JPH07107729A

JPH07107729A - 回転電機

Info

Publication number: JPH07107729A
Application number: JP26803993A
Authority: JP
Inventors: Tamotsu Nose; 保能勢
Original assignee: Sankyo Seiki Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Nidec Instruments Corp
Priority date: 1993-09-30
Filing date: 1993-09-30
Publication date: 1995-04-21

Abstract

(57)【要約】【目的】回転電機のＴ／Ｎ特性値を、簡易な構造で大
幅に向上させることを可能とする。【構成】ロータ側のコア１２とステータ側のコア１
５，１６との対面部位を複数面にわたって設けるように
構成し、ロータ側のコア１２とステータ側のコア１５，
１６との対面時における磁気抵抗を、特にリラクタンス
型及び磁束集中反転型の回転電機において一定のレベル
以下に低減したもの。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ロータ側のコアとステ
ータ側のコアとを対面配置させることによって、回転駆
動用の磁気回路を形成するようにした回転電機に関す
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１０及び図１１に示
された構成の３相モータがある。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、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が回転自在に配置されている。これらのケーシン
グ１及び界磁磁石２は、いずれか一方側がロータとして
構成され、他方側がステータとして構成されている。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体の突極状コア３ａ，３ａ，３ａを有しており、これ
らの各突極状コア３ａの各々にコイル３ｂ，３ｂ，３ｂ
がそれぞれ巻回されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところがこのような従
来の回転電機では、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。

【０００４】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、また界磁磁石の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。

【０００５】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。

【０００６】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。

【０００７】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には、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）であり、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。

【０００８】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。

【０００９】このような観点から考察すれば、上述した
図１０及び図１１に示された所謂２−３（磁極数−コア
極数）構造の回転電機の場合には、３相のモータにおい
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カ所の突極状コア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。

【００１０】一方多極型のものでは、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、電機子の突極と界磁磁石との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。

【００１１】このように従来における磁石対向型の回転
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。

【００１２】このため本発明は、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
機の構造を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明は、ロータ側のコアとステータ側のコアとを、少
なくとも回転時に対向するように配置することによっ
て、回転駆動用の磁気回路を形成する回転電機におい
て、上記ロータ側のコアとステータ側のコアとの対面部
が、複数面にわたって設けられた構成になされている。

【００１４】

【作用】このような構成を有する手段においては、ロー
タ側のコアとステータ側のコアとの対面時における磁気
抵抗が一定のレベル以下に低減され、その結果、Ｔ／Ｎ
特性値が向上されるようになっている。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細
に説明する。まず図１及び図２に示されている実施例
は、本願発明者が既に提案している所謂磁束集中反転型
の３相モータに対して本発明を適用したものであり、図
示を省略した軸受により回転軸１１が回転自在に支承さ
れているとともに、この回転軸１１に、ロータ（電機
子）コアを構成する鉄心１２が一体に回転するように固
着されている。上記鉄心１２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１２ａ，１２ｂ，１２ｃが、回転軸１１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、
これらの各突極１２ａ，１２ｂ，１２ｃの途中部分に励
磁用の３相コイル１３がそれぞれ巻回されている。

【００１６】一方上記鉄心１２の外周側には、ステータ
を構成する界磁磁石１４が配置されており、この界磁磁
石１４の軸方向両端面に、ステータコアを構成するヨー
ク板１５，１６が固定されている。上記界磁磁石１４
は、鉄心１２の各突極１２ａ，１２ｂ，１２ｃの外周側
を、所定の空隙を介して環状に取り囲む中空円筒体から
なり、この界磁磁石１４の内周側を鉄心１２が回転移動
するように構成されている。界磁磁石１４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する方向（軸方向）に
着磁が行われている。本実施例では、界磁磁石１４の図
示上側端面がＮ極に着磁されているとともに、図示下側
端面がＳ極に着磁されており、当該界磁磁石１４におけ
る図示上側の着磁端面にヨーク板１５が取り付けられ、
界磁磁石１４の図示下側の着磁端面にヨーク板１６が取
り付けられている。

【００１７】上記各ヨーク板１５，１６は、界磁磁石１
４の各着磁端面に沿って延在するリング状の強磁性材か
らなり、界磁磁石１４の図示上側のＮ極側に取り付けら
れたヨーク板１５がＮ極に磁化されているとともに、界
磁磁石１４の図示下側のＳ極側に取り付けられたヨーク
板１６はＳ極に磁化されている。

【００１８】また一方のヨーク板１５の内周縁部には、
軸中心に向かって突出する４体の磁路形成用凸部１５
ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄが設けられているととも
に、他方のヨーク板１６の内周縁部には、軸中心に向か
って突出する４体の磁路形成用凸部１６ａ，１６ｂ，１
６ｃ，１６ｄが設けられている。これらヨーク板１５の
磁路形成用凸部１５ａ，…及びヨーク板１６の磁路形成
用凸部１６ａ，…は、前記鉄心１２を軸方向両側から交
互に挾むように配置されており、各ヨーク板１５及び１
６の磁路形成用凸部１５ａ，…及び１６ａ，…と、鉄心
１２とが、両者の相対回転移動に伴い近接、対面及び離
間を繰り替えすように構成されている。

【００１９】このとき、ステータコアを構成する磁路形
成用凸部１５ａ，…及び１６ａ，…は、ロータコアを構
成する鉄心１２の各突極１２ａ，１２ｂ，１２ｃの外周
部に対して、周端面及びその周端面近傍の軸方向両端面
の２面にわたって対向する横断面略Ｌ字状の対面部位を
有しており、これによってロータ側のコアとステータ側
のコアとの対面部位が、２面となるように構成されてい
る。

【００２０】すなわち各ヨーク板１５及び１６の磁路形
成用凸部１５ａ，…及び１６ａ，…における２面の対面
部位が、鉄心１２の各突極１２ａ，１２ｂ，１２ｃに近
接するように配置されており、磁路形成用凸部１５ａ，
…及び１６ａ，…が、鉄心１２の各突極１２ａ，１２
ｂ，１２ｃに対面することによって、前記界磁磁石１４
による磁束が鉄心１２側に集束するように構成されてい
る。このとき磁路形成用凸部１５ａ，…及び１６ａ，…
の板厚及び鉄心１２との対面長さは、鉄心１２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１５及び１６における各
磁路形成用凸部１５ａ，…及び１６ａ，…は、周方向に
９０°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１５ａ，…と他方側の磁路形成用凸部１６ａ，
…とは、周方向において互いに４５°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１５ａ，…と、Ｓ極に磁化された磁路形
成用凸部１６ａ，…とは、周方向に４５°のピッチ間隔
で交互に環状配置されており、一方側の磁路形成用凸部
１５ａ、他方側の磁路形成用凸部１６ａ、一方側の磁路
形成用凸部１５ｂ、他方側の磁路形成用凸部１６ｂ、…
の順に交互に配置されている。したがって前記鉄心１２
のコイル１３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１５ａ，１６ａの配置ピッチ
（４５°）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モータでは、鉄
心１２側すなわち電機子側と、界磁磁石側とが図示の位
置関係にあるとき、一方のヨーク板１５の磁路形成用凸
部１５ａ（Ｎ極）が一つの突極１２ａに近接し、かつ他
方のヨーク板１６における一対の磁路形成用凸部１６
ｂ，１６ｃ（Ｓ極）が他の突極１２ｂ，１２ｃに近接し
ており、図示矢印のように界磁磁石１４からの総磁束
が、各磁路形成用凸部１５ａ，１６ｂ，１６ｃを通して
鉄心１２に集束される。このときロータ側のコアとステ
ータ側のコアとの対面部位が２面となるように構成され
ているため、エアギャップにおける磁気抵抗が低減さ
れ、磁気回路が良好に形成される。

【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である４５°だけ回転移動したとき
には、ヨーク板１６の磁路形成用凸部１６ａ（Ｓ極）
が、突極１２ａに近接するともに、ヨーク板１５におけ
る一対の磁路形成用凸部１５ｃ，１５ｄ（Ｎ極）が、突
極１２ｂ，１２ｃに近接する。したがって界磁磁石１４
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１２に集束されることとなる。

【００２４】このように本実施例では、界磁磁石１４に
取り付けられた一対のヨーク板１５，１６の形状によ
り、界磁磁石１４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１４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１０及び図１１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、本実施例のよ
うに磁極数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倍のようにしてＴ
／Ｎ特性値は大幅に向上される。

【００２６】特に本実施例では、ロータ側のコアを構成
する磁路形成用凸部１５ａ，…及び１６ａ，…と、ステ
ータ側のコアを構成する鉄心１２の各突極１２ａ，１２
ｂ，１２ｃとが、複数の２面で対面するように配置され
ているため、両者の対面時における磁気抵抗が一定のレ
ベル以下に低減され、以下述べるように上記Ｔ／Ｎ特性
値の向上が図られるようになっている。

【００２７】まずロータ側のコアとステータ側のコアと
の間に形成されるエアギャップによる磁気抵抗の影響
を、上述した実施例にかかる磁束集中反転型構造のモー
タ、従来タイプの磁石対向型構造のモータ、及びリラク
タンス型構造のモータにおける発生推力を比較して検討
してみる。図３に示されているように、上記３構造の同
一形状及び同一条件におけるエアギャップ量（横軸）
と、平均推力（縦軸）との関係は、構造の違いにより大
きな差異がある。まずエアギャップによる影響が最も大
きいのが後述するリラクタンス型構造（ＡＬ）で、次
に大きいのが磁束集中反転型構造（ＡＪ）であり、従
来タイプの磁石対向型構造（ＡＫ）では、エアギャッ
プによる影響がかなり小さい。

【００２８】すなわちリラクタンス型構造（ＡＬ）及
び磁束集中反転型構造（ＡＪ）では、エアギャップを
十分小さくすることによって、従来タイプの磁石対向型
構造（ＡＫ）の数倍の推力を得ることが可能となり、
その２乗のＴ／Ｎ特性値が得られることが判る。しかし
ながら単純なエアギャップの狭小化は、非接触状態を維
持しつつ行わねばならないこと、及びエアギャップのバ
ラツキから特性のバラツキを生じ易い等、製造技術的に
非常に難しい。これに対して本願発明による構成によれ
ば、エアギャップをある一定以上に保持したまま特性の
向上を図ることが可能となる。このように本発明は、リ
ラクタンス型構造及び磁束集中反転型構造の回転電機に
適用することによって、より大きな作用・効果が得られ
るものである。

【００２９】また図４及び図５に示されている実施例に
おいては、ステータ側のコアを構成する磁路形成用凸部
２５ａ，…及び２６ａ，…の内周側対面部位が、横断面
略コの字形状に形成されており、ロータ側のコアを構成
する鉄心２２の各突極の外周端面を、３面にわたって取
り囲むように配置されている。

【００３０】さらに図６及び図７に示されている実施例
においては、ステータ側のコアを構成するヨーク板３
５，３６及びロータ側のコアを構成する鉄心３２の双方
が、積層プレスにより成形された電磁鋼板から形成され
ている。上記ヨーク板３５及び３６の各磁路形成用凸部
３５ａ，…及び３６ａ，…は、その内周側部分が櫛歯状
の凹凸形状に形成されているとともに、鉄心３２の各突
極も、外周部分が櫛歯状の凹凸形状に形成されており、
両者が凹凸状に交互に多面にわたって対面配置されてい
る。

【００３１】このような各実施例の構成によっても、ロ
ータ側のコアを構成する磁路形成用凸部２５ａ，…，３
５ａ，…及び２６ａ，…，３６ａ，…と、ステータ側の
コアを構成する鉄心２２，３２の各突極とが、複数面に
わたって対面するように配置されているため、両者の対
面時におけるエアギャップの磁気抵抗が一定のレベル以
下に低減され、上述した第１実施例と同様にＴ／Ｎ特性
値の向上が図られるようになっている。

【００３２】一方、図８及び図９に示されている実施例
は、リラクタンス型構造のモータに本発明を適用したも
のであり、固定ケーシングの内周壁に、ステータコアを
構成する鉄心４４が環状に装着されている。鉄心４４
は、電磁鋼板を積層プレスにより成形してなるものであ
り、図８における鉄心４４の内周側は、櫛歯状の凹凸形
状に形成されているとともに、ロータコアを構成する鉄
心４２の各突極も、外周部分が櫛歯状の凹凸形状に形成
されており、両者が交互に多面にわたって対面配置され
ている。

【００３３】また図９におけるステータコアを構成する
鉄心４４の内周側は、コの字状の凹凸形状に形成されて
おり、ロータコアを構成する鉄心４２の各突極を、３面
にわたって取り囲むように対面配置されている。

【００３４】このようなリラクタンス型構造の各実施例
においても、ロータ側のコア鉄心４２と、ステータ側の
コア鉄心４４とが、複数面にわたって対面するように配
置されているため、両者の対面時におけるエアギャップ
の磁気抵抗が一定のレベル以下に低減され、上述した各
実施例と同様にＴ／Ｎ特性値の向上が図られるようにな
っている。

【００３５】以上本発明者によってなされた発明を実施
例に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施例に
限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で
種々変形可能であるというのはいうまでもない。

【００３６】

【発明の効果】以上述べたように本発明は、ロータ側の
コアとステータ側のコアとの対面部位を複数面にわたっ
て設けるように構成し、ロータ側のコアとステータ側の
コアとの対面時における磁気抵抗を一定のレベル以下に
低減したものであるから、特にリラクタンス型及び磁束
集中反転型の回転電機のＴ／Ｎ特性値を、簡易な構造で
大幅に向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例における回転電機を表した
平面説明図である。

【図２】図１に表した回転電機の構造を表した横断面説
明図である。

【図３】エアギャップと推力との関係を比較して表した
線図である。

【図４】本発明の第２実施例における回転電機を表した
横断面説明図である。

【図５】本発明の第３実施例における回転電機を表した
横断面説明図である。

【図６】本発明の第４実施例における回転電機を表した
横断面説明図である。

【図７】本発明の第５実施例における回転電機を表した
横断面説明図である。

【図８】本発明の第６実施例における回転電機を表した
横断面説明図である。

【図９】本発明の第７実施例における回転電機を表した
横断面説明図である。

【図１０】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１１】図１０に表した回転電機の構造を表した横断
面説明図である。

【符号の説明】

１２，２２，３２，４２鉄心（ロータコア）１５，２５，３５ヨーク板（ステータコア）１６，２６，３６ヨーク板（ステータコア）１５ａ，…，２５ａ…，３５ａ，… 磁路形成用凸部１６ａ，…，２６ａ…，３６ａ，… 磁路形成用凸部４４鉄心（ロータコア）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】相対的に回転移動するロータ側のコアと
ステータ側のコアとが、少なくとも回転時に対面するよ
うに配置され、これらロータ側のコアとステータ側のコ
アとの対面部位を通して、回転駆動用の磁気回路が形成
される回転電機において、上記ロータ側のコアとステータ側のコアとの対面部が、
複数面にわたって設けられていることを特徴とする回転
電機。
【請求項２】請求項１記載の回転電機において、ロータ側のコアとステータ側のコアとが、櫛歯状に対面
配置されていることを特徴とする回転電機。
【請求項３】請求項１記載の回転電機において、ロータ側のコアとステータ側のコアとの少なくとも一方
が、積層プレスにより成形された電磁鋼板から構成され
ていることを特徴とする回転電機。
【請求項４】請求項３記載の回転電機において、ロータ側のコアとステータ側のコアとのいずれか一方
が、横断面コの字状に形成され、当該コの字状のコアと
他方側のコアとの３面が対面配置されていることを特徴
とする回転電機。
【請求項５】請求項１記載の回転電機において、ロータ側のコアとステータ側のコアとは、回転駆動用の
永久磁石の磁束を一方側に集束させるように相互に近接
・離間し、かつその近接・離間毎に、上記磁束の方向が
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。
【請求項６】請求項１記載の回転電機において、ロータ側のコアとステータ側のコアとは、ステータ側の
電磁気的吸引力によりロータ側のコアに回転駆動力を生
じさせるリラクタンス型構造に構成されていることを特
徴とする回転電機。