JP2009247046A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】回転電機において、ステータ巻線を集中巻巻線とした場合に、ステータが発生する基本波磁束を低減させることなく起磁力高調波を低減させて、性能向上を図ることである。
【解決手段】回転電機１０は、ケーシング１２に固定した片側ステータ１４及び他側ステータ１６と、回転軸２６に固定した１個のロータ１８とを備える。各ステータ１４，１６は、ロータ１８を介して軸方向に対向させる。各ステータ１４，１６の周方向複数個所に設けるステータ巻線２２は集中巻巻線とする。両ステータ１４，１６が発生する磁束の向きは、ロータ１８の軸方向とする。両ステータ１４，１６同士で同じ相のステータ巻線２２は、周方向に互いに電気角で１８０度ずらせて配置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、１個のロータと２個のステータとを備える回転電機に関する。

従来から、誘導電動機、同期電動機等の回転電機において、ステータの巻線を分布巻線型または集中巻線型とすることが考えられている。このうちの集中巻線型は、分布巻線型に対して、巻線が単純になり、コイルエンド部を小さくでき、量産性を高くできるという利点がある。ただし、集中巻線型では、起磁力波形において、基本波に近い周波数を有する起磁力高調波が発生し、トルク脈動（リップル）が発生したり、力率が悪化するという欠点が生じる可能性がある。

例えば、図９は、従来から考えられている一般的な誘導電動機の電機子巻線である、ステータ巻線を集中巻巻線にした場合の、ステータから出てロータに鎖交する鎖交磁束と時間との関係を示す図である。また、図１０は、図９の鎖交磁束に対応して、２次側導体である、ロータ側のロータ巻線に発生する誘導電流と時間との関係を示す図である。図９、図１０から明らかなように、ロータ巻線には、集中巻線型のステータを使用する場合に特有の空間高調波磁束が鎖交する。すなわち、ステータに回転磁界を発生させる起磁力の分布は、各相のステータ巻線の配置や、ステータの形状に起因して、基本波のみの正弦波分布とならず、高調波成分を含むものとなる。特に、ステータ側のティースにステータ巻線を集中巻きで巻装する場合には、ステータの起磁力分布に生じる高調波成分の振幅レベルが増大する。

このようなステータ巻線の配置やステータの形状に起因する、高調波成分を含む磁束は、空間高調波磁束と呼ばれる。空間高調波磁束が鎖交したロータ巻線には、図１０に示すような高調波成分を含む誘導電流である高調波電流が発生する。高調波電流は、２次銅損等の２次導体損失を増加させ、電動機の性能を悪化させる原因となる。

これに対して、特許文献１には、固定子コアに設けられた複数のティースに集中巻方式によりコイルが巻回され、コイルが３相電源に接続されている固定子と、固定子に対向配設された回転子とを備え、固定子の極数とスロット数との比を１：３としている回転電機が記載されている。そして、基本波に近い次数の起磁力高調波が存在しないとされている。なお、本発明に関連する先行技術文献として、特許文献１の他に、特許文献２，３がある。

特開２００６−２７１１８７号公報 特開２００５−２３７０８６号公報 特開２００４−５６８６０号公報

ただし、特許文献１に記載された回転電機の場合、固定子のティースに巻回された巻線を、１極対当たりで３本から６本に増やすために、各極の幅を半分にして、巻線数を増大させている。このため、起磁力高調波を低減できる可能性はあるが、基本波磁束も低減されてしまう。したがって、基本波磁束を低減させることなく起磁力高調波を低減させて、回転電機の性能向上を図る面からは改良の余地がある。

また、特許文献２には、効率及び出力の向上が図れるようにすることを目的として、ロータとステータとを軸方向に対向して配置し、２つのロータにより、ステータを両側から挟むようにしたアキシャルモータが記載されている。各ロータを構成する導電性金属製のロータ本体におけるステータとの対向面には、回転子磁心埋め込み用の埋め込み部を有している。埋め込み部には、圧粉磁心材料を用いて形成された回転子磁心が、埋め込み部を成型用の型として用いて、埋め込まれている。このような特許文献２に記載されたアキシャルモータの場合には、ステータ巻線を集中巻巻線とした場合に、ステータが発生する基本波磁束を低減させることなく起磁力高調波を低減させて、回転電機の性能向上を図ることは考慮されていない。

また、特許文献３の図１４には、２個のステータと、１個のロータとを備える誘導電動機が記載されている。この誘導電動機では、２個のステータの間にロータを配置し、２個のステータとロータとを軸方向に対向させている。ロータは、導電性材料の円板部に設けた複数の孔にティース部を嵌合している。この場合、２つのステータにおいて、相対する巻線は同じ向きの磁束を発生し、その相対する巻線はそれぞれのロータに対して異極となるとされている。ただし、このような誘導電動機において、ステータの周方向複数個所に設けられたティースのうち、周方向に隣り合うティース同士で異なる相の巻線を巻き付ける集中巻巻線とすることは考慮されていない。このため、ステータ巻線を集中巻巻線とした場合に、ステータが発生する基本波磁束を低減させることなく起磁力高調波を低減させて、回転電機の性能向上を図る面からは改良の余地がある。なお、このような不都合は、回転電機を誘導電動機とする場合だけでなく、回転電機を同期電動機とした場合も同様に生じる。すなわち、同期電動機において、ステータからロータに鎖交する磁束に高調波磁束が含まれる場合には、高調波磁束により磁束の漏れや鉄損が増加して、電動機の性能を悪化させる原因となる。

本発明の目的は、回転電機において、ステータ巻線を集中巻巻線とした場合に、ステータが発生する基本波磁束を低減させることなく起磁力高調波を低減させて、性能向上を図ることである。

本発明の回転電機は、１個のロータと、１個のロータの軸方向両側または径方向両側にロータを介して対向させた２個のステータと、を備え、各ステータは、周方向複数個所に設けられたティースと、各ティースに巻回された１次導体であるステータ巻線とを有し、各ステータ巻線は、複数のティースのうち、周方向に隣り合うティース同士で異なる相の巻線が巻き付けられる集中巻巻線であり、２個のステータ同士で同じ相のステータ巻線が発生する磁束の向きは、軸方向または径方向に関して互いに逆方向としており、２個のステータ同士で同じ相のステータ巻線は、周方向に互いに電気角で１８０度ずれて配置されていることを特徴とする回転電機である。

また、本発明に係る回転電機において、好ましくは、ロータの少なくとも一部に２次導体が設けられており、誘導機として使用可能とする。

また、本発明に係る回転電機において、好ましくは、ロータは、導電材製の導電体と、導電体の周方向複数個所に設けられた磁性材製のコアとを有する。

また、本発明に係る回転電機において、好ましくは、導電体の軸方向の全長が、コアの軸方向の全長と同じか、またはコアの軸方向の全長よりも大きい。

また、本発明に係る回転電機において、好ましくは、磁性材製のコアは、導電体の周方向複数個所に軸方向に貫通するように設けられた孔部内に、導電体の軸方向全長にわたって設けられている。

また、本発明に係る回転電機において、好ましくは、ロータは、周方向複数個所に設けられた永久磁石を有し、同期機として使用可能とする。

本発明に係る回転電機によれば、それぞれ集中巻巻線のステータ巻線を有する２個のステータによりロータを挟み、２個のステータによる空間高調波磁束をロータで互いに相殺させることができる。このため、ロータで発生する誘導電流において、高調波電流の発生を抑えることができ、さらに各ステータ巻線の各ステータの周方向に関する幅が小さくならないため、ステータが発生する基本波磁束が低減しない。したがって、ステータ巻線を集中巻巻線とした場合に、ステータが発生する基本波磁束を低減させることなく起磁力高調波を低減させることにより、ロータ側の２次銅損等の２次導体損失を大幅に低減したり、空間高調波磁束によるロータ側の磁束の漏れや鉄損等の損失を低減することができ、これにより、回転電機の性能を大きく向上させることができる。また、ロータを２個のステータで軸方向または径方向の両側から挟むため、ステータからロータに流れる磁束量を調整しやすくできる。

［第１の発明の実施の形態］
以下、本発明の実施形態を、図面を用いて説明する。図１から図６は、本発明の第１の実施の形態を示している。図１は、第１の実施形態の回転電機を示す略断面図である。図２は、図１の略Ａ−Ａ断面図である。図３は、図１の片側ステータ及び他側ステータにおいて、同じ相のステータ巻線の電気角が互いにずれている様子を説明するためのステータの周方向一部の周方向を左右方向に伸ばして示す図である。図４は、図１の片側ステータ及び他側ステータにおいて、発生磁束の分布を示す図である。図５は、ステータ巻線を分布巻巻線とした比較例１と、ステータ巻線を集中巻巻線とした比較例２と、第１の実施の形態の構造を有する本発明品とにおいて、回転電機の定すべり時の出力と損失とを比較した図である。図６は、定すべり時を説明するための、回転電機のすべりとトルクとの関係の１例を示す図である。

図１に示すように、本実施の形態の回転電機１０は、誘導機である、誘導電動機として使用可能とするもので、ケーシング１２に固定された２個のステータである片側ステータ１４及び他側ステータ１６と、両ステータ１４，１６の間に所定の空隙を空けて各ステータ１４，１６と軸方向に対向配置され、各ステータ１４，１６に対し回転可能な１個のロータ１８とを備える。すなわち、回転電機１０は、１個のロータ１８と、１個のロータ１８の軸方向両側にロータ１８を介して対向させた２個のステータ１４，１６とを備える。図１は、ステータ１４，１６とロータ１８とが軸方向に対向するように配置された、アキシャル型の回転電機の例を示している。

各ステータ１４，１６は、複数の電磁鋼板を積層する等により構成するステータコア２０と、複数相である、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相のステータ巻線２２とを備える。ステータ巻線２２は、１次導体である。各ステータコア２０の互いに対向する軸方向片側面の周方向複数個所の等間隔位置に、軸方向に突出するようにティース２４を設けている。例えば、各ステータコア２０に複数のティース２４を設けるために、ステータコア２０の周方向複数個所に軸方向の孔部を形成するとともに、孔部に、鋼板等の磁性材製のティース構成部材を挿入し、ティース構成部材のステータコア２０の片側面から突出した部分により、複数のティース２４を構成することもできる。

そして、各ティース２４にステータ巻線２２を巻回している。各ステータ巻線２２は、複数のティース２４のうち、周方向に隣り合うティース２４同士で異なる相の巻線が巻き付けられる集中巻巻線としている。また、図１において、各ステータ巻線２２の内側に示した○の中に・または×を示した記号は、ステータ巻線２２を流れる電流の向きを表しており、○の中に・を示したものは、電流が図の表側に流れることを、○の中に×を示したものは電流が図の裏側に流れることを表している（後述する図３、図７、図８で同様とする）。

また、図２に示すように、ロータ１８は、回転軸２６の軸方向中間部外径側に固定された、円板状のロータ導電体２８と、ロータ導電体２８の周方向複数個所の等間隔位置に設けられた磁性材製のロータコア３０とを有する。ロータ導電体２８は、銅やアルミニウム等により構成する円板状の導電材に、プレス加工により打ち抜くことにより、周方向複数個所に埋め込み用孔部３２を、軸方向（図２の表裏方向）に貫通するように設けるとともに、ロータ導電体２８の中心部に回転軸２６及び後述する筒部３４を挿通するための孔部３６を形成している。そして、ロータ導電体２８に形成した複数の埋め込み用孔部３２に積層鋼板や圧粉磁心等の磁性材を埋め込むことにより、ロータ導電体２８の周方向複数個所に、ロータ導電体２８の軸方向全長にわたってロータコア３０を設けている。これにより、ロータ１８を構成する。ロータ導電体２８は、２次導体であり、ロータ１８の周方向複数個所にロータ巻線を設ける場合の、ロータ巻線と同様の機能を有する。ロータ導電体２８は、ロータ１８の軸方向全長にわたって設けている。すなわち、ロータ導電体２８の軸方向の全長は、ロータコア３０の軸方向の全長と同じか、またはロータコア３０の軸方向の全長よりも大きくしている。

なお、ロータ導電体２８は、プレス加工の打ち抜きにより、周方向複数個所に埋め込み用孔部を形成した円板状の薄板素子を、複数枚積層することにより構成することもできる。

図１に戻り、このようなロータ１８は、回転軸２６の軸方向中間部外径側に円筒状の筒部３４を介して固定している。そして、筒部３４の外径側でロータ１８の軸方向両側に部分円錐状の抑え部材３８を固定し、抑え部材３８によりロータ１８を軸方向両側から狭持している。なお、抑え部材３８の代わりに、ロータ１８の軸方向両側で、筒部３４とロータ１８との間の周方向複数個所に板状等の補強部材を固定することにより、補強部材によりロータ１８を軸方向両側から狭持することもできる。なお、回転軸２６の外径側にロータ１８を、筒部３４を介さずに直接固定することもできる。また、回転軸２６の軸方向に離れた２個所位置と、ケーシング１２の２個所位置に設けた開口部との間に一対の軸受４０を設けて、ケーシング１２に回転軸２６を回転可能に支持している。

また、図３に示すように、ロータ１８の軸方向両側に設ける片側ステータ１４及び他側ステータ１６は、両ステータ１４，１６同士で同じ相のステータ巻線２２が発生する磁束の向きを、軸方向である図３の上下方向に関して互いに逆方向、すなわち、図３に示すように対向する方向、または外側に向く方向としている。図３において、ティース２４の内側に配置した矢印の向きは、ステータ１４，１６の周方向一部に設けたティース２４から出る磁束の向きを表している。なお、実際には、片側ステータ１４及び他側ステータ１６の間にロータ１８が配置されるが、図３では図示を省略している。また、図３では、ステータ１４，１６の周方向が図の左右方向となっている。図３に示すように、片側ステータ１４及び他側ステータ１６同士で同じ相のステータ巻線２２は、周方向に互いに電気角で１８０度ずれて配置されている。なお、図１で示した２個のステータ１４，１６において、ステータ巻線２２の周方向に関する配置関係は、実際の関係を表すものではなく、実際には、図３に示すように２個のステータ１４，１６同士でステータ巻線２２の周方向に関する位置がずれている。

このような回転電機１０は、次のようにして回転駆動する。すなわち、３相のステータ巻線２２に３相の交流電流を流すことで各ステータ１４，１６により生成された回転磁界がロータ１８に作用すると、ロータコア３０の周囲であるロータ１８の周方向複数個所のロータ導電体２８に誘導電流が流れる。この誘導電流によりロータ１８に電磁力が発生し、ロータ１８は、各ステータ１４，１６の回転磁界と同じ方向に回転駆動する。

また、本実施の形態の回転電機１０によれば、１個のロータ１８の軸方向両側にロータ１８を介して対向させた２個のステータ１４，１６を備え、各ステータ１４，１６は、周方向複数個所に設けられたティース２４と、各ティース２４に巻回されたステータ巻線２２とを有し、各ステータ巻線２２は、複数のティース２４のうち、周方向に隣り合うティース２４同士で異なる相の巻線が巻き付けられる集中巻巻線であり、２個のステータ１４，１６同士で同じ相のステータ巻線２２が発生する磁束の向きは、軸方向に関して互いに逆方向としており、２個のステータ１４，１６同士で同じ相のステータ巻線２２は、周方向に互いに電気角で１８０度ずれて配置されている。このため、それぞれ集中巻巻線のステータ巻線２２を有する２個のステータ１４，１６によりロータ１８を挟み、２個のステータ１４，１６による空間高調波磁束をロータ１８で互いに相殺させることができる。このため、ロータ１８で発生する誘導電流において、高調波電流の発生を抑えることができ、さらに各ステータ巻線２２の各ステータ１４，１６の周方向に関する幅が小さくならないため、ステータ１４，１６が発生する基本波磁束が低減しない。したがって、ステータ巻線２２を集中巻巻線とした場合に、ステータ１４，１６が発生する基本波磁束を低減させることなく起磁力高調波を低減させることにより、ロータ１８側の２次銅損等の２次導体損失を大幅に低減でき、これにより、回転電機１０の性能を大きく向上させることができる。また、ロータ１８を２個のステータ１４，１６で軸方向の両側から挟むため、ステータ１４，１６からロータ１８に流れる磁束量を調整しやすくできる。

図４は、互いに対向する片側ステータ１４（図１、図３）と他側ステータ１６（図１、図３）とにおいて、発生磁束の分布を相対的に示す図である。なお、以下の本実施の形態の説明において、図１から図３に示した要素と同一の要素には、同一の符号を用いて説明する。図４において、実線αは、すべての次数の高調波と基本波とを合成して得られる発生磁束を表す矩形波である。また、一点鎖線βは、発生磁束の基本波磁束、すなわち１次の磁束であり、破線γは、発生磁束の一部の次数の高調波である、２次の高調波磁束である。図４に示すように、片側ステータ１４と他側ステータ１６とで、ステータ巻線２２を集中巻巻線としている場合には、各ステータ１４，１６が生成する磁束の基本波に対して偶数倍の次数の空間高調波磁束が多く含まれ、特に２次の空間高調波磁束が多く含まれる。このような基本波以外の高調波磁束は、ロータ１８に鎖交すると、不必要な誘導電流である渦電流を生じさせ、銅損等の２次導体損失を増大させる原因となる等、回転電機の性能を劣化させる原因となる。このため、従来から、ステータが発生する磁束から誘導電流を発生させる誘導電動機において、ロータに鎖交する高調波磁束を抑えることが望まれている。

これに対して、本実施の形態では、上記のように互いにロータ１８を介して対向する２個のステータ１４，１６で同じ相のステータ巻線２２の電気角を１８０度ずれて配置している。このため、図４に示すように、両ステータ１４，１６の発生磁束の基本波は電気角の位相が同じで、同じ大きさとなるが、基本波でない２次の高調波の磁束は、同じ電気角で大きさが同じで向きが反対になる。このため、片側ステータ１４と他側ステータ１６とから出る磁束のうち、特に影響が大きい２次の高調波の磁束を、ロータ１８で互いに相殺することができる。したがって、片側ステータ１４と他側ステータ１６とからロータ１８に鎖交する磁束において、主に基本波磁束だけが残ることになり、ロータ１８に高調波磁束に基づいて高調波電流が誘導されるのを抑制することができる。この結果、高調波電流によるロータ１８側の銅損等の導体損失を低減して、ロータ１８の発熱を抑えることができる。また、誘導電動機として使用される回転電機１０の性能向上を図れる。

また、上記の特許文献３に記載された誘導電動機の場合と異なり、各ステータ巻線２２の各ステータ１４，１６の周方向に関する幅が小さくならないため、各ステータ１４，１６が発生する基本波磁束が低減しない。

図５は、本実施の形態の効果を確認するために、本実施の形態の構成を有する本発明品の回転電機と、本発明から外れる構成を有する比較例１、比較例２との、出力及び損失を計算で求め、その計算結果を比較した図である。比較例１は、従来から一般的に考えられているアキシャル型の回転電機、すなわち、１個のロータに対してステータとして１個のみ設け、ロータとステータとを軸方向に対向させた回転電機で、ステータに設けるステータ巻線を分布巻きとした回転電機である。また、比較例２は、やはり従来から一般的に考えられている上記のアキシャル型の回転電機で、ステータに設けるステータ巻線を集中巻巻線とした回転電機である。また、図５に示す計算結果では、回転電機１０のすべりを一定、すなわち「定すべり時」としている。

図６は、この「定すべり時」を説明するための図である。すなわち、誘導電動機では、ステータ１４，１６が発生する回転磁界の回転速度と、ロータ１８の回転速度とは運転時においては同期しない。そして、回転磁界の回転速度とロータ１８の回転速度との速度差を「すべり」と定義した場合に、「すべり」に対応して誘導電動機のトルクが発生する。「定すべり時」とは、この「すべり」を一定とした場合、例えば、図６の「すべり」を一定のδとすることを意味する。

図５では、斜線部により２次銅損等の２次導体損失、すなわちロータ１８側の導体損失を表しており、斜格子部により１次銅損等の１次導体損失、すなわちステータ１４，１６側の導体損失を表している。また、図５では、梨地部により、誘導電動機として使用される回転電機１０の出力を表している。図５に示す計算結果から明らかなように、回転電機１０のステータ巻線２２を分布巻きから集中巻きとすることにより、すなわち、比較例１から比較例２にすることにより、ロータ１８に鎖交する高調波磁束が多くなる等により、２次導体損失が大きくなり、出力もこれに伴って小さくなる。

これに対して、本発明品では、図５に示すように、ステータ巻線２２を集中巻巻線とするのにもかかわらず、２次導体損失を小さくでき、このことと、ロータ１８の両側に２個のステータ１４，１６とを配置し、２個のステータ１４，１６から出る基本波磁束によりロータ１８に鎖交する磁束が大きくなることとが相まって、回転電機１０の出力を大きくできる。

［第２の発明の実施の形態］
図７は、本発明の第２の実施の形態の回転電機を示す略断面図である。本実施の形態の回転電機１０ａは、同期機である同期電動機として使用可能とするもので、上記の図１から図６に示した第１の実施の形態の回転電機１０において、ロータ１８ａにロータ導電体２８（図１参照）を設けず、その代わりにロータ導電体２８と同形状である、円板状の鉄製のロータコア４２を設けている。また、上記の第１の実施の形態において、ロータ１８ａの周方向複数個所に設けていたロータコア３０（図１、図２参照）を設けず、その代わりにロータ１８ａの周方向複数個所に永久磁石４４を設けている。永久磁石４４は、ロータコア４２の周方向複数個所の等間隔位置に軸方向に貫通するように設けた埋め込み用孔部３６に挿入している。永久磁石４４は、ロータ１８ａの軸方向に着磁して、その着磁方向をロータ１８ａの周方向に隣り合う永久磁石４４同士で互いに異ならせている。このため、ロータ１８ａの両側面のそれぞれに、永久磁石４４のＮ極とＳ極とが周方向に関して交互に配置される。このような永久磁石４４は、ロータ１８ａの軸方向の全長にわたる部分に設けている。また、ロータ１８ａ以外の回転電機１０ａの構成は、上記の第１の実施の形態の回転電機１０の構成と同様である。

このような本実施の形態の回転電機１０ａの使用時には、３相のステータ巻線２２に３相の交流電流を流すことで片側ステータ１４及び他側ステータ１６により生成された回転磁界がロータ１８ａに作用すると、回転磁界とロータ１８ａに設けた永久磁石４４による磁界とが相互作用して、吸引及び反発作用が生じる。このため、ロータ１８ａが、各ステータ１４，１６で生成される回転磁界に同期して回転駆動する。また、ロータ１８ａの周方向複数個所に永久磁石４４を配置することで、ロータ１８ａの周方向複数個所に磁気突極を持たせることができ、その磁気突極によるリラクタンストルクによっても、ロータ１８ａが回転駆動する。

また、本実施の形態の場合も、１個のロータ１８ａの両側に２個のステータ１４，１６を設け、２個のステータ１４，１６が発生する磁束の向きを、ステータ１４，１６の軸方向とするとともに、２個のステータ１４，１６同士で同じ相のステータ巻線２２は、周方向に互いに電気角で１８０度ずらせて配置している。このため、２個のステータ１４，１６が発生する磁束に含まれる空間高調波磁束をロータ１８ａで互いに相殺させることができ、磁束の漏れや渦電流による鉄損を低減して、同期電動機として使用される回転電機１０ａの性能向上を図れる。

さらに各ステータ巻線２２の各ステータ１４，１６の周方向に関する幅が小さくならないため、ステータ１４，１６が発生する基本波磁束が低減しない。したがって、ステータ巻線２２を集中巻巻線とした場合に、ステータ１４，１６が発生する基本波磁束を低減させることなく起磁力高調波を低減させることにより、空間高調波磁束によるロータ１８ａ側の磁束の漏れや鉄損を低減することができ、これにより、回転電機１０ａの性能を大きく向上させることができる。その他の構成及び作用については、上記の第１の実施の形態と同様であるため、同等部分には同一符号を付して重複する説明を省略する。

［第３の発明の実施の形態］
図８は、本発明の第３の実施の形態の回転電機を示す略断面図である。本実施の形態の回転電機１０ｂは、上記の図１から図６に示した第１の実施の形態と同様に、誘導電動機として使用可能とする。特に、本実施の形態では、２個の片側ステータである外側ステータ４６と、他側ステータである内側ステータ４８とを、１個のロータ１８ｂを介して径方向に対向させている。すなわち、本実施の形態の回転電機１０ｂは、ステータ４６，４８とロータ１８ｂとが径方向に対向するように配置された、ラジアル型の誘導電動機としている。

すなわち、回転電機１０ｂは、ケーシング１２の内周面に円筒状の外側ステータ４６を嵌合固定し、ケーシング１２の内面の軸方向片側面に軸方向に突出する状態で、内側ステータ４８を固定している。外側ステータ４６と内側ステータ４８との間に、所定の径方向の空隙を空けている。各ステータ４６，４８は、複数の電磁鋼板を積層する等により構成するステータコア５０、５２と、複数相である、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相のステータ巻線５４とを備える。各ステータコア５０，５２の互いに対向する径方向片側面の周方向複数個所の等間隔位置に、径方向に突出するようにティース５６，５８を設けている。例えば、各ステータコア５０，５２に複数のティース５６，５８を設けるために、ステータコア５０，５２の周方向複数個所に径方向の孔部を形成するとともに、孔部に、鋼板等の磁性材製のティース構成部材を挿入し、ティース構成部材のステータコア５０，５２の径方向片側面から突出した部分により、複数のティース５６，５８を構成することもできる。

そして、各ティース５６，５８にステータ巻線５４を巻回している。各ステータ巻線５４は、複数のティース５６，５８のうち、周方向に隣り合うティース５６，５８同士で異なる相の巻線が巻き付けられる集中巻巻線としている。

また、ロータ１８ｂは、回転軸２６の軸方向中間部外径側に固定された有底円筒状のロータ導電体６０と、ロータ導電体６０を構成する筒部６１の周方向複数個所の等間隔位置に設けられた磁性材製のロータコア６２とを有する。ロータコア６２は、ロータ導電体６０を構成する筒部６１の径方向全長にわたって設けている。

このようなロータ１８ｂは、回転軸２６の軸方向中間部外径側に、ロータ導電体６０を構成する底板部６４に設けた孔部６６を嵌合することにより固定している。また、ロータ１８ｂの径方向両側に設ける外側ステータ４６及び内側ステータ４８は、両ステータ４６，４８同士で同じ相のステータ巻線５４が発生する磁束の向きを、径方向に関して互いに逆方向としている。また、外側ステータ４６及び内側ステータ４８同士で同じ相のステータ巻線５４は、周方向に互いに電気角で１８０度ずれて配置されている。なお、図８で示した２個のステータ４６，４８において、ステータ巻線５４の周方向に関する配置関係は、実際の配置関係を表すものではなく、実際には、２個のステータ４６，４８同士でステータ巻線５４の周方向に関する位置がずれている。

このような本実施の形態の場合も、上記の図１から図６に示した第１の実施の形態と同様に、ステータ巻線５４を集中巻巻線とした場合に、ステータ４６，４８が発生する基本波磁束を低減させることなく起磁力高調波を低減させることにより、ロータ１８ｂ側の２次銅損等の２次導体損失を大幅に低減でき、回転電機１０ｂの性能を大きく向上させることができる。その他の構成及び作用については、上記の第１の実施の形態と同様であるため、同等部分には同一符号を付して重複する説明を省略する。

なお、図示は省略するが、上記の図７に示した第２の実施の形態と、上記の図８に示した第３の実施の形態とを組み合わせた構成とすることもできる。すなわち、上記の図８に示した第３の実施の形態において、ロータ導電体６０を同形状の鉄製のロータコアとし、ロータ導電体６０の周方向複数個所に設けたロータコア６２の代わりに、径方向に着磁した永久磁石を配置し、その着磁方向を周方向に隣り合う永久磁石同士で逆にすることもできる。

また、図示は省略するが、上記の図７に示した第２の実施の形態、または第２の実施の形態と第３の実施の形態とを組み合わせた構成において、ロータ１８ａに永久磁石４４を設けず、または永久磁石４４を設けるとともに、ロータ１８ａの軸方向の両側面またはロータの径方向両周面の周方向複数個所に、軸方向または径方向に突出する突部を設け、ロータ１８ａの回転トルクにおいて、リラクタンストルクの利用率を高くすることもできる。なお、上記の各実施の形態の回転電機は、電動機として使用する場合に限定するものではなく、発電機として使用することもできる。

本発明の第１の実施形態の回転電機を示す略断面図である。 図１の略Ａ−Ａ断面図である。 図１の片側ステータ及び他側ステータにおいて、同じ相のステータ巻線の電気角が互いにずれている様子を説明するためのステータの周方向一部の周方向を左右方向に伸ばして示す図である。 図１の片側ステータ及び他側ステータにおいて、発生磁束の分布を示す図である。 ステータ巻線を分布巻巻線とした比較例１と、ステータ巻線を集中巻巻線とした比較例２と、第１の実施の形態の構造を有する本発明品とにおいて、回転電機の定すべり時の出力と損失とを比較した図である。 定すべり時を説明するための、回転電機のすべりとトルクとの関係の１例を示す図である。 本発明の第２の実施の形態の回転電機を示す略断面図である。 本発明の第３の実施の形態の回転電機を示す略断面図である。 従来から考えられている一般的な誘導電動機の電機子巻線である、ステータ巻線を集中巻巻線にした場合の、ステータから出てロータに鎖交する鎖交磁束と時間との関係を示す図である。 図９の鎖交磁束に対応して、２次側導体である、ロータ側のロータ巻線に発生する誘導電流と時間との関係を示す図である。

符号の説明

１０，１０ａ，１０ｂ 回転電機、１２ ケーシング、１４ 片側ステータ、１６ 他側ステータ、１８，１８ａ，１８ｂ ロータ、２０ ステータコア、２２ ステータ巻線、２４ ティース、２６ 回転軸、２８ ロータ導電体、３０ ロータコア、３２ 埋め込み用孔部、３４ 筒部、３６ 孔部、３８ 抑え部材、４０ 軸受、４２ ロータコア、４４ 永久磁石、４６ 外側ステータ、４８ 内側ステータ、５０，５２ ステータコア、５４ ステータ巻線、５６，５８ ティース、６０ ロータ導電体、６１ 筒部、６２ ロータコア、６４ 底板部、６６ 孔部。

Claims (6)

1. １個のロータと、
   １個のロータの軸方向両側または径方向両側にロータを介して対向させた２個のステータと、を備え、
   各ステータは、周方向複数個所に設けられたティースと、各ティースに巻回された１次導体であるステータ巻線とを有し、
   各ステータ巻線は、複数のティースのうち、周方向に隣り合うティース同士で異なる相の巻線が巻き付けられる集中巻巻線であり、
   ２個のステータ同士で同じ相のステータ巻線が発生する磁束の向きは、軸方向または径方向に関して互いに逆方向としており、
   ２個のステータ同士で同じ相のステータ巻線は、周方向に互いに電気角で１８０度ずれて配置されていることを特徴とする回転電機。
2. 請求項１に記載の回転電機において、
   ロータの少なくとも一部に２次導体が設けられており、
   誘導機として使用可能とすることを特徴とする回転電機。
3. 請求項２に記載の回転電機において、
   ロータは、導電材製の導電体と、導電体の周方向複数個所に設けられた磁性材製のコアとを有することを特徴とする回転電機。
4. 請求項３に記載の回転電機において、
   導電体の軸方向の全長が、コアの軸方向の全長と同じか、またはコアの軸方向の全長よりも大きいことを特徴とする回転電機。
5. 請求項４に記載の回転電機において、
   磁性材製のコアは、導電体の周方向複数個所に軸方向に貫通するように設けられた孔部内に、導電体の軸方向全長にわたって設けられていることを特徴とする回転電機。
6. 請求項１に記載の回転電機において、
   ロータは、周方向複数個所に設けられた永久磁石を有し、
   同期機として使用可能とすることを特徴とする回転電機。

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