JP7295131B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本開示は、回転電機に関する。
本出願は、２０１８年９月１８日出願の日本出願第２０１８－１７３５１０号に基づく優先権を主張し、前記日本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。

近年、薄型で高トルクが得られるアキシャルギャップモータが注目されている。
このアキシャルギャップモータは、ロータとステータとの間のギャップが軸方向に設けられる（例えば、非特許文献１参照）。

渡辺麻子、他、「圧粉磁心による薄型・高トルクなアキシャルギャップモータの実現」、２０１８年１月・ＳＥＩテクニカルレビュー・第１９２号、ｐｐ．１１９－１２５

一実施形態である回転電機は、ステータと、前記ステータに対して軸方向に対向配置されたロータと、を備え、前記ロータは、円環状のロータヨークと、磁極が交互に異なるように周方向に沿って所定間隔を置いて前記ロータヨークの一面に当接配置された複数の磁石と、を備え、前記一面は、前記複数の磁石に対面し当接する複数の対面領域と、前記複数の磁石に対面しない非対面領域とを含み、前記非対面領域は、前記複数の対面領域のうちの周方向に隣り合う一対の対面領域同士の間に位置する領域部分を含み、前記領域部分が、当該対面領域に対して軸方向に凹む凹部とされている。

図１は、一実施形態に係るアキシャルギャップモータの構成を示す斜視図である。 図２は、第１実施形態に係る本体部の外観図である。 図３は、第１実施形態に係るロータヨークの外観図である。 図４は、ロータヨークの一面を軸方向から正面視した図である。 図５は、アキシャルギャップモータの部分断面図である。 図６は、図５の要部を拡大した図である。 図７は、第２実施形態に係るアキシャルギャップモータの部分断面図である。 図８は、従来のアキシャルギャップモータに用いられるロータの斜視図である。 図９は、従来のアキシャルギャップモータの一部分を示す断面図である。

［本開示が解決しようとする課題］
アキシャルギャップモータの構造には、ロータの軸方向両側にステータを配置したダブルステータ構造と、ロータの軸方向一方側にのみステータを配置したシングルステータ構造とがある。

図８は、従来のアキシャルギャップモータに用いられるロータの斜視図である。
図８中、シングルステータ構造に用いられるロータ１００は、複数の磁石１０２を備えた円環状の本体部１０１と、本体部１０１に同心に固定された円環状のロータヨーク１０３とを備えている。
複数の磁石１０２は、非磁性材料からなる保持部材１０４によって保持され、円環状の本体部１０１を構成している。複数の磁石１０２は、磁極が交互に異なるように周方向に沿って所定間隔を置いて配列されている。
ロータヨーク１０３は、一面１０３ａを本体部１０１に当接させて固定される。

図９は、従来のアキシャルギャップモータの一部分を示す断面図である。図９中の矢印は、各部を流れる磁束を示している。
図９に示すように、ロータ１００は、ステータに突設されるとともにコイルが巻き回された鉄心であるティース部１０５に軸方向に対向配置される。

ロータヨーク１０３の一面１０３ａには、周方向に所定間隔をおいて配置された複数の磁石１０２ａ，１０２ｂと、複数の磁石１０２ａ，１０２ｂ同士の間に介在する保持部材１０４とが当接している。
このため、ロータヨーク１０３の一面１０３ａは、磁石１０２ａ，１０２ｂに対面し当接する対面領域１０６ａ，１０６ｂと、保持部材１０４に対面し当接することで磁石１０２ａ，１０２ｂに対面しない非対面領域１０７とを含んでいる。

図９中、磁石１０２ａからの磁束は、Ｎ極である磁石１０２ａの磁極面１０２ａ１からＳ極である磁石１０２ｂの磁極面１０２ｂ１へ向かってロータヨーク１０３を通じて流れている。
磁石１０２ａから磁石１０２ｂへの磁束の流れは、ティース部１０５に巻き回されたコイルを貫通する磁束である鎖交磁束となる。
上記鎖交磁束は、アキシャルギャップモータの出力トルクに影響を及ぼす。すなわち、鎖交磁束がより大きければ、アキシャルギャップモータの出力トルクもより大きくなる。

ところが、磁石１０２ａの側面１０２ａ２と非対面領域１０７との間、及び、磁石１０２ｂの側面１０２ｂ２と非対面領域１０７との間が磁気的に短絡し、図９に示すように、磁極面１０２ａ１からロータヨーク１０３へ与えられる磁束が、磁石１０２ｂ側へ到達する前に、非対面領域１０７から側面１０２ａ２へ流れたり、磁石１０２ｂからティース部１０５へ向けて流れる磁束が、側面１０２ｂ２から非対面領域１０７へ流れたりすることがあった。

このような磁気的な短絡が生じると、鎖交磁束を減少させてしまい、モータの出力トルクを低下させる要因となる。

本開示はこのような事情に鑑みてなされたものであり、出力を高めることができる回転電機の提供を目的とする。

［本開示の効果］
本開示によれば、出力を高めることができる。

最初に実施形態の内容を列記して説明する。
［実施形態の概要］
（１）一実施形態である回転電機は、ステータと、前記ステータに対して軸方向に対向配置されたロータと、を備え、前記ロータは、円環状のロータヨークと、磁極が交互に異なるように周方向に沿って所定間隔を置いて前記ロータヨークの一面に当接配置された複数の磁石と、を備え、前記一面は、前記複数の磁石に対面し当接する複数の対面領域と、前記複数の磁石に対面しない非対面領域とを含み、前記非対面領域は、前記複数の対面領域のうちの周方向に隣り合う一対の対面領域同士の間に位置する領域部分を含み、前記領域部分が、当該対面領域に対して軸方向に凹む凹部とされている。

上記構成の回転電機によれば、ロータヨークの一面において、非対面領域のうち、周方向に隣り合う一対の対面領域同士の間の領域部分が凹部とされているので、上記従来例のように凹部を設けない場合と比較して、非対面領域におけるロータヨーク表面を、一対の対面領域に当接する一対の磁石に対してより離間させることができ、非対面領域におけるロータヨーク表面と、一対の磁石との間の磁気抵抗を高めることができる。
よって、非対面領域におけるロータヨーク表面と、一対の磁石とが磁気的に短絡するのを抑制することができ、短絡による鎖交磁束の減少を抑制することができる。この結果、より多くの鎖交磁束を生じさせることができ、回転電機の出力を高めることができる。

（２）上記回転電機において、前記凹部における前記一対の対面領域に亘る断面形状は、前記凹部の開口端縁と底部とを曲面で繋ぐ形状であってもよい。
この場合、凹部において、開口端縁から底部に亘る側壁部と、底部との間の距離が接近するのを抑制し、凹部の内部で磁気的な短絡が生じるのを抑制することができる。

（３）上記回転電機において、前記一対の対面領域の端縁によって構成される前記凹部の開口端縁が、前記複数の磁石のうちの前記一対の対面領域に当接する一対の磁石の磁極面に位置していてもよい。
この場合、凹部の開口幅を、周方向に隣り合う一対の磁石同士の所定間隔よりも大きくでき、周方向において非対面領域を確実に含むように凹部を設けることができる。

（４）上記回転電機において、前記凹部は、前記一面における内周端縁から外周端縁に亘っていてもよい。
この場合、凹部を設ける際に、少なくとも径方向の位置については調整等が不要となり、凹部を設けることが容易となる。

（５）上記回転電機において、前記ステータは、表面を絶縁膜で被覆した軟磁性粉末の加圧成形体により構成されたステータコアを有していてもよい。

［実施形態の詳細］
以下、好ましい実施形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、以下に記載する各実施形態の少なくとも一部を任意に組み合わせてもよい。

〔アキシャルギャップモータの構成〕
図１は、一実施形態に係るアキシャルギャップモータの構成を示す斜視図である。なお、図１では、内部の構成を示すために構成の一部を除いて示している。

図１中、アキシャルギャップモータ１は、ロータとステータとの間のギャップが軸方向に設けられるモータであり、円板状のロータ２と、ステータ４と、これらを収容するハウジング６とを備えており、シングルステータ構造とされている。
なお、図１では、ハウジング６の孔部６ａに挿通されハウジング６に対して相対回転可能に設けられる回転軸を省略して示している。なお、軸方向とは前記回転軸の軸心Ｓに平行な方向をいう。

ロータ２は、円環状であり、前記回転軸（図示省略）に一体回転可能に固定される。
ロータ２は、複数の磁石８を備えた円環状の本体部７と、本体部７に同心に固定された円環状のロータヨーク９とを含んで構成されている。
なお、ロータ２については、後に詳述する。

ステータ４は、ロータ２の一面２ａに対して軸方向にギャップを置いて対向配置されている。ステータ４は、円環状であり、ロータ２に対して同心に配置される。ステータ４は、ハウジング６の蓋部１０に固定されている。これにより、ロータ２とステータ４とは相対回転可能とされている。

ステータ４は、ステータコア２０と、ステータコア２０が有する複数のティース部２２に巻き回された複数のコイル２４とを含んで構成される。
ステータコア２０は、圧粉磁心により構成されている。圧粉磁心とは、表面を絶縁膜で被覆した軟磁性粉末の加圧成形体である。
コイル２４が巻き回された複数のティース部２２の先端面２２ａは、ロータ２の一面２ａに対向している。前記ギャップは、複数のティース部２２の先端面２２ａと、ロータ２の一面２ａとの間で構成される。

〔第１実施形態に係るロータについて〕
上述のように、ロータ２は、本体部７と、ロータヨーク９とを含んで構成されている。
図２は、本体部７の外観図である。
図２に示すように、本体部７は、前記回転軸が挿通される孔部７ｃを有する円環板状とされている。複数の磁石８は、例えば、オーステナイト系ステンレス鋼等の非磁性材料により形成された保持部材１１によって保持されている。

複数の磁石８としては、ネオジムボンド磁石や、ネオジム焼結磁石等が用いられる。なお、磁石８として使用される材料の条件として、残留磁束密度（Ｂｒ）＝０．７Ｔ（テスラ）以上であるという条件を満たすことが好ましい。
複数の磁石８は、板状に形成されている。複数の磁石８の一面８ａ及び他面８ｂは、本体部の一面７ａ及び他面７ｂに露出している。複数の磁石８の外形は、小径円弧及び大径円弧を有する扇形に形成されている。
複数の磁石８は、周方向に沿って環状に配列されている。
複数の磁石８の一面８ａ及び他面８ｂは磁極面である。複数の磁石８のうち互いに隣り合って並ぶ磁石８同士は、一面８ａ（他面８ｂ）の磁極が互いに異なるように配列されている。つまり、複数の磁石８の一面８ａ（他面８ｂ）の磁極は、周方向に沿って交互に異なっている。

保持部材１１は、環状部１１ａと、環状部１１ａから径方向外側へ向かって放射状に延びる複数の柱状部１１ｂと、複数の柱状部１１ｂの先端に設けられた外周保持部１１ｃとを有する。
環状部１１ａは、複数の磁石８の内周面に当接する。柱状部１１ｂは、周方向に隣り合う磁石８同士の間に介在し複数の磁石８の径方向側面に当接する。外周保持部１１ｃは、複数の磁石８の外周面に当接する。
このように保持部材１１は、複数の磁石８の周囲に当接することで複数の磁石８を円環状に保持する。

本体部７の他面７ｂには、上述のようにロータヨーク９が固定される。
図３は、ロータヨーク９の外観図である。
ロータヨーク９は、例えば、機械構造用鋼板等を用いて円環板状に形成されている。ロータヨーク９として使用される材料の条件として、比透磁率が１００以上の磁性体材料であるという条件を満たすことが好ましい。
ロータヨーク９の内周径及び外周径は、本体部７の内周径及び外周径とほぼ一致している。
よって、ロータヨーク９が本体部７に固定されたとき、ロータヨーク９の内周面及び外周面と、本体部７の内周面及び外周面とは、ほぼ面一となる。

ロータヨーク９は、一面９ａを本体部７の他面７ｂに当接させて固定される。
図３に示すように、ロータヨーク９の一面９ａは、当該一面９ａにおける内周端縁９ａ１から外周端縁９ａ２に亘って延びる複数の凹部３０と、隣り合う凹部３０同士の間を繋ぐ複数の平面部３２とを含んでいる。

複数の凹部３０は、平面部３２に対して軸方向に凹んだ溝であり、保持部材１１の柱状部１１ｂに対応して内周端縁９ａ１から外周端縁９ａ２へ向かって放射状に延びている。
凹部３０の溝幅寸法は、柱状部１１ｂの幅寸法と同じである。また、凹部３０の周方向の角度間隔は、柱状部１１ｂの周方向の角度間隔と同じである。
ロータヨーク９は、複数の凹部３０と、複数の柱状部１１ｂとが互いに径方向全域に亘って一致した状態で本体部７の他面７ｂに固定される。

図４は、ロータヨーク９の一面９ａを軸方向から正面視した図である。
複数の凹部３０と、複数の柱状部１１ｂとは、互いに径方向全域に亘って一致した状態とされる。よって、本体部７の各磁石８の他面８ｂは、各平面部３２に対面し当接する。

各磁石８の他面８ｂは、各平面部３２において破線のハッチングで示した複数の領域４０に一致している。よって、この領域４０は、複数の磁石８の他面８ｂに対面し当接する複数の対面領域４０を構成する。
一方、一面９ａにおいて対面領域４０以外の領域は、複数の磁石８の他面８ｂに対面しない非対面領域４１である。

図４に示すように、非対面領域４１は、凹部３０の全域、及び平面部３２の内周側端縁近傍及び外周側端縁近傍に存在する。
つまり、非対面領域４１は、複数の対面領域４０のうちの周方向に隣り合う一対の対面領域４０同士の間に位置する領域部分を含む。
凹部３０は、非対面領域４１のうち周方向に隣り合う一対の対面領域４０同士の間に位置する領域部分に設けられている。

図５は、アキシャルギャップモータ１の部分断面図であり、一の柱状部１１ｂに直交する断面を示している。図５に示す断面は、図５中の中央の柱状部１１ｂに直交する断面である。
図５に示すように、ロータヨーク９が本体部７に固定された状態において、ロータヨーク９の一面９ａに設けられた複数の凹部３０は複数の柱状部１１ｂと一致している。

ロータ２は、上述のように、ステータ４に対して軸方向にギャップを置いて対向配置されている。
より具体的に、本体部７の一面７ａと（ロータ２の一面２ａ）、複数のティース部２２の先端面２２ａとが互い対向している。
これにより、磁石８による磁束は、ティース部２２に巻き回されたコイル２４を貫通し、鎖交磁束となる。

図６は、図５の要部を拡大した図である。図６中の矢印は、各部を流れる磁束を示している。また、図６では、紙面左側の磁石８を磁石８１と表し、紙面右側の磁石８を磁石８２と表す。

上述のように、凹部３０の溝幅寸法は、柱状部１１ｂの幅寸法と同じである。よって、凹部３０の開口端縁３０ａの一方は柱状部１１ｂと磁石８１との境界に一致し、他方は柱状部１１ｂと磁石８２との境界に一致している。
なお、凹部３０の深さ寸法は、ロータヨーク９の厚み寸法に対して５０％以下に設定されることが好ましい。

ロータヨーク９の平面部３２ａは、磁石８１における磁極面（Ｎ極）である他面８１ｂに当接している。平面部３２ｂは、磁石８２における磁極面（Ｓ極）である他面８２ｂに当接している。
図６中、磁石８１からの磁束は、磁石８１の他面８１ｂから、磁石８２の他面８２ｂへ向かってロータヨーク９を通じて流れる。
磁石８１から磁石８２への磁束の流れは、ティース部２２に巻き回されたコイル２４を貫通する磁束である鎖交磁束となる。

本実施形態では、ロータヨーク９の一面９ａにおいて、非対面領域４１のうち、周方向に隣り合う一対の対面領域４０（平面部３２ａ，３２ｂ）同士の間の領域部分が凹部３０とされているので、上記従来例のように凹部を設けない場合と比較して、非対面領域４１におけるロータヨーク９表面（凹部３０の内側面）を、磁石８１の側面８１ｃおよび磁石８２の側面８２ｃに対してより離間させることができる。これにより、非対面領域４１におけるロータヨーク９表面（凹部３０の内側面）と、磁石８１の側面８１ｃ（磁石８２の側面８２ｃ）との間の磁気抵抗を高めることができる。

よって、非対面領域４１におけるロータヨーク９表面（凹部３０の内側面）と、磁石８１の側面８１ｃ（磁石８２の側面８２ｃ）と、磁石とが磁気的に短絡するのを抑制することができ、短絡による鎖交磁束の減少を抑制することができる。この結果、より多くの鎖交磁束を生じさせることができ、アキシャルギャップモータ１の出力トルクを高めることができる。

また、図６に示すように、凹部３０における一対の対面領域４０（平面部３２ａ，３２ｂ）間に亘る断面形状は、凹部３０の開口端縁３０ａと底部３０ｂとを曲面で繋ぐ形状とされている。
この場合、凹部３０において、開口端縁３０ａから底部３０ｂに亘る側壁部と、底部３０ｂとの間の距離が接近するのを抑制し、凹部３０の内部で磁気的な短絡が生じるのを抑制することができる。

また、本実施形態では、凹部３０が、ロータヨーク９の一面９ａにおける内周端縁９ａ１から外周端縁９ａ２に亘る溝状とされているので、凹部３０を設ける際に、少なくとも径方向の位置については調整等が不要となり、凹部３０を設けることが容易となる。

〔第２実施形態に係るロータについて〕
図７は、第２実施形態に係るアキシャルギャップモータ１の部分断面図である。
本実施形態は、凹部３０の開口端縁３０ａの一方が、磁石８１における磁極面である他面８１ｂに位置し、他方が、磁石８２における磁極面である他面８２ｂに位置している点において、第１実施形態と相違する。

本実施形態の場合においても、凹部３０の内側面を、磁石８１（磁石８２）に対してより離間させることができ、凹部３０の内側面と、磁石８１（磁石８２）との間の磁気抵抗を高めることができる。

また、この場合、凹部３０の開口幅を、周方向に隣り合う一対の磁石８同士の所定間隔よりも大きくでき、周方向において非対面領域４１を確実に含むように凹部３０を設けることができる。
例えば、凹部３０の開口幅を、周方向に隣り合う一対の磁石８同士の所定間隔とほぼ同じ寸法とした場合、部品誤差や組み立て誤差等により、凹部３０の開口端縁３０ａが柱状部１１ｂに位置するおそれが生じ、磁気的な短絡の原因を生じさせるおそれが生じる。
これに対して、本実施形態では、周方向において非対面領域４１を確実に含むように凹部３０を設けることができるので、上記のような磁気的な短絡の発生を抑制でき、凹部３０の内側面と、磁石８１（磁石８２）との間の磁気抵抗を高めることができる。

〔評価試験について〕
以下、本実施形態に係るアキシャルギャップモータ１の出力トルクについて行った評価試験の結果について説明する。
評価試験の方法としては、第１実施形態のアキシャルギャップモータ１を実施例品とし、ロータヨークに溝部が設けられていない点のみ実施例品と相違するアキシャルギャップモータを比較例品とし、ＣＡＥによるシミュレーションによって実施例品及び比較例品の出力トルクを求め、両者を比較した。

実施例品について得られた出力トルクは４．９６Ｎｍ、比較例品について得られた出力トルクは４．８０Ｎｍであった。
この結果から、本実施形態のアキシャルギャップモータによれば出力トルクを高めることができることが明らかとなった。

〔その他〕
なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。
例えば、上記各実施形態では回転電機としてのアキシャルギャップモータ１のロータヨーク９に凹部３０を設けた場合について例示したが、アキシャルギャップ型の発電機のロータヨークに同様の凹部を設けてもよい。この場合、発電機の出力を高めることができる。

また、上記各実施形態では、非対面領域４１のうち周方向に隣り合う一対の対面領域４０同士の間に位置する領域部分に凹部３０を溝状に設けた場合を例示したが、非対面領域４１のうち周方向に隣り合う一対の対面領域４０同士の間の領域部分に、多数の凹部を並べて形成してもよい。

また、上記各実施形態では、凹部３０を、ロータヨーク９の一面９ａにおける内周端縁９ａ１から外周端縁９ａ２に亘って設けた場合を例示したが、非対面領域４１のうち周方向に隣り合う一対の対面領域４０同士の間の領域部分以外の領域にまで凹部３０を延ばす必要はない。よって、ロータヨーク９の一面９ａにおいて内周端縁９ａ１近傍及び外周端縁９ａ２近傍に存在する、一対の対面領域４０同士の間の領域以外の領域にまで凹部３０を延ばさなくてもよい。

また、上記各実施形態では、凹部３０における一対の対面領域に亘る断面形状を、凹部３０の開口端縁３０ａと底部３０ｂとを曲面で繋ぐ形状とした場合を例示したが、凹部３０は軸方向に凹んでいれば断面矩形状や多角形状等、他の形状であってもよい。

本開示の範囲は、上記した意味ではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味、及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。

１ アキシャルギャップモータ
２ ロータ
２ａ 一面
４ ステータ
６ ハウジング
６ａ 孔部
７ 本体部
７ａ 一面
７ｂ 他面
７ｃ 孔部
８ 磁石
８ａ 一面
８ｂ 他面
９ ロータヨーク
９ａ 一面
９ａ１ 内周端縁
９ａ２ 外周端縁
１０ 蓋部
１１ 保持部材
１１ａ 環状部
１１ｂ 柱状部
１１ｃ 外周保持部
２０ ステータコア
２２ ティース部
２２ａ 先端面
２４ コイル
３０ 凹部
３０ａ 開口端縁
３０ｂ 底部
３２，３２ａ，３２ｂ 平面部
４０ 対面領域
４１ 非対面領域
８１ 磁石
８１ｂ 他面
８１ｃ 側面
８２ 磁石
８２ｂ 他面
８２ｃ 側面
Ｓ 軸心

Claims (4)

1. ステータと、
   前記ステータに対して軸方向に対向配置されたロータと、を備え、
   前記ロータは、
   円環状のロータヨークと、
   磁極が交互に異なるように周方向に沿って所定間隔を置いて前記ロータヨークの一面に当接配置された複数の磁石と、
   前記複数の磁石を保持する、非磁性材料からなる保持部材と、
   を備え、
   前記一面は、前記複数の磁石に対面し当接する複数の対面領域と、前記複数の磁石に対面しない非対面領域とを含み、
   前記非対面領域は、前記複数の対面領域のうちの周方向に隣り合う一対の対面領域同士の間に位置する領域部分を含み、
   前記領域部分が、当該対面領域に対して軸方向に凹む凹部とされており、
   前記保持部材は、前記複数の磁石のうちの周方向に隣り合う一対の磁石同士の間に介在する柱状部を有し、
   前記凹部の溝幅は、前記柱状部の幅と同じである
   回転電機。
2. 前記凹部における前記一対の対面領域に亘る断面形状は、前記凹部の開口端縁と底部とを曲面で繋ぐ形状である
   請求項１に記載の回転電機。
3. 前記凹部は、前記一面における内周端縁から外周端縁に亘っている
   請求項１または請求項２に記載の回転電機。
4. 前記ステータは、表面を絶縁膜で被覆した軟磁性粉末の加圧成形体により構成されたステータコアを有する
   請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の回転電機。

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