(57)【要約】【課題】電流により発生するトルクに比例して磁束量を制御できる電気機械を得ること。【解決手段】スロットに巻線を収納する固定子を有する電気機械において、スロットの側壁であるティース５の先端部６が回転中心１１を中心に可動可能に形成されている。通電電流によって生ずるトルクに応じて先端部６が回転中心１１を中心に回転し、回転子または可動子との空隙長を変化させる。これによって、磁束量を変化させることができ、可変速モータでは、運転範囲を広げることができる。【選択図】        図５
2005261045.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スロットに巻線を収納する固定子を有する電気機械において、
前記スロットの側壁であるティースの一部が可動可能に形成され、通電電流によって生ずるトルクに応じて前記ティースの一部が変形し回転子または可動子との空隙長を変化させる、
ことを特徴とする電気機械。
【請求項２】
前記変形したティースの一部を元の中央位置に押し戻すように付勢する付勢機構を備えることを特徴とする請求項１に記載の電気機械。
【請求項３】
前記ティースの可動可能な部位は、先端部であることを特徴とする請求項１または２に記載の電気機械。
【請求項４】
前記ティースは、先端部の可動範囲を規制するストッパーを備えることを特徴とする請求項３に記載の電気機械。
【請求項５】
前記ティース先端部の端面は、空隙に向かって突出する山形形状になっていることを特徴とする請求項３または４に記載の電気機械。
【請求項６】
前記ティースは、
先端部の可動範囲を規制するストッパーを備えるとともに、当該先端部の端面は空隙に向かって突出する山形形状に形成され、かつ
前記山形形状の傾斜角は、当該ティース先端部が前記ストッパーまで移動する角度と略等しい角度になっている、
ことを特徴とする請求項３に記載の電気機械。
【請求項７】
前記付勢機構は、前記ティースの側壁に取り付けた板バネであることを特徴とする請求項２に記載の電気機械。
【請求項８】
前記付勢機構は、巻線と鉄心とを絶縁するインシュレータまたは巻線自体であることを特徴とする請求項２に記載の電気機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、回転式モータやリニアモータ、発電機などの電気機械に関し、特にスロットに巻線を収納する固定子を有する電気機械に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ここでは、電気機械の例として、回転式モータを例に挙げて説明する。例えば回転速度が変化するいわゆる可変速モータでは、モータ出力に比較して多大の電源容量が必要である。これは、可変速モータでは、回転速度に略比例して電圧が上昇するためである。すなわち、可変速モータでは、速度の高い領域では大電圧・小電流でよいが、速度の低い領域では小電圧・大電流となる。これに対して電源は、最大電圧・最大電流で規定されているので、モータ出力に比較して多大の電源容量が必要となる。
【０００３】
そこで、従来の可変速モータでは、回転子に設けた永久磁石の遠心力による変位をバネで適切に規制できるようにし、回転速度が高くなると、永久磁石が遠心力に応じて外周側に移動して磁束量を低減し、電圧の上昇を抑える技術が提案されている（例えば特許文献１）。
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−１５２５４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献に記載の技術では、速度に応じて永久磁石の位置が変位するが、遠心力は回転速度の２乗に比例し、バネと変位の関係は遠心力に比例するので、永久磁石の位置は回転速度に比例して変化するわけではなく、回転速度の２乗に比例して変位することとなる。
【０００６】
また、同一回転速度で出力が変化すると、遠心力は同等であるが、電流に応じて回転子と固定子間の吸引力が増加するので、出力が増えると電圧が上昇することとなる。
【０００７】
この発明は、上記に鑑みてなされたものであり、電流によって発生するトルクに比例して磁束量を制御できる電気機械を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した目的を達成するために、この発明は、スロットに巻線を収納する固定子を有する電気機械において、前記スロットの側壁であるティースの一部が可動可能に形成され、通電電流によって生ずるトルクに応じて前記ティースの一部が変形し回転子または可動子との空隙長を変化させることを特徴とする。
【０００９】
この発明によれば、空隙長をトルクに応じて変化させることができるので、磁束量をトルクに応じて変化させることができる。
【発明の効果】
【００１０】
この発明によれば、電流によって発生するトルクに比例して磁束量を制御できる電気機械が得えられるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に図面を参照して、この発明にかかる電気機械の好適な実施の形態を詳細に説明する。
【００１２】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１である電気機械としての回転式モータの構成を示す断面図である。図１に示す回転式モータは、固定子１と軸９に固定された回転子２とを備えている。固定子１は、一般に図示しないフレームに保持されている。また、回転子２は、軸９が図示しないベアリングを介してフレームに回転自在に支持されることによって回転可能となる。
【００１３】
固定子１は、通常、ｔ０．５程度の薄板の電磁鋼板を積層して構成される環状の固定子鉄心３と、固定子鉄心３の内周面に設けたスロット部４に配置される巻線（図示せず）によって構成されている。この実施の形態では、各スロット部４の境界壁を構成するティース５の一部が可動可能となる形態を持つようになっている。
【００１４】
回転子２は、通常、ｔ０．５程度の薄板の電磁鋼板を積層して構成される回転子鉄心７の表面に永久磁石８を接着等の方法で固定し、軸９を挿入して構成されている。以上のように構成された回転子２は、固定子１の内部に微小な空隙１０を持つように配置され、回転可能な構造となる。
【００１５】
このように構成されたモータに、例えば３相交流を適切な位相で印加することで機械出力を得ることができる。このモータは、運転中に速度が変化するいわゆる可変速モータとして用いられる。以下、可変速モータの電圧・電流などの諸特性について説明する。
【００１６】
固定子１に設けられたある相のコイル１ターンに鎖交する磁束量φは、次の式（１）にて示される。
φ＝Φｍ・ｓｉｎ（ωｔ＋α）    ……（１）
なお、式（１）において、Φｍは最大磁束量、ωは角速度、ｔは時間、αは位相である。
【００１７】
この磁束量Φが時間的に変化するので、コイルには、次の式（２）で表される電圧Ｖｃが生ずる。
Ｖｃ＝ｎ（ｄΦ／ｄｔ）＝ｎ・Φｍ・ｃｏｓ（ωｔ＋α）
＝Ｖｍ・ｃｏｓ（ωｔ＋α）                        ……（２）
なお、式（２）において、ｎはある相のコイルのターン数、Ｖｍは最大電圧である。
【００１８】
ここで、最大電圧Ｖｍは、Ｖｍ＝ｎ・Φｍ・ωと表されるので、電圧は回転数に比例することがわかる。なお、実際には出力を得るために通電されることで、磁束量はΦｍよりも大きくなる。この電圧はある相の１コイルの電圧であり、回転機の端子電圧値は結線によって異なるが、回転速度に比例することは変らない。出力Ｐは端子間電圧Ｖと電流Ｉとを用いて次の式（３）にて示される。
【００１９】
Ｐ＝√３（ＶＩ・ｃｏｓθ・η）        ……（３）
なお、式（３）において、ｃｏｓθは力率、ηは効率である。
【００２０】
可変式モータの場合に、回転速度と出力との関係でよく用いられているものが、出力一定の場合である。前記式（３）から、効率、力率を一定とすると、電流は電圧に逆比例する。つまり、電圧は回転速度に比例するので、電流は回転速度に逆比例することとなる。
【００２１】
図２は、これらの関係を示す概念図である。すなわち、図２では、トルクに対して磁束量が一定である場合における回転速度に対する電流と電圧の関係が示されている。図２に示すように、電圧は回転速度の増加に伴い直線的に増加するが、電流は低速度の領域では大電流であり回転速度の増加に伴い減少する特性を持つ。この図２に示す関係から次の２つの重要な問題が導かれる。
【００２２】
まず、可変速運転用インバータ装置などでは、使用最大定格電圧が定められており、それを越えると故障発生の原因となる。このため、回転機の速度（回転数）上限が前記最大電圧によって規定される。また、回転速度範囲を広く設定しようとすると、最低速度の電流（最大電流）と、最高速度の電圧（最大電圧）を定格とするモータ駆動電源を必要とする。一定速度で運転されるモータと比較すると、電源容量が大きくなることがわかる。
【００２３】
以上の問題を解決するためには、磁束量が電流に応じて変化するようにすればよい。電流が大きい領域では磁束量を大きく、電流の小さい領域では磁束量を小さくする。理想的には、トルクに比例した磁束量となることが望ましい。図３は、トルクに比例して磁束量が変化する場合の回転速度に対する電流と電圧の関係特性を示す図である。図３に示すように、電圧と電流は、一定であるが、図２の電流が大きい領域に対応する速度の低い領域では磁束量が多くなり、図２の電流が小さい領域に対応する速度の高い領域では磁束量が少なくなる特性を持つ。
【００２４】
そこで、この実施の形態では、永久磁石式モータの場合、ティース５の一部分が可動形状となっており、電流に応じて自動的に空隙１０の長が変わる構造となっている。空隙長が変化することで、永久磁石の動作点が変わり、磁束量が変化する。図４と図５を参照して具体的に説明する。
【００２５】
図４は、図１に示すティース５の部分を拡大して示す図である。図５は、ティース５の一部分が変形する様子を説明する図である。図４において、ティース先端部６は、ティース５に対し、可動形状となっている。この図の場合は、回転中心１１を中心にティース先端部６が回転することができるようになっている。
【００２６】
ティース先端部６には、巻線に通電していない状態では周方向の力は生じないが、電流を通電することで、周方向にトルクが生じる。このトルクに応じてティース先端部６は回転中心１１を中心に回転する。図５は、回転した後の形状を示す。ティース先端部６が回転することで、図４に示す形状よりも空隙１０の長さを小さくすることができる。そのため、図４に示す形状よりも永久磁石８の動作点が上がり、ティース５に鎖交する磁束量が増加する。このように、通電することで空隙１０の長さが小さくなり、その結果磁束量が増加するので、図３に示す関係特性に近い特性を得ることができる。
【００２７】
ここで、ティース先端部６を可動可能にする構造は、薄板鉄心を積層することで実現することができる。図６〜図９を参照して説明する。図６と図７は、薄板鉄心に形成したティース部の形状を示すが、図６では、ティース部５ａの先端面が回転中心１１の孔を持つ半円を突き出した形状になっている。これに対し図７では、ティース部５ｂの先端面が半円だけへこました形状になっている。また、図８と図９は、薄板部材であるティース先端部６の形状を示すが、図８に示すティース先端部６ａでは、台形の上辺に回転中心１１の孔を持つ円状凸部を形成した形状になっている。これに対し図９示すティース先端部６ｂでは、台形の上辺に円状凹部を形成した形状になっている。
【００２８】
図６に示すティース部５ａを形成した薄板鉄心３ａと図７に示すティース部５ｂを形成した薄板鉄心３ｂとを交互に積層する。また、図８に示すティース先端部６ａと図９に示すティース先端部６ｂとを交互に積層する。そして、双方の回転中心１１を一致させて組み付けることで、図５に示すような変形を可能にするティース先端部６を構成することができる。なお、図８にティース先端部６ａと図９示すティース先端部６ｂとは、接着や溶接などの方法で一体化する。
【００２９】
以上は、ティース先端部６が可動となる構造を説明したが、同様の考えでティース５の根本部分も可動となる構造にすることができる。これによっても同様に、図３に示す関係特性に近い特性を得ることができる。
【００３０】
実施の形態２．
図１０は、この発明の実施の形態２である電気機械としての回転式モータの要部構成を示す断面図である。この実施の形態２では、図１（実施の形態１）に示した構成においてティース先端部６を中央位置に押し戻すように付勢する付勢機構を設け、ティース先端部６の可動量をトルクに対し理想的な量に制御する場合の構造例が示されている。
【００３１】
すなわち、図１０ではティース側面部に板バネ１２を取り付ける構成が示されている。実施の形態１では、トルクが生じると、ティース先端部の位置が二値的に変化するが、この実施の形態２によれば、電流が変化してもトルクと釣り合う任意の位置でティース先端部６を停止させることができる。
【００３２】
なお、図１０では、ティース側面部に板バネ１２を取り付ける構造を示したが、巻線と鉄心を絶縁するインシュレータや巻線自体で代用することでもよい。
【００３３】
実施の形態３．
図１１は、この発明の実施の形態３である電気機械としての回転式モータの要部構成を示す断面図である。この実施の形態３では、図１（実施の形態１）に示した構成においてティース先端部の回転し過ぎを防止する構造例が示されている。
【００３４】
すなわち、例えば図１１に示すように、ティース５とティース先端部６との間にストッパー１３を形成する。図１２は、ティース先端部６が回転してストッパー１３に当接した状態を示すが、図１２に示すように、ティース先端部６の回転し過ぎを防止することができる。
【００３５】
この構成によれば、ティース先端部６の回転し過ぎを防止するだけでなく、図１２に示すように、ティース先端部６が最大限回転することによって、より多くの磁束量の変化を得ることができる。
【００３６】
実施の形態４．
図１３は、この発明の実施の形態４である電気機械としての回転式モータの要部構成を示す断面図である。この実施の形態４では、図１（実施の形態１）に示した構成においてティース先端部の空隙との対向面に対する変形例が示されている。
【００３７】
すなわち、ティース先端部６の回転子２の表面との対向面は、図１（実施の形態１）に示したように、空隙１０に沿った平坦面形状でもよいが、例えば図１３に示すように、緩やかな傾斜面を持つ山形形状とするようにしても良い。
【００３８】
この構成によれば、ティース先端部６の回転に伴い対向面の角度が変化するので、より多くの磁束量の変化が得られるようになる。
【００３９】
実施の形態５．
図１４は、この発明の実施の形態５である電気機械としての回転式モータの要部構成を示す断面図である。この実施の形態５では、実施の形態４を実施の形態３に適用した場合の構造例が示されている。
【００４０】
すなわち、図１４に示すように、ティース５とティース先端部６との間にストッパー１３が形成されているとともに、ティース先端部６の回転子２の表面との対向面が緩やかな傾斜面を持つ山形形状に形成されている。
【００４１】
この構成によれば、山形形状の斜面の角度θ１をティース先端部６のストッパー１３までの回転角度θ２と等しくすることができる。角度を同じくすることで、ティース先端部６がストッパー１３まで回転したときに磁束量を最大とすることができる。
【００４２】
なお、以上説明した各実施の形態では、モータ、特に永久磁石式モータを例に説明したが、発電機であってもよく、誘導電動機であってもよい。また、回転式ではなく直線式のリニアモータであっても当然よい。要するに、この発明は、スロットに巻線を収納する固定子において、そのスロットの側壁であるティース部に対する措置に関するので、そのような固定子を持つ電気機械に適用できるものである。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
以上のように、この発明にかかる電気機械は、電流によって発生するトルクに比例して磁束量を制御するのに有用であり、特に、運転範囲が問題になる可変速モータにおいてその運転範囲を広くするのに好適である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】この発明の実施の形態１である電気機械としての回転式モータの構成を示す断面図である。
【図２】トルクに対して磁束量が一定である場合における回転速度に対する電流と電圧の関係特性を示す図である。
【図３】トルクに比例して磁束量が変化する場合における回転速度に対する電流と電圧の関係特性を示す図である。
【図４】図１に示すティースの部分を拡大して示す図である。
【図５】図４に示すティースの一部分が変形する様子を説明する図である。
【図６】薄板鉄心に形成したティース部の形状（その１）を示す図である。
【図７】薄板鉄心に形成したティース部の形状（その２）を示す図である。
【図８】薄板部材であるティース先端部の形状（その１）を示す図である。
【図９】薄板部材であるティース先端部の形状（その２）を示す図である。
【図１０】この発明の実施の形態２である電気機械としての回転式モータの要部構成を示す断面図である。
【図１１】この発明の実施の形態３である電気機械としての回転式モータの要部構成を示す断面図である。
【図１２】ティース先端部が回転してストッパーに当接した状態を示す図である。
【図１３】この発明の実施の形態４である電気機械としての回転式モータの要部構成を示す断面図である。
【図１４】この発明の実施の形態５である電気機械としての回転式モータの要部構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４５】
１  固定子、
２  回転子、
３  固定子鉄心、
３ａ，３ｂ  薄板鉄心、
４  スロット、
５  ティース、
５ａ，５ｂ  ティース部、
６，６ａ，６ｂ  ティース先端部、
７  回転子鉄心、
８  永久磁石、
９  軸、
１０  空隙、
１１  ティース先端部回転中心、
１２  板バネ、
１３  ストッパー
【図１】
2005261045.tif 000003
【図２】
2005261045.tif 000004
【図３】
2005261045.tif 000005
【図４】
2005261045.tif 000006
【図５】
2005261045.tif 000007
【図６】
2005261045.tif 000008
【図７】
2005261045.tif 000009
【図８】
2005261045.tif 000010
【図９】
2005261045.tif 000011
【図１０】
2005261045.tif 000012
【図１１】
2005261045.tif 000013
【図１２】
2005261045.tif 000014
【図１３】
2005261045.tif 000015
【図１４】
2005261045.tif 000016