JP5851432B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機に係り、特にアキシャル型回転電機に関する。

近年、省エネルギーの観点から、インバータ電源を用いた回転電機の可変速運転が盛んになっている。インバータ駆動時に顕著となる課題の１つに、軸受電食がある。この対策として、巻線から回転子へのインバータコモンモード電圧の静電結合を導電材で遮蔽することで、回転子に誘起されるコモンモード電圧（以下、軸電圧）を低減し、回転子を支える軸受の内輪と外輪の間に加わる電圧を低減して、軸受の電食を防止する方法がある。

ところで、近年、アキシャル型の回転電機が注目されている。本回転電機は、円盤状の回転子と固定子が対向して配置された構造を有し、回転電機の薄型、扁平化に有利な構成である。また、本回転電機においては、固定子を軸方向から２枚の回転子で挟み込んだダブルロータ型で構成することも可能である。一般的なダブルロータ型の回転電機は、独立したコアに巻線を巻回したものを周方向に複数個配置し、樹脂でモールドした固定子と、周方向に複数配置した永久磁石をヨークに接続した回転子から構成されている。モータのトルクは、回転子と固定子の対向面であるギャップ面積に比例するが、ダブルロータ型は、体格あたりのギャップ面積を大きくできるので回転電機の高出力化、高効率化に有効である。アモルファスやファインメット、ナノクリスタルといった低損失を特徴とした新磁性材料の適用にも有効な構造である。これらの新磁性材は、いずれも硬く脆いため加工が難しい。ダブルロータ型の回転電機は、固定子コアをオープンスロットとすることで、略直方体という非常に単純な形状でコアを構成できる。このため、上記磁性材を簡単な加工でコア形状に加工することが可能である。

一方、上記のようなダブルロータ構造の場合、オープンスロット構造のため、巻線と回転子の対向面積が大きく、かつ、樹脂で覆われているためコアが接地されていない場合が多い。この場合、巻線と回転子の静電結合が強くなり、軸受にコモンモード電圧が誘起されやすい。

特開２００４−２９７８７６号公報 特開２０１２−５３０７号公報

特許文献１、２には、固定子巻線と回転子間を遮蔽する構造が開示されている。巻線と回転子間を遮蔽することで、軸電圧を低減し軸受電食を抑制することができる。特許文献１では、短冊状に加工した非磁性導体板の表面全体を絶縁体で包み込んだ絶縁スリーブを、スロット開口部に挿入し、非磁性導体板と接地されたコアを導通させている。また、特許文献２では、巻線の表面に絶縁体を配置し、その上に磁束の流れに垂直な方向に導電体と絶縁体を交互に配置している。絶縁体として、巻線を巻回するボビンを利用する方法も開示している。

特許文献１は、巻線と回転子間を遮蔽するために、既存の構成に絶縁スリーブを追加する必要があり、対策前後で部品点数が増加する。一方で、特許文献２のボビン表面に導電体を直接設置する方法は、部品点数の増加を伴わない。ただし、導電体が表面に露出しているため、絶縁距離を確実に確保しないと、巻線との間で絶縁破壊を起こし、回転電機を損傷する恐れがある。さらに、いずれの公開技術も、ダブルロータ型のアキシャル型回転電機に適用した場合、導電体の接地構造が課題となる。

以上より、本発明では、部品点数を増加することなく信頼性に優れた軸受電食対策技術を提供するとともに、コアが絶縁されたダブルロータ型のアキシャル型回転電機にも対応した技術を提供する。

上記課題を達成するために本発明の回転電機は、固定子と、前記固定子を貫通する軸と、軸方向に空隙を介して前記固定子と対向する回転子と、前記固定子を保持するハウジングと、を備え、前記固定子は、接地される第１導電部材とコアとボビンと当該ボビンを巻く巻線とを有する固定子ユニットを周方向に複数個備え、前記ボビンは、前記巻線と前記回転子との間に形成される鍔部を有し、前記第１導電部材は、前記鍔部と前記回転子との間に配置されかつ前記コアと接触し、前記軸方向から投影した場合に、前記巻線は、前記ボビンに巻かれた部分の射影部が前記鍔部の射影部よりも内側になるように形成され、前記第１導電部材は、当該第１導電部材の射影部が前記鍔部の射影部に包含されるように形成される。

本発明の回転電機は、接地された導電体により巻線と回転子との間の静電結合が遮蔽されるため、軸電圧を低減し、軸受電食を抑制することができる。また、導電体と巻線との距離を確保できるため、絶縁破壊に対する信頼性を確保できる。

本実施形態に係るアキシャル型回転電機の斜視図である。 図１の矢印A方向から見た断面図である。 固定子100を構成する固定子ユニット115の斜視図である。 図１の一点鎖線Cで囲まれた部分の拡大図である。 第１導電部材の他の実施形態を示したアキシャル型回転電機の断面図である。 固定子100を構成する固定子ユニット115の斜視図である。 図５の一点鎖線Cで囲まれた部分の拡大図である。 第１導電部材の他の実施形態を示したアキシャル型回転電機の断面図である。 コアの他の実施形態を示したアキシャル型回転電機の断面図である。 第２導電部材を追加した他の実施形態に係るアキシャル型回転電機1を示す断面図である。 固定子100を構成する固定子ユニット115及びその周辺の斜視図である。 これまで説示した本実施形態に適用できる第１導電部材の他の実施例を示す固定子ユニットの斜視図である。 これまで説示した本実施形態に適用できる第１導電部材の他の実施例を示す固定子ユニットの斜視図である。

以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。

図１は、本実施形態に係るアキシャル型回転電機の斜視図である。図２は、図１の矢印A方向から見た断面図である。図３は、固定子100を構成する固定子ユニット115の斜視図である。図４は、図１の一点鎖線Cで囲まれた部分の拡大図である。

回転電機1は、固定子100と、固定子100を軸方向から挟み込むように配置された２枚の回転子200a及び200bとからなる。固定子100は、軟磁性体で構成されたコアと、コア110を囲むボビン120と、ボビン120を巻回す巻線130とを有する固定子ユニット115を周方向に複数個配置する。さらに固定子100は、樹脂150でハウジング300と一体でモールドして構成される。つまり、ハウジング300は、固定子100を保持する。

回転子200aは、軟磁性体で構成されたヨーク220aと、周方向に複数配置されかつヨーク220aに接続した永久磁石210aとから構成される。回転子200bは、軟磁性体で構成されたヨーク220bと、周方向に複数配置されかつヨーク220bに接続した永久磁石210aとから構成される。回転子200a及び回転子200bは、軸受500を介してハウジング300に回転自在に固定された軸400に接続されている。

ボビン120は、コア110を収納する収納空間を形成する筒部122と、筒部122の軸方向の一方の端面に接続されかつ回転子200aと巻線130との間に突出した鍔部121aと、筒部122の軸方向の他方の端面に接続されかつ回転子200bと巻線130との間に突出した鍔部121bと、から構成される。

第１導電部材140aは、鍔部121aの回転子200aと対向する面に配置されかつコア110と接触する。第１導電部材140bは、鍔部121bの回転子200bと対向する面に配置されかつコア110と接触する。また第１導電部材140a及び第１導電部材140bは接地されている。

図２に示されるように、軸方向と平行な矢印Bから投影した場合に、巻線130は、ボビン120に巻かれた部分の射影部131が鍔部121a又は鍔部121bの射影部128よりも内側になるように形成される。また第１導電部材140a又は第１導電部材140bは、第１導電部材140a又は第１導電部材140bの射影部148が鍔部121a又は鍔部121bの射影部128に包含されるように形成される。このように構成されることにより、図４に示されるように、第１導電部材140aと巻線130との最短の直線距離124が、第１導電部材140aと巻線130との最短の沿面距離（距離123aと距離123bとの和）よりも小さくなる。

次に本実施形態のアキシャル型回転電機の動作を説明する。ここでは、モータ動作例について説明する。インバータや交流電源（図示なし）を用い巻線130に交流電流を通電する。これにより、固定子100表面に交番磁界が形成される。この交番磁界と永久磁石210a及び永久磁石210bによる回転子200a及び回転子200bの静磁界が吸引、反発することで、回転子200a及び回転子200bが回転しトルクを発生する。

次に本実施形態のアキシャル型回転電機の効果を説明する。巻線130と回転子200a又は回転子200bとの間は、接地された第１導電部材140aにより遮蔽されている。このため、巻線130と回転子200a又は回転子200bとの間に電位差が生じることが抑制される。これにより、軸受500の内外輪間の電位差も低減する。結果として、軸受500内の油膜破壊による軸電流の発生、これによる軸受500の電食の発生を抑制することができる。

また、鍔部121aの表面に配置された第１導電部材140aと巻線130とは、鍔部121aの肉厚（図４に示される距離123a）と鍔部121aの先端と巻線130との距離分の沿面距離（図４に示される距離123b）を介して配置されている。これにより、第１導電部材140aと巻線130との間との電気的な絶縁性が確保され、第１導電部材140aと巻線130との間で絶縁破壊することを抑制できる。

なお、本実施形態では、固定子100の両端に２枚の回転子200a及び回転子200bを配置した例を示したが、バックヨークをもつ１つの固定子に１枚の回転子が対向したタイプのアキシャル型回転電機であっても良い。また、バックヨークをもつ２つの固定子100で、１つの回転子を挟み込んだタイプのアキシャル型回転電機であってもよい。

なお第１導電部材140a及び第１導電部材140bは、非磁性材料で構成されることが望ましい。これにより、第１導電部材140a及び第１導電部材140bへの漏れ磁束を抑制し回転電機の出力、効率を向上できる。第１導電部材140a及び第１導電部材140bは、メッキや蒸着、接着などの後工程によりボビン120に設置する。または、ボビン120と一体で成形しても良い。第１導電部材140a及び第１導電部材140bは、ボビン120の鍔部121a又は鍔部121bの表面でなく、鍔部の内部に埋め込まれていても良い。

図５は、第１導電部材の他の実施形態を示したアキシャル型回転電機の断面図である。図１ないし図４と重複する構造、動作、効果の説明は省略する。図６は、固定子100を構成する固定子ユニット115の斜視図である。図７は、図５の一点鎖線Cで囲まれた部分の拡大図である。

本実施形態においては、第１導電部材141aは、この第１導電部材141aの射影部132が鍔部121aの射影部148よりも内側になるように形成される。また第１導電部材141bは、この第１導電部材141bの射影部132が鍔部121bの射影部148よりも内側になるように形成される。

つまり図７に示されるように、鍔部121aの先端と第１導電部材141aとの間に距離123cが設けられる。これにより、鍔部121a及び鍔部121bの先端の近傍まで巻線130を巻回することができ、固定子空間を有効に活用することができる。

図８は、第１導電部材の他の実施形態を示したアキシャル型回転電機の断面図である。図１ないし図４と重複する構造、動作、効果の説明は省略する。

第１導電部材142は、筒部122とコア110との間の空間まで形成される。さらに第１導体部材142は、筒部122と対向するコア110のコア面111と接触する。これにより、第１導電部材142は、筒部122とコア110との間に強固に固定され、コア110との接続信頼性を向上させることができる。

図９は、コアの他の実施形態を示したアキシャル型回転電機の断面図である。図１ないし図４と重複する構造、動作、効果の説明は省略する。

コア110は、第１導電部材140aと軸方向に配置される回転子（不図示）との間に形成されるコア側鍔部112aを有する。そしてコア側鍔部112aは、鍔部121aと接触する第１導電部材140aの面とは反対側の面145aと接触する。またコア110は、第１導電部材140bと軸方向に配置される回転子（不図示）との間に形成されるコア側鍔部112bを有する。そしてコア側鍔部112bは、鍔部121bと接触する第１導電部材140bの面とは反対側の面145bと接触する。なお本実施形態ではコア110が接地されているが、第１導電部材140aが接地されていてよい。これにより、第１導電部材140a又は第１導電部材140bは、鍔部121a又は鍔部121bとコア側鍔部112a又はコア側鍔部112bコア110との間に強固に固定され、コア110との接続信頼性を向上させることができる。

図１０は、第２導電部材を追加した他の実施形態に係るアキシャル型回転電機1を示す断面図である。図１１は、固定子100を構成する固定子ユニット115及びその周辺の斜視図である。

第２導電部材160aは、第１導電部材140aと軸方向に配置された回転子（不図示）との間に配置される。第２導電部材160bは、第１導電部材140bと軸方向に配置された回転子（不図示）との間に配置される。そして第２導電部材160aは、鍔部121aと接触する第１導電部材140aの面とは反対側の面146aと接触する第１接触面161aと、ハウジング300の内壁と接触する第２接触面162aと、を形成する。ハウジング300は、接地されている。第２導電部材160bも同様の構成である。

これにより、第１導電部材140aと第２導電部材160aは、面で接触するため導通も取り易くなる。またアキシャル型回転電機の内部部品の放熱経路は、主にハウジング300の内壁から外壁に向かう方向に設けられる。そこで本実施形態の第２導電部材160aを用いることにより、固定子で発生した熱を、第２導電部材160aを介してハウジング300の内壁に伝達することができ、アキシャル型回転電機の放熱性を向上させることができる。

また、コア110が樹脂150でモールドされているため、周方向に複数個配置され個々が電気的にも独立したコア110を接地するための手段が別途必要となる。そこで第２導電部材160aは、コア110と接触する第３接触面163aを形成する。第３接触面163bも同様の構成である。これにより、第１導電部材140aとコア110の接地を同時に確保することが可能であり、部品点数の削減、および、構造の簡略化を図ることができ、接地するための電気的接続の信頼性を向上させることができる。

なお図１０及び図１１において、リング状に３６０°連続した第２導電部材160aを想定していたが、第２導電部材160aの形状は任意である。周方向に複数に分割されていても良い。個々の第２導電部材160aが分離していても良い。第２導電部材160aは、アルミなどの非磁性の導電体で構成することが望ましい。これにより、第２導電部材160aへの漏れ磁束が減少し、回転電機の出力、効率を向上することができる。なお、第２導電部材160aとコア110が別の手段で導通している場合、第２導電部材160aは、軸方向端面の任意の一方に設ければ良い。ただし、第２導電部材160aをアルミのような高熱伝導体で構成した場合、固定子の放熱性を向上させる効果もでる。この場合、固定子の両端面に設けることで放熱効果を倍増することができる。

図１２は、これまで説示した本実施形態に適用できる第１導電部材の他の実施例を示す固定子ユニットの斜視図である。

固定子ユニットは、コア先端の周囲に配置される第１導電部材143が周方向で不連続となるよう、切断部143aを形成している。これにより、必要最小限の遮蔽面積の減少により、コアを中心とした、第１導電部材143に流れる渦電流のループを遮断し、損失の発生を抑制することができ、回転電機の出力、効率を向上することができる。

なお、本実施形態では、周方向の一か所を切断しているが、遮蔽面積が大幅に減少しない程度に、かつ、第１導電部材が分離しないように、複数個所にスリットを設けても良い。さらには、図１３に示すように、第１導電部材144をメッシュ状にしても良い。このような第１導電部材144の配置パターンは、印刷、蒸着時のパターンにより製作することができる。または、あらかじめボビンの導電体設置面にパターンに対応した凹凸を設け、第１導電部材144を不連続に接地することもできる。

1・・・回転電機、100・・・固定子、110・・・コア、111・・・コア面、112a・・・コア側鍔部、115・・・固定子ユニット、120・・・ボビン、121a・・・鍔部、121b・・・鍔部、122・・・筒部、123a・・・距離、123b・・・距離、123c・・・距離、124・・・直線距離、128・・・射影部、130・・・巻線、131・・・射影部、132・・・射影部、140a・・・第１導電部材、140b・・・第１導電部材、141a・・・第１導電部材、141b・・・第１導電部材、142・・・第１導電部材、143・・・第１導電部材、144・・・第１導電部材、143a・・・切断部、145a・・・面、145b・・・面、146a・・・面、146b・・・面、148・・・射影部、150・・・樹脂、160a・・・第２導電部材、160b・・・第２導電部材、161a・・・第１接触面、162a・・・第２接触面、163a・・・第３接触面、163b・・・第３接触面、200a・・・回転子、200b・・・回転子、210a・・・永久磁石、210b・・・永久磁石、220a・・・ヨーク、220b・・・ヨーク、300・・・ハウジング、400・・・軸、500・・・軸受

Claims (6)

1. 固定子と、
   前記固定子を貫通する軸と、
   軸方向に空隙を介して前記固定子と対向する回転子と、
   前記固定子を保持するハウジングと、を備え、
   前記固定子は、接地される第１導電部材とコアとボビンと当該ボビンを巻く巻線とを有する固定子ユニットを周方向に複数個備え、
   前記ボビンは、前記巻線と前記回転子との間に形成される鍔部を有し、
   前記第１導電部材は、前記鍔部と前記回転子との間に配置されかつ前記コアと接触し、
   前記軸方向から投影した場合に、前記巻線は、前記ボビンに巻かれた部分の射影部が前記鍔部の射影部よりも内側になるように形成され、
   前記第１導電部材は、当該第１導電部材の射影部が前記鍔部の射影部に包含されるように形成される回転電機。
2. 請求項１に記載の回転電機であって、
   前記第１導電部材は、当該第１導電部材の射影部が前記鍔部の射影部よりも内側になるように形成される回転電機。
3. 請求項１又は２に記載の回転電機であって、
   前記ボビンは、前記コアを収納する空間を形成する筒部を有し、
   前記第１導電部材は、前記筒部と前記コアとの間の空間まで形成され、
   さらに前記第１導電部材は、前記筒部と対向する前記コアの面と接触する回転電機。
4. 請求項１ないし３に記載のいずれかの回転電機であって、
   前記コアは、前記第１導電部材と前記回転子との間に形成されるコア側鍔部を有し、
   前記コア側鍔部は、前記鍔部と接触する前記第１導電部材の面とは反対側の面と接触する回転電機。
5. 請求項１ないし４に記載のいずれかの回転電機であって、
   前記第１導電部材と前記回転子との間に配置される第２導電部材を備え、
   前記ハウジングは、接地され、
   前記第２導電部材は、前記鍔部と接触する前記第１導電部材の面とは反対側の面と接触する第１接触面と、前記ハウジングの内壁と接触する第２接触面と、を形成する回転電機。
6. 請求項５に記載の回転電機であって、
   前記第２導電部材は、前記コアと接触する第３接触面を形成する回転電機。