特許 7402123 回転子、アキシャルギャップ型トランスバースフラックス式回転電機、及び組立方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-12-12

(45)【発行日】2023-12-20

(54)【発明の名称】回転子、アキシャルギャップ型トランスバースフラックス式回転電機、及び組立方法

(51)【国際特許分類】

   H02K 16/00 20060101AFI20231213BHJP

   H02K 16/02 20060101ALI20231213BHJP

   H02K 21/24 20060101ALI20231213BHJP

   H02K 1/12 20060101ALI20231213BHJP

   H02K 1/2793 20220101ALI20231213BHJP

   H02K 15/02 20060101ALI20231213BHJP

【ＦＩ】

H02K16/00

H02K16/02

H02K21/24 M

H02K1/12 Z

H02K1/2793

H02K15/02 K

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2020098327

(22)【出願日】2020-06-05

(65)【公開番号】P2021192562

(43)【公開日】2021-12-16

【審査請求日】2023-01-23

(73)【特許権者】

【識別番号】000173784

【氏名又は名称】公益財団法人鉄道総合技術研究所

(73)【特許権者】

【識別番号】598076591

【氏名又は名称】東芝インフラシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100124682

【弁理士】

【氏名又は名称】黒田 泰

(74)【代理人】

【識別番号】100104710

【弁理士】

【氏名又は名称】竹腰 昇

(74)【代理人】

【識別番号】100090479

【弁理士】

【氏名又は名称】井上 一

(72)【発明者】

【氏名】近藤 稔

(72)【発明者】

【氏名】堺谷 洋

(72)【発明者】

【氏名】浮田 啓悟

(72)【発明者】

【氏名】柏木 隆行

(72)【発明者】

【氏名】渡邊 泰之

(72)【発明者】

【氏名】澤上 友貴

(72)【発明者】

【氏名】尾崎 圭史

【審査官】中島 亮

(56)【参考文献】

【文献】特開２００６－３０４５３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１２９５６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－０７２００９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－２２８７３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１０／００９０５５５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１７／０２９９２６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】中国特許出願公開第１１１０１０００８（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｋ １／００－ １／３４

Ｈ０２Ｋ １６／００－１６／０４

Ｈ０２Ｋ ２１／２４

Ｈ０２Ｋ １５／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

アキシャルギャップ型トランスバースフラックス式回転電機の回転子であって、
円盤体と、
前記円盤体の盤面周方向に間隔を空けて配置される永久磁石と、
前記永久磁石を前記円盤体に固定する支持具と、
前記盤面周方向に隣り合う前記永久磁石の間に配置される圧粉磁心と、
を備え、
前記永久磁石は、隣接する前記圧粉磁心への接触面として対磁心テーパ部を有し、
前記圧粉磁心は、隣接する前記永久磁石への接触面として対磁石テーパ部を有し、
前記永久磁石は、前記対磁心テーパ部を前記円盤体に向けた姿勢で配置され、
前記圧粉磁心は、前記対磁石テーパ部を前記対磁心テーパ部に対向させる姿勢で配置される、
回転子。

【請求項2】

前記支持具は、前記円盤体の内径側で前記永久磁石に当接した状態で前記円盤体に固定されることで前記永久磁石を固定する内径側支持具と、前記円盤体の外径側で前記永久磁石に当接した状態で前記円盤体に固定されることで前記永久磁石を固定する外径側支持具と、を有し、
前記内径側支持具は、当接する前記永久磁石への接触面として内径側対磁石傾斜部を有し、
前記外径側支持具は、当接する前記永久磁石への接触面として外径側対磁石傾斜部を有し、
前記永久磁石は、当接する前記内径側支持具への接触面として内径側対支持具傾斜部と、当接する前記外径側支持具への接触面として外径側対支持具傾斜部とを有し、
前記内径側支持具は、前記内径側対磁石傾斜部を前記円盤体に向けた姿勢で前記円盤体に固定され、
前記外径側支持具は、前記外径側対磁石傾斜部を前記円盤体に向けた姿勢で前記円盤体に固定され、
前記永久磁石は、前記内径側対支持具傾斜部を前記内径側対磁石傾斜部に対向させ、前記外径側対支持具傾斜部を前記外径側対磁石傾斜部に対向させる姿勢で配置される、
請求項１に記載の回転子。

【請求項3】

前記内径側支持具は、前記円盤体の内径側で前記圧粉磁心に当接した状態で前記円盤体に固定されることで前記圧粉磁心を固定し、
前記外径側支持具は、前記円盤体の外径側で前記圧粉磁心に当接した状態で前記円盤体に固定されることで前記圧粉磁心を固定し、
前記内径側支持具は、当接する前記圧粉磁心への接触面として内径側対磁心傾斜部を有し、
前記外径側支持具は、当接する前記圧粉磁心への接触面として外径側対磁心傾斜部を有し、
前記圧粉磁心は、当接する前記内径側支持具への接触面として内径側対支持具傾斜部と、当接する前記外径側支持具への接触面として外径側対支持具傾斜部とを有し、
前記内径側支持具は、前記内径側対磁心傾斜部を前記円盤体に向けた姿勢で前記円盤体に固定され、
前記外径側支持具は、前記外径側対磁心傾斜部を前記円盤体に向けた姿勢で前記円盤体に固定され、
前記圧粉磁心は、当該圧粉磁心の内径側対支持具傾斜部を前記内径側対磁心傾斜部に対向させ、当該圧粉磁心の外径側対支持具傾斜部を前記外径側対磁心傾斜部に対向させる姿勢で配置される、
請求項２に記載の回転子。

【請求項4】

前記永久磁石は、内径側で前記盤面周方向に配置される内径側磁石と、外径側で前記盤面周方向に配置される外径側磁石とがあり、
隣り合う前記内径側磁石と前記外径側磁石とは、間隔を空けて配置され、
隣り合う前記内径側磁石と前記外径側磁石との間に配置されて当該内径側磁石及び当該外径側磁石を前記円盤体に固定する中間支持具を更に備える、
請求項１～３の何れか一項に記載の回転子。

【請求項5】

前記圧粉磁心は、前記盤面周方向に隣り合う永久磁石のうちの一方側に当接する一方側磁心と、他方側に当接する他方側磁心とがあり、同じ永久磁石を一方側磁心及び他方側磁心で挟むように配置される、
請求項１～４の何れか一項に記載の回転子。

【請求項6】

前記一方側磁心と、前記他方側磁心と、当該一方側磁心及び当該他方側磁心で挟む前記永久磁石とが、一体のユニットを構成する、
請求項５に記載の回転子。

【請求項7】

請求項１～６の何れか一項に記載の回転子を備えるアキシャルギャップ型トランスバースフラックス式回転電機。

【請求項8】

請求項１～４の何れか一項に記載の回転子の組立方法であって、
前記円盤体に、前記永久磁石の代用となる非磁性のダミー磁石と、前記圧粉磁心と、前記支持具とを組み付ける第１工程と、
前記圧粉磁心を前記円盤体に固定する第２工程と、
前記第２工程の後に、前記ダミー磁石を前記永久磁石に組み換える第３工程と、
を含む組立方法。

【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トランスバースフラックス式回転電機の回転子等に関する。

【背景技術】

【0002】

回転電機であるモータの分類の１つとして、トランスバースフラックスモータ（ＴＦＭ：Transverse Flux Motor）が知られる。トランスバースフラックスモータは、Wehにより１９８６年に提案された高トルク密度のモータである（例えば、非特許文献１を参照）。近年では、トルク密度が重視される分野において様々な研究開発が行われており、Wehが提案したモータを基に三巻線の三相モータを構成し、通常の三相インバータで駆動することができるラジアルギャップ型のトランスバースフラックスモータが提案されている（例えば、特許文献１及び特許文献２を参照）。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0003】

【文献】H. Weh and H. May, “Achievable force densities for permanent magnet excited machines in new configuration,” in International Conference on Electrical Machines - ICEM, Munchen, Sept. 1986, pp. 1107-1111.

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１５－２２８７３０号公報

【文献】特開２０１９－１２９５６３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

アキシャルギャップ型トランスバースフラックスモータの回転子の基本構造は、永久磁石と磁心とを周方向へ交互に配置した構造となっている。永久磁石と磁心には、磁力や遠心力が作用するため、互いに強固に連結固定されている必要がある。

【0006】

比較的小型のアキシャルギャップ型トランスバースフラックスモータであれば、永久磁石と磁心とを接着剤で固定する方法を採用できる。しかし、特に、アキシャルギャップ型トランスバースフラックスモータを鉄道車両用の主電動機として採用する場合、回転子が大型になるので、作用する磁力や遠心力も相対的に大きくなる。且つ、モータケース内が比較的高温になる。接着剤は一般的に高温環境下では劣化が促進され、長期間の使用には耐えられない可能性も高い。そのため、接着剤のみによらない永久磁石と磁心との新たな固定方法が望まれる。

【0007】

なお、こうした問題は、アキシャルギャップ型トランスバースフラックス式回転電機を電動機（電動モータ）として用いる場合に限らず、発電機として用いる場合についても同様である。

【0008】

本発明の課題は、アキシャルギャップ型トランスバースフラックス式回転電機の回転子に係る永久磁石と磁心との新しい固定技術を提供すること、である。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上述した課題を解決するための第１の発明は、アキシャルギャップ型トランスバースフラックス式回転電機の回転子であって、円盤体と、前記円盤体の盤面周方向に間隔を空けて配置される永久磁石と、前記永久磁石を前記円盤体に固定する支持具と、前記盤面周方向に隣り合う前記永久磁石の間に配置される圧粉磁心と、を備え、前記永久磁石は、隣接する前記圧粉磁心への接触面として対磁心テーパ部を有し、前記圧粉磁心は、隣接する前記永久磁石への接触面として対磁石テーパ部を有し、前記永久磁石は、前記対磁心テーパ部を前記円盤体に向けた姿勢で配置され、前記圧粉磁心は、前記対磁石テーパ部を前記対磁心テーパ部に対向させる姿勢で配置される、回転子である。

【0010】

第１の発明の回転子によれば、円盤体を基本構造体とし、円盤体に永久磁石を支持具にて機械的に固定できる。そして、円盤体の盤面周方向に隣接する永久磁石と圧粉磁心との接触を、テーパ構造による接触面とし、隣接する２つの永久磁石で、それらに挟まれた１つの圧粉磁心を円盤体に向けて機械的に固定することができる。よって、接着剤のみによらない永久磁石と圧粉磁心との固定が実現できる。

【0011】

永久磁石は、支持具により強固に固定されるので、例えば当該回転子を大型化し、鉄道車両用の主電動機のような高回転且つ高温環境下での使用に供されるとしても、比較的強い磁力や遠心力と高温に耐え得る設計が可能になる。

【0012】

また、圧粉磁心は、容易に様々な形状に成型でき、高い周波数において低鉄損を実現できる優れた磁性特性を有していることからアキシャルギャップ型等の特殊な鉄心形状が必要な高効率・高出力のモータの磁心として用いられることが知られるところである。圧粉磁心は、絶縁被膜された磁性粒子がプレス成形されているので、引っ張り応力に対して脆性を示し、局所的な機械的結合（例えば、ボルト挿通孔を有する固定片部を設けてボルト締めするなど）を行うと応力集中により破損し易い。しかし、第１の発明の回転子では、圧粉磁心は、永久磁石との接触面（テーパ部の面）により押圧固定されるので、固定に係る応力集中が抑制される。よって、圧粉磁心の固定についても、永久磁石の固定と同様に、高回転且つ高温環境下で使用されたとしても耐え得る設計が可能になる。

【0013】

また、回転子の組立方法を考えるに、永久磁石となる素材と圧粉磁心とを予め連結固定して回転子としての形を形成した後に、永久磁石の素材に対して着磁を行って回転子を完成させる組立方法も考え得るが、当該方法では着磁のための装置も複雑となり作業の難度が高くなる。対して、第１の発明の回転子では、予め着磁された永久磁石を支持具で円盤体に個別に固定できるのでそうした着磁に係る困難な工程を経なくて済む。また、２つの永久磁石で挟むようにして１つの圧粉磁心を円盤体に押さえつけて固定する構造となる。このため、例えば、永久磁石を先に固定した後、これに挟まれる圧粉磁心を、テーパ構造を合わせるようにして結合させるといった、あたかもブロックを組み合わせるように永久磁石と圧粉磁心とを交互に組み付けて行く組立工程が可能になる。組立後に着磁を行う組立方法よりも遥かに製作が簡単になる。

【0014】

第２の発明は、前記支持具が、前記円盤体の内径側で前記永久磁石に当接した状態で前記円盤体に固定されることで前記永久磁石を固定する内径側支持具と、前記円盤体の外径側で前記永久磁石に当接した状態で前記円盤体に固定されることで前記永久磁石を固定する外径側支持具と、を有し、前記内径側支持具は、当接する前記永久磁石への接触面として内径側対磁石傾斜部を有し、前記外径側支持具は、当接する前記永久磁石への接触面として外径側対磁石傾斜部を有し、前記永久磁石は、当接する前記内径側支持具への接触面として内径側対支持具傾斜部と、当接する前記外径側支持具への接触面として外径側対支持具傾斜部とを有し、前記内径側支持具は、前記内径側対磁石傾斜部を前記円盤体に向けた姿勢で前記円盤体に固定され、前記外径側支持具は、前記外径側対磁石傾斜部を前記円盤体に向けた姿勢で前記円盤体に固定され、前記永久磁石は、前記内径側対支持具傾斜部を前記内径側対磁石傾斜部に対向させ、前記外径側対支持具傾斜部を前記外径側対磁石傾斜部に対向させる姿勢で配置される、第１の発明の回転子である。

【0015】

第２の発明の回転子は、永久磁石についても、支持具との傾斜面による面接触により、円盤体に向けて押しつけるように固定する。このため、局所的な機械的結合に見られるような応力集中を抑制して固定できる。よって、例えば当該回転子を大型化し、鉄道車両用の主電動機のような高回転且つ高温環境下での使用に供されるとしても、より強固に耐え得る設計が可能になる。

【0016】

第３の発明は、前記内径側支持具が、前記円盤体の内径側で前記圧粉磁心に当接した状態で前記円盤体に固定されることで前記圧粉磁心を固定し、前記外径側支持具は、前記円盤体の外径側で前記圧粉磁心に当接した状態で前記円盤体に固定されることで前記圧粉磁心を固定し、前記内径側支持具は、当接する前記圧粉磁心への接触面として内径側対磁心傾斜部を有し、前記外径側支持具は、当接する前記圧粉磁心への接触面として外径側対磁心傾斜部を有し、前記圧粉磁心は、当接する前記内径側支持具への接触面として内径側対支持具傾斜部と、当接する前記外径側支持具への接触面として外径側対支持具傾斜部とを有し、前記内径側支持具は、前記内径側対磁心傾斜部を前記円盤体に向けた姿勢で前記円盤体に固定され、前記外径側支持具は、前記外径側対磁心傾斜部を前記円盤体に向けた姿勢で前記円盤体に固定され、前記圧粉磁心は、当該圧粉磁心の内径側対支持具傾斜部を前記内径側対磁心傾斜部に対向させ、当該圧粉磁心の外径側対支持具傾斜部を前記外径側対磁心傾斜部に対向させる姿勢で配置される、第１又は第２の発明の回転子である。

【0017】

第３の発明の回転子は、圧粉磁心の内径側と外径側についても、支持具の傾斜面との面接触により強固に固定できる。

【0018】

第４の発明は、前記永久磁石が、内径側で前記盤面周方向に配置される内径側磁石と、外径側で前記盤面周方向に配置される外径側磁石とがあり、隣り合う前記内径側磁石と前記外径側磁石とが間隔を空けて配置され、隣り合う前記内径側磁石と前記外径側磁石との間に配置されて当該内径側磁石及び当該外径側磁石を前記円盤体に固定する中間支持具を更に備える、第１～第３の何れかの発明の回転子である。

【0019】

第４の発明の回転子では、永久磁石を２ピース構造とし、径方向の中間位置に固定箇所を増やすことができるので、永久磁石を更に強固に固定できる。

【0020】

第５の発明は、前記圧粉磁心が、前記盤面周方向に隣り合う永久磁石のうちの一方側に当接する一方側磁心と、他方側に当接する他方側磁心とがあり、同じ永久磁石を一方側磁心及び他方側磁心で挟むように配置される、第１～第４の何れかの発明の回転子である。

【0021】

また、第６の発明は、前記一方側磁心と、前記他方側磁心と、当該一方側磁心及び当該他方側磁心で挟む前記永久磁石とが、一体のユニットを構成する、第５の発明の回転子である。

【0022】

第５又は第６の発明の固定子では、圧粉磁心が盤面周方向に分割された一方側磁心と他方側磁心の２ピース構成となる。予め永久磁石の盤面周方向の一方側磁心と他方側磁心とを接着するなどして先行組立しておけば、永久磁石を円盤体に固定する工程で、圧粉磁心の固定もまかなう事が可能となる。よって、回転子の製作が簡単になる。

【0023】

第７の発明は、第１～第６の何れかの発明の回転子を備えるアキシャルギャップ型トランスバースフラックス式回転電機である。

【0024】

第７の発明によれば、第１～第６の何れかの発明と同様の効果を有するアキシャルギャップ型トランスバースフラックス式回転電機を実現できる。

【0025】

第８の発明は、第１～第４の何れかの発明の回転子の組立方法であって、前記円盤体に、前記永久磁石の代用となる非磁性のダミー磁石と、前記圧粉磁心と、前記支持具とを組み付ける第１工程と、前記圧粉磁心を前記円盤体に接着して固定する第２工程と、前記第２工程の後に、前記ダミー磁石を前記永久磁石に組み換える第３工程と、を含む組立方法である

【0026】

高出力・高効率な回転電機を作成する場合、磁力が強力な永久磁石が必要とされ、永久磁石同士の吸引力や反発力が大きくなる。回転子の組立の際には、多数の永久磁石を取り付けることになるが、こうした強力な吸引力や反発力は、組付け作業の観点からは阻害要素になる。また、適切な組み立て性を実現するためには、永久磁石や圧粉磁心の間に接着剤等で充填される適切な隙間が生じるように寸法公差が管理され、隙間は各部において均等に分散されるのが望ましい。しかし、永久磁石の強力な吸引力に任せて組み立てしてしまうと、隙間が均等にならずに偏りが生じ、回転子の構造として好ましくない状態となる場合がある。

【0027】

しかし、第８の発明によれば、非磁性のダミー磁石と圧粉磁心と支持具とで仮組み立てして、一旦、永久磁石と圧粉磁心との適切な位置関係を実現した後に、圧粉磁心を円盤体に固定し、その後にダミー磁石を１つずつ永久磁石に組み換えることで、永久磁石と圧粉磁心との適切な位置関係を成した回転子の組み立てを実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0028】

【図1】アキシャルギャップ型トランスバースフラックス式回転電機の構成例及び使用例を説明するための図。

【図2】駆動ユニットの構成例を示す側面図。

【図3】回転子の構成例を示す斜視図。

【図4】回転子の一部を車軸の軸方向から見た拡大図。

【図5】図４のＶ－Ｖ断面図。

【図6】図４のＶＩ－ＶＩ断面図。

【図7】図４のＶＩＩ－ＶＩＩ断面図。

【図8】図４のＶＩＩＩ－ＶＩＩＩ断面図。

【図9】回転子の組立方法のうち第１工程を説明するための図。

【図10】回転子の組立方法のうち第２工程を説明するための図。

【図11】回転子の組立方法のうち第３工程を説明するための図（その１）。

【図12】回転子の組立方法のうち第３工程を説明するための図（その２）。

【図13】回転子の組立方法を説明するための図であって、第３工程終了後の状態を示す図。

【図14】組付ユニットの構成例を示す図。

【図15】組付ユニットを用いた回転子の組立方法を説明するための図。

【図16】回転子と車軸の連結構造の変形例を説明するための図。

【図17】連結基体の変形例を説明するための図（その１）。

【図18】連結基体の変形例を説明するための図（その２）。

【発明を実施するための形態】

【0029】

以下、本発明の実施形態を説明するが、本発明を適用可能な形態が以下の実施形態に限られないことは勿論である。

【0030】

図１は、本実施形態のアキシャルギャップ型トランスバースフラックス式回転電機（以下、略して「ＡＴＦ回転電機」と言う。）の構成例及び使用例を説明するための図である。なお、構成の理解を容易にするために、ＡＴＦ回転電機については、一部切り取って内部構造を明らかにしている。

【0031】

ＡＴＦ回転電機１００は、回転軸（出力軸）が鉄道車両用の輪軸３の車軸３ｊに直結されたいわゆる「直接駆動式主電動機」である。
具体的には、ＡＴＦ回転電機１００は、モータケース１０１が反力受け部４を介して、鉄道車両用の台車枠５の横梁部に連結されている。そして、鉄道車両の車体側に固定されているモータ制御装置（不図示）と、ＡＴＦ回転電機１００との間が、三相交流線７・センサ信号線８・接地線９で接続されている。三相交流線７によってモータ制御装置からＡＴＦ回転電機１００へ駆動電流が供給され、センサ信号線８によって回転センサ１０の検出信号がモータ制御装置に入力される。接地線９は、ＡＴＦ回転電機１００に設けられた接地装置１２によって車軸３ｊに摺接され、輪軸３を介したレールとの電気的な接地を実現する。また、モータ制御装置には、架線電力（或いは主回路構成に応じて構成される電力変換器等を介した給電電力）を供給する電力線が接続される。

【0032】

輪軸３では、車軸３ｊ上で、モータケース１０１がベアリング１０２によって支持されている。そして、モータケース１０１の主内部空間では、３つの駆動ユニット１１０（１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ）の回転子が車軸３ｊに固定されている。

【0033】

図２は、駆動ユニット１１０（１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ）の構成例を示す側面図である。１つの駆動ユニット１１０は、回転子固定部材１１２を介して車軸３ｊに固定される２つの回転子１２０（１２０ａ，１２０ｂ）と、これら２つの回転子１２０との間の位置でモータケース１０１内に固定される固定子１７０と、を有する。

【0034】

回転子固定部材１１２は、車軸３ｊの外周に嵌合する円管部１１３と、その軸方向端部に設けられたフランジ部１１４と、を有する。円管部１１３は、車軸３ｊに圧入されて固定される。フランジ部１１４は回転子１２０とボルトで固定される。

【0035】

図３は、回転子１２０の構成例を示す斜視図である。
図４は、回転子１２０の一部を車軸３ｊの軸方向（ＡＴＦ回転電機１００の回転軸方向に同じ）から見た拡大図である。
図５～図８は、回転子１２０の盤面方向に沿って切った部分断面図であって、それぞれ図４におけるＶ－Ｖ断面図、ＶＩ－ＶＩ断面図、ＶＩＩ－ＶＩＩ断面図、ＶＩＩＩ－ＶＩＩＩ断面図である。なお、図５～図８においては各図の（１）は組立状態における当該断面図を示し、各図の（２）は分解状態の当該断面図を示している。

【0036】

図３に示すように、回転子１２０は、車軸３ｊの軸方向ＡＸ方向から見て中空円板形（平たい円環形）を有している。そして、回転子１２０は、円盤体１２１と、連結基体１６０と、永久磁石１３０（１３０ａ、１３０ｂ）と、圧粉磁心１４０と、永久磁石１３０及び圧粉磁心１４０を円盤体１２１へ固定するための支持具１５０と、を有する。

【0037】

円盤体１２１は、回転子１２０の基本構造体の１つであって、円環を成した盤面に垂直な方向（厚み方向）が薄い非磁性体（例えば、ＦＲＰ（繊維強化プラスチック：Fiber Reinforced Plastics）製）の中空円板体である。中空部の径は、車軸３ｊを挿通可能に設定されている。円盤体１２１は、中空部の縁部１２２に、複数の貫通孔１２３を有し、回転子固定部材１１２のフランジ部１１４（図２参照）にボルト固定するための取付部を形成している。

【0038】

連結基体１６０は、回転子１２０の基本構造体を成すもう１つの要素であって、円盤体１２１と同形の円環を成した盤面に垂直な方向（厚み方向）が薄い非磁性のステンレス鋼板又はアルミ板である。また、連結基体１６０の中空部の縁部には、円盤体１２１の貫通孔１２３に対応する孔部１６４（図５参照）が設けられている。

【0039】

なお、円盤体１２１と連結基体１６０には、適宜、位置決めピンを嵌める穴部を設けておき、組み立て時の相対位置関係を高い精度で確保すると好適である。

【0040】

永久磁石１３０には、着磁方向が違う第１種永久磁石１３０ａと第２種永久磁石１３０ｂとがある。具体的には、第１種永久磁石１３０ａは、永久磁石１３０を正面にして盤面方向視（図３の右斜め上から見た場合に）おいて時計回りとなる向きに着磁されているが、第２種永久磁石１３０ｂは、盤面方向視において反時計回りとなる向きに着磁されている。そして、第１種永久磁石１３０ａと第２種永久磁石１３０ｂは、円盤体１２１の同一盤面において盤面周方向に間隔を空けて交互に配置されて固定される。

【0041】

図４に示すように、１つの永久磁石１３０は、内径側磁石１３１と、外径側磁石１３２との２ピースで構成される。１つの永久磁石１３０を構成する内径側磁石１３１と外径側磁石１３２は、回転子１２０の径方向に沿って所定間隔を開けて直線状に隣り合わせて配置されて固定される。

【0042】

内径側磁石１３１は、図５に示すように、内径側に、円盤体１２１に固定された状態において法線が盤面に対して外向きになる傾斜面である内径側対支持具傾斜部１３３を有し、外径側面に、円盤体１２１に固定された状態において法線が盤面に対して外向きになる傾斜面である対中間支持傾斜部１３４を有する。

【0043】

外径側磁石１３２は、内径側に、円盤体１２１に固定された状態において法線が盤面に対して外向きになる傾斜面である対中間支持傾斜部１３４を有し、外径側に、円盤体１２１に固定された状態において法線が盤面に対して外向きになる傾斜面である外径側対支持具傾斜部１３５を有する。

【0044】

また、図７に示すように、外径側磁石１３２は、盤面周方向の両側面に、円盤体１２１に固定された状態において法線が盤面向きになる傾斜面である対磁心テーパ部１３６を有する。図示されていないが、同様にして、内径側磁石１３１も、盤面周方向の両側面に、円盤体１２１に固定された状態において法線が盤面向きになる傾斜面である対磁心テーパ部１３６を有する。つまり、外径側磁石１３２と外径側磁石１３２は、ともに回転子１２０が組み立てられると、対磁心テーパ部１３６を円盤体１２１に向けた姿勢で配置される。

【0045】

図３及び図４に戻って、圧粉磁心１４０は、円盤体１２１の盤面周方向に隣り合う永久磁石１３０の間に配置される。

【0046】

そして、圧粉磁心１４０は、図８に示すように、内径側に、円盤体１２１に固定された状態において法線が盤面に対して外向きになる傾斜面である内径側対支持具傾斜部１４２を有し、外径側面に、円盤体１２１に固定された状態において法線が盤面に対して外向きになる傾斜面である外径側対支持具傾斜部１４３を有する。

【0047】

また、図７に示すように、圧粉磁心１４０は、盤面周方向の側面が、円盤体１２１に固定された状態において法線が盤面に対して外向きになる傾斜面である対磁石テーパ部１４４を形成している。対磁石テーパ部１４４は、永久磁石１３０の対磁心テーパ部１３６と対応関係を成し、相互に面接触するように円盤体１２１の盤面に対して同じ傾斜角に設定されている。回転子１２０が組み立てられると、圧粉磁心１４０は、対磁石テーパ部１４４を対磁心テーパ部１３６に対向させる姿勢で配置される。

【0048】

図３及び図４に戻って、支持具１５０は、永久磁石１３０及び圧粉磁心１４０を円盤体１２１に固定する部材である。具体的には、支持具１５０は、内径側支持具１５１と、中間支持具１５２と、外径側支持具１５３と、を有する。そして、図５に示すように、内径側支持具１５１・中間支持具１５２・外径側支持具１５３は、取付ボルト１５９によって連結基体１６０に固定される。具体的には、取付ボルト１５９は、円盤体１２１の挿通孔１２４に挿通されて、連結基体１６０の雌ネジ部１６２に螺合し、内径側支持具１５１・中間支持具１５２・外径側支持具１５３それぞれが、連結基体１６０との間に円盤体１２１を挟むようにして固定される。

【0049】

内径側支持具１５１は、円盤体１２１の内径側で永久磁石１３０（内径側磁石１３１）に当接した状態で円盤体１２１に固定されて、当接する永久磁石１３０を円盤体１２１に固定する。

【0050】

具体的には、内径側支持具１５１は、図５に示すように、円盤体１２１に固定された状態において外径側となる側面に、永久磁石１３０（内径側磁石１３１）と当接する接触面として内径側対磁石傾斜部１５４を有する。内径側支持具１５１は、この内径側対磁石傾斜部１５４を円盤体１２１に向けた姿勢で円盤体１２１に固定される。そして、固定されると、内径側対磁石傾斜部１５４が、永久磁石１３０の内径側対支持具傾斜部１３３に対向し、これを円盤体１２１へ向けて押さえつけることになる。

【0051】

また、内径側対磁石傾斜部１５４の盤面周方向に沿った長さに着目すると、図４及び図８に示すように、内径側対磁石傾斜部１５４は、永久磁石１３０の内径側対支持具傾斜部１３３に対応する長さを超えて、圧粉磁心１４０の内径側対支持具傾斜部１４２に対向する位置まで達している。ゆえに、内径側対磁石傾斜部１５４は、内径側対磁心傾斜部としても機能することになる。

【0052】

よって、内径側対磁石傾斜部１５４は、内径側磁石１３１の内径側対支持具傾斜部１３３及び圧粉磁心１４０の内径側対支持具傾斜部１４２と対応関係を成し、これらと相互に面接触するように円盤体１２１の盤面に対して同じ傾斜角に設定されている。

【0053】

中間支持具１５２は、図４に示すように、回転子１２０の径方向に隣り合う内径側磁石１３１と外径側磁石１３２との間に配置されて内径側磁石１３１及び外径側磁石１３２を円盤体１２１に固定する部材である。

【0054】

具体的には、中間支持具１５２は、図５に示すように、円盤体１２１に固定された状態において内径側及び外径側となる両側面に、それぞれ内径側磁石１３１・外径側磁石１３２と当接する接触面として対磁石傾斜部１５６を有する。この対磁石傾斜部１５６は、対中間支持傾斜部１３４と対応関係を成し、相互に面接触するように円盤体１２１の盤面に対して同じ傾斜角に設定されている。

【0055】

また、中間支持具１５２は、図６に示すように、円盤体１２１に固定された状態において盤面周方向側面に、圧粉磁心１４０と当接する接触面として対磁心傾斜部１５７を有する。対磁心傾斜部１５７は、対磁石テーパ部１４４と対応関係を成し、相互に面接触するように円盤体１２１の盤面に対して同じ傾斜角に設定されている。

【0056】

外径側支持具１５３は、図４に示すように、円盤体１２１の外径側で永久磁石１３０（外径側磁石１３２）に当接した状態で円盤体１２１に固定されて、当接する永久磁石１３０を円盤体１２１に固定する。

【0057】

具体的には、外径側支持具１５３は、図５に示すように、円盤体１２１に固定された状態において内径側となる側面に、永久磁石１３０（外径側磁石１３２）と当接する接触面として外径側対磁石傾斜部１５８を有する。外径側支持具１５３は、この外径側対磁石傾斜部１５８を円盤体１２１に向けた姿勢で円盤体１２１に固定される。そして、固定されると、外径側対磁石傾斜部１５８が、永久磁石１３０の外径側対支持具傾斜部１３５に対向し、これを円盤体１２１へ向けて押さえつけることになる。

【0058】

また、外径側支持具１５３の盤面周方向に沿った長さに着目すると、図４及び図８に示すように、外径側対磁石傾斜部１５８は、永久磁石１３０の外径側対支持具傾斜部１３５に対応する長さを超えて、圧粉磁心１４０の外径側対支持具傾斜部１４３に対向する位置まで達している。よって、外径側対磁石傾斜部１５８は、外径側磁石１３２の外径側対支持具傾斜部１３５（図５参照）及び圧粉磁心１４０の外径側対支持具傾斜部１４３（図８参照）と対応関係を成し、これらと相互に面接触するように円盤体１２１の盤面に対して同じ傾斜角に設定されている。ゆえに、外径側対磁石傾斜部１５８は、外径側対磁心傾斜部としても機能することになる。

【0059】

次に、図９～図１３を参照しながら、回転子１２０の組立方法について説明する。
図９に示すように、回転子１２０の第１工程では、作業者は、連結基体１６０を、円盤体１２１の一方の盤面に接着やネジ止めなどの方法で固定する。そして、円盤体１２１に、永久磁石１３０の代用となる非磁性のダミー磁石１３０Ｄと、圧粉磁心１４０と、内径側支持具１５１及び中間支持具１５２とを組み付ける。ダミー磁石１３０Ｄを構成するダミー内径側磁石１３１Ｄ及びダミー外径側磁石１３２Ｄと、中間支持具１５２とは、予め接着して一体にしておくと、組み立てがし易くて好適である。

【0060】

もし、ダミー磁石１３０Ｄを用いずに組み立てるとなると、磁力による吸引力や反発力の影響を受けて、吸引力が作用するところでは、設計に従った所定位置よりも接近した位置で、所定の隙間関係よりも小さい隙間関係で組み立てられてしまう。反発力が作用するところではこの逆となる。そのために、本来分散されるべき隙間関係に偏りが生じ、例えば回転子１２０として好ましからざる状態になってしまう可能性がある。

【0061】

しかし、ダミー磁石１３０Ｄは非磁性なので、作業員は、磁力による吸引力や反発力の影響を受けること無く、簡単にそして永久磁石１３０と圧粉磁心１４０と支持具１５０とが、設計に従った所定位置に所定の隙間関係を有するように簡単に組み立てることができる。隙間関係の偏りは生じ難く、ダミーを使用しない場合よりも適切な位置で組み立てられる。

【0062】

第１工程の後に実行する第２工程では、作業員は、圧粉磁心１４０を一本ずつ抜き、図１０に示すように、抜いた圧粉磁心１４０の円盤体１２１と接する面に接着剤を塗布した上で、抜いた場所に圧粉磁心１４０を差し込んで接着により固定する。全ての圧粉磁心１４０を接着すると第３工程に移る。

【0063】

第３工程では、図１１に示すように、１つのダミー磁石１３０Ｄについて、中間支持具１５２を外してダミー磁石１３０Ｄ（ダミー内径側磁石１３１Ｄ及びダミー外径側磁石１３２Ｄ）を外し、図１２に示すように、永久磁石１３０（内径側磁石１３１及び外径側磁石１３２）に組み換え、中間支持具１５２及び外径側支持具１５３を取り付ける。１つずつ全てのダミー磁石１３０Ｄを永久磁石１３０に組み換える。永久磁石１３０を構成する内径側磁石１３１及び外径側磁石１３２と、中間支持具１５２とを、予め接着して一体にしておくと、作業性が向上するので好適である。

【0064】

全てのダミー磁石１３０Ｄの組み換えが終了すると、図１３に示すように、回転子１２０の組立が完了となる。組立が完了すると、永久磁石１３０は、内径側端部と外径側端部とこれらの中間位置のそれぞれにおいて、内径側支持具１５１・中間支持具１５２・外径側支持具１５３により、円盤体１２１に向けて押さえつけられ、機械的に固定される。また、組立が完了すると、圧粉磁心１４０は、内径側端部と外径側端部とが、それぞれ内径側支持具１５１・外径側支持具１５３により、円盤体１２１に向けて押さえつけられ、機械的に固定される。また、盤面周方向に着目すれば、圧粉磁心１４０は、隣接する２つの永久磁石１３０（具体期には、内径側磁石１３１，外径側磁石１３２）及び中間支持具１５２により、円盤体１２１に向けて押さえつけられ、機械的に固定される。

【0065】

組立完了した回転子１２０は、適宜、回転バランス調整を行う。この際、連結基体１６０を、重心位置を適切に補正するためのバランスウェイトの取付構造部として用いてもよい。或いは、連結基体１６０に十分な厚さを設定しているならば、連結基体１６０を削って補正を行うとしてもよい。

【0066】

なお、固定子１７０（図２参照）は、公知のアキシャルギャップ型トランスバースフラックスモータと同様にして実現することができる。例えば、特許文献３の固定子を用いることができる。

【0067】

以上、本実施形態によれば、アキシャルギャップ型トランスバースフラックス式回転電機（ＡＴＦ回転電機）の回転子に係る永久磁石と磁心との新しい固定技術を提供することができる。

【0068】

ＡＴＦ回転電機１００では、円盤体１２１を回転子１２０の基本構造体とし、これに永久磁石１３０を支持具１５０にて機械的に固定する。そして、盤面周方向に隣接する永久磁石１３０と圧粉磁心１４０との接触をテーパ構造による面接触とし、隣接する２つの永久磁石１３０で、それらに挟まれた１つの圧粉磁心１４０を円盤体１２１に向けて機械的に固定することができる。よって、接着剤のみによらない永久磁石と圧粉磁心との固定が実現できる。

【0069】

永久磁石１３０は、支持具１５０により強固に固定されるので、当該回転子を大型化し、鉄道車両用の主電動機のような高回転且つ高温環境下での使用に供されるとしても、比較的強い遠心力にも耐え得る設計が可能になる。

【0070】

また、圧粉磁心１４０は、そもそも絶縁被膜された磁性粒子がプレス成形されているので、引っ張り応力に対して脆性を示し、局所的な機械的結合を行うと応力集中により破損し易い。しかし、ＡＴＦ回転電機１００では、圧粉磁心１４０は、永久磁石１３０により面により押圧固定されるので、固定に係る応力集中が抑制される。よって、圧粉磁心１４０の固定についても、永久磁石１３０の固定と同様に、高回転且つ高温環境下で使用されたとしても耐え得る設計が可能になる。

【0071】

また、回転子１２０の組立工程においても、ＡＴＦ回転電機１００は、非磁性のダミー磁石１３０Ｄを使って仮組みすることで、永久磁石１３０と圧粉磁心１４０との適切な位置関係を実現した後に、ダミー磁石１３０Ｄを１つずつ永久磁石に組み換えることで、永久磁石１３０と圧粉磁心１４０との適切な位置関係を成した組み立てを実現できる。

【0072】

〔変形例〕
以上、本発明を適用した実施形態の一例について説明したが、本発明を適用可能な実施形態は、上記実施形態に限定されるものではなく、適宜構成要素の省略・追加・変更を行うことができる。

【0073】

（変形例その１）
上記実施形態では、ＡＴＦ回転電機１００を、鉄道車両用の「直接駆動式主電動機」として使用した例を示したが、ＡＴＦ回転電機１００の用途はこれに限定されるものではない。例えば、運搬車両の原動機、ポンプなどの産業機械類の原動機、そして発電機としても使用可能である。ＡＴＦ回転電機１００を鉄道車両用の主電動機として使用する場合でも、回生ブレーキとしても機能し、その時は発電機となる。

【0074】

（変形例その２）
また、上記実施形態では、１つのＡＴＦ回転電機１００が、３つの駆動ユニット１１０を備えた構成を例示したが、駆動ユニット１１０が例えば「３」の整数倍であれば１つのＡＴＦ回転電機１００に備える駆動ユニット１１０の数は、適宜設定可能である。

【0075】

（変形例その３）
また、上記実施形態の圧粉磁心１４０を、盤面周方向に分割構成し、複数の磁心パーツで１つの圧粉磁心１４０とする構成も可能である。
具体的には、図１４に示すように、圧粉磁心１４０を、盤面周方向に隣り合う永久磁石１３０のうちの一方側に当接する一方側磁心１４０Ｌと、他方側に当接する他方側磁心１４０Ｒとの２ピース構造とする。図１４中、破線は上記実施形態における圧粉磁心１４０の大きさを示している。そして、予め、同じ１つの永久磁石１３０の盤面周方向の一方側に一方側磁心１４０Ｌを取り付け、盤面周方向の他方側に他方側磁心１４０Ｒを取り付けて、一方側磁心１４０Ｌと他方側磁心１４０Ｒで１つの永久磁石１３０を挟んだ組付ユニット１８０を作成しておく。

【0076】

勿論、上記実施形態におけるダミー磁心１４０Ｄも同様にして２ピース構成として、ダミー磁石１３０Ｄとともにダミー組付ユニット１８０Ｄを作成しておく。

【0077】

そして、図１５に示すように、当該構成を採用した場合の回転子１２０Ｂの組立工程では、第１工程として、ダミー組付ユニット１８０Ｄで組み立てを行い、第２工程として、ダミー組付ユニット１８０Ｄを１つずつ組付ユニット１８０に交換する。つまり、組付ユニット１８０を作成することで、上記実施形態の第２工程と第３工程とを纏めて、１つの工程とすることができる。

【0078】

（変形例その４）
また、支持具１５０と、これに支持される部材との関係は上記実施形態に限定されない。例えば、図１５示すように、（１）上記実施形態におけるｎ個（ｎは２以上の整数；図１５ではｎ＝３の例）の内径側支持具１５１を１つの集約型内径側支持具１５１Ｅとする、（２）上記実施形態におけるｍ個（ｍは２以上の整数；図１５ではｍ＝３の例）の外径側支持具１５３を１つの集約型外径側支持具１５３Ｅとする、の何れか又は両方の構成も可能である。

【0079】

（変形例その５）
第１工程と第２工程の内容は、上記実施形態の例に限らない。
例えば、円盤体１２１の盤面に圧粉鉄心１４０の取付位置を示すマーキング（又は、圧粉鉄心１４０の盤面が浅く嵌まる窪みの作成）を行っておくこととする。そして、第１工程において、盤面側に接着剤を塗布した圧粉鉄心１４０を、けがきされた取付位置にそれぞれ貼り付け、接着剤が乾く前にダミー磁石１３０・内径側支持具１５１・中間支持具１５２を、設計された適切な隙間関係を成すように組み付けるとしてもよい。つまり、第１工程は、圧粉鉄心１４０の円盤体１２１に固定する第２工程を兼ねている構成も可能である。

【0080】

或いは、圧粉磁心１４０の盤面側に別途予め溝を設けておく。また、円盤体１２１及び連結基体１６０に、圧粉磁心１４０を円盤体１２１の盤面に取り付けたときに、圧粉磁心１４０の溝に達する接着剤の注入路を設けておく。そして、第２工程を、この注入路に接着剤を注入して圧粉磁心１４０を円盤体１２１に対して固定する工程とするとしてもよい。

【0081】

（変形例その６）
また、上記実施形態では、回転子１２０と車軸３ｊとの連結は、連結基体１６０と円盤体１２１とフランジ１１４とを、ボルトとナットで挟んで締め付けて固定する構成としたがこれに限らない。例えば図１６は、回転子固定部材１１２Ｂの変形例を示す径方向断面における部分断面図である。回転子固定部材１１２Ｂのように、フランジ部１１４と連結基体１６０とで挟んで固定するとしてもよい。具体的には、固定ボルト１１６を、連結基体１６０の孔部１６４および円盤体１２１の貫通孔１２３に挿通し、フランジ部１１４の雌ネジ部１１５に螺合させて締め付ける。フランジ部１１４を、車軸３ｊの軸方向から見ると円環状になっているので、固定ボルト１１６の締め付け軸荷重がフランジ部１１４と円盤体１２１の縁部１２２とに広く分散され、貫通孔１２３周りへの締め付け軸荷重の応力を分散できる。

【0082】

（変形例その７）
また、上記実施形態では、連結基体１６０の形状を、車軸の軸方向ＡＸから見ると円盤体１２１と略同形の円環を有する薄板としたが、これに限らない。例えば、図１７に示す連結基体１６０Ｂのように、車軸の軸方向ＡＸから見ると、取付ボルト１５９に対応する雌ネジ部１６２を有する３つのリング部１６５（１６５ａ，１６５ｂ，１６５ｃ）と、スポーク部１６６とを組み合わせた編み目状の形状としてもよい。また例えば、図１８の連結基体１６０Ｃのように、１つの永久磁石１３０に係る３つの雌ネジ部１６２を径方向に繋ぐ連結ロッド１６７を放射状に備えた構成とすることもできる。これらの形状とすることで、回転子１２０としての結合強度を維持しつつ、回転子１２０の軽量化と、渦電流の発生にともなう損失の軽減を図ることができる。

【符号の説明】

【0083】

１００…ＡＴＦ回転電機
１１０…駆動ユニット
１２０，１２０Ｂ…回転子
１２１…円盤体
１３０…永久磁石
１３１…内径側磁石
１３２…外径側磁石
１３３…内径側対支持具傾斜部
１３４…対中間支持傾斜部
１３５…外径側対支持具傾斜部
１３６…対磁心テーパ部
１４０…圧粉磁心
１４０Ｌ…一方側磁心
１４０Ｒ…他方側磁心
１４２…内径側対支持具傾斜部
１４３…外径側対支持具傾斜部
１４４…対磁石テーパ部
１５０…支持具
１５１…内径側支持具
１５２…中間支持具
１５３…外径側支持具
１５４…内径側対磁石傾斜部
１５６…対磁石傾斜部
１５７…対磁心傾斜部
１５８…外径側対磁石傾斜部
１６０…連結基体
１８０…組付ユニット

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】