CN105429406A - 旋转电机 - Google Patents

Abstract

提供能抑制能量传递效率的下降、结构简单且廉价的自励式的双转子类型的旋转电机。旋转电机(100)具备：定子(10)，其具有电枢线圈(14)，该电枢线圈(14)在通电时产生磁通；内转子(30)，其在磁通通过时旋转；以及外转子(20)，其配置于通过内转子的磁通的磁路的中途并旋转，外转子由交替配置在圆周方向上的且导磁率不同的材料构成，内转子具有排列在圆周方向上的多个凸极部，在上述凸极部缠绕有感应线圈，上述感应线圈通过电枢线圈产生的磁通交链产生感应电流。

Description

旋转电机

技术领域

本发明涉及双转子类型的旋转电机。

背景技术

旋转电机作为动力源安装于各种装置，例如，在车辆的情况下单独地安装，作为电动汽车的动力源发挥作用，或者与内燃机一起安装，作为混合动力车的动力源发挥作用。特别是在混合动力车的情况下，要求动力传递效率高效，另外，为了确保加速性能、台阶跨越性能也需要实现大转矩。

例如作为将内燃机、旋转电机以及驱动轮串联(series式)连接的动力传递路径，有时采用如下所谓的增程方式：驱动轮由旋转电机驱动旋转，将内燃机的动力进行能量转换而对该旋转电机的电源电池充电，由此延长航程。

另外，旋转电机为了实现紧凑的结构且大输出(大转矩)，使用永久磁铁进行高效旋转。

但是，在驱动力的传递路径中，在中途需要转换为机械能和电能的情况下产生能量转换损失，另外，在该传递路径长度(能量路径长度)变长的情况下能量传递效率下降。例如，增程方式是使旋转电机介入驱动轮和内燃机的旋转驱动中，所以该旋转电机相对于电源电池输入输出电能地工作。因此，在增程方式的情况下，需要在机械能和电能之间进行能量转换，产生能量转换损失，并且能量路径变长，成为使能量传递效率下降的主要原因之一。

对此，例如，如专利文献1记载的旋转电机那样，已知如下情况：在定子内收纳有双转子，将每个该转子的旋转轴分别连结到驱动轮侧和内燃机侧。

但是，在这样的旋转电机中，也是为了实现紧凑的结构且大输出(大转矩)而在转子侧使用永久磁铁使其高效旋转，此时，当为了得到高磁力而采用钕磁铁等昂贵、稀少的永久磁铁时，成本升高。

另外，当用电磁铁取代永久磁铁，从电源电池对转子侧的电磁铁供电时，需要例如用于对线圈供电的集电环等，或者需要逆变器等，结构变得复杂，部件数量增加，成本升高。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：特开2013－208015号公报

发明内容

发明要解决的问题

因此，本发明的目的在于提供：能抑制能量传递效率的下降、结构简单且廉价的自励式的双转子类型的旋转电机。

用于解决问题的方案

解决上述课题的旋转电机的发明的一方式是旋转电机，具备：定子，其具有电枢线圈(電機子極コイル)，该电枢线圈在通电时产生磁通；第1转子，其在上述磁通通过时旋转；以及第2转子，其配置于通过上述第1转子的上述磁通的磁路的中途并旋转，其中，上述第2转子由交替配置在圆周方向上的且导磁率不同的材料构成，上述第1转子具有排列在圆周方向上的多个凸极部，在上述凸极部缠绕有感应线圈，上述感应线圈通过上述电枢线圈产生的磁通交链产生感应电流。

发明效果

这样，根据本发明的一方式，在不使用永久磁铁的情况下，仅仅对定子的电枢线圈提供驱动电流就能分别驱动第1和第2转子旋转，因此可提供能抑制能量传递效率的下降、结构简单、廉价的自励式的双转子类型的旋转电机。

附图说明

图1是表示本发明的一实施方式的旋转电机的图，是表示其概略整体构成的与旋转轴正交的截面图。

图2是表示该旋转电机的概略整体构成的与旋转轴平行的截面图。

图3是表示设于该内转子中的二极管的连接方向的概念连接图。

图4是说明在该定子、外转子、内转子之间交接的磁通的形成状态的磁感应线图。

图5是说明利用在该定子、外转子、内转子之间交接的磁通在外转子和内转子中产生的转矩的坐标图。

图6是表示将该旋转电机安装于车辆的实用例的连结图。

图7是表示其第2其它方式的图，是表示与二极管一起设置于该内转子的永久磁铁的概念图。

附图标记说明

10定子

12定子齿

13、33槽

14电枢线圈

20外转子(第2转子)

21中继构件

22限制构件

30内转子(第1转子)

32转子齿(凸极部)

34绕组线圈(感应线圈)

35二极管

40永久磁铁

100旋转电机

101旋转输入轴

102旋转输出轴

200发动机

210逆变器

220电池

290驱动轮

FL磁感应线

G1、G2气隙

具体实施方式

以下参照附图对本发明的实施方式详细地说明。图1～图6是表示本发明的一实施方式的旋转电机的图。

在图1和图2中，旋转电机(双转子型电机)100具备：形成为大致圆筒形状的定子10；外转子(第2转子)20，其旋转自如地收纳于该定子10内，固定有与轴心一致的旋转输入轴(也仅称为旋转轴)101；以及内转子(第1转子)30，其旋转自如地收纳于该外转子20内，固定有与轴心一致的旋转输出轴(也仅称为旋转轴)102。

在定子10中形成有多个定子齿12，多个定子齿12以隔着气隙G1使内周面12a侧与外转子20的外周面20a相对的方式从径向外侧朝向径向内侧延伸。该定子齿12以侧面12b间为槽13设有将绕组线圈集中缠绕而成的电枢线圈14，对该电枢线圈14供电而产生磁通，使该磁通与外转子20、内转子30交链，由此分别驱动这些转子20、30旋转。

外转子20在圆周方向交替地排列着中继构件21和限制构件22，中继构件21包括导磁率高的钢材等磁性体，限制构件22包括导磁率低或者使磁通不通过的树脂等非磁性体，外转子20以该中继构件21和限制构件22的两端面21a、21b、22a、22b在外转子20的外周面20a和内周面20b交替地露出的方式形成。

由此，外转子20利用中继构件21使由定子10的电枢线圈14产生并交链的磁通有效地在两端面21a、21b间通过，另一方面，利用限制构件22妨碍该磁通的通过。由该定子10的电枢线圈14产生的磁通在通过外转子20的中继构件21后，如后所述，与内转子30的转子齿32的外周面32a交链，再次通过外转子20的中继构件21，由此形成返回定子10的磁路。

此时，外转子20相对于定子10相对旋转，所以使磁通通过的中继构件21和限制磁通通过的限制构件22反复切换，形成磁路。由此，外转子20能使由电枢线圈14产生并交链的磁通的磁通量变动。因此，该外转子20能与定子10之间产生使得经由气隙G1通过的磁通的磁路最短的磁阻转矩(旋转力)而相对旋转。

内转子30以在圆周方向上排列的方式形成有多个转子齿(凸极部)32，多个转子齿(凸极部)32以使外周面32a隔着气隙G2与外转子20的内周面20b相对的方式从旋转轴侧朝向径向外侧延伸。转子齿32以侧面32b间为槽33卷绕有绕组线圈(感应线圈)34。该绕组线圈34按相同方向卷绕于每个转子齿32，通过磁通交链而产生(感应)感应电流。

如图3所示，该内转子30以各转子齿32成为闭合回路的方式在绕组线圈34的导线端部连接有二极管35，二极管35允许电流向一个方向流动地短路连接，并且切断向相反方向流动的电流，由此对在绕组线圈34中产生的感应电流进行整流。在按相同方向卷绕的绕组线圈34上以整流方向按相邻的每个定子齿12交替地成为反向的方式连接着该二极管35。

由此，内转子30能利用二极管35对在绕组线圈34中流动的感应电流向一个方向整流而使其成为直流励磁电流，能使该绕组线圈34进行自励磁而产生电磁力。

此时，构成磁路的一部分的内转子30的一个转子齿32作为如下电磁铁发挥作用：在从外转子20的中继构件21感应交链的磁通的方向磁化了的电磁铁。在本实施方式的旋转电机100中，由绕组线圈34产生的感应电流被二极管35整流，由此使转子齿32作为这样的电磁铁发挥作用。

另外，相邻的转子齿32作为如下电磁铁发挥作用：在外转子20侧感应磁通的方向磁化了的电磁铁。在本实施方式的旋转电机100中，利用向与相邻的转子齿32中的感应电流的整流方向相反的方向整流的二极管35，对由绕组线圈34产生的感应电流进行整流，由此使转子齿32作为这样的电磁铁发挥作用。

即，通过外转子20的中继构件21和限制构件22相对于定子10相对旋转，从而内转子30能使从转子齿32的外周面32a交链的磁通的磁通量变动。由此，能使绕组线圈34产生感应电流。并且，用二极管35对该感应电流进行整流而使其成为直流励磁电流，由此能使绕组线圈34作为电磁铁发挥作用而产生电磁力。

此时，从定子10的定子齿12经由外转子20的中继构件21与内转子30的转子齿32交链的磁通是通过从交流电源对集中缠绕的电枢线圈14供电而产生的。因此，与由分布缠绕等的线圈产生的情况相比，能使更多的空间高次谐波成分重叠于与转子齿32交链的磁通。并且，与磁通重叠的空间高次谐波成分作为磁通量的变动起作用，因此能使绕组线圈34有效地产生感应电流，能产生大的电磁力。

因此，如图4中磁感应线FL所示，旋转电机100通过使对定子10的电枢线圈14供电而产生的磁通与外转子20的中继构件21交链，从而能利用磁阻转矩驱动该外转子20旋转。另外，旋转电机100能使由于通过旋转的外转子20的中继构件21从而磁通量变动的磁通与内转子30的绕组线圈34交链而产生感应电流。并且，感应电流由二极管35整流，从而作为直流励磁电流起作用，能产生电磁力。由此，能在不设置永久磁铁的情况下利用电磁转矩(旋转力)使该内转子30相对旋转。在该内转子30中，利用二极管35，使转子齿32作为以磁化方向沿着圆周方向交替变化的方式排列的电磁铁发挥作用，从而使内转子30与外转子20之间交链的磁通顺利地相对于槽33迂回地交接。

该旋转电机100因为外转子20利用磁阻转矩相对于定子10相对旋转，另外，经由该旋转的外转子20(中继构件21)的磁通所交链的内转子30利用电磁转矩相对旋转，所以如图5的坐标图所示，能使外转子20低速旋转并且使内转子30高速旋转。

另外，该旋转电机100根据定子10、外转子20以及内转子30的结构的组合而产生上述旋转驱动所需的转矩。关于定子10、外转子20以及内转子30的结构的组合，具体地，定子10的槽13的数量Ns、成为外转子20的极数的中继构件21的数量Nor、以及成为内转子30的极数的转子齿32的数量Nir成为使下式(1)成立的组合。在该结构中，能有效地产生上述的磁阻转矩和电磁转矩，能使外转子20和内转子30相对于定子10有效地相对旋转。例如，在本实施方式的旋转电机100中，定子10的槽数Ns＝18，外转子20的极数Nor＝30，并且内转子30的极数Nir＝12，满足下式(1)。

Nor＝Ns±Nir......(1)

并且，如图6所示，该旋转电机100例如具有适于与发动机(内燃机)200一起作为驱动源安装于混合动力汽车的性能，在外转子20的旋转输入轴101上连结发动机200，并且在内转子30的旋转输出轴102上连结驱动轮290，在定子10的电枢线圈14上通过逆变器210连接电池220。此外，图6是为了说明动力产生、传递而简单地表示发动机200与驱动轮290之间的连结的示意图。

外转子20形成为能内置内转子30的圆筒形状，在与转子齿32相对的圆筒部分20C排列着中继构件21和限制构件22(图6中未图示)，该中继构件21和限制构件22以与定子齿12相对的方式收纳于定子10内。另外，该外转子20在与收纳的内转子30的轴方向两端面侧相对的圆盘部分20D1、20D2的中心固定轴承111、112而旋转自如地支撑旋转输出轴102，在该圆盘部分20D2的中心的外侧以同轴地一体旋转的方式延长出旋转输入轴101。

内转子30以使由外转子20的轴承111、112旋转自如地支撑的旋转输出轴102与轴心一致地一体旋转的方式固定，使旋转输出轴102从由外转子20的一方圆盘部分20D1的轴承111旋转自如地支撑的一侧向外部突出。

另外，外转子20在另一方圆盘部分20D2一体地固定着法兰形状部20F，法兰形状部20F覆盖旋转自如地支撑向内转子30的外部突出的旋转输出轴102的相反侧的轴承112，使旋转输入轴101从该法兰形状部20F的中心以与内转子30的旋转输出轴102成为同轴的方式向外部突出。

此外，图6中图示的旋转电机100图示为使发动机200和驱动轮290分别与旋转输入轴101、旋转输出轴102直接连接，但是也可以在其中间夹着差动装置等使车辆行驶所需的各种装置，该发动机200和驱动轮290不是始终直接连接旋转输入轴101、旋转输出轴102，而是能适当地直接连接或者断开而通过需要的传递路径传递动力。

由此，旋转电机100能将通过外转子20的旋转输入轴101从发动机200输入的动能A直接传递给旋转输出轴102使驱动轮290转动。另外，旋转电机100能利用从电池220提供的电能B驱动内转子30(旋转输出轴102)旋转而转换为动能使驱动轮290转动。

因此，旋转电机100能抑制由于能量转换使发动机的动力的传递效率下降的不良情况。即，旋转电机100能使动能A与从电池220提供的电力的电能B一起传递而使驱动轮290转动。

此外，发动机200在从旋转输出轴102断开驱动轮290的状态时使外转子20旋转，由此能通过逆变器210对电池220提供充电电力。另外，旋转电机100根据需要通过逆变器210将电池220的蓄电电力提供给定子10的电枢线圈14，由此也能起动发动机200。安装有该旋转电机100的车辆在仅利用发动机200的动能A行驶的情况下只要切换到使发动机200与驱动轮290直接连接的传递路径即可。

这样，在本实施方式中，旋转电机100在外转子20上以交替的方式在圆周方向排列着中继构件21和限制构件22。另外，旋转电机100按内转子30的每个转子齿32分别设有向相同方向缠绕的绕组线圈34，在该绕组线圈34上，在圆周方向上以各自的整流方向成为相反方向的方式交替地连接着二极管35。

由此，旋转电机100能利用通过使由定子10的电枢线圈14产生的磁通与外转子20的中继构件21交链而产生的磁阻转矩使外转子20旋转。另外，该交链的磁通通过外转子20的中继构件21，与内转子30交链，由此在内转子30的绕组线圈34中，交链的磁通量发生变动，能根据该磁通量的变动产生感应电流。并且，能利用对该感应电流整流而使其作为直流励磁电流起作用从而产生的电磁转矩使内转子30旋转。

因此，旋转电机100仅仅从电池220对定子10的电枢线圈14供电，就能分别驱动外转子20和内转子30旋转。该旋转电机100能以具备旋转输入轴101和旋转输出轴102的短动力传递路径发挥作用。另外，该定子10、外转子20、内转子30不使用钕磁铁等昂贵的永久磁铁，另外，在内转子30中设置集电环等，不从外部供电，因此能以简单的结构实现廉价的自励式的双转子类型的旋转电机100。

作为本实施方式的第1其它方式，虽然省略图示，但是也可以取代按每个绕组线圈34连接二极管35，而将向相同方向缠绕的绕组线圈34在圆周方向每隔1极地串联连接而形成2个***的感应线圈列，在各自的终端间将2个二极管35以整流方向成为反向的方式连接。在该情况下也与本实施方式同样，能使内转子30的转子齿32作为磁化方向沿着圆周方向交替变化的电磁铁发挥作用，能形成相对于内转子30内的槽33迂回而使磁通顺利地通过的路径的磁路。另外，能在串联连接的多个绕组线圈34各自中产生感应电流并对其整流，所以与由单一的感应线圈形成电路的情况相比，能使大容量的感应电流在电路内流动，能产生更大的电磁力，能以大的转矩驱动内转子30(旋转输出轴102)旋转。

另外，作为本实施方式的第2其它方式，如图7所示，也可以在内转子30的转子齿32内埋设永久磁铁40。该永久磁铁40以磁极(N极、S极)与利用二极管35整流而使转子齿32作为电磁铁发挥作用时的磁化方向上一致的方式配置。在该情况下，能使转子齿32的电磁铁的磁力加上永久磁铁40的磁力发挥作用，能使更大的磁力起作用而以大的转矩驱动内转子30(旋转输出轴102)旋转。此外，该永久磁铁40以仅辅助利用绕组线圈34发挥作用的电磁力的磁力就足够，不必是例如钕磁铁这样稀少、昂贵的永久磁铁，只要采用能稳定提供、廉价的种类即可。此外，也可以使用像钕磁铁这样稀少、昂贵的永久磁铁，在该情况下，能得到稳定、大的转矩。

而且，虽然图示省略，但是作为本实施方式的第3其它方式，不限于如旋转电机100那样在径向形成气隙G1、G2的半径方向间隙结构，也可以由在旋转轴方向形成间隙的轴向间隙结构构成。在该情况下，也是在轴方向排列的定子和2组转子侧分别配置电枢线圈、中继构件、感应线圈。

另外，在如旋转电机100那样的半径方向间隙结构的情况下，不限于由电磁钢板的层叠结构构成定子10、外转子20、内转子30，例如也可以采用如下所谓的SMC芯，即：对铁粉等具有磁性的颗粒的表面进行绝缘包覆处理而获得软磁性复合粉材(SoftMagneticComposites)，对该软磁性复合粉材进一步进行铁粉压缩成型和热处理而制造的压粉磁芯。该SMC芯成型容易，所以适于轴向间隙结构。

另外，旋转电机100不限于车载用，例如能适当用作风力发电、工作机械等的驱动源。

虽然公开了本发明的实施方式，但是应明白本领域技术人员可在不脱离本发明的范围的情况下施加变更。意图将所有这样的修改和等价物包含于前面的权利要求。

Claims (3)

1.一种旋转电机，具备：

定子，其具有电枢线圈，该电枢线圈在通电时产生磁通；

第1转子，其在上述磁通通过时旋转；以及

第2转子，其配置于通过上述第1转子的上述磁通的磁路的中途并旋转，

上述旋转电机的特征在于，

上述第2转子由交替配置在圆周方向上的且导磁率不同的材料构成，

上述第1转子具有排列在圆周方向上的多个凸极部，在上述凸极部缠绕有感应线圈，上述感应线圈通过上述电枢线圈产生的磁通交链产生感应电流。

2.根据权利要求1所述的旋转电机，其中，在上述第1转子中，每个上述凸极部的上述感应线圈的缠绕方向相同，在该感应线圈上连接有对上述感应电流进行整流的二极管，上述二极管连接在每个上述凸极部上并且使每个二极管的整流方向在圆周方向上交替变化。

3.根据权利要求1或2所述的旋转电机，其中，上述第1转子的每个上述凸极部设有永久磁铁，上述永久磁铁设置为与经过上述二极管整流的上述感应电流形成的磁化方向一致。