JP2013236534A

JP2013236534A - 回転電機

Info

Publication number: JP2013236534A
Application number: JP2013083226A
Authority: JP
Inventors: Masabumi Sakamoto; 正文坂本; Shigeyoshi Sato; 重善佐藤; Shunsuke Takeguchi; 俊輔竹口
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 2012-04-13
Filing date: 2013-04-11
Publication date: 2013-11-21
Also published as: US20130293037A1

Abstract

【課題】本発明は円錐状あるいは階段状ギャップ式回転電機に関するものであり、組み立てが容易で、実質的対向面積を増大させて、高トルク化、高効率化を図るものである。回転電機の高効率化、高トルク化を安価で信頼性の高い手法で実現させる。
【解決手段】巻き線軸と回転軸とが直交し、巻き線用突極数がｍの鉄心が周方向に分布配置されて形成する内径部は、軸方向で手前から奥に行くほど、直線的にあるいは階段的に径小となるよう構成した磁性鉄製の回転電機固定子に、テーパー状あるいは階段状エアギャップとなるように、軸方向で手前から奥に行くほど、直線的にあるいは階段的に径小となるよう構成して、永久磁石を回転子表面に使用して周方向にＮ極とＳ極を交互にｎ極に磁化された表面磁石型回転子、あるいは同様にｎ極となるように４この永久磁石を回転子鉄心穴部に挿入した埋め込み磁石型回転子が対向して回転自在に構成されたことを手段とする回転電機。但しｍは２以上の整数、ｎは正の偶数。
【選択図】図３

Description

本発明は小形の電動機や発電機等の回転電機に関する。

出力で１ＫＷ以下程度の小形から中形の電動機や発電機である回転電機は、市場より軽薄短小化の要求が強く、また最近は地球温暖化対策として、電動機においては省エネルギー化や高効率化が、また発電機においては原子力に代わって自然エネルギーの見直しから小規模家庭用発電機の要求も増加してきている。そして安価であることも強い要求である。また回転電機にはラジアルギャップ式回転電機とアキシャルギャップ式回転電機がある。前者は比較的エアギャプが小さく出来るのと、エアギャップ対向面積は軸方向で増加が容易なため、汎用機として広く使用されている。しかし更なる高トルク化、高効率化が上述の如く求められている。後者のアキシャルギャップ式は扁平で薄型に有利な構造であり、回転子を円盤状にすれば慣性も小さくできるので、一定速度運転にも、可変速度運転にも適した回転機であり、近年注目された回転機の形態である。しかしラジアルギャップ式回転電機に比べると、エアギャップが小さく出来にくい等から高トルク化、高効率化の観点から問題を有したものでもあった。

一方、関係する高トルク化をエアギャップの対向面積増加で行う従来技術として下記の国際特許文献がある。

国際公開第２０１０／１１６９２１号

１）回転電機はラジアルギャップ式とアキシャルギャップ式に大別される。
従来の一般的なラジアルギャップ式の回転電機で回転子に永久磁石を用いるブラシレスＤＣモータ（以下ＢＬＤＣモータ）や同期電動機や発電機、ステッピングモータ、あるいは回転子に永久磁石を用いないで磁性体の歯を有したスイッチドレラクタンスモータ（以下ＳＲモータ）の場合の技術は、固定子鉄心を珪素鋼鈑で積層して構成し、安価と効率を重視する場合は、巻き線は集中巻き方式を採用する。その理由は分布巻き方式ではトルク発生に寄与しないコイルエンド部が大きくなり銅損が増大し、効率が低下するためと巻き線や配線が複雑となるのに対して、集中巻きでは巻き線がシンプルでスロットへの直接巻き込が可能となり、巻き線が安価となるためである。集中巻き方式の場合は実用的に構成すれば主に回転機のコストの面から固定子のスロット数は４〜１２に制約される。一方軸方向にエアギャップを有するアキシャルギャップ式回転電機があるが、エアギャップが平面対向のため面ブレ等の問題があるためラジアルギャップ式ほどエアギャップを小さく出来にくいことがあり、そのためにラジアルギャップ式と比較して、高効率化、高トルク化で劣る。アキシャルギャップ式電動機の出力をラジアルギャップ式電動機と同一にした場合、前述の理由でアキシャルギャップ式は電動機の径が大きくなる。そのため回転子の慣性が大きくなるので、扁平形状の電動機や起動停止をあまり行わないで定速回転重視の電動機等の特殊な用途以外はラジアルギャップ式より普及していない問題がある。本発明は上述したラジアルギャップ式とアキシャルギャップ式の長所を取り、組み立てが容易であり、両者の略中間の性能も可能で、更に効率も飛躍的に高められるものを提供することを課題とする。

２）回転電機の高効率化を追求したものとして固定子と回転子のエアギャップ部の対向面積を増大する手段による上記の特許文献１がある。この先行技術は引例中の図７（ａ），（ｂ）に代表されている前述したＳＲモータの高トルク化の例が開示されているが、回転軸方向にエアギャップが直線的展開でなく、凹凸がかみ合うようにして、回転機を構成している。このため実質的なエアギャップの対向面積は増大して、回転機の高効率化、高トルク化となる。しかし、この回転機はエアギャップが直線でないので、固定子と回転子を別々に完成させて固定子に回転子を挿入して組み立てることはできないものである。そのため巻き線作業を含めてその組み立て完成には通常の軸方向に直線のエアギャップ式回転機と比較して時間を要し、コストの高いものとなる。本発明にはこの欠点をも解決することを課題としたものである。

３）集中巻き方式のコイルエンドは分布巻きに比べて小さいので銅損が減少して効率は高くなるが、更に効率を高めるには回転子との対向面積とならないコイルエンドの占める面積部の活用が求められる。この解決策の一つに固定子巻き線極形状を軸方向あるいは回転周方向に飛び出させた所謂オーバーハングとした形状を圧粉鉄心で構成する手法がある。珪素鋼鈑の積層式ではこのオーバーハング構造は一般に困難あるいはコスト高となるため３次元に成形できる圧粉鉄心が有利となる。圧粉鉄心とは軟磁性鉄粉に少量の樹脂を潤滑剤あるいはバインダー目的でミキシングし鉄粉間の電気的絶縁を増大させて渦電流の減少を図り、圧縮成形後焼成させたものである。圧粉鉄心は珪素鋼鈑積層式が２次元の単純形状であるのに対して３次元の複雑形状が可能で、更に鉄損の一部の渦電流損が少ない特長がある。上述した圧粉鉄心は磁束密度が珪素鋼鈑より小さいという短所があるが、オーバーハング形状では回転子との対向面積が増加するため高効率化に適したものと言える。

また高効率化を達成するには巻き線占積率を高める必要がある。集中巻き式でのスロットへの直接巻き込式はスロット開口部から銅線をノズルで巻きこむため巻き線占積率は２０〜３０％程度である。本発明の一つである分割式圧粉鉄心式によれば６０％以上と飛躍的に巻き線占積率を向上させることも可能になる。本発明はこの圧粉鉄心の活用でその効果を顕著に発揮できる構成とすることも課題とする。

本発明を実現するには以下の手段による。

「手段１」
固定子は、磁性鉄からなり、巻き線軸と回転軸心とが直交しており、
その内径部は、巻き線用突極数がｍの鉄心が周方向に分布配置されてなり、かつ、テーパー状あるいは階段状エアギャップとなるように、軸方向で手前から奥に行くほど、直線的にあるいは階段的に径小となるよう構成されており、
回転子は、
（ａ）テーパー状あるいは階段状エアギャップとなるように、軸方向で手前から奥に行くほど、直線的にあるいは階段的に径小となるよう構成して、永久磁石を回転子表面に使用して周方向にＮ極とＳ極を交互にｎ極に磁化された表面磁石型回転子、
（ｂ）テーパー状あるいは階段状エアギャップとなるように、軸方向で手前から奥に行くほど、直線的にあるいは階段的に径小となるよう構成して、周方向にＮ極とＳ極を交互にｎ極に磁化されるように永久磁石を回転子鉄心穴部に挿入した埋め込み磁石型回転子、
のいずれか一方であり、
前記固定子と回転子が対向して回転自在に構成されたことを手段とする回転電機。
但しｍは２以上の整数、ｎは正の偶数。

「手段２」
回転電機において、
固定子は、テーパー状あるいは階段状エアギャップとなるように、軸方向で手前から奥に行くほど、直線的にあるいは階段的に径小となる内径部を有し、表面永久磁石型あるいは埋め込み永久磁石型により周方向にｎ極に磁化されており、
回転子は、磁性鉄からなり、巻き線軸と回転軸心とが直交しており、巻き線用突極数がｍの鉄心が放射状に分布配置されてなり、
その外径部は、テーパー状あるいは階段状エアギャップとなるように、軸方向で手前から奥に行くほど、直線的にあるいは階段的に径小となるよう構成されており、
前記固定子と回転子が対向して回転自在に構成されたことを手段とする回転電機。
但しｍは２以上の整数、ｎは正の偶数。

「手段３」
回転電機において、
回転子は、テーパー状あるいは階段状エアギャップとなるように、軸方向で手前から奥に行くほど、直線的にあるいは階段的に径小となる内径部を有し、表面永久磁石型あるいは埋め込み永久磁石型により周方向にｎ極に磁化されており、
固定子は、磁性鉄からなり、巻き線軸と回転軸心とが直交しており、巻き線用突極数がｍの鉄心が放射状に分布配置されてなり、
その外径部は、テーパー状あるいは階段状エアギャップとなるように、軸方向で手前から奥に行くほど、直線的にあるいは階段的に径小となるよう構成されており、
前記固定子と回転子が対向して回転自在に構成されたことを手段とする回転電機。
但しｍは２以上の整数、ｎは正の偶数。

「手段４」
回転電機において、
固定子は、磁性鉄からなり、巻き線軸と回転軸心とが直交しており、
その内径部は、巻き線用突極数がｍの鉄心が周方向に分布配置されてなり、かつ、テーパー状あるいは階段状エアギャップとなるように、軸方向で手前から奥に行くほど、直線的にあるいは階段的に径小となるよう構成されており、
回転子は、磁性鉄からなり、テーパー状あるいは階段状エアギャップとなるように、軸方向で手前から奥に行くほど、直線的にあるいは階段的に径小となるよう構成して、ｎ個の突極を有しており、
前記固定子と回転子が対向して回転自在に構成されたことを手段とする回転電機。
但しｍは２以上の整数、ｎは正の偶数。

「手段５」
回転電機において、
固定子は、磁性鉄からなり、巻き線軸と回転軸とが直交し、
その内径部は、巻き線用突極数がｍで更にそれぞれｐ個の小歯を有した鉄心が周方向に分布配置されており、テーパー状あるいは階段状エアギャップとなるように、軸方向で手前から奥に行くほど、直線的にあるいは階段的に径小となるように構成されており、
回転子は、上記固定子の内径部に位置し、テーパー状あるいは階段状エアギャップとなるように、軸方向で手前から奥に行くほど、直線的にあるいは階段的に径小となるよう構成し、永久磁石により周方向にＮ極Ｓ極交互にｑ対極に磁化されているか、周方向にｒ個の突極を有しており、
前記固定子と回転子が対向して回転自在に構成されたことを手段とする回転電機。
但しｍ、ｐ、ｑは２以上の整数、ｒは正の偶数。

「手段６」
回転電機において、
固定子は、磁性鉄からなり、巻き線軸と回転軸とが直交し、
その外径部は、巻き線用突極数がｍで更にそれぞれｐ個の小歯を有した鉄心が周方向に分布配置されており、テーパー状あるいは階段状エアギャップとなるように、軸方向で手前から奥に行くほど、直線的にあるいは階段的に径小となるように構成されており、
回転子は、上記固定子の外側に位置し、テーパー状あるいは階段状エアギャップとなるように、軸方向で手前から奥に行くほど、直線的にあるいは階段的に径小となるよう構成し、永久磁石により周方向にＮ極Ｓ極交互にｑ対極に磁化されているか、周方向にｒ個の突極を有しており、
前記固定子と回転子が対向して回転自在に構成されたことを手段とする回転電機。
但しｍ、ｐ、ｑは２以上の整数、ｒは正の偶数。

「手段７」
手段１〜６のいずれか一の項に記載の回転電機において、
磁性鉄が圧粉鉄心であることを手段とする回転電機。

「手段８」
手段１〜６のいずれか一の項に記載の回転電機において、
磁性鉄が、圧粉鉄心および珪素鋼鈑の両方であることを手段とする回転電機。

「手段９」
手段７または８に記載の回転電機において、
圧粉鉄心において形成された部分には、巻き線溝を有したオーバーハング形状が設けられていることを手段とした回転電機。

「手段１０」
手段１〜９のいずれか一の項に記載の回転電機において、
表面磁石型の固定子または回転子で使用する永久磁石は、回転軸と垂直とはならない角度方向に磁化されていることを手段とする回転電機。

「手段１１」
手段１〜９のいずれか一の項に記載の回転電機において、
埋め込み永久磁石型の固定子または回転子で使用する永久磁石、または表面磁石型の固定子または回転子で使用する分割タイプの永久磁石は、厚み方向から見た形状が、台形状あるいは曲面台形状であることを手段とする回転電機。

１）固定子と回転子間のエアギャップ対向部がテーパー状エアギャップあるいは階段状エアギャップ対向のため、対向面積が増大しエアギャップ部パーミアンスの大きな高効率回転電機が実現する。
２）固定子の内径部と回転子の外径部形状が略円錐状のため、固定子に回転子を挿入しての組み立てや分解が極めて容易で、安価な回転電機が実現する。
３）巻き線部鉄心を溝付きのオーバーハング式とすれば、回転子との対向面積を更に増加できるため、あるいは銅損を低減でき、小形で高効率回転電機となる。
４）固定子や回転子の磁性鉄部は３次元形状が容易な圧粉鉄心とすれば、製作が容易で安価な回転電機が出来る。
５）圧粉鉄心により渦電流損が零に近く、特に高速時の鉄損が少なく高効率回転電機となる。
６）固定子及び回転子の磁性鉄部は一部は珪素鋼鈑で構成し、必要によりその軸方向での両側部は圧粉鉄心として巻き線溝を有したオーバーハング形状とすれば更に高効率の回転電機が実現できる。
７）使用する永久磁石は、回転電機の平均テーパエアギャップ即ち円錐面に垂直方向に磁化することにより、回転電機の永久磁石によるギャップ部の磁束密度を均一にする効果があり、更に階段状エアギャップの場合の特にアキシャル方向の磁束成分を増加できる。
８）使用する埋め込み式永久磁石は台形あるいは曲面台形とすれば溝へのインサートが容易で、且つ磁石によるエアギャップ部の磁束密度を均等化出来る。

本発明の一例の回転機の軸を含んだ断面図図１の固定子を軸方向から見た図別の本発明の一例の回転機の軸を含んだ断面図図３の固定子を軸方向から見た図別の本発明の一例の回転機の軸を含んだ断面図図５の略中央での断面を軸方向から見た図本発明の一例の回転子の構成を示した図図７の略中央での断面を軸方向から見た図永久磁石を厚み方向から見た図本発明を適応する別の回転機の正面図従来技術の図軸を含む断面図図１１の軸方向から見た図

以下図面によって説明する。

図１は本発明の構成の一例を示したものであり、ＢＬＤＣモータの例であり、回転軸心を含んだ断面図である。図２は図１の回転軸心方向から見た図である。符号１は固定子鉄心で６個の巻き線極の場合の図である。その内径部は、軸方向で手前から奥に行くほど直線的にあるいは階段的に径小となるように、あるいは、軸方向に一方が径小で他方が径大となる円錐形としている。尚、固定子鉄心１の６個の巻き線極に巻かれる巻き線の図示は省略してある。符号２は回転子で永久磁石からなり周方向にＮ極Ｓ極が交互に配置された４極の図である。この永久磁石は１個で構成しても、４個のセグメント形としてもよい。但し固定子鉄心とエアギャップを介して対向するその外周部は円錐形としている。符号３は磁性鉄よりなる中子であり、回転子２のバックヨーク兼回転軸４との中子である。このように構成した回転電機は固定子鉄心に回転子を挿入して組み立てる際、テーパエアギャップであるため、従来の一般回転電機の軸に平行なエアギャップ式より組み立てが容易で、また固定子鉄心と回転子のエアギャップ部の対向面積が増加して高トルク化に有利となる。尚、回転子と固定子鉄心間のエアギャップを確保して回転自在に支持固定する左右のブラケットや軸受の図示も省略してある。

また、図３は別の本発明の構成の一例を示したものであり、ＢＬＤＣモータの例であり、回転軸心を含んだ断面図である。図４は図３の回転軸心方向から見た図である。

符号５は固定子鉄心で６個の巻き線極の場合の図である。その内径部は軸方向に一方が径小で他方が径大となる階段形状としている。尚固定子鉄心５の６個の巻き線極に巻かれる巻き線及び左右のブラケットの図示は省略してある。符号６は回転子であり永久磁石からなり、周方向にＮ極Ｓ極が交互に配置された４極の図である。この永久磁石は１個で構成しても４個のセグメント形としてもよい。但し固定子鉄心とエアギャップを介して対向するその外周部は階段形状としている。符号７は磁性鉄よりなる中子であり、回転子６のバックヨーク兼回転軸４との中子である。尚、図３の固定子鉄心内径や回転子外径は階段形状として図示したが、必ずしもこれに限らず、対向エアギャップを図１の円錐形状から増加する形状である曲線状サイクルや三角形サイクルによる円錐形でも、階段、曲線、三角形の適宜組み合わせであってもよい。即ち円錐形に小周期の凹凸波形を重畳した形状である。請求項で使用した用語の階段状エアギャップとはこれらの意味を含めたものである。

図１及び図３に示した本発明の回転電機はその巻き線軸はラジアル方向を向いており、回転軸心と直交しているものである。これに対して従来のアキシャルギャップ回転電機は巻き線軸はアキシャル方向を向いており、回転軸心と平行である。

このように構成した回転電機は固定子に回転子を挿入して組み立てる際、階段状円錐形エアギャップであるため、従来の一般回転電機の軸に平行なエアギャップ式より組み立てが容易で、また固定子と回転子のエアギャップ部の対向面積が前述の図１に示したテーパエアギャップと比較して更に約√２倍に増加して高トルク化に有利となる。

ここで固定子鉄心１や５あるいは回転子２や６は珪素鋼鈑の積層で構成することもできる。しかし、図１（符号１）や図３（符号５）に示す円錐形や階段形状のような積層の場合はプレス抜き型が多種類となり、コスト面で問題がある。これに対して鉄粉に適切な樹脂等をバインダーとしてあるいは潤滑剤として混合して、圧縮、熱処理した所謂圧粉鉄心を１や５の製法とすれば安価で適切な形状のものが容易に得られる。

一般論として、永久磁石式回転電機の場合は、磁気回路を構成する磁性鉄はエアギャップである空気との透磁率の比である所謂比透磁率μ_rが約１０００と大きいため、永久磁
石の起磁力は（１）式を（２）式に代入して得られた（３）式から、エアギャップ部で９０％前後が消費されることが分かる。
μ_r ＝μ_i／μ₀ （１）
ＡＴ＝（Ｂ_g／μ₀）Ｌ_g＋（Ｂ_i／μ_i）Ｌ_i （２）
ＡＴ＝（Ｂ_g／μ₀）Ｌ_g｛１＋（Ｌ_i／Ｌ_g）（１／μ_r）｝（３）
但し、Ｂ_g：エアギャップの磁束密度、Ｂ_i：鉄心部磁束密度、μ₀：空気の透磁率、μ_i：鉄の透磁率、Ｌ_g：エアギャップ長さ、Ｌ_i：鉄心部長さ、ＡＴ：永久磁石あるいは電磁石の起磁力

即ち磁石と鉄心の磁気回路での断面積が同じ場合はＢ_g＝Ｂ_iであるため、（３）式が得られる。（３）式の第一項がエアギャップ部で消費される起磁力となる。ここで（Ｌ_i／
Ｌ_g）＝１００として、（１／μ_r）＝１／１０００であるので、（３）式の第一項は第二項との比で約１０倍となる。即ちエアギャップ部で永久磁石起磁力あるいは電磁石の起磁力であるＡＴの９０％が消費されるため、回転電機では９０％はエアギャップで性能が決められることが分かる。エアギャップの起磁力消費を減らすにはギャップパーミアンスを増加させればよい。ギャップパーミアンスは固定子と回転子の対向面積に比例する。本発明はこの点に着目して、この対向面積を増加する有効な手段を提供して回転電機の高効率化を図るものである。

図５は別の本発明の一例の回転機の軸を含んだ断面図であり、直流電動機に本発明を適応したものである。図６は図５の略中央での断面を軸方向から見た図である。符号８は回転子鉄心であり、その外周は円錐形状を成し、同じく円錐形状のフェライト等の永久磁石固定子９とテーパギャップで対向している。符号１０は符号９のバックヨーク兼固定子フレームである。この場合も左右のブラケットや軸受の図示は省略してある。符号１１は巻き線、符号１２はその巻き線端であり符号１３なるコンミテータあるいは整流子に結合している。符号１４はカーボン等よりなるブラシであり、符号１３と接触して摺動可能に配置されている。この符号１４間に直流電圧を加えると直流電動機として回転動作をするものである。図６より分かるが、本例では符号８なる回転子鉄心は７個の巻き線極構成の例で示してある。

図５でコンミテータ１３やブラシ１４を用いない場合は、図５、図６は直流電動機に限らずアウターロータ型回転電機とすることもできる。即ち巻き線１１側を固定子として適切な交流電圧を印加すれば、回転磁界が発生して、永久磁石固定子９側が永久磁石回転子となり、回転子鉄心８側が固定子鉄心となり、固定子の外周で回転するアウターロータ式回転電機となる。前者の直流機の場合も、後者のアウターロータ型回転電機の場合も、エアギャップの対向面積を増加させることは回転電機の高効率化となる。

図７は別の本発明の一例のＢＬＤＣモータ等に用いられる埋め込み磁石式回転子の構成を示した図であり、図８は図７の略中央での断面を軸方向から見た図である。ＢＬＤＣモータではその永久磁石回転子は表面磁石式と埋め込み磁石式とがある。本発明はその両方に適応できるものである。

前述した図１から図４は表面磁石式回転子を使用した例である。これに対し、図７、図８は埋め込み磁石式の場合であり、回転子のみを図示したもので、固定子は図１から図４で示した固定子と同じである。符号１５は回転子鉄心であり、４極の例である。符号１５に設けた４個の溝穴に符号１６なる板状の永久磁石が格納されている。この場合、符号１５はその外周は階段形状としてあり、珪素鋼鈑の積層式でもよいがプレス抜き型が多種類となりコスト高になる。これに対して圧粉鉄心で製作すれば１個の個体として型で成形することができ安価となる。図９は永久磁石１６の形状を示したもので、その厚み方向から見た場合、台形として、符号１５の溝穴への挿入を容易にした形状としてある。尚、符号１６は符号１５の溝穴が湾曲していればそれに合わせて屋根瓦状に湾曲したものでもよい。

図１０は本発明を適応する別の回転機の正面図である。図１の例は固定子巻き線極が６個の例であるが、さらにこれらの６個の巻き線極の各々の先端部を２分割して各２個の小歯を設けて、回転子は磁性体よりなる１０個の突極とした構成である。この場合の固定子構造は誘導子構造とも呼ばれて、ステップ角度を小さくして位置決め分解度を高めたハイブリッド型ステッピングモータ（以下ＨＢＳＴＭ）に多用される構成である。また図１０の構成はＳＲモータである。回転子の歯数を４から１０に増加すればトルクも増加するのでこのような誘導子構造の固定子が使用される。ＳＲモータの場合は回転子が磁性体のみの歯よりなるが、ＨＢＳＴＭでは回転子は１０個のＮ極とＳ極が交互に周方向配置されたものとなる。ＳＲモータにもＨＢＳＴＭにも本発明の円錐状あるいは階段形状エアギャップ構造は可能である。

尚、図１０は手段５において、３相式でｍ＝６、ｐ＝２、ｒ＝１０の場合のＳＲモータの図である。回転子を永久磁石式として周方向にＮ極Ｓ極交互にｑ対極に磁化されているものでもよく、ｑ＝１０の場合が図１０の固定子と組み合わせることができ、２０極のＢＬＤＣモータやステッピングモータとなる。

本構成で回転子を固定子の外周に配置した回転電機も可能であり、手段６では図１０のアウターロータ化対応である。

本発明に使用する鉄心部は圧粉成形の場合には一体成型品でもよいし、サイズが大きい場合は適宜分割鉄心として製作して巻き線後等に合体して構成してもよい。分割すれば圧粉には約８００ＭＰａの圧力が必要であるが、高価なプレス機を増設しなくても圧粉による回転電機鉄心のサイズを広げることができる。更に分割式圧粉鉄心式にすれば巻き線占積率を６０％以上と飛躍的に向上させることも可能になる。電動機のトルクは巻き線銅面積の平方根に比例するので巻き線占積率が従来の３０％から２倍の６０％となればトルクは√２倍と増加できる。本発明の階段形状エアギャップでは前述したように√２倍のトルク増加が可能であるので、分割鉄心と組み合わせればトルク２倍増も実現するものである。更に上述した圧粉鉄心は磁束密度が珪素鋼鈑より小さいという短所があるが、オーバーハング形状では回転子との対向面積が増加するため高効率化に適したものと言える。

また本発明の円錐状あるいは階段円錐状エアギャップの傾斜角度所謂テーパ角を大きくしていけばラジアルギャップ式から段々とアキシャルギャップ式回転電機に近づくこととなり、仮に４５度に近づければラジアルギャップ式とアキシャルギャップ式回転電機の中間性能の回転電機が得られることになる。但し本発明の回転電機は前述したように、その巻き線軸はラジアル方向を向いており、回転軸心と直交しているものであるが、これに対して従来のアキシャルギャップ回転電機は、巻き線軸はアキシャル方向を向いており、回転軸心と平行である相違がある。

また本発明は電動機に限らず発電機にも利用できるものである。

更に例えば本発明の図１や図３から軸方向で反転したものを反転前のものと固定子鉄心を連結して巻き線を施し、回転子も軸方向で反転したものを反転前のものと同一回転軸で連結すれば、分解は困難となるが組み立ては可能であり大出力の回転電機が可能となる。

図１１は従来技術の図軸を含む断面図、図１２は図１１の軸方向から見た図である。

図１２は特許文献１に相当する技術である。図１２は符号２１が固定子、符号２２が回転子、符号２３が固定子に巻かれた巻き線であるが、回転軸方向にエアギャップが直線的展開でなく、凹凸がかみ合うようにして、回転機を構成している。このため実質的なエアギャップの対向面積は増大して、回転機の高効率化、高トルク化となる。しかし、この回転機はエアギャップが直線でないので、固定子と回転子を別々に完成させて固定子に回転子を挿入して組み立てることはできないものである。そのため巻き線作業を含めてその組み立て完成には通常の軸方向に直線のエアギャップ式回転電機と比較して大幅に時間を要しコストの高いものとなる。組み立てが困難ということは作業中に歩留まり、不良や事故を起こしやすく信頼性にも問題を起こしやすいことになる。またメンテナンスで分解修理の場合もきわめて困難なものである。これに対して本発明は前述したように組み立ても分解もきわめて容易でありながら高トルク、高効率な回転電機が実現するものである。

本発明による回転電機は電動機または発電機に活用でき、安価で堅牢で軽薄短小、高トルク化、高効率化に適した、きわめて実用的なものである。従って工業的に大きな貢献が期待される。

１、５固定子鉄心
１１、２３巻き線
２、６、２２回転子
４回転軸
３、７中子
８、１５回転子鉄心
９永久磁石固定子
１０バックヨーク
１２巻き線端
１３コンミテータ
１６永久磁石
１４ブラシ
２１固定子

Claims

回転電機において、
固定子は、磁性鉄からなり、巻き線軸と回転軸心とが直交しており、
その内径部は、巻き線用突極数がｍの鉄心が周方向に分布配置されてなり、かつ、テーパー状あるいは階段状エアギャップとなるように、軸方向で手前から奥に行くほど、直線的にあるいは階段的に径小となるよう構成されており、
回転子は、
（ａ）テーパー状あるいは階段状エアギャップとなるように、軸方向で手前から奥に行くほど、直線的にあるいは階段的に径小となるよう構成して、永久磁石を回転子表面に使用して周方向にＮ極とＳ極を交互にｎ極に磁化された表面磁石型回転子、
（ｂ）テーパー状あるいは階段状エアギャップとなるように、軸方向で手前から奥に行くほど、直線的にあるいは階段的に径小となるよう構成して、周方向にＮ極とＳ極を交互にｎ極に磁化されるように永久磁石を回転子鉄心穴部に挿入した埋め込み磁石型回転子、
のいずれか一方であり、
前記固定子と回転子が対向して回転自在に構成されたことを特徴とする回転電機。
但しｍは２以上の整数、ｎは正の偶数。
回転電機において、
固定子は、テーパー状あるいは階段状エアギャップとなるように、軸方向で手前から奥に行くほど、直線的にあるいは階段的に径小となる内径部を有し、表面永久磁石型あるいは埋め込み永久磁石型により周方向にｎ極に磁化されており、
回転子は、磁性鉄からなり、巻き線軸と回転軸心とが直交しており、巻き線用突極数がｍの鉄心が放射状に分布配置されてなり、
その外径部は、テーパー状あるいは階段状エアギャップとなるように、軸方向で手前から奥に行くほど、直線的にあるいは階段的に径小となるよう構成されており、
前記固定子と回転子が対向して回転自在に構成されたことを特徴とする回転電機。
但しｍは２以上の整数、ｎは正の偶数。
回転電機において、
回転子は、テーパー状あるいは階段状エアギャップとなるように、軸方向で手前から奥に行くほど、直線的にあるいは階段的に径小となる内径部を有し、表面永久磁石型あるいは埋め込み永久磁石型により周方向にｎ極に磁化されており、
固定子は、磁性鉄からなり、巻き線軸と回転軸心とが直交しており、巻き線用突極数がｍの鉄心が放射状に分布配置されてなり、
その外径部は、テーパー状あるいは階段状エアギャップとなるように、軸方向で手前から奥に行くほど、直線的にあるいは階段的に径小となるよう構成されており、
前記固定子と回転子が対向して回転自在に構成されたことを特徴とする回転電機。
但しｍは２以上の整数、ｎは正の偶数。
回転電機において、
固定子は、磁性鉄からなり、巻き線軸と回転軸心とが直交しており、
その内径部は、巻き線用突極数がｍの鉄心が周方向に分布配置されてなり、かつ、テーパー状あるいは階段状エアギャップとなるように、軸方向で手前から奥に行くほど、直線的にあるいは階段的に径小となるよう構成されており、
回転子は、磁性鉄からなり、テーパー状あるいは階段状エアギャップとなるように、軸方向で手前から奥に行くほど、直線的にあるいは階段的に径小となるよう構成して、ｎ個の突極を有しており、
前記固定子と回転子が対向して回転自在に構成されたことを特徴とする回転電機。
但しｍは２以上の整数、ｎは正の偶数。
回転電機において、
固定子は、磁性鉄からなり、巻き線軸と回転軸とが直交し、
その内径部は、巻き線用突極数がｍで更にそれぞれｐ個の小歯を有した鉄心が周方向に分布配置されており、テーパー状あるいは階段状エアギャップとなるように、軸方向で手前から奥に行くほど、直線的にあるいは階段的に径小となるように構成されており、
回転子は、上記固定子の内径部に位置し、テーパー状あるいは階段状エアギャップとなるように、軸方向で手前から奥に行くほど、直線的にあるいは階段的に径小となるよう構成し、永久磁石により周方向にＮ極Ｓ極交互にｑ対極に磁化されているか、周方向にｒ個の突極を有しており、
前記固定子と回転子が対向して回転自在に構成された回転電機。
但しｍ、ｐ、ｑは２以上の整数、ｒは正の偶数。
回転電機において、
固定子は、磁性鉄からなり、巻き線軸と回転軸とが直交し、
その外径部は、巻き線用突極数がｍで更にそれぞれｐ個の小歯を有した鉄心が周方向に分布配置されており、テーパー状あるいは階段状エアギャップとなるように、軸方向で手前から奥に行くほど、直線的にあるいは階段的に径小となるように構成されており、
回転子は、上記固定子の外側に位置し、テーパー状あるいは階段状エアギャップとなるように、軸方向で手前から奥に行くほど、直線的にあるいは階段的に径小となるよう構成し、永久磁石により周方向にＮ極Ｓ極交互にｑ対極に磁化されているか、周方向にｒ個の突極を有しており、
前記固定子と回転子が対向して回転自在に構成された回転電機。
但しｍ、ｐ、ｑは２以上の整数、ｒは正の偶数。
請求項１〜６のいずれか一の請求項に記載の回転電機において、
磁性鉄が圧粉鉄心であることを特徴とする回転電機。
請求項１〜６のいずれか一の請求項に記載の回転電機において、
磁性鉄が、圧粉鉄心および珪素鋼鈑の両方であることを特徴とする回転電機。
請求項７または８に記載の回転電機において、
圧粉鉄心において形成された部分には、巻き線溝を有したオーバーハング形状が設けられていることを特徴とした回転電機。
請求項１〜９のいずれか一の請求項に記載の回転電機において、
表面磁石型の固定子または回転子で使用する永久磁石は、回転軸と垂直とはならない角度方向に磁化されていることを特徴とする回転電機。
請求項１〜９のいずれか一の請求項に記載の回転電機において、
埋め込み永久磁石型の固定子または回転子で使用する永久磁石、または表面磁石型の固定子または回転子で使用する分割タイプの永久磁石は、厚み方向から見た形状が、台形状あるいは曲面台形状であることを特徴とする回転電機。