JP2011172361A

JP2011172361A - 回転電機

Info

Publication number: JP2011172361A
Application number: JP2010032863A
Authority: JP
Inventors: Shinji Kinoshita; 伸治木下
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2010-02-17
Filing date: 2010-02-17
Publication date: 2011-09-01

Abstract

【課題】誘起電圧が大きくて鉄損失が少なくて、効率のよい回転電機を提供する
【解決手段】複数の極数を周方向に配列し回転可能な永久磁石と、前記永久磁石の外周部に対向配置された界磁コイルと、前記界磁コイルの外周部に対向配置された円筒胴部を有するステータヨークとを備えた回転電機において、前記円筒胴部の厚みに対する前記円筒胴部の内径の比と鉄損とからなる鉄損曲線は、前記鉄損のピーク値よりも低い曲線であり第一傾きを有する第一曲線と、第一曲線の傾きよりも大きい曲線であり第一曲線に続く第二曲線とを有し、前記第一曲線は第二曲線側の第一端部曲線を有し、前記第二曲線は第一曲線側の第二端部曲線とを有し、前記ステータヨークは、前記第一端部曲線と前記第二端部曲線とに対応する前記比となるように、前記円筒胴部の厚み及び内径が設定されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、医療機器などに利用されるモータ、または発電機とされる回転電機に関するものである。

歯科治療用のエアータービンハンドピースに組み込まれてエアーの圧力で回転する小型の発電機は、小径のため高速で回転しており、例えば１０万回転毎分を超える速度で回転している。また、エアーの圧力は標準化されているため、回転トルクは制限される。従って、上記エアータービンハンドピースに組み込まれる発電機は、小型化を図りつつ限られた回転トルクで高速回転できる構成にする必要がある。これに対応するものとして、永久磁石の外周面と隙間を介して対向する位置に界磁コイルを配置し、界磁コイルの外周側に磁性の薄板が積層されたステータヨークを備えた発電機が知られている（特許文献１）。

この発電機は、磁性の薄板が積層されたステータヨークを備えているため、鉄損が少なくて、小さな回転トルクでも高速に回転することができる。

ステータヨークの鉄損は、ヒステリシス損と渦電流損に分けられるが、ヒステリシス損は回転数に比例し、渦電流損は回転数の二乗に比例するため、高速で回転するこの発電機では鉄損の損失割合が大きい。つまり、限られた回転トルクの内、鉄損で消費される回転トルクが大きいと高速で回転することができなくなって、界磁コイルの誘起電圧が小さくなってしまう。

米国特許ＵＳ２００８／０２６１１７２Ａ１

歯科治療用のエアータービンハンドピースに組み込まれる小型発電機は、発電した電力でハンドピース先端近傍のＬＥＤを点燈させて、ＬＥＤライト環境下での治療を可能にしている。治療のため十分な明るさを得るには発電機の高出力化が要求されるが、高出力化には発電機のロータを高速、高トルクで回転させなければならない。

エアー圧力を上げると回転数やトルクは上昇するが、エアーの給気圧力は規定の圧力が標準化されているため、特定の圧力以上に上げることは困難である。

そのため、回転を妨げる損失を小さくして、特定の圧力であっても大きな出力が得られるように、ステータヨークの鉄損を小さくしなければならないという問題がある。

鉄損はステータヨークの半径方向の幅を小さくする等、ステータヨークの体積を小さくすると少なくなる。しかし、半径方向幅を小さくし過ぎると界磁コイルに鎖交する磁束密度が低下するため誘起電圧が小さくなってしまうという問題がある。

そこで、本発明の目的は、誘起電圧が大きくて鉄損失が少なくて、効率のよい回転電機を提供することである。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明の構成上の特徴は、複数の極数を周方向に配列し回転可能な永久磁石と、前記永久磁石の外周部に対向配置された界磁コイルと、前記界磁コイルの外周部に対向配置された円筒胴部を有し磁性材料からなるステータヨークとを備えた回転電機において、前記円筒胴部の厚みに対する前記円筒胴部の内径の比と鉄損とからなる鉄損曲線は、前記鉄損のピーク値よりも低い曲線であり第一傾きを有する第一曲線と、第一曲線の傾きよりも大きい曲線であり第一曲線に続く第二曲線とを有し、前記第一曲線は第二曲線側の第一端部曲線を有し、前記第二曲線は第一曲線側の第二端部曲線を有し、前記ステータヨークは、前記第一端部曲線と前記第二端部曲線とに対応する前記比となるように、前記円筒胴部の厚み及び内径が設定されていることを特徴とする回転電機を提供することである。

上記のように構成した請求項１に係る発明においては、後述する図６のステータヨーク円筒胴部の厚みを変化させた時の誘起電圧曲線と鉄損曲線に示すように、鉄損曲線の第一端部曲線と第二端部曲線とに対応するように設定された、ステータヨーク円筒胴部の厚みの範囲で、高い誘起電圧が得られるとともに鉄損を少なくできる。そのため、特定の給気圧を与えた歯科用タービン発電機において、効率よく電力を得ることができる。

ステータヨーク円筒胴部の厚みを薄くするとステータヨークの磁束密度が高くなり、鉄損曲線のピークに向かって磁束が飽和していく。磁束が飽和するステータヨーク円筒胴部の厚みを更に薄くすると、ステータヨークは飽和した状態で体積が小さくなる分、鉄損は少なくなる。

また、誘起電圧の曲線は、ステータヨークの磁束が飽和した後、ステータヨーク円筒胴部の厚みを薄くすると誘起電圧は減少するが、第一端部曲線までの厚み範囲では誘起電圧の減少は僅かである。

請求項２に係る発明の構成上の特徴は、前記ステータヨークの円筒胴部の厚みに対する前記ステータヨークの円筒胴部の内径の比が１７以上２５以下であることを特徴とする回転電機を提供することである。

上記のように構成した請求項２に係る発明においては、後述する図６の誘起電圧曲線と鉄損曲線に示すように、ステータヨークの円筒胴部の厚みに対する前記ステータヨークの円筒胴部の内径の比を１７〜２５の構成としたから、高い誘起電圧が得られるとともに鉄損を少なくできる。

請求項３に係る発明の構成上の特徴は、請求項１または請求項２に係る発明において、ステータヨークの円筒胴部は、単一鋼塊の磁性材料で形成されていることである。

上記のように構成した請求項３に係る発明においては、ステータヨークの円筒胴部を単一鋼塊の磁性材料で形成したから、低コストで、高い誘起電圧が得られるとともに鉄損を低減できる。

本発明に係る回転電機によれば、誘起電圧が大きくて鉄損の少ないステータヨークを形成することができる。したがって、回転電機の効率を向上することができる効果がある。

本発明の第一実施形態における発電機を歯科治療用ハンドピースに組み込んだ概略構成断面図である。本発明の第一実施形態における発電機の断面図である。本発明の第二実施形態における発電機の断面図である。本発明の実施形態で使用した誘起電圧の測定装置の概略構成図である。本発明の実施形態で使用した鉄損の測定装置の概略構成図である。本発明の実施形態において、ステータヨーク円筒胴部の厚みを変化させた時の誘起電圧と鉄損の特性曲線図である。

（第一実施形態）
本発明に係る発電機、および歯科治療用ハンドピースの第一実施形態を図１、図２に基づいて説明する。

図１に示すように、歯科治療用ハンドピース１は、治療用工具２２を軸線Ｌ回りに回転駆動する工具用タービン２１と、該工具用タービン２１を回転自在に保持するヘッド部２と、操作者によって把持される把持部３と、から概略構成される。

把持部３は、後端部に給気管５１および給水管５２が前方に延びている。後段ハウジング３８内には、発電機４０が備えられている。

発電機４０の円筒軸中心には、軸受４７，４８により回転自在に支持された軸４６が備えられている。軸４６の外周面に永久磁石４５が備えられ、永久磁石４５とエアーギャップを介してスリーブ４１が配置され、スリーブ４１外周面に界磁コイル４４が備えられて、スリーブ４１の外周にステータヨーク（円筒胴部）４３が備えられている。軸４６の前方には発電用タービン４２が設けられている。

給気管５１から供給されてきた空気流は、前段ハウジング３９に設けられた導入ノズルで空気が絞られて発電用タービン４２に導入され、軸４６を回転させる。軸４６の外周面に備えられた永久磁石４５は軸と一体となって回転し、界磁コイル４４に誘起電圧を発生させるようになっている。界磁コイル４４に発生した電圧は、端子ピン４９を介して電線３２を通ってＬＥＤ３１につながり、ＬＥＤ３１を点燈させるようになっている。

発電用タービン４２に導入された空気は、タービン前方に排出され、エアー通路３３を通って工具用タービン２１に導入されて、治療用工具２２を回転させるようになっている。

図２は発電機４０の断面図である。図２に示すように、発電機４０は、円筒軸中心に軸４６を備えており、外周面に永久磁石４５が設けられている。永久磁石４５はサマコバ焼結の異方性磁石で２極の着磁がされている。永久磁石４５の外周にはエアーギャップを介してスリーブ４１が配置され、スリーブ４１の外周面に界磁コイル４４が備えられている。界磁コイル４４は２つの空芯コイルが対向して配置されている。スリーブ４１は射出成型など樹脂（ＰＰＳなど）により成型されたものである。スリーブ４１の端部には端子ピン４９が備えられており、端子ピン４９の一端部に界磁コイルの端末線が取り付けられている。スリーブ４１の外周側にステータヨーク４３が備えられている。ステータヨーク４３の内径をｄ、厚みをｔで示す。

次に、第一実施形態と略同一の構成の発電機を用いて、ステータヨーク円筒胴部の厚みを変化させて、誘起電圧と鉄損を測定した結果について説明する。図４が、本実施形態で採用した誘起電圧の測定装置の概略構成図であり、図５が鉄損の測定装置の概略構成図である。

図４に示すように、発電機４０をモータの回転中心とステータ固定治具に取り付ける。モータを一定速度（１００００r/ｍｉｎ）で回転させて端子ピン４９に発生する誘起電圧をオシロスコープにて測定した。

鉄損は図５に示すように、発電機の永久磁石４５が取り付いた軸４６を、予めトルク定数のわかったモータの回転中心に取り付ける。モータを１００００r/ｍｉｎで回転させた時のモータの電流値をオシロスコープで測定する。次にステータ固定治具にステータヨーク４３を取り付けて、モータの電流値をオシロスコープで測定する。電流値の増加した分とモータのトルク定数から計算により、鉄損を求めた。

図６は、ステータヨークの厚みｔを変化させたときの誘起電圧と鉄損の特性曲線である。ステータヨークの内径ｄは８．４ｍｍ、厚みｔは、外径を変えて厚みを変えている。鉄損は、鉄損のピーク値から厚みを薄くすると大きく低減するが、０．４５ｍｍから低下する割合は緩やかである。誘起電圧は、鉄損のピークのヨーク厚みから薄くしたとき、０．３５ｍｍまで大きく低下しない。鉄損が許される範囲で特性を満足するステータヨークの厚みｔを０．３５ｍｍ〜０．５ｍｍまたは、ステータヨーク内径ｄ／厚みｔ＝１７〜２５または、鉄損のピーク値よりも低い曲線であり第一傾きを有する第一曲線と、第一曲線の傾きよりも大きい曲線であり第一曲線に続く第二曲線とを有し、前記第一曲線は第二曲線側の第一端部曲線を有し、前記第二曲線は第一曲線側の第二端部曲線とを有し、ステータヨークは、前記第一端部曲線と前記第二端部曲線とに対応する比（ステータヨーク内径ｄ／厚みｔ）となるように、ステータヨークの円筒胴部の厚み及び内径が設定されていることとした。

このように、ステータヨークの厚みｔとステータヨークの内径ｄを設定することにより、誘起電圧が高く鉄損が少ない、最適設計が可能となる。

サマコバ焼結磁石は磁気特性の高いもので最大エネルギー積はＢＨｍａｘ３０ＭＯｅ程度であり、ネオジ焼結磁石の最大エネルギー積の場合はさらに有効である。サマコバ焼結磁石を使用してエアーギャップ１．５〜２．５ｍｍにした場合、永久磁石とステータヨークのエアーギャップ磁束密度は５０００〜６５００ガウスになる。ネオジ焼結磁石もエアーギャップ磁束密度を５０００〜６５００ガウスになるように設定することによって、同じ効果がある。

また、回転数も１００００r/ｍｉｎ以上の回転電機であればさらに有効である。鉄損は、回転数が増すことによって損失に占める鉄損の割合が増加するためである。

（第二実施形態）
次に、本発明に係る回転電機の第二実施形態を図３に基づいて説明する。なお、本実施形態は第一実施形態とステータヨークの形成方法および外装部材が異なるのみであり、他の構成は第一実施形態と略同一であるため、同一箇所には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。第一実施形態では、スリーブ４１を覆う部材がステータヨーク４３であるとして説明したが、本実施形態では、スリーブ及び外装部材により収容部を構成し、そこにステータヨークを備えている点で相違する。以下詳細に説明する。

図３は発電機４０の断面図である。図３に示すように、発電機４０は、円筒軸中心に軸４６を備えており、外周面に永久磁石４５が設けられている。永久磁石４５はサマコバ焼結の異方性磁石で２極に着磁がされている。永久磁石４５の外周にはエアーギャップを介してスリーブ４１が配置され、スリーブ４１の外周面に界磁コイル４４が備えられている。界磁コイル４４は２つの空芯コイルが対向して配置されている。スリーブ４１は射出成型など樹脂（ＰＰＳなど）により成型されたものである。スリーブ４１の端部には端子ピン４９が備えられており、端子ピン４９の一端部に界磁コイルの端末線が取り付けられている。スリーブ４１の外周側に外装部材１１１が備えられて、外装部材１１１の内周で界磁コイルの外周側にステータヨーク１２１が備えられている。ステータヨーク１２１は薄板の磁性板が積層されている。なお、スリーブ４１及び外装部材１１１は収容部を構成している。

本実施形態によれば、第一実施形態と同様に、ステータヨークの厚みｔとステータヨークの内径ｄを設定することにより、誘起電圧が高く鉄損が少ない、最適設計が可能となる。さらに、ステータヨークは薄板の磁性板が積層されて形成されているため、鉄損を少なくすることができる。

尚、本発明の技術範囲は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、実施形態で挙げた具体的な形状や構成等は一例にすぎず、適宜変更が可能である。

例えば、本実施形態は、歯科治療用ハンドピース内臓の発電機を用いて説明をしたが、上述した構成の磁気回路をモータなどに採用してもよい。

また、本実施形態では、ステータヨークが単一鋼塊の磁性材料、または、薄板の磁性材料を積層する場合の説明をしたが、鉄粉を焼結で形成したものでもよい。

１歯科治療用ハンドピース
２ヘッド部
３把持部
２１工具用タービン
２２治療用工具
３１ＬＥＤ
３２電線
３３エアー通路
３８後段ハウジング
３９前段ハウジング
４０発電機
４１スリーブ
４２発電用タービン
４３、１２１ステータヨーク（円筒胴部）
４４界磁コイル
４５永久磁石
４６軸
４７、４８軸受
４９端子ピン
５１給気管
５２給水管
１１１外装部材

Claims

複数の極数を周方向に配列し回転可能な永久磁石と、前記永久磁石の外周部に対向配置された界磁コイルと、前記界磁コイルの外周部に対向配置された円筒胴部を有するステータヨークとを備えた回転電機において、
前記円筒胴部の厚みに対する前記円筒胴部の内径の比と鉄損とからなる鉄損曲線は、前記鉄損のピーク値よりも低い曲線であり第一傾きを有する第一曲線と、第一曲線の傾きよりも大きい曲線であり第一曲線に続く第二曲線とを有し、前記第一曲線は第二曲線側の第一端部曲線を有し、前記第二曲線は第一曲線側の第二端部曲線とを有し、
前記ステータヨークは、前記第一端部曲線と前記第二端部曲線とに対応する前記比となるように、前記円筒胴部の厚み及び内径が設定されていることを特徴とする回転電機。
前記比が１７以上２５以下であることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
前記円筒胴部は、単一鋼塊の磁性材料で形成されたものである請求項１または請求項２のいずれかに記載の回転電機。