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Title:
MAGNETIC INDUCTOR TYPE ROTARY MACHINE, AND FLUID TRANSFER DEVICE USING THE ROTARY MACHINE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2009/139278
Kind Code:
A1
Abstract:
Provided are a magnetic inductor type rotary machine, which is little in an eddy current loss even if driven at a super-high speed so that it is highly efficient, and a fluid transfer device using the rotary machine. The magnetic inductor type rotary machine is constituted such that first and second stator cores (9 and 10) are coaxially arranged to make the circumferential positions of teeth (9b and 10b) identical, and such that first and second rotor cores (4 and 5) are so arranged on the inner circumference sides of the first and second stator cores (9 and 10) as are coaxially fixed on a spindle (2) with salient poles (4b and 5b) being circumferentially displaced by a half salient pole pitch. Moreover, a salient-pole width (βr) of the salient poles (4b and 5b) of the first and second rotor cores (4 and 5) is made larger than an opening width (θs) of the slots (9c and 10c) of a stator 7.

Inventors:
ARITA, Hideaki (7-3 Marunouchi 2-chome, Chiyoda-k, Tokyo 10, 10083, JP)
有田 秀哲 (〒10 東京都千代田区丸の内二丁目7番3号 三菱電機株式会社内 Tokyo, 10083, JP)
INOUE, Masaya (7-3 Marunouchi 2-chome, Chiyoda-k, Tokyo 10, 10083, JP)
井上 正哉 (〒10 東京都千代田区丸の内二丁目7番3号 三菱電機株式会社内 Tokyo, 10083, JP)
Application Number:
JP2009/057972
Publication Date:
November 19, 2009
Filing Date:
April 22, 2009
Export Citation:
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Assignee:
MITSUBISHI ELECTRIC CORPORATION (7-3 Marunouchi 2-chome, Chiyoda-ku Tokyo, 10, 10083, JP)
三菱電機株式会社 (〒10 東京都千代田区丸の内二丁目7番3号 Tokyo, 10083, JP)
ARITA, Hideaki (7-3 Marunouchi 2-chome, Chiyoda-k, Tokyo 10, 10083, JP)
有田 秀哲 (〒10 東京都千代田区丸の内二丁目7番3号 三菱電機株式会社内 Tokyo, 10083, JP)
INOUE, Masaya (7-3 Marunouchi 2-chome, Chiyoda-k, Tokyo 10, 10083, JP)
International Classes:
H02K19/10
Foreign References:
JPS4843111A
JPH08214519A
JP2007143286A
JP2003180059A
JPS60195330A
Attorney, Agent or Firm:
SOGA, Michiharu et al. (S. Soga & Co, 8th Floor Kokusai Building, 1-1, Marunouchi 3-chome, Chiyoda-k, Tokyo 05, 10000, JP)
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Claims:
 内周側に開口するスロットを画成するティースが円筒状のコアバックの内周面から径方向内方に突設されて周方向に並べて複数配設されてなる同一形状に作製された第1固定子コアおよび第2固定子コアを、軸方向に所定距離離反して、かつ上記ティースの周方向位置を一致させて同軸に配置して構成された固定子コア、および上記固定子コアに集中巻きに巻装された固定子コイルを有する固定子と、
 突極が周方向に等角ピッチで配設されてなる同一形状に作製された第1回転子コアおよび第2回転子コアを、それぞれ上記第1固定子コアおよび上記第2固定子コアの内周側に位置させ、かつ互いに周方向に半突極ピッチずらして回転軸に同軸に固着された回転子と、
 上記固定子に配設され、上記第1回転子コアの突極と上記第2回転子コアの突極とが異なる極性となるように界磁磁束を発生する界磁手段と、
 上記第1固定子コアのコアバック外周面と上記第2固定子コアのコアバック外周面とを連結するように軸方向に延設された軸方向磁路形成部材と、を備え、
 上記第1回転子コアおよび上記第2回転子コアの突極の突極幅βrが、上記固定子の上記スロットの開口幅θsより大きく構成されていることを特徴とする磁気誘導子型回転機。
 上記第1回転子コアおよび上記第2回転子コアの突極の突極幅βrが、(180/Nr)°(但し、Nrは上記第1回転子コアおよび上記第2回転子コアの各突極数である)より小さく構成されていることを特徴とする請求項1記載の磁気誘導子型回転機。
 上記界磁手段は上記第1固定子コアおよび上記第2固定子コアの少なくとも一方のコアバックと上記軸方向磁路形成部材との間に配設された永久磁石であることを特徴とする請求項1又は請求項2記載の磁気誘導子型回転機。
 上記界磁手段は上記第1固定子コアと上記第2固定子コアのコアバック間に介装された円筒状コイルであることを特徴とする請求項1又は請求項2記載の磁気誘導子型回転機。
 上記第1固定子コア、上記第2固定子コア、上記第1回転子コア、および上記第2回転子コアが磁性鋼板を積層して作製され、上記回転軸、および上記軸方向磁路形成部材が塊状磁性体で作製されていることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の磁気誘導子型回転機。
 上記第1固定子コアおよび上記第2固定子コアの各ティース数Nsが、Ns=3×(N+1)を満足し、上記第1回転子コアおよび上記第2回転子コアの各突極数Nrが、Nr=M×(N+1)を満足するように構成されている(但し、Mは1,2、Nは1,2,3である)ことを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の磁気誘導子型回転機。
 請求項1乃至請求項6のいずれか1項に記載の上記磁気誘導子型回転機をモータとして用いた流体移送装置。
Description:
磁気誘導子型回転機およびそれ 用いた流体移送装置

 この発明は、鉄損成分がモータ損失のな で支配的となるような高速回転域で駆動さ るのに好適な磁気誘導子型回転機およびそ を用いた流体移送装置に関するものである

 従来の永久磁石式同期回転機では、界磁 段としての磁石が回転子に装着されている しかし、自動車用過給器のタービンとコン レッサとの間にモータを配置した、いわゆ 電動アシストターボに用いられるモータに 、10万回転/分を超える超高速回転が要求さ 、かつ高温環境下で使用されることから、 のモータに従来の永久磁石式同期回転機を いた場合には、磁石保持強度や熱減磁の問 が発生してしまう。

 このような状況を鑑み、永久磁石やコイ などの界磁源を固定子に配置し、歯車状の 気的な突極性を与えた鉄心を軸方向に2段に 、かつ周方向に半極ピッチずらして連設して 回転子を構成している従来の磁気誘導子型回 転機が提案されている(例えば、特許文献1,2 照)。この回転子は、単純形状の鉄心のみで 成されており、高速回転させた場合、耐遠 力強度に優れている。そこで、従来の磁気 導子型回転機は、この回転子の利点を活か て、電動アシストターボなどの高速モータ 用いられることが考えられている。

 従来の磁気誘導子型回転機における固定 コイルの巻線方式には、1相1コイルが複数 スロットを跨いで巻回され、各相のコイル よびコイルエンドが周方向に関して交差し 重なりを持っている分布巻き方式(例えば、 許文献1)と、1相1コイルがスロットを跨がな いでティースに巻回され、各相のコイルおよ びコイルエンドが周方向に関して交差した重 なりを持たない集中巻き方式(例えば、特許 献2)とがあり、回転子の界磁方式には、コイ ル(例えば、特許文献2)と、永久磁石(例えば 特許文献1)とがある。固定子コイルの巻線方 式の2方式と回転子の界磁方式の2方式との組 合わせは、原理上自由である。

 従来の磁気誘導子型回転機では、回転子 回転軸が回転子の軸方向両側に配置された 受に軸支されているので、回転軸が共振系 構成して撓み振動する、いわゆる軸共振の 題がある。この軸共振は、軸受間の間隔が く、回転子の回転速度が高くなるほど発生 やすく、最悪の場合には、回転子が固定子 接触することになる。

 ここで、超高速回転時における回転子と 定子との接触を回避する対策としては、軸 間の間隔を狭めて、軸共振の発生する回転 を高めることが有効となる。また、耐遠心 強度の制約から、回転子径が小さくなり、 れに付随して固定子径が小さくなり、固定 コイルのコイルエンドの回転軸の軸心から 距離が短くなる。一方、軸受は、剛性の確 、および油冷却流路の確保の観点から、大 化が望まれる。従って、軸受を固定子コイ のコイルエンドの内径側に配置させる場合 軸受と固定子コイルのコイルエンドとの間 干渉の問題が発生する。そこで、軸受と固 子コイルのコイルエンドとの干渉を回避し 、軸受間の距離を狭めるためには、固定子 イルのコイルエンドの軸方向長さを極力短 することが有効となる。

 このことから、磁気誘導子型回転機を超 速回転が要求される用途に適用するには、 布巻き方式に比べて固定子コイルのコイル ンドの軸方向長さを短くできる集中巻き方 を採用することが望ましい。

特開2004-8880号公報

特開平08-214519号公報

 従来の磁気誘導子型回転機では、原理的 、界磁源で発生された磁束が、固定子の軸 向一側のティースから回転子の軸方向一側 突極に入り、回転子内を径方向内方に流れ 回転軸内を軸方向他側まで流れ、その後回 子内を径方向外方に流れ、回転子の軸方向 側の突極から固定子の軸方向他側のティー に入り、固定子内を径方向外方に流れ、固 子の外側フレーム内を軸方向一側に流れる 気回路が構成される。そこで、回転子の突 と固定子のティースとの間の磁路結合状態 回転子の回転にともなって変化し、回転機 部を流れる軸方向磁束量が増減する。回転 および固定子を流れる軸方向磁束量が変動 ると、積層鉄心の面内渦電流損が発生する ともに、外側フレームや回転軸などの塊状 性体にも渦電流損を発生する。この渦電流 は周波数の2乗に比例して増大することから 、従来の磁気誘導子型回転機において、特に 基本周波数が1kHzを超えるような高周波駆動 ると、この渦電流損は深刻な問題となる。

 集中巻き方式の固定子コイルを備えた従 の磁気誘導子型回転機においては、スロッ 数は分布巻き方式に比べて少なく、スロッ ピッチが大きな設計となる。そのため、固 子のスロット開口の周方向幅が回転子の突 の周方向幅より大きく形成されているので 回転子の突極は、回転子の回転に伴い、固 子のティースと対向している状態から固定 のティースと全く対向していない状態を経 固定子のティースと対向している状態に移 する。その結果、回転子の突極と固定子の ィースとの磁路結合状態の変化の幅が大き 、回転機内部を流れる軸方向磁束量の増減 幅も大きくなる。これにより、渦電流損が きくなり、モータ効率が低下してしまう。

 この軸方向磁束量の変動の問題は、集中 き方式の固定子コイルを備えた磁気誘導子 回転機特有のものである。言い換えれば、 巻き方式の固定子コイルを備えた磁気誘導 型回転機では、この軸方向磁束量の変動に る鉄損は問題となるレベルにまではならな 。つまり、分布巻き方式のものでは、構造 、スロットの開口幅が狭く、回転子の突極 常に固定子の複数のスロットと対向してい 。そこで、回転子の突極は対向するティー の一部を入れ替えつつ回転し、回転子と固 子との間の磁気抵抗は常に小さな状態に維 される。従って、分布巻き方式の固定子コ ルを備えた磁気誘導子型回転機を検討する 合には、軸方向磁束量の変動は問題となら 、磁気解析などでの積層面方向の渦電流は 常無視して解析することが多く、この軸方 磁束量の変動による鉄損は見過ごされてき 損失因子であった。

 本出願人は、集中巻き方式の固定子コイ を備えた磁気誘導子型回転機を超高速回転 転して、鉄損が予想以上に大きくなる現象 見出し、鉄損発生要因を注意深く精査検討 た結果、軸方向磁束量の変動が鉄損を発生 せる要因となるとの見知に基づいて、本発 を発明するに至ったものである。

 この発明は、このような課題を解決する めになされたものであって、超高速回転で 動されても、渦電流損が少なく、高効率の 気誘導子型回転機およびそれを用いた流体 送装置を得ることを目的とする。

 この発明に係る磁気誘導子型回転機は、 周側に開口するスロットを画成するティー が円筒状のコアバックの内周面から径方向 方に突設されて周方向に並べて複数配設さ てなる同一形状に作製された第1固定子コア および第2固定子コアを、軸方向に所定距離 反して、かつ上記ティースの周方向位置を 致させて同軸に配置して構成された固定子 ア、および上記固定子コアに集中巻きに巻 された固定子コイルを有する固定子と、突 が周方向に等角ピッチで配設されてなる同 形状に作製された第1回転子コアおよび第2回 転子コアを、それぞれ上記第1固定子コアお び上記第2固定子コアの内周側に位置させ、 つ互いに周方向に半突極ピッチずらして回 軸に同軸に固着された回転子と、を備えて る。さらに、本磁気誘導子型回転機は、上 固定子に配設され、上記第1回転子コアの突 極と上記第2回転子コアの突極とが異なる極 となるように界磁磁束を発生する界磁手段 、上記第1固定子コアのコアバック外周面と 記第2固定子コアのコアバック外周面とを連 結するように軸方向に延設された軸方向磁路 形成部材と、を備えている。そして、上記第 1回転子コアおよび上記第2回転子コアの突極 突極幅βrが、上記固定子の上記スロットの 口幅θsより大きく構成されている。

 この発明によれば、第1回転子コアおよび 第2回転子コアの突極の突極幅βrが、固定子 スロットの開口幅θsより大きく構成されて るので、回転子は、常に突極が固定子のテ ースと対向する状態で回転する。そこで、 転子と固定子との間の磁気抵抗を小さく保 ことができ、磁束量の変動が最小限に制限 れる。これにより、回転機を軸方向に流れ 磁束量の変動が抑制され、渦電流の発生に 因する鉄損が少なくなり、高効率の回転機 実現できる。

この発明の実施の形態1に係る回転機の 構成を示す一部破断斜視図である。 この発明の実施の形態1に係る回転機に 適用される回転子の構成を示す斜視図である 。 この発明の実施の形態1に係る回転機に おける磁束の流れを説明するための一部破断 斜視図である。 この発明の実施の形態1に係る回転機の 動作を説明する正面図である。 比較例としての回転機の動作を説明す 正面図である。 突極幅βrを100°とした回転子の構造を 明する図である。 突極幅βrを60°とした回転子の構造を説 明する図である。 この発明の実施の形態2に係る回転機を 示す一部破断斜視図である。 この発明の実施の形態3に係る回転機を 示す一部破断斜視図である。 この発明の実施の形態4に係る自動車 過給器を有するシステム構成図である。

 以下、本発明の磁気誘導子型回転機およ それを用いた流体移送装置の好適な実施の 態につき図面を用いて説明する。

 実施の形態1.
 図1はこの発明の実施の形態1に係る回転機 構成を示す一部破断斜視図、図2はこの発明 実施の形態1に係る回転機に適用される回転 子の構成を示す斜視図である。

 図1および図2において、回転機1は、磁気 導子型同期回転機であり、鉄などの塊状磁 体で作製された回転軸2に同軸に固着された 回転子3と、回転子3を囲繞するように配設さ た固定子コア8にトルク発生用駆動コイルと しての固定子コイル11を巻装してなる固定子7 と、界磁手段としての界磁コイル12と、回転 3、固定子7および界磁コイル12を収納するハ ウジング13と、を備えている。

 回転子3は、例えば所定形状に成形された 多数枚の磁性鋼板を積層一体化して作製され た第1および第2回転子コア4,5と、所定枚の磁 鋼板を積層一体化して作製され、軸心位置 回転時挿入孔(図示せず)が穿設された円盤 の隔壁6と、を備える。第1および第2回転子 ア4,5は、同一形状に作製され、軸心位置に 転軸挿入孔(図示せず)が穿設された円筒状の 基部4a,5aと、基部4a,5aの外周面から径方向外 に突設され、かつ軸方向に延設されて、周 向に等角ピッチで2つ設けられた突極4b,5bと から構成されている。第1および第2回転子コ ア4,5は、周方向に半突極ピッチずらして、隔 壁6を介して相対して互いに密接して配置さ 、それらの回転軸挿入孔に挿通された回転 2に固着されて構成されている。そして、回 子3は、回転軸2の両端を軸受(図示せず)に支 持されてハウジング13内に回転自在に配設さ ている。

 固定子コア8は、所定形状に成形された多 数枚の磁性鋼板を積層一体化して作製された 第1および第2固定子コア9,10を備える。第1固 子コア9は、円筒状のコアバック9aと、コア ック9aの内周面から径方向内方に突設されて 周方向に等角ピッチで6つ設けられたティー 9bと、を備える。内周側に開口するスロット 9cが、コアバック9aと隣り合うティース9bとに より画成されている。第2固定子コア10は、第 1固定子コア9と同一形状に作製され、円筒状 コアバック10aと、コアバック10aの内周面か 径方向内方に突設されて周方向に等角ピッ で6つ設けられたティース10bと、を備える。 内周側に開口するスロット10cが、コアバック 10aと隣り合うティース10bとにより画成されて いる。第1および第2固定子コア9,10は、ティー ス9b,10bの周方向位置を一致させて、かつ隔壁 6の軸方向厚み分離間して、それぞれ第1およ 第2回転子コア4,5を囲繞するように、ハウジ ング13内に配設されている。

 固定子コイル11は、導体線をスロット9c,10 cを跨がないで軸方向に相対して対をなすテ ース9b,10bに巻回した、いわゆる集中巻き方 に巻回された3相の相コイルを有する。つま 、固定子コイル11は、軸方向に相対する6対 ティース9b、10bに対して順次U,V,Wの3相を2回 り返して集中巻きに巻回して構成されてい 。そして、各相の相コイルのコイルエンド 、互いに、周方向に関して交差した重なり 持っていない。

 界磁コイル12は、導体線を円筒状に巻回し 円筒状コイルであり、第1および第2固定子コ ア9,10のコアバック9a,10a間に介装されている
 ハウジング13は、鉄などの塊状磁性体で作 され、第1固定子コア9のコアバック9aの外周 と第2固定子コア10のコアバック外周面とに 接するように配設され、軸方向磁路形成部 を構成している。

 ついで、このように構成された回転機1の 動作について図3を参照しつつ説明する。図3 この発明の実施の形態1に係る回転機におけ る磁束の流れを説明するための一部破断斜視 図である。

 界磁コイル12に通電されると、図3に矢印 示されるように、第1固定子コア9のティー 9bから第1回転子コア4の突極4bに入り、第1回 子コア4内を径方向内方に流れ、その後磁束 の一部が基部4a及び隔壁6内を軸方向に流れ、 磁束の残部が回転軸2内を軸方向に流れる。 して、磁束は、第2回転子コア5に入り、第2 転子コア5内を径方向外方に流れ、第2回転子 コア5の突極5bから第2固定子コア10のティース 10bに入り、第2固定子コア10内を径方向外方に 流れ、ハウジング13内を軸方向に流れ、第1固 定子コア9に戻る磁束が形成される。この時 第1および第2回転子コア4,5の突極4b,5bが周方 に半突極ピッチずれているので、磁束は、 方向から見ると、N極とS極とが周方向に交 に配置されたように作用する。これにより 回転機1は、軸方向に連設した2極のN極と2極 S極とからなる4極の回転子3に対して6スロッ トの集中巻き方式の固定子コイル11を有する 気誘導子型同期回転機として動作する。

 つぎに、この実施の形態1による鉄損低減 効果について図4および図5を参照しつつ説明 る。図4はこの発明の実施の形態1に係る回 機の動作を説明する正面図、図5は比較例と ての回転機の動作を説明する正面図である ここで、固定子のスロット開口幅θsは、回 軸の軸心と直交する平面上で、スロット開 の周方向両端と回転軸の軸心とを結ぶ線分 なす角度(中心角)で表される。また、回転 の突極幅βrは、回転軸の軸心と直交する平 上で、突極の外周面の周方向両端と回転軸 軸心とを結ぶ線分のなす角度(中心角)で表さ れる。そして、比較例の回転機100では、固定 子7のスロット開口幅θsが回転子3Aの突極幅βr より大きく形成されている。なお、図5では 説明の便宜上、図4で示した回転機と同一ま は相当部分には同一符号を付している。ま 、図4および図5では、磁束量の大小関係を 印の太さで表している。

 まず、図5に示される比較例としての回転機 100について説明する。
 回転子3Aの回転に伴い、突極4bは、図5の(a) 示されるティース9bと対向する状態から、図 5の(b)に示されるスロット9cの開口と対向する 状態を経て、図5の(c)に示される隣のティー 9bに対向する状態に移行する。

 図5の(a)に示される状態では、突極4bがテ ース9bと対向しているので、固定子7と回転 3Aとの間の磁気抵抗は小さい。そこで、界 コイル12が作る磁束は、ハウジング13から第1 固定子コア9に入り、第1固定子コア9内を径方 向内方に流れ、突極4bとティース9bとの間の 隙を介して突極4bに入る。ついで、磁束は、 第1回転子コア4内を径方向内方に流れ、その 束の一部が基部4aおよび隔壁6を軸方向に流 、磁束の残部が回転軸2内を軸方向に流れる 。ついで、磁束は、図示していないが、第2 転子コア5に入り、径方向外方に流れ、突極5 bから第2固定子コア10に入り、第2固定子コア1 0内を径方向外方に流れ、ハウジング13を軸方 向に流れて、第1固定子コア9に戻る。このよ に、界磁コイル12を周回する磁路が形成さ る。このとき、図5の(a)に太い矢印で示され ように、第1および第2固定子コア9,10および 1および第2回転子コア4、5内を径方向に流れ る磁束量、および回転軸2およびハウジング13 内を軸方向に流れる磁束量は多い。

 そして、回転子3Aが回転し、突極4bがスロ ット9cの開口と対向する位置となると、磁束 ティース9bの内周端の周方向端部から突極4b に入ることになり、固定子7と回転子3Aとの間 の磁気抵抗が著しく大きくなる。これにより 、界磁コイル12が作る磁束量が急激に減少し 図5の(b)に細い矢印で示されるように、第1 よび第2固定子コア9,10および第1および第2回 子コア4,5内を径方向に流れる磁束量、およ 回転軸2およびハウジング13内を軸方向に流 る磁束量は少なくなる。

 さらに、回転子3Aが回転し、突極4bがティー ス9bと対向する位置となると、固定子7と回転 子3Aとの間の磁気抵抗が小さくなる。そこで 図5の(c)に太い矢印で示されるように、第1 よび第2固定子コア9,10および第1および第2回 子コア4,5内を径方向に流れる磁束量、およ 回転軸2およびハウジング13内を軸方向に流 る磁束量が多くなる。
 このように、比較例の回転機100においては 第1および第2固定子コア9,10および第1および 第2回転子コア4,5内を径方向に流れる磁束成 、および回転軸2およびハウジング13内を軸 向に流れる磁束成分が大きく変動する。

 ここで、第1および第2固定子コア9,10が磁性 板の積層体で構成されているので、第1およ び第2固定子コア9,10を径方向に流れる磁束成 の変動による渦電流の発生が抑制され、鉄 として大きな問題とはならない。同様に、 1および第2回転子コア4,5を径方向に流れる 束成分の変動も、鉄損として大きな問題と ならない。
 しかし、磁性鋼板の積層体は、回転軸2およ びハウジング13を軸方向に流れる磁束成分の 減(変動)によりその積層面内に渦電流を発 し、大きな鉄損となる。また、磁性鋼板の 層体に代えて、樹脂コーティングされた鉄 を圧縮成型した圧粉鉄心を用いた場合でも 導電率があるので、磁束変動に起因して渦 流損やヒステリシス損などの鉄損が生じて まう。

 この実施の形態1による回転機1では、図4に されるように、回転子3の突極幅βrが固定子 7のスロット開口幅θsより大きく形成されて る。
 そこで、回転子3の回転に伴い、突極4bは、 4の(a)に示されるティース9bと対向する状態 ら、図4の(b)に示される隣り合う2つのティ ス9bと対向する状態を経て、図4の(c)に示さ る隣のティース9bに対向する状態に移行する 。
 このように、回転子3が回転しても、突極4b 常にティース9bと対向する状態となってい ので、回転子3と固定子7との間の磁気抵抗を 小さく保つことができ、磁束量の変動が最小 限に制限される。

 従って、この実施の形態1によれば、渦電流 の要因となる軸方向に流れる磁束量の変動が 少なくなり、渦電流の発生が抑制され、高効 率の回転機を実現できる。
 また、回転子3での発熱は、回転軸2を介し 軸受に伝達され、軸受での潤滑油やグリー の熱劣化をもたらし、軸受寿命の短縮をも らす。そして、高周波駆動される超高速回 運転では、回転子3での発熱が顕著となる。 かし、この実施の形態1によれば、渦電流の 発生が抑制され、回転子3での発熱が少なく る。
 そこで、本回転機1を超高速回転が要求され る電動アシストターボなどのモータに適用す れば、超高速回転における軸共振の問題もな く、かつ軸受の長寿命化が図られる。

 つぎに、回転子の突極幅βrの制約につい 図6および図7を参照しつつ説明する。図6は 極幅βrを100°とした回転子の構造を説明す 図であり、図6の(a)はその正面図、図6の(b)は 回転子を周方向に展開した展開平面図である 。図7は突極幅βrを60°とした回転子の構造を 明する図であり、図7の(a)はその正面図、図 7の(b)は回転子を周方向に展開した展開平面 である。なお、図6の(a)および図7の(a)では、 隔壁6が省略されている。

 図6に示される回転子3Bは、突極数Nrが2で り、突極幅βrが100°である。図6(a),(b)に重な り部δで示されるように、第1回転子コア4の 極4b(N極)の一部と第2回転子コア5の突極5b(S極 )の一部とが軸方向に重なっている。この重 り部δは軸方向に積分すると、有効な磁極と して作用せず、トルクに寄与しない無効な軸 方向成分の漏れ磁束40を発生する。この漏れ 束40は、トルクに寄与しないだけでなく、 転機の各磁路を磁気飽和せしめてトルクに 与する有効磁束を減じて、出力を低下させ 。また、この無効な漏れ磁束40の量が、回転 子3Bの位置により変化するため、鉄損の要因 なり、問題となる。

 この損失発生メカニズムを以下に説明する
 重なり部δが第1固定子コア9のティース9bと 向する位置にくると、第1固定子コア9のテ ース9bから第1回転子コア4の突極4bおよび第2 転子コア5の突極5bを経て第2固定子コア10の ィース10bに至る経路で軸方向の漏れ磁束40 流れる。この経路の磁気抵抗は小さいので この漏れ磁束40の磁束量は大きく、しかもそ の磁束の成分は軸方向成分が主となる。そし て、重なり部δが第1固定子コア9のスロット9c と対向する位置にくると、突極4bとティース9 bとの間の磁気抵抗が大きくなるので、この れ磁束40の磁束量は小さく、かつその磁束の 成分は周方向成分と径方向成分とが主となる 。したがって、漏れ磁束40は回転子位置が変 すると、磁束量の大きさが3次元ベクトル的 に変動する。

 その結果、特に、軸方向磁束成分が変動 ることが問題である。なぜならば、この漏 磁束40の変動は回転子および固定子の積層 部位のうち、特に空隙近傍において生じる 、軸方向磁束成分の増減に起因して発生す 渦電流は、積層鉄心の面内を流れるため、 転子および固定子を積層体で構成すること よる効果が得られない。また、本回転機の うに集中巻き方式磁気誘導子型回転機にお て、重なり部δで発生する磁束は、主磁束の 一部であるため、磁束量が大きく、かつ高周 波数で変動する。その結果、軸方向磁束成分 の変動が大きな鉄損となる。

 図7に示される回転子3は、突極数Nrが2で り、突極幅βrが60°である。図7(a),(b)からわ るように、この回転子構造では、第1回転子 ア4の突極4b(N極)と第2回転子コア5の突極5b(S )との軸方向の重なり部δがなくなっている そこで、この回転子3では、第1回転子コア4 突極4bと第2回転子コア5の突極5bとの軸方向 重なり部δが形成されていないので、上述 漏れ磁束40が発生せず、鉄損を低減すること ができる。

 これらのことから、集中巻き方式の固定 コイルを備えた磁気誘導子型回転機を超高 回転運転させる場合には、180/Nr>βr>θs 満足するように回転子を構成することが望 しい。但し、回転子の突極数Nrは、回転子の 極数(総突極数)の半分の値に相当する。つま 、回転子の突極数Nrは第1回転子コア4(第2回 子コア5)の突極数である。

 なお、上記実施の形態1では、回転子の突 極数が2(回転子の極数が4)、固定子のスロッ 数が6の回転機について説明しているが、回 子の突極数および固定子のスロット数はこ に限定されるものではない。

 例えば、3相の集中巻き方式の固定子コイ ルを備えた回転機では、3の倍数のスロット を選択できる。しかし、回転子の突極数と 定子のスロット数との最大公約数が1である 、径方向磁気吸引力が大きくなり、振動騒 が発生する。また、回転子の突極数と固定 のスロット数とが等しい場合には、3相モー タとして成立しない。また、固定子のスロッ ト数が少ないほど、固定子コイルのコイル数 が減り、固定子の高量産性、低コスト化を期 待できる。これらのことから、固定子のスロ ット数を、6,9,12の中から選択することが現実 的である。これに対応した回転子の突極数と しては、重量的なアンバランスが生じること が自明である1を除くと、2若しくは4、3若し は6、4若しくは8などが考えられる。

 従って、固定子のティース数をNs、回転子 突極数をNr、回転子の突極幅をβr、固定子の スロットの開口幅をθsとしたときに、
 Ns=3×(N+1)
 Nr=M×(N+1)
 180/Nr>βr>θs
を満足するように、回転機を設計することが 望ましい。但し、M=1,2、N=1,2,3である。

 なお、上記実施の形態1では、ハウジング 13を塊状磁性体で作製して軸方向磁路形成部 として用いるものとしているが、鉄などの 状磁性体で作製された円筒形や断面円弧形 部材をコアバック9a,10aの外周面同士を連結 るように架設して軸方向磁路形成部材を構 するようにしてもよい。この場合、ハウジ グは磁性体で作製する必要はなく、ステン スなどの金属や樹脂で作製すればよい。

 実施の形態2.
 図8はこの発明の実施の形態2に係る回転機 示す一部破断斜視図である。なお、図8にお て、固定子コイルは省略されている。
 図8において、第1固定子コア9Aは、円筒状の コアバック9aと、コアバック9aの内周面から 方向内方に突設されて周方向に等角ピッチ 6つ設けられたティース9bと、を備える。そ て、鍔部9dが各ティース9bの内周端部から周 向の両側に延設され、スロット9cの開口幅 縮小している。第2固定子コア10Aは、第1固定 子コア9Aと同一形状に作製され、鍔部10dが各 ィース10bの内周端部から周方向の両側に延 され、スロット10cの開口幅を縮小している
 なお、他の構成は上記実施の形態1と同様に 構成されている。

 このように構成された回転機1Aは、上記実 の形態1の回転機1と同様に、固定子7Aのティ ス数Nsが6、回転子3の突極数Nrが2であり、180 /Nr>βr>θsを満足している。
 従って、この実施の形態2においても、上記 実施の形態1と同様の効果が得られる。
 また、この実施の形態2では、鍔部9d、10dを ィース9b,10bの内周端部から周方向の両側に 設しているので、突極幅βrを大きくできな ような場合でも、βr>θsを満足する固定子 の設計が容易となる。

 実施の形態3.
 図9はこの発明の実施の形態3に係る回転機 示す一部破断斜視図である。なお、図8にお て、固定子コイルは省略されている。
 図9において、界磁手段としての第1永久磁 41が第1固定子コア9Aのコアバック9aの外周面 ハウジング13との間に密接状態に介装され 着磁方向43が径方向内方に向くように着磁配 向されている。また、界磁手段としての第2 久磁石42が第2固定子コア10Aのコアバック10a 外周面とハウジング13との間に密接状態に介 装され、着磁方向43が径方向外方に向くよう 着磁配向されている。
 なお、他の構成は上記実施の形態2と同様に 構成されている。

 このように構成された回転機1Bは、界磁コ ル12に代えて、第1および第2永久磁石41,42を いており、上記実施の形態1の回転機1と同様 に動作する。
 従って、この実施の形態3においても、上記 実施の形態1と同様の効果が得られる。

ここで、第1および第2永久磁石41,42には、 えば、磁束密度の高いネオジウム・鉄・ボ ン磁石やサマリウムコバルト磁石などの焼 された希土類磁石が用いられる。そして、 1および第2永久磁石41,42として希土類磁石を 用した場合、磁石自身も導電性をもってい ので、回転子3の突極と固定子7Aのティース の相対位置の変化により回転3子と固定子7A の間の磁気抵抗が変動することにより、即 第1および第2永久磁石41,42の動作点が変わり 、磁石自身を貫き磁石磁束量が変動すること により、磁石内部に渦電流を発生することに なる。磁石部が損失による温度上昇すると、 熱減磁の問題が懸念される。この観点から、 界磁手段として永久磁石を用いる場合には、 損失面のみならず、磁石信頼性を確保する上 でも、180/Nr>βr>θsを満足するように設計 ることが望ましい。

 なお、上記実施の形態3では、第1および第2 定子コアの両コアバックの外周に永久磁石 配設するものとしているが、永久磁石は第1 および第2固定子コアの少なくとも一方のコ バックの外周に配設すればよい。
 また、上記実施の形態1~3では、一対の第1お よび第2固定子コアにより固定子コアを構成 るものとして説明しているが、固定子コア 複数対の第1および第2固定子コアをティース の周方向位置を一致させて軸方向に同軸に配 列して構成してもよい。この場合、回転子も 、複数対の第1および第2回転子コアを、第1回 転子コア同士の突極の周方向位置を一致させ て、かつ第2回転子コア同士の突極の周方向 置を一致させて同軸に配列して構成するこ になる。

 実施の形態4.
 図10はこの発明の実施の形態4に係る自動車 過給器を有するシステム構成図である。
 図10において、本システムでは、エンジン21 の回転トルクにより駆動される発電電動機25 、エンジン21の排気システムに接続された 動車用過給器としての電動アシストターボ30 と、を備える。
 発電電動機25は、プーリ26をエンジン21のク ンクシャフト22に固着されたプーリ23にベル ト24を介して連結されている。発電電動機25 、ベルト24を介して伝達されたエンジン21の 動力を交流電力に変換する。この交流電力 、発電電動機25のプーリ26と反対側に一体に 取り付けられたインバータ27により直流電力 変換され、バッテリ29を充電するとともに 車載負荷(図示せず)に供給される。

 電動アシストターボ30は、エンジン21の排 気系統36に配設されたタービン31と、タービ 31の回転軸32に固着され、エンジン21の吸気 統35に配設されたコンプレッサ33と、回転軸3 2に同軸に取り付けられた超高速回転機34と、 を有する。超高速回転機34は、発電機能と電 機能とを備え、発電電動機25のインバータ27 と大電流配線28を介して電気的に接続されて る。

 このように構成された電動アシストターボ3 0の動作について説明する。
 まず、通常状態では、吸気ガスAが、吸気系 統35を介してエンジン21に供給され、エンジ 21の内部で燃焼される。燃焼後の排気ガスB 、排気系統36を介して外部に排気される。タ ービン31は、排気系統36を流通する排気ガスB より駆動される。これにより、タービン31 回転軸32に固着されたコンプレッサ33が回転 動され、吸気ガスAが大気圧以上に過給され る。

 そして、例えば、車両の運転者がアクセ 操作によって加速しようとした場合、エン ン21が所定の回転数以上となり、かつ排気 スBが十分な流体パワーを得るまでの間の1~2 程度は、十分な動力をタービン31に与える とができず、コンプレッサ33の反応が遅れ、 いわゆるターボラグという現象を生じる。そ こで、バッテリ29の直流電力がインバータ27 より交流電力に変換されて、大電流配線28を 介して超高速回転機34に供給され、超高速回 機34が駆動される。これにより、ターボラ が生じる低速で、排気ガスBの流体パワーが 分に得られない場合でも、駆動力が回転軸3 2に印加され、コンプレッサ33を迅速に駆動で き、ターボラグの発生が抑制される。

 また、車両の高速走行、或いは高負荷走 時には、排気ガスBは電動アシストターボ30 対して必要な動力以上の流体エネルギーを する。その場合、超高速回転機34を発電機 して動作させ、インバータ27を回生モードで 動作させることにより、バッテリ29および車 負荷に電力を供給することができる。

 このように、電動アシストターボ30では 超高速回転機34を追加することで、ターボの 性能を飛躍的に向上させることができるが、 従来の永久磁石式同期回転機を超高速回転機 34に適用すると、界磁手段としての磁石の保 の問題が発生する。この磁石の保持の問題 回避するために、分布巻き方式の固定子コ ルを備えた従来の磁気誘導子型回転機を超 速回転機34に適用すると、固定子コイルの イルエンドの軸方向長さが長くなり、回転 を軸支する軸受間距離が長くなり、軸共振 問題が発生する。

 この軸共振の問題を回避するために、集 巻き方式の固定子コイルを備えた従来の磁 誘導子型回転機を超高速回転機34に適用す と、軸方向磁束量の変動による鉄損が発生 、超高速回転機34の各部が発熱する。そして 、電動アシストターボ30のように高温環境下 動作する場合には、高温の環境温度に加え 超高速回転機34自身が発熱し、超高速回転 34の温度が一層高温となる。この超高速回転 機34の熱が回転軸32を介して軸受に伝達され 軸受での潤滑油やグリースの熱劣化をもた し、軸受寿命の短縮をもたらす。このよう 、集中巻き方式の固定子コイルを備えた従 の磁気誘導子型回転機を超高速回転機34に適 用する場合には、大規模な冷却機構を設ける などしないと成立せず、現実的ではなかった 。

 本回転機1は、集中巻き方式の固定子コイ ルを備えているので、軸受間距離を短くでき 、軸剛性を高めて、超高速回転動作時におけ る軸共振の問題を回避することができる。ま た、本回転機1は、軸方向磁束量の変動を極 て小さくできるので、鉄損が小さくなり、 転機1自身の発熱を抑えることができる。従 て、本回転機1を超高速回転機34に適用する とにより、軸共振の問題がなく、大規模な 却機構を設ける必要のない、高性能、かつ 型の電動アシストターボ30を安価に実現す ことができる。

 なお、上記実施の形態4では、本回転機を 流体移送装置としての電動アシストターボの 超高速回転機に適用するものとして説明して いるが、本回転機は、電動アシストターボに 限らず、超高速回転運転される流体移送装置 、例えば、遠心ファンを高速に回転させる掃 除機やジェットタオル(乾燥機)などのモータ 適用することができる。

 また、上記各実施の形態では、固定子鉄 のティースが周方向に等角ピッチで配列さ ており、スロット開口の周方向中心の配列 ッチが等角ピッチとなっている。しかし、 ロット開口の周方向中心の配列ピッチは必 しも等角ピッチである必要はなく、不等ピ チであってもよい。この場合、例えば、テ ースの配列ピッチやティースの周方向幅を えることで、スロット開口の周方向中心の 列ピッチを不等ピッチとすることができる さらには、ティースの先端に周方向に延出 る鍔部を設け、その鍔部の周方向の延出長 を変えることで、スロット開口の周方向中 の配列ピッチを不等ピッチにすることがで る。

 また、上記各実施の形態では、全てのス ットの開口幅が等しく形成されているもの して説明されているが、各スロットの開口 が第1および第2回転子コアの突極幅より小 く形成されていれば、全てのスロットの開 幅は必ずしも等しくする必要はない。




 
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