JP2014023359A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】回転電機の高効率化、高トルク化を安価で信頼性の高い手法で実現させる。
【解決手段】固定子鉄心と回転子鉄心が互いに対向しており、両鉄心間には凹凸状のギャップが設けられた内転型回転電機において、少なくとも、前記固定子鉄心は、アーマチャーを有しており、分割された複数の圧粉鉄心を集合することで構成されていることを特徴とする回転電機とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、小形の電動機や発電機等の回転電機に関する。

出力で１ＫＷ以下程度の小形から中形の電動機や発電機である回転電機は、市場より軽薄短小化の要求が強く、また最近は地球温暖化対策として、電動機においては省エネルギー化や高効率化が、また発電機においては原子力に代わって自然エネルギーの見直しから小規模家庭用風力発電機の要求も増加してきている。そして安価であることも強い要求である。また回転電機にはラジアルギャップ式回転電機とアキシャルギャップ式回転電機がある。ラジアルギャップ式はエアギャプが小さく出来るのと、ギャップ対向面積は軸方向で増加が容易なため、汎用機として広く使用されている。しかし更なる高トルク化、高効率化が上述の如く求められている。

高トルク化をギャップの対向面積増加で行う従来技術として下記の特許文献１がある。

特開２０１１−２１７４５４号公報

１）従来の一般的なラジアルギャップ式の回転電機で回転子に永久磁石を用いるブラシレスＤＣモータ（以下ＢＬＤＣモータ）や同期発電機、あるいは回転子に永久磁石を用いないで磁性体の歯を有したスイッチドレラクタンスモータ（以下ＳＲモータ）の場合の技術としては、固定子鉄心を珪素鋼鈑で積層して構成し、安価と効率を重視する場合においては、巻き線は集中巻き方式を採用する。その理由は、分布巻き方式ではトルク発生に寄与しないコイルエンド部が大きくなり銅損が増大し、効率が低下するためと巻き線や配線が複雑となるためである。これに対して、集中巻き方式では巻き線がシンプルでスロットへの直接巻き込も可能となり、巻き線が安価となるためである。集中巻き方式の場合は実用的に構成すれば主に回転機のコストの面から固定子のスロット数は４〜１２に制約される。本発明は上述したラジアルギャップ式の長所を取り、組み立てが容易であり、更に効率をも飛躍的に高められるものを提供することを課題とする。

２）回転機の高効率化を追求したものとして固定子と回転子のギャップ部の対向面積を増大する手段による上記の特許文献１がある。この先行技術は回転軸方向にギャップが直線的展開でなく、固定子と回転子のギャップ対向部の周方向に設けられた凹凸がかみ合うようにして、回転機を構成している。このようなギャップ構造を立体ギャップとよぶことにする。このため実質的なギャップの対向面積は増大して、回転機の高効率化、高トルク化となる。しかし、この立体ギャップを採用した回転機はギャップが直線でないので、固定子と回転子を別々に完成させて固定子に回転子を軸方向に挿入して組み立てることはできないものである。そのため固定子鉄心の鉄損の減少をも考慮して珪素鋼鈑による積層分割鉄心としている。しかし、この立体ギャップ方式では特許文献１でも述べているように、立体ギャップ部のスラスト方向部を構成する珪素鋼鈑が磁気吸引力で変形してはがれや反りが発生する。この防止策として溶接を施すのであるが、立体ギャップ部に直接溶接をすると、鉄の溶塊部に渦流損が発生する。また立体ギャップ部に鉄の溶塊部が存在するのは固定子と回転子の接触の危険性も推定されて好ましくない。そこで特許文献１の図４のごとき凹凸部を有する別のステータ３８を設けて、２重ステータとして、このステータ３８の反ギャップ側のＷ部で珪素鋼鈑を溶接している。このためコストの高いものとなることが推定される。本発明にはこの欠点をも解決することを課題としたものである。

３）更に効率を高めるには回転子との対向面積とならないコイルエンドの占める面積部の活用が求められる。この解決策の一つに固定子巻き線極形状を軸方向あるいは回転周方向に飛び出させた所謂オーバーハングとした形状を圧粉鉄心で構成する手法がある。珪素鋼鈑の積層式ではこのオーバーハング構造は一般に困難あるいはコスト高となる。

４）分割鉄心固定子の立体ギャップ構造では回転機の組み立てに時間を要し加工費が増大して回転機のコスト増加となる。本発明はこの課題も解決する手段を提供するものである。

５）従来技術としては、特許文献１の図３、図４、図９がそれに該当するが、本明細書においては図５に示した。図５において、符号２１は積層鋼板からなる固定子、符号２２は積層鋼板からなる回転子、符号２３はアーマチャーによる巻き線部である。この場合、軸方向ギャップ部における磁気吸引力により、固定子および回転子の珪素鋼板が反りあるいは倒れ等により接触することが問題であり、これを解決することも本発明の課題の一つである。また図５の従来技術では立体ギャップ部においてラジアル方向には磁束が通過が容易であるが、アキシャル方向は珪素鋼鈑の積層方向のため、磁束がラジアル方向よりは通過しづらく、立体ギャップの効果を十分に発揮するには問題を残していた。

本発明を実現するには以下の手段による。

「手段１」
固定子鉄心と回転子鉄心が互いに対向しており、両鉄心間には凹凸状のギャップが設けられた内転型回転電機において、少なくとも、前記固定子鉄心は、アーマチャーを有しており、分割された複数の圧粉鉄心を集合することで構成されていることを手段とする回転電機。

「手段２」
「手段１」に記載の回転電機において、当該回転電機は、前記固定子鉄心を位置決めするための位置決め手段を有し、前記固定子鉄心を構成する複数の圧粉鉄心には各々軸方向に凸部を設けて、当該凸部と前記位置決め手段とを突き当てることにより前記凹凸状のギャップを維持しつつ固定子鉄心が位置決めされていることを手段とする回転電機。

「手段３」
「手段１」または「手段２」に記載の回転電機において、前記固定子鉄心を構成する複数の鉄心には各々軸方向に巻き線用凹部が設けられており、当該凹部の軸方向厚みは径方向で均一、あるいは中心から外側に行くほど薄くなっていることを手段とする回転電機。

「手段４」
「手段１」から「手段３」のいずれかに記載の回転電機において、前記回転子鉄心が分割された複数の圧粉鉄心を集合することで構成されていることを手段とする回転電機。

「手段５」
「手段４」に記載の回転電機において、当該回転電機は、前記回転子鉄心を支持するための支持手段を有し、前記回転子鉄心を構成する複数の圧粉鉄心には各々軸方向に凸部又は凹部が設けられており、当該凸部または凹部と前記支持手段とを嵌合することにより前記回転子鉄心を支持し径方向への飛散を防止していることを手段とする回転電機。

１）固定子鉄心と回転子鉄心との間に形成されるギャップが凹凸状、つまり立体ギャップ対向のため、対向面積が増大し、ギャップ部パーミアンスの大きな高効率回転電機が安価で実現する。

２）鉄心が珪素鋼鈑の積層方式でないので、積層式の溶接が不要であり、軸方向の磁気吸引力による珪素鋼鈑のはがれや反りが発生しない。従って安価で信頼性の高い回転電機が得られる。引用文献１に開示されている珪素鋼鈑式は積層方向（軸方向）に磁束が通りにくいが、本発明の採用する圧粉は方向性がないのでいわゆる立体ギャップには適している。

３）アーマチャーを有する固定子鉄心を構成する複数の鉄心に各々軸方向に凸部を設けつつ、一方で、例えば、回転子軸受けを支持するブラケットに固定子鉄心を位置決めするための位置決め手段を設け、前記凸部と位置決め手段とを突き当てているので、凹凸状のいわゆる立体ギャップの確保維持が容易にでき、安価な回転電機が実現する。

４）固定子鉄心を構成する複数の鉄心に巻き線用凹部を設け、いわゆるオーバーハング式とすれば、回転子との対向面積を更に増加できるため、あるいは銅損を低減でき、小形で高効率回転電機となる。また、巻き線用凹部の軸方向厚みを中心から外側に行くほど薄くなるようにすれば、更に巻き線の占積率を向上させることができて、回転電機の効率を高めることができる。

５）回転子鉄心を複数の分割圧粉鉄心により構成すれば、珪素鋼鈑のはがれも起きず、また圧粉鉄心で立体ギャップ用の凹凸部を型成形可能になり、安価となる。また立体ギャップ部は方向性がないためラジアル方向、アキシャル方向とも均一な磁束の通り易さとなる。

６）回転子鉄心を構成する複数の鉄心に各々軸方向に凸部または凹部を設けつつ、一方で、回転電機本体側には回転子鉄心を支持するための支持手段を設け、これらを嵌合しているので、回転子の高速回転時の遠心力による分割鉄心の飛散防止を図ることができる。

７）圧粉鉄心により渦電流損が零に近く、特に高速時の鉄損が少なく高効率回転電機となる。

本発明の一例の回転機の軸を含んだ断面図 図１の軸方向から見た図 別の本発明の軸方向から見た図 図３の軸方向から見た図 従来技術の図

以下図面によって説明する。

図１は本発明の構成の一例を示したものであり、回転軸心を含んだ断面図である。

図２は図１のＡ−Ａ断面図を回転軸心方向から見た図である。

図１、図２はアーマチャー（巻き線）側が固定子で、反アーマチャー側が回転子であり、回転子に永久磁石を用いたタイプの回転電機に本発明を適応した場合であり、ＢＬＤＣモータ等がこのタイプである。但し、回転子位置検出のホール素子部の図示は省略してある。

一般に、直流発電機や直流電動機のようにブラシとコンミテータによりメカニカルに整流したり、直流を交流にする回転電機は巻き線部即ちアーマチャーを有する鉄心部が回転子となり、反アーマチャー側が固定子となる。それに対してブラシやコンミテータを有しないＢＬＤＣモータやＳＲモータ等は、アーマチャーを有する鉄心部が固定子となり、反アーマチャー側が回転子となる。本発明は立体ギャップ式回転電機であるので、特に後者のアーマチャーが固定子側で反アーマチャー側がその内部で回転子となる所謂内転型回転電機に適したものである。

図１及び図２で、符号１は圧粉鉄心よりなるアーマチャーを有した固定子鉄心である。ＢＬＤＣモータは永久磁石を使用しているので界磁磁束用の電気入力が不要となるため、効率の高い回転電機となる。しかし近年永久磁石の内の高磁気エネルギーを有した希土類磁石のネオジム磁石等の価格が高騰しているため、ＢＬＤＣモータでは磁石使用量を少なくして、あるいは低磁気エネルギーのフェライト磁石を使用して高効率にする必要がある。その解決策として本発明は極めて有効なものといえる。

圧粉鉄心とは、軟磁性鉄粉に少量の樹脂を潤滑剤あるいはバインダー目的でミキシングし鉄粉間の電気的絶縁を増大させて渦電流の減少を図り、圧縮成形後焼結させたものである。圧粉鉄心を回転電機に使用する場合、珪素鋼鈑積層式が２次元の単純形状であるのに対して、３次元の複雑形状が可能で、更に鉄損の一部の渦電流損が少ない特長がある。上述した圧粉鉄心は磁束密度が珪素鋼鈑より小さいという短所があるが、巻き線即ちアーマチャー部のコイルエンド部まで鉄心を介在させて固定子と回転子との対向面積を増加できる所謂オーバーハング形状とすれば高効率化に適したものができる。圧粉鉄心は積層方式では困難な回転電機のオーバーハング形状や立体ギャップ構造等が容易に可能となる。

図１及び図２は３相６スロット固定子鉄心と４極の回転子鉄心の場合を示している。固定子鉄心１は６個に分割されたものに巻き線後合体して固定子鉄心とするものである。６個の分割固定子１にはそれぞれ符号１−１なる軸方向に突き出た部分即ちオーバーハングが設けてある。符号１−１は巻き線用凹部の内周壁の役目もしている。符号２は巻き線用凹部に設けた絶縁体でありコイル３が巻かれている。このとき巻き線用凹部は、凹部の軸方向厚みが径方向で均一、あるいは中心から外側に行くほど薄くなるようにする。図２より巻き線されたコイル３は半径方向に扇形に分布するため軸方向の巻きあがり高さをフラットにするには巻き線部鉄心の巻き線用凹部の軸方向厚みを中心から外側に行くほど薄くなるようにすれよく、更に巻き線の占積率を向上させることができて、回転電機の効率を高めることができる。また高効率化を達成するには巻き線占積率を高める必要がある。固定子鉄心が６個分割でなくて、一体鉄心であると、集中巻き式でのスロットへの直接巻き込式はスロット開口部から銅線をノズルで巻きこむため巻き線占積率は２０〜３０％程度である。本発明の分割式圧粉鉄心式によれば巻き線占積率は６０％以上と飛躍的に巻き線占積率を向上させることも可能になる。回転電機の発生トルクはコイル断面積の平方根に比例するため、分割鉄心構造は高効率化に有利な構造といえる。

固定子鉄心１の回転子鉄心４とが対向する部分には、凹凸状のギャップ、いわゆる立体ギャップが設けられている。立体ギャップとすれば固定子鉄心と回転子鉄心間の対向面積が２から３倍に容易に増加できる。ギャップパーミアンスは対向面積に比例し、空隙の距離に反比例する。そのため立体ギャップとすることで、空隙の距離が１．５倍に増加しても、対向面積が３倍にできればパーミアンスは２倍に増加する。パーミアンスが大きいと磁束が増加して高効率化に有効な手段であることが理解できる。またこの立体ギャップ対向部が従来の珪素鋼鈑による積層方式では軸方向の磁気吸引力で珪素鋼鈑が反り変形やはがれを起こすため溶接等が必要であったが、圧粉鉄心ではそれが不要で安価で信頼性も高いものとなる。なお、凹凸状とは、文字通りの凹凸のみならず、断面が三角形状を呈するギザギザ状や、波状なども含む概念である。

符号５は回転子鉄心４の溝に埋め込まれた永久磁石である。４個の永久磁石は交互に半径方向に異極性に磁化されて４極回転子となっている。尚、符号４は図では４個の分割圧粉鉄心として符号４−１なる軸方向に円筒状凸部を設けている。符号７は中子であり、軸６と回転子鉄心４を締結する。このとき、符号７の一端に設けた符号７−１なる溝付き鍔部で図の左側端の４−１の外周と端面を固着する。また符号８なる支持手段としての円環体を図で右側端の符号４−１の外周部に嵌合させる。このようにすれば、回転子が４個の分割鉄心であっても、高速回転時に遠心力で飛散するのを確実に防止できる。

次に本発明の回転電機の組み立て方法の順序を説明する。

（１）図１を９０度左回転した図で前述した回転子にボールベアリング等の軸受け１１を装備した回転子完成体をブラケット９に装着する。この状態では軸６は垂直位置となっている。

（２）次にブラケット１０を回転子の他端上部のボールベアリング等の軸受け１１に装着する。尚、符号１２はボールベアリングに与圧を加えるイタバネである。

（３）次に６個の巻き線済みの符号１を水平方向から逆放射状に移動してブラケット９に設けられた円筒状凸部９−１の外周及びブラケット１０に設けられた円筒状凸部１０−１の外周を案内にして寄せて合体させる。このとき回転子の永久磁石５が着磁されていても、凸部９−１の外周及び凸部１０−１の外周がラジアル方向吸引力のストッパー案内となるため、固定子と回転子は接触することはない。

（４）次に必要によりパイプ状ハウジング１３を固定子外周部に挿入固定する。なお、パイプ状ハウジング１３は焼き嵌めにより容易に挿入可能である。パイプ状ハウジング１３を用いない場合には、固定子鉄心を構成する分割された圧粉鉄心同士を溶接あるいは接着等することが望ましい。

以上の順序で確実に、また安定して組み立てをすることができる。

ＳＲモータは永久磁石無しなので高価な希土類磁石が不要な分コストを安価に出来る。しかし界磁に永久磁石を使用しない分、高トルクは出しづらい欠点もある。このため本発明が上述した欠点を改善した、有効なる回転電機である。

図３は本発明の構成の一例を示したものであり、回転軸心を含んだ断面図である。

図４は図３のＡ−Ａ断面図であり、回転軸心方向から見た図である。
この場合はＳＲモータに立体ギャップを適応させたものである。図１、図２と共通の部品は同じ符号を付してある。図３が図１と異なる点は以下の２点である。

（ａ）回転子鉄心に永久磁石を有していない。従って組み立て時、分割固定子鉄心が回転子鉄心に吸引されない。

（ｂ）固定子鉄心と回転子鉄心を図１より軸方向にオーバーハング対向させて対向面積を増加させている。

オーバーハング対向は固定子鉄心１−２と回転子鉄心４−２の部分である。図３の場合、図１より軸方向にオーバーハングの対向面積を増加できる理由は、永久磁石がないためバックヨーク鉄心が不要となるためである。尚、固定子鉄心、回転子鉄心の基本構造は図１、図２と同じである。違いは上述の（ａ）（ｂ）である。

組み立て方法は図１の場合と同じ順序で同じブラケット９，１０及びハウジング１３を使用してもよい。図３では図１のブラケット１０とハウジング１３を一体化したものを使用している。この場合は組み立て時に吸引力が働かないので、上記で述べた図１の場合の順序を以下の（５）〜（７）のように変更する。

（５）図３を９０度左回転した図で回転子鉄心にボールベアリング等の軸受け１１を装備した回転子鉄心完成体をブラケット９に装着する。この状態では軸６は垂直位置となっている。

（６）次に６個の巻き線済みの１を水平方向から逆放射状に移動してブラケット９に設けられた円筒状凸部９−１の外周を案内にして符号１−１で嵌合させて合体させる。

（７）次にブラケット１０を回転子の他端上部のボールベアリング等の軸受け１１及び同時に１−１と円筒状凸部１０−１にて上方から嵌合装着する。

図３の場合の固定子鉄心、回転子鉄心は圧粉成型で容易に制作が可能である。また回転子は一体品でもよいが型出し成型する場合は一体の場合は立体ギャップ凹凸溝部の機械加工が必要になる場合がある。

固定子鉄心は６極に限らず、実用的には２相では２極、４極、８極、１２極、３相では６極、９極、１２極、５相では５極、１０極等である。これらの巻き線極数のものが集中巻きをする場合は本発明を適応させるのに適している。しかしそれより多いスロットｍ個の固定子鉄心で分布巻きをするものでも、分割数を上記の２から１２程度以内のｐ個として１分割中のスロット数をｎ個として、ｍ＝ｐｎの関係に分割すれば本発明を適応できるものである。

本発明による回転電機は電動機または発電機に活用でき、安価で堅牢で軽薄短小、高トルク化、高効率化に適した、きわめて実用的なものである。従って工業的に大きな貢献が期待される。

１、１−１ 固定子鉄心
２ 絶縁体
３ 巻き線
４、４−１ 回転子鉄心
５ 永久磁石
６ 軸
７ 中子
８ 環状体
９、９−１、 １０，１０−１ ブラケット
１１ 軸受け
１２ イタバネ
１３ ハウジング

Claims (5)

1. 固定子鉄心と回転子鉄心が互いに対向しており、両鉄心間には凹凸状のギャップが設けられた内転型回転電機において、
   少なくとも、前記固定子鉄心は、アーマチャーを有しており、分割された複数の圧粉鉄心を集合することで構成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、
   当該回転電機は、前記固定子鉄心を位置決めするための位置決め手段を有し、
   前記固定子鉄心を構成する複数の圧粉鉄心には各々軸方向に凸部を設けて、当該凸部と前記位置決め手段とを突き当てることにより前記凹凸状のギャップを維持しつつ固定子鉄心が位置決めされていることを特徴とする回転電機。
3. 請求項１または２に記載の回転電機において、
   前記固定子鉄心を構成する複数の鉄心には各々軸方向に巻き線用凹部が設けられており、
   当該凹部の軸方向厚みは径方向で均一、あるいは中心から外側に行くほど薄くなっていることを特徴とする回転電機。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の回転電機において、
   前記回転子鉄心が分割された複数の圧粉鉄心を集合することで構成されている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、
   当該回転電機は、前記回転子鉄心を支持するための支持手段を有し、
   前記回転子鉄心を構成する複数の圧粉鉄心には各々軸方向に凸部又は凹部が設けられており、
   当該凸部または凹部と前記支持手段とを嵌合することにより前記回転子鉄心を支持し径方向への飛散を防止していることを特徴とする回転電機。

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