JP7232165B2 - ロータおよび可変界磁モータ - Google Patents

Description

本発明は、磁石と突極を周方向において交互に配置した、可変界磁モータ用のロータと、それを備える可変界磁モータに関する。

ロータに取り付ける磁石を半数に減らしたハーフマグネット型モータの一例として、コンシクエントポール型モータが知られており、そのロータがコンシクエントポール型ロータと呼ばれる。このコンシクエントポール型ロータでは、ロータコアと一体に形成された突極と、一方向に着磁された磁石とが周方向に交互に配置される。また、コンシクエントポール型ロータを備える可変界磁モータも知られている。可変界磁モータでは、界磁ヨークからロータに向かう磁束を、界磁コイルを用いて制御することにより、弱め界磁制御、強め界磁制御などが行える（例えば特許文献１参照）。

特開２００８－４３０９９号公報

コンシクエントポール型ロータを備える可変界磁モータでは、界磁コイルに電流を通電することによって発生する界磁電流磁束（界磁磁束とも言う）が磁石の着磁方向とは逆向きに作用する。図１６は、コンシクエントポール型ロータを備える可変界磁モータにおいて、ロータに作用する３相電流磁束および界磁電流磁束を示す図である。図１６に示すように、ロータ１１４のロータコア１１５に配置された磁石１１６は、ロータコア１１５の径方向外方（矢印ＡＲ１１の方向）に着磁されており、３相電流磁束および界磁電流磁束ＡＲ１２は、ステータ１２０のステータコア１２１から、磁石１１６の着磁方向ＡＲ１１とは逆向きにロータコア１１５へ流れ込む。

界磁電流磁束と３相電流磁束は、図１６に示すように、磁石１１６の径方向外方におけるロータコア１１５の軸方向端部に集中し、磁石１１６の軸方向端部の逆磁界ＡＲ１３を増加させる。そして、磁石１１６に作用する逆磁界がある閾値以上に増加した場合には、磁石１１６が不可逆減磁を起こし、磁石１１６の磁力が弱まってしまう。

本発明の目的は、コンシクエントポール型ロータを備える可変界磁モータにおいて、ロータの磁石の不可逆減磁を抑制することにある。

本発明に係るロータは、ロータコア、前記ロータコアの周方向に間隔をおいて配置され前記ロータコアの径方向の一方向に着磁されて磁極となる複数の磁石、および前記ロータコアに形成され前記各磁石の間に形成されて磁極となる複数の突極を含み、ステータの径方向内側に配置されて前記ステータによって径方向で対向するように取り囲まれ、前記ステータから界磁磁束を受ける、可変界磁モータ用のロータであって、前記ロータコアは、軸方向の一側と他側のそれぞれに、前記磁石のロータコア軸方向端面とモータとしてロータを組み付けた際の前記ステータのステータコアの軸方向端面よりも軸方向外方に突出するコア延長部を含み、前記コア延長部は、複数の前記磁石のそれぞれのロータコア軸方向の一側端面と他側端面のロータコア径方向外方に設けられる、ことを特徴とする。

この構成によれば、磁石の軸方向端面とステータコアの軸方向端面よりも軸方向外方に突出したコア延長部が、磁石の径方向外方（ロータコア径方向外方）に設けられるので、磁束が集中するロータコアの軸方向端部（コア延長部の軸方向端部）を、磁石から離すことができる。そのため、磁石に作用する逆磁界を減少させることができ、磁石の不可逆減磁を抑制することができる。

また、本発明において、前記コア延長部は、前記ロータコアの軸方向端部全体にわたって設けられてもよい。

また、本発明において、前記磁石のロータコア径方向外方に設けられる前記コア延長部は、磁石外方コア延長部であり、複数の前記磁石外方コア延長部のそれぞれを互いに結合するように前記ロータコアの外周端に設けられた前記コア延長部である外周コア延長部を含む、としてもよい。

この構成によれば、コア延長部の機械強度を高めることができる。

また、本発明において、前記ロータコアのシャフト孔の周縁から一定の幅で円環状に設けられた前記コア延長部である内周コア延長部と、前記外周コア延長部と前記内周コア延長部を接続する、前記複数の突極のそれぞれに設けられた前記コア延長部である接続コア延長部と、を含む、としてもよい。

この構成によれば、コア延長部の機械強度をさらに高めることができる。

また、本発明において、前記内周コア延長部と前記磁石の間には、前記コア延長部を有しない領域が設けられる、としてもよい。

この構成によれば、磁石のロータコア径方向内方のコア延長部が少ないことにより磁石側の磁気抵抗が高いままとなり、界磁電流トルクの増加を期待できる。

また、本発明において、前記ロータコアのシャフト孔の周縁から一定の幅で円環状に設けられた前記コア延長部である内周コア延長部と、前記外周コア延長部と前記内周コア延長部を接続する、前記複数の突極のそれぞれの全体にわたって設けられた前記コア延長部である突極コア延長部と、を含み、前記内周コア延長部と前記磁石の間には、前記コア延長部を有しない領域が設けられる、としてもよい。

この構成によれば、磁石のロータコア径方向内方のコア延長部が少ないことにより磁石側の磁気抵抗が高いままとなり、突極コア延長部が設けられることにより突極の磁気抵抗が減少するので、磁石極と突極の磁気抵抗差が拡大して界磁電流トルクを増加させることができる。また、コア延長部の機械強度を高めることができる。

また、本発明に係る可変界磁モータは、上述したようなロータを含む。

本発明によれば、コンシクエントポール型ロータを備える可変界磁モータにおいて、ロータの磁石の不可逆減磁を抑制することができる。

実施形態１の可変界磁モータの全体構成を示す図である。 可変界磁モータの一部の径方向断面図である。 実施形態１のロータの構成を示す斜視図である。 実施形態１のロータに作用する３相電流磁束および界磁電流磁束を示す図である。 従来技術の磁石と実施形態１の磁石に作用する逆磁界の比較結果を示す図である。 実施形態２のロータの構成を示す斜視図である。 従来技術の磁石と実施形態２の磁石に作用する逆磁界の比較結果を示す図である。 実施形態１のモータと、実施形態２のモータのトルクの比較結果を示す図である。 実施形態３のロータの構成を示す斜視図である。 従来技術の磁石と実施形態３の磁石に作用する逆磁界の比較結果を示す図である。 実施形態４のロータの構成を示す斜視図である。 従来技術の磁石と実施形態４の磁石に作用する逆磁界の比較結果を示す図である。 実施形態５のロータの構成を示す斜視図である。 従来技術の磁石と実施形態５の磁石に作用する逆磁界の比較結果を示す図である。 実施形態１、４、５の各モータのトルクの比較結果を示す図である。 従来技術のロータに作用する３相電流磁束および界磁電流磁束を示す図である。

以下、本発明に係る実施形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。全ての図面において同様の要素には同一または同様の符号を付し、重複する説明を省略する。なお、本発明は、ここに記載される実施形態に限定されるものではない。

図１は、実施形態１の可変界磁モータ１０ａの全体構成を示す図である。なお、モータケースは図示を省略している。

シャフト１２は、丸棒状の出力軸であり、シャフト１２の周囲にロータ１４ａが固定されている。ロータ１４ａは、ロータコア１５と、ロータコア１５に配置された複数の磁石１６を含む。ロータコア１５は、電磁鋼板や圧粉磁粉などの磁性体で構成され、全体として円筒状である。この例では、複数の磁石１６のそれぞれはロータコア１５の外周に近い位置に配置されている。磁石１６は、永久磁石であり、軸方向に伸びる板状で軸方向に伸びる磁石孔１８に挿入固定されている。ロータ１４ａは、コンシクエントポール型であり、磁極は、磁石１６によるものと、ロータコア１５に形成された突極によるものが、周方向に交互に位置して構成される。全ての磁石１６は、同一方向に着磁されており、この例では径方向外方に着磁されている。

ロータ１４ａの周囲には、円環状のステータ２０が所定の間隙（ギャップ）を介しロータ１４ａを取り囲むように配置されている。ステータ２０は、ステータコア２１と、ステータコイル２６（３相コイルとも言う）を含む。ステータコア２１は、外周側に位置する円環状のステータヨーク２２と、ステータヨーク２２から径方向内方に伸びる複数のティース２４を含む。図２に示すように、ティース２４は周方向に一定の間隔をおいて形成されており、隣接する２つのティース２４の間がスロットになっている。そして、このスロットを利用して、ステータコイル２６がティース２４に巻回される。図１においては、ステータコイル２６の軸方向に突出するコイルエンド部分を示してある。この例において、ステータコイル２６は、３相のコイルであり、ここに３相交流電流を流すことで回転磁界を形成する。なお、ステータコイル２６へ３相交流電流を流すことで生じる磁束を３相電流磁束と呼ぶ。

ステータヨーク２２には、界磁ヨーク３０が接続されている。界磁ヨーク３０は、ステータヨーク２２から軸方向両側に伸びる円環状の外壁部３２と、径方向内方に伸びるドーナツ板状の側壁部３４と、側壁部３４からロータ１４ａの軸方向端面に向かって伸びる円環状の内壁部３６を含む。また、内壁部３６の先端部がロータ１４ａの軸方向端面と対向している。このような界磁ヨーク３０を設けることでロータ１４ａとステータ２０の間に界磁ヨーク３０を介する磁気回路が構成される。そして、内壁部３６と側壁部３４の交差部の内側に界磁コイル３８が配置され、この界磁コイル３８に電流を流すことによって、界磁ヨーク３０が磁化され、弱め界磁、強め界磁などの制御が可能である。このように、可変界磁モータ１０ａでは、磁石１６による界磁だけでなく界磁コイル３８への界磁電流によって界磁を制御できる。なお、界磁コイル３８へ界磁電流を流すことで生じる磁束を界磁電流磁束または界磁磁束と呼ぶ。界磁ヨーク３０の内壁部３６の中心側は、シャフト１２に軸受け５０を介し回転可能に支持されている。

なお、図１では、界磁ヨーク３０をステータヨーク２２の軸方向の両側方から軸方向に伸びるように構成しているが、ステータヨーク２２の外周側からステータヨーク２２を取り囲むように構成してもよい。

図２は、可変界磁モータ１０ａの一部の径方向断面図である。磁石１６の周方向に隣接する位置には突極４０が形成される。この例では、磁石１６の着磁向きは径方向外方である。従って、磁石１６の磁極は径方向外方を向き、突極４０の磁極は径方向内方を向いている。磁石孔１８の周方向両側には、軸方向に伸びる孔４２が設けられている。孔４２と磁石孔１８の間にはブリッジ４６ａが形成されており、孔４２とロータコア１５の外周端の間にはブリッジ４６ｂが形成されている。

図３は、実施形態１のロータ１４ａの構成を示す斜視図である。この例では、ロータ１４ａに４つの磁石１６が配置されている。従って、ロータ１４ａは、磁石１６の磁極と突極４０の磁極を合わせて８極の磁極を有している。

ここで、図１に示すように、ロータ１４ａのロータコア１５は、磁石１６の軸方向端面とステータコア２１の軸方向端面よりも軸方向外方に突出したコア延長部６０を含んでいる。コア延長部６０は、ロータコア１５の他の部分（ロータコア本体と言う）と一体で形成されており、電磁鋼板や圧粉磁粉などの磁性体で構成される。但し、コア延長部６０は、ロータコア本体とは別体の磁性体をロータコア本体に取り付けたものであってもよい。図３に示すように、実施形態１のロータ１４ａは、コア延長部６０がロータコア１５の軸方向端部全体にわたって設けられる。なお、コア延長部６０のうち、磁石１６の径方向外方に設けられるコア延長部を磁石外方コア延長部６０ａと呼ぶ。

図４は、実施形態１の可変界磁モータ１０ａを動作させた時に、ロータ１４ａに作用する３相電流磁束および界磁電流磁束を示す図である。図４において、ＡＲ１は磁石１６の着磁向き、ＡＲ２は３相電流磁束及び界磁電流磁束、ＡＲ３は磁石１６の軸方向端部における逆磁界を表す。図４に示すように、実施形態１の可変界磁モータ１０ａによれば、磁石１６の軸方向端面とステータコア２１の軸方向端面よりも軸方向外方に突出したコア延長部６０が、磁石１６の径方向外方に設けられる（符号６０ａ参照）。従って、３相電流磁束及び界磁電流磁束ＡＲ２が集中するロータコア１５の軸方向端部（コア延長部６０ａの軸方向端部）を磁石１６から離すことができる。よって、磁石１６の軸方向端部に作用する逆磁界ＡＲ３を減少させることができる。図５は、シミュレーションによって計算した、従来技術（図１６に示したモータ１００）の磁石と、実施形態１の磁石に作用する逆磁界の大きさを示す図である。この図に示すように、従来技術に比べて、実施形態１の磁石に作用する逆磁界は小さくなる。実施形態１によれば、このように磁石１６に作用する逆磁界を減少させることができるため、磁石１６の不可逆減磁を抑制することができる。従って、磁石１６の不可逆減磁を起因としたモータトルクの減少を抑制することができる。

次に、実施形態２～５の可変界磁モータ１０ｂ～１０ｅについて説明する。実施形態２～５の可変界磁モータ１０ｂ～１０ｅは、コア延長部６０がロータコア１５の軸方向端部に部分的に設けられる点で、実施形態１の可変界磁モータ１０ａとは異なる。その他のモータの構成は、実施形態１の可変界磁モータ１０ａと同じであるため、適宜、説明を省略する。

図６は、実施形態２の可変界磁モータ１０ｂのロータ１４ｂの構成を示す斜視図である。実施形態２のロータ１４ｂは、コア延長部６０が磁石１６の径方向外方のみに設けられる。すなわち、磁石外方コア延長部６０ａのみが設けられる。この構成においても、磁石１６の軸方向端部に作用する逆磁界を減少させることができる。図７は、シミュレーションによって計算した、従来技術（図１６に示したモータ１００）の磁石と、実施形態２の磁石１６に作用する逆磁界の大きさを示す図である。この図に示すように、従来技術に比べて、実施形態２の磁石に作用する逆磁界は小さくなる。

また、図６に示すように、実施形態２のロータ１４ｂは、磁石１６の近くにあるブリッジ４６ａ、４６ｂの軸方向の磁性体の厚みが、実施形態１のロータ１４ａに比べて薄くなっており、ブリッジ４６ａ、４６ｂの磁気抵抗が高くなっている。この構造により、ブリッジ４６ａ、４６ｂを通って磁束が流れて磁石１６のＮ、Ｓ極の間で磁束が短絡する状態（図６の一点鎖線参照、短絡磁束の発生）を抑制することができる。よって、磁石１６からの磁束に起因するモータトルク（磁石トルクとも言う）を高めることができる。

さらに、実施形態２のロータ１４ｂは、磁石１６の径方向内方の磁性体の軸方向厚みが、実施形態１のロータ１４ａに比べて薄くなっており、磁石極の磁気抵抗が高くなっている。この構造により、界磁電流磁束に起因するモータトルク（界磁電流トルクとも言う）の増加も期待できる。なお、界磁電流トルクについては、後で詳しく説明する。図８は、シミュレーションによって計算した、実施形態１のモータ１０ａと、実施形態２のモータ１０ｂのトルクの比較結果を示す図である。図８には、実施形態１のモータ１０ａのトルクを１００％とした時の実施形態２のモータ１０ｂのトルクの割合が示されている。この図に示すように、実施形態１のモータ１０ａのトルクに比べて、実施形態２のモータ１０ｂのトルクは大きくなる。

次に、実施形態３の可変界磁モータ１０ｃについて説明する。図９は、実施形態３の可変界磁モータ１０ｃのロータ１４ｃの構成を示す斜視図である。実施形態３のロータ１４ｃは、複数の磁石外方コア延長部６０ａに加えて、複数の磁石外方コア延長部６０ａのそれぞれを互いに結合するようにロータコア１５の外周端に設けられたコア延長部である外周コア延長部６０ｂを含んでいる。この構成によれば、複数の磁石外方コア延長部６０ａがリング状に結合されることで、コア延長部の機械強度を高めることができる。また、実施形態３のモータ１０ｃにおいても、磁石１６の軸方向端部に作用する逆磁界を減少させることができる。図１０は、シミュレーションによって計算した、従来技術（図１６に示したモータ１００）の磁石と、実施形態３の磁石１６に作用する逆磁界の大きさを示す図である。

次に、実施形態４の可変界磁モータ１０ｄについて説明する。図１１は、実施形態４の可変界磁モータ１０ｄのロータ１４ｄの構成を示す斜視図である。実施形態４のロータ１４ｄは、複数の磁石外方コア延長部６０ａと外周コア延長部６０ｂに加えて、ロータコア１５のシャフト孔５２の周辺に円環状に設けられたコア延長部である内周コア延長部６０ｃと、外周コア延長部６０ｂと内周コア延長部６０ｃを接続するようにロータコア１５の突極４０に設けられたコア延長部である接続コア延長部６０ｄを含んでいる。なお、接続コア延長部６０ｄは、外周コア延長部６０ｂと内周コア延長部６０ｃを結ぶ、梁と言うこともできる。この構造によれば、実施形態３のロータ１４ｃに比べて、コア延長部の機械強度をさらに高めることができる。また、実施形態４のモータ１０ｄにおいても、磁石１６の軸方向端部に作用する逆磁界を減少させることができる。図１２は、シミュレーションによって計算した、従来技術（図１６に示したモータ１００）の磁石と、実施形態４の磁石１６に作用する逆磁界の大きさを示す図である。

次に、実施形態５の可変界磁モータ１０ｅについて説明する。図１３は、実施形態５の可変界磁モータ１０ｅのロータ１４ｅの構成を示す斜視図である。実施形態５のロータ１４ｅは、実施形態４のロータ１４ｄの接続コア延長部６０ｄを突極全体に拡大した構造である。なお、突極全体に拡大したコア延長部を、突極コア延長部６０ｅと呼ぶ。ここで、磁石１６の径方向内方には、コア延長部が設けられない。実施形態５のロータ１４ｅは、突極コア延長部６０ｅにより突極の軸方向の磁性体が厚くなっており、突極の磁気抵抗が低くなっている。また、磁石１６の径方向内方にはコア延長部が設けられないことにより磁石１６の径方向内方の磁性体が薄くなっており、磁石側（磁石極）の磁気抵抗が高くなっている。なお、ここでは、磁石１６の径方向内方にコア延長部が設けられないとしているが、磁石１６の径方向内方にコア延長部が若干あってもよく、すなわち、磁石１６のロータコア径方向外方に比べて磁石１６のロータコア径方向内方はコア延長部が少ないとすればよい。

図１３には、界磁電流磁束ＡＲ４の一部が示されている。例えば、モータトルクを高めようとする場合、図１３に示すように界磁電流磁束ＡＲ４を径方向内方へ向かって流す。この際、界磁電流磁束の流れ方向とは反対の磁極の向きである磁石側（磁石極）に向かう界磁電流磁束を抑え、界磁電流磁束の流れ方向と同じ磁極の向きである突極に向かう界磁電流磁束を多くすることで、界磁電流磁束に起因するモータトルク（界磁電流トルク）を大きくすることができる。すなわち、磁石極の磁気抵抗を高くし、突極の磁気抵抗を低くする（磁石極と突極の磁気抵抗差を大きくする）ことで、界磁電流トルクを大きくすることができる。実施形態５のロータ１４ｅは、上記したように、このような磁気抵抗差を有するため、界磁電流トルクを大きくすることができる。図１５は、シミュレーションによって計算した、実施形態１、４、５の各モータのトルクの比較結果を示す図である。図１５には、実施形態１のモータ１０ａのトルクを１００％とした時の実施形態４、５のモータ１０ｄ、１０ｅのトルクの割合が示されている。この図に示すように、実施形態１、４のモータ１０ａ、１０ｄのトルクに比べて、実施形態５のモータ１０ｅのトルクは大きくなる。

また、実施形態５のモータ１０ｅにおいても、磁石１６の軸方向端部に作用する逆磁界を減少させることができる。図１４は、シミュレーションによって計算した、従来技術（図１６に示したモータ１００）の磁石と、実施形態５の磁石１６に作用する逆磁界の大きさを示す図である。この図に示すように、従来技術に比べて、実施形態５の磁石に作用する逆磁界は小さくなる。

１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ，１００ モータ、１２ シャフト、１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅ，１１４ ロータ、１５，１１５ ロータコア、１６，１１６ 磁石、１８ 磁石孔、２０，１２０ ステータ、２１，１２１ ステータコア、２２ ステータヨーク、２４ ティース、２６ ステータコイル（３相コイル）、３０ 界磁ヨーク、３２ 外壁部、３４ 側壁部、３６ 内壁部、３８ 界磁コイル、４０ 突極、４２ 孔、４６ａ，４６ｂ ブリッジ、５０ 軸受け、５２ シャフト孔、６０ コア延長部、６０ａ 磁石外方コア延長部、６０ｂ 外周コア延長部、６０ｃ 内周コア延長部、６０ｄ 接続コア延長部、６０ｅ 突極コア延長部、ＡＲ１，ＡＲ１１ 着磁向き、ＡＲ２、ＡＲ１２ ３相電流磁束及び界磁電流磁束、ＡＲ３，ＡＲ１３ 逆磁界、ＡＲ４ 界磁電流磁束。

Claims (7)

1. ロータコア、前記ロータコアの周方向に間隔をおいて配置され前記ロータコアの径方向の一方向に着磁されて磁極となる複数の磁石、および前記ロータコアに形成され前記各磁石の間に形成されて磁極となる複数の突極を含み、ステータの径方向内側に配置されて前記ステータによって径方向で対向するように取り囲まれ、前記ステータから界磁磁束を受ける、可変界磁モータ用のロータであって、
   前記ロータコアは、軸方向の一側と他側のそれぞれに、前記磁石のロータコア軸方向端面とモータとしてロータを組み付けた際の前記ステータのステータコアの軸方向端面よりも軸方向外方に突出するコア延長部を含み、
   前記コア延長部は、複数の前記磁石のそれぞれのロータコア軸方向の一側端面と他側端面のロータコア径方向外方に設けられる、
   ロータ。
2. 請求項１に記載のロータであって、
   前記コア延長部は、前記ロータコアの軸方向端部全体にわたって設けられる、
   ロータ。
3. 請求項１に記載のロータであって、
   前記磁石のロータコア径方向外方に設けられる前記コア延長部は、磁石外方コア延長部であり、
   複数の前記磁石外方コア延長部のそれぞれを互いに結合するように前記ロータコアの外周端に設けられた前記コア延長部である外周コア延長部を含む、
   ロータ。
4. 請求項３に記載のロータであって、
   前記ロータコアのシャフト孔の周縁から一定の幅で円環状に設けられた前記コア延長部である内周コア延長部と、
   前記外周コア延長部と前記内周コア延長部を接続する、前記複数の突極のそれぞれに設けられた前記コア延長部である接続コア延長部と、を含む、
   ロータ。
5. 請求項４に記載のロータであって、
   前記内周コア延長部と前記磁石の間には、前記コア延長部を有しない領域が設けられる、
   ロータ。
6. 請求項３に記載のロータであって、
   前記ロータコアのシャフト孔の周縁から一定の幅で円環状に設けられた前記コア延長部である内周コア延長部と、
   前記外周コア延長部と前記内周コア延長部を接続する、前記複数の突極のそれぞれの全体にわたって設けられた前記コア延長部である突極コア延長部と、を含み、
   前記内周コア延長部と前記磁石の間には、前記コア延長部を有しない領域が設けられる、
   ロータ。
7. 請求項１から６のいずれか１つに記載のロータを含む可変界磁モータ。

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