JP2006166635A - Dynamo-electric machine - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、回転電機に関し、特に、回転子に永久磁石を装着した構造を有し電動機或いは発電機として用いられる回転電機に関する。 The present invention relates to a rotating electrical machine, and more particularly to a rotating electrical machine having a structure in which a permanent magnet is mounted on a rotor and used as an electric motor or a generator.
従来、回転子に永久磁石を装着した構造を有する回転電機が知られている。このような構造の回転電機は、損失が少なく効率も良く、その上、大きな出力が得られる等の理由により数多く使用されている。その中でも、回転子と固定子をアキシャル方向に配置したアキシャルギャップモータは、薄型化が可能であることから、モータのレイアウトに制限があるような場合に使用されている。例えば、「電動式動力ユニット、電動車両および電動二輪車」(特許文献1参照)では、オートバイの駆動用にアキシャルギャップモータを使用している。 Conventionally, a rotating electrical machine having a structure in which a permanent magnet is mounted on a rotor is known. Many rotating electric machines having such a structure are used for reasons such as low loss and high efficiency, as well as high output. Among them, the axial gap motor in which the rotor and the stator are arranged in the axial direction can be reduced in thickness, and is used when the layout of the motor is limited. For example, in an “electric power unit, electric vehicle, and electric motorcycle” (see Patent Document 1), an axial gap motor is used for driving a motorcycle.
この従来の回転電機の回転子は、例えば鋼板を積層した円盤状の回転子コアに複数の永久磁石を埋設して形成されているが、このような構成を有することにより、高回転時、積層した鋼板に発生する鉄損が大きくなるのが避けられず、効率の悪化をもたらすことになるので、高回転での使用が困難であった。また、その発熱により永久磁石が減磁してしまう虞もある。 The rotor of this conventional rotating electrical machine is formed by embedding a plurality of permanent magnets in a disk-shaped rotor core in which steel plates are stacked, for example, and by having such a configuration, it is It is inevitable that the iron loss generated in the steel sheet is increased, and this leads to deterioration in efficiency, so that it is difficult to use at high speed. Moreover, the permanent magnet may be demagnetized by the heat generation.
そこで、テープ状の金属板を巻回して回転子コアを形成した「モータ」が知られている(特許文献2参照)。図6は、従来のモータの回転子を示す構成斜視図である。図6に示すように、この「モータ」は、テープ状の薄い電磁鋼板1を巻回して回転子コア2を形成し、そこに金属製の回転子導体3を嵌め込んで回転子を形成している。このような構造を有することで、回転子における鉄損を大幅に低減することができる。
しかしながら、従来の「モータ」の回転子は、回転子に磁石を持つ同期電動機として適していなかった。即ち、この回転子は、誘導電動機用であって磁石を備えることは想定しておらず、同期電動機に適用しようとしても、溝4は磁石の保持に適した形状ではないため、同期電動機に適用することができなかった。
この発明の目的は、回転子における鉄損を大幅に低減することができると共に、磁石の保持に適した回転子コアを有し同期電動機に適用することができる回転電機を提供することである。
However, the conventional "motor" rotor is not suitable as a synchronous motor having a magnet in the rotor. That is, this rotor is for an induction motor and is not assumed to have a magnet, and even if it is applied to a synchronous motor, the groove 4 is not in a shape suitable for holding a magnet, so it is applied to a synchronous motor. I couldn't.
An object of the present invention is to provide a rotating electrical machine that can significantly reduce iron loss in a rotor and that can be applied to a synchronous motor having a rotor core suitable for holding a magnet.
上記目的を達成するため、この発明に係る回転電機は、盤面中心を回転軸が貫通する円盤状の回転子コアに磁石を装着した回転子と、固定子コアの固定子ティース部に固定子巻線を巻回した固定子とを有し、前記回転子が前記固定子との間にエアギャップをもって回転可能に保持された回転電機において、テープ状の強磁性体を巻回することにより、前記強磁性体の重畳面に、重畳体内部に前記磁石を格納するための磁石挿入口が複数開口する前記回転子コアを形成している。 In order to achieve the above object, a rotating electrical machine according to the present invention includes a rotor in which a magnet is mounted on a disk-shaped rotor core whose rotation axis passes through the center of the disk surface, and a stator winding around a stator tooth portion of the stator core. In a rotating electrical machine having a stator wound with a wire, and the rotor being rotatably held with an air gap between the stator, by winding a tape-shaped ferromagnetic material, The rotor core having a plurality of magnet insertion openings for storing the magnet inside the superposed body is formed on the superposed surface of the ferromagnetic body.
この発明によれば、テープ状の強磁性体を巻回して回転子コアを形成し、その回転子コアには、巻回した強磁性体の重畳面に、重畳体内部に磁石を格納するための磁石挿入口が複数開口しているので、回転子における鉄損を大幅に低減することができると共に、磁石の保持に適した回転子コアを有し同期電動機に適用することができる。 According to the present invention, a rotor core is formed by winding a tape-shaped ferromagnetic material, and a magnet is stored in the rotor core on the overlapping surface of the wound ferromagnetic material. Since a plurality of the magnet insertion openings are opened, the iron loss in the rotor can be greatly reduced, and the rotor core suitable for holding the magnet can be applied to the synchronous motor.
以下、この発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。
(第1実施の形態)
図1は、この発明の第1実施の形態に係る回転電機の軸方向断面による概略説明図である。図1に示すように、回転電機10は、回転子11、固定子12、及びケース13を有しており、回転子11と固定子12の各対向面が、回転軸14の中心軸線方向に対し直交配置されたアキシャルギャップ型構造を有している。
The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic explanatory diagram of an axial section of the rotating electrical machine according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the rotating
回転子11は、円盤状の回転子コア15と、回転子コア15に装着された複数の永久磁石16を有しており、回転子コア15の盤面中心を回転軸14が貫通している。固定子12は、強磁性体、例えば圧粉コアからなる固定子コア17と、各固定子コア17に巻き付けられた固定子巻線18を有している。固定子コア17は、円環状円盤からなるバックコア部17aと、バックコア部17aの表面に略等間隔互いに離間して突設された複数の固定子ティース部17bからなり、固定子ティース部17bに、絶縁体及び絶縁紙(図示しない)を介して固定子巻線18が巻回されている。
The
ケース13は、円筒状の外周ケース13aと、外周ケース13aの両端開口を塞ぐ一対のサイドケース13b,13bを有しており、外周ケース13aと各サイドケース13bは、例えば、ボルトとナットを用いて締め付け固定されている。一方のサイドケース13bの外側には、回転軸14の回転状態を検出する回転センサ19が装着されている。
The
回転軸14は、回転子コア15の端面と固定子ティース部17bの端面との対向面間にエアギャップ(隙間)aを有するように、回転子11を固定子12に対向配置して、両サイドケース13b、13bに、ベアリング20を介して回転自在に保持されている。この回転軸14を介して回転子11の回転が外部に伝えられる。
The rotating
図2は、図1の回転子コアの形成手順を示し、(a)は電磁鋼板を巻回した状態の斜視図、(b)は磁石装着後の封止状態の斜視図である。図2に示すように、回転子コア15を形成する場合、先ず、薄板の強磁性体、例えば、テープ状の電磁鋼板21を巻回して重畳させ、テープ面である外周面に開口し盤体内部に永久磁石16を埋設状態に格納する穴22を複数個有する、肉厚の円盤体を形成する(a)参照)。
2A and 2B show a procedure for forming the rotor core of FIG. 1, in which FIG. 2A is a perspective view of a state in which a magnetic steel sheet is wound, and FIG. 2B is a perspective view of a sealed state after mounting a magnet. As shown in FIG. 2, when the
電磁鋼板21には、テープ面に、穴22の開口形状に相当する開口部21aが複数個形成されている。各開口部21aは、電磁鋼板21を巻回した際に、開口部21aの位置が一致して外周面側から内周面側に連通する穴22を形成するように、且つ、この穴22が複数個、それぞれ周方向に略等間隔離間して形成されるように、配置されている。各穴22には、回転子コア15の外周面から、磁石挿入口である開口部21aから挿入された各永久磁石16が埋め込まれて格納される。各穴22に格納された複数の永久磁石16は、それぞれ周方向に沿って略等間隔互いに離間すると共に、隣り合う同士の磁極が互いに異なって配置される。
A plurality of
各永久磁石16を穴22に埋め込んだ後、更に、テープ状の電磁鋼板21の重畳面を覆うようにテープ状の電磁鋼板23を巻き付けて、永久磁石16を埋め込んだ穴22の開口部21aを封止する。電磁鋼板23は、開口部21aを形成していない電磁鋼板21からなり、巻き付けた電磁鋼板23の端部23aは、例えば溶接により或いは接着剤を用いて接合する((b)参照)。この電磁鋼板23を回転子コア15の最外周に装着し穴22を封止することにより、回転子11の回転時、永久磁石16が穴22から飛び出すのを防ぐことができる。
After each
上述したように回転子11と固定子12を配置することにより、回転子11は、固定子12から与えられる回転磁束に対し永久磁石16が発生させる反力によって、回転軸14を中心に回転する。ここで、回転子11と固定子12の間にはエアギャップaが存在しており、両者が互いに接触することはない。
By arranging the
このように、回転電機10は、薄板の強磁性体、例えばテープ状の電磁鋼板21を巻回することにより、強磁性体の重畳面に、重畳体内部に永久磁石を格納するための挿入口が複数開口する回転子コア15を形成しているので、回転子コア15において生じる鉄損を大幅に低減することができ、また、従来の「モータ」の回転子コアに設けられた溝に比べ、より簡易に張力を向上させて巻回することが可能である。この結果、磁石の保持に適した回転子コアを有する磁石式アキシャルギャップモータの回転子を、容易に製作することができ、また、回転子コアの密度を高めて出力・トルクをより増大させることができる。
In this way, the rotating
(第2実施の形態)
図3は、この発明の第2実施の形態に係る回転子の軸方向断面を周方向に展開した概略説明図である。図3に示すように、回転子30は、穴22に代えて溝31を形成した回転子コア32を有し、この溝31に永久磁石33を装着している。その他の構成及び作用は、回転電機10と同様である。
(Second Embodiment)
FIG. 3 is a schematic explanatory diagram in which an axial section of a rotor according to a second embodiment of the present invention is developed in the circumferential direction. As shown in FIG. 3, the
溝31は、回転子コア32のエアギャップaに対向する面に開口すると共に、その開口幅が底面幅より狭く形成されており、回転子コア32の外周面に開けられた挿入口から挿入した永久磁石33を埋設状態に格納することができる。永久磁石33は、溝31に格納することができるように、溝31の内部形状に合わせた略台形状の縦断面形状を有している。この溝31は、回転子コア32の盤体外周縁から盤体中心に向かう放射状に、且つ、周方向に互いに略等間隔離間して、複数個が配置されている。溝31に格納された永久磁石33は、隣接同士で方向が互いに逆向きになるように着磁される(図中、矢印参照)。
The
溝31を形成する場合、穴22を形成した開口部21a(図2(a)参照)を、テープの一方の側縁を切り欠いた状態に形成する。これにより、電磁鋼板21を巻回した際に、開口部21aの位置が一致して同一位置に重なり、回転子コア32のエアギャップaに対向する面に開口する溝31が形成される。
When the
このように、エアギャップa側に向けた盤体表面に開口部を有する溝31を形成して、この溝31に永久磁石33を埋設したことにより、永久磁石33の表面を固定子12に近づけることができるので、永久磁石33間の磁束の漏れを防止し、出力・トルクをより増大させることができる。加えて、溝31のエアギャップa側に向けた盤体表面の開口部を底面幅より狭くしたので、上記効果を得つつ、回転子30の回転時に溝31に格納された永久磁石33の固定子12側への飛び出しを防止することができる。
As described above, the
(第3実施の形態)
図4は、この発明の第3実施の形態に係る回転子の軸方向断面による概略説明図である。図4に示すように、回転子35は、回転子コア36の外周面に、円環状の枠体37を装着している。その他の構成及び作用は、回転電機10と同様である。
(Third embodiment)
FIG. 4 is a schematic explanatory view of an axial section of a rotor according to a third embodiment of the present invention. As shown in FIG. 4, the
円環状の枠体37は、回転子コア36を形成する電磁鋼板とは別の部材、例えば、断面外形が円形や矩形の管体を円環状に連結して枠状にし、回転子コア36の外周面に装着した際、外周面に圧着するように形成される。枠体37を装着した回転子コア36は、外形形状及び外径が回転子コア15と略同じになる。このように、回転子コア36の外周面に圧着する円環状の枠体37を有することにより、回転子35の強度を向上させると共に高回転化が可能になる。
The
また、枠体37を非磁性体により形成することで、回転子コア36外周部への磁束の漏れを防止することができるので、出力・トルクをより増大させることが可能となる。更に、枠体37を永久磁石16又は回転子コア36よりも軽量な部材により形成することで、遠心力及びイナーシャを低減することができるので、強度をより向上させると共に、より高回転化・高応答化が可能になる。
In addition, since the
(第4実施の形態)
図5は、この発明の第4実施の形態に係る回転子の軸方向断面を周方向に展開した概略説明図である。図5に示すように、回転子40は、回転子コア41に一極当り複数個の永久磁石42を装着して形成している。その他の構成及び作用は、回転電機10と同様である。
(Fourth embodiment)
FIG. 5 is a schematic explanatory diagram in which an axial section of a rotor according to a fourth embodiment of the present invention is developed in the circumferential direction. As shown in FIG. 5, the
回転子コア41は、2個の永久磁石42,42を埋設状態に格納する2個一組の穴43a,43bを有している。2個一組の穴43a,43bは、格納された2個一組の内の各永久磁石42の着磁方向(図中、矢印参照)が回転子コア41の盤面上方、即ち、固定子12側で交差するように、互いに傾斜するV字状に配置されている。つまり、回転子コア41は、この2個一組の穴43a,43bを穴22に代えて複数組設けた他は、回転子コア15と同様の構成を有している。なお、一極当りの永久磁石42の個数は、2個に限るものではなく、3個或いは4個以上でも良く、これら複数の永久磁石42は、上述したように着磁方向を傾けたV字形状に配置する。
The
このように、回転子コア41に一極当り複数個一組の永久磁石42を装着することで、リラクタンストルクによる出力・トルクをより増大させることができ、また、使用する永久磁石42の小型化及び応力の分散化により、回転子40の強度を向上させると共に高回転化が可能になる。
In this way, by attaching a plurality of sets of
上述したように、この発明によれば、薄板の強磁性体を巻回して回転子コアを形成し、回転子コアに永久磁石を格納する穴或いは溝を設けたことにより、簡易に磁石式アキシャルギャップモータの回転子(ロータ)を製作することが可能になり、また、回転子コアの鉄損を低減することができ、更に、より張力をかけて巻回することで回転子コアの密度が向上するので、出力・トルクをより増大させることが可能である。これにより、回転子における鉄損を大幅に低減することができると共に、磁石の保持に適した回転子コアを有し同期電動機に適用することができる。 As described above, according to the present invention, a rotor core is formed by winding a thin ferromagnetic material, and a hole or groove for storing a permanent magnet is provided in the rotor core, so that a magnet-type axial is easily provided. It becomes possible to manufacture a rotor (rotor) of a gap motor, and iron loss of the rotor core can be reduced, and further, the density of the rotor core can be reduced by winding with more tension. Since it improves, it is possible to increase output and torque more. Thereby, the iron loss in the rotor can be significantly reduced, and the rotor core suitable for holding the magnet can be applied to the synchronous motor.
なお、上記実施の形態において説明した回転電機は、電動機或いは発電機の何れでも良い。また、強磁性体としては、電磁鋼板または一般鋼板に限るものではなく、アモルファス薄板でも良い。また、極数も、特定の数に限定されるものでもない。また、回転子及び固定子の数も、それぞれ1つに限らず、例えば回転子が2つで固定子が1つ、回転子が1つで固定子が2つ、或いは回転子が2つで固定子が2つ等、各々が1個或いは複数個の様々な数の組合せでも良い。 The rotating electrical machine described in the above embodiment may be either an electric motor or a generator. The ferromagnetic material is not limited to an electromagnetic steel plate or a general steel plate, and may be an amorphous thin plate. Further, the number of poles is not limited to a specific number. Also, the number of rotors and stators is not limited to one each, for example, two rotors and one stator, one rotor and two stators, or two rotors. Various combinations such as two stators each having one or a plurality of stators may be used.
10 回転電機
11,30,35,40 回転子
12 固定子
13 ケース
13a 外周ケース
13b サイドケース
14 回転軸
15,32,41 回転子コア
16,33,42 永久磁石
17 固定子コア
17a バックコア部
17b 固定子ティース部
18 固定子巻線
19 回転センサ
20 ベアリング
21,23 電磁鋼板
21a 開口部
22,43a,43b 穴
23a 端部
31 溝
37 枠体
a エアギャップ
DESCRIPTION OF
Claims (8)
テープ状の強磁性体を巻回することにより、前記強磁性体の重畳面に、重畳体内部に前記磁石を格納するための磁石挿入口が複数開口する前記回転子コアを形成した回転電機。 A rotor in which a magnet is mounted on a disk-shaped rotor core having a rotation axis passing through the center of the disk surface, and a stator in which a stator winding is wound around a stator tooth portion of the stator core, and the rotor In a rotating electrical machine that is rotatably held with an air gap between the stator and the stator,
A rotating electrical machine in which the rotor core is formed by winding a plurality of magnet insertion openings for storing the magnet inside the superposed body on the superposed surface of the ferromagnetic body by winding a tape-shaped ferromagnetic body.
前記磁石挿入口から挿入した前記磁石を埋設状態に格納する穴を複数有する請求項1に記載の回転電機。 The rotor core is
The rotating electrical machine according to claim 1, wherein the rotating electrical machine has a plurality of holes for storing the magnet inserted from the magnet insertion port in an embedded state.
前記エアギャップに対向する面に開口すると共に開口幅が底面幅より狭い、前記磁石挿入口から挿入した前記磁石を埋設状態に格納する溝を複数有する請求項1に記載の回転電機。 The rotor core is
2. The rotating electrical machine according to claim 1, wherein the rotating electrical machine has a plurality of grooves that are opened in a surface facing the air gap and have an opening width narrower than a bottom surface width and store the magnet inserted from the magnet insertion port in an embedded state.
テープ面に所定間隔で配置され巻回時に同一位置に重なる開口部を有する請求項2または3に記載の回転電機。 The tape-shaped ferromagnetic material is
The rotating electrical machine according to claim 2, wherein the rotating electrical machine has openings that are arranged at predetermined intervals on the tape surface and overlap at the same position when wound.
前記強磁性体の重畳面を覆って前記磁石挿入口を封止するテープ状の強磁性体を有する請求項1〜4のいずれか一項に記載の回転電機。 The rotor core is
5. The rotating electrical machine according to claim 1, further comprising a tape-shaped ferromagnetic body that covers the overlapping surface of the ferromagnetic body and seals the magnet insertion port.
前記回転子コアの外周面に圧着する円環状の枠体を有する請求項1〜5のいずれか一項に記載の回転電機。 The rotor is
The rotating electrical machine according to any one of claims 1 to 5, further comprising an annular frame that is pressure-bonded to an outer peripheral surface of the rotor core.
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