アキシャルギャップ回転電機のロータ
【課題】回転電機全体の単位体積あたりの出力トルクを向上する。
【解決手段】アキシャルギャップ型の回転電機を構成するロータ３００は、ロータ３００の周方向に沿った磁極方向を有し、ロータ３００の周方向に沿って間隔をおいて配置された複数の第１の永久磁石部３２３と、周方向に隣り合う第１の永久磁石部３２３の間にそれぞれ配置され、ギャップ面を形成する複数のコア部３２４と、回転軸方向に沿った磁極方向を有し、周方向に隣り合う第１の永久磁石部３２３の間であって各コア部３２４のギャップ面とは反対側にそれぞれ配置された複数の第２の永久磁石部３２２とを備える。周方向に隣り合う前記第１の永久磁石部３２３は互いに磁極方向が反対である。第２の永久磁石部３２２は、各コア部３２４から見て周方向の両側に配置された第１の永久磁石部３２３が各コア部３２４に対して向けている磁極と同じ磁極を各コア部３２４に対して向けている。
【解決手段】アキシャルギャップ型の回転電機を構成するロータ３００は、ロータ３００の周方向に沿った磁極方向を有し、ロータ３００の周方向に沿って間隔をおいて配置された複数の第１の永久磁石部３２３と、周方向に隣り合う第１の永久磁石部３２３の間にそれぞれ配置され、ギャップ面を形成する複数のコア部３２４と、回転軸方向に沿った磁極方向を有し、周方向に隣り合う第１の永久磁石部３２３の間であって各コア部３２４のギャップ面とは反対側にそれぞれ配置された複数の第２の永久磁石部３２２とを備える。周方向に隣り合う前記第１の永久磁石部３２３は互いに磁極方向が反対である。第２の永久磁石部３２２は、各コア部３２４から見て周方向の両側に配置された第１の永久磁石部３２３が各コア部３２４に対して向けている磁極と同じ磁極を各コア部３２４に対して向けている。
【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回転電機のロータに関し、特にアキシャルギャップ回転電機のロータにおける永久磁石とコアの配置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電動機および発電機のうち少なくとも一方の用途で用いられる回転電機として、ギャップ面が回転軸と垂直になるようにロータとステータが配置されたアキシャルギャップ回転電機が知られている。特許文献１に開示されたアキシャルギャップ回転電機のロータでは、複数の永久磁石と複数のコアがロータの周方向に交互に配置され、各永久磁石は、磁極方向が周方向であり、かつ、コアを挟んで隣り合う永久磁石の磁極方向が反対になるように、配置されている。そして、特許文献１に開示された技術では、例えば、永久磁石の軸方向の厚さは、径方向外側から径方向の内側に向かうに連れて小さく構成され、これによってコアの磁気飽和を防ぎ、永久磁石の単位体積あたりの回転電機のトルク出力を向上させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２５３１８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来技術では、永久磁石の単位体積あたりの回転電機の出力トルクの向上を目的としており、回転電機全体の単位体積あたりの出力トルクの向上について十分な工夫がなされているとは言えなかった。
【０００５】
本発明の主な利点は、回転電機全体の単位体積あたりの出力トルクを向上することができる技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］ステータに対して回転軸方向に対向配置されるギャップ面を有し、アキシャルギャップ型の回転電機を構成するロータであって、
前記ロータの周方向に沿った磁極方向を有し、前記周方向に沿って間隔をおいて配置された複数の第１の永久磁石部であって、前記周方向に隣り合う前記第１の永久磁石部は互いに磁極方向が反対である、前記複数の第１の永久磁石部と、
前記周方向に隣り合う前記第１の永久磁石部の間にそれぞれ配置され、前記ギャップ面を形成する複数のコア部と、
前記回転軸方向に沿った磁極方向を有し、前記周方向に隣り合う前記第１の永久磁石部の間であって各コア部の前記ギャップ面とは反対側にそれぞれ配置された複数の第２の永久磁石部であって、各コア部から見て前記周方向の両側に配置された前記第１の永久磁石部が各コア部に対して向けている磁極と同じ磁極を各コア部に対して向けている、前記複数の第２の永久磁石部と、
を備える、ロータ。
【０００８】
上記構成のロータは、各コア部から見て周方向の両側に配置された第１の永久磁石部に加えて、各コア部のギャップ面とは反対側に配置された第２の永久磁石部を備えている。そして、第２の永久磁石部は、各コア部から見て周方向の両側に配置された第１の永久磁石部が各コア部に対して向けている磁極と同じ磁極を各コア部に対して向けている。この結果、ロータの各コア部のギャップ面からステータコイルに向かう永久磁石による磁束は、第１の永久磁石部による磁束と第２の永久磁石部による磁束とを合わせた磁束となる。この結果、永久磁石による電機子鎖交磁束の最大値を、第２の永久磁石を備えていない場合と比較して、大きくすることができる。この結果、永久磁石による電機子鎖交磁束の最大値に比例して大きくなる回転電機のマグネットトルクを向上することができる。
【０００９】
さらに、上記構成のロータにおいて、ステータコイルが生成するｄ軸磁束の磁路は、一つのコア部のギャップ面から、ロータ内部を通って該コア部の周方向に第１の永久磁石部を挟んで隣り合う別のコア部に至る経路となる。この経路には、第１の永久磁石部に加えて、第２の永久磁石部が配置されている。この結果、この経路における磁気抵抗が大きくなるので、第２の永久磁石部が配置されていない場合と比較して、ｄ軸インダクタンスＬｄが小さくなる。この結果、突極比が大きくなるので、回転電機のリラクタンストルクを向上することができる。
【００１０】
上述したマグネットトルクの向上とリラクタンストルクの向上とによって、回転電機全体（あるいはロータ全体）の単位体積辺りの出力トルク、ひいては、最大出力（出力トルク×回転数の最大値）を向上することができる。
【００１１】
［適用例２］適用例１記載のロータであって、さらに、
前記コア部を第１のコア部と呼ぶときに、前記第１のコア部とは異なる第２のコア部を備え、
前記第２のコア部は、複数の前記第１の永久磁石部と複数の前記第２の永久磁石部との前記ギャップ面側とは反対側に配置されている、ロータ。
【００１２】
上記構成によれば、一つの第２の永久磁石部のギャップ面側とは反対側の磁極から、該第２の永久磁石部の周方向に第１の永久磁石部を挟んで隣り合う別の第２の永久磁石のギャップ面側とは反対側の磁極に至る磁束の磁路に第２のコア部が配置される。この結果、第２の永久磁石の磁束の経路を確保して第１のコア部を通る磁束をより大きくすることができるので、回転電機のマグネットトルクを向上することができる。
【００１３】
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、アキシャルギャップ型の回転電機、その回転電機を備えた駆動装置、等の態様で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施例としての第１のロータ３００の外観構成と第１のロータ３００を用いた回転電機１０００の外観構成とを示す概略図である。
【図２】ステータ２００の概略構成を説明する図である。
【図３】第１のロータ３００の分解斜視図である。
【図４】第１のロータ３００の界磁部３２０の分解斜視図である。
【図５】図３において一点破線で示す部位の軸方向に平行な断面（Ｆ−Ｆ断面）について周方向に１極対分の構成を図示した図である。
【図６】比較例におけるロータの界磁部５２０の外観構成を示す概略図である。
【図７】実施例における回転電機１０００の利点を説明するための第１の図である。
【図８】実施例における回転電機１０００の利点を説明するための第２の図である。
【図９】実施例における回転電機１０００と比較例における回転電機の出力特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
次に、この発明の実施の形態を実施例および変形例に基づいて説明する。
【００１６】
Ａ．実施例：
図１は、本発明の一実施例としての第１のロータ３００の外観構成（図１（ａ））と、第１のロータ３００を用いた回転電機１０００の外観構成（図１（ｂ））とを示す概略図である。回転電機１０００は、軸Ａを回転軸とするアキシャルギャップ型の８極回転電機であり、ステータ２００と、ステータ２００の回転軸方向の両側にそれぞれ配置された第１のロータ３００および第２のロータ４００と、を備えている（図１（ｂ））。第１のロータ３００は、ステータ２００に対して回転軸方向の一方の側に対向配置されるギャップ面ＧＳ３を有し（図１（ａ））、第２のロータ４００は、ステータ２００に対して回転軸方向の一方の側に対向配置されるギャップ面を有している（図示は省略）。以下、回転軸Ａに沿った方向を単に軸方向と呼び、回転軸Ａを通り回転軸Ａと直交する方向を径方向と呼び、回転軸と直交する面において回転軸Ａとの交点を中心とする円に沿った方向を周方向と呼ぶ。また、第１のロータ３００および第２のロータ４００について説明する際、軸方向に沿った方向のうち、ステータ２００と対向する方向、すなわち、ギャップ面が配置されている側の方向をステータ対向方向とも呼ぶ。図１において、第１のロータ３００のステータ対向方向は右方向であり、第２のロータ４００のステータ対向方向は左方向である。
【００１７】
図２は、ステータ２００の概略構成を説明する図である。ステータ２００は、図２（ａ）に示すように、回転軸Ａと垂直な断面形状が略二等辺三角形である三角柱形状を有する複数のステータコア２０１と、各ステータコア２０１の側面に巻き回された集中巻コイル２０２と、を備えている。集中巻コイル２０２が巻き回された複数のステータコア２０１は、周方向に並べて配置され、全体として、ロータシャフト（後述：図３）が貫通する孔Ｈ１を有する略円筒形状を形成する。各ステータコア２０１の第１のロータ３００と対向する端面は同一平面上に配置され、第１のロータ３００と対向するギャップ面ＧＳ１を形成する。各ステータコア２０１の第２のロータ４００と対向する端面は同一平面上に配置され、第２のロータ４００と対向するギャップ面ＧＳ２を形成する。なお、複数の集中巻コイル２０２は、周方向に機械角で９０度離れた位置にある４つの集中巻コイル２０２を同じ組として３組に分けられ、組ごとに位相の異なる三相電流が通電される。各集中巻コイル２０２に通電される三相電流によって、回転電機１０００の回転制御が行われる。
【００１８】
ステータ２００は、非磁性体で形成された２枚のステータ固定部材２１０を介して、図示しないケースに固定される。すなわち、図２（ｂ）に示すように、ステータ２００は、ロータシャフト（後述：図３）が貫通する孔２１３と、各ステータコア２０１の端部が嵌合する複数の孔２１２と、複数のボルト孔と、を有する２枚のステータ固定部材２１０によって、軸方向の両側から挟持される。そして、２枚のステータ固定部材２１０は、ボルトでケース（図示省略）に固定される。
【００１９】
図３〜図５を参照して、第１のロータ３００および第２のロータ４００の構成について説明する。図３は、第１のロータ３００の分解斜視図である。図４は、第１のロータ３００の界磁部３２０の分解斜視図である。第１のロータ３００は、永久磁石を含み磁束を発生するための界磁部３２０と、界磁部３２０が固定される非磁性体の支持部材３１１とシャフト本体３１２とから構成されたロータシャフト３１０とを備えている。
【００２０】
第２のロータ４００は、第１のロータ３００と同様の構成を有しているので、第２のロータ４００の構成については、適宜に説明を加えながら、第１のロータ３００の構成を中心に説明する。第１のロータ３００のシャフト本体３１２と、第２のロータ４００のシャフト本体とは、組み付けられる際に、ステータ２００の孔Ｈ１（図２）の内部で結合される。そして、第１のロータ３００のシャフト本体３１２の外側の端部３１２ａおよび第２のロータ４００のシャフト本体の外側の端部（図示省略）は、ケースに軸受を介して回転可能に支持される。この結果、第１のロータ３００と第２のロータ４００は、回転軸Ａを中心に一体に回転する。
【００２１】
第１のロータ３００の界磁部３２０は、極数（本実施例では、８）と同数の第１の永久磁石３２３（図３、図４（ｃ））と、極数と同数の第２の永久磁石３２２（図３、図４（ｂ））と、極数と同数の第１のコア３２４（図３、図４（ｄ））と、第２のコア３２１（図３、図４（ａ））とを備えている。第１の永久磁石３２３と第２の永久磁石３２２は、フェライト磁石である。第１のコア３２４と第２のコア３２１は、軟磁性材料で形成されており、具体的には、鉄粉に絶縁性樹脂を混合して金型で圧縮成形した圧粉磁心である。
【００２２】
各第１の永久磁石３２３は、径方向に延びる角棒状の形状を有している。複数の第１の永久磁石３２３は、界磁部３２０において周方向に沿って等しい間隔をおいて配置されている。複数の第１の永久磁石３２３の軸方向の位置は、それぞれ同一である。各第１の永久磁石３２３の径方向に垂直な断面形状は矩形である。この矩形の周方向に沿った辺の長さは径方向外側が最も長く、径方向内側に向って少しずつ短くなっており、この矩形の軸方向に沿った辺の長さは、径方向の位置に拘わらず一定である。各第１の永久磁石３２３のＮ極着磁面３２３ＮおよびＳ極着磁面３２３Ｓ（図４（ｃ））は、周方向に略垂直である。
【００２３】
各第１の永久磁石３２３の磁極方向（磁石のＳ極からＮ極へ向かう方向）は、図３において第１の永久磁石３２３上に白い矢印で示すように周方向に沿っている。そして、周方向に隣り合う第１の永久磁石３２３の磁極方向は、互いに反対方向を向いている。すなわち、第１の永久磁石３２３のＮ極着磁面３２３ＮおよびＳ極着磁面３２３Ｓ（図４（ｃ））は、周方向に略垂直であり、互いに隣り合う第１の永久磁石３２３のＮ極着磁面３２３Ｎは、向かい合っている。
【００２４】
複数の第１のコア３２４は、周方向に隣り合う第２の永久磁石３２２の間に配置されている。複数の第１のコア３２４の軸方向の位置は、それぞれ同一である。各第１のコア３２４は、本体部３２４ａと、本体部３２４ａのステータ対向方向に配置されたギャップ面形成部３２４ｂとを有している。本体部３２４ａは、軸方向に垂直な断面形状が略扇形で、その断面形状が軸方向に延びた形状を有している。本体部３２４ａの軸方向の長さは、第１の永久磁石３２３の軸方向の長さの約半分である。ギャップ面形成部３２４ｂのステータ対向方向の面は、本体部３２４ａの扇形の断面形状より僅かに周方向に大きな扇形の形状を有している。各第１のコア３２４の各ギャップ面形成部３２４ｂのステータ対向方向の面は、同一面上に配置され、上述した第１のロータ３００のギャップ面ＧＳ３を形成している。
【００２５】
複数の第２の永久磁石３２２は、周方向に隣り合う第１の永久磁石３２３の間であって、各第１のコア３２４のステータ対向方向とは反対方向側の面に隣接配置されている。すなわち、各第２の永久磁石３２２は、各第１のコア３２４のギャップ面側とは反対側に配置されている。複数の第２の永久磁石３２２の軸方向の位置は、それぞれ同一である。各第２の永久磁石３２２は、第１のコア３２４の本体部３２４ａと略同一の形状を有している。すなわち、第２の永久磁石３２２は、軸方向に垂直な断面形状が略扇形で、その断面形状が軸方向に延びた形状を有している。第２の永久磁石３２２の軸方向の長さは、第１の永久磁石３２３の軸方向の長さの約半分である。複数の第２の永久磁石３２２のステータ対向方向とは反対側の面は、第１の永久磁石３２３のステータ対向方向とは反対側の面と同一面上に位置している。
【００２６】
第２の永久磁石３２２のＮ極着磁面３２２ＮおよびＳ極着磁面３２２Ｓは、軸方向に垂直な略扇形の面である（図４（ｂ））。すなわち、第２の永久磁石３２２の磁極方向は、図３において第２の永久磁石３２２上に白い矢印で示すように軸方向に沿っている。そして、第１の永久磁石３２３を挟んで周方向に隣り合う第２の永久磁石３２２の磁極方向は、互いに反対方向を向いている（図３）。また、各第２の永久磁石３２２は、ステータ対向方向に位置する第１のコア３２４に対して、その第１のコア３２４の周方向の両側に配置された第１の永久磁石３２３が、その第１のコア３２４に対して向けている磁極と同じ磁極を向けている。すなわち、１つの第１のコア３２４は、２つの第１の永久磁石３２３と１つの第２の永久磁石３２２とのそれぞれの同じ磁極の着磁面と向き合っている。
【００２７】
第２のコア３２１は、中心にロータシャフト３１０のシャフト本体３１２が貫通する孔Ｈ３を有する円盤形状を有している。第２のコア３２１のステータ対向方向の面は、複数の第１の永久磁石３２３のステータ対向方向とは反対方向の面の全体と、複数の第２の永久磁石３２２のステータ対向方向とは反対方向の面の全体を覆うように配置されている。
【００２８】
ここで、界磁部３２０の極数は８である、すなわち、極対数は４であるので、周方向に機械角で９０度離れた位置は、等価である。すなわち、周方向に機械角で９０度分の構成を１周期（電気角で３６０度分に相当する）として、同じ構成が４周期繰り返されている。図５は、図３において一点破線で示す部位の軸方向に平行な断面（Ｆ−Ｆ断面）について、周方向に１周期分（１極対分）の構成を図示した図である。図５では、図３において破線で示すように、１つの第１の永久磁石３２３の周方向の中心を電気角で０度の位置とし、この位置から周方向の反時計回りに１周期（電気角で３６０度）離れた位置までを図示している。図５では、理解の容易のため、ステータ２００と第２のロータ４００の構成についても、対応する１周期分の構成を併せて図示している。以下、図５を参照しながらさらに説明する。
【００２９】
第２のロータ４００の構成は、上述したように、第１のロータ３００の構成と同様であるので、第２のロータ４００の各構成要素の符号は、１桁目を「４」とし、２桁目以降を第１のロータ３００の対応する構成要素の符号の２桁目以降と同一にした符号を用いる。例えば、第２のロータ４００の第１の永久磁石には、符号「４２３」を付し、第２のロータ４００の第１のコアには、符号「４２４」を付す。
【００３０】
図５に示すように、第１のロータ３００の第１の永久磁石３２３とステータ２００を挟んで軸方向に対向する位置（軸方向から見て重なる位置）には、第２のロータ４００の第１の永久磁石４２３が配置される。第１のロータ３００の第１の永久磁石３２３の磁極方向と、軸方向に対向する第２のロータ４００の第１の永久磁石４２３の磁極方向は、反対方向を向いている。
【００３１】
同様に、図５に示すように、第１のロータ３００の第２の永久磁石３２２とステータ２００を挟んで軸方向に対向する位置には、第２のロータ４００の第１の永久磁石４２３が配置される。第１のロータ３００の第２の永久磁石３２２の磁極方向と、軸方向に対向する第２のロータ４００の第２の永久磁石４２２の磁極方向は同じ方向を向いている。すなわち、第１のロータ３００の第２の永久磁石３２２のステータ２００側の磁極面と、軸方向に対向する第２のロータ４００の第２の永久磁石４２２のステータ２００側の磁極面は、互いに異なる磁極の磁極面となる（図５）。
【００３２】
また、図５に示すように、第１のロータ３００の第１のコア３２４とステータ２００を挟んで軸方向に対向する位置には、第２のロータ４００の第１のコア４２４が配置される。
【００３３】
以上のように構成された第１のロータ３００の界磁部３２０と、第２のロータ４００の界磁部によって発生する磁束の磁路は、その代表的な経路を概略的に説明すると、図５において実線でしめす第１経路と、破線で示す第２経路を含む。第１経路は、主に第１のロータ３００および第２のロータ４００の第１の永久磁石３２３、４２３の磁束の磁路である。第２経路は、主に第１のロータ３００および第２のロータ４００の第２の永久磁石３２２、４２２の磁束の磁路である。
【００３４】
第１経路は、第１のロータ３００の第１の永久磁石３２３のＮ極着磁面３２３Ｎから隣接する第１のコア３２４のギャップ面ＧＳ３を貫通し、ステータ２００および第２のロータ４００の第１のコア４２４のギャップ面ＧＳ４を貫通して、第１のコア４２４に隣接する第１の永久磁石４２３のＳ極着磁面４２３Ｓに至る経路を含む。また、第１経路は、第２のロータ４００の第１の永久磁石４２３のＮ極着磁面４２３Ｎから隣接する第１のコア４２４のギャップ面ＧＳ４を貫通し、ステータ２００および第１のロータ３００の第１のコア３２４のギャップ面ＧＳ３を貫通して、第１のコア３２４に隣接する第１の永久磁石３２３のＳ極着磁面３２３Ｓに至る経路を含む。
【００３５】
第２経路は、第１のロータ３００の第２の永久磁石３２２のギャップ面ＧＳ３側を向いた着磁面（Ｎ極着磁面３２２ＮまたはＳ極着磁面３２２Ｓ）と、この第２の永久磁石３２２と軸方向に対向する第２のロータ４００の第２の永久磁石４２２のギャップ面ＧＳ４側を向いた着磁面（Ｓ極着磁面４２２ＳまたはＮ極着磁面４２２Ｎ）とを結ぶ経路を含む。また、第２経路は、第１のロータ３００の第２の永久磁石３２２の第２のコア３２１側の着磁面（Ｎ極着磁面３２２ＮまたはＳ極着磁面３２２Ｓ）から、第２のコア３２１を通り、この第２の永久磁石３２２の周方向に第１の永久磁石３２３を挟んで隣り合う第２の永久磁石３２２の第２のコア３２１側の着磁面（Ｓ極着磁面３２２ＳまたはＮ極着磁面３２２Ｎ）に至る経路を含む。さらに、第２経路は、第２のロータ４００の第２の永久磁石４２２の第２のコア４２１側の着磁面（Ｎ極着磁面４２２ＮまたはＳ極着磁面４２２Ｓ）から、第２のコア４２１を通り、この第２の永久磁石４２２の周方向に第１の永久磁石４２３を挟んで隣り合う第２の永久磁石４２２の第２のコア４２１側の着磁面（Ｓ極着磁面４２２ＳまたはＮ極着磁面４２２Ｎ）に至る経路を含む。
【００３６】
以上説明した構成の第１のロータ３００および第２のロータ４００の利点を、比較例と比較しながら説明する。図６は、比較例におけるロータの界磁部５２０の外観構成を示す概略図である。比較例における界磁部５２０は、上述した実施例における界磁部３２０（図３）と同じ体格を有している。すなわち、比較例における界磁部５２０と実施例における界磁部３２０は、軸方向の長さおよび径方向の長さが同一の円筒形状を有し、同じ径の孔Ｈ５、Ｈ２を回転軸の中心部にそれぞれ有している。
【００３７】
比較例における界磁部５２０は、実施例における界磁部３２０と異なり、第２の永久磁石３２２と、第２のコア３２１とを備えていない。比較例における界磁部５２０は、実施例における複数の第１の永久磁石３２３と同数の複数の永久磁石５２３を備えている。永久磁石５２３は、実施例における複数の第１の永久磁石３２３と同じフェライト磁石である。各永久磁石５２３の周方向の配置位置は、実施例における各第１の永久磁石３２３の周方向の配置位置と同じである。永久磁石５２３の軸方向の長さは、実施例における界磁部３２０の第２のコア３２１の軸方向の厚さ分だけ第１の永久磁石３２３より長い。
【００３８】
比較例における界磁部５２０は、周方向に間隔をおいて隣り合う永久磁石５２３の間にそれぞれコア５２４を備えている。すなわち、コア５２４は、実施例における第１のコア３２４と同数であり、各永久磁石５２３の周方向の配置位置は、実施例における各第１の永久磁石３２３の周方向の配置位置と同じである。コア５２４は、実施例おける第１のコア３２４と同じ材質および成形法の圧粉磁心である。コア５２４の軸方向の長さは、実施例における界磁部３２０の第２の永久磁石３２２の軸方向の厚さと第２のコア３２１の軸方向の厚さ分だけ、実施例における第１のコア３２４より長い。
【００３９】
比較例における界磁部５２０は、実施例における界磁部３２０と同様に、極数が８であるので、周方向に機械角で９０度離れた位置は、等価である。すなわち、周方向に機械角で９０度分の構成を１周期（電気角で３６０度分に相当する）として、同じ構成が４周期繰り返されている。
【００４０】
以上説明した比較例における界磁部５２０を備える一対のロータを、実施例におけるステータ２００と同一のステータの軸方向の両側に、軸方向に対向する永久磁石５２３の磁極方向が反対を向くように対向配置して構成された回転電機を、比較例における回転電機とする。
【００４１】
ここで、回転電機をモータとして用いる場合のトルクＴは、いわゆるｄ、ｑ軸座標系で回転電機で表したｄ、ｑ変換モデルを用いて、以下の式（１）で表される。
Ｔ＝Ｍ・Ｉｑ−（Ｌｑ−Ｌｄ）Ｉｄ・Ｉｑ ...（１）
ここで、Ｍは逆起電力定数、Ｌｑはｑ軸インダクタンス、Ｌｄはｄ軸インダクタンス、Ｉｄはｄ軸電流、Ｉｑはｑ軸電流を表す。第１項はマグネットトルクを表し、第２項はリラクタンストルクを表す。回転電機を駆動制御する場合、一般的にＬｑ＞Ｌｄであるので、正の値のｑ軸電流Ｉｑと、負の値のｄ軸電流Ｉｄと、を三相交流電流に変換して制御され、第２項は正の値になる。式（１）から解るように、マグネットトルクは、逆起電力定数Ｍに比例し、リラクタンストルクは、突極比（Ｌｑ−Ｌｄ）に比例する。なお、逆起電力定数Ｍは、電機子鎖交磁束の最大値に相当する。
【００４２】
図７は、実施例における回転電機１０００の利点を説明するための第１の図である。図７（ａ）は、実施例における界磁部３２０のＦ−Ｆ断面（図３参照）の周方向に１周期分を図示した図である。図７（ｂ）は、比較例における界磁部５２０のＧ−Ｇ断面（図６参照）の周方向に１周期分を図示した図である。図７（ｃ）は、実施例における回転電機１０００と、比較例における回転電機との逆起電力定数を比較するグラフである。なお、この逆起電力定数は、有限要素法を用いた磁界解析によって算出した値をもとに、比較例における回転電機の逆起電力定数を１として正規化したものである。
【００４３】
図７（ａ）に示すように、実施例における第１のロータ３００（界磁部３２０）は、各第１のコア３２４から見て周方向の両側に配置された一対の第１の永久磁石３２３に加えて、各第１のコア３２４のギャップ面ＧＳ３とは反対側（ステータ対向方向の反対方向側）に配置された第２の永久磁石３２２を備えている。第２の永久磁石３２２は、ステータ対向方向に隣接する第１のコア３２４から見て周方向の両側に配置された第１の永久磁石３２３が当該第１のコア３２４に対して向けている磁極と同じ磁極を当該第１のコア３２４に対して向けている。この結果、ギャップ面ＧＳ３からステータ２００に向かう永久磁石による磁束は、第１の永久磁石３２３による磁束と第２の永久磁石３２２による磁束とを合わせた磁束となる。第２のロータ４００についても同様のことが言える。
【００４４】
一方、図７（ｂ）に示すように、比較例におけるロータ（界磁部５２０）は、各コア５２４から見て周方向の両側に永久磁石５２３が配置されているだけである。この結果、ギャップ面ＧＳ５からステータに向かう永久磁石による磁束は、永久磁石５２３による磁束だけとなる。
【００４５】
以上の説明から解るように、実施例における第１のロータ３００および第２のロータ４００によれば、永久磁石による磁束を、比較例におけるロータと比較して、大きくすることができる。この永久磁石による磁束の増大は、式（１）における逆起電力定数を増加させる。図７（ｃ）に示すように、有限要素法を用いた磁界解析によれば、実施例における回転電機１０００の逆起電力定数は、比較例における回転電機の逆起電力定数と比較して、約１０％大きかった。
【００４６】
以上のように、実施例における第１のロータ３００および第２のロータ４００によれば、逆起電力定数を大きくして、回転電機のマグネットトルクを向上することができる。
【００４７】
図８は、実施例における回転電機１０００の利点を説明するための第２の図である。図８（ａ）は、界磁部３２０の図７（ａ）と同様の部分を図示している。図８（ｂ）は、比較例における界磁部５２０の図７（ｂ）と同様の部分を図示している。図８（ｃ）は、実施例における回転電機１０００と、比較例における回転電機との突極比を比較するグラフである。なお、この突極比は、有限要素法を用いた磁界解析によって算出した値をもとに、比較例における回転電機のｄ軸インダクタンスＬｄを１として正規化したものである。
【００４８】
図８（ａ）に示す実線の矢印は、実施例における第１のロータ３００（界磁部３２０）におけるｄ軸磁束の経路（ｄ軸磁路）を示している。同様に、図８（ｂ）に示す実線の矢印は、比較例におけるロータ（界磁部５２０）におけるｄ軸磁路を示している。実施例、比較例ともに、ｄ軸磁路は、磁気抵抗の高い永久磁石（実施例では第１の永久磁石３２３、比較例では、永久磁石５２３）を周方向に貫通する経路となる。実施例における第１のロータ３００では、この経路に、磁気抵抗の高い第２の永久磁石３２２がさらに配置されているので、ｄ軸磁路の磁気抵抗が、比較例と比較して大きくなる。第２のロータ４００についても同様のことが言える。したがって、実施例における回転電機１０００におけるｄ軸インダクタンスＬｄは、比較例における回転電機におけるｄ軸インダクタンスＬｄと比較して低下する。
【００４９】
図８（ｂ）に示す破線の矢印は、実施例における第１のロータ３００（界磁部３２０）におけるｑ軸磁束の代表的な経路（ｑ軸磁路）を示している。同様に、図８（ｂ）に示す実線の矢印は、比較例における第１のロータ（界磁部５２０）における代表的なｑ軸磁路を示している。実施例、比較例ともに、ｑ軸磁路は、磁気抵抗の小さい軟磁性体（実施例では第１のコア３２４、比較例では、コア５２４）を通る経路となる。実施例における第１のコア３２４は軸方向の長さは、比較例におけるコア５２４の軸方向の長さより短いが、第１のコア３２４を通る磁束が飽和磁束密度に達しないかぎり、実施例におけるｑ軸磁路の磁気抵抗は、比較例におけるｑ軸磁路の磁気抵抗と比較して、それほど大きくはならない。したがって、したがって、実施例における回転電機１０００におけるｑ軸インダクタンスＬｑは、比較例における回転電機におけるｑ軸インダクタンスＬｑと比較して低下するものの、低下の程度は、ｄ軸インダクタンスの低下の程度より小さい。
【００５０】
以上の説明から解るように、実施例における回転電機１０００の突極比（Ｌｑ−Ｌｄ）は、比較例における回転電機の突極比と比較して大きくなる。図８（ｃ）に示すように、有限要素法を用いた磁界解析によれば、実施例における回転電機１０００の突極比は、比較例における回転電機の突極比と比較して、約４％大きかった。
【００５１】
以上のように、実施例における第１のロータ３００および第２のロータ４００によれば、突極比を大きくして、回転電機のリラクタンストルクを向上することができる。
【００５２】
上述したマグネットトルクの向上とリラクタンストルクの向上とによって、回転電機を電動機として動作させる場合における回転電機全体（あるいはロータ全体）の単位体積辺りの出力トルク、ひいては、最大出力（出力トルク×回転数の最大値）を向上することができる。また、回転電機を発電機として動作させる場合には、単位体積辺りの発電能力を向上することができる。
【００５３】
図９は、有限要素法を用いた磁界解析によって算出された実施例における回転電機１０００と比較例における回転電機の出力特性を示すグラフである。図９（ａ）は、ロータの磁極位置とステータの三相回転磁界の磁界位置との位相差（界磁角）と出力トルクとの関係（界磁角特性）を示す。図９（ｂ）は、出力トルクと回転速度（単位時間あたりの回転数）との関係（トルク−回転数特性）を示す。図９（ａ）、図９（ｂ）ともに、同じ大きさの電流で各回転電機を制御した場合について比較している。図９（ａ）、図９（ｂ）ともに、比較例における回転電機の最大トルクを１として示している。図９（ａ）（ｂ）において黒い矢印で示すように、実施例における回転電機１０００の最大トルクは、比較例における回転電機の最大トルクと比較して、約１０．８％大きかった。実施例における回転電機１０００の最大出力は、比較例における回転電機の最大出力と比較して、約２１．６％大きかった。
【００５４】
Ｃ．変形例：
この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００５５】
（１）上記実施例における界磁部３２０の第２のコア３２１は、第２の永久磁石３２２の磁束の磁路を確保して第１のコア３２４を通る磁束をより大きくするために配置されることが好ましいが、省略され得る。
【００５６】
（２）上記実施例は、ステータ２００の軸方向の両側にそれぞれロータ（第１のロータ３００と第２のロータ４００）を配置したいわゆるダブルロータタイプであるが、ステータの軸方向の一方の側のみにロータを配置した構成であっても良い。
【００５７】
（３）上記実施例では、第１の永久磁石３２３、４２３および第２の永久磁石３２２、４２２にフェライト磁石を採用したが他の種類の磁石を採用しても良い。例えば、ネオジウム磁石、サマリウムコバルト磁石などの希土類磁石や、アルニコ磁石などを採用しても良い。フェライト磁石よりも磁力が強い希土類磁石を採用すれば、より小型で高出力の回転電機を作製することができる。一方、本実施例のようにフェライト磁石を採用すれば、安価でありながら、単位体積辺りの出力を向上させた回転電機を作製することができる。また、第１のコア３２４、４２４、第２のコア３２１、４２１は、圧粉磁心を採用したが、任意の軟磁性材料、例えば、電磁鋼板の積層体を採用することができる。
【００５８】
（４）上記実施例では、極数が８である回転電機を例に説明したが、極数はこれに限られず、４極、６極、１０極などあらゆる偶数の極数の回転電機を採用することができる。
【００５９】
（５）また、上記実施例におけるロータ３００、４００の具体的な形状は一例であり、適宜に変形がなされ得る。例えば、上記実施例では、複数の第１のコア３２４は、それぞれ別体とされているが、径方向の内側で一体にされていても良く、周方向に隣り合う第１の永久磁石３２３の間に配置されるコア部を備えていれば良い。同様にステータ２００の具体的な構成は一例であり適宜に変形がなされ得る。例えば、分布巻きで構成されたステータコイルを備えるステータであっても良い。
【００６０】
（６）上記実施例における回転電機１０００は、電動機および発電機の少なくとも一方として動作させる、あらゆる用途に採用されるが、例えば、電気自動車やハイブリッド車両において電動機および発電機として用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明は、アキシャルギャップ型の回転電機に用いられるロータに好適に利用できる。
【符号の説明】
【００６２】
２００...ステータ、２０１...ステータコア、２０２...集中巻コイル、２１０...ステータ固定部材、３００...第１のロータ、３１０...ロータシャフト、３１１...支持部材、３１２...シャフト本体、３１２ａ...端部、３２０...界磁部、３２１...第２のコア、３２２...第２の永久磁石、３２３...第１の永久磁石、３２４...第１のコア、４００...第２のロータ、４２１...第２のコア、４２２...第２の永久磁石、４２３...第１の永久磁石、４２４...第１のコア、１０００...回転電機、ＧＳ１〜ＧＳ４...ギャップ面
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アキシャルギャップ回転電機のロータに関し、特にアキシャルギャップ回転電機のロータにおける永久磁石とコアの配置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電動機および発電機のうち少なくとも一方の用途で用いられる回転電機として、ギャップ面が回転軸と垂直になるようにロータとステータが配置されたアキシャルギャップ回転電機が知られている。特許文献１に開示されたアキシャルギャップ回転電機のロータでは、複数の永久磁石と複数のコアがロータの周方向に交互に配置され、各永久磁石は、磁極方向が周方向であり、かつ、コアを挟んで隣り合う永久磁石の磁極方向が反対になるように、配置されている。そして、特許文献１に開示された技術では、例えば、永久磁石の軸方向の厚さは、径方向外側から径方向の内側に向かうに連れて小さく構成され、これによってコアの磁気飽和を防ぎ、永久磁石の単位体積あたりの回転電機のトルク出力を向上させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２５３１８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来技術では、永久磁石の単位体積あたりの回転電機の出力トルクの向上を目的としており、回転電機全体の単位体積あたりの出力トルクの向上について十分な工夫がなされているとは言えなかった。
【０００５】
本発明の主な利点は、回転電機全体の単位体積あたりの出力トルクを向上することができる技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］ステータに対して回転軸方向に対向配置されるギャップ面を有し、アキシャルギャップ型の回転電機を構成するロータであって、
前記ロータの周方向に沿った磁極方向を有し、前記周方向に沿って間隔をおいて配置された複数の第１の永久磁石部であって、前記周方向に隣り合う前記第１の永久磁石部は互いに磁極方向が反対である、前記複数の第１の永久磁石部と、
前記周方向に隣り合う前記第１の永久磁石部の間にそれぞれ配置され、前記ギャップ面を形成する複数のコア部と、
前記回転軸方向に沿った磁極方向を有し、前記周方向に隣り合う前記第１の永久磁石部の間であって各コア部の前記ギャップ面とは反対側にそれぞれ配置された複数の第２の永久磁石部であって、各コア部から見て前記周方向の両側に配置された前記第１の永久磁石部が各コア部に対して向けている磁極と同じ磁極を各コア部に対して向けている、前記複数の第２の永久磁石部と、
を備える、ロータ。
【０００８】
上記構成のロータは、各コア部から見て周方向の両側に配置された第１の永久磁石部に加えて、各コア部のギャップ面とは反対側に配置された第２の永久磁石部を備えている。そして、第２の永久磁石部は、各コア部から見て周方向の両側に配置された第１の永久磁石部が各コア部に対して向けている磁極と同じ磁極を各コア部に対して向けている。この結果、ロータの各コア部のギャップ面からステータコイルに向かう永久磁石による磁束は、第１の永久磁石部による磁束と第２の永久磁石部による磁束とを合わせた磁束となる。この結果、永久磁石による電機子鎖交磁束の最大値を、第２の永久磁石を備えていない場合と比較して、大きくすることができる。この結果、永久磁石による電機子鎖交磁束の最大値に比例して大きくなる回転電機のマグネットトルクを向上することができる。
【０００９】
さらに、上記構成のロータにおいて、ステータコイルが生成するｄ軸磁束の磁路は、一つのコア部のギャップ面から、ロータ内部を通って該コア部の周方向に第１の永久磁石部を挟んで隣り合う別のコア部に至る経路となる。この経路には、第１の永久磁石部に加えて、第２の永久磁石部が配置されている。この結果、この経路における磁気抵抗が大きくなるので、第２の永久磁石部が配置されていない場合と比較して、ｄ軸インダクタンスＬｄが小さくなる。この結果、突極比が大きくなるので、回転電機のリラクタンストルクを向上することができる。
【００１０】
上述したマグネットトルクの向上とリラクタンストルクの向上とによって、回転電機全体（あるいはロータ全体）の単位体積辺りの出力トルク、ひいては、最大出力（出力トルク×回転数の最大値）を向上することができる。
【００１１】
［適用例２］適用例１記載のロータであって、さらに、
前記コア部を第１のコア部と呼ぶときに、前記第１のコア部とは異なる第２のコア部を備え、
前記第２のコア部は、複数の前記第１の永久磁石部と複数の前記第２の永久磁石部との前記ギャップ面側とは反対側に配置されている、ロータ。
【００１２】
上記構成によれば、一つの第２の永久磁石部のギャップ面側とは反対側の磁極から、該第２の永久磁石部の周方向に第１の永久磁石部を挟んで隣り合う別の第２の永久磁石のギャップ面側とは反対側の磁極に至る磁束の磁路に第２のコア部が配置される。この結果、第２の永久磁石の磁束の経路を確保して第１のコア部を通る磁束をより大きくすることができるので、回転電機のマグネットトルクを向上することができる。
【００１３】
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、アキシャルギャップ型の回転電機、その回転電機を備えた駆動装置、等の態様で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施例としての第１のロータ３００の外観構成と第１のロータ３００を用いた回転電機１０００の外観構成とを示す概略図である。
【図２】ステータ２００の概略構成を説明する図である。
【図３】第１のロータ３００の分解斜視図である。
【図４】第１のロータ３００の界磁部３２０の分解斜視図である。
【図５】図３において一点破線で示す部位の軸方向に平行な断面（Ｆ−Ｆ断面）について周方向に１極対分の構成を図示した図である。
【図６】比較例におけるロータの界磁部５２０の外観構成を示す概略図である。
【図７】実施例における回転電機１０００の利点を説明するための第１の図である。
【図８】実施例における回転電機１０００の利点を説明するための第２の図である。
【図９】実施例における回転電機１０００と比較例における回転電機の出力特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
次に、この発明の実施の形態を実施例および変形例に基づいて説明する。
【００１６】
Ａ．実施例：
図１は、本発明の一実施例としての第１のロータ３００の外観構成（図１（ａ））と、第１のロータ３００を用いた回転電機１０００の外観構成（図１（ｂ））とを示す概略図である。回転電機１０００は、軸Ａを回転軸とするアキシャルギャップ型の８極回転電機であり、ステータ２００と、ステータ２００の回転軸方向の両側にそれぞれ配置された第１のロータ３００および第２のロータ４００と、を備えている（図１（ｂ））。第１のロータ３００は、ステータ２００に対して回転軸方向の一方の側に対向配置されるギャップ面ＧＳ３を有し（図１（ａ））、第２のロータ４００は、ステータ２００に対して回転軸方向の一方の側に対向配置されるギャップ面を有している（図示は省略）。以下、回転軸Ａに沿った方向を単に軸方向と呼び、回転軸Ａを通り回転軸Ａと直交する方向を径方向と呼び、回転軸と直交する面において回転軸Ａとの交点を中心とする円に沿った方向を周方向と呼ぶ。また、第１のロータ３００および第２のロータ４００について説明する際、軸方向に沿った方向のうち、ステータ２００と対向する方向、すなわち、ギャップ面が配置されている側の方向をステータ対向方向とも呼ぶ。図１において、第１のロータ３００のステータ対向方向は右方向であり、第２のロータ４００のステータ対向方向は左方向である。
【００１７】
図２は、ステータ２００の概略構成を説明する図である。ステータ２００は、図２（ａ）に示すように、回転軸Ａと垂直な断面形状が略二等辺三角形である三角柱形状を有する複数のステータコア２０１と、各ステータコア２０１の側面に巻き回された集中巻コイル２０２と、を備えている。集中巻コイル２０２が巻き回された複数のステータコア２０１は、周方向に並べて配置され、全体として、ロータシャフト（後述：図３）が貫通する孔Ｈ１を有する略円筒形状を形成する。各ステータコア２０１の第１のロータ３００と対向する端面は同一平面上に配置され、第１のロータ３００と対向するギャップ面ＧＳ１を形成する。各ステータコア２０１の第２のロータ４００と対向する端面は同一平面上に配置され、第２のロータ４００と対向するギャップ面ＧＳ２を形成する。なお、複数の集中巻コイル２０２は、周方向に機械角で９０度離れた位置にある４つの集中巻コイル２０２を同じ組として３組に分けられ、組ごとに位相の異なる三相電流が通電される。各集中巻コイル２０２に通電される三相電流によって、回転電機１０００の回転制御が行われる。
【００１８】
ステータ２００は、非磁性体で形成された２枚のステータ固定部材２１０を介して、図示しないケースに固定される。すなわち、図２（ｂ）に示すように、ステータ２００は、ロータシャフト（後述：図３）が貫通する孔２１３と、各ステータコア２０１の端部が嵌合する複数の孔２１２と、複数のボルト孔と、を有する２枚のステータ固定部材２１０によって、軸方向の両側から挟持される。そして、２枚のステータ固定部材２１０は、ボルトでケース（図示省略）に固定される。
【００１９】
図３〜図５を参照して、第１のロータ３００および第２のロータ４００の構成について説明する。図３は、第１のロータ３００の分解斜視図である。図４は、第１のロータ３００の界磁部３２０の分解斜視図である。第１のロータ３００は、永久磁石を含み磁束を発生するための界磁部３２０と、界磁部３２０が固定される非磁性体の支持部材３１１とシャフト本体３１２とから構成されたロータシャフト３１０とを備えている。
【００２０】
第２のロータ４００は、第１のロータ３００と同様の構成を有しているので、第２のロータ４００の構成については、適宜に説明を加えながら、第１のロータ３００の構成を中心に説明する。第１のロータ３００のシャフト本体３１２と、第２のロータ４００のシャフト本体とは、組み付けられる際に、ステータ２００の孔Ｈ１（図２）の内部で結合される。そして、第１のロータ３００のシャフト本体３１２の外側の端部３１２ａおよび第２のロータ４００のシャフト本体の外側の端部（図示省略）は、ケースに軸受を介して回転可能に支持される。この結果、第１のロータ３００と第２のロータ４００は、回転軸Ａを中心に一体に回転する。
【００２１】
第１のロータ３００の界磁部３２０は、極数（本実施例では、８）と同数の第１の永久磁石３２３（図３、図４（ｃ））と、極数と同数の第２の永久磁石３２２（図３、図４（ｂ））と、極数と同数の第１のコア３２４（図３、図４（ｄ））と、第２のコア３２１（図３、図４（ａ））とを備えている。第１の永久磁石３２３と第２の永久磁石３２２は、フェライト磁石である。第１のコア３２４と第２のコア３２１は、軟磁性材料で形成されており、具体的には、鉄粉に絶縁性樹脂を混合して金型で圧縮成形した圧粉磁心である。
【００２２】
各第１の永久磁石３２３は、径方向に延びる角棒状の形状を有している。複数の第１の永久磁石３２３は、界磁部３２０において周方向に沿って等しい間隔をおいて配置されている。複数の第１の永久磁石３２３の軸方向の位置は、それぞれ同一である。各第１の永久磁石３２３の径方向に垂直な断面形状は矩形である。この矩形の周方向に沿った辺の長さは径方向外側が最も長く、径方向内側に向って少しずつ短くなっており、この矩形の軸方向に沿った辺の長さは、径方向の位置に拘わらず一定である。各第１の永久磁石３２３のＮ極着磁面３２３ＮおよびＳ極着磁面３２３Ｓ（図４（ｃ））は、周方向に略垂直である。
【００２３】
各第１の永久磁石３２３の磁極方向（磁石のＳ極からＮ極へ向かう方向）は、図３において第１の永久磁石３２３上に白い矢印で示すように周方向に沿っている。そして、周方向に隣り合う第１の永久磁石３２３の磁極方向は、互いに反対方向を向いている。すなわち、第１の永久磁石３２３のＮ極着磁面３２３ＮおよびＳ極着磁面３２３Ｓ（図４（ｃ））は、周方向に略垂直であり、互いに隣り合う第１の永久磁石３２３のＮ極着磁面３２３Ｎは、向かい合っている。
【００２４】
複数の第１のコア３２４は、周方向に隣り合う第２の永久磁石３２２の間に配置されている。複数の第１のコア３２４の軸方向の位置は、それぞれ同一である。各第１のコア３２４は、本体部３２４ａと、本体部３２４ａのステータ対向方向に配置されたギャップ面形成部３２４ｂとを有している。本体部３２４ａは、軸方向に垂直な断面形状が略扇形で、その断面形状が軸方向に延びた形状を有している。本体部３２４ａの軸方向の長さは、第１の永久磁石３２３の軸方向の長さの約半分である。ギャップ面形成部３２４ｂのステータ対向方向の面は、本体部３２４ａの扇形の断面形状より僅かに周方向に大きな扇形の形状を有している。各第１のコア３２４の各ギャップ面形成部３２４ｂのステータ対向方向の面は、同一面上に配置され、上述した第１のロータ３００のギャップ面ＧＳ３を形成している。
【００２５】
複数の第２の永久磁石３２２は、周方向に隣り合う第１の永久磁石３２３の間であって、各第１のコア３２４のステータ対向方向とは反対方向側の面に隣接配置されている。すなわち、各第２の永久磁石３２２は、各第１のコア３２４のギャップ面側とは反対側に配置されている。複数の第２の永久磁石３２２の軸方向の位置は、それぞれ同一である。各第２の永久磁石３２２は、第１のコア３２４の本体部３２４ａと略同一の形状を有している。すなわち、第２の永久磁石３２２は、軸方向に垂直な断面形状が略扇形で、その断面形状が軸方向に延びた形状を有している。第２の永久磁石３２２の軸方向の長さは、第１の永久磁石３２３の軸方向の長さの約半分である。複数の第２の永久磁石３２２のステータ対向方向とは反対側の面は、第１の永久磁石３２３のステータ対向方向とは反対側の面と同一面上に位置している。
【００２６】
第２の永久磁石３２２のＮ極着磁面３２２ＮおよびＳ極着磁面３２２Ｓは、軸方向に垂直な略扇形の面である（図４（ｂ））。すなわち、第２の永久磁石３２２の磁極方向は、図３において第２の永久磁石３２２上に白い矢印で示すように軸方向に沿っている。そして、第１の永久磁石３２３を挟んで周方向に隣り合う第２の永久磁石３２２の磁極方向は、互いに反対方向を向いている（図３）。また、各第２の永久磁石３２２は、ステータ対向方向に位置する第１のコア３２４に対して、その第１のコア３２４の周方向の両側に配置された第１の永久磁石３２３が、その第１のコア３２４に対して向けている磁極と同じ磁極を向けている。すなわち、１つの第１のコア３２４は、２つの第１の永久磁石３２３と１つの第２の永久磁石３２２とのそれぞれの同じ磁極の着磁面と向き合っている。
【００２７】
第２のコア３２１は、中心にロータシャフト３１０のシャフト本体３１２が貫通する孔Ｈ３を有する円盤形状を有している。第２のコア３２１のステータ対向方向の面は、複数の第１の永久磁石３２３のステータ対向方向とは反対方向の面の全体と、複数の第２の永久磁石３２２のステータ対向方向とは反対方向の面の全体を覆うように配置されている。
【００２８】
ここで、界磁部３２０の極数は８である、すなわち、極対数は４であるので、周方向に機械角で９０度離れた位置は、等価である。すなわち、周方向に機械角で９０度分の構成を１周期（電気角で３６０度分に相当する）として、同じ構成が４周期繰り返されている。図５は、図３において一点破線で示す部位の軸方向に平行な断面（Ｆ−Ｆ断面）について、周方向に１周期分（１極対分）の構成を図示した図である。図５では、図３において破線で示すように、１つの第１の永久磁石３２３の周方向の中心を電気角で０度の位置とし、この位置から周方向の反時計回りに１周期（電気角で３６０度）離れた位置までを図示している。図５では、理解の容易のため、ステータ２００と第２のロータ４００の構成についても、対応する１周期分の構成を併せて図示している。以下、図５を参照しながらさらに説明する。
【００２９】
第２のロータ４００の構成は、上述したように、第１のロータ３００の構成と同様であるので、第２のロータ４００の各構成要素の符号は、１桁目を「４」とし、２桁目以降を第１のロータ３００の対応する構成要素の符号の２桁目以降と同一にした符号を用いる。例えば、第２のロータ４００の第１の永久磁石には、符号「４２３」を付し、第２のロータ４００の第１のコアには、符号「４２４」を付す。
【００３０】
図５に示すように、第１のロータ３００の第１の永久磁石３２３とステータ２００を挟んで軸方向に対向する位置（軸方向から見て重なる位置）には、第２のロータ４００の第１の永久磁石４２３が配置される。第１のロータ３００の第１の永久磁石３２３の磁極方向と、軸方向に対向する第２のロータ４００の第１の永久磁石４２３の磁極方向は、反対方向を向いている。
【００３１】
同様に、図５に示すように、第１のロータ３００の第２の永久磁石３２２とステータ２００を挟んで軸方向に対向する位置には、第２のロータ４００の第１の永久磁石４２３が配置される。第１のロータ３００の第２の永久磁石３２２の磁極方向と、軸方向に対向する第２のロータ４００の第２の永久磁石４２２の磁極方向は同じ方向を向いている。すなわち、第１のロータ３００の第２の永久磁石３２２のステータ２００側の磁極面と、軸方向に対向する第２のロータ４００の第２の永久磁石４２２のステータ２００側の磁極面は、互いに異なる磁極の磁極面となる（図５）。
【００３２】
また、図５に示すように、第１のロータ３００の第１のコア３２４とステータ２００を挟んで軸方向に対向する位置には、第２のロータ４００の第１のコア４２４が配置される。
【００３３】
以上のように構成された第１のロータ３００の界磁部３２０と、第２のロータ４００の界磁部によって発生する磁束の磁路は、その代表的な経路を概略的に説明すると、図５において実線でしめす第１経路と、破線で示す第２経路を含む。第１経路は、主に第１のロータ３００および第２のロータ４００の第１の永久磁石３２３、４２３の磁束の磁路である。第２経路は、主に第１のロータ３００および第２のロータ４００の第２の永久磁石３２２、４２２の磁束の磁路である。
【００３４】
第１経路は、第１のロータ３００の第１の永久磁石３２３のＮ極着磁面３２３Ｎから隣接する第１のコア３２４のギャップ面ＧＳ３を貫通し、ステータ２００および第２のロータ４００の第１のコア４２４のギャップ面ＧＳ４を貫通して、第１のコア４２４に隣接する第１の永久磁石４２３のＳ極着磁面４２３Ｓに至る経路を含む。また、第１経路は、第２のロータ４００の第１の永久磁石４２３のＮ極着磁面４２３Ｎから隣接する第１のコア４２４のギャップ面ＧＳ４を貫通し、ステータ２００および第１のロータ３００の第１のコア３２４のギャップ面ＧＳ３を貫通して、第１のコア３２４に隣接する第１の永久磁石３２３のＳ極着磁面３２３Ｓに至る経路を含む。
【００３５】
第２経路は、第１のロータ３００の第２の永久磁石３２２のギャップ面ＧＳ３側を向いた着磁面（Ｎ極着磁面３２２ＮまたはＳ極着磁面３２２Ｓ）と、この第２の永久磁石３２２と軸方向に対向する第２のロータ４００の第２の永久磁石４２２のギャップ面ＧＳ４側を向いた着磁面（Ｓ極着磁面４２２ＳまたはＮ極着磁面４２２Ｎ）とを結ぶ経路を含む。また、第２経路は、第１のロータ３００の第２の永久磁石３２２の第２のコア３２１側の着磁面（Ｎ極着磁面３２２ＮまたはＳ極着磁面３２２Ｓ）から、第２のコア３２１を通り、この第２の永久磁石３２２の周方向に第１の永久磁石３２３を挟んで隣り合う第２の永久磁石３２２の第２のコア３２１側の着磁面（Ｓ極着磁面３２２ＳまたはＮ極着磁面３２２Ｎ）に至る経路を含む。さらに、第２経路は、第２のロータ４００の第２の永久磁石４２２の第２のコア４２１側の着磁面（Ｎ極着磁面４２２ＮまたはＳ極着磁面４２２Ｓ）から、第２のコア４２１を通り、この第２の永久磁石４２２の周方向に第１の永久磁石４２３を挟んで隣り合う第２の永久磁石４２２の第２のコア４２１側の着磁面（Ｓ極着磁面４２２ＳまたはＮ極着磁面４２２Ｎ）に至る経路を含む。
【００３６】
以上説明した構成の第１のロータ３００および第２のロータ４００の利点を、比較例と比較しながら説明する。図６は、比較例におけるロータの界磁部５２０の外観構成を示す概略図である。比較例における界磁部５２０は、上述した実施例における界磁部３２０（図３）と同じ体格を有している。すなわち、比較例における界磁部５２０と実施例における界磁部３２０は、軸方向の長さおよび径方向の長さが同一の円筒形状を有し、同じ径の孔Ｈ５、Ｈ２を回転軸の中心部にそれぞれ有している。
【００３７】
比較例における界磁部５２０は、実施例における界磁部３２０と異なり、第２の永久磁石３２２と、第２のコア３２１とを備えていない。比較例における界磁部５２０は、実施例における複数の第１の永久磁石３２３と同数の複数の永久磁石５２３を備えている。永久磁石５２３は、実施例における複数の第１の永久磁石３２３と同じフェライト磁石である。各永久磁石５２３の周方向の配置位置は、実施例における各第１の永久磁石３２３の周方向の配置位置と同じである。永久磁石５２３の軸方向の長さは、実施例における界磁部３２０の第２のコア３２１の軸方向の厚さ分だけ第１の永久磁石３２３より長い。
【００３８】
比較例における界磁部５２０は、周方向に間隔をおいて隣り合う永久磁石５２３の間にそれぞれコア５２４を備えている。すなわち、コア５２４は、実施例における第１のコア３２４と同数であり、各永久磁石５２３の周方向の配置位置は、実施例における各第１の永久磁石３２３の周方向の配置位置と同じである。コア５２４は、実施例おける第１のコア３２４と同じ材質および成形法の圧粉磁心である。コア５２４の軸方向の長さは、実施例における界磁部３２０の第２の永久磁石３２２の軸方向の厚さと第２のコア３２１の軸方向の厚さ分だけ、実施例における第１のコア３２４より長い。
【００３９】
比較例における界磁部５２０は、実施例における界磁部３２０と同様に、極数が８であるので、周方向に機械角で９０度離れた位置は、等価である。すなわち、周方向に機械角で９０度分の構成を１周期（電気角で３６０度分に相当する）として、同じ構成が４周期繰り返されている。
【００４０】
以上説明した比較例における界磁部５２０を備える一対のロータを、実施例におけるステータ２００と同一のステータの軸方向の両側に、軸方向に対向する永久磁石５２３の磁極方向が反対を向くように対向配置して構成された回転電機を、比較例における回転電機とする。
【００４１】
ここで、回転電機をモータとして用いる場合のトルクＴは、いわゆるｄ、ｑ軸座標系で回転電機で表したｄ、ｑ変換モデルを用いて、以下の式（１）で表される。
Ｔ＝Ｍ・Ｉｑ−（Ｌｑ−Ｌｄ）Ｉｄ・Ｉｑ ...（１）
ここで、Ｍは逆起電力定数、Ｌｑはｑ軸インダクタンス、Ｌｄはｄ軸インダクタンス、Ｉｄはｄ軸電流、Ｉｑはｑ軸電流を表す。第１項はマグネットトルクを表し、第２項はリラクタンストルクを表す。回転電機を駆動制御する場合、一般的にＬｑ＞Ｌｄであるので、正の値のｑ軸電流Ｉｑと、負の値のｄ軸電流Ｉｄと、を三相交流電流に変換して制御され、第２項は正の値になる。式（１）から解るように、マグネットトルクは、逆起電力定数Ｍに比例し、リラクタンストルクは、突極比（Ｌｑ−Ｌｄ）に比例する。なお、逆起電力定数Ｍは、電機子鎖交磁束の最大値に相当する。
【００４２】
図７は、実施例における回転電機１０００の利点を説明するための第１の図である。図７（ａ）は、実施例における界磁部３２０のＦ−Ｆ断面（図３参照）の周方向に１周期分を図示した図である。図７（ｂ）は、比較例における界磁部５２０のＧ−Ｇ断面（図６参照）の周方向に１周期分を図示した図である。図７（ｃ）は、実施例における回転電機１０００と、比較例における回転電機との逆起電力定数を比較するグラフである。なお、この逆起電力定数は、有限要素法を用いた磁界解析によって算出した値をもとに、比較例における回転電機の逆起電力定数を１として正規化したものである。
【００４３】
図７（ａ）に示すように、実施例における第１のロータ３００（界磁部３２０）は、各第１のコア３２４から見て周方向の両側に配置された一対の第１の永久磁石３２３に加えて、各第１のコア３２４のギャップ面ＧＳ３とは反対側（ステータ対向方向の反対方向側）に配置された第２の永久磁石３２２を備えている。第２の永久磁石３２２は、ステータ対向方向に隣接する第１のコア３２４から見て周方向の両側に配置された第１の永久磁石３２３が当該第１のコア３２４に対して向けている磁極と同じ磁極を当該第１のコア３２４に対して向けている。この結果、ギャップ面ＧＳ３からステータ２００に向かう永久磁石による磁束は、第１の永久磁石３２３による磁束と第２の永久磁石３２２による磁束とを合わせた磁束となる。第２のロータ４００についても同様のことが言える。
【００４４】
一方、図７（ｂ）に示すように、比較例におけるロータ（界磁部５２０）は、各コア５２４から見て周方向の両側に永久磁石５２３が配置されているだけである。この結果、ギャップ面ＧＳ５からステータに向かう永久磁石による磁束は、永久磁石５２３による磁束だけとなる。
【００４５】
以上の説明から解るように、実施例における第１のロータ３００および第２のロータ４００によれば、永久磁石による磁束を、比較例におけるロータと比較して、大きくすることができる。この永久磁石による磁束の増大は、式（１）における逆起電力定数を増加させる。図７（ｃ）に示すように、有限要素法を用いた磁界解析によれば、実施例における回転電機１０００の逆起電力定数は、比較例における回転電機の逆起電力定数と比較して、約１０％大きかった。
【００４６】
以上のように、実施例における第１のロータ３００および第２のロータ４００によれば、逆起電力定数を大きくして、回転電機のマグネットトルクを向上することができる。
【００４７】
図８は、実施例における回転電機１０００の利点を説明するための第２の図である。図８（ａ）は、界磁部３２０の図７（ａ）と同様の部分を図示している。図８（ｂ）は、比較例における界磁部５２０の図７（ｂ）と同様の部分を図示している。図８（ｃ）は、実施例における回転電機１０００と、比較例における回転電機との突極比を比較するグラフである。なお、この突極比は、有限要素法を用いた磁界解析によって算出した値をもとに、比較例における回転電機のｄ軸インダクタンスＬｄを１として正規化したものである。
【００４８】
図８（ａ）に示す実線の矢印は、実施例における第１のロータ３００（界磁部３２０）におけるｄ軸磁束の経路（ｄ軸磁路）を示している。同様に、図８（ｂ）に示す実線の矢印は、比較例におけるロータ（界磁部５２０）におけるｄ軸磁路を示している。実施例、比較例ともに、ｄ軸磁路は、磁気抵抗の高い永久磁石（実施例では第１の永久磁石３２３、比較例では、永久磁石５２３）を周方向に貫通する経路となる。実施例における第１のロータ３００では、この経路に、磁気抵抗の高い第２の永久磁石３２２がさらに配置されているので、ｄ軸磁路の磁気抵抗が、比較例と比較して大きくなる。第２のロータ４００についても同様のことが言える。したがって、実施例における回転電機１０００におけるｄ軸インダクタンスＬｄは、比較例における回転電機におけるｄ軸インダクタンスＬｄと比較して低下する。
【００４９】
図８（ｂ）に示す破線の矢印は、実施例における第１のロータ３００（界磁部３２０）におけるｑ軸磁束の代表的な経路（ｑ軸磁路）を示している。同様に、図８（ｂ）に示す実線の矢印は、比較例における第１のロータ（界磁部５２０）における代表的なｑ軸磁路を示している。実施例、比較例ともに、ｑ軸磁路は、磁気抵抗の小さい軟磁性体（実施例では第１のコア３２４、比較例では、コア５２４）を通る経路となる。実施例における第１のコア３２４は軸方向の長さは、比較例におけるコア５２４の軸方向の長さより短いが、第１のコア３２４を通る磁束が飽和磁束密度に達しないかぎり、実施例におけるｑ軸磁路の磁気抵抗は、比較例におけるｑ軸磁路の磁気抵抗と比較して、それほど大きくはならない。したがって、したがって、実施例における回転電機１０００におけるｑ軸インダクタンスＬｑは、比較例における回転電機におけるｑ軸インダクタンスＬｑと比較して低下するものの、低下の程度は、ｄ軸インダクタンスの低下の程度より小さい。
【００５０】
以上の説明から解るように、実施例における回転電機１０００の突極比（Ｌｑ−Ｌｄ）は、比較例における回転電機の突極比と比較して大きくなる。図８（ｃ）に示すように、有限要素法を用いた磁界解析によれば、実施例における回転電機１０００の突極比は、比較例における回転電機の突極比と比較して、約４％大きかった。
【００５１】
以上のように、実施例における第１のロータ３００および第２のロータ４００によれば、突極比を大きくして、回転電機のリラクタンストルクを向上することができる。
【００５２】
上述したマグネットトルクの向上とリラクタンストルクの向上とによって、回転電機を電動機として動作させる場合における回転電機全体（あるいはロータ全体）の単位体積辺りの出力トルク、ひいては、最大出力（出力トルク×回転数の最大値）を向上することができる。また、回転電機を発電機として動作させる場合には、単位体積辺りの発電能力を向上することができる。
【００５３】
図９は、有限要素法を用いた磁界解析によって算出された実施例における回転電機１０００と比較例における回転電機の出力特性を示すグラフである。図９（ａ）は、ロータの磁極位置とステータの三相回転磁界の磁界位置との位相差（界磁角）と出力トルクとの関係（界磁角特性）を示す。図９（ｂ）は、出力トルクと回転速度（単位時間あたりの回転数）との関係（トルク−回転数特性）を示す。図９（ａ）、図９（ｂ）ともに、同じ大きさの電流で各回転電機を制御した場合について比較している。図９（ａ）、図９（ｂ）ともに、比較例における回転電機の最大トルクを１として示している。図９（ａ）（ｂ）において黒い矢印で示すように、実施例における回転電機１０００の最大トルクは、比較例における回転電機の最大トルクと比較して、約１０．８％大きかった。実施例における回転電機１０００の最大出力は、比較例における回転電機の最大出力と比較して、約２１．６％大きかった。
【００５４】
Ｃ．変形例：
この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００５５】
（１）上記実施例における界磁部３２０の第２のコア３２１は、第２の永久磁石３２２の磁束の磁路を確保して第１のコア３２４を通る磁束をより大きくするために配置されることが好ましいが、省略され得る。
【００５６】
（２）上記実施例は、ステータ２００の軸方向の両側にそれぞれロータ（第１のロータ３００と第２のロータ４００）を配置したいわゆるダブルロータタイプであるが、ステータの軸方向の一方の側のみにロータを配置した構成であっても良い。
【００５７】
（３）上記実施例では、第１の永久磁石３２３、４２３および第２の永久磁石３２２、４２２にフェライト磁石を採用したが他の種類の磁石を採用しても良い。例えば、ネオジウム磁石、サマリウムコバルト磁石などの希土類磁石や、アルニコ磁石などを採用しても良い。フェライト磁石よりも磁力が強い希土類磁石を採用すれば、より小型で高出力の回転電機を作製することができる。一方、本実施例のようにフェライト磁石を採用すれば、安価でありながら、単位体積辺りの出力を向上させた回転電機を作製することができる。また、第１のコア３２４、４２４、第２のコア３２１、４２１は、圧粉磁心を採用したが、任意の軟磁性材料、例えば、電磁鋼板の積層体を採用することができる。
【００５８】
（４）上記実施例では、極数が８である回転電機を例に説明したが、極数はこれに限られず、４極、６極、１０極などあらゆる偶数の極数の回転電機を採用することができる。
【００５９】
（５）また、上記実施例におけるロータ３００、４００の具体的な形状は一例であり、適宜に変形がなされ得る。例えば、上記実施例では、複数の第１のコア３２４は、それぞれ別体とされているが、径方向の内側で一体にされていても良く、周方向に隣り合う第１の永久磁石３２３の間に配置されるコア部を備えていれば良い。同様にステータ２００の具体的な構成は一例であり適宜に変形がなされ得る。例えば、分布巻きで構成されたステータコイルを備えるステータであっても良い。
【００６０】
（６）上記実施例における回転電機１０００は、電動機および発電機の少なくとも一方として動作させる、あらゆる用途に採用されるが、例えば、電気自動車やハイブリッド車両において電動機および発電機として用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明は、アキシャルギャップ型の回転電機に用いられるロータに好適に利用できる。
【符号の説明】
【００６２】
２００...ステータ、２０１...ステータコア、２０２...集中巻コイル、２１０...ステータ固定部材、３００...第１のロータ、３１０...ロータシャフト、３１１...支持部材、３１２...シャフト本体、３１２ａ...端部、３２０...界磁部、３２１...第２のコア、３２２...第２の永久磁石、３２３...第１の永久磁石、３２４...第１のコア、４００...第２のロータ、４２１...第２のコア、４２２...第２の永久磁石、４２３...第１の永久磁石、４２４...第１のコア、１０００...回転電機、ＧＳ１〜ＧＳ４...ギャップ面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータに対して回転軸方向に対向配置されるギャップ面を有し、アキシャルギャップ型の回転電機を構成するロータであって、
前記ロータの周方向に沿った磁極方向を有し、前記周方向に沿って間隔をおいて配置された複数の第１の永久磁石部であって、前記周方向に隣り合う前記第１の永久磁石部は互いに磁極方向が反対である、前記複数の第１の永久磁石部と、
前記周方向に隣り合う前記第１の永久磁石部の間にそれぞれ配置され、前記ギャップ面を形成する複数のコア部と、
前記回転軸方向に沿った磁極方向を有し、前記周方向に隣り合う前記第１の永久磁石部の間であって各コア部の前記ギャップ面とは反対側にそれぞれ配置された複数の第２の永久磁石部であって、各コア部から見て前記周方向の両側に配置された前記第１の永久磁石部が各コア部に対して向けている磁極と同じ磁極を各コア部に対して向けている、前記複数の第２の永久磁石部と、
を備える、ロータ。
【請求項２】
請求項１記載のロータであって、さらに、
前記コア部を第１のコア部と呼ぶときに、前記第１のコア部とは異なる第２のコア部を備え、
前記第２のコア部は、複数の前記第１の永久磁石部と複数の前記第２の永久磁石部との前記ギャップ面側とは反対側に配置されている、ロータ。
【請求項１】
ステータに対して回転軸方向に対向配置されるギャップ面を有し、アキシャルギャップ型の回転電機を構成するロータであって、
前記ロータの周方向に沿った磁極方向を有し、前記周方向に沿って間隔をおいて配置された複数の第１の永久磁石部であって、前記周方向に隣り合う前記第１の永久磁石部は互いに磁極方向が反対である、前記複数の第１の永久磁石部と、
前記周方向に隣り合う前記第１の永久磁石部の間にそれぞれ配置され、前記ギャップ面を形成する複数のコア部と、
前記回転軸方向に沿った磁極方向を有し、前記周方向に隣り合う前記第１の永久磁石部の間であって各コア部の前記ギャップ面とは反対側にそれぞれ配置された複数の第２の永久磁石部であって、各コア部から見て前記周方向の両側に配置された前記第１の永久磁石部が各コア部に対して向けている磁極と同じ磁極を各コア部に対して向けている、前記複数の第２の永久磁石部と、
を備える、ロータ。
【請求項２】
請求項１記載のロータであって、さらに、
前記コア部を第１のコア部と呼ぶときに、前記第１のコア部とは異なる第２のコア部を備え、
前記第２のコア部は、複数の前記第１の永久磁石部と複数の前記第２の永久磁石部との前記ギャップ面側とは反対側に配置されている、ロータ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−２４９３４７（Ｐ２０１２−２４９３４７Ａ）
【公開日】平成２４年１２月１３日（２０１２．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１１６６５２（Ｐ２０１１−１１６６５２）
【出願日】平成２３年５月２５日（２０１１．５．２５）
【出願人】（０００１００７６８）アイシン・エィ・ダブリュ株式会社 (3,717)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月１３日（２０１２．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月２５日（２０１１．５．２５）
【出願人】（０００１００７６８）アイシン・エィ・ダブリュ株式会社 (3,717)
【Ｆターム（参考）】
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