JPWO2018139561A1 - 回転電機 - Google Patents

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Abstract

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）と発進装置との間に位置するブラシレス巻線界磁型回転電機（１０）であって、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（１４）を内部に備えた固定子（３）と、ケースに保持され、直流電流により励磁する界磁コイル（２）を内部に備えた界磁コア（６）と、発進装置の外周に配置され、固定子及び界磁コイルに対し回転自在に保持される回転子（１）と、固定子と回転子との間に形成されて両者間で磁束を受け渡す第１エアギャップ（１１）と、界磁コアと回転子との間に形成されて両者間で磁束を受け渡す第２エアギャップ（１２）とを備え、第２エアギャップは、回転子の回転軸の軸方向の一方の端面において、回転軸の軸方向とは交差する方向沿いに延在する隙間である。

Description

本発明は、発進装置の外周に配置されるブラシレス巻線界磁型回転電機に関する。
従来技術として、図１８に示す特許文献１のように、回転子１０１に対して静止した界磁コイル１０２から磁束を供給する回転電機が提案されている。固定子１０３は回転子１０１の径方向の外側に配置されている。このような構造により、従来、回転子１０１を磁化するために必要であった電力供給装置、所謂ブラシを用いたスリップリングを廃止することができる。これが、ブラシレス巻線界磁型回転電機１１０である。なお、固定子１０３と回転子１０１との間には第１エアギャップ１１１があり、界磁コイル１０２と回転子１０１との間には第２エアギャップ１１２があり、両方とも回転軸１０７の軸方向沿いに延在している。
また、特許文献２のように、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。このような構造とし、エンジンと回転電機とを連結することでエンジン始動を可能とし、かつ走行中はジェネレータとして機能する事で、従来の自動車で必要であったスタータ及びオルタネータを廃止する事ができる。
特許３４４５４９２号 特表２０１０−５１６５５８号公報
これら２つの特許文献を組み合わせて、すなわち、図７の（ｂ）に示すように、発進装置１０４の外周にブラシレス巻線界磁型回転電機１１０を配置しようとした場合、２つの特許文献の構造同士の組み合わせでは、ケース１０５の内周側でかつ、発進装置１０４の外周側という狭小なる空間に、ケース１０５に固定される固定子１０３と、回転子１０１と、界磁コイル１０２との３つの部材を回転軸１０７の同軸異径上に配置するため、回転電機１１０の占める体積に厳しい制約があり、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がある。
従って、本発明の目的は、前記問題を解決することにあって、設計自由度を大きくすることができて、出力性能を向上させることができる回転電機を提供することにある。
前記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
本発明の１つの態様によれば、回転軸沿いのエンジンと変速機との間に配置され、発進装置を内包するケースと前記発進装置との間に位置するブラシレス巻線界磁型回転電機であって、
前記ケースに保持され、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、
前記発進装置の外周に配置され、前記固定子及び前記界磁コイルに対し前記回転軸周りに回転自在に保持される回転子と、
前記固定子と前記回転子との間に形成されて前記固定子と前記回転子との間で磁束を受け渡す第１エアギャップと、
前記界磁コアと前記回転子との間に形成されて前記界磁コアと前記回転子との間で磁束を受け渡す第２エアギャップとを備えて、
前記第２エアギャップは、前記回転子の前記回転軸の軸方向の一方の端面において、前記回転軸の前記軸方向とは交差する方向沿いに延在する隙間である、回転電機を提供する。
本発明の前記態様によれば、ケースの内周側でかつ発進装置の外周側という狭小なる空間に、回転子以外に、固定子又は界磁コイルのいずれか一方のみを配置させることにより、２つの部材を回転軸の同軸異径上に配置するだけでよいため、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。
本発明のこれらと他の目的と特徴は、添付された図面についての実施形態に関連した次の記述から明らかになる。この図面においては、
本発明の第１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で示す回転電機とエンジン及び変速機との配置関係を示す説明図、 第１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切断したときの斜視図、 図２Ａから磁極保持部材を取り除いた状態での斜視図、 第１実施形態にかかる回転電機の変速機側から見たときの正面図、 第１実施形態にかかる回転電機の斜視図、 第１実施形態にかかる回転電機の回転子の斜視図、 第１実施形態にかかる回転電機の回転子の分解斜視図、 第１実施形態の構成と従来の文献の組み合わせ例の構成との関係を説明する説明図、 第１実施形態の変形例にかかる構成を説明する説明図、 本発明の第２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で示す回転電機とエンジン及び変速機との配置関係を示す説明図、 第２実施形態にかかる回転電機の部分正面図、 第２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切断したときの斜視図であって磁極保持部材を取り除いた状態での斜視図、 本発明の第３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で示す回転電機とエンジン及び変速機との配置関係を示す説明図、 図１２Ａの部分拡大図、 本発明の第３実施形態の変形例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で示す回転電機とエンジン及び変速機との配置関係を示す説明図、 第３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切断したときの斜視図、 図１３Ａから磁極保持部材を取り除いた状態での斜視図、 垂直に形成されている場合の磁束と電磁力とのそれぞれの倍率を１としたときの、第３実施形態のように斜めに（例えば傾斜角度が２０度で）形成されている場合の磁束と軸方向電磁力との倍率を表示するグラフ、 第１実施形態の構成と従来の文献の組み合わせ例の構成との関係を説明する説明図、 本発明の第４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で示す回転電機とエンジン及び変速機との配置関係を示す説明図、 第４実施形態にかかる回転電機の部分正面図、 第４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切断したときの斜視図であって磁極保持部材を取り除いた状態での斜視図、 従来の回転電機の概略構成を説明する説明図である。
以下、図面を参照して本発明における実施形態を詳細に説明する。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態にかかる回転電機は、図１〜図２Ｂに示すように、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１４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１４を内部に備えて、交流コイル１４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１２を介して固定子３のエンジン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の変速機側の端面が界磁コイル２のエンジン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１１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１１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１２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１２は、界磁コア６と回転子１との間で回転子１の回転軸７の軸方向の変速機側の端面と界磁コア６のエンジン側の端面において、回転軸７の軸方向とは交差する方向、例えば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１２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。
一方、図３〜図６に示すように、回転子１は、第１磁極２１と、第２磁極２２と、磁極保持部材２３とが組み合わされて構成されている。なお、図３のＡ−Ａ線断面図が図１の中央の回転電機１０と発進装置４などの断面図である。
第１磁極２１は、例えば鉄などの軟磁性体で構成され、第１円環部２１ａ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爪部２１ｂを有している。爪部２１ｂは、周方向に一定間隔、例えば等間隔に配置され、回転軸７の軸方向の長さはすべて同じである。各爪部２１ｂの外周面は第１円環部２１ａの外周面沿いに配置されている。爪部２１ｂは、第１磁極２１と第２磁極２２とが組み合わされても、第２磁極２２とは非接触であり、径方向には径方向隙間１６が形成されている。
第２磁極２２は、例えば鉄などの軟磁性体で構成され、第１円環部２１ａの内側に径方向隙間１６をあけて配置され、第１円環部２１ａと部分的に重なるように配置された第２円環部２２ａの外周面に径方向に突出しかつ周方向には周方向隙間１７を有して配置された複数の例えば矩形板状の凸部２２ｂを有している。凸部２２ｂも、周方向に一定間隔、例えば等間隔に配置され、径方向の高さはすべて同じである。凸部２２ｂの回転軸７の軸方向の長さはすべて同じであり、爪部２１ｂよりも短くなっている。各凸部２２ｂの外周面は回転子１の回転軸心と同一中心の１つの円上に配置されている。各凸部２２ｂは、第２円環部２２ａのエンジン側の端縁まで延びて第１先端係止部２２ｃを形成する一方、第２円環部２２ａの変速機側には端縁まで延びずに、凸部２２ｂが無く細幅の円環状のはめ込み部２２ｄを形成している。第１磁極２１を第２磁極２２に対して軸方向に移動させて、第１磁極２１の各爪部２１ｂを隣接する凸部２２ｂ間の周方向隙間１７の中間部に挿入して、爪部２１ｂと凸部２２ｂとが周方向に交互に配置されように組み付ける。このとき、はめ込み部２２ｄの外側に、径方向隙間１６を挟んで第１磁極２１の第１円環部２１ａを配置できるようにしている。組み付けた状態では、図５に示すように、凸部２２ｂと第１円環部２１ａとの間に軸方向隙間１９があり、爪部２１ｂと第２磁極２２との間には、周方向に周方向隙間１７があり、かつ、径方向にも径方向隙間１６がある。よって、第１磁極２１と第２磁極２２とは非接触に維持されている。この状態で固定するため、磁極保持部材２３をさらに備えている。
磁極保持部材２３は、例えば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で構成され、円環状の部材であって、第１磁極２１の爪部２１ｂの第１先端係止部２１ｃを嵌合固定するとともに第２磁極２２の凸部２２ｂの第２先端係止部２２ｃを嵌合固定する嵌合部２３ａを例えば外周側に有している。第１先端係止部２１ｃと第２先端係止部２２ｃとが嵌合部２３ａに嵌合され、ボルト止め、焼嵌め、又はロウ付けなどで固定されて、第１磁極２１と第２磁極２２とは非接触に磁極保持部材２３で固定保持されている。
第１磁極２１の爪部２１ｂの第１先端係止部２１ｃと第２磁極２２の凸部２２ｂの第２先端係止部２２ｃとは、具体的な例としては、段部で形成されて、当該段部が嵌合部２３ａの係合凹部にそれぞれ嵌合されて、径方向に対して固定的に保持されている。第２先端係止部２２ｃは、一例として凸部２２ｂの先端に配置しているが、第２円環部２２ａの先端に配置してもよい。このように構成すれば、界磁コイル２から磁束を流して第１磁極２１と第２磁極２２とを磁化するとき、磁極保持部材２３を非磁性体として磁束ショートを無くし、効率的に磁化することができるとともに、磁極保持部材２３で第１磁極２１と第２磁極２２とを機械的に保持することができる。また、第１磁極２１の爪部２１ｂの第１先端係止部２１ｃを磁極保持部材２３の嵌合部２３ａで嵌合固定保持する事により、回転遠心力による爪部２１ｂの広がりを抑制し、回転強度を向上する事ができる。
以上のように構成された回転電機１０においては、界磁コイル２が通電されると、界磁コイル磁束１５が発生する。界磁コイル磁束１５は、界磁コア６から、第２エアギャップ１２と回転子１の第１磁極２１と第１エアギャップ１１と固定子３と第１エアギャップ１１と回転子１の第２磁極２２と第２エアギャップ１２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。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、界磁コイル磁束１５を発生させ、第１磁極２１と第２磁極２２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２１と第２磁極２２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、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。励磁電流を調整するとき、まず、界磁コイル２の磁化力が一定となるように励磁電流を調整する。これは、界磁コイル２が、あたかも永久磁石として機能することを意味している。このように、あたかも永久磁石が配置されたかのような状態で、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、かつ走行中はジェネレータ（発電機）として機能する事ができる。
前記第１実施形態によれば、自動車発進装置４の外周に配置するブラシレス巻線界磁型回転電機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１２を回転軸７と垂直な平面上に配置している。特に、回転子１の第１磁極２１を円環状の部材でかつ多数の爪部２１ｂを有する形状とし、第２磁極２２を円環状の部材でかつ多数の凸部２２ｂを有する形状とし、これらの第１及び第２磁極２１,２２を周方向に交互に配置した上で、第１及び第２磁極２１,２２を非磁性体の磁極保持部材２３で保持する構造としている。このような構成によれば、以下のような効果を奏することができる。
まず、第１実施形態に対する比較例であって図７の（ｂ）に従来の特許文献１，２の組み合わせ例として示すように、発進装置１０４の径方向外側に回転電機１１０を配置して、ケース１０５と発進装置１０４との間のスペースで径方向の外から内向きに、固定子１０３と、回転子１０１と、界磁コイル１０２との３つの部材を配置する場合、界磁コイル１０２の磁束を大きくしようとしてコイルの巻数が多くすると、径方向の厚みが大きくなり、当該スペースには入らず、磁束を大きくすることができなかった。
これに対して、第１実施形態では、図７の（ａ）に示すように、固定子３及び回転子１に対して界磁コイル２を回転軸７の軸方向にずらせて並列配置するように構成している。このように構成すれば、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の厚みが増加できるなど、有効に活用することができる。また、界磁コイル２を固定子３及び回転子１とは軸方向にずれた位置に配置するため、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、設計の自由度を大きくすることができる。
また、図７の（ｂ）のように、径方向の外から内向きに固定子１０３、回転子１０１、界磁コイル１０２を配置する場合、回転子１０１と界磁コイル１０２との隙間寸法は、回転子１０１の遠心力による膨らみなどの厚みの変化を考慮して、設計する必要があり、一般的には必要な寸法よりも大きく設計する必要があった。
これに対して、図７の（ａ）のように、固定子３及び回転子１に対して界磁コイル２を軸方向にずらせて配置して、界磁コイル２と回転子１との隙間を径方向に延ばして第２エアギャップ１２とすれば、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する必要がなくなり、軸方向沿いの第２エアギャップ１２の間隔寸法だけを調整すればよいので、遠心力による影響を少なくすることができる。
また、図７の（ｂ）のような径方向の配置では、回転側の回転子１０１と固定側の界磁コイル１０２との同心性（同心位置の位置調整）が厳しかったが、図７の（ａ）のように軸方向にずらせて配置すれば、回転側の回転子１と固定側の界磁コイル２との同心性を、図７の（ｂ）の構成ほど厳しく調整する必要がない。
また、図７の（ａ）の構成では、界磁コイル２を回転子１の軸方向のエンジン側又は変速機側のいずれかのスペースに配置可能とすることにより、当該スペースを有効活用することができる。
また、回転電機１０の回転子１をエンジン８の出力軸（回転軸）７と同期回転する同期回転部材である発進装置４に連結するとともに、エンジン８の出力軸の中心軸を回転子１の回転軸となるように回転電機１０を配置しているので、冷間時でも、回転電機１０の回転駆動力をエンジン８に確実に伝達でき、冷間時にエンジン８を確実に始動させることができる。
なお、本発明は前記第１実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施できる。例えば、変形例として、図８に示すように、第１実施形態において、固定子３の位置と界磁コイル２の位置とを交換して、界磁コイル２が回転子１の径方向外側に配置され、固定子３が回転子１の回転軸７の軸方向に位置ずれした構成としてもよい。すなわち、回転子１と固定子３との間の第１エアギャップ１１が回転軸７の軸方向とは交差する方向、例えば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１２が回転軸７の軸方向沿いに延在する隙間として形成される。
このように構成すれば、先の第１実施形態の作用効果を奏する上に、回転子１と固定子３との間の第１エアギャップ１１が回転軸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ため、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くなる。
（第２実施形態）
図９〜図１１に示すように、本発明の第２実施形態として、第１実施形態の構成において、回転子１の内部に永久磁石２７を配置した構造としてもよい。
より具体的には、第１磁極２１の各爪部２１ｂと周方向の同一位置で、かつ、第１磁極２１の各爪部２１ｂの内径側でかつ第２磁極２２の第２円環部２２ａの外径側に、各爪部２１ｂの内周面と第２円環部２２ａの外周面との間で例えば矩形板状の永久磁石２７を挟持するように備える。この配置により、図１０に示すように、永久磁石２７の磁石磁束２８が第１磁極２１の各爪部２１ｂと第２磁極２２の凸部２２ｂとの間に形成されるようにしている。
永久磁石２７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である。具体的には、永久磁石２７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することができる。永久磁石２７は、各爪部２１ｂの内側全面又はその一部に配置している。
このように構成することで、界磁コイル２により回転子１に発生する磁束に加えて永久磁石２７の磁石磁束２８を利用することで、出力性能を向上させることができる。また、永久磁石２７を爪部２１ｂで抑えて保持することにより、永久磁石２７の遠心力に対する強度を補強することができ、遠心力による永久磁石２７の変形を防止でき、高回転時の遠心強度を向上する事ができる。
（第３実施形態）
第２エアギャップ１２としては、第１及び第２実施形態に記載したように回転軸７の軸方向とは垂直な径方向沿いに延在する隙間に限定するものではなく、回転軸７の軸方向に対して傾斜した隙間であってもよい。そのような隙間を有する例を、以下に説明する。
本発明の第３実施形態にかかる回転電機は、図１２Ａ〜図１３Ｂに示すように、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１４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１４を内部に備えて、交流コイル１４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２１２を介して固定子３のエンジン側にずらせて配置してもよい（図１２Ａ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の変速機側の端面が界磁コイル２のエンジン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１１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１１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２１２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２１２は、界磁コア６と回転子１との間で回転子１の回転軸７の軸方向の変速機側の端面と界磁コア６のエンジン側の端面において、回転軸７の軸方向に対して傾斜角度αで傾斜する隙間である。
より詳しくは、第２エアギャップ２１２は、図１３Ａに示すように、界磁コア６と回転子１の第２磁極２２との間で回転子１の回転軸７の軸方向の変速機側の端面と界磁コア６のエンジン側の端面と、界磁コア６と回転子１の第１磁極２１との間で回転子１の回転軸７の軸方向の変速機側の端面と界磁コア６のエンジン側の端面とに、それぞれ形成されている。
まず、界磁コア６と回転子１の第２磁極２２との間で回転子１の回転軸７の軸方向の変速機側の端面と界磁コア６のエンジン側の端面において、第２エアギャップ２１２は、回転軸７の中心側から、回転軸７の軸方向に対して垂直な隙間の第１垂直部２１２ａと、回転軸７の軸方向に対して傾斜角度αで傾斜した隙間の傾斜部２１２ｂと、回転軸７の軸方向に対して垂直な隙間の第２垂直部２１２ｃとで構成されている。第１垂直部２１２ａと傾斜部２１２ｂと第２垂直部２１２ｃとは連続して接続されている。傾斜部２１２ｂの傾斜方向としては、径方向の内側から外側に向かうに従い、徐々にエンジン側から変速機側に向かうように傾斜している。第１垂直部２１２ａと傾斜部２１２ｂと第２垂直部２１２ｃとのそれぞれの隙間はほぼ同じである。
また、界磁コア６と回転子１の第１磁極２１との間で回転子１の回転軸７の軸方向の変速機側の端面と界磁コア６のエンジン側の端面において、第２エアギャップ２１２は、回転軸７の中心側から、回転軸７の軸方向に対して垂直な隙間の第１垂直部２１２ａと、回転軸７の軸方向に対して傾斜角度αで傾斜した隙間の傾斜部２１２ｂと、回転軸７の軸方向に対して垂直な隙間の第２垂直部２１２ｃとで構成されている。第１垂直部２１２ａと傾斜部２１２ｂと第２垂直部２１２ｃとは連続して接続されている。傾斜部２１２ｂの傾斜方向としては、径方向の内側から外側に向かうに従い、第２磁極２２側の第２エアギャップ２１２とは逆に、徐々に変速機側からエンジン側に向かうように傾斜している。第１垂直部２１２ａと傾斜部２１２ｂと第２垂直部２１２ｃとのそれぞれの隙間はほぼ同じである。
結局、第１磁極２１側の第２エアギャップ２１２の傾斜方向と、第２磁極２２側の第２エアギャップ２１２の傾斜方向とを合わせると、図１２Ｂに示すように、エンジン側から変速機側に向けて尖った大略Ｖ字形状を形成するように配置されている。この大略Ｖ字形状は一例であり、逆向きの大略Ｖ字形状でもよいし、又は、平行な形状でもよい。すなわち、第１磁極２１側の第２エアギャップ２１２の傾斜方向と、第２磁極２２側の第２エアギャップ２１２の傾斜方向とは、それぞれ、任意の方向でよく、かつ、傾斜角度も任意である。一例として、両者の傾斜方向を同じにすれば、磁束と軸方向力のバランスの観点からは好ましい。
第２エアギャップ２１２としては、少なくとも傾斜部２１２ｂを備えていればよく、垂直部２１２ａ又は２１２ｃは１つ又は２つ程度備えればよい。
ここで、第２エアギャップ２１２を、このように傾斜させる理由について説明する。
回転子１と界磁コイル２との間の第２エアギャップ２１２を回転軸７の軸方向の垂直面として形成してしまうと、エアギャップ断面積が少ないため磁気抵抗が高くなり、ロータ界磁に必要な界磁電流が高くなってしまう可能性がある。また、第２エアギャップ２１２が回転軸７の軸方向に垂直に形成すると、軸方向に電磁吸引力が発生し、発進装置４を保持する軸受（図示せず）に大きなアキシャル力が作用する可能性がある。
特に、第２エアギャップ２１２が回転軸７の軸方向に対し垂直に形成されている場合、断面において、第２エアギャップ２１２の有効磁路幅は、界磁コア６の厚み及び磁極厚みと同等である。また、界磁コア６を励磁した際、界磁コア６と回転子１との間には電磁吸引力が作用するが、第２エアギャップ２１２が回転軸７の軸方向に対して垂直に形成されていると、電磁吸引力は全てアキシャル力として作用する。
これに対して、第３実施形態のように、第２エアギャップ２１２を回転軸７の軸方向に対して傾斜して形成すれば、垂直に形成されている場合と比較して、第２エアギャップ２１２の有効磁路幅を拡大する事ができるとともに、電磁吸引力をアキシャル力だけでなくラジアル力にも分散する事で、アキシャル力を減少させる事ができる。
ここで、図１３Ｃに、垂直に形成されている場合の磁束と電磁力を棒グラフ９１で示し、第３実施形態のように斜めに形成されている場合の磁束と電磁力とを棒グラフ９２で示す。ここでは、垂直に形成されている場合の磁束と電磁力とのそれぞれの倍率を１としたときの、第３実施形態のように斜めに形成されている場合の磁束と電磁力との倍率１．０４と０．７６とを表示している。第３実施形態のように斜めに形成されている場合のほうが、垂直に形成されている場合よりも、有効磁路幅の拡大により磁束が大きくなり、ラジアル力への分散により電磁吸引力すなわち電磁力が小さくなっていることがわかる。
よって、軸方向の電磁吸引力を減らして、軸受にかかるアキシャル力を低減する事ができる。その結果、ドラッグトルクを低減し、車両燃費を向上する事ができる。
また、第２エアギャップ２１２を傾斜させることにより第２エアギャップ２１２の断面積を拡大すれば、磁気抵抗を下げ、界磁電流を低減する事ができる。その結果、回転電機１０の効率が向上し、車両燃費をさらに向上する事ができる。
前記したような様々な効果を確実に奏するためには、各傾斜部２１２ｂの傾斜角度αは、一例として、回転軸７の軸方向に対して１０度から２５度の範囲とする。
なお、前記した傾斜部２１２ｂの傾斜方向としては、第１磁極２１と第２磁極２２とで逆になっていてもよい。すなわち、第２磁極２２側の傾斜部２１２ｂでは、径方向の内側から外側に向かうに従い、徐々に変速機側からエンジン側に向かうように傾斜する一方、第１磁極２１側の傾斜部２１２ｂでは、径方向の内側から外側に向かうに従い、徐々にエンジン側から変速機側に向かうように傾斜してもよい。
また、図１２Ｃに示すように、第２エアギャップ２１２は、垂直部２１２ａ，２１２ｃが無く、傾斜部２１２ｂのみで構成するようにしてもよい。
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２１２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。
なお、第３実施形態において、先の第１実施形態の図３〜図６に対応する構成は、第１実施形態の構成と同一であるため、それらの説明及び図示を省略する。
以上のように構成された回転電機１０においては、界磁コイル２が通電されると、界磁コイル磁束１５が発生する。界磁コイル磁束１５は、界磁コア６から、第２エアギャップ２１２と回転子１の第１磁極２１と第１エアギャップ１１と固定子３と第１エアギャップ１１と回転子１の第２磁極２２と第２エアギャップ２１２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。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、界磁コイル磁束１５を発生させ、第１磁極２１と第２磁極２２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２１と第２磁極２２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、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。励磁電流を調整するとき、まず、界磁コイル２の磁化力が一定となるように励磁電流を調整する。これは、界磁コイル２が、あたかも永久磁石として機能することを意味している。このように、あたかも永久磁石が配置されたかのような状態で、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、かつ走行中はジェネレータ（発電機）として機能する事ができる。
前記第３実施形態によれば、自動車発進装置４の外周に配置するブラシレス巻線界磁型回転電機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２１２を回転軸７に対して傾斜して配置している。特に、回転子１の第１磁極２１を円環状の部材でかつ多数の爪部２１ｂを有する形状とし、第２磁極２２を円環状の部材でかつ多数の凸部２２ｂを有する形状とし、これらの第１及び第２磁極２１,２２を周方向に交互に配置した上で、第１及び第２磁極２１,２２を非磁性体の磁極保持部材２３で保持する構造としている。このような構成によれば、以下のような効果を奏することができる。
まず、第３実施形態に対する比較例であって図１４の（ｂ）に従来の特許文献１，２の組み合わせ例として示すように、発進装置１０４の径方向外側に回転電機１１０を配置して、ケース１０５と発進装置１０４との間のスペースで径方向の外から内向きに、固定子１０３と、回転子１０１と、界磁コイル１０２との３つの部材を配置する場合、界磁コイル１０２の磁束を大きくしようとしてコイルの巻数が多くすると、径方向の厚みが大きくなり、当該スペースには入らず、磁束を大きくすることができなかった。
これに対して、第３実施形態では、図１４の（ａ）に示すように、固定子３及び回転子１に対して界磁コイル２を回転軸７の軸方向にずらせて並列配置するように構成している。このように構成すれば、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の厚みが増加できるなど、有効に活用することができる。また、界磁コイル２を固定子３及び回転子１とは軸方向にずれた位置に配置するため、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、設計の自由度を大きくすることができる。
また、図１４の（ｂ）のように、径方向の外から内向きに固定子１０３、回転子１０１、界磁コイル１０２を配置する場合、回転子１０１と界磁コイル１０２との隙間寸法は、回転子１０１の遠心力による膨らみなどの厚みの変化を考慮して、設計する必要があり、一般的には必要な寸法よりも大きく設計する必要があった。
これに対して、図１４の（ａ）のように、固定子３及び回転子１に対して界磁コイル２を軸方向にずらせて配置して、界磁コイル２と回転子１との隙間を軸方向に対して傾斜して第２エアギャップ２１２とすれば、前記したように回転電機１０の効率向上とアキシャル力の低減とを図ることができる。
また、図１４の（ｂ）のような径方向の配置では、回転側の回転子１０１と固定側の界磁コイル１０２との同心性（同心位置の位置調整）が厳しかったが、図１４の（ａ）のように軸方向にずらせて配置すれば、回転側の回転子１と固定側の界磁コイル２との同心性を、図１４の（ｂ）の構成ほど厳しく調整する必要がない。
また、図１４の（ａ）の構成では、界磁コイル２を回転子１の軸方向のエンジン側又は変速機側のいずれかのスペースに配置可能とすることにより、当該スペースを有効活用することができる。
また、回転電機１０の回転子１をエンジン８の出力軸（回転軸）７と同期回転する同期回転部材である発進装置４に連結するとともに、エンジン８の出力軸の中心軸を回転子１の回転軸となるように回転電機１０を配置しているので、冷間時でも、回転電機１０の回転駆動力をエンジン８に確実に伝達でき、冷間時にエンジン８を確実に始動させることができる。
従って、第３実施形態によれば、ケース５の内周側でかつ発進装置４の外周側という狭小なる空間に、回転子１以外に、固定子３又は界磁コイル２のいずれか一方のみを配置させることにより、２つの部材を回転軸７の同軸異径上に配置するだけでよいため、設計自由度が大きくなり、回転電機１０の出力性能を向上させることができる。さらに、第２エアギャップ２１２は、回転子１の回転軸７の軸方向の一方の端面において、回転軸７の軸方向に対して傾斜した隙間である傾斜部２１２ｂを有するので、回転電機１０の効率向上とアキシャル力の低減とを図ることができる。
（第４実施形態）
図１５〜図１７に示すように、本発明の第４実施形態として、第３実施形態の構成において、回転子１の内部に永久磁石２７を配置した構造としてもよい。
より具体的には、第１磁極２１の各爪部２１ｂと周方向の同一位置で、かつ、第１磁極２１の各爪部２１ｂの内径側でかつ第２磁極２２の第２円環部２２ａの外径側に、各爪部２１ｂの内周面と第２円環部２２ａの外周面との間で例えば矩形板状の永久磁石２７を挟持するように備える。この配置により、図１６に示すように、永久磁石２７の磁石磁束２８が第１磁極２１の各爪部２１ｂと第２磁極２２の凸部２２ｂとの間に形成されるようにしている。
永久磁石２７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である。具体的には、永久磁石２７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することができる。永久磁石２７は、各爪部２１ｂの内側全面又はその一部に配置している。
このように構成することで、界磁コイル２により回転子１に発生する磁束に加えて永久磁石２７の磁石磁束２８を利用することで、出力性能を向上させることができる。また、永久磁石２７を爪部２１ｂで抑えて保持することにより、永久磁石２７の遠心力に対する強度を補強することができ、遠心力による永久磁石２７の変形を防止でき、高回転時の遠心強度を向上する事ができる。
なお、前記様々な実施形態又は変形例のうちの任意の実施形態又は変形例を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。また、実施形態同士の組み合わせ又は実施例同士の組み合わせ又は実施形態と実施例との組み合わせが可能であると共に、異なる実施形態又は実施例の中の特徴同士の組み合わせも可能である。
本発明は、添付図面を参照しながら実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。
本発明の前記態様にかかる回転電機は、設計自由度が大きくなり、出力性能を向上させることができて、車両のオルタネータ及びスタータモータの持つ発電機能及びエンジン始動機能を統合する回転電機付き動力伝達装置等として有用である。
１ 回転子
２ 界磁コイル
３ 固定子
４ 発進装置
５ ケース
６ 界磁コア
７ 回転軸
８ エンジン
９ 変速機
１０ ブラシレス巻線界磁型回転電機
１１ 第１エアギャップ
１２ 第２エアギャップ
１４ 交流コイル
１５ 界磁コイル磁束
１６ 径方向隙間
１７ 周方向隙間
１９ 軸方向隙間
２１ 第１磁極
２１ａ 第１円環部
２１ｂ 爪部
２１ｃ 第１先端係止部
２２ 第２磁極
２２ａ 第２円環部
２２ｂ 凸部
２２ｃ 第２先端係止部
２２ｄ はめ込み部
２３ 磁極保持部材
２３ａ 嵌合部
２７ 永久磁石
２８ 永久磁石磁束
８９ 固定子のエンジン側にずらせて配置した界磁コイルの領域
９１，９２ 棒グラフ
２１２ 第２エアギャップ
２１２ａ，２１２ｃ 垂直部
２１２ｂ 傾斜部
α 傾斜角度

Claims (14)

  1. 回転軸沿いのエンジンと変速機との間に配置され、発進装置を内包するケースと前記発進装置との間に位置するブラシレス巻線界磁型回転電機であって、
    前記ケースに保持され、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、
    前記発進装置の外周に配置され、前記固定子及び前記界磁コイルに対し前記回転軸周りに回転自在に保持される回転子と、
    前記固定子と前記回転子との間に形成されて前記固定子と前記回転子との間で磁束を受け渡す第１エアギャップと、
    前記界磁コアと前記回転子との間に形成されて前記界磁コアと前記回転子との間で磁束を受け渡す第２エアギャップとを備えて、
    前記第２エアギャップは、前記回転子の前記回転軸の軸方向の一方の端面において、前記回転軸の前記軸方向とは交差する方向沿いに延在する隙間である、回転電機。
  2. 前記第２エアギャップは、前記回転子の前記回転軸の前記軸方向の一方の端面において、前記回転軸の前記軸方向とは垂直な径方向沿いに延在する隙間である、請求項１に記載の回転電機。
  3. 前記第２エアギャップは、前記回転子の前記回転軸の前記軸方向の前記一方の端面において、前記回転軸の前記軸方向に対して傾斜した隙間である傾斜部を有する、請求項１に記載の回転電機。
  4. 前記第２エアギャップは、前記回転軸の前記軸方向に対して傾斜した前記傾斜部と、前記傾斜部に続いて形成されかつ前記回転軸に対し垂直な垂直部とを備えている、請求項３に記載の回転電機。
  5. 前記傾斜部の傾斜角度は、前記回転軸の前記軸方向に対して１０度から２５度の範囲である、請求項３又は４に記載の回転電機。
  6. 前記界磁コアの前記界磁コイルは、前記回転子に対して、前記第２エアギャップを介して前記回転軸の前記軸方向に並列して配置される、請求項１〜５のいずれか１つに記載の回転電機。
  7. 前記第１エアギャップは、前記回転子の前記回転軸の前記軸方向の前記一方の端面において、前記回転軸の前記軸方向沿いに延在する隙間である、請求項１〜６のいずれか１つに記載の回転電機。
  8. 前記回転子は、
    第１円環部から前記回転軸の前記軸方向に突き出た複数の爪部を持つ第１磁極と、
    前記第１円環部の内側に径方向隙間をあけて配置され、前記第１円環部と部分的に重なるように配置された第２円環部の外周面に径方向に突出しかつ周方向には周方向隙間を有して配置された複数の凸部を持つ第２磁極と、
    前記第１磁極の前記爪部と前記第２磁極の前記凸部とが嵌合固定される嵌合部を有する円環状の磁極保持部材とで構成され、
    前記第１磁極と前記第２磁極とは、前記第１磁極の前記爪部が前記第２磁極の前記凸部と前記凸部との間の前記隙間内に挿入されて、前記第１磁極の前記爪部と、前記第２磁極の前記凸部とが周方向に交互に配置され、
    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、前記磁極保持部材に嵌合固定される、請求項１〜７のいずれか１つに記載の回転電機。
  9. 前記第１磁極の前記爪部の第１先端係止部は、前記磁極保持部材の外周側に配置された前記嵌合部に嵌合されて、径方向に対して固定的に保持されるとともに、前記第２磁極の第２先端係止部は、前記磁極保持部材の前記嵌合部に嵌合されて、径方向に対して固定的に保持される、
    請求項８に記載の回転電機。
  10. 前記磁極保持部材は、非磁性体である、請求項８又は９に記載の回転電機。
  11. 前記第１磁極と前記第２磁極とは、それぞれ、軟磁性体である、請求項８〜１０のいずれか１つに記載の回転電機。
  12. 前記第１磁極の前記爪部と周方向の同一位置であって、前記第１磁極の内径側でかつ前記第２磁極の前記第２円環部の外径側に永久磁石をさらに備える、請求項８〜１１のいずれか１つに記載の回転電機。
  13. 前記永久磁石は、ネオジムを主原料とした磁石である、請求項１２に記載の回転電機。
  14. 前記永久磁石は、フェライトを主原料とした磁石である、請求項１２に記載の回転電機。
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