JP5673438B2

JP5673438B2 - 回転電機のロータ構造

Info

Publication number: JP5673438B2
Application number: JP2011180393A
Authority: JP
Inventors: 服部　宏之; 宏之服部; 雅志松本; 将由山本
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-08-22
Filing date: 2011-08-22
Publication date: 2015-02-18
Anticipated expiration: 2031-08-22
Also published as: JP2013046430A

Description

本発明は、ロータコアに磁石が配設された回転電機のロータ構造に関する。

ロータコアに磁石が配設された回転電機において、ロータの高回転時に、弱め界磁制御を不要としつつ、ステータを通る磁石の磁束を減少させることで、ステータ巻線に発生する誘起電圧を抑制する技術が提案されている。例えば下記特許文献１では、ロータコアの回転軸方向両端に可動鉄心を設け、可動鉄心の一端（径方向中心側）を支持部材により回動自在に支持し、可動鉄心の他端（径方向外側）をばねにより支持している。ばねは、ロータコアに設けられているフラックスバリアの空間内に収容されるようになっている。ここでのフラックスバリアは、非磁性材により両端に空間が残るようにその一部が埋められていて、この非磁性材によって、ばねの一端が支持されており、ばねの弾性力が可動鉄心に作用し、且つ両側の空間でばねが収容できるようになっている。ロータの回転数が低い状態では、可動鉄心は、ばねの弾性力によってロータコアから離れた状態となっており、ロータの永久磁石から出た磁束は全てステータを通る界磁成分として作用する。一方、ロータの回転数が一定数以上となったところで、可動鉄心は、ロータの回転による遠心力によってロータコアに接触する。これによって、ロータの永久磁石からの磁束の一部が可動鉄心を通るようになるため、界磁成分として作用する磁束が弱められることになり、その分、より高回転にすることが可能となる。

特開２００１−２５１９０号公報特開２００６−８１３３６号公報特開平７−３２２５８４号公報特開平７−１０７７１８号公報特開２００２−１３６０１２号公報

特許文献１では、可動鉄心とロータ（非磁性材）との間にばねが存在するので、ステータを通る界磁磁束を弱めるために可動鉄心をロータに接近・接触させるためには、ロータ内部にばねを収容する空間が必要となる。このばねの収容空間をロータに設ける必要がある分、ロータの構造が複雑化して製造が困難となる。また、支持部材は、可動鉄心の一端（径方向中心側）を回動自在に支持するため、ばねのように可動鉄心を支持する部材が別途必要となる。

本発明は、ロータコアに磁石が配設されたロータ構造の複雑化を招くことなく、弱め界磁制御を不要としつつ、ステータを通る磁石の磁束を減少させることを目的とする。

本発明に係る回転電機のロータ構造は、上述した目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明に係る回転電機のロータ構造は、ステータと対向配置され、ロータコアに磁石が配設されたロータと、ロータの回転軸方向外側端に設けられ、ロータとともに回転する端部部材と、を備え、端部部材は、ロータの停止時における元形状が、径方向中心側から径方向外側へ延びるにつれてロータに対し回転軸方向外側へ離れるように傾斜した形状を呈する非磁性の弾性部材と、弾性部材が元形状であるときに、ロータに対し回転軸方向外側へ離れた状態で弾性部材に保持された磁性体と、を含み、ロータの所定の高回転時には、弾性部材は、遠心力により、磁性体をロータに近づけるように弾性変形することを要旨とする。

本発明の一態様では、弾性部材は、磁性体を回転軸方向外側から保持することが好適である。

本発明によれば、弾性部材及び磁性体を含む端部部材をロータの回転軸方向外側端に設けることで、ロータ構造の複雑化を招くことなく、弱め界磁制御を不要としつつ、ステータを通る磁石の磁束を減少させることができる。

本発明の実施形態に係るロータ構造を有する回転電機の概略構成を示す図である。本発明の実施形態に係るロータ構造を有する回転電機の動作を説明する図である。本発明の関連技術に係る回転電機の概略構成を示す図である。本発明の実施形態に係る回転電機の他の概略構成を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下実施形態という）を図面に従って説明する。

図１は本発明の実施形態に係るロータ構造を有する回転電機の概略構成を示す図であり、ロータ回転軸（以下単に回転軸とする）と直交する方向から見た内部構成の概略を示す。回転電機は、回転が固定されたステータ１２と、ステータ１２に対し相対回転可能なロータ１４と、を備え、回転軸と直交する径方向においてステータ１２とロータ１４が所定の微小空隙を空けて対向配置され、ロータ１４がステータ１２の内周側に配置されている。

ステータ１２は、ステータコア２１と、ステータコア２１にその周方向に沿って配設された複数相（例えば３相）のステータ巻線２２と、を含む。ロータ１４は、シャフト１３に固定されたロータコア３１と、ロータコア３１にその周方向に沿って配設された複数の永久磁石３２と、を含む。各永久磁石３２は、ロータコア３１の内部に埋設されている。回転電機では、ステータ巻線２２に交流電流を流すことで、周方向に回転する回転磁界がステータ１２に形成される。そして、ステータ１２に発生した回転磁界とロータ１４の永久磁石３２で発生した界磁束との電磁気相互作用（吸引及び反発作用）により、ロータ１４にトルク（磁石トルク）を作用させてロータ１４をシャフト１３とともに回転駆動することができる。その際には、ステータ１２に発生した回転磁界にロータコア３１が吸引されることで、ロータ１４にはリラクタンストルクも磁石トルクに加えて発生する。このように、回転電機を、ステータ巻線２２への供給電力を利用してロータ１４に動力を発生させる電動機として機能させることができる。一方、回転電機を、ロータ１４の動力を利用してステータ巻線２２に電力を発生させる発電機として機能させることもできる。

本実施形態では、ロータ１４（ロータコア３１）の回転軸方向外側端に端部部材４２が設けられており、ロータ１４及びシャフト１３とともに端部部材４２が回転する。図１に示す例では、端部部材４２をロータコア３１の回転軸方向両端に設けているが、端部部材４２をロータコア３１の回転軸方向片端だけに設けることも可能である。各端部部材４２は、ロータコア３１またはシャフト１３に取り付けられた、磁束を通さない非磁性の弾性部材４４と、弾性部材４４に保持された、磁束を通す磁性体４６と、を含む。ロータ１４の停止時における弾性部材４４の元形状は、径方向中心側の端部がロータ１４（ロータコア３１）の回転軸方向端面１４ａに接触し、径方向外側の端部がロータ１４の回転軸方向端面１４ａに対し外側へ離れており、径方向中心側から径方向外側へ延びるにつれてロータ１４に対し回転軸方向外側へ離れるように傾斜した片持ち梁となる形状を呈する。弾性部材４４は、径方向中心側の端部から径方向外側の端部にかけて一体的に作られ、曲げ方向に弾性を有し、元形状に戻ることが可能なように曲げ方向に弾性変形可能である。一体の弾性部材４４の材料としては、例えば樹脂やステンレス鋼（ＳＵＳ）やアルミニウム等を用いることが可能である。磁性体４６は、弾性部材４４が元形状であるときに（ロータ１４の停止時に）、ロータ１４に対し回転軸方向外側へ離れた状態で弾性部材４４に保持されるように、弾性部材４４の径方向外側の端部で保持される。図１に示す例では、弾性部材４４は、磁性体４６を回転軸方向外側から保持する。弾性部材４４の延設方向に関する磁性体４６の長さｘは、永久磁石３２の厚さｔよりも長い。

ロータ１４の所定の高回転速度時には、端部部材４２に作用する遠心力により、片持ち梁となる一体の弾性部材４４が元形状から曲げ方向に弾性変形することで、図２に示すように、弾性部材４４の径方向外側の端部は、磁性体４６を錘として、径方向外側へ移動するとともに、ロータ１４の回転軸方向端面１４ａ（永久磁石３２の回転軸方向端面）に近づくように回転軸方向内側へ移動する。これによって、磁性体４６がロータ１４の回転軸方向端面１４ａに近づいて接触すると、図２の矢印Ｂに示すように、永久磁石３２のＮ極からの磁束の一部を磁性体４６を介して永久磁石３２のＳ極に戻すための短絡磁路がロータ１４の回転軸方向外側端に形成される。その際には、弾性部材４４の曲げ剛性（曲げ方向の弾性係数）を調整することで、ロータ１４の回転速度に対する磁性体４６の位置（ロータ１４の回転軸方向端面１４ａとの距離）の関係を調整することが可能であり、磁性体４６がロータ１４の回転軸方向端面１４ａに接触するときの、ロータ１４の所定の高回転速度を調整することが可能である。また、磁性体４６がロータ１４の回転軸方向端面１４ａに接触する状態（図２に示す状態）において、磁性体４６が永久磁石３２の回転軸方向端面と対向し、永久磁石３２よりも磁性体４６が径方向に関して中心側及び外側の両側に張り出すように、弾性部材４４により磁性体４６を保持する位置を決定する。図２の矢印Ｂに示すように、ロータ１４の回転軸方向外側端付近では、永久磁石３２の磁束が磁性体４６による短絡磁路を流れて短絡する分、図２の矢印Ａに示すように、ステータ巻線２２に鎖交する永久磁石３２の磁束が減少する。これによって、弱め界磁制御を行うことなく、ステータ巻線２２に発生する誘起電圧を抑制することができ、同一電源電圧での高回転化を実現することができる。弱め界磁制御が不要となることで、回転電機の高効率化及び制御の簡素化を実現することができる。

一方、ロータ１４の停止時または低回転速度時には、端部部材４２に遠心力は作用しない、または端部部材４２に作用する遠心力は小さいため、図１に示すように、弾性部材４４の径方向外側の端部は、磁性体４６を錘として、径方向内側へ移動するとともに、ロータ１４の回転軸方向端面１４ａから離れるように回転軸方向外側へ移動する。つまり、弾性部材４４は、ほぼ変形しないで元形状に戻る。元形状では、磁性体４６は、ロータ１４の回転軸方向端面１４ａから外側へ離れるため、ロータ１４の回転軸方向外側端に短絡磁路は形成されない。これによって、図１の矢印Ａに示すように、ロータ１４の回転軸方向外側端付近でも永久磁石３２の磁束がステータ巻線２２に鎖交し、ステータ巻線２２に鎖交する永久磁石３２の磁束が増加する。これによって、ステータ１２とロータ１４間に作用するトルクを増加させることができる。

なお、前述の特許文献１のロータ構造では、図３に示すように、磁性体（可動鉄心）４６とロータ１４（非磁性体４７）との間にばね４８が存在し、磁性体４６をロータ１４に接近・接触させるためには、ロータ１４内部にばね４８を収容する空間４９が必要となる。このばね４８の収容空間４９をロータ１４に設ける必要がある分、ロータ１４の構造を変更する必要があり、ロータ１４の構造が複雑化して製造が困難となる。これに対して本実施形態では、図４に示すように、磁性体４６とロータ１４との間にばね４８等の他の部品が存在せず、ばね４８等の他の部品の収容空間４９が不要であるため、ロータ１４の構造を変更する必要が無く、端部部材４２（弾性部材４４及び磁性体４６）をロータ１４の回転軸方向外側端に取り付けるだけで製造が容易となる。したがって、ロータ構造の複雑化を招くことなく、弱め界磁制御を不要としつつ、ステータ１２を通る永久磁石３２の磁束を減少させることが可能となる。また、磁性体４６を保持し且つ弾性変形する弾性部材４４を複数部品とすると、複数部品との間や、複数部品と他部品との間で寸法誤差が生じやすく、回転性能・変形に影響する虞があるのに対して、本実施形態では、弾性部材４４を径方向中心側の端部から径方向外側の端部に渡って一体で作ることで、上記影響を低減することができる。

また、上記特許文献２のロータ構造では、ロータコアに複数のスリットを永久磁石の磁束と略平行に形成し、スリットに磁性体を移動可能に装着しているが、磁性体の可動領域がロータコア内部のため、ロータコア内部に空隙（スリット）を増やす必要があるので、空隙が磁石磁束を妨げることになり、回転電機の性能が低下する。これに対して本実施形態では、磁性体４６の可動領域がロータ１４（ロータコア３１）の外部のため、ロータコア３１内部に空隙を増やす必要が無く、回転電機の性能は低下しない。

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

１２ステータ、１３シャフト、１４ロータ、２１ステータコア、２２ステータ巻線、３１ロータコア、３２永久磁石、４２端部部材、４４弾性部材、４６磁性体。

Claims

ステータと対向配置され、ロータコアに磁石が配設されたロータと、
ロータの回転軸方向外側端に設けられ、ロータとともに回転する端部部材と、
を備え、
端部部材は、
ロータの停止時における元形状が、径方向中心側から径方向外側へ延びるにつれてロータに対し回転軸方向外側へ離れるように傾斜した形状を呈する非磁性の弾性部材と、
弾性部材が元形状であるときに、ロータに対し回転軸方向外側へ離れた状態で弾性部材に保持された磁性体と、
を含み、
ロータの所定の高回転時には、弾性部材は、遠心力により、磁性体をロータに近づけるように弾性変形する、回転電機のロータ構造。
請求項１に記載の回転電機のロータ構造であって、
弾性部材は、磁性体を回転軸方向外側から保持する、回転電機のロータ構造。