JP5219932B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、永久磁石を有する回転電機（回転電動機および発電機）に関するものである。

従来の回転電機として、ロータのふれ回り側に働く力がキャンセルされるように、径方向にアンバランスとなる磁力を生じさせ、振動や騒音を低減するものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−２２６６６号公報

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
特許文献１における回転電機では、製造誤差、経年変化、あるいは使用条件などの影響などにより、不都合が生じる場合がある。例えば、経年変化によりロータやステータの形状が変化した場合、ロータ回転時には半径方向の力が発生し、ロータの回転とともに力の方向が変化するため、ロータやステータが振動して騒音が発生する。また、製造誤差を考慮すると、ロータ回転時に働く力を完全にキャンセルすることは、事実上不可能である。このように、ふれ回りに伴う力は、事実上避けられない。

回転電機でふれ回りに伴う力が発生すると、振動や騒音が大きくなる。また、ふれ回りに伴う力は、方向が変化するため、機械部品などを動かして摩耗や衝撃を発生する可能性もあり、信頼性の観点でも問題となる。例えば、ふれ回りによる力が軸に働くと、軸、あるいは軸に連結した部分で振動や騒音が発生し、また、軸受が軸受ハウジング内で動くことにより、摩耗や衝撃が発生する。

本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、ふれ回りによる力に対して、製造誤差や経年変化を考慮し、振動や騒音あるいは摩耗や衝撃がほとんど発生しない回転電機を得ることを目的とする。

本発明に係る回転電機は、ステータ、ロータコア、および永久磁石をもつ回転電機において、ステータの内側部分の半径をｒ＿ｓ、ステータとロータコアとの間の平均長さをｇ＿０、ロータのふれ回り量の片振幅を動的偏心量ｅ＿ｄ、ステータの中心と前記ロータの回転中心との間の長さを静的偏心量ｅ＿ｓとしたときに、静的偏心量ｅ＿ｓが、ｅ＿ｄ×（ｇ＿０／ｒ＿ｓ）≦ｅ＿ｓ≦１０ｅ＿ｄの関係を満たすものである。

本発明に係る回転電機によれば、所定の大きさの静的偏心量を与えることにより、動的偏心による力の方向の符号を、常に同じになるようにすることにより、ふれ回りによる力に対して、製造誤差や経年変化を考慮し、振動や騒音あるいは摩耗や衝撃がほとんど発生しない回転電機を得ることができる。

本発明の実施の形態１における回転電機の断面図である。 本発明の実施の形態２における回転電機の断面図である。

以下、本発明の回転電機の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における回転電機の断面図である。回転電機の主な構成要素は、ステータ１とロータ２であり、ここでは、巻線や軸受などの要素は、省略している。ロータ２は、磁性体からなるロータコア３と永久磁石４で構成され、それらの間には、隙間５がある。

この図１において、永久磁石４の形状は、円筒形状を示しており、ロータコア３と永久磁石４の間の隙間５には、接着剤が含まれている。ここで、ステータの中心１１に対して、ロータの回転中心１２がずれている状態を、静的な偏心状態という。また、ロータの回転中心１２とロータの幾何学的中心１３がずれている状態を、動的な偏心状態という。

ステータの中心１１とロータの回転中心１２がずれて静的な偏心がある場合、軸ずれによる力２１が発生することは、よく知られている。また、ロータの回転中心１２とロータの幾何学的中心１３がずれて動的な偏心がある場合、ふれ回りによる力２２が発生することも、よく知られている。このふれ回りによる力２２は、機械的な遠心力によるものと、電磁気的な電磁力によるものの両方の要素がある。

図１に示したように、軸ずれによる力２１は、ステータの中心１１とロータの回転中心１２を結ぶ直線の方向に働き、巻線電流の影響や軸受の影響などにより多少変動はするが、ほぼ一定の方向に働く。一方、ふれ回りによる力２２は、ロータの回転中心１２とロータの幾何学的中心１３を結ぶ直線の方向に働き、ロータの回転とともに、力の方向も変動する。

ふれ回りによる力２２が発生すると、振動や騒音が発生する、あるいは、軸受と軸受ハウジング（図示せず）の間ですべりが発生して摩耗、あるいは衝撃が発生する可能性もある。このように、ふれ回りによる力２２が発生すると、振動、騒音、摩耗、衝撃などが発生する可能性があり、回転電機の快適性や信頼性が損なわれることとなる。

そこで、本発明は、回転電機を構成する各要素の寸法関係によって発生する力による振動、騒音、摩耗、衝撃などを抑制するものであり、それにより、快適性や信頼性を向上するものである。

回転電機の振動発生要因となる半径方向の力は、ステータ１とロータ２の間の磁束密度分布に依存することが知られている。そして、この磁束密度は、永久磁石４や巻線電流などが影響する起磁力成分と、ステータ１のコア形状、ロータコア３の形状、またはそれらの位置関係などが影響するパーミアンス成分とにより求められる。以下に、各成分の影響について説明する。

まず、第１の影響として、動的な偏心がある場合の起磁力成分の影響について説明する。図１では、永久磁石４の幾何学的中心がロータの回転中心１２からずれている場合を示している。なお、図１では、説明を簡単にするため、ロータコア３の幾何学的中心は、ロータの回転中心１２と一致しているものとしている。

この場合、ふれ回りによる力２２には、永久磁石４のふれ回りが影響する。すなわち、ステータ１からみた永久磁石４の起磁力分布が、ステータの中心１１を含む平面に対して非対称となるため、半径方向の力が発生する。この起磁力分布による半径方向の電磁力の大きさは、ステータ１の内径に対する動的偏心量の比に依存して求まる。すなわち、ステータの内側部分の半径をｒ＿ｓとし、永久磁石４のふれ回り量の片振幅を動的偏心量ｅ＿ｄとすると、ふれ回りによる力は、下式（１）にほぼ比例する。
ｅ＿ｄ／ｒ＿ｓ （１）

なお、ロータ２がロータコア３と永久磁石４からなる場合、ロータコア３と永久磁石４の線膨張係数の違いを考慮して、隙間５を設けることが多い。この場合、隙間５の影響により、永久磁石４が動的偏心状態となることが多い。

次に、第２の影響として、動的な偏心がある場合のパーミアンス成分の影響について説明する。ここで、パーミアンスとは、磁気抵抗の逆数である。図１には示していないが、ロータコア３の幾何学的中心がロータの回転中心１２からずれているとする。ステータ１およびロータコア３の材料は、鉄系であるため、磁気抵抗は小さい。しかしながら、ステータ１とロータコア３の間の空隙部分、あるいは永久磁石４の部分の磁気抵抗は、大きい。

したがって、パーミアンス分布による半径方向の電磁力の大きさは、ステータ１とロータコア３の間の長さに対する動的偏心量の比に依存して求まる。すなわち、ステータ１とロータコア３の間の平均長さをｇ＿０とし、ロータコア３のふれ回り量の片振幅をｅ＿ｄとすると、ふれ回りによる力は、下式（２）にほぼ比例する。
ｅ＿ｄ／ｇ＿０ （２）

なお、回転電機の構造を考慮すると、下式（３）の関係が成り立つ。
ｇ＿０＜ｒ＿ｓ （３）
この場合には、上式（２）、（３）から、下式（４）の関係が成り立つ。
（ｅ＿ｄ／ｒ＿ｓ）＜（ｅ＿ｄ／ｇ＿０） （４）
したがって、動的偏心がある場合の力は、永久磁石４の動的偏心がある場合よりも、ロータコア３の動的偏心がある場合の方が大きくなる。

次に、第３の影響として、静的な偏心を与えた場合の半径方向力について説明する。図１では、ステータの中心１１に対してロータの回転中心１２を紙面左側にずらした状態を示している。ステータの中心１１とロータの回転中心１２の間の長さを静的偏心量ｅ＿ｓとすると、ステータ１とロータコア３の間の寸法は、紙面左側では下式（５）、紙面右側では下式（６）となる。
ｇ＿０−ｅ＿ｓ （５）
ｇ＿０＋ｅ＿ｓ （６）

したがって、ロータ２には、紙面左側の方向に電磁力が働く。そして、この軸ずれによる力２１は、下式（７）にほぼ比例する。
ｅ＿ｓ／ｇ＿０ （７）

ロータ２が動的偏心状態にあり、ふれ回りによる力２２が発生する場合、力の方向が変動するため、振動や騒音が発生する。また、軸受と軸受ハウジングの間ですべりが発生して摩耗したり、衝撃が発生する可能性もある。そこで、本発明では、静的偏心を与えることにより、力の変動を抑制する、あるいは、力の方向を常に一定方向となるようにすることを特徴としている。

例えば、発生する力の方向を２次元平面上でｘ、ｙで表した際の、動的偏心のみがある場合について検討する。この場合、力の方向は、±ｘ、±ｙの範囲で変化する。そこで、本発明では、このような場合に、静的偏心を与えることにより、力のｘ、ｙ方向の符号を、常に同じになるようにすることを技術的特徴としている。このようにして、振動や騒音あるいは摩耗や衝撃などを抑制することにより、快適性や信頼性を向上できるという効果がある。以下に、このような本発明の技術的特徴について、詳細に説明する。

ロータ２の永久磁石４が動的偏心状態にある場合、半径方向の力には、起磁力成分が主に影響する。このため、ふれ回りによる力２２として、上式（１）にほぼ比例した力が発生する。そこで、そのふれ回りによる力２２による振動を抑制するために、静的偏心により、それ以上の力を与える。

軸ずれによる力２１は、上式（７）にほぼ比例する。そこで、下式（８）の関係を満たすような、すなわち、下式（９）となるような静的偏心量ｅ＿ｓを与える。
ｅ＿ｄ／ｒ＿ｓ≦ｅ＿ｓ／ｇ＿０ （８）
ｅ＿ｄ×（ｇ＿０／ｒ＿ｓ）≦ｅ＿ｓ （９）

一方、ロータ２のロータコア３が動的偏心状態にある場合、半径方向の力には、パーミアンス成分が主に影響する。このため、ふれ回りによる力２２として、上式（２）にほぼ比例した力が発生する。そこで、そのふれ回りによる力２２による振動を抑制するために、静的偏心状態として、軸ずれによる力２１を与える。

軸ずれによる力２１は、上式（７）にほぼ比例する。このため、ふれ回りによる力２２と同等の力を発生させるためには、下式（１０）の静的偏心量を与えるとよい。
ｅ＿ｓ＝ｅ＿ｄ （１０）

さらに、実際の現象を考慮すると、ふれ回りによる力２２は、ロータの回転とともに力の方向も変動する。このため、回転電機の軸受と軸受ハウジングの間ですべりが発生して軸受が摩耗したり、軸受が軸受ハウジング内で動くことにより衝撃が発生する可能性がある。

ふれ回りによる力２２による振動を抑制するために静的偏心を与える場合、軸ずれによる力２１は、半径方向であり、軸受と軸受ハウジングの間で発生するすべりを抑制する摩擦力の抗力として働く。

摩擦係数は、一般的に、０．２〜０．４であり、さらに、グリースなどが入っている場合には、０．１程度の場合もある。このため、軸受と軸受ハウジングの間の摩擦係数は、０．１〜０．４とみられる。したがって、軸ずれによる力２１は、ふれ回りによる力２２の２．５〜１０倍必要と考えられる。すなわち、軸受と軸受ハウジング間ですべりが発生しないためには、動的偏心量ｅ＿ｄの２．５〜１０倍の静的偏心量ｅ＿ｓを与える必要がある。

一方、静的偏心量が大きくなると、一般的に、振動や音が大きくなることも知られている。このため、必要以上の静的偏心量は、与えない方がよい。以上のことを考慮すると、下式（１１）となる静的偏心量ｅ＿ｓを与えるのがよい。
ｅ＿ｓ≦１０ｅ＿ｄ （１１）

以上のことから、ふれ回りによる力２２による振動、騒音、軸受の摩耗や衝撃を抑制するためには、上式（９）、（１１）より、下式（１２）となる静的偏心量ｅ＿ｓを与えるのがよいといえる。
ｅ＿ｄ×（ｇ＿０／ｒ＿ｓ）≦ｅ＿ｓ≦１０ｅ＿ｄ （１２）

以上のように、実施の形態１によれば、所定の大きさの静的偏心量を与えるように回転電機を設計することにより、動的偏心による力の方向の符号を、常に同じになるようにできる。この結果、製造誤差、経年変化、あるいは使用条件などの影響を考慮しても、力の方向が変動せず、それに伴う振動や騒音はほとんど発生しない効果を得ることができる。

さらに、一定方向の力で軸などが押し付けられるため、摩耗や衝撃が発生することはなく、それに伴う振動や騒音が発生しない効果も得ることができる。従って、回転電機を構成する各要素の寸法関係によって発生する力による振動、騒音、摩耗、衝撃などを抑制することができ、快適性や信頼性の向上した回転電機を実現できる。

なお、図１では、永久磁石４の形状は、円筒形状としており、永久磁石４の個数は、１個の場合を例示している。しかしながら、本発明に係る回転電機は、このような構成に限定されるものではない。永久磁石４の形状が、直方体や円弧状やそれらを組み合わせた形状の場合、また、永久磁石４の個数が、複数個の場合にも適用でき、同様の効果を得ることができる。

また、図１では、永久磁石４の固定方法として、接着剤を使用した場合を例示している。しかしながら、本発明に係る回転電機は、このような構成に限定されるものではない。永久磁石４をロータコアの表面やロータコアの内部に埋め込む構造、あるいは、コア形状を工夫して永久磁石を押し付ける構造に対しても、永久磁石の固定位置のばらつきは生じる。したがって、このような構造に対しても本発明を適用することができ、同様の効果を得ることができる。

実施の形態２．
先の実施の形態１では、上式（１２）を満たすような静的偏心量ｅ＿ｓを与えるように、回転電機を設計することで、快適性や信頼性の向上した回転電機を実現する場合について説明した。本実施の形態２では、新たな構成要素として磁性体を設けることにより、上式（１２）を満たすような静的偏心量ｅ＿ｓ相当を与え、快適性や信頼性の向上した回転電機を実現する場合について説明する。

図２は、本発明の実施の形態２における回転電機の断面図である。この図２では、ステータの中心１１とロータの回転中心１２は、一致しており、静的な偏心は与えていない状態を示している。

ロータ２は、動的偏心状態にあるため、ふれ回りによる力２２は発生する。そこで、本実施の形態２では、ステータ１の内側の一部に磁性体６を設置することにより、静的偏心状態と同様に半径方向力２３を与えることを特徴としている。これにより、先の実施の形態１と同様に、ふれ回りによる力２２による振動、騒音、摩耗、衝撃などを抑制することができ、快適性や信頼性の向上した回転電機を得ることができる。

ここで、ふれ回りによる力２２による振動、騒音の影響を低減するために付加される磁性体６の大きさについて説明する。磁性体６の半径方向の長さをｔとすると、先の実施の形態１と同様の効果を得るためには、上式（１２）と同様に、下式（１３）を満たす長さｔとする必要がある。
ｅ＿ｄ×（ｇ＿０／ｒ＿ｓ）≦ｔ≦１０ｅ＿ｄ （１３）

すなわち、半径方向の長さｔの最大が、１０ｅ＿ｄに相当する磁性体６を設置する必要がある。

さらに、磁束は、Ｎ極から出てＳ極に入る。したがって、上式（１３）の関係を満たす長さｔを有する磁性体６を、Ｎ極側とＳ極側の合計２個設置するか、あるいは、半径方向の長さｔが２０ｅ＿ｄに相当する磁性体６を１個設置する必要がある。

すなわち、図２に示すように片側に磁性体６を１個設置する場合、半径方向の長さｔが下式（１４）を満たす磁性体６を設置する必要がある。
ｅ＿ｄ×（ｇ＿０／ｒ＿ｓ）≦ｔ≦２０ｅ＿ｄ （１４）

以上のように、実施の形態２によれば、ステータの内側に、所定の長さを有する磁性体を新たに設けることによっても、所定の大きさの静的偏心量相当を与えるように回転電機を設計することができ、先の実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

なお、磁性体６は、ステータ１の内側に設置されていれば、固定方法は、どのような方法でもよい。また、図２では、磁性体６の数は、１個としているが、磁性体の数はこれに限定されず、２個以上設置しても、同様の効果を得ることができる。

１ ステータ、２ ロータ、３ ロータコア、４ 永久磁石、５ 隙間、６ 磁性体、１１ ステータの中心、１２ ロータの回転中心、１３ ロータの幾何学的中心、２１ 軸ずれによる力、２２ ふれ回りによる力、２３ 半径方向力。

Claims (2)

1. ステータ、ロータコア、および永久磁石をもつ回転電機において、
   前記ステータの内側部分の半径をｒ＿ｓ、
   前記ステータと前記ロータコアとの間の平均長さをｇ＿０、
   ロータのふれ回り量の片振幅を動的偏心量ｅ＿ｄ、
   前記ステータの中心と前記ロータの回転中心との間の長さを静的偏心量ｅ＿ｓ
   としたときに、前記静的偏心量ｅ＿ｓが下式（１）
   ｅ＿ｄ×（ｇ＿０／ｒ＿ｓ）≦ｅ＿ｓ≦１０ｅ＿ｄ （１）
   の関係を満たす回転電機。
2. 請求項１に記載の回転電機において、
   半径方向の長さｔが下式（２）
   ｅ＿ｄ×（ｇ＿０／ｒ＿ｓ）≦ｔ≦２０ｅ＿ｄ （２）
   の関係を満たす磁性体を前記ステータの内側に設置することで、上式（１）の関係を満たす前記静的偏心量ｅ＿ｓ相当を有する
   回転電機。

Images