(57)【要約】【課題】低鉄損、量産性の良いアキシャルギャップモータを提供する。【解決手段】ロータと、回転軸方向において、ロータに対向して配置されるステータと、を有するアキシャルギャップ回転電機であって、ロータまたはステータは、ヨークおよびティースを有し、回転軸方向において、ティースはヨーク上に形成され、回転軸方向から見たとき、ヨークおよびティースは渦巻き状に形成され、回転軸方向から見たとき、ティースは台形状であるアキシャルギャップ型回転電機。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータと、
回転軸方向において、前記ロータに対向して配置されるステータと、を有するアキシャルギャップ回転電機であって、
前記ロータまたは前記ステータは、ヨークおよびティースを有し、
回転軸方向において、前記ティースは前記ヨーク上に形成され、
回転軸方向から見たとき、前記ヨークおよび前記ティースは渦巻き状に形成され、
回転軸方向から見たとき、前記ティースは台形状である
アキシャルギャップ型回転電機。
【請求項２】
請求項１において、
前記ヨークおよび前記ティースは、連続しているスリットが形成された磁性薄帯を巻回することにより構成される
アキシャルギャップ型回転電機。
【請求項３】
請求項１乃至２のいずれにおいて、
周方向において、前記ティースの間にスロットが形成され、
径方向において、前記スロットの周方向の幅が一定である
アキシャルギャップ型回転電機。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれにおいて、
回転軸方向において、前記ステータを挟んで前記ロータが２枚配置され、
前記２枚のロータは、それぞれロータ磁石およびロータコアを有し、
周方向において、前記それぞれのロータ磁石の磁極は隣同士で異なり、
回転軸方向において、前記２枚のロータ磁石は、対向する面で磁極が同じである
アキシャルギャップ型回転電機。
【請求項５】
請求項４において、
回転軸方向において、前記ティースは前記ヨークの両側に形成され、
回転軸方向から見たときに、前記両側のティースの位置がずれている
アキシャルギャップ型回転電機。
【請求項６】
請求項３乃至５のいずれにおいて、
周方向において、前記ロータでは前記スロットに磁石が形成されている
アキシャルギャップ型回転電機。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれのアキシャルギャップ型回転電機と、
前記アキシャルギャップ型回転電機と同軸で取り付けられるフライホイール円盤と、を有する
フライホイール蓄電装置。
【請求項８】
請求項７において、
前記フライホイール円盤は密閉容器に配置されている
フライホイール蓄電装置。
【請求項９】
ロータと、
回転軸方向において、前記ロータに対向して配置されるステータと、を有するアキシャルギャップ回転電機の製造方法であって、
前記ロータまたは前記ステータは、ヨークおよびティースを有し、
回転軸方向において、前記ティースは前記ヨーク上に形成され、
回転軸方向から見たとき、前記ヨークおよび前記ティースは渦巻き状に形成され、
回転軸方向から見たとき、前記ティースは台形状である
アキシャルギャップ型回転電機の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アキシャルギャップ型回転電機およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
省エネルギー化と脱レアアースを加速化中、モータの高効率化・大出力化が急務となっている。磁石モータの磁束流れ方向で分類すると、主磁束がラジアル方向であるラジアルモータと主磁束が軸方向であるアキシャルギャップモータとがある。現在、主流モータはラジアルギャップモータである。アキシャルギャップモータは軸方向で薄型、大トルクの特長があるため、産業、自動車やフライホイール分野に実用化することを期待されている。
【０００３】
アキシャルギャップモータは量産技術がまだ確立されていない。その原因はいろいろある。例えば、ロータ、ステータの構造は量産コストが高い、ロータとステータ間のエアギャップが管理しにくい。特許文献１および特許文献２はさまざまなアキシャルギャップモータ構造と技術が開示されている。
【０００４】
モータの鉄損を低減するため、ロータとステータ鉄心として積層鉄心を用いることが望ましい。従来は、予め定められた形状に打抜かれた電磁鋼板を複数枚径方向に積層して、ステータ鉄心を構成していた。この場合、それぞれの積層鉄心は周方向で配置して固定する必要がある。
【０００５】
特許文献１では、それぞれの積層体に穴を設けてヨークに挿入して固定している。一方、特許文献２では、ロータとステータに巻鉄心を用いたアキシャルギャップＳＲモータの製造法を開示している。アキシャルギャップＳＲモータの鉄心では、帯状電磁鋼板の長手方向の一辺に連続的に設けられた複数のティース部が重なり合うことにより複数の突極部を形成させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１２−０１９５８２号公報
【特許文献２】特開２００４−２２２３８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
アキシャルギャップモータを実用化するため、低コストで製造できるステータ構造と製造方法が必要である。モータの効率を向上するため、積層鉄心が望ましい。
【０００８】
特許文献１では、電磁鋼板積層体の間に間挿部材を設けて鉄心ティースを構成し、軸方向に積層されたたバークヨークに鉄心ティースを挿入している。バックヨークは軸方向で積層しているため、主磁束はバックヨークの面を貫通する。そのため、バックヨークで渦電流損が発生する。製造面から見ると、ステータの部品点数が多く、製造コストが高くなるので、量産性が良くない。
【０００９】
特許文献２で開示したＳＲモータの製造方法と技術について、モータ回転する時、ロータ突極部とステータの突極部が重なることができるように、ステータ突極部の幅が一定となっている。円筒状のステータコアとして、内側の幅は外側の幅より狭い。突極部の幅が一定の場合、巻ける厚みが決まられている。このため、径方向で厚いステータ鉄心を構成できない。
【００１０】
そこで、本発明は、低鉄損、量産性の良いアキシャルギャップモータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
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。
【００１２】
ロータと、回転軸方向において、ロータに対向して配置されるステータと、を有するアキシャルギャップ回転電機であって、ロータまたはステータは、ヨークおよびティースを有し、回転軸方向において、ティースはヨーク上に形成され、回転軸方向から見たとき、ヨークおよびティースは渦巻き状に形成され、回転軸方向から見たとき、ティースは台形状であるアキシャルギャップ型回転電機。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、低鉄損、量産性の良いアキシャルギャップモータを提供できる。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。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施例１に関する回転電機の全体図。
【図２】図１に係る回転電機の分解図。
【図３】実施例１に関するロータ磁石の着磁配置。
【図４】実施例１に関するステータ鉄心の構造。
【図５】実施例１に関する渦巻鉄心。
【図６（Ａ）】実施例１に関するスリットが形成された磁性薄帯の一部。
【図６（Ｂ）】実施例１に関するステータティースの断面。
【図７】実施例１に関する回転電機の断面図。
【図８（Ａ）】実施例１に関するステータ鉄心の構造の一例。
【図８（Ｂ）】実施例１に関する回転電機の断面図
【図９（Ａ）】実施例２に関する回転電機の一例。
【図９（Ｂ）】実施例２に関する回転電機の断面図。
【図１０】実施例２に関する回転電機のロータ着磁配置。
【図１１】実施例２に関するスリットが形成された磁性薄帯の一部。
【図１２（Ａ）】実施例２に関するステータ鉄心。
【図１２（Ｂ）】実施例２に関するステータ鉄心。
【図１３（Ａ）】実施例３に関する回転電機の構造。
【図１３（Ｂ）】実施例３に関する回転電機の断面。
【図１４】実施例３に関する回転電機の断面図。
【図１５】実施例４に関する回転電機の断面図。
【図１６】実施例３に関する回転電機の断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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。
【実施例１】
【００１６】
図１に本発明の一実施形態に係る回転電機の全体図を示す。分かり易くため、図２は図１に係る回転電機の分解図を示す。図１に係る回転電機は、アキシャルギャップ型回転機である。
【００１７】
本実施例における回転電機１０００はロータ１００を２枚持ち、ロータ１００とステータ２００は平行な回転軸方向に沿って対向し、２枚のロータ１００はステータ２００を挟む構造となる。換言すれば、ステータ２００は、回転軸方向において、ロータ１００に対向して配置されている。
【００１８】
図２において、ロータ１００は、リング状のロータ磁石１１０と、ロータコア１２０と、それらを保持するヨークと、を有している。ヨークは図に示していない。ロータ磁石１１０は磁石で構成されている。
【００１９】
ステータ２００は、ステータヨーク２１１およびステータティース２１２を有するステータ鉄心２１０と、ステータティース２１２と、それぞれに巻回される巻線コイル２２０と、を有している。回転軸方向において、ステータティース２１２はステータヨーク２１１の両側に形成されている。回転軸方向において、ステータティース２１２はステータヨーク２１１上に形成されている。ステータティース２１２と巻線コイル２２０の間に絶縁紙やボビンなどの図示していないインシュレーターが形成されている。
【００２０】
図３に本実施例の着磁配置を示す。ロータ磁石１１０は平行着磁され、ロータコア１２０に貼り付ける。ロータコア１２０は磁性リング状板から構成される。周方向において、ロータ磁石１１０の磁極は隣同士で異なっている。回転軸方向において、２枚のロータ磁石１１０は対向している面で、磁極が同じである。
【００２１】
図４に本実施例に関するステータ鉄心の構造を示す。ステータ鉄心２１０はステータティース２１２とステータヨーク２１１とを有する。ステータ鉄心２１０の周方向において、ステータティース２１２の間にステータスロット２１３が形成されている。
【００２２】
ステータ鉄心２１０は径方向で磁性薄帯が積層している構造となっている。ステータティース２１２とステータヨーク２１１は連続している磁性薄帯から構成されている。ステータティース２１２とステータヨーク２１１は連続しているため、ステータティース２１２の保持がしやすく、ステータ２００の強度を向上できる。ステータティース２１２の回転軸方向から見た断面は略台形状となっている。ステータティース２１２を略台形状にすることより、ステータスロット２１３の空間を有効に利用でき、１スロット（ステータティース２１２＋巻線コイル２２０）の占積率を高めることができる。ステータティース２１２を略台形状にすると、ステータティース２１２の隣同士の辺は平行になっているため、ステータ２００の径が大きくなっても、巻線コイル２２０を形成する空間が狭くならないため、モータを大径化できる。
【００２３】
内径から外径にかけてステータティース２１２の幅が増加している。ステータティース２１２とステータティース２１２間のステータスロット２１３は略長方体となっている。径方向において、ステータスロット２１３の周方向の幅は一定で、径により変わらない。それにより、巻線コイル２２０が配置しやすくなり、ステータスロット２１３のスペースを有効に利用できる。
【００２４】
ステータ鉄心２１０の製造方法にはいくつかある。従来、渦巻き状鉄心にワイヤ加工を実施し、スロット部分は打ち抜きで形成される。図５に渦巻き鉄心を示す。スリット加工を実施する前に、渦巻き鉄心に樹脂モールドを実施する必要がある。また、ワイヤ加工のコストが高いため、量産に適用することが難しい。
【００２５】
本実施例では、打ち抜いた磁性薄帯を巻くことにより鉄心を構成する。図６（Ａ）にプレス加工で打ち抜いた磁性薄帯の一部を示す。磁性薄帯３００を打ち抜く部分の幅ａは一定であるため、プレスの歯を変更する必要がない。磁性薄帯３００は１種類の素材からなり、ステータ鉄心２１０も１種類の素材からなるため、コストを抑制できる。ステータヨーク２１１が円盤状となっており、量産が容易な形状となっている。磁性薄帯３００を巻く径が大きくなることにつれて、ステータティース２１２の幅ｂを段々大きくしている。磁性薄帯３００を打ち抜く時、磁性薄帯３００を伝送するスピートを変更することにより、ステータティース２１２の幅ｂを制御できる。
【００２６】
磁性薄帯３００を巻回したステータ鉄心２１０の断面を図６（Ｂ）に示す。ステータヨーク２１１およびステータティース２１２は、連続しているスリットが形成された磁性薄帯３００を巻回することにより構成される。これにより、回転軸方向から見たとき、ステータヨーク２１１およびステータティース２１２は渦巻き状に形成される。ステータティース２１２の幅ｂ、磁性薄帯３００を巻く応力および巻速度により、ステータティース２１２とステータスロット２１３の共有辺に凸凹２１４が形成される。凸凹２１４は後処理することにより平にできる。少しの凸凹２１４であれば、モータ性能への影響が少ない。
【００２７】
図７に本実施例に関する回転電機の断面図を示す。主磁束は、図７の上側にあるロータ１００のＮ極からステータティース２１２を貫通して、ステータヨーク２１１を経由して、ロータ１００のＳ極に入る。図７の下側にあるロータ１００から発生した磁束は、図７の上側にあるロータ１００から発生した磁束と同じ流れ方をする。
【００２８】
主磁束はステータ鉄心２１０の積層方向と垂直であるため、鉄損は非常に小さい。また、主磁束はステータヨーク２１１を通すため、ロータ１００とステータ２００の間に、ステータスロット２１３によりおきた空間高調波を低減できる。よって、モータのコギングトルクを非常に小さくできる。
【００２９】
図８（Ａ）に本実施例に関するステータ鉄心の構造の一例を示す。ステータ鉄心２１０両端のステータティース２１２とステータティース２１２は回転軸方向でずれていることが特徴である。
【００３０】
図８（Ｂ）に回転電機の断面を示す。図８（Ｂ）の上側にあるロータ１００と図８（Ｂ）の下側にあるロータ１００では、回転軸方向で対向している磁極が同じである。図８（Ｂ）の上側にあるロータ１００に対応しているステータティース２１２と図８（Ｂ）の下側にあるロータ１００に対向しているステータティース２１２とは、回転軸方向において位置がずれている。これにより、ステータ鉄心２１０に貫通する磁束は一か所で集中しないため、強い磁石または大電流を通電する時、鉄心飽和を緩和できる。更に、ステータ鉄心２１０の磁束密度を低減できるため、鉄損を低減できる。
【実施例２】
【００３１】
図９（Ａ）に本実施例に関する回転電機の一例を示す。本実施例における回転電機１０００は１ロータと１ステータから構成される。
【００３２】
図９（Ｂ）に回転電機の断面図を示す。主磁束はロータ１００からステータティース２１２、ステータヨーク２１１、ステータティース２１２を経由し、ロータコア１２０に入る。ロータ１００はリング状のロータ磁石１１０を平板のロータコア１２０に固定する構造となる。
【００３３】
図１０は、本実施例に関する回転電機のロータ着磁配置である。ロータ磁石１１０の着磁方向は、図１０（８極の例）に示すように、Ｎ極とＳ極が交替している。ロータコア１２０は磁性板または渦巻き状に巻回した巻鉄心から構成される。ロータコア１２０とロータ磁石１１０はヨーク（図示なし）で保持され、回転シャフトに取り付けられている。
【００３４】
図１１にスリットが形成された磁性薄帯の一部を示す。磁性薄帯３００の長手方向に片側で打ち抜くことにより、磁性薄帯３００を打ち抜く部分の幅ａが一定なスリットを形成する。ステータティース２１２の幅ｂは磁性薄帯３００を送る方向の反対方向で大きくなる。
【００３５】
図１２（Ａ）と図１２（Ｂ）にスリットが形成された磁性薄帯を巻回したステータ鉄心を示す。磁性薄帯３００の巻始めと巻終わりは、溶接や接着剤などで固定する。ステータ鉄心２１０を形成するために、磁性薄帯３００を巻くテンション、速度とスリット加工の精度によって、ステータティース２１２とステータスロット２１３の共有する辺において、周方向で凸凹２１４が形成される。回転電機の適用製品の要求により、凸凹２１４は後処理で取ることができる。図１２（Ａ）のステータ鉄心２１０には凸凹２１４が形成されており、図１２（Ｂ）のステータ鉄心２１０には凸凹２１４が形成されていない。
【００３６】
本実施例で形成したステータ鉄心２１０はステータティース２１２とステータヨーク２１１は連続している磁性薄帯３００から構成されているため、ステータ鉄心２１０全体に樹脂モールドがなくて保持できる。特許文献１で開示した技術により、ステータ鉄心の製造工程が少なく、強度が強い。更に、ステータヨーク２１１の積層方向は磁束と垂直であるため、鉄損が非常に小さい。
【００３７】
特許文献２で開示したステータティースの幅が一定である。鉄心の径が大きくなるほど、巻線を巻けるスペースが少なくなる。本実施例では、ステータスロット２１３の幅が一定、巻線コイル２２０のスペースを確保できるため、電流密度を向上できる。ステータティース２１２の先端の幅は狭いが、それを対向するロータ磁石１１０の一極分内径側の幅を狭くすることより、ステータティース２１２の先端の飽和を防止できる。
【実施例３】
【００３８】
本実施例で、スリットが形成された磁性薄帯を巻回した鉄心を回転電機のロータに適用する例を説明する。
【００３９】
図１３（Ａ）に本実施例に関する回転電機の構造を示す。ロータコア１２０は、ロータヨーク１２１、ロータティース１２２、ロータスロット１２３を有している。ロータティース１２２とロータヨーク１２１は連続しているスリットが形成された磁性薄帯を巻回することにより構成される。回転軸方向において、ロータティース１２２はロータヨーク１２１上に形成されている。回転軸方向から見たとき、ロータヨーク１２１およびロータティース１２２は渦巻き状に形成される。回転軸方向において、ロータティース１２２は台形状である。周方向において、ロータティース１２２の間にロータスロット１２３が形成されている。径方向において、ロータスロット１２３の周方向の幅が一定となっている。
【００４０】
スリットが設けられた巻鉄心のロータスロット１２３にロータ磁石１１０が形成されている。ロータ磁石１１０とロータ磁石１１０の間は積層しているロータティース１２２が設けられている。この構造より、ロータ磁石１１０とロータ磁石１１０間の漏れ磁束はロータティース１２２を貫通し、リラクタンストルクとして働くため、回転電機１０００のトルク密度は向上する。ロータコア１２０は磁束に対して積層構造となっているため、ロータ１００の鉄損を低減できる。
【００４１】
図１３（Ｂ）に図１３（Ａ）のロータを用いた回転電機の断面図を示す。ロータ磁石１１０から発生する磁束は積層しているロータコア１２０のロータティース１２２を経由して、ステータ鉄心２１０を貫通する。モータの主磁束以外に、ロータ磁石１１０とロータ磁石１１０間の漏れ磁束を利用できる。これにより、モータトルクを向上できる。更に、ロータコア１２０とステータ鉄心２１０は、それぞれロータヨーク１２１とステータヨーク２１１を有しているので、空間高調波を抑えることができる。そして、コギングトルクを低減できる。
【００４２】
図１４に二つロータを一つのステータを挟む回転電機の断面構造を示す。図１３（Ｂ）で示す回転電機より、トルクを２倍向上できる。ロータコア１２０とステータ鉄心２１０それぞれが、スリットが形成された巻鉄心が利用されているので、回転電機の鉄損を大幅に低減できる。
【実施例４】
【００４３】
本実施例では、アキシャルギャップモータ／ジェネレーターを適用したフライホイール蓄電装置を説明する。図１５にフライホイールとアキシャルギャップ型回転電機の組合せを示す。図１６に図１５の断面を示す。
【００４４】
図１５において、フライホイール蓄電装置３０００は、回転電機１０００およびフライホイール円盤２０００を有し、回転電機１０００と同軸でフライホイール円盤２０００が取り付けられている。フラーホイール円盤２０００とベアリングは密閉容器に配置されている。密閉容器内部の圧力は大気より小さい。回転電機１０００はジェネレーターとモータの役割を担当する。回転電機１０００を高速でモータとして回転させ、運動エネルギーを貯蔵し、充電する。放電する時、回転電機１０００の回転数を最低値まで下げて、電力を負荷に供給する。
【００４５】
フライホイール蓄エネ容量は回転体の速度と慣性モーメントによって決まる。従って、適用する回転電機１０００は薄型大径状で高速で回転できることが望ましい。回転電機１０００を高速で運転する時、鉄損と機械損が大きくなる傾向がある。ここで、実施例１、２、３で開示したアキシャルギャップ型回転電機を適用することにより、損失を低減し、回転体の大径化を実現できる。
【００４６】
実施例１と実施例２で開示したアキシャルギャップ型回転電機はステータティース２１２が回転軸方向から見て略台形状であり、巻線コイル２２０を配置するステータスロットの空間２１３は長方形であるため、回転電機を大径化できる。更に、ステータ鉄心２１０には磁気を通るステータヨーク２１１が設けられているため、磁気漏れが少なく、トルク密度を向上できる。
【００４７】
一方、ステータティース２１０とヨーク２１１は径方向で積層している構造であるため、回転電機の鉄損が低く、フライホイールの待機損失の低減を期待できる。
【００４８】
ロータ鉄損を低減するため、ロータ磁石１１０の後ろに貼り付けるロータヨーク１２１は低損失鉄心を望ましい。ロータヨーク１２１として実施例３で開示した巻構造ロータヨーク１２１を用いることにより、鉄損を非常に小さくできる。
【００４９】
フライホイール円盤とそのベアリングを低気圧の密閉容器に配置することにより、回転摩擦損を低減できる。
【符号の説明】
【００５０】
１００  ロータ
１１０  ロータ磁石
１２０  ロータコア
１２１  ロータヨーク
１２２  ロータティース
１２３  ロータスロット
２００  ステータ
２１０  ステータ鉄心
２１１  ステータヨーク
２１２  ステータティース
２１３  ステータスロット
２２０  巻線コイル
３００  磁性薄帯
１０００  回転電機
２０００  フライホイール円盤
【図１】
2016077067.tif 000003
【図２】
2016077067.tif 000004
【図３】
2016077067.tif 000005
【図４】
2016077067.tif 000006
【図５】
2016077067.tif 000007
【図６（Ａ）】
2016077067.tif 000008
【図６（Ｂ）】
2016077067.tif 000009
【図７】
2016077067.tif 000010
【図８（Ａ）】
2016077067.tif 000011
【図８（Ｂ）】
2016077067.tif 000012
【図９（Ａ）】
2016077067.tif 000013
【図９（Ｂ）】
2016077067.tif 000014
【図１０】
2016077067.tif 000015
【図１１】
2016077067.tif 000016
【図１２（Ａ）】
2016077067.tif 000017
【図１２（Ｂ）】
2016077067.tif 000018
【図１３（Ａ）】
2016077067.tif 000019
【図１３（Ｂ）】
2016077067.tif 000020
【図１４】
2016077067.tif 000021
【図１５】
2016077067.tif 000022
【図１６】
2016077067.tif 000023