JP2007124884A - クローポール型回転電機 - Google Patents

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裕治 榎本
Motoya Ito
元哉 伊藤
Ryozo Masaki
良三 正木
Shoji Oiwa
昭二 大岩
Chio Ishihara
千生 石原
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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Abstract

【課題】本発明は、磁性粉の圧縮により形成した爪磁極であっても圧延鋼板製の爪磁極を上回る磁気特性が得られるクローポール型回転電機を提供することにある。
【解決手段】本発明は、環状の環状継鉄部13に配置され軸方向に延在する複数の爪磁極12を設けて第1及び第2の爪鉄心11A,11Bを構成し、前記爪磁極12を互いに噛合わせて固定子鉄心7U,7V,7Wを形成すると共に、前記爪磁極の外周側に環状コイル10,10U,10V,10Wを保持して構成した固定子6を備えたクローポール型回転電機において、前記第1及び第2の爪鉄心を圧粉磁心で成形し、前記爪磁極の半径方向の厚さを2mm以上とすると共に、前記爪磁極の軸方向延在端12Tに軸方向と直行する平坦面を形成し、前記爪磁極の周方向の抜きテーパを10度以下の範囲に形成し、かつ前記爪磁極の軸方向長さと前記環状継鉄部の軸方向厚さの比率を5:1以内に形成したのである。
【選択図】図1

Description

本発明は、爪型の磁極を有するクローポール型回転電機に係る。
一般の回転電機において、巻線の巻装率を上げて磁束の利用率を向上させるために、爪型の磁極を有する固定子鉄心を備えたクローポール型回転電機が注目されてきている。
そして、従来のクローポール型回転電機においては、固定子鉄心の複雑な爪磁極を形成するために、例えば特許文献1に示すように、磁性粉を圧縮(圧粉)成形して爪磁極を形成している。
特開2004−68041号公報
従来の磁性粉を圧縮(圧粉)成形して爪磁極を形成する技術によれば、任意形状の爪磁極の形成が可能となる利点があるが、一般的に、これら磁性粉の圧縮により形成した爪磁極は、冷間圧延鋼板で形成した爪磁極モータに比べて磁気特性が劣る課題がある。
本発明の目的は、磁性粉の圧縮により形成した爪磁極であっても冷間圧延鋼板製の爪磁極を上回る磁気特性が得られるクローポール型回転電機を提供することにある。
本発明は上記目的を達成するために、環状継鉄部と、この環状継鉄部の内径側の円周上に等間隔に配置され軸方向に延在する複数の爪磁極とで第1及び第2の爪鉄心を構成し、これら第1及び第2の爪鉄心の爪磁極を互いに噛合わせることで固定子鉄心を形成し、この固定子鉄心の噛合わせた前記爪磁極の外周側に環状コイルを保持して固定子を構成し、この固定子の内径側に周方向に隙間を介して位置する回転子とを備えたクローポール型回転電機において、前記第1及び第2の爪鉄心を磁性粉を軸方向に圧縮成形して形成すると共に、前記爪磁極の半径方向の厚さを2mm以上とし、前記爪磁極の軸方向延在端に軸方向と直行する平坦面を形成し、前記爪磁極に根元から軸方向延在端にかけて先細りとなる軸方向に対して10度以内の範囲の抜きテーパを形成し、かつ前記爪磁極の軸方向長さと前記環状継鉄部の軸方向厚さの比率を5:1以内に形成したのである。
このように、爪磁極の厚さを2mm以上とすること、爪磁極の軸方向自由端に軸方向と直行する平坦面を形成すること、爪磁極の周方向の幅角度を根元から軸方向自由端にかけて先細りとなる10度以内の範囲に形成すること、爪磁極の軸方向長さと環状継鉄部の軸方向厚さの比率を5:1以内に形成することで、磁性粉を高圧力で圧縮成形することができ、その結果、磁性粉の密度を高めることができるので、磁気特性を冷間圧延鋼板による爪磁極よりも向上させることができるのである。
以上説明したように本発明によれば、磁性粉の圧縮により形成した爪磁極であっても圧延鋼板製の爪磁極を上回る磁気特性が得られるクローポール型回転電機を得ることができる。
以下本発明によるクローポール型回転電機の一実施の形態を図1〜図5に示す24極のクローポール型モータに基づいて説明する。
クローポール型モータ1は、回転軸2に構成した回転子3と、この回転子3に対し周方向の微少隙間Gを介して同心状に設置された固定子6と、この固定子6を支持する固定子枠8と、この固定子枠8の両端側において前記回転軸2を回転自在に支持する軸受9A,
9Bとで構成されている。
前記回転子3は、回転軸2と同心状に形成された回転子鉄心4と、その外周に固定され周方向に複数配置された永久磁石磁極5とで構成され、前記固定子6は、固定子鉄心7U,7V,7Wと、これら固定子鉄心7U,7V,7Wに巻掛けられた環状コイル10とで構成されている。そして固定子鉄心7U,7V,7Wを固定子枠8で支持し、この固定子枠8の両端部に軸受9A,9Bを介して前記回転軸2を回転自在に支持している。
前記固定子鉄心7U,7V,7Wは、第1の爪鉄心11Aと第2の爪鉄心11Bとから構成され、これら第1の爪鉄心11Aと第2の爪鉄心11Bは、夫々前記回転子3と微少隙間Gをもって対向し軸方向に延在する磁極面12Fを有する爪磁極12と、この爪磁極12から外径側に直角に延在する環状継鉄部13と、この環状継鉄部13から前記爪磁極12と同じ方向に延在する外周側継鉄14とで構成されている。これら爪磁極12は、夫々周方向に等間隔で12極形成されている。
そして、これら第1の爪鉄心11Aと第2の爪鉄心11Bとは、磁性粉を成形金型の成型パンチによって圧縮成形して同一形状に形成されており、珪素鋼板を積層して構成するものに比べて複雑な磁極構造を得ることができる。
このように磁性粉を圧縮成形して構成された第1の爪鉄心11Aと第2の爪鉄心11Bとを、互いの爪磁極12の軸方向延在端12Tが向い合うように配置し、かつ軸方向延在端12Tが相手側の軸方向延在端12T間に位置するように噛合わせることで、前記回転子3の周面に沿って前記回転子3と同心の24極の磁極面12Fを複数形成している。同時に、各固定子鉄心7U,7V,7Wの第1の爪鉄心11Aと第2の爪鉄心11Bとの軸方向延在端12Tを互いに噛合わせることで、夫々第1の爪鉄心11Aと第2の爪鉄心
11Bとで各環状コイル10U,10V,10Wを保持し、これによって固定子6を構成している。
このように環状コイル10U,10V,10Wを内蔵した固定子鉄心7U,7V,7Wを軸方向に連ね、周方向に電気角で120度ずらすことで、3相クローポール型モータが構成される。
また、これら3連の固定子鉄心7U,7V,7Wを絶縁樹脂によりモールドすることで、第1の爪鉄心11Aと第2の爪鉄心11B及び環状コイル10U,10V,10Wとが一体になった固定子6を得ることができる。
以上説明したように第1の爪鉄心11Aと第2の爪鉄心11Bを、磁性粉を圧縮成形して構成することで、複雑な、云い代えれば、モータ効率を向上し得る磁極構成を得ることができる。
ところで、磁性粉を圧縮成形して第1の爪鉄心11Aと第2の爪鉄心11Bを形成するに際し、成形金型によって磁性粉を圧縮成形するが、その圧縮成形方向は爪磁極12が延在する軸方向となる。このとき、第1の爪鉄心11Aと第2の爪鉄心11Bを圧縮成形するための成形パンチは、成形パンチに座屈が生じないように、成形品の軸方向寸法に比例したパンチ断面積が必要となる。云い代えれば第1の爪鉄心11Aと第2の爪鉄心11Bにおける軸方向の寸法が最大となる爪磁極12の軸方向寸法L1に基づいてパンチ断面積を決める必要がある。したがって、爪磁極12の軸方向延在端12Tには、軸方向に直交する平坦面が必要になり、その平坦面の面積は、爪磁極12の軸方向寸法L1が大きくなるにしたがって比例して大きくする必要がある。通常、磁性粉を圧縮して磁気特性を向上するためには、10ton/cm2程度の成形圧力が必要であり、それに対応した平坦面の面積が爪磁極12の軸方向延在端12Tに必要になる。そのためには、爪磁極12の軸方向延在端12Tにおける半径方向の厚さH2を少なくとも2mm以上として平坦面の面積を確保する必要がある。
さらに、10ton/cm2の成形圧力で圧縮成形された製品を成形金型から抜き出す際には、軸方向に抜きテーパが必要であり、爪磁極12に根元から軸方向延在端12Tにかけて先細りとなる抜きテーパθを形成する必要がある。この種、磁性粉の圧縮成形に際しては、製品を成形金型から抜き出す際に抜きテーパが8度以上であることが好ましい。抜きテーパθは、できる限り大きいほうが抜き作業は容易になる。しかし、抜きテーパθを大きくすると、爪磁極12の磁極面12Fの面積が縮小して磁気特性を低下させるので、抜きテーパθは、磁気特性への影響が少ない10度以内と小さくすることが望ましい。
さらに、磁石モータの回転子と固定子間のギャップ磁束密度は、0.7〜0.8Tとする設計が一般的である。このとき、爪の表面積を5とすると、一極分の磁束が爪に流入する磁束量は、φ=BAにより3.5〜4.0となる。この磁束を厚さ1(5:1とした場合のヨーク厚さ)のヨークで吸収するため、ヨークの断面積2(厚さ1×2倍;ここで、2倍とするのは、1極対分のヨークの幅は、1極対分の爪の幅の2倍となるため)に流入したときの磁束密度が、B=φ/Aで、1.75〜2.0Tとなり、鉄の飽和磁束密度限界となるので、5:1以上にはできないことになる。
以上説明したように、本実施の形態によれば、第1の爪鉄心11Aと第2の爪鉄心11Bを上述のように形成することで、磁性粉を高い成形圧力で圧縮成形できるので、磁性粉密度を7.5g/cm3以上に高めることができ、その結果、冷間圧延鋼板(SPCC)による磁心よりも高いモータ性能を得ることができる。
このことは、図6に示した各材料による磁心の磁化特性の比較からも明白である。図6において、磁性粉を圧縮成形した圧粉磁心1と、冷間圧延鋼板(SPCC)による磁心と、珪素鋼板(35A300,50A1300)による磁心との磁化特性を見ると、圧粉磁心1はSPCCに比べて最大磁束密度B(T)が全体的に小さい。
しかし、本実施の形態による第1の爪鉄心11Aと第2の爪鉄心11Bは、上述の形状条件とすることで、磁性粉の高密度化を図って磁性粉密度が7.5g/cm3の圧粉磁心2を得ることができ、磁性粉密度が7.3g/cm3の圧粉磁心1に比べて、SPCCやSS400に近い磁気特性(磁束密度)を有することが判明した。
したがって、磁性粉密度が低い圧粉磁心1は、磁束密度が極めて低く、モータとして使用した場合に、磁気特性が低下すると共に、磁束密度が低いので、界磁に残留磁束密度の高い磁石を用いた場合には、磁束密度の飽和によって出力トルクを低下させる等、モータ特性を低下させることが予想できる。
上記で説明した内容を、実際のモータの特性比較で詳細に説明する。図10には、従来の冷間圧延鋼板(SPCC)で構成したクローポールモータの構造を示す。このモータは、SPCCなどの鉄板を曲げ成形した固定子鉄心を用いて構成されるため、曲げ成形可能な板厚φ100mmまでの小形モータに関しては厚さ1.6mm 程度が限界となっている。一方、このクローポールモータの固定子鉄心をこの形状で成形可能な密度が7.3g/cm3の圧粉磁心で構成する。このとき、同一形状でのモータ出力特性を比較した結果を図12に示す。従来のSPCCで構成したクローポールモータは、今回の比較条件である界磁磁石の残留磁束密度1.2T,24極,回転数1000r/min,起磁力220アンペアターンおいて、圧粉磁心で構成したモータと比較して約1割の出力トルクが高い。この理由は、図11に示すように、SPCCと圧粉磁心の直流磁化特性を比較すると、圧粉磁心の透磁率が低く、同一の磁界を与えたときの磁束密度はSPCCの方が高くなるためである。
しかし、圧粉磁心は、その加工方法の違いにより板厚を1.6mm 以内とする制限が無い。このことから爪磁極を厚くするなどの設計自由度を高くして最適設計されたクローポールモータを得ることが可能となる。上述のクローポールモータと同一の界磁磁石などの条件下において最適設計されたクローポールモータ固定子鉄心は、爪厚みが2mmとなり、圧縮成形するときの金型圧力を高くできるので、密度が高い圧粉磁心で構成することが可能となる。密度が7.5g/cm3と高い圧粉磁心の直流磁化特性を図13に示す。前述した
7.3g/cm3の圧粉磁心の直流磁化特性に比べると透磁率は向上するが、SPCCまでの磁化特性には至っていない。この爪の厚みが2mmのクローポールモータの出力トルクを
FEMを用いて計算した結果を図14に示す。製造の課題を無視して、計算上でこのクローポールモータにSPCCを用いた場合と密度が7.5g/cm3の圧粉磁心を用いた場合の出力トルクの違いを比較した。結果、図14に示すように、圧粉磁心を用いた場合の出力トルクの方が2割程度高くなる結果となった。この理由は、磁気特性では、SPCCのほうが透磁率が高いが、SPCCは、鉄板内部に発生する渦電流がその磁束をさえぎる方向に発生するためその影響が出力トルクの減少に寄与しているためである。この結果より、φ100mm程度の小形モータにおいて、界磁磁石にエネルギー積の高い希土類焼結磁石など1.2T を超える永久磁石界磁を用いて、固定子鉄心の爪厚みが2mm以上となるように設計されたクローポールモータは、界磁磁石からの磁束を飽和の影響を緩和でき、かつ、圧粉磁心の密度も高めることが可能であるために、高いモータ性能を実現することが可能であることがわかる。なお、モータの出力トルクは爪磁極を通る磁束が強く関与するため、少なくとも爪磁極の密度が7.5g/cm3以上であることが好ましい。
さらに、抜きテーパ角度について検討した結果を説明する。高い密度の圧粉磁心で固定子鉄心を構成するためには、前述したとおりの抜きテーパが必要であるが、このテーパ角度を大きくすると爪磁極の表面積が小さくなり、出力トルクを低下させることになる。図15にはテーパ角度と爪磁極表面積の関係を示す。(a)図に示すように爪の形状を定義すると、テーパ角度を0とした時の爪磁極表面積を100%として、そのテーパ角度による表面積の変化は、a・b−a2tanθとなり、(b)図に示すような関係となる。先に示したように圧粉磁心成形体の成形条件の面から言えば、テーパ角度は大きいほうが好ましいが、モータの出力低下を抑えるためにはテーパ角度は小さいほうが望ましい。この結果より、モータの特性をSPCCで構成するモータの特性と同等以上の特性を満足する条件として、2割の出力低下までを許容するとすれば、テーパ角度は10°以下までとする必要がある。
高い密度(高磁束密度)の圧粉磁心で固定子を構成することが可能となったことにより、モータとしては、界磁に残留磁束密度の高い磁石を使用して高い起磁力を設定できるようになる。前記回転子3の永久磁石磁極5として希土類磁石を用いて磁束密度を1.2〜1.4 テスラとし、かつこの磁束密度に対応する第1の爪鉄心11A及び第2の爪鉄心
11Bの寸法関係を以下のような解析によって見出した。
図7は、三次元電磁場解析を用いてモータ特性を解析する場合のメッシュ図であり、各部の寸法(爪磁極12の周方向平均幅角度T,爪磁極12の軸方向寸法L1,環状継鉄部13の軸方向寸法L2,爪磁極12の軸方向延在端12Tにおける周方向幅寸法H1,爪磁極12の軸方向延在端12Tにおける半径方向の厚さH2,永久磁石磁極5の半径方向寸法F,回転子3と固定子6の周方向の隙間G)を変えて検討したパラメータを示す。
図8は、永久磁石磁極5の半径方向寸法(厚さ)F,爪磁極12の抜きテーパθを8度,爪磁極12の軸方向延在端12Tにおける半径方向の厚さH2を2mm,爪磁極12の最大の軸方向寸法(長さ)L1と環状継鉄部13の軸方向寸法L2の比率を最大の5を固定条件とした場合、固定子6の内径D(図3)を変化させた時のモータ極数Mと出力トルク(N・m)との関係を計算した結果を示す。これらの限定された条件下において、固定子6の内径Dが一意に決まると出力トルクが、特定の極数Mにおいて最大となることが判明した。その極数Mは、固定子6の内径Dによって推移し、固定子6の内径Dと極数Mとの関係が、M=a・D(0.35≦a≦0.5)のとき出力トルクが最大となった。
次に、出力トルクが最大となる極数Mとして、24極と32極の試験モータを用いて爪磁極12の周方向における平均角度Tの検討を行った。爪磁極12の周方向平均幅角度T(抜きテーパθが8度の爪磁極12の軸方向中間における周方向の平均幅角度。図4参照)と出力トルクの関係を計算した結果を図9に示す。
図9において、横軸に電気角1周期に相当する磁極ピッチPに対する爪磁極12の周方向平均幅角度Tの比率をとって出力トルクとの関係を見ると、24極及び32極とも略同一の角度比率で出力トルクが最大となることが判った。これは、爪磁極12の周方向平均幅角度Tが小さい場合には、界磁側の磁束を十分に環状コイル10に鎖交できないことと、逆に大きすぎる場合には、隣接する爪磁極12への漏洩磁束が多くなって、出力トルクが低下することと判断できる。爪磁極12の設計が自由にできる場合においては、他の条件での出力トルクの最大化も考えられるが、爪磁極12に前述した制限を加えた場合では、図4に示すように、電気角1周期に相当する磁極ピッチPに対する爪磁極12の周方向平均幅角度Tの比率が0.4以上0.45以下の範囲が最も出力トルクが安定して得られる設計ポイントとなる。尚、24極及び32極以外の極数においても同様な結果となった。
上記実施の形態は、クローポール型回転電機としてクローポール型モータを説明したが、クローポール型モータに特定されず、発電機等にも適用することができる。
本発明によるクローポール型回転電機の固定子鉄心を構成する第1の爪鉄心と第2の爪鉄心とを示す斜視図。 図1の第1の爪鉄心あるいは第2の爪鉄心の断面図。 図1の第1の爪鉄心あるいは第2の爪鉄心の背面図。 図1の第1の爪鉄心あるいは第2の爪鉄心の正面図。 本発明によるクローポール型回転電機の一実施の形態であるクローポール型モータを示す縦断側面図。 各種材料による磁心の磁化特性の比較を示す線図。 三次元電磁場解析を用いてモータ特性を計算するメッシュ図。 クローポール型モータの極数と出力トルクの関係を示す線図。 クローポール型モータの爪磁極の周方向における平均角度と出力トルクの関係を示す線図。 従来の冷間圧延鋼板(SPCC)で構成したクローポールモータの構造の一例。 SPCCと圧粉磁心の直流磁化特性の比較の一例。 SPCCと圧粉磁心のモータ出力特性を比較した結果の一例。 各種磁性材料のBH特性の比較図。 爪の厚みが2mmのクローポールモータをFEMを用いて出力トルクを計算した結果図。 テーパ角度と爪磁極の表面積の関係図。 本発明のクローポールモータの固定子鉄心を成形する成形金型構造の概略図。
符号の説明
1…クローポール型モータ、3…回転子、4…回転子鉄心、5…永久磁石磁極、6…固定子、7U,7V,7W…固定子鉄心、10,10U,10V,10W…環状コイル、
11A…第1の爪鉄心、11B…第2の爪鉄心、12…爪磁極、12T…軸方向延在端、13…環状継鉄部、14…外周側継鉄。

Claims (11)

  1. 環状継鉄部と、この環状継鉄部の内径側に等間隔に配置され軸方向に延在する複数の爪磁極とで第1及び第2の爪鉄心を構成し、これら第1及び第2の爪鉄心の爪磁極を互いに噛合わせることで固定子鉄心を形成し、この固定子鉄心の噛合わせた前記爪磁極の外周側に環状コイルを保持して固定子を構成し、この固定子の内径側に周方向に隙間を介して位置する回転子とを備えたクローポール型回転電機において、
    前記第1及び第2の爪鉄心は、磁性粉を圧縮成形して形成すると共に、前記爪磁極の半径方向の厚さを2mm以上とし、前記爪磁極の軸方向延在端に軸方向と直行する平坦面を形成し、前記爪磁極に根元から軸方向延在端にかけて先細りとなる軸方向に対して10度以下範囲の抜きテーパを形成し、かつ前記爪磁極の軸方向長さと前記環状継鉄部の軸方向厚さの比率を5:1以内に形成したことを特徴とするクローポール型回転電機。
  2. 請求項1において、
    前記爪磁極の極数Mと前記固定子の内径Dとの関係をM=a・Dとした時、
    係数aを0.35以上0.5以下に設定したことを特徴とするクローポール型回転電機。
  3. 請求項1において、
    前記爪磁極の周方向平均幅角度Tと電気角1周期に相当する磁極ピッチPとの比率T/Pを0.4以上0.45以下に設定したことを特徴とするクローポール型回転電機。
  4. 請求項2において、
    前記爪磁極の周方向平均幅角度Tと電気角1周期に相当する磁極ピッチPとの比率T/Pを0.4以上0.45以下に設定したことを特徴とするクローポール型回転電機。
  5. 請求項1において、
    爪鉄心は、磁性粉密度が7.5g/cm3以上であることを特徴とするクローポール型回転電機。
  6. 請求項1において、
    前記回転子は、希土類の永久磁石を有していることを特徴とするクローポール型回転電機。
  7. 請求項1において、
    前記回転子は、残留磁束密度の値が1.2テスラ以上1.4テスラ以下の永久磁石を有していることを特徴とするクローポール型回転電機。
  8. 環状継鉄部と、この環状継鉄部の内径側に等間隔に配置され軸方向に延在する複数の爪磁極とで第1及び第2の爪鉄心を構成し、これら第1及び第2の爪鉄心の爪磁極を互いに噛合わせることで固定子鉄心を形成し、この固定子鉄心の噛合わせた前記爪磁極の外周側に環状コイルを保持する固定子と、この固定子の内径側に周方向に隙間を介して位置する回転子とを備えたクローポール型回転電機において、前記第1及び第2の爪鉄心は、磁性粉を圧縮成形して形成すると共に、磁性粉密度を7.5g/cm3以上にしたことを特徴とするクローポール型回転電機。
  9. 請求項8において、
    前記爪磁極の半径方向の厚さを2mm以上とし、前記爪磁極の軸方向延在端に軸方向と直行する平坦面を形成し、前記爪磁極に根元から軸方向延在端にかけて先細りとなる軸方向に対して10度以下範囲の抜きテーパを形成し、かつ前記爪磁極の軸方向長さと前記環状継鉄部の軸方向厚さの比率を5:1以内に形成したことを特徴とするクローポール型回転電機。
  10. 請求項9において、
    前記爪磁極の極数Mと前記固定子の内径Dとの関係をM=a・Dとした時、
    係数aを0.35以上0.5以下に設定したことを特徴とするクローポール型回転電機。
  11. 環状継鉄部と、この環状継鉄部の内径側に等間隔に配置され軸方向に延在する複数の爪磁極とで第1及び第2の爪鉄心を構成し、これら第1及び第2の爪鉄心の爪磁極を互いに噛合わせることで固定子鉄心を形成し、この固定子鉄心の噛合わせた前記爪磁極の外周側に環状コイルを保持して固定子を構成し、この固定子の内径側に周方向に隙間を介して位置する回転子とを備えたクローポール型回転電機において、
    前記爪鉄心は、磁性粉を圧縮成形することにより構成され、かつ、前記爪磁極の周方向平均幅角度Tと電気角1周期に相当する磁極ピッチPとの比率T/Pを0.4以上0.45以下に設定したことを特徴とするクローポール型回転電機。



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