JP2008141900A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】 出力特性の可変範囲が広く、モータ効率及び変化の追従性を向上させることができる回転電機を提供する。
【解決手段】 ステータ６と、ロータ４と、ロータに対するステータのロータの軸線Ａ方向での相対位置を変化させるステータ移動手段１１・１２とを有し、ステータに電機子コイル９及び前記電機子コイル９が巻かれたコア６ａが設けられ、ロータにコア６ａに対峙するようにマグネット５が設けられた回転電機Ｍであって、ステータ移動手段によりステータが、マグネットの磁極面５ａと磁極面に対峙するコアの対峙面６ｂとの相対する面積が小さくなるように軸線方向に移動させられるに連れて、磁極面とコアの対峙面との相対する部分の平均距離が大きくなるように磁極面５ａ及びコア６ａの対峙面６ｂのいずれか一方の面が傾斜をなして形成されるようにする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、出力特性の調整が自在な回転電機に関するものである。

従来、電動モータまたは発電機として用いられる回転電機であって例えば電動モータにおいて、出力を調整可能にするためにステータとロータとを通過する磁束を変化させることができる回転電機があり、例えばロータを軸線方向に移動させてロータとステータとの間の互いに重なり合う面積を増減させるようにしたもの（例えば特許文献１参照）や、ロータとステータとの対向面間のギャップ（間隙）を調整するようにしたものがあった（例えば特許文献２参照）。また本件出願人により、上記の重なり合う面積の増減に加えて、コイルの巻回数を選択可能として調整範囲をより大きくした回転電機が出願されている（特許文献３参照）。これらの回転電機は、ステータに電機子コイル及び前記電機子コイルが巻かれたコアが設けられ、ロータにコアに対峙するようにマグネットが設けられる。
特開平５−３００７１２号公報 特開２００４−８０８４７号公報 特願２００６−２５６９５２号

上記したような電動モータにあっては、ロータとステータ（マグネットと電機子コイルが巻かれたコア）との対向面積又はロータとステータ（マグネットと電機子コイルが巻かれたコア）間のエアギャップの増減操作はそれぞれ独立して実施されている。その結果、磁束の変化は小さく、それによる出力特性の可変範囲が狭いという課題がある。そのため、例えばマグネットと電機子コイルが巻かれたコアとの重なり合う対向面積の増減操作により磁束を変化させる回転電機では、所定の変化量を得るためにステータをロータに対して大きく移動させて対向面積を大きく変化させる必要がある。そのため、電機子コイルが巻かれたコアを通過する磁束に疎密が生じ、結果として鉄損が大きくなるという課題がある。

また、電機子コイルに作用する磁束はステータとロータとの対向面積の減少に対して直線的に減少しないという課題がある。これは、電機子コイルが巻かれたコアとマグネットの位置が一部ずれて対向面積が減少してもフリンジング磁束により磁束の減少が緩和されるためである。

本発明では、このような課題を解決してステータとロータとを通過する磁束（有効磁束）を増減させることで出力を調整可能にした回転電機における出力特性の可変範囲をより一層広くすると共にモータ効率及び特性変化の割合を向上させることができる回転電機を提供する。

本発明の回転電機は、ステータと、前記ステータに対して同軸をなして回転自在に設けられたロータと、前記ロータに対する前記ステータの前記ロータの軸線方向での相対位置を変化させるステータ移動手段とを有し、前記ステータに電機子コイル及び前記電機子コイルが巻かれたコアが設けられ、前記ロータに前記コアに対峙するようにマグネットが設けられた回転電機であって、前記ステータ移動手段により前記ステータが、前記マグネットの磁極面と前記磁極面に対峙する前記コアの対峙面との相対する面積が小さくなるように前記軸線方向に移動させられるに連れて、前記磁極面と前記コアの対峙面との相対する部分の平均距離が大きくなるように前記磁極面及び前記コアの対峙面のいずれか一方の面が傾斜をなして形成されるようにした。

また、前記ステータ移動手段により前記ステータが、前記マグネットの磁極面と前記磁極面に対峙する前記コアの対峙面との相対する面積が小さくなるように前記軸線方向に移動させられるに連れて、前記磁極面と前記コアの対峙面との相対する部分の平均距離が大きくなるように前記磁極面及び前記コアの対峙面のいずれか一方の面が階段形状をなして形成されるようにしても良い。また、前記磁極面及び前記対峙面が、互いに補完的形状をなすように形成されるようにすると良い。また、前記マグネットは前記電機子コイルが巻かれたコアの前記マグネットに対する相対移動範囲の全範囲に渡って延在するようにしても良い。

ステータ移動手段によりステータが、マグネットの磁極面及びコアのマグネットに対峙する対峙面の相対する面積が小さくなるようにロータの軸線方向に移動させられるに連れてマグネットの磁極面と磁極面に対峙する対峙面との距離が大きくなるように傾斜をなして形成されるため、ステータのロータに対する位置変化に伴って、マグネットの磁極面と電機子コイルが巻かれたコアのマグネットに相対する面との間の平均距離が変化する。例えば、マグネットの磁極面を、軸線方向に沿って電機子コイルが設けられたコア（ステータコア）がマグネットから離脱する方向に連れて、ロータの軸線からの距離が大きくなるようにする。このようにすることで、ステータコアがロータの軸線方向でマグネットから離脱する方向へ移動することによって、マグネットの磁極面とステータコアの磁極面と相対する面の距離の平均値は増加するようになる。ここで、ステータのロータに対しての移動範囲はロータのマグネットの磁極面とステータのコアの対峙面との相対する面積は互いに完全に重なり合いマグネット及びコアを通過する磁束が最大となる位置から相対する面積がゼロとなる位置の間であってよい。

マグネットの磁極面と電機子コイルが巻かれたコアの磁極面に相対する面との距離つまりエアギャップの距離が変化すると電機子コイルが巻かれたコアに作用する有効磁束が変化する。例えば、エアギャップが広がると、マグネットから相対する電機子コイルが巻かれたコアに作用する有効磁束が低下する。つまり、電機子コイルが巻かれたコアをマグネットに対して移動させることにより、相対する面積の減少に併せてエアギャップ拡大による磁気抵抗の増加からも電機子コイルが巻かれたコアに作用する磁束を減少させることができるため、コアの一定移動量に対する有効磁束の変化量を大きくすることができる。このため所定の磁束の減少量を達成するために必要な電機子コイルが巻かれたコアの移動距離が小さくなり、またそれに伴って電機子コイルが巻かれたコアに作用する磁束密度の不均一さも小さくなるため、鉄損も低減することができる。

また、エアギャップの拡大による磁気抵抗の増加により、フリンジング磁束を抑制することができるため、磁束は電機子コイルが巻かれたコアとマグネットとの相対位置に対して敏感に減少するようになる。これらの効果から電動モータや発電機などの特性を向上させることができ、かつ特性変化範囲を広くすることができると共に装置を小型化することができる。

また、マグネットの磁極面又は電機子コイルが巻かれたコアのマグネットに対峙する対峙面は前記軸線に沿って階段状に変化させても同様のギャップ拡大効果が得られる。

更に、マグネットの磁極面及びマグネットに対峙する電機子コイルが巻かれたコアの対峙面が、互いに補完的形状をなすように形成することによって、マグネットと電機子コイルが巻かれたコアの相対する面積が最大となるときのエアギャップを小さくすることができるため電機子コイルが巻かれたコアに作用する有効磁束を大きく維持することができる。

また、マグネットが、電機子コイルが巻かれたコアのマグネットに対する相対移動範囲の全範囲に渡って延在するようにすることで、コア移動により有効磁束が最小となる位置でも、電機子コイルが巻かれたコアのマグネットに対峙し得る面の全範囲がマグネットの磁極面に相対するため、電機子コイルの磁界を受ける有効導体は一定に保たれ、また電機子コイルが巻かれたコア中を通過する磁束の密度分布の不均一度合いが小さくなる。

＜＜第１実施形態の構成＞＞
以下、本発明の第１実施形態を、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明が適用された電気自動車の駆動輪Ｗの例を示す模式的断面図である。図において、車体１に固定支持軸２が突設かつ固定されており、その固定支持軸２には一対の軸受３ａ・３ｂを介してロータ４が回転自在に支持されている。ロータ４の外周部にはホイールを介して駆動輪Ｗが取り付けられている。

ロータ４は、支持軸２と同軸に大小径のボス部４ａ・４ｂが形成されており、両ボス部４ａ・４ｂ間の空間が車体１側に開放されている。大径ボス部４ｂの内周面には、周方向にＮ・Ｓ極を並べた複数のマグネット５が配設されている。また、両ボス部４ａ・４ｂによる空間に受容されるようにステータ６が設けられている。

ステータ６は、小径ボス部４ａ側に位置するようにされた環状部材８の外周面に固着されたステータコア６ａと、その複数のステータコア６ａに巻回された電機子コイル９とを一体に有する。このようにして構成されたステータ６と上記ロータ４とにより本発明が適用される回転電機としてのモータＭが構成される。

環状部材８は、車体１から突設固定され小径ボス４ａの外周に位置するガイド軸７によりスライド自在に支持されていると共に、車体１に取り付けられた例えばモータ駆動型のアクチュエータ１１の駆動軸１２の回転に伴う駆動軸１２と勘合された雌ネジ部１３の出没運動により支持軸２（ロータ４）の軸線方向に往復運動可能にされている。

図２は、第１実施形態に係るモータＷの上半部を示す模式的断面図である。マグネット５のロータ４の軸線Ａに沿った断面図の厚みは、ステータコア６ａがロータ４の軸線Ａに沿ってマグネット５から離脱する方向Ｂに連れて直線的に薄くなるように形成される。ここでマグネット５の軸線Ａに沿った厚みとはマグネット５の軸線Ａの径方向への長さをいう。またステータコア６ａのマグネット５の磁極面５ａに対峙する面６ｂはマグネット５の磁極面５ａと補完的形状をなすように形成され、ステータコア６ａが軸線Ａに沿ってマグネット５から離脱する方向に連れて軸線Ａからの距離が直線的に大きくなるように形成される。
＜＜第１実施形態の作用効果＞＞
図３は、第１実施形態に係るモータＷの上半部を示し、ステータ６がロータ４に対して移動した状態を示す模式的断面図である。上記の構成とすることで、アクチュエータ１１を駆動することにより環状部材８すなわちステータ６はロータの軸線Ａに沿って両ボス部４ａ・４ｂ間の空間をステータコア６ａとマグネット５とを通過する磁束が最大となる位置（図１中実線）から軸線Ａ方向でステータコア６ａとマグネット５とを通過する磁束が減少する方向Ｂと、方向Ｂと相反する方向Ｃとに移動することができる。その変位量はマグネット５の磁極面５ａに対して、図１に示されるように磁極面５ａに対向するステータ６のマグネット５に対峙する対峙面６ａがロータ４の軸線Ａ方向について完全に重なる位置と、図１の二点差線で示される位置との２位置間であって良い。なお、完全に重なる位置からの変位量にあっては、例えば完全に外れた位置までの変位量を１００％とした場合に約５０％とすることができる。なお、５０％の位置の場合には磁極面５ａと対向面６ａとのロータ軸線方向についての重なり量が半分となる（図３）。なお、本実施形態では、磁極面５ａ及び対峙面６ａの相対する面積が最大となる位置を、磁極面５ａ及び対峙面６ａが完全に重なり合う位置としているが、磁極面５ａ及び対峙面６ａが一定量偏倚した位置であっても良い。

マグネット５の厚みを、方向Ｂに連れて直線的に薄くなるようにし、またステータコア６ａのマグネット５に対峙する面６ｂをマグネット５の磁極面５ｂと補完的形状をなすようにステータコア６ａが軸線Ａに沿って方向Ｂに連れて軸線Ａからの距離が直線的に大きくなるようにしたことにより、ステータコア６ａが方向Ｂに移動するに従って、マグネット５の磁極面５ｂとステータコアの相対する面６ｂの間の平均距離つまりエアギャップが大きくなる。磁気抵抗の大きいエアギャップが増加するとステータコア６ａに作用する磁束は減少するため、ステータを移動することにより相対する面積の減少と併せてステータコアに作用する磁束を大きく減少させることができる。

また、対向面積の減少とエアギャップの増加の併用により、コアの移動量に対してステータコア６ａに作用する磁束の変化量は大きくなり、所定の磁束の変化を得るための移動距離は小さくなるため、応答時間を短くすることができる。また、ステータの移動距離を小さく抑えることができるため、本発明の回転電機は装置を小さくすることができる。
＜＜第２実施形態の構成＞＞
図４は、第２実施形態に係る回転電機の上半部を示す模式的断面図である。第２実施形態の構成は、第１実施形態の構成と大部分において同様であるが、マグネットの磁極面の形状及びステータコアのマグネットに対峙する面の形状において異なる。なお、上記図示例と同様の部分には同一の符号を付し、その詳しい説明を省略する。マグネット５のロータ４の軸線Ａに沿った断面図の厚みは、ロータの軸線に沿ってステータコア６ａがマグネット５から離脱する方向Ｂに連れて階段状に薄くなる。またステータコア６ａのマグネット５の磁極面５ｂに対峙する面６ｃはマグネット５の磁極面５ｂと補完的形状をなすように形成され、ステータコア６ａが軸線Ａに沿ってマグネット５から離脱する方向に連れて軸線Ａからの距離が階段状に大きくなるように形成される。
＜＜第２実施形態の作用効果＞＞
第１実施形態の作用効果と同じく、ステータが方向Ｂに移動するに従い、ステータコア６ａ及びマグネット５の相対する面積が減少すると共にステータコア６ａ及びマグネット５の間のエアギャップが大きくなり、相対する面積の減少と併せてステータコアに作用する磁束を効果的に減少させることができる。その他の効果も第１実施形態と同様である。
＜＜第３実施形態の構成＞＞
図５は、第３実施形態に係る回転電機の上半部を示す模式的断面図である。第３実施形態の構成は、第１実施形態の構成と大部分において同様であるが、マグネットの磁極面の形成方法において異なる。なお、上記図示例と同様の部分には同一の符号を付し、その詳しい説明を省略する。マグネット５のロータ４の軸線Ａに沿った断面図でのマグネット５の厚みは、一定である。マグネット５は、磁極面５ｃがステータコア６ａがロータ４の軸線Ａに沿ってマグネット５から離脱する方向Ｂに連れてロータ４の軸線からの距離が大きくなるように軸線Ａに対して傾斜をなすように設けられる。
＜＜第３実施形態の作用効果＞＞
第３実施形態では、第１実施形態の作用効果と同様の作用効果を得ることができ、更にマグネット５の厚さを変更する加工を必要としないという利点がある。
＜＜第４実施形態の構成＞＞
図６は、第４実施形態に係る回転電機の上半部を示す模式的断面図である。第４実施形態の構成は、第１実施形態の構成と大部分において同様であるが、ロータ及びマグネットの形状において異なる。なお、上記図示例と同様の部分には同一の符号を付し、その詳しい説明を省略する。ロータ４及びマグネット５はステータコア６ａの軸線Ａ方向での移動範囲の全範囲に渡って延在するように設けられる。マグネット５のロータ４の軸線Ａに沿った断面図の厚みは、ステータコア６ａがロータ４の軸線Ａに沿ってロータ４が開放する方向Ｂに連れて直線的に薄くなるように形成される。またステータコア６ａのマグネット５の磁極面５ｄに対峙する面６ｅは、ステータが軸線Ａ方向でロータが開放する側と相反する側に位置する状態で、マグネット５の磁極面５ｄと補完的形状をなすように形成され、ステータコア６ａの対峙面６ｅが軸線Ａに沿ってマグネット５から離脱する方向に連れて軸線Ａからの距離が直線的に大きくなるように形成される。
＜＜第４実施形態の作用効果＞＞
第４実施形態では、マグネット５及びステータコア６ａの形状からステータコア６ａが軸線Ａに沿って方向Ｂに移動することにより、マグネット５の磁極面５ｄとステータコアの磁極面５ｄに対峙する面６ｅとの平均距離つまりエアギャップが増加し、ステータコア６ａに作用する有効磁束が低下する。このとき、ステータコアの対峙面６ｅは、全範囲に渡りマグネット５の磁極面５ｄと相対することができるため、ステータコア６ａに作用する磁束の密度分布における不均一さが第１実施形態に比べ小さくなる。
＜＜その他の実施形態の構成＞＞
図７及び図８は、その他の実施形態に係る回転電機の上半部を示す模式的断面図である。その他の実施形態の構成は、第１及び第２実施形態の構成と大部分において同様であるが、マグネットの磁極面の形状及びステータコアのマグネットに対峙する面の形状において異なる。なお、上記図示例と同様の部分には同一の符号を付し、その詳しい説明を省略する。第１及び第２実施形態ではマグネット５の磁極面５ａとステータコアのマグネット５の磁極面５ａに対峙する面６ｂとは互いに補完的形状をなすが、その他の実施形態ではマグネット５の磁極面５ａとステータコア６の対峙面６ｂの内いずれか一方の形状のみを変更する。

図７は、マグネット５の磁極面５ｅのみを、ステータコア６ａがロータの軸線Ａ方向でマグネット５から離脱する方向Ｂに連れて磁極面５ｅと相対するステータコア６ａの面６ｆとの距離が連続的に大きくなるようにした場合の実施形態を示す。ここでマグネット５の磁極面５ｅは、ステータコア６ａがロータの軸線Ａ方向でマグネット５から離脱する方向Ｂに連れて磁極面５ｅと相対するステータコア６ａの面６ｆとの距離が階段状に大きくなるようにしてもよい。図８は、ステータコア６ａのマグネット５の磁極面５ｆに対峙する面６ｇの形状のみを、ステータコア６ａがロータ４の軸線Ａ方向でマグネット５から離脱する方向Ｂに連れてマグネット５の磁極面５ｆとの距離が連続的に小さくなるようにした場合の実施形態を示す。ここでのステータコア６ａのマグネット５の磁極面５ｆに対峙する面６ｇはロータの軸線Ａ方向でステータコア６ａがマグネット５から離脱する方向に連れてマグネット５の磁極面５ａとの距離が階段状に小さくなるようにしてもよい。
＜＜その他の実施形態の作用効果＞＞
第１実施形態と作用効果と同様の作用効果を得ることができる。しかし、マグネット５とステータコア６ａとの相対する面積が最大となるモータＭの低速回転時では、第１実施形態に比べて、マグネットの磁極面５ｅ・５ｆとステータコア６ａのマグネット５の磁極面５ｅ・５ｆに相対する面６ｆ・６ｇの間の平均距離が大きくなり、ステータに作用する有効磁束が小さくなる。

本発明に係る可変界磁回転電機は、モータの低速回転・高トルク運転時及び高速回転・低トルク運転時のそれぞれに適応してモータ性能を向上させるこができ、電動モータや発電機として有用である。

第１実施形態が適用された電気自動車の駆動輪Ｍの例を示す模式的断面図である。 第１実施形態に係る回転電機の上半部を示す模式的断面図である。 第１実施形態に係る回転電機の上半部を示す模式的断面図である。 第２実施形態に係る回転電機の上半部を示す模式的断面図である。 第３実施形態に係る回転電機の上半部を示す模式的断面図である。 第４実施形態に係る回転電機の上半部を示す模式的断面図である。 その他の実施形態に係る回転電機の上半部を示す模式的断面図である。 その他の実施形態に係る回転電機の上半部を示す模式的断面図である。

符号の説明

１ 車体
２ 支持軸
３ 軸受
４ ロータ
５ マグネット
６ ステータ
６ａ ステータコア
８ 環状部材
１１ アクチュエータ
１２ 駆動軸

Claims (4)

1. ステータと、
   前記ステータに対して同軸をなして回転自在に設けられたロータと、
   前記ロータに対する前記ステータの前記ロータの軸線方向での相対位置を変化させるステータ移動手段とを有し、
   前記ステータに電機子コイル及び前記電機子コイルが巻かれたコアが設けられ、
   前記ロータに前記コアに対峙するようにマグネットが設けられた回転電機であって、
   前記ステータ移動手段により前記ステータが、前記マグネットの磁極面と前記磁極面に対峙する前記コアの対峙面との相対する面積が小さくなるように前記軸線方向に移動させられるに連れて、前記磁極面と前記コアの対峙面との相対する部分の平均距離が大きくなるように前記磁極面及び前記コアの対峙面のいずれか一方の面が傾斜をなして形成されることを特徴とする回転電機。
2. 前記ステータ移動手段により前記ステータが、前記マグネットの磁極面と前記磁極面に対峙する前記コアの対峙面との相対する面積が小さくなるように前記軸線方向に移動させられるに連れて、前記磁極面と前記コアの対峙面との相対する部分の平均距離が大きくなるように前記磁極面及び前記コアの対峙面のいずれか一方の面が階段形状をなして形成されることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 前記磁極面及び前記対峙面が、互いに補完的形状をなすように形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の回転電機。
4. 前記マグネットは前記電機子コイルが巻かれたコアの前記マグネットに対する相対移動範囲の全範囲に渡って延在することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載の回転電機。
   

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