JP5128538B2 - アキシャルギャップ型回転電機 - Google Patents

Description

本発明は軸方向にギャップを有するアキシャルギャップ型回転電機（アキシャルギャップ型モータ）に関する。

近年、産業用機器や家電品、自動車部品等において、省エネルギー化の必要性が重要視されるようになってきた。国内で使用される電力使用量のうちの半分以上は、回転電機（モータ）の駆動によって消費されている。従って、回転電機には高効率化と低コストの両立が求められている。
永久磁石同期式回転電機の基本的構造は、軟磁性材料とコイル、永久磁石から構成されている。そして、この回転電機の損失は、鉄損と銅損に大別される。鉄損は、軟磁性材料の特性によって決まる。銅損は、コイルの抵抗値、すなわち、占積率によって決まり、巻線をコンパクトな構造にすればするほど損失を小さくすることができる。効率を高める方法は、これらの損失を小さくできる回転電機の形状や寸法等の設計によって達成されるものであるが、材料の特性を変更することでも高効率化に寄与できる。

アキシャルギャップ型回転電機は、扁平な回転電機構造においては、損失を小さくする方法の一つと考えられる。ロータ軸の軸線方向に薄い扁平なラジアル型回転電機に用いられるステータでは、電磁鋼板を打抜きしてロータ軸の軸線方向に積層して形成された鉄心部に巻線を施す構造とすることが多い。しかし、ロータに対向するトルク出力に有効な鉄心部に対して、コイルのコイルエンド部分の割合が大きくなるので、コイル抵抗値が大きくなり銅損を増加させる。従って、扁平な回転電機構造においては、トルク出力に寄与する鉄心部のロータに対する対向面をロータ軸の軸線方向に配置したアキシャル型が銅損低減に有効となる。また、鉄心部には、鉄損低減のために、高透磁率で鉄損の低い材料を採用することが望ましい。

アキシャルギャップ型回転電機の基本的な構造では、特許文献１に示されるような構造がある。この構造では、ティース部と継鉄部を有している構造であるために、ロータ軸の軸線方向の一方側しかトルク出力に寄与する対向面を持たない。また、ティース部から、継鉄部に磁束を流す構造であるため、三次元的に磁束が流れることを考慮した軟磁性材料を用いる必要がある。これらの要求を満たすためには、圧粉磁心等、磁気特性が三次元的に等方性を有する材料を利用する必要があるが、これらの材料は、一般的に使用される珪素鋼板等に比べて透磁率が低いことや、鉄損が大きいことから、高出力の回転電機を得る上で小形化が困難という問題がある。

前記問題を解決するための方法として、特許文献２に記載の回転電機の技術が提案されている。特許文献２に記載の回転電機では、ステータにおいてロータ軸の軸線方向に２面のロータに対する対向面を設けて、鉄心を珪素鋼板で構成する例が示されている。そして、その鉄心の周囲に巻線した後に樹脂部材でモールドして固定し、ステータを形成する方法が開示されている。

特開２００５−２８７２１２号公報 特開２００７−２７４８５０号公報

しかしながら、熱硬化性樹脂等のエンジニアリングプラスチック等でモールド固定する方法は、従来から回転電機においても使用されているが、いずれも小容量機の回転電機に限定されている。モールド固定では、強度の点から大きなトルク、または高い回転速度の要求される回転電機への使用は困難であった。

本発明は、前記した従来の課題を解決するものであり、アキシャルギャップ型回転電機の小形化と鉄心保持の高強度化を同時に満足し、高効率で、小形のアキシャルギャップ型回転電機を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明は、ロータ軸の軸線方向に沿って、所定の空隙をもってステータを挟んで対向的に、界磁極を構成する永久磁石を周方向に複数有するロータを配置したアキシャルギャップ型回転電機において、前記ステータは、前記ロータ軸の軸線を中心軸として円周方向に沿って、かつ、前記ロータ軸の軸線方向にその軸方向を向けて配置される複数個の棒状のその断面形状が略扇形である固定子鉄心と、該固定子鉄心の断面形状とほぼ同一形状の孔または溝を、前記ロータ軸の軸線を中心軸として円周方向に沿って前記複数個設けた円盤状の継鉄としての機能を有しない導電性の高強度金属材料で構成された固定子鉄心保持部材と、前記固定子鉄心に巻回されたコイルと、を含んで構成され、前記固定子鉄心は、アモルファス金属、圧粉磁心、軸方向に異方性を持った軟磁性材料のいずれかで構成され、前記固定子鉄心保持部材の前記孔または溝に、前記ロータ軸の方向から圧入、焼嵌め、隙間嵌めのいずれかの方法を用いて挿入され、その軸方向の中央部付近において固定保持されており、前記固定子鉄心保持部材は、その外周縁から前記孔または溝に達する径方向の切り欠き部を有し、該切り欠き部によって円周方向に区切られた前記外周縁が、前記ステータとロータを収容する円筒形状のハウジングの内周面と接触する第１の外周縁部と、前記ハウジングの内周面との間に間隙を形成する第２の外周縁部から構成されて、円筒形状の前記ハウジングの内周面に、圧入、焼嵌め、隙間嵌めのいずれかの方法を用いて固定されており、前記固定子鉄心保持部材の前記固定子鉄心を固定保持する前記孔または溝の縁部および前記固定子鉄心のうち少なくとも一方は、前記固定子鉄心保持部材と前記固定子鉄心との間で電流が流れないよう、電気絶縁コーティングがなされ、前記固定子鉄心保持部材と、その径方向内側に配置されるベアリングの保持部材が一体で構成されることを特徴とする。

本発明によれば、固定子鉄心保持部材を、例えば、円筒形状のハウジングに圧入固定することができ、固定子鉄心保持部材が金属等の導電材料で構成される場合、固定子鉄心保持部材の外周縁から孔または溝に達する径方向の切り欠き部を有し、固定子鉄心保持部材の外周縁のうち第２の外周縁部はハウジングと接触しないので、固定子鉄心保持部材に生じる渦電流路の一部が遮断されている形状となり、鉄損を減ずることができる。
また、固定子鉄心及び孔固定子鉄心を固定保持する孔または溝の縁部のうちの少なくとも一方が、電気絶縁コーティングされているので、固定子鉄心を保持した固定鉄心保持部材の孔または溝の縁部と固定子鉄心との間の電気的導通による渦電流損失の発生が抑制できる。

さらに、本発明は、上記の構成に加え、さらに、前記ステータをロータ軸の軸線方向に２つ以上配置することを特徴とする。

本発明によれば、ハウジングに対して強固、高精度に固定子鉄心保持部材を固定することが可能であるため、一つの回転電機に複数個の前記ステータをロータ軸の軸線方向に配置することが可能となる。

本発明によれば、アキシャルギャップ型回転電機の小形化と鉄心保持の高強度化を同時に満足し、高効率で、小形のアキシャルギャップ型回転電機を提供することができる。

第１の実施形態に係る回転電機の部分断面斜視図である。 第１の実施形態に係る回転電機の構成部品をロータ軸方向に展開した分解斜視図である。 第１の実施形態に係る回転電機のステータを構成する鉄心保持部材の構造図であり、（ａ）は、斜視図、（ｂ）は、平面図である。 第１の実施形態の型回転電機のステータに用いられる固定子鉄心の製造方法及び、形状等を説明する図であり、（ａ）は、固定子鉄心切り出し前の電磁鋼板の巻鉄心の形状を説明する斜視図、（ｂ）は、巻鉄心を切り出して形成した固定子鉄心の斜視図、（ｃ）は、磁性粉を圧粉成型した固定子鉄心の斜視図、（ｄ）は磁性粉を角部に角アールを付けて圧粉成型した固定子鉄心の斜視図、（ｅ）は、ほぼ矩形状断面形状の固定子鉄心の斜視図。 ステータを構成する鉄心保持部材に固定子鉄心を固定した後の斜視図。 固定子鉄心にコイルを取り付ける方法の説明図である。 第１の実施の形態に係る回転電機のステータの全体斜視図である。 第１の実施形態に係る回転電機におけるステータの外周縁とハウジング内周面との固定時の取り合い関係を示す説明図である。 第１の実施形態に係る回転電機の１つのロータの斜視図である。 第３の実施形態に係る回転電機の部分断面斜視図である。 第３の実施形態に係る回転電機の構成部品をロータ軸方向に展開した分解斜視図である。 第３の実施形態に係る回転電機の中間ロータの磁石保持方法の説明図であり、（ａ）は、分解斜視図、（ｂ）は組立斜視図である。 第３の実施形態に係る回転電機の中間ロータの磁石保持方法の第１の変形例を説明する図であり、（ａ）は、展開斜視図、（ｂ）は、組立斜視図である。 第３の実施形態に係る回転電機の中間ロータの磁石保持方法の第２の変形例を説明する図であり、（ａ）は、中間ロータの部分断面斜視図とその永久磁石の斜視図、（ｂ）は、（ａ）におけるＡ部、Ｂ部のロータ円盤と永久磁石との固定時の取り合い関係を説明する図である。

以下、本発明の第１の実施形態を図１から図９を参照しながら詳細に説明する。
《第１の実施形態》
図１は、第１の実施形態に係る回転電機の部分断面斜視図であり、図２は、第１の実施形態に係る回転電機の構成部品をロータ軸方向に展開した分解斜視図である。図３は、第１の実施形態に係る回転電機のステータを構成する鉄心保持部材の構造図であり、（ａ）は、斜視図、（ｂ）は、平面図である。
図１に示すように、このアキシャルギャップ型回転電機１０１（以下、単に「回転電機１０１」と称する）は、ステータ２と、同ステータ２のロータ軸１の軸線方向両側面に所定の空隙（ギャップ）をもって対向的に配置される一対のロータ３Ａ，３Ｂとを備え、それらがハウジング４内に格納され、ロータ軸１の軸線方向両外側面（図１における上下外面）を、その中心部にロータ軸孔８ａ（図２参照）を有する円盤状のカバー８で覆われている。
ちなみに、回転電機１０１は、三相の永久磁石同期モータである。

（ロータ）
各ロータ３Ａ，３Ｂは、中心にロータ軸孔３２ａ（図２参照）を有する継鉄（バックヨーク）を兼ねる、例えば、電磁鋼板等からなるロータ円盤３２Ａ，３２Ｂの片面に、永久磁石３１が、ロータ軸１の軸線を中心軸として円周方向に周期的に接着固定され、回転駆動力を出力するロータ軸１に同軸的に、図示省略のキー等により固定されている。
ロータ３Ａ、ロータ３Ｂに接着される永久磁石３１の数は、図２に示すように例えば、６個であり、必ずしも、ステータ２の固定子鉄心２２と鉄心保持部材（固定子鉄心保持部材）２１を挟むコイル２３の対で構成されるポールメンバーの数、例えば、９個と同一である必要は無く、また、永久磁石３１の平面形状も固定子鉄心２２の断面形状と一致させる必要は無い。
ただし、ロータ３Ａの永久磁石３１とロータ３Ｂの永久磁石３１は、ロータ軸１の図２における上側または下側のいずれか一方側から見たとき、周方向に同一位置に、同一形状で周期的に配置されている必要がある。
図２におけるロータ３Ａは下面側から見た斜視図であり、図２におけるロータ３Ｂは上面側から見た斜視図であり、その永久磁石３１の周方向の両端の外形を構成する直線がロータ軸１の軸線を中心とする円の接線と交わる角度は、異なるものとされている。
例えば、図２では、永久磁石３１の平面形状は、ほぼ菱形形状をしている場合を示している。これは、トルク脈動、コギングトルクを低減するための形状の一例である。
ロータ３Ａ，３Ｂには、永久磁石を用いない、かご型構造や、磁性体円盤、導電体円盤、リラクタンスが周方向位置によって異なる回転子等も採用可能であると考えられる。

（ステータ）
図１に示すようにステータ２には、ポールメンバーを構成する棒状の固定子鉄心２２が、その軸方向をロータ軸１の軸線方向に向け、ロータ軸１の軸線を中心軸として円周方向に沿って、周期的に配置され、固定子鉄心２２の周囲にはコイル２３が巻回されている。

このステータ２は、図２に示すように、径方向内方側にベアリング保持部材（ベアリングの保持部材）２５を有している。ベアリング保持部材２５は、ロータ軸１の軸線方向両側に有底の円筒形状空所であるベアリング保持孔２５ａ，２５ａ（図３参照）を備え、その中にボールベアリング５、５を格納し、固定する。ベアリング保持部材２５の外周面のロータ軸１の軸線方向中央から径方向外方側には、ほぼ円盤状の鉄心保持部材２１（図１、図３参照）が径方向外方側に延伸している。
ベアリング保持孔２５ａの有底部にはロータ軸１が貫通し、その外周面との間に間隙を確保されるロータ軸孔２５ｂ（図３参照）が形成されている。
ここでは、鉄心保持部材２１とベアリング保持部材２５は、ともに、高強度なエンジニアリングプラスチック製であり、一体成型されている。

鉄心保持部材２１は、図３に示すように、ベアリング保持部材２５の外周面から径方向外方側に延びる環状の円盤部基部領域２１ｄと、その径方向外周側に径方向外方側につながるほぼ扇形状の鉄心保持領域２１ａ，２１ｂが周方向に周期的に、例えば、２１ａ，２１ｂ，２１ｂ，２１ａ，２１ｂ，２１ｂ，…と配置されている。
鉄心保持領域２１ａは、その径方向外方側に、周方向の両側に部材が延びる縁部（第１の外周縁部）２１ａ₁を有し、鉄心保持領域２１ｂは、その径方向外方側に、周方向の両側に部材が伸びる縁部（第２の外周縁部）２１ｂ₁を有している。

そして、縁部２１ａ₁の径方向外側端のロータ軸１の軸線（回転中心軸）からの距離は、縁部２１ｂ₁の径方向外側端のそれよりよりもやや大きく設定してある。したがって、ステータ２がハウジング４に組み込まれるとき、縁部２１ａ₁の外周面とハウジング４の内周面４ａ（図９参照）とが当接し、縁部２１ｂ₁の外周面とハウジング４の内周面４ａとの間には、間隙が形成されるように構成されている。

また、周方向に隣接する鉄心保持領域２１ａ，２１ｂとの間には、固定子鉄心２２の断面形状とほぼ同一形状の、例えば、ほぼ扇形状の孔または溝２１ｃ₁が形成され、周方向に隣接する鉄心保持領域２１ｂ，２１ｂ同士の間には、同様に固定子鉄心２２の断面形状とほぼ同一形状の、例えば、ほぼ扇形状の孔または溝２１ｃ₂が形成されている。

さらに、周方向に隣接する縁部２１ａ₁の周方向端と縁部２１ｂ₁の周方向端との間、および周方向に隣接する縁部２１ｂ₁の周方向端と縁部２１ｂ₁の周方向端同士の間には、切り欠き部２１ｅが形成されており、隣接する鉄心保持領域２１ａ，２１ｂの間、及び隣接する鉄心保持領域２１ｂ，２１ｂの間は、その径方向外方側で、縁が切られている。

なお、ほぼ扇形状の孔または溝２１ｃ₁，２１ｃ₂は、平面形状は同一形状であり、ステータのポールメンバーの数に対応させて、ロータ軸１の軸線を中心軸として円周方向に沿って周期的に、例えば、２１ｃ₁，２１ｃ₁，２１ｃ₂，２１ｃ₁，２１ｃ₁，２１ｃ₂の順に、形成されている。
なお、孔または溝２１ｃ₁，２１ｃ₂の周縁の隅部は、応力集中を避けるため、角アールを取っておくことが好ましい。
図３の（ｂ）には、鉄心保持部材２１の縁部２１ａ₁，２１ｂ₁と、孔または溝２１ｃ₁，２１ｃ₂に固定子鉄心２２を挿入固定した後に、コイル２３を固定子鉄心２２に挿入固定した状態におけるコイル２３の外形の位置関係を示すため、コイル２３の外形の位置を仮想線で示してある。

（固定子鉄心）
次に、固定子鉄心２２の構成について、図４を参照して説明する。固定子鉄心２２の構成材料は、珪素鋼板、アモルファス、圧粉磁心、パーマロイ、パーメンジュール等の軟磁性材料が使用可能である。珪素鋼板、パーマロイ等の薄板で構成する場合には、図４の（ａ）に示すような巻鉄心２２’としたものを焼鈍して歪取りを行って、樹脂、接着剤等によって固着を行ったものを、図４の（ｂ）のような所定の形状に切断加工して構成した固定子鉄心２２Ａ（図１、図２および後記する図５、図７、図９では、代表的に固定子鉄心２２と表示）とする。
また、アモルファス等の箔帯から構成する場合も、同様の方法でほぼ扇形状の断面形状を有する鉄心を得ることができる。
なお、アモルファス等の箔帯から構成する場合には、図４の（ａ）に示す巻鉄心２２’の形状から切り出さず、直接アモルファス等の箔帯を断面が扇形状になるように巻いて成形することもできる。

磁性粉を樹脂でコーティングしたものを圧粉成形した圧粉磁心で構成される固定子鉄心２２Ｂは、その形状を図４の（ｃ）に示すように直接成形することが可能である。また、成形時に異方性をつけて矢印で示した軸方向に磁気特性の良い方向として構成することも可能である。固定子鉄心２２を圧粉磁心で構成する場合は、軸方向断面の形状が、どのような形状でも成形できるので、図４の（ｄ）に示す固定子鉄心２２Ｃの様な角部に角アールのある形状に成形することが可能である。

板材で固定子鉄心２２を構成する場合、前記と別の方法として、プレス積層方式が考えられる。その場合、扇形形状とせず、図４の（ｅ）のような略四角形の断面形状であれば、このような方法でも固定子鉄心２２Ｄを製造可能である。
固定子鉄心２２の断面形状は、前記したほぼ略扇形形状、矩形に限定されず、円形、楕円の形状でも良い。

次に、図５から図９を参照しながら、適宜図２、図３を参照して、ステータ２の組立方法および回転電機１０１の組立方法について説明する。

（鉄心保持部材への固定子鉄心の取り付け）
図５は、ステータを構成する鉄心保持部材に固定子鉄心を固定した後の斜視図である。
図５に示すように先ず鉄心保持部材２１に形成された扇形状の孔または溝２１ｃ₁，２１ｃ₂（図３参照）に固定子鉄心２２を圧入し、固定する。これは、例えば、孔または溝２１ｃ₁，２１ｃ₂に固定子鉄心２２を一方側から挿入して反対側に突出させる深さ分の受け孔を所定個数有する冶具台上に、鉄心保持部材２１を固定して、固定子鉄心２２を一方側から一つずつ順に圧入することにより、固定子鉄心２２の軸方向中央部が鉄心保持部材２１に容易に固定保持される。ここで、切り欠き部２１ｅが形成されていることにより、鉄心保持領域２１ａ，２１ｂが圧入時に周方向に逃げることができ、孔または溝２１ｃ₁，２１ｃ₂に亀裂が入るのが防止できる。また、孔または溝２１ｃ₁，２１ｃ₂の周縁の隅部には前記したように角アールを取ってあるので、固定子鉄心２２の圧入時に、隅部で亀裂が入るのを防止できる。

（固定子鉄心へのコイルの取り付け）
図６は、固定子鉄心にコイルを取り付ける方法の説明図であり、図７は、第１の実施の形態に係る回転電機のステータの全体斜視図である。
コイル２３，２３は、巻き線中間部２３ａで接続されて一つポールコンポーネントのコイルとして構成される。このコイルの製造方法は、絶縁ボビンに巻かれたコイルを組立てる方法や、固定子鉄心２２に直接巻線を施す方法等で製造される。この際、コイルの巻き線中間部２３ａの接続は、後工程となると複雑な製造工程となるので、固定子鉄心２２の軸方向に配置される２つのコイル２３，２３は連続して巻線を行っておき、軸方向両側から組立てられるような巻き線中間部２３ａを有するようにすることが望ましい。また、さらには、配線の合理化のためには、巻き線端２３ｂ、２３ｂに続けてコイル２３を接続し、３相回転電機としての同一の相のコイルを連続で巻線して組立てする方法が考えられる。このような手順により、回転電機１０１のステータ２を得ることができる。

具体的に１例を説明すると、図６に示すように２組のコイル２３を巻き線中間部２３ａで連結したように、固定子鉄心２２の断面形状が同じ絶縁ボビン（図示せず）２つを用いて、１つのポールメンバー用のコイル２３，２３を形成する。そして、図７に示すようにコイル２３，２３を１つの固定子鉄心２２に対して鉄心保持部材２１の両側から嵌め込む。このとき、ロータ軸１の軸線方向に対して巻き線方向は同じ方向にして組み付ける。その後、樹脂等をコイル２３に含滲させて固定子鉄心２２と固着させる。
ちなみに、巻き線端２３ｂ、２３ｂは同相の他のポールコンポーネント用のコイル２３に接続していても良い。
なお、巻き線中間部２３ａや巻き線端２３ｂはステータ２の鉄心保持領域２１ａ，２１ｂに樹脂等で接着し、ロータ３Ａ，３Ｂと接触しないように固定する。

（ステータのハウジングへの取り付け）
次に、図８を参照しながら、ステータ２をハウジング４に固定する方法を説明する。
図８は、第１の実施形態に係る型回転電機におけるステータの外周縁とハウジング内周面との固定時の取り合い関係を示す説明図である。
図８に示すように円筒状のハウジング４にステータ２を圧入して、ステータ２とハウジング４とを固定可能である。前記したように、鉄心保持部材２１の扇形状の鉄心保持領域２１ａの縁部のみがハウジング４の内周面４ａと当接して、固定される。
なお、図８では図示省略してあるが、既に図８において上面側のベアリング孔２５ｂにはボールベアリング５も挿入固定されている。

（ステータとロータの組立）
図９は、第１の実施形態に係る回転電機の１つのロータの斜視図である。
図２と図９を参照しながらロータ３Ａ，３Ｂのステータ２への組み込み手順を説明する。
まず、図９に示すようにロータ軸１をロータ３Ｂのロータ軸孔３２ａに軸線方向片側から挿入して、キー等によりロータ軸１と一体に固定する。次いで、図９においてロータ３Ｂの上面側にボールベアリング５をロータ軸１に嵌める。そして、それを既にハウジング４に固定されたステータ２のロータ軸孔２５ｂに、図２において下方側からロータ軸１を挿入し、ロータ軸１に嵌められたボールベアリング５をステータ２の下側のベアリング保持孔２５ａ内に嵌合する。このとき、ベアリング保持部材２５の下端部側に位置して保持されるロータ円盤３２Ｂは、永久磁石３１と固定子鉄心２２の対向面において、あらかじめ設計されたギャップ寸法となるような位置関係となっている。

ロータ軸１は、ステータ２の図２おいて上側に突き出る形となる。この上側において、ボールベアリング５をステータ２の上側のベアリング保持孔２５ａ内に嵌合するとともに、ロータ円盤３２Ａのロータ軸孔３２ａにロータ軸１を通し、軸線方向の位置が設計されたギャップ寸法となるような位置関係で組立てる。このとき、ベアリング保持部材２５の上端部側に位置して保持されるロータ円盤３２Ａは、永久磁石３１と固定子鉄心２２の対向面において、あらかじめ設計されたギャップ寸法となるような位置関係となっている。

最後に図２における上下のカバー８をハウジングに接着等の方法で取り付ける。
なお、ステータ２の各ポールコンポーネントに供給する三相電源用の回路基板を一方のカバー８の内部に設けても良い。

本実施形態における回転電機１０１は、ロータ軸１は、ストレート軸としており、ボールベアリング５，５の内輪や、ロータ円盤３２Ａ，３２Ｂのロータ軸孔３２ａ，３２ａとは、圧入で固定されているものとして図示していが、実際には、段付きの軸とすることによって、軸方向の寸法関係を高精度に維持することが可能となる。ベアリング保持部材２５と鉄心保持部材２１は、ハウジング４に強固に固定される構造としてあるので、ハウジング４を外部に固定した構造で、ロータ軸１（出力軸）からの回転出力を得ることができる構造となっている。

《第１の実施形態の変形例》
なお、本実施形態では、鉄心保持部材２１の円盤部基部領域２１ｄ（図３参照）の径方向外方側を、周方向に区切られた鉄心保持領域２１ａ，２１ｂの構成としたがそれに限定されるものではなく、単に、ほぼ扇形状の孔または溝２１ｃ₁，２１ｃ₂が形成された環状円盤の領域の形状でも良い。その場合は切り欠き部２１ｅを設ける必要は無く、必要に応じて、外周部の一部を一定量だけ外方側に張り出した形状としても良い。

本実施形態およびその変形例によれば、鉄心保持部材２１は、エンジニアリングプラスチックで構成されているので、ロータ３Ａ，３Ｂの回転によって鉄心保持部材２１に渦電流が発生することが無く、鉄損の少ない効率の良い回転電機が実現できる。

《第２の実施形態》
次に、図１から図９を参照しながら本発明の第２の実施形態について説明する。
第１の実施形態においては、鉄心保持部材２１およびベアリング保持部材２５は、高強度なエンジニアリングプラスチック製であり、一体成型されているとしたが、それに限定されるものではない。
本実施形態では、鉄心保持部材２１とベアリング保持部材２５は、個別に製作され、鉄心保持部材２１は、例えば、アルミ合金、鋼板等の強度の高い金属材料で構成し、中心部に、例えば、鋼製のほぼ円筒状のベアリング保持部材２５を嵌め込むための円形の孔を有する第１の実施形態における図３に示すような固定子鉄心２２の断面形状とほぼ同一形状の、例えば、ほぼ扇形状の孔または溝２１ｃ₁，２１ｃ₂が形成されたほぼ円盤形状とする。そして、前記した鉄心保持部材２１の中心部の孔に、ベアリング保持部材２５を圧入、焼き嵌め、隙間嵌め等の方法により嵌め込み固定する。
ちなみに、ベアリング保持部材２５は、第１の実施形態と同じ形状をしている。

また、固定子鉄心２２を、孔または溝２１ｃ₁，２１ｃ₂に嵌め込み固定する前に、孔または溝２１ｃ₁，２１ｃ₂の縁部及び固定子鉄心２２の側面の少なくとも一方には、電気絶縁のためのコーティングが施され、その後に、孔または溝２１ｃ₁，２１ｃ₂に固定子鉄心２２を圧入、焼嵌め、隙間嵌め等の方法により、固定子鉄心２２の軸方向中央部を鉄心保持部材２１に固定する。
電気絶縁のためのコーティングとしては、セラミックや、樹脂等非導電材料によるコーティングが圧入時などに剥離し難いので、単なる塗装より都合が良い。もし、塗装の場合は、焼付け塗装が好ましい。

そして、縁部２１ａ₁の径方向外側端のロータ軸１の軸線（回転中心軸）からの距離は、縁部２１ｂ₁の径方向外側端のそれよりよりもやや大きく設定してある。したがって、ステータ２がハウジング４に組み込まれるとき、縁部２１ａ₁の外周面とハウジング４の内周面４ａ（図９参照）とが当接し、縁部２１ｂ₁の外周面とハウジング４の内周面４ａとの間には、間隙が形成されるように構成されている。
さらに、第１の実施形態において、図３で説明したように、周方向に隣接する縁部２１ａ₁の周方向端と２１ｂ₁の周方向端との間、および周方向に隣接する縁部２１ｂ₁の周方向端と２１ｂ₁の周方向端同士の間には、切り欠き部２１ｅが形成されており、隣接する鉄心保持領域２１ａ，２１ｂの間、及び隣接する鉄心保持領域２１ｂ，２１ｂの間は、その径方向外方側で、縁が切られている。

本実施形態におけるステータ２（図１参照）を、ハウジング４に組み込む場合、ロータ軸１の軸線方向に、ステータ２を焼嵌め、圧入、隙間嵌め等の方法を用いてハウジング４とステータ２とを固定可能である。このとき、鉄心保持部材２１は、充分に強度の高い素材を用いているために、圧入や焼嵌めの応力に耐えることができる。

また、ステータ２がハウジング４に組み込まれたとき、縁部２１ａ₁の外周面とハウジング４の内周面４ａ（図９参照）とが当接し、縁部２１ｂ₁の外周面とハウジング４の内周面４ａとの間には、間隙が形成されるように構成されているので、回転電機１０１の固定子鉄心２２を流れる磁束によって、鉄心保持部材２１にその磁束を妨げる方向に渦電流が発生するが、ハウジング４が鋼板やアルミ合金等の導電性部材で構成されていても固定子鉄心２２の周囲を流れる電流路を遮断することができる。もちろん、ハウジング４が鋼板やアルミ合金等の導電性部材で構成されている場合は、縁部２１ａ₁の外周面及びハウジング４の内周面４ａの内の少なくとも一方を前記したように電気絶縁コーティングしておくことが望ましい。

また、固定子鉄心２２の側面及びほぼ扇形状の孔または溝２１ｃ₁，溝２１ｃ₂の縁部のうちの少なくとも一方が、電気絶縁コーティングされているので、固定子鉄心２２を保持した鉄心保持部材２１の孔または溝２１ｃ₁，溝２１ｃ₂の縁部と固定子鉄心２２との間の電気的導通による渦電流損失の発生が抑制できる。
本実施形態によれば、ベアリング保持部材２５と鉄心保持部材２１は、ハウジング４に強固に固定される構造としてあるので、ハウジング４を外部に固定した構造で、第１の実施形態の場合よりもロータ軸１（出力軸）からのより大きな回転出力を得ることができる構造となっている。

《第３の実施形態》
次に、図１０から図１４を参照しながら第３の実施形態に係る回転電機について説明する。
図１０は、第３の実施形態に係る回転電機の部分断面斜視図であり、図１１は、第３の実施形態に係る回転電機の構成部品をロータ軸方向に展開した分解斜視図である。

図１０に示すように、このアキシャルギャップ型回転電機１０５（以下、単に「回転電機１０５」と称する）は、前記した第１の実施形態または第２の実施形態におけるステータ２が、２段にロータ軸１の軸線方向にハウジング４内に格納され、図１０において上段のステータ２の上側には、前記した第１の実施形態におけるロータ３Ａが配置され、上下２段のステータ２，２の間には中間ロータであるロータ３Ｃが配置され、図１０において下段のステータ２の下側には、前記した第１の実施形態におけるロータ３Ｂが配置され、ロータ軸１の軸線方向両外側面（図１０における上下面）を、その中心部にロータ軸孔８ａ（図１１参照）を有する円盤状のカバー８で覆われている。
ちなみに、回転電機１０５は、三相の永久磁石同期モータである。

なお、第１及び第２の実施形態では、ステータ２を構成しているベアリング保持部材２５のロータ軸１の軸線方向両側のベアリング保持孔２５ａ，２５ａ（図１、図３参照）それぞれにボールベアリング５，５が嵌め込まれているが、本実施形態においては、図１０において上段のステータ２を構成しているベアリング保持部材２５の上側のベアリング保持孔２５ａにボールベアリング５が嵌め込まれ、下段のステータ２を構成しているベアリング保持部材２５の下側のベアリング保持孔２５ａにボールベアリング５が嵌め込まれている点が、第１の実施形態及び第２の実施形態と異なる。
第１の実施形態または第２の実施形態と同じ構成には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。

（中間ロータ）
次に、図１２を参照しながら本実施形態の特徴である中間ロータであるロータ３Ｃの構成について説明する。図１２は、第３の実施形態に係る回転電機の中間ロータの磁石保持方法の説明図であり、（ａ）は、分解斜視図、（ｂ）は組立斜視図である。
ロータ３Ａ，３Ｂは、そのロータ円盤３２Ａ，３２Ｂが永久磁石３１に対する継鉄部（バックヨーク）を構成する構造であるが、ロータ３Ｃでは、そのロータ円盤（界磁極保持部材）３２Ｃは永久磁石３１に対する継鉄部を構成しない。つまり、ロータ円盤３２Ｃは、非磁性体や、非導電性の材料で構成されることが好ましく、例えば、高強度のエンジニアリングプラスチックで構成されたほぼ円盤状の構成である。そして、ロータ円盤３２Ｃは、中心にロータ軸孔３２ａを有するとともに、永久磁石３１を保持するための保持孔（磁石保持孔）３２ｂを、ロータ３Ａ，３Ｂにおける永久磁石３１の配置と同じ周期性及び形状でもって設けられている。永久磁石３１は、保持孔３２ｂに接着固定する構造とする。これによって、ロータ３Ｃの永久磁石３１は、図１２の（ｂ）に示すように、ロータ円盤３２Ｃの中にきっちり配置されてロータ軸１の軸線方向両側の面を有効に使用できるロータを構成することができる。

ちなみに、図１１において、周方向に同一の位置に配置されるロータ３Ａの永久磁石３１と、ロータ３Ｃの永久磁石３１と、ロータ３Ｂの永久磁石３１とは、ステータ２側に面する磁性の極性が、例えば、上から順にＮ極（ロータ３Ａ）、Ｓ極（ロータ３Ｃの図１１における上側の面）、Ｎ極（ロータ３Ｃの図１１における下側の面）、Ｓ極（ロータ３Ｂ）、または、上から順にＳ極（ロータ３Ａ）、Ｎ極（ロータ３Ｃの図１１における上側の面）、Ｓ極（ロータ３Ｃの図１１における下側の面）、Ｎ極（ロータ３Ｂ）になるように配置する。

本実施形態の回転電機１０５によれば、トルク出力に寄与するギャップ面を４面有することになり、出力の大きな回転電機１０５を得ることができる。アキシャルギャップ型回転電機においては、ロータ軸１の軸線方向に扁平となる特徴を有しており、その出力を大きくするためには、径を大きくする必要があったが、本実施形態によれば、ロータ軸１の軸線方向にステータと中間ロータを重ねていくことで大きな出力の回転電機を得ることが可能となる。
また、ハウジング４へのステータ２の固定方法については、ハウジング４の内径を変化させて段付きとすることで、ハウジング４内へステータ２を固定する場合の、ステータ２のロータ軸１の軸線方向の位置決め精度を向上することも可能である。

（中間ロータの磁石固定方法の第１の変形例）
次に、図１３を参照しながら永久磁石３１Ｂを前記と同様の構造となるよう保持するロータ３Ｃの第１の変形例であるロータ３Ｄの構造について説明する。
図１３は、第３の実施形態に係る回転電機の中間ロータの磁石保持方法の第１の変形例を説明する図であり、（ａ）は、展開斜視図、（ｂ）は、組立斜視図である。
ロータ３Ｄは、中心部にロータ軸孔３３ａを有する２枚のロータ円盤片面（界磁極保持部材）３３Ａ、３３Ｂと、その間に挟まれて保持される永久磁石３１Ｂとから構成される。図１３の（ａ）に示すように永久磁石３１Ｂは、両面にほぼ径方向の溝３１ａ₁，３１ａ₂を有する。そして、ロータ円盤片面３３Ａ、３３Ｂは、永久磁石３１Ｂを保持するための保持孔（磁石保持孔）３３ｂをロータ３Ｃの保持孔３２ｂ（図１２参照）と同様に有するが、保持孔３２ｂの永久磁石３１の前記した溝３１ａ₁，３１ａ₂と対応する位置に、かつ、ステータ２（図１１参照）に面する側に、永久磁石３１Ｂのロータ軸１の軸線方向の移動を拘束するためのブリッジ部３３ｃ₁，３３ｃ₂が設けられている。このブリッジ部３３ｃ₁，３３ｃ₂は、ロータ円盤片面３３Ａ、３３Ｂのロータ軸１の軸線方向の厚みよりも薄く構成して、ブリッジ部３３ｃ₁，３３ｃ₂の位置に対応する部分の永久磁石３１Ｂのロータ軸１の軸線方向の厚みを著しく低下させないようにする。ちなみに、２枚のロータ円盤片面３３Ａ、３３Ｂは、ロータ３Ｄの厚さが、永久磁石３１Ｂの最大厚みよりも大きくならないようにしてある。

ロータ円盤片面３３Ａ、３３Ｂの間に永久磁石３１Ｂを配置して、ロータ円盤片面３３Ａ、３３Ｂ同士及び永久磁石３１Ｂを接着材で図１３の（ｂ）に示すように組み立てる。
永久磁石３１Ｂは、保持孔３２ｂの窓３３ｂ₁，３３ｂ₂（図１３の（ａ）参照）から磁性の極面をステータ２側（図１１参照）露出する。
なお、図１３においては、溝３１ａ₁，３１ａ₂やブリッジ部３３ｃ₁，３３ｃ₂をほぼ径方向に同一周方向位置で設ける構成としたがそれに限定されるものではない。より永久磁石３１Ｂの溝３１ａ₁，３１ａ₂における強度を上げるために、ブリッジ部３３ｃ₁，３３ｃ₂を、例えば、Ｘ字状に配置し、溝３１ａ₁，３１ａ₂をそれに対応させて設けても良い。

本変形例のように永久磁石３１Ｂをロータ３Ｄに固定することにより、ロータ３Ｃにおける永久磁石３１と保持孔３２ｂの縁部との接着面よりも接着面積が増えることと、ブリッジ部３３ｃ₁，３３ｃ₂による保持とにより、永久磁石３１Ｂに対するロータ軸１の軸線方向の吸引力や斥力に対するロータ３Ｄの永久磁石３１Ｂの保持機能が強化され、永久磁石３１Ｂの脱落などの可能性を低減できる。かつ、ロータ軸１の軸線方向に薄い中間ロータを構成できる。

（中間ロータの磁石固定方法の第２の変形例）
次に、図１４を参照しながら永久磁石３１Ｃを前記と同様の構造となるよう保持するロータ３Ｃの第２の変形例であるロータ３Ｅの構造について説明する。
図１４は、第３の実施形態に係る回転電機の中間ロータの磁石保持方法の第２の変形例を説明する図であり、（ａ）は、中間ロータの部分断面斜視図とその永久磁石の斜視図、（ｂ）は、（ａ）におけるＡ部、Ｂ部のロータ円盤と永久磁石との固定時の取り合い関係を説明する図である。本変形例のロータ３Ｅを構成するロータ円盤（界磁極保持部材）３２Ｄは、その中心部にロータ軸孔３２ａを有する１枚もののほぼ円盤形状をしており、永久磁石３１Ｃを保持するための保持孔（磁石保持孔）３２ｂを、ロータ３Ａ，３Ｂにおける永久磁石３１の配置と同じ周期性及び形状でもって設けられている。

保持孔３２ｂに取り付ける永久磁石３１Ｃは、先に成形されたロータ円盤３２Ｄに設けられた保持孔３２ｂに、後から射出成形等の手段を用いてインサート成形された樹脂成形磁石である。このような成形法により、永久磁石３１Ｃは、図１４の（ａ）のＡ部、Ｂ部を示した図１４の（ｂ）に示すように、その平面形状の周縁部のロータ軸１の軸線方向両側が保持孔３２ｂの縁部を挟み込むように成形され、ロータ円盤３２Ｄに固定される。そして、永久磁石３１Ｃのロータ軸１の軸線方向両面が、露出し、ロータ円盤３２Ｄの厚みは、永久磁石３１Ｃよりも薄く構成されている。
なお、樹脂成形磁石は、例えば、フェライトと熱可塑性樹脂からなるフェライトボンド磁石用樹脂複合材料を用いて成形されるものが良く知られている。

本変形例のように永久磁石３１Ｃをロータ３Ｅに固定することにより、ロータ３Ｃにおける永久磁石３１と保持孔３２ｂの縁部との接着面よりも、永久磁石３１Ｃに対するロータ軸１の軸線方向の吸引力や斥力に対するロータ３Ｅの永久磁石３１Ｃの保持機能が強化され、永久磁石３１Ｃの脱落などの可能性を低減できる。かつ、ロータ軸１の軸線方向に薄い中間ロータを構成できる。

１ ロータ軸
２ ステータ
３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ，３Ｅ ロータ
４ ハウジング
４ａ 内周面
５ ボールベアリング
８ カバー
８ａ ロータ軸孔
２１ 鉄心保持部材
２１ａ₁ 縁部（第１の外周縁部）
２１ｂ₁ 縁部（第２の外周縁部）
２１ｃ₁，２１ｃ₂ 孔または溝
２１ 鉄心保持部材（固定子鉄心保持部材）
２１ａ，２１ｂ 鉄心保持領域
２１ｄ 円盤部基部領域
２１ｅ 切り欠き部
２２，２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｄ 固定子鉄心
２３ コイル
２３ａ 巻き線中間部
２３ｂ 巻き線端
２５ ベアリング保持部材（ベアリングの保持部材）
２５ａ ベアリング保持孔
２５ｂ ロータ軸孔
３１，３１Ｂ，３１Ｃ 永久磁石
３１ａ₁，３１ａ₂ 溝
３２Ａ，３２Ｂ ロータ円盤
３２Ｃ，３２Ｄ ロータ円盤（界磁極保持部材）
３２ａ，３３ａ ロータ軸孔
３２ｂ，３３ｂ 保持孔（磁石保持孔）
３３Ａ，３３Ｂ ロータ円盤片面（界磁極保持部材）
３３ｃ₁，３３ｃ₂ ブリッジ部
３３ｂ₁，３３ｂ₂ 窓
１０１，１０５ アキシャルギャップ型回転電機

Claims (5)

1. ロータ軸の軸線方向に沿って、所定の空隙をもってステータを挟んで対向的に、界磁極を構成する永久磁石を周方向に複数有するロータを配置したアキシャルギャップ型回転電機において、
   前記ステータは、
   前記ロータ軸の軸線を中心軸として円周方向に沿って、かつ、前記ロータ軸の軸線方向にその軸方向を向けて配置される複数個の棒状のその断面形状が略扇形である固定子鉄心と、
   該固定子鉄心の断面形状とほぼ同一形状の孔または溝を、前記ロータ軸の軸線を中心軸として円周方向に沿って前記複数個設けた円盤状の継鉄としての機能を有しない導電性の高強度金属材料で構成された固定子鉄心保持部材と、
   前記固定子鉄心に巻回されたコイルと、を含んで構成され、
   前記固定子鉄心は、アモルファス金属、圧粉磁心、軸方向に異方性を持った軟磁性材料のいずれかで構成され、前記固定子鉄心保持部材の前記孔または溝に、前記ロータ軸の方向から圧入、焼嵌め、隙間嵌めのいずれかの方法を用いて挿入され、その軸方向の中央部付近において固定保持されており、
   前記固定子鉄心保持部材は、その外周縁から前記孔または溝に達する径方向の切り欠き部を有し、該切り欠き部によって円周方向に区切られた前記外周縁が、前記ステータとロータを収容する円筒形状のハウジングの内周面と接触する第１の外周縁部と、前記ハウジングの内周面との間に間隙を形成する第２の外周縁部から構成されて、円筒形状の前記ハウジングの内周面に、圧入、焼嵌め、隙間嵌めのいずれかの方法を用いて固定されており、
   前記固定子鉄心保持部材の前記固定子鉄心を固定保持する前記孔または溝の縁部および前記固定子鉄心のうち少なくとも一方は、前記固定子鉄心保持部材と前記固定子鉄心との間で電流が流れないよう、電気絶縁コーティングがなされ、
   前記固定子鉄心保持部材と、その径方向内側に配置されるベアリングの保持部材が一体で構成されることを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
2. ロータ軸の軸線方向に沿って、少なくともロータ、ステータ、ロータ、ステータ、ロータの順に交互に配置し、そして前記複数のロータのうち前記ロータ軸の軸線方向の両端に配されたものを一端側ロータ及び他端側ロータとし、前記ステータ同士に挟まれる位置に配置されるものを中間ロータとし、前記それぞれのステータ、ロータ間に所定の空隙を有するとともに、前記ステータを前記ロータ軸の軸線方向に沿って２つ以上配置したアキシャルギャップ型回転電機において、
   前記各ロータは、界磁極を構成する永久磁石を周方向に複数有し、
   前記各ステータは、
   前記ロータ軸の軸線を中心軸として円周方向に沿って、かつ、前記ロータ軸の軸線方向にその軸方向を向けて配置される複数個の棒状のその断面形状が略扇形である固定子鉄心と、
   該固定子鉄心の断面形状とほぼ同一形状の孔または溝を、前記ロータ軸の軸線を中心軸として円周方向に沿って前記複数個設けた円盤状の継鉄としての機能を有しない導電性の高強度金属材料で構成された固定子鉄心保持部材と、
   前記固定子鉄心に巻回されたコイルと、を含んで構成され、
   前記固定子鉄心は、アモルファス金属、圧粉磁心、軸方向に異方性を持った軟磁性材料のいずれかで構成され、前記固定子鉄心保持部材の前記孔または溝に、前記ロータ軸の方向から圧入、焼嵌め、隙間嵌めのいずれかの方法を用いて挿入され、その軸方向の中央部付近において固定保持されており、
   前記固定子鉄心保持部材は、その外周縁から前記孔または溝に達する径方向の切り欠き部を有し、該切り欠き部によって円周方向に区切られた前記外周縁が、前記ステータとロータを収容する円筒形状のハウジングの内周面と接触する第１の外周縁部と、前記ハウジングの内周面との間に間隙を形成する第２の外周縁部から構成されて、円筒形状の前記ハウジングの内周面に、圧入、焼嵌め、隙間嵌めのいずれかの方法を用いて固定されており、
   前記固定子鉄心保持部材の前記固定子鉄心を固定保持する前記孔または溝の縁部および前記固定子鉄心のうち少なくとも一方は、前記固定子鉄心保持部材と前記固定子鉄心との間で電流が流れないよう、電気絶縁コーティングがなされ、
   前記固定子鉄心保持部材と、その径方向内側に配置されるベアリングの保持部材が一体で構成されることを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機。
3. 前記中間ロータは、前記界磁極を構成する前記永久磁石の前記ロータ軸の軸線方向の両側を露出させて保持する界磁極保持部材を有し、継鉄部を有しない構成とすることを特徴とする請求項２に記載のアキシャルギャップ型回転電機。
4. 前記中間ロータの前記界磁極を構成する前記永久磁石を保持する界磁極保持部材は、２枚の円盤状部材によって前記永久磁石を前記ロータ軸の軸線方向に挟み込んで保持することを特徴とする請求項２に記載のアキシャルギャップ型回転電機。
5. 前記中間ロータの前記界磁極を構成する前記永久磁石を保持する界磁極保持部材は、前記永久磁石を保持する磁石保持孔を有し、その磁石保持孔に前記永久磁石を樹脂成形により取り付けることを特徴とする請求項２に記載のアキシャルギャップ型回転電機。

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