(57)【要約】【課題】リラクタンスを利用した回転電機において、磁石の冷却性を確保しつつ、出力を向上させた回転電機を提供する。【解決手段】ステータと、前記ステータと対向する面に回転方向に沿って複数個の凸部を有するロータと、磁石と、磁性体のフレームとを備える回転電機であって、前記ステータの磁極数は前記ロータの磁気的な凸極数と同数であり、前記ロータは磁性体の板が軸方向に複数枚重ねられ、軸方向にスキューされた構成であり、前記フレームには中心部から軸方向両端部に向けて前記磁石の磁束が流れるような磁気回路が構成されており、前記磁石は円筒状で動径方向に単極着磁され、かつ前記ステータの周方向外周部と前記フレームの周方向内周部との間に配置された永久磁石である回転電機。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータと、ロータと、磁石と、フレームとを備えた回転電機において、
前記ロータは機械的または磁気的なリラクタンス構造を持ち、
前記磁石は円筒形で動径方向に単極に磁化され、前記ステータの周方向外周部と前記フレームの周方向内周部との間に配置されており、
前記フレームは磁性体である回転電機。
【請求項２】
前記ロータは前記ステータと対向する面に回転方向に沿って複数個の凸部を有し、
前記ステータの磁極数は前記ロータの凸部と同数である請求項１に記載の回転電機。
【請求項３】
前記ロータは略Ｕ字状の空洞部を外縁部分に周期的に有し、
前記ステータの磁極数は前記ロータの磁気的な凸極数と同数である請求項１に記載の回転電機。
【請求項４】
前記ロータは磁性体の板が軸方向に複数枚重ねられて構成され、軸方向にスキューされている請求項２または３に記載の回転電機。
【請求項５】
前記ロータに、当該ロータの磁気的な凸極数に応じて前記磁石が埋設されている請求項３に記載の回転電機。
【請求項６】
前記磁石は永久磁石である請求項１に記載の回転電機。
【請求項７】
前記磁石は電磁石である請求項１に記載の回転電機。
【請求項８】
前記磁石は円筒を分割した形状で、部分的に配置されている、請求項６または７に記載の回転電機。
【請求項９】
ステータと、シャフトによって支持されるロータと、永久磁石と、フレームとを備えた回転電機において、
前記ロータは機械的又は磁気的なリラクタンス構造を持ち、
前記永久磁石は前記ロータの外周部と前記シャフトとの間に配置されている回転電機。
【請求項１０】
前記フレームには、当該フレームの中心部から軸方向両端に向けて前記磁石の磁束が流れるような磁気回路が構成されていることを特徴とする請求項１または８に記載の回転電機。
【請求項１１】
請求項２に記載のロータをインペラとして用いることを特徴とする軸流ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リラクタンスを利用した回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
リラクタンスを利用した回転電機の出力を向上させる方法として、以下の３文献に開示されているように磁石を組み込むというものがある。特許文献１には永久磁石をステータの磁極間に配置した構成、特許文献２にはロータに一方向の極性で磁化した永久磁石を複数配置した構成、特許文献３にはロータの軸方向端面に設けられたフレームに永久磁石または電磁石を複数配置した構成が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−８８９０４号公報
【特許文献２】特開２００４−３５７４８９号公報
【特許文献３】特許４２７６２６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１〜３に開示されている構成では、ステータ磁極など冷却の難しい部位に磁石を配置するため、高温でも性能が低下しにくい磁石が必要となる場合がある。
【０００５】
そこで本発明は、磁石の冷却性を確保しつつ、出力を向上させた回転電機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明の回転電機は次のような構成をとる。即ち、ステータと、ロータと、磁石と、フレームとを備えた回転電機において、前記ロータは機械的または磁気的なリラクタンス構造を持ち、前記磁石は円筒形で動径方向に単極に磁化され、前記ステータの周方向外周部と前記フレームの周方向内周部との間に配置されており、前記フレームは磁性体である回転電機である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、磁石の冷却性を確保しつつ、回転電機の出力を向上させられるようになる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】回転電機の第１の実施例を示す断面図。
【図２】ロータの構造を示す斜視図。
【図３】磁石の構成図。
【図４】磁石の磁路を説明する第１の実施例の断面図。
【図５】磁石の磁路を説明する第１の実施例の構成図。
【図６】第１の実施例を三相モータと単相モータに適用した場合の構成図。
【図７】巻線の磁路を説明する第１の実施例の構成図。
【図８】三相モータの場合の磁束変化と誘起電圧を説明する図。
【図９】第２の実施例を示す断面図。
【図１０】第３の実施例を示す断面図。
【図１１】回転電機の構造をポンプに応用した例の断面図。
【図１２】第４の実施例を示す斜視図。
【図１３】第５の実施例を示す構成図。
【図１４】第６の実施例を示す構成図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図を用いて本発明の実施例について説明する。
【実施例１】
【００１０】
図１は本発明による回転電機の一実施例の軸方向断面図である。
【００１１】
この回転電機はフレーム１００，ステータ１５０，ロータ２００，磁石３００からなる。
【００１２】
フレーム１００は磁性体で構成され、軸受け１２０を介してロータ２００を回転可能に支持している。ステータ１５０は、ステータ磁極１５１と巻線１５２から構成される。磁石３００は、フレーム１００の内周部とステータ１５０の外周部との間に設けられている。
【００１３】
ステータ１５０の内周部は、ロータ２００の外周部と第１のギャップ１０を隔てて対向している。また、フレーム１００の内側は、ロータ２００の軸方向端面と第２のギャップ２０を隔てて対向している。尚、ここでいう軸方向とは矢印３０の示す方向である。
【００１４】
次に、図２（ａ）を用いてロータ２００の構造について説明する。ロータ２００の中心にはシャフト２１０、その外周に軟鉄等で構成されるヨーク２２０、更にその外周にロータ磁極２３０が設けられている。ロータ磁極２３０は凹凸の磁極からなり、凸部２３１と凹部２３２が回転方向に沿って交互に設けられる。本図は電磁鋼板等の磁性体の薄板が軸方向に複数枚重ねられて構成された例を示している。このようにして構成された凸部は磁気抵抗が小さく、凹部は凸部に比較して磁気抵抗が大きいため、ステータの回転磁界に凸部が吸引されることによりリラクタンス出力を得られる。以降、このような凹凸により磁気抵抗が変化する構造を、機械的なリラクタンス構造と呼ぶことにする。
【００１５】
尚、ヨーク２２０は必須ではなく、シャフト２１０の材質に合わせて使用するか否かが決められる。例えば、シャフト材にセラミックスを用いた場合は電磁鋼板の磁極を圧入できないため、ヨーク２２０を介して構成する。
【００１６】
図２（ｂ）はロータ２００にスキューを設けた例である。本図では、少しずつ角度を変えて電磁鋼板を重ねることでスキューを実現している。スキューを設けることで、出力リプルやコギング出力の低減が可能となる。スキューの角度は回転電機の用途に応じて適宜決定される。角度を大きくすれば出力リプルを小さくできるが、平均的な出力も低下するためである。
【００１７】
本実施例のロータは電磁鋼板の積み重ねだけで構成されるため、スキューの設定が容易で、堅牢なロータを提供できる。また、外周面に磁石を設けていないため、遠心力による磁石の飛び出し等の心配がなく、高速回転が可能である。
【００１８】
図３（ａ）は、磁石３００の例を示している。磁石３００は円筒形で、動径方向に単極に（円筒の内周面がすべて同じ極になるように）磁化された磁石であり、本実施例では一定の強さで単極着磁された永久磁石を用いている。本実施例では内周側がＮ極に、外周側がＳ極になっているが、逆であってもよい。一般的な多極着磁では磁極が変わる部分に無着磁領域が発生するが、単極着磁では無着磁領域が発生せず、磁石の利用率が１００％となり効率が良い。また、永久磁石を円筒形に成形することが困難な場合などは、必要に応じて複数の永久磁石で円筒を構成してもよい。図３（ｂ）は２つの半円筒形の永久磁石を組み合わせて円筒を構成した例を示している。
【００１９】
図示はしていないが、フレーム１００の内周とステータ１５０の外周との間に周方向に配置するのであれば、磁石３００は完全な円筒でなく部分的に配置してもよい。例えば、磁石３００として電磁石を用いる場合などはこれに該当する。
【００２０】
次に、図４を用いて、ステータの巻線１５２に電流が流れていない時の磁石３００の磁束の流れを説明する。この磁束は磁石３００の内周面（Ｎ極）から出てステータ磁極１５１に鎖交し（図４中ａ）、第１のギャップ１０を介してロータ磁極２３０の凸部２３１を主に通る（同ｂ）。その後、第２のギャップ２０を介してフレーム１００に到達し（同ｃ）、フレーム１００の外径方向を通過して（同ｄ）磁石３００のＳ極に戻る。この様に、磁石３００の磁束はロータ磁極２３０を定常的に励磁する。図５は回転電機の斜視図にてこの磁束の流れを示したものである。尚、この様な磁束の流れを実現するため、フレーム１００は磁性体である必要がある。
【００２１】
ステータ１５０がどの様な構成であっても、上記で説明した磁束の流れは変わらない。例えば集中巻，分布巻，分散巻のいずれであってもよく、単相，二相，三相なども問わない。図６（ａ）はステータが三相巻線で構成された場合を、図６（ｂ）は単相巻線で構成された例を示している。但し、コイルエンドは切り取った状態である。また、フレーム１００は省略した。図６（ｂ）の単相巻線の場合はロータの磁極数とステータの磁極数は同じで、それぞれの磁極ピッチも一定である。但し、ロータがステータ磁極の中心部で停止しないように、また容易に起動できるように、ロータ磁極もしくはステータ磁極の表面のギャップを不均一にして、ロータの磁極中心部とステータの磁極中心部の停止位相をずらしておく必要がある。またギャップを均一にする場合は、図６（ｃ）に示すようにステータの磁極先端部Ｗ１とＷ２を非対称にすれば同様な効果を得られる。
【００２２】
次に、ステータの巻線１５２に鎖交する磁束について、三相巻線の場合を例に説明する。この巻線磁束は図７に示すような流れを構成する。図８（ａ）は、三相巻線が巻かれたステータ磁極を通る磁束を縦軸に、ロータの回転角度を横軸に示したものである。ステータ磁極は、磁石３００により定常的に励磁されている。ロータ２００が回転すると、第１のギャップ１０の磁気抵抗が図８（ａ）の様に変動する。各相の磁束は、各相の巻線と凸部２３１とが最接近するとき最大となり、各相の巻線と凹部２３２とが最接近するとき最小となる。
【００２３】
この様に、ロータ２００の回転によって磁束が変動するため、各相の巻線には図８（ｂ）に示す様に誘起電圧が発生する。モータとして用いる場合には、この誘起電圧の位相に合わせて電流を流すことで一般的なモータと同様に出力を出すことができる。誘起電圧の大きさは磁束の変化量に比例するため、磁石３００に残留磁束密度の高いものを選べば出力を大きくできる。また、磁気回路を構成する第１のギャップ１０や第２のギャップ２０を狭めれば出力の向上が可能である。
【００２４】
一般的なリラクタンスモータでは永久磁石が無く、ロータの出力はステータの巻線に電流を流したときの吸引力のみに依拠するため、モータの体格あたりの出力は小さい。その反面、ロータに永久磁石が無いことにより安価で高速回転が可能という利点もある。本実施例の回転電機は、従来のリラクタンスモータの利点を活かしつつ、出力が小さいという欠点を補い高性能化を実現するものである。
【００２５】
本実施例の構成により、次のような効果が得られる。
【００２６】
まず、磁石をステータ磁極に配置する場合に比べて、磁石３００はフレーム１００の放熱性により容易に冷却できるため、磁石３００の動作温度を低く設定できる。このため、動作温度の低い低価格な磁石を採用することができ、コストの削減に繋がる。次に、磁石を１個の円筒状としたことで、着磁のアンバランスによるモータ性能のバラツキを低減できる。また、第１のギャップが構成する円筒の径よりも磁石の径が大きくなるため、第１のギャップ１０に磁束を集める集磁効果が得られる。これにより、残留磁束密度が弱い磁石を用いた場合にも第１のギャップでは十分な磁束密度を得られる。更に、図５と図７とに示したように、磁石３００の磁路と巻線１５２の磁路が別回路となるため、磁気回路の設計が容易になる。加えて、第１のギャップ１０で発生するスロットリプルによる渦電流損の影響を抑えられ、磁石３００の温度上昇を緩和することもできる。
【実施例２】
【００２７】
図９は磁石３００をロータ２００に配置した例の断面図である。図１との違いは磁石３００の位置で、本実施例ではロータ磁極２３０とヨーク２２０と間に設けている。ロータ２００はステータ１５０に比べて温度が上昇しにくいため、本実施例においても、磁石をステータ磁極に配置する場合に比べて磁石の冷却性を確保しつつ出力を向上させることができる。
【実施例３】
【００２８】
図１０は、第２のギャップをロータの中心部にも設けた回転電機の断面図である。全体の構成は図１に示したものに近いが、第２のギャップをヨーク２２０に設けることで第２のギャップの磁気抵抗を低減し、出力を向上させることができる。
【００２９】
図１１は、図１０の構造を軸流ポンプへ応用した例である。ポンプのインペラに相当するのは、図２（ｂ）で示したスキューを設けたロータである。例えば自動車用の水ポンプとして用いる場合、エチレングリコールが混ざった冷却水が送水される。よって鉄部分が錆びる恐れは余りなく、ロータの磁極をそのままインペラとして使うことができる。しかし、ステータの巻線部分では漏電等を考慮して、樹脂１６０により水が巻線部分に浸入しないようにしている。
【００３０】
このポンプでは、フレーム１００の軸方向にホース取り付け部８００が２つ、更にホース取り付け部８００の内周面に水の通路としての穴８１０が幾つか設けられている。水はロータの磁極である凹部２３２を通り、図中の矢印で示す方向に流れることになる。
【実施例４】
【００３１】
図１２（ａ）はこれまで述べてきたロータの機械的なリラクタンス構造を、磁気的なリラクタンス構造に変えた実施例の図である。本実施例のロータは、略Ｕ字状の空洞部を外縁部分に周期的に有する電磁鋼板が積層された構成となっている。磁気的には、略Ｕ字状の空洞部が先に説明した凹部２３２に相当し、隣接する２つの空洞部に挟まれる部分が凸部２３１に相当する。この様に、形状は異なるが磁気的には図２とほぼ同じである。
【００３２】
図１２（ｂ）はロータ中心部に円筒状の磁石を配置した構成を示したものであり、この構成は図９に示したものと同様の効果が得られる。
【実施例５】
【００３３】
図１３（ａ）及び図１３（ｂ）に、埋め込み磁石モータでの実施例を示す。尚、ステータのコイルエンドは省略している。
【００３４】
図１３（ａ）では、ロータの電磁鋼板の外縁部にプレス打ち抜き等による略Ｖ字状の空洞部を周期的に形成し、この空洞部に永久磁石３５０を挿入している。図１３（ｂ）では、ロータの電磁鋼板の外縁部に略Ｉ字状の空洞部を周期的に形成し、この空洞部に永久磁石３５０を挿入している。磁気的には、これらの空洞部は図２の凹部２３２に相当し、隣接する２つの空洞部に挟まれる部分は凸部２３１に相当する。これらのステータの外周部に磁石３００を配置することで、第１のギャップ１０での磁束密度が増加し、出力向上を期待できる。
【実施例６】
【００３５】
図１のロータとして、リラクタンスモータの鉄心ロータとマグネットモータの表面磁石ロータとを組み合わせたものを用いることもできる。図１４はこの組み合わせの一例を示したもので、軸方向の両端面を鉄心ロータ２８０、軸方向の中央部を表面磁石ロータ２９０で構成している。このようなロータの構成においても同様に出力を向上させることができる。
【００３６】
以上の各実施例では内転型のモータ構造で説明してきたが、本発明は発電機や外転型のモータでも実施できる。外転型の場合であっても、磁石と磁性体フレームの位置関係は内転型と同じである。また、各実施例では磁石３００を用いたが、これは起磁力をもつ部材であれば何でもよく、例えば電磁石などでもよい。また、このような磁石は完全な円筒形に限らず、周方向に部分的に複数個を配置しても良い。いずれの場合においても、磁石の冷却性を確保しつつ出力を向上させられる。
【符号の説明】
【００３７】
１０  第１のギャップ
２０  第２のギャップ
１００  フレーム
１２０  軸受け
１５０  ステータ
１５１  ステータ磁極
１５２  巻線
２００  ロータ
２１０  シャフト
２２０  ヨーク
２３０  ロータ磁極
３００  磁石
【図１】
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【図２】
2011139617.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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