JP2016111751A

JP2016111751A - 回転電機

Info

Publication number: JP2016111751A
Application number: JP2014244752A
Authority: JP
Inventors: 真大青山; Masahiro Aoyama
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 2014-12-03
Filing date: 2014-12-03
Publication date: 2016-06-20

Abstract

【課題】銅損の少ない、小型化が可能なフラックススイッチングモータ構造の回転電機を提供すること。【解決手段】回転軸１０１側に延伸して配置された複数の磁極１２１を有するステータ１２０と、磁極側に延伸して配置された複数の突極１１１を有するロータ１１０と、を備える回転電機１００であって、ステータには、磁極に集中巻きされた電機子巻線１２５と界磁巻線１２６が交互に配置され、ロータは、非磁性体からなる複数の突極と、その突極の間に保持される磁性体からなるロータコア１１５を有する。ロータコアは、隣接する磁極の少なくとも２つ分の幅の外周面１１１ａを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、フラックススイッチングモータとして機能する回転電機に関する。

ロータの表面に永久磁石を設けた表面磁石型の同期モータ（SPMSM：Surface Permanent Magnet Synchronous Motor）が知られているが、この表面磁石型の同期モータの永久磁石をステータ側に配置し、鉄心のみのロータにして堅牢性を向上させたフラックススイッチングモータが提案されている。

さらに、このフラックススイッチングモータの永久磁石を電磁石に置き換えて界磁調整可能にした巻線界磁型のフラックススイッチングモータが提案されている。この巻線界磁型のフラックススイッチングモータは、直流電流を供給されて直流励磁される界磁巻線と、交流電流を供給されて交流励磁される電機子巻線と、をステータの突極に配置してそれぞれに電力供給することにより、ロータを回転駆動させるようになっている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２０１３−２０１８６９号公報

しかしながら、この特許文献１に記載のような回転電機にあっては、特に、電機子巻線が複数の突極を跨ぐように巻き付けられる分布巻き構造を採用することから、コイル長が長くなって銅損が増加する、という不都合が発生していた。

また、このような巻線コイルの分布巻き構造では、回転軸方向のコア材の両端面側に巻き付けられているコイルエンドが重なって高く（回転軸方向に厚く）なってしまい小型化の妨げになる、という不都合が発生していた。

そこで、本発明は、銅損の少ない、小型化が可能なフラックススイッチングモータ構造の回転電機を提供することを目的としている。

上記課題を解決する回転電機の発明の一態様は、回転軸側に延伸して配置された複数の磁極を有するステータと、前記磁極側に延伸して配置された複数の突極を有するロータと、を備える回転電機であって、前記ステータには、前記磁極に集中巻きされた電機子巻線と界磁巻線が交互に配置され、前記ロータは、非磁性体からなる前記複数の突極と、前記突極の間に保持される磁性体からなるロータコアと、を有するものである。

このように本発明の一態様によれば、ステータ側の電機子巻線と界磁巻線は集中巻きにされ、ロータコアはロータ側の非磁性体の突極間に保持される構造を採用するので、コイル長を短くするとともに、コイルエンドを小さくすることができる。

したがって、銅損の少ない、小型化が可能なフラックススイッチングモータ構造の回転電機を提供することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る回転電機を示す図であり、その全体構成を示す回転軸に直交する断面図である。図２は、電機子巻線と界磁巻線に電力供給する電源の回路図である。図３は、ロータとステータとの間で形成される磁気回路を示す一部拡大概念モデル図である。図４は、ロータとステータとが図３の状態から相対回転したときに形成される磁気回路を示す一部拡大概念モデル図である。図５は、ロータとステータとの間で受け渡される磁束により形成される磁束密度分布を示す磁束線図である。図６は、電機子巻線と界磁巻線への電力供給時に発生するトルクを説明するグラフである。図７は、本実施形態の回転電機と比較する比較例の回転電機を示す図であり、その全体構成を示す回転軸に直交する断面図である。図８は、図３に対応する、図７の回転電機のロータとステータとの間で形成される磁気回路を示す一部拡大概念モデル図である。図９は、図４に対応する、図７の回転電機のロータとステータとが図８の状態から相対回転したときに形成される磁気回路を示す一部拡大概念モデル図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。図１〜図６は本発明の一実施形態に係る回転電機を示す図である。

図１において、回転電機１００は、回転軸１０１を中心にして一体回転する円筒形状のロータ１１０と、このロータ１１０を回転自在に収容する概略円筒形状のステータ１２０と、を備えている。回転電機１００は、例えば、コストダウンや小型化と共に大出力を要求されるハイブリッド自動車や電気自動車に駆動源として好適に搭載される。

回転電機１００は、所謂、フラックススイッチングモータと同様に、ステータ１２０側に配置する電機子巻線１２５および界磁巻線１２６に電力供給してロータ１１０側を経由する磁気回路を形成することにより電磁石トルクを発生させて回転駆動させるようになっている。

ここで、フラックススイッチングモータは、モータ駆動用周波数の２倍の周波数で励磁させるため、リラクタンストルク、すなわち、所謂、ｄ軸インダクタンスやｑ軸インダクタンスと同期させることができない。このことから、フラックススイッチングモータは、リラクタンストルクで駆動するのではなく、ステータ側から励磁させる直流磁界（静止磁界）を利用した電磁石（マグネット）トルクで駆動する。すなわち、フラックススイッチングモータは、永久磁石モータとして駆動する構造としては、ＳＰＭ（表面磁石型）モータと対比する同等の構造となっている。

ロータ１１０は、回転軸１０１を固定するハブ１１９と、ハブ１１９と一緒の同一部材に形成されて回転軸１０１の軸心から離隔する方向に延伸されている複数の突極１１１と、隣接する突極１１１間に嵌め込まれて保持されている複数のロータコア１１５と、を備えて構築されている。

このロータ１１０は、突極１１１とロータコア１１５が回転軸１０１を中心にするハブ１１９周りの１０箇所に均等配置された１０極の形態で作製されており、その突極１１１とロータコア１１５の外周面側が滑らかに連続する円筒形状に外形を形成されて回転軸１０１と一体回転するようになっている。

ロータコア１１５は、例えば、磁性体の電磁鋼板を回転軸１０１の延長方向に積層して作製されている。突極１１１およびハブ１１９は、例えば、非磁性体のアルミ材料を切削加工または成型加工して、あるいは、アルミ板を回転軸１０１の延長方向に積層して一体形状に作製されている。

ステータ１２０は、ロータ１１０の円筒形状の外周面に向かう突極形状に延伸されて電機子巻線１２５と界磁巻線１２６とを配置される複数の磁極１２１を備えている。このステータ１２０は、例えば、ロータコア１１５と同様に、磁性体の電磁鋼板を回転軸１０１の延長方向に積層して作製されている。

磁極１２１は、円筒形状の外周面側のヨーク１２９と一緒の同一部材に形成されている。この磁極１２１は、ロータ１１０の突極１１１やロータコア１１５の外周面１１１ａ、１１５ａに対して内周面側の端面１２１ａが微小のギャップＧを介して対面するように形成されており、ヨーク１２９からロータ１１０の外周面側に向かって延伸されている突極形状に形成されて並列されている。

この磁極１２１は、ヨーク１２９の内周面側の２４箇所に均等配置されており、ロータコア１１５が回転軸１０１周りの１０極を構成するのに対して、電機子巻線１２５や界磁巻線１２６として機能する巻線コイルを巻き付ける際に利用する２４箇所のスロット１２２を磁極１２１間に形成している。

電機子巻線１２５と界磁巻線１２６とは、１つ置きの磁極１２１にそれぞれが位置するように、巻線コイルを集中巻きになるように巻き付けて設置されており、相対回転するロータ１１０のロータコア１１５に対して交互に対面するように構築されている。

電機子巻線１２５は、３相の交流電力を供給して交流励磁させるようになっており、界磁巻線１２６は、直流電流を供給して直流励磁させるようになっている。このため、ステータ１２０では、Ｕ相用電機子巻線１２５ｕと、Ｖ相用電機子巻線１２５ｖと、Ｗ相用電機子巻線１２５ｗと、が１つ置きの磁極１２１に順次に配置されて、それぞれの間の磁極１２１に界磁巻線１２６が位置するように配置されている。

これに対して、ロータ１１０は、回転軸１０１と直交する断面形状において、突極１１１の外周面１１１ａ側とハブ１１９側とが同一幅に形成されて、その突極１１１の側面１１１ｂのハブ１１９側に近接する箇所を突出させることにより、ハブ１１９側に近接する側面１１１ｂ間を狭くする突出形状部１１２が形成されている。

そして、ロータコア１１５は、突極１１１間の空間に一致する形状に形成されており、突極１１１の側面１１１ｂの突出形状部１１２を嵌め込み可能な窪み形状の受け形状部１１６が形成されている。

この結果、ロータコア１１５は、外周面１１５ａ側から回転軸１０１に向かって、突極１１１の側面１１１ｂ間の幅が狭くなるのに合わせて、回転方向の厚さが徐々に薄くなる形状に形成されており、受け形状部１１６の最深部１１６ａを越えた箇所からハブ１１９側に至るまでは反対に徐々に厚くなる形状に形成することによりクサビとして機能するクサビ部１１７が設けられている。

この構造により、ロータ１１０は、ロータコア１１５を回転軸１０１の延長方向の一端側から突極１１１間の空間に差し込んでスライドさせ嵌め込むことにより、外周面１１１ａ、１１５ａが滑らかに連続する円筒形状にすることができる。また、ロータ１１０は、回転時に突極１１１間から離脱させようとする遠心力がロータコア１１５に掛かったとしても、そのロータコア１１５のクサビ部１１７が突極１１１の突出形状部１１２の頂部１１２ａまでの斜面１１２ｂに突き当たって保持されるように形成されている。

また、ロータコア１１５は、ステータ１２０側に開口する突極１１１間の開口幅に一致する外周面１１５ａがステータ１２０の隣接する磁極１２１の２つに同時に対面することができる幅（厚さ）を有するように形成されている。このロータコア１１５は、外周面１１５ａの外側のエッジ間距離と、その外周面１１５ａに対面する２つの磁極１２１の端面１２１ａの外側のエッジ間距離とが一致するように、回転軸１０１側よりも外周面１１５ａ側を厚く形成されている。

ここで、電機子巻線１２５および界磁巻線１２６に電力供給する電源として、例えば、車両に搭載する回転電機１００の場合には、図２に示すように、車載されている直流バッテリ３０１にインバータ３０２とコンバータ３０３とがそれぞれに電力供給可能に並列接続されている。

具体的には、インバータ３０２には、Ｕ相用電機子巻線１２５ｕと、Ｖ相用電機子巻線１２５ｖと、Ｗ相用電機子巻線１２５ｗとを、それぞれ各相毎に直列接続することにより、直流バッテリ３０１に蓄電されている直流電力を、直流（ＤＣ）／交流（ＡＣ）変換した交流電力として供給し、それぞれ交流励磁するようになっている。また、コンバータ３０３には、界磁巻線１２６を直列接続することにより、直流バッテリ３０１の直流電力を、直流（ＤＣ）／直流（ＤＣ）変換して電圧調整をした後に供給し、それぞれ直流励磁するようになっている。

この構造により、回転電機１００は、ステータ１２０の電機子巻線１２５に交流電力を供給して回転駆動させつつ界磁巻線１２６にその回転駆動を補助するタイミングに直流電力を供給することにより、所謂、フラックススイッチングモータと同様にロータ１１０を回転させることができる。

このとき、図３に示すように、電機子巻線１２５や界磁巻線１２６に電力供給することにより発生させる磁束（図中には直流励磁により発生させる直流磁束φｄｃを図示）は、１つの磁極１２１からロータコア１１５の外周面１１５ａの端辺側から鎖交した後にはその外周面１１５ａの反対側端辺側から隣接する磁極１２１に鎖交してステータ１２０のヨーク１２９側を迂回する磁気回路を形成することができる。

このため、磁極１２１毎に電機子巻線１２５と界磁巻線１２６とを交互に集中巻きして電力供給する回転電機１００でも、図４に示すように、ステータ１２０に対してロータ１１０が相対回転した場合にも、隣接する磁極１２１に磁束の通過する磁路を形成して磁気回路を維持することができる。

したがって、回転電機１００は、図５の磁束線図に示すように、トルク発生面Ｔとして図示する箇所において、ロータコア１１５内で磁束線ＦＬが集中する磁束線密度に差を生じさせて回転力として機能する電磁石トルクを発生させることができ、図６のグラフに示すように、その回転力として機能する電磁石トルクを途切れることなく発生させることができる。なお、図６に示すトルク波形は、電機子巻線１２５や界磁巻線１２６への電力供給のタイミング等を調整することにより滑らかに連続する高品質な特性にして出力させることができる。

（比較例）
これに対して、図７に示すような回転電機２００では、ロータ２１０とステータ２２０とを、それぞれ磁性体の電磁鋼板を回転軸２０１の延長方向に積層して作製されている。ステータ２２０には、２４箇所のスロット２２２を形成する複数の磁極２２１が形成されている。また、ロータ２１０は、回転軸２０１を固定するハブ２１９と一体に軸心から離隔する方向に延伸される突極２１１を備えており、その突極２１１は均等配置される１０極として機能するように構築されている。

ロータ２１０の突極２１１は、回転軸２０１と直交する断面形状において、回転電機１００のように突出形状部１１２が形成されることなく、外周面２１１ａ側からハブ２１９側まで同一幅（厚さ）に形成されている。この突極２１１は、外周面２１１ａがステータ２２０の磁極２２１の端面２２１ａに一致する幅で対面するように形成されている。

このため、ロータ２１０は、ステータ２２０の隣接する２つの磁極２２１の端面２２１ａに、隣接する２つの突極２１１の外周面２１１ａを同時に対面させることができない形状に形成されている。

このことから、回転電機２００のステータ２２０は、電機子巻線２２５および界磁巻線２２６が１つのスロット２２２を挟む２つの磁極２２１に巻線コイルを巻き掛ける分布巻きをすることによりそれぞれ配置されている。すなわち、電機子巻線２２５および界磁巻線２２６は、１つの磁極２２１だけずらして重なる状態となる分布巻きにして周方向に交互に位置するように配置されている。

このため、ステータ２２０は、１つ置きの磁極２２１が、言い換えると、１つの磁極２２１を挟む両側の２つの磁極２２１が、ロータ２１０の隣接する突極２１１に同時に対面するように形成されており、ロータ２１０は、２つの突極２１１とハブ２１９とを介して１つ置きの磁極２２１との間で磁束を鎖交させて磁気回路を形成するように構築されている。

ここで、回転電機２００でも、回転電機１００と同様に、電機子巻線２２５に３相の交流電力を供給して交流励磁させるとともに、界磁巻線２２６に直流電流を供給して直流励磁させるようになっている。

このため、ステータ２２０では、Ｕ相用電機子巻線２２５ｕと、Ｖ相用電機子巻線２２５ｖと、Ｗ相用電機子巻線２２５ｗと、が１つ置きのスロット２２２を共通使用して巻線コイルを隣接する２つの磁極２２１に巻き掛ける分布巻きとして順次に周方向に連続するように配置されている。また、界磁巻線２２６は、空いているスロット２２２を利用して隣接する２つの磁極２２１に巻線コイルを巻き掛ける分布巻きとして周方向に連続するように配置されている。

この構造では、図８に示すように、電機子巻線２２５や界磁巻線２２６に電力供給することにより発生させる磁束（図中には直流励磁により発生させる直流磁束φｄｃを図示）は、１つの磁極２２１からロータ２１０の突極２１１に鎖交した後にはハブ２１９をヨークとして迂回して隣の突極２１１から１つ飛ばした磁極２２１に鎖交させてステータ２２０のヨーク２２９側を迂回する磁気回路を形成することができる。

このため、電機子巻線２２５と界磁巻線２２６とを分布巻きして電力供給する回転電機２００でも、図９に示すように、ステータ２２０に対してロータ２１０が相対回転した場合でも、１つ置きの磁極２２１に磁束の通過する磁路を形成して磁気回路を維持することができ、回転力として機能する電磁石トルクを発生させることができる。

（比較結果）
このように、回転電機１００と回転電機２００とでは、フラックススイッチングモータとして同様に、交流電力と直流電力を電機子巻線１２５、２２５と界磁巻線１２６、２２６とに供給することによりそれぞれ回転駆動させることができる。

しかしながら、回転電機２００は、電機子巻線２２５と界磁巻線２２６のいずれも隣接する２つの磁極２２１を跨ぐように巻線コイルを分布巻きにして形成している。これに対して、回転電機１００は、電機子巻線１２５と界磁巻線１２６を磁極１２１毎に巻線コイルを集中巻きにして形成している。

このため、回転電機１００は、回転電機２００よりも使用するコイル長を短くすることができ、銅損が大きくなることを抑えることができている。また、回転電機１００は、磁極１２１毎の集中巻きにするため巻線コイルを重ねる必要がないことから、回転電機２００の分布巻きのように重なる巻線コイルが存在することによって、ステータ２２０の回転軸２０１の両端側端面に露出するコイルエンドが高く（回転軸方向に厚く）なり、小型化を妨げる形態になってしまうといったことを回避することができる。

このため、回転電機１００は、回転電機２００よりも使用するコイル長を短くすることができ、銅損が大きくなることを抑えることができている。また、回転電機１００は、磁極１２１毎の集中巻きするため巻線コイルを重ねる必要がないことから、回転電機２００の分布巻きのように重なる巻線コイルが存在することによってステータ２２０の回転軸２０１の両端側端面に露出するコイルエンドが高く（回転軸方向に厚く）なり、小型化を妨げる形態になってしまうといったことを回避することができる。

さらに、回転電機２００では、ロータ２１０の突極２１１とハブ１２９とを経由する磁路により磁気回路を形成している。これに対して、回転電機１００では、ロータ１１０の突極１１１で保持させているロータコア１１５内に磁路を形成させることにより磁気回路を形成している。

このため、回転電機１００は、ステータ１２０の磁極１２１との間で受け渡す磁束をロータ１１０側の１つのロータコア１１５内の磁路を経由させて鎖交させることができる。これにより、回転電機１００は、回転電機２００のようにロータ２１０の１つの突極２１１に鎖交させて進入させた磁束がハブ２１９を経由することにより複数の突極２１１に分散してしまうことがなく、効果的に磁束をロータコア１１５のトルク発生面Ｔ（図５）に集中させて効率よく電磁石トルクを発生させることができる。

また、このロータコア１１５は、ハブ１１９や突極１１１と別部材として電磁鋼板などを打ち抜くことで作製することができ、無駄になってしまう面積をできるだけ小さくするように並列させて打ち抜いくことができ、安価な材料費で作製することができる。

すなわち、本実施形態においては、ステータ１２０の磁極１２１毎に電機子巻線１２５と界磁巻線１２６とを集中巻きにして交互に配置するとともに、ロータ１１０の非磁性体の突極１１１に保持させるロータコア１１５をステータ１２０の隣接する２つの磁極１２１に対面させている。このため、回転電機１００は、銅損の少ない電機子巻線１２５と界磁巻線１２６とにより磁極１２１毎に磁気回路を形成して、フラックススイッチングモータと同様に、効率よく稼動することができ、小型化の妨げにならない安価な構造で作製することができる。

ここで、本実施形態の他の態様としては、ラジアルギャップ構造に限らすに、アキシャルギャップ構造のフラックススイッチングモータにも適用して、同様の作用効果を得ることができる。

また、ロータコア１１５やステータ１２０は、電磁鋼板の積層構造で作製するばかりでなく、例えば、鉄粉などの磁性を有する粒子の表面を絶縁被覆処理した軟磁性複合粉材（Soft Magnetic Composites）をさらに鉄粉圧縮成形および熱処理製造した圧粉磁心、所謂、ＳＭＣコアを採用してもよい。このＳＭＣコアは、成形が容易であることからアキシャルギャップ構造にも好適である。また、アルミ導体を用いてロータ１１０やステータ１２０を作製しても同様に機能させることができる。

回転電機１００は、車載用に限定されるものではなく、例えば、風力発電や、工作機械などの駆動源として好適に採用することができる。

本発明の実施形態を開示したが、当業者によっては本発明の範囲を逸脱することなく変更が加えられうることは明白である。すべてのこのような修正及び等価物が次の請求項に含まれることが意図されている。

１００回転電機
１０１回転軸
１１０ロータ
１１１突極
１１１ａ外周面
１１２突出形状部
１１５ロータコア
１１６受け形状部
１１７クサビ部
１２０ステータ
１２１磁極
１２１ａ端面
１２５電機子巻線
１２６界磁巻線

Claims

回転軸側に延伸して配置された複数の磁極を有するステータと、
前記磁極側に延伸して配置された複数の突極を有するロータと、を備える回転電機であって、
前記ステータには、前記磁極に集中巻きされた電機子巻線と界磁巻線が交互に配置され、
前記ロータは、非磁性体からなる前記複数の突極と、前記突極の間に保持される磁性体からなるロータコアと、を有する回転電機。
前記ロータコアは、少なくとも隣接する２つの前記磁極の双方に対面する幅の外周面を有する請求項１に記載の回転電機。