JP2003153472A

JP2003153472A - 回転電機及び電磁機器

Info

Publication number: JP2003153472A
Application number: JP2002231556A
Authority: JP
Inventors: Yukio Kinoshita; 木下幸雄
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-08-30
Filing date: 2002-08-08
Publication date: 2003-05-23

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】交流発電機や電動機等の固定子や回転子の巻線
及び磁石鉄心構造及び磁石との構成等により、巻線構造
のシンプル化、起動改善の単純化、スキューの効果的な
実現や効率の飛躍的向上及び高耐熱電機の実現等を解決
する。【解決手段】巻線がボビンなどの構造とし、交流磁界に
も渦電流が少なく、モジュール化した作業性や金型コス
トを画期的に低減した鉄心とし極数の変更や容量の異な
る鉄心に縦横に対応できるようにしている。材質は鉄の
焼結材や電磁鋼板の積層鉄心にて形成・構成して作成す
る。巻線作業が単純となり、信頼性が高く、安価で、し
かも量産に適した固定子や回転子を提供可能となる。磁
石式鉄心や磁石のモジュール化をはかり、回転子や固定
子の極数や容量の異なる機器に縦横に対応できる鉄心方
式を提供し、生産性及びコスト低減で大きな効果を発揮
する。スキューとエアギャップの効果的な構造と巻き線
固定子のスロット面積の大きな鉄心を用いる。

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、磁石や電磁石単
独及び併用して用いる電動機や発電機及び電磁機器にお
いて、出力向上や調節及び効率向上、さらに磁極鉄心や
電工作業等の生産性を飛躍的に向上した磁極構造、巻線
構造及びそれらの組み合せに関する。

【０００２】また、回転電機の低速、低出力時の効率を
飛躍的に向上したり、小型軽量化するための耐熱性を倍
増させるなどの技術分野に関するものである。

【０００３】

【従来の技術】従来の発電機や電動機の固定子や巻線型
回転子に用いられているのは積層した電磁鋼板に巻線挿
入用に設けられているスロットに巻線を組み込み製作し
ている。巻線組み込み後巻線端部を接続、エンドコイル
の成形や固定等非常に複雑面倒な作業でコスト的に高
く、作業工程も長く、作業中の傷付き等による使用中の
絶縁破壊等の信頼性の低下、狭いスロットや巻線間の絡
みや干渉、組線作業の作業性をよくする為のスロット占
積率の低下（通常５０％），エンドコイルの延長による
コスト増、それに伴なうエンドコイル部の抵抗損の増加
や漏洩磁束の増加等による効率低下や出力低下等をまね
いていた。又生産の機械化が難しく、それを実施した場
合に設備費に多額の費用がかかっていた。又低電圧や中
大容量の電機の場合巻線の徑が大きくなり一層作業性を
悪くしてさらに大幅なコスト高になっていた。これの単
相巻き線の場合も同様である。

【０００４】在来の構造で極数を変更する場合巻き線を
変えて行っているが、特別に鉄心の外形を大きくして対
処する場合は別として、通常８極が限度となっている。

【０００５】磁石式電動機や発電機の場合、出力調整、
起動トルク調整及び効率アップ調整は巻き線や固定式の
磁石の強さの調整が主体となっている。また、磁石鉄心
部の極数変更は構造的に回転子外周に固定的になってお
り、磁石の極性変更のみになっている。鉄心は一体積層
が一般的で、分割方式は皆無である。

【０００６】起動トルクを軽減するため、固定子や回転
子の積層鉄心を円周方向にストレート又はジグザグにず
らしスキューして行っている。この場合も鉄心の分割方
式による構造のものは無い。

【０００７】磁石については一体構造のものが一般的
で、分割方式のものや磁性体や非磁性体との組み合わせ
で磁力を調整するものは無い。

【０００８】また、在来の鉄心巻線構造で超高温環境で
使用される電機は周囲温度とコイルの温度上昇値を合せ
た温度で２5０℃が限度である。

【０００９】従来の回転電機は低速、低出力時の効率が
非常に低く磁石式回転電機でも20から30％が一般的であ
る。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】そこで本発明は交流発
電機や電動機等の固定子や回転子の巻線及び鉄心構造及
びその構成等により、鉄心構造・材質・構成による巻
線構造のシンプル化、起動改善の飛躍的改善による低
出力時の革新的効率アップの実現、多種少量生産にも
対応可能な鉄心や磁石の構造実現、高耐熱電機の実現
及び小型軽量化を実現するための技術課題を解決するこ
と。

【００１１】

【課題を解決するための手段】鉄心構造・材質・構成
による巻線構造のシンプル化であるが、交流電機の固定
子や回転子の巻線構造をシンプル化するため、例えば巻
線がボビンなどの構造で磁極部の磁界形成が出来る構造
とし、構造的に交流磁界にも渦電流が少なく、作業性を
配慮した鉄心とし、その材質は鉄の焼結材や電磁鋼板の
積層鉄心にて形成・構成して作成する。これにより巻線
作業が単純となり、信頼性が高く、安価で、しかも量産
に適した固定子や回転子を提供可能となる。さらに、各
固定子のずらし角度をなくして単相固定子を容易に実現
することが可能である。また、磁極ピースやヨークの一
部などに焼結材や積層構造を使用して、性能及び生産性
を上げる構造を実現している。さらに鉄心部の多種少量
生産や容量の大小に適用可能な放射分割鉄心や極数変更
が磁極ピースのつけ方で自在に可能な鉄心構造を可能に
している。

【００１２】起動トルクの飛躍的改善による低出力時
の革新的効率アップの実現であるが、起動トルクを下げ
るため、まず、（ａ）エアギャップを通常の数倍にまし
て磁束を下げる。（ｂ）鉄心のスキュー角度を従来の数
倍に増やす。（３）磁束を調節する。等の方法で行い、
出力の調整は（４）巻線の増減で行う。起動トルク5ｇ
ｍ程度に下げると機械ロスが大幅に低下して、低速時や
低出力時の効率を飛躍的に向上できる。回転系全体の慣
性を持てせることにより３00ｒｐｍ，出力100Ｗで効率9
5％を達成している例もある。上記の施策で1.5ｇｍも実
現できる。

【００１３】出力調整のため、在来のスロット面積を数
倍に増加して、コイルの巻き数や線の断面積の増加を容
易にしている。また、風力発電機などの出力電圧調整や
ブレーキトルクのアップのための巻き線抵抗の低減を容
易にする狙いもある。

【００１４】多種少量生産にも対応可能な鉄心や磁石
の構造実現であるが、（ａ）まず磁石鉄心を生産性を考
えて、最小の標準ピースを設定し、これを極数や容量変
更に応じて配置し、外形寸法や軸方向の積厚により必要
数を決めて構成すればよい。外径の変更は鉄心間の磁石
挿入空間の幅、即ち磁石の幅を標準化した単数又は複数
枚にて調節すればよい。極数の変更は例えば12枚の鉄心
標準ピースで断面を構成した場合に2極から12極の電機
が磁石の入れ方で実現できる。極の磁界の調整は磁石と
サイズの同じ磁性体とを組合わせたり、非磁性体を組み
合わせたり、磁石同士の磁界の相殺などにより自由自在
に行うことが出来る。また、この鉄心ピースの一部を非
磁性体にして、起動の改善や特性の大幅な調整も可能で
ある。（ｂ）次に磁石の標準化細分化で量産性を飛躍的
に向上して生産コストを大幅に低減することが出来る。
必要に応じて磁石挿入空間のスペースを３次元的に細分
して一台当たりの磁石使用数を増加し、少量生産でも磁
石コストを大幅に下げることが可能となる。これを標準
化しておけば、容量の異なる機器にも使用する数だけ変
えて対応可能となり、いっそうの生産性を上げ、極端な
例として、一台でも安い機器を製作できるようになる。
磁界の調節も３次元的に整磁鋼等の磁性体や非磁性体と
の組合せで自在に調整できる。

【００１５】高耐熱電機の実現及び小型軽量化を実現
についてであるが、（ａ）巻線の絶縁についてはアルミ
線自体をアルマイト処理して耐熱絶縁処理したアルミナ
被覆やガラス被覆やガラス繊維チューブ等の耐熱性に優
れたものを用いたり、最近開発された立体架橋のシリコ
ーン樹脂やその外皮にアルミナやシリカなどをコートし
た薄くて絶縁耐力を持ち、耐熱性の非常に優れた絶縁電
線を用いて、従来の２倍の５００度前後の高温にも耐え
るものにする。スロット絶縁材料や筐体にセラミック等
の高耐熱性の材料を使用したり、軸受けに磁気軸受けや
空気軸受け等油やグリース等の可燃性の潤滑剤を使わ
ず、要素部品を構成して実現することが可能になる。内
外部の口出し線は、絶縁にセラミック製の碍子を用いる
等して高温環境に使用可能な電機を実現出来る。ちなみ
に、現在使用されている最も高温のもので２５０℃であ
るが材料の適正な選定で５００℃のものも夢ではなくな
り、この場合鉄心等の渦電流を配慮した電磁鋼板等を用
いなくても鉄や鉄鋳物でもよくなる。銅線も高温になっ
た場合はカーボン繊維の導体にかえる必要がある。ま
た、これにより、小型軽量化が実現でき、コストも大幅
に低減可能になる。

【００１６】

【実施の形態】以下、この発明の実施の形態を図面を参
照して外転型発電機を例に説明する。

【００１７】図１は外転型の発電機で図１ａが本発明の
ボビン型電磁石にて構成した固定子３を有し、磁石１４
にて構成した回転子２を有する発電機の断面構造を示
し、図１ｂは従来の積層型鉄心に組線した固定子３′を
用いた発電機の断面構造を示す。回転子を動力源により
外から駆動されると固定子３に巻き込んでいるコイル３
６、３７、３８等に回転数に応じ電圧が発生し、電気取
り出しコード７に抵抗等負荷をつなげば電流が流れ電力
を供給する。コイルの発生電圧は固定子と回転子との空
隙の磁束密度に比例し、又回転数にも比例する。本発明
は長年懸案になっていたが未だ解決策を見出せず今日に
いたっている固定子の生産性を抜本的に解決した、ボビ
ン構造の固定子３を鉄心２2四つとコイル３６、３７×
２、３８や電磁連結コイル等で構成したものを使用した
例を示している。鉄心２2の材質は交流磁界に対して渦
電流の流れにくい鉄系の焼結材、生産性を配慮した複数
の電磁鋼板の積層部品を組み合わせたもの、或いはこれ
ら焼結材と電磁鋼板の積層部品の組み合せ等で構成され
ている。この鉄心２2の中にはリール状をした電気的に
絶縁性の高いボビンに糸巻き状にぎっしりと占積率の高
いコイルが巻かれている。このリールへの電線の巻き込
み作業は電動機の軸に多数のリールを装着して一度に巻
き込むだけで組線作業が完了するもので、従来の積層鉄
心に組み込む作業に比べ格段の差があり、生産コストの
安いことは勿論、絶縁性能などの信頼性抜群なものとな
っている。

【００１８】次に本発明のボビン型電磁石についてその
鉄心構造、電動機や発電機の固定子、巻線の構成等につ
いて以下図面に基づき説明する。図２は単相12極の電機
の固定子や巻線型回転子に用いる電磁石の構造を示し、
図２ａは内転型電機に用いる単相固定子をＡ１相からＡ
３相の三つの電磁石で構成した断面図を示している。２
２ａ，２２ｂ，２２ｃ及び22ｄは焼結材や積層鉄心でで
きた電磁鉄心でボビンコイル31ａなどを効果的に内包す
る構造になっている。１８はステンレスなどの非磁性体
でできた側板で個々の電磁石を堅固に構成すると同時に
各相の電磁石を機械的に結合している。図２ｂは三つの
電磁石を電気的に同相に構成した例で、図2ｃは各相の
電磁石を電気角ａ度ずらした例を、また、図２ｄはＡ１
相とＡ２相は同相でＡ３相は他相に対してｂ度電気角を
ずらして構成している例を示している。

【００１９】図3は図２の単相固定子の各相間のコイル3
1ａの接続の６つの例を示したもので、図3ａは各相のコ
イルを直列に接続した例で、図3ｂは3つの相のうち１つ
の相のコイルを遊ばせた例、図３ｃは２つのコイルを遊
ばせた例を示している。図３ｄから図３ｆは各相のコイ
ルを並列に接続した例を示し、図３ｄは三つの相の内２
つを遊ばせた例で実質的には図３ｃと同じ結果となる。
図３ｅは三つの相の内１つを遊ばせた例である。図3ｆ
は三つの相全ての相のコイルを並列に使って構成してい
る。

【００２０】図４は図２電磁石の配置及び図３のコイル
の各種接続の方法に伴う発電機として使用した場合の発
電電圧のベクトル図である。図４ａは図２ｂの３相同相
の配置の状態で、図３ａの３相のコイルを直列に接続し
た場合の発電電圧を示す。図4ｂ及び図４ｃは３相同相
配置の場合で、それぞれ１相又は２相のコイルを遊ばせ
たときの発電電圧の例を示す。図４ｄ及び図４ｅは図２
ｃの各相をずらして配置した状態での発電電圧の例を示
し、図４ｄは３相コイルを直列に接続した時の電圧を示
し、図４ｅは３相のうち１相のコイルを遊ばせたときの
電圧の例を示している。図４ｆは図２ｄの電磁石配置で
の３相コイルを直列接続したときの発電電圧の例を示し
ている。以上発電電圧を例に説明したが、負荷を繋いだ
状態での電流について電磁石の配置やコイルの接続の状
況により、種々の制御が可能である。

【００２１】図５は固定子や回転子を構成するボビン型
電磁石の極数の変更が容易にできる具体的例を示す説明
図で、ポールピース鉄心22ｃのつけ方で電磁石がＮ極の
ものであれば二極からＮ極まで簡単に変更したり、構成
する極のポールピースの数を調整できるように電磁石の
構成をしている。図５ａはボビン式３相固定子の断面図
で、積層または焼結にてできている鉄心２２ａ，２２
ｂ，２２ｃ及びポールピース２２ｄで構成され、側板１
８にサンドイッチされて各相独立してなりたっている。
鉄心２２ａと２２ｄは磁極の極性が自在に替えられる構
造にして置くことにより、ポールピース鉄心22ｃの極性
をどの取り付け場所でも変更できるのである。これによ
り、極数変更が簡単にできることになる。３１、３２、
３３はボビン絶縁体41に巻いた各相の主コイル及び他相
との磁気的係合に用いるコイルである。図５ｂはポール
ピース鉄心22ｃの極性の異なる取りくけ状態を説明する
断面図で上下の極性が異なる状況を示している。４ａｈ
ａ回転子のシャフトを示す。図５ｃ及び図５ｄはそれぞ
れ１２極及び６極の固定子を構成した例を示している。

【００２２】図６は単相ボビン鉄心で構成された12極固
定子の具体的構造例を説明する図である。図６ａは固定
子断面図で鉄心22ａ，22ｂ、22ｃ及び22ｄとコイル31ａ
などから構成されている。図6ｂは固定子側面図で、各
相のリード線を外部に引き出すための窓Ｃを設けてい
る。図6ｃは固定子を構成する１２極機の部品の一例を
示す説明図で、鉄心22ａ及び22ｄの内径突起部にポール
ピース22ｃを６個取り付けて磁極を形成する。形成され
た磁極とボビン巻きしたコイル31ａを鉄心22ｂとで包含
して２つの側板１８にてサンドイッチ的に各相の固定子
を形作っている。ポールピース鉄心22ｃは図示の積層鉄
心のほか焼結、鉄粉を内包した容器状のもの、細い溝が
縦横に空けられた厚い鉄製のピース、細い鋼線を束ねて
構成した鉄心など交流磁界に対して交番ロスの少ない材
料でできている。これらの鉄心は22ｃ以外の他の鉄心に
も応用可能であることは勿論である。

【００２３】図７はボビン状巻き線に用いる鉄心のうち
鉄心の背部、側部及ぶポールピース部を一体にして、極
単位で細分化して積層や焼結などの材料にて形成するこ
とにより、必要工具を最少にして、多種少量生産はもと
より、量産品においても生産性を飛躍的に高め、製造コ
ストを最小にするようにした固定子構造の説明図で、図
７ａはこのユニット化された鉄心にて構成した１２極回
転電機の固定子の側面図の一例を示し、鉄心22ｅは鋼鈑
にて必要厚さ積層して形成され、これをユニットとして
円周方向に配置され、鉄心間のつなぎとして、積層や焼
結材にてできているくさび鉄心22ｆとで構成されてい
る。図７ｂは図７ａのＡ−Ｏ−Ｂ断面を各種鉄心材に
て、形成した例を説明する図で、鉄心22ｅ、22ｅ1，22
ｅ2とくさび鉄心22ｆ、22ｆ1、22ｆ2の材質をそれぞれ
積層と焼結に替えた組合せ例を示している。

【００２４】図８は図７にて説明したユニット鉄心を用
いて、同一サイズの機器での極数の変更やユニット鉄心
の積厚を替えて、積層の場合に厚さや個数を変えて、固
定子のサイズを大小自在に変えて、容量に関係なく一つ
のユニットで対応できるようにして、広範な容量の機器
に対応できるようにすると同時に、少量生産にても生産
性抜群の固定子を提供できる構造を示す。図８ａは図７
にて説明した１２極のユニット鉄心22ｅ及びくさび鉄心
22ｆとで構成した固定子を示し、図８ｂはユニット鉄心
22ｅとくさび鉄心22ｆ3にて６極固定子を形成した例を
示す。図８ｃは鉄心22ｅの積厚を大きくして、くさび鉄
心２２ｆ４とで１２極固定子を形成した例を示してい
る。かように一つの鉄心ユニットで非常に広範な容量や
種々の極数の機器に対応可能となり、コスト生産性抜群
の機器が実現できる。

【００２５】図９は磁石式回転子の鉄心エレメント13を
最小細分化して、さらに完全に分割（例では12分割）す
ることにより、鉄心間でできるスロットに挿入する磁石
の配置の仕方で極数の変更が容易にでき、生産に必要な
特殊工具のコストを最小にしたり、回転子の外径を変え
て容量の大小に関係なくエレメントの組合せで広範囲の
機器に対応可能な鉄心の例を示している。この鉄心エレ
メントは鍛造やプレスなどでブロックとして製作しても
よく、厚さを積層にて行う薄い鋼鈑で作ってもよい。４
ｃはシャフトを示す。

【００２６】図10は図9にて説明した鉄心エレメント13
を用いて、２極、４極、６極及び12極の回転子磁石鉄心
の形成例を示す図である。鉄心エレメント間で形成され
るスロット50に磁石14ａや鉄などの磁性体60との組合せ
で極数変更が容易に可能となる。図１０ａは磁極が交互
に形成されるようにスロット50に磁石14ａの極性を交互
に変えて挿入することにより、12極の回転子を形成して
いる。図１０ｂは６極の回転子を形成した例で、極中央
のスロットに磁性体60を挿入無しの空間のままの例と、
挿入した例を示している。スロット50が空間のままでは
構造上不具合がある場合は非磁性体か磁性体60を挿入し
ても差し支えない。図１０ｃは４極の回転子を形成した
例で、スロット50全てに磁石14ａを挿入して強力な磁石
回転子を形成したり、磁極中央部の二つのスロット50を
用いて磁性体60，磁石14ａ及びこれ以外の弱い磁石等と
の組合せで磁界や磁束分布などを調整して、発電機の電
圧波形や、特性を変更することも可能となる。図１０ｄ
は２極の例を示す。磁石14ａの挿入，磁性体60及びスロ
ットの空間の活用は前述の要領で行うことができる。

【００２７】図11は図１１ａに示す鉄心エレメント13を
用いて、２極、４極、６極及び12極の回転子磁石鉄心の
形成例を示す図である。例えば磁性体のみを用いた場合
使用する枚数により、磁極間の磁気短絡の具合が変わ
り、エアギャップの磁界を大きく変えることができる。
また、整磁鋼を用いた場合、起動時など温度が低い時に
は磁性体として働くのでエアギャップの磁界を弱めるの
に効果を発揮するが、運転状態で温度が上がった場合に
は磁性体としての働きが無くなりエアギャップの磁界は
調整しない時に戻るなど、起動トルクのみを下げるのに
有効である。磁界の微調整を行う場合には磁性体70や整
磁鋼70ａと鉄心13との間や中間に非磁性体70ｂを入れる
ことにより調整が可能となる。

【００２８】図12は図１２ａの磁石回転子2ｂの図１２
ｂの鉄心13の軸方向の主に端部のものを、図１２ｃに示
すエアギャップに面する部分に切欠きを設けた鉄心13
ａ、鉄心１３と同形状の整磁鋼13ｂ及び非磁性体13ｃと
置き換えておき、図１２ｄに示す回転子外面に設けた磁
性体でできたスキューリング80のスキュー溝の端部をよ
りスキュー効果をもたせるように切欠いたカット部を有
するスキューリング80ａとの相互作用により、スキュー
効果を増した例を示す。

【００２９】図１３は図13ａに示す４極の回転子のスキ
ューした鉄心13ｄ間のスロットａに挿入された磁石14ｂ
のスペースを用いて，よりスキュー効果をもたせるの
に、図１３ｂに示す磁石14ｂに置き換えて、磁石14ｂよ
り細い磁石14ｃとくさび状磁性体60ｂを組み合わせてギ
ャップが生じないようにスロットａに挿入することによ
り従来のスキュー幅Ｗ１に対してＷ２と大きくすること
が可能となる一例を示している。

【００３０】図１４は磁石回転子や固定子に用いる鉄心
13ｅ，１３ｆの厚さ内に図１４ａに示す単数又は図１４
ｂに示す縦横奥行の立体方向に複数枚装着できる磁石14
ｄや14ｅ等をスロットａに挿入して構成された磁石回転
子や固定子の例を示す。この構成によりきめ細かいスキ
ュー効果をスキューリング無しでも可能にしたり、エア
ギャップの磁束の強さや分布を容易に調整でき、より簡
単に安価に纏めることが可能となる。磁石を最小単位に
モジュール化でき、一台で多量のものを使用することに
より、一台に使用する磁石の生産コストを6の1程度に低
減できる例もある。サイズ容量の異なる広範な機種の生
産及び数量の多少にも十分対応可能となる画期的な考案
である。81ａは非磁性体スペーサーである。図１４ｃ図
14ａ，14ｂは回転子の断面図を示す。

【００３１】図15及び16はモジュール化した分割鉄心１
３及び13ｆを用いて極数変更や要領変更が簡単にできる
磁石回転子や磁石固定子の例を示す。まず、図１５につ
いて説明する。図１５ａは４極の回転子の例で、モジュ
ール化された鉄心13ｆ、磁石14ｆ及び非磁性体81ｂなど
で構成され、内転型電機の回転子や外転型電機の固定子
の例を示している。図15ｂはモジュール化された鉄心13
ｆや磁石14ｆを用いて外径の約２倍の容量的に大きい回
転子や固定子を形成した例を示している。磁石、磁性体
60ｃ及び整磁鋼などで二つの磁石14ｆの間に出来たスロ
ット内の空間を埋めて磁界の損失を防いでいる。次に図
16について説明する。図16ａは１２極電機の回転子や固
定子に用いるモジュール化された鉄心13を示し、図16ｂ
は鉄心13を24個用いた磁石回転子や磁石固定子の例を示
している。１４ｇは磁石、６０ｅは磁性体などである。
図１６ｃは磁石14ｇの構成の例を示し、単一のものや複
数にて縦に３個と４個で構成した例を示している。大型
機の場合など縦横に分割して作業性を増してもよい。

【００３２】図17は電機の耐熱性を在来の２倍程度に向
上するため、図１７ａのコイル線材35の外皮をアルミ
ナ、シリカ及びシリコーンゴムなどの耐熱性材料で被覆
した例を示し、図17ｂはアルミ線材の外皮をアルマイト
処理した層85の例で、アルミ以外の導体の外皮にまずア
ルミの細かい粉末などをスパッタや真空中で衝射させる
などして付着させたものをアルマイト処理してもよい。
図１７ｃはアルマイト膜85ａ形成した線35ａにさらに絶
縁強度を増すために同質の材料や他の材料にて複数層の
膜65ｂを形成した例を示し、図１７ｄは線材35ｂの外皮
に立体架橋を持つシリコーン樹脂（窒素雰囲気で１００
０℃にて減量率5％）等を被覆した後、アルミナやシリ
カを被覆して線材の可とう性を飛躍的に上げると同時に
耐熱性を持たせた例を示す。３５ｂは線材、85ｃはシリ
コーン樹脂などの耐熱樹脂及び８５ｄはアルミナやシリ
カで出来た耐熱電気絶縁体を示す。可とう性のよい線材
は巻き線などの電工作業をより容易にしたり、使用時の
振動や衝撃に十分耐える効果を有する。

【００３３】図１８は本案の図１８ａに示す、起動トル
ク（1ｇｍ）やコギングを極小か皆無にした、面積を在
来の数倍増した巻き線スロットを有する固定子鉄心23と
回転子2ａとのエアギャップｇ１を図１８ｂに示す固定
子鉄心23ａと回転子2ｂとのエアギャップｇ２の2〜2.5
倍以上にした例を示し、エアギャップ増加や磁石強さ調
節で減少した出力を巻き線の増加で補うため固定子のス
ロット５１を大きくして極小起動トルク及び低速低出力
時の効率を飛躍的（95％以上）に向上した回転電機を実
現している。この場合に回転系に大きな慣性を持たせる
ことによりさらに効率を１００％近くまで向上すること
が可能になる。52は在来タイプの固定子鉄心のスロット
で、2ｂはシャフトを示す。

【００３４】図１９ａは固定子のスロットの配置を各極
位相的にずらすために電磁石鉄心２３bの歯部の幅を一
箇所Ｗａの如く、他の歯部の幅Ｗｂより広くして実現し
た例を示している。また、図１９ｂは固定子のスロット
の配置を各極位相的にずらすために電磁石鉄心２３ｃの
歯部の幅を一箇所Ｗｃの如く他の歯部の幅Ｗｄより狭く
して実現した例を示している。これにより回転子のスキ
ューや磁石配置のアンバランスを施さなくても低起動ト
ルクを実現でき、低速低出力時の効率を飛躍的（95％以
上）に向上したり、振動騒音の非常に少ない回転電機を
実現できる。特に磁石式回転子などに有効である。５３
は巻線を挿入するスロットを示している。２ｃ及び２ｄ
は回転子、ｇ１は空隙を示す。

【００３５】図２０ａは回転子のスロットの配置を各極
位相的にずらすために，隣接の磁石鉄心1３ｇ間のスリ
ットの幅を一箇所Ｗｅの如く、他のスリットの幅Ｗｆよ
り広くして実現した例を示している。また、図２０ｂは
回転子のスロットの配置を各極位相的にずらすために、
隣接の電石鉄心１３ｈ間のスリットの幅を一箇所Ｗｇの
如く他のスリットの幅Ｗｈより狭くして実現した例を示
している。これにより固定子のスキューや磁極配置のア
ンバランスを施さなくても低起動トルクを実現でき、低
速低出力時の効率を飛躍的（95％以上）に向上したり、
振動騒音の非常に少ない回転電機を実現できる。特に磁
石式回転子などに有効であるが、巻き線型や誘導機のか
ご型回転子の鉄心や一体型鉄心に適用しても有効であ
る。

【００３６】図２１ａはボビン巻き線型固定子の磁極の
配置を各極位相的にずらすために電磁石鉄心２２ｅの隣
接の歯部間の幅を一箇所Ｗｉの如く、他の歯部間の幅Ｗ
ｊより広くして実現した例を示している。また、図２１
ｂはボビン巻き線型固定子のスロットの配置を各極位相
的にずらすために電磁石鉄心２２ｅの隣接の歯部間の幅
を一箇所Ｗｋの如く他の歯部間の幅Ｗｌより狭くして実
現した例を示している。これにより回転子のスキューや
磁石配置のアンバランスを施さなくても低起動トルクを
実現でき、低速低出力時の効率を飛躍的（95％以上）に
向上したり、振動騒音の非常に少ない回転電機を実現で
きる。特に磁石式回転子などに有効である。これを実現
する一つの方法として磁石鉄心２２ｆ４の一つの円周方
向の長さを変えて簡単に実現可能である。

【００３７】以上述べた数々の考案は例で示した機器の
ほか、他の回転電機はもとより、他の形態の異なる機器
例えばパンケーキタイプ電機、リニアーモータ、電磁石
機器等にも適用できるのは勿論である。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は回転電機
の巻き線にボビン巻きコイルを適用できる鉄心構造にす
ることにより、全ての鉄心を単相にして発電機として使
用した場合整流して蓄電する場合に整流回路が簡単にな
り、安価に発電システムを構築できる。また、電圧や出
力調整が鉄心間のずらし角度を変えたり、各相のコイル
の結線や端子の接続の切り替えで容易に出来る。

【００３９】ボビン巻き鉄心の極数の変更はポールピー
スの取り付けの変更のみで簡単に出来、在来の巻き線に
よる方法に比べ、コスト、作業性及び極数増加などを数
段向上可能となる。また、放射状にモジュール化した放
射状鉄心構造で円周状に配置して鉄心を形成することに
より、金型コストを最小にして、極数の変更、容量の異
なる機器に適用可能となり、生産性抜群で、多種少量生
産はもとより、大量生産にも縦横に対応できるようにな
る。

【００４０】磁石式回転子や固定子の分割鉄心や磁石を
最小の単位でモジュール化し、鉄心や磁石の金型コスト
を最小にすることが出来、極数の変更や各種容量の機器
への対応を容易にして、生産性を飛躍的に向上可能とな
る。

【００４１】特性の調整に鉄心の一部を磁性体や非磁性
体の調整板を組合わせて、調整が簡単に出来、巻き線や
全体の構造を変更せずに可能となる。また、起動や効率
を向上するため、スキュー効果を持たせる鉄心の挿入ス
ロットの空間に細い磁石とくさび状磁性体を組み合わせ
て持たせたり、鉄心幅以下の薄い単体又は複数枚の磁石
と組み合わせることにより、鉄心と一体にスキュー可能
となリ、スキュー角度を在来に比し、大幅に行うことが
可能となり、起動トルクを大幅に小さく出来る効果があ
る。磁石の最小単位のモジュール化は生産コストを飛躍
的に向上すると同時に、あらゆる機種に対応可能とな
り、生産性を画期的に向上できる。

【００４２】固定子や回転子の鉄心の磁極間の位相差を
一箇所の歯部や磁極間のギャップ幅を他の歯部や磁極間
のギャップ幅と相違させるなどの方法でスキューなどを
施さずにそれと同等以上の効果を持たせることが出来
る。この方法とスキューなどの手段と組み合わせてより
効果的な方法も可能となる。

【００４３】電機の耐熱温度を向上する耐熱巻き線の採
用は小型大容量化を可能にし、また同じサイズでは在来
の機器に比べ耐熱温度を倍増可能となる。

【００４４】先に述べたスキューやエアギャップの拡大
により在来の起動トルクの数分の１に出来、巻き線スロ
ット面積を在来のものに比べ数倍増加した固定子鉄心と
の組合せにて、低回転低出力時にて効率を９５％以上に
向上できる電機を実現できる等の効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のボビン型電磁石にて構成した固定子を
有する外転型発電機の一実施例を示す構造図と従来型発
電機の構造説明図。

【図２】ボビン式巻き線鉄心を有する単相12極の電機の
固定子や巻線型回転子に用いる電磁石の構造説明図。

【図３】ボビン式巻き線鉄心を有する単相固定子の各相
間のコイルの接続の６つの例を示した説明図。

【図４】ボビン式巻き線鉄心を有する電磁石の配置及び
のコイルの各種接続の方法に伴う発電機として使用した
場合の発電電圧のベクトル図示す説明図。

【図５】固定子や回転子を構成するボビン型電磁石の極
数の変更が容易にできる具体的例を示す説明図。

【図６】単相ボビン鉄心で構成された12極固定子の具体
的構造例を示す説明図。

【図７】ボビン状巻き線に用いる鉄心のうち鉄心の背
部、側部及ぶポールピース部を一体にしてモジュール化
して、極数や容量の変更に対応可能にした例を示す説明
図。

【図８】モジュール鉄心を用いて、極数の変更や固定子
のサイズを大小容量に関係なく一つのユニットで対応で
きるようにした構造を示す説明図。

【図９】鉄心エレメントを最小細分化して磁石式回転子
を形成した例を示す図

【図１０】鉄心エレメントを用いて、２極、４極、６極
及び12極の回転子磁石鉄心の形成例を示す図。

【図１１】鉄心の一部のスペースを用いて磁性体や非磁
性体などの調整板を用いて特性の調整例を説明する図。

【図１２】モジュール化された鉄心の一部を切欠き鉄心
や非磁性体などと置き替え、スキュー溝の端部を切欠い
たスキューリングとでスキュー効果を持たせた例の説明
図。

【図１３】鉄心内の磁石挿入スロットに薄い磁石とくさ
び状磁性体とを組み合わせて装着し、スキュー効果をよ
り顕著にした例の説明図。

【図１４】鉄心と鉄心の厚さ内の磁石を組み合わせて、
スキュー形成を容易にした例を示す説明図。

【図１５】モジュール化した鉄心と磁石を用いて容量の
異なる磁石式回転子や固定子を構成した例を示す図。

【図１６】モジュール化した鉄心と磁石を用いて容量の
異なる磁石式回転子や固定子を構成した別の例を示す
図。

【図１７】巻き線に用いる耐熱性の優れた被覆電線の説
明図

【図１８】低出力高効率を実現するための巻き線スロッ
トの面積を在来のものに比し数倍に増加した固定子の例
を示す説明図。

【図１９】低出力高効率を実現するための固定子の磁極
間の位相差を持たせる為の構造の一例を示す説明図。

【図２０】低出力高効率を実現するための回転子の磁極
間の位相差を持たせる為の構造の一例を示す説明図。

【図２１】低出力高効率を実現するためのボビン巻き線
型固定子の磁極間の位相差を持たせる為の構造の一例を
示す説明図。

【符号の説明】

１、１’：回転子２、2ａ、2ｂ、2ｃ、2ｄ：磁石回転子２’：円筒型磁石回転子３、３’：固定子４、4ａ、4ｂ、4ｃ、4ｄ、４’：シャフト５、５’：軸受け７、７’：電源コード８、８’：エンドブラケット１３、１３ａ、１３ｄ、１３ｅ、１３ｆ、１３ｇ、１
３ｈ：分割鉄心１３ｂ：整磁鋼１３ｃ：非磁性調整片１４、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ，１４ｄ、１４ｅ、１４
ｆ、１４ｇ、１４g１、１４g2：磁石１８：側板１９：ローターバーＮ、Ｓ：磁石の極性２２、２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、２２ｅ、２２
e１、２２ｅ２、２２ｆ、２２f１、２２f２、２２f３、
２２f４、２３、２３ｂ、２３ｃ、２４：電磁石鉄心Ａ−Ｏ−Ｂ：断面切断線３１、３２、３３、３１a、３６、３７、３８：コイル a、５０、５１、５２、５３：スロット６０、６０a、６０ｂ、６０c、６０e、７０、７０a、７
０b：磁気調整板８０、８０ａ：スキューリング８１、８１a、８１b、８１c：非磁性体Ｗａ、Ｗｂ、Ｗｃ、Ｗｄ：歯部寸法Ｗｅ、Ｗｆ、Ｗｇ、Ｗｈ：スリット寸法Ｗｉ、Ｗｊ、Ｗｋ、Ｗｌ：磁極間寸法

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０２Ｋ 3/18 Ｈ０２Ｋ 3/18 Ｐ 3/34 3/34 Ｃ 3/46 3/46 Ｂ 21/22 21/22 ＭＦターム(参考） 5H002 AA04 AA06 AA07 AB01 AB06 AB07 AE06 AE07 5H603 AA04 BB01 BB13 CA02 CA05 CB02 CB23 CB25 CC11 CD31 CE13 CE14 FA13 FA30 5H604 AA05 BB01 CC02 CC05 CC16 DA06 DA25 DB01 5H621 AA03 BB10 GA04 GA11 HH01 JK03 5H622 CA02 CB01 CB05 QB03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ボビン式巻き線に適用する単相鉄心におい
て、複数の鉄心のうちの一部または全ての磁極の相対角
度をゼロから数度変えて、電圧調整や出力調整が、巻線
の直並列及びタップの切り替えと併行して出来るように
したことを特徴とする単相の回転電機及び電磁機器。
【請求項２】ボビン式巻き線の電磁石の構造において、
磁極片のつけ方で２極からＮ極までを自在に変更できる
ようにしたことを特徴とする回転電機及び電磁機器。
【請求項３】ボビン巻き線に用いる鉄心において、ポー
ルピースやヨーク部の鉄心を渦電流を少なくするように
するため、周囲の金具と積層鉄心、細い線材にて構成し
た鉄心、容器と鉄粉による鉄心及び厚い材料に多数の細
い溝などを設けた鉄心にて構成したことを特徴とする電
磁石の構造。
【請求項４】ボビン巻き線に用いる鉄心の内円周方向に
一体に構成した鉄心において特に異極ポールピース間を
よぎる磁気の抵抗を少なくするため、ヨーク部の一部に
焼結鉄心、周囲の金具と積層鉄心、細い線材にて構成し
た鉄心、容器と鉄粉による鉄心及び厚い材料に多数の細
い溝などを設けた鉄心等にて構成したことを特徴とする
回転電機及び電磁機器。
【請求項５】ボビン巻き線鉄心の構成において、極相互
の磁界の流れをスムーズにするため、放射状に配置する
ことにより、鉄心の構成単位を小型化し、特具の小型化
や少量生産においても特具の投資を最小にして生産性を
飛躍的に向上し、生産コストを大幅に安くすると同時
に、楔状鉄心との組み合わせにより、極数の変更や容量
の異なる広範な機器に容易に対応できるようにしたこと
を特徴とする回転電機及び電磁機器。
【請求項６】モジュール化された分割鉄心コアを有する
磁石式固定子や回転子において、磁石の入れ方で２極か
らＮ極まで自在に変更でき、また、磁石と同形状の整磁
鋼を含む磁性体や非磁性体にて強弱及び相殺などの構成
変更にて特性を自在に変更できるようにしたことを特徴
とする回転電機及び電磁機器。
【請求項７】モジュール化された分割鉄心コアを有する
磁石式固定子や回転子において、整磁鋼を含む磁性体及
び非磁性体に短絡環やブリッジなどにて起動や特性調整
を容易に出来るようにしたことを特徴とする回転電機及
び電磁機器。
【請求項８】モジュール化された分割鉄心コアを有する
磁石式固定子や回転子において、分割鉄心コアの一部に
切り欠きや非磁性体と置き換えて、スキューリングの端
部のスキュー溝の切欠き形状と有効に機能させて、スキ
ュー効果をより顕著に持たせるようにしたことを特徴と
する回転電機及び電磁機器。
【請求項９】本来厚い磁石を装着してスキューを形成し
ている鉄心の磁石挿入スペースを用いて、スキュー形成
に従来より薄い磁石と空いた空間をくさび状などの磁性
体を組み合わせて、よりスキュー効果を上げるようにし
たことを特徴とする回転電機及び電磁機器。
【請求項１０】磁極鉄心でスキュー効果をもたせたジグ
ザグ鉄心において、隣接の鉄心相互にて磁気短絡を生じ
ないようにし、鉄心の繊細なジグザグ構成のみで、スキ
ューリングを省略するように構成したことを特徴とする
回転電機及び電磁機器。
【請求項１１】磁石式回転子や磁石式固定子において、
スキュー単位を構成する鉄心とその厚さに合わせた単数
又は複数のモジュール化した薄い磁石の組合せや挿入方
向など必要機能に応じて構成し、通常誘導機などで行わ
れているスキュー形成と同じ要領にて製作できるように
したことを特徴とする回転電機及び電磁機器。
【請求項１２】モジュール化した小さい磁石にて、一台
に多数使い、少量生産や容量の異なる複数の機器にも共
通して使えるようにして、量産効果を持たせ磁石のコス
トを数分の一に低減するようにしたことを特徴とする回
転電機及び電磁機器。
【請求項１３】磁石式回転電機の分割鉄心において、構
成単位を最小にしてこれを組み合わせることにより、サ
イズ及び容量などの異なる種々の機種にも使えるように
することにより、多品種少量生産にも十分対応可能に
し、しかも、金型等のコストを最小にするようにしたこ
とを特徴とする回転電機及び電磁機器。
【請求項１４】一極の鉄心スロットに対して立体方向を
複数個の磁石や磁性体でカバーできるようにして、特性
の変更や機器の容量に関係なくあらゆる機器にも適用で
きるようにし、特性の変更や量産性を持たせて磁石のコ
ストを大幅に低減するようにしたことを特徴とする回転
電機及び電磁機器。
【請求項１５】単層または復層にてアルマイト処理した
耐熱アルミ電線やセラミックスやシリコーンなどを復層
した耐熱被覆電線を用いてコイルの耐熱及び絶縁性を飛
躍的に向上したことを特徴とする回転電機及び電磁機
器。
【請求項１６】アルマイト処理した耐熱アルミ電線など
セラミックスやシリコーンなどの耐熱被覆電線コイル、
セラミックやシリコーンなどのスロット絶縁物との組み
合わせにて耐熱性を飛躍的に向上すると同時に、耐熱性
の優れた軸受け材の適用により、耐熱温度を従来の機器
より倍増するなどして耐熱性の向上や大幅な小型軽量化
を図ったことを特徴とする回転電機及び電磁機器。
【請求項１７】エアギャップの大幅拡大やスキューなど
で起動トルクを在来の数分の一に小さくして、回転によ
る機械的損失を少なくすると同時に回転系全体の慣性を
大きくすることにより、低回転低出力時でも効率を９０
から１００％と飛躍的に向上したことを特徴とする回転
電機。
【請求項１８】起動トルクを極端に小さくして、低回転
低出力時の効率を飛躍的に向上した回転電機において、
固定子のスロットの面積を通常のものより数倍に増加し
て必要な巻き線を施し、必要な出力を確保すると同時
に、コイルによる電圧及び出力調整が容易に出来るよう
にしたことを特徴とする回転電機。
【請求項１９】起動トルクを極端に小さくして、低回転
低出力時の効率を飛躍的に向上した回転電機において、
固定子のスロットの配置を少しずつずらして各極により
形成される磁界の位相をアンバランスにしたことを特徴
とする回転電機。
【請求項２０】起動トルクを極端に小さくして、低回転
低出力時の効率を飛躍的に向上した回転電機において、
回転子のスロットの配置を少しずつずらして各極により
形成される磁界の位相をアンバランスにしたことを特徴
とする回転電機。
【請求項２１】起動トルクを極端に小さくして、低回転
低出力時の効率を飛躍的に向上した回転電機において、
固定子及び回転子のスロットの配置を少しずつずらして
各極により形成される磁界の位相を請求項19や請求項20
より出力特性への影響をより少なくして、効果的にアン
バランスにしたことを特徴とする回転電機。
【請求項２２】起動トルクを極端に小さくして、低回転
低出力時の効率を飛躍的に向上した回転電機において、
請求項19〜請求項21と在来のスキューなどの起動トルク
低減法とを組み合わせてより効果的な構造を実現したこ
とを特徴とする回転電機。