(57)【要約】【課題】電機子コイルに部材間の摩耗を伴うことなく電力供給可能な電動機を提供する。【解決手段】界磁を発生可能な固定子（１２）内に、回転子（１４）が回転可能に支持された電動機（１０）であって、交流電源に接続された一次側（３２）と回転シャフト（２２）に固定された二次側（３４）とを備える回転トランス（３０）と、回転シャフトに内蔵され、二次側に接続される入力端（３８）と電機子コイル（２４）に接続される出力端（４０）を備える整流回路（３７）とを備えることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
界磁を発生可能な固定子内に、電機子コイルが巻回された巻回部を有する回転子が回転可能に支持されて構成された電動機であって、
交流電源に接続された一次側と、前記一次側と磁気的に結合し、前記回転子に固定された二次側とを備える回転トランスと、
前記回転子に内蔵され、前記二次側に接続された入力端と前記電機子コイルに接続された出力端とを備える整流回路と
を備え、
前記交流電源から供給された交流電力は、前記整流回路で整流された後、前記電機子コイルに供給されることを特徴とする電動機。
【請求項２】
前記電機子コイルは、該電機子コイルを流れる直流電流が前記界磁に交わるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の電動機。
【請求項３】
前記回転子に制動力を付与可能な制動機構を更に備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の電動機。
【請求項４】
前記制動機構は、
前記回転子に固定された永久磁石と、
前記永久磁石に磁気的結合した誘導コイルと、
前記誘導コイルに切替部を介して接続された負荷と
を備えることを特徴とする請求項３に記載の電動機。
【請求項５】
前記回転子は、軸受を介して前記固定子に回転可能に支持された回転シャフトを有し、
前記回転トランスは、前記回転シャフトの第１端に設けられており、
前記制動機構は、前記回転シャフトの第２端に設けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の電動機。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載の電動機を動力源とする圧縮機及び膨張機を含む冷却サイクルを備える冷却システムであって、
前記圧縮機は、前記回転子の第１端に設けられており、
前記膨張機は、前記回転子の第２端に設けられていることを特徴とする冷却システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、固定子内に回転子が回転可能に支持された電動機及び冷却システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
界磁内に配置された電機子（回転）コイルに外部から整流子を介して電流を供給することにより回転駆動を実現する直流電動機が知られている。直流電動機では、電機子コイルに流れる電流によって生じる磁場と固定子によって生じる界磁とが継続的に吸引・反発し続けるように、ブラシを用いた直流電流の切り替えが行われる。このような直流電流の切り替えは、例えば特許文献１に示すように、回転子側に設けられたコミュティタ（整流子=commutator）に対してブラシを摺動することによって行われる。このように従来の直流電動機では、ブラシと整流子とが不可欠であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−２２３３５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の直流電動機が備えるコミュティタやブラシは、運転時に互いに摺動するため、少なからず摩耗が生じる。そのため、長期間にわたって運用を維持するためには、定期的に部品交換を行う必要があり、メンテナンス負担が大きいという問題がある。
【０００５】
このような問題に対する一つの解決策として、近年の電力用半導体素子の技術発展に伴って、インバータ制御を行う交流電動機がある。この種の交流電動機では、周期的変化を行う交流電力を用いて駆動されるため、直流電動機に必要なコミュティタやブラシを用いる必要がない。しかしながら、交流電動機は、直流電動機に比べて起動トルクが小さく、大きな負荷変動があると脱調現象が生じ回転不能になるし、駆動回転数に制約がある点が問題となる。例えば、交流電動機の駆動回転数は電源周波数に依存する。特に交流電動機は、入力する交流電力の周波数以上で回転駆動することができないため、例えばターボ圧縮機のような高速回転（数万ｒｐｍ）が要求される機器には高価な駆動系（インバーター）が不可欠である。（仮に、数万ｒｐｍで回転する圧縮機の場合、インバータ制御周波数を８−１０ｋＨｚにする必要があるが、大電力の高周波インバータは多大なコストを要する）。
【０００６】
尚、交流電動機をインバータで駆動する場合、高精度な回転数制御を実現できることがメリットとなるが、上記ターボ圧縮機のような用途では、回転数制御に求められる精度は高くない（ターボ圧縮機は典型的な一定回転数で駆動される機器だが、回転数の微小変動は許容される場合が多い）。すなわち、必要以上の精度スペックを有するインバータ制御の交流電動機を用いることは、コスト的にメリットがない。
【０００７】
上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、電機子コイルに部材間の摩耗を伴うことなく電力供給可能な電動機及び該電動機を利用した冷却システム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】
【０００８】
（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る電動機は、界磁を発生可能な固定子内に、電機子コイルが巻回された巻回部を有する回転子が回転可能に支持されて構成された電動機であって、交流電源に接続された一次側と、前記一次側と磁気的に結合し、前記回転子に固定された二次側とを備える回転トランスと、前記回転子に内蔵され、前記二次側に接続された入力端と前記電機子コイルに接続された出力端とを備える整流回路とを備え、前記交流電源から供給された交流電力は、前記整流回路で全波整流されることにより脈流に変換された後、前記電機子コイルに供給されることを特徴とする。
【０００９】
上記（１）の構成によれば、交流電源から供給される交流電力を、一次側と二次側とが磁気的に結合した回転トランスを介して回転子に供給できる。すなわち、電機子コイルに部材間の摩耗を伴うことなく電力供給可能である。回転子では、該回転子に内蔵された整流回路によって交流電力が全波整流されて、電機子コイルに脈流電流が供給される。電機子コイルに流れる脈流電流は、界磁との磁気的相互作用により、回転子に駆動力をもたらす。
【００１０】
このように、本実施形態では、従来のスリップリングで構成されるコミュティタやブラシを用いる必要がないので、運転時に摩耗が生じない。そのため、定期的な部品交換のようなメンテナンス負担が軽く、長期的運用に適した電動機を提供することができる。
【００１１】
（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、前記電機子コイルは、該電機子コイルを流れる脈流電流が前記界磁に交わるように構成されている。
【００１２】
上記（２）の構成によれば、電機子コイルを流れる脈流電流が界磁に交わることによって、電機子コイルはローレンツ力を受け、回転子に駆動力が与えられる。
【００１３】
（３）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（２）の構成において、前記回転子に制動力を付与可能な制動機構を更に備える。
【００１４】
上記（３）の構成によれば、駆動時に回転子の回転速度が不用意に大きくなった場合に、制動力を付与することで、減速又は停止させることができる。幾つかの実施形態に係る電動機は、回転子に与えられる駆動力と、回転子が外部の接続先から受ける負荷抵抗とのバランスによって、所定回転数で駆動する。仮に何らかの原因によって負荷抵抗が失われた場合には、当該バランスが崩れて、回転子の回転速度が意図せず上昇する場合が想定される。このような場合であっても、制動力を付与することによって、回転速度を減少させることができる。
【００１５】
（４）幾つかの実施形態では、上記（３）の構成において、前記制動機構は、前記回転子に固定された永久磁石と、前記永久磁石に磁気的結合した誘導コイルと、前記誘導コイルに切替部を介して接続された負荷回路とを備える。
【００１６】
上記（４）の構成によれば、回転子の駆動時に、永久磁石によって誘導コイルに誘導起電力が発生する。誘導コイルに接続された負荷回路には切替部（例えばＯＮ／ＯＦＦ切り替え可能なスイッチ）が設けられている。定常時には該切替部はＯＦＦ状態に設定されており、負荷回路には誘導電流が流れないため、回転子に制動力は付与されない。一方、回転子を減速又は停止させる場合には、切替部をＯＮ状態に切り替えることで、負荷回路に誘導電力が流れ、負荷でエネルギーが消費され、回転子の減速が実現される。
【００１７】
尚、このような構成を有する制動機構においても、永久磁石は誘導コイルと機械的に接続されていないため、駆動時に摩耗が生じない。
【００１８】
（５）幾つかの実施形態では、上記（１）から（４）のいずれかの構成において、前記回転子は、軸受を介して前記固定子に回転可能に支持された回転シャフトを有し、前記回転トランスは、前記回転シャフトの第１端に設けられており、前記制動機構は、前記回転シャフトの第２端に設けられている。
【００１９】
上記（５）の構成によれば、回転シャフトの両端に回転トランス及び制動機構を設けることで、回転シャフトの端間の重量バランスを確保できる。その結果、回転シャフトを支持する軸受に偏摩耗が生じることを抑制することができる。
【００２０】
（６）本発明の少なくとも一実施形態に係る冷却システムは、（１）から（５）のいずれかに記載の電動機を動力源とする圧縮機及び膨張機を備える冷凍サイクルを有する冷却システムであって、前記圧縮機は、前記回転シャフトの第１端に設けられており、前記膨張機は、前記回転シャフトの第２端に設けられている。
【００２１】
上記（６）の構成によれば、膨張機（例えば、膨張機が備えるタービン）において膨張する冷媒からエネルギーを受け取り、該膨張機に対して回転シャフトの反対端側に設けられた圧縮機の駆動に利用する。これにより、電動機はタービン系の不足動力分だけを補えば良く、効率的な冷却システムを実現できる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の少なくとも一実施形態によれば、電機子コイルに部材間の摩耗を伴うことなく電力供給可能な電動機を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施形態に係る電動機の基本構成を概略的に示す断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る電動機の界磁コイルが作り出す磁力線を模式的に示す断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る電動機が備える回転トランスの構成を模式的に示す斜視図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る電動機が備える回転子の構成を模式的に示す斜視図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る電動機の電機子巻線への供給電源系の主要部の等価回路である。
【図６】本発明の一実施形態に係る電動機が備える制動機構の構成を示す断面図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る電動機を適用した冷却システムの概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的な配置関係を表す表現は、厳密にそのような相対的配置関係を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
また例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
【００２５】
図１は本発明の一実施形態に係る電動機の基本構成を概略的に示す断面図である。図２は本発明の一実施形態に係る電動機の界磁コイルが作り出す磁力線を模式的に示す断面図である。図３は本発明の一実施形態に係る電動機が備える回転トランスの構成を模式的に示す斜視図である。図４は本発明の一実施形態に係る電動機が備える回転子の構成を模式的に示す斜視図である。図５は本発明の一実施形態に係る電動機の電機子巻線への供給電源系の主要部の等価回路である。図６は本発明の一実施形態に係る電動機が備える制動機構の構成を示す断面図である。
【００２６】
電動機１０は、従来の直流電動機が備えるスリップリングやブラシを備えていない、いわゆるブラシレス単極直流電動機である。電動機１０は、固定子１２と、該固定子１２内に回転可能に収容された回転子１４とを備える。固定子１２は、両端側に配置された軸受（転がり軸受）１３によって回転可能に支持されている。
【００２７】
固定子１２は少なくとも一部が磁気ヨーク１６を含むように構成されたハウジング１８と２つの界磁コイル２０ａ、２０ｂとを備える。界磁コイル２０ａ、２０ｂには、不図示の外部電源から電力がそれぞれ供給されることによって、界磁が発生する。
界磁コイル２０ａ、２０ｂで発生された界磁は、固定子１２に含まれる磁気ヨーク１６によって、固定子１２内に所定パターンの磁力線を形成する（図２を参照）。本実施形態では、磁気ヨーク１６は回転軸に沿って延在する側壁部１６ａと、界磁コイル２０ａ、２０ｂの外側において側壁部１６ａから回転軸の径方向内側に向かって延在する２つの第１延在部１６ｂと、界磁コイル２０ａ、２０ｂの間において側壁部１６ａから回転軸の径方向内側に向かって延在する第２延在部１６ｃとを備える。
【００２８】
図２に示すように、界磁コイル２０ａ、２０ｂによって形成される界磁は、このような構成を有する磁気ヨーク１６によって、互いに同極が向かい合うように形成される。つまり、界磁コイル２０ａ、２０ｂは対極した一定磁場を発生させ、Ｎ極同士、及びＳ極同士が向き合うように磁極が配置される。その結果、磁力線は図２に示すように、界磁コイル２０ａ、２０ｂに挟まれた空間から湧き出るような分布となる。
【００２９】
回転子１４は、回転シャフト２２と、該回転シャフト２２から径方向外側に向かって拡径された巻回部２６とを備える。巻回部２６は界磁コイル２０ａ及び２０ｂの間に配置されており、電機子（回転）コイル２４が巻回される。
【００３０】
電機子コイル２４の巻回パターンの一例が図４である。図４では、巻回部２６はトロイダル巻線構造を有しており、内側及び外側において、それぞれ電機子コイル２４に流れる直流電流の方向が揃うように構成されている。
【００３１】
尚、図４の例では、回転シャフト２２と巻回部２６とが別体として構成され、これらが接続部材２８によって互いに接続されている場合を示しているが、回転シャフト２２と巻回部２６とを一体的に構成してもよい。
【００３２】
図２では、界磁コイル２０ａ、２０ｂによって形成される界磁の磁力線とともに、電機子コイル２４に流れる電流Ｉが模式的に示されている。界磁の磁力線と電流Ｉとは互いに交わるように（例えば略直交するように）構成される。そのため、電機子コイル２４には、所定方向（例えば界磁の磁力線と電流Ｉとに対して垂直方向）にローレンツ力が作用する（フレミングの法則）。その結果、回転子１４が回転駆動される。このように、電動機１０では、従来の直流電動機で必須であったスリップリングやブラシを用いることなく、電機子コイル２４に一定の脈流電流を流して駆動することができる。
【００３３】
尚、界磁コイル２０ａ、２０ｂによって発生される界磁は一定であるため、界磁コイル２０ａ、２０ｂに代えて永久磁石を用いてもよい。また、更に強力なトルクを必要とする場合には、界磁コイル２０ａ、２０ｂとして、強磁場を発生可能な超電導マグネットを用いてもよい。
【００３４】
回転シャフト２２は、第１端２６と第２端２８とを有している。第１端２６には回転トランス３０が設けられている。回転トランス３０は、外部に設けられた交流電源６０（図３及び５参照）に接続される一次側（静止ヨーク）３２と、回転シャフト２２に設けられた二次側（回転ヨーク）３４とを備える。一次側３２と二次側３４との間には隙間が存在しているが、これらは互いに磁気的に結合しながら、一次側３２に対して二次側３４が回転シャフト２２とともに回転可能に構成されている。
【００３５】
このような構成によって、図５に示す交流電源６０の出力は、回転トランス３０を介して回転子１２に交流電流として供給され、その後、該回転子１２の内部に設けられた整流回路３７で全波整流されて電機子コイル２４に供給される。
【００３６】
回転トランス３０の二次側３４から出力される交流電力は、回転シャフト２２に内蔵された整流回路３７の入力端３８に入力される。整流回路３７は例えばダイオードのような整流素子を含む回路（例えばブリッジ回路）であって、回転シャフト２２の内部に格納されている。整流回路３７は、入力端３８に入力された交流電力を全波整流して、出力端４０から出力することにより、電機子コイル２４に脈流電流が供給される。その結果、電機子コイル２４には界磁からローレンツ力が作用し、回転子１２は回転する。
【００３７】
尚、回転子１２の回転方向は、整流回路３７によって生成される脈流電流の向き、又は、界磁コイル２０ａ、２０ｂの磁場分布に依存する。そのため、本実施形態と逆方向に電動機１０を回転させる場合には、整流回路３７によって生成される脈流電流の向き、又は、界磁コイル２０ａ、２０ｂの磁場分布のいずれか一方を変更することで実現可能である。
【００３８】
図７では電動機１０の回転シャフト２２は外部負荷（例えばターボ圧縮機の駆動軸）に接続されており、機械的負荷が印加されている。電動機１０の回転数は、電動機１０が出力する駆動力と外部負荷から受ける機械的負荷とのバランスによって、所定値に維持される。ここで、仮に何らかの原因によって機械的負荷が失われた場合、前記バランスが崩れることによって、電動機１０の回転数が不意に増加してしまうことが考えられる。
【００３９】
このような事態を防止するために、回転シャフト２２の第２端２８には、該回転シャフト２２に制動力を付与可能な図６に示す制動機構４２が設けられている。制動機構４２は、回転シャフト２２に設けられた永久磁石４４と、外部の負荷回路４６に電気的に接続された誘導コイル４８とを備える。永久磁石４４は回転シャフト２２とともに回転し、誘導コイル４８に誘導起電力を発生させる。
【００４０】
負荷回路４６は、誘導コイル４８の両端に接続されたライン５０上に、該ライン５０の接続状態のＯＮ／ＯＦＦを切り替え可能なスイッチ５２と負荷５４とを備える。スイッチ５２がＯＮ状態にある場合、誘導コイル４８に生じた誘導起電力によってライン５０上に誘導電流Ｉｄが流れ、負荷５４で消費される。これにより、回転子の回転エネルギーが、負荷５４で電気エネルギーとして消費されることで、回転子に制動力が付与される。
一方、スイッチ５２がＯＦＦ状態にある場合、ライン５２には誘導電流Ｉｄが流れない。そのため、回転子に制動力が付与されない。
【００４１】
このように制動機構４２は、スイッチ５２の切り替え制御によって回転子に対する制動力を調整することができる。そのため、回転子が必要以上に加速する場合には、スイッチ５２をＯＮ状態に切り替えることによって制動力を付加し、所定の回転速度以内に維持することができる。
また制動機構４２は、永久磁石４４と誘導コイル４８とが互いに磁気的に結合しながら非接触状態で回転可能に構成されている。そのため、上述した回転トランス３０と同様に、部材間の摩耗がなく、メンテナンス負担の軽減にも貢献する。
【００４２】
以上説明したように本実施形態によれば、交流電源６０から供給される交流電力を、一次側３２と二次側３４とが磁気的に結合した回転トランス３０を介して回転子１２に供給できる。すなわち、電機子コイル２４に部材間の摩耗を伴うことなく電力供給可能である。回転子１２では、該回転子１２に内蔵された整流回路３７によって交流電力が整流されて、電機子コイル２４に脈流電流が供給される。電機子コイル２４に流れる脈流電流は、界磁との磁気的相互作用により、回転子１２に駆動力をもたらす。
【００４３】
このように、本実施形態では、従来のコミュティタやブラシを用いる必要がないので、駆動時に摩耗が生じない。そのため、定期的な部品交換のようなメンテナンス負担が軽く、長期的運用に適した電動機を提供することができる。
【００４４】
（冷凍システムへの応用例）
図７は本発明の一実施形態に係る電動機を適用した冷却システムの一例である冷凍機のタービン駆動系ユニット（７４）の概略構成図である。この冷凍系には作動ガスがターボ圧縮ユニット７２で圧縮後に循環する流路７８が設けられている。圧縮後の暖められたガスは図示していない交換器を介して冷却され、流路７８を介して再び膨張ユニット７６に戻り断熱膨張し低温を発生する。この冷凍機のタービン駆動ユニット７４は、圧縮機７２と、電動機１０と、膨張機７６とを備え、上記電動機１０を動力源としている。圧縮機７２は、回転シャフト２２の第１端２６に設けられており、膨張機７６は回転シャフト２２の第２端２８に設けられている。互いに同軸に回転可能に構成されている。
尚、冷媒流路７８には圧縮膨張ユニット７４に加えて、水冷式熱交換器と、熱回収熱交換器と、ブラインクーラとが設けられているが、図７では図示を省略している。
【００４５】
上記（７）の構成によれば、膨張機７６で膨張する冷媒からエネルギーを受け取り、該膨張機７６に対して回転シャフト２２の反対端側に設けられた圧縮機７２の駆動に利用する。これにより、圧縮機７２の動力源である電動機１０からの出力を節約することができ、効率的な冷却システムを実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本開示は、固定子内に回転子が回転可能に支持されてなる電動機に利用可能である。
【符号の説明】
【００４７】
１０  電動機
１２  固定子
１３  軸受
１４  回転子
１６  磁気ヨーク
１８  ハウジング
２０  界磁コイル
２２  回転シャフト
２４  電機子（回転）コイル
２６  巻回部
２８  接続部材
３０  回転トランス
３２  一次側（静止ヨーク）
３４  二次側（回転ヨーク）
３７  整流回路
３８  入力端
４０  出力端
４２  制動機構
４４  永久磁石
４６  負荷回路
４８  誘導コイル
５０  ライン
５２  スイッチ
５４  負荷
６０  交流電源
【図１】
2016032375.tif 000003
【図２】
2016032375.tif 000004
【図３】
2016032375.tif 000005
【図４】
2016032375.tif 000006
【図５】
2016032375.tif 000007
【図６】
2016032375.tif 000008
【図７】
2016032375.tif 000009