JP2013223370A - 同期回転機 - Google Patents

Abstract

【課題】入手が容易で低コストの材料を利用しつつ、材料の無駄の少ないステータヨークを実現し、放熱性にすぐれた構造を有する回転機を提供する。
【解決手段】本発明の回転機は、筐体１ａ，１ｂと、電機子コイル５と、電機子コイル５を固定するステータヨーク３と、電機子コイル５に対向するようにギャップを介して配置され、シャフト１０とともに回転するロータヨーク７とを備える。ステータヨーク３は、酸化鉄（ＩＩＩ）の粉末とバインダ樹脂の粉末とを含み、これらを混錬して成型された第１のステータヨーク３ａと、強磁性材料の薄板で形成される第２のステータヨーク３ｂとを有し、ステータヨーク３と筐体１ａ，１ｂとの間にモールド樹脂充填部２を形成して、ステータヨーク３と筐体１ａ，１ｂとを密着させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、同期回転機に関し、特にステータヨークの構成に特徴を有する同期回転機に関する。

近年、温暖化防止対策のため、再生可能エネルギに対応した発電システム、特に風力発電が注目されている。風力発電装置においては、発電効率を上げるためには、一般的にロータ径を大きくする必要があるとされている。このため、長大なブレード（羽根）と減速ギアとを組み合わせた大規模プラントとなる傾向がある。一方で、災害等の非常時における取り組みとして、電源のローカル化、分散化が課題とされるようになり、低トルクで発電可能なコアレス発電機を用いた風力発電装置への期待が高まっている。このような小型風力発電機の高効率化及び小型化が進められている。

また、インバータ制御技術等の進展に伴い、同期電動機（ブラシレスモータ）の用途は、エアコン等の民生機器から、電動自動車やハイブリッド自動車等さまざまな用途に拡大している。近年では、電動自動車等の輸送機器をはじめブラシレスモータに対して、高出力が求められ、その高出力化に対して、いくつかのアプローチがなされ、一部実用化されている。高出力化のアプローチのひとつは、高保磁力の永久磁石をロータマグネットに採用することである。しかしながら、モータの高出力化のためにロータマグネットとしてネオジムＮｄやサマリウムＳｍ等のレアアースを大量に必要とするために、レアアースの供給不安が顕在化している。このため、レアアースレス化の研究も活発に行われており、ロータマグネットをなくした同期電動機、いわゆる同期リラクタンス電動機が検討されている。電動機を高出力化するためには、効率の向上をはかる必要がある。

特開２００４−１５３９７７号公報

同期電動機や発電機を小型化し高出力化するためには、回転機内部の損失を低減して高効率化する必要があり、合わせて、損失により生じた熱を効率的に放熱する構造が必要となる。

発電機内部の損失には、銅損と鉄損とがある。銅損とは、電機子コイルの巻線の抵抗分によって生じ、抵抗分に比例したジュール熱を発生する。銅損を低減するには、電機子コイルの巻線に用いる導線を、丸導線に代えて平角導線を用いることによって導体の占積率（単位容積当たりの導体の体積比）を高めるとともに、コイルエンドの処理を短くして巻線の抵抗値を減らす工夫が必要である。また、特願２０１１−２３６１２３に記載されるように、タップレスが可能な電機子コイルを採用することによって、配線の引き回しを短縮して低抵抗化することが必要である。

鉄損とは、磁性部品のヒステリシスに基づくヒステリシス損と、電磁誘導によって生ずる渦電流損との和である。ヒステリシス損を低減するには、ケイ素鋼板等のヒステリシスの小さい軟磁性材料を用いることが一般的である。渦電流損は、板厚の２乗に比例するため、ケイ素鋼板の薄板の平面が磁束と平行になるようにして、薄板を積層したものが、磁気回路を構成するロータやステータとして一般的に用いられる。また、特許文献１にモータのステータ又はロータのいずれか一方または両方に圧粉鉄心又は焼結金属を用いて、磁束に対して無方向性にすることによって渦電流損を低減する技術が開示されている。

しかしながら、渦電流損を低減するために、ケイ素鋼板を積層してステータヨークとする方法では、ケイ素鋼板をステータヨークの形状に複数枚打ち抜いて、これらを積層するので、打ち抜き後の部材の無駄が多いことが指摘されている。また、圧粉鉄心等を用いる場合では、圧粉材料として、純度の高い（炭素の少ない）軟鋼や、センダスト、又はコバルトＣｏ系の合金等を用い、金属粒子径を管理した上で金属粒子の表面に酸化被膜を形成するといった厳しい製造管理工程を要するため、コスト高になるとの問題がある。

そこで、入手が容易で低コストの材料を利用しつつ、材料の無駄の少ないステータヨークを実現し、放熱性にすぐれた構造を有する回転機を提供することを目的とする。

本発明の回転機は、電機子コイルと、熱伝導率の高い材質で形成された筐体と、電機子コイルを固定して、電機子コイルを固定した面とは異なる面を筐体の内壁に固定されるステータヨークと、電機子コイルに対向するようにギャップを介して配置され、回転中心となるシャフトに固定されてシャフトとともに回転する、強磁性材料を含む材料で形成されたロータとを備える。ステータヨークは、酸化鉄（ＩＩＩ）の粉末とバインダ樹脂とを含み、これらを混錬して成型された第１のステータヨークと、電機子コイルを固定した面とは異なる面及び筐体の内壁の間に挟んで固定される、強磁性材料の薄板で形成される第２のステータヨークとを有し、モールド樹脂がステータヨークと筐体との間に充填されて、ステータヨークと筐体とが密着する。

本発明の回転機におけるステータヨークは、酸化鉄（ＩＩＩ）の粉末とバインダ樹脂とを含み、これらを混錬して成型されたものであってもよい。

また、軟磁性材料の薄帯を巻回して積層し、巻回した軸と、上記電機子コイルの空芯部を通過する磁束の方向とが平行になるように、電機子コイルを固定したステータコイルであってもよい。

本発明の回転機によれば、ステータヨークが、酸化鉄（ＩＩＩ）の粉末とバインダ樹脂とを含み、これらを混錬して成型された第１のステータヨークと、電機子コイルを固定した面とは異なる面及び筐体の内壁の間に挟んで固定される、強磁性材料の薄板で形成される第２のステータヨークとを有しているので、渦電流損が小さい。また、ステータヨークと筐体とが密着するようにモールド樹脂がステータヨークと筐体との間に充填されるので、銅損及び鉄損により発生した熱を容易に放熱することができる。

本発明が適用されたアキシャルギャップ型の３相同期コアレス発電機の例を示す図である。（Ａ）は、平面図であり、（Ｂ）が正面図である。それぞれＡＡ線、ＢＢ線における一部断面を示す図である。 図１の発電機に用いられるステータヨークの斜視図である。（Ａ）は、鉄Ｆｅ、酸化鉄（ＩＩＩ）Ｆｅ_２Ｏ_３の粉末とバインダ樹脂とを混錬して成型したステータヨークに、ケイ素鋼板の薄板を貼り付けて構成したステータヨークを示す。（Ｂ）は、鉄Ｆｅ、酸化鉄（ＩＩＩ）Ｆｅ_２Ｏ_３の粉末とバインダ樹脂とを混錬して成型したステータヨークを示す。（Ｃ）は、ケイ素鋼板の薄帯を巻回して積層したステータヨークを示す。 本発明が適用されたラジアルギャップ型の同期リラクタンス電動機の例を示す図である。（Ａ）が平面図、（Ｂ）が正面図である。それぞれＣＣ線、ＤＤ線における一部断面を示す図である。 図３の電動機に用いられるステータヨークの平面図である。（Ａ）は、鉄Ｆｅ、酸化鉄（ＩＩＩ）Ｆｅ_２Ｏ_３の粉末とバインダ樹脂とを混錬して成型したステータヨークに、ケイ素鋼板の薄板をその外周面に貼り付けて構成したステータヨークを示す。（Ｂ）は、鉄Ｆｅ及び酸化鉄（ＩＩＩ）Ｆｅ_２Ｏ_３の粉末とバインダ樹脂とを混錬して成型したステータヨークを示す。

以下、本発明が適用された回転機について、図面を参照して以下説明する。

［アキシャルギャップ型発電機］
以下、アキシャルギャップ型発電機とは、ロータとステータとのギャップが回転軸と平行な方向に形成される発電機をいうものとする。

本発明の発電機は、図１（Ａ）及び図１（Ｂ）に示すように、上下に分割された筐体１ａ，１ｂを備える。そして、筐体１ａ，１ｂの内壁のそれぞれに形成された凹部１ｃに埋設されたステータヨーク３と、電機子コイル５と、電機子コイル５に対向して配置されるロータヨーク７と、ロータヨーク７上に固定されたロータマグネット６とを備える。

ステータヨーク３は、図２に示すように中央部が開口した円環形状をしており、筐体１ａ，１ｂそれぞれの内壁には、ステータヨーク３の形状に合わせて円環状に凹部１ｃが形成されている。電機子コイル５は、ステータヨーク３の円環面上にシャフト１０の回転軸を中心にして同心円状に配列される。たとえば、図１（Ａ）に示すように、電機子コイル５が等間隔に１２個配列され、電機子コイル５は、２個おきに電気的に配線が接続され、３相交流の出力配線としてそれぞれ引き出されて、３相交流発電の電圧を出力する。なお、極数や各相の接続については、これに限定されるものではなく、３極あるいは６極等任意の極数とすることができる。

図１（Ｂ）に示すように、ロータヨーク７は、シャフト１０に取付用ボス９によって固定される。ロータヨーク７は、円板形状をしており、このロータヨーク７上に、たとえば６分割された円環状のロータマグネット６がＳ極とＮ極とが交互に電機子コイル５に対向するように配列される。なお、ロータ極数について、これに限定されるものではない。２極、８極等任意の極数とすることできる。

ステータヨーク３及び電機子コイル５がそれぞれ埋設された上下の筐体１ａ，１ｂは、軸受８を介してシャフト１０に固定される。シャフト１０は、その回転軸を中心にしてステータヨーク３及び電機子コイル５に対して自由に回転することができる。電機子コイル５とロータマグネット６とは、シャフト１０の回転軸方向に所定のギャップを介して配置される。

筐体１ａ，１ｂは、磁束が通過しても損失を生じないように、たとえばアルミニウムＡｌで形成されることが好ましい。アルミニウムＡｌは、熱伝導率が高いため、ステータヨーク３及び電機子コイル５で発生した熱を外部に放熱するのに好適である。また、シャフト１０も磁束の影響を受けないように、ＳＵＳ２７等のステンレス等により形成されることが好ましく、ステンレスを用いることは、剛性を確保する上でも好ましい。

円環状のステータヨーク３が筐体１ａ，１ｂの内壁に形成された凹部１ｃに埋設され、電機子コイル５が固定された後、モールド樹脂注入金型によって、凹部１ｃとステータヨーク３との間に生じたすき間にモールド樹脂を注入する。これによって、すき間がモールド樹脂で充填されたモールド樹脂充填部２となる。モールド樹脂充填部２のモールド樹脂は、熱伝導率が空気よりも高いので、ステータヨーク３の熱を効率的に筐体１ａ，１ｂを介して外部に放熱することができる。好ましくは、モールド樹脂注入を行う際に、電機子コイル５も一体としてモールド樹脂形成するようモールド樹脂注入金型を構成する。このようにすることによって、電機子コイル５及びステータヨーク３を一体にしてモールド樹脂成型されるので、電機子コイル５で生じた銅損による発熱と、ステータヨーク３で生じた鉄損による発熱とをモールド樹脂充填部２、筐体１ａ，１ｂを介して効率よく放熱させることが可能になる。

図２（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、ステータヨーク３は、円環状をしている。

好ましくは、図２（Ａ）に示すように、ステータヨーク３は、鉄Ｆｅ及び酸化鉄（ＩＩＩ）Ｆｅ_２Ｏ_３の粉末とバインダ樹脂とを混錬して成型した第１のステータヨーク３ａを有する。そして、ステータヨーク３は、筐体１ａ，１ｂの凹部１ｃに埋設される側に貼着される円環状に打ち抜いた軟磁性材料であるケイ素鋼板の薄板からなる第２のステータヨーク３ｂを有する。第２のステータヨーク３ｂは、磁気回路におけるリターン経路を形成して磁気抵抗を下げることで発電の効率を向上させることができる。渦電流損は、ケイ素鋼板の厚さの２乗に比例して増大するので、第２のステータヨーク３ｂの板厚は、できる限り薄い方が好ましい。第１のステータヨーク３ａは、鉄Ｆｅ及び酸化鉄（ＩＩＩ）Ｆｅ_２Ｏ_３を主成分とするので、圧粉鉄心等に用いられる軟鉄等に比べて透磁率が低く、ヒステリシス損はほとんど発生しない。また、バインダ樹脂を混錬したことによって固有抵抗値が非常に高くなるので渦電流損もほとんど発生せず、高効率な発電機が実現できる。さらに、モールド樹脂充填部２の存在によって、ステータヨーク３と筐体１ａ，１ｂとが密着するので、ステータヨーク３の熱を効率よく外部に伝達することができる。

図２（Ｂ）に示すように、ステータヨーク３として、鉄Ｆｅ及び酸化鉄（ＩＩＩ）Ｆｅ_２Ｏ_３の粉末とバインダ樹脂とを混錬して成型したもののみを用いることもできる。図２（Ｂ）の場合よりも磁気抵抗が増大するので磁界強度が低下し発電効率が若干低下するが、構成が簡単になった分、製造工程が簡素化され低コストに製造することが可能になる。

なお、鉄Ｆｅ及び酸化鉄（ＩＩＩ）Ｆｅ_２Ｏ_３の粉末は、高純度のものを用いたり、精密に酸化膜圧管理を行う必要はなく、鋳鉄製造工場などで派生した鉄クズを粉砕して生成したものを用いてもよい。

また、図２（Ｃ）に示すように、ステータヨーク３には、ケイ素鋼板の薄帯を、絶縁物を介して内側から外側に向かって薄帯の面が重なるように巻回して円環状に成型したものを用いることができる。鉄等の粉末混錬材によって形成されたステータヨーク３の場合と同様にして、円環状の面に電機子コイル５が配置される。電機子コイル５には、空芯部を通過する磁束の変化によって電流が流れることになる。この場合に、空芯を通過する磁束の方向が薄板の面に平行になるので、ケイ素鋼板により形成されたステータヨーク３には渦電流が生じにくい。ケイ素鋼板の薄帯を用いることによって、打ち抜き工程が不要となり、工程が簡単になるとともに、鋼板打ち抜きにより生じていた部材のむだをなくすことができる。このステータヨーク３の電機子コイル５設置面の反対の面に、図２（Ａ）に示すようなケイ素鋼板の薄板を貼着させてもよい。

なお、上述においては、発電機として説明したが、まったく同様の構成で電動機として用いることはもちろん可能である。また、コアレス（スロットレス）タイプの回転機に限らず、電機子コイルの空芯部を通るティースとティースに隣接して電機子コイルを収容するスロットを有するコアードタイプの回転機としても実現することが可能である。

［ラジアルギャップ型電動機］
ラジアルギャップ型電動機とは、ロータとステータとのギャップが回転軸の径方向に形成される電動機をいうものとする。

本発明の電動機は、図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示すように、シャフト３０の回転中心に対して径方向にギャップを有するラジアルギャップ回転機にも適用することができる。以下、同期リラクタンス電動機の場合について説明する。

本発明の電動機は、筐体２１と、その内壁に固定された円環状のステータヨーク２３と、中心軸に向かって突出して等間隔に配列されたティース２４に挿入された電機子コイル２５と、電機子コイル２５に対向して突極が配置されたロータ２７とを備える。

ステータヨーク２３は、筐体２１の内壁に固定され、モールド樹脂成型金型によってステータヨーク２３と筐体２１との間のすき間にモールド樹脂が注入されてモールド樹脂充填部２２が形成される。好ましくは、ティース２４に電機子コイル２５を装着して固定した状態で、電機子コイル２５とステータヨーク２３とが一体になるようにモールド樹脂注入を行い、モールド樹脂充填部２２を形成する。

ロータ２７は、シャフト３０に固定され、筐体２１に固定された軸受２８に接続されて、シャフト３０とともに自由に回転することができる。ロータ２７の周囲に等間隔に形成された突極は、電機子コイル２５及びティース２４とギャップを介して対向するように配置される。図３では、ロータが８極、ステータが６極であるが、これに限定されるものではない。ロータ２７は、軟磁性材料であるケイ素鋼板の薄板を、突極を有する円板状に打ち抜きシャフト３０の回転軸方向に積層したものを用いてもよく、あるいは鉄粉磁心を用いてもよい。

筐体２１は、磁束が通過しても損失を生じないように、たとえばアルミニウムＡｌで形成されることが好ましい。アルミニウムＡｌは、熱伝導率が高いため、ステータヨーク２３及び電機子コイル２５で発生した熱を外部に放熱するのに好適である。また、シャフト３０は、磁束の影響を受けないように、ＳＵＳ２７等のステンレス等により形成されることが好ましく、また、ステンレスを用いることによって必要な剛性を確保することができる。

図４（Ａ）に示すように、ステータヨーク２３は、鉄Ｆｅ及び酸化鉄（ＩＩＩ）Ｆｅ_２Ｏ_３の粉末とバインダ樹脂とを混錬して円環状に成型した第１のステータヨーク２３ａを有する。そして、ステータヨーク２３は、第１のステータヨーク２３ａの外周側面に貼着させた、ケイ素鋼板の薄帯からなる第２のステータヨーク２３ｂを有する。第２のステータヨーク２３ｂは、アキシャルギャップ型の場合と同様に、磁束のリターン経路を提供し、渦電流損を低減するためには、極力薄く形成されることが好ましい。

図４（Ｂ）に示すように、ステータヨーク２３は、鉄Ｆｅ及び酸化鉄（ＩＩＩ）Ｆｅ_２Ｏ_３の粉末とバインダ樹脂とを混錬して円環状に成型したもののみで構成してもよい。

なお、上述においては、電動機として説明したが、まったく同様の構成で発電機として用いることはもちろん可能である。また、同期リラクタンス回転機に限らず、ロータの突極にマグネットを貼着したり、ロータ内にマグネットを埋め込んだりすることによって、マグネットタイプの同期機として構成することが可能である。さらに、ステータヨークからティースを除去してコアレス電動機・発電機として構成することも可能である。

上述においては、インナロータタイプの同期回転機について説明をしたが、アウタロータタイプの同期回転機についても同様に構成することが可能である。すなわち、シャフトに固定されてシャフトとともに回転するケイ素鋼板等の軟磁性体で形成された円筒状のアウタロータの内径側にロータマグネットを配置する。ロータマグネットから所定のギャップ長だけ離間させて、軸がシャフトの回転中心を向くように環状に配置された電機子コイルを円筒状のステータ上に配置する。

以上説明した回転機は、具体例を説明するためのものであって、上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることは言うまでもない。

１，１ａ，１ｂ 筐体、１ｃ 凹部、２ モールド樹脂充填部、３，３ａ，３ｂ ステータヨーク、５ 電機子コイル、６ ロータマグネット、７ ロータヨーク、８ 軸受、９ 取付用ボス、１０ シャフト、２１ 筐体、２２ モールド樹脂充填部、２３，２３ａ，２３ｂ ステータヨーク、２４ ティース、２５ 電機子コイル、２７ ロータ、２８ 軸受、３０ シャフト

Claims (7)

1. 電機子コイルと、
   熱伝導率の高い材質によって形成された筐体と、
   上記電機子コイルを固定して、該電機子コイルを固定した面とは異なる面を上記筐体の内壁に固定されるステータヨークと、
   上記電機子コイルに対向するようにギャップを介して配置され、回転中心となるシャフトに固定されて該シャフトとともに回転する、強磁性材料を含む材料で形成されたロータとを備え、
   上記ステータヨークは、酸化鉄（ＩＩＩ）の粉末とバインダ樹脂の粉末とを含み、これらを混錬して成型された第１のステータヨークと、上記電機子コイルを固定した面とは異なる面及び上記筐体の内壁の間に挟んで固定される、強磁性材料の薄板で形成される第２のステータヨークとを有し、
   モールド樹脂が上記ステータヨークと上記筐体との間に充填されて、該ステータヨークと該筐体とが密着することを特徴とする回転機。
2. 上記ギャップは、上記シャフトの回転軸の軸方向に形成される請求項１記載の回転機。
3. 上記ギャップは、上記シャフトの回転軸の径方向に形成される請求項１記載の回転機。
4. 上記ロータは、
   上記電機子コイルと対向するロータマグネットと、
   上記ロータマグネットを所定のギャップ長だけ離間して上記電機子コイルに対向するように固定して、上記シャフトとともに回転するロータヨークとを有し、
   上記ロータマグネットは、永久磁石であり、
   上記ロータヨークは、軟磁性材料である請求項１〜３いずれか１項記載の回転機。
5. 上記ロータは、上記シャフトの回転軸の径方向に、上記ギャップを有するように突極を有し、
   上記ロータは、軟磁性材料である請求項３記載の回転機。
6. 電機子コイルと、
   熱伝導率の高い材質によって形成された筐体と、
   上記電機子コイルを固定して、該電機子コイルを固定した面とは異なる面を上記筐体の内壁に固定されるステータヨークと、
   上記電機子コイルに対向するようにギャップを介して配置され、回転中心となるシャフトに固定されて該シャフトとともに回転する、強磁性材料を含む材料で形成されたロータとを備え、
   上記ステータヨークは、酸化鉄（ＩＩＩ）の粉末とバインダ樹脂の粉末とを含み、これらを混錬して成型され、
   モールド樹脂が上記ステータヨークと上記筐体との間に充填されて、該ステータヨークと該筐体とが密着することを特徴とする回転機。
7. ロータとステータとのギャップは、該ロータに固定されて回転するシャフトの回転軸の方向に形成されるアキシャルギャップ型の同期回転機において、
   電機子コイルと、
   熱伝導率の高い材質によって形成された筐体と、
   上記電機子コイルを固定するステータヨークと、
   上記電機子コイルに対向して上記ギャップを介して配置され、上記シャフトとともに回転する、強磁性材料を含む材料で形成されたロータとを備え、
   上記ステータヨークは、軟磁性材料の薄帯を巻回して積層し、巻回した軸と、上記電機子コイルの空芯部を通過する磁束の方向とが平行になるように、該電機子コイルを固定し、
   モールド樹脂が上記ステータヨークと上記筐体との間のすき間に充填されて、該ステータヨークと該筐体とが密着することを特徴とする回転機。

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