JP4195910B2 - ディスクモータ - Google Patents

Description

【０００１】
〔発明の技術分野〕
本発明は、ディスク（円盤）形状を有するブラシレス直流モータ形式の回転電機（dynamoelectric machine）に関するものであり、特に、この種の回転電機用の固定子の改良に関するものである。
【０００２】
〔発明の背景〕
一般に、ブラシレスＤＣディスク（円盤形）モータは、主要構成要素として、隣り合う磁化可能な複数組のディスクと、巻線とを有し、ディスクは、相互作用する複数の磁極を備え、一方のディスクは、通常は、可動面又は回転子内の固定磁極の相互作用によって生じるトルクにより、軸線を中心に回転せしめられ、巻線は、通常は固定面又は固定子内に、制御可能な磁極を発生させる（従って、ワイピング整流子は不要である）。ブラシレスＤＣディスクモータの場合、一般に、できるだけ効率の高いモータを作る必要がある。（当然のことながら、同じことは、発電機についても当てはまり、この場合、装置としては、原動力を電気エネルギに変換する変換器であるが、本明細書の記載は、発電機を包含するものである）。
【０００３】
固定子の設計では磁気回路の検討が必要であり、高透磁率の強磁性要素（当然のことながら、永久磁石を含む）が用いられる場合には、どのような磁気回路であっても、低透磁率の部分を最小限にすることが有益である。その結果として、任意の巻線内に所与の電流を流すと、より大きなトルクが得られる（発電機の場合には、これと逆の関係で同じことがいえる）。本願は、主としてディスクの形態と関連した巻線が、半径方向に配向した多数の導体をディスクモータ内に備えた場合に適用し得る巻回固定子の設計の改良について開示するものである。
【０００４】
〔発明の目的〕
本発明の目的は、改良された回転電機を提供すること、即ち、少なくとも公衆に有益な選択枝を与えることにある。
〔発明の概要〕
【０００５】
本発明は、全体的に半径方向に配置された実質的に一定の断面積の導体群を複数有する円盤型回転電機用の固定子巻線であって、任意の一群を構成する複数の導体が占める断面は、固定子の周囲に向かって幅（側から側の方向）広く且つ浅くなり、固定子の中心に向かって幅（側から側の方向）狭く且つ深くなっていることを特徴とする固定子巻線を提供する。
【０００６】
本発明において、円盤型回転電機は、ディスク形回転子を少なくとも１つ有するとともに、上述の固定子巻線を支持するディスク形固定子を有する。
【０００７】
本発明において、固定子に設けられた各導体群は、透磁率が空気よりも大きい強磁性体上に位置する。
好ましくは、回転軸線の接線方向の任意平面であって、半径方向に配置された導体群を含む平面において、各導体群の断面積は、実質的に一定である。
【０００８】
本発明において、強磁性体は、固定子の周囲からその中心に向かって回転子から遠ざかる方向に傾斜し、強磁性体は、巻線と隣接した状態を維持する。
【０００９】
好ましくは、強磁性体は、鉄線、鉄帯(iron strip)、鉄粉及び鉄塊から成る群より選択される。
好ましくは、固定子は、成形ディスクであり、全体的に半径方向に配置された複数の凹みを有し、凹みは、複数の巻き数の導体を受入れることができ、各凹みは、成形ディスクの周囲に向かって幅が広がっている。
【００１０】
好ましくは、各凹みは更に、成形ディスクの中心に向かって深くなっている。
好ましくは、回転子は、２〜１２８の永久磁極を有し、その最適な形態では、８つの磁極を有する。
【００１１】
本発明の他の観点では、中心及び周囲を備えた成形フォーマ(shaped former) 上に、全体的に半径方向に配置された複数の細長い導体群を巻付けることによって円盤型回転電機用の固定子巻線を形成する方法であって、成形フォーマは、複数の巻き数の導体を受入れることができ且つ全体的に半径方向に配置された複数の凹みを有し、各凹みは、上記周囲に向かって幅が広くなっており、導体は、任意の一群を構成する導体で占められた空間が、周囲に向かって幅（側から側の方向）広く且つ浅く、フォーマの中心に向かって幅（側から側の方向）狭く且つ深くなるように巻回されていることを特徴とする固定子巻線の形成方法を提供する。
【００１２】
更に他の観点より、本発明は、隣り合う磁化可能なディスク形態の第１及び第２表面を少なくとも有し、各表面が、複数の磁極を備えた回転電機であって、一方の表面は、第１表面に設けられた一定の磁極と、第２表面に設けられた制御可能な磁極との相互作用により、他方の表面を横切って軸線廻りに回転するようになっており、少なくとも１つの第２表面の磁極は、複数群の巻回導体又は巻線内を流れる電流により生じ、各群は、成形ディスク内に形成された凹み内に巻回され、各凹みは、周囲に向かって横方向に拡張している回転電機を提供する。
【００１３】
好ましくは、各凹みは、強磁性体（空気よりも大きな透磁率を備える）上に設けられ、隣接する上記第１表面を含む磁気回路の一部を形成する。
更に好ましくは、各凹みは、成形ディスクの中心に向かって、より深く形成される。
【００１４】
好ましくは、各凹みは、成形ディスクの中心に向かって深くなっており、巻線領域を含み且つ上記第２表面の回転軸線に対する接線方向平面において断面積が実質的に同一である。
【００１５】
好ましくは、凹みの外側境界の下側に位置するように巻回可能な導体の最大巻数は、回転軸線の接線方向の任意平面であって、巻線領域を含む平面において実質的に一定である。
【００１６】
好ましくは、磁性体は更に、成形ディスクの中心に向かって、より深いところに位置決めされ、したがって、強磁性体は、巻線との隣接状態を維持する。
【００１７】
強磁性材料として、鉄線、時計ばねコイルの形態に巻回した鉄ストリップ（帯状の鉄）、場合によってはフェライト、鉄粉が挙げられ、比較的低速で用いることを意図した回転電機にあっては、鉄塊が挙げられる。
【００１８】
好ましい強磁性体は、コイル形態に巻回した磁気的にソフトな鉄線である。
他の好ましい強磁性体は、時計ばねコイルの形態に巻回した磁気的にソフトな鉄ストリップである。
【００１９】
更に他の好ましい強磁性体は、所要の形状にプレス成形するか、或いは、エポキシ／プラスチック結合剤で支持した鉄粉である。
殊に、比較的低速で使用される回転電機にあっては、他の強磁性体として、鉄塊が挙げられ、更に好ましくは、鉄を含み且つ比較的ヒステリシスが低い合金が挙げられる。
【００２０】
好ましい磁極数は、２〜１２８である。
更に好ましくは、磁極数は８である。
他の観点より、本発明は、全体的に半径方向に配向された巻線列に面する磁化可能な組立体を有する電気ディスクモータを提供する。一方のディスクは、他方のディスクに対して回転可能であり、一方のディスクは磁極を有し、他方のディスクは巻線を有する。巻線は、支持構造体に設けられた空所内に保持され、各空所は、モータの外周部に向かって幅が広く且つ浅く、モータの中心に向かって幅が狭く且つ深くなっている。
【００２１】
本発明は、他の観点において、回転可能な永久磁石組立体と、２以上のセクタにおいて半径方向に配向された巻線列とを有するブラシレスＤＣディスクモータを提供する。各セクタは、成形巻線フォーマの対応スロット内に保持され、各スロットは、巻線用空間を形成する。任意のセクタの巻線が占める空間は、成形フォーマの周囲に向かって幅が広く且つ浅くなっており、その中心に向かって幅が狭く（側から側へ）且つ深くなっている。
【００２２】
本発明はまた、このような回転電機（特に、ブラシレスＤＣディスクモータ）の固定子又は成形巻線フォーマに関するものでもある。
更に広範な観点より、回転電機は、発電機モードの作動形態で運転しても良く、この場合、第１及び第２ディスクの相対回転運動を生じさせることにより、複数群の巻回導体内に電流の流れが誘起するという効果が得られる。
【００２３】
回転電機は、静止ディスクを少なくとも１つ有し、静止ディスクは、巻線を有し、これゆえ、固定導体と回転導体との間に電流を流すことができるワイピング接点を有しない。
【００２４】
変形例として、少なくとも１つの固定ディスクは、永久磁石を有するとともに、少なくとも１つの回転可能なディスクに設けられた巻線を付勢するために、固定導体と回転導体との間で電流を流すことができるワイピング接点を有する。
【００２５】
〔好ましい実施形態〕
以下に行う本発明の説明及び図示の種々の実施例は、単に例示に過ぎず、本発明の範囲を制限するものではない。図面の中には、固定子の形状を理解しやすくするためにmm単位で寸法値を表したものがあるが、かかる寸法は単に例示に過ぎず、これも又、本発明の範囲をなんら限定するものではない。
【００２６】
本発明の原理が、図面に示されている。周知の如く、円のセクタ（扇形）の横断寸法は、中心に近づくにつれて減少する。ディスクモータでは、巻線は、多かれ少なかれ半径方向の活性部分内にあり、各巻線は、理想的にはディスクのセクタを占める。これ故、次第に減少するセクタの幅内に同数の導体を詰め込む方式がある。区分１０３内に位置する特定の導体“Ａ・・・Ｄ”に関するラベル表示と、他の区分内におけるこれらの導体の対応例示位置について注目されたい。
【００２７】
従来の円盤型回転電機では、固定子は一般に、多かれ少なかれ一定幅の多数の放射状スロットを備えた「コイルフォーマ（coil former ）」を利用しており、巻線を横切る任意の断面は、同一幅及び高さの積層状態の導体となる傾向がある。或る巻線の端とその隣に位置する巻線の端との間には、空き空間があり、空き空間と巻線とのプロポーションは、固定子の内側半径と外側半径の比により定まる。この空き空間を生じさせないようにすると（これは、はっきりと非効率であることを示している）、導体は、スロットから固定子の内側縁部に向かうにつれてはみ出すようになりがちであり、これらの導体は、近くに位置する回転磁石列と抵触する傾向がある。これは、解決すべき課題である。
【００２８】
以下の図面の図１〜図５は、特殊形状の凹み（窪み）を備えた固定子を示しており、これらの凹みにより、全体として半径方向に配置され且つ巻線を構成する導体群は、固定子の中心に向かってではなく、固定子の周囲付近に向かって幅広になり且つ浅くなる空間を占めるように、巻回される。導体は、このようにして成形固定子上に巻付けられる。変形例では、導体は成形フォーマ上に巻回され、次に、樹脂等で所要形状に保持され、次いで、このような固定子巻線が固定子ディスクに取付けられる。図６には、このような固定子巻線が、固定子への取付け前の状態で示されている。
【００２９】
図１は、断面積が実質的に同一であるような矩形の中に１１個の球形（円形）輪郭物（導体１０４を示す）を詰め込む３つの手法を示している。ただし、輪郭物の所要数が、少なくとも断面輪郭内に収納されることが、より重要な要件である。矩形１０１は、上から４、３、４の詰込み形態で１１個の輪郭物を保持し、矩形１０２は、同数の輪郭物を上から５、６の形態に保持し、矩形１０３は１１個全ての輪郭物を単一線上に保持する。なお、（例えば）正方形の導体を用いる場合、詰込みの詳細は異なることになろう。
【００３０】
図２は、本発明による固定子成形品（「コイルフォーマ」 ）２００又は成形ディスクを概略的に示す斜視図において、図１の輪郭を同図に重ね合わせた状態で示したものである。或る巻線及びその隣に位置する巻線の間のセパレータ又はフィン２０１は、実質的に一定且つ最小幅のものであり、凹みを横切る任意の接線方向断面は、実質的に一定の横断面積となることを注目すべきである（図４も参照のこと）。好ましくは、各凹みは、成形ディスクの中心に向かって深くなっており、巻線領域を含む第２表面の回転軸線の接線方向平面における断面積は、実質的に同一である。換言すれば、固定子成形品内の凹み２０３は、周囲２０４に向かって浅くなるように形作られている（この理由は、大抵の場合、永久磁石を取付けたディスクを全体として平坦でない表面内に設けることが不都合なためである。ただし、平坦にした凹状円錐形磁石面は、当然に可能ではある）。個々の導体はそれぞれ、仮想の半径線をぴったりとたどっている。
【００３１】
図３は、本発明による固定子成形品３００の断面（図４のＡ−Ａ線矢視断面）を示しており、凹み２０３は、上述の如く、中心３０４に向かって傾斜したフロア（床）３０３を有する。この例では、８つの磁極のディスクモータについて寸法（単位mm）が示されている。空間３０１は、磁気回路の強磁性部分を保持するようになっている。符号３０２は、使用において、永久磁石を備えたディスクに隣接することになる表面である。
【００３２】
図４は、ディスク４０１の形態をした本発明に係る固定子成形品４００の正面図であり、最小厚のセパレータ２０１のうちの２つが、上述のように成形凹み２０３と交互に位置するように示されている。この例では、３相８極ディスクモータについて寸法（mm）が入れられている。
【００３３】
図５には、中心部が一層凹んだ空所（これについては上述している）と、巻線５０３（図示の場合、４つの導体）の下側に位置する強磁性物体５０９とを備えた完成品としての固定子５０７に関し、セクタの中線を通る半径方向断面５００が示されており、これらの巻線は、図２に示すように、ディスク表面の平面内において周囲に向かって広がり、図５の頂部より上方に位置する中心部の近傍に位置する深い凹み領域で集まり、多かれ少なかれ互いに上下に重なる。
【００３４】
例示の強磁性物体５０９は、例えば、組をなす磁石とほぼ同一の環状幅を占める適当な被覆鋼の時計ばねストリップ(watch-spring strip)である。強磁性物体５０９は、任意の適当な材料で作った内側リング５０６及び外側リング５０５の間に収容される。或るプロトタイプでは、本発明者は、“Tufnol”、即ち、布補強フェノール系プラスチック材料を使用した。これらのリングは、リングが強磁性物体を定位置に保持するのを補助するようなモータの形式において、任意に用いられる。
【００３５】
固定子本体５０７を、熱伝導性物質（例えば、金属）で作ると、バッキング材としての鉄５０９及び巻線５０３から除熱し得るので、都合がよい。固定子本体５０７を例えば、アルミニウムで作るのがよい。変形例として、固定子本体を他の任意の金属材料で作ってもよい。変形例として、固定子本体は、非金属製のものであっても良い（例えば、ライナイト（Rynite（登録商標））のような利用可能なエンジニアリングプラスチックで作られる）。
【００３６】
鋼製ロータは、符号５０１として示されており、ロータは、狭小間隙５０８を介して巻線と対面した磁石５０２（本例では、Ｎ極）を担持している。仕切りストリップ（本図では、符号５０４で示され、他の図では、符号２０１で示されている）は、ロータと最も近接する固定子５０７の部分である。
【００３７】
強磁性材料は又、固定子の中心に向かってモータから遠ざかる方向に好適に傾斜していることに注目すべきである。時計ばねコア又は巻回鉄コアは、この形状に巻回することができ、或いは、後でそのように変形させてもよく、他方、塊状材料は、プレス成形し、注型し、研削し、旋削し、又は別の方法で賦型又は成形しても良い。
【００３８】
他方、回転子組立体に凹状の平らな円錐形を設けることが好ましい場合には、固定子の凹みを深くする必要はない。
もし、巻線が図６に示すように予備成形され、成形強磁性体層５０９を備えた固定子の表面に取り付けられるならば（仕切り５０４は設けられないことになろう）、固定子の凹みを省くことができる。導体の各群は、全体として台形の経路をたどるが、これは、図１及び図２の形態に相応する全体的に半径方向（巻線の中心に対して）の部分であることに注目すべきである。
図６（実際の巻線の写真である）に示すような固定子巻線の予備成形により、多数の巻線が、図５の仕切りの干渉なくして、図示の如くオーバラップすることができる。導体は、成形フォーマに巻付けられ、次に、樹脂等で所要の形状に保持され、次いで、成形固定子に取付けられる。
【００３９】
〔変形例〕
好ましい強磁性体の変形例として、コイルの形態に巻回された鉄線又はストリップ、（場合によっては、フェライトが用いられるが、その可能性は低い）、鉄粉（例えば、マグネチックス・インターナショナル社の“Accucore”（登録商標））、或いは、比較的低速で用いるようになった回転電機の場合、鉄塊が挙げられる。ヒステリシスが低いシリコン鋼を好ましく使用し得る。回転子が回転すると、固定子中の強磁性体は、磁束を最初に一方向に形成し、次に他方向に形成し、従って、特に逆転速度が増大する際の高速時には、磁気的に軟質で低ヒステリシスの材料を使用することが好ましい。
本書では、８極モータについて説明したが、磁極数は２〜１２８（おそらくは、１２８以上の磁極数）の範囲である。
【００４０】
〔商業的利益又は利点〕
巻線を収容するために、成形したバッキング鉄により形成された中心部が深い凹みを有する改良型の固定子は、製造が比較的容易であり、これを用いる回転電機を製造又は使用する上で、それがために特段の問題が生じるわけではない。かかる固定子は磁気回路内の間隙を閉塞し、しかも、導体として利用可能な固定子スロット領域を最大にすることにより、このような回転電機の効率を向上させる。
【００４１】
最後に、本発明者は、繰り返し述べるが、本明細書を読む当業者には本明細書において説明した本発明に関し、更なる変形例を想到し得る。これら変形例は、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲に属するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 区分した定数の円形導体を狭小空間内に収納するために、個々の凹みの輪郭（又は導体群の輪郭）が周囲から中心に向かってどのように変化するかを原理的に示す図である。
【図２】 固定子コアの部分斜視図であり、図１に示す導体群に関し、３つの断面が示されている。
【図３】 固定子成形体に関する寸法入りの設計断面図である。
【図４】 固定子成形体に関する寸法入りの設計表面図である。
【図５】 ディスクモータの断面図であり、凹みを半径方向に切断した固定子が示され、幾つかの導体及び時計ばね型の積層強磁性バッキング材が示されている。
【図６】 固定子への取付け前における予備成形固定子巻線を示す図である。

Claims (7)

1. 少なくとも１つのディスク形回転子と、固定子巻線を支持するディスク形固定子とを有する円盤型回転電機用の固定子巻線において、
   実質的に一定の断面積の導体群が全体として半径方向に複数配置され、
   任意の一群を構成する複数の導体が占める断面は、
   （ａ）固定子の周囲に向かって周方向に広く且つ軸線方向に浅く、
   （ｂ）固定子の中心に向かって周方向に狭く且つ軸線方向に深くなっており、
   固定子に設けられた各導体群は、透磁率が空気よりも大きな強磁性体上に位置しており、
   前記強磁性体は、該強磁性体を巻線に隣接させた状態に維持するように固定子の周囲からその中心に向かって回転子から遠ざかる方向に傾斜していることを特徴とする固定子巻線。
2. 請求項１に記載された固定子巻線を有し、各導体群の断面積は、回転軸線の接線方向に位置し且つ半径方向に配置された導体群を含む任意の平面において実質的に一定であることを特徴とする円盤型回転電機。
3. 強磁性体は、鉄線又は時計用ばねコイルの形態に巻回された鉄帯、フェライト、鉄粉、鉄塊から成る群から選択されることを特徴とする請求項２に記載の円盤型回転電機。
4. 固定子は、成形ディスクであり、全体として半径方向に設けられた複数の凹みを有し、該凹みは、複数の巻き数の導体を受入れることができ、各凹みは、前記成形ディスクの周囲に向かって幅が広くなっていることを特徴とする請求項３に記載の円盤型回転電機。
5. 各凹みは又、前記成形ディスクの中心に向かって深くなっていることを特徴とする請求項４に記載の円盤型回転電機。
6. 請求項１に記載された固定子巻線を有し、回転子は、２〜１２８の永久磁極を有することを特徴とする円盤型回転電機。
7. 全体として半径方向に配置された複数の細長い導体群を、中心及び周囲を備えた成形フォーマに巻き付けることにより円盤型回転電機用の固定子巻線を形成する方法であって、
   成形フォーマは、全体として半径方向に設けられた複数の凹みを有し、該凹みは、複数の巻き数の導体を受入れることができ、各凹みは、前記フォーマの周囲に向かって幅が広くなっており、導体は、任意の一群を構成する導体で占められた空間が、前記フォーマの周囲に向かって周方向に広く且つ軸線方向に浅く、前記フォーマの中心に向かって周方向に狭く且つ軸線方向に深くなるように巻回されることを特徴とする固定子巻線の形成方法。

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