特開 2024-40651 アキシャルギャップ型回転電機、ステータコア

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024040651

(43)【公開日】2024-03-26

(54)【発明の名称】アキシャルギャップ型回転電機、ステータコア

(51)【国際特許分類】

   H02K 1/14 20060101AFI20240318BHJP

   H02K 1/02 20060101ALI20240318BHJP

【ＦＩ】

H02K1/14 Z

H02K1/02 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】11

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022145125

(22)【出願日】2022-09-13

(71)【出願人】

【識別番号】000002107

【氏名又は名称】住友重機械工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105924

【弁理士】

【氏名又は名称】森下 賢樹

(74)【代理人】

【識別番号】100116274

【弁理士】

【氏名又は名称】富所 輝観夫

(72)【発明者】

【氏名】木下 創

【テーマコード（参考）】

5H601

【Ｆターム（参考）】

5H601AA16

5H601CC01

5H601CC05

5H601CC15

5H601DD09

5H601DD12

5H601EE19

5H601GA02

5H601GB05

5H601GB13

5H601GB48

5H601HH02

(57)【要約】

【課題】本発明の目的は、ステータの熱を効率的に除去することが可能なアキシャルギャップ型回転電機を提供することである。
【解決手段】アキシャルギャップ型回転電機１００は、回転軸線Ｌａを中心に回転可能なロータ２と、回転軸線Ｌａに平行な軸方向にロータ２と対向して配置されるステータコア４と、ステータコア４に装着されるコイル８と、を備える。ステータコア４は、複数の軟磁性線材４１を含み、複数の軟磁性線材４１は、中空部４６を有する中空軟磁性線材４５を含む。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

回転軸線を中心に回転可能なロータと、
前記回転軸線に平行な軸方向に前記ロータと対向して配置されるステータコアと、
前記ステータコアに装着されるコイルと、
を備え、
前記ステータコアは、複数の軟磁性線材を含み、
前記複数の軟磁性線材は、中空部を有する中空軟磁性線材を含む、アキシャルギャップ型回転電機。

【請求項2】

前記中空軟磁性線材の前記中空部に冷媒が流通する、請求項１に記載のアキシャルギャップ型回転電機。

【請求項3】

前記複数の軟磁性線材は、軸方向と交差する方向に伸びる第１軟磁性線材と、軸方向に伸びる第２軟磁性線材と、を含み、前記第２軟磁性線材は、前記中空軟磁性線材と、中実に形成された非中空軟磁性線材とを含む、請求項１または２に記載のアキシャルギャップ型回転電機。

【請求項4】

前記中空軟磁性線材の外径は、前記非中空軟磁性線材の外径よりも大きい、請求項３に記載のアキシャルギャップ型回転電機。

【請求項5】

前記中空部の内径は、前記中空軟磁性線材の外径の４０％以上で６０％以下である、請求項１に記載のアキシャルギャップ型回転電機。

【請求項6】

前記非中空軟磁性線材の外径は、前記中空軟磁性線材の外径の４０％以上で６０％以下であり、前記非中空軟磁性線材の外径は、前記中空部の内径の８０％以上で１２０％以下である請求項３に記載のアキシャルギャップ型回転電機。

【請求項7】

前記中空軟磁性線材は、前記非中空軟磁性線材の素材と実質的に同一の素材で形成される、請求項３に記載のアキシャルギャップ型回転電機。

【請求項8】

前記第１軟磁性線材は、中実に形成される、請求項３に記載のアキシャルギャップ型回転電機。

【請求項9】

前記第１軟磁性線材は、前記第２軟磁性線材の集合体の周りに巻回される、請求項３に記載のアキシャルギャップ型回転電機。

【請求項10】

複数の軟磁性線材からなるステータコアであって、
前記複数の軟磁性線材は、中空部を有する中空軟磁性線材を含む、ステータコア。

【請求項11】

前記中空軟磁性線材の前記中空部は、冷媒を通過させるための通路である、請求項１０に記載のステータコア。

【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ステータコアに関する。

【背景技術】

【0002】

ロータとステータとが軸方向に対向配置されたアキシャルギャップ型回転電機が知られている。例えば特許文献１には、ロータと、ロータに対して空隙を介して軸方向に対向配置されたステータとを備えるアキシャルギャップ型回転電機が記載されている。ステータは、周方向に配置された複数のステータコアと、各ステータコアの周囲に巻回された複数のコイルとを含む。ステータコアは、軟磁性材料からなる複数の線材が軸方向に沿って束ねられた束状コアと、複数の線材のうち少なくとも一部が傾斜した変形コアとを含む。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２１－６９２６８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

回転電機の性能を向上する観点から、回転電機の鉄心材料として、透磁率が高く、鉄損が少なく、飽和磁束密度が高いなどの優れた磁気特性を備えた軟磁性材料が求められる。また、回転電機は、ステータコアの熱を効率的に除去できることが望ましい。しかし、ステータコアの熱を効率的に除去するという観点から、特許文献１は十分な開示がなされていない。

【0005】

本発明の目的は、このような課題に鑑みてなされたもので、熱を効率的に除去することが可能な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】

【0006】

上記課題を解決するために、本発明のある態様のアキシャルギャップ型回転電機は、回転軸線を中心に回転可能なロータと、回転軸線に平行な軸方向にロータと対向して配置されるステータコアと、ステータコアに装着されるコイルと、を備える。ステータコアは、複数の軟磁性線材を含み、複数の軟磁性線材は、中空部を有する中空軟磁性線材を含む。

【0007】

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや、本発明の構成要素や表現を方法、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、熱を効率的に除去することが可能な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。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施形態に係るアキシャルギャップ型回転電機を模式的に示す側面図である。

【図2】図１のアキシャルギャップ型回転電機のステータを示す平面図である。

【図3】図２のステータのステータコアを示す平面図である。

【図4】図３のステータコアのＡ－Ａ線に沿った断面図である。

【図5】図３のステータコアの中空軟磁性線材の付近を拡大して示す拡大図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明を好適な実施形態をもとに各図面を参照しながら説明する。実施形態および変形例では、同一または同等の構成要素、部材には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、各図面における部材の寸法は、理解を容易にするために適宜拡大、縮小して示される。また、各図面において実施形態を説明する上で重要ではない部材の一部は省略して表示する。

【0011】

また、第１、第２などの序数を含む用語は多様な構成要素を説明するために用いられるが、この用語は一つの構成要素を他の構成要素から区別する目的でのみ用いられ、この用語によって構成要素が限定されるものではない。

【0012】

［実施形態］
図面を参照して実施形態に係るアキシャルギャップ型回転電機１００（以下、「回転電機１００」ということがある）の構成を説明する。なお、本明細書では、回転部を有する電気機械を「回転電機」といい、回転電機は、電動機、発電機、電動機兼発電機を含む。この例の回転電機１００は電動機、発電機または電動機兼発電機として使用できる。

【0013】

図１は、回転電機１００の一例を模式的に示す側面図である。回転電機１００は、ロータ２と、ステータ３を備える。ロータ２は、回転軸線Ｌａを中心に回転可能に設けられる。以下、回転軸線Ｌａに平行な方向を軸方向（図中で上下方向）といい、回転軸線Ｌａと直交する平面において回転軸線Ｌａに直交する方向を径方向といい、回転軸線Ｌａを中心とする円の周方向を「周方向」という。図１で上側を「上」といい、その反対側を「下」ということがある。このような方向の表記は回転電機１００の姿勢を制限するものではなく、回転電機１００は任意の姿勢で使用されうる。

【0014】

図１の例では、回転電機１００は、２つのロータ２と１つのステータ３を備えるいわゆるダブルロータ構造である。回転電機１００では、２つのロータ２が１つのステータ３の上下両側に配置される。ロータ２は、軸受手段２８によって、回転軸線Ｌａを中心にして回転可能に支持されている。ロータ２とステータ３とは、軸方向にエアギャップを介して対向する。

【0015】

ロータ２は、ロータヨーク２２と、円環状のマグネット２４と、シャフト１２とを有する。ロータヨーク２２は、軟磁性を有する円板である。シャフト１２は、回転軸線Ｌａに沿った棒状のステンレス部材で、ロータヨーク２２の中心を貫通して配置され、ロータヨーク２２に固定される。マグネット２４は、ロータヨーク２２に接着固定される。マグネット２４は、ステータコア４と対向する対向面２５に、周方向に所定の間隔で配置された複数（例えば１０個）の駆動磁極２６を有する。一例として、実施形態のマグネット２４は、ネオジウム磁石である。マグネット２４は、駆動磁極２６から磁路に磁束（以下、単に「磁束Ｆ」という）を供給する。駆動磁極２６は、磁束Ｆの矢印の出る側がＮ極であり、入る側がＳ極である。

【0016】

例えば、上下２のマグネット２４は、一方のマグネット２４の駆動磁極２６がＮ極である場合、他方のマグネット２４の駆動磁極２６がＳ極になるように配置される。磁束Ｆは一方のＮ極から他方のＳ極に向かって軸方向に流れる。

【0017】

図２も参照してステータ３を説明する。図２は、回転電機１００のステータ３を示す平面図である。ステータ３は、ステータ支持部材３３と、複数のステータコア４と、複数のコイル８とを有する。ステータ支持部材３３は、非磁性材料からなる円板状の部材である。この非磁性材料として、樹脂素材、炭素素材、ガラス素材、非磁性金属素材、セラミック素材などを採用できる。ステータ支持部材３３の中心には軸受手段２８が設けられ、軸受手段２８にはシャフト１２が上下に挿通される。軸受手段２８は転がり軸受である。この構成により、ステータ３は、ロータ２を回転可能に支持できる。

【0018】

複数（例えば６個）のステータコア４は、周方向に所定の間隔（例えば６０°間隔）でステータ支持部材３３に接着固定される。この例では、ステータコア４は、ステータ支持部材３３に設けられた孔３４に挿通され、ステータ支持部材３３の上下に突出する。コイル８は、ステータ支持部材３３の上下両側において、ステータコア４それぞれに設けられる。この例のコイル８は、樹脂被覆された銅線がステータコア４に巻回された巻線で、三相電機子巻線として構成される。

【0019】

ステータコア４は、エアギャップを挟んで複数の駆動磁極２６と対向する。つまり、ステータコア４は、ロータ２と対向して配置される。ステータコア４は、駆動磁極２６からの磁束Ｆの磁路（磁束Ｆの通り路）を構成する。複数のコイル８は、複数のステータコア４それぞれに巻回される。複数のコイル８は、ステータコア４を通る磁束Ｆと鎖交する。ステータコア４とコイル８は電磁石として機能する。

【0020】

図３、図４、図５を参照してステータコア４を説明する。図３は、ステータコア４を示す平面図であり、図４は、ステータコア４のＡ－Ａ線に沿った断面図である。図５は、ステータコア４の中空軟磁性線材４５（後述する）の付近を拡大して示す拡大図である。ステータコアを板材や箔材から製造する場合、加工困難性や鉄損増加等の問題を生じることがある。そこで、実施形態のステータコア４は、複数の軟磁性線材４１を含んで構成される。

【0021】

軟磁性線材４１は、所望の磁気特性を得る観点から、主成分の鉄（Ｆｅ）に所定の添加元素を含有できる。この添加元素としては、炭素（Ｃ）、シリコン（Ｓｉ）、マンガン（Ｍｎ）、リン（Ｐ）、硫黄（Ｓ）等が挙げられる。この例の軟磁性線材４１は、主成分の鉄（Ｆｅ）に０．１質量％～６．０質量％のシリコン（Ｓｉ）を含有する。添加元素の種類と含有率は、所望の特性に応じて、実験またはシミュレーションにより設定できる。

【0022】

軟磁性線材４１は、素材を引き抜き加工などの塑性加工によって、所望の太さの線材に延伸して形成できる。軟磁性線材４１の外径（断面の外面に外接する円の直径）は、大きすぎると渦電流損が増え、小さすぎると生産性が低下する。これらから、軟磁性線材４１の外径は、所望の特性を得るように実験またはシミュレーションにより設定できる。軟磁性線材４１の断面形状は、円形、楕円形、多角形等であってもよい。軟磁性線材４１の外表面は、渦電流損を減らす観点から絶縁されてもよい。軟磁性線材４１は、加工歪みを減らすため、延伸加工後に所定の熱処理が施される。

【0023】

図３、図４、図５を参照して第１軟磁性線材４２と第２軟磁性線材４３を説明する。図３は、ステータコア４を示す平面図である。図４は、ステータコア４のＡ－Ａ線に沿った断面図である。実施形態では、複数の軟磁性線材４１は、軸方向と交差する方向に伸びる第１軟磁性線材４２と、軸方向に伸びる第２軟磁性線材４３と、を含む。第２軟磁性線材４３は、ステータコア４の軸方向寸法に切断され、複数に束ねられて円筒状の集合体を形成する。第１軟磁性線材４２は、第２軟磁性線材４３の集合体の周りに巻かれた線輪状の集合体を形成する。

【0024】

一例として、第１軟磁性線材４２は、磁化容易方向が変化する程度に熱処理が施されてもよい。例えば、第１軟磁性線材４２は、線材の延伸方向に交差する方向（例えば直交する方向）磁化容易方向が存在してもよい。例えば、第２軟磁性線材４３は、線材の延伸方向に磁化容易方向が存在してもよい。

【0025】

ステータコア４の第１軟磁性線材４２が、駆動磁極２６と対向するとき、駆動磁極２６から供給された磁束Ｆは、線材の筒状側面から反対側の側面に通過する。ステータコア４の第２軟磁性線材４３が、駆動磁極２６と対向するとき、駆動磁極２６から供給された磁束Ｆは、線材の端面から反対側の端面に通過する。

【0026】

このように構成された回転電機１００の動作を説明する。回転電機１００が電動機である場合、コイル８には図示しない駆動回路から三相駆動電流が供給される。これにより、ステータコア４の軸方向端面には回転磁界が発生し、この回転磁界とロータ２の駆動磁極２６との相互作用により、ロータ２に回転トルクが出力される。

【0027】

回転電機１００が発電機である場合、ロータ２が回転すると、駆動磁極２６とステータコア４との位置関係が順次変化する。このことにより、駆動磁極２６からステータコア４に供給される磁束量（コイル８との磁束鎖交数）が正弦波状に変化し、コイル８から三相交流電圧が出力される。

【0028】

以上のように構成された回転電機１００の特徴構成を説明する。大電流を許容して高出力化することが考えられる。この場合、コイル８の温度上昇が許容範囲を超えて、コイル８の絶縁の劣化を招くおそれがある。このため、ステータ３の温度上昇は小さいことが望ましい。そこで、実施形態の回転電機１００は、図１に示すように、回転軸線Ｌａを中心に回転可能なロータ２と、回転軸線Ｌａに平行な軸方向にロータ２と対向して配置されるステータコア４と、ステータコア４に装着されるコイル８と、を備える。ステータコア４は、複数の軟磁性線材４１を含み、複数の軟磁性線材４１は、中空部４６を有する中空軟磁性線材４５を含む。

【0029】

この構成によれば、中空部４６を空気を通過することで冷却が促され、温度上昇を抑制できる。また、中空軟磁性線材４５は磁束を通すため、別に冷却用の部材を用いる場合よりも、磁気抵抗の増加を抑制できる。また、別の部材を用いる場合よりも、部品点数が減る。中空軟磁性線材４５の中空部４６は、軟磁性の素材を、熱間または冷間の押出法・押抜法で加工することによって形成できる。

【0030】

ステータ３の温度上昇はより小さいことが望ましい。そこで、実施形態では、中空軟磁性線材４５の中空部４６に冷媒Ｒが流通する。この場合、冷却効率を向上できる冷媒Ｒを中空部４６に流通させることにより、温度上昇を一層抑制できる。冷媒Ｒとしては、公知の種々の冷媒物質を採用できる。冷媒Ｒは、実験結果に基づいて決定できる。実施形態では、中空部４６から出た冷媒Ｒは、図示しない冷媒循環手段により外部で放熱された後、中空部４６に循環する。

【0031】

ステータコア４は、立体的で複雑な形状を有する場合がある。そこで、実施形態では、図３、図４に示すように、複数の軟磁性線材４１は、軸方向と交差する方向に伸びる第１軟磁性線材４２と、軸方向に伸びる第２軟磁性線材４３と、を含み、第２軟磁性線材４３は、中空軟磁性線材４５と、中実に形成された非中空軟磁性線材４４とを含む。この場合、複数種類の軟磁性線材を組み合わせることにより、立体的で複雑な形状を構成しやすい。第２軟磁性線材４３が非中空軟磁性線材４４を含むので、その部分で磁気抵抗を低減できる。

【0032】

図５は、ステータコア４の中空軟磁性線材４５の付近を拡大して示す拡大図である。中空軟磁性線材４５の外径Ｄ１が小さいと、中空部４６も小さくなり、冷却機能を十分に発揮できない。そこで、実施形態では、図５に示すように、中空軟磁性線材４５の外径Ｄ１は、非中空軟磁性線材４４の外径Ｄ３よりも大きい。この場合、中空部４６を容易に大きくできる。また、非中空軟磁性線材４４の外径が大きいと渦電流損が増えるところ、外径を小径化して渦電流損を低減できる。

【0033】

中空部４６の内径（断面の内面に内接する内接円の直径）Ｄ２が小さいと冷却機能を十分に発揮できず、内径Ｄ２が大きいと所望の強度を確保できない。そこで、実施形態では、中空部４６の内径Ｄ２は、中空軟磁性線材４５の外径Ｄ１の５％以上で９５％以下である。この場合、所望の冷却機能を発揮し、所望の強度を確保できることが期待できる。

【0034】

また、実施形態では、非中空軟磁性線材４４の外径Ｄ３は、中空軟磁性線材４５の外径Ｄ１の５％以上で９５％以下である。

【0035】

中空軟磁性線材４５の素材と、非中空軟磁性線材４４の素材の線膨張率が大きく異なると、温度変化による寸法変化の差に起因して変形を生じることが考えられる。そこで、実施形態では、中空軟磁性線材４５は、非中空軟磁性線材４４の素材と実質的に同一の素材で形成される。温度変化による寸法変化の差を抑制できる。なお、中空軟磁性線材４５は、非中空軟磁性線材４４の素材と実質的に同一の線膨張率の素材で形成されてもよい。

【0036】

軸方向と交差する方向に伸びる第１軟磁性線材４２に中空部を設けることは、製造工数の点で不利である。そこで、実施形態の第１軟磁性線材４２は、中実に形成される。中実に形成されるため、第１軟磁性線材４２を容易に製造できる。

【0037】

第１軟磁性線材４２と第２軟磁性線材４３とは緊密に連結されることが望ましい。そこで、実施形態では、第１軟磁性線材４２は、第２軟磁性線材４３の集合体の周りに巻回される。この場合、第１軟磁性線材４２を第２軟磁性線材４３に緊密に連結できる。

【0038】

ステータ３の温度上昇は小さいことが望ましい。そこで、実施形態のステータコア４は、複数の軟磁性線材４１からなるステータコアであって、複数の軟磁性線材４１は、中空部４６を有する中空軟磁性線材４５を含む。この場合、中空部４６を空気を通過することで冷却が促され、温度上昇を抑制できる。また、中空軟磁性線材４５は磁束を通すため、磁気抵抗の増加を抑制できる。

【0039】

部品点数は少ない方が望ましい。そこで、実施形態の中空軟磁性線材４５の中空部４６は、冷媒Ｒを通過させるための通路である。この場合、冷媒Ｒの通路を別に設ける場合よりも部品点数を減らせる。

【0040】

以上が実施形態の説明である。

【0041】

以上、本発明の実施形態の例について詳細に説明した。前述した実施形態は、いずれも本発明を実施するにあたっての具体例を示したものにすぎない。実施形態の内容は、本発明の技術的範囲を限定するものではなく、請求の範囲に規定された発明の思想を逸脱しない範囲において、構成要素の変更、追加、削除等の多くの設計変更が可能である。前述の実施形態では、このような設計変更が可能な内容に関して、「実施形態の」「実施形態では」等との表記を付して説明しているが、そのような表記のない内容に設計変更が許容されないわけではない。また、図面に付したハッチングは、ハッチングを付した対象の材質を限定するものではない。

【0042】

（変形例）
以下、変形例を説明する。変形例の図面および説明では、実施形態と同一または同等の構成要素、部材には、同一の符号を付する。実施形態と重複する説明を適宜省略し、実施形態と相違する構成について重点的に説明する。

【0043】

上記の説明では、ステータコア４が第１軟磁性線材４２の集合体と第２軟磁性線材４３の集合体とで構成される例を示したが、本発明はこれに限定されない。例えば、ステータコアは第２軟磁性線材のみで構成されてもよい。

【0044】

上記の説明では、第１軟磁性線材４２が、巻回による周回形状を有する例を示したが、本発明はこれに限定されない。例えば、第１部分は、直線形状、Ｕ字形状、Ｃ字形状等であってもよい。

【0045】

上記の説明では、回転電機１００がダブルロータ構造である例を示したが、本発明はこれに限定されない。例えば、回転電機は、１つのロータと１つのステータを備える構造であってもよいし、１つのロータを２つのステータで挟む構造であってもよい。

【0046】

上記の説明では、マグネット２４が回転軸線Ｌａを囲む円環部材である例を示したが、本発明はこれに限定されない。例えば、マグネットは、駆動磁極ごとに分割されたセグメント磁石であってもよい。セグメント磁石の形状としては、円形、楕円形、台形、扇形等を採用できる。

【0047】

上記の説明では、マグネット２４がネオジウム磁石である例を示したが、本発明はこれに限定されない。例えば、マグネットは、ネオジウムとは別の希土類元素を主要な成分とする希土類磁石やフェライト磁石であってもよいし、プラスチック磁石であってもよい。

【0048】

上記の説明では、ステータ支持部材３３は、非磁性材料からなる例を示したが、本発明はこれに限定されない。例えば、ステータ支持部材は、電磁鋼板など軟磁性体を含んでもよい。

【0049】

上記の説明では、軸受手段２８が転がり軸受である例を示したが、本発明はこれに限定されない。例えば、軸受手段は、含油メタル軸受等の滑り軸受であってもよい。

【0050】

これらの各変形例は、実施形態と同様の作用と効果を奏する。

【0051】

上述した各実施形態と変形例の任意の組み合わせもまた本発明の実施形態として有用である。組み合わせによって生じる新たな実施形態は、組み合わされる実施形態および変形例それぞれの効果をあわせもつ。

【符号の説明】

【0052】

２ ロータ、 ３ ステータ、 ４ ステータコア、 ８ コイル、 ４１ 軟磁性線材、 ４２ 第１軟磁性線材、 ４３ 第２軟磁性線材、 ４４ 非中空軟磁性線材、 ４５ 中空軟磁性線材、 ４６ 中空部、 １００ アキシャルギャップ型回転電機。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】