JP6561692B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、通電により磁束を発生させる電機子コイルを有するステータと、磁束が鎖交するコイルの巻かれる複数の突極部が周方向に並列されているロータと、を備える回転電機に関する。

ハイブリッド車両等に搭載される回転電機として、通電により磁束を発生させる電機子コイルを有するステータと、磁束が鎖交するコイルの巻かれる複数の突極部が周方向に並列されているロータと、を備える回転電機が用いられている。

従来、この種の回転電機としては、特許文献１に記載されたものが知られている。特許文献１に記載の回転電機は、いわゆるカセットボビン方式のコイル装着方法を採用しており、外周に電機子コイルを形成したインシュレータをステータのティースに嵌合することで、インシュレータをステータのティースに固定している。具体的には、特許文献１に記載の従来の回転電機は、インシュレータのヨーク側に設けられた爪部をヨークの凹形状溝に嵌合させることにより、電機子コイルおよびインシュレータをステータに固定している。

ＷＯ２０１２／０１１１６８号公報

しかしながら、特許文献１に記載の従来の回転電機は、回転しないステータのティースにインシュレータを装着するものであり、このようなインシュレータを回転するロータのティースに装着した場合、ロータの回転時の遠心力によってインシュレータの嵌合が外れてしまうおそれがあった。

そこで、本発明は、ロータの回転時の遠心力によってインシュレータの嵌合が外れてしまうことを防止できる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、通電により磁束を発生させる電機子コイルを有するステータと、前記磁束が鎖交するコイルの巻かれる複数の突極部が周方向に並列されているロータと、を備える回転電機であって、前記ロータは、前記コイルの巻かれたインシュレータが前記突極部ごとに装着され、前記インシュレータは、複数の前記突極部に前記インシュレータが装着された場合に回転軸側に環状の段差を形成する第１段差部を前記回転軸の軸線方向の両端部の位置に有し、前記第１段差部に嵌合する第２段差部を有する一対の保持リングによって前記軸線方向の両側から挟み込んだ状態で固定され、一対の前記保持リングは前記コイルよりも前記回転軸側に配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、ロータの回転時の遠心力によってインシュレータの嵌合が外れてしまうことを防止できる。

図１は、本発明の一実施の形態に係る回転電機を示す図であり、その概略構成の１／２モデルを示す回転軸に直交する断面図である。 図２は、インナロータに設置するダイオードの接続閉回路を示す結線図である。 図３は、本発明の一実施の形態に係る回転電機の回転軸に平行な断面図である。 図４は、本発明の一実施の形態に係る回転電機のアウタロータを示す分解斜視図である。 図５は、本発明の一実施の形態に係る回転電機のインナロータを示す分解斜視図である。 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り、インナロータのロータ巻線を軸線方向の他端部側から見た正面図である。 図７は、本発明の一実施形態に係る回転電機を示す図であり、ロータ巻線を配置した後のインシュレータの斜視図である。 図８は、本発明の一実施形態に係る回転電機を示す図であり、ロータ巻線を配置する前のインシュレータの斜視図である。 図９は、本発明の一実施形態に係る回転電機を示す図であり、インナロータのロータ巻線の回転軸に直交する断面での断面図である。 図１０は、本発明の一実施形態に係る回転電機を示す図であり、インシュレータのインシュレータ保持部および凹部を示す斜視図である。 図１１は、本発明の一実施形態に係る回転電機を示す図であり、スペーサおよび凸部を示す斜視図である。 図１２は、本発明の一実施の形態に係る回転電機のインナロータの回転軸に平行な断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。図１〜図１２は本発明の一実施の形態に係る回転電機を説明する図である。

図１において、回転電機１は、ダブルロータ形式の回転電機として構成されており、円筒形状に形成されたステータ１００と、このステータ１００よりも回転軸１Ｃ側に設けられた第２のロータとしてのアウタロータ２００と、このアウタロータ２００よりも回転軸１Ｃ側に設けられた第１のロータとしてのインナロータ３００とを備えている。アウタロータ２００およびインナロータ３００は、回転軸１Ｃを回転中心として相対回転可能にそれぞれ支持されている。なお、図１は機械角３６０度のうちの１８０度分（１／２）の径方向断面図を図示している。インナロータ３００は、本発明におけるロータを構成している。

ステータ１００はステータコア１０１を備えており、このステータコア１０１には、軸心に向かう径方向に延伸されている複数本のステータティース１０２が周方向に並列されている。このステータティース１０２は、後述するアウタロータ２００の磁路部材２０１の外周面２０１ａにエアギャップＧ１を介して内周面１０２ａ側を対面させるように形成されている。

このステータ１００は、ステータティース１０２の側面１０２ｂ間をスロット１０３として、三相交流のＷ相、Ｖ相、Ｕ相に対応する電機子コイル１０４が納められている。電機子コイル１０４は分布巻きによりステータティース１０２に巻き回されている。電機子コイル１０４は、通電により磁束を発生させる。

ステータ１００は、この電機子コイル１０４に三相交流が供給されることで、周方向に回転する回転磁界を発生し、発生した磁束をアウタロータ２００やインナロータ３００に鎖交させることによりこれらアウタロータ２００およびインナロータ３００をそれぞれ回転駆動させる。

アウタロータ２００は、透磁率の高い鋼材などの軟磁性体からなる磁路部材２０１と、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）樹脂等の磁束を通さない非磁性体からなる非磁性部材２０２とを有する。磁路部材２０１および非磁性部材２０２は軸線方向に延伸されている。なお、軸線方向は、回転軸１Ｃが延伸する方向と同じ方向を示す。

磁路部材２０１は、周方向で非磁性部材２０２に対向するポールピース部２０１Ａと、非磁性部材２０２のステータ側とインナロータ側とにおいて隣り合うポールピース部２０１Ａを接続するブリッジ部２０１Ｂとを有する。

ポールピース部２０１Ａとブリッジ部２０１Ｂとは、一体形成されている。したがって、磁路部材２０１は、ポールピース部２０１Ａとブリッジ部２０１Ｂとが一体形成された一体コアとして構成されている。一体コアとして構成された磁路部材２０１は、複数の電磁鋼板を軸線方向に積層したものからなる。

非磁性部材２０２は、ポールピース部２０１Ａおよびブリッジ部２０１Ｂで囲まれる空間に設けられている。したがって、本実施の形態のアウタロータ２００は、軟磁性体のポールピース部２０１Ａと非磁性部材２０２とが周方向に交互に配置されている。磁路部材２０１および非磁性部材２０２の詳細な構成については後述する。

アウタロータ２００は、ステータ１００のステータティース１０２の内周面１０２ａと、後述するインナロータ３００のロータティース３０２の外周面３０２ａに対して、磁路部材２０１の外周面２０１ａと内周面２０１ｂとが対面するように形成されている。

このアウタロータ２００は、ステータ１００の電機子コイル１０４で発生し鎖交する磁束が磁路部材２０１のポールピース部２０１Ａを効率よく通過する一方、非磁性部材２０２ではその磁束の通過を妨げる。このステータ１００の電機子コイル１０４で発生する磁束は、アウタロータ２００のポールピース部２０１Ａを通過した後には、後述するように、インナロータ３００のロータティース３０２の外周面３０２ａに鎖交して、再度、アウタロータ２００のポールピース部２０１Ａを通過することにより、ステータ１００に戻る磁気回路を形成する。

このとき、アウタロータ２００は、ステータ１００に対して相対回転するので、磁束を通過させる磁路部材２０１のポールピース部２０１Ａと磁束の通過を制限する非磁性部材２０２とが繰り返し切り換えられて磁気回路を形成する。

このようにアウタロータ２００が回転することで、電機子コイル１０４で発生する回転磁界の極数および周波数を変更させることができる。この変調された回転磁界とインナロータ３００が同期回転することによりトルクが発生する。

インナロータ３００は、複数の電磁鋼板を軸線方向に積層したロータコア３０１を備えている。このロータコア３０１には、軸心から離隔する径方向に向かって延長されている複数本のロータティース（突極部）３０２が周方向に並列されている。ロータティース３０２は、アウタロータ２００の磁路部材２０１の内周面２０１ｂにエアギャップＧ２を介して外周面３０２ａを対面させるように形成されている。

このロータティース３０２は、誘導コイルＩと界磁コイルＦとからなるロータ巻線３３０を有している。誘導コイルＩは、隣接するロータティース３０２の側面３０２ｂ間をスロット３０３として、ロータティース３０２のアウタロータ２００側に巻き付けられている。界磁コイルＦは、隣接するロータティース３０２の側面３０２ｂ間をスロット３０３として、ロータティース３０２の軸心側に巻き付けられている。すなわち、誘導コイルＩは、スロット３０３においてインナロータ３００の径方向外側に巻き付けられており、界磁コイルＦは、スロット３０３においてインナロータ３００の径方向内側に巻き付けられている。誘導コイルＩと界磁コイルＦとからなるロータ巻線３３０は、本発明におけるコイルを構成している。

誘導コイルＩは、ロータティース３０２毎にインナロータ３００の周方向において隣同士が逆向きの周回巻線となる集中巻に形成されて、インナロータ３００の周方向に配列されている。この誘導コイルＩは、磁束が鎖交することにより誘導電流を発生（誘起）する。

界磁コイルＦは、ロータティース３０２毎にインナロータ３００の周方向において隣同士が逆向きの周回巻線となる集中巻になるように形成されて、インナロータ３００の周方向に配列されている。この界磁コイルＦは、界磁電流を供給されることにより励磁されて電磁石として機能する。
このように、誘導コイルＩと界磁コイルＦは、電流の向きが等しくなるように巻き回されている。

ここで、図１の機械角１８０度分の８つの誘導コイルＩを、回転方向（反時計方向）に誘導コイルＩ１〜Ｉ８と呼んで区別する。また、機械角１８０度分の８つの界磁コイルＦを回転方向に界磁コイルＦ１〜Ｆ８と呼んで区別する。

図２において、誘導コイルＩ１、Ｉ３、Ｉ５、Ｉ７と界磁コイルＦ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４は、ダイオードＤ１、Ｄ２と共に閉回路である整流回路Ｃ１を形成している。この整流回路Ｃ１において、３つ置きの誘導コイルＩ１、Ｉ５とダイオードＤ１が直列接続され、３つ置きの誘導コイルＩ３、Ｉ７とダイオードＤ２が直列接続され、界磁コイルＦ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４が直列接続されている。また、誘導コイルＩ１、Ｉ５、ダイオードＤ１からなる直列接続と誘導コイルＩ３、Ｉ７、ダイオードＤ２からなる直列接続は、両端部で並列接続された後、ダイオードＤ１、Ｄ２のカソード側で、界磁コイルＦ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４からなる直列接続に接続されている。このように、整流回路Ｃ１は、誘導コイルＩ１、Ｉ３、Ｉ５、Ｉ７で発生する交流の誘導電流をダイオードＤ１、Ｄ２でそれぞれ一方向に整流して界磁コイルＦ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４に直流界磁電流として供給するように結線された回路構成となっている。

また、誘導コイルＩ２、Ｉ４、Ｉ６、Ｉ８と界磁コイルＦ５、Ｆ６、Ｆ７、Ｆ８は、ダイオードＤ３、Ｄ４と共に閉回路である整流回路Ｃ２を形成している。この整流回路Ｃ２において、３つ置きの誘導コイルＩ２、Ｉ６とダイオードＤ３が直列接続され、３つ置きの誘導コイルＩ４、Ｉ８とダイオードＤ４が直列接続され、界磁コイルＦ５、Ｆ６、Ｆ７、Ｆ８が直列接続されている。また、誘導コイルＩ２、Ｉ６、ダイオードＤ３からなる直列接続と誘導コイルＩ４、Ｉ８、ダイオードＤ４からなる直列接続は、両端部で並列接続された後、ダイオードＤ３、Ｄ４のカソード側で界磁コイルＦ５、Ｆ６、Ｆ７、Ｆ８からなる直列接続に接続されている。このように、整流回路Ｃ２は、誘導コイルＩ２、Ｉ４、Ｉ６、Ｉ８で発生する交流の誘導電流をダイオードＤ３、Ｄ４でそれぞれ一方向に整流して界磁コイルＦ５、Ｆ６、Ｆ７、Ｆ８に直流界磁電流として供給するように結線された回路構成となっている。

この回路構成により、誘導コイルＩで発生させた誘導電流を整流し界磁電流として界磁コイルＦを励磁させることができるため、ロータティース３０２を電磁石として機能させることができる。

ここで、ダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４は、誘導コイルＩや界磁コイルＦを多極化させる場合でも、直列接続することにより使用数を抑えており、大量使用を回避するために、一般的なＨブリッジ型の全波整流回路を形成するのではなく、それぞれ１８０度位相差になるように結線して、一方の誘導電流を反転させて半波整流出力する中性点クランプ型の半波整流回路を形成している。

整流回路Ｃ１、Ｃ２の界磁コイルＦは、隣接するロータティース３０２毎の巻付方向を逆向きにされている。このことから、磁気回路の一部を構成するインナロータ３００の一つのロータティース３０２は、アウタロータ２００のポールピース部２０１Ａから誘導する方向となるＳ極を対面させる電磁石として機能するように磁化されている。また、隣接するもう一つのロータティース３０２は、磁束をアウタロータ２００側に誘導する方向となるＮ極を対面させる電磁石として機能するように磁化されている。

ここで、回転電機１のトルクの発生原理を説明する。インナロータ３００は、ステータ１００からアウタロータ２００を介して鎖交する磁束のうち、そのアウタロータ２００の回転によって変調された磁束がインナロータ３００の回転と同期して鎖交する。

また、一方で、回転電機１は、インナロータ３００の誘導コイルＩに鎖交する磁束に、アウタロータ２００により変調されずに（インナロータ３００の回転に同期せずに）変動する成分が含まれており、これにより誘導コイルＩに交流の誘導電流を発生させることができる。そして、その交流の誘導電流をダイオードＤ１、Ｄ２で整流して直流の界磁電流とし、界磁コイルＦに通電することにより、ロータティース３０２を電磁石として機能させて界磁磁束を発生させることができる。このようにして、回転電機１はトルクを発生することができる。

なお、このとき、ステータ１００のステータティース１０２からアウタロータ２００のポールピース部２０１Ａを介してインナロータ３００のロータティース３０２に鎖交する磁束は、分布巻きした電機子コイル１０４に交流電源から電力供給して発生させる。

ところで、この電機子コイル１０４は、本実施の形態では分布巻きを採用するが、集中巻きを採用してもよい。集中巻きを採用する場合には、ロータティース３０２に鎖交する磁束に分布巻きのコイルで発生する場合よりも多くの高調波成分を重畳させることができる。この磁束に重畳される高調波成分は、磁束量の変動として作用するため、誘導コイルＩに誘導電流を効果的に発生させることができ、より大きな界磁電流を界磁コイルＦに供給して界磁磁束を発生させることができる。

これらのことから、回転電機１は、永久磁石を設けることなく、インナロータ３００を電磁石トルク（回転力）により相対回転させることができる。このインナロータ３００では、磁化方向（Ｎ極、Ｓ極）が周方向に向かって交互になるように並列されている電磁石としてロータティース３０２を機能させることにより、アウタロータ２００およびステータ１００との間で鎖交させる磁束をスムーズにスロット３０３を迂回させて受け渡すことができる。

この回転電機１は、ステータ１００に対してアウタロータ２００が相対回転し、また、その回転するアウタロータ２００（磁路部材２０１）を経由する磁束が鎖交されるインナロータ３００が電磁石トルクにより相対回転されるので、アウタロータ２００を低速回転させ、インナロータ３００を高速回転させることができる。また、反対に、アウタロータ２００を高速回転させ、インナロータ３００を低速回転させることもできる。

この回転電機１は、ステータ１００、アウタロータ２００およびインナロータ３００の構造に応じて上述の回転駆動に必要なトルクが発生するようになっている。具体的には、ステータ１００の電機子コイル１０４の極対数をＡとし、アウタロータ２００の極数となるポールピース部２０１Ａの数をＨとし、インナロータ３００の極対数となるロータティース（電磁石）３０２の極対数をＰとしたときに、次式（１）を成立させる組み合わせとなる。
Ｈ＝｜Ａ±Ｐ｜ ......（１）

この構造では、トルクを効果的に発生させてアウタロータ２００とインナロータ３００とをステータ１００に対して効率よく相対回転させることができる。例えば、本実施の形態の回転電機１では、ステータ１００の電機子コイル１０４の極対数Ａ＝４、アウタロータ２００の極数Ｈ＝１２、および、インナロータ３００のロータティース３０２の極対数Ｐ＝８であり、上記の式（１）を満たしている。

図３に示すように、回転電機１は、ステータ１００内にアウタロータ２００が回転自在に収容されており、さらに、そのアウタロータ２００内にインナロータ３００が回転自在に収容されている。

また、アウタロータ２００の磁路部材２０１には、アウタ回転軸２１０が一体回転可能に連結されている。インナロータ３００のロータコア３０１には、インナ回転軸３１０が一体回転可能に連結されている。これにより、回転電機１は、磁気変調原理を利用してアウタ回転軸２１０およびインナ回転軸３１０のそれぞれに動力を伝達することのできる磁気変調型二軸モータとして構成される。

したがって、回転電機１は、例えばステータ１００を遊星歯車機構のサンギヤ、アウタロータ２００を遊星歯車機構のキャリヤ、インナロータ３００を遊星歯車機構のリングギヤとして機能させることができ、機械式の遊星歯車機構と同等の機能を備えることができる。なお、本実施の形態に係る回転電機１は、アウタロータ２００がキャリヤとして機能するよう構成される。

この構造により、回転電機１は、例えば、ハイブリッド自動車にエンジン（内燃機関）と共に駆動源として搭載する場合、アウタロータ２００のアウタ回転軸２１０とインナロータ３００のインナ回転軸３１０とをそれぞれ車両の動力伝達経路に直接連結して、ステータ１００の電機子コイル１０４にインバータを介して車両のバッテリを接続することにより駆動源と共に動力伝達機構としても機能させることができる。

（アウタロータ）
図３、図４において、アウタロータ２００は、上述した磁路部材２０１および非磁性部材２０２に加えて、鉄材からなるアウタ回転軸２１０と、円環状のフランジ２１５と、円筒状の円筒軸２１４とを備えている。

アウタ回転軸２１０は、円柱状の小径部２１０Ａと、この小径部２１０Ａの他端部に連続するフランジ形状の大径部２１０Ｂとからなる。大径部２１０Ｂは、回転軸１Ｃを中心とした径方向が小径部２１０Ａの径方向よりも大きく形成されており、軸線方向の他端部側で磁路部材２０１に対向している。

アウタ回転軸２１０の小径部２１０Ａには、軸線方向の一端部から他端部に向かって、レゾルバリング２２１、レゾルバロータ２２０、リテーナ２１８が設けられている。レゾルバロータ２２０は、レゾルバリング２２１によって小径部２１０Ａに一体回転自在に固定されている。

リテーナ２１８は、円環状に形成されており、その内縁部の軸線方向の一端部側の側面で、後述するラジアルボールベアリング２１の外輪を支持している。また、リテーナ２１８にはナット部２１８Ａが設けられており、このナット部２１８Ａには、後述するボルト２６が螺合される。

フランジ２１５は、アウタ回転軸２１０の大径部２１０Ｂと磁路部材２０１および非磁性部材２０２との間に設けられている。フランジ２１５は、例えばアルミ材などの非磁性体からなる。これにより、電機子コイル１０４により発生した磁束が鉄材からなるアウタ回転軸２１０に漏れ磁束として流れてしまうことが防止される。

大径部２１０Ｂおよびフランジ２１５には、周方向に並んだ複数の挿通孔２１０Ｂ１、２１５Ａがそれぞれ形成されており、これらの挿通孔２１０Ｂ１、２１５Ａには非磁性体ボルト２１９が挿通されている。非磁性部材２０２には挿通孔２０２Ａが形成されており、この挿通孔２０２Ａには非磁性体ボルト２１９が挿通されている。

非磁性体ボルト２１９は、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）樹脂等の磁束を通さない非磁性体で構成されている。このため、アウタロータ２００は、各ポールピース部２０１Ａ（図１参照）が磁気的に独立し、非磁性体ボルト２１９を磁性体で構成した場合と比べて各ポールピース部２０１Ａによるパーミアンス変動（突極比）を大きくすることができる。これにより、回転電機１におけるトルク密度が向上する。

また、非磁性体ボルト２１９が非磁性体で構成されるため、ギャップ中に発生する高調波磁束に起因して非磁性体ボルト２１９内で発生する渦電流、および非磁性体ボルト２１９間で発生する渦電流による損失を低減することができる。

円筒軸２１４は、磁路部材２０１および非磁性部材２０２の軸線方向の他端部側（図３中、左端側）に設けられており、この円筒軸２１４には、非磁性体ボルト２１９の軸線方向の他端部が螺合される雌ねじ２１４Ａが形成されている。

円筒軸２１４は、例えば非磁性体のステンレスで構成されている。これにより、電機子コイル１０４により発生した磁束が円筒軸２１４を介して外部に漏れ磁束として流れてしまうことが防止される。

アウタロータ２００において、非磁性体ボルト２１９を軸線方向の他端部側から大径部２１０Ｂの挿通孔２１０Ｂ１、フランジ２１５の挿通孔２１５Ａ、非磁性部材２０２の挿通孔２０２Ａに順次挿通し、円筒軸２１４の雌ねじ２１４Ａに螺合することで、磁路部材２０１および非磁性部材２０２の軸線方向の一端部側（図３中、右端側）にフランジ２１５およびアウタ回転軸２１０が固定されるとともに、磁路部材２０１および非磁性部材２０２の軸線方向の他端部側に円筒軸２１４が固定される。

（インナロータ）
図３、図５において、インナロータ３００は鉄材からなるインナ回転軸３１０を備えている。このインナ回転軸３１０の外周部には、軸線方向の一端部側から他端部側に向かって、バランスプレート３１１、スペーサ３１２、ロータ巻線３３０、スペーサ３１４、ダイオードホルダ３１５、バランスプレート３１６、Ｕナット３１７、リテーナ３１８、レゾルバロータ３１９、レゾルバリング３２０が設けられている。

バランスプレート３１１は、鉄材を円環状に形成したものからなり、内周縁部でインナ回転軸３１０の鍔部によって軸線方向に位置決めされている。バランスプレート３１１は、ロータ巻線３３０の軸線方向の一端部側（図３中、右端側）からスペーサ３１２を介してロータ巻線３３０を支持している。

スペーサ３１２は、ロータ巻線３３０の軸線方向の一端部とバランスプレート３１１との間に介装されている。スペーサ３１２は、回転軸１Ｃを中心とした径方向がロータ巻線３３０の径方向より小さく形成されており、ロータ巻線３３０とバランスプレート３１１との間に空間を形成している。スペーサ３１２は、アルミ材を円環状に形成したものからなる。バランスプレート３１１およびスペーサ３１２は、ロータ巻線３３０と一体回転するようにインナ回転軸３１０に対して回り止めされている。

バランスプレート３１６は、鉄材を円環状に形成したものからなり、内周縁部でＵナット３１７によって軸線方向に位置決めされている。バランスプレート３１６は、ロータ巻線３３０の軸線方向の他端部側（図３中、左端側）からダイオードホルダ３１５およびスペーサ３１４を介してロータ巻線３３０を支持している。

スペーサ３１４は、ロータ巻線３３０の軸線方向の他端部とダイオードホルダ３１５との間に介装されている。スペーサ３１４は、ロータ巻線３３０より回転軸１Ｃを中心とした径方向の寸法が小さく形成されており、ロータ巻線３３０とダイオードホルダ３１５との間に空間を形成している。スペーサ３１４は、アルミ材を円環状に形成したものからなる。

ダイオードホルダ３１５は、円環状に形成された回路基板からなり、前述のダイオードＤ１〜Ｄ４を保持している。バランスプレート３１６、ダイオードホルダ３１５およびスペーサ３１４は、ロータ巻線３３０と一体回転するようにインナ回転軸３１０に対して回り止めされている。

Ｕナット３１７は、内周面に図示しない雌ねじが形成されており、インナ回転軸３１０の外周面に形成された図示しない雄ねじに螺合している。Ｕナット３１７がインナ回転軸３１０に螺合することで、ロータ巻線３３０は、スペーサ３１２、３１４およびダイオードホルダ３１５を介してバランスプレート３１１、３１６により軸線方向の両側から挟まれた状態で、インナ回転軸３１０に対して軸線方向および回転方向に固定される。

リテーナ３１８は、円環状に形成されており、その内縁部の軸線方向の他端部側（図３中、左端側）の側面で、後述するラジアルボールベアリング２３の外輪を支持している。また、リテーナ３１８の外縁部の軸線方向の一端部側（図３中、右端側）には、ナット部３１８Ａが設けられており、このナット部３１８Ａには、後述するボルト２５が螺合される。

（ケースを含めた全体構造）
図３において、回転電機１はケース１０を備えており、このケース１０の内部に前述のステータ１００、アウタロータ２００およびインナロータ３００を収容している。

ケース１０は、軸線方向の一端部側から他端部側に向かって、第１フランジ１１、第１スペーサ１２、第１ケース１３、第２ケース１４、第２スペーサ１５、第２フランジ１６を備えている。

第１ケース１３は、円盤状のプレート部１３Ａと、このプレート部１３Ａの外縁部の他端部側に連続する円筒状の円筒部１３Ｂとからなる。プレート部１３Ａの中心部には貫通孔１３Ｃが形成されており、この貫通孔１３Ｃにはアウタ回転軸２１０の小径部２１０Ａが貫通している。

円筒部１３Ｂの内周面にはステータ１００が固定されている。また、円筒部１３Ｂは、アウタロータ２００の磁路部材２０１および非磁性部材２０２と、インナロータ３００のロータコア３０１およびロータ巻線３３０とに径方向で対向している。

このように、円筒部１３Ｂの径方向内方には、回転電機１の主要部であるステータ１００と、アウタロータ２００の磁路部材２０１および非磁性部材２０２と、インナロータ３００のロータコア３０１およびロータ巻線３３０とが収容されている。

貫通孔１３Ｃにはラジアルボールベアリング２１が設けられている。ラジアルボールベアリング２１は、第１ケース１３のプレート部１３Ａに軸線方向の一端部からボルト２６を挿通してリテーナ２１８のナット部２１８Ａに螺合することで、軸線方向に位置決めされる。第１ケース１３のプレート部１３Ａは、このラジアルボールベアリング２１を介してアウタ回転軸２１０の小径部２１０Ａを回転自在に支持している。

また、貫通孔１３Ｃにはレゾルバセンサ３１が固定されている。一方、アウタ回転軸２１０の小径部２１０Ａには、レゾルバセンサ３１と径方向で対向するように、円環状のレゾルバロータ２２０が設けられている。レゾルバロータ２２０は、レゾルバリング２２１によってアウタ回転軸２１０の小径部２１０Ａに一体回転自在に固定されている。

レゾルバセンサ３１は、レゾルバロータ２２０の回転角を検出することで、アウタロータ２００の回転角を検出している。

第２ケース１４は、円筒状の外筒部１４Ａと、この外筒部１４Ａの内周側に配置された円筒状の内筒部１４Ｂと、外筒部１４Ａおよび内筒部１４Ｂの軸線方向の他端部側に連続する円盤状のプレート部１４Ｃとを有している。

第１ケース１３と第２ケース１４は、第１ケース１３の円筒部１３Ｂと第２ケース１４の外筒部１４Ａとを軸線方向に付き合わせて図示しないボルトで締結することにより、ステータ１００、アウタロータ２００およびインナロータ３００を収容した状態で連結されている。

外筒部１４Ａは、アウタロータ２００の円筒軸２１４の軸線方向の他端部と径方向に対向しており、ラジアルボールベアリング２２を介して、円筒軸２１４を回転自在に支持している。

ここで、本実施の形態のアウタロータ２００は、磁路部材２０１および非磁性部材２０２が軸線方向の一端部側でアウタ回転軸２１０の大径部２１０Ｂに固定された、カップ型構造となっている。

このようなカップ型構造のアウタロータ２００を、第１ケース１３に対して例えば片持ち支持させると、固有振動が発生した場合や、アウタロータ２００に作用する電磁吸引力とアウタロータ２００の固有振動とが共振して過大な力が作用した場合に、電磁振動が大きくなってしまう。また、アウタロータ２００が偏心駆動した場合には、片持ち支持しているラジアルボールベアリングに過大な負荷がかかり、そのラジアルボールベアリングの耐久性に影響を与えてしまう。

そこで、本実施の形態では、アウタロータ２００の軸線方向の他端部側、すなわち円筒軸２１４を、アウタ回転軸２１０を支持しているラジアルボールベアリング２１よりも回転軸１Ｃを中心とした径方向の寸法が大きいラジアルボールベアリング２２によって第２ケース１４に対して支持する構成とした。

これにより、本実施の形態のアウタロータ２００は、両持ち支持構造をとることができ、上述したような電磁振動の増大や、ラジアルボールベアリング２１に対して偏心駆動による過大な負荷がかかることを防止することができる。

内筒部１４Ｂの内周にはレゾルバセンサ３２が固定されている。一方、インナ回転軸３１０には、レゾルバセンサ３２と径方向で対向するように、円環状のレゾルバロータ３１９が設けられている。レゾルバロータ３１９は、レゾルバリング３２０によってインナ回転軸３１０に一体回転自在に固定されている。

レゾルバセンサ３２は、レゾルバロータ３１９の回転角を検出することで、インナロータ３００の回転角を検出している。

内筒部１４Ｂの軸線方向の一端部の内周にはラジアルボールベアリング２３が設けられている。ラジアルボールベアリング２３は、内筒部１４Ｂに軸線方向の他端部からボルト２５を挿通してリテーナ３１８のナット部３１８Ａに螺合することで、軸線方向に位置決めされる。第２ケース１４の内筒部１４Ｂは、ラジアルボールベアリング２３を介してインナ回転軸３１０を回転自在に支持している。

アウタ回転軸２１０の大径部２１０Ｂの内周にはラジアルボールベアリング２４が設けられている。大径部２１０Ｂは、ラジアルボールベアリング２４を介してインナ回転軸３１０の一端部を回転自在に支持している。

第１スペーサ１２には貫通孔１２Ａが形成されており、この貫通孔１２Ａは、レゾルバセンサ３１から延びる配線３１Ａが貫通している。また、第１スペーサ１２は、第１ケース１３と第１フランジ１１との間に介装されることで、配線３１Ａが通過する空間を第１ケース１３と第１フランジ１１との間に確保している。

第２スペーサ１５には貫通孔１５Ａが形成されており、この貫通孔１５Ａは、レゾルバセンサ３２から延びる配線３２Ａが貫通している。また、第２スペーサ１５は、第２ケース１４と第２フランジ１６との間に介装されることで、配線３２Ａが通過する空間を第２ケース１４と第２フランジ１６との間に確保している。

第１ケース１３の軸線方向の一端部側には、円筒状の第１スペーサ１２を介して、図示しないボルトにより第１フランジ１１が固定されている。第１フランジ１１は、第１ケース１３より回転軸１Ｃを中心とした径方向の寸法が大きいフランジ形状に形成されており、図示しないボルトにより車両の車体に固定される。

第１フランジ１１の内周側において、アウタ回転軸２１０の小径部２１０Ａの軸線方向の一端部にはカップリング３３が設けられている。アウタ回転軸２１０の小径部２１０Ａには、カップリング３３を介して、例えば図示しない車両の駆動軸が連結される。アウタ回転軸２１０の回転は、このカップリング３３を介して車両の駆動軸に伝達される。

第２ケース１４の軸線方向の他端部側には、円筒状の第２スペーサ１５を介して、図示しないボルトにより第２フランジ１６が固定されている。第２フランジ１６は、第２ケース１４より回転軸１Ｃを中心とした径方向の寸法が大きいフランジ形状に形成されており、図示しないボルトにより車両の車体に固定される。

第２フランジ１６の内周側において、インナロータ３００のインナ回転軸３１０の軸線方向の他端部にはカップリング３４が設けられおり、このカップリング３４の他端部には、例えば、車両の図示しないエンジンの出力軸が連結される。インナ回転軸３１０には、このカップリング３４を介してエンジンの回転が伝達される。
なお、本実施の形態の回転電機１では、アウタ回転軸２１０に車両の駆動軸が連結され、インナ回転軸３１０にエンジンの出力軸が連結されるが、他の実施の形態の回転電機として、アウタ回転軸２１０にエンジンの出力軸が連結され、インナ回転軸３１０に車両の駆動軸が連結されてもよい。

（インシュレータについて）
このように構成された回転電機１は、インナロータ３００がエンジンの出力軸に直結される場合、エンジンの振動が出力軸を伝ってインナロータ３００に伝達され、インナロータ３００のロータ巻線３３０が振動する。特に、ロータ巻線３３０は共振が発生した場合に大きく振動する。

ロータ巻線３３０が振動すると、電磁鋼板からなるロータティース３０２との間でロータ巻線３３０の皮膜が擦れて破れるおそれがある。ロータ巻線３３０の皮膜が破れるとロータ巻線３３０が地絡してしまう。

そこで、本実施形態では、図６において、インナロータ３００は、ロータティース３０２とロータ巻線３３０との間に、電気絶縁性を有する樹脂等からなるインシュレータ３４０を備えている。

このインシュレータ３４０は、予めロータ巻線３３０を外側に巻き回した状態で保持し、ロータティース３０２ごとに装着される。これにより、ロータ巻線３３０がロータティース３０２に直接接触することがなくなるため、ロータ巻線３３０の皮膜がロータティース３０２との間で擦れて破れることが防止される。本実施形態では、ロータティース３０２は、従来の回転電機のロータティースのように先端の鍔部を備えておらず、先端部と基部とで断面形状が等しいか、緩やかに拡大するように形成されている。

これにより、ステータ１００で発生してインナロータ３００の誘導コイルＩに鎖交する磁束のうち、インナロータ３００の回転に同期せずに変動する非同期磁束がロータティース３０２の鍔部により遮られることが防止され、効率よく誘導コイルＩに誘導電流を発生させることができる。また、ロータティース３０２にインシュレータ３４０を径方向外方から装着できる。

以下、インシュレータ３４０の詳細な構成について説明する。図７、図８、図９において、インシュレータ３４０は、ロータ巻線３３０が巻き回される軸となる筒部３４１と、この筒部３４１のロータ径方向外側端部に設けられた鍔部３４２とを有する。

筒部３４１のロータ径方向外側には鍔部３４２と隙間を隔てて誘導コイルＩが巻き回されている。筒部３４１のロータ径方向内周側には界磁コイルＦが巻き回されている。

筒部３４１には、矩形断面形状の嵌合孔３４１Ａが設けられており、この嵌合孔３４１Ａは、ロータティース３０２が隙間無く嵌合可能な寸法に形成されている。

鍔部３４２は、筒部３４１のロータ径方向外側の端部からインナロータ３００の外周面に沿うように周方向に延出して形成されている。また、鍔部３４２は軸線方向にも延出しており、この延出する部分は、周方向の長さよりも軸線方向の長さが大きく形成されている。

このインシュレータ３４０は、図６、図９に示すように、誘導コイルＩと界磁コイルＦが巻き回されたカセットボビンの状態で、嵌合孔３４１Ａにロータティース３０２を嵌合することによって、径方向外方からロータティース３０２に装着される。

このように、インシュレータ３４０は、ロータ巻線３３０が巻き回された状態でロータコア３０１のロータティース３０２に対して径方向外方からロータティース３０２に装着可能な、いわゆるカセットボビンの構造となっているため、ロータ巻線３３０の皮膜が保護されるという効果に加えて、インナロータ３００の組み付け性が向上するという効果も奏する。

インシュレータ３４０は、誘導コイルＩを巻く領域と界磁コイルＦを巻く領域とを仕切る中間リブ３４３を有している。この中間リブ３４３は、鍔部３４２と同様に筒部３４１からスロット３０３に延出するように形成されている。

また、インシュレータ３４０は、中間リブ３４３よりも回転軸１Ｃ側に内側リブ３４４を有している。内側リブ３４４は、筒部３４１のロータ径方向内周部から、鍔部３４２と同様にスロット３０３に延出するように形成されており、界磁コイルＦを巻く領域を仕切っている。

このようにロータティース３０２ごとにインシュレータ３４０を装着する構造では、インナロータ３００の回転時の遠心力によってロータティース３０２から飛び出さないようにインシュレータ３４０を保持する必要がある。そこで、本実施形態では、インシュレータ３４０をスペーサ３１２、３１４により軸線方向の両側から挟み込んだ状態で、インシュレータ３４０とスペーサ３１２、３１４とを嵌合させ、インシュレータ３４０をインナロータ３００の径方向に保持するようにしている。

図７、図８、図９、図１０において、インシュレータ３４０は、内側リブ３４４よりも回転軸１Ｃ側にインシュレータ保持部３４５を有している。インシュレータ保持部３４５は、筒部３４１のロータ軸線方向の両端部の位置において、内側リブ３４４の基部からロータ径方向内周側に延びるように形成されている。

インシュレータ保持部３４５には、第１段差部としての凹部３４５Ａが形成されており、この凹部３４５Ａは、ロータ軸線方向から見たときに円弧状に形成されており、複数のロータティース３０２にインシュレータ３４０が装着された場合に回転軸１Ｃ側に環状の溝３４７を形成するようになっている。環状の溝３４７は、本発明における環状の段差を構成する。

一方、図１１において、スペーサ３１２、３１４には、環状の凸部３１２Ａ、３１４Ａが形成されており、この凸部３１２Ａ、３１４Ａは、複数のインシュレータ保持部３４５の凹部３４５Ａから形成される環状の溝３４７に嵌合するようになっている。スペーサ３１２、３１４は、本発明における保持リングを構成する。また、凸部３１２Ａ、３１４Ａは、本発明における第２段差部を構成する。

図１２において、インシュレータ３４０は、スペーサ３１２、３１４により軸線方向から挟み込まれて環状の溝３４７と凸部３１２Ａ、３１４Ａが嵌合することにより固定される。

このように、インシュレータ３４０とスペーサ３１２、３１４に凹部３４５Ａと凸部３１２Ａ、３１４Ａをそれぞれ設けたことで、スペーサ３１２、３１４は、インシュレータ３４０を軸線方向から挟み込んで凹部３４５Ａと凸部３１２Ａ、３１４Ａを嵌合させた状態で、遠心力に抗してインシュレータ３４０を保持することができる。

なお、インシュレータ３４０の側に凸部を設けるとともに、この凸部に嵌合する凹部をスペーサ３１２、３１４側に設けてもよい。すなわち、インシュレータ３４０は、複数のロータティース３０２にインシュレータ３４０が装着された場合に回転軸１Ｃ側に環状の段差を形成する凹部または凸部の一方を有し、環状の段差に嵌合する凹部または凸部の他方を有するスペーサ３１２、３１４によって固定されるようにしてもよい。

以上のように説明した回転電機１の作用効果について説明する。前述した通り、インナロータ３００は、電機子コイル１０４で発生した磁束の鎖交により誘導電流を誘起させる誘導コイルＩと、誘導電流の通電によって磁界を発生させる界磁コイルＦの巻かれたインシュレータ３４０がロータティース３０２ごとに装着されている。

本実施形態では、インシュレータ３４０のインシュレータ保持部３４５は、複数のロータティース３０２にインシュレータ３４０が装着された場合に回転軸１Ｃ側に環状の溝３４７を形成する凹部３４５Ａを有し、この環状の溝３４７に嵌合する凸部３１２Ａ、３１４Ａを有するスペーサ３１２、３１４によって固定される。

この構成により、インシュレータ３４０の回転軸１Ｃ側に形成される環状の溝３４７にスペーサ３１２、３１４を嵌合することによってインシュレータ３４０を固定するため、インナロータ３００の回転時の遠心力によってインシュレータ３４０とスペーサ３１２、３１４との嵌合が外れてしまうことを防止できる。

さらに、インシュレータ３４０をスペーサ３１２、３１４で軸線方向から挟み込む構造としているため、組み立て時間の短縮と機械強度の向上が可能となる。

これに加え、インシュレータ３４０の凹部３４５Ａとスペーサ３１２、３１４の凸部が嵌合する構造であるため、インシュレータ３４０を個別にロータティース３０２に固化材等で固定する構造と比較して、強度のばらつきが小さくなり、より確実に遠心力に抗してインシュレータ３４０を保持することができる。また、インシュレータ３４０を個別にロータティース３０２に固化材等で固定する構造と比較して、固化材を用いないことによる軽量化を実現できる。また、固化材を用いてインシュレータ３４０をロータティース３０２に固定する構造と併用した場合は固化材の使用量を低減できるため、固化材の減量による軽量化を実現できる。

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。

本実施形態の回転電機１は、ラジアルギャップ構造のインナーロータタイプであるが、アキシャルギャップ構造またはアウタロータ構造であってもよい。また、各コイルには、銅線、アルミ導体、リッツ線を用いることができる。また、磁路部材２０１やロータコア３０１には、積層電磁鋼板に代えて、軟磁性複合材料であるＳＭＣ（Soft Magnetic Composite）コアを用いることができる。また、回転電機１は、ハイブリッド車両のみでなく、風力発電機、工作機械等の他の産業分野にも適用することができる。

１...回転電機、１Ｃ...回転軸、１００...ステータ、１０４...電機子コイル、３００...インナロータ（ロータ）、３０２...ロータティース（突極部）、３１２，３１４...スペーサ（保持リング）、３１２Ａ，３１４Ａ...凸部（第２段差部）、３３０...ロータ巻線（コイル）、３４０...インシュレータ、３４５Ａ...凹部（第１段差部）、３４７...溝（段差）

Claims (1)

1. 通電により磁束を発生させる電機子コイルを有するステータと、
   前記磁束が鎖交するコイルの巻かれる複数の突極部が周方向に並列されているロータと、を備える回転電機であって、
   前記ロータは、前記コイルの巻かれたインシュレータが前記突極部ごとに装着され、
   前記インシュレータは、複数の前記突極部に前記インシュレータが装着された場合に回転軸側に環状の段差を形成する第１段差部を前記回転軸の軸線方向の両端部の位置に有し、前記第１段差部に嵌合する第２段差部を有する一対の保持リングによって前記軸線方向の両側から挟み込んだ状態で固定され、
   一対の前記保持リングは前記コイルよりも前記回転軸側に配置されていることを特徴とする回転電機。

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