JP4675647B2 - ステータ、回転機用コア及び回転機 - Google Patents

Description

本発明は、例えばモータやソレノイド、電磁ブレーキなどの回転機に用いられるステータ、回転機用コア及びこれを備える回転機に関する。

一般に、モータやソレノイド、電磁ブレーキなどの回転機は、概略的にはステータとローターとから構成されている。このような回転機において、ローターの回転トルクを高めることで、エネルギー効率を向上させた回転機が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

この回転機は、回転軸と、この回転軸の外周面に周方向等間隔で突出して設けられたローターティースを有するローターと、その軸心が回転軸の中心軸と合致する非磁性円筒体と非磁性円筒体の内周面に周方向等間隔で非磁性円筒体の軸心に向かって突出するように設けられた複数の磁気ヨークとを有するステータと、を備えている。この磁気ヨークは、非磁性円筒体の軸心に向かって突出するように周方向等間隔で配置された３本のステータティース磁脚部と、この３本のステータティース磁脚部の軸心側の一端を接続する永久磁石部とによって構成されている。
そして、励磁巻線に電流を供給することで励磁させ、永久磁石部でローターの磁極の接近するものを吸引することでローターの回転トルクを増大させることができる。これにより、逆に励磁巻線に流す電流値を削減してもローターの回転トルクを維持することができるので、エネルギー効率が向上する。

このような回転機においても、回転機に生じる回転トルクをより効率よく得ることが望まれている。ここで、ローターに生じる回転トルクは、励磁巻線の巻線回数を多くすることで増大させることができるため、回転機が占有するスペースを増大させることなく、励磁巻線の巻線効率を上げて回転機全体に対する励磁巻線の占積率を高めることが求められている。

しかしながら、上記従来の回転機には、以下の課題が残されている。すなわち、上記従来の回転機では、励磁巻線の巻線回数を多くするためには、ステータの内径を大きくする必要があり、回転機全体の占有スペースが増大するという問題がある。
特開２００１−２５８２２１号公報（図１）

本発明は、上記従来の問題に鑑みなされたもので、励磁巻線を巻回するための空間を効率よく確保すると共に、製造が容易であるステータ、回転機用コア及び回転機を提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、本発明のステータは、軸心が回転軸心と合致するステータ基材と、該ステータ基材から周方向等間隔で径方向に突出して設けられた複数のステータティースと、該ステータティースに巻回された励磁巻線とを有し、前記ステータティースが、前記回転軸心に沿って間隙を介して配置された少なくとも一対のステータティース磁脚部と、該一対のステータティース磁脚部の先端を接続する永久磁石部とを備え、前記励磁巻線が、前記ステータティース磁脚部のうち径方向に突出する部分それぞれに巻回されていることを特徴とする。

この発明によれば、ローターと組み合わせて励磁巻線を励磁したときに、ローターに設けられたローターティースと、ステータティースとによって回転軸心を含む平面で磁気回路が形成される。また、ローターティースと、一方のステータティース磁脚部と、隣接する他のステータティースのうちの一方のステータティース磁脚部と、これらステータティース磁脚部の間のステータ基材とによって回転軸心に対して垂直な平面で副次的な磁気回路が形成される。そして、励磁巻線に対して励磁電流または直流パルス電流などを適宜供給し、このような磁気回路に交番磁界を発生させることで、ローターが軸心回りに回転することとなる。
この際、励磁巻線が軸心方向に沿って間隙を介して配置された少なくとも一対のステータティース磁脚部に巻回されているので、励磁巻線の巻線効率を上げて励磁巻線の占有率を高めることができる。このようにより多くの励磁巻線を巻回することで、ローターの回転トルクが維持されるので、エネルギー効率を向上させることができる。さらに、回転軸心に沿って分割して励磁巻線がステータティース磁脚部に巻回されているので、各励磁巻線による抵抗が大きくなることを防止する。

また、本発明のステータは、前記ステータ基材及び前記ステータティース磁脚部が、絶縁性効果物質で被覆した金属粉末を圧粉成形した複合軟磁性材によって形成されていることが好ましい。
この発明によれば、複合軟磁性材を用いることにより渦電流損を低減することができることから、鉄損を確実に低減することが可能となる。また、磁気回路が回転軸心を含む平面及び回転軸心に対して垂直な平面で形成されるため、例えば珪素鋼板などのように両面に絶縁処理を施した鋼板を積層することによって渦電流損を低減する場合には、ステータティースにおいて珪素鋼板を回転軸心に対する垂直方向で積層し、ステータ基材において珪素鋼板を回転軸心に沿って積層する必要がある。しかし、複合軟磁性材は絶縁性効果物質で被覆した金属粉末を圧粉成形したものであるために、さまざまな形状で製造することができるので、珪素鋼板を用いて渦電流損を低減することと比較して、製造が容易となると共に、製造コストの削減が図れる。

また、本発明のステータは、前記一対のステータティース磁脚部が、前記励磁巻線を巻回する巻回部と、巻回部の先端に設けられたフランジ部とを備えることが好ましい。
この発明によれば、複合軟磁性材を用いた圧粉成形によってフランジ部を形成することで、ステータティース磁脚部のローターティースに対する対向面積が大きくすることができるため、ローターの回転トルクをより大きくすることができると共に、トルクリップルを低減することができる。

また、本発明の回転機用コアは、上記記載のステータと、軸心が前記回転軸心に合致するローター基材と、該ローター基材から周方向等間隔で径方向に突出して設けられた複数のローターティースとを有するローターと、を備えることを特徴とする。
この発明によれば、上述したステータを備えることで、励磁巻線の占有率を高めることができ、より多くの励磁巻線を巻回することが可能となる。したがって、ローターの回転トルクを増大させることができる。

また、本発明の回転機用コアは、前記ローターティースが、前記複合軟磁性材によって形成されていることが好ましい。
この発明によれば、上述と同様に、珪素鋼板を用いて渦電流損を低減することと比較して、製造が容易となると共に、製造コストの削減が図れる。

また、本発明の回転機は、上記記載の回転機用コアを備えることを特徴とする。
この発明によれば、上述した回転機用コアを備えることで、励磁巻線の占有率を高めることができ、より多くの励磁巻線を巻回することが可能となる。したがって、ローターの回転トルクを増大させることができる。

この発明にかかるステータ、回転機用コア及び回転機によれば、回転軸心に沿って間隙を介して配置された少なくとも一対のステータティース磁脚部に励磁巻線を巻回することで、励磁巻線の占有率を高めることができ、より多くの励磁巻線を巻回することが可能となる。したがって、ローターの回転トルクを増大させることができる。

以下、本発明にかかる回転機の第１の実施形態を図面に基づいて説明する。
本実施形態による回転機１はインナーローターであって、図１から図５に示すように、回転軸２と、回転軸２の外周面に配置されたローター３と、回転軸２の中心軸の軸線周りに設けられたステータ４と、ステータ４の両端に配置されたブラケット５とによって構成されている。

ローター３は、回転軸２の中心軸方向ほぼ中央に設けられて断面正六角形であるローターティース取付部（ローター基材）１１と、ローターティース取付部１１から回転軸２の周方向等間隔で回転軸２から放射状に突出して設けられた６個のローターティース１２とによって構成されている。
ローターティース１２は、ほぼ直方体形状を有しており、複合軟磁性材によって形成されている。なお、この複合軟磁性材の詳細については、後述する。また、ローターティース１２は、所定の成形金型を用いて圧粉成形し、必要な熱処理などを行うことにより製造されている。そして、ローターティース１２は、ローターティース取付部１１の周面にネジ止め固定されており、ローターティース取付部１１の周面にネジ止め固定された各ローターティース１２の間が、樹脂材料１３によってモールドされている。これにより、ローター３の回転時にローターティース１２がローターティース取付部１１から抜けることを防止する。

ステータ４は、接合される一対のステータ分割体２１と、後述するステータティース磁脚部２４に巻回される励磁巻線２２とによって構成されている。
一対のステータ分割体２１は、ローターティース１２と同様に、それぞれ複合軟磁性材によって構成されており、円環ヨーク部（ステータ基材）２３と、円環ヨーク部２３の内周面から周方向等間隔で円環ヨーク部２３の軸心に向かって突出するように設けられた１０個のステータティース磁脚部２４とによって構成されている。また、一対のステータ分割体２１は、ローターティース１２と同様に、所定の成形金型を用いて圧粉成形し、必要な熱処理などを行うことにより製造されている。

円環ヨーク部２３は、円筒形状を有しており、内周面に周方向等間隔で円環ヨーク部２３の軸心に向かって突出する突条部２５が設けられている。
ステータティース磁脚部２４は、突条部２５から円環ヨーク部２３の軸心に向かって突出するように設けられており、励磁巻線２２が巻回されており、ほぼＬ字状形状を有している。そして、ステータティース磁脚部２４の回転軸２の中心軸側の一端には、永久磁石２６を取り付ける永久磁石取付凸部２７が形成されている。

一対のステータ分割体２１は、それぞれの円環ヨーク部２３の軸心が一致すると共に、ステータティース磁脚部２４の永久磁石取付凸部２７が互いに対向するように接合されている。そして、一対のステータ分割体２１が接合されることで対向配置された一対のステータティース磁脚部２４と、突条部２５とによってステータティース２８が構成される。また、一対の永久磁石取付凸部２７の間には、永久磁石２６が吸着されている。
以上のように、ローター３とステータ４とによって、回転機用コアが形成される。

ブラケット５は、円盤形状を有しており、中央に回転軸２を挿通させる挿通孔２９が形成されている。そして、円環ヨーク部２３を挟んで両端にテンションボルトなどにより固定されている。

次に、複合軟磁性材について説明する。この複合軟磁性材は、金属粉末を絶縁性効果物質で被覆した金属粉末を圧粉成形して所定の形状とし、必要により歪取り焼鈍や絶縁性効果物質の熱硬化、材料の強度向上などの目的で熱処理を行ったものである。
金属粉末としては、純鉄粉末などの鉄粉末や、シリコン（Ｓｉ）を０．１〜１０重量％含有して残部が鉄及び不可避不純物からなるＦｅ−Ｓｉ系鉄基軟磁性合金粉末（例えば、Ｆｅ−３％Ｓｉ粉末）や、Ｓｉを０．１〜１０重量％、アルミニウム（Ａｌ）を０．１〜２０重量％含有して残部がＦｅ及び不可避不純物からなるＦｅ−Ｓｉ−Ａｌ系鉄基軟磁性合金粉末（例えば、Ｆｅ−９％Ｓｉ−５％Ａｌからなる組成を有するセンダスト粉末）や、Ａｌを０．１〜２０重量％含有して残部がＦｅ及び不可避不純物からなるＦｅ−Ａｌ系基軟磁性合金粉末（例えば、Ｆｅ−１５％Ａｌからなる組成を有するアルパーム粉末）や、クロム（Ｃｒ）を１〜２０重量％含有すると共に必要に応じてＡｌを５重量％以下、Ｓｉを５重量％以下のうちの少なくとも１種を含有して残部がＦｅ及び不可避不純物からなるＦｅ−Ｃｒ系鉄基軟磁性合金粉末や、ニッケル（Ｎｉ）を３５〜８５重量％含有すると共に必要に応じてモリブデン（Ｍｏ）を５重量％以下、銅（Ｃｕ）を５重量％以下、Ｃｒを２重量％以下、マンガン（Ｍｎ）を０．５重量％以下のうちの少なくとも１種を含有して残部がＦｅ及び不可避不純物からなるニッケル基軟磁性合金粉末や、コバルト（Ｃｏ）を０．１〜５２重量％、バナジウム（Ｖ）を０．１〜３重量％含有して残部がＦｅ及び不可避不純物からなるＦｅ−Ｃｏ−Ｖ系鉄基軟磁性合金粉末などを用いることができる。

また、金属粉末を被覆する絶縁性効果物質としては、有機絶縁材料や無機絶縁材料、あるいは有機絶縁材料と無機絶縁材料とを混合した混合材料が用いられている。有機絶縁材料としては、エポキシ樹脂やフッ素樹脂、フェノール樹脂、ウレタン樹脂、シリコーン樹脂、ポリエステル樹脂、フェノキシ樹脂、ユリア樹脂、イソシアネート樹脂、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂などを用いることができる。また、無機絶縁材料としては、リン酸鉄などのリン酸塩や各種ガラス状絶縁物、珪酸ソーダを主成分とする水ガラス、絶縁性酸化物を用いることができる。

以上のように構成された回転機１では、励磁巻線２２を励磁したときに、ローターティース１２と、ステータティース２８と、一対のステータティース磁脚部２４間の円環ヨーク部２３とによって回転軸２の中心軸を含む平面で、図１の破線Ａ１で示すような第１の磁気回路が形成される。また、ローターティース１２と、一対のステータティース磁脚部２４のうちの一方と、これと隣接する他のステータティース２８のうちのステータティース磁脚部２４と、これらステータティース磁脚部２４の間の円環ヨーク部２３とによって回転軸２の中心軸に対して垂直な平面で、図２の破線Ａ２で示すような副次的な第２の磁気回路が形成される。

図６は、第１磁気回路の模式図を示している。図６（ａ）に示すように、励磁巻線２２に交流励磁電流または直流パルス電流が供給されていない場合には、第１磁気回路では磁力線Ｌ１が永久磁石２６中におけるＮ極からＳ極へ向かう方向を含んで閉磁路を回るだけでローターティース１２への漏れがほとんどない。したがって、ローターティース１２がステータティース２８に対して吸引されることはない。
また、図６（ｂ）に示すように、励磁巻線２２に永久磁石２６と同極同士となるように交流励磁電流または直流パルス電流を供給した場合には、ローターティース１２への磁束の漏洩が生じて電流値が十分に大きくなると閉磁路の磁力線Ｌ１から磁力線Ｌ２、Ｌ３となってローターティース１２中に放出される。これにより、ローターティース１２がステータティース２８に対して吸引される。
以上のように、各励磁巻線２２に対して励磁電流または直流パルス電流などを適宜供給し、このような磁気回路に交番磁界を発生させることで、ローター３が軸心回りに回転することとなる。

このように構成された回転機１によれば、一対のステータティース磁脚部２４が回転軸２の中心軸方向に間隙を介して配置されていることで、励磁巻線２２の回転機全体に対する占有率を高めることができ、より多くの励磁巻線２２を巻回することが可能となる。したがって、ローター３の回転トルクを増大させることができる。したがって、励磁巻線２２に流す電流値を削減してもローター３の回転トルクを維持することができるので、エネルギー効率が向上する。ここで、励磁巻線２２が回転軸２の中心軸方向で分割してステータティース磁脚部２４に巻回されているので、各励磁巻線２２による抵抗が大きくなることがない。

また、ローターティース１２及び一対のステータ分割体２１がそれぞれ金属粉末の表面を絶縁性効果物質で被覆した複合軟磁性材によって形成されていることで、交番磁界がかかってもローターティース１２及び一対のステータ分割体２１で大きな渦電流が発生しない。これにより、渦電流損を低減し、鉄損を確実に低減することが可能となる。また、複合軟磁性材は圧粉成形することで製造することができるので、例えば珪素鋼板などのように両面に絶縁処理を施した鋼板を積層することによって渦電流損を低減することと比較して、製造が容易となる。

次に、第２の実施形態について、図７を参照しながら説明する。なお、ここで説明する実施形態はその基本的構成が上述した第１の実施形態と同様であり、上述の第１の実施形態に別の要素を付加したものである。したがって、図７においては、図２と同一構成要素に同一符号を付し、その説明を省略する。

第２の実施形態と第１の実施形態との異なる点は、第２の実施形態における回転機３０のステータ３１が、励磁巻線２２が巻回される巻回部３２と、巻回部３２の先端に設けられて回転軸２の中心軸方向及び中心軸に対して垂直な方向に突出するフランジ部３３とによって構成されたステータティース磁脚部３４を備えている点である。

このように構成された回転機３０によれば、上述した第１の実施形態と同様の作用、効果を有するが、フランジ部３３によってローターティース１２と対向する面積が大きくなるので、ローター３の回転トルクをより大きくすることができると共に、トルクリップルを低減することができる。

次に、第３の実施形態について、図８及び図９を参照しながら説明する。なお、ここで説明する実施形態はその基本的構成が上述した第１の実施形態と同様であり、上述の第１の実施形態に別の要素を付加したものである。したがって、図８及び図９においては、図１及び図２と同一構成要素に同一符号を付し、その説明を省略する。

第３の実施形態と第１の実施形態との異なる点は、第３の実施形態における回転機４０は、アウターローターとなっている点である。
この回転機４０は、中心軸が回転軸心と合致するステータ４１と、回転軸心の軸線周りに設けられたローター４２と、ローター４２の一端に配置されたブラケット４３とによって構成されている。

ステータ４１は、シャフト（ステータ基材）５１と、シャフト５１の外周面に周方向等間隔で突出して設けられた１０個のステータティース５２と、ステータティース５２に巻回された励磁巻線２２とによって構成されている。
シャフト５１は、その中心軸ほぼ中央に、断面ほぼ正十角形であってステータティース５２を取り付けるステータティース取付部５３が設けられている。
ステータティース５２は、上述した第１の実施形態と同様に複合軟磁性材によって形成されており、基端にステータティース取付部５３に形成されたアリ溝５４と係合するアリ凸部５５が形成されている。そして、アリ溝５４にアリ凸部５５を係合させて接着することによって固定されている。

ローター４２は、有底円筒状のローター基材６１と、ローター基材６１の内周面に周方向等間隔で突出して設けられた８個のローターティース６２とによって構成されている。
ローター基材６１は、中央にシャフト５１を挿通可能な貫通孔６３が形成された底部６４と、底部６４の周縁部からほぼ垂直方向に設けられた周壁部６５とによって構成されている。
ローターティース６２は、上述した第１の実施形態と同様に複合軟磁性材によって形成されており、周壁部６５の内面にネジ止めまたは接着にて固定されている。

ブラケット４３は、円盤形状を有しており、中央にシャフト５１を挿通可能な貫通孔６６が形成されている。そして、ローター基材６１の一端にネジ止め固定されている。

このように構成された回転機４０によれば、上述した第１の実施形態と同様の作用、効果を有する。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることができる。
例えば、上記第１の実施形態では複合軟磁性材によってローターティース、円環ヨーク部及びステータティースを形成しているが、例えば珪素鋼板などのように両面に絶縁処理を施した鋼板を積層することによって形成してもよい。このとき、一対のステータティース磁脚部とローターティースとの間で回転軸の中心軸を含む平面で磁気回路が形成されると共に、ステータティース磁脚部及び隣接する他の対のステータティース磁脚部とローターティースとの間で回転軸の中心軸に対して垂直な平面で磁気回路が形成される。したがって、これらの磁気回路による渦電流損を低減するために、ローターティース及びステータティースは回転軸の中心軸に対して垂直な方向で複数枚鋼板を積層することで形成し、円環ヨーク部は、回転軸の中心軸方向で複数枚鋼板を積層することで形成する。また、第２及び第３の実施形態においても同様である。

また、上記実施形態では、第１及び第２の実施形態においてローターティースは回転軸の周面に６箇所に設けられているが、２箇所以上であればよく、また、ステータティースは円筒部の内周面に１０箇所に設けられているが、２箇所以上であればよい。ただし、ローターティース及びステータティースの設置個数は互いに異なる必要がある。このローターティース及びステータティースの設置個数は、第３の実施形態においても同様である。
また、ステータティース磁脚部は回転軸の中心軸方向に一対設けられているが、２対以上設けられていてもよい。

この発明にかかるステータ、回転機用コア及び回転機によれば、励磁巻線を巻回するための空間を効率よく確保すると共に、製造が容易であるので、産業上の利用可能性が認められる。

本発明の第１の実施形態における回転機を示す部分断面図である。 図１のＸ−Ｘ矢視断面図である。 図１の回転軸およびローターを示す正面図である。 図２の回転軸及びローターを示す断面図である。 図１のステータを示す部分拡大断面図である。 第１及びステータティースと永久磁石との磁束作用を説明する説明図である。 本発明の第２の実施形態における回転機を示す軸方向断面図である。 本発明の第３の実施形態における回転機を示す軸方向断面図である。 図８のＹ−Ｙ矢視断面図である。

符号の説明

１、３０、４０ 回転機
４、３１、４１ ステータ
１１ ローターティース取付部（ローター基材）
１２ ローターティース
２２ 励磁巻線
２３ 円環ヨーク部（ステータ基材）
２４、３４ ステータティース磁脚部
２６ 永久磁石
２８、５２ ステータティース
３２ 巻回部
３３ フランジ部
５１ シャフト（ステータ基材）
６１ ローター基材

Claims (6)

1. 軸心が回転軸心と合致するステータ基材と、該ステータ基材から周方向等間隔で径方向に突出して設けられた複数のステータティースと、該ステータティースに巻回された励磁巻線とを有し、
   前記ステータティースが、前記回転軸心に沿って間隙を介して配置された少なくとも一対のステータティース磁脚部と、該一対のステータティース磁脚部の先端を接続する永久磁石部とを備え、
   前記励磁巻線が、前記ステータティース磁脚部のうち径方向に突出する部分それぞれに巻回されていることを特徴とするステータ。
2. 前記ステータ基材及び前記ステータティース磁脚部が、絶縁性効果物質で被覆した金属粉末を圧粉成形した複合軟磁性材によって形成されていることを特徴とする請求項１に記載のステータ。
3. 前記一対のステータティース磁脚部が、前記励磁巻線を巻回する巻回部と、巻回部の先端に設けられたフランジ部とを備えることを特徴とする請求項１または２に記載のステータ。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載のステータと、
   軸心が前記回転軸心に合致するローター基材と、該ローター基材から周方向等間隔で径方向に突出して設けられた複数のローターティースとを有するローターと、を備えることを特徴とする回転機用コア。
5. 前記ローターティースが、前記複合軟磁性材によって形成されていることを特徴とする請求項４に記載の回転機用コア。
6. 請求項４または５に記載の回転機用コアを備えることを特徴とする回転機。

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