JP2017121110A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】堅牢性と保守性を向上させることができる回転電機を提供すること。
【解決手段】複数のステータティース１２を有するステータ１０と、複数のロータティース２２を有するロータ２０と、ロータティース２２に巻き回された誘導コイル２４及び界磁コイル２５と、界磁コイル２５への通電を制御する電界効果トランジスタと、電界効果トランジスタのゲートに供給するパルス信号を発生させるパルス発生器と、パルス発生器の発生させたパルス信号を非接触で電界効果トランジスタのゲートに伝送する回転変圧器３２と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転電機に関する。

直流モータ（以下、「ＤＣモータ」ともいう）は、電圧制御、速度制御の容易さから広い分野で使用されている。小型のＤＣモータは、自動車用補機などに多く用いられている。

ＤＣモータは、ロータのコイルに接続された整流子（コミュテータ）が回転軸であるシャフトの周方向に配置され、ブラシを介してコミュテータに電流が供給されることでコイルに磁界が発生し、シャフトが回転する。

非特許文献１には、ブラシの進角を変化させることで、ＤＣモータの特性を変化させることが開示されている。

田倉大地・赤津観、「可変ＤＣモータの検討」、平成２６年電気学会産業応用部門大会、Ｎｏ．３−１０、p.125-128

しかしながら、このようなＤＣモータにあっては、ブラシとコミュテータとの間に摺動接触部があるため、摩耗による障害が発生するおそれがあり、堅牢性が低下する。また、ブラシとコミュテータの接断時にスパイク状の電流が流れ、煤が発生してモータ内に蓄積されるため、保守性が低下する。

そこで、本発明は、堅牢性と保守性を向上させることができる回転電機を提供することを目的としている。

上記課題を解決する回転電機の発明の一態様は、複数のステータティースを有するステータと複数のロータティースを有するロータとを備えた回転電機であって、ステータには、直流電源からの通電により磁界を形成する集中巻のステータ巻線がステータティースに巻かれており、ロータには、誘導電流を誘起させる集中巻の誘導コイルと誘導電流の通電により界磁する集中巻の界磁コイルとがロータティースに巻かれており、誘導コイルと界磁コイルとの間に接続され誘導電流を整流する整流回路と、整流回路と界磁コイルとの間に配置されるスイッチ部材と、を備え、スイッチ部材を開閉して界磁コイルへの誘導電流の通電を制御して交流界磁するものである。

また、上記課題を解決する回転電機の発明の他の態様は、複数の永久磁石の配置されたステータと複数のロータティースを有するロータとを備えた回転電機であって、ロータには、誘導電流を誘起させる誘導コイルと誘導電流の通電により界磁する界磁コイルとがロータティースに巻かれており、誘導コイルと界磁コイルとの間に接続され誘導電流を整流する整流回路と、整流回路と界磁コイルとの間に配置されるスイッチ部材と、スイッチ部材を開閉して界磁コイルへの誘導電流の通電を制御して交流界磁するものである。

このように本発明の一態様によれば、堅牢性と保守性を向上させることができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る回転電機を示す図であり、図１（ａ）は、その径方向断面図、図１（ｂ）は、その軸方向断面の斜視図である。 図２は、本発明の一実施形態に係る回転電機を示す図であり、その回路構成図である。 図３は、本発明の一実施形態に係る回転電機を示す図であり、その電界効果トランジスタのゲート信号の例を示す図である。 図４は、本発明の一実施形態に係る回転電機を示す図であり、その回生トルクの特性を示す図である。 図５は、本発明の一実施形態に係る回転電機を示す図であり、その位相制御による回生トルクの特性を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る回転電機について詳細に説明する。

図１において、本発明の一実施形態に係る回転電機１は、円筒形状に形成されたステータ１０と、このステータ１０を収納し、回転の中心となる回転軸２が固定されているロータ２０とを備えている。

回転軸２は、図示しない軸受装置に回転可能に支持されている。回転軸２には、円盤状のダイオードホルダ３が一体形成されている。回転軸２とダイオードホルダ３とは、別体で構成され、ボルト等の締結部材によって互いに締結される構成であってもよい。ダイオードホルダ３には、複数の凹部３ａが形成されており、これら各凹部３ａには後述する整流回路３０を構成するダイオードやトランジスタを収納するパッケージ６が嵌め込まれている。

ロータ２０は、ステータ１０の径方向の外側に配置されており、ダイオードホルダ３とバランスプレート４との間に配置されている。バランスプレート４は、環状に形成されており、周方向に所定の間隔で複数の雌ねじ部４ａが形成されている。ダイオードホルダ３には、周方向に所定の間隔で複数の挿通孔３ｂが形成されている。なお、径方向とは、回転軸２が延伸する方向と直交する方向を示す。径方向の外側とは、径方向において回転軸２に遠い側を示し、径方向の内側とは、径方向において回転軸２に近い側を示す。

ロータ２０は、後述するロータコア２１の周方向に所定の間隔で複数の挿通孔２６が軸方向にロータコア２１を貫通するように形成されている。上述したダイオードホルダ３の挿通孔３ｂ及びロータコア２１の挿通孔２６には、ボルト５が挿通されるようになっている。なお、軸方向とは、回転軸２が延伸する方向と同じ方向を示す。

ボルト５は、ダイオードホルダ３側から挿通孔３ｂ及び挿通孔２６を通してバランスプレート４の雌ねじ部４ａに締結されるようになっている。これにより、ロータ２０は、ダイオードホルダ３とバランスプレート４とに軸方向に挟まれるようにしてダイオードホルダ３及びバランスプレート４と一体回転可能に締結される。

ステータ１０は、例えば、複数の電磁鋼板を軸方向に積層したステータコア１１を備えている。このステータコア１１には、軸心から離隔する径方向の外側に向かって突出した複数本のステータティース（突極部）１２が周方向に所定の間隔で形成されている。本実施の形態では、ステータティース１２は、周方向に９０°間隔で４つ設けられている。ステータティース１２は、ロータ２０の後述するロータティース２２の内周面にエアギャップを介して外周面を対面させるように形成されている。

このステータティース１２は、周方向に隣接するステータティース１２の側面１２ａ間をスロット１３として、当該スロット１３にステータ巻線１４が巻き付けられている。

ステータ巻線１４は、ステータティース１２毎にステータ１０の周方向において隣同士が逆向きの周回巻線となる集中巻になるように形成されて、ステータ１０の周方向に配列されている。このステータ巻線１４は、直流電流を供給されることにより励磁されてステータティース１２を電磁石として機能させる。このとき、ステータティース１２は、ステータ１０の周方向において隣同士が異なる磁極の電磁石となる。

ロータ２０は、例えば、複数の電磁鋼板を軸方向に積層したロータコア２１を備えており、このロータコア２１には、軸心に向かう径方向の内側に突出した複数本のロータティース２２が周方向に所定の間隔で形成されている。本実施の形態では、ロータティース２２は、周方向に６０°間隔で６つ設けられている。

ここで、ステータ１０とロータ２０との突極比の組合せとしては、本実施の形態のように「ステータ：ロータ＝２：３」であることが好ましい。ただし、ステータ１０とロータ２０との突極比の組合せは、「ステータ：ロータ＝２：３」に限らず、他の組合せであってもよい。

ロータティース２２は、周方向に隣接するロータティース２２の側面２２ａ間をスロット２３として、当該スロット２３に誘導コイル２４及び界磁コイル２５が巻き付けられている。ロータティース２２において、誘導コイル２４は界磁コイル２５よりもステータ１０側に配置され、界磁コイル２５は誘導コイル２４よりもロータコア２１側に配置されている。

すなわち、誘導コイル２４は、スロット２３においてロータ２０の径方向の内側に巻き付けられており、界磁コイル２５は、スロット２３においてロータ２０の径方向の外側に巻き付けられている。

誘導コイル２４は、ロータティース２２毎に、ロータ２０の周方向において隣同士が同じ向きの周回巻線となる集中巻に形成されて、ロータ２０の周方向に配列されている。この誘導コイル２４は、磁束が鎖交することにより誘導電流を発生（誘起）する。

界磁コイル２５は、ロータティース２２毎に、ロータ２０の周方向において隣同士が同じ向きの周回巻線となる集中巻になるように形成されて、ロータ２０の周方向に配列されている。この界磁コイル２５は、界磁電流を供給されることにより励磁されて電磁石として機能する。

ここで、図１（ａ）の機械角１８０度分の３つの誘導コイル２４を、反時計回り方向に順に誘導コイル２４−１〜２４−３と符号を付して区別する。また、機械角１８０度分の３つの界磁コイル２５を反時計回り方向に順に界磁コイル２５−１〜２５−３と符号を付して区別する。

図２において、誘導コイル２４−１、２４−２、２４−３と界磁コイル２５−１、２５−２、２５−３は、ダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６、Ｄ７、Ｄ８、Ｄ９と、電界効果トランジスタＴ１、Ｔ２、Ｔ３と共に閉回路である整流回路３０を形成している。

この整流回路３０において、３つの誘導コイル２４−１、２４−２、２４−３は、Ｙ結線（スター結線）され、その中性点位置にダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６からなるダイオードブリッジ３１が接続されている。

ダイオードブリッジ３１が、誘導コイル２４−１、２４−２、２４−３から受け取った交流電流を直流電流に整流し、この直流電流を界磁コイル２５−１、２５−２、２５−３に供給する回路構成になっている。

ダイオードブリッジ３１は、３つの誘導コイル２４−１、２４−２、２４−３のそれぞれに対応するように、同一の整流方向となるように２つ一組のダイオードＤ１、Ｄ２と、ダイオードＤ３、Ｄ４と、ダイオードＤ５、Ｄ６とがそれぞれ直列接続されて両端側を並列接続される回路構成に構築されている。

このダイオードブリッジ３１は、ダイオードＤ１、Ｄ２と、ダイオードＤ３、Ｄ４と、ダイオードＤ５、Ｄ６のそれぞれの各組の中間部に、各誘導コイル２４−１、２４−２、２４−３の一端側端部が接続されている。

また、ダイオードＤ１、Ｄ２と、ダイオードＤ３、Ｄ４と、ダイオードＤ５、Ｄ６のそれぞれの各組の一端側端部とは反対側の端部であって、誘導コイル２４−１、２４−２、２４−３が接続されている一端側端部とは反対側の両端部を共通の接続点として、界磁コイル２５−１、２５−２、２５−３それぞれと並列接続されている。

各界磁コイル２５−１、２５−２、２５−３の電流が流れる方向の上流側には、それぞれ電界効果トランジスタＴ１、Ｔ２、Ｔ３が直列に接続されている。

各界磁コイル２５−１、２５−２、２５−３の電流が流れる方向の下流側には、それぞれダイオードＤ７、Ｄ８、Ｄ９が直列に接続されている。

電界効果トランジスタＴ１、Ｔ２、Ｔ３のゲートは、回転変圧器３２に接続されている。回転変圧器３２は、パルス発生器３５の出力するパルス信号を非接触で変圧して電界効果トランジスタＴ１、Ｔ２、Ｔ３のゲートに出力する。

回転変圧器３２は、図１（ｂ）に示すように、回転軸２に固定されロータ２０と一体に回転する二次コイル３４と、二次コイル３４の外周面にエアギャップを介して内周面を対面させるように形成されている一次コイル３３とを備えている。一次コイル３３は、図示しないモータケース等、ロータ２０と一体回転しない部材に固定されている。

一次コイル３３及び二次コイル３４は、回転軸２の周りを周方向に回転するように巻線が巻かれている。一次コイル３３に電流が流れることで、二次コイル３４に誘導起電力が発生して、非接触でパルス発生器３５のパルス信号を伝送することができる。

回転変圧器３２は、図２に示すように、電界効果トランジスタＴ１にパルス信号を伝送する一次コイル３３−１及び二次コイル３４−１、電界効果トランジスタＴ２にパルス信号を伝送する一次コイル３３−２及び二次コイル３４−２、電界効果トランジスタＴ３にパルス信号を伝送する一次コイル３３−３及び二次コイル３４−３、を備えている。このため、回転変圧器３２は、電界効果トランジスタＴ１、Ｔ２、Ｔ３それぞれに個別のパルス信号を伝送することができる。

パルス発生器３５は、電界効果トランジスタＴ１、Ｔ２、Ｔ３それぞれに対応したパルス信号を発生させて出力する。

パルス発生器３５は、例えば、図３に示すように、電気角１２０度間のオンと、電気角６０度間のオフとを繰り返すパルス信号を１つの電界効果トランジスタＴ１、Ｔ２、Ｔ３に対応して発生させる。電界効果トランジスタＴ１、Ｔ２、Ｔ３のゲート信号がオンの間は界磁コイル２５−１、２５−２、２５−３に電流が流れ、対応するロータティース２２を電磁石として機能させる。

パルス発生器３５は、異なる電界効果トランジスタＴ１、Ｔ２、Ｔ３同士では、電気角１２０度の位相差のパルス信号を発生させる。これにより、ロータ２０のロータティース２２からステータティース１２に回転する磁束を鎖交させてロータ２０を回転させるトルクを発生させることができる。

このように、回転変圧器３２を使って電界効果トランジスタＴ１、Ｔ２、Ｔ３を制御するパルス信号を非接触で伝送しているため、ブラシとコミュテータによる摺動接触部を無くすことができ、堅牢性と保守性を向上させることができる。

また、電界効果トランジスタＴ１、Ｔ２、Ｔ３を制御して界磁コイル２５を交流界磁させているため、直流を交流に変換するインバータが不要になり、コストを削減することができる。

パルス発生器３５は、図２に示すように、直流電源回路３６から電源を供給される。直流電源回路３６は、車載バッテリ３７がＤＣ／ＤＣコンバータ３８を介してステータ巻線１４に接続されて直流界磁電流を通電する閉回路が形成されている。

直流電源回路３６は、車載バッテリ３７の電力を昇圧させてステータ巻線１４に供給する。ステータ巻線１４は、直流電源回路３６から直流電流を供給されることにより励磁されてステータティース１２を電磁石として機能させる。このとき、ステータティース１２は、ステータ１０の周方向において隣同士が異なる磁極の電磁石となる。

また、回転電機１において回生トルクが発生すると、ステータ巻線１４に誘導起電力が発生し、この誘導起電力がＤＣ／ＤＣコンバータ３８で降圧され車載バッテリ３７に充電される。

このような回転電機１において、図３に示したパルス信号により電界効果トランジスタＴ１、Ｔ２、Ｔ３を制御して、回転軸２を回転させたときの回生トルクの変化を図４に示す。

図４に示すように、回生トルクは、回転数１２００ｒｐｍ付近で最大となり、それ以上の回転数では減っている。

また、電界効果トランジスタＴ１、Ｔ２、Ｔ３を制御するパルス信号の位相を＋３０度、−３０度、−６０度、−９０度と変えた場合の回生トルクの特性を図５に示す。

図５に示すように、電界効果トランジスタＴ１、Ｔ２、Ｔ３を制御するパルス信号の位相を制御することによりトルク特性を変えることができる。

なお、本実施形態においては、ロータ２０と一体に回転しないパルス発生器３５から電界効果トランジスタＴ１、Ｔ２、Ｔ３を制御したが、ロータ２０と一体に回転するダイオードホルダ３にパルスを発生させるパルス回路を設けるようにしてもブラシとコミュテータによる摺動接触部を無くすことができる。

また、本実施形態においては、ステータ１０のステータ巻線１４に直流電流を供給してステータティース１２を電磁石として機能させたが、ステータ１０に永久磁石による固定界磁を使っても、永久磁石とステータ巻線１４の両方を使うようにしてもよい。

また、本実施形態においては、ステータ１０の外側にロータ２０を配置したアウターロータ構造としたが、ステータ１０の内側にロータ２０を配置したインナーロータ構造でもよい。また、本実施形態においては、ラジアルギャップ構造としたが、アキシャルギャップ構造としてもよい。

このように、上述の実施形態では、電界効果トランジスタＴ１、Ｔ２、Ｔ３を開閉して界磁コイル２５への誘導電流の通電を制御して交流界磁する。これにより、ブラシとコミュテータによる摺動接触部を無くすことができ、堅牢性と保守性を向上させることができる。

また、回転変圧器３２を使ってパルス発生器３５が発生したパルス信号を電界効果トランジスタＴ１、Ｔ２、Ｔ３に非接触で伝送している。これにより、電界効果トランジスタＴ１、Ｔ２、Ｔ３を制御するパルス信号をパルス発生器３５で制御することができ、パルス信号の位相制御によりトルク特性の可変制御を行なうことができる。

本発明の実施形態を開示したが、当業者によっては本発明の範囲を逸脱することなく変更が加えられうることは明白である。すべてのこのような修正及び等価物が次の請求項に含まれることが意図されている。

１ 回転電機
１０ ステータ
１２ ステータティース
１４ ステータ巻線
２０ ロータ
２２ ロータティース
２４ 誘導コイル
２５ 界磁コイル
３０ 整流回路
３２ 回転変圧器
３３ 一次コイル
３４ 二次コイル
３５ パルス発生器
Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３ 電界効果トランジスタ（スイッチ部材）

Claims (4)

1. 複数のステータティースを有するステータと複数のロータティースを有するロータとを備えた回転電機であって、
   前記ステータには、直流電源からの通電により磁界を形成する集中巻のステータ巻線が前記ステータティースに巻かれており、
   前記ロータには、誘導電流を誘起させる集中巻の誘導コイルと当該誘導電流の通電により界磁する集中巻の界磁コイルとが前記ロータティースに巻かれており、
   前記誘導コイルと前記界磁コイルとの間に接続され前記誘導電流を整流する整流回路と、
   前記整流回路と前記界磁コイルとの間に配置されるスイッチ部材と、を備え、
   前記スイッチ部材を開閉して前記界磁コイルへの前記誘導電流の通電を制御して交流界磁する、回転電機。
2. 前記スイッチ部材は、電界効果トランジスタにより構成され、
   前記電界効果トランジスタのゲートに回転変圧器を介してパルス発生器を接続する、請求項１に記載の回転電機。
3. 前記ステータは、径方向の内側に配置され、前記ロータは、径方向の外側に配置される、請求項１または２に記載の回転電機。
4. 複数の永久磁石の配置されたステータと複数のロータティースを有するロータとを備えた回転電機であって、
   前記ロータには、誘導電流を誘起させる誘導コイルと当該誘導電流の通電により界磁する界磁コイルとが前記ロータティースに巻かれており、
   前記誘導コイルと前記界磁コイルとの間に接続され前記誘導電流を整流する整流回路と、
   前記整流回路と前記界磁コイルとの間に配置されるスイッチ部材と、
   前記スイッチ部材を開閉して前記界磁コイルへの前記誘導電流の通電を制御するパルス発生器と、を備える回転電機。

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