JPH0799762A

JPH0799762A - 回転電機

Info

Publication number: JPH0799762A
Application number: JP26296393A
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との間に、流動性を有する透磁物質である磁性
流体２９を充填して、両者が磁性流体２９を介して対面
接触するように構成し、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の間に、
流動性を有する透磁物質である磁性流体を充填した構成
になされている。

【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、ロータ側のコアを構成
する磁路形成用凸部２６ａ，…及び２８ａ，…と、ステ
ータ側のコアを構成する鉄心２３の各突極２３ａ，２３
ｂ，２３ｃとの間に、流動性を有する透磁物質である磁
性流体２９が充填されている。この磁性流体２９は、磁
路形成用凸部２６ａ，…及び２８ａ，…側の磁気力によ
り保持されている。すなわち両者が軸方向に対面したと
きには、磁路形成用凸部２６ａ，…及び２８ａ，…が、
鉄心２３の各突極２３ａ，２３ｂ，２３ｃに、磁性流体
２９を介して接触するように配置されており、磁路形成
用凸部２６ａ，…及び２８ａ，…が、鉄心２３の各突極
２３ａ，２３ｂ，２３ｃに対面したときには、各ヨーク
板２６及び２８の磁路形成用凸部２６ａ，…及び２８
ａ，…から磁性流体２９を通して、界磁磁石２７による
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に磁性流体２９を介して対
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，２８ｃ（Ｓ極）が他の突極２３ｂ，
２３ｃに磁性流体２９を介して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から磁性流体２
９を通して鉄心２３に集束される。このとき磁性流体２
９により磁気抵抗が一定のレベル以下に低減されている
ため、磁気回路は良好に形成される。

【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、磁性流体２９を介して突極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２６
ｃ，２６ｄ（Ｎ極）が、磁性流体２９を介して突極２３
ｂ，２３ｃに対面接触する。したがって界磁磁石２７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】特に本実施例では、ロータ側のコアを構成
する磁路形成用凸部２６ａ，…及び２８ａ，…と、ステ
ータ側のコアを構成する鉄心２３の各突極２３ａ，２３
ｂ，２３ｃとの間に、磁性流体２９が充填されているた
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、エアギャップ内
に流動性を有する透磁物質である磁性流体を充填するこ
とによってエアギャップを実質的に十分小さくすれば、
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。このようにエアギャップを小さくする
ことにより、磁束集中反転型構造（ＡＪ）及びリラク
タンス型構造（ＡＬ）では大幅な特性向上が可能とな
るが、単純なエアギャップの狭小化は、非接触状態を維
持しつつ行わねばならないこと、及びエアギャップのバ
ラツキから特性のバラツキを生じ易い等、製造技術上か
らは非常に難しい。これに対して本願発明による構成に
よれば、エアギャップをある一定以上に保持したまま特
性の向上を図ることが可能となるものである。

【００２８】より具体的には、磁性流体２９の比透磁率
は２〜３程度であり、エアギャップを１／２〜１／３に
狭めたのと同じ作用・効果が得られる。また今後、比透
磁率がより高い磁性流体の開発が行われると思われる
が、比透磁率１０であればエアギャップを１／１０とし
た作用・効果が得られる。なお上述した磁性流体の比透
磁率は、電磁鋼板の比透磁率（数千程度）よりも非常に
小さいため、磁性流体の充填により磁気回路全体をショ
ートさせてしまうような事態は生じることがない。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。

【００２９】以上本発明者によってなされた発明を実施
例に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施例に
限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で
種々変形可能であるというのはいうまでもない。例えば
ステータ側に、磁性流体のシール構造を設けることとす
れば、磁性流体を漏れを生じさせることなく安定した使
用が可能となり都合が良い。

【００３０】さらに磁性流体を、ロータ側の出力部等の
一部を除き略全体にわたって充填するように構成しても
良く、その場合には、全体をシールド構造に一体成形す
ること等が考えられる。なお磁性流体２９の比透磁率は
２〜３程度であり、磁気特性はコアに比して大幅に悪い
ため、

【００３１】さらにまた上述のようにして充填された磁
性流体を、軸受の潤滑剤として用いることも可能であ
る。

【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の間に、流動性を有する透磁
物質である磁性流体を充填して、両者が磁性流体を介し
て対面接触するように構成し、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２９磁性流体

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、これら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の間に、流動
性を有する透磁物質として磁性流体が充填されているこ
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、ステータ側に、磁性流体のシール構造が設けられている
ことを特徴とする回転電機。
【請求項３】請求項２記載の回転電機において、磁性流体は、ロータ側の略全体にわたって充填されてい
ることを特徴とする回転電機。
【請求項４】請求項３記載の回転電機において、磁性流体が、軸受の潤滑剤を兼用するように充填されて
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近接
・離間し、かつその近接・離間毎に、上記磁束の方向が
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。