JP2018129950A - Rotary electric machine - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an outer rotor-type rotary electric machine capable of obtaining high torque during a high load, while reducing a counter electromotive voltage and an iron loss during no-load or a low load.SOLUTION: A rotary electric machine 10 includes a stator 14, an annular outer rotor 18 disposed on an outer periphery of the stator 14, and in which multiple core pieces 38 and multiple outer magnets 40 are arranged side-by-side alternately in a circumferential direction, and a short circuit member (first member 42) being disposed at an outside in a radial direction of the outer magnets 40, and magnetically short-circuiting two core pieces 38 located at both sides of each outer magnet 40 in the circumferential direction. Each outer magnet 40 is magnetized in the circumferential direction, and in an opposite direction to the circumferential direction to the other outer magnet 40 adjacent in the circumferential direction, and the short circuit member is composed of a soft magnetic material having a maximum permeability higher than that of the core pieces 38, and saturation magnetization smaller than that of the core pieces 38.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本願は、ステータと、前記ステータの外周囲に配される環状のアウターロータと、備えた回転電機を開示する。   The present application discloses a rotating electrical machine provided with a stator, an annular outer rotor disposed on the outer periphery of the stator.

従来から、ロータの磁極として永久磁石を用いた永久磁石式回転電機が広く知られている。一般に、永久磁石式回転電機において、高いトルクを得るためには、ステータに流れる永久磁石の磁束(マグネット磁束)量を大きくすることが必要となる。一方、ステータコイルに流れる電流がゼロまたは小さい、無負荷時または低負荷時において、このステータに流れるマグネット磁束量が大きいと、逆起電圧や鉄損が大きくなるという問題を招く。逆起電圧は、弱め界磁制御を行うことで抑制できるが、弱め界磁制御を行った場合、別途、弱め界磁用であって出力に寄与しない負のd軸電流を流す必要があり、銅損の増加を招いていた。   Conventionally, a permanent magnet type rotating electrical machine using a permanent magnet as a magnetic pole of a rotor is widely known. Generally, in a permanent magnet type rotating electrical machine, in order to obtain a high torque, it is necessary to increase the amount of magnetic flux (magnet magnetic flux) of a permanent magnet flowing through a stator. On the other hand, when the amount of magnet magnetic flux flowing through the stator is large when the current flowing through the stator coil is zero or small, no load, or low load, there is a problem that the back electromotive voltage and iron loss increase. The back electromotive force can be suppressed by performing field weakening control. However, when field weakening control is performed, it is necessary to separately supply a negative d-axis current that is used for field weakening and does not contribute to output, resulting in an increase in copper loss. Was invited.

特許文献1には、ステータに流れるマグネット磁束(鎖交磁束)量が可変となる可変磁束型回転電機が開示されている。特許文献1の回転電機は、ステータの内側にロータが配されたインナーロータ型であり、ロータは、径方向に磁化された永久磁石を有する。ロータコアのうち、隣接する二つの永久磁石の間には、電気的な空隙部が形成されている。この空隙部とロータコア外周縁との間には、当該隣接する二つの永久磁石による磁束バイパス路が形成される。この磁束バイパス路は、空隙部と永久磁石との間に形成される磁路よりも、幅広で磁気抵抗が小さい。そのため、電流を通電しない場合には、永久磁石から出た磁束の一部は、磁束バイパス路を介して隣接する永久磁石に漏洩する。このマグネット磁束の漏洩は、ステータコイルに通電すると、電気子反作用により抑制される。その結果、無負荷あるいは低負荷状態で回転する際には、ステータに流れるマグネット磁束量を低減でき、逆起電圧および鉄損を低減できる。また、高負荷時で回転する際には、磁束バイパスに漏洩する磁束が低下し、鎖交磁束が増加するため、高いトルクを得ることができる。   Patent Document 1 discloses a variable magnetic flux type rotating electrical machine in which the amount of magnet magnetic flux (linkage magnetic flux) flowing through the stator is variable. The rotating electrical machine of Patent Document 1 is an inner rotor type in which a rotor is arranged inside a stator, and the rotor has a permanent magnet magnetized in the radial direction. An electrical gap is formed between two adjacent permanent magnets in the rotor core. A magnetic flux bypass path formed by the two adjacent permanent magnets is formed between the gap and the outer peripheral edge of the rotor core. The magnetic flux bypass path is wider and has a lower magnetic resistance than the magnetic path formed between the gap and the permanent magnet. Therefore, when no current is supplied, a part of the magnetic flux emitted from the permanent magnet leaks to the adjacent permanent magnet via the magnetic flux bypass path. The leakage of the magnet magnetic flux is suppressed by the electron reaction when the stator coil is energized. As a result, when rotating in a no-load or low-load state, the amount of magnet magnetic flux flowing through the stator can be reduced, and the back electromotive voltage and iron loss can be reduced. In addition, when rotating at a high load, the magnetic flux leaking to the magnetic flux bypass decreases and the interlinkage magnetic flux increases, so that a high torque can be obtained.

特表2015−521838号公報Special table 2015-521838 gazette

ここで、回転電機の中には、特許文献1のように、ロータが、ステータの内側に配されたインナーロータ型回転電機の他に、ロータがステータの外側に配されたアウターロータ型回転電機もある。アウターロータ型の場合、ロータの径方向厚みを、インナーロータ型と同じにしても、回転に伴い生じる遠心力が大きくなる。そのため、アウターロータ型は、インナーロータ型に比べて、ロータの径方向厚みを、小さく抑えることが要求される。   Here, among the rotating electrical machines, as disclosed in Patent Document 1, in addition to the inner rotor type rotating electrical machine in which the rotor is disposed inside the stator, the outer rotor type rotating electrical machine in which the rotor is disposed outside the stator. There is also. In the case of the outer rotor type, even if the radial thickness of the rotor is the same as that of the inner rotor type, the centrifugal force generated with rotation increases. For this reason, the outer rotor type is required to keep the radial thickness of the rotor small compared to the inner rotor type.

特許文献1に開示の技術は、電気的空隙とロータ外周縁との間に、十分な幅の磁束バイパスを設ける必要がある。かかる技術は、ロータの径方向厚みが大きいインナーロータ型では有効である。しかし、上述したように、遠心力との関係で、径方向厚みを小さく抑えることが要求されるアウターロータ型では、特許文献1の技術を適用することは難しい。   In the technique disclosed in Patent Document 1, it is necessary to provide a magnetic flux bypass having a sufficient width between the electrical gap and the outer periphery of the rotor. Such a technique is effective in the inner rotor type in which the rotor has a large radial thickness. However, as described above, it is difficult to apply the technique of Patent Document 1 in the outer rotor type in which the radial thickness is required to be kept small in relation to the centrifugal force.

そこで、本願では、高負荷時に高いトルクが得られるとともに、無負荷または低負荷時における逆起電圧および鉄損を低減できるアウターロータ型回転電機を得ることを目的とする。   Therefore, an object of the present application is to obtain an outer rotor type rotating electrical machine that can obtain a high torque at a high load and reduce a back electromotive voltage and an iron loss at a no load or a low load.

本願で開示する回転電機は、ステータと、前記ステータの外周囲に配される環状のアウターロータであって、複数のコア片および複数のアウター磁石が周方向に交互に並ぶアウターロータと、前記アウター磁石の径方向外側に配され、前記アウター磁石の周方向両側に位置する二つのコア片を磁気的に短絡させる短絡部材と、備え、前記アウター磁石は、周方向、かつ、周方向に隣接する他のアウター磁石と周方向逆向きに磁化されており、前記短絡部材は、前記コア片よりも最大透磁率が高い軟磁性材料からなり、前記コア片よりも飽和磁化が小さい、ことを特徴とする。   A rotating electrical machine disclosed in the present application is a stator, an annular outer rotor disposed around an outer periphery of the stator, and an outer rotor in which a plurality of core pieces and a plurality of outer magnets are alternately arranged in a circumferential direction, and the outer A short-circuit member that is arranged on the radially outer side of the magnet and magnetically short-circuits two core pieces located on both sides of the outer magnet in the circumferential direction, and the outer magnet is adjacent to the circumferential direction and the circumferential direction. Magnetized in the circumferential direction opposite to the other outer magnet, the short-circuit member is made of a soft magnetic material having a maximum magnetic permeability higher than that of the core piece, and has a saturation magnetization smaller than that of the core piece. To do.

かかる構成とすることで、電流磁束が無いまたは少ない無負荷または低負荷状態では、マグネット磁束の一部が、短絡部材を介して短絡する。その結果、無負荷・低負荷状態で、ステータに流れるマグネット磁束が低下し、逆起電圧および鉄損を低減できる。また、電流磁束が多くなる高負荷状態では、短絡部材が電流磁束により磁気飽和するため、短絡するマグネット磁束が減少し、ステータに流れるマグネット磁束が増加する。その結果、高負荷状態では、高いトルクを出力できる。   With such a configuration, a part of the magnet magnetic flux is short-circuited via the short-circuit member in a no-load or low-load state where there is no or little current magnetic flux. As a result, the magnet magnetic flux flowing through the stator is lowered in a no-load / low-load state, and the back electromotive voltage and iron loss can be reduced. In a high load state where the current magnetic flux increases, the short-circuit member is magnetically saturated with the current magnetic flux, so that the short-circuited magnet magnetic flux decreases and the magnet magnetic flux flowing through the stator increases. As a result, a high torque can be output in a high load state.

前記アウター磁石は、その外周縁が、前記コア片の外周縁よりも径方向内側になるように配されており、前記短絡部材は、その周方向両端面が前記二つのコア片の周方向端面に接触または近接対向するように配され、前記コア片よりも最大透磁率が高い軟磁性材料からなるとともに前記接触または近接対向するコア片よりも飽和磁化が小さい第一部材を含んでもよい。   The outer magnet is arranged so that an outer peripheral edge thereof is radially inward from an outer peripheral edge of the core piece, and the short-circuit member has circumferential end faces of the two core pieces. The first member may be made of a soft magnetic material that is disposed so as to be in contact with or in close proximity to the core and has a maximum magnetic permeability higher than that of the core piece and has a saturation magnetization smaller than that of the core piece in contact with or in close proximity.

かかる構成とすることで、マグネット磁束の短絡磁路の磁気抵抗が小さくなり、無負荷・低負荷状態で、ステータに流れるマグネット磁束をより低減できる。結果として、無負荷・低負荷状態において、逆起電圧および鉄損をより低減できる。   By adopting such a configuration, the magnetic resistance of the short circuit magnetic path of the magnet magnetic flux is reduced, and the magnet magnetic flux flowing through the stator can be further reduced in a no-load / low-load state. As a result, the back electromotive voltage and the iron loss can be further reduced in the no-load / low-load state.

また、前記短絡部材は、その内周面が、前記二つのコア片の外周面に接触または近接対向するように配され、前記コア片よりも最大透磁率が高い軟磁性材料からなるとともに前記接触または近接対向するコア片よりも飽和磁化が小さい第二部材を含んでもよい。   The short-circuit member is arranged so that an inner peripheral surface thereof is in contact with or in close proximity to an outer peripheral surface of the two core pieces, and is made of a soft magnetic material having a maximum magnetic permeability higher than that of the core piece and the contact. Alternatively, a second member having a saturation magnetization smaller than that of the adjacent core pieces may be included.

この場合、前記第二部材は、アウターロータの外周囲を囲んで固定する固定用外筒であってもよい。   In this case, the second member may be a fixing outer cylinder that surrounds and fixes the outer periphery of the outer rotor.

かかる構成とすることで、固定用外筒と別に第二部材を設ける必要が無く、回転電機の部品点数、コストを低減できる。   With this configuration, it is not necessary to provide a second member separately from the fixing outer cylinder, and the number of parts and cost of the rotating electrical machine can be reduced.

また、前記短絡部材と前記コア片とは、ギャップを介して、近接対向してもよい。   The short-circuit member and the core piece may be close to each other via a gap.

かかる構成とした場合、ギャップの大きさを調整することで、負荷状態に対する鎖交磁束の変化特性を調整できる。   In such a configuration, the change characteristic of the linkage flux with respect to the load state can be adjusted by adjusting the size of the gap.

本願で開示する回転電機によれば、電流磁束が無いまたは少ない無負荷または低負荷状態では、マグネット磁束の一部が、短絡部材を介して短絡する。その結果、無負荷・低負荷状態で、ステータに流れるマグネット磁束が低下し、逆起電圧および鉄損を低減できる。また、電流磁束が多くなる高負荷状態では、短絡部材が電流磁束により磁気飽和するため、短絡するマグネット磁束が減少し、ステータに流れるマグネット磁束が増加する。その結果、高負荷状態では、高いトルクを出力できる。   According to the rotating electrical machine disclosed in the present application, a part of the magnet magnetic flux is short-circuited via the short-circuit member in a no-load or low-load state where there is no or little current magnetic flux. As a result, the magnet magnetic flux flowing through the stator is lowered in a no-load / low-load state, and the back electromotive voltage and iron loss can be reduced. In a high load state where the current magnetic flux increases, the short-circuit member is magnetically saturated with the current magnetic flux, so that the short-circuited magnet magnetic flux decreases and the magnet magnetic flux flowing through the stator increases. As a result, a high torque can be output in a high load state.

回転電機の概略的な縦断面図である。It is a schematic longitudinal cross-sectional view of a rotary electric machine. 回転電機の概略的な横断面図である。It is a schematic cross-sectional view of a rotary electric machine. 図2のA部拡大図である。It is the A section enlarged view of FIG. 低負荷状態におけるマグネット磁束の流れを示すイメージ図である。It is an image figure which shows the flow of the magnet magnetic flux in a low load state. 高負荷状態におけるマグネット磁束の流れを示すイメージ図である。It is an image figure which shows the flow of the magnet magnetic flux in a high load state. 無負荷状態におけるマグネット磁束のシミュレーション結果を示す図である。It is a figure which shows the simulation result of the magnet magnetic flux in a no-load state. 高負荷状態における電流磁束のシミュレーション結果を示す図である。It is a figure which shows the simulation result of the current magnetic flux in a high load state. 高負荷状態におけるマグネット磁束のシミュレーション結果を示す図である。It is a figure which shows the simulation result of the magnet magnetic flux in a high load state. アウターロータの他の一例を示す図である。It is a figure which shows another example of an outer rotor. アウターロータの他の一例を示す図である。It is a figure which shows another example of an outer rotor.

以下、本願で開示する回転電機10について図面を参照して説明する。なお、以下では、ステータの内側および外側の双方に、ロータを有したデュアルロータ型の回転電機を例示して説明するが、本願の技術は、ステータの外側に配されたロータを有したアウターロータ型であれば、デュアルロータ型、シングルロータ型のいずれに適用されてもよい。   Hereinafter, the rotating electrical machine 10 disclosed in the present application will be described with reference to the drawings. In the following, a dual rotor type rotating electrical machine having a rotor on both the inside and outside of the stator will be described as an example, but the technology of the present application is an outer rotor having a rotor arranged on the outside of the stator. As long as it is a type, it may be applied to either a dual rotor type or a single rotor type.

図1は、回転電機10の概略的な縦断面図である。また、図2は、回転電機10の概略的な横断面図である。図3は、図2のA部拡大図である。この回転電機10は、一つのステータ14と、二つのロータ16,18と、を有したデュアルロータ型の回転電機である。より具体的には、図1、図2に示すように、回転軸20の外周面にインナーロータ16が固着されており、当該インナーロータ16の外周囲にステータ14が配され、さらに、ステータ14の外周囲にアウターロータ18が配されている。   FIG. 1 is a schematic longitudinal sectional view of the rotating electrical machine 10. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the rotating electrical machine 10. FIG. 3 is an enlarged view of a portion A in FIG. The rotating electrical machine 10 is a dual rotor type rotating electrical machine having one stator 14 and two rotors 16 and 18. More specifically, as shown in FIGS. 1 and 2, the inner rotor 16 is fixed to the outer peripheral surface of the rotating shaft 20, and the stator 14 is disposed on the outer periphery of the inner rotor 16. An outer rotor 18 is disposed around the outer periphery of the outer rotor.

アウターロータ18は、連結部材22を介して回転軸20に固着されている。連結部材22は、回転軸20に挿通されて固着された略平板状部材である。連結部材22のうち、アウターロータ18との対向面からは、当該アウターロータ18に向かって延びる環状リブ22aが設けられている。この環状リブ22aの先端面は、アウターロータ18の軸方向端面に固着されている。そして、アウターロータ18が回転する力は、当該連結部材22を介して回転軸20に伝達される。なお、ここで示した連結部材22の構成は一例であり、アウターロータ18およびインナーロータ16の回転力が回転軸20に伝達されるのであれば、他の構成でもよい。例えば、連結部材22は、回転軸20ではなく、インナーロータ16に固着される構成でもよく、この場合、アウターロータ18の回転力は、連結部材22およびインナーロータ16を介して、回転軸20に伝達される。また、別の形態として、インナーロータ16を、回転軸20に固着せず、連結部材22にインナーロータ16およびアウターロータ18を固着し、この連結部材22を回転軸20に固着する構成としてもよい。いずれにしても、デュアルロータ型の回転電機10においては、インナーロータ16およびアウターロータ18の回転力が、一つの回転軸20に伝達される。   The outer rotor 18 is fixed to the rotary shaft 20 via the connecting member 22. The connecting member 22 is a substantially flat plate member that is inserted into and fixed to the rotating shaft 20. An annular rib 22 a extending toward the outer rotor 18 is provided from the surface of the connecting member 22 facing the outer rotor 18. The front end surface of the annular rib 22a is fixed to the end surface of the outer rotor 18 in the axial direction. Then, the force for rotating the outer rotor 18 is transmitted to the rotary shaft 20 via the connecting member 22. In addition, the structure of the connection member 22 shown here is an example, and if the rotational force of the outer rotor 18 and the inner rotor 16 is transmitted to the rotating shaft 20, another structure may be sufficient. For example, the connecting member 22 may be fixed to the inner rotor 16 instead of the rotating shaft 20. In this case, the rotational force of the outer rotor 18 is applied to the rotating shaft 20 via the connecting member 22 and the inner rotor 16. Communicated. As another form, the inner rotor 16 may not be fixed to the rotating shaft 20, the inner rotor 16 and the outer rotor 18 may be fixed to the connecting member 22, and the connecting member 22 may be fixed to the rotating shaft 20. . In any case, in the dual rotor type rotating electrical machine 10, the rotational force of the inner rotor 16 and the outer rotor 18 is transmitted to one rotating shaft 20.

ステータ14は、ステータコア26と、当該ステータコア26に巻回されるステータコイル28と、を有している。ステータコア26は、図2に示すように、円環状のヨーク29と、当該ヨーク29の内周から径方向内側に突出する複数のインナーティース30と、当該ヨークの外周から径方向外側に突出する複数のアウターティース32と、に大別される。隣接する二つのインナーティース30の間の空間が、インナースロット31となり、隣接する二つのアウターティース32の間の空間が、アウタースロット33となる。   The stator 14 includes a stator core 26 and a stator coil 28 wound around the stator core 26. As shown in FIG. 2, the stator core 26 includes an annular yoke 29, a plurality of inner teeth 30 projecting radially inward from the inner periphery of the yoke 29, and a plurality projecting radially outward from the outer periphery of the yoke 29. The outer teeth 32 are roughly divided. A space between two adjacent inner teeth 30 is an inner slot 31, and a space between two adjacent outer teeth 32 is an outer slot 33.

インナーティース30の配置ピッチ角度および位相は、アウターティース32の配置ピッチ角度および位相と同じとなっている。図示例では、インナーティース30およびアウターティース32は、いずれも、15度間隔で周方向に並んでおり、全体としては、インナーティース30およびアウターティース32は、それぞれ、24本ずつ設けられている。すなわち、内側および外側ともにスロット数は、24である。こうしたステータコア26は、複数の電磁鋼板(例えばケイ素鋼板)から構成される。複数の電磁鋼板は、互いに位置決めされて、接合され、ステータコア26を構成する。   The arrangement pitch angle and phase of the inner teeth 30 are the same as the arrangement pitch angle and phase of the outer teeth 32. In the illustrated example, the inner teeth 30 and the outer teeth 32 are both arranged in the circumferential direction at intervals of 15 degrees, and as a whole, 24 inner teeth 30 and 24 outer teeth 32 are provided. That is, the number of slots is 24 on both the inside and outside. The stator core 26 is composed of a plurality of electromagnetic steel plates (for example, silicon steel plates). The plurality of electromagnetic steel plates are positioned and joined to each other to constitute the stator core 26.

ステータコイル28は、三相のコイル、すなわち、U相コイル、V相コイル、W相コイルから構成される。三相のコイルそれぞれの一端は、入出力端子(図示せず)に接続されており、三相コイルそれぞれの他端は、互いに結合されて中性点を構成する。すなわち、このステータコイル28は、スター結線されている。なお、当然ながら、スター結線に替えて、他の結線態様、例えば、デルタ結線等を採用してもよい。   Stator coil 28 is composed of three-phase coils, that is, a U-phase coil, a V-phase coil, and a W-phase coil. One end of each of the three-phase coils is connected to an input / output terminal (not shown), and the other end of each of the three-phase coils is coupled to each other to form a neutral point. That is, the stator coil 28 is star-connected. Of course, instead of the star connection, other connection modes such as a delta connection may be adopted.

各相のコイルを構成する巻線は、ステータコア26に巻回される。巻線の巻回方式としては、巻線が複数スロットに跨ぐように巻回する分布巻や、巻線を一つのティースに巻回する集中巻、巻線をヨーク29に巻回するトロイダル巻等が知られている。本実施形態では、巻線をトロイダル巻で巻回、すなわち、巻線をヨーク29に巻回している。この場合、ステータコイル28に電流印加した際に、アウターティース32側に形成される磁界の極性と、インナーティース30側に形成される磁界の極性と、が反転する。なお、ただし、必要に応じて、巻線は、集中巻や分布巻で巻回されてもよい。いずれにしても、以下では、このステータコイル28に電流印加した際に発生する磁束を、「電流磁束」と呼ぶ。   Windings constituting the coils of each phase are wound around the stator core 26. As a winding method of the winding, distributed winding in which the winding is wound over a plurality of slots, concentrated winding in which the winding is wound around one tooth, toroidal winding in which the winding is wound around the yoke 29, etc. It has been known. In this embodiment, the winding is wound by toroidal winding, that is, the winding is wound around the yoke 29. In this case, when a current is applied to the stator coil 28, the polarity of the magnetic field formed on the outer teeth 32 side and the polarity of the magnetic field formed on the inner teeth 30 side are reversed. However, the winding may be wound by concentrated winding or distributed winding as necessary. In any case, hereinafter, the magnetic flux generated when current is applied to the stator coil 28 will be referred to as “current magnetic flux”.

インナーロータ16は、ステータ14の内側に配されるロータで、円環状のインナーコア34と、当該インナーコア34に埋め込まれたインナー磁石36と、を有している。インナーコア34は、複数の電磁鋼板(例えばケイ素鋼板)を積層して構成される。インナー磁石36は、インナーロータ16の磁極を構成する永久磁石である。このインナー磁石36は、軸方向視で扁平な略長方形をしており、その短辺方向に磁化されている。インナー磁石36の形状や個数、配置位置等は、特に限定されないが、後述するように、インナーロータ16の磁極の個数は、アウターロータ18の磁極の個数と、同じであることが望ましい。本実施形態では、インナーロータ16に、8極の磁極を設けており、一つの磁極は、径方向外側に向かって開いた略V字状に配された二つのインナー磁石36で構成される。したがって、インナーロータ16全体としては、磁極の数の2倍、すなわち、16個のインナー磁石36が設けられている。また、インナーロータ16のd軸Ldiと、アウターロータ18のd軸Ldoは、一致することが望ましい。ここで、インナーロータ16のd軸Ldiとは、一つの磁極を構成する二つのインナー磁石36の間の間隙の周方向中心と、回転電機10の中心点とを結ぶ直線である。   The inner rotor 16 is a rotor disposed inside the stator 14, and includes an annular inner core 34 and an inner magnet 36 embedded in the inner core 34. The inner core 34 is configured by laminating a plurality of electromagnetic steel plates (for example, silicon steel plates). The inner magnet 36 is a permanent magnet that constitutes the magnetic pole of the inner rotor 16. The inner magnet 36 has a substantially rectangular shape that is flat when viewed in the axial direction, and is magnetized in the short side direction. The shape, number, arrangement position, and the like of the inner magnet 36 are not particularly limited, but it is desirable that the number of magnetic poles of the inner rotor 16 is the same as the number of magnetic poles of the outer rotor 18 as will be described later. In the present embodiment, the inner rotor 16 is provided with eight magnetic poles, and one magnetic pole is composed of two inner magnets 36 arranged in a substantially V shape that opens outward in the radial direction. Accordingly, the inner rotor 16 as a whole is provided with twice the number of magnetic poles, that is, 16 inner magnets 36. Further, it is desirable that the d axis Ldi of the inner rotor 16 and the d axis Ldo of the outer rotor 18 coincide. Here, the d-axis Ldi of the inner rotor 16 is a straight line connecting the circumferential center of the gap between the two inner magnets 36 constituting one magnetic pole and the center point of the rotating electrical machine 10.

アウターロータ18は、ステータ14の外周囲に配されるロータで、周方向に交互に並ぶコア片38およびアウター磁石40を備えている。複数のコア片38およびアウター磁石40は、交互に並んで、略円環形状を構成する。各コア片38は、複数の電磁鋼板(例えばケイ素鋼板)を積層して構成される。   The outer rotor 18 is a rotor disposed on the outer periphery of the stator 14 and includes core pieces 38 and outer magnets 40 that are alternately arranged in the circumferential direction. The plurality of core pieces 38 and the outer magnet 40 are alternately arranged to form a substantially annular shape. Each core piece 38 is configured by laminating a plurality of electromagnetic steel plates (for example, silicon steel plates).

アウター磁石40は、アウターロータ18の磁極を構成する永久磁石である。アウター磁石40は、永久磁石であるため、当然ながら、当該アウター磁石40からは、常に、一定の磁束が、発生している。以下、このアウター磁石40から発生する磁束を「マグネット磁束」と呼び、さらに、マグネット磁束のうち、ステータ14に流れて、ステータコイル28と鎖交する磁束を「鎖交磁束」と呼ぶ。   The outer magnet 40 is a permanent magnet that constitutes the magnetic pole of the outer rotor 18. Since the outer magnet 40 is a permanent magnet, naturally, a constant magnetic flux is always generated from the outer magnet 40. Hereinafter, the magnetic flux generated from the outer magnet 40 is referred to as “magnet magnetic flux”, and among the magnetic flux, the magnetic flux that flows through the stator 14 and is linked to the stator coil 28 is referred to as “linkage magnetic flux”.

アウター磁石40は、軸方向視で略長方形であり、その一辺が、周方向と略平行になるような姿勢で配されている。各アウター磁石40は、略周方向に磁化されている。すなわち、アウター磁石40は、その周方向一端がN極であり、周方向他端がS極となっている。また、周方向に隣接する二つのアウター磁石40の磁化の向きを、互いに周方向逆向きとしている。すなわち、周方向に隣接する二つのアウター磁石40の対向面が、互いに同じ極になるような向きで磁化している。この場合、周方向に隣接する二つのアウター磁石40それぞれの周方向片側部分で、一つの磁極を構成している。換言すれば、一つのアウター磁石40は、一つのN磁極の一部を構成するとともに、一つのS磁極の一部を構成している。そして、隣接する二つのアウター磁石40の間の間隙の周方向中心と、回転電機10の中心点と、を結ぶ直線がアウターロータ18のd軸Ldoとなる。   The outer magnet 40 is substantially rectangular when viewed in the axial direction, and is arranged in such a posture that one side thereof is substantially parallel to the circumferential direction. Each outer magnet 40 is magnetized in a substantially circumferential direction. That is, the outer magnet 40 has an N pole at one circumferential direction and an S pole at the other circumferential end. Further, the magnetization directions of the two outer magnets 40 adjacent in the circumferential direction are opposite to each other in the circumferential direction. That is, the opposing surfaces of the two outer magnets 40 adjacent to each other in the circumferential direction are magnetized in such directions that they have the same pole. In this case, one magnetic pole is comprised in the circumferential direction one side part of each of the two outer magnets 40 adjacent to the circumferential direction. In other words, one outer magnet 40 constitutes part of one N magnetic pole and part of one S magnetic pole. A straight line connecting the circumferential center of the gap between the two adjacent outer magnets 40 and the center point of the rotating electrical machine 10 is the d-axis Ldo of the outer rotor 18.

本例では、アウターロータ18の磁極数を、インナーロータ16の磁極数とおなじ8極としている。そのため、アウターロータ18全体では、8個のアウター磁石40が設けられている。また、本実施形態では、アウターロータ18の磁極のd軸Ldoと、インナーロータ16の磁極のd軸Ldiと、を一致させている。このように、二つのd軸Ldo,Ldiを一致させれば、ステータ14の回転磁界に対するロータ16,18の磁極の角度関係を、アウター側およびインナー側で同じにできる。その結果、アウター側およびロータ側で、電流・電圧の制御の切り替えが不要となる。なお、本実施形態では、ステータコイル28をトロイダル巻としている関係上、ステータ14に形成される回転磁界の極性が、インナー側およびアウター側で逆になる。この場合、ステータ14を挟んで径方向に対向するインナーロータ16の磁極およびアウターロータ18の磁極は、互いに、その極性を同じにする。すなわち、ステータ14を挟んで、アウターロータ18のN磁極の反対側には、インナーロータ16のN磁極を配置し、ステータ14を挟んで、アウターロータ18のS磁極の反対側には、インナーロータ16のS磁極を配置している。   In this example, the number of magnetic poles of the outer rotor 18 is the same as the number of magnetic poles of the inner rotor 16. Therefore, eight outer magnets 40 are provided in the entire outer rotor 18. In the present embodiment, the d-axis Ldo of the magnetic pole of the outer rotor 18 and the d-axis Ldi of the magnetic pole of the inner rotor 16 are matched. Thus, if the two d-axes Ldo and Ldi are made to coincide, the angular relationship of the magnetic poles of the rotors 16 and 18 with respect to the rotating magnetic field of the stator 14 can be made the same on the outer side and the inner side. As a result, it is not necessary to switch between current and voltage control on the outer side and the rotor side. In the present embodiment, the polarity of the rotating magnetic field formed in the stator 14 is reversed between the inner side and the outer side due to the toroidal winding of the stator coil 28. In this case, the magnetic poles of the inner rotor 16 and the outer rotor 18 that are opposed in the radial direction across the stator 14 have the same polarity. That is, the N magnetic pole of the inner rotor 16 is disposed on the opposite side of the N magnetic pole of the outer rotor 18 with the stator 14 interposed therebetween, and the inner rotor is disposed on the opposite side of the S magnetic pole of the outer rotor 18 with the stator 14 interposed therebetween. Sixteen S magnetic poles are arranged.

なお、既述した通り、ステータコイル28は、巻線をヨーク29に巻回するトロイダル巻ではなく、巻線をティース30,32に巻回する分布巻または集中巻としてもよい。ティース30,32に巻回する分布巻または集中巻の場合、巻線の巻回の向きが、アウター側とインナー側とで、互いに逆になる巻回方式と、互いに同じになる巻回方式と、がある。巻線の巻回の向きがアウター/インナーで、互いに逆にした場合、電流印加に伴い生じる回転磁界の極性は、アウター/インナーで、互いに逆になる。この場合、ステータ14を挟んで径方向に対向するインナーロータ16の磁極およびアウターロータ18の磁極は、トロイダル巻の場合と同様に、その極性が互いに同じであることが望ましい。一方、巻線の巻回の向きがアウター/インナーで、互いに同じにした場合、電流印加に伴い生じる回転磁界の極性は、アウター/インナーで、互いに同じになる。この場合、ステータ14を挟んで径方向に対向するインナーロータ16の磁極およびアウターロータ18の磁極は、トロイダル巻の場合とは逆に、その極性が互いに逆にすることが望ましい。   As described above, the stator coil 28 may be distributed winding or concentrated winding in which the winding is wound around the teeth 30 and 32 instead of the toroidal winding in which the winding is wound around the yoke 29. In the case of distributed winding or concentrated winding wound around the teeth 30 and 32, a winding method in which the winding directions of the windings are opposite to each other on the outer side and the inner side, and a winding method in which the winding directions are the same. There is. When the winding direction of the winding is the outer / inner, and the directions are reversed, the polarities of the rotating magnetic field generated by applying the current are opposite to each other at the outer / inner. In this case, it is desirable that the magnetic poles of the inner rotor 16 and the outer rotor 18 that are opposed in the radial direction across the stator 14 have the same polarity as in the case of toroidal winding. On the other hand, when the winding direction of the winding is the same for the outer / inner, the polarities of the rotating magnetic field generated by applying the current are the same for the outer / inner. In this case, it is desirable that the polarities of the magnetic poles of the inner rotor 16 and the outer rotor 18 that are radially opposed to each other with the stator 14 interposed therebetween are opposite to each other in the case of toroidal winding.

回転電機10は、さらに、アウター磁石40を挟んで周方向両側に位置する二つのコア片38を磁気的に短絡させる短絡部材を設けている。短絡部材の形態としては、種々考えられるが、本例では、アウター磁石40の径方向外側に配される第一部材を短絡部材として用いている。   The rotating electrical machine 10 further includes a short-circuit member that magnetically short-circuits the two core pieces 38 positioned on both sides in the circumferential direction with the outer magnet 40 interposed therebetween. Although various forms of the short-circuit member can be considered, in this example, the first member disposed on the radially outer side of the outer magnet 40 is used as the short-circuit member.

すなわち、図3から明らかな通り、本例では、アウター磁石40の径方向厚みは、コア片38の径方向厚みより小さい。そして、アウター磁石40の外周縁は、コア片38の外周縁よりも径方向内側に位置し、アウター磁石40の内周縁は、コア片38の内周縁よりも径方向外側に位置している。別の見方をすれば、アウター磁石40の径方向外側には、一対のコア片38の周方向端面とアウター磁石40の外周面とで囲まれた凹部が形成されている。第一部材42は、この凹部に配されている。   That is, as is apparent from FIG. 3, in this example, the radial thickness of the outer magnet 40 is smaller than the radial thickness of the core piece 38. The outer peripheral edge of the outer magnet 40 is located on the radially inner side with respect to the outer peripheral edge of the core piece 38, and the inner peripheral edge of the outer magnet 40 is located on the radially outer side with respect to the inner peripheral edge of the core piece 38. From another viewpoint, a concave portion surrounded by the circumferential end surfaces of the pair of core pieces 38 and the outer peripheral surface of the outer magnet 40 is formed on the outer side in the radial direction of the outer magnet 40. The first member 42 is disposed in the recess.

第一部材42の周方向両端面は、二つのコア片38の周方向端面に接触しており、第一部材42は、一つのコア片38から他のコア片38に流れる磁束の磁路を構成する。この第一部材42は、コア片38よりも最大透磁率が高い軟磁性材料からなり、接触する二つのコア片38よりも飽和磁化が小さい。したがって、短絡部材(第一部材42)は、コア片38よりも軽負荷で磁束が流れやすく、高負荷で磁気飽和が生じやすくなっている。かかる短絡部材(第一部材42)を設けるのは、負荷状態に応じて、鎖交磁束量を可変にするためだが、これについては、後に詳説する。   Both end surfaces in the circumferential direction of the first member 42 are in contact with circumferential end surfaces of the two core pieces 38, and the first member 42 has a magnetic path of magnetic flux flowing from one core piece 38 to the other core piece 38. Configure. The first member 42 is made of a soft magnetic material having a maximum magnetic permeability higher than that of the core piece 38, and has a lower saturation magnetization than the two core pieces 38 that are in contact with each other. Therefore, the short-circuit member (first member 42) is more likely to cause a magnetic flux to flow at a light load than the core piece 38, and magnetic saturation is likely to occur at a high load. The reason for providing such a short-circuit member (first member 42) is to make the amount of flux linkage variable according to the load state, which will be described in detail later.

本例の回転電機10は、さらに、コア片38の外周囲を囲って固定する固定用外筒44を備えている。固定用外筒44は、コア片38とアウター磁石40を囲って拘束することで、コア片38およびアウター磁石40の分離を防止するために設けられている。この固定用外筒44は、非磁性材料、例えば、ステンレス鋼等からなる。なお、この固定用外筒44は、後に詳説するように、軟磁性材料で構成されてもよく、その場合、固定用外筒44は、二つのコア片38を磁気的に短絡する短絡部材の一部として機能する。   The rotating electrical machine 10 of this example further includes a fixing outer cylinder 44 that surrounds and fixes the outer periphery of the core piece 38. The fixing outer cylinder 44 is provided to prevent the core piece 38 and the outer magnet 40 from being separated by surrounding and restraining the core piece 38 and the outer magnet 40. The fixing outer tube 44 is made of a nonmagnetic material, such as stainless steel. The fixing outer cylinder 44 may be made of a soft magnetic material as will be described in detail later. In this case, the fixing outer cylinder 44 is a short-circuit member that magnetically short-circuits the two core pieces 38. Act as part.

次に、アウターロータ18において、アウター磁石40を周方向に磁化するとともに、アウター磁石40の外周側に短絡部材(第一部材42)を配置する理由について説明する。アウターロータ18は、当然ながら、ステータ14の径方向外側に配置されるため、回転中心からの距離が大きく、回転に伴う遠心力が大きくなりやすい。そのため、遠心力の増加を抑えるために、アウターロータ18は、インナーロータ16に比して、径方向の厚みを抑えることが求められている。   Next, in the outer rotor 18, the reason why the outer magnet 40 is magnetized in the circumferential direction and the short-circuit member (first member 42) is disposed on the outer peripheral side of the outer magnet 40 will be described. Of course, the outer rotor 18 is disposed on the radially outer side of the stator 14, so that the distance from the center of rotation is large, and the centrifugal force accompanying the rotation tends to increase. Therefore, in order to suppress an increase in centrifugal force, the outer rotor 18 is required to suppress the radial thickness as compared with the inner rotor 16.

また、ステータコイル28への電流印加に伴い電流磁束が発生するが、この電流磁束の一部は、アウターティース32からアウターロータ18に、または、アウターロータ18からアウターティース32に向かって、径方向に進む。そのため、アウター磁石40を、径方向に磁化させた場合、当該アウター磁石40の磁化の向きと逆向きに電流磁束が流れる、いわゆる「逆磁界」が発生することになる。かかる逆磁界が発生すると、アウター磁石40の磁力が減少する減磁が生じる。そして、アウター磁石40が減磁することで、マグネットトルクの低下、ひいては、回転電機10の出力トルクの低下を招く。   In addition, a current magnetic flux is generated in accordance with the current application to the stator coil 28. A part of the current magnetic flux is radially directed from the outer teeth 32 to the outer rotor 18 or from the outer rotor 18 to the outer teeth 32. Proceed to Therefore, when the outer magnet 40 is magnetized in the radial direction, a so-called “reverse magnetic field” in which a current magnetic flux flows in a direction opposite to the magnetization direction of the outer magnet 40 is generated. When such a reverse magnetic field is generated, demagnetization occurs in which the magnetic force of the outer magnet 40 is reduced. And demagnetization of the outer magnet 40 causes a decrease in magnet torque, and consequently a decrease in output torque of the rotating electrical machine 10.

本願で開示する回転電機10では、上述した通り、アウター磁石40を周方向に磁化させている。そのため、径方向に磁化させる場合に比べて、アウター磁石40の径方向厚みを抑えやすくなり、ひいては、アウターロータ18の径方向の厚みを抑えることができる。また、アウター磁石40を周方向に磁化させることで、電流磁束が磁化と逆向きに進む逆磁界を抑制でき、アウター磁石40の減磁を効果的に防止できる。   In the rotating electrical machine 10 disclosed in the present application, as described above, the outer magnet 40 is magnetized in the circumferential direction. Therefore, compared to the case of magnetizing in the radial direction, the radial thickness of the outer magnet 40 can be easily suppressed, and consequently the radial thickness of the outer rotor 18 can be suppressed. Further, by magnetizing the outer magnet 40 in the circumferential direction, a reverse magnetic field in which the current magnetic flux advances in the direction opposite to the magnetization can be suppressed, and demagnetization of the outer magnet 40 can be effectively prevented.

ところで、回転電機10の出力トルクを高くするためには、ステータ14に流れ込むマグネット磁束量、すなわち、鎖交磁束量を大きくする必要がある。その一方で、鎖交磁束量が大きいと、ステータコイル28に流れる電流がゼロまたは小さい状態、すなわち、無負荷状態または低負荷状態において、逆起電圧や鉄損が大きくなるという問題を招く。逆起電圧は、弱め界磁制御を行うことで抑制できるが、弱め界磁制御を行った場合、別途、出力に寄与しない、弱め界磁用の負のd軸電流を流す必要があり、銅損の増加を招く。   Incidentally, in order to increase the output torque of the rotating electrical machine 10, it is necessary to increase the amount of magnet magnetic flux flowing into the stator 14, that is, the amount of flux linkage. On the other hand, when the amount of flux linkage is large, there is a problem that the back electromotive voltage and iron loss increase in a state where the current flowing through the stator coil 28 is zero or small, that is, in a no-load state or a low load state. The back electromotive force can be suppressed by performing field weakening control. However, when field weakening control is performed, it is necessary to separately supply a negative d-axis current for field weakening that does not contribute to the output, which increases copper loss. Invite.

つまり、鎖交磁束量は、高負荷状態・高トルク出力状態では、大きく、無負荷・低負荷状態では、小さくなるように、負荷状態に応じて可変であることが望まれる。そこで、本願で開示する回転電機10では、負荷状態に応じて、鎖交磁束量を可変にするために、アウター磁石40の径方向外側に、短絡部材として機能する第一部材42を設けている。   That is, it is desirable that the amount of flux linkage be variable according to the load state so that it is large in a high load state / high torque output state and small in a no load / low load state. Therefore, in the rotating electrical machine 10 disclosed in the present application, the first member 42 that functions as a short-circuit member is provided on the radially outer side of the outer magnet 40 in order to make the amount of interlinkage magnetic flux variable according to the load state. .

第一部材42は、既述した通り、コア片38よりも最大透磁率が高い軟磁性材料からなり、コア片38よりも飽和磁化が小さい。かかる第一部材42を設けた場合のマグネット磁束の流れについて図4、図5を参照して説明する。図4、図5において、破線は、マグネット磁束の流れを示している。また、図4は、無負荷状態を、図5は、高負荷状態を示している。   As described above, the first member 42 is made of a soft magnetic material having a maximum magnetic permeability higher than that of the core piece 38, and has a saturation magnetization smaller than that of the core piece 38. The flow of the magnet magnetic flux when the first member 42 is provided will be described with reference to FIGS. 4 and 5, the broken line indicates the flow of the magnet magnetic flux. 4 shows a no-load state, and FIG. 5 shows a high-load state.

無負荷状態または低負荷状態では、図4に示すように、マグネット磁束の一部は、最大透磁率が高く、コア片38よりも、磁気抵抗が小さくて磁束が流れやすい、第一部材42へと流れていく。その結果、アウター磁石40の一端(N極)から出たマグネット磁束の一部は、ステータ14に流れることなく、当該アウター磁石40の他端(S極)へと流れる。すなわち、マグネット磁束の一部は、ステータ14に流れることなく短絡した状態となる。このように、マグネット磁束の一部が短絡することで、第一部材42を設けない場合に比べて、ステータ14へと流れるマグネット磁束量、すなわち、鎖交磁束量が大幅に低下する。   In the no-load state or the low-load state, as shown in FIG. 4, a part of the magnet magnetic flux has a high maximum magnetic permeability and is smaller in magnetic resistance than the core piece 38 and easily flows into the first member 42. And flow. As a result, part of the magnet magnetic flux emitted from one end (N pole) of the outer magnet 40 flows to the other end (S pole) of the outer magnet 40 without flowing to the stator 14. That is, a part of the magnet magnetic flux is short-circuited without flowing to the stator 14. As described above, when a part of the magnet magnetic flux is short-circuited, the amount of magnet magnetic flux that flows to the stator 14, that is, the amount of interlinkage magnetic flux, is significantly reduced as compared with the case where the first member 42 is not provided.

一方、ステータコイル28に比較的大きな電流を流した高負荷状態では、図5に示すように、第一部材42に流れるマグネット磁束(短絡するマグネット磁束)が大幅に低減し、マグネット磁束の大部分は、ステータ14に流れていく。これは、高負荷状態となると、多量の電流磁束(磁束密度が高い磁束)が発生するためである。多量に発生した電流磁束は、マグネット磁束よりも優先的に、第一部材42へと流れていく。また、第一部材42の飽和磁化は、コア片38の飽和磁化よりも低いため、第一部材42は、コア片38よりも先に、磁気飽和する。結果として、高負荷状態では、第一部材42は、電流磁束により磁気飽和しやすくなる。第一部材42が電流磁束で磁気飽和することで、マグネット磁束の大部分は、第一部材42に流れず、ステータ14へと流れていく。その結果、高負荷状態では、鎖交磁束量を、大きく保つことができる。   On the other hand, in a high load state in which a relatively large current is passed through the stator coil 28, as shown in FIG. Flows to the stator 14. This is because a large amount of current magnetic flux (magnetic flux having a high magnetic flux density) is generated in a high load state. The current magnetic flux generated in a large amount flows to the first member 42 with priority over the magnet magnetic flux. Further, since the saturation magnetization of the first member 42 is lower than the saturation magnetization of the core piece 38, the first member 42 is magnetically saturated before the core piece 38. As a result, in the high load state, the first member 42 is likely to be magnetically saturated by the current magnetic flux. When the first member 42 is magnetically saturated with the current magnetic flux, most of the magnetic flux does not flow to the first member 42 but flows to the stator 14. As a result, the amount of flux linkage can be kept large in a high load state.

つまり、本願で開示する回転電機10では、アウター磁石40の径方向外側に、最大透磁率が高く、飽和磁化が小さい短絡部材(第一部材42)を設けているため、鎖交磁束量を、高負荷状態・高トルク出力状態では大きく、無負荷状態または低負荷状態では、小さくできる。その結果、アウターロータ型の回転電機において、無負荷または低負荷状態における逆起電圧および鉄損の発生を抑制しつつ、高負荷状態において高いトルクを出力することができる。   That is, in the rotating electrical machine 10 disclosed in the present application, a short-circuit member (first member 42) having a high maximum magnetic permeability and a small saturation magnetization is provided outside the outer magnet 40 in the radial direction. It can be large in a high load state and high torque output state, and small in a no load state or a low load state. As a result, the outer rotor type rotating electrical machine can output a high torque in a high load state while suppressing the occurrence of a counter electromotive voltage and iron loss in a no load or low load state.

次に、図1〜図3に例示した回転電機10における磁束の流れのシミュレーション結果について説明する。図6は、無負荷状態におけるマグネット磁束の、図7は、高負荷状態における電流磁束の、図8は、高負荷状態におけるマグネット磁束のシミュレーション結果である。なお、図6〜図8において、墨の濃度は、磁束密度を示しており、墨の色が濃いほど磁束密度が高いことを示している。   Next, simulation results of the flow of magnetic flux in the rotating electrical machine 10 illustrated in FIGS. 1 to 3 will be described. 6 shows a simulation result of the magnet magnetic flux in the no-load state, FIG. 7 shows a simulation result of the magnetic flux in the high load state, and FIG. 8 shows a simulation result of the magnet magnetic flux in the high load state. 6 to 8, the black density indicates the magnetic flux density, and the darker the black color, the higher the magnetic flux density.

図6に示す通り、無負荷状態では、アウター磁石40によるマグネット磁束の一部は、当該アウター磁石40の周方向一端から、アウター磁石40の径方向外側を通って、アウター磁石40の周方向他端へと向かう。すなわち、マグネット磁束の一部は、ステータ14に流れることなく、短絡している。そして、一部のマグネット磁束が短絡することで、鎖交磁束量が低減し、逆起電圧や鉄損を効果的に抑制することができる。   As shown in FIG. 6, in the no-load state, a part of the magnet magnetic flux generated by the outer magnet 40 passes from one end in the circumferential direction of the outer magnet 40 to the outer side in the radial direction of the outer magnet 40. Head to the end. That is, a part of the magnet magnetic flux is short-circuited without flowing to the stator 14. And since a part of magnet magnetic flux is short-circuited, the amount of flux linkage can be reduced and the back electromotive force and iron loss can be effectively suppressed.

一方、高負荷状態では、図7に示すように、電流磁束が、第一部材42に流れ込み、第一部材42が磁気飽和する。そのため、図8に示すように、マグネット磁束は、第一部材42には、殆ど流れ込まず、大部分が、ステータ14に流れていく。その結果、高負荷状態では、鎖交磁束量を大きくでき、高いトルクを得ることが可能となる。   On the other hand, in a high load state, as shown in FIG. 7, the current magnetic flux flows into the first member 42, and the first member 42 is magnetically saturated. Therefore, as shown in FIG. 8, the magnet magnetic flux hardly flows into the first member 42, and most of the magnetic flux flows into the stator 14. As a result, in a high load state, the amount of flux linkage can be increased, and a high torque can be obtained.

また、本願出願人は、高負荷状態および低負荷状態それぞれにおける損失量をシミュレーションした。その結果、高負荷状態での損失量は、短絡部材(第一部材)の有無に関わらず、ほぼ同じであるが、低負荷状態での損失量は、短絡部材を設けない場合に比して、短絡部材を設けた場合のほうが、10〜20%程度、低下することが分かった。つまり、本願で開示した回転電機10によれば、高負荷状態における損失量の増加を防止しつつ、無負荷・低負荷状態における損失量を低減でき、回転電機10全体として効率を向上できる。   Further, the applicant of the present application simulated the loss amount in each of the high load state and the low load state. As a result, the loss amount in the high load state is almost the same regardless of the presence or absence of the short circuit member (first member), but the loss amount in the low load state is compared with the case where the short circuit member is not provided. It was found that the case where the short-circuit member was provided was lowered by about 10 to 20%. That is, according to the rotating electrical machine 10 disclosed in the present application, it is possible to reduce the amount of loss in the no-load / low-load state while preventing an increase in the loss amount in the high load state, and to improve the efficiency of the entire rotating electrical machine 10.

なお、これまで説明した構成は、一例であり、アウター磁石40の径方向外側に、コア片38よりも最大透磁率が高い材料からなり、コア片38よりも飽和磁化が小さい短絡部材が配されるのであれば、その他の構成は、適宜、変更されてもよい。   The configuration described so far is only an example, and a short-circuit member made of a material having a maximum magnetic permeability higher than that of the core piece 38 and having a saturation magnetization smaller than that of the core piece 38 is arranged outside the outer magnet 40 in the radial direction. Other configurations may be changed as appropriate.

例えば、上述の説明では、コア片38の周方向端面に接触する第一部材42を設ける例を挙げたが、第一部材42に替えて、または、加えて、コア片38の外周面に接触する第二部材を設けてもよい。例えば、図9に示す通り、第一部材42を設けない替わりに、コア片38の外周面に接触する第二部材46を設けてもよい。第二部材46は、コア片38よりも最大透磁率が高い軟磁性材料からなり、接触または近接するコア片38よりも飽和磁化が小さい。この第二部材46は、アウターロータ18の外周囲を囲って固定する固定用外筒44と別に設けられてもよいし、固定用外筒44を第二部材46として設けてもよい。   For example, in the above description, the example in which the first member 42 that contacts the circumferential end surface of the core piece 38 is provided. However, instead of or in addition to the first member 42, the outer peripheral surface of the core piece 38 is contacted. A second member may be provided. For example, as shown in FIG. 9, instead of providing the first member 42, a second member 46 that contacts the outer peripheral surface of the core piece 38 may be provided. The second member 46 is made of a soft magnetic material having a maximum magnetic permeability higher than that of the core piece 38 and has a saturation magnetization smaller than that of the core piece 38 that is in contact with or close to the second member 46. The second member 46 may be provided separately from the fixing outer cylinder 44 that surrounds and fixes the outer periphery of the outer rotor 18, or the fixing outer cylinder 44 may be provided as the second member 46.

この場合でも、無負荷・低負荷状態では、マグネット磁束の一部は、第二部材46に流れて短絡するため、鎖交磁束量を低減できる。また、高負荷状態となれば、電流磁束により第二部材46が磁気飽和し、マグネット磁束が第二部材46に流れにくくなるため、鎖交磁束量が大きくなる。つまり、この場合でも、鎖交磁束量は、無負荷・低負荷状態では小さくなり、高負荷状態では大きくなる。そして結果として、無負荷・低負荷状態での逆起電圧および鉄損を抑制しつつ、高負荷状態で高いトルクを得ることができる。   Even in this case, in the no-load / low-load state, part of the magnet magnetic flux flows to the second member 46 and is short-circuited, so that the amount of flux linkage can be reduced. Moreover, if it becomes a high load state, since the 2nd member 46 will be magnetically saturated with a current magnetic flux and a magnet magnetic flux will become difficult to flow into the 2nd member 46, the amount of flux linkages will become large. That is, even in this case, the flux linkage is small in the no-load / low-load state and large in the high-load state. As a result, high torque can be obtained in a high load state while suppressing a back electromotive voltage and iron loss in a no-load / low-load state.

ただし、第二部材46は、第一部材42に比べて、アウター磁石40との距離が大きくなり、第二部材46を用いる場合のほうが、第一部材42を用いる場合に比べて、マグネット磁束の短絡磁路が長くなり、磁気抵抗が高くなる。その結果、第一部材42を用いる場合に比して、第二部材46を用いる場合のほうが、早期に(電流値が低い段階で)、マグネット磁束の短絡が無くなり、鎖交磁束量が大きくなる。換言すれば、第一部材42に替えて第二部材46を設けたほうが、高負荷状態での運転に、有利であると言える。   However, the distance between the second member 46 and the outer magnet 40 is greater than that of the first member 42, and the magnetic flux of the magnet magnetic flux is greater when the second member 46 is used than when the first member 42 is used. The short circuit magnetic path becomes longer and the magnetic resistance becomes higher. As a result, compared to the case where the first member 42 is used, when the second member 46 is used, the magnetic flux is not short-circuited earlier (at a stage where the current value is low), and the amount of flux linkage is increased. . In other words, it can be said that providing the second member 46 instead of the first member 42 is more advantageous for operation in a high load state.

一方、短絡部材として、第二部材46ではなく、第一部材42を用いる場合には、マグネット磁束の短絡磁路の磁気抵抗が小さくなる。そのため、マグネット磁束の短絡量を増加でき、無負荷・低負荷状態での逆起電圧および鉄損を、図8の場合に比して、より効果的に抑制できる。換言すれば、第二部材46を設けず、第一部材42のみを設けた場合のほうが、無負荷・低負荷状態の損失低減に有利であると言える。   On the other hand, when the first member 42 is used as the short-circuit member instead of the second member 46, the magnetic resistance of the short-circuit magnetic path of the magnet magnetic flux is reduced. Therefore, the short-circuit amount of the magnet magnetic flux can be increased, and the back electromotive voltage and the iron loss in the no-load / low-load state can be more effectively suppressed as compared with the case of FIG. In other words, it can be said that the case where only the first member 42 is provided without providing the second member 46 is more advantageous for reducing the loss in the no-load / low-load state.

さらに、第一部材42とともに、第二部材46を設けるようにしてもよい。この場合、マグネット磁束の短絡磁路の磁気抵抗が小さくなり、また、短絡部材全体(第一部材42および第二部材46)の体積が増加するため、飽和磁化が大きくなる。その結果、マグネット磁束の短絡量を増加でき、無負荷・低負荷状態での逆起電圧および鉄損を、図2や図8の場合に比して、より効果的に抑制できる。また、負荷が比較的、高くなるまで、短絡部材が磁気飽和しないため、逆起電圧および鉄損を抑制した状態を、電流が、比較的高くなるまで維持できる。   Further, the second member 46 may be provided together with the first member 42. In this case, the magnetic resistance of the short-circuit magnetic path of the magnet magnetic flux is reduced, and the volume of the entire short-circuit member (the first member 42 and the second member 46) is increased, so that the saturation magnetization is increased. As a result, the short-circuit amount of the magnet magnetic flux can be increased, and the back electromotive voltage and iron loss in the no-load / low-load state can be more effectively suppressed as compared with the cases of FIGS. Further, since the short-circuit member is not magnetically saturated until the load becomes relatively high, the state in which the back electromotive voltage and the iron loss are suppressed can be maintained until the current becomes relatively high.

また、これまでの説明では、短絡部材(第一部材42、第二部材46)を、コア片38に接触させているが、短絡部材と、コア片38との間に、ギャップGを設けてもよい。すなわち、短絡部材とコア片38は、接触せずに、近接対向する構成としてもよい。例えば、図10に示すように、第一部材42の周方向端部と、コア片38の周方向端部との間に、ギャップGを設けてもよい。そして、このギャップGの大きさを調整することで、マグネット磁束の短絡磁路の磁気抵抗を調整でき、ひいては、負荷に対する鎖交磁束量の可変特性を調整できる。   In the description so far, the short-circuit members (the first member 42 and the second member 46) are brought into contact with the core piece 38, but a gap G is provided between the short-circuit member and the core piece 38. Also good. That is, the short-circuit member and the core piece 38 may be configured to face each other without contacting each other. For example, as shown in FIG. 10, a gap G may be provided between the circumferential end of the first member 42 and the circumferential end of the core piece 38. Then, by adjusting the size of the gap G, it is possible to adjust the magnetic resistance of the short-circuit magnetic path of the magnet magnetic flux, and thus to adjust the variable characteristic of the amount of flux linkage with respect to the load.

また、これまで説明した回転電機10の構成は、全て、一例であり、求められる仕様に応じて、適宜、変更されてもよい。例えば、回転電機10は、インナーロータ16を有さない、シングルロータ型・アウターロータ型の回転電機10でもよい。また、これまでの説明で挙げた磁極数やティース数等も適宜、変更されてもよい。   Moreover, all the structures of the rotary electric machine 10 demonstrated so far are examples, and may be suitably changed according to the required specification. For example, the rotating electrical machine 10 may be a single rotor type / outer rotor type rotating electrical machine 10 that does not have the inner rotor 16. Further, the number of magnetic poles and the number of teeth mentioned in the above description may be changed as appropriate.

10 回転電機、14 ステータ、16 インナーロータ、18 アウターロータ、20 回転軸、22 連結部材、26 ステータコア、28 ステータコイル、29 ヨーク、30 インナーティース、32 アウターティース、38 コア片、40 アウター磁石、42 第一部材、44 固定用外筒、46 第二部材。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Rotating electrical machine, 14 Stator, 16 Inner rotor, 18 Outer rotor, 20 Rotating shaft, 22 Connecting member, 26 Stator core, 28 Stator coil, 29 York, 30 Inner teeth, 32 Outer teeth, 38 Core pieces, 40 Outer magnet, 42 First member, 44 outer cylinder for fixing, 46 second member.

Claims (5)

ステータと、
前記ステータの外周囲に配される環状のアウターロータであって、複数のコア片および複数のアウター磁石が周方向に交互に並ぶアウターロータと、
前記アウター磁石の径方向外側に配され、前記アウター磁石の周方向両側に位置する二つのコア片を磁気的に短絡させる短絡部材と、
を備え、
前記アウター磁石は、周方向、かつ、周方向に隣接する他のアウター磁石と周方向逆向きに磁化されており、
前記短絡部材は、前記コア片よりも最大透磁率が高い軟磁性材料からなり、前記コア片よりも飽和磁化が小さい、
ことを特徴とする回転電機。
A stator,
An annular outer rotor disposed on the outer periphery of the stator, and an outer rotor in which a plurality of core pieces and a plurality of outer magnets are alternately arranged in the circumferential direction;
A short-circuit member that is arranged on the outer side in the radial direction of the outer magnet and magnetically short-circuits two core pieces located on both sides in the circumferential direction of the outer magnet;
With
The outer magnet is magnetized in the circumferential direction and in the circumferential direction opposite to the other outer magnet adjacent in the circumferential direction,
The short-circuit member is made of a soft magnetic material having a maximum magnetic permeability higher than that of the core piece, and has a saturation magnetization smaller than that of the core piece.
Rotating electric machine characterized by that.
請求項1に記載の回転電機であって、
前記アウター磁石は、その外周縁が、前記コア片の外周縁よりも径方向内側になるように配されており、
前記短絡部材は、その周方向両端面が前記二つのコア片の周方向端面に接触または近接対向するように配され、前記コア片よりも最大透磁率が高い軟磁性材料からなるとともに前記接触または近接対向するコア片よりも飽和磁化が小さい第一部材を含む、
ことを特徴とする回転電機。
The rotating electrical machine according to claim 1,
The outer magnet is arranged so that its outer peripheral edge is radially inner than the outer peripheral edge of the core piece,
The short-circuit member is disposed so that both circumferential end surfaces thereof are in contact with or in close proximity to the circumferential end surfaces of the two core pieces, and is made of a soft magnetic material having a maximum magnetic permeability higher than that of the core piece, and the contact or Including a first member having a saturation magnetization smaller than that of the adjacent core pieces,
Rotating electric machine characterized by that.
請求項1または2に記載の回転電機であって、
前記短絡部材は、その内周面が、前記二つのコア片の外周面に接触または近接対向するように配され、前記コア片よりも最大透磁率が高い軟磁性材料からなるとともに前記接触または近接対向するコア片よりも飽和磁化が小さい第二部材を含む、
ことを特徴とする回転電機。
The rotating electrical machine according to claim 1 or 2,
The short-circuit member is arranged so that an inner peripheral surface thereof is in contact with or in close proximity to the outer peripheral surface of the two core pieces, and is made of a soft magnetic material having a maximum magnetic permeability higher than that of the core piece, and the contact or proximity Including a second member having a smaller saturation magnetization than the opposing core piece,
Rotating electric machine characterized by that.
請求項3に記載の回転電機であって、
前記第二部材は、アウターロータの外周囲を囲んで固定する固定用外筒である、ことを特徴とする回転電機。
The rotating electrical machine according to claim 3,
The rotating electric machine according to claim 2, wherein the second member is a fixing outer cylinder that surrounds and fixes the outer periphery of the outer rotor.
請求項1から4のいずれか1項に記載の回転電機であって、
前記短絡部材と前記コア片とは、ギャップを介して、近接対向している、ことを特徴とする回転電機。
The rotating electrical machine according to any one of claims 1 to 4,
The rotating electrical machine, wherein the short-circuit member and the core piece are in close proximity to each other via a gap.
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