アキシャルギャップ型回転機
【課題】コストの低減を図った従来にない新規な構成のアキシャルギャップ型回転機を提供する。
【解決手段】ロータ２ａに対向するステータ３ａのステータ磁極を外径側磁極３５ａと内径側磁極３６ａの磁極対３３で構成し、外径側磁極３５ａ、内径側磁極３６ａの極性が隣りの磁極対３３の外径側磁極３５ａ、内径側磁極３６ａそれぞれの極性と逆の極性とし、外径側磁極３５ａと内径側磁極３６ａの少なくとも同じ極性のものを永久磁石により形成し、外径側磁極３５ａと内径側磁極３６ａとの間に、環状コイル４が磁極面を周回するように設けてコイル量を少なくしたアキシャルギャップ型発電機１ａを提供する。
【解決手段】ロータ２ａに対向するステータ３ａのステータ磁極を外径側磁極３５ａと内径側磁極３６ａの磁極対３３で構成し、外径側磁極３５ａ、内径側磁極３６ａの極性が隣りの磁極対３３の外径側磁極３５ａ、内径側磁極３６ａそれぞれの極性と逆の極性とし、外径側磁極３５ａと内径側磁極３６ａの少なくとも同じ極性のものを永久磁石により形成し、外径側磁極３５ａと内径側磁極３６ａとの間に、環状コイル４が磁極面を周回するように設けてコイル量を少なくしたアキシャルギャップ型発電機１ａを提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に発電機として用いられるアキシャルギャップ型回転機に関し、詳しくは、コストの低減を図った従来にない新規な構成の提供に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、発電機として用いられるアキシャルギャップ型回転機は、基本的に、ロータとステータが磁極面が対向するようにロータ軸方向に配置された構造であり、ラジアルギャップ型のものより軽量、小型に大きな磁極面積を確保することができ、車両（自動車）の各種の発電機や風力発電機等として有用である。
【０００３】
図１３は風力発電機にも利用可能な従来のアキシャルギャップ型回転機１００の斜視図を示し、このアキシャルギャップ型回転機１００は、図示していないロータ軸（回転軸）に間隔を設けて円板状の３個のロータ１０３、１０５、１０３が取り付けられ、これらのロータ１０３、１０５、１０３間の隙間に円板状のステータ１０４が配置され、３個のロータ１０３、１０５、１０３と２個のステータ１０４、１０４とを、磁極面が対向するように交互に配置した５層構造である。両端の２個のロータ１０３、１０３は、ステータ１０４に対向する片面（磁極面）に外径側の複数個の永久磁石１０６ａと内径側の複数の永久磁石１０６ｂが環状に配設されている。中央（真ん中）のロータ１０５は、ステータ１０４、１０４に対向する両面（磁極面）それぞれに外径側の複数個の永久磁石１０７ａと内径側の複数個の永久磁石１０７ｂが環状に配設されている。２個のステータ１０４、１０４は、両面（磁極面）それぞれに外径側の複数個の磁極位置に集中巻きされたコイル１０８ａと内径側の複数個の磁極位置に集中巻ききされたコイル１０８ｂが環状に配設されている。そして、ロータ軸が回転することによってロータ１０３、１０５、１０３が回転し、ステータ１０４、１０４のコイル１０８ａ、１０８ｂから発電出力（起電力）が取り出される（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−７２００９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１のアキシャルギャップ型回転機１００の場合、とくにステータ１０４、１０４には、発電出力を取り出すための多数のコイル１０８ａ、１０８ｂを設ける必要があり、コイル量が極めて多くなる。そのため、アキシャルギャップ型回転機１００が、重く、かつ、大型になり、組み付けも容易でなく、高価になる問題がある。
【０００６】
本発明は、コストの低減を図った従来にない新規な構成のアキシャルギャップ型回転機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記した目的を達成するために、本発明のアキシャルギャップ型回転機は、ロータとステータとが磁極面が対向するようにロータ軸方向に配置され、前記ロータにロータ磁極が周方向に配設され、前記ステータにステータ磁極が周方向に配設されたアキシャルギャップ型回転機であって、前記ロータ磁極、前記ステータ磁極のいずれか一方は外径側磁極と内径側磁極の磁極対で構成され、前記磁極対は、前記外径側磁極、前記内径側磁極の極性が隣りの前記磁極対の前記外径側磁極、前記内径側磁極それぞれの極性と逆の極性であり、前記外径側磁極と前記内径側磁極は、少なくとも同じ極性のものが永久磁石により形成され、前記外径側磁極と前記内径側磁極との間に、環状コイルが磁極面を周回するように設けられることを特徴としている（請求項１）。
【０００８】
また、本発明のアキシャルギャップ型回転機は、前記円環状コイルが前記ステータに設けられることを特徴としている（請求項２）。
【０００９】
また、本発明のアキシャルギャップ型回転機は、前記ステータ磁極が前記磁極対で構成され、前記ロータ磁極は鉄心磁極であることを特徴としている（請求項３）。
【００１０】
また、本発明のアキシャルギャップ型回転機は、前記外径側磁極、前記内径側磁極の前記永久磁石で形成されないものは鉄心磁極であり、前記鉄心磁極を励磁する界磁コイルを備えることを特徴としている（請求項４）。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１に係る本発明のアキシャルギャップ型回転機は、発電機の場合、外径側磁極及び内径側磁極の極性が隣りの磁極対の外径側磁極、内径側磁極の極性と逆の極性であることから、ロータが回転することにより、外径側磁極と内径側磁極との間の位置の環状コイルに交番する起電力が生じ、前記環状コイルから方形波状の単相発電出力が取り出される。
【００１２】
そして、発電出力を取り出す前記環状コイルが、外径側磁極と内径側磁極との間の位置に磁極面を廻るように設けられるので、磁極対毎に発電出力を取り出すコイルを設けたりすることなく、前記環状コイルを各磁極対の共通のコイルとして発電出力を取り出すことができる。この場合、必要なコイル量が磁極対毎に発電出力を取り出すコイルを設ける場合等より少なくなり、アキシャルギャップ型回転機が軽量、小型でシンプルに構成でき、コイルの製作性や組付け性が向上し、コストの低減を図ることができる。
【００１３】
請求項２に係る本発明のアキシャルギャップ型回転機は、回転しないステータ側に前記環状コイルを設けるので、発電機の場合、環状コイルからの発電出力の取り出しが、回転するロータ側に設ける場合には必要な回転自在な接点構造等を設けることなく、容易かつ安価に行なえる。
【００１４】
請求項３に係る本発明のアキシャルギャップ型回転機は、回転しないステータのステータ磁極に永久磁石が用いられ、回転するロータには永久磁石が用いられない。そして、ロータの構造が突極だけの堅牢な構造となるので、ロータは遠心力に強く、高回転が可能である。したがって、アキシャルギャップ型発電機が高出力で、一層小型かつ軽量になる。
【００１５】
請求項４に係る本発明のアキシャルギャップ型回転機は、発電機の場合、界磁コイルへの通電を調整することにより、発電出力の電圧を調整することができる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１の実施形態の組み付け前のアキシャルギャップ型回転機の斜視図である。
【図２】図１のアキシャルギャップ型回転機の発電出力の取り出し回路例の説明図である。
【図３】本発明の第２の実施形態の組み付け前のアキシャルギャップ型回転機の斜視図である。
【図４】（ａ）は図３の組み付けた状態の側面図、（ｂ）はそのステータ磁極面の正面図である。
【図５】本発明の第３の実施形態の組み付け前のアキシャルギャップ型回転機を示し、（ａ）は組み付けた状態の側面図、（ｂ）はそのステータ磁極面の正面図である。
【図６】本発明の第４の実施形態の組み付け前のアキシャルギャップ型回転機の斜視図である。
【図７】（ａ）は図６の組み付けた状態の側面図、（ｂ）はそのステータ磁極面の正面図である。
【図８】本発明の第５の実施形態の組み付け前のアキシャルギャップ型回転機を示し、（ａ）は組み付けた状態の側面図、（ｂ）はそのステータ磁極面の正面図である。
【図９】（ａ）は本発明の第５の実施形態のステータの側面図、（ｂ）はそのステータを背面から見た背面図である。
【図１０】（ａ）は本発明の第５の実施形態のステータの一部を除去した斜視図、（ｂ）はステータヨークの斜視図である。
【図１１】本発明の第６の実施形態の組み付け前のアキシャルギャップ型回転機の斜視図である。
【図１２】（ａ）は図１１のロータ磁極面の正面図であり、（ｂ）はそのステータ磁極面の正面図である。
【図１３】従来の組み付け前の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
つぎに、本発明をより詳細に説明するため、実施形態について、図１〜図１２を参照して詳述する。なお、それらの図面においては、モータ軸や断面のハッチング等は適宜省略している。
【００１８】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について、図１及び図２を参照して説明する。
【００１９】
図１は本実施形態のアキシャルギャップ型回転機である永久磁石・アキシャルギャップ型発電機１ａの構成を示し、この発電機１ａは、それぞれ円板状のロータ２ａとステータ３ａとが磁極面が対向するようにロータ軸（図示せず）方向に配置され、ロータ２ａは中心開口２１を貫通するロータ軸に取り付けられてロータ軸とともに回転し、ステータ３ａは図示省略した固定手段によって固定され中心開口３１にロータ軸が遊挿されている。
【００２０】
ロータ２ａは磁性体又は非磁性体（アルミや樹脂）の円板状のロータケース２２ａを有し、ロータケース２２ａの周方向の１８０度離れた２位置の磁極面側に、圧粉磁心等で形成された略９０度の扇型の突極を嵌め込んで形成した鉄心磁極のロータ磁極２３がステータ３ａの磁極面に対向するように配設されている。
【００２１】
ステータ３ａは円板状のステータヨーク３２のロータ２ａに対向する磁極面側に、ステータ磁極として、磁極面の略１／４等分に分割した略９０度の扇型の形状の４個の磁極対３３が分離用の隙間３４を設けて周方向に配設されている。なお、発電出力を得るため、ステータ３には、ロータ磁極２３の２倍の個数の磁極対３３を設けることが望ましい。そこで、本実施形態の場合、２個のロータ磁極２３に対してステータ磁極としての磁極対３３は４個に設定されている。
【００２２】
各磁極対３３は径方向の中央部が後述する環状コイル４を設けるための隙間を設けて外径側と内径側に分割され、外径側が外径側磁極３５ａ、内径側が内径側磁極３６ａを形成する。
【００２３】
外径側磁極３５ａ、内径側磁極３６ａは、本実施形態の場合、いずれも永久磁石によって形成される。
【００２４】
なお、外径側磁極３５ａと内径側磁極３６ａは接していてもよいが、外径側磁極３５ａと内径側磁極３６ａが接していると、その部分が磁極として有効に作用しなくなるので、外径側磁極３５ａと内径側磁極３６ａは前記したように隙間を設けて電磁気的に絶縁分離することが好ましい。
【００２５】
そして、各磁極対３３の外径側磁極３５ａと内径側磁極３６ａの磁極面側の磁極は、外径側磁極３５ａと内径側磁極３６ａのいずれか一方がＮ極、他方がＳ極であり、しかも、各磁極対３３の外径側磁極３５ａは周方向両隣の磁極対３３の外径側磁極３５ａとは逆の極性であり、各磁極対３３の内径側磁極３６ａも周方向両隣の磁極対３３の内径側磁極３６ａと逆の極性である。したがって、各磁極対３３の外径側磁極３５ａと内径側磁極３６ａの磁極面側の磁極の組み合わせが、磁極対３３毎に交番して逆になる。
【００２６】
つぎに、各磁極対３３の外径側磁極３５ａと内径側磁極３６ａの間の位置、すなわち、各磁極対３３の径方向中央部の前記した隙間には、発電出力を取り出すための適当なターン数の環状コイル４が磁極面を周回するループ状に設けられる。また、環状コイル４の両端４ａ、４ｂは発電機１から引き出されている。
【００２７】
上記構成のアキシャルギャップ型発電機１のロータ軸が回転すると、それに軸支されているロータ２ａが回転する。１８０度離れた２個の突極構造のロータ磁極２３は、ロータ２ａが１／４回転（電気角の半周期）する間に、ステータ３ａの外径側磁極３５ａと内径側磁極３６ａの磁極配列が同一の１８０度離れた２磁極対３３を同時に通過し、ロータ２ａがさらに１／４回転する間には、ステータ３ａの外径側磁極３５ａと内径側磁極３６ａの磁極配列が先程とは逆の１８０離れた２磁極対３３を同時に通過する。このくり返しにより、環状コイル４はロータ２ａが半回転する毎に正負に交番する方形波パルス状の起電力が発生して環状コイル４の両端４ａ、４ｂから取り出される。
【００２８】
したがって、本実施形態のアキシャルギャップ型発電機１ａは、下記（１）〜（５）の効果を奏する。
【００２９】
（１）ステータ磁極を外径側磁極３５ａと内径側磁極３６ａに分割された磁極対３３で形成したため、ステータ３ａの周方向に極性が異なるステータ磁極を配設する場合等に比してステータヨーク３２が薄くなる。
【００３０】
（２）特許文献１の磁極対毎の径小の集中巻きのコイルではなく、ステータ３ａの磁極面を周回する径大の１個の環状コイル４で各磁極対３３の起電力を取り出すので、アキシャルギャップ型発電機１ａはコイル量が少なく、軽量、小型でシンプルに構成することができ、コイルの製作性やステータへの組付け性が容易で向上し、コストの低減を図ることができる。
【００３１】
（３）回転しないステータ３ａのステータ磁極が永久磁石の磁極対３３で形成され、回転するロータ２ａの突極構造の鉄心のロータ磁極２３には永久磁石を取り付けないため、ロータ２ａが堅牢な構造になる。
【００３２】
（４）ロータ２ａにおいて、ステータ３ａの各磁極対３３に対向するロータ磁極２３の部分を磁性体としてロータケース２２ａに収納することにより、ロータケース２２ａが樹脂等で形成して軽量化できる。
【００３３】
（５）ロータ磁極２３がロータケース２２ａより突出し、環状コイル４にステータ３ａから突出した部分がある場合、ロータ磁極２３の環状コイル４の部分に凹部を形成し、この凹部に環状コイル４のステータ３ａから突出した部分を回転自在に収容することにより、アキシャルギャップ型発電機１ａの軸長を短くすることができる。
【００３４】
ところで、アキシャルギャップ型発電機１ａの環状コイル４によって取り出された正負に交番する方形波パルス状の発電出力は、ロータ２ａの回転数に比例して電圧が変化する単相交流である。
【００３５】
そこで、アキシャルギャップ型発電機１ａを、例えば自動車の補機用発電機や排気ターボの軸に取り付ける超高速発電機として用いる場合、前記単相交流を一定電圧の直流電圧に変換する必要がある。
【００３６】
図２はロータ軸５の回転により発生するアキシャルギャップ型発電機１の前記単相交流を一定電圧の直流電圧に変換する発電出力調整回路６の一例を示し、この調整回路６は、環状コイル４の両端４ａ、４ｂの発電出力の前記単相交流をダイオードブリッジの整流回路６１により全波整流して直流に変換し、この直流をコンデンサ６２により平滑化する。このとき、コンデンサ６２の容量に比して整流回路６１の直流出力の電圧変化は大きく、平滑化された直流出力の電圧Ｖａはロータ２の回転数Ｎに比例して変化する。
【００３７】
そこで、コンデンサ６２により平滑化された直流出力を、ステップダウンコンバータ６３により、所望の低電圧（例えば１２Ｖ）Ｖｄｃに降圧した直流出力に変換する。ステップダウンコンバータ６３は、スイッチングトランジスタ６４、このトランジスタ６４がオフしたときの電流路用のダイオード６５、電流源用のインダクタ６６、ローパスフィルタ用のコンデンサ６７により形成され、スイッチングトランジスタ６４のスイッチングと、このスイッチングに基づくインダクタ６６の電流変化とに基づいて、前記平滑化された直流出力を降圧する。このとき、ステップダウンコンバータ６３の出力電圧Ｖｄｃを検出して、スイッチングトランジスタ６４のオン／オフの比を変えることにより、出力電圧Ｖｄｃをフィードバック制御して安定化してもよい。
【００３８】
そして、アキシャルギャップ型発電機１ａに発電出力調整回路６のボードを組み付けることにより、所望の定電圧の直流を出力する、前記の補機用発電機や超高速発電機に好適な発電出力調整回路付きの永久磁石・アキシャルギャップ型発電機を提供できる。なお、ステップダウンコンバータ６３の構成等はどのようであってもよい。
【００３９】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態について、図３、図４を参照して説明する。それらの図面において、図１、図２と同一符号は同一もしくは相当するものを示す。
【００４０】
図３は本実施形態の界磁コイル付の永久磁石・アキシャルギャップ型発電機１ｂの組み付け前の状態を示し、図４（ａ）は永久磁石・アキシャルギャップ型発電機１ｂを組み付けた状態の側面図（断面図）、同図（ｂ）はそのステータ磁極面の正面図である。それらの図面に示すように、永久磁石・アキシャルギャップ型発電機１ｂが、前記第１の実施形態の永久磁石・アキシャルギャップ型発電機１ａと異なる点は以下の点である。
【００４１】
第１の実施形態のロータ１ａに対応するロータ２ｂは、磁性体の円板状のロータケース２２ｂを有し、ロータケース２２ｂにロータ磁極２３が設けられている。
【００４２】
第１の実施形態のステータ３ａに対応するステータ３ｂの４個の磁極対３３は、外径側磁極３５ａと内径側磁極３６ａのいずれか一方だけが永久磁石で形成され、他方は鉄心磁極（コンシクエント極）である。
【００４３】
図３、図４では永久磁石の磁極を外径側磁極３５ａｍ、内径側磁極３６ａｍで示す、外径側磁極３５ａｍは界磁コイル４を挟んで隣り合う一方の２磁極対３３の隣り合う２個の外径側の磁極であり、内径側磁極３６ａｍは界磁コイル４を挟んで隣り合う他方の２磁極対３３の隣り合う２個の内径側の磁極である。
【００４４】
そして、前記一方の２磁極対３３の外径側磁極３５ａｍは相互に逆の極性の磁極であり、同様に、他方の２磁極対３３の内径側磁極３６ａｍも相互に逆の極性の磁極である。換言すれば、ステータ３の界磁コイル４を挟んで一方、他方の片側半面それぞれの隣り合う２磁極対３３は、同じ極性（Ｎ極またはＳ極）の磁極が外側、内側に交互に配置される。
【００４５】
そこで、本実施形態のステータ３ｂの磁極面は、外径側がある位置から時計回りに、鉄心の外径側磁極３５ａ、Ｎ極の外径側磁極３５ａｍ、Ｓ極の外径側磁極３５ａｍ、鉄心の外径側磁極３５ａになる。内径側は、周方向に外径側と同じ位置から時計回りに、Ｎ極の内径側磁極３６ａｍ、鉄心の外径側磁極３５ａ、鉄心の外径側磁極３５ａ、Ｓ極の内径側磁極３６ａｍになる。
【００４６】
さらに、ステータ３ｂは、鉄心磁極の外径側磁極３５ａ、内径側磁極３６ａを励磁する一つの環状の界磁コイル７を備える。
【００４７】
界磁コイル７は隙間３４の凹部にステータヨーク３２に巻くように収容され、その上を環状コイル４が交差するように通る。このとき、界磁コイル７を収容する隙間３４は磁極面から見て他の部分より凹部状に背面側に窪ませ、ロータ軸に影響を与えないようにすることが好ましい。
【００４８】
そして、界磁コイル７の両端７ａ、７ｂに直流が給電されて界磁コイル７に界磁電流が流れると、界磁コイル７を挟んで周方向に隣り合う鉄心磁極の２個の外径側磁極３５ａがＮ極、Ｓ極に励磁され、同様に、界磁コイル７を挟んで周方向に隣り合う鉄心磁極の２個の内径側磁極３６ａもＮ極、Ｓ極に励磁され、その結果、各磁極対３３の鉄心磁極の外径側磁極３５ａ、内径側磁極３６ａは環状コイル４を介して隣り合う各磁極対３３の永久磁石の外径側磁極３５ａｍ、内径側磁極３６ａｍと異なる極性に励磁される。したがって、本実施形態のステータ３ｂも第１の実施形態のステータ３ａと同様に、径方向及び周方向に隣接する全てのステータ磁極の極性が異なり、環状コイル４の端子４ａ、４ｂから発電出力が取り出される。したがって、永久磁石の使用個数を少なくして第２の実施形態と同様の効果を奏する。
【００４９】
ここで、前記界磁電流の大きさによって発電電圧（出力）を調整でき、前記界磁電流がゼロで流れなければ、取り出される発電電圧は第１の実施形態の永久磁石・アキシャルギャップ発電機１ａの約半分になり、前記界磁電流が負ならば、さらに発電電圧を小さくすることもできる。すなわち、本実施形態の場合、界磁コイル７を備えることにより。その通電方向や大きさを調整して発電電圧を調整できる利点がさらに生じる。
【００５０】
また、界磁コイル７が発生する磁束の磁路は、ステータヨーク３２の永久磁石取り付け部分も含めた幅の部分（図４（ｂ）の実線Ｂの部分）であり、これは内径側の磁極の径方向の幅（図４（ｂ）の実線Ａの部分）よりも広いので（Ｂ＞Ａ）、ステータヨーク３２の厚みを薄くして磁路断面積を確保することができる。
【００５１】
（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態について、図５（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。図５（ａ）は本実施形態の界磁コイル付の永久磁石・アキシャルギャップ型発電機１ｃを組み付けた状態の側面図、同図（ｂ）はそのステータ磁極面の正面図である。なお、図５（ａ）は同図（ｂ）の一点破線ａ、ａで切断した断面位置の側面図である。それらの図面において、図３、図４と同一符号は同一もしくは相当するものを示す。
【００５２】
永久磁石・アキシャルギャップ型発電機１ｃが、第２の実施形態の永久磁石・アキシャルギャップ型発電機１ｂと異なる点は、第２の実施形態の１個の界磁コイル７に代えて、周方向に複数個（図では２個）配置した界磁コイル７１ａ、７１ｂを、界磁コイル７１ａ、７１ｂを介して隣り合うそれぞれ２個の鉄心磁極の外径側磁極３５ａ、内径側磁極３６ａが同じ極性方向に励磁されるように各隙間３４に巻回した点である。
【００５３】
本実施形態の場合、界磁コイル７１ａ、７１ｂをステータヨーク３２の周方向断面を囲う小さなコイルにより形成して第２の実施形態の場合と同様の効果を奏することができる。
【００５４】
（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態について、図６及び図７を参照して説明する。図６は本実施形態の界磁コイル付の永久磁石・アキシャルギャップ型発電機１ｄの組み付け前の状態を示し、図７（ａ）は永久磁石・アキシャルギャップ型発電機１ｄを組み付けた状態の側面図、同図（ｂ）はそのステータ磁極面の正面図である。それらの図面において、図３〜図６と同一符号は同一もしくは相当するものを示し、図７（ａ）は同図（ｂ）の一点破線ｂ、ｂで切断した断面位置の側面図である。
【００５５】
永久磁石・アキシャルギャップ型発電機１ｄが、第２、第３の実施形態の永久磁石・アキシャルギャップ型発電機１ｂ、１ｃと異なる点は、ステータ３ａ、３ｂと同様のステータ３ｃにおいて、ステータヨーク３２の一部の隙間３４の部分を周方向に繋がらないように切り欠いて切欠部３４ａに形成し、界磁コイル７１ｃを少なくとも切欠部３４ａの対角の隙間３４に鉄心磁極の外径側磁極３５ａ、内径側磁極３６ａを周方向に励磁するように配置し、界磁コイル７１ｃに磁束を発生する直流を給電するようにした点である。
【００５６】
この場合、永久磁石・アキシャルギャップ型発電機１ｄは、切欠部３４ａにより界磁コイル７ｃの磁束がステータヨーク３２を周回して短絡することが防止され、その磁束によってステータ３ｃの鉄心磁極の外径側磁極３５ａ、内径側磁極３６ａが励磁され、本実施形態のステータ３ｃも径方向及び周方向に隣接する全てのステータ磁極の極性が異なる。したがって、小さな１個の界磁コイル７ｃにより第２、第３の実施形態と同様の効果を奏する。
【００５７】
そして、界磁コイル７１ｃは、ステータヨーク３２の周方向に１個所設ければよく、また、ステータヨーク３２の周方向断面を囲う小さなコイルであってよく、第３の実施形態の界磁コイル７１ａ、７１ｂの半分の大きさであり、コイル量が一層少なくなる。なお、界磁コイル７ｃは絶縁ボビン等を用いてステータヨーク３２に券回してもよく、開口部３７の空隙を利用してステータヨーク３２に直接巻き込んでもよい。
【００５８】
（第５の実施形態）
本発明の第５の実施形態について、図８〜図１０を参照して説明する。図８（ａ）は本実施形態の界磁コイル付の永久磁石・アキシャルギャップ型発電機１ｅを組み付けた状態の側面図、同図（ｂ）はそのステータ磁極面の正面図、図９（ａ）、（ｂ）はステータ３ｄの側面図、背面図である。図１０（ａ）は永久磁石・アキシャルギャップ型発電機１ｅの鉄心磁極の外径側磁極３５ａ、内径側磁極３６ａを取り付けた状態のステータ３ｄの斜視図、同図（ｂ）は同図（ａ）から外径側磁極３５ａ、内径側磁極３６ａを取り除いた状態のステータ３ｄの斜視図である。それらの図面において、図３〜図８と同一符号は同一もしくは相当するものを示し、図８（ａ）、図９（ａ）は図８（ｂ）、図９（ｂ）それぞれの矢印線の方向から見たものである。
【００５９】
永久磁石・アキシャルギャップ型発電機１ｅも第４の実施形態の永久磁石・アキシャルギャップ型発電機１ｅと同様に、ステータｃと同様のステータ３ｄにおいて、ステータヨーク３２の一部の隙間３４の部分を周方向に磁束が繋がらないように切欠部３４ａに形成し、界磁コイル７１ｃに対応する１個の界磁コイル７１ｄを少なくとも切欠部３４ａの対角の隙間３４に鉄心磁極の外径側磁極３５ａ、内径側磁極３６ａを周方向に励磁するように配置し、界磁コイル７１ｄに磁束を発生する直流を給電するようにしている。
【００６０】
さらに、永久磁石・アキシャルギャップ型発電機１ｅが永久磁石・アキシャルギャップ型発電機１ｅと異なる点は、界磁コイル７１ｄのコイルエンド部を略Ｌ字状に折り曲げ、ステータ３ｄの背面部での界磁コイル７１ｄの位置を界磁コイル７１ｃとはずらし、ステータ３ｄに接近するようにして軸方向の厚みを薄くするようにした点である。なお、図１０（ａ）、（ｂ）に示したように界磁コイル７１ｄを収容する隙間３４は磁極面から見て他の部分より凹部状に背面側に窪み、ロータ軸に影響を与えないようになっている。
【００６１】
したがって、本実施形態の場合、ステータ３ｄ背面への界磁コイル７１ｄの突出を防ぎ、ステータ３ｄを薄型にすることができる利点もあり、ステータ３ｄ背面の界磁コイル７１ｄの部分以外のスベースに、整流回路等を配置して装置全体の小型化を図ることも可能である。
【００６２】
（第６の実施形態）
本発明の第６の実施形態について、図１１、図１２（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。
【００６３】
図１１は本実施形態の永久磁石・アキシャルギャップ型発電機１ｆの組み付け前の斜視図であり、図１２（ａ）、（ｂ）はそのロータ２ｃ、ステータ３ｅの磁極面の正面図である。それらの図面において、図１、図２と同一符号は同一もしくは相当するものを示す。
【００６４】
永久磁石・アキシャルギャップ型発電機１ｆは最も簡素な構成であり、ロータ２ｃは、円板状のロータコア２４の磁極面の半分に鉄心の突極で構成されたロータ磁極２３ｃを設け、前記磁極面の残りの半分にはカウンタウエイト２４が設けられ、１極（１極対）＋カウンタウェイト２４の構成である。ステータ３ｅは、ステータコア３２の磁極面側に磁極面の略半分（１８０度）ずつの２個の磁極対３３が設けられ、両磁極対３３はそれぞれ環状コイル４で外径側、内径側に区切られた部分が永久磁石の外径側磁極３５ａｍ、内径側磁極３６ａｍで形成され、２極対の構成である。
【００６５】
そして、本実施形態の永久磁石・アキシャルギャップ型発電機１ｆの場合、最も簡単な磁極構成で第１の実施形態の永久磁石・アキシャルギャップ型発電機１ａと同様の効果が得られる。
【００６６】
以上説明したように、各実施形態の永久磁石・アキシャルギャップ型発電機１ａ〜１ｆは、発電出力を取り出すコイル量が極めて少なく、軽量、かつ、小型になる。また、ステータ３ａ〜３ｅのステータ磁極が外径側と内径側に分割された磁極対３３で形成されるので、少なくともステータ３ａ〜３ｆのヨークを薄くでき、一層、小型、軽量に形成できる。さらに、ロータ２ａ〜２ｃには永久磁石を取り付けないので鉄心だけの堅牢な構造が可能であり、遠心力に強く、高回転が可能になる。しかも、ステータ３ａ〜３ｅのコイル４、７、７１ａ〜７１ｄは円環状あるいは楕円環状であるのでコイル製作が容易で、低コストであり、組付性もよい。したがって、小型、軽量で高出力、組み付けが容易な、従来にない新奇な構造のアキシャルギャップ型回転機を提供することができる。
【００６７】
そして、本発明は上記した各実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行なうことが可能であり、例えば、環状コイル４はロータ２ａ〜２ｃ側に設けてもよい。この場合、ロータ２ａ〜２ｃとともに環状コイル４が回転するので、発電出力の取り出しには回転自在の接点構造を用いる必要がある。
【００６８】
また、ロータ２ａ〜２ｃ及びステータ３ａ〜３ｅの磁極数等は前記各実施形態の磁極数に限るものではない。
【００６９】
そして、本発明のアキシャルギャップ型回転機は、アキシャルギャップ型発電機だけでなくアキシャルギャップ型モータとしても用いることができ、例えば、永久磁石・アキシャルギャップ型発電機１ａ〜１ｆの構成を３相分備えることにより、アキシャルギャップモータとして用いることができる。この場合、環状コイル４は給電によりステータ３ａ〜３ｅの磁極を励磁する磁束発生用のコイルを形成する。
【００７０】
そして、本発明は、種々の用途のアキシャルギャップ型発電機、アキシャルギャップ型モータに適用できる。
【符号の説明】
【００７１】
１ａ〜１ｆ 永久磁石・アキシャルギャップ型発電機
２ａ〜２ｃ ロータ
３ａ〜３ｅ ステータ
４ 環状コイル
７、７１ａ〜７１ｄ 界磁コイル
３３ 磁極対
２３、２３ｃ ロータ磁極
３５ａ、３５ａｍ 外径側磁極
３６ａ、３６ａｍ 内径側磁極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に発電機として用いられるアキシャルギャップ型回転機に関し、詳しくは、コストの低減を図った従来にない新規な構成の提供に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、発電機として用いられるアキシャルギャップ型回転機は、基本的に、ロータとステータが磁極面が対向するようにロータ軸方向に配置された構造であり、ラジアルギャップ型のものより軽量、小型に大きな磁極面積を確保することができ、車両（自動車）の各種の発電機や風力発電機等として有用である。
【０００３】
図１３は風力発電機にも利用可能な従来のアキシャルギャップ型回転機１００の斜視図を示し、このアキシャルギャップ型回転機１００は、図示していないロータ軸（回転軸）に間隔を設けて円板状の３個のロータ１０３、１０５、１０３が取り付けられ、これらのロータ１０３、１０５、１０３間の隙間に円板状のステータ１０４が配置され、３個のロータ１０３、１０５、１０３と２個のステータ１０４、１０４とを、磁極面が対向するように交互に配置した５層構造である。両端の２個のロータ１０３、１０３は、ステータ１０４に対向する片面（磁極面）に外径側の複数個の永久磁石１０６ａと内径側の複数の永久磁石１０６ｂが環状に配設されている。中央（真ん中）のロータ１０５は、ステータ１０４、１０４に対向する両面（磁極面）それぞれに外径側の複数個の永久磁石１０７ａと内径側の複数個の永久磁石１０７ｂが環状に配設されている。２個のステータ１０４、１０４は、両面（磁極面）それぞれに外径側の複数個の磁極位置に集中巻きされたコイル１０８ａと内径側の複数個の磁極位置に集中巻ききされたコイル１０８ｂが環状に配設されている。そして、ロータ軸が回転することによってロータ１０３、１０５、１０３が回転し、ステータ１０４、１０４のコイル１０８ａ、１０８ｂから発電出力（起電力）が取り出される（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−７２００９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１のアキシャルギャップ型回転機１００の場合、とくにステータ１０４、１０４には、発電出力を取り出すための多数のコイル１０８ａ、１０８ｂを設ける必要があり、コイル量が極めて多くなる。そのため、アキシャルギャップ型回転機１００が、重く、かつ、大型になり、組み付けも容易でなく、高価になる問題がある。
【０００６】
本発明は、コストの低減を図った従来にない新規な構成のアキシャルギャップ型回転機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記した目的を達成するために、本発明のアキシャルギャップ型回転機は、ロータとステータとが磁極面が対向するようにロータ軸方向に配置され、前記ロータにロータ磁極が周方向に配設され、前記ステータにステータ磁極が周方向に配設されたアキシャルギャップ型回転機であって、前記ロータ磁極、前記ステータ磁極のいずれか一方は外径側磁極と内径側磁極の磁極対で構成され、前記磁極対は、前記外径側磁極、前記内径側磁極の極性が隣りの前記磁極対の前記外径側磁極、前記内径側磁極それぞれの極性と逆の極性であり、前記外径側磁極と前記内径側磁極は、少なくとも同じ極性のものが永久磁石により形成され、前記外径側磁極と前記内径側磁極との間に、環状コイルが磁極面を周回するように設けられることを特徴としている（請求項１）。
【０００８】
また、本発明のアキシャルギャップ型回転機は、前記円環状コイルが前記ステータに設けられることを特徴としている（請求項２）。
【０００９】
また、本発明のアキシャルギャップ型回転機は、前記ステータ磁極が前記磁極対で構成され、前記ロータ磁極は鉄心磁極であることを特徴としている（請求項３）。
【００１０】
また、本発明のアキシャルギャップ型回転機は、前記外径側磁極、前記内径側磁極の前記永久磁石で形成されないものは鉄心磁極であり、前記鉄心磁極を励磁する界磁コイルを備えることを特徴としている（請求項４）。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１に係る本発明のアキシャルギャップ型回転機は、発電機の場合、外径側磁極及び内径側磁極の極性が隣りの磁極対の外径側磁極、内径側磁極の極性と逆の極性であることから、ロータが回転することにより、外径側磁極と内径側磁極との間の位置の環状コイルに交番する起電力が生じ、前記環状コイルから方形波状の単相発電出力が取り出される。
【００１２】
そして、発電出力を取り出す前記環状コイルが、外径側磁極と内径側磁極との間の位置に磁極面を廻るように設けられるので、磁極対毎に発電出力を取り出すコイルを設けたりすることなく、前記環状コイルを各磁極対の共通のコイルとして発電出力を取り出すことができる。この場合、必要なコイル量が磁極対毎に発電出力を取り出すコイルを設ける場合等より少なくなり、アキシャルギャップ型回転機が軽量、小型でシンプルに構成でき、コイルの製作性や組付け性が向上し、コストの低減を図ることができる。
【００１３】
請求項２に係る本発明のアキシャルギャップ型回転機は、回転しないステータ側に前記環状コイルを設けるので、発電機の場合、環状コイルからの発電出力の取り出しが、回転するロータ側に設ける場合には必要な回転自在な接点構造等を設けることなく、容易かつ安価に行なえる。
【００１４】
請求項３に係る本発明のアキシャルギャップ型回転機は、回転しないステータのステータ磁極に永久磁石が用いられ、回転するロータには永久磁石が用いられない。そして、ロータの構造が突極だけの堅牢な構造となるので、ロータは遠心力に強く、高回転が可能である。したがって、アキシャルギャップ型発電機が高出力で、一層小型かつ軽量になる。
【００１５】
請求項４に係る本発明のアキシャルギャップ型回転機は、発電機の場合、界磁コイルへの通電を調整することにより、発電出力の電圧を調整することができる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１の実施形態の組み付け前のアキシャルギャップ型回転機の斜視図である。
【図２】図１のアキシャルギャップ型回転機の発電出力の取り出し回路例の説明図である。
【図３】本発明の第２の実施形態の組み付け前のアキシャルギャップ型回転機の斜視図である。
【図４】（ａ）は図３の組み付けた状態の側面図、（ｂ）はそのステータ磁極面の正面図である。
【図５】本発明の第３の実施形態の組み付け前のアキシャルギャップ型回転機を示し、（ａ）は組み付けた状態の側面図、（ｂ）はそのステータ磁極面の正面図である。
【図６】本発明の第４の実施形態の組み付け前のアキシャルギャップ型回転機の斜視図である。
【図７】（ａ）は図６の組み付けた状態の側面図、（ｂ）はそのステータ磁極面の正面図である。
【図８】本発明の第５の実施形態の組み付け前のアキシャルギャップ型回転機を示し、（ａ）は組み付けた状態の側面図、（ｂ）はそのステータ磁極面の正面図である。
【図９】（ａ）は本発明の第５の実施形態のステータの側面図、（ｂ）はそのステータを背面から見た背面図である。
【図１０】（ａ）は本発明の第５の実施形態のステータの一部を除去した斜視図、（ｂ）はステータヨークの斜視図である。
【図１１】本発明の第６の実施形態の組み付け前のアキシャルギャップ型回転機の斜視図である。
【図１２】（ａ）は図１１のロータ磁極面の正面図であり、（ｂ）はそのステータ磁極面の正面図である。
【図１３】従来の組み付け前の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
つぎに、本発明をより詳細に説明するため、実施形態について、図１〜図１２を参照して詳述する。なお、それらの図面においては、モータ軸や断面のハッチング等は適宜省略している。
【００１８】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について、図１及び図２を参照して説明する。
【００１９】
図１は本実施形態のアキシャルギャップ型回転機である永久磁石・アキシャルギャップ型発電機１ａの構成を示し、この発電機１ａは、それぞれ円板状のロータ２ａとステータ３ａとが磁極面が対向するようにロータ軸（図示せず）方向に配置され、ロータ２ａは中心開口２１を貫通するロータ軸に取り付けられてロータ軸とともに回転し、ステータ３ａは図示省略した固定手段によって固定され中心開口３１にロータ軸が遊挿されている。
【００２０】
ロータ２ａは磁性体又は非磁性体（アルミや樹脂）の円板状のロータケース２２ａを有し、ロータケース２２ａの周方向の１８０度離れた２位置の磁極面側に、圧粉磁心等で形成された略９０度の扇型の突極を嵌め込んで形成した鉄心磁極のロータ磁極２３がステータ３ａの磁極面に対向するように配設されている。
【００２１】
ステータ３ａは円板状のステータヨーク３２のロータ２ａに対向する磁極面側に、ステータ磁極として、磁極面の略１／４等分に分割した略９０度の扇型の形状の４個の磁極対３３が分離用の隙間３４を設けて周方向に配設されている。なお、発電出力を得るため、ステータ３には、ロータ磁極２３の２倍の個数の磁極対３３を設けることが望ましい。そこで、本実施形態の場合、２個のロータ磁極２３に対してステータ磁極としての磁極対３３は４個に設定されている。
【００２２】
各磁極対３３は径方向の中央部が後述する環状コイル４を設けるための隙間を設けて外径側と内径側に分割され、外径側が外径側磁極３５ａ、内径側が内径側磁極３６ａを形成する。
【００２３】
外径側磁極３５ａ、内径側磁極３６ａは、本実施形態の場合、いずれも永久磁石によって形成される。
【００２４】
なお、外径側磁極３５ａと内径側磁極３６ａは接していてもよいが、外径側磁極３５ａと内径側磁極３６ａが接していると、その部分が磁極として有効に作用しなくなるので、外径側磁極３５ａと内径側磁極３６ａは前記したように隙間を設けて電磁気的に絶縁分離することが好ましい。
【００２５】
そして、各磁極対３３の外径側磁極３５ａと内径側磁極３６ａの磁極面側の磁極は、外径側磁極３５ａと内径側磁極３６ａのいずれか一方がＮ極、他方がＳ極であり、しかも、各磁極対３３の外径側磁極３５ａは周方向両隣の磁極対３３の外径側磁極３５ａとは逆の極性であり、各磁極対３３の内径側磁極３６ａも周方向両隣の磁極対３３の内径側磁極３６ａと逆の極性である。したがって、各磁極対３３の外径側磁極３５ａと内径側磁極３６ａの磁極面側の磁極の組み合わせが、磁極対３３毎に交番して逆になる。
【００２６】
つぎに、各磁極対３３の外径側磁極３５ａと内径側磁極３６ａの間の位置、すなわち、各磁極対３３の径方向中央部の前記した隙間には、発電出力を取り出すための適当なターン数の環状コイル４が磁極面を周回するループ状に設けられる。また、環状コイル４の両端４ａ、４ｂは発電機１から引き出されている。
【００２７】
上記構成のアキシャルギャップ型発電機１のロータ軸が回転すると、それに軸支されているロータ２ａが回転する。１８０度離れた２個の突極構造のロータ磁極２３は、ロータ２ａが１／４回転（電気角の半周期）する間に、ステータ３ａの外径側磁極３５ａと内径側磁極３６ａの磁極配列が同一の１８０度離れた２磁極対３３を同時に通過し、ロータ２ａがさらに１／４回転する間には、ステータ３ａの外径側磁極３５ａと内径側磁極３６ａの磁極配列が先程とは逆の１８０離れた２磁極対３３を同時に通過する。このくり返しにより、環状コイル４はロータ２ａが半回転する毎に正負に交番する方形波パルス状の起電力が発生して環状コイル４の両端４ａ、４ｂから取り出される。
【００２８】
したがって、本実施形態のアキシャルギャップ型発電機１ａは、下記（１）〜（５）の効果を奏する。
【００２９】
（１）ステータ磁極を外径側磁極３５ａと内径側磁極３６ａに分割された磁極対３３で形成したため、ステータ３ａの周方向に極性が異なるステータ磁極を配設する場合等に比してステータヨーク３２が薄くなる。
【００３０】
（２）特許文献１の磁極対毎の径小の集中巻きのコイルではなく、ステータ３ａの磁極面を周回する径大の１個の環状コイル４で各磁極対３３の起電力を取り出すので、アキシャルギャップ型発電機１ａはコイル量が少なく、軽量、小型でシンプルに構成することができ、コイルの製作性やステータへの組付け性が容易で向上し、コストの低減を図ることができる。
【００３１】
（３）回転しないステータ３ａのステータ磁極が永久磁石の磁極対３３で形成され、回転するロータ２ａの突極構造の鉄心のロータ磁極２３には永久磁石を取り付けないため、ロータ２ａが堅牢な構造になる。
【００３２】
（４）ロータ２ａにおいて、ステータ３ａの各磁極対３３に対向するロータ磁極２３の部分を磁性体としてロータケース２２ａに収納することにより、ロータケース２２ａが樹脂等で形成して軽量化できる。
【００３３】
（５）ロータ磁極２３がロータケース２２ａより突出し、環状コイル４にステータ３ａから突出した部分がある場合、ロータ磁極２３の環状コイル４の部分に凹部を形成し、この凹部に環状コイル４のステータ３ａから突出した部分を回転自在に収容することにより、アキシャルギャップ型発電機１ａの軸長を短くすることができる。
【００３４】
ところで、アキシャルギャップ型発電機１ａの環状コイル４によって取り出された正負に交番する方形波パルス状の発電出力は、ロータ２ａの回転数に比例して電圧が変化する単相交流である。
【００３５】
そこで、アキシャルギャップ型発電機１ａを、例えば自動車の補機用発電機や排気ターボの軸に取り付ける超高速発電機として用いる場合、前記単相交流を一定電圧の直流電圧に変換する必要がある。
【００３６】
図２はロータ軸５の回転により発生するアキシャルギャップ型発電機１の前記単相交流を一定電圧の直流電圧に変換する発電出力調整回路６の一例を示し、この調整回路６は、環状コイル４の両端４ａ、４ｂの発電出力の前記単相交流をダイオードブリッジの整流回路６１により全波整流して直流に変換し、この直流をコンデンサ６２により平滑化する。このとき、コンデンサ６２の容量に比して整流回路６１の直流出力の電圧変化は大きく、平滑化された直流出力の電圧Ｖａはロータ２の回転数Ｎに比例して変化する。
【００３７】
そこで、コンデンサ６２により平滑化された直流出力を、ステップダウンコンバータ６３により、所望の低電圧（例えば１２Ｖ）Ｖｄｃに降圧した直流出力に変換する。ステップダウンコンバータ６３は、スイッチングトランジスタ６４、このトランジスタ６４がオフしたときの電流路用のダイオード６５、電流源用のインダクタ６６、ローパスフィルタ用のコンデンサ６７により形成され、スイッチングトランジスタ６４のスイッチングと、このスイッチングに基づくインダクタ６６の電流変化とに基づいて、前記平滑化された直流出力を降圧する。このとき、ステップダウンコンバータ６３の出力電圧Ｖｄｃを検出して、スイッチングトランジスタ６４のオン／オフの比を変えることにより、出力電圧Ｖｄｃをフィードバック制御して安定化してもよい。
【００３８】
そして、アキシャルギャップ型発電機１ａに発電出力調整回路６のボードを組み付けることにより、所望の定電圧の直流を出力する、前記の補機用発電機や超高速発電機に好適な発電出力調整回路付きの永久磁石・アキシャルギャップ型発電機を提供できる。なお、ステップダウンコンバータ６３の構成等はどのようであってもよい。
【００３９】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態について、図３、図４を参照して説明する。それらの図面において、図１、図２と同一符号は同一もしくは相当するものを示す。
【００４０】
図３は本実施形態の界磁コイル付の永久磁石・アキシャルギャップ型発電機１ｂの組み付け前の状態を示し、図４（ａ）は永久磁石・アキシャルギャップ型発電機１ｂを組み付けた状態の側面図（断面図）、同図（ｂ）はそのステータ磁極面の正面図である。それらの図面に示すように、永久磁石・アキシャルギャップ型発電機１ｂが、前記第１の実施形態の永久磁石・アキシャルギャップ型発電機１ａと異なる点は以下の点である。
【００４１】
第１の実施形態のロータ１ａに対応するロータ２ｂは、磁性体の円板状のロータケース２２ｂを有し、ロータケース２２ｂにロータ磁極２３が設けられている。
【００４２】
第１の実施形態のステータ３ａに対応するステータ３ｂの４個の磁極対３３は、外径側磁極３５ａと内径側磁極３６ａのいずれか一方だけが永久磁石で形成され、他方は鉄心磁極（コンシクエント極）である。
【００４３】
図３、図４では永久磁石の磁極を外径側磁極３５ａｍ、内径側磁極３６ａｍで示す、外径側磁極３５ａｍは界磁コイル４を挟んで隣り合う一方の２磁極対３３の隣り合う２個の外径側の磁極であり、内径側磁極３６ａｍは界磁コイル４を挟んで隣り合う他方の２磁極対３３の隣り合う２個の内径側の磁極である。
【００４４】
そして、前記一方の２磁極対３３の外径側磁極３５ａｍは相互に逆の極性の磁極であり、同様に、他方の２磁極対３３の内径側磁極３６ａｍも相互に逆の極性の磁極である。換言すれば、ステータ３の界磁コイル４を挟んで一方、他方の片側半面それぞれの隣り合う２磁極対３３は、同じ極性（Ｎ極またはＳ極）の磁極が外側、内側に交互に配置される。
【００４５】
そこで、本実施形態のステータ３ｂの磁極面は、外径側がある位置から時計回りに、鉄心の外径側磁極３５ａ、Ｎ極の外径側磁極３５ａｍ、Ｓ極の外径側磁極３５ａｍ、鉄心の外径側磁極３５ａになる。内径側は、周方向に外径側と同じ位置から時計回りに、Ｎ極の内径側磁極３６ａｍ、鉄心の外径側磁極３５ａ、鉄心の外径側磁極３５ａ、Ｓ極の内径側磁極３６ａｍになる。
【００４６】
さらに、ステータ３ｂは、鉄心磁極の外径側磁極３５ａ、内径側磁極３６ａを励磁する一つの環状の界磁コイル７を備える。
【００４７】
界磁コイル７は隙間３４の凹部にステータヨーク３２に巻くように収容され、その上を環状コイル４が交差するように通る。このとき、界磁コイル７を収容する隙間３４は磁極面から見て他の部分より凹部状に背面側に窪ませ、ロータ軸に影響を与えないようにすることが好ましい。
【００４８】
そして、界磁コイル７の両端７ａ、７ｂに直流が給電されて界磁コイル７に界磁電流が流れると、界磁コイル７を挟んで周方向に隣り合う鉄心磁極の２個の外径側磁極３５ａがＮ極、Ｓ極に励磁され、同様に、界磁コイル７を挟んで周方向に隣り合う鉄心磁極の２個の内径側磁極３６ａもＮ極、Ｓ極に励磁され、その結果、各磁極対３３の鉄心磁極の外径側磁極３５ａ、内径側磁極３６ａは環状コイル４を介して隣り合う各磁極対３３の永久磁石の外径側磁極３５ａｍ、内径側磁極３６ａｍと異なる極性に励磁される。したがって、本実施形態のステータ３ｂも第１の実施形態のステータ３ａと同様に、径方向及び周方向に隣接する全てのステータ磁極の極性が異なり、環状コイル４の端子４ａ、４ｂから発電出力が取り出される。したがって、永久磁石の使用個数を少なくして第２の実施形態と同様の効果を奏する。
【００４９】
ここで、前記界磁電流の大きさによって発電電圧（出力）を調整でき、前記界磁電流がゼロで流れなければ、取り出される発電電圧は第１の実施形態の永久磁石・アキシャルギャップ発電機１ａの約半分になり、前記界磁電流が負ならば、さらに発電電圧を小さくすることもできる。すなわち、本実施形態の場合、界磁コイル７を備えることにより。その通電方向や大きさを調整して発電電圧を調整できる利点がさらに生じる。
【００５０】
また、界磁コイル７が発生する磁束の磁路は、ステータヨーク３２の永久磁石取り付け部分も含めた幅の部分（図４（ｂ）の実線Ｂの部分）であり、これは内径側の磁極の径方向の幅（図４（ｂ）の実線Ａの部分）よりも広いので（Ｂ＞Ａ）、ステータヨーク３２の厚みを薄くして磁路断面積を確保することができる。
【００５１】
（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態について、図５（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。図５（ａ）は本実施形態の界磁コイル付の永久磁石・アキシャルギャップ型発電機１ｃを組み付けた状態の側面図、同図（ｂ）はそのステータ磁極面の正面図である。なお、図５（ａ）は同図（ｂ）の一点破線ａ、ａで切断した断面位置の側面図である。それらの図面において、図３、図４と同一符号は同一もしくは相当するものを示す。
【００５２】
永久磁石・アキシャルギャップ型発電機１ｃが、第２の実施形態の永久磁石・アキシャルギャップ型発電機１ｂと異なる点は、第２の実施形態の１個の界磁コイル７に代えて、周方向に複数個（図では２個）配置した界磁コイル７１ａ、７１ｂを、界磁コイル７１ａ、７１ｂを介して隣り合うそれぞれ２個の鉄心磁極の外径側磁極３５ａ、内径側磁極３６ａが同じ極性方向に励磁されるように各隙間３４に巻回した点である。
【００５３】
本実施形態の場合、界磁コイル７１ａ、７１ｂをステータヨーク３２の周方向断面を囲う小さなコイルにより形成して第２の実施形態の場合と同様の効果を奏することができる。
【００５４】
（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態について、図６及び図７を参照して説明する。図６は本実施形態の界磁コイル付の永久磁石・アキシャルギャップ型発電機１ｄの組み付け前の状態を示し、図７（ａ）は永久磁石・アキシャルギャップ型発電機１ｄを組み付けた状態の側面図、同図（ｂ）はそのステータ磁極面の正面図である。それらの図面において、図３〜図６と同一符号は同一もしくは相当するものを示し、図７（ａ）は同図（ｂ）の一点破線ｂ、ｂで切断した断面位置の側面図である。
【００５５】
永久磁石・アキシャルギャップ型発電機１ｄが、第２、第３の実施形態の永久磁石・アキシャルギャップ型発電機１ｂ、１ｃと異なる点は、ステータ３ａ、３ｂと同様のステータ３ｃにおいて、ステータヨーク３２の一部の隙間３４の部分を周方向に繋がらないように切り欠いて切欠部３４ａに形成し、界磁コイル７１ｃを少なくとも切欠部３４ａの対角の隙間３４に鉄心磁極の外径側磁極３５ａ、内径側磁極３６ａを周方向に励磁するように配置し、界磁コイル７１ｃに磁束を発生する直流を給電するようにした点である。
【００５６】
この場合、永久磁石・アキシャルギャップ型発電機１ｄは、切欠部３４ａにより界磁コイル７ｃの磁束がステータヨーク３２を周回して短絡することが防止され、その磁束によってステータ３ｃの鉄心磁極の外径側磁極３５ａ、内径側磁極３６ａが励磁され、本実施形態のステータ３ｃも径方向及び周方向に隣接する全てのステータ磁極の極性が異なる。したがって、小さな１個の界磁コイル７ｃにより第２、第３の実施形態と同様の効果を奏する。
【００５７】
そして、界磁コイル７１ｃは、ステータヨーク３２の周方向に１個所設ければよく、また、ステータヨーク３２の周方向断面を囲う小さなコイルであってよく、第３の実施形態の界磁コイル７１ａ、７１ｂの半分の大きさであり、コイル量が一層少なくなる。なお、界磁コイル７ｃは絶縁ボビン等を用いてステータヨーク３２に券回してもよく、開口部３７の空隙を利用してステータヨーク３２に直接巻き込んでもよい。
【００５８】
（第５の実施形態）
本発明の第５の実施形態について、図８〜図１０を参照して説明する。図８（ａ）は本実施形態の界磁コイル付の永久磁石・アキシャルギャップ型発電機１ｅを組み付けた状態の側面図、同図（ｂ）はそのステータ磁極面の正面図、図９（ａ）、（ｂ）はステータ３ｄの側面図、背面図である。図１０（ａ）は永久磁石・アキシャルギャップ型発電機１ｅの鉄心磁極の外径側磁極３５ａ、内径側磁極３６ａを取り付けた状態のステータ３ｄの斜視図、同図（ｂ）は同図（ａ）から外径側磁極３５ａ、内径側磁極３６ａを取り除いた状態のステータ３ｄの斜視図である。それらの図面において、図３〜図８と同一符号は同一もしくは相当するものを示し、図８（ａ）、図９（ａ）は図８（ｂ）、図９（ｂ）それぞれの矢印線の方向から見たものである。
【００５９】
永久磁石・アキシャルギャップ型発電機１ｅも第４の実施形態の永久磁石・アキシャルギャップ型発電機１ｅと同様に、ステータｃと同様のステータ３ｄにおいて、ステータヨーク３２の一部の隙間３４の部分を周方向に磁束が繋がらないように切欠部３４ａに形成し、界磁コイル７１ｃに対応する１個の界磁コイル７１ｄを少なくとも切欠部３４ａの対角の隙間３４に鉄心磁極の外径側磁極３５ａ、内径側磁極３６ａを周方向に励磁するように配置し、界磁コイル７１ｄに磁束を発生する直流を給電するようにしている。
【００６０】
さらに、永久磁石・アキシャルギャップ型発電機１ｅが永久磁石・アキシャルギャップ型発電機１ｅと異なる点は、界磁コイル７１ｄのコイルエンド部を略Ｌ字状に折り曲げ、ステータ３ｄの背面部での界磁コイル７１ｄの位置を界磁コイル７１ｃとはずらし、ステータ３ｄに接近するようにして軸方向の厚みを薄くするようにした点である。なお、図１０（ａ）、（ｂ）に示したように界磁コイル７１ｄを収容する隙間３４は磁極面から見て他の部分より凹部状に背面側に窪み、ロータ軸に影響を与えないようになっている。
【００６１】
したがって、本実施形態の場合、ステータ３ｄ背面への界磁コイル７１ｄの突出を防ぎ、ステータ３ｄを薄型にすることができる利点もあり、ステータ３ｄ背面の界磁コイル７１ｄの部分以外のスベースに、整流回路等を配置して装置全体の小型化を図ることも可能である。
【００６２】
（第６の実施形態）
本発明の第６の実施形態について、図１１、図１２（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。
【００６３】
図１１は本実施形態の永久磁石・アキシャルギャップ型発電機１ｆの組み付け前の斜視図であり、図１２（ａ）、（ｂ）はそのロータ２ｃ、ステータ３ｅの磁極面の正面図である。それらの図面において、図１、図２と同一符号は同一もしくは相当するものを示す。
【００６４】
永久磁石・アキシャルギャップ型発電機１ｆは最も簡素な構成であり、ロータ２ｃは、円板状のロータコア２４の磁極面の半分に鉄心の突極で構成されたロータ磁極２３ｃを設け、前記磁極面の残りの半分にはカウンタウエイト２４が設けられ、１極（１極対）＋カウンタウェイト２４の構成である。ステータ３ｅは、ステータコア３２の磁極面側に磁極面の略半分（１８０度）ずつの２個の磁極対３３が設けられ、両磁極対３３はそれぞれ環状コイル４で外径側、内径側に区切られた部分が永久磁石の外径側磁極３５ａｍ、内径側磁極３６ａｍで形成され、２極対の構成である。
【００６５】
そして、本実施形態の永久磁石・アキシャルギャップ型発電機１ｆの場合、最も簡単な磁極構成で第１の実施形態の永久磁石・アキシャルギャップ型発電機１ａと同様の効果が得られる。
【００６６】
以上説明したように、各実施形態の永久磁石・アキシャルギャップ型発電機１ａ〜１ｆは、発電出力を取り出すコイル量が極めて少なく、軽量、かつ、小型になる。また、ステータ３ａ〜３ｅのステータ磁極が外径側と内径側に分割された磁極対３３で形成されるので、少なくともステータ３ａ〜３ｆのヨークを薄くでき、一層、小型、軽量に形成できる。さらに、ロータ２ａ〜２ｃには永久磁石を取り付けないので鉄心だけの堅牢な構造が可能であり、遠心力に強く、高回転が可能になる。しかも、ステータ３ａ〜３ｅのコイル４、７、７１ａ〜７１ｄは円環状あるいは楕円環状であるのでコイル製作が容易で、低コストであり、組付性もよい。したがって、小型、軽量で高出力、組み付けが容易な、従来にない新奇な構造のアキシャルギャップ型回転機を提供することができる。
【００６７】
そして、本発明は上記した各実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行なうことが可能であり、例えば、環状コイル４はロータ２ａ〜２ｃ側に設けてもよい。この場合、ロータ２ａ〜２ｃとともに環状コイル４が回転するので、発電出力の取り出しには回転自在の接点構造を用いる必要がある。
【００６８】
また、ロータ２ａ〜２ｃ及びステータ３ａ〜３ｅの磁極数等は前記各実施形態の磁極数に限るものではない。
【００６９】
そして、本発明のアキシャルギャップ型回転機は、アキシャルギャップ型発電機だけでなくアキシャルギャップ型モータとしても用いることができ、例えば、永久磁石・アキシャルギャップ型発電機１ａ〜１ｆの構成を３相分備えることにより、アキシャルギャップモータとして用いることができる。この場合、環状コイル４は給電によりステータ３ａ〜３ｅの磁極を励磁する磁束発生用のコイルを形成する。
【００７０】
そして、本発明は、種々の用途のアキシャルギャップ型発電機、アキシャルギャップ型モータに適用できる。
【符号の説明】
【００７１】
１ａ〜１ｆ 永久磁石・アキシャルギャップ型発電機
２ａ〜２ｃ ロータ
３ａ〜３ｅ ステータ
４ 環状コイル
７、７１ａ〜７１ｄ 界磁コイル
３３ 磁極対
２３、２３ｃ ロータ磁極
３５ａ、３５ａｍ 外径側磁極
３６ａ、３６ａｍ 内径側磁極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータとステータとが磁極面が対向するようにロータ軸方向に配置され、前記ロータにロータ磁極が周方向に配設され、前記ステータにステータ磁極が周方向に配設されたアキシャルギャップ型回転機であって、
前記ロータ磁極、前記ステータ磁極のいずれか一方は外径側磁極と内径側磁極の磁極対で構成され、
前記磁極対は、前記外径側磁極、前記内径側磁極の極性が隣りの前記磁極対の前記外径側磁極、前記内径側磁極それぞれの極性と逆の極性であり、
前記外径側磁極と前記内径側磁極は、少なくとも同じ極性のものが永久磁石により形成され、
前記外径側磁極と前記内径側磁極との間の位置に、環状コイルが磁極面を周回するように設けられたことを特徴とするアキシャルギャップ型回転機。
【請求項２】
請求項１に記載のアキシャルギャップ型回転機において、
前記円環状コイルが前記ステータに設けられることを特徴とするアキシャルギャップ型回転機。
【請求項３】
請求項１または２に記載のアキシャルギャップ型回転機において、
前記ステータ磁極が前記磁極対で構成され、前記ロータ磁極は鉄心磁極であることを特徴とするアキシャルギャップ型回転機。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載のアキシャルギャップ型回転機において、
前記外径側磁極、前記内径側磁極の前記永久磁石で形成されないものは鉄心磁極であり、前記鉄心磁極を励磁する界磁コイルを備えることを特徴とするアキシャルギャップ型回転機。
【請求項１】
ロータとステータとが磁極面が対向するようにロータ軸方向に配置され、前記ロータにロータ磁極が周方向に配設され、前記ステータにステータ磁極が周方向に配設されたアキシャルギャップ型回転機であって、
前記ロータ磁極、前記ステータ磁極のいずれか一方は外径側磁極と内径側磁極の磁極対で構成され、
前記磁極対は、前記外径側磁極、前記内径側磁極の極性が隣りの前記磁極対の前記外径側磁極、前記内径側磁極それぞれの極性と逆の極性であり、
前記外径側磁極と前記内径側磁極は、少なくとも同じ極性のものが永久磁石により形成され、
前記外径側磁極と前記内径側磁極との間の位置に、環状コイルが磁極面を周回するように設けられたことを特徴とするアキシャルギャップ型回転機。
【請求項２】
請求項１に記載のアキシャルギャップ型回転機において、
前記円環状コイルが前記ステータに設けられることを特徴とするアキシャルギャップ型回転機。
【請求項３】
請求項１または２に記載のアキシャルギャップ型回転機において、
前記ステータ磁極が前記磁極対で構成され、前記ロータ磁極は鉄心磁極であることを特徴とするアキシャルギャップ型回転機。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載のアキシャルギャップ型回転機において、
前記外径側磁極、前記内径側磁極の前記永久磁石で形成されないものは鉄心磁極であり、前記鉄心磁極を励磁する界磁コイルを備えることを特徴とするアキシャルギャップ型回転機。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１２−１２５０２１（Ｐ２０１２−１２５０２１Ａ）
【公開日】平成２４年６月２８日（２０１２．６．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２７２５７４（Ｐ２０１０−２７２５７４）
【出願日】平成２２年１２月７日（２０１０．１２．７）
【出願人】（０００００２９６７）ダイハツ工業株式会社 (2,560)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月２８日（２０１２．６．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月７日（２０１０．１２．７）
【出願人】（０００００２９６７）ダイハツ工業株式会社 (2,560)
【Ｆターム（参考）】
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