JPH0799761A

JPH0799761A - 回転電機

Info

Publication number: JPH0799761A
Application number: JP26296293A
Authority: JP
Inventors: Tamotsu Nose; 保能勢
Original assignee: Sankyo Seiki Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Nidec Instruments Corp
Priority date: 1993-09-27
Filing date: 1993-09-27
Publication date: 1995-04-11

Abstract

(57)【要約】【目的】回転電機のＴ／Ｎ特性値を、簡易な構造で大
幅に向上させることを可能とする。【構成】ロータ側のコア２６，２８と、ステータ側の
コア２３とを、対面時において互いに接触するように配
置し、上記ロータ側のコア２６，２８とステータ側のコ
ア２３との対面時における磁気抵抗を、特にリラクタン
ス型及び磁束集中反転型の回転電機において一定のレベ
ル以下に低減したもの。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ロータ側のコアとステ
ータ側のコアとを対面配置させることによって、回転駆
動用の磁気回路を形成するようにした回転電機に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、種々の回転電機が開発されている
が、従来の回転電機の一例として図４及び図５に示され
た構成の３相モータがある。このものは、所謂２−３
（磁極数−コア極数）構造と呼ばれているモータであ
り、ケーシング１の内周壁に中空円筒状の界磁磁石２が
固定されているとともに、この界磁磁石２の内周側に電
機子３が回転自在に配置されている。これらのケーシン
グ１及び界磁磁石２は、いずれか一方側がロータとして
構成され、他方側がステータとして構成されている。上
記界磁磁石２の着磁は、円周方向に２つの異なる磁極
Ｎ，Ｓを形成するように行われているとともに、前記電
機子３は、界磁磁石２の内周壁に近接して磁束を集める
３体の突極状コア３ａ，３ａ，３ａを有しており、これ
らの各突極状コア３ａの各々にコイル３ｂ，３ｂ，３ｂ
がそれぞれ巻回されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところがこのような従
来の回転電機では、所謂Ｔ／Ｎ特性値が未だ十分でない
という問題がある。すなわちＴ／Ｎ特性値は、回転電機
のＴ−Ｎ特性におけるトルクＴと回転数Ｎとの商であ
り、具体的には、Ｔ／Ｎ特性値＝Ｔ_S ／Ｎ_O ＝ΔＴ／ΔＮ＝Ｋ_E ・Ｋ_T ／Ｒ・・・・・・・・・・で表される。ここで、Ｔ_S ；始動トルクＮ_O ；無負荷回転数Ｋ_E ；逆起電圧定数Ｋ_T ；トルク定数Ｒ；内部抵抗である。

【０００４】このＴ／Ｎ特性値は、回転電機の基本であ
るＴ−Ｎ特性の大きさを表しており、回転電機の大きさ
を比較することができる。例えばＴ／Ｎ＝３の回転電機
は、Ｔ／Ｎ＝１の回転電機を３個同時に回したのと同じ
Ｔ−Ｎ特性が出せる。より具体的には、Ｔ／Ｎ特性値
は、回転電機の体積の約２乗（正確には５／３乗）に比
例しており、また界磁磁石のＢＨ_MAX にほぼ比例する関
係を有している。したがって従来から、より大きいモー
タや強い磁石を使用しようとする場合には、結果的にＴ
／Ｎ特性値を大きくしようとしているものである。

【０００５】Ｔ／Ｎ特性値を大きくした場合には、次の
ようなことが可能となる。１）発生トルクの増大。２）立上り時間の低減。３）トルク定数及び逆起電圧定数の増大。４）定格電流の低減。５）損失（銅損）の低減。６）高効率化。７）発熱の低減。８）出力の増大。９）負荷変動による回転数変動への影響低減。

【０００６】またＴ／Ｎ特性値に余裕がある場合には、
活用の仕方によって次のようなことが可能になる。１）回転電機の小型、薄型、軽量化。２）材料見直し等による低コスト化。３）設計の自由度の拡大。

【０００７】このように従来から提案されている回転電
機に関する各種の提案には、結果的により高いＴ／Ｎ特
性値を得るためのものが多い。すなわち回転電機の軽薄
短小化、省電力化、省資源化、低価格化等の要請の根底
になっているのは、（Ｔ／Ｎ特性値）／（体格）及び
（Ｔ／Ｎ特性値）／（コスト）であり、Ｔ／Ｎ特性値を
いかに効率よく出すかが従来からの課題となっている。
例えば、１）小型化、薄型化、軽量化。２）始動トルクの伸長。３）立上がり時間の短縮化。４）電流値の低減。５）損失（銅損）の低減。６）合理化。等であり、従来からの回転電機技術に関する提案は、結
果的にＴ／Ｎ特性値を向上させるための検討ともいえる
ものが多い。実際的にはＴ／Ｎ特性値で５％乃至１０％
の違いが競合している。

【０００８】次にこのようなＴ／Ｎ特性値を決める要素
としては、Ｐ（磁極数）、Φ（有効磁束）、Ｈ（並列コ
イル数）、Ａ（コイル断面積）、Ｌ（１Ｔ当りのコイル
長）があり、それを式で表すと、Ｔ／Ｎ特性値＝Ｐ² ・Φ² ・Ｈ・Ａ／Ｌ・・・・となる。したがってこれらの各要素を全体として最大と
なるように組み合わせればＴ／Ｎ特性値が最大になる。
特に、Ｐ² ×Φ² をいかに大きくするかがポイントにな
る。

【０００９】このような観点から考察すれば、上述した
図４及び図５に示された所謂２−３（磁極数−コア極
数）構造の回転電機の場合には、３相のモータにおいて
磁極数と突極数とが最小限の組み合せとなっており、例
えば図示の位置関係においては、矢印で示したようにＮ
極の総磁束が１カ所の突極状コア３ａに集中している。
したがって有効磁束Φは大きくなっている。しかしなが
ら磁極数Ｐが２であるため、Ｔ／Ｎ特性値の向上には限
界がある。

【００１０】一方多極型のものでは、磁極数Ｐと並列コ
イル数Ｈとが増大されていると同時に、コイル長Ｌが減
じられることによって、Ｔ／Ｎ特性値の向上が図られて
いるが、電機子の突極と界磁磁石との１突極当りの対向
面積が小さくなっており、磁束が分散使用されている。
すなわち同じ総磁束を多極に分けて使っているため、磁
極数Ｐは増えているが有効磁束Φは減少しており、結
局、上式中におけるＰ²×Φ² の値は変わっていない。
また並列コイル数Ｈの増大は可能であるが、コイル断面
積Ａの減少に打ち消されてしまい、構造が複雑化する割
にはＴ／Ｎ特性値を大幅に向上させることはできない。
したがってこの多極型の場合にはＢＨ_MAXの大きい磁石
を採用して有効磁束Φを稼ぎ、Ｔ／Ｎ特性値の向上を図
っているのが現状である。

【００１１】このように従来における磁石対向型の回転
電機では、強い磁石を使うという大幅コストアップにつ
ながる方法でしかＴ／Ｎ特性値の向上を図ることができ
ないという問題がある。

【００１２】このため本発明は、簡易な構造でＴ／Ｎ特
性値を大幅に向上させることができるようにした回転電
機の構造を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明は、ロータ側のコアとステータ側のコアとを、少
なくとも回転時に対向するように配置することによっ
て、回転駆動用の磁気回路を形成する回転電機におい
て、上記ロータ側のコアとステータ側のコアとを、対向
時において互いに接触させるように構成している。

【００１４】

【作用】このような構成を有する手段においては、ロー
タ側のコアとステータ側のコアとの対面時における磁気
抵抗が一定のレベル以下に低減され、その結果、Ｔ／Ｎ
特性値が向上されるようになっている。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細
に説明する。まず図１及び図２に示されている実施例
は、本願発明者が既に提案している所謂磁束集中反転型
の３相モータに対して本発明を適用したものであり、図
示を省略したケーシングの中心部に設けられた中空円筒
状の軸受２１内に、回転軸２２が回転自在に支承されて
いる。また上記軸受２１の外周部には、ステータ（電機
子）コアを構成する鉄心２３が固着されているととも
に、この鉄心２３に対して３相コイル２４が巻回されて
いる。上記鉄心２３は、珪素鋼鈑等を所定の厚さに積層
してなるものであって、放射状に延びる３体の突極２３
ａ，２３ｂ，２３ｃが、回転軸を中心にして円周方向に
１２０°のピッチ間隔で設けられている。上記コイル２
４は、各突極２３ａ，２３ｂ，２３ｃの途中部分に励磁
用として巻回されている。

【００１６】一方上記回転軸２２の軸受突出部分には、
ロータを構成する回転円板２５が回転軸２２と一体的に
回転するように固定されているとともに、この回転円板
２５の外周部に、ロータコアを構成するヨーク板２６を
介して界磁磁石２７が固定されている。界磁磁石２７
は、上記電機子の各突極２３ａ，２３ｂ，２３ｃの外周
側を、所定の空隙を介して環状に取り囲む中空円筒体か
らなり、固定状態にある上記電機子の回りを回転移動す
るように構成されている。この界磁磁石２７としては、
フェライト或いは稀土類のマグネットが採用されてお
り、その延在方向である周方向に直交する方向（軸方
向）に着磁が行われている。本実施例では、界磁磁石２
７の図示上側端面がＮ極に着磁されているとともに、図
示下側端面がＳ極に着磁されている。

【００１７】上記ヨーク板２６は、界磁磁石２７におけ
る図示上側の着磁端面に取り付けられているとともに、
界磁磁石２７の図示下側の着磁端面には、同じくロータ
コアを構成するヨーク板２８が取り付けられている。こ
れらの各ヨーク板２６，２８は、界磁磁石２７の各着磁
端面に沿って延在するリング状の強磁性材からなり、界
磁磁石２７の図示上側のＮ極側に取り付けられたヨーク
板２６がＮ極に磁化されているとともに、界磁磁石２７
の図示下側のＳ極側に取り付けられたヨーク板２８はＳ
極に磁化されている。

【００１８】また一方のヨーク板２６の内周縁部には、
軸中心に向かって突出する４体の磁路形成用凸部２６
ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄが設けられているととも
に、他方のヨーク板２８の内周縁部には、軸中心に向か
って突出する４体の磁路形成用凸部２８ａ，２８ｂ，２
８ｃ，２８ｄが設けられている。これらヨーク板２６の
磁路形成用凸部２６ａ，…及びヨーク板２８の磁路形成
用凸部２８ａ，…どうしは、前記電機子の鉄心２３を軸
方向から挟み込みつつ回転移動するように構成されてい
る。

【００１９】すなわち各ヨーク板２６及び２８の磁路形
成用凸部２６ａ，…及び２８ａ，…と、電機子の鉄心２
３とは、両者の相対回転移動に伴い、対面及び離間を繰
り替えすように構成されており、両者が軸方向に対面し
たときには、ロータ側のコアを構成する磁路形成用凸部
２６ａ，…及び２８ａ，…が、ステータ側のコアを構成
する鉄心２３の各突極２３ａ，２３ｂ，２３ｃに接触す
るように配置されている。そして磁路形成用凸部２６
ａ，…及び２８ａ，…が、鉄心２３の各突極２３ａ，２
３ｂ，２３ｃに対面し接触したときには、上記各ヨーク
板２６及び２８の磁路形成用凸部２６ａ，…及び２８
ａ，…を通して、界磁磁石２７からの磁束が、鉄心２３
側に集束するように構成されている。このとき磁路形成
用凸部２６ａ，…及び２８ａ，…の板厚及び鉄心２３と
の対面長さは、鉄心２３の厚さとほぼ同じ寸法に設定さ
れている。

【００２０】これら両ヨーク板２６及び２８における各
磁路形成用凸部２６ａ，…及び２８ａ，…は、周方向に
９０°のピッチ間隔で並設されており、一方側の磁路形
成用凸部２６ａ，…と他方側の磁路形成用凸部２８ａ，
…とは、周方向において互いに４５°ずらされて配置さ
れている。すなわち平面視において、Ｎ極に磁化された
磁路形成用凸部２６ａ，…と、Ｓ極に磁化された磁路形
成用凸部２８ａ，…とは、周方向に４５°のピッチ間隔
で交互に環状配置されており、一方側の磁路形成用凸部
２６ａ、他方側の磁路形成用凸部２８ａ、一方側の磁路
形成用凸部２６ｂ、他方側の磁路形成用凸部２８ｂ、…
の順に交互に配置されている。したがって前記鉄心２３
のコイル２４を装着した部分を通過する磁束の方向が、
上記両側の磁路形成用凸部２６ａ，２８ａの配置ピッチ
（４５°）毎に反転する配置関係になされている。

【００２１】このような実施例におけるモータでは、電
機子側と界磁磁石側とが、図示の位置関係にあるとき、
すなわち一方のヨーク板２６の磁路形成用凸部２６ａ
（Ｎ極）が一つの突極２３ａに対面接触し、かつ他方の
ヨーク板２８における一対の磁路形成用凸部２８ｂ，２
８ｃ（Ｓ極）が他の突極２３ｂ，２３ｃに対面接触して
いるときには、図示矢印のように界磁磁石２７からの総
磁束が、各磁路形成用凸部２６ａ，２８ｂ，２８ｃを通
して鉄心２３に集束される。

【００２２】次にこの状態から界磁磁石側が、磁路形成
用凸部の配置ピッチである４５°だけ回転移動したとき
には、ヨーク板２８の磁路形成用凸部２８ａ（Ｓ極）が
突極２３ａに対面接触するともに、ヨーク板２６におけ
る一対の磁路形成用凸部２６ｃ，２６ｄ（Ｎ極）が突極
２３ｂ，２３ｃに対面接触する。したがって界磁磁石２
７からの総磁束は、上述した矢印方向とは反対側に反転
して鉄心２３に集束される。

【００２３】このように本実施例では、界磁磁石２７に
取り付けられた一対のヨーク板２６，２８の形状によ
り、界磁磁石２７の総磁束を分散させることなく集中さ
せる構造で多極化が図られており、これによって界磁磁
石２７からの磁束が常時最大限に利用され、磁極数Ｐ及
び有効磁束Φの双方が同時に増大されるようになってい
る。そしてその多極化にあたっては、従来のように界磁
磁石に多極着磁は行われておらず、しかも電機子側の構
造が簡易に維持されている。

【００２４】この状態は、前述した図４及び図５に示さ
れた所謂２−３構造の回転電機と同様な総磁束集中状態
のままで、磁極数Ｐを増大させた状態となっている。そ
して前述した式に示した通り、Ｔ／Ｎ特性値に対して
磁極数Ｐは２乗で寄与することから、磁極数Ｐを３倍と
すればＴ／Ｎ特性値は９倍となり、本実施例のように磁
極数Ｐを４倍とすればＴ／Ｎ特性値は１６倍、磁極数Ｐ
が５倍ならＴ／Ｎ特性値は２５倍のようにしてＴ／Ｎ特
性値は大幅に向上される。

【００２５】加えて本実施例では、ロータ側のコアを構
成する磁路形成用凸部２６ａ，…及び２８ａ，…が、ス
テータ側のコアを構成する鉄心２３の各突極２３ａ，２
３ｂ，２３ｃに対面時に接触するように配置されている
ため、両者の対面時における磁気抵抗が一定のレベル以
下に低減され、以下述べるように上記Ｔ／Ｎ特性値が一
層向上されるようになっている。

【００２６】まずロータ側のコアとステータ側のコアと
の間に形成されるエアギャップによる磁気抵抗の影響
を、上述した実施例にかかる磁束集中反転型構造のモー
タ、従来タイプの磁石対向型構造のモータ、及びリラク
タンス型構造のモータにおける発生推力を比較して検討
してみる。図３に示されているように、上記３構造の同
一形状及び同一条件におけるエアギャップ量（横軸）
と、平均推力（縦軸）との関係は、構造の違いにより大
きな差異がある。まずエアギャップによる影響が最も大
きいのがリラクタンス型構造（ＡＬ）で、次に大きい
のが磁束集中反転型構造（ＡＪ）であり、従来タイプ
の磁石対向型構造（ＡＫ）ではエアギャップによる影
響が小さい。

【００２７】すなわちリラクタンス型構造（ＡＬ）及
び磁束集中反転型構造（ＡＪ）では、エアギャップを
十分小さくすることによって、従来タイプの磁石対向型
構造（ＡＫ）の数倍の推力を得ることが可能となり、
その２乗のＴ／Ｎ特性値が得られることが判る。しかし
ながら両コアどうしの間のエアギャップを、ある限界以
下で非接触とするように製造することは非常に難しい。
そこで本発明は、接触状態でも使用可能な配置構造によ
り、始めから接触させることとし、最大の推力を得るよ
うに構成したものである。このように本発明は、リラク
タンス型構造及び磁束集中反転型構造の回転電機に適用
することによって、より大きな作用・効果が得られるも
のである。

【００２８】またこのとき、ロータ側のコアとステータ
側のコアとを、バネや磁気吸引手段等の吸引手段によっ
て接触方向に付勢することとすれば、振動や衝撃等を受
けた場合においても、コアどうしの接触性を良好に維持
することができ、安定した回転を得ることができる。特
に、両者間の吸引力が小さいリラクタンス型構造のもの
において都合が良い。この場合の吸引手段は、できるだ
け回転の中心部分に配置することが好ましい。例えば、
回転軸のスラスト軸受に、ロータ側をステータ側に吸引
するマグネットを設けたものや、ステータ側から延出す
る板バネの先端面をロータ側に接触させたもの等が考え
られる。

【００２９】さらにロータ側のコアとステータ側のコア
との接触面に、グリス等の潤滑剤を塗布し、または薄厚
シート部材を介して接触配置し、あるいは両者の接触面
に所定の表面処理を施しておけば、両者間の摩擦係数を
低減することができ、円滑な回転移動を得ることがで
き、耐久性の向上も図ることができる。

【００３０】同様に、ロータ側のコアとステータ側のコ
アとの接触面のうちの少なくとも一方側の全面を平面状
に形成すれば、円滑な回転移動を得ることができるとと
もに耐久性を向上させることができる。具体的には、所
定のピッチで配置された突極状コアどうしの間の空間部
分を、樹脂材等の一体成形によって充填することが考え
られる。

【００３１】さらにまたロータ側のコアとステータ側の
コアとの接触面における回転方向前端縁部に、テーパ面
や湾曲面等からなる摺動案内面を形成しても同様な作用
・効果を得ることができる。なおこの場合の摺動案内面
は、ロータ側のコアとステータ側のコアとの接触面の双
方に設けても、いずれか一方側に設けても良い。

【００３２】

【発明の効果】以上述べたように本発明は、ロータ側の
コアとステータ側のコアとを、対面時において互いに接
触するように配置し、ロータ側のコアとステータ側のコ
アとの対面時における磁気抵抗を一定のレベル以下に低
減したものであるから、特にリラクタンス型及び磁束集
中反転型の回転電機のＴ／Ｎ特性値を、簡易な構造で大
幅に向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例における回転電機を表した
平面説明図である。

【図２】図１に表した回転電機の構造を表した横断面説
明図である。

【図３】エアギャップと推力との関係を比較して表した
線図である。

【図４】従来における回転電機の一例を表した平面説明
図である。

【図５】図４に表した回転電機の構造を表した横断面説
明図である。

【符号の説明】

２３鉄心（ステータコア）２６，２８ヨーク板（ロータコア）２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２８ａ，２８ｂ，２８ｃ磁
路形成用凸部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】相対的に回転移動するロータ側のコアと
ステータ側のコアとが少なくとも回転時に対面するよう
に配置され、このロータ側のコアとステータ側のコアと
の対面部位を通して、回転駆動用の磁気回路が形成され
る回転電機において、上記ロータ側のコアとステータ側のコアとは、少なくと
も対面時に接触するように配置されていることを特徴と
する回転電機。
【請求項２】請求項１記載の回転電機において、ロータ側のコアとステータ側のコアとを接触方向に付勢
させる吸引手段が設けられていることを特徴とする回転
電機。
【請求項３】請求項１記載の回転電機において、ロータ側のコアとステータ側のコアとの接触面に、所定
の潤滑剤が塗布されていることを特徴とする回転電機。
【請求項４】請求項１記載の回転電機において、ロータ側のコアとステータ側のコアとは、薄厚シート部
材を介して接触するように配置されていることを特徴と
する回転電機。
【請求項５】請求項１記載の回転電機において、ロータ側のコアとステータ側のコアとの接触面に、所定
の表面処理が施されていることを特徴とする回転電機。
【請求項６】請求項１記載の回転電機において、ロータ側のコアとステータ側のコアとの接触面のうちの
少なくとも一方側の全面が、平面状に形成されているこ
とを特徴とする回転電機。
【請求項７】請求項１記載の回転電機において、ロータ側のコアとステータ側のコアとの接触面のうちの
少なくとも一方側の回転方向前端縁部が、摺動案内面に
形成されていることを特徴とする回転電機。
【請求項８】請求項１記載の回転電機において、ロータ側のコアとステータ側のコアとは、回転駆動用の
永久磁石の磁束を一方側に集束させるように相互に接触
・離間し、かつその磁束の方向が、ロータとステータと
の相対回転移動に伴いコアの配置ピッチ毎に反転する位
置関係に設けられていることを特徴とする回転電機。
【請求項９】請求項１記載の回転電機において、ロータ側のコアとステータ側のコアとは、ステータ側の
電磁気吸引力によりロータ側のコアに回転駆動力を生じ
させるリラクタンス型構造に構成されていることを特徴
とする回転電機。