JP2007043897A

JP2007043897A - 突極電気機械

Info

Publication number: JP2007043897A
Application number: JP2006207430A
Authority: JP
Inventors: Shinichiro Iwasaki; 新一郎岩崎; Pranay Deodhar Rajesh; ラジェッシュプラナイデアダ
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2005-08-03
Filing date: 2006-07-31
Publication date: 2007-02-15
Also published as: US20070029890A1; GB2428903A; GB0515983D0; GB2428903B

Abstract

【課題】導電性のハウジングを備える突極電気機械において、エネルギーの損失を低く抑えること。
【解決手段】電動機Ｍが、ステータ５が、複数のスロット５０と、スロット５０を通って径方向に延びると共に周方向に着磁された永久磁石９と、永久磁石９の周りに巻かれた巻き線４０とを備え、ハウジング１０は、永久磁石９に近接する近接部分１０ａと、２つの永久磁石９の間に位置する中間部分１０ｂとを備え、ハウジング１０の近接部分１０ａにおける材料が中間部分１０ｂにおける材料よりも少ない構成としたこと。
【選択図】図３

Description

本発明は、突極電気機械に関する。この発明は、電動機や発電機に適用され得るものである。また本発明は、説明上、電動機に関して論ずるが、電動機に限定されるものではない。

突極電動機として、ステータを取り巻くハウジングが備えられて、そのハウジング内に突極電動機の電機子が収容される構成は公知のものとなっている。また、そのハウジングの材質として、例えば、ナイロンやアルミ等の非磁性体が用いられる構成も公知のものとなっている。ハウジングは、ステータを保護または補強するものである。

突極電動機の一例としての３相突極電動機が下記の非特許文献１に開示されている。この一例としての３相突極電動機にハウジング10‘を組み合わせた場合を図１および図２に示す。

図１および図２を参照すると、当該電動機は３相電動機であり、突極ロータ１は１０個の突極３を備え、ステータ５は１２のスロット（溝）を備える。ステータ５は電機子を備え、電機子内を、径方向に通過して延びる永久磁石９を備える。永久磁石９は、矢印１１で示す様に、周方向に着磁されている。電機子の巻き線（図示なし）は、スロットの位置を占めている。図１に示す様に、隣り合う永久磁石は逆極性に着磁されている。また、電機子の巻き線は３相の関係になるように結線されている。

かかる電動機においては、エネルギーの損失を低く抑えることが望まれる。
Emmanual HOANG、Abdel Hamid BEN AHMED、Jean LUCIDARME、「Switching flux permanent magnet polyphased synchronous machines」、 EPE '97 conference proceedings, pages 3.903-3.908, 1997

本発明の解決しようとする課題は、導電性のハウジングを備える突極電気機械において、エネルギーの損失を低く抑えることである。

上記課題を解決するために本発明において講じた技術的手段は、請求項１に記載のように、突極電気機械が、突極受動ロータと、ステータと、該ステータを取り巻くと共に導電性材料からなるハウジングとを備え、前記ステータは、複数のスロットと、該スロットを通って径方向に延びると共に周方向に着磁された永久磁石と、該永久磁石の周りに巻かれた巻き線とを備え、前記ハウジングは、前記永久磁石に近接する近接部分と、一の前記永久磁石と他の前記永久磁石との間に位置する中間部分とを備え、前記ハウジングの前記近接部分における材料が前記中間部分における材料よりも少ない構成としたことである。

好ましくは、請求項２に記載のように、前記ハウジングは、前記近接部分に開口部を備える構成とすると良い。

好ましくは、請求項３に記載のように、前記ハウジングは、前記近接部分に、前記ロータの回転軸と並行に延びる穴を備える構成とすると良い。

好ましくは、請求項４に記載のように、前記開口部は、前記径方向に開口する構成とすると良い。

本発明によれば、ハウジングの永久磁石に近接する近接部分の導電性材料が、２つの永久磁石の間に位置する中間部分の導電性材料よりも少ない構成となっている。

本発明で問題とするエネルギーの損失は、導電性材料のハウジング内の渦電流によるものであり、渦電流は、永久磁石の径方向の外側に近接するハウジングの領域に誘起するものである。

本発明では、近接部分の導電性材料が少ないため、渦電流が少ないものとなり、エネルギーの損失を低く抑えることができる。

図３から図５に本発明の第１の実施の形態に基づく電動機Ｍ（突極電気機械）を示す。

図３を参照すると、電動機Ｍは、１０個の突極３を備える受動ロータ１と、１２のスロット５０（スロット）を備える円筒形のステータ５と、ステータ５を取り巻くハウジング１０を備えている。受動ロータ１は紙面の鉛直方向を回転軸としてステータ５の内側を回転する。また、電動機Ｍは３相の構成となっている。

ステータ５のスロット５０には、永久磁石９（永久磁石）が備えられている。永久磁石９は、スロット５０を通って、ステータ５の円筒形状を基準として、言い換えると受動ロータ１の回転円を基準として径方向に延びている。また、着磁は矢印１１に示す様に周方向に成されている。永久磁石９の周りには、巻き線４０（巻き線）が巻かれている。なお、基本的な構成は公知のものと同じであるため、上記の非特許文献１を参照されたい。

本発明の特徴の典型的な実施の形態として、ハウジング１０の外観の概略図を図５に示す。

ハウジング１０は、開口する溝２０（開口部）が切られた円筒形のアルミ製の構造体である。溝２０の形状は図に示されるものに限らない。

図３および図４に電動機Ｍのハウジング１０の組合せ状態を示す。図に示されるように、溝２０が、永久磁石９の終端部９ａに位置している。

つまり、ハウジング１０は、永久磁石９の終端部９ａに近接する近接部分１０ａと一つの永久磁石９と隣り合う他の永久磁石９との間に位置する中間部分１０ｂとを備え、近接部分１０ａ（近接部分）に溝２０が形成されることにより近接部分１０ａにおける材料が中間部分１０ｂ（中間部分）における材料よりも少ない構成となっている。

溝２０は、永久磁石９の回転軸方向の大きさよりも大きく形成されている（図４からはその差は明らかではないが）。

また、ステータ５において、永久磁石９の径方向外側に磁束漏れが生じるが、溝２０は、その磁束漏れ部分を覆う大きさに円周方向に広げられている。

図７および図８に第２の実施の形態に基づく電動機Ｍを示す。

図７および図８は、ハウジング１０によって取り囲まれて、永久磁石９が径方向に延びるステータ５の各断面図である（図７は正面断面図、図８は回転軸方向断面図）。

第２の実施の形態は、下記のハウジング１０における特徴の構成を除き、基本的な構成は第１の実施の形態と同様である。図中、第１の実施の形態と共通する構成には、同じ符号を示す。

本実施の形態においては、ハウジング１０の各永久磁石９の終端部９ａに近接する近接部分１０ａに穴８（穴）を備えている。それにより、近接部分１０ａにおける材料が中間部分１０ｂにおける材料よるも少ない構成となっている。

穴８は、受動ロータ１の回転軸と並行に延びる。穴８は、例えば、ハウジング１０にドリル加工することで形成される。

ここで第１および第２の実施の形態の電動機Ｍが作動した場合のエネルギー損失を図６に示す。図６を参照すると、図６の縦軸は、ワットを単位とする出力損失を、横軸はｒｐｍを単位とする受動ロータ１の回転数を示す。曲線ＡＬは、アルミニウムを材質として、永久磁石との近接部分における材質量が、異なる永久磁石の間に位置する中間部分と比較して低減されていないハウジングに収容された電動機の出力損失（対照機）を示す。曲線Ｎは、ナイロンを材質としたハウジングに収容された電動機の出力損失を示す。曲線ＡＬ+Ｈは、アルミニウムを材質として、図７に示されるような穴８が形成されたハウジング１０に収容された電動機Ｍの出力損失を示す（第２の実施の形態）。曲線ＡＬ+Ｓは、アルミニウムを材質として、図４に示されるような溝２０を備えるハウジング１０に収容された電動機Ｍの出力損失を示す。

また、図６に示される電動機は、何れも受動ロータ１が１０個の突極３を備え、ステータ５が１２のスロット５０を備える構成となっている。

図６から分かるように、ハウジングの材料として導電性のアルミニウムを用いた場合には、非導電性材料のナイロンを用いた場合よりも出力損失が大きい（曲線ＡＬと曲線Ｎの比較）。これは、ハウジング内の渦電流によるものである。渦電流は、永久磁石の径方向外側に近接するハウジング部分に誘起する。

渦電流は、受動ロータの回転数、すなわち電動機の作動周波数に依存して増加する。

本発明の実施の形態の電動機Ｍにおいては、アルミニウムを材質としたハウジング１０であっても、永久磁石９に近接する部分のハウジング１０の材質が２つの永久磁石９の間に位置する部分の材質よりも少ないものとなっている。従って、渦電流の誘起が少なく、対照機よりも出力損失が抑えられている。

ここで、ハウジング１０における渦電流の誘起を説明するための磁場解析結果を示す。図１１はステータ５の径方向外側の磁束の様子を示す概略図であり、図１２には、ステータ５から径方向外側に離れた各位置での、受動ロータ１が回転した場合の磁束密度の変化が示されている。なお、これらの位置には、本発明の実施の形態においてハウジング１０が位置する。

図１１と図１２から分かるように、ステータ５の外周からの距離が小さい位置（例えば１ｍｍ）では、受動ロータ１の回転に応じて大きな磁束密度の変化が生じ、この変化がハウジング１０の部分に大きな渦電流を誘起させる。本発明の実施の形態では、上記した様にハウジング１０の、ステータ５つまり永久磁石９に近接する近接部分１０ａにおける材料を少なくして、渦電流の誘起を抑えている。

一方、ステータ５の外周からの距離が大きい位置（例えば１０ｍｍ）では、受動ロータ１の回転に応じた磁束密度の変化は少ないものとなっている。

なお、ハウジングの材質としては、ナイロンを用いるよりも、例えばアルミニウムを用いた方が、強度が高く有利である。

図９に、本発明の第３の実施の形態の電動機Ｍの正面断面図を示す。図９の電動機Ｍは、ステータ５、受動ロータ１、ハウジング１０を備える。受動ロータ１は５個の突極３を備え、ステータ５は６個のスロット５０を備える。また、永久磁石９の周りに巻かれ巻き線４０は、３相の関係になるように結線されている（３相の構成となっている）。

本実施の形態の電動機Ｍは、突極３が５個であり、スロット５０が６個の構成であることから、機械的回転数に対する磁束の変化周波数が低く高速回転可能なタイプのものである。

ハウジング１０は、永久磁石９との近接部分１０ａに溝２０を備える。変形例として第２の実施の形態の穴８を備える構成としても良い。

上記に示した本発明の実施の形態では、ハウジング１０は非磁性体のアルミニウムを材質としていた。しかし、ハウジング１０は磁性体のスティール等を材質としてもよい。スティールは、アルミニウムよりコストが安く、強度が高いという利点がある。

図１０は、上記に説明した電動機Ｍと、ステータを３相で駆動するインバータＩのブロック図である。

上記に示した本発明の実施の形態では、３相で構成されるものとして説明したが、本発明は３相機械に限るものでは無く、いかなる相数にも適用できる。

公知の３相突極電動機の正面断面図。図１の３相突極電動機の軸方向断面図（図１のB−B断面図）。本発明の第１の実施の形態に基づく電動機のステータ、ロータの正面断面図（図４のＡ−Ａ断面図）。図３の電動機の軸方向断面図（図３のB−B断面図）。図３、図４の電動機のハウジングの概略図。本発明の電動機が作動した場合の出力損失を示した図。本発明の第２の実施の形態に基づく電動機の正面断面図（図８のＡ−Ａ断面図）。図７の電動機の軸方向の断面図（図７のＡ−Ａ断面図）。本発明の第３の実施の形態に基づく電動機の正面断面図。本発明に基づく電動機を用いたインバータの組合せブロック図。本発明の電動機の磁束の様子を示す概略図本発明の電動機の磁束密度の変化を示す図

符号の説明

Ｍ電動機（突極電気機械）
１受動ロータ（突極受動ロータ）
５ステータ
８穴
９永久磁石
１０ハウジング
１０ａ近接部分
１０ｂ中間部分
２０溝
４０巻き線
５０スロット

Claims

突極受動ロータと、
ステータと、
該ステータを取り巻くと共に導電性材料からなるハウジングと
を備える突極電気機械であって、
前記ステータは、複数のスロットと、該スロットを通って径方向に延びると共に周方向に着磁された永久磁石と、該永久磁石の周りに巻かれた巻き線とを備え、
前記ハウジングは、前記永久磁石に近接する近接部分と、一の前記永久磁石と他の前記永久磁石との間に位置する中間部分とを備え、
前記ハウジングの前記近接部分における材料が前記中間部分における材料よりも少ないことを特徴とする突極電気機械。
前記ハウジングは、前記近接部分に開口部を備えることを特徴とする請求項１に記載の突極電気機械。
前記ハウジングは、前記近接部分に、前記ロータの回転軸と並行に延びる穴を備えることを特徴とする請求項１に記載の突極電気機械。
前記開口部は、前記径方向に開口することを特徴とする請求項２に記載の突極電気機械。