JP2010166743A - 可変特性回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】回転電機の特性変更用にロータおよびステータを軸線方向相対変位させるに際し、専用のアクチュエータを要することなくこれを行ってコスト低減および小型化を図る。
【解決手段】回転電機の駆動に際しては、少極ロータ8用駆動電流と、多極ロータ11用駆動電流とを複合して電機子巻線列14に供給する。このとき、少極ロータ8および多極ロータ11の電磁吸引力間に差が発生し、ロータ1を図の右方へ附勢させるスラスト力が発生する。少極ロータ8用駆動電流が多極ロータ11用駆動電流よりも小振幅である間、ロータ1への上記スラスト力が小さく、ロータ1は弾性手段16により図示の低速回転位置に保たれる。少極ロータ8用駆動電流を振幅増大させると同時に、多極ロータ11用駆動電流を振幅減少させると、ロータ1への上記スラスト力が大きくなり、ロータ1は弾性手段16に抗してストロークされ、ついには高速回転位置となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、径方向内外にラジアルギャップを持たせて配したロータおよびステータを具えるラジアルギャップ型回転電機に関し、特に動作特性を可変にしたラジアルギャップ型可変特性回転電機に関するものである。

この種の可変特性回転電機としては従来、例えば特許文献1に記載のようなものが知られている。
この可変特性回転電機は、ラジアルギャップが存在するよう径方向内外に配置してロータおよびステータを具え、これらロータおよびステータ間に発生した誘起電圧により動作するものである。

上記回転電機の動作特性を変化させるに際しては、アクチュエータによりロータおよびステータを軸線方向へ相対変位させてラジアルギャップ領域を変化させ、これにより上記の誘起電圧を変化させて回転電機の動作特性を変化させる。

特開２００２−３００７６０号公報

しかし従来のように、ロータおよびステータの軸線方向相対変位をアクチュエータにより生起させるのでは、
上記アクチュエータの新設により部品点数が増えて、コスト上不利であると共に、アクチュエータの設置スペース分だけ回転電機が大型化するという問題を生ずる。

本発明は上記の問題に鑑み、アクチュエータの新設なしにロータおよびステータの上記軸線方向相対変位を生起させ得る可変特性回転電機を提案して、上記の問題解決を実現することを目的とする。

この目的のため、本発明による可変特性回転電機は、請求項１に記載のごとく、
径方向内外にラジアルギャップを持たせて配したロータおよびステータを具え、これらロータおよびステータを軸線方向へ相対変位させて誘起電圧を可変にするようにした可変特性回転電機において、
前記ロータの界磁磁極列を、ロータ軸線方向に相互に離間され、且つ、磁極配列パターンが異なる複数の界磁磁極列で構成し、
これら界磁磁極列用の電流を複合して前記ステータの電機子巻線列に供給することにより前記ロータを駆動すると共に、前記界磁磁極列用の電流間に差を持たせて前記ステータとの間に発生する界磁磁極列の電磁吸引力間に差を生じさせることにより、ロータおよびステータの前記軸線方向相対変位を生起させるよう構成したことを特徴とするものである。

かかる本発明の可変特性回転電機によれば、回転電機の特性変更に際して行うべきロータおよびステータの軸線方向相対変位に当たり、
ロータに設定した上記複数の界磁磁極列用の電流間に差を持たせて、ステータとの間に発生する界磁磁極列の電磁吸引力間に差を生じさせることにより、ロータおよびステータの当該軸線方向相対変位を生起させるようにしたため、
ロータおよびステータの上記軸線方向相対変位を生起させる専用のアクチュエータが不要であり、その分だけ回転電機のコスト低減および小型化を実現することができる。

本発明の第1実施例になる可変特性回転電機を、低速回転時の特性が選択されている状態で示す要部拡大断面図である。 図1の可変特性回転電機を、高速回転時の特性が選択されている状態で示す要部拡大断面図である。 図1,2に示す第1実施例になる可変特性回転電機のロータに設けられた少局界磁磁極列および多極界磁磁極列に作用する電磁吸引力のベクトル線図である。 図1,2の可変特性回転電機における少局界磁磁極列用の電流および多極界磁磁極列用の電流を示し、 (a)は、低速回転時用の電流波形図、 (b)は、中速回転時用の電流波形図、 (c)は、高速回転時用の電流波形図である。 本発明の第2実施例になる可変特性回転電機のロータに設けられた凸極列および界磁磁極列を示す展開平面図である。 本発明の第3実施例になる可変特性回転電機を示す、図1,2と同様な要部拡大断面図である。 同実施例になる可変特性回転電機のロータに設けられた2個の界磁磁極列および凸極列を示す展開平面図である。 同実施例の可変特性回転電機における2個の界磁磁極列用の電流および凸極列用の電流を例示する電流波形図である。 本発明の第4実施例になる可変特性回転電機を、低速回転時の特性が選択されている状態で示す要部拡大断面図である。 図9の可変特性回転電機を、低速回転時の特性から高速回転時の特性へと切り替わる途中の状態で示す要部拡大断面図である。 図9の可変特性回転電機を、高速回転時の特性が選択されている状態で示す要部拡大断面図である。 同実施例になる可変特性回転電機のロータに設けられた3個の界磁磁極列を示す展開平面図である。 同実施例の可変特性回転電機における3個の界磁磁極列用の電流を例示する電流波形図で、 (a)は、ステータのU相電機子巻線に供給する電流波形図、 (b)は、ステータのV相電機子巻線に供給する電流波形図である。

以下、本発明の実施の形態を、図示の第1実施例〜第4実施例に基づき詳細に説明する。
＜第1実施例＞
図1,2はそれぞれ、本発明の第1実施例になる可変特性回転電機を、低速回転時に好適な動作特性となるような状態、および、高速回転時に好適な動作特性となるような状態で示す要部拡大断面図である。

図1,2において、1はロータを示し、2はステータを示す。
ステータ2は円環状とし、その外周面をハウジング3内に嵌着する。
ロータ1をステータ2内に同心に配置し、ボールスプライン5でロータ軸4上に回転係合させて、しかし軸線（O）方向へ変位可能に支持する。

かように径方向内外に配したロータ1およびステータ2のうち、ロータ1は、回転界磁鉄心6、および、その外周面に貼設した永久磁石7とよりなるロータ半部8と、回転界磁鉄心9、および、その外周面に貼設した永久磁石10とよりなるロータ半部11との同軸一体結合体により構成する。
この同軸一体結合体に際しては、ロータ半部8およびロータ半部11を同径および同圧とし、これらロータ半部8,11間に非磁性板12を挟んでロータ半部8およびロータ半部11を相互に同軸一体結合体する。

そして永久磁石7,10はそれぞれ、図3に明示するごとくN極永久磁石とS極永久磁石とを回転界磁鉄心6,9（図1,2参照）の外周面に円周方向へ交互に配置する。
しかし、永久磁石7の磁石配列数を永久磁石10の磁石配列数よりも少なくして、永久磁石7,10の配列パターンを異ならせ、
永久磁石7が配列されているロータ半部8を少極ロータ、永久磁石10が配列されているロータ半部11を多極ロータとする。

ステータ2は、電機子鉄心13に電機子巻線列14を巻装したものとし、全体として前記したごとく円環状に構成する。
電機子巻線列14の列数は、ロータ半部8,11（界磁磁極列の数）よりも少ない1個とする。
電機子鉄心14の内周面と、電磁石7,10との間には、つまりステータ2とロータ1との間には、ラジアルギャップ15を設定する。

本実施例においては、ボールスプライン5でロータ軸4に回転係合させたロータ1の軸線方向相対変位を、ロータ軸4自身によって規定し得るようにするため、
図1,2に示すごとくロータ1の回転界磁鉄心6,9を、ロータ軸4上のフランジ4a,4b間に挟むと共に、フランジ4bおよび回転界磁鉄心9間に皿バネなどの弾性手段16を介在させて、回転界磁鉄心6,9をフランジ4aに当接した図1の低速回転位置に弾支する。

一方でフランジ4bには、回転界磁鉄心6,9が弾性手段16に抗して軸線方向変位するときにおける限界位置を、図2に示す高速回転位置に規定するストッパ17を設ける。

上記した第1実施例になる可変特性回転電機の作用を以下に説明する。
本実施例の回転電機を駆動するに際しては、図4に実線で示すロータ半部8（少極ロータ）用駆動電流と、同図に一点鎖線で示すロータ半部11（多極ロータ）用駆動電流とを複合して、電機子巻線列14に供給する。

このとき、ロータ半部8が少極ロータであり、ロータ半部11が多極ロータであることにより、これらロータ半部8（少極ロータ）およびロータ半部11（多極ロータ）の電磁吸引力間に差が発生し、図3のベクトル図に示すごとくロータ1を図1,2の右方へ附勢させるスラスト力が発生する。

図4(a)に示すごとく、実線のロータ半部8（少極ロータ）用駆動電流を、一点鎖線のロータ半部11（多極ロータ）用駆動電流よりも小振幅にすると、ロータ1に作用する上記のスラスト力が小さい。
このため、ロータ1は弾性手段16の弾性力によりフランジ4aに押し付けられた図1の低速回転位置に弾支される。

この位置では、電機子鉄心13がロータ半部8（少極ロータ）に重合する面積と、ロータ半部11（多極ロータ）に重合する面積とが略同じになり、対応するロータ1およびステータ2間の誘起電圧によって、回転電機は低速回転時用の特性をもって動作することができる。

図4(b),(c)に示すごとく、実線のロータ半部8（少極ロータ）用駆動電流を振幅増大させると同時に、一点鎖線のロータ半部11（多極ロータ）用駆動電流を振幅減少させると、ロータ1に作用する上記のスラスト力が大きくなる。
この場合、ロータ1は弾性手段16の弾性力に抗して上記のスラスト力によりフランジ4aから離され、ついには図2の高速回転位置へとストロークされる。

図2の高速回転位置では、電機子鉄心13がロータ半部8（少極ロータ）に重合する面積を、ロータ半部11（多極ロータ）に重合する面積よりも大きくされ、ロータ1およびステータ2間の誘起電圧を小さくされるによって、回転電機は高速回転時用の特性で動作することができる。

以上の説明から明らかなように、本実施例によれば、
回転電機の特性変更に際して行うべきロータ1およびステータ2の軸線方向相対変位に当たり、
ロータ1に、ロータ軸線方向に相互に離間され、且つ、磁極配列パターンが異なる複数の界磁磁極列7,10を設定し、これら界磁磁極列7,10用の駆動電流を複合してステータ2の電機子巻線列14に供給することによりロータ1を駆動すると共に、上記界磁磁極列7,10用の駆動電流間に差を持たせてステータ2との間に発生する界磁磁極列7,10の電磁吸引力間に差を生じさせることにより、ロータ1およびステータ2の上記軸線方向相対変位を生起させるよう構成したため、
ロータ1およびステータ2の上記軸線方向相対変位を生起させる専用のアクチュエータが不要であり、その分だけ回転電機のコスト低減および小型化を実現することができる。

また、界磁磁極列7,10間における上記磁極配列パターンの違いを、界磁磁極列7,10間における磁極配列数を異ならせたものとしたため、
上記の作用効果を、安価な構成によって実現することができる。

更に、界磁磁極列7,10用の電流間における前記の差を、電流の振幅の大きさに関する差としたため、
前記の作用効果を、簡単な電流振幅制御によって実現することができる。

なお、かかる電流振幅制御に際しては、前記した通りロータ1の回転数が低速回転であるほど、高速回転であるときよりも、磁極配列数の少ない界磁磁極列用の電流の振幅を、磁極配列数の多い界磁磁極列用の電流の振幅よりも大きくすることで、
低速回転時と高速回転時とでそれぞれ、回転電機を要求通りの特性にすることができる。

また、ステータ2の電機子巻線列14の数（第1実施例では1個）を、界磁磁極列7,10の数（第1実施例では2個）よりも少なくして、前記した複合電流制御によりロータ1およびステータ2の前記軸線方向相対変位を生起させるよう構成したため、
界磁磁極列7,10用の電流間に、振幅が異なるようなどの差を設定するだけで、ロータ1およびステータ2間の軸線方向相対変位を生じさせ得て、制御性が向上する。

＜第2実施例＞
図5は、本発明の第2実施例になる可変特性回転電機の界磁磁極列を示すもので、基本的には図1,2に示す第1実施例と同様な構成を踏襲する。
しかし本実施例においては、ロータ半部11の界磁磁極列10を第1実施例と同じく、ステータ2とで誘導モータが構成されるような永久磁石列とするが、
ロータ半部8の界磁磁極列を、第1実施例における界磁磁極列7に代えて、凸極21aおよび凹部21bの円周方向交互配置になり、ステータ2とでリラクタンスモータを構成するリラクタンス凸極列21とする。

凸極21aおよび凹部21bの長さはそれぞれ、N極永久磁石10aおよびS極永久磁石10aの長さの和値に同じとし、リラクタンス凸極列21が設けられたロータ半部8および界磁磁極列10が設けられたロータ半部11間に、第1実施例と同様に非磁性板12を介在させる。

上記した第2実施例になる可変特性回転電機も、第1実施例と同様に作用して同様な作用効果を達成することができるが、
この第2実施例においては、ロータ半部8の界磁磁極列が凸極21aおよび凹部21bの円周方向交互配置になるリラクタンス凸極列21であることから、永久磁石を必要としない分だけ量産性に優れ、コスト低減に寄与する。

＜第3実施例＞
図6,7は、本発明の第3実施例になる可変特性回転電機を示し、図6は、その要部拡大断面図、図7は、ロータに設けられた2個の界磁磁極列および1個の凸極列を示す展開平面図である。

本実施例においては可変特性回転電機を、図6に示すごとく2個1組のステータ2-1および2-2と、図6,7に示すごとく2個の界磁磁極列31,32および1個の凸極列33を有したロータ1とよりなるウェーブクレスト型の可変特性回転電機とする。

ステータ2-1および2-2はそれぞれ図6,7に示すごとく、第1実施例におけるステータ2と同様、電機子鉄心13および電機子巻線14よりなる円環状とし、
これらステータ2-1および2-2を軸線方向に離間させてそれぞれの外周面をハウジング3内に嵌着する。

ステータ2-1および2-2内に同心（軸線をOで示す）に配置するロータ1は、軸線方向へ変位可能にして回転自在に支持した回転界磁鉄心34と、その外周面に貼設した永久磁石列31,32と、凸極列33とより構成する。
回転界磁鉄心34は、ステータ2-1の電機子鉄心13およびステータ2-2の電機子鉄心13を橋絡するような長さとする。

永久磁石列31,32はそれぞれ、ステータ2-1の電機子鉄心13およびステータ2-2の電機子鉄心13と対向するよう、回転界磁鉄心34の両端部外周面に貼設する。
そして永久磁石列31,32はそれぞれ、図7に明示するごとく全て同じ長さとしたN極永久磁石31a,32aおよびS極永久磁石31b,32bの円周方向交互配列により構成し、ステータ2-1および2-2とにより誘導モータを構成するようなものとする。

凸極列33は、永久磁石列31,32間において図6に示すごとく回転界磁鉄心34の両端間外周面に形成した凸極33aおよび凹部33bの円周方向交互配置になるものとし、ステータ2-1,2-2とでリラクタンスモータを構成するようなリラクタンス凸極列とする。
なお凸極33aおよび凹部33bの円周方向長さはそれぞれ、N極永久磁石31a（32a）およびS極永久磁石31b（32b）の円周方向長さの和値に同じとする。
また、凸極列33と、永久磁石列31,32との間にそれぞれ、非磁性板35,36を介在させる。

上記した第3実施例になる可変特性回転電機の作用を以下に説明する。
本実施例においては、図8に実線で示す凸極列33（少極ロータ）用駆動電流と、同図に一点鎖線で示す永久磁石列31または32（多極ロータ）用駆動電流とを複合して、ステータ2-1または2-2の電機子巻線列14に供給する。

このとき、凸極列33が少極ロータであり、永久磁石列31,32が多極ロータであることにより、ステータ2-2の電機子巻線列14に上記の複合電流を供給した場合につき説明すると、図6にαで例示する磁束が発生し、凸極列33および永久磁石列31の電磁吸引力間に差が発生する。
よって図6に矢印で示すごとくロータ1を、図6の右方へ附勢させるスラスト力が発生して、ロータ1を同方向へ変位させた位置となし、回転電機を高速回転時用の特性をもって動作させことができる。

ステータ2-1の電機子巻線列14に上記の複合電流を供給した場合、凸極列33および永久磁石列32の電磁吸引力間における差が、ロータ1を上記と逆向き（図6の左方）へ附勢するスラスト力を発生させる。
よって、ロータ1を同方向へ変位させた位置となし、回転電機を低速回転時用の特性をもって動作させることができる。

以上ことから明らかなように本実施例の構成でも、回転電機の特性変更に際して行うべきロータ1およびステータ2の軸線方向相対変位に当たり、
専用のアクチュエータが不要であり、その分だけ回転電機のコスト低減および小型化を実現することができる。

＜第4実施例＞
図9〜12は、本発明の第4実施例になる可変特性回転電機を示し、図9は、低速回転時の特性が選択されている状態で示す要部拡大断面図、図10は、高速回転時の特性へ向かう途中の状態で示す要部拡大断面図、図11は、高速回転時の特性が選択された状態で示す要部拡大断面図、図12は、ロータに設けられた3個の界磁磁極列を示す展開平面図である。

本実施例においては可変特性回転電機を、図9〜11に示すごとく3個1組のステータ2-1,2-2および2-3と、同図に示すごとく3個の界磁磁極列41,42,43を有したロータ1とよりなる三相式の可変特性回転電機とする。

ステータ2-1,2-2および2-3はそれぞれ図9〜11に示すごとく、第1実施例におけるステータ2と同様、電機子鉄心13および電機子巻線14よりなる円環状とし、
これらステータ2-1,2-2および2-3を軸線方向に離間させてそれぞれの外周面をハウジング3内に嵌着する。
なお、ステータ2-1の電機子巻線14はU相とし、ステータ2-2の電機子巻線14はV相とし、ステータ2-3の電機子巻線14はW相とする。

ステータ2-1,2-2および2-3内に同心に配置するロータ1は、軸線方向へ変位可能にして回転自在に支持し、外周面に永久磁石列41,42,43を貼設して構成する。
永久磁石列41,42,43はそれぞれ、ステータ2-1の電機子鉄心13、ステータ2-2の電機子鉄心13、およびステータ2-3の電機子鉄心13と対向するよう、ロータ1の外周面に貼設する。

そして永久磁石列41,42,43はそれぞれ、図12に明示するごとく全て同じ長さとしたN極永久磁石41a,42a、43aおよびS極永久磁石41b,42b,43bの円周方向交互配列により構成する。
ところで永久磁石列41,42,43は、図12に明示するごとく相互に半位相ずつ円周方向にずらせて、ステータ2-1,2-2および2-3とにより誘導モータを構成するようなものとする。
また、永久磁石列42と、永久磁石列41,43との間にそれぞれ、非磁性板44,45を介在させる。

上記した第4実施例になる可変特性回転電機の作用を以下に説明する。
本実施例においては図9に示す低速回転時の状態で、例えば図13(a)に示すU相用の電流をステータ2-1の電機子巻線14に供給し、図13(b)に示すV相用の電流をステータ2-2の電機子巻線14に供給すると、
図10に示すような磁束βが発生して、ロータ1に同図矢印方向のスラストが作用し、これによりロータ1を図11に示す高速回転時の位置へと変位させることができる。

よって本実施例の構成でも、回転電機の特性変更に際して行うべきロータ1およびステータ2の軸線方向相対変位に当たり、専用のアクチュエータが不要であり、その分だけ回転電機のコスト低減および小型化を実現することができる。

1 ロータ
2,2-1,2-2,2-3 ステータ
3 ハウジング
4 ロータ軸
5 ボールスプライン
6,9 回転磁界鉄心
7,10,31,32,41,42,43 永久磁石列（界磁磁極列）
7a,10a,31a,32a,41a,42a,43a N極永久磁石
7b,10b,31b,32b,41b,42b,43b S極永久磁石
8,11 ロータ半部
12,35,36,44,45 非磁性板
13 電機子鉄心
14 電機子巻線
15 ラジアルギャップ
16 弾性手段
17 ストッパ
21,33 凸極列
21a,33a 凸極
21b,33b 凹部

Claims (6)

1. 径方向内外にラジアルギャップを持たせて配したロータおよびステータを具え、これらロータおよびステータを軸線方向へ相対変位させて誘起電圧を可変にするようにした可変特性回転電機において、
   前記ロータの界磁磁極列を、ロータ軸線方向に相互に離間され、且つ、磁極配列パターンが異なる複数の界磁磁極列で構成し、
   これら界磁磁極列用の電流を複合して前記ステータの電機子巻線列に供給することにより前記ロータを駆動すると共に、前記界磁磁極列用の電流間に差を持たせて前記ステータとの間に発生する界磁磁極列の電磁吸引力間に差を生じさせることにより、ロータおよびステータの前記軸線方向相対変位を生起させるよう構成したことを特徴とする可変特性回転電機。
2. 請求項1に記載の可変特性回転電機において、
   前記界磁磁極列間における磁極配列パターンの違いは、界磁磁極列間における磁極配列数を異ならせたものであることを特徴とする可変特性回転電機。
3. 請求項1に記載の可変特性回転電機において、
   前記界磁磁極列間における磁極配列パターンの違いは、一の界磁磁極列をN極およびS極の交互配列になる永久磁石列とし、他の界磁磁極列を凸極の等間隔配列になるリラクタンス凸極列としたものであることを特徴とする可変特性回転電機。
4. 請求項1〜3のいずれか1項に記載の可変特性回転電機において、
   前記界磁磁極列用の電流間における差は、振幅の大きさに関する差であることを特徴とする可変特性回転電機。
5. 請求項1〜4のいずれか1項に記載の可変特性回転電機において、
   前記ステータの電機子巻線列の数を、前記界磁磁極列の数よりも少なくして、前記複合電流制御によりロータおよびステータの前記軸線方向相対変位を生起させるよう構成したことを特徴とする可変特性回転電機。
6. 請求項2〜5のいずれか1項に記載の可変特性回転電機において、
   前記ロータの回転数が低速回転であるほど、高速回転であるときよりも、磁極配列数の少ない界磁磁極列用の電流の振幅を、磁極配列数の多い界磁磁極列用の電流の振幅よりも大きくするよう構成したことを特徴とする可変特性回転電機。

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