JP5658907B2 - アキシャルギャップ型回転機における冷却機構 - Google Patents

Description

本発明は、モータや発電機等の同期式の永久磁石回転機で、回転子と固定子が回転軸方向に対向したアキシャルギャップ型回転機に関する。

永久磁石回転機は、構造上の分類からラジアルギャップ型とアキシャルギャップ型がある。ラジアルギャップ型は、回転子の周方向に複数の永久磁石を配置し、永久磁石の磁極は径方向に向いており、永久磁石に対向するように固定子が配置されている。一般に固定子は回転子に対向する面に複数の歯状をもつ鉄芯にコイルが巻かれた構造をしている。鉄芯を用いることで回転子磁極からの磁束を効率よくコイルに鎖交することができ、モータの場合には大きなトルク、発電機の場合には大きな電圧を生ずることができる。反面、鉄芯を用いるためにコギングトルクや鉄芯のヒステリシス損失に基づくロストルクを生じ、初動トルクを大きくするという問題がある。初動トルクが大きいと、例えば風力発電機に用いた際に微風では回転できず発電できない。

鉄芯を取り除けばこのような問題はなくなるが、磁気効率が悪くなるのでラジアルギャップ型では大きな出力が得られない。そこで、図８に示すようなアキシャルギャップ型の回転機１００が考えられる。
図８では、回転軸（シャフト）１０２に円盤状磁性体（ロータヨーク）１０３が取り付けられ、ロータヨーク１０３表面には、磁化方向が回転軸１０２と平行で、かつ、隣接する磁石の極性が逆となるように同心円状に複数の永久磁石１０４が配置されている。これらをあわせて回転子１０５と呼ぶ。ロータヨーク１０３は、永久磁石１０４を備えた面同士が対向するように、スペーサ１０６を介して配置されている。磁石１０４は片側のロータヨーク１０３のみに配置してもよいが、ロータヨーク１０３両面に永久磁石１０４を配置すると磁気効率が高くなる。ロータヨーク１０３の間には固定子１０７が配置される。固定子１０７は、コイル１０８とコイル保持材１０９とからなり、コイル１０８は、回転軸１０２の軸方向からみて、ロータヨーク１０３上の永久磁石１０４が配置された円周と重なる同径の円周上に配置され、コイル保持材１０９を介してケース１１０に固定されている。ケース１１０は、上記回転子１０５と固定子１０７とを収容している。ケース１１０と回転軸１０２との間には回転軸１０２を回転自在に支持するベアリング１１１がはいる。これにより、対向する永久磁石１０４が回転軸１０２と一体に回転し、コイル１０８内を交播磁界が鎖交するようになっている。
上記のような構造であれば固定子に鉄芯を挿入しなくても磁極面を大きくすることで出力を大きくとることができる。また、強力な永久磁石であるＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系の焼結磁石を用いても鉄芯による磁気飽和の問題がないので、その性能を充分に活かして高出力の回転機になる。

図９に示すように、一般に固定子コイル１０８はエポキシ樹脂１１２による含浸により、コイル保持材１０９にて保持される。保持材１０９の材質としては一般にベークライトが用いられている（例えば、特許文献１を参照）。高出力化を目指す場合、大電流を流すことは必須であり、大電流通電時の 銅線からの発熱をどのように放散させるかが課題となってくる。しかしながら前記エポキシ樹脂及びベークライトの熱伝導性は悪く、銅線からの発熱を効率よく放散できない（参考までに、エポキシ樹脂の熱伝導率は０．２１Ｗ／ｍＫ、ベークライトの熱伝導率は０．３８Ｗ／ｍＫ）。また、前記コイル保持材を冷却す
る機構を備えていないので、発熱を抑えることができず、発電機として連続運転を行った際に銅線が破断してしまうという問題が発生している。

特開2005-110372号公報

本発明の目的は、内部発熱を効率よく放散／冷却させる機構を有した高出力のアキシャルギャップ型回転機を提供することにある。

本発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討を行い、内部発熱を効率よく放散／冷却させる機構を有したアキシャルギャップ型回転機用固定子、および、高出力のアキシャルギャップ型回転機を実現した。すなわち、 本発明の１つの側面は、ＡＳＴＭ Ｅ１５３０に準拠して測定した熱伝導率が、５Ｗ／ｍＫ以上であって、かつ、ＡＳＴＭ Ｅ３４５に準拠して測定した導電率が、１０×１０^４ Ｓ／ｍ 以下である材料を含むコイル保持材と、該コイル保持材に固定されたコイルとを備えたアキシャルギャップ型回転機用固定子である。
本発明の１つの側面は、回転軸と、前記回転軸の軸方向に沿って配置された回転盤と、該回転盤の少なくとも１つの面に永久磁石とを備え、前記回転軸と一体に回転可能な回転子と、前記回転子の永久磁石を備えた面と対向するように空間を隔てて配置され、前記回転軸から分離された上記固定子と、前記回転子の外周部に、前記放熱フィンに送風するように、前記回転盤の盤面に対して傾斜角をなすように冷却ファンを配した構造を持つアキシャルギャップ型回転機である。
本発明の１つの側面は、円盤の中心軸を回転軸とする磁性体片に複数の永久磁石が取り付けられた回転子と、回転軸方向に永久磁石に対向するように固定子コイルが配置されたアキシャルギャップ型の回転機において、固定子コイル保持材に熱伝導率 ５Ｗ／ｍＫ以上、導電率 １０×１０^４ Ｓ／ｍ 以下の物性値を備えた材料を使用することを特徴とするアキシャルギャップ型回転機。
さらに、本発明のもう１つの側面として、前記固定子コイル保持材の外周部に、熱伝導率１５０Ｗ／ｍＫ以上の物性値を持ち、表面に凹凸を設けることにより表面積を３倍以上にした形状を有する放熱フィンが配された構造で、かつ、前記回転子外周部に放熱フィンを冷却することを目的とした冷却ファンを配した構造を持つアキシャルギャップ型回転機である。

以上説明したように、本発明の固定子、および、アキシャルギャップ型回転機の構造により、固定子内部の発熱を効率よく放散させることができ、産業上その利用価値は極めて高い。

本発明のアキシャルギャップ型回転機の一態様の断面図である。 本発明の固定子の一態様を示す斜視図である。 本発明の固定子の一態様について、一部を拡大した平面図である。 本発明の固定子と組み合わせて用いるのに適した回転子の斜視図である。 冷却効果の流れを矢印で模式的に表した概念図である。 本発明の固定子と回転子との組み合わせ方を示す斜視図である。 コイル保持材の熱伝導率とコイル温度の相関を示すグラフである。 従来のアキシャルギャップ型回転機の一態様を示す断面図である。 従来の固定子保持材の一態様について、一部を拡大した平面図である。

以下、本発明について、図面を参照してさらに詳細に説明する。図１に示す本発明の回転機の１つの態様では、回転軸（シャフト）２に円盤状磁性体３（ロータヨーク）が取り付けられ、ロータヨーク３の表面には磁化方向が回転軸１０２と平行で、かつ、隣接する磁石の極性が逆となるように同心円状に複数の所望の形状を有する永久磁石４が配置されている。これらをあわせて回転子５と呼ぶ。ロータヨーク３は、永久磁石４を備えた面同士が対向するように、スペーサ６を介して回転軸方向にも配置されており、もう一方のロータヨーク３の表面にも永久磁石４が配置されている。ロータヨーク３の間には固定子７が配置されている。固定子７は、コイル８とコイル保持材９とからなり、回転軸２の軸方向からみて、ロータヨーク３上の永久磁石４が配置された円周と重なる同径の円周上に配置され、コイル保持材９の外周部に設けられた放熱フィン１２を介してケース１０に固定されている。ケース１０は、上記回転子５と固定子７とを収容している。ケース１０と回転軸２との間には回転軸２を回転自在に支持するベアリング１１がはいる。これにより、対向する永久磁石４が回転軸２と一体に回転し、コイル８内を交播磁界が鎖交するようになっている。

図１において、図８に示す従来例との違いは、コイル保持材９として、ＡＳＴＭ Ｅ１５３０に準拠して測定した熱伝導率が５Ｗ／ｍＫ以上、ＡＳＴＭ Ｅ３４５に準拠して測定した導電率１０×１０^４ Ｓ／ｍ以下の物性値を備えた材料を用いている（図３）点にある。尚、導電率１０×１０^４Ｓ／ｍという値は、鉄の約１／１００である。

熱伝導率を上記のように高くする理由は、コイルからの発熱を効率よく放散させるためである。熱伝導率を特に５Ｗ／ｍＫ以上とした理由は実施例にて後述する。又、導電率を上記のように低くする理由は、本アキシャルギャップの形態の場合、コイル保持材９を貫通する交播磁界が頻繁に入れ替わるので、導電率が大きくなる程、渦電流が流れやすくなる結果、発電機としての損失が大きくなるからである。これを避けるため、コイル保持材９としては、渦電流が流れにくい導電率が低い材料を用いることが好ましい。

熱伝導性が高く、導電率が低い材料としては、特に限定されないが、例えば、無機鉱物粒子を含む熱可塑性樹脂を用いることができる。具体的には、熱可塑性樹脂として液晶ポリマー、ポリアミド、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリイミド、ポリフェニレンサルファイド、ポリエチレン、アクリル樹脂等を用いることができる。また無機鉱物粒子としては、酸化アルミニウム、マグネシア、窒化アルミニウム、窒化硼素、炭化硼素、黒鉛等を用いることができる。無機鉱物粒子の含有量は、所望の熱伝導率になるように調整すればよいが、熱可塑性樹脂１００質量部に対し、５〜５００質量部含有させることが望ましい。熱可塑性樹脂は、溶剤、可塑剤等の添加剤が一般的に知られているものを含んでいてよい。

成型については、所望の形状になるように、例えば金型にコイルを配置し、熱可塑性樹脂で成形・硬化させて、コイル保持材９とすることができる。

また、図２にしめすように、本発明にかかる固定子は、コイル保持材９の外周部に、放熱フィン１２が配された構造を有することが好ましい。該放熱フィン１２は、熱伝導率が１５０Ｗ／ｍＫ以上、さらには２００Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましく、かつ表面に凹凸を設けることにより表面積をコイル保持材の盤面表面積に比べて３倍以上、好ましくは３〜８倍にすることが好ましい。熱伝導性が良い材料として、アルミニウム、金、銀、銅、またはこれら合金等を用いることができる。放熱フィン１２の表面の凹凸形状は、例えば、スパッタ、ブラスト等の処理により形成することができる。
上記放熱フィン１２とコイル保持材９との接合は、接着／ネジ締結等で行うことができる。

一方回転子５は、図４に示すように、ロータヨーク３の外周部に放熱フィンを冷却することを目的とした冷却ファン１３を配した構造を持つことが望ましい。冷却ファン１３の材料は、Ｓ１５ＣやＳ４５Ｃなどの低炭素鋼を機械加工したものでもよいし、ＳＰＣＣなどの板材を打ち抜き加工の後、曲げや溶接で接合したものを用いてもよい。ロータヨーク３とファン１３との接合は 接着／ネジ締結等で行うことができる。

図５は冷却効果の流れを示す。破線矢印は放熱に対応し、実線矢印が冷却に対応する。従来品のコイル保持材９は熱伝導性が悪く、銅線からの発熱を効率良く放散できないので、コイル８が破断してしまう程の温度上昇を引き起こしてしまう。これに対し、本発明品のコイル保持材９は内部に無機鉱物粒子群による熱伝導構造を有する事により、熱伝導性が高く、コイル８の発熱はコイル保持材を介して破線矢印で示すようにギャップ方向に放散される。また回転子が回転することにより、冷却ファンから実線矢印で示す方向に風が送られ、固定子の放熱フィンが冷却される。その冷却効果が熱伝導性の良いコイル保持材を介して銅線に伝えられることにより、より冷却効果を高めることができる。

図６は、上述した回転子５と固定子７とを組み合わせた斜視図を示す。固定子７は、スペーサ６によって回転子５間に形成された空隙に配置されている。ここで、冷却ファン１３は、回転子５において、固定子７と対向する面とは反対側から放熱フィン１２へ送風するように、ロータヨーク３の盤面に対して所定の傾斜角度をなして形成されている。

なお、本発明にかかるアキシャルギャップ型回転機は、上記のように回転子が２つで、固定子が１つという構造に限定されるものではなく、回転子ｎ＋１個で固定子ｎ個の多段の回転機であってもよい。

以下、実施例にて詳しく説明する。なお、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系の永久磁石について説明するが、本発明はＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石に限るものではない。
まず、永久磁石は以下の工程にて製作した。それぞれ純度９９．７重量％のＮｄ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍ（ＭはＡｌ，Ｓｉ，Ｃｕ）と純度９９．５重量％のＢを用い、真空溶解炉で溶解鋳造してＮｄ_２Ｆｅ_１４Ｂ系合金インゴットを作製した。このインゴットをジョークラッシャーで粗粉砕し、更に窒素気流中ジェットミル粉砕により平均粒形３．５μｍの微粉末を得た。この微粉末を金型に充填し垂直磁場プレスにて１２ｋＧの磁場中において、１．０ｔ／ｃｍ^２ の成形圧にて成形した。この成形体はＡｒガス中１０９０℃で１時間焼結を行い、引き続き５８０℃で１時間の熱処理を行った。熱処理を終えた焼結体は直方体のブロック形状である。このブロックを砥石による研削加工を行い、Ｄ形の永久磁石を得た。本永久磁石の特性は、Ｂｒ：１３．０ｋＧ，ｉＨｃ：２２ｋＯｅ，（ＢＨ）ｍａｘ：４０ＭＧＯｅであった。

比較例
従来例を図８に示す。モータ１００の構造は１６極１２コイルモータである。ロータヨーク１０３は、材質がＳ１５Ｃで外径２００ｍｍ、厚さ５ｍｍの円盤である。永久磁石１０４は、材質が上記Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石で、大きさが幅２０ｍｍ、長さ３６ｍｍ、磁化方向の厚さ４ｍｍである。ロータヨーク１０３表面に磁極面がＮ極Ｓ極交互に１６個の磁石１０４が並べられ、エポキシ系接着剤で固定されている。磁石は空隙（ギャップ）をはさんで逆極の磁石と対向している。ギャップの大きさは８ｍｍで、ギャップには固定子１０７が置かれる。固定子１０７のコイル１０８は、図９に示すように、ベークライト製の厚さ５ｍｍのコイル保持材１０９（熱伝導率：０．３８Ｗ／ｍＫ、導電率：０．２５×１０^−６ Ｓ／ｍ）に３０ターン巻かれたコイル１２個がエポキシ樹脂１１２にて含浸されている。コイルは三相結線で、各相４個のコイルを直列に接続したものをスター結線している。このアキシャルギャップ型回転機の回転子を毎分３６００回転で回転させ、発電機として使用した。負荷を繋いで３０Ａ通電させ運転を行ったところ、コイルの温度は１５０℃にまで達した。連続運転を続けていたところ、銅線のエナメル被膜を破壊する程の温度（１５５℃）にまで達し、コイルが破断した。

実施例１で用いたアキシャルギャップ型回転機を図１に示す。コイル保持材９の材質変更と、放熱フィン１２及び冷却ファン１３の追加、ケ−ス１０がラジアル方向に大きくなったこと以外は 比較例と同じ材質で同じ寸法である。
コイル保持材９は、無機鉱物粒子として酸化アルミニウムを含む熱可塑性樹脂（液晶ポリマー）を用い（熱伝導率 １８Ｗ／ｍＫ、導電率０．１２×１０^−１３ Ｓ／ｍ）、コイル８を図２のように含浸／成型した。放熱フィン１２の材質としては、アルミニウムを用い（熱伝導率２３６Ｗ／ｍＫ ）、かつ表面に凹凸を設けることにより表面積を３倍にし、冷却ファン１３からの冷却効果を効率よくコイル保持材９に伝えるようになっている。冷却ファン１３は、打ち抜き加工の後、曲げや溶接で接合したものを用いた。比較例と同様に回転子を毎分３６００回転で回転させ、発電機として使用した。負荷を繋いで３０Ａ通電させ運転を行ったところ、コイルの温度は８０℃にまで抑えられた。その後連続運転を続けたが、コイルの破断は起きなかった。

実施例２
図２のコイル保持材９の材料を変え、前記実施例１と同じ試験を行った。コイル保持材９の材料を変化させたこと以外は、前記実施例１と同じ条件の試験である。この実施例によって、コイル保持材９の熱伝導率とコイル温度の関係が分かり、その結果を図７および表１に示す。尚、熱伝導率４０Ｗ／ｍＫ（導電率：１０×１０^４ Ｓ／ｍ）の結果については、適当な材料が無かったので、実測結果では無く、有限要素法を用いた伝熱解析にて求め、補完した。

この結果から、熱伝導率が５Ｗ／ｍＫ以上あればコイル温度上昇の変化が少ない、即ち、熱伝導率５Ｗ／ｍＫ以上で放熱性が優れることが分かった。

実施例３
図２の放熱フィンの材料を 鉄に変え、コイル保持材の盤面表面積に比べて表面積を４倍にしたこと以外は、前記実施例１と同じ試験を行った。尚、熱伝導率20、180及び 400Ｗ／ｍＫ（導電率：１０×１０^４ Ｓ／ｍ）の結果については、適当な材料が無かったので、実測結果では無く、有限要素法を用いた伝熱解析にて求め、補完した。
放熱フィンの材料を変化させたこと以外は前記実施例１と同じ条件の試験である。この実施例によって、放熱フィンの熱伝導率とコイル温度の関係が分かり、その結果を表２に示す。

この結果から、熱伝導率が１５０Ｗ／ｍＫ以上あれば コイル温度上昇の変化が少ない、即ち、熱伝導率１５０Ｗ／ｍＫ以上で放熱性が優れることが分かった。

実施例４
図２のコイル保持材の材料をアルミニウムに変え（ 導電率：３．６９×１０^７ Ｓ／ｍ ）、前記実施例１と同じ試験を行った。コイル保持材の材料を変化させたこと以外は前記実施例１と同じ条件の試験である。試験を行ったところ、実施例１にて発電効率が８１％だったものが、発電効率７０％とアルミニウムに流れる渦電流の影響で大きく悪化した。積分要素法による磁場解析にて渦電流による損失を計算したところ、実施例１ではほぼ０Ｗに対し、実施例４では８００Ｗ以上となった。さらに解析にて 導電率：１０×１０^４ Ｓ／ｍで計算を行ったところ、数Ｗ程度の損失にとどまった。即ちコイル保持材の導電率が１０×１０^４ Ｓ／ｍ以下であれば発電効率に悪影響を与えないことが分かった。

１、１００ 回転機
２、１０２ シャフト
３，１０３ ロータヨーク
４，１０４ 永久磁石
５，１０５ 回転子
６，１０６ スペーサ
７，１０７ 固定子
８，１０８ コイル
９，１０９ コイル保持材
１０、１１０ ケース
１１，１１１ ベアリング
１２ 放熱フィン
１３ 冷却ファン
１１２エポキシ樹脂

Claims (2)

1. 回転軸と、
   前記回転軸の軸方向に沿って配置された回転盤と、該回転盤の少なくとも１つの面に永久磁石とを備え、前記回転軸と一体に回転可能な回転子と、
   ＡＳＴＭ Ｅ１５３０に準拠して測定した熱伝導率が、５Ｗ／ｍＫ以上であって、かつ、ＡＳＴＭ Ｅ３４５に準拠して測定した導電率が、１０×１０⁴Ｓ／ｍ以下である材料を含むコイル保持材、該コイル保持材に固定されたコイル及び該コイル保持材の外周部に備えた放熱フィンを備え、前記回転子の永久磁石を備えた面と対向するように空間を隔てて配置され、前記回転軸から分離された、鉄心が挿入されない固定子と、
   前記回転子の外周部に、前記放熱フィンに送風するように、冷却ファンと、
   前記放熱フィンの一部を固定するケースと
   を備え、
   前記放熱フィンが前記コイル保持材の盤面表面積に比べて表面積が３倍以上になるように表面に凹凸を設けられ、その熱伝導率が１５０Ｗ／ｍＫ以上であり、
   前記放熱フィン及び冷却ファンが前記ケース内に収容されていることを特徴とするアキシャルギャップ型回転機。
   
2. 前記冷却ファンが、前記回転盤の盤面に対して傾斜角をなすように配された請求項１に記載のアキシャルギャップ型回転機。

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