JP5402009B2 - 可変特性回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、径方向内外にラジアルギャップを持たせて配したロータおよびステータを具えるラジアルギャップ型回転電機に関し、特に動作特性を可変にしたラジアルギャップ型可変特性回転電機に関するものである。

この種の可変特性回転電機としては従来、例えば特許文献1に記載のようなものが知られている。
この可変特性回転電機は、ラジアルギャップが存在するよう径方向内外に配置してロータおよびステータを具え、これらロータおよびステータ間に発生した誘起電圧により動作するものである。

上記回転電機の動作特性を変化させるに際しては、ロータおよびステータを軸線方向へ相対変位させてラジアルギャップ領域を変化させ、これにより上記の誘起電圧を変化させて回転電機の動作特性を変化させる。

特開２００２−３００７６０号公報

しかし従来のように、ロータおよびステータの軸線方向相対変位によりラジアルギャップ領域を変化させることのみで上記の誘起電圧（回転電機の動作特性）を変化させるのでは、
回転電機の所定の動作特性変化を惹起させるのに大きなロータおよびステータ間の軸線方向相対変位量が必要となり、
可変特性回転電機の軸線方向寸法が大きくなって、その大型化を避けられないという問題を生ずる。

本発明は上記の問題に鑑み、従来よりも小さなロータおよびステータ間の軸線方向相対変位量で所定の誘起電圧変化（回転電機の動作特性変化）を惹起させ得て、軸線方向寸法を小さくし得るようにしたラジアルギャップ型可変特性回転電機を提供することを目的とする。

この目的のため、本発明による可変特性回転電機は、請求項１に記載のごとく、
径方向内外にラジアルギャップを持たせて配したロータおよびステータを具え、これらロータおよびステータを軸線方向へ相対変位させて誘起電圧を可変にするようにした可変特性回転電機において、
前記ロータおよびステータ間に、これらロータおよびステータの前記軸線方向相対変位で大きさが変化するアキシャルギャップを設け、
該アキシャルギャップを、大きさの変化方向が相互逆向きとなる一対1組のアキシャルギャップで構成し、
一方のアキシャルギャップに磁石を設けて、該磁石に対し反発力を付与する電磁制御により、ロータおよびステータの前記軸線方向相対変位を生起させ、他方のアキシャルギャップを小さくするよう構成したことを特徴とするものである。

かかる本発明の可変特性回転電機によれば、ロータおよびステータの軸線方向相対変位で、ラジアルギャップ領域が変化するのみならず、アキシャルギャップの大きさも変化し、これらの組み合わせになり前記の誘起電圧（回転電機の動作特性）が変化されることとなる。

このため、回転電機の所定の動作特性変化を惹起させるのに、従来よりも小さなロータおよびステータ間の軸線方向相対変位量で目的を達成し得ることとなり、
その分だけ可変特性回転電機の軸線方向寸法を小さくし得て、その小型化を実現することができる。
加えて、ロータおよびステータ間の上記軸線方向相対変位を、一方のアキシャルギャップに設けた磁石に対し反発力を付与する電磁制御により生起させるため、当該相対変位のために専用のアクチュエータを設ける必要がなく、コスト上大いに有利であると共に、回転電機の更なる小型化を実現することができる。

本発明の参考例になる可変特性回転電機を示し、 (a)は、低回転時の動作特性が選択されている状態で示す可変特性回転電機の要部拡大断面図、 (b)は、高回転時の動作特性が選択されている状態で示す可変特性回転電機の要部拡大断面図である。 本発明の第1実施例になる可変特性回転電機を示し、 (a)は、低回転時の動作特性が選択されている状態で示す可変特性回転電機の要部拡大断面図、 (b)は、高回転時の動作特性が選択されている状態で示す可変特性回転電機の要部拡大断面図である。 図2の可変特性回転電機に供給する複合電流を例示する電流波形図である。 本発明の第2実施例になる可変特性回転電機を示し、 (a)は、低回転時の動作特性が選択されている状態で示す可変特性回転電機の要部拡大断面図、 (b)は、高回転時の動作特性が選択されている状態で示す可変特性回転電機の要部拡大断面図である。

以下、本発明の実施の形態を、図示の参考例および第1実施例〜第2実施例に基づき詳細に説明する。
＜参考例＞
図1は、本発明の参考例になる可変特性回転電機を示し、同図(a)は、低回転時に好適な動作特性となるような状態で示す要部拡大断面図、同図(b)は、高回転時に好適な動作特性となるような状態で示す要部拡大断面図である。

図1において、1はロータを示し、2はステータを示す。
ステータ2は円環状とし、その外周面をハウジング3内に嵌着する。
ロータ1をステータ2内に同心に配置し、ロータ軸4上に回転自在に、且つ、軸線方向変位可能に支持する。

かように径方向内外に配したロータ1およびステータ2のうち、ロータ1は、回転界磁鉄心5と、その外周面5aに貼設した永久磁石6とで構成する。
永久磁石6は、N極永久磁石とS極永久磁石とを回転界磁鉄心外周面5aの円周方向に交互に配置したものとなす。

ステータ2は、電機子鉄心7に電機子巻線8を巻装したものとし、全体として前記したごとく円環状に構成する。
電機子鉄心7の内周面と、電磁石6との間には、つまりステータ2とロータ1との間には、ラジアルギャップ9を設定する。

本参考例においては特に、回転界磁鉄心5の軸線方向両側に径方向外方へ延在するフランジ5b,5cを設ける。
そして当該フランジ5b,5cを、電機子鉄心7の内周部と軸線方向に重合するような外径として、フランジ5b,5cと、電機子鉄心7の内周部との間、つまりステータ2とロータ1との間に、アキシャルギャップ20L,10Rを設定する。

なお、ロータ1がステータ2に対し図1(a)に示す軸線方向中立位置にあるとき、両側におけるアキシャルギャップ10L,10Rは共に等しくなり、
このときにおけるアキシャルギャップ10L,10R の大きさが、回転電機の動作特性に影響することのない大きさとなるよう、フランジ5b,5c間の間隔を決定する。

上記した参考例になる可変特性回転電機の作用を以下に説明する。
低回転時は、図1(b)に示すアクチュエータ11により、ロータ1をステータ2に対し図1(a)に示す軸線方向中立位置となす。
このとき両側におけるアキシャルギャップ10L,10R は共に、回転電機の動作特性に影響することのないほど大きな同じ大きさとなる。

この場合、回転電機は両側におけるアキシャルギャップ10L,10R による影響を受けることなく、ロータ1およびステータ2間に発生した誘起電圧により、対応した低回転時用の特性をもって動作することができる。

上記回転電機の動作特性を変化させるに際しては、回転上昇につれアクチュエータ11によりロータ1をステータ2に対し、図1(a)に示す軸線方向中立位置、つまり図1(b)に破線で示す位置から、図1(b)に実線で示す位置に向け軸線方向へ相対変位させる。
かかるロータ1の軸線方向変位に伴ってラジアルギャップ9の領域が変化し、これにより上記の誘起電圧が変化して回転電機の動作特性を、回転上昇に伴い要求される特性へと変化させることができる。

上記したロータ1の軸線方向変位に伴って、図1の左側におけるアキシャルギャップ10Lは、同図(b)に示すように小さくなり、これにより磁気短路αが形成されることとなる。
この磁気短路αは、上記したラジアルギャップ9の領域変化と共に、上記誘起電圧変化を惹起して、回転電機の動作特性を変化させる。

つまり本参考例によれば、ロータ1およびステータ2の上記軸線方向相対変位中に、ラジアルギャップ9の領域が変化するのみならず、図1の左側におけるアキシャルギャップ10Lの大きさも、回転電機の特性変化に関与するよう低下し、これらの組み合わせになり上記した誘起電圧（回転電機の動作特性）の変化が生起されることとなる。

このため、回転電機の所定の動作特性変化を惹起させるのに、従来よりも小さなロータ1およびステータ2間の軸線方向相対変位量で目的を達成し得ることとなり、
その分だけ可変特性回転電機の軸線方向寸法を小さくし得て、その小型化を実現することができる。

＜第1実施例＞
図2は、本発明の第1実施例になる可変特性回転電機の要部を示し、同図(a)は、低回転時に好適な動作特性となるような状態で示す要部拡大断面図、同図(b)は、高回転時に好適な動作特性となるような状態で示す要部拡大断面図である。

本実施例においては、基本的に図1に示す参考例と同様な構成を踏襲するが、ロータ1およびステータ2の軸線方向相対変位を、図1(b)に例示するような専用のアクチュエータ11で行う代わりに、回転電機内に組み込んだ電磁制御部により行うようになす。

このため図2 (a), (b)に示すごとく、ロータ1およびステータ2の上記軸線方向相対変位時に大きくなる方のアキシャルギャップ10R、詳しくはフランジ5cに、N極とS極との円周方向交互配置になる永久磁石12を設ける。
そしてこの永久磁石12に対し反発力を付与する電磁制御により、ロータ1およびステータ2の上記軸線方向相対変位を生起させて、他方のアキシャルギャップ10Lを小さくするようになす。

ところで、図3に破線で例示するような上記電磁制御（ロータ1およびステータ2の軸線方向相対変位）のための電流は、図3に実線で示すような回転電機駆動用の電流と複合させて電機子巻線8に供給する。
かくして高回転時は上記複合電流の増大により、ロータ1およびステータ2の上記軸線方向相対変位が大きくなり、回転上昇につれ上記他方のアキシャルギャップ10Lを小さくすることができる。

上記した第1実施例になる可変特性回転電機の作用を以下に説明する。
低回転時は、上記複合電流が小さく、ロータ1はステータ2に対し図2(a)に示す軸線方向中立位置となる。
このとき両側におけるアキシャルギャップ10L,10R は共に、回転電機の動作特性に影響することのないほどに大きい。

この場合、回転電機は両側におけるアキシャルギャップ10L,10R による影響を受けることなく、ロータ1およびステータ2間に発生した誘起電圧により、対応した低回転時用の特性をもって動作することができる。

回転電機の回転上昇につれ上記複合電流が大きくなり、永久磁石12に対する反発力が増大して、ロータ1をステータ2に対し、図2(a)に示す軸線方向中立位置、つまり図2(b)に破線で示す位置から、図2(b)に実線で示す位置に向け軸線方向へ相対変位させる。
かかるロータ1の軸線方向変位に伴ってラジアルギャップ9の領域が変化し、これにより上記の誘起電圧が変化して回転電機の動作特性を、回転上昇に伴い要求される特性へと変化させることができる。

上記したロータ1の軸線方向変位に伴って、図2の左側におけるアキシャルギャップ10Lは、同図(b)に示すように小さくなり、これにより磁気短路αが形成されることとなる。
この磁気短路αは、上記したラジアルギャップ9の領域変化と共に、上記誘起電圧変化を惹起して、回転電機の動作特性を変化させる。

つまり本実施例によれば、ロータ1およびステータ2の上記軸線方向相対変位中に、ラジアルギャップ9の領域が変化するのみならず、図2の左側におけるアキシャルギャップ10Lの大きさも、回転電機の特性変化に関与するよう低下し、これらの組み合わせになり上記した誘起電圧（回転電機の動作特性）の変化が生起されることとなる。

このため第1実施例においても、回転電機の所定の動作特性変化を惹起させるのに、従来よりも小さなロータ1およびステータ2間の軸線方向相対変位量で目的を達成し得ることとなり、
その分だけ可変特性回転電機の軸線方向寸法を小さくし得て、その小型化を実現することができる。

しかも本実施例においては、上記の特性変化を生じさせるのに必要なロータ1およびステータ2の軸線方向相対変位を、図1(b)に例示するような専用のアクチュエータ11で行うのではなく、回転界磁鉄心フランジ5cに設けた永久磁石12に対し反発力を付与する電磁制御により生起させるため、以下の作用効果をも奏し得る。

つまり上記電磁制御（ロータ1およびステータ2の軸線方向相対変位）のための電流を、図3につき前述したごとくに回転電機駆動用の電流と複合させて電機子巻線8に供給することで所期の目的を達成することができる。
このため、ロータ1およびステータ2の上記軸線方向相対変位を行うための、図1(b)に例示するような専用のアクチュエータ11が不要であってコスト上大いに有利であると共に、回転電機の更なる小型化を実現することができる。

＜第2実施例＞
図4は、本発明の第2実施例になる可変特性回転電機の要部を示し、同図(a)は、低回転時に好適な動作特性となるような状態で示す要部拡大断面図、同図(b)は、高回転時に好適な動作特性となるような状態で示す要部拡大断面図である。

本実施例においては、基本的に図2に示す第1実施例と同様な構成を踏襲するが、ロータ1およびステータ2の軸線方向相対変位を、ロータ軸4によって規定し得るようになす。
このため図4に示すごとく、ロータ1の回転界磁鉄心5をロータ軸4上にボールスプライン13を介して軸線方向変位可能に回転係合させる。

そしてロータ1の回転界磁鉄心5を、ロータ軸4上のフランジ4a,4b間に挟むと共に、フランジ4bおよび回転界磁鉄心5間に皿バネなどの弾性手段14を介在させて、回転界磁鉄心5をフランジ4aに当接した図4(a)の位置に弾支する。
なお、かかる回転界磁鉄心5の弾支位置が、図2(a)の中立位置と同じになるようフランジ4aの位置を設定するのは言うまでもない。

一方でフランジ4bには、回転界磁鉄心5が弾性手段14に抗して軸線方向変位するときにおける限界位置を、図4(b)に示す位置に規定するストッパ15を設ける。
図4(b)に示す回転界磁鉄心5の軸線方向限界位置は、図2(b)に示す位置に同じとする。

上記した第2実施例になる可変特性回転電機の作用は、前記した第1実施例と同じであり、これと同様な作用効果を奏し得るため、ここでは重複説明を避け、新たに奏し得ることとなった作用効果のみについて以下に詳述する。

つまり第2実施例においては、アキシャルギャップ10Lを小さくするロータ1およびステータ2の軸線方向相対変位に制限を付与するストッパ15を設けて、図4(b)に示すごとくアキシャルギャップ10Lが、図2(b)に示すと同じ下限値未満になるのを防止するため、
アキシャルギャップ10Lを小さくするロータ1およびステータ2の軸線方向相対変位のための電流を微妙に制御しなくても、この電流を最大値にするだけで高回転時の特性を難なく得ることができ、制御性が向上する。

また第2実施例においては、ロータ1をボールスプライン13でロータ軸4上に軸線方向変位可能に回転係合させ、ストッパ15をこれらロータ1およびロータ軸4間に設けたため、
ロータ1をストッパ15に押し付けた図4(b)の高回転用特性選択時において、これらロータ1およびストッパ15間に相対回転が発生することがなく、摩耗に関する問題を回避することができる。

1 ロータ
2 ステータ
3 ハウジング
4 ロータ軸
5 回転界磁鉄心
5b,5c フランジ
6 永久磁石
7 電機子鉄心
8 電機子巻線
9 ラジアルギャップ
10L,10R アキシャルギャップ
11 アクチュエータ
12 永久磁石
13 ボールスプライン
14 皿バネ
15 ストッパ

Claims (4)

1. 径方向内外にラジアルギャップを持たせて配したロータおよびステータを具え、これらロータおよびステータを軸線方向へ相対変位させて誘起電圧を可変にするようにした可変特性回転電機において、
   前記ロータおよびステータ間に、これらロータおよびステータの前記軸線方向相対変位で大きさが変化するアキシャルギャップを設け、
   該アキシャルギャップを、大きさの変化方向が相互逆向きとなる一対1組のアキシャルギャップで構成し、
   一方のアキシャルギャップに磁石を設けて、該磁石に対し反発力を付与する電磁制御により、ロータおよびステータの前記軸線方向相対変位を生起させ、他方のアキシャルギャップを小さくするよう構成したことを特徴とする可変特性回転電機。
2. 請求項1に記載の可変特性回転電機において、
   前記電磁制御のための電流を、回転電機駆動用の電流と複合させて、高回転時は該複合電流の増大により、ロータおよびステータの前記軸線方向相対変位を大きくし、前記他方のアキシャルギャップを小さくするよう構成したことを特徴とする可変特性回転電機。
3. 請求項1または2に記載の可変特性回転電機において、
   前記他方のアキシャルギャップを小さくするロータおよびステータの前記軸線方向相対変位に制限を付与するストッパを設けて、前記他方のアキシャルギャップが下限値未満になるのを防止するよう構成したことを特徴とする可変特性回転電機。
4. 請求項3に記載の可変特性回転電機において、
   前記ロータをロータ軸上に軸線方向変位可能に回転係合させ、前記ストッパをこれらロータおよびロータ軸間に設けたことを特徴とする可変特性回転電機。

Images