JP6655290B2 - Axial gap type rotary electric machine - Google Patents
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Description
本発明は、アキシャルギャップ型回転電機に関する。 The present invention relates to an axial gap rotating electric machine.
回転電機の高効率化に対して、鉄損の低減は有効な手段のひとつである。鉄損は、主に電磁石となる鉄心に発生するが、永久磁石を回転子側に使用する永久磁石モータでは、永久磁石を保持している周囲の磁性体部分にも鉄損が発生することが知られている。ラジアルギャップ型モータでは、この鉄損を低減するために、磁石を保持する部分においても、軸方向に渦電流が流れないように、厚さが0.35mm、0.5mmの電磁鋼板を積層したものを使用する構造が一般的である。 Reduction of iron loss is one of the effective means for increasing the efficiency of a rotating electric machine. Iron loss mainly occurs in the iron core that becomes an electromagnet, but in a permanent magnet motor that uses a permanent magnet on the rotor side, iron loss may also occur in the surrounding magnetic material holding the permanent magnet. Are known. In the radial gap type motor, in order to reduce the iron loss, electromagnetic steel sheets having a thickness of 0.35 mm and 0.5 mm were laminated so that an eddy current does not flow in the axial direction even in a portion holding the magnet. Structures that use things are common.
特許文献1では、アキシャルギャップ型モータの回転子の磁石保持部材に上記と同様の方法を用いて電磁鋼板や、アモルファス金属箔帯を用いる構造が提案されている。 Patent Document 1 proposes a structure in which an electromagnetic steel plate or an amorphous metal foil strip is used for a magnet holding member of a rotor of an axial gap motor by using the same method as described above.
一方、ラジアルギャップ型のモータにおいて、回転子側磁石の保持部材に磁性体と構造体を共用化する設計が行われている例がある。例えば、鉄などの磁性体シャフトの表面に磁石を接着して保持しているような構造である。この構造の場合は、磁石から発生する磁束は、直流磁場であるため、シャフト磁性体部分に損失は発生しないことになる。しかし、固定子側のコイルが発生させる磁束は、磁石部分を超えて磁性体まで磁束変化を及ぼす磁束が発生する。このとき、磁束変化に応じて磁性体部分にはその変動を打ち消すための渦電流が流れて渦電流損失と呼ばれる鉄損を引き起こす。 On the other hand, in a radial gap type motor, there is an example in which a design is made in which a magnetic body and a structure are shared for a holding member of a rotor-side magnet. For example, the structure is such that a magnet is adhered and held on the surface of a magnetic material shaft such as iron. In the case of this structure, since the magnetic flux generated from the magnet is a DC magnetic field, no loss occurs in the shaft magnetic body portion. However, the magnetic flux generated by the coil on the stator side generates a magnetic flux that changes the magnetic flux beyond the magnet portion to the magnetic material. At this time, an eddy current for canceling the fluctuation flows through the magnetic material portion according to the change in the magnetic flux, and causes an iron loss called an eddy current loss.
これを対策するために、特許文献2では、シャフト表面にスパイラル加工を施して磁性粉末入り接着剤を使用する方法を用いて損失の低減を図っている。また、アウターロータ型のモータの場合においても、特許文献3に示される方法で、前述と同様の溝を設けて損失低減を図っている。 In order to prevent this, in Patent Document 2, the loss is reduced by using a method in which a shaft surface is subjected to a spiral processing and an adhesive containing magnetic powder is used. Also, in the case of an outer rotor type motor, a loss similar to that described above is provided by a method described in Patent Document 3 to reduce loss.
特許文献1では、回転子のバックヨーク(継鉄部)となる磁石保持部材として、板厚0.025mm程度のアモルファス金属箔帯を巻き取って鉄心として構成される構造が示されている。この構造は、回転子円盤を回転する回転軸と機械的に保持するために機械的な強度が回転子ヨークには必要とされる。このため、回転子ヨークは、鉄合金などの強度の高い素材で構成し、磁性が必要な部分は、巻き鉄心(アモルファス渦巻積層帯)として、その巻き鉄心に回転子用永久磁石を接着などの方法を用いて保持する構造となる。この構成では、磁石のほかに、巻き鉄心と回転子ヨークと3つの部品が必要となり、それらを一体とするために接着剤などの固着手段が必要となり、部品点数が増えたことや、巻き鉄心は巻いた時の応力が時間を経ることや、外部からの応力、振動などによって変化するため、接着の剥れなどの信頼性が低下するほか、巻き鉄心を製作する工数が増え、部品点数も増えるなどによる組立性の悪化が問題となる。 Patent Literature 1 discloses a structure in which an amorphous metal foil strip having a thickness of about 0.025 mm is wound up as an iron core as a magnet holding member serving as a back yoke (yoke portion) of a rotor. In this structure, a mechanical strength is required for the rotor yoke to mechanically hold the rotor disk and the rotating shaft that rotates. For this reason, the rotor yoke is made of a high-strength material such as an iron alloy, and the portion requiring magnetism is a wound iron core (amorphous spiral lamination), and a permanent magnet for the rotor is bonded to the wound iron core. The structure is held by using the method. In this configuration, in addition to the magnet, three parts, a wound iron core and a rotor yoke, are required. In order to integrate them, a fixing means such as an adhesive is required, and the number of parts is increased. Since the stress at the time of winding changes with time, external stress, vibration, etc., the reliability such as peeling of the adhesive decreases, the man-hour for manufacturing the wound iron core increases, and the number of parts increases. There is a problem that the assemblability is deteriorated due to an increase in the number.
特許文献2および特許文献3は、回転子のバックヨーク(継鉄部)を回転子ヨークが兼ねる構造が提案されている。こちらの方法も、アキシャルギャップ型モータに適用可能であるが、これを適用する場合、ラジアルギャップ型でも同様の課題となるが、回転子ヨークに旋盤などを用いた切削加工を施す必要がある。切削加工は、一つ一つの回転子ヨークを旋盤にセットし、それらの寸法を整えながら作業を行うため、非常に時間がかかり、製造性が悪い。また、深い溝加工を行う場合には、幅の細い加工工具が必要であり、この場合には加工速度が遅くなるなどの問題もある。さらに、加工後には、加工時に付着したマシン油の洗浄や感想、防錆などの処理が必要となり、コスト増加の要因となる。 Patent Literature 2 and Patent Literature 3 propose a structure in which a rotor yoke also serves as a back yoke (yoke portion) of the rotor. This method can also be applied to an axial gap type motor, but when applying this method, the same problem occurs with a radial gap type motor, but it is necessary to perform cutting using a lathe or the like on the rotor yoke. In the cutting process, since each rotor yoke is set on a lathe and work is performed while adjusting their dimensions, it takes a very long time, and the productivity is poor. Further, when deep groove processing is performed, a processing tool having a small width is required, and in this case, there is a problem that a processing speed is reduced. Further, after processing, it is necessary to perform processing such as washing, feeling, and rust prevention of machine oil attached during processing, which causes an increase in cost.
本発明は、回転子継鉄部の渦電流を低減でき、安価で信頼性の高い回転子ヨークを得ることを目的とする。 An object of the present invention is to provide an inexpensive and highly reliable rotor yoke that can reduce eddy currents in a rotor yoke.
上記課題を解決するための本発明の特徴は、例えば以下の通りである。 The features of the present invention for solving the above problems are, for example, as follows.
回転子および固定子を有し、前記回転子は回転子バックヨークおよび回転子磁石を有し、前記回転子バックヨークに、中央部穴と、前記回転子磁石を保持するガイド部と、前記回転子バックヨークの内周部分から外周部分に渡る全周に前記同心円状の複数の溝及び前記複数の溝間の突起と、が形成され、前記突起の先端部分がRをつけた構造、または前記突起がテーパ角度をつけた構造である、アキシャルギャップ型回転電機。 A rotor and a stator, the rotor having a rotor back yoke and a rotor magnet, wherein the rotor back yoke has a central hole, a guide portion for holding the rotor magnet, A plurality of concentric grooves and a protrusion between the plurality of grooves are formed on the entire circumference from the inner peripheral portion to the outer peripheral portion of the child back yoke, and a tip portion of the protrusion has an R-shaped structure, or An axial gap type rotating electric machine with a structure in which projections have a tapered angle .
本発明により、回転子ヨークは、磁石を除いては1つの部品(材料)で構成されるため、製造工数が削減でき、接着された部品の点数が減ることから、接着強度不足などにならないなど信頼性の向上が期待できる。また、当初の目的の渦電流の低減と誘起電圧の確保が両立でき、モータの効率を高めることができる。上記した以外の課題、構成及び効果は以下の実施形態の説明により明らかにされる。 According to the present invention, the rotor yoke is composed of one part (material) except for the magnet, so that the number of manufacturing steps can be reduced and the number of bonded parts is reduced, so that the bonding strength is not insufficient. An improvement in reliability can be expected. In addition, the reduction of the eddy current, which is the initial target, and the securing of the induced voltage can both be achieved, and the efficiency of the motor can be increased. Problems, configurations, and effects other than those described above will be apparent from the following description of the embodiments.
以下、図面等を用いて、本発明の実施形態について説明する。以下の説明は本発明の内容の具体例を示すものであり、本発明がこれらの説明に限定されるものではなく、本明細書に開示される技術的思想の範囲内において当業者による様々な変更および修正が可能である。また、本発明を説明するための全図において、同一の機能を有するものは、同一の符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings and the like. The following description shows specific examples of the content of the present invention, and the present invention is not limited to these descriptions, and various modifications by those skilled in the art within the technical idea disclosed in the present specification. Changes and modifications are possible. In all the drawings for describing the present invention, components having the same function are denoted by the same reference numerals, and repeated description thereof may be omitted.
図1は、本発明の一実施形態に係る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。図1(a)は回転子の斜視図、図1(b)は回転子バックヨークの斜視図である。 FIG. 1 is a perspective view of a rotor of an axial gap type rotating electric machine according to one embodiment of the present invention. FIG. 1A is a perspective view of a rotor, and FIG. 1B is a perspective view of a rotor back yoke.
図1(a)に示すアキシャルギャップ型回転電機の回転子2は、永久磁石を有する回転子である。回転子2は、回転子バックヨーク11および回転子磁石20を有し、回転子バックヨーク11に回転子磁石20が貼り付けされることで構成されている。回転子磁石20と回転子バックヨーク11が接着などの方法で一体になっている。回転子バックヨーク11は、鉄等の軟磁性材料で構成される。 The rotor 2 of the axial gap type rotating electric machine shown in FIG. 1A is a rotor having a permanent magnet. The rotor 2 has a rotor back yoke 11 and a rotor magnet 20, and is configured by attaching the rotor magnet 20 to the rotor back yoke 11. The rotor magnet 20 and the rotor back yoke 11 are integrated by a method such as bonding. The rotor back yoke 11 is made of a soft magnetic material such as iron.
回転子磁石20は回転子磁石N極21および回転子磁石S極22で構成されている。N極とS極で対となった回転子磁石N極21および回転子磁石S極22が回転方向に周期的に並んでいる。回転子2の中心にはシャフトとの締結用の回転子軸穴12が形成されている。 The rotor magnet 20 includes a rotor magnet north pole 21 and a rotor magnet south pole 22. The rotor magnet N-pole 21 and the rotor magnet S-pole 22 which are paired with the N pole and the S pole are periodically arranged in the rotation direction. A rotor shaft hole 12 for fastening to a shaft is formed at the center of the rotor 2.
図1(a)では、リング状の円盤状磁石は、周方向に10極の磁極が並ぶ構造となっている。ひとつの磁極は、扇形形状となっており、等角度ピッチで円周上に並んでいる。この磁極は、図1(a)に示すような形で、回転子2として組み立てられた後に、着磁ヨークと呼ばれる電磁石によって着磁されてこのような磁極を構成するものである。一極あたり、または複数の分割された磁石を貼り付けることによっても同様の回転子構造は得られる。 In FIG. 1A, the ring-shaped disk-shaped magnet has a structure in which ten magnetic poles are arranged in the circumferential direction. One magnetic pole has a fan shape and is arranged on the circumference at an equal angular pitch. The magnetic poles are assembled as a rotor 2 in the form as shown in FIG. 1A, and then magnetized by an electromagnet called a magnetizing yoke to form such magnetic poles. A similar rotor structure can be obtained by attaching one or more divided magnets.
本発明の一実施形態では、図1(b)に示すように、円盤状の回転子バックヨーク11の回転子磁石20との貼り付け面(接合面)に、複数の溝13を設けられている。図では、円盤状の回転子バックヨーク11の回転子磁石20貼り付け面に、同心円の溝13を複数設けた場合を示している。同心円の溝13が形成されることにより、回転子バックヨーク11には突起113が形成される。この溝13は、固定子コイルの通電によって発生する磁束密度変化によって発生する渦電流を低減できる。 In one embodiment of the present invention, as shown in FIG. 1B, a plurality of grooves 13 are provided on a surface (joining surface) of the disk-shaped rotor back yoke 11 to be attached to the rotor magnet 20. I have. The figure shows a case where a plurality of concentric grooves 13 are provided on the surface of the disk-shaped rotor back yoke 11 to which the rotor magnet 20 is attached. The projections 113 are formed on the rotor back yoke 11 by forming the concentric grooves 13. This groove 13 can reduce the eddy current generated by a change in magnetic flux density generated by energization of the stator coil.
図2に、本発明の一実施形態に係る回転電機の構成を示す。図2(a)には、アキシャルギャップ型回転電機の構成を示す。アキシャルギャップ型回転電機1は、軸方向に2つの回転子2を有するものである。それぞれの回転子2には回転子磁石20が配置されている。 FIG. 2 shows a configuration of a rotating electric machine according to one embodiment of the present invention. FIG. 2A shows a configuration of an axial gap type rotating electric machine. The axial gap type rotating electric machine 1 has two rotors 2 in the axial direction. Each rotor 2 is provided with a rotor magnet 20.
固定子3は、軸方向の中央部に配置され、回転子磁石20と同様に略扇形の断面を有する固定子鉄心15と、その周りに巻き回された固定子コイル18とで構成されている。磁石磁束は、アキシャル面のギャップを介して固定子鉄心15に流れ、固定子コイル18に鎖交させることによって固定子コイル18に誘起電圧を発生させる原理となっている。 The stator 3 is arranged at a central portion in the axial direction, and includes a stator core 15 having a substantially fan-shaped cross section like the rotor magnet 20, and a stator coil 18 wound therearound. . The magnet magnetic flux flows through the stator core 15 through the gap in the axial plane, and is linked to the stator coil 18 to generate an induced voltage in the stator coil 18.
ハウジング14は、固定子3の外周部を保持する。シャフト17は、軸方向両側の回転子2を繋いで、軸出力するために配置されている。口出し線19は、3相の固定子コイル18が電気的にデルタまたはスター結線されて端末部を形成している。 The housing 14 holds an outer peripheral portion of the stator 3. The shaft 17 is arranged for connecting the rotors 2 on both sides in the axial direction and outputting the shaft. The lead wire 19 is formed by electrically connecting the three-phase stator coils 18 in a delta or star connection to form a terminal portion.
図2(b)に磁束の流れを平面上に模式的に示す。回転子2の回転子磁石N極21から出た磁束は、固定子鉄心15を通り、軸方向に流れ、反対側に配置された回転子磁石S極22に流入する。回転子バックヨーク11では、磁石の磁束は、回転子磁石N極21から出た磁束が周方向に流れて周方向に隣り合う回転子磁石S極22に流入する。磁石がつくる磁束は、一定磁場であるため、基本的には回転子バックヨーク11では磁場の変動は少ないが、固定子3のスロットによる磁束密度の変化や、固定子巻き線電流の影響により、回転子磁石20と回転子バックヨーク11の界面付近は、細かい磁束密度変化を起こすことが知られている。このため、回転子バックヨーク11は、ラジアル型などのモータにおいては、電磁鋼板などの積層鉄心を採用することが一般的である。 FIG. 2B schematically shows the flow of the magnetic flux on a plane. The magnetic flux emitted from the rotor magnet north pole 21 of the rotor 2 flows through the stator core 15 in the axial direction, and flows into the rotor magnet south pole 22 disposed on the opposite side. In the rotor back yoke 11, the magnetic flux of the magnet flows from the rotor magnet N pole 21 in the circumferential direction and flows into the rotor magnet S pole 22 adjacent in the circumferential direction. Since the magnetic flux generated by the magnet is a constant magnetic field, the magnetic field does not fluctuate basically in the rotor back yoke 11, but changes in the magnetic flux density due to the slots of the stator 3 and the influence of the stator winding current cause It is known that a small change in magnetic flux density occurs near the interface between the rotor magnet 20 and the rotor back yoke 11. For this reason, the rotor back yoke 11 generally employs a laminated iron core such as an electromagnetic steel plate in a radial type motor or the like.
アキシャルギャップ型回転電機においては、回転子バックヨーク11に電磁鋼板の積層鉄心を採用する場合、磁束の流れに対して垂直方向に積層していく構造が必要となる。このため、先に示した特許文献1に示すように円周上に巻き鉄心とした電磁鋼板鉄心や、アモルファス箔帯巻き鉄心のような回転子バックヨークが必要となる。これらの構造は、部品点数の増大と、工数の増加、信頼性の低下を招くため、さらにシンプルな構造が求められている。このため、先に示した溝構造によって渦電流を低減するのである。 In the axial gap type rotating electric machine, when a laminated core made of an electromagnetic steel plate is used for the rotor back yoke 11, a structure in which the laminated body is laminated in a direction perpendicular to the flow of the magnetic flux is required. Therefore, a rotor back yoke such as an electromagnetic steel sheet iron core wound on a circumference as shown in Patent Document 1 described above or an amorphous foil band wound iron core is required. These structures lead to an increase in the number of parts, an increase in man-hours, and a decrease in reliability. Therefore, a simpler structure is required. Therefore, the eddy current is reduced by the groove structure described above.
図2(c)にはアキシャルギャップ型回転電機の1極分の磁石形状を示している。図2(b)で示した磁束線によると、磁束の流れは、回転子磁石20中央から半分で左右方向に分かれる流れ方をするため、回転子磁石20の磁束は、その磁極表面積の半分が隣へと流れることがわかる。このため、その磁束の総量は、磁束密度と表面積の積であらわすことができるので、回転子磁石20の残留磁束密度Brと回転子磁石20の1極あたりの平均磁石周長lと、回転子磁石20の幅Wから、約W・l/2・Brと考えることができる。 FIG. 2C shows a magnet shape for one pole of the axial gap rotating electric machine. According to the magnetic flux lines shown in FIG. 2B, the flow of the magnetic flux flows in a direction halfway from the center of the rotor magnet 20 so that the magnetic flux of the rotor magnet 20 has a half of the magnetic pole surface area. You can see that it flows to the next. For this reason, the total amount of the magnetic flux can be represented by the product of the magnetic flux density and the surface area, so that the residual magnetic flux density Br of the rotor magnet 20, the average magnet circumference l per pole of the rotor magnet 20, and the rotor From the width W of the magnet 20, it can be considered to be about WW / 2 / Br.
図2(d)には、回転子バックヨークの溝部の断面形状を示している。隣り合う磁石間の磁束を通す磁路として、突起113だけを通すようにすることにより、渦電流が防止できると考えられるため、突起113の高さHと、突起113と空隙部(溝13)との比率をRとすると、突起113の断面積合計は、H・W・Rとなる。回転子バックヨーク11の材質を鉄としたとき、その磁束密度を2Tとすると、流すことの出来る磁束量は、2H・W・Rで表せる。先の回転子磁石20の磁束を突起113だけに流すことを考えると、l・Br<4H・Rの関係となる場合にこれを満たすことがわかる。 FIG. 2D shows the cross-sectional shape of the groove of the rotor back yoke. Since it is considered that an eddy current can be prevented by passing only the protrusion 113 as a magnetic path for passing a magnetic flux between the adjacent magnets, the height H of the protrusion 113, the protrusion 113 and the gap (groove 13) are considered. Is R, the total cross-sectional area of the projection 113 is HWR. If the rotor back yoke 11 is made of iron and its magnetic flux density is 2T, the amount of magnetic flux that can flow can be expressed as 2H.WR. Considering that the magnetic flux of the rotor magnet 20 flows only through the protrusion 113, it can be understood that this condition is satisfied in the case of l · Br <4H · R.
図2(a)に示した回転電機の例では、回転子磁石20の外径がφ63、内径がφ29であり、10極の磁石となっている。このときの1極あたりの平均磁石周lは約14mmとなる。この磁石はフェライト磁石を用いているため、その残留磁束密度Brは0.45Tとして、突起113と溝13の間隔を等間隔とするとすれば、R=0.5なので、必要な突起113の高さは約3mm以上となるわけである。図2(a)の寸法関係では、突起113を3mm以上とすることで、渦電流を防止することが可能である。 In the example of the rotating electric machine shown in FIG. 2A, the outer diameter of the rotor magnet 20 is φ63, the inner diameter is φ29, and the rotor magnet 20 is a 10-pole magnet. At this time, the average magnet circumference l per pole is about 14 mm. Since this magnet uses a ferrite magnet, the residual magnetic flux density Br is 0.45T, and if the interval between the projection 113 and the groove 13 is equal, R = 0.5. The length is about 3 mm or more. In the dimensional relationship of FIG. 2A, the eddy current can be prevented by setting the protrusion 113 to 3 mm or more.
図3は、本発明の一実施形態に係る溝構造の効果を説明するための実験結果を示すグラフである。図3(a)〜図3(d)には、図2(a)に示した回転電機を実際に製作して回転子バックヨークの材質や、形状を変更したものの誘起電圧(図3(b))と無負荷損失(図3(a))、電圧を一定として回転電機を駆動した時のモータ効率(図3(d))を測定した結果を示す。図3(c)に電圧を一定として回転電機を駆動した時のトルクと回転数の関係を示す。 FIG. 3 is a graph showing experimental results for explaining the effect of the groove structure according to one embodiment of the present invention. 3 (a) to 3 (d) show the induced voltage (see FIG. 3 (b)) obtained by actually manufacturing the rotating electric machine shown in FIG. 2 (a) and changing the material and shape of the rotor back yoke. )), No-load loss (FIG. 3 (a)), and the results of measuring the motor efficiency (FIG. 3 (d)) when the rotating electric machine is driven with the voltage kept constant. FIG. 3C shows the relationship between the torque and the rotation speed when the rotating electric machine is driven with the voltage kept constant.
それぞれの寸法関係は、図4に示す形状となっている。図4は、図3で説明する各種構造を説明する構造の断面比較図である。図4(a)は電磁鋼板またはアモルファスを渦巻き鉄心10のヨークを使用したもの、図4(b)はソリッドの鉄をヨークとして使用したもの、図4(c)および図4(d)は本発明の一実施形態に係る溝構造を採用したものである。 The respective dimensional relationships have the shape shown in FIG. FIG. 4 is a cross-sectional comparison diagram of a structure illustrating various structures described in FIG. 4 (a) shows a magnetic steel sheet or amorphous using a spiral core 10 yoke, FIG. 4 (b) uses a solid iron as a yoke, and FIG. 4 (c) and FIG. This adopts a groove structure according to an embodiment of the present invention.
アキシャルギャップ型回転電機の回転子ヨークとして、ソリッドの鉄をヨークとして使用したもの、電磁鋼板巻き鉄心のヨークを使用したもの、本発明の一実施形態に係る溝構造を採用したもののすべてが、得られる誘起電圧の実効値、波形の形状などに大きな変化はなかった。しかし、無負荷損失の測定結果では、電磁鋼板巻き鉄心ヨークに較べて、鉄ソリッドヨーク、溝つきヨークの損失が大きくなっている。これは、スロット高調波による磁束密度の変化によるヨーク損失の増加と考えられる。 As the rotor yoke of the axial gap type rotating electric machine, those using solid iron as a yoke, those using a magnetic steel sheet wound iron core yoke, and those employing the groove structure according to one embodiment of the present invention are all obtained. There was no significant change in the effective value of the induced voltage or the shape of the waveform. However, the measurement results of the no-load loss show that the loss of the iron solid yoke and the grooved yoke is larger than that of the magnetic steel sheet wound iron core yoke. This is considered to be an increase in yoke loss due to a change in magnetic flux density due to slot harmonics.
回転電機を駆動したときの効率では、やはり電磁鋼板巻き鉄心がもっとも効率が高く、鉄ソリッドヨークがもっとも効率が低い結果となった。これは、固定子巻き線電流による磁束変化によるヨーク損失の影響である。本発明の一実施形態に係る溝付き回転子ヨークでは、鉄ソリッドヨークに較べて効率が改善されており、ヨーク損失の低減効果があることが確認された。また、突起寸法の関係では、突起の断面積が小さいほど効果があることが確認された。本実験の結果では、磁石表面積に対して突起の断面積が小さく、磁束は回転子ヨークのソリッドの部分も通るために、損失低減効果が少ないが、この突起断面積を上記の比率とすることで、その電磁鋼板巻き鉄心並みの損失低減効果があると考えられる。 Regarding the efficiency when the rotating electric machine was driven, the result was that the core wound with an electromagnetic steel plate had the highest efficiency, and the iron solid yoke had the lowest efficiency. This is the effect of the yoke loss due to the change in magnetic flux due to the stator winding current. In the grooved rotor yoke according to the embodiment of the present invention, the efficiency is improved as compared with the iron solid yoke, and it has been confirmed that there is an effect of reducing the yoke loss. Further, it was confirmed that the smaller the cross-sectional area of the protrusion, the more effective the relationship between the protrusion dimensions. According to the results of this experiment, the cross-sectional area of the protrusions is small relative to the magnet surface area, and the magnetic flux also passes through the solid part of the rotor yoke, so the loss reduction effect is small. Thus, it is considered that there is an effect of reducing the loss comparable to that of the magnetic steel sheet wound iron core.
この突起構造の製作方法の例を図5に示す。図5は、本発明の一実施形態に係る鍛造製造方法を説明する概念図である。先に説明したとおり、電磁鋼板などの巻き鉄心を用いる方法は、製造コストの増大や信頼性の低下を引き起こすので、回転子ヨーク部は同一の材料の一体物で構成したい。ただし、後加工をすることにより、工数が増大するので、一度の工程により作成することが必要である。図5には、ブランクから、プレスによる鍛造によって本発明の一実施形態に係る構造を得る手段を示す。 FIG. 5 shows an example of a method of manufacturing this projection structure. FIG. 5 is a conceptual diagram illustrating a forging manufacturing method according to an embodiment of the present invention. As described above, a method using a wound iron core such as an electromagnetic steel sheet causes an increase in manufacturing cost and a decrease in reliability. Therefore, it is desired that the rotor yoke portion be formed of an integral body of the same material. However, the number of steps is increased by performing post-processing, and therefore, it is necessary to make the post-processing in a single step. FIG. 5 shows a means for obtaining a structure according to an embodiment of the present invention from a blank by forging with a press.
図5(a)には、材料となるブランク31を示している。略円盤状で、磁性体となり得る鉄系の材料を準備する。この材料は、プレス、または、棒材からの切り出しなどで安価に準備可能である。以下では鉄を例にして説明しているが、鉄以外に磁性ステンレス、ニッケル合金、コバルト合金などの合金を用いてもよい。。 FIG. 5A shows a blank 31 to be a material. A substantially disk-shaped iron-based material that can be a magnetic material is prepared. This material can be prepared at low cost by pressing or cutting out from a bar. In the following description, iron is used as an example, but an alloy such as magnetic stainless steel, a nickel alloy, and a cobalt alloy may be used instead of iron. .
この材料を、図5(b)に示すように、塑性変形を加えて鍛造成形するための金型内に配置し、その金型に成形力を加えることにより、所望の形状を成形する。図5(b)において、32はプレス設備のベース部分である。33はプレス設備の稼働ダイである。34は稼働ダイ33に取り付けられた上金型の中央部穴を形成するためのパンチである。35は上金型の溝13を形成するためのパンチである。このとき、溝を形成するために上型となるパンチ35は細くなるために、坐屈などに対して強度を持たせる必要がある。このため、このような方法で成形を行う場合には、パンチの根元部分の強度を向上するために、根元部分にRをつけた構造にすることや、図5(d)に示すように抜きテーパ角度(この図では10°)をつけるなどの対策を施すことが望ましい。したがって、この方法で成形した場合の溝形状は、図5(c)に示すような形状となる。このようにして、回転子バックヨークの厚み方向に応力が加えられることにより複数の溝が成形される。 As shown in FIG. 5 (b), this material is placed in a mold for forging by applying plastic deformation, and a desired shape is formed by applying a molding force to the mold. In FIG. 5B, reference numeral 32 denotes a base of the press equipment. Reference numeral 33 denotes an operating die of the press equipment. Reference numeral 34 denotes a punch for forming a central hole of the upper die attached to the operating die 33. Reference numeral 35 denotes a punch for forming the groove 13 of the upper mold. At this time, since the punch 35 serving as the upper die for forming the groove becomes thin, it is necessary to have strength against buckling or the like. For this reason, when forming is performed by such a method, in order to improve the strength of the root portion of the punch, a structure in which the root portion is rounded, or a punch as shown in FIG. It is desirable to take measures such as providing a taper angle (10 ° in this figure). Therefore, the groove shape when formed by this method has a shape as shown in FIG. In this manner, a plurality of grooves are formed by applying a stress in the thickness direction of the rotor back yoke.
図6は、平板から製造する例を示している。図6は、本発明の一実施形態に係るトランスファプレス製造法を示す概念図である。図6には、フープ状材料から第1の成形ステーション42、第2の加工ステーション43のプレスを経て、成形を繰り返して第3の加工ステーション44で最終形状を得る製造方法を示している。この方法は、複数回のプレス工程を経る構成とできるので、中心穴の打ち抜き加工や、最終精度の調整加工までができる利点がある。 FIG. 6 shows an example of manufacturing from a flat plate. FIG. 6 is a conceptual diagram illustrating a transfer press manufacturing method according to an embodiment of the present invention. FIG. 6 shows a manufacturing method of obtaining a final shape at a third processing station 44 by repeating molding from a hoop-shaped material through a first forming station 42 and a second processing station 43 and pressing. Since this method can be configured to perform a plurality of pressing steps, there is an advantage that the center hole can be punched and the final accuracy can be adjusted.
図6において、41はフープ状の鉄素材を示す。42は第1の成形ステーションであり、この第1の成形ステーション42では、中央の穴開け加工を行う。43は第2の加工ステーションである。この第2の加工ステーション43では、磁石を保持するための寸法確保するための座面をつけるための加工を行う。44は、第3の加工ステーションであり、第3の加工ステーション44では、塑性加工(鍛造加工)によって溝加工を行うものである。このように、それぞれの加工工程を分けることで品質の高い(精度の高い製品形状を得ることが可能となる。 In FIG. 6, reference numeral 41 denotes a hoop-shaped iron material. Reference numeral 42 denotes a first molding station. In the first molding station 42, a center boring process is performed. 43 is a second processing station. In the second processing station 43, processing for providing a seat for securing dimensions for holding a magnet is performed. Reference numeral 44 denotes a third processing station. The third processing station 44 performs groove processing by plastic processing (forging processing). As described above, by dividing each processing step, it is possible to obtain a high quality (highly accurate product shape).
図7には、さらに別の製造方法を示す。図7は、本発明の一実施形態に係る粉末冶金手法での製造方法を示す概念図である。51は、圧縮成形用金型内に配置された鉄粉末を示す。52は、圧縮成形プレス設備のベースプレートを示す。53は圧縮成形プレス設備の稼働ダイを示す。54は稼働ダイ53に取り付けられた圧縮成形用パンチを示す。 FIG. 7 shows still another manufacturing method. FIG. 7 is a conceptual diagram illustrating a manufacturing method using a powder metallurgy technique according to an embodiment of the present invention. Reference numeral 51 denotes an iron powder placed in a compression molding die. 52 shows a base plate of the compression molding press equipment. Reference numeral 53 denotes an operation die of the compression molding press equipment. Reference numeral 54 denotes a compression molding punch attached to the operation die 53.
円筒状のシリンダーを有する下型に磁性体となり得る鉄の粉末を挿入し、本発明の一実施形態に係る溝付き回転子ヨーク形状に成形可能な上パンチで圧縮成形を行う。その後、焼成して焼結部品としての回転子ヨークを得る。この方法では、先に示した塑性変形で形状を得る方法にくらべ、比較的圧縮力が低い成形で部品を得ることが可能である。ひとまず、あまり高くない密度に成形することで、圧縮力を低減することができるが、焼結によって、鉄同士が結合して収縮するので、最終的には高い密度の成形体が得られるのである。この方法では、溝の深さや形状を比較的自由に構成することが可能となる。 Iron powder that can be a magnetic material is inserted into a lower mold having a cylindrical cylinder, and compression molding is performed with an upper punch that can be molded into a grooved rotor yoke according to one embodiment of the present invention. Then, it is fired to obtain a rotor yoke as a sintered part. With this method, it is possible to obtain a part by molding with relatively low compressive force, as compared with the method of obtaining a shape by plastic deformation described above. For the time being, the compression force can be reduced by molding to a not too high density, but the sintering causes the irons to bond together and shrink, resulting in a high-density compact. . According to this method, the depth and shape of the groove can be relatively freely configured.
上記で示した製造方法は、アキシャルギャップ型の回転子ヨークであるがゆえに成形で製造ができる。これは磁石の貼り付け面が、円盤の広い面側になるためであり、ラジアル型モータの場合は、インナーロータ型、アウターロータ型ともに円筒状の表面になるため、このような成形加工は難しい。 The manufacturing method described above can be manufactured by molding because it is an axial gap type rotor yoke. This is because the magnet attachment surface is on the wide surface side of the disk, and in the case of a radial type motor, since both the inner rotor type and the outer rotor type have cylindrical surfaces, such forming processing is difficult. .
図8には、本発明の一実施形態に係る溝形状の各種のバリエーション形状を示す。 FIG. 8 shows various variations of the groove shape according to the embodiment of the present invention.
図8(a)には、溝13をラジアル方向にも入れる例を示す。図8(a)では、回転子バックヨーク11の径方向において、回転子バックヨーク11の回転子磁石12との接合面に複数の溝13が設けられている。渦電流の発生を抑えるためには、細かく分割するほど効果が高いので、突起113の形状を細かくすることが有効である。そこで、前述の図2(b)で示した磁束の流れ方によれば、回転子磁石20の磁極中央は磁束が流れない場所であるため、この部分にラジアル方向の溝13を入れて、突起113を分割することで、磁束の流れを妨げずに突起113の細分化ができる。 FIG. 8A shows an example in which the groove 13 is also inserted in the radial direction. In FIG. 8A, a plurality of grooves 13 are provided on the joining surface of the rotor back yoke 11 and the rotor magnet 12 in the radial direction of the rotor back yoke 11. In order to suppress the generation of the eddy current, the finer the division, the higher the effect. Therefore, it is effective to make the shape of the projection 113 fine. Therefore, according to the flow of the magnetic flux shown in FIG. 2 (b), the center of the magnetic pole of the rotor magnet 20 is a place where the magnetic flux does not flow. By dividing the 113, the projection 113 can be subdivided without obstructing the flow of the magnetic flux.
図8(b)は、突起113の幅を変更する形態を示す。先に、磁束の流れる量を平均周長で示して説明したが、実際には、径の大きい部分ほど磁束が多くなることになる。このため、突起113と溝13との比率Rを一率とせず、径の大きいところでは、突起113の幅を広くしたり、また、突起113の長さを長く(溝13を深く)して、突起113に流れる磁束の量を増やすようにする構造を示している。 FIG. 8B shows a mode in which the width of the protrusion 113 is changed. Although the amount of magnetic flux flowing has been described with the average circumference, the larger the diameter, the larger the magnetic flux actually. For this reason, the ratio R between the protrusion 113 and the groove 13 is not made constant, and the width of the protrusion 113 is increased or the length of the protrusion 113 is increased (the groove 13 is deepened) where the diameter is large. , A structure for increasing the amount of magnetic flux flowing through the protrusion 113 is shown.
図8(c)には、先に示した、鍛造や、粉末冶金法で形状を一発の加工で製造することができる特徴を利用して、回転子磁石20を保持するガイド部分60を同時に作りこむを示している。この構造によると、回転子磁石20の耐遠心力強度を保つ、回転子磁石20の位置決め精度を向上するなどの効果が期待できる。 FIG. 8 (c) shows that the guide portion 60 holding the rotor magnet 20 can be simultaneously formed using the above-described feature that the shape can be manufactured by one-shot processing by forging or powder metallurgy. It shows the building. According to this structure, effects such as maintaining the centrifugal force resistance of the rotor magnet 20 and improving the positioning accuracy of the rotor magnet 20 can be expected.
図8(d)には、回転子磁石20側にも突起213を有する構造を示す。図8(d)では、回転子磁石20において、回転子バックヨーク11の周方向における複数の溝13に対応する部分に複数の突起213が設けられている。回転子磁石20も焼結磁石の場合には金型で製作するため、突起213を構成することは比較的容易にできる。磁石は一般的にその表面を研磨加工して寸法を調整する。この加工に工数がかかるため、突起をつけた部分は加工を施さないで使用する。本発明の一実施形態に係る回転子バックヨーク11も後加工無しとして精度を不要として、片面のみ研磨加工して精度を確保した回転子磁石20のギャップ対抗面を組み立ての基準として組み立てし、回転子バックヨーク11と回転子磁石20の間に接着剤などの固定のための部材を流し込んで形成する。回転子磁石20の表面と、回転子バックヨーク11の表面は互いに凹凸状になっているために、接着面積が大きく確保でき、強度の向上が図れることになる。 FIG. 8D shows a structure having the protrusion 213 on the rotor magnet 20 side as well. In FIG. 8D, a plurality of protrusions 213 are provided on the rotor magnet 20 at portions corresponding to the plurality of grooves 13 in the circumferential direction of the rotor back yoke 11. When the rotor magnet 20 is also a sintered magnet, it is manufactured by a mold, so that the projections 213 can be formed relatively easily. The size of the magnet is generally adjusted by polishing its surface. Since this process requires a lot of man-hours, the portion provided with the protrusion is used without any processing. The rotor back yoke 11 according to one embodiment of the present invention also has no post-processing, so that no accuracy is required, and the gap opposing surface of the rotor magnet 20 which is polished on one side to ensure accuracy is assembled as a reference for assembly, and then rotated. A fixing member such as an adhesive is poured between the child back yoke 11 and the rotor magnet 20 to be formed. Since the surface of the rotor magnet 20 and the surface of the rotor back yoke 11 are mutually uneven, a large bonding area can be secured and the strength can be improved.
ついで、図8(e)には、回転子磁石20を射出成形で形成するボンド磁石の例を示す。図8(e)では、回転子バックヨーク11の溝13にもボンド磁石の材料が射出成形で配置されている。ボンド磁石は、回転子バックヨーク11に直接射出成形して形成するため、工数の削減と損失低減が可能である。ボンド磁石は磁石の固有抵抗値が大きいため、渦電流などの磁石損失が少なくできる。 FIG. 8E shows an example of a bonded magnet in which the rotor magnet 20 is formed by injection molding. In FIG. 8E, the material of the bond magnet is also arranged in the groove 13 of the rotor back yoke 11 by injection molding. Since the bond magnet is formed by directly injection-molding the rotor back yoke 11, it is possible to reduce man-hours and loss. Since the bonded magnet has a large specific resistance, the magnet loss such as eddy current can be reduced.
図8(f)には、本発明の一実施形態に係る製造法を用いた場合に回転子バックヨーク11の回転子磁石20との貼り付け面と反対の面にも溝13や突起113を形成することができる。換言すれば、回転子バックヨーク11の周方向において、回転子バックヨーク11の回転子磁石20との接合面とは反対側の面に複数の溝13が設けられている。このため、回転体として風を受けるので、放熱フィンとしての放熱効果の高い回転子をえることも可能である。 FIG. 8F shows that the grooves 13 and the projections 113 are also formed on the surface of the rotor back yoke 11 opposite to the surface on which the rotor magnet 20 is attached when the manufacturing method according to the embodiment of the present invention is used. Can be formed. In other words, in the circumferential direction of the rotor back yoke 11, a plurality of grooves 13 are provided on the surface of the rotor back yoke 11 opposite to the surface where the rotor back yoke 11 is joined to the rotor magnet 20. For this reason, since the rotating body receives wind, it is possible to obtain a rotor having a high heat radiation effect as a radiation fin.
図9には、本発明の一実施形態に係る回転子形状を用いたアキシャルギャップ型回転電機のシステム利用例を示す。ポンプや、ファンなどの機械機器への組み込み、または、フライホイール装置などへの適用が可能であり、回転子損失が少ないためにモータ効率の高い、言い換えれば省エネの製品が実現可能となる。 FIG. 9 shows a system application example of an axial gap type rotating electric machine using a rotor shape according to an embodiment of the present invention. It can be incorporated into mechanical devices such as pumps and fans, or applied to flywheel devices, etc., and a motor with high motor efficiency due to low rotor loss, in other words, an energy-saving product can be realized.
1 アキシャルギャップ型回転電機、2 回転子、3 固定子、10 渦巻き鉄心、11 回転子バックヨーク、12 回転子軸穴、13 溝、14 ハウジング、15 固定子鉄心、17 シャフト、18 固定子コイル、19 口出し線、20 回転子磁石、21 回転子磁石N極、22 回転子磁石S極、31 ブランク、32 ベース部分、33 稼働ダイ、34 35 パンチ、41 鉄素材、42 第1の成形ステーション、43 第2の加工ステーション、44 第3の加工ステーション、51 鉄粉末、52 ベースプレート、53 稼働ダイ、54 圧縮成形用パンチ、60 ガイド部分、113 213 突起 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Axial gap rotating electric machine, 2 rotors, 3 stators, 10 spiral iron cores, 11 rotor back yoke, 12 rotor shaft holes, 13 grooves, 14 housings, 15 stator cores, 17 shafts, 18 stator coils, 19 Lead wire, 20 rotor magnet, 21 rotor magnet north pole, 22 rotor magnet south pole, 31 blank, 32 base part, 33 working die, 34 35 punch, 41 iron material, 42 first forming station, 43 Second processing station, 44 Third processing station, 51 Iron powder, 52 Base plate, 53 Working die, 54 Compression molding punch, 60 Guide part, 113 213 Projection
Claims (8)
前記回転子は回転子バックヨークおよび回転子磁石を有し、
前記回転子バックヨークに、中央部穴と、前記回転子磁石を保持するガイド部と、前記回転子バックヨークの内周部分から外周部分に渡る全周に前記同心円状の複数の溝及び前記複数の溝間の突起と、が形成され、
前記突起の先端部分がRをつけた構造、または前記突起がテーパ角度をつけた構造である、アキシャルギャップ型回転電機。 Having a rotor and a stator,
The rotor has a rotor back yoke and a rotor magnet,
A center hole, a guide portion for holding the rotor magnet, the plurality of concentric grooves and the plurality of concentric circles extending from an inner peripheral portion to an outer peripheral portion of the rotor back yoke; And projections between the grooves are formed,
An axial gap type rotating electric machine , wherein a tip portion of the projection has an R-shaped structure, or the projection has a tapered angle .
前記回転子バックヨークは円盤状であり、
前記回転子バックヨークの厚み方向に前記複数の溝が成形されるアキシャルギャップ型回転電機。 The rotor back yoke according to claim 1, wherein the rotor back yoke has a disk shape,
Axial gap rotary electric machine before Symbol plurality of grooves in the thickness direction of the rotor back yoke is molded.
前記回転子バックヨークは、軟磁性材料で構成されるアキシャルギャップ型回転電機。 3. The axial gap rotating electric machine according to claim 1, wherein the rotor back yoke is made of a soft magnetic material.
前記複数の溝により前記回転子バックヨークに複数の突起が形成され、
前記回転子磁石の残留磁束密度をBr、前記回転子磁石の1極あたりの平均磁石周長l
、前記複数の突起の高さをH、前記複数の突起と前記複数の溝との比率をRとしたとき、l・Br<4H・Rを満たすアキシャルギャップ型回転電機。 The plurality of protrusions are formed on the rotor back yoke by the plurality of grooves according to any one of claims 1 to 3,
The residual magnetic flux density of the rotor magnet is Br, and the average magnet circumference l per pole of the rotor magnet is l
An axial gap type rotating electric machine that satisfies l · Br <4H · R, where H is the height of the plurality of protrusions, and R is the ratio of the plurality of protrusions to the plurality of grooves.
前記回転子バックヨークの径方向において、前記回転子バックヨークの前記回転子磁石との接合面に複数の溝が設けられるアキシャルギャップ型回転電機。 The axial gap type rotating electric machine according to any one of claims 1 to 4, wherein a plurality of grooves are provided on a joint surface of the rotor back yoke with the rotor magnet in a radial direction of the rotor back yoke.
前記回転子磁石において、前記回転子バックヨークの周方向における複数の溝に対応する部分に複数の突起が設けられるアキシャルギャップ型回転電機。 The axial gap rotating electric machine according to any one of claims 1 to 4, wherein the rotor magnet has a plurality of protrusions at portions corresponding to a plurality of grooves in a circumferential direction of the rotor back yoke.
前記回転子磁石は、ボンド磁石であり、
前記回転子バックヨークの周方向における複数の溝に前記ボンド磁石が配置されているアキシャルギャップ型回転電機。 The rotor magnet according to any one of claims 1 to 4, wherein the rotor magnet is a bonded magnet,
An axial gap rotary electric machine in which the bond magnet is arranged in a plurality of grooves in a circumferential direction of the rotor back yoke.
前記回転子バックヨークの周方向において、前記回転子バックヨークの前記回転子磁石との接合面とは反対側の面に複数の溝が設けられるアキシャルギャップ型回転電機。 The axial gap type rotation according to any one of claims 1 to 7, wherein a plurality of grooves are provided on a surface of the rotor back yoke in a circumferential direction of the rotor back yoke opposite to a bonding surface with the rotor magnet. Electric machine.
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