JP2013155649A

JP2013155649A - アキシャルギャップ回転子を有する羽根車システム

Info

Publication number: JP2013155649A
Application number: JP2012016042A
Authority: JP
Inventors: Yuji Enomoto; 裕治榎本; Ryozo Masaki; 良三正木
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2012-01-30
Filing date: 2012-01-30
Publication date: 2013-08-15
Anticipated expiration: 2032-01-30
Also published as: WO2013114921A1; JP5898976B2; CN204493206U

Abstract

【課題】本発明の目的は、ギャップの拡大を伴わずに液体などが充填する羽根車室とモータの隔離を実現してモータの高効率化を保ち、アキシャルギャップ構造を適用してモータ自体の効率を高め、ポンプなどの羽根車径を増加させずに、高い信頼性とシステム効率を有するアキシャルギャップ型の羽根車を有するシステムを提供することにある。
【解決手段】モータ１０，２０，１００と羽根車１６とが一体化されて構成されるモータ一体型羽根車システムにおいて、軸方向に少なくとも２つのアキシャル面を有する回転子２０，３０を有し、そのうちの一つの回転子２０が、もう片方の回転子３０と隔壁７ａで仕切られ、前記一つの回転子２０がモータ部を構成し、前記片方の回転子３０が羽根車部を構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は軸方向にギャップを有するアキシャルギャップ回転子を有するモータや発電機と一体化して構成された電動ポンプ，水車発電機，空調用ファンなどの羽根車を有するシステムに関する。

近年、産業用機器や家電品，自動車部品などにおいて、省エネルギー化の必要性が重要視されるようになってきた。現在、国内で使用される電力使用量のうちの半分以上は、回転電機の駆動によって消費されている。このうち、電動化などの用途で、電動で駆動するポンプや送風ファンなど、羽根車を有するシステム用途が７割以上を占める。また、発電用途においても水車発電機など、羽根車を利用するシステムが利用されている。

電動で駆動される一般的なポンプは、モータとポンプ部は軸で結合され、駆動源としてモータが利用される構造となっている。この場合、軸方向には、軸継ぎ手などの結合部品を構成しなければならないので、軸方向の寸法が長くなる構造となってしまう問題がある。この軸方向の寸法を短くしようとする場合には、モータの軸を羽根車に直結して構成するポンプ一体型（ＪＯＶＤ形）などの構成も製品化されている。しかし、ポンプ部は、水などの液体が充填されるため、羽根車が回転するポンプ室は、外部に液体が漏れださないように封止する必要がある。ポンプ一体型でも、この封止をポンプ室とモータの間のスペースで行う構造となる。液体が漏れださないように封印する構造として、ゴム状部材のＯリングやオイルシールを配置する構造などが採用されるが、軸などの回転体物を介してシールする構造は、定期メンテナンスが必要になるといった欠点を持っている。そこで、特許文献１，特許文献２では、ポンプ室とモータを一体化し、モータの固定子電気部と液体が充填されるポンプ室を隔壁で切り離す構造が提案されている。モータの固定子と回転子の間に非磁性材料による隔壁を設けることによって、回転部でのシールを不要とする構造となっている。しかし、この方法は固定子と回転子の間に大きなギャップ寸法が必要となるために、固定子側で発生させた磁束を回転子側へ伝える際の損失が大きくなりモータ、およびポンプの総合効率の低下を招くという問題がある。

一方、これらのシステムに使用されるモータや発電機では、鉄心部に軟磁性材料が用いられており、この鉄心部の損失を低減することが、これらの製品の高効率化を実現する手段となっている。また、別の効率向上策としては、磁力の高い永久磁石を用いることにより、所定電流当たりのマグネットトルクを増加させて必要トルクを低い電流で得られるようにして、電流による導体のジュール熱による損失（銅損）を低減する手段がある。しかしながら、近年は希土類の高騰により、磁力の高い磁石の利用が困難となってきている背景がある。そこで、弱い磁力の磁石を利用しても効率を高める方法が必要となってきている。永久磁石モータの高効率化の方法として、特許文献３が挙げられている。特許文献３では、永久磁石モータに使用する軟磁性材料に低損失なアモルファスを用いるためにアキシャルギャップ型のモータとし、さらに、銅損を低減するために永久磁石のボリュームを増やす構造として、軸方向の２面を回転子とする構成のモータが提案されている。

このアキシャルギャップ型モータを、ポンプなどの羽根車を有するシステムに適用して高効率化，小形化を図ろうとした場合、出力軸に羽根車を直接配置する構造とすると、液体の中で大径の円板を回転させることで、円板摩擦損失が大きくなり、効率の低下を招いてしまう。また、円板から出力軸を出す構造とすると、前述した、通常のポンプのように軸方向に長くなることと、ポンプ部との間の軸をシールしなければならないという課題が残る。

特開２００９−０７７５３１号公報特許第４８２８７５１号公報特開２０１０−１１５０６９号公報

上記特許文献１と２に開示されているような構造のポンプシステムでは、固定子と回転子の間のギャップが広くなるため、固定子から回転子間の磁束の流れ易さである磁気抵抗が増加してモータ効率の低下を引き起こすという課題がある。また、特許文献３に開示のモータ効率を高めるアキシャルギャップ構造のポンプシステムなどへの適用では、円板の径が大きいために、円板摩擦損失が増大してポンプ効率の低下が懸念されるという課題を有している。

本発明の目的は、ギャップの拡大を伴わずに液体などが充填する羽根車室とモータの隔離を実現してモータの高効率化を保ち、アキシャルギャップ構造を適用してモータ自体の効率を高め、ポンプなどの羽根車径を増加させずに、高い信頼性とシステム効率を有するアキシャルギャップ型の羽根車を有するシステムを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、モータ部を、少なくとも２つの回転子を有するアキシャルギャップ型回転電機とし、かつ、固定子と回転子のギャップは効率を最大に得るために適正な寸法関係として構成し、この回転子の片側から羽根車側には、非磁性部材の隔壁で仕切りされ、非接触でトルクを伝達する構成を提案する。

具体的な構造としては、磁石のボリュームを増加させるために、大径化して構成するアキシャルギャップ型回転電機の軸方向両面に回転子を有するアキシャルギャップ回転電機において、回転子のどちらか片方の軸方向反固定子側面に周方向に複数極となる磁石を配置し、トルクを伝達する羽根車側の軸方向モータ側面にも同一極数の磁石を配置して、互いの磁石が向き合うように配置された回転子間を非磁性部材、かつ、非導電性の隔壁で隔てる構造として、磁石の反発吸引によって非接触でトルクを伝達する構造とする。

上記の構造とすることで、回転電機は、効率向上が可能なアキシャルギャップ型として構成することができ、羽根車側と回転電機側は隔壁で仕切られるため、羽根車側のみが羽根車によって搬送される液体によって充填される構造となり、アキシャルギャップ型回転電機側の回転子円板摩擦損失を増大させない構造の実現が可能となる。また、回転電機部分は独立して構成されているために、モータとしての固定子と回転子間のギャップは適正に保たれるため、モータの効率を低下させることが無い構造を実現可能である。

本発明によれば、回転電機のギャップを拡大してモータの効率を低下させず、円板摩擦損失を増加させないため、効率が高く、かつ、軸方向に薄型のポンプなどの羽根車を有するシステムを構成することができる。また、回転子径を大きくとれるアキシャルギャップ型モータを構成できることから、希土類を有する強力磁石を用いずとも、磁力の弱い安価な磁石で高い効率を有する回転電機を有する羽根車駆動システムを構成することができる。

本発明の羽根車駆動システムを説明する横断面図である。本発明の軸方向両面に磁石回転子を有するアキシャルギャップ型回転電機部の構造を示した斜視図である。本発明の軸方向両面に磁石回転子を有するアキシャルギャップ型回転電機部の鉄心構造を示す図である。本発明の軸方向両面に磁石回転子を有するアキシャルギャップ型回転電機部のトルク伝達側回転子構造を示す図である。本発明の羽根車駆動システムの羽根車側回転子の構造を示す斜視図である。本発明の羽根車駆動システムの羽根車側回転子と隔壁を有する筺体構造を示す斜視図である。本発明の軸方向両面に磁石回転子を有するアキシャルギャップ型回転電機部のトルク伝達側回転子構造の第２の実施形態を示す図である。本発明の羽根車駆動システムにおいて、非接触でトルクを伝達する回転子構造としての各種パターンを説明する横断面図である。

以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。

以下、本発明の第１の実施例について図１及び図２を用いて説明する。
図１に本発明のアキシャルギャップ型モータと羽根車が一体化して構成される羽根車駆動システムの横断面図を示す。また、図２には、この羽根車駆動システムのアキシャルギャップ型モータ部の構造を斜視図で示す。

アキシャルギャップ型モータは、鉄心１を周方向に複数有し、その鉄心１の周囲に導体を巻回されたコイル２で固定子１００を構成する。固定子は軸方向中央に配置され、その軸方向両側に２つの回転子を有する構造として構成する。反出力側の回転子は、反出力側回転子１０に反出力側回転子継鉄１１を介して反出力側回転子磁石１２が保持される構造としている。この実施例では磁石は、周方向に分割されて配置され、磁石と磁石の間には、磁石間位置決め部材１３が配置される構成となっている。反出力側回転子１０の中央部には、回転電機部軸５が挿入固定される孔を設け、回転電機部軸５と固定結合される。回転電機部軸５は、固定子１００の内側に設けられた軸受保持部４に回転可能に配置された軸受６に回転可能な状態で保持され、出力側の回転子２０と結合される。出力側回転子２０は、反出力側回転子１０と同様な構成となっており、出力側回転子継鉄２１，出力側回転子磁石２２，磁石間位置決め部材２３で構成され、出力側回転子磁石２２が固定子側の面に固定子１００と対向するように配置されて回転子１０，２０が回転可能なアキシャルギャップ型モータが構成される。

さらに、出力側回転子２０には、固定子１００と対向しない面、すなわち、羽根車１６を配置する側の面には、周方向に複数極に着磁された出力側回転子トルク伝達側磁石２４を配置する。その出力側回転子トルク伝達側磁石２４と羽根車１６との間には、アキシャル型モータの固定子１００の外周部（固定子保持部３）を保持する筺体７と一体となって構成される筺体隔壁７ａが配置される構造とし、アキシャル型モータ部と羽根車１６部とは空間を仕切られる構造となっている。この筺体隔壁７ａは非導電体であり、非磁性材料で構成されることが望ましい。ただし、この筺体隔壁７ａを薄くして構成しようとすると、プラスチックなどの樹脂材料では強度が確保できないため、ステンレスなどの非磁性金属で構成される場合もある。筺体隔壁７ａには、羽根車部軸９を中央部に設け、その軸に対して羽根車１６の内周部に設けた羽根車部軸受８で回転可能に保持される。羽根車１６のスラスト方向は、羽根車部軸９の先端に設けられた螺子部を羽根車締結部座金１８，羽根車締結用ナット１５で固定される構造となっている。また、この羽根車１６のモータ側、すなわち、羽根車側回転子３０の筐体隔壁７ａ側の面には、モータ部に設けられた出力側回転子トルク伝達側磁石２４と同様な極数とした羽根車側回転子磁石３２が配置され、羽根車１６と一体化した構造としている。これによって、出力側回転子トルク伝達側磁石２４と羽根車側回転子磁石３２の吸引力によってトルクが非接触で伝達される。この磁気的な結合により伝達できるトルクは、永久磁石と永久磁石とが対向してギャップ磁束を大きくすることができるため、モータ部よりも大きなトルクを伝達することが可能である。このため、筐体隔壁７ａを介しての大きなギャップを有する構造でも、モータ部で発生したトルクを一面で伝達することが可能となるのである。また、上記の理由により、非接触トルク伝達面の面積を必要に応じて小さくすることも可能となる。

図１に示した実施例では、羽根車１６側の羽根車側回転子磁石３２は、出力側回転子トルク伝達側磁石２４よりも径を小さくした例となっている。上記のような構成とすることで、羽根車１６が水や油，空気などの流体を撹拌して仕事を行う部屋とモータ部を筐体隔壁７ａによって仕切ることができるため、アキシャルギャプモータ部の回転子円板２枚が発生させる円板摩擦損失を小さくすることができるのである。

図３には、モータ部の鉄心の構造が異なる実施例について示す。（ａ）図には、電磁鋼板、または鉄基アモルファス，ファインメット，ナノクリスタル材料などの箔帯を周方向に積層した構造の鉄心を示す。また（ｂ）は、圧粉磁心，フェライトなどの粉末を圧縮成形した鉄心を利用する例である。（ｃ）は、電磁鋼板、または鉄基アモルファス，ファインメット，ナノクリスタル材料などの箔帯を周方向に積層した構造の鉄心を示すこのような鉄心を長方形断面として構成する例を示している。（ｄ）は、（ａ）から（ｃ）に示した軟磁性材料の鉄心に方向性を付与した鉄心を示す。本発明のアキシャルギャップモータでは、軸方向にしか磁束の流れは無いために、この方向に異方性をつける構造としたものである。このように、本発明のアキシャルギャップモータでは、特殊な磁性材料を利用することができるために、モータの効率をきわめて高く設計することが可能となる。

図４には、出力側回転子の詳細構造を斜視図で示す。（ａ）図は出力側回転子を出力側回転子トルク伝達側磁石２４の面から見た斜視図を示す。出力側回転子は、鉄、または、アルミやステンレスなどの構造用部材２０ａを出力側回転子トルク伝達側磁石２４と出力側回転子磁石２２で挟み込んだ構造となっている。（ｂ）図には（ａ）図で示したものを反対面から見た場合の斜視図を示している。モータ側に対向する面では、出力側回転子磁石２２を周方向に複数配置しており、その間には位置決め部材２３を配置している。この構造とする理由は、モータ部では、鉄心１と磁石の間で発生するコギングトルク，トルク脈動を低減する構成とする必要があるためである。本実施例の磁石形状は、周方向に略扇形として構成され、その両側の開き角度が異なる形状としている。このような形状とすることで、トルク脈動を低減することができるのである。本実施例では、磁石の形状をこのような形としたが、ドーナツ状の磁石にこのような形状となるような着磁によって構成しても良い。図４（ｃ）図には、断面図を示す。断面図には、磁石２２と構造用部材２０ａの間にはドーナツ状の継鉄２１を挟み込む構成としていることが分かる。この継鉄は、軟磁性材料で構成する必要があるため、アモルファス箔帯や電磁鋼板を巻回して構成したり、粉末状の軟磁性材料を圧縮成形した圧粉磁心で構成する。図４（ｄ）には、出力側回転子トルク伝達側磁石２４をアキシャルギャップモータの回転子よりも径を小さくした回転子磁石２４を構成する例を示す。前述したとおり、トルクを非接触で伝達する側の磁石は、磁石と磁石が対向して同期して回転する構造のため、モータ部よりも小さな面積で大きなトルクを伝達することが可能である。

図５は、羽根車部分の構造について示している。（ａ）図は羽根車側から見た斜視図である。羽根車１６は、周方向に複数枚の羽根を有する構造となっており、水や空気，油などの媒体を撹拌して流れを作る機能を持っている。この羽根車のモータ側と対向する面に、羽根車側回転子磁石３２を配置した構造とする。その磁石側の面から見た斜視図を（ｂ）に示す。羽根車側回転子３０の面に配置された羽根車側磁石３２はドーナツ状となっており、その内側部には、すべり軸受が配置される構造となっている。

図６には、筐体隔壁７ａを有する筺体７と羽根車１６との関係を示す斜視図である。隔壁の中心には、金属または樹脂製の羽根車側軸９が筺体と一体となって構成される。この軸は、筺体と同一の部材による樹脂成形や、金属などの軸部品を（ｂ）図のように樹脂で構成される筺体７を成形する際にインサートモールドによって一体として構成されるような構造とする。筐体隔壁７ａは、磁石が対向する部分はできるだけ薄くし、軸固定部は厚くして、磁石対向面だけが薄くなるような構成としている。このような軸一体の筺体部に対して、（ａ）図に示すように羽根車１６を軸９にすべり軸受８を介して回転可能に保持し、座金１８，ナット１５でスラスト方向の固定を行う構造としている。

続いて、本発明の第２の実施例について図７を用いて説明する。
第１の実施例では、出力側回転子は２種類の磁石によって構成される例を示した。図７には、この２つの磁石を共有化する例を示す。図７（ａ）には出力側回転子の構造を斜視図で示している。回転子の構造部材２０ａに磁石を保持するための孔を設け、その孔と同一の形状を持つ磁石２２を挿入固定して回転子とする。回転子の外観は（ｂ）図に示すような構造となる。この回転子を用いた場合のシステム全体の横断面図を図７（ｃ）に示す。図１と異なるのは、出力側回転子のみである。図１で示した第１の実施例と比べると、出力側回転子２０に継鉄２２や磁石位置決め用部材２３が無い分、低コスト化と薄型化が図れる。ただしこの場合、羽根車側回転子はモータ磁石の極数と同一にする必要がある。

続いて、本発明の第３の実施例について図８を用いて説明する。
図８は、出力側回転子と羽根車側回転子の構造の組み合わせパターンを示している。図８（ａ）は、図１で示した実施例の構造を示している。出力側回転子２０の内部にはドーナツ状の継鉄部２１を有し、モータ側の面には出力側磁石２２が配置され、その反対面にはドーナツ形状の出力側回転子トルク伝達側磁石２４が配置されている。隔壁（図示していない）を挟み、羽根車側回転子３０と対向しており、対向面にはドーナツ形状の羽根車側磁石３２が配置される構成となっている。こちらの羽根車側回転子３２は、出力側磁石２２よりも小さくなっている。図８（ｂ）には、同様の構成を示す。出力側磁石２２と羽根車側回転子３２は同一の形状となっている。この形状では、磁力が増加することにより伝達トルクの増加が見込めるため、隔壁部のギャップを大きくすることが可能となる。図８（ｃ）には、羽根車側回転子側にも軟磁性材料の継鉄３１を有する構造とした例を示す。羽根車側の回転子は、水や油などの冷媒中に配置されるために、鉄などの錆びやすい部材を用いるよりも、アルミニウム，ステンレスなどの防錆材料を使用することが望ましい。このため、非磁性材料となる場合には、別途継鉄を設けることが必要となる。継鉄は、前述したような材料を用い、磁石の裏側面に配置して錆びから防止する構造とする。図８（ｄ）には、出力側回転子トルク伝達側磁石２４をモータ部（回転子）径よりも小さくし、羽根車側磁石３２も同様に小さくした例を示す。必要なトルクに応じて、このような構成にすることが可能である。図８（ｅ）図は、羽根車側回転子のみを示している。前述したように防錆が必要であるため、回転子部分全体を防錆が可能な材料でコーティングするような構造を示している。図８（ｆ）では羽根車と磁石３２，継鉄３１，すべり軸受８を樹脂で一体化して構成する例を示した。羽根車自体を樹脂製として、その形状を金型で成形する際に、磁石他の部材をインサートモールドすることで一体化して防錆も対策できる構成としたことを特徴としている。

本発明のアキシャル型構造のモータと一体化された羽根車駆動システムは、小型、高効率を目的とした幅広い用途に応用することができる。具体的には、本発明のアキシャルギャップモータ一体の羽根車を用いたシステムは、産業用ポンプ，圧縮機，産業用ファン，小水力用途水車発電システム、車載用電動ウォータポンプ，車載用電動オイルポンプ，家電用ポンプ，家電用送風機など、一般的な回転機システム、および、羽根車を用いた駆動，発電システムに幅広く応用することが可能である。

１固定子鉄心
２固定子コイル
３固定子保持部
４軸受保持部
５回転電機部軸
６軸受
７筺体
７ａ筺体隔壁
８羽根車部軸受
９羽根車部軸
１０反出力側回転子
１１反出力側回転子継鉄
１２反出力側回転子磁石
１５羽根車締結用ナット
１６羽根車
１８羽根車締結部座金
２０出力側回転子
２１出力側回転子継鉄
２２出力側回転子磁石
２３磁石間位置決め部材
２４出力側回転子トルク伝達側磁石
３０羽根車側回転子
３２羽根車側回転子磁石

Claims

モータと羽根車とが一体化されて構成されるモータ一体型羽根車システムにおいて、
軸方向に少なくとも２つのアキシャル面を有する回転子を有し、そのうちの一つの回転子が、もう片方の回転子と隔壁で仕切られ、前記一つの回転子がモータ部を構成し、前記片方の回転子が羽根車部を構成することを特徴とするモータ一体型羽根車システム。
請求項１に記載のモータ一体型羽根車システムにおいて、
軸方向に１つの固定子と２つの回転子を有するアキシャルギャップモータを有し、その片側の回転子の反固定子側面にトルク伝達用の磁石を配置し、隔壁で隔てられた部屋に配置される磁石を有する羽根車へのトルク伝達を非接触で行うことを特徴とするモータ一体型羽根車システム。
請求項２に記載のモータ一体型羽根車システムにおいて、
モータのトルク伝達側面の磁石は、継鉄なしの構成とすることを特徴とするモータ一体型羽根車システム。
請求項２に記載のモータ一体型羽根車システムにおいて、
前記アキシャルギャップモータを構成する磁石と、羽根車に配置される磁石の内外径が異なることを特徴とするモータ一体型羽根車システム。
請求項２に記載のモータ一体型羽根車システムにおいて、
非磁性，非導電性（樹脂製）の隔壁とその隔壁に設けられたインペラ回転保持用固定軸を構成し、インペラ内周部に設けられたすべり軸受により、回転方向，スラスト方向の回転可能な保持を実現する構造としたことを
特徴とするモータ一体型羽根車システム。
請求項２に記載のモータ一体型羽根車システムにおいて、
羽根車部は防錆のためのコーティングを施されていることを特徴とするモータ一体型羽根車システム。