(57)【要約】【課題】  電動機と発電機の機能を併せ持った組立性の良い実装性にもすぐれた磁気回路分離型電動機械を提供する。【解決手段】  ステータ５とロータ６からなる電磁誘導回路を、１つずつ分離させた１ピースの電磁誘導回路とし、前記１ピースの電磁誘導回路を円状に配置し、前記１ピースの電磁誘導回路それぞれのボビン３の通電端を、回転制御に必要な回路構成になるように接続し、複数の前記１ピースの電磁誘導回路を、ステータ５、ロータ６として一体化し、１つの回転動力を発生させる磁気回路分離型電動機械。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータとロータからなる電磁誘導回路を、１つずつ分離させた１ピースの電磁誘導回路とし、
前記１ピースの電磁誘導回路を円状に配置し、
前記１ピースの電磁誘導回路それぞれのボビンの通電端を、回転制御に必要な回路構成になるように接続し、
複数の前記１ピースの電磁誘導回路を、ステータ、ロータとして一体化し、１つの回転動力を発生させる磁気回路分離型電動機械。
【請求項２】
請求項１に記載の磁気回路分離型電動機械において、
それぞれの前記１ピースの電磁誘導回路を、１つの円を中心にして、平面状に１重以上に配置した磁気回路分離型電動機械。
【請求項３】
請求項２に記載の磁気回路分離型電動機械において、
前記１ピースの電磁誘導回路を平面状に２重以上に配置する場合、
１重目の電磁誘導回路の中心に対し、２重目以降の電磁誘導回路を、前記中心からの同一の放射線上からずらして配置した磁気回路分離型電動機械。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の磁気回路分離型電動機械において、
ロータ側に使用する永久磁石を、コアの中心軸に対し、同じ中心軸で配置した磁気回路分離型電動機械。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の磁気回路分離型電動機械において、
ロータ側に使用する永久磁石を、斜めに配置した磁気回路分離型電動機械。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の磁気回路分離型電動機械において、
ステータのコイル付近に、放熱用のパイプを埋め込んだ磁気回路分離型電動機械。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載の磁気回路分離型電動機械において、
平面状に複数の電磁誘導回路を配置して平面ユニットを構成し、
前記平面ユニットを、軸方向に複数段積み上げた磁気回路分離型電動機械。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかに記載の磁気回路分離型電動機械において、
複数の前記１ピースの電磁誘導回路を、ステータ、ロータとして、アルミダイキャスト又は樹脂モールドにより一体化した磁気回路分離型電動機械。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれかに記載の磁気回路分離型電動機械において、
複数の前記１ピースの電磁誘導回路パーツの円弧上に整列されたコアの内面を、円弧上に整列させるコア円弧整列パーツを有する磁気回路分離型電動機械。
【請求項１０】
請求項１乃至９に記載の磁気回路分離型電動機械を備える車両に用いられ、
前記磁気回路分離型電動機の電磁誘導回路が平面状に多重に配置されている場合、
発進加速時は、すべての電磁誘導回路を駆動用電磁回路として使用し、
安定走行時は、外周側の電磁誘導回路に微弱電流を流し、
減速時は、内周側の電磁誘導回路を発電機として使用する、磁気回路分離型電動機械の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁誘導を発生させるユニットを１つずつ独立させ、これを円周上に配列する磁気回路分離型電動機械、およびその制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電動機（モータ）や、発電機（ジェネレータ）又は、両者の機能を併せ持つ電気機械（以下、請求項をも含め、「電動機械」と称する）は、電磁誘導を利用した回転装置であり、現在かご形三相誘導電動機や界磁に永久磁石を利用した永久磁石同期電動機などの円筒形一体型モータが一般的に利用されている。
【０００３】
かご形三相誘導電動機や永久磁石同期電動機は、円筒形に積層した電磁鋼板などに空けたスロットや、コアにエナメル線などの絶縁物を介して巻いたり、挿入したり、ボビンに巻きつけた後でコアに差し込み、この状態で、誘導磁界を発生させる方式が主流である。しかし、この方法では、電動機が円筒形であるがゆえに、円筒形の内側からエナメル線などの導体を巻く複雑な装置や、ボビンをコアに挿入する際、隣のボビンにエナメル線が干渉し実装性（以下占績率と称する）に影響を与え、結果的に組立て方法が非常に複雑になってしまい、さらには設備費用が非常に高価になってしまう欠点があった。また、近年自動車などでは、地球温暖化対策などで内燃機関（エンジン）と電動機を組み合わせた駆動方式に合わせ、エネルギーロスを最小限にする目的などで、発電機も組み合わせながら最適なエネルギー効率を追及した、いわゆるハイブリット式自動車などが大きく普及おり、さらに安価でスペース効率の良い電動機の実現が待望されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１８００４２号公報
【特許文献２】特開平１０−１２７０２９号公報
【特許文献３】特開２０１２−１７５７４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記の特許文献１の方式では、円筒形のモータの内側にエナメル線を連続して巻きつけ組み立てる方式である為、円筒形の外形が変われば、巻線機械も別途専用に必要になるなど、組立性の向上と言う観点では、メリットが少なく、特許文献２では、コイルとロータのエアーギャップを狭くすることに限界があり、また、外側が回転するいわゆるアウターロータ的になり一般的なモータとしては使い勝手が悪い。特許文献３では、電磁誘導回路が、１回路（１周）のみしか作れず動力に限界があり、ロータ部をコアで挟み込み方式の為、薄型にするにも限界がある。また、従来の方式である、かご形三相誘導電動機や永久磁石同期電動機は、円筒形のモータであるがゆえに、実装容積やスペース効率にも限界があり、さらに、別途発電機を設ける場合はさらに、このための実装スペースが必要になるなど、実装面でスペース効率などが悪化してしまう課題がある。
【０００６】
本発明によれば、上述した組立て性の改善を行い、電動機と発電機の機能を併せ持った組立性の良い実装性にもすぐれた磁気回路分離型電動機械を提供することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、ステータとロータからなる電磁誘導回路を、１つずつ分離させた１ピースの電磁誘導回路とし、前記１ピースの電磁誘導回路を円状に配置し、前記１ピースの電磁誘導回路それぞれのボビンの通電端を、回転制御に必要な回路構成になるように接続し、複数の前記１ピースの電磁誘導回路を、ステータ、ロータとして一体化し、１つの回転動力を発生させることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、電動機と発電機の機能を併せ持った組立性の良い実装性にもすぐれた磁気回路分離型電動機械を提供することができる。
【０００９】
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の１つの基本構造である電磁誘導回路の電動機械の断面を示す図である。
【図２】本発明の実施例１になる電動機械の構成を示す図である。
【図３】本発明の実施例２になる電動機械の構成を示す図である。
【図４】本発明の実施例３になる電動機械の構成を示す図である。
【図５】本発明の実施例４になる電動機械の構成を示す図である。
【図６】本発明の実施例５になる電動機械の構成を示す図である。
【図７】本発明の１つの基本構造である電磁誘導回路のコアとロータのエアーギャップ最小化事例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。
【実施例１】
【００１２】
図１により、本発明の１つの基本構造である電磁誘導回路の電動機械の断面を示す。これが、磁気回路分離型電動機械の基本構成である。
【００１３】
図１の、符号１は、凹型に整形した電磁鋼板などの薄板を複数積層したコアを示しており、符号３は、凹型のコアの直線部分に取り付け、コアとの間の絶縁性を確保する為のボビンである。符号４は、符号３のボビンにエナメル線などの導体をコアの直線方向とほぼ直角になるように巻いたコイルを示す。符号２は、ロータの一部を示し、凹型のコアの開放部分に、透磁性の良い鋼材や、永久磁石などを接触しない程度の少しの隙間を設けて配置し、符号１から４までの部品の構成を持って、１つの閉じた電磁誘導回路を示す。この符号１から４までを１ピースの電磁回路として標準化した回路とし、これを、符号１６の大きな円の中心に向かって放射状に、凹型のコアの開放部が上になるように整列して配置する。この符号１、３、４で構成された１ピースの電磁誘導発生部を、複数円周上に整列し、符号５のアルミダイキャストなどで成形した型枠にはめ込んだ構造体を、従来の電動機械でいうステータと称する。又円周上に配置した符合２の連続したもう一方の複数のピースを符号６のアルミダイキャストなどで成形した型枠にはめ込んだ構造体で、ステータと同様に従来の電動機械で言うロータと称する。また、ロータの回転力を伝える符号７のシャフトと符号６のアルミダイキャストなどで一体化したロータを、相互に焼嵌めしたり、キー溝などで固定したりしてロータの回転力を符号７のシャフトに伝達する。なお、符号８、符号９は、ステータとロータの間にはめ込んだベアリングを示し、これにより、符号７のシャフトの回転を抵抗無くスムーズに伝達できる構造とする。
【００１４】
なお、符号４のコイルの取り出し線は、コイルの両端になるよう標準化するが、電動機械として回転制御を行う為には、Ｕ相Ｖ相Ｗ相などの複数の制御線を、電動機械の制御方式により、スター結線やデルタ結線など種々の結線方式に接続する為の符号１２のブスバーを、符号４のコイルの予め決めた取り出し分まで、折り曲げたり飛び越したりしながら、この取り出し分に接続できるよう、符号１２のブスバーを工夫する。この際、符号１３の絶縁材や、符号１４のワニスなどの絶縁材、さらに図１には記載していないが、ブスバーの、交差する部分にも、絶縁材で覆い、各ブスバーが短絡しないよう工夫する。なお、ブスバーの実装性を簡単にする目的で、符号１５のブスバーのサポート材を樹脂などで成形したものをあらかじめ、セットすればより作業性が向上する。
【００１５】
さらに、符号４のコイルから発生する熱を効率よく放熱する為、符号１１の冷却水などを通水できる冷却パイプを、符号５のステータの中に埋め込みさらに、符号１０の放熱フィンをかねた蓋で、符号１１の冷却パイプを固定することが出来るよう工夫する。
【００１６】
以上図１が、本発明の１つの基本構造である電磁誘導回路の電動機械の基本構成の説明である。
【実施例２】
【００１７】
図２により、本発明の実施例２になる磁気回路分離型電動機械を簡略的に記載した概念図を示す。なお、この実施例においても、前記の実施例と同様の構成要件は、上記と同じ符号により示されている。
【００１８】
実施例２は、実施例１を分かりやすく解説する為、立体的に作図したもので、実施例１をさらに分かりやすく示した斜視図を示す。従い、実施例２は実施例１と構成の説明などは同じなので、詳細説明は省略する。なお、符号２の１つのロータで、例えば永久磁石を、凹型の間にはめ込むときに、若干斜めにはめ込むなどの工夫をして、回転動作時にコギングトルクが発生しないよう、スムーズに回転するよう工夫した事例である。なお、実施例には記載しないが、ロータ部分の永久磁石などを、斜めにしなくても、符号１から４までの部品の構成を持って、１つの閉じた電磁誘導回路を密に接近して配列するなどで、永久磁石を斜めにせず、コアと同じ整列方向とし、１直線状に配列しても、電動機械としては機能する。
【００１９】
また、この隣り合った例えば永久磁石を、Ｓ極、Ｎ極交互に配列し、コイル側でもＳ極、Ｎ極を交互に作り出すことで、回転力を生む出すことが出来る。
【実施例３】
【００２０】
図３により、本発明の実施例３になる磁気回路分離型電動機械を簡略的に記載した概念図を示す。符号１から４までの部品の構成を持って、１つの閉じた電磁誘導回路を、実施例２の外側（または内側）にさらに、もう１重配置し、円を中心に、合計２重円になるよう電磁誘導を配置した事例である。この事例は、実施例１に比べて、電動機械のパワーを、ほぼ２倍にすることが出来また、平面的に広がりを持たせ縦方向の寸法は同じに出来る為、実装スペースを、節約できる。
【実施例４】
【００２１】
図４により、本発明の実施例４になる磁気回路分離型電動機械を簡略的に記載した概念図を示す。符号１から４までの部品の構成を持って、１つの閉じた電磁誘導回路を、実施例３と比較したとき、内側の電磁誘導回路を外側の電磁誘導回路に比べ、それぞれの１ピースの電磁回路中心円から見たとき、若干、図に示すごとく、円を中心としてずらすことで、回転時のコギングトルクをさらに抑制することが出来る。
【実施例５】
【００２２】
図５により、本発明の実施例５になる磁気回路分離型電動機械を簡略的に記載した概念図を示す。符号１から４までの部品の構成を持って、１つの閉じた電磁誘導回路を、実施例４と比較したとき、内側の電磁誘導回路を外側の電磁誘導回路に比べ、外側の電磁誘導回路を、さらに蜜に配列した事例を示す。これは、さらに電動機械のパワーを強めることが可能になる。
【実施例６】
【００２３】
図６により、本発明の実施例６になる磁気回路分離型電動機械を簡略的に記載した概念図を示す。符号１から４までの部品の構成を持って、１つの閉じた電磁誘導回路を、実施例５と比較したとき、実施例５の外側（または内側）にさらに、もう１重配置し、円を中心に、合計３重円になるよう電磁誘導を配置した事例である。この事例は、実施例１に比べて、電動機械のパワーを、ほぼ３倍にすることが出来また、平面的に広がりを持たせ縦方向の寸法は同じに出来る為、実装スペースを、節約できる。さらに、外側の電磁回路をフライホイールのように、運動エネルギーの貯蔵用としても活用でき、また、内側では、発電（回生電力）の生成も同時に出来る。
【実施例７】
【００２４】
図７により、符号１のコアを、電磁誘導回路として１つの中心円の周りに均等にコアを整列させると、符号１のコアと符号２の電磁誘導体の電磁誘導的空間も円弧上にしたほうがより接近し、電磁誘導的には有利になる。この対策として、１つの閉じた電磁誘導回路に符号４のコイルなどの導体を巻きつけるための符号３のボビンを取り付ける前に、符号１８のコア円弧整列パーツを挿入する。符号１８のコア円弧整列パーツは、パーツの内面を積層されたコアが、円弧上に整列したとき形成される円弧の断面形状に合わせて階段状に整形してある。符号３のボビンを取り付ける前に、符号１８のコア円弧整列パーツをあらかじめ挿入し、コアの接触面を円弧上に強制的に整列させる。こうすることで、符号１のコアと符号２の電磁誘導体の電磁的距離を、極限まで近づけることが出来る。符号１のコアを１つのステータとして、一体化した後、コアの内面を、円を中心として内面切削しても、円弧は製作できるが、製作の手間や、鉄粉やバリの対策などが発生するので、符号１８のコア円弧整列パーツにより、円弧状にすることで、より安価に電磁誘導の力を、周囲に分散させず、有効的に磁界を利用することが出来る。
【００２５】
以上説明したごとく、本発明は、凹字型に成形した電磁鋼板などを一定量積層したコアに、ボビンなどの絶縁物を凹字型の直線部分に取り付けた上に、エナメル線などの導体をコアと直角方向に巻きつけた構造を有した、１つの電磁誘導発生装置を従来の電動機械で言う一部のステータとし、この凹字型の開放部分に、接触しない程度の少しの隙間を設けて、透磁性の良い鋼材や、永久磁石などを挿入した状態を、従来の電動機械で言う一部のロータとし、この組合せを１つの電磁誘導回路として、ここで仮にこれを１ピースの電磁誘導回路と称する。この１ピースの電磁誘導回路を、凹字型部分が上になるように１つの円を中心として円状に配列する。この１ピースの電磁誘導回路を円状に配列した１セットの電磁誘導回路を、従来で言うステータおよびロータとする。この１セットの電磁誘導回路は、ばらばらにならないよう、また、円を中心に回転できるよう、１ピースの電磁回路が１セットの電磁回路になるよう１ピースのステータやロータのそれぞれを、アルミダイキャストや溝付き部品への溶接やネジ止めなど、場合によっては樹脂モールドなどで一体に成形し、１つの構造体に固定化する。
【００２６】
このような構造体にすることで、１ピースの電磁誘導回路を１セットの電磁誘導回路に標準化することができ、１ピースの電磁誘導回路で見たときには、エナメル線などの導体の巻線作業を１ピース単品で行える為、巻線作業の標準化と単純化が可能になり、作業性が格段に向上する。また、凹字型のコアを組み合わせたステータ構造にすることが出来る為、超扁平な電動機械の構造に出来る。これにより、大きな容積を取らず、平面的にまた、省スペース的に電動機械を設置することが出来る。
【００２７】
さらに、電磁誘導回路は上記の通り、１ピースで閉じた回路であることより必要最小限の電磁鋼板などのみで材料費の大幅な低減が可能になる。さらに、一体化する場合は、アルミや、場合によりモールド成形することで、電動機械自体を軽量化できる。
【００２８】
例えば、これを車のハイブリット用モータとして利用した場合、車体の底にモータを配置し、上面を電池などの大量に体積を必要とする部材に有効利用することができる。さらに、軽量化できるため、車の燃費の向上にも有効である。
【００２９】
なお、回転制御は、例えば、１ピースのロータに永久磁石を用いた場合Ｎ極Ｓ極を、１セットのロータとし、これを、Ｎ極Ｓ極が交互に並んだ状態に配列し、凹字型のステータ電磁誘導回路にはこれと反発する磁力などを交互に発生させることにより、電動機械として回転力を発生させる仕組みなども考えられる。
【００３０】
以上を、１つの基本構造とする。なお、ロータが回転している間は、この１つ基本構造の電動機械では、発電機能も有することができるので、回転状態や装置側の制御の都合により、両者を使い分けることができる。さらに、急速に停止をさせたい場合は、吸引磁力を電磁誘導回路に流すことにより、通常より強力に停止動作を行うよう制御することも可能になる。
【００３１】
上記に示した、１つの基本構造である電磁誘導回路を、平面状の外側に、前記の１つの円を中心に、同じような電磁誘導回路を、２重に配列することも出来る。あるいは、さらに追加し３重以上も可能になる。このようにすることで、２重目、３重目の電動機械の制御を、例えば車の始動時では、１から３重目まで全てを駆動回路にして、大きな駆動力を生み出すことが出来る。さらに、車のスピードが安定してきたら、最も外側の電磁誘導回路は、フライホイールのように運動エネルギーを蓄えることで、もう１つのエネルギー源としても利用可能になる。さらに、場合によっては１重目の電磁誘導回路を発電用にも利用できるし、緊急停止の必要性が発生した場合は、１から３重目の電磁誘導回路共に吸引磁界を発生させ、大きな停止力も発生させることができる。このようにして、複数の電磁誘導回路を個別に制御できるので、制御側の事情により最適な制御も可能になる。
【００３２】
さらに、上記の複数の電磁回路を有する電動機械を、縦方向に複数段積み重ねることで船やトラック等大きな力が必要で且つ、実装スペースにも余裕がある場合は、より強力な電動機械にすることも可能である。
【００３３】
車以外にも、上記電動機械を利用できる１つの事例として、風力発電の発電機として利用が有効である。風力発電の、発電装置は、風を受けて回転する羽の軸に直結して、発電機を上部に設置する形が多いが、今回の発明の電動機械を利用すれば、羽の回転を地上に固定する軸状の構造体の内部にシャフトを入れ込み、地上に設置した、今回の発明による電動機械に伝達できる機能を有するよう設置すれば、平面状に大きな発電機が、地上に簡単に設置でき、メンテナンスも容易になる。
【００３４】
このように、本発明によれば、電磁誘導回路を個別に分離できる為、従来の一体型の誘導型などの円筒形状の電動機械に比べ組立性が格段に向上する。
【００３５】
また、超扁平な電動機械にすることができるため、設置スペースを省スペース化できる。さらに、上記電磁誘導回路を、複数段横方向に広げることで、段毎に、駆動用回路、発電用回路、場合によっては、フライホイールなどのように運動エネルギーを蓄えて使用することも可能になる。
【００３６】
また、電磁誘導回路を最小限の部材に制限できる為、そのほかの部材を軽量な部材にすることで、電動機械自体を軽量できる。材料費の低減にも貢献できる。
【符号の説明】
【００３７】
１…コア
２…電磁誘導体
３…ボビン
４…コイル
５…ステータ
６…ロータ
７…シャフト
８…ベアリング
９…ベアリング
１０…放熱フィン
１１…冷却パイプ
１２…ブスバー
１３…絶縁材
１４…ワニス
１５…ブスバーサポート材
１６…回転中心
１７…フランジ
１８…コア円弧整列パーツ
【図１】
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【図２】
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【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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