JP5141030B2 - 回転電機 - Google Patents
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Description
図1は本発明の一実施例になる回転電機の構造を模式的に示す斜視図である。また、図2は、図1のI−I断面を周方向に展開したときの模式図であり、図3は、図1のII−II断面を周方向に展開したときの模式図である。
この実施例は、ステータ3とロータ1とを径方向に配置し、これらステータ3とロータ1の間に径方向の空隙(ラジアルエアギャップ)4を設けたラジアルギャップ構造の回転電機である。
回転電機のロータ1は、複数の永久磁石8,8・・・を有する駆動ロータA(請求項1のロータに相当)と、永久磁石8,8・・・を短絡させるための短絡ロータB(請求項1の短絡部材に相当)から構成される。ここで、駆動ロータAは、第1駆動ロータA1(請求項6、7の第1ロータに相当)と第2駆動ロータA2(請求項6、7の第2ロータに相当)から構成される。
そして、詳しくは後述するが、これら駆動ロータAおよび短絡ロータBは、(1)通常、互いに同じ位相を保つよう、同じ速度で回転(一体回転)する。(2)所定の条件が成立すると、駆動ロータAと短絡ロータBの位相が所定量ずれるよう、駆動ロータAと短絡ロータBとの間に瞬間的に回転速度差が生じ、短絡ロータBが駆動ロータAに対して所定量だけ回転(相対回転)する。(3)相対回転後は、駆動ロータAおよび短絡ロータBは位相がずれた状態で一体回転する。
厚みを具えた円盤形状のロータ1の両面中央部にはロータ回転軸2を設ける。そしてロータ回転軸2の両端を図示しない軸受で回転可能に支持する。
図1に示すように、ロータ1はその中央に環状体の短絡ロータBを具える。短絡ロータBの軸方向両側には円盤形状の第1駆動ロータA1と第2駆動ロータA2を具える。
換言すれば、駆動ロータAは、前記ステータ3との間の径方向の空隙4に面して、短絡ロータBの両隣に第1駆動ロータA1と第2駆動ロータA2を具える。
駆動ロータAのギャップ面7aには上述した永久磁石8,8,8・・・を設ける。ここで永久磁石8はN極が外径方向へ向き、これに隣接する永久磁石8はS極が外径方向へ向くよう、周方向に順次異極になるよう配列する。また軸方向にみた場合、両側の第1駆動ロータA1,第2駆動ロータA2には永久磁石8を同極に配置する。
換言すれば、短絡ロータBは、歯車形状を取ることによって、周方向に複数の突極9と空隙10とを具える。図4は、短絡ロータBを模式的に示す斜視図である。図4に示すように短絡ロータBには、突極9と空隙10とを、周方向に交互に配列する。突極9は全周に亘り8個設けられている。また空隙10も全周に亘り8個設けられている。そして、これら突極9の周方向長さと空隙10の周方向長さは同一である。
そして図1に示すように、これら永久磁石8の周方向長さは突極9(空隙10)の周方向長さと同一である。
ここで付言すると、ロータ1を外径側から俯瞰した場合、図1に示すように、軸方向両側に2枚の駆動ロータA1,A2が配置されているように見えるものの、これら駆動ロータA1,A2は図5に示すように中央部で結合し、一体に形成されている。短絡ロータBは、軸受13を介して、駆動ロータAに相対回転可能に取り付けられる。
電磁石のコイル6は、図示しないインバータおよびバッテリを具えた電気回路と接続する。この電気回路は、図1〜図3に示すコイル6に複合電流を通電する。そうすると、電磁石のティース5先端と永久磁石8との間に磁力が作用する。つまり、複合電流に含まれる第1電流成分が、ティース5を通過する径方向の磁束を発生させる。そして、あるティース5を通過する磁束が、このティース5の内径側で空隙4と一個の永久磁石8と駆動ロータA内部を通過し、他の永久磁石8と空隙4とを通過して、他のティース5に至る。さらに、他のティース5を通過する磁束が、このティース5の外径側でステータコア16を通過して元のティース5に戻って1周する第1磁気回路Φ1(図2参照)を形成する。
この結果、駆動ロータAはトルクを与えられて駆動される。また、駆動ロータAを具えたロータ1も駆動され、ロータ1に結合した回転軸2が当該トルクおよび外部からの負荷に応じて回転する。
コイル6に複合電流を通電すると、電磁石のティース5先端と突極9との間に磁力が発生する。つまり、複合電流に含まれる第2電流成分が、あるティース5を通過する径方向の磁束を発生させる。そして、あるティース5を通過する磁束が、このティース5の内径側で空隙4と一個の突極9と短絡ロータB内部を通過し、他の突極9と空隙4を通過して、他のティース5に至る。さらに、他のティース5を通過する磁束が、このティース5の外周側でステータコア16を通過して元のティースに戻って1周する第2磁気回路Φ2(図3参照)を形成する。
この結果、短絡ロータBはトルクを与えられて駆動される。
なお、複合電流については本出願人による特開平11−275826号公報に記載の技術を用いる。
ロータ1の低回転時では、突極9が隣接する2個の永久磁石8,8にまたがって位置しないよう、つまり突極9の周方向位置と永久磁石8の周方向位置とを揃えておく。
図9に示す状態では、突極9が、異極になるよう隣接する2個の永久磁石8,8にまたがって位置しないため、突極9がこれら永久磁石同士の磁束を短絡することがない(請求項1の通常状態に相当)。
したがって、上述した第1磁気回路Φ1の磁束は大きいものとなり、モータ効率を高めることができる。
ロータ1の高回転時では、突極9が隣接する2個の永久磁石8,8にまたがって位置するよう、短絡ロータBを駆動ロータAに対して回転させる。
図10に示す状態では、突極9が、異極になるよう隣接する2個の永久磁石8,8にまたがって位置するため、突極9が図10中の二点鎖線で示すように、これら永久磁石8同士の磁束を短絡する(請求項1の短絡状態に相当)。
したがって、上述した駆動ロータAを通過する第1磁気回路Φ1の磁束は小さいものとなり、コイル6の誘起電圧を低減することができる。
なお、上述した回転の他、図示はしなかったが、突極9をロータ軸方向に移動させて、これら永久磁石8同士の磁束を短絡してもよい。
したがって図示はしなかったが、図9に示すように突極9と永久磁石8とを揃えた状態から、突極9を僅かにずらすと、隣接する2個の永久磁石8,8に狭くまたがって位置し、短絡される磁束量は少ない。
これに対し図示はしなかったが、図10に示すように突極9と永久磁石8とをずらした状態から、突極9を更にずらし、突極9の半分を一方の永久磁石8に重ね、突極9の残る半分を他方の永久磁石8に重ねると、隣接する2個の永久磁石8,8に最大限に広くまたがって位置し、短絡される磁束量は最大になる。
この結果、本実施例では、バッテリ異常時や電気回路の異常時には、ロータ1の回転数にかかわらず回転電機の誘起電圧を低減することができ、バッテリや電気回路の保全を図ることができる。
図14中、横軸はロータ回転数を表し、縦軸はロータトルクを表す。図14中に長い破線で示したトルク重視の従来例では、誘起電圧が高くならないよう、回転数領域を狭くし、トルク領域を広くして設計される。これに対し、図14中に短い破線で示したパワー重視の従来例では、高い誘起電圧を許容して回転数領域を広くし、定出力曲線を前記トルク重視のそれよりも大きく設計される反面、トルク領域が狭くなる。
したがって、これら2種類の一般的な従来例においては、回転数領域およびトルク領域の一方を広くすると他方が狭くなるというトレードオフの関係にあった。
これにより、第1磁気回路Φ1の磁束は大きいものとなり、通常の状態で回転電機を運転することができる。
図7は、ロータ11を軸直角平面で断面にして示す横断面図である。図8は、図7のIII−III断面図である。
ここで、上述した図5および図6に示すロータ1と同等の要素については、同一の符号を付して説明を省略し、異なる要素については、新たに符号を付して説明する。
駆動ロータAのギャップ面全周に亘って形成した凹部12には、短絡ロータBを収容する。
ただし、図7に示すように、凹部12の外周を全周に渡って星型多角形に形成し、駆動ロータA側ストッパ50Aとする。一方、短絡ロータBの内周も相似形となるよう星型多角形に形成し、短絡ロータB側ストッパ50Bとする。凹部12全周の外径側に短絡ロータBを同軸に配置して、これら凹部12の星型多角形と短絡ロータBの星型多角形との間に空隙14を設ける。短絡ロータBが駆動ロータAに対して所定量だけ相対回転すると、短絡ロータBの内周が凹部12に衝接し、短絡ロータBの回転量を所定量以内に制限する。つまり、駆動ロータA側ストッパ50Aと短絡ロータB側ストッパ50Bとでストッパ50を形成する。
ここで、所定量は、通常状態から短絡状態に相対回転させるに際して、突極9が隣接する2個の永久磁石に最大限に広くまたがって位置する相対回転量、すなわち、短絡される磁束量が最大になる相対回転量以下の値である。
したがって、通常の状態に復帰する際に短絡ロータBを駆動する必要をなくして、復帰手順を容易にすることができる。
つまり、弾性体15の付勢方向を、図10に示すように突極9の周方向位置が永久磁石8とずれた状態に設定しておくことにより、ロータ1回転数の低回転時には、短絡ロータBを駆動して、図9に示すように突極9の周方向位置を永久磁石8と揃えておき、ロータ1回転数が高回転時に、短絡ロータBの駆動を中止するのみで、短絡ロータB内周が多角形状の凹部12に衝接するまで弾性体15が短絡ロータBを周方向に付勢して、突極9の周方向位置を自動的に永久磁石8とずらすことが可能になる。
図11は、本発明の別の実施例になる回転電機の構造を、一部断面にして示す斜視図である。ここで、上述したロータ1およびステータ3と略同等の要素については、末尾の符号を統一してある。
この実施例は、ステータ103とロータ101,121とを軸方向に配置し、これらステータ103とロータ101,121の間に軸方向の空隙(アキシャルエアギャップ)104,104を設けたアキシャルギャップ構造の回転電機である。
図12は、この短絡ロータBの一部分(略1/3)を破断して示す。
短絡ロータBからみて内径側の永久磁石108と、外径側の永久磁石108とは、N極同士、若しくはS極同士のように同軸に配列し、ロータ回転軸Oを中心として占有する角度を等しくする。したがって、外径側の永久磁石108の周方向端と内径側の永久磁石108の周方向端とを直線で結び、この直線を内径方向に延長するとロータ回転軸Oと交差する。
つまり短絡ロータBには、図11および図12に示すように周方向長さが等しい突極109と空隙110とを、周方向に順次交互に配列する。
なお、図には示さなかったが、ギャップ面にN極を向けた径方向両側の永久磁石108,108間に、突極109を設けるよう、図11とは逆の配置であってもよいこと勿論である。
通常は図9および前述したように、突極109の周方向位置を永久磁石108と揃えて、駆動ロータAを駆動する。これに対し、所定回転数以上などの所定の条件が成立すると、前述したように短絡ロータBを駆動する。そして短絡ロータBを図10中の矢の向きにずらし、突極109が異極となるよう隣接配置された2個の永久磁石108,108にまたがるようにしておく。
したがって、ロータ101,121およびステータ103間で形成される第1磁気回路Φ1の磁束は小さいものとなり、コイル106の誘起電圧を低減することができる。
ここで(a)は、上述した図1または図11の実施例における短絡ロータBを示す。
また(b)は、突極9(109)の内部に永久磁石16を設けた短絡ロータBを示す。
(b)に示す実施例では、永久磁石16の着磁方向を突極9の突出方向と同一、すなわちラジアルギャップ面またはアキシャルギャップ面と垂直にする。このように永久磁石16を設けても、複合電流を用いて短絡ロータBを別個に駆動することができる。
(c)に示す実施例では、磁気抵抗の大きな樹脂17などの非磁性体で隣り合う突極9,9間を充填することにより、上述した(a)に示す実施例と同様、永久磁石8,108の磁束を短絡することができる。
(d)に示す実施例では、突極9および空隙10を交互に配列する代わりに、永久磁石18を短絡ロータB内部に埋め込むようにして設ける。図13(d)中、突極9に相当する周方向位置には、磁性体で形成したフロントヨーク部19を設ける。そして、フロントヨークを挟むように、かつ、左右一対の永久磁石18aおよび18bを、複数対周方向に配置する。永久磁石18aと永久磁石18bとラジアルギャップ面(またはアキシャルギャップ面)とに囲まれるフロントヨーク部19を、磁性体で形成する。このフロントヨーク部19に向かうよう矢印で示すように、永久磁石18a,18bを一対同極に着磁する。
これに対しロータ1,101の高回転時など所定の条件が成立した時には、図13(d)に示す短絡ロータBを複合電流で駆動する。そしてフロントヨーク部19を、異極となるよう隣接した2個の永久磁石8,8(108,108)にまたがらせることにより、上述した図10に示す実施例と同様、永久磁石8,108の磁束を短絡することができる。
さらに、上記実施例によれば、ロータ1の回転数とは無関係に短絡ロータBを作動させ得て、短絡される磁束量を可変とすることが可能であることから、図14に示すように従来の回転電機と比較して、運転領域を拡大することができる。
加えて、駆動ロータAは第1駆動ロータA1と第2駆動ロータA2を有し、これらの第1駆動ロータA1と第2駆動ロータA2がステータ3との間の径方向の空隙4または軸方向の空隙104に面して短絡ロータBの両隣に設けられることにより、ステータ3から駆動ロータAに作用する吸引反発力によって、ロータ回転軸に不要な力が作用することを防止できる。
すなわち、ラジアルギャップ構造の回転電機において、駆動ロータAを一つとした場合、駆動ロータAの軸方向中心がステータ3(ティース5)の軸方向中心に対してオフセットするため、ステータ3から駆動ロータAへの吸引反発力によって駆動ロータAに軸方向の力が作用し、ロータ回転軸に不要な力が作用することになる。しかしながら、短絡ロータBの両隣に第1駆動ロータA1と第2駆動ロータA2を配置することで、軸方向の力が相殺され、ロータ回転軸に不要な力が作用することがない。
同様に、アキシャルギャップ構造の回転電機において、駆動ロータAを一つとした場合、駆動ロータAの径方向中心がステータ3(ティース105)の径方向中心に対してオフセットするため、ステータ3から駆動ロータAへの吸引反発力によって駆動ロータAに径方向の力が作用し、ロータ回転軸に不要な力が作用することになる。しかしながら、短絡ロータBの両隣に第1駆動ロータA1と第2駆動ロータA2を配置することで、径方向の力が相殺され、ロータ回転軸に不要な力が作用することがない。
これにより、ロータ1の低回転時であっても、バッテリを保護することができるし、電気回路の構成部品であるインバータや、インバータ内の半導体素子を保護することができる。
ラジアルギャップ型の回転電機において、本発明が目的とする誘起電圧の抑制を、必要な場合に実行することができる。
アキシャルギャップ型の回転電機においても、本発明が目的とする誘起電圧の抑制を、必要な場合に実行することができる。
短絡ロータBが駆動ロータAに対して無限に相対回転することがなく、短絡ロータBの駆動中は、短絡ロータBをずらしつつ、短絡ロータBに与えた駆動力を、弾性体15を介してロータ回転軸2から出力することができ、駆動力を無駄なく利用することができる。
また、弾性体15の付勢により、短絡ロータBの相対位置を、常態で図9に示すように永久磁石8と揃えておき、ロータ1回転数の高回転時には、弾性体15の付勢力に抗して短絡ロータBを駆動して図10に示すようにずらすよう設定することが可能になる。したがってこのような設定の下では、ロータ1回転数が低回転数に戻る等の通常の状態に復帰すると、短絡ロータBの駆動を中止するのみで、短絡ロータBが図9に示すように常態位置まで付勢されて、突極9の周方向位置を自動的に永久磁石8に揃えることが可能になる。
したがって、通常の状態に復帰する際に短絡ロータBを駆動する駆動をなくして、復帰手順を容易にすることができる。
図1および図11には、短絡ロータBの両側に駆動ロータAを配置するが、駆動ロータAに作用する力にアンバランスが生じることを許容しうるならば、例えば、短絡ロータBと駆動ロータAをそれぞれ片側に配置してもよい。
また、駆動ロータA,短絡ロータB間の相対回転量を所定値以内に制限するストッパは、図5に示すように凹部全周および短絡ロータB内周を多角形とする他、回転運動を所定範囲内に制限する機構であればよい。
A 駆動ロータA
B 短絡ロータB
2 ロータ回転軸
3 ステータ
4 空隙(アキシャルギャップ)
5 ティース
6 コイル
7 ロータ側のギャップ面
8 永久磁石
9 突極
10 空隙
12 凹部
50 ストッパ
Claims (7)
- ロータとステータと電気回路より構成される回転電機において、
前記ロータは、
複数の永久磁石を有する駆動部と、
前記永久磁石の磁束を短絡させる短絡状態と、短絡させない通常状態とを切替可能な短絡部とを有し、
前記ステータは、
複合電流が通電される複数のコイルを有し、
前記電気回路は、
前記複合電流の第1電流成分によって前記コイルと前記駆動部との間で第1磁気回路を形成して前記ロータを駆動するために前記コイルに通電を行い、前記複合電流の第2電流成分によって前記コイルと前記短絡部との間で第2磁気回路を形成して前記短絡状態と前記通常状態とを切替えるために前記コイルに通電を行う、
ことを特徴とする回転電機。 - 請求項1に記載の回転電機において、
前記短絡部は、複数の磁極を有し、前記ロータに対して相対回転可能に隣接配置された環状体であり、相対回転によって前記磁極が周方向で前記永久磁石同士をまたぐとき前記短絡状態になり、またがらないとき前記通常状態になり、
前記ステータは、前記第2電流成分によって前記コイルと前記磁極との間で前記第2磁気回路を形成して前記短絡状態と前記通常状態とを切替えることを特徴とする回転電機。 - 請求項2に記載の回転電機おいて、
前記磁極の個数は、前記永久磁石の個数の1/2倍としたことを特徴とする回転電機。 - 請求項2または3に記載の回転電機において、
前記環状体と前記ロータとの位相差を所定量以内に制限するストッパを備えたことを特徴とする回転電機。 - 請求項2〜4のいずれか1項に記載の回転電機において、
前記環状体と前記ロータとの間に介在する弾性体を備えたことを特徴とする回転電機。 - 請求項2〜5のいずれか1項に記載の回転電機において、
前記ステータは、径方向の空隙を介して前記ロータおよび前記短絡部と径方向で対面し、
前記ロータは、前記径方向の空隙に面して前記短絡部の両隣に第1ロータと第2ロータとを有し、
前記第1ロータと第2ロータは、機械的に結合して一体回転することを特徴とする回転電機。 - 請求項2〜5のいずれか1項に記載の回転電機において、
前記ステータは、軸方向の空隙を介して前記ロータおよび前記短絡部と軸方向で対面し、
前記ロータは、前記軸方向の空隙に面して前記短絡部の両隣に第1ロータと第2ロータとを有し、
前記第1ロータと第2ロータは、機械的に結合して一体回転することを特徴とする回転電機。
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