(57)【要約】【課題】ロータの永久磁石に対する径方向の保持強度を高めることができ、回転電機としての発生トルクが低下することを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。【解決手段】複数の略扇形柱状の永久磁石１１を円板状部材１２の周方向に並べて設けた複数の略扇形状の穴１３に挿通させて、隣接する永久磁石１１の間に位置する円板状部材１２に、保持部材１４を軸方向外側から接合して設け、当該円板状部材１２の永久磁石１１よりも内周側に一対のシャフト固定部１５を軸方向外側から接合して設け、当該円板状部材１２の永久磁石１１よりも外周側に一対の外環１６を軸方向外側から接合して設け、当該外環１６を、非磁性体よりなる内周側部分１６ａと、高強度部材よりなる外周側部分１６ｂとを相互に接合して構成する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の永久磁石を円板状部材の周方向に並べて設けた複数の穴に挿通させて、隣接する永久磁石の間に位置する前記円板状部材に、複数対の保持部材を軸方向外側から接合して設け、当該円板状部材の永久磁石よりも内周側に一対のシャフト固定部を軸方向外側から接合して設け、当該円板状部材の永久磁石よりも外周側に一対の外環を軸方向外側から接合して設け、当該外環を、非磁性体よりなる内周側部分と、高強度部材よりなる外周側部分とを相互に接合して構成する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。
【請求項２】
前記外環をなす、前記内周側部分と、前記外周側部分とを熱間等方加圧法により接合することを特徴とする請求項１に記載のアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造。
【請求項３】
前記内周側部分と前記外周側部分との接合部径を、前記円板状部材の外径よりも大とすることを特徴とする請求項１もしくは２に記載のアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造。
【請求項４】
前記円板状部材の永久磁石を挿通する穴の最大径を、前記外環の内径よりも大とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のアキシャルギャップ型回転電機のステータ構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転軸に沿ってステータとロータとが対向して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に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ロータに永久磁石を設けた回転電機は、損失が少なくかつ効率がよく、出力が大きい等の理由により自動車もしくは産業用機械に数多く使用されている。なかでも、回転軸に沿ってステータとディスク状のロータとが対向して配置されるアキシャルギャップ型回転電機は、その回転軸方向の厚みの薄型化が可能であるため、特許文献１および特許文献２に記載されているように、レイアウト上の制約がある場合により多く用いられている。
【０００３】
特許文献１に記載のアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造では、永久磁石をロータに固定するに当たり、永久磁石の背面側の樹脂接着剤を食み出させて永久磁石に対する径方向及び周方向の保持強度を高めており、特許文献２に記載のアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造では、非磁性体よりなる円盤状部材に軸方向に複数の穴を開けて、複数に分割した永久磁石を軸方向に挿入して、永久磁石に対する径方向及び周方向の保持強度を高めている。
【特許文献１】特開２００４−８０８９８号公報
【特許文献２】特開平６−３８４１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、特許文献１に記載のアキシャルギャップ型回転電機では、ロータの永久磁石に対して、遠心力により径方向に大きな力が作用した場合に、その径方向の力を樹脂接着剤のみで支持しており、特許文献２に記載のアキシャルギャップ型回転電機では、ロータの低イナーシャ化と高回転化のために、丸型の円筒状磁石を複数個配置して樹脂成形によりロータを構成しているが、磁石が離散的にロータ内に配置されるため、漏れ磁束が大きくなるとともに、磁石量の確保が難しくなり、必要トルクの確保が困難となると言う問題点が発生する。また、永久磁石を樹脂により保持するため、高回転化が困難となると言う問題点もあった。このような問題点を解決するために、永久磁石の外周側に、外環を設けて、永久磁石を径方向に保持することも考えられるが、これのみによっては、永久磁石の外周側において漏れ磁束が大きくなり、回転電機としての発生トルクが小さくなるという問題点が新たに生じた。
【０００５】
本発明は上述したところの課題を解決することを目的とするものであり、その目的は、ロータの永久磁石に対する径方向の保持強度を高めることができ、回転電機としての発生トルクが低下することを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にある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造は、複数の永久磁石を円板状部材の周方向に並べて設けた複数の穴に挿通させて、隣接する永久磁石の間に位置する前記円板状部材に、複数対の保持部材を軸方向外側から接合して設け、当該円板状部材の永久磁石よりも内周側に一対のシャフト固定部を軸方向外側から接合して設け、当該円板状部材の永久磁石よりも外周側に一対の外環を軸方向外側から接合して設け、当該外環を、非磁性体よりなる内周側部分と、高強度部材よりなる外周側部分とを相互に接合して構成することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
これによれば、前記永久磁石を径方向に保持する外環を設けるとともに、当該外環を、非磁性体よりなる内周側部分と、高強度部材よりなる外周側部分とを相互に接合して構成することにより、当該外環の高強度部材よりなる外周側部分により永久磁石を径方向に保持し、当該外環の内周側部分を非磁性体より構成することで、永久磁石の外周側において漏れ磁束が発生して、回転電機としての発生トルクが低下してしまうことを防止することができる。
【０００８】
また、当該外環を高強度部材よりなる外周側部分と、非磁性体よりなる内周側部分とを接合することなく単純な二重環とすると、当該外周側部分と内周側部分とが同程度の縦弾性係数で同程度の密度である場合には、外周側部分の変形量の方が大きいことに起因して、内周側部分の遠心力による変形を外周側部分が抑制することが出来ず、かつ、オーステナイト系ステンレス等に代表される非磁性体よりなる内周側部分の材料強度は高強度部材よりなる外周側部分よりも小さいため、内周側部分が遠心力により破断してしまう。そこで、内周側部分と外周側部分とを接合することにより、外周側部分が内周側部分の遠心力による変形を抑制することが出来るため、このような破断を防止することができる。
【０００９】
さらに、高強度部材と非磁性体とよりなる異種の粉末を圧縮加熱により円環状として当該外環を構成することに比べて、本発明のように、外環を内周側部分と外周側部分とに分けて構成することにより、高強度部材よりなる外周側部分の引っ張り強度を、高強度部材自体の引っ張り強度と同等とすることができるため、当該外環の保持強度を高めて、ロータの回転強度を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は一般的なアキシャルギャップ型回転電機の一実施形態を示す模式断面図である。
このアキシャルギャップ型回転電機は、コア１にコイル２を巻装してなるステータ３とロータ４が回転軸に沿って対向して配置されるものであって、ロータ４は、複数の永久磁石５を周方向に等間隔に並べて設けるとともにその内周側にシャフト６を具え、このシャフト６は軸受７を介してケース８により回転自在に支持される。さらにケース８には冷却路９が設けられ、ステータ３の損失による発熱を吸収し冷却するための冷却液が循環される。さらに回転軸６の端部にはロータ４の回転量や位置を検出するための、エンコーダ１０が設けられる。
【００１１】
図１に示すアキシャルギャップ型回転電機において、コイル２を図示しないインバータにより励磁すると、ステータ３の周方向に回転磁界が形成され、周方向に交互に極性が異なる複数の永久磁石５が埋設されたディスク状のロータ４がステータ３の発生する回転磁界に吸引反発されてマグネットトルクが発生するとともに、ロータ４を構成する磁性体の存在に起因してリラクタンストルクをも発生して、それらを動力として、ロータ４は回転磁界と同期速度で回転する。
【００１２】
図２は、本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造を詳細に示す模式図である。図２（ａ）は組み立て前の状態を示し、図２（ｂ）は組み立て後の状態を示す。
このアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造は、複数の略扇形柱状の永久磁石１１を円板状部材１２の周方向に並べて設けた複数の略扇形状の穴１３に挿通させて、前記永久磁石１１のギャップ側の周方向端にテーパ形状あるいは段差形状、ここではテーパ形状１１ａを設け、隣接する永久磁石１１の間に位置する円板状部材１２に、当該テーパ形状あるいは段差形状に嵌合するテーパ形状あるいは段差形状、ここではテーパ形状１４ａを有する複数対の保持部材１４を軸方向外側から接合して設け、当該円板状部材１２の永久磁石１１よりも内周側に一対のシャフト固定部１５を軸方向外側から接合して設け、当該円板状部材１２の永久磁石１１よりも外周側に一対の外環１６を軸方向外側から接合して設け、当該外環１６を、非磁性体よりなる内周側部分１６ａと、高強度部材よりなる外周側部分１６ｂとを相互に接合して構成している。（請求項１に相当）
なお、円板状部材１２および一対のシャフト固定部１５の内周側には図示しないシャフトを嵌合する穴が設けられ、電磁鋼板を積層して構成されるか、軟磁性圧粉材料により一体成形して構成される。
【００１３】
これによれば、前記永久磁石１１を径方向に保持する外環１６を設けるとともに、当該外環１６を、非磁性体よりなる内周側部分１６ａと、高強度部材よりなる外周側部分１６ｂとを相互に接合して構成することにより、当該外環１６の高強度部材よりなる外周側部分１６ｂにより永久磁石を径方向に保持し、当該外環１６の内周側部分１６ａを非磁性体より構成することで、永久磁石１１の外周側において漏れ磁束が発生して、回転電機としての発生トルクが低下してしまうことを防止することができる。
【００１４】
また、当該外環１６を高強度部材よりなる外周側部分１６ｂと、非磁性体よりなる内周側部分１６ａとを接合することなく単純な二重環とすると、当該外周側部分１６ｂと内周側部分１６ａとが同程度の縦弾性係数で同程度の密度である場合には、外周側部分１６ａの変形量の方が大きいことに起因して、内周側部分１６ａの遠心力による変形を外周側部分１６ｂが抑制することが出来ず、かつ、オーステナイト系ステンレス等に代表される非磁性体よりなる内周側部分１６ａの材料強度は高強度部材よりなる外周側部分１６ｂよりも小さいため、内周側部分１６ａが遠心力により破断してしまう。そこで、内周側部分１６ａと外周側部分１６ｂとを接合することにより、外周側部分１６ｂが内周側部分１６ａの遠心力による変形を抑制することが出来るため、このような破断を防止することができる。
【００１５】
さらに、高強度部材と非磁性体とよりなる異種の粉末を圧縮加熱により円環状として当該外環１６を構成することに比べて、本発明のように、外環１６を内周側部分１６ａと外周側部分１６ｂとに分けて構成することにより、高強度部材よりなる外周側部分１６ｂの引っ張り強度を、高強度部材自体の引っ張り強度と同等とすることができるため、当該外環１６の保持強度を高めて、ロータの回転強度を高めることができる。
【００１６】
ここで、外環１６をなす、内周側部分１６ａと、外周側部分１６ｂとを熱間等方加圧法により接合する。（請求項２に相当）
これによれば、内周側部分１６ａと外周側部分１６ｂとの接合部分における、内周側部分１６ａと外周側部分１６ｂとが相互に溶け込んで非磁性体と高強度部材との混合域が形成されることを抑制して、永久磁石１１の外周側において漏れ磁束が発生することをさらに効果的に防止することができる。
【００１７】
ここで、テーパ形状あるいは段差形状１１ａおよび、それに嵌合するテーパ形状あるいは段差形状１４ａは、永久磁石１１のギャップ面の周方向端を、保持部材１４により軸方向外側から被せて、永久磁石１１に軸方向への保持力を作用させる形態のものであれば、テーパ形状や段差形状に限られるものではなく、その他の形態のものとすることも可能である。これにより、当該保持部材１４により前記永久磁石１１を軸方向に強固に保持して、ロータ４の永久磁石１１に対する軸方向の保持強度を高めることができる。
【００１８】
図３は、本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造の永久磁石を示す模式図である。図３（ａ）は永久磁石をロータのギャップ側から見た図を示し、図３（ｂ）は永久磁石をロータの周方向から見た図を示し、図３（ｃ）は、図３（ａ）中のＡＡ断面を示す図である。
【００１９】
図３（ａ）に示すように、永久磁石１１は、ロータのギャップ側から見て、略扇形状に形成されており、前述した円板状部材１２の穴１３の、外周側の周方向端部を強度確保のためにＲ形状としていることに対応させて、その外周側の周方向端部をＣ形状に面取り加工している。また、永久磁石１１は、薄板状の永久磁石を径方向に積層して樹脂等により接着したものにより、構成されている。
さらに、図３（ａ）に示すように、ギャップ側の周方向両端にテーパ形状１１ａを設けている。
【００２０】
このため永久磁石１１を周方向から見ると、図３（ｂ）に示すように、その両側にテーパ形状１１ａが形成され、図３（ｃ）に示す径方向に垂直な断面ＡＡ内の形状は、四隅を面取りした長方形をなす。
【００２１】
図４は、本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造の保持部材を示す模式図である。図４（ａ）は保持部材をロータの径方向から見た図を示し、図４（ｂ）は保持部材をロータのギャップ側から見た図を示し、図４（ｃ）は保持部材をロータの周方向から見た図を示し、図４（ｄ）は保持部材のギャップ側を内周側から見て示す斜視図である。
【００２２】
図４に示すように、保持部材１４には、ギャップ側から見て反対側の周方向端に、前述した永久磁石１１のテーパ形状１１ａに嵌合するテーパ形状１４ａが形成される。当該テーパ形状１４ａを前述したテーパ形状１１ａに嵌合することにより、保持部材１４によって永久磁石１１の軸方向の保持強度を高めることができる。
さらに保持部材１４のギャップ側の内周端には後述する付加テーパ形状１４ｂが設けられる。
【００２３】
ここで、この保持部材１４を、電磁鋼板を積層して構成する。
これによれば、簡単な構成にて、保持部材１４内部に発生する渦電流損失を低減することが出来るとともに、保持部材１４を磁性体として、磁気抵抗の低い保持部材１４と、磁気抵抗の高い永久磁石とが周方向に交互に設けられることに起因して、リラクタンストルクを得ることが出来る。
【００２４】
あるいは、保持部材１４を軟磁性圧粉材料により構成することもできる。
これによっても、簡単な構成にて、保持部材１４内部に発生する渦電流損失を低減することが出来るとともに、保持部材１４を磁性体として、磁気抵抗の低い保持部材１４と、磁気抵抗の高い永久磁石とが周方向に交互に設けられることに起因して、リラクタンストルクを得ることが出来る。加えて、保持部材１４を、電磁鋼板を積層した積層コアにて構成することに比べて、保持部材１４の形状自由度を高め、製造コストを抑制することができる。
【００２５】
図５は、本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造の円板状部材をロータの中心軸線方向から見て示す模式図である。
図５に示すように、円板状部材１２は、周方向に、前述した複数の扇形状の永久磁石と同数の、複数の扇形状の穴が設けられる。このように周方向に等間隔に穴を設けることにより、穴と穴の間に位置する部分が、当該円板状部材の径方向の強度を高めるため、前述したように、円板状部材１２の強度ひいては、円板状部材１２の永久磁石１１に対する径方向の保持強度を高めることができる。
【００２６】
図６は、本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造の外環をロータの中心軸線方向から見て示す模式図である。
図６に示すように、外環１６は、円環状に形成され、前述したように、図示しない円板状部材の永久磁石よりも外周側に接合されるべく、その外周面は円板状部材よりも大きく形成され、その内周面には円板状部材の外周側を内包する円環状の溝が形成される。
【００２７】
図７は、本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造を、その中心軸線を含む断面にて示す模式断面図である。
前述したように、複数の略扇形柱状の永久磁石１１を円板状部材１２の周方向に並べて設けた複数の略扇形状の穴１３に挿通させて、前記永久磁石１１のギャップ側の周方向端にテーパ形状あるいは段差形状、ここではテーパ形状１１ａを設け、隣接する永久磁石１１の間に位置する円板状部材１２に、当該テーパ形状１１ａ（あるいは段差形状）に嵌合するテーパ形状１４ａ（あるいは段差形状）を有する複数対の保持部材１４を軸方向外側から接合して設け、当該円板状部材１２の永久磁石１１よりも内周側に一対のシャフト固定部１５を軸方向外側から接合して設け、当該円板状部材１２の永久磁石１１よりも外周側に一対の外環１６を軸方向外側から接合して設けている。加えて、円板状部材１２および一対のシャフト固定部１５の内周側にはシャフト６がキーを介して嵌合されている。
【００２８】
さらに、保持部材１４のギャップ側の内周側端および外周側端の少なくとも一方、ここでは内周側端に、付加テーパ形状１４ｂ（あるいは付加段差形状）を設け、シャフト固定部および外環、ここではシャフト固定部１５に当該付加テーパ形状（あるいは付加段差形状）に嵌合する付加テーパ形状１５ｂ（あるいは付加段差形状）を設けている。
なお、ここで付加テーパ形状あるいは付加段差形状と呼称しているのは、保持部材と永久磁石とにそれぞれ設けるテーパ形状あるいは段差形状と区別するためのものである。
【００２９】
これによれば、保持部材１４の付加テーパ形状１４ｂを、シャフト固定部１５の付加テーパ形状１５ｂが軸方向外側から被さって、保持部材１４の軸方向の保持強度を高めることができるため、これにより、保持部材１４による永久磁石１１の軸方向の保持強度をも高めることができる。この効果は、付加テーパ形状を外周側端に設けた場合も、内周側端及び外周側端の両方に設けた場合においても、同様である。
【００３０】
ここで、前記内周側部分１６ａと前記外周側部分１６ｂとの接合部径Φ１を、前記円板状部材１２の外径Φ２よりも大とする。（請求項３に相当）
これによれば、永久磁石１１の外周側において、円板状部材１２を経由して、当該外環１６の外周側部分１６ｂに磁束が漏れることを防止することができる。
【００３１】
さらに、前記円板状部材１２の永久磁石１１を挿通する穴の最大径Φ３を、前記外環１６の内径Φ４よりも大とする。（請求項４に相当）
これによれば、ロータ回転時に永久磁石１１に作用する遠心力を、回転強度上不利な円板状部材１２に支持させずに、外環１６により支持させることが出来るため、ロータの回転強度を高めて、さらに高回転化を図ることができる。
【００３２】
図８は、本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造を、その中心軸線方向から見て示す模式図である。
前述したように、複数の略扇形柱状の永久磁石１１を円板状部材１２の周方向に並べて設けた複数の略扇形状の穴１３に挿通させて、前記永久磁石１１のギャップ側の周方向端にテーパ形状あるいは段差形状、ここではテーパ形状１１ａを設け、隣接する永久磁石１１の間に位置する円板状部材１２に、当該テーパ形状１１ａに嵌合するテーパ形状１４ａを有する複数対の保持部材１４を軸方向外側から接合して設け、当該円板状部材１２の永久磁石１１よりも内周側に一対のシャフト固定部１５を軸方向外側からボルト締結により接合して設け、当該円板状部材１２の永久磁石１１よりも外周側に一対の外環１６を軸方向外側から接着剤により接合して設けている。
【００３３】
加えて、円板状部材１２および一対のシャフト固定部１５の内周側にはシャフト６がキーを介して嵌合されている。なお、略扇形状の穴１３と永久磁石１１との間に生じする隙間には、樹脂等が充填される。
【００３４】
さらに、保持部材１４のギャップ側の内周側端および外周側端の少なくとも一方、ここでは内周側端に、付加テーパ形状１４ｂを設け、シャフト固定部および外環、ここではシャフト固定部１５に当該付加テーパ形状１４ｂに嵌合する付加テーパ形状１５ｂを設けている。
【００３５】
このため、図８に示すように、永久磁石１１の周方向端と、保持部材１４の周方向端は周方向に、前記テーパ形状１１ａの幅だけオーバーラップする。これにより、永久磁石１１の軸方向の保持強度を高めることができる。
さらに、図８に示すように、保持部材１４の内周端は、シャフト固定部１５の外周端は、径方向に、前記付加テーパ形状１４ｂの幅だけオーバーラップする。これにより、シャフト固定部１５による、保持部材１４の軸方向の保持強度を高め、ひいては、永久磁石１１に対する保持部材１５の軸方向の保持強度を高めることができる。
【００３６】
なお、本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。
例えば、図１には例示として、１ロータ２ステータの形態のアキシャルギャップ型回転電機を示したが、１ロータ２ステータの形態のアキシャルギャップ型回転電機にも本発明に係るロータ構造を適用することは可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明は、アキシャルギャップ型回転電機のロータに用いて好適なものであり、ロータの永久磁石に対して、遠心力により径方向に大きな力が作用することに対して、ロータの永久磁石に対する径方向の保持強度を高めて、その回転限界を高めることができるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】一般的なアキシャルギャップ型回転電機の構造を示す模式断面図である。
【図２】本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造の一実施形態を示す模式図である。
【図３】本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造の、永久磁石の一実施形態を示す模式図である。
【図４】本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造の、保持部材の一実施形態を示す模式図である。
【図５】本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造の、円板状部材の一実施形態を示す模式図である。
【図６】本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造の、外環の一実施形態を示す模式図である。
【図７】本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造を、中心軸線を含む断面で示す模式断面図である。
【図８】本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造を、中心軸線方向から見て示す模式図である。
【符号の説明】
【００３９】
１  コア
２  コイル
３  ステータ
４  ロータ
５  永久磁石
６  シャフト
７  軸受
８  ケース
９  冷却路
１０  エンコーダ
１１  永久磁石
１１ａ  テーパ形状
１２  円板状部材
１３  穴
１４  保持部材
１４ａ  テーパ形状
１４ｂ  付加テーパ形状
１５  シャフト固定部
１５ｂ  付加テーパ形状
１６  外環
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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