JP6658707B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、磁気減速機一体型の回転電機に関する。

従来から、外部から動力が入力されて回転する高回転ロータと、高回転ロータの回転速度から減速されて回転し外部へ動力が出力される低回転ロータと、高回転ロータ及び低回転ロータの間に配置される固定磁極（変調子）と、を有する磁気減速機が知られている。高回転ロータには所定の極対数（第１極対数）の永久磁石が配置され、低回転ロータには第１極対数よりも多い極対数（第２極対数）の永久磁石が配置される。高回転ロータの回転磁界は、固定磁極により磁極数変換されて低回転ロータに伝えられ、低回転ロータは、高回転ロータの回転速度に対して第１極対数／第２極対数の速度で回転する。

特許文献１には、磁気減速機（磁気歯車）の内周部に回転電機を配置した磁気減速機一体型の回転電機（磁気歯車型回転電機）が開示されている。この回転電機は、外部から動力が入力されるのではなく、回転電機の駆動力を使い、高回転ロータ（第１の永久磁石界磁）と、低回転ロータ（第２の永久磁石界磁、高回転ロータの回転速度よりも減速されて回転するロータ）とを回転させるものである。この回転電機は、内周側から、巻線型ステータ（巻線型固定子）、高回転ロータ（第１の永久磁石界磁）、変調子（変調磁極）、低回転ロータ（第２の永久磁石界磁）の順番で各々が配置されたものである。なお、以下において、ステータを固定子と、ロータを回転子とも言う。

国際公開２０１３／００１５５７号

特許文献１の回転電機（以下、「従来の回転電機」と言う）は、磁気減速機の内周部の空隙に回転電機を配置したにすぎず、回転電機のロータと磁気減速機の高回転ロータとを共通化しただけに留まる。この従来の回転電機では、磁気減速機と回転電機とを一体化させることで、それらを別々に設けた場合に比べて、装置全体を小型にすることはできるが、十分な軽量化まではできていない。また、従来の回転電機は、上記のように内周側から、固定子、回転子、変調子、回転子の順番で各々が配置されたものであるから、ギャップ部が３箇所必要となる。通常の回転電機ではギャップ部は１箇所のみであるが、３箇所必要となることで構造が非常に複雑となる。それにより、製造が困難になり、軸受けや回転センサの増加等で高コストになってしまう。

そこで、本発明の目的は、小型軽量であり、簡易な構造である磁気減速機一体型の回転電機を提供することにある。

本発明に係る回転電機は、上記の目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明に係る回転電機は、複数の永久磁石が配置された回転子と、前記回転子との間に空隙を介して固定され複数の変調磁心を有する変調子と、前記変調子の前記回転子側と反対側に固定された固定子鉄芯とを備える磁気減速機一体型の回転電機であって、前記変調子の前記変調磁心には巻線が巻回されており、前記巻線に電流を流すことで前記固定子鉄芯に回転磁界を発生させ、それにより前記回転子に駆動力を発生させ、前記回転子を前記回転磁界に対して減速させて回転させる、ことを要旨とする。

本発明の一態様では、前記変調子の前記変調磁心に巻回する前記巻線は三相巻線であり、前記変調磁心の数は３の倍数である、ことが好適である。

本発明の一態様では、前記回転子は最内周に配置され、前記固定子鉄芯は最外周に配置されている、ことが好適である。

本発明の一態様では、前記回転子は最外周に配置され、前記固定子鉄芯は最内周に配置されている、ことが好適である。

本発明の一態様では、前記三相巻線は前記変調磁心に集中巻されており、前記変調磁心の数に対する前記回転子の前記永久磁石の磁極数は３：８である、ことが好適である。

本発明の一態様では、前記三相巻線は前記変調磁心に分布巻されており、前記変調磁心の数に対する前記回転子の前記永久磁石の磁極数は６：１０である、ことが好適である。

本発明の一態様では、前記三相巻線は前記変調磁心に分布巻されており、前記変調磁心の数に対する前記回転子の前記永久磁石の磁極数は６：１４である、ことが好適である。

本発明によれば、回転子が１つであり、回転子に対するギャップ部は１つのみであるたため、小型軽量であり、簡易な構造である磁気減速機一体型の回転電機とすることができる。

実施形態１の回転電機の横断面図である。 実施形態１の回転電機の縦断面図である。 三相巻線の結線の一例であるスター結線を示す図である。 実施形態１の回転電機における巻線に鎖交する磁束数のＦＥＭ解析結果を示す図である。 実施形態１の回転電機における巻線に三相電流を通電しトルクを発生させたときの磁束線分布を示す図である。 実施形態２の回転電機の横断面図である。 実施形態２，３の回転電機の縦断面図である。 実施形態３の回転電機の横断面図である。

以下、本発明の回転電機の実施形態を図面を参照しながら説明する。

＜実施形態１＞
図１は、実施形態１の回転電機１０ａの横断面図であり、１８０度分の横断面を示している。図２は、実施形態１の回転電機１０ａの縦断面図である。実施形態１の回転電機１０ａは、磁気減速機を一体化させた回転電機である。回転電機１０ａが電動機として動作する際、巻線２６に三相電流を流すことで発生する回転磁界に対して減速して回転子１２が回転する。

図１に示すように、回転電機１０ａは、複数の永久磁石２０が配置された回転子１２と、複数の変調磁心２２を有する変調子１４と、固定子鉄芯１６とを備えている。図２に示すように、回転子１２は、回転電機１０ａのケース３０に対して回転可能に保持され、変調子１４および固定子鉄芯１６は、ケース３０に固定される。

図１に示すように、回転子１２は、環状のヨーク１８と、ヨーク１８の径方向内方の内壁に周方向に沿って配置された複数の永久磁石２０とを備えている。永久磁石２０は、径方向に着磁されており、隣り合う永久磁石２０では内周側が異なる極になるように着磁されている。例えば、永久磁石２０ａは、内周側がＮ極になるように着磁されており、隣りに配置される永久磁石２０ｂは内周側がＳ極になるように着磁されている。なお、各永久磁石２０が磁極を構成する。実施形態１では、永久磁石２０の数は３２個であり、磁極数は３２である。

変調子１４は、周方向に間隔をあけて配置された複数の変調磁心２２と、変調磁心２２との間に形成されたスロット２４とを備えている。変調磁心２２は、磁気減速機における磁極数変換（変調）を行うものである。図１に示すように、実施形態１の回転電機１０ａは、巻線２６（コイル）がスロット２４に挿通され変調磁心２２に巻回されている。巻線２６は、三相巻線であり、例えば、図３に示すスター結線されたものである。しかし、巻線２６は、デルタ結線等がされたものでもよく、その結線方法は限定されない。図１に示すように、実施形態１の回転電機１０ａでは、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の巻線２６が変調磁心２２に集中巻にされている。このように、三相巻線が変調磁心２２に巻回されるため、変調磁心２２の数は３の倍数となっている。なお、実施形態１の回転電機１０ａでは、変調磁心２２の数は１２である。また、実施形態１の回転電機１０ａでは、変調磁心２２の数に対する回転子１２の永久磁石の磁極数は１２：３２、すなわち、３：８である。

固定子鉄芯１６は、例えば電磁鋼板を積層して形成されたものであり、円筒形状を有する。

図１に示すように、最外周に回転子１２が配置され、最内周に固定子鉄芯１６が配置され、それらの間に変調子１４が配置される。このように、固定子鉄芯１６は、変調子１４の回転子１２側とは反対側に固定される。回転子１２と変調子１４との間には空隙が設けられており、変調子１４と固定子鉄芯１６との間にも空隙が設けられている。しかし、変調子１４と固定子鉄芯１６との間の空隙は必須ものではなく、空隙をなくしてもよい。例えば、変調磁心２２が固定子鉄芯１６に樹脂や接着剤で固定されていてもよい。

図２に示すように、回転子１２は、軸受け３２を介してケース３０に保持され、回転可能となっている。固定子鉄芯１６はケース３０に固定されている。また、変調子１４の変調磁心２２は、不図示の断面においてケース３０に固定されている。

実施形態１の回転電機１０ａが発電機として機能する際、外部からの動力による回転子１２の回転によって、変調磁心２２を介して固定子鉄芯１６に発生する回転磁界の磁極数は８極となる。この磁極数は次のように算出できる。回転子１２の永久磁石２０の磁極数は３２であり、極対数は１６である。また、変調磁心２２の数は１２であるから、その極対数は１２である。なお、これは、１つの変調磁心２２がＮ極とＳ極との両方として機能するものであるからである。そして、固定子鉄芯１６に発生（変調）される回転磁界の極対数は、「永久磁石２０の極対数」から「変調磁心２２の極対数」を差し引いた４（＝１６−１２）となる。つまり、固定子鉄芯１６に発生（変調）される回転磁界の磁極数は８（＝４×２）となる。

実施形態１の回転電機１０ａは、固定子鉄芯１６に発生する回転磁界の磁極数と、変調磁心２２に巻回された巻線２６が構成する磁極数とが一致するように構成される。すなわち、実施形態１の回転電機１０ａでは、巻線２６が８極を構成するように配置される。これにより、磁気減速機と回転電機との一体化がされている。なお、この巻線２６が構成する磁極数は、一般的な三相同期型回転電機と同様に、巻線２６の鉄心（変調磁心２２）への巻き方や、巻線２６（三相巻線）への三相電流の流れ方等により決まるものである。

図４は、実施形態１の回転電機１０ａにおける巻線２６に鎖交する磁束数のＦＥＭ解析結果を示す図である。図４では、Ｕ１が太い実線、Ｖ１が太い破線、Ｗ１が太い一点鎖線、Ｕ２が細い二点鎖線、Ｖ２が細い実線、およびＷ２が細い破線により、結果が示されている。図４に示すように、回転子１２が永久磁石２０の２極分（２／３２×３６０ｄｅｇ＝２２．５ｄｅｇ）回転することで三相平衡誘導起電力が発生することが分かる。

実施形態１の回転電機１０ａが電動機として機能する際には、変調磁心２２に巻線２６が８極を構成するように配置されているため、巻線２６に三相電流を流すことにより固定子鉄芯１６に８極の回転磁界が発生する。それにより、変調磁心２２を介して回転子１２に駆動力が発生し、固定子鉄芯１６の回転磁界に対して回転子１２が減速されて回転する。実施形態１の回転電機１０ａでは、巻線２６が構成する磁極数は８で、永久磁石２０の磁極数は３２であるから、ギヤ比は１：４（＝８：３２）となる。すなわち、回転子１２は、回転磁界の回転速度の１／４の速度で回転することになる。図５は、実施形態１の回転電機１０ａにおける巻線２６に三相電流を通電し、回転子１２にトルクを発生させたときの磁束線分布を示す図である。

以上説明した実施形態１の回転電機１０ａは、回転子１２、変調子１４、および固定子鉄芯１６から構成される非常に簡易な構造である磁気減速機一体型の回転電機である。特に、回転子が１つであり、回転子に対するギャップ部は１つのみであるため、製造が非常に容易であり、軸受けや回転センサが増加することもないので低コストとなる。また、実施形態１の回転電機１０ａは、磁気減速機が一体化されているにもかかわらず、一般的なアウターロータ型の回転電機と比べても、体格や重量が大きく増加することもない。よって、実施形態１の回転電機１０ａは、非常に小型で、軽量である。

＜実施形態２＞
次に実施形態２の回転電機１０ｂについて説明する。図６は、実施形態２の回転電機１０ｂの横断面図であり、１８０度分の横断面を示している。図７は、実施形態２の回転電機１０ｂの縦断面図である。実施形態１の回転電機１０ａとの違いは、最外周に固定子鉄芯１６が配置され、最内周に回転子１２が配置されている点と、回転子１２のヨーク１８の径方向外方の外壁に周方向に沿って複数の永久磁石２０が配置されている点である。その他は、実施形態１の回転電機１０ａと同様であるため、適宜説明を省略する。

実施形態２の回転電機１０ｂは、実施形態１の回転電機１０ａと同様に、永久磁石２０の数が３２個（磁極数は３２）であり、変調磁心２２の数が１２個である。これにより、実施形態１の回転電機１０ａと同様に、発電機として機能する際、外部からの動力による回転子１２の回転によって、変調磁心２２を介して固定子鉄芯１６に発生する回転磁界の磁極数は８極となる。また、実施形態２の回転電機１０ｂは、実施形態１の回転電機１０ａと同様に、巻線２６が８極を構成するように集中巻で変調磁心２２に配置されている。すなわち、実施形態２の回転電機１０ｂは、固定子鉄芯１６に発生する回転磁界の磁極数（８極）と、変調磁心１４に巻回された巻線２６が構成する磁極数（８極）とが一致するように構成されており、それにより磁気減速機と回転電機との一体化がされている。

実施形態２の回転電機１０ｂが電動機として機能する際には、変調磁心２２に巻線２６が８極を構成するように配置されているため、巻線２６に三相電流を流すことにより固定子鉄芯１６に８極の回転磁界が発生する。それにより、変調磁心２２を介して回転子１２に駆動力が発生し、固定子鉄芯１６の回転磁界に対して回転子１２が減速されて回転する。実施形態１の回転電機１０ａと同様に、巻線２６が構成する磁極数は８で、永久磁石２０の磁極数が３２であるから、ギヤ比は１：４（＝８：３２）となる。すなわち、回転子１２は、回転磁界の回転速度の１／４の速度で回転することになる。

実施形態２の回転電機１０ｂによれば、実施形態１の回転電機１０ａと同様の作用効果を得ることができる。特に、実施形態２の回転電機１０ｂは、最内周に回転子１２を有する構成であり、ハイブリッド車両や電気自動車等の電動車両に多く搭載されているインナーロータ型の構成に近い構成である。従来の磁気減速機は、（磁極数が少ない）高回転ロータに対して動力が出力される（磁極数が多い）低回転ロータは外周側に配置されるものであり（例えば、特許文献１参照）、低回転ロータが内周側に配置されるものは存在しない。実施形態２の回転電機１０ｂは、磁気減速機でありながら、（磁極数が少ない）固定子鉄芯１６に対して動力が出力される（磁極数が多い）回転子１２が内周側に配置される構成であり、従来存在しない非常に画期的なものである。これにより、例えば、実施形態２の回転電機１０ｂを用いて、従来のインナーロータ型回転電機を簡単に置き換えることもできる。さらに、実施形態２の回転電機１０ｂは、磁気減速機が一体化されているにもかかわらず、一般的なインナーロータ型の回転電機と比べても、体格や重量が大きく増加するものではなく、非常に小型で、軽量である。

＜実施形態３＞
次に実施形態３の回転電機１０ｃについて説明する。図８は、実施形態３の回転電機１０ｃの横断面図であり、１８０度分の横断面を示している。実施形態３の回転電機１０ｃの縦断面図は、図７に示した実施形態２の回転電機１０ｂの縦断面図と同じである。実施形態２の回転電機１０ｂとの違いは、巻線２６が４極を構成するように変調磁心２２に分布巻にされている点と、回転子１２に配置されている永久磁石２０の数が２８個である点である。その他は、実施形態２の回転電機１０ｂと同様であるため、適宜説明を省略する。

実施形態３の回転電機１０ｃは、上記したように永久磁石２０の数は２８個（磁極数は２８、極対数は１４）であり、変調磁心２２の数は１２個（極対数は１２）である。これにより、実施形態３の回転電機１０ｃが発電機として機能する際、固定子鉄芯１６に発生（変調）される回転磁界の極対数は、「永久磁石２０の極対数」から「変調磁心２２の極対数」を差し引いた２（＝１４−１２）となる。つまり、固定子鉄芯１６に発生（変調）される回転磁界の磁極数は、４（＝２×２）となる。また、実施形態３の回転電機１０ｃは、巻線２６が４極を構成するように変調磁心２２に分布巻で配置されている。すなわち、実施形態３の回転電機１０ｃは、発電機として機能する際、固定子鉄芯１６に発生する回転磁界の磁極数（４極）と、変調磁心２２に巻回された巻線２６が構成する磁極数（４極）とが一致するように構成されており、それにより磁気減速機と回転電機との一体化がされている。なお、実施形態３の回転電機１０ｃでは、変調磁心２２の数に対する回転子１２の永久磁石２０の磁極数は１２：２８、すなわち、６：１４（３：７）である。

実施形態３の回転電機１０ｃが電動機として機能する際には、巻線２６が４極を構成するように変調磁心２２に配置されているため、巻線２６に三相電流を流すことにより固定子鉄芯１６に４極の回転磁界が発生する。それにより、変調磁心２２を介して回転子１２に駆動力が発生し、固定子鉄芯１６の回転磁界に対して回転子１２が減速されて回転する。巻線２６が構成する磁極数が４で、永久磁石２０の磁極数が２８であるから、ギヤ比は１：７（＝４：２８）となる。すなわち、回転子１２は、回転磁界の回転速度の１／７の速度で回転することになる。

実施形態３の回転電機１０ｃによれば、実施形態２の回転電機１０ｂと同様の作用効果を得ることができる。特に、実施形態３の回転電機１０ｃは、巻線２６が変調磁心２２に分布巻にされていることで、鉄損などの発生を抑制できるため高効率である特徴を有する。

以上説明した実施形態３の回転電機１０ｃは、永久磁石２０の数が２８個であり、変調磁心２２の数が１２個であり、巻線２６が４極を構成するように変調磁心２２に分布巻で配置されていた。しかし、実施形態３の回転電機１０ｃにおいて、永久磁石２０の数を２０個としてもよい。この場合、変調磁心２２の数に対する回転子１２の永久磁石２０の磁極数は１２：２０、すなわち、６：１０（３：５）である。この場合、巻線２６が構成する磁極数が４で、永久磁石２０の磁極数が２０であるから、ギヤ比は１：５（＝４：２０）となる。すなわち、回転子１２は、回転磁界の回転速度の１／５の速度で回転することになる。

＜付記＞
以上説明した各実施形態における永久磁石２０の数、変調磁心２２の数、および巻線２６が構成する磁極数はあくまで一例であり、その他の組み合わせであってもよいことは当然である。

以上、本発明の各実施形態について説明したが、本発明はこうした各実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

１０ａ，１０ｂ，１０ｃ 回転電機、１２ 回転子、１４ 変調子、１６ 固定子鉄芯、１８ ヨーク、２０，２０ａ，２０ｂ 永久磁石、２２ 変調磁心、２４ スロット、２６ 巻線（コイル）、３０ ケース、３２ 軸受け。

Claims (7)

1. 複数の永久磁石が配置された回転子と、前記回転子との間に空隙を介して固定され複数の変調磁心を有する変調子と、前記変調子の前記回転子側と反対側に固定された固定子鉄芯とを備える磁気減速機一体型の回転電機であって、
   前記変調子の前記変調磁心には巻線が巻回されており、
   前記巻線に電流を流すことで前記固定子鉄芯に回転磁界を発生させ、それにより前記回転子に駆動力を発生させ、前記回転子を前記回転磁界に対して減速させて回転させる、
   ことを特徴とする回転電機。
2. 請求項１に記載の回転電機であって、
   前記変調子の前記変調磁心に巻回する前記巻線は三相巻線であり、
   前記変調磁心の数は３の倍数である、
   ことを特徴とする回転電機。
3. 請求項２に記載の回転電機であって、
   前記回転子は最内周に配置され、前記固定子鉄芯は最外周に配置されている、
   ことを特徴とする回転電機。
4. 請求項２に記載の回転電機であって、
   前記回転子は最外周に配置され、前記固定子鉄芯は最内周に配置されている、
   ことを特徴とする回転電機。
5. 請求項２から４のいずれか一項に記載の回転電機であって、
   前記三相巻線は前記変調磁心に集中巻されており、
   前記変調磁心の数に対する前記回転子の前記永久磁石の磁極数は３：８である、
   ことを特徴とする回転電機。
6. 請求項３に記載の回転電機であって、
   前記三相巻線は前記変調磁心に分布巻されており、
   前記変調磁心の数に対する前記回転子の前記永久磁石の磁極数は６：１０である、
   ことを特徴とする回転電機。
7. 請求項３に記載の回転電機であって、
   前記三相巻線は前記変調磁心に分布巻されており、
   前記変調磁心の数に対する前記回転子の前記永久磁石の磁極数は６：１４である、
   ことを特徴とする回転電機。