JP2011019335A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】回転電機のロータに設けられるロータティースの改善を図ることにより、回転電機の出力の向上を図ることを可能とする回転電機を提供する。
【解決手段】ロータティース１４１の先端部１４１ａにテーパ１４１ａを設けることで、付根部１４１ｂの磁気抵抗が先端部１４１ａの磁気抵抗よりも小さくなるため、ステータからの漏洩磁束Ｍが周方向（Ｘ）よりも径方向（Ｙ）に向けて透過し易くなる。その結果、ステータからの漏洩磁束をロータコイルに十分鎖交させることができる。これにより、ロータコイルに流れる誘導電流を増加させることができ、回転電機の出力の向上を図ることが可能となる。
【選択図】図１０

Description

この発明は、回転電機に関し、特に、出力の向上が図られた回転電機に関する。

下記特許文献１から３には、回転電機に関し、界磁巻線型同期機が開示されている。これらの界磁巻線型同期機においては、ロータコイルがダイオードを介して短絡される構造を有している。この構造を採用することで、ロータコイルには、交流電流を用いた場合でも、一方向のみに電流が流れることで、ロータコアに所定方向の一対の界磁極が形成される。

また、下記特許文献２には、ロータコイルが回転径方向へ移動するのを規制するための規制部材が、ロータコイルを覆うように設ける構造が開示されている。

特開２００８−０８６１６１号公報 特開２００８−１７８２１１号公報 特開２００７−１８５０８２号公報

上記構成の回転電機においては、出力の向上が求められる。出力の向上を図るための一つの方法として、ステータからの空間高調波を利用してロータコイルの誘起電力を効率よく発生させることが挙げられる。この発明の目的は、回転電機のロータに設けられるロータティースの改善を図ることにより、回転電機の出力の向上を図ることを可能とする回転電機を提供することにある。

この発明に基づいた回転電機においては、周面に複数のロータティースが形成されたロータコア、および、上記ロータティースに巻回されたロータコイルを有するロータと、上記ロータと対向するように環状に配置されたステータとを備え、上記ロータティースは、上記ステータからの漏洩磁束が周方向よりも径方向に向けて透過し易く設けられている。

この発明に基づいた回転電機によれば、ステータからの漏洩磁束が径方向に沿ってロータティース内の先端部から付根部に向けて通り易くなる。これにより、ステータからの漏洩磁束をロータコイルに十分鎖交させることができる。その結果、ロータコイルに流れる誘導電流を増加させることにより、回転電機の出力の向上を図ることが可能となる。

実施の形態１における回転電機の全体斜視図である。 図１中のＩＩ−ＩＩ線矢視断面に相当する回転電機の横断面図である。 実施の形態１における回転電機の誘導電流の発生原理を示す第１図である。 実施の形態１における回転電機の誘導電流の発生原理を示す第２図である。 （Ａ）および（Ｂ）は、実施の形態１における回転電機の誘導電流の発生原理を示す第３図である。 （Ａ）および（Ｂ）は、実施の形態１における回転電機の誘導電流の発生原理を示す第４図である。 回転電機のロータの課題を示す第１図である。 回転電機のロータの課題を示す第２図である。 回転電機により得られるトルクを示す図である。 実施の形態１におけるロータティースの形状を示す部分拡大図である。 （Ａ）は通常形態のロータティースを採用した場合の漏洩磁束のロータコイルへの鎖交状態を示す模式図であり、（Ｂ）は、実施の形態１におけるロータティースを採用した場合の漏洩磁束のロータコイルへの鎖交状態を示す模式図である。 実施の形態２におけるロータティースの形状を示す部分拡大図である。 実施の形態２におけるロータティースを採用した場合の漏洩磁束のロータコイルへの鎖交状態を示す模式図である。 実施の形態３におけるロータティースの形状を示す部分拡大図である。 実施の形態３におけるロータティースを採用した場合の漏洩磁束のロータコイルへの鎖交状態を示す模式図である。 実施の形態４におけるロータティースの形状を示す部分拡大図である。 実施の形態４におけるロータティースを採用した場合の漏洩磁束のロータコイルへの鎖交状態を示す模式図である。 実施の形態５におけるロータティースの形状を示す部分拡大図である。 実施の形態５におけるロータティースを採用した場合の漏洩磁束のロータコイルへの鎖交状態を示す模式図である。 実施の形態６におけるロータティースの形状を示す部分拡大図である。 実施の形態６におけるロータティースを採用した場合の漏洩磁束のロータコイルへの鎖交状態を示す模式図である。 実施の形態７におけるロータティースの形状を示す部分拡大図である。 実施の形態７におけるロータティースを採用した場合の漏洩磁束のロータコイルへの鎖交状態を示す模式図である。

本発明に基づいた実施の形態における回転電機について、以下、図を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施の形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本発明の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。また、同一の部品、相当部品に対しては、同一の参照番号を付し、重複する説明は繰り返さない場合がある。

（実施の形態１）
図１から図１１を参照して、本実施の形態における回転電機１００およびロータ１１０の形状について説明する。

（ロータ１１０の外観構成）
図１にロータ１１０の外観構成を示す。ロータ１１０は、回転中心軸Ｏを有する回転シャフト１１１を有している。回転シャフト１１１は筒状のロータコア１４０を有している。ロータコア１４０は、半径方向に延びるロータティース１４１とロータティース１４２とを有している。ロータティース１４１とロータティース１４２とは同一の形状である。ロータティース１４１には、ロータコイル１１３が巻回されている。ロータティース１４２には、ロータコイル１２３が巻回されている。

（回転電機の横断面構造）
図２を参照して、本実施の形態における回転電機１００の横断面構造について説明する。この回転電機１００は、上記したロータ１１０と、このロータ１１０と対向するように環状に配置されたステータ１３０とを有している。ロータ１１０の構成要素であるロータコア１４０は、ロータヨーク１４３を有している。ロータヨーク１４３の外周面には、上記したように、半径方向に延びるロータティース１４１とロータティース１４２とが交互に所定のピッチで配設されている。

各ロータティース１４１に巻回されたそれぞれロータコイル１１３は、ダイオード（整流器）１１４を介在させて直列に接続されている。同様に、各ロータティース１４２に巻回されたそれぞれロータコイル１２３も、ダイオード（整流器）１２４を介在させて直列に接続されている。

ステータ１３０の内周面は、ロータ１１０の外周面と対向している。ステータ１３０の内周面とロータ１１０の外周面とは、僅かに離れている。ステータ１３０は、環状に形成されたステータコア１３１とステータコイル１３２とを有している。

ステータコア１３１は、環状に形成されたステータヨーク１３１ａと、このステータヨーク１３１ａの内周面側において、半径方向の内側に向かって延びるように設けられた複数のステータティース１３１ｂとを有している。ステータコイル１３１は、ステータティース１３１ｂに巻回されている。ステータコイル１３１は、Ｕ相コイル、Ｖ相コイル、および、Ｗ相コイルを含む、３相コイルである。

上記回転電機１００において、ロータ１１０のロータティース１４１，１４２は、合計１２箇所設けられ、ステータ１３０のステータティース１３１ｂは、合計１８箇所設けられている。なお、これらの数量はあくまで一例であり、回転電機に要求される仕様に応じて適宜変更されるものである。

（誘導電流の発生原理）
上記した回転電機１００は、集中巻ステータの空間高調波を利用し、巻線型回転子上の巻線に誘導電流を流すモータとして用いることができる。以下、図３から図６を参照して、本実施の形態おける回転電機１００の誘導電流の発生原理について説明する。

図３（Ａ）、（Ｂ）を参照して、ステータ１３０からの磁束のロータヨーク１４３への流入は、時間的に交互に繰り返される。

図４（Ａ）、（Ｂ）を参照して、ロータコア１４０は、ロータヨーク１４３を介して磁気的につながっているため、磁気回路において各鎖交磁束の大部分は、ロータヨーク１４３上の隣り合う磁極（Ａ相、Ｂ相）で打ち消しあう。Ａ相およびＢ相の鎖交磁束（二次の空間高調波）は、Ａ相およびＢ相で打ち消しあうようにロータヨーク１４３に流れ込もうとする。そのため、最初は、打ち消しあう際の漏洩磁束のみが発生する。

図５（Ａ）、（Ｂ）を参照して、本実施の形態に示すように、ダイオードが設けられたロータ巻線の場合、漏洩磁束によりＡ相またはＢ相のどちらかの巻線に、交互に誘導電流が発生する。

図６（Ａ）、（Ｂ）を参照して、図５（Ａ）、（Ｂ）に示す状態が継続して繰り返されると、Ａ相とＢ相とにおいて交互に誘導電流が発生する。その結果、誘導電流成分が増加し、図中の矢印Ｍで示すように、誘導電流の磁束による固定磁束が発生することになる。

図７および図８に示すように、上記構成からなる回転電機１００において、ロータティース１４１，１４２の先端部に、ロータコイル１１３、１２３を覆う庇１４５（図７のＸ１で囲まれた領域参照）、庇１４６（図８のＸ２で囲まれた領域参照）を設けた場合には、庇を設けない場合に比べて、回転電機１００のトルクが低下する。

図９は、庇を設けない場合、図７に示す大きさの庇１４５を設けた場合、図８に示す庇１４６を設けた場合の、それぞれのトルクを示していいる。庇を設けた場合には庇設けない場合に比べて、トルクが低下することが分かる。

ロータティースの先端部に庇を設けることで、ロータティースの先端部の磁性抵抗が低下（透磁率が上昇）するため、ロータティースの先端部でステータに戻る漏洩磁束が増加する。これにより、ロータコイルを鎖交する漏洩磁束が減少し、十分な誘導電流が生じない。その結果、回転電機のトルクが低下すると考えられる。

（ロータティース１４１の形状）
そこで、図１０および図１１を参照して、本実施の形態における回転電機１００に採用されるロータ１１０のロータティース１４１の形状について説明する。なお、ロータティース１４２にも同様の形状が採用されているが、ここでは、ロータティース１４１についてのみ説明する。以下に示す各実施の形態においても同様である。

図１０に示すように、本実施の形態におけるロータティース１４１は、先端部１４１ａの周方向Ｘに沿った幅（ａ）寸法が、付根部１４１ｂの周方向Ｘに沿った幅（ｂ）寸法よりも小さくなるように設けられている。具体的には、先端部１４１ａと側壁部１４１ｃとが交差する領域にテーパ１４１ｔが設けられている。側壁部１４１ｃは直線状に設けられ、２つの側壁部１４１ｃ同士の間隔は等しく設けられている。

図１１（Ａ）にテーパ１４１ｔが設けられていない場合のロータティース１４１を図示し、図１１（Ｂ）にテーパ１４１ｔが設けられた場合のロータティース１４１を図示する。図１１（Ｂ）に示すように、テーパ１４１ｔが設けられることで、ロータティース１４１は、先端部１４１ａの周方向Ｘに沿った幅（ａ）寸法が、付根部１４１ｂの周方向Ｘに沿った幅（ｂ）寸法よりも小さくなる。これにより、付根部１４１ｂの磁気抵抗が先端部１４１ａの磁気抵抗よりも小さくなるため、ステータ１３０からの漏洩磁束Ｍが周方向（Ｘ）よりも径方向（Ｙ）に向けて透過し易くなる。

つまり、ステータ１３０からの漏洩磁束Ｍが、ロータティース１４１の先端部から付根部の方向に向けて通り易くなる。その結果、ステータ１３０からの漏洩磁束Ｍをロータコイル１１３に十分鎖交させることができる。これにより、ロータコイル１１３に流れる誘導電流を増加させることができ、回転電機１００の出力の向上を図ることが可能となる。ロータコイル１２３においても同様に、誘導電流を増加させることができる。

（実施の形態２）
次に、図１２および図１３を参照して、本実施の形態における回転電機１００に採用されるロータ１１０のロータティース１４１Ａの形状について説明する。図１２に示すように、本実施の形態におけるロータティース１４１Ａは、先端部１４１ａの周方向Ｘに沿った幅（ａ）寸法が、付根部１４１ｂの周方向Ｘに沿った幅（ｂ）寸法よりも小さくなるように設けられている。具体的には、先端部１４１ａの両端からロータヨーク１４３に向かって延びる側壁部１４１ｃが、外側に拡がるように直線状に傾斜して設けられている。

図１３に示すように、直線状に傾斜する側壁部１４１ｃが設けられることで、ロータティース１４１は、先端部１４１ａの周方向Ｘに沿った幅（ａ）寸法が、付根部１４１ｂの周方向Ｘに沿った幅（ｂ）寸法よりも小さくなる。これにより、付根部１４１ｂの磁気抵抗が先端部１４１ａの磁気抵抗よりも小さくなるため、ステータ１３０からの漏洩磁束Ｍが周方向（Ｘ）よりも径方向（Ｙ）に向けて透過し易くなる。

つまり、ステータ１３０からの漏洩磁束Ｍが、ロータティース１４１Ａの先端部から付根部の方向に向けて通り易くなる。その結果、ステータ１３０からの漏洩磁束Ｍをロータコイル１１３に十分鎖交させることができる。これにより、ロータコイル１１３に流れる誘導電流を増加させることができ、回転電機１００の出力の向上を図ることが可能となる。ロータコイル１２３においても同様に、誘導電流を増加させることができる。

（実施の形態３）
次に、図１４および図１５を参照して、本実施の形態における回転電機１００に採用されるロータ１１０のロータティース１４１Ｂの形状について説明する。図１４に示すように、本実施の形態におけるロータティース１４１Ｂは、先端部１４１ａの周方向Ｘに沿った幅（ａ）寸法が、付根部１４１ｂの周方向Ｘに沿った幅（ｂ）寸法よりも小さくなるように設けられている。具体的には、付根部１４１ｂにおいて、側壁部１４１ｃから付根部１４１ｂにかけて外側に拡がるテーパ１４１ｄが設けられている。側壁部１４１ｃは直線状に設けられ、２つの側壁部１４１ｃ同士の間隔は等しく設けられている。

図１５に示すように、テーパ１４１ｄが設けられることで、ロータティース１４１は、先端部１４１ａの周方向Ｘに沿った幅（ａ）寸法が、付根部１４１ｂの周方向Ｘに沿った幅（ｂ）寸法よりも小さくなる。これにより、付根部１４１ｂの磁気抵抗が先端部１４１ａの磁気抵抗よりも小さくなるため、ステータ１３０からの漏洩磁束Ｍが周方向（Ｘ）よりも径方向（Ｙ）に向けて透過し易くなる。

つまり、ステータ１３０からの漏洩磁束Ｍが、ロータティース１４１Ｂの先端部から付根部の方向に向けて通り易くなる。その結果、ステータ１３０からの漏洩磁束Ｍをロータコイル１１３に十分鎖交させることができる。これにより、ロータコイル１１３に流れる誘導電流を増加させることができ、回転電機１００の出力の向上を図ることが可能となる。ロータコイル１２３においても同様に、誘導電流を増加させることができる。

（実施の形態４）
次に、図１６および図１７を参照して、本実施の形態における回転電機１００に採用されるロータ１１０のロータティース１４１Ｃの形状について説明する。図１６に示すように、本実施の形態におけるロータティース１４１Ｃは、先端部１４１ａの周方向Ｘに沿った幅（ａ）寸法が、付根部１４１ｂの周方向Ｘに沿った幅（ｂ）寸法よりも小さくなるように設けられている。具体的には、先端部１４１ａの両端からロータヨーク１４３に向かって延びる側壁部１４１ｃが、外側に拡がるように曲線状に傾斜して設けられている。

図１７に示すように、曲線状に傾斜する側壁部１４１ｃが設けられることで、ロータティース１４１は、先端部１４１ａの周方向Ｘに沿った幅（ａ）寸法が、付根部１４１ｂの周方向Ｘに沿った幅（ｂ）寸法よりも小さくなる。これにより、付根部１４１ｂの磁気抵抗が先端部１４１ａの磁気抵抗よりも小さくなるため、ステータ１３０からの漏洩磁束Ｍが周方向（Ｘ）よりも径方向（Ｙ）に向けて透過し易くなる。

つまり、ステータ１３０からの漏洩磁束Ｍが、ロータティース１４１Ｃの先端部から付根部の方向に向けて通り易くなる。その結果、ステータ１３０からの漏洩磁束Ｍをロータコイル１１３に十分鎖交させることができる。これにより、ロータコイル１１３に流れる誘導電流を増加させることができ、回転電機１００の出力の向上を図ることが可能となる。ロータコイル１２３においても同様に、誘導電流を増加させることができる。

（実施の形態５）
次に、図１８および図１９を参照して、本実施の形態における回転電機１００に採用されるロータ１１０のロータティース１４１Ｄの形状について説明する。図１８に示すように、本実施の形態におけるロータティース１４１Ｄの先端側の領域には、径方向Ｙに沿って設けられロータティース１４１よりも磁気抵抗の高いスリット状領域１４１ｓが、周方向Ｘに複数配列されている。このスリット状領域１４１ｓは、ロータ１１０の回転中心軸Ｏが延びる方向（紙面垂直方向）に設けられ、空気が存在する空間となっている。ロータティース１４１を構成する部材の磁気抵抗と空気の磁気抵抗を比較した場合、空気の方が磁気抵抗は高い。

図１９に示すように、スリット状領域１４１ｓが設けられることで、付根部１４１ｂの磁気抵抗が先端部１４１ａの磁気抵抗よりも小さくなる。また、スリット状領域１４１ｓにより挟まれたロータティース１４１Ｄの部分では、スリット状領域１４１ｓとの間に磁気抵抗差が生じ、径方向Ｙに沿って磁気抵抗が低い領域が形成される。これにより、ステータ１３０からの漏洩磁束Ｍが周方向（Ｘ）よりも径方向（Ｙ）に向けて透過し易くなる。

つまり、ステータ１３０からの漏洩磁束Ｍが、ロータティース１４１Ｄの先端部から付根部の方向に向けて通り易くなる。その結果、ステータ１３０からの漏洩磁束Ｍをロータコイル１１３に十分鎖交させることができる。これにより、ロータコイル１１３に流れる誘導電流を増加させることができ、回転電機１００の出力の向上を図ることが可能となる。ロータコイル１２３においても同様に、誘導電流を増加させることができる。

なお、スリット状領域１４１ｓを複数配列設ける場合について説明したが、数量は、１または２以上あればよい。

（実施の形態６）
次に、図２０および図２１を参照して、本実施の形態における回転電機１００に採用されるロータ１１０のロータティース１４１Ｅの形状について説明する。図２０に示すように、本実施の形態におけるロータティース１４１Ｅの先端側の領域には、径方向Ｙに沿って設けられロータティース１４１よりも磁気抵抗の高いスリット状領域１４１Ｓが、周方向Ｘに複数配列されている。このスリット状領域１４１Ｓは、ロータ１１０の回転中心軸Ｏが延びる方向（紙面垂直方向）に設けられ、ロータティース１４１を構成する部材の磁気抵抗よりも高い磁気抵抗を有する部材１４１ｅが埋め込まれている。

図２０に示すように、部材１４１ｅが埋め込まれたスリット状領域１４１Ｓが設けられることで、付根部１４１ｂの磁気抵抗が先端部１４１ａの磁気抵抗よりも小さくなる。また、スリット状領域１４１Ｓにより挟まれたロータティース１４１Ｅの部分では、スリット状領域１４１Ｓとの間に磁気抵抗差が生じ、径方向Ｙに沿って磁気抵抗が低い領域が形成される。これにより、ステータ１３０からの漏洩磁束Ｍが周方向（Ｘ）よりも径方向（Ｙ）に向けて透過し易くなる。

つまり、ステータ１３０からの漏洩磁束Ｍが、ロータティース１４１Ｅの先端部から付根部の方向に向けて通り易くなる。その結果、ステータ１３０からの漏洩磁束Ｍをロータコイル１１３に十分鎖交させることができる。これにより、ロータコイル１１３に流れる誘導電流を増加させることができ、回転電機１００の出力の向上を図ることが可能となる。ロータコイル１２３においても同様に、誘導電流を増加させることができる。

なお、部材１４１ｅが埋め込まれたスリット状領域１４１ｓを複数配列設ける場合について説明したが、数量は、１または２以上あればよい。

（実施の形態７）
次に、図２２および図２３を参照して、本実施の形態における回転電機１００に採用されるロータ１１０のロータティース１４１Ｆについて説明する。図２２に示すように、本実施の形態におけるロータティース１４１Ｆには、ロータ１１０の半径方向Ｙに磁化容易軸（図中の白抜矢印で示す方向）を持つ方向性電磁鋼板が用いられる。したがって、すべてのロータティース１４１Ｆが、ロータ１１０の半径方向Ｙに沿う磁化容易軸を持つこととなる。

図２３に示すように、径方向Ｙに磁化容易軸を持つ方向性電磁鋼板を用いることで、ステータ１３０からの漏洩磁束Ｍが周方向（Ｘ）よりも径方向（Ｙ）に向けて透過し易くなる。

つまり、ステータ１３０からの漏洩磁束Ｍが、ロータティース１４１Ｆの先端部から付根部の方向に向けて通り易くなる。その結果、ステータ１３０からの漏洩磁束Ｍをロータコイル１１３に十分鎖交させることができる。これにより、ロータコイル１１３に流れる誘導電流を増加させることができ、回転電機１００の出力の向上を図ることが可能となる。ロータコイル１２３においても同様に、誘導電流を増加させることができる。

なお、共通の鋼板を用いた場合には、半径方向に磁化容易軸を持つロータティース１４１Ｆと、周方向に磁化容易軸を持つロータティース１４１Ｆ（９０度回転した位置）とが混在することになるため、これを回避するために、分割ティースを用いたり、放射状に磁化容易軸を持つ方向性電磁鋼板を用いたりすることが好ましい。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、今回開示された実施の形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

１００ 回転電機、１１０ ロータ、１１１ 回転シャフト、１１３ ロータコイル、１１４，１２４ ダイオード（整流器）、１２３ ロータコイル、１３０ ステータ、１３１ ステータコア、１３１ａ ステータヨーク、１３１ｂ ステータティース、１３２ ステータコイル、１４０ ロータコア、１４１，１４１Ａ，１４１Ｂ，１４１Ｃ，１４１Ｄ，１４１Ｅ，１４１Ｆ ロータティース、１４１ａ 先端部、１４１ｂ 付根部、１４１ｃ 側壁部、１４１ｄ テーパ、１４１ｅ 部材、１４１ｔ テーパ、１４１ｓ スリット状領域、１４２ ロータティース、１４３ ロータヨーク、Ｍ 漏洩磁束、Ｏ 回転中心軸。

Claims (5)

1. 周面に複数のロータティースが形成されたロータコア、および、前記ロータティースに巻回されたロータコイルを有するロータと、
   前記ロータと対向するように環状に配置されたステータと、
   を備え、
   前記ロータティースは、前記ステータからの漏洩磁束が周方向よりも径方向に向けて透過し易く設けられている、回転電機。
2. 前記ロータティースは、付根部の磁気抵抗が先端部の磁気抵抗よりも小さく設けられる、請求項１に記載の回転電機。
3. 前記ロータティースは、先端部の周方向に沿った幅寸法が、付根部の周方向に沿った幅寸法よりも小さく設けられる、請求項２に記載の回転電機。
4. 前記ロータティースの先端側の領域には、径方向に沿って設けられ前記ロータティースよりも磁気抵抗の高いスリット状領域が、周方向に１または２以上配列されている、請求項２に記載の回転電機。
5. 前記ロータティースには、半径方向に磁化容易軸を持つ方向性電磁鋼板が用いられる、請求項１に記載の回転電機。

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