JP2006174553A - アキシャルギャップ型回転電機のロータ構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 ロータベース部材に永久磁石を設定するに際し、永久磁石の破損を確実に防止することができるアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造を提供すること。
【解決手段】 永久磁石１２，１２を配置したロータ２と、ステータコア１４とステータコイル１６を有するステータ３，３と、を備え、前記ロータ２と前記ステータ３，３が軸方向に配設されたアキシャルギャップ型回転電機において、前記ロータ２を、ロータ軸１に固定されるロータベース部材１１と、一対の磁石保持部材２４，２４と、複数の永久磁石１２，１２と、によりそれぞれ別体で構成し、且つ、前記磁石保持部材２４に、軸方向に永久磁石１２を保持する段付き部２４ａを有する貫通穴２４ｂを設けた。
【選択図】 図３

Description

本発明は、ステータとロータが軸方向に対向配置されるアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造の技術分野に属する。

永久磁石をロータ内部に埋め込んだ埋込磁石同期モータ（IPMSM：Interior Permanent Magnet Synchronus Motor）や永久磁石をロータ表面に張り付けた表面磁石同期モータ（SPMSM：Surface Permanent Magnet Synchronus Motor）は、損失が少なく、効率が良く、出力が大きい（マグネットトルクのほかにリラクタンストルクも利用できる）等の理由により、電気自動車用モータやハイブリッド車用モータ等の用途にその応用範囲を拡大している。

このような永久磁石同期モータであって、ステータとロータが軸方向に対向配置されるアキシャルギャップ型モータは、薄型化が可能であり、レイアウトに制限がある用途に使用されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平１１−１８７６３５号公報

しかしながら、従来のアキシャルギャップ型モータにあっては、ロータを、ロータ軸に固定されるロータベース部材と複数の永久磁石とにより構成しているため、組付け時、ロータベース部材の磁石配置溝に永久磁石を挿入する際、磁石挿入方向とは反対側から永久磁石を支えることができず、支えの無い永久磁石は磁力にしたがってロータベース部材に強力に吸引される。この吸引時、少なくとも永久磁石の厚みの距離だけ移動してロータベース部材に衝突する際の衝撃により、永久磁石が破損してしまう可能がある、という問題があった。

本発明は、上記問題に着目してなされたもので、ロータベース部材に永久磁石を設定するに際し、永久磁石の破損を確実に防止することができるアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明では、永久磁石を配置したロータと、ステータコアとステータコイルを有するステータと、を備え、前記ロータと前記ステータが軸方向に配設されたアキシャルギャップ型回転電機において、
前記ロータを、ロータ軸に固定されるロータベース部材と、一対の磁石保持部材と、複数の永久磁石と、によりそれぞれ別体で構成し、且つ、前記磁石保持部材に、軸方向に永久磁石を保持する段付き部を有する貫通穴を設けた。

よって、本発明のアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造にあっては、ロータ組付け時、まず、磁石保持部材の貫通穴を用いて、磁石挿入方向とは反対側から永久磁石を支持しつつ、徐々に永久磁石を挿入して段付き部に符合させ、磁石保持部材と永久磁石とを一体化する。そして、永久磁石を一体に有する磁石保持部材をロータベース部材に固定することで行われる。したがって、ロータベース部材に永久磁石を設定するに際し、磁石保持部材を用いない場合のように、支えの無い永久磁石が磁力にしたがってロータベース部材に強力に吸引されることが無く、永久磁石の破損を確実に防止することができる。

以下、本発明のアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造を実施するための最良の形態を、図面に示す実施例１に基づいて説明する。

まず、構成を説明する。
図１は実施例１のロータ構造が適用された１ロータ・２ステータ型のアキシャルギャップ型回転電機を示す全体断面図、図２は実施例１のロータ構造が適用されたアキシャルギャップ型回転電機のステータを示す正面図である。
実施例１のアキシャルギャップ型回転電機は、ロータ軸１と、ロータ２と、一対のステータ３，３と、回転電機ケース４と、を備えていて、前記ロータ２と前記一対のステータ３，３とは軸方向に対向して配設されている。

前記ロータ軸１は、回転電機ケース４（フロント側サイドケース４ａ）との間に設けられた第１軸受け５と、回転電機ケース４（リヤ側サイドケース４ｂ）との間に設けられた第２軸受け６と、によって回転自在に支持されている。このロータ軸１には、軸心油路７と、該軸心油路７に連通してフロント側のステータ３を冷却する第１径方向油路８と、前記軸心油路７に連通してリヤ側のステータ３と第２軸受け６を冷却する第２径方向油路９と、前記軸心油路７に連通して前記第１軸受け５を冷却する第３径方向油路１０と、が形成されている。

前記ロータ２は、前記ロータ軸１に対し固定され、その固定位置は前記一対のステータ３，３により挟まれた位置とされる。このロータ２は、ロータ軸１に固定されたロータベース部材１１と、前記一対のステータ３，３との対向面位置に周方向に複数埋め込まれた永久磁石１２，１２と、前記ロータベース部材１１と永久磁石１２，１２との間に介装される磁石保持部材２４，２４と、を有して構成されている。そして、一対のステータ３，３から与えられる回転磁束に対し、永久磁石１２，１２に反力を発生させ、ロータ軸１を中心に回転するように、前記複数の永久磁石１２，１２は、隣接する表面磁極（Ｎ極，Ｓ極）が、互いに相違するよう配置されている。ここで、ロータ２とステータ３，３との間には、エアギャップと呼ばれる軸方向隙間が存在し、互いに接触することはない。

前記ステータ３，３は、前記回転電機ケース４のフロント側サイドケース４ａとリヤ側サイドケース４ｂとにそれぞれ固定され、その固定位置は前記ロータ２の両側位置とされる。このステータ３は、前記両サイドケース４ａ，４ｂにボルト固定されるステータケース１３と、積層鋼鈑によるステータコア１４と、絶縁体１５を介してステータコア１４に巻かれたステータコイル１６と、を有して構成されている。前記ステータコイル１６付きステータコア１４は、図２に示すように、周方向に等間隔で１２個配列される。前記ステータ３には、上記構成要素以外に、前記ステータコア１４の基部に設けられるコアベース１７と、前記ステータコイル１６への給電構造であるバスバー積層体１８と、該バスバー積層体１８に接続された送電端子１９と、前記ステータケース１３に形成された冷媒ギャラリー２０と、前記ステータコイル１６付きステータコア１４と前記バスバー積層体１８の空間を埋める樹脂モールド部２１と、を有する。なお、前記送電端子１９は、モータモードの場合、バッテリからの直流を、インバータを有する図外の強電ユニットを介して三相交流に変換し、この三相交流をバスバー積層体１８を介してステータコイル１６に給電する。また、ジェネレータモードの場合、ステータコイル１６にて発電した三相交流を、インバータを有する図外の強電ユニットに給電し、強電ユニットにて直流に変換し、バッテリへ充電する。

前記回転電機ケース４は、フロント側サイドケース４ａと、リヤ側サイドケース４ｂと、両サイドケース４ａ，４ｂにボルト結合された外周ケース４ｃにより構成されている。前記フロント側サイドケース４ａと前記リヤ側サイドケース４ｂには、図１に示すように、前記冷媒ギャラリー２０に対し冷媒（例えば、冷却オイル）を供給する冷媒供給ポート２２と、前記冷媒ギャラリー２０においてステータ３から熱を奪った冷媒を排出する冷媒排出ポート２３と、が形成されている。

図３は実施例１のアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造を示す組付け前の分解断面図、図４は実施例１のアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造において磁石保持部材に組付けられる永久磁石を示す正面図、図５は実施例１のアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造を示す組付け完了後の断面図である。以下、実施例１のロータ構造を説明する。

前記ロータ２を、ロータ軸１に固定されるロータベース部材１１と、一対の磁石保持部材２４，２４と、複数の永久磁石１２，１２と、によりそれぞれ別体で構成し、且つ、前記磁石保持部材２４に、軸方向に永久磁石１２を保持する段付き部２４ａを有する貫通穴２４ｂを設けている。

前記ロータベース部材１１には、前記磁石保持部材２４に設けた貫通穴２４ｂと同等形状で、前記段付き部２４ａと同等の軸方向厚みを有する突出部１１ａ，１１ａを設けている。また、前記磁石保持部材２４は、非磁性体にて構成している。前記ロータベース部材１１は、形状の異なる複数種類の薄板の電磁鋼板を積層して構成している。

次に、作用を説明する。
例えば、図６に示すように、ロータベース部材の形状を磁石保持部材と一体化した形状とした場合、永久磁石の厚みｔが厚くなれば成る程、永久磁石の組付け時に、磁力によりロータベース部材へ強力に吸引されることとなり、永久磁石の厚み、つまり、ロータベース部材の磁石保持溝の深さの距離だけ移動して、ロータベース部材に衝突する際の衝撃で永久磁石が破損する可能性があった。

そこで、例えば、図７に示すように、ロータベース部材を単純円板として構成した場合には、磁石保持部材に設けられた段付き部により、永久磁石とロータベース部材との間に空気層が生じてしまい、この空気層が磁束の流れ（図７の矢印）に対する磁気抵抗となってしまう。

これに対し、実施例１のアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造では、ロータ２を、ロータ軸１に固定されるロータベース部材１１と、一対の磁石保持部材２４，２４と、複数の永久磁石１２，１２と、によりそれぞれ別体で構成し、且つ、磁石保持部材２４に、軸方向に永久磁石１２を保持する段付き部２４ａを有する貫通穴２４ｂを設けた。
このため、ロータ２の組付け時、まず、磁石保持部材２４の貫通穴２４ｂを用いて、磁石挿入方向とは反対側から永久磁石１２を支持しつつ、徐々に永久磁石１２を挿入して段付き部２４ａに符合させ、磁石保持部材２４と永久磁石１２とを一体化する（図４参照）。
そして、永久磁石１２を一体に有する磁石保持部材２４をロータベース部材１１に固定することで行われる（図５参照）。
したがって、ロータベース部材１１に永久磁石１２を設定するに際し、磁石保持部材２４を用いない図６の例のように、支えの無い永久磁石１２が磁力にしたがってロータベース部材１１に強力に吸引されることが無く、厚みのある永久磁石１２においても、永久磁石１２の破損を確実に防止することができる。

また、実施例１のアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造では、ロータベース部材１１に、磁石保持部材２４に設けた貫通穴２４ｂと同等形状で、段付き部２４ａと同等の軸方向厚みを有する突出部１１ａ，１１ａを設けた。
このため、ロータベース部材１１に永久磁石１２を一体に有する磁石保持部材２４を組み付けた場合、ロータベース部材１１の突出部１１ａと、磁石保持部材２４の貫通穴２４ｂとが嵌合し、突出部１１ａの厚みと段付き部２４ａの厚みとがほぼ同等であることから、図５に示すように、永久磁石１２の背面は、ロータベース部材１１の突出部１１ａに接触し、永久磁石１２とロータベース部材１１との間に、図７に示すような空気層が形成されない。よって、図７に示す空気層が形成される場合に比べ、効率良く磁束を通すことが可能となり、両面の永久磁石１２，１２間の磁気抵抗が低くなり、出力を向上することができる。

さらに、実施例１のアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造では、段付き部２４ａを有した磁石保持部材２４を非磁性体で構成するので、永久磁石１２の全周において、アキシャルギャップ側の磁極からロータベース側磁極への磁気抵抗が高くなり、洩れ磁束を低減できるので、出力を向上することができる。

加えて、実施例１のアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造では、ロータベース部材１１は、形状の異なる複数種類の薄板の電磁鋼板を積層して構成した。このため、永久磁石１２，１２間を磁束が流れた際の渦電流損を低減でき、且つ、ロータベース部材１１を電磁鋼板の打ち抜き材のみで構成できるので、製造コストを低減できる。

次に、効果を説明する。
実施例１のアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造にあっては、下記に列挙する効果を得ることができる。

(1) 永久磁石１２，１２を配置したロータ２と、ステータコア１４とステータコイル１６を有するステータ３，３と、を備え、前記ロータ２と前記ステータ３，３が軸方向に配設されたアキシャルギャップ型回転電機において、前記ロータ２を、ロータ軸１に固定されるロータベース部材１１と、一対の磁石保持部材２４，２４と、複数の永久磁石１２，１２と、によりそれぞれ別体で構成し、且つ、前記磁石保持部材２４に、軸方向に永久磁石１２を保持する段付き部２４ａを有する貫通穴２４ｂを設けたため、ロータベース部材１１に永久磁石１２，１２を設定するに際し、永久磁石１２，１２の破損を確実に防止することができる。

(2) 前記ロータベース部材１１には、前記磁石保持部材２４に設けた貫通穴２４ｂと同等形状で、前記段付き部２４ａと同等の軸方向厚みを有する突出部１１ａ，１１ａを設けたため、永久磁石１２とロータベース部材１１との間に空気層が形成されずに効率良く磁束を通すことが可能となり、両面の永久磁石１２，１２間の磁気抵抗が低く抑えられ、出力を向上することができる。

(3) 前記磁石保持部材２４を、非磁性体にて構成したため、洩れ磁束の低減により出力を向上することができる。

(4) 前記ロータベース部材１１を、形状の異なる複数種類の薄板の電磁鋼板を積層して構成したため、永久磁石１２，１２間を磁束が流れた際の渦電流損を低減することができると共に、製造コストを低減することができる。

(5) 前記ロータ２は、永久磁石１２，１２を軸方向の両面に配置したため、永久磁石１２，１２が破損する可能性が高くなる１ロータ・２ステータによるアキシャルギャップ型回転電機において、永久磁石１２，１２の組み付け時の破損を確実に防止することができる。すなわち、磁石保持部材を用いずに永久磁石を軸方向の両面に配置する場合、仮に貫通穴を設けたロータベース部材としても、片方の永久磁石の組付け後は貫通穴が塞がれてしまい、もう一方の永久磁石の組付けに際し、永久磁石１２，１２の破損可能性が高くなる。

以上、本発明のアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造を実施例１に基づき説明してきたが、具体的な構成については、この実施例１に限られるものではなく、特許請求の範囲の各請求項に係る発明の要旨を逸脱しない限り、設計の変更や追加等は許容される。

例えば、実施例１では、ロータベース部材に、磁石保持部材に設けた貫通穴と同等形状で、段付き部と同等の軸方向厚みを有する突出部を設けたが、突出部をロータベース部材側でなく、永久磁石側に設けても良い。また、実施例１では、磁石保持部材を、非磁性体にて構成したが、磁石挿入方向と反対側から永久磁石を支持しつつ挿入できるため、磁石保持部材を磁性体にて構成しても良い。また、実施例１では、ロータベース部材を、形状の異なる複数種類の薄板の電磁鋼板を積層して構成したが、ロータベース部材を一体素材により構成しても良い。要するに、ロータを、ロータ軸に固定されるロータベース部材と、一対の磁石保持部材と、複数の永久磁石と、によりそれぞれ別体で構成し、且つ、磁石保持部材に軸方向に永久磁石を保持する段付き部を有する貫通穴を設けたものであれば、様々な変形例も本発明に含まれる。

実施例１では、永久磁石を軸方向の両面に配置したロータへの適用例を示したが、永久磁石を軸方向の片面のみに配置したロータへも適用できる。つまり、永久磁石を軸方向の片面のみに配置する場合であっても、ロータベース部材に永久磁石を挿入する構造が、磁石配置穴ではなく、磁石配置溝である場合には、本願発明の問題を有する。

実施例１では、アキシャルギャップ型回転電機として、ロータとステータとの間に軸方向のエアギャップを有する例を示したが、ロータとステータとの間には、例えば、油膜によるアキシャルギャップが存在するだけで、実質的にエアギャップが存在しないようなアキシャルギャップ型回転電機に対しても適用することができる。

実施例１では、アキシャルギャップ型回転電機と述べているが、それはアキシャルギャップ型モータとして適用しても良いし、また、アキシャルギャップ型ジェネレータとして適用しても良い。また、実施例１では、１ロータ・２ステータ型のアキシャルギャップ型回転電機への適用例を示したが、１ロータ・１ステータ型や２ロータ・１ステータ型や２ロータ・２ステータ型のアキシャルギャップ型回転電機等、ステータとロータの数が実施例とは異なるアキシャルギャップ型回転電機にも適用することができる。

実施例１のロータ構造が適用されたアキシャルギャップ型回転電機を示す全体断面図である。 実施例１のアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造が適用されたステータを示す図である。 実施例１のアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造を示す組付け前の分解断面図である。 実施例１のアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造において磁石保持部材に組付けられる永久磁石を示す正面図である。 実施例１のアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造を示す組付け完了後の断面図である。 従来例１のアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造を示す組付け状態の断面図である。 従来例２のアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造を示す組付け完了後の断面図である。

符号の説明

１ ロータ軸
２ ロータ
３ ステータ
４ 回転電機ケース
５ 第１軸受け
６ 第２軸受け
７ 軸心油路
８ 第１径方向油路
９ 第２径方向油路
１０ 第３径方向油路
１１ ロータベース部材
１１ａ 突出部
１２ 永久磁石
１３ ステータケース
１４ ステータコア
１５ 絶縁体
１６ ステータコイル
１７ コアベース
１８ バスバー積層体
１９ 送電端子
２４ 磁石保持部材
２４ａ 段付き部
２４ｂ 貫通穴

Claims (5)

1. 永久磁石を配置したロータと、ステータコアとステータコイルを有するステータと、を備え、前記ロータと前記ステータが軸方向に配設されたアキシャルギャップ型回転電機において、
   前記ロータを、ロータ軸に固定されるロータベース部材と、一対の磁石保持部材と、複数の永久磁石と、によりそれぞれ別体で構成し、且つ、前記磁石保持部材に、軸方向に永久磁石を保持する段付き部を有する貫通穴を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のロータ構造。
2. 請求項１に記載されたアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造において、
   前記ロータベース部材に、前記磁石保持部材に設けた貫通穴と同等形状で、前記段付き部と同等の軸方向厚みを有する突出部を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のロータ構造。
3. 請求項１または２に記載されたアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造において、
   前記磁石保持部材を、非磁性体にて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のロータ構造。
4. 請求項１乃至３の何れか１項に記載されたアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造において、
   前記ロータベース部材を、形状の異なる複数種類の薄板の電磁鋼板を積層して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のロータ構造。
5. 請求項１乃至４の何れか１項に記載されたアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造において、
   前記ロータは、永久磁石を軸方向の両面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のロータ構造。

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