JP6752159B2

JP6752159B2 - アキシャルギャップ型回転電機

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Publication number: JP6752159B2
Application number: JP2017000968A
Authority: JP
Inventors: 博洋床井; 利文鈴木; 高橋　秀一; 秀一高橋; 憲一相馬
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2017-01-06
Filing date: 2017-01-06
Publication date: 2020-09-09
Anticipated expiration: 2037-01-06
Also published as: JP2018110505A

Description

本発明は、アキシャルギャップ型回転電機に係り、特に、複数の永久磁石からなる回転子を有するアキシャルギャップ型回転電機に関する。

アキシャル型の回転電機は、円盤状の回転子と固定子が対向して配置された構造を有している。モータのトルクは、回転子と固定子の対向面であるギャップ面積に比例する。アキシャル型の回転電機は、回転子の大径化により、ギャップ面積を拡大することができモータの高出力化、高効率化が図れる。したがって、一般に用いられている円筒状の固定子と回転子とが対向したラジアル型のモータに比較し、薄型、扁平化に向いている。

一般に、アキシャル型の回転子は、周方向に複数配置した永久磁石と、これを回転軸に支持する保持部材から構成されている。保持部材は、モータを回転させたときに回転子に働く力、例えば遠心力や磁気吸引力、トルク反力などに対し十分な強度が必要である。また、保持部材は、永久磁石の磁気回路を形成するヨークとして機能している場合もある。

アキシャルギャップ型回転電機の回転子構造について、先行技術の一例を以下に示す。
特許文献１では、周方向に複数配置した永久磁石と、永久磁石を保持し回転軸に結合された回転子ベース（保持部材）からなる回転子構造が開示されている。回転子ベースはヨークを兼ねており、固定子側にスロットが設けられ永久磁石が格納されている。永久磁石は、回転子ベースにより周方向、径方向に強固に保持される。

特許文献２では、特許文献１と同様に、周方向に複数配置した界磁磁石と、界磁磁石を保持し回転軸に結合された非磁性ホルダからなる回転子構造が開示されている。ただし、非磁性ホルダは界磁磁石の側面に設けられている。界磁磁石の反固定子側には、非磁性ホルダとは別体のヨークが設置されている。

特開２００６−１４３９９号公報特開２０１１−５５５７７号公報

しかしながら、特許文献１では、回転時の遠心力により保持部材である回転子ベースが変形し、永久磁石が回転子ベースから脱離する場合がある。以下にこれを詳述する。回転時には、回転子全体に遠心力が働くが、特に周方向に複数並べられた永久磁石は、自分自身でこれに耐えることはできないため、回転子ベースにその力を伝達する。この力は、永久磁石に対向した回転子ベースの外周側に伝わり、この部分を押し広げようとする。さらに、回転子ベースに対し、外径側を反固定子側に曲げるように働く。遠心力に対する回転子ベースの強度が小さい場合、回転子ベースは反固定子側に大きく反る。これにより、永久磁石の内径側が固定子側に飛び出し破損する恐れがある。これを避けるために、回転子ベースの剛性を上げると回転子が大きくなり、モータ自体の体格増加を招く。

特許文献２では、保持部材である非磁性ホルダとヨークとを完全に分離した場合、界磁磁石に働く遠心力により非磁性ホルダが反ることはない。ただし、これにより非磁性ホルダ自体の剛性が低下するため、磁気吸引力やトルク反力に対する強度が不足する恐れがある。なお、この対策として非磁性ホルダとヨークを締結すると、特許文献１と類似した構造となる。また、特許文献２では、回転軸で非磁性ホルダを支持している位置に対し、界磁磁石の固定子対向面位置を出しにくく、固定子と回転子間の距離であるギャップ長の精度を高めにくいという課題もある。すなわち、界磁磁石はヨーク側に吸着するため、ヨークと非磁性ホルダの表面の加工精度や組立精度がギャップ長に影響する。一方で、界磁磁石を非磁性ホルダ側に固定することもできるが、この場合には、ヨークとの間にギャップが生じる恐れがある。

本発明は、アキシャルギャップ型回転電機において、回転子の大型化や特性のばらつきの増加を招くことなく、高信頼に複数の永久磁石を保持することを目的とする。

本発明のアキシャルギャップ型回転電機の一例を挙げるならば、ステータと、前記ステータと回転軸方向に所定のエアギャップを介して面対向する少なくとも１つのロータとを有するアキシャルギャップ型回転電機であって、
前記ロータが、環状に配置した複数の永久磁石と、前記永久磁石の反ステータ側側面に配置され、前記永久磁石と磁気回路を構成するヨーク部と、前記永久磁石をシャフトに締結する軸締結部からなる第１の保持部材と、少なくとも前記永久磁石の周方向側面を保持する周方向抑え部、および、前記永久磁石の径方向側面を保持する径方向抑え部を備えた第２の保持部材と、を有し、前記第１の保持部材および前記第２の保持部材に互いの径方向を位置決めするための径方向位置決め部を、前記永久磁石よりも内径側に設けたものである。

本発明によれば、アキシャルギャップ型回転電機において、回転子の大型化や特性のばらつきの増加を招くことなく、高信頼に複数の永久磁石を保持することができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の記載から明らかとなる。

本発明を適用した実施例１のモータの斜視図である。実施例１のロータの分解図である。実施例１のロータの断面図である。永久磁石にかかる遠心力を保持部材の外径側の突起で受けたときの、保持部材の軸方向変位を計算した結果である。永久磁石にかかる遠心力を保持部材の内径側の突起で受けたときの、保持部材の軸方向変位を計算した結果である。本発明を適用した実施例２のロータの分解図である。本発明を適用した実施例３のロータの分解図である。実施例３のロータの断面図である。本発明を適用した実施例３の他のロータの分解図である。実施例３の他のロータの断面図である。本発明を適用した実施例４のロータの分解図である。実施例４のロータの断面図である。本発明を適用した実施例５のロータの分解図である。実施例５のロータの断面図である。本発明を適用した実施例６のロータの分解図である。実施例６のロータの断面図である。本発明を適用した実施例７のロータの分解図である。実施例７のロータの断面図である。本発明を適用した実施例８のロータの分解図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。なお、実施の形態を説明するための各図において、同一の構成要素にはなるべく同一の名称、符号を付して、その繰り返しの説明を省略する。

図１Ａに、本発明を適用した実施例１のアキシャルギャップ型モータ10の斜視図を示す。また、図１Ｂにロータ200の分解図を、図１Ｃにロータの断面図を示す。

モータ10は、概略円環状のドーナツ形状を有するステータ100を、ディスク形状の２つのロータ200がシャフト方向から挟むように面対向して配置された所謂ダブルロータ型の回転電機である。
ここで、図１Ａに示すように、ステータ100は、複数のコアメンバがシャフト500を中心として環状に配列して構成される。コアメンバは、両端部の側面が概略台形若しくは扇形を有する柱体のコア110と、鉄心の外径と概略一致する内径の筒部を有する図示しないボビンと、ボビンの外筒部に巻き回された巻線120とから構成される。環状に配列されたコアメンバの夫々と、ハウジング300の内周面とが樹脂130によって一体的にモールドされてステータ100が支持されるようになっている。

ロータ200は、コア110の端部側面に対向し、周方向に複数配置された永久磁石210と、その背面に配置され、永久磁石210を支持しシャフトと共回りするように結合する第1の保持部材220、および、第1の保持部材220と永久磁石210のステータ側端部との間に配置された第２の保持部材230からなる。第１の保持部材220は、軸締結部222と、ヨーク部221とから構成されている。第２の保持部材230には、永久磁石210の形状に対応したスロット（開口）238が設けられており、ここに永久磁石210が格納されている。第２の保持部材230は、永久磁石の側面を保持する周方向抑え部231、および、永久磁石の外径側を保持する径方向抑え部232を備えている。また、第１の保持部材220と第２の保持部材230は、永久磁石210よりも内径側に、互いの径方向位置を位置決めするための径方向位置決め部223、233を有する。本図では、径方向位置決め部として、第１の保持部材220のステータ側端面に凹部223、第２の保持部材230の反ステータ側端面に凸部233を設けている。シャフト500は、軸受600を介して回転自在にブラケット400に結合される。ブラケット400は、ハウジング300の両端部側面に固定される。
ハウジングの外周側面には、図示しない端子箱が設けられており、同じく図示しない１次側の電線と２次側の電線、即ち外部出力部が端子台を介し電気的に接続される。

このような構成を有するモータは、以下のように動作する。端子台の１次側にインバータの出力線を接続し、コイルに交流電流を通電する。これにより、ステータには回転磁界が形成され、永久磁石によりロータに形成された直流磁界と吸引反発してトルクを発生する。

モータ駆動時に、ロータには径方向の遠心力や軸方向の磁気吸引力、周方向のトルク反力などの力がかかる。永久磁石は遠心力により径方向に移動しようとするが、第２の保持部材のスロット238に格納されているため飛散することはない。第２の保持部材は、磁石の遠心力を自身の剛性と内径側の径方向保持部で受ける。永久磁石の遠心力は、第１の保持部材の内径側にかかるため、第１の保持部材の全面や外径側にかかるときと比較し、変形量が抑制される。このため、変形により永久磁石の内径側がステータ側に突出することを抑制でき、信頼性を向上できる。また、径方向位置決め部より外径側にはほとんど曲げが発生しないため、永久磁石と第１の保持部材のヨーク部との離間を抑制できる。これを有限要素法により解析した結果を図２Ａおよび図２Ｂに示す。

本解析では、第１の保持部材のみをモデル化し、永久磁石の配置面の内径側と外径側に凸部を設けている。図２Ａは、外径側突部の内径側面に永久磁石の遠心力を模擬した径方向荷重を加えたときの解析結果である。本図より、保持部材１は紙面上側にむかって反るように変形していることがわかる。図２Ｂは、内径側突部の内径側側面に同一の径方向荷重を加えたときの解析結果である。第１の保持部材は、根元から曲がっており、磁石配置面はほぼ平坦である。また、図２Ｂの軸方向の最大変位は、図２Ａよりも約７０％低減している。前述した従来技術の特性のばらつきに対しては、本実施例のロータは、永久磁石が第１の保持部材を介しシャフトに締結されているため、ギャップ長の精度を出し易くばらつきを抑制できる。

永久磁石の保持強度を高める観点からは、第２の保持部材を金属やＦＲＰ、セラミックなどで構成することが望ましい。

本実施例では、永久磁石形状のスロット238を有する第２の保持部材の形状を示したが、第２の保持部材は、少なくとも、永久磁石の側面を保持する周方向抑え部と永久磁石の外径側を保持する径方向抑え部とを有すればよい。径方向抑え部が遠心力を受け、周方向抑え部がトルク反力を受ける。また、本実施例の第１の保持部材は、ヨーク部と軸締結部が一体となっているため、鉄などの磁性体で構成することが望ましい。第１の保持部材と永久磁石の間には磁気的な吸着力がはたらくが、永久磁石がたつき防止などの観点から接着材で固定してもよい。このときには、永久磁石と第２の保持部材とを接着することが望ましい。第１の保持部材にも接着する場合には、ヤング率の小さい伸びの大きな接着材を使用することが望ましい。これにより、永久磁石の遠心力が接着面から第１の保持部材に伝達することを抑制できる。上述のように、永久磁石と第１の保持部材のヨーク部との離間が抑制されるため、接着層の剥離が抑制される。

なお、本実施例では、ダブルロータ型のモータを例として説明したが、他構造のアキシャルギャップ型電動機、例えばシングルロータ型のモータに適用することもできる。更には、モータではなく、発電機であってもよい。

図３に、本発明を適用した実施例２のアキシャルギャップ型モータのロータ分解図を示す。ここでは、ロータ以外の構造は図１Ａと同じため省略する。また、実施例１と重複する部品、構成等に関しては説明を割愛する。

図３の径方向位置決め部223、233は、軸方向に同一断面のかぎ型で構成されている。そして、第1の保持部材220の軸締結部222に設けられたかぎ型の凹部から成る径方向位置決め部223に、第２の保持部材230の内径側に設けられたかぎ型の凸部から成る径方向位置決め部233を嵌め合わせる。このような形状とすることで、第１の保持部材220のヨーク部221側への力の伝達を低減し、変形量を抑制し、永久磁石210の突出を防止できる。

図４Ａに、本発明を適用した実施例３のアキシャルギャップ型モータのロータの分解図を示す。また、図４Ｂにロータの断面図を示す。ここでは、ロータ以外の構造は図１Ａと同じため、省略する。また、実施例１と重複する部品、構成等に関しては説明を割愛する。

本実施例のロータでは、第２の保持部材230の一部に切り欠き234を設けている。すなわち、第２の保持部材230の周方向抑え部231のステータ側端面の一部に切り欠き234を設けている。

本構造の効果を以下に説明する。永久磁石の保持強度および製作性、コスト等の観点から、第２の保持部材230は鉄などの金属で構成することが望まれる。ただし、第２の保持部材230は、磁石側面に配置されるため、磁性体で構成した場合には、漏れ磁束の増加による有効磁束、即ちトルクの低下や出力の低下がおこる。また、導電体で構成した場合には、渦電流損失が発生する。これに対し、第２の保持部材230の周方向抑え部231のステータ側端面を切り欠くことで、上記漏れ磁束の増加や渦電流損失の増加を抑制することができる。

なお、図４Ａでは、第２の保持部材230の周方向抑え部231のステータ側端面の一部を切り欠いた構造を示したが、ステータ側端面の全面を切り欠いても良い。これを図５Ａおよび図５Ｂに示す。図５Ａおよび図５Ｂでは、第２の保持部材230の周方向抑え部231および径方向抑え部232のステータ側端面の全部を切り欠いている。さらには、第２の保持部材230の周方向抑え部231は、板状に代えて、棒状であってもよい。

図６Ａに、本発明を適用した実施例４のアキシャルギャップ型モータのロータ分解図を示す。また、図６Ｂにロータの断面図を示す。ここでは、ロータ以外の構造は図１Ａと同じため省略する。また、実施例１と重複する部品、構成等に関しては説明を割愛する。

図６Ａの第２の保持部材230は、永久磁石210の内径側を軸方向に保持するための軸方向抑え部235を有している。これにより、第１の保持部材220が変形した際に、永久磁石210がステータ側に突出することを防止することができる。前述の実施例で述べた保持部材の変形抑制による永久磁石の突出防止効果と合わせて用いることで、さらに信頼性を高めることができる。

図７Ａに、本発明を適用した実施例５のアキシャルギャップ型モータのロータ分解図を示す。また、図７Ｂにロータの断面図を示す。ここでは、ロータ以外の構造は図１Ａと同じため省略する。また、実施例１と重複する部品、構成等に関しては説明を割愛する。

図７Ａのロータは、永久磁石210を軸方向に保持するための軸方向保持部材240を有している。本図では、永久磁石210に段付きのボルト穴を設け、ボルトを第１の保持部材220に締結している。本図では、軸方向保持部材240として、ボルトを用いているが、固定ピンなどでも良い。本構成でも実施例４と同様に、永久磁石の軸方向の突出に対する信頼性を向上できる。

図８Ａに、本発明を適用した実施例６のアキシャルギャップ型モータのロータ分解図を示す。また、図８Ｂにロータの断面図を示す。ここでは、ロータ以外の構造は図１Ａと同じため省略する。また、実施例１と重複する部品、構成等に関しては説明を割愛する。

図８Ａの第１の保持部材220は、ヨーク部221と軸締結部222が別体で構成されている。ヨーク部221は、電磁鋼板を回転軸に対し巻回した巻鉄心で構成している。これにより、永久磁石の直流磁界が固定子との相互作用で時間的に変動することに伴い第１の保持部材220に発生する渦電流損失を抑制することができるため、モータ特性が向上する。本構成においては、第２の保持部材230がヨーク部221を軸方向に支持する役割も果たす。

なお、別体化したヨーク部221は、アモルファス金属やナノクリスタルなどで構成した巻鉄心であってもよい。巻鉄心ではなく、径方向に積層したものを周方向に複数配置してもよい。絶縁コートした鉄粉を圧縮成形した圧粉磁心を用いても良い。

図９Ａに、本発明を適用した実施例７のアキシャルギャップ型モータのロータ分解図を示す。また、図９Ｂにロータの断面図を示す。ここでは、ロータ以外の構造は図１Ａと同じため省略する。また、実施例１と重複する部品、構成等に関しては説明を割愛する。

図９Ａの第２の保持部材230は、永久磁石210を収納するスロット238ごとに分割されている。第２の保持部材230は鋳造や切削等により製作されるが、分割し小型化することで製作性が向上しコスト低減に資する。

なお、本図では１つの永久磁石ごとに分割したが、少なくとも周方向抑え部と径方向抑え部が連結されていればよく、分割数に制約はない。また、分割した保持部材同士を締結しても良い。これにより、円環となるため遠心力への耐久力が向上する。分割の方向は周方向ではなく、軸方向であっても良い。この場合には、プレスで打ち抜いた薄板を複数枚積層して第２の保持部材を構成することができ、製作性の向上、コスト低減が図れる。

図１０に、本発明を適用した実施例７のアキシャルギャップ型モータのロータ分解図を示す。ここでは、ロータ以外の構造は図１Ａと同じため省略する。また、実施例１と重複する部品、構成等に関しては説明を割愛する。

本図の永久磁石210は丸形である。また、第２の保持部材230には、永久磁石形状に対応した丸形のスロット238が設けられている。永久磁石210を収容するスロット238を丸形とすることで、第２の保持部材230の加工が容易になり、低コスト化が図れる。

10 モータ
100 ステータ
110 コア
120 巻線
130 樹脂
200 ロータ
210 永久磁石
220 第１の保持部材
221 ヨーク部
222 軸締結部
223 径方向位置決め部
230 第２の保持部材
231 周方向抑え部
232 径方向抑え部
233 径方向位置決め部
234 切り欠き
235 軸方向抑え部
238 スロット
240 軸方向保持部材
300 ハウジング
400 ブラケット
500 シャフト
600 軸受

Claims

ステータと、前記ステータと回転軸方向に所定のエアギャップを介して面対向する少なくとも１つのロータとを有するアキシャルギャップ型回転電機であって、
前記ロータが、
環状に配置した複数の永久磁石と、
前記永久磁石の反ステータ側側面に配置され、前記永久磁石と磁気回路を構成するヨーク部と、前記永久磁石をシャフトに締結する軸締結部からなる第１の保持部材と、
少なくとも前記永久磁石の周方向側面を保持する周方向抑え部、および、前記永久磁石の径方向側面を保持する径方向抑え部を備えた第２の保持部材と、を有し、
前記第１の保持部材および前記第２の保持部材に互いの径方向を位置決めするための径方向位置決め部を、前記永久磁石よりも内径側に設けたことを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
請求項１に記載のアキシャルギャップ型回転電機において、
第１の保持部材の径方向位置決め部は、前記第１の保持部材の前記軸締結部に配置し、
第２の保持部材の径方向位置決め部は、前記第２の保持部材の内径側に配置したことを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
請求項２に記載のアキシャルギャップ型回転電機において、
第１の保持部材の径方向位置決め部および第２の保持部材の径方向位置決め部は、互いに嵌り合う凹部および凸部から構成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電機。
請求項２に記載のアキシャルギャップ型回転電機において、
第１の保持部材の径方向位置決め部および第２の保持部材の径方向位置決め部は、互いに嵌り合う、かぎ型の凹部および凸部から構成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電機。
請求項１に記載のアキシャルギャップ型回転電機において、
前記第２の保持部材が磁性または導電性、或いはその何れも有している材料で構成されており、
前記第２の保持部材の前記ステータと対向する面の一部または全てが、前記永久磁石よりも反ステータ側に位置することを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
請求項５に記載のアキシャルギャップ型回転電機において、
前記第２の保持部材の前記ステータと対向する面の一部または全てが、切り欠かれていることを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
請求項１に記載のアキシャルギャップ型回転電機において、
前記第２の保持部材は、前記永久磁石の内径側を回転軸方向に保持するための軸方向抑え部を有することを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
請求項１に記載のアキシャルギャップ型回転電機において、
前記永久磁石を回転軸方向に保持するための軸方向保持部材を前記第１の保持部材および前記第２の保持部材とは別体で設けたことを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
請求項８に記載のアキシャルギャップ型回転電機において、
前記軸方向保持部材が、前記永久磁石を前記第１の保持部材に取り付けるボルトであることを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
請求項１に記載のアキシャルギャップ型回転電機において、
前記ヨーク部を前記第１の保持部材とは別体に構成したことを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
請求項１０に記載のアキシャルギャップ型回転電機において、
前記ヨーク部を磁性材料で構成し、前記第１の保持部材を非磁性材料で構成したことを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
請求項１に記載のアキシャルギャップ型回転電機において、
前記第２の保持部材が、周方向または回転軸方向に対し、複数の部品として分割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電機。
請求項１に記載のアキシャルギャップ型回転電機において、
前記永久磁石を円柱形とし、前記第２の保持部材に形成した丸形のスロットにはめ込んだことを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。