JP7141249B2

JP7141249B2 - 回転電機

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Publication number: JP7141249B2
Application number: JP2018105408A
Authority: JP
Inventors: 斉士桂; 太一北村; 公貴植村
Original assignee: Exedy Corp
Current assignee: Exedy Corp
Priority date: 2018-05-31
Filing date: 2018-05-31
Publication date: 2022-09-22
Anticipated expiration: 2038-05-31
Also published as: US10840786B2; US20190372443A1; JP2019213291A; EP3576265A1; CN110556993A; CN110556993B

Description

本発明は、回転部材の外周に配置されるブラシレス巻線界磁型の回転電機に関する。

例えば回転軸沿いのエンジンと変速機との間に配置される回転電機としては、従来から、回転子に対して静止した界磁コイルから磁束を供給する型の回転電機が、提案されている。例えば、特許文献１に示されるブラシレス巻線界磁型の回転電機１１０では、図８に示されるように、固定子１１３と回転子１１１との間には第１エアギャップ１１Ａがあり、界磁コイル１１２と回転子１１１との間には第２エアギャップ１２Ａがあり、両方とも回転軸１１７の軸方向沿いに延在している。そして、回転子１１１は、鉄を削って製作されている。更に、特許文献２では、発進装置の外周に回転電機を配置する構造が提案されている。

特許３４４５４９２号特表２０１０－５１６５５８号公報

しかしながら、従来の回転電機１１０は、界磁コイル１１２と回転子１１１と固定子１１３とが回転軸１１７の同軸異径上に配置されるので、狭小空間に配置する上で厳しい制約があり、設計自由度が限られてしまい、回転電機１１０の出力性能が限定されてしまう、という課題を有していた。

更に、従来の回転子１１１では、鉄系材料の塊状部材からなるために渦電流が発生し電気抵抗による発熱が生じる、すなわち、所謂「鉄損」が大きい、という課題があった。

本発明の目的は、設計自由度を向上できるだけでなく、「鉄損」を低減できる、回転電機を、提供することである。

本発明は、回転部材と固定ケースとの間に位置する、ブラシレス巻線界磁型の回転電機であって、
前記固定ケースに保持され、交流電流により回転磁界を発生する交流コイルを内部に備えた、固定子と、前記固定ケースに保持され、直流電流により励磁する界磁コイルを内部に備えた界磁コアと、前記回転部材の外周に配置され、前記固定子及び前記界磁コイルに対し回転自在に保持された、回転子と、を備えており、
前記界磁コイルは、前記回転子に対して、前記回転部材の回転軸の軸方向に並列して配置されており、
前記回転子は、
前記回転軸の軸方向に延びた複数の第１爪部を有する、第１磁極と、
前記回転軸の軸方向に延びた複数の第２爪部を有する、第２磁極と、
円環状のロータコアと、
を備えており、
前記第１磁極と前記第２磁極とは、お互いに接触することなく、それぞれ、前記第１爪部と前記第２爪部とを介して前記ロータコアに固定されており、
前記ロータコアは、電磁鋼板を前記回転軸の軸方向に積層して構成されており、
積層された前記電磁鋼板は、相互に、磁束を通すが電気的に絶縁されている、
ことを特徴としている。

本発明によれば、固定ケースの内周側且つ回転部材の外周側という狭小なる空間において、回転軸の同軸異径上には、回転子と、固定子又は界磁コイルのいずれか一方のみとを、配置するだけでよいので、設計自由度が大きくなり、回転電機の出力性能を向上させることができる。しかも、回転子のロータコアは、電磁鋼板を回転軸の軸方向に積層して構成されているので、「鉄損」を低減でき、よって、エネルギー効率を向上できる。

本発明の一実施形態にかかる回転電機の、回転軸と垂直な方向沿いに大略切断したときの断面と、エンジン及び変速機との配置関係とを、示す図である。回転子の側面図である。回転子を軸方向前方から見た斜視図である。回転子を軸方向後方から見た斜視図である。回転子の分解斜視図である。回転子の第１磁極の第１爪部の、かしめ部とかしめた状態とを、示す側面部分図である。回転子の縦断面部分図である。従来の回転電機の断面模式図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。

本実施形態の回転電機は、図１に示されるように、回転軸７沿いのエンジン８と変速機９との間に配置され、発進装置４を内包するケース５と発進装置４との間に位置する、ブラシレス巻線界磁型の回転電機１０である。この回転電機１０は、少なくとも、固定子３と、界磁コイル２と、回転子１とを、備えている。

固定子３は、ケース５に回転不可に固定保持され、交流コイル３１を巻回するための複数のスロットを具備する円筒状の部材で構成され、交流コイル３１を内部に備えて、交流コイル３１に流れる交流電流により回転磁界を発生する。

界磁コイル２は、固定子３及び回転子１よりも回転軸７沿いにずらせて配置されて、固定子３の変速機９側でケース５に固定保持され、直流電流により磁束を励磁する。界磁コア６は、界磁コイル２を内部に備えている。なお、界磁コイル２は、固定子３及び回転子１よりも回転軸７沿いに、固定子３の変速機９側ではなく、第２エアギャップ１０２を介して固定子３のエンジン８側にずらせて配置してもよい（図１の一点鎖線の領域８９を参照）。

回転子１は、発進装置４の外周に固定配置され、回転子１の外周面が固定子３の内周面に対向し、かつ、回転子１の変速機９側の端面が界磁コイル２のエンジン８側の端面に対向して、回転軸７の周りで固定子３及び界磁コイル２に対して回転自在に保持されている。

固定子３と回転子１との間には、第１エアギャップ１０１が形成されて、固定子３と回転子１との間で磁束を受け渡している。第１エアギャップ１０１は、固定子３の内周面と回転子１の外周面との間で回転軸７の軸方向沿いに延在する隙間である。

界磁コア６と回転子１との間には、第２エアギャップ１０２が形成されて、界磁コイル２と回転子１との間で磁束を受け渡している。第２エアギャップ１０２は、界磁コア６と回転子１との間で回転子１の回転軸７の軸方向の変速機９側の端面と界磁コア６のエンジン８側の端面において、回転軸７の軸方向とは垂直な径方向沿いに延在する隙間である。

よって、界磁コイル２は、回転子１に対して、第２エアギャップ１０２を介して回転軸７の軸方向にずらされて並列して配置されている。

更に、図２～図５に示されるように、回転子１は、第１磁極１Ａと、第２磁極１Ｂと、ロータコア１Ｃとが、組み合わされて構成されている。図２は、回転子１の側面図である。図３は、回転子１を軸方向前方（エンジン８側）から見た斜視図である。図４は、回転子１を軸方向後方（変速機９側）から見た斜視図である。図５は、回転子１の分解斜視図である。なお、図２～図５では、永久磁石（後述する）を示していない。

第１磁極１Ａは、例えば鉄などの軟磁性体で構成され、第１円環部１１から回転軸７の軸方向に突き出た複数の例えば矩形薄板状の第１爪部１３を有している。第１爪部１３は、周方向に一定間隔、例えば等間隔に配置されている。また、全ての第１爪部１３の軸方向の長さＬ１は、同じである。第１爪部１３の基部には、周方向両側に張り出した段部１３１が形成されている。また、第１爪部１３の先端部には、かしめ部１３２が形成されている。かしめ部１３２は、周方向に延びた溝１３２１を有しており、図６に示されるように、溝１３２１に圧力を加えて溝１３２１に沿った両縁部１３２２を押し拡げることによって、すなわち、径方向に拡げることによって、かしめられるようになっている。

第２磁極１Ｂは、例えば鉄などの軟磁性体で構成され、第２円環部１４から回転軸７の軸方向に突き出た複数の例えば矩形薄板状の第２爪部１５を有している。第２爪部１５は、周方向に一定間隔、例えば等間隔に配置されている。また、全ての第２爪部１５の軸方向の長さＬ２は、同じである。なお、ここでは、Ｌ１＝Ｌ２である。第２爪部１５の基部には、周方向両側に張り出した段部１５１が形成されている。また、第２爪部１５の先端部には、かしめ部１５２が形成されている。かしめ部１５２も、周方向に延びた溝１５２１を有しており、図６に示されるように、径方向に拡げることによって、かしめられるようになっている。なお、第１磁極１Ａの第１円環部１１の内径をＤ１とし、第２磁極１Ｂの第２円環部１４の外径をＤ２とすると、Ｄ１＞Ｄ２である。

ロータコア１Ｃは、円環状の部材であり、第１爪部１３が嵌合される第１嵌合部１６と、第２爪部１５が嵌合される第２嵌合部１７とを、周方向に沿って交互に有しており、更に、第１嵌合部１６と第２嵌合部１７との間に貫通空洞部１８を有している。そして、ロータコア１Ｃは、電磁鋼板が回転軸７の軸方向に積層されて構成されている。積層された電磁鋼板は、相互に、磁束を通すが電気的に絶縁されている。ロータコア１Ｃの軸方向の最前方には、アルミニウム又はオーステナイト系ステンレス鋼などの非磁性体からなる円環板状のエンドプレート（図示せず）を、配置してもよい。なお、電磁鋼板は、概念的に、ソフトフェライト等を含んでいる。

回転子１は、次のように組み立てられている。すなわち、第１磁極１Ａの第１爪部１３をロータコア１Ｃの第１嵌合部１６に軸方向後方から挿入し、段部１３１をロータコア１Ｃに当接させ且つかしめ部１３２をロータコア１Ｃから露出させるとともに、第２磁極１Ｂの第２爪部１５をロータコア１Ｃの第２嵌合部１７に軸方向後方から挿入し、段部１５１をロータコア１Ｃに当接させ且つかしめ部１３２をロータコア１Ｃから露出させる。そして、第１爪部１３のかしめ部１３２をかしめるとともに、第２爪部１５のかしめ部１５２をかしめる。その際、好ましくは、全てのかしめ部１３２を一度にかしめ、また、全てのかしめ部１５２を一度にかしめる。更に、貫通空洞部１８に、永久磁石１８１、１８２を嵌め込む。その際、回転子１の縦断面部分図である図７に示されるように、貫通空洞部１８の第１爪部１３側には、第１磁極１Ａと同じ磁極を示す永久磁石１８１を配置し、第２爪部１５側には、第２磁極１Ｂと同じ磁極を示す永久磁石１８２を配置する。

なお、永久磁石１８１、１８２は、ネオジムを主原料とした磁石又はフェライトを主原料とした磁石を使用できる。具体的には、永久磁石１８１、１８２としては、例えば、ＳｍＣｏ磁石、ＡｌＮｉＣｏ磁石、又は、ネオジムボンド磁石など、多様な種類の永久磁石を使用できる。

こうして組み立てられた回転子１においては、前述したようにＤ１＞Ｄ２であるので、径方向における第１磁極１Ａと第２磁極１Ｂとの間に、隙間Ｓ１（図４）が存在している。すなわち、第１磁極１Ａと第２磁極１Ｂとは、径方向において接触していない。また、第１磁極１Ａの第１円環部１１とロータコア１Ｃの軸方向後方の端面との間には、第１爪部１３の段部１３１による隙間Ｓ２（図２、図４）が存在している。更に、第２磁極１Ｂの第２円環部１４とロータコア１Ｃの軸方向後方の端面との間には、第２爪部１５の段部１５１による隙間Ｓ３（図２、図３）が存在している。

以上のように構成された回転電機１０においては、まず、永久磁石１８１、１８２による磁束１９１が、図７に示されるように発生し、更に、界磁コイル２が通電されると、磁束１９２が、図１に示されるように発生する。磁束１９２は、界磁コア６から、第２エアギャップ１０２と回転子１の第１磁極１Ａと第１エアギャップ１０１と固定子３と第１エアギャップ１０１と回転子１の第２磁極１Ｂと第２エアギャップ１０２とを介して、界磁コア６に戻ることにより構成されている。第１爪部１３及び第２爪部１５は、薄板状を有しているので、磁束１９２は、低い磁気抵抗で伝達される。このとき、例えば、直流電流が界磁コイル２に通電されれば、磁束１９２を励磁して、第１磁極１Ａと第２磁極１Ｂとは、それぞれ、例えばＮ極とＳ極とにそれぞれ磁化されている。

このような回転電機１０において、まず、回転電機１０をスタータとして始動機能を発揮させる場合について説明する。エンジン８の始動指令に基づき、図示しないインバータを駆動して固定子３に三相交流電流を流して固定子３を磁化するとともに、界磁コイル２に電流を流す。界磁コイル２に電流を流して、回転子１の第１磁極１Ａと第２磁極１Ｂとを励磁する。この結果、回転子１が固定子３に対して回転を開始するとともに、固定子３において誘起電圧を有する起電力が発生する。

その後、誘起電圧は回転子１の回転速度に応じて増加し、回転速度がエンジン８のアイドリングに対応するアイドリング回転速度より低い初爆の回転速度に到達し、エンジン8の始動を完了したとき、インバータの駆動を停止し、以後、所定の誘起電圧（要求電圧）を保持するように、自動的に発電モード、すなわち、回転電機１０を発電機として発電機能を発揮させる場合に移行する。

この発電モードでは、界磁コイル２を励磁し続けるときは、誘起電圧が所定の誘起電圧で一定になるように、励磁電流を調整する。励磁電流は、回転速度の上昇にあわせて回転子の磁化力が減じるように調整し、誘起電圧が一定となるようにする。また、界磁コイル２を励磁しないときは、誘起電圧が所定の誘起電圧で一定になるようにインバータで三相交流電流の進角を調整する。さらに、上記２つの方法を組み合わせて調整してもよい。このように制御することで、回転子１が回転すると、回転電機１０は発電機として機能することになる。

この結果、エンジン８と回転電機１０とを連結することで、エンジン始動を可能とし、且つ、走行中はジェネレータ（発電機）として機能することができる。

本実施形態によれば、次のような効果を発揮できる。
（ａ）発進装置４の外周に配置するブラシレス巻線界磁型の回転電機１０において、界磁コイル２と回転子１との間の第２エアギャップ１０２を回転軸７に対して垂直な平面上に配置している。すなわち、界磁コイル２を、固定子３及び回転子１に対して回転軸７の軸方向にずらせて並列配置している。これにより、発進装置４の径方向外側には、固定子３及び回転子１の２つの部材だけとなり、発進装置４の径方向外側に界磁コイル２の配置スペースは不要となる。このため、少なくとも界磁コイル２の配置スペース分だけ、発進装置４の外側の径方向寸法が小さくなる、又は、配置スペース分だけ固定子３又は回転子１の厚みを増加できるなど、有効に活用することができる。また、固定子３及び回転子１のスペースを考慮することなく、界磁コイル２の径方向の厚みを大きくして、界磁コイル２の磁束を大きくすることができる。よって、設計自由度を大きくすることができる。

（ｂ）ロータコア１Ｃは、電磁鋼板が回転軸７の軸方向に積層されて構成されている。よって、ロータコア１Ｃにおける「鉄損」を低減できる。したがって、回転電機１０のエネルギー効率を向上できる。

（ｃ）回転子１において、第１磁極１Ａは、第１爪部１３をロータコア１Ｃの第１嵌合部１６に軸方向後方から挿入することによって、ロータコア１Ｃに取り付けられるので、ロータコア１Ｃに対する周方向及び径方向の位置決めを容易に実施できる。また、第２磁極１Ｂは、第２爪部１５をロータコア１Ｃの第２嵌合部１７に軸方向後方から挿入することによって、ロータコア１Ｃに取り付けられるので、ロータコア１Ｃに対する周方向及び径方向の位置決めを容易に実施できる。

（ｄ）回転子１において、第１磁極１Ａは、第１爪部１３のかしめ部１３２をかしめることによって、ロータコア１Ｃに固定されるので、ロータコア１Ｃに対する軸方向の位置決めを容易に実施できる。また、第２磁極１Ｂは、第２爪部１５のかしめ部１５２をかしめることによって、ロータコア１Ｃに固定されるので、ロータコア１Ｃに対する軸方向の位置決めを容易に実施できる。

（ｅ）ロータコア１Ｃが永久磁石１８１、１８２を備えているので、界磁コイル２によって回転子１に発生する磁束１９２に加えて永久磁石１８１、１８２によって発生する磁束１９１を利用でき、よって、出力性能を向上させることができる。

（ｆ）ロータコア１Ｃの軸方向の最前方のエンドプレートは、他の電磁鋼板よりも高剛性を有しているので、かしめ部１３２、１５２をかしめる際にロータコア１Ｃが傷付くのを防止でき、更に、軸方向最前方の電磁鋼板の捲れ上がりを防止する機能も有している。

［変形構成］
（１）ロータコア１Ｃは、永久磁石１８１、１８２を備えていなくてもよい。なお、この場合でも、貫通空洞部１８は存在しているのが好ましい。

（２）かしめ部１３２、１５２は、前記実施形態のように径方向に拡がってかしめられる形態に限るものではなく、周方向に、又は、径方向と周方向の両方に、拡がってかしめられる形態を有してもよい。

（３）固定子３の位置と界磁コイル２の位置とを交換してもよい。すなわち、界磁コイル２を回転子１の径方向外側に配置し、固定子３を回転子１の回転軸７の軸方向にずらして配置してもよい。この場合、回転子１と固定子３との間の第１エアギャップ１０１は回転軸７の軸方向とは垂直な径方向沿いに延在する隙間として形成される。一方、界磁コイル２と回転子１との間の第２エアギャップ１０２は、回転軸７の軸方向沿いに延在する隙間として形成される。この構成によれば、前記実施形態と同様の作用効果に加えて、固定子３の設計時に、回転子１の遠心力による膨らみなどの厚みの変化を考慮しなくてもよい。

（４）回転電機１０は、発進装置４以外の他の回転部材の外周に配置してもよい。他の回転部材としては、例えば、駆動系のフライホイールやドライブプレートなどを挙げることができる。

（５）前記実施形態では、回転電機１０を回転軸７沿いのエンジン８と変速機９との間に配置しているが、このような配置に限るものではない。回転電機１０は、例えば、オルタネータと置換して配置したり、変速機９と車輪との間に配置したりするなど、任意の位置に配置してもよい。

（６）第１磁極、第２磁極、及びロータコアは、前記実施形態の形態に限るものではなく、例えば、次のような形態を有することができる。
(6-1)第１磁極が、第１爪部のみを有し第１円環部を有していない。また、第２磁極が、第２爪部のみを有し第２円環部を有していない。すなわち、第１磁極及び第２磁極が、それぞれ、分離独立した爪部のみからなっている。
(6-2)ロータコアが、第１嵌合部及び第２嵌合部を有しておらず、第１磁極及び第２磁極が、ロータコアの内周端に固定されている。

本発明は、車両に限らず、広く一般に駆動・発電装置に使用される回転電機として有用であり、よって、産業上の利用価値が大である。

１回転子
１Ａ第１磁極
１１第１円環部
１３第１爪部
１３２かしめ部
１Ｂ第２磁極
１４第２円環部
１５第２爪部
１５２かしめ部
１Ｃロータコア
１６第１嵌合部
１７第２嵌合部
１８貫通空洞部
１８１、１８２永久磁石
２界磁コイル
３固定子
３１交流コイル
４発進装置（回転部材）
５ケース
６界磁コア
７回転軸
１０回転電機

Claims

回転部材と固定ケースとの間に位置する、ブラシレス巻線界磁型の回転電機であって、
前記固定ケースに保持され、交流電流により回転磁界を発生する交流コイルを内部に備えた、固定子と、前記固定ケースに保持され、直流電流により励磁する界磁コイルを内部に備えた界磁コアと、前記回転部材の外周に配置され、前記固定子及び前記界磁コイルに対し回転自在に保持された、回転子と、を備えており、
前記界磁コイルは、前記固定子及び前記回転子に対して、前記回転部材の回転軸の軸方向にずらせて並列して配置されており、
前記回転子は、
前記回転軸の軸方向に延びた複数の第１爪部を有する、第１磁極と、
前記回転軸の軸方向に延びた複数の第２爪部を有する、第２磁極と、
円環状のロータコアと、
を備えており、
前記第１磁極と前記第２磁極とは、お互いに接触することなく、それぞれ、前記第１爪部と前記第２爪部とを介して前記ロータコアに固定されており、
前記ロータコアは、電磁鋼板を前記回転軸の軸方向に積層して構成されており、
積層された前記電磁鋼板は、相互に、磁束を通すが電気的に絶縁されている、
ことを特徴とする回転電機。
前記第１磁極は、第１円環部を有しており、
前記第１爪部は、前記第１円環部から前記回転軸の軸方向に突き出ており、
前記第２磁極は、第２円環部を有しており、
前記第２爪部は、前記第２円環部から前記回転軸の軸方向に突き出ている、
請求項１記載の回転電機。
前記ロータコアは、前記第１爪部が嵌合される第１嵌合部と、前記第２爪部が嵌合される第２嵌合部とを、周方向に沿って交互に有しており、
前記第１磁極と前記第２磁極とは、前記第１爪部が前記第１嵌合部に嵌合され且つ前記第２爪部が前記第２嵌合部に嵌合されて、前記ロータコアに固定されている、
請求項１又は２に記載の回転電機。
前記ロータコアは、前記第１嵌合部と前記第２嵌合部との間に貫通空洞部を有している、
請求項３記載の回転電機。
前記貫通空洞部には、永久磁石が配置されており、
前記永久磁石は、前記第１爪部側が前記第１磁極と同じ磁極を示し、且つ、前記第２爪部側が前記第２磁極と同じ磁極を示すように、設けられている、
請求項４記載の回転電機。
前記第１爪部及び前記第２爪部は、前記回転軸の軸方向の先端に、前記ロータコアから露出するかしめ部を有しており、前記第１磁極及び前記第２磁極は、前記かしめ部がかしめられることによって前記回転軸の軸方向に固定されている、
請求項３～５のいずれか一つに記載の回転電機。
前記ロータコアは、前記回転軸の軸方向の先端側に、非磁性体からなるエンドプレートを有しており、前記非磁性体はアルミニウム又はオーステナイト系ステンレス鋼である、
請求項６記載の回転電機。