JP5205594B2

JP5205594B2 - 回転電機

Info

Publication number: JP5205594B2
Application number: JP2007038077A
Authority: JP
Inventors: 祐一渋川
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2006-03-16
Filing date: 2007-02-19
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2027-02-19
Also published as: US7750527B2; JP2007282476A; US20070216252A1

Description

本発明は、ステータとロータ間の磁気抵抗を変更可能な回転電機に関するものである。

従来、ロータに永久磁石を設けた回転電機において、高回転時に誘起電圧が高くなることを防止するため、ロータの高回転時にはステータとロータ間の磁気抵抗を増大して誘起電圧が高くなるのを抑制する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−２４７８２２号公報

特許文献１は、複数のコイルを有し、コイルに通電される電流によって磁界を発生するステータと、磁界によって駆動されるロータと、ステータとロータ間の空隙（ギャップ）の間隔を変化させて、ステータとロータ間の磁気抵抗を変更する磁気抵抗変更機構と、運転状態に応じて前記磁気抵抗変更機構を作動させるアクチュエータとを備える。

上述した特許文献１に記載の技術では、ステータとロータ間の磁気抵抗を変更するために、アクチュエータを別に設けなければならず、部品点数が増えてコスト高になる問題があった。

本発明の目的は、アクチュエータを別に設けることなくステータとロータ間の磁気抵抗を変更可能な回転電機を提供しようとするものである。

本発明の回転電機は、ステータのコイルに複合電流を通電して複数の磁界を発生させ、軸方向空隙を介してステータに対向配置されたロータを第１磁界によって駆動するとともに、第２磁界によって軸方向力を発生してロータを軸方向移動させ、軸方向空隙の間隔を変更する磁気抵抗変更機構を作動してステータとロータ間の磁気抵抗を変更することを特徴とするものである。

本発明では、ステータのコイルに通電する複合電流によって、ロータの駆動と、ステータとロータ間の磁気抵抗の変更の両方を実現できる構成としたため、アクチュエータを別に設ける必要がなくなり、部品点数が増えてコスト高になることを防止できる。

以下に、この発明の実施の形態を、図面に基づき詳細に説明する。
図１は本発明の回転電機の一例を説明するための図である。図１に示す例は、ステータ３とロータ４−１、４−４（第１ロータに相当）とが軸方向空隙（アキシャルギャップ）ｇ１を介して対向配置されるアキシャルギャップ型の回転電機への適用例である。

本回転電機１は、ステータ３、ロータ４−１、４−４に加え、ロータ４−２、４−３（第２ロータに相当）とネジ部２３−１、２３−２（動力変換機構に相当）を主な構成要素とする。ステータ３は、ステータコア１１のまわりにコイル１２を巻回して構成したステータユニット１３を周方向で複数個有し、ケース１４に支持される。ロータ４−１、４−４は、円盤状の部材であり、ステータ３の軸方向両側に配置される。

ロータ４−１、４−４は、それぞれ永久磁石２１−１、２１−２とバックヨーク２８−１、２８−２とを有する。また、ロータ４−１、４−４は、回転軸２に対して軸方向移動可能かつ相対回転不能なよう、ボールスプライン２２−１、２２−２を介して回転軸２に装着されている。
一方、ロータ４−２、４−３は、ステータ３の内側で、径方向空隙（ラジアルギャップ）ｇ２を介してステータ３に対向配置される。ロータ４−２、４−３は、外周部分に凸部と凹部とを円周方向で交互に有する。ここで、凸部が突極となって複数の磁極を形成する。凸部と凹部の代わりに永久磁石を設けることもできる。また、ロータ４−２、４−３は、それぞれスラストベアリング２４−１、２４−２を介してロータ４−１、４−４に当接する。そして、ロータ４−２、４−３は、ネジ部２３−１、２３−２を介して回転軸２に対して装着されている。このネジ部２３−１、２３−２は、ロータ４−２、４−３に設けられた雌ネジ部と、回転軸２に設けられた雄ネジ部とで形成される。ロータ４−２、４−３と、ネジ部２３−１、２３−１とにより磁気抵抗変更機構を形成している。

上述した構成のアキシャルギャップ型の回転電機１において、ステータ３のコイル１２にロータ４−１、４−４を駆動するための第１電流とロータ４−２、４−３を駆動するための第２電流を重畳した複合電流を通電する。ここで、複合電流については、例えば本出願人による特開平１１−２７５８２６号公報で開示したものと同様である。
コイル１２は第１電流によって第１磁界Ｈ１を発生させ、第２電流によって第２磁界Ｈ２を発生させる。そして、第１磁界Ｈ１によってステータ３とロータ４−１、４−４間で第１磁気回路ｍ１が形成されるとともに、第２磁界Ｈ２によってステータ３とロータ４−２、４−３間で第２磁気回路ｍ２が形成される。
第１磁気回路ｍ１は、ステータコア１１（図１で紙面上）→永久磁石２１−１（図１で紙面上）→バックヨーク２８−１→永久磁石２１−１（図１で紙面手前側。図示せず）→ステータコア１１（図１で紙面手前側。図示せず）→永久磁石２１−２（図１で紙面手前側。図示せず）→バックヨーク２８−２→永久磁石２１−２（図１で紙面上）→ステータコア１１（図１で紙面上）を通る回路となる。
一方、第２磁気回路ｍ２は、ステータコア１１（図１で紙面上）→ロータ４−２のある突極（図１で紙面奥側）→ロータ４−２の他の突極（図１で紙面手前側。図示せず）→ステータコア１１（図１で紙面手前側。図示せず）→ロータ４−３のある突極（図１で紙面手前側。図示せず）→ロータ４−３の他の突極（図１で紙面奥側）→ステータコア１１（図１で紙面上）を通る回路となる。

次に作用を説明する。
ステータ３は、複合電流の第１電流により発生する第１磁界Ｈ１によってロータ４−１、４−４を駆動し、回転軸２を駆動する。
一方、ステータ３は、複合電流の第２電流により発生する第２磁界Ｈ２によってロータ４−２、４−３を駆動し、ロータ４−２、４−３を回転軸２に対して相対回転させる。この相対回転が発生すると、ネジ部２３−１、２３−２のネジ作用によって、ロータ４−２はロータ４−１側へ、ロータ４−３はロータ４−４側へ移動する。そして、ロータ４−２、４−３の移動に連動して、ロータ４−１、４−４のそれぞれが軸方向でステータ３から遠ざかる方向に移動する。つまり、ネジ部２３−１、２３−２がロータ４−２、４−３の回転力を軸方向力に変換し、この軸方向力によりロータ４−１、４−４が移動することになる。これにより、軸方向空隙ｇ１の間隔が増大し、ステータ３とロータ４−１、４−４間の磁気抵抗が増大する。

次に効果について説明する。
このように本例では、１つのステータ３に複合電流を供給することで、回転軸２に駆動力を発生させるためのロータ４−１、４−４と、磁気抵抗可変機構を形成するロータ４−２、４−３の両方を駆動できるため、従来技術で必要であったアクチュエータを別に設ける必要はない。

また、本例では、弱め界磁の必要な高回転状態において、複合電流でロータ４−１、４−４をそれぞれ軸方向外側に移動させることで、軸方向空隙ｇ１の間隔を大きくすることができる。これにより、磁気抵抗を増加させることで磁束を低減させ、誘起電圧上昇を抑制することができる。一方、弱め界磁の必要のない低回転状態においては、複合電流でロータ４−１、４−４をそれぞれ軸方向内側に移動させることで、軸方向空隙ｇ１の間隔を小さくするよう制御することができる。

図２は本発明の回転電機の他の例を説明するための図である。図２に示す例において、図１に示す例と同一の部材には同一の符号を付し、その説明を省略する。
図２に示す例において、図１に示す例と異なる点は、ステータおよびロータを相対移動させる機構にある。すなわち、図２に示す例では、図１に示す例におけるネジ部２３−１、２３−２の代わりにローディングカム機構２５−１、２５−２（動力変換機構に相当）を設けた点が主な変更点である。
ローディングカム機構２５−１、２５−２は、ロータ４−２、４−３とロータ４−１、４−４との間に設けられる。このローディングカム機構２５−１、２５−２としては、例えば、実開平５−０７５５５１号公報に開示されるような一般的な構造を適用することができ、ロータ４−１、４−４のカム面２５−１１、２５−２１と、ロータ４−２、４−３のカム面２５−１２、２５−２２と、カム面２５−１１、２５−２１とカム面２５−１２、２５−２２との間に介挿される転動体２５−１３、２５−２３とを有する。ローディングカム機構２５−１、２５−２は、ロータ４−１、４−４とロータ４−２、４−３間に角度位相差が生じたときに軸方向力を発生させる。
ロータ４−２、４−３は、回転軸２にベアリング２９−１、２９−２を介して回転可能に支持される。そして、ロータ４−２、４−３の軸方向ステータ３側への移動を規制すべく、ストッパ３０−１、３０−２が設けられる。
また、ロータ４−１、４−４をステータ３側に付勢すべく皿バネ２７−１、２７−２が設けられ、この皿バネ２７−１、２７−２の位置決めのため、ストッパ２６−１、２６−２が設けられる。

次に作用について説明する。
ステータ３は、複合電流の第１電流により発生する第１磁界Ｈ１によってロータ４−１、４−４を駆動し、回転軸２を駆動する。
一方、ステータ３は、複合電流の第２電流Ｈ２により発生する第２磁界によってロータ４−２、４−３を駆動する。ロータ４−２、４−３の駆動力をロータ４−１、４−４の駆動力と異ならせることにより、ロータ４−２、４−３とロータ４−１、４−４間に角度位相差が発生し、ローディングカム機構２５−１、２５−２が作動して、ロータ４−１、４−４のそれぞれが軸方向でステータ３から遠ざかる方向に移動する。これにより、軸方向空隙ｇ１の間隔が増大し、ステータ３とロータ４−１、４−４間の磁気抵抗が増大する。

次に効果を説明する。
本例でも図１に示す例と同等の効果が得られる。
加えて、軸方向空隙ｇ１を増大するために通電された第２電流は、ロータ４−２、４−３からローディングカム機構２５−１、２５−２とロータ４−１、４−４を介して回転軸２に伝達され、回転軸２を駆動するための力となるため、磁気抵抗を増大させるに際して通電する第２電流を駆動力として有効利用できることになる。

図３（ａ）、（ｂ）はそれぞれ本発明の回転電機のさらに他の例を説明するための図である。図３（ａ）、（ｂ）に示す例において、図１および図２に示す例と同一の部材には同一の符号を付し、その説明を省略する。図３（ａ）、（ｂ）に示す例は、ステータ３とロータ４−１、４−４とが径方向空隙ｇ２１を介して対向配置されるラジアルギャップ型の回転電機３１への適用例である。
本回転電機３１は、ステータ３、ロータ４−１、４−４に加え、ロータ４−２、４−３、ローディングカム機構２５−１、２５−２を主な構成要素とする。
ロータ４−２、４−３は、ステータ３に対して径方向空隙ｇ２２を介して対抗配置され、回転軸２側の基部３２において一体に構成される。
ローディングカム機構２５−１、２５−２は、ロータ４−２、４−３の基部３２とロータ４−１、４−４間に設けられる。なお、ローディングカム機構２５−１、２５−２は片側のみでもよい。

次に、作用について説明する。
ステータ３は、複合電流の第１電流により発生する第１磁界Ｈ１によってロータ４−１、４−４を駆動し、回転軸２を駆動する。
一方、ステータ３は、複合電流の第２電流により発生する第２磁界Ｈ２によってロータ４−２、４−３を駆動する。ロータ４−２、４−３の駆動力をロータ４−１、４−４の駆動力と異ならせることにより、ロータ４−２、４−３とロータ４−１、４−４間に角度位相差が発生し、ローディングカム機構２５−１、２５−２が作動して、ロータ４−１、４−４のそれぞれが軸方向でステータ３から遠ざかる方向に移動する。これにより、ロータ４−１、４−４とステータ３間の径方向空隙ｇ２１の周方向断面積が増大し、ステータ３とロータ４−１、４−４間の磁気抵抗が増大する。

図３（ａ）、（ｂ）を用いて具体的に説明すると、図３（ａ）は低速時の低回転状態を示しており、複合電流によりロータ４−１、４−４とロータ４−２、４−３とを同じ駆動力で回転させている。そのため、この状態ではロータ４−１、４−４とステータ３間の径方向空隙ｇ２１は周方向断面積が最大の状態となっている。
一方、図３（ｂ）は高速時の高回転状態を示しており、複合電流によりロータ４−１、４−４とロータ４−２、４−３間に駆動力の差を与え、ロータ４−２、４−３とロータ４−１、４−４間に角度位相差が発生し、ローディングカム機構２５−１、２５−２を作動させて、ロータ４−１、４−４のそれぞれを軸方向でステータ３から遠ざかる方向に移動させている。そのため、ロータ４−１、４−４とステータ３間の径方向空隙ｇ２１の周方向断面積が減少した状態となっている。このように径方向空隙ｇ２１の周方向断面積が減少することで、ステータ３とロータ４−１、４−４間の磁気抵抗が増大する。
図３（ａ）、（ｂ）に示す本例においても、図１、図２に示す例と同様の作用効果を得ることができる。

図４は本発明の回転電機のさらに他の例を説明するための図である。図４に示す例において、図３に示す例と同一の部材には同一の符号を付し、その説明を省略する。図４に示す例において、図３に示す例と異なる点は、ステータおよびロータを相対移動させる機構にある。すなわち、図４に示す例では、図３に示す例におけるローディングカム機構２５−１、２５−２の代わりに、基部３２とロータ４−１、４−４間にネジ部２３−１、２３−２を配置した点が主な変更点である。本例でも、複合電流によってロータ４−２、４−３（基部３２）を駆動することで、ネジ部２３−１、２３−２によりロータ４−１、４−４を軸方向に移動させることができる。

図５は本発明の回転電機のさらに他の例を説明するための図である。図５に示す例において、図１〜図４に示す例と同一の部材には同一の符号を付し、その説明を省略する。図５に示す例において、図１〜図４に示す例と異なる点は、回転電機をアキシャルギャップ型とラジアルギャップ型とを組み合わせた回転電機４１とした点にある。そのため、図５に示す例では、回転電機４１を、回転軸２を中心として、ステータ３とロータ４−１およびロータ４−４とを同軸状に配置した、トルク発生用のラジアルギャップ型の部分と、ロータ４−２（本例では１つのみ）をロータユニット１３の間に設けた、アクチュエータ用のアキシャルギャップ型の部分と、で構成している。本例でも、ネジ部２３−１、２３−２の働きにより、上述した例と同様の作用効果を得ることができる。

図６は本発明の回転電機のさらに他の例を説明するための図である。図６に示す例において、図５に示す例と同一の部材には同一の符号を付し、その説明を省略する。図６に示す例において、図５に示す例と異なる点は、ロータ４−２の長さにあり、ロータ４−２の先端がロータユニット１３の間に存在しないが、本例でも、ロータ４−２がアクチュエータ用のアキシャルギャップ型の部分を構成している。そのため、本例でも、ネジ部２３−１、２３−２の働きにより、上述した例と同様の作用効果を得ることができる。

本発明の回転電機の一例を説明するための図である。本発明の回転電機の他の例を説明するための図である。（ａ）、（ｂ）はそれぞれ本発明の回転電機のさらに他の例を説明するための図である。本発明の回転電機のさらに他の例を説明するための図である。本発明の回転電機のさらに他の例を説明するための図である。本発明の回転電機のさらに他の例を説明するための図である。

符号の説明

１、３１、４１回転電機
２回転軸
３ステータ
４−１〜４−４ロータ
１１ステータコア
１２コイル
１３ステータユニット
１４ケース
２１−１、２１−２永久磁石
２２−１、２２−２ボールスプライン
２３−１、２３−２ネジ部
２４−１、２４−２スラストベアリング
２５−１、２５−２ローディングカム
２６−１、２６−２固定部材
２７−１、２７−２皿バネ
２８−１、２８−２バックヨーク
３２基部

Claims

複数のコイルを有し、これらのコイルに通電される複合電流によって複数の磁界を発生するステータと、
前記複数の磁界のうちの第１磁界によって駆動される第１ロータと、
前記複数の磁界のうちの第２磁界によって前記ステータと前記第１ロータ間の磁気抵抗を変更する磁気抵抗変更機構と、を備え、
前記第１ロータは、軸方向空隙を介して前記ステータに対向配置され、
前記磁気抵抗変更機構は、前記第２磁界によって軸方向力を発生して前記第１ロータを軸方向移動させ、前記軸方向空隙の間隔を変更する
ことを特徴とする回転電機。
請求項１に記載の回転電機において、
前記磁気抵抗変更機構は、
径方向空隙を介して前記ステータに対向配置され、前記第２磁界により駆動される第２ロータと、
前記第２ロータの回転力を前記軸方向力に変換する動力変換機構と、を有する
ことを特徴とする回転電機。
複数のコイルを有し、これらのコイルに通電される複合電流によって複数の磁界を発生するステータと、
前記複数の磁界のうちの第１磁界によって駆動される第１ロータと、
前記複数の磁界のうちの第２磁界によって前記ステータと前記第１ロータ間の磁気抵抗を変更する磁気抵抗変更機構と、を備え、
前記第１ロータは、径方向空隙を介して前記ステータに対向配置され、
前記磁気抵抗可変機構は、前記第２磁界によって軸方向力を発生して前記第１ロータを軸方向移動させ、前記径方向空隙の周方向断面積を変更する
ことを特徴とする回転電機。
請求項３に記載の回転電機において、
前記磁気抵抗変更機構は、
径方向空隙を介して前記ステータに対向配置され、前記第２磁界により駆動される第２ロータと、
前記第２ロータの回転力を前記軸方向力に変換する動力変換機構と、を有する
ことを特徴とする回転電機。
請求項２または４に記載の回転電機において、
前記動力変換機構は、前記第２ロータと回転軸間に形成されたネジ部である
ことを特徴とする回転電機。
請求項２または４に記載の回転電機において、
前記動力変換機構は、前記第２ロータと第１ロータ間に形成されたローディングカム機構である
ことを特徴とする回転電機。