JP2014093794A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】回転電機の高効率化、高トルク化を安価で信頼性の高い手法で実現させる。
【解決手段】固定子と回転子がエアギャップを介して対向しており、前記固定子と回転子の軸方向端面にはブラケットが存在するラジアルギャップ式の回転電機において、前記固定子は、環状ヨーク部と、前記環状ヨーク部から放射状に延びる複数の巻き線極と、を含む固定子鉄心を有し、前記巻き線極には巻き線が集中巻きされており、巻き線極の先端部が回転子とエアギャップを介して対向しており、前記固定子鉄心は圧粉鉄心で構成されており、その両側面部には軸方向に固定子内周部と同心円的に突き出た固定子側案内部が設けられており、一方で、前記ブラケットには、前記固定子側案内部と嵌合するブラケット側案内部が設けられており、前記固定子側案内部とブラケット側案内部とを嵌合せしめることによりエアギャップを確保させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は小形の電動機や発電機等の回転電機に関する。

出力で１ＫＷ以下程度の小形から中形の電動機や発電機である回転電機は、市場より軽薄短小化の要求が強く、また最近は地球温暖化対策として、電動機においては省エネルギー化や高効率化が、また発電機においては原子力に代わって自然エネルギーの見直しから小規模家庭用風力発電機の要求も増加してきている。そして安価であることも強い要求である。また回転電機はラジアルギャップ式回転電機とアキシャルギャップ式回転電機があるが、ラジアルギャップ式はエアギャプが小さく出来るのと、エアギャップ対向面積は軸方向で増加が容易なため、汎用機として広く使用されている。しかし更なる高トルク化、高効率化が上述の如く求められている。

ラジアルギャップ式回転電機については、例えば、下記非特許文献に開示がされている。

ステッピングモータの使い方（著者：坂本正文、出版社：オーム社）

１）従来の一般的なラジアルギャップ式の回転電機で回転子に永久磁石を用いるブラシレスＤＣモータ（以下ＢＬＤＣモータ）や同期発電機、あるいは回転子に永久磁石を用いないで磁性体の歯を有したスイッチドレラクタンスモータ（以下ＳＲモータ）の場合の技術は、固定子鉄心を珪素鋼鈑で積層して構成し、安価と効率を重視する場合は、巻き線は集中巻き方式を採用する。その理由は分布巻き方式ではトルク発生に寄与しないコイルエンド部が大きくなり銅損が増大し、効率が低下するためと巻き線や配線が複雑となるためである。これに対して、集中巻きでは巻き線がシンプルでスロットへの直接巻き込も可能となり、巻き線が安価となるためである。集中巻き方式の場合は実用的に構成すれば主に回転電機のコストの面から固定子の巻き線極数は４〜１２に制約される。本発明は上述したラジアルギャップ式の長所を取り、組み立てが容易であり、更に効率をも飛躍的に高められるものを提供することを課題とする。

２）回転電機の高効率化を図る場合、固定子と回転子の間のエアギャップを小さくすることが有効である。その手段としては回転電機の内インロー構造があり、上述の非特許文献の図２．３２の右図がある。この先行技術はハイブリッド式ステッピングモータ（以下ＨＢＳＴＭと略す）で広く採用されている。ＨＢＳＴＭは一般にエアギャップは０．０５ｍｍ程度と狭い。この値のエアギャップで大量生産するには、非特許文献１のように、前後ブラケットの一部分が固定子の外周ではなくて、直接固定子の内周部の一部に勘合してエアギャップの確保案内をする方式、即ち「内インロー」方式とよばれる方式を採用している。非特許文献１の図で前後のブラケットは斜線ハッチング部、縦線ハッチンブ部は珪素鋼鈑の積層部で巻き線を有しているのが固定子と、その内部に回転子が開示されている。固定子が珪素鋼鈑の積層で構成される非特許文献１はエアギャップが０．０５ｍｍ程度でも、大量生産でエアギャップの確保が十分にできる。しかし、引例にも示されているように、軸方向の回転子部の長さが固定子部の積厚長より短くなり、エアギャップ部の対向面積が減少する問題を有していた。先行技術としてのこの非特許文献１に相当する図が本願の図５である。

本発明を実現するには以下の手段による。

「手段１」
固定子と回転子がエアギャップを介して対向しており、前記固定子と回転子の軸方向端面にはブラケットが存在するラジアルギャップ式の回転電機であって、
前記固定子は、環状ヨーク部と、前記環状ヨーク部から放射状に延びる複数の巻き線極と、を含む固定子鉄心を有し、
前記巻き線極には巻き線が集中巻きされており、巻き線極の先端部が回転子とエアギャップを介して対向しており、
前記固定子鉄心は圧粉鉄心で構成されており、その両側面部には軸方向に固定子内周部と同心円的に突き出た固定子側案内部が設けられており、
一方で、前記ブラケットには、前記固定子側案内部と嵌合するブラケット側案内部が設けられており、
前記固定子側案内部とブラケット側案内部とを嵌合せしめることによりエアギャップが確保されていることを手段とする回転電機。

「手段２」
前記「手段１」に記載の回転電機であって、
前記巻き線極の先端部は、複数の歯を有し、
前記回転子は、その外周部に前記巻き線極の先端部が有する歯と対向する歯を有し、かつ、軸方向に磁化された永久磁石を挟持しており、
さらに、前記回転子は、前記回転子の歯が永久磁石を挟んで電気角で１８０度ずれた状態で、回転子軸に固着されており、
前記固定子と前記回転子は軸方向に突き出たオーバーハング部を有しつつ、エアギャップを介して対向しており、
前記回転子のオーバーハング部のくぼみ部には回転子部の両側に設けられた軸受けの少なくとも一方が略内蔵される位置に来るように構成されたことを手段とする回転電機。

「手段３」
前記「手段１」または「手段２」に記載の回転電機であって、
前記固定子の巻き線極における巻き線用溝が、軸方向厚みを中心から外側に行くほど薄くなるように構成されていることを手段とする回転電機。

「手段４」
前記「手段１」〜「手段３」のいずれか一に記載の回転電機であって、
前記固定子鉄心は各巻き線極ごとに分割されており、巻き線を巻いた後に合体されていることを手段とする回転電機。

「手段５」
前記「手段１」〜「手段４」のいずれか一に記載の回転電機であって、
前記固定子鉄心を構成する圧粉鉄心には、樹脂コーティングおよび樹脂含浸のいずれか一方または双方の処理が施されていることを手段とする回転電機。

１）エアギャップ確保の案内が固定子の外周部を使用しないので回転機の外形を小さく出来る。

２）エアギャップの小さいＨＢＳＴＭの場合は内インロー式を用いないので、固定子と回転子の対向面積を大きくできて、高トルクに有利な構造となる。

３）更に軸方向に固定子と回転子をオーバーハングさせれば、回転子との対向面積を更に増加できる。

４）巻き線部鉄心の溝凹部の軸方向厚みを中心から外側に行くほど薄くなるようにすれば、更に巻き線の占積率を向上させることができて、回転電機の効率を高めることができる。

５）固定子を分割鉄心とすることで巻き線占積率を飛躍的に向上でき、高トルク化が可能となる。

６）圧粉鉄心により渦電流損が零に近く、特に高速回転時の鉄損が少なく高効率回転電機となる。

本発明の一例の回転機の軸を含んだ断面図 図１の軸方向から見た断面図 別の本発明の回転機の軸を含んだ断面図 更に別の本発明の回転機の軸を含んだ断面図 従来技術の回転機の軸を含んだ断面図 図５の軸方向から見た断面図

以下図面によって説明する。
図１は本発明の構成の一例を示したものであり、本発明のＨＢＳＴＭの回転軸心を含んだ断面図である。図２は図１の回転軸心方向から見た図であり、図１のＡ−Ａ断面図である。

図１及び図２で、符号１は圧粉鉄心よりなる固定子である。また符号２は符号１から軸方向に突き出た、符号１の内径と同心円弧状に設けた鍔状案内である。圧粉鉄心とは、軟磁性鉄粉に少量の樹脂を潤滑剤あるいはバインダー目的でミキシングし鉄粉をコーテングして鉄粉間の電気的絶縁を増大させて渦電流の減少を図り、圧縮成形後焼結させたものである。圧粉鉄心を回転電機に使用する場合、珪素鋼鈑積層式が２次元の単純形状であるのに対して、３次元の複雑形状が可能で、更に鉄損の一部の渦電流損が少ない特長がある。上述した圧粉鉄心は磁束密度が珪素鋼鈑より小さいという短所があるが、巻き線即ちアーマチャー部のコイルエンド部まで鉄心を介在させて固定子と回転子との対向面積を増加できる所謂オーバーハング形状とすれば高効率化に適したものができる。圧粉鉄心は積層方式では困難な回転電機のオーバーハング形状や立体ギャップ構造等が容易に可能となる。符号１及び符号２は同時に同一型で圧粉を成形するので、また符号１の内径と同心円弧状に設けた鍔状案内部はお互いに近い位置に設ければ、符号１の内径と同心円弧状に設けた鍔状案内部の同心度は極めて高い精度で形成できるものである。一般にＨＢＳＴＭのエアギャップは０．０５ｍｍ程度の小ささが必要であるが、本発明の芯出し案内で十分に可能である。

符号３は絶縁体、符号４は巻き線である。符号５及び符号６はアルミ材等よりなるブラケットであり、軸受け９を介して、回転子７と固定子１の間のエアギャップを確保する役目を持つものである。それらのブラケットには軸受け９が嵌合する内径部と同芯に円筒状のブラケット側案内部が設けてあり、そのブラケット側案内部の外径分が上述した符号１の鍔状の固定子側案内部の内径部と嵌合してエアギャップを確保するものである。符号８はネオジム等の永久磁石で軸方向に磁化されている。符号１０は回転軸である。符号１１はボルトであり、符号５と符号６を締め付けて符号１を含めて固着させている。このとき、符号１１のネジシメ力により符号１が過剰な力を受けて変形しないように、符号５及び符号６から出たアームが符号１の外周部のＵ形溝に入り込み符号５及び符号６から出たアーム同士で力を受ける構造となっている。このため、符号５および符号６は符号１の外周を同芯案内に使用しないのでモータの外径を増大させることはない。

回転子７は珪素鋼鈑の積層で作られるが、これを圧粉鉄心としてもよい。ＨＢＳＴＭの場合は永久磁石の磁束は軸方向に回転子も固定子も通過する箇所があるので、圧粉が珪素鋼鈑に対して透磁率が劣っていたとしても、ＨＢＳＴＭの鎖交磁束は逆に増加も期待できる。図２は図１の固定子構成が圧粉製で６巻き線極で分割鉄心の場合の例を示している。分割鉄心であれば巻き線を容易であり、銅量を増大出来て巻き線占績率を６０％以上にも高めることができる。ＨＢＳＴＭの場合、一体鉄心固定子では巻き線占績率は３０％程度と低い。モータの発生トルクは銅量の平方根に比例するのでトルクが√２倍も可能になる。

図５で従来技術の例を説明する。図５で図１と同じ機能の部品は同じ番号を付してある。
図６は図５のＢ−Ｂ断面図である。符号１２は珪素鋼鈑を積層した固定子である。ＨＢＳＴＭではエアギャップが０．０５ｍｍ程度に狭いので前述した内インロー方式を採用している。この方式は外インロー方式といわれる固定子の外径部に前後ブラケットの案内を設けるのと違い、モータの外径を増大させない長所があるが、固定子１２の内径部に前後ブラケット５及び６の案内鍔が約２ｍｍ程度は両側より入りこむため、さらに回転子１３との軸方向隙間を各１ｍｍ程度とると、回転子１３の実効長は短くなる欠点があった。そのため固定子との対向面積も小さくなる欠点を有していた。図５と図１は同じ永久磁石８及び同じ巻き線サイズを用い同じモータ長で描いた図であるが、回転子１３と符号７の軸方向の長さは１．８倍と本発明の図１の場合が増大できる。即ち固定子と回転子の対向面積のみでも約１．８倍の高トルクが期待できるものである。

図３は更に別の本発明の説明図である。図１と同一機能の部品は同じ番号を付してある。
１４は圧粉鉄心であるが、図１の符号１に対して、前後ブラケット５及び６との芯出し案内部は同じく固定子鉄心の側面の軸方向側に突き出た同心鍔状であるが以下が相違している
（１）芯出し案内部は固定子巻き線部の外側に設けたこと。
（２）巻き線内側の固定子部は軸方向に突き出たオーバーハング構造として、その分対向する回転子１５も軸方向にオーバーハングさせて対向面積を増大させたこと。
（３）固定子巻き線溝部は巻き線部鉄心の溝凹部の軸方向厚みを中心から外側に行くほど薄くなるようにさせたテーパ溝としたこと。
（４）軸受けは軸方向に設けた回転子のオーバーハング部のくぼみ部に回転子部の両側に設けられた軸受けの少なくとも一方が略内蔵される位置に来るように構成されたこと。
以上の相違を有している。

上記（１）の効果で（２）が可能になっている。

固定子巻き線溝部は巻き線部鉄心の溝凹部の軸方向厚みを中心から外側に行くほど薄くなるようにさせたテーパ溝としたことはラジアルギャップ式モータでは巻き線は半径方向で外側に行くほどコイルエンドが高くなるのを補償してコイルエンドを半径方向で高さが同一となるようにして、銅量を増加させる工夫である。これは積層方式では不可能で圧粉鉄心なら容易にできるものである。

また、上記（４）の追加説明をする。図３では両側のボールベアリング等の軸受けは軸方向に設けた回転子のオーバーハング部の前後の両くぼみ部に格納されている。これはモータの軸方向長を小さくして小形薄型に寄与するものである。図３で左側の軸受け９は回転子のオーバーハング部のくぼみ部から左側に出して、モータの取り付けガイドで符号５を部分的にその分突出させてもよく、その場合は実効モータ長は増大しない。軸受けが少なくとも一方が略内蔵されるとした意味はこのためである。図４と従来技術の図５の回転子軸方向長を同一モータ長で比較すると実に３倍の増加となる。更にテーパ巻き線溝効果を加えると本発明の高トルク化への寄与度の高さが推測できる。

図４は更に別の本発明の例である。図１と同じ機能の部品は同じ番号を付してある。

符号１６は圧粉製固定子である。図４は基本的には図１と回転子以外は同じ構成である。但し符号１１なるボルトの図示は省略してある。符号１７は回転子永久磁石であり円筒形永久磁石の場合の図である。符号１８は符号１７のバックヨークであり軸１０と符号１７の中子の役目もしている。この種のモータや発電機は上記非特許文献１に示されている。エアギャップは０．０６ｍｍ程度に小さくする場合が多いため内インロー方式を採用している。エアギャップを小さくして高効率を狙う場合は本発明の圧粉鉄心固定子による側面芯出し案内構造方式が固定子と回転子の対向面積の増大化から極めて有効になる。また図示は省略するが図４の回転子を図１の回転子７と同形状の歯を有した磁性体のみで構成すれば、永久磁石を使用しないＶＲ型とよばれるバリアブルステッピングモータやＶＲ型ステッピングモータを閉ループ駆動するＳＲモータとなる。これらの回転機でも本発明は有効である。

なお、図１〜４に記載の固定子鉄心を構成する圧粉鉄心は、強度や耐久性の向上の為に、樹脂コーティングおよび樹脂含浸のいずれか一方または双方の処理が施されていることが好ましい。ここで、これらの処理をするにあたり、その具体的な方法については特に限定することはなく、圧粉鉄心の表面を樹脂によりコーティングすることができる方法、および圧粉鉄心の内部にまで樹脂を含浸することができる方法であれば、いかなる方法をも採用することができる。具体的には、例えば、電着塗装、静電塗装、ディッピングなどを挙げることができる。なお、ここで用いられる樹脂については特に限定することはなく、各種樹脂を適宜選択して用いることができる。また、ディッピングを行う場合にあっては、一般的に用いられている液体状接着剤やワニスを含むディッピング液を用いることができる。

ＨＢＳＴＭやＢＬＤＣモータは永久磁石を使用しているので界磁磁束用の電気入力が不要となるため、効率の高い回転電機といえる。しかし近年永久磁石の内の高磁気エネルギーを有した希土類磁石のネオジム磁石等の価格が高騰しているため、ＨＢＳＴＭやＢＬＤＣモータでは磁石使用量を少なくして高効率にする必要がある。その解決策としても本発明は極めて有効なものといえる。

本発明による回転電機は電動機または発電機に活用でき、安価で堅牢で軽薄短小、高トルク化、高効率化に適した、きわめて実用的なものである。従って工業的に大きな貢献が期待される。

１、１２，１４、１６ 固定子
７、１３、１５、１７ 回転子
３ 絶縁体
４、 巻き線
５，６ ブラケット
８ 永久磁石
９ 軸受け
１０ 回転軸
１１ ボルト
１８ バックヨーク

Claims (5)

1. 固定子と回転子がエアギャップを介して対向しており、前記固定子と回転子の軸方向端面にはブラケットが存在するラジアルギャップ式の回転電機であって、
   前記固定子は、環状ヨーク部と、前記環状ヨーク部から放射状に延びる複数の巻き線極と、を含む固定子鉄心を有し、
   前記巻き線極には巻き線が集中巻きされており、巻き線極の先端部が回転子とエアギャップを介して対向しており、
   前記固定子鉄心は圧粉鉄心で構成されており、その両側面部には軸方向に固定子内周部と同心円的に突き出た固定子側案内部が設けられており、
   一方で、前記ブラケットには、前記固定子側案内部と嵌合するブラケット側案内部が設けられており、
   前記固定子側案内部とブラケット側案内部とを嵌合せしめることによりエアギャップが確保されていることを特徴とする回転電機。
2. 前記巻き線極の先端部は、複数の歯を有し、
   前記回転子は、その外周部に前記巻き線極の先端部が有する歯と対向する歯を有し、かつ、軸方向に磁化された永久磁石を挟持しており、
   さらに、前記回転子は、前記回転子の歯が永久磁石を挟んで電気角で１８０度ずれた状態で、回転子軸に固着されており、
   前記固定子と前記回転子は軸方向に突き出たオーバーハング部を有しつつ、エアギャップを介して対向しており、
   前記回転子のオーバーハング部のくぼみ部には回転子部の両側に設けられた軸受けの少なくとも一方が略内蔵される位置に来るように構成されたことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 前記固定子の巻き線極における巻き線用溝が、軸方向厚みを中心から外側に行くほど薄くなるように構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の回転電機。
4. 前記固定子鉄心は各巻き線極ごとに分割されており、巻き線を巻いた後に合体されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の回転電機。
5. 前記固定子鉄心を構成する圧粉鉄心には、樹脂コーティングおよび樹脂含浸のいずれか一方または双方の処理が施されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の回転電機。

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