JP6408766B2 - アキシャル立体ギャップ式回転電機 - Google Patents

Description

本発明は電動機や発電機のアキシャルギャップ式回転電機に関する。

電動機や発電機である回転電機は、市場より軽薄短小化の要求が強く、また最近は地球温暖化対策として、省エネルギー化や高効率化の要求も増加してきている。更に、低振動化、低騒音化、そして安価であることも強い要求である。その中で、回転軸方向にエアギャップを有するアキシャルギャップ式回転電機は扁平で薄型に有利な構造であり、回転子を円盤状にすれば慣性も小さくできるので、一定速度運転にも、可変速度運転にも適した回転機であり、近年注目された回転機の形態である。そして回転機外径より軸方向長が短い形状、所謂扁平型回転電機では、ラジアルギャップ式回転電機に比べると、エアギャップ対向面積が大きくなるため、インホイールモータ等ではアキシャルギャップ式回転電機が高トルク化で見直されてきている。

一方、アキシャルギャップ式回転電機に関する高トルク化をエアギャップの対向面積増加で行う従来技術として同じ発明者らの特許文献がある。また、ラジアルギャップ式回転電機の永久磁石埋め込み型回転子のレラクタンストルク利用技術に関する開示が下記の非特許文献にある。

特開２０１３−１５０５４３号公報

電動ドライブの基礎と応用、著者：百目鬼英雄、ｐ１３１〜１３４：リラクタンストルクの発生と利用

回転電機はラジアルギャップ式とアキシャルギャップ式に大別される。そして回転電機外径より軸方向長が短い形状、所謂扁平型回転電機として構成する場合、ラジアルギャップ式回転電機に比べると、アキシャルギャップ式回転電機のほうがエアギャップ対向面積を大きく確保することができるため、高トルク化を図ることができる。

ラジアルギャップ式回転電機において、珪素鋼鈑の積層式で回転子や固定子を構成する場合はその大半は回転軸と垂直面に磁路が形成される所謂２次元磁路のため、この積層方式は適していた。しかしアキシャルギャップ式回転電機では磁路が回転軸方向と回転軸と垂直面方向の両方となり、所謂立体３次元磁路となるため、珪素鋼鈑の積層方式は軸方向磁路は積層方向のため、磁気抵抗が大きくなり適さない。これがアキシャルギャップ式回転電機がラジアルギャップ式回転電機に比べて、普及しない理由の一つであった。この対策としては圧粉鉄心や焼結鉄心を使用することが知られている。また巻き線に関しては、一般的なアキシャルギャップ式の回転電機で回転子に永久磁石を用いるブラシレスＤＣモータ（以下ＢＬＤＣモータ）や同期発電機、あるいは回転子に永久磁石を用いないで磁性体の歯を有したスイッチドレラクタンスモータ（以下ＳＲモータ）の場合の技術は、安価と効率を重視する場合は巻き線は集中巻き方式を採用する。その理由は分布巻き方式ではトルク発生に寄与しないコイルエンド部が大きくなり銅損が増大し、効率が低下するためと集中巻き方式では巻き線がシンプルでスロットへの直接巻き込が可能となり、巻き線が安価となるためである。更にアキシャルギャップ式回転電機はラジアルギャップ式に比べ、巻き線挿入がしやすいため、安価あるいは占績率の向上ができる。そして回転電機の高効率化を追求したものとして固定子と回転子のエアギャップ部の対向面積を増大する手段による上記の特許文献１がある。

特許文献１に記載されるアキシャルギャップ式回転電機はエアギャップが立体的に凹凸にかみ合うので、高トルク化に有利であり、３次元に成形できる圧粉鉄心が有利となる。圧粉鉄心とは軟磁性鉄粉に少量の樹脂を渦電流の絶縁のためにバインダーとして混合して圧縮成形後焼成させたものである。

しかし、特許文献１のアキシャルギャップ式回転電機は回転子に永久磁石を用いてフレミングの左手則即ちＩＢＬ則トルクによるＢＬＤＣモータ、あるいは回転子に永久磁石を用いないＳＲモータのみの開示であり、更なる高トルク化、高速回転化、高効率化には限界があった。

本発明はこの欠点を改良、進歩させたものである。

また非特許文献１に記載された回転電機はラジアルギャップ式回転電機であるが、永久磁石埋め込み型回転子のレラクタンストルクを利用する技術に関して記載されている。この技術を本発明でアキシャルギャップモータで利用できるようにして、更に立体エアギャップとの相乗効果で特許文献１の更なる高トルク化、高速回転化、高効率化を図り、従来技術の欠点を改良、進歩させたものである。

本発明を実現するには以下の手段による。

本発明に係るアキシャルギャップ式回転電機は、固定子と回転子がエアギャップを介して対向し、巻き線軸が回転軸と平行なアキシャルギャップ式回転電機であって、前記固定子は、円盤状磁性体から回転軸方向に突出するとともに周方向に配置されたｍ個の突極部を有し、該突極部の外周に前記回転軸方向と略平行に巻き線を巻回し、前記回転子はｎ個の永久磁石磁極と、ｎ個の回転子磁性体とが周方向交互に配置され、前記永久磁石磁極は磁性体よりなる磁極片と永久磁石が軸方向に固着配置されて、永久磁石磁極の極性は周方向交互に異極性に軸方向磁化して配置され、前記磁極片及び前記回転子磁性体と前記固定子の対向部には同心円弧的に形成した複数の歯が前記エアギャップを有して噛み合うように設け、前記円盤状磁性体２個を背中合わせに軸方向に結合して前記固定子を構成し、それぞれ前記永久磁石を有する２個の前記回転子で前記固定子の軸方向両側から前記エアギャップを介して挟む構成とし、前記固定子は、背中合わせにした各々前記円盤状磁性体をバックヨークとすると共に前記巻き線が前記永久磁石に対応して設けられることを特徴とする。但し、ｍは正の整数、ｎは正の偶数。

また、本発明に係るアキシャルギャップ式回転電機において、前記磁性体は少なくともその一部が焼結鉄心、あるいは圧粉鉄心であると好適である。

本発明に係るアキシャルギャップ式回転電機によれば、固定子歯と回転子歯間のエアギャップ対向部がかみ合い対向のため対向面積が増大しエアギャップ部パーミアンスの大きな高効率回転電機が実現し、更に回転子が永久磁石で磁化された部と磁性体部とが交互に配置されているため、永久磁石によるＩＢＬ則トルクに磁性体部によるレラクタンストルクが加算して得られる。即ちＢＬＤＣモータによるトルクとＳＲモータによるトルクの両方が得られ、ＢＬＤＣモータのみの場合、あるいはＳＲモータのみの場合より高トルク化を図ることができる。

本発明に係るアキシャルギャップ式回転電機によれば、アキシャルギャップ式回転電機で、固定子と回転子の歯が同心円弧状のかみ合いのため、回転子は軸を固定子の軸受けに挿入して簡単に組み立て出来るので、安価で高効率な回転電機が実現する。

本発明に係るアキシャルギャップ式回転電機によれば、回転子の両側に固定子を配置すれば、あるいはその逆に、固定子の両側に回転子を配置すれば、両者とも、小形で高効率回転電機となる。

本発明に係るアキシャルギャップ式回転電機によれば、回転子は永久磁石部と磁性体部が交互配置のため、永久磁石の使用量を少なく出来て安価となる。

本発明に係るアキシャルギャップ式回転電機によれば、圧粉鉄心や焼結鉄心で型押し成型で凹凸歯部を容易に製作できる。

本発明に係るアキシャルギャップ式回転電機によれば、圧粉鉄心により渦電流損が零に近く、特に高速時の鉄損が少なく高効率回転電機となる。

本発明の一例の回転電機の軸を含んだ断面図 図１の回転子を軸方向から見た図 本発明の別の一例の回転電機の軸を含んだ断面図 図３の固定子を軸方向から見た図 図１の片側ギャップ式回転電機として軸を含んだ半断面図 図３の片側ギャップ式回転電機として軸を含んだ半断面図 図５または図６の固定子鉄心の外観図

以下図面によって説明する。

図１は本発明の構成の一例を示したものであり、アキシャルギャップ式回転電機で回転軸６を含んだ断面図であるがその回転子部は図２のＡ−Ａ断面で示した。図２は図１の回転子の軸方向から見た図である。図７は図１の固定子の外観図である。

図１、図２、図７を参照して本発明の一例を説明する。固定子１は磁性体より構成された部材であり、円盤状磁性体からｍ個の軸方向に突き出た巻き線極を持ち、その先端部には同心円弧状で軸方向に２個の歯部２を有している。歯数は２に限定せず複数の歯でよい。その鉄心部の外観図をｍ＝６の場合で図７に示す。巻き線３は固定子鉄心１のｍ個の軸方向に突き出た巻き線極に巻かれ、この場合は歯部２が軸方向に同心円弧状に配備されている。

回転子はｎ個の永久磁石磁極と、ｎ個の回転子磁性体とが周方向に交互に配置されて、回転軸６に固着されて回転子を形成している。図２は回転子を軸方向から見た図であり、ｎ＝４の場合で示した。ｎは極数なので複数となる。

回転子磁極片４は磁性体よりなる部材であり、軸６に永久磁石８を２個の回転子磁極片４で挟持して固着されて、軸受け７で回転可能に支持されている。回転子磁極片４の軸方向で固定子と対向する部分は同心円弧状で軸方向に２個の歯部５を有している。そしてｎ個の永久磁石はＮ極Ｓ極交互に軸方向で異極性に磁化され周方向に配置される。

前述の回転子磁性体は２０であり、同様に軸方向で固定子と対向する部分には同心円弧状で軸方向に２個の歯部２１を有している。そして固定子歯２とかみ合うようにしてエアギャップを保って回転子の歯部５及び歯部２１が対向している。この場合、永久磁石８を短絡させないように、回転子磁極片４と回転子磁性体２０の隣接部はギャップ設けるか、非磁性体を介在させ、軸６も適宜非磁性金属体を使用するのが望ましい。また図２で、回転子磁極片は略扇形であり、その裏側にある永久磁石８の軸方向から見た形状も同一形状の略扇形が望ましい。回転子磁性体２０も略扇形で図示されている。ギャップ対向面積の有効利用からは扇形が望ましいが、この限りではなく、適宜台形や長方形であってもよい。

このような構成にすれば次のような長所を有した回転電機が実現する。即ち固定子歯と回転子歯間のエアギャップ対向部がかみ合い対向のため対向面積が増大しエアギャップ部パーミアンスが大きくできるので高効率回転電機となる。磁束を通す起磁力はその大部分がエアギャップで消費されるがエアギャップ部パーミアンスが大きくできるのでこの部分での起磁力の消費が少なくて済むためである。またアキシャルギャップ式回転電機で、固定子と回転子の歯が同心円弧状のかみ合いのため、回転子は軸を固定子の軸受けに挿入して簡単に組み立て出来るので、安価で高効率な回転電機が実現する。この場合、かみ合う歯形は図示した矩形に限定されず、三角形や円弧曲線でもよく、平面対向よりその対向面積が増大して、しかも周方向に回転可能な形状であればよい。この場合、固定子１や歯部２あるいは回転子磁極片４や歯部５の製作は珪素鋼鈑の積層式ではかなり困難であり、圧粉によれば容易に製作できる。また固定子は６極に限らず、実用的には２相では２極、４極、８極、１２極、３相では６極、９極、１２極等に適したものである。一般的には固定子極数はｍは２以上の正の整数であればよい。回転子極数は図１〜図３の例では４極であるが、ラジアルギャップ式のＳＲモータやＶＲ形ＳＴＭの場合と同じ極数の組み合わせが可能である。この場合、回転子と共に軸６が回転する。

特許文献１に開示されたＢＬＤＣモータの場合では回転子の永久磁石のＮ極から出た磁束はエアギャップを通過後、永久磁石対のＳ極に戻る磁路は形成されているのでフレミングの法則のＩＢＬ則トルクＴｉは発生する。しかし巻き線による磁束の通路は永久磁石部は透磁率が空気と同程度に低いため通過できず、従ってレラクタンストルクは得られなかった。

これに対し本発明では、図１、図２の動作は以下のようになり、上述の欠点が改善される。

前述したように本発明の回転子はＢＬＤＣモータ用回転子部である永久磁石磁極片４とＳＲモータ用回転子部である回転子磁性体２０の各々の１個が、各々の１極分を形成し合計４個の極を周方向に分布させて４極のＢＬＤＣモータ及び４極のＳＲモータとして構成される。

そして、これらの回転子部は固定子を共有し、図示の例では固定子は３相６巻き線極で構成されている。この場合、巻き線３に例えば３相交流を流して作られる回転磁界軸磁束は回転軸方向に回転子磁性体２０を経由して歯部２１を通過して、もう一方の固定子極に入り、固定子の円盤状磁性体２２を通り、隣接の対向する回転子部の回転子磁性体に入り、元の固定子に戻る閉磁路を作る。この閉磁路は前述の回転磁界による同期速度で回転し、回転子にレラクタンストルクＴｒを発生させる。一方、永久磁石磁界と巻き線電流間でＩＢＬ則トルクＴｉを発生する。そしてこの２つのトルクは相乗加算されて、合成トルクＴ＝Ｔｉ＋Ｔｒとなる。この場合、図２を参照して、永久磁石磁極部対向面積と回転子磁性体対向面積の比にもよるが、これが例えば２：１の場合で、永久磁石のみのＢＬＤＣモータよりも、１５〜３０％程度大きなトルクが得られる。尚トルク発生の詳細は非特許文献１に記載されているので、ここでの詳細説明は省略する。尚、非特許文献１でのリラクタンストルクは本文のレラクタンストルクと同意語である。

図３は固定子の軸方向の両側に回転子が設けられて、固定子に固着された固定軸１２を軸心として回転する別の本発明のアキシャルギャップ式回転電機である。軸固定式なのでインホイール用モータ等にて適した構造である。図４は図３の固定子を軸方向から見た図である。図１、図２と同じ機能を有する部品は同じ番号を付してあるのでその説明は省略する。永久磁石８のバックヨーク９、リード線１３は固定軸の中空部より引き出したものである。固定子鉄心部１０の外周には巻き線１１が巻かれている。固定子鉄心部１０の軸方向両側には同心円弧状に歯部２が設けてあり回転子の歯部５とエアギャップを介して対向している。回転子の構成は図１及び図２に示した両側ギャップ対向用と異なり、片側ギャップ対向用を２個用いて、前記固定子の軸方向両側に配置構成する。その他の回転子の構成は図１、図２の場合と同じである。

図３の固定子は図４の略扇形径部が軸方向に延び、図１の固定子のｍ個の突極部が分割されてその軸方向両側に前述の同心円弧状歯２を有し、結合部の図示は省略するが、樹脂あるいは非磁性金属等で円周方向にｍ個均等に結合し配置されている。この場合、図７に示した固定子の円盤状磁性体２２がないので、巻き線１１は図１の巻き線３の銅量より多く出来る。

あるいは前記の巻き線の銅量は上述した構成より減るが、図１に示した円盤状磁性体２２を有する固定子の片側分を２個用いてお互いに背中合わせに軸方向に結合して固定子を構成し、２個の前記回転子で前記固定子の軸方向両側から前記エアギャップを介して挟む構成してもよい。そうすればｍ個の分割部を樹脂等で連結固着の作業が不要になる。

図５は本発明の図１の片側ギャップ対向の場合の構成を示したものである。回転子のバックヨーク９と回転軸６は固着され軸回転式の場合である。トルクは図１の場合より小さくなるが安価となる。

また図６は本発明の図３の片側ギャップ対向の場合の構成を示したものである。回転子は固定子に固着された軸６を軸心として回転し、軸固定式の場合である。トルクは図１の場合より小さくなるが安価となる。

従来技術の図は引例１の図１及び図７相当であるので、本文への添付は省略するが、本発明は特許文献１に対して、安価性を有しながら、高トルク化あるいは高効率化で勝るもので、極めて有効な発明である。

本発明によるアキシャルギャップ式回転電機は電動機または発電機に活用でき、安価で堅牢で軽薄短小、高トルク化、高効率化に適した、きわめて実用的なものである。従って工業的に大きな貢献が期待される。

１、１０ 固定子
２、５、２１ 歯部
３、１１ 巻き線
４、 回転子磁極片
６、 回転軸
７、 軸受け
８、 永久磁石
９ バックヨーク
１２、 固定軸
１３、 リード線
２０、 回転子磁性体

Claims (2)

1. 固定子と回転子がエアギャップを介して対向し、巻き線軸が回転軸と平行なアキシャルギャップ式回転電機であって、
   前記固定子は、円盤状磁性体から回転軸方向に突出するとともに周方向に配置されたｍ個の突極部を有し、該突極部の外周に前記回転軸方向と略平行に巻き線を巻回し、
   前記回転子はｎ個の永久磁石磁極と、ｎ個の回転子磁性体とが周方向交互に配置され、
   前記永久磁石磁極は磁性体よりなる磁極片と永久磁石が軸方向に固着配置されて、永久磁石磁極の極性は周方向交互に異極性に軸方向磁化して配置され、
   前記磁極片及び前記回転子磁性体と前記固定子の対向部には同心円弧的に形成した複数の歯が前記エアギャップを有して噛み合うように設け、前記円盤状磁性体２個を背中合わせに軸方向に結合して前記固定子を構成し、
   それぞれ前記永久磁石を有する２個の前記回転子で前記固定子の軸方向両側から前記エアギャップを介して挟む構成とし、前記固定子は、背中合わせにした各々前記円盤状磁性体をバックヨークとすると共に前記巻き線が前記永久磁石に対応して設けられることを特徴とするアキシャルギャップ式回転電機。
   但し、ｍは正の整数、ｎは正の偶数。
2. 請求項１に記載のアキシャルギャップ式回転電機において、
   前記磁性体は少なくともその一部が焼結鉄心、あるいは圧粉鉄心であることを特徴とするアキシャルギャップ式回転電機。

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