JP6804700B1

JP6804700B1 - 固定子およびこれを用いた回転電機

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Publication number: JP6804700B1
Application number: JP2020532066A
Authority: JP
Inventors: 米谷　晴之; 晴之米谷; 亮治宮武; 山田　拓郎; 拓郎山田; 田中　賢治; 賢治田中
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2020-01-21
Filing date: 2020-01-21
Publication date: 2020-12-23
Anticipated expiration: 2040-01-21
Also published as: EP4096070A4; CN114982107A; WO2021149128A1; US20220416639A1; EP4096070A1; JPWO2021149128A1

Abstract

回転電機（１００）の回転の中心に対して固定子ティース（６）を周方向に複数備えた固定子鉄心（２）と、固定子ティース（６）の間に形成された複数の固定子スロット（５）のそれぞれの底部（５ａ）の側に配置された固定子コイル（３）と、複数の固定子スロット（５）のそれぞれの開口した側に配置され、径方向に同一の極性を備えた固定子磁石（４）とを備え、それぞれの固定子スロット（５）において、固定子コイル（３）と固定子磁石（４）との間に冷却部（９）を備える。

Description

本願は、固定子およびこれを用いた回転電機に関するものである。

従来から、回転電機が回転の中心に備えた回転軸に連結され、回転電機の回転を減速する機械式変速機が低速駆動を必要とする用途に対して用いられてきた。機械式変速機を用いた場合、機械的な摩耗などが変速機に生じるため、定期的なメンテナンスが必要となる。一方、非接触で回転子の回転速度を変速できる回転電機が、磁気波動歯車装置もしくは磁気ギアード発電機として開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に示された磁気波動歯車装置は、回転軸を中心に、外周側から固定子、低速で回転する第１の回転子、および変速比に応じて高速で回転する第２の回転子を備える。固定子は、発電電力を出力する、あるいは発生トルクを制御することができる固定子コイルを有する。この回転電機を用いると、非接触で回転子の回転速度を変速できるため、機械的な摩耗などに起因したメンテナンスが不要であり、メンテナンスについての負荷の軽減を実現することができる。また、この回転電機を発電機として使用すれば、機械式変速機なしに１つの回転電機で変速と発電が可能で、発電システムは小型となり、省スペース化が実現できる。

特開２０１６−１３５０１４号公報

上記特許文献１における回転電機の構造では、固定子は複数の固定子スロットを備えた固定子鉄心を有し、それぞれの固定子スロット内に固定子コイルと固定子磁石の両方を格納しているため、１つの回転電機で変速と発電の両方を行うことができる。また、固定子磁石の固定子コイルの側の一部に、バックヨークとして磁性体であるチップ部が固定子スロットの壁面から突出して設けられ、高出力化が図られている。しかしながら、固定子スロット内で第１の回転子に対向する開口した側に配置された固定子磁石と固定子スロットの底部の側に配置された固定子コイルは近接しており、電流が流れた固定子コイルのジュール損による発熱の影響で、固定子磁石の温度が高くなることがあった。また、チップ部が設けられた場合、チップ部を介して固定子コイルの発熱が固定子磁石に伝わり、固定子磁石の温度が高くなることがあった。

固定子磁石の温度が高くなった場合、固定子磁石に使用された永久磁石は温度が高くなるにつれて残留磁束密度が小さくなる特性を有しているため、温度が高くなると磁力が低下し、固定子の性能が劣化して回転電機の出力が低下するという課題があった。また、永久磁石の温度が高くなった場合、使用された永久磁石の種類により差はあるものの、許容温度を超えると熱減磁が生じるため、磁力の低下により固定子の性能が劣化し、回転電機の信頼性が損なわれるという課題があった。

本願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、固定子磁石の昇温を抑制した固定子を得ることを目的とする。

本願に開示される固定子は、回転電機の回転の中心に対して固定子ティースを周方向に複数備えた固定子鉄心と、前記固定子ティースの間に形成された複数の固定子スロットのそれぞれの底部の側に配置された固定子コイルと、複数の前記固定子スロットのそれぞれの開口した側に配置され、径方向に同一の極性を備えた固定子磁石と、を備え、それぞれの前記固定子スロットにおいて、前記固定子コイルと前記固定子磁石との間に冷却部を備え、前記冷却部は相互に離間した板状の第一の固定部材と板状の第二の固定部材との間に挟まれ、前記第一の固定部材は前記冷却部と前記固定子コイルとの間で、前記固定子スロットの対向した２つの壁面と嵌め合って設けられ、前記第二の固定部材は前記冷却部と前記固定子磁石との間で、前記固定子スロットの対向した２つの壁面と嵌め合って設けられているものである。

本願に開示される固定子によれば、固定子磁石の昇温を抑制することができる。

実施の形態１に係る回転電機の断面を示す模式図である。実施の形態１に係る回転電機の要部を示す模式図である。実施の形態１に係る回転電機の固定子スロットの断面を示す模式図である。実施の形態２に係る回転電機の固定子スロットの断面を示す模式図である。実施の形態３に係る回転電機の固定子スロットの断面を示す模式図である。実施の形態４に係る回転電機の要部を示す模式図である。

以下、本願の実施の形態による固定子およびこれを用いた回転電機を図に基づいて説明する。なお、各図において同一、または相当部材、部位については同一符号を付して説明する。

実施の形態１．
図１は回転電機１００の断面を示す模式図、図２は回転電機１００の要部を示す模式図である。図２は、図１の破線で囲んだ箇所を拡大して示した図である。回転電機１００は、図１に示すように、回転電機１００の回転の中心である回転軸４０を取り囲む円環状の固定子１と、固定子１と同軸に設けられた第１の回転子である低速回転子２０と、低速回転子２０に対向して低速回転子２０と同軸に設けられた第２の回転子である高速回転子３０とを備える。まず、回転電機１００として磁気ギアード発電機についての一般的な構造と動作を説明する。

固定子１は、図２に示すように、固定子鉄心２、固定子コイル３、および固定子磁石４を備える。円環状の固定子鉄心２は、回転電機１００の回転の中心に対して固定子ティース６を周方向に等間隔で複数備える。固定子ティース６の間に形成された複数の固定子スロット５は、それぞれが固定子コイル３と固定子磁石４を備える。固定子コイル３は、固定子スロット５の底部５ａの側に配置される。固定子磁石４は、固定子スロット５の開口した側に配置される。固定子磁石４は、全て径方向の同じ向きに着磁されている。固定子磁石４は、例えばネオジウム焼結磁石であるが、これに限るものではない。固定子磁石４の内径側をＮ極とすると、隣接した固定子ティース６の内径側はＳ極となり、固定子スロット５の数と同じ数の極対数Ｎｓが形成される。

低速回転子２０は、固定子１の内周側に固定子磁石４に対向して、微小なギャップを介して設けられる。低速回転子２０は、周方向に等間隔で配置された複数の磁極片２１を有し、外部からの動力により低速で回転する。この磁極片２１の数を、ＮＬとする。高速回転子３０は、低速回転子２０の内周側に設けられる。高速回転子３０は、外周部に複数の永久磁石である高速回転子磁石３１を等間隔で有し、Ｎｈの極対数が形成される。

Ｎｓ、ＮＬ、Ｎｈの関係が、ＮＬ＝Ｎｓ±Ｎｈを満足すれば、固定子磁石４と高速回転子磁石３１の磁力の相互作用により、低速回転子２０に負のトルクが発生する。これに対して低速回転子２０を外部からの動力により回転させることで、低速回転子２０に入力を得ることができる。低速回転子２０の入力に対して、高速回転子３０をフリーランさせるように固定子コイル３に固定子電流を流せば、高速回転子３０は低速回転子２０のＮＬ/Ｎｈ倍の回転速度で回転する。高速回転子３０が低速回転子２０のＮＬ／Ｎｈ倍速で回転すると、固定子コイル３に誘導起電力が発生する。誘導起電力の発生により、固定子コイル３から発電電力が出力される。

本願の要部である固定子スロット５の内部の構成について説明する。図３は実施の形態１に係る回転電機１００の固定子スロット５の断面を示す模式図である。それぞれの固定子スロット５は、固定子コイル３、固定子磁石４、および固定子コイル３と固定子磁石４との間に冷却部９を備える。ここでの冷却部９は、気体が通過する通風路９ａである。固定子コイル３と固定子磁石４とは、通風路９ａを介して対向する。固定子磁石４は、径方向に同一の極性を備えるように着磁される。例えば、図３に示した矢印の方向が着磁の方向である。固定子コイル３および固定子磁石４は、例えば固定子スロット５の壁面５ｂと接着して固定されるが、これらの固定方法はこれに限るものではない。

冷却部９を設置する理由について説明する。固定子コイル３に電流が流れると、ジュール損により固定子コイル３に発熱が生じる。固定子スロット５の内部には固定子コイル３と固定子磁石４が設けられているため、固定子コイル３に生じた熱は固定子磁石４に伝導し、固定子磁石４は昇温する。固定子磁石４の温度が高くなった場合、固定子磁石４に使用された永久磁石は温度が高くなるにつれて残留磁束密度が小さくなる特性を有しているため、温度が高くなると磁力が低下する。また、永久磁石の温度が高くなった場合、使用された永久磁石の種類により差はあるものの、許容温度を超えると熱減磁が生じるため磁力が低下する。固定子磁石４の磁力が低下すると、固定子１の性能が劣化し、回転電機１００の出力が低下する。固定子磁石４の昇温を抑制するために、固定子コイル３と固定子磁石４との間に冷却部９が設けられる。冷却部９を設けることで固定子磁石４の昇温が抑制されれば、固定子１の性能は劣化することなく、回転電機１００の出力は維持され、回転電機１００の信頼性は向上する。また、冷却部９を設けることで固定子磁石４が冷却されれば、固定子磁石４の磁力が向上して固定子１の性能は向上し、回転電機１００の出力を向上させることができる。

冷却部９である通風路９ａについて説明する。通風路９ａに気体を通過させることで、固定子コイル３に生じた熱は降温し、また熱が拡散されるため、固定子磁石４の昇温は抑制される。通風路９ａにおける気体の通過は、例えば回転軸４０にファンを取り付け、ファンの回転により生じる風を通風路９ａに送り込むことで行われるが、通風路９ａに気体を通過させる手法はこれに限るものではない。

以上のように、実施の形態１による固定子１は、固定子コイル３と固定子磁石４との間に冷却部９である通風路９ａを備えたため、固定子１が備えた固定子磁石４の昇温を抑制することができる。また、固定子磁石４の昇温を抑制することで、固定子１の性能の劣化を抑制でき、回転電機１００の出力は維持され、回転電機１００の信頼性を向上することができる。また、固定子磁石４を冷却することで、固定子磁石４の磁力が向上して固定子１の性能は向上し、回転電機１００の出力を向上させることができる。

実施の形態２．
実施の形態２に係る固定子１について説明する。図４は、回転電機１００の固定子スロット５の断面を示す模式図である。実施の形態２に係る固定子１は、冷却部９に流体が流れる管を備えた構成になっている。

固定子スロット５は、固定子コイル３、固定子磁石４、および固定子コイル３と固定子磁石４との間に冷却部９を備える。ここでは冷却部９として、流体が流れる管が設けられる。流体が流れる管は、例えばベントチューブ１０である。ベントチューブ１０は、図４において紙面に垂直な軸方向から、固定子コイル３と固定子磁石４との間に通される。固定子コイル３と固定子磁石４とは、ベントチューブ１０を介して対向する。

固定子磁石４の昇温を抑制するために、少なくとも維持したい固定子磁石４の温度もしくはそれ以下の温度の油もしくは水がベントチューブ１０に流される。ベントチューブ１０にこれらの流体を通過させることで、固定子コイル３に生じた熱は降温されるため、固定子磁石４の昇温は抑制される。流れる流体の温度次第で、固定子磁石４は冷却される。ベントチューブ１０を通過する流体は、油もしくは水に限るものではなく他の液体、もしくは気体であっても構わない。

以上のように、実施の形態２による固定子１は、固定子コイル３と固定子磁石４との間に冷却部９として流体が流れるベントチューブ１０を備えたため、固定子１が備えた固定子磁石４の昇温を抑制することができる。また、固定子磁石４の昇温を抑制することで、固定子１の性能の劣化を抑制でき、回転電機１００の出力は維持され、回転電機１００の信頼性を向上することができる。また、固定子磁石４を冷却することで、固定子磁石４の磁力が向上して固定子１の性能は向上し、回転電機１００の出力を向上させることができる。

実施の形態３．
実施の形態３に係る固定子１について説明する。図５は、回転電機１００の固定子スロット５の断面を示す模式図である。実施の形態３に係る固定子１は、固定子コイル３と固定子磁石４との間に２つのウエッジが配置された構成になっている。

固定子スロット５は、固定子コイル３、固定子磁石４、固定子コイル３と固定子磁石４との間に冷却部９を備える。冷却部９は、相互に離間した板状の第一の固定部材である第一のウエッジ７と板状の第二の固定部材である第二のウエッジ８との間に挟まれる。第一のウエッジ７は冷却部９と固定子コイル３との間で、固定子スロット５の対向した２つの壁面５ｂと嵌め合って設けられる。第二のウエッジ８は冷却部９と固定子磁石４との間で、固定子スロット５の対向した２つの壁面５ｂと嵌め合って設けられる。第一のウエッジ７および第二のウエッジ８は、例えば、樹脂で作製されるが、第一のウエッジ７および第二のウエッジ８の材料はこれに限るものではない。固定子コイル３と固定子磁石４とは、冷却部９を介して対向する。

第一のウエッジ７を切欠き部５ｃと嵌め合って固定することで、固定子コイル３は固定子スロット５の底部５ａで安定して固定される。固定子磁石４は、第二のウエッジ８で固定される位置が決まり、第二のウエッジ８に接着して固定される。固定子１の製造工程において、第一のウエッジ７は、固定子コイル３を固定子スロット５に挿入した後に、切欠き部５ｃに紙面に垂直な軸方向から挿入して設けられる。そのため、第一のウエッジ７は、固定子コイル３の固定子スロット５への挿入を妨げることはなく、固定子コイル３の固定子スロット５への挿入は容易である。また、第一のウエッジ７は嵌め合いで設けられるため、第一のウエッジ７の固定子スロット５への設置は容易であり、固定子コイル３は固定子スロット５に容易に固定される。

冷却部９は実施の形態１に示した通風路、もしくは実施の形態２に示したベントチューブで構成されるが、冷却部９はこれらの構成に限るものではなく、固定子磁石４の昇温を抑制できる構成、または固定子磁石４の冷却できる構成であれば他の構成であっても構わない。

以上のように、実施の形態３による固定子１では、固定子コイル３と固定子磁石４との間に冷却部９を挟んで第一のウエッジ７および第二のウエッジ８を備えたため、簡易な製造工程で固定子スロット５に固定子コイル３および固定子磁石４を固定することができる。また、第一のウエッジ７および第二のウエッジ８は嵌め合いで設けられるため、簡易な製造工程で固定子１を作製することができる。

実施の形態４．
実施の形態４では、実施の形態３で説明した固定子１を用いた回転電機１００について説明する。図６は回転電機１００の要部を示す模式図である。実施の形態４に係る回転電機１００は、固定子スロット５内の固定子コイル３と固定子磁石４との間に冷却部９、第一のウエッジ７、および第二のウエッジ８を備えた構成になっている。

回転電機１００は、図６に示すように、回転電機１００の回転の中心である回転軸（図示せず）を取り囲む円環状の固定子１と、複数の磁極片２１を有し、固定子磁石４と対向して固定子１と同軸に設けられた第１の回転子である低速回転子２０と、複数の永久磁石である高速回転子磁石３１を有し、低速回転子２０と対向して低速回転子２０と同軸に設けられた第２の回転子である高速回転子３０とを備える。固定子１は、固定子鉄心２、固定子コイル３、固定子磁石４、冷却部９、第一のウエッジ７、および第二のウエッジ８を備える。円環状の固定子鉄心２は、回転電機１００の回転の中心に対して固定子ティース６を周方向に等間隔で複数備える。固定子ティース６の間に、固定子スロット５が形成される。第一のウエッジ７および第二のウエッジ８は、固定子コイル３と固定子磁石４との間で冷却部９を介して、固定子スロット５の対向した２つの壁面５ｂの切欠き部５ｃと嵌め合って設けられる。固定子１の製造工程において、第一のウエッジ７は、固定子コイル３を固定子スロット５に挿入した後に、切欠き部５ｃに紙面に垂直な軸方向から挿入して設けられる。冷却部９は、例えば通風路、もしくはベントチューブで構成される

以上のように、実施の形態４による回転電機１００では、固定子コイル３と固定子磁石４との間に冷却部９を備えたため、固定子１が備えた固定子磁石４の昇温を抑制することができる。また、固定子磁石４の昇温を抑制することで、固定子１の性能の劣化を抑制でき、回転電機１００の出力は維持され、回転電機１００の信頼性を向上することができる。また、固定子磁石４を冷却することで、固定子磁石４の磁力が向上して固定子１の性能は向上し、回転電機１００の出力を向上させることができる。また、第一のウエッジ７および第二のウエッジ８を備えたため、簡易な製造工程で固定子スロット５に固定子コイル３および固定子磁石４を固定することができ、ひいては簡易な製造工程で回転電機１００を作製することができる。また、第一のウエッジ７および第二のウエッジ８は嵌め合いで設けられるため、簡易な製造工程で回転電機１００を作製することができる。

以上では、実施の形態３で説明した固定子１を用いた回転電機１００について説明したが、実施の形態１または実施の形態２で説明した固定子１を用いた回転電機１００においても、固定子磁石４の昇温を抑制することができ、回転電機１００の信頼性を向上することができる。また、本願と同様の構成の固定子１を備えた発電機、モータにおいても同様の効果を奏する。また、以上では固定子１が最外周にある回転電機１００について記載したが、固定子１の配置は最外周に限るものではなく、固定子１が最内周にあるアウターロータ形の回転電機であっても構わない。固定子１を最内周に設けた場合、固定子鉄心は回転電機の外周側に向けて開口した固定子スロットを周方向に複数備える。

また本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

１固定子、２固定子鉄心、３固定子コイル、４固定子磁石、５固定子スロット、５ａ底部、５ｂ壁面、５ｃ切欠き部、６固定子ティース、７第一のウエッジ、８第二のウエッジ、９冷却部、９ａ通風路、１０ベントチューブ、２０低速回転子、２１磁極片、３０高速回転子、３１高速回転子磁石、４０回転軸、１００回転電機

Claims

回転電機の回転の中心に対して固定子ティースを周方向に複数備えた固定子鉄心と、
前記固定子ティースの間に形成された複数の固定子スロットのそれぞれの底部の側に配置された固定子コイルと、
複数の前記固定子スロットのそれぞれの開口した側に配置され、径方向に同一の極性を備えた固定子磁石と、を備え、
それぞれの前記固定子スロットにおいて、
前記固定子コイルと前記固定子磁石との間に冷却部を備え、
前記冷却部は相互に離間した板状の第一の固定部材と板状の第二の固定部材との間に挟まれ、
前記第一の固定部材は前記冷却部と前記固定子コイルとの間で、前記固定子スロットの対向した２つの壁面と嵌め合って設けられ、
前記第二の固定部材は前記冷却部と前記固定子磁石との間で、前記固定子スロットの対向した２つの壁面と嵌め合って設けられていることを特徴とする固定子。
前記冷却部は通風路であることを特徴とする請求項１に記載の固定子。
前記冷却部に流体が流れる管を備えたことを特徴とする請求項１に記載の固定子。
請求項１から３のいずれか１項に記載した固定子と、
複数の磁極片を有し、前記固定子磁石と対向して前記固定子と同軸に設けられた第１の回転子と、
複数の永久磁石を有し、前記第１の回転子と対向して前記第１の回転子と同軸に設けられた第２の回転子と、を備えたことを特徴とする回転電機。