JP2017184466A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】周方向に並列されているクローポールの間の磁気遮蔽を、永久磁石を用いることなく、実現して、安価な回転電機を提供すること。
【解決手段】電機子コイルを有するステータと、駆動用ロータコイルを有するロータとを備える回転電機であって、ロータに一体に形成されて磁束の磁路として機能するクローポール２５、２６が周方向に交互に位置するように配置されており、クローポールの間に介在されるコア材５１と、コア材に巻き付けられている巻線コイル５２と、巻線コイルの両端部を短絡させるように結線されている整流ダイオード５３とを備えて、整流器は、クローポールの周方向側面のそれぞれの極性に反発する極性が、コア材の側面５１ｂに発生するように設置されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、磁極として機能する爪状磁極部、所謂、クローポールが周方向に並列されている回転電機に関する。

回転電機は、各種装置に動力源として搭載されており、例えば、車両の場合には単独に搭載されて電気自動車の動力源として機能し、あるいは、内燃機関と共に搭載されてハイブリッド車の動力源として機能する。

例えば、特許文献１に記載のように、交流電源が接続されるステータコイルを有するステータと、直流電源が接続されるロータコイルを有するロータと、を備える回転電機が知られている。この回転電機では、ステータ側のステータコイルに対面して、周方向に並列される爪状磁極部がロータ側に設けられており、その爪状磁極部がロータコイルの発生する磁束の磁路として機能し、その極性が交互になるように構成されている。

この特許文献１においては、爪状磁極部の間の磁気遮蔽を実現するために、その間に永久磁石が設置されている回転電機が開示されている。

特開２００７−３２９９８９号公報

しかしながら、この特許文献１に記載のような回転電機にあっては、車両に搭載されて、高温の環境で利用される場合、磁力強度を確保するために、ネオジウム磁石が多用されている。このネオジウム磁石は、耐熱性を持たせるために、レアメタルが添加されてコスト高になってしまう、という課題があった。

そこで、本発明は、磁極として機能するように周方向に並列されている爪状磁極部、所謂、クローポールの間の磁気遮蔽を、永久磁石を用いることなく、実現して、安価な回転電機を提供することを目的としている。

上記課題を解決する回転電機の発明の一態様は、駆動用ステータコイルを有するステータと、駆動用ロータコイルを有するロータと、を備え、前記ロータが回転軸を中心にして回転する回転電機であって、前記ステータまたは前記ロータに一体に形成されて前記回転軸の一端側から連続する第１クローポールと、前記第１クローポールが形成された前記ステータまたは前記ロータに一体に形成されて前記回転軸の一端側の反対側から連続する第２クローポールと、が周方向に交互に配置されており、前記第１クローポールと前記第２クローポールとの間に介在されるコア材と、前記コア材に巻き付けられている巻線コイルと、前記巻線コイルの両端部を短絡させるように結線されている整流器と、を備えて、前記整流器は、前記第１クローポールおよび前記第２クローポールの周方向側面のそれぞれの極性に反発する極性が、当該周方向側面に対面する前記コア材の端面に発生するように設置されている。

このように本発明の一態様によれば、磁極として機能するように周方向に並列されている爪状磁極部、所謂、クローポールの間の磁気遮蔽を、永久磁石を用いることなく、実現して、安価な回転電機を提供することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る回転電機の概略構成を示す図であり、その要部構成の第１クローポールを図示する一部切欠概念立面図である。 図２は、本発明の一実施形態に係る回転電機の概略構成を示す図であり、その要部構成の第２クローポールを図示する一部切欠概念立面図である。 図３は、本発明の一実施形態に係る回転電機の要部構成である第１クローポールと第２クローポールに挟まれるコア材と巻線コイルを図示する概念立面図である。 図４は、本発明の一実施形態に係る回転電機の要部構成である第１クローポールと第２クローポールにコア材を設置する構造を示す図であり、（ａ）はその平面図、（ｂ）はその立面図である。 図５は、本発明の一実施形態に係る回転電機の要部構成である巻線コイルを一方向に短絡接続するダイオードの結線回路図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。図１〜図５は本発明の一実施形態に係る回転電機を示す図である。

図１〜図３において、回転電機１００は、概略円筒形状のケース１３内に収容されているステータ１０と、爪状磁極部として機能するクローポール（第１、第２クローポール）２５、２６を有してステータ１０内に回転自在に収容されているロータ２０と、を備えている。

ステータ１０は、ケース１３の円筒部材１３ｃに複数のステータコア１２が周方向に並列されている。このステータコア１２には、電機子コイル（駆動用ステータコイル）１１が集中巻きに巻き付けられている。ケース１３の円筒部材１３ｃの両端側には円盤部材１３ａ、１３ｂが設置されている。周方向とは、後述するシャフト１０１を中心とする円周方向をいう。

ロータ２０は、シャフト１０１に固定されている。シャフト１０１は、ステータ１０の円盤部材１３ａ、１３ｂの中心に設置されているベアリング１０２を介してケース１３に回転自在に支持されている。ロータ２０は、シャフト１０１に形成されている大径部１０１ｄ周りに駆動用ロータコイル２１が環状に巻き付けられて設置されている。大径部１０１ｄは、例えばシャフト１０１のうちベアリング１０２に支持される箇所よりも直径が大きく形成された部位である。

シャフト１０１の大径部１０１ｄの軸方向の両端側には、円盤部材２３ａ、２３ｂが固定されている。円盤部材２３ａ、２３ｂには、回転軸に一致するＺ軸方向に延長されているティース形状のクローポール２５、２６が一体形成されている。軸方向とは、シャフト１０１が延伸されている方向をいう。

この回転電機１００では、ステータ１０の電機子コイル１１に交流電源ＡＣＰが接続されて三相の交流電流が駆動電流として供給され、また、ロータ２０の駆動用ロータコイル２１に直流電源ＤＣＰが接続されて直流電流が駆動電流として供給される。これにより、ステータ１０とロータ２０との間には、磁束ＭＦが鎖交されて磁気回路が形成されて、回転トルク（駆動力）が発生する。この回転電機１００は、後述するように、磁束の損失を少なくして効率よく回転トルクを発生させて、その回転トルクによりロータ２０と一体のシャフト１０１を回転駆動させることによって、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車に搭載するのに好適な性能を有している。

具体的には、ステータ１０は、円筒形状に形成されている円筒部材１３ｃから半径方向の内側（シャフト１０１側）に向かって突出するティース形状に形成されているステータコア１２に、そのステータコア１２間をスロットとして利用することにより電機子コイル１１が巻き付けられている。ステータ１０は、電機子コイル１１に交流電流が供給されることによりステータコア１２内を通過する磁束ＭＦが発生される。ステータ１０は、その磁束ＭＦがステータコア１２を通過して、ケース１３の円筒部材１３ｃがバックヨークとして機能することにより迂回する磁路が形成される。半径方向とは、軸方向と直交する方向をいい、半径方向の内側は、半径方向においてシャフト１０１に近い側を示す。

ロータ２０は、シャフト１０１の大径部１０１ｄとクローポール２５、２６との間の空間に、環状の駆動用ロータコイル２１が設置されている。駆動用ロータコイル２１は、スリップリング３１ａ、３１ｂを介して直流電源ＤＣＰに接続されている。ロータ２０は、直流電源ＤＣＰから直流電流が駆動用ロータコイル２１に供給されることにより、その駆動用ロータコイル２１周りのシャフト１０１の大径部１０１ｄと円盤部材２３ａ、２３ｂとクローポール２５、２６とを通過する磁束ＭＦが発生される。ロータ２０は、シャフト１０１の大径部１０１ｄと円盤部材２３ａ、２３ｂとクローポール２５、２６とがその磁束ＭＦを通過させる磁路として機能する。

これらステータ１０とロータ２０とは、ステータコア１２の半径方向の内側の端面１２ａとクローポール２５、２６の外面２５ａ、２６ａとが小さな磁気抵抗の隙間（エアギャップ）Ｇを介して近接対面する対面部として機能する。これにより、ステータ１０とロータ２０とは、互いの間で磁束ＭＦを鎖交させることができる。このステータ１０とロータ２０とは、ステータ１０側のステータコア１２および円筒部材１３ｃと、ロータ２０側のシャフト１０１、円盤部材２３ａ、２３ｂおよびクローポール２５、２６とを磁路とする磁気回路を形成する。

これにより、ステータ１０側では、電機子コイル１１に交流電流が通電（供給）されてステータコア１２が磁化されて電磁石として機能することにより、ロータ２０のクローポール２５、２６に吸引トルクを付与して回転を開始させる。このステータ１０側では、ステータコア１２を通過する磁束ＭＦが回転するクローポール２５、２６側に間欠的に接近することにより繰り返し鎖交する。

また、ロータ２０側では、駆動用ロータコイル２１に直流電流が通電（供給）されて発生する磁束ＭＦがクローポール２５、２６などを通過して、そのクローポール２５、２６が電磁石のように機能する。これにより、ロータ２０側では、ステータ１０のステータコア１２との間でマグネットトルクを発生させて回転するとともに、その磁束ＭＦが回転に伴って間欠的に繰り返し接近するステータ１０のステータコア１２側に鎖交する。

このため、ステータ１０のステータコア１２などを経由する磁気回路は、ロータ２０の回転に伴ってクローポール２５、２６を交互に切り換えて通過する経路により形成され、その切換時においてもロータ２０側にリラクタンストルクを回転力として付与することができる。

このとき、ロータ２０側では、駆動用ロータコイル２１への直流電流の通電方向に応じた磁束ＭＦが発生してステータ１０のステータコア１２側に対面するクローポール２５、２６の外面２５ａ、２６ａの一方がＮ極の磁極端面となって他方がＳ極の磁極端面となっている（図３を参照）。このとき、ロータ２０の隣り合うクローポール２５、２６は、側面２５ｂ、２６ｂ間がＮ極とＳ極となって周方向に対面する位置関係にあって、多少なりとも漏れ磁束が発生して回転トルクの損失となってしまう。

このことから、本実施形態のロータ２０は、図３に示すように、隣り合うクローポール２５、２６の間に介在するように補極５０が設置されている。この補極５０は、コア材５１と、巻線コイル５２と、整流ダイオード（整流器）５３と、を備えて構築されている。

コア材５１は、例えばアルミニウム材料等の非磁性材料によってブロック形状に形成されている。図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、隣り合うクローポール２５、２６の側面２５ｂ、２６ｂに対向するコア材５１の側面５１ｂには、それぞれ矩形状の突部５１ｐが形成されている。突部５１ｐは、クローポール２５、２６の側面２５ｂ、２６ｂに形成された矩形状の溝２５ｓ、２６ｓに嵌め込まれている。これにより、コア材５１は、ロータ２０の回転時においてもクローポール２５、２６に安定して保持される。

ここで、コア材５１は、クローポール２５、２６側からの磁束を通過させて漏れ磁束を増大させてしまうことはなく、ステータ１０側から鎖交する磁束に重畳する高調波磁束を通過させることができる。

コア材５１の軸方向の長さは、ロータ２０のクローポール２５、２６の軸方向の長さよりも短く設定されている。これにより、コア材５１の軸方向の端面５１ｃ側における、隣り合うクローポール２５の側面２５ｂとクローポール２６の側面２６ｂとの間の空間をスロットして利用することができる。巻線コイル５２は、軸方向の端面５１ｃ側に形成される空間（スロット）に巻線が巻き付けられて設置されている。巻線コイル５２は、この構造から、コア材５１の半径方向外側の外面５１ａと、コア材５１の軸方向の両端面５１ｃと、コア材５１の半径方向内側（シャフト１０１側）の不図示の内面（外面５１ａの裏面）とに沿うように巻線を周回させることにより形成されている。

これにより、巻線コイル５２は、コア材５１内にクローポール２５、２６の側面２５ｂ、２６ｂから進入する高調波磁束により励磁されて交流的に変動する励起電流を発生させることができる。

整流ダイオード５３は、図５に示すように、巻線コイル５２の両コイル端部５２ａを一方向に短絡させるように結線されて整流回路を形成している。整流ダイオード５３は、ロータ２０と一体に回転するように設置されている。整流ダイオード５３は、ロータ２０のクローポール２５、２６の側面２５ｂ、２６ｂと同極の極性（Ｎ極、Ｓ極）を、コア材５１の側面（端面）５１ｂに発現させるように設置されている。具体的には、クローポール２５、２６の側面２５ｂ、２６ｂと同極の極性（Ｎ極、Ｓ極）を発現させる磁束を発生させる向きとなる直流電流が巻線コイル５２に通電されるように、整流ダイオード５３の整流方向が選択されている（図３を参照）。すなわち、整流ダイオード５３は、クローポール２５、２６の周方向側面のそれぞれの極性に反発する極性が、コア材５１の周方向側面５１ｂに発生する方向に電流を整流するように設置されている。ここで、本実施形態の整流ダイオード５３は、ロータ２０の複数個所のクローポール２５、２６間毎の巻線コイル５２の両コイル端部５２ａ間を短絡結線させるように複数設置されているが、これに限るものではない。複数の巻線コイル５２は、全体あるいは複数個毎に直列接続して一方向の直流電流が通電されるようにしても良い。

したがって、補極５０は、ステータ１０の電機子コイル１１に交流電源ＡＣＰから電力供給され、ロータ２０の駆動用ロータコイル２１に直流電源ＤＣＰから直流電流が供給されて回転駆動する際に、ロータ２０のクローポール２５、２６の側面２５ｂ、２６ｂからコア材５１内に進入する高調波磁束により巻線コイル５２で発生される励起電流が整流ダイオード５２により整流されて、その巻線コイル５２に界磁電流として通電させることができる。

このため、回転電機１００は、ロータ２０のクローポール２５、２６の側面２５ｂ、２６ｂの間において、それぞれの側面２５ｂ、２６ｂに形成される極性に対して反発する極性（Ｎ極またはＳ極）を対面させる電磁石として補極５０を機能させることができる。

このように本実施形態の回転電機１００においては、永久磁石を設置することなく、補極５０を設置することにより、ロータ２０のクローポール２５、２６間の磁気遮蔽を安価に実現することができ、そのクローポール２５、２６間における漏れ磁束を抑制して効率よく駆動させることができる。

ここで、本実施形態の他の態様としては、ステータ側にクローポールを配置してもよい。また、回転電機１００のように径方向に隙間（エアギャップ）Ｇを形成するラジアルギャップ構造に限定されず、回転軸方向にエアギャップを形成するアキシャルギャップ構造で構成しても良い。

また、回転電機１００のようなラジアルギャップ構造の場合には、ステータ１０を電磁鋼板の積層構造で構成することに限定されず、例えば、鉄粉などの磁性を有する粒子の表面を絶縁被覆処理した軟磁性複合粉材（Soft Magnetic Composites）をさらに鉄粉圧縮成形および熱処理製造した圧粉磁心、所謂、ＳＭＣコアを採用してもよい。このＳＭＣコアは、成形が容易であることからアキシャルギャップ構造に好適である。

さらに、回転電機１００は、車載用に限定されるものではなく、例えば、風力発電や、工作機械などの駆動源として好適に採用することができる。

１０ ステータ
１１ 電機子コイル（駆動用ステータコイル）
１２ ステータコア
１２ａ 端面
２０ ロータ
２１ 駆動用ロータコイル
２３ａ 円盤部材
２３ｂ 円盤部材
２５ クローポール（第１クローポール）
２６ クローポール（第２クローポール）
２５ａ、２６ａ 外面（対面部）
２５ｂ、２６ｂ 側面
５０ 補極
５１ コア材
５１ｂ 側面（端面）
５２ 巻線コイル
５２ａ コイル端部
５３ 整流ダイオード（整流器）
１００ 回転電機
ＡＣＰ 交流電源
ＤＣＰ 直流電源
ＭＦ 磁束

Claims (3)

1. 駆動用ステータコイルを有するステータと、駆動用ロータコイルを有するロータと、を備え、前記ロータが回転軸を中心にして回転する回転電機であって、
   前記ステータまたは前記ロータに一体に形成されて前記回転軸の一端側から連続する第１クローポールと、前記第１クローポールが形成された前記ステータまたは前記ロータに一体に形成されて前記回転軸の一端側の反対側から連続する第２クローポールと、が周方向に交互に配置されており、
   前記第１クローポールと前記第２クローポールとの間に介在されるコア材と、前記コア材に巻き付けられている巻線コイルと、前記巻線コイルの両端部を短絡させるように結線されている整流器と、を備えて、
   前記整流器は、前記第１クローポールおよび前記第２クローポールの周方向側面のそれぞれの極性に反発する極性が、当該周方向側面に対面する前記コア材の端面に発生するように設置されている、回転電機。
2. 前記駆動用ステータコイルは複数の電機子コイルとして配置され、該駆動用ステータコイルには交流電源が接続され、
   前記駆動用ロータコイルは前記回転軸周りに周回する形態で設置され、該駆動用ロータコイルには直流電源が接続されている、請求項１に記載の回転電機。
3. 前記コア材は、非磁性体材料により形成されている、請求項１または請求項２に記載の回転電機。
   

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