JP2016146722A - 回転機 - Google Patents

Abstract

【課題】エネルギー効率の観点から優れた動作原理を有する回転機を提供する。
【解決手段】本発明の回転機としての発電機１０は、円環状の界磁子１４と、界磁子１４の内側に配置された電機子巻線２２と、電機子巻線２２の内側に配置された中心継鉄２０と、中心継鉄２０の両側方に配置された側面継鉄１６、１８と、を主要に有している。側面継鉄１６は、継鉄中心部１６Ａと、継鉄中心部１６Ａから半径方向外側に向かって延伸する磁極片１６Ｂと、を有している。界磁子１４の側面１４Ａに対面する、磁極片１６Ｂの端面は、磁極片１６Ｂの延伸方向Ｄ１から傾斜している。
【選択図】図１

Description

本発明は回転機に関し、特に、多極化された界磁子および電機子鉄心を有する回転機に関するものである。

近年、水力発電や風力発電などの低速回転数動力源による発電の要望が高まり、低速回転数動力源に適した多極発電機が望まれている。また、大型船舶のスクリュー電気駆動、電気自動車の車輪内蔵を目的とするインホイールモータなど、低速回転に適した電動機も望まれている。

低速回転を実現するためには電機子および界磁子の磁極数を高める必要がある。この種類の回転機は個々の電機子磁極に巻線を施す構造が主流であったので、多極化すると巻線の必要個数が増加し、巻線を挿入する窓領域を設ける必要から小型化と低価格化が困難であった。

一方、多極化に適した回転機として自転車用ハブダイナモに代表されるクローポール型構造のものが知られている。この形式の回転機は複数の電機子磁極に流れ込む磁束を集約し、１個の電機子巻線に与える、磁束集約型と呼べるものである。

この形式は個々の電機子磁極に巻線を施す必要がないため構造が簡素化でき、小型化に適している。特に、ハブダイナモは鉄板を打ち抜いた構造体で電機子磁極を製造できるため多極化が容易である。ハブダイナモの電機子磁気回路は、厚さ数ｍｍ程度の鉄板を打ち抜いて３４極もの電機子磁気回路を形成している。従って、ハブダイナモは、例えば１５０ｒｐｍの低速回転であっても、６Ｖ、２．５Ｗ程度の電力を発生する。

上記のような構成を有するハブダイナモは例えば特許文献１に記載されている。この文献の図１およびその説明箇所を参照すると、自転車用発電ハブは、ハブ軸５と、ケーシング８とを有し、ケーシング８の内面には永久磁石９が固着され、永久磁石９の内周側に、ヨーク２１およびコイル２０が配置されている。

特許文献２を参照すると、スピンドルモータを構成するロータハブの構成が開示されている。具体的には、図２およびその説明箇所を参照すると、ロータハブ３０はティース７１を有し、そのティース７１は、第１平坦部７１ａ、傾斜部７１ｂおよび第２平坦部７１ｃから構成されている。また、ティース７１は、積層された複数の鋼板から構成されている。

特開２００３−３３３７７７号公報 特開２００６−２３００９５号公報

しかしながら、上記した背景技術にかかる発電機は次のような課題を有していた。

特許文献１の図５を参照すると、渦電流を抑制するために、半径方向外側に向かって露出する積層ヨーク３０、３１の側面が、永久磁石に対向している。しかしながら、出力を高めるためにハブダイナモの極数を増加させると、積層ヨーク３０等の個数も対応して増加させる必要があり、製造コストが高くなってしまう課題が有った。上記課題を回避する構造として、複数の積層ヨーク３０等を一体物として形成することが考えられる。しかしながら、積層ヨーク３０等は円周方向に沿って積層された鋼板から構成されているため、複数の積層ヨーク３０等を一体物として成形することは困難であった。

一方、引用文献２に記載されたスピンドルモータでは、軸方向（紙面上では上下方向）に沿って鋼板を積層させることでティースを形成するため、その多極化対応は容易とも考えられる。しかしながら、この文献の図２を参照すると、ロータマグネット６０に面するティース７１の端面は、ティース７１の先端部の延在方向に対して直角である。よって、軽量化等を達成するためにティース７１を薄型化すると、ティース７１の先端部端面の面積が不足し、磁束密度が充分とならない課題が生じ得る。

上記した課題は、発電機のみならず電動機に関しても同様であった。

本発明は上記した課題を鑑みて成され、本発明の目的は、エネルギー効率の観点から優れた動作原理を有する回転機を提供することにある。

本発明の回転機は、円周方向に沿ってＮ極とＳ極とが交互に着磁された界磁子と、前記界磁子の内側に配置された電機子巻線と、回転軸に沿う方向に積層された複数の鋼板から構成され、前記電機子巻線に近設される継鉄中心部と、前記継鉄中心部から前記界磁子に向かって延伸する磁極片と、を有する側面継鉄と、を備え、前記界磁子の表面に対面する前記磁極片の端面は、前記磁極片の延伸方向から傾斜することを特徴とする。

本発明の回転機によれば、界磁子の表面に対面する磁極片の端面が、磁極片の延伸方向から傾斜しているので、側面継鉄の厚みに対して、磁極片の端面の面積を大きくすることができる。よって、側面継鉄を流れる磁束密度を大きくすることが出来る。

更に、本形態では、側面継鉄の端部に配置された磁極片の端面が、界磁子の表面に対面している。よって、界磁子の極数が変化したとしても、側面継鉄の形状を変えるのみで対処できる。

本発明の回転機としての発電機を示す図であり、（Ａ）は発電機を示す正面図であり、（Ｂ）は発電機を分解して示す斜視図である。 本発明の回転機としての発電機を示す図であり、（Ａ）は発電機を示す側面図であり、（Ｂ）は断面図であり、（Ｃ）および（Ｄ）は側面継鉄を示す側面図である。 本発明の回転機としての発電機を示す図であり、（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）は側面継鉄の外周部を示す断面図である。 本発明の回転機としての発電機を示す図であり、（Ａ）は側面継鉄を構成する鋼板を示す平面図であり、（Ｂ）は側面継鉄の断面図である。 本発明の回転機としての発電機を示す図であり、（Ａ）は発電機を示す断面図であり、（Ｂ）および（Ｃ）は側面継鉄の外周部を示す断面図である。 本発明の回転機としての発電機を示す図であり、（Ａ）は発電機を示す断面図であり、（Ｂ）は側面継鉄を示す斜視図であり、（Ｃ）は発電機を示す側面図である。 本発明の回転機としての発電機を示す断面図である。 本発明の回転機としての発電機を示す図であり、（Ａ）は発電機を示す正面図であり、（Ｂ）は三相発電機を示す断面図である。 本発明の回転機としての電動機を示す図であり、（Ａ）および（Ｂ）は電動機を示す斜視図であり、（Ｃ）は電動機を示す断面図である。

本発明にかかる回転機としての発電機１０の構成を以下に図面を参照して詳述する。本形態では、主に回転機として発電機１０が採用された場合を詳述するが、本形態の構成は回転機としての電動機（モータ）に採用することも可能である。

図１を参照して、本形態の発電機１０の全体的な構成を説明する。図１（Ａ）は発電機１０を示す正面図であり、図１（Ｂ）は発電機１０を構成する各要素を軸方向に分離して示す分解斜視図である。

以下の説明では、軸方向、半径方向、円周方向、左方および右方の各方向を適宜用いて発電機１０を説明する。ここで左方および右方は、紙面上に於ける左方および右方を示している。

また、一般的な発電機は、電機子巻線、電機子鉄心および界磁子とから構成される。具体的には後述するが、本形態では、電機子巻線として、電機子巻線２２、２３を備えている。電機子鉄心として、側面継鉄１６、側面継鉄１８および中心継鉄２０を備えている。界磁子として界磁子１４を備えている。ここで、電機子巻線はコイルと称される場合もあり、界磁子は永久磁石または電気磁石と称される場合もあり、電機子鉄心はヨークと称される場合もある。

図１（Ａ）および図１（Ｂ）を参照して、発電機１０は、略円環状を呈する界磁子１４と、界磁子１４の紙面上右方側に配置された側面継鉄１６と、界磁子１４の左方側に配置された側面継鉄１８と、界磁子１４の内側に配置された電機子巻線２２と、電機子巻線２２の内側に配置された中心継鉄２０と、これらの中心部分を貫通する中心軸１２と、を主要に有している。

発電機１０の主な機能は、界磁子１４および電機子巻線２２に対して、側面継鉄１６、１８を相対的に回転させることで発電を行うことに有る。本形態では、界磁子１４の位置を固定して側面継鉄１６、１８を回転させても良いし、側面継鉄１６、１８の位置を固定して界磁子１４を回転させても良い。

界磁子１４は、所定の規則で着磁された円筒状のフェライト磁石等から構成されている。具体的には、界磁子１４は、円周方向に沿って等間隔にＮ極とＳ極が着磁されており、図１（Ａ）および図１（Ｂ）では界磁子１４が着磁されている方向を太線矢印で示している。ここで、界磁子１４は、円環状の一体物として形成されても良いし、複数個の円弧状の分割界磁子部を円環状に組み合わせることで形成されても良い。更には、着磁された複数の棒状の磁石片を交互に逆向きに配列して、この磁石片が全体として１個の円筒を形成するようにしても良い。また、界磁子１４としては、永久磁石の他、自動車のバッテリー充電に利用されているオルタネータのような電流で励磁される電磁石であっても良い。

電機子巻線２２は、要求される出力に応じた巻数に巻回された引出線から成り、上記した界磁子１４の内側に配置されている。電機子巻線２２の外周側面は、接着剤等を介して、界磁子１４の内側側面に接着されている。このようにすることで、発電機１０の内部に於ける電機子巻線２２の位置は固定され、発電時であっても電機子巻線２２は回転しない。本形態の場合、磁束集約型回転機であるので、電機子巻線２２の巻回数を例えば２０００〜１００００ターンに増すことが容易であり、出力電圧を数千Ｖ〜数万Ｖ程度に高めることができる。また、電機子巻線２２の外部に厚い絶縁層を施すことができ、側面継鉄１６、１８等との絶縁耐圧を大きくできる。

発電機１０により発電された電力は、電機子巻線２２の端部である引出線２４から外部に出力されるが、本形態では界磁子１４の近傍から引出線２４を外部に引き出している。具体的には、図１（Ｂ）を参照すると、側面視で円弧状を呈する界磁子１４同士の間隙３６から、電機子巻線２２の引出線２４を外部に引き出すことが出来る。ここで、引出線２４は界磁子１４同士の間以外の部分から引き出すことも可能であり、例えば界磁子１４の側方から引出線２４を外部に取り出すことも出来る。

具体的には、６アンペアの通電に必要な引出線２４の導体断面積はおよそ３ｍｍ^２であり、例えば厚み０．２ｍｍ、幅１５ｍｍの引出線２４となるが、かかる断面形状の引出線２４であれば、間隙３６を経由して外部に導出させることが可能である。

本形態では、界磁子１４から生じる磁束を通過させる磁気回路に、側面継鉄１６、１８および中心継鉄２０を配置している。

中心継鉄２０は、円筒状に巻き重ねた薄い電磁鋼板を積層して構成され、その中心部分を中心軸１２が貫通している。中心継鉄２０の左方側面は、側面継鉄１６の内側側面と密着または接近している。そして、中心継鉄２０の右方側面は、側面継鉄１８の内側側面と密着または接近している。中心継鉄２０の両側面が側面継鉄１６、１８と密着または接近していることにより、これらのヨークで構成される磁気回路を通過する磁束を強化できる。中心継鉄２０の中心部から側面まで連続してスリット４０が形成されている。このようにスリット４０を形成することにより、発電時に於いて、円周方向に渦電流が流れるのが抑制される。中心継鉄２０は、発電時において、側面継鉄１６、１８と共に回転してもよいし、回転しなくても良い。

側面継鉄１６は、中心継鉄２０の右側側方と界磁子１４との間に配置され、界磁子１４から生じる磁束を通過させる磁気回路の一部を構成する。側面継鉄１６は、複数枚の電磁鋼板を積層させた積層体として形成されている。また、側面視での側面継鉄１６の形状は、周囲に突出部（ティース）が形成された円板形状を呈しており、かかる形状については図２を参照して後述する。側面継鉄１６の中心部は中心軸１２が貫通しているが、側面継鉄１６に対して中心軸１２は固着されており、発電時に於いては、中心軸１２と共に側面継鉄１６は回転する。側面継鉄１６の中心部から周辺部まで連続してスリット４２が形成されており、これにより発電時において側面継鉄１６に渦電流が発生することが抑制される。

側面継鉄１８は、中心継鉄２０の左側側方と界磁子１４との間に配置される。側面継鉄１８の構成は、上記した側面継鉄１６と同様であり、電磁鋼板の積層体として形成され、中心部から周辺部に渡ってスリット３８が形成されている。発電時に於いては、側面継鉄１８も中心軸１２と同期して回転する。

上記した構成の発電機１０の発電動作は次のとおりである。風力や水力等に代表される駆動力により中心軸１２が回転されると、中心軸１２と共に側面継鉄１６、１８が回転する。一方、中心軸１２が回転する状態であっても、電機子巻線２２および界磁子１４は回転しない。

ここで、側面継鉄１６の外周端部が界磁子１４のＮ極と接近している時には、軸方向に見て重畳する部分の側面継鉄１６の外周端部に、界磁子１４のＮ極から磁束が供給される状態となる。供給された磁束は、側面継鉄１６、中心継鉄２０、側面継鉄１８を通過した後、界磁子１４のＳ極に戻る。ここで、上記したように、界磁子１４は、円周方向に沿って交互にＮ極とＳ極が着磁されている。よって、界磁子１４の位置を固定した状態で、側面継鉄１６、１８を所定角度回転させると、側面継鉄１６の外周端部（磁極）は、界磁子１４のＳ極に接近し、軸方向に見て重畳する部分の側面継鉄１６の外周端部は界磁子１４のＳ極から磁束が供給される状態となる。よって、このような各状態が交互に繰り返されることにより、電機子巻線２２の中心を貫通する交番磁束が発生し、これにより発電が行われる。発電された電力は引出線２４を介して外部に供給される。

図２を参照して、本形態の発電機１０の構成を詳述する。図２（Ａ）は発電機１０を側方から観た側面図であり、図２（Ｂ）は中心軸１２に沿って発電機１０を切断した場合の断面図であり、図２（Ｃ）は側面継鉄１６を示す側面図であり、図２（Ｄ）は他の形態の側面継鉄１６を示す側面図である。

図２（Ａ）は、図１（Ｂ）に示した発電機１０を右方から観た側面図であり、側面継鉄１６により覆われることで実際には視認されない部分を点線で示している。また、界磁子１４のＮ極とＳ極との境界も点線で示している。この図に示すように、発電機１０では、中心軸１２、中心継鉄２０、電機子巻線２２および界磁子１４が同軸的に中心側から配置されている。

図２（Ｂ）を参照して、先ず、具現化された発電機１０では、上記した各構成要素はケーシング２６に収納されている。発電時に回転しない界磁子１４、電機子巻線２２はこのケーシング２６に対して固定されている。そして、ケーシング２６の界磁子１４に接近する部分には磁気シールド２８が配置されており、界磁子１４から外側に向かう磁束は、磁気シールド２８で遮断され、磁束の外部への漏出は抑制されている。

本形態では、側面継鉄１６の半径方向外側には磁極片１６Ｂが形成されており、この磁極片１６Ｂの端面（電機子磁極面）が、Ｎ極またはＳ極である界磁子１４の側面に接近している。好適には、磁極片１６Ｂの端面全域が、磁石の１４の側面に対向している。磁極片１６Ｂの形状に関しては図３等を参照して詳述する。

上記したように、本形態では界磁子１４の内部に電機子巻線２２が配置されるが、これとは別の電機子巻線２３が配置されても良い。電機子巻線２３は、例えば電機子巻線２２よりも巻数が少ない巻線である。電機子巻線２３と接続された引出線も、電機子巻線２２とは別途に界磁子１４の近傍から外部に導出される。巻数が１０回程度以下と少ない電機子巻線２３からは例えば、数Ｖないし数十Ｖ程度の電力が得られる。この電力は、例えば、発電設備近傍で設備各部の状態を計測する電子機器や通信機器を駆動するために用いられる。このようにすることで、高い電圧を降圧するための装置が不要となるので、発電機１０が組み込まれる設備を簡素化することが可能となる。

図２（Ｃ）を参照して、側面継鉄１６の形状を詳述する。側面継鉄１６は、中心部に配置された略円形の継鉄中心部１６Ａと、継鉄中心部１６Ａの外周端部から外方に略矩形に突出する複数の磁極片１６Ｂと、継鉄中心部１６Ａの中心を貫通させた孔部１６Ｃと、を有している。ここで、磁極片１６Ｂは、ティース、電機子磁極と称される場合もある。

磁極片１６Ｂは、継鉄中心部１６Ａの外周端部の円周方向に沿って等間隔に配置されており、その個数は図２（Ａ）に示す磁石の極数に対応している。具体的には、磁極片１６Ｂの個数は、界磁子１４が有する極数の半分に等しい。発電時においては、界磁子１４から発生した磁束は各磁極片１６Ｂおよび継鉄中心部１６Ａを経由して、中心継鉄２０（図１（Ｂ））に供給される。

孔部１６Ｃは、中心軸１２を貫通させるためのものであり、接着剤等を介して中心軸１２は孔部１６Ｃに固着される。

図２（Ｄ）を参照して、側面継鉄１６は、３つのスリット１６Ｄにより分割されている。このように側面継鉄１６が分割されていることにより、例えば側面継鉄１６の直径が数メートル程度に大きい場合であっても、分割された側面継鉄１６を容易に運搬することが出来る。更には、側面継鉄１６がこのように平面視で分割されることにより、上記したように発電時の渦電流が抑制される効果が顕著と成る。

上記した構成は、図１（Ｂ）に示す側面継鉄１８に関しても同様である。

図３を参照して、上記した側面継鉄１６が有する磁極片１６Ｂの構成を更に詳述する。図３（Ａ）は側面継鉄１６の磁極片１６Ｂを示す断面図であり、図３（Ｂ）は磁極片１６Ｂを具体的に示す図であり、図３（Ｃ）は磁極片１６Ｂの他の形状を示す断面図である。

図３（Ａ）を参照して、上記したように、側面継鉄１６の先端に形成される端面１６Ｇは、界磁子１４の側面１４Ａに接近しており、両者は略平行な状態となっている。このように側面継鉄１６の端面１６Ｇが界磁子１４に面することにより、界磁子１４の極数が変更されたとしても、図２（Ｃ）に示した側面継鉄１６の平面視での形状を変更するのみで対応することが可能となる。具体的には、界磁子１４の磁極数が変更されたとしても、側面継鉄１６を構成する鋼板を打ち抜き加工するプレス金型の形状を変更するのみで対応している。

また、本形態では、側面継鉄１６の先端部である磁極片１６Ｂの端面１６Ｇを、磁極片１６Ｂが伸びる方向Ｄ１から傾斜させている。ここでは、磁極片１６Ｂの端面１６Ｇと方向Ｄ１とで形成する角度をθで示している。

具体的には、界磁子１４として用いられるフェライト磁石と、側面継鉄１６として用いられる電磁鋼板とでは、飽和磁束密度が大きく異なる。界磁子１４の飽和磁束密度は０．４テスラである一方、側面継鉄１６の飽和磁束密度は１．５テスラである。従って、仮に界磁子１４の側面と、側面継鉄１６との厚みを同等とした場合、両者の飽和磁束密度の差異に起因した影響が大きくなる。

図３（Ｂ）を参照して、本形態では、側面継鉄１６の先端部である磁極片１６Ｂの端面を、磁極片１６Ｂが伸びる方向Ｄ１から傾斜させている。これにより、側面継鉄１６の厚さＴｍに対して、界磁子１４に面する端面１６Ｇの高さＨｐを大きくすることが出来る。すなわち、界磁子１４に面する端面１６Ｇの面積を大きくすることが出来る。ここで、界磁子１４の飽和磁束密度をＭ１とし、側面継鉄１６の飽和磁束密度をＭ２とすれば、θの最小角θ（ＭＩＮ）は以下の式１で算出される。
式１：θ（ＭＩＮ）＝９０−Ｔａｎ^−１（Ｍ２／Ｍ１）
上記したように、本形態では界磁子１４の飽和磁束密度Ｍ１は０．４テスラであり、側面継鉄１６の飽和磁束密度Ｍ２は１．５テスラであるので、上記式１によりθ（ＭＩＮ）は約１５度と算出される。よって、本形態でのθの好適な範囲は、１５度＜θ＜９０度と算出される。

上記したθの値がこの範囲であれば、両者の飽和磁束密度の相違による影響を回避しつつ、側面継鉄１６の磁極片１６Ｂの厚みに対して、磁極片１６Ｂの端面の面積を大きくすることが出来る。一方、θが１５度以下となれば側面継鉄１６が半径方向外側に余計に大きくなり発電効率が下がる恐れがある。そして、θが９０度以上となれば、磁極片１６Ｂを傾斜させることによる効果が得られなく成る。尚、図３（Ｂ）を参照して、側面継鉄１６の継鉄中心部１６Ａの主面と、端面１６Ｇとは略並行な関係にある。

更に本形態では、界磁子１４の飽和磁束密度と、側面継鉄１６の飽和磁束密度との差異による影響を小さくするために、側面継鉄１６の厚みＴｍを、界磁子１４に面する磁極部分の磁極片１６Ｂの高さＨｐよりも短く設定している。具体的には、界磁子１４の飽和磁束密度をＭ１とし、側面継鉄１６の飽和磁束密度をＭ２とすれば、ＨｐとＴｍとの間には、Ｈｐ（Ｍ１／Ｍ２）＜Ｔｍ＜Ｈｐの関係が成立するようにしている。この範囲であれば、両者の飽和磁束密度の相違による影響を回避しつつ、側面継鉄１６を薄型化することが可能である。一方、ＴｍがＨｐ（Ｍ１／Ｍ２）以下と成れば側面継鉄１６の磁束密度が不足する恐れがあり、ＴｍがＨｐよりも長くなれば側面継鉄１６の重量が増し発電効率が下がる恐れがある。

これにより、界磁子１４と面する磁極片１６Ｂの端面の面積を充分に確保しつつ、側面継鉄１６全体の厚みを薄くすることが出来る。よって、側面継鉄１６の質量が小さくなる。更には、側面継鉄１６が薄くて済むことから、側面継鉄１６を構成するために必要とされる鋼板の量が低減されて材料コストが安くなる。

更に、上記構成により、渦電流の影響を抑制しつつ、磁極面積を増加できるので、側面継鉄１６と界磁子１４の磁気ギャップにより生じる磁位差損失を低減でき、発電機の効率を高めることができる。更にまた、磁極面積を増加できるため、電磁鋼板から成る側面継鉄１６より飽和磁束密度が小さな、例えばフェライト磁石などの安価な材料で界磁子１４を構成できる。

更に図３（Ｂ）を参照して、本形態の側面継鉄１６は、積層された複数枚の鋼板１６Ｅから構成されている。ここで、鋼板１６Ｅとしては、電気エネルギーと磁気エネルギーの変換効率が高い鋼板、例えば珪素鋼板が採用される。各鋼板１６Ｅの主面は絶縁処理が施されており、これにより鋼板１６Ｅ同士は絶縁され、渦電流の発生が抑制されている。また、界磁子１４に面する側面継鉄１６の端面１６Ｇは、表面を絶縁処理された鋼板１６Ｅの端面が斜めに削られた面の集合で構成されている。

更に本形態では、渦電流を抑制するために、磁極片１６Ｂの端面に露出する鋼板１６Ｅの厚みδを所定の値よりも小さくしている。

本形態の場合、発電時における渦電流を抑制するためには、各鋼板１６Ｅの厚みを表皮浸透深さｓの２倍以下にすれば良い。具体的には、鋼板１６Ｅの透磁率を１００００、低効率を６０×１０^−８Ω、付与される鋼板時速の周波数を５０Ｈｚとした場合、表皮浸透深さｓは０．５５ｍｍとなる。よって、図３（Ｂ）に示す、側面継鉄１６の中間部分の厚さＴｓを、その２倍の１．１０ｍｍよりも薄くしたら、渦電流が抑制されることと成る。

しかしながら、本形態では、図３（Ａ）に示したように、上記したように側面継鉄１６の磁極片１６Ｂの先端部端面を、その延在方向Ｄ１から傾斜させている。よって、磁極片１６Ｂの端面での鋼板１６Ｅの高さδは、側面継鉄１６の中間部に於ける鋼板１６Ｅの厚みＴｓよりも厚くなる。具体的には、露出する鋼板１６Ｅの高さδは、鋼板１６Ｅの厚みＴｓの１／ｔａｎθ倍になる。例えば、θ＝２５度の場合のδはＴｓの２．１４倍であり、θ＝３０度の場合のδはＴｓの１．７３倍となる。このことから、側面継鉄１６の周辺部付近は、その中心部よりも渦電流が生じやすい条件となっている。

そこで、本形態では上記事項を加味して鋼板１６Ｅの厚みを決定している。具体的には、厚さＴｓ＝０．５ｍｍの鋼板１６Ｅを使用し、θ＝２５度とした場合、δ＝１．０７ｍｍ、となる。ここで、図３（Ｂ）に示すθは、側面継鉄１６の継鉄中心部１６Ａから磁極片１６Ｂが傾斜する角度であり、図３（Ａ）に示すθと同一となる。また、これと同様のＴｓで＝３０度とした場合、δ＝０．８７ｍｍとなる。いずれの場合も、磁極片１６Ｂの先端部にて、δは１．１ｍｍよりも短くなるので、この部分での渦電流の発生は抑制されている。

図３（Ｃ）を参照して、側面継鉄１６の磁極片１６Ｂを構成する鋼板１６Ｅの先端部を面取りすることにより面取り部１６Ｆが形成されている。各鋼板１６Ｅの先端部に面取り部１６Ｆを形成することにより、鋼板１６Ｅ同士が短絡することにより多くの渦電流が発生することが防止される。特に、側面継鉄１６の製造工程にて磁極片１６Ｂの端面を研削する工程に於いては、研削により生じるバリ等を介して鋼板１６Ｅ同士が短絡してしまう恐れが有る。本形態では、各鋼板１６Ｅの先端部に面取り部１６Ｆを形成することにより、この短絡を防止することで、大きな渦電流が生じることを抑止している。

上記した側面継鉄１６の製造方法は次の通りである。先ず、プレス金型を用いて一枚の鋼製の大判を打ち抜くことにより、図４（Ａ）に示す形状を呈する鋼板１６Ｅを成形する。上記したように、鋼板１６Ｅは、中心部分で円形を呈する継鉄中心部１６Ａと、継鉄中心部１６Ａの周辺部から周囲に略矩形に突出する磁極片１６Ｂと、継鉄中心部１６Ａの中心を円形に貫通させた孔部１６Ｃと、を有している。

次に、図４（Ｂ）に示すように、複数の鋼板１６Ｅを所定枚数積層させて圧着させる。鋼板１６Ｅ同士は、それらの間に絶縁樹脂等の絶縁材料が介在することで、互いに絶縁されている。次に、積層された鋼板１６Ｅに対してプレス加工を施すことにより、磁極片１６Ｂの端部付近を所定角度に曲折させる。

また、継鉄中心部１６Ａに設けられる孔部１６Ｃは、軸方向外側（紙面上では右方）に向かって徐々に縮径する、所謂切頭円錐形を形成している。孔部１６Ｃをこのような形状にする方法としては、鋼板１６Ｅを積層させた後に、孔部１６Ｃの側面が切頭円錐形を呈するように研削する方法が有る。また、他の方法としては、軸方向内側（紙面上では左側）に配置される鋼板１６Ｅに形成される孔部１６Ｃの直径を、軸方向外側（紙面上では右側）に配置される鋼板１６Ｅに形成される孔部１６Ｃの直径よりも大きくする方法もある。

次に、磁極片１６Ｂの端面１６Ｇが、継鉄中心部１６Ａの主面と平行となるように、磁極片１６Ｂの端面に対して研削加工を行う。

更に図１（Ｂ）を参照して、中心軸１２を側面継鉄１６、１８に挿通させ、電機子巻線２２の側方直近に側面継鉄１６、１８を配置させる。更に、中心軸１２が挿通された中心継鉄２０を、電機子巻線２２の内部に配置する。また、界磁子１４同士の間から引出線２４を外部に導出させる。以上の工程により発電機１０が製造される。

図５を参照して、発電機１０の他の形態を説明する。図５（Ａ）は他の形態の発電機１０を示す断面図であり、図５（Ｂ）は側面継鉄１６が界磁子１４に接近する部分を拡大して示す断面図であり、図５（Ｃ）は発電機１０が備える側面継鉄１６の磁極片１６Ｂを示す断面図である。

図５（Ａ）を参照して、ここに示す発電機１０Ａの基本的構成は図１等を参照して上記したものと同様であり、相違点は側面継鉄１６の先端部である磁極片１６Ｂが、半径方向外側に向かって直線状に伸びることにある。

具体的には、上記した発電機１０では、図４（Ｂ）に示すように、側面継鉄１６の磁極片１６Ｂは、継鉄中心部１６Ａの端部から、内側（紙面上では左方）に傾斜していた。

一方、図５に示す発電機１０Ａでは、図５（Ａ）に示すように、側面継鉄１６の継鉄中心部１６Ａおよび磁極片１６Ｂは、半径方向外側（紙面上では上下方向）に向かって直線状に伸びている。換言すると、ここでの側面継鉄１６は曲折加工されること無く平坦に形成されている。そして、図５（Ｂ）を参照すると、磁極片１６Ｂの端面１６Ｇは、磁極片１６Ｂの延在方向Ｄ１から傾斜している。具体的には、端面１６Ｇは、軸方向内側（紙面上では左方）に向かって、半径方向内側（紙面上では下方）に傾斜する傾斜平坦面とされている。

更に本形態では、図５（Ｂ）に示すように、界磁子１４の側面１４Ａも、軸方向内側（紙面上では左方）に向かって、半径方向内側（紙面上では下方）に傾斜する傾斜平坦面とされている。このように、界磁子１４の側面１４Ａを傾斜平坦面とすることにより、側面継鉄１６の端面１６Ｇと、界磁子１４の側面１４Ａとが略平行となり、両者を接近させて発電効率を向上させることが可能となる。

図５（Ｃ）を参照して、この図に示す側面継鉄１６も、図４に示したものと同様に、積層された複数の鋼板１６Ｅから構成されており、これらの鋼板１６Ｅも曲折加工されることなく平坦に形成されている。また、上記と同様にここでも界磁子１４と側面継鉄１６との飽和磁束の際を考慮してＴｍとＨｐが決定されている。更にまた、磁極片１６Ｂの先端部分に於ける渦電流の発生を抑制するために、磁極片１６Ｂの端部に露出する鋼板１６Ｅの高さδを考慮して、鋼板１６Ｅの厚さＴｓが決定されている。係る事項も図３（Ｂ）を参照して説明したとおりである。

図６を参照して、更なる他の形態の発電機１０Ｂを説明する。図６（Ａ）は発電機１０Ｂの全体的構成を示す断面図であり、図６（Ｂ）は側面継鉄１６を示す斜視図であり、図６（Ｃ）は図６（Ａ）に示す発電機１０Ｂを右方から観た場合の側面図である。

図６（Ａ）を参照して、この図に示す発電機１０Ｂの基本的構成は、図１等に示した発電機１０と同様であり、相違点は、側面継鉄１６等の形状にある。

具体的には、図６（Ｂ）に示すように、側面継鉄１６の磁極片１６Ｂは内側（図６（Ａ）では左方向）に曲折されており、その端面は半径方向外側（図６（Ａ）では上下方向）を向いている。そして、側面継鉄１６の磁極片１６Ｂの端面は、着磁された界磁子１４の内面と対向している。

側面継鉄１８も同様に、その磁極片１６Ｂは内側（紙面上では右方向）に曲折されており、その端面は半径方向外側（紙面上では上下方向）を向いている。係る構成であっても、側面継鉄１６の磁極片１６Ｂの端面は、側面継鉄１６の延在方向から傾斜しており、このような構成は側面継鉄１８に関しても同様である。

図６（Ｃ）に示すように、円周方向に沿って、側面継鉄１６の磁極片１６Ｂと、側面継鉄１８の磁極片１８Ｂとが、界磁子１４と電機子巻線２２との間に存在することとなる。また、界磁子１４の内面は、円周方向に沿って交互にＳ極またはＮ極と成るように着磁されている。よって、界磁子１４の位置が固定された状態で、側面継鉄１６、１８が回転すると、磁極の向きが時間的に反転する交番磁界が電機子巻線２２に作用し、これにより発電が行われる。

尚、上記構成の発電機１０Ｂでは、電機子巻線２２の側方および外方は側面継鉄１６、１８で覆われているので、電機子巻線２２の出力は、中心軸１２を経由して外部に取り出されても良い。

図７を参照して、更なる他の形態の発電機１０Ｃの構成を説明する。この図に示す発電機１０Ｃの基本的な構成は上記した発電機１０Ｂと同様であり、相違点は側面継鉄１６の磁極片１６Ｂが比較的短いことである。また、側面継鉄１８の磁極片１８Ｂも比較的短く形成されている。

具体的には、側面継鉄１６の磁極片１６Ｂの軸方向の長さは、図６に示した発電機１０Ｂの磁極片１６Ｂと比較すると、半分以下に設定される。同様に、側面継鉄１８の磁極片１８Ｂも、上記した発電機１０Ｂのものと比較すると半分以下に設定される。

磁極片１６Ｂ、１８Ｂの軸方向に於ける長さを短くすることにより、この図に示すように、磁極片１６Ｂの内側端部と、磁極片１８Ｂの内側端部とが離間して間隙が形成される。よって、電機子巻線２２と接続された引出線２４を、この間隙から外側に引き出すことが可能となる。

図８（Ａ）を参照して、他の形態の発電機１０Ｄの構成を説明する。この図に示す発電機１０Ｄの基本的な構成は、図１に示した発電機１０と同様であり、側面継鉄１６の構成が異なる。具体的には、発電機１０Ｄでは、側面継鉄１６は軸方向に見て円板形状を呈しており、図２（Ｃ）に示したような磁極片１６Ｂは形成されていない。係る構成であっても、側面継鉄１６は界磁子１４と磁気的に結合されているので、発電を行うことは可能である。更に、図１に示した発電機１０では、側面継鉄１６、１８の両方が中心軸１２に固定されており、発電時においては両方の側面継鉄が回転していたが、ここでは側面継鉄１８のみを回転させ、側面継鉄１６は回転させずに固定してもよい。この場合であっても、側面継鉄１８が回転することにより、内蔵された巻線に交番磁界を与えて発電することが可能である。

図８（Ｂ）の断面図を参照して、上記構成の発電機１０を複数備えた三相発電機１１の構成を説明する。この図に示す三相発電機１１では、ケーシング３０の内部で複数の発電機１０が並列するように配置されている。そして、３つの発電機１０の中心部分およびケーシング３０の側面を中心軸１２が貫通している。また、発電機１０は夫々の磁気角度が１２０度ずつずらして配置されている。これにより、中心軸１２を介して外力により各発電機１０に内蔵された側面継鉄を回転させると、三相の交流電力が得られる。

上記した回転機としての発電機１０は、以下に述べるように、電動機としても用いることが出来る。

図９を参照して、本形態の三相電動機４４の構成を説明する。図９（Ａ）は三相電動機４４の構成を示す斜視図であり、図９（Ｂ）は他の形態の三相電動機４４Ａの構成を示す斜視図である。

図９（Ａ）を参照して、三相電動機４４は、３つの電動機４６Ａ、４６Ｂ、４６Ｃと、これらの３つの電動機４６Ａ、４６Ｂ、４６Ｃを貫通する中心軸１２と、を有する。電動機４６Ａ等は、図１等に示した発電機１０等と同様の構成を有している。三相電動機４４を動作させる際には、電動機４６Ａ、４６Ｂ、４６Ｃに内蔵された電機子巻線２２（図１（Ｂ））に対して、互いに１２０度位相がずれた電気信号を印加する。これにより、電動機４６Ａ、４６Ｂ、４６Ｃに内蔵された側面継鉄１６、１８（図１（Ｂ））が回転し、これに同期して中心軸１２が回転するように成る。

図９（Ｂ）および図９（Ｃ）を参照して、他の形態の三相電動機４４Ａを説明する。三相電動機４４Ａは、電動機４６Ａ、４６Ｂ、４６Ｃを有しており、これらは半径方向に沿って配置されている。電動機４６Ａ、４６Ｂ、４６Ｃの各々には中心軸１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃが貫通している。また、中心軸１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃは、板状の連結部３４に回転可能な状態で挿入されている。

図９（Ｃ）に示すように、側面継鉄１６の外面には略円盤状の車輪５０が固着されており、車輪５０の直径は側面継鉄１６よりも大きい。また、車輪５０は側面継鉄１６と同期して回転可能に構成されている。そして、車輪５０の外側側面は、静止している着地面３２に接触している。かかる構成は、他の電動機４６Ｂ、４６Ｃに関しても同様である。

係る構成の電動機４６Ａに電気信号を印加すると、側面継鉄１６と共に車輪５０が回転する。車輪５０が着地面３２に接していることにより、連結部３４を紙面上にて左方向に動かそうとする力が生じる。これにより、連結部３４に回転可能に接続されている電動機４６Ｂ、４６Ｃも左方向に移動しつつ回転する。よって、電動機４６Ａ、４６Ｂ、４６Ｃは同期して回転することと成る。

上記した構成の発電機１０は例えば、風力発電や水力発電に適用させることで、小型化、軽量化および安価化が達成されると共に、保守費用を低減させることができる。

具体的には、中、小型の風車や水車は回転数が数十〜２００ｒｐｍ程度、大型風車では１５ｒｐｍないし６０ｒｐｍ程度の回転数でしかない。これまでは、歯車などの機械的な増速機で３０００ｒｐｍ〜１５００ｒｐｍに増速し、２極あるいは４極などの回転機を駆動していた。しかし、機械的な増速機を採用することによりコストが高くなる問題があった。また、機械的な増速機は、グリスアップや歯車の摩耗などに対する高頻度の保守が必要であり、これに伴う運転経費が高くなる問題が有った。

図１を参照して、本形態の発電機１０では、多極化された界磁子１４および側面継鉄１６、１８を回転させることで発電を行っている。よって、上記したような、回転数を上げる増速機構が不要となるので、発電機１０全体のコストが安くなり、且つ運転経費が安くなる。

また、大型風車の場合、設置に適した場所は一般に需要地から離れているため発電電圧を数万Ｖ以上に高めて送電する必要が有る。本形態の発電機１０は、電機子巻線２２に強固な絶縁を施せるため、例えば８．８ｋＶや６６ｋＶなどの高い発電電圧が得られるため変圧器を設けずに配電線や送電線と連携できる利点が得られる。

更に、本形態の発電機１０は、伝動シャフトや差動ギアを省略する目的で車輪に組み込むインホイールモータとして用いることも可能である。この場合、低価格化、軽量の多極発電機が実現される、という効果が奏される。

更にまた、電動機としての本形態を船舶のスクリューに直結することも可能である。これにより、駆動動力を減速するための機械式ギアを省いてコストを安くすることが可能となる。

１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ 発電機
１１ 三相発電機
１２、１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ 中心軸
１４ 界磁子
１４Ａ 側面
１６ 側面継鉄
１６Ａ 継鉄中心部
１６Ｂ 磁極片
１６Ｃ 孔部
１６Ｄ スリット
１６Ｅ 鋼板
１６Ｆ 面取り部
１６Ｇ 端面
１８ 側面継鉄
１８Ｂ 磁極片
２０ 中心継鉄
２２ 電機子巻線
２３ 電機子巻線
２４ 引出線
２６ ケーシング
２８ 磁気シールド
３０ ケーシング
３２ 着地面
３４ 連結部
３６ 間隙
３８ スリット
４０ スリット
４２ スリット
４４、４４Ａ 三相電動機
４６、４６Ａ、４６Ｂ、４６Ｃ 電動機
４８ 中心軸
５０ 車輪

Claims (7)

1. 円周方向に沿ってＮ極とＳ極とが交互に着磁された界磁子と、
   前記界磁子の内側に配置された電機子巻線と、
   回転軸に沿う方向に積層された複数の鋼板から構成され、前記電機子巻線に近設される継鉄中心部と、前記継鉄中心部から前記界磁子に向かって延伸する磁極片と、を有する側面継鉄と、を備え、
   前記界磁子の表面に対面する前記磁極片の端面は、前記磁極片の延伸方向から傾斜することを特徴とする回転機。
2. 前記磁極片から前記界磁子側に露出する前記鋼板の端面の高さは、表示浸透深さの２倍よりも短いことを特徴とする請求項１に記載の回転機。
3. 前記磁極片の端面と、前記磁極片の延伸方向とで形成される角の角度は、界磁子の飽和磁束密度をＭ１、側面継鉄の飽和磁束密度をＭ２とした場合、
   ９０−Ｔａｎ^−１（Ｍ２／Ｍ１）より大きく且つ、９０度よりも小さい、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回転機。
4. 前記側面継鉄の外周端面に露出する前記鋼板の端部には面取り部が形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の回転機。
5. 前記磁極片の延伸方向は、軸方向内側に向かって傾斜し、
   前記磁極片の端面は、前記界磁子の側面に対向することを特徴とする請求項１から請求項４の何れかに記載の回転機。
6. 前記磁極片の延伸方向は、半径方向に対して実質的に平行であることを特徴とする請求項１から請求項４の何れかに記載の回転機。
7. 前記磁極片の延伸方向は、軸方向内側に向かって傾斜し、
   前記磁極片の端面は、前記界磁子の半径方向内側の面に対向することを特徴とする請求項１から請求項４の何れかに記載の回転機。

Images