JP2009254087A

JP2009254087A - 回転電機

Info

Publication number: JP2009254087A
Application number: JP2008097684A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Kanazawa; 宏至金澤; Takayuki Koyama; 貴之小山; Shoichi Kawamata; 昭一川又
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2008-04-04
Filing date: 2008-04-04
Publication date: 2009-10-29

Abstract

【課題】
本発明は従来の爪磁極構造を持つ回転電機において、各相の磁気的アンバランスの影響を低減し、更に回路との一体化が可能な磁気回路部分の薄形化の実現を図る。また、第一の回転子間で発生するコギングトルクと第二の回転子間で発生するコギングトルクを打ち消し、低騒音化を実現する。
【解決手段】
本発明では、トルク発生部分をステータの内外周で発生できるように２重回転子構造とし、内周側と外周側のコギングトルクの発生する位相をずらすことで、低コギングトルク化を実現する。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転電機に関する。

従来の技術として、特許文献１には爪磁極で構成されるステータ磁極を軸方向に３段重ねて３相構成されてた回転電機が開示されている。特許文献２は特許文献１と同じ爪形磁極を軸方向に２段重ねたものが開示されている。また、特許文献３は固定子巻線数と固定子磁極数が１対１で構成された２重回転子構造のものが開示されている。

特開２００６−３３３５４５号公報特開平９−３１２９５７号公報特開２００６−３４５６８２号公報

上記、従来技術の特許文献１と２では軸方向に、相数に相当する複数段のコアを積む必要があるために、薄形化に適さない問題点があった。また、３段積んだ場合には中心部分の磁極と端部に配置される磁極で漏れ磁束や漏れインダクタンスの違いから、３相の誘起電圧や漏れインダクタンスが異なる問題があった。更に、特許文献３においては、軸方向に１段で構成されているが、磁極数と巻線数の数が等しい点、及びコイルエンドが軸方向に飛び出る構造となるため、薄型化や回路との一体構成に関して薄型化を阻害する問題点があった。また、内周側の磁極数と外周側の磁極数が等しく構成されているため、出力軸が１つしか取れない構成となっている。

本発明は、固定子の内周側に配置される第一の回転子と、固定子の外周側に配置される第二の回転子を備えた回転電機において、固定子は各相の磁気回路が磁気的に独立して構成されることを特徴とする。

また、周方向に磁気的に独立した３相の固定子磁極を有するとともに、それぞれの固定子磁極を爪形磁極形状とし、径方向で内周側と外周側に複数個の爪形磁極歯を設け、その中心部に一相あたり１つの相巻線を配置するようにしたことを特徴とする。

本発明によれば、１つの相巻線で多極化が可能になると共に、ステータの内周側と外周側の２つの面でトルクを出せる構造を提供することができるため薄型化に適した構成を実現できる。更に、固定子巻線のコイルエンド部が周方向で他の相のエンドコイルと向かい合う構成と出来るため、軸方向にコイルエンドが出ない構成を実現できる。また、内周側の固定子磁極と外周側の固定子磁極を同相とした場合、回転子の２つの永久磁石の位相を電気角で３０度程度ずらすことにより、内周側で発生するコギングトルクと外周側で発生するコギングトルクを打ち消すことが出来る。その結果、回転むらの少ない回転電機を提供することが出来る。

また、回転子は固定子と接する面に永久磁石が配置され、固定子は爪磁極を有しており、第一の回転子と第二の回転子が機械的に連結されており、第一の回転子と前記第二の回転子とに搭載される永久磁石の数が等しく、極数が異なることを特徴とする。

また、本発明は、固定子の内周側および外周側に複数個の爪形磁極を有し、磁極中心部を連結するように周回される固定子コイルから構成される固定子と爪形磁極に僅かな空隙を介して、対向配置される回転子を有し、固定子は回転子の電気角に対して１２０度の位相差をもって配置されることを特徴とする。その際に、爪形の固定子磁極対数は、固定子巻線数以上の数で構成されることが好ましい。

さらに、固定子は、連結部材により一体的に連結されており、連結部材は非磁性体の金属リングである又は、連結部材に樹脂を用い、全体をモールドして中空状の円筒形状で一体化されていることが好ましい。

その際に、爪磁極は、磁性体の粉を圧縮して構成されているか、磁性体の板を曲げて作製されたものか、又は、鉄の鋳物で構成されていることが好ましい。

また、本発明は、内周側および外周側に複数個の爪形磁極を有し、磁極中心部を連結するように周回される固定子コイルから構成される固定子と固定子磁極に僅かな空隙を介して、対向配置される回転子を有し、固定子は回転子の電気角に対して１２０度の位相差で配置され、駆動回路基板と一体的に樹脂モールドされ、回転子にインペラを設けた回転子で構成された電動ポンプ用回転電機であることを特徴とする。

以下、本発明の実施例について図１〜図１０を用いて説明する。図１は本発明の第一の実施例の構成を示したものである。

３相で構成される固定子はＵ相固定子で外周側に向かって構成される磁極３ａｕと内周側に設けられた爪磁極３ｂｕから構成されている。それぞれの磁極の中心部にはＵ相コイル４ｕが巻装されている。同様に、Ｖ相磁極は３ａｖと３ｂｖで構成されＶ相コイル４ｖが巻装されている。更に、Ｗ相磁極は３ａｗ，３ｂｗとＷ相コイル４ｗで構成されている。外周側の回転子は、ロータヨーク１ａと永久磁石２ａで構成され、内周側に配置される回転子はロータヨーク１ｂと永久磁石２ｂで構成されている。これらの、外周側回転子と内周側回転子は機械的に接続されており、同じ速度で回転できるようになっている。また、永久磁石２ａと２ｂの着磁位相はこの図では同相となっている。よって、先に述べた、Ｕ相固定子磁極及びＶ相固定子磁極、Ｗ相固定子磁極は電気的に１２０度の位相差で配置されている。本実施例では、ロータ極数は８極で、固定子磁極数が一対で２個の３相配置のため電気的な位相と機械的な位相が一致している。これらの回転子の中心部分にはシャフト６と軸受け５が設けられており、回転可能に取り付けられている。また、図示しなかったがこれら３個の固定子磁極は、非磁性体のリングで連結もしくは樹脂でモールドされており一体的に構成されている。図１で示したＡ−Ａ′面の断面図を図２に示す。図示したように回転子１は外周側のロータヨーク１ａと内周側のロータヨーク１ｂは一体的に構成されている。この図で示した記号は図１で説明したものと同じため説明は省略する。

図３は、Ｕ相の固定子磁極のみを示したものである。先にも説明したように、外周面側に向いて配置されるＵ相磁極３ａｕと内周面側に向かって配置される３ｂｕと、更には、それぞれの中心部分を周回するＵ相コイル４ｕで構成されている。また、それぞれの相磁極に対して位相差と固定を目的とした連結リングを用いることもできる。

図４に図３で示した固定子磁極を分解した図を示す。この図は、鋼板を曲げて作成した例を示したものである。外周面に向いて配置されるＵ相磁極３ａｕと内周面に向かって配置されるＵ相磁極３ｂｕで一対の磁極群を構成している。また、もう一つの同じ磁極群が反対向きで向かい合い、中心部分にＵ相コイル４ｕを挟み込んでＵ相磁極を構成することになっている。先にも述べたように外周向き磁極３ａｕ及び３ｂｕは薄板をプレスで曲げて作成したものである。プレス以外には、圧粉磁心を成型して作成しても良いし、鉄の鋳造で作成または削りだして作ることも可能である。この場合、爪表面で渦電流が流れる場合には渦電流が流れ難くなるような溝を設けたりする。

第二の実施例を図５を用いて説明する。この図は、外周向きの固定子磁極３ａｕの磁極数と内周向き固定子磁極３ｂｕの磁極数が図１に比べ数が増えた場合を示している。図示したものは、外周側に配置されるロータヨーク１ａに配置される永久磁石２ａと、内周側に配置されるロータヨーク１ｂに配置される永久磁石２ｂは２０極で構成されている。その結果、外周側に対向する固定子磁極３ａｕの磁極数と、内周側に向いて配置される固定子磁極３ｂｕの磁極数は一相辺り６磁極となっている。この場合、コイルエンド部分の干渉が発生しないようにコイルが巻装される磁極中心部を少し短く構成することで、片側のコイルエンドをコア内部に入れることが出来るためコイルエンドの干渉を避けることが出来る。図５で示した構成も図１で示した基本的な構造と変わらないため詳細な説明は省略する。この図の場合も、各相磁極を一体的に連結するためには、樹脂でモールドするか、軸方向の両端面で非磁性体の連結部材により固定することで各磁極の位置精度を出すことが出来る。このとき、内周側で発生する基本波の６次成分のコギングトルクと外周側で発生する同様のコギングトルクは電気角で６０度の位相となるため、どちらか一方の位相を電気角で３０度ずらすことで、コギングトルクを打ち消すことが出来る。その結果、速度変動を小さくできるため低騒音化が実現できる。

図６は、図５で示した１相磁極の構成を示したものである。先に示した図３の構成と同じであるが、違いとしては磁極数である。また、外周側固定子磁極３ａｕ及び内周側固定子磁極３ｂｕの軸方向端面に設けたＵ字型の溝は、磁極先端部分からの漏れ磁束を低減するものである。また、このＵ字型の溝を用いて３相磁極の位置決め溝として使用しても良い。また、爪磁極の長さは組立のし易さから端面と面一になるようにしている。以上述べてきたモータ構造において、モータ動作時の動作について説明する。電気角で１２０度の位相差を持った固定子巻線に、３相の電圧を加えることで回転磁界を発生させ回転子を回転させる。駆動方式としては磁極センサを用いたインバータ駆動方式や、低周波同期始動モードから誘起電圧による位置検出で駆動させるセンサレス制御方式等がある。可変速させる場合には、駆動周波数を変えることで実現する。

第三の実施例を図７を用いて説明する。この図は、外周側の固定子磁極３ａｕの磁極数と内周側の固定子磁極３ｂｕの磁極数が異なる場合を示している。図示したものは、外周側に配置されるロータヨーク１ａに配置される永久磁石２ａの極数が４０極で、内周側に配置されるロータヨーク１ｂに配置される永久磁石２ｂは２０極で構成されている。その結果、外周側に対向する固定子磁極３ａｕは磁極数が１２磁極、内周側に向いて配置される固定子磁極３ｂｕの磁極数は一相辺り６磁極となっている。この場合、コイルエンド部分の干渉を避けるようにコイルが巻装される磁極中心部を少し短く構成することで、片側のコイルエンドをコア内部に入れることが出来るためコイルエンドの干渉を避けることが出来る。図７で示した構成も図１で示した基本的な構造と変わらないため詳細な説明は省略する。この図の場合も、各相磁極を一体的に連結するためには、樹脂でモールドするか、軸方向端面で非磁性体の連結部材により固定することで各磁極の位置精度を出すことが出来る。この実施例の場合には、外周側の回転子磁極数と内周側の回転子磁極数が異なるため、同じ電源周波数の場合には２つの回転子は２倍の速度比で回転する。また、内周側回転子と外周側回転子の磁束位相を機械的にずらして連結した場合には、トータル磁束を減らすことが出来るため、弱め界磁制御が可能になる。また、２つの周波数の異なるものを重畳してコイルに加えることで、それぞれの基本波の周波数に見合った回転数で２つの回転子は個別に回転する。この場合の回転子は、個別に回転力が伝わるように軸受けが２セット分（図示せず）必要になる。また、この場合はセンサレスでも構わないが、磁極センサを用いてそれぞれの回転子の磁極位相に合わせて２つの周波数を重畳することで精度の良い回転力を得ることが出来る。

図８に先に述べた内外周に固定子磁極を配置した回転電機を電動ポンプに応用した例を示す。最近の傾向として小型化の要求がある。また、回路との一体化構造が強く望まれている。更には、システムへの実装のし易さから薄型化の要求がある。そのためには、回路の実装を考慮するとモータ部分の磁気回路の薄型化が要求されている。そのためには、従来のようなトルクを出す面が１面では軸方向に磁気回路が長く必要であった。今後更なる高性能化を実現していくためには、本発明で示したような２面出力構造が有効である。図８に示した電動ポンプ１００は、水が給水される給水口１０１と水の出口となる排水口１０２が設けられている。これらの給排水口はポンプカバー１０３に設けられている。ポンプ本体はポンプカバー１０３と中心部分に配置されるブラケット１０４とリアカバー１０５で構成されている。後で、述べるがモータ部及び回路部はこのブラケット１０４内に配置されている。

次に、電動ポンプ１００の内部構成について図９を用いて説明する。図９は先に示した図８の軸中心部分の断面図を示したものである。先に説明した、ポンプカバー１０３とブラケット１０４及びリアカバー１０５の接続面には防水用のリング状パッキン１０７が配置されている。リアカバー１０５の中心部にはシャフト６が固定されており、回転子１は滑り軸受け５によりシャフト６に対して回転可能に支持されている。回転子１にはインペラ１０６が設けられており、回転子１の回転によりポンプとしての動作を行うようになっている。回転子１の内部には固定子３が２つの回転磁石に挟み込まれる構造で配置されている。固定子３は図３に示した固定子磁極が電気角で１２０度の位相を持って配置されその全体を水が進入してこないようにモールドしたものである。更に、駆動回路基板１１０が軸方向端部に設けられており先に述べた固定子３と同様に一体的に樹脂モールドされている。図１０にその部分の断面図を示す。先にも述べたように、固定子３は固定子磁極と固定子コイル４と回路基板１１０が一体的にモールドされた構成となっている。

以上述べたように、本発明では２重回転子構造によりトルク発生面をステータの内周面と外周面の２箇所とすることで、軸方向厚みを薄くできる。更には、回転子を連結した場合には１つの回転数が出力されるが、極数を異なる２種類の回転子とすることで２つの回転数を持ったモータを実現できるため用途に合わせて組合せを変えることが出来る。

本発明は、一般的な回転機として利用することができる。

本発明の第一実施例を示す斜視図。本発明の第一実施例を示す断面図。本発明の第一実施例の一相磁極組を示す斜視図。本発明の第一実施例の一相磁極組の分解図。本発明の第二実施例を示す斜視図。本発明の第二実施例の一相磁極組を示す斜視図。本発明の第三実施例を示す斜視図。本発明のモータを電動ポンプに組み込んだ外観図。本発明の電動ポンプの断面図。電動ポンプのステータと回路をモールドした断面図。

符号の説明

１回転子
１ａロータヨーク
２永久磁石
３固定子
４固定子コイル
５軸受け
６シャフト
１００電動ポンプ
１０６インペラ
１１０回路基板
１１１樹脂モールド

Claims

固定子の内周側に配置される第一の回転子と、前記固定子の外周側に配置される第二の回転子を備えた回転電機において、前記固定子は各相の磁気回路が磁気的に独立して構成されることを特徴とする回転電機。
前記回転子は前記固定子と接する面に、永久磁石が配置され前記固定子は爪磁極を有することを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
前記第一の回転子と前記第二の回転子は機械的に連結されていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
前記第一の回転子と前記第二の回転子に搭載される前記永久磁石の数が等しいことを特徴とする請求項３に記載の回転電機。
前記第一の回転子と前記第二の回転子は極数が異なることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
固定子の内周側および外周側に複数個の爪形磁極を有し、
前記磁極中心部を連結するように周回される固定子コイルから構成される固定子と前記爪形磁極に僅かな空隙を介して、対向配置される回転子を有し、
前記固定子は前記回転子の電気角に対して１２０度の位相差をもって配置されることを特徴とする回転電機。
爪形の固定子磁極対数は、固定子巻線数以上の数で構成されることを特徴とする請求項６に記載の回転電機。
前記固定子は、連結部材により一体的に連結されていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
前記連結部材は非磁性体の金属リングであることを特徴とする請求項８に記載の回転電機。
前記連結部材に樹脂を用い、全体をモールドして中空状の円筒形状で一体化されていることを特徴とする請求項８に記載の回転電機。
前記爪形磁極は、磁性体の粉を圧縮して構成されることを特徴とする請求項２に記載の回転電機。
前記爪形磁極は、磁性体の板を曲げて作製されることを特徴とする請求項２に記載の回転電機。
前記爪形磁極は、鉄の鋳物で構成されることを特徴とする請求項２に記載の回転電機。
前記回転電機を電動ポンプに用いることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
内周側および外周側に複数個の爪形磁極を有し、前記磁極中心部を連結するように周回される固定子コイルから構成される固定子と前記固定子磁極に僅かな空隙を介して、対向配置される回転子を有し、前記固定子は前記回転子の電気角に対して１２０度の位相差で配置され、駆動回路基板と一体的に樹脂モールドされ、前記回転子にインペラを設けた回転子で構成されることを特徴とする電動ポンプ用回転電機。