JP2021044902A

JP2021044902A - 回転電機

Info

Publication number: JP2021044902A
Application number: JP2019164420A
Authority: JP
Inventors: 服部　宏之; Hiroyuki Hattori; 宏之服部
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2019-09-10
Filing date: 2019-09-10
Publication date: 2021-03-18

Abstract

【課題】磁石磁束が減少してトルク効率が低下することを抑制できる回転電機を提供すること。【解決手段】回転軸部材に固定されており、複数の磁石が埋設されたロータコアを有するロータと、円環状に形成されたステータコア、及び、ステータコアに巻き付けられたステータコイルを有するステータと、ロータ及びステータの軸線方向の外側に配置された界磁ヨークと、界磁ヨークに設けられた界磁コイルと、を備えた回転電機であって、ロータコアの周方向で隣り合う磁石間に、磁石が設けられていない極である界磁極がそれぞれ設けられており、ロータコアの複数の磁石に対して径方向の内側に、空隙部または非磁性体をそれぞれ設けられている。【選択図】図１

Description

本発明は、回転電機に関する。

特許文献１には、シャフトに設けられ、複数の磁石が埋設された円環状のロータコアを有するロータと、ロータコアに対して径方向に間隔をあけて配置された円環状のステータコア及びステータコイルを有するステータと、ロータ及びステータの軸線方向の外側に配置された界磁ヨークと、前記界磁ヨークに設けられ、ロータコアとステータコアとの間での磁束量を制御可能な界磁コイルと、を備えた回転電機が開示されている。

特開２００８−０４３０９９号公報

特許文献１に開示された回転電機では、界磁コイルに通電して界磁磁束を発生させたときに、磁石によって発生させた磁石磁束の一部と界磁磁束の一部とが打ち消し合い、ステータに流れる磁石磁束が減少して、トルク効率が低下するおそれがある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、磁石磁束が減少してトルク効率が低下することを抑制できる回転電機を提供することである。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る回転電機は、軸線を中心に回転可能な回転軸部材と、前記回転軸部材に固定されており、複数の電磁鋼板を前記回転軸部材の軸線方向に積層して円環状に形成されたロータコア、及び、前記ロータコアに周方向で所定間隔をあけて埋設された複数の磁石、を有するロータと、前記ロータコアに対して前記軸線方向と直交する方向である径方向に間隔をあけて配置された、複数の電磁鋼板を前記軸線方向に積層して円環状に形成されたステータコア、及び、前記ステータコアに巻き付けられたステータコイルを有するステータと、前記ロータ及び前記ステータの前記軸線方向の外側に配置された界磁ヨークと、前記界磁ヨークに設けられ、前記界磁ヨークと前記ロータコアとの間に磁気回路を形成することによって、前記ロータコアと前記ステータコアとの間の磁束量を制御可能な界磁コイルと、を備えた回転電機であって、前記ロータコアの周方向で隣り合う前記磁石間に、前記磁石が設けられていない極である界磁極がそれぞれ設けられており、前記ロータコアの前記複数の磁石に対して前記径方向の内側に、空隙部または非磁性体をそれぞれ設けたことを特徴とするものである。

本発明に係る回転電機では、ロータコアの複数の磁石に対して径方向の内側に空隙部または非磁性体を設けているため、ロータコア内において界磁磁束は、磁石側を流れ難く、界磁極側を流れやすいため、界磁磁束と磁石磁束とが干渉し難い。よって、本発明に係る回転電機は、界磁磁束の一部と磁石磁束の一部とが打ち消し合うのを抑制し、ステータに流れる磁石磁束が減少してトルク効率が低下することを抑制できるという効果を奏する。

図１は、実施形態に係る回転電機を軸線方向から見た断面図である。図２は、実施形態に係る回転電機における図１のＡ−Ａ断面図である。図３は、界磁磁束及び磁石磁束の流れを示した、回転電機を軸線方向から見た断面図である。図４は、実施形態に係る回転電機における図３のＢ−Ｂ断面図である。図５は、空隙部が軸線方向で区分けされた状態を示した断面図である。図６は、実施形態に係る他例の回転電機を軸線方向から見た断面図である。図７は、実施形態に係る他例の回転電機における図６のＣ−Ｃ断面図である。

以下に、本発明に係る回転電機の一実施形態について説明する。なお、本実施形態により本発明が限定されるものではない。

図１は、実施形態に係る回転電機１を軸線方向Ｄ１から見た断面図である。図２は、実施形態に係る回転電機１における図１のＡ−Ａ断面図である。図１及び図２に示すように、実施形態に係る回転電機１は、シャフト２、ロータ３、ステータ４、界磁ヨーク５、及び、界磁コイル６Ａ，６Ｂなどを備えており、電動機と発電機との少なくとも一方として機能させて用いられる。

シャフト２は、軸線方向Ｄ１に長尺であり軸線を中心に回転可能な金属製の回転軸部材である。なお、以下の説明において、「軸線方向Ｄ１」とは、シャフト２の軸線方向（長手方向）と定義する。ロータ３は、ロータコア３１及び磁石３２などを有している。ロータコア３１は、複数の電磁鋼板をシャフト２の軸線方向Ｄ１に積層して円筒状に形成されており、シャフト２と共に回転可能にシャフト２に直接固設されている。ロータコア３１は、軸線方向Ｄ１にて電磁鋼板間に隙間があるため、軸線方向Ｄ１の磁気抵抗が、ロータコア３１の軸線方向Ｄ１と直交する方向である径方向Ｄ２及び周方向の磁気抵抗よりも大きい。そのため、ロータコア３１内では、磁束が軸線方向Ｄ１に流れ難く、径方向Ｄ２に磁束が流れやすくなっている。

磁石３２は、ロータコア３１の内部に埋設されており、ロータコア３１の軸線方向Ｄ１にわたって延在している。磁石３２の軸線方向Ｄ１の両端面は、それぞれロータコア３１の軸線方向Ｄ１の両端面と略面一になっている。

ロータコア３１の内部において径方向Ｄ２で外側の領域には、軸線方向Ｄ１と直交する断面の形状が長方形状である磁石３２が、ロータコア３１の周方向に９０［°］間隔で離間して、同心円上に４つ埋設されている。磁石３２は、ロータコア３１の軸線方向Ｄ１にわたって延在している。磁石３２の軸線方向Ｄ１の両端面は、それぞれロータコア３１の軸線方向Ｄ１の両端面と略面一になっている。

また、ロータコア３１の内部において径方向Ｄ２で外側の領域であって、ロータコア３１の周方向で隣り合う磁石３２間に、磁石３２が設けられておらず、後述する界磁磁束ＭＦ１（図３参照）が流れる極である界磁極３３が設けられている。この界磁極３３は、ロータコア３１の周方向に４つ設けられている。

図１に示すように、ロータコア３１の内部において径方向Ｄ２で内側の領域であって、ロータコア３１の複数の磁石３２に対して径方向Ｄ２の内側には、４つの磁石３２とそれぞれ径方向Ｄ２で同一直線上に位置した、４つの空隙部３４が設けられている。４つの空隙部３４は、ロータコア３１の周方向に９０［°］間隔で離間して、同心円上に設けられている。空隙部３４は、軸線方向Ｄ１と直交する方向の断面形状が矩形状であり、ロータコア３１の径方向Ｄ２の内側の面である内周面で開口している。すなわち、空隙部３４は、ロータコア３１の径方向Ｄ２で内周面から外側に向かって切り欠いた切り欠き形状となっている。また、図２に示すように、空隙部３４は、ロータコア３１の軸線方向Ｄ１にわたって貫通して延在しており、ロータコア３１の軸線方向Ｄ１の両壁面で開口している。

なお、空隙部３４に替えて、空隙部３４と同等の形状の樹脂や非磁性金属などの非磁性体を、ロータコア３１の空隙部３４と同じ位置に設けても良い。空隙部３４及び前記非磁性体の軸線方向Ｄ１と直交する方向の断面形状は、矩形状や円形状など特に限定されるものではなく、空隙部３４及び前記非磁性体を介して、界磁ヨーク５の内側壁部５３Ａ，５３Ｂと磁石３２との間で界磁磁束ＭＦ１が流れないような、非磁性領域を形成できる大きさであればよい。

図１に示すように、ロータコア３１の内部において径方向Ｄ２で内側の領域であって、ロータコア３１の複数の界磁極３３に対して径方向Ｄ２の内側には、ロータコア３１の周方向で隣り合う空隙部３４間に突形状部３５がそれぞれ設けられている。この突形状部３５は、ロータコア３１の一部であり、径方向Ｄ２で界磁極３３と同一直線上に位置している。

ステータ４は、ロータコア３１の径方向Ｄ２で外方に所定間隔をあけて配置された円筒状のステータコア４１と、ステータコア４１に巻き付けられたステータコイル４２とを有している。ステータコア４１は、複数枚の電磁鋼板を軸線方向Ｄ１に積層して構成されている。ステータコア４１は、軸線方向Ｄ１にて電磁鋼板間に隙間があるため、軸線方向Ｄ１の磁気抵抗が、径方向Ｄ２及び周方向の磁気抵抗よりも大きい。そのため、ステータコア４１内では、磁束が軸線方向Ｄ１に流れ難く、径方向Ｄ２に磁束が流れやすくなっている。

界磁ヨーク５は、磁性材からなり、図１に示すように、外側壁部５１Ａ，５１Ｂと、端壁部５２Ａ，５２Ｂと、内側壁部５３Ａ，５３Ｂと、によって構成されており、ロータ３及びステータ４の軸線方向Ｄ１で外側に配置されている。外側壁部５１Ａ，５１Ｂは、端壁部５２Ａ，５２Ｂの径方向Ｄ２の外周縁部から軸線方向Ｄ１でステータコア４１側に延在している。そして、外側壁部５１Ａ，５１Ｂの軸線方向Ｄ１の内側の端面５１０Ａ，５１０Ｂは、ステータコア４１の軸線方向Ｄ１の両端と対向している。端壁部５２Ａ，５２Ｂは、径方向Ｄ２に延在しており、それぞれ軸線方向Ｄ１にて、ロータ３のロータコア３１及びステータ４のコイルエンド４２１の両端から離れた位置に配置されている。内側壁部５３Ａ，５３Ｂは、軸線方向Ｄ１に延在しており、端壁部５２Ａ，５２Ｂの径方向Ｄ２の内周縁部に連なって形成されており、軸線方向Ｄ１にてロータコア３１の両端から所定間隔をあけて配置されている。また、内側壁部５３Ａ，５３Ｂは、径方向Ｄ２にてシャフト２から所定間隔をあけて配置されている。

また、図２に示すように、界磁ヨーク５の内側壁部５３Ａ，５３Ｂの軸線方向Ｄ１の内側の端面５３０Ａ,５３０Ｂと、ロータコア３１の空隙部３４とは、軸線方向Ｄ１で対向する位置に設けられている。言い換えれば、界磁ヨーク５の内側壁部５３Ａ，５３Ｂと、ロータコア３１に設けられた空隙部３４とは、軸線方向Ｄ１から見て重なっている。

端壁部５２Ａ，５２Ｂの軸線方向Ｄ１におけるロータ３側の面には、界磁コイル６Ａ，６Ｂが設けられている。界磁コイル６Ａ，６Ｂは、界磁ヨーク５とロータコア３１との間に、ロータ３内において径方向Ｄ２に界磁磁束ＭＦ１が流れるような磁気回路を形成することによって、ロータコア３１とステータコア４１との間での磁束量を制御可能である。

図３は、界磁磁束ＭＦ１及び磁石磁束ＭＦ２の流れを示した、実施形態に係る回転電機１を軸線方向Ｄ１から見た断面図である。なお、図３中、界磁磁束ＭＦ１の流れは、実線の矢印で示している。また、磁石磁束ＭＦ２の流れは、破線の矢印で示している。図４は、実施形態に係る回転電機１における図３のＢ−Ｂ断面図である。なお、図４中、界磁磁束ＭＦ１の流れは、実線の矢印で示している。

図３及び図４に示すように、界磁コイル６Ａ，６Ｂに通電して界磁磁束ＭＦ１を発生させると、例えば、界磁ヨーク５の外側壁部５１Ａ，５１Ｂからステータコア４１を介してロータコア３１の界磁極３３に界磁磁束ＭＦ１が流れる。そして、ロータコア３１の界磁極３３を流れた界磁磁束ＭＦ１は、ロータコア３１の突形状部３５を通って界磁ヨーク５の内側壁部５３Ａ，５３Ｂに流れる。すなわち、界磁ヨーク５、ステータコア４１、ロータコア３１の界磁極３３、及び、ロータコア３１の突形状部３５を通る界磁磁束Ｍ１の磁気回路が形成される。一方、空隙部３４はロータコア３１を構成する電磁鋼板に比べて磁束を流し難いため、界磁ヨーク５、ステータコア４１、ロータコア３１の磁石３２、及び、ロータコア３１の空隙部３４を通る界磁磁束Ｍ１の磁気回路が形成されにくい。

このように、実施形態に係る回転電機１では、ロータコア３１において界磁磁束ＭＦ１は、界磁極３３側を流れやすいが、磁石３２側を流れ難い。そのため、図３に示すように、ロータコア３１の磁石３２によって発生させたステータコア４１に向かって流れる磁石磁束ＭＦ２と、ステータコア４１からロータコア３１に向かって流れる界磁磁束ＭＦ１とは、干渉し難い。よって、実施形態に係る回転電機１では、界磁コイル６Ａ，６Ｂに通電して界磁磁束ＭＦ１（界磁トルク）を発生させたときに、界磁磁束ＭＦ１の一部と磁石磁束ＭＦ２の一部とが打ち消し合い、ステータコア４１に流れる磁石磁束ＭＦ２が減少してトルク効率が低下することを抑制することができる。

また、実施形態に係る回転電機１においては、ロータコア３１を構成する電磁鋼板が、径方向Ｄ２の内側でシャフト２に固定されている。これにより、ロータコア３１と界磁ヨーク５の内側壁部５３Ａ，５３Ｂとの間にて、界磁磁束ＭＦ１を流す際のロータ３内における界磁磁路が１部品（ロータコア３１）で構成されている。そのため、ロータコア３１とは別部材を挟んでシャフト２とロータコア３１とを締結させる場合よりも、シャフト２に対するロータコア３１の締結強度を向上させることができる。また、前記別部材を挟んでシャフト２に対してロータコア３１を組み付ける場合よりも、ロータコア３１への前記別部材の固定が不要なため、シャフト２に対するロータコア３１の組み付け作業の簡便化や低コスト化を図ることができる。

なお、図２に示した空隙部３４は、軸線方向Ｄ１にてロータコア３１を貫通しているが、別に貫通していなくてもよい。例えば、図５に示すように、軸線方向Ｄ１で内側壁部５３Ａの端面５３０Ａと対向する空隙部３４Ａと、軸線方向Ｄ１で内側壁部５３Ｂの端面５３０Ｂと対向する空隙部３４Ｂとを、ロータコア３１の軸線方向Ｄ１でロータコア３１を構成する電磁鋼板を介して設けても良い。

図６は、実施形態に係る他例の回転電機１を軸線方向Ｄ１から見た断面図である。図７は、実施形態に係る他例の回転電機１における図６のＣ−Ｃ断面図である。

図６及び図７に示すように、実施形態に係る他例の回転電機１では、空隙部３４がロータコア３１の内周面で開口しているものに限定されない。例えば、図６及び図７に示すように、ロータコア３１の径方向Ｄ２で磁石３２と内周端部３７との間に空隙部３６を設けても良い。なお、内周端部３７は、ロータコア３１の一部である。

図６に示すように、空隙部３６は、軸線方向Ｄ１と直交する方向の断面形状が矩形状であり、全周がロータコア３１を構成する電磁鋼板によって囲われている。空隙部３６は、ロータコア３１の周方向に９０［°］間隔で離間して同心円上に位置させて４つ設けられている。また、図７に示すように、空隙部３６は、ロータコア３１の軸線方向Ｄ１にわたって貫通して延在しており、ロータコア３１の軸線方向Ｄ１の両壁面で開口している。なお、空隙部３６は、ロータコア３１の軸線方向Ｄ１にわたって貫通しているものに限定されるものではない。

また、界磁極３３と空隙部３６との位置関係、及び、界磁ヨーク５の内側壁部５３Ａ，５３Ｂと空隙部３６との位置関係は、図１及び図２を用いて空隙部３４について説明した上述したのと同様な位置関係となるようにすればよい。

実施形態に係る他例の回転電機１では、ロータコア３１の径方向Ｄ２で磁石３２と内周端部３７との間に空隙部３６を設けることによって、シャフト２の周方向の全域にわたって、ロータコア３１の内周面とシャフト２の外周面とを接触させて、シャフト２にロータコア３１を固定することができる。これにより、シャフト２に対するロータコア３１の締結強度を高めることができる。

なお、空隙部３６に替えて、空隙部３６と同等の形状の樹脂や非磁性金属などの非磁性体を、ロータコア３１の空隙部３６と同じ位置に設けても良い。空隙部３６及び前記非磁性体の軸線方向Ｄ１と直交する方向の断面形状は、矩形状や円形状など特に限定されるものではなく、空隙部３６及び前記非磁性体を介して、界磁ヨーク５の内側壁部５３Ａ，５３Ｂと磁石３２との間で界磁磁束ＭＦ１が流れないような、非磁性領域を形成できる大きさであればよい。

１回転電機
２シャフト
３ロータ
４ステータ
５界磁ヨーク
６Ａ，６Ｂ界磁コイル
３１ロータコア
３２磁石
３３界磁極
３４空隙部
３５突形状部
３６空隙部
３７内周端部
４１ステータコア
４２ステータコイル
５１Ａ，５１Ｂ外側壁部
５２Ａ，５２Ｂ端壁部
５３Ａ，５３Ｂ内側壁部
４２１コイルエンド
５１０Ａ，５１０Ｂ端面
５３０Ａ，５３０Ｂ端面

Claims

軸線を中心に回転可能な回転軸部材と、
前記回転軸部材に固定されており、複数の電磁鋼板を前記回転軸部材の軸線方向に積層して円環状に形成されたロータコア、及び、前記ロータコアに周方向で所定間隔をあけて埋設された複数の磁石、を有するロータと、
前記ロータコアに対して前記軸線方向と直交する方向である径方向に間隔をあけて配置された、複数の電磁鋼板を前記軸線方向に積層して円環状に形成されたステータコア、及び、前記ステータコアに巻き付けられたステータコイルを有するステータと、
前記ロータ及び前記ステータの前記軸線方向の外側に配置された界磁ヨークと、
前記界磁ヨークに設けられ、前記界磁ヨークと前記ロータコアとの間に磁気回路を形成することによって、前記ロータコアと前記ステータコアとの間の磁束量を制御可能な界磁コイルと、
を備えた回転電機であって、
前記ロータコアの周方向で隣り合う前記磁石間に、前記磁石が設けられていない極である界磁極がそれぞれ設けられており、
前記ロータコアの前記複数の磁石に対して前記径方向の内側に、空隙部または非磁性体をそれぞれ設けたことを特徴とする回転電機。