WO2023112829A1 - 単相回転電機およびそれを適用した掃除機、電動航空機、および電気機械 - Google Patents

単相回転電機およびそれを適用した掃除機、電動航空機、および電気機械 Download PDF

Info

Publication number
WO2023112829A1
WO2023112829A1 PCT/JP2022/045308 JP2022045308W WO2023112829A1 WO 2023112829 A1 WO2023112829 A1 WO 2023112829A1 JP 2022045308 W JP2022045308 W JP 2022045308W WO 2023112829 A1 WO2023112829 A1 WO 2023112829A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
stator
electric machine
phase
stator core
poles
Prior art date
Application number
PCT/JP2022/045308
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
裕治 榎本
大祐 佐藤
博久 佐野
泰弘 丸川
京平 相牟田
守 木村
正宏 増澤
Original Assignee
株式会社プロテリアル
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 株式会社プロテリアル filed Critical 株式会社プロテリアル
Priority to JP2023567748A priority Critical patent/JPWO2023112829A1/ja
Publication of WO2023112829A1 publication Critical patent/WO2023112829A1/ja

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/02—Details of the magnetic circuit characterised by the magnetic material
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/12—Stationary parts of the magnetic circuit
    • H02K1/14—Stator cores with salient poles
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/12—Stationary parts of the magnetic circuit
    • H02K1/20—Stationary parts of the magnetic circuit with channels or ducts for flow of cooling medium
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K21/00—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
    • H02K21/12—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets
    • H02K21/14—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets with magnets rotating within the armatures
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/04—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors
    • H02K3/24—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors with channels or ducts for cooling medium between the conductors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K41/00—Propulsion systems in which a rigid body is moved along a path due to dynamo-electric interaction between the body and a magnetic field travelling along the path
    • H02K41/02—Linear motors; Sectional motors

Definitions

  • the present invention relates to a single-phase rotating electrical machine driven by single-phase alternating current, and particularly to the structure of a stator core and stator coils.
  • Motor output is the product of rotation speed and torque, and torque increases in proportion to current.
  • An equivalent output can be obtained with a small current by reducing the current, that is, reducing the torque, and increasing the number of revolutions instead.
  • a rotating electrical machine for driving an automobile is being developed in the direction of reducing the size and weight of the motor by increasing the rotation speed and increasing the speed reduction ratio of the gear. That is, in moving bodies such as automobiles, since the weight of the drive system itself such as a motor also contributes to fuel efficiency, there is a demand for a smaller size and lighter weight.
  • small and lightweight motors for drones and aircraft are also required.
  • it is used in such a way as to increase the amount of work done by the propeller.
  • motors are becoming smaller and lighter due to higher speeds.
  • stick-type and cordless vacuum cleaners are becoming more popular for household use, and stick-types need to be heavy enough for users to handle, and batteries and electric blowers must be light as well. be.
  • cordless vacuum cleaners also need to be equipped with an additional battery, and a drive system that is lighter than the electric blowers used in conventional vacuum cleaners is required. For this reason, there is an increasing need to increase the speed and size of motors, and vacuum cleaner manufacturers use motors that rotate more than about 100,000 revolutions per minute.
  • Patent Documents 1 and 2 as prior art documents in this technical field.
  • a gap is provided on the outer peripheral side of the stator core to allow air to flow between the stator holding case and the stator core, thereby dissipating heat due to iron loss generated in the core.
  • by using a Y-shaped split core in which the stator is divided for each pole winding to the teeth is facilitated and winding with a high space factor can be achieved.
  • the copper loss can be reduced, so that heat generation of the motor can be suppressed and a high-speed motor can be configured.
  • Patent Document 2 shows a single-phase motor applied to a vacuum cleaner.
  • Patent Document 2 discloses a single-phase motor having 8 magnet poles and 8 stator pole teeth, and has a structure in which a large ventilation path is provided between the stator poles by concentrating the windings of the stator. .
  • the blower motor with a high output density that secures the output by the number of revolutions has a structure in which the cooling performance is obtained by flowing the air in the axial direction of the motor.
  • single-phase motors have a structure in which the windings are wound around the teeth of the stator, and the windings are arranged in winding spaces called slots. For this reason, even if it is attempted to cool by passing air in the axial direction, there is a problem that the cross-sectional area of the ventilation passage is small and the cooling performance cannot be improved.
  • a ventilation passage is provided outside the core. Therefore, the structure is such that the heat dissipation performance cannot be improved.
  • Patent Document 2 has a structure in which a large ventilation flow path is provided in the cross section that constitutes the motor, so that the intake air can flow smoothly.
  • the coil portion is also exposed to the ventilation path, the cooling effect is enhanced.
  • the conductors other than the conductors in the portion surrounded by the stator core are the portions called coil ends that connect the essential conductor portions, resulting in a structure that causes an increase in resistance. there is Therefore, there is a problem that heat generation itself increases due to the generation of Joule loss in proportion to the resistance value of the conductor coil.
  • the surface of the coil is not exposed to the main ventilation path, there is a problem that heat dissipation from the surface of the coil is lowered.
  • the present invention is a single-phase rotating electric machine driven by a single-phase alternating current, which has a stator core, rotor magnets, and stator coils mounted in slots of the stator core.
  • the ratio of the number of magnet poles of the rotor magnet to the number of stator poles of the stator core is 3:2.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the single-phase rotating electrical machine in Embodiment 1 as seen from the axial direction;
  • FIG. 2 is a perspective view showing the shape of the stator core and the arrangement structure of coils of the single-phase rotating electrical machine in Example 1.
  • FIG. It is a cross-sectional structural diagram of a general three-phase permanent magnet synchronous motor.
  • 1 is a cross-sectional view of a typical single-phase synchronous motor;
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing the core shape and coil arrangement structure of the single-phase motor of Patent Document 1;
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing the core shape and coil arrangement structure of the single-phase motor of Patent Document 2; 2C is a cross-sectional view illustrating the detailed configuration of the single-phase motor of FIG. 2D;
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a single-phase rotating electric machine in Example 1.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a 6-magnet pole type single-phase rotating electrical machine in Example 1.
  • FIG. FIG. 4B is a diagram illustrating a method of manufacturing the stator core of the single-phase rotating electrical machine of FIG. 4A; 4B is a diagram showing various structures of the stator core of the single-phase rotating electrical machine of FIG. 4A;
  • FIG. 4B is a diagram showing various structures of the stator core of the single-phase rotating electrical machine of FIG. 4A;
  • FIG. 4B is a diagram showing various structures of the stator core of the single-phase rotating electrical machine of FIG. 4A;
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a 12-pole type single-phase rotating electric machine in Example 1.
  • FIG. It is a figure explaining the manufacturing method of the stator core of the single-phase rotary electric machine of FIG. 5A.
  • 5B is a perspective view of the motor structure of the single-phase rotating electric machine of FIG. 5A;
  • FIG. 1 is a perspective view of a housing of a 6-magnet pole type single-phase rotating electric machine in Embodiment 1.
  • FIG. 1 is a perspective view of a stator core of a 6-magnet pole type single-phase rotating electric machine in Embodiment 1.
  • FIG. 1 is a perspective view of a stator coil of a 6-magnet pole type single-phase rotating electrical machine in Example 1.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a state in which a stator core of a six-magnet pole type single-phase rotating electrical machine in Example 1 is incorporated in a housing.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining the assembly of the stator coil of the six-magnet pole type single-phase rotating electric machine in the first embodiment; 1 is a diagram showing the appearance of a single-phase rotating electric machine in Example 1.
  • FIG. 1 is a diagram showing an assembly structure of a single-phase rotating electrical machine in Example 1.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view of an outer rotor type single-phase electric rotating machine according to a second embodiment;
  • FIG. 10 is a cross-sectional view of a linear motor type electric machine in Example 2;
  • FIG. 11 is a perspective view showing an example in which the single-phase rotating electrical machine in Example 3 is applied to a cleaner;
  • FIG. 11 is a perspective view showing an example in which the single-phase rotating electrical machine in Example 3 is applied to a drone;
  • FIG. 1A is a cross-sectional view of a single-phase rotating electric machine driven by single-phase alternating current in this embodiment, viewed from the direction of the rotating shaft (hereinafter simply referred to as the axial direction).
  • FIG. 1B is a perspective view in which the housing 2 in FIG. 1A is hidden.
  • FIG. 1A the positional relationship between the housing 2, the stator core 1, the stator coils 3 and the rotor magnets 4 is shown.
  • the housing 2 of this embodiment is made of aluminum, has an inner peripheral curved surface that contacts the outer peripheral side of the stator core 1, and is shaped so that the outer peripheral side of the stator core 1 can be in close contact.
  • the stator core 1 is held in the direction of the central portion of the rotating shaft of the housing 2 .
  • the number of magnet poles of the rotor magnet is 6 and the number of stator poles is 4 (the ratio of the number of magnet poles of the rotor magnet and the number of stator poles of the stator iron core is 3:2).
  • the rotor magnet 4 is attached to the shaft 5 and rotates as a rotor with the shaft 5 as the rotation axis.
  • the rotor magnet 4 has six poles, and the N poles and S poles are alternately arranged at uniform angles in the circumferential direction.
  • Various orientations such as radial orientation, polar anisotropic orientation, and parallel magnetization for each pole can be configured for the orientation of the magnets.
  • the stator poles of the stator iron core 1 are arranged for two poles of the magnet poles of the rotor magnet 4, forming an inner rotor type positional relationship in which the rotor is inside.
  • the magnet poles in the 12 o'clock and 6 o'clock directions shown in FIG. 1A are configured without the opposing stator core 1 .
  • the stator core 1 has a substantially horseshoe shape.
  • a conductor is arranged in a slot surrounded by this stator core 1, and the conductor is connected to a conductor arranged inside another stator core 1 at a conductor portion constituting a transition to form one fixed conductor. It is set as the structure which forms the child coil 3. As shown in FIG. That is, the stator coils 3 are mounted in the slots of the stator core 1, but in the example of FIG. It is configured to be connected to the arranged conductor.
  • FIG. 1B is a perspective view of the single-phase rotating electric machine in this embodiment, which makes it easy to understand the positional relationship between the transitions of the stator coils 3 and the stator core 1 .
  • the stator coil 3 is composed of an essential conductor portion 3a that is surrounded by the stator core 1 and is essential for forming a magnetic flux, and a conductor portion that forms a transition called coil end 3b that connects the essential conductor portions 3a.
  • the stator core 1 is constructed by stacking thin plate stamped products in the axial direction. It is configured to be electrically insulated in the direction.
  • a large gap is formed in the region of the stator that constitutes the single-phase rotating electric machine. That is, since the stator core 1 does not exist in the 12:00 and 6:00 direction portions in FIG. 1A, the ventilation passages 15 are formed through the axial direction. Since the coil ends 3b, which are connecting portions of the stator coils 3, are exposed in the ventilation passages 15, the stator coils 3 are easily cooled by the air passing through the coil ends 3b. That is, since an air flow path (ventilation path 15) having a structure in which air flows is provided in the space provided for one pole of the magnet pole, the conductor is exposed and cooled in the air flow path. Become.
  • in-slot ventilation passage 16 which is a space in which neither coils nor cores are arranged, and this portion also serves as a large ventilation passage extending in the axial direction.
  • This also has a structure in which heat is easily taken away by air passing through the side surface of the stator coil 3 and the inner peripheral surface of the stator core 1, so that the structure improves the heat dissipation performance.
  • Figures 2A to 2D show the cross-sectional structure of a general motor, and explain the difference from the structure of the single-phase rotating electric machine in this embodiment shown in Figures 1A and 1B.
  • FIG. 2A shows the cross-sectional structure of a general three-phase permanent magnet synchronous motor. It has a structure with 8 magnet poles and 12 stator poles. Since the stator is a three-phase motor, the number of poles is a multiple of three. In addition, the number of magnet poles is a multiple of 2 since the magnet has one pair of N and S poles.
  • the basic form of a concentrated winding permanent magnet synchronous motor is to have three stator poles for two magnet poles. Concentrated winding is a structure in which windings are wound around the teeth of the stator, and the wires wound around the teeth are arranged in the slots of the stator core as shown in FIG. 2A. Looking at FIG. 2A, it can be expected that it would be rather difficult for the wind to pass through the stator.
  • FIG. 2B shows a cross-sectional view of a general single-phase synchronous motor. Since this is a single phase, the number of stator poles need not be a multiple of three. Here, the case of 8 magnet poles and 8 stator poles is illustrated. As in FIG. 2A, this is also a concentrated winding, so it can be understood that it is difficult for the coil conductors wound around the teeth to be arranged in the slots and take a large air flow path in the stator cross section. .
  • FIG. 2C shows a structure in which the split core shown in Patent Document 1 is provided with an air flow path on the outer peripheral side of the stator core.
  • the magnet poles are four poles and the stator poles are four poles.
  • the core of the stator is divided for each magnetic pole, it has a structure in which the coil can be easily wound around the teeth. For this reason, the structure is such that a gap is provided in the slot by tightly winding the coil around the tooth with a high space factor.
  • a passage through which air flows is also provided outside the iron core.
  • the outer flow path is narrow and the ventilation loss increases.
  • FIG. 2D shows a single-phase motor structure with 8 magnet poles and 8 stator poles of Patent Document 2.
  • the iron core and the coil are configured in the same region as above, it can be seen that fairly large air flow paths are configured at four locations in the circumferential direction.
  • the stator coils By arranging the stator coils for every two stator poles, the arrangement is made at four locations in the circumferential direction, and a large space is secured at the remaining four locations.
  • the air flow path is large, it is thought that the cooling performance of the parts in contact with the flow path can be improved.
  • FIG. 3A is a cross-sectional view illustrating the detailed configuration of the single-phase motor of FIG. 2D.
  • FIG. 3A shows a single-phase motor with 8 magnet poles and 8 stator poles, in which the stator poles and the magnet poles face each other.
  • the flow of magnetic flux coming out of the N pole of the rotor magnet 4 and entering the S pole is illustrated by dotted lines. It can be seen from FIG. 3A that the magnetic flux flows counterclockwise in all four stator cores 1 .
  • the essential conductor portion 3a arranged inside the stator core 1 is subject to a current flowing upward in the plane of the drawing. Recognize. Also, it can be seen that the current flows in the opposite direction at the coil end 3b arranged on the outer peripheral side of the motor. In this motor structure, the coil ends 3b arranged on the outer periphery are originally electrically unnecessary, but they are arranged unavoidably in order to pass the necessary current to the conductors inside the stator core.
  • Coil conductors other than essential conductor portions arranged inside the stator core only increase copper loss, causing an increase in the amount of heat generated.
  • FIG. 3B shows a cross-sectional view of the single-phase rotating electric machine in this embodiment.
  • the number of magnet poles is 6 and the number of stator poles is 4 (the ratio of the number of magnet poles of the rotor magnet to the number of stator poles of the stator iron core is 3:2).
  • the substantially horseshoe-shaped stator core 1 faces two poles of the rotor magnet 4, and has a structure in which one pole is skipped and another two poles of the stator core 1 are arranged. That is, the two stator poles of the stator core 1 are arranged in an angle range facing the two magnetic poles of the rotor magnet 4, and one magnetic pole has a facing portion of the stator pole.
  • the dashed lines indicate the flow of magnetic flux coming out of the N pole of the magnet and returning to the S pole.
  • the path out of the N and back to the S pole is counterclockwise.
  • the flow of magnetic flux in the iron core on the left side is the flow of magnetic flux that exits from the N pole and returns to the S pole through the stator core, which has high magnetic permeability, as before, the flow of magnetic flux is is clockwise.
  • the current commensurate with this flux flow is shown oriented on the essential conductor portion 3a of the stator coil.
  • the stator coil can be configured by connecting the respective conductors. That is, the stator coil 3 is formed by connecting the right and left essential conductor portions 3a with the coil ends 3b. As a result, useless coil end portions can be greatly reduced.
  • the number of magnet poles is 6, which is 3/4 of the number in the case of FIG. 3A. Therefore, compared to the structure in FIG. can do.
  • the air flow path in the axial direction can be made large, so the cooling capacity is also high.
  • FIGS. 4A to 4E show specific configuration examples of the stator core of FIG. 3B described above in this embodiment.
  • the drawing assumes an iron core with an outer diameter of about ⁇ 30 mm, which is applied to a vacuum cleaner motor.
  • FIG. 4A shows a cross-sectional view of a single-phase rotating electrical machine in this embodiment having rotor magnets 4 with six magnet poles and an outer diameter of ⁇ 10 mm.
  • the substantially horseshoe-shaped stator core 1 has a magnetic path width of 2.8 mm and an average magnetic path length of about 30 mm.
  • the inner circumferential length of the substantially horseshoe-shaped stator core 1 is 24.3 mm, and the outer circumferential length is 37.3 mm.
  • FIG. 4C When this is composed of an iron-based amorphous metal foil strip, as shown in FIG. It can be formed by folding a stack of sheets into a substantially horseshoe shape.
  • the shape formed by bending has a structure as shown in FIG. 4C, which can be configured with an amorphous metal foil strip.
  • FIG. 4D a method in which the amorphous metal foil strip is wound around a take-up piece or the like, impregnated with resin and hardened, and then cut to form the tip portion of the teeth. is also conceivable. So far, we have shown examples of stator core configurations using iron-based amorphous metal foil strips. You can also Furthermore, as a general method, it is also possible to create by laminating thin plates, as is done with electromagnetic steel sheets, as shown in FIG. 4E.
  • FIG. 5A to 5C show the case where the number of magnet poles of the single-phase rotating electric machine in this embodiment is 12 and the number of stator poles is 8 (the number of magnet poles of the rotor magnet and the number of stator poles of the stator iron core).
  • a specific configuration example of a stator core with a ratio of 3:2) is shown.
  • a cross-sectional structure is shown in FIG. 5A.
  • FIG. 5A the configuration in which the two poles of the substantially horseshoe-shaped stator core 1 are opposed to the two magnet poles is the same as in FIG. 4A.
  • stator poles are a set for three magnet poles. Also, since the stator has a structure in which the essential conductor portions 3a of the stator coils arranged inside the stator core 1 are respectively connected by the coil ends 3b, two stator cores form a set. The number of stator coils 3 is a multiple of two.
  • Fig. 5B shows an example in which an iron core is configured with an amorphous metal foil band, similar to the previous 6-pole machine.
  • the thickness of one amorphous metal foil strip is 25 ⁇ m, and the number of sheets is about 50 when the magnetic path width of FIG. 5A is 1.4 mm, considering that the space factor is 90%.
  • FIG. 5C shows a perspective view of the motor structure when the number of magnet poles is 12.
  • the same components as those in FIGS. 1A and 1B are denoted by the same reference numerals, and descriptions thereof are omitted.
  • Reference numeral 6 denotes a bearing that supports the shaft 5 rotatably.
  • the greater the number of poles the shorter the coil transition distance, so the coil end portion can be shortened and the copper loss can be reduced.
  • iron loss increases, so it is necessary to select the number of poles according to the operating point such as rotation speed and torque.
  • FIG. 6 is a perspective view of the assembly structure of the single-phase rotating electric machine shown in FIG. 5C.
  • the stator core 1 is held by the stator core holding member 7 for holding the stator core, and the stator coil 3 preformed by winding is inserted through the slot opening for assembly.
  • the stator core holding member 7 is arranged inside the housing 2, the stator core 1 may be held directly inside the housing 2 without the stator core holding member 7, as shown in FIG. 1A.
  • the rotor can be manufactured by attaching the rotor magnet 4 to the shaft 5 or by adhering a ring-shaped magnet.
  • a balance ring is installed at both ends of the magnet and the balance is corrected by grinding the part, and a strength member such as carbon fiber is installed on the surface of the magnet to prevent scattering when it is damaged.
  • a strength member such as carbon fiber is installed on the surface of the magnet to prevent scattering when it is damaged.
  • FIGS. 7A to 7E show the detailed structure and assembly structure of each part of the 6-pole magnet pole model shown in FIGS. 1A and 1B.
  • FIG. 7A shows the structure of the housing 2 made of aluminum. As shown in FIG. 1A, the inner peripheral surface of the housing 2 has a curved surface that matches the outer peripheral surface of the stator core, and has a stepped structure for positioning the stator core in the axial direction. I understand. 7B shows the shape of the stator core 1. FIG. In FIG. 7B, it has a laminated structure of thin plates. 7C shows the stator coils 3. FIG. FIG. 7D shows a state in which the stator core 1 is assembled in the housing 2. FIG. As shown in FIG.
  • FIG. 7D a substantially horseshoe-shaped stator core 1 formed by stacking thin plates is inserted into a housing 2 and assembled.
  • FIG. 7E is a diagram illustrating assembly of the stator coil 3.
  • the width of the stator coil 3 smaller than the dimension of the slot opening of the stator core 1, the tightly wound stator coil can be used as a part instead of winding the molded stator coil around the stator core. can be assembled as
  • FIG. 8A shows the appearance of the single-phase rotating electric machine in this embodiment.
  • FIG. 8B shows the assembly structure of the single-phase rotating electric machine in the embodiment.
  • end brackets 8 for holding bearings 6 (bearings) that allow the shaft 5 to rotate are provided on the output shaft side and the counter-output shaft side. (air flow path) is provided. Thereby, it is configured such that the air flows through the inside of the single-phase rotating electric machine.
  • the area where the stator poles are not opposed is 1/3 of the circumference of the motor. It becomes a structure that exists in the region of For this reason, the area becomes a ventilation path (air flow path), and the cooling performance can be significantly improved.
  • the structure is such that a part of the coil end is exposed to the ventilation path (air flow path), it is possible to directly cool the heat of the coil end, which is a heating element.
  • the heat generated from the stator core part is in contact with a housing material with good thermal conductivity such as aluminum, which improves heat dissipation, and the housing itself faces the ventilation path (air flow path).
  • the stator coil can employ a molded coil that is wound in alignment, the coil can be made compact with a high space factor.
  • the coil which has been prepared in advance in a predetermined shape, can be assembled after the stator core is assembled in the housing, the productivity is improved as compared with a general rotary electric machine.
  • the shape of the stator core is a simple horseshoe shape, thin magnetic steel sheets, hard magnetic steel sheets containing 6.5% Si, iron-based amorphous metals, and iron-based nanocrystalline alloys ( In particular, it is also possible to use low-loss materials such as high-Bs nanocrystalline alloys.
  • the useless coil end portion can be greatly reduced, the resistance value of the stator coil can be lowered and the amount of heat generated can be reduced.
  • the single-phase rotating electric machine in this embodiment can have a smaller rotor diameter, so it is a motor suitable for higher speeds, and by increasing the speed, the mechanical output can be improved even with the same torque.
  • an inner rotor type single-phase rotating electric machine has been described, but in the present embodiment, the configuration of the single-phase rotating electric machine in the first embodiment is applied to an outer rotor type rotating electric machine or a linear motor type electric machine. An example will be described.
  • FIG. 9A is a cross-sectional view of an outer rotor type single-phase electric rotating machine in this embodiment.
  • FIG. 9A components having the same functions as those in FIGS. 1A and 1B are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
  • FIG. 9A shows the structure of the single-phase rotating electric machine in the first embodiment applied to an outer rotor type single-phase rotating electric machine. An example of eight stator poles is shown.
  • 9 is an outer rotor yoke. As shown in FIG. 9A, it can be seen that the ventilation passage 15 can be secured in the outer rotor type as well as in the inner rotor type.
  • FIG. 9B is a cross-sectional view when the configuration of the single-phase rotating electrical machine in Example 1 is applied to a linear motor type electrical machine.
  • components having the same functions as those in FIGS. 1A and 1B are denoted by the same reference numerals, and descriptions thereof are omitted.
  • 10 is a linear mover yoke and 11 is a mover magnet.
  • the above single-phase rotating electric machine is read as a linear motor type electric machine.
  • the ventilation path 15 can be secured in the same manner as in a single-phase rotating electric machine.
  • FIG. 10A is an example in which the single-phase rotating electric machine described in the above embodiment is applied to a vacuum cleaner. That is, the single-phase rotating electric machine described in the above embodiment can be used for the motor 100 of the electric blower portion of the stick-type cleaner 20.
  • FIG. 10A is an example in which the single-phase rotating electric machine described in the above embodiment is applied to a vacuum cleaner. That is, the single-phase rotating electric machine described in the above embodiment can be used for the motor 100 of the electric blower portion of the stick-type cleaner 20.
  • FIG. 10B is an example in which the single-phase rotating electric machine described in the above embodiment is applied to a propeller fan for an electric aircraft such as a drone. That is, the single-phase rotating electric machine described in the above embodiment can be used for the motor 100 that drives the propeller fan 31 of the drone 30.
  • the use of the single-phase rotating electric machine described in the above embodiment is suitable in that the motor can be cooled by air and that it must be made smaller by speeding up.
  • the present invention can reduce the power consumption of the single-phase rotating electric machine by providing a single-phase rotating electric machine having a structure capable of enhancing heat dissipation and reducing the amount of heat generated. Therefore, it is possible to reduce carbon emissions, prevent global warming, and contribute especially to item 7 energy for realizing SDGs (Sustainable Development Goals).
  • the present invention is not limited to the above-described examples, and includes various modifications.
  • the above-described embodiments have been described in detail in order to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and are not necessarily limited to those having all the described configurations.
  • it is possible to replace part of the configuration of one embodiment with the configuration of another embodiment and it is also possible to add the configuration of another embodiment to the configuration of one embodiment.
  • stator core 1: stator core
  • 2: housing 3: stator coil
  • 4: rotor magnet 5: shaft
  • 6: bearing 7: stator core holding member
  • 9 outer rotor yoke
  • 10 linear mover yoke
  • 11: mover magnet 15: ventilation path
  • 16 ventilation path in slot
  • 31: propeller fan 100: motor

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)

Abstract

放熱性を高め、かつ、発熱量を低減できる構造を有する単相回転電機を提供することを目的とする。　上記目的を達成するために、単相交流で駆動される単相回転電機であって、固定子鉄心と、回転子磁石と、固定子鉄心のスロットに装着される固定子コイルを有し、回転子磁石の磁石極数と固定子鉄心の固定子極数の比が３：２となる構成とする。

Description

単相回転電機およびそれを適用した掃除機、電動航空機、および電気機械
　本発明は、単相交流で駆動される単相回転電機に係り、特に、固定子鉄心、及び、固定子コイルの構造に関する。
　近年、回転電機である所謂モータの出力密度を向上させるトレンドとして、モータの高速化が進められている。モータの出力は、回転数とトルクの積であり、トルクは電流に比例して増加する。電流を少なくして、すなわち、トルクを小さくして、代わりに回転数を高めることで小さな電流で同等の出力を得ることができる。例えば、自動車駆動用の回転電機は、回転数を高め、ギヤの減速比率を大きくすることでモータを小型化して軽量化する方向で開発が進められている。すなわち、自動車のような移動体では、モータなどの駆動系自体の重量も燃費に寄与するため、小型軽量が求められている。同様にドローンや、航空機向けモータにおいても小型で軽量のものが必要である。こちらでは、モータの回転数を高めることによって、プロペラの仕事量を増やすような使われ方となっている。
　移動体以外でも、高速化によるモータの小型軽量化が進んでいる。例えば、家庭で使用される掃除機はスティック型やコードレス型が好まれるようになってきており、スティックタイプは使用者が扱える重量である必要があり、電池と電動送風機を併せて軽くする必要がある。また、コードレスタイプの掃除機においても、電池を追加で搭載する必要があり、これまでの掃除機に使用していた電動送風機よりも軽量の駆動系が必要となってきている。このため、モータを高速にして小型化する必要性が高まっており、掃除機では各メーカとも１分間あたり約１０万回転超のモータが使用されるようになっている。
　モータの高速化では、駆動周波数が高くなることから、軟磁性材料には、鉄損が低い材料の利用が望まれる。薄手の電磁鋼板や６．５％Ｓｉを含有した電磁鋼板、鉄基アモルファス金属材料、鉄基の高Ｂｓナノ結晶材料などが候補となる。また、小型にすることで、モータの放熱面積が低下するため、放熱性能の向上が必要となる。例えば、掃除機用のモータでは、吸引する空気をモータの表面にあてることで放熱性を確保している設計がなされており、モータの内部に空気の流路を大きく取るような設計となっている。
　本技術分野における先行技術文献として、特許文献１、特許文献２がある。特許文献１では、固定子鉄心の外周側に空隙を設けることによって、固定子保持ケースと固定子鉄心の間に空気が流れるようにして、鉄心で発生する鉄損による熱を放熱する構成がとられている。また、固定子が１極ごとに分割されたＹ型分割コアとすることで、ティースへの巻き線を容易にし、かつ、占積率の高い巻線ができるようにしている。これによって、銅損を低減できるため、モータの発熱を抑え、高速のモータを構成することができるとして提案されている。
　特許文献２には掃除機に適用される単相モータが示されている。特許文献２では、磁石極８、固定子極ティースが８の単相モータが示されており、固定子の巻き線を集中させることによって固定子極間に大きな通風路を設けている構造としている。このように、回転数で出力を確保する出力密度の高い送風機用モータは、モータの軸方向に風を流すことで冷却性能を得る構造となっている。
特開２０２１－１００３７７号公報 特開２０２０－１４１５５７号公報
　一般的に単相モータは、固定子のティースに巻線を巻き付ける構造となっており、スロットと呼ばれる巻線スペースに巻線が配置される構造となる。このため、軸方向に風を通して冷却しようとしても、通風路の断面積が小さく、冷却性能を高くすることができないといった課題がある。特許文献１では、その課題を克服するために、コアの外側に通風路を設けているが、コイルのジュール損失によって発生する熱を、コアへの熱伝導を経て、コアの表面から放熱させなければならないために、放熱性能を高くできない構造となっている。
　一方、特許文献２は、モータを構成する断面に大きな通風流路を設けているため、吸い込み風をスムーズに流せる構造となっている。また、通風路にコイル部分も露出しているため、冷却効果も高くなる構成となっている。しかし、特許文献２に示されるモータ構造では、固定子鉄心で囲まれた部分の導体以外の導体は、コイルエンドと呼ばれる必須導体部分同士をつなぐ部分であり、抵抗の増加を招く構造となっている。このため、導体コイルの抵抗値に比例して、ジュール損失を発生させるため発熱自体が大きくなってしまう問題がある。また、メインの通風路にコイルの表面が露出していないためにコイル表面からの放熱性が低下するという課題がある。
　本発明は、上記課題に鑑み、放熱性を高め、かつ、固定子コイルの抵抗値を低下させて発熱量を低減できる構造を有する単相回転電機を生産性高く得ることを目的とする。
　本発明は、その一例を挙げるならば、単相交流で駆動される単相回転電機であって、固定子鉄心と、回転子磁石と、固定子鉄心のスロットに装着される固定子コイルを有し、回転子磁石の磁石極数と固定子鉄心の固定子極数の比が３：２となる構成とする。
　本発明によれば、放熱性を高め、かつ、発熱量を低減できる構造を有する単相回転電機を提供できる。
実施例１における単相回転電機の軸方向から見た断面図である。 実施例１における単相回転電機の固定子鉄心形状やコイルの配置構造を示す斜視図である。 一般的な３相永久磁石同期モータの断面構造図である。 一般的な単相同期電動機の断面図である。 特許文献１の単相モータの鉄心形状、コイル配置構造を示す断面図である。 特許文献２の単相モータの鉄心形状、コイル配置構造を示す断面図である。 図２Ｄの単相モータの詳細な構成を説明する断面図である。 実施例１における単相回転電機の断面図である。 実施例１における磁石極６極タイプの単相回転電機の断面図である。 図４Ａの単相回転電機の固定子鉄心の製作方法を説明する図である。 図４Ａの単相回転電機の固定子鉄心の各種構造を示す図である。 図４Ａの単相回転電機の固定子鉄心の各種構造を示す図である。 図４Ａの単相回転電機の固定子鉄心の各種構造を示す図である。 実施例１における磁石極１２極タイプの単相回転電機の断面図である。 図５Ａの単相回転電機の固定子鉄心の製作方法を説明する図である。 図５Ａの単相回転電機のモータ構造の斜視図である。 実施例１における磁石極１２極タイプの単相回転電機の部品の組み立て方法を示す斜視図である。 実施例１における磁石極６極タイプの単相回転電機のハウジングの斜視図である。 実施例１における磁石極６極タイプの単相回転電機の固定子鉄心の斜視図である。 実施例１における磁石極６極タイプの単相回転電機の固定子コイルの斜視図である。 実施例１における磁石極６極タイプの単相回転電機の固定子鉄心をハウジングに組み込んだ状態を示す斜視図である。 実施例１における磁石極６極タイプの単相回転電機の固定子コイルの組み立てを説明する図である。 実施例１における単相回転電機の外観を示す図である。 実施例１における単相回転電機の組立構造を示す図である。 実施例２におけるアウターロータ型の単相回転電機の断面図である。 実施例２におけるリニアモータ型の電気機械の断面図である。 実施例３における単相回転電機を掃除機に適用した例を示す斜視図である。 実施例３における単相回転電機をドローンに適用した例を示す斜視図である。
　以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。
　図１Ａは、本実施例における単相交流で駆動される単相回転電機の回転軸方向（以降、簡単に軸方向と称する）から見た断面図である。また、図１Ｂは、図１Ａにおけるハウジング２を非表示とした斜視図である。
　図１Ａにおいては、ハウジング２、固定子鉄心１、固定子コイル３と回転子磁石４の位置関係を示す。本実施例のハウジング２は、アルミニウム製であり、固定子鉄心１の外周側と接する内周面曲面を持ち、固定子鉄心１の外周側が密着できるような形状となっている。そのハウジング２の回転軸中心部方向に固定子鉄心１が保持される。図１Ａでは、回転子磁石の磁石極数が６極で、固定子極数が４極（回転子磁石の磁石極数と固定子鉄心の固定子極数の比が３：２）となっている。
　回転子磁石４は、シャフト５に装着されており、回転子としてシャフト５を回転軸として回転する。また、回転子磁石４は、６極で、周方向均一な角度でＮ極とＳ極が交互に配置される構成となっている。この磁石の配向は、ラジアル配向、極異方性配向、極ごとの平行着磁など様々な配向が構成可能である。回転子磁石４の磁石極の２極分に固定子鉄心１の固定子極が配置され、回転子が内部となるインナーロータ型の位置関係となる。図１Ａに示した１２時と６時の方向の磁石極は、対抗する固定子鉄心１が無い構成となっている。固定子鉄心１は略馬蹄形の形状をしている。この固定子鉄心１で囲まれたスロットの中に導体が配置され、その導体は、別の固定子鉄心１の内部に配置される導体と、渡りとを構成する導体部分でつながって１つの固定子コイル３を形成する構成としている。すなわち、固定子コイル３は固定子鉄心１のスロットに装着されるが、図１Ａの例では、固定子コイル３は、上下に２つ存在し、どちらもそれぞれ別の固定子鉄心１の内部に配置される導体とつながる構成となっている。
　図１Ｂは本実施例における単相回転電機の斜視図であって、固定子コイル３の渡りと固定子鉄心１の位置関係が理解しやすい図面となっている。図１Ｂにおいて、固定子コイル３は、固定子鉄心１で囲まれた磁束形成に必須な必須導体部分３ａと、必須導体部分３ａ同士をつなぐコイルエンド３ｂと呼ばれる渡りを構成する導体部分からなる。また、本実施例では、固定子鉄心１は薄板の打ち抜き品を軸方向に重ねて構成した例を示しており、電磁鋼板や、アモルファス金属など、透磁率の高い材料で構成し、かつ、軸方向には電気的に絶縁される構成となっている。
　図１Ａ、１Ｂで示すような構成にすることで、単相回転電機を構成する固定子の領域に大きな隙間を構成する。すなわち、図１Ａの１２時と６時の方向の部分には、固定子鉄心１が存在しないため、軸方向を貫く通風路１５が形成される。この通風路１５には、固定子コイル３のつなぎ部分であるコイルエンド３ｂが露出して配置されているため、ここを通る風によって固定子コイル３が冷却しやすくなっている構造である。つまり、磁石極の１極分に設けられた空間に、空気が流れる構造となる空気の流路（通風路１５）を有するので、その空気の流路に導体が露出して冷却されることになる。また、固定子鉄心１の中央部分（左右の部分）には、コイルも鉄心も配置されない空間であるスロット内通風路１６が存在し、この部分も軸方向を貫く大きな通風路となっていることがわかる。こちらも、固定子コイル３の側面や、固定子鉄心１の内周面を風が通ることによって熱を奪いやすい構造となっているため、放熱性能を向上させる構造である。
　図２Ａから図２Ｄには、一般的なモータの断面構造を示し、図１Ａ、１Ｂで示した本実施例における単相回転電機の構造との違いを説明する。
　図２Ａは、一般的な３相永久磁石同期モータの断面構造を示している。磁石極数が８極、固定子極数が１２極の構造である。固定子は、３相モータなので、３の倍数の極数で構成される。また、磁石極数は、磁石はＮ極とＳ極で１対なので、２の倍数極となる。磁石極２極に対して固定子極が３極となるのが、集中巻の永久磁石同期モータの基本形である。集中巻は、固定子ティースに巻線を巻き回す構造であり、図２Ａのようにティースに巻き付けた線が、固定子鉄心のスロットの中に配置される構造となる。図２Ａを見ると、固定子の中を風が通ることはかなり困難ということが予想できる。
　図２Ｂは、一般的な単相同期電動機の断面図を示している。こちらは、単相なので、固定子極の数は３の倍数で無くとも良い。ここでは磁石極８極、固定子極８極の場合を図示している。こちらも、図２Ａと同様に、集中巻となるため、ティースに巻き付けたコイル導体が、スロットに配置されて固定子断面の中に空気の大きな流路をとることが困難であることが理解できる。
　図２Ｃは、特許文献１に示された分割コアで、かつ、固定子鉄心の外周側に空気の流路を設けた構造を示している。磁石極が４極で、固定子極が４極の例である。固定子の鉄心は、磁極ごとに分割されているため、コイルをティースに巻き付けやすい構造となっている。このことから、ティースにしっかり高占積率にコイル巻くことで、スロット内に隙間を設ける構造となっている。また、鉄心の外側にも空気が流れる流路を設けている。しかし、外側の流路は狭く、通風損失が大きくなるといった欠点があると思われる。
　図２Ｄは、特許文献２の磁石極８極、固定子極８極の単相モータ構造を示す。こちらでは、上記と同様の領域に鉄心とコイルを構成しているが、周方向の４か所にかなり大きめの空気の流路が構成できていることがわかる。固定子コイルを固定子極２極ごとにまとめることで、その配置を周方向の４か所として、残りの４か所に大きなスペースを確保した構造となっている。この構造では、空気の流路が大きいために、その流路に接する部品の冷却性能が向上できると思われる。
　次いで、図３Ａ、３Ｂを用いて、本実施例における単相回転電機（単相モータ）の構成について図２Ｄの構成と比較して説明する。図３Ａは、図２Ｄの単相モータの詳細な構成を説明する断面図である。図３Ａでは、磁石極８極、固定子極８の単相モータであり、固定子極と磁石極が対向している状態を示している。ここで、回転子磁石４のＮ極から出てＳ極に入る磁束の流れを点線で図示している。図３Ａでは、この磁束の流れは４つの固定子鉄心１ともに半時計周りとなっていることがわかる。この磁束によって発生する固定子コイルの電流の向きは、右ねじの法則により決定するため、固定子鉄心１の内部に配置された必須導体部分３ａには、紙面を上向きに流れる電流となることがわかる。また、モータ外周側に配置されるコイルエンド３ｂでは逆向きに電流が流れることがわかる。このモータ構造では、本来は、外周部に配置されたコイルエンド３ｂは電気的に不要であるが、固定子鉄心内部の導体に必要な電流を流すために、仕方なく配置されるものとなっている。この固定子鉄心の内側に配置された必須導体部分以外のコイル導体は銅損を増加させるだけの存在となり、発熱量を増加させる原因となっている。
　図３Ｂに本実施例における単相回転電機の断面図を示す。図３Ｂでは、磁石極数が６極で、固定子極数が４極（回転子磁石の磁石極数と固定子鉄心の固定子極数の比が３：２）の単相モータとなっている。略馬蹄形の固定子鉄心１は、回転子磁石４の２極分と対抗しており、一極分を飛ばして、別の固定子鉄心１の２極が配置される構造となっている。つまり、固定子鉄心１の固定子極の２極は、回転子磁石４の磁石極の２極と対抗する角度範囲に配置され、磁石極の１極分には固定子極の対抗部分が存在しない構成となっている。こちらも磁石のＮ極から出てＳ極に戻る磁束の流れを点線で示している。右側の鉄心では、Ｎから出てＳ極に戻る経路は反時計回りとなっている。左側に配置されている鉄心の磁束の流れは、これまでと同様にＮ極から出て透磁率の高い固定子鉄心内を通ってＳ極に戻る磁束の流れとすると、こちらでは、磁束の流れは時計回りとなっている。この磁束の流れに見合う電流を固定子コイルの必須導体部分３ａ上に向きを示している。右側の必須導体部分３ａでは、紙面を上向きに流れる電流となり、左側の必須導体部分３ａでは紙面を下方向に流れる電流となる。このため、それぞれの導体をつないでやることで、固定子コイルを構成することができることがわかる。すなわち、右側と左側の必須導体部分３ａをコイルエンド３ｂでつないで固定子コイル３を構成する。これによって、無駄なコイルエンド部分を大幅に少なくすることができる。鉄心の磁路幅を図３Ａの２倍とすることで、概ね同一の磁束量を得ることができるため、ほぼ同一のトルクが得られる構造とできる。その上、図３Ｂでは、磁石極数が６極であり図３Ａの場合の３／４となっているために、図３Ａの構造に比べて周波数の２乗に比例する鉄損も大幅に低減することができる。また、図１でも説明したとおり、軸方向の風の流路も大きくとれるため、冷却能力も高い。
　図４Ａから図４Ｅには、本実施例における前述した図３Ｂの固定子鉄心の具体的な構成例を示す。掃除機用モータに適用する程度の外形がφ３０ｍｍ程度の鉄心を想定して図示している。図４Ａには、磁石極６極で外形φ１０ｍｍの回転子磁石４を有する本実施例における単相回転電機の断面図を示す。ここで、略馬蹄形の固定子鉄心１の形状は、磁路幅が２．８ｍｍ、平均磁路長が約３０ｍｍの鉄心となる。この略馬蹄形固定子鉄心１の内周側の周長は２４．３ｍｍであり、外周側の周長は３７．３ｍｍである。これを鉄基アモルファス金属箔帯で構成する場合、図４Ｂに示すように箔帯の長さを最小２４．３ｍｍとして徐々に長さを変えながら切断していき、３７．３ｍｍとなるまでに１００枚重ねたものを略馬蹄形に折り曲げて形成することができる。折り曲げて形成した形状は、図４Ｃに示すような構造となり、アモルファス金属箔帯で構成が可能である。また、図４Ｄに示すように、アモルファス金属箔帯を、巻き取り用のコマなどに巻きとって樹脂を含侵させて固めたうえで、ティースの先端となる部分を切断加工して構成する方法も考えられる。ここまで鉄基アモルファス金属箔帯を用い固定子鉄心の構成例について示したが、鉄基ナノ結晶合金箔帯（特に高Ｂｓナノ結晶合金箔帯）を複数枚重ねたもので固定子鉄心を作成することもできる。さらに、一般的な方法としては、図４Ｅに示すように電磁鋼板で行われているような薄板の積層で作成することも可能である。
　図５Ａから図５Ｃには本実施例における単相回転電機の磁石極数が１２極、固定子極数が８極の場合（回転子磁石の磁石極数と固定子鉄心の固定子極数の比が３：２）の固定子鉄心の具体的な構成例を示す。図５Ａに断面構造を示す。図５Ａにおいて、磁石極２極に対して略馬蹄形固定子鉄心１の２極が対向する構成は図４Ａと同様である。すなわち、１極飛ばして次の固定子極を２極分に配置し、さらに１極飛ばして２極分固定子を配置し、また、１極飛ばして２極固定子を配置という構成となっている。ここで理解できることは、磁石極３極に対して固定子極２極がセットであるという点。及び、固定子は、固定子鉄心１の内部に配置された固定子コイルの必須導体部分３ａをそれぞれコイルエンド３ｂでつなぐ構造であるため、固定子鉄心２個がセットになるということである。なお、固定子コイル３の数は２の倍数となる。
　図５Ｂには先ほどの６極機同様にアモルファス金属箔帯で鉄心を構成する例を示している。極数が増えると、磁路幅が小さくなるため、必要なアモルファス金属箔帯の枚数も少なくて済むし、内周側と外周側の寸法差も小さくなって作りやすくなる。アモルファス金属箔帯の１枚の厚みは２５μｍであり、図５Ａの磁路幅１．４ｍｍを構成する場合、占積率が９０％ということを考慮すると枚数は約５０枚となる。
　図５Ｃには、磁石極数が１２極の場合のモータ構造の斜視図を示す。図５Ｃにおいて、図１Ａ、１Ｂと同じ構成は同じ符号を付し、その説明は省略する。なお、６はシャフト５を回転可能に支持するベアリング（軸受け）である。図５Ｃに示すように、極数が多くなるほど、コイルの渡りの距離が短くなるので、コイルエンド部の短縮ができ、銅損が低減できる。ただし、周波数が高くなるので鉄損が増加するため、回転数や、トルクなど動作点に合わせた極数の選定が必要である。
　図６は、図５Ｃで示した単相回転電機の組立構造の斜視図である。図６において、固定子鉄心を保持するための固定子鉄心保持部材７に固定子鉄心１を保持し、あらかじめ巻線して成形された固定子コイル３をスロットオープニングから挿入して組立する構造となる。なお、固定子鉄心保持部材７はハウジング２内に配置されるが、図１Ａで示したように、固定子鉄心保持部材７なしで直接ハウジング２内に固定子鉄心１を保持してもよい。回転子は、シャフト５に回転子磁石４を貼り付けるか、またはリング状の磁石を接着するなどの方法で製作可能である。高速モータの場合、磁石の両端にバランスリングを設けてその部分を削ることでバランスを修正したりするような構造や、磁石表面に破損時の飛散防止のための炭素繊維などの強度メンバを設けるような構成も採用される。
　図７Ａから図７Ｅには、図１Ａ、図１Ｂで示した磁石極６極モデルの各部品の詳細な構造や組立構造を示している。図７Ａにはアルミニウム製のハウジング２の構造を示す。図１Ａで示したとおり、ハウジング２の内周面は、固定子鉄心の外周面と合うような局面を有する、また、固定子鉄心を軸方向に位置決めするための段付き構造となっていることがわかる。図７Ｂは、固定子鉄心１の形状を示す。図７Ｂにおいては、薄板の積層構造となっている。図７Ｃは、固定子コイル３を示す。図７Ｄは、固定子鉄心１をハウジング２に組み込んだ状態を示している。図７Ｄに示すように、ハウジング２に薄板を積層して構成した略馬蹄形の固定子鉄心１を挿入組立する。図７Ｅは、固定子コイル３の組み立てを説明する図である。固定子コイル３の幅は固定子鉄心１のスロットオープニングの寸法よりも小さくしておくことで、成形された固定子コイルを固定子鉄心に巻き付けるのではなく、きっちりまかれた固定子コイルを部品として組み立てることができる。
　図８Ａに、本実施例における単相回転電機の外観を示す。また、図８Ｂに、実施例における単相回転電機の組立構造を示す。図８Ａ、８Ｂに示すように、シャフト５を回転可能とするベアリング６（軸受け）を保持するエンドブラケット８を出力軸側と反出力軸側に有しており、そのエンドブラケット８にも通風路（空気の流路）が設けられている。これにより、単相回転電機の内部に風が通るように構成されている。
　このように、本実施例における単相回転電機は、磁石極３極に対して、２つの固定子極が対向しているため、固定子極が対向していない領域がモータ周囲の１／３の領域に存在する構造となる。このため、その領域が通風路（空気の流路）となって、冷却性能が格段に向上できる。また、その通風路（空気の流路）に、コイルエンドの一部が露出する構造となるため、発熱体であるコイルエンドの熱を直接冷却することが可能とできる。さらに、固定子鉄心部分からの発熱は、アルミニウムなどの熱伝導率の良いハウジング素材と接していることで、放熱性が高められており、そのハウジング自体も通風路（空気の流路）に面して露出しているため、冷却効果が高い。さらに、固定子コイルは、整列されて巻き取る構造の成形コイルを採用できるので、占積率が高く、コンパクトなコイルとすることができる。また、このあらかじめ所定の形状で作成したコイルを、固定子鉄心をハウジングに組付けた後に組立てができるため、一般的な回転電機に比べて生産性も向上する。また、固定子鉄心の形状は、略馬蹄形というシンプルな形状であるため、薄めの電磁鋼板や、硬めの６．５％Ｓｉ含有した電磁鋼板、鉄基のアモルファス金属や鉄基のナノ結晶合金（特に高Ｂｓナノ結晶合金）など、低損失な材料で構成することも可能となっている。また、無駄なコイルエンド部分を大幅に少なくすることができるので、固定子コイルの抵抗値を低下させて発熱量を低減できる。
　さらに、本実施例における単相回転電機は、回転子の径が小さくできるので、高速化に向いているモータであり、高速化することによってトルク同一でも機械的な出力を向上することができる。高速化によって周波数が高く、入力も大きくなるが、放熱性の向上により、導体の温度を低下でき、銅損を低減できるので、総合的なモータの効率も向上させる事ができる。
　以上のように、本実施例によれば、放熱性を高め、かつ、発熱量を低減できる構造を有する単相回転電機を提供できる。
　実施例１では、インナーロータ型の単相回転電機について説明したが、本実施例では、実施例１における単相回転電機の構成をアウターロータ型の回転電機またはリニアモータ型の電気機械に適用した例について説明する。
　図９Ａは、本実施例におけるアウターロータ型の単相回転電機の断面図である。図９Ａにおいて、図１Ａ、１Ｂと同じ機能を有する構成は同じ符号を付し、その説明は省略する。図９Ａは、実施例１における単相回転電機の構成をアウターロータ型の単相回転電機に適用したものであって、アウターロータ型の回転子磁石４の磁石極１２極、固定子鉄心１の固定子極８極の例を示している。なお、９は外転回転子ヨークである。図９Ａに示すように、アウターロータ型においてもインナーロータ型同様に通風路１５の確保が出来ていることがわかる。
　また、図９Ｂは、実施例１における単相回転電機の構成をリニアモータ型の電気機械に適用した場合の断面図である。図９Ｂにおいても、図１Ａ、１Ｂと同じ機能を有する構成は同じ符号を付し、その説明は省略する。図９Ｂにおいて、１０はリニア移動子ヨーク、１１は可動子磁石である。また、上記単相回転電機をリニアモータ型の電気機械に読み替える。図９Ｂに示すように、リニアモータ型の電気機械においても単相回転電機と同様に通風路１５の確保が出来る。
　このように、本実施例によれば、実施例１と同様に、放熱性を高め、かつ、発熱量を低減できる構造を有する単相回転電機を提供できる。
　本実施例では、上記実施例で説明した単相回転電機の適用例について説明する。
　図１０Ａは、上記実施例で説明した単相回転電機を掃除機に適用した例である。すなわち、上記実施例で説明した単相回転電機をスティックタイプ掃除機２０の電動送風機部分のモータ１００に使用することができる。
　また、図１０Ｂは、上記実施例で説明した単相回転電機をドローンなどの電動航空機用プロペラファンに適用した例である。すなわち、上記実施例で説明した単相回転電機をドローン３０のプロペラファン３１を駆動するモータ１００に使用することができる。
　このような応用分野は、モータを風で冷却することができることと、高速化によって小型としなければならない点で、上記実施例で説明した単相回転電機の利用が適している分野である。
　以上実施例について説明したが、本発明は、放熱性を高め、かつ、発熱量を低減できる構造を有する単相回転電機を提供することで、単相回転電機の消費電力を低減できる。そのため、炭素排出量を減らし、地球温暖化を防止することができ、ＳＤＧｓ（Sustainable Development Goals）を実現するための特に項目７のエネルギーに貢献する。
　また、本発明は、上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることが可能である。
１：固定子鉄心、２：ハウジング、３：固定子コイル、４：回転子磁石、５：シャフト、６：ベアリング、７：固定子鉄心保持部材、８：エンドブラケット、９：外転回転子ヨーク、１０：リニア移動子ヨーク、１１：可動子磁石、１５：通風路、１６：スロット内通風路、２０：スティックタイプ掃除機、３０：ドローン（電動航空機）、３１：プロペラファン、１００：モータ

Claims (13)

  1. 　単相交流で駆動される単相回転電機であって、
    　固定子鉄心と、
    　回転子磁石と、
    　前記固定子鉄心のスロットに装着される固定子コイルを有し、
    　前記回転子磁石の磁石極数と前記固定子鉄心の固定子極数の比が３：２となる構成であることを特徴とする単相回転電機。
  2. 　請求項１に記載の単相回転電機において、
    　前記固定子コイルの数が２の倍数であることを特徴とする単相回転電機。
  3. 　請求項１に記載の単相回転電機において、
    　前記固定子鉄心の固定子極の２極を略馬蹄形として構成し、該固定子鉄心の内部に配置される導体が、別の２極を構成する略馬蹄形の固定子鉄心の内部に配置される導体とコイルエンドを介してつながって前記固定子コイルを形成する構成であることを特徴とする単相回転電機。
  4. 　請求項１に記載の単相回転電機において、
    　前記固定子鉄心の固定子極の２極は、前記回転子磁石の磁石極の２極と対抗する角度範囲に配置され、前記磁石極の１極分には前記固定子極の対抗部分が存在しない構成であることを特徴とする単相回転電機。
  5. 　請求項４に記載の単相回転電機において、
    　前記磁石極の１極分に設けられた空間に空気が流れる構造を有し、その空気の流路に導体が露出して冷却される構造であることを特徴とする単相回転電機。
  6. 　請求項３に記載の単相回転電機において、
    　前記略馬蹄形の固定子鉄心は、長さの異なる鉄基アモルファス金属箔帯、又は鉄基ナノ結晶合金箔帯を複数枚重ねたものを折り曲げることによって構成されることを特徴とする単相回転電機。
  7. 　請求項３に記載の単相回転電機において、
    　前記略馬蹄形の固定子鉄心は、鉄基アモルファス金属箔帯、又は鉄基ナノ結晶合金箔帯を巻き取ったものを樹脂含浸で固定し、その一部を切削加工して構成されることを特徴とする単相回転電機。
  8. 　請求項３に記載の単相回転電機において、
    　前記回転子磁石が装着され該回転子磁石が回転子として回転する回転軸であるシャフトと、
    　前記シャフトを回転可能とする軸受けを保持するエンドブラケットを有し、
    　前記エンドブラケットは、単相回転電機の内部に風が通るように通風路が設けられていることを特徴とする単相回転電機。
  9. 　請求項３に記載の単相回転電機において、
    　前記固定子鉄心の外周側面と接触できる内周面を有するアルミニウム製のハウジングを有し、
    　前記ハウジングの内周面と、前記固定子鉄心の表面と、前記固定子コイルの表面が空気の流路に面していることを特徴とする単相回転電機。
  10. 　請求項１に記載の単相回転電機において、
    　前記固定子鉄心が前記回転子磁石の回転軸中心部方向の内側に存在する構成のアウターロータ型としたことを特徴とする単相回転電機。
  11. 　請求項１に記載の単相回転電機において、前記回転子磁石を可動子磁石に置き換え、
    　前記可動子磁石の磁石極数と前記固定子鉄心の固定子極数の比が３：２となる構成であることを特徴とするリニアモータ型の電気機械。
  12. 　請求項１から１０の何れか１項に記載の単相回転電機を適用した掃除機。
  13. 　請求項１から１０の何れか１項に記載の単相回転電機を適用した電動航空機。
PCT/JP2022/045308 2021-12-14 2022-12-08 単相回転電機およびそれを適用した掃除機、電動航空機、および電気機械 WO2023112829A1 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2023567748A JPWO2023112829A1 (ja) 2021-12-14 2022-12-08

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2021-202320 2021-12-14
JP2021202320 2021-12-14

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2023112829A1 true WO2023112829A1 (ja) 2023-06-22

Family

ID=86774678

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2022/045308 WO2023112829A1 (ja) 2021-12-14 2022-12-08 単相回転電機およびそれを適用した掃除機、電動航空機、および電気機械

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JPWO2023112829A1 (ja)
WO (1) WO2023112829A1 (ja)

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS4981806A (ja) * 1972-12-15 1974-08-07
JPS6274461U (ja) * 1985-10-30 1987-05-13
JP2000092755A (ja) * 1998-09-07 2000-03-31 Mitsubishi Electric Corp 回転電機またはリニアモータおよび回転電機の製造方法
JP2010183838A (ja) * 1998-11-06 2010-08-19 Metglas Inc 電動モータ用のバルクアモルファス金属磁気構成要素
JP2011015572A (ja) * 2009-07-03 2011-01-20 Mitsubishi Electric Corp 永久磁石埋め込み型回転子及び掃除機
JP2013135541A (ja) * 2011-12-27 2013-07-08 Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd アキシャルギャップ回転電機
JP2014075942A (ja) * 2012-10-05 2014-04-24 Mitsubishi Electric Corp 同期電動機
JP2015130796A (ja) * 2015-03-02 2015-07-16 章 三好 回転電気機器
JP2016005377A (ja) * 2014-06-18 2016-01-12 日立アプライアンス株式会社 電動送風機およびそれを用いた電気掃除機
JP2016059276A (ja) * 2007-06-05 2016-04-21 レスメド・モーター・テクノロジーズ・インコーポレーテッド 軸受管を有するブロワ
JP2016149855A (ja) * 2015-02-12 2016-08-18 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 回転電機およびそれを備えた電動送風機

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS4981806A (ja) * 1972-12-15 1974-08-07
JPS6274461U (ja) * 1985-10-30 1987-05-13
JP2000092755A (ja) * 1998-09-07 2000-03-31 Mitsubishi Electric Corp 回転電機またはリニアモータおよび回転電機の製造方法
JP2010183838A (ja) * 1998-11-06 2010-08-19 Metglas Inc 電動モータ用のバルクアモルファス金属磁気構成要素
JP2016059276A (ja) * 2007-06-05 2016-04-21 レスメド・モーター・テクノロジーズ・インコーポレーテッド 軸受管を有するブロワ
JP2011015572A (ja) * 2009-07-03 2011-01-20 Mitsubishi Electric Corp 永久磁石埋め込み型回転子及び掃除機
JP2013135541A (ja) * 2011-12-27 2013-07-08 Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd アキシャルギャップ回転電機
JP2014075942A (ja) * 2012-10-05 2014-04-24 Mitsubishi Electric Corp 同期電動機
JP2016005377A (ja) * 2014-06-18 2016-01-12 日立アプライアンス株式会社 電動送風機およびそれを用いた電気掃除機
JP2016149855A (ja) * 2015-02-12 2016-08-18 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 回転電機およびそれを備えた電動送風機
JP2015130796A (ja) * 2015-03-02 2015-07-16 章 三好 回転電気機器

Also Published As

Publication number Publication date
JPWO2023112829A1 (ja) 2023-06-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
AU2004247246B2 (en) Radial airgap, transverse flux motor
JP4999990B2 (ja) 回転電動機およびそれを用いた送風機
JP5567311B2 (ja) アキシャルギャップモータ、圧縮機、モータシステム、および発電機
US20040251761A1 (en) Radial airgap, transverse flux motor
US20080246362A1 (en) Radial airgap, transverse flux machine
JP2016154440A5 (ja)
JP4284981B2 (ja) 永久磁石形モータ
JP6002020B2 (ja) 回転電機
WO2023045222A1 (zh) 一种定转子结构和轴向磁场电机
JP2003333813A (ja) シンクロナスリラクタンスモータのロータ
WO2023112829A1 (ja) 単相回転電機およびそれを適用した掃除機、電動航空機、および電気機械
CN110417215B (zh) 一种多极槽配合的轴向磁通永磁同步电机
TWI678053B (zh) 無槽式電動機、以及使用其之電動送風機或電動吸塵器
JP2020171096A (ja) ステータ
JP2016129447A (ja) 回転電機
JP2002136013A (ja) 磁石モータ
CN111543893A (zh) 电动机以及使用它的电动风机和使用它的电动吸尘器
JP2009095070A (ja) 回転電動機
JP2010200467A (ja) 整流子モータおよびそれを用いた電動送風機，電気掃除機，電気機器
JP2020068562A (ja) 電動機及びそれを用いた電動送風機、電気掃除機
JP5619089B2 (ja) 電動送風機
CN216056531U (zh) 转子结构、电机结构、压缩机结构和制冷设备
JP2024030907A (ja) 回転電機
CN216564676U (zh) 电机及其电机定子
CN215580843U (zh) 一种组合式电机及转子系统

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 22907356

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2023567748

Country of ref document: JP