CN110417156B - 旋转电机 - Google Patents
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Abstract
一种旋转电机，是无刷绕组励磁型旋转电机，其包括：定子，保持于壳体，包括通过交流电流产生旋转磁场的交流线圈；励磁芯，保持于壳体，包括通过直流电流激励从而在周围形成磁路的励磁线圈；以及转子，配置于旋转部件的外周，并相对于定子和励磁线圈以围绕旋转轴线旋转自如的方式被保持。励磁线圈具有在旋转轴线的径向上层叠的多个线圈卷绕层，在旋转轴线的径向上最靠近旋转轴线的线圈卷绕层的沿旋转轴线的轴向的截面积构成为比在旋转轴线的径向上最远离旋转轴线的线圈卷绕层的沿旋转轴线的轴向的截面积小。
Description
技术领域
本发明涉及配置在旋转部件的外周的无刷绕组励磁型旋转电机。
背景技术
在专利文献1中，提出了从相对于转子静止的励磁线圈供给磁通量的旋转电机。
专利文献1：日本专利3445492号
发明内容
在上述旋转电机中，由于励磁线圈的截面为大致矩形形状，所以设计的自由度受到限制，有时难以确保必要的绕组截面积。
本发明的目的在于提供一种旋转电机，能够提高配置有励磁线圈的空间的利用效率并增加设计的自由度。
为了实现上述目的，本发明构成如下。
根据本发明的第一方式，提供一种旋转电机，是位于在内部具有旋转部件的壳体与所述旋转部件之间的无刷绕组励磁型旋转电机，其包括：定子，保持于所述壳体，包括通过交流电流产生旋转磁场的交流线圈；励磁芯，保持于所述壳体，包括通过直流电流激励从而在周围形成磁路的励磁线圈；以及转子，配置于所述旋转部件的外周，并相对于所述定子和所述励磁线圈以绕旋转轴线旋转自如的方式被保持，所述励磁线圈具有在所述旋转轴线的径向上层叠的多个线圈卷绕层，在所述多个线圈卷绕层中，在所述旋转轴线的径向上最靠近所述旋转轴线的线圈卷绕层的沿所述旋转轴线的轴向的截面积构成为比在所述旋转轴线的径向上最远离所述旋转轴线的线圈卷绕层的沿所述旋转轴线的轴向的截面积小。
此外，根据本发明的第二方式，提供一种旋转电机，是位于在内部具有旋转部件的壳体与所述旋转部件之间的无刷绕组励磁型旋转电机，其包括：定子，保持于所述壳体，包括通过交流电流产生旋转磁场的交流线圈；励磁芯，保持于所述壳体，包括通过直流电流激励从而在周围形成磁路的励磁线圈；以及转子，配置于所述旋转部件的外周，并相对于所述定子和所述励磁线圈以绕旋转轴线旋转自如的方式被保持，所述励磁线圈具有在所述旋转轴线的径向上层叠的多个线圈卷绕层，在所述多个线圈卷绕层中含有第一线圈卷绕层和第二线圈卷绕层，所述第二线圈卷绕层在所述旋转轴线的径向上与所述第一线圈卷绕层相邻且在所述旋转轴线的轴向上的尺寸与第一线圈卷绕层不同。
根据本发明的上述第一方式，励磁线圈具有在径向上层叠的多个线圈卷绕层，在多个线圈卷绕层中，在径向上最靠近旋转轴线的线圈卷绕层的沿旋转轴线的轴向的截面积构成为比在径向上最远离旋转轴线的线圈卷绕层的沿旋转轴线的轴向的截面积小。此外，根据本发明的上述第二方式，励磁线圈具有在径向上层叠的多个线圈卷绕层，在多个线圈卷绕层中包含第一线圈卷绕层和第二线圈卷绕层，该第二线圈卷绕层在径向上与第一线圈卷绕层相邻且在旋转轴线的轴向上的尺寸与第一线圈卷绕层不同。通过这样的结构，可以根据用于配置励磁线圈的空间，使励磁线圈在沿旋转轴线的轴向上的截面形状成为例如大致L字状或阶梯状，从而可以提高配置有励磁线圈的空间的利用效率，增加设计的自由度。
附图说明
图1是本发明的一实施方式涉及的旋转电机的沿与旋转轴线垂直的方向大致切割时的剖视图且用于表示发动机和变速器间的配置关系的说明图。
图2A是一个实施方式涉及的旋转电机的沿与旋转轴线垂直的方向切割时的立体图。
图2B是从图2A中移除磁极保持部件的状态的立体图。
图3是示出一实施方式涉及的旋转电机的励磁线圈的沿旋转轴线的轴向的截面的示意图。
图4是一实施方式涉及的旋转电机的从变速器侧观察时的主视图。
图5是一实施方式涉及的旋转电机的立体图。
图6是一实施方式涉及的旋转电机的转子的立体图。
图7是一实施方式涉及的旋转电机的转子的分解立体图。
图8是示出一实施方式涉及的旋转电机的励磁线圈的沿旋转轴线的轴向的截面的第一变形例的示意图。
图9是示出一实施方式涉及的旋转电机的励磁线圈的沿旋转轴线的轴向的截面的第二变形例的示意图。
图10是示出一实施方式涉及的旋转电机的励磁线圈的沿旋转轴线的轴向的截面的第三变形例的示意图。
图11是示出一实施方式涉及的旋转电机的励磁线圈的沿旋转轴线的轴向的截面的第四变形例的示意图。
图12是示出一实施方式涉及的旋转电机的励磁线圈的沿旋转轴线的轴向的截面的第五变形例的示意图。
附图标记说明
1…转子；2…励磁线圈；201～206…线圈卷绕层；3…定子；4…起动装置(旋转部件的一个例子)；5…壳体；6…励磁芯；7…旋转轴线；8…发动机；9…变速器；10…无刷绕组励磁型旋转电机；11…第一气隙；12…第二气隙；14…交流线圈；15…励磁线圈磁通量；16…径向间隙；17…周向间隙；19…轴向间隙；21…第一磁极；21a…第一圆环部；21b…爪部；21c…第一末端卡定部；22第二磁极；22a…第二圆环部；22b…凸部；22c…第二末端卡定部；22d…嵌入部；23…磁极保持部件；23a…嵌合部；40…磁路；41…第一磁路；42…第二磁路；43…间隙；43a…第一端部；43b…第二端部；89…在定子的发动机侧偏离配置的励磁线圈的区域。
具体实施方式
下面参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。
如图1至图2B所示，本发明的一实施方式涉及的旋转电机10是位于在内部具有变矩器或摩擦式离合器装置等起动装置4(旋转部件的一个例子)的壳体5与起动装置4之间的无刷绕组励磁型旋转电机10。该旋转电机10至少具有定子3、励磁线圈2和转子1。作为一个例子，在该实施方式中，旋转电机10配置在沿旋转轴线7的发动机8和变速器9之间。
定子3以相对于壳体5不可旋转的方式被固定保持，并且由且包括用于卷绕交流线圈14的多个槽的圆筒状部件构成。该定子3包括交流线圈14，并通过流过交流线圈14的交流电流产生旋转磁场。
励磁线圈2配置为比定子3和转子1更沿旋转轴线7偏离，且在定子3的变速器9侧被固定保持于壳体5。若通过直流电流激励励磁线圈2，则磁通量在其周围流动(图1中箭头所示)，从而形成磁路40。励磁芯6具有励磁线圈2。此外，励磁线圈2也可以配置为比定子3和转子1更沿旋转轴线7，且隔着第二气隙12向定子3的发动机侧而不是定子3的变速器9侧偏离(参照图1中的点划线区域89)。
详细地说，如图3所示，励磁线圈2沿旋转轴线7的轴向的截面为大致L字状，且具有在旋转轴线7的径向(即，在图3的上下方向)上层叠的多个线圈卷绕层(在本实施方式中为4个线圈卷绕层201～204)。另外，该励磁线圈2在多个线圈卷绕层201～204中，在旋转轴线7的径向上最靠近旋转轴线7的线圈卷绕层204的沿旋转轴线7的轴向的截面积构成为比在旋转轴线7的径向上最远离旋转轴线7的线圈卷绕层201的沿旋转轴线7的轴向的截面积小。
换言之，在多个线圈卷绕层201～204中含有第一线圈卷绕层202和第二线圈卷绕层203，该第二线圈卷绕层203在旋转轴线7的径向上与第一线圈卷绕层202相邻并且具有与第一线圈卷绕层202不同的旋转轴线7的轴向上的尺寸。
另外，励磁线圈2被构造成从多个线圈卷绕层201～204中最靠近旋转轴线7的线圈卷绕层204在旋转轴线7的轴向上的一端(图3中用S表示的远离转子1的一端)开始卷绕绕组，并在多个线圈卷绕层201～204中最远离旋转轴线7的线圈卷绕层201在旋转轴线7的轴向上的一端(图3中用E表示的远离转子1的一端)结束卷绕绕组。即，励磁线圈2具有偶数层的线圈卷绕层201～204。
此外，上述励磁线圈2由截面为大致矩形形状的绕组构成，但不限于此，例如，也可以根据旋转电机10的设计等，由具有大致圆形形状或大致正方形形状的截面的绕组构成励磁线圈2。
如图3所示，从相对于旋转轴线7的周向观察，在励磁线圈2的周围形成的磁路40具有第一磁路41和第二磁路42，该第一磁路41在旋转轴线7的轴向上延伸，磁通量从转子1朝向励磁芯6流动，该第二磁路42在旋转轴线7的轴向上延伸且在旋转轴线7的径向上与第一磁路41隔开间隙43配置，并且磁通量从励磁芯6向转子1流动。励磁线圈2在旋转轴线7的轴向上，从间隙43的靠近转子1的第一端部43a到远离转子1的第二端部43b配置。
转子1固定配置于起动装置4的外周。转子1的外周面与定子3的内周面相对，且转子1的变速器侧的端面与励磁线圈2的发动机侧的端面相对。该转子1围绕旋转轴线7以相对于定子3和励磁线圈2旋转自如的方式被保持。
在定子3和转子1之间形成有第一气隙11。经由该第一气隙11在定子3和转子1之间传导磁通量。第一气隙11是在定子3的内周面和转子1的外周面之间沿旋转轴线7的轴向延伸的间隙。
在励磁芯6和转子1之间形成有第二气隙12。经由该第二气隙12在励磁线圈2和转子1之间传导磁通量。第二气隙12是在转子1的旋转轴线7的轴向的变速器侧的端面和励磁芯6的发动机侧的端面之间沿与旋转轴线7的轴向垂直的径向延伸的间隙。
因此，励磁线圈2相对于转子1隔着第二气隙12在旋转轴7的轴向上偏离且并列配置。
另一方面，如图4～图7所示，转子1由第一磁极21、第二磁极22、磁极保持部件23组合而构成。另外，图4的A-A线剖视图是图1的中央的旋转电机10和起动装置4等的剖视图。
第一磁极21由例如铁等软磁性体构成，并具有从第一圆环部21a向旋转轴线7的轴向突出的多个例如矩形薄板状的爪部21b。爪部21b在周向以固定间隔例如等间隔配置，爪部21b沿旋转轴线7的轴向长度全部相同。各爪部21b的外周面沿第一圆环部21a的外周面配置。即使第一磁极21与第二磁极22组合，爪部21b与第二磁极22也是非接触的，在旋转轴线7的径向上形成径向间隙16。
第二磁极22例如由铁等软磁性体构成，配置为在第一磁极(在该实施方式中为第一圆环部21a)的旋转轴线7的径向内侧隔开径向间隙16，并具有多个例如矩形板状的凸部22b，所述凸部22b配置为从第二圆环部22a的外周面向旋转轴线7的径向突出且在旋转轴线7的周向上具有周向间隙17，所述第二圆环部配置为与第一磁极(在该实施方式中为第一圆环部21a)部分重叠。凸部22b也在旋转轴线7的周向上以固定间隔例如等间隔配置，且沿旋转轴线7的径向高度全部相同。凸部22b沿旋转轴线7的轴向长度全部相同，并且比爪部21b沿旋转轴线7的轴向长度短。各凸部22b的外周面配置在与转子1的旋转轴心相同中心的一个圆上。各凸部22b延伸至第二圆环部22a的发动机侧的端缘而形成第二末端卡定部22c，另一方面，在第二圆环部22a的变速器侧未延伸至端缘，从而形成没有凸部22b的宽度小的圆环状的嵌入部22d。使第一磁极21相对于第二磁极22在旋转轴线7的轴向上移动，并将第一磁极21的各爪部21b插入相邻的凸部22b之间的周向间隙17的中间部，从而将爪部21b和凸部22b以在旋转轴线7的周向上交替配置的方式进行组装。此时，在嵌入部22d的外侧，能够隔着径向间隙16配置第一磁极21的第一圆环部21a。在组装的状态下，如图5所示，在凸部22b与第一圆环部21a之间存在轴向间隙19，在爪部21b与第二磁极22的凸部22b之间，在旋转轴线7的周向上存在周向间隙17，并且在旋转轴线7的径向上也存在径向间隙16。因此，第一磁极21和第二磁极22维持为非接触。为了在该状态下进行固定，第二磁极22还具有磁极保持部件23。
磁极保持部件23是由例如铝或奥氏体系不锈钢等非磁性体构成的圆环状部件，且例如在外周侧具有嵌合部23a，该嵌合部23a用于嵌合固定第一磁极21的爪部21b的第一末端卡定部21c且嵌合固定第二磁极22的凸部22b的第二末端卡定部22c。第一末端卡定部21c和第二末端卡定部22c嵌合于嵌合部23a，并通过螺栓、烧结或钎焊等来固定。因此，第一磁极21和第二磁极22通过磁极保持部件23以非接触的方式被固定保持。
作为具体的例子，第一磁极21的爪部21b的第一尖端卡定部21c和第二磁极22的凸部22b的第二尖端卡定部22c由阶梯部形成，该阶梯部分别嵌合至嵌合部23a的卡合凹部，并相对于旋转轴线7的径向被固定保持。作为一个例子，第二末端卡定部22c配置于凸部22b的末端，但也可以配置在第二圆环部22a的末端。如果是这样构成，当从励磁线圈2流过磁通量并使第一磁极21和第二磁极22磁化时，可以将磁极保持部件23作为非磁性体来消除磁短路，从而有效地进行磁化，同时可以通过磁极保持部件23机械地保持第一磁极21和第二磁极22。另外，通过用磁极保持部件23的嵌合部23a嵌合固定保持第一磁极21的爪部21b的第一末端卡定部21c，能够抑制旋转离心力引起的爪部21b的扩展，从而提高旋转强度。
在如上构成的旋转电机10中，若励磁线圈2通电，则产生励磁线圈磁通量15。励磁线圈磁通量15构成为从励磁芯6开始，经由第二气隙12、转子1的第一磁极21、第一气隙11、定子3、第一气隙11、转子1的第二磁极22及第二气隙12返回到励磁芯6。此时，例如，若对励磁线圈2通入直流电流，则产生励磁线圈磁通量15，并且第一磁极21和第二磁极22例如分别被磁化为N极和S极。
对将旋转电机10作为起动器来使其发挥起动功能的情况进行说明。基于发动机8的起动指令，驱动未图示的逆变器，以使三相交流电流流入定子3从而磁化定子3，并且使电流流入励磁线圈2。通过流入励磁线圈2的电流，激励转子1的第一磁极21和第二磁极22。其结果，转子1开始相对于定子3旋转，并且在定子3中产生具有感应电压的电动势。
之后，当感应电压根据转子1的转速而增加，转速达到比与发动机8的怠速相对应的怠速转速低的初爆转速且发动机8的起动完成时，停止逆变器的驱动，然后自动转换到发电模式，即将旋转电机10作为发电机而使其发挥发电功能的情况，以保持预定的感应电压(所需电压)。
在该发电模式下，当继续激励励磁线圈2时，调整励磁电流，使得感应电压在预定的感应电压下为恒定。以转子的磁化力随着转速的上升而减小的方式调整励磁电流，以使感应电压为恒定。另外，当未激励励磁线圈2时，通过逆变器调整三相交流电流的提前角，使得感应电压在预定的感应电压下为恒定。进而，也可以组合上述两种方法来进行调整。通过这样控制，在转子1旋转时，旋转电机10作为发电机发挥功能。
其结果，旋转电机10通过与发动机8连结，能够起动发动机，并且在行驶期间作为发电机(generator)发挥功能。
在上述旋转电机10中，励磁线圈2具有在径向上层叠的多个线圈卷绕层201～204，在多个线圈卷绕层201～204中，在径向上最靠近旋转轴线7的线圈卷绕层204的沿旋转轴线7的轴向的截面积构成为比在径向上最远离旋转轴线7的线圈卷绕层201的沿旋转轴线7的轴向的截面积小。换言之，励磁线圈2具有在径向上层叠的多个线圈卷绕层201～204，在多个线圈卷绕层201～204中包含第一线圈卷绕层202和第二线圈卷绕层203，该第二线圈卷绕层203在径向上与第一线圈卷绕层202相邻并且具有与第一线圈卷绕层202不同的旋转轴线7的轴向上的尺寸。通过这样的结构，可以根据配置励磁线圈的空间，使励磁线圈的沿旋转轴线的轴向的截面形状成为例如大致L字状或阶梯状，从而可以提高配置有励磁线圈2的空间的利用效率，增加设计的自由度。
另外，磁路40具有第一磁路41和第二磁路42，该第一磁路41在旋转轴线7的轴向上延伸，磁通量从转子1朝向励磁芯6流动，该第二磁路42在旋转轴线7的轴向上延伸且在旋转轴线7的径向上与第一磁路41隔开间隙43配置，并且磁通量从励磁芯6向转子1流动，励磁线圈2在旋转轴线7的轴向上，从间隙43的靠近转子1的第一端部43a到远离转子1的第二端部43b配置。通过这样的励磁芯6轴向比径向更长的结构，可以降低励磁芯6的磁路40中的磁短路(即磁通量的泄漏)。
另外，励磁线圈2构成为从多个线圈卷绕层201～204中最靠近旋转轴线7的线圈卷绕层204在旋转轴线7的轴向上的一端开始卷绕绕组，并在多个线圈卷绕层201～204中最远离旋转轴线7的线圈卷绕层201在旋转轴线7的轴向上的一端结束卷绕绕组。通过这样的结构，可以很容易地得到与用于配置励磁线圈2的空间相对应的沿旋转轴线7的轴向的截面形状的励磁线圈2。
此外，如图8及图9所示，励磁线圈2的沿旋转轴线7的轴向的截面形状不限于L字状，也可以根据配置励磁线圈2的空间而成为阶梯状。图8和图9的励磁线圈2具有在旋转轴线7的径向上层叠的六个线圈卷绕层201～206。这样，可以根据旋转电机10的设计等来改变各个线圈卷绕层201～206在旋转轴线7的轴向上的尺寸，因此能够提高配置有励磁线圈2的空间的利用效率，增加设计的自由度。另外，在图8及图9中仅示出励磁线圈2，省略磁路40等。
另外，如图10～图12所示，也可以将第一磁路41和第二磁路42配置成与励磁线圈2接触且在旋转轴线7的径向上夹着励磁线圈2。如图10所示，第一磁路41、第二磁路42以及励磁线圈2各自的旋转轴线7的轴向上的转子1侧的端部在旋转轴线7的轴向上的位置也可以大致相同。在这种情况下，由于励磁线圈2的存在，在第一磁路41和第二磁路42之间难以产生磁短路。另外，如图11所示，第一磁路41的轴向上的转子1侧的端部也可以构成为比第二磁路42和励磁线圈2的轴向上的转子1侧的端部在旋转轴线7的轴向上更短(即，第一磁路41的旋转轴线7的轴向上的转子1侧的端部具有从第一磁路41向第二磁路42接近转子1的阶梯状)。在该结构中比图10的结构更难以产生磁短路。另外，如图12所示，第二磁路42的旋转轴线7的轴向上的转子1侧的端部也可以构成为比第一磁路41和励磁线圈2的旋转轴线7的轴向上的转子1侧的端部在旋转轴线7的轴向上更短(即，第一磁路41的轴向上的转子1侧的端部具有从第二磁路42向第一磁路41接近转子1的阶梯状)。在该结构中也比图10的结构更难以产生磁短路。
此外，通过适当组合所述各种实施方式或变形例中的任意实施方式或变形例，可以发挥各自所具有的效果。另外，可以进行实施方式之间的组合或实施例之间的组合或实施方式与实施例的组合，并且可以进行不同的实施方式或实施例中的特征之间的组合。
工业上的可用性
本发明的上述方式涉及的旋转电机例如可以应用于车辆或发电装置。
Claims (3)
1.一种旋转电机，是位于在内部具有旋转部件的壳体与所述旋转部件之间的无刷绕组励磁型旋转电机，其特征在于，
所述旋转电机包括：
定子，保持于所述壳体，包括通过交流电流产生旋转磁场的交流线圈；
励磁芯，保持于所述壳体，包括通过直流电流激励从而在周围形成磁路的励磁线圈；以及
转子，配置于所述旋转部件的外周，并相对于所述定子和所述励磁线圈以绕旋转轴线旋转自如的方式被保持，
所述励磁线圈具有在所述旋转轴线的径向上层叠的多个线圈卷绕层，在所述多个线圈卷绕层中，在所述旋转轴线的径向上最靠近所述旋转轴线的线圈卷绕层的沿所述旋转轴线的轴向的截面积构成为比在所述旋转轴线的径向上最远离所述旋转轴线的线圈卷绕层的沿所述旋转轴线的轴向的截面积小，并且，在轴向上最靠近所述转子的沿径向的多个线圈卷绕层的截面构成为比在轴向上最远离所述转子的沿径向的多个线圈卷绕层的截面小，
所述磁路具有：
第一磁路，沿所述旋转轴线的轴向延伸，且磁通量从所述转子朝向所述励磁芯流动；以及
第二磁路，配置为沿所述旋转轴线的轴向延伸且在所述旋转轴线的径向上与所述第一磁路隔开间隙，并且磁通量从所述励磁芯朝向所述转子流动，
在所述旋转轴线的轴向上，从所述间隙的靠近所述转子的第一端部到远离所述转子的第二端部配置有所述励磁线圈。
2.一种旋转电机，是位于在内部具有旋转部件的壳体与所述旋转部件之间的无刷绕组励磁型旋转电机，其特征在于，
所述旋转电机包括：
定子，保持于所述壳体，包括通过交流电流产生旋转磁场的交流线圈；
励磁芯，保持于所述壳体，包括通过直流电流激励从而在周围形成磁路的励磁线圈；以及
转子，配置于所述旋转部件的外周，并相对于所述定子和所述励磁线圈以绕旋转轴线旋转自如的方式被保持，
所述励磁线圈具有在所述旋转轴线的径向上层叠的多个线圈卷绕层，在所述多个线圈卷绕层中包括第一线圈卷绕层和第二线圈卷绕层，所述第二线圈卷绕层在所述旋转轴线的径向上与所述第一线圈卷绕层相邻且在所述旋转轴线的轴向上的尺寸与所述第一线圈卷绕层不同，
所述励磁线圈具有：第一面，在轴向上与所述转子相对；以及
第二面，在轴向上位于与所述第一面相反一侧，
所述第一面构成为比所述第二面小，
所述磁路具有：
第一磁路，沿所述旋转轴线的轴向延伸，且磁通量从所述转子朝向所述励磁芯流动；以及
第二磁路，配置为沿所述旋转轴线的轴向延伸且在所述旋转轴线的径向上与所述第一磁路隔开间隙，并且磁通量从所述励磁芯朝向所述转子流动，
在所述旋转轴线的轴向上，从所述间隙的靠近所述转子的第一端部到远离所述转子的第二端部配置有所述励磁线圈。
3.根据权利要求1或2所述的旋转电机，其特征在于，
所述励磁线圈构成为从所述多个线圈卷绕层中最靠近所述旋转轴线的所述线圈卷绕层在所述旋转轴线的轴向上的一端开始卷绕绕组，并在所述多个线圈卷绕层中最远离所述旋转轴线的所述线圈卷绕层在所述旋转轴线的轴向上的一端结束卷绕绕组。
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