JP5798072B2 - 回転機 - Google Patents

Description

本発明は、ステータコアまたはロータコアの一方に、電機子巻線（アーマチャコイル）と界磁巻線（フィールドコイル）の両方を設けた回転機（モータまたはジェネレータ）に関する。

ステータコアまたはロータコアの一方に、電機子巻線と界磁巻線の両方を設けた回転機の一例として、特許文献１に開示される技術が知られている。
特許文献１の技術を図５を参照して説明する。なお、後述する「発明を実施するための形態」および「実施例」と同一機能物に同一符号を付したものである。
特許文献１は、図５に示すように、ステータコア５に「ロータ駆動用の電機子巻線２」と「磁界発生用の界磁巻線３および永久磁石４」を設けたハイブリッド界磁タイプ（デュアル界磁タイプ）のスイッチングモータを開示するものである。

図５に示すスイッチングモータは、ステータコア５に３相の電機子巻線２を装着し、ロータコア１に８個のロータティース１１を設けた所謂６Ｓ８Ｐタイプである。この６Ｓ８Ｐタイプのスイッチングモータは、作動の際、８個のロータティース１１のうち９０°間隔の４個のロータティース１１が順次切り替わってステータティース８に磁気吸引されてロータが回転する。

このように、６Ｓ８Ｐタイプのスイッチングモータは、８個のロータティース１１のうち、半分の４個のロータティース１１が駆動トルクを発生し、残りの４個のロータティース１１（ロータティース１１の半数）がトルク発生に寄与しない。即ち、トルク発生に寄与しないステータティース８の数が、８個中４個と多い。
このため、図２の実線Ｂに示すように、界磁巻線３に付与する電流を高めても、発生トルクの上限が低くなってしまい、出力トルクの向上が困難になっていた。

米国特許出願公開第２０１０／００３８９７８号明細書

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、「仕事をする突極の割合」を増やして出力（駆動出力または発電出力）を高めることのできる回転機の提供にある。
即ち、
（ｉ）本発明をモータ（電動機）に適用する場合には、「トルク発生に寄与する突極の割合」を増やして駆動出力を高めることを目的とし、
（ｉｉ）本発明をジェネレータ（発電機）に適用する場合には、「磁束の受渡しを行う突極の割合」を増やして発電出力を高めることを目的とするものである。

本発明の回転機は、電機子巻線を、回転方向（周方向）に２個のスロットを飛ばしたスロット内に配置し、その間の２個のスロット内（電機子巻線が配置されない回転方向で隣接する２個のスロット内）に界磁巻線を配置する構造を採用する。
これにより、磁束の受渡しを行う突極の割合を増やすことができる。即ち、仕事をする突極の割合を増やすことができ、逆に仕事をしていない突極の割合を減らすことができる。その結果、回転機の出力（駆動出力または発電出力）を高めることができる。

（ａ）６Ｓ８Ｐタイプのスイッチングモータの概略図、（ｂ）スイッチングモータの要部概略図である（実施例１）。 界磁電流と出力トルクとの関係を示すグラフである（実施例１）。 ６Ｓ８Ｐタイプのスイッチングモータの概略図である（実施例２）。 （ａ）永久磁石に減磁が生じる説明図、（ｂ）永久磁石の減磁を防ぐスイッチングモータの要部概略図である（実施例３）。 ６Ｓ８Ｐタイプのスイッチングモータの概略図である（従来例）。

図面を参照して［発明を実施するための形態］を説明する。
この実施形態の回転機は、ハイブリッド界磁タイプのスイッチングモータであり（限定するものではない）、
（ａ）ロータコア１を駆動する複数の電機子巻線２と、
（ｂ）磁界を生じさせる複数の界磁巻線３と、
（ｃ）磁界を増強させる複数の永久磁石４と、
がステータコア５に設けられる。

電機子巻線２および界磁巻線３は、ステータコア５の回転方向に複数設けられる電機子スロット６および界磁スロット７に配置される。ここで、電機子スロット６および界磁スロット７のそれぞれは、回転方向に複数設けられたステータティース８の各間に設けられるものである。
具体的に、
・電機子巻線２は、回転方向に２個の界磁スロット７を飛ばした電機子スロット６内に配置されるものであり、
・界磁巻線３は、２個の電機子スロット６の間（回転方向の間）の２個の界磁スロット７内（電機子巻線２が配置されない回転方向で隣接する２個のスロット内）に配置されるものである。

以下において本発明の具体的な一例（実施例）を、図面を参照して説明する。以下の実施例は一例であって、本発明が実施例に限定されないことはいうまでもない。
なお、以下の実施例において、上記「発明を実施するための形態」と同一符号は同一機能物を示すものである。

［実施例１］
図１、図２を参照して実施例１を説明する。
この実施例は、６Ｓ８Ｐタイプで、且つハイブリッド界磁タイプのスイッチングモータに本発明を適用したものであり、このスイッチングモータは、モータハウジングを介して車両等に固定支持されるステータと、このステータによって回転駆動されるロータとを備える。

ステータは、複数の電機子巻線２、複数の界磁巻線３、複数の永久磁石４、およびこれらが設けられるステータコア５を備えて構成される。
ロータは、ロータ軸（出力軸）９によって回転自在に支持されたロータコア１を備えて構成される。
なお、スイッチングモータの用途は限定されるものではないが、一例として、電気自動車やハイブリッド車両など、車両走行用（車両駆動用）に用いられるものである。

（ステータコア５の説明）
ステータコア５は、機械角３６０°の間に等間隔で配置された１８個のステータティース８と、各ステータティース８を回転方向に磁気的に結合するバックヨーク１０とを備える。

具体的に、この実施例１のスイッチングモータは、ステータコア５の内側にロータコア１が配置されるインナーロータタイプである。
このため、この実施例のステータコア５は、モータハウジング内（具体的には筒状を呈するヨーク内）に固定配置される円環状のバックヨーク１０と、このバックヨーク１０から内径方向に突出する１８個のステータティース８とを備える。
さらに具体的に説明すると、ステータコア５は、表面に絶縁膜が形成された電磁鋼板（軟鉄板、 珪素鋼板、アモルファス金属板等）を多数積層したものである。

（ロータコア１の説明）
ロータコア１は、機械角３６０°の間に等間隔で配置された８個のロータティース１１と、各ロータティース１１を回転方向に磁気的に結合するとともにロータ軸９に結合するリングコア１２とを備える。

具体的に、この実施例１のスイッチングモータは、上述したようにインナーロータタイプである。
このため、この実施例のロータコア１は、モータハウジングに対して軸受を介して回転自在に支持されたロータ軸９の周囲に固定されるリングコア１２と、このリングコア１２から外径方向に突出する８個のロータティース１１とを備える。
さらに具体的に説明すると、ロータコア１は、上述したステータコア５と同様、表面に絶縁膜が形成された電磁鋼板（軟鉄板、 珪素鋼板、アモルファス金属板等）を多数積層したものである。

なお、ステータコア５の軸芯とロータコア１の軸芯は同軸（同芯）に配置されるものであり、ロータコア１が回転する際に、ステータティース８とロータティース１１は非接触で、且つステータティース８とロータティース１１が対向する状態においてステータティース８とロータティース１１の間に磁束の受渡しが可能な磁気ギャップが形成されるものである。

（電機子巻線２の説明）
ステータコア５には、ロータコア１を駆動するための複数の電機子巻線２が設けられる。具体的にこの実施例のスイッチングモータは、６Ｓ８Ｐタイプであり、２つのＵ相電機子巻線、２つのＶ相電機子巻線、２つのＷ相電機子巻線よりなる合計６つの電機子巻線２が用いられる。

６つの独立した電機子巻線２のそれぞれは、各ステータティース８の回転方向間に形成される各スロットのうちの電機子スロット６の内部に配置される。
具体的に、それぞれの電機子巻線２は、図１（ｂ）に示すように、回転方向に２個の界磁スロット７を飛ばした電機子スロット６の内部に配置される。
なお、６つの電機子巻線２は、一方の回転方向に、Ｕ相電機子巻線、Ｖ相電機子巻線、Ｗ相電機子巻線、Ｕ相電機子巻線、Ｖ相電機子巻線、Ｗ相電機子巻線の順で配置されるものである。

（界磁巻線３の説明）
ステータコア５には、ステータティース８の内径方向に向かう磁界を生じさせる複数の界磁巻線３が設けられる。この界磁巻線３は、上述した電機子巻線２と同数用いられる。即ち、この実施例では界磁巻線３が６つ用いられる。

６つの界磁巻線３のそれぞれは、各ステータティース８の回転方向間に形成される各スロットのうちの界磁スロット７（上述した電機子巻線２が配置されないスロット）の内部に配置される。
具体的に、それぞれの界磁巻線３は、図１（ｂ）に示すように、回転方向で隣接する２個の界磁スロット７の内部（回転方向で２個の電機子スロット６に挟まれる２個のスロットの内部）に配置される。

（永久磁石４の説明）
ステータコア５には、各界磁巻線３が励磁するステータティース８の内径先端に、界磁巻線３の励磁による磁極と同極の磁束を付与する複数の永久磁石４が設けられる。
この実施例の永久磁石４は、図１（ｂ）に示すように、界磁巻線３と同一の界磁スロット７内に配置される。それぞれの永久磁石４の磁極方向は、周方向に沿うものであり、且つ周方向で隣接する永久磁石４と反発する方向に配置されている。
そして、この永久磁石４によりステータティース８に与えられた磁束は、界磁巻線３の生じる磁束により磁束方向が曲げられ、ステータティース８の内径方向に向かう磁界を増強させる。

なお、この実施例では、永久磁石４を界磁巻線３より界磁スロット７の内径側に配置する例を示すが、限定するものではない。
また、永久磁石４の種類は限定されるものではないが、温度上昇に対する減磁の少ないアルニコ磁石、小型で大きな磁力を発生する希土類磁石（ネオジウム磁石等）、あるいは安価なフェライト磁石などが好ましいものである。

（各磁極の説明）
ステータは、図１（ｂ）に示すように、「回転方向に連続する３つのステータティース８で分割した単位（各電機子巻線２毎の単位）」を「１つのステータユニットα」として見なすことができる。
即ち、ステータは、電機子巻線２の数に応じた６つのステータユニットαによって構成されると見なすことができる。

１つのステータユニットαのうち、
・隣接する２個の界磁スロット７の間に存在する突極を中央ティース８ａと称し、
・この中央ティース８ａの回転方向の両隣に存在するそれぞれの突極を隣接ティース８ｂと称して、以下において実施例を具体的に説明する。

複数の界磁巻線３は、隣接する２個の界磁スロット７内に巻回配置される。
具体的にこの実施例の界磁巻線３は、中央ティース８ａの周囲に集中巻される。
そして、界磁巻線３が通電されることで（即ち、図示しないモータ通電制御部より界磁巻線３に界磁電流が付与されることで）、
・中央ティース８ａの内径方向に「Ｎ極またはＳ極の一方の磁束」を生じさせ、
・２個の隣接ティース８ｂの内径方向に「Ｎ極またはＳ極の他方の磁束」を生じさせる。

なお、スイッチングモータの概略図では、電機子巻線２および界磁巻線３の巻線方向の違いを「○内に・」と「○内に×」の印で示すものである。
また、スイッチングモータの概略図では、永久磁石４の磁極方向を「矢印」で示すものである。

同様に、複数の永久磁石４は、界磁巻線３が配置される２個の界磁スロット７内に組付けられるものであり、永久磁石４の発生する磁束によって、
・中央ティース８ａの内端に「Ｎ極またはＳ極の一方の磁束」を付与し、
・２個の隣接ティース８ｂの内端に「Ｎ極またはＳ極の他方の磁束」を付与する。
そして、永久磁石４からステータティース８に与えられた磁束は、上述したように、界磁巻線３の生じる磁束により磁束方向が曲げられ、ステータティース８の内径方向に向かう磁界を増強する。

具体的な一例としてこの実施例では、界磁巻線３および永久磁石４が、
・中央ティース８ａの内径方向にＮ極の磁束を生じさせ、
・２個の隣接ティース８ｂの内径方向にＳ極の磁束を生じさせる。
即ち、この実施例において界磁巻線３および永久磁石４による磁界の磁極は、図１（ｂ）に示すように、「隣接ティース８ｂ：中央ティース８ａ：隣接ティース８ｂ（１つのステータユニットαにおいて回転方向に並ぶ３つのステータティース８）」の順で「Ｓ極：Ｎ極：Ｓ極」に設けられる（もちろん、限定されるものではない）。

それぞれの電機子巻線２は、２個の界磁スロット７の回転方向の両側の２個の電機子スロット６内に分布巻されるものであり、電機子巻線２の渡り線は、図中破線に示すように回転方向に延びて巻き回される。
そして、３相の電機子巻線２が異なる位相で通電されることで（即ち、図示しないモータ通電制御部より各電機子巻線２に、三相交流等の位相の異なる駆動電流が付与されることで）、８個のロータティース１１のうちの６個のロータティース１１がステータティース８の回転方向へ順次切り替わって磁気吸引され、１８０°対向した位置に生じる仕事をしない２個のステータティース８（磁気吸引力が生じないステータティース８）の位置が回転方向に順次切り替わってロータが回転する。

この実施例のスイッチングモータの性能評価を実施した。
この性能評価は、電機子巻線２に最大電機子電流を付与した状態で、界磁巻線３に付与する界磁電流を可変させた場合の出力トルクの変化を測定したものであり、その測定結果を図２の実線Ａに示す。
この測定結果からも、従来技術（実線Ｂ参照）に比較して大きな出力トルクが得られることが確認できる。

（実施例１の効果１）
この実施例のスイッチングモータは、上述したように、
・電機子巻線２を、回転方向に２個の界磁スロット７を飛ばした電機子スロット６内に配置し、
・界磁巻線３を、回転方向間において２個の電機子スロット６に挟まれる２個の界磁スロット７内に配置する構造を採用する。
これにより、ロータティース１１を磁気吸引するステータティース８の割合を増やすことができる。

このため、６Ｓ８Ｐタイプのスイッチングモータであっても、８個のロータティース１１のうち、
・トルク発生に寄与するロータティース１１の数を従来技術の４個から６個へ増やし、
・トルク発生に寄与しないロータティース１１の数を従来技術の４個から２個へ減らすことができる。
このように、トルク発生に寄与するロータティース１１の割合を増やすことができるため、スイッチングモータの出力トルクを高めることができる。

（実施例１の効果２）
この実施例のスイッチングモータは、永久磁石４を用いて磁界を増強している。
永久磁石４を用いることにより、強い磁界を作り出すことができるため、スイッチングモータの出力を高めることができる。

（実施例１の効果３）
この実施例は、永久磁石４を、界磁巻線３と同じ界磁スロット７内に配置している。
これにより、永久磁石４をステータコア５に組付けるための凹部１３（符号、図４参照）をステータコア５に独立して設ける必要がなく、ステータコア５に形成される窪み数を抑えることができる。

（実施例１の効果４）
この実施例は、電機子巻線２および界磁巻線３がステータコア５に設けられる。
これにより、ブラシレス化を達成することができ、高トルクが発生可能な本発明のスイッチングモータの信頼性を長期に亘って維持することができる。

（実施例１の効果５）
この実施例は、界磁巻線３が中央ティース８ａに集中巻される。
これにより、コイルエンド（周方向の渡り線）の無駄を少なくでき、スイッチングモータの軽量化を果たすとともに、コストを抑えることができる。

［実施例２］
図３を参照して実施例２を説明する。なお、以下の各実施例において上記実施例１と同一符号は、同一機能物を示すものである。
上記の実施例１は、１つの中央ティース８ａに１つの界磁巻線３を集中巻する例を示した。即ち、隣接する２個の界磁スロット７内に、１つの界磁巻線３を配置する例を示した。
これに対し、この実施例２は、図３に示すように、隣接する２個の界磁スロット７のそれぞれに、隣り合う界磁巻線３を配置するものである。

即ち、この実施例の界磁巻線３は、電機子巻線２と同様、分布巻により界磁スロット７内に配置されるものであり、界磁巻線３の渡り線は、図中破線に示すように、電機子巻線２の渡り線と同様、回転方向に延びて巻き回される。
このように設けられても、実施例１と同様の効果（但し、実施例１の効果５を除く）を得ることができる。

［実施例３］
図４を参照して実施例３を説明する。
上記の実施例１、２では、永久磁石４を界磁スロット７内の内径側に配置する例を示した。
すると、最大トルクの発生時では、ロータの回転中において、図４（ａ）の矢印Ｘに示すように、ステータティース８とロータティース１１との間に、永久磁石４を介した磁束経路が形成され、この時、永久磁石４の磁束とは逆方向の磁束経路が形成されて、永久磁石４に減磁が生じる懸念がある。

その不具合を解決する手段として、この実施例では、永久磁石４を、図４（ｂ）に示すように、界磁巻線３が配置される界磁スロット７の外径方向の延長線上に配置している。具体的には、バックヨーク１０の外径側に、永久磁石４を装着する凹部１３を設け、その凹部１３の内部に永久磁石４を配置している。

（実施例３の効果１）
この実施例に示すように、永久磁石４を、界磁スロット７の外径方向の延長線上の凹部１３に配置することで、永久磁石４の発生磁束に対して逆方向の磁束経路が永久磁石４に形成される不具合を回避することができる。
このため、永久磁石４の減磁を抑えることができ、長期に亘ってハイブリッド界磁タイプのスイッチングモータの初期性能を維持することが可能になる。

（実施例３の効果２）
また、この実施例では、永久磁石４がステータコア５の外径側（モータハウジング側）に配置されるため、モータハウジングを介して永久磁石４の放熱が可能になる。
このため、永久磁石４の昇温を抑えることが可能になり、温度上昇による減磁を抑えることができる。
また、永久磁石４の温度上昇が抑えられるため、使用可能な磁石種類の範囲が広がる。その結果、安価な永久磁石４の使用が可能になり、ハイブリッド界磁タイプのスイッチングモータのコストを抑えることができる。
あるいは、永久磁石４の温度上昇が抑えられるため、小型でも磁力の強い永久磁石４の使用が可能になり、ハイブリッド界磁タイプのスイッチングモータの出力を高めることができる。

上記の実施例では、永久磁石４を用いる例を示したが、永久磁石４を廃止し、界磁巻線３のみで磁界を形成しても良い。この場合であっても、仕事をするロータティース１１の割合を増やし、仕事をしていないロータティース１１の割合を減らすことができる。

上記実施例において開示した具体的な数値（電機子巻線２の相数、ステータティース８の数、ロータティース１１の数等）は、実施例説明のための具体的な一例であって、適宜変更可能なものである。
その具体例として、上記の実施例では、ステータティース８の数を１８個に設け、ロータティース１１の数を８個に設ける例を示したが、限定されるものではなく、
・ステータティース８の数は１８個×ｎ、
・ロータティース１１の数は８個×ｎであれば良い（但し、ｎは１以上の整数）。

上記の実施例では、インナーロータタイプのスイッチングモータに本発明を適用する例を示したが、アウターロータタイプのスイッチングモータや、ステータの軸方向にロータが配置されるタイプのスイッチングモータに本発明を適用しても良い。

上記の実施例では、車両駆動用のスイッチングモータに本発明を適用する例を示したが、駆動対象物は限定されるものではなく、電気自動車等に搭載される空調装置の冷媒圧縮機（コンプレッサ）を駆動するモータなど、車両に搭載されて回転力を発生させる他のモータに本発明を適用しても良い。
もちろん、本発明は車両用に限定されるものではなく、産業用機器、家庭用機器などに搭載される種々のモータに本発明を適用しても良い。

上記の実施例では、本発明を出力トルクを発生するモータ（電動機）に適用する例を示したが、ロータの回転によって発電を行うジェネレータ（発電機）に本発明を適用しても良い。もちろん、モータとジェネレータの両方の機能を果たす回転機に本発明を適用しても良いことは言うまでもない。

１ ロータコア
２ 電機子巻線
３ 界磁巻線
４ 永久磁石
５ ステータコア
６ 電機子スロット
７ 界磁スロット

Claims (7)

1. ステータコア（５）またはロータコア（１）の一方に設けられた複数のスロット（６、７）内に、複数の電機子巻線（２）と複数の界磁巻線（３）のそれぞれが配置される回転機において、
   前記電機子巻線（２）は、回転方向に２個の前記スロット（７）を飛ばした前記スロット（６）内に配置され、
   前記界磁巻線（３）は、前記電機子巻線（２）が配置される前記スロット（６）に回転方向で挟まれた２個の前記スロット（７）内に配置されることを特徴とする回転機。
2. 請求項１に記載の回転機において、
   この回転機は、磁界を増強させる永久磁石（４）を備えることを特徴とする回転機。
3. 請求項２に記載の回転機において、
   前記永久磁石（４）は、前記界磁巻線（３）と同一の前記スロット（７）内に配置されることを特徴とする回転機。
4. 請求項２に記載の回転機において、
   前記永久磁石（４）は、前記界磁巻線（３）が配置される前記スロット（７）の径方向の延長線上に配置されることを特徴とする回転機。
5. 請求項２〜請求項４のいずれか１つに記載の回転機において、
   前記永久磁石（４）は、磁極方向が周方向に沿い、周方向で隣接する前記永久磁石（４）と反発する方向に設けられることを特徴とする回転機。
6. 請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の回転機において、
   前記界磁巻線（３）および前記電機子巻線（２）は、前記ステータコア（５）に設けられることを特徴とする回転機。
7. 請求項６に記載の回転機において、
   ｎを１以上の整数とし、
   前記ステータコア（５）におけるステータティース（８）の数は、１８個×ｎに設けられ、
   前記ロータコア（１）におけるロータティース（１１）の数は、８個×ｎに設けられることを特徴とする回転機。

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