JPH0660280U - 回転電機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 簡易な構造で、回転電機のＴ／Ｎ特性値を大
幅に向上させること目的とする。 【構成】 界磁磁石２７に取り付けたヨーク板２６，２
８の形状により、界磁磁石２７の総磁束を、電機子の鉄
心２３側に反転させつつ集中させ、界磁磁石２７の総磁
束を分散させることなく集中させる構造で多極化を行う
ことによって、従来のように界磁磁石に多極着磁を行う
ことなく、しかも電機子側の構造を簡易に維持しつつ、
界磁磁石２７からの磁束を常時最大限に利用し、磁極数
及び有効磁束Φの双方を同時に増大可能とするととも
に、電機子２３，２４側と、界磁磁石２６，２７，２８
側とを軸方向に対向配置することによって、軸方向のス
ペースを有効利用し径方向のスペースが省略可能とした
もの。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、電機子と界磁磁石とを相対的に回転移動するように設けた回転電機 に関する。

【０００２】

【従来の技術】

近年、種々の回転電機が開発されているが、従来の回転電機の一例として図８ 及び図９に示された構成のモータがある。このものは、所謂２−３（磁極数−コ ア極数）構造と呼ばれているモータであり、ロータを構成するケーシング１の内 周壁に中空円筒状の界磁磁石２が固定されているとともに、この界磁磁石２の内 周側に、電機子３がステータを構成するように配置されている。上記界磁磁石２ の着磁は、円周方向に２つの異なる磁極Ｎ，Ｓを形成するように行われていると ともに、前記電機子３は、界磁磁石２の内周壁に近接して磁束を集める３体の突 極３ａ，３ａ，３ａを有しており、これらの各突極３ａの各々にコイル３ｂ，３ ｂ，３ｂがそれぞれ巻回されている。

【０００３】 また多極型の回転電機として、例えば図１０に示されているような構成のモー タがある。このものでは、ロータケーシング１１の内周壁に固定された中空円筒 状の界磁磁石１２に、円周方向に沿って異なる磁極Ｎ，Ｓが所定のピッチで多数 着磁されているとともに、この界磁磁石１２の内周側にステータを構成するよう に配置された電機子１３に、多数の突極１３ａ，１３ａ，…が設けられている。 そしてこれらの各突極１３ａの各々には、コイル１３ｂがそれぞれ巻回されてい る。

【０００４】

【考案が解決しようとする課題】

ところがこのような従来の各種回転電機では、所謂Ｔ／Ｎ特性値が未だ十分で ないという問題がある。すなわちＴ／Ｎ特性値は、回転電機のＴ−Ｎ特性におけ るトルクＴと回転数Ｎとの商であり、具体的には、 Ｔ／Ｎ特性値＝Ｔ_S ／Ｎ_O ＝ΔＴ／ΔＮ ＝Ｋ_E ・Ｋ_T ／Ｒ・・・・・・・・・・・ で表される。ここで、 Ｔ_S ；始動トルク Ｎ_O ；無負荷回転数 Ｋ_E ；逆起電圧定数 Ｋ_T ；トルク定数 Ｒ ；内部抵抗 である。

【０００５】 このＴ／Ｎ特性値は、回転電機の基本であるＴ−Ｎ特性の大きさを表しており 、回転電機の大きさを比較することができる。例えばＴ／Ｎ＝３の回転電機は、 Ｔ／Ｎ＝１の回転電機を３個同時に回したのと同じＴ−Ｎ特性が出せる。より具 体的には、Ｔ／Ｎ特性値は、回転電機の体積の約２乗（正確には５／３乗）に比 例しており、また界磁磁石におけるＢＨ_MAX にほぼ比例する関係を有している。 したがって従来から、より大きいモータや強い磁石を使用しようとする場合には 、結果的にＴ／Ｎ特性値を大きくしようとしているものである。

【０００６】 Ｔ／Ｎ特性値を大きくした場合には、次のようなことが可能となる。 １）発生トルクの増大。 ２）立上り時間の低減。 ３）トルク定数及び逆起電圧定数の増大。 ４）定格電流の低減。 ５）損失（銅損）の低減。 ６）高効率化。 ７）発熱の低減。 ８）出力の増大。 ９）負荷変動による回転数変動への影響低減。

【０００７】 またＴ／Ｎ特性値に余裕がある場合には、活用の仕方によって次のようなこと が可能になる。 １）回転電機の小型、薄型、軽量化。 ２）材料見直し等による低コスト化。 ３）設計の自由度の拡大。

【０００８】 このように従来から提案されている回転電機に関する各種の提案は、結果的に 、より高いＴ／Ｎ特性値を得るためのものが多い。すなわち回転電機の軽薄短小 化、省電力化、省資源化、低価格化等の要請の根底になっているのは、（Ｔ／Ｎ 特性値）／（体格）及び（Ｔ／Ｎ特性値）／（コスト）であって、Ｔ／Ｎ特性値 をいかに効率よく出すかが従来からの課題となっている。例えば、 １）小型化、薄型化、軽量化。 ２）始動トルクの伸長。 ３）立上がり時間の短縮化。 ４）電流値の低減。 ５）損失（銅損）の低減。 ６）合理化。 等であり、従来からの回転電機技術に関する提案は、結果的にＴ／Ｎ特性値を向 上させるための検討ともいえるものが多い。実際的には、Ｔ／Ｎ特性値で５％乃 至１０％の違いが競合している。

【０００９】 次にこのようなＴ／Ｎ特性値を決める要素としては、Ｐ（磁極数）、Φ（有効 磁束）、Ｈ（並列コイル数）、Ａ（コイル断面積）、Ｌ（１Ｔ当りのコイル長） があり、それを式で表すと、 Ｔ／Ｎ特性値＝Ｐ² ・Φ² ・Ｈ・Ａ／Ｌ・・・・・ となる。したがってこれらの各要素を全体として最大となるように組み合わせれ ばＴ／Ｎ特性値が最大になる。特に、Ｐ² ×Φ² をいかに大きくするかがポイン トになる。

【００１０】 このような観点から考察すれば、上述した図８及び図９に示された所謂２−３ （磁極数−コア極数）構造の電動機の場合には、３相の回転電機において磁極数 と突極数とが最小限の組み合せとなっており、例えば図示の位置関係においては 、矢印で示したようにＮ極の総磁束が１カ所の突極３ａに集中している。したが って有効磁束Φは大きくなっている。しかしながら磁極数Ｐが２であるため、Ｔ ／Ｎ特性値の向上には限界がある。

【００１１】 一方図１０に示された多極型のものでは、磁極数Ｐと並列コイル数Ｈとが増大 されていると同時に、コイル長Ｌが減じられることによって、Ｔ／Ｎ特性値の向 上が図られているが、電機子１３の突極１３ａと界磁磁石１２との１突極当りの 対向面積が小さくなっており、磁束が分散使用されている。すなわち同じ総磁束 を多極に分けて使っているため、磁極数Ｐは増えているが有効磁束Φは減少して おり、結局、上式中におけるＰ² ×Φ² の値は変わっていない。また並列コイル 数Ｈの増大は可能であるが、コイル断面積Ａの減少に打ち消されてしまい、構造 が複雑化する割にはＴ／Ｎ特性値を大幅に向上させることはできない。したがっ てこの多極型の場合には、ＢＨ_MAX の大きい磁石を採用して有効磁束Φを稼ぎ、 Ｔ／Ｎ特性値の向上を図っているのが現状である。

【００１２】 このように従来型の回転電機では、強い磁石を使うという大幅コストアップに つながる方法でしかＴ／Ｎ特性値の向上を図ることができないという問題がある 。

【００１３】 そこで本考案は、簡易な構造でＴ／Ｎ特性値を大幅に向上させることができる ようにした回転電機を提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】

上記目的を達成するため本考案は、鉄心に複数相のコイルが巻回された電機子 と、この電機子に対して所定の回転軸の回りに相対的に回転移動可能に配置され た界磁磁石と、を有する回転電機において、上記界磁磁石には、円周方向と直交 する方向に着磁が施されているとともに、 この界磁磁石の着磁両端面のそれぞ れに、環状のヨーク板がそれぞれ取り付けられ、それらの両ヨーク板には、円周 方向に所定のピッチで配置される複数の磁路形成用凸部が設けられてなり、上記 電機子は、前記界磁磁石及びヨーク板に対し軸方向に対向して配置されていると ともに、前記鉄心と磁路形成用凸部とは、界磁磁石の磁束を鉄心に集束させるよ うに相互に近接・離間し、かつその鉄心内を通過する磁束の方向が、電機子と界 磁磁石との相対移動に伴い上記磁路形成用凸部の配置ピッチ毎に反転する位置関 係に設けられた構成を有している。

【００１５】

【作用】

このような構成を有する手段においては、界磁磁石に取り付けられたヨーク板 の形状により、磁石の総磁束を分散させることなく集中させる構造によって多極 化が行われているため、磁石に多極着磁を行うことなく、しかも電機子側の構造 を簡易に維持しつつ、磁極数及び有効磁束の双方が同時に増大されるようになっ ている。

【００１６】 特に本発明では、電機子と界磁磁石とが軸方向に対向配置されているため、軸 方向のスペースが有効利用され、したがって径方向のスペースが省略されるよう になっている。

【００１７】

【実施例】

以下、本考案の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。 まず図１、図２及び図３に示されている第１の実施例は、３相の回転電機に本 考案を適用したものであって、図示を省略した基板の中心部に立設された中空円 筒状の軸受ホルダー２１内に、回転軸２２が回転自在に支承されているとともに 、上記軸受ホルダー２１の外周部には、電機子の鉄心２３がステータを構成する ように固定されている。この鉄心２３は、珪素鋼鈑等を所定の厚さに積層してな るものであって、放射状に延びる３体の突極２３ａ，２３ｂ，２３ｃが、回転軸 を中心にして円周方向に１２０°のピッチ間隔で設けられており、各突極２３ａ ，２３ｂ，２３ｃの途中部分に、３相励磁用のコイル２４，２４，２４がそれぞ れ巻回されている。

【００１８】 一方上記回転軸２２の軸受突出部分には、ロータを構成する円筒状の回転円板 ２５が一体的に回転するように固定されており、この回転円板２５の外周部に、 中空円筒状のヨーク板２６を介して環状の界磁磁石２７が同心状に取り付けられ ている。上記界磁磁石２７は、電機子の各突極２３ａ，２３ｂ，２３ｃに対し、 軸方向に所定の空隙を介して対向する中空円筒体からなり、固定状態にある上記 電機子の図示上方側において回転移動するように構成されている。またこの界磁 磁石２７としては、フェライト或いは稀土類のマグネットが採用されており、そ の延在方向である周方向に直交した半径の方向に着磁が行われている。本実施例 では、界磁磁石２７の外周側端面がＮ極に着磁されているとともに、内周側端面 がＳ極に着磁されている。

【００１９】 前記ヨーク板２６は、界磁磁石２７における外周側のＮ極着磁端面に取り付け られているとともに、界磁磁石２７における内周側の着磁端面に、ヨーク板２８ が取り付けられている。これらの各ヨーク板２６，２８は、界磁磁石２７の各着 磁端面に沿って環状に延在する同心の中空円筒状強磁性材からなり、界磁磁石２ ７の外周側（Ｎ極側）に取り付けられたヨーク板２６がＮ極に磁化されていると ともに、界磁磁石２７の内周側（Ｓ極側）に取り付けられたヨーク板２８はＳ極 に磁化されている。

【００２０】 また一方のヨーク板２６における図示下端すなわち電機子側対向縁部には、半 径方向内方に向かって突出する８体の磁路形成用凸部２６ａ，２６ｂ，…，２６ ｈが突設されているとともに、他方のヨーク板２８における図示下端の電機子側 対向縁部には、半径方向外方に向かって突出する８体の磁路形成用凸部２８ａ， ２８ｂ，…，２８ｈが突設されている。これらヨーク板２６の磁路形成用凸部２ ６ａ，…及びヨーク板２８の磁路形成用凸部２８ａ，…どうしは、前記電機子に おける鉄心２３の各突極２３ａ，２３ｂ，２３ｃに対して軸方向に対向しつつ回 転移動するように構成されている。すなわち電機子における鉄心２３の突極２３ ａ，２３ｂ，２３ｃと、各ヨーク板２６及び２８の磁路形成用凸部２６ａ，…及 び２８ａ，…とは、両者の相対移動に伴い近接・離間するようになされており、 両者が軸方向に対面して近接したときには、界磁磁石２７からの磁束が、上記各 ヨーク板２６及び２８の磁路形成用凸部２６ａ，…及び２８ａ，…を通して、鉄 心２３側に集束する構成になされている。このとき磁路形成用凸部２６ａ，…及 び２８ａ，…の板厚及び鉄心２３との対面長さは、鉄心２３の厚さとほぼ同じ寸 法に設定されている。

【００２１】 これら両ヨーク板２６及び２８における各磁路形成用凸部２６ａ，…及び２８ ａ，…は、周方向に所定のピッチ間隔で並設されており、一方側の磁路形成用凸 部２６ａ，…と他方側の磁路形成用凸部２８ａ，…とは、周方向において互いに 半ピッチずらされて配置されている。すなわち平面視において、Ｎ極に磁化され た磁路形成用凸部２６ａ，…と、Ｓ極に磁化された磁路形成用凸部２８ａ，…と は、周方向に交互に環状配置されており、一方側の磁路形成用凸部２６ａ、他方 側の磁路形成用凸部２８ａ、一方側の磁路形成用凸部２６ｂ、他方側の磁路形成 用凸部２８ｂ、…の順に交互に配置されている。そしてこれにより計１６極の磁 極が多極着磁を行うことなく構成されている。したがって前記鉄心２３のコイル ２４を装着した部分を通過する磁束の方向が、上記両側の磁路形成用凸部２６ａ ，２８ａ，…の配置ピッチ毎に反転する配置関係になされている。

【００２２】 このような実施例における回転電機では、電機子側と界磁磁石側とが、図示の 位置関係にあるとき、すなわち一方のヨーク板２６の磁路形成用凸部２６ａ（Ｎ 極）が一つの突極２３ａに近接し、かつ他方のヨーク板２８における一対の磁路 形成用凸部２８ｃ，２８ｆ（Ｓ極）が他の突極２３ｂ，２３ｃに近接していると きには、図示矢印のようにして界磁磁石２７からの総磁束が、各磁路形成用凸部 ２６ａ，２８ｃ，２８ｆを通して鉄心２３に集束される。

【００２３】 次にこの状態から界磁磁石側が、磁路形成用凸部の配置ピッチだけ回転移動し たときには、例えばヨーク板２８の磁路形成用凸部２８ａ（Ｓ極）が突極２３ａ に近接するともに、ヨーク板２６における一対の磁路形成用凸部２６ｄ，２６ｇ （Ｎ極）が突極２３ｂ，２３ｃに近接する。したがって界磁磁石２７からの総磁 束は、上述した矢印方向とは反対側に反転して鉄心２３に集束される。

【００２４】 このように本実施例では、界磁磁石２７に取り付けられた一対のヨーク板２６ ，２８の形状により、界磁磁石２７の総磁束を分散させることなく集中させる構 造で多極化が図られており、これによって界磁磁石２７からの磁束が常時最大限 に利用され、磁極数Ｐ及び有効磁束Φの双方が同時に増大されるようになってい る。そしてその多極化にあたっては、従来のように界磁磁石に多極着磁は行われ ておらず、しかも電機子側の構造が簡易に維持されている。

【００２５】 この状態は、前述した図８及び図９に示された所謂２−３構造の回転電機と同 様な総磁束集中状態のままで、磁極数Ｐを増大させた状態となっている。そして 前述した式に示した通り、Ｔ／Ｎ特性値に対して磁極数Ｐは２乗で寄与するこ とから、磁極数Ｐを３倍とすればＴ／Ｎ特性値は９倍となり、磁極数Ｐを４倍と すればＴ／Ｎ特性値は１６倍、磁極数Ｐが５倍ならＴ／Ｎ特性値は２５倍、本実 施例のように磁極数Ｐが８倍ならＴ／Ｎ特性値は６４倍のようにしてＴ／Ｎ特性 値は大幅に向上される。

【００２６】 ここで回転電機の発生トルクは、コイルの中を通る磁束Φの単位角度θ当たり の変化（ｄΦ／ｄθ；磁束密度の傾斜の大きさ）に比例し、Ｔ／Ｎ特性値はその ２乗に比例している。そのため回転電機の１回転中における磁束Φの変化を、 従来の２極型モータ（Ｐ＝２）、 従来の多極型モータ（Ｐ＝１０）及び 本考案にかかるモータ（Ｐ＝１０） のそれぞれについて比較してみる。

【００２７】 図３から明らかなように、まず破線で示した従来の２極型モータ（）では、 大きな磁束がゆっくり変化しており、太線で示した従来の多極型モータ（）で は磁束Φの切り替わりが５倍となっている。しかし磁束Φ自体は１／５になって いるため、結局、磁束Φの変化ｄΦ／ｄθ（傾斜の大きさ）は両者とも同じであ る。 これに対して細線で示した本考案構造（）の場合には、従来の２極型モータ （）と同じ総磁束を集中的に集めているとともに、従来の多極型モータ（） と同じ間隔で切り替えが行われている。そのため磁束Φの変化ｄΦ／ｄθ（傾斜 の大きさ）が非常に大きくなっている。この場合、各モータの電機子側条件が仮 に同じであるとすると、の従来型モータに比べての本考案のモータは、発 生トルク（トルク定数）が５倍、Ｔ／Ｎ特性値が２５倍となる。

【００２８】 加えて本実施例では、電機子側と界磁磁石側とが軸方向に対向配置されている ため、軸方向のスペースが有効利用されており、したがって径方向のスペースが 省略されるようになっている。

【００２９】 図５に示されている実施例では、上述した図１及び図２の実施例に対応する構 成物について、十の位の符号「２」を「５」に代えて表している。この実施例で は、図示上方向である軸方向に突出する鉄心５３の突極５３ａが、界磁磁石５７ の図示下端面と、ヨーク板５６の磁路形成用凸部５６ａ，…と、ヨーク板５８の 磁路形成用凸部５８ａ，…とに取り囲まれるように構成されている。

【００３０】 また図６及び図７に示されている実施例では、図１及び図２の実施例に対応す る構成物について、十の位の符号「２」を「７」に代えて表している。この実施 例では、環状に配置された３体の鉄心７３，７３，７３の各水平胴部に、巻線７ ４，７４，７４がそれぞれ水平方向に延在するように巻回されている。さらに上 記各鉄心７３の水平胴部における巻線両端部からは、一対の突極７３ａ，７３ａ が斜め上方に向かって突出されており、それらの各突極７３ａが、図示を省略し た界磁磁石のヨーク板に近接対向させられている。

【００３１】 このように本考案には、種々の形状の電機子及び界磁磁石を採用することがで き、同様な作用・効果を得ることができる。また本考案は、上述した実施例のよ うにコイル相数が２相の場合のみならず、３相の場合、あるいはその他の相数の 場合に対しても同様に適用することができる。

【００３２】

【考案の効果】

以上述べたように本考案にかかる回転電機は、界磁磁石に取り付けたヨーク板 の形状により、界磁磁石の総磁束を電機子の鉄心側に反転を繰り返すように集中 させ、界磁磁石の総磁束を分散させることなく集中させる構造で多極化を行うも のであるから、従来のように界磁磁石に多極着磁を行うことなく、しかも電機子 側の構造を簡易に維持しつつ、界磁磁石からの磁束を常時最大限に利用して磁極 数及び有効磁束の双方を同時に増大することができ、簡易な構造によりＴ／Ｎ特 性値を大幅に向上させることができる。

【００３３】 特に本考案では、電機子側と界磁磁石側とを軸方向に対向配置することによっ て軸方向のスペースを有効利用しているため、径方向のスペースが省略可能とな り、一層の小型化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の第１実施例における回転電機を表した
縦断面説明図である。

【図２】図１に表した回転電機における界磁磁石側の構
造を表した底面側の断面説明図である。

【図３】図１に表した回転電機における電機子側の構造
を表した平面側の断面説明図である。

【図４】回転電機の１回転中における磁束Φの変化を比
較した線図である。

【図５】本考案の第２実施例における回転電機の要部を
表した半断面説明図である。

【図６】本考案の第３実施例における回転電機の電機子
側の構成を表した平面側横断面説明図である。

【図７】図６に表した回転電機の巻線構造を表した側面
説明図である。

【図８】従来における回転電機の一例を表した平面説明
図である。

【図９】図８に表した回転電機の構造を表した縦断面説
明図である。

【図１０】従来における回転電機の他の例を表した平面
説明図である。

【符号の説明】

２３，５３，６３，７３ 鉄心 ２３ａ，２３ｂ，２３ｃ 突極 ２４，５４，６４，７４ コイル ２６，５６，６６，７６ ヨーク板 ２８，５８，６８，７８ ヨーク板 ２７，５７，６７，７７ 界磁磁石 ２６ａ〜２６ｈ，２８ａ〜２８ｈ 磁路形成用凸部 ５６ａ，５８ａ 磁路形成用凸部 ６６ａ，６８ａ 磁路形成用凸部 ７６ａ，７８ａ 磁路形成用凸部

Claims (3)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 鉄心に複数相のコイルが巻回された電機
   子と、この電機子に対して所定の回転軸の回りに相対的
   に回転移動可能に配置された界磁磁石と、を有する回転
   電機において、 上記界磁磁石には、円周方向と直交する方向に着磁が施
   されているとともに、 この界磁磁石の着磁両端面のそれぞれに、当該界磁磁石
   の着磁端面に沿って延在する環状のヨーク板がそれぞれ
   取り付けられ、 それらの両ヨーク板には、円周方向に所定のピッチで配
   置される複数の磁路形成用凸部が設けられてなり、 上記電機子は、前記界磁磁石及びヨーク板に対して軸方
   向に対向して配置されているとともに、 前記鉄心と磁路形成用凸部とは、界磁磁石の磁束を鉄心
   に集束させるように相互に近接・離間し、かつその鉄心
   内を通過する磁束の方向が、電機子と界磁磁石との相対
   移動に伴い上記磁路形成用凸部の配置ピッチ毎に反転す
   る位置関係に設けられていることを特徴とする回転電
   機。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の回転電機において、 コイルの相数が３相であることを特徴とする回転電機。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の回転電機において、 コイルの相数が２相であることを特徴とする回転電機。