JP6135315B2

JP6135315B2 - 回転電機

Info

Publication number: JP6135315B2
Application number: JP2013124422A
Authority: JP
Inventors: 英滋土屋; 渡辺　隆男; 隆男渡辺
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2013-06-13
Filing date: 2013-06-13
Publication date: 2017-05-31
Anticipated expiration: 2033-06-13
Also published as: JP2015002569A

Description

本発明は、爪型磁極を備えた、クローポール型の回転電機に関する。

従来から、磁性体からなる爪型磁極を備える、クローポール型の回転電機が知られている。例えば、特許文献１や２では、回転中心軸に沿った断面形状がＨ型のボビンを備えるとともに、当該ボビン両端のフランジプレートのそれぞれに、周方向に沿って互い違いとなるように爪磁極を対向配置させた、クローポール型の電機子が開示されている。ボビンにはコイルが組み付けられており、そのコイルに電流を流すことで、それぞれの爪型磁極が励磁される。爪型磁極の磁束を、その外周側に設けられたステータの磁極と鎖交させることで、ステータの回転磁界に応じた、電機子の駆動が可能となる。

特開２００８−２４５４７１号公報特開２００９−１９４９８３号公報

ところで、近年、回転電機に対して、トルク特性の向上が求められている。トルク特性を向上させるために、単位体積当たりの磁性体の占有率を増やすことが考えられる。しかし、単位体積当たりの磁性体の占有率を増やすと、クローポール型の回転電機では、隣合う爪型磁極の離間距離が縮まり、爪型磁極間の短絡（磁束漏れ）に繋がるおそれがある。爪型磁極間の短絡が生じると、爪型磁極からステータへの鎖交磁束が減少し、回転電機のトルク特性が低下してしまう。そこで、本発明は、爪型磁極間の磁束の短絡の抑制と、磁性体の占有率の向上とを両立可能な、回転電機を提供することを目的とする。

本発明は、回転電機に関するものである。当該回転電機は、回転中心軸に沿って延設された筒部と、前記筒部の両端に設けられて互いに対向する、前記筒部より大径のフランジプレートとを備え、前記筒部にコイルが組み付けられたボビンと、一方の前記フランジプレートの外周縁に、周方向に沿って間隔を空けて複数設けられ、他方の前記フランジプレートに向かって、かつ、前記他方のフランジプレートとは非接触となるように延設された、第１の爪磁極と、前記他方のフランジプレートの外周縁に設けられ、隣り合う前記第１の爪磁極の間隙に、前記第１の爪磁極及び前記一方のフランジプレートとは非接触となるように、前記一方のフランジプレートに向かって延設された、第２の爪磁極と、を有する電機子を備える。前記第１と第２の爪磁極の両対向面は、前記第１と第２の爪磁極の最外周部同士を隔てる軸方向溝部の両対向面と、前記対向するフランジプレート間の周方向溝部の両対向面とを、その対向距離が等しい状態で、前記電機子の径方向に沿った軸回りに捻られる様にして繋ぐ、螺旋面に形成されている。

また、上記発明において、前記軸方向溝部の両対向面は、前記電機子の径方向に沿って延設されていることが好適である。

本発明によれば、爪磁極間の磁束の短絡を抑制しつつ、回転電機における磁性体の占有率を向上させることが可能となる。

本実施形態に係る回転電機を例示する、模式図である。本実施形態に係る回転電機の一部を例示する斜視図である。本実施形態に係る、回転リング部と爪磁極を例示する斜視図である。本実施形態に係る、回転リング部と爪磁極の一部を例示する拡大斜視図である。本実施形態に係る、爪磁極の一部を例示する拡大斜視図である。本実施形態に係る、回転リング部と爪磁極の一部を例示する拡大斜視図である。本実施形態に係る、爪磁極の製造方法を説明する図である。本実施形態に係る、爪磁極の製造方法を説明する図である。本実施形態に係る、爪磁極の製造方法を説明する図である。本実施形態に係る、爪磁極の製造方法を説明する図である。本実施形態に係る、爪磁極の製造方法を説明する図である。本実施形態に係る、爪磁極の製造方法を説明する図である。本実施形態に係る、爪磁極の製造方法を説明する図である。本実施形態に係る、爪磁極の製造方法を説明する図である。本実施形態に係る、爪磁極の製造方法を説明する図である。本実施形態に係る、回転リング部と爪磁極の磁束分布を説明する図である。本実施形態に係る、回転リング部と爪磁極の磁束分布を説明する図である。

図１に、本実施形態に係る回転電機１０を例示する。回転電機１０は、例えば、車両の駆動源１２から車輪等の負荷１４に駆動力を伝達する電磁カップリングとして用いられる。また、回転電機１０は、車両の駆動源そのものとして用いてもよい。図１では、回転電機１０を、電磁カップリングとして用いる例が示されている。

回転電機１０は、電機子１６と磁石ロータ１８を備える。磁石ロータ１８は、電機子１６の外周側に設けられた、円環形状の部材である。磁石ロータ１８は、駆動源１２の駆動力が伝達される駆動シャフト２０に連結され、駆動源１２の駆動に伴って回転させられる。また、磁石ロータ１８の内周面には、周方向に沿って永久磁石２２が配列されている。永久磁石２２は、エアギャップＡＧ１を介して、電機子１６の第１の爪磁極２６及び第２の爪磁極２８の外周面と対向している。

電機子１６は、磁石ロータ１８の回転を負荷１４に伝達する。電機子１６は、例えば、固定部１３と、回転部１５とに分かれて構成されていてよい。固定部１３は、例えば、コイル３０と、ボビン２４のうち、筒部３２と、フランジプレート３４Ａ，３４Ｂの固定プレート部３８Ａ，３８Ｂとから構成されている。回転部１５は、例えば、フランジプレート３４Ａ，３４Ｂの回転リング部４０Ａ，４０Ｂ、第１の爪磁極２６、及び第２の爪磁極２８から構成されている。

コイル３０は、電機子１６を励磁する励磁手段である。コイル３０は、ボビン２４の筒部３２の周回りに組み付けられている。コイル３０には、制御部３３から電流が供給される。例えば、電機子１６と磁石ロータ１８とを同期させる、つまり、同回転数（ｒｐｍ）とする場合には、コイル３０には、直流電流が供給される。また、電機子１６と磁石ロータ１８との回転数を異ならせるときには、コイル３０には、所望の周波数の交流電流が供給される。この周波数は、例えば、検知部３６による、磁石ロータ１８と電機子１６との回転数の測定値と、設定された回転数差等に応じて定められる。

ボビン２４は、筒部３２と、フランジプレート３４Ａ，３４Ｂを備える。ボビン２４は、積層鋼板等の、磁性材料から構成される。筒部３２は、回転中心軸Ｃ１に沿って延設され、その周回りに、コイル３０が組み付けられる。また、筒部３２は、コイル３０に電流を供給したときに、磁路となるヨークとしての機能も備えている。

フランジプレート３４Ａ，３４Ｂは、筒部３２の、回転中心軸Ｃ１に沿った両端に設けられている。フランジプレート３４Ａ，３４Ｂは、互いに対向するように設けられ、いずれも、筒部３２より大径となるように形成されている。フランジプレート３４Ａ，３４Ｂ間には、両者を離間する、周方向溝部５０が形成されている。

また、フランジプレート３４Ａ，３４Ｂは、それぞれ、固定プレート部３８Ａ，３８Ｂと、回転リング部４０Ａ，４０Ｂとから構成されてよい。固定プレート部３８Ａ，３８Ｂは、回転中心軸Ｃ１側に設けられ、筒部３２に連結される。回転リング部４０Ａ，４０Ｂは、エアギャップＡＧ２を介して、固定プレート部３８Ａ，３８Ｂの外周側に設けられている。回転リング部４０Ａ，４０Ｂは、負荷１４に駆動力を伝達する、従動シャフト４２に連結されている。

第１の爪磁極２６は、一方のフランジプレート３４Ａの外周縁（回転リング部４０Ａの外周縁）に、周方向に沿って、間隔を空けて複数設けられている。第１の爪磁極２６は、他方のフランジプレート３４Ｂに向かって、かつ、フランジプレート３４Ｂとは非接触となるように延設されている。第１の爪磁極２６は、磁性体から構成されてよく、例えば、図２に示すように、回転リング部４０Ａと一体的に形成されてよい。

第２の爪磁極２８は、他方のフランジプレート３４Ｂの外周縁（回転リング部４０Ｂの外周縁）に設けられている。第２の爪磁極２８は、隣り合う第１の爪磁極２６，２６の間隙に、第１の爪磁極２６及び一方のフランジプレート３４Ｂ（回転リング部４０Ｂ）とは非接触となるように、一方のフランジプレート３４Ｂに向かって延設されている。第２の爪磁極２８は、磁性体から構成されてよく、例えば、回転リング部４０Ｂと一体的に形成されてよい。

図３に示すように、コイル３０に電流が供給されると、コイル３０の周回りに磁束が発生する。この磁束は、第１の爪磁極２６→回転リング部４０Ａ→エアギャップＡＧ２→固定プレート部３８Ａ→筒部３２→固定プレート部３８Ｂ→エアギャップＡＧ２→回転リング部４０Ｂ→第２の爪磁極２８との経路を通る。この磁束の経路に基づいて、第１の爪磁極２６と第２の爪磁極２８とが、一対の磁極として振舞うようになる。

また、第１の爪磁極２６と第２の爪磁極２８との間には、間隙が設けられる。具体的には、図２に示すように、第１の爪磁極２６と第２の爪磁極２８の最外周部同士を隔てる、軸方向溝部４６が形成される。ここで、軸方向とは、回転中心軸Ｃ１に平行な方向に限定するものではなく、周方向溝部５０の延伸方向との空間的な捩れを表すために用いられたものであって、例えば、軸方向溝部４６の延伸方向は、回転中心軸Ｃ１に対して傾いていてもよい。

また、軸方向溝部４６の両対向面４８Ａ，４８Ｂと、周方向溝部５０の両対向面５２Ａ，５２Ｂとをそれぞれ繋ぐように、第１の爪磁極２６と第２の爪磁極２８の両対向面４４Ａ，４４Ｂは、螺旋面に形成されている。ここで、両対向面４４Ａ，４４Ｂの螺旋面は、その対向距離が等しい状態で、電機子１６の径方向に沿った軸Ｃ２回りに捻られる様にして、軸方向溝部４６の両対向面４８Ａ，４８Ｂと、周方向溝部５０の両対向面５２Ａ，５２Ｂを、それぞれ繋いでいる。ここで第１の爪磁極２６と第２の爪磁極２８の対向距離（離間距離）は、エアギャップＡＧ１及びＡＧ２より大きいことが好適である。

図４には、第１の爪磁極２６と第２の爪磁極２８の拡大斜視図が例示されている。この図では、紙面左側の、第１の爪磁極２６及び第２の爪磁極２８の両対向面４４Ａ，４４Ｂは、軸Ｃ２を中心にして左回り（反時計回り）に捻るようにして螺旋面が形成される。また、紙面右側の、第１の爪磁極２６及び第２の爪磁極２８の両対向面４４Ａ，４４Ｂは、軸Ｃ２を中心にして右回り（時計回り）に捻るようにして螺旋面が形成される。このようにすることで、図５に示すように、第１の爪磁極２６の対向面４４Ａには、滑らかな螺旋面が形成される。また、第２の爪磁極２８の対向面４４Ｂにも、第１の爪磁極２６と同様に、その対向面４４Ｂには、滑らかな螺旋面が形成される。

図６には、第１の爪磁極２６及び第２の爪磁極２８間の間隙を説明するための図が例示されている。回転リング部４０Ａ，４０Ｂ、第１の爪磁極２６、及び第２の爪磁極２８の曲率を無視した場合に、両対向面４４Ａ，４４Ｂの対向距離を直径とする円柱は、軸方向溝部４６から、両対向面４４Ａ，４４Ｂの間隙を、螺旋を描くようにして、軸Ｃ２に沿って隙間なく移動し、周方向溝部５０に至る。

このように、第１の爪磁極２６及び第２の爪磁極２８が、全領域に亘って等間隔に離間される。このことから、当該離間距離を、第１の爪磁極２６と第２の爪磁極２８との磁束の短絡が生じないような距離に定めることで、全領域に亘って、第１の爪磁極２６と第２の爪磁極２８との磁束の短絡を抑制することが可能となる。

また、第１の爪磁極２６及び第２の爪磁極２８との間隙を、全領域に亘って、磁束の短絡が生じない最小距離に定めることで、第１の爪磁極２６及び第２の爪磁極２８との間隙が、磁束の短絡が生じない最小距離より長くなるような構造を一部でも採る回転電機と比較して、単位体積当たりの磁性体の占有率を増加させることが可能となる。

次に、本実施形態に係る第１の爪磁極２６及び第２の爪磁極２８の製造方法について、説明する。図７には、第１の爪磁極２６及び第２の爪磁極２８を、電機子１６の外周面から、径方向に沿って見た図が例示されている。ここでは、第１の爪磁極２６及び第２の爪磁極２８の両対向面（螺旋面）４４Ａ，４４Ｂの、始点及び終点を定めている。

螺旋面の始点は、軸方向溝部４６の両対向面４８Ａ，４８Ｂであり、終点は、周方向溝部５０の両対向面５２Ａ，５２Ｂとなる。そこで、軸方向溝部４６の延伸方向と、周方向溝部５０の延伸方向を定める。周方向溝部５０は、回転中心軸Ｃ１回りに設けられることから、図７に示す図では、周方向溝部５０の延伸する角度θ２（下面角度）は、回転中心軸Ｃ１に対して直角となるように設定される。軸方向溝部４６の延伸する角度θ１（上面角度）は、回転中心軸Ｃ１に対して、０°以上４５°以下の範囲に設定される。

また、図８では、第１の爪磁極２６及び第２の爪磁極２８の上面（最外周面）と、下面（回転リング部４０Ａ，４０Ｂの内周面）の、回転中心軸Ｃ１からの半径Ｒ１，Ｒ２が定められている。これらの半径は、電機子１６や磁石ロータ１８の体格等に基づいて定められる。

次に、図９に示すように、所定の母線を捻ることによって螺旋面を形成する。ここで、母線の回転範囲は、θ１からθ２までの範囲となる。また、母線の、螺旋軸上の（電機子１６の径方向の）進行距離は、半径Ｒ１から半径Ｒ２までとなる。図９には、紙面上から順に、螺旋面を上から（螺旋軸に沿って）見た図、斜め上から見た図、及び、横から（回転中心軸Ｃ１に沿って）見た図が示されている。

さらに、図１０の上段図に示すように、図９で得られた螺旋面をオフセットさせる。このオフセット幅は、第１の爪磁極２６と第２の爪磁極２８との離間距離となる。例えば、オフセット幅は、磁束の短絡が生じない最小距離であってよい。図１０の下段図に示すように、螺旋面をオフセットさせた後、その端部に円柱を加えて空間ソリッドを形成する。円柱の直径は、オフセット幅と等しい。

次に、図１１の上段図に示すように、直方体に空間ソリッドを重ねる。さらに、直方体と空間ソリッドの重複領域を取り去ると、図１１の下段図に示すように、第１の爪磁極２６及び第２の爪磁極２８が形成される。

ここで、図１１の第１の爪磁極２６及び第２の爪磁極２８は、上面及び下面の端部が鋭利となっており、強度的に脆くなる。そこで、上面及び下面の端部に、それぞれ、軸方向溝部４６の両対向面４８Ａ，４８Ｂと、周方向溝部５０の両対向面５２Ａ，５２Ｂを形成する。例えば、各対向面４８Ａ，４８Ｂ，５２Ａ，５２Ｂは、電機子１６の径方向に沿って延設される。図１２には、それぞれの対向面が加えられた螺旋面が例示されている。この螺旋面に基づいて形成された第１の爪磁極２６及び第２の爪磁極２８を、図１３に示す。

ここで、図１３の爪磁極２６，２８は、電機子１６の曲率が反映されていない。そこで、図１４のように、螺旋面に対して、回転中心軸Ｃ１を中心とした所定の曲率を反映させる。この螺旋面に基づいて形成された第１の爪磁極２６及び第２の爪磁極２８を、図１５に示す。このようにして、本実施形態に係る第１の爪磁極２６及び第２の爪磁極２８が形成される。実際には、ここで得られた形状を、回転中心軸Ｃ１に垂直な軸でスライスした鋼板を積層して、爪磁極２６，２８及び回転リング部４０Ａ，４０Ｂを製造する。または、爪磁極２６，２８及び回転リング部４０Ａ，４０Ｂを、鋳造してもよい。

図１６に、本実施形態に係る爪磁極２６，２８及び回転リング部４０Ａ，４０Ｂと、従来の爪磁極１２６，１２８及び回転リング部１４０Ａ，１４０Ｂの、磁束分布を例示する。図１６の上段に、従来の爪磁極１２６，１２８及び回転リング部１４０Ａ，１４０Ｂを示し、下段に、本実施形態に係る爪磁極２６，２８及び回転リング部４０Ａ，４０Ｂを示す。

なお、従来の回転リング部１４０Ａ，１４０Ｂは、円環形状のリング部材である。また、従来の爪磁極１２６，１２８は、それぞれ、回転中心軸Ｃ１に沿って延伸するとともに、延伸先の爪厚さが、延伸するにつれて連続的に薄くなるように形成されている。

図１６では、磁束密度をハッチングの粗密で表している。すなわち、ハッチングが粗くなるほど、磁束密度は低く、反対に、ハッチングが密になるほど、磁束密度は高い。従来の爪磁極及び回転リング部では、両者の接続部にて磁路断面積が最小となり、これに伴い、磁束密度が最大となっている。つまり、従来の爪磁極及び回転リング部では、両者の接続部１５４にて磁気飽和が生じる構造となっている。このような構造を採る場合、爪磁極１２６の磁束が回転リング部１４０Ａ，１４０Ｂに移動する際に、接続部１５４にて磁気飽和が生じて、磁束の一部が隣接する爪磁極１２８に漏れ出す。

これに対して本実施形態に係る爪磁極２６，２８及び回転リング部４０Ａ，４０Ｂでは、爪磁極と回転リング部との接続部５４の磁路断面積が、従来よりも多くなっている。このことから、接続部５４の磁気飽和を抑制することができ、隣接する爪磁極２６から爪磁極２８への磁束の短絡を抑制することができる。

図１７に、本実施形態に係る爪磁極２６，２８及び回転リング部４０Ａ，４０Ｂと、従来の爪磁極及び回転リング部の、磁束量の比較結果を示す。この図に示されているように、本実施形態に係る爪磁極２６，２８及び回転リング部４０Ａ，４０Ｂでは、従来よりも漏れ磁束量が低減されている。さらに、単位体積当たりの磁性体の占有率が増加したことにより、漏れ磁束量を含めた全体の磁測量が、従来よりも増加している。

なお、本実施形態に係る回転電機１０は、上述した実施形態に限るものではない、例えば、本実施形態では、電機子１６を、固定部１３と、回転部１５とに分けて構成したが、この形態に限らない。例えば、ボビン２４、第１の爪磁極２６、第２の爪磁極２８、及びコイル３０を、一体的に回転するようにしてもよい。このとき、コイル３０への給電手段は、例えばスリップリング等によって行ってよい。

１０回転電機、１２駆動源、１３固定部、１４負荷、１５回転部、１６電機子、１８磁石ロータ、２０駆動シャフト、２２永久磁石、２４ボビン、２６第１の爪磁極、２８第２の爪磁極、３０コイル、３２筒部、３３制御部、３４Ａ，３４Ｂフランジプレート、３６検知部、３８Ａ，３８Ｂ固定プレート部、４０Ａ，４０Ｂ回転リング部、４２従動シャフト、４４Ａ，４４Ｂ両対向面、４６軸方向溝部、４８Ａ，４８Ｂ両対向面、５０周方向溝部、５２Ａ，５２Ｂ両対向面、５４接続部。

Claims

回転中心軸に沿って延設された筒部と、前記筒部の両端に設けられて互いに対向する、前記筒部より大径のフランジプレートとを備え、前記筒部にコイルが組み付けられたボビンと、
一方の前記フランジプレートの外周縁に、周方向に沿って間隔を空けて複数設けられ、他方の前記フランジプレートに向かって、かつ、前記他方のフランジプレートとは非接触となるように延設された、第１の爪磁極と、
前記他方のフランジプレートの外周縁に設けられ、隣り合う前記第１の爪磁極の間隙に、前記第１の爪磁極及び前記一方のフランジプレートとは非接触となるように、前記一方のフランジプレートに向かって延設された、第２の爪磁極と、
を有する電機子を備え、
前記第１と第２の爪磁極の両対向面は、前記第１と第２の爪磁極の最外周部同士を隔てる軸方向溝部の両対向面と、前記対向するフランジプレート間の周方向溝部の両対向面とを、その対向距離が等しい状態で、前記電機子の径方向に沿った軸回りに捻られる様にして繋ぐ螺旋面に形成されていることを特徴とする、回転電機。
請求項１に記載の回転電機であって、
前記軸方向溝部の両対向面は、前記電機子の径方向に沿って延設されていることを特徴とする、回転電機。