JP2022109071A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】アクチュエータを別途備える必要なしにロータの永久磁石からの磁束の漏洩の有無を切り替え可能とする。【解決手段】回転電機が備える磁束可変機構は、ロータの軸方向に移動自在な磁束短絡部材と、ロータから離れるように短絡部材を付勢する第１バネと、第１ストッパ部を有するリングと、周方向にリングを付勢する第２バネと、第２ストッパ部を有するハウジングとを含む。軸方向のロータの電磁力が第１バネの弾性力以上となり、かつ、周方向の電磁力が第２バネの弾性力未満となる第１作動状態において、第１ストッパ部は磁束短絡部材とロータとの間に介在せず、磁束短絡部材はロータに当接している。上記軸方向の電磁力が第１バネの弾性力未満となり、かつ、上記周方向の電磁力が第２バネの弾性力以上となる第２作動状態において、磁束短絡部材はロータから離れて第２ストッパ部に当接し、第１ストッパ部は磁束短絡部材とロータとの間に介在している。【選択図】図１

Description

この発明は、回転電機に関し、より詳細には、可変磁束型の回転電機に関する。

特許文献１には、永久磁石を有する回転子（ロータ）を備え、当該永久磁石の界磁特性を変更可能な電動機が開示されている。この電動機は、同心状に分割して配置された第１及び第２回転子を備えている。そして、磁束短絡板への永久磁石の磁束の漏洩の有無を切り替えるために、この電動機は、第１回転子に対して第２回転子を周方向かつ軸方向に移動させる移動手段を備えている。

特開２００７－２６７４５３号公報

特許文献１に記載の電動機では、磁束短絡板への永久磁石の磁束の漏洩の有無を切り替えるために、第１回転子に対して第２回転子を移動させるためのアクチュエータ（移動手段）が別途必要とされる。

本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたものであり、アクチュエータを別途備える必要なしに、ロータの永久磁石からの磁束の漏洩の有無を切り替え可能な磁束可変機構を備える回転電機を提供することを目的とする。

本発明に係る回転電機は、ロータと、ステータと、磁束可変機構とを備える。ロータは、永久磁石を有する。ステータは、ロータの径方向においてロータと対向するように配置され、ステータコイルを有する。磁束可変機構は、ロータの軸方向におけるロータの少なくとも一方の端部に配置され、ステータの通電条件に応じて変化する第１作動状態と第２作動状態とを有することにより永久磁石からの磁束の漏洩の有無を切り替え可能に構成されている。
磁束可変機構は、ロータと同期して回転し、かつ、上記軸方向に移動自在となるように配置された磁束短絡部材と、上記軸方向においてロータから離れるように磁束短絡部材を付勢する第１バネと、ロータと同期して回転しつつロータに対して相対的に回動自在となるように配置され、かつ、第２作動状態において磁束短絡部材とロータとの間に介在する第１ストッパ部を有するリングと、ロータの周方向にリングを付勢する第２バネと、上記軸方向において磁束短絡部材よりもロータから離れた位置にある第２ストッパ部を有し、ロータと同期して回転するハウジングとを含む。
ステータコイルの通電に伴ってロータに生じる上記軸方向の電磁力が第１バネの弾性力以上となり、かつ、ステータコイルの通電に伴ってロータに生じる上記周方向の電磁力が第２バネの弾性力未満となる第１作動状態において、リングは、第１ストッパ部が磁束短絡部材とロータとの間に介在しない周方向位置にあり、かつ、磁束短絡部材はロータに当接している。
上記軸方向の上記電磁力が第１バネの弾性力未満となり、かつ、上記周方向の上記電磁力が第２バネの弾性力以上となる第２作動状態において、磁束短絡部材は、上記軸方向においてロータから離れて第２ストッパ部に当接し、かつ、リングは、第１ストッパ部が磁束短絡部材とロータとの間に介在する周方向位置にある。

本発明によれば、上述の構成を有する磁束可変機構を備えたことにより、永久磁石の磁束の漏洩の有無の切り替えを、ステータの通電条件の変更と第１及び第２バネの弾性力とを利用して行うことが可能となる。このため、アクチュエータを別途備える必要なしに、永久磁石の磁束の漏洩の有無を切り替えることが可能となる。

磁束短絡部材の位置においてロータの回転軸の軸方向から見た回転電機の構成を示す模式図である（第１作動状態）。 図１に示す回転電機のＡ－Ａ断面図（Ａ）及びＢ－Ｂ断面図（Ｂ）である。 磁束短絡部材の位置においてロータの回転軸の軸方向から見た回転電機の構成を示す模式図である（第２作動状態）。 図３に示す回転電機のＣ－Ｃ断面図（Ａ）及びＤ－Ｄ断面図（Ｂ）である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。ただし、以下に示す実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、以下に示す実施の形態において説明する構造等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。

１．回転電機の構成
図１は、磁束短絡部材３２の位置においてロータ１０の回転軸１２の軸方向から見た回転電機１の構成を示す模式図である。図２（Ａ）は図１に示す回転電機１のＡ－Ａ断面図であり、図２（Ｂ）は同図に示す回転電機１のＢ－Ｂ断面図である。回転電機１は、ロータ１０と、ステータ２０と、磁束可変機構３０とを備えている。

ロータ１０は、回転軸１２と、回転軸１２と一体的に回転するロータコア１４とを含む。ロータ１０は、ロータコア１４の内部に埋め込まれた複数の永久磁石１６を有し、回転電機１の界磁を構成している。ロータコア１４は、例えば、複数枚の電磁鋼板を積層して構成されている。

ステータ２０は、ステータコア２２と、ステータコア２２に巻き回されたステータコイル２４とを含む。ステータ２０は、回転電機１の電機子を構成している。ステータ２０は、ロータ１０の径方向Ｄ２においてロータ１０と対向するように配置されている。より詳細には、ステータ２０は、一例として、ロータ１０に対して径方向外側に配置されている。ステータ２０（ステータコイル２４）の通電は、インバータ（図示省略）によって制御される。

磁束可変機構３０は、ロータ１０の起磁力を変更可能として回転電機１の高トルク及び高回転を両立させるために、永久磁石１６からの磁束（磁石磁束）の漏洩の有無を切り替え可能に構成されている。図１及び図２に示す例では、磁束可変機構３０は、ロータ１０の軸方向Ｄ１におけるロータ１０の一方の端部に配置されている。ただし、図１に示す例に代え、磁束可変機構３０は、軸方向Ｄ１におけるロータ１０の両端部に配置されてもよい。

具体的には、磁束可変機構３０は、ステータ２０の通電条件に応じて変化する「第１作動状態」と「第２作動状態」とを有することにより磁石磁束の漏洩の有無を切り替え可能である。磁束可変機構３０の第１及び第２作動状態については、後に詳述される。

磁束可変機構３０は、磁束短絡部材３２と、第１バネ３４と、リング３６と、第２バネ３８と、ハウジング４０とを含む。

磁束短絡部材３２は、ロータ１０（ロータコア１４）と同期して回転し、かつ、軸方向Ｄ１に移動自在となるように、例えば回転軸１２によって支持されている。より詳細には、磁束短絡部材３２は、ロータコア１４と対向する円環状の磁束短絡板として、電磁鋼板などの磁性体材料によって形成されている。

第１バネ３４は、軸方向Ｄ１においてロータ１０から離れるように磁束短絡部材３２を付勢する弾性力を有する。第１バネ３４は、例えば、任意の数で磁束短絡部材３２と対向するロータコア１４の端面１４ａに取り付けられている。

リング３６は、ロータ１０（ロータコア１４）と同期して回転しつつロータ１０（ロータコア１４）に対して相対的に回動自在となるように、例えばハウジング４０によって支持されている。リング３６は、ストッパ部３６ａ（本発明に係る「第１ストッパ部」の一例に相当）と円筒部３６ｂとからなる。円筒部３６ｂは、ロータコア１４の外周面と同等の径方向位置に存在している。ストッパ部３６ａの数は特に限定されないが、図１に示す例では、４つのストッパ部３６ａがロータ１０の周方向Ｄ３において等角度間隔で配置されている。

ストッパ部３６ａは、円筒部３６ｂの内周面から径方向Ｄ２の内側に向けて延びる突起として形成されている。ストッパ部３６ａは、第１作動状態（後述の図３及び図４参照）において磁束短絡部材３２とロータ１０（ロータコア１４）との間に介在する。リング３６は、例えば、非磁性体によって形成されている。

第２バネ３８は、周方向Ｄ３にリング３６（ストッパ部３６ａ）を付勢する弾性力を有する。より詳細には、第２バネ３８は、後述の第２作動状態から第１作動状態に切り替える際のリング３６の回転方向にストッパ部３６ａを付勢している。第２バネ３８は、例えば、任意の数でロータコア１４の端面１４ａに取り付けられている。

ハウジング４０は、軸方向Ｄ１において磁束短絡部材３２よりもロータ１０から離れた位置にあるストッパ部４０ａを有し、ロータ１０と同期して回転するように、例えば回転軸１２によって支持されている。ストッパ部４０ａは、本発明に係る「第２ストッパ部」の一例に相当する。磁束短絡部材３２とは異なり、ハウジング４０の軸方向Ｄ１の位置は固定されている（可動しない）。また、リング３６とは異なり、ハウジング４０は、ロータ１０に対して相対的に回動しないように構成されている。

上述の図１及び図２は、第１作動状態における磁束可変機構３０を示している。より詳細には、図２（Ａ）は、ストッパ部３６ａが存在しない周方向位置における断面を示し、図２（Ｂ）は、ストッパ部３６ａが存在する周方向位置における断面を示している。

第１作動状態は、ステータコイル２４の通電に伴ってロータ１０に生じる軸方向Ｄ１の電磁力Ｆ１が第１バネ３４の弾性力以上となり、かつ、ステータコイル２４の通電に伴ってロータ１０に生じる周方向Ｄ３の電磁力Ｆ２が第２バネ３８の弾性力未満となる作動状態に相当する。この第１作動状態において、リング３６は、ストッパ部３６ａが磁束短絡部材３２とロータ１０との間に介在しない周方向位置にある。そして、磁束短絡部材３２は、ロータ１０（ロータコア１４）に当接している。

上述のように、第１作動状態では、磁束短絡部材３２は、ロータ１０の側で保持される。その結果、永久磁石１６の磁束が磁束短絡部材３２によって短絡する。このため、永久磁石１６から磁束短絡部材３２への磁束漏れが生じる。なお、第１作動状態は、例えば、回転電機１をモータとして機能させて高速回転を行う際に選択される。第１作動状態の選択により、磁石磁束の漏れが生じて逆起電圧が抑制されるので、ロータ１０を高速回転させることができる。したがって、回転電機１の出力を向上できる。

次に、図３は、磁束短絡部材３２の位置においてロータ１０の回転軸１２の軸方向から見た回転電機１の構成を示す模式図である。図４（Ａ）は図３に示す回転電機１のＣ－Ｃ断面図であり、図４（Ｂ）は同図に示す回転電機１のＤ－Ｄ断面図である。図３及び図４は、第２作動状態における磁束可変機構３０を示している。より詳細には、図４（Ａ）は、ストッパ部３６ａが存在しない周方向位置における断面を示し、図４（Ｂ）は、ストッパ部３６ａが存在する周方向位置における断面を示している。

第２作動状態は、軸方向Ｄ１の電磁力Ｆ２が第１バネ３４の弾性力未満となり、かつ、周方向Ｄ３の電磁力Ｆ２が第２バネ３８の弾性力以上となる作動状態に相当する。この第２作動状態において、磁束短絡部材３２は、軸方向Ｄ１においてロータ１０から離れ、かつ、ハウジング４０のストッパ部４０ａに当接している。そして、リング３６は、ストッパ部３６ａが磁束短絡部材３２とロータ１０との間に介在する周方向位置にある。すなわち、第２作動状態では、磁束短絡部材３２は、ロータ１０から離れた軸方向位置で保持される。このため、外乱により磁束短絡部材３２に外力が作用したとしても、ストッパ部３６ａが介在しているため、磁束短絡部材３２がロータ１０の側に移動することが防止される。

上述のように、第２作動状態では、磁束短絡部材３２は、ロータ１０から離れた軸方向位置で保持される。その結果、永久磁石１６の磁束は、磁束短絡部材３２によって短絡しない。このため、永久磁石１６から磁束短絡部材３２への磁束漏れは生じない。なお、第２作動状態は、例えば、回転電機１をモータとして機能させて高トルクを得る際に選択される。第２作動状態の選択により、磁石磁束の漏れがない状態で回転電機１を運転できるので、高トルクが得られる。

付け加えると、磁束短絡部材３２は、上述のように基本的には円環状に形成されている。ただし、磁束短絡部材３２は、第２作動状態ではストッパ部３６ａと干渉してロータ１０側への移動を規制し、かつ、第１作動状態ではストッパ部３６ａと干渉せずにロータ１０側に移動できるように形成されている（換言すると、そのような機能を実現する切り欠き部を有する）。

２．効果
以上説明したように、磁束可変機構３０を備える回転電機１によれば、磁束短絡部材３２の作動状態を第１作動状態と第２作動状態との間で切り替えることにより、ロータ１０の永久磁石１６から磁束短絡部材３２への磁束の漏洩の有無を切り替えることができる。そして、本実施形態の磁束可変機構３０によれば、そのような磁束の漏洩の有無の切り替えを、ステータ２０の通電条件の変更と第１及び第２バネ３４、３８の弾性力とを利用して行うことが可能となる。このため、アクチュエータを別途備える必要なしに、磁石磁束の漏洩の有無を切り替えることが可能となる。付け加えると、そのようなアクチュエータの追加に起因する回転電機１の大型化及びコスト増加を抑制できる。

１ 回転電機
１０ ロータ
１２ ロータの回転軸
１４ ロータコア
１４ａ ロータコアの端面
１６ ロータの永久磁石
２０ ステータ
２２ ステータコア
２４ ステータコイル
３０ 磁束可変機構
３２ 磁束短絡部材
３４ 第１バネ
３６ リング
３６ａ リングのストッパ部（第１ストッパ部）
３６ｂ リングの円筒部
３８ 第２バネ
４０ ハウジング
４０ａ ハウジングのストッパ部（第２ストッパ部）

Claims (1)

1. 永久磁石を有するロータと、
   前記ロータの径方向において前記ロータと対向するように配置され、ステータコイルを有するステータと、
   前記ロータの軸方向における前記ロータの少なくとも一方の端部に配置され、前記ステータの通電条件に応じて変化する第１作動状態と第２作動状態とを有することにより前記永久磁石からの磁束の漏洩の有無を切り替え可能な磁束可変機構と、
   を備える回転電機であって、
   前記磁束可変機構は、
   前記ロータと同期して回転し、かつ、前記軸方向に移動自在となるように配置された磁束短絡部材と、
   前記軸方向において前記ロータから離れるように前記磁束短絡部材を付勢する第１バネと、
   前記ロータと同期して回転しつつ前記ロータに対して相対的に回動自在となるように配置され、かつ、前記第２作動状態において前記磁束短絡部材と前記ロータとの間に介在する第１ストッパ部を有するリングと、
   前記ロータの周方向に前記リングを付勢する第２バネと、
   前記軸方向において前記磁束短絡部材よりも前記ロータから離れた位置にある第２ストッパ部を有し、前記ロータと同期して回転するハウジングと、
   を含み、
   前記ステータコイルの通電に伴って前記ロータに生じる前記軸方向の電磁力が前記第１バネの弾性力以上となり、かつ、前記ステータコイルの通電に伴って前記ロータに生じる前記周方向の電磁力が前記第２バネの弾性力未満となる第１作動状態において、前記リングは、前記第１ストッパ部が前記磁束短絡部材と前記ロータとの間に介在しない周方向位置にあり、かつ、前記磁束短絡部材は前記ロータに当接しており、
   前記軸方向の前記電磁力が前記第１バネの弾性力未満となり、かつ、前記周方向の前記電磁力が前記第２バネの弾性力以上となる第２作動状態において、前記磁束短絡部材は、前記軸方向において前記ロータから離れて前記第２ストッパ部に当接し、かつ、前記リングは、前記第１ストッパ部が前記磁束短絡部材と前記ロータとの間に介在する周方向位置にある
   ことを特徴とする回転電機。

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