JP4320552B2

JP4320552B2 - 磁束量可変磁石型ロータ

Info

Publication number: JP4320552B2
Application number: JP2003030720A
Authority: JP
Inventors: 喜明深津
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-02-07
Filing date: 2003-02-07
Publication date: 2009-08-26
Anticipated expiration: 2023-02-07
Also published as: JP2004242461A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁束量可変磁石型ロータに関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
永久磁石型同期機は他の形式の同期機に比較して高出力でコンパクト化、構成簡素化を実現できるので、信頼性及び小型軽量化が要求される車両用回転電機に好適であるが、車両用回転電機は回転数域が広いため、低速トルク確保のために磁石磁界を十分大きく確保すると、高速回転時に過大な電機子巻線誘起電圧が発生するため、高速回転時の磁石磁界を低減するための減磁機構を設けることが提案されている。
【０００３】
特許文献１は、磁石型ロータコア内に、これら永久磁石を磁気的に短絡する磁気短絡部材を軸方向に挿通し、更にロータコアの径内側に静止ヨークを設けてそれに界磁コイルを巻装し、界磁コイルへの通電により磁気短絡部材を流れる短絡磁束量を調節し、これにより電機子巻線と有効に鎖交する有効界磁束量を制御して電機子巻線の発電電圧を調節可能とする静止界磁コイル式磁石併用同期機を提案している。
【０００４】
しかし、この磁束量可変方式は、構造が複雑であり、静止ヨークを用いるため、界磁コイル回路の磁気抵抗が大きく、界磁電流損失が生じるという問題があった。
【０００５】
特許文献２は、磁石型ロータコアの永久磁石を、ロータコアに径方向に形成した摺動孔にスプリングとともに収容し、永久磁石に作用する遠心力が増加するとスプリングの弾性付勢力に抗して、永久磁石がこの摺動孔から抜け、これにより永久磁石がロータコアに与える磁束量が減少する構造を提案している。しかし、この技術は、現在、主流となっている略周方向に延設された薄板状磁石を用いる磁石型ロータコアに適用することが困難であるうえ、構造的に磁束量が小さいという大きな問題があった。
【０００６】
特許文献３は、磁石式ロータ軸方向に２分割し、片方のロータ（固定ロータ）を回転軸に固着し、他方のロータ（可動ロータ）を回転軸の周りに回動可能とし、電動回転時と発電回転時とにおけるロータに作用するトルクの方向が逆向きになることを利用して自由回動ロータを固定ロータに対して相対回動することを提案している。また、可動ロータをボルト締結機構を利用して回転軸に結合することにより、ロータの回動と同時に固定ロータから離間する構造を採用している。しかしながら、この技術は、高速回転時のロータ磁束を低減するものではないため、高速回転時の磁石磁束量の低減には役立たない。また、特許文献３は、回転数を検出してアクチエータにより可動ロータを固定ロータから軸方向に離間させる技術も提案している。しかしながら、この方式は、回転数検出装置やサーボ機構をもつアクチエータを装備する必要があり、構造複雑化による損失が技術的利益を大きく凌駕する。
【０００７】
本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、従来に比較して格段に簡素かつコンパクトで信頼性に優れた磁束量可変磁石型ロータを提供することをその目的としている。
【０００８】
【特許文献１】
特開平１０ー３０４６３３号公報
【特許文献２】
特開平７−２８８９４０号公報
【特許文献３】
特開２００２ー２６２５３４号公報
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明の磁束量可変磁石型ロータは、永久磁石型界磁極を有して回転軸に固定された固定ロータと、永久磁石型界磁極を有するとともに前記固定ロータに軸方向に隣接して前記固定ロータに対して相対回動可能に前記回転軸に装着された可動ロータとを備え、
前記固定ロータ側と前記可動ロータ側とに個別に設けられた一対の案内溝と、前記一対の案内溝中に案内されて径方向へ移動するにつれて前記両ロータを所定角度範囲で相対回動させる案内子とを有する相対回動機構と、前記案内子に固定されたウエイトと、両端が前記両ロータに個別に係止されて、又は、前記可動ロータと前記回転軸とに個別に係止されて、電動動作時の前記両ロータの相対回動により前記可動ロータのトルクを前記固定ロータに伝達するばねとを備えることを特徴としている。
【００１０】
すなわち、この発明によれば、同一回転方向において回転速度に応じて二つの磁石ロータの相対回転角（固定子コイルを基準として）を変化させることにより、固定子コイルと鎖交する両磁石ロータの合成磁石磁束を低速回転時に比較して高速時回転時に減少させる。高速回転時と低速回転時とで両ロータの相対回動角を変更するには、高速回転時にウエイトに作用する遠心力により螺旋機構内を径方向外側へ移動する案内子を用いる。この案内子は、低速回転時にばねにより付勢されて螺旋機構内を径方向内側に戻る。
【００１１】
このようにすれば、同一回転方向において速度に応じて少なくとも２つの磁石ロータの相対回動角を変更することができるので、高速電動動作時に固定子コイルに生じる起電力を低速電動動作時のそれに比較して低減したり、あるいは、高速発電動作時に固定子コイルに生じる発電電圧を低速発電動作時のそれに比較して低減することができ、回路動作上、好ましい電気特性を得ることができる。
【００１２】
好適態様において、前記案内溝は、前記両ロータに軸方向に凹設又は貫設され、前記案内子の一端部は前記両案内溝の一方に、前記案内子の他端部は前記両案内溝の他方に、移動自在に差し込まれているので、相対回動機構すなわち案内機構を簡素化することができる。
【００１３】
好適態様において、前記案内子は、前記ウエイトと一体に形成されているので、構造を簡素化することができる。
【００１４】
好適態様において、前記ばねは、コイルバネ又は渦巻き又は弓形ばねからなる。これにより、ばねを簡素化することができる。
【００１５】
好適態様において、前記回転軸に対して軸方向変位自在に前記回転軸に装着された前記可動ロータを、前記可動ロータの前記相対回動につれて前記回転軸に対して軸方向に変位する螺旋直線機構を有する。これにより、両ロータの相対回動による固定子コイル鎖交磁石磁束量の変更に加えて、可動ロータの直動によるその変更を行うことができ、磁石磁束量の制御を一層良好とすることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の好適態様を図面を参照して以下の実施例により具体的に説明する。なお、これら実施例は実施態様を示すものであり、構成要素を周知の代替要素に置換することは当然可能である。
（実施例１）
実施例１の磁束量可変磁石型ロータを以下に説明する。この磁束量可変磁石型ロータは、たとえば同期機の固定子（図示せず）の径方向内側に配置される。以下の実施例では、電動動作時の磁石磁束量制御を説明するが、発電動作時の磁石磁束量制御もウエイトの周方向移動方向を反転すれば本質的に可能である。
【００１７】
この実施例の磁束量可変磁石型ロータ（回転子）１を図１に示す。磁束量可変磁石型ロータコア（以下、単に回転子とも呼ぶ）１は、回転軸２と、一対の固定ロータ（以下、固定回転子とも呼ぶ）３、４と、両固定ロータ３、４に軸方向に挟まれた可動ロータ（以下、可動回転子とも呼ぶ）５とからなる。
【００１８】
固定回転子３、４は、回転子鉄心６の表面に合計４個の磁石７が周方向一定ピッチ、かつ、極性交互に固定されたいわゆるＳＰＭ用の回転子である。固定回転子３、４は、回転軸２に積層電磁鋼板製または軟鉄製のロータコア（回転子鉄心）６を嵌着、固定し、その表面に磁石７を固定してなる。
【００１９】
可動回転子５は、積層電磁鋼板製または軟鉄製のロータコア（回転子鉄心）８（図３参照）の軸孔に嵌入したスリーブを回転軸２に嵌めるなどして回転軸２に回転自在に保持されている。可動回転子５は回転子鉄心８の表面に合計４個の磁石９が周方向一定ピッチ、かつ、極性交互に固定されたいわゆるＳＰＭ用の回転子である。回転子３〜５の磁石数は等しい。
【００２０】
なお、この実施例では、一対の固定回転子３、４と一つの可動回転子５とを用いたが、一つの固定回転子３、４と一つの可動回転子５とを軸方向に隣接させてもよく、あるいは適宜それ以上の個数の固定回転子３、４および可動回転子５を用いてもよい。
【００２１】
図１は可動回転子５の永久磁石９と、固定回転子３、４の永久磁石７との相対角度が非常に小さい場合を示し、図２は相対角度が電気角πである場合を示す。可動回転子５の相対回転機構を図３に示す。
【００２２】
図３は、図２の可動回転子５と固定回転子４との境界部分でのＡ−Ａ線矢視方向と反対向きにみた場合の模式断面図である。簡略化のために断面のハッチング図示は省略している。したがって、図３は可動回転子５側を示している。なお、図３では、図示簡単化のために可動回転子５の回転子鉄心８は回転軸２に回動自在に嵌着されているが、前述したようにスリーブなどを介して嵌着されてもよい。
【００２３】
図３において、１０はウエイト、１１はウエイトポール、１２はポール案内溝、１３は回動用案内溝、１４はつるまきばね（コイルスプリング）、１５はキー溝である。
【００２４】
可動回転子５の回転子鉄心８の両端面にはそれぞれ、図３に示すように一対の螺旋状の回動用案内溝１３が軸方向へ凹設されている。なお、溝１３は、凹設の代わりに、回転子鉄心８を軸方向に貫通して形成されてもよい。図３に示すように、溝１３は１８０度対称に配置され、図３では径方向外側に向かうにつれて反時計方向に曲がっている。溝１３にはそれぞれ、ウエイト１０が軸方向に挿入されている。溝１３の幅は、ウエイト１０がその中を自在に滑動乃至回動することができる大きさとされている。
【００２５】
ウエイト１０は、円柱形状のピンであって、その両端面から同軸心のウエイトポール１１が突出している。これらウエイトポール１１も円柱状のピンであるが、ウエイト１０よりも径小とされている。径小とした理由は、ウエイト１０と一対のウエイトポール１１とは本発明でいう案内子を構成し、溝１３と後述するポール案内溝１２とは本発明でいう案内溝を構成している。
【００２６】
なお、この実施例では、構造を簡素化するために、案内子が、遠心力発生用のウエイトを兼ねているが、案内溝に案内されて移動する案内子とそれを付勢するウエイトとを別体に形成し、それらを機械的に結合してもよい。
【００２７】
図４は、図３を拡大図示したものであるが、図３で図示した固定回転子４側のウエイトポール１１およびポール案内溝１２の破線図示は省略されている。
【００２８】
つるまきばね（コイルスプリング）１４は、回転軸２に巻装され、その一端は、キー溝１５に落ち込む形にて回転軸２に係止され、他端は回転軸２の外周面に面する溝１３の径方向内側向きの開口の角部に係止されている。図７に、つるまきばね１４の収容状態を模式図示する。つるまきばね１４は、回転軸２の貫通溝を回転子鉄心８の端面から所定深さだけ径大化した形状のばね収容穴に収容されている。
【００２９】
これにより、外力が作用しない状態において、回転子鉄心８をもつ可動回転子５は、図１に略示す状態、すなわち固定回転子３に対する相対回動角がほぼ０となる状態となる。なお、ここでいう相対回動角０とは、回転子３〜５の磁石配列が磁極方向も含めて周方向に揃った状態を意味する。図６につるまきばね１４の配置を拡大図示する。
【００３０】
図５は、図２の可動回転子５と固定回転子４との境界部分でのＡ−Ａ線矢視模式断面図である。簡略化のために断面のハッチング図示は省略している。したがって、図５は固定回転子４側を示している。固定回転子３、４の回転子鉄心６は回転軸２に圧入され、回転軸２のキー溝１５にキー１６（図７参照）を押入して固定されている。
【００３１】
固定回転子３、４の可動回転子５に対面する側の端面には、図５に示すように一対の直線状のポール案内溝１２が軸方向に凹設（貫設でもよい）され、このポール案内溝１２は径方向に延在している。一対の溝１２は１８０度対称に配置され、両溝１２にはそれぞれウエイトポール１１が軸方向に挿入されている。溝１２の幅は、ウエイトポール１１がその中を自在に滑動乃至回動することができる大きさとされている。
【００３２】
ウエイトポール１１は、前述したように、ウエイト１０の両端面からその軸方向へ突出しており、一つのウエイト１０と一体のこれら二つのウエイトポール１１は、固定回転子３の溝１２と固定回転子４の溝１２とに個別に嵌められている。なお、ウエイト１０の径とウエイトポール１１の径の大小は逆でもよく、等しくてもよい。
【００３３】
なお、この実施例では、溝１２は直線状に径方向に延在するようにしたが、螺旋溝とされてもよい。ただし、この場合、螺旋方向は、溝１３と反対側、すなわち時計方向とされることが好ましい。
【００３４】
これにより、外力が作用しない状態において、回転子鉄心８をもつ可動回転子５は、図１に略示す状態、すなわち固定回転子３に対する相対回動角がほぼ０となる状態となる。なお、ここでいう相対回動角０とは、回転子３〜５の磁石配列が磁極方向も含めて周方向に揃った状態を意味する。
【００３５】
前述したように、回転子１に外力が作用しない状態では、つるまきばね１４の付勢力により、可動回転子５は固定回転子３、４に対して略図１の相対回動状態となる。この状態において、ウエイト１０およびウエイトポール１１は、溝１３、溝１２の径方向最も内側の位置に押しつけられている。
【００３６】
図示しない固定子コイルに通電して回転子１を起動すると、回転子１が回転し、ウエイト１０およびウエイトポール１１に作用する遠心力によりそれらは溝１２、１３中を径方向外側に移動し、可動回転子５は固定回転子３、４に対して相対回動する。また、可動回転子５に作用する電磁トルクは、つるまきばね１４を通じて回転軸２に伝達されるが、この時、電磁トルクは、つるまきばね１４を圧縮する方向（または伸ばす方向）に付勢して回転軸２に伝達される。
【００３７】
結局、ウエイト１０およびウエイトポール１１の径方向位置は、それらに作用する遠心力の内の溝１３の表面に与えられる周方向分力と、つるまきばね１４の弾性付勢力と、可動回転子５に作用する電磁力とが均衡する位置となり、この位置において、溝１３と溝１２とが軸方向に一致する両回転子間の相対角度が形成されることになる。
【００３８】
回転子１が高速回転する場合、ウエイト１０およびウエイトポール１１に作用する遠心力が強大となり、これにより、ウエイトポール１１およびウエイトポール１１はつるまきばね１４を圧縮しつつ可動回転子５を大きく回動させ、その結果として、固定回転子３、４と可動回転子５との全磁石７、９が固定子コイルに発生する磁石起電力は減少する。これにより、従来の磁石型同期機において問題となっていた高速回転時の減磁を実現することができる。
【００３９】
この実施例によるロータ回転数と固定子コイルの逆起電圧（磁石起電力）との関係を図８に示す。この実施例では、上記相対回動により、逆起電圧を高速回転時に略飽和させることができる。
【００４０】
（変形態様）
上記実施例では、磁石式同期モータにおいて低速電動動作時に対し高速電動動作時の減磁を行ったが、低速発電動作時に対し高速発電動作時の減磁（発電電圧低減）を行うようにしてもよい。
【００４１】
（変形態様）
上記実施例では、ばねとしてつるまきばね１４を用いたが、渦巻きばねや板ばね（弓形ばね）を用いてもよいことは明白である。板ばねを用いる場合、可動回転子５と固定回転子３（又は４）との間の軸方向隙間に配置することが好適である。これらの場合においても、ばねの一端は可動回転子５に、他端は固定回転子３（又は４）又は回転軸２に個別に固定されるべきである。
（実施例２）
本発明の他の実施例の磁束量可変磁石型ロータを図９を参照して以下に説明する。説明を簡単化するために、実施例１と機能的に共通する構成の説明は省略乃至簡略化するものとする。
【００４２】
この実施例では、ウエイト１０および２つのウエイトポール１１からなる案内子の代わりに、各一つのウエイト１０およびウエイトポール１１からなる案内子を用いる。ただし、図９では、高速回転時のウエイト１０をウエイト１０ａとして図示し、低速回転時のウエイト１０をウエイト１０ｂとして図示する。同様に、高速回転時のウエイトポール１１をウエイトポール１１ａとして図示し、低速回転時のウエイトポール１１をウエイトポール１１ｂとして図示する。
【００４３】
この実施例では特に、回動用案内溝１３（図６参照）は可動回転子５の回転子鉄心８（図６参照）を軸方向に貫通して形成されており、ポール案内溝１２（図５参照）は固定回転子３の回転子鉄心６（図５参照）を軸方向に貫通して形成されている。径方向にみた場合におけるこれら溝１２、１３の形状は実施例１と同じでよい。
【００４４】
この実施例では特に、ウエイト１０は回転子鉄心８の溝１３を軸方向に貫通しており、ウエイトポール１１は回転子鉄心６の溝１２を軸方向に貫通している。
【００４５】
これらウエイト１０およびウエイトポール１１からなる棒状の案内子の両端は、固定回転子３と可動回転子５との軸方向両側にて、コイルスプリング２０により径方向内側に付勢されている。ただし、図９では、高速回転時のコイルスプリング２０をコイルスプリング２０ｂとして図示し、低速回転時のコイルスプリング２０をコイルスプリング２０ａとして図示する。コイルスプリング２０の一端は回転軸２に係止され、他端は案内子すなわちウエイト１０およびウエイトポール１１に係止されており、コイルスプリング２０は案内子を径方向内側に付勢している。もちろん、必要とあれば、案内子にさらに追加のウエイトを付加してもよいことは明白である。なお、好適には、コイルスプリング２０の回転軸係止側の端部は、回転軸２に回動自在に嵌着されたスリーブに係止されることがより好適である。
【００４６】
更に、この実施例では、回転軸２が貫通する可動回転子５の回転子鉄心８の軸孔にはスリーブが圧入され、このスリーブの内周面には螺旋溝が形成されている。また、回転軸２の外周面にも螺旋溝２２が形成され、これら両螺旋溝は互いに相対回動自在に嵌合している。
【００４７】
このようにすれば、実施例１と同様に、高速回転時における可動回転子５の相対回動による減磁とともに、この可動回転子５の相対回動により可動回転子５が回転軸２の螺旋溝２２に沿って固定回転子３から遠ざかる向きに回動し、これにより一層の減磁効果を奏することができる。なお、上記スリーブの螺旋溝および回転軸２の螺旋溝の結合は、本発明でいう螺旋直線機構を構成している。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の磁束量可変磁石型ロータを示す斜視図である。
【図２】実施例１の磁束量可変磁石型ロータを示す斜視図である。
【図３】実施例１のＡ−Ａ線反矢視模式図である。
【図４】図３の拡大図である。
【図５】実施例１のＡ−Ａ線矢視模式図である。
【図６】図１の相対回動機構周辺の拡大側面図である。
【図７】実施例１の磁束量可変磁石型ロータのつるまきばね周辺の拡大軸方向断面図である。
【図８】実施例１の磁束量可変磁石型ロータを用いた場合の逆起電力特性を示す特性図である。
【図９】実施例２の磁束量可変磁石型ロータを示す模式軸方向断面図（ハッチング省略）である。
【符号の説明】
１回転子（磁束量可変磁石型ロータ）
２回転軸
３固定回転子（固定ロータ）
４固定回転子
５可動回転子（可動ロータ）
６固定回転子の回転子鉄心
７永久磁石
８可動回転子の回転子鉄心
９永久磁石
１０ウエイト（ウエイト、案内子）
１１ウエイトポール（ウエイト、案内子）
１２ポール案内溝（案内溝）
１３回動用案内溝（案内溝）
１４つるまきばね（ばね）

Claims

永久磁石型界磁極を有して回転軸に固定された固定ロータと、
永久磁石型界磁極を有するとともに前記固定ロータに軸方向に隣接して前記固定ロータに対して相対回動可能に前記回転軸に装着された可動ロータと、
を備え、
前記固定ロータ側と前記可動ロータ側とに個別に設けられた一対の案内溝と、前記一対の案内溝中に案内されて径方向へ移動するにつれて前記両ロータを所定角度範囲で相対回動させる案内子とを有する相対回動機構と、
前記案内子に固定されたウエイトと、
両端が前記両ロータに個別に係止されて、又は、前記可動ロータと前記回転軸とに個別に係止されて、電動動作時の前記両ロータの相対回動により前記可動ロータのトルクを前記固定ロータに伝達するばねと、
を備えることを特徴とする磁束量可変磁石型ロータ。
請求項１記載の磁束量可変磁石型ロータにおいて、
前記案内溝は、前記両ロータに軸方向に凹設又は貫設され、
前記案内子の一端部は前記両案内溝の一方に、前記案内子の他端部は前記両案内溝の他方に、移動自在に差し込まれていることを特徴とする磁束量可変磁石型ロータ。
請求項１記載の磁束量可変磁石型ロータにおいて、
前記案内子は、前記ウエイトと一体に形成されていることを特徴とする磁束量可変磁石型ロータ。
請求項１記載の磁束量可変磁石型ロータにおいて、
前記ばねは、コイルバネ又は渦巻き又は弓形ばねからなることを特徴とする磁束量可変磁石型ロータ。
請求項１記載の磁束量可変磁石型ロータにおいて、
前記回転軸に対して軸方向変位自在に前記回転軸に装着された前記可動ロータを、前記可動ロータの前記相対回動につれて前記回転軸に対して軸方向に変位する螺旋直線機構を有することを特徴とする磁束量可変磁石型ロータ。