回転電機

【課題】希土類磁石の使用如何に拘わらず、運転領域を飛躍的に拡大するとともに、低速回転から高速回転にいたる全ての回転速度に応じた適切な特性が得られる回転電機を提供できるようにする。
【解決手段】３相Ｙ結線の中性点を有する回転電機において、３相Ｙ結線の中性点は、ステータコイル上を摺動し、ステータコイルの有効巻数を変化させることを特徴とする回転電機とする。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、ＥＶモータや風力発電機のような回転電機などに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の電気自動車や風力発電装置には、永久磁石形回転電機が多く用いられてきた。永久磁石として希土類磁石が多用されるが、近年省資源の観点より希土類磁石を用いない回転電機の要求も多い。
一方、従来の電気自動車や風力発電装置に用いられる回転電機は、低速回転から高速回転にいたる広範囲な運転範囲と、各回転速度におけるより高出力化を求められてきた。しかし、前記回転電機が特性として有する誘起電圧定数やステータコイルのインダクタンスによる電圧飽和のため、最大回転速度のより高速化と各回転速度におけるより高出力化には比較的低い限界があり、運転領域の拡大を妨げてきた。
運転領域を拡大する従来の回転電機の一例としては、特許文献１に記載の回転電機が挙げられる。
【０００３】
特許文献１に記載の回転電機は、各相のステータコイルを２分割し、各々のリード線をモータ外部の切替え機能を有する電気回路に導き、ロータの回転速度に応じて直列結線と並列結線を切替え自在としている。直列結線の状態ではステータコイルは巻数が多い状態となり、大きなトルク定数を有する特性となり低速回転で効率のよい運転が可能になる。逆に誘起電圧定数も大きくなるため高速回転が困難になる。並列結線の状態ではステータコイルは巻数が小さい状態となり、小さなトルク定数を有する特性となるため低速回転では効率のよい運転が困難になる。逆に誘起電圧定数も小さくなるため高速回転が可能になるとともに、負荷電流の導体面積が２倍になるため、ステータコイルの発熱に対して通電可能電流が増大し、その分定格出力も増大できる。
そのため、低速回転では直列結線で運転し、高速回転では並列結線に切り替えることで、運転領域の拡大と、高速回転での定格出力の増大が両立される。
【０００４】
このように、従来の回転電機は、切替え機能を有する電気回路でステータコイルの結線状態を切替えることで、運転領域の拡大を達成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平６−２０５５７３号公報（代表図）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に示した、従来の回転電機は、切替え機能を有する電気回路でステータコイルの直列結線と並列結線の２つの結線状態を切替えることで、低速回転と高速回転に対応していた。
しかしながら、直列結線と並列結線のどちらかの選択のみでは、巻数の変化は２倍に留まり、運転領域の拡大に限界があるとともに低速回転から高速回転にいたる中間の回転速度に応じた適切な特性も得られない。
また、特許文献１に示した技術を、リラクタンスモータ等希土類磁石を用いない回転電機に適用することは可能であるが、インダクタンスのより大きいこの種の回転電機では、電圧飽和のために高速回転における最大出力は極端に低下する。
【０００７】
そこで、本発明は、希土類磁石の使用如何に拘わらず、運転領域を拡大するとともに、低速回転から高速回転にいたる回転速度に応じた適切な特性が得られる回転電機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明の一の観点によれば、回転するロータと、ステータコイルが巻回され、前記ロータとギャップを介して配置されたステータと、前記ステータコイル上を摺動し、当該ステータコイルの有効巻数を変化させる摺動接点と、を備えた回転電機が適用される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、運転領域を拡大するとともに、低速回転から高速回転にいたる回転速度に応じた適切な特性が得られる回転電機を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１実施形態に係る回転電機の軸方向断面図
【図２】中性点スライダーの構造説明図
【図３】中性点スライダーの機能説明図
【図４】ディスクの構造説明図
【図５】別のディスクの構造説明図
【図６】本発明の第２実施形態に係る回転電機の軸方向断面図
【図７】本発明の第２実施形態に係る回転電機の径方向断面図
【図８】負荷側ガイドプレートの構造説明図
【図９】制御リングの構造説明図
【図１０】反負荷側ガイドプレートの構造説明図
【図１１】中性点スライダーの機能説明図
【図１２】スライダーの機能説明図
【図１３】別の負荷側ガイドプレートの構造説明図
【図１４】別の制御リングの構造説明図
【図１５】別のスライダーの機能説明図
【図１６】別の負荷側ガイドプレートの構造説明図
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。なお、同一の構成については同一の符号を付することにより、重複説明を適宜省略する。
【００１２】
＜第１実施形態＞
まず、図１を参照しつつ、本発明の第１実施形態に係るＥＶモータに供する回転電機について説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る回転電機の軸方向断面図である。
【００１３】
図１に示すように、本実施形態に係る回転電機は、ディスク形のロータ４１と、ディスク４５に軸方向に対向するステータを有するアキシャルギャップ形のモータである。
【００１４】
ディスク４５をシャフト４４に固定してなるロータ４１は、負荷側軸受け４８と反負荷側軸受け４９を介して、負荷側ブラケット５０と反負荷側ブラケット５１に回転自在に支持されている。反負荷側のシャフト端部には、回転位置検出用のエンコーダ部４７がエンコーダ保持器４６と共に装着されている。
【００１５】
ステータはロータ４１に対向し、負荷側と反負荷側に円周状に配置されている。負荷側には負荷側ステータコア５２と負荷側ステータコアに装着された負荷側ステータコイル５４が１２組配置されている。反負荷側も同様に、反負荷側ステータコア５３と反負荷側ステータコアに装着された反負荷側ステータコイル５５が１２組配置されている。負荷側ステータコア５２は負荷側ブラケット５０に締結され、反負荷側ステータコア５３は反負荷側ブラケット５１に締結されている。
１２組の負荷側ステータコイル５４と反負荷側ステータコイル５５は、コイル連結部５８で連結されている。負荷電流はステータコイルターミナル５９より供給される。
【００１６】
円周状に配置された反負荷側ステータコイル５５は、内側を同心円加工され、内側を構成する導体の皮膜も除去され、形成された内周面に接して中性点スライダー５６が設けられている。
中性点スライダー５６は、銅製のリング状部品であり３相Ｙ結線の中性点として機能する。中性点スライダー５６は、摺動接点として１２個の反負荷側ステータコイル５５を電気的に連結する。中性点スライダー５６は、ホルダ５７に保持され、図示の位置から最大トルク定数時の中性点スライダーの位置５６a まで摺動可能である。中性点スライダー５６の位置で全てのコイルは連結されるため、中性点スライダー５６が左端にあるときステータコイルの有効巻数は最大となり、回転電機のトルク定数も最大となる。が右端にあるときステータコイルの有効巻数は最小となり、回転電機のトルク定数も最小となる。
【００１７】
制御ギヤ６０は、反負荷側ブラケット５１の円筒部に回転自在に装着され、ギヤ契合する制御モータ６１により左右自在に回転できる。制御ギヤ６０の円筒部外側と円筒状のホルダ５７内側はネジ嵌合されているため、制御ギヤ６０が回転すれば、ホルダ５７は軸方向に移動する。
制御ギヤ６０、ホルダ５７及び中性点スライダー５６が作動する室内には、摺動接点における放電防止のためのオイルが充填されている。ロータ室へのオイル流出は、端板６２で防止している。
ホルダ５７に保持された中性点スライダー５６は、制御ギヤ６０と制御モータ６１により軸方向に自在に位置制御される。低速回転では有効巻数を最大とし、高速回転になるに従って有効巻数を減少させることで、高速回転状態においても電圧飽和を避けることができ、運転領域を拡大するとともに、低速回転から高速回転にいたる回転速度に応じた適切な特性となる回転電機を実現できる。
また、反負荷側ステータコイル５５は、サイズの違う複数の導体を接合してなり、有効巻数が小さくなる右側ほど断面積が大きいため、高速回転になるに従って中性点スライダー５６を移動し有効巻数を減少させることで、負荷電流に対する導体面積が大きくなり、ステータコイルの発熱に対して通電可能電流が増大し、その分定格出力も増大できる。
【００１８】
図２は、中性点スライダーの構造説明図である。
図２に示すように、中性点スライダー５６は、Ｃ形リング状であり、切断部５６b を有し外向きに接圧を有する状態で配置するため、例えばスプリング等の加圧部品を要しない。
中性点スライダーの摺動部５６c は、反負荷側ステータコイル５５の1つのコイル片のみに接触するよう中性点スライダーの一端の狭い範囲に形成されている。
中性点スライダー５６の停止位置は、1つのコイル片のみに接触するよう位置制御されるため、隣り合うコイル片間の短絡状態を、移動状態の短時間のみに限定でき、損失を最小限に止め得る。
中性点スライダー５６は、ホルダの溝部５７c に装着され、ホルダ５７と共に軸方向に移動する。
【００１９】
反負荷側ステータコア５３と反負荷側ステータコイル５５は、モールド樹脂６５で一体に成形される。成形品の内周面には、ホルダの係止部５７b が契合する回転係止溝６５a が設けられている。
ホルダ５７は、軸方向に移動するためのネジ部５７a と、周方向に回転しないための係止部５７b を有するため、回転せずに軸方向のみ移動する。
反負荷側ステータコイル５５は、平角導体を用いたエッジワイズコイルであり、内側を同心円加工され、皮膜を除去されるため、真円度が良く、中性点スライダー５６に良好に密着する。
【００２０】
図３は、中性点スライダーの機能説明図である。
図３に示すように、３相Ｙ結線のステータコイルは、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の負荷側ステータコイル５４Ｕ，５４Ｖ，５４Ｗと、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の反負荷側ステータコイル５５Ｕ，５５Ｖ，５５Ｗに分割され、反負荷側ステータコイルは中性点スライダー５６で連結され３相Ｙ結線の中性点として機能する。本実施例において、中性点スライダー５６は１２個の反負荷側ステータコイル全てを連結しているため、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の負荷側ステータコイルと反負荷側ステータコイルは、各々４個のコイルが並列に接続されている。
中性点スライダー５６は摺動接点であるため、中性点スライダーの移動によりステータコイルの有効巻数は変化する。
【００２１】
図４は、ディスクの構造説明図である。
図４に示すように、ディスク４５は鉄製であり、空隙部４５a と鉄心部４５b が設けられ、リラクタンストルクを利用する構造となっている。
【００２２】
従来の一般的なリラクタンスモータは、高速回転時の低負荷状態において、永久磁石形モータのような無負荷鉄損の発生がなく、低損失となる利点があった。
一方、高速回転時の高負荷状態においては、永久磁石形モータよりインダクタンスの大きいリラクタンスモータは、電圧飽和のために最大出力は極端に低下した。
本発明の第１実施形態に係る回転電機の機構によれば、中性点スライダーの移動によりステータコイルの有効巻数を減少させ、電圧飽和を回避することで運転領域を飛躍的に拡大することができる。また、低速回転から高速回転にいたる全ての回転速度と負荷状態に応じて適切な有効巻数とすることで、例えば最大効率制御を行う等適切な特性が得られる状態を実現できるようになる。
【００２３】
本実施例では、アキシャルギャップ形のリラクタンスモータのディスク構造を示したが、図５に示す、別のディスクの構造説明図のように、永久磁石を用いたディスクに対しても、本発明の効果は有効である。
図５において、ディスク７０は、鉄心部を構成するロータコア７１と、磁極を構成する永久磁石７２が、非磁性金属であるステンレス製のロータフレーム７３に設けられている。そのため、マグネットトルクとリラクタンストルクを利用した高トルクの発生と、それらを頑強に保持するロータフレーム７３による高速回転を両立できる。
【００２４】
以上説明したように、本実施形態に係る回転電機は、中性点スライダーの移動によりステータコイルの有効巻数を任意に変化させ、希土類磁石の使用如何に拘わらず、運転領域を拡大するとともに、低速回転から高速回転にいたる回転速度に応じた適切な特性が得られるようになる。
【００２５】
＜第２実施形態＞
以上、本発明の第１実施形態に係る回転電機ついて説明した。次に、図６を参照しつつ、本発明の第２実施形態に係る回転電機について説明する。図６は、本発明の第２実施形態に係る回転電機の軸方向断面図である。
【００２６】
この第２実施形態に係る回転電機は、ディスク形のロータの代わりに円筒形のロータを有する点で、第１実施形態に係る回転電機と異なり、他の構成は同様に構成される。従って、以下では、説明の便宜上、重複説明を適宜省略し、第１実施形態と異なる点を中心に説明することとする。
【００２７】
ステータを構成するステータコア２２とステータコイル２４は、１２組一体に樹脂モールド成形され、円筒形のロータ１１の外側に設置し、ボルト２３をもって負荷側ブラケット２０に締結されている。
一体成形されたステータコイル２４の反負荷側端面は、平面に切削加工され導体が１ターン毎に露出された状態となっている。形成された平面の露出した１つの導体と接触するように、ステータコイルの有効巻数を変化させるための摺動接点である導電性の中性点スライダー２６が設けられている。
中性点スライダー２６は、負荷側ガイドプレート２７と反負荷側ガイドプレート２８に装着され、制御モータ３１により回動する制御リング３０によって、径方向に任意の位置に移動される。
【００２８】
図７は、本発明の第２実施形態に係る回転電機の径方向断面図である。
図７に示すように、１２個のステータコイル２４が周方向に配置されている。ステータコイルの一方のコイル端２４a が回転電機の外側に形成され、該コイル端と図６に示した中性点スライダー２６間に通電が行われる。
ロータ１１はロータコア１３とシャフト１４より構成され、ロータコアには空隙部１３a と鉄心部１３b が設けられ、リラクタンストルクを利用する構造となっている。
【００２９】
図８は、負荷側ガイドプレート２７の構造説明図である。
図８に示すように、負荷側ガイドプレート２７にはステータコイル２４の端面に対向するように１２箇所の溝部２７b があり、該溝部に中性点スライダー２６が径方向に移動可能に装着されている。
負荷側ガイドプレート２７の内周及び溝部には、１２個の中性点スライダー２６を電気的に連結する導電部２７a が設けられている。負荷側ガイドプレート２７は樹脂製であり、導電部２７aとなる銅板をインサートして射出成形によって製作されている。
負荷側ガイドプレートの溝部２７bの巾に合わせて中性点スライダーの凸部２６c を装着しているため、中性点スライダー２６は回転不能であり、径方向に移動してもステータコイル２４の端面に接触する角度は変化しない。そのため、中性点スライダーの長い接触部が全て１つのコイル片に接触し、大きな接触面積を保つことができる。中性点スライダーのピン部２６b は、図９に示す制御リングの溝部３０a と図１０に示す反負荷側ガイドプレートの溝部２８b に装着される。
【００３０】
図９は、制御リング３０の構造説明図である。
図９に示すように、制御リング３０には図８に示した中性点スライダーのピン部２６bを装着し、制御リング３０の回動により中性点スライダー２６を径方向に移動させるための溝部３０a が設けられている。
【００３１】
図１０は、反負荷側ガイドプレート２８の構造説明図である。
図１０に示すように、反負荷側ガイドプレート２８には中性点スライダーのピン部２６bを装着し、中性点スライダー２６を径方向にのみ移動させるための溝部２８a が設けられている。
隠れ線で示す制御リングのギヤ部３０b に契合する制御モータのシャフト３１a を回転させることにより、制御リングを回動させ、中性点スライダー２６を径方向に移動できる。
負荷側ガイドプレート２７、制御リング３０、反負荷側ガイドプレート２８及び中性点スライダー２６が作動する室内には、摺動接点における放電防止のためのオイルが充填されている。
【００３２】
図１１は、中性点スライダーの機能説明図である。
図１１に示すように、１２個のステータコイル２４は、コイル端Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３，Ｕ４が並列にＵ相に接続され、Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４が並列にＶ相に接続され、Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４が並列にＷ相に接続されている。ステータコイル２４上を摺動する中性点スライダー２６は、図８に示した負荷側ガイドプレートの導電部２７a で連結されているため、中性点スライダーの摺動接点が３相Ｙ結線の中性点として機能する。
【００３３】
本実施形態に係る回転電機では、１２個のステータコイルを並列結線したが、図１２に示すスライダーの機能説明図のように、１２個のステータコイルを直列結線し、スライダー３３と負荷側ガイドプレートの導電部３５a をリード線３４で連結すれば、３相Ｙ結線の中性点に限らず、一般的にステータコイルの有効巻数を変化することができる。並列結線ではステータコイルの巻数が大きくなり摺動部の接触面積を確保しづらい場合、直列結線とすれば巻数を小さくできる。
図において、１２個のスライダー３３のうち、Ｕ４，Ｖ４，Ｗ４の位置にあるスライダーのみが中性点となり、負荷側ガイドプレートの構造説明図は図１３に示すものとなる。
【００３４】
また、図１４に示すに示すように、ステータコイルを移動させる１２個の溝部の形状を、同一でなく変化させても良い。図に示す溝部も用いた場合には、制御リングを回動させることで、Ｕ相のコイルは、Ｕ４，Ｕ３，Ｕ２，Ｕ１の順番に有効巻数を減少させることができる。
【００３５】
また、例えばスイッチトリラクタンスモータのように３相Ｙ結線を用いず、Ａ，Ｂ，Ｃの３相に接続したステータコイルを個別に通電する場合には、図１５に示す別のスライダーの機能説明図のように、直列結線された各相のステータコイル３７の端部とスライダー３８をリード線３９で連結し、モータ外部の電気回路に導いても良い。
その場合、負荷側ガイドプレートの構造説明図は、図１６に示すようになる。
【００３６】
スライダーを移動し有効巻数を変化させることで、希土類磁石の使用如何に拘わらず、運転領域を拡大するとともに、低速回転から高速回転にいたる回転速度に応じた適切な特性が得られる回転電機を実現できることは第１実施形態と同様である。
【００３７】
以上説明したように、本実施形態に係る回転電機は、ステータコイルの反負荷側端面に摺動接点を設けることにより、運転領域を拡大する作用・効果に加えて更に、３相Ｙ結線の中性点に限らず、一般的にステータコイルの有効巻数を複雑に変化することができる。このことは、設計の自由度増大にもつながり、本発明を適用できる回転電機の範囲を拡大する。
【００３８】
以上、本発明の実施形態について説明した。ただし、いわゆる当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、上記実施形態から適宜変更が可能であり、また、上記実施形態と変更例による手法を適宜組み合わせて利用することも可能である。すなわち、このような変更等が施された技術であっても、本発明の技術的範囲に含まれることは言うまでもない
【符号の説明】
【００３９】
４１ロータ
４４シャフト
４５ディスク
４５a 空隙部
４５b 鉄心部
４６エンコーダ保持器
４７エンコーダ部
４８負荷側軸受け
４９反負荷側軸受け
５０負荷側ブラケット
５１反負荷側ブラケット
５２負荷側ステータコア
５３反負荷側ステータコア
５４負荷側ステータコイル
５４Ｕ，５４Ｖ，５４ＷＵ相，Ｖ相，Ｗ相の負荷側ステータコイル
５５反負荷側ステータコイル
５５Ｕ，５５Ｖ，５５ＷＵ相，Ｖ相，Ｗ相の反負荷側ステータコイル
５６中性点スライダー
５６a 最大トルク定数時の中性点スライダーの位置
５６a 中性点スライダーの切断部
５６a 中性点スライダーの摺動部
５７ホルダ
５７a ネジ部
５７b 係止部
５７c 溝部
５８コイル連結部
５９ステータコイルターミナル
５９Ｕ，５９Ｖ，５９ＷＵ相，Ｖ相，Ｗ相のコイルターミナル
６０制御ギヤ
６１制御モータ
６２端板
６５モールド樹脂
６５a 回転係止溝
７０ディスク７１ロータコア
７２永久磁石７３ロータフレーム

【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータと、
ステータと、
複数のステータコイル上を摺動し、当該ステータコイルの有効巻数を変化させる摺動接点と、
を備えた回転電機。
【請求項２】
ディスク形のロータと、該ロータに軸方向に対向するステータを有するアキシャルギャップ形の回転電機において、
３相Ｙ結線の中性点は、摺動接点により連結されたことを特徴とする回転電機。
【請求項３】
前記摺動接点は、円周状に配置されたステータコイルの内側に接して配置されたことを特徴とする請求項１記載の回転電機。
【請求項４】
前記摺動接点は、モータ駆動により位置制御されることを特徴とする請求項１記載の回転電機。
【請求項５】
前記摺動接点は、Ｃ形リング状であり、外向きに接圧を有する状態で配置されたことを特徴とする請求項１記載の回転電機。
【請求項６】
前記摺動接点の停止位置は、1つのコイル片のみに接触するよう位置制御されることを特徴とする請求項１記載の回転電機。
【請求項７】
前記摺動接点は、オイル中に配置されたことを特徴とする請求項１記載の回転電機。
【請求項８】
前記摺動接点のホルダは、軸方向に移動するためのネジ部と、周方向に回転しないための係止部を有する特徴とする請求項１記載の回転電機。
【請求項９】
前記ステータコイルは、平角線のエッジワイズコイルであり、内側を同心円加工され、皮膜を除去されされたことを特徴とする請求項１記載の回転電機。
【請求項１０】
前記ステータコイルは、サイズの違う複数の導体を接合してなることを特徴とする請求項１記載の回転電機。
【請求項１１】
前記ステータコイルの導体は、巻数が小さい側ほど断面積が大きいことを特徴とする請求項１記載の回転電機。
【請求項１２】
前記ロータの磁極は、鉄心部と、マグネット部と、非磁性部とで構成されたことを特徴とする請求項１記載の回転電機。
【請求項１３】
前記ロータの磁極は、鉄心部のみで構成されたことを特徴とする請求項１記載の回転電機。
【請求項１４】
前記ロータの回転速度が上昇するほど、前記ステータコイルの有効巻数が小さくなるように摺動接点を位置制御することを特徴とする請求項１記載の回転電機。
【請求項１５】
請求項１記載の回転電機を用いた風力発電機。
【請求項１６】
請求項１記載の回転電機を用いたＥＶモータ。
【請求項１７】
円筒形のロータと、該ロータに径方向に対向するステータを有する回転電機において、
ステータコイルの摺動接点は、カム溝を設けたリング形状部品が回動することにより、径方向に移動することを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
【請求項１８】
前記リング形状部品を回動する手段として、制御モータを用いることを特徴とする請求項１記載の回転電機。

【図１】