JP6434694B2 - 回転電機機械 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機機械に関し、より特定的には、堅牢性に優れ、かつ生産性が向上した回転電機機械に関する。

複数のコイルを巻回したステータを有するラジアル型の電動機および発電機などの回転電機機械において、コイル巻作業を含むステータの組立工程は生産性に大きく影響する。一般にラジアル型のステータでは、円環状のステータコアから放射状にティースが形成され、そのティースに対してコイルが巻回される。ここで、ティースの先端部（ロータに対向する部分）は、出力向上やコギングトルクの抑制のために拡大して形成されている場合が多い。そのため、ティースの先端側から完成した空芯コイルを挿入することは困難であり、ティースに対してコイルを直接巻き付ける必要がある。しかし、入り組んだ形状を有する部分においてコイルを自動巻きすることは困難であり、作業性が極めて悪く、さらにコイルの占積率も悪くなる。また、ステータコアを筐体部材やシャフトなどに固定する際には、焼嵌めによりこれらを嵌合させることが多く、加熱時間や冷却時間を要する。このように、ラジアル型ステータの組立作業においては多大な工数と時間が必要とされる。

上述のように、ラジアル型の電動機および発電機の生産性を向上させるためには、ステータコアの組立性を向上させる必要がある。従来のステータコアに対する巻線方法としては、ステータコアを分割する方法が知られている。この方法は、ステータコアにおいてティースを磁極単位に分割し、各々のティースにコイルを直接巻き付けた後にステータコアを組み立てる方法である。これにより、ティースに対してコイルの自動巻きが可能になり、コイルの占積率も向上する。

特開２００１−２５１７９２号公報（以下、特許文献１という）には、上述のようにステータコアを分割する方法を採用し、さらにステータの組立性の向上を図る方法が提案されている。具体的には、磁極単位に分割したコア素子において弾力性を有する突起および溝を設け、当該突起を当該溝に圧入することによりコア素子同士を接合する方法が提案されている。この方法においては、複数のコア素子を円周状に並べて同時に結合させることにより、ステータの組立作業性を向上させることができる。

特開平１１−３４１７４８号公報（以下、特許文献２という）には、分割型ステータにおいてコイルの占積率をさらに向上させる方法が提案されている。具体的には、スプリングバックにより収納スペースよりも膨れ上がったコイルを、分割コアの接合時における圧縮力により当該収納スペースに押し込むことによりコイルの占積率を向上させる方法が提案されている。

特開平１０−２８５８８０号公報（以下、特許文献３という）には、コイル収納スペースよりも広がったティース先端部を分離構造とする方法が提案されている。この方法では、別途製作したボビン巻空芯コイルを磁極ティースに挿入し、その後ティース先端部が結合される。これによりコイルの生産性が向上し、ステータへのコイル組付け作業性が向上する。

特開２００１−２５１７９２号公報 特開平１１−３４１７４８号公報 特開平１０−２８５８８０号公報

上述のように、電動機および発電機の生産性を向上させるためには、ステータコアの組立性、特にコイルの生産性、組付け作業性を向上させることが必要である。上記特許文献１および２において提案されるように分割コアを相互に結合させた構造においては、ステータの堅牢性が低いことが懸念される。また、突起を溝部に圧入する際に発生する空隙により磁気特性が低下し、モータ効率の低下を招く場合がある。さらに上記特許文献２では、巻回したコイルを互いに圧縮成型するため、コイル内部の絶縁被膜へのダメージや短絡が懸念される。また上記特許文献３では、ティースの先端部を分離構造としているため、堅牢性、磁気特性および発電効率の低下などが問題になる。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、堅牢性に優れ、かつ生産性が向上した回転電機機械を提供することである。

本発明に従った回転電機機械は、コイルを含むステータと、ステータに対向して配置されるロータとを備えている。ステータは、環形状を有するヨーク部と、ヨーク部において上記環形状の径方向に突出し、コイルが配置されるティース部とをさらに含んでいる。ヨーク部およびティース部からなるステータコア部は、連続する一つの部材から構成されている。ティース部の幅は、ヨーク部との接続部における幅以下になっている。

上記回転電機機械においては、ヨーク部およびティース部から構成されるステータコア部が連続する一つの部材から構成されている。そのため、ステータコア部を分割した構造とするステータに比べて、より堅牢性を向上させることができる。また上記回転電機機械においては、ティース部の幅がヨーク部との接続部における幅以下になっている。そのため、別途準備したコイルをティース部の先端部（ヨーク部との接続部とは反対側の部分）側から容易に挿入することが可能となるため、ステータの生産性がより向上する。したがって、本発明に従った回転電機機械によれば、堅牢性に優れ、かつ生産性が高い回転電機機械を提供することができる。

上記回転電機機械において好ましくは、ヨーク部においてティース部が形成される面は平面を含んでいる。これにより、ヨーク部に対してコイルをより確実に固定することができる。

上記回転電機機械において好ましくは、コイルは、断面形状が四角形状の電線を巻回して構成されている。またコイルは、ヨーク部の上記平面においてヨーク部に固定されている。これにより、ヨーク部に対してコイルをさらに確実に固定することができる。

上記回転電機機械は好ましくは、ヨーク部の内周側に配置され、ヨーク部の内径よりも径が小さい軸部材と、ヨーク部と軸部材とを連結するステータ固定部材とをさらに備えている。これにより、ステータ（ヨーク部）を軸部材に対して固定する作業時間がより短縮されるため、上記回転電機機械の生産性をさらに向上させることができる。

上記回転電機機械において好ましくは、ヨーク部の内周側には、位置決め用穴と支持用穴とが形成されている。またヨーク部は、位置決め用穴とステータ固定部材に形成された穴部とに位置決め部材を挿通し、かつ、支持用穴とステータ固定部材に形成された他の穴部とに支持部材を貫通することにより、ステータ固定部材に対して固定されている。これにより、ステータ（ヨーク部）をステータ固定部材を介して軸部材に対して容易に固定することができる。

上記回転電機機械において好ましくは、ロータは、コイルに対向する複数の磁石を含んでいる。また上記複数の磁石は、ハルバッハ型配列を構成している。これにより、上記回転電機機械において出力をより向上させることができ、かつコギングトルクをより低減させることができる。

以上の説明から明らかなように、本発明に従った回転電機機械によれば、堅牢性に優れ、かつ生産性が高い回転電機機械を提供することができる。

本発明の実施の形態１に係る発電機の構成を示す概略図である。 本発明の実施の形態１に係る発電機の構成を拡大して示す概略図である。 丸線を巻回して構成されるコイルの断面構造を示す概略図である。 平角線を巻回して構成されるコイルの断面構造を示す概略図である。 真四角線を巻回して構成されるコイルの断面構造を示す概略図である。 本発明の実施の形態１に係る発電機の構成を示す概略断面図である。 本発明の実施の形態２に係る発電機の構成を示す概略図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。

（実施の形態１）
まず、本発明の一実施の形態である実施の形態１について説明する。図１を参照して、本実施の形態に係る回転電機機械であるラジアル型の発電機１は、表面磁石型（ＳＰＭ；Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）のアウターロータ型発電機である。発電機１は、中空部を有する円筒形状からなるステータ１０およびロータ２０を主に有している。ロータ２０はステータ１０よりも径が大きく、内周面がステータ１０の外周面に対向するように配置されている。ロータ２０は、ステータ１０と同心状に配置されている。

発電機１は、たとえば水力発電や風力発電などの用途に用いられる発電機である。ロータ２０は水力や風力により回転する部材と接続されており、水力や風力などの自然エネルギーを受けてステータ１０の外周周りを回転する。

ロータ２０は、中空部を有する円筒部材２１と、複数の永久磁石２２（２２ａ〜２２ｄ）とを主に含んでいる。永久磁石２２は、コイル１４と対向するように円筒部材２１の内周面に固定されている。図１中において、永久磁石２２内の矢印の方向がＮ極を示し、矢印の反対側がＳ極を示している。複数の永久磁石２２は、円筒部材２１の内周面においてハルバッハ型配列を構成するように配置されている。

永久磁石２２ａ，２２ｃはロータ２０の径方向に着磁され、永久磁石２２ｂ，２２ｄはロータ２０の周方向に着磁されている。永久磁石２２ａはＮ極をステータ１０側に向けており、永久磁石２２ｃはＳ極をステータ１０側に向けている。永久磁石２２ａと永久磁石２２ｃとは、ロータ２０の回転方向（周方向）において交互に配列されている。永久磁石２２ｂは永久磁石２２ａと永久磁石２２ｃとの間に設けられ、Ｎ極を永久磁石２２ａに向け、Ｓ極を永久磁石２２ｃに向けた状態で配列されている。永久磁石２２ｄは永久磁石２２ｃと永久磁石２２ａとの間に設けられ、Ｎ極を永久磁石２２ａに向け、Ｓ極を永久磁石２２ｃに向けた状態で配列されている。上記ハルバッハ型配列により、ステータ１０側へより強い磁界を発生させることができる。また磁界を正弦波状に切り替えることができるため、コギングトルクをより低減することができる。

ステータ１０は、バックヨーク１１（ヨーク部）と、バックヨーク１１の外周面に形成された複数のティース１３（ティース部）と、ティース１３に配置された複数のコイル１４とを含んでいる。バックヨーク１１は環形状を有しており、外周面には複数の平面１１ａが含まれている。ティース１３は、バックヨーク１１の外周面において径方向外側に突出するように（放射状に）形成されている。バックヨーク１１の外周面に沿った方向におけるティース１３同士の間隔は、たとえば等間隔になっている。バックヨーク１１およびティース１３はステータコア１５を構成しており、当該ステータコア１５は連続する一つの部材から構成されるように一体成型されている。すなわち、ステータコア１５は異なる部材を接合させたものとは構造が異なっており、当該構造に比べてより堅牢性が高くなっている。

コイル１４は、電線（絶縁膜で被覆された銅線）を円筒状に巻回して構成され、軸方向に貫通する中空部を有する空芯コイルである。コイル１４は、当該中空部内にティース１３が挿入されるように配置されている。コイル１４の軸方向における長さは、ティース１３の長さよりも大きくなっている。すなわち、ティース１３の先端部はコイル１４の中空部内に位置している。

一般に、コギングトルクを抑制するための構造としてティース１３を設けないコアレス構造があるが、当該構造では界磁磁束の漏れが大きくなるため発電効率が低下する。一方で、ティース１３の長さとコイル１４の軸方向における長さとが同じである構造では、発電効率が向上するもののコギングトルクが増加する。これに対して、本実施の形態に係る発電機１においては、水力発電や風力発電への用途において許容されるコギングトルク値以下となるように、数値解析や実機評価などに基づいてティース１３の長さが設定されている。これにより、コアレス構造のように低いコギングトルクが維持され、かつコアレス構造に比べて発電効率が高くなっている。さらに、ティース１３を設けないコアレス構造ではコイルの組付けにおいて位置決め用の治具などが必要になるが、本実施の形態に係る発電機においてはコイル１４をティース１３により案内（ガイド）して位置決めすることができる。そのため、治具などを用いることなくコイル１４をステータ１０の所定位置に配置することができる。

図２は、バックヨーク１１の外周面の一部を拡大した図である。ティース１３は、バックヨーク１１の各々の平面１１ａにおいて凸設されている。より具体的には、ティース１３はその両側に平面１１ａが位置するように設けられている。コイル１４は、中空部内にティース１３が挿入され、かつコイル接触面１４ａが平面１１ａと対向した状態において接着剤（図示しない）によりバックヨーク１１に対して固定されている。このように、平面状のコイル接触面１４ａとバックヨーク１１の平面１１ａとを対向させた状態で接着剤などを用いて接続することにより、接着剤の塗布が容易になるとともにコイル１４とバックヨーク１１とのより高い接着性を確保することができる。

ティース１３の幅は、バックヨーク１１との接続部における幅Ｗ以下になっている。より具体的には、ティース１３はバックヨーク１１との接続部から幅Ｗ以下の幅（たとえば幅Ｗと同じ幅）を維持しながら径方向外側に突出している。そのため本実施の形態に係る発電機１においては、別途自動巻きして作製したコイル１４をティース１３の先端部から挿入し（図２中矢印）、コイル接触面１４ａと平面１１ａとを対向させた状態でコイル１４をステータコアに固定することが可能となっている。なおティース１３は、バックヨーク１１との接続部から先端部に向かって幅が小さくなるように構成されていてもよい。

図３〜図５は、種々の電線を巻回して構成されたコイル１４（１４ａ〜１４ｃ）の断面構造を示している。図３に示すように、断面形状が円形状の電線（丸線）を巻回して構成されるコイル１４ａが採用されてもよい。また図４に示すように、断面形状が矩形状の電線（平角線）を巻回して構成されるコイル１４ｂが採用されてもよい。また図５に示すように、断面形状が正方形の電線（真四角線）を巻回して構成されるコイル１４ｃが採用されてもよい。図４および図５に示す断面形状が四角形状の電線を巻回したコイル１４ｂ，１４ｃでは、自動巻きによる高い生産性を確保することができる。さらに、コイルの占積率をより向上させることができるため、発電効率をより向上させることができる。

図６を参照して、発電機１は、ステータ固定部材３０と、シャフト４０（軸部材）とをさらに有している。シャフト４０は、バックヨーク１１の内径よりも直径が小さくなっており、バックヨーク１１の内周側に配置されている。より具体的には、シャフト４０の中心軸は、バックヨーク１１の中心軸と一致するように配置されている。ステータ固定部材３０は、セットスクリュー６０によりシャフト４０と接続されており、シャフト４０とバックヨーク１１とを連結している。

図１および図６を参照して、バックヨーク１１の内周側には複数（三つ）の位置決めピン用穴１１ｂ（位置決め用穴）と、複数（三つ）のネジ穴１１ｃ（支持用穴）が形成されている。より具体的には、位置決めピン用穴１１ｂとネジ穴１１ｃとは、バックヨーク１１の内周面に沿って交互かつ等間隔に形成されている。図６を参照して、位置決めピン用穴１１ｂとステータ固定部材３０に形成された穴部３０ａとには位置決めピン５０（位置決め部材）が挿通している。これにより、バックヨーク１１がステータ固定部材３０を介してシャフト４０に対して位置決めされている。また、ネジ穴１１ｃとステータ固定部材３０に形成された穴部３０ｂとにはネジ５１（支持部材）が貫通しており、当該ネジ５１の両端部にはナット５２が配置されている。これにより、バックヨーク１１がステータ固定部材３０を介してシャフト４０に対して固定されている。このようにバックヨーク１１をステータ固定部材３０を介してシャフト４０に対して固定することにより、シャフト４０に対するステータコアの締結が容易になる。そのため、焼嵌めなどによりシャフトに対してステータコアを固定する場合に比べて作業時間を大幅に短縮することができる。さらに、本実施の形態に係る発電機１においては、バックヨーク１１（ステータ）の内周側の領域Ａが中空領域となっているため、発電機１の体積に対して非常に軽量な構造にすることができる。

次に、発電機１の動作について説明する。図１を参照して、発電機１においては水力や風力などの自然エネルギーによりロータ２０を回転駆動させることにより、永久磁石２２の磁束がコイル１４の銅線を横切る。これにより、コイル１４の端子間に交流電流が発生する。複数のコイル１４は直列、並列に接続され、発電機１からたとえば３相交流電圧が出力される。

以上のように、本実施の形態に係る発電機１においては、バックヨーク１１およびティース１３から構成されるステータコア１５が連続する一つの部材から構成されている。そのため、ステータコア１５を分割された構造とする場合に比べて、堅牢性をより向上させることができる。また上記発電機１においては、ティース１３の幅がバックヨーク１１との接続部における幅以下になっている。そのため、別途準備したコイル１４をティース１３の先端部（バックヨーク１１との接続部とは反対側の部分）側から容易に挿入することが可能となるため、ステータ１０の生産性がより向上している。したがって、本実施の形態に係る発電機１は堅牢性に優れ、かつ生産性が高い発電機となっている。

（実施の形態２）
次に、本発明の他の実施の形態である実施の形態２について説明する。本実施の形態に係る発電機２は、基本的には上記実施の形態１に係る発電機１と同様の構成を有し、かつ同様の効果を奏する。しかし、上記発電機１はロータ２０がステータ１０の外側に配置されるアウターロータ型発電機であるのに対し、本実施の形態に係る発電機２はロータがステータの内側に配置されるインナーロータ型の発電機である。

図７を参照して、本実施の形態に係る発電機２は、中空部を有する円筒形状からなるステータ７０およびロータ８０を主に有している。ステータ７０およびロータ８０は、基本的には上記実施の形態１のステータ１０およびロータ２０と同様の構成を有しているが、ロータ８０はステータ７０よりも径が小さく、外周面がステータ７０の内周面に対向するように配置されている。このようにインナーロータ型である本実施の形態に係る発電機２も、上記実施の形態１に係る発電機１と同様に堅牢性に優れ、かつ生産性が高い発電機となっている。

なお、上記実施の形態１および２においては回転電機機械の例として発電機１，２を説明したが、本発明の回転電機機械はこれに限定されるものではない。本発明の回転電機機械は、たとえば電動機などのステータとロータとが相対的に回転して動作する機械においても同様に適用することが可能である。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の回転電機機械は、堅牢性および生産性の向上が要求される回転電機機械において、特に有利に適用され得る。

１，２ 発電機、１０，７０ ステータ、１１ バックヨーク、１１ａ 平面、１１ｂ 位置決めピン用穴、１１ｃ ネジ穴、１３ ティース、１４ コイル、１４ａ コイル接触面、１５ ステータコア、２０，８０ ロータ、２１ 円筒部材、２２（２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ） 永久磁石、３０ ステータ固定部材、３０ａ，３０ｂ 穴部、４０ シャフト、５０ 位置決めピン、５１ ネジ、５２ ナット、６０ セットスクリュー、Ａ 領域、Ｗ 幅。

Claims (6)

1. 複数のコイルを含むステータと、
   ロータとを備え、前記ロータの内周面が前記ステータの外周面に対向するように、前記ロータは前記ステータに対して配置されており、
   前記ステータは、環形状を有するヨーク部と、前記ヨーク部において前記環形状の径方向に突出するティース部とをさらに含み、
   前記ヨーク部および前記ティース部からなるステータコア部は、連続する一つの部材から構成されており、
   前記ティース部の幅は、前記ヨーク部との接続部における幅以下であり、
   前記複数のコイルは、前記ティース部に挿入され、かつ、前記ステータに固定されており、
   前記複数のコイルは、各々、端子を有し、前記複数のコイルは直列または並列に接続されており、
   前記ティース部の長さは、前記複数のコイルの軸方向における長さよりも短い、回転電機機械。
2. 前記ヨーク部において前記ティース部が形成される面は、平面を含む、請求項１に記載の回転電機機械。
3. 前記複数のコイルは、各々、断面形状が四角形状の電線を巻回して構成されており、
   前記複数のコイルは、前記平面において前記ヨーク部に固定される、請求項２に記載の回転電機機械。
4. 前記ヨーク部の内周側に配置され、前記ヨーク部の内径よりも径が小さい軸部材と、
   前記ヨーク部と前記軸部材とを連結するステータ固定部材とをさらに備える、請求項１〜３のいずれか１項に記載の回転電機機械。
5. 前記ヨーク部には、位置決め用穴と支持用穴とが形成されており、
   前記ヨーク部は、前記位置決め用穴と前記ステータ固定部材に形成された穴部とに位置決め部材を挿通し、かつ前記支持用穴と前記ステータ固定部材に形成された他の穴部とに支持部材を貫通することにより、前記ステータ固定部材に対して固定されている、請求項４に記載の回転電機機械。
6. 前記ロータは、前記複数のコイルに対向する複数の磁石を含み、
   前記複数の磁石は、ハルバッハ型配列を構成している、請求項１〜５のいずれか１項に記載の回転電機機械。

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