JP2006254561A

JP2006254561A - 回転電機

Info

Publication number: JP2006254561A
Application number: JP2005065473A
Authority: JP
Inventors: Yutaro Kaneko; 雄太郎金子
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2005-03-09
Filing date: 2005-03-09
Publication date: 2006-09-21

Abstract

【課題】ティース部における形状の自由度を高めると共に、ティース部先端の突起部の磁束を効率良くティース部に伝えることができる固定子を備えた回転電機を提供する。
【解決手段】盤面中心を回転軸が貫通する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、回転子が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、固定子ティース部１９を、電磁鋼板からなるティース部内部１９ａと、ティース部内部１９ａを覆って層状に形成された磁性粉末からなるティース部外部１９ｂにより構成した。固定子ティース部１９は、エアギャップａ側の端面が拡径された先端突起部ｂを有する。ティース部内部１９ａのエアギャップａ側の端面を段差面により形成した。
【選択図】図１

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。

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。この回転電機に備えられる固定子のコアは、電磁鋼板を積層して形成されているが、固定子の端部においてストレスなく巻線を巻回するために、コアと巻線の間の絶縁体の厚さを充分に厚くすると共に、コアの角部に丸み（Ｒ）を付けている。

ところで、コア（磁極コア）に装着される巻線（励磁用コイル）の周辺部材の絶縁材料は、熱伝導性が悪い上に励磁用コイルから発生する熱に伴う絶縁性能の劣化・焼損等の可能性があるため、使用時の励磁用コイルの内部温度上昇は低く抑えなければならず、小型化の妨げとなっていた。そこで、高耐熱回転電機（特許文献１参照）では、従来、絶縁体により構成されていた部位を熱伝達率の良い磁性粉末により構成することで、回転電機の放熱性能を高めている。加えて、ティース部の磁性体の断面積が増加するため、出力も向上する。

図８は、従来の高耐熱回転電機の複合コアを示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。図８に示すように、磁路形成用積層コア1は、各磁極毎に分割され、隣接するコアとの嵌合のために形成した凸部１ａ及び凹溝１ｂと、フレーム（図示せず）に固定するための凹溝１ｃを形成している。磁極形成用積層コア２は、回転子（図示せず）に対向する磁極面２ａを形成している。連結部３は、積層コアより成り、磁路形成用積層コア１及び磁極形成用積層コア２の一部と一体的に形成されている。圧粉磁芯４は、粒子表面が絶縁処理された鉄粉をプレスで粉末成型される。なお、この高耐熱回転電機は、径方向に固定子と回転子が配設されたラジアルギャップモータである。
特開２００１−１５７３９０号公報

しかしながら、図８に示す、従来の高耐熱回転電機（特許文献１参照）では、ティース部の巻線部位にのみ磁性粉末が配設されているため、ティース部における形状の自由度が少なかった。また、ティース部先端の突起部の磁束を効率良くティース部に伝えられなかった。
この発明の目的は、ティース部における形状の自由度を高めると共に、ティース部先端の突起部の磁束を効率良くティース部に伝えることができる固定子を備えた回転電機を提供することである。

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、前記固定子ティース部を、電磁鋼板からなるティース部内部と、前記ティース部内部を覆って層状に形成された磁性粉末からなるティース部外部により構成している。

この発明によれば、盤面中心を回転軸が貫通する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、回転子が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は、固定子ティース部が、ティース部内部とティース部外部により構成され、ティース部内部は電磁鋼板からなり、ティース部外部は磁性粉末からなる。このため、ティース部における形状の自由度を高めると共に、ティース部先端の突起部の磁束を効率良くティース部に伝えることができる。

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回転軸方向断面による概略説明図であり、図２は、図１の固定子の回転子側端面を示す平面説明図である。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。

回転子１１は、盤面中心を回転軸１４が貫通する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、固定子１２は、強磁性体、例えば、電磁鋼板及び圧粉コアからなる固定子コア１７を有している。固定子コア１７は、円環状盤体からなるバックコア部１８と、バックコア部１８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１９により形成されている。

各固定子ティース部１９は、電磁鋼板を積層したティース部内部１９ａと、ティース部内部１９ａを覆って層状に形成した磁性粉末からなるティース部外部１９ｂを有している。この各固定子ティース部１９には、絶縁体２０を介して固定子巻線２１が巻回されている。
なお、バックコア部１８は、その外径が、ティース部外部１９ｂの外表面と略一致する（図１参照）大きさでも良いし、固定子巻線２１の外表面と略一致する（図２参照）大きさでも良い。

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、両ケース１３ａ，１３ｂに設けられた、例えば、フランジ状取付け部を介してボルト２２ａとナット２２ｂにより締め付け固定されている（図１参照）。また、一方のサイドケース１３ｂの外側面には、回転軸１４の回転状態を検出する回転センサ２３が装着されている。

これら両サイドケース１３ｂ、１３ｂに、ベアリング２４を介して、回転軸１４が回転自在に保持されており、この回転軸１４を中心に、固定子１２から与えられる回転磁束に対し永久磁石１５が発生させる反力によって、回転子１１が回転する。永久磁石１５は、隣接する永久磁石１５の磁極が互いに異なるように、配置されている。回転子１１と固定子１２の間にはエアギャップ（隙間）ａが存在しており（図１参照）、両者が互いに接触することはない。

図３は、図１の固定子巻線が巻回された固定子ティース部を示し、（ａ）は周方向から見た断面説明図、（ｂ）は半径方向から見た断面説明図である。図３（ａ），（ｂ）に示すように、固定子巻線２１が巻回された固定子ティース部１９は、電磁鋼板を積層して形成されたティース部内部１９ａが、バックコア部１８に埋設状態に装着されると共に、磁性粉末からなるティース部外部１９ｂが、一部、バックコア部１８に入り込んでティース部内部１９ａの全域を覆っている。

ティース部内部１９ａは、固定子１２の周方向（図２、矢印ｃ参照）から見て長方形（（ａ）参照）となり、固定子１２の径（半径）方向（図２、矢印ｒ参照）から見て、エアギャップａ側端面をバックコア部１８に沿って両側に突出させた略長方形（（ｂ）参照）となるように、形成されている。このティース部内部１９ａを覆うティース部外部１９ｂは、エアギャップａ側端面をバックコア部１８と直交する方向に突出させて形成されている。

従って、電磁鋼板を積層したティース部内部１９ａと、これを覆う磁性粉末からなるティース部外部１９ｂにより、固定子ティース部１９のエアギャップａ側先端面に、先端面を拡径した外向きフランジ（鍔）状の先端突起部ｂが形成される。つまり、ティース部内部１９ａは、先端突起部ｂに対応して先端突起部ｂに配置される内部突起を有しており、固定子ティース部１９の巻線部分に加え先端にまで、熱伝達率の良い磁性粉末の層を形成することにより、固定子ティース部１９の放熱性能を高めることができると共に、ティース部における形状の自由度が大きくなる。

このように、回転電機１０は、固定子ティース部１９の外部を磁性粉末、内部を電磁鋼板によって構成し、且つ、ティース先端を磁性粉末の層としている。即ち、固定子ティース部１９の電磁鋼板部位を磁性粉末により覆ったことで、固定子ティース部１９の外形形状を任意の形状とすることが可能となり、ティース部断面積を増やすことができるので、出力・トルクの増加が可能である。また、固定子ティース部１９は、内部の電磁鋼板を覆う磁性粉末により、先端面及び先端突起部ｂが形成されているので、先端面及び先端突起部ｂからの磁束を効率よくティース内部に導くことができ、出力・トルクの増加が可能である。

また、固定子ティース部１９の電磁鋼板が先端突起部ｂまで入り込んでいる（図４参照）ので、固定子１２の先端突起部ｂの強度を向上させることができる。また、固定子ティース部１９を、固定子ティース部の電磁鋼板と固定子バックコア部１８の電磁鋼板で保持することができるため、固定子１２全体の強度を向上させることができる。

（第２実施の形態）
図４は、この発明の第２実施の形態に係る回転電機の図３（ａ）と同様の断面説明図である。図４に示すように、固定子１２の周方向（図２、矢印ｃ参照）から見て、固定子巻線２１が巻回された固定子ティース部２５は、ティース部内部２５ａを形成する電磁鋼板のエアギャップａ側先端面が、例えば、周辺部より中央部が一段高くなる（図参照）ように、一段或いは複数段の階段状に形成されている。

このティース部内部２５ａを、一段高くなった中央部を除いて、磁性粉末からなるティース部外部２５ｂが層状に覆っており、固定子ティース部２５のエアギャップａ側端面は面一に形成されると共に、ティース部内部２５ａの電磁鋼板の中央部は、エアギャップａに露出することとなる。その他の構成及び作用は、第１実施の形態の固定子ティース部１９と同様である。
つまり、固定子ティース部１９内部の電磁鋼板を、回転軸１４の軸方向長さが異なる組み合わせにして、ティース先端部に段差を有するようにしたので、エアギャップａからの磁束と先端突起部ｂからの磁束をより効率良くティース内部に導くことができ、出力・トルクの増加が可能である。

（第３実施の形態）
図５は、この発明の第３実施の形態に係る回転電機の図３（ｂ）と同様の断面説明図である。図５に示すように、固定子１２の径方向（図２、矢印ｒ参照）から見て、固定子巻線２１が巻回された固定子ティース部３０は、ティース部内部３０ａを形成する電磁鋼板のエアギャップａ側先端面が、エアギャップａに対し凹凸を有する曲線状波型に形成されている。このティース部内部３０ａを、磁性粉末からなるティース部外部３０ｂが層状に覆っている。その他の構成及び作用は、第１実施の形態の固定子ティース部１９と同様である。

つまり、固定子ティース部３０内部の電磁鋼板の先端形状を凹凸を持った形状とすることで、磁束の波形を変化させ、実際のエアギャップａ面に凹凸を付けなくとも、出力・トルクを減少させることなくコギングトルクを低減することができる。

（第４実施の形態）
図６は、この発明の第４実施の形態に係る回転電機の図３（ｂ）と同様の断面説明図である。図６に示すように、固定子１２の径方向（図２、矢印ｒ参照）から見て、固定子巻線２１が巻回された固定子ティース部３５は、ティース部内部３５ａを形成する電磁鋼板の回転軸１４の中心軸方向に沿う側面が、中心軸方向と直交する方向に凹凸を有する直線状波型に形成されている。このティース部内部３５ａを、磁性粉末からなるティース部外部３５ｂが層状に覆っている。その他の構成及び作用は、第１実施の形態の固定子ティース部１９と同様である。

つまり、固定子ティース部３５内部の電磁鋼板の側面を凹凸形状とすることで、電磁鋼板と磁性粉末の接続をより密に、且つ、強固にすることができ、固定子ティース部３５と共に固定子１２全体の強度を向上させることができる。

（第５実施の形態）
図７は、この発明の第５実施の形態に係る回転電機を示し、（ａ）は図３（ｂ）と同様の断面説明図、（ｂ）は図４と同様の断面説明図である。図７に示すように、固定子ティース部４０が装着される固定子バックコア部１８とティース部外部４０ｂが、磁性粉末からなる接続部１８ａにより接続されており、その磁性粉末の横幅がティース部外部４０ｂの厚みより広くなっている。

即ち、ティース部外部４０ｂの固定子バックコア部１８に入り込んだ部分の固定子１２周方向（図２、矢印ｃ参照）長さが、ティース部外部４０ｂ厚みより長くなっており、その結果、固定子ティース部４０外表面の磁性粉末より、固定子ティース部４０と固定子バックコア部１８の接続部１８ａの磁性粉末の方が厚くなっている。

これにより、固定子ティース部４０から固定子バックコア部１８へ磁束をより効率良く流すことができ、出力・トルクの増加が可能である。また、アキシャルギャップ型のモータにおいて、固定子ティース部４０と固定子バックコア部１８の接続部１８ａに発生するうず電流損を低減することができ、効率の向上が可能である。

なお、ティース部外部４０ｂと固定子バックコア部１８の接続部１８ａの磁性粉末は、固定子バックコア部１８側に位置する場合に限らず、ティース部外部４０ｂ、即ち、固定子ティース部４０側に位置しても良い。この際、固定子バックコア部１８に入り込んだ部分が、固定子ティース部４０外表面より厚くなっていれば良い。また、固定子ティース部４０は、ティース部内部４０ａの電磁鋼板が階段状に形成されている構成を有するもの（図４参照）について説明したが、電磁鋼板が階段状に形成されていない構成のもの（例えば、図３参照）に付いても同様に適用することができる。

このように、この発明によれば、盤面中心を回転軸が貫通する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、回転子が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は、固定子ティース部が、ティース部内部とティース部外部により構成され、ティース部内部は電磁鋼板からなり、ティース部外部は磁性粉末からなるので、ティース部における形状の自由度を高めると共に、ティース部先端の突起部の磁束を効率良くティース部に伝えることができる。

なお、上記実施の形態において、回転電機は、電動機或いは発電機の何れでも良く、極数についても、制限は無く任意の数で良く、アキシャルギャップ型に限らず、ラジアルギャップ型にも適用することができる。また、回転子が１つ固定子が１つの場合について説明しているが、これに限るものではなく、回転子が２つ固定子が１つ、回転子が１つ固定子が２つ、或いは回転子が２つ固定子が２つ等、組み合わせる回転子と固定子の数に制限はない。

この発明の第１実施の形態に係る回転電機の回転軸方向断面による概略説明図である。図１の固定子の回転子側端面を示す平面説明図である。図１の固定子巻線が巻回された固定子ティース部を示し、（ａ）は周方向から見た断面説明図、（ｂ）は半径方向から見た断面説明図である。この発明の第２実施の形態に係る回転電機の図３（ａ）と同様の断面説明図である。この発明の第３実施の形態に係る回転電機の図３（ｂ）と同様の断面説明図である。この発明の第４実施の形態に係る回転電機の図３（ｂ）と同様の断面説明図である。この発明の第５実施の形態に係る回転電機を示し、（ａ）は図３（ｂ）と同様の断面説明図、（ｂ）は図４と同様の断面説明図である。従来の高耐熱回転電機の複合コアを示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。

符号の説明

１０回転電機
１１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回転子コア
１６永久磁石
１７固定子コア
１８バックコア部
１８ａ接続部
１９，２５，３０，３５，４０固定子ティース部
１９ａ，２５ａ，３０ａ，３５ａ，４０ａティース部内部
１９ｂ，２５ｂ，３０ｂ，３５ｂ，４０ｂティース部外部
２０絶縁体
２１固定子巻線
２２ａボルト
２２ｂナット
２３回転センサ
２４ベアリング
ａエアギャップ

Claims

盤面中心を回転軸が貫通する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、
前記固定子ティース部を、電磁鋼板からなるティース部内部と、前記ティース部内部を覆って層状に形成された磁性粉末からなるティース部外部により構成した回転電機。
前記固定子ティース部は、前記エアギャップ側の端面が拡径された先端突起部を有する請求項１に記載の回転電機
前記ティース部内部の前記エアギャップ側の端面を段差面により形成した請求項１または２に記載の回転電機。
前記ティース部内部を、前記回転軸の軸方向長さが異なった前記電磁鋼板を組み合わせて形成した請求項３に記載の回転電機。
前記ティース部内部は、前記エアギャップ側の端面の一部が前記ティース部外部から露出している請求項３または４に記載の回転電機。
前記ティース部内部は、前記エアギャップ側端面が凹凸形状を有する請求項１〜５のいずれか一項に記載の回転電機。
前記ティース部内部は、前記回転軸の軸方向に沿う外周面が凹凸形状を有する請求項１〜６のいずれか一項に記載の回転電機。
前記ティース部内部は、前記先端突起部に対応して前記先端突起部に配置される内部突起を有する請求項２〜７のいずれか一項に記載の回転電機。
前記固定子ティース部が装着される固定子バックコア部と前記ティース部外部が、磁性粉末からなる接続部により接続されている請求項１〜８のいずれか一項に記載の回転電機。
前記接続部は、固定子周方向長さが前記ティース部外部の厚みより長い請求項９に記載の回転電機。