JP2007189890A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石を有する回転子を備えた回転電機を駆動する場合に、鉄損を小さくして磁気抵抗を低減し、駆動効率を向上させることができる回転電機を提供する。
【解決手段】複数のロータ１２，１３を備え、少なくとも１つの回転子を駆動する磁気回路を、ロータ径方向に沿って若しくはロータ軸方向に沿って形成し、他の少なくとも１つのロータを駆動する磁気回路を、ロータ周方向に沿って形成している。複数のロータ１２，１３の少なくとも１つは、永久磁石を埋め込んだ（ＩＰＭ）構造を有することによりエアギャップ側にフロントヨークを形成し、フロントヨークの極性が同じ磁石間の磁気抵抗が、極性が異なる磁石間の磁気抵抗より小さくなるように設定した。複数のロータ１２，１３は、複合電流によりそれぞれ駆動される。
【選択図】図１

Description

この発明は、回転電機に関し、特に、１つの固定子と２つの回転子を備え、複合電流で駆動する回転電機に関する。

従来、複合電流で駆動する「回転電機」（特許文献１参照）が知られている。この「回転電機」は、１つのステータと少なくとも１つが誘導コイルを備える２つのロータとを、三層構造、且つ、同一の軸上に構成すると共に、ステータに単一のコイルを形成し、この単一のコイルにロータの数と同数の回転磁場が発生するように複合電流を流している。これにより、２つのロータを備える場合に、ステータコイル電流による損失を防止することができる。
特開平１１−３５６０１５号公報

ところで、永久磁石を有する２つのロータを備えた回転電機を複合電流により独立駆動する場合、お互いの磁気経路がお互いの磁石を通過することになる。
図３は、従来の回転電機の磁気回路を示し、（ａ）はステータ側から見たロータの平面説明図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線に沿う断面による説明図である。図３に示すように、回転電機１は、ステータ２を挟み込むようにして、永久磁石３を有する２つのロータ４，５を備えており（（ａ）参照）、各ロータ４，５には、ロータ平面の円周方向に沿って磁気経路ａが形成される（（ｂ）参照）。

つまり、お互いの磁気経路がお互いの磁石を通過するため、磁気抵抗が高く、複合効果を低減させる懸念があった。また、そのために生じる鉄損も大きかった。
この発明の目的は、永久磁石を有する回転子を備えた回転電機を駆動する場合に、鉄損を小さくして磁気抵抗を低減し、駆動効率を向上させることができる回転電機を提供することである。

上記目的を達成するため、この発明に係る回転電機は、複数の回転子を備え、少なくとも１つの回転子を駆動する磁気回路を、回転子径方向に沿って若しくは回転子軸方向に沿って形成し、他の少なくとも１つの回転子を駆動する磁気回路を、回転子周方向に沿って形成していることを特徴としている。

この発明によれば、複数の回転子を備え、少なくとも１つの回転子を駆動する磁気回路は、回転子径方向に沿って若しくは回転子軸方向に沿って形成され、他の少なくとも１つの回転子を駆動する磁気回路は、回転子周方向に沿って形成されている。
これにより、永久磁石を有する回転子を備えた回転電機を駆動する場合に、鉄損を小さくして磁気抵抗を低減し、駆動効率を向上させることができる。

以下、この発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。
図１は、この発明の一実施の形態に係る回転電機の概略構成を示し、（ａ）はステータ側から見た第１ロータの平面説明図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線に沿う断面説明図、（ｃ）はステータ側から見た第２ロータの平面説明図である。図２は、図１（ｃ）の第２ロータにおけるフロントヨークと磁石の関係を示し、（ａ）はフロントヨークに形成される磁路の説明図、（ｂ）は展開説明図である。

図１に示すように、アキシャルギャップ型の回転電機１０は、ステータ１１と、ステータ１１の両面側にエアギャップ（隙間）ａを設けて配置された回転子（ロータ）１２（第１ロータ）と回転子（ロータ）１３（第２ロータ）を有している。両ロータ１２，１３は円盤状に形成されており、ロータ１２は回転軸１４ａにより、ロータ１３は回転軸１４ｂにより、それぞれ回転自在に軸支されている（（ｂ）参照）。つまり、ロータ１２，１３は、相対回転（独立回転）が可能なように、それぞれ個別の回転軸１４ａ、回転軸１４ｂに支持されている。

ステータ１１は、ステータコイル１５を装着した外側ステータコア１６を、略等間隔有して円環状に複数個（２個のみ図示）配置すると共に、外側ステータコア１６の内側に、ステータコイル１５を装着した内側ステータコア１７を、略等間隔有して円環状に複数個（２個のみ図示）配置することにより形成されている（（ｂ）参照）。つまり、回転軸１４ｂの外側に、それぞれステータコイル１５を装着した外側ステータコア１６と内側ステータコア１７が、同心円状に接近して、且つ、電気角が１８０度異なる（Ｕ，Ｕ−）ように、配置されている。

ロータ１２は、ロータコア１８の、エアギャップａ側のフロントヨーク１８ａとバックヨーク１８ｂの間に、永久磁石１９が埋設状態に装着された、埋込磁石（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ：ＩＰＭ）型構造を有している。永久磁石１９は、ステータコイル１５の周縁部に位置するように離間すると共に、ロータ径（半径）方向に沿う２個一組からなり、各組は、ロータ周方向の隣り合う同士が異なった極性になるように配置されている（（ａ）参照）。

ロータ１３は、ロータコア２０の、エアギャップａ側のフロントヨーク２０ａとバックヨーク２０ｂの間に、それぞれ複数個（２個のみ図示）の外側永久磁石２１ａ及び内側永久磁石２１ｂが埋設状態に装着された、埋込磁石（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ：ＩＰＭ）型構造を有している（（ｂ）参照）。外側永久磁石２１ａは、外側ステータコア１６のステータコイル１５に、内側永久磁石２１ｂは、内側ステータコア１７のステータコイル１５に、それぞれ対応して位置し、外側永久磁石２１ａ及び内側永久磁石２１ｂは、ロータ周（円周）方向及びロータ径方向の隣り合う同士が異なった極性になるように配置されている（（ｃ）参照）。

また、ロータコア２０のフロントヨーク２０ａ側は、非磁性部材からなる隔壁部（溝状空間でも良い）２２により、隣接する同一極性の外側永久磁石２１ａと内側永久磁石２１ｂを一つの区画に含むように、平面が略４等分されており、それぞれ磁気的に隔離された４つの区画を有している（（ｂ），（ｃ）参照）。
つまり、図２に示すように、フロントヨーク２０ａにより、外側永久磁石２１ａと内側永久磁石２１ｂのＮ極とＮ極、Ｓ極とＳ極を繋ぐと、外側永久磁石２１ａと内側永久磁石２１ｂの間で、隣接する同一極性同士を連絡する連絡磁路が形成される（（ｂ），（ｃ）参照）。

この回転電機１０において、それぞれのロータ１２，１３を駆動する複合電流を流すことにより、回転軸方向に沿って対応する、ロータ１２と、外側ステータコア１６及び内側ステータコア１７と、ロータ１３との間で、２種類の異なった磁路が形成される。
例えば、内側ステータコア１７からロータ１３のフロントヨーク２０ａへ、次に、内側永久磁石２１ｂからバックヨーク２０ｂをロータ径方向に沿って外側永久磁石２１ａへ、次に、フロントヨーク２０ａから外側ステータコア１６へと向かい、次に、ロータ１２のフロントヨーク１８ａを通って内側ステータコア１７へと向かう磁路ｒ１（図１（ａ）〜（ｃ）参照）が形成される。

同時に、例えば、内側ステータコア１７からロータ１３のフロントヨーク２０ａへ、次に、フロントヨーク２０ａをロータ周方向に沿って隣接する外側ステータコア１６へと向かい、次に、外側ステータコア１６からロータ１２の隣接する内側ステータコア１７へと向かう磁路ｒ２、及び外側ステータコア１６からロータ１３のフロントヨーク２０ａへ、次に、フロントヨーク２０ａをロータ周方向に沿って隣接する内側ステータコア１７へと向かい、次に、内側ステータコア１７からロータ１２の磁石１９を貫通してロータ周方向に沿って隣接する外側ステータコア１６へと向かう磁路ｒ２（図１（ａ）〜（ｃ）、図２（ａ）参照）が形成される。

このとき、ロータ１３において、磁路ｒ１は、内側ステータコア１７から、内側永久磁石２１ｂ側のフロントヨーク２０ａを貫通して、バックヨーク２０ｂをロータ径方向に沿って通り、外側永久磁石２１ａ側のフロントヨーク２０ａを貫通して、外側ステータコア１６へと向かう。一方、磁路ｒ２は、ステータコア（内側ステータコア１７，外側ステータコア１６）から、永久磁石（外側永久磁石２１ａ，内側永久磁石２１ｂ）側のフロントヨーク２０ａを貫通せず、フロントヨーク２０ａを通り抜け、即ち、ロータ周方向に沿って通り、隣接する永久磁石（内側永久磁石２１ｂ，外側永久磁石２１ａ）近傍位置から、ステータコア（内側ステータコア１７，外側ステータコア１６）へと向かう。

つまり、ロータ１３において、ロータ径方向に沿って進む磁路と、隣接する同一極性の磁石（外側永久磁石２１ａ及び内側永久磁石２１ｂの組み合わせ）を繋ぐフロントヨーク２０ａによりロータ周方向に沿って進む磁路の、異なった経路の磁路が形成される。
このとき、ロータ１２，１３でのロータ径方向磁路は、外側永久磁石２１ａと内側永久磁石２１ｂがロータ径方向に近接配置されているので、ロータ半径の一部となり、最短距離を通る。この結果、回転軸１４に直交する端面であるロータ１２の端面を通る磁路を、従来のロータ外周縁に沿った磁路よりも確実に短くすることができるので、磁路の長さをできるだけ短くして、モータ損失を少なくすると共に、複合電流で独立駆動する際に複合効果を低減させることがない。
ここでの複合電流は、ロータ１２，１３を互いに独立に駆動するための電流である。磁路ｒ１でロータ１３を駆動し、磁路ｒ２でロータ１２を駆動するので、磁路ｒ１を形成するための電流と磁路ｒ２を形成するための電流とを重畳したものが上記複合電流になる。
なお、図１（ａ）において、磁路ｒ２を破線で示しているのは、磁路ｒ２が紙面奥に位置し磁石１９をロータ周方向で貫通することを意味している。また、図１（ｂ），（ｃ）において、磁路ｒ１は、ロータ１２側とロータ１３側は同じ磁路であり、ロータ１３側は紙面奥でバックヨーク２０ｂを通り紙面上を通らないため破線（（ｃ）参照）で示し、磁路ｒ２は、ロータ１２側とロータ１３側は同じ磁路であり、ロータ１３側は紙面上を通らないため２点鎖線（（ｂ）参照）で示している。

上述したように、回転電機１０は、複合電流により駆動する２個のロータ１２，１３において、ロータ１２ではロータ周方向に沿う磁気回路、ロータ１３ではロータ径方向に沿う磁気回路と、それぞれのロータ毎に異なった磁気回路を形成し、更に、ＩＰＭ型構造にすると共に、ＩＰＭ型化することで得られたフロントヨーク２０ａを用いて、同一極性の磁石同士を繋ぐようにした。
これにより、ロータ周方向に沿う磁気回路を形成した場合には、大きな鉄損が出てしまうが、ロータ径方向に沿う磁気回路を形成することで、ロータ周方向に沿う磁気回路を形成した場合に比べ磁路が短くなるため、鉄損を減少させることができ、効率が向上する。また、ステータを１個にするため複合電流でそれぞれのロータを駆動しているので、部品点数の減少、ステータ体積の減少が可能になり、コストを低減することができる。

また、ロータ周方向に沿う磁気回路とロータ径方向に沿う磁気回路が、お互いの永久磁石を通過する構成になっていると、各ロータを独立駆動した場合等に磁気抵抗が増加してトルクが減少してしまう虞がある。しかしながら、ＩＰＭ型構造にしてフロントヨークを設けたことで、それぞれの磁気回路ループを考えた場合、直接駆動しないロータにおいては、そのフロントヨークを介して磁気回路を構成することができるため、即ち、お互いの磁束同士がフロントヨークを通過するようにしたため、磁気抵抗を低減することができ、その結果、トルクが向上する。

更に、ロータ径方向磁気回路を形成するロータ（ロータ１３）において、ロータ周方向磁気回路をフロント側ヨーク（フロントヨーク２０ａ）で形成したいために、異なった極性間でヨークを連結していることから、磁気短絡が発生しトルクが減少してしまう虞れがあった。しかしながら、ＩＰＭ型構造のロータにおいて、極性が同じになる磁石のフロント側ヨーク間の磁気抵抗が、異なる極性のフロント側ヨーク間の磁気抵抗より小さくなるように設定した。即ち、ロータ径方向磁気回路を形成するロータにおいて、フロント側ヨークにより同極間同志を結合し磁気抵抗を下げて、ロータ周方向の磁気回路を形成し、異極間はフロント側ヨークで結合しないことにより短絡を防止している。この結果、トルクが減少してしまうことがない。

その上、高回転領域では、ロータ径方向磁気回路により駆動されるロータトルクを、ロータ周方向磁気回路で駆動されるロータトルクより大きく設定し、低回転領域では、それらのロータトルクを等しく、若しくはロータ周方向磁気回路で駆動されるロータトルクの方を大きく設定している。即ち、例えば、２個のロータを有する構成において、一方のロータをロータ周方向に磁気回路を形成するように設計し、他方のロータをロータ径方向に磁気回路を形成するように設計した場合、高回転側では、ロータ周方向に磁気回路を形成するロータの鉄損の方が小さくなる。そこで、高回転領域においては、ロータ周方向に磁気回路を形成するロータの負荷を大きくすることにより、トータルの効率向上が可能になる。

このように、この発明によれば、複数の回転子を備え、少なくとも１つの回転子を駆動する磁気回路は、回転子径方向に沿って若しくは回転子軸方向に沿って形成され、他の少なくとも１つの回転子を駆動する磁気回路は、回転子周方向に沿って形成されているので、永久磁石を有する回転子を備えた回転電機を駆動する場合に、鉄損を小さくして磁気抵抗を低減し、駆動効率を向上させることができる。

この発明の一実施の形態に係る回転電機の概略構成を示し、（ａ）はステータ側から見た第１ロータの平面説明図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線に沿う断面説明図、（ｃ）はステータ側から見た第２ロータの平面説明図である。 図１（ｃ）の第２ロータにおけるフロントヨークと磁石の関係を示し、（ａ）はフロントヨークに形成される磁路の説明図、（ｂ）は展開説明図である。 従来の回転電機の磁気回路を示し、（ａ）はステータ側から見たロータの平面説明図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線に沿う断面による説明図である。

符号の説明

１０ 回転電機
１１ ステータ
１２，１３ ロータ
１４ 回転軸
１５ ステータコイル
１６ 外側ステータコア
１７ 内側ステータコア
１８，２０ ロータコア
１８ａ，２０ａ フロントヨーク
１８ｂ，２０ｂ バックヨーク
１９ 永久磁石
２１ａ 外側永久磁石
２１ｂ 内側永久磁石
２２ 隔壁部
ａ エアギャップ
ｒ１，ｒ２ 磁路

Claims (5)

1. 複数の回転子を備え、少なくとも１つの回転子を駆動する磁気回路を、回転子径方向に沿って若しくは回転子軸方向に沿って形成し、他の少なくとも１つの回転子を駆動する磁気回路を、回転子周方向に沿って形成していることを特徴とする回転電機。
2. 前記複数の回転子の少なくとも１つは回転子径方向に沿う磁気回路を形成すると共に、前記複数の回転子の少なくとも１つは、永久磁石を埋め込んだ（ＩＰＭ）構造を有することによりエアギャップ側にフロントヨークを形成し、前記フロントヨークの極性が同じ磁石間の磁気抵抗が、極性が異なる磁石間の磁気抵抗より小さくなるように設定したことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 前記フロントヨークは、前記回転子径方向に沿う磁気回路を形成する一方の永久磁石と他方の永久磁石の同極同士を繋いで磁気回路を構成することを特徴とする請求項２に記載の回転電機。
4. 高回転領域では、回転子径方向磁気回路で駆動されるロータトルクを、回転子周方向磁気回路で駆動されるロータトルクより大きく設定し、低回転領域では、それらのロータトルクを等しく、若しくは前記ロータ周方向磁気回路で駆動されるロータトルクを大きく設定したことを特徴とする請求項２または３に記載の回転電機。
5. 前記複数の回転子は、複合電流によりそれぞれ駆動されることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の回転電機。