(57)【要約】【課題】効率をさらに向上させた回転機を提供すること。【解決手段】本発明の回転機は、環状のステータコア２１と、ステータコア２１に対して相対的に回転するロータ１１とを備え、ロータ１１は、ステータコア２１の上面、内周面、及び外周面のそれぞれに対向する対向面１２ａ〜１２ｃを有し、対向面１２ａ〜１２ｃそれぞれに複数の磁石１３ａ〜１３ｂが設置されていることを特徴とする。これにより、ステータコア２１の両側に永久磁石を配置した従来例に比べ、利用可能な磁束の量がさらに増えるので、回転機の効率のさらなる向上が実現されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
環状のコア部材と、
前記コア部材に対して相対的に回転する磁石支持部材とを備え、
前記磁石支持部材は、前記コア部材の上面、下面、内周面、及び外周面の中から選択される３つの面それぞれに対向する第１乃至第３の対向面を有し、
前記第１乃至第３の対向面それぞれに複数の磁石が設置されていることを特徴とする回転機。
【請求項２】
前記コア部材は、円周方向に沿って配置された複数のコイル巻回部及び複数の磁極部を有し、
前記各磁極部は、前記３つの面に向ってそれぞれ突出した第１乃至第３の突起部を含むことを特徴とする請求項１に記載の回転機。
【請求項３】
前記３つの面は前記内周面及び前記外周面を含み、
第１乃至第３の突起部のうち、前記内周面に向って突出した突起部及び前記外周面に向って突出した突起部のいずれか少なくとも一方は、隣接する前記コイル巻回部方向に張り出した鍔部を有することを特徴とする請求項２に記載の回転機。
【請求項４】
前記コア部材は電気絶縁被覆された軟磁性粉を成型することにより形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の回転機。
【請求項５】
前記コア部材内に冷媒路を設けたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の回転機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は回転機に関し、特に出力密度と効率を向上させた回転機に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転機は一般に、ステータコアとロータを備えている。ステータコアにはコイルが巻回され、ロータには永久磁石が配置される。ロータの永久磁石とステータコアとは、微小な間隙（ギャップ）をもって対向配置される。
【０００３】
回転機を発電機として用いる場合には、外力によってロータを回転させる。すると、永久磁石とステータコアの位置関係が変動するため、コイルの鎖交磁束が変動し、電圧が発生する。一方、回転機を電動機として用いる場合には、コイルに交流電流を流す。すると、ステータコア内部の磁界が変動し、この変動磁界と永久磁石との相互作用により、ロータに回転トルクが発生する。
【０００４】
特許文献１〜３には電動機の例が開示されている。これらの特許文献はいずれも、ステータコアとロータのギャップがラジアル方向に設けられる所謂ラジアル型の電動機を開示しており、ステータコアの内周側と外周側の両方に永久磁石が配置されている。このようにステータコアの両側に永久磁石を配置することで、片側のみに永久磁石を配置する場合に比べて利用可能な磁束の量が増え、電動機の効率がよくなっている。
【特許文献１】特開昭６１−３５１４５号公報
【特許文献２】特開平１０−２７１７８２号公報
【特許文献３】特開２００３−１６４１２５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、上記各特許文献に開示される電動機では出力密度と効率の向上が不十分であり、より出力密度が大きく効率の良い電動機が求められている。このような事情は発電機でも同様である。
【０００６】
したがって、本発明の目的は、出力密度と効率をさらに向上させた回転機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するための本発明による回転機は、環状のコア部材と、前記コア部材に対して相対的に回転する磁石支持部材とを備え、前記磁石支持部材は、前記コア部材の上面、下面、内周面、及び外周面の中から選択される３つの面それぞれに対向する第１乃至第３の対向面を有し、前記第１乃至第３の対向面それぞれに複数の磁石が設置されていることを特徴とする。
【０００８】
本発明によれば、コア部材の両側に永久磁石を配置した場合に比べ、利用可能な磁束の量がさらに増えるので、回転機の出力密度と効率のさらなる向上が実現されている。
【０００９】
また、上記回転機において、前記コア部材は、円周方向に沿って配置された複数のコイル巻回部及び複数の磁極部を有し、前記各磁極部は、前記３つの面に向ってそれぞれ突出した第１乃至第３の突起部を含むこととしてもよい。これによれば、例えば第１の突起部から流入した磁束は、コイル巻回部に巻回されたコイルと鎖交して、隣接する第１の突起部から流出する。他の突起部についても同様である。したがって、磁束をコイルと効率良く鎖交させることが可能になる。
【００１０】
また、上記回転機において、前記３つの面は前記内周面及び前記外周面を含み、第１乃至第３の突起部のうち、前記内周面に向って突出した突起部（内側突起部）及び前記外周面に向って突出した突起部（外側突起部）のいずれか少なくとも一方は、隣接する前記コイル巻回部方向に張り出した鍔部を有することとしてもよい。これによれば、内側突起部や外側突起部の磁石対向面の表面積を大きくすることができるので、より効率的に磁束をコイルと鎖交させることが可能になる。
【００１１】
また、上記各回転機において、前記コア部材は電気絶縁被覆された軟磁性粉を成型することにより形成されていてもよい。電気絶縁被覆された軟磁性粉で成型されたコア部材は三次元等方性を有するので、これによれば、コア部材の第１乃至第３の対向面に設置された複数の磁石から発生する磁束をコア部材内部に誘導し適切に通過させることができるようになる。ちなみに、コア部材の材料には積層珪素鋼板（上下方向に珪素鋼板を積層させて作られる。）を用いることが多いが、積層珪素鋼板は積層方向の磁気抵抗が増加し磁束を通しにくくなる性質を有するため、磁石から発生する磁束の一部はコア部材内部まで誘導し通過させることは困難となる。
【００１２】
また、電気絶縁被覆された軟磁性粉は、粉体間で渦電流の発生が抑制されるので、これによれば、コア部材内部に発生する渦電流損失を抑えることができるようになる。一方、通常用いられる積層珪素鋼板は積層方向に通過する磁束が変動すると積層面内で大きな渦電流が発生する性質を有するため、コア部材の第１乃至第３の対向面に設置された複数の磁石から発生する磁束の方向によっては、積層珪素鋼板で作られたコア部材内部の渦電流損失が大きくなってしまう。
【００１３】
また、上記各回転機において、前記コア部材内に冷媒路を設けてもよい。一般に回転機ではコイル及びコアの発熱が問題となるが、これによれば、コア部材内に冷媒路を設けたので、冷媒によってコア部材を冷却することが可能になるり、コアに接するコイルも冷却される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、回転機の出力密度と効率を向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。
【００１６】
図１（ａ）（ｂ）は、本実施の形態による回転機１を軸方向で切断した断面図の模式図（概略図）である。図２は、回転機１から磁石１３ａ〜１３ｃ、ステータコア２１、及びコイル２５のみを抜き出して記載した斜視図である。また、図３は回転機１からステータコア２１のみを抜き出して記載した斜視図である。なお、図１（ａ）（ｂ）に示した断面図内のステータコア２１部分は、それぞれ図３のＡ−Ａ'線断面、図３のＢ−Ｂ'線断面に対応している。
【００１７】
図１に示すように、回転機１は、同図に示したＸ軸を中心に回転自在に構成されたシャフト１０及びロータ１１（磁石支持部材）と、ベース２０に固定されて回転しないステータコア２１（コア部材）とを備えている。この回転機１は、車載用モータ、洗濯機等、種々の用途で用いられるものである。
【００１８】
ベース２０は中央に円筒形部分２０ａを有しており、シャフト１０は、この円筒形部分２０ａの内部に挿入されている。シャフト１０は、円筒形部分２０ａの内壁に嵌められた２つのベアリング３０によって支持されており、このベアリング３０の内周に沿い、Ｘ軸を回転軸として回転する。
【００１９】
ロータ１１はＸ軸に垂直な主面を有する円盤状部分１１ａを含む部材であり、鉄などの磁性体で作られている。円盤状部分１１ａの中央部はシャフト１０と嵌合しており、これにより、ロータ１１はシャフト１０とともに回転する。
【００２０】
円盤状部分１１ａの下部には２つの円筒形部分１１ｂ，１１ｃが設けられている。各円筒形部分１１ｂ，１１ｃの中心はいずれもＸ軸に一致している。円筒形部分１１ｂの内径はベース２０の円筒形部分２０ａの外径より大きくなっており、円筒形部分２０ａは円筒形部分１１ｂの内側に挿入される。また、円筒形部分１１ｃの内径は円筒形部分１１ｂの外径よりも大きくなっており、円筒形部分１１ｂと円筒形部分１１ｃの間に作られる環状（ドーナツ状）の空間にはステータコア２１が挿入される。
【００２１】
上記環状の空間の内面１２ａ，１２ｂ，１２ｃはそれぞれ、ステータコア２１の上面２４ａ、内周面２４ｂ、外周面２４ｃ（後述）に対向する対向面となる。内面１２ａには所定個数（図２では１０個）の磁石１３ａが設置される。同様に、内面１２ｂ及び内面１２ｃにはそれぞれ、同数（図２では１０個）の磁石１３ｂ及び磁石１３ｃが設置される。
【００２２】
磁石１３ａは、図２に示すような扇型の永久磁石であり、Ｓ極をステータコア２１側に向けた永久磁石１３ａ（Ｓ）と、Ｎ極をステータコア２１側に向けた永久磁石１３ａ（Ｎ）とを含んでいる。永久磁石１３ａ（Ｓ）と永久磁石１３ａ（Ｎ）とは、円周方向に交互に配置される。なお、図２では、永久磁石１３ａ（Ｓ）の表面に「Ｎ」、永久磁石１３ａ（Ｎ）の表面に「Ｓ」が記載されているが、これは各永久磁石１３ａの内面１２ａ側の面に現れる磁極を示している。以下に説明する磁石１３ｂ，１３ｃでも同様である。
【００２３】
磁石１３ｂは、図２に示すように、円筒の一部を切り取った形状の永久磁石であり、Ｓ極をステータコア２１側に向けた永久磁石１３ｂ（Ｓ）と、Ｎ極をステータコア２１側に向けた永久磁石１３ｂ（Ｎ）とを含んでいる。永久磁石１３ｂ（Ｓ）及び永久磁石１３ｂ（Ｎ）は、それぞれ永久磁石１３ａ（Ｓ）及び永久磁石１３ａ（Ｎ）と対応する位置に、円周方向に交互に配置される。
【００２４】
磁石１３ｃも、図２に示すように、円筒の一部を切り取った形状の永久磁石であり、Ｓ極をステータコア２１側に向けた永久磁石１３ｃ（Ｓ）と、Ｎ極をステータコア２１側に向けた永久磁石１３ｃ（Ｎ）とを含んでいる。永久磁石１３ｃ（Ｓ）及び永久磁石１３ｃ（Ｎ）は、それぞれ永久磁石１３ａ（Ｓ）及び永久磁石１３ａ（Ｎ）と対応する位置に、円周方向に交互に配置される。
【００２５】
ステータコア２１は粉体表面が所定の絶縁膜により電気絶縁被覆された軟磁性粉を成型することにより形成された環状の部材であり、図２及び図３に示すように、円周方向に沿って交互に配置された複数のコイル巻回部２２及び複数の磁極部２３を有している。
【００２６】
各コイル巻回部２２はステータコア２１の円周方向に沿って湾曲した棒状の部材であり、図１及び図２に示すように、棒状の部分にコイル２５が巻回される。
【００２７】
各磁極部２３はコイル巻回部２２を構成する棒状の部材を上下内外の４方向に向けて突出させた形状の部材である。具体的には、各磁極部２３は上向きに突出した上側突起部２３ａと、内向きに突出した内側突起部２３ｂと、外向きに突出した外側突起部２３ｃと、下向きに突出した下側突起部２３ｄとを含んで構成される。このうちの下側突起部２３ｄは、図１に示すようにベース２０に固定されている。
【００２８】
上側突起部２３ａの上面２４ａ、内側突起部２３ｂの内周面２４ｂ、外側突起部２３ｃの外周面２４ｃはそれぞれ、磁石１３ａ、磁石１３ｂ、磁石１３ｃと対向している。これらの各面は対向する磁石に沿う形状を有しており、これにより、各面と各磁石の間には一定幅の間隙が設けられる。
【００２９】
内側突起部２３ｂは、図３に示すように、隣接するコイル巻回部２２方向に張り出した鍔部２３ｂｆを有している。同様に、外側突起部２３ｃも、隣接するコイル巻回部２２方向に張り出した鍔部２３ｃｆを有している。これらの鍔部２３ｂｆ，２３ｃｆは内周面２４ｂ及び外周面２４ｃの面積を拡大するために設けられているもので、これによりステータコア２１内部に取り込まれる磁束の量が増加する。
【００３０】
次に、回転機１における磁束の流れについて説明する。
【００３１】
図４は、回転機１における磁束の流れを説明するための模式図である。同図においては、矢印付きの破線により磁束の流れを示している。
【００３２】
破線Ａで示すように、ある磁石１３ａ（Ｎ）のＮ極から出る磁束は、対向する上面２４ａからステータコア２１内部に入り、上側突起部２３ａ、コイル巻回部２２、隣接する上側突起部２３ａ、及びその上面２４ａを順に通過して、隣接する磁石１３ａ（Ｓ）のＳ極に戻る。
【００３３】
同様に、破線Ｂで示すように、ある磁石１３ｂ（Ｎ）のＮ極から出る磁束は、対向する内周面２４ｂからステータコア２１内部に入り、内側突起部２３ｂ、コイル巻回部２２、隣接する内側突起部２３ｂ、及びその内周面２４ｂを順に通過して、隣接する磁石１３ｂ（Ｓ）のＳ極に戻る。
【００３４】
また、破線Ｃで示すように、ある磁石１３ｃ（Ｎ）のＮ極から出る磁束は、対向する外周面２４ｃからステータコア２１内部に入り、外側突起部２３ｃ、コイル巻回部２２、隣接する外側突起部２３ｃ、及びその外周面２４ｃを順に通過して、隣接する磁石１３ｃ（Ｓ）のＳ極に戻る。
【００３５】
このように、回転機１では、３方向に磁束の流れが確保され、いずれの磁束もコイル巻回部２２を通過する。このため、例えばステータコアの両側のみに永久磁石を配置した場合に比べ、利用可能な磁束の量が増えている。したがって、回転機の効率のさらなる向上が実現されている。別の表現をすれば、回転機のステータコアの周囲から磁石の磁束を最大限に取り込むことができるので、電動機のトルク或いは発電機の出力を増加することが可能になる。また、回転機の効率が向上するので、回転機の小型化も実現され出力密度（すなわち回転機の出力容量と体積との比率）が向上することになる。
【００３６】
なお、上記のような３方向の磁束の流れは、ステータコア２１を圧粉軟磁性体により構成したことによって実現されるものである。つまり、圧粉軟磁性体が有する三次元等方性により、磁束はステータコア２１内部でいずれの方向にも流れることができるのである。これに対し、積層珪素鋼板で構成された通常のステータコアでは、積層珪素鋼板が積層方向の磁気抵抗が増加し磁束を通しにくくなる性質を有しているため、上記のような３方向の磁束の流れは実現できない。
【００３７】
また、積層珪素鋼板は積層方向に通過する磁束が変動すると大きな渦電流が発生する性質を有するため、磁束の流れの方向によっては、積層珪素鋼板で構成されたコア部材内部の渦電流損失が大きくなってしまう。
【００３８】
また、上述したように、内周面２４ｂ及び外周面２４ｃの面積は、鍔部２３ｂｆ，２３ｃｆによって拡大されている。これにより、内周面２４ｂ及び外周面２４ｃからステータコア２１に取り込まれる磁束の数が増加し、効率的な磁束の取り込みが実現されている。
【００３９】
最後に、回転機１の動作について説明しておく。
【００４０】
各コイル２５に方向を適宜切り替えながら電流を流した場合、ステータコア２１に回転磁界が生じ、その回転磁界に追従するようにしてロータ１１及びシャフト１０が回転する。これにより、回転機１は電動機（モータ）として機能する。
【００４１】
一方、シャフト１０を外力によって回転させると、電磁誘導作用によって各コイル２５に電圧が発生する。これにより、回転機１は発電機（ジェネレータ）としても機能する。
【００４２】
以上、本発明の好ましい実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に何等限定されるものではなく、本発明が、その要旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施され得ることは勿論である。
【００４３】
例えば、図５に示したように、ステータコア２１内に冷媒路４０を設けてもよい。図５に示した冷媒路４０はチューブ状の部材であり、端部４０ａ，４０ｂは図示しないコンプレッサに接続されている。このコンプレッサは、端部４０ａから冷媒路４０内に冷媒（水、冷却ガス等）を注入し、注入した冷媒を端部４０ｂから排出する機能を有するものである。
【００４４】
一般に回転機ではコイル及びコアの発熱が問題となるが、図５のような冷媒路４０を設けることで、冷媒によってステータコア２１を冷却することが可能になり、コアに接するコイルも冷却される。
【００４５】
また、上記実施の形態では、コア部材（ステータコア２１）がベース２０に固定され、磁石支持部材（ロータ１１）がＸ軸を回転軸として回転する構成を採用したが、磁石支持部材がコア部材に対して相対的に回転できればよいので、この関係を逆にしてもよい。つまり、磁石支持部材がベース２０に固定され、コア部材がＸ軸を回転軸として回転する構成を採用してもよい。
【００４６】
また、上記実施の形態では、ロータ側に、ステータコアの上面、内周面、外周面にそれぞれ対向する対向面を設け、これら各対向面に磁石を設置したが、本発明はこのような形態に限られるものではない。具体的には、ロータ側に、ステータコアの上面、下面、内周面、及び外周面の中から選択される３つの面にそれぞれ対向する対向面を設け、これら各対向面に磁石を設置すればよい。
【００４７】
また、ステータコア２１を円周に沿って等分割し、所謂分割コアとしてもよい。こうすれば、コイルの装着が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の実施の形態による回転機を軸方向で切断した断面図の模式図（概略図）である。（ａ）のステータコア部分は図３のＡ−Ａ'線断面に対応し、（ｂ）のステータコア部分は図３のＢ−Ｂ'線断面に対応している。
【図２】図１に示した回転機から、磁石、ステータコア、及びコイルのみを抜き出して記載した斜視図である。
【図３】図１に示した回転機から、ステータコアのみを抜き出して記載した斜視図である。
【図４】本発明の実施の形態による回転機における磁束の流れを説明するための模式図である。
【図５】本発明の変形例によるステータコアを示す斜視図及びその内部の透視図である。
【符号の説明】
【００４９】
１      回転機
１０    シャフト
１１    ロータ
１１ａ  ロータの円盤状部分
１１ｂ，１１ｃ  ロータの円筒形部分
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ      ロータのステータコア対向面
１３ａ〜１３ｃ  磁石
２０    ベース
２０ａ  ベースの円筒形部分
２１    ステータコア
２２    コイル巻回部
２３    磁極部
２３ａ  上側突起部
２３ｂ  内側突起部
２３ｃ  外側突起部
２３ｄ  下側突起部
２３ｂｆ，２３ｃｆ  鍔部
２４ａ  上側突起部の上面
２４ｂ  内側突起部の内周面
２４ｃ  外側突起部の外周面
２５    コイル
３０    ベアリング
４０    冷媒路
４０ａ，４０ｂ  端部
【図１】
2009303378.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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