JP4124621B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する利用分野】
本発明は、直流電動機、直流発電機などに応用可能な回転電機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ステッピングモータに代表されるブラシレスモータにおいては、ロータとして回転軸にロータマグネットを備え、ステータとしてハウジング側に固定されたステータコア（積層コア）に電機子巻線が巻き回されたものが用いられている。一般に交流電源を全波整流して得られた直流電源よりインバータ回路を通じて所望の周波数を有するパルス電圧を生成して印加することにより、入力パルス電圧に比例した回転角だけマグネットロータが回転するようになっている。マグネットロータは、インナーロータ型とアウターロータ型があり、何れも電機子巻線への通電により形成される磁極との吸引若しくは反発で回転するようになっている。また、モータの出力トルクを補うために、ロータマグネット側から発生する磁束を補うためにロータコアに永久磁石を埋め込んだモータなども提案されている（特開平１１−１１３１９８号、特開２０００−５０５８５号等）。或いは永久磁石と電機子コイルから発生する磁束を重畳したハイブリッド型の電磁石を利用したモータも提案されている（特開２０００−１５０２２８号、特開２００１−９５２１２号等）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述した各種マグネットロータ型のモータにおいては、電機子巻線への通電によりステータ側の電磁石に形成される磁極とマグネットロータの永久磁石との吸引若しくは反発で回転するため、磁束が漏れ易くステータコアを通過する磁束に基づく磁気エネルギーを有効に生かしきれていない。また、ステータコアに巻き回された電機子巻線の抵抗や通電時の発熱により発生するエネルギーロスが大きく、モーターの出力効率を向上させるのにも限界があった。また、ステータとロータ間に形成される磁気回路を通過する磁束は、永久磁石又は電磁石の何れか一方から発生する磁束に限られているため、電磁石側のみから発生する磁束を増やしても、磁極間の吸引若しくは反発による十分な回転トルクも得られないという課題があった。
【０００４】
本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決し、ロータ及びステータに設けられた電磁石及び永久磁石から発生する磁束を重畳させて活用して回転トルクや出力効率を向上させた回転電機を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は次の構成を備える。
即ち、放射状に配置されたロータ磁極コアの胴部に電機子コイルが巻き回された電磁石に、通電により前記ロータ磁極コアに形成される磁極と同極側が対向するよう着磁された永久磁石が軸方向両側に一体に取り付けられ、これらが回転軸の周囲に複数箇所で支持された円板状のロータと、
前記ロータ磁極コアに対向して放射状に配置されたステータ磁極コアの胴部に電機子コイルが巻き回された電磁石に、通電により前記ステータ磁極コアに形成される磁極と同極側が対向するよう着磁された永久磁石が軸方向両側に一体に取り付けられ、これらが円環状に複数箇所で支持されて前記ロータを囲繞して配置されたステータとを具備したことを特徴とする。
また、放射状に配置されたロータ磁極コアの胴部に電機子コイルが巻き回された電磁石と、通電により前記ロータ磁極コアに形成される磁極と同極側が対向するよう着磁された永久磁石とが交互にリング状に配置され、これらが回転軸と一体に回転可能に支持されたロータと、前記ロータ磁極コアに対向して放射状に配置されたステータ磁極コアどうしを接続する胴部に電機子コイルが巻き回された電磁石と、通電により前記ステータ磁極コアに形成される磁極と同極側が対向するよう着磁された永久磁石とが交互にリング状に配置されたステータとを具備し、前記ステータ磁極コアが前記ロータ磁極コアと対向するように前記ステータがロータを囲繞して設けられていることを特徴とする。
また、円弧状に形成されたロータ磁極コアどうしを連結する連結部に電機子コイルが巻き回された電磁石どうしが、通電により前記ロータ磁極コアに形成される磁極と同極側が対向するよう着磁された円弧状の永久磁石により前記電磁石のロータ磁極コアどうしが円環状に連結されたロータと、前記円弧状に形成されたステータ磁極コアどうしを連結する連結部に電機子コイルが巻き回された電磁石どうしが、通電により前記ステータ磁極コアに形成される磁極と同極側が対向するよう着磁された円弧状の永久磁石により前記電磁石のステータ磁極コアどうしが円環状に連結されたステータとを具備し、前記ステータ磁極コアが前記ロータ磁極コアと対向するように前記円環状のステータが円環状のロータを囲繞して設けられていることを特徴とする。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態について添付図面と共に詳述する。本発明に係る回転電機の実施の形態として、例えば直流電動機や直流発電機などに応用可能なインナーロータ型の回転電機について説明する。
[第１実施例]
本実施例は、回転電機について説明するものとする。図１（ａ）（ｂ）はロータ及びステータの構造を示す平面説明図、図２は電磁石の説明図、図３（ａ）（ｂ）はロータの組付け構造を示す部分断面図及び平面図、図４はロータとステータの組付け状態を示す断面説明図、図５はロータ若しくはステータの電磁石の他例を示す説明図、図６（ａ）（ｂ）は他例に係る電磁石、ロータとステータの組付け状態を示す平面図及び断面図である。図中、ロータ及びステータ内に示す矢印は、磁極部の極性に応じて磁束の発生する向きを例示したものである。
【０００７】
先ず、回転電機の全体構成について図１及び図２を参照して説明する。
図１（ａ）において、ロータ１の回転軸２には環状部（フランジ部）３が円環状に形成されている。この環状部３に電磁石４が周方向に一定間隔で保持されている。電磁石４は、回転軸２の周囲に放射状に配置されたコ字状のロータ磁極コア５の胴部６（図２参照）に電機子コイル７が巻き回されている。この電磁石４には、通電によりロータ磁極コア５に形成される磁極と同極側が対向するよう着磁された永久磁石８がロータ磁極コア５の軸方向両側に一体に取り付けられている（図２参照）。
【０００８】
また、図１（ｂ）において、ステータ９は、円環状の支持材１０に電磁石１１が周方向に一定間隔で支持されている。支持材１０は金属材（非磁性材）でも良いが、プラスチックなどの樹脂材により電磁石１１が一体にモールド成形されていても良い。電磁石１１はロータ磁極コア５に対向して放射状に配置されたステータ磁極コア１２の胴部１３（図２参照）に電機子コイル１４が巻き回されている。この電磁石１１には、通電によりステータ磁極コア１２に形成される磁極と同極側が対向するよう着磁された永久磁石１５がステータ磁極コア１２の軸方向両側に一体に取り付けられている。
ステータ磁極コア１２がロータ磁極コア５と対向するように円環状のステータ９が円板状のロータ１を囲繞して設けられている。
【０００９】
図３（ａ）（ｂ）は、ロータ１の組付け構造の一例を示す。回転軸２には、径方向外側に拡径された環状部３が形成されている。この環状部３の外周面には溝部３ａが形成されており、電機子コイル７が嵌め込まれるようになっている。電磁石４はロータ磁極コア５の胴部６及び永久磁石８に端部が環状部３の外周面に突き当てられ、電機子コイル７の一部を溝部３ａに嵌め込まれる。この状態で、磁性材料よりなる円環状の保持材（例えば継鉄）１６により永久磁石８の外側面及び環状部３の側面部３ｂに上下で重ね合わせてビス１７により固定され、回転軸２と一体に回転可能に保持されている。この保持材１６を設けることで、隣り合う永久磁石８の異なる磁極どうしの間に磁路が形成され、電機子コイル７への通電を停止しても、磁束がロータ磁極コア５や保持材１６に形成される磁路より外部へ磁束が漏れないようになっている。
【００１０】
図４は、ロータ１とステータ９とが組付けられた状態を示すものである。ステータ９は、電磁石１１とそのステータ磁極コア１２の両側に設けられた永久磁石１５が、図１（ｂ）に示す支持材１０に環状に一体に保持されたまま、環状に形成された断面コ字状の継鉄２０の凹部に嵌め込まれている。この継鉄２０は、軸方向に両側に設けられた永久磁石１５の異なる磁極どうしの間及び周方向に隣り合う永久磁石１５の異なる磁極どうしの間に各々磁路を形成する。この継鉄２０を設けることで、電機子コイル１４への通電を停止しても、磁束がステータ磁極コア１２や継鉄２０に形成される磁路より外部へ磁束が漏れないようになっている。
【００１１】
ロータ１の電磁石４とステータ九の電磁石１１とはロータ磁極コア５とステータ磁極コア１２とが対向するように配置されている。そして、電機子コイル７及び電機子コイル１４に通電することにより、Ｎ極どうし及びＳ極どうしが対向するように磁極が形成されて反発により回転する。この場合、電磁石４及び電磁石１１には、電機子コイル７及び電機子コイル１４から発生する磁束に加えて永久磁石８及び永久磁石１５から発生する磁束を重畳して作用させることができるので、反発力を強めて回転トルクを増大させることができる。
【００１２】
図５は、ロータ１とステータ９との組付け状態の他例を示すものである。図４とはロータ１とステータ９の電磁石の構成が異なっている。図４ではロータ１のロータ磁極コア５の胴部６に電機子コイル７が１箇所に巻き回されていたが、本実施例ではコ字状のロータ磁極コア５の脚部１８に電機子コイル７が２箇所に巻き回されて電磁石４が形成されている。また、永久磁石８は脚部１８どうしの間に嵌め込まれている。また、ステータ９の電磁石１１の構成は図４と同様である。本実施例の場合、ロータ１のロータ磁極コア５に形成される磁極部は脚部１８の外面となるため、ステータ磁極コア１２の磁極部となる脚部１９の内面が軸方向に対向するよう配置されている。
【００１３】
また、ステータ９に組み込まれる電磁石１１は、図６（ａ）に示すように、電磁石１１を周方向に複数箇所に並べて永久磁石１５どうしを継鉄２０により連結された状態で並設されていても良い。この場合、９０度ずつ位相がずれた位置で設けられており、電磁石１１どうしは、リング状に形成された継鉄２０により保持されている。この継鉄２０を設けることで、隣り合う永久磁石１５の異なる磁極どうしの間に磁路が形成され、電機子コイル１４への通電を停止しても、磁束がステータ磁極コア１２や継鉄２０に形成される磁路より外部へ磁束が漏れないようになっている。
【００１４】
ステータ９とロータ１との組付け状態について説明する。図６（ｂ）においてロータ１は図５と同様にコ字状のロータ磁極コア５の脚部１８に電機子コイル７が２箇所に巻き回された電磁石４が回転軸２の環状部３の周囲に保持されている。このロータ磁極コア５の脚部１８の外側面に形成された磁極面と、ステータ磁極コア１２の脚部１９の内側面に形成された磁極面とが対向するようにロータ１及びステータ９が配置されている。
【００１５】
［第２実施例］
次に、回転電機の他例について図７（ａ）（ｂ）及び図８（ａ）（ｂ）を参照して説明する。第１実施例と同一部材には同一番号を付して説明を援用する。図中、ロータ及びステータ内に示す矢印は、磁束の発生する向きを例示したものである。
図７（ａ）において、ロータ１は回転軸２の周囲に電磁石４が周方向に一定間隔でリング状に設けられている。電磁石４は、コ字状のロータ磁極コア５の胴部６が周方向に沿って配置され、両側脚部１８が径方向に放射状に配置されている。ロータ磁極コア５の胴部６には電機子コイル７が巻き回されている。この電磁石４どうしの間には、通電によりロータ磁極コア５に形成される磁極と同極側が対向するよう着磁された弧状の永久磁石８が配置され、電磁石４と永久磁石８とが交互に配置されて全体としてリング状に形成されている。
【００１６】
この電磁石４及び永久磁石８は、例えば図８（ａ）に示すように、回転軸２に設けられた環状部３の外周面に沿って配置され、軸方向両側から円環状の保持材（例えば継鉄などの磁性材）１６により挟み込まれてビス１７により固定されている。具体的には、図８（ｂ）において各ロータ磁極コア５及び永久磁石８の軸方向の端面には溝部２１が弧状に連続して形成されている。この溝部２１に保持材１６の係止片１６ａを嵌め込み、ビス孔１６ｂにビス１７を嵌め込んで環状部３にビス止めすることにより、各電磁石４及び永久磁石８は回転軸２に一体に固定される。
【００１７】
図７（ｂ）において、ステータ９は、電磁石１１が周方向に一定間隔で設けられている。電磁石１１はロータ磁極コア５に対向して両側脚部１９が放射状に配置されたコ字状のステータ磁極コア１２の胴部１３に電機子コイル１４が巻き回されている。この電磁石１１には、通電によりステータ磁極コア１２に形成される磁極と同極側が対向するよう着磁された弧状の永久磁石１５が交互に配置され、全体としてリング状に形成されている。ステータ９は、図１（ｂ）のように支持材１０によりリング状に保持されていても良い。このステータ磁極コア１２がロータ磁極コア５と径方向に対向するように円環状のステータ９が円板状のロータ１を囲繞して設けられている。
ロータ１の磁極部とステータ９の磁極部とが対向する位置で同極となるように各電機子コイル７、１４に通電され、ロータ１が回転して磁極部どうしが異極となる位置で通電を停止する動作を繰り返してロータ１が回転駆動される。
【００１８】
［第３実施例］
次に、回転電機の他例について図９及び図１０を参照して説明する。図中、ロータ及びステータ内に示す矢印は、磁束の発生する向きを例示したものである。図９（ａ）において、ロータ２２は、円弧状に形成された磁極部が連結部２４により連結されたロータ磁極コア２３が１対設けられている。各ロータ磁極コア２３の連結部２４には電機子コイル２５が巻き回されて電磁石２６が形成されている。電磁石２６どうしは、通電によりロータ磁極コア２３に形成される磁極と同極側が対向するよう着磁された円弧状の永久磁石２７によりロータ磁極コア２３が円環状に連結され、ロータ２２が形成されている。
図９（ｂ）において、ロータ２２は例えば回転軸３４と一体化した保持部材（非磁性材）３５により両側より挟み込まれて、ビス３６により一体に組付けられるようになっていても良い。
【００１９】
図１０（ａ）において、ステータ２８は、円弧状に形成された磁極部が連結部２９により連結されたステータ磁極コア３０が１対設けられている。各ステータ磁極コア３０の連結部２９には電機子コイル３１が巻き回されて電磁石３２が形成されている。電磁石３２どうしは、通電によりステータ磁極コア３０に形成される磁極と同極側が対向するよう着磁された円弧状の永久磁石３３によりステータ磁極コア３０が円環状に連結され、ステータ２８が形成されている。
図１０（ｂ）において、ステータ２８は例えば環状の保持部材（非磁性材）３７により軸方向両側より挟み込まれて、ビス３８により一体に組付けられるようになっていても良い。
【００２０】
ステータ磁極コア３０がロータ磁極コア２３と対向するように円環状のステータ２８が円環状のロータ２２を囲繞して設けられている。ロータ２２及びステータ２８の対向する磁極部どうしが同極となるように各電機子コイル２５、３１に通電され、磁極間の反発によりロータ２２が回転して対向する磁極部どうしが異極となる位置で通電を停止する動作を繰り返してロータ２２が回転駆動される。
【００２１】
ここで、上述した回転電機を直流電動機として使用する場合の回転動作について、図１１を参照して説明する。回転動作は、ロータが１回転する間の動作について説明するものとする。尚、ロータ及びステータの電機子コイルへの通電制御は、図示しない駆動回路により行なわれ、一般に交流電源を全波整流して得られた直流電源よりインバータ回路を通じて所望の周波数のパルス電圧を生成して印加することによりロータが回転するようになっている。また、ロータにも電機子コイルが設けられていることから、公知の給電ブラシを用いて給電するようになっている。また、ロータの回転方向は時計回り方向とする。
【００２２】
図１１において、ロータ磁極部（Ｓ１、Ｓ２）とステータ磁極部（Ｓ）及びロータ磁極部（Ｎ１、Ｎ２）とステータ磁極部（Ｎ）とが同極で対峙した状態でロータ及びステータの電機子コイルに通電する（図１１（i）参照）。このとき、同極どうしが反発し、異極どうしが吸引することからロータは時計回り方向へ回転し（図１１（ii）参照）、９０度回転した位置、即ちロータ磁極部（Ｓ１、Ｓ２）とステータ磁極部（Ｎ）及びロータ磁極部（Ｎ１、Ｎ２）とステータ磁極部（Ｓ）とが対峙した状態でロータ及びステータの電機子コイルへの通電を停止する（図１１（iii）参照）。
【００２３】
また、このとき、ロータ磁極部とステータ磁極部は異極が対峙しているが、ロータ及びステータに通電を停止したことで、ロータ及びステータの永久磁石より発生した磁束は、磁極コアや継鉄を通ってＮ極からＳ極へ閉ループを描いて形成されるため、外部へ磁束の漏れはなくなる。このため、ロータは慣性により更に時計回り方向へ回転する（図１１（iv）参照）。そして、ロータは更に９０度回転した状態、ロータ磁極部（Ｓ１、Ｓ２）とステータ磁極部（Ｓ）及びロータ磁極部（Ｎ１、Ｎ２）とステータ磁極部（Ｎ）とが同極で対峙した状態でロータ及びステータの電機子コイルに再び通電する（図１１（v）参照）。このとき、同極どうしが反発し、異極どうしが吸引することからロータは時計回り方向へ更に回転し（図１１（vi）参照）、９０度回転した位置、即ちロータ磁極部（Ｓ１、Ｓ２）とステータ磁極部（Ｎ）及びロータ磁極部（Ｎ１、Ｎ２）とステータ磁極部（Ｓ）とが対峙した状態でロータ及びステータの電機子コイルへの通電を停止する（図１１（vii）参照）。
【００２４】
また、このとき、ロータ磁極部とステータ磁極部は異極が対峙しているが、ロータ及びステータに通電を停止したことで、ロータ及びステータの永久磁石より発生した磁束は、磁極コアや継鉄を通ってＮ極からＳ極へ閉ループを描いて形成されるため、外部へ磁束の漏れはなくなる。このため、ロータは慣性により更に時計回り方向へ回転する（図１１（viii）参照）。そして、ロータは更に９０度回
転した状態、即ちロータ磁極部（Ｓ１、Ｓ２）とステータ磁極部（Ｓ）及びロータ磁極部（Ｎ１、Ｎ２）とステータ磁極部（Ｎ）とが同極で対峙した状態（図１１（i）参照）でロータ及びステータの電機子コイルに再び通電する動作を繰り返す。
【００２５】
このように、ロータ及びステータの電磁石と永久磁石から発生した磁束を重畳させて対向する磁極部を通じて作用させることにより、強力な反発力及び吸引力を発生させて大きな回転トルクが得られ、電動機の出力効率を向上させることができる。
【００２６】
本発明は、上述した各実施の態様に限定されるものではなく、ロータ磁極コアやステータ磁極コアの形状は任意であり、電機子コイルの数も更に多数設けても良い。また、回転電機は直流電動機のみならず、ロータを外力で回転させることにより、ロータ側及びステータ側の電機子コイルより起電力を取り出すこともできるため発電機としても利用できる等、法の精神を逸脱しない範囲で多くの改変を施し得るのはもちろんである。
【００２７】
【発明の効果】
本発明に係る回転電機の構成によれば、ロータ及びステータに備えた電磁石及び永久磁石から発生する磁束を重畳させて対向する磁極部より作用させるので、強力な反発力及び吸引力を発生させて大きな回転トルクが得られ、回転機の出力効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例に係るロータ及びステータの構造を示す平面説明図である。
【図２】電磁石の説明図である。
【図３】ロータの組付け構造を示す部分断面図及び平面図である。
【図４】ロータとステータの組付け状態を示す断面説明図である。
【図５】ロータ若しくはステータの電磁石の他例を示す説明図である。
【図６】他例に係る電磁石及びロータとステータの組付け状態を示す平面図及び断面図である。
【図７】第２実施例に係るロータ及びステータの構造を示す平面説明図である。
【図８】他例に係るロータの構造を示す平面図及び一部分解説明図である
【図９】第３実施例に係るロータの構造を示す平面説明図である。
【図１０】第３実施例に係るロータの構造を示す平面説明図である。
【図１１】回転電機の回転動作を示す説明図である。
【符号の説明】
１、２２ ロータ
２、３４ 回転軸
３ 環状部
４、１１、３２ 電磁石
５、２３ ロータ磁極コア
６、１３ 胴部
７、１４、２５、３１ 電機子コイル
８、１５、２７、３３ 永久磁石
９、２８ ステータ
１０ 支持材
１２、３０ ステータ磁極コア
１６ 保持材
１７、３６、３８ビス
１８、１９ 脚部
２０ 継鉄
２１ 溝部
２４、２６、２９ 連結部
３５、３７ 保持部材

Claims (8)

1. 放射状に配置されたロータ磁極コアの胴部に電機子コイルが巻き回された電磁石に、通電により前記ロータ磁極コアに形成される磁極と同極側が対向するよう着磁された永久磁石が軸方向両側に一体に取り付けられ、これらが回転軸の周囲に複数箇所で支持された円板状のロータと、
   前記ロータ磁極コアに対向して放射状に配置されたステータ磁極コアの胴部に電機子コイルが巻き回された電磁石に、通電により前記ステータ磁極コアに形成される磁極と同極側が対向するよう着磁された永久磁石が軸方向両側に一体に取り付けられ、これらが円環状に複数箇所で支持されて前記ロータを囲繞して配置されたステータとを具備したことを特徴とする回転電機。
2. 前記ロータ磁極コア及びステータ磁極コアはコ字状に各々形成されており、胴部が軸方向に沿って配置され、両側脚部どうしが径方向に対向するように配置されていることを特徴とする請求項１記載の回転電機
3. 前記ロータ及びステータの対向する磁極部どうしが同極となるように各電機子コイルに通電され、前記ロータが回転して対向する磁極部どうしが異極となる位置で通電を停止する動作を繰り返して前記ロータが回転駆動されることを特徴とする請求項１記載の回転電機。
4. 放射状に配置されたロータ磁極コアの胴部に電機子コイルが巻き回された電磁石と、通電により前記ロータ磁極コアに形成される磁極と同極側が対向するよう着磁された永久磁石とが交互にリング状に配置され、これらが回転軸と一体に回転可能に支持されたロータと、
   前記ロータ磁極コアに対向して放射状に配置されたステータ磁極コアの胴部に電機子コイルが巻き回された電磁石と、通電により前記ステータ磁極コアに形成される磁極と同極側が対向するよう着磁された永久磁石とが交互にリング状に配置されたステータとを具備し、
   前記ステータ磁極コアが前記ロータ磁極コアと対向するように前記ステータがロータを囲繞して設けられていることを特徴とする回転電機。
5. 前記ロータ磁極コア及びステータ磁極コアはコ字状に各々形成されており、各磁極コアは胴部が周方向に沿って配置され、両側脚部どうしが径方向に対向するように配置されていることを特徴とする請求項４記載の回転電機。
6. 前記ロータの磁極部とステータの磁極部とが対向する位置で同極となるように各電機子コイルに通電され、前記ロータが回転して磁極部どうしが異極となる位置で通電を停止する動作を繰り返して前記ロータが回転駆動されることを特徴とする請求項４記載の回転電機。
7. 円弧状に形成されたロータ磁極コアどうしを連結する連結部に電機子コイルが巻き回された電磁石どうしが、通電により前記ロータ磁極コアに形成される磁極と同極側が対向するよう着磁された円弧状の永久磁石により前記電磁石のロータ磁極コアどうしが円環状に連結されたロータと、
   前記円弧状に形成されたステータ磁極コアどうしを連結する連結部に電機子コイルが巻き回された電磁石どうしが、通電により前記ステータ磁極コアに形成される磁極と同極側が対向するよう着磁された円弧状の永久磁石により前記電磁石のステータ磁極コアどうしが円環状に連結されたステータとを具備し、
   前記ステータ磁極コアが前記ロータ磁極コアと対向するように前記円環状のステータが円環状のロータを囲繞して設けられていることを特徴とする回転電機。
8. 前記ロータ及びステータの対向する磁極部どうしが同極となるように各電機子コイルに通電され、前記ロータが回転して対向する磁極部どうしが異極となる位置で通電を停止する動作を繰り返して前記ロータが回転駆動されることを特徴とする請求項７記載の回転電機。

Images