JP5506808B2

JP5506808B2 - ランデル型回転機

Info

Publication number: JP5506808B2
Application number: JP2011534189A
Authority: JP
Inventors: 正哉井上; 洋一黒田; 正夫守田; 盛幸枦山
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-09-30
Filing date: 2010-09-16
Publication date: 2014-05-28
Anticipated expiration: 2030-09-16
Also published as: CN102577030B; CN102577030A; EP2485368A1; US20120187794A1; US8593029B2; DE112010003859B4; WO2011040247A1; JPWO2011040247A1; DE112010003859T5

Description

この発明はランデル型回転機に関するものである。

ランデル型回転機は界磁起磁力で櫛歯状の回転子磁極を励磁した回転機であり、界磁起磁力を調整することで回転速度、出力に応じた磁束調整が容易に可能で、これまで主に自動車用発電機に用いられていた。このような小型発電機では比較的小型であり、通常爪状磁極は鍛造によって作られることが多い。しかしながら、鍛造で一体に作られた爪状磁極は爪部に対して働く遠心力をすべて、爪状磁極根元継鉄部で支えるため機械的強度の負担が大きい。したがって、特に軸方向に大型化すると遠心力に耐えられず軸長方向に対して機械的な制約があった。また磁気的にも回転子が長軸化すると回転子磁路が磁気飽和しやすくなり、界磁起磁力を有効に使うことが困難となる。これら理由からランデル型回転機は特に軸方向に長軸化した設計が難しく、小型機が主な用途となる。

また、鍛造磁極は鉄塊のため、表面に渦電流を多く流し、表面に渦電流を発生することから、効率が低下する。これら理由から、大型の発電機やハイブリッドカー、電気自動車など高出力・高効率が求められる製品分野に適用されることは少なかった。

これら課題を克服するため、非磁性円環によって積層磁極を保持し、爪状磁極と等価な磁路を構成する方法が提案されている（例えば特許文献１参照）。

また別の技術としては、非磁性円環によって鉄心を保持するとともに、非磁性円環内部に永久磁石を埋め込んで高出力化することも提案されている（例えば特許文献２参照）。

特開平６−１３３４７８号公報特開平６−２２４８２号公報

しかし、上記特許文献１では、爪状磁極を支持する非磁性鍔部材を爪間に確保するため爪状磁極の磁路断面積が少なくなり磁気飽和による出力低下がある。また回転子は塊状鉄心と積層磁性体の組み合わせで、固定子の電機子反作用磁束による回転子内磁場変動によって生じる回転子内部の渦電流損失の低減は十分でない場合もあった。

また上記従来技術２では、非磁性円環内部に磁石を配置しており、磁石周囲に磁気ギャップがあることから磁気抵抗が大きく、磁石の配置スペースも磁極間の限られた領域にとどまるため、磁石による出力向上の効果は十分でない場合もあった。

従ってこの発明の目的は、磁石利用効率が高くかつ強固な磁石保持構造を持ち、高効率で高出力のランデル型回転機を提供することである。

この発明のランデル型回転機は、固定子磁極を持つ固定子鉄心および上記固定子磁極に巻回された固定子コイルを有する固定子と、上記固定子に対して回転する回転軸と、上記回転軸上に設けられて、上記固定子磁極に対面して磁気的に結合され得る磁極を持ち、上記固定子内で上記固定子に対して回転する回転子鉄心と、上記磁極間に配置され、周方向に着磁されて上記磁極間の磁束の漏洩を減少させる永久磁石と、上記回転子鉄心の上記磁極の径方向内側に設けられて上記回転子鉄心および上記固定子鉄心内に磁束を発生させる界磁コイルとを備えたランデル型回転機であって、上記回転子鉄心が、上記回転軸上で同軸に支持され、互いに離間した円板状の第１および第２の磁性端板と、上記回転軸の軸方向に積層された複数の磁性板の積層体で構成され、一端が上記第１の磁性端板に磁気的および機械的に結合されて、他端が上記第２の磁性端板に向かって軸方向に延びて上記第２の磁性端板に対して磁気的に分離され、互いに周方向に間隔を置いて配置された複数の第１の磁極部材と、上記第１の磁極部材を構成する積層体を上記第１の磁性端板に締結して上記第１の磁極部材を上記第１の磁性端板に保持する締結手段と、上記回転軸の軸方向に積層された複数の磁性板の積層体で構成され、一端が上記第２の磁性端板に磁気的および機械的に結合されて、他端が上記第１の磁性端板に向かって軸方向に延びて上記第１の磁性端板に対して磁気的に分離され、互いに周方向に間隔を置いて配置されて、それぞれ上記第１の磁極部材の間に挿入されて上記第１の磁極部材と協働して上記磁極を構成する複数の第２の磁極部材と、上記第２の磁極部材を構成する積層体を上記第２の磁性端板に締結して上記第２の磁極部材を上記第２の磁性端板に保持する締結手段と、上記第１および第２の磁性端板間に設けられて上記第１および第２の磁極部材をそれらの全長に亘って支持する非磁性の保持体とを備え、上記第１および第２の磁極部材は、上記保持体の外周に軸方向全長に亘って形成されたダブテイル溝によって支持され、上記永久磁石は、上記第１および第２の磁極部材と上記保持体とによって全長に亘って支持され、上記第１および第２の磁極部材の周方向の側面と直接接触し、かつ上記第１および第２の磁極部材の外周側の部分にそれぞれ設けられた庇部で径方向に抜け出さないように係止されている。

この発明によれば、大型化しても遠心力に対して強固で、磁気的に高効率の磁石保持構造のランデル型回転機を得ることができる。

この発明のランデル型回転機の第１の実施の形態を示す図であり、図６の線Ｉ−Ｉに沿った概略断面図である。図１のランデル型回転機の回転子の概略分解斜視図である。図１のランデル型回転機の回転子の外周面の模式的展開図である。図１の線ＩＶ−ＩＶに対応したランデル型回転機の回転子の第１の磁性端板を示す断面図である。図１の線Ｖ−Ｖに対応したランデル型回転機の回転子の保持体と第１の磁極部材との関係を示す断面図である。図１の線ＶＩ−ＶＩに対応したランデル型回転機の回転子の保持体と第１の磁極部材と永久磁石との関係を示す断面図である。図１の線ＶＩＩ−ＶＩＩに対応したランデル型回転機の回転子の保持体と第２の磁極部材との関係を示す断面図である。図１の線ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩに対応したランデル型回転機の回転子の第２の磁性端板と磁性台座との関係を示す断面図である。この発明のランデル型回転機の第２の実施の形態を示す図であり、図６と同様の断面図である。この発明のランデル型回転機の第３の実施の形態を示す図であり、図１と同様の概略断面図である。図１０のランデル型回転機の回転子の概略分解斜視図である。図１０のランデル型回転機の回転子の外周面の模式的展開図である。図１０の線ＸＩＩＩ−ＸＩＩＩに対応したランデル型回転機の回転子の第１の磁性端板を示す断面図である。図１０の線ＸＩＶ−ＸＩＶに対応したランデル型回転機の回転子の保持体と第１の磁極部材と第３の磁極部材との関係を示す断面図である。図１０の線ＸＶ−ＸＶに対応したランデル型回転機の回転子の保持体と第１の磁極部材と永久磁石との関係を示す断面図である。図１０の線ＸＶＩ−ＸＶＩに対応したランデル型回転機の回転子の保持体と第２の磁極部材と第４の磁極部材との関係を示す断面図である。図１０の線ＸＶＩＩ−ＸＶＩＩに対応したランデル型回転機の回転子の第２の磁性端板と磁性台座との関係を示す断面図である。この発明のランデル型回転機の第４の実施の形態を示す図であり、図２３の線ＸＶＩＩＩ−ＸＶＩＩＩに沿った概略断面図である。図１８のランデル型回転機の回転子の概略分解斜視図である。図１８のランデル型回転機の回転子の外周面の模式的展開図である。図１８の線ＸＸＩ−ＸＸＩに対応したランデル型回転機の回転子の第１の磁性端板を示す断面図である。図１８の線ＸＸＩＩ−ＸＸＩＩに対応したランデル型回転機の回転子の非磁性端板と第１の磁極部材との関係を示す断面図である。図１８の線ＸＸＩＩＩ−ＸＸＩＩＩに対応したランデル型回転機の回転子の保持体と第１および第２の磁極部材と永久磁石との関係を示す断面図である。図１８の線ＸＸＩＶ−ＸＸＩＶに対応したランデル型回転機の回転子の非磁性端板と第２の磁極部材との関係を示す断面図である。図１８の線ＸＸＶ−ＸＸＶに対応したランデル型回転機の回転子の第２の磁性端板を示す断面図である。この発明のランデル型回転機の回転子の第４の実施の形態の他の例を示す概略断面図である。この発明のランデル型回転機の第５の実施の形態を示す図であり、図１８と同様の概略断面図である。図２７のランデル型回転機の回転子の概略分解斜視図である。図２７のランデル型回転機の回転子の外周面の模式的展開図である。図２７の線ＸＸＸ−ＸＸＸに対応したランデル型回転機の回転子の第１の磁性端板を示す断面図である。図２７の線ＸＸＸＩ−ＸＸＸＩに対応したランデル型回転機の回転子の保持リングと第１の磁極部材と軸方向に着磁された永久磁石である第３の磁極部材との関係を示す断面図である。図２７の線ＸＸＸＩＩ−ＸＸＸＩＩに対応したランデル型回転機の回転子の第１の非磁性端板と第１の磁極部材と永久磁石との関係を示す断面図である。図２７の線ＸＸＸＩＩＩ−ＸＸＸＩＩＩに対応したランデル型回転機の回転子の保持体と第１および第２の磁極部材と軸方向に着磁された永久磁石である第４の磁極部材との関係を示す断面図である。図２７の線ＸＸＸＩＶ−ＸＸＸＩＶに対応したランデル型回転機の回転子の第２の非磁性端板と第２の磁極部材との関係を示す断面図である。図２７の線ＸＸＸＶ−ＸＸＸＶに対応したランデル型回転機の回転子の保持リングと第２の磁極部材と永久磁石との関係を示す断面図である。図２７の線ＸＸＸＶＩ−ＸＸＸＶＩに対応したランデル型回転機の回転子の第２の磁性端板を示す断面図である。この発明のランデル型回転機の第６の実施の形態を示す図であり、第５の実施の形態の図２７の線ＸＸＸＩＩ−ＸＸＸＩＩの位置に対応した位置における第１の磁極部材と非磁性端板と第３の磁極部材との関係を示す断面図である。図３７の線ＸＸＸＶＩＩＩ−ＸＸＸＶＩＩＩに沿った断面図である。この発明のランデル型回転機において界磁コイルが回転子に設けられた例を示す概略断面図である。

以下、この発明の実施の形態について説明する。

実施の形態１．
図１〜８にはこの発明のランデル型回転機の第１の実施の形態を示してある。本実施例のランデル型回転機はブラシレス回転機であって、ほぼ中空円筒形の固定子１と、固定子１内で回転できるように固定子１と同軸に支持された回転子２とを備えている。固定子１は、中空円筒形の枠体３と、枠体３の円筒部分の内周面に固着された複数の固定子磁極４を持つ固定子鉄心５と、固定子磁極４に巻回された固定子コイル６とを備えている。

回転子２は、軸受７によって固定子１と同軸に支持されて固定子１に対して回転できる回転軸８と、回転軸８上に焼嵌めなどによって固着されて、複数の磁極９を持ち固定子１内で固定子１に対して回転する回転子鉄心１０と、回転子鉄心１０の複数の磁極９の間に磁極の方向を交互に変えて配置され、周方向に着磁されて磁極９間の磁束の漏洩を減少させる永久磁石１１とを備えている。永久磁石１１は、焼結フェライトもしくは絶縁体で成形した希土類ボンド磁石で作れば、磁石部に渦電流を発生せず無駄な損失がなく、高効率化できる。磁極９は、固定子磁極４に径方向に対面するように周方向に互いに離間して配置されていて、固定子磁極４に対して空隙を介して磁気的に結合され得るようにしてある。ランデル型回転機はまた、回転子鉄心１０の磁極９の径方向内側に設けられて、固定子１の枠体に磁性台座２９を介して支持され、回転子鉄心１０および固定子鉄心５内に磁束を発生させる界磁コイル１２を備えている。

この発明のランデル型回転機の回転子鉄心１０は、回転軸８上で同軸に支持され、互いに離間した円板状の第１の磁性端板１３および第２の磁性端板１４と、一端が第１の磁性端板１３に磁気的および機械的に結合されて、他端が第２の磁性端板１４に向かって軸方向に延びて第２の磁性端板１４に対して磁気的に分離され、互いに周方向に間隔を置いて配置された複数の第１の磁極部材１５と、一端が第２の磁性端板１４に磁気的および機械的に結合されて、他端が第１の磁性端板１３に向かって軸方向に延びて第１の磁性端板１３に対して磁気的に分離され、互いに周方向に間隔を置いて配置され、それぞれ第１の磁極部材１５の間に挿入されて第１の磁極部材１５と協働して上述の回転子２の磁極９を構成する複数の第２の磁極部材１６と、第１および第２の磁性端板１３、１４間に設けられて第１および第２の磁極部材１５、１６をほぼそれらの全長に亘って支持する非磁性の保持体１７とを備えている。

第１および第２の磁性端板１３および１４ならびに第１および第２の磁極部材１５および１６は、いずれも軸方向に積層された複数の磁性板の積層体で構成されていて、図示の例では、非磁性の円筒形部材である保持体１７による保持と共に、積層体を貫通して締結する締結手段である締結ボルト（通しボルト）１８および締結ボルト（通しボルト）１８ａなどによる保持によって、永久磁石１１と共に強固に組み立てられて保持されている。すなわち、第１の磁性端板１３は内周縁で回転軸８に焼き嵌めなどによって強固に固着されており、第１の磁性端板１３に対向して平行に離間した第２の磁性端板１４が配置されている。第１の磁性端板１３の平面形は、図４に示すように、外周縁部に後に詳述する目的のための切欠１９が設けられていて、切欠１９の間に固定子磁極４の数に対応した数の凸部２０が形成されており、第２の磁性端板１４の平面形は、図８に示すように、第１の磁性端板１３に対して、切欠１９と凸部２０とを持つ点で平面形は同様であるが切欠１９と凸部２０とが互いに軸方向に対応するように位相がずらされており、またより大きな直径の内周縁２１を持っている。

第１の磁性端板１３と第２の磁性端板１４との間には、図５〜図７に示すような、ほぼ円筒形で、外周部に軸方向に延びたダブテイル溝２２を持つ保持体１７が配置されていて、締結ボルト１８ａによって締結されている。ダブテイル溝２２内には図６に示すような平面形の多数の磁性板の積層体である第１および第２の磁極部材１５、１６のダブテイル２３が挿入されていて、第１および第２の磁極部材１５および１６を径方向および周方向に固定している。図３に最も良く示されているように、第１の磁極部材１５は一端（図３で左側端）で第１の磁性端板１３に直接当接していて、他端（図３で右側端）が第２の磁性端板１４に向かって軸方向に延びて、第２の磁性端板１４との間に空間すなわち空隙２４を形成している。第２の磁極部材１６は同様に、一端（図３で右側端）で第２の磁性端板１４に直接当接していて、他端（図３で左側端）が第１の磁性端板１３に向かって軸方向に延びて、第１の磁性端板１３との間に空隙２４を形成している。積層体である第１および第２の磁極部材１５および１６を軸方向に固定するために、締結ボルト１８が第１および第２の磁性端板１３および１４の凸部２０のボルト穴２５と、第１および第２の磁極部材１５および１６のボルト穴２６とに通されている。締結ボルト１８の頭部２７は第１および第２の磁極部材１５および１６の他端の端面から突出して磁束漏洩の原因とならないようにしてある。

上述のように軸方向に平行に周方向に交互に配置された第１および第２の磁極部材１５および１６は、ダブテイル２３と保持体１７のダブテイル溝２２との係合により径方向および周方向に支持され、また締結ボルト１８による第１および第２の磁性端板１３および１４への締結により径方向、周方向に加えて軸方向にも支持されている。このように支持された第１および第２の磁極部材１５および１６は、互いに軸方向反対側から延びて先端部が互いに噛み合うように組み合わされていて、ランデル型の磁気鉄心を構成している。

図３および６に示されているように、第１および第２の磁極部材１５および１６の周方向側面の間には、軸方向に延びた間隙が形成されており、この間隙に永久磁石１１が挿入されて保持されている。すなわち、第１および第２の磁極部材１５および１６の径方向外側の角部には庇部２８が形成されていて、第１および第２の磁極部材１５および１６を保持体１７と係合させたときには、第１および第２の磁極部材１５および１６の側面と保持体１７の外周面との間の間隙は、内側の幅が広く、外側の幅が庇部２８によって狭くされものとなる。従って、この間隙に挿入された永久磁石１１は、第１および第２の磁極部材１５および１６の側面との直接接触によって支持され、庇部２８によって径方向に抜け出せないように係止されている。このように永久磁石１１を第１および第２の磁極部材１５および１６と直接当接させているので、磁気ギャップが少なく比較的安価なフェライト磁石などでも磁石による磁気飽和緩和効果を高くでき、その結果、大きな界磁起磁力を界磁コイルに印加しても回転子の磁気飽和による出力低下は小さくなるため、高トルクなモータが得られる

このように、回転軸８上に固着された第１の磁性端板１３上に締結ボルト１８によって支持された第１の磁極部材１５と、回転軸８から離間した内周縁２１を持つ第２の磁性端板１４上に締結ボルト１８によって支持された第２の磁極部材１６とは、いずれも保持体１７の外周に軸方向全長に亘って形成されたダブテイル溝２２にダブテイル２３が係合することによって支持されている。また、第１および第２の磁極部材１５および１６の間に支持されている永久磁石１１は、第１および第２の磁極部材１５および１６と保持体１７とによってほぼ全長に亘って支持されている。さらに、このような組立体全体が、保持体１７を貫通して第１および第２の磁性端板１３および１４に締結された締結ボルト１８ａによって締結されている。従って、回転子鉄心１０は全体として剛性の高い組立体となっていて、軸方向寸法が大きな場合にも充分な機械的強度が得られる。また、回転子鉄心１０は、それぞれ別個の第１および第２の磁性端板１３および１４と、第１および第２の磁極部材１５および１６と、組み立て用のダブテイル溝２２を持つ保持体１７とで構成したため、製造、組立が容易である。更に、回転子鉄心１０が、磁性板の積層体で構成されているので、軸方向磁気連結用磁性体内部を通過する磁束変動によって生じる、軸方向磁気連結用磁性体内部の渦電流損が無くなる。

図示の例においては、界磁コイル１２が固定子１の枠体３に固定された磁性台座２９によって支持されていて、界磁コイル１２の発生する磁束が磁性台座２９、第１の磁性端板１３、第１および第２の磁極部材１５および１６、固定子磁極４、第２の磁性端板１４を通って流れ、界磁コイル１２が回転子鉄心１０に対して間隙を介して磁気的に結合されるようにしてある。このため、界磁コイル１２への給電のためのスリップリング等の複雑な機構が不要である。界磁コイル１２を回転子鉄心１０側に固定することもできる。磁性台座２９は塊状鉄心でもよいが、圧粉鉄心（例えばへガネス社の商品名ＳＯＭＡＬＯＹなど）とすることで、固定子磁束が鎖交した場合や、界磁コイル磁束を変化させた場合の回転子内部の渦電流を抑制することが可能でランデル型回転機をより高効率にできる。

第１および第２の磁性端板１３および１４の外周縁部には切欠１９と凸部２０とが形成されているが、切欠１９の形状は、図５あるいは７に示すような、保持体１７のダブテイル溝２２に一つ置きに第１あるいは第２の磁極部材１５あるいは１６を挿入した状態で形成される凹部部分の外形線に対して同じあるいは僅かに大きなほぼ同一形状であり、保持体１７のダブテイル溝２２の軸方向延長位置に対応して設けられている。このため、回転子２の組立時に部品を軸方向に順次挿入して組み立てることができ、組み立て作業が容易である。

実施の形態２．
図９にはこの発明の第２の実施の形態のランデル型回転機の回転子鉄心１０の軸方向中間部分の断面を示してあり、この図は図１の線ＶＩ−ＶＩに沿った断面図である図６に対応した図である。回転子鉄心１０は、保持体１７のダブテイル溝２２の底部に挿入されて軸方向に延びた細長い平板状の磁性体３０を備えている。すなわち、ダブテイル溝２２の底部に磁性体３０が挿入されており、その上に第１および第２の磁極部材１５および１６のダブテイル２３が挿入されて支持されている。この磁性体３０は、ダブテイル溝２２内に配置されて第１および第２の磁極部材１５および１６によって全長に亘って径方向に保持されているので、機械的強度が不十分で使用が困難であった例えばへガネス社のＳＯＭＡＬＯＹ（商品名）などの圧粉体で作ることができる。この例では、磁性体３０が、磁性粉体を圧縮して成形した圧粉磁性コアとされている。その他の構成は第１の実施の形態と同様である。

このようなランデル型回転機においては、磁性体３０は、積層体である第１および第２の磁極部材１５および１６の積層方向に延びていて、積層方向である軸方向に磁気抵抗の大きな積層磁性体である第１および第２の磁極部材１５および１６に対して軸方向のバイパス磁路を形成して積層方向に磁路短絡して、第１および第２の磁極部材１５および１６の軸方向磁気抵抗を抑制することができる。また、圧粉体は磁束変動に対して渦電流の発生が小さく、瞬時高出力対応で界磁コイルを急変させた場合や、固定子１からの電機子反作用磁束が回転子２内部に進入した際に、磁束変動によって磁性体３０内に発生する渦電流が抑制でき、損失が少なく高効率のランデル型回転機を得ることができる。

実施の形態３．
図１０〜１７に示すこの発明の第３の実施の形態のランデル型回転機においては、回転子鉄心１０が、第１および第２の磁性端板３１および３２と、第１および第２の磁極部材１５および１６の他端（磁極の先端部、すなわち第１あるいは第２の磁性端板３１あるいは３２に結合されてない側の端部）との間に、周方向に長く、軸方向に着磁された永久磁石３３を備えている。すなわち、図１〜８に示すランデル型回転機における、第１および第２の磁極部材１５および１６の先端部と第１および第２の磁性端板１３および１４との間に形成された空隙２４に、永久磁石３３が設けられている。永久磁石３３は、図１１、１２および１４などから明らかなように、周方向に長く、第１および第２の磁極部材１５および１６の先端部に側面から当接する端面を持つほぼ直方体のブロック状のものであり、第１および第２の磁極部材１５および１６と同様に、保持体１７のダブテイル溝２２に係合して保持されるダブテイル２３を持っている。

図１３および１７に示すように、このランデル型回転機の第１および第２の磁性端板３１および３２は、外周部に凹部が無く円形の外周縁を持っている。これは第１および第２の磁極部材１５および１６の先端部に永久磁石３３が設けられているため、第１および第２の磁性端板３１および３２への磁束の漏洩を防ぐことができるため、図４および８に示されているような切欠１９を設ける必要が無いからである。その他の構成は図１〜８に示すものと同様である。

このような構成によれば、磁石表面積を増やすことができ、磁束量は発生磁束密度と磁石表面積との積であるため、高価な焼結希土類磁石の代わりに、安価なフェライト磁石やネオジボンド磁石を利用して同じ磁束量を得ることができるようになる。また、フェライト磁石やネオジボンド磁石は、磁石内部の抵抗が高く渦電流が流れにくいため、磁石部を通過する磁場発生量が変化して生じる磁石内部の渦電流による損失が少なくランデル型回転機の効率を高めることができる。

また、永久磁石３３の軸方向に面する２つの面は、第１あるいは第２の磁性端板３１あるいは３２と第１および第２の磁極部材１５および１６の先端とにより支持され、永久磁石３３の周方向に面する２つの端面は、第１および第２の磁極部材１５および１６の側面により支持され、永久磁石３３の径方向内側の面は、図１４および１６に示すような保持体１７の外周面によって支持されている。永久磁石３３はまたそのダブテイル２３が、保持体１７の外周面に設けられたダブテイル溝２２に係合していて径方向に支持されている。このように、永久磁石３３は別個の特別の新規に用意した機構によって支持されるのではなく、回転子鉄心１０の構成に必要な構成要素によって支持されているので、ランデル型回転機を新規の部品作成の必要が無く、低コストで量産性に優れたものとすることができる。

組み立て作業においても、図１１で紙面奥側から順次手前に部品を組み立ていくような一方向組み立てが可能となると量産性が高まるが、その場合でも、保持体１７の共通のダブテイル溝２２に、永久磁石３３→第１および第２の磁極部材１５および１６→永久磁石１１→永久磁石３３の順番で挿入できるので、非磁性の保持体１７の加工断面の形状は単純でよく、部品構造を簡単化でき、また一方向組み立て性も向上し、量産性を高めることができる。

このようなランデル型回転機は、大型化しても遠心力に対して強固な構造となり、また強固な磁石保持構造を、効率的な磁路構成で回転子鉄心の磁気飽和緩和に供することができ、また、機械的な保持が強固なので磁石搭載量を増やすことが可能となり、前述の磁気効率向上とあいまって比較的安価なボンド系磁石やフェライト磁石でも、顕著な磁気飽和緩和の効果が得られるので、例えば電気自動車はハイブリッドカーのような１０ｋＷを超える高効率・高出力の回転機用のランデル型回転機を容易に実現できる。

実施の形態４．
図１８〜図２６にはこの発明のランデル型回転機の第４の実施の形態を示してある。この発明のランデル型回転機の回転子鉄心１０は、第１の磁性端板１３、第２の磁性端板１４、複数の第１の磁極部材１５、複数の第２の磁極部材１６および非磁性の保持体１７に加えて、第１の磁性端板１３と第２の磁極部材１６との間に設けられた第１の非磁性端板２４ａおよび第２の磁性端板１４と第１の磁極部材１５との間に設けられた第２の非磁性端板２４ｂをさらに備えている。

これら第１および第２の非磁性端板２４ａおよび２４ｂは、第１の磁極部材１５と第２の磁性端板１４との間および第２の磁極部材１６と第１の磁性端板１３との間を磁気的に分離し、磁極９間の磁束の漏洩を減少させるものである。図示の例では第１および第２の非磁性端板２４ａおよび２４ｂは、いずれも例えばへガネス社の商品名ＳＯＭＡＬＯＹなどで作製された全体として環状の板部材であり、外周部に等間隔に設けられて、第１あるいは第２の磁極部材１５あるいは１６を受け入れることのできる凹部２４ｃと、凹部２４ｃの間に形成されて第１あるいは第２の磁極部材１５あるいは１６の端面と当接する凸部２４ｄとを備えている。

図２１に平面形を示すように、第１の磁性端板１３は、外周縁部に切欠１９が設けられていて、切欠１９の間に固定子磁極４の数に対応した数の凸部２０が形成されており、通しボルトである締結ボルト１８を受け入れるためのボルト穴２５が設けられている。第２の磁性端板１４の平面形は、図２５に示すように、第１の磁性端板１３に対して、切欠１９と凸部２０とを持つ点で平面形は同様であるが切欠１９と凸部２０とが互いに軸方向に対応するように位相がずらされており、またより大きな直径の内周縁２１を持っている。第２の磁性端板１４には、第１の磁性端板１３と同様に、締結ボルト１８を受け入れるためのボルト穴２５が設けられている。

第１の磁性端板１３と第２の磁性端板１４との間には、図２２に示す第１の非磁性端板２４ａおよび図２４に示す第２の非磁性端板２４ｂを介して、図２３に示すようなほぼ中空円筒形で、外周部に軸方向に延びたダブテイル溝２２を持つ保持体１７が配置されている。ダブテイル溝２２内には図２３に示すような平面形の多数の磁性板の積層体である第１および第２の磁極部材１５、１６のダブテイル２３が挿入されていて、第１および第２の磁極部材１５および１６を径方向および周方向に固定している。保持体１７にも軸方向に貫通したボルト穴２５が設けられている

図２０に最も良く示されているように、第１の磁極部材１５は一端（図３で左側端）で第１の非磁性端板２４ａの凹部２４ｃを貫通して第１の磁性端板１３に直接当接していて、他端（図３で右側端）が第２の磁性端板１４に向かって軸方向に延びて第２の非磁性端板２４ｂの凸部２４ｄに当接していて、その先端と第２の磁性端板１４は第２の非磁性端板２４ｂの凸部２４ｄによって磁気的に遮断されている。第２の磁極部材１６は向きが逆であるが同様に、一端（図３で右側端）で第２の磁性端板１４に直接当接していて、他端（図３で左側端）が第１の磁性端板１３に向かって軸方向に延びて第１の非磁性端板２４ａの凸部２４ｄに当接していて、その先端と第１の磁性端板１３は第１の非磁性端板２４ａの凸部２４ｄによって磁気的に遮断されている。積層体である第１および第２の磁極部材１５および１６を軸方向に固定するために、保持体１７を貫通して延びた締結ボルト１８が第１および第２の磁性端板１３および１４のボルト穴２５と、第１および第２の非磁性端板２４ａおよび２４ｂのボルト穴２５とに挿入され、第１および第２の磁性端板１３および１４に締結されている。

上述のように軸方向に平行に周方向に交互に配置された第１および第２の磁極部材１５および１６は、側面が永久磁石１１に接し、ダブテイル２３と保持体１７のダブテイル溝２２とが係合することにより径方向および周方向に支持され、また締結ボルト１８により第１および第２の磁性端板１３および１４の間に挟持されることにより軸方向にも支持されている。第１の非磁性端板２４ａは、軸方向には第１磁性端板１３と第２の磁極部材１６との間で支持され、径方向および周方向には凹部２４ｃに嵌合した第１の磁極部材１５と締結ボルト１８とによって支持されている。また第２の非磁性端板２４ｂは、軸方向には第２磁性端板１４と第１の磁極部材１５との間で支持され、径方向および周方向には凹部２４ｃに嵌合した第２の磁極部材１６と締結ボルト１８とによって支持されている。このように支持された第１および第２の磁極部材１５および１６は、互いに軸方向反対側から延びて先端部が互いに噛み合うように組み合わされていて、ランデル型の磁気鉄心を構成している。

図２０および２３に示されているように、第１および第２の磁極部材１５および１６の周方向側面の間には、軸方向に延びた間隙が形成されており、この間隙に永久磁石１１が挿入されて保持されている。すなわち、第１および第２の磁極部材１５および１６の径方向外側の角部には庇部２８が形成されていて、第１および第２の磁極部材１５および１６を保持体１７と係合させたときには、第１および第２の磁極部材１５および１６の側面と保持体１７の外周面との間の間隙は、内側の幅が広く、外側の幅が庇部２８によって狭くされものとなる。従って、この間隙に挿入された永久磁石１１は、第１および第２の磁極部材１５および１６の側面との直接接触によって支持され、庇部２８によって径方向に抜け出せないように係止されている。

このように永久磁石１１を第１および第２の磁極部材１５および１６と直接当接させているので、磁気ギャップが少なく比較的安価なフェライト磁石などでも磁石による磁気飽和緩和効果を高くでき、その結果、大きな界磁起磁力を界磁コイルに印加しても回転子の磁気飽和による出力低下は小さくなるため、高トルクなモータが得られる。他の構成は実施の形態１と同様である。

このように、回転軸８上に固着された第１の磁性端板１３に直接接触するように支持された第１の磁極部材１５と、回転軸８から離間した内周縁２１を持つ第２の磁性端板１４に直接接触するように支持された第２の磁極部材１６とは、いずれも保持体１７の外周に軸方向全長に亘って形成されたダブテイル溝２２にダブテイル２３が係合することによって支持されている。また、第１および第２の磁極部材１５および１６の間に支持されている永久磁石１１は、第１および第２の磁極部材１５および１６と保持体１７とによってほぼ全長に亘って支持されている。従って、回転子鉄心１０は全体として剛性の高い組立体となっていて、軸方向寸法が大きな場合にも充分な機械的強度が得られる。また、回転子鉄心１０は、それぞれ別個の第１および第２の磁性端板１３および１４と、第１および第２の磁極部材１５および１６と、組み立て用のダブテイル溝２２を持つ保持体１７とで構成したため、製造、組立が容易である。更に、回転子鉄心１０が、磁性板の積層体で構成されているので、軸方向磁気連結用磁性体内部を通過する磁束変動によって生じる、軸方向磁気連結用磁性体内部の渦電流損が無くなる。

第１および第２の磁性端板１３および１４の外周縁部には切欠１９と凸部２０とが形成されているが、切欠１９の形状は、図５あるいは図７に示すような、保持体１７のダブテイル溝２２に一つ置きに第１あるいは第２の磁極部材１５あるいは１６を挿入した状態で形成される凹部部分の外形線に対して同じあるいは僅かに大きなほぼ同一形状であり、保持体１７のダブテイル溝２２の軸方向延長位置に対応して設けられている。このため、回転子２の組立時に部品を軸方向に順次挿入して組み立てることができ、組み立て作業が容易である。

実施の形態４においては、図２６に示すように第１の磁性端板１３、第１の磁極部材１５、第２の非磁性端板２４ｂおよび第２の磁性端板１４を締結ボルト１８ａで全て締結し、第１の磁性端板１３、第２の磁極部材１６、第１の非磁性端板２４ａおよび第２の磁性端板１４を締結ボルト１８ａで全て締結してもよい。これにより、回転子の組立てが容易となり、また回転子の剛性を高める効果が得られる。この場合保持体１７を貫通して設けられた締結ボルト１８は、図２６に示すように残しておいて併用することもできるし、除去してしまうこともできる。また、積層体である第１および第２の磁極部材１５および１６だけをそれぞれ締結ボルトで締結し、締結された第１および第２の磁極部材１５および１６を、保持体１７とのダブテイル嵌合によって径方向および周方向に支持し、第１および第２の磁性端板１３および１４によって軸方向に支持することもできる。

実施の形態５．
図２７〜３６に示すこの発明の第５の実施の形態のランデル型回転機においては、回転子鉄心１０が、第１および第２の磁性端板３１および３２と、第１および第２の磁極部材１５および１６の他端（磁極の先端部、すなわち第１あるいは第２の磁性端板３１あるいは３２に結合されてない側の端部）との間に非磁性体が配置される角度で第１および第２の非磁性端板２４ａおよび２４ｂの凸部２４ｄを備え、また第１および第２の非磁性端板２４ａおよび２４ｂの凸部２４ｄと第１および第２の磁性端板３１および３２との間に、周方向に長く、軸方向に着磁された永久磁石３３を備えている。すなわち、図１８〜２６に示すランデル型回転機における、第１および第２の磁極部材１５および１６の先端部と第１および第２の磁性端板１３および１４の間に配置された第１および第２の非磁性端板２４ａおよび２４ｂと、第１および第２の磁性端板３１および３２との間に永久磁石３３が設けられている。従って永久磁石３３の数は、回転機の極数と同じである。

図示の例では、永久磁石３３は、図２７〜２９および３１などから明らかなように、周方向に長く、第１および第２の磁極部材１５および１６の先端部に側面から当接する端面３４を持つほぼ直方体のブロック状のものであり、回転子２への固定が可能なダブテイル３５を持っている。このダブテイル３５は、第１の磁性端板３１側では、第１の磁性端板３１と第１の非磁性端板２４ａとの間に配置されて締結ボルト１８によって支持された環状の保持リング３６の外周面に設けられたダブテイル溝３７内に嵌合している。第２の磁性端板３２側においても永久磁石３３は同様の保持リング３６によって支持されている。

図３０および３６に示すように、このランデル型回転機の第１および第２の磁性端板３１および３２は、外周部に凹部が無く円形の外周縁を持っている。これは第１および第２の磁極部材１５および１６の先端部に第１および第２の非磁性端板２４ａおよび２４ｂと永久磁石３３とが設けられているため、第１および第２の磁性端板３１および３２への磁束の漏洩を防ぐことができるため、図２１および２５に示されているような切欠１９を設ける必要が無いからである。

図３１には保持リング３６が、そのダブテイル溝３７にダブテイル２３が嵌合して保持された第１の磁極部材１５と、第１の磁極部材１５の間に配置されて保持リング３６のダブテイル溝３７にダブテイル３５が嵌合して保持された永久磁石３３と共に示されている。この保持リング３６の外形は保持体１７の外形と同じであり、締結ボルト１８用のボルト穴２５を持っている。

図３２には保持リング３６と保持体１７との間に配置された第１の非磁性端板２４ａを第１の磁極部材１５および永久磁石１１と共に示してある。図３３には保持体１７によって保持された第１および第２の磁極部材１５および１６と共にこれらの間に配置されて保持された周方向に着磁された永久磁石１１も示されている。図３４には第２の非磁性端板２４ｂを第２の磁極部材１６およびその間に保持された永久磁石１１と共に示してある。図３５には第２の磁性端板３２側の保持リング３６を、その上に保持された第２の磁極部材１６および永久磁石３３と共に示してある。

このランデル型回転機は、図２７の線ＸＸＸＩ−ＸＸＸＩにおける断面においては、図３１に示すように、第１の磁極部材１５と永久磁石３３とが保持リング３６上で周方向に交互に現れるような構造となっており、また図２７の線ＸＸＸＩＩ−ＸＸＸＩＩにおける断面においては、図３２に示すように、第１の非磁性端板２４ａの外周部に第１の非磁性端板２４ａの凸部２４ｄと第１の磁極部材１５とが周方向に交互に現れ、間に永久磁石１１が配置されている構造となっている。同様のただし位相がずれた構造が、図３４および図３５に示すように、図２７の線ＸＸＸＩＶ−ＸＸＸＩＶにおける断面および線ＸＸＸＶ−ＸＸＸＶにおける断面においても与えられている。その他の構成は図１８〜２６に示すものと同様である。

このような構成によれば、第１の磁極部材１５と第２の磁性端板３２の距離および第２の磁極部材１６と第１の磁性端板３１の距離を長くして磁束漏洩の緩和効果を高めることが可能となるだけでなく、軸方向に着磁された永久磁石３３が第１の磁極部材１５から第２の磁性端板３２への磁束の漏洩および第２の磁極部材１６から第１の磁性端板３１への磁束の漏れをより効果的に緩和し、磁極の磁気飽和を緩和することができる。また、永久磁石３３は、磁石表面積を増やすことができ、磁束量は発生磁束密度と磁石表面積との積であるため、高価な焼結希土類磁石の代わりに、安価なフェライト磁石やネオジボンド磁石を利用して同じ磁束量を得ることができるようになる。また、フェライト磁石やネオジボンド磁石は、磁石内部の抵抗が高く渦電流が流れにくいため、磁石部を通過する磁場発生量が変化して生じる磁石内部の渦電流による損失が少なくランデル型回転機の効率を高めることができる。

また、永久磁石３３の軸方向に面する２つの面は、第１あるいは第２の磁性端板３１あるいは３２と第１あるいは第２の非磁性端板２４ａあるいは２４ｂとによって支持され、永久磁石３３の周方向に面する２つの端面は、第１および第２の磁極部材１５および１６の側面により支持されており、さらに永久磁石３３はダブテイル３５とダブテイル溝３７との嵌合により径方向に支持されている。このように、永久磁石３３は別個の特別の新規に用意した機構によって支持されるのではなく、回転子鉄心１０の構成に必要な構成要素によって支持されているので、ランデル型回転機を新規の部品作成の必要が無く、部品点数の少なく、低コストで量産性に優れたものとすることができる。

組み立て作業においても、図２８で紙面奥側から順次手前に部品を組み立ていくような一方向組み立てが可能となるため、量産性を高めることができる。例えば、図２８で紙面手前から第２の磁性端板３２上に永久磁石３３を嵌合させた保持リング３６を配置し、さらにその手前に順番に第２の非磁性端板２４ｂおよび保持体１７を配置し、第２の非磁性端板２４ｂのダブテイル溝と保持体１７のダブテイル溝２２とを軸方向に整列させると、第１および第２の磁極部材１５および１６と永久磁石１１とを挿入することができる。さらにその手前に第１の非磁性端板２４ａおよび永久磁石３３を保持した保持リング３６と第１の磁性端板３１とを配置し、通しボルトである締結ボルト１８によって全体を締結する。締結ボルト１８は作業の初期の段階で第２の磁性端板３２に通しておいて、これを組立のための治具として用いることもできる。

実施の形態６．
図３７および３８に示すこの発明の実施の形態６においては、第１および第２の非磁性端板２４ａおよび２４ｂの第２あるいは第１の磁極部材１６あるいは１５の端面に当接する部分、すなわち凸部２４ｄに対応する部分の径方向外側部分に、軸方向に着磁された永久磁石である第３の磁極部材３８が設けられている。図３７および３８には第２の磁極部材１６の端面に軸方向から当接する第３の磁極部材３８が描かれており、この第３の磁極部材３８は、第１の非磁性端板２４ａの凸部２４ｄと互いに補足しあって第２の磁極部材１６と同じ外形を構成するように構成されていて、厚さも第１の非磁性端板２４ａの厚さと同じである。しかしながら、第３の磁極部材３８の軸方向内側面すなわち第２の磁極部材１６と当接する側では、第３の磁極部材３８と第１の非磁性端板２４ａとの間の境界３９が径方向内側の位置に設けられ、軸方向外側面すなわち第１の非磁性端板２４ａに当接する側ではこの境界が軸方向内側面の境界よりも径方向外側の位置に設けられている。換言すれば、第２の磁極部材１５および１６の軸方向長さ、すなわち回転子鉄心１０の表面の磁極面積が第３の磁極部材３８の外周面部分に相当するだけ増大するような構造にされていて、より効果的に磁束の漏洩を緩和し、磁気飽和を緩和することができるようにされている。

図示の例では、第３の磁極部材３８と第１の非磁性端板２４ａとの間の境界３９は回転機の中心軸に対して傾斜したテーパー面となっていて、このテーパー面にダブテイル溝４０とダブテイル４１とが形成されている。ダブテイル溝４０は、第１の非磁性端板２４ａの外周部分に設けられている。ダブテイル溝４０に嵌合して固定されるダブテイル４１は、第３の磁極部材３８に設けられている。なお、この境界３９を径方向に高さの異なる複数の円筒面で構成した階段状にすることもできる。その他の構成は実施の形態５と同様である。

このように、第３の磁極部材３８は、第１あるいは第２の非磁性端板２４ａあるいは２４ｂとの間の境界３９を軸方向にテーパー状、または階段状にすることにより、効率良く回転子表面の磁極面積を大きくし、また第１および第２の磁性端板３１および３２との距離を長くすることができることから、より大きなトルクを得ることができる。

図３９に示すランデル型回転機の変型例においては、界磁コイル１２が、第１および第２の磁性端板１３および１４に固定されて界磁コイル１２を回転子鉄心１０に磁気的に結合させる磁性台座２９によって支持されていて回転子２の一部として構成されている。その他の構成は実施の形態４と同様である。この構成により、回転機の径方向寸法を小さくすることもできる。このような、界磁コイル１２及び磁性台座２９を回転子２の一部とする構成は、実施の形態４だけでなく上記のそれぞれの実施の形態にも適用することができる。

以上に図示して説明したランデル型回転機は単に例として示した実施の形態であって、この発明の実施に当たっては様々な変形が可能であり、またそれぞれの具体例の特徴を全てあるいは選択的に組み合わせて用いることもできる。また例えば組立作業の便のために第１および第２の磁性端板１３および１４の凹部である切欠１９あるいは凸部２０を適宜付加したり省略したりすることもできる。

また、各上記実施の形態では、ブラシレス構造のランデル型回転機にこの発明が適用されているので、ブラシおよびスリップリング部分での火花の発生がなくなり、安全性の向上を図ることができる。また、ブラシの磨耗もなくなるので、メンテナンス性も向上する。このため、ランデル型回転機の構造がブラシレス構造であることが好ましいが、通常のオルタネータと同様スリップリングを介して給電するブラシ付の界磁構造であっても同様に構成でき同様の効果が得られる。

また、実施の形態４〜６では、第１および第２の非磁性端板２４ａおよび２４ｂはそれぞれ一体の円環板であるが、第１および第２の磁極部材１５および１６の端面にそれぞれ当接するように配置されて磁束の漏洩を減少させる個別の小片状の板部材にすることもできる。さらに、軸方向に着磁された永久磁石３３をダブテイル嵌合により径方向に支持する保持リング３６は、非磁性端板２４ａから連続して一体に軸方向に延びたフランジ状部分とすることもできる。

この発明はランデル型回転機に利用できるものである。

１固定子、２回転子、３枠体、４固定子磁極、５固定子鉄心、６固定子コイル、７軸受、８回転軸、９磁極、１０回転子鉄心、１１永久磁石、１２界磁コイル、１３第１の磁性端板、１４第２の磁性端板、１５第１の磁極部材、１６第２の磁極部材、１７保持体、１８締結ボルト、１８ａ締結ボルト、１９切欠、２０凸部、２１内周縁、２２ダブテイル溝、２３ダブテイル、２４空隙、２４ａ非磁性端板、２４ｂ非磁性端板、２４ｃ凹部、２４ｄ凸部、２５、２６ボルト穴、２７頭部、２８庇部、２９磁性台座、３０磁性体、３１第１の磁性端板、３２第２の磁性端板、３３永久磁石、３４端面、３５ダブテイル、３６保持リング、３７ダブテイル溝、３８磁極部材、３９境界。

Claims

固定子磁極を持つ固定子鉄心および上記固定子磁極に巻回された固定子コイルを有する固定子と、
上記固定子に対して回転する回転軸と、
上記回転軸上に設けられて、上記固定子磁極に対面して磁気的に結合され得る磁極を持ち、上記固定子内で上記固定子に対して回転する回転子鉄心と、
上記磁極間に配置され、周方向に着磁されて上記磁極間の磁束の漏洩を減少させる永久磁石と、
上記回転子鉄心の上記磁極の径方向内側に設けられて上記回転子鉄心および上記固定子鉄心内に磁束を発生させる界磁コイルとを備えたランデル型回転機であって、
上記回転子鉄心が、
上記回転軸上で同軸に支持され、互いに離間した円板状の第１および第２の磁性端板と、
上記回転軸の軸方向に積層された複数の磁性板の積層体で構成され、一端が上記第１の磁性端板に磁気的および機械的に結合されて、他端が上記第２の磁性端板に向かって軸方向に延びて上記第２の磁性端板に対して磁気的に分離され、互いに周方向に間隔を置いて配置された複数の第１の磁極部材と、
上記第１の磁極部材を構成する積層体を上記第１の磁性端板に締結して上記第１の磁極部材を上記第１の磁性端板に保持する締結手段と、
上記回転軸の軸方向に積層された複数の磁性板の積層体で構成され、一端が上記第２の磁性端板に磁気的および機械的に結合されて、他端が上記第１の磁性端板に向かって軸方向に延びて上記第１の磁性端板に対して磁気的に分離され、互いに周方向に間隔を置いて配置されて、それぞれ上記第１の磁極部材の間に挿入されて上記第１の磁極部材と協働して上記磁極を構成する複数の第２の磁極部材と、
上記第２の磁極部材を構成する積層体を上記第２の磁性端板に締結して上記第２の磁極部材を上記第２の磁性端板に保持する締結手段と、
上記第１および第２の磁性端板間に設けられて上記第１および第２の磁極部材をそれらの全長に亘って支持する非磁性の保持体と、
上記第１の磁極部材と上記第２の磁性端板との間および上記第２の磁極部材と上記第１の磁性端板との間に設けられて、それらの間を磁気的に分離し、上記磁極間の磁束の漏洩を減少させる第１および第２の非磁性端板と
を備え、
上記第１および第２の磁極部材は、上記保持体の外周に軸方向全長に亘って形成されたダブテイル溝によって支持され、
上記永久磁石は、上記第１および第２の磁極部材と上記保持体とによって全長に亘って支持され、上記第１および第２の磁極部材の周方向の側面と直接接触し、かつ上記第１および第２の磁極部材の外周側の部分にそれぞれ設けられた庇部で径方向に抜け出さないように係止されているランデル型回転機。
上記非磁性端板の外周部分に配置された第３の磁極部材を備えている請求項１に記載のランデル型回転機。
上記第３の磁極部材が、上記非磁性端板の外周部分に設けられたダブテイル溝に嵌合して固定されるダブテイルを備えている請求項２に記載のランデル型回転機。
上記非磁性端板と上記第３の磁極部材との間の境界が、テーパー状あるいは階段状である請求項２または３に記載のランデル型回転機。
軸方向に着磁された永久磁石が、上記第１および第２の磁性端板と上記第１および第２の磁極部材の上記他端との間にも設けられている請求項１〜４のいずれか一項に記載のランデル型回転機。
上記保持体と上記第１および第２の磁極部材との間に挿入された軸方向に延びる磁性体を備えている請求項１〜５のいずれか一項に記載のランデル型回転機。
上記磁性体が磁性粉体を圧縮して成形した圧粉磁性コアである請求項６に記載のランデル型回転機。
上記第１および第２の磁性端板上の上記保持体の上記ダブテイル溝の軸方向延長位置に、上記ダブテイル溝と同一形状の切欠を設けた請求項１〜７のいずれか一項に記載のランデル型回転機。
上記保持体を貫通して上記保持体を第１および第２の磁性端板に締結する、上記締結手段とは別の締結手段を備えている請求項１〜８のいずれか一項に記載のランデル型回転機。