JP7157171B2 - コア、ステータ、及び回転電機 - Google Patents
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Description
本出願は、2018年10月26日付の日本国出願の特願2018-202373号に基づく優先権を主張し、前記日本国出願に記載された全ての記載内容を援用するものである。
アキシャルギャップ型の回転電機に用いられるコアであって、
環状のバックヨークと、
前記バックヨークの第一平面に対して垂直な軸方向に突出する複数のティースと、を備え、
前記複数のティースは前記第一平面の周方向に間隔をあけて設けられ、
前記バックヨークと前記ティースとは一体成形された圧粉成形体で構成されており、
前記ティースと前記バックヨークとの角部に、前記ティースの周面と前記バックヨークの前記第一平面との間をつなぐ第一曲面部を有し、
前記第一曲面部の曲率半径が0.2mm以上1.5mm以下である。
アキシャルギャップ型の回転電機のステータであって、
本開示のコアと、
前記コアの各ティースに配置されるコイルと、を備える。
ロータとステータとを備え、前記ロータと前記ステータとが軸方向に対向して配置されたアキシャルギャップ型の回転電機であって、
前記ステータが本開示のステータである。
アキシャルギャップ型の回転電機の効率を向上させることが望まれている。回転電機の効率を向上させる観点から、回転電機に用いられるコアの磁気特性を改善することが望まれる。
本開示のコアは磁気特性を改善できる。また、本開示のステータはコアの磁気特性に優れる。更に、本開示の回転電機は効率に優れる。
本発明者らは、アキシャルギャップ型の回転電機に用いられるコアの磁気特性について鋭意検討した結果、以下のような知見を得た。
アキシャルギャップ型の回転電機に用いられるコアであって、
環状のバックヨークと、
前記バックヨークの第一平面に対して垂直な軸方向に突出する複数のティースと、を備え、
前記複数のティースは前記第一平面の周方向に間隔をあけて設けられ、
前記バックヨークと前記ティースとは一体成形された圧粉成形体で構成されており、
前記ティースと前記バックヨークとの角部に、前記ティースの周面と前記バックヨークの前記第一平面との間をつなぐ第一曲面部を有し、
前記第一曲面部の曲率半径が0.2mm以上1.5mm以下である。
前記第一平面と前記バックヨークの外周面との間をつなぐ外側曲面部と、
前記第一平面と前記バックヨークの内周面との間をつなぐ内側曲面部と、を有し、
前記外側曲面部及び前記内側曲面部の各曲率半径が0.5mm以上であることが挙げられる。
前記外側曲面部の曲率半径と前記内側曲面部の曲率半径とが異なることが挙げられる。
前記バックヨークの外周面及び内周面の少なくとも一方に、軸方向に沿って延びる直線部を有し、
前記直線部の長さが前記バックヨークの厚みの15%以上であることが挙げられる。
前記バックヨークの軸中心から外周面までの径方向の寸法と、前記バックヨークの軸中心から前記ティースの外周側に位置する面までの径方向の寸法との差が6.0mm以下であることが挙げられる。
前記バックヨークの軸中心から前記ティースの内周側に位置する面までの径方向の寸法と、前記バックヨークの軸中心から内周面までの径方向の寸法との差が7.0mm以下であることが挙げられる。
前記バックヨークの外周面及び内周面の少なくとも一方に部分的に設けられ、径方向に突出する凸部又は径方向に凹む凹部を有することが挙げられる。
前記圧粉成形体は、軟磁性粒子の表面に絶縁被覆を有する複数の被覆軟磁性粒子の集合体で構成され、
前記軟磁性粒子が、純鉄、又は、Fe-Si系合金、Fe-Al系合金、Fe-Cr-Al系合金及びFe-Cr-Si系合金から選択される少なくとも一種の鉄基合金からなる鉄基粒子であることが挙げられる。
前記絶縁被覆がリン酸塩被覆を含むことが挙げられる。
前記圧粉成形体の相対密度が90%以上であることが挙げられる。
アキシャルギャップ型の回転電機に用いられるコアであって、
環状のバックヨークと、
前記バックヨークの第一平面に対して垂直な軸方向に突出する複数のティースと、を備え、
前記複数のティースは前記第一平面の周方向に間隔をあけて設けられ、
前記バックヨークと前記ティースとは一体成形された圧粉成形体で構成されており、
前記ティースと前記バックヨークとの角部に、前記ティースの周面と前記バックヨークの前記第一平面との間をつなぐ第一曲面部を有し、
前記第一曲面部の曲率半径が0.2mm以上1.5mm以下であり、
前記第一平面と前記バックヨークの外周面との間をつなぐ外側曲面部と、
前記第一平面と前記バックヨークの内周面との間をつなぐ内側曲面部と、を有し、
前記外側曲面部及び前記内側曲面部の各曲率半径が0.5mm以上であり、
前記バックヨークの外周面及び内周面の少なくとも一方に、軸方向に沿って延びる直線部を有し、
前記直線部の長さが前記バックヨークの厚みの15%以上である。
アキシャルギャップ型の回転電機のステータであって、
上記(1)から(11)のいずれか1つに記載のコアと、
前記コアの各ティースに配置されるコイルと、を備える。
ロータとステータとを備え、前記ロータと前記ステータとが軸方向に対向して配置されたアキシャルギャップ型の回転電機であって、
前記ステータが上記(12)に記載のステータである。
以下、図面を参照して、本開示の実施形態に係るコア、ステータ、及び回転電機の具体例を説明する。図中の同一符号は、同一名称物を示す。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
図1~図3を参照して、実施形態に係るコア1について説明する。コア1は、アキシャルギャップ型の回転電機に用いられる。コア1は、環状のバックヨーク2と、バックヨーク2から突出する複数のティース3とを備える。コア1の特徴の1つは、図2、図3に示すように、ティース3とバックヨーク2との角部に第一曲面部31を有する点にある。以下の説明では、コア1について説明するときは、ティース3が突出する側を上、その反対側を下とする。
図1に示すバックヨーク2は、円環板状である。図2に示すように、バックヨーク2において、その一方の平面、即ち上面を第一平面21とし、第一平面21とは反対側の面、即ち下面を第二平面22とする。バックヨーク2の第一平面21には、図2に示すように、ティース3が突出して設けられる。バックヨーク2の厚みは、例えば1.5mm以上10mm以下、更に2.0mm以上7.0mm以下である。図2中、バックヨーク2の厚みをT2で示す。本例では、第一平面21及び第二平面22が、バックヨーク2の軸方向に直交する方向に沿った平面である。
ティース3は、図1に示すように、バックヨーク2の第一平面21に周方向に間隔をあけて設けられている。ティース3は、図2に示すように、第一平面21からバックヨーク2の軸方向に突出する。具体的には、ティース3が第一平面21に対して垂直な方向に突出する。ティース3の個数は、適宜決めればよく、例えば3個以上、更に6個以上である。この例では、図1に示すように、9個のティース3が周方向に等間隔に配置されている。また、ティース3の形状は、特に限定されるものではなく、例えば円柱状、多角形柱状などの種々の形状とすることができる。この例では、ティース3の形状が三角柱状である。ティース3の形状は、台形柱状などの四角柱状などであってもよい。
バックヨーク2とティース3とは、一体成形された圧粉成形体で構成されている。つまり、コア1は圧粉成形体で構成されている。圧粉成形体は、軟磁性粉末を圧縮して成形したものである。軟磁性粉末は、軟磁性粒子の表面に絶縁被覆を有する複数の被覆軟磁性粒子の集合体である。つまり、圧粉成形体は、複数の被覆軟磁性粒子の集合体で構成されている。本例では、コア1を構成する圧粉成形体が、実質的に、被覆軟磁性粒子からなる軟磁性粉末のみで構成されている。
圧粉成形体からなるコア1は、金型で軟磁性粉末を圧縮して成形することにより、製造することができる。以下、図4~図10を参照して、コア1の製造に用いる金型5について説明する。金型5は、図4に示すように、ダイ50と、ダイ50内に配置されるコアロッド60と、ダイ50に嵌合される上下のパンチ70、80とを備える。
図11を参照して、実施形態に係るステータ100について説明する。ステータ100は、アキシャルギャップ型の回転電機に用いられる。ステータ100は、コア1と、コア1の各ティース3に配置されるコイル110とを備える。コイル110は、巻線をティース3に巻回して構成される。
図12を参照して、実施形態に係る回転電機300について説明する。回転電機300は、モータであってもよいし、発電機であってもよい。回転電機300は、ロータ200と、ステータ100とを備える。回転電機300は、ロータ200とステータ100とが回転軸方向に対向して配置されたアキシャルギャップ型の回転電機である。
ロータ200は、平板状の複数の磁石220と、これら磁石220を支持する円環状の保持板210とを備える。磁石220の平面形状は、ティース3の端面にほぼ対応した形状である。ティース3の端面の形状が三角形状の場合、磁石220の平面形状は、例えば三角形状や台形状であることが挙げられる。保持板210は、回転軸330に固定され、回転軸330と一緒に回転する。各磁石220は、保持板210に埋め込まれている。各磁石220は、保持板210に接着剤で固定されていてもよい。磁石220は、回転軸330の周方向に等間隔に配置されている。また、磁石220は、回転軸330の軸方向に着磁されている。周方向に隣り合う磁石220の磁化方向は互いに逆になっている。
ステータ100は、ティース3の端面がロータ200の磁石220に対向するように配置される。ステータ100は、コア1のバックヨーク2の外周面をケース310の内周面に嵌合させることにより、ケース310に固定されている。この例では、バックヨーク2の外周面に直線部25を有することから、ケース310に対してステータ100を構成するコア1を固定し易い。また、バックヨーク2の内周側には、回転軸330を回転自在に支持する円環状のベアリング340が配置されている。
コア1において、バックヨーク2の外周面及び内周面の少なくとも一方に凸部又は凹部を有してもよい。図13A及び図13B、図14A及び図14Bを参照して、バックヨーク2の外周面に凸部41又は凹部42を有する例を説明する。
上述した実施形態のコア1、ステータ100、及び回転電機300は、次の効果を奏する。
実施形態で説明したコア1と同じ構成のものを作製し、その評価を行った。試験例1では、第一曲面部31の曲率半径を異ならせた複数のコアを用意した。各コアを試料No.1-0~No.1-6とする。用意したコア1の各ティース3に巻線を巻回してコイル110を形成することにより、ステータ100を作製した。そして、作製したステータ100を用いて、アキシャルギャップ型の回転電機300を構成した。この回転電機300はモータとして機能する。
実施形態で説明したコア1を金型5で成形したときのダイ50に作用する応力分布をCAE(Computer Aided Engineering)により解析した。そして、CAEによる応力解析の結果から、ダイ50における段部53の外縁角部532に発生する最大応力を求めた。試験例2では、外縁角部532の曲率半径を異ならせ、それぞれの場合での最大応力を求めた。その結果を表2に示す。
試験例3では、試験例2と同様にCAEによる応力解析により、コア成形時のダイ50における段部53の内縁角部533に発生する最大応力を求めた。その結果を表3に示す。解析条件は、試験例2と同じである。
アキシャルギャップ型の回転電機に用いられるコアであって、
環状のバックヨークと、
前記バックヨークの第一平面から軸方向に突出する複数のティースと、を備え、
前記複数のティースは前記第一平面の周方向に間隔をあけて設けられ、
前記バックヨークと前記ティースとは一体成形された圧粉成形体で構成されており、
前記ティースと前記バックヨークとの角部に、前記ティースの周面と前記バックヨークの前記第一平面との間をつなぐ第一曲面部を有し、
前記第一曲面部の曲率半径が0.2mm以上1.5mm以下である、
コア。
前記第一平面と前記バックヨークの外周面との間をつなぐ外側曲面部と、
前記第一平面と前記バックヨークの内周面との間をつなぐ内側曲面部と、を有し、
前記外側曲面部及び前記内側曲面部の各曲率半径が0.5mm以上5.0mm以下である付記1に記載のコア。
前記圧粉成形体は、軟磁性粒子の表面に絶縁被覆を有する複数の被覆軟磁性粒子の集合体で構成され、
前記軟磁性粒子の平均粒子径が20μm以上300μm以下である付記1に記載のコア。
圧粉成形体の任意の断面を、走査型電子顕微鏡(SEM)や光学顕微鏡などの顕微鏡で観察する。観察視野内に存在する全ての軟磁性粒子を抽出し、各粒子の面積を測定する。各粒子の面積に等しい面積を有する円の直径をそれぞれ算出し、その平均値を軟磁性粒子の平均粒子径とする。観察視野のサイズは、例えば、50個以上の軟磁性粒子が含まれるように設定する。軟磁性粒子の抽出、面積の測定、等面積円相当径の算出は、画像解析ソフトウェアなどを用いて行うとよい。
前記圧粉成形体は、軟磁性粒子の表面に絶縁被覆を有する複数の被覆軟磁性粒子の集合体で構成され、
前記軟磁性粒子の平均粒子径が40μm以上250μm以下である付記1に記載のコア。
前記圧粉成形体の相対密度が93%以上である付記1に記載のコア。
2 バックヨーク
21 第一平面 22 第二平面
23 外側曲面部 24 内側曲面部
25、26 直線部
27 外周領域 28 内周領域
3 ティース
31 第一曲面部
41 凸部 42 凹部
5 金型
50 ダイ
51 第一成形部 52 第二成形部
53 段部
531 第一角部
532 外縁角部 533 内縁角部
60 コアロッド
70 上パンチ 80 下パンチ 82 パンチ部
100 ステータ
110 コイル 200 ロータ
210 保持板 220 磁石
300 回転電機
310 ケース
311 凹部 312 凸部
320 プレート
330 回転軸 340 ベアリング
T2 厚み
R2o、R3o 外半径
R3i、R2i 内半径
H3 高さ位置
Claims (13)
- アキシャルギャップ型の回転電機に用いられるコアであって、
環状のバックヨークと、
前記バックヨークの第一平面に対して垂直な軸方向に突出する複数のティースと、を備え、
前記バックヨークは、前記第一平面とは反対側の面である第二平面を有し、
前記複数のティースは前記第一平面の周方向に間隔をあけて設けられ、
前記バックヨークと前記ティースとは一体成形された圧粉成形体で構成されており、
前記ティースと前記バックヨークとの角部に、前記ティースの周面と前記バックヨークの前記第一平面との間をつなぐ第一曲面部を有し、
前記第一曲面部と前記第二平面との距離は、前記第一平面から前記ティースの周面に向けて大きくなり、
前記第一曲面部の曲率半径が0.2mm以上1.5mm以下である、
コア。 - 前記第一平面と前記バックヨークの外周面との間をつなぐ外側曲面部と、
前記第一平面と前記バックヨークの内周面との間をつなぐ内側曲面部と、を有し、
前記外側曲面部及び前記内側曲面部の各曲率半径が0.5mm以上である請求項1に記載のコア。 - 前記外側曲面部の曲率半径と前記内側曲面部の曲率半径とが異なる請求項2に記載のコア。
- 前記バックヨークの外周面及び内周面の少なくとも一方に、軸方向に沿って延びる直線部を有し、
前記直線部の長さが前記バックヨークの厚みの15%以上である請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のコア。 - 前記バックヨークの軸中心から外周面までの径方向の寸法と、前記バックヨークの軸中心から前記ティースの外周側に位置する面までの径方向の寸法との差が6.0mm以下である請求項1から請求項4のいずれか1項に記載のコア。
- 前記バックヨークの軸中心から前記ティースの内周側に位置する面までの径方向の寸法と、前記バックヨークの軸中心から内周面までの径方向の寸法との差が7.0mm以下である請求項1から請求項5のいずれか1項に記載のコア。
- 前記バックヨークの外周面及び内周面の少なくとも一方に部分的に設けられ、径方向に突出する凸部又は径方向に凹む凹部を有する請求項1から請求項6のいずれか1項に記載のコア。
- 前記圧粉成形体は、軟磁性粒子の表面に絶縁被覆を有する複数の被覆軟磁性粒子の集合体で構成され、
前記軟磁性粒子が、純鉄、又は、Fe-Si系合金、Fe-Al系合金、Fe-Cr-Al系合金及びFe-Cr-Si系合金から選択される少なくとも一種の鉄基合金からなる鉄基粒子である請求項1から請求項7のいずれか1項に記載のコア。 - 前記絶縁被覆がリン酸塩被覆を含む請求項8に記載のコア。
- 前記圧粉成形体の相対密度が90%以上である請求項1から請求項9のいずれか1項に記載のコア。
- アキシャルギャップ型の回転電機に用いられるコアであって、
環状のバックヨークと、
前記バックヨークの第一平面に対して垂直な軸方向に突出する複数のティースと、を備え、
前記バックヨークは、前記第一平面とは反対側の面である第二平面を有し、
前記複数のティースは前記第一平面の周方向に間隔をあけて設けられ、
前記バックヨークと前記ティースとは一体成形された圧粉成形体で構成されており、
前記ティースと前記バックヨークとの角部に、前記ティースの周面と前記バックヨークの前記第一平面との間をつなぐ第一曲面部を有し、
前記第一曲面部と前記第二平面との距離は、前記第一平面から前記ティースの周面に向けて大きくなり、
前記第一曲面部の曲率半径が0.2mm以上1.5mm以下であり、
前記第一平面と前記バックヨークの外周面との間をつなぐ外側曲面部と、
前記第一平面と前記バックヨークの内周面との間をつなぐ内側曲面部と、を有し、
前記外側曲面部及び前記内側曲面部の各曲率半径が0.5mm以上であり、
前記バックヨークの外周面及び内周面の少なくとも一方に、軸方向に沿って延びる直線部を有し、
前記直線部の長さが前記バックヨークの厚みの15%以上である、
コア。 - アキシャルギャップ型の回転電機のステータであって、
請求項1から請求項11のいずれか1項に記載のコアと、
前記コアの各ティースに配置されるコイルと、を備える、
ステータ。 - ロータとステータとを備え、前記ロータと前記ステータとが軸方向に対向して配置されたアキシャルギャップ型の回転電機であって、
前記ステータが請求項12に記載のステータである、
回転電機。
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