(57)【要約】【課題】回転子の偏心による振動・騒音を無くす。【解決手段】固定子と回転子とが偏心していて、固定子の対向する巻線から誘起される磁束が平衡になるよう、固定子の対向する巻線が異なる巻回数になっている回転電機において、固定子の中心と回転子の中心とが一致した状態での固定子側のティースの先端と回転子との間の空隙の空隙長を、固定子のヨークと回転子との間の距離の１／２以下にする。また巻線に生じる誘起電圧を測定する端子を設ける。【効果】磁束が平衡になるため、低振動・低騒音の回転電機を低コストで実現できる。少ない巻回数の調整により磁束の平衡が実現できる。【選択図】図１
2010041874.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子の中心と回転子の中心とが偏心していて、上記固定子の対向する巻線から誘起される磁束が平衡になるよう、上記固定子の対向する巻線が異なる巻線数になっている回転電機において、
固定子の中心と回転子の中心とが一致した状態での固定子側のティースの先端と回転子との間の空隙の空隙長が、固定子のヨークと回転子との間の距離の１／２以下であることを特徴とする回転電機。
【請求項２】
上記巻線に生じる誘起電圧を測定可能な端子を備えたことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は回転電機に関し、特に、例えば家電製品のファン駆動などに使用される低振動化および低騒音化が要求される回転電機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の低振動・低騒音化の要求される回転電機では、防振材を用いたり、回転子の回転軸と固定子の中心軸を高精度に合わせることにより、回転時に発生する振動伝達を低減したり、加振力を小さくしたりしている。しかしながら、このような回転電機では、防振材によるコストアップや、高精度加工によるコストアップが避けられない。また、近年の回転電機は小型で高効率化が必要とされており、回転子と固定子の間の空隙長は非常に小さい。回転子の回転軸と固定子の中心軸を高精度に合わせた場合でも、軸ずれが全くない状態にするのは事実上不可能である。
【０００３】
従って、有効な低振動化および低騒音化を実現するために、巻線の施し方により画一的に発生する巻線不釣合のデータと、個々の電機子コアの不釣合の測定データと、に基づいて、巻線を施した後の電機子の不釣合がなくなるように、巻線の巻数を決定し、通常の巻線加工工程において同時にバランスを修正する方法が提案されている。これにより、特別な作業工程や専用の加工設備を要することがなく、また、電機子の一部を削除したり修正材を付着させる構成ではないためモータの効率低下を防止することもできる（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開平８−９８４７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような回転電機では、低振動・低騒音の回転電機を低コストで実現できるが、巻線および巻線を巻回するティースは、固定子のヨークと回転子との間の比較的狭い空間内に設けられることになり、調整可能な巻線数には限界が生じて巻線数の調整による低振動化および低騒音化が困難なことがある。
【０００６】
従ってこの発明の目的は、巻線の巻線数を変えるという手段を用いて低振動化および低騒音化を図る場合に、現実的な巻線数の調整範囲で、比較的少ない巻線数の調整により磁束を平衡にして、低振動かつ低騒音の回転電機を得ることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係る回転電機は、固定子の中心と回転子の中心とが偏心していて、上記固定子の対向する巻線から誘起される磁束が平衡になるよう、上記固定子の対向する巻線が異なる巻線数になっている回転電機において、固定子の中心と回転子の中心とが一致した状態での固定子のティースの先端と回転子との間の空隙長が、固定子のヨーク部と回転子との間の距離の１／２以下であることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、現実的な巻線数の調整範囲で、比較的少ない巻線数の調整により磁束を平衡にして、低振動かつ低騒音の回転電機を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
実施の形態１．
図１には本発明の実施の形態１による回転電機を軸心に垂直な断面図で示してある。図２には回転電機は、中空円筒形の固定子１と、固定子１内で回転できる回転子２とを備えている。固定子１は、コア３と巻線４ａ〜４ｄとを備え、コア３は、外周面５および内周面６を持つ中空円筒形のヨーク７と、ヨーク７の周方向に９０°ずつ離間して配置され、内周面６から回転子２に向かって延びた４本のティース８ａ〜８ｄとを備えている。巻線４ａ〜４ｄはティース８ａ〜８ｄにそれぞれ巻回されている。
【００１０】
図１の回転電機においては、固定子１の中心９に対して回転子２の中心１０が僅かにティース８ａからティース８ｃに向かう方向（図１で左方向）にだけ偏心している。また、互いに対向する巻線４ａおよび４ｃの対から誘起される主な磁束は、磁束Ｆａ〜Ｆｆとして示す通りであるが、これらの磁束Ｆａ〜Ｆｆが平衡になるようにされている。図１の回転電機の場合には、回転子２が上述のとおり偏心しているので、対向する巻線４ａと４ｃとが異なる巻線数にされているが、対向する巻線４ｂと４ｄとはそれらの対向方向に偏心が無いため巻線数は同じにされている。
【００１１】
更に、固定子１の中心９と回転子２の中心１０とが一致した状態での、固定子１のティース８ａ〜８ｄの先端と回転子２の円筒形の外周面１２との間の空隙ｇａ〜ｇｄの大きさ即ち空隙長ｇは、固定子１の外輪部分であるヨーク７の内周面６と回転子２の外周面１２との間の距離ｈの１／２以下、すなわちｇ≦ｈ／２にされている。
【００１２】
図１に示す回転電機において、固定子１の中心９に対して回転子２の中心１０が僅かに偏心しているため、回転子２と４つのティース８ａ〜８ｄとの間の４つの空隙長ｇは、偏心の大きさ（偏心量）および方向（偏心方向）に応じて相違しており、このため、巻線４ａ〜４ｄが発生する磁束の磁路の磁気抵抗も偏心量および偏心方向によって相違していて、空隙ｇａ〜ｇｄを通って回転子２に入る磁束の量に不平衡が発生する。しかしながら、図１において、例えば、回転子２が固定子１に対して右方向にだけ偏心しているとすると、空隙ｇａが空隙ｇｃよりも小さくなり、そこを通る磁路の磁気抵抗の不平衡による磁束の不平衡が発生するが、誘起される磁束Ｆａ〜Ｆｆが平衡するように互いに対向する巻線４ａの巻回数を巻線４ｃの巻回数よりも大きくすることによって解消されていて、その結果、図１に示すように、対向する巻線４ａ、４ｃから出て空隙ｇａ、ｇｃを通って回転子２内に入る磁束Ｆａ〜Ｆｆが平衡状態になっている。
【００１３】
図１ではティースが４個の回転電機を示しており、ティース８ａ〜８ｄにはそれぞれ巻線４ａ〜４ｄが巻かれている。なお、固定子１のコア３は通常は鉄などの磁性材料でつくられており、図１は各ティース８ａ〜８ｄにそれぞれ巻線４ａ〜４ｄが巻かれている集中巻き方式を示している。また巻線４ａ〜４ｄの巻回数の調整は、偏心量および偏心方向によって、一組あるいは二組の互いに対向する巻線について巻回数を異ならしめればよい。従って、例えば回転子２が固定子１に対して図１で右方向にだけ偏心している場合には、巻線４ａの巻回数を巻線４ｃの巻回数よりも小さくするか、巻線４ｃの巻回数を巻線４ａの巻回数よりも大きくすればよい。偏心方向が、図１で上方向あるいは下方向の成分を持っている場合には、巻線４ｂおよび４ｃの対についても巻回数を異ならしめる必要がある。
【００１４】
固定子１の内側には回転子２が設置されている。巻線４ａ〜４ｄに電流が流れることにより、磁束Ｆａ〜Ｆｆが発生する。図１では巻線４ａと４ｃとに電流が流れた場合を示しており、このときの主な磁束は、巻線４ａおよび４ｃにより発生する磁束Ｆａ〜Ｆｆであって、磁束ＦａおよびＦｂはティース８ａから、ティース８ａと回転子２との間の空隙ｇａを通り、回転子２を通り、回転子２とティース８ｃとの間の空隙ｇｃを通り、ティース８ｃを通り、ティース８ｃとコア３のヨーク７との結合部分で２つの磁束ＦａおよびＦｂに分岐して、磁束Ｆａはヨーク７の上半円環部を半周にわたって流れてティース８ａに戻り、磁束Ｆｂはヨーク７の下半円環部を半周にわたって流れてティース８ａに戻り、磁束ＦａとＦｂは再びティース８ａで合流する。
【００１５】
また、ティース８ａ内の磁束は、空隙ｇａを通って回転子２に流入し、そこからティース８ｂとの間の空隙ｇｂを通ってティース８ｂに入り、ヨーク７を１／４円周だけ図１で時計方向に流れて再びティース８ａに入る磁束Ｆｃと、回転子２から空隙ｇｄを通ってティース８ｄに入り、ヨーク７を１／４円周だけ図１で反時計方向に流れて再びティース８ａに入る磁束Ｆｄとを形成している。
【００１６】
また、ティース８ｃ内の磁束は、ヨーク７を１／４円周だけ図１で時計方向に流れてティース８ｂに入り、空隙ｇｂを通って回転子２に流入し、そこから空隙ｇｃを通って再びティース８ｃに入る磁束Ｆｅと、ヨーク７を１／４円周だけ図１で反時計方向に流れてティース８ｄに入り、空隙ｇｄを通って回転子２に流入し、そこから空隙ｇｃを通って再びティース８ｃに入る磁束Ｆｆとを形成している。さらに図には示していないが、回転子２から直接コア３の外輪部分であるヨーク７に漏れる磁束なども存在する。
【００１７】
理想的な回転電機の場合には、固定子１の中心９と回転子２の中心１０とが完全に一致しており、対向する巻線４ａと４ｃの巻線数が等しく、また対向する巻線４ｂと４ｄの巻線数が等しい。ここでは巻線４ａ、４ｃを主巻線とし、巻線４ｂ、４ｄを補助巻線とした、２極のコンデンサモータについて説明する。巻線４ａと４ｃに電流が流れた場合、主な磁束Ｆａ〜Ｆｆは図１に示すように分布するが、理想的な回転電機では固定子１の中心９と回転子２の中心１０が完全に一致しているため、磁束ＦａとＦｂは等しく、磁束ＦｃとＦｄとＦｅとＦｆは等しくなる。したがって、磁束の分布は中心９、１０に対して対称になるため、半径方向の力は発生しない。
【００１８】
このように、固定子１の中心９と回転子２の中心１０が完全に一致している理想的な回転電機では、巻線４ａと４ｃの巻線数が等しく、また巻線４ｂと４ｄの巻線数が等しい場合、回転軸に対して半径方向の加振力は発生せず、したがって振動・騒音はほとんど発生しないと考えられる。
【００１９】
実際の回転電機において、巻線４ａと４ｃの巻線数が等しく、巻線４ｂと４ｄの巻線数が等しく、固定子１の中心９と回転子２の中心１０とがずれている場合には、振動・騒音が発生するため、固定子１の中心９と回転子２の中心１０を一致させるように多くの検討がなされている。しかしながら実際の回転電機では、固定子１の中心９と回転子２の中心１０を完全に一致させることは困難であって、程度の差はあるが、固定子１の中心９と回転子２の中心１０がずれた状態となっている。すなわち、実際の回転電機ではたいていの場合、固定子１の中心と回転子２の中心が偏心した状態にある。
【００２０】
図１の回転電機において、巻線４ａと４ｃの巻線数が等しく、巻線４ｂと４ｄの巻線数が等しく、固定子１の中心９に対して回転子２の中心１０が紙面左側に偏心した場合を考えてみる。このとき、ティース８ａと回転子２の間の空隙ｇａの空隙長は、偏心がない場合に比べて大きくなるため、この空隙ｇａの磁気抵抗は偏心がない場合に比べて大きくなる。一方で、ティース８ｃと回転子２の間の空隙ｇｃの空隙長は偏心がない場合に比べて小さくなるため、この空隙ｇｃの磁気抵抗は偏心がない場合に比べて小さくなる。また、ティース８ｂと回転子２の間の空隙ｇｂの空隙長、あるいはティース８ｄと回転子２の間の空隙ｇｄの空隙長は、偏心がない場合とほぼ同じであるとする。磁束の強さ（大きさ）は磁気抵抗に反比例するため、磁束ＦｃとＦｄは弱く（小さく）なり、磁束ＦｅとＦｆは強く（大きく）なる。また、磁束ＦａとＦｂの強さは、磁気抵抗が大きくなる空隙ｇａと小さくなる空隙ｇｃの両方が含まれるため、あまり変化しないと考えられる。なお、実際は図１に示す磁束Ｆａ、Ｆｂ、Ｆｃ、Ｆｄ、ＦｅおよびＦｆ以外の磁束も存在するため、それらを含めて考える必要がある。
【００２１】
以上のことから、固定子１の中心９に対して回転子２の中心１０が紙面左側に偏心した場合、ティース８ａと回転子２の間の空隙ｇａを通る磁束が弱くなり、ティース８ｃと回転子２の間の空隙ｇｃを通る磁束が強くなる。したがって磁束の分布が非対称になる。電磁力は磁束の強さの２乗に比例するため、この場合は回転子２に対して紙面左方向の電磁力が働くことになる。モータ回転時にはこの電磁力が変動するため、半径方向の加振力が発生し、振動・騒音の原因となる。本発明では、程度の多少はあるが偏心した状態にある実際の回転電機に対して、偏心状態に応じて巻線の巻回数を調整することにより半径方向の加振力を低減して、振動・騒音を低減するものである。
【００２２】
なお、巻線数の調整方法は多くの手段が考えられる。同じ量産ラインで製造された回転電機の寸法を高精度に測定した結果を参考にして、磁束が平衡になるようにその量産ラインに対応した巻回数を決める方法が考えられる。また、回転電機を組み立てる途中で各巻線から誘起される磁束を測定し、巻回数を変えながら磁束が平衡になるように調整する方法が考えられる。また、回転電機を組み立てて各巻線から誘起される磁束を測定し、調整用の巻線を追加することにより磁束が平衡になるようにする方法も考えられる。各巻線から誘起される磁束については、各巻線が巻き込まれているティースを通る磁束を測定する方法、各巻線が巻き込まれているティースと回転子の間の空隙部分の磁束を測定する方法、巻線のインダクタンスを測定する方法などがある。また各巻線から誘起される磁束量と調整する巻回数の関係については、磁束等を測定しながら巻回数を調整していく方法、磁束等の測定結果と調整する巻回数の関係をあらかじめ把握して巻回数を調整する方法、寸法の測定結果と調整する巻回数の関係をあらかじめ把握して巻回数を調整する方法などが考えられる。
【００２３】
本実施の形態では、ティースが４個あり、各ティースに巻線が巻き込まれている集中巻方式の場合について説明したが、ティースの数が多い場合や分布巻の場合でも基本的に同様である。また巻線が主巻線と補助巻線からなる２極のコンデンサモータについて記述したが、多相の回転電機でも同様であり、極数が多い回転電機でも同様である。また、永久磁石を含む回転電機でも同様である。本発明によると半径方向の加振力が低減できるため振動・騒音低減効果があると記述しているが、磁束分布が平衡になるため、回転方向の加振力低減効果もあり、また軸方向の加振力低減効果もあると考えられる。なお、ティースに巻き込む巻線をそれぞれ独立した回路で構成して、各巻線の電流を制御することにより半径方向の力を制御でき、その結果として半径方向の加振力を低減することは可能であるが、そのためには回路が複雑になるためコストアップをともなう。それに対して本発明では、巻線の巻線数を変える方式であるため、低コストで回転電機の加振力が低減でき、低振動・低騒音の回転電機を実現できる。
【００２４】
次に、本発明の回転電機におけるティース部分の寸法について述べる。固定子１の中心９と回転子２の中心１０が一致した状態で、中心９から回転子２の外周面１２までの距離（半径）をｒｉとし、固定子１のティース８ａ〜８ｄの内側（先端）までの距離をｒｏとし、固定子１のヨーク７の内周面６までの距離（半径）をｒｂとする。このとき、回転子２とティース８ａ〜８ｄとの間の空隙ｇａ〜ｇｄの空隙長をｇとすると、ｇ＝ｒｏ−ｒｉとなる。また、回転子２の外周面１２と固定子１のヨーク７の内周面６との間の距離をｈとすると、ｈ＝ｒｂ−ｒｉとなる。
【００２５】
図２には、固定子１に対して偏心量ｅ（回転子２が固定子１のティース８ａ〜８ｄに接触してはいけないので、ｅ＜ｇである）だけ偏心し、各巻線４ａ〜４ｄの巻回数が等しい回転電機において、通電時に巻線４ａによって誘起される主な磁束Ｆａ、Ｆｂ、Ｆｃ、Ｆｄ、Ｆｇ、Ｆｈ、Ｆｉ、Ｆｊを示す。磁束Ｆａ〜Ｆｄは図１に示すものと同じ磁路を通る磁束である。磁束ＦｇおよびＦｈは、巻線４ａが巻かれるティース８ａと回転子２の間の空隙ｇａを通り、そこで分岐して回転子２を出て固定子１のヨーク７に戻る２つの磁路を通る磁束である。磁束ＦｉおよびＦｊは、ティース８ａと回転子２の間の空隙ｇａを通り、回転子２から回転子２とティース８ｂの間の空隙部分を通り、そこで分岐して回転子２を出て固定子１のヨーク７に戻る２つの磁束である。
【００２６】
磁束Ｆａ〜ＦｄおよびＦｇ〜Ｆｊが通る磁路の磁気抵抗を比較するために、空隙ｇａ〜ｇｄの空隙長を簡単に検討する。磁束ＦｇおよびＦｈの磁路に関して、ティース８ａと回転子２の間の空隙ｇａの大きさはｇ＋ｅ（ｇは固定子１と回転子２とに偏心が無い場合の空隙ｇａ〜ｇｄの大きさ即ち空隙長）と表わされ、回転子２と固定子１のヨーク７の偏心方向と反対側の部分の内周面６との間の空隙部分の長さを簡単にｈ＋ｅ（ｈは偏心が無い場合の回転子２とヨーク７の内周面６との間の距離）と表すと、磁束Ｆｇが通る磁路における空隙の合計も、磁束Ｆｈが通る磁路における空隙の合計もともにｇ＋ｈ＋２ｅとなる。磁束ＦｃおよびＦｄの磁路に関して、ティース８ａと回転子２の間の空隙ｇａの長さはｇ＋ｅであり、回転子２とティース８ｂあるいは８ｄとの間の空隙ｇｂあるいはｇｄの長さはｇであるので、これらの磁路における空隙の合計はともに２ｇ＋ｅとなる。磁束ＦｉおよびＦｊの磁路に関して、ティース８ａと回転子２の間の空隙ｇａの長さはｇ＋ｅであり、回転子２と固定子１のヨーク７の偏心方向の側の内周面６との間の空隙部分の長さをｈ−ｅと表すと、これらの磁路における空隙の合計はともにｇ＋ｈとなる。磁束ＦａおよびＦｂの磁路に関して、ティース８ａと回転子２との間の空隙ｇａの長さはｇ＋ｅであり、回転子２とティース８ｃとの間の空隙ｇｃの長さはｇ−ｅであり、これらの磁路における空隙部の合計はともに２ｇとなる。磁束ＦｃおよびＦｄの磁路に関して、ティース８ａと回転子２との間の空隙ｇａの長さはｇ＋ｅであり、回転子２とティース８ｂあるいは８ｄとの間の空隙ｇｂあるいはｇｄの長さはともにｇであり、これらの磁路における空隙部の合計はともに２ｇ＋ｅとなる。
【００２７】
これらの磁束により、回転子２に様々な電磁力が働く。図２において紙面左右方向の力について記述する。磁束Ｆｇ、Ｆｈの影響で、回転子２に右方向の力が働く。磁束Ｆｃ、Ｆｄの影響でも、回転子２に右方向の力が作用する。磁束Ｆｉ、Ｆｊの影響では、回転子２に右方向の力と、それより小さいが左方向の力とが作用し、紙面左右方向の力は小さくなる。磁束Ｆａ、Ｆｂの影響では、回転子２に右方向の力と左方向の力の両方が働く。巻線４ａ〜４ｄは固定子１の内部に巻かれるため、巻線４ａ〜４ｄが占める容積には上限がある。したがって巻線４ａ〜４ｄから誘起される磁束による力をより効果的に作用させることが望ましい。これらのことから、ティース８ａと８ｂおよびティース８ａと８ｄを通り、回転子２に対して紙面右方向に力を働かせる磁束ＦｃおよびＦｄは、磁束Ｆｉ、Ｆｊよりも大きいことが望ましいと考えられる。
【００２８】
磁束の強さ（大きさ）は磁気抵抗の大きさに反比例するため、磁束Ｆｃ、Ｆｄが磁束Ｆｉ、Ｆｊよりも強くなるための条件は、２ｇ＋ｅ＜ｇ＋ｈとなる。これを解くとｇ＋ｅ＜ｈとなるが、０≦ｅ＜ｇであるため、磁束Ｆｃ、Ｆｄが偏心状態によらずに常に磁束Ｆｉ、Ｆｊよりも大きくなるための条件は、ｇ＜ｈ／２となる。以上のことから、本発明では、固定子１の中心９と回転子２の中心１０とが一致した状態での、固定子１のティース８ａ〜８ｄの内側（先端）と回転子２の外周面１２との間の空隙長ｇａ〜ｇｄが、固定子１のヨーク７の内周面６と回転子２の外周面１２との間の距離ｈに対して、１／２以下とされている。回転電機をこのような構成とすることにより、比較的少ない巻線数の調整により磁束を平衡にすることができ、現実的な巻線数の調整範囲で、低振動・低騒音の回転電機が実現可能になる。
【００２９】
実施の形態２．
図３は本発明の実施の形態２による回転電機の中心軸に沿った断面図である。回転電機は、コア３に巻線４ａ〜４ｄが巻回され、ハウジング１３内に収容された固定子１と、ハウジング１３によって支持されて、固定子１内で回転できるように軸受１４、１５によって支持され、回転軸１６上に設けられた回転子２とを備えている。回転磁界により回転子２および回転軸１６が固定子１内で回転する。図３に示すのはコンデンサモータであり、コンデンサ１８が回転電機のハウジング１３内に収納されている。巻線４ａ〜４ｄは絶縁体１７で覆われており、この絶縁体１７内に巻線４ａ〜４ｄの端子電圧を測定するための端子１９が埋め込まれて設置されている。この端１９子は、各巻線４ａ〜４ｄの端子電圧が測定可能なように設置される。
【００３０】
次に端子１９による効果について記述する。固定子１と回転子２との間に偏心がない回転電機では、対向する巻線４ａ〜４ｄの電流が等しい場合には、各巻線４ａ〜４ｄの端子電圧は等しくなる。しかし偏心がある通常の回転電機では、対向する巻線４ａ〜４ｄの電流が等しい場合には、各巻線４ａ〜４ｄの端子電圧が異なる。これは偏心の影響で巻線４ａ〜４ｄのインダクタンスが異なるためであり、この原理を利用することにより、各巻線４ａ〜４ｄの端子電圧から偏心状態が把握できる。このように、端子１９は従来から多く用いられているもので、端子電圧も多くの測定で利用されているものであるが、端子電圧から偏心状態を把握することはほとんどなされていない。さらに本発明の特徴は、各巻線４ａ〜４ｄの端子電圧が等しくなるように対向する巻線４ａ〜４ｄの巻回数を異ならしめることである。なお、巻線４ａ〜４ｄの巻回数を変える手段としては、１本の導線の巻回数を変えてもよいし、最初に巻いた巻線とは別の巻線を後で追加してもよい。このような構成とすることにより、対向する巻線から誘起される磁束が平衡になるため、低振動・低騒音の回転電機を低コストで実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】この発明の実施の形態１による回転電機の概略説明図である。
【図２】この発明の実施の形態１による回転電機の磁束を示す概略説明図である。
【図３】本発明の実施の形態２による回転電機の概略断面図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  固定子、９、１０  中心、４ａ〜４ｄ  巻線、Ｆａ〜Ｆｆ  磁束、８ａ〜８ｄ  ティース、ｇａ〜ｇｄ  空隙、７  ヨーク、ｇ  空隙長、ｈ  距離、１９  端子。
【図１】
2010041874.tif 000003
【図２】
2010041874.tif 000004
【図３】
2010041874.tif 000005