WO2018142469A1 - アキシャルギャップ型回転電機 - Google Patents

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permanent magnet
gap type
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高橋　秀一
恭永 米岡
利文 鈴木
高橋　大作
大輔 倉井
潤 櫻井
真之 吉田
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株式会社日立産機システム
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Definitions

  • the present invention relates to an axial gap type rotating electrical machine.
  • An axial gap type rotating electrical machine is configured such that a cylindrical stator and a disk-shaped rotor are disposed so as to face each other with a predetermined air gap in the radial direction of the rotation axis.
  • the stator includes a plurality of iron cores arranged to warp in the inner peripheral direction of the housing portion, and a coil wound around the cores.
  • the gap surface for generating torque increases in proportion to the square of the diameter. Therefore, the axial gap type rotating electrical machine has a high efficiency and a thin shape compared to the radial gap type with a gap in the radial direction. It is considered a suitable rotating electrical machine.
  • a double rotor type axial gap type rotating electrical machine in which a single stator is sandwiched between two rotors can secure twice the gap area, and thus may have better characteristics. It is attracting attention as a structure.
  • the rotor of an axial gap type rotating electrical machine is usually composed of a donut-shaped permanent magnet and a member (rotor base) for holding the permanent magnet.
  • Patent Document 1 shows cross-sectional views in which the permanent magnet 31 is held by a rotor base (FIGS. 2A and 4A).
  • the end of the rotor base that holds the permanent magnet 31 (the portion that holds the magnet on the outer periphery) holds the permanent magnet 31 during rotation with a certain thickness.
  • the axial gap type rotating electrical machine preferably includes a stator in which a plurality of core units formed of a core, a coil, and a bobbin are annularly arranged along the inner peripheral surface of the housing with a rotation axis as a center.
  • An axial gap type rotating electric machine having a rotor facing the end face of a core through a predetermined gap in an axial diameter direction, wherein the rotor is a disc-shaped permanent magnet and an end gripped on an outer periphery of the permanent magnet And a rotor base that holds a permanent magnet, and the thickness of the end of the rotor base is reduced toward the stator.
  • Embodiment 1 to which the present invention is applied will be described with reference to FIGS. 1A to 11B.
  • FIG. 1A shows a schematic configuration of a double rotor type axial gap type permanent magnet synchronous motor 1 (hereinafter sometimes simply referred to as “motor 1”) according to the first embodiment.
  • the motor 1 includes a doughnut-shaped stator 19 disposed along the inner peripheral surface of the housing 50, and two disk-shaped rotors 30 having predetermined air pressure in the rotational axis radial direction. They are arranged so as to face each other with a gap interposed therebetween.
  • the rotor 30 has a disk center fixed to the rotating shaft 40.
  • the rotating shaft 40 is disposed through the central portion of the stator 19, and both end portions thereof are rotatably fixed to the end bracket 60 via bearings 70.
  • the end bracket 60 is fixed in the vicinity of both opening ends of the housing 50 having a substantially cylindrical shape.
  • the rotor 30 has a structure in which a permanent magnet 31 is provided on a circular rotor base 33, and the rotor base 33 holds the permanent magnet 31.
  • the permanent magnet 31 is composed of a plurality of plate-shaped magnets having a substantially sector shape centering on the direction of the rotation axis 40, and magnets having different polarities in the rotation direction are arranged.
  • the permanent magnet 31 shall apply a ferrite, it is not restricted to this.
  • the armature configuration of the motor 1 is as shown in the perspective view of FIG. 1B.
  • the stator 19 is composed of twelve core units 20 arranged along the inner periphery of the housing 50 with the rotation axis A as the center direction.
  • One core unit 20 constitutes one slot.
  • the core units 20 and the inner peripheral surface of the housing 50 are formed integrally with each other by a resin mold and fixed to the stator.
  • the rotor 30 includes a permanent magnet 31 and a cylindrical rotor base 33 that holds the permanent magnet 31.
  • the rotor base 33 is usually a magnetic body mainly composed of iron.
  • the permanent magnet 31 is a ring-shaped disk, and as shown in FIG. 3, the N pole and the S pole intersect and are magnetized parallel to the axial direction.
  • the permanent magnet 31 and the core 21 of the core unit 20 of the stator 19 are structured to face each other in the rotation axis direction, and face each other in parallel with an air gap interposed therebetween. This is the reason why it is called “axial gap type”.
  • the configuration of an axial gap type rotating electrical machine having one stator 19 and two rotors 30 is taken as an example, but a combination of one stator 19 and one rotor 30 is shown.
  • the present invention can also be applied to a combination of one rotor 30 and two stators 19.
  • the core unit 20 of the stator 19 has a fan-shaped cross section and includes a core 21, a coil 23, and a bobbin 22 that holds them.
  • the output torque of the axial gap rotating electrical machine is equal to the opposing area of the rotor magnet and the stator core. Since it is related to size, it is desirable to increase the area as much as possible. Further, since the output torque is related to the facing distance (gap length) between the rotor magnet and the stator iron core, the shorter the gap length, the better.
  • FIGS. 4A and 4B The shape of the end 34 of the outer periphery of the rotor base 33 in the rotor 30 of the axial gap type rotating electrical machine according to the prior art is as shown in FIGS. 4A and 4B, and the end 34 having a certain width is a permanent magnet. 31 is held.
  • 4A shows an example in which the end upper end 35 does not reach the upper end surface of the permanent magnet
  • FIG. 4B shows an example in which the end upper end 35 reaches the upper end surface of the permanent magnet 31.
  • the magnetic flux ⁇ from the permanent magnet 31 of the rotor 30 forms a circulation path of the magnetic flux ⁇ so that the N pole of the permanent magnet 31 of the rotor 30 reaches the S pole. Then, the coil 23 wound around the core 21 in the core unit 20 of the stator 19 is energized, and the magnetic pole of the core 21 is switched between the N pole and the S pole, so that it is between the permanent magnet 31 on the rotor 30 side.
  • the principle of the axial gap rotating electrical machine is to rotate the rotor 30 by generating an attractive force and a repulsive force.
  • the magnetic flux ⁇ from the permanent magnet 31 has a problem that the end 34 on the outer periphery of the rotor base 33, which is a magnetic material, has a constant thickness. there were. Further, an eddy current i is generated at the outer peripheral end 34 of the rotor base 33, and there is a problem that the efficiency of the rotating electrical machine is reduced due to eddy current loss.
  • FIGS. 6A and 6B the outer peripheral end 34 of the rotor base 33 is placed on the stator 19 side.
  • the taper shape was made thinner.
  • 6A shows an example in which the end upper end 35 does not reach the upper end surface of the permanent magnet 31
  • FIG. 6B shows an example in which the end upper end 35 reaches the upper end surface of the permanent magnet 31.
  • the end portion upper end 35 may be omitted.
  • the end 34 forms a small step on the stator 19 side, and the two-step staircase shape, or as shown in FIGS. 9A and 9B, the end 34
  • the stator 19 side may form a small step and may have a stepped shape with a larger number of steps.
  • the end 34 may have a comb shape.
  • the end 34 may be an R (round) surface.
  • FIG. 11A shows a case where a downward convex R surface is formed
  • FIG. 11B shows a case where an upward convex R surface is formed.
  • the rotor base 33 firmly secures the permanent magnet 31 by forming the radial thickness of the outer peripheral end portion 34 of the rotor base 33 so as to become thinner toward the stator.
  • the phenomenon in which the flow of the magnetic flux ⁇ from the permanent magnet 31 is short-circuited by the end portion 34 or the eddy current is generated is alleviated, and the reduction of the efficiency of the rotating electrical machine is avoided.
  • the present embodiment is characterized in that the end portion 34 of the rotor base 33 is alternately provided with high portions 36 and low portions 37 as shown in FIGS. 12A and 12B.
  • the flow of the magnetic flux ⁇ from the permanent magnet 31 is caused by the end portion 34 while the rotor base 33 firmly holds the permanent magnet 31 as compared with the case where the end portions 34 are all made uniform.
  • the phenomenon of short-circuiting or generating eddy currents is alleviated, and a decrease in the efficiency of the rotating electrical machine is avoided.
  • FIG. 12A and FIG. 12B show examples in which the width and interval of the high portion 36 and the low portion 37 are different.
  • the lower portion 37 of the end 34 of the rotor base 33 may be formed so as to draw a gentle curve.

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  • Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)

Abstract

コアとコイルとボビンにより形成される複数のコアユニットが、回転軸を中心としてハウジング内周面に沿って環状に配置された固定子と、回転軸径方向に所定のギャップを介してコアの端面と面対向する回転子とを有するアキシャルギャップ型回転電機であって、回転子は、円板形状の永久磁石と永久磁石の外周において把持する端部を備えて永久磁石を保持するローターベースからなり、ローターベースの端部の厚みを固定子側に向かって薄くした。特に、ローターベースの端部の厚みが固定子側に向かって薄くしたテーパ形状をなすようにした。また、ローターベースの端部に、周方向にわたり高い部分と低い部分が周期的に表れる形状をなすようにした。　これにより、固定子からの磁束を効率よく回転子に回流させて、出力を高く保つことができる。

Description

アキシャルギャップ型回転電機
　本発明は、アキシャルギャップ型回転電機に係る。
　アキシャルギャップ型回転電機は，円筒状の固定子と円盤状の回転子を、回転軸径方向に所定のエアギャップを介して面対向して配置したものである。固定子は、ハウジング部内周方向に反って配置した複数の鉄心と、これに巻き回されたコイルとを含む。アキシャルギャップ型回転電機は、トルクを発生するギャップ面が、おおよそ径の２乗に比例して増加するため、径方向にギャプを有する機構のラジアルギャップ型と比較して、高能率で薄型形状に好適な回転電機と考えられている。
　特に、２枚の回転子で一つの固定子を挟み込んだダブルロータ型のアキシャルギャップ型回転電機は，２倍のギャップ面積を確保することができるため、より優れた特性を得られる可能性がある構造として注目されている。
　アキシャルギャップ型回転電機の回転子は、通常、ドーナツ形状の永久磁石とそれを保持する部材（ローターベース）からなる。
　例えば、特許文献１には、永久磁石３１がローターベースによって保持される断面図が示されている（図２（ａ）、図４（ａ））。
国際公開第２０１５／１５９３３２号公報
　上記特許文献１では、永久磁石３１を保持するローターベースの端部（外周において磁石を把持する部分）は、一定の厚みをもって、回転時の永久磁石３１を押さえている。
　しかしながら、誘導モータにおけるＩＥ３効率規制の影響もあり、さらに回転電機の効率を上げたいというニーズがある。
　そのため、効率が良く、損失の少ないアキシャルギャップ型回転電機が望まれる。
　本発明のアキシャルギャップ型回転電機は、好ましくは、コアとコイルとボビンにより形成される複数のコアユニットが、回転軸を中心としてハウジング内周面に沿って環状に配置された固定子と、回転軸径方向に所定のギャップを介してコアの端面と面対向する回転子とを有するアキシャルギャップ型回転電機であって、回転子は、円板形状の永久磁石と永久磁石の外周において把持する端部を備えて永久磁石を保持するローターベースとを有し、ローターベースの端部の厚みを固定子側に向かって薄くしたものである。
　本発明によれば、固定子からの磁束を効率よく回転子に回流させて、出力を高く保つことのできるアキシャルギャップ型回転電機を提供することができる。
実施形態１に係るアキシャルギャップ型回転電機の概要構成図である（その一）。 実施形態１に係るアキシャルギャップ型回転電機の概要構成図である（その二）。 一般的なアキシャルギャップ型回転電機の回転子の斜視図である。 回転子における永久磁石の配置例を示した斜視図である。 従来技術に係るアキシャルギャップ型回転電機の回転子の断面の要部拡大図である（その一）。 従来技術に係るアキシャルギャップ型回転電機の回転子の断面の要部拡大図である（その二）。 回転子の永久磁石からの磁束の様子を示した断面図である。 実施形態１に係るローターベースの端部の形状を示す断面図である（テーパ形状、その一）。 実施形態１に係るローターベースの端部の形状を示す断面図である（テーパ形状、その二）。 実施形態１に係るローターベースの端部の形状を示す断面図である（テーパ形状、その三）。 実施形態１に係るローターベースの端部の形状を示す断面図である（テーパ形状、その四）。 実施形態１に係るローターベースの端部の形状を示す断面図である（階段形状、その一）。 実施形態１に係るローターベースの端部の形状を示す断面図である（階段形状、その二）。 実施形態１に係るローターベースの端部の形状を示す断面図である（階段形状、その三）。 実施形態１に係るローターベースの端部の形状を示す断面図である（階段形状、その四）。 実施形態１に係るローターベースの端部の形状を示す断面図である（くし型形状、その一）。 実施形態１に係るローターベースの端部の形状を示す断面図である（くし型形状、その二）。 実施形態１に係るローターベースの端部の形状を示す断面図である（Ｒ面形状、その一）。 実施形態１に係るローターベースの端部の形状を示す断面図である（Ｒ面形状、その二）。 実施形態２に係るローターベースの端部の形状を示す回転子の側面図である（その一）。 実施形態２に係るローターベースの端部の形状を示す回転子の側面図である（その二）。 実施形態２に係るローターベースの端部の形状を示す回転子の側面図である（その三）。
　以下、本発明を適用した各実施形態を、図１Ａないし図１２Ｃを用いて説明する。
実施形態１
　以下、本発明を適用した実施形態１を、図１Ａないし図１１Ｂを用いて説明する。
　先ず、図１Ａおよび図１Ｂを用いて実施形態１に係るアキシャルギャップ型回転電機の全体構成について説明する。
　図１Ａの断面図は、実施形態１に係るダブルロータ型アキシャルギャップ型永久磁石同期モータ１（以下、単に「モータ１」という場合がある。）の概要構成を表わしている。
　モータ１は、図１Ａに示されるように、ハウジング５０の内周面に沿って配置されたドーナツ形状の固定子１９を、円盤状の２つの回転子３０が、回転軸径方向に所定のエアギャップを介してはさむようにして、それぞれ面対向して配置されている。
　回転子３０は、円盤中央が回転軸４０と固定されている。そして、回転軸４０は、固定子１９の中央部分を貫通して配置され、両端部が軸受７０を介してエンドブラケット６０と回転可能に固定されている。また、エンドブラケット６０は、概略円筒形からなるハウジング５０の両開口端部付近で固定される。
　さらに、回転子３０は、円形のローターベース３３に、永久磁石３１を備え、ローターベース３３が永久磁石３１を保持する構造である。永久磁石３１は、回転軸４０方向を中心とする概略扇形の形状からなる複数の平板状の磁石からなり、回転方向に異なる極性の磁石が配置される。なお、永久磁石３１はフェライトを適用するものとするが、これに限るものではない。
　モータ１の電機子構成は、図１Ｂの斜視図に示されるようになる。固定子１９は、回転軸心Ａを中心方向としてハウジング５０の内周に沿って配置された１２個のコアユニット２０からなる。一つのコアユニット２０が、１スロットを構成するようになっている。また、コアユニット２０同士およびハウジング５０の内周面は、樹脂モールドによって互いに一体的に成形され、固定子に固定されるようになっている。
　次に、図２を用いて回転子の構成について説明する。
　回転子３０は、図２に示されるように、永久磁石３１と、その永久磁石３１を保持する筒型形状のローターベース３３とから構成される。ローターベース３３は、通常、鉄を主成分とする磁性体である。永久磁石３１は、リング状の円板であり、図３に示すようにＮ極とＳ極は交差して軸方向と平行して着磁される。ここで、永久磁石３１と、固定子１９のコアユニット２０のコア２１は、回転軸方向に対向している構造となり、エアギャップを挟んで平行に対向する。これが「アキシャルギャップ型」といわれる所以である。なお、本実施形態は、一つの固定子１９と二つの回転子３０を有するアキシャルギャップ型回転電機の構成を例に採り示したが、一つの固定子１９と一つの回転子３０との組合せ、一つの回転子３０と二つの固定子１９との組合せにも適用できる。固定子１９のコアユニット２０は、扇型断面を有しコア２１とコイル２３とそれらを保持するボビン２２から構成されるが、アキシャルギャップ回転電機の出力トルクはロータ磁石とステータ鉄心の対向面積の大きさと関係があるため、なるべくその面積を大きくすることが望ましい。また、出力トルクはロータ磁石とステータ鉄心の対向距離(ギャップ長)にも関係するため、ギャップ長が短いほど望ましい。
　次に、図４Ａないし図５を用いて従来技術に係るアキシャルギャップ型回転電機について説明する。
　従来技術に係るアキシャルギャップ型回転電機の回転子３０におけるローターベース３３の外周の端部３４における形状は、図４Ａ、図４Ｂに示されるようになり、一定の幅を有する端部３４が永久磁石３１を保持している。なお、図４Ａは、端部上端３５が永久磁石３１の上端面まで達していない例を示しており、図４Ｂは、端部上端３５が永久磁石３１の上端面まで達している例である。
　回転子３０の永久磁石３１からの磁束Φは、図５に示されるように、回転子３０の永久磁石３１のＮ極がＳ極に達するような磁束Φの回流路が形成される。そして、固定子１９のコアユニット２０におけるコア２１に巻かれたコイル２３を通電して、コア２１の磁極をＮ極、Ｓ極を切り換えることにより、回転子３０側の永久磁石３１との間に吸引力と反発力を生じさせて、回転子３０を回転させるのが、アキシャルギャップ型回転電機の原理である。
　ここで、永久磁石３１からの磁束Φは、磁性体であるローターベース３３の外周の端部３４が一定の厚みがあるため、磁束の短絡が生じ、回転電機の効率が低下するという問題点があった。また、ローターベース３３の外周の端部３４において、渦電流ｉが発生し、渦電流損のため、回転電機の効率が低下するという問題点があった。
　次に、図６Ａないし図１１Ｂを用いて実施形態１に係るローターベースの端部の形状について説明する。
　本実施形態では、従来技術における回転電機の効率の低下という問題点を解決するために、図６Ａ、図６Ｂに示されるように、ローターベース３３の外周の端部３４を、固定子１９側を細くしたテーパ形状とした。図６Ａは、端部上端３５が永久磁石３１の上端面まで達していない例を示しており、図６Ｂは、端部上端３５が永久磁石３１の上端面まで達している例である。また、図７Ａ、図７Ｂに示されるように、端部上端３５がない形状でもよい。
　また、図８Ａ、図８Ｂに示されるように、端部３４が固定子１９側が小さな段を形成して、二段階の階段形状、あるいは、図９Ａ、図９Ｂに示されるように、端部３４が固定子１９側が小さな段を形成して、それ以上の段数となる階段形状であってもよい。
　また、図１０Ａ、図１０Ｂに示されるように、端部３４がくし型形状であってもよい。
　さらに、図１１Ａ、図１１Ｂに示されように、端部３４がＲ（ラウンド）面であってもよい。図１１Ａが下に凸のＲ面を形成する場合であり、図１１Ｂが上に凸のＲ面を形成する場合を示している。
　以上述べてきたように本実施形態によれば、ローターベース３３の外周の端部３４の径方向厚みを固定子に向かって薄くなる形状で形成することにより、ローターベース３３が永久磁石３１をしっかりと把持しながらも、永久磁石３１からの磁束Φの流れが端部３４により短絡したり、渦電流が発生することする現象を緩和して、回転電機の効率の低下が回避される。
実施形態２
　以下、本発明を適用した実施形態２を、図１２Ａないし図１２Ｃを用いて説明する。
　本実施形態では、ローターベース３３の端部３４を図１２Ａ、図１２Ｂに示されるように、高い部分３６と低い部分３７を交互に設けた構成を特徴の一つとしている。これにより、端部３４を全て一様な高さにしたときと比較して、ローターベース３３が永久磁石３１をしっかりと把持しながらも、永久磁石３１からの磁束Φの流れが端部３４により短絡したり、渦電流が発生することする現象を緩和して、回転電機の効率の低下が回避される。ここで、図１２Ａ、図１２Ｂは、高い部分３６と低い部分３７の幅と間隔が異なっている例を示している。
　また、図１２Ｃに示すように、ローターベース３３の端部３４の低い部分３７をなだらかなカーブを描くように形成してもよい。
　１…モータ、１９…固定子、２０…コアユニット、２１…コア、２２…ボビン、２３…コイル、３０…回転子、３１…永久磁石、３３…ローターベース、３４…端部、３５…端部上端、３６…高い部分、３７…低い部分、４０…回転軸、５０…ハウジング、６０…エンドブラケット、７０…軸受。

Claims (9)

  1. 　コアとコイルとボビンにより形成される複数のコアユニットが、回転軸を中心としてハウジング内周面に沿って環状に配置された固定子と、回転軸径方向に所定のギャップを介して前記コアの端面と面対向する回転子とを有するアキシャルギャップ型回転電機であって、
    　前記回転子は、円板形状の永久磁石と前記永久磁石の外周において把持する端部を備えて前記永久磁石を保持するローターベースとを有し、
    　前記ローターベースの端部の厚みを固定子側に向かって薄くしたことを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
  2. 　前記ローターベースの端部上端が、前記永久磁石の上端面まで達していることを特徴とする請求項１記載のアキシャルギャップ型回転電機。
  3. 　前記ローターベースの端部上端が、前記永久磁石の上端面まで達していないことを特徴とする請求項１記載のアキシャルギャップ型回転電機。
  4. 　前記ローターベースの端部の厚みを固定子側に向かって薄くしたテーパ形状をなすことを特徴とする請求項１記載のアキシャルギャップ型回転電機。
  5. 　前記ローターベースの端部は、固定子側が小さな段を有する階段形状をなすことを特徴とする請求項１記載のアキシャルギャップ型回転電機。
  6. 　前記ローターベースの端部は、厚みが周期的に小さくなる形状をなすことを特徴とする請求項１記載のアキシャルギャップ型回転電機。
  7. 　前記ローターベースの端部の厚みを固定子側に向かって薄くしたラウンド形状をなすことを特徴とする請求項１記載のアキシャルギャップ型回転電機。
  8. 　前記ローターベースの端部に、周方向にわたり高い部分と低い部分が周期的に表れる形状をなすことを特徴とする請求項１記載のアキシャルギャップ型回転電機。
  9. 　前記ローターベースの端部の低い部分をカーブ形状にしたことを特徴とする請求項８記載のアキシャルギャップ型回転電機。
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