JP2010166787A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】上記記載の発明によれば、非接触給電にてロータの界磁巻線に給電する回転電機において、永久磁石によるコギングトルクの発生を抑えることができる回転電機を提供する。
【解決手段】ロータ２０には永久磁石Ｍが配置される。そして、その永久磁石Ｍは、給電時に界磁巻線２３による磁気回路に沿った磁界を形成するとともに、非給電時にロータ２０の磁気をステータ１４から離れた位置である周方向連続部２２において周方向に回転する磁気回路を形成するように配置される。
【選択図】図３

Description

本発明は、ロータの界磁巻線に非接触にて給電する回転電機に関するものである。

従来、例えば特許文献１に示すように、ロータのコイルに非接触給電を行う回転電機が考案されている。
このような回転電機では、ステータ側に配置した１次コイルと、その１次コイルと対向してロータ側に配置した２次コイルとを設けている。そして、１次コイルから給電（電流を流す）することで、１次コイル−２次コイル間に磁気回路が形成される。そのため、２次コイルに電流が誘起され、その２次コイルの電流がロータの界磁巻線に供給されてその界磁巻線が電磁石として作用する。このため、ステータ側の電機子巻線に対して回転作用が発生するように電流を流すことで、ロータ及び回転軸を回転させることが可能となっている。

また、このような回転電機では、特許文献１の図５に示されるように、回転軸の外周にＮ極及びＳ極を有する永久磁石を設け、この永久磁石の軸方向端面に界磁巻線を設けている。そのため、界磁巻線に電流を供給することで発生する磁界と永久磁石の磁界とを合わせてロータの回転力（トルク）を高めることができるようになっている。

特開２００５−２６９８６８号公報

しかしながら、上記の回転電機では、永久磁石をステータ（電機子巻線）の近傍において対向配置しているため、永久磁石の磁極によってロータ及びステータ間に所謂コギングトルクが発生するといった問題があり、これらの改善が望まれている。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、非接触給電にてロータの界磁巻線に給電する回転電機において、永久磁石によるコギングトルクの発生を抑えることができる回転電機を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、ステータコアのティースに電機子巻線が巻回されてなるステータと、ロータコアのティースに界磁巻線が巻回されてなるロータとを備え、前記ステータ側に配置された１次コイルと、該１次コイルに対向配置となるように前記ロータ側に配置された２次コイルとによる非接触給電にて前記ステータに対して前記ロータが回転されるように構成された回転電機であって、前記ロータには永久磁石が配置されるものであり、該永久磁石は、給電時に前記界磁巻線による磁気回路に沿った磁界を形成するとともに、非給電時に前記ロータの磁気を前記ステータから離れた位置において周方向に回転する磁気回路を形成するように配置されたことをその要旨とする。

この発明では、ロータには永久磁石が配置される。そして、その永久磁石は、給電時に界磁巻線による磁気回路に沿った磁界を形成するとともに、非給電時にロータの磁気をステータから離れた位置において周方向に回転する磁気回路を形成するように配置される。つまり、永久磁石は、非給電時におけるロータの磁気をステータから離れた位置において周方向に回転する磁気回路を形成するように配置されるため、永久磁石の磁極によってロータ及びステータ間に発生するコギングトルクを抑制させることができる。また、給電時において界磁巻線による磁気回路に沿った磁界を形成することで、界磁巻線による磁気回路（磁界）と永久磁石の磁界とを合わせ、ロータの回転力（トルク）を高めることが可能となる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の回転電機において、前記ロータコアには、複数の前記ティース間の前記ステータとは反対側が周方向に連続するように周方向連続部が設けられており、前記永久磁石は、前記ロータコアのティース間の前記周方向連続部に配置されたことをその要旨とする。

この発明では、ロータコアには、複数の前記ティース間の前記ステータとは反対側が周方向に連続するように周方向連続部が設けられる。そして、永久磁石は、ロータコアのティース間の周方向連続部に配置される。このような構成とすることで、永久磁石をステータから離れた位置とすることができるため、永久磁石の磁気がステータ側に伝わることを抑え、永久磁石の磁極によってロータ及びステータ間に発生するコギングトルクを抑制させることができる。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の回転電機において、前記永久磁石は、前記ロータコアのティース間の前記周方向連続部の周方向１つおきに配置されたことをその要旨とする。

この発明では、永久磁石は、ロータコアのティース間の周方向連続部の周方向１つおきに配置される。ここで、１次コイル及び２次コイル間で非接触給電行ってロータの界磁巻線に給電する場合について説明すると、給電することによってロータコアの各ティースの先端側（周方向連続部と径方向において反対側）にＮ極若しくはＳ極の磁極が発生されるとともに、周方向にＮ極とＳ極とが交互となるように磁極が発生される。この場合、隣接するＮ極及びＳ極のティース間で磁気回路が形成される。そして、永久磁石が周方向連続部の周方向１つおきに配置されることで、隣接するＮ極及びＳ極のティース間に形成される磁気回路上の配置とすることができる。この時、Ｓ極側からＮ極側となるように永久磁石を着磁することで磁気回路の形成を妨げることなく、永久磁石の磁力も働いて回転力（トルク）の向上に寄与することが可能となる。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の回転電機において、前記永久磁石は、複数設けられるとともに、各永久磁石の着磁方向が周方向において同方向となるように構成されたことをその要旨とする。

この発明では、永久磁石は、複数設けられるとともに、各永久磁石の着磁方向が周方向において同方向となるように構成される。つまり、永久磁石の着磁方向が全て同方向であるため、非給電時において、ロータ内を周方向に回転する磁気回路を形成することが可能となる。また、給電時において、同一方向の磁気によって一方向への回転力（トルク）を向上させることが可能となる。

従って、上記記載の発明によれば、ロータの界磁巻線に非接触にて給電する回転電機において、永久磁石によるコギングトルクの発生を抑えることができる回転電機を提供することができる。

本実施形態における回転電機の概略構成図である。 永久磁石の配置を説明するための説明図である。 （ａ）（ｂ）は、非給電時と給電時における磁界の発生について説明するための説明図である。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１は、本実施形態の回転電機としてのブラシレスモータの概略構成を示す。図１に示すように、ブラシレスモータ１０は、略有底円筒状をなすヨークハウジング１１と、そのヨークハウジング１１の開口を塞ぐエンドフレーム１２とで構成されるモータケース１３を備え、モータケース１３のヨークハウジング１１の内周面には円筒状のステータ１４が固定されている。

ステータ１４のステータコア１５は、周方向に並設された複数のティース１５ａ（図１中、２つのみ図示）を備え、ステータコア１５に備えられた各ティース１５ａは、ステータコア１５の外周側で連結されて一体的に構成されている。またステータコア１５のティース１５ａには、図示しないインシュレータを介して電機子巻線１６が巻装されている。この電機子巻線１６には、三相交流電源１７からＵ相、Ｖ相及びＷ相の交流電源が供給されるようになっている。

また、ステータ１４の内周には、回転可能に支持されたロータ２０が設けられている。このロータ２０のロータコア２１は、周方向に並設された複数のティース２１ａを備え、ロータコア２１に備えられた各ティース２１ａは、ロータコア２１の内周側の周方向連続部２２で連結されて一体的に構成されている。また、ロータコア２１のティース２１ａには、界磁巻線２３が巻装されている。ロータコア２１の径方向内側（中心側）の周方向連続部２２には、複数の永久磁石Ｍが設けられている。より詳しくは、周方向連続部２２の１つおきに１つずつ、計４つ（図２では２つのみ図示）の永久磁石Ｍが周方向連続部２２に配置されている。また、これらの永久磁石Ｍは、その着磁方向が周方向において同方向となるように配置されている。

ロータコア２１の内周には、ヨークハウジング１１の底部側に設けられる軸受３０とエンドフレーム１２に設けられる軸受３１とによって回転可能に支持される回転軸３２が設けられており、この回転軸３２とロータコア２１とが一体回転可能に構成されている。

また、回転軸３２には、該回転軸３２と一体回転可能に固定用フレーム３３が設けられている。この固定用フレーム３３には、周方向に収容溝３３ａが形成されており、この収容溝３３ａには、２次コイル３４が設けられている。この２次コイル３４は、エンドフレーム１２の固定用フレーム３５の収容溝３５ａに設けられる１次コイル３６と軸方向で対向するように設けられており、１次コイル３６に接続された直流電源（バッテリ）３７からの直流電流が図示しないインバータで交流電流に変換されて１次コイル３６に供給されることで、２次コイル３４に交流電流が誘起されるようになっている。

また、１次コイル３６が設けられる固定用フレーム３３には、前記２次コイル３４とは軸方向反対側に平滑回路３８が設けられている。この平滑回路３８は、図示しないダイオードとコンデンサとを備え、２次コイル３４に誘起された交流電流を直流電流に変換してロータ２０（ロータコア２１）のティース２１ａに巻回された界磁巻線２３に供給されるようになっている。

上記の様に構成された所謂インナロータ型のモータ１０の非給電時及び給電時におけるロータ２０の磁束の発生について図３（ａ）（ｂ）を用いて説明する。
図３（ａ）は界磁巻線２３に給電を行っていない場合（非給電時）の状態を示し、図３（ｂ）は界磁巻線２３に給電を行っている場合（給電時）の状態を示している。尚、図３（ａ）（ｂ）中、矢印にて磁気の方向を示している。

図３（ａ）に示すように、永久磁石Ｍが周方向連続部２２内において、永久磁石Ｍの着磁方向が周方向において同方向（図中反時計回り）となるように配置されている。そのため、界磁巻線２３に対して給電が行われていない場合には、永久磁石Ｍによる磁気の流れは、周方向連続部２２内を通り、ロータコア２１（ロータ２０）の根元を周方向に回転するような磁気回路が発生するようになっている。そのため、ロータコア２１のティース２１ａ先端にはＮ極及びＳ極の磁極は発生せず、コギングトルクの発生が起きないようになっている。

また、図３（ｂ）に示すように、界磁巻線２３に対して給電が行われている場合には、界磁巻線２３中を通る電流による電磁界でロータコア２１のティース２１ａ先端にＮ，Ｓの磁極が周方向において交互に発生するようになっている。そして、隣接するＮ極及びＳ極のティース２１ａ間で磁気回路が形成される。この時、永久磁石Ｍは、周方向連続部２２の周方向１つおきに配置されているため、隣接するＮ極及びＳ極のティース２１ａ間に形成される磁気回路上の配置とすることができる。そして、前述したように永久磁石Ｍの着磁方向が周方向において同一方向となるように永久磁石Ｍが配置されるとともに永久磁石Ｍの着磁方向が磁気回路中のＳ極側からＮ極側を向くように構成されることで、磁気回路の形成を妨げることなく、永久磁石Ｍの磁力も働いて回転力（トルク）の向上に寄与することができる。

次に、本実施形態の特徴的な作用効果を記載する。
（１）ロータ２０には永久磁石Ｍが配置される。そして、その永久磁石Ｍは、給電時に界磁巻線２３による磁気回路に沿った磁界を形成するとともに、非給電時にロータ２０の磁気をステータ１４から離れた位置において周方向に回転する磁気回路を形成するように配置される。つまり、永久磁石Ｍは、非給電時におけるロータ２０の磁気をステータ１４から離れた位置において周方向に回転する磁気回路を形成するように配置されるため、永久磁石Ｍの磁極によってロータ２０及びステータ１４間に発生するコギングトルクを抑制させることができる。また、給電時において界磁巻線２３による磁気回路に沿った磁界を形成することで、界磁巻線２３による磁気回路（磁界）と永久磁石Ｍの磁界とを合わせてロータ２０の回転力（トルク）を高めることが可能となる。

（２）ロータコア２１には、複数のティース２１ａ間のステータ１４とは反対側（径方向内側）が周方向に連続するように周方向連続部２２が設けられる。そして、永久磁石Ｍは、ロータコア２１のティース２１ａ間の周方向連続部２２に配置される。このような構成とすることで、永久磁石Ｍをステータ１４から離れた位置とすることができるため、永久磁石Ｍの磁気がステータ１４側に伝わることを抑え、永久磁石Ｍの磁極によってロータ２０及びステータ１４間に発生するコギングトルクを抑制させることができる。

（３）永久磁石Ｍは、ロータコア２１のティース２１ａ間の周方向連続部２２の周方向１つおきに配置される。ここで、１次コイル３６及び２次コイル３４間で非接触給電行ってロータ２０の界磁巻線２３に給電する場合について説明すると、給電することによってロータコア２１の各ティース２１ａの先端側（周方向連続部２２と径方向において反対側）にＮ極若しくはＳ極の磁極が発生されるとともに、周方向にＮ極とＳ極とが交互となるように磁極が発生される。この場合、隣接するＮ極及びＳ極のティース２１ａ間で磁気回路が形成される。そして、永久磁石Ｍが周方向連続部２２の周方向１つおきに配置されることで、隣接するＮ極及びＳ極のティース２１ａ間に形成される磁気回路上の配置とすることができる。この時、Ｓ極側からＮ極側となるように永久磁石Ｍを着磁することで磁気回路の形成を妨げることなく、永久磁石Ｍの磁力も働いて回転力（トルク）の向上に寄与することが可能となる。

（４）永久磁石Ｍは、複数設けられるとともに、各永久磁石Ｍの着磁方向が周方向において同方向となるように構成される。つまり、永久磁石Ｍの着磁方向が全て同方向であるため、非給電時において、ロータ２０内を周方向に回転する磁気回路を形成することが可能となる。また、給電時において、同一方向の磁気によって一方向への回転力（トルク）を向上させることが可能となる。

尚、本発明の実施形態は、以下のように変更してもよい。
・上記実施形態では、１つおきに永久磁石Ｍを１つ配置したが、１つおきでなくてもよい。また、永久磁石Ｍを各周方向連続部２２に複数設けてもよい。

・上記実施形態では、永久磁石Ｍをロータコア２１の周方向連続部２２に設けたが、これに限らない。要は、ステータ１４の電機子巻線１６にて発生する磁界に対して影響を与え難い遠い位置に配置すればよく、このような配置とすることで、コギングトルクの発生を抑えることが可能となる。

・上記実施形態では、永久磁石Ｍをロータコア２１の一部である周方向連続部２２に設けたが、周方向連続部２２をロータコア２１とは異なる部材にて構成し、その部材内に永久磁石Ｍを配置する構成であってもよい。

・上記実施形態では、永久磁石Ｍの着磁の方向を周方向において同方向としたが、これ以外の構成であってもよい。
・上記実施形態では、インナロータ型の回転電機（モータ）について述べたが、これに限らず、アウタロータ型の回転電機（モータ）に上記実施形態を適用してもよい。

・上記実施形態では、直流電源（バッテリ）３７から直流電流を供給して図示しないインバータにて直流電流を交流電流に変換して１次コイル３６に電力供給したが、これに限らず、例えば、交流電源から交流電流を１次コイル３６に供給してもよい。

次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想を以下に追記する。
（イ） 請求項１〜４のいずれか一項に記載の回転電機において、前記ロータは前記ステータよりも径方向内側に設けられ、前記ロータコアのティースは、その先端が径方向外側を向くように配置されたことを特徴とする回転電機。

このような構成とすることで、ステータの径方向内側にロータを有する、所謂インナロータ型の回転電機において請求項１〜４のいずれか一項に記載の効果と同様の効果を奏する回転電機を提供することができる。

１０…回転電機としてのブラシレスモータ、１４…ステータ、１５…ステータコア、１５ａ…ティース、１６…電機子巻線、２０…ロータ、２１…ロータコア、２１ａ…ティース、２２…周方向連続部、２３…界磁巻線、３４…２次コイル、３６…１次コイル、Ｍ…永久磁石。

Claims (4)

1. ステータコアのティースに電機子巻線が巻回されてなるステータと、ロータコアのティースに界磁巻線が巻回されてなるロータとを備え、
   前記ステータ側に配置された１次コイルと、該１次コイルに対向配置となるように前記ロータ側に配置された２次コイルとによる非接触給電にて前記ステータに対して前記ロータが回転されるように構成された回転電機であって、
   前記ロータには永久磁石が配置されるものであり、該永久磁石は、給電時に前記界磁巻線による磁気回路に沿った磁界を形成するとともに、非給電時に前記ロータの磁気を前記ステータから離れた位置において周方向に回転する磁気回路を形成するように配置されたことを特徴とする回転電機。
2. 請求項１に記載の回転電機において、
   前記ロータコアには、複数の前記ティース間の前記ステータとは反対側が周方向に連続するように周方向連続部が設けられており、
   前記永久磁石は、前記ロータコアのティース間の前記周方向連続部に配置されたことを特徴とする回転電機。
3. 請求項２に記載の回転電機において、
   前記永久磁石は、前記ロータコアのティース間の前記周方向連続部の周方向１つおきに配置されたことを特徴とする回転電機。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の回転電機において、
   前記永久磁石は、複数設けられるとともに、各永久磁石の着磁方向が周方向において同方向となるように構成されたことを特徴とする回転電機。

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