JP7101531B2 - 回転電機 - Google Patents

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Description

本発明は、回転部材の外周に配置されるブラシレス巻線界磁型回転電機に関する。
特許文献1には、回転子に対して静止した界磁コイルから磁束を供給する回転電機が提案されている。
特許3445492号
前記回転電機では、界磁コイルの断面が略矩形状であるため、設計の自由度が限られてしまい、必要な巻線断面積を確保することが難しい場合があった。
本発明の課題は、界磁コイルを配置するスペースの利用効率を高めて、設計自由度を大きくすることができる回転電機を提供することにある。
前記課題を達成するために、本発明は以下のように構成する。
本発明の第1の態様によれば、回転部材を内包するケースと前記回転部材との間に位置するブラシレス巻線界磁型回転電機であって、前記ケースに保持され、交流電流により回転磁界を発生する交流コイル備えた固定子と、前記ケースに保持され、直流電流により励磁する界磁コイルを備えた界磁コアと、前記回転部材の外周に配置され、前記固定子及び前記界磁コイルに対し回転軸周りに回転自在に保持される回転子とを備え、前記界磁コイルが、径方向に積層された複数のコイル巻層を有し、前記複数のコイル巻層のうち、径方向において前記回転軸に最も近いコイル巻層の前記回転軸の軸方向沿いの断面積が、径方向において前記回転軸から最も遠いコイル巻層の前記回転軸の軸方向沿いの断面積よりも小さくなるように構成されている、回転電機を提供する。
また、本発明の第2の態様によれば、回転部材を内包するケースと前記回転部材との間に位置するブラシレス巻線界磁型回転電機であって、前記ケースに保持され、交流電流により回転磁界を発生する交流コイルを備えた固定子と、前記ケースに保持され、直流電流により励磁する界磁コイルを備えた界磁コアと、前記回転部材の外周に配置され、前記固定子及び前記界磁コイルに対し回転軸周りに回転自在に保持される回転子とを備え、前記界磁コイルが、径方向に積層された複数のコイル巻層を有し、前記複数のコイル巻層に、第1コイル巻層と、前記第1コイル巻層に前記径方向において隣接しかつ前記回転軸の軸方向の寸法が前記第1コイル巻層とは異なる第2コイル巻層とが含まれている、回転電機を提供する。
本発明の前記第1の態様によれば、界磁コイルが、径方向に積層された複数のコイル巻層を有し、複数のコイル巻層のうち、径方向において回転軸に最も近いコイル巻層の回転軸の軸方向沿いの断面積が、径方向において回転軸から最も遠いコイル巻層の回転軸の軸方向沿いの断面積よりも小さくなるように構成されている。また、本発明の前記第2の態様によれば、界磁コイルが、径方向に積層された複数のコイル巻層を有し、複数のコイル巻層に、第1コイル巻層と、第1コイル巻層に径方向において隣接しかつ回転軸の軸方向の寸法が第1コイル巻層とは異なる第2コイル巻層とが含まれている。このような構成により、界磁コイルの回転軸の軸方向沿いの断面形状を、界磁コイルを配置するスペースに応じて、例えば、略L字状あるいは階段状にすることができるので、界磁コイルを配置するスペースの利用効率を高めて、設計自由度を大きくすることができる。
本発明の一実施形態にかかる回転電機の回転軸と垂直な方向沿いに大略切断したときの断面図とエンジン及び変速機との配置関係を示す説明図。 一実施形態にかかる回転電機の回転軸と垂直な方向沿いに切断したときの斜視図。 図2Aから磁極保持部材を取り除いた状態の斜視図。 一実施形態にかかる回転電機の界磁コイルの回転軸の軸方向沿いの断面を示す模式図。 一実施形態にかかる回転電機の変速機側から見たときの正面図。 一実施形態にかかる回転電機の斜視図。 一実施形態にかかる回転電機の回転子の斜視図。 一実施形態にかかる回転電機の回転子の分解斜視図。 一実施形態にかかる回転電機の界磁コイルの回転軸の軸方向沿いの断面の第1の変形例を示す模式図。 一実施形態にかかる回転電機の界磁コイルの回転軸の軸方向沿いの断面の第2の変形例を示す模式図。 一実施形態にかかる回転電機の界磁コイルの回転軸の軸方向沿いの断面の第3の変形例を示す模式図。 一実施形態にかかる回転電機の界磁コイルの回転軸の軸方向沿いの断面の第4の変形例を示す模式図。 一実施形態にかかる回転電機の界磁コイルの回転軸の軸方向沿いの断面の第5の変形例を示す模式図。
以下、図面を参照して本発明における実施形態を詳細に説明する。
本発明の一実施形態にかかる回転電機10は、図1~図2Bに示すように、トルクコンバータあるいは摩擦式クラッチ装置などの発進装置4(回転部材の一例)を内包するケース5と発進装置4との間に位置するブラシレス巻線界磁型回転電機10である。この回転電機10は、少なくとも、固定子3と、界磁コイル2と、回転子1とを備えている。この実施形態では、一例として、回転電機10は、回転軸7沿いのエンジン8と変速機9との間に配置されている。
固定子3は、ケース5に回転不可に固定保持され、交流コイル14を巻回するための複数のスロットを具備する円筒状の部材で構成され、交流コイル14を備えて、交流コイル14に流れる交流電流により回転磁界を発生する。
界磁コイル2は、固定子3及び回転子1よりも回転軸7沿いにずらせて配置されて、固定子3の変速機9側でケース5に固定保持されている。界磁コイル2を直流電流により励磁すると、その周囲に磁束(図1に矢印で示す)が流れ、磁路40が形成される。界磁コア6は、界磁コイル2を備えている。なお、界磁コイル2は、固定子3及び回転子1よりも回転軸7沿いに、固定子3の変速機9側ではなく、第2エアギャップ12を介して固定子3のエンジン側にずらせて配置してもよい(図1の一点鎖線の領域89を参照)。
詳しくは、界磁コイル2は、図3に示すように、回転軸7の軸方向沿いの断面が略L字状で、径方向(すなわち、図3の上下方向)に積層された複数のコイル巻層(この実施形態では、4つのコイル巻層201~204)を有している。また、この界磁コイル2は、複数のコイル巻層201~204のうち、径方向において回転軸7に最も近いコイル巻層204の回転軸7の軸方向沿いの断面積が、径方向において回転軸7から最も遠いコイル巻層204の回転軸7の軸方向沿いの断面積よりも小さくなるように構成されている。
言い換えると、複数のコイル巻層201~204に、第1のコイル巻層202と、第1のコイル巻層202に径方向において隣接しかつ回転軸7の軸方向の寸法が第1のコイル巻層202とは異なる第2のコイル巻層203とが含まれている。
また、界磁コイル2は、複数のコイル巻層201~204のうちの回転軸7に最も近いコイル巻層204の回転軸7の軸方向における一端(図3にSで示す回転子1から遠い方の端)から巻線を巻き始め、複数のコイル巻層201~204のうちの回転軸7から最も遠いコイル巻層204の回転軸7の軸方向における一端(図3にEで示す回転子1から遠い方の端)で巻線を巻き終わるように構成されている。すなわち、界磁コイル2は、偶数層のコイル巻層201~204を有している。
なお、前記界磁コイル2は、断面略矩形状の巻線で構成しているが、これに限らず、回転電機10の設計などに応じて、例えば、略円形状あるいは略正方形状の断面を有する巻線で界磁コイル2を構成してもよい。
図3に示すように、回転軸7に対する周方向から見て、界磁コイル2の周囲に形成される磁路40は、回転軸7の軸方向に延びて回転子1から界磁コア6に向かって磁束が流れる第1磁路41と、回転軸7の軸方向に延びかつ径方向において第1磁路41と隙間43を空けて配置されていると共に界磁コア6から回転子1に向かって磁束が流れる第2磁路42とを有している。界磁コイル2は、回転軸7の軸方向において、隙間43の回転子1に近い方の第1端部43aから回転子1から遠い方の第2端部43bまで配置されている。
回転子1は、発進装置4の外周に固定配置され、回転子1の外周面が固定子3の内周面に対向し、かつ、回転子1の変速機側の端面が界磁コイル2のエンジン側の端面に対向して、回転軸7の周りで固定子3及び界磁コイル2に対し回転自在に保持されている。
固定子3と回転子1との間には、第1エアギャップ11が形成されて、固定子3と回転子1との間で磁束を受け渡している。第1エアギャップ11は、固定子3の内周面と回転子1の外周面との間で回転軸7の軸方向沿いに延在する隙間である。
界磁コア6と回転子1との間には、第2エアギャップ12が形成されて、界磁コイル2と回転子1との間で磁束を受け渡している。第2エアギャップ12は、界磁コア6と回転子1との間で回転子1の回転軸7の軸方向の変速機側の端面と界磁コア6のエンジン側の端面において、回転軸7の軸方向とは垂直な径方向沿いに延在する隙間である。
よって、界磁コイル2は、回転子1に対して、第2エアギャップ12を介して回転軸7の軸方向にずらされて並列して配置されている。
一方、図4~図7に示すように、回転子1は、第1磁極21と、第2磁極22と、磁極保持部材23とが組み合わされて構成されている。なお、図4のA-A線断面図が図1の中央の回転電機10と発進装置4などの断面図である。
第1磁極21は、例えば鉄などの軟磁性体で構成され、第1円環部21aから回転軸7の軸方向に突き出た複数の例えば矩形薄板状の爪部21bを有している。爪部21bは、周方向に一定間隔、例えば等間隔に配置され、回転軸7の軸方向の長さはすべて同じである。各爪部21bの外周面は第1円環部21aの外周面沿いに配置されている。爪部21bは、第1磁極21と第2磁極22とが組み合わされても、第2磁極22とは非接触であり、径方向には径方向隙間16が形成されている。
第2磁極22は、例えば鉄などの軟磁性体で構成され、第1磁極(この実施形態では、第1円環部21a)の内側に径方向隙間16をあけて配置され、第1磁極(この実施形態では、第1円環部21a)と部分的に重なるように配置された第2円環部22aの外周面に径方向に突出しかつ周方向には周方向隙間17を有して配置された複数の例えば矩形板状の凸部22bを有している。凸部22bも、周方向に一定間隔、例えば等間隔に配置され、径方向の高さはすべて同じである。凸部22bの回転軸7の軸方向の長さはすべて同じであり、爪部21bよりも短くなっている。各凸部22bの外周面は回転子1の回転軸心と同一中心の1つの円上に配置されている。各凸部22bは、第2円環部22aのエンジン側の端縁まで延びて第1先端係止部22cを形成する一方、第2円環部22aの変速機側には端縁まで延びずに、凸部22bが無く細幅の円環状のはめ込み部22dを形成している。第1磁極21を第2磁極22に対して軸方向に移動させて、第1磁極21の各爪部21bを隣接する凸部22b間の周方向隙間17の中間部に挿入して、爪部21bと凸部22bとが周方向に交互に配置されように組み付ける。このとき、はめ込み部22dの外側に、径方向隙間16を挟んで第1磁極21の第1円環部21aを配置できるようにしている。組み付けた状態では、図5に示すように、凸部22bと第1円環部21aとの間に軸方向隙間19があり、爪部21bと第2磁極22の凸部22bとの間には、周方向に周方向隙間17があり、かつ、径方向にも径方向隙間16がある。よって、第1磁極21と第2磁極22とは非接触に維持されている。この状態で固定するため、磁極保持部材23をさらに備えている。
磁極保持部材23は、例えばアルミニウム又はオーステナイト系ステンレス鋼などの非磁性体で構成され、円環状の部材であって、第1磁極21の爪部21bの第1先端係止部21cを嵌合固定するとともに第2磁極22の凸部22bの第2先端係止部22cを嵌合固定する嵌合部23aを例えば外周側に有している。第1先端係止部21cと第2先端係止部22cとが嵌合部23aに嵌合され、ボルト止め、焼嵌め、又はロウ付けなどで固定されて、第1磁極21と第2磁極22とは非接触に磁極保持部材23で固定保持されている。
第1磁極21の爪部21bの第1先端係止部21cと第2磁極22の凸部22bの第2先端係止部22cとは、具体的な例としては、段部で形成されて、当該段部が嵌合部23aの係合凹部にそれぞれ嵌合されて、径方向に対して固定的に保持されている。第2先端係止部22cは、一例として凸部22bの先端に配置しているが、第2円環部22aの先端に配置してもよい。このように構成すれば、界磁コイル2から磁束を流して第1磁極21と第2磁極22とを磁化するとき、磁極保持部材23を非磁性体として磁気ショートを無くし、効率的に磁化することができるとともに、磁極保持部材23で第1磁極21と第2磁極22とを機械的に保持することができる。また、第1磁極21の爪部21bの第1先端係止部21cを磁極保持部材23の嵌合部23aで嵌合固定保持する事により、回転遠心力による爪部21bの広がりを抑制し、回転強度を向上する事ができる。
以上のように構成された回転電機10においては、界磁コイル2が通電されると、界磁コイル磁束15が発生する。界磁コイル磁束15は、界磁コア6から、第2エアギャップ212と回転子1の第1磁極21と第1エアギャップ11と固定子3と第1エアギャップ11と回転子1の第2磁極22と第2エアギャップ212とを介して、界磁コア6に戻ることにより構成されている。このとき、例えば、直流電流が界磁コイル2に通電されれば、界磁コイル磁束15を発生させ、第1磁極21と第2磁極22とは、それぞれ、例えばN極とS極とにそれぞれ磁化されている。
このような回転電機10において、まず、回転電機10をスタータとして始動機能を発揮させる場合について説明する。エンジン8の始動指令に基づき、図示しないインバータを駆動して固定子3に三相交流電流を流して固定子3を磁化するとともに、界磁コイル2に電流を流す。界磁コイル2に電流を流して、回転子1の第1磁極21と第2磁極22とを励磁する。この結果、回転子1が固定子3に対して回転を開始するとともに、固定子3において誘起電圧を有する起電力が発生する。
その後、誘起電圧は回転子1の回転速度に応じて増加し、回転速度がエンジン8のアイドリングに対応するアイドリング回転速度より低い初爆の回転速度に到達し、エンジン8の始動を完了したとき、インバータの駆動を停止し、以後、所定の誘起電圧(要求電圧)を保持するように、自動的に発電モード、すなわち、回転電機10を発電機として発電機能を発揮させる場合に移行する。
この発電モードでは、界磁コイル2を励磁し続けるときは、誘起電圧が所定の誘起電圧で一定になるように、励磁電流を調整する。励磁電流は、回転速度の上昇にあわせて回転子の磁化力が減じるように調整し、誘起電圧が一定となるようにする。また、界磁コイル2を励磁しないときは、誘起電圧が所定の誘起電圧で一定になるようにインバータで三相交流電流の進角を調整する。さらに、上記2つの方法を組み合わせて調整してもよい。このように制御することで、回転子1が回転すると、回転電機10は発電機として機能することになる。
この結果、エンジン8と回転電機10とを連結することで、エンジン始動を可能とし、かつ走行中はジェネレータ(発電機)として機能する事ができる。
前記回転電機10では、界磁コイル2が、径方向に積層された複数のコイル巻層201~204を有し、複数のコイル巻層201~204のうち、径方向において回転軸7に最も近いコイル巻層204の回転軸7の軸方向沿いの断面積が、径方向において回転軸7から最も遠いコイル巻層201の回転軸7の軸方向沿いの断面積よりも小さくなるように構成されている。言い換えると、界磁コイル2が、径方向に積層された複数のコイル巻層201~204を有し、複数のコイル巻層201~204に、第1コイル巻層202と、第1のコイル巻層202に径方向において隣接しかつ回転軸7の軸方向の寸法が第1のコイル巻層202とは異なる第2のコイル巻層203とが含まれている。このような構成により、界磁コイル2の回転軸7の軸方向沿いの断面形状を、界磁コイル2を配置するスペースに応じて、例えば、略L字状にすることができるので、界磁コイル2を配置するスペースの利用効率を高めて、設計自由度を大きくすることができる。
また、磁路40が、回転軸7の軸方向に延びて回転子1から界磁コア6に向かって磁束が流れる第1磁路41と、回転軸7の軸方向に延びかつ径方向において第1磁路41と隙間43を空けて配置されていると共に界磁コア6から回転子1に向かって磁束が流れる第2磁路42とを有し、界磁コイル2が、回転軸7の軸方向において、隙間43の回転子1に近い方の第1端部43aから回転子1から遠い方の第2端部43bまで配置されている。このような界磁コア6が径方向よりも軸方向を長手とする構成により、界磁コア6の磁路40における磁気的な短絡(すなわち、磁束の漏れ)を低減することができる。
また、界磁コイル2が、複数のコイル巻層201~204のうちの回転軸7に最も近いコイル巻層204の回転軸7の軸方向における一端から巻線を巻き始め、複数のコイル巻層201~204のうちの回転軸7から最も遠いコイル巻層201の回転軸7の軸方向における一端で巻線を巻き終わるように構成されている。このような構成により、界磁コイル2を配置するスペースに応じた回転軸7の軸方向沿いの断面形状の界磁コイル2を容易に得ることができる。
なお、界磁コイル2は、図8および図9に示すように、回転軸7の軸方向沿いにおける断面形状がL字状に限らず、界磁コイル2を配置するスペースに応じて、階段状にすることもできる。図8および図9の界磁コイル2は、径方向に積層された6つのコイル巻層201~206を有している。このように、各コイル巻層201~206は、回転電機10の設計などに応じて、回転軸7の軸方向における寸法を変更することができるので界磁コイル2を配置するスペースの利用効率を高めて、設計自由度を大きくすることができる。なお、図8および図9には、界磁コイル2のみを示しており、磁路40などを省略している。
また、図10~図12に示すように、第1磁路41および第2磁路42が、界磁コイル2に接触し、かつ、径方向において界磁コイル2を挟むように配置することもできる。図10に示すように、第1磁路41、第2磁路42、および、界磁コイル2の各々の軸方向における回転子1側の端部は、軸方向における位置がほぼ同じであってもよい。この場合、界磁コイル2が介在することによって、第1磁路41と第2磁路42との間での磁気ショートがより生じにくくなる。また、図11に示すように、第1磁路41の軸方向における回転子1側の端部が、第2磁路42および界磁コイル2の軸方向における回転子1側の端部よりも軸方向に短くなるように(すなわち、第1磁路41の軸方向における回転子1側の端部が、第1磁路41から第2磁路42に向かって回転子1に接近する階段状を有するように)構成してもよい。この構成では、図10の構成より磁気ショートが生じにくくなる。また、図12に示すように、第2磁路42の軸方向における回転子1側の端部が、第1磁路41および界磁コイル2の軸方向における回転子1側の端部よりも軸方向に短くなるように(すなわち、第1磁路41の軸方向における回転子1側の端部が、第2磁路42から第1磁路41に向かって回転子1に接近する階段状を有するように)構成してもよい。この構成でも、図10の構成より磁気ショートが生じにくくなる。
なお、前記様々な実施形態又は変形例のうちの任意の実施形態又は変形例を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。また、実施形態同士の組み合わせ又は実施例同士の組み合わせ又は実施形態と実施例との組み合わせが可能であると共に、異なる実施形態又は実施例の中の特徴同士の組み合わせも可能である。
本発明の前記態様にかかる回転電機は、例えば、車両、あるいは、発電装置に適用できる。
1 回転子
2 界磁コイル
201~206 コイル巻層
3 固定子
4 発進装置(回転部材の一例)
5 ケース
6 界磁コア
7 回転軸
8 エンジン
9 変速機
10 ブラシレス巻線界磁型回転電機
11 第1エアギャップ
12 第2エアギャップ
14 交流コイル
15 界磁コイル磁束
16 径方向隙間
17 周方向隙間
19 軸方向隙間
21 第1磁極
21a 第1円環部
21b 爪部
21c 第1先端係止部
22 第2磁極
22a 第2円環部
22b 凸部
22c 第2先端係止部
22d はめ込み部
23 磁極保持部材
23a 嵌合部
40 磁路
41 第1磁路
42 第2磁路
43 隙間
43a 第1端部
43a 第2端部
89 固定子のエンジン側にずらせて配置した界磁コイルの領域

Claims (3)

  1. 回転部材を内包するケースと前記回転部材との間に位置するブラシレス巻線界磁型回転電機であって、
    前記ケースに保持され、交流電流により回転磁界を発生する交流コイルを備えた固定子と、
    前記ケースに保持され、直流電流により励磁して周囲に磁路が形成される界磁コイルを備えた界磁コアと、
    前記回転部材の外周に配置され、前記固定子及び前記界磁コイルに対し回転軸周りに回転自在に保持される回転子と
    を備え、
    前記界磁コイルが、
    径方向に積層された複数のコイル巻層を有し、前記複数のコイル巻層のうち、径方向において前記回転軸に最も近いコイル巻層の前記回転軸の軸方向沿いの断面積が、径方向において前記回転軸から最も遠いコイル巻層の前記回転軸の軸方向沿いの断面積よりも小さく、軸方向において前記回転子に最も近い径方向沿いの複数のコイル巻層の断面が、軸方向において前記回転子から最も離れた径方向沿いの複数のコイル巻層の断面よりも小さくなるように構成されており、
    前記磁路が、
    前記回転軸の軸方向に延びて前記回転子から前記界磁コアに向かって磁束が流れる第1磁路と、
    前記回転軸の軸方向に延びかつ径方向において前記第1磁路と隙間を空けて配置されていると共に前記界磁コアから前記回転子に向かって磁束が流れる第2磁路と
    を有し、
    前記界磁コイルが、前記回転軸の軸方向において、前記隙間の前記回転子に近い方の第1端部から前記回転子から遠い方の第2端部まで配置されている、回転電機。
  2. 回転部材を内包するケースと前記回転部材との間に位置するブラシレス巻線界磁型回転電機であって、
    前記ケースに保持され、交流電流により回転磁界を発生する交流コイルを備えた固定子と、
    前記ケースに保持され、直流電流により励磁して周囲に磁路が形成される界磁コイルを備えた界磁コアと、
    前記回転部材の外周に配置され、前記固定子及び前記界磁コイルに対し回転軸周りに回転自在に保持される回転子と
    を備え、
    前記界磁コイルが、
    径方向に積層された複数のコイル巻層を有し、
    前記複数のコイル巻層に、第1のコイル巻層と、前記第1のコイル巻層に前記径方向において隣接しかつ前記回転軸の軸方向の寸法が前記第1のコイル巻層とは異なる第2のコイル巻層とが含まれ
    前記界磁コイルが、
    軸方向において前記回転子に対向する第1面と、軸方向において前記第1面とは反対側の第2面とを有し、
    前記第1面が前記第2面よりも小さくなるように構成されており、
    前記磁路が、
    前記回転軸の軸方向に延びて前記回転子から前記界磁コアに向かって磁束が流れる第1磁路と、
    前記回転軸の軸方向に延びかつ前記径方向において前記第1磁路と隙間を空けて配置されていると共に前記界磁コアから前記回転子に向かって磁束が流れる第2磁路と
    を有し、
    前記界磁コイルが、前記回転軸の軸方向において、前記隙間の前記回転子に近い方の第1端部から前記回転子から遠い方の第2端部まで配置されている、回転電機。
  3. 前記界磁コイルが、前記複数のコイル巻層のうちの前記回転軸に最も近いコイル巻層の前記回転軸の軸方向における一端から巻線を巻き始め、前記複数のコイル巻層のうちの前記回転軸から最も遠いコイル巻層の前記回転軸の軸方向における一端で巻線を巻き終わるように構成されている、請求項1または2の回転電機。
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