WO2022059388A1 - ロータ、及び回転機 - Google Patents

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WO2022059388A1
WO2022059388A1 PCT/JP2021/029565 JP2021029565W WO2022059388A1 WO 2022059388 A1 WO2022059388 A1 WO 2022059388A1 JP 2021029565 W JP2021029565 W JP 2021029565W WO 2022059388 A1 WO2022059388 A1 WO 2022059388A1
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WO
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rotor
permanent magnet
circumferential direction
winding
unit
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Application number
PCT/JP2021/029565
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English (en)
French (fr)
Inventor
隆志 沖津
Original Assignee
株式会社明電舎
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/27—Rotor cores with permanent magnets
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K23/00—DC commutator motors or generators having mechanical commutator; Universal AC/DC commutator motors
    • H02K23/02—DC commutator motors or generators having mechanical commutator; Universal AC/DC commutator motors characterised by arrangement for exciting

Definitions

  • the present invention relates to a rotor and a rotating machine.
  • a rotor having a rotor core that rotates around a rotation axis, a plurality of field windings held by the rotor core, and a plurality of permanent magnets is known.
  • the rotor described in Patent Document 1 includes a cylindrical rotor core that rotates about a rotation axis, and eight rotor windings that are held by the rotor core.
  • the rotor core in this rotor is provided with eight salient poles arranged at equal intervals in the circumferential direction on the outer peripheral surface.
  • Each of the eight salient poles holds a permanent magnet inside in a state of protruding outward in the radial direction about the rotation axis from the outer peripheral surface of the rotor core.
  • the rotor winding as a field winding is wound around the outer peripheral surface of the salient pole.
  • the present invention has been made in view of the above background, and an object thereof is to provide the following rotors and rotating machines. That is, it is a rotor or the like that can avoid the high cost of using a high-performance winding machine and the high cost of molding the entire rotor with an insulator and can exert a larger magnet torque.
  • One aspect of the present invention is a rotor including a rotor core that rotates about a rotation axis, a plurality of field windings held by the rotor core, and a plurality of permanent magnets, which are wound around an iron core and the iron core.
  • a plurality of winding units having the field windings and an insulating sealing body for sealing the iron core and the field windings are provided, and the rotor core holds each of the plurality of winding units.
  • a plurality of unit accommodating portions individually accommodating and a plurality of voids are provided, and each of the plurality of unit accommodating portions extends in the rotation axis direction, is arranged in the circumferential direction, and has a longitudinal direction of the cross section in the radial direction.
  • Each of the plurality of winding units is housed in the unit accommodating portion in a posture in which the longitudinal direction of the cross section is along the radial direction, and the two units are adjacent to each other in the circumferential direction.
  • a plurality of inter-unit regions which are regions between the accommodating portions, are arranged in the circumferential direction, and the permanent magnet and the void are arranged in each of the plurality of inter-unit regions, and the void is radially larger than the permanent magnet. It is characterized by being located inside.
  • another aspect of the present invention is a rotation including a rotor that rotates about a rotation axis, a shaft that penetrates the center of the rotor, and a stator that surrounds the rotor in the circumferential direction around the rotation axis. It is a machine, and the rotor is a rotary machine, which is a rotor of one aspect of the present invention.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view showing the motor 1 according to the embodiment.
  • the motor 1 includes a cylindrical housing 2, a front cover 3, a rear cover 4, a shaft 5, a slip ring (brush) 6, a commutator 7, a rotor (rotor) 10, and a stator (stator) 30.
  • the shaft-shaped shaft 5 penetrates the columnar commutator 7 and the columnar rotor 10 in the direction of the rotation axis A, and is located on the rotation axis A of the commutator 7 and the rotor 10.
  • the shaft 5 is rotationally driven around the rotation axis A together with the commutator 7 and the rotor 10.
  • the cylindrical housing 2 acts as a yoke and holds the cylindrical stator 30 on the inner peripheral surface.
  • the housing 2 has openings at both ends in the rotation axis A direction.
  • the rotor 10 is housed in the hollow of the stator 30 held on the inner peripheral surface of the housing 2.
  • the bottomed cylindrical front cover 3 is connected to the front side of the housing 2 with the bottom facing the front side.
  • the front cover 3 has the commutator 7 and the slip ring 6 inside in a state where the front side of the shaft 5 is penetrated through the shaft hole 3c provided at the bottom and the opening on the front side of the housing 2 is closed. To house.
  • the slip ring 6 includes an insulating base 6a, a metal positive electrode terminal 6b, a conductive positive electrode contactor 6c, a metal negative electrode terminal 6d, and a conductive negative electrode contactor 6e.
  • the positive electrode terminal 6b and the negative electrode terminal 6d are fixed to the insulating base 6a while maintaining insulation from each other.
  • the positive electrode contact 6c is fixed to the rear end portion of the positive electrode terminal 6b.
  • the negative electrode contact 6e is fixed to the rear end portion of the negative electrode terminal 6d.
  • the slip ring 6 is held by the front cover 3 in a state where the positive electrode contact 6c and the negative electrode contact 6e are in contact with the outer peripheral surface of the commutator 7.
  • the commutator 7 includes eight contact portions arranged at equal intervals in the circumferential direction about the rotation axis A. The individual contacts are isolated from each other.
  • the rear cover 4 is fixed to the housing 2 so as to close the opening on the rear side of the housing 2.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing a cross section in a direction orthogonal to the rotation axis A direction of the rotor 10.
  • the rotor 10 includes a cylindrical rotor core 11 and eight winding units 12.
  • Each of the eight winding units 12 includes an iron core 13 and a field winding 14 wound around the iron core 13 and is held by the rotor core 11 so as to be arranged at equal intervals in the circumferential direction around the rotation axis A. Will be done.
  • the rotor core 11 is formed by laminating a plurality of metal plate pieces having a shaft hole 11b in the central portion, which are obtained by punching a metal plate, in the direction of the rotation axis A and forming a columnar shape.
  • An insulating adhesive is interposed between the individual metal plate pieces constituting the rotor core 11, and the individual metal plates are in an insulated state from each other.
  • a shaft (5 in FIG. 1) penetrates the shaft hole 11b in the center of the rotor core 11.
  • the direction parallel to the rotation axis A is simply referred to as the axial direction.
  • the circumferential direction centered on the rotation axis A is simply referred to as a circumferential direction.
  • the radial direction centered on the rotation axis A is simply referred to as the radial direction.
  • the rotor core 11 includes eight unit accommodating portions 11a arranged at equal intervals in the circumferential direction. Each unit accommodating portion 11a penetrates the rotor core 11 in the axial direction. Further, each unit accommodating portion 11a is arranged in such a posture that the longitudinal direction of the cross section is along the radial direction, and accommodates the permanent magnet 22 inside. Each of the eight permanent magnets 22 is housed in the unit housing portion 11a in a posture in which the longitudinal direction of the cross section is along the radial direction.
  • inter-unit regions ⁇ which are regions between two unit accommodating portions 11a adjacent to each other in the circumferential direction, are lined up at equal intervals in the circumferential direction.
  • a magnet accommodating portion 11c and a gap 23 are arranged in each of the inter-unit regions ⁇ .
  • Each of the eight magnet accommodating portions 11c is arranged at the outer edge portion of the rotor core 11 in a posture that penetrates the rotor core 11 in the axial direction and positions the center line in the longitudinal direction of the cross section on the d-axis.
  • the permanent magnet 22 is housed in the magnet accommodating portion 11c in a posture in which the longitudinal direction of the cross section extends in a direction orthogonal to the center line.
  • the void 23 is located radially inside the permanent magnet 22. More specifically, the void 23 is arranged on the shaft hole 11b side in the region between the outer edge of the rotor core 11 and the outer edge of the shaft hole 11b.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a cross section in a direction orthogonal to the rotation axis A direction of the stator 30.
  • the cylindrical stator 30 includes a plurality of teeth 31 arranged at equal intervals in the circumferential direction on the inner peripheral surface. Each of the plurality of teeth 31 projects from the inner peripheral surface of the cylindrical stator 30 toward the rotation axis A.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing a cross section of the stator 30 and the rotor 10 housed in the hollow of the stator 30.
  • the plurality of teeth 31 of the stator 30 surround the outer peripheral surface of the rotor 10.
  • eight winding units 12 are arranged in the circumferential direction at the radial outer end of the rotor core 11.
  • a current flows through the field winding of the winding unit 12
  • a magnetic flux is generated around the winding unit 12
  • the winding unit 12 of the plurality of teeth 31 does not face each other in the radial direction. It is attracted by the magnetic force.
  • torque in the circumferential direction is generated in the rotor 10, and the rotor 10 rotates together with the shaft (5 in FIG. 1) and the commutator (7 in FIG. 1).
  • FIG. 5 is a perspective view showing the winding unit 12.
  • the winding unit 12 includes a box-shaped resin case 15 without a lid, and an insulating sealing resin 16 embedded inside the case 15 for sealing.
  • FIG. 6 is a perspective view showing the winding unit 12 in a state before the inside of the case 15 is filled with the sealing resin (16 in FIG. 5).
  • the iron core 13 and the field winding 14 wound around the outer peripheral surface of the iron core 13 are housed in the case 15 before being filled with the sealing resin.
  • a covered electric wire 17 is connected to each of both ends of the field winding 14, and extends to the outside of the case 15.
  • the sealing resin as a sealing body is poured into the case 15 shown in FIG. 6 and cured, so that the iron core 13 and the field winding 14 are sealed in the case 15 by the sealing resin.
  • the coated electric wire 17 is connected to the contact portion of the commutator (7 in FIG. 1).
  • FIG. 7 is an exploded perspective view showing the rotor 10. As shown in the figure, a winding unit 12 is inserted and accommodated in the axial direction in each of the eight unit accommodating portions 11a, and extends in the axial direction. Each of the eight unit accommodating portions 11a and the eight magnet accommodating portions 11c is provided with openings at both ends in the axial direction.
  • the linear length in each of the eight winding units 12 is the same as the axial length of the rotor core 11.
  • the opening on one side in the axial direction in each of the eight unit accommodating portions 11a and the eight magnet accommodating portions 11c is commonly closed by the closing plate 21 as a closing member. That is, the closing plate 21 integrally closes the opening on one side in the axial direction in each of the eight unit accommodating portions 11a and the eight magnet accommodating portions 11c.
  • the diameter of the block plate 21 is the same as the diameter of the rotor core 11 or slightly smaller than the diameter of the rotor core 11.
  • a shaft hole for passing the shaft (5 in FIG. 1) is provided in the radial center of the closing plate 21.
  • the closing plate 21 is pressed toward one end surface in the axial direction of the rotor core 11 by a C ring 19 fitted in a groove provided in the shaft.
  • the opening on the other side in the axial direction in each of the eight unit housing portions 11a and the opening on the other side in the axial direction in each of the eight magnet housing portions 11c are also made by the closing plate 21 in the same manner as on one side in the axial direction. Commonly blocked.
  • the field winding 14 shown in FIG. 6 is wound around the iron core 13 by a winding machine before being housed in the case 15, and is housed in the case 15 together with the iron core 13.
  • the field winding 14 is wound around the iron core 13
  • the motor 1 since the field winding 14 is sealed with the sealing resin (16 in FIG. 5) in the winding unit 12, centrifugal force during rotation acts. However, the bundle of the field winding 14 is not broken. Therefore, it is possible to prevent the bundle of the field winding 14 from collapsing without using a large-scale molding facility to mold the entire rotor 10 with an insulator such as resin. Therefore, according to the motor 1 according to the embodiment, the bundle of the field windings 14 due to the centrifugal force during rotation acts while avoiding the high cost due to molding the entire rotor 10 with an insulator such as resin. Can be prevented from collapsing.
  • the field winding 14 can be easily wound around the iron core 13, high-density winding can be performed.
  • a round wire is used, many voids are formed in the bundle of the field winding 14, so that the occupancy rate of the wire per unit volume is less than 60 [%], whereas when a flat wire is used, the wire's occupancy rate is less than 60%.
  • the occupancy rate can be 60 [%] or more.
  • the unit accommodating portion 11a is composed of a recess having an opening in only one of both ends in the axial direction. You may provide things.
  • each of the eight inter-unit regions ⁇ is a region extending along the circumferential direction.
  • a permanent magnet 22 larger than that described in Patent Document 1 is arranged. Is possible.
  • a larger magnet torque can be exerted.
  • the gap 23 causes the magnetic flux of the permanent magnet 22 to wrap around the shaft (5 in FIG. 1) and the magnetic flux of the winding unit 12 to wrap around. By suppressing it, magnetic flux leakage can be suppressed.
  • the magnetic flux generated from the winding unit 12 wraps around the shaft and causes magnetic flux leakage.
  • the thickness of the rotor core 11 portion between the gap 23 and the winding unit 12 in the circumferential direction is thin, it is difficult for the rotor core 11 portion to exhibit durability that can withstand centrifugal force during high-speed rotation. be. If the thickness of the rotor core 11 portion between the gap 23 and the winding unit 12 in the circumferential direction is increased, the durability of the rotor core 11 portion can be increased, but then the magnetic flux of the permanent magnet 22 is increased through the rotor core 11 portion. It becomes difficult to suppress the magnetic flux leakage because the magnet wraps around the shaft.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view showing a cross section of the rotor 10 of the motor (1) according to the first embodiment.
  • the rotor 10 includes a first gap 23a and a second gap 23b which are adjacent to each other in the circumferential direction via a partition wall 11f formed of a part of the rotor core 11 as a gap 23 in each of the eight inter-unit regions ⁇ .
  • the radial inner end of the winding units 12 adjacent to each other on one side in the circumferential direction (counterclockwise side centered on the rotation axis A in the illustrated example) with respect to the inter-unit region ⁇ is the first gap 23a. Also serves as a wall on one side in the circumferential direction.
  • the radial inner end portion of the winding unit 12 adjacent to the other side in the circumferential direction (clockwise side in the illustrated example) with respect to the inter-unit region ⁇ is the other side in the circumferential direction in the second gap 23b. Also serves as a wall.
  • the first permanent magnets 22a and the second permanent magnets 22 are arranged as permanent magnets 22 in such a manner that they are arranged in the circumferential direction and the distance from each other increases toward the outside in the radial direction.
  • a magnet pair 25 composed of magnets 22b is arranged. Further, in the inter-unit region ⁇ , it is located between the radial outer ends of the first permanent magnet 22a and the second permanent magnet 22b in the circumferential direction, and the center line in the longitudinal direction of the cross section is on the d-axis.
  • a third permanent magnet 22c to be positioned is arranged. Further, in the inter-unit region ⁇ , auxiliary magnets 22e adjacent to the partition wall 11f on the outer side in the radial direction are arranged on the inner side in the radial direction with respect to the magnet pair 25.
  • the main magnetic pole is configured by the first permanent magnet 22a, the second permanent magnet 22b, and the third permanent magnet 22c.
  • the first permanent magnet 22a is housed in the first magnet accommodating portion 11c1.
  • the second permanent magnet 22b is housed in the second magnet accommodating portion 11c2.
  • the third permanent magnet 22c is housed in the third magnet accommodating portion 11c3.
  • a third gap 23c is arranged as the gap 23 in addition to the first gap 23a and the second gap 23b.
  • the third gap 23c is located between the radial inner ends of the first permanent magnet 22a and the second permanent magnet 22b in the circumferential direction, and is radially outside the first gap 23a and the second gap 23b. To position.
  • the auxiliary magnet 22e located outside the partition wall 11f in the radial direction is located inside the iron core 13 of the winding unit 12 in the radial direction.
  • the magnetic flux of the winding unit 12 is magnetically saturated.
  • the variable range of the magnetic flux density by the winding unit 12 can be widened by increasing the magnetic flux of the winding unit 12 interlinking with the stator (30 in FIG. 4). Therefore, according to the rotor 10, it is possible to suppress the magnetic flux leakage of the winding unit 12 while improving the durability of the rotor core 11 and enabling high-speed rotation.
  • FIG. 9 is a diagram showing the state of the magnetic flux in the inter-unit region ⁇ .
  • the main magnetic pole is composed of two layers of permanent magnets, that is, a magnet pair 25 and a third permanent magnet 22c, so that the d-axis inductance Ld is reduced as compared with the embodiment. , The difference between the d-axis inductance Ld and the q-axis inductance Lq is increased.
  • the reluctance torque is increased, the motor 1 is downsized, the winding unit 12 is downsized, the iron loss is reduced by reducing the amount of permanent magnets, and the torque change with respect to the amount of change in rotational speed. The amount can be stabilized.
  • FIG. 10 is a perspective view showing a winding unit 12 in a state before the inside of the case 15 of the rotor 10 of the motor 1 according to the first embodiment is filled with a sealing resin (16 in FIG. 5). As shown in the figure, both ends of the field winding 14 wound around the iron core 13 are connected via a diode 24.
  • pairs of winding units 12 adjacent to each other in the circumferential direction are arranged in such a posture that the directions of the diodes inside each other (24 in FIG. 10) are opposite to each other. ..
  • Spatial harmonics are generated in the space between the rotor 10 and the stator (30 in FIG. 4). When this spatial harmonic and the harmonic flowing in the coil wound around the teeth of the stator (31 in FIG. 3) are superimposed, an induced current in one direction is generated in the field winding 14 shown in FIG. do.
  • a slip ring (6 in FIG. 1) and a commutator (7 in FIG. 1) for electrically connecting an external power source to the field winding 14 are provided. do not have.
  • the motor 1 according to the first embodiment it is possible to avoid a decrease in the life of the motor 1 due to wear of the slip ring and the commutator.
  • the motor 1 according to the first embodiment since it is possible to connect the diode to the iron core and the simple structure of the field winding wound around the iron core, the diode is connected. The operation can be facilitated and the productivity can be increased.
  • the motor 1 according to the first embodiment since the voltage between terminals increases during high-speed rotation, a high frequency superimposed on the field winding of the rotor 10 is performed when the field weakening control for suppressing the magnetic flux amount of the rotor 10 is performed. It is possible to reduce the amount of magnetic flux interlinking with the rotor 10 by eliminating the above. Therefore, according to the motor 1 according to the first embodiment, the reactive current required for field weakening control can be reduced.
  • the winding unit 12 is provided with the same diode (24) as in the first embodiment.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view showing the rotor 10 of the motor 1 according to the second embodiment.
  • the rotor 10 includes a first magnet pair 25a and a second magnet pair 25b in each of the eight inter-unit regions ⁇ .
  • the first magnet pair 25a includes a first permanent magnet 22a and a second permanent magnet 22b that are arranged in a circumferential direction with each other and are arranged in such a manner that the distance between them increases toward the outside in the radial direction.
  • the second magnet pair 25b is arranged in the circumferential direction with each other in the circumferential direction, increases the distance from each other toward the outside in the radial direction, and is located between the first permanent magnet 22a and the second permanent magnet 22b. It comprises a third permanent magnet 22c and a fourth permanent magnet 22d to be arranged.
  • the radial inner ends of the first permanent magnet 22a and the second permanent magnet 22b in the circumferential direction are provided as gaps. It is provided with a third void 23c located in between and radially outside the first void 23a and the second void 23b.
  • the rotor 10 having such a configuration can exert the same operation and effect as the rotor 10 of the motor 1 according to the first embodiment.
  • the number of poles of the field magnet is not limited to eight poles.
  • the present invention can also be applied to a generator (dynamo) as a rotating machine.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment and each embodiment, and a configuration different from the embodiment and each embodiment may be adopted within the range to which the configuration of the present invention can be applied.
  • the present invention exerts a peculiar action and effect for each aspect described below.
  • the first aspect is a rotor core (for example, a rotor core 11) that rotates about a rotation axis (for example, a rotation axis A), a plurality of field windings (for example, a field winding 14) held by the rotor core, and a plurality of fields.
  • a rotor for example, a rotor 10) including a permanent magnet (for example, a permanent magnet 22), the iron core (for example, the iron core 13), the field winding wound around the iron core, the iron core, and the field winding.
  • a plurality of winding units (for example, winding unit 12) having an insulating sealing body (for example, a sealing resin 16) for sealing the magnet core are provided, and the rotor core individually accommodates each of the plurality of winding units.
  • a plurality of unit accommodating portions (for example, unit accommodating portions 11a) and a plurality of voids (for example, voids 23) are provided, and each of the plurality of unit accommodating portions extends in the rotation axis direction and is arranged in the circumferential direction.
  • the winding units are arranged in a posture in which the longitudinal direction of the cross section is along the radial direction, and each of the plurality of winding units is housed in the unit accommodating portion in a posture in which the longitudinal direction of the cross section is along the radial direction.
  • a plurality of inter-unit regions (for example, inter-unit regions ⁇ ), which are regions between two adjacent unit accommodating portions, are arranged in the circumferential direction, and the permanent magnet and the above-mentioned permanent magnet are provided in each of the plurality of inter-unit regions. It is characterized in that a void is arranged and the void is located inside the permanent magnet in the radial direction.
  • the winding unit of the first aspect since the field winding is sealed by the insulating sealing body, even if the centrifugal force during rotation acts, the bundle of the field winding is bundled. It won't break. Therefore, it is possible to prevent the bundle of field windings from collapsing without using a large-scale molding facility to mold the entire rotor with an insulator such as resin. Therefore, according to the first aspect, while avoiding the high cost due to molding the entire rotor with an insulator such as resin, it is possible to prevent the bundle of field windings from collapsing due to the action of centrifugal force during rotation. be able to.
  • the field winding can be easily wound around the iron core, high-density winding can be performed.
  • high-density winding can be performed.
  • a larger permanent magnet can be arranged in the inter-unit region ⁇ extending in the circumferential direction, a larger magnet torque can be exerted.
  • the second aspect comprises the configuration of the first aspect, and in each of the plurality of inter-unit regions, the voids are adjacent to each other in the circumferential direction via a partition wall (for example, a partition wall 11f) formed of a part of the rotor core.
  • a radial inner end of the winding unit that comprises a matching first gap (eg, first gap 23a) and a second gap (eg, second gap 23b) and is adjacent on one side in the circumferential direction with respect to the inter-unit region.
  • the portion also serves as a wall on one side in the circumferential direction in the first gap, and the radial inner end portion in the winding unit adjacent to the other side in the circumferential direction with respect to the inter-unit region is the second gap.
  • the auxiliary magnets for example, the auxiliary magnets 22e
  • the partition wall have a diameter larger than that of the permanent magnet 22. It is characterized by being arranged inside the direction.
  • the auxiliary magnet located outside the partition wall in the radial direction is located inside the iron core of the winding unit in the radial direction of the winding unit. Magnetically saturates the magnetic flux.
  • the variable range of the magnetic flux density by the winding unit can be widened by increasing the magnetic flux of the winding unit interlinking with the stator side. Therefore, according to the first aspect, it is possible to suppress the magnetic flux leakage of the winding unit while improving the durability of the rotor core and enabling high-speed rotation.
  • the third aspect comprises the configuration of the second aspect, and in each of the plurality of inter-unit regions, the permanent magnets are aligned in the circumferential direction with each other and increase the distance from each other toward the outside in the radial direction.
  • a cross section located between a magnet pair composed of a first permanent magnet and a second permanent magnet arranged in an embodiment and a radial outer end portion of the first permanent magnet and the second permanent magnet in the circumferential direction.
  • a third permanent magnet 22c for locating the center line in the longitudinal direction of the
  • a third void (for example, a third void 23c) located between the radial inner ends of the 22a and the second permanent magnet 22b and located radially outside the first void and the second void. It is characterized by being prepared.
  • the magnetic flux leakage can be suppressed by suppressing the magnetic flux of the magnet pair 25 and the third permanent magnet 22c from wrapping around the shaft due to the third gap.
  • the main magnetic pole is composed of two layers of permanent magnets, that is, a magnet pair 25 and a third permanent magnet 22c, so that the d-axis inductance Ld is reduced as compared with the second aspect. Therefore, the difference between the d-axis inductance Ld and the q-axis inductance Lq is increased.
  • the reluctance torque is increased, the motor 1 is downsized, the winding unit 12 is downsized, the iron loss is reduced by reducing the amount of permanent magnets, and the torque with respect to the rotation speed change amount. The amount of change can be stabilized.
  • a fourth aspect is a first permanent magnet arranged as the permanent magnets in each of the plurality of inter-unit regions, arranged in a circumferential direction with each other and increasing a distance from each other toward the outside in the radial direction.
  • the first permanent magnet pair (for example, the first permanent magnet pair 25a) composed of the second permanent magnets and the first permanent magnets are aligned in the circumferential direction with each other in the circumferential direction and the distance between them increases toward the outside in the radial direction.
  • a second permanent magnet pair (for example, a second permanent magnet pair 25b) composed of a third permanent magnet and a fourth permanent magnet (for example, a fourth permanent magnet 22d) arranged between the second permanent magnet and the second permanent magnet is provided.
  • the first permanent magnet is located between the radial inner ends of the first permanent magnet and the second permanent magnet in the circumferential direction. It is characterized by including a void and a third void located radially outside the second void.
  • the fifth aspect includes any of the configurations of the first aspect to the fourth aspect, and includes a closing member (for example, a closing plate 21) that closes the opening at the end in the rotation axis direction in each of the plurality of unit accommodating portions. It is characterized by that.
  • a closing member for example, a closing plate 21
  • the winding unit can be locked at a predetermined position in the rotation axis direction in the unit accommodating portion.
  • a sixth aspect comprises any of the configurations of the first to fourth aspects, and both ends of the field winding in each of the plurality of winding units are electrically connected via a diode (for example, a diode 24). It is characterized by being connected.
  • a diode for example, a diode 24
  • a seventh aspect is a rotary machine (for example, a motor 1) including a rotor that rotates about a rotation axis, a shaft that penetrates the center of the rotor (for example, a shaft 5), and a stator that surrounds the rotor in the circumferential direction.
  • the rotor is characterized by being any one of the first to sixth aspects.
  • the present invention can be applied to rotating machines such as motors and generators.

Landscapes

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  • Power Engineering (AREA)
  • Permanent Field Magnets Of Synchronous Machinery (AREA)
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Abstract

【課題】高性能の巻線機を用いることによるロータ１０のコスト高と、ロータ１０全体を絶縁体でモールドすることによるコスト高とを回避し、且つより大きなマグネットトルクを発揮することができるロータ１０を提供する。　【解決手段】鉄心と、鉄心に巻かれた界磁巻線と、鉄心及び界磁巻線を封止する絶縁性の封止体とを有する巻線ユニット１２を複数備える。ロータコア１１は、複数の巻線ユニット１２のそれぞれを個別に収容する複数のユニット収容部１１ａと、複数の空隙２３とを備える。ユニット収容部１１ａは、回転軸線Ａ方向に延在し、周方向に並び、且つ横断面の長手方向を径方向に沿わせる姿勢で配置される。巻線ユニット１２は、横断面の長手方向を径方向に沿わせる姿勢でユニット収容部１１ａ内に収容される。複数のユニット間領域αのそれぞれに、永久磁石２２及び空隙２３が配置される。空隙２３は、永久磁石２２よりも径方向の内側に位置する。

Description

ロータ、及び回転機
　本発明は、ロータ、及び回転機に関する。
　従来、回転軸線を中心に回転するロータコアと、ロータコアに保持される複数の界磁巻線と、複数の永久磁石とを備えるロータが知られている。
　例えば、特許文献１に記載のロータは、回転軸線を中心に回転する円筒状のロータコアと、ロータコアに保持される８つのロータ巻線とを備える。このロータにおけるロータコアは、周方向に等間隔で並ぶ８つの突極を外周面に備える。８つの突極のそれぞれは、ロータコアの外周面から、回転軸線を中心とする径方向の外側に向けて突出した状態で、内部に永久磁石を保持する。界磁巻線としてのロータ巻線は、突極の外周面に巻き付けられる。
特開２０１４－７７８７号公報
　このロータにおいては、突極に対するロータ巻線の巻き付けを巻線機によって自動化する場合、高性能の巻線機を用いる必要があるため、コスト高になってしまうという課題がある。より詳しくは、例えば第１の突極に対するロータ巻線の巻き付けが終了した後、隣に存在する第２の突極に対するロータ巻線の巻き付けが行われるときに、第１の突極に巻き付けられたロータ巻線の束が、第２の突極に対するロータ巻線の巻き付け操作の邪魔になる。このため、第１の突極に巻き付けられたロータ巻線の束と、第２の突極への巻き付けの進行に伴って第２の突極の周囲において徐々に太っていくロータ巻線の束との間の僅かな隙間でも巻き付け操作を行うことができる高性能の巻線機を用いる必要があるのである。
　また、特許文献１に記載のロータにおいては、回転時の遠心力によるロータ巻線の束の崩れを防止するためには、ロータ全体を樹脂等の絶縁体でモールドする必要があるため、コスト高になってしまうという課題もある。
　また、特許文献１に記載のロータにおいては、周方向に局在する突極の内部に保持する永久磁石として、大きなものを用いることが困難であることから、大きなマグネットトルクを発揮することが困難であるという課題もある。
　本発明は、以上の背景に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、次のようなロータ及び回転機を提供することである。即ち、高性能の巻線機を用いることによるコスト高と、ロータ全体を絶縁体でモールドすることによるコスト高とを回避し、且つより大きなマグネットトルクを発揮することができるロータ等である。
　本発明の一態様は、回転軸線を中心に回転するロータコアと、前記ロータコアに保持される複数の界磁巻線と、複数の永久磁石とを備えるロータであって、鉄心と、前記鉄心に巻かれた前記界磁巻線と、前記鉄心及び前記界磁巻線を封止する絶縁性の封止体とを有する巻線ユニットを複数備え、前記ロータコアが、複数の前記巻線ユニットのそれぞれを個別に収容する複数のユニット収容部と、複数の空隙とを備え、複数の前記ユニット収容部のそれぞれが、回転軸線方向に延在し、周方向に並び、且つ横断面の長手方向を径方向に沿わせる姿勢で配置され、複数の前記巻線ユニットのそれぞれが、横断面の長手方向を径方向に沿わせる姿勢で前記ユニット収容部内に収容され、周方向において、互いに隣り合う２つの前記ユニット収容部の間の領域であるユニット間領域が、周方向に複数並び、複数の前記ユニット間領域のそれぞれに、前記永久磁石及び前記空隙が配置され、前記空隙が前記永久磁石よりも径方向の内側に位置することを特徴とするものである。
　また、本発明の別の一態様は、回転軸線を中心にして回転するロータと、前記ロータの中心を貫通するシャフトと、回転軸線を中心にした周方向に前記ロータを囲むステータとを備える回転機であって、前記ロータが、本発明の一態様のロータである、回転機であることを特徴とするものである。
　本発明によれば、高性能の巻線機を用いることによるコスト高と、ロータ全体を絶縁体でモールドすることによるコスト高とを回避し、且つより大きなマグネットトルクを発揮することができるという優れた効果がある。
実施形態に係るモータを示す分解斜視図である。 同モータのロータの回転軸線方向に直交する方向の横断面を示す断面図である。 同モータのステータの回転軸線方向に直交する方向の横断面を示す断面図である。 同ステータ、及び同ステータの中空内に収容される同ロータの横断面を示す断面図である。 同ロータの巻線ユニットを示す斜視図である。 ケース内を封止樹脂で埋められる前の状態の同巻線ユニットを示す斜視図である。 同ロータを示す分解斜視図である。 第１実施例に係るモータのロータの横断面を示す断面図である。 同モータのユニット間領域における磁束の状態を示す図である。 同モータのロータにおいて、ケース内を封止樹脂で埋められる前の状態の巻線ユニットを示す斜視図である。同ロータにおけるケース内を封止樹脂で埋められる前の状態の巻線ユニットを示す斜視図である。 第２実施例に係るモータのロータを示す横断面図である。
　以下、各図を用いて、本発明を適用した回転機としてのモータの一実施形態について説明する。実施形態では説明を分かり易くするため、本発明の主要部以外の構造や要素については、簡略化または省略して説明する。また、各図において、同じ要素には同じ符号を付す。なお、各図に示す各要素の形状、寸法などは模式的に示したもので、実際の形状、寸法などを示すものではない。
　図１は、実施形態に係るモータ１を示す分解斜視図である。モータ１は、円筒状のハウジング２、フロントカバー３、リアカバー４、シャフト５、スリップリング（ブラシ）６、整流子７、ロータ（回転子）１０、及びステータ（固定子）３０を備える。
　軸状のシャフト５は、円柱状の整流子７と、円柱状のロータ１０とを回転軸線Ａ方向に貫通し、整流子７及びロータ１０の回転軸線Ａ上に位置する。シャフト５は、整流子７及びロータ１０とともに回転軸線Ａを中心にして回転駆動する。円筒状のハウジング２は、ヨークの役割を果たし、内周面で円筒状のステータ３０を保持する。ハウジング２は、回転軸線Ａ方向の両端に開口を有する。ロータ１０は、ハウジング２の内周面に保持されているステータ３０の中空内に収容される。有底円筒状のフロントカバー３は、底部をフロント側に向けた状態で、ハウジング２のフロント側に接続される。この接続により、フロントカバー３は、底部に設けられたシャフト穴３ｃにシャフト５のフロント側を貫通させ、且つハウジング２のフロント側の開口を塞いだ状態で、内部に整流子７及びスリップリング６を収容する。
　スリップリング６は、絶縁性のベース６ａ、金属製の正極端子６ｂ、導電性の正極接触子６ｃ、金属製の負極端子６ｄ、及び導電性の負極接触子６ｅを備える。正極端子６ｂと負極端子６ｄとは、互いの絶縁を維持する状態で、絶縁性のベース６ａに固定される。正極接触子６ｃは、正極端子６ｂの後端部に固定される。また、負極接触子６ｅは、負極端子６ｄの後端部に固定される。スリップリング６は、正極接触子６ｃ及び負極接触子６ｅを整流子７の外周面に接触させる状態で、フロントカバー３に保持される。整流子７は、回転軸線Ａを中心にした周方向に等間隔に並ぶ８個の接点部を備える。個々の接点部は、互いに絶縁された状態である。
　リアカバー４は、ハウジング２のリア側の開口を塞ぐように、ハウジング２に固定される。
　図２は、ロータ１０の回転軸線Ａ方向に直交する方向の横断面を示す断面図である。ロータ１０は、円筒状のロータコア１１と、８つの巻線ユニット１２とを備える。８つの巻線ユニット１２のそれぞれは、鉄心１３と、鉄心１３に巻き付けられた界磁巻線１４とを備え、回転軸線Ａを中心にした周方向において、等間隔で並ぶようにロータコア１１に保持される。ロータコア１１は、金属板を打ち抜き加工して得られた、中央部にシャフト穴１１ｂを備える金属板片を、回転軸線Ａ方向に複数枚積層して円柱状に成形されたものである。ロータコア１１を構成する個々の金属板片の間には、絶縁性接着剤が介在しており、個々の金属版は互いに絶縁状態にある。ロータコア１１の中央のシャフト穴１１ｂには、シャフト（図１の５）が貫通する。
　以下、回転軸線Ａと平行な方向を単に軸方向と言う。また、回転軸線Ａを中心とする周方向を単に周方向と言う。また、回転軸線Ａを中心とする径方向を単に径方向と言う。
　ロータコア１１は、周方向に等間隔で並ぶ８つのユニット収容部１１ａを備える。それぞれのユニット収容部１１ａは、ロータコア１１を軸方向に貫通する。また、それぞれのユニット収容部１１ａは、横断面の長手方向を径方向に沿わせる姿勢で配置され、内部に永久磁石２２を収容する。８つの永久磁石２２のそれぞれは、横断面の長手方向を径方向に沿わせる姿勢でユニット収容部１１ａ内に収容される。
　ロータコア１１においては、周方向において、互いに隣り合う２つのユニット収容部１１ａの間の領域であるユニット間領域αが、周方向に等間隔で８つ並ぶ。それぞれのユニット間領域αのそれぞれには、磁石収容部１１ｃ及び空隙２３が配置される。
　８つの磁石収容部１１ｃのそれぞれは、ロータコア１１の外縁部において、ロータコア１１を軸方向に貫通し、且つ横断面の長手方向の中心線を、ｄ軸上に位置させる姿勢で配置される。永久磁石２２は、横断面の長手方向を前記中心線と直交する方向に延在させる姿勢で、磁石収容部１１ｃ内に収容される。
　８つのユニット間領域のそれぞれにおいて、空隙２３は、永久磁石２２よりも径方向の内側に位置する。より詳しくは、空隙２３は、ロータコア１１の外縁と、シャフト穴１１ｂの外縁との間の領域におけるシャフト穴１１ｂ側に配置される。
　図３は、ステータ３０の回転軸線Ａ方向に直交する方向の横断面を示す断面図である。円筒状のステータ３０は、内周面において周方向に等間隔で並ぶ複数のティース（歯）３１を備える。複数のティース３１のそれぞれは、円筒状のステータ３０の内周面から回転軸線Ａに向けて突出する。
　図４は、ステータ３０、及びステータ３０の中空内に収容されるロータ１０の横断面を示す断面図である。ステータ３０の複数のティース３１は、ロータ１０の外周面を囲む。ロータ１０においては、８つの巻線ユニット１２が、ロータコア１１における径方向の外側端部で周方向に並ぶ。巻線ユニット１２の界磁巻線に電流が流れると、巻線ユニット１２の周囲に磁束が発生して、巻線ユニット１２が複数のティース３１のうち、径方向に対向していないティース３１の磁力に引かれる。これにより、ロータ１０に周方向のトルクが発生して、ロータ１０がシャフト（図１の５）及び整流子（図１の７）とともに回転する。
　図５は、巻線ユニット１２を示す斜視図である。巻線ユニット１２は、蓋のない箱状の形状をした樹脂製のケース１５と、封止のためにケース１５の内部に埋められた絶縁性の封止樹脂１６とを備える。
　図６は、ケース１５内を封止樹脂（図５の１６）で埋められる前の状態の巻線ユニット１２を示す斜視図である。封止樹脂で埋められる前のケース１５内には、鉄心１３と、鉄心１３の外周面に巻き付けられた界磁巻線１４とが収容される。界磁巻線１４の線両端のそれぞれには被覆電線１７が接続され、ケース１５の外部に延ばされる。図６に示されるケース１５内に、封止体としての封止樹脂が流し込まれて硬化することで、鉄心１３及び界磁巻線１４が封止樹脂によってケース１５内に封止される。被覆電線１７は、整流子（図１の７）の接点部に接続される。
　図７は、ロータ１０を示す分解斜視図である。図示のように、８つのユニット収容部１１ａのそれぞれには、巻線ユニット１２が軸方向に挿入されて収容され、軸方向に延在する。８つのユニット収容部１１ａ、及び８つの磁石収容部１１ｃのそれぞれは、軸方向の両端のそれぞれに開口を備える。
　８つの巻線ユニット１２のそれぞれにおける線方向の長さは、ロータコア１１の軸方向の長さと同じである。８つのユニット収容部１１ａ、及び８つの磁石収容部１１ｃのそれぞれにおける軸方向の一方側の開口は、閉塞部材としての閉塞プレート２１によって共通して塞がれる。即ち、閉塞プレート２１は、８つのユニット収容部１１ａ、及び８つの磁石収容部１１ｃのそれぞれにおける軸方向の一方側の開口を一体で塞ぐ。閉塞プレート２１の直径は、ロータコア１１の直径と同じであるか、あるいは、ロータコア１１の直径よりも僅かに小さい。閉塞プレート２１の径方向の中心部には、シャフト（図１の５）を貫通させるためのシャフト穴が設けられる。
　閉塞プレート２１は、シャフトに設けられた溝に嵌め込まれるＣリング１９によって、ロータコア１１の軸方向の一端面に向けて押さえつけられる。８つのユニット収容部１１ａのそれぞれにおける軸方向の他方側の開口、及び８つの磁石収容部１１ｃのそれぞれにおける軸方向の他方側の開口も、軸方向の一方側と同様にして、閉塞プレート２１によって共通して塞がれる。
　図６に示される界磁巻線１４は、ケース１５に収容される前に巻線機によって鉄心１３に巻き付けられ、鉄心１３とともにケース１５内に収容される。界磁巻線１４を鉄心１３に巻き付けるときには、鉄心１３、界磁巻線１４の何れの周囲においても、巻線機による巻き付け操作を邪魔するものが存在しない。このため、ごく僅かな隙間での巻線を行うことが可能な高性能の巻線機を用いる必要がなく、一般的な巻線機を用いることが可能である。従って、実施形態に係るモータ１によれば、高性能の巻線機を用いることによるコスト高を回避することができる。
　また、実施形態に係るモータ１においては、巻線ユニット１２内において、界磁巻線１４を封止樹脂（図５の１６）によって封止していることから、回転時の遠心力が作用しても、界磁巻線１４の束を崩すことがない。このため、大掛かりなモールド設備を用いてロータ１０全体を樹脂等の絶縁体でモールドしなくても、界磁巻線１４の束の崩れを防止することが可能である。よって、実施形態に係るモータ１によれば、ロータ１０全体を樹脂等の絶縁体でモールドすることによるコスト高を回避しつつ、回転時の遠心力が作用することによる界磁巻線１４の束の崩れを防止することができる。
　また、実施形態に係るモータ１においては、界磁巻線１４を容易に鉄心１３に巻き付けることが可能であることから、高密度の巻き付けを行うことができる。電線として丸線を鉄心１３に高密度に巻き付けることが可能であることに加えて、電線として平角線を鉄心１３に高密度に巻き付けることも可能である。丸線を用いる場合、界磁巻線１４の束内に多くの空隙ができることから、単位体積あたりにおける電線の占有率は６０〔％〕弱に留まるのに対し、平角線を用いる場合、電線の占有率を６０〔％〕以上にすることができる。電線の占有率を高めることで、モータ１のトルクを高めることが可能になる。
　なお、ユニット収容部１１ａとして、ロータコア１１を軸方向に貫通するものを設けた例について説明したが、ユニット収容部１１ａとして、軸方向の両端のうち、何れか一方だけに開口を備える凹部からなるものを設けてもよい。
　図２に示されるように、８つのユニット間領域αのそれぞれは、周方向に沿って延びる領域である。実施形態に係るロータ１０においては、周方向に沿って延びるユニット間領域αに永久磁石２２を配置することで、永久磁石２２として、特許文献１に記載のものよりも、大きなものを配置することが可能である。これにより、実施形態に係るロータ１０によれば、より大きなマグネットトルクを発揮することができる。
　また、ロータ１０によれば、８つのユニット間領域αのそれぞれにおいて、空隙２３は、永久磁石２２の磁束のシャフト（図１の５）への回り込みと、巻線ユニット１２の磁束の回り込みとを抑えることで、磁束漏れを抑えることができる。
　次に、実施形態に係るモータ１に、より特徴的な構成を付加した各実施例について説明する。なお、以下に特筆しない限り、各実施例に係るモータ１の構成は、実施形態と同様である。
〔第１実施例〕
　地球温暖化防止が重要視される近年のモータ１においては、低速回転域から高速回転域まで高い効率で回転駆動することが求められる。ロータ１０に保持される永久磁石２２の磁束は、一定の鎖交磁束である。このため、界磁巻線１４に対する励磁を入切したり、界磁巻線１４に対する印加電圧を変化させたりすることによる巻線ユニット１２の磁束密度の微調整により、マグネットトルクを微調整することが望ましい。但し、ロータ１０のリラクタンストルクを有効活用するためには、磁束漏れをできるだけ抑制することが望ましい。
　実施形態に係るモータ１では、巻線ユニット１２から発せられる磁束をシャフトに回り込ませたりして磁束漏れを引き起こすおそれがある。加えて、周方向における空隙２３と巻線ユニット１２との間のロータコア１１部分の厚みが薄いことから、そのロータコア１１部分が高速回転時の遠心力に耐え得る耐久性を発揮することが困難である。周方向における空隙２３と巻線ユニット１２との間のロータコア１１部分の厚みを大きくすれば、そのロータコア１１部分の耐久性を高めることができるが、すると、そのロータコア１１部分を通じて永久磁石２２の磁束をシャフトに回り込ませてしまうことから、磁束漏れを抑えることが困難になってしまう。
　図８は、第１実施例に係るモータ（１）のロータ１０の横断面を示す断面図である。ロータ１０は、８つの記ユニット間領域αのそれぞれにおいて、空隙２３として、ロータコア１１の一部からなる隔壁１１ｆを介して互いに周方向に隣り合う第１空隙２３ａ及び第２空隙２３ｂを備える。ユニット間領域αに対して周方向の一方側（図示の例では、回転軸線Ａを中心とする反時計回り側）で隣り合う巻線ユニット１２における径方向の内側端部は、第１空隙２３ａにおける周方向の一方側の壁を兼ねる。また、ユニット間領域αに対して周方向の他方側（図示の例では時計回り側）で隣り合う巻線ユニット１２における径方向の内側端部は、第２空隙２３ｂにおける周方向の他方側の壁を兼ねる。
　８つのユニット間領域αのそれぞれにおいては、永久磁石２２として、互いに周方向に並び、且つ径方向の外側に向かうにつれて互いの距離を大きくする態様で配置される第１永久磁石２２ａ及び第２永久磁石２２ｂからなる磁石対２５が配置される。また、ユニット間領域αには、周方向において、第１永久磁石２２ａ及び第２永久磁石２２ｂの径方向の外側端部の間に位置し、横断面の長手方向の中心線をｄ軸上に位置させる第３永久磁石２２ｃが配置される。また、ユニット間領域αには、隔壁１１ｆに対して径方向の外側で隣り合う補助磁石２２ｅが、磁石対２５よりも径方向の内側に配置される。
　ユニット間領域αにおいては、第１永久磁石２２ａ、第２永久磁石２２ｂ、及び第３永久磁石２２ｃにより、主磁極が構成される。第１永久磁石２２ａは、第１磁石収容部１１ｃ１内に収容される。第２永久磁石２２ｂは、第２磁石収容部１１ｃ２内に収容される。第３永久磁石２２ｃは、第３磁石収容部１１ｃ３内に収容される。
　ユニット間領域αにおいては、空隙２３として、第１空隙２３ａ及び第２空隙２３ｂに加えて、第３空隙２３ｃが配置される。第３空隙２３ｃは、周方向において、第１永久磁石２２ａ及び第２永久磁石２２ｂの径方向の内側端部の間に位置し、第１空隙２３ａ及び第２空隙２３ｂよりも径方向の外側に位置する。
　かかる構成においては、隔壁１１ｆの厚みを大きくしてその耐久性を高めても、隔壁１１ｆの径方向の外側に位置する補助磁石２２ｅが、巻線ユニット１２の鉄心１３よりも径方向の内側で、巻線ユニット１２の磁束を磁気飽和させる。これにより、ステータ（図４の３０）側に鎖交する巻線ユニット１２の磁束を増加させることで、巻線ユニット１２による磁束密度の可変範囲を広くすることができる。よって、ロータ１０によれば、ロータコア１１の耐久性を向上させて高速回転を可能にしつつ、巻線ユニット１２の磁束漏れを抑えることができる。
　図９は、ユニット間領域αにおける磁束の状態を示す図である。実施例１にかかるロータ１０においては、主磁極を磁石対２５及び第３永久磁石２２ｃのという２層の永久磁石で構成することで、実施形態に比べて、ｄ軸のインダクタンスＬｄを低減して、ｄ軸のインダクタンスＬｄと、ｑ軸インダクタンスＬｑとの差を大きくする。これにより、ロータ１０によれば、リラクタンストルクを増加させて、モータ１の小型化、巻線ユニット１２の小型化、永久磁石量の低減よる鉄損の低減、及び、回転速度変化量に対するトルク変化量の安定化を図ることができる。
　図１０は、第１実施例に係るモータ１のロータ１０におけるケース１５内を封止樹脂（図５の１６）で埋められる前の状態の巻線ユニット１２を示す斜視図である。図示のように、鉄心１３に巻き付けられた界磁巻線１４の線両端は、ダイオード２４を介して接続される。
　図８において、８つの巻線ユニット１２のうち、周方向で互いに隣り合う巻線ユニット１２の対は、互いの内部のダイオード（図１０の２４）の向きを逆方向にする姿勢で配置される。ロータ１０とステータ（図４の３０）との間の空間には、空間高調波が発生する。この空間高調波と、ステータのティース（図３の３１）に巻かれたコイルに流れる高調波とが重畳されると、図１０に示される界磁巻線１４に、一方向の誘導電流が発生する。つまり、第１実施例に係るモータ１においては、ロータ１０の界磁巻線１４に対して外部電源を電気接続しなくても、界磁巻線１４に電流を流して巻線ユニット１２の周囲に磁束を発生させることが可能である。よって、第１実施例に係るモータ１においては、界磁巻線１４に対して外部電源を電気接続するためのスリップリング（図１の６）、及び整流子（図１の７）を設けていない。
　従って、第１実施例に係るモータ１によれば、スリップリング及び整流子の摩耗によるモータ１の寿命低下を回避することができる。なお、特許文献１に記載のモータにおいては、ロータの突極に巻き付けたロータ巻線にダイオードを接続する必要があり、ロータの形状が複雑であることから、ダイオードの接続操作に手間を要するという不具合がある。これに対し、第１実施例に係るモータ１によれば、鉄心、及び鉄心に巻き付けられた界磁巻線という単純な構造物に対してダイオードを接続することが可能であるので、ダイオードの接続操作を容易にして生産性を高めることができる。
　また、第１実施例に係るモータ１では、高速回転時に端子間電圧が増大することから、ロータ１０の磁束量を抑える弱め界磁制御を行う場合には、ロータ１０の界磁巻線に重畳する高周波をなくすことで、ロータ１０に鎖交する磁束量を減少させることが可能である。よって、第１実施例に係るモータ１によれば、弱め界磁制御に必要な無効電流を低減することができる。
〔第２実施例〕
　第２実施例に係るモータ１は、巻線ユニット１２に、第１実施例と同様のダイオード（２４）を備える。
　図１１は、第２実施例に係るモータ１のロータ１０を示す横断面図である。このロータ１０では、８つのユニット間領域αのそれぞれにおいて、第１磁石対２５ａと第２磁石対２５ｂとを備える。第１磁石対２５ａは、互いに周方向に並び、且つ径方向の外側に向かうにつれて互いの距離を大きくする態様で配置される第１永久磁石２２ａ及び第２永久磁石２２ｂを備える。第２磁石対２５ｂは、周方向において、互いに周方向に並び、径方向の外側に向かうにつれて互いの距離を大きくし、第１永久磁石２２ａと第２永久磁石２２ｂとの間に位置する態様で配置される第３永久磁石２２ｃ及び第４永久磁石２２ｄからなるを備える。
　８つのユニット間領域αのそれぞれには、空隙として、第１空隙２３ａ及び第２空隙２３ｂに加えて、周方向において、第１永久磁石２２ａ及び第２永久磁石２２ｂの径方向の内側端部の間に位置し、且つ第１空隙２３ａ及び第２空隙２３ｂよりも径方向の外側に位置する第３空隙２３ｃを備える。
　かかる構成のロータ１０においては、第１実施例に係るモータ１のロータ１０と同様の作用効果を奏することができる。
　以上、ロータ１０に対して界磁を８極設けた構成のモータ１の例について説明したが、界磁の極数は、８極に限られるものではない。また、回転機としてのモータ１に本発明を適用した例について説明したが、回転機としての発電機（ダイナモ）に本発明を適用することも可能である。
　本発明は上述の実施形態、各実施例に限られず、本発明の構成を適用し得る範囲内で、実施形態、各実施例とは異なる構成を採用することもできる。本発明は、以下に説明する態様毎に特有の作用効果を奏する。
〔第１態様〕
　第１態様は、回転軸線（例えば回転軸線Ａ）を中心に回転するロータコア（例えばロータコア１１）と、前記ロータコアに保持される複数の界磁巻線（例えば界磁巻線１４）と、複数の永久磁石（例えば永久磁石２２）とを備えるロータ（例えばロータ１０）であって、鉄心（例えば鉄心１３）と、前記鉄心に巻かれた前記界磁巻線と、前記鉄心及び前記界磁巻線を封止する絶縁性の封止体（例えば封止樹脂１６）とを有する巻線ユニット（例えば巻線ユニット１２）を複数備え、前記ロータコアが、複数の前記巻線ユニットのそれぞれを個別に収容する複数のユニット収容部（例えばユニット収容部１１ａ）と、複数の空隙（例えば空隙２３）とを備え、複数の前記ユニット収容部のそれぞれが、回転軸線方向に延在し、周方向に並び、且つ横断面の長手方向を径方向に沿わせる姿勢で配置され、複数の前記巻線ユニットのそれぞれが、横断面の長手方向を径方向に沿わせる姿勢で前記ユニット収容部内に収容され、周方向において、互いに隣り合う２つの前記ユニット収容部の間の領域であるユニット間領域（例えばユニット間領域α）が、周方向に複数並び、複数の前記ユニット間領域のそれぞれに、前記永久磁石及び前記空隙が配置され、前記空隙が前記永久磁石よりも径方向の内側に位置することを特徴とするものである。
　かかる構成において、ロータコアとは別体の巻線ユニットを製造するために、鉄心に対して界磁巻線を巻き付けるときには、鉄心、界磁巻線の何れの周囲においても、巻線機による巻き付け操作を邪魔するものが存在しない。このため、ごく僅かな隙間での巻線を行うことが可能な高性能の巻線機を用いる必要がなく、一般的な巻線機を用いることが可能である。よって、第１態様によれば、高性能の巻線機を用いることによるコスト高を回避することができる。
　また、第１態様の巻線ユニットにおいては、界磁巻線を絶縁性の封止体によって封止していることから、回転時の遠心力が作用しても、界磁巻線の束を崩すことがない。このため、大掛かりなモールド設備を用いてロータ全体を樹脂等の絶縁体でモールドしなくても、界磁巻線の束の崩れを防止することが可能である。よって、第１態様によれば、ロータ全体を樹脂等の絶縁体でモールドすることによるコスト高を回避しつつ、回転時の遠心力が作用することによる界磁巻線の束の崩れを防止することができる。
　また、第１態様においては、界磁巻線を容易に鉄心に巻き付けることが可能であることから、高密度の巻き付けを行うことができる。例えば、電線として丸線を鉄心に高密度に巻き付けることが可能であることに加えて、電線として平角線を鉄心に高密度に巻き付けることも可能である。よって、モータのトルクを高めることができる。
　また、第１態様においては、より大きな永久磁石を周方向に延在するユニット間領域αに配置することが可能であることから、より大きなマグネットトルクを発揮することができる。
〔第２態様〕
　第２態様は、第１態様の構成を備え、且つ、複数の前記ユニット間領域のそれぞれにおいて、前記空隙として、前記ロータコアの一部からなる隔壁（例えば隔壁１１ｆ）を介して互いに周方向に隣り合う第１空隙（例えば第１空隙２３ａ）及び第２空隙（例えば第２空隙２３ｂ）を備え、前記ユニット間領域に対して周方向の一方側で隣り合う前記巻線ユニットにおける径方向の内側端部が、前記第１空隙における周方向の一方側の壁を兼ね、前記ユニット間領域に対して周方向の他方側で隣り合う前記巻線ユニットにおける径方向の内側端部が、前記第２空隙における周方向の他方側の壁を兼ね、複数の前記ユニット間領域のそれぞれにおいて、前記隔壁に対して径方向の外側で隣り合う補助磁石（例えば補助磁石２２ｅ）が、前記永久磁石２２よりも径方向の内側に配置されることを特徴とするものである。
　かかる構成においては、隔壁の厚みを大きくしてその耐久性を高めても、隔壁の径方向の外側に位置する補助磁石が、巻線ユニットの鉄心よりも径方向の内側で、巻線ユニットの磁束を磁気飽和させる。これにより、ステータ側に鎖交する巻線ユニットの磁束を増加させることで、巻線ユニットによる磁束密度の可変範囲を広くすることができる。よって、第１態様によれば、ロータコアの耐久性を向上させて高速回転を可能にしつつ、巻線ユニットの磁束漏れを抑えることができる。
〔第３態様〕
　第３態様は、第２態様の構成を備え、且つ、複数の前記ユニット間領域のそれぞれにおいて、前記永久磁石として、互いに周方向に並び、且つ径方向の外側に向かうにつれて互いの距離を大きくする態様で配置される第１永久磁石及び第２永久磁石からなる磁石対と、周方向において、前記第１永久磁石及び前記第２永久磁石の径方向の外側端部の間に位置し、横断面の長手方向の中心線をｄ軸上に位置させる第３永久磁石２２ｃとを備え、且つ、前記空隙として、前記第１空隙及び前記第２空隙に加えて、周方向において、前記第１永久磁石２２ａ及び前記第２永久磁石２２ｂの径方向の内側端部の間に位置し、前記第１空隙及び前記第２空隙よりも径方向の外側に位置する第３空隙（例えば第３空隙２３ｃ）を備えることを特徴とするものである。
　かかる構成によれば、第３空隙により、磁石対２５及び第３永久磁石２２ｃの磁束のシャフトへの回り込みを抑えることで、磁束漏れを抑えることができる。加えて、第３態様によれば、主磁極を磁石対２５及び第３永久磁石２２ｃのという２層の永久磁石で構成することで、第２態様に比べて、ｄ軸のインダクタンスＬｄを低減して、ｄ軸のインダクタンスＬｄと、ｑ軸インダクタンスＬｑとの差を大きくする。これにより、第３態様によれば、リラクタンストルクを増加させて、モータ１の小型化、巻線ユニット１２の小型化、永久磁石量の低減よる鉄損の低減、及び、回転速度変化量に対するトルク変化量の安定化を図ることができる。
〔第４態様〕
　第４態様は、複数の前記ユニット間領域のそれぞれにおいて、前記永久磁石として、互いに周方向に並び、且つ径方向の外側に向かうにつれて互いの距離を大きくする態様で配置される第１永久磁石及び第２永久磁石からなる第１磁石対（例えば第１磁石対２５ａ）と、周方向において、互いに周方向に並び、径方向の外側に向かうにつれて互いの距離を大きくし、前記第１永久磁石と前記第２永久磁石との間に位置する態様で配置される第３永久磁石及び第４永久磁石（例えば第４永久磁石２２ｄ）からなる第２磁石対（例えば第２磁石対２５ｂ）とを備え、前記空隙として、前記第１空隙及び前記第２空隙に加えて、周方向において、前記第１永久磁石及び前記第２永久磁石の径方向の内側端部の間に位置し、且つ前記第１空隙及び前記第２空隙よりも径方向の外側に位置する第３空隙を備えることを特徴とするものである。
　かかる構成によれば、第３態様と同様の作用効果を奏することができる。
〔第５態様〕
　第５態様は、第１態様～第４態様の何れかの構成を備え、且つ、複数の前記ユニット収容部のそれぞれにおける回転軸線方向の端の開口を塞ぐ閉塞部材（例えば閉塞プレート２１）を備えることを特徴とするものである。
　かかる構成によれば、ユニット収容部内において、巻線ユニットを回転軸線方向の所定の位置に係止することができる。
〔第６態様〕
　第６態様は、第１態様～第４態様の何れかの構成を備え、且つ、複数の前記巻線ユニットのそれぞれにおける前記界磁巻線の両端が、ダイオード（例えばダイオード２４）を介して電気接続されることを特徴とするものである。
　かかる構成では、ロータの界磁巻線に対して外部電源を電気接続しなくても、界磁巻線に電流を流して巻線ユニットの周囲に磁束を形成することが可能であるため、界磁巻線に対して外部電源を電気接続するためのスリップリング、及び整流子が不要である。よって、第５態様によれば、スリップリング及び整流子の摩耗による回転器の寿命低下を回避することができる。
〔第７態様〕
　第７態様は、回転軸線を中心にして回転するロータと、前記ロータの中心を貫通するシャフト（例えばシャフト５）と、周方向において前記ロータを囲むステータとを備える回転機（例えばモータ１）であって、前記ロータが、第１態様～第６態様の何れかのロータであることを特徴とするものである。
　かかる構成によれば、高性能の巻線機を用いることによるロータのコスト高と、ロータ全体を絶縁体でモールドすることによるロータのコスト高とを回避し、且つ、より大きなマグネットトルクを発揮することができる。
　本出願は、２０２０年９月１９日に出願された日本特許出願である特願２０２０－１５７９８３号に基づく優先権を主張し、当該日本特許出願に記載された全ての記載内容を援用する。
　本発明は、モータ、発電機等の回転機に適用が可能である。
　　Ａ：回転軸線、　　１：モータ（回転機）　　、２：ハウジング、　　３：フロントカバー、　　４：リアカバー、　　５：シャフト、　　６：スリップリング、　　７：整流子、　　１０：ロータ、　　１１：ロータコア、　　１１ａ：ユニット収容部、　　１１ｂ：シャフト穴、　　１１ｃ：磁石収容部、　　１２：巻線ユニット、　　１３：鉄心、　　１４：界磁巻線、　　１５：ケース、　　１６：封止樹脂（封止体）、　　２１：閉塞プレート（閉塞部材）、　　２２：永久磁石、　　２２ａ：第１永久磁石、　　２２ｂ：第２永久磁石、　　２２ｃ：第３永久磁石、　　２２ｄ：第４永久磁石、　　２２ｅ：補助磁石、　　２４：ダイオード、　　２５：磁石対、　　２５ａ：第１磁石対、　　２５ｂ：第２磁石対、３０：ステータ、　　３１：ティース

 

Claims (7)

  1. 　回転軸線を中心に回転するロータコアと、前記ロータコアに保持される複数の界磁巻線と、複数の永久磁石とを備えるロータであって、
    　鉄心と、前記鉄心に巻かれた前記界磁巻線と、前記鉄心及び前記界磁巻線を封止する絶縁性の封止体とを有する巻線ユニットを複数備え、
    　前記ロータコアが、複数の前記巻線ユニットのそれぞれを個別に収容する複数のユニット収容部と、複数の空隙とを備え、
    　複数の前記ユニット収容部のそれぞれが、回転軸線方向に延在し、周方向に並び、且つ横断面の長手方向を径方向に沿わせる姿勢で配置され、
    　複数の前記巻線ユニットのそれぞれが、横断面の長手方向を径方向に沿わせる姿勢で前記ユニット収容部内に収容され、
    　周方向において、互いに隣り合う２つの前記ユニット収容部の間の領域であるユニット間領域が、周方向に複数並び、
    　複数の前記ユニット間領域のそれぞれに、前記永久磁石及び前記空隙が配置され、
    　前記空隙が前記永久磁石よりも径方向の内側に位置する
    　ことを特徴とするロータ。
  2. 　複数の前記ユニット間領域のそれぞれにおいて、前記空隙として、前記ロータコアの一部からなる隔壁を介して互いに周方向に隣り合う第１空隙及び第２空隙を備え、
    　前記ユニット間領域に対して周方向の一方側で隣り合う前記巻線ユニットにおける径方向の内側端部が、前記第１空隙における周方向の一方側の壁を兼ね、
    　前記ユニット間領域に対して周方向の他方側で隣り合う前記巻線ユニットにおける径方向の内側端部が、前記第２空隙における周方向の他方側の壁を兼ね、
    　複数の前記ユニット間領域のそれぞれにおいて、前記隔壁に対して径方向の外側で隣り合う補助磁石が、前記永久磁石よりも径方向の内側に配置される
    　ことを特徴とする請求項１に記載のロータ。
  3. 　複数の前記ユニット間領域のそれぞれにおいて、
    　　前記永久磁石として、互いに周方向に並び、且つ径方向の外側に向かうにつれて互いの距離を大きくする態様で配置される第１永久磁石及び第２永久磁石からなる磁石対と、周方向において、前記第１永久磁石及び前記第２永久磁石の径方向の外側端部の間に位置し、横断面の長手方向の中心線をｄ軸上に位置させる第３永久磁石とを備え、
    　　且つ、前記空隙として、前記第１空隙及び前記第２空隙に加えて、周方向において、前記第１永久磁石及び前記第２永久磁石の径方向の内側端部の間に位置し、前記第１空隙及び前記第２空隙よりも径方向の外側に位置する第３空隙を備える
    　ことを特徴とする請求項２に記載のロータ。
  4. 　複数の前記ユニット間領域のそれぞれにおいて、
    　　前記永久磁石として、互いに周方向に並び、且つ径方向の外側に向かうにつれて互いの距離を大きくする態様で配置される第１永久磁石及び第２永久磁石からなる第１磁石対と、周方向において、互いに周方向に並び、径方向の外側に向かうにつれて互いの距離を大きくし、前記第１永久磁石と前記第２永久磁石との間に位置する態様で配置される第３永久磁石及び第４永久磁石からなる第２磁石対とを備え、
    　　前記空隙として、前記第１空隙及び前記第２空隙に加えて、周方向において、前記第１永久磁石及び前記第２永久磁石の径方向の内側端部の間に位置し、且つ前記第１空隙及び前記第２空隙よりも径方向の外側に位置する第３空隙を備える
    　ことを特徴とする請求項２に記載のロータ。
  5. 　複数の前記ユニット収容部のそれぞれにおける回転軸線方向の端の開口を塞ぐ閉塞部材を備える
    　ことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載のロータ。
  6. 　複数の前記巻線ユニットのそれぞれにおける前記界磁巻線の両端が、ダイオードを介して電気接続される
    　ことを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載のロータ。
  7. 　回転軸線を中心にして回転するロータと、前記ロータの中心を貫通するシャフトと、周方向において前記ロータを囲むステータとを備える回転機であって、
    　前記ロータが、請求項１乃至６の何れか１項に記載のロータである
    　ことを特徴とする回転機。

     
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US20070096579A1 (en) * 2005-10-31 2007-05-03 Caterpillar Inc. Rotary electric machine
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