JP7262623B2 - 固定子およびこれを用いた回転電機 - Google Patents

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、チップ部を固定子コイルと固定子磁石との間に設けた場合、固定子の製造工程において固定子スロットの底部に固定子コイルを挿入することが難しくなるため、工作性が悪化するという課題があった。

固定子スロットの底部に固定子コイルを容易に挿入するためにチップ部を設けなかった場合、固定子コイルが固定子スロットの底部で安定して固定されないため、固定子コイルが固定子スロットの内部で固定子磁石の側に動いた際の摩擦などにより固定子コイルの絶縁が劣化して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、簡易な製造工程で、高出力な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、板状の固定部材が、前記固定子コイルと前記固定子磁石との間に、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、前記固定子コイルと前記固定子磁石との間に磁性体を備えたものである。

本願に開示される固定子によれば、簡易な製造工程で、高い出力を得ることができる。

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１に係る回転電機の固定子磁石の周囲の磁束を説明する模式図である。 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３に係る回転電機の固定子磁石の周囲の磁束を説明する模式図である。 実施の形態３に係る回転電機の別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に係る回転電機の別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５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との間に磁性体を備える。ここでの磁性体は、強磁性材からなる板状の固定部材もしくは強磁性材を含む板状の固定部材である磁性ウエッジ７である。磁性ウエッジ７は、固定子コイル３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の切欠き部５ｃと嵌め合って設けられる。固定子コイル３と固定子磁石４とは、磁性ウエッジ７を介して対向する。磁性ウエッジ７は、例えば、樹脂材料に磁性粉末を混ぜて作製されるがこれに限るものではなく、電磁鋼板などの強磁性材からなる磁性ウエッジ７であっても構わない。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。

磁性ウエッジ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、例えば壁面５ｂと接着して固定される。固定子１の製造工程において、磁性ウエッジ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、磁性ウエッジ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、磁性ウエッジ７は嵌め合いで設けられるため、磁性ウエッジ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。

図４は、実施の形態１に係る回転電機１００の固定子磁石４の周囲の磁束８を説明する模式図である。図４は、固定子磁石４に起因した磁束８を図３に追記した図である。磁性ウエッジ７を設けていない場合、磁束８は固定子コイル３の側を通って、固定子ティース６から固定子磁石４に向かう。磁性ウエッジ７を設けた場合、図４に示すように、磁束８は磁性ウエッジ７を通って、固定子ティース６から固定子磁石４に向かう。磁性ウエッジ７に磁束８が集中し、磁束８は固定子磁石４に近接して通るため、固定子磁石４の磁力が向上する。固定子磁石４の磁力が向上することで、高出力な固定子１が得られる。また、固定子磁石４の磁力を向上させる構成なため、小型化した固定子磁石４を用いて、回転電機１００として予め定めたトルクを得ることも可能となる。

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、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と嵌め合った板状の磁性ウエッジ７を備えたため、磁束８が固定子磁石４に近接して通り、固定子磁石４の磁力を向上させ、高出力な固定子１を得ることができる。また、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。また、磁性ウエッジ７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。また、簡易な製造工程で固定子コイル３を固定子スロット５に固定することができる。

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２に係る固定子１は、ウエッジ９と固定子磁石４との間に強磁性材１０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との間に板状の固定部材であるウエッジ９を備え、さらにウエッジ９と固定子磁石４との間に磁性体である強磁性材１０を備える。ウエッジ９は、固定子コイル３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の切欠き部５ｃと嵌め合って設けられる。固定子コイル３と固定子磁石４とは、ウエッジ９を介して対向する。ウエッジ９は、例えば、非磁性の樹脂材料から作製されるがこれに限るものではなく、磁性ウエッジ７であっても構わない。強磁性材１０は、例えば、鉄、電磁鋼板から作製されるがこれに限るものではない。

ウエッジ９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１の製造工程において、ウエッジ９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、ウエッジ９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、ウエッジ９は嵌め合いで設けられるため、ウエッジ９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。固定子磁石４は、例えば壁面５ｂと接着して固定される。強磁性材１０は、固定子磁石４とウエッジ９との間に挿入して固定される。強磁性材１０は、固定子磁石４とウエッジ９の何れか一方、もしくは双方と接着して固定してもよい。

強磁性材１０を設けたことで、ウエッジ９が非磁性であっても、磁束８は強磁性材１０を通って、固定子ティース６から固定子磁石４に向かう。強磁性材１０に磁束８が集中し、磁束８は固定子磁石４に近接して通るため、固定子磁石４の磁力が向上する。固定子磁石４の磁力が向上することで、高出力な固定子１が得られる。また、固定子磁石４の磁力を向上させる構成なため、小型化した固定子磁石４を用いて、回転電機１００として予め定めたトルクを得ることも可能となる。

以上のように、実施の形態２による固定子１は、ウエッジ９と固定子磁石４との間に強磁性材１０を付加したため、既存の非磁性のウエッジ９を用いた構成であっても構成を大幅に変更することなく、磁束８が固定子磁石４に近接して通り、固定子磁石４の磁力を向上させ、高出力な固定子１を得ることができる。

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６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、強磁性材１０が周方向に分割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、および固定子コイル３と固定子磁石４との間に板状の固定部材であるウエッジ９を備え、さらにウエッジ９と固定子磁石４との間に周方向に分割された磁性体である強磁性材１０を備える。分割された箇所（分割部１０ａ）は、固定子スロット５の周方向の中央である。強磁性材１０を設けたことで、ウエッジ９が非磁性であっても、強磁性材１０に磁束８が集中し、固定子磁石４の磁力は向上する。しかしながら、図７に示すように、強磁性材１０には固定子磁石４に起因した磁束８だけでなく、固定子コイル３に起因した磁束８ａも通過する。この磁束８ａは、漏れ磁束である。強磁性材１０に引き込まれる漏れ磁束が大きくなると、固定子コイル３からの発電電力は低下する。強磁性材１０に引き込まれる漏れ磁束を低減するために、分割部１０ａが設けられる。分割部１０ａが空気層となり、強磁性材１０に引き込まれる漏れ磁束は低減される。

分割部１０ａを、固定子スロット５の周方向の中央に設けた理由について説明する。固定子磁石４は径方向に同一の極性の極となるように着磁されているため、磁束８は、図７に示すように、強磁性材１０を通って固定子ティース６から固定子磁石４に向かう。固定子磁石４において、固定子スロット５の周方向の中央から固定子ティース６に向かって発生する磁束８は、中央から固定子ティース６までの距離が長いため、最も磁力が得にくい。すなわち、この固定子スロット５の中央部に強磁性材１０の分割部１０ａを設ければ、効果的に分割部１０ａを設けたことになり、固定子磁石４に近接して通る磁束８を極力損なうことなく、固定子コイル３から強磁性材１０に引き込まれる漏れ磁束を低減することができる。

図８は、実施の形態３に係る回転電機１００の別の固定子スロット５の断面を示す模式図である。強磁性材１０が電磁鋼板から作製された場合、図８に示すように、電磁鋼板の積層の方向は径方向で構わないがこれに限るものではなく、積層の方向は周方向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、ウエッジ９と固定子磁石４との間に周方向に分割された強磁性材１０を備えたため、固定子コイル３に起因して強磁性材１０に引き込まれる漏れ磁束を低減することができる。また、強磁性材１０の分割部１０ａを固定子スロット５の周方向の中央に設けた場合、固定子磁石４に近接して流れる磁束８を極力損なうことなく、固定子コイル３から強磁性材１０に引き込まれる漏れ磁束を低減することができる。

実施の形態４．
実施の形態４に係る固定子１について説明する。図９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４に係る固定子１は、固定子スロット５の内部にカバー１１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、強磁性材１０、およびカバー１１を備える。カバー１１は、固定子コイル３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の切欠き部５ｃと嵌め合って設けられた固定部材１１ａと、固定部材１１ａから壁面５ｂに沿って開口の方向に平行して伸長した２つの側壁部１１ｂとにより形成される。カバー１１は、非磁性材であっても磁性材であってもよく、非磁性材であれば例えば樹脂で作製される。固定子磁石４は、２つの側壁部１１ｂに挟まれて、固定子スロット５の開口した側に配置される。磁性体である強磁性材１０は、固定部材１１ａと固定子磁石４との間に設けられる。固定子コイル３と固定子磁石４とは、強磁性材１０と固定部材１１ａとを介して対向する。

カバー１１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１の製造工程において、カバー１１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、カバー１１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、カバー１１は嵌め合いで設けられるため、カバー１１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。

固定子磁石４は、例えば側壁部１１ｂと接着して固定される。強磁性材１０は、固定子磁石４とカバー１１との間に挿入して固定される。強磁性材１０は、固定子磁石４とカバー１１の何れか一方、もしくは双方と接着して固定してもよい。固定子磁石４と強磁性材１０は、カバー１１を固定子スロット５に設けた後にカバー１１内に設けてもよいが、固定子磁石４と強磁性材１０をカバー１１内に設けてからカバー１１を固定子スロット５に設けても構わない。カバー１１の固定子スロット５への設置前に、カバー１１に固定子磁石４と強磁性材１０を設けることで、製造工程は簡易となる。

強磁性材１０を設けたことで、カバー１１が非磁性であっても、磁束８は強磁性材１０を通って、固定子ティース６から固定子磁石４に向かう。強磁性材１０に磁束８が集中し、磁束８は固定子磁石４に近接して通るため、固定子磁石４の磁力が向上する。固定子磁石４の磁力が向上することで、高出力な固定子１が得られる。また、固定子磁石４の磁力を向上させる構成なため、小型化した固定子磁石４を用いて、回転電機１００として予め定めたトルクを得ることも可能となる。

強磁性材１０は、図１０に示すように、周方向に分割された構成であっても構わない。強磁性材１０に分割部１０ａを設けることで、固定子コイル３に起因して強磁性材１０に引き込まれる漏れ磁束を低減することができる。

以上のように、実施の形態４による固定子１では、固定子スロット５の内部にカバー１１を備え、カバー１１の内部に固定子磁石４と強磁性材１０を設けたため、磁束８が固定子磁石４に近接して通り、固定子磁石４の磁力を向上させ、高出力な固定子１を得ることができる。カバー１１の固定子スロット５への設置前に、カバー１１に固定子磁石４と強磁性材１０を設けた場合、簡易な製造工程で固定子１を製造することができる。

実施の形態５．
実施の形態５では、実施の形態１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１１は回転電機１００の要部を示す模式図である。実施の形態５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との間に板状の磁性ウエッジ７を備えた構成になっている。

回転電機１００は、図１１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、および磁性ウエッジ７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。磁性ウエッジ７は、固定子コイル３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、磁性ウエッジ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。

以上のように、実施の形態５による回転電機１００では、磁性ウエッジ７を備えたため、磁束が固定子磁石４に近接して通り、固定子磁石４の磁力を向上させ、高出力な固定子１を得ることができ、ひいては回転電機１００が高出力化される。また、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、簡易な製造工程で固定子コイル３を固定子スロット５に固定することができる。

以上では、実施の形態１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２から実施の形態４で説明した固定子１を用いた回転電機１００においても、回転電機１００は高出力化され、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、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 磁性ウエッジ、８ 磁束、９ ウエッジ、１０ 強磁性材、１０ａ 分割部、１１ カバー、１１ａ 固定部材、１１ｂ 側壁部、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 (6)

1. 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、
   板状の固定部材が、前記固定子コイルと前記固定子磁石との間に、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、
   前記固定子コイルと前記固定子磁石との間に磁性体を備えたことを特徴とする固定子。
2. 前記磁性体は、強磁性材からなる前記固定部材もしくは強磁性材を含む前記固定部材であることを特徴とする請求項１に記載の固定子。
3. 前記磁性体は、前記固定部材と前記固定子磁石との間に備えた強磁性材であることを特徴とする請求項１に記載の固定子。
4. 前記固定部材と、前記固定部材から前記壁面に沿って前記開口の方向に平行して伸長した２つの側壁部とにより形成されたカバーを備え、
   前記磁性体は、前記固定部材と前記固定子磁石との間に備えた強磁性材であることを特徴とする請求項１に記載の固定子。
5. 前記磁性体は、周方向に分割されていることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の固定子。
6. 請求項１から５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。

Images