JP2008148516A

JP2008148516A - 回転電機

Info

Publication number: JP2008148516A
Application number: JP2006335502A
Authority: JP
Inventors: Hidekazu Uchiyama; 英和内山
Original assignee: Mitsuba Corp
Current assignee: Mitsuba Corp
Priority date: 2006-12-13
Filing date: 2006-12-13
Publication date: 2008-06-26

Abstract

【課題】回転電機において低速及び高速回転時での出力特性及びモータ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】ステータ６と、ステータに対して同軸をなして回転自在に設けられたロータ４と、ロータに対するステータのロータの軸線Ａ方向での相対位置を変化させるステータ移動手段１１・１２とを有し、ステータに電機子コイル９及び電機子コイルが巻かれたコア６ａが設けられ、他方にコアに対峙するようにマグネット５が設けられた回転電機であって、コアは２以上の磁気特性の異なる部材を軸線Ａに沿って連続的に有し、ステータ移動手段１１・１２によりステータ６が、マグネット５の磁極面５ａと磁極面５ａに対峙するコアの対峙面との相対する面積が小さくなるように軸線方向に移動させられる方向と相反する側のコア６ａの部分に低鉄損の部材が設けられるようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、出力特性の調整が自在な回転電機に関するものである。

従来、電動モータまたは発電機として用いられる回転電機であって例えば電動モータにおいて、出力を調整可能にするためにステータとロータとを通過する磁束を変化させることができる回転電機があり、例えばロータを軸線方向に移動させてロータとステータとの間の互いに重なり合う面積を増減させるようにしたもの（例えば特許文献１参照）や、ロータとステータとの対峙面間のギャップ（間隙）を調整するようにしたものがあった（例えば特許文献２参照）。また本件出願人により、上記の重なり合う面積の増減に加えて、コイルの巻回数を選択可能として磁束の変化をより大きくした回転電機が開示されている（特許文献３参照）。

上記したような電動モータにあっては、低速回転時にはステータを通過する有効磁束が大きくなるようにして高トルクを達成し、高速回転時にはステータを通過する有効磁束が小さくなるようにして高速回転を達成することを目的としている。
特開平５−３００７１２号公報特開２００４−８０８４７号公報特願２００６−２５６９５２号

しかしながら、従来の方法では磁束を変化させるためにステータとロータ（電機子コイルが巻かれたコアとマグネット）との対向する面積の変更及びステータとロータ（電機子コイルが巻かれたコアとマグネット）との間のエアギャップの変更といった機械的な変更のみに注目しており、磁束が作用するステータの材質及び磁気特性の変更については考慮されていなかった。

鉄損は、電機子コイルが巻かれたコアにおいて発生するヒステリシス損及び渦電流損からなり、それらは材料の磁気特性と磁束密度及び周波数により異なる。低鉄損を実現するには材料の選定と磁束密度及び周波数を低く設定することが重要になる。一方、モータの発生トルクはコアを通過する磁束量に比例するので、高トルクを実現するにはコアは最大磁束密度の高い材料が適している。モータの低速回転時については、高トルクが必要とされるため、飽和磁束密度が高い部材が適しており、高速回転時については、高トルクは必要とされず代わりに高速回転に伴う鉄損を低減すために低鉄損材が適している。従来のように単一の部材から電機子コイルが巻かれたコアを形成すると、低速回転時及び高速回転時の双方に最適な特性を得ることができないという課題がある。

本発明では、このような課題を解決してステータとロータとを通過する磁束を増減させることで出力を調整可能にした回転電機において、更に磁束が通過するステータの材質を変更させることで、低速回転時及び高速回転時での特性を向上させることができる回転電機を提供する。

本発明の回転電機は、ステータと、前記ステータに対して同軸をなして回転自在に設けられたロータと、前記ロータに対する前記ステータの前記ロータの軸線方向での相対位置を変化させるステータ移動手段とを有し、前記ステータに電機子コイル及び前記電機子コイルが巻かれたコアが設けられ、他方に前記コアに対峙するようにマグネットが設けられた回転電機であって、前記コアは２以上の磁気特性の異なる部材を前記軸線に沿って連続的に有し、前記ステータ移動手段により前記ステータが、前記マグネットの磁極面と前記磁極面に対峙する前記コアの対峙面との相対する面積が小さくなるように前記軸線方向に移動させられる方向と相反する側の前記コアの部分に低鉄損の部材が設けられるようにする。

また、前記コアは２以上の磁気特性の異なる部材を前記軸線に沿って連続的に有し、前記ステータ移動手段により前記ステータが、前記マグネットの磁極面と前記磁極面に対峙する前記コアの対峙面との相対する面積が小さくなるように前記軸線方向に移動させられる方向と相反する側の前記コアの部分に低鉄損の部材が設けられ、かつ前記方向側の前記コアの部分に飽和磁束密度が高い部材が設けられるようにする。また、前記低鉄損の部材はケイ素鋼板を前記軸線方向に積層させた部材を含むと良い。また、前記飽和磁束密度が高い部材は冷間圧延鋼板を前記軸線方向に積層させた部材を含むようにすると良い。また、前記低鉄損の部材及び前記飽和磁束密度が高い部材は、同じ種類の材料からなる薄板を前記軸線方向に積層させて形成され、前記低鉄損の部材を形成する薄板の前記軸線方向の厚みが、前記飽和磁束密度が高い部材を形成する薄板の前記軸線方向の厚みに比べて薄くなるようにしても同様の目的を達成することができる。

本発明によれば、ステータコアが、２以上の磁気特性の異なる部材を有し、ステータ移動手段によりステータが、マグネットの磁極面と磁極面に対峙するコアの対峙面との相対する面積が小さくなるように前記軸線方向に移動させられる方向と相反する側に低鉄損の部材を有する構成とすることで、ステータがロータ及びマグネットから一部離脱するモータの高速回転時には、低鉄損の部材からなるステータコアの部分がマグネットに主として相対するようになる。これにより高速回転時の鉄損を低く抑えることができる。

また、ステータ移動手段によりステータが、マグネットの磁極面と磁極面に対峙するコアの対峙面との相対する面積が小さくなるように前記軸線方向の側に飽和磁束密度が高い部材を設けるようにすることで、ステータとマグネットとの相対する面積が大きくなるモータの低速回転時には、飽和磁束密度が高い部材がマグネットに相対するようになる。これにより低速回転時のステータに作用する有効磁束が大きくなり、高トルクを得ることができる。結果として、低速回転時及び高速回転時の双方に適したステータコアの特性を実現することができる。

また、低鉄損の部材は材質の特性が低鉄損の材料を用いることによって得るだけでなく、コアをロータの回転軸方向に薄板を積層させるとによって形成し、この薄板のロータの回転軸方向の厚みを薄くすることによっても、低鉄損の部材を得ることができる。

＜＜第１実施形態の構成＞＞
以下、本発明の第１実施形態を、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明が適用された電気自動車の駆動輪Ｗの例を示す模式的断面図である。図１において、車体１に固定支持軸２が突設かつ固定されており、その固定支持軸２には一対の軸受３ａ・３ｂを介してロータ４が回転自在に支持されている。ロータ４の外周部にはホイールを介して駆動輪Ｗが取り付けられている。

ロータ４は、支持軸２と同軸に大小径のボス部４ａ・４ｂが形成されており、両ボス部４ａ・４ｂ間の空間が車体１側に開放されている。大径ボス部４ｂの内周面には、周方向にＮ・Ｓ極を並べた複数のマグネット５が配設されている。また、両ボス部４ａ・４ｂによる空間に受容されるようにステータ６が設けられている。

ステータ６は、小径ボス部４ａ側に位置するようにされた環状部材８の外周面に固着されたステータコア６ａ・６ｂと、その複数のステータコア６ａ・６ｂに巻回された電機子コイル９とを一体に有する。ここでステータコアは２種の部材６ａ・６ｂからなり、ステータ６がロータ４の軸線Ａ方向でロータ４から離脱する方向Ｂと相反する側のステータコアの部分６ａに低鉄損の部材が設けられ、ステータ６がロータ４の軸線Ａ方向でロータ４から離脱する側のステータコアの部分６ｂに飽和磁束密度が高い部材が設けられる。例えば、低鉄損の部材はケイ素鋼板を軸線Ａ方向に積層させた部材であり、飽和磁束密度が高い部材は冷間圧延鋼板を軸線Ａ方向に積層させた部材である。このようにして構成されたステータ６と上記ロータ４とにより本発明が適用される回転電機としてのモータＭが構成される。

環状部材８は、車体１から突設固定され小径ボス４ａの外周に位置するガイド軸７によりスライド自在に支持されていると共に、車体１に取り付けられた例えばモータ駆動型のアクチュエータ１１の回転に伴う駆動軸１２と勘合された雌ネジ部１３の出没運動により支持軸２（ロータ４）の軸線方向に往復運動可能にされている。

＜＜第１実施形態の作用効果＞＞
上記の構成とすることで、アクチュエータ１１を駆動することにより環状部材８すなわちステータ６はロータの軸線Ａに沿って両ボス部４ａ・４ｂ間の空間を、マグネット５の磁極面５ａとステータコア６ａ・６ｂの磁極面５ａに対峙する対峙面の相対する面積が最大となる位置（図１中実線）から軸線方向でマグネット５とステータコア６ａ・６ｂの磁極面５ａに対峙する対峙面の相対する面積が減少する方向Ｂへと移動することができる。また、マグネット５の磁極面とステータコア６ａ・６ｂのマグネット５に対峙する対峙面の相対する面積が減少した位置から、軸線Ａ方向で方向Ｂと相反する方向Ｃへと移動することができる。その変位量はマグネット５の磁極面５ａに対して、図１に示されるように磁極面５ａに対向するステータ６のマグネット５に相対する面６ａがロータ４の軸線方向について完全に重なる位置と、図１の二点差線で示される位置との２位置間であって良い。なお、完全に重なる位置からの変位量にあっては、例えば完全に外れた位置までの変位量を１００％とした場合に約５０％としてもよい。なお、５０％の位置の場合には磁極面５ａと対峙面とのロータ軸線方向についての重なり量が半分となる。

図１に示すようにモータＭが低速回転するときには、ステータ６はロータ４内に収まり、マグネット５とステータコア６ａ・６ｂの相対する面積は大きくなる。この状態では低鉄損の部材６ａ及び飽和磁束密度が高い部材６ｂが共にマグネット５と相対し、ステータコア６ａに作用する有効磁束は最大となる。そのため、モータＭの低速回転に適した高トルクを供給することができる。

図２は、本発明の第１実施形態に係る回転電機を表す模式的断面図であって、ステータの位置が５０％変位しモータＭが高速回転を行う状態を示す。モータＭが高速回転するときには、ステータコア６ａ・６ｂは軸線Ａ方向で方向Ｂに移動し、マグネット５とステータコア６ａ・６ｂの相対する面積は小さくなる。この高速回転時の状態では飽和磁束密度が高い部材６ｂはマグネット５から離脱して、一部で相対するのみか又は全く重なり合わない状態となる。そしてマグネット５は主として低鉄損の部材６ａからなるステータコアの部分に相対する。このためステータコアを通過する磁束は主として低鉄損の部材を通過することになり、モータＭの高速回転時に発生する鉄損を低く抑えることができる。

また、ステータコア６ａ・６ｂを同じ種類の材料からなる薄板をロータの軸線Ａ方向に積層させて形成し、低鉄損のコア部分６ａを形成する薄板の軸線Ａ方向の厚みを、飽和磁束密度が高いコアの部分６ｂを形成する薄板の軸線Ａ方向の厚みより薄くするようにしても低鉄損のコア部６ａを得ることができ、第１実施形態に係る回転電機と似た効果を得ることができる。

＜＜その他の実施形態の構成＞＞
図３は、本発明の第２実施形態に係る回転電機を表す模式的断面図である。第２実施形態では、ステータコアは鉄損の異なるｎ個の部材からなり、ｎ個の異なる部材はステータコアがロータ４の軸線Ａ方向でマグネット５から離脱する方向Ｂとは相反する側に最も鉄損が低い部材６aが設けられ、そこからステータコアがロータ４の軸線に沿ってマグネット５から離脱する方向へと鉄損が連続して増加し、同時に飽和磁束密度も増加する材料で配置される。その他の構成は第１実施形態と同様である。

＜＜その他の実施形態の作用効果＞＞
その他の実施形態での作用効果は第１実施形態での作用効果と同様であるが、上記の構成とすることでステータコア６ｃの鉄損特性をロータ４の軸線に沿って更に細かく規定することができる。その結果、モータＭの回転数に合わせたモータ特性の最適化をより細かく調整することができる。

本発明に係る回転電機は、低速回転時のトルク性能を向上させることができると共に、高速回転時の鉄損を減少させてモータ効率を高めることができ、電動モータや発電機として有用である。

第１実施形態が適用された電気自動車の駆動輪Ｍの例を示す模式的断面図である。第１実施形態に係る回転電機の模式的断面図である。その他の実施形態に係る回転電機の模式的断面図である。

符号の説明

１車体
２支持軸
３軸受
４ロータ
５マグネット
６ステータ
６ａ・６ｂステータコア
８環状部材
１１アクチュエータ
１２駆動軸

Claims

ステータと、前記ステータに対して同軸をなして回転自在に設けられたロータと、前記ロータに対する前記ステータの前記ロータの軸線方向での相対位置を変化させるステータ移動手段とを有し、前記ステータに電機子コイル及び前記電機子コイルが巻かれたコアが設けられ、他方に前記コアに対峙するようにマグネットが設けられた回転電機であって、
前記コアは２以上の磁気特性の異なる部材を前記軸線に沿って連続的に有し、前記ステータ移動手段により前記ステータが、前記マグネットの磁極面と前記磁極面に対峙する前記コアの対峙面との相対する面積が小さくなるように前記軸線方向に移動させられる方向と相反する側の前記コアの部分に低鉄損の部材が設けられることを特徴とする回転電機。
前記コアは２以上の磁気特性の異なる部材を前記軸線に沿って連続的に有し、前記ステータ移動手段により前記ステータが、前記マグネットの磁極面と前記磁極面に対峙する前記コアの対峙面との相対する面積が小さくなるように前記軸線方向に移動させられる方向と相反する側の前記コアの部分に低鉄損の部材が設けられ、かつ前記方向側の前記コアの部分に飽和磁束密度が高い部材が設けられることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
前記低鉄損の部材はケイ素鋼板を前記軸線方向に積層させた部材を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の回転電機。
前記飽和磁束密度が高い部材は冷間圧延鋼板を前記軸線方向に積層させた部材を含むことを特徴とする請求項２に記載の回転電機。
前記低鉄損の部材及び前記飽和磁束密度が高い部材は、同じ種類の材料からなる薄板を前記軸線方向に積層させて形成され、前記低鉄損の部材を形成する薄板の前記軸線方向の厚みが、前記飽和磁束密度が高い部材を形成する薄板の前記軸線方向の厚みに比べて薄いことを特徴とする請求項１又は２に記載の回転電機。