(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転電機の回転の中心に対して固定子ティースを周方向に複数備えた固定子鉄心と、
前記固定子ティースの間に形成された複数の固定子スロットのそれぞれの底部の側に配置された固定子コイルと、
複数の前記固定子スロットのそれぞれの開口した側に配置され、径方向に同一の極性を備えた固定子磁石と、を備え、
それぞれの前記固定子スロットにおいて、
板状のウエッジが、前記固定子コイルと前記固定子磁石との間に、前記固定子スロットの対向した２つの壁面と嵌め合って設けられ、
それぞれの前記固定子スロットは底部の側から開口した側に複数の前記ウエッジを備え、
前記固定子磁石は複数の前記ウエッジのうち最も前記開口した側に配置されたウエッジに接着して固定されていることを特徴とする固定子。
【請求項２】
請求項１に記載した固定子と、
複数の磁極片を有し、前記固定子磁石と対向して前記固定子と同軸に設けられた第１の回転子と、
複数の永久磁石を有し、前記第１の回転子と対向して前記第１の回転子と同軸に設けられた第２の回転子と、を備えたことを特徴とする回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、固定子およびこれを用いた回転電機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、回転電機が回転の中心に備えた回転軸に連結され、回転電機の回転を減速する機械式変速機が低速駆動を必要とする用途に対して用いられてきた。機械式変速機を用いた場合、機械的な摩耗などが変速機に生じるため、定期的なメンテナンスが必要となる。一方、非接触で回転子の回転速度を変速できる回転電機が、磁気波動歯車装置もしくは磁気ギアード発電機として開示されている（例えば、特許文献１参照）。【０００３】
特許文献１に示された磁気波動歯車装置は、回転軸を中心に、外周側から固定子、低速で回転する第１の回転子、および変速比に応じて高速で回転する第２の回転子を備える。固定子は、発電電力を出力する、あるいは発生トルクを制御することができる固定子コイルを有する。この回転電機を用いると、非接触で回転子の回転速度を変速できるため、機械的な摩耗などに起因したメンテナンスが不要であり、メンテナンスについての負荷の軽減を実現することができる。また、この回転電機を発電機として使用すれば、機械式変速機なしに１つの回転電機で変速と発電が可能で、発電システムは小型となり、省スペース化が実現できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−１３５０１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１における回転電機の構造では、固定子は複数の固定子スロットを備えた固定子鉄心を有し、それぞれの固定子スロット内に固定子コイルと固定子磁石の両方を格納しているため、１つの回転電機で変速と発電の両方を行うことができる。また、固定子磁石の固定子コイルの側の一部に、バックヨークとして磁性体であるチップ部が固定子スロットの壁面から突出して設けられ、高出力化が図られている。しかしながら、固定子スロットの開口した側に配置されている固定子磁石は、固定子磁石を固定する手段が設けられていないため、固定子磁石が抜け落ちるなどの不具合が発生するという課題があった。【０００６】
チップ部を設けた場合、固定子スロットの底部の側に固定子コイルを固定することができる。しかしながら、チップ部を設けたことで固定子コイルを固定子スロットに挿入することが難しくなるため、固定子の工作性が悪化するという課題があった。チップ部を設けない場合、固定子コイルの固定子スロットへの挿入は容易になるものの、固定子コイルが固定子スロットの底部の側で固定されないため、固定子コイルが開口した側に動くという課題があった。また、固定子スロットの底部の側で固定子コイルが固定されないと、固定子コイルが動いた際の摩擦により固定子コイルの絶縁被覆が損傷し、固定子コイルの絶縁が劣化するなど固定子の信頼性が損なわれるという課題があった。【０００７】
本願は前記のような課題を解決するためになされたものであり、固定子スロット内の固定子磁石と固定子コイルを、簡易な製造工程で固定子スロットに固定した固定子を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本願に開示される固定子は、回転電機の回転の中心に対して固定子ティースを周方向に複数備えた固定子鉄心と、前記固定子ティースの間に形成された複数の固定子スロットのそれぞれの底部の側に配置された固定子コイルと、複数の前記固定子スロットのそれぞれの開口した側に配置され、径方向に同一の極性を備えた固定子磁石とを備え、それぞれの前記固定子スロットにおいて、板状のウエッジが、前記固定子コイルと前記固定子磁石との間に、前記固定子スロットの対向した２つの壁面と嵌め合って設けられ、それぞれの前記固定子スロットは底部の側から開口した側に複数の前記ウエッジを備え、前記固定子磁石は複数の前記ウエッジのうち最も前記開口した側に配置されたウエッジに接着して固定されるものである。
【発明の効果】
【０００９】
本願に開示される固定子によれば、固定子スロット内の固定子磁石と固定子コイルを、簡易な製造工程で固定子スロットに固定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態１に係る回転電機の断面を示す模式図である。
【図２】実施の形態１に係る回転電機の要部を示す模式図である。
【図３】実施の形態１に係る回転電機の固定子スロットの断面を示す模式図である。
【図４】実施の形態２に係る回転電機の固定子スロットの断面を示す模式図である。
【図５】実施の形態３に係る回転電機の要部を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本願の実施の形態による固定子およびこれを用いた回転電機を図に基づいて説明する。なお、各図において同一、または相当部材、部位については同一符号を付して説明する。
【００１２】
実施の形態１．
図１は回転電機１００の断面を示す模式図、図２は回転電機１００の要部を示す模式図である。図２は、図１の破線で囲んだ箇所を拡大して示した図である。回転電機１００は、図１に示すように、回転電機１００の回転の中心である回転軸４０を取り囲む円環状の固定子１と、固定子１と同軸に設けられた第１の回転子である低速回転子２０と、低速回転子２０に対向して低速回転子２０と同軸に設けられた第２の回転子である高速回転子３０とを備える。まず、回転電機１００として磁気ギアード発電機についての一般的な構造と動作を説明する。
【００１３】
固定子１は、図２に示すように、固定子鉄心２、固定子コイル３、および固定子磁石４を備える。円環状の固定子鉄心２は、回転電機１００の回転の中心に対して固定子ティース６を周方向に等間隔で複数備える。固定子ティース６の間に形成された複数の固定子スロット５は、それぞれが固定子コイル３と固定子磁石４を備える。固定子コイル３は、固定子スロット５の底部５ａの側に配置される。固定子磁石４は、固定子スロット５の開口した側に配置される。固定子磁石４は、全て径方向の同じ向きに着磁されている。固定子磁石４は、例えばネオジウム焼結磁石であるが、これに限るものではない。固定子磁石４の内径側をＮ極とすると、隣接した固定子ティース６の内径側はＳ極となり、固定子スロット５の数と同じ数の極対数Ｎｓが形成される。
【００１４】
低速回転子２０は、固定子１の内周側に固定子磁石４に対向して、微小なギャップを介して設けられる。低速回転子２０は、周方向に等間隔で配置された複数の磁極片２１を有し、外部からの動力により低速で回転する。この磁極片２１の数を、ＮＬとする。高速回転子３０は、低速回転子２０の内周側に設けられる。高速回転子３０は、外周部に複数の永久磁石である高速回転子磁石３１を等間隔で有し、Ｎｈの極対数が形成される。
【００１５】
Ｎｓ、ＮＬ、Ｎｈの関係が、ＮＬ＝Ｎｓ±Ｎｈを満足すれば、固定子磁石４と高速回転子磁石３１の磁力の相互作用により、低速回転子２０に負のトルクが発生する。これに対して低速回転子２０を外部からの動力により回転させることで、低速回転子２０に入力を得ることができる。低速回転子２０の入力に対して、高速回転子３０をフリーランさせるように固定子コイル３に固定子電流を流せば、高速回転子３０は低速回転子２０のＮＬ/Ｎｈ倍の回転速度で回転する。高速回転子３０が低速回転子２０のＮＬ／Ｎｈ倍速で回転すると、固定子コイル３に誘導起電力が発生する。誘導起電力の発生により、固定子コイル３から発電電力が出力される。
【００１６】
本願の要部である固定子スロット５の内部の構成について説明する。図３は実施の形態１に係る回転電機１００の固定子スロット５の断面を示す模式図である。それぞれの固定子スロット５は、固定子コイル３、固定子磁石４、およびウエッジ７を備える。板状のウエッジ７は、固定子コイル３と固定子磁石４との間で、固定子スロット５の対向した２つの壁面５ｂの切欠き部５ｃと嵌め合って設けられる。ウエッジ７は、例えば、樹脂で作製されるが、ウエッジ７の材料はこれに限るものではない。固定子コイル３と固定子磁石４とは、ウエッジ７を介して対向する。固定子磁石４は、径方向に同一の極性を備えるように着磁される。例えば、図３に示した矢印の方向が着磁の方向である。
【００１７】
ウエッジ７を切欠き部５ｃと嵌め合って固定することで、固定子コイル３は固定子スロット５の底部５ａで安定して固定される。固定子磁石４は、ウエッジ７に接着して固定される。固定子磁石４を接着する接着剤１０は、例えば、エポキシ系の接着剤であるが、接着剤はこれに限るものではない。
【００１８】
固定子１の製造工程において、ウエッジ７は、固定子コイル３を固定子スロット５に挿入した後に、切欠き部５ｃに紙面に垂直な軸方向から挿入して設けられる。そのため、ウエッジ７は、固定子コイル３の固定子スロット５への挿入を妨げることはなく、固定子コイル３の固定子スロット５への挿入は容易である。また、ウエッジ７は嵌め合いで設けられるため、ウエッジ７の固定子スロット５への設置は容易であり、固定子コイル３は固定子スロット５に容易に固定される。固定子磁石４は、固定子スロット５の開口の側ではなく、固定子コイル３と固定子磁石４との間に設けたウエッジ７に接着して固定されるため、固定子磁石４は低速回転子および高速回転子（図３では図示せず）に接近させて固定される。固定子磁石４を低速回転子および高速回転子に接近させることで、発生するトルクを大きくすることができる。
【００１９】
以上のように、実施の形態１による固定子１は、固定子磁石４をウエッジ７に接着して固定しているため、固定子磁石４が抜け落ちるなどの不具合が抑制され、簡易な製造工程で固定子スロット５に固定子磁石４を固定することができる。また、固定子コイル３の固定子スロット５への挿入は容易であるため、簡易な製造工程で固定子１を作製することができる。また、ウエッジ７は嵌め合いで設けられるため、簡易な製造工程で固定子１を作製することができる。また、簡易な製造工程で固定子コイル３を固定子スロット５に固定することができる。
【００２０】
実施の形態２．
実施の形態２に係る固定子１について説明する。図４は、回転電機１００の固定子スロット５の断面を示す模式図である。実施の形態２に係る固定子１は、複数のウエッジが固定子コイル３と固定子磁石４との間に設けられた構成になっている。
【００２１】
固定子スロット５は、固定子コイル３、固定子磁石４、および固定子コイル３と固定子磁石４との間に複数のウエッジを備える。それぞれの固定子スロット５は底部５ａの側から開口した側に複数のウエッジを備え、固定子磁石４は複数のウエッジのうち最も開口した側に配置されたウエッジに接着して固定される。ここでは複数のウエッジとして、ウエッジ７とウエッジ８の２枚のウエッジが設けられる。板状のウエッジ７とウエッジ８は、固定子スロット５の対向した２つの壁面５ｂの切欠き部５ｃと嵌め合って設けられる。ウエッジ７とウエッジ８は、例えば、樹脂で作製されるが、ウエッジ７とウエッジ８の材料はこれに限るものではない。
【００２２】
複数のウエッジを設けたことで、固定子コイル３と固定子磁石４の固定を１つのウエッジの強度に頼ることがなくなるため、固定子スロット５内の機械強度の信頼性が向上する。なお、２枚のウエッジの設置について説明したが、ウエッジを３枚以上に設けても同様の効果を奏する。
【００２３】
ウエッジ７とウエッジ８は接近させて設けるのではなく、図４に示すように、空間部９を介して離間して設けるのが望ましい。電流が流れた固定子コイル３のジュール損による発熱の影響で、固定子磁石４の温度が高くなることがある。固定子磁石４の温度が高くなった場合、固定子磁石４は温度が高くなるにつれて残留磁束密度が小さくなる特性を有しているため、温度が高くなると磁力が低下し、固定子１の性能が劣化する。空気層である空間部９を設けることで断熱効果が見込めるため、固定子コイル３の発熱に起因した固定子磁石４の昇温を抑制することができる。
【００２４】
以上のように、実施の形態２による固定子１は、ウエッジ７とウエッジ８の複数のウエッジを備えたため、固定子スロット５内の機械強度の信頼性を向上することができる。また、ウエッジ７とウエッジ８とを離間させて設けた場合、固定子コイル３の発熱に起因した固定子磁石４の昇温を抑制することができる。
【００２５】
実施の形態３．
実施の形態３では、実施の形態１で説明した固定子１を用いた回転電機１００について説明する。図５は回転電機１００の要部を示す模式図である。実施の形態３に係る回転電機１００は、固定子スロット５内の固定子コイル３と固定子磁石４との間に板状のウエッジ７を備えた構成になっている。
【００２６】
回転電機１００は、図５に示すように、回転電機１００の回転の中心である回転軸（図示せず）を取り囲む円環状の固定子１と、複数の磁極片２１を有し、固定子磁石４と対向して固定子１と同軸に設けられた第１の回転子である低速回転子２０と、複数の永久磁石である高速回転子磁石３１を有し、低速回転子２０と対向して低速回転子２０と同軸に設けられた第２の回転子である高速回転子３０とを備える。固定子１は、固定子鉄心２、固定子コイル３、固定子磁石４、およびウエッジ７を備える。円環状の固定子鉄心２は、回転電機１００の回転の中心に対して固定子ティース６を周方向に等間隔で複数備える。固定子ティース６の間に、固定子スロット５が形成される。ウエッジ７は、固定子コイル３と固定子磁石４との間で、固定子スロット５の対向した２つの壁面５ｂの切欠き部５ｃと嵌め合って設けられる。固定子１の製造工程において、ウエッジ７は、固定子コイル３を固定子スロット５に挿入した後に、切欠き部５ｃに紙面に垂直な軸方向から挿入して設けられる。
【００２７】
以上のように、実施の形態３による回転電機１００では、ウエッジ７を備え、固定子磁石４をウエッジ７に接着して固定しているため、固定子磁石４が抜け落ちるなどの不具合が抑制され、簡易な製造工程で固定子スロット５に固定子磁石４を固定することができ、ひいては簡易な製造工程で回転電機１００を作製することができる。また、固定子コイル３の固定子スロット５への挿入は容易であるため、簡易な製造工程で固定子コイル３を固定子スロット５に固定することができ、簡易な製造工程で回転電機１００を作製することができる。また、ウエッジ７は嵌め合いで設けられるため、簡易な製造工程で固定子コイル３を固定子スロット５に固定することができ、簡易な製造工程で回転電機１００を作製することができる。
【００２８】
以上では、実施の形態１で説明した固定子１を用いた回転電機１００について説明したが、実施の形態２で説明した固定子１を用いた回転電機１００においても、簡易な製造工程で回転電機１００を作製することができる。また、本願と同様の構成の固定子１を備えた発電機、モータにおいても同様の効果を奏する。また、以上では固定子１が最外周にある回転電機１００について記載したが、固定子１の配置は最外周に限るものではなく、固定子１が最内周にあるアウターロータ形の回転電機であっても構わない。固定子１を最内周に設けた場合、固定子鉄心は回転電機の外周側に向けて開口した固定子スロットを周方向に複数備える。
【００２９】
また本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
【符号の説明】
【００３０】
１  固定子、２  固定子鉄心、３  固定子コイル、４  固定子磁石、５  固定子スロット、５ａ  底部、５ｂ  壁面、５ｃ  切欠き部、６  固定子ティース、７  ウエッジ、８  ウエッジ、９  空間部、１０  接着剤、２０  低速回転子、２１  磁極片、３０  高速回転子、３１  高速回転子磁石、４０  回転軸、１００  回転電機
【要約】
回転電機（１００）の回転の中心に対して固定子ティース（６）を周方向に複数備えた固定子鉄心（２）と、固定子ティース（６）の間に形成された複数の固定子スロット（５）のそれぞれの底部（５ａ）の側に配置された固定子コイル（３）と、複数の固定子スロット（５）のそれぞれの開口した側に配置され、径方向に同一の極性を備えた固定子磁石（４）とを備え、それぞれの固定子スロット（５）において、板状のウエッジ（７）が、固定子コイル（３）と固定子磁石（４）との間に、固定子スロット（５）の対向した２つの壁面（５ｂ）と嵌め合って設けられ、固定子磁石（４）はウエッジ（７）に接着して固定されている。【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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