JP2015208176A - アキシャルギャップ型回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】
回転子と固定子との間の空隙の調整が容易でかつ回転子の強度を向上できるアキシャルギャップ型回転電機を提供する。
【解決手段】
回転子１と、回転軸の方向に沿って、回転子１と空隙を介して対向する固定子２とを備え、回転子１は、回転子鉄心６と、シャフト５が固定されると共に回転子鉄心が固定される回転子ヨーク４と、回転子鉄心６に接続される永久磁石３とを有し、回転子ヨーク４は、回転子鉄心６における、回転子鉄心６と永久磁石３との接続部を除く部分をモールドするダイカスト金属からなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、アキシャルギャップ型の回転電機に関する。

アキシャルギャップ型の回転電機においては、回転軸の軸方向にギャップを介して固定子と回転子が対向する。特に、固定子鉄心部分にスロットが設けられるアキシャルギャップ型の回転電機においては、スロットの影響により回転子鉄損が大きくなる。このため、回転子鉄心として、薄板状の磁性体が主磁束と直交する方向で積層される回転子鉄心が用いられる。このような回転子鉄心に関する技術として、特許文献１に記載される技術が知られている。

本技術においては、鉄損を低減して回転電機の効率を向上するために、薄帯状（リボン状）の磁性体を渦巻状に巻回して形成される回転子巻鉄心が用いられる。さらに、回転子巻鉄心および磁石が非磁性の補強枠体内に配置され、これらの部材が絶縁材料である樹脂によってモールドされて一体化されることにより回転子が構成される。

特開２０１３−９０４８７号公報

アキシャルギャップ型回転電機においては、対向する回転子表面と固定子表面との間の空隙（ギャップ）を均一に保つことが必要である。これに対し、上記従来技術では、樹脂モールドの厚みのばらつきのため、回転電機組立時に、空隙の調整が難しい。このため、製造コストが高くなる。また、上記従来技術では、樹脂モールドため回転子の強度を向上することが難しく、回転電機の高速化が難しい。

そこで、本発明は、回転子と固定子との間の空隙の調整が容易でかつ回転子の強度を向上できるアキシャルギャップ型回転電機を提供する。

上記課題を解決するために、本発明によるアキシャルギャップ型回転電機は、回転子と、回転軸の方向に沿って、回転子と空隙を介して対向する固定子とを備えるものであって、回転子は、鉄心と、シャフトが固定されると共に鉄心が固定されるヨークと、鉄心に接続される永久磁石とを有し、ヨークは、鉄心における、鉄心と永久磁石との接続部を除く部分をモールドするダイカスト金属からなる。

ヨークが、鉄心における永久磁石との接続部を除く部分をモールドするダイカスト金属からなることにより、回転子の寸法精度が向上すると共に、回転子の強度が向上する。従って、回転子と固定子との間の空隙の調整が容易になり、かつ回転電機を高速化できる。

上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の実施例１であるアキシャルギャップ型モータの全体構成の概略を示す斜視図である。 回転子の構造を示す。 渦巻状の回転子鉄心を示す。 回転子ヨークに固定された回転子鉄心を示す。 回転子鉄心の変形例を示す。 永久磁石が接続された回転子を示す。 本発明の実施例２であるアキシャルギャップ型モータの回転子鉄心の一部および永久磁石が載置されていない回転子を示す。 本発明の実施例３であるアキシャルギャップ型モータの永久磁石が載置されていない回転子および回転子の構造部材を示す。 本発明の実施例４であるアキシャルギャップ型モータの永久磁石が載置されていない回転子および回転子鉄心の一部を示す。 本発明の実施例５であるアキシャルギャップ型モータの回転子の製造方法を示す。

以下、本発明の実施例について、図面を用いて説明する。

図１は、本発明の実施例１であるアキシャルギャップ型回転電機の全体構成の概略を示す斜視図である。なお、本図に示す回転電機はアキシャルギャップ型モータである。

本実施例においては、２個の円盤状の回転子１が、磁石面同士が向き合うように対向配置される。モータの回転軸となるシャフト５が、各回転子１の中心部を通るように、公知の方法、例えば焼嵌めによって各回転子１に固定される。２個の回転子１の間には、回転軸方向において、空隙（エアギャップ）を介して各回転子１と対向する固定子２が配置される。シャフト５は、固定子２の中心部に、回転可能に挿通される。

固定子２は、詳細な図示は省略するが、複数スロットを有する固定子鉄心と、各スロット内に位置し、固定子鉄心に装着される絶縁ボビン上に巻かれる固定子巻線から構成される。このように固定子鉄心，絶縁ボビンおよび固定子巻線からなる固定子２は、回転子１と共に円筒状のハウジング２０内に収納され、かつハウジング２０と樹脂によって一体化モールドすることによりハウジング２０に固定される。

図２は、回転子の構造を示す。なお、本図においては、構造を分かりやすくするため、各部が分離された状態を示す。

図２に示すように、回転子１は、珪素鋼板などの電磁鋼板の薄帯（リボン）を渦巻状に巻き回して構成され、円環状の平面形状を有する回転子鉄心６を備える。回転子鉄心６においては、円環状の径方向において、電磁鋼板の薄帯が積層される。これにより、固定子２におけるスロット形状に起因する空隙での磁気パーミアンスの変化に伴う、空間高調波によって回転子鉄心内に発生する鉄損を低減することができる。なお、電磁鋼板に代えて、アモルファス磁性体を適用して、鉄損を低減しても良い。

回転子鉄心６の円環状平面上には、永久磁石３が、回転子１の極数に等しい個数、本実施例では４個の永久磁石３が、配置され、固定的に接続される。回転子１の極数分の永久磁石３は、それぞれ略扇状の平面形状を有する板状の磁石であり、回転子鉄心の円環状平面上において、円環状に配置される。回転子鉄心６と永久磁石３とは、樹脂などの接着部材により接着される。なお、永久磁石３としては、希土類磁石やフェライト磁石などを適用できる。また、永久磁石は、本実施例のような複数に分割されたものに限らず、複数極が着磁されたリング状の一個の磁石を用いても良い。

回転子鉄心６は、ダイカスト金属からなる回転子ヨーク４によって保持される。回転子ヨーク４は、回転子鉄心６における永久磁石３との接続部を除く部分、すなわち本実施例においては永久磁石３が接続される平面部の反対側の平面部すなわち裏面側を、ダイカスト金属でモールドすることによって構成される。そして、このダイカスト金属が、回転子鉄心６の前記裏面及び側面に付着することにより、回転子鉄心６は回転子ヨーク４に固定される。回転子ヨーク４の中心部にはシャフト５を通すための円形の孔部が設けられる。シャフト５は、焼嵌めなどにより、この孔部に挿通されて回転子ヨーク４に固定される。なお、ダイカスト金属としては、アルミ合金などの非磁性合金が適用される。

図３は、渦巻状の回転子鉄心を示す。渦巻状に巻いた電磁鋼板の薄帯の巻始め部と巻き終わり部は溶接により回転子鉄心本体に接合される。これにより、渦巻状の形状が保持される。なお、本実施例において、巻始め部とは、回転子鉄心６の中央部の穴部の内壁部に位置する薄帯端部であり、巻終わりとは、回転子鉄心６の最外周部の側面部に位置する薄帯端部である。渦巻状の形状を確実に保持するために、回転子鉄心６は樹脂モールドされても良い。このとき、樹脂の表面は回転子鉄心６の積層面Ａよりも低い。これにより、樹脂が固定子と回転子との間のギャップ寸法に影響することが防止される。なお、製造工程において、樹脂モールド工程は、高温の溶融金属を使用するダイカスト工程の後に実行すればよい。

図４は、回転子ヨークに固定された回転子鉄心を示す。ダイカスト金属からなる回転子ヨーク４は、回転子鉄心６の積層面の内、図中において露出する積層面Ａの裏面側の積層面の全面と、回転子鉄心６の最外周側面および最内周側面を被覆すると共に、これら被覆する面に付着する。すなわち、回転子鉄心６において永久磁石３を配置する積層面Ａを除いた部分が、ダイカスト金属によってモールドされる。回転子鉄心６がダイカスト金属にモールドされるため、渦巻状の回転子鉄心６の変形が抑制される。また、回転子ヨーク４を構成するダイカスト金属が、積層される薄帯の層間に位置し、薄帯に付着しても良い。これにより、回転子鉄心６は確実に固定子ヨーク４に固定される。このとき、ダイカスト金属表面は積層面Ａよりも低くし、永久磁石３を載置する積層面Ａを平坦にすることができる。

このような、回転子ヨーク４と回転子鉄心６の一体構成により、電磁鋼板薄帯を渦巻状に巻いた回転子鉄心６を用いながらも、回転子の強度が向上する。さらに、シャフト５はダイカスト金属からなる回転子ヨーク４に固定されるため、いわば、回転子ヨーク４を介して、渦巻状の回転子鉄心６にシャフト５が固定される。これにより、渦巻状の回転子鉄心６とシャフト５との固定強度が向上する。また、ダイカスト金属からなる回転子ヨーク４により、回転子の寸法精度が向上するため、回転子と固定子の間の空隙を均等にできる。

図５は、回転子鉄心の変形例を示す。本変形例は、図３の実施例と同様に電磁鋼板薄帯が渦巻状に巻かれて構成されるが、図３の回転子鉄心と異なり、積層面の径方向に溝Ｂが設けられる。これにより、ダイカスト工程において、金型治具内に収納した回転子鉄心の内周側，層間および外周側に、溶融したダイカスト金属が確実に流れ込み、行きわたらせることができる。これにより、回転子ヨーク４を、正確な形状で、かつ寸法精度良く、製造することができる。

図６は、永久磁石が接続された回転子の斜視図（ａ）および断面図（ｂ）である。図２に示したように、板状の永久磁石３が回転子鉄心の積層面上に、載置され、樹脂や接着剤などの接着部材によって接着されて固定される。また、断面図（ｂ）が示すように、回転子ヨーク４は、その外周部と内周部において、段差を有する。すなわち、回転子ヨーク４の外周部と内周部は、回転子鉄心６の積層面よりも高さが高く、そのため、一体化された回転子ヨーク４と回転子鉄心６は、回転子鉄心６の積層面を底面とする凹部を有する。この凹部内において、永久磁石３が回転子鉄心６の積層面上とこれに接する回転子ヨーク４の段差下部上に接着される。従って、永久磁石３は、回転子ヨーク４の段差部によって、回転子鉄心６に対して、所定位置に正確に位置決めされる。

また、図６（ｂ）が示すように、回転子ヨーク４の中央部には、シャフト５を通す孔部を形成する円筒状部分が設けられる。シャフト５は、この孔部を通り、円筒状部分において回転子ヨーク４に固定される。

上述したように、本実施例によれば、回転子鉄心６において永久磁石３を配置する積層面Ａを除いた部分が、ダイカスト金属によってモールドされることにより、回転子ヨーク４が構成される。そして、回転子ヨーク４を構成するダイカスト金属が回転子鉄心６に付着することにより、回転子鉄心６が回転子ヨーク４に固定される。これにより、回転子の寸法精度が向上すると共に、回転子の強度が向上する。回転子の寸法精度が向上するので、回転子と固定子との間の空隙の調整が容易になる。従って、アキシャルギャップ型モータの回転が安定化できる。さらに、回転子の強度が向上できるので、アキシャルギャップ型モータを高速化できる。

また、回転子ヨーク４にシャフト５を直接固定するため、補強用の部材が不要になり、部品点数が低減できる。回転子鉄心をダイカスト金属でモールドすることにより回転子ヨークが構成され、これと同時に回転子鉄心と回転子ヨークが一体化される。これにより、モータの製造工程が簡略化で、製造コストを低減できる。

図７は、本発明の実施例２であるアキシャルギャップ型モータの回転子鉄心の一部（ａ）、および永久磁石が載置されていない回転子（ｂ）を示す。以下、実施例１と異なる点について説明する。

図７（ａ）が示すように、本実施例における回転子鉄心６の一部は、径方向において外周側に向かって徐々に長さが長くなる電磁鋼板の薄帯が積層されて構成され、略扇形の形状を有する。積層された薄帯どうしは、密着され、溶接などによって接合される。そして、図７（ａ）に示す略扇形状の回転子鉄心部が、図７（ｂ）に示すように、複数個、円環状に配置される。

本実施例によれば、実施例１と同様の効果に加え、回転子鉄心の占積率、すなわち回転子鉄心に占める磁性体の体積比が向上するので、アキシャルギャップ型モータの出力を向上できる。また、円環状の回転子鉄心が、周方向で、複数個の扇型状の回転子鉄心部に分割されているため、渦電流損を低減できる。

図８は、本発明の実施例３であるアキシャルギャップ型モータの永久磁石が載置されていない回転子（ａ）、および回転子の構造部材（ｂ）を示す。以下、実施例１，２と異なる点について説明する。

図８（ａ）に示すように、本実施例の回転子においては、図７と同様の扇型状の回転子鉄心部を複数個と、圧粉磁心などからなる略扇形で細長い構造部材７を複数個、交互に、かつ円環状に配置される。ここで、構造部材７は、磁性体、非磁性体のいずれでもよい。
本実施例によれば、実施例１，２と同様の効果に加え、電磁鋼板薄帯が積層される回転子鉄心部と構造部材の個数や大きさにより、モータ性能を適宜調整することができる。

図９は、本発明の実施例４であるアキシャルギャップ型モータの永久磁石が載置されていない回転子（ａ）、および回転子鉄心の一部（ｂ）を示す。以下、実施例１，２,３と異なる点について説明する。

図９（ｂ）が示すように、本実施例の回転子鉄心６の一部においては、細長い略扇状の電磁鋼板の薄帯が、回転子鉄心の厚さ方向に複数枚積層される。このような、回転子鉄心部が、図９（ａ）が示すように、円環状に配置される。

本実施例によれば、渦電流損を低減することができる。

図１０は、本発明の実施例５であるアキシャルギャップ型モータの回転子の製造方法を示す概略図である。本図は、モータ部品が治具に組み込まれる様子を示す斜視図（ａ）および、斜視図におけるＡＡ’線の断面図（ｂ）である。

図１０が示すように、図３に示した回転子鉄心６が収容された状態で、平板で略円柱状の金型治具３０と略円筒状の金型治具３１が閉じられる。図１０（ｂ）では、図を分かりやすくするために、各部を分離して図示している。しかし、金型治具３０および金型治具３１が閉じられた状態で、金型治具内の空間は、溶融金属注入口Ｃを除いては、密閉されている。また、回転子鉄心６における永久磁石との接合面となる積層面は、金型治具３１に密着している。さらに、回転子鉄心６における永久磁石との接合面の裏面となる積層面と金型治具３１との間には空間がある。

金型治具３０，３１が閉じられた後、金型治具内の空間に、溶融金属注入口Ｃから、溶融したダイカスト金属を、図示しない圧力装置によって圧力をかけながら注入する。溶融されたダイカスト金属が冷却されて固化すると、上述したような回転子鉄心６の永久磁石との接合面の裏面側をモールドするダイカスト金属からなる回転子ヨークが形成される。

なお、金型治具３１の中央部には円柱状の突起が設けられる。この突起の上面、すなわち図１０（ａ）では円柱状の突起の左側における円形面は、金型治具３０，３１が閉じられた状態で、金型治具３０に密着している。また、この突起の周囲には、円環状の溝が形成されている。これにより、回転子ヨークにおいてシャフトを通すための孔部を有する円筒部が形成される。

本実施例５の製造方法により、実施例１のアキシャルギャップ型モータの回転子における回転子鉄心と回転子ヨークの一体構造体を製造することができる。

なお、本発明は前述した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前述した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置き換えをすることが可能である。

例えば、本発明は、図１に示したような二個の回転子が一個の固定子を挟むアキシャルギャップ型モータに限らず、一個の回転子と一個の固定子を有するものや、二個の固定子が一個の回転子を挟むものにも適用できる。また、本発明は、アキシャルギャップ型発電機にも適用できる。

１ 回転子
２ 固定子
３ 永久磁石
４ 回転子ヨーク
５ シャフト
６ 回転子鉄心
７ 構造部材
３０，３１ 金型治具

Claims (12)

1. 回転子と、
   回転軸の方向に沿って、前記回転子と空隙を介して対向する固定子と、
   を備えるアキシャルギャップ型回転電機において、
   前記回転子は、
   鉄心と、
   シャフトが固定されると共に、前記鉄心が固定されるヨークと、
   前記鉄心に接続される永久磁石と、
   を有し、
   前記ヨークは、前記鉄心における、前記鉄心と前記永久磁石との接続部を除く部分をモールドするダイカスト金属からなることを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
2. 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、
   前記ダイカスト金属が前記鉄心に付着することを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
3. 請求項１または請求項２に記載のアキシャルギャップ型回転電機において、
   前記鉄心は複数層に積層された磁性体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。
4. 請求項３に記載のアキシャルギャップ型回転電機において、
   前記鉄心は、渦巻状に巻き回される薄帯状の磁性体からなることを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
5. 請求項４に記載のアキシャルギャップ型回転電機において、
   前記ダイカスト金属は、前記鉄心における前記永久磁石が接続される積層面の裏面および前記鉄心の外周側面を被覆するとともに、前記裏面及び前記側面に付着することを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
6. 請求項３ないし５のいずれか一項に記載のアキシャルギャップ型回転電機において、
   前記ダイカスト金属が前記磁性体の層間に付着することを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
7. 請求項４に記載のアキシャルギャップ型回転電機おいて、前記鉄心の積層面に溝が設けられることを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
8. 請求項１または請求項２に記載のアキシャルギャップ型回転電機において、
   前記鉄心は、複数層に積層された磁性体からなる鉄心部を複数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。
9. 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、
   前記鉄心部においては、薄帯状の複数の磁性体が略扇状に積層されることを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
10. 請求項９に記載のアキシャルギャップ型回転電機において、
    前記鉄心は、前記鉄心部と交互に配列される構造部材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。
11. 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、
    前記鉄心部においては、複数の磁性体が、前記鉄心部の厚さ方向に積層されることを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
12. 請求項１ないし１１のいずれか一項において、
    前記回転子ヨークは、中央部に前記シャフトが通る孔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。

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