WO2005091464A1 - 回転機 - Google Patents

Abstract

回転軸(19)の周方向に均等に設けられそれぞれ異なる磁極(N、S)が、半径方向に一定の距離を有して対向配置された回転子(15)と、対向する磁極(N、S)の間に形成される環状の空間部に、対向する磁極(N、S)とは僅少の隙間を有して周方向に均等配置される複数の鉄心(14)を備え、しかもそれぞれの鉄心(14)には巻線(25)、(26)が施された固定子(13)とを有し、更に、鉄心(14)は回転軸(19)に対して放射状に設けられ、それぞれの鉄心(14)は半径方向に透磁率の高い方向性電磁鋼板の積層体からなっている。

Description

明 細 書

回転機

技術分野

本発明は、 永久磁石を用いた発電機及び電動機に使用できる回転機に 係り、 より小型で構成でき効率の良い回転機に関する。

背景技術

例えば、 特許文献である日本国特開 2 0 0 2 - 1 9 1 1 5 5号に示す ように、 コイルを巻いた鉄心を有する固定子の内部に複数の永久磁石を 有する回転子を配置した回転機が知られており、 例えば、 自動車やその 他の工業機器に用いられている。 この回転機においては、 回転子を回転 させて固定子のコイル内に誘導起電力を発生させる発電機としての用途 と、 固定子のコイルに回転子の回転角度に合わせて制御された交流を流 して、 回転子に回転動力を発生させる電動機としての用途が知られてい る。

しかしながら、 従来の回転機においては、 固定子の鉄心は、 内側の回 転子に向けて複数 （前記特許文献では 1 2 ) の磁極部を有し、 この固定 子鉄心は電磁鋼板 （通常、 珪素鋼板） をプレスによって打ち抜き形成さ れているので、 一般に無方向性電磁鋼板 （通常、 無方向性珪素鋼板） が 使用されている。 更には、 卷線が施される鉄心は中間部にヨーク部分を 有し、 このヨーク部分に交番磁界が発生するので、 全体的に磁束が通る 磁路長さが長く、 これによつて鉄損が大きいという問題があつた。 一方、 回転機の出力を向上する場合には、 鉄心を通過する磁束量を増 やす必要があり、 この場合、 鉄心が前述のように無方向性電磁鋼板であ るので、 最大磁束密度はかなり低く、 結局は、 所定の磁束を通すために は、 鉄心量 （鉄心の体積をいう） を増やす必要があり、 鉄心量を増やす と巻線量も増加して、 小型化及び高効率化への障害となっていた。 本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、 同一の出力に対して鉄 心量を減少して小型化が可能な回転機を提供することを第 1の目的とし

、 更には、 卷線が施される各鉄心に最大磁束密度の高い方向性電磁鋼板 を使用して、 磁束密度を高め、 より高効率で更に小型化が可能な回転機 を提供できることを第 2の目的とする。

発明の開示

前記目的に沿う第 1の発明に係る回転機は、 回転軸の周方向に均等に 設けられそれぞれ異なる磁極 （N、 S ) が、 半径方向に一定の距離を有 して対向して配置された回転子と、 前記対向する磁極の間に形成される 環状の空間部に、 前記対向する磁極とは僅少の隙間を有して周方向に並 ベて配置される複数の鉄心を備え、 しかもそれぞれの前記鉄心には卷線 が施された固定子とを有する。 なお、 ここで、 周方向に配置される複数 の鉄心は周方向に均等に配置されるのが好ましいが、 不均等であっても よい。

これによつて、 固定子の鉄心が実質直線状となって、 鉄心の有効長さ を小さくすることができ、 これによつて、 磁束が通過する鉄心の体積を 軽減することができ、 結果として鉄損を減らすことができる。 鉄損を減 らすことによつて回転機からの発熱量が減るのて、 回転機の小型化を図 ることができる。 なお、 この発明において、 卷線を回転しない構造とし た場合は、 スリップリング等が不要となり全体的構造は簡略化される。 また、 第 2の発明に係る回転機は、 第 1の発明に係る回転機において 、 前記鉄心は前記回転軸に対して放射状に設けられ、 前記それぞれの鉄 心は半径方向に透磁率の高い方向性電磁鋼板の積層体からなる。 これに よって、 卷線が施される鉄心の磁束密度を高めることができ、 鉄心の体 積を減少させることができる。 鉄心 （即ち、 磁束が通過する鉄心） の体 積が減ると鉄損が減少し、 更に鉄心の断面積が減少すると卷線の量が減 るので、 銅損も合わせて減少する。

第 3の発明に係る回転機は、 第 1及び第 1の発明に係る回転機におい て、 前記回転子のそれぞれの前記磁極は、 半径方向に一定の距離を有し て配置された強力な永久磁石によつて形成され、 該対となる永久磁石を 磁気的にョ一クによって連結されている。 これによつて、 固定子鉄心を 通過する磁束量を高めることができる。 なお、 ヨークを通過する磁束は 脈動はするが交番磁界ではないので、 鉄損や渦電流損は少ない。

第 4の発明に係る回転機は、 第 1〜第 3の発明に係る回転機において 、 前記回転子及び前記固定子のケ一シングは、 前記回転軸に第 1の軸受 を介して連結され、 前記複数の鉄心をその円周方向に並べて固定する第

1の固定フレームと、 該第 1の固定フレームと対となって、 前記回転軸 に第 2の軸受を介して取付けられ前記回転子の周囲を覆う力ップ状の第

2の固定フレームとを有する。 これによつて、 固定子の組立及び分解が 簡略される。

そして、 第 5の発明に係る回転機は、 第 1〜第 4の発明に係る回転機 において、 前記回転子の回転角度を検知するセンサーが前記固定子に設 けられ、 別に設けられた電源によって、 前記センサ一からの信号に基づ き、 前記固定子の卷線に、 前記回転子の回転位相に合わせた所定の交流 電力を送って、 特に、 前記回転軸からの回転動力を得る電動機として用 いる。 なお、 前記センサ一としては例えば、 磁気の強さを検知するホ一 ル素子センサ一を採用するのが好ましい。

また、 第 6の発明に係る回転機は、 基準となる固定状態の中心軸の周 方向に設けられそれぞれ異なる磁極 （N、 S ) が、 半径方向に一定の距 離を有して対向して配置された複数の磁極を有する固定子と、 前記中心 軸を中心として前記対向する磁極の間に形成される環状の空間部に、 前 記対向する磁極とは僅少の隙間を有して周方向に均等配置される複数の 鉄心を備え、 しかもそれぞれの前記鉄心には巻線が施され、 更にそれぞ れの前記卷線に発生する電力を外部に送電するスリップリングを有する 回転子とを有する。 これによつて、 卷線が施された鉄心を回転させ、 磁 石を固定した回転機ができる。 なお、 この回転機を発電機として用いる 場合には、 回転子に発生電力を整流する整流器を搭載してもよい。 一方 、 この回転機を電動機として用いる場合には、 回転子の角度を検知して 、 固定子の磁極との間で常時一定方向に吸引力又は反発力が生じるよう に、 スリップリングを通じて回転子の卷線に電流を流すことになる。 更に、 第 7の発明に係る回転機は、 第 6の発明に係る回転機において 、 前記鉄心は前記中心軸に対して放射状に設けられ、 前記それぞれの鉄 心は半径方向に透磁率の高い方向性電磁鋼板の積層体からなる。 これに よって、 磁束密度を高めることができ、 鉄損及び銅損を減らして結果と して回転機を小型に構成できる。

また、 本発明に係る回転機において、 環状の空間部は 1つであるが、 更にその外側に 1又は 2以上の環状空間部を形成し、 固定子を配置する 場合も本発明は適用される。

図面の簡単な説明

図 1は本発明の一実施例に係る回転機の下半分を省略した側断面図、 図 2は同回転機の下半分を省略した正断面図、 図 3は電磁鋼板の磁束密 度と鉄損との関係を示すグラフである。

発明を実施するための最良の形態 図 1に示すように、 本発明の一実施例に係る回転機 1 0は、 ケーシン グを構成する第 1の固定フレーム 1 1及び第 2の固定フレーム 1 2 と、 第 1の固定フレーム 1 1に取付けられた固定子 1 3と、 固定子 1 3の構 成要素であって円周上に並べて配置された複数の鉄心 1 4に移動磁界を 与える回転子 1 5とを有している。 以下、 これらについて詳しく説明す る。

第 1、 第 2の固定フレーム 1 1、 1 2は鉄ゃ鎊物等の磁性金属又はそ の他の非磁性金属、 場合によっては非金属材料からなって、 それぞれ底 部に図示しない脚部を有する。 図 1において、 第 1の固定フレーム 1 1 の右端にフランジ 1 6を、 第 2の固定フレーム 1 2の左端にフランジ 1 7を備え、 複数のねじ 1 8によってフランジ 1 6、 1 7を強固に連結す るようになっている。 第 1の固定フレーム 1 1の中心には回転軸 1 9が 揷通する段付き孔 2 0が設けられている。 段付き孔 2 0の内側の大径孔 2 1には第 1の軸受の一例である回転ころ軸受 2 2が設けられて、 回転 軸 1 9を回転自在に支持している。

第 1の固定フレーム 1 1の内側部には鉄心取付け部 2 3を有し、 図 2 に示すように、 軸心 mを中心にして、 放射状に複数 （この実施例では 1 2 ) の鉄心 1 4が固定されている。 それぞれの鉄心 1 4は、 金属製 （非 磁性金属の方が好ましい） 又は硬質プラスチック製の取付け部材 2 4に よって固定されている。 この取付け部材 2 4はバンドであってもよいし 、 鉄心 1 4を貫通するねじであってもよい。 取付け部材 2 4を金属によ つて構成する場合には、 高抵抗の材料 （例えば、 オーステナイ ト系ステ ンレス） を使用するのが渦電流の発生を抑える上で好ましい。

この鉄心 1 4は、 短冊状 （即ち、 長方形状） に切断された薄い方向性 電磁鋼板の積層体からなって、 図 2に示すように、 回転軸 1 9を中心に 同一半径で放射状に配置されている。 それぞれの鉄心 1 4の両側には卷 線 2 5、 2 6が施され、 各鉄心 1 4に卷かれている卷線 2 5、 2 6は、 所定の結線 （例えば、 単相結線、 デルタ結線又はス夕一結線） を経て図 示しない外部の 2本又は 3本の導線に接続されている。 放射状に配置さ れてそれぞれ卷線 2 5、 2 6が施された鉄心 1 4が前記した固定子 1 3 を構成している。

この巻線 2 5、 2 6はこの回転機 1 0が発電機として使用する場合に は、 誘導起電力が発生するコイルとなり、 この回転機 1 0を電動機とし て使用する場合には、 外部から例えば回転子の回転位相に合わせた交流 電力を送ることによって、 固定子 1 3と回転子 1 5の磁極間に吸引力又 は反発力が発生する。

第 1の固定フレーム 1 1に対向する第 2の固定フレーム 1 2は、 その 中心に回転軸 1 9が揷通する段付き孔 3 9が設けられ、 また、 カップ状 となって一端に前記したフランジ 1 7が設けられ、 他端は段付き孔 3 9 の内側の大径孔 2 7に装着された第 2の軸受の一例である回転ころ軸受 2 8を介して回転軸 1 9に回転自在に装着されている。 この実施例では 、 第 1、 第 2の固定フレーム 1 1、 1 2は脚部を有して固定であるから 、 第 1、 第 2の固定フレーム 1 1、 1 2からなるケ一シングに回転ころ 軸受 2 2、 2 8を介して回転軸 1 9が自由回転可能に取付けられている ことになる。

以上のことより、 複数の鉄心 1 4は、 片持ち構造で第 1の固定フレー ム 1 1に放射状に取付けられているので、 回転軸 1 9と鉄心 1 4の半径 方向内側端部との間、 及び第 の固定フレーム 1 2の内側壁と鉄心 1 4 の半径方向外側端部との間には、 それぞれ環状の空間部 2 9、 3 0が形 成される。 そして、 片持ち取付けされた固定子 1 3の開放側 （即ち、 軸 方向） 端部と第 2の固定フレーム 1 2との間にも、 空間部 2 9、 3 0に 連通する空間部 3 1が形成され、 この空間部 2 9〜3 1に、 回転軸 1 9 を除く回転子 1 5が配置されている。

回転子 1 5は、 回転軸 1 9とこれに固着されるヨーク 3 2とヨーク 3 2の両端部に取付ける永久磁石 3 3、 3 4とを有している。 ヨーク 3 2 は透磁率の高い材質を使用するのが好ましいが、 場合によっては、 通常 の鉄、 鉄鏡物であってもよく、 内部を通過する磁束は変動はするが交番 はしないので、 鉄損は少なく更には渦電流の発生も少なく、 積層鉄心の みならず通常の塊状の磁性体も適用できる。 永久磁石 3 3、 3 4は、 例 えば、 ネオジゥム '鉄 ·ボロン系の強力磁石を使用するのが好ましいが 、 強力磁石であれば、 必ずしも磁石の種類に本発明は限定されない。 な お、 図 2において、 2点鎖線は交番磁束の流れを示す。

一つの鉄心 1 4を中央にして半径方向に一定の距離を有して向かい合 う永久磁石 3 3、 3 4は必ず S極と N極が向かい合う必要がある。 そし て、 円周方向に隣り合う永久磁石 3 3、 3 3及び 3 4、 3 4もそれぞれ S極と N極とするのが好ましい。 これによつて、 永久磁石 3 3、 3 4か ら発する磁束の磁気抵抗が減少し、 より効率の高い回転機 1 0となる。 この実施例においては、 永久磁石 3 3は回転軸 1 9に装着されたボス 3 5の半径方向外側に位置する部分に放射状にその一部又は全部が埋め込 まれている。 また、 永久磁石 3 4はボス 3 5に円板状部材 3 7を介して 連結される筒体 3 8の内側にその一部又は全部を埋設して固定されてい る。 ここで、 ボス 3 5、 円板状部材 3 7及び筒体 3 8はヨーク 3 2の構 成要素であり、 磁性体 （例えば、 鉄） によって構成されている。 従って 、 永久磁石 3 3、 3 4は磁気的にヨーク 3 2によって連結されることに なる。 以上のように固定子 1 3と回転子 1 5を構成することによって、 固定 子 1 3の鉄心 1 4を通過する磁束が半径方向に直線状となり、 結果とし て永久磁石 3 3、 3 4によって発生する磁束をより効率的に （即ち、 よ り低い磁気抵抗で） 通過させることができる。 また、 この鉄心 1 4に方 向性電磁鋼板を使用することによって、 更に鉄心 1 4を通過する磁束が 増加すると共に鉄損が減少し、 これによつて、 回転機 1 0の効率が向上 する。 この理由について以下に説明する。 例えば、 一般の筒状の固定子 とその内部を回転する回転子を有する発電機 （電動機でも同じ） の場合 のその出力 P 0は以下のように表される。

即ち、 P o∞ (B g) · (a c) · (D² - L) · (N)

ここで、 （B g) は固定子と回転子との空隙の平均磁束密度 （磁気装 荷） 、 （a c ) はアンペアコンダクター （電気装荷） 、 （D² . L) は 機器サイズで詳細には、 Dは固定子鉄心内径、 Lは鉄心層厚、 （N) は 回転数となる。 従って、 鉄心の透磁率が増加すると磁気抵抗が小さくな り、 磁気装荷 （B g) は大きくなる。 また、 鉄心の断面積が減少し、 こ れに巻かれる卷線の抵抗の内部抵抗も小さくなって、 内部抵抗が小さく なると共に銅損も減少し、 回転機の出力が大きくなる。

また、 鉄心 1 4に方向性電磁鋼板を使用すると、 図 3に示すように磁 束密度を高めて使用することができる他、 無方向性電磁鋼板に比較して 鉄損が少なく （例えば、 1 /2. 5〜1 /4. 5に減少する） 、 これに よって、 発熱が少なくなるので、 効率が向上すると共に、 機器の小型化 が可能となる。 なお、 図 3において、 k 1は方向性電磁鋼板の磁束密度 を、 k 2は無方向性電磁鋼板の磁束密度、 w 1は方向性電磁鋼板の鉄損 を、 w は無方向性電磁鋼板の鉄損を示す。

この実施例においては、 鉄心 1 4の長さ方向両端に少しの隙間を設け て永久磁石 3 3、 3 4を設け、 しかも、 鉄心 1 4には半径方向の内側と 外側の 2か所に卷線 2 5、 2 6が設けられている。 そして、 同一の鉄心 1 4に対する卷線 2 5、 2 6には、 卷き回数が同じであれば、 同一及び 同相の起電力が発生するので、 卷線 2 5、 2 6を並列又は直列接続する ことによって、 卷線 2 5、 2 6のィンピ一ダンスを変えることができ、 これによつて電圧や電流を変えることができる。 また、 各鉄心 1 4の卷 線に 1又は 2以上の中間タップを設け、 その接続方法 （例えば、 直接、 並列又はこれらを組み合わせて） を変えて、 回路のインピーダンスを変 えることもできる。

この回転機 1 0を発電機として使用する場合には、 回転軸に風車、 ェ ンジン、 水車等の回転動力を連結し、 電動機として使用する場合には、 回転子 1 5の回転角度を検出するセンサ一 （例えば、 ホールセンサ一） を固定子 1 3に設け、 センサーからの信号に基づき、 回転子 1 5の磁極 に対してその回転方向進み位相側に逆極性の磁極が発生し、 回転子 1 5 の磁極に対して遅れ位相側に同極性の磁極が形成できるように固定子 1 3の卷線 2 5、 2 6に別に設けられた電源によって電流を流すことにな る。

また、 前記実施例において、 固定子 1 3の鉄心 1 4の両側に永久磁石 3 3、 3 4を配置していたが、 片側を省略することもでき、 更には、 大 型の回転機においては、 永久磁石の代わりに電磁石とすることもできる そして、 前記実施例においては、 磁石側を回転子とし、 卷線側を固定 子としたが、 例えば、 卷線側 （有鉄心の場合と無鉄心の場合がある） を 回転子とし、 磁石側を固定子とすることもできる。 この場合は、 回転子 側の卷線に電力を送るため又は電力を得るために、 スリップリングゃコ ミユー夕が必要となるが、 卷線が設けられる側を中心軸に固定状態にし 、 外側の磁石側を回転させるとスリップリング等は不要となり、 コンパ クトな回転機を提供できる。

更には、 本発明は前記実施例に限定されるものではなく、 回転子及び 固定子の磁極の数を変更する場合や、 回転子及び固定子、 並びにこれら に合わせてケーシングの形状や寸法を変える場合も本発明は適用される 産業上の利用可能性

本発明に係る回転機は、 巻線が施される鉄心を直線状にして最小限度 に短くすることができるので、 鉄損を少なくすることができ、 これによ つて、 小型で高効率の回転機を提供できる。 そして、 特に、 鉄心を方向 性電磁鋼板とした場合には、 各鉄心の透磁率を飛躍的に高めることがで き、 これによつて、 同一電力に対して鉄心断面積を減らし、 更には鉄心 の断面積が減ると卷線量も減るので、 更に小型で高い効率の回転機を提 供できる。

従って、 電動機として使用する場合には、 小型軽量であることを必要 とする電動自転車、 自動車、 船舶、 飛行機、 列車等の交通機関用として 最適である。 また、 発電機として利用する場合も、 小型軽量でしかも高 効率であるので、 風力発電に限らず通常の発電所用の発電機としても使 用できる。

Claims

請求の範囲

1 . 回転軸の周方向に均等に設けられそれぞれ異なる磁極が、 半径方向 に一定の距離を有して対向して配置された回転子と、

前記対向する磁極の間に形成される環状の空間部に、 前記対向する磁 極とは僅少の隙間を有して周方向に並べて配置される複数の鉄心を備え 、 しかもそれぞれの前記鉄心には卷線が施された固定子とを有すること を特徴とする回転機。

2 . 請求項 1記載の回転機において、 前記複数の鉄心は周方向に均等に 配置されていることを特徴とする回転機。

3 . 請求項 1及び 2のいずれか 1項に記載の回転機において、 前記鉄心 は前記回転軸に対して放射状に設けられ、 前記それぞれの鉄心は半径方 向に透磁率の高い方向性電磁鋼板の積層体からなることを特徴とする回 転機。

4 . 請求項 1〜 3のいずれか 1項に記載の回転機において、 前記回転子 のそれぞれの前記磁極は、 半径方向に一定の距離を有して配置された対 となる強力な永久磁石によって形成され、 該対となる永久磁石は磁気的 にヨークによって連結されていることを特徴とする回転機。

5 . 請求項 1〜 4のいずれか 1項に記載の回転機において、 前記回転子 及び前記固定子のケーシングは、 前記回転軸に第 1の軸受を介して連結 され、 前記複数の鉄心をその円周方向に並べて固定する第 1の固定フレ —ムと、 該第 1の固定フレームと対となって、 前記回転軸に第 2の軸受 を介して取付けられ前記回転子の周囲を覆う力ップ状の第 2の固定フレ —ムとを有することを特徴とする回転機。

6 . 請求項 1〜 5のいずれか 1項に記載の回転機において、 前記回転子 の回転角度を検知するセンサ一が前記固定子に設けられ、 別に設けられ た電源によって、 前記センサ一からの信号に基づき、 前記固定子の卷線 に、 前記回転子の回転位相に合わせた所定の交流電力を送って、 特に、 前記回転軸からの回転動力を得る電動機として用いることを特徴とする 回転機。

7 . 基準となる中心軸の周方向に設けられそれぞれ異なる磁極が、 半径 方向に一定の距離を有して対向配置された複数の磁極を有する固定子と 前記中心軸を中心として前記対向する磁極の間に形成される環状の空 間部に、 前記対向する磁極とは僅少の隙間を有して周方向に均等配置さ れる複数の鉄心を備え、 しかもそれぞれの前記鉄心には巻線が施され、 更にそれぞれの前記卷線に発生する電力を外部に送電するスリップリン グを有する回転子とを有することを特徴とする回転機。

8 . 請求項 7記載の回転機において、 前記鉄心は前記中心軸に対して放 射状に設けられ、 前記それぞれの鉄心は半径方向に透磁率の高い方向性 電磁鋼板の積層体からなることを特徴とする回転機。