JP2012182942A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】ロータコアの磁気的突極に磁極を発生させるための磁気回路を短くできる回転電機を提供すること。
【解決手段】回転電動機１０は、磁性材からなる回転シャフト１５に固定され、磁気的突極１８が形成されたロータコア１６と、ステータ巻線２１が巻き付けられたティース１９を有するステータ１２と、ステータ１２及び回転シャフト１５を磁気的に接続する界磁ヨーク１３と、回転シャフト１５の軸線方向におけるステータ巻線２１の巻線端ｍ側に配置され、通電によりロータコア１６の磁気的突極１８に磁極（Ｎ極）を発生させる界磁巻線１４と、備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転電機に関する。

従来から、ロータから永久磁石を省略するとともに、永久磁石に代えて界磁巻線によりロータを界磁する回転電動機が提案されている（例えば特許文献１）。特許文献１の回転電動機では、回転シャフトの軸線方向におけるステータ巻線の巻線端（コイルエンド）側に界磁巻線を配設するとともに、この界磁巻線に通電することで回転シャフト、ロータ（凸極部）、ステータ、界磁ヨークを通過する磁気回路を形成し、ロータの凸極部にＮ極（磁極）を発生させる。このため、特許文献１の回転電動機では、ロータから永久磁石を省略した構成であっても、一般的な永久磁石同期モータと同様に動作することができる。

特開２００８−４３０９９号公報

ところで、特許文献１の回転電動機において、ステータ巻線を分布巻により形成した場合には、回転シャフトの軸線方向におけるステータ巻線の巻線端の張り出しが大きくなる。この場合には、ステータ巻線の巻線端の張り出しに伴って、界磁巻線をステータから回転シャフトの軸線方向に離間させる必要がある。このため、前記磁気回路（磁束の経路）が長くなることで、磁気回路における磁気抵抗が大きくなる虞がある。

この発明は、上記従来技術に存在する問題点に着目してなされたものであり、ロータコアの磁気的突極に磁極を発生させるための磁気回路を短く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、磁路を形成するための磁性体を有する回転シャフトに固定され、磁気的凸極が形成されたロータコアと、ステータ巻線が集中巻で巻き付けられたティースを有するステータと、前記ステータ及び前記磁性体を磁気的に接続する界磁ヨークと、前記回転シャフトの軸線方向における前記ステータ巻線の巻線端側に配置され、通電により前記ロータコアの磁気的突極に磁極を発生させる界磁巻線と、を備えたことを要旨とする。ここで、「磁気的突極」とは、ロータの内側から外面に向かって磁束が流れ易い部分を意味し、ロータとして突部を有する形状に限らず、磁性材で形成された突部の間が非磁性材で埋められて全体として平坦な形状のロータであってもよい。また、「巻線端側」とは、回転シャフトの軸線方向におけるティースの端部よりも回転シャフトの軸線方向の外側を意味する。

この発明によれば、ステータ巻線が集中巻でティースに巻き付けられており、回転シャフトの軸線方向にステータ巻線の巻線端が張り出すことを抑制できる。このため、ステータ巻線を分布巻で巻き付けた場合と比較して、界磁巻線をステータ側に近接して配設することができる。このため、回転シャフトの磁性体、ロータ、ステータ、界磁ヨークにより形成される磁気回路を短くできる。したがって、ロータコアの磁気的突極に磁極を発生させるための磁気回路を短くできる。

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、前記界磁巻線は、前記回転シャフトの軸線方向における前記ステータ巻線の両方の巻線端側に配設されたことを要旨とする。この発明によれば、界磁巻線をステータ巻線の両方の巻線端側に配置することで、一方の巻線端側に配設する場合と比較して、回転電機の出力を向上できる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の回転電機において、前記回転シャフトが前記磁性体とされたことを要旨とする。この発明によれば、回転シャフトが磁性体とされることで、部品点数を削減し、回転電機を簡便に製作できる。

本発明によれば、ロータコアの磁気的突極に磁極を発生させるための磁気回路を短くできる。

回転電動機の模式断面図 図１のII−II線模式断面図。 別の実施形態における回転電動機の模式断面図。 別の実施形態における回転電動機の模式断面図。 別の実施形態における界磁極コアの模式斜視図。 別の実施形態における回転電動機の模式断面図。 別の実施形態における回転電動機の模式断面図。 別の実施形態におけるロータの模式断面図。 別の実施形態における回転電動機の模式断面図。

以下、本発明を三相の回転電動機に具体化した一実施形態を図１及び図２にしたがって説明する。
図１に示すように、回転電機としての回転電動機１０は、ロータ（回転子）１１と、ロータ１１の外側に配置された筒状のステータ（固定子）１２と、ステータ１２の外側に設けられた界磁ヨーク１３と、ロータ１１を界磁する界磁巻線１４とを備えている。界磁ヨーク１３は、回転電動機１０のケースとしても機能し、ステータ１２の外周と対向する円筒部１３ａと、円筒部１３ａの両端に固定された一対の円板部１３ｂとを有する。

ロータ１１は、回転シャフト１５に一体回転可能に固定されたロータコア１６を有するとともに、回転シャフト１５は、円板部１３ｂを貫通する状態でベアリング１７を介して円板部１３ｂに回転可能に支持されている。回転シャフト１５は磁性材で形成されており、軸線方向に沿って磁路を形成するための磁性体とされている。以下の説明において「径方向」は、回転シャフト１５の軸線方向と直交する方向を示し、「軸方向」は、回転シャフト１５の軸線方向を示す。

図２に示すように、ロータコア１６は、径方向に突出する突部が周方向に一定間隔で形成されており、突部が磁気的突極１８を構成する。本実施形態では、磁気的突極１８は８個設けられ、各磁気的突極１８はロータコア１６の軸方向全長に亘って延設されている。なお、本実施形態において、周方向における各磁気的突極１８の間には、それぞれ空間が形成されている。図１に示すように、ロータコア１６は、電磁鋼板を複数枚（例えば数十枚）積層して構成されており、軸方向の磁気抵抗が、径方向及び周方向の磁気抵抗より大きくなっている。このため、ロータコア１６内において、磁束は、軸方向に流れ難く、径方向及び周方向に流れ易くなる。

また、ステータ１２は、電磁鋼板を複数枚、積層して略円筒状に形成されており、ステータ１２の径方向及び周方向の磁気抵抗は、軸方向の磁気抵抗より小さくなっている。このため、ステータ１２内において、磁束は、ステータ１２の周方向及び径方向に流れ易く、軸方向に流れ難くなる。

図２に示すように、ステータ１２の内側には、複数のティース１９が周方向に一定間隔で形成されるようにスロット２０が等間隔で設けられている。本実施形態では、ティース１９及びスロット２０がそれぞれ１８個設けられている。

各ティース１９には、ステータ巻線（固定子巻線）２１として、Ｕ相巻線２１ｕ、Ｖ相巻線２１ｖ、Ｗ相巻線２１ｗがそれぞれ集中巻で巻き付けられている。ここで、集中巻は、各ティース１９に巻線を集中的に巻き付ける構造であり、各ティース１９に対して巻線を直接的に巻き付けることができる。このため、図１に示すように、本実施形態のステータ巻線２１は、各巻線同士が重なり合うことがなく、軸方向におけるティース１９からの巻線端（コイルエンド）ｍの張り出し量ｔが小さい。一方、分布巻は、巻線が複数のティース１９をまたがって配置される構造であり、渡り線同士が重なりあうことで、軸方向におけるティース１９からの巻線端（コイルエンド）ｍの張り出し量ｔが大きくなる。本実施形態のステータ巻線２１における巻線端ｍの張り出し量ｔは、分布巻で巻き付けた場合と比較して約２０％〜５０％、小さい。

界磁ヨーク１３の両円板部１３ｂには、円環状の突条１３ｃがロータコア１６に向かって突出するように形成され、突条１３ｃには外周部に界磁巻線１４が巻き付けられたボビン２３が嵌合固定されている。すなわち、界磁巻線１４は、ステータ巻線２１の両方の巻線端ｍ側に配設されている。突条１３ｃ及びボビン２３は、通電によりロータ１１の磁気的突極１８に磁極（Ｎ極又はＳ極）を発生させるための界磁巻線１４が巻き付けられた界磁巻線巻回部を構成する。本実施形態では、ステータ巻線２１の軸方向に対応する位置に界磁巻線１４が配置されている。

この実施形態では、各界磁巻線１４に電流が供給されると、界磁ヨーク１３とロータコア１６との間にロータコア１６の磁気的突極１８が全て同じ磁極（Ｎ極）となる磁気回路が形成されるようになっている。詳述すると、図１において左側に位置する一方の界磁巻線１４においては、磁束が環状の界磁巻線１４の左側から内周側に進入して右側から界磁巻線１４の外部へ出るように発生する。また、図１において右側に位置する他方の界磁巻線１４においては、磁束が環状の界磁巻線１４の右側から内周側に進入して左側から界磁巻線１４の外部へ出るように発生する。その結果、両界磁巻線１４から発生した磁束の経路は、回転シャフト１５内を対向する方向に進んだ後、ロータコア１６の内側から磁気的突極１８内を通ってステータ１２のティース１９内へ進み、界磁ヨーク１３の円筒部１３ａ及び円板部１３ｂを通って再び回転シャフト１５内に進入する経路となる。このように、ステータ１２及び回転シャフト１５は、界磁ヨーク１３によって磁気的に接続（連結）される。

次に回転電動機１０の作用を説明する。
回転電動機１０は、Ｕ相巻線２１ｕ、Ｖ相巻線２１ｖ、Ｗ相巻線２１ｗが三相インバータに接続され、界磁巻線１４が直流電源に接続された状態で使用される。そして、制御装置により三相インバータから出力される制御電流量と、直流電源から界磁巻線１４に供給される電流量が制御される。

界磁巻線１４に直流が供給されると、界磁巻線１４から発生した磁束（磁力線）が、図１に破線の矢印で示すように、界磁ヨーク１３の円板部１３ｂ→回転シャフト１５→ロータコア１６→磁気的突極１８→ステータ１２→界磁ヨーク１３の円筒部１３ａ→界磁ヨーク１３の円板部１３ｂの経路で通過する磁気回路が形成される。その結果、界磁巻線１４に励磁電流が供給された状態では、図２に示すように、ロータコア１６に複数形成された磁気的突極１８のステータ１２側端部が、全てＮ極になってステータ１２が単極となる。

一方、ステータ１２のＵ相巻線２１ｕ、Ｖ相巻線２１ｖ、Ｗ相巻線２１ｗには所定周波数の三相交流が順次供給されてステータ１２に回転磁界が発生し、ロータ１１に回転磁界が作用する。そして、回転磁界と磁気的突極１８の磁束との間の磁気的な吸引力及び反発力によりロータ１１が回転磁界と同期して回転する。また、界磁巻線１４に供給する電流量を調整することにより、生成する磁束量を調整することができる。そのため、界磁巻線１４に供給する電流量を調整することにより、所謂「弱め界磁制御」や「強め界磁制御」など、自在な界磁磁束制御を行うことができる。

この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）ステータ巻線２１（Ｕ相巻線２１ｕ、Ｖ相巻線２１ｖ、Ｗ相巻線２１ｗ）が集中巻でティース１９に巻き付けられており、軸方向にステータ巻線２１の巻線端ｍが張り出すことを抑制できる。このため、ステータ巻線２１を分布巻きで巻き付けた場合と比較して、界磁巻線１４をステータ１２に近接して配設することができる。このため、回転シャフト１５→ロータコア１６→磁気的突極１８→ステータ１２→界磁ヨーク１３（円筒部１３ａ、円板部１３ｂ）により形成される磁気回路を短くできる。

（２）そして、界磁巻線１４に直流が供給された際に形成され、各磁気的突極１８に磁極を発生させるための磁気回路を短くできることで、磁気回路における磁気抵抗を低減できる。したがって、磁束のロスが発生することを抑制し、回転電動機１０の効率（出力）を向上できる。すなわち、界磁電流量の低減、または界磁巻線１４の体積低減ができる。

（３）また、径方向に対してもステータ巻線２１の巻線端ｍの張り出し量が大きくなることを抑制できる。このため、回転電動機１０が径方向に大型化することを抑制できる。また、回転電動機１０の径方向の大きさ（界磁ヨーク１３の円筒部１３ａの外径）を一定に保つ場合には、界磁ヨーク１３の径方向の断面積が減少し、界磁ヨーク１３を通過できる磁束量が低下することを抑制できる。

（４）界磁巻線１４をステータ巻線２１の両方の巻線端ｍ側に配設した。このため、界磁巻線１４を片方の巻線端ｍ側に配設する場合と比較して、回転電動機１０の出力を向上させることができる。

（５）回転シャフトを磁性材で形成し、磁気回路を形成するための磁性体として回転シャフトを用いた。このため、部品点数を削減し、回転電動機１０を簡便に製作できる。
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。

○ 回転電動機１０は、界磁巻線１４がステータ巻線２１の巻線端ｍのうち片方側に設けられた構成でもよい。例えば、図３に示すように、界磁ヨーク１３は円板部１３ｂが円筒部１３ａの一端側にのみ設けられ、他端側には非磁性材で形成された支持円板２４が設けられる。支持円板２４は界磁ヨーク１３と共に回転電動機１０のケースを構成し、ベアリング１７を介して回転シャフト１５の他端を支持する。この実施形態では、界磁巻線１４に電流が供給されると、磁束が界磁ヨーク１３の円板部１３ｂ→回転シャフト１５→ロータコア１６→磁気的突極１８→ステータ１２→界磁ヨーク１３の円筒部１３ａ→界磁ヨーク１３の円板部１３ｂの経路で通過する磁気回路が形成され、各磁気的突極１８がＮ極になる。

○ 界磁巻線１４は、その一部又は全部が、径方向においてステータ巻線２１と回転シャフト１５の間に形成される空間Ｓに対して挿入されるように配設してもよい。例えば、図４及び図５に示すように、界磁ヨーク１３では、円板部１３ｂに代えて、環状に形成され回転シャフト１５が挿通される環状部２５ａと、環状部２５ａ（回転シャフト１５側）から径方向の外側へ放射状に延びる複数の腕部２５ｂからなる界磁極コア２５を設ける。腕部２５ｂは、周方向に一定間隔で形成されている。界磁極コア２５は、電磁鋼板を複数枚、積層して形成されており、界磁極コア２５の径方向及び周方向の磁気抵抗は、軸方向の磁気抵抗より小さくなっている。このため、界磁極コア２５内において、磁束は、界磁極コア２５の周方向及び径方向に流れ易く、軸方向に流れ難くなる。界磁極コア２５の各腕部２５ｂの先端部は、それぞれ円筒部１３ａの端部に固定されるとともに、環状部２５ａの内周面が回転シャフト１５の外周面と対向するように配置される。各腕部２５ｂには、ステータ巻線２１よりも径方向の内側に位置するように、それぞれ界磁巻線１４を巻き付ける。すなわち、各腕部２５ｂは、界磁巻線１４が巻き付けられた界磁巻線巻回部を構成する。界磁ヨーク１３の両端には、非磁性材で形成された支持円板２６が設けられる。各支持円板２６は界磁ヨーク１３（円筒部１３ａ）と共に回転電動機１０のケースを構成し、ベアリング１７を介して回転シャフト１５の両端を支持する。この実施形態では、界磁巻線１４に電流が供給されると、図４において破線の矢印で示すように、磁束が界磁極コア２５の腕部２５ｂ→環状部２５ａ→回転シャフト１５→ロータコア１６→磁気的突極１８→ステータ１２→界磁ヨーク１３の円筒部１３ａ→腕部２５ｂの経路で通過する磁気回路が形成され、各磁気的突極１８がＮ極になる。これによれば、各磁気的突極１８に磁極（Ｎ極又はＳ極）を発生させるための磁気回路（磁束の経路）を短くし、磁気抵抗をさらに小さくできる。また、各界磁巻線１４の巻回数を増加させる場合であっても、界磁巻線１４を径方向へ延伸すればよい。このため、界磁巻線１４の巻回数が増加することに伴って界磁巻線１４が軸方向に大きくなり、各磁気的突極１８に極性を発生させるための磁気回路が長くなることを抑制できる。

○ 磁気的突極１８の数Ｐｎとスロット２０の数Ｐｓとの組み合わせは適宜変更してもよい。例えば、Ｐｎ＝１０，Ｐｓ＝２４などとしてもよい。
○ 図６に示すように、ロータコア１６を、円筒状に形成されて回転シャフト１５に固設された筒状コア１６ａと、筒状コア１６ａの外周に設けられた積層ロータコア１６ｂとで構成し、突条１３ｃの先端を筒状コア１６ａの端面近傍まで延設するとともに、突条１３ｃの厚さを厚くして、その分、回転シャフト１５の直径を小さくしてもよい。磁気的突極１８は、積層ロータコア１６ｂに形成する。また、筒状コア１６ａは、一体の磁性材料で形成されており、例えば粉末成形磁性体（SMC : Soft magnetic Composites）で形成されている。粉末成形磁性体の磁気抵抗は、積層ロータコア１６ｂや回転シャフト１５の材質より小さい。この場合、界磁巻線１４で発生した磁束が回転シャフト１５より筒状コア１６ａ内を流れ易くなり、磁束が回転シャフト１５を流れる場合と比較して磁気回路（磁束の経路）が短くなる。その結果、界磁電流量の低減、又は界磁巻線１４の体積低減ができる。また、積層ロータコア１６ｂ内においては、磁束は、軸方向に流れ難く、径方向及び周方向流れ易くなるのに対して、筒状コア１６ａ内では積層ロータコア１６ｂ内より軸方向に磁束が流れ易くなる。このため、筒状コア１６ａが無い構成に比べて、磁束の経路が積層ロータコア１６ｂを構成する全ての電磁鋼板に分散して流れ易くなる。

○ 図７に示すように、回転シャフト１５を、外周側の磁気抵抗が内周側の磁気抵抗より小さい２重構造に形成してもよい。この場合には、界磁巻線１４に電流が供給されて界磁巻線１４から発生した磁束がロータコア１６に向かって流れる際、磁束は磁気抵抗の小さい回転シャフト１５の外周側を流れるため、磁気回路（磁束の経路）が短くなる。その結果、界磁電流量の低減、又は界磁巻線１４の体積低減ができる。この場合、回転シャフト１５は、その外周側に磁性体を有する構成となる。この場合の磁性体は、例えば、粉末成形磁性体や鉄塊などが考えられる。

○ 回転電動機１０に専用のケースを設け、その専用のケースで回転シャフト１５をベアリングを介して支持するようにしてもよい。この場合、界磁ヨーク１３の円板部１３ｂの形状が簡単になる。また、界磁ヨーク１３がケースを兼用する場合に比べてケースの形状や材質の自由度が大きくなる。

○ ロータコア１６の形状は、磁気的突極１８となるための突部を有する形状に限らない。例えば、ロータコア１６として突部を一定間隔で有する形状の部分を磁性材で形成し、突部の間を非磁性材で埋めて全体として平坦な形状としたものであってもよい。また、図８に示すように、突部の先端のみを隣接する突部の先端とつなげても、実質的に磁気的突極１８になればよい。

○ ロータコア１６は電磁鋼板を積層して形成したが、鉄塊や粉末成形磁性体で形成してもよい。
○ 図９に示すように、回転シャフト１５の直径をそのベアリング１７による支持部において細くするようにしてもよい。この場合、ベアリング１７の小径化が可能になる。

○ ボビン２３を設けずに、突条１３ｃの外周に界磁巻線１４を直接巻き付けて、突条１３ｃを界磁巻線巻回部としてもよい。
○ Ｕ相巻線２１ｕ、Ｖ相巻線２１ｖ及びＷ相巻線２１ｗは、一つのスロット２０に２本の巻線の一部がそれぞれ収容される状態ではなく、一つのスロット２０に１本の固定子巻線の一部が収容される構成であってもよい。

○ ロータ１１が単極となる場合、各磁気的突極１８のステータ１２側端部が、全てＮ極になるのではなく、全てＳ極になる構成にしてもよい。
○ 磁気的突極１８はロータコア１６の全長に亘って延設されずに、全長より短く形成されていてもよい。

○ 回転電動機１０は三相交流で駆動されるものに限らず、単相交流や二相交流あるいは四相以上の多相交流で駆動されるものであってもよい。
○ 回転電動機１０は、アウターロータ型の回転電動機に適用してもよい。

○ 電動機ではなく発電機に適用してもよい。
以下の技術的思想（発明）は前記実施形態から把握できる。
（イ）前記界磁ヨークには、前記回転シャフトの磁性体側から放射状に延びる複数の腕部を含み、前記界磁巻線は、前記界磁ヨークの各腕部に巻き付けられた請求項１〜請求項３のうち何れか一項に記載の回転電機。

（ロ）前記界磁巻線は、その全体又は一部が前記ステータ巻線の巻線端と前記回転シャフトとの間に形成される空間に挿入されるように配置された請求項１〜請求項３、及び技術的思想イのうち何れか一項に記載の回転電機。

（ハ）前記回転シャフトの磁性体は、前記回転シャフトの外周側に配設されるとともに、前記回転シャフトの内周側の磁気抵抗より小さい磁気抵抗を有する請求項１〜請求項３、技術的思想イ、及び技術的思想ロのうち何れか一項に記載の回転電機。

１０…回転電動機（回転電機）、１１…ロータ、１２…ステータ、１３…界磁ヨーク、１３ａ…円筒部、１３ｂ…円板部、１４…界磁巻線、１５…回転シャフト（磁性体）、１６…ロータコア、１８…磁気的突極、１９…ティース、２１…ステータ巻線、２１ｕ…Ｕ相巻線、２１ｖ…Ｖ相巻線、２１ｗ…Ｗ相巻線、２５…界磁極コア、２５ａ…環状部、２５ｂ…腕部、ｍ…巻線端、Ｓ…空間。

Claims (3)

1. 磁路を形成するための磁性体を有する回転シャフトに固定され、磁気的凸極が形成されたロータコアと、
   ステータ巻線が集中巻で巻き付けられたティースを有するステータと、
   前記ステータ及び前記磁性体を磁気的に接続する界磁ヨークと、
   前記回転シャフトの軸線方向における前記ステータ巻線の巻線端側に配置され、通電により前記ロータコアの磁気的突極に磁極を発生させる界磁巻線と、を備えた回転電機。
2. 前記界磁巻線は、前記回転シャフトの軸線方向における前記ステータ巻線の両方の巻線端側に配設された請求項１に記載の回転電機。
3. 前記回転シャフトが前記磁性体とされた請求項１又は請求項２に記載の回転電機。

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