JP5738609B2 - 可変界磁型回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、可変界磁型回転電機に係り、特に、ロータコアとステータコアとの間の磁束密度を界磁コイルによって可変する可変界磁型回転電機に関する。

回転電機として、同期型または誘導型は、回転磁界によってロータを回転させるものである。この駆動用回転磁界の磁束密度を可変することで、回転電機の制御性を向上させることができる。

例えば、特許文献１には、回転電動機として、筒状に形成されたステータと、このステータの外周に設けられ、磁束を流すことができる界磁ヨークと、回転シャフトに固設されたロータと、界磁コイルとを備える構成が開示されている。そして、界磁コイルに電流を流すことで、界磁ヨークとロータコアとの間に磁気回路を形成することで、ロータコアとステータとの間の磁束密度を変えて、弱め界磁制御、強め界磁制御を行なうことが述べられている。

特許文献２には、インナロータ型可変界磁発電機として、環状部材とボビンでステータを支持し、ステータに電機子コイルを巻回し、ボビンに設けたコイル保持部に界磁制御コイルを巻回する構成が開示されている。ここで、ボビンと環状部材を圧粉磁心材で形成することで、鉄材でこれらを構成したものに比べ、電気抵抗が高くなって渦電流が生じ難くなり、鉄損を低減できると述べられている。

特許文献３には、回転電機として、ステータのコイルエンド部分のデッドスペースを有効利用するために、ステータの中央コアに付加コアを設け、ロータの中央ロータに付加ロータを設ける構成が述べられている。ここでは、付加コアを構成する付加ティースが磁性粉末成形体とし、付加ヨークを軸方向積層電磁鋼板とすることで、鉄損増大と磁気抵抗増大を抑制しつつ、付加ティースの磁束を複雑に曲げることができ、これによって、周方向および軸方向に広い付加ティースの内鍔部からロータ磁束を良好に収集でき、モータ特性を更に向上することができると述べられている。

特開２００８−１８７８２６号公報 特開２００８−９９４４７号公報 特許第４４３２８６８号

可変界磁型回転電機において、界磁ヨークは圧粉磁心体で構成されることが多い。圧粉磁心体は、軟鉄磁粉を加圧成形したものであるので、電磁鋼板に比べ、同じ磁界の下で比較すると、渦電流の発生度が少なく、鉄損を抑制できる利点がある。しかし、粉体を加圧成形したものであるので、強度が低く、また、組み付け等によって応力が与えられるとその特性が変化することがある。さらに、加圧成形によって所望の形状とするために、大型成形装置等が必要となり、コストが割高となる。また、加圧成形のままでは寸法精度が不十分のことがあり、追加の機械加工等を要する場合がある。このように、圧粉磁心体を用いるには課題が多い。

本発明の目的には、圧粉磁心体の使用を抑制できる可変界磁型回転電機を提供することである。他の目的は、鉄損を抑制しながらコスト低減を図ることを可能とする可変界磁型回転電機を提供することである。以下の手段は、これらの目的の少なくとも1つに貢献する。

本発明に係る可変界磁型回転電機は、永久磁石を含むロータと、ステータコアに巻回される電機子コイルを含むステータと、ステータコアよりも軸方向の両端側に配置され、界磁コイルが巻回されて界磁コイルに通電することでロータに向かって磁束を発生する界磁コアと、ステータコアと界磁コアとを接続して固定する部材であって、ステータコアと界磁コアが接する箇所からステータコアの内部に入った箇所を含んで配置され、ステータコアの材料および界磁コアの材料のいずれよりも、同じ磁場における渦電流の発生が少ない材料で構成される固定部材と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る可変界磁型回転電機において、ステータコアは、電磁鋼板で構成され、固定部材は、圧粉磁心体で構成されることが好ましい。

また、本発明に係る可変界磁型回転電機において、界磁コアは、塊状鉄心で構成されることが好ましい。

また、本発明に係る可変界磁型回転電機において、固定部材は、軸方向に垂直な断面形状が矩形形状である板状部材であることが好ましい。

また、本発明に係る可変界磁型回転電機において、固定部材は、軸方向に垂直な断面形状が円形である棒状部材であることが好ましい。

上記構成により、可変界磁型回転電機は、永久磁石を含むロータと、ステータコアに巻回される電機子コイルを含むステータと、界磁コイルが巻回される界磁コアとを備える。そして、ステータコアと界磁コアとを接続して固定する部材として、ステータコアと界磁コアが接する箇所からステータコアの内部に入った箇所を含んで配置され、ステータコアの材料および界磁コアの材料のいずれよりも、同じ磁場における渦電流の発生が少ない材料で構成される固定部材を備える。このように、渦電流発生による鉄損の発生を効果的に抑制しながら、コスト低減を図ることができる。

また、可変界磁型回転電機において、ステータコアは、電磁鋼板で構成され、固定部材は、圧粉磁心体で構成される。圧粉磁心体は、同じ磁場において電磁鋼板よりも渦電流発生度が少ない材料ので、鉄損の発生を効果的に抑制できる。

また、可変界磁型回転電機において、界磁コアは、塊状鉄心で構成される。塊状鉄心は同じ磁場において渦電流発生度が比較的大きい材料であるがコストが安い。そこで、渦電流の発生が多い箇所には圧粉磁心体を用い、渦電流の発生が少ない箇所に塊状鉄心を用いることで、鉄損の発生を効果的に抑制しながら、コスト低減を図ることができる。

また、可変界磁型回転電機において、固定部材は、軸方向に垂直な断面形状が矩形形状である板状部材である。これにより、成形も容易な固定部材となる。また、可変界磁型回転電機において、固定部材は、軸方向に垂直な断面形状が円形である棒状部材である。棒状部材を穴に挿入するようにすることで、固定時の隙間を少なくできる。

本発明に係る実施の形態における可変界磁型の回転電機の構成を示す図である。 図１のＡ部の拡大詳細図である。 本発明に係る実施の形態における可変界磁型の回転電機の分解図である。 本発明に係る実施の形態において、断面形状が矩形の固定部材を用いる様子を説明する図である。 図４において、固定部材が固定される様子を説明する図である。 本発明に係る実施の形態において、断面形状が円形の固定部材を用いる様子を説明する図である。 本発明に係る実施の形態における可変界磁型の回転電機の作用を説明する図である。 図７におけるＦ点の磁束密度の変化の様子を説明する図である。 図７におけるＧ点の磁束密度の変化の様子を説明する図である。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下では、可変界磁型の回転電機として、車両搭載用の三相同期型を説明するが、これ以外の形式であっても、コイルが巻回されるステータと、永久磁石を含むロータを備える回転電機を可変界磁型とするものであればよい。また、車両搭載用以外の用途に用いられるものであってもよい。以下では、ロータの永久磁石をロータコアの先端に設ける構成として説明するが、ロータコアの内部に永久磁石を埋め込む構成としてもよい。

以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。

図１は、車両に搭載される可変界磁型の回転電機１０の構成を示す図で、右側の図は、断面図で、左側の図は、界磁コア４０を省略したときの側面図である。図２は、図１のＡ部を詳細に説明する図で、部分拡大図と、界磁コア４０と固定部材５０の関係を示す斜視図である。図３は、可変界磁型の回転電機１０の分解図である。

可変界磁型の回転電機１０は、ロータ軸１２と、ロータコア２２と永久磁石２４とを含むロータ２０と、ステータコア３２とこれに巻回される巻線を含むステータ３０を備える三相同期型回転電機を基本構成とする。この基本構成に、ステータコア３２よりも軸方向の両端側に配置され、界磁用のコイルが巻回される界磁コア４０と、ステータコア３２と界磁コア４０とを接続して固定する固定部材５０が付加され、界磁用のコイルに通電することで界磁コア４０がロータ２０に向かって磁束を発生する可変界磁型とされる。ここで、ステータコア３２に巻回される巻線と、界磁コア４０に巻回される界磁用のコイルを区別するために、前者の巻線を電機子コイル３４、後者の界磁用のコイルを界磁コイル４６と呼ぶことができる。

ロータ２０は、ロータ軸１２に固定され、ロータコア２２に設けられる永久磁石２４と、ステータ３０の電機子コイル３４に三相交流を通電することで発生する回転磁界との協働作用で回転する回転子である。ロータコア２２は、圧粉磁心体で構成され、永久磁石２４はその径方向に突き出して配置される。図１では、ロータコア２２は円環状の形状として示され、ロータコア２２から８つの突出部が設けられているが、この８つがロータ２０の磁極に相当する。８つのうち、図１で斜線を付した４つが永久磁石で、残りの４つは電磁鋼板で構成される突極部である。

ステータ３０は、内周側で、ロータ２０の外周側に向かい合い、外周側で、図示されていないモータケースに固定されて保持される固定子である。ステータ３０は、ステータコア３２に分布巻あるいは集中巻の方法で巻回される電機子コイル３４に三相交流を通電することで三相回転磁界を生成する。ステータコア３２は、複数の電磁鋼板を積層して形成される。

図１には、ステータコア３２の周方向に沿って電機子コイル３４が巻回されるティース３１が複数配置される様子が示されている。電機子コイル３４はスロット３３と呼ばれる貫通溝に挿入されるが、ティース３１は、隣接するスロット３３の間の電磁鋼板の部分である。ティース３１に巻回される電機子コイル３４は、ステータコア３２の軸方向の両端部で突き出ることになるが、図１ではその部分をコイルエンド３６として示してある。

界磁コア４０は、ステータコア３２よりも軸方向の両端側に配置され、中心にロータ軸１２を通す貫通穴を有する円環状の部材である。内周側には、ロータコア２２の軸方向端部に向かい合うように突出部４２が設けられ、外周側には、ステータコア３２に接続するように突出部４４が設けられる。界磁コア４０は、塊状鉄心で構成される。

塊状鉄心とは、鉄部材を機械加工等で所望の形状に形成したもので、電磁鋼板の積層体よりもコストが安く、圧粉磁心体よりもコストがさらに安い。ただし、同じ磁場において比較すると、電磁鋼板よりも渦電流発生度が多く、圧粉磁心体よりも渦電流発生度がさらに多い。

界磁コイル４６は、界磁コア４０の内周側の突出部４２に巻回される導体である。図１、図３に示されるように、界磁コイル４６としては、突出部４２の外周に沿って環状に配置される部材が用いられる。界磁コイル４６の材質としては、例えば銅を用いることができる。環状に配置される部材の両端は、図示されていない界磁制御回路に接続され、界磁用の電流が供給される。環状の部材は、巻数が１であるが、勿論、複数巻の導体コイルを界磁コイル４６として用いることができる。

固定部材５０は、ステータコア３２と、界磁コア４０の外周側の突出部４４とを接続して固定する部材である。固定部材５０の材質は、同じ磁場においてステータコア３２の材料よりも渦電流発生度が少ない材料で構成される。上記の例では、ステータコア３２の材質は電磁鋼板であるので、電磁鋼板よりも渦電流発生度が少なく、鉄損が少ない材料として、圧粉磁心材が用いられる。界磁コア４０は塊状鉄心であるので、固定部材５０は、同じ磁場において界磁コア４０の材質よりも、渦電流発生度が少ない材料で構成されていることにもなる。

固定部材５０は、界磁コア４０の内周側の突出部４２からの磁束が、ロータ２０とステータコア３２を径方向に流れ、ステータコア３２の円周状端部、すなわち、外周部で、磁束の流れる向きを軸方向に変える箇所を含んで配置される。この箇所が、磁束の変化によって渦電流が発生しやすい箇所である。この箇所に、圧粉磁心材で構成される固定部材５０を配置することで、渦電流の発生を効果的に抑制できる。

ステータコア３２の外周部で界磁コア４０からの磁束がその流れの方向を変えるのは、界磁コア４０の外周側の突出部４４を目指す箇所である。つまり、ステータコア３２と界磁コア４０の外周側の突出部４４が接する箇所から、ステータコア３２の内部に入ったところである。

図１、そのＡ部の拡大図である図２に示されるように、固定部材５０は、ステータコア３２と界磁コア４０の外周側の突出部４４が接する箇所を挟んで、ステータコア３２と界磁コア４０の外周側の突出部４４とにまたがって、固定部材５０が配置される。

渦電流の発生抑制の観点から言えば、上記のように、ステータコア３２と界磁コア４０の外周側の突出部４４が接する箇所から、ステータコア３２の内部に入ったところに固定部材５０を配置すれば十分である。しかし、場合によっては、界磁コア４０に入ったところまで磁束の流れる方向の変化が及ぶこともある。また、ステータコア３２と界磁コア４０とを接続して固定する観点からは、ステータコア３２と界磁コア４０の外周側の突出部４４とにまたがって固定部材５０を配置することが好ましい。このようなことから、図１から図３の例では、ステータコア３２と界磁コア４０の外周側の突出部４４とにまたがって固定部材５０を配置されている。

固定部材５０は、界磁コア４０に当接するように配置される。図２に示されるように、界磁コア４０の外周側の突出部４４は段付構造となっていて、その段付のところに、固定部材５０の一方端の側面の１つと底面とが突き当てられる。固定部材５０の他方端は、ステータコア３２に設けられる挿入穴５２（図３参照）に挿入される。

もっとも、固定部材５０を界磁コア４０に挿入する構造としてもよい。その場合には、界磁コア４０の外周側の突出部４４に、固定部材５０の挿入穴が設けられる。このようにすることで、固定部材５０は、界磁コア４０とステータコア３２の内部に埋め込まれた形態となる。これによって、引張強度等が低い圧粉磁心体である固定部材５０に外力が直接加わらないようにでき、衝撃、外力等から保護することができる。また、ステータコア３２と界磁コア４０との間の接続がより確実になる。そのような形態も可能であることを明らかにするために、図４以下では、固定部材５０を界磁コア４０とステータコア３２に挿入する構造を例として、説明を続ける。

図４と、図５は、回転電機１０の中で、どのようにして固定部材５０が固定保持されるかを説明する図である。図４は、回転電機１０において、界磁コア４０とステータコア３２が接触する面で切断した断面図である。ここでは、固定部材５０として、断面形状が矩形のものが用いられている。固定部材５０は、界磁コア４０の外周側の突出部４４の周方向に、中心からの見込み角度で３０度おきに配置され、１周では、１２個配置される。もっとも、この配置数は、適当に変更することができる。

図５は、図４で示すＣ−Ｃ線、Ｄ−Ｄ線、Ｅ−Ｅ線に沿って回転電機１０を切断したときのそれぞれの断面図である。Ｃ−Ｃ線に沿った断面図は、図１、図２で説明した断面図と同様な内容で、固定部材５０は、界磁コア４０の外周側の突出部４４と、ステータコア３２との間に配置されている。ここでは、固定部材５０を固定保持する要素が現われてこない。

Ｄ−Ｄ線に沿った断面図は、モータケース１４が現われる。そして、締結部材であるネジ１５で、２つの界磁コア４０とステータコア３２とが、しっかりとモータケース１４に固定される。これによって、固定部材５０も、界磁コア４０とステータコア３２によってしっかりと挟み込まれて固定される。

Ｅ−Ｅ線に沿った断面図は、ステータコア３２が外周側に延びて、締結部材であるネジ１７が設けられる箇所の断面図に相当する。ここでは、締結部材であるネジ１７で、２つの界磁コア４０によって、ステータコア３２がしっかりと挟み込まれる。これによって、固定部材５０も、界磁コア４０とステータコア３２によってしっかりと挟み込まれて固定される。

このように、固定部材５０は、特別な接着材等を用いることなく、回転電機１０に適当に設けられたネジ１５，１７等の締結部材で、ステータコア３２と界磁コア４０とにしっかり挟み込まれて固定される。換言すれば、このようにして、固定部材５０を介して、ステータコア３２と界磁コア４０とがしっかりと接続され固定される。

上記では固定部材５０は、断面形状が矩形であるとして説明した。断面形状を矩形とするときは、圧粉磁心体を小さく角材形状にして用いることができるので、圧粉磁心体の加工を簡易なものとできる。

ここで、断面形状が円形である固定部材７０とすることができる。図６は、そのような固定部材７０を用いる例を説明する図である。図６は、図４に対応する図で、回転電機１０において、界磁コア４０とステータコア３２が接触する面で切断した断面図である。固定部材７０は、界磁コア４０の外周側の突出部４４の周方向に沿って、円柱の軸方向を回転電機１０の軸方向に平行として、予め定めた間隔で配置される。

断面形状が円形の固定部材７０を用いることで、固定部材７０の成形精度の向上、強度の向上、密度の向上が期待できる。また、ステータコア３２の挿入穴との隙間を、断面形状が矩形の場合に比べ、少なくすることが可能になるので、組付性が向上する。

上記構成の作用を図7から図９を用いて説明する。図７の右側の図は、図１に対応する図で、回転電機１０において、界磁コイル４６に通電したときに、界磁コイル４６によって生成された磁束がどのように流れるかを説明する図である。図７の左側の図は、右側の図のＢ部の拡大図である。

界磁コイル４６に図７の右の図に示される方向に界磁電流が流されると、図で左側の界磁コア４０からは、内周側の突出部４２から図の右方向に磁束が流れ、図で右側の界磁コア４０からは、内周側の突出部４２から図の左方向に磁束が流れる。このように、左右の界磁コイル４６に流される電流は、左右の界磁コイル４６が生成する磁束の流れる向きが互いに逆になるように設定される。

図７の界磁コイル４６への電流の向きの設定の場合には、左右の界磁コア４０の内周側の突出部４２から磁束がロータ２０のロータコア２２に互いに向かい合う方向で流れ込む。互いに向かい合う方向で流れ込んだ磁束は、永久磁石２４を経て、径方向に平行な流れとなって、ステータコア３２の外周側に向かう。

このように、界磁コイル４６に界磁電流を流すことで、ロータ２０に磁束を供給することができる。ステータ３０の電機子コイル３４によって生成される磁束に対し、界磁コイル４６によって供給される磁束が同じ方向であれば、いわゆる強め界磁となる。逆に、ステータ３０の電機子コイル３４によって生成される磁束に対し、界磁コイル４６によって供給される磁束が反対方向であれば、いわゆる弱め界磁となる。

次に、径方向に平行な流れとなってステータコア３２の外周側に向かった磁束は、ステータコア３２の外周側で、今度は、左右の界磁コア４０の外周側の突出部４４へ向かう。そのときに、磁束の流れの方向が変わる。その磁束の流れの変化によって、渦電流が生じる。このように、渦電流は、ステータコア３２の外周部で、磁束の流れる向きが径方向から軸方向に変える箇所で生じる。図７に示されるように、その箇所は、ステータコア３２と界磁コア４０の外周側の突出部４４が接する箇所から、ステータコア３２の内部に入ったところである。

その渦電流が発生しやすい箇所に、固定部材５０が配置される。固定部材５０は、圧粉磁心体で構成されるので、ステータコア３２を構成する電磁鋼板のままの場合に比べ、渦電流の発生を少なくでき、鉄損を抑制できる。

図８と図９は、図７におけるＦ点とＧ点における磁束の変化の様子を示す図である。Ｆ点は、界磁コア４０の外周側の突出部４４の根元部の位置で、ステータコア３２を径方向に流れてきた磁束が方向を軸方向に変えて、再び界磁コア４０に戻ってきた位置に当る。Ｇ点は、界磁コア４０の内周側の突出部４２の先端部の位置で、界磁コイル４６によって生成された磁束がロータコア２２に流れ出す位置に当る。

図８と図９の横軸は、回転電機１０が回転動作するときの電気角で、縦軸は、磁束密度である。回転動作するときの電気角は、時間に換算できるので、図８と図９は、磁束密度の時間的変化を示す図に相当する。

図８から、Ｆ点においては磁束密度の時間変化があることが分かる。したがって、その上流側で、磁束の流れの方向が変化するところでは、さらに大きな磁束密度の時間的変化が生じていることが推測される。その箇所が電磁鋼板のままであれば、大きな渦電流が生じ、大きな鉄損が生じることになる。その箇所に、電磁鋼板に代えて、圧粉磁心体である固定部材５０を配置することで、渦電流の発生を少なくし、鉄損を抑制することができる。

これに対し、図９に示されるように、Ｇ点では、磁束密度の時間的変化がほとんど認められない。このように磁束密度の時間的変化がほとんどないところでは、渦電流もほとんど発生せず、鉄損もほとんど認められない。このような箇所には、圧粉磁心体を用いる必要がなく、電磁鋼板よりも安価な塊状鉄心を用いることができる。これが、界磁コア４０に塊状鉄心を用いることができる理由である。

このように、大きな渦電流の発生がある箇所には、圧粉磁心体を用い、渦電流がほとんど発生しない箇所には塊状鉄心を用いることができる。このように、磁束変動に応じた材質の使い分けを行なうことで、従来技術のように、圧粉磁心体の界磁コアを用いるに比べて、圧粉磁心体の使用を抑制できる。また、鉄損を抑制しながらコスト低減を図ることができる。

本発明に係る可変界磁型回転電機は、車両搭載の回転電機に利用できる。

１０ 回転電機、１２ ロータ軸、１４ モータケース、１５，１７ ネジ、２０ ロータ、２２ ロータコア、２４ 永久磁石、３０ ステータ、３１ ティース、３２ ステータコア、３３ スロット、３４ 電機子コイル、３６ コイルエンド、４０ 界磁コア、４２，４４ 突出部、４６ 界磁コイル、５０，７０ 固定部材、５２ 挿入穴。

Claims (5)

1. 永久磁石を含むロータと、
   ステータコアに巻回される電機子コイルを含むステータと、
   ステータコアよりも軸方向の両端側に配置され、界磁コイルが巻回されて界磁コイルに通電することでロータに向かって磁束を発生する界磁コアと、
   ステータコアと界磁コアとを接続して固定する部材であって、ステータコアと界磁コアが接する箇所からステータコアの内部に入った箇所を含んで配置され、ステータコアの材料および界磁コアの材料のいずれよりも、同じ磁場における渦電流の発生が少ない材料で構成される固定部材と、
   を備えることを特徴とする可変界磁型回転電機。
2. 請求項１に記載の可変界磁型回転電機において、
   ステータコアは、電磁鋼板で構成され、
   固定部材は、圧粉磁心体で構成されることを特徴とする可変界磁型回転電機。
3. 請求項２に記載の可変界磁型回転電機において、
   界磁コアは、塊状鉄心で構成されることを特徴とする可変界磁型回転電機。
4. 請求項２に記載の可変界磁型回転電機において、
   固定部材は、軸方向に垂直な断面形状が矩形形状である板状部材であることを特徴とする可変界磁型回転電機。
5. 請求項２に記載の可変界磁型回転電機において、
   固定部材は、軸方向に垂直な断面形状が円形である棒状部材であることを特徴とする可変界磁型回転電機。

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