JP2007325484A - 平面空隙の軸方向空隙型ディスク多層回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】径方向空隙型回転電機では、大小にかかわらず径方向に１空隙部しか取れない、この構成が有している問題を解決するものであり、１空隙型から複数の平面空隙型の回転電機を提供することを目的とする。
【解決手段】径方向回転電機の磁極ロータ、ステータ、ステータと一体のヨークを分離し非磁性体の厚みのあるデイスクに展開する、ロータはロータディスク、ステータはドーナツ型ステータディスクとし、厚みに磁極を装着する支持枠を各ディスクの同一径上円形に各複数個配備する、分離したヨークは電磁厚板をドーナツ型ヨークディスクに展開する、ロータディスクはシャフトに串刺し状に固着し、ステータディスク、ロータディスク、ステータディスクと多層にすることで複数の平面空隙を形成し、ヨークディスクを磁極に当接して複数の空隙を介して閉じた磁気回路を構成することで、平面空隙の軸方向空隙型ディスク多層回転電機とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、径方向空隙型回転電機の１空隙型から複数の平面空隙を有する軸方向空隙型ディスク多層回転電機に関するものである。

回転電機の基本的な構造は、積層鉄心構成の径方向空隙型の内転形が一般的な基本構造でシャフトを基軸に放射状に円筒形ロータ、ロータに対向してステータとヨークが一体となして円弧面空隙を介し閉じた磁気回路を構成しているが、モータとした場合、電磁力によって回転力を発生し、発電機とした場合、起電力を発生するが、空隙部は回転電機の大小にかかわらず１円弧面にしか取れないため、磁極の設計に製作上性能を犠牲にしたり、制約や制限が生じ問題がある、容量、出力を上げるには回転速度を上げるか、円筒部径を大きくするか、磁極を軸方向に延ばし面積を広くするしかなく、ロータやステータ、ヨークの容積や体格を大きくし１磁極あたり大電流を通電しなければならないため、鉄損銅損による温度上昇による熱対策や絶縁を考慮しなければ出力低下となり、このように径方向空隙型では回転電機の大小にかかわらず径方向に１空隙部しか取れない。

径方向空隙型の回転電機、モータおいて電磁力には導体に働く力のほか、鉄心の表面に働く力のように複数のスロットにコイルを収めたタイプ、永久磁石の磁極の表面に働く力、このように円弧面空隙を介して対向した磁極の表面に回転力を発生しモータとしているが、鉄心においてはスロット構成のため一般的に加工性のよい無方向性ケイ素鋼板を使用し、複数のスロットで１磁極であるが１極対ではヨークを介してその２倍のスロットで構成している。

また磁極に永久磁石を用いたアークセグメント磁石を円弧面に等角度間隔または連続的に複数個円形にＮ，Ｓ極偶数個貼着した構成、または埋込み型構成であっても円弧面には１磁極たとえばＮ極が空隙面にあれば対極Ｓ極は反対側に位置して１極対をなしている、このように反対側に位置した１極はデットポールとなり容積、体格、重量を増している。

永久磁石の場合、起磁力はマグネット厚に比例し、磁束量は断面積に比例するが特性として厚さの割りには起磁力が大きいため、回転電機の磁極に多用され効果的に使用されているが、最も起磁力を多く要する空隙面に働くため、出来るだけ強力な大きなマグネットを貼着した構成を望むが、ロータ磁極では円弧面のため貼着結合部が高速回転による遠心力に耐える引張り強度が要求され、種々工夫されているが、引張り強度とのバランスの問題点がある。

また径方向空隙型の回転電機モータにおいて、永久磁石を磁極に用いた場合、磁束量が一定のため高速回転に限界が生じるため、弱め磁界の手法として、高速回転に応じて磁束量を低減させるのに種々工夫され提案されているが追加機構が複雑である。

従来の円弧面空隙を介した径方向空隙型の回転電機にあっては、上述のごとく制約や限界があり種々問題点を有している。

本発明は、このように径方向空隙型の回転電機の構成が有している問題を解決しようとするもであり、１径方向空隙型から複数の平面空隙の軸方向空隙型ディスク多層回転電機を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するため本発明は、円弧面空隙を介した径方向空隙型回転電機の磁極円筒形ロータ、ロータに対向するステータとヨーク、ステータと一体のヨークを分離し、ロータ、ステータを非磁性体の厚みのあるディスク展開し、ロータはロータディスク、ステータはドーナツ型ステータディスクとして、ディスクの厚みに磁極を支持する切り込み枠を設けたディスクに展開したことを特徴とし、ディスクには磁極の両端を支持する形式と磁極のセンターを支持する形式とができるが用途、目的によって選択できる。

磁極の両端を支持する形式では、巻線シロとしてディスクの厚みにコの字型またはＵの字型の堀込み溝を設けることで、通気性を高め熱対策が容易にできる。

ステータと分離したヨークは、磁束の通路として磁性体の電磁厚板を用いてドーナツ型ヨークディスクに展開したことを特徴とし、ドーナツ型とは限らず軸受けと一体としたヨークディスクとしてもよい。

ヨークを独立したドーナツ型ヨークディスクに展開したことがディスク多層を可能にし、平面空隙の優位性がディスク多層回転電機の設計に広がりをもたらした。

磁極は展開したロータディスク、ドーナツ型ステータディスクの厚みに支持枠を同一径上円周方向に沿って円形で直角に等角度間隔で連続的にそれぞれ複数個設け、支持枠に均一な形状で装着することで、シャフトと平行にしたことを特徴とし、用途、目的に沿って多様な磁極を設計することができる。

さらにディスクに展開したことで磁極を二重や多重に配備することができる。

磁極に積層鉄心を用いた場合、矩形鉄心を積層して矩形体とした磁極とすることができるため、方向性ケイ素鋼板を用いて磁極とすることができ、また矩形体にテイースを設けたり、断面積を十分確保し磁気飽和を考慮して磁極とすることができ、とくに交流で使用する場合、電力損失が少なく鉄損銅捐による温度上昇を抑制することができ、絶縁や巻線等が容易になり効率の高い磁極とすることができる。

矩形鉄心を長い、短い２種類を１枚から複数枚交互に積層して凹凸のある積層鉄心にすることで、容易に歯構造の積層鉄心として磁極としたことを特徴する。

径方向空隙型のステッピングモータの歯構造の鉄心は位置決め精度を要求され、鉄心はプレスによって製造するため金型の精度に依存しているが、本発明では、容易に歯構造の積層鉄心として磁極とするができる。

上述、凹凸のある積層鉄心の凹部に銅やアルミニウムなどを埋め込みカゴ型のロータディスクの磁極とすることができる。

ディスクに１極対の永久磁石を用いた場合１極対Ｎ，Ｓの両極を有効に利用でき、デットポールが無くなり容積、体格、重量が軽減できより効率の高い磁極とすることができる。

ロータディスクに非磁性非電導体を使用しプリントコイル、パンケーキコイルなど導体をディスクと一体とした磁極としてコアレスロータディスクとすることができる。

ロータディスクはシャフトに串刺し状に固着し、ドーナツ型ステータディスクとディスク平面対峙の磁極平面対向するよう交互にドーナツ型ステータディスク、ロータディスク、ドーナツ型ステータディスクと多層に配設してドーナツ型ヨークディスクを両端ドーナツ型ステータディスクの磁極に当接し、複数の平面空隙を介して閉じた磁気回路を構成することで、平面空隙の軸方向空隙型ディスク多層回転電機とすることを特徴とする。

ロータディスクの磁極は、複数ロータディスクの磁極センターを統一した形状で串刺し状にシャフトに固着し、またドーナツ型ステータディスクの磁極も複数ドーナツ型ステータディスクの磁極センターを統一した形状で外枠に固着している。

ディスク多層にすることによって各ディスク間に平面空隙の軸方向空隙部を形成するため１空隙部の出力が小さくとも、総出力は各空隙部の総和が出力となり、より多層にしたり径を大きくすれば大きな出力が得られ、径を小さくすれば低慣性、高速応答性にも対応できるため設計自由度が広がる。

径方向回転電機の直巻電動機で回転速度を上昇させるに弱め磁界の手法が、構造的に割りと容易であるが、磁極に永久磁石を用いた場合、磁束量が一定のため高速回転に限界が生じるため、弱め磁界という手法が、種々提案されているが追加機構が複雑であるが、本発明では、ドーナツ型ヨークディスクを回転速度に伴い、当接接触から非接触とする離隔機構を組み込むことで、閉じた磁気回路を解放し磁束量を制御することが可能となり、弱め磁界として高速回転に容易に対応できる平面空隙の軸方向空隙型ディスク多層回転電機とすることを特徴とする。

本発明は以上説明したように構成されているので、以下に記載されるような効果を奏する。

ディスクに展開することで磁極の形状や構造の設計自由度が広がり目的、用途、容量に沿って径、厚み、ディスク多層、磁極の設計等多様な形態を形成することができる。

磁束密度と磁束の関係で、磁極は平面対向のため磁界に垂直な断面積になり、垂直の断面に最も多くの磁束が通過します、しかし垂直でなく、なす角がつけば同じ磁束でも異なった磁束密度になる、このように平面対向の磁極は効率が高い。

巻線においても直接巻線を施すことができ、巻線密度が向上し巻線占積率を高め絶縁や作業性が容易になり、効率のよい磁極とすることができる。

ディスク多層により１空隙部の出力が小さくとも各空隙部の総和が出力となるため、１磁極が小さくてすむため絶縁性、温度対策が容易となる。

本発明の平面空隙の軸方向空隙型ディスク多層回転電機の基本構成を、１実施の形態として直流励磁のブラシレスモータとした構成をあわせて概要を説明する。

以下に本発明の１実施の形態を図面を用いて説明する、図１は主要部を構成する側断面図であり、この構成は３ドーナツ型ステータディスク、２ロータディスク、２ドーナツ型ヨークディスクを用いて、交互にディスク多層にして、ディスク平面対峙の磁極平面対向し、４空隙部を介して閉じた磁気回路を構成した直流励磁のブラシレスモータである。

磁極はドーナツ型ステータディスク、ロータディスクの厚みに支持枠を同一径上円周方向に沿って直角に等角度間隔で連続的にそれぞれ（複数個）支持枠に均一な形状で装着することでシャフトと平行になる。

ドーナツ型ステータディスクは第１、第２、第３ドーナツ型ステータディスクとして、磁極に方向性ケイ素鋼板を用いた矩形鉄心を積層して断面を四角形の矩形体に磁極集中巻きとした、９磁極を配備し各ステータディスクの磁極センターを統一した形状で外枠１に固着する。

上記、第１ドーナツ型ステータディスクに磁極検出素子にホール素子を用いて配備した平面図２であり、図３は断面図である。

ロータディスクは第１、第２ロータディスクとして、磁極に円弧状扇形永久磁石６個を用いて、一面にＮ、Ｓ交互に配備し第１、第２ロータディスクの磁極の向きを揃え磁極センターを統一した形状でシャフトに串刺し状に固着する。

図４はロータディスクに展開した平面図であり、図５は断面図である。

ドーナツ型ヨークディスクは電磁厚板を用いて第１、第２ドーナツ型ヨークディスクとして、両端のドーナツ型ステータディスクの磁極に当接して閉じた磁気回路を構成している。

図６はドーナツ型ヨークディスクに展開した平面図であり、図７は断面図である。

図８は停止状態の磁極展開図である、第１空隙部では第１ロータディスクのＮ極またはＳ極、ここではＮ極とする、Ｎ極は第１ドーナツ型ステータディスクの磁極の磁極センターで対向して停止している、つぎのＳ極は第１ドーナツ型ステータディスクの２磁極に両端が少し重なった均衡状態で停止している、このように第１空隙部第１ドーナツ型ステータディスクの３磁極がロータディスクのＮ，Ｓ極に対向、均衡状態が１パターン形成され、第１空隙部では３パターンできる、他の第２、第３、第４空隙部でも同一である。

磁極位置を検出するセンサーにホール素子を用いて、磁極展開図の図示の位置にロータディスクの磁極Ｎに対して第１ドーナツ型ステータディスクに２個１−１、１−２、第２ドーナツ型ステータディスクに１個１−３、３ホール素子で１組、３組９ホール素子でロータディスクの磁極Ｎ，Ｓに展開図のように対応して１パターンとしている。

上記１パターンで検出した磁極を駆動回路（図示せず）を経て第１、第２、第３ドーナツ型ステータディスクの磁極に同一パターンで配線を行い検出した磁極を発生させ反発、吸引を繰り返し回転力を発生してモータとする。

上述の１実施例の形態はモータとしているが、シャフトを外力で回転させると発電機としても使用できる回転電機である。

以上本発明の１実施の形態により説明したが、上述に限るものではなく平面空隙の軸方向空隙型ディスク多層回転電機として、他の形態のモータや発電機にも適用できるなど、本発明の主旨の範囲内で種々の形態に応用が可能であり、これらの形態や応用を本発明の範囲から排除するものではない。

平面空隙の軸方向空隙型ディスク多層回転電機の主要部を構成する側断面図。 第１ドーナツ型ステータディスクに展開し磁極を９個と磁極検出素子を配備した平面図 第１ドーナツ型ステータディスクに展開した断面図 第１、第２ロータディスクに展開し磁極に円弧状扇型永久磁石６個配備した平面図 第１、第２ロータディスクに展開した断面図 ドーナツ型ヨークディスクに展開した平面図。 ドーナツ型ヨークディスクに展開した断面図 磁極展開図。

符号の説明

１ 第１ドーナツ型ステータディスク
２ 第２ドーナツ型ステータディスク
３ 第３ドーナツ型ステータディスク
４ 第１ロータディスク
５ 第２ロータディスク
６ 第１ドーナツ型ヨークディスク
７ 第２ドーナツ型ヨークディスク
８ 積層鉄心
９ 巻線
１０ 円弧状扇型永久磁石
１１ 第１空隙部
１２ 第２空隙部
１３ 第３空隙部
１４ 第４空隙部
１５ シャフト
１６ 軸受け
１７ 外枠１
１８ 外枠２
１９ ホール素子１−１
２０ ホール素子１−２
２１ ホール素子１−３
２２ ホール素子２−１
２３ ホール素子２−２
２４ ホール素子２−３
２５ ホール素子３−１
２６ ホール素子３−２
２７ ホール素子３−３

Claims (11)

1. 円弧面空隙を介した径方向空隙型回転電機の磁極、円筒形ロータ、ロータに対向するステータとヨーク、ステータと一体のヨークを分離し、ロータ、ステータを非磁性体の厚みのあるディスクに展開し、ロータはロータディスク、ステータはドーナツ型ステータディスクとして、ディスクの厚みに磁極を支持する切り込み枠を設けた、ディスクに展開したことを特徴とする平面空隙の軸方向空隙型ディスク多層回転電機。
2. ステータと分離したヨークは、磁束の通路として磁性体の電磁厚板を用いてドーナツ型ヨークディスクに展開したことを特徴とする平面空隙の軸方向空隙型ディスク多層回転電機。
3. 磁極は展開したロータディスク、ドーナツ型ステータディスクの厚みに支持枠を同一径上円周方向に沿って円形で直角に等角度間隔で連続的にそれぞれ複数個設け、支持枠に均一な形状で装着することで、シャフトと平行にしたことを特徴とする平面空隙の軸方向空隙型ディスク多層回転電機。
4. 磁極に積層鉄心を用いた場合、矩形鉄心を積層して矩形体とした磁極とすることができるため、方向性ケイ素鋼板を用いて磁極としたことを特徴とする請求項３記載の平面空隙の軸方向空隙型ディスク多層回転電機。
5. 矩形鉄心を長い、短い２種類を１枚から複数枚重ねて交互に積層して凹凸のある積層鉄心にすることで、容易に歯構造の積層鉄心として磁極としたことを特徴とする請求項４記載の平面空隙の軸方向空隙型ディスク多層回転電機。
6. 凹凸のある積層鉄心の凹部に銅やアルミニュウムなどを埋め込みカゴ型のロータディスクの磁極としたことを特徴とする請求項５記載の平面空隙の軸方向空隙型ディスク多層回転電機。
7. ディスクに１極対の永久磁石を用いた場合、１極対Ｎ，Ｓの両極を有効に利用でき、デットポールが無くなり容積、体格、重量が軽減できより効率の高い磁極としたことを特徴とする請求項３記載の平面空隙の軸方向空隙型ディスク多層回転電機。
8. ロータディスクに非磁性非電導体を使用しプリントコイル、パンケーキコイルなと導体をディスクと一体とした磁極としてコアレスロータディスクとしたことを特徴とする請求項３記載の平面空隙の軸方向空隙型ディスク多層回転電機。
9. ロータディスクはシャフトに串刺し状に固着し、ドーナツ型ステータディスクとディスク平面対峙の磁極平面対向するよう交互にドーナツ型ステータディスク、ロータディスク、ドーナツ型ステータディスクと多層に配設してドーナツ型ヨークディスクを両端ドーナツ型ステータディスクの磁極に当接し、複数の平面空隙を介して閉じた磁気回路を構成することで軸方向空隙型回転電機としたことを特徴とする請求項１、２、３記載の平面空隙の軸方向空隙型ディスク多層回転電機。
10. ディスク多層にすることによって各ディスク間に平面空隙の軸方向空隙部を形成するため１空隙部の出力が小さくとも、総出力は各空隙部の総和が出力となることを特徴とする請求項９記載の平面空隙の軸方向空隙型ディスク多層回転電機。
11. ドーナツ型ヨークディスクを回転速度に伴い当接接触から非接触とする離隔機構を組込むことで、閉じた磁気回路を解放し磁束量を制御することが可能となり、弱め磁界として高速回転に容易に対応できることを特徴とした請求項９記載の平面空隙の軸方向空隙型ディスク多層回転電機。

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