WO2013128979A1 - ハイブリッド励磁式回転電機 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a hybrid excitation type rotating electric machine, and more particularly to a hybrid excitation type rotating electric machine using both a permanent magnet and an electromagnet as an excitation circuit.
- a hybrid excitation type rotating electrical machine including a permanent magnet and an electromagnet is known (for example, see Patent Document 1).
- This rotating electrical machine includes a rotor and a stator that is disposed on the radially outer side of the rotor and generates a rotating magnetic field that rotates the rotor.
- the stator has a stator core and a stator coil.
- the rotor has a shaft extending in the axial direction and first and second cores divided in the axial direction. Each of the first and second cores is arranged alternately in the circumferential direction at the radial end, and a permanent magnet excitation magnetic pole excited by a permanent magnet and a non-excitation permanent magnet non-excitation magnetic pole not excited by the permanent magnet And have.
- the permanent magnet exciting magnetic pole of the first core and the permanent magnet exciting magnetic pole of the second core have opposite polarities.
- the permanent magnet exciting magnetic pole of the first core and the non-exciting magnetic pole of the second core are arranged opposite to each other in the axial direction, and the permanent magnet non-exciting magnetic pole of the first core and the permanent magnet exciting magnetic pole of the second core are arranged. Are arranged opposite to each other in the axial direction.
- the rotating electric machine includes an exciting coil that excites a permanent magnet non-exciting magnetic pole.
- the exciting coil When the exciting coil is energized from the outside, a magnetic flux is generated that weakens or strengthens the magnetic flux generated by the permanent magnet by exciting the non-excited magnetic pole of the permanent magnet. Therefore, according to the above rotating electric machine, the rotor can be appropriately rotated by the combined magnetic flux of the magnetic flux by the permanent magnet and the magnetic flux by the electromagnet.
- the exciting coil is disposed between two stator cores that are divided with a gap in the axial direction.
- the exciting coil is disposed close to the yoke that covers the outer periphery of the stator core.
- the stator core is formed of a plurality of laminated steel plates laminated in the axial direction.
- the present invention has been made in view of the above-described points, and an object of the present invention is to provide a hybrid excitation rotating electrical machine that can reduce magnetic saturation during energization of an excitation coil without increasing the size. .
- the above object is achieved by alternately arranging the first magnetic poles that are divided in the axial direction with a gap therebetween and excited in the circumferential direction by the permanent magnets and the second magnetic poles that are not excited by the permanent magnets.
- a rotor having first and second rotor cores having polarities of one magnetic pole different from each other and one of the first magnetic pole and the other of the second magnetic poles arranged opposite to each other via the gap in the axial direction;
- a stator that generates a rotating magnetic field that rotates the rotor, and an excitation coil that is disposed in the gap to excite the second magnetic pole, and the stator includes both axial sides.
- magnetic saturation during energization of the exciting coil can be reduced without increasing the size.
- FIG. 3 is a cross-sectional view of a hybrid excitation type rotating electrical machine that is an embodiment of the present invention, taken along III-III shown in FIG.
- FIG. 4 is a cross-sectional view of a hybrid excitation type rotating electrical machine that is an embodiment of the present invention, taken along IV-IV shown in FIG. 2.
- 1 is an overall perspective view and an exploded perspective view of a stator of a hybrid excitation type rotating electrical machine that is an embodiment of the present invention. It is a figure for demonstrating the effect of the hybrid excitation type rotary electric machine which is one Example of this invention.
- FIG. 1 is a perspective view showing a structure of a hybrid excitation type rotating electrical machine 10 which is an embodiment of the present invention.
- FIG. 1 shows a hybrid excitation type rotating electrical machine 10 with a part cut.
- FIG. 2 shows a cross-sectional view of the hybrid excitation type rotating electrical machine 10 of the present embodiment cut along a plane including the axis center line.
- FIG. 3 is a cross-sectional view of the hybrid excitation type rotating electrical machine 10 of the present embodiment taken along line III-III shown in FIG.
- FIG. 4 is a cross-sectional view of the hybrid excitation type rotating electrical machine 10 of the present embodiment taken along IV-IV shown in FIG.
- FIG. 5 shows an overall perspective view and an exploded perspective view of the hybrid excitation type rotating electrical machine 10 of the present embodiment.
- the hybrid excitation type rotating electrical machine 10 includes a rotor 12 that can rotate around an axis, and a stator 14 that generates a rotating magnetic field that rotates the rotor 12.
- the rotor 12 is rotatably supported by the case 20 via bearings 16 and 18 at both axial ends.
- the stator 14 is disposed on the radially outer side of the rotor 12 and is fixed to the case 20.
- the rotor 12 and the stator 14 oppose each other via an air gap 22 having a predetermined length in the radial direction.
- the stator 14 has a stator core 24 and a stator coil 28.
- the stator core 24 is formed in a hollow cylindrical shape.
- a stator tooth 26 is formed on the inner peripheral surface of the stator core 24.
- the stator teeth 26 protrude inward in the radial direction of the stator core 24, that is, toward the axial center, and extend between the axial ends of the stator core 24.
- a plurality of stator teeth 26 (for example, 12 or 18) are provided in the circumferential direction on the inner circumferential surface of the stator core 24, and are provided at equal intervals along the circumferential direction.
- a stator coil 28 is wound around each stator tooth 26.
- a plurality of stator coils 28 (for example, 12 or 18) are provided in the circumferential direction on the inner circumferential surface of the stator core 24, and are provided at equal intervals along the circumferential direction.
- Each stator coil 28 constitutes one of a U-phase coil, a V-phase coil, and a W-phase coil when the hybrid excitation type rotating electrical machine 10 is applied to, for example, a three-phase AC motor.
- the stator core 24 is divided in the axial direction, and includes a first stator core 30, a second stator core 32, and a third stator core 34.
- the first to third stator cores 30 to 34 are aligned in the axial direction.
- the first and third stator cores 30 and 34 are disposed at both ends in the axial direction.
- the second stator core 32 is disposed at the center in the axial direction, and is sandwiched between the first stator core 30 and the third stator core 34 in the axial direction.
- the stator core 24 is divided in the axial direction into a second stator core 32 in the center in the axial direction and first and third stator cores 30 and 34 sandwiching the second stator core 32 on both sides in the axial direction.
- the first to third stator cores 30 to 34 are each formed in a hollow cylindrical shape and have substantially the same inner diameter and substantially the same outer diameter.
- Each of the first to third stator cores 30 to 34 has an annular back yoke portion 30a, 32a, 34a, and a stator that protrudes from the inner peripheral surface of the back yoke portion 30a, 32a, 34a toward the axis center. Teeth portions 30b, 32b, and 34b.
- the back yoke portions 30a, 32a, and 34a and the stator teeth portions 30b, 32b, and 34b are formed integrally with each other.
- the back yoke portions 30a, 32a, and 34a and the stator teeth portions 30b, 32b, and 34b may be provided separately.
- the stator teeth 26 are provided in the first to third stator cores 30 to 34, respectively, and correspond to the stator teeth portions 30b, 32b, and 34b.
- the stator tooth portions 30b, 32b, 34b of the first to third stator cores 30 to 34 are provided so as to be aligned in the axial direction.
- Each stator coil 28 is formed so as to penetrate the first to third stator cores 30 to 34 in the axial direction in slots between the stator teeth 26 arranged in the circumferential direction.
- Each of the first and third stator cores 30 and 34 is an electromagnetic steel sheet core formed by laminating a plurality of insulating coated electromagnetic steel sheets in the axial direction.
- the second stator core 32 is a dust core formed of a soft magnetic material such as iron, specifically, a material obtained by compression-molding a soft magnetic powder coated with an insulating coating.
- the magnetic resistance in the axial direction of the second stator core 32 is smaller than the magnetic resistance in the axial direction of the first and third stator cores 30 and 34.
- a thin cylindrical yoke 36 is provided on the radially outer side of the stator core 24.
- the yoke 36 is formed so as to cover the entire outer periphery of the first to third stator cores 30 to 34, and supports the first to third stator cores 30 to 34.
- the yoke 36 is a dust core formed of a material obtained by compression-molding an insulating-coated soft magnetic powder.
- the magnetic resistance in the axial direction of the yoke 36 is smaller than the magnetic resistance in the axial direction of the first and third stator cores 30 and 34.
- the yoke 36 and the second stator core 32 may be formed integrally with each other.
- the yoke 36 is bonded and fixed to the radially outer surfaces of the first stator core 30 and the third stator core 34.
- the first stator core 30 and the third stator core 34 are magnetically coupled to each other via the yoke 36 and the second stator core 32.
- the stator core 24 has an attachment portion 38 that protrudes outward in the radial direction for attaching and fixing the stator 14 to the case 20.
- the attachment portion 38 is formed of a plurality of electromagnetic steel plates laminated in the axial direction.
- the attachment portion 38 includes an attachment portion 38a formed integrally with the first stator core 30, an attachment portion 38b formed integrally with the third stator core 34, and an attachment portion 38c sandwiched between both attachment portions 38a, 38b. Have.
- the attachment portion 38 c is disposed on the radially outer side of the second stator core 32. Note that the attachment portion 38c may be formed integrally with the second stator core 32 instead of being formed by a plurality of electromagnetic steel plates laminated in the axial direction.
- a plurality of (for example, three) mounting portions 38 are provided in the circumferential direction.
- the attachment portion 38 is provided with a through hole 40 penetrating in the axial direction.
- the stator 14 is fixed to the case 20 by fastening a bolt 42 that passes through the through hole 40 of the attachment portion 38 to the case 20.
- the rotor 12 is disposed on the radially inner side of the stator 14.
- the rotor 12 includes a shaft 50 and a rotor core 52.
- the shaft 50 extends in the axial direction, and extends from the axial end of the stator 14 at both axial ends.
- the shaft 50 only needs to extend from the axial end of the stator 14 at least on one side in the axial direction.
- the shaft 50 is made of a material having a predetermined iron loss, specifically, carbon steel such as S45C.
- the rotor core 52 has an outer rotor core 54 that is disposed on the radially outer side of the shaft 50 and supported by the shaft 50.
- the outer rotor core 54 is formed in a hollow cylindrical shape, and is fixed to the radially outer surface of the shaft 50.
- the outer rotor core 54 is divided in the axial direction, and has a first outer rotor core 56 and a second outer rotor core 58.
- the first and second outer rotor cores 56 and 58 are each formed in a hollow cylindrical shape, and are disposed on the radially outer side of the shaft 50 and supported by the shaft 50.
- the first and second outer rotor cores 56 and 58 are each formed of a plurality of electromagnetic steel plates laminated in the axial direction.
- the first outer rotor core 56 and the second outer rotor core 58 are spaced apart from each other with an annular gap 60 in the axial direction.
- the radially outer surface of the first outer rotor core 56 faces the radially inner surface of the first stator core 30 in the radial direction. That is, the radially outer surface of the first outer rotor core 56 and the radially inner surface of the first stator core 30 are opposed to each other in the radial direction.
- the radially outer surface of the second outer rotor core 58 faces the radially inner surface of the third stator core 34 in the radial direction. That is, the radially outer surface of the second outer rotor core 58 and the radially inner surface of the third stator core 34 are opposed to each other in the radial direction.
- the gap 60 faces the radially inner side surface of the second stator core 32 and is provided on the radially inner side of the second stator core 32.
- a rotor tooth 62 is formed on the outer periphery of the first outer rotor core 56.
- the rotor teeth 62 protrude outward in the radial direction of the first outer rotor core 56.
- a plurality of (for example, six) rotor teeth 62 are provided in the circumferential direction on the outer peripheral surface of the first outer rotor core 56, and are provided at equal intervals along the circumferential direction.
- Permanent magnets 64 are attached adjacent to the rotor teeth 62 between the rotor teeth 62 adjacent to each other in the circumferential direction.
- the permanent magnet 64 is disposed on the radially outer side of the first outer rotor core 56.
- the permanent magnet 64 is, for example, a ferrite magnet.
- a plurality of permanent magnets 64 (for example, six) are provided in the circumferential direction, and are provided at regular intervals along the circumferential direction.
- Each permanent magnet 64 has a predetermined width (angle) in the circumferential direction and a predetermined thickness in the radial direction.
- Each permanent magnet 64 is magnetized to a predetermined polarity (for example, the radially outer side is an N pole and the radially inner side is an S pole).
- the radially outer end surface of the permanent magnet 64 and the radially outer end surface of the rotor teeth 62 are formed at substantially the same distance from the axis center.
- the first outer rotor core 56 has a permanent magnet excitation magnetic pole excited by the permanent magnet 64 and a non-excited permanent magnet non-excitation magnetic pole that is not excited by the permanent magnet 64. This permanent magnet non-excitation magnetic pole is formed in the rotor teeth 62. These permanent magnet excitation magnetic poles and permanent magnet non-excitation magnetic poles are alternately arranged in the circumferential direction.
- the first outer rotor core 56 has magnetic poles having different polarities at predetermined angles, and has a predetermined number (for example, 12) of poles in the circumferential direction by permanent magnet excitation magnetic poles and permanent magnet non-excitation magnetic poles. .
- a rotor tooth 66 is formed on the outer peripheral portion of the second outer rotor core 58.
- the rotor teeth 66 protrude outward in the radial direction of the second outer rotor core 58.
- a plurality of (for example, six) rotor teeth 66 are provided in the circumferential direction on the outer peripheral surface of the second outer rotor core 58, and are provided at regular intervals along the circumferential direction.
- Permanent magnets 68 are attached adjacent to the rotor teeth 66 between the rotor teeth 66 adjacent to each other in the circumferential direction.
- the permanent magnet 68 is disposed on the radially outer side of the second outer rotor core 58.
- the permanent magnet 68 is, for example, a ferrite magnet.
- a plurality (for example, six) of permanent magnets 68 are provided in the circumferential direction, and are provided at regular intervals along the circumferential direction.
- Each permanent magnet 68 has a predetermined width (angle) in the circumferential direction and a predetermined thickness in the radial direction.
- Each permanent magnet 68 is magnetized to a predetermined polarity (for example, the radially outer side is the S pole and the radially inner side is the N pole) different from the polarity of the permanent magnet 64. That is, the permanent magnet 68 and the permanent magnet 64 have opposite polarities.
- the radially outer end surface of the permanent magnet 68 and the radially outer end surface of the rotor teeth 66 are formed at positions that are substantially the same distance from the axis center.
- the second outer rotor core 58 has a permanent magnet excitation magnetic pole excited by the permanent magnet 68 and a non-excitation permanent magnet non-excitation magnetic pole that is not excited by the permanent magnet 68. This permanent magnet non-excitation magnetic pole is formed in the rotor tooth 66. These permanent magnet excitation magnetic poles and permanent magnet non-excitation magnetic poles are alternately arranged in the circumferential direction.
- the second outer rotor core 58 has magnetic poles having different polarities at predetermined angles, and a predetermined number (for example, 12) equal to the number of poles of the first outer rotor core 56 in the circumferential direction by the permanent magnet excitation magnetic pole and the permanent magnet non-excitation magnetic pole. Number of poles).
- the permanent magnet exciting magnetic pole of the first outer rotor core 56 and the permanent magnet non-exciting magnetic pole of the second outer rotor core 58 are arranged to face each other via the gap 60 in the axial direction. That is, the permanent magnets 64 of the first outer rotor core 56 and the rotor teeth 66 of the second outer rotor core 58 are arranged to face each other via the gap 60 in the axial direction. Further, the permanent magnet non-excitation magnetic pole of the first outer rotor core 56 and the permanent magnet excitation magnetic pole of the second outer rotor core 58 are arranged to face each other via the gap 60 in the axial direction. That is, the rotor teeth 62 of the first outer rotor core 56 and the permanent magnets 68 of the second outer rotor core 58 are arranged to face each other via the gap 60 in the axial direction.
- an exciting coil 70 for exciting the permanent magnet non-exciting magnetic poles of the rotor teeth 62 and 66 is disposed. .
- the exciting coil 70 fills the substantially entire area of the gap 60.
- the exciting coil 70 is formed in an annular shape around the shaft 50 and is toroidally wound.
- the exciting coil 70 is disposed on the radially outer side of the shaft 50, is disposed on the radially inner side of the second stator core 32, and faces the second stator core 32 in the radial direction.
- the exciting coil 70 is attached and fixed to the stator 14 or the stator core 24. A direct current is supplied to the exciting coil 70.
- the fixing of the exciting coil 70 to the stator 14 may be realized by direct bonding to each other.
- a plurality of U-shaped holding members (clips) 71 for holding the annular excitation coil 70 from the radially inner side are provided in the circumferential direction, and the first stator core 30 and the third stator core 34 of the stator core 24 face each other in the axial direction.
- a plurality of holes 73 are formed in the circumferential direction of the end surface or the radially inner side surface of the second stator core 32. Then, the exciting coil 70 may be fixed to the stator 14 by hooking the both side claw portions of the holding member 71 through the hole 73.
- FIG. 5 shows a state in which the exciting coil 70 is fixed to the stator 14 by a plurality of holding members 71 provided in the circumferential direction.
- the shaft 50 is formed in a hollow shape.
- the shaft 50 includes a large diameter cylindrical portion 72 having a relatively large diameter and small diameter cylindrical portions 74 and 76 having a relatively small diameter.
- the small diameter cylindrical portions 74 and 76 are provided at both axial ends.
- the shaft 50 is supported by the case 20 via the bearings 16 and 18 in the small diameter cylindrical portions 74 and 76.
- the large-diameter cylindrical portion 72 is provided at the center in the axial direction, and is sandwiched between small-diameter cylindrical portions 74 and 76 at both ends in the axial direction.
- the first and second outer rotor cores 56 and 58 are disposed on the radially outer side of the large-diameter cylindrical portion 72 and supported by the large-diameter cylindrical portion 72, and are fixed to the radially outer surface of the large-diameter cylindrical portion 72. Has been.
- the rotor core 52 has an inner rotor core 80 that is disposed on the inner side in the radial direction of the shaft 50 and supported by the shaft 50.
- the inner rotor core 80 is disposed radially inward of the first outer rotor core 56 and the second outer rotor core 58 of the rotor core 52 and the exciting coil 70.
- a hollow space 82 is formed in the large-diameter cylindrical portion 72 of the shaft 50.
- the inner rotor core 80 is accommodated in the hollow space 82 of the large diameter cylindrical portion 72, and is bonded and fixed to the radially inner side surface of the large diameter cylindrical portion 72.
- the inner rotor core 80 is formed of a soft magnetic material, specifically, a material obtained by compression molding a soft magnetic powder coated with an insulating coating.
- the inner rotor core 80 is made of a material whose iron loss is smaller than that of the shaft 50.
- the inner rotor core 80 is divided in the circumferential direction, and includes a plurality of (for example, six) rotor core pieces 84 formed in a fan shape when viewed from the axial direction.
- the inner rotor core 80 is divided in the circumferential direction at equal intervals (equal angles), and the rotor core pieces 84 have the same shape.
- the number of divisions in the circumferential direction of the inner rotor core 80 that is, the number of rotor core pieces 84 is the number of poles of the first and second outer rotor cores 56 and 58 in the outer rotor core 54 or a divisor of the number of poles. For example, when the number of poles is “12”, the number of divisions is “2”, “3”, “4”, “6”, or “12” (in FIG. 3 and FIG. 4, the number of divisions is “6”. ”).
- the division of the inner rotor core 80 in the circumferential direction is also performed by the permanent magnets 64 and 68 alternately arranged in the circumferential direction in the axial centers of the rotor 12 and the shaft 50 and the first and second outer rotor cores 56 and 58 of the rotor 12. It is performed on a line passing through the respective circumferential centers of two or more of the rotor teeth 62 and 66 (that is, the permanent magnet excitation magnetic pole and the permanent magnet non-excitation magnetic pole).
- each plane including the dividing surface in the circumferential direction of the inner rotor core 80 passes through the axial center of the rotor 12 and the shaft 50, and any of the permanent magnets 64 and 68 and the rotor teeth 62 and 66 (that is, permanent magnet excitation). Pass through the center in the circumferential direction of the magnetic pole and the non-exciting magnetic pole).
- the inner rotor core 80 has cutout holes 86 and 88 that are vacant in the axial direction at the axial ends.
- the notches 86 and 88 are provided at both ends in the axial direction.
- the cutout holes 86 and 88 are formed in a tapered shape or a stepped shape so that the diameter decreases from the axial end surface to the axial center.
- the diameters of the axial end portions (the shallowest portion) of the cutout holes 86 and 88 substantially coincide with the inner diameter of the large-diameter cylindrical portion 72 of the shaft 50, and the axial center portions (the deepest portion) of the cutout holes 86 and 88.
- the diameter is a predetermined diameter.
- the inner rotor core 80 has a predetermined thickness in the radial direction at the central portion in the axial direction, and has a thickness smaller than the thickness at the central portion in the axial direction at both ends in the axial direction.
- the radial thickness of the large-diameter cylindrical portion 72 of the shaft 50 is set to a thickness that maintains the strength necessary for transmitting the motor torque, and the radial thickness at the axial central portion of the inner rotor core 80 is Since the magnetic flux generated by the exciting coil 70 is set to a predetermined thickness that does not saturate, the radial thickness at the axially central portion of the inner rotor core 80 is greater than the radial thickness of the large-diameter cylindrical portion 72 of the shaft 50. Is also big.
- the notch hole 86 and the notch hole 88 communicate with each other on the axial center side, and are connected through through holes 89 penetrating in the axial direction between the deepest portions. That is, the inner rotor core 80 is formed in a hollow shape so that the through hole 89 is formed.
- the cutout holes 86 and 88 and the through hole 89 of the inner rotor core 80 are all provided on the axial center line of the shaft 50.
- the through hole 89 of the inner rotor core 80 has substantially the same diameter as the diameter of the deepest part of the cutout holes 86 and 88.
- the rotor 12 is divided into two in the axial direction.
- the shaft 50 is divided into two in the axial direction, and includes two cup-shaped members 90 and 92 that are fitted to each other.
- the axial division position of the shaft 50 is substantially the center in the axial direction.
- the cup-shaped member 90 has a small-diameter cylindrical portion 74 and a part of the large-diameter cylindrical portion 72 (specifically, a half on the side connected to the small-diameter cylindrical portion 74).
- the cup-shaped member 92 has a small-diameter cylindrical portion 76 and a part of the large-diameter cylindrical portion 72 (specifically, a half on the side connected to the small-diameter cylindrical portion 76).
- the shaft 50 is formed by fitting the cup-shaped member 90 and the cup-shaped member 92 with each other.
- the cup-shaped member 90 supports the first outer rotor core 56
- the cup-shaped member 92 supports the second outer rotor core 58.
- the first outer rotor core 56 is fixed to the radially outer surface of the cup-shaped member 90
- the second outer rotor core 58 is fixed to the radially outer surface of the cup-shaped member 92, respectively.
- the cup-shaped members 90 and 92 are respectively formed with bolt holes 94 and 96 that are open in the axial direction on the center of the shaft.
- the bolt holes 94 and 96 have substantially the same diameter as the diameter of the through hole 89 of the inner rotor core 80.
- Bolts 98 are inserted into the bolt holes 94 and 96 of the cup-shaped members 90 and 92 and the through holes 89 of the inner rotor core 80.
- the cup-shaped member 90 and the cup-shaped member 92 are fastened by a bolt 98 while being fitted to each other.
- the inner rotor core 80 may be divided into two in the axial direction.
- the axially divided position of the inner rotor core 80 may correspond to the axially divided position of the shaft 50, or may be substantially the center in the axial direction.
- one of the divided inner rotor cores 80 is bonded and fixed to the radially inner side surface of the cup-shaped member 90 of the shaft 50, and the other divided one of the inner rotor core 80 is fixed to the radially inner side surface of the cup-shaped member 92. What should be done.
- the magnetic flux generated by the electromagnet using the exciting coil 70 is the permanent magnet non-excited magnetic pole of the first or second outer rotor core 56, 58 ⁇ the inner rotor core 80 ⁇ the permanent magnet non-excited magnetic pole of the second or first outer rotor core 58, 56 ⁇
- the air gap 22 ⁇ the stator core 24 ⁇ the air gap 22 ⁇ the first or second outer rotor cores 56 and 58 circulate along a path composed of permanent magnet non-excited magnetic poles.
- the permanent magnet non-excitation magnetic poles of the first and second outer rotor cores 56 and 58 are excited.
- the magnetic flux generated by the electromagnet weakens or strengthens the magnetic flux generated by the permanent magnets 64 and 68.
- the amount of magnetic flux generated by the electromagnet is adjusted according to the magnitude of the direct current flowing through the exciting coil 70.
- the torque for rotating the rotor 12 around the stator 14 can be adjusted by the combined magnetic flux of the magnetic flux generated by the permanent magnets 64 and 68 and the magnetic flux generated by the electromagnet using the exciting coil 70. 12 can be rotated appropriately.
- FIG. 6 is a diagram for explaining the effect of the hybrid excitation type rotating electrical machine 10 of the present embodiment.
- 6A shows a magnetic path in this embodiment
- FIG. 6B shows a magnetic path in comparison with the present embodiment. .
- the excitation coil 70 is disposed in a gap 60 that is open in the axial direction between the first outer rotor core 56 and the second outer rotor core 58 of the rotor 12. Specifically, the exciting coil 70 is arranged at a position that overlaps the first outer rotor core 56 and the second outer rotor core 58 in the radial position but does not overlap with the first outer rotor core 56 and the second outer rotor core 58 in the axial position. Has been.
- the exciting coil 70 has both axial positions at both axial ends in the gap 60 between the first outer rotor core 56 and the second outer rotor core 58, and the radial position of the radially inner end is the first outer side.
- the rotor core 56 and the second outer rotor core 58 are arranged so as to be closer to the axial center than the radial positions of the radially outer ends of the rotor core 56 and the second outer rotor core 58.
- the axial position of the axial end on the second outer rotor core 58 side at the radially outer end of the first outer rotor core 56 is relative to the axial position of the axial end on the first outer rotor core 56 side of the exciting coil 70.
- the second rotor core 58 is opposite to the second outer rotor core 58 in the axial direction.
- the axial position of the axial end of the second outer rotor core 58 on the first outer rotor core 56 side in the radial outer end is the axial position of the axial end of the exciting coil 70 on the second outer rotor core 58 side.
- the axial direction is opposite to the first outer rotor core 56 side.
- the exciting coil 70 is fixed to the stator 14.
- the first stator core 30 and the third stator core 34 provided on both axial sides of the stator 14 face the first outer rotor core 56 and the second outer rotor core 58 via the air gap 22 in the radial direction.
- the second stator core 32 provided at the center in the axial direction of the stator 14 faces the exciting coil 70 in the radial direction.
- the exciting coil 70 protrudes from the main body of the stator core 24 of the stator 14 toward the radially inner side (that is, the shaft center), and is formed between the first outer rotor core 56 and the second outer rotor core 58 that are radially outer of the shaft 50. It is provided so as to be inserted into the gap 60.
- the second stator core 32 that constitutes the stator core 24 is formed on the radially outer side of the exciting coil 70. It is possible to divide the space for placement.
- the second stator core 32 that can serve as a magnetic path for the magnetic flux is arranged in a space radially outside the exciting coil 70 (see FIG. 6A).
- the outer side of the exciting coil 70 in the radial direction is compared with the comparison structure shown in FIG. 6B in which the second stator core 32 is not disposed in the outer space of the exciting coil 70 in the radial direction. Since the radial width of the stator core 24 that can be a magnetic path can be increased, the concentration of magnetic flux flowing in the axial direction in the stator core 24 on the radially outer side of the exciting coil 70 can be suppressed, and A magnetic path can be effectively formed when a rotating magnetic field is generated by energization or when a magnetic flux is generated by energizing the exciting coil 70.
- the second stator core 32 disposed on the radially outer side of the exciting coil 70 is a dust core formed on a compressed soft magnetic material, and the second stator core 32 is pivoted.
- the first and third stator cores 30 and 34 sandwiched in the direction are electromagnetic steel plate cores formed by a plurality of electromagnetic steel plates laminated in the axial direction, so that the magnetoresistance in the axial direction of the second stator core 32 is the first and first. It is smaller than the magnetic resistance in the axial direction of the three stator cores 30 and 34.
- the magnetic flux flowing through the stator core 24 on the radially outer side of the exciting coil 70 can easily flow in the axial direction, and the magnetic saturation on the radially outer side of the exciting coil 70 can be reduced when the exciting coil 70 is energized.
- the radial thickness of the second stator core 32 and thus the stator core 24 is set to obtain a desired magnetic saturation characteristic. It is possible to enlarge it.
- the second stator core 32 is a dust core having a relatively small magnetic resistance, it is not necessary to increase its radial thickness in order to obtain desired magnetic saturation characteristics. It is. Therefore, according to the hybrid excitation type rotating electrical machine 10 of the present embodiment, it is possible to alleviate the magnetic saturation when the excitation coil 70 is energized without increasing the overall size.
- the present embodiment it is possible to efficiently generate torque for rotating the rotor 12, and to increase torque when rotating the rotor 12, thereby generating large torque. Therefore, the enlargement of the device itself can be suppressed. In this regard, even if ferrite magnets having a relatively small magnetic force are used as the permanent magnets 64 and 68, a desired torque performance can be exhibited. It is possible to eliminate the use of neodymium magnets.
- first and second outer rotor cores 56 and 58 are replaced with the “first rotor core” and the “second rotor core” described in the claims, and the first and third stator cores 30 and 34 are provided.
- the stator teeth portion 32b corresponds to the “stator teeth portion” recited in the claims.
- the first to third stator cores 30 to 34 of the stator core 24 have substantially the same inner diameter, and the exciting coil 70 is arranged on the radially inner side of the second stator core 32 in the axial center. Therefore, the entire stator core 24 exists on the radially outer side opposite to the axial center with respect to the radial position of the exciting coil 70, and the first to third stator cores 30 to 34 of the stator core 24 are located on the radially inner side of the exciting coil 70. However, a part of the first and third stator cores 30 and 34 may be present inside the exciting coil 70 in the radial direction.
- the second stator core 32 is formed from both the annular back yoke portion 32a and the stator teeth portion 32b protruding from the inner peripheral surface of the back yoke portion 32a toward the axial center.
- the present invention is not limited to this, and only from the annular back yoke portion 32a or only from the stator teeth portion 32b in which a plurality of pieces constituting the stator teeth 26 are arranged in the circumferential direction. It may be.
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Abstract
本発明のハイブリッド励磁式回転電機は、軸方向に隙間を空けて分割され、それぞれ周方向に永久磁石で励磁された第1磁極と永久磁石で励磁されていない第2磁極とが交互に配置され、それぞれの第1磁極の極性が互いに異なり、かつ一方の第1磁極と他方の第2磁極とが軸方向で隙間を介して互いに対向配置された第1及び第2ロータコアを有するロータと、ロータの径方向外側に配置された、ロータを回転させる回転磁界を発生させるステータと、隙間に配置された、第2磁極を励磁する励磁コイルと、を備え、そのステータは、軸方向両側それぞれに設けられた第1ステータコアと、軸方向中央に設けられた、軸方向の磁気抵抗が第1ステータコアの軸方向の磁気抵抗に比べて小さい第2ステータコアと、を有する。
Description
本発明は、ハイブリッド励磁式回転電機に係り、特に、励磁回路として永久磁石と電磁石との双方を用いたハイブリッド励磁式回転電機に関する。
従来、永久磁石と電磁石とを備えるハイブリッド励磁式回転電機が知られている(例えば、特許文献1参照)。この回転電機は、ロータと、ロータの径方向外側に配置され、ロータを回転させる回転磁界を発生させるステータと、を備えている。ステータは、ステータコアと、ステータコイルと、を有している。また、ロータは、軸方向に延びるシャフトと、軸方向に分割された第1及び第2コアと、を有している。第1及び第2コアはそれぞれ、径方向端部に周方向に交互に配置された、永久磁石で励磁された永久磁石励磁磁極と、永久磁石で励磁されていない非励磁の永久磁石非励磁磁極と、を有している。第1コアの永久磁石励磁磁極と第2コアの永久磁石励磁磁極とは、互いに反転した極性からなる。第1コアの永久磁石励磁磁極と第2コアの永久磁石非励磁磁極とは、軸方向で互いに対向配置されていると共に、第1コアの永久磁石非励磁磁極と第2コアの永久磁石励磁磁極とは、軸方向で互いに対向配置されている。
永久磁石による磁束量は略一定である。また、上記の回転電機は、永久磁石非励磁磁極を励磁する励磁コイルを備えている。励磁コイルが外部から通電されると、永久磁石非励磁磁極を励磁して永久磁石による磁束を弱め或いは強める磁束が発生する。従って、上記の回転電機によれば、永久磁石による磁束と電磁石による磁束との合成磁束によりロータを適切に回転させることが可能である。
しかし、上記特許文献1記載の回転電機において、励磁コイルは、軸方向に隙間を空けて分割された2つのステータコアの間に配置されている。励磁コイルは、ステータコアの外周を覆うヨークに近接して配置されている。ステータコアは、軸方向に積層する複数の積層鋼板により形成されている。このため、かかる回転電機の構造では、ステータ側において励磁コイルの径方向外側での磁路が狭くかつその磁気抵抗が比較的大きいので、励磁コイルの通電時にその径方向外側で磁束が集中して磁気飽和が発生し、回転トルクの低下が招来してしまう。一方、上記の磁気飽和を緩和するうえでは、ステータコアの、励磁コイルの径方向外側の径方向厚さを大きくことが考えられるが、かかる構造では、ステータコア全体の径方向厚さが大きくなるので、回転電機自体のサイズが大型化してしまう。
本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、サイズを大型化することなく励磁コイル通電時の磁気飽和を緩和させることが可能なハイブリッド励磁式回転電機を提供することを目的とする。
上記の目的は、軸方向に隙間を空けて分割され、それぞれ周方向に永久磁石で励磁された第1磁極と永久磁石で励磁されていない第2磁極とが交互に配置され、それぞれの前記第1磁極の極性が互いに異なり、かつ一方の前記第1磁極と他方の前記第2磁極とが軸方向で前記隙間を介して互いに対向配置された第1及び第2ロータコアを有するロータと、前記ロータの径方向外側に配置された、前記ロータを回転させる回転磁界を発生させるステータと、前記隙間に配置された、前記第2磁極を励磁する励磁コイルと、を備え、前記ステータは、軸方向両側それぞれに設けられた第1ステータコアと、軸方向中央に設けられた、軸方向の磁気抵抗が前記第1ステータコアの軸方向の磁気抵抗に比べて小さい第2ステータコアと、を有するハイブリッド励磁式回転電機により達成される。
本発明によれば、サイズを大型化することなく励磁コイル通電時の磁気飽和を緩和させることができる。
以下、図面を用いて、本発明に係るハイブリッド励磁式回転電機の具体的な実施の形態について説明する。
図1は、本発明の一実施例であるハイブリッド励磁式回転電機10の構造を示す斜視図を示す。尚、図1には、一部がカットされたハイブリッド励磁式回転電機10が示されている。図2は、本実施例のハイブリッド励磁式回転電機10を軸中心線を含む平面で切断した際の断面図を示す。図3は、本実施例のハイブリッド励磁式回転電機10を、図2に示すIII-IIIで切断した際の断面図を示す。図4は、本実施例のハイブリッド励磁式回転電機10を、図2に示すIV-IVで切断した際の断面図を示す。また、図5は、本実施例のハイブリッド励磁式回転電機10の全体斜視図及び分解斜視図を示す。
本実施例において、ハイブリッド励磁式回転電機10は、軸回りに回転可能なロータ12と、ロータ12を回転させる回転磁界を発生させるステータ14と、を備えている。ロータ12は、軸方向両端において軸受16,18を介してケース20に回転可能に支持されている。ステータ14は、ロータ12の径方向外側に配置されており、ケース20に固定されている。ロータ12とステータ14とは、互いに径方向に所定長のエアギャップ22を介して対向している。
ステータ14は、ステータコア24と、ステータコイル28と、を有している。ステータコア24は、中空円筒状に形成されている。ステータコア24には、内周面にステータティース26が形成されている。ステータティース26は、ステータコア24の径方向内方すなわち軸中心に向けて突出していると共に、ステータコア24の軸方向端部間で延在している。ステータティース26は、ステータコア24の内周面において周方向に複数(例えば、12個や18個)設けられており、周方向に沿って等間隔で設けられている。
各ステータティース26にはそれぞれ、ステータコイル28が巻き付けられている。ステータコイル28は、ステータコア24の内周面において周方向に複数(例えば、12個や18個)設けられており、周方向に沿って等間隔で設けられている。各ステータコイル28は、ハイブリッド励磁式回転電機10が例えば三相交流モータに適用される場合は、U相コイル、V相コイル、及びW相コイルの何れかを構成する。
ステータコア24は、軸方向に分割されており、第1ステータコア30と、第2ステータコア32と、第3ステータコア34と、を有している。第1~第3ステータコア30~34は、互いに軸方向に並んでいる。第1及び第3ステータコア30,34は、軸方向両端に配置されている。第2ステータコア32は、軸方向中央に配置されており、軸方向で第1ステータコア30と第3ステータコア34とに挟まれている。ステータコア24は、軸方向中央の第2ステータコア32と、その第2ステータコア32を軸方向両側で挟む第1及び第3ステータコア30,34と、に軸方向で分割される。
第1~第3ステータコア30~34は、それぞれ中空円筒状に形成されており、互いに略同じ内径及び互いに略同じ外径を有している。第1~第3ステータコア30~34はそれぞれ、円環状に形成されたバックヨーク部30a,32a,34aと、そのバックヨーク部30a,32a,34aの内周面から軸中心に向けて突出するステータティース部30b,32b,34bと、からなる。各第1~第3ステータコア30~34において、バックヨーク部30a,32a,34aとステータティース部30b,32b,34bとは互いに一体に形成されている。尚、各第1~第3ステータコア30~34において、バックヨーク部30a,32a,34aとステータティース部30b,32b,34bとは、それぞれ別体で設けられることとしてもよい。
ステータティース26は、第1~第3ステータコア30~34それぞれに設けられており、ステータティース部30b,32b,34bに対応する。第1~第3ステータコア30~34のステータティース部30b,32b,34bは、互いに軸方向に並ぶように設けられている。また、各ステータコイル28は、周方向に並んだステータティース26間のスロットにおいて第1~第3ステータコア30~34を軸方向に貫くように形成されている。
第1及び第3ステータコア30,34はそれぞれ、絶縁コーティングされた複数の電磁鋼板を軸方向に積層して形成された電磁鋼板コアである。また、第2ステータコア32は、鉄などの軟磁性材料、具体的には絶縁コーティングされた軟磁性体粉末を圧縮成型した材料で形成された圧粉コアである。第2ステータコア32の軸方向における磁気抵抗は、第1及び第3ステータコア30,34の軸方向における磁気抵抗に比べて小さい。
ステータコア24の径方向外側には、薄肉円筒状のヨーク36が設けられている。ヨーク36は、第1~第3ステータコア30~34の外周全周を覆うように形成されており、第1~第3ステータコア30~34を支持している。ヨーク36は、第2ステータコア32と同様に、絶縁コーティングされた軟磁性体粉末を圧縮成型した材料で形成された圧粉コアである。ヨーク36の軸方向における磁気抵抗は、第1及び第3ステータコア30,34の軸方向における磁気抵抗よりも小さい。尚、ヨーク36と第2ステータコア32とは、互いに一体に形成されていてもよい。ヨーク36は、第1ステータコア30及び第3ステータコア34の径方向外側面に接着固定される。第1ステータコア30と第3ステータコア34とは、ヨーク36及び第2ステータコア32を介して互いに磁気的に結合される。
また、ステータコア24は、ステータ14をケース20に取り付け固定するための径方向外側に突出する取付部38を有している。取付部38は、軸方向に積層する複数の電磁鋼板により形成されている。取付部38は、第1ステータコア30と一体に形成された取付部38aと、第3ステータコア34と一体に形成された取付部38bと、両取付部38a,38bで挟まれる取付部38cと、を有している。取付部38cは、第2ステータコア32の径方向外側に配置されている。尚、取付部38cは、軸方向に積層する複数の電磁鋼板により形成されることに代えて、第2ステータコア32と一体に形成されることとしてもよい。取付部38は、周方向に複数(例えば3個)設けられている。取付部38には、軸方向に貫通する貫通穴40が設けられている。ステータ14は、取付部38の貫通穴40を貫通するボルト42がケース20に締結されることによりケース20に固定される。
ロータ12は、ステータ14の径方向内側に配置されている。ロータ12は、シャフト50と、ロータコア52と、を有している。シャフト50は、軸方向に延びており、軸方向両端側でステータ14の軸方向端部から延出している。尚、シャフト50は、少なくとも軸方向一方側でステータ14の軸方向端部から延出していればよい。シャフト50は、所定の鉄損を有する材料、具体的にはS45Cなどの炭素鋼で形成されている。ロータコア52は、シャフト50の径方向外側に配置されてそのシャフト50に支持される外側ロータコア54を有している。外側ロータコア54は、中空円筒状に形成されており、シャフト50の径方向外側面に固定されている。
外側ロータコア54は、軸方向に分割されており、第1外側ロータコア56と、第2外側ロータコア58と、を有している。第1及び第2外側ロータコア56,58はそれぞれ、中空円筒状に形成されており、シャフト50の径方向外側に配置されてシャフト50に支持されている。第1及び第2外側ロータコア56,58はそれぞれ、軸方向に積層する複数の電磁鋼板により形成されている。第1外側ロータコア56と第2外側ロータコア58とは、互いに軸方向に環状の隙間60を空けて離間している。
第1外側ロータコア56の径方向外側面は、第1ステータコア30の径方向内側面と径方向で対向している。すなわち、第1外側ロータコア56の径方向外側面と第1ステータコア30の径方向内側面とは互いに径方向で対向している。また、第2外側ロータコア58の径方向外側面は、第3ステータコア34の径方向内側面と径方向で対向している。すなわち、第2外側ロータコア58の径方向外側面と第3ステータコア34の径方向内側面とは互いに径方向で対向している。隙間60は、第2ステータコア32の径方向内側面に面しており、第2ステータコア32の径方向内側に設けられている。
第1外側ロータコア56の外周部には、ロータティース62が形成されている。ロータティース62は、第1外側ロータコア56の径方向外方に向けて突出している。ロータティース62は、第1外側ロータコア56の外周面において周方向に複数(例えば、6個)設けられており、周方向に沿って等間隔で設けられている。
周方向において互いに隣接するロータティース62の間にはそれぞれ、永久磁石64がロータティース62と隣り合うように取り付けられている。永久磁石64は、第1外側ロータコア56の径方向外側に配置されている。永久磁石64は、例えばフェライト磁石である。永久磁石64は、周方向に複数(例えば、6個)設けられており、周方向に沿って等間隔で設けられている。各永久磁石64は、周方向に所定の幅(角度)を有し、かつ、径方向に所定の厚さを有している。各永久磁石64は、所定の極性(例えば、径方向外側をN極としかつ径方向内側をS極とする。)に着磁されている。
永久磁石64の径方向外側端面とロータティース62の径方向外側端面とは、軸中心から略同じ距離に形成されている。第1外側ロータコア56は、永久磁石64で励磁された永久磁石励磁磁極と、永久磁石64で励磁されていない非励磁の永久磁石非励磁磁極と、を有している。この永久磁石非励磁磁極は、ロータティース62に形成される。これらの永久磁石励磁磁極と永久磁石非励磁磁極とは、周方向に交互に配置されている。第1外側ロータコア56は、所定角度ごとに極性の異なる磁極を有しており、永久磁石励磁磁極及び永久磁石非励磁磁極により周方向に所定数(例えば12個)の極数を有している。
また、第2外側ロータコア58の外周部には、ロータティース66が形成されている。ロータティース66は、第2外側ロータコア58の径方向外方に向けて突出している。ロータティース66は、第2外側ロータコア58の外周面において周方向に複数(例えば、6個)設けられており、周方向に沿って等間隔で設けられている。
周方向において互いに隣接するロータティース66の間にはそれぞれ、永久磁石68がロータティース66と隣り合うように取り付けられている。永久磁石68は、第2外側ロータコア58の径方向外側に配置されている。永久磁石68は、例えばフェライト磁石である。永久磁石68は、周方向に複数(例えば、6個)設けられており、周方向に沿って等間隔で設けられている。各永久磁石68は、周方向に所定の幅(角度)を有し、かつ、径方向に所定の厚さを有している。各永久磁石68は、上記の永久磁石64の極性とは異なる所定の極性(例えば、径方向外側をS極としかつ径方向内側をN極とする。)に着磁されている。すなわち、永久磁石68と永久磁石64とは、互いに反転した極性を有している。
永久磁石68の径方向外側端面とロータティース66の径方向外側端面とは、軸中心から互いに略同じ距離になる位置に形成されている。第2外側ロータコア58は、永久磁石68で励磁された永久磁石励磁磁極と、永久磁石68で励磁されていない非励磁の永久磁石非励磁磁極と、を有している。この永久磁石非励磁磁極は、ロータティース66に形成される。これらの永久磁石励磁磁極と永久磁石非励磁磁極とは、周方向に交互に配置されている。第2外側ロータコア58は、所定角度ごとに極性の異なる磁極を有しており、永久磁石励磁磁極及び永久磁石非励磁磁極により周方向に第1外側ロータコア56の極数と同じ所定数(例えば12個)の極数を有している。
第1外側ロータコア56の永久磁石励磁磁極と、第2外側ロータコア58の永久磁石非励磁磁極とは、軸方向で上記の隙間60を介して互いに対向配置されている。すなわち、第1外側ロータコア56の永久磁石64と第2外側ロータコア58のロータティース66とは、軸方向で上記の隙間60を介して互いに対向配置されている。また、第1外側ロータコア56の永久磁石非励磁磁極と、第2外側ロータコア58の永久磁石励磁磁極とは、軸方向で上記の隙間60を介して互いに対向配置されている。すなわち、第1外側ロータコア56のロータティース62と第2外側ロータコア58の永久磁石68とは、軸方向で上記の隙間60を介して互いに対向配置されている。
上記の隙間60には、すなわち、第1外側ロータコア56と第2外側ロータコア58との軸方向間には、ロータティース62,66の永久磁石非励磁磁極を励磁する励磁コイル70が配置されている。励磁コイル70は、隙間60の略全域を埋めている。励磁コイル70は、シャフト50の回りに環状に形成されており、トロイダル巻きされている。励磁コイル70は、シャフト50の径方向外側に配置されていると共に、第2ステータコア32の径方向内側に配置されており、第2ステータコア32と径方向で対向している。励磁コイル70は、ステータ14或いはステータコア24に取り付け固定されている。励磁コイル70には、直流電流が供給される。励磁コイル70に直流電流が供給されると、その励磁コイル70の径方向内側(軸中心側)を軸方向に貫く磁束が発生する。この磁束量は、励磁コイル70に供給される直流電流に応じた大きさである。
尚、励磁コイル70のステータ14への固定は、互いの直接接着により実現されてもよい。また、環状の励磁コイル70を径方向内側から保持するU字状の保持部材(クリップ)71を周方向に複数設けると共に、ステータコア24の第1ステータコア30及び第3ステータコア34の互いに面する軸方向端面又は第2ステータコア32の径方向内側面の周方向に複数の穴73を空ける。そして、その保持部材71の両側つめ部をその穴73を通して引っ掛けることにより、励磁コイル70のステータ14への固定を実現することとしてもよい。尚、図5には、周方向に複数設けられた保持部材71により励磁コイル70がステータ14に固定された状態が示されている。
シャフト50は、中空形状に形成されている。シャフト50は、径が比較的大きな大径円筒部72と、径が比較的小さな小径円筒部74,76と、を有している。小径円筒部74,76は、軸方向両端に設けられている。シャフト50は、小径円筒部74,76において軸受16,18を介してケース20に支持される。大径円筒部72は、軸方向中央に設けられており、軸方向両端の小径円筒部74,76に挟まれている。第1及び第2外側ロータコア56,58は、大径円筒部72の径方向外側に配置されてその大径円筒部72に支持されており、その大径円筒部72の径方向外側面に固定されている。
また、ロータコア52は、シャフト50の径方向内側に配置されてそのシャフト50に支持される内側ロータコア80を有している。内側ロータコア80は、ロータコア52の第1外側ロータコア56及び第2外側ロータコア58並びに励磁コイル70の径方向内側に配置されている。シャフト50の大径円筒部72内には、中空空間82が形成されている。内側ロータコア80は、大径円筒部72の中空空間82内に収容されており、大径円筒部72の径方向内側面に接着固定されている。内側ロータコア80は、軟磁性材料具体的には絶縁コーティングされた軟磁性体粉末を圧縮成型した材料で形成されている。内側ロータコア80は、鉄損がシャフト50の鉄損に比べて小さい材料で形成されている。
内側ロータコア80は、周方向に分割されており、軸方向から見て扇状に形成された複数(例えば6個)のロータコア片84からなる。内側ロータコア80の周方向における分割は、周方向において等間隔(等角度)で行われ、各ロータコア片84は、互いに同じ形状を有している。内側ロータコア80の周方向における分割数すなわちロータコア片84の数は、外側ロータコア54における第1及び第2外側ロータコア56,58の極数又はその極数の約数である。例えば、極数が“12”である場合は、分割数は“2”、“3”、“4”、“6”、又は“12”である(図3及び図4において分割数は“6”である)。
内側ロータコア80の周方向における分割は、また、ロータ12やシャフト50の軸中心と、ロータ12の第1及び第2外側ロータコア56,58において周方向に交互に配置された永久磁石64,68及びロータティース62,66(すなわち、永久磁石励磁磁極及び永久磁石非励磁磁極)のうちの二以上のものの各周方向中心と、を通る線上で行われる。すなわち、内側ロータコア80の周方向における分割面を含む各平面はそれぞれ、ロータ12やシャフト50の軸中心を通ると共に、何れかの永久磁石64,68及びロータティース62,66(すなわち、永久磁石励磁磁極及び永久磁石非励磁磁極)の周方向中心を通る。
また、内側ロータコア80は、軸方向端部に軸方向に空いた切欠穴86,88を有している。切欠穴86,88は、軸方向両端に設けられている。切欠穴86,88は、径が軸方向端面から軸方向中央にかけて小さくなるようにテーパ状又は階段状に形成されている。切欠穴86,88の軸方向端部(最浅部)の径は、シャフト50の大径円筒部72の内径と略一致し、かつ、切欠穴86,88の軸方向中央部(最深部)の径は、所定の径である。内側ロータコア80は、軸方向中央部で径方向に所定の厚みを有する一方、軸方向両端部それぞれで軸方向中央部の厚みよりも小さい厚みを有する。シャフト50の大径円筒部72の径方向の厚みは、モータトルクを伝達するのに必要な強度を維持するような厚さに設定され、内側ロータコア80の軸方向中央部における径方向の厚みは、励磁コイル70によって発生する磁束が飽和しない所定の厚さに設定されるため、内側ロータコア80の軸方向中央部における径方向の厚みは、シャフト50の大径円筒部72の径方向の厚みよりも大きい。
切欠穴86と切欠穴88とは、互いに軸方向中央側で連通しており、最深部同士で互いに軸方向に貫通する貫通穴89を通じて接続している。すなわち、内側ロータコア80は、貫通穴89が形成されるように中空形状に形成されている。内側ロータコア80の切欠穴86,88及び貫通穴89はすべて、シャフト50の軸中心線上に設けられている。内側ロータコア80の貫通穴89は、切欠穴86,88の最深部の径と略同じ径を有している。
ロータ12は、軸方向に2分割されている。シャフト50は、軸方向に2分割されており、互いに嵌合する2つのカップ状部材90,92からなる。シャフト50の軸方向分割位置は、軸方向の略中央である。カップ状部材90は、小径円筒部74と、大径円筒部72の一部(具体的には、小径円筒部74に接続する側の半分)と、を有している。カップ状部材92は、小径円筒部76と、大径円筒部72の一部(具体的には、小径円筒部76に接続する側の半分)と、を有している。シャフト50は、カップ状部材90とカップ状部材92とが互いに嵌合することにより形成される。カップ状部材90には第1外側ロータコア56が、また、カップ状部材92には第2外側ロータコア58が、それぞれ支持される。第1外側ロータコア56はカップ状部材90の径方向外側面に、また、第2外側ロータコア58はカップ状部材92の径方向外側面に、それぞれ固定される。
カップ状部材90,92にはそれぞれ、軸中心上で軸方向に空いたボルト穴94,96が形成されている。ボルト穴94,96は、内側ロータコア80の貫通穴89の径と略同じ径を有している。カップ状部材90,92のボルト穴94,96及び内側ロータコア80の貫通穴89には、ボルト98が挿入される。カップ状部材90とカップ状部材92とは、互いに嵌合しつつ、ボルト98により締結される。
尚、内側ロータコア80は、軸方向に2分割されていてもよい。この場合、内側ロータコア80の軸方向分割位置は、シャフト50の軸方向分割位置に対応していてもよく、軸方向の略中央であってもよい。また、内側ロータコア80の分割された一方はシャフト50のカップ状部材90の径方向内側面に、また、内側ロータコア80の分割された他方はカップ状部材92の径方向内側面に、それぞれ接着固定されることとすればよい。
上記のハイブリッド励磁式回転電機10の構造において、環状の励磁コイル70に直流電流が供給されると、その励磁コイル70の径方向内側(軸中心側)を軸方向に貫く磁束が発生する。この励磁コイル70を用いた電磁石による磁束は、第1又は第2外側ロータコア56,58の永久磁石非励磁磁極→内側ロータコア80→第2又は第1外側ロータコア58,56の永久磁石非励磁磁極→エアギャップ22→ステータコア24→エアギャップ22→第1又は第2外側ロータコア56,58の永久磁石非励磁磁極からなる経路で流通する。かかる磁束が発生すると、第1及び第2外側ロータコア56,58の永久磁石非励磁磁極が励磁される。この電磁石による磁束は、永久磁石64,68による磁束を弱め或いは強める。また、この電磁石による磁束量は、励磁コイル70に流す直流電流の大きさに応じて調整される。
従って、本実施例によれば、永久磁石64,68による磁束と励磁コイル70を用いた電磁石による磁束との合成磁束によりロータ12をステータ14回りに回転させるトルクを調整することができ、そのロータ12を適切に回転させることができる。
図6は、本実施例のハイブリッド励磁式回転電機10の効果を説明するための図を示す。尚、図6(A)には本実施例における磁路を表した図を、また、図6(B)には本実施例と対比される対比例における磁路を表した図を、それぞれ示す。
本実施例のハイブリッド励磁式回転電機10において、励磁コイル70は、ロータ12の第1外側ロータコア56と第2外側ロータコア58との軸方向に空いた隙間60に配置されている。具体的には、励磁コイル70は、径方向位置について第1外側ロータコア56及び第2外側ロータコア58と重なる一方で軸方向位置について第1外側ロータコア56及び第2外側ロータコア58と重ならない位置に配置されている。すなわち、励磁コイル70は、軸方向両端部それぞれの軸方向位置が共に第1外側ロータコア56と第2外側ロータコア58との隙間60内にありかつ径方向内側端部の径方向位置が第1外側ロータコア56及び第2外側ロータコア58の径方向外側端部の径方向位置よりも軸中心寄りにあるように配置されている。
第1外側ロータコア56の径方向外側端部における第2外側ロータコア58側の軸方向端部の軸方向位置は、励磁コイル70の第1外側ロータコア56側の軸方向端部の軸方向位置に対して、軸方向で第2外側ロータコア58側とは反対側とされる。また、第2外側ロータコア58の径方向外側端部における第1外側ロータコア56側の軸方向端部の軸方向位置は、励磁コイル70の第2外側ロータコア58側の軸方向端部の軸方向位置に対して、軸方向で第1外側ロータコア56側とは反対側とされる。
励磁コイル70は、ステータ14に固定されている。ステータ14の軸方向両側それぞれに設けられた第1ステータコア30及び第3ステータコア34は、径方向にエアギャップ22を介して第1外側ロータコア56及び第2外側ロータコア58と対向している。また、ステータ14の軸方向中央に設けられた第2ステータコア32は、径方向に励磁コイル70に対向している。この点、励磁コイル70は、ステータ14のステータコア24の本体から径方向内側(すなわち軸中心)に向けて突出し、シャフト50の径方向外側にある第1外側ロータコア56と第2外側ロータコア58との隙間60内に挿入されるように設けられている。
かかる構造においては、ステータ14に固定された励磁コイル70がステータコア24の本体に対して軸中心寄りに配置されるので、その励磁コイル70の径方向外側にステータコア24を構成する第2ステータコア32を配置するためのスペースを割くことが可能である。そして、本実施例の構造では、その励磁コイル70の径方向外側のスペースに、磁束の磁路となり得る第2ステータコア32が配置される(図6(A)参照)。
このため、本実施例の構造によれば、励磁コイル70の径方向外側のスペースに第2ステータコア32が配置されない図6(B)に示す如き対比構造に比べて、励磁コイル70の径方向外側で磁路となり得るステータコア24の径方向幅を大きくすることができるので、励磁コイル70の径方向外側でのステータコア24を軸方向に流れる磁束の集中を抑制することができ、ステータコイル28への通電による回転磁界発生時や励磁コイル70への通電による磁束発生時に磁路を効果的に形成することができる。
また更に、本実施例においては、励磁コイル70の径方向外側に配置された第2ステータコア32が、圧縮された軟磁性材料に形成された圧粉コアであって、その第2ステータコア32を軸方向で挟む第1及び第3ステータコア30,34が、軸方向に積層する複数の電磁鋼板により形成された電磁鋼板コアであることで、第2ステータコア32の軸方向における磁気抵抗が第1及び第3ステータコア30,34の軸方向における磁気抵抗に比して小さい。このため、励磁コイル70の径方向外側のステータコア24を流れる磁束が軸方向に流れ易くなり、励磁コイル70の通電時におけるその励磁コイル70の径方向外側での磁気飽和を緩和させることができる。
仮に、第2ステータコア32が軸方向に積層する複数の電磁鋼板により形成されるものとした構造では、所望の磁気飽和特性を得るために、その第2ステータコア32ひいてはステータコア24の径方向厚さを大きくすることが考えられる。これに対して、本実施例においては、第2ステータコア32が磁気抵抗の比較的小さい圧粉コアであるので、所望の磁気飽和特性を得るために、その径方向厚さを大きくすることは不要である。従って、本実施例のハイブリッド励磁式回転電機10によれば、全体のサイズを大型化することなく、励磁コイル70の通電時における磁気飽和を緩和させることが可能である。
このため、本実施例によれば、ロータ12を回転させるトルクを効率的に発生させることができ、ロータ12を回転させる際のトルクアップを図ることができ、これにより、大きなトルクを発生させるうえで装置自体の大型化を抑制することができる。この点、永久磁石64,68として磁力の比較的小さなフェライト磁石を用いても、所望のトルク性能を発揮させることが可能であるので、所望のトルク性能を発揮させつつ、磁力の比較的大きな例えばネオジム磁石を用いるのを不要とすることが可能である。
尚、上記の実施例においては、第1及び第2外側ロータコア56,58が特許請求の範囲に記載した「第1ロータコア」及び「第2ロータコア」に、第1及び第3ステータコア30,34が特許請求の範囲に記載した「第1ステータコア」に、第2ステータコア32が特許請求の範囲に記載した「第2ステータコア」に、バックヨーク部32aが特許請求の範囲に記載した「バックヨーク部」に、ステータティース部32bが特許請求の範囲に記載した「ステータティース部」に、それぞれ相当している。
ところで、上記の実施例においては、ステータコア24の第1~第3ステータコア30~34が互いに略同じ内径を有し、励磁コイル70が軸方向中央の第2ステータコア32の径方向内側に配置されるので、ステータコア24全体が励磁コイル70の径方向位置よりも軸中心とは反対の径方向外側に存在し、励磁コイル70の径方向内側にステータコア24の第1~第3ステータコア30~34が一部でも存在することはないが、第1及び第3ステータコア30,34の一部が励磁コイル70の径方向内側に存在することとしてもよい。
また、上記の実施例においては、第2ステータコア32が、円環状のバックヨーク部32aと、そのバックヨーク部32aの内周面から軸中心に向けて突出するステータティース部32bと、の双方からなるものとしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、円環状のバックヨーク部32aのみ、或いは、ステータティース26を構成する片が周方向に複数配置されたステータティース部32bのみからなるものとしてもよい。
尚、本国際出願は、2012年(平成24年)2月29日に出願した日本国特許出願2012-044852号に基づく優先権を主張するものであり、日本国特許出願2012-044852号の全内容を本国際出願に援用する。
10 ハイブリッド励磁式回転電機
12 ロータ
14 ステータ
22 エアギャップ
24 ステータコア
28 ステータコイル
30 第1ステータコア
32 第2ステータコア
32a バックヨーク部
32b ステータティース部
34 第3ステータコア
36 ヨーク
52 ロータコア
54 外側ロータコア
56 第1外側ロータコア
58 第2外側ロータコア
60 隙間
62,66 ロータティース
64,68 永久磁石
70 励磁コイル
12 ロータ
14 ステータ
22 エアギャップ
24 ステータコア
28 ステータコイル
30 第1ステータコア
32 第2ステータコア
32a バックヨーク部
32b ステータティース部
34 第3ステータコア
36 ヨーク
52 ロータコア
54 外側ロータコア
56 第1外側ロータコア
58 第2外側ロータコア
60 隙間
62,66 ロータティース
64,68 永久磁石
70 励磁コイル
Claims (7)
- 軸方向に隙間を空けて分割され、それぞれ周方向に永久磁石で励磁された第1磁極と永久磁石で励磁されていない第2磁極とが交互に配置され、それぞれの前記第1磁極の極性が互いに異なり、かつ一方の前記第1磁極と他方の前記第2磁極とが軸方向で前記隙間を介して互いに対向配置された第1及び第2ロータコアを有するロータと、
前記ロータの径方向外側に配置された、前記ロータを回転させる回転磁界を発生させるステータと、
前記隙間に配置された、前記第2磁極を励磁する励磁コイルと、を備え、
前記ステータは、軸方向両側それぞれに設けられた第1ステータコアと、軸方向中央に設けられた、軸方向の磁気抵抗が前記第1ステータコアの軸方向の磁気抵抗に比べて小さい第2ステータコアと、を有することを特徴とするハイブリッド励磁式回転電機。 - 前記第2ステータコアは、絶縁コーディングされた軟磁性体粉末を圧縮成型して形成された圧粉コアであることを特徴とする請求項1記載のハイブリッド励磁式回転電機。
- 前記第1ステータコアは、絶縁コーティングされた複数の電磁鋼板を軸方向に積層して形成された電磁鋼板コアであると共に、
前記ステータのステータコアは、前記第2ステータコアと、該第2ステータコアを軸方向両側で挟む2つの前記第1ステータコアと、に軸方向で分割されていることを特徴とする請求項2記載のハイブリッド励磁式回転電機。 - 前記励磁コイルは、軸方向両端部それぞれの軸方向位置が共に前記第1ロータコアと前記第2ロータコアとの前記隙間内にありかつ径方向内側端部の径方向位置が前記第1ロータコア及び前記第2ロータコアの径方向外側端部の径方向位置よりも軸中心寄りにあるように配置されると共に、
前記第1ステータコアは、径方向にエアギャップを介して前記第1ロータコア及び前記第2ロータコアに対向し、かつ、
前記第2ステータコアは、径方向に前記励磁コイルに対向することを特徴とする請求項1乃至3の何れか一項記載のハイブリッド励磁式回転電機。 - 前記第2ステータコアは、円環状に形成されたバックヨーク部と、該バックヨーク部の内周面から軸中心に向けて突出するステータティース部と、からなることを特徴とする請求項1乃至4の何れか一項記載のハイブリッド励磁式回転電機。
- 前記バックヨーク部と前記ステータティース部とは、それぞれ別体で設けられていることを特徴とする請求項5記載のハイブリッド励磁式回転電機。
- 前記第2ステータコアは、前記ステータの径方向外側に設けられた該ステータの全周を覆うヨークと一体に形成されていることを特徴とする請求項1乃至6の何れか一項記載のハイブリッド励磁式回転電機。
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WWE | Wipo information: entry into national phase |
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122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
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