力部Ｃの高圧配電線である。

１０ ハウジング
１１ 上部フレーム
１２ 下部フレーム
１３ 封止パッキング
１４ 固定軸（ロータ軸）
１４ａ カラー
１４ｘ 軸心
１６ 軸受
１７ 軸受
２０ ロータ
２１ 第１のコアヨーク
２１ａ 内表面
２２ 第２のコアヨーク
２２ａ 内表面
２３ セグメント磁石（２３ａ、２３ｂ・・・２３ｎ）
２３ｘ 磁石片
２３ｙ 磁石片
３０ ステータ
３１ コイルホルダ
３２ セグメントコイル（３２ａ、３２ｂ・・・３２ｍ）
３２Ｃｏ 非巻線部
３２ｘ 第１コイル層
３２ｙ 第２コイル層
３３ セグメントヨーク片（３３ａ、３３ｂ・・・３３m）
３３ｘ ヨーク片
３３ｙ ヨーク片
ｄ１ エアーギャップ
ｄ２ ギャップ

Claims (4)

1. ロータ軸の軸方向にギャップを形成して対向配置されたステータおよびロータと、
   前記ステータとロータの一方に、前記ロータ軸の周方向に放射状に配列され、中心に非巻線部を有する空芯コイルから構成された複数のセグメントコイルと、
   前記ステータとロータの他方に、前記ロータ軸の周方向に放射状に配列された複数のセグメント磁石と、
   前記各セグメントコイルの非巻線部に巻線と非接触状態で、非巻線部毎に分離した不連続状態で、放射状に配列されたセグメントヨーク片と、
   を備え、
   前記ロータは、前記ロータ軸の軸方向に距離を隔てて互いに対向するように配置された一対のコアヨークを有し、
   前記複数のセグメント磁石は、前記一対のコアヨークのそれぞれに取り付けられ、
   前記ステータは、前記一対のコアヨークの間に配置され、
   前記複数のセグメントコイルの非巻線部に配置された前記セグメントヨーク片は、前記一対のコアヨーク間に配置されていると共に、
   前記一対のコアヨークと、前記セグメントヨーク片は互いに距離を隔てて平行する平面内に配置され、
   前記一対のコアヨークのそれぞれと前記セグメントヨーク片との距離は前記一対のコアヨークのそれぞれと前記セグメントコイルとの距離よりも大きいことを特徴とするアキシャルギャップ型回転機。
2. 前記各セグメントコイルを前記ロータ軸の軸方向に積層状に複数配置するとともに各層を構成する各セグメントコイルのそれぞれの非巻線部に前記セグメントヨーク片を配置した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回転機。
3. 前記各セグメントコイルを前記ロータ軸の軸方向に積層状に複数配置するとともに複数層における第１層の前記各セグメントコイルと第２層の前記各セグメントコイルとの間の前記非巻線部に前記セグメントヨーク片を配置したことを特徴とする請求項１又は２に記載のアキシャルギャップ型回転機。
4. 前記各セグメントコイル及び前記各セグメントヨーク片を前記ロータ軸の軸方向に積層状に複数配置するとともに複数層における第１層の前記各セグメントコイル及び前記各セグメントヨーク片を第２層の前記各セグメントコイル及び前記各セグメントヨーク片に対して前記ロータ軸の周方向に所定角度の位相差を形成するようにオフセットして配置したことを特徴とする請求項１又は２に記載のアキシャルギャップ型回転機。

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