JP2008054489A - アキシャルギャップ型回転機、及びこれを搭載した空調用圧縮機、送風機、及び自動車 - Google Patents

Abstract

【課題】コギングトルクを減少して磁気飽和を緩和することにより、磁束を有効に利用し、回転機特性を向上させたアキシャルギャップ型回転機を提供する。
【解決手段】永久磁石１０を有するロータ１と、このロータ１と空隙δを介して同軸的に対向配置されるステータ２であって、コアバック２１と、このコアバック２１のロータ対向面に配置された複数のティース２２と、このティース２２に巻回されたアキシャルコイル２０とを有するステータ２を備えたアキシャルギャップ型回転機において、複数のティース２２は、隣接するティース２２と互いの先端部２３を連結して構成すると共に、ステータ２のうちのティース２２とコアバック２１により構成されるステータコアを複数の部品を結合して構成している。
【選択図】図１

Description

本発明は、永久磁石を有するロータと、このロータと空隙を介して同軸的に対向配置されるステータであって、コアバックと、このコアバックのロータ対向面に配置された複数のティースと、このティースに巻回されたアキシャルコイルとを有するステータを備えたアキシャルギャップ型回転機に関する。

空調機や送風機等に用いられる回転機として、ラジアルギャップ型回転機とアキシャルギャップ型回転機が知られている。これら回転機の構造を図２３に比較して示す。図２３（ａ）はアキシャルギャップ型回転機の一例を示し（ｂ）はラジアルギャップ型回転機の一例を示す。

ラジアルギャップ型は回転軸１０１に支持される円筒形のロータ１０２を備えている。ロータ１０２の半径方向の周囲には空隙δを空けてステータ１０３が配置される。ステータ１０３は、ステータコア１０４と、このステータコア１０４に巻回されるコイル１０５から構成される。

一方、アキシャルギャップ型も回転軸１０１に支持されるロータ１０２を備えている。このロータ１０２と軸方向に形成される空隙δを介して同軸的に配置されるステータ１０３を備えている。ステータ１０３は、ステータコア１０４と、このステータコア１０４に巻回されるコイル１０５から構成される。

ラジアルギャップ型回転機の場合、図２３（ｂ）の図番Ｓ１で示されるコイルエンド部には、コア１０４の構造上コイルを巻くことができず、また図番Ｓ２で示されるロータの領域においては、磁石を配置しても、効率的に回転機特性に寄与しないため、これらの部分がデッドスペースとなり、回転機の小型化を阻害する要因となる。これに対して、アキシャルギャップ型回転機の場合、コイルエンド部の空間を磁気回路として利用することが可能である。また、図２３からも理解されるように、ラジアルギャップ型回転機と比べて、ステータと対向するロータの磁石面積を大きくできるため、高トルク・省スペースの点で優れており、近年その開発が進められている。

しかしながら、アキシャルギャップ型回転機の場合、ギャップにおける磁束が増加するためステータのティースが飽和しやすいという問題があり、ティースが飽和するとコイル鎖交磁束が飽和し、コギングトルクも増大し、ついには回転機特性が低下するという問題が生じる。そこでかかる問題点を解決するに際して参考となる先行技術として、下記特許文献１，２に開示される技術が提案されている。

特許文献１では、ステータにおいて隣接するティースのロータと対向する面が薄肉部で連結されている。これにより、コギングトルクを抑制して薄肉部で生じる洩れ磁束を最小限に抑え、その結果、出力の低下を最小限に抑制するものである。

特許文献２では、ステータを構成するコアバックとティースを別部品とし、コイルを巻回するときには、ティースの先端部を連結治具により環状に連結した状態でコイルを巻回し、その後、ティースの基部をコアバックに組み合わせて、連結治具を取り外すようにしている。これにより、コイルの占有率を大きくし、出力特性を向上させている。

特開２０００−２９５７９９号公報 特開２００４−２４２３８４号公報

しかしながら、上記先行技術に開示される回転機は、いずれもラジアルギャップ型回転機に関するものであり、アキシャルギャップ型回転機に対する応用については触れられていない。

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、その課題は、アキシャルギャップ型回転機本来の特徴をより発現できるような構成を提案することであり、具体的には、コギングトルクを減少させ、ティースの磁気飽和を緩和することにより、磁束を有効に利用し、回転機特性を向上させたアキシャルギャップ型回転機を提供することである。

上記課題を解決するため本発明に係るアキシャルギャップ型回転機は、
永久磁石を有するロータと、このロータと空隙を介して同軸的に対向配置されるステータであって、コアバックと、このコアバックのロータ対向面に配置された複数のティースと、このティースに巻回されたアキシャルコイルとを有するステータを備えたアキシャルギャップ型回転機において、
前記複数のティースは、隣接するティースと互いの先端部を連結して構成すると共に、ステータのうちのティースとコアバックにより構成されるステータコアが複数の部品を結合して構成されていることを特徴とするものである。

この構成によるアキシャルギャップ型回転機の作用・効果について説明する。この回転機は、ロータとステータを備えており、ステータはロータと空隙を介して同軸的に対向配置される。ステータは、コアバックと、このコアバックのロータ対向面に配置されたティースとからなるステータコアを備えており、各ティースにアキシャルコイルが巻回される。本発明においては、隣接するティースの先端部が連結されている。これにより、ロータの回転角に対する空隙の磁束密度の変化を抑制することができる。その結果、コギングトルクを低減し回転機特性を向上させることができる。また、先端部を連結することで、ティースの磁気飽和を緩和して、コイル鎖交磁束を有効に利用して、回転機特性を向上させることができる。

また、ティースの先端部を連結して、ティースとコアバックを一体化した１部品で形成すると、アキシャルコイルを巻回できなくなるため、ティースとコアバックにより構成されるステータコアを複数の部品で構成する。これにより、分割された部品に対してコイルを巻回した後、ステータを組み立て完成することができる。複数の部品で構成する場合の分割態様については、種々の変形例が考えられる。コイルの巻回方法については特に限定しないが、コイルはティースに対して整列巻を行なうことが望ましい。整列巻を行なうことで、コイルの空間占有率が向上し、回転機特性を向上させることができる。また、アキシャルギャップ型回転機の場合、ティース間の空間の断面形状、つまりコイルの断面形状が矩形状となるため、整列巻を効果的に行なうことができる。

本発明において、前記ステータは、コアバックとティースが別部品であることが好ましい。

この構成によると、コアバックとティースを別部品としており、ティースにコイルを巻回した後、ティースとコアバックを結合することで、ステータを構成することができる。ティースは、先端部が連結されており、組立作業時の取り扱いも容易となる。

本発明において、前記ステータは、ティースの先端部が円環状の別部品であることが好ましい。

ティースの先端部を円環状の別部品とすることで、コアバックとティース本体を一体化した状態でコイルを各ティースに巻回することができる。また、ティース本体と先端部を結合するときに、両者の当接面が平面であり、また、空隙側の面も平面にすることができるため、組み立て精度を高くでき、空隙の寸法精度も高くすることができる。

本発明において、前記ステータは、ティース毎に分割された複数の部品が周方向に接合されていることが好ましい。

かかる構成によると、ステータが同じ形状を有するティースを結合することで構成され、また、分割された各ティースにコイルを巻回することができるため、コイルの巻き線作業を効率よく行なうことができる。

本発明において、ステータを周方向に分割して構成する場合、前述の先端部を円環状の別部品とする構成と組み合わせることが好ましい。

これにより、コイルの巻き線作業を効率よく行なうことができると共に、空隙の寸法精度を高めることもできる。

本発明において、隣接するティースの連結部は、端部と中央部とで軸方向の厚みが異なっていることが好ましい。

かかる構成により、コアバックを経由しない磁束の発生（磁束の短絡）を減少させることができ、コイル鎖交磁束を増加させることができる。なお、連結部とは、隣接するティースと互いの先端部を連結している部分のことを指している（図５における図番Ｒを参照）。

上記において厚みを異ならせる態様として、前記連結部の中央部に凹部を形成することができる。これにより、磁束の短絡を効果的に減少させることができる。

厚みを異ならせる別態様として、連結部の端部から中央部にかけて、その軸方向の厚みを逓減させることができる。これにより、磁束の短絡を効果的に減少させることができる。

厚みを異ならせる場合、前記連結部は、空隙側の軸方向端面が平面に形成されることが好ましい。

空隙対向面が平面であるため、コギングトルクを効果的に低減することができる。また、空隙長の寸法精度も良好となる。

本発明において、前記ロータは、永久磁石片とロータコアが周方向に交互に配置され、ロータコアを挟んで隣り合う永久磁石片は、同極が対向するように配置されることが好ましい。

この構成によると、ロータコアが磁極片として機能し、永久磁石から発生する磁束を効率よく集中（収束）させることができ、ロータの空隙対向面における磁束密度を向上させることができる。さらに、ｑ軸インダクタンスが増加し、リラクタンストルクが発生し、回転機特性を向上させることができる。

本発明において、前記永久磁石片は、ロータコアとの当接面の空隙対向面側の角部に面取りが施されていると共に、この面取り部が前記ロータコアにより覆われていることが好ましい。

かかる面取りを行なうことにより、ステータからの磁束をより多くロータコアに集めることができるため、ｑ軸インダクタンスを増加させることができ、その結果、回転機特性が向上する。

本発明において、前記ロータの空隙側軸方向端面が鉄の薄板で覆われていることが好ましい。

ロータの表面を薄い鉄板で覆うことで、永久磁石片とロータコアが空隙に露出しない構成とすることができ、その結果、空隙の寸法精度を確保することができる。その結果、コギングトルクを低減し出力トルクを向上させることができる。また、表面を鉄板で覆っているため、永久磁石片の飛散を防止し、ロータの強度向上に寄与することができる。

本発明において、前記ステータのうち、少なくともティースの一部は圧粉鉄心により形成されることが好ましい。

ステータを珪素鋼板等を積層して形成する場合には磁束の方向を考慮する必要があり、ラジアルギャップ型の場合は同じ形状の鋼板（図２３の１０４ａ）を軸方向に積層することができるが、アキシャルギャップ型の場合、鋼板を半径方向に積層する必要がある。従って、形状が異なる珪素鋼板を積層しなければならないという問題点が生じる。そこで、鋼板を用いるのではなく、圧粉鉄心を用いることで形状の自由度を確保することができ製造コストの面でも有利である。

本発明において、前記ステータは、前記ロータの軸方向両面に空隙を介して同軸的に対向配置されることが好ましい。

この構成によると、ロータが１つであるため高速応答性に優れている。また、ロータの両側にステータを配置しているため、永久磁石が発生する磁束を効率よく使用することができる。

本発明において、前記一対のステータは、互いのティースの位置を周方向に相対的にずらせて配置していることが好ましい。

ティースの位置をずらすことにより、コギングトルクを低減し、回転機特性を向上させることができる。

上記において、ティースの位置のずらし量は、（３６０／ＬＣＭ（ｐ・ｓ）／２）×ｎ度±２０％であることが好ましい。ただし、ＬＣＭは最小公倍数、ｐは磁極数、ｓはスロット数、ｎは整数を表す。

ずらし量を上記のように設定することで、効果的にコギングトルクを低減することができる。

本発明において、前記ロータは、前記ステータの軸方向両面に空隙を介して同軸的に対向配置されることが好ましい。

ロータを２つ設けることで、出力軸を介することなく、複数の対象物を直接駆動することができる。

本発明において前記一対のロータは、互いの永久磁石片の位置を周方向に相対的にずらせて配置していることが好ましい。

ロータの位置をずらすことにより、コギングトルクを低減し、出力トルクを向上させることができる。

上記において、前記永久磁石片の位置のずらし量は、（３６０／ＬＣＭ（ｐ・ｓ）／２）×ｎ度±２０％であることが好ましい。ただし、ＬＣＭは最小公倍数、ｐは磁極数、ｓはスロット数、ｎは整数を表す。

ずらし量を上記のように設定することで、効果的にコギングトルクを低減することができる。

本発明において、前記アキシャルコイルが平角線により構成され、前記ティースに整列巻されることが好ましい。

平角線を用いて整列巻することで、空間におけるコイルの占積率を高めることができ、その結果、出力トルクを向上させることができる。

本発明に係るアキシャルギャップ型回転機は、種々の機器・装置に搭載することができ、例えば、空調用圧縮機の圧縮機駆動源、送風機のファン駆動源、自動車の車輪駆動源等として使用することができる。

本発明に係るアキシャルギャップ型回転機の好適な実施形態を図面を用いて説明する。

＜第１実施形態＞
本実施形態に係るアキシャルギャップ型回転機の第１実施形態を図１の模式図に示す。図１に示すように、ロータ１の軸方向両面に空隙を介して同軸的に２つのステータ２が配置されている。ロータ１の構成例を図２（ａ）に示すが、永久磁石片１０とロータコア１１が円周方向に沿って交互に並べて配置されている。永久磁石片１０は全部で８箇所に設けられており、従って、８極のロータ１となっている。なお、図中矢印は永久磁石片１０の磁化方向を示す。すなわち、永久磁石片１０はロータコア１１を挟んで同極が対向するように配置されている。ロータ１は、不図示の回転軸に対して軸受により支持される。永久磁石片１０の磁束が、回転軸を介して漏洩することを防止するため、回転軸を非磁性とする、もしくは、隣り合う永久磁石片１０を接触させる、あるいは、近接させることが好ましい。

ステータ２の構成は、図２（ｂ）にアキシャルコイル２０（以下、単に「コイル」と略す）を巻回した状態、（ｃ）にコイルを省略した状態（ステータコアのみ）を示す。なお、コイル２０は模式的に示す。また、図３はステータ２の平面図を示している。ステータ２は、大きく分けてコアバック２１と呼ばれる部分と、ティース２２と呼ばれる部分により構成されている。また、ティース２２の空隙側に相当する先端部２３は連結されて構成されている。図において、先端部２３は、円環状のプレートとして形成されている。

このように、ステータ２のティース２２は、その先端部２３が連結されているため、ロータ１の回転角に対する空隙の磁束密度の変化を抑制することができる。その結果、コギングトルクを低減することができる。各ステータ２と、ロータ１とは、軸方向に所定寸法の空隙が形成された状態で配置される。

また、先端部２３の軸方向に沿った厚みは、コアバック２１の軸方向に沿った厚みに比べると、薄くなっている。先端部２３の厚みをあまり大きくすると、ティース２２からロータ１に渡る磁束が減少し、前述の磁束の短絡現象が顕著になり、回転機特性が低下するからである。

ティース２２は、平面視の形状では図３に示すように台形形状を備えており、このティース２２の周囲にコイル２０が巻回される。ティース２２は、円周方向に沿って等間隔に１２個配置されており、１２スロットとなっている。なお、角部を面取りする等、ティースの形状は適宜変更することが可能である。

＜ステータの変形例＞
次に、ステータ２の種々の変形例について図４により説明する。前述したように、ティース２２の先端部２３が連結されており、ティース２２の基部もコアバック２１で連結されているため、コアバック２１とティース２２を一体化した１部品で構成すると、コイル２０をティース２２に巻回することができない。従って、必然的にステータ２は複数の部品を結合して構成する必要があり、その種々の構成例を説明する。図４においては、ステータ２の構成を分かりやすく説明するため、円周方向に沿って形状を展開した形で図示する。また、コイルの図示は省略する。

図４（ａ）において、コアバック２１とティース２２の本体を一体化し、先端部２３を別部品とした構成を示す。先端部２３は、円環状のプレート部品で形成することができる。コイル２０を巻きつけるときは、先端部２３を除いた状態で、各ティース２２にコイルボビンに整列巻したものを挿入し、その後、先端部２３をティース２２の先端に結合する。先端部２３の結合は、例えば、接着により行うことができるが、これに限定されるものではない。

かかる構成によれば、ティース２２本体と先端部２３の当接面を平面にすることができ、組み立て精度を高くすることができる。また、ステータ２の空隙に対向する面が平面であることから、空隙の寸法精度も高めることができる。なお、例えば図４（ａ）’で示すようにティース２２の空隙側を小さくしてもよい。これにより、コイル２０の挿入が容易となる。

図４（ｂ）は、ステータ２を周方向に沿って、各ティース２２ごとに複数の部品２ａに分割した構成例を示している。図１の実施形態の場合は、１２スロットであるため、１２個の分割部品２ａに分割されることになる。各分割部品２は、同じ形状を有しており、各分割部品２ａにまず最初にコイルを巻回した後、各分割部品２ａを周方向に結合することで、ステータ２を形成することができる。この構成によると、コイルの巻き線作業を効率よく行なうことができる。

図４（ｃ）は、更に別の変形例であり、上記（ａ）（ｂ）を組み合わせた形である。すなわち、ステータ２を周方向に分割した部品２ａとすると共に、先端部２３を別部品としたものである。これにより、コイルの巻き線作業を簡素化できると共に、空隙の寸法精度も確保することができる。

＜ティース間の連結部の変形例＞
次に、隣接するティース２２の先端部の形状に関する変形例を図５により説明する。図４で説明した構成例では、先端部２３、すなわち、連結部分の厚みは均一に構成されている。図５においては、隣接するティース２２の先端部を連結するに際して、均等な厚みで連結するのではなく、連結部Ｒの中央と端部で厚みが異なる例について説明する。厚みを異ならせることで、コギングトルクを低減し、先端部２３による磁束の短絡を抑制すると共に、コイル鎖交磁束を増加させることができる。

図５（ａ）の構成例では、連結部Ｒの中央部に凹部２３ａが形成されている。これにより、連結部Ｒについては、端部よりも中央部の方が厚みが薄い状態となる。この凹部２３ａは、空隙δにちょうど対向する側に形成されている。この構成例では、コアバック２１とティース２２が別部品として構成されている。中央部に凹部２３ａを形成することで、コギングトルクを低減し、磁束の短絡を抑制し、回転機特性を向上させることができる。

図５（ｂ）の構成例では、連通部の端部から中央部にかけて、軸方向の厚みが逓減するように形成されている。従って、中央部に凹部２３ｂが形成され、中央部のほうが厚さが薄い形状となっている。厚みを変化させているのは、先端部２３の空隙側である。このように構成することで、コギングトルクを低減し、磁束の短絡を抑制し、回転機特性を向上させることができる。この構成例においても、コアバック２１とティース２２が別部品として構成されている。

図５（ｃ）あるいは（ｃ）’の構成例では、（ａ）あるいは（ｂ）とは異なり凹部２３ｃが空隙δとは反対側に形成されている。従って、空隙δと対向する面は平面に形成されている。これにより、磁束の短絡を抑制し、一層コギングトルクを低減することができ、空隙長の寸法精度も良好となる。

＜ロータの構成例＞
次に、ロータ１における永久磁石片の構成例を図６により説明する。図６（ａ）に示すロータ１の構成例は、図２（ａ）に示すものと同じであり。永久磁石片１０とロータコア１１が円周方向に沿って交互に配置されている。また、永久磁石片１０の磁化方向も円周方向に沿っており、ロータコア１１を挟んで隣り合う永久磁石片１０は同極が対向する（ＳとＳあるいはＮとＮが対向）ように配置されている。この構成によると、ロータコア１１が磁極片として機能し、永久磁石片１０から発生する磁束を効率よくロータコア１１に集中（収束）させることができる。その結果、ロータ１の空隙に対向する面における磁束密度を向上させることができる。また、ｑ軸のインダクタンスが増加し、リラクタンストルクが発生し、回転機特性を向上させることができる。

図６（ｂ）は、永久磁石片１０の空隙δに対向する面と、ロータコア１１との当接面とが交差する角部に面取り１０ａが形成されている。従って、この面取り１０ａは、ロータ１の半径方向に沿って形成されることになる。面取り１０ａを形成した領域には、ロータコア１１により覆われるように構成されている。また、面取り１０ａを形成することにより、ｑ軸のインダクタンスを増加させることができ、ステータ２からの磁束をより多くロータコア１１に集めることができるため、回転機特性を向上させることができる。

図６（ｃ）は、（ａ）の構成に対して、更に表面を薄い鉄板１２で覆った構成例を示している。鉄板１２は、空隙側に配置される。ロータ１の表面を鉄板１２で覆うことにより、永久磁石片１０とロータコア１１が空隙δに露出しない構成となり、空隙側の表面を平面とすることができ、空隙δの寸法精度を確保することができる。その結果、コギングトルクを低減することができる。また、鉄板１２を設けることで、永久磁石片１０の飛散を防止し、ロータ１の強度を向上させることができる。

＜巻き線構造＞
次に、ティース２２に巻回するコイルの巻き線構造について説明する。特に限定しないが、本発明においては、コイル２０はティース２２に整列巻されることが望ましい。図７に整列巻の構成例を示す。整列巻とすることで、コイル２０の占積率を向上させることができ、回転機特性を向上させることができる。（ａ）は丸線コイルを使用した構成例であり、（ｂ）は平角線を使用した構成例である。平角線を使用すれば、更に占積率を向上させることができる。

＜ステータの製造＞
次に、ステータ２の製造方法について説明する。ステータ２は、珪素鋼板を積層して形成することもできるが、圧粉鉄心により形成することが好ましい。図２３（ａ）で説明したように、珪素鋼板を積層する場合、半径方向に積層する必要があるが、図３でも例示したように、平面視で台形形状を有しているため、１つ１つ異なる形状の珪素鋼板を製作しなければならない。そこで、圧粉鉄心を用いて製造することで、コスト低減を図るとともに、形状の自由度が増すという利点が生じる。圧粉鉄心を用いる場合は、少なくとも、ティース２２の一部を圧粉鉄心で製作することができる。例えば、コアバック２１とティース２２を別部品とする場合、ティース２２のみを圧粉鉄心で製作できる。また、図４で示したように、先端部２３を円環状の別部品とする場合は、コアバック２１とティース２２から構成される部分を圧粉鉄心により製作することができる。もちろん、ステータ２の全体を圧粉鉄心により製作してもよい。

＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態にかかるアキシャルギャップ型回転機を図８に模式的に示す。図１では、ロータ１の軸方向両側に夫々ステータ２が空隙δを介して配置される構成例を示したが、１つのステータ２の両側に、２つのロータ１を配置してもよい。ロータ１を２つ設けることで、出力軸を介することなく、複数の対象物を直接駆動できるようになる。

＜上下のステータの配置に関する別実施形態＞
次に、図１〜図３に示す第１実施形態において、２つのステータ２の相対的な位置関係に関する別実施形態を図９により説明する。第１実施形態においては、２つのステータ２におけるティース２２の周方向の位相は同じとなるように配置されているが、この実施形態では図９に示すように周方向に角度θだけずらせている。このθは次式に従い設定することが好ましい。

θ＝（３６０／ＬＣＭ（ｐ・ｓ）／２）×ｎ・・・式（１）
ここでＬＣＭは最小公倍数、ｐは磁極数、ｓはスロット数、ｎは整数である。第１実施形態の場合、ｐ＝８、ｓ＝１２であるから、ｎ＝１とすれば、θ＝７．５゜となる。

このように設定すると、上側のステータ２と下側のステータ２、各々が発生するコギングトルクの周期が半周期ずれるため、各々のコギングトルクが相殺される形となり、コギングトルクを抑制することができる。これにより、回転機特性を向上させることができる。

図９に示す構成例は、ロータ１の両側にステータ２が配置される場合であるが、図１０に示される通り、ステータ２の両側にロータ１が配置される場合も同様に構成を採用することができる。この場合、上下のロータ１の永久磁石片１０を周方向に角度θだけずらして配置する。θは、上記式にしたがって設定することができ、これにより、コギングトルクを抑制することができる。

＜実施例＞
まず、アキシャルギャップ型回転機でステータ２の先端部が連結されていない構造に関して、特性解析を行なった。図１１は、解析を行なった回転機の外観を示す斜視図であり、図１２は、そのステータの構成を示す斜視図、図１３は、そのロータの各構成を示す図である。

回転機の電磁構成は８極１２スロットである。コイル結線は、３相Ｙ結線であり、駆動方法は３相正弦波とした。

図１２には、ステータ２の構成をコイルを巻回した状態（ａ）とコイルを除いた状態（ｂ）を示している。ステータ２のティース２２の先端部２３は、連結されておらず、スリット２４が形成されている（いわゆるスロットオープン）。

図１３には、解析に使用した２つのタイプのロータが示されている。夫々のタイプは、（ａ）通常型（ｂ）反発型である。なお、図中矢印は磁化方向を示している。反発型は、図６で説明したように、永久磁石片１０とロータコア１１が周方向に並べて結合されている。

図１４は、特性の解析結果を示すグラフである。アキシャルギャップ型回転機のロータ２タイプと、同体積のラジアルギャップ型回転機との解析結果を比較して示す。（ａ）は回転数とトルクの関係（ｂ）は回転数と出力の関係（ｃ）は最大トルクの比較（ｄ）は最大出力の比較を夫々示している。

ラジアルギャップ型回転機と比較した場合、２タイプのアキシャルギャップ型回転機については、最大トルクが１．１６〜１．７５倍であり、最大出力が２．５〜２．６倍となっている。この点から、まず、アキシャルギャップ型回転機の優位性が確認された。また、２つのタイプのロータのうち、反発型が最大回転数、最大出力が大きく、特に好ましいものと考えられる。

そこで反発型ロータを有する回転機について、回転角とコギングトルクの関係を解析した結果を図１５に示す。このグラフから分かるように、コギングトルクのｐ−ｐは７１４ｍＮｍと、かなり大きくなっており改善が必要である。

そこで、上記コギングトルクを軽減したモデルを想定して解析を行なった。このモデルの外観形状を図１６に模式的に示す。基本的には、図１１に示すモデルと同じであるが、上下のステータ２のティース２２を周方向にずらせている点と、ティース２２の先端部２３を連結している点が異なる。

図１７は、その解析結果を示すグラフである。式（１）でも説明したが、コギングトルクの周期の１／２（θ＝７．５゜）ずらすことにより、コギングトルクが７９ｍＮｍと大幅に小さくなる。

上下のステータ２のティース２２を全くずらさない場合（θ＝０）と比較すると、θ＝７．５゜とした場合、コギングトルクの大きさは約１／９に減少している。ちなみにθ＝７．５゜は、前述の式（１）を満足する数値である。

図１８は、ラジアルギャップ型と、アキシャルギャップ型のコギング低減前（図１１）、アキシャルギャップ型のコギング低減後（図１６）の特性を比較したグラフを示す。アキシャルギャップ型のロータの構成は反発型である。

このグラフから分かるように、コギング低減後のモデルは、低減前のモデルに比べると、最大トルクが下がり、最大回転数が増加する。また、最大出力はほぼ同じである。また、コギング低減後のモデルをラジアルギャップ型と比較すると、最大トルクが小さくなるが、出力範囲は２．５倍となる。

この解析において、反発型ロータの永久磁石は異方性ボンド磁石であり、ラジアルギャップ型の永久磁石は希土類焼結磁石を使用しているが、反発型ロータの永久磁石を希土類焼結磁石とすれば、更にトルクは向上すると考えられる。

＜ティース先端部の形状とコギングトルクの関係＞
次に、ティース先端部の形状とコギングトルクの関係について解析したので、その結果について説明する。まず、解析に用いたモデルについて説明する。図１９は、モデルとして使用した回転機の構成を示す模式図である。図１９（ａ）に示すように、回転機は、ロータ１の両側に同軸的に２つのステータ２が配置されている。

（ｂ）はロータ１の構成を示し、ＳＳ４００のプレート１２の両側に８極の永久磁石片１０が搭載されている。磁石材質は希土類焼結磁石である。磁化方向は、図１３に示す従来型と同じである。

（ｃ）はコイルを除いたステータ２の構成を示しており、先端部２３は円環状に連結された構成である。先端部２３は、凹凸は形成されておらず、両面フラットタイプである。

図２０は、解析に使用したステータ２の各モデルを示す。図２０（ａ）は、ティース２２の先端部２３に凹部２３ｃが空隙と対向しない側に形成されており、図５（ｃ）で説明した構成と同じである。図２０（ｂ）は、凹部２３ａが空隙と対向する側に形成されており、図５（ａ）で説明した構成と同じである。図２０（ｃ）は、ティース２２の先端部２３を連結しない構成であり、スリット２４が形成されているモデルである。図２０（ｄ）は、先端部２３が両面フラットのタイプである。

図２１は、各ティース２２についての解析結果を示し、（ａ）は各モデルについて回転角とコギングトルクの関係を示すグラフ、（ｂ）は各モデルについて、コギングトルクのｐ−ｐの値を比較して示すグラフである。

この図２１から分かるように、先端部２３を連結しないタイプ（スリット２４を有するタイプ）に比べて、先端部２３を連結することで、コギングトルクの大きさが低減されていることが分かる。また、先端部２３の両面をフラットに形成した方が、凹部を形成するよりもコギングトルクが低減することも判明した。凹部を形成する場合は、空隙側にするか空隙とは反対側（内側）にするかで大きな差は見られなかった。

また、図２２はその解析結果を示すグラフである。（ａ）はロータの回転角とコギングトルクとの関係について、各ずらし角θをパラメータとしてプロットしたものである。解析は８極１２スロットの場合について行い、コギングトルクは１５゜周期で周期的に変化するため、１５゜の範囲でグラフを描いている。（ｂ）はずらし角θとコギングトルクのｐ−ｐを示すグラフである。（ａ），（ｂ）から分かる通り、図２０に示す回転機においては、コギングトルクの周期の１／２（θ＝７．５゜）ずらすことにより、コギングトルクを大幅に小さくすることが可能である。また、（ｂ）からθ＝７．５゜から±２０％の範囲内でコギングトルクを１／３に低減できることが分かる。

本発明の実施形態を種々説明してきたが、本発明はこれらの構成に限定されるものではない。また、上記開示した実施形態を適宜組み合わせて、本発明に係るアキシャルギャップ型回転機とすることができる。

また、本発明に係るアキシャルギャップ型回転機は種々の分野で応用することができ、例えば、空調用圧縮機の圧縮機駆動源、送風機のファン駆動源、自動車の車輪駆動源などに応用することができる。

第１実施形態に係るアキシャルギャップ型回転機の構成を示す模式図 ロータとステータの構成を示す斜視図 ステータの構成を示す平面図 ステータの変形例を示す図 ティースの先端部の変形例を示す図 ロータの構成例を示す図 整列巻の構成例を示す図 第２実施形態に係るアキシャルギャップ型回転機の構成を示す模式図 ２つのステータの位置をずらせた実施形態を示す模式図 ２つのロータの位置をずらせた実施形態を示す模式図 解析を行なった通常型のアキシャルギャップ型回転機の構成を示す図 図１１におけるステータの構成を示す斜視図 図１１において解析を行なったロータの各構成を示す図 特性の解析結果を示すグラフ 反発型ロータを有するアキシャルギャップ型回転機のコギングトルクの大きさを示すグラフ コギングトルクを低減したモデルを示す模式図 コギングトルクの解析結果を示すグラフ 回転機の特性を比較したグラフ ティース先端部の形状とコギングトルクの関係を解析するための使用したアキシャルギャップ型回転機のモデルを示す模式図 ステータのモデルを示す模式図 図１９，２０のモデルによる解析結果を示すグラフ ステータのずらし角とコギングトルクの関係を示すグラフ アキシャルギャップ型回転機とラジアルギャップ型回転機の構成を比較する図

符号の説明

１ ロータ
２ ステータ
２ａ 分割部品
１０ 永久磁石片
１１ ロータコア
２０ アキシャルコイル
２１ コアバック
２２ ティース
２３ 先端部
２３ａ，２３ｂ，２３ｃ 凹部
Ｒ 連結部

Claims (23)

1. 永久磁石を有するロータと、このロータと空隙を介して同軸的に対向配置されるステータであって、コアバックと、このコアバックのロータ対向面に配置された複数のティースと、このティースに巻回されたアキシャルコイルとを有するステータを備えたアキシャルギャップ型回転機において、
   前記複数のティースは、隣接するティースと互いの先端部を連結して構成すると共に、ステータのうちのティースとコアバックにより構成されるステータコアが複数の部品を結合して構成されていることを特徴とするアキシャルギャップ型回転機。
2. 前記ステータは、コアバックとティースが別部品であ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機。
3. 前記ステータは、ティースの先端部が円環状の別部品であ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機。
4. 前記ステータは、ティース毎に分割された複数の部品が周方向に接合されてい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機。
5. 前記ステータは、コアバックがティース毎に分割された複数の部品が周方向に接合されていることを特徴とする請求項３に記載のアキシャルギャップ型回転機。
6. 隣接するティースの連結部は、端部と中央部とで軸方向の厚みが異なっていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のアキシャルギャップ型回転機。
7. 前記連結部は、中央部に凹部が形成されていることを特徴とする請求項６に記載のアキシャルギャップ型回転機。
8. 前記連結部は、端部から中央部にかけて、その軸方向の厚みが逓減していることを特徴とする請求項６に記載のアキシャルギャップ型回転機。
9. 前記ティース及び連結部は、空隙側の軸方向端面が平面に形成されることを特徴とする請求項７又は８に記載のアキシャルギャップ型回転機。
10. 前記ロータは、永久磁石片とロータコアが周方向に交互に配置され、ロータコアを挟んで隣り合う永久磁石片は、同極が対向するように配置されることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載のアキシャルギャップ型回転機。
11. 前記永久磁石片は、ロータコアとの当接面の空隙対向面側の角部に面取りが施されていると共に、この面取り部が前記ロータコアにより覆われていることを特徴とする請求項１０に記載のアキシャルギャップ型回転機。
12. 前記ロータの空隙側軸方向端面が鉄の薄板で覆われていることを特徴とする請求項１０又は１１に記載のアキシャルギャップ型回転機。
13. 前記ステータのうち、少なくともティースの一部は圧粉鉄心により形成されることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載のアキシャルギャップ型回転機。
14. 前記ステータは、前記ロータの軸方向両面に空隙を介して同軸的に対向配置されることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載のアキシャルギャップ型回転機。
15. 前記一対のステータは、互いのティースの位置を周方向に相対的にずらせて配置していることを特徴とする請求項１４に記載のアキシャルギャップ型回転機。
16. 前記ティースの位置のずらし量は、（３６０／ＬＣＭ（ｐ・ｓ）／２）×ｎ度±２０％であることを特徴とする請求項１５に記載のアキシャルギャップ型回転機。ただし、ＬＣＭは最小公倍数、ｐは磁極数、ｓはスロット数、ｎは整数を表す。
17. 前記ロータは、前記ステータの軸方向両面に空隙を介して同軸的に対向配置されることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載のアキシャルギャップ型回転機。
18. 前記一対のロータは、互いの永久磁石片の位置を周方向に相対的にずらせて配置していることを特徴とする請求項１７に記載のアキシャルギャップ型回転機。
19. 前記永久磁石片の位置のずらし量は、（３６０／ＬＣＭ（ｐ・ｓ）／２）×ｎ度±２０％であることを特徴とする請求項１８に記載のアキシャルギャップ型回転機。ただし、ＬＣＭは最小公倍数、ｐは磁極数、ｓはスロット数、ｎは整数を表す。
20. 前記アキシャルコイルが平角線により構成され、前記ティースに整列巻されることを特徴とする請求項１〜１９のいずれか１項に記載のアキシャルギャップ型回転機。
21. 請求項１〜２０のいずれか１項に記載のアキシャルギャップ型回転機を圧縮機駆動源として搭載したことを特徴とする空調用圧縮機。
22. 請求項１〜２０のいずれか１項に記載のアキシャルギャップ型回転機をファン駆動源として搭載したことを特徴とする送風機。
23. 請求項１〜２０のいずれか１項に記載のアキシャルギャップ型回転機を車輪駆動源として搭載したことを特徴とする自動車。

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