JP2016116286A

JP2016116286A - 回転電機

Info

Publication number: JP2016116286A
Application number: JP2014251816A
Authority: JP
Inventors: 雄大藤岡; Yudai Fujioka; 琢磨野見山; Takuma Nomiyama
Original assignee: Sinfonia Technology Co Ltd
Current assignee: Sinfonia Technology Co Ltd
Priority date: 2014-12-12
Filing date: 2014-12-12
Publication date: 2016-06-23

Abstract

【課題】回転子と固定子との間の空隙を管理しやすく、且つ固定子が備えるコイルの銅損による損失を抑制することができる回転電機を提供すること。【解決手段】本発明の回転電機の一実施形態であるＰＭモータ１００の固定子２が備えるステータコア６は、ステータコイル９が巻回され、回転子１との間に所定の空隙Ｇを隔てて固定配置される複数の第１ステータ片７と、固定子２の径方向に移動可能に配置される複数の第２ステータ片８とに分割されている。複数の第２ステータ片８を前記径方向に移動させることで磁気回路の磁気抵抗を調整する。【選択図】図５Ｂ

Description

本発明は、回転子と固定子とを備える回転電機に関する。

近年、車載モータをはじめとして各種機械の動力の電動化が進んでいる。動力源として用いる電動機（モータ）の中でも注目されているのが回転子に永久磁石を使用した永久磁石型同期電動機（ＰＭモータ）である。

ここで、例えば車載モータは車のエンジンの代わりとなるものであるため、広い回転速度域での運転が要求される。一方、ＰＭモータは低回転速度域では安定して高トルクを出せるが、高回転速度域ではトルクが下がってしまう。これは、永久磁石の界磁が電機子に及ぼす電磁誘導作用により、回転磁界を作ろうとする起電力とは逆向きの起電力（逆起電力）が電機子コイルに生じ、電機子コイルに電流を流せなくなってしまうためである。

回転速度域を広げる方法として種々の方法があるが、その中の一つとして磁気回路の磁気抵抗を調整するという方法がある。磁束は末端を有さず、必ずループ（磁束ループ）を形成する。ＰＭモータにおいて磁束は、回転子→永久磁石→ギャップ（空隙）→固定子→ギャップ（空隙）→永久磁石→回転子というループをたどる。ここで、空気は磁束を通しにくいため、上記のループに空隙が多く含まれるほど磁束が通りにくくなる。この空隙が磁気回路における抵抗、すなわち、磁気抵抗となり、この空隙の量を変化させれば磁束の量が変化するので、上記逆起電力を下げることが可能となる。

磁気回路の磁気抵抗を調整する手段を備える回転電機として、例えば特許文献１、２に記載のものがある。なお、回転電機とは、電動機、発電機、電動機兼発電機の総称である。また、磁気回路の磁気抵抗を調整することができる回転電機は、可変界磁回転電機と呼ばれる。

特許文献１に記載の回転電機では、ステータコア（３４ａ）を複数のティース片（２８）とヨーク片（２７）とに分割するとともに、ティース片（２８）を径方向に移動可能に構成している。ティース片（２８）を径方向に移動させることで、ティース片（２８）と回転子（１１）（ロータコア（１４））との間の空隙の量を変化させ、これにより磁束の量を変化させている（調整している）。

特許文献２に記載の回転電気機械では、固定子（３）の歯部（３０）を第一歯部（３１）と第二歯部（３２）とに分割するとともに、固定子（３）にギア部（５１）を設けて第一歯部（３１）に対して第二歯部（３２）を相対移動可能に構成している。第二歯部（３２）を周方向に移動（回転）させることで、第二歯部（３２）と第一歯部（３１）とが対向する面の面積を変化させ、これにより磁束の量を変化させている（調整している）。

特開２０１３−６６２５１号公報特開２０１３−１５０５３８号公報

特許文献１に記載の回転電機には、次のような問題がある。コイル（２９）の周りは絶縁材（３０）で覆われており、ティース片（２８）が径方向に移動する際は、この絶縁材（３０）がティース片（２８）移動のガイドとなる。ここで、ティース片（２８）のロータコア（１４）と対向する面のモータ軸に対する真円度を保つためには、ティース片（２８）と絶縁材（３０）との隙間を可能な限り小さくする必要がある。しかしながら、この隙間を小さくすると、ティース片（２８）が径方向に移動する際のティース片（２８）と絶縁材（３０）との摩擦接触が大きくなり双方が摩耗する恐れがある。双方が摩耗すると真円度は保たれにくい。真円度が保たれない場合、ロータコア（１４）とティース片（２８）との間に生じる吸引力が不均一になり、振動および騒音が発生してしまう。すなわち、特許文献１に記載の回転電機では、回転子と固定子との間の空隙を管理しにくい。

また、真円度を保つためにティース片（２８）移動のガイドとなるコイル（２９）および絶縁材（３０）の強度を高くしようとすると、絶縁材（３０）の厚みを大きくしなければならず、コイル（２９）の占積率を小さくせざるをえなくなる。

特許文献２に記載の回転電気機械には、次のような問題がある。第二歯部（３２）を周方向に移動させて第二歯部（３２）と第一歯部（３１）とが対向する面の面積を小さくすると、磁束の通り道がこの部分で狭くなるため、当該部分で磁束が集中する。これにより、第二歯部（３２）と第一歯部（３１）との対向部にて鉄損による集中的な発熱が起こってしまう。その発熱の影響により、第一歯部（３１）に巻回された巻線（４０）へ熱が伝わることで巻線（４０）の銅損の増加を招来してしまう。

また、内側に向かって突出する形態の第二歯部（３２）を周方向に移動（回転）させるためには、第二歯部（３２）の回転方向両側に巻線（４０）を位置させることができないため、巻線（４０）の占積率を小さくせざるをえない。

本発明の目的は、回転子と固定子との間の空隙を管理しやすく、且つ固定子が備えるコイルの銅損による損失を抑制することができる回転電機を提供することである。

本発明は、回転子と、ステータコアとコイルを備え前記回転子に対して対向配置される固定子と、前記回転子または前記固定子のいずれか一方に設けられ、前記回転子と前記固定子との間で形成される磁気回路上に配置される永久磁石と、を有する回転電機である。前記ステータコアは、前記コイルが巻回され、前記回転子との間に所定の空隙を隔てて固定配置される複数の第１ステータ片と、前記固定子の径方向に移動可能に配置される複数の第２ステータ片と、に分割されて、前記複数の第２ステータ片を前記径方向に移動させることで前記磁気回路の磁気抵抗を調整することを特徴とする。

この構成によると、回転子と固定子との間の空隙は、複数の第１ステータ片と回転子との間の所定の空隙であり、これら複数の第１ステータ片は固定であるので、回転子と固定子との間の空隙、および第１ステータ片の回転子と対向する面の真円度は、回転電機組立て時に一度調整すれば、基本的に変化することはない。すなわち、回転子と固定子との間の空隙を管理しやすい。

また、本発明の回転電機では、磁気回路の磁気抵抗を調整するために第２ステータ片を周方向ではなく径方向に移動させている。この構成によると、第１ステータ片と第２ステータ片との対向面積の減少率を少なくすることができる。また、第２ステータ片の径方向への移動に伴い第１ステータ片と第２ステータ片の対向部が徐々に回転中心から離れることで磁束の集中箇所がコイルの配置位置から遠ざかるため、コイルの銅損の増加を抑制することができる。

また本発明において、前記複数の第１ステータ片がリング状部材で相互に固定されていることが好ましい。

この構成によると、第１ステータ片の回転子と対向する面の真円度を調整しやすい。すなわち、回転子と固定子との間の空隙をより管理しやすい。

さらに本発明において、前記第２ステータ片は、隣り合う前記第１ステータ片の間に配置されており、当該回転電機の軸方向に直交する断面視において、前記第１ステータ片と前記第２ステータ片との接触面が、回転中心から延びる径方向の直線に対して、前記第２ステータ片が前記径方向に移動可能となる向きに所定角度傾斜していることが好ましい。

この構成によると、第１ステータ片と第２ステータ片との対向面積の減少率をより少なくすることができるため、対向部における磁束の過度な集中を避けることで局所的な発熱を抑制することができる。

本発明によれば、回転子と固定子との間の空隙を管理しやすく、且つ固定子が備えるコイルの銅損による損失を抑制することができる。

本発明の一実施形態に係るＰＭモータの斜視図である。図１に示すＰＭモータの固定子の部分分解図である。図１に示すＰＭモータの固定子を構成するステータコアの断面図である。図１に示すＰＭモータの固定子を構成するリング状部材の平面図である。図１のＡ−Ａ断面の半分を示す図である。図５Ａにおいて、第２ステータ片が径方向外方に移動した状態の図である。第２ステータ片の移動機構を説明するためのＰＭモータの模式図である。第２ステータ片の移動機構を説明するためのＰＭモータの模式図である。図３に示すステータコアとは別の形態のステータコアを示す平面図である。図３に示すステータコアとは別の形態のステータコアを示す平面図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。なお、本発明の回転電機は、車載用の電動機、航空機に搭載される発電機など、様々な機械の電動機、発電機、電動機兼発電機として利用することができる。

図１から図６Ｂを参照しつつ、本発明の回転電機の一実施形態に係るＰＭモータ１００について説明する。

（ＰＭモータの構造）
図１等に示すように、ＰＭモータ１００は、回転子１と、回転子１の径方向外側において当該回転子１に対して対向配置される筒状の固定子２とを備える。なお、モータケースの図示はいずれの図においても省略している。

回転子１は、筒状のロータコア４を有し、このロータコア４の外周面には、断面円弧形状の複数の永久磁石５が取り付けられている。ロータコア４の孔４ａにはロータ軸３（図６Ａ、Ｂ参照）が挿入されて固定される。ロータ軸３は軸受１５（図６Ａ、Ｂ参照）によって回転可能に支持される。ロータコア４は、例えば、リング板状の電磁鋼板が軸方向に積層されてなる積層体である。なお、ＰＭモータには、ロータコアの内部に永久磁石５が埋め込まれたタイプのものもある。永久磁石５は、回転子１と固定子２との間で形成される磁気回路上に配置されている。なお、本実施形態では、回転子と固定子との間で形成される磁気回路上に配置される永久磁石を回転子に設けているが、当該永久磁石を固定子に設けてもよい。

固定子２は、全体として筒状のステータコア６と、図１では図示を省略しているステータコイル９（コイル）と、リング板状のリング状部材１０とを具備してなる。ステータコイル９は、図５Ａ、Ｂに図示している。

回転子１の径方向外側に配置されるステータコア６は、複数の第１ステータ片７と複数の第２ステータ片８とに分割されている。第２ステータ片８は、隣り合う第１ステータ片７の間に配置されており、第１ステータ片７と第２ステータ片８とは、当該ステータコア６の周方向に沿って交互に配置されている。第１ステータ片７および第２ステータ片８は、例えば、電磁鋼板が軸方向に積層されてなる積層体である。

図３、図５Ａ，Ｂに符号を付して示すように、第１ステータ片７は、第２ステータ片８と接する基部１４と、基部１４から突出する形態のコイル保持部１３とを有する。ステータコイル９はコイル保持部１３（第１ステータ片７）に巻回されて固定される。また、コイル保持部１３の内方向の端面は円弧形状の面とされており、回転子１を構成する永久磁石５の外周面との間に所定の空隙Ｇ（ギャップ）を隔てて第１ステータ片７が配置される。

ここで、第１ステータ片７は固定配置のピースであり、リング状部材１０を介して相互に連結されて固定される。図４に示すように、リング状部材１０には、その径方向に沿って並ぶ２つの円形の孔１０ａを１つの組として当該１組の孔１０ａが周方向に等間隔で開けられている。

図３に示すように、第１ステータ片７の基部１４の中央には２つの孔７ａが並んで開けられている。複数の第１ステータ片７を挟持するように２枚のリング状部材１０を第１ステータ片７の軸方向両端に配置し、第１ステータ片７に開けられた孔７ａおよびリング状部材１０に開けられた孔１０ａに挿入された長尺のピン１１にリング状部材１０の軸方向外方からボルト（不図示）を捻じ込んで、複数の第１ステータ片７をリング状部材１０を介して相互に連結固定する（図２参照）。このとき、円弧形状の面とされた複数の第１ステータ片７のコイル保持部１３の端面同士で真円を形成するよう調整される。複数の第１ステータ片７を挟持して連結固定する２枚のリング状部材１０はモータケース（不図示）に固定される。なお、第１ステータ片７とリング状部材１０との固定は、ボルトによる固定に限られるものではない。

第２ステータ片８は、ステータコア６（固定子２）の径方向に沿って移動可能に配置され、且つ前記した第１ステータ片７との間隔（対向面の間隔）が可変とされるピースである。図３に示すように、第２ステータ片８の中央には２つの孔８ａが並んで開けられている。また、図４に示すように、リング状部材１０には、その径方向に沿って延びる長孔１０ｂが周方向に等間隔で開けられている。第２ステータ片８に開けられた２つの孔８ａそれぞれに挿入された長尺のピン１２はリング状部材１０に開けられた長孔１０ｂに挿入され、これにより、第２ステータ片８は、ステータコア６（固定子２）の径方向に沿って移動可能な態様でリング状部材１０に係止される。長孔１０ｂの長さは、第２ステータ片８が所定距離移動可能な長さとされている。なお、第２ステータ片８は、回転子１を構成する永久磁石５の外周面との間で所定の空隙Ｇ（ギャップ）を形成する第１ステータ片７のコイル保持部１３よりも径方向外方に配置されるピースであり、前記所定の空隙Ｇ（ギャップ）を形成するピースではない。

また、図３に示すように、ＰＭモータ１００の軸方向に直交する断面視において、第１ステータ片７と第２ステータ片８との接触面Ｓが、ＰＭモータ１００の回転中心Ｏから延びる径方向の直線Ｌに対して、第２ステータ片８が径方向に沿って移動可能となる向きにα°（所定角度）傾斜するように、ステータコア６は第１ステータ片７と第２ステータ片８とに分割形成されている。αは、例えば、０度以上、且つ９０度以下とされる。特に、傾斜角度が大きいほど対向面積の減少率をより低減できる。

次に、図６Ａ、Ｂを参照しつつ、第２ステータ片８を径方向に移動させるための手段の一例を説明する。図６Ａは、電磁クラッチ２０が非通電状態のときのＰＭモータ１００の模式図であり、図６Ｂは、電磁クラッチ２０が通電状態のときのＰＭモータ１００の模式図である。

図６Ａ、Ｂに示すように、第２ステータ片８は、電磁クラッチ２０、および第２ステータ片８を径方向外方に付勢するバネ２６によって、径外方向および径内方向へ移動させられる。

電磁クラッチ２０は、コイル２２を有する環状の磁極体２１、テーパ面を有する環状の押付部材２３、磁極体２１と押付部材２３との間に配置されるバネ２５、および押付部材２３によって軸方向に押されてロータ軸３側に移動するブロック２４を具備してなる。ブロック２４は、押付部材２３のテーパ面が押し付けられるテーパ面を有する。

ブロック２４は、リング状部材１０の長孔１０ｂから突出するピン１２の端に固定される。ブロック２４は、複数の第２ステータ片８それぞれに設けられる。

（ステータコア部分の動作（磁気抵抗の調整））
図５Ａ〜図６Ｂを参照しつつ、ステータコア６部分の動作（磁気抵抗の調整）について説明する。

図５Ａ、Ｂ中に記載の矢印Ｂは、磁束ループを示す。図５Ａ、Ｂ中に矢印Ｂで示したように、磁束は、ロータコア４→永久磁石５→ギャップ（空隙Ｇ）→第１ステータ片７→第２ステータ片８→第１ステータ片７→ギャップ（空隙Ｇ）→永久磁石→ロータコア４というループをたどる。

モータの回転速度が小さい時は、図６Ａに示すように、電磁クラッチ２０を非通電状態にして、電磁クラッチ２０を構成するバネ２５の弾性復元力にてブロック２４をロータ軸３側に付勢し、図５Ａに示したように第１ステータ片７と第２ステータ片８とが面接触した状態とする（第１ステータ片７と第２ステータ片８との間隔はゼロ）。この状態は磁束量が大の状態である。

一方、モータの回転速度が大きい時は、図６Ｂに示すように、電磁クラッチ２０を通電状態にして、押付部材２３を磁極体２１に引き寄せることで第２ステータ片８を移動可能とし、バネ２６の弾性復元力にて第２ステータ片８を径方向外方に移動させ、図５Ｂに示したように第１ステータ片７と第２ステータ片８との間に所定の空隙Ｇ２を形成させる（間隔をとる）。空気は磁束を通しにくいため、第１ステータ片７と第２ステータ片８とが接触していた図５Ａに示す状態に比べて磁気抵抗が大きくなり、磁束量が減少する。磁束量が減少すると、ステータコイル９に多くの電流を流すことができるので、高回転速度域でのモータ出力を高めることができる。これにより、高回転速度域でのモータの運転が可能となるので、モータの回転速度域が広がる。

（ステータコアの他の実施形態）
図７Ａ、Ｂは、図３に示すステータコア６とは別の形態のステータコア３１を示す平面図（固定子の軸方向から視た図）である。図７Ａは、ステータコア３１を構成するステータ片３３、３４が接触した状態、すなわち、磁束量が大の状態を示す図であり、図７Ｂは、ステータ片３３、３４が離間した状態、すなわち、磁束量が小の状態を示す図である。

ステータコア３１は、複数の第１ステータ片３２と複数の第２ステータ片３３とに分割されている。本実施形態では、第２ステータ片３３は、第１ステータ片３２の外側（図示を省略する回転子に対して径方向外側）に配置される。第１ステータ片３２および第２ステータ片３３は、例えば、電磁鋼板が軸方向に積層されてなる積層体である。

ここで、第１ステータ片３２は固定配置のピースであり、前記した第１ステータ片７と同様に２枚のリング状部材を介して相互に連結されて固定される。また、リング状部材はモータケース（不図示）に固定される。なお、図示を省略するステータコイルは、第１ステータ片３２に巻回されて固定される。

第２ステータ片３３は、ステータコア３１（固定子）の径方向に沿って移動可能に配置されるピースである。第２ステータ片３３を径方向に移動させるための手段は、第１ステータ片３２に巻回された巻線３５、および第２ステータ片３３を径方向外方に付勢するバネ３４である。巻線３５には直流電流が流される。

モータの回転速度が小さい時は、巻線３５に通電して、第２ステータ片３３を第１ステータ片３２に引き寄せて、第１ステータ片３２と第２ステータ片３３とを図７Ａに示すように面接触させる。この状態は磁束量が大の状態である。

一方、モータの回転速度が大きい時は、巻線３５への通電をやめて（非通電状態）、バネ３４の弾性復元力にて第２ステータ片３３を径方向外方に移動させ、図７Ｂに示したように第１ステータ片３２と第２ステータ片３３との間に所定の空隙を形成させる（間隔をとる）。この状態は磁束量が小の状態である。

なお、モータを回転させるためにステータコイルに通電すると、第１ステータ片３２と第２ステータ片３３とは互いに引き寄せ合う。第１ステータ片３２と第２ステータ片３３とが互いに引き寄せ合う引寄せ力は、モータの回転速度が大きい時は、モータの回転速度が小さい時よりも小さい。そのため、巻線３５を配置せず、モータの回転速度が小さい時は、この引寄せ力にて、図７Ａに示すように第１ステータ片３２と第２ステータ片３３とを面接触させ、モータの回転速度が大きい時は、引寄せ力に打ち勝つバネ３４の弾性復元力にて、第１ステータ片３２と第２ステータ片３３とを離間させてもよい。すなわち、図７Ａ、Ｂにおいて、巻線３５を配置せず、バネ３４を配置するのみで、第２ステータ片３３を径方向外方へも径方向内方へも移動させることができる。バネ３４を配置するのみでよいのは、図６Ａ、Ｂにおいても同様である。すなわち、電磁クラッチ２０を配置せず、バネ２６を配置するのみで、第２ステータ片８を径方向外方へも径方向内方へも移動させることができる。

（発明の作用・効果）
本発明の回転電機では、固定子のステータコアを、コイルが巻回され回転子との間に所定の空隙を隔てて固定配置される複数の第１ステータ片と、当該固定子の径方向に移動可能に配置される複数の第２ステータ片とに分割している。そして、複数の第２ステータ片を前記径方向に移動させることで磁気回路の磁気抵抗を調整する。

また、前記したＰＭモータ１００では、固定配置の第１ステータ片７にステータコイル９を巻回して固定しており、このステータコイル９は、特許文献１に記載の回転電機のステータコイルのように、ティース片（ステータ片）移動のガイドとなるものではないので、特許文献１に記載のステータコイルのように強度が要求されるものではない。また、特許文献２に記載の回転電気機械のように、ステータコイルの占積率を小さくせざるをえない、という問題は、前記したＰＭモータ１００にはそもそも存在しない。

本発明では、複数の第１ステータ片がリング状部材で相互に固定されていることが好ましい。この構成によると、第１ステータ片の回転子と対向する面の真円度を調整しやすい。すなわち、回転子と固定子との間の空隙をより管理しやすい。

また、隣り合う第１ステータ片の間に第２ステータ片を配置し、当該回転電機の軸方向に直交する断面視において、第１ステータ片と第２ステータ片との接触面Ｓが、回転中心から延びる径方向の直線に対して、第２ステータ片が径方向に移動可能となる向きに所定角度傾斜させられていることが好ましい。この構成によると、第１ステータ片と第２ステータ片との対向面積の減少率をより少なくすることができるため、対向部における磁束の過度な集中を避けることで局所的な発熱を抑制することができる。

１：回転子
２：固定子
３：ロータ軸
４：ロータコア
５：永久磁石
６：ステータコア
７：第１ステータ片
８：第２ステータ片
９：ステータコイル
１０：リング状部材
１１、１２：ピン
１００：ＰＭモータ（回転電機）

Claims

回転子と、ステータコアとコイルを備え前記回転子に対して対向配置される固定子と、
前記回転子または前記固定子のいずれか一方に設けられ、前記回転子と前記固定子との間で形成される磁気回路上に配置される永久磁石と、を有する回転電機であって、
前記ステータコアは、
前記コイルが巻回され、前記回転子との間に所定の空隙を隔てて固定配置される複数の第１ステータ片と、
前記固定子の径方向に移動可能に配置される複数の第２ステータ片と、
に分割されて、
前記複数の第２ステータ片を前記径方向に移動させることで前記磁気回路の磁気抵抗を調整することを特徴とする、回転電機。
請求項１に記載の回転電機において、
前記複数の第１ステータ片がリング状部材で相互に固定されていることを特徴とする、回転電機。
請求項１または２に記載の回転電機において、
前記第２ステータ片は、隣り合う前記第１ステータ片の間に配置されており、
当該回転電機の軸方向に直交する断面視において、前記第１ステータ片と前記第２ステータ片との接触面が、回転中心から延びる径方向の直線に対して、前記第２ステータ片が前記径方向に移動可能となる向きに所定角度傾斜していることを特徴とする、回転電機。