回転電機
【課題】 ティース片の移動量に対し、誘起電圧定数の低減とコイルのインダクタンスの低減の効果が大きく、実用的なサイズで製作できる回転電機を提供する。
【解決手段】 回転自在に支持された回転子と、ステータコアとコイルを備えた固定子とを有する回転電機において、ステータコアは、個々に分割されたティース片とヨーク片を有し、かつ、ティース片とヨーク片は、径方向に対して斜めに分割されており、ティース片は、径方向に移動可能である構成とする。
【解決手段】 回転自在に支持された回転子と、ステータコアとコイルを備えた固定子とを有する回転電機において、ステータコアは、個々に分割されたティース片とヨーク片を有し、かつ、ティース片とヨーク片は、径方向に対して斜めに分割されており、ティース片は、径方向に移動可能である構成とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転自在に支持された概円筒形の回転子と、ステータコアとコイルが設置された固定子を有する回転電機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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、より高速回転域までの運転を求められてきた。しかし、前記回転電機が有する固定された誘起電圧定数やコイルのインダクタンスによる電圧飽和のため、高速回転化には比較的低い限界があった。この課題を解決するために、従来の回転電機には、ステータコアを分割し、ティース部を構成するティース片を径方向に移動させることで、回転子との空隙を変化させ、誘起電圧定数やコイルのインダクタンスを可変できるものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図１５は、第１の従来技術における回転電機を示す説明図であり、特許文献１の図９に示されているものである。
図において、前記回転電機は、マグネット３ａが設置され、回転自在に支持された概円筒形の回転子３と、ティース片２とヨーク片１よりなるステータコアとコイル４が設置された固定子を有する。
ステータコアは、個々に分割されたティース片とヨーク片とからなり、ティース片２とヨーク片１は、ティース片の巾が径方向に対して平行になるように分割され、ティース片を径方向に移動させることにより、ティース片と回転子３との間の空隙を変化させる。
図１５（ａ）に示すように、ティース片が内側にある時、空隙Ｇ１は小さく、図１５（ｂ）に示すように、ティース片が外側にある時、空隙Ｇ２は大きくなるため、ティース片を径方向外側に移動することで、回転子のマグネットより発し、コイル４に鎖交する磁束量を減じることができ、誘起電圧定数やコイルのインダクタンスを低減できる。
このような回転電機は、回転速度が小さい時には空隙を小さくし、回転速度が大きい時には空隙を大きくすることで、低速回転域での高トルクと、高速回転域までの高出力化を両立できる。
【０００４】
従来の、回転電機には、特許文献１に示したように、ティース部全てをティース片として移動するのではなく、ティース部をさらにティース片とティース頭部片とに分割し、ティース頭部片を固定したままティース片のみを径方向に移動させるものもある（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
図１６は、第２の従来技術における回転電機を示す説明図であり、特許文献２の図２に示されているものである。
図において、前記回転電機は、マグネット９が設置され、回転自在に支持された概円筒形の回転子８と、ヨーク片５とティース片６ティース頭部片７とよりなるステータコアとコイル９が設置された固定子１０を有する。
ステータコアは、個々に分割されたティース片とヨーク片とティース頭部片とからなり、ティース片２とヨーク片１は、ティース片の巾が径方向に対して平行になるように分割され、ティース頭部片を固定したままティース片のみを径方向に移動させることにより、ティース片とティース頭部片との間の空隙を変化させる。
ティース片を径方向外側に移動することで、ステータコアが構成するコイル周りの磁気回路を切断し、空隙を増大し、コイル９に鎖交する磁束量を減じることができる。
回転速度が小さい時には空隙を小さくし、回転速度が大きい時には空隙を大きくすることで、低速回転域での高トルクと、高速回転域までの高出力化を両立できることは、特許文献１と同様である。
このように、従来の、回転電機は、１つのティース片の移動に対し、１ヶ所の空隙を変化させているのである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−０５７９４１号公報（図９）
【特許文献２】特許第４０８２１８２号公報（図２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に示した、従来の回転電機は、低速回転域での高トルクと、高速回転域までの高出力化を両立するため、ティース部を構成するティース片を径方向に移動させることで、１つのティース片の移動に対し、１ヶ所の空隙を変化させている。
ところで、高速回転域までの高出力化を可能にするには、２つのことが必要である。誘起電圧定数の低減とコイルのインダクタンスの低減である。誘起電圧定数の低減は、高速回転域までの駆動を可能とし、コイルのインダクタンスの低減は、負荷電流を増大し、高出力化を可能とする。前記回転電機は、ティース部を構成するティース片を径方向に移動させることで、ステータコアが構成するコイル周りの磁気回路を切断し、空隙を増大することで、誘起電圧定数の低減とコイルのインダクタンスの低減を実現している。
しかしながら、ステータコアが構成するコイル周りの磁気回路の、１つの空隙を増大して、例えば回転電機の誘起電圧定数を１／３以下とするには、ティース片の移動量を比較的大きくする必要がある。そのため、回転電機の外形状は、相当に大きくなるという課題がある。
また、ティース片を移動する機構については示されていないため、実際に製作しようとした場合、実用的なサイズでの製作が、可能か否かは不明である。
【０００８】
特許文献２に示した、従来の別の回転電機も、ティース部を構成するティース片を径方向に移動させることで、１つのティース片の移動に対し、１ヶ所の空隙を変化させている。そのため、回転電機の外形状は、相当に大きくなるという課題がある。
また、ティース片を移動する機構については、ラックとピニオンを用いる構成図が示されているものの、ティース毎に説明されているような複雑な移動機構を有する回転電機を、実際に製作しようとした場合、実用的なサイズでの製作が、可能か否かは不明である。
【０００９】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、ティース片の移動量に対し、誘起電圧定数の低減とコイルのインダクタンスの低減の効果が大きく、実用的なサイズで製作できる回転電機を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したものである。
請求項１に記載の発明は、
回転自在に支持された概円筒形の回転子と、ステータコアとコイルが設置された固定子を有する回転電機において、
ステータコアは、個々に分割されたティース片とヨーク片からなり、
ティース片とヨーク片は、径方向に対して斜めに分割され、ティース片を径方向に移動させることにより、ティース片の両側において、ヨーク片との間の空隙を変化させることを特徴とするものである。
また、請求項２に記載の発明は、
前記ティース片は、ティース片を貫くピンをリング形状部品のカム溝に取り付け、リング形状部品を回動させることにより、ティース片を径方向に移動させることを特徴とするものである。
また、請求項３に記載の発明は、
前記ティース片は、負荷側ブラケットに固定されたコイルの内側に、径方向に移動自在に装着することを特徴とするものである。
また、請求項４に記載の発明は、
前記リング形状部品は、固定されたコイルの、コイルエンド部の外側に、周方向に回転自在に装着することを特徴とするものである。
また、請求項５に記載の発明は、
前記リング形状部品は、ティース片の軸方向両側に装着することを特徴とするものである。
また、請求項６に記載の発明は、
前記リング形状部品を、任意に回動する手段を設けることを特徴とするものである。
また、請求項７に記載の発明は、
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ものである。
また、請求項８に記載の発明は、
前記ティース片を貫くピンは、非導電性材料よりなることを特徴とするものである。
また、請求項９に記載の発明は、
前記ティース片を径方向外側に移動することで、ステータコアが構成するコイル周りの磁気回路を、１つのティース片の移動に対し、２ヶ所以上切断し、空隙を増大することを特徴とするものである。
また、請求項１０に記載の発明は、
請求項１記載のティース片の内側であり、回転子の外側に、ギャップを介して固定されたリング状の電磁鋼板積層部品を設けることを特徴とするものである。
また、請求項１１に記載の発明は、
請求項１記載のティース片が最も内側に位置するとき、ティース片の内側が上記電磁鋼板積層部品に接することを特徴とする回転電機とするものである。
また、請求項１２に記載の発明は、
前記回転電機は、回転子にマグネットを有する永久磁石式同期機であることを特徴とするものである。
また、請求項１３に記載の発明は、
前記回転電機は、回転子に磁気的な突極性を有するリラクタンス電動機であることを特徴とするものである。
また、請求項１４に記載の発明は、
前記回転電機は、回転子に２次導体を有する誘導電動機であることを特徴とするものである。
また、請求項１５に記載の発明は、
請求項１記載の回転電機を有する車両とするものである。
また、請求項１６に記載の発明は、
請求項１記載の回転電機を有する風力発電装置とするものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、次のような効果がある。
請求項１に記載の発明によると、
ティース片の両側において、ヨーク片との間の空隙を変化させるため、ティース片の移動量に対し、誘起電圧定数の低減とコイルのインダクタンスの低減の効果が大きく、実用的なサイズで製作できる回転電機を提供できる。
また、請求項２に記載の発明によると、
リング形状部品を回動させることにより、ティース片を径方向に移動させるため、ティース片を移動する機構が簡素であり、実用的なサイズで製作できる回転電機を提供できる。
また、請求項３に記載の発明によると、
前記ティース片は、負荷側ブラケットに固定されたコイルの内側に、径方向に移動自在に装着するため、コイルで発生した熱の負荷側ブラケットへの放熱が良好で、組立が容易な回転電機を提供できる。
また、請求項４に記載の発明によると、
前記リング形状部品は、ティース片を移動する機構として大きなスペースを必要とせず、実用的なサイズで製作できる回転電機を提供できる。
また、請求項５に記載の発明によると、
前記リング形状部品は、ティース片の軸方向両側に装着するため、ティース片の移動が滑らかな回転電機を提供できる。
また、請求項６に記載の発明によると、
コイルに鎖交する磁束量を所望の値とするために、前記リング形状部品を、任意に回動する手段を設けるため、制御性の良い回転電機を提供できる。
また、請求項７に記載の発明によると、
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ため、電気的に制御性の良い回転電機を提供できる。
また、請求項８に記載の発明によると、
前記ティース片を貫くピンは、非導電性材料よりなるため、ティース片を軸方向に流れる渦電流の発生がなく、効率の良い回転電機を提供できる。
また、請求項９に記載の発明によると、
ステータコアが構成するコイル周りの磁気回路を、１つのティース片の移動に対し、２ヶ所以上切断し、空隙を増大するため、コイルに鎖交する磁束量を大きく変化させることができ、ティース片の移動量を大きくする必要がなく、実用的なサイズで製作できる回転電機を提供できる。
また、請求項１０に記載の発明によると、
リング状の電磁鋼板積層部品を設けるため、コギングトルクの低減が容易な回転電機を提供できる。
また、請求項１１に記載の発明によると、
ティース片が最も内側に位置するとき、ティース片の内側が上記電磁鋼板積層部品に接するため、コギングトルクの低減が容易な回転電機を提供できる。
また、請求項１２に記載の発明によると、
誘起電圧定数の低減とコイルのインダクタンスの低減の効果が大きいため、高速回転域までの高出力化を可能とする永久磁石式同期機を提供できる。
また、請求項１３に記載の発明によると、
コイルのインダクタンスの低減の効果が大きいため、高速回転域までの高出力化を可能とするリラクタンス電動機を提供できる。
また、請求項１４に記載の発明によると、
コイルのインダクタンスの低減の効果が大きいため、高速回転域までの高出力化を可能とする誘導電動機を提供できる。
また、請求項１５に記載の発明によると、
実用的なサイズの回転電機を有するため、電気消費量が少なく、搭載の自由度が高い電気自動車などの車両を提供できる。
また、請求項１６に記載の発明によると、
実用的なサイズの回転電機を有するため、変化の大きい風力を効率よく電力に変換し、搭載の自由度が高い風力発電装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１実施例を示す回転電機の正断面図である。
【図２】本発明の第１実施例を示す回転電機の正断面図である。
【図３】ステータコアが構成するコイル周りの磁気回路の説明図である。
【図４】ステータコアが構成するコイル周りの磁気回路の説明図である。
【図５】ティース片を径方向に移動させる構造の説明図である。
【図６】ティース片を径方向に移動させる構造の拡大図である。
【図７】回転電機システムの構成図である。
【図８】回転電機の磁界解析図である。
【図９】本発明の第２実施例を示す回転電機のステータコアが構成するコイル周りの磁気回路の説明図である。
【図１０】ステータコアが構成するコイル周りの磁気回路の説明図である。
【図１１】回転電機を、電気自動車用電動機または発電機に供する場合の構成図である。
【図１２】回転電機を、風力発電装置に供する場合の構成図である。
【図１３】本発明の第３実施例における回転電機の、電磁部の構造を示す説明図である。
【図１４】本発明の第４実施例における回転電機の、電磁部の構造を示す説明図である。
【図１５】第１の従来技術における回転電機を示す説明図である。
【図１６】第２の従来技術における回転電機を示す説明図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
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。
【実施例１】
【００１４】
図１は、電気自動車用電動機または発電機に供する、本発明の第１実施例を示す回転電機の正断面図である。
図において、前記回転電機は、マグネット１３が設置され、回転自在に支持された概円筒形の回転子１１と、ステータコア３４ａとコイル２９が設置された固定子３４を有する。
回転子１１は、ロータコア１４に１極あたり２枚のマグネットをＶ字に装着し、８極の磁極を構成した埋込み磁石型構造である。
ステータコア３４ａは、各々１２個に分割されたティース片２８とヨーク片２７からなり、ティース片とヨーク片は、径方向に対して斜めに分割されている。ティース片には、ティース片を貫くようにセラミック製のピン２６が取り付けられている。ティース片の軸方向両側には、想像線で示すように、リング形状部品である負荷側制御リング２４と反負荷側制御リング２５が、コイルの外側に、周方向に回転自在に装着され、前記ピンを、負荷側制御リングのカム溝２４ａと反負荷側制御リングのカム溝２５ａに取り付け、前記制御リングを回動させることにより、ティース片を径方向に移動させる構造となっている。負荷側制御リングと反負荷側制御リングの外周の一部には、各々負荷側制御リングのギヤ部２４ｂと反負荷側制御リングのギヤ部２５ｂが設けられ、想像線で示すように、ギヤ部に係合する制御シャフト２３を回転させることにより、制御リングを回動させ、ティース片を径方向に移動させることができる。
フレーム３３の内側には、コイル２９とヨーク片２７が円周状に配置固定されている。コイルの周りは絶縁材３０で覆われ、ティース片は絶縁材を介して、コイルの内側に、径方向に移動自在に装着されている。
【００１５】
図２は、前記回転電機の軸方向断面図である。
図において、前記回転電機の回転子１１は、マグネット１３がロータコア１４に設置され、ロータコアは負荷側側板１５と反負荷側側板１６とでシャフト１２に固定され、負荷側軸受１７と反負荷側軸受１８を介して、負荷側ブラケット３１と反負荷側ブラケット３２に回転自在に支持されている。
シャフト１２の反負荷側端部には、回転子の回転位置を検出するためのエンコーダ部２０が設置されている。
前記ステータコア３４ａ、負荷側制御リング２４と反負荷側制御リング２５、及び制御シャフト２３は、反負荷側ブラケット３２、フレーム３３及び負荷側ブラケット３１により保持されている。
反負荷側ブラケットは、フレームとともに、図示しないボルトで、負荷側ブラケットに締結されている。
制御シャフト２３は、反負荷側ブラケット３２の外側に設けられた制御モータ２２により回転させる。
【００１６】
コイル２９への通電は、外部より、図示しないリード線を介してコイルのリード部２１より供給される。コイル２９はエナメル線を巻回し融着して成形した空芯コイルであり、コイル外形状は、加圧成形により精度よく製作されている。そのため、負荷側ブラケットに絶縁材３０を介して密着して固定でき、コイルで発生した熱の負荷側ブラケットへの放熱が良好である。コイルの内側も加圧成形により精度よく製作されているため、ティース片は、コイルの内側をガイドとして、精度よく径方向に移動自在に装着できる。また、その他の固定子を構成する部品の組立も容易である。
ティース片の径方向の移動によるコイル内側の絶縁材の磨耗が心配される場合には、耐磨耗性の強い材質で製作されたボビンに巻いたコイルとし、ボビンの内側をガイドとして、ティース片を装着してもよく、コイルを直接負荷側ブラケットに固定せず、ボビンを負荷側ブラケットに固定してもよい。
【００１７】
図３は、前記回転電機のティース片２８が最も外側にある状態でのステータコアが構成するコイル周りの磁気回路の説明図である。
図において、ステータコアが構成するコイル周りの磁気回路を通る、コイル２９に鎖交する磁束とその量を、磁束のイメージＢo として矢印で示している。
各々のティース片が最も外側にある状態では、回転子との空隙が大きく、ティース片の両側において、ヨーク片２７との間の空隙も大きい。そのため、回転子１１のマグネット１３より発し、コイルに鎖交する磁束量が小さいため、誘起電圧は低減された状態となり、ステータコアが構成するコイル周りの磁気回路は４ヶ所で切断されているため、コイルのインダクタンスも低減された状態となる。
【００１８】
一方、図４は、前記回転電機のティース片２８が最も内側にある状態でのステータコアが構成するコイル周りの磁気回路の説明図である。
図において、ステータコアが構成するコイル周りの磁気回路を通る、コイル２９に鎖交する磁束とその量を、磁束のイメージＢｉ として矢印で示している。
各々のティース片が最も内側にある状態では、回転子との空隙が小さく、ティース片の両側において、ティース片はヨーク片２７と密着している。そのため、回転子１１のマグネット１３より発し、コイルに鎖交する磁束量が大きいため、誘起電圧は通常の磁束可変でない回転電機と同じく増大された状態となり、ステータコアが構成するコイル周りの磁気回路も通常の状態となるため、コイルのインダクタンスも通常の増大された状態となる。
このように、本実施例の回転電機は、回転速度が小さい時には空隙を小さくし、回転速度が大きい時には空隙を大きくすることで、誘起電圧定数の低減とコイルのインダクタンスの低減の効果が大きく、低速回転域での高トルクと、高速回転域までの高出力化を両立できる。ティース片とヨーク片は、径方向に対して斜めに分割され、ティース片を径方向に移動させることにより、回転子との空隙を変化させるとともに、ティース片の両側において、ヨーク片との間の空隙を変化させるため、ティース片の移動量に対し、誘起電圧定数の低減とコイルのインダクタンスの低減の効果が大きく、実用的なサイズで製作できる回転電機を提供できる。
【００１９】
図５は、前記回転電機のティース片を径方向に移動させる構造の説明図である。
図において、ティース片２８を貫くピン２６を、負荷側制御リングのカム溝２４ａと反負荷側制御リングのカム溝２５ａに取り付け、前記制御リングを回動させることにより、ティース片を径方向に移動させる構造となっている。負荷側制御リングと反負荷側制御リングの外周の一部には、各々負荷側制御リングのギヤ部２４ｂと反負荷側制御リングのギヤ部２５ｂが設けられ、制御シャフトの負荷側ギヤ部２３ａと反負荷側ギヤ部２３ｂとに係合している。
負荷側制御リングのカム溝２４ａと反負荷側制御リングのカム溝２５ａは、円周方向に対し斜めに設けられており、ティース片は円周方向には移動できないため、制御リングを回転させると、ティース片はピンを介してを径方向に移動させることができる。
前記制御リングは、ティース片の軸方向両側に装着するため、ティース片の移動が滑らかな回転電機を提供できる。ティース片を最も外側から内側に至る任意の位置に移動させ、コイルに鎖交する磁束量を所望の値とするために、前記リング形状部品を、任意に回動する手段として、制御モータを用いるため、電気的に制御性の良い回転電機を提供できる。また、１２個に分割されたティース片を、前記制御リングで一体に移動できる構造であるため、ティース片を移動する機構が簡素であり、大きなスペースを必要とせず、実用的なサイズで製作できる回転電機を提供できる。
【００２０】
図６は、前記回転電機のティース片を径方向に移動させる構造の拡大図である。
図６（ａ）に示すように、想像線で示す負荷側制御リング２４と反負荷側制御リング２５が反時計方向に回動した状態では、ティース片２８が最も外側にある状態であり、図６（ｂ）に示すように、負荷側制御リングと反負荷側制御リングが時計方向に回動した状態では、ティース片が最も内側にある状態となり、各々のティース片とヨーク片２７は密着する。
ステータコアを構成する個々に分割されたティース片とヨーク片は、電磁鋼板を積層してなり、磁束の変化に伴う渦電流の低減につとめている。ティース片を貫くピン２６をセラミック製とする理由も同じであり、渦電流の発生が比較的小さい場合は、鉄製としても良い。負荷側と反負荷側の制御リングは通常鉄製であるが、渦電流の発生が比較的大きい場合は電磁鋼板を積層して製作する。
【００２１】
図７は、回転電機システムの構成図である。
回転電機システムは、回転電機とコントローラＣとで構成される。コントローラは、内部にインバータ回路を有し、前記回転電機のエンコーダ信号Ｐを得て、電源からの電力Ｅを、前記回転電機の駆動電流Ｕ，Ｖ，Ｗに変換して、前記回転電機を駆動する。コントローラは、回転電機に取り付けられた制御モータ２２を駆動して、運転中のあらゆる状態において、磁束を適切に制御するとともに、モータを最適なベクトル制御で駆動する。本実施例では、制御モータとして減速機付きパルスモータを用いており、パルスモータは、各回転速度と負荷トルク毎に予め設定された指令の通りの位置に、フィードバック信号なしに、制御モータへの制御信号Ａにより回転する。
【００２２】
図８は、前記回転電機の磁界解析図であり、ティース片とヨーク片が径方向に対して斜めに分割され、ティース片の両側において、ヨーク片との間の空隙を変化させる効果を示すものである。
図８（ａ）に示すように、ティース片２８が最も内側にある状態では、回転子１１との空隙が小さく、ティース片８の両側において、ティース片８はヨーク片２７と密着している。そのため、回転子１１のマグネット１３より発し、コイル２９に鎖交する磁束量が大きいため、誘起電圧は、通常の移動部分のないステータコアを有する回転電機と同じく、大きい状態となり、ステータコアが構成するコイル周りの磁気回路も通常の状態となるため、コイルのインダクタンスも通常の、大きい状態となる。
図８（ｂ）に示すように、ティース片２８が最も外側にある状態では、回転子１１との空隙が大きく、ティース片２８の両側において、ヨーク片２７との間の空隙も大きい。そのため、回転子１１のマグネットより発し、コイル２９に鎖交する磁束量が小さいため、誘起電圧は低減された状態となり、ステータコアが構成するコイル周りの磁気回路は、４ヶ所で大きな空隙を有するため、コイルのインダクタンスも低減された状態となる。
仮に、図８（ｃ）に示すように、ティース片２８とヨーク片２７が径方向に対して平行に切断され、ティース片２８を径方向に移動させてもティース片２７の両側においてヨーク片２７との間の空隙が生じないような構造であれば、ティース片２８が最も外側にある状態でも、図８（ｂ）に示したほどには、コイル２９に鎖交する磁束量は小さくならず、誘起電圧定数の低減も不十分である。ステータコアが構成するコイル周りの磁気回路は、２ヶ所でのみ大きな空隙を有するため、コイル２９のインダクタンスの低減も不十分であり、十分な高出力化もなし得ない。
このように、特許文献１に示された構造の回転電機で、誘起電圧の充分な低減とコイルのインダクタンスの充分な低減を行うには、本発明の構造より、ティース片の移動量を大きくする必要があり、回転電機の外形状は、相当に大きくなるという課題があった。
【００２３】
以上のように、本実施例の回転電機によれば、ティース片の移動量に対し、誘起電圧定数の低減とコイルのインダクタンスの低減の効果が大きく、実用的なサイズで製作できる回転電機を提供することができるようになる。
本発明が特許文献１と異なる部分は、ティース片を径方向に移動させることにより、回転子との空隙を変化させたのみでなく、ティース片の両側において、ヨーク片との間の空隙を変化させる構造とし、ティース片を径方向に移動させる具体的な構造を示した部分である。
本発明が特許文献２と異なる部分は、ティース片を径方向に移動させることにより、回転子との空隙を変化させたのみでなく、ティース片の両側において、ヨーク片との間の空隙を変化させる構造とし、リング形状部品をもって、全てのティース片を径方向に移動させる簡易な構造を示した部分である。
【実施例２】
【００２４】
図９は、電気自動車用電動機または発電機に供する、第２実施例を示す回転電機の、ティース片が最も外側にある状態でのステータコアが構成するコイル周りの磁気回路の説明図である。
図において、前記回転電機は、マグネット４３が設置され、回転自在に支持された概円筒形の回転子４１と、ステータコア４４ａとコイル４９が設置された固定子４４を有する。
回転子４１は、ロータコア４４に１極あたり２枚のマグネットをＶ字に装着し、８極の磁極を構成した埋込み磁石型構造であり、第１実施例と同じである。
前記回転電機の全体的な構造、及びティース片を径方向に移動させる構造も、第１実施例と同じであるため、以下、第１実施例と異なる部分のみ説明する。
【００２５】
ティース片４８の内側であり、回転子４１の外側には、ギャップを介して、コイル４９とともに、図示しない負荷側ブラケットに固定されたリング状の電磁鋼板積層部品４５が設けられている。ティース片が最も内側に位置するとき、ティース片の内側が前記リング状の電磁鋼板積層部品に接し、ティース片が最も外側に位置するときには、図に示すように、前記リング状の電磁鋼板積層部品との空隙５０を増大させたのみでなく、ティース片の両側において、ヨーク片との間の空隙を増大する。そのため、回転子のマグネットより発し、コイルに鎖交する磁束量が小さいため、誘起電圧は低減された状態となり、ステータコアが構成するコイル周りの磁気回路は４ヶ所で切断されているため、コイルのインダクタンスも低減された状態となる。ステータコアが構成するコイル周りの磁気回路を、１つのティース片の移動に対し、２ヶ所以上切断し、空隙を増大するため、コイルに鎖交する磁束量を大きく変化させることができ、ティース片の移動量を大きくする必要がなく、実用的なサイズで製作できる回転電機を提供できる。
【００２６】
図において、回転子のマグネットより発しステータコアに至る磁束とその量を、磁束のイメージＦo として矢印で示している。
ティースが外側に位置し、磁気回路は４ヶ所で切断されているため、磁束はコイルを鎖交せず、リング状の電磁鋼板積層部品をショートカットするようになる。本発明の実施例１に示したように、磁気回路の磁路抵抗をあげて通りにくくするのではなく、磁路をショートカットさせ、コイルに鎖交する磁束量をより大きく低減させることができる。
【００２７】
一方、図１０は、前記回転電機のティース片４８が最も内側にある状態でのステータコアが構成するコイル周りの磁気回路の説明図である。
図において、回転子４１のマグネット４３より発しステータコアに至る磁束とその量を、磁束のイメージＦｉ として矢印で示している。
各々のティース片が最も内側にある状態では、ティース片の内側が前記リング状の電磁鋼板積層部品に接し、ティース片の両側において、ティース片はヨーク片４７と密着している。そのため、回転子のマグネットより発し、コイルに鎖交する磁束量が大きいため、誘起電圧は通常の磁束可変でない回転電機と同じく増大された状態となり、ステータコアが構成するコイル周りの磁気回路も通常の状態となるため、コイルのインダクタンスも通常の増大された状態となる。
この状態において、リング状の電磁鋼板積層部品４５は、コギングトルクを低減する目的で設けている。
【００２８】
このように、本実施例の回転電機は、回転速度が小さい時には、ステータコアが構成するコイル周りの磁気回路を切断する空隙を小さくし、回転速度が大きい時には、前記空隙を大きくすることで、誘起電圧定数の低減とコイルのインダクタンスの低減の効果が大きく、低速回転域での高トルクと、高速回転域までの高出力化を両立できる。
本発明が第１実施例と異なる部分は、ティース片の内側であり、回転子の外側に、ギャップを介して固定されたリング状の電磁鋼板積層部品を設けた部分である。各々のティース片が最も内側にある状態では、コギングトルクの低減が容易な回転電機を提供できる。一方、各々のティース片が最も外側にある状態では、磁束はコイルを鎖交せず、リング状の電磁鋼板積層部品をショートカットするため、第１実施例に比較して、鉄損が増加する。
【００２９】
図１１は、第１実施例、または第２実施例の回転電機を、電気自動車用電動機または発電機に供する場合の構成図を示すものである。
図において、車両６４上には、前記回転電機６１、コントローラ６２、及びバッテリ６３が搭載され、電気的に接続されている。コントローラは、ドライバの操作を反映し、運転中のあらゆる状態において、磁束を適切に制御するとともに、モータを最適なベクトル制御で駆動する。
実用的なサイズの回転電機を有するため、電気消費量が少なく、搭載の自由度が高い車両（電気自動車を含む）を提供できる。
【００３０】
図１２は、第１実施例、または第２実施例の回転電機を、風力発電装置に供する場合の、構成図を示すものである。
図において、支柱７４上には、前記回転電機７１、及びコントローラ７２が一体的に搭載され、前記回転電機のシャフトには、風車７３が直接、または間接に連結されている。
コントローラは、風速と風向を反映し、運転中のあらゆる状態において、磁束を適切に制御するとともに、モータを最適なベクトル制御で駆動する。
実用的なサイズの回転電機を有するため、変化の大きい風力を効率よく電力に変換し、搭載の自由度が高い風力発電装置を提供できる。
【実施例３】
【００３１】
図１３は、第３実施例を示す回転電機の、ティース片が最も内側にある状態で電磁部の構造を示す説明図である。
前記回転電機の全体的な構造、及びティース片８８を径方向に移動させる構造も、本発明の第１実施例と同じである。本実施例の回転電機が第１実施例と異なる部分は、回転子にマグネットを有する永久磁石式でなく、回転子に磁気的な突極性を有し、マグネットを有しないリラクタンス電動機である部分である。
以下、第１実施例と異なる部分のみ説明する。
回転子８１は、シャフト８２にロータコア８４を固定してなる。ロータコアにはフラックスバリア８４ａとなる空隙が多数設けられており、回転子は、磁気的な突極性を有している。固定子を構成するコイル８９に、通電することにより、リラクタンストルクを発生する回転電機である。
【００３２】
リラクタンス電動機は、本来、高速回転域までの駆動を行い易い電動機である。第１実施例と同様に、ティース片とヨーク片は、径方向に対して斜めに分割され、ティース片を径方向に移動させることにより、ティース片の両側において、ヨーク片との間の空隙を変化させるため、ティース片の移動量に対し、コイルのインダクタンスの低減の効果が大きくなり、リアクタンス電圧が低減することで、負荷電流をより増大することが可能となる。そのため、より高出力化を可能とする実用的なサイズで製作できるリラクタンス電動機を提供することができる。
【実施例４】
【００３３】
図１４は、第４実施例を示す回転電機の、ティース片が最も内側にある状態で電磁部の構造を示す説明図である。
前記回転電機の全体的な構造、及びティース片９８を径方向に移動させる構造も、本発明の第１実施例と同じである。本実施例の回転電機が第１実施例と異なる部分は、回転子にマグネットを有する永久磁石式でなく、回転子に２次導体を有し、マグネットを有しない誘導電動機である部分である。
以下、第１実施例と異なる部分のみ説明する。
回転子９１は、シャフト９２にロータコア９４を固定してなる。ロータコアには２次導体９３が多数設けられており、固定子を構成するコイル９９への通電による回転磁界に対し、回転子の回転が遅れると、２次導体に２次電流が誘導され、駆動トルクを発生する回転電機である。
【００３４】
誘導電動機は、本来、高速回転域までの駆動を行い易い電動機である。第１実施例と同様に、ティース片とヨーク片は、径方向に対して斜めに分割され、ティース片を径方向に移動させることにより、ティース片の両側において、ヨーク片との間の空隙を変化させるため、ティース片の移動量に対し、コイルのインダクタンスの低減の効果が大きくなり、リアクタンス電圧が低減することで、負荷電流をより増大することが可能となる。そのため、より高出力化を可能とする実用的なサイズで製作できる誘導電動機を提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明の回転電機は、高回転域までの広い範囲を効率良く運転できるため、工作機用主軸モータや、掃除機等の家電製品用モータ、電機カンナ等の工具用モータ等、低速回転域での高トルクと、高速回転域までの高出力化が要求される全ての回転電機に、広く適用できる。
【符号の説明】
【００３６】
１１ 回転子
１２ シャフト
１３ マグネット
１４ ロータコア
１５ 負荷側側板
１６ 反負荷側側板
１７ 負荷側軸受
１８ 反負荷側軸受
１９ オイルシール
２０ エンコーダ部
２１ コイルのリード部
２２ 制御モータ
２３ 制御シャフト
２４ 負荷側制御リング
２４ａ 負荷側制御リングのカム溝
２４ｂ 負荷側制御リングのギヤ部
２５ 反負荷側制御リング
２５ａ 負荷側制御リングのカム溝
２５ｂ 負荷側制御リングのギヤ部
２６ ピン
２７ ヨーク片
２８ ティース片
２９ コイル
３０ 絶縁材
３１ 負荷側ブラケット
３２ 反負荷側ブラケット
３３ フレーム
３４ 固定子
３４ａ ステータコア
４５ リング状の電磁鋼板積層部品
６１ 回転電機
６２ コントローラ
６３ バッテリ
６４ 車両
７３ 風車
７４ 支柱
８４ａ フラックスバリア
９３ ２次導体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転自在に支持された概円筒形の回転子と、ステータコアとコイルが設置された固定子を有する回転電機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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、より高速回転域までの運転を求められてきた。しかし、前記回転電機が有する固定された誘起電圧定数やコイルのインダクタンスによる電圧飽和のため、高速回転化には比較的低い限界があった。この課題を解決するために、従来の回転電機には、ステータコアを分割し、ティース部を構成するティース片を径方向に移動させることで、回転子との空隙を変化させ、誘起電圧定数やコイルのインダクタンスを可変できるものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図１５は、第１の従来技術における回転電機を示す説明図であり、特許文献１の図９に示されているものである。
図において、前記回転電機は、マグネット３ａが設置され、回転自在に支持された概円筒形の回転子３と、ティース片２とヨーク片１よりなるステータコアとコイル４が設置された固定子を有する。
ステータコアは、個々に分割されたティース片とヨーク片とからなり、ティース片２とヨーク片１は、ティース片の巾が径方向に対して平行になるように分割され、ティース片を径方向に移動させることにより、ティース片と回転子３との間の空隙を変化させる。
図１５（ａ）に示すように、ティース片が内側にある時、空隙Ｇ１は小さく、図１５（ｂ）に示すように、ティース片が外側にある時、空隙Ｇ２は大きくなるため、ティース片を径方向外側に移動することで、回転子のマグネットより発し、コイル４に鎖交する磁束量を減じることができ、誘起電圧定数やコイルのインダクタンスを低減できる。
このような回転電機は、回転速度が小さい時には空隙を小さくし、回転速度が大きい時には空隙を大きくすることで、低速回転域での高トルクと、高速回転域までの高出力化を両立できる。
【０００４】
従来の、回転電機には、特許文献１に示したように、ティース部全てをティース片として移動するのではなく、ティース部をさらにティース片とティース頭部片とに分割し、ティース頭部片を固定したままティース片のみを径方向に移動させるものもある（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
図１６は、第２の従来技術における回転電機を示す説明図であり、特許文献２の図２に示されているものである。
図において、前記回転電機は、マグネット９が設置され、回転自在に支持された概円筒形の回転子８と、ヨーク片５とティース片６ティース頭部片７とよりなるステータコアとコイル９が設置された固定子１０を有する。
ステータコアは、個々に分割されたティース片とヨーク片とティース頭部片とからなり、ティース片２とヨーク片１は、ティース片の巾が径方向に対して平行になるように分割され、ティース頭部片を固定したままティース片のみを径方向に移動させることにより、ティース片とティース頭部片との間の空隙を変化させる。
ティース片を径方向外側に移動することで、ステータコアが構成するコイル周りの磁気回路を切断し、空隙を増大し、コイル９に鎖交する磁束量を減じることができる。
回転速度が小さい時には空隙を小さくし、回転速度が大きい時には空隙を大きくすることで、低速回転域での高トルクと、高速回転域までの高出力化を両立できることは、特許文献１と同様である。
このように、従来の、回転電機は、１つのティース片の移動に対し、１ヶ所の空隙を変化させているのである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−０５７９４１号公報（図９）
【特許文献２】特許第４０８２１８２号公報（図２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に示した、従来の回転電機は、低速回転域での高トルクと、高速回転域までの高出力化を両立するため、ティース部を構成するティース片を径方向に移動させることで、１つのティース片の移動に対し、１ヶ所の空隙を変化させている。
ところで、高速回転域までの高出力化を可能にするには、２つのことが必要である。誘起電圧定数の低減とコイルのインダクタンスの低減である。誘起電圧定数の低減は、高速回転域までの駆動を可能とし、コイルのインダクタンスの低減は、負荷電流を増大し、高出力化を可能とする。前記回転電機は、ティース部を構成するティース片を径方向に移動させることで、ステータコアが構成するコイル周りの磁気回路を切断し、空隙を増大することで、誘起電圧定数の低減とコイルのインダクタンスの低減を実現している。
しかしながら、ステータコアが構成するコイル周りの磁気回路の、１つの空隙を増大して、例えば回転電機の誘起電圧定数を１／３以下とするには、ティース片の移動量を比較的大きくする必要がある。そのため、回転電機の外形状は、相当に大きくなるという課題がある。
また、ティース片を移動する機構については示されていないため、実際に製作しようとした場合、実用的なサイズでの製作が、可能か否かは不明である。
【０００８】
特許文献２に示した、従来の別の回転電機も、ティース部を構成するティース片を径方向に移動させることで、１つのティース片の移動に対し、１ヶ所の空隙を変化させている。そのため、回転電機の外形状は、相当に大きくなるという課題がある。
また、ティース片を移動する機構については、ラックとピニオンを用いる構成図が示されているものの、ティース毎に説明されているような複雑な移動機構を有する回転電機を、実際に製作しようとした場合、実用的なサイズでの製作が、可能か否かは不明である。
【０００９】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、ティース片の移動量に対し、誘起電圧定数の低減とコイルのインダクタンスの低減の効果が大きく、実用的なサイズで製作できる回転電機を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したものである。
請求項１に記載の発明は、
回転自在に支持された概円筒形の回転子と、ステータコアとコイルが設置された固定子を有する回転電機において、
ステータコアは、個々に分割されたティース片とヨーク片からなり、
ティース片とヨーク片は、径方向に対して斜めに分割され、ティース片を径方向に移動させることにより、ティース片の両側において、ヨーク片との間の空隙を変化させることを特徴とするものである。
また、請求項２に記載の発明は、
前記ティース片は、ティース片を貫くピンをリング形状部品のカム溝に取り付け、リング形状部品を回動させることにより、ティース片を径方向に移動させることを特徴とするものである。
また、請求項３に記載の発明は、
前記ティース片は、負荷側ブラケットに固定されたコイルの内側に、径方向に移動自在に装着することを特徴とするものである。
また、請求項４に記載の発明は、
前記リング形状部品は、固定されたコイルの、コイルエンド部の外側に、周方向に回転自在に装着することを特徴とするものである。
また、請求項５に記載の発明は、
前記リング形状部品は、ティース片の軸方向両側に装着することを特徴とするものである。
また、請求項６に記載の発明は、
前記リング形状部品を、任意に回動する手段を設けることを特徴とするものである。
また、請求項７に記載の発明は、
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ものである。
また、請求項８に記載の発明は、
前記ティース片を貫くピンは、非導電性材料よりなることを特徴とするものである。
また、請求項９に記載の発明は、
前記ティース片を径方向外側に移動することで、ステータコアが構成するコイル周りの磁気回路を、１つのティース片の移動に対し、２ヶ所以上切断し、空隙を増大することを特徴とするものである。
また、請求項１０に記載の発明は、
請求項１記載のティース片の内側であり、回転子の外側に、ギャップを介して固定されたリング状の電磁鋼板積層部品を設けることを特徴とするものである。
また、請求項１１に記載の発明は、
請求項１記載のティース片が最も内側に位置するとき、ティース片の内側が上記電磁鋼板積層部品に接することを特徴とする回転電機とするものである。
また、請求項１２に記載の発明は、
前記回転電機は、回転子にマグネットを有する永久磁石式同期機であることを特徴とするものである。
また、請求項１３に記載の発明は、
前記回転電機は、回転子に磁気的な突極性を有するリラクタンス電動機であることを特徴とするものである。
また、請求項１４に記載の発明は、
前記回転電機は、回転子に２次導体を有する誘導電動機であることを特徴とするものである。
また、請求項１５に記載の発明は、
請求項１記載の回転電機を有する車両とするものである。
また、請求項１６に記載の発明は、
請求項１記載の回転電機を有する風力発電装置とするものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、次のような効果がある。
請求項１に記載の発明によると、
ティース片の両側において、ヨーク片との間の空隙を変化させるため、ティース片の移動量に対し、誘起電圧定数の低減とコイルのインダクタンスの低減の効果が大きく、実用的なサイズで製作できる回転電機を提供できる。
また、請求項２に記載の発明によると、
リング形状部品を回動させることにより、ティース片を径方向に移動させるため、ティース片を移動する機構が簡素であり、実用的なサイズで製作できる回転電機を提供できる。
また、請求項３に記載の発明によると、
前記ティース片は、負荷側ブラケットに固定されたコイルの内側に、径方向に移動自在に装着するため、コイルで発生した熱の負荷側ブラケットへの放熱が良好で、組立が容易な回転電機を提供できる。
また、請求項４に記載の発明によると、
前記リング形状部品は、ティース片を移動する機構として大きなスペースを必要とせず、実用的なサイズで製作できる回転電機を提供できる。
また、請求項５に記載の発明によると、
前記リング形状部品は、ティース片の軸方向両側に装着するため、ティース片の移動が滑らかな回転電機を提供できる。
また、請求項６に記載の発明によると、
コイルに鎖交する磁束量を所望の値とするために、前記リング形状部品を、任意に回動する手段を設けるため、制御性の良い回転電機を提供できる。
また、請求項７に記載の発明によると、
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ため、電気的に制御性の良い回転電機を提供できる。
また、請求項８に記載の発明によると、
前記ティース片を貫くピンは、非導電性材料よりなるため、ティース片を軸方向に流れる渦電流の発生がなく、効率の良い回転電機を提供できる。
また、請求項９に記載の発明によると、
ステータコアが構成するコイル周りの磁気回路を、１つのティース片の移動に対し、２ヶ所以上切断し、空隙を増大するため、コイルに鎖交する磁束量を大きく変化させることができ、ティース片の移動量を大きくする必要がなく、実用的なサイズで製作できる回転電機を提供できる。
また、請求項１０に記載の発明によると、
リング状の電磁鋼板積層部品を設けるため、コギングトルクの低減が容易な回転電機を提供できる。
また、請求項１１に記載の発明によると、
ティース片が最も内側に位置するとき、ティース片の内側が上記電磁鋼板積層部品に接するため、コギングトルクの低減が容易な回転電機を提供できる。
また、請求項１２に記載の発明によると、
誘起電圧定数の低減とコイルのインダクタンスの低減の効果が大きいため、高速回転域までの高出力化を可能とする永久磁石式同期機を提供できる。
また、請求項１３に記載の発明によると、
コイルのインダクタンスの低減の効果が大きいため、高速回転域までの高出力化を可能とするリラクタンス電動機を提供できる。
また、請求項１４に記載の発明によると、
コイルのインダクタンスの低減の効果が大きいため、高速回転域までの高出力化を可能とする誘導電動機を提供できる。
また、請求項１５に記載の発明によると、
実用的なサイズの回転電機を有するため、電気消費量が少なく、搭載の自由度が高い電気自動車などの車両を提供できる。
また、請求項１６に記載の発明によると、
実用的なサイズの回転電機を有するため、変化の大きい風力を効率よく電力に変換し、搭載の自由度が高い風力発電装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１実施例を示す回転電機の正断面図である。
【図２】本発明の第１実施例を示す回転電機の正断面図である。
【図３】ステータコアが構成するコイル周りの磁気回路の説明図である。
【図４】ステータコアが構成するコイル周りの磁気回路の説明図である。
【図５】ティース片を径方向に移動させる構造の説明図である。
【図６】ティース片を径方向に移動させる構造の拡大図である。
【図７】回転電機システムの構成図である。
【図８】回転電機の磁界解析図である。
【図９】本発明の第２実施例を示す回転電機のステータコアが構成するコイル周りの磁気回路の説明図である。
【図１０】ステータコアが構成するコイル周りの磁気回路の説明図である。
【図１１】回転電機を、電気自動車用電動機または発電機に供する場合の構成図である。
【図１２】回転電機を、風力発電装置に供する場合の構成図である。
【図１３】本発明の第３実施例における回転電機の、電磁部の構造を示す説明図である。
【図１４】本発明の第４実施例における回転電機の、電磁部の構造を示す説明図である。
【図１５】第１の従来技術における回転電機を示す説明図である。
【図１６】第２の従来技術における回転電機を示す説明図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
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。
【実施例１】
【００１４】
図１は、電気自動車用電動機または発電機に供する、本発明の第１実施例を示す回転電機の正断面図である。
図において、前記回転電機は、マグネット１３が設置され、回転自在に支持された概円筒形の回転子１１と、ステータコア３４ａとコイル２９が設置された固定子３４を有する。
回転子１１は、ロータコア１４に１極あたり２枚のマグネットをＶ字に装着し、８極の磁極を構成した埋込み磁石型構造である。
ステータコア３４ａは、各々１２個に分割されたティース片２８とヨーク片２７からなり、ティース片とヨーク片は、径方向に対して斜めに分割されている。ティース片には、ティース片を貫くようにセラミック製のピン２６が取り付けられている。ティース片の軸方向両側には、想像線で示すように、リング形状部品である負荷側制御リング２４と反負荷側制御リング２５が、コイルの外側に、周方向に回転自在に装着され、前記ピンを、負荷側制御リングのカム溝２４ａと反負荷側制御リングのカム溝２５ａに取り付け、前記制御リングを回動させることにより、ティース片を径方向に移動させる構造となっている。負荷側制御リングと反負荷側制御リングの外周の一部には、各々負荷側制御リングのギヤ部２４ｂと反負荷側制御リングのギヤ部２５ｂが設けられ、想像線で示すように、ギヤ部に係合する制御シャフト２３を回転させることにより、制御リングを回動させ、ティース片を径方向に移動させることができる。
フレーム３３の内側には、コイル２９とヨーク片２７が円周状に配置固定されている。コイルの周りは絶縁材３０で覆われ、ティース片は絶縁材を介して、コイルの内側に、径方向に移動自在に装着されている。
【００１５】
図２は、前記回転電機の軸方向断面図である。
図において、前記回転電機の回転子１１は、マグネット１３がロータコア１４に設置され、ロータコアは負荷側側板１５と反負荷側側板１６とでシャフト１２に固定され、負荷側軸受１７と反負荷側軸受１８を介して、負荷側ブラケット３１と反負荷側ブラケット３２に回転自在に支持されている。
シャフト１２の反負荷側端部には、回転子の回転位置を検出するためのエンコーダ部２０が設置されている。
前記ステータコア３４ａ、負荷側制御リング２４と反負荷側制御リング２５、及び制御シャフト２３は、反負荷側ブラケット３２、フレーム３３及び負荷側ブラケット３１により保持されている。
反負荷側ブラケットは、フレームとともに、図示しないボルトで、負荷側ブラケットに締結されている。
制御シャフト２３は、反負荷側ブラケット３２の外側に設けられた制御モータ２２により回転させる。
【００１６】
コイル２９への通電は、外部より、図示しないリード線を介してコイルのリード部２１より供給される。コイル２９はエナメル線を巻回し融着して成形した空芯コイルであり、コイル外形状は、加圧成形により精度よく製作されている。そのため、負荷側ブラケットに絶縁材３０を介して密着して固定でき、コイルで発生した熱の負荷側ブラケットへの放熱が良好である。コイルの内側も加圧成形により精度よく製作されているため、ティース片は、コイルの内側をガイドとして、精度よく径方向に移動自在に装着できる。また、その他の固定子を構成する部品の組立も容易である。
ティース片の径方向の移動によるコイル内側の絶縁材の磨耗が心配される場合には、耐磨耗性の強い材質で製作されたボビンに巻いたコイルとし、ボビンの内側をガイドとして、ティース片を装着してもよく、コイルを直接負荷側ブラケットに固定せず、ボビンを負荷側ブラケットに固定してもよい。
【００１７】
図３は、前記回転電機のティース片２８が最も外側にある状態でのステータコアが構成するコイル周りの磁気回路の説明図である。
図において、ステータコアが構成するコイル周りの磁気回路を通る、コイル２９に鎖交する磁束とその量を、磁束のイメージＢo として矢印で示している。
各々のティース片が最も外側にある状態では、回転子との空隙が大きく、ティース片の両側において、ヨーク片２７との間の空隙も大きい。そのため、回転子１１のマグネット１３より発し、コイルに鎖交する磁束量が小さいため、誘起電圧は低減された状態となり、ステータコアが構成するコイル周りの磁気回路は４ヶ所で切断されているため、コイルのインダクタンスも低減された状態となる。
【００１８】
一方、図４は、前記回転電機のティース片２８が最も内側にある状態でのステータコアが構成するコイル周りの磁気回路の説明図である。
図において、ステータコアが構成するコイル周りの磁気回路を通る、コイル２９に鎖交する磁束とその量を、磁束のイメージＢｉ として矢印で示している。
各々のティース片が最も内側にある状態では、回転子との空隙が小さく、ティース片の両側において、ティース片はヨーク片２７と密着している。そのため、回転子１１のマグネット１３より発し、コイルに鎖交する磁束量が大きいため、誘起電圧は通常の磁束可変でない回転電機と同じく増大された状態となり、ステータコアが構成するコイル周りの磁気回路も通常の状態となるため、コイルのインダクタンスも通常の増大された状態となる。
このように、本実施例の回転電機は、回転速度が小さい時には空隙を小さくし、回転速度が大きい時には空隙を大きくすることで、誘起電圧定数の低減とコイルのインダクタンスの低減の効果が大きく、低速回転域での高トルクと、高速回転域までの高出力化を両立できる。ティース片とヨーク片は、径方向に対して斜めに分割され、ティース片を径方向に移動させることにより、回転子との空隙を変化させるとともに、ティース片の両側において、ヨーク片との間の空隙を変化させるため、ティース片の移動量に対し、誘起電圧定数の低減とコイルのインダクタンスの低減の効果が大きく、実用的なサイズで製作できる回転電機を提供できる。
【００１９】
図５は、前記回転電機のティース片を径方向に移動させる構造の説明図である。
図において、ティース片２８を貫くピン２６を、負荷側制御リングのカム溝２４ａと反負荷側制御リングのカム溝２５ａに取り付け、前記制御リングを回動させることにより、ティース片を径方向に移動させる構造となっている。負荷側制御リングと反負荷側制御リングの外周の一部には、各々負荷側制御リングのギヤ部２４ｂと反負荷側制御リングのギヤ部２５ｂが設けられ、制御シャフトの負荷側ギヤ部２３ａと反負荷側ギヤ部２３ｂとに係合している。
負荷側制御リングのカム溝２４ａと反負荷側制御リングのカム溝２５ａは、円周方向に対し斜めに設けられており、ティース片は円周方向には移動できないため、制御リングを回転させると、ティース片はピンを介してを径方向に移動させることができる。
前記制御リングは、ティース片の軸方向両側に装着するため、ティース片の移動が滑らかな回転電機を提供できる。ティース片を最も外側から内側に至る任意の位置に移動させ、コイルに鎖交する磁束量を所望の値とするために、前記リング形状部品を、任意に回動する手段として、制御モータを用いるため、電気的に制御性の良い回転電機を提供できる。また、１２個に分割されたティース片を、前記制御リングで一体に移動できる構造であるため、ティース片を移動する機構が簡素であり、大きなスペースを必要とせず、実用的なサイズで製作できる回転電機を提供できる。
【００２０】
図６は、前記回転電機のティース片を径方向に移動させる構造の拡大図である。
図６（ａ）に示すように、想像線で示す負荷側制御リング２４と反負荷側制御リング２５が反時計方向に回動した状態では、ティース片２８が最も外側にある状態であり、図６（ｂ）に示すように、負荷側制御リングと反負荷側制御リングが時計方向に回動した状態では、ティース片が最も内側にある状態となり、各々のティース片とヨーク片２７は密着する。
ステータコアを構成する個々に分割されたティース片とヨーク片は、電磁鋼板を積層してなり、磁束の変化に伴う渦電流の低減につとめている。ティース片を貫くピン２６をセラミック製とする理由も同じであり、渦電流の発生が比較的小さい場合は、鉄製としても良い。負荷側と反負荷側の制御リングは通常鉄製であるが、渦電流の発生が比較的大きい場合は電磁鋼板を積層して製作する。
【００２１】
図７は、回転電機システムの構成図である。
回転電機システムは、回転電機とコントローラＣとで構成される。コントローラは、内部にインバータ回路を有し、前記回転電機のエンコーダ信号Ｐを得て、電源からの電力Ｅを、前記回転電機の駆動電流Ｕ，Ｖ，Ｗに変換して、前記回転電機を駆動する。コントローラは、回転電機に取り付けられた制御モータ２２を駆動して、運転中のあらゆる状態において、磁束を適切に制御するとともに、モータを最適なベクトル制御で駆動する。本実施例では、制御モータとして減速機付きパルスモータを用いており、パルスモータは、各回転速度と負荷トルク毎に予め設定された指令の通りの位置に、フィードバック信号なしに、制御モータへの制御信号Ａにより回転する。
【００２２】
図８は、前記回転電機の磁界解析図であり、ティース片とヨーク片が径方向に対して斜めに分割され、ティース片の両側において、ヨーク片との間の空隙を変化させる効果を示すものである。
図８（ａ）に示すように、ティース片２８が最も内側にある状態では、回転子１１との空隙が小さく、ティース片８の両側において、ティース片８はヨーク片２７と密着している。そのため、回転子１１のマグネット１３より発し、コイル２９に鎖交する磁束量が大きいため、誘起電圧は、通常の移動部分のないステータコアを有する回転電機と同じく、大きい状態となり、ステータコアが構成するコイル周りの磁気回路も通常の状態となるため、コイルのインダクタンスも通常の、大きい状態となる。
図８（ｂ）に示すように、ティース片２８が最も外側にある状態では、回転子１１との空隙が大きく、ティース片２８の両側において、ヨーク片２７との間の空隙も大きい。そのため、回転子１１のマグネットより発し、コイル２９に鎖交する磁束量が小さいため、誘起電圧は低減された状態となり、ステータコアが構成するコイル周りの磁気回路は、４ヶ所で大きな空隙を有するため、コイルのインダクタンスも低減された状態となる。
仮に、図８（ｃ）に示すように、ティース片２８とヨーク片２７が径方向に対して平行に切断され、ティース片２８を径方向に移動させてもティース片２７の両側においてヨーク片２７との間の空隙が生じないような構造であれば、ティース片２８が最も外側にある状態でも、図８（ｂ）に示したほどには、コイル２９に鎖交する磁束量は小さくならず、誘起電圧定数の低減も不十分である。ステータコアが構成するコイル周りの磁気回路は、２ヶ所でのみ大きな空隙を有するため、コイル２９のインダクタンスの低減も不十分であり、十分な高出力化もなし得ない。
このように、特許文献１に示された構造の回転電機で、誘起電圧の充分な低減とコイルのインダクタンスの充分な低減を行うには、本発明の構造より、ティース片の移動量を大きくする必要があり、回転電機の外形状は、相当に大きくなるという課題があった。
【００２３】
以上のように、本実施例の回転電機によれば、ティース片の移動量に対し、誘起電圧定数の低減とコイルのインダクタンスの低減の効果が大きく、実用的なサイズで製作できる回転電機を提供することができるようになる。
本発明が特許文献１と異なる部分は、ティース片を径方向に移動させることにより、回転子との空隙を変化させたのみでなく、ティース片の両側において、ヨーク片との間の空隙を変化させる構造とし、ティース片を径方向に移動させる具体的な構造を示した部分である。
本発明が特許文献２と異なる部分は、ティース片を径方向に移動させることにより、回転子との空隙を変化させたのみでなく、ティース片の両側において、ヨーク片との間の空隙を変化させる構造とし、リング形状部品をもって、全てのティース片を径方向に移動させる簡易な構造を示した部分である。
【実施例２】
【００２４】
図９は、電気自動車用電動機または発電機に供する、第２実施例を示す回転電機の、ティース片が最も外側にある状態でのステータコアが構成するコイル周りの磁気回路の説明図である。
図において、前記回転電機は、マグネット４３が設置され、回転自在に支持された概円筒形の回転子４１と、ステータコア４４ａとコイル４９が設置された固定子４４を有する。
回転子４１は、ロータコア４４に１極あたり２枚のマグネットをＶ字に装着し、８極の磁極を構成した埋込み磁石型構造であり、第１実施例と同じである。
前記回転電機の全体的な構造、及びティース片を径方向に移動させる構造も、第１実施例と同じであるため、以下、第１実施例と異なる部分のみ説明する。
【００２５】
ティース片４８の内側であり、回転子４１の外側には、ギャップを介して、コイル４９とともに、図示しない負荷側ブラケットに固定されたリング状の電磁鋼板積層部品４５が設けられている。ティース片が最も内側に位置するとき、ティース片の内側が前記リング状の電磁鋼板積層部品に接し、ティース片が最も外側に位置するときには、図に示すように、前記リング状の電磁鋼板積層部品との空隙５０を増大させたのみでなく、ティース片の両側において、ヨーク片との間の空隙を増大する。そのため、回転子のマグネットより発し、コイルに鎖交する磁束量が小さいため、誘起電圧は低減された状態となり、ステータコアが構成するコイル周りの磁気回路は４ヶ所で切断されているため、コイルのインダクタンスも低減された状態となる。ステータコアが構成するコイル周りの磁気回路を、１つのティース片の移動に対し、２ヶ所以上切断し、空隙を増大するため、コイルに鎖交する磁束量を大きく変化させることができ、ティース片の移動量を大きくする必要がなく、実用的なサイズで製作できる回転電機を提供できる。
【００２６】
図において、回転子のマグネットより発しステータコアに至る磁束とその量を、磁束のイメージＦo として矢印で示している。
ティースが外側に位置し、磁気回路は４ヶ所で切断されているため、磁束はコイルを鎖交せず、リング状の電磁鋼板積層部品をショートカットするようになる。本発明の実施例１に示したように、磁気回路の磁路抵抗をあげて通りにくくするのではなく、磁路をショートカットさせ、コイルに鎖交する磁束量をより大きく低減させることができる。
【００２７】
一方、図１０は、前記回転電機のティース片４８が最も内側にある状態でのステータコアが構成するコイル周りの磁気回路の説明図である。
図において、回転子４１のマグネット４３より発しステータコアに至る磁束とその量を、磁束のイメージＦｉ として矢印で示している。
各々のティース片が最も内側にある状態では、ティース片の内側が前記リング状の電磁鋼板積層部品に接し、ティース片の両側において、ティース片はヨーク片４７と密着している。そのため、回転子のマグネットより発し、コイルに鎖交する磁束量が大きいため、誘起電圧は通常の磁束可変でない回転電機と同じく増大された状態となり、ステータコアが構成するコイル周りの磁気回路も通常の状態となるため、コイルのインダクタンスも通常の増大された状態となる。
この状態において、リング状の電磁鋼板積層部品４５は、コギングトルクを低減する目的で設けている。
【００２８】
このように、本実施例の回転電機は、回転速度が小さい時には、ステータコアが構成するコイル周りの磁気回路を切断する空隙を小さくし、回転速度が大きい時には、前記空隙を大きくすることで、誘起電圧定数の低減とコイルのインダクタンスの低減の効果が大きく、低速回転域での高トルクと、高速回転域までの高出力化を両立できる。
本発明が第１実施例と異なる部分は、ティース片の内側であり、回転子の外側に、ギャップを介して固定されたリング状の電磁鋼板積層部品を設けた部分である。各々のティース片が最も内側にある状態では、コギングトルクの低減が容易な回転電機を提供できる。一方、各々のティース片が最も外側にある状態では、磁束はコイルを鎖交せず、リング状の電磁鋼板積層部品をショートカットするため、第１実施例に比較して、鉄損が増加する。
【００２９】
図１１は、第１実施例、または第２実施例の回転電機を、電気自動車用電動機または発電機に供する場合の構成図を示すものである。
図において、車両６４上には、前記回転電機６１、コントローラ６２、及びバッテリ６３が搭載され、電気的に接続されている。コントローラは、ドライバの操作を反映し、運転中のあらゆる状態において、磁束を適切に制御するとともに、モータを最適なベクトル制御で駆動する。
実用的なサイズの回転電機を有するため、電気消費量が少なく、搭載の自由度が高い車両（電気自動車を含む）を提供できる。
【００３０】
図１２は、第１実施例、または第２実施例の回転電機を、風力発電装置に供する場合の、構成図を示すものである。
図において、支柱７４上には、前記回転電機７１、及びコントローラ７２が一体的に搭載され、前記回転電機のシャフトには、風車７３が直接、または間接に連結されている。
コントローラは、風速と風向を反映し、運転中のあらゆる状態において、磁束を適切に制御するとともに、モータを最適なベクトル制御で駆動する。
実用的なサイズの回転電機を有するため、変化の大きい風力を効率よく電力に変換し、搭載の自由度が高い風力発電装置を提供できる。
【実施例３】
【００３１】
図１３は、第３実施例を示す回転電機の、ティース片が最も内側にある状態で電磁部の構造を示す説明図である。
前記回転電機の全体的な構造、及びティース片８８を径方向に移動させる構造も、本発明の第１実施例と同じである。本実施例の回転電機が第１実施例と異なる部分は、回転子にマグネットを有する永久磁石式でなく、回転子に磁気的な突極性を有し、マグネットを有しないリラクタンス電動機である部分である。
以下、第１実施例と異なる部分のみ説明する。
回転子８１は、シャフト８２にロータコア８４を固定してなる。ロータコアにはフラックスバリア８４ａとなる空隙が多数設けられており、回転子は、磁気的な突極性を有している。固定子を構成するコイル８９に、通電することにより、リラクタンストルクを発生する回転電機である。
【００３２】
リラクタンス電動機は、本来、高速回転域までの駆動を行い易い電動機である。第１実施例と同様に、ティース片とヨーク片は、径方向に対して斜めに分割され、ティース片を径方向に移動させることにより、ティース片の両側において、ヨーク片との間の空隙を変化させるため、ティース片の移動量に対し、コイルのインダクタンスの低減の効果が大きくなり、リアクタンス電圧が低減することで、負荷電流をより増大することが可能となる。そのため、より高出力化を可能とする実用的なサイズで製作できるリラクタンス電動機を提供することができる。
【実施例４】
【００３３】
図１４は、第４実施例を示す回転電機の、ティース片が最も内側にある状態で電磁部の構造を示す説明図である。
前記回転電機の全体的な構造、及びティース片９８を径方向に移動させる構造も、本発明の第１実施例と同じである。本実施例の回転電機が第１実施例と異なる部分は、回転子にマグネットを有する永久磁石式でなく、回転子に２次導体を有し、マグネットを有しない誘導電動機である部分である。
以下、第１実施例と異なる部分のみ説明する。
回転子９１は、シャフト９２にロータコア９４を固定してなる。ロータコアには２次導体９３が多数設けられており、固定子を構成するコイル９９への通電による回転磁界に対し、回転子の回転が遅れると、２次導体に２次電流が誘導され、駆動トルクを発生する回転電機である。
【００３４】
誘導電動機は、本来、高速回転域までの駆動を行い易い電動機である。第１実施例と同様に、ティース片とヨーク片は、径方向に対して斜めに分割され、ティース片を径方向に移動させることにより、ティース片の両側において、ヨーク片との間の空隙を変化させるため、ティース片の移動量に対し、コイルのインダクタンスの低減の効果が大きくなり、リアクタンス電圧が低減することで、負荷電流をより増大することが可能となる。そのため、より高出力化を可能とする実用的なサイズで製作できる誘導電動機を提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明の回転電機は、高回転域までの広い範囲を効率良く運転できるため、工作機用主軸モータや、掃除機等の家電製品用モータ、電機カンナ等の工具用モータ等、低速回転域での高トルクと、高速回転域までの高出力化が要求される全ての回転電機に、広く適用できる。
【符号の説明】
【００３６】
１１ 回転子
１２ シャフト
１３ マグネット
１４ ロータコア
１５ 負荷側側板
１６ 反負荷側側板
１７ 負荷側軸受
１８ 反負荷側軸受
１９ オイルシール
２０ エンコーダ部
２１ コイルのリード部
２２ 制御モータ
２３ 制御シャフト
２４ 負荷側制御リング
２４ａ 負荷側制御リングのカム溝
２４ｂ 負荷側制御リングのギヤ部
２５ 反負荷側制御リング
２５ａ 負荷側制御リングのカム溝
２５ｂ 負荷側制御リングのギヤ部
２６ ピン
２７ ヨーク片
２８ ティース片
２９ コイル
３０ 絶縁材
３１ 負荷側ブラケット
３２ 反負荷側ブラケット
３３ フレーム
３４ 固定子
３４ａ ステータコア
４５ リング状の電磁鋼板積層部品
６１ 回転電機
６２ コントローラ
６３ バッテリ
６４ 車両
７３ 風車
７４ 支柱
８４ａ フラックスバリア
９３ ２次導体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転自在に支持された回転子と、ステータコアとコイルを備えた固定子とを有する回転電機において、
前記ステータコアは、個々に分割されたティース片とヨーク片を有し、
かつ、前記ティース片とヨーク片は、径方向に対して斜めに分割されており、
前記ティース片は、径方向に移動可能であることを特徴とする回転電機。
【請求項２】
前記ティース片は、ティース片を貫くピンをリング形状部品のカム溝に取り付け、前記リング形状部品が回動することにより、前記ティース片が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３】
前記ティース片は、負荷側ブラケットに固定されたコイルの内側に、径方向に移動自在に装着することを特徴とする請求項１記載の回転電機。
【請求項４】
前記リング形状部品は、固定されたコイルの、コイルエンド部の外側に、周方向に回転自在に装着することを特徴とする請求項１記載の回転電機。
【請求項５】
前記リング形状部品は、ティース片の軸方向両側に装着することを特徴とする請求項１記載の回転電機。
【請求項６】
前記リング形状部品を、任意に回動する手段を設け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。
【請求項８】
前記ティース片を貫くピンは、非導電性材料よりなることを特徴とする請求項１記載の回転電機。
【請求項９】
前記ティース片を径方向外側に移動することで、ステータコアが構成する磁気回路を、１つのティース片の移動に対し、２ヶ所以上切断し、空隙を増大することを特徴とする請求項１記載の回転電機。
【請求項１０】
請求項１記載のティース片の内側であり、回転子の外側に、ギャップを介して固定されたリング状の電磁鋼板積層部品を設けることを特徴とする請求項１記載の回転電機。
【請求項１１】
請求項１記載のティース片が最も内側に位置するとき、ティース片の内側が上記電磁鋼板積層部品に接することを特徴とする請求項１記載の回転電機。
【請求項１２】
前記回転電機は、回転子にマグネットを有する永久磁石式同期機であることを特徴とする請求項１記載の回転電機。
【請求項１３】
前記回転電機は、回転子に磁気的な突極性を有するリラクタンス電動機であることを特徴とする請求項１記載の回転電機。
【請求項１４】
前記回転電機は、回転子に２次導体を有する誘導電動機であ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記載の回転電機を有する車両。
【請求項１６】
請求項１記載の回転電機を有する風力発電装置。
【請求項１】
回転自在に支持された回転子と、ステータコアとコイルを備えた固定子とを有する回転電機において、
前記ステータコアは、個々に分割されたティース片とヨーク片を有し、
かつ、前記ティース片とヨーク片は、径方向に対して斜めに分割されており、
前記ティース片は、径方向に移動可能であることを特徴とする回転電機。
【請求項２】
前記ティース片は、ティース片を貫くピンをリング形状部品のカム溝に取り付け、前記リング形状部品が回動することにより、前記ティース片が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３】
前記ティース片は、負荷側ブラケットに固定されたコイルの内側に、径方向に移動自在に装着することを特徴とする請求項１記載の回転電機。
【請求項４】
前記リング形状部品は、固定されたコイルの、コイルエンド部の外側に、周方向に回転自在に装着することを特徴とする請求項１記載の回転電機。
【請求項５】
前記リング形状部品は、ティース片の軸方向両側に装着することを特徴とする請求項１記載の回転電機。
【請求項６】
前記リング形状部品を、任意に回動する手段を設け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。
【請求項８】
前記ティース片を貫くピンは、非導電性材料よりなることを特徴とする請求項１記載の回転電機。
【請求項９】
前記ティース片を径方向外側に移動することで、ステータコアが構成する磁気回路を、１つのティース片の移動に対し、２ヶ所以上切断し、空隙を増大することを特徴とする請求項１記載の回転電機。
【請求項１０】
請求項１記載のティース片の内側であり、回転子の外側に、ギャップを介して固定されたリング状の電磁鋼板積層部品を設けることを特徴とする請求項１記載の回転電機。
【請求項１１】
請求項１記載のティース片が最も内側に位置するとき、ティース片の内側が上記電磁鋼板積層部品に接することを特徴とする請求項１記載の回転電機。
【請求項１２】
前記回転電機は、回転子にマグネットを有する永久磁石式同期機であることを特徴とする請求項１記載の回転電機。
【請求項１３】
前記回転電機は、回転子に磁気的な突極性を有するリラクタンス電動機であることを特徴とする請求項１記載の回転電機。
【請求項１４】
前記回転電機は、回転子に２次導体を有する誘導電動機であ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記載の回転電機を有する車両。
【請求項１６】
請求項１記載の回転電機を有する風力発電装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１３−６６２５１（Ｐ２０１３−６６２５１Ａ）
【公開日】平成２５年４月１１日（２０１３．４．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２２５９３（Ｐ２０１０−２２５９３）
【出願日】平成２２年２月３日（２０１０．２．３）
【出願人】（０００００６６２２）株式会社安川電機 (2,482)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月１１日（２０１３．４．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年２月３日（２０１０．２．３）
【出願人】（０００００６６２２）株式会社安川電機 (2,482)
【Ｆターム（参考）】
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