(57)【要約】【課題】ロータに作用する軸力を低減して、ロータおよび軸受の負担を小さくして、ロータの面振動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を提供する。【解決手段】本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機は、回転自在に設けられると共に、複数の永久磁石が周方向に配置されたロータ３、４と、該ロータ３、４に軸方向に対向して設けられたステータ１、２とから成り、ロータ回転に伴う永久磁石の回転位置の変化に同期させた磁束をステータ１、２からロータ３、４に向けて発生させてロータ３、４を回転駆動する回転電機において、二対のステータ１、２とロータ３、４を、それぞれのロータ３、４の背面側を相互に回転軸に沿って対向させるように、回転軸５、６に沿って対向させて同一軸線Ｃ上に配置してなるとともに、それぞれのロータ３、４の磁石極数を相互に異ならせて、それぞれのステータ１、２のティース数を相互に等しくしたことを特徴とする。【選択図】図１
2007020322.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転自在に設けられると共に、複数の永久磁石が周方向に配置されたロータと、該ロータに軸方向に対向して設けられたステータとから成り、ロータ回転に伴う永久磁石の回転位置の変化に同期させた磁束をステータからロータに向けて発生させてロータを回転駆動する回転電機において、二対のステータとロータを、それぞれのロータの背面側を相互に回転軸に沿って対向させるように、回転軸に沿って対向させて同一軸線上に配置してなるとともに、それぞれのロータの磁石極数を相互に異ならせて、それぞれのステータのティース数を相互に等しくしたことを特徴とする回転電機。
【請求項２】
前記一方のロータに回転同期させた磁束をステータに発生させるための指令電流と、他方のロータに回転同期させた磁束をステータに発生させるための指令電流とを合体させた複合電流を、両ステータに供給したことを特徴とする請求項１記載の回転電機。
【請求項３】
前記永久磁石を、ロータのステータに面した側に配置したことを特徴とする請求項１もしくは２に記載の回転電機。
【請求項４】
前記永久磁石を、ロータに貫通させて設けたことを特徴とする請求項１もしくは２に記載の回転電機
【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に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般にロータに永久磁石を使用した同期型の回転電機では、永久磁石をステータにより発生する回転磁界が吸引反発して発生するマグネットトルクを利用するほか、隣接する永久磁石の間に磁性体を配置して、ロータの周方向に、磁気抵抗が小さい部分と、磁気抵抗の大きい部分を交互に設けて、ロータに磁気的な突極性を持たせて、ステータを構成するコイルの自己インダクタンスおよび相互インダクタンスをロータの位置により変化させ、ロータとステータとの間の空隙に蓄えられた磁気エネルギーを機械エネルギーに変換することにより発生するいわゆるリラクタンストルクを利用して、回転電機としてのトルクを向上させることが行われている。このリラクタンストルクはロータの周方向の、磁気抵抗が大きい部分と小さい部分との磁気抵抗の差が大きいほど大きくできる。
【０００３】
ところで、回転電機においては、ステータにより発生する磁束と、ロータの永久磁石により発生する磁束が、トルクを発生させるための磁束として、ロータのステータに対向する面（ギャップ面）を通過しており、回転同期させることにより回転トルクを生み出すことができる一方、ロータとステータ間で吸引トルクが発生する。
【０００４】
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においては、ロータのステータに対向する面は回転軸に垂直な平面であるため、ロータは回転軸方向のステータ側へ吸引される。
【０００５】
このため、このようなアキシャルギャップ型回転電機に、特許文献１に記載されているような、一つのステータに複合電流を流して二つのロータを回転制御する場合においては、以下に述べるような問題が生ずる。つまり、図８に示すように、トルクを発生させるための磁束がロータ５１、５２のステータ５３に対向する面（ギャップ面）を通過することによりロータに作用する回転軸方向の力（軸力）は、ロータ５１、５２からステータ５３に向かう方向のみの力となるため、ロータには常に当該方向に軸力が作用することとなってロータおよび軸受の負担が大きくなるとともにロータの面振動の原因ともなる可能性がある。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−８８０３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明では、上述した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、ロータに作用する前記軸力を低減して、ロータおよび軸受の負担を小さくして、ロータの面振動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を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に係るアキシャルギャップ型回転電機は、回転自在に設けられると共に、複数の永久磁石が周方向に配置されたロータと、該ロータに軸方向に対向して設けられたステータとから成り、ロータ回転に伴う永久磁石の回転位置の変化に同期させた磁束をステータからロータに向けて発生させてロータを回転駆動する回転電機において、二対のステータとロータを、それぞれのロータの背面側を相互に回転軸に沿って対向させるように、回転軸に沿って対向させて同一軸線上に配置してなるとともに、それぞれのロータの磁石極数を相互に異ならせて、それぞれのステータのティース数を相互に等しくしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
これによれば、トルクを発生させるための磁束の一部または全部を、ロータのステータに対向する側と反対側に位置する他方のロータおよびステータに通過させることができ、これにより、ロータのステータと対向する側と反対側の面にも当該磁束を通過させて、ロータのステータに対向する側の面に作用する軸力と反対方向の軸力を、ロータのステータと対向する側と反対側の面に作用させて、ロータのステータに対向する側の面に作用する軸力と、ロータのステータに対向する側と反対側の面に作用する軸力とを相互にキャンセルさせて、ロータに作用するトータルとしての軸力を低減することができる。これにより、ロータおよび軸受の負担を低減するとともに、ロータの面振動を防止することができる。
【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は本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機の一実施形態を示す略式断面図である。
このアキシャルギャップ型回転電機は、回転自在に設けられると共に、複数の永久磁石が周方向に配置されたロータ３、４と、該ロータ３、４に軸方向に対向して設けられたステータ１、２とから成り、ロータ回転に伴う永久磁石の回転位置の変化に同期させた磁束をステータ１、２からロータ３、４に向けて発生させてロータ３、４を回転駆動する回転電機において、二対のステータ１、２とロータ３、４を、それぞれのロータ３、４の背面側を相互に回転軸に沿って対向させるように、回転軸５、６に沿って対向させて同一軸線Ｃ上に配置してなるとともに、それぞれのロータ３、４の磁石極数を相互に異ならせて、それぞれのステータ１、２のティース数を相互に等しくしたことを特徴とする。（請求項１に相当）ここで背面側とはそれぞれのロータのギャップ側と反対側を示す。
【００１１】
ステータ１は、コイル８が巻装された複数のコア７を円周方向に配置した筒型で構成され、ステータ２も、コイル１０が巻装された複数のコア９を円周方向に配置した筒型で構成され、ステータ１およびステータ２はその背面側を、ケース１１に固定される。ここで背面側とはそれぞれのステータのギャップ側と反対側を示す。
【００１２】
ロータ３は、円盤状をなす磁性体１２のステータ１に対向する面の周方向に、複数の永久磁石１３を設けるとともに、当該磁性体１２を、前記回転軸５に、圧入嵌合もしくはセレーションやキー嵌合等の手段にて連結して構成され、当該回転軸５は、ステータ１の内周側および、ケース１１の内周側に、軸受１４を介して回転自在に支持される。
【００１３】
これとともに、ロータ４も、同じく円盤状をなす、磁性体１５のステータ２に対向する面の周方向に、複数の永久磁石１６を設けるとともに、当該磁性体１５を、前記回転軸６に、圧入嵌合もしくはセレーションやキー嵌合等の手段にて連結して構成され、当該回転軸６は、ステータ２の内周側および、ケース１１の内周側に、軸受１７を介して回転自在に支持される。
さらに回転軸５、６の端部にはロータ３、４の回転量や位置を検出するための、図示しないエンコーダが設けられる。加えて、ロータおよびステータの損失による熱を吸収するための図示しない冷却系が適宜設けられる。
【００１４】
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８、１０を図示しないインバータにより発生した、ロータ３、４のそれぞれを駆動するための指令電流を重畳（合体）させた複合電流にて励磁すると、（請求項２に相当）ステータ１およびステータ２の周方向に異なる二つの周期の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１３が埋設されたロータ３はそれに対応するステータ１およびステータ２の発生する一方の速度の回転磁界に吸引反発されて、当該回転磁界と同期した速度で回転し、同様に、周方向に交互に極性が異なる複数の永久磁石１６が埋設されたロータ４もそれに対応するステータ１およびステータ２の発生する他方の速度の回転磁界に吸引反発されて、当該回転磁界と同期した速度で回転する。
【００１５】
図２は、本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機を、ケースを除去してステータとロータのみを示す模式図であり、図３は図２の外周から視点を周方向に移動させながら見てロータを通過する磁束の流れを示した周方向展開図である。なお永久磁石１６および１３中の矢印は永久磁石内の磁束の流れを示す。ここでは永久磁石１３、１６を、それに対応するロータ３、４のステータに面した側に配置している。（請求項３に相当）
【００１６】
図３に示すように、ステータ１及びステータ２がロータ３に回転同期させて磁束Φ３を発生する。磁束Φ３は、二つのループを構成する。一方は、ギャップ面に永久磁石１３を設けたロータ３を通過する磁束Φ３は、その一部がステータ１およびロータ３内の永久磁石１３を通過して、ロータ３内の磁性体を通過した後、磁極が反対方向となっている隣りの永久磁石１３を通過してステータ１に戻る小さい閉ループを構成する。他方のループは、ステータ１及びロータ３内の永久磁石１３を通過し、ロータ３内の磁性体を通過し、更にロータ４内の磁性体を通過してステータ２内を通過する。ステータ２のバックヨークを介して隣りのステータ２を通過した後、再びロータ４、ロータ３、ロータ３内の永久磁石を通過してステータ２を通る大きい閉ループを構成する。
【００１７】
このようにロータ３とロータ４との極対数が異なるため、磁束Φ３と磁束Φ４とは干渉することなく、トルクを発生させるための磁束Φ３の一部を、ロータ３のステータ１に対向する側と反対側に位置する他方のロータ４およびステータ２に通過させることができ、これにより、ロータ３のステータ１と対向する側と反対側の面にも磁束Φ３を通過させて、ロータ３のステータ１に対向する側の面に作用する軸力と反対方向の軸力（ロータ３をステータ１から離隔させる方向の軸力）を、ロータ３のステータ１と対向する側と反対側の面に作用させて、ロータ３のステータ１に対向する側の面に作用する軸力と、ロータ３のステータ１に対向する側と反対側の面に作用する軸力とを相互にキャンセルさせて、ロータ３に作用するトータルとしての軸力を低減することができる。これにより、ロータ３および軸受の負担を低減するとともに、ロータ３の面振動を防止することができる。
【００１８】
同様に、ギャップ面に永久磁石１６を設けた他方のロータ４を通過する磁束Φ４は、その一部がステータ２およびロータ４を通過して小さい閉ループを構成し、残りがステータ２およびステータ１を通過して大きい閉ループを構成する。
【００１９】
このようにトルクを発生させるための磁束Φ４の一部を、ロータ４のステータ２に対向する側と反対側に位置する他方のロータ３およびステータ１に通過させることができ、これにより、ロータ４のステータ２と対向する側と反対側の面にも磁束Φ４を通過させて、ロータ４のステータ２に対向する側の面に作用する軸力と反対方向の軸力（ロータ４をステータ２から離隔させる方向の軸力）を、ロータ４のステータ２と対向する側と反対側の面に作用させて、ロータ４のステータ２に対向する側の面に作用する軸力と、ロータ４のステータ２に対向する側と反対側の面に作用する軸力とを相互にキャンセルさせて、ロータ４に作用するトータルとしての軸力を低減することができる。これにより、ロータ４および軸受の負担を低減するとともに、ロータ４の面振動を防止することができる。
【００２０】
図４は、本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機の他の実施形態を、ケースを除去してステータとロータのみを、その外周から視点を周方向に移動させながら見てロータを通過する磁束の流れを示した周方向展開図である。
図３に示した形態のアキシャルギャップ型回転電機に比して、ロータ４の永久磁石１６を周方向に傾斜させて設けた点のみが異なる。なお永久磁石１６および１３中の矢印は永久磁石内の磁束の流れを示す。
【００２１】
これによっても、トルクを発生させるための磁束Φ４の一部を、ロータ４のステータ２に対向する側と反対側に位置する他方のロータ３およびステータ１に通過させることができ、これにより、ロータ４のステータ２と対向する側と反対側の面にも磁束Φ４を通過させて、ロータ４のステータ２に対向する側の面に作用する軸力と反対方向の軸力（ロータ４をステータ２から離隔させる方向の軸力）を、ロータ４のステータ２と対向する側と反対側の面に作用させて、ロータ４のステータ２に対向する側の面に作用する軸力と、ロータ４のステータ２に対向する側と反対側の面に作用する軸力とを相互にキャンセルさせて、ロータ４に作用するトータルとしての軸力を低減することができる。これにより、ロータ４および軸受の負担を低減するとともに、ロータ４の面振動を防止することができる。ロータ３を通過する磁束Φ３およびそれによる軸力の低減効果については図３に示したものと同様であるので説明は割愛する。
【００２２】
図５は、本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機の他の実施形態を、ケースを除去してステータとロータのみを、その外周から視点を周方向に移動させながら見てロータを通過する磁束の流れを示した周方向展開図である。
図３に示した形態のアキシャルギャップ型回転電機に比して、ロータ３、４の永久磁石１３、１６をそれぞれのロータに貫通させて設けた点のみが異なる。（請求項４に相当）
【００２３】
図５に示す、永久磁石１３を貫通させて設けたロータ３を通過する磁束Φ３は、ロータ３の永久磁石１３の背面側に磁束経路がないことに起因して、その全部がステータ１およびステータ２を通過して大きい閉ループを構成する。
【００２４】
このようにトルクを発生させるための磁束Φ３の全部を、ロータ３のステータ１に対向する側と反対側に位置する他方のロータ４およびステータ２に通過させることができ、これにより、ロータ３のステータ１と対向する側と反対側の面に、図３および図４に示した形態の回転電機よりも多くの磁束Φ３を通過させて、ロータ３のステータ１に対向する側の面に作用する軸力と反対方向の軸力（ロータ３をステータ１から離隔させる方向の軸力）を、ロータ３のステータ１と対向する側と反対側の面に作用させて、ロータ３のステータ１に対向する側の面に作用する軸力と、ロータ３のステータ１に対向する側と反対側の面に作用する軸力とを相互にキャンセルさせて、ロータ３に作用するトータルとしての軸力をより効果的に低減することができる。これにより、ロータ３および軸受の負担を低減するとともに、ロータ３の面振動を防止することができる。
【００２５】
同様に、永久磁石１６を貫通させて設けた他方のロータ４を通過する磁束Φ４は、ロータ４の永久磁石１３の背面側に磁束経路がないことに起因して、その全部がステータ２およびステータ１を通過して大きい閉ループを構成する。
【００２６】
このようにトルクを発生させるための磁束Φ４の全部を、ロータ４のステータ２に対向する側と反対側に位置する他方のロータ３およびステータ１に通過させることができ、これにより、ロータ４のステータ２と対向する側と反対側の面に、図３および図４に示した形態の回転電機よりも多くの磁束Φ４を通過させて、ロータ４のステータ２に対向する側の面に作用する軸力と反対方向の軸力を、ロータ４のステータ２と対向する側と反対側の面に作用させて、ロータ４のステータ２に対向する側の面に作用する軸力と、ロータ４のステータ２に対向する側と反対側の面に作用する軸力とを相互にキャンセルさせて、ロータ４に作用するトータルとしての軸力をより効果的に低減することができる。これにより、ロータ４および軸受の負担を低減するとともに、ロータ４の面振動を防止することができる。
【００２７】
つまり、図５に示した形態のアキシャルギャップ型回転電機は、図３、４に示した形態のアキシャルギャップ型回転電機に比べて、磁束Φ３、Φ４の全部をロータ３、４のそれぞれに対応するステータと対向する面と反対側の面に通すことができるので、ロータ３、４のそれぞれに対応するステータに対向する側と反対側の面に作用する軸力を極力大きくして、ロータ３、４のそれぞれに対応するステータに対向する側に作用する軸力と略同じとして、これらの軸力を相互にキャンセルさせることにより、ロータ３、４に作用するトータルとしての軸力をより効果的に低減することができるため、軸力をキャンセルしてトータルの軸力を低減するに当たってはより有利な形態である。
【００２８】
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の軸力の低減効果を示す模式図であり、図７は従来のアキシャルギャップ型回転電機のロータの軸力を示す模式図である。
図６は図５に示した形態の本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機のロータに作用する軸力（縦軸単位：Ｎ）の時間変化（横軸単位：秒）を示し、図７は図８に示したアキシャルギャップ型回転電機のロータに作用する軸力の時間変化を示す。なお、図７中の軸力のマイナスは、ロータがステータに引き寄せられる方向の軸力を示すものとする。
【００２９】
図６に示すように、本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機においては、ロータに軸力がほぼ１／１０に低減できていることが分かる。
なお、図６において軸力がプラス方向となっているのは、ロータの対応するステータに対向する側の面と反対側の面を通る磁束によりロータに作用する軸力を周方向に積分した値は、ロータの対応するステータに対向する側の面を通る磁束によりロータに作用する軸力を周方向に積分した値よりもわずかに大きくなることに起因するものである。
【００３０】
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。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明は、アキシャルギャップ型回転電機に用いて好適なものであり、ロータおよび軸受の負担を低減して、回転電機としての耐久性を高めることができるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機の一実施形態を示す略式断面図である。
【図２】本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機を、ケースを除去してステータとロータのみを示す模式図である。
【図３】図２の外周から視点を周方向に移動させながら見てロータを通過する磁束の流れを示した周方向展開図である。
【図４】本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機の他の実施形態を、ケースを除去してステータとロータのみを、その外周から視点を周方向に移動させながら見てロータを通過する磁束の流れを示した周方向展開図である。
【図５】本発明に係るアキシャルギャップ型回転電機の他の実施形態を、ケースを除去してステータとロータのみを、その外周から視点を周方向に移動させながら見てロータを通過する磁束の流れを示した周方向展開図である。
【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の軸力の低減効果を示す模式図である。
【図７】従来のアキシャルギャップ型回転電機のロータの軸力を示す模式図である。
【図８】従来のアキシャルギャップ型回転電機を示す模式図である。
【符号の説明】
【００３３】
１  ステータ
２  ステータ
３  ロータ
４  ロータ
５  回転軸
６  回転軸
７  コア
８  コイル
９  コア
１０  コイル
１１  ケース
１２  磁性体
１３  永久磁石
１４  軸受
１５  磁性体
１６  永久磁石
１７  軸受
Ｃ  同一軸線
【図１】
2007020322.tif 000003
【図２】
2007020322.tif 000004
【図３】
2007020322.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
2007020322.tif 000008
【図７】
2007020322.tif 000009
【図８】
2007020322.tif 000010