JP2012182947A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】円筒状の界磁ヨークの開口部に配置される界磁極コアを締結することができる回転電機を提供する。
【解決手段】円筒状の界磁ヨーク２０の内部においてロータ４０が回転可能に支持されているとともにロータ４０のロータティース４２の径方向外側にステータ５０が配置されている。界磁極６０，７０は、円板状の界磁極コア６１，７１と界磁巻線６２，７２を有し、界磁巻線６２，７２の通電に伴い界磁極コア６１，７１に生じる界磁により界磁極コア６１，７１と回転シャフト３０とロータ４０とステータ５０とによる界磁磁路を形成する。この界磁極６０，７０の界磁極コア６１，７１は鋼材により構成されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、回転電機に関するものである。

従来から、永久磁石をロータに配設した永久磁石同期モータは、電気自動車やハイブリッド自動車などの様々な分野で駆動源として利用されている。このような永久磁石同期モータにおいて、強め界磁制御を行うことによって大きなトルクを得る一方で、弱め界磁制御を行うことによってステータとロータの間に生じる磁束量を低減して最大回転数を向上させることが提案されている（例えば、特許文献１）。

特許文献１においては、界磁極コアに配した界磁巻線に通電することにより、ロータ、ステータ、および界磁極コアによって環状の界磁磁路が形成される。このため、ロータを通過する磁束量を、界磁巻線に流す電流量の変化に伴わせて効果的に変化させることができる。従って、界磁巻線の通電を制御することによって強め界磁制御および弱め界磁制御を可能とし、大きなトルクを得られるとともに最大回転数を向上させることができる。

特開２００８−４３０９９号公報

ところで、上述したように永久磁石を用いない巻線界磁形の同期モータ（磁石レス巻線界磁形同期モータ）では、界磁極コア（特許文献１では界磁ヨークと表記）による界磁磁路を使用し、磁束を三次元的に流す構造である。このとき、界磁極コアの材質は、一体成型された磁性材料（粉末成形磁性体）であり、次の課題が存在する。

粉末成形磁性体は限界面圧が小さいため、界磁極コアの固定時に、必要な締め付け力が確保できずに（軸力対抗不可能）、ボルト締結が困難である。
本発明の目的は、円筒状の界磁ヨークの開口部に配置される界磁極コアを締結することができる回転電機を提供することにある。

請求項１に記載の発明では、磁性体よりなる円筒状の界磁ヨークと、前記界磁ヨークの内部において回転可能に支持され、磁気的な凸極部を有するロータと、前記界磁ヨークの内部において前記ロータの凸極部の径方向外側に配置されたステータと、前記界磁ヨークの少なくとも一方の開口部に配置された円板状の界磁極コアを有し、界磁巻線の通電に伴い前記界磁極コアに生じる界磁磁束により当該界磁極コアと少なくとも前記ロータと前記ステータと前記界磁ヨークによる界磁磁路を形成する界磁極と、を備えた回転電機であって、前記界磁極の界磁極コアを鋼材により構成したことを要旨とする。

請求項１に記載の発明によれば、界磁極コアとして粉末成形磁性体を用いると限界面圧が小さく界磁極コアの固定時に必要な締め付け力が確保できずに締結が困難であったが、界磁極の界磁極コアを鋼材により構成することにより、円筒状の界磁ヨークの開口部に配置される界磁極コアを締結することができる。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の回転電機において、前記界磁極の界磁極コアを構成する鋼材は、積層した電磁鋼板であることを要旨とする。
請求項２に記載の発明によれば、積層した電磁鋼板で界磁極コアを形成することにより、飽和磁束密度が大きくすることができる。その結果、軸長を短くすることができる。

請求項３に記載のように、請求項２に記載の回転電機において、分割した形状に電磁鋼板を打ち抜いて組み合わせることにより前記円板状の界磁極コアを構成することができる。

請求項４に記載のように、請求項３に記載の回転電機において、前記電磁鋼板は方向性電磁鋼板であってもよい。

本発明によれば、円筒状の界磁ヨークの開口部に配置される界磁極コアを締結することができる。

本実施形態におけるモータを模式的に示す断面での分解斜視図。 モータのロータ、ステータ、界磁ヨークを模式的に示す縦断面図。 モータを模式的に示す縦断面図。 （ａ）は別例の界磁極コアの製造工程を説明するための平面図、（ｂ）は別例の界磁極コアの平面図。 （ａ）は別例の界磁極コアの製造工程を説明するための平面図、（ｂ）は別例の界磁極コアの平面図。 （ａ）は別例のモータを模式的に示すモータの一部分解斜視図、（ｂ）は別例のモータを模式的に示すモータの一部断面図。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１および図２に示すように、回転電機としてのモータ１０は、永久磁石を用いない巻線界磁形の同期モータである。回転電動機であるモータ１０は、円筒状の界磁ヨーク２０と、棒状をなし水平方向に延びる回転シャフト３０と、界磁ヨーク２０の内部において回転可能に支持されたロータ（回転子）４０と、界磁ヨーク２０の内部に配置されたステータ（固定子）５０と、界磁極６０，７０を備えている。

回転シャフト３０は、図示しないベアリング等を介して組み付けられ、回転シャフト３０は回転可能に支持されている。回転シャフト３０は磁性体よりなる。
界磁ヨーク２０の内部において、回転シャフト３０には、ロータコア４１が固定されている。このロータコア４１は、回転シャフト３０の軸線Ｌまわりで回転シャフト３０と一体に回転可能に構成されている。また、回転シャフト３０の外周面とロータコア４１の内周面とは密着されている。このため、回転シャフト３０とロータコア４１とは、磁気的に連結されている。ロータコア４１は、複数枚の鋼板を軸線Ｌに沿った方向に積層して構成されている。ロータコア４１は、複数枚の鋼板を軸線Ｌに沿った方向に積層して構成しているので、ロータコア４１内において、磁束が軸線Ｌに沿った方向よりも軸線Ｌに直交するロータコア４１の径方向および周方向へ流れ易くなっている。

ロータ４０（ロータコア４１）はロータティース４２を有しており、ロータティース４２は径方向外側へ向かって突出している。磁気的な凸極部としてのロータティース４２は、複数形成されている。ロータティース４２は、周方向に等間隔に形成されているとともに、各ロータティース４２の先端面は、何れも同一周面上に位置している。

界磁ヨーク２０の内部において、ロータ４０（ロータコア４１）のロータティース４２の径方向外側にはステータ５０（ステータコア５１）が配置され、ステータコア５１はロータコア４１を囲うように円環状をなしている。ステータコア５１は、複数枚の鋼板を軸線Ｌに沿った方向に積層して構成されている。このため、ステータコア５１内において、磁束が回転シャフト３０の軸線Ｌに沿った方向よりもこの軸線Ｌに直交するステータコア５１の径方向、および周方向へ流れ易くなっている。また、軸線Ｌに沿ったステータコア５１の寸法は、軸線Ｌに沿ったロータコア４１の寸法と同一寸法に設定されている。

また、ステータコア５１はステータティース５２を有しており、ステータティース５２は回転シャフト３０に向かって突出している。ステータティース５２は複数形成されているとともに、各ステータティース５２は、周方向に等間隔に形成されている。

各ロータティース４２の先端面（ロータコア４１の外周面）と、ステータティース５２（ステータコア５１）の内周面との間には、僅かな隙間（例えば、０．７ｍｍ）が形成されている。

各ステータティース５２にはステータコイル５３が巻回されている。つまり、ステータティース５２に導線が巻回されて、電機子コイルとしてのステータコイル５３が形成されている。各ステータコイル５３は、Ｕ相巻線、Ｖ相巻線、およびＷ相巻線の何れかとされており、それぞれ位相の異なる電流を流すことによって回転磁界を発生させるようになっている。

また、ステータコア５１（ステータティース５２）とロータコア４１は、軸線Ｌに沿った寸法を同一寸法に設定されていることから、軸線Ｌに沿った方向におけるステータコイル５３の両端部（コイルエンド）は、ロータコア４１の両端よりも軸線Ｌに沿った方向のうち外側に突出している。

また、軸線Ｌに沿って延びる円筒状の界磁ヨーク２０は、ステータコア５１の外周面を全周にわたって覆っている。界磁ヨーク２０は、磁性体よりなり、詳しくはＳ４５Ｃ、ＳＳ４００等の鋼材（鉄塊）よりなる。界磁ヨーク２０の厚さは１５〜２０ｍｍ程度である。また、ステータコア５１の外周面と、界磁ヨーク２０の内周面とは密着されている。このため、ステータコア５１と界磁ヨーク２０とは、磁気的に連結されている。

本実施形態では、回転シャフト３０、ロータ４０、ステータ５０により主電動機部８０が構成されている。
軸線Ｌに沿った方向における界磁ヨーク２０の左側開口部には、界磁磁束を発生するための界磁極６０が配設されている。また、軸線Ｌに沿った方向における界磁ヨーク２０の右側開口部には、界磁磁束を発生するための界磁極７０が配設されている。

界磁極６０は、界磁極コア６１と界磁巻線６２を有している。界磁極コア６１は、磁性材料としての電磁鋼板を使用し、複数枚の電磁鋼板を軸線Ｌに沿った方向に積層して構成している。詳しくは、無方向性電磁鋼板を用いている。界磁極コア６１は円板状をなし、界磁ヨーク２０の左側の開口部を塞ぐように配置されている。界磁極コア６１には、中央に形成した貫通孔６１ａに回転シャフト３０が挿通される。

図３に示すように、界磁極コア６１における軸線方向でのモータ内面部には界磁巻線６２が配置されている。界磁巻線６２は、ボビン６３に導線が回転シャフト３０の周りに巻回されて形成されている。

界磁極コア６１は界磁ヨーク２０にボルトＢ１による締結により固定されている（界磁ヨーク２０の開口部にボルトＢ１により固定されている）。つまり、界磁極コア６１を貫通するボルトＢ１を界磁ヨーク２０に螺入することにより締結されている。これにより、界磁極６０は、主電動機部８０に対して組み付けられている。界磁極コア６１を主電動機部８０に組み付けた状態において、界磁極コア６１は、界磁ヨーク２０に対して密着されている。よって、界磁極コア６１と界磁ヨーク２０とは、磁気的に連結されている。

同様に、界磁極７０は、界磁極コア７１と界磁巻線７２を有している。界磁極コア７１は、磁性材料としての電磁鋼板を使用し、複数枚の電磁鋼板を軸線Ｌに沿った方向に積層して構成している。詳しくは、無方向性電磁鋼板を用いている。界磁極コア７１は円板状をなし、界磁ヨーク２０の右側の開口部を塞ぐように配置されている。界磁極コア７１には、中央に形成した貫通孔７１ａに回転シャフト３０が挿通される。

界磁極コア７１における軸線方向でのモータ内面部には界磁巻線７２が配置されている。界磁巻線７２は、ボビン７３に導線が回転シャフト３０の周りに巻回されて形成されている。

界磁極コア７１は界磁ヨーク２０にボルトＢ２による締結により固定されている（界磁ヨーク２０の開口部にボルトＢ２により固定されている）。つまり、界磁極コア７１を貫通するボルトＢ２を界磁ヨーク２０に螺入することにより締結されている。これにより、界磁極７０は、主電動機部８０に対して組み付けられている。界磁極コア７１を主電動機部８０に組み付けた状態において、界磁極コア７１は、界磁ヨーク２０に対して密着されている。よって、界磁極コア７１と界磁ヨーク２０とは、磁気的に連結されている。

次に、このように構成したモータ１０の作用について、各界磁巻線６２，７２に通電した際に形成される磁路（界磁磁束の流れ）を中心に説明する。
図３に示すように、本実施形態のモータ１０において、界磁巻線６２の通電に伴い界磁極コア６１に界磁磁束が発生する。この界磁磁束は、矢印Ｙ１に示すように回転シャフト３０に向かって流れる。そして、界磁磁束は、磁気的空隙（ギャップ）を通して回転シャフト３０に流れる。さらに、界磁磁束は、矢印Ｙ２に示すように回転シャフト３０内を軸方向に流れ、矢印Ｙ３に示すように回転シャフト３０の軸線Ｌに直交する方向へ流れてロータコア４１（ロータティース４２）を外径側に流れてステータコア５１（ステータティース５２）を通過する。さらに、界磁磁束は、矢印Ｙ４に示すように界磁ヨーク２０を界磁極６０へ向かって誘導される。

このようにして、界磁極コア６１と回転シャフト３０とロータ４０とステータ５０と界磁ヨーク２０による界磁磁路が形成される。
同様に、界磁巻線７２の通電に伴い界磁極コア７１に界磁磁束が発生する。この界磁磁束は、矢印Ｙ１１に示すように回転シャフト３０に向かって流れる。そして、界磁磁束は、磁気的空隙（ギャップ）を通して回転シャフト３０に流れる。さらに、界磁磁束は、矢印Ｙ１２に示すように回転シャフト３０内を軸方向に流れ、矢印Ｙ１３に示すように回転シャフト３０の軸線Ｌに直交する方向へ流れてロータコア４１（ロータティース４２）を外径側に流れてステータコア５１（ステータティース５２）を通過する。さらに、界磁磁束は、矢印Ｙ１４に示すように界磁ヨーク２０を界磁極７０へ向かって誘導される。

このようにして、界磁極コア７１と回転シャフト３０とロータ４０とステータ５０と界磁ヨーク２０による界磁磁路が形成される。
このように、本実施形態のモータ１０では、環状（ループ状）の磁路（界磁磁束の流れ）が形成され、ロータ４０のロータティース４２は、界磁磁束によってＮ極の極性を持つことになり、ロータティース４２（界磁磁束）が、永久磁石同期モータにおけるロータに配設された永久磁石と同様の働きを持つことになる。

また、本実施形態のモータ１０では、各界磁巻線６２，７２に流す電流量を増加させることで界磁磁束を増加させ、より大きなトルクを得ることができる。その一方で、本実施形態のモータ１０では、高速回転時において各界磁巻線６２，７２に流す電流量を減少させることで界磁磁束を減少させ、最大回転数を向上させることができる。即ち、本実施形態のモータ１０では、強め界磁制御のみによって最大トルクおよび最大回転数を向上させることができる。従って、本実施形態のモータ１０では、ロータ４０に永久磁石を配設した場合に必要な弱め界磁制御が不要となり、その構成を簡略化できる。

また、界磁極コア６１，７１に電磁鋼板を使用しており、図３に示すように、磁石レス巻線界磁形モータ構造となっている。即ち、界磁極６０，７０からロータへ磁束を流す経路に回転シャフト３０を使用した磁石レス巻線界磁形モータとなっている。ここで、界磁極コア（６１，７１）の材質を無方向性電磁鋼板へ変更し、限界面圧を増加させたため、ボルト締結による界磁極コア（６１，７１）の固定が可能となる。

また、界磁極コア６１，７１の材質を、従来の粉末成形磁性体ではなく、無方向性電磁鋼板を用いることにより飽和磁束密度が大きくなる。したがって、界磁極コアの軸線方向の厚さを薄くすることができ、モータ軸長を低減することができる。

以上のごとく、本記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）界磁極６０，７０における界磁極コア６１，７１を鋼材により構成した。界磁極コアとして、一体成型された磁性材料（粉末成形磁性体）を用いると、粉末成形磁性体は限界面圧が小さく、界磁極コアの固定時に必要な締め付け力が確保できずにボルト締結が困難であった。これに対し界磁極コア６１，７１を鋼材により構成することによって、円筒状の界磁ヨーク２０の開口部に配置される界磁極コア６１，７１をボルト締結することができる。

（２）界磁極の界磁極コア６１，７１を構成する鋼材は、積層した電磁鋼板であるので、電磁鋼板の適用によりモータ体格を低減することができる。詳しくは、特許文献１においては、粉末成形磁性体は電磁鋼板と比較すると飽和磁束密度が小さいため、モータ体格が大きくなる。これに対し本実施形態においては、電磁鋼板を用いることにより飽和磁束密度が大きく、モータ軸長（モータの軸長比）を低減（短く）することができモータ体格を小さくすることができる。

（３）界磁極コア６１，７１を貫通するボルトＢ１，Ｂ２を界磁ヨーク２０に螺入することにより界磁極コア６１，７１を界磁ヨーク２０に締結したので、容易に固定することができる。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
・円板状の界磁極コア６１，７１は、円板状をなす無方向性電磁鋼板を積層して構成したが、これに代わり、図４（ｂ）に示すように、分割コア、即ち、所定角度で分割された円板状の無方向性電磁鋼板を積層して構成してもよい。詳しくは、図４（ａ）に示すように、一枚の無方向性電磁鋼板１００を所定角度で分割した形状でプレスで打ち抜く。このとき、分割した各部材１０１は相互に連結されている。そして、プレスで打ち抜いた部材１０１を、図４（ｂ）に示すように曲げて円板状にする。これを積層して界磁極コアを構成する。この場合にも、界磁極コア６１，７１のボルト締結、後記する図６に示すピンによる界磁極コア６１，７１の固定、モータ軸長の低減が可能となる。

このように、分割した形状に電磁鋼板１００を打ち抜いて組み合わせることにより円板状の界磁極コア６１，７１を構成することにより、容易に円板状の界磁極コア６１，７１を形成することができる。

・図４に代わり図５に示す構成としてもよい。図５（ａ）に示すように、一枚の電磁鋼板１００を所定角度で分割した形状でプレスで打ち抜く。このとき、各部材１０２は完全に分割されているとともに各部材１０２には半円状の突部１０２ａと半円状の凹部１０２ｂが形成されている。そして、図５（ｂ）に示すように、プレスで打ち抜いた各部材１０２における突部１０２ａと凹部１０２ｂとを嵌めることにより部材１０２同士を嵌め合わせて円板状にする。これを積層して界磁コアを構成する。なお、凹部１０２ｂと突部１０２ａとの嵌め合いで固定したが、溶接してもよい。つまり、接合は嵌め合い（カシメ）以外に溶接でもよい。

この場合にも、界磁極コア６１，７１のボルト締結、後記する図６に示すピンによる界磁極コア６１，７１の固定、モータ軸長の低減が可能となる。
・界磁極コア６１，７１は、無方向性鋼板の積層体としたが、これに代わり、方向性電磁鋼板の積層体としてもよい。図４（ａ），（ｂ）、図５（ａ），（ｂ）において磁束が流れやすい方向を仮想線で示す鋼板とし、プレスで打ち抜いた部材を曲げて円板状し、このとき、方向性電磁鋼板における磁束を流しやすい方向を円板の中心Ｏに向かうようにしてプレスする。この場合にも、界磁極コア６１，７１のボルト締結、後記する図６に示すピンによる界磁極コア６１，７１の固定、モータ軸長の低減が可能となる。

つまり、分割した方向性電磁鋼板を打ち抜いて組み合わせることにより円板状の界磁極コア６１，７１を構成することができ、方向性電磁鋼板を用いて中心Ｏに磁束を向かわせやすくすることができる。

・界磁極コア６１，７１は、鋼板の積層体に代わり、Ｓ４５Ｃ、ＳＳ４００などの鋼材（鉄塊）を用いてもよい。この場合、界磁極コア６１，７１のボルト締結、後記する図６に示すピンによる界磁極コア６１，７１の固定が可能となる。

・ボルトＢ１，Ｂ２による締結により界磁極コア６１，７１を界磁ヨーク２０に固定したが、これに代わり、図６に示すように、界磁極コアの締結部の構造として、界磁極コア６１にピン圧入孔１１０を形成するとともに界磁ヨーク２０にピン１１１を設けて界磁ヨーク２０のピン１１１を界磁極コア６１のピン圧入孔１１０に圧入することにより、界磁極コア６１を締結してもよい。詳しくは、ピン１１１は界磁ヨーク２０と一体であり、界磁ヨーク２０の材質はＳＳ４００やＳ４５Ｃ等の鋼材である。また、界磁極コア６１は電磁鋼板やＳ４５Ｃ・ＳＳ４００等の鋼材であり、特に鋼板を積層して構成する場合には各鋼板はカシメられている。そして、ピン打ち込みにより界磁極コア６１を圧入して締結する。

このようにして、界磁極コア６１の材質が電磁鋼板、Ｓ４５Ｃ・ＳＳ４００などの鋼材、界磁ヨーク２０の材質もＳＳ４００・Ｓ４５Ｃなどの鋼材の場合、図６に示す界磁極コア６１にピン圧入孔１１０、界磁ヨーク２０にピン１１１を設けることができ、ピンによる界磁極コアの固定が可能となる。つまり、界磁ヨーク２０に形成したピン１１１を界磁極コア６１に形成した貫通孔（または凹部）に圧入することにより界磁極コア６１を界磁ヨーク２０に締結することができる。

・界磁ヨーク２０は、粉末成型磁性体にて構成してもよい。
・図１〜図３の構成に対し、界磁極６０のみ、あるいは、界磁極７０のみ設けてもよい。即ち、軸線方向の片側のみに界磁極を設けてもよい。

・回転シャフト３０を介して界磁磁路を形成したが、回転シャフト３０を介さずに界磁磁路を形成してもよい。要は、界磁巻線６２，７２の通電に伴い界磁極コア６１，７１に生じる界磁磁束により界磁極コア６１，７１と少なくともロータ４０とステータ５０と界磁ヨーク２０とによる界磁磁路を形成する構成であればよい。

・上記実施形態では磁気的な凸極部としてのロータティース４２は形状的に凸形状であったが、この構成に限らない。磁気的に凸極性があればよい。例えばロータティースの先端のみが隣接するロータティースと連結されていたり、ロータティース間の凹部が非磁性体で埋められたりして、全体としてロータが円筒状でもよい。

・上記実施形態では回転電機としてモータに具体化したが、これに限ることなく発電機として用いてもよい。

１０…モータ、２０…界磁ヨーク、３０…回転シャフト、４０…ロータ、４１…ロータコア、４２…ロータティース、５０…ステータ、５１…ステータコア、５２…ステータティース、５３…ステータコイル、６０…界磁極、６１…界磁極コア、６２…界磁巻線、７０…界磁極、７１…界磁極コア、７２…界磁巻線。

Claims (4)

1. 磁性体よりなる円筒状の界磁ヨークと、
   前記界磁ヨークの内部において回転可能に支持され、磁気的な凸極部を有するロータと、
   前記界磁ヨークの内部において前記ロータの凸極部の径方向外側に配置されたステータと、
   前記界磁ヨークの少なくとも一方の開口部に配置された円板状の界磁極コアを有し、界磁巻線の通電に伴い前記界磁極コアに生じる界磁磁束により当該界磁極コアと少なくとも前記ロータと前記ステータと前記界磁ヨークによる界磁磁路を形成する界磁極と、
   を備えた回転電機であって、
   前記界磁極の界磁極コアを鋼材により構成したことを特徴とする回転電機。
2. 前記界磁極の界磁極コアを構成する鋼材は、積層した電磁鋼板であることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 分割した形状に電磁鋼板を打ち抜いて組み合わせることにより前記円板状の界磁極コアを構成したことを特徴とする請求項２に記載の回転電機。
4. 前記電磁鋼板は方向性電磁鋼板であることを特徴とする請求項３に記載の回転電機。

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