JP2009296796A - 回転機 - Google Patents

Abstract

【課題】低鉄損で高トルクの回転機を提供する。
【解決手段】回転軸11と、回転軸11に垂直に接続され、複数の永久磁石12を有するロータ10と、ロータ10の両側にギャップを介して設けられた固定子20とを有し、固定子20は、ヨーク部21と、ヨーク部21の内側面に設けられ、コイル23が巻装された複数のティース部22とを有し、ティース部22とヨーク部21とが巻鉄心により一体的に形成されている回転機１
【選択図】図１

Description

本発明は、低鉄損で高トルクの回転機、及びその永久磁石の着磁方法に関する。

従来の回転機としては、Ｎ極とＳ極の永久磁石を交互に配置したロータが回転軸の外周面に平行に設置され、そのロータの外周にコイルを巻装した固定子がギャップを介して複数設けられた回転機が用いられていた。例えば、特開2008-61312号公報（引用文献１）は、シャフトに固着された回転子の外周面に、コイルを巻装した鉄心の内周部が対向するモータを開示している。

最近では、回転軸に沿ってステータとロータとが対向して配置されるアキシャルギャップモータが開発されてきている。特開2007-252199号公報（引用文献２）は、対向する第１及び第２のコイル列と、第１及び第２のコイル列の間に設けられ、少なくとも１つの磁石を含む磁石列とを有し、前記第１及び第２のコイル列は、電気角でπ／２の奇数倍だけ相互にずれた位置に配置された電動機を開示している。しかしながら、この電動機の各コイルは磁性体製及びヨークを有しておらず、得られるトルクとしては不十分である。

特開2006-353078号公報（引用文献３）は、ロータ及びステータをロータ回転軸線方向に対向配置したアキシャルギャップ型回転電機であって、前記ステータが位置するとは反対の前記ロータの側に、電磁鋼板の渦巻き積層体からなる補助ヨークを設け、この補助ヨークをロータ回転軸線方向へ変位不能にして前記ケース内に収納したことを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機を開示している。しかしながら、この補助ヨークはロータ面を通過する磁束によるロータ及び軸受の負担の増大やロータの面振動の問題を解消するためのものであり、回転電機のトルクを向上させるものではない。

特開2008-61312号公報 特開2007-252199号公報 特開2006-353078号公報

本発明の目的は、低鉄損で高トルクの回転機を提供することである。

上記課題に鑑み鋭意研究の結果、本発明者らは、アキシャルギャップ型の回転機において、永久磁石を有するロータの両側にコイルを巻装するティース部とヨーク部とが巻鉄心により一体的に形成された固定子を設けることにより、低鉄損で高トルクの回転機が得られることを発見し、本発明に想到した。

即ち、本発明は以下の特徴を有している。

(1) 回転軸と、前記回転軸に垂直に接続され、複数の永久磁石を有するロータと、前記ロータの両側にギャップを介して設けられた固定子とを有し、前記固定子は、ヨーク部と、前記ヨーク部の内側面に設けられ、コイルが巻装された複数のティース部とを有し、前記ティース部と前記ヨーク部とが巻鉄心により一体的に形成されていることを特徴とする回転機。
(2) 上記(1) に記載の回転機において、前記ティース部は、コイルを巻装するティース巻装部と、前記ティース巻装部の先端に設けられ、前記ティース巻装部より大きい径を有するティース先端部とを有することを特徴とする回転機。
(3) 上記(1) 及び(2) に記載の回転機において、前記コイルが三相コイルである場合、前記両側の固定子が電気角で（２ｎ−１）π／６（ｎ＝１，２，３・・・）又はその近傍の範囲でずれて設けられていることを特徴とする回転機。
(4) 上記(1)〜(3) のいずれかに記載の回転機において、前記複数の永久磁石は前記ロータの周方向に等間隔でＮ極とＳ極とが交互にくるように配置されていることを特徴とする回転機。
(5) 上記(1)〜(4) のいずれかに記載の回転機において、前記ロータは、前記回転軸に垂直に取り付けられ、前記複数の永久磁石を収納する円盤を有することを特徴とする回転機。
(6) 上記(5) に記載の回転機において、前記円盤は非磁性ステンレスからなることを特徴とする回転機。
(7) 上記(1)〜(6) のいずれかに記載の回転機において、前記永久磁石は、２枚の永久磁石の間に高強度の磁性体を挟んでなることを特徴とする回転機。
(8) 上記(1)〜(7) のいずれかに記載の回転機において、前記ロータと両側の前記固定子との間のギャップの長さを調節し、もって前記回転機にかかるスラスト荷重を相殺することを特徴とする回転機。

本発明によれば、複数の永久磁石を有するロータを回転軸に垂直に接続し、その両側にコイルを巻装するティース部とヨーク部とが巻鉄心により一体的に形成された固定子を設けることにより、低鉄損でかつ高トルクの回転機が得られる。

[1] 回転機
(1-1) 回転機の構成
回転機１の構成を図１〜図５を参照して以下説明する。回転機１は、回転軸11に外周面に垂直に接続され、４つの永久磁石12を有するロータ10と、ロータ10の両側にギャップを介して設けられた固定子20とを有する。永久磁石12はロータ10の周方向に等間隔でＮ極とＳ極とが交互に配置されている。固定子20はリング状のヨーク部21と、ヨーク部21の内側面に設けられ、コイル23が巻装された６つのティース部22とを有する。固定子20はブラケット24に収納されており、ブラケット24と回転軸11との間にはベアリング14が設けられている。

(1-2) ロータ
ロータ10は、図２に示すように、周方向に等間隔でＮ極とＳ極とが交互に配置された４つの永久磁石12と、永久磁石12を内包する円盤13からなる４極ロータである。円盤13は、図３に示すように、永久磁石12を収納するための４つのポケット部130と、円盤13の表面側のポケット部130の周囲に、永久磁石12が飛び出すのを防止するための縁部131と、内周縁部の外側に設けられたフランジ132と、内周縁部に設けられた切り欠部133とが設けられている２つの円盤蓋13a，13bからなる。円盤蓋13a，13bは、図４に示すように、４つの永久磁石12を内包するように重ね合わせた状態で、回転軸11に取り付けられている。その際、切り欠部133とロータ10の一部に固定材15を挿入することにより、ロータ10が回転しても動かないように、回転軸11に固定させることができる。取り付け方法としては、フランジ132と回転軸11とをネジ等により固定しても良いし、圧入，焼き嵌め，接着等により固定しても良い。

回転軸11は、回転機の回転軸として用いられるものであり、円盤13を固定可能であれば、特に限定されないが、十分な強度を有する特殊鋼等が好ましい。

永久磁石12は、交流回転機に用いられるものであれば、特に限定されないが、ネオジウム磁石等が好ましい。また永久磁石12は、２枚の永久磁石の間に高強度のフェライト等の磁性体を挟んで形成しても良い。それにより、より大きな磁力線が生成され、大きなトルクが得られる。

円盤13は、非磁性ステンレスからなるのが好ましい。それにより、永久磁石12を固定した状態で収納しつつ、永久磁石12による生じる磁力線分布への円盤13の影響を抑えられる。

(1-3) 固定子
固定子20は、図５に示すように、内周面が平面のリング状のヨーク21と、ヨーク21の内周面に等間隔で設けられた６つのティース部22とを有する。各ティース部22にはコイル23がそれぞれ巻装されている。各コイル23は、相互に適切な絶縁処理が施されて、リード線（図示せず）により三相交流電源に接続されており、隣接するティース部22の極性が互いに異なるように交流電流を流すことができる。本発明ではヨーク21及びティース部22を巻鉄心により一体的に形成しているので、巻鉄心同士を接続した場合に鉄損が生じず、回転機の効率を向上させるとともに、局所的な発熱を抑えることができる。

ティース部22は、コイルを巻装するティース巻装部221と、ティース巻装部221の先端に設けられ、ティース巻装部221より大きい径を有する扇形のティース先端部222からなる。これようなオーバーハング状にすることにより、永久磁石12と接するティース部22の表面積を大きくとることができるため、ロータ10に生じるトルクが大きくなる。ティース巻装部221には、コイル23との間を絶縁するための絶縁フィルム（図示せず）が装着されている。

ヨーク21及びティース部22は、帯状に圧延した鉄心材料を巻回してなる巻鉄心により構成されるのが好ましい。それにより、渦電流による鉄損を低減し、回転機の効率を向上させることができる。鉄心材料はケイ素鋼板等の電磁鋼板、アモルファス金属材料、ナノ結晶軟磁性材料、パーマロイ、Fe-Si-Al合金、ソフトフェライトが挙げられるが、ケイ素鋼板が好ましい。従来の積層鉄心では打ち抜き、寸法揃えの面で極端に薄い鉄板の使用は困難であったが、巻鉄心は積層鉄心に比べるとはるかに薄い鉄板でも使用可能である。鉄損は板厚の２乗、周波数の1.6乗に比例するので、本発明では固定子の鉄損を大幅に低減でき、特に高周波で駆動するモータの効率を改善することができる。

[2] 回転機の動作
上述したように、回転軸11に外周面に垂直にロータ10を接続し、その両側にギャップを介して固定子20をそれぞれ設けることにより、ロータ10に設けられた永久磁石12の両面の磁力線をトルクの発生に利用することができる。永久磁石12を回転軸11に対して垂直に設置しているため、永久磁石12の厚さを小さくしても十分なトルク特性が得られる。従って、永久磁石12の厚さを小さくできるため、永久磁石により生じる鉄損を抑えることができる。それにより、回転機１の効率を向上でき、回転機の小型化も実現できる。

また本発明の回転機１は、ロータ10の幅広い回転数にも対応すき、使用範囲が広いという利点がある。特に、回転数を少なくしても立ち上がりが良く、具体的には、ポンプに使用した場合に回転数1000以下であっても十分な流量が得られる。これは、固定子20がロータ10の両面側に設けられているため、回転機の初動において高トルクが得られるためであると考えられる。

本発明の回転機１は、回転軸11に外周面に垂直にロータ10を接続し、その両側に固定子20をそれぞれ設けているため、各固定子20とロータ10との間にかかる力に差があると、回転機１全体にスラスト荷重がかかる。このようなスラスト荷重を解消するために、回転機１全体にかかっているスラスト荷重と反対方向にスラスト荷重がかかるように、各固定子20とロータ10との間のギャップの寸法を調節するのが好ましい。それによりスラスト荷重を相殺することができる。これにより、回転機１の安定した運転が実現でき、軸受の寿命も伸ばすことができる。

両側の固定子20の位置を互いにずらし、ロータ10に両側の固定子20からのトルクが交互に掛かるようにすることにより、モータのコギングを抑制することができる。図１の三相コイルモータにおける例を図６に示す。図６(a) に示す４極ロータ10は、４つの永久磁石12a，12b，12c，12dとその両側の固定子20a，20bの各６つのティース部22a₁〜22a₆，22b₁〜22b₆とを有し、固定子20a，20bは電気角でπ／２ずれて設けられている。固定子20aのティース部22a₁，22a₁，22a₁の各トルクは、トルクが負になる時点でコイルの極性が切り替わるため、図６(b) に示すようにトルクの絶対値となり、位相が２π／３ずつずれている。そのため、固定子20aのティース部22a₁，22a₂，22a₃の合成トルクは図６(b) に示すようにπ／３周期となる。従って、固定子20bの合成トルクのピークが固定子20aの合成トルクの谷の部分に位置するように固定子20bをずらすことにより、すなわち電気角で（２ｎ−１）π／６（ｎ＝１，２，３・・・）ずらすことにより、ロータ10に掛かるトルクのコギング性を抑えることができる。またロータ10と固定子20との間に発生するリアクタンストルクにより合成トルクのピーク位置がずれる場合もあるため、両側の固定子20が電気角で（２ｎ−１）π／６（ｎ＝１，２，３・・・）又はその近傍の範囲でずれて設けられているのが好ましい。

本発明の回転機は、本発明の範囲内であれば上述した実施例のものに限らず、種々の形態が適用可能である。例えば、図７に示すように、固定子20が中央に設けられ、ロータ10が外側に設けられたアウターロータ型の回転機でも良い。図７において参照番号が付された部位は、図１の回転機１の対応する部位と同じであるため説明を省略する。

[3] 回転機の製造方法
(3-1) ロータの製造方法
図４に示すように、４つの永久磁石12を内包するように円盤蓋13a，13bを重ね合わせつつ、回転軸11に取り付けることにより、円盤13を回転軸11に固定する。円盤13は回転軸11の外周面に固定されているため、ロータ10と回転軸11とは一体的に回転する。円盤13の回転軸11への固定手段として固定材15が用いられているが、本発明の回転機における固定手段はこれに限らず、種々の方法を用いることができる。

(3-2) 固定子の製造方法
図５に示す固定子20の製造方法の一例を図８(1) 及び(2) を参照して以下説明する。(a) まずある程度の強度を有する非磁性ステンレス等からなる中空の円筒形の芯25を用意し、(b) 帯状に圧延した鋼板を巻回する。その際、巻回後に鋼板層が剥がれないように、鋼板を芯25に溶接した後、巻回しながら各鋼板の層間をエポキシ樹脂等の接着剤で固定する。また巻回後の鋼板の終端は、スポット溶接等で固定するのが好ましい。

(c) 工程(c) で形成した巻鉄心の外周に非磁性ステンレス等からなる中空の円筒形の芯26を被せる。その際、巻鉄心をある程度アニーリングしておくのが好ましい。それにより、芯26に収納した後冷却され、巻鉄心が膨張することにより芯26に密着する。(d) 工程(c) で形成した巻鉄心の一端を、ティース部22が６等分に形成されるようにカットする。(e) コイルを巻装するティース巻装部221を形成するために、ティース部22の下部をエンドミル等で切削する。(f) ティース部22を形成した側の巻鉄心の一端を切り取ることにより、固定子20が得られる。以上の工程により、固定子20を一体的に形成することができるとともに、ティース部22の先端を平面にすることができる。それにより、低鉄損でかつ安定した磁束分布が得られる。(g) は(f) の固定子20を正面Aから見た正面図である。

図９に、本発明の固定子20の製造方法の別の例を示す。母材31に巻回されている鋼板を台32上を介して芯26に溶接により取り付けられている。台32の中央部には、鋼板の一部をパンチングしてティース部22を形成するためのプレス機33が設置されている。芯26は芯26を回転させるための巻取機（図示せず）に取り付けられている。

まず、芯26を回転させて鋼板を巻き取り、ヨーク21を形成する。次に、巻取機を停止させてからプレス機33により鋼板を打ち抜き、スロット部34aを形成する。巻取機を60度回転させた後、巻取機を停止させてからプレス機33により鋼板を打ち抜き、スロット部34bを形成する。これにより、スロット部34aとスロット部34bの幅Pは、鋼板が巻回されている巻取機（外径D）の60度相当の長さになる。

巻取機に鋼板が巻かれていくにつれ、各スロット部34の間隔は広くなるが、常に60度間隔でスロット部34を形成することができる。このように、巻取機を60度ずつ回転させながらプレス機33で鋼板にスロット部34を形成し、巻取機に巻回されていくことで、６つのスロット部34の間に設けられた６極のティース部22を有する固定子20を形成することができる。巻回しながら各鋼板の層間にエポキシ樹脂等の接着剤層を塗布等により設ける。

巻取機で正規の寸法まで巻いた後、鋼板を切断し、溶接等で固定する。得られた巻鉄心は、正規の幅Tを残して、両側のt₁，t₂の部分を切断する（仮鉄心を形成する）。ここで、スロット部34aとスロット部34bの幅Pは、鋼板が巻回されている巻取機の外径Dに基づいて定められているため、スロット部34a及び34bが実際に巻かれる際の巻取機の外径とは鋼板の長さL分相当の差異がある。そのため、巻取機を停止させてからプレス機33によりスロット部34を形成するときに、巻取機に巻回された鋼板のスロット部34にスロット揃え35を挿入し、微調整を行うのが好ましい。また仮鉄心を形成後、t₁，t₂の部分の切断前又は切断後に、スロット揃え35でスロット部34の調整をしても良い。

本発明の固定子20の製造方法は上述した方法に限られず、本発明の固定子20の特性を損なわない限りで、種々の方法を用いることができる。

(3-3) 永久磁石の着磁方法
本発明の場合、着磁後の永久磁石12を用いて組み立てを行うと、回転機１を組み立てる際に永久磁石12と固定子20との間にスラスト荷重がかかるため、組み立てが困難である。従って、図10に示すように、回転機１を組み立て後にロータ10の永久磁石12に着磁するのが好ましい。図10は、４極ロータ10の４つの永久磁石12a，12b，12c，12dとその両側の固定子20a，20bの各６つのティース部22a₁〜22a₆，22b₁〜22b₆とを模式的に示す展開図である。各ティース部には三相交流電源の替わりに、図10に示すように、直流電源を接続し、各ティース部のコイルに向きと大きさの異なる電流を印加する。図中の矢印はコイルの向きを表し、２重矢印のコイルには１重矢印のコイルと比べて２倍の電流が流れている。

まず着磁前の永久磁石材料を用いて回転機１を組み立てた後、固定子20a，20bのいずれか一方を周方向に電気角90度分ずらして仮組み立てをする。その際、図10に示すように、永久磁石12aは固定子20aのティース部22a₁と固定子20bのティース部22b₆，22b₁に挟まれている。ティース部22a₁及びティース部22b₆，22b₁の磁束密度の向きはいずれも上向きであるため、永久磁石12aには上向きの合成磁束を有する磁界が加えられる。それにより、永久磁石12aは上面がN極になるように着磁される。一方、永久磁石12bは固定子20aのティース部22a₂，22a₃と固定子20bのティース部22b₂に挟まれている。ティース部22a₂，22a₃及びティース部22b₂の磁束密度の向きはいずれも下向きであるため、永久磁石12bには上向きの合成磁束を有する磁界が加えられる。それにより、永久磁石12aは上面がS極になるように着磁される。それに対し、永久磁石12aと永久磁石12bとの間は、下向きの磁束を有するティース部22a₂と上向きの磁束を有するティース部22b₁とに挟まれているため、磁束が相殺される。

同様に、永久磁石12cは上向きの磁束密度を有する固定子20aのティース部22a₄と固定子20bのティース部22b₃，22b₄に挟まれており、永久磁石12aには上向きの合成磁束を有する磁界が加えられるため、永久磁石12aは上面がN極になるように着磁される。永久磁石12dは上向きの磁束密度を有する固定子20aのティース部22a₅，22a₆と固定子20bのティース部22b₅に挟まれており、永久磁石12aには下向きの合成磁束を有する磁界が加えられるため、永久磁石12aは上面がS極になるように着磁される。従って、図10に示すように、永久磁石12a，12b，12c，12dが周方向にＮ極とＳ極とが交互になるように着磁される。永久磁石12a，12b，12c，12dの着磁後、固定子20a，20bの片方の位置を元の位置にずらし、固定子20a，20bのティース部22a，22bが向かい合うように正規の位置に戻す。これにより、永久磁石12a，12b，12c，12dに着磁ができる。

このように、本発明の場合、上述したような４極ロータ６極固定子のようにロータと固定子の極が異なるような場合でも、回転機を組み立てた後に一度で全ての永久磁石に交互に極性が変わるように着磁することができる。従って、永久磁石12と固定子20との間にかかるスラスト荷重の影響を抑えつつ、回転機１を製造することができる。

少なくとも１つの固定子20を固定するブラケット24を、固定子20を回転自在に固定するものにしても良い。それにより、上述したように、固定子20の巻線の位置をずらしてコイル23に電流を流し、永久磁石12に容易に着磁することができる。

以上、４極ロータ６極固定子の回転機１を例にとり本発明の回転機について説明をしてきたが、本発明の回転機はこれに限らず、用途に応じて種々の形態を取ることができる。例えば、６極ロータ９極固定子でも良く、固定子の数も特に限定されない。

本発明の一実施例である回転機を示す部分断面図である。 ロータ及び回転軸の一例を示す斜視図である。 (a) はロータの一例を示す正面図及び断面図であり、(b) はＡ−Ａ断面図である。 ロータの一例を示す断面図である。 固定子の一例を示す正面図である。 ロータと固定子の配置を模式的に示す図である。 本発明のさらに別の実施例である回転機を示す部分断面図である。 固定子の製造方法の一例を示す図である。 固定子の製造方法の一例を示す図である。 固定子の製造方法の別の例を示す図である。 永久磁石の着磁方法の一例を示す図である。

符号の説明

１・・・回転機
10・・・ロータ
11・・・回転軸
12・・・永久磁石
13・・・円盤
13a，13b・・・円盤蓋
130・・・ポケット部
131・・・縁部
132・・・フランジ
133・・・切り欠部
14・・・ベアリング
15・・・固定材
20，20a，20b・・・固定子
21・・・ヨーク部
22・・・ティース部
221・・・ティース巻装部
222・・・ティース先端部
23，23a，23b・・・コイル
24・・・ブラケット
31・・・母材
32・・・台
33・・・プレス機
34・・・スロット部
35・・・スロット揃え

Claims (8)

1. 回転軸と、前記回転軸に垂直に接続され、複数の永久磁石を有するロータと、前記ロータの両側にギャップを介して設けられた固定子とを有し、前記固定子は、ヨーク部と、前記ヨーク部の内側面に設けられ、コイルが巻装された複数のティース部とを有し、前記ティース部と前記ヨーク部とが巻鉄心により一体的に形成されていることを特徴とする回転機。
2. 請求項１に記載の回転機において、前記ティース部は、コイルを巻装するティース巻装部と、前記ティース巻装部の先端に設けられ、前記ティース巻装部より大きい径を有するティース先端部とを有することを特徴とする回転機。
3. 請求項１又は２に記載の回転機において、前記コイルが三相コイルである場合、前記両側の固定子が電気角で（２ｎ−１）π／６（ｎ＝１，２，３・・・）又はその近傍の範囲でずれて設けられていることを特徴とする回転機。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の回転機において、前記複数の永久磁石は前記ロータの周方向にＮ極とＳ極とが交互に配置されていることを特徴とする回転機。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の回転機において、前記ロータは、前記回転軸に垂直に取り付けられ、前記複数の永久磁石を収納する円盤を有することを特徴とする回転機。
6. 請求項５に記載の回転機において、前記円盤は非磁性ステンレスからなることを特徴とする回転機。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の回転機において、前記永久磁石は、２枚の永久磁石の間に高強度の磁性体を挟んでなることを特徴とする回転機。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載の回転機において、前記ロータと両側の前記固定子との間のギャップの長さを調節し、もって前記回転機にかかるスラスト荷重を相殺することを特徴とする回転機。

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