JP2000270502A - 回転電気機械 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】主磁束によって固定子用構造体に発生する損失
の低減および電機子コイルの冷却に関する熱抵抗の低減
を図った回転電気機械を提供する。 【解決手段】回転電気機械（電動発電機）１は、従来例
に対し、円筒状に形成された磁性構造体２２を追加して
備えた固定子２を用いるようにしている。固定子２が持
つコイル支持部２１は、内周部の径が磁性構造体２２の
外径に対応するように設定されていることのみが従来例
のコイル支持部と異なっている。磁性構造体２２は、円
環状に形成されたけい素鋼板をその板厚方向に積層する
ことによって円筒状に形成されており、その内径は、従
来例のコイル支持部の内周部の径と同一である。また、
磁性構造体２２の幅寸法Ｗは、この部位に存在している
主磁束Φを磁性構造体２２内に通流させることができる
ように設定されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、永久磁石式回転
子を有して真空状態の雰囲気内で動作する回転電気機械
に係わり、磁極で生成された主磁束によって固定子用構
造体に発生する損失の低減および電機子コイルの放熱性
能の向上を図ったその構成に関する。

【０００２】

【従来の技術】永久磁石式回転子を有して真空状態の雰
囲気内で動作する回転電気機械として、エネルギー蓄積
装置の一つであるフライホイール装置と結合されて用い
られる電動発電機がある。以下、このフライホイール装
置と結合されて用いられる電動発電機の場合を例にと
り、従来例の永久磁石式回転子を持つ回転電気機械につ
いて図４を用いて説明する。ここで図４は、従来例の回
転電気機械の図であり、（ａ）は縦断面図で、（ｂ）は
図４（ａ）におけるＡ−Ａ断面図である。

【０００３】図４において、９は、回転子８と、固定子
７と、固定子用構造体６とを備えた従来例の電動発電機
であり、この事例の場合の回転電気機械である。この電
動発電機９は、アウターローター形で４極の回転電気機
械であり、回転子８が持つ回転子ヨーク８２の外周部８
２ａに、図示しないフライホイール装置の円環状のフラ
イホイールが装着される。回転子８は、４個の永久磁石
製で円弧状の磁極８１と、磁極８１で生成された主磁束
Φを通流させる磁気回路の一部となる回転子ヨーク８２
と、回転軸８３と、軸受８４とを有しており、永久磁石
式回転子である。

【０００４】回転子ヨーク８２は、強磁性金属材を用い
て有底円筒状に形成され、４個の磁極８１をその円筒部
の内周側で保持し、底部の中心部で回転軸８３に装着さ
れている。４個の磁極８１は、半径方向に着磁されてい
るが、回転子８において互いに隣接して配置される磁極
８１では、その着磁方向は互いに逆方向とされている。
また軸受８４は、回転軸８３の端部に、図示のように装
着されている。電動発電機９の場合に、回転子８を真空
状態の雰囲気内で動作させる理由は、フライホイールの
回転の際に発生するいわゆる風損を大幅に低減するため
である。

【０００５】固定子７は、ポリエステル樹脂などの電気
絶縁材を用いて円筒状に形成されたコイル支持部７２
と、コイル支持部７２の外周面に互いに等間隔で形成さ
れた１２個のコイルスロット７２ａに装填された複数の
電機子コイル７１とを有している。この固定子７は、コ
イル支持部７２の内周部で固定子用構造体６の後記する
円筒状保持部６１の外周部に装着されて保持されてい
る。コイル支持部７２に形成されているコイルスロット
７２ａの役目は、電機子コイル７１を正確な位置で支持
することにある。また、コイル支持部７２に装填された
電機子コイル７１は、コイル支持部７２と共にエポキシ
樹脂などの図示しない電気絶縁性樹脂材を用いてモール
ド処理が施されている。固定子７は、このような構造を
備えているので、回転電気機械の構造種類の観点から
は、いわゆるコアレス型の電機子である。

【０００６】なお、コイル支持部にコイルスロット７２
ａを形成しないで、電機子コイル７１をこのコイル支持
部の外周部に配設する際に、治具などを用いて電機子コ
イル７１の位置を正確に固定し、この状態で電気絶縁性
樹脂材のモールド処理を施すようにした事例も知られて
いる。固定子用構造体６は、この事例の場合には、固定
子７を保持すると共に、後記する円筒状保持部６１の端
部で、回転子８を軸受８４によって保持しており、非磁
性ステンレス材などの高い機械的強度を持つ非磁性金属
材料を用いて作製されることが一般である。

【０００７】固定子用構造体６は、固定子７を保持する
部位は円筒状に形成されており、この円筒状保持部６１
には、固定子７を冷却するための円環状の冷却部６２が
図示のように形成されている。この冷却部６２に冷却液
９９を通流させるために、固定子用構造体６には、冷却
液９９用の入口管６３と冷却液９９用の出口管６４とが
備えられている。なお、冷却部６２の構造としては、１
本の金属管を円筒状保持部６１の内面に沿わせて配置
し、良好な熱伝導性が得られるようにこの内面に接合し
た構造を持つものなども知られている。なおまた、電動
発電機９では、電機子コイル７１に給電するための図示
しない配線材も、この円筒状保持部６１の内周側に配設
されている。

【０００８】従来例の永久磁石式回転子を持つ回転電気
機械である電動発電機９は、前記のように構成されお
り、４個の磁極８１で生成された主磁束Φは、図４
（ｂ）に太い点線で模式的に示したように通流する。そ
うして、固定子７と固定子用構造体６は主磁束Φを導く
ための強磁性材製の部材を持たないために、この部位に
おける主磁束Φは、固定子７と固定子用構造体６とが占
める空間に広く分布された通流経路をとる。この主磁束
Φは、固定子７の外周部付近ではほぼ放射状に分布して
おり、電機子コイル７１と鎖交する。主磁束Φと鎖交す
る電機子コイル７１には、回転子８の回転に伴って周知
のように起電力が発生する。

【０００９】フライホイール装置と結合される電動発電
機９では、フライホイールにエネルギーを蓄積する場合
には、前記起電力に反抗する電圧を外部から加えること
で電機子コイル７１に電流を流し、電動発電機９を電動
機として運転して電動発電機９を増速する。これとは逆
にフライホイールからエネルギーを取出す場合には、電
動発電機９を発電機として運転し、前記起電力に基づく
電流を電動発電機９から得る。

【００１０】このように動作する電動発電機９は、コア
レス型の固定子７と永久磁石式の回転子８とを組合わせ
て構成していることで、いわゆる鉄損を基本的には発生
しないという特長を持つ。そうして、電動発電機９で
は、損失のほとんどは電機子コイル７１で発生する。回
転子８が真空状態（例えば、約０．１〔Ｐａ〕程度）の
雰囲気内に配設されているので、電機子コイル７１で発
生したこの損失に基づく熱の除去に対流による放熱を期
待することはできない。したがって、電動発電機９で
は、電機子コイル７１で発生した熱は、コイル支持部７
２内を伝導によって伝達させ、固定子用構造体６が持つ
円筒状保持部６１に至り、冷却部６２において冷却液９
９に放熱している。このために、コイル支持部７２は、
用いる電気絶縁材に充填材の配合などを考慮することで
合成樹脂製部材としては比較的に大きな熱伝導度ｋ≒
１．２〔Ｗ／ｍ・Ｋ〕を持つように配慮されている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】前述した従来技術によ
る電動発電機９では、コアレス型の固定子７と永久磁石
式の回転子８とを組合わせて構成されていることで、比
較的に高い効率を得ることができているが、次記のよう
な問題があり、その解決が課題になっている。すなわ
ち、 電動発電機９では、固定子７がコアレス型であるため
に、固定子用構造体６が持つ円筒状保持部６１に主磁束
Φの一部が鎖交するのは避けられない〔図４（ｂ）を参
照〕。したがって、円筒状保持部６１には、主磁束Φと
の鎖交が原因で無視できない量の渦流損が発生する。こ
のために、電動発電機９の効率向上は、この渦流損のた
めに頭打ちになっている。また、この渦流損が原因で円
筒状保持部６１の温度が上昇し、そのことが理由の一つ
になって、電機子コイル７１の冷却が制限を受けてい
る。また、 電動発電機９では、電機子コイル７１で発生した熱
は、コイル支持部７２内を伝導によって伝達させて、固
定子用構造体６の円筒状保持部６１に形成された冷却部
６２から冷却液９９に放熱されので、電機子コイル７１
の冷却性能は、コイル支持部７２に用いられる電気絶縁
材の熱伝導度ｋに強く依存する。コイル支持部７２に用
いられる電気絶縁材の熱伝導度ｋの向上がほぼ限界に達
しているので、これによっても、電機子コイル７１の冷
却が制限を受けている。

【００１２】この発明は、前述の従来技術の問題点に鑑
みなされたものであり、その目的は、主磁束によって固
定子用構造体に発生する損失の低減および電機子コイル
の冷却に関する熱抵抗の低減を図った回転電気機械を提
供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】この発明では前述の目的
は、 １）永久磁石製の磁極を有して真空状態の雰囲気内に配
設される回転子と、磁極で生成された主磁束が鎖交され
るように配置された電機子コイルを有するコアレス構造
の固定子と、固定子を保持する固定子用構造体とを備え
た回転電気機械において、固定子用構造体は、固定子を
保持する部位に固定子で発生した熱を除去する冷却部が
形成されており、固定子は、電機子コイルを支持する電
気絶縁材製のコイル支持部と、このコイル支持部と冷却
部が形成された部位の固定子用構造体との間に配設さ
れ，磁極で生成された主磁束を固定子用構造体に対して
バイパスする強磁性材製の磁性構造体とを有する構成と
すること、または、 ２）前記１項に記載の手段において、前記磁性構造体
は、強磁性材製の薄板材を用いその板面が磁性構造体内
を通流する前記主磁束の通流方向にほぼ沿わせて配置さ
れるようにして形成する構成とすること、さらにまた
は、 ３）前記１項に記載の手段において、前記磁性構造体
は、軟質フェライト材を用いて形成する構成とするこ
と、により達成される。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下この発明の実施の形態を図面
を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明において
は、図４に示した従来例の回転電気機械と同一部分には
同じ符号を付し、その説明を省略する。また、以後の説
明に用いる図中には、図４で付した符号については、極
力代表的な符号のみを記すようにしている。図１は、こ
の発明の実施の形態の一例による回転電気機械を示す縦
断面図であり、図２は、図１に示した回転電気機械の図
１におけるＢ−Ｂ断面図である。図１，図２において、
１は、図４に示した従来例による回転電気機械（電動発
電機）９に対して、固定子７に替えて、円筒状に形成さ
れた磁性構造体２２を追加して備えた固定子２を用いる
ようにした回転電気機械（電動発電機）である。

【００１５】したがって固定子２が持つコイル支持部２
１は、従来例によるコイル支持部７２と対比すると、そ
の内周部の径が磁性構造体２２の外径に対応するように
設定されていることのみが異なっている。ところで磁性
構造体２２は、けい素鋼板などの強磁性製の薄板材を用
い、円環状に形成された薄板材をその板厚方向に積層す
る、あるいは、長尺の薄板材をヘリカルに巻回しつつ板
厚方向に巻重ねることなどによって、円筒状に形成され
ている。この磁性構造体２２の内径は、従来例によるコ
イル支持部７２の内周部の径と同一である。そうして、
磁性構造体２２の幅寸法Ｗ（図１参照）は、この部位に
存在している主磁束Φを磁性構造体２２内に通流させる
ことができるように設定されている。

【００１６】図１，図２に示すこの発明の実施の形態の
一例による電動発電機１では前述の構成としたので、ま
ず、主磁束Φは、図２に太い点線で模式的に示したよう
な通流経路をとる。この主磁束Φの固定子２の外周部付
近での分布状態は、従来例の電動発電機９の場合と同一
である。電動発電機１における主磁束Φの通流経路に関
する特長は、固定子２が磁性構造体２２を備えること
で、固定子用構造体６には主磁束Φがほとんど通流しな
いことである。すなわち、電機子コイル７１の反磁極８
１側では、主磁束Φの主要部分は基本的には磁性構造体
２２中を通流する。磁性構造体２２が高い透磁率値を持
つ強磁性材製の薄板材を用いて前記のようにして形成さ
れているので、磁性構造体２２中を通流する主磁束Φに
対しては僅かな起磁力しか必要としない。

【００１７】このために、磁性構造体２２から漏れ出
て、固定子用構造体６の円筒状保持部６１を通流する主
磁束Φの量は、従来例の電動発電機９の場合よりも大幅
に低減される。この結果、主磁束Φが鎖交することによ
って円筒状保持部６１に発生する渦流損が激減されるの
で、電動発電機１はその効率が向上する。発明者らが調
査したところでは、従来例の電動発電機９の効率が７５
〔％〕程度であるのに対比し、この発明の電動発電機１
の効率は約９６〔％〕に向上されている。また、渦流損
がこのように激減されることで、渦流損が原因での円筒
状保持部６１の温度上昇は、無視できるまでに減少する
利点が得られている。

【００１８】また、電動発電機１が持つ構成によって得
られる他の利点は、電機子コイル７１の冷却性能も向上
されることである。電機子コイル７１で発生した熱は、
前述したように、固定子内を冷却部６２まで伝導によっ
て通流し、冷却部６２で冷却液９９に放熱されている。
固定子内でのこの伝熱経路を形成している構成物は、従
来例の電動発電機９ではコイル支持部７２であるが、こ
の発明の電動発電機１では、コイル支持部２１と磁性構
造体２２であり、その経路長は両者で同一である。とこ
ろで、前記構成を持つ磁性構造体２２中では、熱は薄板
材中をその板面に沿って通流する。

【００１９】発明者らが調査したところでは、薄板材が
けい素鋼板である場合に、板面に沿って通流する熱に対
する熱伝導度ｋは約１５〔Ｗ／ｍ・Ｋ〕である。このけ
い素鋼板の熱伝導度ｋの値は、コイル支持部２１，７２
に用いられている合成樹脂製部材の熱伝導度ｋの約１．
２〔Ｗ／ｍ・Ｋ〕と比較して約１２．５倍である。そう
して、電動発電機１では、固定子２に磁性構造体２２を
配設することで、電機子コイル７１と冷却部６２間の伝
導熱抵抗値を低減でき、電機子コイル７１の温度上昇を
低減できる。発明者らが調査したところでは、従来例の
電動発電機９の電機子コイル７１の温度上昇値が９２
〔Ｋ〕程度であるのに対し、電機子コイル７１に通流さ
せる電流値を同一とした場合におけるこの発明の電動発
電機１の電機子コイル７１の温度上昇値は、約５７
〔Ｋ〕に低減されている。

【００２０】すなわち、電動発電機１では、固定子２に
磁性構造体２２を配設することで、円筒状保持部６１に
発生する渦流損の大幅な減少と、電機子コイル７１〜冷
却部６２間の伝導熱抵抗の低減とを、同時に実現してい
る。そうして、この磁性構造体２２による作用・効果
は、電動発電機１が真空状態の雰囲気に配設されて対流
による放熱を期待できない回転電気機械であるために、
特に有効なのである。またこの結果は、電機子コイル７
１の温度上昇値を電動発電機９の場合と同一の９２
〔Ｋ〕まで許容することを前提に置けば、電動発電機１
は、電動発電機９の場合よりも約１．３倍だけ出力を増
大できることを意味している。

【００２１】続いて、図３を用いて、この発明の実施の
形態の異なる例による回転電気機械を説明する。ここ
で、図３は、この発明の実施の形態の異なる例による回
転電気機械を示す縦断面図である。なお以下の説明にお
いては、図１，図２に示したこの発明による回転電気機
械と同一部分には同じ符号を付し、その説明を省略す
る。図３において、３は、図１，図２に示したこの発明
による回転電気機械１に対して、固定子２に替えて、固
定子４を用いるようにした回転電気機械（電動発電機）
である。固定子４は、固定子２と対比して、磁性構造体
２２に替えてソフトフェライト材製の磁性構造体４１を
用いることのみが異なる。すなわち、磁性構造体４１
は、ソフトフェライト材を用いて、磁性構造体２２と同
一の形状・寸法を持つ円環状の成形体として形成されて
いる。

【００２２】図３に示すこの発明の実施の形態の異なる
例による電動発電機３では前述の構成としたので、ま
ず、図示しない主磁束Φの通流経路や分布は、電動発電
機１の場合と全く同一である。そうして、磁性構造体４
１に用いられているソフトフェライト材も、磁性構造体
２２に用いられているけい素鋼板などと同様に高い透磁
率値を持つので、磁性構造体４１から漏れ出て、固定子
用構造体６の円筒状保持部６１を通流する主磁束Φの量
は、電動発電機１の場合と同様に僅かな量となる。した
がって、この発明の電動発電機３は、電動発電機１と同
様の効率値を得られると共に、円筒状保持部６１の温度
上昇も無視できるまでに減少される。

【００２３】また、発明者らが調査したところでは、ソ
フトフェライト材の熱伝導度ｋは約３０〔Ｗ／ｍ・Ｋ〕
であり、この値は、けい素鋼板の板面に沿う方向の熱伝
導度ｋ≒１５〔Ｗ／ｍ・Ｋ〕と対比して、約２倍も大き
い。したがって、電動発電機３では、電動発電機１の場
合と対比して、電機子コイル７１と冷却部６２間の伝導
熱抵抗値をさらに低減できることで、電機子コイル７１
の温度上昇値をさらに低減できる。また、ソフトフェラ
イト材を用いて円環状の成形体を形成することは、周知
のように極めて容易であるので、上記の特長を得ながら
も、磁性構造体４１の製造原価を磁性構造体２２の場合
よりも低減することができる。

【００２４】前述の説明では、永久磁石式回転子を持つ
回転電気機械は、アウターローター形で４極のフライホ
イール装置と結合されて用いられる回転電気機械である
としてきたが、これに限定されるものではなく、例え
ば、回転電気機械は適宜の極数を持ち，任意の用途に適
用されるものであってよく、また、回転電気機械の構造
形式に関しては、インナーローター形やアキシャルギャ
ップ形であってもよいものである。なおアキシャルギャ
ップ形の永久磁石式回転子を持つ回転電気機械に対し、
この発明による強磁性薄板材製の薄板材を用いた磁性構
造体を適用する場合には、例えば、長尺の薄板材をあた
かもバウムクーヘン状に巻付けることで、円環状に形成
された磁性構造体を用いることができる。

【００２５】

【発明の効果】この発明による回転電気機械では、前記
課題を解決するための手段の項で述べた構成とすること
で、次記する効果が有る。 前記課題を解決するための手段の項の第（１）項，第
（２）項による構成とすることで、磁性構造体の配設に
より、冷却部が形成されている付近の固定子用構造体に
主磁束Φによって生じる渦流損の大幅な低減と、電機子
コイルと冷却部間の熱抵抗の低減とを、同時に得ること
が可能になる。これによって、電機子コイルの温度上昇
値の３８〔％〕程度の低減か、この温度上昇値の低減度
に対応する出力の増大が可能になる。また、 前記課題を解決するための手段の項の第（１）項，第
（３）項による構成とすることで、前述項の効果をそ
のまま保持しながら、電機子コイルの温度上昇値のさら
なる低減が可能になると共に、磁性構造体の製造原価を
低減することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態の一例による回転電気機
械を示す縦断面図

【図２】図１に示した回転電気機械の図１におけるＢ−
Ｂ断面図

【図３】この発明の実施の形態の異なる例による回転電
気機械を示す縦断面図

【図４】従来例の回転電気機械の図で、（ａ）は縦断面
図、（ｂ）は図４（ａ）におけるＡ−Ａ断面図

【符号の説明】

１ 回転電気機械（電動発電機） ２ 固定子 ２１ コイル支持部 ２２ 磁性構造体

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】永久磁石製の磁極を有して真空状態の雰囲
   気内に配設される回転子と、磁極で生成された主磁束が
   鎖交されるように配置された電機子コイルを有するコア
   レス構造の固定子と、固定子を保持する固定子用構造体
   とを備えた回転電気機械において、 固定子用構造体は、固定子を保持する部位に固定子で発
   生した熱を除去する冷却部が形成されており、固定子
   は、電機子コイルを支持する電気絶縁材製のコイル支持
   部と、このコイル支持部と冷却部が形成された部位の固
   定子用構造体との間に配設され，磁極で生成された主磁
   束を固定子用構造体に対してバイパスする強磁性材製の
   磁性構造体とを有することを特徴とする回転電気機械。
2. 【請求項２】請求項１に記載の回転電気機械において、 前記磁性構造体は、強磁性材製の薄板材を用いその板面
   が磁性構造体内を通流する前記主磁束の通流方向にほぼ
   沿わせて配置されるようにして形成することを特徴とす
   る回転電気機械。
3. 【請求項３】請求項１に記載の回転電気機械において、 前記磁性構造体は、軟質フェライト材を用いて形成する
   ことを特徴とする回転電気機械。