JP4621661B2

JP4621661B2 - 回転機

Info

Publication number: JP4621661B2
Application number: JP2006511108A
Authority: JP
Inventors: 広泰下地; 厚碇賀
Original assignee: 赤司電機株式会社; 榎園正人
Priority date: 2004-03-22
Filing date: 2004-03-22
Publication date: 2011-01-26
Anticipated expiration: 2024-03-22
Also published as: WO2005091464A1; JPWO2005091464A1

Description

本発明は、永久磁石を用いた発電機及び電動機に使用できる回転機に係り、より小型に構成できる効率の良い回転機に関する。

例えば、特許文献である日本国特開２００２−１９１１５５号に示すように、コイルを巻いた鉄心を有する固定子の内部に複数の永久磁石を有する回転子を配置した回転機が知られており、例えば、自動車やその他の工業機器に用いられている。この回転機においては、回転子を回転させて固定子のコイル内に誘導起電力を発生させる発電機としての用途と、固定子のコイルに回転子の回転角度に合わせて制御された交流を流して、回転子に回転動力を発生させる電動機としての用途が知られている。
しかしながら、従来の回転機においては、固定子の鉄心は、内側の回転子に向けて複数（前記特許文献では１２）の磁極部を有し、この固定子鉄心は電磁鋼板（通常、珪素鋼板）をプレスによって打ち抜き形成されているので、一般に無方向性電磁鋼板（通常、無方向性珪素鋼板）が使用されている。更には、巻線が施される鉄心は中間部にヨーク部分を有し、このヨーク部分に交番磁界が発生するので、全体的に磁束が通る磁路長さが長く、これによって鉄損が大きいという問題があった。

一方、回転機の出力を向上する場合には、鉄心を通過する磁束量を増やす必要があり、この場合、鉄心が前述のように無方向性電磁鋼板であるので、最大磁束密度はかなり低く、結局は、所定の磁束を通すためには、鉄心量（鉄心の体積をいう）を増やす必要があり、鉄心量を増やすと巻線量も増加して、小型化及び高効率化への障害となっていた。
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、同一の出力に対して鉄心量を減少して小型化が可能な回転機を提供することを第１の目的とし、更には、巻線が施される各鉄心に最大磁束密度の高い方向性電磁鋼板を使用して、磁束密度を高め、より高効率で更に小型化が可能な回転機を提供できることを第２の目的とする。

前記目的に沿う第１の発明に係る回転機は、回転軸の周方向に均等に設けられそれぞれ異なる磁極（Ｎ、Ｓ）が、半径方向に一定の距離を有して対向して配置された回転子と、前記対向する磁極の間に形成される環状の空間部に、前記対向する磁極と隙間を有して周方向に並べて配置される複数の鉄心を備え、しかもそれぞれの前記鉄心の半径方向の内側及び外側にてそれぞれ第１及び第２の巻線が施された固定子とを有する回転機であって、
前記回転子のそれぞれの前記磁極は、半径方向に一定の距離を有して配置された対となる永久磁石によって形成され、該対となる永久磁石は磁気的にヨークによって連結され互いに反対の極性を有するとともに、円周方向に隣り合う前記永久磁石は、互いに反対の極性を有し、
前記回転子及び前記固定子のケーシングは、前記回転軸に第１の軸受を介して連結され、前記複数の鉄心をその円周方向に並べて固定する第１の固定フレームと、該第１の固定フレームと対となって、前記回転軸に第２の軸受を介して取付けられ前記回転子の周囲を覆うカップ状の第２の固定フレームとを有し、前記鉄心は、前記第１及び第２の巻線の間に設けられた取付け部材によって、前記第１の固定フレームに固定される。
なお、ここで、周方向に配置される複数の鉄心は周方向に均等に配置されるのが好ましいが、不均等であってもよい。
これによって、固定子の鉄心が実質直線状となって、鉄心の有効長さを小さくすることができ、これによって、磁束が通過する鉄心の体積を軽減することができ、結果として鉄損を減らすことができる。鉄損を減らすことによって回転機からの発熱量が減るので、回転機の小型化を図ることができる。なお、この発明において、巻線を回転しない構造とした場合は、スリップリング等が不要となり全体的構造は簡略化される。

第１の発明に係る回転機は、前記回転子のそれぞれの前記磁極は、半径方向に一定の距離を有して配置された強力な永久磁石によって形成され、該対となる永久磁石を磁気的にヨークによって連結されているので、固定子鉄心を通過する磁束量を高めることができる。なお、ヨークを通過する磁束は脈動はするが交番磁界ではないので、鉄損や渦電流損は少ない。
また、第１の発明に係る回転機は、前記回転子及び前記固定子のケーシングは、前記回転軸に第１の軸受を介して連結され、前記複数の鉄心をその円周方向に並べて固定する第１の固定フレームと、該第１の固定フレームと対となって、前記回転軸に第２の軸受を介して取付けられ前記回転子の周囲を覆うカップ状の第２の固定フレームとを有するので、固定子の組立及び分解が簡略される。

また、第２の発明に係る回転機は、第１の発明に係る回転機において、前記鉄心は前記回転軸に対して放射状に設けられ、前記それぞれの鉄心は半径方向に透磁率の高い方向性電磁鋼板の積層体からなる。これによって、巻線が施される鉄心の磁束密度を高めることができ、鉄心の体積を減少させることができる。鉄心（即ち、磁束が通過する鉄心）の体積が減ると鉄損が減少し、更に鉄心の断面積が減少すると巻線の量が減るので、銅損も合わせて減少する。

また、第３の発明に係る回転機は、第１及び第２の発明に係る回転機において、前記回転子の回転角度を検知するセンサーが前記固定子に設けられ、別に設けられた電源によって、前記センサーからの信号に基づき、前記固定子の前記第１及び第２の巻線に、前記回転子の回転位相に合わせた所定の交流電力を送って、特に、前記回転軸からの回転動力を得る電動機として用いる。なお、前記センサーとしては例えば、磁気の強さを検知するホール素子センサーを採用するのが好ましい。

本発明の一実施例に係る回転機の下半分を省略した側断面図である。同回転機の下半分を省略した正断面図である。電磁鋼板の磁束密度と鉄損との関係を示すグラフである。

図１に示すように、本発明の一実施例に係る回転機１０は、ケーシングを構成する第１の固定フレーム１１及び第２の固定フレーム１２と、第１の固定フレーム１１に取付けられた固定子１３と、固定子１３の構成要素であって円周上に並べて配置された複数の鉄心１４に移動磁界を与える回転子１５とを有している。以下、これらについて詳しく説明する。

第１、第２の固定フレーム１１、１２は鉄や鋳物等の磁性金属又はその他の非磁性金属、場合によっては非金属材料からなって、それぞれ底部に図示しない脚部を有する。図１において、第１の固定フレーム１１の右端にフランジ１６を、第２の固定フレーム１２の左端にフランジ１７を備え、複数のねじ１８によってフランジ１６、１７を強固に連結するようになっている。第１の固定フレーム１１の中心には回転軸１９が挿通する段付き孔２０が設けられている。段付き孔２０の内側の大径孔２１には第１の軸受の一例である回転ころ軸受２２が設けられて、回転軸１９を回転自在に支持している。

第１の固定フレーム１１の内側部には鉄心取付け部２３を有し、図２に示すように、軸心ｍを中心にして、放射状に複数（この実施例では１２）の鉄心１４が固定されている。それぞれの鉄心１４は、金属製（非磁性金属の方が好ましい）又は硬質プラスチック製の取付け部材２４によって固定されている。この取付け部材２４はバンドであってもよいし、鉄心１４を貫通するねじであってもよい。取付け部材２４を金属によって構成する場合には、高抵抗の材料（例えば、オーステナイト系ステンレス）を使用するのが渦電流の発生を抑える上で好ましい。

この鉄心１４は、短冊状（即ち、長方形状）に切断された薄い方向性電磁鋼板の積層体からなって、図２に示すように、回転軸１９を中心に同一半径で放射状に配置されている。それぞれの鉄心１４の両側には巻線２５、２６が施され、各鉄心１４に巻かれている巻線２５、２６は、所定の結線（例えば、単相結線、デルタ結線又はスター結線）を経て図示しない外部の２本又は３本の導線に接続されている。放射状に配置されてそれぞれ巻線２５、２６が施された鉄心１４が前記した固定子１３を構成している。

この巻線２５、２６はこの回転機１０を発電機として使用する場合には、誘導起電力が発生するコイルとなり、この回転機１０を電動機として使用する場合には、外部から例えば回転子の回転位相に合わせた交流電力を送ることによって、固定子１３と回転子１５の磁極間に吸引力又は反発力が発生する。

第１の固定フレーム１１に対向する第２の固定フレーム１２は、その中心に回転軸１９が挿通する段付き孔３９が設けられ、また、カップ状となって一端に前記したフランジ１７が設けられ、他端は段付き孔３９の内側の大径孔２７に装着された第２の軸受の一例である回転ころ軸受２８を介して回転軸１９に回転自在に装着されている。この実施例では、第１、第２の固定フレーム１１、１２は脚部を有して固定であるから、第１、第２の固定フレーム１１、１２からなるケーシングに回転ころ軸受２２、２８を介して回転軸１９が自由回転可能に取付けられていることになる。

以上のことより、複数の鉄心１４は、片持ち構造で第１の固定フレーム１１に放射状に取付けられているので、回転軸１９と鉄心１４の半径方向内側端部との間、及び第２の固定フレーム１２の内側壁と鉄心１４の半径方向外側端部との間には、それぞれ環状の空間部２９、３０が形成される。そして、片持ち取付けされた固定子１３の開放側（即ち、軸方向）端部と第２の固定フレーム１２との間にも、空間部２９、３０に連通する空間部３１が形成され、この空間部２９〜３１に、回転軸１９を除く回転子１５が配置されている。

回転子１５は、回転軸１９とこれに固着されるヨーク３２とヨーク３２の両端部に取付ける永久磁石３３、３４とを有している。ヨーク３２は透磁率の高い材質を使用するのが好ましいが、場合によっては、通常の鉄、鉄鋳物であってもよく、内部を通過する磁束は変動はするが交番はしないので、鉄損は少なく更には渦電流の発生も少なく、積層鉄心のみならず通常の塊状の磁性体も適用できる。永久磁石３３、３４は、例えば、ネオジウム・鉄・ボロン系の強力磁石を使用するのが好ましいが、強力磁石であれば、必ずしも磁石の種類に本発明は限定されない。なお、図２において、２点鎖線は交番磁束の流れを示す。

一つの鉄心１４を中央にして半径方向に一定の距離を有して向かい合う永久磁石３３、３４は必ずＳ極とＮ極が向かい合う必要がある。そして、円周方向に隣り合う永久磁石３３、３３及び３４、３４もそれぞれＳ極とＮ極とするのが好ましい。これによって、永久磁石３３、３４から発する磁束の磁気抵抗が減少し、より効率の高い回転機１０となる。この実施例においては、永久磁石３３は回転軸１９に装着されたボス３５の半径方向外側に位置する部分に放射状にその一部又は全部が埋め込まれている。また、永久磁石３４はボス３５に円板状部材３７を介して連結される筒体３８の内側にその一部又は全部を埋設して固定されている。ここで、ボス３５、円板状部材３７及び筒体３８はヨーク３２の構成要素であり、磁性体（例えば、鉄）によって構成されている。従って、永久磁石３３、３４は磁気的にヨーク３２によって連結されることになる。

以上のように固定子１３と回転子１５を構成することによって、固定子１３の鉄心１４を通過する磁束が半径方向に直線状となり、結果として永久磁石３３、３４によって発生する磁束をより効率的に（即ち、より低い磁気抵抗で）通過させることができる。また、この鉄心１４に方向性電磁鋼板を使用することによって、更に鉄心１４を通過する磁束が増加すると共に鉄損が減少し、これによって、回転機１０の効率が向上する。この理由について以下に説明する。例えば、一般の筒状の固定子とその内部を回転する回転子を有する発電機（電動機でも同じ）の場合のその出力Ｐｏは以下のように表される。
即ち、Ｐｏ∝（Ｂｇ）・（ａｃ）・（Ｄ2・Ｌ）・（Ｎ）
ここで、（Ｂｇ）は固定子と回転子との空隙の平均磁束密度（磁気装荷）、（ａｃ）はアンペアコンダクター（電気装荷）、（Ｄ2・Ｌ）は機器サイズで詳細には、Ｄは固定子鉄心内径、Ｌは鉄心層厚、（Ｎ）は回転数となる。従って、鉄心の透磁率が増加すると磁気抵抗が小さくなり、磁気装荷（Ｂｇ）は大きくなる。また、鉄心の断面積が減少し、これに巻かれる巻線の抵抗の内部抵抗も小さくなって、内部抵抗が小さくなると共に銅損も減少し、回転機の出力が大きくなる。

また、鉄心１４に方向性電磁鋼板を使用すると、図３に示すように磁束密度を高めて使用することができる他、無方向性電磁鋼板に比較して鉄損が少なく（例えば、１／２．５〜１／４．５に減少する）、これによって、発熱が少なくなるので、効率が向上すると共に、機器の小型化が可能となる。なお、図３において、ｋ１は方向性電磁鋼板の磁束密度を、ｋ２は無方向性電磁鋼板の磁束密度、ｗ１は方向性電磁鋼板の鉄損を、ｗ２は無方向性電磁鋼板の鉄損を示す。

この実施例においては、鉄心１４の長さ方向両端に少しの隙間を設けて永久磁石３３、３４を設け、しかも、鉄心１４には半径方向の内側と外側の２か所に巻線２５、２６が設けられている。そして、同一の鉄心１４に対する巻線２５、２６には、巻き回数が同じであれば、同一及び同相の起電力が発生するので、巻線２５、２６を並列又は直列接続することによって、巻線２５、２６のインピーダンスを変えることができ、これによって電圧や電流を変えることができる。また、各鉄心１４の巻線に１又は２以上の中間タップを設け、その接続方法（例えば、直接、並列又はこれらを組み合わせて）を変えて、回路のインピーダンスを変えることもできる。

この回転機１０を発電機として使用する場合には、回転軸に風車、エンジン、水車等の回転動力を連結し、電動機として使用する場合には、回転子１５の回転角度を検出するセンサー（例えば、ホールセンサー）を固定子１３に設け、センサーからの信号に基づき、回転子１５の磁極に対してその回転方向進み位相側に逆極性の磁極が発生し、回転子１５の磁極に対して遅れ位相側に同極性の磁極が形成できるように固定子１３の巻線２５、２６に別に設けられた電源によって電流を流すことになる。

更には、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、回転子及び固定子の磁極の数を変更する場合や、回転子及び固定子、並びにこれらに合わせてケーシングの形状や寸法を変える場合も本発明は適用される。

本発明に係る回転機は、巻線が施される鉄心を直線状にして最小限度に短くすることができるので、鉄損を少なくすることができ、これによって、小型で高効率の回転機を提供できる。そして、特に、鉄心を方向性電磁鋼板とした場合には、各鉄心の透磁率を飛躍的に高めることができ、これによって、同一電力に対して鉄心断面積を減らし、更には鉄心の断面積が減ると巻線量も減るので、更に小型で高い効率の回転機を提供できる。
従って、電動機として使用する場合には、小型軽量であることを必要とする電動自転車、自動車、船舶、飛行機、列車等の交通機関用として最適である。また、発電機として利用する場合も、小型軽量でしかも高効率であるので、風力発電に限らず通常の発電所用の発電機としても使用できる。

Claims

回転軸の周方向に均等に設けられそれぞれ異なる磁極が、半径方向に一定の距離を有して対向して配置された回転子と、前記対向する磁極の間に形成される環状の空間部に、前記対向する磁極と隙間を有して周方向に並べて配置される複数の鉄心を備え、しかもそれぞれの前記鉄心の半径方向の内側及び外側にてそれぞれ第１及び第２の巻線が施された固定子とを有する回転機であって、
前記回転子のそれぞれの前記磁極は、半径方向に一定の距離を有して配置された対となる永久磁石によって形成され、該対となる永久磁石は磁気的にヨークによって連結され互いに反対の極性を有するとともに、円周方向に隣り合う前記永久磁石は、互いに反対の極性を有し、
前記回転子及び前記固定子のケーシングは、前記回転軸に第１の軸受を介して連結され、前記複数の鉄心をその円周方向に並べて固定する第１の固定フレームと、該第１の固定フレームと対となって、前記回転軸に第２の軸受を介して取付けられ前記回転子の周囲を覆うカップ状の第２の固定フレームとを有し、前記鉄心は、前記第１及び第２の巻線の間に設けられた取付け部材によって、前記第１の固定フレームに固定されることを特徴とする回転機。
請求項１記載の回転機において、前記複数の鉄心は周方向に均等に配置されていることを特徴とする回転機。
請求項１又は２記載の回転機において、前記鉄心は前記回転軸に対して放射状に設けられ、前記それぞれの鉄心は半径方向に透磁率の高い方向性電磁鋼板の積層体からなることを特徴とする回転機。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の回転機において、前記回転子の回転角度を検知するセンサーが前記固定子に設けられ、別に設けられた電源によって、前記センサーからの信号に基づき、前記固定子の前記第１及び第２の巻線に、前記回転子の回転位相に合わせた所定の交流電力を送って、特に、前記回転軸からの回転動力を得る電動機として用いることを特徴とする回転機。