JP2021118614A - 磁気変速機一体型の回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】コギングトルクを低減することができる磁気変速機一体型の回転電機を提供する。【解決手段】回転電機１０は、複数の第１磁石磁極２１、２２を有する第１磁石界磁２０と、複数の第２磁石磁極３１、３２を有する第２磁石界磁３０と、第１磁石界磁２０と第２磁石界磁３０との間に設けられ、複数の磁極片４１を有する変調子４０と、第１磁石界磁２０と相互作用するコイル５１を有するステータ５０とを備えている。ステータ５０、第１磁石界磁２０、変調子４０および第２磁石界磁３０は同軸に配置されている。「コギングトルクＴｃ＜最大出力トルクＴｍａｘ−要求出力トルクＴｒｅｑ１−ロストルクＴｌｏｓｓ」となるようにステータ側磁力の安定点と変調子側磁力の安定点とをずらして配置している。【選択図】図３

Description

本発明は、磁気変速機一体型の回転電機に関する。

従来、磁気変速機の界磁の一つを回転電機のロータと共有する磁気変速機一体型の回転電機が知られている。特許文献１に開示された回転電機では、第１永久磁石界磁および第２永久磁石界磁に鉄心が設けられている。

特開２０１３−５２２３４７号公報

ところで回転電機の高トルク密度化を図ろうとした場合、ロータの磁石の磁力を大きくしたり、ステータとロータとの間のエアギャップを狭めたりすることが考えられる。しかし、発生および伝達できるトルクが大きくなるほどコギングトルクが大きくなる。コギングトルクは、騒音の原因となるだけでなく、発生トルクがコギングトルクを超えられずに回転電機の回りだしができない等の問題も生じる。特許文献１に開示された回転電機では、永久磁石界磁の鉄心をスキュー構成とすることでコギングトルク低減を図っている。しかしコギングトルクを低減するための更なる改善が望まれていた。

本発明は上述の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、コギングトルクを低減することができる磁気変速機一体型の回転電機を提供することである。

本発明の磁気変速機一体型の回転電機（１０）は、複数の第１磁石磁極（２１、２２）を有する第１磁石界磁（２０）と、複数の第２磁石磁極（３１、３２）を有する第２磁石界磁（３０）と、第１磁石界磁と第２磁石界磁との間に設けられ、複数の磁極片（４１）を有する変調子（４０）と、第１磁石界磁と相互作用するコイル（５１）を有するステータ（５０）とを備えている。ステータ、第１磁石界磁、変調子および第２磁石界磁は同軸に配置されている。

ここで、回転電機の動力出力時において、第１磁石界磁の最大出力トルクをＴｍａｘ、第１磁石界磁の要求出力トルクをＴｒｅｑ１、第１磁石界磁でみたときの回転電機のロストルクをＴｌｏｓｓ、第１磁石界磁のコギングトルクをＴｃとする。また、回転電機の発電時において、第２磁石界磁を回そうとする外力である外部トルクをＴｅｘ、第２磁石界磁の要求出力トルクをＴｒｅｑ２、第２磁石界磁でみたときの回転電機のロストルクをＴｌｏｓｓ、第１磁石界磁のコギングトルクをＴｃ、第１磁石界磁から第２磁石界磁までの変速比をｉとする。この場合、動力出力時に「Ｔｃ＜Ｔｍａｘ−Ｔｒｅｑ１−Ｔｌｏｓｓ」となり、発電時に「ｉ・Ｔｃ＜Ｔｅｘ−Ｔｒｅｑ２−Ｔｌｏｓｓ」となるように、ステータと第１磁石界磁との磁力（以下、ステータ側磁力）の安定点と、第１磁石界磁と変調子との磁力（以下、変調子側磁力）の安定点とをずらして配置している。

上記のように磁力の安定点をずらすことで、ステータ側磁力と変調子側磁力とが互いの成分の一部を打ち消しあう。そのため、全体の磁力安定点のうち隣り合う一方の安定点から他方の安定点まで回転するためのトルクが小さくなり、結果として第１磁石界磁のコギングトルクを低減することができる。

本明細書において、「動力出力時に「Ｔｃ＜Ｔｍａｘ−Ｔｒｅｑ１−Ｔｌｏｓｓ」となり、発電時に「ｉ・Ｔｃ＜Ｔｅｘ−Ｔｒｅｑ２−Ｔｌｏｓｓ」となるように」との記載は、回転電機が動力出力および発電の両動作を行うように構成されることのみを意味するのではない。回転電機は、動力出力および発電の少なくとも一方の動作を行うように構成されていればよい。すなわち上記記載は、回転電機が動力出力機能をもっている場合には動力出力時に「Ｔｃ＜Ｔｍａｘ−Ｔｒｅｑ１−Ｔｌｏｓｓ」となるように安定点をずらして配置し、また、回転電機が発電機能をもっている場合には発電時に「ｉ・Ｔｃ＜Ｔｅｘ−Ｔｒｅｑ２−Ｔｌｏｓｓ」となるように安定点をずらして配置することを意味する。

第１実施形態の磁気減速機一体型の回転電機を概略的に示す斜視図。 図１の回転電機の軸方向視図。 図２の回転電機のＩＩＩ−ＩＩＩ線展開図であって、第１磁石界磁がステータ側磁力の安定点に位置している状態を示す図。 図３に対応する展開図であって、第１磁石界磁が変調子側磁力の安定点に位置している状態を示す図。 図３に対応する展開図であって、図３の状態から少し回転した状態を示す図。 コギングトルク成分の位相ずれ量とコギングトルクとの関係を示す図。 コギングトルク成分の位相関係とコギングトルクとの関係を示す図。 第２実施形態の回転電機の展開図であって、第１磁石界磁がステータ側磁力の安定点に位置している状態を示す図。 図８に対応する展開図であって、第１磁石界磁が変調子側磁力の安定点に位置している状態を示す図。 第３実施形態の回転電機の展開図であって、第１磁石界磁がステータ側磁力の安定点に位置している状態を示す図。 ギャップと最大出力トルクおよびカップリングトルクとの関係を示す図。 比較形態の回転電機の展開図であって、第１実施形態の図３に対応する図。 比較形態の回転電機の展開図であって、図１２の状態から少し回転した状態を示す図。

以下、磁気変速機一体型の回転電機の複数の実施形態を図面に基づき説明する。実施形態同士で実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。

［第１実施形態］
先ず、回転電機の全体構成について図１〜図３を参照して説明する。以下の説明において、回転電機１０の回転軸心Ｏに平行な方向を「軸方向」と記載し、回転軸心まわりの方向を「周方向」または「回転方向」と記載する。

回転電機１０は、複数の第１磁石磁極２１、２２を有する第１磁石界磁２０と、複数の第２磁石磁極３１、３２を有する第２磁石界磁３０と、複数の磁極片４１を有する変調子４０と、第１磁石界磁２０と相互作用するコイル５１を有するステータ５０とを備える。ステータ５０、第１磁石界磁２０、変調子４０および第２磁石界磁３０は同軸に配置されている。

第１磁石界磁２０は、永久磁石界磁であり、周方向に交互に配置された第１磁石磁極２１および第１磁石磁極２２を有する。第１磁石磁極２１と第１磁石磁極２２は互いに異なる極性をもつ。第２磁石界磁３０は、永久磁石界磁であり、周方向に交互に配置された第２磁石磁極３１および第２磁石磁極３２を有する。第２磁石磁極３１と第２磁石磁極３２は互いに異なる極性をもつ。第１磁石界磁２０および第２磁石界磁３０は回転軸心Ｏまわりに回転可能に設けられている。

ステータ５０は、ステータコア５２および複数のコイル５１を有する。ステータコア５２は、磁性材料からなり、環状のバックヨーク５３と、バックヨーク５３から軸方向へ突き出すとともに周方向に並ぶ複数のティース５４とからなる。コイル５１は、ティース５４に巻回されている。複数の磁極片４１は、磁性材料からなり、第１磁石界磁２０と第２磁石界磁３０との間に設けられ、周方向に並ぶように配置されている。変調子４０は、第１磁石界磁２０および第２磁石界磁３０の極数を変調する。ステータ５０および変調子４０は図示しないケース等に固定されている。

以上のように構成された回転電機１０では、コイル５１に通電するとともにその通電相が切り替えられることにより回転磁界が発生し、第１磁石界磁２０がその回転磁界に同期して回転する。第２磁石界磁３０は第１磁石界磁２０に対して減速して回転する。ステータ５０および第１磁石界磁２０はモータを構成し、また、第１磁石界磁２０、変調子４０および第２磁石界磁３０は磁気減速機を構成する。第１磁石界磁２０が入力側回転子となり、第２磁石界磁３０が出力側回転子となる。磁気減速機の第１磁石界磁２０がモータのロータと共有され、モータと磁気減速機とが一体化されている。

次に、回転電機１０の詳細な構成について説明する。一般的に、回転電機の高トルク密度化を図ろうとした場合、ロータの磁石の磁力を大きくしたり、ステータとロータとの間のエアギャップを狭めたりすることが考えられる。しかし、発生および伝達できるトルクが大きくなるほどコギングトルクが大きくなる。コギングトルクは、騒音の原因となるだけでなく、発生トルクがコギングトルクを超えられずに回転電機の回りだしができない等の問題が生じる。

上記問題について図１２に示す比較形態に基づき詳しく説明する。図１２において、比較形態の第１磁石界磁１２０は、ステータ１５０と第１磁石界磁１２０との磁力（以下、ステータ側磁力）の安定点に位置するとともに、第１磁石界磁１２０と変調子１４０との磁力（以下、変調子側磁力）の安定点に位置している。つまり、ステータ側磁力の安定点と変調子側磁力の安定点とが一致している。磁力の安定点とは、第１磁石界磁１２０とティース１５４または磁極片１４１との間に作用する磁気吸引力が局所的に最大となる周方向位置のことである。

このように各安定点が一致していると、図１２に示す状態から図１３に示すように第１磁石界磁１２０が次の安定点まで回転しようとすると、その回転に対してステータ側磁力および変調子側磁力が共に抵抗することになる。そのため、周方向に点在する各磁力安定点のうち隣り合う一方の安定点から他方の安定点まで回転するためのトルクが大きくなり、結果として第１磁石界磁のコギングトルクが非常に大きくなってしまう。

これに対して本実施形態では、ステータ５０と第１磁石界磁２０との磁力の安定点（図３参照）と、第１磁石界磁２０と変調子４０との磁力の安定点（図４参照）とをずらして配置している。

上記のように各安定点がずれていると、図３に示す状態から図５に示すように第１磁石界磁２０が次の安定点である変調子側磁力の安定点まで回転しようとしたとき、ステータ側磁力は回転に抵抗する一方で変調子側磁力は抵抗せずに回転をアシストするように作用する。つまり、ステータ側磁力と変調子側磁力とが互いの成分の一部を打ち消しあう。そのため、周方向に点在する各磁力安定点のうち隣り合う一方の安定点から他方の安定点まで回転するためのトルクが小さくなり、結果として第１磁石界磁２０のコギングトルクを低減することができる。

特に本実施形態では、回転電機１０の動力出力時に「Ｔｃ＜Ｔｍａｘ−Ｔｒｅｑ１−Ｔｌｏｓｓ」となるようにステータ側磁力の安定点と変調子側磁力の安定点とがずれている。回転電機１０の動力出力時において、Ｔｍａｘは第１磁石界磁２０の最大出力トルクであり、Ｔｒｅｑ１は第１磁石界磁２０の要求出力トルク（すなわち最大負荷トルク）であり、Ｔｌｏｓｓは第１磁石界磁２０でみたときの回転電機１０のロストルクであり、Ｔｃは第１磁石界磁２０のコギングトルクである。

さらに、ステータ５０のスロット数ａ＝１２、第１磁石界磁２０の極数ｂ＝８、変調子４０の極数ｃ＝２４、第２磁石界磁３０の磁極ｄ＝４０である。スロット数ａと極数ｂとの最小公倍数と、極数ｂと極数ｃとの最小公倍数とが一致している。これによりステータ側磁力によるコギングトルク成分の次数と、変調子側磁力によるコギングトルク成分の次数とが一致する。

この場合において、図６に示すようにステータ側コギングトルク成分と変調子側コギングトルク成分との位相ずれ量に応じて、コギングトルクが、ある位相ずれ量において最小となるように変化する。位相ずれ量は、「Ｔｃ＜Ｔｍａｘ−Ｔｒｅｑ１−Ｔｌｏｓｓ」となる所定の設計範囲内で設定される。

上記最小のコギングトルクとなるのは、ステータ側コギングトルク成分と変調子側コギングトルク成分とが逆位相になる場合である。本実施形態では上記逆位相になっている。これにより、図７に示す実測結果のように位相ずれ量が半位相である場合と比べて、逆位相になっている場合においてコギングトルクを大幅に低減できる。図１２に示す比較形態のように同位相である場合と比べてコギングトルクが９３．８％低減される。

各極数は「ｄ／２＝ｃ−ｂ／２」になっている。これにより磁気減速機においてｄ／ｂの減速比を得ることができる。

（効果）
以上説明したように、第１実施形態では、「Ｔｃ＜Ｔｍａｘ−Ｔｒｅｑ１−Ｔｌｏｓｓ」となるようにステータ側磁力の安定点と変調子側磁力の安定点とをずらして配置している。上記のように磁力の安定点をずらすことで、ステータ側磁力と変調子側磁力とが互いの成分の一部を打ち消しあう。そのため、全体の磁力安定点のうち隣り合う一方の安定点から他方の安定点まで回転するためのトルクが小さくなり、結果として第１磁石界磁２０のコギングトルクを低減することができる。

また、第１実施形態では、スロット数ａと極数ｂとの最小公倍数と、極数ｂと極数ｃとの最小公倍数が一致している。これによりステータ側磁力によるコギングトルク成分の次数と、変調子側磁力によるコギングトルク成分の次数とを一致させることができる。そのため、全周においてステータ側磁力の安定点と変調子側磁力の安定点とを確実にずらすことができる。

また、第１実施形態では、ステータ側磁力によるコギングトルク成分と、変調子側磁力によるコギングトルク成分とが逆位相になっている。これによりコギングトルク成分の打ち消し効果を最大にし、コギングトルクを大幅に低減することができる。

また、第１実施形態では、各極数は「ｄ／２＝ｃ−ｂ／２」になっている。これにより磁気減速機においてｄ／ｂの減速比を得ることができる。

［第２実施形態］
第２実施形態では、「磁気吸引力Ａ＝磁気吸引力Ｂ」となるように、ステータ５０と第１磁石界磁２０とのギャップｇ１と、第１磁石界磁２０と変調子４０とのギャップｇ２とが設定されている。Ａは、図８に示すように第１磁石界磁２０がステータ側磁力の安定点に位置するときに第１磁石界磁２０とステータ５０との間に作用する磁気吸引力である。Ｂは、図９に示すように第１磁石界磁２０が変調子側磁力の安定点に位置するときに第１磁石界磁２０と変調子４０との間に作用する磁気吸引力である。上記のようにギャップｇ１、ｇ２を設定し、ステータ側と変調子側とで磁気吸引力をバランスさせることで、効果的に第１磁石界磁２０のコギングトルクを低減することができる。

［第３実施形態］
第３実施形態では、「ｇ１：ｇ２＝３：７〜７：３」に設定されている。ここで、図１０に示すようにステータ５０と変調子４０との間隔をｇ３とし、第１磁石界磁２０の厚さをｔ１とする。間隔ｇ３と厚さｔ１を一定として、「ｇ１＝ｇ３−ｔ１−ｇ２」の関係式を基に、横軸をギャップｇ１、縦軸をトルクとしてグラフ化すると図１１に示すようになる。図１１に示す関係から、製品の仕様に合わせてギャップｇ１、ｇ２を設定することで、回転電機の最大出力トルクおよびカップリングトルク（すなわち伝達可能トルク）のバランスを調整することができる。

［他の実施形態］
他の実施形態では、ステータ側磁力によるコギングトルク成分と、変調子側磁力によるコギングトルク成分との位相ずれ量は、逆位相になっていなくてもよい。少なくとも「Ｔｃ＜Ｔｍａｘ−Ｔｒｅｑ１−Ｔｌｏｓｓ」となるようにステータ側磁力の安定点と変調子側磁力の安定点とがずれていればよい。

他の実施形態では、スロット数ａと極数ｂと極数ｃの比が「ａ：ｂ：ｃ＝３：２：６」に限らず、例えば「ａ：ｂ：ｃ＝３：２：３」等、他の比率であってもよい。それでもスロット数ａと極数ｂとの最小公倍数と、極数ｂと極数ｃとの最小公倍数とが一致していれば、ステータ側磁力によるコギングトルク成分の次数と、変調子側磁力によるコギングトルク成分の次数とを一致させることができる。

他の実施形態では、スロット数ａと極数ｂとの最小公倍数と、極数ｂと極数ｃとの最小公倍数とが一致していなくてもよい。少なくとも「Ｔｃ＜Ｔｍａｘ−Ｔｒｅｑ１−Ｔｌｏｓｓ」となるようにステータ側磁力の安定点と変調子側磁力の安定点とがずれていればよい。

他の実施形態では、第１磁石界磁および第２磁石界磁にバックヨークが設けられてもよい。バックヨークは磁性材料からなり、各磁極を接続するように設けられる。これにより漏れ磁束が少なくなり、カップリングトルク（すなわち伝達可能トルク）が向上する。

他の実施形態では、ステータおよび第２磁石界磁が固定され、第１磁石界磁および変調子が回転可能に設けられてもよい。

他の実施形態では、回転電機は、軸方向にギャップをもつアキシャルギャップ型に限らず、径方向にギャップをもつラジアルギャップ型であってもよい。要求体格等に応じた最適な配置を提供できる。

他の実施形態では、第１磁石界磁の極数ｂを第２磁石界磁の極数ｄよりも大きく（極数ｂ＞極数ｄ）して、第１磁石界磁および第２磁石界磁が増速機となるように構成してもよい。つまり、回転電機は、磁気減速機一体型に限らず、磁気増速機一体型であってもよい。

他の実施形態では、回転電機のステータは、モータに限らず発電機を構成してもよい。つまり、第２磁石界磁が入力側回転子となり、第２磁石界磁に入力される機械的エネルギーを基に、ステータを含む発電機が電気エネルギーを生み出すように構成されてもよい。この形態では、回転電機の発電時に「ｉ・Ｔｃ＜Ｔｅｘ−Ｔｒｅｑ２−Ｔｌｏｓｓ」となるようにステータ側磁力の安定点と変調子側磁力の安定点とをずらして配置している。回転電機１０の発電時において、Ｔｅｘは第２磁石界磁を回そうとする外力である外部トルクであり、Ｔｒｅｑ２は第２磁石界磁の要求出力トルク（すなわち最大負荷トルク）であり、Ｔｌｏｓｓは第２磁石界磁でみたときの回転電機のロストルクであり、Ｔｃは第１磁石界磁のコギングトルクであり、ｉは第１磁石界磁から第２磁石界磁までの変速比である。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の形態で実施可能である。

１０：回転電機、２０：第１磁石界磁、２１、２２：第１磁石磁極、
３０：第２磁石界磁、３１、３２：第２磁石磁極、４０：変調子、４１：磁極片
５０：ステータ、５１：コイル。

Claims (6)

1. 複数の第１磁石磁極（２１、２２）を有する第１磁石界磁（２０）と、
   複数の第２磁石磁極（３１、３２）を有する第２磁石界磁（３０）と、
   前記第１磁石界磁と前記第２磁石界磁との間に設けられ、複数の磁極片（４１）を有する変調子（４０）と、
   前記第１磁石界磁と相互作用するコイル（５１）を有するステータ（５０）と、
   を備え、前記ステータ、前記第１磁石界磁、前記変調子および前記第２磁石界磁が同軸に配置されている磁気変速機一体型の回転電機（１０）であって、
   前記回転電機の動力出力時において、前記第１磁石界磁の最大出力トルクをＴｍａｘ、前記第１磁石界磁の要求出力トルクをＴｒｅｑ１、前記第１磁石界磁でみたときの前記回転電機のロストルクをＴｌｏｓｓ、前記第１磁石界磁のコギングトルクをＴｃとし、
   前記回転電機の発電時において、前記第２磁石界磁を回そうとする外力である外部トルクをＴｅｘ、前記第２磁石界磁の要求出力トルクをＴｒｅｑ２、前記第２磁石界磁でみたときの前記回転電機のロストルクをＴｌｏｓｓ、前記第１磁石界磁のコギングトルクをＴｃ、前記第１磁石界磁から前記第２磁石界磁までの変速比をｉとすると、
   動力出力時に「Ｔｃ＜Ｔｍａｘ−Ｔｒｅｑ１−Ｔｌｏｓｓ」となり、発電時に「ｉ・Ｔｃ＜Ｔｅｘ−Ｔｒｅｑ２−Ｔｌｏｓｓ」となるように、前記ステータと前記第１磁石界磁との磁力の安定点と、前記第１磁石界磁と前記変調子との磁力の安定点とをずらして配置している磁気変速機一体型の回転電機。
2. 前記ステータのスロット数（ａ）と前記第１磁石界磁の極数（ｂ）との最小公倍数と、前記第１磁石界磁の極数と前記変調子の極数（ｃ）との最小公倍数とが一致している請求項１に記載の磁気変速機一体型の回転電機。
3. 前記ステータと前記第１磁石界磁との磁力によるコギングトルク成分と、前記第１磁石界磁と前記変調子との磁力によるコギングトルク成分とが逆位相になっている請求項２に記載の磁気変速機一体型の回転電機。
4. 前記ステータと前記第１磁石界磁との磁力の安定点での磁気吸引力（Ａ）と、前記入力側磁石界磁と前記変調子との磁力の安定点での磁気吸引力（Ｂ）とが等しくなるように、前記ステータと前記第１磁石界磁とのギャップ（ｇ１）、および、前記第１磁石界磁と前記変調子とのギャップ（ｇ２）が設定されている請求項１〜３のいずれか一項に記載の磁気変速機一体型の回転電機。
5. 前記第１磁石界磁の極数をｂ、前記変調子の極数をｃ、前記第２磁石界磁の極数をｄとすると、
   「ｄ／２＝ｃ−ｂ／２」または「ｄ／２＝ｃ＋ｂ／２」となっている請求項１〜４のいずれか一項に記載の磁気変速機一体型の回転電機。
6. 前記ステータと前記第１磁石界磁とのギャップをｇ１、前記第１磁石界磁と前記変調子とのギャップをｇ２とすると、
   「ｇ１：ｇ２＝３：７〜７：３」に設定されている請求項１〜５のいずれか一項に記載の磁気変速機一体型の回転電機。

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