JP2015211489A - 電動回転機 - Google Patents

Abstract

【課題】異なる機能のコイルを配置可能なロータ構造を実現して、効率よく回転駆動する電動回転機を提供すること。【解決手段】ステータ１１の駆動コイル１４で発生する磁束をロータ２１のロータティース２２に鎖交させて回転させるリラクタンスモータ１０であって、ロータは、シャフト１０１のキー溝１０９に、ロータ母材部１１１のキー突部１１９やリング形状部１２１のキー突部１２９を嵌め合い固定して、ロータ母材部と一体のコア材部１１２を電磁石極コイル２８を備えるロータティースとし、リング形状部と一体の突出片部１２３にコア材２５を保持させて誘導子極コイル２７とする簡易構造で回転方向に並列させることにより、鎖交する磁束の空間高調波成分により誘導子極コイルで誘導電流を発生させ、それを界磁電流として電磁石極コイルに供給して主回転力を補助する電磁力を発生させる。【選択図】図５

Description

本発明は、電動回転機に関し、詳しくは、ステータ内にロータを回転自在に収容する構造の電動回転機に関する。

電動回転機は、特許文献１に記載のように、ステータ内にロータを回転自在に収容する構造の場合に、そのロータの回転軸に位置するシャフトにコア材を相対回転不能に固定するとともに、そのコア材に回転力発生用の界磁コイルを巻き付けるタイプがある。
このステータ内で回転するロータ構造では、界磁コイルを巻き付ける構造が電磁鋼板を積層することで作製しており、特殊な構造を採用することが難しかった。

特開平１１−６９６７５号公報

そこで、本発明は、異なる機能のコイルを配置可能なロータ構造を実現して、効率よく回転駆動させることのできる電動回転機を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様は、ステータに対して回転自在に対面するロータに設けられ、前記ステータに向かって突出して前記ロータを前記ステータに対して回転させる回転力を発生させる補助電流を受ける複数の突極と、前記ロータの前記突極の回転方向の間に配置され、前記突極に前記回転力を発生させる前記補助電流を発生する複数の補極と、前記ロータの回転軸に軸心を一致させて一体回転するように設けられているシャフトと、前記ロータの前記突極と前記補極のうちの少なくとも前記補極を前記シャフトに一体になるように位置決めする固定部材と、を備えて、前記シャフトは、前記ロータの回転軸方向に延在するキー溝またはキー畝が外周面に複数形成されているのに対して、前記固定部材は、前記シャフトの外周側に位置する断面リング形状部と、前記断面リング形状部の径方向外側の複数箇所に位置して前記補極を固定する固定部と、前記リング形状部の径方向内側の複数箇所に位置して前記シャフトの前記キー溝に相対回転不能に嵌め合い固定するキー突部または前記シャフトの前記キー畝を相対回転不能に嵌め合い固定させるキー窪み部と、を有して、前記補極を前記シャフトの外周面側に相対回転不能に位置決め固定することを特徴とするものである。

本発明の第２の態様としては、前記補極は、前記ステータ側から鎖交する磁束の空間高調波による誘導電流を前記補助電流として発生する誘導子極コイルを備え、前記突極は、前記誘導子極コイルで発生した誘導電流を前記補助電流として供給されて電磁石として機能する電磁石極コイルを備え、前記誘導子極コイルと前記電磁石極コイルの間に、前記誘導電流を整流して前記補助電流とする整流素子を設けることが好ましい。

本発明の第３の態様としては、前記断面リング形状部は、前記シャフトの回転軸に沿う離隔位置に配置される２つで１組のリング形状部で構成され、前記固定部は、前記リング形状部のそれぞれから径方向外方に突出する突出片部に形成され、前記補極は、コイル用のコア材を覆うボビンに前記誘導子極コイルを取り付けて前記コア材の周りに保持する構造を備えており、当該補極は、前記誘導子極コイルを取り付けた前記ボビン内に前記突出片部を貫通させて、前記コア材を前記突出片部の端部に固定した状態にし、該コア材を前記ボビンで覆って該ボビンを前記突出片部の端部に固定することで、前記回転部材に相対回転不能に位置決め固定することが好ましい。

このように、上記の第１の態様によれば、突極などロータ側の部材と一体回転するシャフトの外周面のキー溝またはキー畝に、固定部材の断面リング形状部の内側のキー突部またはキー窪みをそれぞれ嵌め合い固定するだけで、その断面リング形状部の外側の固定部に固定する補極を、突極と回転方向に交互に並列させる状態で相対回転不能に位置決め固定することができる。したがって、ロータのシャフト周りに突極と共に補極も容易に位置決め固定して、突極と補極とをそれぞれロータ周りで機能させることができ、補極に補助電流を発生させて、その補助電流で突極から発生する回転力をロータに加えて効率よく回転させることができる。

上記の第２の態様によれば、誘導子極コイルの補極で発生する誘導電流は電磁石極コイルの突極との間に配置されている整流素子により整流して、その電磁石極コイルに供給することができる。したがって、誘導電流を有効利用して、電磁石極コイルを効果的に機能させることができる。

上記の第３の態様によれば、補極は、回転軸方向に離隔する突極の両側のリング形状部から径方向外方に突出する突出片部に取付固定することができ、その突出片部間をコア材の配置スペースとして有効利用することができる。また、誘導子極コイルを取り付けたボビンに予め突出片部を貫通させて仮取付するとともに、コア材を突出片部の端部に固定した後に、そのコア材を覆うようにボビンを固定するだけで、誘導子極コイルをロータに位置決め固定することができる。

図１は、本発明に係るリラクタンスモータの一実施形態を示す図であり、その概略構成を示す一部拡大径方向断面図である。 図２は、誘導子極コイルと電磁石極コイルとをダイオードを介して接続する回路構成を分かり易く説明する簡易モデルの回路図である。 図３は、空間高調波により発生する磁束特性を比較する図であり、（ａ）は本実施形態での磁束線と磁束ベクトルを図示する概念図、（ｂ）は誘導子極コイルと電磁石極コイルを異なる配置にした場合での磁束線と磁束ベクトルを図示する概念図である。 図４は、補極の有無に応じて空間高調波により発生する誘導電流の特性を比較するグラフである。 図５は、本実施形態での組立構造を示す分解斜視図である。 図６は、突極構造体の構造を示す一部分解斜視図である。 図７は、補極構造体の構造を示す一部分解斜視図である。 図８は、補極構造体の一補極だけを示す図であり、（ａ）は分解斜視図、（ｂ）は組立斜視図である。 図９は、その他の態様を示す図であり、（ａ）は凹凸を逆にした場合の一例を示す概念図、（ｂ）は周方向の幅を均等にした場合の一例を示す概念図である。 図１０は、空間高調波により発生するトルクを比較する図であり、（ａ）は本実施形態でのトルク特性を図示するグラフ、（ｂ）は誘導子極コイルと電磁石極コイルを異なる配置にした場合でのトルク特性を図示するグラフである。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。図１〜図１０は本発明に係る電動回転機の一実施形態であるリラクタンスモータの一例を説明するための図である。ここで、図１は、リラクタンスモータの径方向断面図であり、軸心を中心とする機械角１８０度分を図示しており、周方向に同様な構造が並列するように作製されている。

図１において、リラクタンスモータ（電動回転機）１０は、後述するように、外部からロータ２１にエネルギ入力する必要のない構造に作製されており、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車に搭載するのに好適な性能を有している。

（リラクタンスモータ１０の基本構造）
まず、リラクタンスモータ１０は、概略円筒形状に形成されたステータ（固定子）１１と、このステータ１１内に回転自在に収納されて軸心に一致する回転軸としてシャフト１０１（図５を参照）が固設されるロータ（回転子）２１と、を備えている。

ステータ１１には、ロータ２１のロータティース（対面部材）２２の外周面２２ａにエアギャップＧを介して内周面１２ａ側を対面させるように、径方向に延長される突極形状に形成されている複数本のステータティース（対面部材）１２が周方向に均等配置されている。ステータティース１２には、隣接する側面間に形成される空間のスロット１３を利用して、相毎の３相巻線をそれぞれ個々に集中巻きすることにより駆動コイル１４が形成されている。ステータティース１２は、駆動コイル１４に駆動電流を入力することにより、内部に対面収納されているロータ２１を回転させる磁束を発生する電磁石として機能する。

ロータ２１には、ステータティース１２と同様に径方向に延長される突極形状に形成されている複数本のロータティース２２が周方向に均等配置されている。ロータティース２２は、ステータティース１２と全周方向の本数を異ならせて、相対回転時に外周面２２ａがステータティース１２の内周面１２ａに適宜近接対面するように形成されている。

これにより、リラクタンスモータ１０は、ステータ１１のスロット１３内の駆動コイル１４に通電することにより発生する磁束を、ステータティース１２の内周面１２ａから対面するロータティース２２の外周面２２ａに鎖交させることができ、その磁束が通過する磁路を最短にしようとするリラクタンストルク（主回転力）によりロータ２１を相対回転させることができる。この結果、リラクタンスモータ１０は、ステータ１１内で相対回転するロータ２１と一体回転するシャフト１０１から通電入力する電気的エネルギを機械的エネルギとして出力することができる。

このリラクタンスモータ１０では、ステータティース１２の内周面１２ａからロータティース２２の外周面２２ａに鎖交する磁束には空間高調波成分が重畳している。このため、ロータ２１側でも、ステータ１１側から鎖交する磁束の空間高調波成分の磁束密度の変化を利用して、内蔵するコイルに誘導電流（補助電流）を発生させ電磁力を得ることができる。

詳細には、ステータ１１の駆動コイル１４には基本周波数の駆動電力を供給してロータ２１（ロータティース２２）をその基本周波数で変動する主磁束で回転させることから、ロータ２１側にコイルを単に配置しても鎖交する磁束に変化はなく誘導電流が生じることはない。

その一方で、磁束に重畳する空間高調波成分は基本周波数と異なる周期で時間的に変化しつつロータティース２２に外周面２２ａ側から鎖交する。このことから、別途入力することなく、基本周波数の磁束に重畳する空間高調波成分はロータティース２２の外周面２２ａの近傍にコイルを設置すれば効率よく誘導電流を発生させることができる。この結果、鉄損の原因となる空間高調波磁束は自己励磁するためのエネルギとして回収することができる。

ところで、リラクタンスモータとしては、図示することは省略するが、ロータティース２２の隣接する側面間に形成される空間をスロット２３として利用して、そのロータティース２２に巻線を巻き付けて径方向２段の集中巻を形成することにより、外周面２２ａ側に誘導子極コイルを形成し、その軸心側に電磁石極コイルを配置することが考えられる。

この構造では、誘導子極コイルは、ステータティース１２の内周面１２ａからロータティース２２の外周面２２ａに鎖交する磁束の空間高調波成分（磁束密度の変化）により誘導電流を発生させて電磁石極コイルに供給することができる。このため、電磁石極コイルは、その誘導子極コイルから受け取った誘導電流を界磁電流として自己励磁することにより、磁束（電磁力）を発生させることができる。要するに、ロータティース２２自体に誘導子極コイルと電磁石極コイルを、誘導電流を界磁電流として利用可能な独立回路内に組み込むだけで、主回転力を発生する駆動コイル１４の磁束とは別に鎖交する磁束が通過磁路を最短にしようとするリラクタンストルク（補助回転力）を得て、ロータ２１の相対回転を補助することができ、また、損失要因となっていた磁束の空間高調波成分をエネルギとして回収して利用することができる。

ここで、このようにロータティース２２にコイルを巻くことは、野中作太郎著「自励形単相同期電動機」電気学会雑誌７８巻８４２号、１９５８年１１月、Ｐ．１８−２６にも記載されている。この文献に記載のリラクタンスモータは、基本周波数よりも高い周波数の磁束がロータ側コイルに鎖交することで誘導電流を発生させるものであり、その誘導電流を整流素子（ダイオード）で半波整流して戻すことにより、そのロータ側コイルを自己励磁式の電磁石として機能させるようになっている。

しかしながら、この文献に記載の自己励磁技術には、次のような課題がある。
１．ロータ側のコイルとしては、誘導電流を発生させるコイルおよび整流した誘導電流を界磁電流として流すコイルとして兼用するので、磁気的な干渉が生じて効率よく誘導電流を発生させることができず、また、起磁力も非常に小さくなってしまう。
２．基本周波数よりも高い高次の磁束の高周波成分は、ロータ２１（ロータティース２２）に鎖交するにしても外周面２２ａ付近に分布するのに留まるため、軸心側にコイルを配置してしまうと非常に小さな誘導電流しか発生しない。なお、ロータ側コイルは、ロータティース２２の外周面２２ａ付近に設置するにしても、現実的には無理がある。例えば、線径の細い導線の極少量を巻いてコイルとしても、導体抵抗が高くなって、その結果、銅損が増加して効率のよい電磁石として機能させるのは難しい。また、ロータ表面では、ステータ側に接触してしまう懸念も生じてしまう。
３．ステータ１１側のコイルとしては、分布巻にしてしまうと、高次の高調波が磁束に重畳する傾向にあり、上述するように、高次の磁束の高周波成分ではより小さな誘導電流しか期待できない。要するに、コイルの巻き方としては、分布巻は不適当である。
４．この文献では、基本周波数の２倍の高調波磁束でロータ側コイルを励磁するように説明するが、２次の高調波磁束で発生する誘導電流は整流合成したときに谷ができてしまう。また、誘導電流は磁束の時間変化が大きいほど大電流となるので、高くなり過ぎない３次程度の高調波磁束の方が有利である。

そこで、リラクタンスモータ１０は、ロータ２１側において、コア材２５に集中巻線した誘導子極コイル２７の全体をロータティース２２間のスロット２３内に収容して回転方向に並列配置するとともに、ロータティース２２の全体に１段の集中巻を形成することにより電磁石極コイル２８が配置されている。

誘導子極コイル２７は、電磁鋼（磁性体）からなるコア材２５を採用することにより、透磁率を高めて磁束を高密度に鎖交可能にしており、ステータティース１２の内周面１２ａに極力小さなエアギャップＧを介して対面させることで、より多くの空間高調波磁束を鎖交させるようになっている。この誘導子極コイル２７は、ステータティース１２の内周面１２ａからロータティース２２の外周面２２ａに鎖交する磁束の３次の空間高調波成分を有効利用するように磁界解析を行って厳密に空間高調波磁路を確認することにより、効率よく誘導電流を発生させることができるように設置している。なお、誘導子極コイル２７は、電磁石極コイル２８との間に必要十分な空隙を確保するようにロータティース２２の間に位置するように配置されている。

このように、集中巻構造を採用することにより、誘導子極コイル２７や電磁石極コイル２８では、複数スロットに亘って周方向に巻線をする必要がなく、全体的に小型化することができる。また、誘導子極コイル２７では、１次側での銅損損失を低減しつつ、低次である３次の空間高調波磁束の鎖交による誘導電流を効率よく発生させて、回収可能な損失エネルギを増加させることができる。

また、誘導子極コイル２７には、３次の空間高調波磁束を利用することにより、上述の文献（電気学会雑誌）で説明する２次の空間高調波磁束を利用する場合よりも、効果的に誘導電流を発生させることができる。具体的には、誘導電流は２次よりも３次の空間高調波磁束を利用する方が磁束の時間変化を大きくして大電流にすることができ、効率よく回収することができる。なお、この文献では、ロータの軸心側深部に巻線したコイルが図示されており、空間高調波の鎖交領域が考慮されておらず、有効利用できる構造になっていない。

そして、誘導子極コイル２７は、後述する構造により、ロータティース２２の外周面２２ａの間で磁気的に独立する形態でスロット２３内に配置されている。
また、電磁石極コイル２８は、ロータティース２２の全長にわたって巻線することにより全体を有効利用して磁束を発生させる。
このように、誘導子極コイル２７および電磁石極コイル２８は、磁束経路が干渉し合わないように分割されているので、磁気的干渉を低減することができ、効率よく誘導電流を発生させることができるとともに、効果的に電磁石として機能させて磁束を発生させることができる。

さらに、誘導子極コイル２７は、ロータ２１の径方向に対して同一の周回巻線となる集中巻に形成されて、ロータ２１の周方向に配列されて並列接続されている。また、電磁石極コイル２８は、ロータ２１の径方向に対して隣同士が逆向きの周回巻線となる集中巻に形成されて、ロータ２１の周方向の外周側と軸心側とを交互に接続する全直列接続にされている。

電磁石極コイル２８は、図２に示すように、全直列接続されている両端部が、並列接続されている誘導子極コイル２７の両端部にそれぞれダイオード２９Ａ、２９Ｂを介して接続されている。すなわち、電磁石極コイル２８は、巻線の巻き方向毎のコイル２８Ａ１〜２８Ａｎ（ｎ：極数／２）とコイル２８Ｂ１〜２８Ｂｎが全直列接続されており、その電磁石極コイル２８Ａ１〜２８Ａｎ、２８Ｂ１〜２８Ｂｎに対応するように直列接続されている誘電子極コイル２７Ａ１〜２７Ａｎ、２７Ｂ１〜２７Ｂｎの両端部に並列接続されている。

ダイオード２９Ａ、２９Ｂは、誘導子極コイル２７や電磁石極コイル２８を多極化させる場合でも、そのうちの電磁石極コイル２８を全直列させることで使用数を抑えている。このダイオード２９Ａ、２９Ｂは、大量使用を回避するために、一般的なＨブリッジ型の全波整流回路を形成するのではなく、それぞれ１８０度位相差になるように結線して、一方の誘導電流を反転させて半波整流出力する中性点クランプ型の半波整流回路（整流素子）を形成している。

これにより、リラクタンスモータ１０では、誘導子極コイル２７が透磁率の高い電磁鋼のコア材２５に、電磁石極コイル２８との干渉なく（誘導電流の減少なく）、ステータティース１２の内周面１２ａからロータティース２２の外周面２２ａに鎖交する磁束の空間高調波成分を通過させることにより、誘導電流を効率よく発生させて回収することができる。誘導子極コイル２７の個々に発生させる誘導電流は、ダイオード２９Ａ、２９Ｂで整流させた後に合流させて、直列接続させている電磁石極コイル２８の個々に流し有効利用することができ、その電磁石極コイル２８を効果的に自己励磁させて大きな磁束（電磁力）を発生させることができる。

この結果、リラクタンスモータ１０は、磁束同士を互いに干渉して弱め合ってしまうことなく、励磁用と電磁石用とで分割して独立させる誘導子極コイル２７および電磁石極コイル２８で、有効かつ平滑化させて利用することができ、効率よくエネルギとして回収して出力することができる。すなわち、電磁石極コイル２８がロータティース２２と共に突極を構成して、誘電子極コイル２７がコア材２５と共に補極を構成している。

また、誘導子極コイル２７および電磁石極コイル２８は、ロータ２１の周方向に複数配置して多極化しているので、上述の文献（電気学会雑誌）に記載のような２極モータの場合よりも、ロータティース２２の１歯当たりの鎖交する磁束量を周方向に分散化させることができ、個々のロータティース２２に作用する電磁力（リラクタンストルク）も周方向に分散化させて電磁振動を抑えることができ、静寂化させることができる。

具体的に、誘導子極コイル２７および電磁石極コイル２８は、駆動コイル１４も含めて、銅導体よりなる電線材を採用して巻線形成されており、銅導体の採用により電気伝導率を高くして損失を低減することにより、効率よく誘導電流を発生させて界磁電流として利用することができる。このコイル２７、２８、１４の電線材として銅導体を採用する場合には、平角導線を採用するのが好ましく、これにより、コイル抵抗に起因する銅損や発熱損失を低減することができる。さらに、コイル２７、２８、１４の形態としては、短辺側を内径面側になるように縦に巻いたエッジワイズコイルとすることにより、分布容量（浮遊容量）を小さくして周波数特性を向上させることができ、また、電線材の周囲長が長いため表皮効果による抵抗増加を抑えて効率が低下してしまうことを抑制することができる。この結果、コイル２７、２８、１４では、少ない銅導体量で、より多くの損失エネルギを回収可能になっている。なお、コイル２７、２８、１４の電線材は、銅導体に限るものではなく、他の目的を持って選択してもよく、例えば、比重が銅の１／３のアルミバー導体を採用して軽量化を図ってもよい。

また、ステータ１１は、ステータティース１２の内周面１２ａ側を正逆双方の周方向に突出させた鍔形状部１２ｂを有するオープンタイプのスロット１３に形成することにより、空間高調波磁束を効率よく誘導子極コイル２７内に鎖交させるようにしている。なお、この鍔形状部１２ｂを設けるオープンタイプにすることで、急峻なサージ電圧を発生させてしまうことを抑制することができる。

このように、リラクタンスモータ１０は、ロータ２１側に誘導子極コイル２７と電磁石極コイル２８を設置することで、３次空間高調波磁束をステータ１１側のステータティース１２から効果的に鎖交させて効率よくリラクタンストルクを発生させることができる。例えば、３次空間高調波磁束の磁路を磁界解析して磁束密度分布をベクトル表示すると、誘電子極コイル２７を電磁石極コイル２８の間に周方向に並列させるか否かで磁束線ＭＬや磁束ベクトルＶに差があることが分かる。

詳細には、ロータティース２２に巻線を巻き付けて径方向２段の集中巻を形成することにより、外周面２２ａ側に誘導子極コイル２７´を形成し、その軸心側に電磁石極コイル２８´を配置する場合には、図３（ｂ）に示すような特性になる。磁束ベクトルＶは、ロータ２１側ではロータティース２２の外周面２２ａ付近に集中していることを確認できる。また、３次空間高調波磁束線ＭＬは、ロータティース２２間のスロット２３内を通過してステータティース１２側に戻っていることが分かる。

これに対して、リラクタンスモータ１０では、その３次空間高調波磁束線ＭＬが通る電磁石極コイル２８を設置するロータティース２２の間のスロット２３内に、誘導子極コイル２７を配置して効果的に３次空間高調波磁束が鎖交するようにしている。

このため、リラクタンスモータ１０では、図３（ａ）に示すように、電磁石極コイル２８と並列させて誘電子極コイル２７を設置することで、その誘電子極コイル２７内に磁束ベクトルＶを効果的に誘導して誘導電流を発生させて電磁石極コイル２８に供給することができる。

これにより、リラクタンスモータ１０では、３次空間高調波磁束（磁束ベクトルＶ）をロータティース２２の外周面２２ａ側に高密度に発生させて、誘導子極コイル２７を含めて、ステータティース１２の間の全体で鎖交させることができ、周方向の広範囲にリラクタンストルクを効果的に発生させて駆動コイル１４による駆動力を補助することができる。

この結果、３次空間高調波磁束は、磁気飽和近くになってエアギャップＧ間を介して鎖交することが抑えられることはなく、より多くを誘導子極コイル２７に鎖交させて大容量の誘導電流を発生させることができる。

ここで、誘導子極コイル２７は、周囲との間の磁気抵抗が小さいと、例えば、ロータティース２２に磁束が大量に流れ込んで突極比を低下させてしまうことになり、リラクタンストルクを著しく減少させてしまう。また、ロータティース２２に磁束が大量に流れ込むと、ステータ１１とロータ２１との相対的な位置関係によっては、負（逆回転）方向へのトルクが働いたり、磁気的干渉が生じてトルク低下の要因となってしまうことがある。

このため、誘導子極コイル２７は、ロータティース２２に磁気的に結合することによる不都合を回避するために、後述するように、そのロータティース２２間に空隙やアルミニウムや樹脂などの非磁性材料で磁気的に独立させてスロット２３内に配置している。

このことから、リラクタンスモータ１０（With Sub-Poles）は、図４に示すように、誘導子極コイル２７を電磁石極コイル２８間に並列させていない場合（Without Sub-Poles）に比べて、ロータ２１の回転を開始するのに伴って、鎖交する３次空間高調波磁束が増加して、誘導子極コイル２７に誘導電流を効率よく発生させることにより損失エネルギを回収できている。また、このリラクタンスモータ１０では、発生させる誘導電流の波形を誘導子極コイル２７を電磁石極コイル２８間に並列させることで安定させることができ、定常トルクを向上させるとともに、トルクリプルを低減させて、トルク特性を高品質に向上させることができる。

そして、リラクタンスモータ１０は、３ｆ次の空間高調波磁束（ｆ＝１、２、３・・・）を主に利用する構造として、ロータ２１側の突極（ロータティース２２）の数Ｐ：ステータ１１側のスロット１３の数Ｓが２：３になる構造に作製されている。例えば、３次の空間高調波磁束は、駆動コイル１４に入力する基本周波数よりも周波数が高いために短周期で脈動する。このため、ロータ２１は、ロータティース２２間の誘導子極コイル２７に鎖交する磁束強度が変化することにより、効率的に誘導電流を発生させて、基本周波数の磁束に重畳する空間高調波成分の損失エネルギを効率よく回収して回転することができる。

また、このように、リラクタンスモータ１０は、ロータ２１側とステータ１１側の間での相対的な磁気的作用の品質を決定する構造として、ロータティース突極数Ｐとステータスロット数Ｓの比としてＰ／Ｓ＝２／３を採用するのは、電磁振動を低減して電磁騒音の小さな回転を実現するためである。

詳細には、上記と同様に磁束密度分布の磁界解析をすると、ロータティース突極数Ｐとステータスロット数Ｓの比に応じて、機械角３６０度内の周方向に磁束密度分布も分散化されるため、ステータ１１に働く電磁力分布にも偏在が認められることになる。

これに対して、リラクタンスモータ１０では、ロータティース突極数Ｐ／ステータスロット数Ｓ＝２／３となる構造を採用することにより、機械角３６０度の全周に亘って均等な密度分布となる磁束を鎖交させることができ、ロータ２１をステータ１１内で高品質に回転させることができる。

これにより、リラクタンスモータ１０では、空間高調波磁束を損失とすることなく利用して、回転動作させることができ、損失エネルギを効率よく回収して、電磁振動を大幅に低減し静寂性高く回転させることができる。

このように、リラクタンスモータ１０は、ステータ１１の駆動コイル１４以外に電力供給することなく、ロータ２１側に配置する誘導子極コイル２７に誘導電流を効率よく発生させて電磁石極コイル２８に界磁電流として供給し自己励磁電磁石として機能させることができ、駆動コイル１４への電力供給による主回転力を補助する補助回転力を得て高効率回転させることができる。

（リラクタンスモータ１０の組立構造）
そして、このリラクタンスモータ１０は、図５に示すように、ロータティース２２と電磁石極コイル２８を備える突極構造体１１０と、コア材２５と誘電子極コイル２７を備える補極構造体１２０と、をシャフト１０１に一体回転するように（相対回転不能に）同軸に取り付けてロータ２１を構築し、そのロータ２１を相対回転自在にステータ１１内に収容する組立構造になっている。

まず、シャフト１０１は、突極構造体１１０と補極構造体１２０を位置決め固定する構造を外周面１０１ａに形成されている取付大径部１０１Ａと、ベアリング１０２を取り付けてステータ１１側の不図示のハウジングに回転自在に支持させる取付大径部１０１Ａの両端側の支持中径部１０１Ｂと、一方の支持中径部１０１Ｂの外側に延長されてロータ側レゾルバ１０３を取付固定する取付小径部１０１Ｃと、この取付小径部１０１Ｃの反対側の支持中径部１０１Ｂの外側に延長されて外部機器に連結されて回転力を出力する出力回転軸１０１Ｄと、を備えるように一体形成されている。

詳細には、シャフト１０１の取付大径部１０１Ａは、ロータ２１の回転軸と同一方向に延長されているキー溝１０９が複数本形成されており、このキー溝１０９は、取付小径部１０１Ｃ側が支持中径部１０１Ｂ側まで連続しないように閉じていて、出力回転軸１０１Ｄ側は支持中径部１０１Ｂ側まで連続して開放（開口）されている。このため、このシャフト１０１の取付大径部１０１Ａには、そのキー溝１０９に、後述するキー突部１１９、１２９を開放端側から進入させて嵌め合い固定することができる構造を備えている。

支持中径部１０１Ｂは、取付大径部１０１Ａのキー溝１０９の閉塞側にはそのままベアリング１０２を取り付ける一方、そのキー溝１０９の開放側にはドーナツ型のエンドプレート１０５を取り付けて嵌め合い固定したキー突部１１９、１２９が離脱してしまうことを制限した上で、ベアリング１０２を取り付けるようになっている。

取付小径部１０１Ｃは、ステータ１１側のハウジングに位置決め固定されているステータ側レゾルバ１０４内に位置するようにロータ側レゾルバ１０３をベアリング１０２の外側に取り付けてストッパねじ１０６で固定するようになっている。

出力回転軸１０１Ｄは、ベアリング１０２の外側に突出する円柱形状に形成されて、外部機器を相対回転不能に連結させることができるように回転軸方向に溝を形成する平目ローレット加工が外周面に施されている。この滑り止めは、一面側を平面にする断面Ｄ字形状にして、相対回転不能にネジ止め固定するようにしてもよい。

（突極構造体１１０の組立構造）
そして、突極構造体１１０は、図６に示すように、シャフト１０１の取付大径部１０１Ａを収容可能な内径を有する短尺な円筒形状（断面リング形状）のロータ母材部１１１と、このロータ母材部１１１の回転軸に交差して径方向外方への延長線に一致するようにロータ母材部１１１の外周面から外方に突出してコイルのコア材として機能するコア材部１１２と、ロータ母材部１１１の内周面から内方に向かって突出してシャフト１０１の取付大径部１０１Ａの外周面のキー溝１０９に嵌り込む断面形状に形成されているキー突部１１９と、が同一の部材を加工して一体形成されており、外方に突出するコア材部１１２に電磁石極コイル２８が一体回転するように取り付けられている。

電磁石極コイル２８は、コア材部１１２の回転軸方向に離隔する両端面とロータ母材部１１１の外周面に隣接する両側面とを覆うように形成されている突極ボビン１１５に電線材を巻き付けて、そのコア材部１１２に被せるだけで取り付けることができるようになっている。この電磁石極コイル２８は、突極ボビン１１５に電線材を巻き付けた状態にしてニカワ等で形状を固めた状態にして、予め準備しておくことにより迅速かつ容易に組付作業を完了することができる。

また、突極ボビン１１５には、回転軸側に延長されてコア材部１１２の回転軸方向の一端面側に対面する固定片１１６と、コア材部１１２からロータ母材部１１１の回転軸方向の両端面側に対面する固定片１１７と、コア材部１１２の回転軸からの離隔側で鍔形状に形成されて電磁石極コイル２８の電線材が遠心力で離脱してしまうことを制限する鍔部１１８と、が一体形成されている。この突極ボビン１１５は、固定片１１６がコア材部１１２側から電線材の巻付空間分だけ離隔する位置に形成されており、この固定片１１６の中央部には電磁石極コイル２８の一端部の電線材を位置決め固定する切欠１１６ａが形成されている。また、固定片１１７には、ロータ母材部１１１のリベット孔Ｈに差し込んでリベット受けＲに先端部を固定するリベットピンＰを貫通させる貫通孔１１７ａが形成されている。

（突極構造体１１０の組立手順）
このような構造を採用することで、突極構造体１１０は、次のようにして、シャフト１０１に取付可能な状態に容易かつ迅速に組み立てておくことができる。

まず、突極構造体１１０は、電線材を巻き付けておいた突極ボビン１１５内にコア材部１１２を差し込んで被せた状態にする。この後に、突極ボビン１１５の固定片１１７の貫通孔１１７ａとロータ母材部１１１のリベット孔Ｈとを位置決めしつつリベットピンＰを差し込んでその先端部をリベット受けＲにカシメるなどしてリベット締めする。これにより、突極構造体１１０は、電磁石極コイル２８をロータ母材部１１１周りに複数取り付けた状態にして準備しておくことができる。

（補極構造体１２０の組立構造）
また、補極構造体１２０は、図７に示すように、シャフト１０１の取付大径部１０１Ａを収容可能な内径を有する薄板のリング形状（断面リング形状）で２枚１組のリング形状部１２１と、このリング形状部１２１の回転軸に交差して径方向外方への延長線に一致するようにリング形状部１２１の外周面から外方に突出してコア材２５が固定される突出片部１２３と、リング形状部１２１の内周面から内方に向かって突出してシャフト１０１の取付大径部１０１Ａの外周面のキー溝１０９に嵌り込む断面形状に形成されているキー突部１２９と、が同一の部材を加工して一体形成されており、突出片部１２３に両端側を固定されているコア材２５に誘電子極コイル２７が一体回転するように取り付けられている。すなわち、断面リング形状部を構成するリング形状部１２１と、固定部を構成する突出片部１２３とで固定部材を構成している。

ここで、このリング形状部１２１と突出片部１２３とキー突部１２９とを一体に加工する材料としては、鎖交する磁束が流れ込んで有効利用することを妨げてしまわないように、ロータ母材部１１１やコア材部１１２側から磁気的に独立させるように非磁性の材料を選択するのが有効であり、例えば、所望の強度を有する真鍮あるいはアルミニウム合金が好ましい。

誘電子極コイル２７は、図８（ａ）および図８（ｂ）に示すように、コア材２５の回転軸からの離隔側を除く外面側を覆うように形成されている補極ボビン１２５に電線材を巻き付けて、そのコア材２５に被せるだけで取り付けることができるようになっている。この誘電子極コイル２７は、補極ボビン１２５に電線材を巻き付けた状態にしてニカワ等で形状を固めた状態にして、予め準備しておくことにより迅速かつ容易に組付作業を完了することができる。ここで、誘電子極コイル２７は、電磁石極コイル２８の間に形成される空間内に収容することから、補極ボビン１２５の回転軸側を薄く形成して外側を厚く形成する段差形状に形成されている。

また、補極ボビン１２５には、回転軸側に延長されてコア材２５の回転軸方向の一端面側に対面する固定片１２６と、回転軸側が先細形状になるように形成されているコア材２５の先細側全体を覆うカバー部１２７と、このカバー部１２７の反対側の回転軸からの離隔側で鍔形状に形成されて誘電子極コイル２７の電線材が遠心力で離脱してしまうことを制限する鍔部１２８と、が一体形成されている。この補極ボビン１２５は、固定片１２６がコア材２５側からの電線材の巻付空間分だけ離隔する位置に形成されており、この固定片１２６の中央部には誘電子極コイル２７の一端部の電線材を位置決め固定する切欠１２６ａが形成されている。

さらに、図７に戻って、突出片部１２３には、コア材２５と補極ボビン１２５の両端部のリベット孔Ｈに差し込んでリベット受けＲに先端部を固定するリベットピンＰを貫通させる貫通孔１２３ａ、１２３ｂが形成されている。

補極ボビン１２５は、コア材２５を端部側の貫通孔１２３ａを利用してリベットピンＰで位置決め固定された状態の突出片部１２３を含めて内部に収容して（外面を覆って）誘電子極コイル２７の取付箇所となるように概略直方体に形成されている。また、補極ボビン１２５の回転軸側のカバー部１２７は、コア材２５を覆う程度の長さに形成されることにより、突出片部１２３の差込孔１２５ｈを確保する形状に作製されており、その突出片部１２３の回転軸側の貫通孔１２３ｂを利用して差し込む不図示のリベットピンＰを差し込んで位置決め固定するリベット孔Ｈが対応する位置に形成されている。

（リラクタンスモータ１０の組立手順）
このような構造を採用することで、補極構造体１２０は、突極構造体１１０と共に、次のようにして容易かつ迅速にシャフト１０１に取り付けて、リラクタンスモータ１０を組み立てることができる。

まず、補極構造体１２０は、一方のリング形状部１２１の内周面のキー突部１２９を、シャフト１０１の取付大径部１０１Ａのキー溝１０９に開放端側から嵌め込んで閉塞端側まで移動させて相対回転不能に取り付けた状態にする。

この後に、突極構造体１１０は、続けて、同様に、シャフト１０１の取付大径部１０１Ａのキー溝１０９にロータ母材部１１１内周面のキー突部１１９を嵌め込んで補極構造体１２０のリング形状部１２１に隣接する位置まで移動させる。この状態で、突極構造体１１０は、電磁石極コイル２８をシャフト１０１の取付大径部１０１Ａに相対回転不能に取り付けることができる。

次いで、補極構造体１２０は、もう一方のリング形状部１２１の内周面のキー突部１２９を、同様に、シャフト１０１の取付大径部１０１Ａのキー溝１０９に開放端側から嵌め込んで突極構造体１１０のロータ母材部１１１に隣接する位置まで移動させて相対回転不能に取り付けた状態にする。

この後に、電線材を巻き付けておいた補極ボビン１２５の両端側に突出片部１２３を差し込んで突極構造体１１０の電磁石極コイル２８（コア材部１１２）の間の奥まで進入させて回転軸側に一時的に位置させた状態にする。続けて、コア材２５を突出片部１２３の端部側に、端面を外側に向けて先細側を回転軸側に位置させる姿勢にし、電磁石極コイル２８間に位置する状態で突出片部１２３端部の貫通孔１２３ａとコア材２５のリベット孔Ｈとを位置決めしつつリベットピンＰを差し込んでその先端部をリベット受けＲにカシメるなどしてリベット締めする。これにより、補極構造体１２０のコア材２５を電磁石極コイル２８の間に複数取り付けた状態にして準備しておくことができる。

次いで、電磁石極コイル２８の間の奥まで進入させた補極ボビン１２５を引き戻してカバー部１２７内にコア材２５を先細側から位置させた後に、突出片部１２３の端部よりも回転軸側の貫通孔１２３ｂと補極ボビン１２５の先細側のリベット孔Ｈとを位置決めしつつリベットピンＰを差し込んでその先端部をリベット受けＲにカシメるなどしてリベット締めする。これにより、補極構造体１２０は、突極構造体１１０の回転軸方向の両端側にリング形状部１２１を位置決め固定して、電磁石極コイル２８の間に誘電子極コイル２７を、簡易な構造で容易かつ迅速に配置することができる。

そして、図５に戻って、リラクタンスモータ１０は、シャフト１０１の取付大径部１０１Ａのキー溝１０９の開放端側の支持中径部１０１Ｂにエンドプレート１０５を取り付けて突極構造体１１０と補極構造体１２０を相対回転不能に位置決め固定する。次いで、シャフト１０１の支持中径部１０１Ｂの双方にベアリング１０２を取り付けた後に、エンドプレート１０５の反対側の取付小径部１０１Ｃにロータ側レゾルバ１０３をストッパねじ１０６で取付固定し、ロータ２１を組み立てる。このまま、駆動コイル１４を備えるステータ１１のステータティース１２内にロータ２１を相対回転可能に収容して、シャフト１０１の取付小径部１０１Ｃのロータ側レゾルバ１０３をステータ１１側のステータ側レゾルバ１０４内に回転速度を検出可能に位置させるように組み付ける。

したがって、リラクタンスモータ１０は、電磁石極コイル２８を配置するロータティース２２の間を有効利用して誘電子極コイル２７を設置することができる。その誘電子極コイル２７や電磁石極コイル２８は、シャフト１０１の外周面のキー溝１０９に、ロータ母材部１１１内周面のキー突部１１９やリング形状部１２１内周面のキー突部１２９を嵌め合い固定するだけの簡易かつ軽量な構造で容易に組み付けて一体回転するように位置決めすることができる。この結果、リラクタンスモータ１０は、ステータ１１側に電力供給するだけで、ロータ２１を小さな回転負荷、かつ、高品質な高トルクで高効率回転させることができる。

ここで、本実施形態では、シャフト１０１外周面にキー溝１０９を形成して、突極構造体１１０のロータ母材部１１１内周面にキー突部１１９を形成するとともに、補極構造体１２０のリング形状部１２１内周面のキー突部１２９を形成して、嵌め合い固定する場合を一例として説明しているが、これに限るものではない。例えば、図９（ａ）に示すように、凹凸を逆にして、シャフト１０１外周面に畝形状のキー畝２０９を形成して、突極構造体１１０のロータ母材部１１１内周面や補極構造体１２０のリング形状部１２１内周面に、そのキー畝２０９を嵌め合い固定することができるキー窪み部２１９、２２９を形成してもよいことは言うまでもない。また、図９（ｂ）に示すように、溝幅と突部幅とが均等なキー溝２０９´とキー突部２１９´、２２９´にして周方向に連続するようにしてもよいことは言うまでもない。

このような構造を採用するリラクタンスモータ１０に対して、図３（ｂ）に示すように、ロータティース２２に巻線を巻き付けて径方向２段の集中巻を形成して外周面２２ａ側に誘導子極コイル２７´を形成し、その軸心側に電磁石極コイル２８´を配置する場合には、図１０（ｂ）に示すようなトルク特性となる。すなわち、図１０（ｂ）のトルク特性では、駆動コイル１４によるリラクタンス分に加えて、誘導子極コイル２７´の誘導電流による電磁石極コイル２８´の電磁力で発生させるトルクは、６０Ｎ・ｍ未満に留まってリラクタンス分との総合トルクでも８０Ｎ・ｍ強に過ぎないことが分かる。

これに対して、同様なロータ２１の径寸法でも、電磁石極コイル２８に誘電子極コイル２７を並列させた構造のリラクタンスモータ１０（図３（ａ）を参照）では、図１０（ａ）に示すようなトルク特性となる。すなわち、図１０（ａ）のトルク特性では、誘電子極コイル２７のコア材２５の存在により駆動コイル１４によるリラクタンス分が多少減少するが、誘導子極コイル２７で効果的に発生させる誘導電流を電磁石極コイル２８に供給することにより１１０Ｎ・ｍ程度の大きな電磁力トルクを発生させて、リラクタンス分との総合トルクでも１２０Ｎ・ｍ弱の十分大きなトルクを得ることができていることが分かる。

さらに、本実施形態の他の態様としては、リラクタンスモータ１０のように径方向にエアギャップＧを形成するラジアルギャップ構造に限らずに、回転軸方向にギャップを形成するアキシャルギャップ構造に作製してもよい。この場合にも、ステータ側とロータ側とで対面する軸方向端面に駆動コイルと共に誘電子極コイルや電磁石極コイルを配置すればよい。また、ラジアルギャップ側に電磁石極コイルを配置するとともに、アキシャルギャップ側に誘電子極コイルを配置するなど振り分ける構造を採用してもよい。

扁平の大径モータ構造に作製する場合には、インナーステータとアウターステータとの間に回転自在にロータを収容するダブルギャップ型モータ構造を採用してもよい。この場合には、インナーステータ側に損失エネルギを回収する誘電子極コイルを配置するとともに、アウターステータ側にトルクを発生する電磁石極コイルを配置することで、大幅にトルクを増大させることができる。

リラクタンスモータ１０のようなラジアルギャップ構造の場合には、ステータ１１やロータ２１（ロータ母材部１１１やコア材部１１２）を電磁鋼板の積層構造で作製するばかりでなく、例えば、鉄粉などの磁性を有する粒子の表面を絶縁被覆処理した軟磁性複合粉材（SoftMagnetic Composites）をさらに鉄粉圧縮成形および熱処理製造した圧粉磁心、所謂、ＳＭＣコアを採用してもよい。このＳＭＣコアは、成形が容易であることからアキシャルギャップ構造に好適である。
さらに、リラクタンスモータ１０は、車載用に限定されるものではなく、例えば、風力発電や、工作機械などの駆動源として好適に採用することができる。

本発明の範囲は、図示され記載された例示的な実施形態に限定されるものではなく、本発明が目的とするものと均等な効果をもたらすすべての実施形態をも含む。さらに、本発明の範囲は、各請求項により画される発明の特徴の組み合わせに限定されるものではなく、すべての開示されたそれぞれの特徴のうち特定の特徴のあらゆる所望する組み合わせによって画されうる。

１０ リラクタンスモータ
１１ ステータ
１２ ステータティース
１３、２３ スロット
１４ 駆動コイル
２１ ロータ
２２ ロータティース
２５ コア材
２７、２７Ａ１〜２７Ａｎ、２７Ｂ１〜２７Ｂｎ 誘導子極コイル
２８、２８Ａ１〜２８Ａｎ、２８Ｂ１〜２８Ｂｎ 電磁石極コイル
２９、２９Ａ、２９Ｂ ダイオード
１０１ シャフト
１０１Ａ 取付大径部
１０１Ｂ 支持中径部
１０１Ｃ 取付小径部
１０１Ｄ 出力回転軸
１０９、２０９´ キー溝
１１０ 突極構造体
１１１ ロータ母材部
１１２ コア材部
１１５ 突極ボビン
１１８、１２８ 鍔部
１１９、１２９、２１９´、２２９´ キー突部
１２０ 補極構造体
１２１ リング形状部
１２３ 突出片部
１２５ 補極ボビン
１２７ カバー部
２０９ キー畝
２１９、２２９ キー窪み部

Claims (3)

1. ステータに対して回転自在に対面するロータに設けられ、前記ステータに向かって突出して前記ロータを前記ステータに対して回転させる回転力を発生させる補助電流を受ける複数の突極と、
   前記ロータの前記突極の回転方向の間に配置され、前記突極に前記回転力を発生させる前記補助電流を発生する複数の補極と、
   前記ロータの回転軸に軸心を一致させて一体回転するように設けられているシャフトと、
   前記ロータの前記突極と前記補極のうちの少なくとも前記補極を前記シャフトに一体になるように位置決めする固定部材と、を備えて、
   前記シャフトは、前記ロータの回転軸方向に延在するキー溝またはキー畝が外周面に複数形成されているのに対して、
   前記固定部材は、前記シャフトの外周側に位置する断面リング形状部と、前記断面リング形状部の径方向外側の複数箇所に位置して前記補極を固定する固定部と、前記リング形状部の径方向内側の複数箇所に位置して前記シャフトの前記キー溝に相対回転不能に嵌め合い固定するキー突部または前記シャフトの前記キー畝を相対回転不能に嵌め合い固定させるキー窪み部と、を有して、前記補極を前記シャフトの外周面側に相対回転不能に位置決め固定することを特徴とする電動回転機。
2. 前記補極は、前記ステータ側から鎖交する磁束の空間高調波による誘導電流を前記補助電流として発生する誘導子極コイルを備え、
   前記突極は、前記誘導子極コイルで発生した誘導電流を前記補助電流として供給されて電磁石として機能する電磁石極コイルを備え、
   前記誘導子極コイルと前記電磁石極コイルの間に、前記誘導電流を整流して前記補助電流とする整流素子が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の電動回転機。
3. 前記断面リング形状部は、前記シャフトの回転軸に沿う離隔位置に配置される２つで１組のリング形状部で構成され、
   前記固定部は、前記リング形状部のそれぞれから径方向外方に突出する突出片部に形成され、
   前記補極は、コイル用のコア材を覆うボビンに前記誘導子極コイルを取り付けて前記コア材の周りに保持する構造を備えており、
   当該補極は、前記誘導子極コイルを取り付けた前記ボビン内に前記突出片部を貫通させて、前記コア材を前記突出片部の端部に固定した状態にし、該コア材を前記ボビンで覆って該ボビンを前記突出片部の端部に固定することで、前記回転部材に相対回転不能に位置決め固定することを特徴とする請求項２に記載の電動回転機。
   

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